Magnetic preamplifier

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は一般に、磁気装置に関し、より詳細には、新しい構造の磁気増幅器に関する。 本発明は、特定的には、
可飽和相互インダクタンスブリツジの原理に基づいて動作する多脚の単体フエライトコアを含む磁気増幅器に関する。 本発明の原理は、磁力計及び磁気ひずみ計の構造にも使用され、また一般的に、磁気増幅器自身の鉄心中に小さな磁気信号を発生させる全ての物理的現象の検出及び測定のために使用される装置の構造に関する。

一般に、磁気増幅器についての従来の技術は、米国特許第2164383号、第3015073号、第3271690号、第4286211
号、第3801907号及び第4339792号に例示されている。 これらのうち、米国特許第4339792号は、代表的であり、
多脚のフエライトコア構造を示している。 この構造は、
電源に関連した調整器として用いられていると思われる。 更に、これらの先行技術の大部分において、励磁回路中に整流器が用いられているが、これは、本発明の原理によつて不要とされる。 本発明によれば、鉄心の脚部は、１サイクルのうち両方の半サイクルについて動作する。 本発明の背景技術としての別の磁気増幅器は、IEEE
トランザクシヨンズ・オン・マグネチツクス、第１巻、
1965年６月、87-98頁に記載されている。

この刊行物及び前出の米国特許に示された技術は、可飽和リアトル又はインダクターの作動原理に基づいたもので、非線形磁気材料の効果は、励磁電流が供給される同じコイルか又はこのコイルに強く結合された別のコイルに反映される。 他方では、本発明によれば、作動原理は、４つの可飽和相互インダクタタンスのブリツジの不平衡に存し、ここで、非線形の磁性材料の効果は、入力電流が零でない場合にのみ励磁コイルに結合される出力コイルについて生起する。

（発明が解決しようとする問題点） 従つて、本発明の一目的は、改善された増幅器利得を特徴とする改良された磁気増幅器を提供することにある。

本発明の別の目的は、多脚の単体フエライトコアを備えた磁気増幅器を提供することにあり、その一実施態様による磁気増幅は、所定の周波数帯域について出力利得10
0となる。 ここで、出力利得は、小さな入力信号について、（励磁電圧の代償として）出力コイルから得られる出力と、入力コイルに放散される出力との比として定義される。

本発明の更に別の目的は、可飽和相互インダクタンスブリツジの作動原理に基づいて作動する構造が簡単で作動の容易な改良型の磁気増幅器を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） これらの目的及び他の目的を達成するための、本発明による磁気増幅装置は、好ましい実施態様として、多脚の単体フエライトコアを含む磁気増幅器の形態となつている。 磁気増幅装置は、強磁性の鉄心を含み、この鉄心は、鉄心中に直交するように配置された通し孔によつて少くとも部分的に画定された複数の脚部を備えている。
強磁性の鉄心は、適切な非線形動作区画をもつたヒステリシスサイクル又はヒステリシス曲線をもつように選定される。 ヒステリシスサイクルのこれらの非線形動作区画に強磁性の鉄心をバイアスする手段が設けられている。 強磁性の鉄心上の第１コイル手段とこの第１コイル手段に交流励磁信号を供給する手段とが設けられている。 第２コイル手段も、強磁性の鉄心上に配設されており、第１コイル手段と直交するように巻かれている。 第２コイル手段から出力信号を導出する手段が設けられている。 好ましい実施態様によれば、強磁性の鉄心上の第３コイル手段とこの第３コイル手段に制御信号を供給する手段とが設けられている。 コイル手段についてみると、第１コイル手段は、第１通し孔を経て第１方向に鉄心上に巻かれており、第２コイル手段は、第２通し孔を経て、該第１方向とほぼ直交する第２方向に鉄心上に巻かれている。 第３コイル手段は第１通し孔及び第２通し孔の両方を経て鉄心上に巻かれている。 第３コイル手段は、好ましくは、各々の脚部上に、別々の制御コイルを含み、そのうち２つの制御コイルは時計方向に、２つの制御コイルは反時計方向に、それぞれ巻かれている。 時計方向のコイルは対角方向に、反時計方向のコイルはやはり対角方向に物理的にそれぞれ配設されている。 コイルのバイアス手段は、鉄心の軸方向の各端に１つずつ配された１対の極形成磁石の形状としてもよく、また鉄心をバイアスするために鉄心の外側に２つの区画として巻かれた第４コイル手段を備えていてもよい。

