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JP3633097B2 - Magnetic detector - Google Patents
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JP3633097B2 - Magnetic detector - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性体にコイルが巻かれてなる磁気センサを備えた磁気探知装置に関し、特に、簡単な構造で高精度化を図った新規な磁気探知装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
外部磁界を探知する磁気探知装置は、磁場の検出器や測定器などの計測用から始まり、近年では、磁気式スイッチ、磁気式ロータリ・エンコーダ、地磁気センサなど民生用に広く使用されている。
【0003】
このような磁気探知装置としては、従来、ホール素子を用いた磁気探知装置や、フラックスゲートセンサを用いた磁気探知装置や、磁気抵抗効果素子を用いた磁気探知装置などがあったが、最近になり、より高感度な磁気探知装置として、マグネトロ・インダクタンス素子(以下、MI素子と称する。)を用いた磁気探知装置が実用化されている。
【0004】
MI素子は、外部磁界の強さを検出する磁気センサとして機能する素子であり、細長い磁性体と、この磁性体の長手方向に巻回されたコイルとから構成される。ここで、磁性体には、数ガウス程度の微弱磁界で急峻な透磁率変化を示す角形特性の優れた磁性材料を用いる。このMI素子では、外部磁界の変化に応じて、磁性体の透磁率が変化し、その結果、コイルのインダクタンスが大きく変化する。したがって、MI素子では、インダクタンスの変化を検出することにより、外部磁界を検出することができる。
【0005】
このようなMI素子からなる磁気センサを用いた磁気探知装置の一例を図12に示す。図12に示すように、この磁気探知装置は、上述のようなMI素子からなる磁気センサ100と、発振電圧を出力するシュミットトリガ回路101と、磁気センサ100の一方の端子C1に接続された抵抗102と、磁気センサ100の他方の端子C2に接続された抵抗103と、磁気センサ100の端子C1,C2のいずれか一方を交互にシュミットトリガ回路101の入力に接続する一対のスイッチ104,105と、DC電位に接続された一対のANDゲート106,107とを備えている。
【0006】
上記磁気探知装置では、外部磁界の変化に応じて、磁気センサ100のインダクタンスが変化し、これにより、シュミットトリガ回路101からの発振電圧の発振周期が変化する。そこで、この磁気探知装置では、シュミットトリガ回路101からの発振電圧の発振周期を測定することにより、外部磁界の強さを検出する。
【0007】
ところで、上記磁気探知装置で、実際に外部磁界を検出する際には、磁気センサ100に流れる直流バイアス電流の向きを、一対のスイッチ104と一対のANDゲート105により短時間で切り換え、各々の状態における発振電圧の発振周期を測定し、それらの差を求める。このように、磁気センサ100に供給される直流バイアス電流の向きを切り換えることにより、外部磁界の方向を検出することが可能になるとともに、温度ドリフトや時間ドリフトをキャンセルして高精度に外部磁界を検出することが可能となる。
【0008】
図13に、一方のANDゲート106への入力を‘H’にし、他方のANDゲート107への入力を‘L’にしたときの等価回路図を示す。このとき、磁気センサ100に供給される電流は、図13中矢印A1に示すように、端子C1から端子C2へと流れる。このように、一方のANDゲート106への入力を‘H’にし、他方のANDゲート107への入力を‘L’にしたとき、ANDゲート106は、励振及び緩衝増幅を行うバッファとして働き、磁気探知装置は全体として、外部磁界の大きさに応じて発振電圧の発振周期が変化する無安定マルチバイブレータ回路として動作する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記磁気探知センサにおいて、図13に示したように電流を流したとき、磁気センサ100に流れる電流量は、シュミットトリガ回路101への入力電圧と、磁気センサ100に接続された一方の抵抗103の抵抗値とによって決定する。また、電流の向きを切り換えたとき、磁気センサ100に流れる電流量は、シュミットトリガ回路101への入力電圧と、磁気センサ100に接続された他方の抵抗102の抵抗値とによって決定する。したがって、この磁気探知装置では、磁気センサ100に接続された一方の抵抗103の抵抗値と、磁気センサ100に接続された他方の抵抗102の抵抗値とにバラツキがあると、電流の向きによって測定値にバラツキが生じてしまい、磁界検出精度が低下してしまう。
【0010】
また、上述のように、ANDゲート106,107によって電流の流れを制御する磁気探知装置では、特に複数の磁気センサを設けようとしたときに、構成が非常に複雑になってしまい、小型化や低価格化を図ることが難しくなる。すなわち、上述のような磁気探知装置では、例えば外部磁界の3次元方向を検出するために、互いに直交する3つの磁気センサを設けたときなどに、特に小型化や低価格化を図ることが難しくなってしまう。
【0011】
以上のように、従来の磁気探知装置では、磁気センサに接続された抵抗のバラツキにより精度が低下してしまうという問題があり、また、小型化や低価格化が難しいという問題もあった。
【0012】
本発明は、このような従来の実情を鑑みて提案されたものであり、磁気センサに接続された抵抗のバラツキが精度に影響しないような構造を持ち、しかも小型化や低価格化が容易な磁気探知装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために完成された本発明は、 磁性体にコイルが巻かれてなる磁気センサを時定数決定素子の一部として用いた発振回路を備え、上記発振回路から出力される発振電圧の周期の変化によって外部磁界の強さを検出する磁気探知装置において、上記発振回路は、シュミットトリガ回路を用いて構成された無安定マルチバイブレータ回路からなり、上記シュミットトリガ回路の入力と出力間に並列で少なくとも1つの上記磁気センサとその磁気センサに流れる電流の方向を反転させるための少なくとも4つのバイラテラル・スイッチが接続され、上記シュミットトリガ回路の入力に抵抗が接続されており、その発振周期が、上記磁気センサのインダクタンスと、上記バイラテラル・スイッチを介して上記磁気センサに直列接続される上記抵抗の抵抗値とによって定まる時定数により決定されることを特徴とするものである。
【0016】
また、上記磁気探知装置において、磁気センサのコイルに流れる発振電流の振幅は、磁気センサのインダクタンスが急峻な変化を示す範囲を包括するように設定することが好ましい。また、磁気センサのコイルに流れる発振電流は、直流バイアス電流成分を含んでいることが好ましい。
【0017】
また、上記磁気探知装置において、磁気センサは、複数備えていてもよい。
【0018】
以上のような本発明に係る磁気探知装置では、バイラテラル・スイッチによって磁気センサに流れる電流の方向を反転させる。したがって、この磁気探知装置では、電流の向きに関わらず、磁気センサには同じ電流が供給される。また、この磁気探知装置では、バイラテラル・スイッチによって磁気センサに流れる電流の方向を反転させるので、複数のANDゲートや複数の抵抗等を備える必要が無く、構成を簡単なものとすることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能であることは言うまでもない。
【0020】
まず、本発明を適用した磁気探知装置に用いられる磁気センサの一例について説明する。
【0021】
図1に示すように、本実施の形態において使用される磁気センサ1は、リボン状やワイヤー状に形成された細長いアモルファス等からなる磁性体2と、この磁性体2の長手方向に巻回された銅線等からなるコイル3とから構成され、コイル3の両端から一対の端子4,5が導出される。ここで、磁性体2には、数ガウス程度の微弱な磁界で急峻な透磁率変化を示す角形特性に優れた磁性材料を用いる。
