(57)【要約】【課題】分布定数回路の任意の位置において磁界の検出を行うことが可能な磁気検出装置、伝送線路及び磁気検出方法を提供する。【解決手段】本開示に係る磁気検出装置１は、磁性材を含む線状の第１導体１１を備える伝送線路１０と、伝送線路１０に入射波としてパルスを入力する信号発生器３０と、伝送線路１０の磁界印加位置においてインピーダンス不整合により生じた反射波と入射波とを検出する演算装置２０と、を備え、演算装置２０は、入射波と反射波とに基づいて、伝送線路１０に印加された磁界の位置及び強度を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材を含む線状の第１導体を備える伝送線路と、
前記伝送線路に入射波としてパルスを入力する信号発生器と、
前記伝送線路の磁界印加位置においてインピーダンス不整合により生じた反射波と、前記入射波とを検出する演算装置と、を備え、
前記演算装置は、前記入射波と前記反射波とに基づいて、前記伝送線路に印加された磁界の位置及び強度を算出する、磁気検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気検出装置において、
前記演算装置は、前記入射波を検出した時間と、前記反射波を検出した時間との差分に基づいて、前記伝送線路に印加された磁界の位置を算出する、磁気検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気検出装置において、
前記演算装置は、前記反射波の振幅に基づいて、前記伝送線路に印加された磁界の強度を算出する、磁気検出装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気検出装置において、
前記演算装置は、
前記伝送線路に磁界が印加されていない状態のデータをオフセットデータとして検出し、
前記伝送線路に磁界が印加されている状態における反射波のデータから前記オフセットデータを引いた差分のデータを、磁界の位置及び強度を算出するための反射波のデータとして用いる、磁気検出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気検出装置において、
前記伝送線路は、
誘電体と、第２導体と、をさらに備え、
同軸ケーブル、平行二線路、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路及び導波管のいずれかである、磁気検出装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気検出装置において、
前記第１導体は、磁性材が略均一に分布する、又は、導体表面に磁性材を含む磁性膜が形成されている、磁気検出装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気検出装置において、
前記伝送線路は、複数の前記第１導体を備える、磁気検出装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気検出装置において、
前記伝送線路にバイアス磁界を印加するコイルをさらに備える、磁気検出装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気検出装置において、
前記パルスは、矩形波状、正弦波状、三角波状及び鋸波状のいずれかである、磁気検出装置。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気検出装置において、
前記信号発生器は、前記入射波として正弦波状のパルスを掃引して前記伝送線路に入力し、
前記演算装置は、
掃引して入力された前記入射波の周波数毎に、前記入射波に対する前記反射波の振幅及び位相差を取得し、
前記入射波に対する前記反射波の前記振幅に基づいて反射率の周波数領域データを生成し、
前記入射波に対する前記反射波の前記位相差に基づいて位相差の周波数領域データを生成し、
前記反射率の周波数領域データ及び前記位相差の周波数領域データを逆フーリエ変換して前記反射波の時間領域データを生成し、前記伝送線路に印加された磁界の位置及び強度を算出する、磁気検出装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気検出装置において、
前記信号発生器は、前記正弦波状のパルスを掃引して前記伝送線路に入力し、
前記演算装置は、前記反射率の周波数領域データ及び前記位相差の周波数領域データを逆フーリエ変換してインパルス応答として前記反射波の時間領域データを生成するか、又は、逆フーリエ変換された前記反射率の周波数領域データ及び前記位相差の周波数領域データを積分してステップ応答として前記反射波の時間領域データを生成する、磁気検出装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の磁気検出装置において、
前記信号発生器は、前記正弦波状のパルスを掃引して前記伝送線路に入力し、
前記演算装置は、前記反射率の周波数領域データ及び前記位相差の周波数領域データについて畳み込み積分処理を行って、逆フーリエ変換を行い、ステップ応答として前記反射波の時間領域データを生成する、磁気検出装置。
【請求項１３】
磁界の検出に使用される伝送線路であって、
磁性材が略均一に分布する、又は、導体表面に磁性材を含む磁性膜が形成されている信号線を備える、伝送線路。
【請求項１４】
磁性材を含む線状の第１導体を備える伝送線路と、信号発生器と、演算装置と、を備える磁気検出装置における磁気検出方法であって、
前記信号発生器が、前記伝送線路に入射波としてパルスを入力するステップと、
前記演算装置が、前記伝送線路の磁界印加位置においてインピーダンス不整合により生じた反射波と、前記入射波とを検出するステップと、
前記演算装置が、前記入射波と前記反射波とに基づいて、前記伝送線路に印加された磁界の位置及び強度を算出するステップと、を含む磁気検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁気検出装置、伝送線路及び磁気検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁界を検出することが可能な磁気検出装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、分布定数回路の内部に、磁界によって透磁率が変化する磁性体を配置する磁界検出装置が開示されている。この磁界検出装置は、磁性体の透磁率が磁界によって変化することに起因する分布定数回路内の電磁場分布の変化を検出することによって、所定の位置における磁界を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１５１５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されている磁界検出装置は、所定の位置における磁界を検出することはできるが、分布定数回路の任意の位置において磁界の検出を行うことができないという課題があった。
【０００６】
そこで、本開示は、分布定数回路の任意の位置において磁界の検出を行うことが可能な磁気検出装置、伝送線路及び磁気検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
幾つかの実施形態に係る磁気検出装置は、磁性材を含む線状の第１導体を備える伝送線路と、前記伝送線路に入射波としてパルスを入力する信号発生器と、前記伝送線路の磁界印加位置においてインピーダンス不整合により生じた反射波と、前記入射波とを検出する演算装置と、を備え、前記演算装置は、前記入射波と前記反射波とに基づいて、前記伝送線路に印加された磁界の位置及び強度を算出する。このような磁気検出装置によれば、分布定数回路の任意の位置において磁界の検出を行うことが可能である。
【０００８】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記演算装置は、前記入射波を検出した時間と、前記反射波を検出した時間との差分に基づいて、前記伝送線路に印加された磁界の位置を算出してもよい。これにより、演算装置は、伝送線路に印加された磁界の位置を精度よく算出することができる。
【０００９】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記演算装置は、前記反射波の振幅に基づいて、前記伝送線路に印加された磁界の強度を算出してもよい。これにより、演算装置は、伝送線路に印加された磁界の強度を精度よく算出することができる。
【００１０】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記演算装置は、前記伝送線路に磁界が印加されていない状態のデータをオフセットデータとして検出し、前記伝送線路に磁界が印加されている状態における反射波のデータから前記オフセットデータを引いた差分のデータを、磁界の位置及び強度を算出するための反射波のデータとして用いてもよい。これにより、演算装置は、伝送線路の構成要素の機械的な公差などにより生じた反射波の影響を低減することができる。
