JP3618425B2

JP3618425B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP3618425B2
Application number: JP29330895A
Authority: JP
Inventors: 一郎水上
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1995-10-17
Filing date: 1995-10-17
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: JPH09113592A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性体の磁気特性を測定するための磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁性体の磁気特性（主にＢ−Ｈ特性）を測定する方式として静磁場方式と交流磁場方式がある。静磁場方式は、図７（ａ）に示すように、直流電源２２から励磁コイル２１に直流を流すことにより得られる強力な一対の磁石２１ａを近接させ、空隙２１ｂに生じる磁界中に被測定磁性体２４を置き、この磁性体２４を振動させることによって生じる磁束変化を検知コイル２３と増幅器２５とで検知増幅し、検出信号をとり出すものである（ＶＳＭ方式）。この方式の欠点は装置が大がかりになるため、簡単に交流磁気特性が得られないことである。
次に、交流磁場方式は、図７（ｂ）に示すように、励磁コイル２１に交流電源２６から交流電流を流し、それによって生ずる磁界中に被測定磁性体２４を置き、励磁電流の変化によって生ずる磁界強度変化に対応した磁束密度を検知コイル２３と増幅器２５とで検知増幅し、検出信号をとり出すものであり、前方式に比べ装置が比較的簡単であるが薄膜のように磁化の強さが小さなものを測定するには特殊な検知コイルを必要としている。
【０００３】
この交流磁場方式には補償コイル無し方式と有り方式がある。補償コイル無し方式では図７（ｂ）に示すコアのような比較的大きな磁性体を測定するために用いられ、励磁コイル２１を被測定磁性体２４に巻き付けるかまたは検知コイル２３も同様に被測定磁性体２４に巻き付けて磁性材の磁気特性を測定している。この方式では比較的簡単に磁気特性が測定できるが、一方コイルを巻く手間と、被測定磁性体２４にある程度大きな質量を必要とする欠点がある。
【０００４】
この欠点を解消するために、本願発明者は、先に特願平７−１６９３３４号「磁気センサ」を提案した。この先願発明では交流磁場方法による補償コイル付き磁気センサの有効性が示されている。
これに述べられた補償コイル付き磁気センサは円筒形の励磁コイルの両端面に補償コイル，検知コイルが位置している。図８は、先願で提案した磁気センサである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、図８に示す先願発明の改良に関するものであり、この先願方式では磁化の小さな磁性体の磁気特性を簡単に測定することはできるが、励磁コイル２１によって作られる磁力線が励磁コイル２１の内側から外側に向かって発生する。このため二つの問題が生じる。その一つは、磁気センサ近傍に磁性体あるいは金属体が存在すると磁力線の片寄りが生じ、検知コイル２３と補償コイル２７との発生電圧バランスを崩すことになる。バランスの崩れはそのまま励磁電源の電圧成分が被測定磁性体による励磁電圧成分より大きくなり、磁気特性測定のＳ／Ｎ比を劣化させる原因となる。このため、先願の磁気センサを金属部分の多い搬送系を持つ機器などに組み込んで使用する場合は取付け位置などの制限があり、非常に使いずらいという問題点があることが判った。磁気センサ近傍に金属体があった場合には空間上の磁界は金属が強磁性体ならば分極作用により、また、強磁性体以外では磁束変化にともなう渦電流により磁束密度が変化する。そのため、周辺金属体により補償コイルと検知コイルの励磁磁界に対する起電力のバランスがくずれる。
他の問題は、励磁コイル２１の周辺部を取り囲むように金属導体が存在するときで、励磁コイル２１の磁力線は電磁気理論で示されるように閉じており、磁力線を横切る金属体が存在する場合、その金属体内部に渦電流を生じ、励磁磁界のエネルギが熱あるいは反磁界となって励磁磁界を弱める。そのため、被測定磁性体２４を十分励磁出来なくなるため被測定磁性体２４に充分な磁界を与えることができないため良好な磁気特性が得られなくなる。