【0022】
上記磁気センサ1を用いて外部磁界Hexを検出するときの原理について、図2を参照しながら説明する。この図2は、交流バイアス電流i1、又は交流バイアス電流i1を反転させた交流バイアス電流i2を、磁気センサ1に供給したときの状態について、磁気センサ1のインダクタンスLの変化と対応させて示したものである。
【0023】
磁気センサ1を用いて外部磁界Hexを検出する際は、コイル3に直流バイアス電流成分を含んだ交流バイアス電流i1を流すことにより、磁気センサ1を長手方向に磁化して、磁気センサ1の長手方向に直流バイアス磁界成分を含んだ交流バイアス磁界を発生させる。ここで、コイル3に供給する交流バイアス電流i1は、外部磁界Hexが加わって交流バイアス磁界がシフトしたとしても、交流バイアス磁界が、磁気センサ1のインダクタンスLが急峻な変化を示す範囲を包括するように設定する。
【0024】
そして、外部磁界Hex=0のときに、磁気センサ1のコイル3に流れる電流がIaからIbまで変化するように交流バイアス電流i1を供給すると、磁気センサ1のインダクタンスLはLmaxからLminに変化する。そして、磁気センサ1に印加される電圧の変化が一定であるならば、交流バイアス電流i1の立ち上がり時間t1は、ファラデーの法則によって下記式(1−1)のように表される。
【0025】
【数1】

Figure 0003633097
【0026】
一方、外部磁界Hexが加わると、磁気センサ1に流れる電流は、外部磁界Hex分だけシフトして、例えば、Ia+IexからIb+Iexまで変化するようになる。このとき、交流バイアス電流i1は、Iexの分だけシフトすると共に、その応答波形に変化が生じる。そして、交流バイアス電流i1の応答波形が変化し、例えば、交流バイアス電流i1の立ち上がり時間t1が、下記式(1−2)で表されるシフト時間Δt1だけ変化することとなる。
【0027】
【数2】
Figure 0003633097
【0028】
このように、交流バイアス電流i1の立ち上がり時間t1は、外部磁界Hexの変化に応じて変化する。したがって、この磁気センサ1では、交流バイアス電流i1の立ち上がり時間t1のシフト量を検出することにより、外部磁界Hexの変化を検出することができる。
【0029】
なお、この磁気センサ1では、交流バイアス電流i1が、外部磁界Hex分だけ電流値がシフトしてもインダクタンスLが急峻な変化を示す範囲を包括するように設定する。これにより、上記式(1−2)から明らかなように、外部磁界Hexの変化に応じて、シフト時間Δt1は、ほぼ直線的に変化することとなる。
【0030】
したがって、この磁気センサ1は、外部磁界検出時のリニアリティが優れたものとなり、磁界検出用のセンサとして非常に好適に動作する。また、この磁気センサ1では、外部磁界Hexの検出に、インダクタンスLの急峻な変化、すなわちLmaxからLminに至る大きな変化を、常に利用することとなるので、非常に高い感度が得られる。
【0031】
つぎに、交流バイアス電流i1を反転させた交流バイアス電流i2を磁気センサ1に供給したときの動作について説明する。
【0032】
ここでは、図2に示すように、磁気センサ1に流れる電流を反転させて、外部磁界Hex=0のときに磁気センサ1に流れる電流が−Iaから−Ibまで変化するように、磁気センサ1に交流バイアス電流i2を供給する。このときも、磁気センサ1のインダクタンスLは、LmaxからLminへ変化する。そして、磁気センサ1に印加される電圧の変化が一定であるならば、交流バイアス電流i2の立ち上がり時間t2は、ファラデーの法則によって下記式(1−3)のように表され、上述の立ち上がり時間t1と同じとなる。
【0033】
【数3】
Figure 0003633097
【0034】
一方、このように交流バイアス電流i2を供給しているときに、外部磁界Hexが加わると、磁気センサ1に流れる電流は、外部磁界Hex分だけシフトして、例えば、−Ia+Iexから−Ib+Iexまで変化するようになる。このとき、交流バイアス電流i2は、Iexの分だけシフトすると共に、その応答波形に変化が生じる。そして、交流バイアス電流i2の応答波形が変化して、例えば、交流バイアス電流i2の立ち上がり時間t2が、下記式(1−4)で表されるシフト時間Δt2だけ変化することとなる。
【0035】
【数4】
Figure 0003633097
【0036】
このように、交流バイアス電流i1を反転させた交流バイアス電流i2を流したときも、交流バイアス電流i2の立ち上がり時間t2は、外部磁界Hexの変化に応じて変化する。そして、このシフト時間Δt2は、上述のシフト時間Δt1と符号が逆で同じ大きさとなっている。すなわち、シフト時間Δt1とシフト時間Δt2とは、差動の関係にある。
【0037】
そこで、順方向に電流を流したときの立ち上がり時間t1+Δt1と、逆方向に電流を流したときの立ち上がり時間t2+Δt2とを測定し、これらの差動を取ることにより、外部磁界Hexの変化に応じた信号を、一定の方向にだけ電流を流したときに比べて、約2倍の出力として取り出すことができる。
【0038】
また、順方向に電流を流したときの立ち上がり時間t1+Δt1と、逆方向に電流を流したときの立ち上がり時間t2+Δt2との差動を取ると、外部磁界Hex=0のときには、交流バイアス電流の立ち上がり時間が互いにキャンセルされる。したがって、外部磁界Hexがない状態である0点を容易に認識することができる。
【0039】
さらに、磁気センサ1は温度等によってインダクタンスLの大きさが変化して交流バイアス電流の立ち上がり時間に変化が生じるが、交流バイアス電流の方向を短時間で反転させることにより、このような温度ドリフトや時間ドリフト等の影響を互いにキャンセルすることができる。したがって、この磁気センサでは、温度ドリフトや時間ドリフト等の影響を受けることなく、高精度に外部磁界Hexを検出することができる。
【0040】
つぎに、以上のような磁気センサを用いた磁気探知装置の一構成例について、具体的に説明する。
【0041】
この磁気探知装置は、図3に示すように、上述のような磁気センサ10と、磁気センサ10に流れる電流の方向を反転させるためのバイラテラル・スイッチ11と、バイラテラル・スイッチ11に接続された抵抗12と、磁気センサ10の両端から導出された配線に接続されたシュミットトリガ回路13とを備えており、これらにより、無安定マルチバイブレータ回路として動作する発振回路が構成されている。
【0042】
ここで、磁気センサ10は、上述したように、リボン状やワイヤー状に形成された細長いアモルファス等からなる磁性体と、この磁性体の長手方向に巻回された銅線等からなるコイルとから構成される。そして、この磁気センサ10は、スイッチSW1、スイッチSW2、スイッチSW3及びスイッチSW4を備えたバイラテラル・スイッチ11内に配されており、磁気センサ10に流れる電流の方向は、このバイラテラル・スイッチ11によって反転させることができるようになっている。このバイラテラル・スイッチ11に接続された抵抗12の一端は、バイラテラル・スイッチ11を介して磁気センサ10に対して直列に接続されており、この抵抗12の他端は、接地されている。
【0043】
また、シュミットトリガ回路13は、入力電圧に応じて出力電圧を繰り返し反転させて、方形波発振電圧V0を出力する。すなわち、シュミットトリガ回路13は、入力電圧が立ち上がってシュミット電圧VsHに達したら、出力電圧を反転させて出力し、同様に、入力電圧が立ち下がってシュミット電圧VsLに達したら出力電圧を反転させて出力し、これらの結果として、方形波発振電圧V0を出力する。
【0044】
このように、シュミットトリガ回路13から方形波発振電圧V0を出力することにより、上記磁気探知装置は、無安定マルチバイブレータ回路として動作する。ここで無安定マルチバイブレータ回路の時定数は、磁気センサ10のインダクタンスLと、抵抗12の抵抗値Rとにより定まる。すなわち、上記磁気探知装置において、磁気センサ10及び抵抗12は、無安定マルチバイブレータ回路の時定数決定素子となっている。