【００１１】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記伝送線路は、誘電体と、第２導体と、をさらに備え、同軸ケーブル、平行二線路、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路及び導波管のいずれかでよい。このように、伝送線路を同軸ケーブルとすることにより、伝送線路に柔軟性を持たせることができる。また、フレキシブル基板により平行二線路、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路又は導波管を構成することにより、伝送線路に柔軟性を持たせることができる。
【００１２】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記第１導体は、磁性材が略均一に分布する、又は、導体表面に磁性材を含む磁性膜が形成されていてもよい。第１導体において、導体表面に磁性材を含む磁性膜が形成されていることにより、ヒステリシスを生じにくくさせることができる。
【００１３】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記伝送線路は、複数の前記第１導体を備えてもよい。このように、伝送線路が、複数の第１導体を備えることにより、伝送線路の抵抗損失を小さくすることができる。
【００１４】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記伝送線路にバイアス磁界を印加するコイルをさらに備えてもよい。このように、伝送線路にバイアス磁界を印加するコイルを備えることにより、正の磁界が印加されたか、負の磁界が印加されたかを判定することができる。
【００１５】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記パルスは、矩形波状、正弦波状、三角波状及び鋸波状のいずれかであってもよい。このように、信号発生器が生成するパルスは多様な形状とすることができる。
【００１６】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記信号発生器は、前記入射波として正弦波状のパルスを掃引して前記伝送線路に入力し、前記演算装置は、掃引して入力された前記入射波の周波数毎に、前記入射波に対する前記反射波の振幅及び位相差を取得し、前記入射波に対する前記反射波の前記振幅に基づいて反射率の周波数領域データを生成し、前記入射波に対する前記反射波の前記位相差に基づいて位相差の周波数領域データを生成し、前記反射率の周波数領域データ及び前記位相差の周波数領域データを逆フーリエ変換して前記反射波の時間領域データを生成し、前記伝送線路に印加された磁界の位置及び強度を算出してもよい。このように、入射波に対する反射波の振幅及び位相差に基づいて反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データを生成することにより、入射波に揺らぎがあっても、揺らぎをキャンセルして入射波に対する反射波のベクトル比を検出することができる。従って、入射波のジッターを除去することができ、時間的な信号の揺らぎの無い、同期の取れた測定を行うことができる。
できる。
【００１７】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記信号発生器は、前記正弦波状のパルスを掃引して前記伝送線路に入力し、前記演算装置は、前記反射率の周波数領域データ及び前記位相差の周波数領域データを逆フーリエ変換してインパルス応答として前記反射波の時間領域データを生成するか、又は、逆フーリエ変換された前記反射率の周波数領域データ及び前記位相差の周波数領域データを積分してステップ応答として前記反射波の時間領域データを生成してもよい。このように、インパルス応答又はステップ応答として反射波の時間領域データを生成することにより、伝送線路に印加された磁界の強度の位置及び強度を精度よく算出することができる。
【００１８】
一実施形態に係る磁気検出装置において、前記信号発生器は、前記正弦波状のパルスを掃引して前記伝送線路に入力し、前記演算装置は、前記反射率の周波数領域データ及び前記位相差の周波数領域データについて畳み込み積分処理を行って、逆フーリエ変換を行い、ステップ応答として前記反射波の時間領域データを生成してもよい。このように、畳み込み積分処理を行うことにより、逆フーリエ変換をしてから積分処理をする場合に比べて、計算にかかる時間を低減することができる。
【００１９】
幾つかの実施形態に係る伝送線路は、磁界の検出に使用される伝送線路であって、磁性材が略均一に分布する、又は、導体表面に磁性材を含む磁性膜が形成されている信号線を備える。このような伝送線路を用いることにより、分布定数回路の任意の位置において磁界の検出を行うことが可能である。
【００２０】
幾つかの実施形態に係る磁気検出方法は、磁性材を含む線状の第１導体を備える伝送線路と、信号発生器と、演算装置と、を備える磁気検出装置における磁気検出方法であって、前記信号発生器が、前記伝送線路に入射波としてパルスを入力するステップと、前記演算装置が、前記伝送線路の磁界印加位置においてインピーダンス不整合により生じた反射波と、前記入射波とを検出するステップと、前記演算装置が、前記入射波と前記反射波とに基づいて、前記伝送線路に印加された磁界の位置及び強度を算出するステップと、を含む。このような磁気検出方法によれば、分布定数回路の任意の位置において磁界の検出を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】一実施形態に係る磁気検出装置の概略構成を示す図である。
【図２】一実施形態に係る伝送線路の概略構成を示す図である。
【図３】図１の磁気検出装置において磁界を検出する様子を示す図である。
【図４】伝送線路を分布定数回路として表した様子を示す図である。
【図５】演算装置が検出する入射波と反射波の一例を示す図である。
【図６】伝送線路に印加された磁界と反射波の振幅との関係を示す図である。
【図７】伝送線路における入射波と反射波の一例を示す図である。
【図８】伝送線路における入射波と反射波の他の例を示す図である。
【図９】同軸ケーブルとして構成された伝送線路の概略構成の他の例を示す図である。
【図１０】同軸ケーブルとして構成されていない伝送線路の例を示す図である。
【図１１】伝送線路の周りに配置されたコイルによってバイアス磁界が印加されている様子を示す図である。
【図１２】バイアス磁界が印加された状態における磁界と反射波の振幅との関係を示す図である。
【図１３】他の実施形態に係る磁気検出装置の概略構成を示す図である。
【図１４】図１３の磁気検出装置において磁界を検出する様子を示す図である。
【図１５】図１３の磁気検出装置における入射波の一例を示す図である。
【図１６】図１３の磁気検出装置における入射波の振幅の一例を示す図である。
【図１７】図１３の磁気検出装置における入射波に対する反射波の反射率及び位相差の一例を示す図である。
【図１８】反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データを反射波の時間領域データに変換した場合の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
なお、本明細書の説明においては、磁界に関する用語を以下のような意味で用いる。
「磁界」：被測定磁界（外部磁界）、環境磁界及びバイアス磁界などを含む総称。
「所定（任意）の位置における磁界」：外部磁界及び環境磁界を含む磁界。
「外部磁界（伝送線路に印加された磁界）」：初期状態にはなく外部から伝送線路に印加される磁界であって、磁石等により生成される磁界。
「環境磁界」：初期状態から伝送線路に印加されている磁界であって、地磁気又は他の電子機器などから発生する磁界。すなわち、外部磁界を測定する際に雑音となる磁界。
「バイアス磁界」：センサ出力に極性を付加したり、直線性を良くしたりするために、コイルなどを用いてセンサに予め印加する磁界。
【００２４】
図１は、一実施形態に係る磁気検出装置１の概略構成を示す図である。磁気検出装置１は、伝送線路１０と、演算装置２０と、信号発生器３０と、コネクタ４０と、終端抵抗５０とを備える。
【００２５】
伝送線路１０は、線状の伝送線路である。伝送線路１０は、所定の特性インピーダンスを有する。伝送線路１０は、例えば、同軸ケーブル又はＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）等として構成してよい。同軸ケーブル又はＦＰＣとして構成することにより、伝送線路１０は、柔軟性を有することができ、容易に曲げることが可能となる。伝送線路１０は、柔軟性を有することにより、測定対象の形状に合わせて自由に設置することができる。