次に本発明の好ましい実施例を図面に基づいて一層詳細に説明する。

（実施例） 本発明の一実施例による磁気増幅器は、４脚の単一のフエライト鉄心の形状において、第1A図に示され、永久磁石M1,M2を両端に備えている。 鉄心Ｃは、横方向の通路P
1,P2を備えている。 第1A図には、フエライト鉄心Ｃに組合された多重コイルも図示されている。 第1A図には、励磁端子ET、入力端子IT及び出力端子OTも図示されている。 第1A図の実施例によれば、永久磁石M1,M2によつてバイアスが与えられるため、特別の組のバイアス端子も、これに組合されたバイアスコイルも用いられていない。

第1A,1B図に示した磁気増幅器は、単体の４脚強磁性鉄心（フエライトコア）の可飽和脚部によつて形成された４個の可変相互インダクタンスのブリツジの形状となつている。 これらの脚部は図にL1-L4として表わされている。 第１図において、全体の装置は、鉄心の脚部L1-L4
にコイルを巻回した状態で図示されている。 ここで、前記の通路P1,P2は、長さの半分だけずれている。 更に、
鉄心Ｃの各々の開口の断面積は、各々の脚部L1-L4の断面積の約２倍である。 第1A図において鉄心Ｃは単体の部材として形成されている。 しかし、説明の目的のために、また変形例として、第1B図に示すように複数の別々の部材によつてフエライトコアを形成してもよい。 これらの部材は、可飽和の磁気材料からできている４個の別々の脚部L1-L4と、これと同一か又は飽和度の低い磁気材料からできている頂部材10及び底部材12である。 第1B
図の実施例に示すように鉄心Ｃを形成してもよいが、磁気回路に空隙を発生させないように、各部を正確に整合させる必要がある。 この目的のために、適正な磁気的特性を備えた接着剤を用いて各部を互に固定する。

第1C図を参照すると、鉄心上に巻回させることの可能な４個のコイルの形状が、一連の斜視図によつて図示されている。 これらのコイルは、バイアスコイルＢ、励磁コイルＥ、入力コイルないしは制御コイルＩ及び出力コイルＯである。 バイアスコイルＢは、２つのループB1,B2
から成つているが、多重の巻から成つていてもよい。 他のコイルE,I,Oも多重の巻を有していてもよい。 励磁コイルＥは、２つのループE1,E2から成つている。 これについては、第1A図の鉄心Ｃ上の励磁コイルＥの配列も参照されたい。 入力コイルＩは、４つのループI1,I2,I3,I
4に区分されている。 また出力コイルＯは、２つの別々のループO1,O2に区分されている。

バイアスコイルＢは、第1A図では磁石があつた個所の回りに、相等しい区画B1,B2として、鉄心の外側に巻回されている。 これについては、バイアスコイルＢの配置を示した第1D図を参照されたい。 なお、第1D図の実施例によれば、バイアスコイルＢが用いられているため、永久磁石は用いられていない。 バイアスコイルと永久磁石とのどちらか一方を使用し、両者を同時には使用しない。

前述したように、第1C図の励磁コイルＥのループE1,E2
は、第1A図の鉄心Ｃ上に図示されている。 出力コイルＯ
のループO1,O2も同様にこの鉄心に図示されている。 ここで、励磁コイルＥのループE1,E2は、通路P2のみに、
そして出力コイルＯのループO1,O2は通路P1のみに、それぞれ組合されている。 他方では、入力コイルＩのループI1-I4は、脚部L1-L4にそれぞれ組合されており、両方の通路P1,P2を通つて延長するようになつている。 第1C
図からわかるように、ループI1,I3は時計方向のループであり、ループI2,I4は、反時計方向のループである。
これによつて、４個の脚部L1-L4によつて形成された磁気的ブリツジを不平衡とするための適正な磁気的制御が得られる。

本発明による磁気増幅器は、鉄心の脚部L1-L4の強磁性材料のヒステリシスサイクルの非線性の特性を利用する。 これについて、第2A図には、典型的な軸上にプロツトされたヒステリシス曲線の好ましい形状が図示され、
そのうちの水平軸は磁界（印加磁界）を、垂直軸は、磁化又は磁束密度を表わしている。 理想的な鉄心材料は、
装置を作動させるのに必要な電流の強さを減少させるために比較的低い飽和値及び可能な限りの最も急峻な勾配をもつたヒステリシスサイクルを有しているべきである。 また、ヒステリシスサイクルの幅は磁気的放散を少くするために可及的に小さくすべきである。 これらのパラメーターは、強磁性材料の適正な選定によつて選定することができる。

第2B図は、透磁率と磁界の強さとの関係を示している。
透磁率は、磁界の強さに対する磁化の比によつて表わされる。 透磁率は、第2B図に示すように、ヒステリシスサイクルの最も急峻な部分において最大となつた後、磁界の強さの増大と共に、基線に向つて漸近線状に減少する。