【0045】
そして、無安定マルチバイブレータ回路の発振周期は時定数によって決まるので、この無安定マルチバイブレータ回路の発振周期は、磁気センサ10のインダクタンスLと、磁気センサ10に直列接続された抵抗12の抵抗値Rとにより決定する。
【0046】
ここで、磁気センサ10のインダクタンスLは、外部磁界Hexの変化に応じて変化する。したがって、この無安定マルチバイブレータ回路の発振周期は、外部磁界Hexの変化に応じて変化する。そこで、この磁気探知装置では、この無安定マルチバイブレータ回路の発振周期、すなわちシュミットトリガ回路13からの方形波発振電圧V0の発振周期を測定することにより、外部磁界の強さを検出する。
【0047】
上記磁気探知装置の動作について、バイラテラル・スイッチ13によって磁気センサ10に対して一定の方向に電流が流れるようにしたときの電圧波形のタイムチャートである図4を参照しながら説明する。ここで、図4(a)は、シュミットトリガ回路13から出力される方形波発振電圧V0のタイムチャートを示しており、図4(b)は、磁気センサ10に生じる電圧、すなわちシュミットトリガ回路13へ入力する電圧Vrのタイムチャートを示している。
【0048】
図4(a)に示すように、先ず、シュミットトリガ回路13から、所定の直流バイアス成分を含む電圧V1が磁気センサ10に供給され、これにより、磁気センサ10と抵抗12とからなる積分回路に流れる電流が立ち上がる。ここで、磁気センサ10に供給される電圧は直流バイアス成分を含んでいるので、磁気センサ10に流れる電流は、直流バイアス電流成分を含んでいる。このとき、図4(b)に示すように、磁気センサ10に生じる電圧、すなわちシュミットトリガ回路13へ入力する電圧Vr1の波形は、シュミットトリガ回路13から出力された電圧V1に対して、立ち上がり時に遅延が生じた波形となる。この電圧Vr1の波形は、磁気センサ10に流れる電流の応答波形に対応するものであり、したがって、この電圧Vr1の立ち上がり時の遅延は、磁気センサ10に加わる外部磁界Hexの大きさに応じて変化する。そして、シュミットトリガ回路13は、入力が立ち上がって所定のシュミット電圧VsHに達したら、図4(a)に示すように、出力を反転する。
【0049】
これにより、シュミットトリガ回路13から、元の電圧V1を反転させた電圧V2が磁気センサ10に供給され、これにより、磁気センサ10と抵抗12とからなる積分回路に流れる電流が立ち下がる。このとき、図4(b)に示すように、磁気センサ10に生じる電圧、すなわちシュミットトリガ回路13へ入力する電圧Vr2の波形は、シュミットトリガ回路13から出力された電圧V2に対して、立ち下がり時に遅延が生じた波形となる。この電圧Vr2の波形は、磁気センサ10に流れる電流の応答波形に対応するものであり、したがって、この電圧Vr2の立ち下がり時の遅延は、磁気センサ10に加わる外部磁界Hexの大きさに応じて変化する。そして、シュミットトリガ回路13は、入力が立ち下がって所定のシュミット電圧VsLに達したら、出力を反転する。
【0050】
以上のような動作の繰り返しにより、シュミットトリガ回路13は、図4(a)に示すような方形波発振電圧V0を出力する。ここで、シュミット電圧VsL,VsHは、磁気センサ10に流れる電流の立ち上がり時及び立ち下がり時における磁気センサ10のインダクタンスLのLmaxからLminへの変化を包括するように設定しておく。すなわち、シュミット電圧VsL,VsHは、磁気センサ10に流れる発振電流の振幅が、磁気センサ10のインダクタンスLが急峻な変化を示す範囲を包括するように設定しておく。
【0051】
そして、上述したように、シュミットトリガ回路13に入力する電圧Vrの波形は、磁気センサ10に流れる電流の応答波形に対応している。したがって、シュミットトリガ回路13から出力される方形波発振電圧V0の発振周期は、磁気センサ10に流れる電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間に対応している。そして、上述したように磁気センサ10に流れる電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間は外部磁界Hexの大きさに依存しているので、このシュミットトリガ回路13から出力される方形波発振電圧V0の発振周期に基づいて、磁気センサ10に加わっている外部磁界Hexの大きさを検出することができる。
【0052】
すなわち、この磁気探知装置では、磁気センサ10に加わった外部磁界Hexの変化が、シュミットトリガ回路13から出力される方形波発振電圧V0の発振周期の変化として現れる。そこで、この発振周期の変化を検出することにより、外部磁界Hexの強さを検出することが可能となる。
【0053】
ところで、本実施の形態に係る磁気探知装置では、バイラテラル・スイッチ11によって磁気センサ10に流れる電流の方向を反転させることができる。すなわち、図3において、スイッチSW1及びスイッチSW4がオンで、スイッチSW2及びスイッチSW3がオフのとき、図3の矢印Aの向きに電流が流れ、また、スイッチSW1及びスイッチSW4がオフで、スイッチSW2及びスイッチSW3がONのとき、図3の矢印Bの向きに電流が流れる。そして、バイラテラル・スイッチ11によって磁気センサ10に流れる電流の方向を反転させて外部磁界Hexを検出することにより、上述したように、一定の方向にだけ電流を流したときに比べて約2倍の出力が得られ、また、外部磁界Hexがない状態である0点を容易に認識することができ、さらには、温度ドリフトや時間ドリフト等の影響を取り除くことができる。
【0054】
つぎに、磁気センサ10に加わった外部磁界Hexの変化が、シュミットトリガ回路13から出力される方形波発振電圧V0の発振周期の変化として現れる原理について、さらに詳細に説明する。
【0055】
図5に、磁気センサ20と抵抗21が直列に接続された積分回路に電流が立ち上がるときの状態をモデル化した回路を示す。このような回路において、スイッチ22をオフからオンにすると、磁気センサ20と抵抗21からなる積分回路に直流電源23から直流電圧が印加され、磁気センサ20に電流iが流れ出す。ここで、磁気センサ20に流れる電流iは、積分回路に印加される直流電圧の値をE、磁気センサ20のインダクタンスをL、抵抗21の抵抗値をR、電流iの立ち上がり時間をtとすると、下記式(1−5)で表される。
【0056】
【数5】
Figure 0003633097
【0057】
上記式(1−5)から分かるように、電流iの立ち上がり時間tは、積分回路の時定数L/Rに比例している。したがって、このような積分回路では、磁気センサ20のインダクタンスLや、抵抗21の抵抗値Rの大きさを変えることにより、電流iの立ち上がり時間tが変化する。
【0058】
ところで、上述したように、磁気センサのインダクタンスLは、電流iが立ち上がっている間に、LmaxからLminへ変化する。ここで、上述のシュミット電圧VsL,VsHは、インダクタンスLのLmaxからLminへの変化を包括するように設定しておく。
【0059】
そして、磁気センサ20のインダクタンスLがLmaxからLminへと変化するため、積分回路に流れる電流iは、図6に示すように、初めはインダクタンスLがLmaxの状態で立ち上がり、やがて、インダクタンスLがLminの状態で立ち上がることとなる。したがって、積分回路に流れる電流iがシュミット電圧VsHに対応するレベルに達するまで時間Tsは、インダクタンスLがLmaxの状態での立ち上がり時間T1と、インダクタンスLがLminの状態での立ち上がり時間T2との合計になる。
【0060】
そして、磁気センサ20に加わる外部磁界Hexが変化すると、この変化分だけ、インダクタンスLがLmaxからLminに変化する変化点Pがシフトするので、外部磁界Hexに応じて、積分電流iがシュミット電圧VsHに対応するレベルに達するまでの時間Tsが変化することとなる。
【0061】
したがって、上述の図4に示したように、外部磁界Hexの変化が、シュミットトリガ回路13から出力される方形波発振電圧V0の発振周期の変化として現れることとなる。
