JP2018523107A - 周波数変換による磁電的な磁場測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、振動子として磁電的な複合要素を用いる磁場測定方法であって、前記複合要素の磁歪相に時間依存性の測定磁場を作用させ、前記複合要素の圧電相を介して測定電圧を取り出し、前記測定電圧から測定磁場を推定する、磁場測定方法において、前記複合要素の前記磁歪相と素材結合された少なくとも１つの誘電相を設けるステップであって、前記誘電相は、電圧が印加されると長さ変化を示し、前記長さ変化の大きさは、前記電圧の大きさに非線形に依存する、ステップと、時間周期的な変調電圧を前記誘電相に印加するステップと、を特徴とする、磁場測定方法に関する。

Description

本発明は、ＭＥセンサとも略称される磁電的な複合材料からなるセンサを用いて時変性の磁場を測定するための方法および装置に関する。

磁電的な複合材料は、素材結合によって例えば互いにろう接または接着された少なくとも２つの材料相、すなわち磁歪相および圧電相からなる多形材料である。

磁歪相は、典型的には金属であり、例えば鉄、ニッケル、コバルト（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）、およびこれらの合金である強磁性遷移金属か、もしくは希土類であるテルビウム、ジスプロシウム、サマリウム（Ｔｂ、Ｄｙ、Ｓｍ）と強磁性遷移金属との化合物（例えばＴｂＦｅ_２、ＳｍＦｅ_２）か、もしくは主として鉄、コバルト、ホウ素（Ｂ）、またはケイ素（Ｓｉ）の元素を種々異なる割合で含有する強磁性ガラスか、もしくはガリウム（Ｇａ）を含有する材料であるＦｅＧａおよびＦｅＧａＢか、が考慮の対象となる。さらには磁歪相を、非導電性材料、例えばＣｏＦｅＯ_３またはＮｉＦｅＯ_３から形成することもできる。磁歪相は、磁場の影響下において長さ、形状、または体積の変化を被る。

例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＥ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電相も、ＭＥ複合体において磁歪相と素材結合されているが故に、同様にして磁場による長さ変化を被り、この際に電気分極の測定可能な変化を生じさせ、この変化を、圧電相の上に直接的に設けられた測定電極装置によって電圧または電荷の変化として検出することができる。

磁場測定のためのＭＥセンサの原理は、これら２つの相の機械的な力結合に基づいている。

２つの材料相を成形するための強制的な規定は存在しない。例えば、任意の形状のバルク材料を一緒に接合、とりわけ接着させることができ、その後、形状に関する規定に応じて磁電的な複合要素を形成することができる。

２つの相を層として互いに堆積させ、層の平面に沿って長方形のストリップ形状に切断することが有用であると判明しており、今日ではそれが一般的である。ストリップは、主として、縦長のストリップ軸に対して平行に方向付けられた磁場ベクトル成分に対して感受性を有する。

ストリップは、このような磁場の存在下においてストリップの構造に応じて屈曲運動または伸長運動を実施し、これらのストリップが相応に振動可能に支持されている場合、例えば片側で挟持されている場合には、時間周期的な磁場によって励起されて機械的な振動を実施することができる。ＭＥセンサは、基本的に機械的な振動子として構成されており、機械的な固有振動数を有し、この固有振動数は、容易に特定することが可能である。

圧電相を介した測定電圧の取り出し（タップ）は、通常、上述した測定電極装置を用いて層の厚さを介して実施され、この場合には、金属の磁歪相を対向電極として利用することができる。しかしながら、欧州特許第２７１７３４３号明細書（EP 2 717 343 B1）からは、測定電極装置を例えば櫛形電極として構成し、層に沿って測定を実施することも公知であり、このことは、とりわけＭＥセンサを薄膜技術で製造する場合に利点を有する。同特許は、センサ能力を有するＭＥ複合体を得るために２つの材料相を互いに直接的に堆積させる必要が決してないことも教示している。相同士の機械的な結合を、十分に剛性であって他方では誘電性でもある比較的非常に厚い分離層を介して実施することも可能である。