【００２６】
伝送線路１０の一端はコネクタ４０に接続されており、他端は終端抵抗５０に接続されている。伝送線路１０は、他端が終端抵抗５０に接続されているため、信号発生器３０からコネクタ４０を介して入力される入射波に対して、ほとんど反射波を生じさせない。伝送線路１０の他端は、終端抵抗５０の代わりにアッテネータ（減衰器）に接続されていてもよい。
【００２７】
伝送線路１０が同軸ケーブルとして構成されている場合の一例を、図２を参照して説明する。図２に示すように、伝送線路１０は、第１導体（信号線）１１と、誘電体１２と、第２導体（シールド線）１３と、被覆１４とを備える。
【００２８】
第１導体１１は、磁性材を含む線状の導体である。第１導体１１は、少なくとも表面に磁性材を含んでいればよいが、図２に示す例においては、第１導体１１は、略均一に分布した磁性材を含んでいる。
【００２９】
第１導体１１は、保持力が小さく透磁率が高い軟磁性材を含んでよい。第１導体１１は、例えば、アモルファス合金又はパーマロイを含んでよい。
【００３０】
アモルファス合金及びパーマロイは、高透磁率の磁性材を含む。そのため、第１導体１１を備える伝送線路１０は、周方向透磁率及び軸方向透磁率が高くなる。周方向透磁率及び軸方向透磁率が高いため、伝送線路１０は、外部磁界が印加されると、第１導体１１表面における磁気インピーダンス効果及び第１導体１１内部の磁化（磁壁移動）の効果のいずれか一方の効果、又は、両方の効果により、インピーダンスが変化する。
【００３１】
例えば、原子が不規則に配列したアモルファス合金は、Fe基アモルファス合金であるFe-Co-Si-B合金（Feリッチ）、Fe-Si-B-C系合金、Fe-Si-B系合金、Fe-Si-B-Nb-Cu系合金、又はFe-P-B系合金などであってよい。また、アモルファス合金は、Co基アモルファス合金であるFe-Co-Si-B系合金（Coリッチ）、Co-Fe-Cr-Si-B系合金、又はCo-Fe-Mn-Cr-Si-B系合金などであってよい。また、アモルファス合金は、Ni基アモルファス合金であってよい。
【００３２】
例えば、Fe及びNiを主成分とした合金であるパーマロイは、Ni含有量７８．５％の７８−パーマロイ（ＪＩＳ規格：パーマロイＡ）、Ni含有量４５％（４０〜５０％）の４５−パーマロイ（ＪＩＳ規格：パーマロイＢ）、又は７８−パーマロイにMo、Cu若しくはCrなどを添加したパーマロイ（ＪＩＳ規格：パーマロイＣ）などであってよい。
【００３３】
パーマロイの体積抵抗率は、６８μΩｃｍ程度である。これは、銅の体積抵抗率１．６８μΩｃｍの４０倍以上の体積抵抗率である。
【００３４】
第１導体１１は、アモルファス合金及びパーマロイ以外の他の軟磁性材として、Fe-Si-Al系合金（例えばセンダスト）、Fe-Co系合金（例えばパーメンジュール）、Mn-Zn系合金若しくはNi-Zn系合金（例えばソフトフェライト）、又はFe-Si系合金（例えば珪素鋼若しくは電磁鋼）などを含んでよい。
【００３５】
伝送線路１０に印加される磁界が１０［Ｏｅ（エルステッド）］程度の比較的大きい磁界である場合、第１導体１１は、Fe、Ni又はCoなどの単金属を磁性材として含んでよい。
【００３６】
第１導体１１は、ナノ結晶粒をアモルファス相に分散させたナノ結晶軟磁性材を含んでよい。
【００３７】
誘電体１２は、円筒状の形状であり、第１導体１１を覆う。誘電体１２は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）又はポリエチレンなどの絶縁物であってよい。
【００３８】
第２導体１３は、円筒状の形状であり、誘電体１２を覆う。第２導体１３は、例えば、銅線によって構成される網組線であってよい。
【００３９】
被覆１４は、円筒状の形状であり、第２導体１３を覆う。被覆１４は、内部に収容されている第１導体１１、誘電体１２及び第２導体１３を保護する。
【００４０】
第１導体１１、誘電体１２、第２導体１３及び被覆１４は、柔軟性を有する材料で構成されてよい。これにより、伝送線路１０は、柔軟性を有することができる。
【００４１】
演算装置２０は、信号発生器３０からコネクタ４０を介して入力される電圧パルス（以下、単に「パルス」とも称する）を、入射波として検出する。演算装置２０は、伝送線路１０からコネクタ４０を介して入力されるパルスを、反射波として検出する。伝送線路１０において発生する反射波の詳細については後述する。
【００４２】
演算装置２０は、図１に示すように、入力回路２１と、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２２と、制御部２３と、メモリ２４とを備える。
【００４３】
入力回路２１は、信号発生器３０からコネクタ４０を介して入力される入射波を検出する。入力回路２１は、伝送線路１０からコネクタ４０を介して入力される反射波を検出する。入力回路２１は、減衰回路及びプリアンプなどを含む。入力回路２１は、アナログ信号として入力される入射波及び反射波の振幅がＡＤコンバータ２２の入力仕様に対し適切な範囲になるように調整して、振幅調整後のアナログ信号をＡＤコンバータ２２に出力する。
【００４４】
ＡＤコンバータ２２は、入力回路２１から受け取ったアナログ信号をデジタルデータに変換して、制御部２３に出力する。
【００４５】
制御部２３は、演算装置２０の各構成部を制御する。制御部２３は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などのプロセッサとして構成されてよい。制御部２３の機能の詳細については後述する。
【００４６】
メモリ２４は、制御部２３に接続されている。メモリ２４は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ-Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ-Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の任意の記憶装置を有する。メモリ２４は、例えば主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。メモリ２４は、演算装置２０に内蔵されるものに限定されず、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）等のデジタル入出力ポート等によって接続された外付け型の記憶装置であってもよい。
【００４７】
信号発生器３０は、電圧パルスを生成する。信号発生器３０は、コネクタ４０に接続されている。信号発生器３０が生成したパルスは、コネクタ４０を介して、入射波として伝送線路１０に入力される。また、信号発生器３０が生成したパルスは、コネクタ４０において分岐され、演算装置２０に入力される。
【００４８】
信号発生器３０は、パルスとして、短パルス又は立ち上がり時間が高速なパルスを生成してよい。このようなパルスとすることで、演算装置２０が複数の反射波を検出する場合、複数の反射波を分離することが容易となる。また、このようなパルスとすることで、信号発生器３０の消費電力を低減することができる。
【００４９】
信号発生器３０が生成するパルスは、特に限定しないが、例えば、立ち上がり時間が２００［ｐｓ］、パルス幅が５００［ｐｓ］、パルス高さが１［Ｖ］などであってよい。
【００５０】
信号発生器３０が生成するパルスは、任意の形状であってよい。信号発生器３０が生成するパルスは、例えば、矩形波状、正弦波状、三角波状、又は鋸波状などであってよい。
【００５１】
コネクタ４０は、伝送線路１０と、演算装置２０と、信号発生器３０とを相互に接続する。コネクタ４０は、例えば、Ｔ型コネクタであってよい。
【００５２】
図３を参照して、伝送線路１０に磁界が印加された場合に、磁気検出装置１が、伝送線路１０上の磁界印加位置を検出する様子を説明する。図３に示す例においては、伝送線路１０の近傍に磁石６０が配置され、磁石６０が生成する磁界強度Ｈｅｘの外部磁界が、伝送線路１０に印加されている。
【００５３】
伝送線路１０は、磁界強度Ｈｅｘの外部磁界が印加されると、磁界が印加されている磁界印加位置において、磁気インピーダンス効果によりインピーダンスが変化する。以下、磁気インピーダンス効果について説明する。
【００５４】
伝送線路１０は、図４に示すように、等価な分布定数回路として表すことができる。図４において、Ｌは、第１導体１１の単位長さ辺りのインダクタンス成分である。Ｒは、第１導体１１の単位長さ辺りの抵抗成分である。Ｃは、第１導体１１と第２導体１３との間の単位長さ辺りの容量成分である。
【００５５】
