(57)【要約】【課題】低周波磁界を精度良く測定するため、バイアススイッチング適用時に生じる雑音を抑制するＦＭ−ＯＦＧの駆動回路を提供する。【解決手段】励磁用の交流電流及びバイアス用の直流電流が重畳されて通電される磁気コア１３に、検出コイル１４が巻回されたセンサヘッド１５と、センサヘッド１５に接続され、当該センサヘッド１５で測定された磁界をフィードバック電流で検出する検出回路１６と、少なくとも前記バイアス用の直流電流の極性を切り替える第１のスイッチ１２と、前記第１のスイッチ１２にて切り替えられる正極性に対応し、検出された前記信号に所定の電圧を印加する正極用電源２３ａと、前記第１のスイッチ１２にて切り替えられる負極性に対応し、検出された前記信号に所定の電圧を印加する負極用電源２３ｂと、前記正極用電源２３ａと前記負極用電源２３ｂとの接続の切り替えを前記第１のスイッチ１２に同期して行う第２のスイッチ２３ｃとを備える。【選択図】図４
2018096690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁用の交流電流及びバイアス用の直流電流が重畳されて通電される磁気コアに、検出コイルが巻回されたセンサヘッドと、
前記センサヘッドに接続され、当該センサヘッドで測定された磁界をフィードバック電流で検出する検出回路と、
少なくとも前記バイアス用の直流電流の極性を切り替える第１切替手段と、
前記第１切替手段にて切り替えられる正極性に対応し、検出された前記信号に所定の電圧を印加する正極用電圧印加手段と、
前記第１切替手段にて切り替えられる負極性に対応し、検出された前記信号に所定の電圧を印加する負極用電圧印加手段と、
前記正極用電圧印加手段と前記負極用電圧印加手段との接続の切り替えを前記第１切替手段に同期して行う第２切替手段とを備えることを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁界センサにおいて、
前記第１切替手段にて切り替えられる正極性に対応し、前記励磁用の交流電流の位相を調整する正極用位相調整手段と、
前記第１切替手段にて切り替えられる負極性に対応し、前記励磁用の交流電流の位相を調整する負極用位相調整手段と、
前記正極用位相調整手段と前記負極用位相調整手段との接続の切り替えを前記第１切替手段に同期して行う第３切替手段とを備えることを特徴とする磁界センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁界センサにおいて、
前記第１切替手段が、前記バイアス用の直流電流に前記励磁用の交流電流が重畳された電流の極性を切り替えることを特徴とする磁界センサ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記検出回路が、前記第１切替手段の切り替え周期よりも早い周期で当該検出回路を切断する第４切替手段を有することを特徴とする磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイアス用に直流電流を通電すると共に、この直流電流の極性を周期的に切り替えて外部の磁界を測定する磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境磁界には、電気機器の稼働、電源ラインなどの電流によるもの、電車やエレベータ等の磁性体の移動によるもの、地球が発生する地磁気などがある。地震や火山噴火予知、地磁気逆転のメカニズム解析における地球物理学調査や磁気シールドルーム設計時の最低限必要なシールド性能を決定するなどのケースで環境磁場計測がおこなわれている。
【０００３】
フラックスゲートセンサは、室温で動作する高感度・高分解能な磁界センサである。広いダイナミックレンジをもち、磁界をベクトル成分として測定可能であることから環境磁界測定に用いられている。環境磁場測定では、直流から数Ｈｚの低周波磁界を対象として測定することがあり、この場合、１／ｆ雑音が小さく、低オフセットかつ直流安定性の良いセンサが求められる。
【０００４】