ＭＥセンサは、さらなる変調なしに交番磁場に対してのみ感受性を有し、通常は、自身の機械的共振外でも動作される。できるだけ広いダイナミックレンジと、できるだけ大きい信号対雑音比と、測定すべき交番磁場に関する電圧応答の直線性とに関心が向けられているので、ＭＥセンサのために磁歪曲線の最大の増加の領域にある動作点が選択される。磁歪曲線の一次導関数は、圧磁係数と称される。磁歪曲線は、磁場の作用下における磁歪相の長さ伸張を記述したものである。磁歪曲線の推移は、２つの磁場方向が材料に対して同一の効果を有するので常に軸対称である。長さ伸張は、磁場強度が小さい場合には最初は放物線状の増加を有するが、磁場強度が大きい場合には上限がある（飽和磁化の到達時）。したがって長さ伸張は、転換点を有し、この転換点では、線形の増加が支配的であると同時に最大の勾配が存在している。ＭＥセンサをこの有利な動作点で動作させるために、好ましくは電流導体または永久磁石の適切な配置によって一定のバイアス磁場が印加される。

しかしながら、このような静的なバイアス磁場は、実際の使用において問題がないわけではない。まさに複数のＭＥセンサを互いに密接に配置する場合には、とりわけビオ・サバールの法則にしたがって磁場が形成され、給電線を介して電流を導くべきであるときに、複数のバイアス磁場の交互の影響が発生する可能性がある。永久磁石によるバイアス磁場は、エネルギ的に比較的有利であるが、適切な磁場強度を達成するために十分な量の磁性材料を配置することが必要となる。

ＭＥセンサの検出限界は、典型的な周波数依存性を有する。この周波数依存性は、例えば電子増幅器の熱雑音または周波数依存性の１／ｆ電流雑音のような固有雑音と、周波数依存性の磁電係数とによって決定されている。後者は、励起すべき磁場強度の振幅に対する、ＭＥセンサにおいて引き起こされた電場強度の振幅の比を記述したものである。磁電係数は、振動振幅の共鳴増幅に起因する、ＭＥセンサの機械的な固有振動数の範囲における顕著な増加を示す。

とりわけ交番磁場が、例えば生体磁場測定に関連した周波数のように低周波数、例えば１〜１０Ｈｚである場合には、前述した理由から検出限界の顕著な悪化が発生する。１／ｆ雑音によって約３桁の感度が失われ、この低周波数範囲における共鳴増幅の欠如によってさらにまた２〜３桁の感度が失われる。このことによって、約１ｋＨｚの場合に機械的共振において達成される、１ｐＴ／Ｈｚ^１／２より良好な検出限界は、１Ｈｚの場合に少なくとも１００ｎＴ／Ｈｚ^１／２まで悪化することとなる。

欧州特許第２６３５９１３号明細書（EP2 635 913 B1）は、ＭＥセンサによる緩慢に変化する弱い磁場の測定の問題に取り組んでいる。同明細書では、ＭＥセンサの機械的共振における周波数変換が提案されており、この周波数変換は、測定すべき磁場（以下では測定磁場と称する）を、センサ上の制御された変調磁場と重ね合わせることによって達成される。これに関して同明細書は、磁歪曲線の推移の原因が、混合周波数を有する磁場成分、とりわけ測定磁場の周波数（以下では測定磁場周波数と略称する）と、変調磁場の周波数（以下では変調周波数と略称する）の和および差を有するような磁場成分をセンサが検出することにあると述べている。これによって、ＭＥセンサの既知の機械的な固有振動数に一致する変調周波数を意図的に選択することによって、ＭＥセンサの共振において非常に低い測定磁場周波数を有する測定磁場も検出することが可能となる。測定磁場周波数における信号は、検出のための物理的な混合プロセスによって共振周波数に変換される。

