(57)【要約】【課題】  微弱な磁界や電流に対してを高感度かつ低ノイズなセンサが実現できるフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心を提供する。【解決手段】  本発明は、駆動電圧Ｖ（ｔ）、駆動周波数ｆを印可される鉄心は、平均結晶粒径１００ｎｍ以下のナノ結晶構造を有する薄帯が巻回されてなり、かつ前記薄帯の層数が３層以上１０層以下、前記薄帯の巻始端と巻終端及び巻回し中心とで幾何学的になす角の小さい方の角θを｜θ≦０．２ｒａｄ｜、飽和磁化曲線の角型比が３０％以下であって、励磁巻線は、前記鉄心の最大磁束密度をＢｓ及び磁性体有効断面積をＡｅとするとき、式（１）により算出される数値Ｎａにより巻数Ｎに対して、０．８Ｎａ≦巻数Ｎ≦１．２Ｎａを満足することを特徴とするフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心である。この薄帯の巻回し層数としては３層以上５層以下がより好ましい。2005201832.tif 000011【選択図】      図1
2005201832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電圧Ｖ（ｔ）、駆動周波数ｆを印可されるフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心において、該鉄心は、平均結晶粒径１００ｎｍ以下のナノ結晶構造を有する薄帯が巻回されてなり、かつ前記薄帯の層数が３層以上１０層以下、前記薄帯の巻始端と巻終端及び巻回し中心とで幾何学的になす角の小さい方の角θを｜θ≦０．２ｒａｄ｜、飽和磁化曲線の角型比が３０％以下であって、励磁巻線は、前記鉄心の最大磁束密度をＢｓ及び磁性体有効断面積をＡｅとするとき、式（１）により算出される数値Ｎａにより巻数Ｎに対して、０．８Ｎａ≦巻数Ｎ≦１．２Ｎａを満足することを特徴とするフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心。
2005201832.tif 000010
【請求項２】
前記薄帯の巻回し層数が３層以上５層以下であることを特徴とする請求項１に記載のフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界の強さや方位の検出あるいは電流の検出等の用途に用いられるフラックスゲート型センサの励磁巻線付き鉄心に関し、特に、微弱な磁界や電流を検出するための高感度を維持しつつ低ノイズ化、小型化を図った励磁巻線付き鉄心に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フラックスゲート型センサは、地磁気計測、考古遺跡の磁気探査、電流計測等に幅広く使用されている。検出用の励磁巻線付き鉄心には、磁界や電流を検出する磁性体鉄心に銅線を巻装したものを使うのが一般的である。鉄心材としては、高感度の検出を可能にするために、高透磁率特性を示す、パーマロイ合金やＦｅ基あるいはＣｏ基のアモルファス合金が用いられていた。また、高透磁率特性を維持しつつ、鉄心の変形や周囲温度あるいは経時変化による磁気特性劣化を低減できる鉄心材として、例えば特許文献１には、飽和磁化曲線の角型比を大きくしたＦｅ基ナノ結晶合金が提案されている。
【０００３】
近年、フラックスゲート型センサは従来よりも更に微弱な磁界を精度よく検出する目的で用いられるようになり、高感度を維持しつつ、より低ノイズでより小型なものが求められるようになっている。例えば非特許文献１には、検出回路に負帰還制御を導入し、検出特性、応答特性、温度特性、及びセンサの量産性等を同時に改善でき、かつノイズ影響を低減できる提案がなされている。また、例えば特許文献２には、鉄心に巻装された巻線への電流の流し方を工夫することで、鉄心を小型にしても高感度を維持できる提案がなされている。あるいは、例えば特許文献３には、鉄心への巻線の巻装を工夫し、巻装の不均一による検出精度の劣化を改善した提案がなされている。
【特許文献１】特開平１−２３５２１３号公報
【特許文献２】特開平９−１０５７７２号公報
【特許文献３】特開平１０−２７４６７１号公報