【0062】
また、図7に、磁気センサ30と抵抗31が直列に接続された積分回路に流れていた電流iが立ち下がるときの状態をモデル化した回路を示す。このような回路において、スイッチ32をオフからオンにすると、直流電源33からの直流電圧が積分回路に加わらなくなり、磁気センサ30に流れていた電流に立ち下がりが生じる。ここで、磁気センサ30に流れる電流iは、積分回路に印加されていた直流電圧の値をE、磁気センサ30のインダクタンスをL、抵抗31の抵抗値をR、電流の立ち下がり時間をtとすると、下記式(1−6)で表される。
【0063】
【数6】
Figure 0003633097
【0064】
そして、このときも、上述の電流の立ち上がり時と同様に、磁気センサ30に加わる外部磁界Hexが変化すると、この変化分だけ、インダクタンスLがLmaxからLminに変化する変化点がシフトするので、外部磁界Hexに応じて、積分電流iがシュミット電圧VsLに対応するレベルに達するまで時間が変化することとなる。
【0065】
したがって、電流の立ち下がり時においても、上述の図4に示したように、外部磁界Hexの変化が、シュミットトリガ回路15から出力される方形波発振電圧V0の発振周期の変化として現れることとなる。
【0066】
ところで、図3に示したような磁気探知装置において、シュミットトリガ回路13から出力される方形波発振電圧V0の発振周期の変化量は、外部磁界Hexと、磁気センサ10の磁性体の長手方向に生じる磁界とが成す角度θに依存している。すなわち、外部磁界Hexが一定のとき、図8に示すように、発振周期は、外部磁界Hexと、磁気センサ10の磁性体の長手方向に生じる磁界とが成す角度θに依存して変化する。なお、図8では、外部磁界Hexの向きと、磁気センサ10の磁性体の長手方向に生じる磁界の向きとが同じときを方位0°としている。
【0067】
図8から分かるように、発振周期は外部磁界Hexの方位情報を含んでいる。これは、磁気センサ10の磁性体の磁化量が、磁気センサ10に流れる電流による磁化量と、外部磁界Hexによる磁化量との合計であり、外部磁界Hexによる磁化量が、外部磁界Hexと、磁気センサ10の磁性体の長手方向に生じる磁界とが成す角度θに依存して変化するからである。
【0068】
すなわち、図9に示すように、磁気センサ10のコイル10bに流れる電流による磁界Hbは一定であるが、外部磁界Hexによって磁気センサ10の磁性体10aに生じる磁界は、外部磁界Hexの方向に依存している。したがって、磁気センサ10で検出される磁界Hは、下記式(1−7)で示すように、外部磁界Hexのうち、磁性体10aの長手方向成分のみとなる。
【0069】
H=Hex・cosθ ・・・(1−7)
なお、上記式(1−7)に示すように、磁気センサ10で検出される磁界Hは、外部磁界Hexの方位情報を含んでいるので、複数の磁気センサを用いることにより、外部磁界Hexの方向を知ることができる。
【0070】
具体的には、例えば、図10に示すように、磁気探知装置に2つの磁気センサ10x,10yを組み込む。なお、この磁気探知装置は、磁気センサを2つ組み込んだ以外は、図3に示した磁気探知装置と同様の回路構成である。ここで、図11に示すように、磁気センサ10xは、X軸方向に配置し、磁気センサ10yは、X軸方向に対して直交するY軸方向に配置する。すなわち、磁気センサ10x及び磁気センサ10yは、互いに直交するように配置する。このとき、図11に示すように、外部磁界Hexの方向と、X軸方向検出用の磁気センサ11xの磁性体の長手方向とが成す角度をθとすると、X軸方向検出用の磁気センサ10xによって検出される磁界の大きさHxは、下記式(1−8)で表され、Y軸方向検出用の磁気センサ10yによって検出される磁界の大きさHyは、下記式(1−9)で表される。
【0071】
Hx=Hex・cosθ ・・・(1−8)
Hy=Hex・sinθ ・・・(1−9)
ここで、X軸方向検出用の磁気センサ10xによって検出される磁界の大きさHxと、Y軸方向検出用の磁気センサ10yによって検出される磁界の大きさHyとの比をとると、下記式(1−10)となる。
【0072】
Hy/Hx=sinθ/cosθ=tanθ ・・・(1−10)
したがって、外部磁界Hexの方向と、X軸方向検出用の磁気センサ10xの磁性体の長手方向とが成す角度θは、下記式(1−11)で表される。ただし、下記式(1−11)において、Hy≧0のときは、180°≧θ≧0°であり、0>Hyのときは、360°>θ>180°である。
【0073】
θ=tan−1(Hy/Hx) ・・・(1−10)
このように磁気探知装置に、2つの磁気センサ10x,10yを設けることにより、外部磁界Hexの方向を知ることができる。なお、立体空間内での外部磁界Hexの方向、すなわち外部磁界Hexの3次元での方向まで知りたいときには、互いに直交する3つの磁気センサを用いればよい。
【0074】
図10に示した磁気探知装置においても、磁気センサに流れる電流は、シュミットトリガ回路へ入力する電圧と、単一の抵抗とだけによって定まる。したがって、この磁気探知装置においても、磁気センサに流れる電流の向きを反転させても、また、電流を流す磁気センサを切り換えても、磁気センサに接続された抵抗の抵抗値のバラツキ等に起因して検出精度が低下してしまうようなことはない。したがって、この磁気探知装置でも、外部磁界Hexの大きさと方向とを、高精度に検出することができる。
【0075】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る磁気探知装置では、電流の向きに関わらず、磁気センサには同じ電流が供給されるので、電流の向きによって測定値にバラツキが生じるようなことがなく、外部磁界を高精度に検出することができる。
【0076】
また、本発明に係る磁気探知装置では、複数のANDゲートや複数の抵抗等を備える必要が無く、構成を簡単なものとすることができるので、小型化や低価格化を容易に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した磁気探知装置に用いられる磁気センサの一例を示す模式図である。
【図2】図1に示した磁気センサによる外部磁界検出の原理を説明するための図である。
【図3】本発明を適用した磁気探知装置の一構成例を示す回路図である。
【図4】シュミットトリガ回路から出力される電圧のタイムチャートと、シュミットトリガ回路へ入力する電圧のタイムチャートとを示す図である。
【図5】磁気センサと抵抗からなる積分回路に電流が立ち上がるときの状態をモデル化した回路図である。
【図6】図5に示した積分回路に流れる電流の立ち上がり時の様子を示す図である。
【図7】磁気センサと抵抗からなる積分回路に流れていた電流が立ち下がるときの状態をモデル化した回路図である。
【図8】シュミットトリガ回路から出力される方形波発振電圧の発振周期と、外部磁界Hexの方向との関係を示す特性図である。
【図9】磁気センサの磁性体の磁化の様子を示す模式図である。
【図10】本発明を適用した磁気探知装置の他の構成例を示す回路図である。
【図11】図10に示した磁気探知装置の磁気センサの配置の様子を示す模式図である。
【図12】従来の磁気探知装置の一構成例を示す回路図である。
【図13】図12に示した磁気探知装置の一動作例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 磁気センサ、 2 磁性体、 3 コイル、 10 磁気センサ、 11バイラテラル・スイッチ、 12 抵抗、 13 シュミットトリガ回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic detection device including a magnetic sensor in which a coil is wound around a magnetic material, and more particularly to a novel magnetic detection device that achieves high accuracy with a simple structure.