センサ周辺に金属体を用いるこのような使用方法は一般的であり、金属体でこの磁気センサを使用出来ないとなると、使用上の制限として使いずらいものとなるという問題点があることが判った。
【０００６】
長手方向に移動している細長いタグ状の磁性体２４の磁気特性を検知しようとする場合、タグの磁化容易軸が短手方向にあると検出が極めて困難であった。
その理由は短手方向の磁性体の作る磁気モーメントは小さいため検知信号は微弱であるため、磁化容易軸に対し励磁磁界は平行になるようにせざるを得ない。また、長手方向に移動しているため磁気センサとタグの搬送系とのわずかな短手方向へのずれがギャップの狭い通常の磁気ヘッドを用いたセンサでは検出を困難にしている。
【０００７】
本発明は、このような補償コイル付き磁気センサが近傍にある磁性体，金属体の影響を受け易い欠点を少なくし、長手方向に移動している細長いタグ状の磁性体の磁気特性をより確実に検知することができる構造を有する改良された磁気センサを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気センサは、ギャップを有するＵ字型軟鉄材磁心と、該Ｕ字型軟鉄材磁心の該軟鉄材上に捲回された励磁コイルと、前記Ｕ字型軟鉄材磁心の前記ギャップ内に前記励磁コイルに流れる励磁電流による励磁磁界の磁束の方向に各巻軸が沿うように並んでそれぞれが空心ボビンに捲回されて配置された空心検知コイル及び空心補償コイルと、前記Ｕ字型軟鉄材磁心，前記励磁コイル，前記空心検知コイル及び前記空心補償コイルを覆う非磁性材料からなる外部カバー及び表面カバーとを備え、前記表面カバー上に被測定磁性体を配置させた状態で磁気特性を測定するように構成されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による磁気センサは、フェライトあるいは軟鉄のごとき強磁性材のＵ字型磁心上に励磁コイルが配置され、その磁心のギャップ内に補償コイルと検知コイルが取り付けられた構造になっている。補償コイルと検知コイルは非磁性体でできた空心ボビン上に形成されており、また上下あるいは左右に近接して取り付けられた構造となっている。検知コイルと補償コイルを配置したギャップの外側はセラミックあるいは硬質樹脂のカバーで覆われた構造を持っている。
【００１０】
図１は励磁コイルモデルを示し、図２はその磁界強度図を示す。４は磁心で、図１に示すように正面からみてＵ字状に形成されている。５は励磁コイル、７はギャップである。このモデルの磁束磁界強度を求めてみると、磁気抵抗Ｒｍは、
【数１】
Ｒｍ＝１１／μ_０・μ_１・ｓ＋１０／μ_０・ｓ ………（１）
ここで、１１：磁心通過距離、１０：ギャップ距離、ｓ：磁心断面積、μ_０：真空透磁率、μ_１：磁心比透磁率である。
ただし、ギャップ間での磁束のひろがりはあまりないとする。
また、磁束φと磁界強度Ｈは、次のように表すことができる。
【数２】
φ＝ＮＩ／Ｒｍ …………（２）
Ｎ：励磁コイル５の巻き数Ｉ：励磁電流
【数３】
Ｈ＝φ／μ_０・ｓ …………（３）
式（２），式（３）から式（１）を変形して
【数４】
Ｈ＝ＮＩ・μ_１／（１１＋μ_０・１０） …………（４）
となる。例えば、ギャップ距離１０ｍｍ、Ｕ字型磁心の平均磁束通過距離９０ｍｍ、磁心の比透磁率１０００とし、Ｎ＝３００，Ｉ＝０．３とした場合、式（４）に代入すると、Ｈ＝９０００アンペアターン／ｍとなり、広いギャップでも充分な励磁磁界を得ることができる。
【００１１】
【実施例】
図３に本発明による磁気センサの実施例を示す。
１は保護用の表面カバーであり、耐磨耗性のある非磁性材が用いられる。例えばアルミニウムなどのセラミック材、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）やＰＯＭ（ポリアセテート）などの硬質プラスチック材である。２，３は検知コイルと補償コイルであり空心ボビン２ａ，３ａに導線が巻かれた構造、すなわち空心検知コイルと空心補償コイルの構成となっている。それぞれのコイルは同形状と同巻数となっており各端子を逆極性で接続して出力電圧が相殺されるようになっている。図３の実施例では各コイルは上下に位置しているが、図４で示される例のような左右に並列にならべてもよい。４はギャップ７を有するＵ字形磁心であり、フェライトや軟鉄を材料としている。５は磁心４上に捲回された励磁コイルである。６は外部カバーであり非磁性材であればアルミニウム，黄銅のような金属であってもよい。検知コイル２と補償コイル３とは、実際はギャップ７内に配置されるが、各部構造を明示するために、図３では検知コイル２と補償コイル３とはギャップ７の外側に図示してある。