非特許文献１に開示される基本波型直交フラックスゲートセンサ（ＦＭ−ＯＦＧ）は、磁性コアを変調する励磁磁界と、測定対象のコアへ入力される磁界が互いに直交関係である直交フラックスゲートの一種である。ＦＭ−ＯＦＧは、交流励磁に加えて、これの振幅よりも大きな直流バイアス磁界を重畳して励磁することで、磁気変調された入力磁界の大きさは、検出コイルに励磁交流の基本波と同じ成分として現れる。非特許文献２に示すように、この大きな直流バイアス磁界により、磁壁の不連続な移動により生じるバルクハウゼン雑音が低減されるため、センサのノイズは１Ｈｚにおいて３ｐＴと低雑音である。基本波型直交フラックスゲートは、コア内部の磁気異方性の影響により磁化の一部がコアの長手方向に傾斜し、入力がない状態でも出力にオフセットが生じ、ドリフトする問題がある。
【０００５】
これまでにＦＭ−ＯＦＧのオフセット抑制方法として、バイアススイッチングと呼ばれる手法が提案されている（非特許文献３、４及び特許文献１を参照）。バイアススイッチングは、磁性コアを励磁する直流電流又は交流、直流両方の通電方向を切り替えることにより、センサの出力に現れるオフセットと入力磁界に対する感度の極性を任意に切り替える方法であり、検出コイルに現れる誘起電圧を同期検波した後加算又は引き算することで、オフセット及び温度や時間変化に対するオフセットの変動を抑制することができる（非特許文献５を参照）。
【０００６】
また、検出コイルに鎖交する磁束を常に最小にするクローズドループ構成の検出回路を利用した技術として、例えば、特許文献２に示す技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２０９１１４号
【特許文献２】特開２０１５−１９７４０１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ichiro.  Sasada:  “Orthogonal  fluxgate  mechanism  op-erated  with  dc  biased  excitation,”  J.Appl.Phys.91,  No.10,  pp.7789-7791,  2002
【非特許文献２】E.  Paperno:  “Suppression  of  magnetic  noise  in  the  fundamental-mode  orthogonal  fluxgate”,  Sensors  and  Actuators,  A  116,  pp.405-409,  2004
【非特許文献３】I.  Sasada  and  T.  Usui:  “Orthogonal  Fluxgate  Magnetometer  Utilizing  Bias  Switching  for  Stable  Operation”,  IEEE  Sensors  2003,  pp.468-471,  2003
【非特許文献４】I.  Sasada  and  H.  Kashima：  “Simple  design  for  orthogonal  fluxgate  magnetometer  in  fundamental  mode”，  The  magnetics  society  of  Japan,  33  pp.43-45,  2009
【非特許文献５】M.  Butta,  I.  Sasada，  and  M.  Janosek：  “Temperature  dependence  of  offset  and  sensitivity  in  orthogonal  fluxgate  operated  in  fundamental  mode”  ,IEEE  TRANSACTIONS  ON  MAGNETICS,  48，  No.11,  pp.4103-4106  2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述したバイアススイッチングでは、周期的に大きな直流バイアス磁界の極性を反転させるため、磁壁の不連続な移動が生じ、センサの雑音が増加してしまうという問題がある。