伝送線路１０は、磁界強度Ｈｅｘの外部磁界が印加されると、磁界が印加されている磁界印加位置において、第１導体１１の抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌとが変化する。
【００５６】
伝送線路１０の第１導体１１は、信号発生器３０からパルスが入力されると、周方向において一方向に磁化される。ここで、周方向とは、伝送線路１０が延びている方向を軸方向とすると、当該軸方向を中心として回転する方向である。この状態において、図３に示すように、伝送線路１０の軸方向に磁界強度Ｈｅｘの外部磁界が印加されると、周方向に誘起された磁気モーメントが磁界強度Ｈｅｘの外部磁界の印加された方向に沿って回転する。
【００５７】
この磁気モーメントの回転により、第１導体１１の周方向の透磁率が変化する。伝送線路１０のインピーダンスは第１導体１１の周方向の透磁率に依存するため、磁界印加位置における第１導体１１の周方向の透磁率が変化すると、磁界印加位置における伝送線路１０のインピーダンスが変化する。
【００５８】
磁気インピーダンス効果は、表皮効果が顕著な場合（表皮の深さδ＜＜第１導体１１の半径ａ）に、以下の数式（１）で表される。
【００５９】
【数１】
2020060565.tif 000003
ここで、Ｚは伝送線路１０のインピーダンス、ωはパルスを正弦波として近似したときの角周波数、ａは第１導体１１の半径、ρは第１導体１１の電気抵抗率、ＲＤＣは直流抵抗、μは第１導体１１の周方向の透磁率、Ｈｅｘは伝送線路１０に印加されている外部磁界の磁界強度である。ωについてより詳細に説明すると、パルス波形は正弦波の−Ｔ／２〜Ｔ／２（Ｔは正弦波の周期）の時間幅の波形で近似できる。この際、ピークの電圧の高さがＶのパルスは、振幅がＶ／２の正弦波にＶ／２のオフセットが加わった波形となる。そのため、パルスの立ち上がり時間ｔｒ≒Ｔ／２＝１／（２ｆ）となり、角周波数ω＝２πｆとなる。なお、パルスを正弦波として近似するのは一例であり、他の波形で近似してもよい。
【００６０】
数式（１）を参照すると、第１導体１１の周方向の透磁率μが変化すると、インダクタンス成分Ｌだけでなく、抵抗成分Ｒも変化することがわかる。
【００６１】
図３に示すように伝送線路１０に磁石６０によって磁界強度Ｈｅｘの外部磁界が印加されていると、磁界印加位置において、伝送線路１０のインピーダンスが変化する。そのため、この状態で、信号発生器３０から伝送線路１０に入射波としてパルスが入力されると、磁界印加位置におけるインピーダンス不整合により、磁界印加位置において反射波が発生する。
【００６２】
磁界印加位置において発生した反射波は、伝送線路１０内を入射波と逆方向に進行し、コネクタ４０を介して演算装置２０に入力される。
【００６３】
従って、演算装置２０が入射波を検出する時間と、反射波を検出する時間との時間差Δｔは、反射波がコネクタ４０と磁界印加位置との間を往復する時間である。よって、コネクタ４０から磁界印加位置までの距離Ｄは、以下の数式（２）で表される。
【００６４】
【数２】
2020060565.tif 000004
ここで、Ｖｐは伝送線路１０内における電磁波の伝搬速度、αは伝送線路１０内における波長短縮率、ｃは真空中の電磁波の伝搬速度である。
【００６５】
図５に、演算装置２０が、時間差Δｔで、入射波と反射波を検出する様子の一例を示す。
【００６６】
数式（２）において、真空中の電磁波の伝搬速度ｃは、真空中の光速3.0×108［ｍ／ｓ］であり既知である。また、伝送線路１０内における波長短縮率αは、誘電体１２などの伝送線路１０を構成する部材に依存する値であり既知である。従って、演算装置２０の制御部２３は、入射波を検出する時間と、反射波を検出する時間との時間差Δｔに基づいて、コネクタ４０から磁界印加位置までの距離Ｄを算出することができる。すなわち、演算装置２０の制御部２３は、伝送線路１０に印加された磁界の位置を算出することができる。
【００６７】
続いて、磁気検出装置１による、伝送線路１０に印加された磁界の強度の算出について説明する。
【００６８】
上述のように、伝送線路１０に磁界強度Ｈｅｘの外部磁界が印加されると、磁界が印加されている磁界印加位置において、磁気インピーダンス効果によりインピーダンスが変化する。伝送線路１０において、インピーダンスが整合している位置から、インピーダンスが不整合となっている磁界印加位置に入射波が進行すると、反射波が発生する。このときの入射波に対する反射波の反射率ｒは、以下の数式（３）で表される。
【００６９】
【数３】
2020060565.tif 000005
ここで、Ｚｍは伝送線路１０の磁界印加位置におけるインピーダンス、Ｚ０は伝送線路１０のインピーダンスが整合している位置における特性インピーダンス、ΔＺは伝送線路１０の磁界印加位置におけるインピーダンスの変化量である。
【００７０】
また、伝送線路１０において、インピーダンスが整合している位置から、インピーダンスが不整合となっている磁界印加位置に入射波が進行したことにより発生する反射波の電圧ＶＲは、以下の数式（４）で表される。
【００７１】
【数４】
2020060565.tif 000006
ここで、Ｖｉは入射波の電圧である。
【００７２】
数式（４）において、伝送線路１０のインピーダンスが整合している位置における特性インピーダンスＺ０は、既知である。また、入射波の電圧Ｖｉは、信号発生器３０が生成するパルスの振幅であり既知である。従って、演算装置２０の制御部２３は、反射波の電圧ＶＲに基づいて、伝送線路１０の磁界印加位置におけるインピーダンスの変化量ΔＺを算出することができる。
【００７３】
図６に、伝送線路１０に印加された磁界と、反射波の電圧ＶＲとの関係を示す。図６に示すように、伝送線路１０に印加された磁界がゼロであるときは、反射波の電圧ＶＲはゼロである。伝送線路１０に印加された磁界の強度が増えるに従って、反射波の電圧ＶＲが増加していく。
【００７４】
インピーダンスの変化量ΔＺは、伝送線路１０に印加されている外部磁界の磁界強度Ｈｅｘに依存しているため、演算装置２０の制御部２３は、インピーダンスの変化量ΔＺに基づいて、伝送線路１０に印加された磁界の強度を算出することができる。より具体的には、磁気検出装置１は、検出した反射波の電圧ＶＲを数式（４）に代入することによりインピーダンスの変化量ΔＺを算出することができる。磁気検出装置１は、数式（１）のＺにＺ０＋ΔＺを代入することにより伝送線路１０に印加されている磁界強度Ｈｅｘを算出することができる。なお、磁気検出装置１は、磁界強度Ｈｅｘを算出する際、数式（１）を用いるのではなく、数式（１）を近似した式（例えば、直線近似式）を用いて磁界強度Ｈｅｘを算出してもよい。
【００７５】
このように、磁気検出装置１は、入射波を検出する時間と、反射波を検出する時間との時間差Δｔを測定することにより、コネクタ４０から磁界印加位置までの距離Ｄを算出することができる。また、磁気検出装置１は、反射波の電圧ＶＲの振幅を測定することにより、伝送線路１０に印加された磁界の強度を算出することができる。従って、磁気検出装置１は、伝送線路１０における磁界印加位置と、伝送線路１０に印加された磁界の強度とを、同時に算出することができる。
【００７６】
演算装置２０は、伝送線路１０における磁界印加位置と、伝送線路１０に印加された磁界の強度とを算出する際、反射波の電圧ＶＲからオフセットデータを引いた差分のデータを、磁界印加位置及び磁界の強度を算出する際に用いる反射波のデータとして用いてよい。演算装置２０は、伝送線路１０に磁界が印加されていない状態に検出したデータをオフセットデータとして、メモリ２４に保存しておいてよい。演算装置２０は、このように、反射波の電圧ＶＲからオフセットデータを引いた差分のデータを用いることにより、伝送線路１０の構成要素の機械的な公差、伝送線路１０の曲げ等により生じる歪み、及び初期状態から印加されている環境磁界（例えば地磁気又は電子機器などから発生する磁界）などにより生じた反射波の影響を低減することができる。
【００７７】
なお、図３においては、磁石６０が伝送線路１０に外部磁界を印加する場合を例示しているが、伝送線路１０に外部磁界を印加するものは磁石６０に限定されない。例えば、ヘルムホルツコイルによる外部磁界、磁性材料からの漏れによる外部磁界、又は渦電流により生じた外部磁界などが伝送線路１０に印加された場合であっても、磁気検出装置１は、伝送線路１０における磁界印加位置と、伝送線路１０に印加された磁界の強度とを、同時に算出することができる。また、磁気検出装置１は、磁石６０などによって印加された外部磁界だけでなく、地磁気などによる環境磁界を測定対象とすることも可能である。
【００７８】
続いて、図７を参照して、伝送線路１０の磁界印加位置において発生する反射波について、詳細に説明する。
【００７９】
図７（ａ）は、伝送線路１０の磁界印加位置に入射波Ｐ１が到達する前の様子を示す。図７（ｂ）は、伝送線路１０の磁界印加位置に入射波Ｐ１が進入したときの様子を示す。図７（ｃ）は、伝送線路１０の磁界印加位置を入射波Ｐ１が通過したときの様子を示す。
【００８０】