さらに、欧州特許第２６３５９１３号明細書（EP2 635 913 B1）は、低い測定周波数のスペクトルを検査すべき場合に、複数の測定周波数を順次に変換して検出するために、対応する相補的な周波数帯域にわたって変調周波数を変化させることも可能であると述べている。

１／ｆ雑音が回避されることや、緩慢に振動する磁場成分も共鳴増幅されることに加えて、周波数変換はさらに、ＭＥセンサにバイアス定磁場を直接的に設ける必要がないという利点を有する。とりわけ永久磁石は不要となる。しかしながら、従来のバイアス磁場の大きさにちょうど相当する振幅を、変調磁場に付与することが有利であると判明している。

米国特許第８２２２８９８号明細書（US 8,222,898 B1）からは、変調周波数を有する変調磁場を測定周波数に対して相補的な間隔で発生させるために、制御下で通電されたコイルをＭＥセンサの周囲に配置することによって全く同一の概念の周波数変換を実現している装置が見て取れる。

ＭＥセンサにおける従来から公知の周波数変換の欠点は、できるだけ均一な時変性の変調磁場を、適切な装置手段を用いて発生させる必要があることにある。そのような手段を設けることは複雑でコストがかかる。高い変調周波数において変調磁場を発生させることは困難である。さらに、磁場の発生は、ビオ・サバールの法則にしたがって多くのエネルギを消費する。とりわけ変調磁場強度は、測定磁場強度に比べて大きくもあり、例えば複数の測定磁場成分を同時に測定すべき場合には、密接に隣り合ったセンサ同士を妨害する可能性がある。

したがって、本発明の課題は、変調磁場を用いることなく対処することができ、かつ装置に関して非常に単純であるままに維持された、ＭＥセンサおよび周波数変換による磁場測定を提案することである。

方法に関して上記の課題は、主請求項によって解決され、すなわち、振動子として磁電的な複合要素を用いる磁場測定方法であって、前記複合要素の磁歪相に時間依存性の測定磁場を作用させ、前記複合要素の圧電相を介して測定電圧を取り出し、前記測定電圧から測定磁場を推定する、磁場測定方法において、（ｉ）前記複合要素の前記磁歪相と素材結合された少なくとも１つの誘電相を設けるステップであって、前記誘電相は、電圧が印加されると長さ変化を示し、前記長さ変化の大きさは、前記電圧の大きさに非線形に依存する、ステップと、（ｉｉ）時間周期的な変調電圧を前記誘電相に印加するステップと、を特徴とする、磁場測定方法によって解決される。

装置に関して上記の課題は、第１の変形例によれば、磁場測定装置であって、非線形の歪み−電圧曲線を有する圧電相を有する、機械的に振動可能な振動子として構成された磁電的な複合要素と、前記圧電相の上に設けられた電極装置と、前記振動子の変位時に前記圧電相を介して測定電圧を取り出すための手段と、を有する磁場測定装置において、時間周期的な変調電圧を前記圧電相に印加するための手段を特徴とする、磁場測定装置によって解決される。

装置に関して上記の課題は、第２の変形例によれば、磁場測定装置であって、機械的に振動可能な振動子として構成された磁電的な複合要素と、前記複合要素の圧電相の上に設けられた第１の電極装置と、前記振動子の変位時に前記圧電相を介して測定電圧を取り出すための手段と、を有する磁場測定装置において、前記複合要素と素材結合された、非線形の歪み−電圧曲線を有する誘電相と、前記誘電相の上に設けられた第２の電極装置と、時間周期的な変調電圧を前記誘電相に印加するための手段と、を特徴とする、磁場測定装置によって解決される。

さらなる従属請求項は、有利な実施形態を示す。

上述した装置の第２の変形例では（第１の変形例とは異なり）、複合要素の圧電相に対してさらなる要件が課されない。その代わりに、電圧が印加されると非線形の長さ変化を示す追加的な誘電相が、素材結合によって複合要素に配置される。この誘電相は、同時に圧電性とすることができる。誘電相は、とりわけ強誘電体から形成することができる。しかしながら誘電相を、顕著な電歪性を示し、なるべく圧電性ではないリラクサ材料から形成することもできる。