また、クローズドループ構成の検出回路を利用した場合に、センサ出力の線形性が向上するが、これにバイアススイッチングを適用すると最適なフィードバック動作がおこなわれず、雑音が増加してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、低周波磁界を精度良く測定するため、バイアススイッチング適用時に生じる雑音を抑制するＦＭ−ＯＦＧの駆動回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る磁界センサは、励磁用の交流電流及びバイアス用の直流電流が重畳されて通電される磁気コアに、検出コイルが巻回されたセンサヘッドと、前記センサヘッドに接続され、当該センサヘッドで測定された磁界をフィードバック電流で検出する検出回路と、少なくとも前記バイアス用の直流電流の極性を切り替える第１切替手段と、前記第１切替手段にて切り替えられる正極性に対応し、検出された前記信号に所定の電圧を印加する正極用電圧印加手段と、前記第１切替手段にて切り替えられる負極性に対応し、検出された前記信号に所定の電圧を印加する負極用電圧印加手段と、前記正極用電圧印加手段と前記負極用電圧印加手段との接続の切り替えを前記第１切替手段に同期して行う第２切替手段とを備えるものである。
【００１２】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、励磁用の交流電流及びバイアス用の直流電流が重畳されて通電される磁気コアに、検出コイルが巻回されたセンサヘッドと、前記センサヘッドに接続され、当該センサヘッドで測定された磁界をフィードバック電流で検出する検出回路と、少なくとも前記バイアス用の直流電流の極性を切り替える第１切替手段とを備え、この第１切替手段の極性の切り替え周期に応じて、測定された信号の電流値の加算をそれぞれ切り替えて行うため、第１切替手段が正極性に切り替えた場合の検出された信号への適正な電圧の印加と、負極性に切り替えた場合の検出された信号への適正な電圧の印加をそれぞれ個別に行うことが可能となり、正極性と負極性の何れの場合も、瞬時にフィードバックループを最適化かつ安定化させることができ、フィードバック動作の不安定な動作及びそれに起因する雑音の増加を抑制することができるという効果を奏する。
【００１３】
本発明に係る磁界センサは、前記第１切替手段にて切り替えられる正極性に対応し、前記励磁用の交流電流の位相を調整する正極用位相調整手段と、前記第１切替手段にて切り替えられる負極性に対応し、前記励磁用の交流電流の位相を調整する負極用位相調整手段と、前記正極用位相調整手段と前記負極用位相調整手段との接続の切り替えを前記第１切替手段に同期して行う第３切替手段とを備えるものである。
【００１４】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１切替手段の極性の切り替え周期に応じて、励磁用の交流電流の位相調整をそれぞれ切り替えて行うため、第１切替手段が正極性に切り替えた場合の処理と、負極性に切り替えた場合の処理とを独立した別処理として行うことが可能となり、正極性と負極性との間の遷移で生じるフィードバックループの不安定化をなくして極めて高性能な磁界センサを実現することが可能になるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る磁界センサは、前記第１切替手段が、前記バイアス用の直流電流に前記励磁用の交流電流が重畳された電流の極性を切り替えるものである。
【００１６】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１切替手段が、バイアス用の直流電流に励磁用の交流電流が重畳された電流の極性を切り替えるため、１つの直流電源と１つの交流電源のみで極性を切り替えることが可能となり、装置構成を簡略化することができるという効果を奏する。
【００１７】
本発明に係る磁界センサは、前記検出回路が、前記第１切替手段の切り替え周期よりも早い周期で当該検出回路を切断する第４切替手段を有するものである。
【００１８】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１切替手段の切り替え周期よりも早い周期で当該検出回路を切断する第４切替手段を有するため、極性の切り替え時に発生するノイズを、極性の切り替えが発生した瞬間に検出回路を所定期間切断することで除去することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】基本波型直交フラックスゲートの動作及びオフセット発生原因を示す第１の図である。
【図２】基本波型直交フラックスゲートの動作及びオフセット発生原因を示す第２の図である。
【図３】基本波型直交フラックスゲートの動作及びオフセット発生原因を示す第３の図である。
【図４】磁界センサの回路図である。
【図５】入出力曲線及び周波数応答の測定結果を示す図である。