図４に示したように、伝送線路１０は、等価な分布定数回路として表すことができる。伝送線路１０における磁界印加位置をパルスが通過する際は、磁気インピーダンス効果により、磁界印加位置における第１導体１１の抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌとが変化する。そのため、伝送線路１０のインピーダンスは、磁界印加位置において変化する。一般的に、分布定数回路のインピーダンスＺは、以下の数式（５）で表される。
【００８１】
【数５】
2020060565.tif 000007
ここで、Ｇは第１導体１１と第２導体１３との間の単位長さ辺りの漏洩抵抗に相当するコンダクタンス成分であるが、コンダクタンス成分Ｇは微少であるため省略している。
【００８２】
表皮効果が顕著な場合（表皮の深さδ＜＜第１導体１１の半径ａ）、磁気インピーダンス効果を考慮すると、伝送線路１０のインピーダンスＺは、以下の数式（６）で表される。
【００８３】
【数６】
2020060565.tif 000008
【００８４】
図７（ａ）は、伝送線路１０の磁界印加位置に入射波Ｐ１が到達する前であるため、入射波Ｐ１は、伝送線路１０のインピーダンスが一定のところを進行している。そのため、反射波は発生しない。
【００８５】
図７（ｂ）は、伝送線路１０の磁界印加位置に入射波Ｐ１が進入したときの様子を示している。図７（ｂ）に示すように、伝送線路１０の磁界印加位置において、伝送線路１０のインピーダンスは、磁気インピーダンス効果によりΔＺだけ増加し、Ｚ０＋ΔＺとなっている。この場合、伝送線路１０において、入射波Ｐ１は、特性インピーダンスＺ０の線路から、インピーダンスＺ０＋ΔＺの線路に入射するため、正の反射波Ｐ２が発生する。
【００８６】
図７（ｃ）は、伝送線路１０の磁界印加位置を入射波Ｐ１が通過したときの様子を示している。図７（ｃ）においては、図７（ｂ）に示す状態とは逆に、入射波Ｐ１は、インピーダンスＺ０＋ΔＺの線路から、特性インピーダンスＺ０の線路に入射するため、負の反射波Ｐ３が発生する。
【００８７】
このように、伝送線路１０に磁界が印加されると、磁界印加位置において正負の反射波が発生する。図７（ａ）〜図７（ｃ）に示す例においては、入射波Ｐ１のパルス幅に対して、図７（ａ）に示す磁界印加位置の長さＬ１が長いため、正負の反射波が離れて存在している。
【００８８】
演算装置２０は、時間差Δｔを算出する際、正の反射波Ｐ２のピークの時間を用いてよいがこれに限定されない。演算装置２０は、正の反射波Ｐ２の立ち上がり又は立ち下がりの時間を用いてもよい。また、演算装置２０は、負の反射波Ｐ３のピーク、立ち上がり又は立ち下がりの時間を用いてもよい。また、演算装置２０は、正の反射波Ｐ２を用いて算出した時間差と、負の反射波Ｐ３を用いて算出した時間差とを用いて、磁界印加位置の長さＬ１を算出してもよい。
【００８９】
入射波のパルス幅と、磁界印加位置の長さとの関係によっては、正負の反射波が一部重なり合う状態も存在しうる。そのような状態を図８に示す。
【００９０】
図８（ａ）は、伝送線路１０の磁界印加位置に入射波Ｑ１が到達する前の様子を示す。図８（ｂ）は、伝送線路１０の磁界印加位置に入射波Ｑ１が進入したときの様子を示す。図８（ｃ）は、伝送線路１０の磁界印加位置を入射波Ｑ１が通過したときの様子を示す。
【００９１】
図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す例においては、入射波Ｑ１のパルス幅と、図８（ａ）に示す磁界印加位置の長さＬ２とが同等程度である。そのため、図８（ｃ）に示すように、正の反射波Ｑ２と、負の反射波Ｑ３とが一部重なり合う状態となっている。
【００９２】
信号発生器３０が生成するパルスの形状は任意であるが、立ち上がり時間を短くすると、演算装置２０が磁界印加位置を検出する際の位置分解能を高くすることができる。そのため、後述する磁界印加位置が複数の場合において、演算装置２０は、複数の磁界印加位置を明確に分離することができる。一方、パルスの立ち上がり時間を長くすると、パルスの伝送距離が長くなっても入射波及び反射波の減衰が小さくなるため、演算装置２０は、長距離の測定をすることが可能となる。
【００９３】
（磁界印加位置が複数の場合）
伝送線路１０において、複数の位置で磁界が印加されている場合、演算装置２０は、複数の磁界印加位置のそれぞれで生成された反射波について、時間差Δｔ及び反射波の電圧ＶＲを検出する。これにより、磁気検出装置１は、伝送線路１０における複数の磁界印加位置のそれぞれについて、磁界印加位置及び磁界の強度を同時に算出することができる。
【００９４】
（同軸ケーブルの他の例）
図９に、伝送線路１０が同軸ケーブルとして構成されている場合の他の例を示す。図９（ａ）に示す伝送線路１０ａは、第１導体（信号線）１１ａと、誘電体１２ａと、第２導体（シールド線）１３ａと、被覆１４ａとを備える。誘電体１２ａ、第２導体１３ａ及び被覆１４ａは、それぞれ、図２に示した誘電体１２、第２導体１３及び被覆１４と同様の構成である。
【００９５】
第１導体１１ａは、導体１５ａと、磁性膜１６ａとを備える。導体１５ａは、非磁性の導体である。磁性膜１６ａは、磁性材を含む膜であり、導体１５ａの表面に形成されている。磁性膜１６ａが含む磁性材は、図２に示した第１導体１１が含む磁性材と同様の磁性材であってよい。
【００９６】
磁性膜１６ａは、例えば、めっき、蒸着、スパッタリング又はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより、導体１５ａの表面に形成することができる。
【００９７】
第１導体１１ａは、導体１５ａが非磁性の導体であるため、第１導体１１ａの内部において、磁化（磁壁移動）によるインピーダンス変化が起こらない。そのため、第１導体１１ａにおいては、ヒステリシスが生じにくく、高感度で磁界を検出することができる。
【００９８】
図９（ｂ）に示す伝送線路１０ｂは、複数の第１導体（信号線）１１ｂと、誘電体１２ｂと、第２導体（シールド線）１３ｂと、被覆１４ｂとを備える。誘電体１２ｂ、第２導体１３ｂ及び被覆１４ｂは、それぞれ、図２に示した誘電体１２、第２導体１３及び被覆１４と同様の構成である。
【００９９】
複数の第１導体１１ｂの各々の第１導体１１ｂの構成は、図１に示した第１導体１１と同様の構成であってよい。
【０１００】
このように、複数の第１導体１１ｂを束ねた構成とすることで、複数の第１導体１１ｂ全体としての抵抗損失を小さくすることができる。そのため、伝送線路１０ｂが長い場合であっても、入射波及び反射波の減衰を小さくすることができる。したがって、磁気検出装置１は、長い伝送線路１０ｂを備えて、印加された磁界の位置及び強度を測定することが可能となる。
【０１０１】
（伝送線路の他の例）
伝送線路１０は、特性インピーダンスを有する線路であれば、同軸ケーブルとして構成されていなくてもよい。例えば、伝送線路１０は、平行二線路、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路又は導波管として構成されていてもよい。図１０に、伝送線路１０が同軸ケーブルとして構成されていない場合の例を示す。
【０１０２】
図１０（ａ）は、伝送線路１０ｃが平行二線路として構成された場合の断面を示す図である。伝送線路１０ｃは、第１導体（信号線）１１ｃと、誘電体１２ｃと、第２導体（シールド線）１３ｃとを備える。第１導体１１ｃは、図２に示した第１導体１１と同様に磁性材を含む。第１導体１１ｃは、誘電体１２ｃ上に薄膜として形成されている。
【０１０３】
図１０（ｂ）は、伝送線路１０ｄがストリップ線路として構成された場合の断面を示す図である。伝送線路１０ｄは、第１導体（信号線）１１ｄと、誘電体１２ｄと、第２導体（シールド線）１３ｄとを備える。第１導体１１ｄは、図２に示した第１導体１１と同様に磁性材を含む。第１導体１１ｄは、誘電体１２ｄの内部において薄膜として形成されている。
【０１０４】
図１０（ｃ）は、伝送線路１０ｅがマイクロストリップ線路として構成された場合の断面を示す図である。伝送線路１０ｅは、第１導体（信号線）１１ｅと、誘電体１２ｅと、第２導体（シールド線）１３ｅとを備える。第１導体１１ｅは、図２に示した第１導体１１と同様に磁性材を含む。第１導体１１ｅは、誘電体１２ｅ上に薄膜として形成されている。
【０１０５】
図１０（ｄ）は、伝送線路１０ｆがコプレーナ線路として構成された場合の断面を示す図である。伝送線路１０ｆは、第１導体（信号線）１１ｆと、誘電体１２ｆと、第２導体（シールド線）１３ｆとを備える。第１導体１１ｆは、図２に示した第１導体１１と同様に磁性材を含む。第１導体１１ｆは、誘電体１２ｆ上に薄膜として形成されている。
【０１０６】
図１０に示す誘電体１２ｃ〜１２ｆは、図２に示した誘電体１２と同様に、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）又はポリエチレンなどの絶縁物であってよい。