本発明を実施するために強誘電体として、ここでは少数の選択肢だけを挙げるが、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）、またはチタン酸ナトリウムビスマス（ＮＢＴ）が考慮の対象となる。

リラクサ材料は、強誘電体に類似している。リラクサ材料は、強誘電体と同様に高温において常誘電状態を示す。温度が低下すると、リラクサ材料は、相転移に結びついた強誘電状態への変換を示さず、構造的な変換に結びついていない広範囲の拡散した強力な周波数依存性の遷移を示す。したがって、リラクサ材料は、依然として立方晶系であり、ひいては中心対称であり、すなわち圧電性ではない。しかしながら、リラクサ材料は、非常に高い電歪性を示す。リラクサ材料の例は、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）およびランタンジルコニウムチタン酸塩（ＰＬＺＴ）である。

欧州特許第２６３５９１３号明細書（EP 2 635 913 B1）に既出のように、周波数変換の原理は、測定磁場に起因した磁歪相の歪みによって引き起こされる、圧電相を介した測定電圧を、所定の周期的な変調のサイクルで時間的に変化させることにある。このとき変調は、比較的小さな振幅の測定信号（以下では小信号と称する）が同時に存在する場合には、常に大きい振幅の信号（以下では大信号と称する）を用いて実施され、なお、大信号は、材料固有の歪み曲線の非線形の領域を走破し、小信号の追加的な変調に関して、歪み曲線は、振幅が小さいことに起因してほぼ線形に挙動する。

例えばＭＥセンサによる生体磁気信号の測定では、小信号は、大信号よりも格段に低周波数であり、すなわち、大信号の期間にわたって小信号は殆ど変化しない。小信号は、大信号によって引き起こされる時変性の材料特性を「見る」。とりわけ、測定電圧を取り出すために設けられた圧電相における圧電係数は、所定のサイクルで変調される。

欧州特許第２６３５９１３号明細書（EP 2 635 913 B1）の場合には、変調は、磁気的に実施される。すなわち、磁気的な変調磁場が用意され、この変調磁場は、（軸対称であり、それ故に既に非線形である既知の磁歪曲線を有する）磁歪相を介して圧電相も歪ませ、これによって圧電係数を変調させる。小信号による歪みの時間的な推移は、大信号によって整流され（うなり）、圧電相を介して電圧に変換され、この電圧は、変調周波数が測定磁場周波数に一致するように設定されている場合に、振動するＭＥセンサの固有周期を有する周波数成分を含む。これによって低周波数の小信号、すなわち測定磁場の共鳴増幅が実施される。

これに対して、本明細書に記載される本発明による磁場測定の場合には、とりわけこの目的のために印加される時間周期的な変調電圧が、測定電圧を取り出すために設けられた圧電相を大信号として変調する。変調電圧を、信号を取り出すために設けられたＭＥセンサの圧電相の歪みまたは長さ変化に変換することは、本発明によれば、ＭＥセンサに素材結合された誘電体の、時間周期的な変調電圧に依存した長さ変化によって実施される。この場合、誘電体または誘電相は、非線形の歪み−電圧曲線を有する必要があり、この非線形の歪み−電圧曲線は、非線形性の伸張された範囲にわたっても変調電圧によって走破される必要があり、さもなければ、ＭＥセンサにおいて周波数変換が実施されない。非線形歪−電圧曲線を有する誘電相は、材料が適切に選択されている場合には、測定電圧を取り出すための圧電相と同一であってもよい。磁歪相を介して追加的な小信号の歪みが作用し、この歪みは、圧電相において微分圧電係数にしたがって測定電圧に変換される。変調電圧が正の場合には微分圧電係数は正である（逆もまた同様）ので、発生する測定電圧も同様にして変調電圧のサイクルで整流され、このことは最終的に、既に磁気変調の場合と同様に作用する。