【非特許文献１】毛利佳年雄著「磁気センサ理工学」コロナ社（１９９８年）Ｐ．３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に開示される鉄心材は、従来材に比べ特性劣化が低減された高感度センサが実現できる点では有利であるものの、より微弱な磁界や電流を検出する際にノイズが大きく検出精度が劣化するという問題があった。また、非特許文献１に開示されている検出回路への負帰還制御の導入や、特許文献２に開示されている鉄心に巻装された巻線への電流の流し方の工夫は、いずれも鉄心は従来のまま使用するものであり、鉄心そのものの小型化の点では問題があった。更に、特許文献３に開示されている鉄心への巻線の巻装の工夫は、所定の感度に対して従来鉄心よりも鉄心の小型化は可能であるが、実装する検出回路に合せて所定の感度を得るための巻装決定が容易でなくトライ＆エラーで選定せざるを得ない問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、より微弱な磁界や電流を検出できるだけの高感度を有しつつ従来よりも低ノイズなセンサが実現でき、かつ鉄心が小型化でき、また鉄心への励磁巻線の巻装も容易に決定できる特徴を具備したフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、検出信号の高感度かつ低ノイズ化を検討し、ナノ結晶構造を有する薄帯の巻回し層数、巻始端と巻終端及び巻回し中心とで幾何学的になす角、飽和磁化曲線の角型比を最適化して巻回してなる鉄心をなすことにより、更に前記鉄心への励磁巻線の巻数を最適化することにより、検出信号の高感度かつ低ノイズ化ができ、また鉄心の小型化ができることを見出し本発明に到達した。
【０００７】
すなわち本発明は、駆動電圧Ｖ（ｔ）、駆動周波数ｆを印可されるフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心において、該鉄心は、平均結晶粒径１００ｎｍ以下のナノ結晶構造を有する薄帯が巻回されてなり、かつ前記薄帯の層数が３層以上１０層以下、前記薄帯の巻始端と巻終端及び巻回し中心とで幾何学的になす角の小さい方の角θを｜θ≦０．２ｒａｄ｜、飽和磁化曲線の角型比が３０％以下であって、励磁巻線は、前記鉄心の最大磁束密度をＢｓ及び磁性体有効断面積をＡｅとするとき、式（１）により算出される数値Ｎａにより巻数Ｎに対して、０．８Ｎａ≦巻数Ｎ≦１．２Ｎａを満足することを特徴とするフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心である。
2005201832.tif 000003
【０００８】
好ましくは前記薄帯の巻回し層数を３層以上５層以下とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高感度を有しつつ、かつ飛躍的な低ノイズ化ができ、また鉄心の小型化や鉄心への励磁巻線の巻数の決定が検出回路に合わせて容易にでき、特に、微弱な磁界や電流を検出するためのフラックスゲート型センサの実用化にとって欠くことのできない技術となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を詳しく説明する。本発明では、まず、フラックスゲート型センサで、より微弱な磁界や電流を高感度かつ低ノイズで検出するための鉄心を見出すことを目的として検討した。
【００１１】
もっとも基本なのは高感度の確保である。本発明者は、１００ｎｍ以下のナノ結晶構造を有する薄帯が巻回された構成とすることで高透磁率で飽和磁化曲線の角型比が大きい鉄心をなした。薄帯には、前記特許文献１に記載の例えばＦｅＣｕＳｉＮｂＢの組成を有するＦｅ基合金の溶鋼を単一ロール法で超急冷固化して製造した合金薄帯を用いることができる。前記合金薄帯を巻回してなした鉄心において、所定以上の高感度を得たがノイズが発生した。高透磁率で飽和磁化曲線の角型比が大きい鉄心では、電界の微小な変化に対して磁化が急激にかつ大きく変化することから、磁気モーメントはより急激な磁壁移動や磁化回転を起こす。磁化の大きな変化により高感度を得ることができるが、このときバルクハウゼンノイズ等に代表されるノイズも発生する。
【００１２】
本発明者は、ノイズ発生の要因が鉄心の磁気モーメントの急激な変化にあることを見出し、飽和磁化曲線の角型比を３０％以下として鉄心の磁気モーメントの変化を比較的緩やかにすることにより低ノイズ化を図ったのである。
【００１３】
次に、高感度かつ低ノイズを維持しつつ鉄心の小型化を図ることを目的として鉄心構造を検討した。薄帯の巻回し層数は鉄心の高透磁率特性と関係がある。本発明者は、層数が所定よりも少ないときは鉄心の透磁率が劣化して所定の感度が得られず、逆に所定よりも多いときは得られる感度に比べノイズが大きくなることを見出し、巻回す薄帯の層数を３層以上１０層以下、好ましくは３層以上５層以下として鉄心をなし、高感度かつ低ノイズを維持しつつ薄帯の巻回し層数を抑えて鉄心を小型化したのである。
【００１４】
また本発明者は、更なるノイズ低減のために薄帯を巻回された巻始端と巻終端のずれ量に着目した。薄帯の巻始端と巻終端及び鉄心中心とで幾何学的になす角の小さい方の角をθとし、前記の角θを変化させた鉄心をなした結果、角θが０ｒａｄに近い鉄心ではノイズが低減して検出誤差が極めて小さくなり、角θが０ｒａｄから大きくなった鉄心ほどノイズが増加して検出誤差が大きくなることを見出し、特に、前記の角θが｜θ≦０．２ｒａｄ｜であれば検出誤差を十分に小さくできるほどにノイズが低減できたのである。