【０１０７】
図１０に示す第２導体１３ｃ〜１３ｆは、図２に示した第２導体１３と同様に、例えば銅を材料として構成されてよい。
【０１０８】
以下、図１０に示したような、薄膜形状の第１導体１１ｃ〜１１ｆを備える伝送線路１０ｃ〜１０ｆにおける磁気インピーダンス効果について説明する。第１導体１１ｃ〜１１ｆの厚さをｄとすると、表皮効果が顕著な場合（表皮の深さδ＜＜ｄ／２）、磁気インピーダンス効果は、以下の数式（７）及び数式（８）で表される。
【０１０９】
【数７】
2020060565.tif 000009
【数８】
2020060565.tif 000010
ここで、wは第１導体１１ｃ〜１１ｆの幅、ｌは第１導体１１ｃ〜１１ｆの長さである。
【０１１０】
図２に示した同軸ケーブルとして構成されている伝送線路１０と同様に、図１０に示す伝送線路１０ｃ〜１０ｆにおいても、磁気モーメントの回転により、第１導体１１ｃ〜１１ｆの周方向の透磁率が変化する。伝送線路１０ｃ〜１０ｆのインピーダンスは第１導体１１ｃ〜１１ｆの周方向の透磁率に依存するため、磁界印加位置における第１導体１１ｃ〜１１ｆの周方向の透磁率が変化すると、磁界印加位置における伝送線路１０ｃ〜１０ｆのインピーダンスが変化する。
【０１１１】
図１０に示す伝送線路１０ｃ〜１０ｆは、例えば、フレキシブル基板により伝送線路１０ｃ〜１０ｆを構成することにより、同軸ケーブルで構成した場合と同様に柔軟性を持たせることができる。
【０１１２】
図１０に示す第１導体１１ｃ〜１１ｆは、図９（ａ）に示した第１導体１１ａと同様に、非磁性の導体の表面に磁性膜が形成された構成であってもよい。
【０１１３】
図１０に示す伝送線路１０ｃ〜１０ｆは、図９（ｂ）に示した伝送線路１０ｂと同様に、それぞれ、複数の第１導体１１ｃ〜１１ｆを含む構成であってもよい。
【０１１４】
（バイアス磁界の印加）
磁気検出装置１は、図１１に示すように、伝送線路１０の周囲にコイル７０を備えていてもよい。コイル７０は、図１１に示すようにバイアス電流を流すことで、伝送線路１０の軸方向（長手方向）にバイアス磁界を印加する。
【０１１５】
このように、コイル７０によって伝送線路１０にバイアス磁界が正の方向に均一に印加されると、伝送線路１０の特性インピーダンスはＺ０からＺ１（Ｚ０＜Ｚ１）になり、伝送線路１０に印加された磁界と反射波の電圧ＶＲとの関係は、図６に示すグラフＶＲ０（Ｈｅｘ）から図１２に示すグラフＶＲ１（Ｈｅｘ）へオフセットされることとなる。伝送線路１０に外部磁界が加えられていない状態では、特性インピーダンスがＺ１で均一となるため、反射波は生じない。外部磁界として正の磁界が印加されると、バイアス磁界に加えて外部磁界が印加されるため、磁界印加部の特性インピーダンスはＺ１＋ΔＺとなり、図７で示すような反射波が生じる。外部磁界として負の磁界が印加されると、バイアス磁界と逆向きに外部磁界が印加されるため、磁界印加部の特性インピーダンスはＺ１−ΔＺとなり、図７の逆相の反射波が生じる。これにより、磁気検出装置１は、伝送線路１０に印加された磁界の強度だけでなく、正の磁界が印加されたか、負の磁界が印加されたかを判定することができる。またバイアス磁界の強度は任意であるが、飽和磁界（図１２のＨｓで示す範囲の磁界）より小さく、センサとして直線性が良くなるような（図１２のＨｓＬで示す範囲が略直線的になるように）バイアス磁界を印加する。
【０１１６】
以上のような一実施形態に係る磁気検出装置１によれば、分布定数回路の任意の位置において磁界の検出を行うことが可能である。より具体的には、磁気検出装置１では、信号発生器３０は、伝送線路１０に入射波としてパルスを入力し、演算装置２０は、伝送線路１０の磁界印加位置においてインピーダンス不整合により生じた反射波と、入射波とを検出する。そして、演算装置２０は、入射波と反射波とに基づいて、伝送線路１０に印加された磁界の位置及び強度を算出する。従って、一実施形態に係る磁気検出装置１は、分布定数回路として表すことができる伝送線路１０の任意の位置において磁界の検出を行うことが可能である。
【０１１７】
また、一実施形態に係る磁気検出装置１によれば、伝送線路１０における磁界印加位置と、伝送線路１０に印加された磁界の強度とを、同時に検出することができるため、伝送線路１０において測定対象から発生した不均一な外部磁界を検出することができる。従って、磁気検出装置１は、測定対象である磁性材の磁化分布により発生した外部磁界、及び測定対象である金属表面の欠陥による磁界分布により発生した外部磁界などを測定することが可能となる。また、磁気検出装置１は、地磁気検出、渦電流探傷、磁気顕微鏡、電流センサ及び脳磁計など、多種多様な計測機器に対して適用可能である。
【０１１８】
また、一実施形態に係る磁気検出装置１によれば、伝送線路１０における複数の磁界印加位置を検出することができる。例えば、従来の磁気センサであるホール素子、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサ、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）センサ、フラックスゲート、ピックアップコイル、ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ＱＵａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）及びＯＰＡＭ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ−Ｐｕｍｐｅｄ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）は、点計測、又は小範囲の面計測であった。そのため、磁界の分布を測定するためには、磁気センサを複数設置する必要があったが、信号処理回路を一つにまとめるためのスイッチング回路を別途容易することが必要となるなど拡張性が低かった。これに対し、一実施形態に係る磁気検出装置１は、複数の磁界印加位置を検出することができるため、一つの装置で磁界の分布を測定することができる。
【０１１９】
また、一実施形態に係る磁気検出装置１によれば、伝送線路１０内の第１導体１１が、アモルファス合金又はパーマロイのような高透磁率の磁性材を含むことにより、１０ｍ［Ｏｅ］程度の微小な磁界を検出することができる。
【０１２０】
（周波数掃引）
図１３は、他の実施形態に係る磁気検出装置２の概略構成を示す図である。他の実施形態に係る磁気検出装置２については、図１に示した磁気検出装置１との相違点について主に説明し、図１に示した磁気検出装置１と同様の内容については適宜説明を省略する。
【０１２１】
磁気検出装置２は、入射波及び反射波に基づくデータについて、先に周波数領域データとして処理をした後に、周波数領域データを時間領域データに変換して処理するという点で、図１に示した磁気検出装置１と相違する。入射波及び反射波について、周波数領域データを時間領域データに変換した後の磁気検出装置２の処理は、図１に示した磁気検出装置１の処理と同様の処理である。
【０１２２】
磁気検出装置２は、測定装置１００と、伝送線路１０と、終端抵抗５０とを備える。伝送線路１０及び終端抵抗５０は、図１に示した伝送線路１０及び終端抵抗５０と同様の構成であってよい。
【０１２３】
図１４に、伝送線路１０に磁界が印加された場合に、磁気検出装置２が、伝送線路１０上の磁界印加位置を検出する様子を示す。図３に示した場合と同様に、伝送線路１０の近傍に磁石６０が配置されると、磁石６０が生成する磁界強度Ｈｅｘの外部磁界が、伝送線路１０に印加される。伝送線路１０は、磁界強度Ｈｅｘの外部磁界が印加されると、磁界が印加されている磁界印加位置において、磁気インピーダンス効果によりインピーダンスが変化する。この状態で、信号発生器１３０から伝送線路１０に入射波が入力されると、磁界印加位置におけるインピーダンス不整合により、磁界印加位置において反射波が発生する。
【０１２４】
図１３に戻って、磁気検出装置２の説明を続ける。
【０１２５】
測定装置１００は、演算装置１２０と、信号発生器１３０と、方向性結合器１４０とを備える。測定装置１００は、例えば、ベクトルネットワークアナライザとして機能する測定装置であってよい。
【０１２６】
演算装置１２０は、信号発生器１３０から入力される正弦波状のパルスを入射波として検出する。演算装置１２０は、信号発生器１３０から直接入射波を入力されてもよいし、方向性結合器１４０を介して入射波を入力されてもよい。
【０１２７】
演算装置１２０が検出する入射波は、信号発生器１３０が掃引して出力する正弦波状のパルスである。図１５に、演算装置１２０が検出する入射波の一例を示す。図１５に示す例においては、正弦波状のパルスが低い周波数から高い周波数へ連続的に掃引されている。ここで、「正弦波状のパルス」との用語は、正弦波状の波形の１周期分を示すものとして用いている。すなわち、「正弦波状のパルス」は、正弦波状の波形の正側の部分と負側の部分の両方を有する。図１５に示す例においては、正弦波状のパルスは低い周波数から高い周波数に滑らかに変化するように掃引されているが、入射波の波形はこれに限定されない。入射波の波形は、例えば、１周期又はＮ周期毎に正弦波状のパルスの周波数が切り替えられるような波形であってもよい。