ＭＥセンサの電気的に駆動される変調は、磁気変調よりも格段に高速で省エネルギである。

上述した本発明による磁場測定装置の第１の変形例では、変調電圧は、公知のＭＥセンサの圧電相に印加され、この場合、圧電相は、非線形の歪み−電圧曲線を有する必要がある。圧電相は、例えばＰＺＴから形成することができる。しかしながら実験による発見によれば、ＰＺＴは、圧電相が例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成されている場合には不十分である。なぜなら、この材料は、広い電圧範囲にわたって顕著な線形の歪み挙動を示すからである。この場合には、目的の周波数変換を観察することはできない。非線形の歪み−電圧曲線を有する圧電相は、同時に２つの課題を実現する：（ｉ）圧電相は、変調電圧に対する応答として磁電的な複合要素の非線形の歪みを引き起こし、（ｉｉ）圧電相は、時間依存性の磁場が磁歪相に作用するとすぐに圧電的な測定電圧を取り出すために使用される。

本発明による磁場測定装置の第２の変形例では、非線形の歪み−電圧曲線を有する追加的な誘電相が、素材結合によって複合要素に配置され、この追加的な誘電相に変調電圧が印加される。この追加的な材料相は、変調電圧を非線形に歪みに変換し、素材結合による相同士の相互の結合によってこの歪みを磁歪相に伝達する駆動手段の機能のみを有する。誘電相は、好ましくは強誘電体、例えばＰＺＴから形成されるか、またはリラクサ材料から形成される。とりわけ、顕著な電歪性を示す任意の誘電材料が適している。なぜなら、磁歪性と同様に電歪曲線もまた軸対称であり、したがって顕著に非線形に延在するからである。例えばマグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）は、このような電歪性を示す。これに対して第２の変形例における圧電相は、時間依存性の磁場の存在下において測定電圧を取り出すためだけに使用される。圧電相は、例えばＰＺＴ、ＰＶＤＦから形成することができるか、または窒化アルミニウムから形成することもできる。

変調電圧は、時間周期的であるべきであり、この場合に好ましくは、機械的な振動子（すなわちＭＥセンサ）の固有周期からゼロよりも大きい所定の差分量だけ異なっている周期を有するべきである。この場合、変調電圧は、高調波の時間推移を有することもできるが、周期的な三角波電圧または方形波電圧などとすることもできる。変調電圧は、好ましくはＭＥセンサが自身の固有振動から離れて強制的に振動するようにするべきである。

好ましい実施形態では、変調電圧は、方形波電圧であり、この方形波電圧は、測定電圧を取り出すために設けられた圧電相における微分圧電係数を正の値と負の値との間で往復するように切り換える。特に好ましくは、このときに正および負の最大値が実現される。

以下では、実施形態および測定データの説明を参照しながら本発明をより詳細に説明する。

上述した磁場測定装置の第２の変形例によるストリップ形状のＭＥセンサの断面図である。 薄膜技術で実現された、図１の構造のＭＥセンサの測定電圧を示す図である。

図１には、磁場測定装置の第２の変形例の実施例として薄膜技術で実現可能な、ストリップ形状のＭＥセンサの断面図が示されている。図面は、縮尺通りではない。

３００μｍの膜厚を有するシリコン基板フィルム（１６）の表面側に、磁歪材料としてＦｅＣｏＳｉＢを用いる欧州特許第２５３８２３５号明細書（EP2 538 235 B1）の教示による磁歪積層体（１４）が被着されている。この積層体（１４）は、複数の反強磁性層を含み、交換バイアスによって層が結合される磁場を形成する。この磁場は、積層体（１４）の外側で顕著な漂遊磁場を発生させることなく、積層体（１４）全体を有利な圧磁係数を有する動作点へと導く。交換バイアスによって調整されたバイアス定磁場の強度は、約５Ｏｅである。

