磁力計の種類

第4章 12分で読めます

スカラー磁力計 vs. ベクトル磁力計

具体的なタイプを比較する前に、2つの基本的なカテゴリーを理解することが重要です：

磁場の全体の強さ（大きさ）のみを測定します — 単一の数値です。磁場がどの方向を向いているかは関係なく、どれだけ強いかだけを測定します。例：プロトン歳差運動、オーバーハウザー、光ポンピング。

特定の軸（X、Y、Z）に沿った磁場を測定し、強さと方向の両方を提供します。全磁場は成分から計算できます。例：Hall効果、フラックスゲート、SQUID、磁気抵抗。

スマートフォンの磁力計はベクトル型です — 3つの個別の測定値（X、Y、Z）が得られ、そこから全磁場とコンパス方位が計算されます。

Hall効果センサーは、世界で最も普及している磁力計です。スマートフォン、自動車システム、産業機器、家電製品に使用され、年間数十億個が製造されています。

Hall効果センサーの仕組みは第2章で解説しています。

これらのセンサーは、電気抵抗の変化を測定することで磁場を検出します。3つのサブタイプがあり、それぞれ異なる性能レベルを提供します：

TMRセンサーは、より高い感度と低ノイズを小型・低消費電力のまま実現できるため、ハイエンドスマートフォンではHall効果センサーに代わって採用が進んでいます。

フラックスゲートは、プロフェッショナルな地球物理調査、航法システム、宇宙ミッションに適した計器です。感度、サイズ、コストの優れたバランスを提供します。

フィールドでの使用

フラックスゲート磁力計は「グラジオメーター」構成 — 一定の距離で離された2つのセンサー — で使用されることが多いです。2つのセンサーの差を測定することで、均一な地球の背景磁場を打ち消しながら、小さな局所的異常（埋没物体など）を検出できます。

プロトン歳差運動磁力計は、液体中の水素プロトンの歳差運動周波数を測定するもので、この周波数は全磁場強度に正比例します。

主な利点：測定は基本物理定数に基づいているため、ドリフトが発生せず、校正の必要もありません。そのため、絶対基準標準として理想的です。

プロトン歳差運動磁力計の改良版で、オーバーハウザー効果（動的核偏極）を利用してプロトン信号を劇的に増強します。

オーバーハウザー磁力計は標準的なプロトン歳差運動型よりもはるかに強い信号を生成し、低消費電力でより高速かつ高感度な測定を可能にします。世界中の磁気観測所で磁場の連続モニタリングに使用されています。

これらのハイエンドセンサーは、レーザー光とアルカリ金属蒸気（セシウムまたはルビジウム）を使用して極めて高い感度を実現します。室温で動作する磁力計の中で最も高感度なものの1つです。

ご存知でしたか？

NASAの火星探査機MAVENは2つの光ポンピング（ルビジウム）磁力計を搭載し、軌道上から火星の残留磁場をマッピングしました。これにより、火星がかつて地球と同様の全球的な磁場を持っていたが、数十億年前に失われたことが明らかになりました。

超伝導量子干渉素子は究極の感度チャンピオンです。SQUIDほど微弱な磁場を検出できるものは他にありません。

この極めて高い感度には代償が伴います：SQUIDは液体ヘリウムで絶対零度付近まで冷却する必要があり、大型で高価な極低温装置が必要です。

最も単純なタイプの1つ：磁場が変化すると電圧を発生させるワイヤーのコイルです（ファラデーの電磁誘導の法則）。

他のタイプとは異なり、サーチコイルは変化する磁場のみを検出できます — 一定の磁場ではゼロ出力です。これにより、交番磁場や磁気波の測定に理想的です。

以下は、すべての主要な磁力計タイプの包括的な比較表です：

磁力計タイプの比較

タイプ	カテゴリー	感度	携帯可能？	相対コスト
Hall効果	ベクトル	~1 µT	はい（チップ）	$
AMR	ベクトル	~10 nT	はい（チップ）	$
GMR/TMR	ベクトル	~0.1-1 nT	はい（チップ）	$$
フラックスゲート	ベクトル	~0.1 nT	はい	$$
プロトン歳差運動	スカラー	~0.1-1 nT	はい	$$
オーバーハウザー	スカラー	~0.01 nT	はい	$$$
光ポンピング	スカラー	~1 pT	一部可	$$$$
SQUID	ベクトル	~1 fT	いいえ	$$$$$
サーチコイル	ベクトル	さまざま	はい	$