【０１２８】
演算装置１２０は、伝送線路１０から方向性結合器１４０を介して入力されるパルスを、反射波として検出する。
【０１２９】
信号発生器１３０は、正弦波状のパルスを生成する。信号発生器１３０は、正弦波状のパルスを掃引して出力する。信号発生器１３０が掃引して出力する正弦波状のパルスは、例えば図１５に示すような波形である。ここで、「掃引して出力する」とは、正弦波状のパルスの周波数を変えながら出力することを意味する。信号発生器１３０は、例えば、１０ＭＨｚから５０ＧＨｚまで周波数を変化させながら、正弦波状のパルスを出力してよい。
【０１３０】
信号発生器１３０は、演算装置１２０の信号検波器１２１、及び方向性結合器１４０に接続されている。信号発生器１３０が掃引して出力する正弦波状のパルスは、方向性結合器１４０を介して、入射波として伝送線路１０に入力される。また、信号発生器１３０が掃引して出力する正弦波状のパルスは、演算装置１２０の信号検波器１２１に入力される。
【０１３１】
方向性結合器１４０は、伝送線路１０と、演算装置１２０と、信号発生器１３０とを相互に接続する。信号発生器１３０からの入射波は、方向性結合器１４０を介して伝送線路１０に入力される。伝送線路１０からの反射波は、方向性結合器１４０を介して演算装置２０の信号検波器１２１に入力される。伝送線路１０からの反射波は、伝送線路１０の磁界印加位置におけるインピーダンス不整合により、入射波に対して発生する反射波である。
【０１３２】
続いて、演算装置１２０の各機能ブロックについて説明する。演算装置１２０は、信号検波器１２１と、制御部１２２と、メモリ１２３とを備える。
【０１３３】
信号検波器１２１は、信号発生器１３０から入力される入射波、及び、方向性結合器１４０から入力される反射波を検波する。信号検波器１２１は、信号発生器１３０が掃引して出力する正弦波状のパルスの周波数毎に、入射波に対する反射波のベクトル比を検出する。ここでいうベクトル比とは、入射波に対する反射波の反射率及び位相差によって規定されるベクトルである。ここで、入射波に対する反射波の反射率とは、反射波の振幅を入射波の振幅で割ったものである。また、入射波に対する反射波の位相差とは、反射波の位相から入射波の位相を引いたものである。
【０１３４】
ここで、例えば、信号発生器１３０が入射波として掃引して出力する正弦波状のパルスは、周波数に対して振幅が一定であってもよい。図１６に、周波数に対して、振幅がＶ０で一定である様子を示す。
【０１３５】
信号検波器１２１は、例えば、図１６に示すような周波数特性を有する入射波に対する反射波を、周波数毎に検波し、入射波に対する反射波の反射率及び入射波に対する反射波の位相差を検出する。このように、信号検波器１２１は、入射波に対する反射波の反射率及び位相差を相対値として検出する。そのため、信号検波器１２１は、入射波に揺らぎがあっても、揺らぎをキャンセルして入射波に対する反射波の反射率及び位相差を検出することができる。すなわち、信号検波器１２１は、入射波のジッターを除去することができ、時間的な信号の揺らぎの無い、同期の取れた測定を行うことができる。
【０１３６】
信号検波器１２１は、通過帯域が可変なフィルタ（例えば、バンドパスフィルタ又はＩＦ（Intermediate Frequency）フィルタ）を含む。フィルタがバンドパスフィルタである場合、バンドパスフィルタの通過帯域は、制御部１２２からの指令に応じて制御される。制御部１２２は、信号発生器１３０が出力している正弦波状のパルスを通過させ、その他の周波数の信号を減衰させるように、バンドパスフィルタの通過帯域を制御する。これにより、信号検波器１２１が含むバンドパスフィルタは、反射波に含まれるノイズのうち、信号発生器１３０が出力している正弦波状のパルス以外の周波数帯のノイズを減衰させることができる。したがって、信号検波器１２１は、演算装置１２０が受信する反射波のＳＮ比を改善させることができる。
【０１３７】
なお、信号検波器１２１がバンドパスフィルタを含むことは必須ではない。信号検波器１２１は、バンドパスフィルタを含んでいなくてもよい。
【０１３８】
信号検波器１２１は、図１に示した入力回路２１と同様の機能を有していてよい。信号検波器１２１は、図１に示したＡＤコンバータ２２と同様の機能を有していてよい。
【０１３９】
信号検波器１２１は、アナログ信号の状態で入射波及び反射波を検波してもよいし、デジタル信号の状態で入射波及び反射波を検波してもよい。
【０１４０】
制御部１２２は、演算装置１２０の各構成部を制御する。制御部１２２は、例えばＣＰＵなどのプロセッサとして構成されてよい。制御部１２２の機能の詳細については後述する。
【０１４１】
メモリ１２３は、制御部１２２に接続されている。メモリ１２３は、例えば、ＨＤＤ、ＳＳＤ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の任意の記憶装置を有する。メモリ１２３は、例えば主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。メモリ１２３は、演算装置１２０に内蔵されるものに限定されず、ＵＳＢ等のデジタル入出力ポート等によって接続された外付け型の記憶装置であってもよい。
【０１４２】
制御部１２２は、信号検波器１２１から、入射波の周波数毎に、入射波に対する反射波の振幅及び位相差を取得する。制御部１２２は、入射波に対する反射波の振幅に基づいて反射率の周波数領域データを生成する。制御部１２２は、入射波に対する反射波の位相差に基づいて位相差の周波数領域データを生成する。制御部１２２は、反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データを逆フーリエ変換して、反射波の時間領域データを生成する。
【０１４３】
制御部１２２は、反射波の時間領域データに対し、図１に示した磁気検出装置１が入射波及び反射波に対して行った処理と同様の処理を行い、伝送線路１０に印加された磁界の位置及び強度を算出する。
【０１４４】
演算装置１２０は、伝送線路１０における磁界印加位置と、伝送線路１０に印加された磁界の強度とを算出する際、磁界印加時に検波した反射波のデータからオフセットデータを引いた差分のデータを、磁界印加位置及び磁界の強度を算出する際に用いる反射波のデータとして用いてよい。演算装置１２０は、伝送線路１０に磁界が印加されていない状態において検出した反射波のデータをオフセットデータとして、メモリ１２３に保存しておいてよい。この際、演算装置１２０は、伝送線路１０に磁界が印加されていない状態において検出した反射率及び位相差のデータを、反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データのオフセットデータとしてメモリ１２３に保存しておいてもよいし、反射波の時間領域データのオフセットデータとしてメモリ１２３に保存しておいてもよい。
【０１４５】
演算装置１２０は、このように、磁界印加時に検波した反射率及び位相差のデータからオフセットデータを引いた差分のデータを用いることにより、伝送線路１０の構成要素の機械的な公差、伝送線路１０の曲げ等により生じる歪み、初期状態から印加されている環境磁界（例えば地磁気又は電子機器などから発生する磁界）、及び伝送線路間（例えば、５０Ω同軸ケーブルと伝送線路１０）のインピーダンス不整合などにより生じた反射波の影響を低減することができる。
【０１４６】
以下、演算装置１２０が、磁界印加時に検波した反射率及び位相差のデータからオフセットデータを引いた差分のデータを用いる場合を例に挙げて、演算装置１２０の処理について説明する。
【０１４７】
制御部１２２は、伝送線路１０に磁界が印加されていない状態で、信号発生器１３０を制御して、入射波として正弦波状のパルスを掃引して出力させる。信号発生器１３０が掃引して出力する正弦波状のパルスの周波数特性は、図１６に示す振幅特性を有してよい。
【０１４８】
制御部１２２は、伝送線路１０に磁界が印加されていない状態で、信号発生器１３０が正弦波状のパルスを掃引して出力しているときの反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データを、信号検波器１２１を介して入力される入射波と、方向性結合器１４０及び信号検波器１２１を介して入力される反射波とから生成する。
【０１４９】