積層体（１４）と基板フィルム（１６）の裏面側とには、それぞれ１００ナノメートル厚のタンタル／プラチナ製の金属層が被着され、これらの金属層は、裏面電極（１２，２２）としても使用される。

圧電相（１０）（ここでは厚さ２μｍの層）は、本実施例では窒化アルミニウムから形成されており、上側の裏面電極（１２）の上に形成されている。非線形の歪み−電圧曲線を有する誘電相（１８）（ここでは厚さ２μｍの層）は、ＰＺＴから形成されており、下側の裏面電極（２２）に被着されている。

基本的に導電性である磁歪相（１４）と圧電相（１０）との間には、裏面電極（１２）は、通常、必ずしも必要というわけではない。裏面電極（１２）は、ここでは主としてより良好な圧電層（１０）を生成するためのテクスチャ消去のために使用され、付随的に裏面電極（１２）としても利用される。

これに対して、測定電圧を取り出すための圧電層（１０）の上に第１の電極装置（２０）を設けることは必須である。これに加えて、本発明による磁場測定装置の第２の変形例では、非線形の歪み−電圧曲線を有する誘電層（１８）に第２の電極装置（２４）が被着される。第２の電極装置（２４）は、本実施例では電極（２２，２４）を用いて誘電層（１８）を介して、本発明による変調電圧を印加するために使用される。それぞれ外側に配置された電極（２０，２４）は、クロム／金から約１００ナノメートルの厚さで形成されている。

磁場測定装置の第２の変形例に対して第１の変形例では、圧電相（１０）が非線形の歪み−電圧曲線を有する材料から、例えばＰＺＴから形成されるが、まさにここでは窒化アルミニウムからは形成されないことを前提とすると、基板フィルム（１６）の裏面側に設けられる全ての材料層（１８，２２，２４）が省略される。

材料層の選択、寸法設定、および順序を、とりわけ欧州特許２７１７３４３号明細書（EP2 717 343 B1）の教示にしたがって実施することも、本発明の範囲内に含まれる。したがって、電極（２２，２４）の一方または両方を櫛形電極として構成することもでき、（層の厚さを介してではなく）層に沿って電圧を印加すること、または取り出すことができる。

図１の右側では、基板フィルム（１６）を例えばシリコンウエハから作成可能であることが、ブロックによって示される。このブロックは、ＭＥセンサの右側の縁部が片側で固定されており、これによってＭＥセンサが片持ち梁の形式で振動可能となっていることを、極めて一般的に表現している。本実施例では、ＭＥセンサの機械的な固有振動数は、ｆＲ＝６８８Ｈｚに決定される。たわみ梁は、（自由な状態で）長さ約２０ｍｍ、幅約２ｍｍである。

図２には、圧電層（１０）を介して電極（１２）と（２０）との間で取り出された測定電圧が周波数の関数として図示されている。図２Ａは、交番電場または交番磁場が存在しない場合における信号を示し、すなわち、音響結合（空気伝播音による干渉）のみが発生する。測定電圧が対数スケールで示されることに留意すべきである。

図２Ｂは、Ｕ_０を振幅とし、変調周波数をｆ_ｍｏｄとした場合における周期的な変調電圧Ｕ_Ａ（ｔ）＝Ｕ_０ｃｏｓ（２πｆ_ｍｏｄｔ）が、電極（２２）および（２４）に印加されたときの測定電圧を示す。図２Ｂの例では、Ｕ_０＝４０Ｖであり、ｆ_ｍｏｄ＝６７８Ｈｚである。測定電圧の１つの周波数成分のみ（ここではｆ_ｍｏｄの周波数成分）が支配的であり、すなわちＭＥセンサは、自身の固有振動数に加えて強制振動も実施する。