【００１２】
この磁気センサでは、補償コイル３と検知コイル２を同じ巻数でかつ巻方向が逆で相加されて出力電圧ｖ_０を得るように接続されており、Ｕ字型磁心４の上端のギャップ７内に配置されている。励磁コイル５からの励磁磁界が同じ強度で二つのコイル２，３を横切ると各コイル２，３によって励磁された起電力は相等しく、出力ｖ_０側で殆ど相殺することができる。また、同一平面状あるいは上下近接しているため極対称に位置された従来形よりも近傍の金属体による磁界の変化によるバランスのくずれが少ない。
励磁コイル５を捲回している磁心４を図示の如くＵ字型にすると、磁力線はＵ字型磁心４のギャップ７を主に通り、近傍には空心型より磁束の広がりが少なく、水平方向の磁界強度は磁心端面では変化があるもののほぼ一定に保たれる。
【００１３】
この状態で、表面カバー１の外側（図３では上部）にタグの如き被測定磁性体２４が存在すれば、検知コイル２と補償コイル３に対する励磁磁界による起電力のバランスがくずれて、検出電圧ｖ_０が得られることになる。
【００１４】
この磁気センサでは、磁力線は空間にあまり広がらないため磁気センサ近傍にある磁性体，金属体の影響を受けにくい。短手方向に磁化容易軸ａを有し長手方向に移動する磁気タグ２４の磁気特性を検知する場合にも本方式の磁気センサはギャップ７間の平行磁界が広くかつ一様にとれるため、ギャップ７に平行に移動する図５のときにも、また、ギャップに直角に移動する図６の場合にも、搬送上の位置変化に対して有利である。
従来型の磁気ヘッドでの空隙は通常狭いので短手方向に磁化容易軸ａを有する磁気タグ２４の磁気特性を効率よく検知するには、長手方向に移動する磁気タグ２４を検出するには狭いギャップを高精度で通過させる必要があり極めて困難であったこと、およびギャップに対し幅の広い直角方向に磁気タグ２４を移動させた場合には磁化容易軸ａに対し励磁磁界は直角となるので磁気特性をとることが困難であった問題点を、効果的に解消している。
本発明では、検知コイル２，補償コイル３は上下あるいは同一平面上にあり、被測定磁性体２４をその表面を極めて近接して移動させることができる。そのためこの表面は接触等による耐久性を増すためにセラミック、あるいは硬質樹脂の表面カバー１で覆ってある。
【００１５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、近傍に磁性体を含む金属体が存在しても、殆ど影響を受けることなしに、確実に被検知磁性体の磁気特性を検知することができ、特に、細長いタグ状の磁性体に適用して有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる励磁コイルのモデルを示す斜視図である。
【図２】本発明に用いる励磁コイルのギャップ距離と磁界強度の関係を示す特性図である。
【図３】本発明の実施例の構造を示す斜視図である。
【図４】本発明の他の実施例を説明するための斜視図である。
【図５】本発明による磁気センサの動作を説明するための斜視図である。
【図６】本発明による磁気センサの動作を説明するための斜視図である。
【図７】従来の磁気センサを説明するための接続図である。
【図８】本願発明者が先に提案した磁気センサを説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１表面カバー
２検知コイル
２ａ空心コイル
３補償コイル
３ａ空心コイル
４磁心
５励磁コイル
６外部カバー
７ギャップ
２１励磁コイル
２１ａ磁石
２１ｂギャップ
２２直流電源
２３検知コイル
２４被測定磁性体（被検出タグ）
２５増幅器
２６交流電源
２７補償コイル
２８信号処理回路

Claims

ギャップを有するＵ字型軟鉄材磁心と、
該Ｕ字型軟鉄材磁心の該軟鉄材上に捲回された励磁コイルと、
前記Ｕ字型軟鉄材磁心の前記ギャップ内に前記励磁コイルに流れる励磁電流による励磁磁界の磁束の方向に各巻軸が沿うように並んでそれぞれが空心ボビンに捲回されて配置された空心検知コイル及び空心補償コイルと、
前記Ｕ字型軟鉄材磁心，前記励磁コイル，前記空心検知コイル及び前記空心補償コイルを覆う非磁性材料からなる外部カバー及び表面カバーとを備え、
前記表面カバー上に被測定磁性体を配置させた状態で磁気特性を測定するように構成された磁気センサ。