【図６】センサの雑音及び長期安定性評価の実験セットアップを示す図である。
【図７】所定の帯域で雑音密度を測定した結果と、これの時間波形を示す図である。
【図８】室温中で２１時間のドリフト測定をおこなった結果を示す図である。
【図９】温度ドリフト測定の実験セットアップを示す図である。
【図１０】温度変化に対するオフセット変動の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００２１】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る磁界センサについて、図１ないし図４を用いて説明する。基本波型直交フラックスゲートの動作及びオフセット発生原因を図１〜図３を用いて説明する。図１は、磁性ワイヤコアの回転磁化モデルを示す図である。磁性ワイヤに直流電流Ｉｄｃを重畳した交流電流Ｉａｃｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｉｄｃ＞｜Ｉａｃ｜）を通電すると、ワイヤの円周方向に励磁磁界Ｈｄｃ＋Ｈａｃｓｉｎ（２πｆｔ）が発生する。フラックスゲートへの入力磁界ＨｅｘをＨｅｘ＞０とし、励磁磁界の直流及び交流をＨａｃｓｉｎ（２πｆｔ）＋Ｈｄｃとしたときの磁化Ｊｓの振る舞いを図１（Ａ）、Ｈａｃｓｉｎ（２πｆｔ）−Ｈｄｃとしたときの磁化Ｊｓの振る舞いを図２（Ａ）、Ｈａｃｓｉｎ（２πｆｔ＋π）−Ｈｄｃとしたときの磁化Ｊｓの振る舞いを図３（Ａ）に示す。また、入力磁界をＨｅｘ＝０としたときの、それぞれの励磁条件での振る舞いを図１（Ｂ）、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示す。
【００２２】
ここで、磁性ワイヤ内に存在する磁気異方性を一軸性と仮定したものをＫｕ、このＫｕと円周軸方向との角度をα、θは磁化の円周方向からの回転角を示している。回転磁化モデルでは、磁化Ｊｓは励磁磁界、入力磁界及び磁気異方性から作用を受け、常にこれらのエネルギーが最小となるような角度θの方向を向くものと考える。検出コイルは磁性ワイヤを中心とするソレノイドであり、磁化の軸方向成分Ｊｓｓｉｎ（θ）が鎖交磁束となる。ファラデーの電磁誘導の法則から、誘起電圧ｅは差交磁束φの時間微分であるので、
【００２３】
【数１】
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【００２４】
と表すことができる。図１（Ｂ）の外部磁界Ｈｅｘ＝０である場合、磁化Ｊｓのθは、磁気異方性Ｋｕの作用によりわずかに軸方向に回転した状態となるため、θ≠０である。この状態から、磁化は励磁Ｈａｃｓｉｎ（２πｆｔ）の作用により回転し、検出コイルでは磁束変化によるオフセットとして現れる。
【００２５】
ここで、温度変動に対するセンサの応答を考える。仮に、温度の影響によりＪｓの回転角度θが位置を変え、温度に起因するオフセットが現れても、これは上記と同様の性質をもち、励磁条件で極性を変えることができる。つまり、バイアス切り替え前後での温度変化量が同量であれば、その間に通電方向を切り替えたオフセットの量の絶対値は同じである。したがって、バイアススイッチング法を適用することで温度変動に対する温度オフセットドリフトを抑制できる。下記の表１に、直流励磁Ｈｄｃ及び交流励磁Ｈａｃ極性をそれぞれ変えた場合、出力に生じる感度成分及びオフセット成分の極性対応を示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
図４は、磁界センサの回路図である。図４（Ａ）は、直流バイアス及び交流極性を切り替える加算構成のバイアススイッチング回路を示し、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の磁界センサを低雑音化する本実施形態に係るバイアススイッチング回路を示している。これらの回路は、スイッチング周波数ｆｓＨｚで直流バイアス及び交流極性を切り替え、出力に現れる誘起電圧を同期検波後の平滑化フィルタで加算することでオフセット成分を除去し、外部磁界に対する感度を得る構成である。
【００２８】