図２Ｃの測定電圧は、誘電相（１８）を介した変調電圧（この場合には、１／ｆ_ｍｏｄの周期を有する方形波電圧）に加えて、周波数ｆ_ｍｅｓｓを有する測定磁場も磁歪相（１４）に作用する場合に、周波数ｆ_ｍｏｄを有する主成分と、周波数ｆ_ｍｏｄ−ｆ_ｍｅｓｓおよびｆ_ｍｏｄ＋ｆ_ｍｅｓｓの２つの側波帯成分と、を有する。図２Ｃの例では、磁場強度は、振幅Ｈ_ｍｅｓｓ＝１０Ｏｅを有し、測定磁場の周波数は、ｆ_ｍｅｓｓ＝１０Ｈｚであり、変調電圧の振幅は、Ｕ_０＝５Ｖである。右側の側波帯（６８８Ｈｚ）は、まさしくＭＥセンサの共振を励起させるので、測定電圧は、所望のように（ここでは左側の側波帯と比較して１桁以上）増加される。

とりわけ本発明では、ｆ_ｍｏｄを、測定磁場の周波数帯域を走破するように所定の周波数間隔にわたって変化させることができる。時間周期的な任意の変調電圧、好ましくは方形波電圧を得るために、変調電圧を印加するための手段は、有利には一般的に、所定の間隔境界の間で変調電圧の周期を自動的に変化させるように構成されている。

図２は、電圧値が連続的に供給されたスペクトラムアナライザの直接的な出力として、測定電圧の周波数成分を示す。後置接続される評価手段は、有利には、測定電圧を変調電圧の周期の関数として検出して、記録および／または出力するように構成することができる。好ましくはこの場合、評価手段は、測定電圧の局所的な最大値を特定し、少なくとも１つの特定された最大値の大きさおよび位置から、少なくとも１つの測定すべき磁場成分の振幅および周波数を推定する。最も単純なケースでは、測定電圧から磁場強度への変換は、ただ１回の事前試験において作成された較正テーブルに基づいて実施される。

自動的な探索と局所的な電圧最大値から磁場強度への変換とは、測定磁場が（あるいは先験的には未知である）複数の周波数を有する場合に、場合によって存在し得るこのような測定磁場の周波数成分を求めるための、所定の周期間隔または周波数帯域の高速な探索も支援する。この場合、変調周波数の変化を制御する変調電圧を印加するため手段に対する評価ユニットのフィードバックを設けることが有利であろう。したがって、例えばより正確なピーク値を特定するために、顕著な局所的な電圧最大値につながる変調周波数範囲を、適合された（好ましくは低減された）速度で探索することができる。

欧州特許第２６３５９１３号明細書（EP 2 635 913 B1）は、磁歪相に沿った一定のバイアス磁場を用いることなく周波数変換が成功すると述べている。好ましくはこの場合、例えば変調磁場の振幅は、さもなければ磁歪相における最大の圧磁係数の範囲をＭＥセンサの動作点として設定するために必要とされたであろう従来のバイアス定磁場の磁場強度において調整される。

基本的に、本発明ではバイアス定磁場も完全に省略可能であるが、電気的な変調の場合には基本的に、磁歪相（１４）が最大の圧磁定数を有する状態に陥るまで磁歪相（１４）を歪ませることはないだろう。したがってここでは、ＭＥセンサの動作点を最適化するためにバイアス磁場を設けることが有利であろう。この場合には、強磁性層と反強磁性層とを交互に有する多層の積層体として磁歪相（１４）を構成することが特に有利であり、このような磁歪相（１４）は、欧州特許第２５３８２３５号明細書（EP 2 538 235 B1）の教示によれば、顕著な漂遊磁場のない交換バイアスによる積層体の予備磁化を可能にする（実施例と比較のこと）。このようにして、複数のＭＥセンサが狭い空間に隣り合って配置される場合であっても、弱い低周波数の磁場に対して高い感度を得ることが可能となる。

Claims (13)