第2C図は、ラインダイアグラムを示し、最も上のダイアグラムは、バイアス磁界を示し、ヒステリシスサイクルの非線部分又は最大値から基線に向つて移行する間の透磁率曲線のほぼ中点においての静動作点を与えるようなバイアスを表わしている。 第2C図の中間のダイアグラムは、AC励磁電流による交番磁界を表わしている。 最も下のダイアグラムは、低周波数において一定にか又は可変となりうる入力信号又は制御信号を表わしている。

磁界の強さＨが或る値Hsを過ぎて上昇すると、各々の脚部L1-L4の磁化の強さは、飽和点Msに到達し、磁気材料の透磁率は、第2B図に示すように減少する。 これは正の磁界の強さHsと負の磁界の強さHsとの両方について生ずる。 鉄心の脚部L1-L4が、コイルＢの適切な極形成電流I
b又は永久磁石によつて、これらの磁界の強さHsによつて磁化された場合、入力コイルＩの別の電流によつて脚部L1-L4の透磁率を変化させることができる。 入力電流（制御電流）は、脚部L1-L4のうち２つの向い合う脚部の透磁率を減少させて他の２つの脚部の透磁率を増大させるように値が定められている。 これは、前述したように、入力コイルＩの対角方向に配された巻線即ち時計方向の巻線及び反時計方向の巻線によつて得られる。 これにより、４つの脚部L1-L4によつて形成された相互インダクタンスのブリツジは不平衡となる。 そのため、励磁コイルＥ中に流れて交番磁界H _E （Hsの約４倍に等しい一定のピークピーク値を有する）を発生させる交流電流は、出力コイルＯに交流電流I _Oを誘起させる。

第1C図に、バイアス、入力、励磁及び出力について示した４つの回路は、好ましくは、これらが相互から電気的に絶縁されるように構成される。 各々の回路のコイルの巻数は、それが接続されている外部の回路のインピーダンスに整合するように策定することができる。 この整合を更に改善して最大の効率を得るようにコンデンサーをコイル端子と並列に接続してもよい。 次に、本発明による磁気増幅器の作用を示すための第３図の配列図も参照して説明する。 第３図の幾何学的形状は、最適ではないが、単に説明のためのものである。 第３図には、４つの別々の巻線回路と、これに組合された脚部L1-L4とが図示されている。 作動原理としてはいろいろの回路は、或る意味では、互に同等であり、多少とも自由に相互に交換することができる。 これらの回路の機能は、主にこれらに供給される電流の形式によつて定まる。

第３図において、脚部L1-L4が非線性の材料（強磁性材料）からできているとしても、各々の回路は、単独にも、又は対としても、誘導的に、他のものから独立している。 即ち、電流（直流又は交流）をどれか１つの巻線に供給しても、他の３つの巻線には誘導を生じない。 また、２つの電流（同じ大きさでも、異なつた大きさでもよく、直流でも交流でもよい）をどれか２つの回路に供給しても、他の２つの回路には誘導を生じない。 しかし３つの適切な電流をどれか３つの巻線に供給した場合には、零出力とは異なつた出力が第４の巻線又は回路から取出される。 もちろん前述の構成においては、永久磁石によつてではなく、コイルの１つによつてバイアスが供与されることが想定されている。

第4A,4B図に示すように、各々の脚部に只１つのコイルがあるように、２つの回路のコイルをブリツジ形態に一緒に組合せてもよい。 第4B図には、励磁端子ET、出力端子OT及びループT1-T4を含むブリツジが図示されている。 この構成はインダクタンスブリツジを形成している。 この構成において、各々の回路は、電気的に絶縁されているが、前記の誘導特性を保つている。 このようにコイルをブリツジ形に接続する場合に、交流と共に動作する他の回路に対して、通常の変圧器の短絡された２次側回路のように挙動する不所望のループの形成をさけるように留意する必要がある。

一定の直流電流（バイアス電流）のみと共に回路を使用する場合に、鉄心に直接に挿入された適切な永久磁石をコイルの１つの代りに用いることが有利な場合がある。
そのため２つの方法が図示されている。 １つの方法は第
1A図について既に説明した通りである。 第1A図のように磁気増幅器と共に装置を使用する場合には、磁石M1,M2
は、鉄心の軸方向の先端に配置される。 この構成において、磁気回路Ｂを閉成するため（バイアス電流又は磁石）と、第２に、外部の磁気的又は電気的じよう乱から装置を遮蔽するためとの、２つの目的に、外部の円筒状の強磁性構造物16が好ましくは使用される。