[0002]
[Prior art]
Magnetic detectors that detect external magnetic fields have started to be used for measuring magnetic field detectors and measuring instruments, and in recent years, are widely used in consumer applications such as magnetic switches, magnetic rotary encoders, and geomagnetic sensors.
[0003]
Conventionally, such magnetic detectors include a magnetic detector using a Hall element, a magnetic detector using a fluxgate sensor, and a magnetic detector using a magnetoresistive effect element. Therefore, as a more sensitive magnetic detection apparatus, a magnetic detection apparatus using a magnetro inductance element (hereinafter referred to as MI element) has been put into practical use.
[0004]
The MI element is an element that functions as a magnetic sensor that detects the strength of an external magnetic field, and includes an elongated magnetic body and a coil wound in the longitudinal direction of the magnetic body. Here, as the magnetic material, a magnetic material having an excellent square characteristic exhibiting a steep change in permeability in a weak magnetic field of about several gauss is used. In this MI element, the magnetic permeability of the magnetic material changes according to the change of the external magnetic field, and as a result, the inductance of the coil changes greatly. Therefore, the MI element can detect an external magnetic field by detecting a change in inductance.
[0005]
An example of a magnetic detection apparatus using such a magnetic sensor composed of an MI element is shown in FIG. As shown in FIG. 12, this magnetic detector includes a magnetic sensor 100 composed of the above-described MI element, a Schmitt trigger circuit 101 that outputs an oscillation voltage, and a resistor connected to one terminal C1 of the magnetic sensor 100. 102, a resistor 103 connected to the other terminal C2 of the magnetic sensor 100, and a pair of switches 104 and 105 that alternately connect one of the terminals C1 and C2 of the magnetic sensor 100 to the input of the Schmitt trigger circuit 101, And a pair of AND gates 106 and 107 connected to the DC potential.
[0006]
In the magnetic detection device, the inductance of the magnetic sensor 100 changes in accordance with the change in the external magnetic field, whereby the oscillation period of the oscillation voltage from the Schmitt trigger circuit 101 changes. Therefore, in this magnetic detector, the strength of the external magnetic field is detected by measuring the oscillation period of the oscillation voltage from the Schmitt trigger circuit 101.
[0007]
By the way, when the external magnetic field is actually detected by the magnetic detection device, the direction of the DC bias current flowing in the magnetic sensor 100 is switched in a short time by the pair of switches 104 and the pair of AND gates 105, and each state is detected. Measure the oscillation period of the oscillation voltage at, and find the difference between them. In this way, by switching the direction of the DC bias current supplied to the magnetic sensor 100, it becomes possible to detect the direction of the external magnetic field, and cancel the temperature drift and time drift and apply the external magnetic field with high accuracy. It becomes possible to detect.
[0008]
FIG. 13 shows an equivalent circuit diagram when the input to one AND gate 106 is set to ‘H’ and the input to the other AND gate 107 is set to ‘L’. At this time, the current supplied to the magnetic sensor 100 flows from the terminal C1 to the terminal C2, as indicated by an arrow A1 in FIG. Thus, when the input to one AND gate 106 is set to “H” and the input to the other AND gate 107 is set to “L”, the AND gate 106 functions as a buffer for performing excitation and buffer amplification, and magnetically As a whole, the detection device operates as an astable multivibrator circuit in which the oscillation period of the oscillation voltage changes according to the magnitude of the external magnetic field.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the magnetic detection sensor, when a current is passed as shown in FIG. 13, the amount of current flowing through the magnetic sensor 100 includes the input voltage to the Schmitt trigger circuit 101 and one resistance connected to the magnetic sensor 100. It is determined by the resistance value of 103. Further, when the direction of the current is switched, the amount of current flowing through the magnetic sensor 100 is determined by the input voltage to the Schmitt trigger circuit 101 and the resistance value of the other resistor 102 connected to the magnetic sensor 100. Therefore, in this magnetic detection device, if there is a variation between the resistance value of one resistor 103 connected to the magnetic sensor 100 and the resistance value of the other resistor 102 connected to the magnetic sensor 100, the measurement is performed according to the direction of the current. The values vary, and the magnetic field detection accuracy decreases.
[0010]
In addition, as described above, in the magnetic detection device that controls the flow of current using the AND gates 106 and 107, the configuration becomes very complicated especially when an attempt is made to provide a plurality of magnetic sensors. It becomes difficult to reduce the price. That is, in the above-described magnetic detection device, for example, when three magnetic sensors orthogonal to each other are provided in order to detect the three-dimensional direction of the external magnetic field, it is particularly difficult to reduce the size and the cost. turn into.
[0011]
As described above, the conventional magnetic detection device has a problem that accuracy is lowered due to variations in resistances connected to the magnetic sensor, and it is difficult to reduce the size and cost.
[0012]
The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and has a structure in which variation in resistance connected to a magnetic sensor does not affect accuracy, and can be easily reduced in size and price. An object of the present invention is to provide a magnetic detection device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Completed to achieve the above objectivesThe present invention  A magnetic circuit that includes an oscillation circuit using a magnetic sensor in which a coil is wound around a magnetic material as part of a time constant determining element, and detects the strength of an external magnetic field by changing the period of an oscillation voltage output from the oscillation circuit. In the detection device, the oscillation circuit includes an astable multivibrator circuit configured using a Schmitt trigger circuit, and includes at least one magnetic sensor in parallel between an input and an output of the Schmitt trigger circuit.Reverse the direction of the current flowing through the magnetic sensorAt least four forBilateral switchAnd a resistor is connected to the input of the Schmitt trigger circuit, the oscillation period of which is the resistance of the resistor connected in series to the magnetic sensor via the bilateral switch and the inductance of the magnetic sensor. Determined by the time constant determined by the valueIt is characterized by this.