1. 振動子として磁電的な複合要素を用いる磁場測定方法であって、
   前記複合要素の磁歪相に時間依存性の測定磁場を作用させ、
   前記複合要素の圧電相を介して測定電圧を取り出し、前記測定電圧から測定磁場を推定する、
   磁場測定方法において、
   （ｉ）前記複合要素の前記磁歪相と素材結合された少なくとも１つの誘電相を設けるステップであって、前記誘電相は、電圧が印加されると長さ変化を示し、前記長さ変化の大きさは、前記電圧の大きさに非線形に依存する、ステップと、
   （ｉｉ）時間周期的な変調電圧を前記誘電相に印加するステップと、
   を特徴とする、磁場測定方法。
2. 磁場測定装置、とりわけ磁場測定方法を実施するための磁場測定装置であって、
   非線形の歪み−電圧曲線を有する圧電相（１０）を有する、機械的に振動可能な振動子として構成された磁電的な複合要素と、
   前記圧電相（１０）の上に設けられた電極装置（１２，２０）と、
   前記振動子の変位時に前記圧電相（１０）を介して測定電圧を取り出すための手段と、
   を有する磁場測定装置において、
   時間周期的な変調電圧を前記圧電相（１０）に印加するための手段
   を特徴とする、磁場測定装置。
3. 磁場測定装置、とりわけ磁場測定方法を実施するための磁場測定装置であって、
   機械的に振動可能な振動子として構成された磁電的な複合要素と、
   前記複合要素の圧電相（１０）の上に設けられた第１の電極装置（１２，２０）と、
   前記振動子の変位時に前記圧電相（１０）を介して測定電圧を取り出すための手段と、
   を有する磁場測定装置において、
   前記複合要素と素材結合された、非線形の歪み−電圧曲線を有する誘電相（１８）と、
   前記誘電相（１８）の上に設けられた第２の電極装置（２２，２４）と、
   時間周期的な変調電圧を前記誘電相（１８）に印加するための手段と、
   を特徴とする、磁場測定装置。
4. 前記圧電相（１０）は、強誘電体から形成されている、
   請求項２記載の磁場測定装置。
5. 前記誘電相（１８）は、強誘電体またはリラクサ材料から形成されている、
   請求項３記載の磁場測定装置。
6. 前記強誘電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）またはチタン酸ナトリウムビスマス（ＮＢＴ）の群からの材料である、
   請求項４または５記載の磁場測定装置。
7. 前記リラクサ材料は、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）またはランタンジルコニウムチタン酸塩（ＰＬＺＴ）の群からの材料である、
   請求項５記載の磁場測定装置。
8. 前記変調電圧を印加するための手段は、機械的な前記振動子の固有周期からゼロよりも大きい所定の差分量だけ異なっている前記変調電圧の周期を設定するために構成されている、
   請求項２から７までのいずれか１項記載の磁場測定装置。
9. 前記変調電圧を印加するための手段は、方形波電圧を出力するように構成されており、
   前記方形波電圧は、前記圧電相（１０）の周期的な非線形の歪みを引き起こし、前記圧電相（１０）では、前記圧電相（１０）における微分圧電係数が、正の値と負の値との間で往復するように切り換えられる、
   請求項８記載の磁場測定装置。
10. 前記変調電圧を印加するための手段は、前記変調電圧の周期を所定の間隔境界の間で自動的に変化させるように構成されている、
    請求項８または９記載の磁場測定装置。
11. 前記測定電圧を前記変調電圧の周期の関数として検出して、記録および／または出力するように、評価手段が構成されている、
    請求項２から１０までのいずれか１項記載の磁場測定装置。
12. 前記評価手段は、前記測定電圧の局所的な最大値を特定し、特定された少なくとも１つの最大値の大きさおよび位置から、少なくとも１つの測定すべき磁場成分の振幅および周波数を推定するように構成されている、
    請求項１１記載の磁場測定装置。
13. 前記磁歪相（１４）は、強磁性層と反強磁性層とを交互に有する多層の積層体として構成されている、
    請求項２から１２までのいずれか１項記載の磁場測定装置。

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