制御部１２２は、反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データを逆フーリエ変換して、反射波の時間領域データに変換する。入射波に対する反射波の反射率及び位相差が、それぞれ、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示すような周波数特性を有する場合、反射波の時間領域データは、インパルス信号としての入射波に対するインパルス応答となる。また、制御部１２２は、インパルス信号を時間に対して積分してステップ信号に変換してもよい。この場合、反射波の時間領域データは、ステップ信号としての入射波に対するステップ応答となる。
【０１５０】
伝送線路１０に磁界が印加されていない状態で制御部１２２が取得する入射波に対する反射波の反射率の一例は、例えば図１７（ａ）に破線２０２で示すようなデータである。伝送線路１０に磁界が印加されていない状態で制御部１２２が取得する入射波に対する反射波の位相差の一例は、例えば図１７（ｂ）に破線２０４で示すようなデータである。
【０１５１】
続いて、制御部１２２は、伝送線路１０に磁界が印加された状態で、信号発生器１３０を制御して、入射波として正弦波状のパルスを掃引して出力させる。このときに信号発生器１３０が出力する入射波の波形は、伝送線路１０に磁界が印加されていない状態で信号発生器１３０が出力する入射波の波形と同じ波形である。
【０１５２】
制御部１２２は、伝送線路１０に磁界が印加された状態で、信号発生器１３０が正弦波状のパルスを掃引して出力しているときの反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データを、信号検波器１２１を介して入力される入射波と、方向性結合器１４０及び信号検波器１２１を介して入力される反射波とから取得する。
【０１５３】
伝送線路１０に磁界が印加された状態で制御部１２２が取得する入射波に対する反射波の反射率の一例は、例えば図１７（ａ）に実線２０１で示すようなデータである。伝送線路１０に磁界が印加された状態で制御部１２２が取得する入射波に対する反射波の位相差の一例は、例えば図１７（ｂ）に実線２０３で示すようなデータである。
【０１５４】
制御部１２２は、伝送線路１０に磁界が印加されていない状態で取得した反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データを逆フーリエ変換して、反射波の時間領域データに変換する。伝送線路１０に磁界が印加されていない状態における反射波の時間領域データの一例は、例えば図１８（ａ）に破線２０６で示すようなデータである。図１８（ａ）において反射波として観測されている縦軸上のインパルス信号は、例えば伝送線路間（例えば、５０Ω同軸ケーブルと伝送線路１０）のインピーダンス不整合によるものである。
【０１５５】
制御部１２２は、伝送線路１０に磁界が印加された状態で取得した反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データを逆フーリエ変換して、反射波の時間領域データに変換する。伝送線路１０に磁界が印加された状態における反射波の時間領域データの一例は、例えば図１８（ａ）に実線２０５で示すようなデータである。
【０１５６】
制御部１２２は、図１８（ａ）に示すような反射波の時間領域データを積分してよい。磁界が印加されていない状態における反射波の時間領域データ、すなわち、図１８（ａ）の破線２０６で示すデータを積分したデータの一例は、例えば図１８（ｂ）に破線２０８で示すようなデータである。磁界が印加された状態における反射波の時間領域データ、すなわち、図１８（ａ）の実線２０５で示すデータを積分したデータの一例は、例えば図１８（ｂ）に実線２０７で示すようなデータである。図１８（ｂ）において反射波として観測されているステップ信号は、例えば伝送線路間（例えば、５０Ω同軸ケーブルと伝送線路１０）のインピーダンス不整合によるものであり、図１８（ａ）において反射波として観測されている縦軸上のインパルス信号を積分したデータである。
【０１５７】
ここで、図１８（ｂ）に示すデータ２０８はオフセットデータである。制御部１２２は、磁界が印加された状態における反射波の時間領域データを積分したデータ、すなわち、図１８（ｂ）に示すデータ２０７から、オフセットデータ、すなわち、図１８（ｂ）に示すデータ２０８を引いた差分のデータを算出する。このようにして算出された、オフセットデータを引いた差分のデータを、図１８（ｃ）に実線２０９として示す。図１８（ｃ）に示すように、オフセットデータを差し引くことにより、例えば伝送線路間（例えば、５０Ω同軸ケーブルと伝送線路１０）のインピーダンス不整合による影響を低減することができる。
【０１５８】
制御部１２２は、反射波の時間領域データとして図１８（ｃ）に示すようなデータを用いて、図１に示す磁気検出装置１と同様の処理により、磁界の位置及び強度を算出することができる。
【０１５９】
制御部１２２は、反射率の周波数領域データ及び位相差の周波数領域データについて、逆フーリエ変換をしてから積分処理をする代わりに、周波数領域で畳み込み積分処理を行ってから逆フーリエ変換をしてもよい。これにより、制御部１２２は、逆フーリエ変換をしてから積分処理をする場合に比べて、計算にかかる時間を低減することができる。
【０１６０】
なお、図１８（ｂ）に示したような反射波の時間領域データを積分する処理は必須ではなく、制御部１２２は、図１８（ａ）に示すデータ２０５からデータ２０６を引いた差分のデータを、反射波の時間領域データとして用いて、磁界の位置及び強度を算出してもよい。
【０１６１】
また、制御部１２２は、オフセットデータを引いて差分のデータを算出する処理をしなくてもよい。この場合、制御部１２２は、磁界が印加された状態における反射波の時間領域データをそのまま用いて、磁界の位置及び強度を算出してもよい。
【０１６２】
なお、２端子対回路（４端子回路網）におけるＳパラメータ（Scattering parameter）として、順方向の反射率であるＳ１１を用いているが、逆方向の反射率であるＳ２２を用いてもよい。ここで、Ｓ１１は、一方の端子から信号を入力したときに一方の端子に反射する信号を意味し、Ｓ２２は、他方の端子から信号を入力したときに他方の端子に反射する信号を意味する。
【０１６３】
本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。従って、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含される。
【０１６４】
例えば、上述した各構成部の配置及び個数等は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の配置及び個数等は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。
【符号の説明】
【０１６５】
１、２  磁気検出装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ  伝送線路
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ  第１導体（信号線）
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ  誘電体
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ  第２導体（シールド線）
１４、１４ａ、１４ｂ  被覆
１５ａ  導体
１６ａ  磁性膜
２０  演算装置
２１  入力回路
２２  ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
２３  制御部
２４  メモリ
３０  信号発生器
４０  コネクタ
５０  終端抵抗
６０  磁石
７０  コイル
１００  測定装置
１２０  演算装置
１２１  信号検波器
１２２  制御部
１２３  メモリ
１３０  信号発生器
１４０  方向性結合器
【図１】
2020060565.tif 000011
【図２】
2020060565.tif 000012
【図３】
2020060565.tif 000013
【図４】
2020060565.tif 000014
【図５】
2020060565.tif 000015
【図６】
2020060565.tif 000016
【図７】
2020060565.tif 000017
【図８】
2020060565.tif 000018
【図９】
2020060565.tif 000019
【図１０】
2020060565.tif 000020
【図１１】
2020060565.tif 000021
【図１２】
2020060565.tif 000022
【図１３】
2020060565.tif 000023
【図１４】
2020060565.tif 000024
【図１５】
2020060565.tif 000025
【図１６】
2020060565.tif 000026
【図１７】
2020060565.tif 000027
【図１８】
2020060565.tif 000028