[0016]
In the magnetic detection device, the amplitude of the oscillating current flowing in the coil of the magnetic sensor is preferably set so as to cover a range in which the inductance of the magnetic sensor shows a sharp change. The oscillation current flowing through the coil of the magnetic sensor preferably includes a DC bias current component.
[0017]
In the magnetic detection device, a plurality of magnetic sensors may be provided.
[0018]
In the magnetic detection device according to the present invention as described above, the direction of the current flowing through the magnetic sensor is reversed by the bilateral switch. Therefore, in this magnetic detection device, the same current is supplied to the magnetic sensor regardless of the direction of the current. Further, in this magnetic detection device, since the direction of the current flowing through the magnetic sensor is reversed by the bilateral switch, it is not necessary to provide a plurality of AND gates, a plurality of resistors, etc., and the configuration can be simplified. .
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0020]
First, an example of a magnetic sensor used in a magnetic detection device to which the present invention is applied will be described.
[0021]
As shown in FIG. 1, a magnetic sensor 1 used in the present embodiment is wound in the longitudinal direction of a magnetic body 2 made of an elongated amorphous or the like formed in a ribbon shape or a wire shape. And a pair of terminals 4 and 5 are led out from both ends of the coil 3. Here, the magnetic material 2 is made of a magnetic material having excellent squareness characteristics that exhibits a steep change in magnetic permeability with a weak magnetic field of several gauss.
[0022]
The principle when the external magnetic field Hex is detected using the magnetic sensor 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows the state when the AC bias current i1 or the AC bias current i2 obtained by inverting the AC bias current i1 is supplied to the magnetic sensor 1 in correspondence with the change in the inductance L of the magnetic sensor 1. Is.
[0023]
When the external magnetic field Hex is detected using the magnetic sensor 1, the magnetic sensor 1 is magnetized in the longitudinal direction by passing an AC bias current i 1 including a DC bias current component through the coil 3, and the longitudinal direction of the magnetic sensor 1. An AC bias magnetic field including a DC bias magnetic field component in the direction is generated. Here, the AC bias current i1 supplied to the coil 3 includes a range in which the AC bias magnetic field exhibits a steep change in the inductance L of the magnetic sensor 1 even if the AC bias magnetic field is shifted due to the addition of the external magnetic field Hex. Set as follows.
[0024]
When the AC bias current i1 is supplied so that the current flowing through the coil 3 of the magnetic sensor 1 changes from Ia to Ib when the external magnetic field Hex = 0, the inductance L of the magnetic sensor 1 changes from Lmax to Lmin. . If the change in the voltage applied to the magnetic sensor 1 is constant, the rising time t1 of the AC bias current i1 is expressed by the following equation (1-1) according to Faraday's law.
[0025]
[Expression 1]
Figure 0003633097
[0026]
On the other hand, when the external magnetic field Hex is applied, the current flowing through the magnetic sensor 1 is shifted by the amount of the external magnetic field Hex and changes from, for example, Ia + Iex to Ib + Iex. At this time, the AC bias current i1 is shifted by Iex, and the response waveform changes. Then, the response waveform of the AC bias current i1 changes. For example, the rising time t1 of the AC bias current i1 changes by the shift time Δt1 expressed by the following equation (1-2).
[0027]
[Expression 2]
Figure 0003633097
[0028]
Thus, the rising time t1 of the AC bias current i1 changes according to the change in the external magnetic field Hex. Therefore, in this magnetic sensor 1, a change in the external magnetic field Hex can be detected by detecting the shift amount of the rising time t1 of the AC bias current i1.
[0029]
In the magnetic sensor 1, the AC bias current i1 is set so as to cover a range in which the inductance L shows a steep change even when the current value is shifted by the external magnetic field Hex. Thereby, as is clear from the above equation (1-2), the shift time Δt1 changes substantially linearly in accordance with the change in the external magnetic field Hex.
[0030]
Therefore, this magnetic sensor 1 has excellent linearity when detecting an external magnetic field, and operates very favorably as a magnetic field detection sensor. Further, in the magnetic sensor 1, a steep change of the inductance L, that is, a large change from Lmax to Lmin is always used for detecting the external magnetic field Hex, so that a very high sensitivity can be obtained.
[0031]
Next, an operation when the AC bias current i2 obtained by inverting the AC bias current i1 is supplied to the magnetic sensor 1 will be described.
[0032]
Here, as shown in FIG. 2, the current flowing in the magnetic sensor 1 is reversed so that the current flowing in the magnetic sensor 1 changes from −Ia to −Ib when the external magnetic field Hex = 0. Is supplied with an AC bias current i2. Also at this time, the inductance L of the magnetic sensor 1 changes from Lmax to Lmin. If the change in the voltage applied to the magnetic sensor 1 is constant, the rising time t2 of the AC bias current i2 is expressed by the following equation (1-3) according to Faraday's law, and the rising time described above: It is the same as t1.
[0033]
[Equation 3]
Figure 0003633097
[0034]
On the other hand, when the external magnetic field Hex is applied when the AC bias current i2 is supplied in this way, the current flowing through the magnetic sensor 1 is shifted by the amount of the external magnetic field Hex and changed from, for example, −Ia + Iex to −Ib + Iex. To come. At this time, the AC bias current i2 is shifted by Iex, and the response waveform changes. Then, the response waveform of the AC bias current i2 changes, and for example, the rising time t2 of the AC bias current i2 changes by the shift time Δt2 expressed by the following equation (1-4).
[0035]
[Expression 4]
Figure 0003633097
[0036]
As described above, even when the AC bias current i2 obtained by inverting the AC bias current i1 is supplied, the rising time t2 of the AC bias current i2 changes according to the change in the external magnetic field Hex. The shift time Δt2 has the same sign as that of the shift time Δt1 but opposite in sign. That is, the shift time Δt1 and the shift time Δt2 are in a differential relationship.
[0037]
Therefore, the rise time t1 + Δt1 when the current is passed in the forward direction and the rise time t2 + Δt2 when the current is passed in the reverse direction are measured, and the difference between these is taken to respond to the change in the external magnetic field Hex. The signal can be taken out as about twice as much output as when a current is passed only in a certain direction.
[0038]
Further, if the difference between the rise time t1 + Δt1 when the current flows in the forward direction and the rise time t2 + Δt2 when the current flows in the reverse direction is taken, the rise time of the AC bias current when the external magnetic field Hex = 0. Are cancelled. Therefore, it is possible to easily recognize the zero point where there is no external magnetic field Hex.
[0039]
Further, the magnetic sensor 1 changes in the magnitude of the inductance L depending on the temperature or the like and changes in the rising time of the AC bias current. By reversing the direction of the AC bias current in a short time, such temperature drift and Effects such as time drift can be canceled each other. Therefore, this magnetic sensor can detect the external magnetic field Hex with high accuracy without being affected by temperature drift or time drift.
[0040]
Next, a configuration example of a magnetic detection device using the magnetic sensor as described above will be specifically described.
[0041]
As shown in FIG. 3, this magnetic detector is connected to the magnetic sensor 10 as described above, a bilateral switch 11 for reversing the direction of the current flowing through the magnetic sensor 10, and the bilateral switch 11. And a Schmitt trigger circuit 13 connected to wirings derived from both ends of the magnetic sensor 10, and an oscillation circuit that operates as an astable multivibrator circuit is configured.