具体的には、図４（Ｂ）において、磁界センサ１は、バイアス用の直流電源１０と、この直流電源に接続される励磁用の交流電源１１と、直流電源１０から供給される直流電流と交流電源１１から供給される交流電流とを重畳した励磁電流の極性を切り替える第１のスイッチ１２と、第１のスイッチ１２の切り替え極性に対応して、正極性の場合に交流電源１１の位相を調整する正極性位相シフタ１１ａと、第１のスイッチ１２の切り替え極性に対応して、負極性の場合に交流電源１１の位相を調整する負極性位相シフタ１１ｂと、第１のスイッチ１２の切り替え周期に同期して、正極性位相シフタ１１ａと負極性位相シフタ１１ｂとの接続を切り替える第３のスイッチ１１ｃと、これらの励磁電流が供給される磁気コア１３及びこの磁気コアに巻回される検出コイル１４からなるセンサヘッド１５と、検出コイル１４の一端に接続される負帰還構成の検出回路１６とを備える。
【００２９】
なお、本実施形態に係る磁界センサ１は、磁気コア１３に細い磁性ワイヤをヘアピン状に曲げて用い、交流電流（励磁電流）が直接ワイヤに通電され、検出信号が磁性ワイヤの周囲に巻かれた検出コイル１４の誘起電圧として検出されるものであり、磁性ワイヤの円周方向に現れる励磁磁界とワイヤ方向（ワイヤ軸方向）である検出磁界とが直交関係にある直交フラックスゲートセンサである。また、本実施形態に係る磁界センサ１は、交流励磁電流の振幅より大きな直流電流を重畳することで、検出コイルの出力が交流励磁周波数と同じ基本波の出力で得られる基本波型直交フラックスゲートセンサである。つまり、磁気コア１３には、交流電源１１から供給される交流電流の振幅より大きい値を有する直流電流が直流電源１０から出力され、交流電流に重畳されて供給される。
【００３０】
検出回路１６は、検出コイル１４の一端に接続され、検出コイル１４の信号を増幅するバッファ回路１７及びプリアンプ回路１８と、プリアンプ回路１８の後段側に接続し、検出コイル１４からの信号に対して同期整流を行う同期検波回路１９と、検出回路１６を所定のタイミングで遮断するための第４のスイッチ２０と、第４のスイッチ２０の後段に接続されるローパスフィルタ２１と、ローパスフィルタ２１の後段に接続されるエラーアンプ２２と、エラーアンプ２２の出力信号に電圧調整部２３で調整された電圧に応じた所定の電流を加算する加算器２４と、加算器２４の後段側に接続し、他端側が検出コイル１４の一端に接続されている帰還抵抗２５とを備える。
【００３１】
なお、エラーアンプ２２には、例えば、誤差増幅器や誤差積分器を用いるようにしてもよい。
【００３２】
電圧調整部２３は、第１のスイッチ１２の切り替え極性に対応して、正極性の場合に出力信号に加算される電流を調整する正極用電源２３ａと、第１のスイッチ１２の切り替え極性に対応して、負極性の場合に出力信号に加算される電流を調整する負極用電源２３ｂと、第１のスイッチ１２の切り替え周期に同期して、正極用電源２３ａと負極用電源２３ｂとの接続を切り替える第２のスイッチ２３ｃとを備える。
【００３３】
上述したように、第１のスイッチ１２、第２のスイッチ２３ｃ及び第３のスイッチ１１ｃは、いずれも第１のスイッチ１２の切り替え周期に同期しており（ｆｓＨｚ）、第４のスイッチ２０は、第１のスイッチ１２よりも早い周期で切り替えられるようになっている（例えば、２ｆｓＨｚ）。
【００３４】
なお、図４（Ｂ）においては、直流電源１０の電流と交流電源１１の電流とを加重した電流に対して、第１のスイッチ１２により極性の切り替えを行っているが、直流成分のみについて極性を切り替えるようにしてもよい。この場合、例えば、正方向に電流を供給する直流電源と負方向に電流を供給する直流電源とをそれぞれ２つ用意し、その接続を切り替えるようにしてもよい。さらに、この場合、検出回路１６において、位相を１８０度変えるか、出力に−1を乗算するようにしてもよい。
【００３５】
大きな直流励磁磁界を周期的に切り替える図４に示すようなバイアススイッチングでは、スイッチング周期でワイヤコアの磁壁移動が生じるため、バイアススイッチングをおこなわないＦＭ−ＯＦＧと比べて雑音が増加する。しかし、磁壁移動に伴い生じる雑音はスイッチング直後の一定期間に集中して発生するため、この部分を除けば従来のＦＭ−ＯＦＧと同様の雑音特性が得られる。この特徴を生かし、高分解能かつ高速なＡＤ変換機で誘起電圧を取り込み、デジタル処理で雑音部分の信号を排除することで、バイアススイッチング動作で低雑音化できるとの報告がされている（参考文献１：E．  Weiss  and  E.  Paperno:  “Noise  investigation  of  the  orthogonal  fluxgate  employing  alternating  direct  current  bias”,  J.  