【００１５】
更に本発明者は、実装する検出回路に合せて所定の感度を得るための鉄心への励磁巻線の巻数決定を容易にすることを検討した。フラックスゲート型センサの検出回路の一般的な構成を図２に示す。発振回路より駆動回路を通して駆動電圧Ｖ（ｔ）、駆動周波数ｆを励磁巻線付き鉄心に印可することで前記鉄心には飽和状態と非飽和状態が周期的に現れるが、この一例を図３に示す。このとき、前記鉄心に対して外部から磁界または電流が作用すると鉄心内の磁束バランスが崩されて２次高調波が発生する。例えば、発振回路より駆動周波数の２倍の周波数を持つ同期波を発振させ、ロックインアンプにより前記同期波と共振した前記２次高調波成分を検波し、更に前記の検波成分から平滑回路により交流成分を除去した成分を検出することにより前記鉄心に作用した磁界や電流を検出できる。上述のように、フラックスゲート型センサでは、鉄心から発生した２次高調波が駆動周波数の２倍の周波数を持つ同期波と完全に共振した場合に最も大きな検出信号が得られ、最も高感度になる。このときの鉄心の飽和時と非飽和時のデューティー比は５０％対５０％であり、すなわち検出回路においては、デューティー比を５０％対５０％に制御することが最も高感度になる。
【００１６】
駆動電圧Ｖ（ｔ）、駆動周波数ｆの検出回路において、最大磁束密度Ｂｓ及び磁性体有効断面積Ａｅの鉄心に対して巻装する励磁巻線の巻数をＮとすると、鉄心の非飽和時の電圧時間積（ＶＴ積）は式（２）に示す関係がある。前記デューティー比が５０％対５０％であるための条件は、前記式（２）の積分区間ｔが駆動電圧の４分の１周期すなわちｔ＝１／４ｆであればよいことから、前記式（１）に示す関係を導くことができる。
2005201832.tif 000004
【００１７】
本発明者は、前記式（１）により算出される数値Ｎａにより鉄心への励磁巻線の巻数Ｎに対して、Ｎ≦０．８Ｎａの場合には鉄心の飽和時間が所定以上に長くなることで前記検波成分が小さくなって感度が低下し、Ｎ≧１．２Ｎａの場合には鉄心の非飽和時間が所定以上に長くなることで前記検波成分が小さくなって感度が低下することを見出し、鉄心への励磁巻線の巻数Ｎを０．８Ｎａ≦Ｎ≦１．２Ｎａとすることで、検出回路仕様に合せて所定の感度が得られる鉄心への励磁巻線の巻数を容易に決定できるように図ったのである。
【００１８】
上述したように、本発明の重要な特徴は、鉄心を、平均結晶粒径１００ｎｍ以下のナノ結晶構造を有する薄帯が巻回されてなり、かつ前記薄帯の層数が３層以上１０層以下、前記薄帯の巻始端と巻終端及び巻回し中心とで幾何学的になす角の小さい方の角θを｜θ≦０．２ｒａｄ｜、飽和磁化曲線の角型比が３０％以下とし、励磁巻線を、前記鉄心の最大磁束密度をＢｓ及び磁性体有効断面積をＡｅとするとき、前記式（１）により算出される数値Ｎａにより巻数Ｎに対して、０．８Ｎａ≦巻数Ｎ≦１．２Ｎａとした構成を採用したことにあり、高感度かつ低ノイズで小型なフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心を実現したものである。
なお、フラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心としては、検出する磁場又は電流に合わせて、さらに検出用の巻線を追加することも可能である。
【実施例】
【００１９】
本発明のフラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心の構成を図１に示す。励磁巻線付き鉄心１は、ボビン２の外周部に薄帯３を巻回した鉄心に、励磁巻線４を巻装したものである。
まず、使用する薄帯３として組成Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１５．５Ｂ７残Ｆｅ（原子％）、厚さ１８μｍ、幅２ｍｍのアモルファス合金薄帯を作製し、この薄帯を内径Φ１７ｍｍのボビン２に巻回して、図１に示す構成に作製した。次いで５８０℃で１時間のナノ結晶化熱処理を行ない表１に示すＡからＬの鉄心を得た。なお。角型比の調整は、サンプルＢ以外は、鉄芯の高さ方向、すなわち薄帯の幅方向から、３００ｋＡ／ｍの磁場を電磁石により印加しながらナノ結晶化熱処理することで行った。また、サンプルＢの鉄心の中心に導体を配置して電流を流し、鉄心の周方向に２６０Ａ／ｍの磁界を印加しながらナノ結晶化熱処理することで行った。
得られた鉄心の、角型比と最大磁束密度ＢｓをＢＨトレーサーを用いて周波数１５．６ｋＨｚにおける飽和磁化曲線から取得し、鉄心の有効断面積Ａｅを薄帯の厚さと幅及び巻回し層数により算出した。更に、鉄心への励磁巻線の巻数Ｎは、最大磁束密度Ｂｓ、鉄心の有効断面積Ａｅ、駆動周波数ｆ＝７．８ｋＨｚ、駆動電圧Ｖ（ｔ）を波高値２．５Ｖの方形波として前記式（１）により数値Ｎａを算出した。