第4A図に示した本発明の実施例による装置は、外部磁界によつて４つの脚部に生成した磁気的信号を増幅するので、磁力計として動作する。 この構成では、明らかなように、遮蔽体は用いられない。 即ち、矢印18によつて示された外部磁界Ｈは、第1A図に示した永久磁石と同様に、４つの脚部に直接に影響する。 第4A図の回路においては、構造物の軸方向の両端に永久磁石を配する代りに、基本的に２つの別々の磁気回路C1,C2に鉄心を分離する磁石20,22が配される。 即ち、磁力計は、只２つの電気回路（励磁回路及び出力回路）のみを含み、これらはブリツジ形態に結合することができる。 第4B図は、更に、これを行なう仕方と、第4B図に破線の矩形によつて示した磁石20,22に対する各々のコイルの配列とを示している。

第4A図の装置を磁気ひずみ材料から形成した場合には、
この装置は、歪みも感知する。 それは、４つの脚部の磁化及び透磁率の変化がひずみによつて生ずるためである。 第５図に示した２つの側部ピースC1,C2が同一の磁気ひずみ材料からできている場合には、第５図に示した装置は、非磁性部材24,26に対する力F2によつて生ずるもののような曲げひずみを感知する。 側部ピースC1,C2
が互に逆の磁気ひずみ係数をもつ場合には、装置は、第５図の力F1によるもののような長手方向のひずみを感知する。

本発明によれば、鉄心の脚部の大きさ及び形状が同一であることと共に、ブリツジが適切に平衡されるように、
全てのコイルを実質的に同一の形状とすることがたいせつである。 最終的な零微調節は、極形成用の磁石をごくわずかだけ移動させることによつて行なう。 この系が良好に平衡すると、入力電流Ii＝０ならば、出力は発生しない。 Ii≠０ならば、出力が発生し、この出力は、励磁電流と同じ周波数であり、振幅は入力電流Iiに正比例する。 この形式の出力は、抑制された搬送波変調信号と呼ばれる。

実際に試験された、本発明の或る実施態様によれば、単体のフエライトコアによる信号の出力利得は、約100であり、直流から約10KHzまでの周波数の制御電流Iiについて一定であつた。 この例では、励磁周波数は100KHzであつた。 制御周波数がこれよりも高くなると増幅率は低下する。 この増幅は、フイードバツクなしに得られた。
フイードバツクは増幅率を或る大きな因子によつて増大させることができる。 フイードバツクは、出力信号を変調し、このようにして得た電流の一部を適切な極性でもつて入力回路に供給し、又は、同じように巻線を施した別の回路に供給することによつて、非常に簡単に、装置に組込むことができ、即ち磁気前置増幅器として好適に利用できる。

以上に説明した磁気増幅器は、比較的小さなサイズに作成することができる。 ある形態において、コイル及び極形成磁石を有するが遮蔽体は有さない全体の装置の大きさは、１cm ³よりも小さく、重量は3.5gであつた。 より高い品質のフエライトを使用し、励磁周波数をより高くすることによつて、より高い入力周波数の増幅が可能となると共に、より小さな電流の増幅に必要な小形の装置を製造することが可能となる。

本発明をその特定の実施例について以上に説明したが、
本発明は、前述した実施例以外にもいろいろと変更して実施できるので、前述した特定の構成は単なる例示ほ過ぎず、本発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第1A図は、単体の４脚フエライトコア及びバイアス用磁石を使用した本発明の一実施例による磁気増幅器を示す斜視図、第1B図は、巻線を有さないフエライトコアを示す斜視図であり、鉄心を別々の部材によつて形成した形態を示す図、第1C図は、フエライトコアに組合される種々のコイルの形態を示す斜視図、第1D図は、遮蔽体を除いて示した第1A図と同様の斜視図であり、永久磁石の代りにコイル手段によつて励磁を行なう場合を示す図、第２図は本発明による磁気増幅器の鉄心のヒステリシスサイクル及びヒステリシスサイクルに組合された別の特性、特に、磁界の強さの関数としての透磁率（平均値）、及び磁気増幅器を作動させるのに必要なバイアス電流、励磁電流及び入力電流によつてそれぞれ発生させた磁界の強さH _B ，H _E及びH _Iを夫々示す図、第３図は、磁気増幅器の４つの脚部をそれに組合されたコイル巻線と共に示す略配列図、第4A図は、励磁用及び出力用のための２つのコイル形態を有する４つの脚部を使用し、鉄心構造の一部として永久磁石を含むようにした、磁力計に適用した場合の、本発明の実施例を示す斜視図、第4B図は、第4A図の鉄心に組合された励磁コイル及び出力コイルのコイル形態を示す略配列図、第５図は、力の測定に使用する磁気ひずみを利用し歪み計に適用した場合の本発明の原理説明図である。 Ｃ……鉄心。 P1,P2……通路（通し孔）。 L1-L4……脚部。 M1-M2……永久磁石（バイアス手段）。 Ｂ……バイアスコイル（バイアス手段）。