Apl.  Phys. 109,  07E529,  doi:10.1063/1.3562979,  2011）。本実施形態においては、このような高価なＡＤ変換機を用いずに、アナログ回路部のみでスイッチングに伴って生じる雑音を低減する為、バイアスを切り替えた瞬間に信号を一時的に遮断する第４のスイッチ２０を追加している。例えば、上述したように、第４のスイッチ２０を周波数２ｆｓで動作させることで、バイアス切り替え直後からスイッチング周期の半周期分だけ検出回路１６を切断して信号を遮断し、残りの半周期をフィードバック回路にもどす一種のサンプル回路となっている。
【００３６】
検出回路１６のクローズドループ回路は、エラーアンプ２２が常に検出コイル１４に鎖交する磁束を最小にするようなフィードバック電流を流すため、センサ入出力特性の線形性誤差が低減される。また、フィードバックループ内の同期検波回路１９の位相調整により、センサの最適な動作点を探る事ができ、最良な位相条件ではセンサの雑音が低減できることが報告されている（参考文献２：H.  Karo,  K.  Shimoda,  Y.  Maeda  and  I.  Sasada：  “The  First  36  Channel  Fluxgate-Sensor-Array  for  the  MCG  Measurement”,  IEEEJ  Transactions  on  Sensors  and  Micromachines.  136，  No.6，  pp.224-228,  DOI:10.1541/ieejsmas.136.224,  2016）。
【００３７】
ところが、クローズドループ回路にバイアススイッチングを適用すると、正および負のバイアス通電時に現れる異なる特性の誘起電圧の平滑値がエラーアンプに入力されるため、結果として最適な条件とは異なったフィードバック電流が流れ、フィードバック系が不安定となり雑音が増加する。改善策のひとつにフィードバックループの信号通過帯域を広げ、それぞれバイアス区間で得られた誘起電圧相当をそのままエラーアンプに入力する方法が考えられる。しかし、この方法ではゲインが高くなり、フィードバック系が不安定になりやすいため、出力が飽和する問題がある。
【００３８】
そこで、本実施形態においては、図４（Ｂ）の回路図に示したように、正と負のバイアス区間それぞれを独立に考え、それぞれで最適なフィードバックを与えるために加算器２４及び選択性の位相シフタ１１ａ，１１ｂを設けている。加算器２４には周波数ｆｓで切り替わる第２のスイッチ２３ｃが接続されており、スイッチが正極性位相シフタ１１ａに接続されると、正のバイアス励磁区間で得られた信号に任意の大きさをもつ直流を加算し、スイッチが負極性位相シフタ１１ｂに接続されると、負のバイアス励磁区間で得られた信号に任意の大きさをもつ直流を加算する。
【００３９】
このように双方のバイアス励磁区間で得られる信号に対してフィードバック条件を最適化しておけば、それぞれのバイアス励磁区間で得られる信号に対して上述の加算器２４を用いる事で、容易に誘起電圧の変化に追従する補償をおこなうことができる。したがって、フィードバック系の発振を抑え、動作を安定化することができる。また、励磁側の２つの位相シフタも周波数ｆｓで切り替わる第３のスイッチ１１ｃが接続されており、正と負それぞれのバイアス通電時で最適な位相φ１及びφ２が設定できる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、１７ｍＡｒｍｓ（３０ｋＨｚ）の正弦波交流に、５０ｍＡの直流バイアスを重畳し磁気コア１３に通電することで励磁し、バイアススイッチング周波数をｆｓ＝２ｋＨｚとして作製したが、これに限定されるものではない。
【実施例】
【００４１】
前記第１の実施形態に係る磁界センサを製作し、感度、雑音特性、オフセット安定性を評価した。
【００４２】
（１）感度評価
ヘルムホルツコイル内に配置したＦＭ−ＯＦＧセンサに、既知磁場を印加することで入出力特性を評価した。入出力曲線及び周波数応答の測定結果を図５に示す。図５に示すように、極めて良好な入出力曲線及び周波数応答を得ることができ、感度が高いことが明確となった。
【００４３】
（２）雑音評価