[0042]
Here, as described above, the magnetic sensor 10 is composed of a magnetic body made of an elongated amorphous or the like formed in a ribbon shape or a wire shape, and a coil made of a copper wire or the like wound in the longitudinal direction of the magnetic body. Composed. The magnetic sensor 10 is arranged in a bilateral switch 11 including a switch SW1, a switch SW2, a switch SW3, and a switch SW4. The direction of the current flowing through the magnetic sensor 10 is indicated by the bilateral switch 11. Can be reversed. One end of the resistor 12 connected to the bilateral switch 11 is connected in series to the magnetic sensor 10 via the bilateral switch 11, and the other end of the resistor 12 is grounded.
[0043]
Further, the Schmitt trigger circuit 13 repeatedly inverts the output voltage in accordance with the input voltage and outputs a square wave oscillation voltage V0. That is, when the input voltage rises and reaches the Schmitt voltage VsH, the Schmitt trigger circuit 13 inverts and outputs the output voltage. Similarly, when the input voltage falls and reaches the Schmitt voltage VsL, the output voltage is inverted. As a result, a square wave oscillation voltage V0 is output.
[0044]
Thus, by outputting the square wave oscillation voltage V0 from the Schmitt trigger circuit 13, the magnetic detector operates as an astable multivibrator circuit. Here, the time constant of the astable multivibrator circuit is determined by the inductance L of the magnetic sensor 10 and the resistance value R of the resistor 12. That is, in the magnetic detection device, the magnetic sensor 10 and the resistor 12 are time constant determining elements of an astable multivibrator circuit.
[0045]
Since the oscillation period of the astable multivibrator circuit is determined by the time constant, the oscillation period of the astable multivibrator circuit includes the inductance L of the magnetic sensor 10 and the resistance value R of the resistor 12 connected in series to the magnetic sensor 10. And determined by.
[0046]
Here, the inductance L of the magnetic sensor 10 changes according to the change of the external magnetic field Hex. Therefore, the oscillation period of the astable multivibrator circuit changes according to the change in the external magnetic field Hex. Therefore, in this magnetic detector, the intensity of the external magnetic field is detected by measuring the oscillation period of the astable multivibrator circuit, that is, the oscillation period of the square wave oscillation voltage V0 from the Schmitt trigger circuit 13.
[0047]
The operation of the magnetic detector will be described with reference to FIG. 4 which is a time chart of voltage waveforms when a current flows in a certain direction with respect to the magnetic sensor 10 by the bilateral switch 13. 4A shows a time chart of the square wave oscillation voltage V0 output from the Schmitt trigger circuit 13, and FIG. 4B shows a voltage generated in the magnetic sensor 10, that is, the Schmitt trigger circuit 13. 6 shows a time chart of the voltage Vr input to the.
[0048]
As shown in FIG. 4A, first, a voltage V1 including a predetermined DC bias component is supplied from the Schmitt trigger circuit 13 to the magnetic sensor 10, whereby an integrating circuit composed of the magnetic sensor 10 and the resistor 12 is supplied. The flowing current rises. Here, since the voltage supplied to the magnetic sensor 10 includes a DC bias component, the current flowing through the magnetic sensor 10 includes a DC bias current component. At this time, as shown in FIG. 4B, the voltage generated in the magnetic sensor 10, that is, the waveform of the voltage Vr1 input to the Schmitt trigger circuit 13, is higher than the voltage V1 output from the Schmitt trigger circuit 13. The waveform is delayed. The waveform of the voltage Vr1 corresponds to the response waveform of the current flowing through the magnetic sensor 10. Therefore, the delay at the rise of the voltage Vr1 changes according to the magnitude of the external magnetic field Hex applied to the magnetic sensor 10. To do. When the input rises and reaches a predetermined Schmitt voltage VsH, the Schmitt trigger circuit 13 inverts the output as shown in FIG.
[0049]
As a result, a voltage V2 obtained by inverting the original voltage V1 is supplied from the Schmitt trigger circuit 13 to the magnetic sensor 10, whereby the current flowing through the integrating circuit composed of the magnetic sensor 10 and the resistor 12 falls. At this time, as shown in FIG. 4B, the voltage generated in the magnetic sensor 10, that is, the waveform of the voltage Vr2 input to the Schmitt trigger circuit 13, falls with respect to the voltage V2 output from the Schmitt trigger circuit 13. Sometimes a delayed waveform occurs. The waveform of the voltage Vr2 corresponds to the response waveform of the current flowing through the magnetic sensor 10. Therefore, the delay when the voltage Vr2 falls depends on the magnitude of the external magnetic field Hex applied to the magnetic sensor 10. Change. The Schmitt trigger circuit 13 inverts the output when the input falls and reaches a predetermined Schmitt voltage VsL.
[0050]
By repeating the above operation, the Schmitt trigger circuit 13 outputs a square wave oscillation voltage V0 as shown in FIG. Here, the Schmitt voltages VsL and VsH are set so as to cover the change from Lmax to Lmin of the inductance L of the magnetic sensor 10 when the current flowing through the magnetic sensor 10 rises and falls. That is, the Schmitt voltages VsL and VsH are set so that the amplitude of the oscillation current flowing through the magnetic sensor 10 covers a range in which the inductance L of the magnetic sensor 10 shows a sharp change.
[0051]
As described above, the waveform of the voltage Vr input to the Schmitt trigger circuit 13 corresponds to the response waveform of the current flowing through the magnetic sensor 10. Therefore, the oscillation period of the square wave oscillation voltage V0 output from the Schmitt trigger circuit 13 corresponds to the rise time and fall time of the current flowing through the magnetic sensor 10. As described above, since the rise time and fall time of the current flowing through the magnetic sensor 10 depend on the magnitude of the external magnetic field Hex, the oscillation period of the square wave oscillation voltage V0 output from the Schmitt trigger circuit 13 is determined. Based on the above, the magnitude of the external magnetic field Hex applied to the magnetic sensor 10 can be detected.
[0052]
That is, in this magnetic detector, a change in the external magnetic field Hex applied to the magnetic sensor 10 appears as a change in the oscillation period of the square wave oscillation voltage V0 output from the Schmitt trigger circuit 13. Therefore, the intensity of the external magnetic field Hex can be detected by detecting the change in the oscillation period.
[0053]
By the way, in the magnetic detection device according to the present embodiment, the direction of the current flowing through the magnetic sensor 10 can be reversed by the bilateral switch 11. That is, in FIG. 3, when the switch SW1 and the switch SW4 are on and the switch SW2 and the switch SW3 are off, current flows in the direction of the arrow A in FIG. 3, and the switch SW1 and the switch SW4 are off and the switch SW2 When the switch SW3 is ON, a current flows in the direction of arrow B in FIG. Then, by reversing the direction of the current flowing through the magnetic sensor 10 by the bilateral switch 11 and detecting the external magnetic field Hex, as described above, the current is about twice as large as when the current is passed only in a certain direction. In addition, the zero point where there is no external magnetic field Hex can be easily recognized, and furthermore, the influence of temperature drift and time drift can be eliminated.
[0054]
Next, the principle that the change in the external magnetic field Hex applied to the magnetic sensor 10 appears as the change in the oscillation period of the square wave oscillation voltage V0 output from the Schmitt trigger circuit 13 will be described in more detail.