例えば，Ｂｓ＝１．２Ｔ、Ａｅ＝０．１１ｍｍ２とするとＮａ＝２９５となり、Ｎ＝Ｎａの場合はＮ＝２９５巻、Ｎ＝０．８Ｎａの場合はＮ＝２３６巻、Ｎ＝１．２Ｎａの場合はＮ＝３５４巻と算出でき、本発明の範囲は、２３６〜３５４巻の範囲である。
【００２０】
【表１】
2005201832.tif 000005
【００２１】
前記サンプルＡからＬの評価は、前記図２に示す検出回路において、駆動回路の周波数を７．８ｋＨｚ、駆動電圧を波高値２．５Ｖの方形波とし、発振回路の同期波の周波数を１５．６ｋＨｚとして、ロックインアンプにより鉄心から発生する２次高調波成分を検出し、更には平滑回路により交流成分を除去した成分を、Ｖｅｃｔｏｒ−Ｓｉｇｎａｌ−Ａｎａｌｙｚｅｒによって観測し、ノイズ密度を検出した。また、感度は鉄心に１００００ｎＴの磁場を印加した際の２次高調波成分をＦＦＴ−ＳＥＲＶＯ−ＡＮＡＬＹＺＥＲにより検出し、評価した。
【００２２】
第１に、角型比の有効性を評価するために、本発明の実施例である角型比が２５％（サンプルＡ）の場合と、比較例である角型比が６７％（サンプルＢ）の場合とを比較し、検出した感度及びノイズ密度を表２に示す。感度はＡが１３．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴ、Ｂが１５．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴであって、本発明の実施例に対し比較例では１．１５倍に増加した。ノイズ密度はＡが１．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚ、Ｂが５．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚであって、本発明の実施例に対し比較例では５倍に増加した。角型比が３０％以下である本発明の実施例は、検出感度では比較例よりやや劣るものの、低ノイズ化には極めて有効であることがわかった。
【００２３】
【表２】
2005201832.tif 000006
【００２４】
第２に、薄帯の巻回し層数の有効性を評価するために、本発明の実施例である層数が３層（サンプルＡ）、５層（サンプルＣ）、１０層（サンプルＤ）の場合と、比較例である層数が２層（サンプルＥ）、４５層（サンプルＦ）の場合とを比較し、検出した感度及びノイズ密度を表３に示す。感度は、本発明の実施例ではＡが１３．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴ、Ｃが１３．５ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴ、Ｄが１２．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴで平均的には１２．８ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴであったが、比較例ではＥが９．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴ、Ｆが１０．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴで、本発明の実施例の平均値に対し比較例ではいずれも０．８倍以下に減少して検出感度が劣化した。ノイズ密度は、本発明の実施例ではＡが１．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚ、Ｃが２．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚ、Ｄが３．５ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚであったが、比較例ではＥが６．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚ、Ｆが５．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚで、本発明の実施例に対し比較例ではいずれも１．４倍以上に増加し、更には本発明の一実施例であるサンプルＣに対し比較例ではいずれも２．５倍以上に増加した。薄帯の巻回し層数が３層以上１０層以下である本発明の実施例は、検出感度においても低ノイズ化においても有効であることがわかり、好ましいのは薄帯の巻回し層数は３層以上５層以下であることがわかった。
【００２５】
【表３】
2005201832.tif 000007
【００２６】