センサの雑音及び長期安定性評価の実験セットアップを図６に示す。５層の磁気シールド内にセンサヘッドを配置し、ＦＦＴアナライザ（ＳＲ７８０，Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて測定をおこなった。
【００４４】
図７に３．９ｍＨｚ〜３．１２５Ｈｚ及び３１．２５ｍＨｚ〜２５Ｈｚのそれぞれの帯域で雑音密度を測定した結果と、これの時間波形を示す。測定はＤＣ結合であるが、ＦＦＴの分析ライン数は８００であるため、それぞれの測定帯域における低周波側の雑音密度は正確ではない。０．１Ｈｚにおける雑音密度は、２０ｐＴ／√Ｈｚ，１Ｈｚにおける雑音密度は１２ｐＴ／√Ｈｚである。雑音対策が施されていない従来のバイアススイッチ回路では、１Ｈｚにおける雑音密度は約４０ｐＴ／√Ｈｚであり、およそ１／４まで雑音を低減することができている。また、バイアススイッチングにより１／ｆ雑音も低減できている。
【００４５】
（３）オフセット変動評価
長期ドリフトは、雑音評価と同じ環境にてセンサ出力をデジタルマルチメータ（３４４０１Ａ，Ａｇｉｌｅｎｔ）に接続して測定をおこなった。室温中で２１時間のドリフト測定をおこなった結果を図８に示す。２０時間で約２ｎＴの変動であり、時間に対するオフセットの変動係数は０．１ｎＴ／ｈｏｕｒであった。
【００４６】
図９に温度ドリフト測定の実験セットアップを示す。温度ドリフトは、下蓋付きの円筒磁気シールド内にセンサヘッドを配置し、センサ出力をデジタルマルチメータにて測定した。内部全体温度をできる限りゆるやかに変化させるために、磁気シールドの周囲を発砲スチロールで覆っている。センサヘッドの温度を測定するために、非磁性のＥ−ｔｙｐｅ熱電対（クロメル／コンスタンタン）をセンサヘッドの養生に用いたものと同じプラスティックケースに挿入し、熱伝導率の高い窒化アルミニウム板の上に試験用センサと並べて固定した。熱電対に生じる熱起電力は、もう一台のデジタルマルチメータを用いて測定した。磁気シールド内の温度は、抵抗体に電流を流す事で生じるジュール熱により変化させた。加熱抵抗体へ通電する電流により生じる磁界を試験用センサに与えないよう、抵抗体を窒化アルミニウム板のセンサから離れた場所に配置し、センサの帯域以上（＞１０Ｈｚ）の正弦波（１ｋＨｚ）をファンクションジェネレータで発生させ、パワーアンプを介して通電した。ファンクションジェネレータを計測システム開発ソフトウェアＬａｂ−ＶＩＥＷで制御し、抵抗体に通電する電流量を自動的に調節している。温度上昇の割合はほぼ一定であり、約１時間で室温の２５℃から５０℃まで変化させた。温度変化に対するオフセット変動の測定結果を図１０に示す。
【００４７】
図１０に示すように、２５℃から３２℃の温度範囲では、センサのオフセット変動は約０．５ｎＴ程度と非常に小さく、良好な結果が得られた。しかし、３２℃以上の温度でオフセットが右肩下がりに変動する傾向が見られた。測定結果の最も変動が大きな範囲で温度係数を求めると約０．４ｎＴ／℃である。通常のバイアススイッチング処理無しのＦＭ−ＯＦＧセンサは、温度係数は数十ｎＴ／℃あり、およそ１／１００まで抑制できている。
【００４８】
以上のように、バイアススイッチングを適用した場合に生じる雑音を低減するために、スイッチング時に瞬間的に生じる雑音を遮断するサンプル回路を取り入れ、また、正と負のバイアス極性それぞれの励磁区間で独立に最適なフィードバックが働くように、加算器及び位相シフタを備える構成とすることで、本発明に係る磁界センサは、良好な雑音特性が得られ、オフセット抑制効果も得ることが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  磁界センサ
１０  直流電源
１１  交流電源
１１ａ  正極性位相シフタ
１１ｂ  負極性位相シフタ
１１ｃ  第３のスイッチ
１２  第１のスイッチ
１３  磁気コア
１４  検出コイル
１５  センサヘッド
１６  検出回路
１７  バッファ回路
１８  プリアンプ回路
１９  同期検波回路
２０  第４のスイッチ
２１  ローパスフィルタ
２２  エラーアンプ
２３  電圧調整部
２３ａ  正極用電源
２３ｂ  負極用電源
２３ｃ  第２のスイッチ
２４  加算器
２５  帰還抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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