第３に、薄帯の巻始端と巻終端及び巻回し中心とで幾何学的になす角の小さい方の角θの有効性を評価するために、本発明の実施例である角θがほぼ０ｒａｄ（サンプルＡ）、約０．２ｒａｄ（サンプルＧ）の場合と、比較例である角θが約０．４ｒａｄ（サンプルＨ）の場合とを比較し、検出した感度及びノイズ密度を表４に示す。感度は、本発明の実施例ではＡが１３．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴ、Ｇが１２．３ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴであったが、比較例Ｈは１０．４ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴで、本発明の実施例に対し比較例は０．８５倍以下に減少して検出感度が劣化した。ノイズ密度は、本発明の実施例ではＡが１．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚ、Ｇが２．３ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚであったが、比較例Ｈは３．２ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚで、本発明の実施例に対し比較例は１．４倍に増加した。前記の角θが｜θ≦０．２ｒａｄ｜である本発明の実施例は、検出感度においても低ノイズ化においても有効であることがわかった。
【００２７】
【表４】
2005201832.tif 000008
【００２８】
第４に、鉄心への励磁巻線の巻数の有効性を評価するために、本発明の実施例である巻数が２９５巻（サンプルＡ）、２４０巻（サンプルＩ）、３５０巻（サンプルＪ）の場合と、比較例である巻数が２００巻（サンプルＫ）、４００巻（サンプルＬ）の場合とを比較し、検出した感度及びノイズ密度を表５に示す。感度は、本発明の実施例ではＡが１３．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴ、Ｉが１２．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴ、Ｊが１２．５ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴで平均的には１２．５ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴであったが、比較例ではＫは７．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴ、Ｌは５．０ｍＶｒｍｓ／１０４ｎＴで、本発明の実施例の平均値に対し比較例ではいずれも０．６倍以下に減少して検出感度が劣化した。ノイズ密度は、本発明の実施例ではＡが１．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚ、Ｉが１．３ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚ、Ｊが１．２ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚであったが、比較例ではＫは３．５ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚ、Ｌは４．０ｐＴｒｍｓ／ｒｔＨｚで、本発明の実施例に対し比較例ではいずれも２．５倍以上に増加した。鉄心への励磁巻線の巻数Ｎが前記式（１）により算出される数値Ｎａにより０．８Ｎａ≦巻数Ｎ≦１．２Ｎａである本発明の実施例は、比較例より高感度が得られ、かつ低ノイズ化にも有効であることがわかった。
【００２９】
【表５】
2005201832.tif 000009
【００３０】
測定後、サンプルＡからＬの各鉄心から薄帯を採取し、透過型電子顕微鏡を用いて組織を観察したところ、いずれのサンプルにおいても、平均結晶粒径が２０ｎｍのナノ結晶構造の組織を有することを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一例を示す構成図である。
【図２】フラックスゲート型センサの検出回路の一例を示す構成図である。
【図３】フラックスゲート型センサの検出回路の駆動電圧のデューティー比及び鉄心の飽和時と非飽和時を示す一例である。
【符号の説明】
【００３２】
１．フラックスゲート型センサ用励磁巻線付き鉄心、２．ボビン、３．薄帯、４．励磁巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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