[0055]
FIG. 5 shows a circuit that models a state when a current rises in an integrating circuit in which a magnetic sensor 20 and a resistor 21 are connected in series. In such a circuit, when the switch 22 is turned from OFF to ON, a DC voltage is applied from the DC power source 23 to the integrating circuit composed of the magnetic sensor 20 and the resistor 21, and a current i flows out to the magnetic sensor 20. Here, the current i flowing through the magnetic sensor 20 is expressed as follows: E is the DC voltage applied to the integrating circuit, L is the inductance of the magnetic sensor 20, R is the resistance of the resistor 21, and t is the rise time of the current i. And represented by the following formula (1-5).
[0056]
[Equation 5]
Figure 0003633097
[0057]
As can be seen from the above equation (1-5), the rise time t of the current i is proportional to the time constant L / R of the integrating circuit. Therefore, in such an integration circuit, the rise time t of the current i changes by changing the inductance L of the magnetic sensor 20 or the resistance value R of the resistor 21.
[0058]
By the way, as described above, the inductance L of the magnetic sensor changes from Lmax to Lmin while the current i rises. Here, the Schmitt voltages VsL and VsH described above are set so as to cover the change of the inductance L from Lmax to Lmin.
[0059]
Since the inductance L of the magnetic sensor 20 changes from Lmax to Lmin, as shown in FIG. 6, the current i flowing through the integrating circuit initially rises when the inductance L is Lmax, and eventually the inductance L becomes Lmin. It will stand up in the state of. Therefore, the time Ts until the current i flowing through the integrating circuit reaches a level corresponding to the Schmitt voltage VsH is the sum of the rise time T1 when the inductance L is Lmax and the rise time T2 when the inductance L is Lmin. become.
[0060]
When the external magnetic field Hex applied to the magnetic sensor 20 changes, the change point P at which the inductance L changes from Lmax to Lmin is shifted by this change, so that the integrated current i is changed to the Schmitt voltage VsH according to the external magnetic field Hex. The time Ts until the level corresponding to is changed.
[0061]
Therefore, as shown in FIG. 4 described above, a change in the external magnetic field Hex appears as a change in the oscillation period of the square wave oscillation voltage V0 output from the Schmitt trigger circuit 13.
[0062]
FIG. 7 shows a circuit that models the state when the current i that has flowed through the integrating circuit in which the magnetic sensor 30 and the resistor 31 are connected in series falls. In such a circuit, when the switch 32 is turned on from off, the direct current voltage from the direct current power supply 33 is not applied to the integrating circuit, and the current flowing through the magnetic sensor 30 falls. Here, the current i flowing through the magnetic sensor 30 is represented by E as the value of the DC voltage applied to the integrating circuit, L as the inductance of the magnetic sensor 30, R as the resistance value of the resistor 31, and t as the fall time of the current. Then, it is represented by the following formula (1-6).
[0063]
[Formula 6]
Figure 0003633097
[0064]
At this time as well, when the external magnetic field Hex applied to the magnetic sensor 30 changes, the change point at which the inductance L changes from Lmax to Lmin is shifted by this change, similarly to the above-described rise of the current. Depending on the magnetic field Hex, the time changes until the integrated current i reaches a level corresponding to the Schmitt voltage VsL.
[0065]
Therefore, even when the current falls, the change in the external magnetic field Hex appears as a change in the oscillation period of the square wave oscillation voltage V0 output from the Schmitt trigger circuit 15 as shown in FIG. .
[0066]
Incidentally, in the magnetic detector as shown in FIG. 3, the amount of change in the oscillation period of the square wave oscillation voltage V0 output from the Schmitt trigger circuit 13 varies in the longitudinal direction of the external magnetic field Hex and the magnetic body of the magnetic sensor 10. It depends on the angle θ formed by the generated magnetic field. That is, when the external magnetic field Hex is constant, as shown in FIG. 8, the oscillation period changes depending on the angle θ formed by the external magnetic field Hex and the magnetic field generated in the longitudinal direction of the magnetic body of the magnetic sensor 10. In FIG. 8, when the direction of the external magnetic field Hex is the same as the direction of the magnetic field generated in the longitudinal direction of the magnetic body of the magnetic sensor 10, the azimuth is 0 °.
[0067]
As can be seen from FIG. 8, the oscillation period includes azimuth information of the external magnetic field Hex. This is the sum of the magnetization amount of the magnetic material of the magnetic sensor 10 due to the current flowing through the magnetic sensor 10 and the magnetization amount due to the external magnetic field Hex, and the magnetization amount due to the external magnetic field Hex is the external magnetic field Hex. This is because it changes depending on the angle θ formed by the magnetic field generated in the longitudinal direction of the magnetic body of the magnetic sensor 10.
[0068]
That is, as shown in FIG. 9, the magnetic field Hb caused by the current flowing in the coil 10b of the magnetic sensor 10 is constant, but the magnetic field generated in the magnetic body 10a of the magnetic sensor 10 by the external magnetic field Hex depends on the direction of the external magnetic field Hex. doing. Therefore, the magnetic field H detected by the magnetic sensor 10 is only the longitudinal component of the magnetic body 10a in the external magnetic field Hex, as shown by the following formula (1-7).
[0069]
H = Hex · cos θ (1-7)
As shown in the above formula (1-7), the magnetic field H detected by the magnetic sensor 10 includes the azimuth information of the external magnetic field Hex, so that by using a plurality of magnetic sensors, You can know the direction.
[0070]
Specifically, for example, as shown in FIG. 10, two magnetic sensors 10x and 10y are incorporated in the magnetic detection device. This magnetic detector has the same circuit configuration as the magnetic detector shown in FIG. 3 except that two magnetic sensors are incorporated. Here, as shown in FIG. 11, the magnetic sensor 10x is arranged in the X-axis direction, and the magnetic sensor 10y is arranged in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction. That is, the magnetic sensor 10x and the magnetic sensor 10y are disposed so as to be orthogonal to each other. At this time, as shown in FIG. 11, assuming that the angle formed by the direction of the external magnetic field Hex and the longitudinal direction of the magnetic body of the magnetic sensor 11x for detecting the X-axis direction is θ, the magnetic sensor 10x for detecting the X-axis direction. The magnetic field magnitude Hx detected by the following equation (1-8) is expressed by the following equation (1-8), and the magnetic field magnitude Hy detected by the Y-axis direction detection magnetic sensor 10y is expressed by the following equation (1-9). expressed.
[0071]
Hx = Hex · cos θ (1-8)
Hy = Hex · sin θ (1-9)
Here, when the ratio of the magnetic field magnitude Hx detected by the X-axis direction detection magnetic sensor 10x and the magnetic field magnitude Hy detected by the Y-axis direction detection magnetic sensor 10y is taken, the following equation is obtained. (1-10).
[0072]
Hy / Hx = sin θ / cos θ = tan θ (1-10)
Accordingly, the angle θ formed by the direction of the external magnetic field Hex and the longitudinal direction of the magnetic body of the magnetic sensor 10x for detecting the X-axis direction is expressed by the following formula (1-11). However, in the following formula (1-11), when Hy ≧ 0, 180 ° ≧ θ ≧ 0 °, and when 0> Hy, 360 °> θ> 180 °.
[0073]
θ = tan-1(Hy / Hx) (1-10)
Thus, by providing the two magnetic sensors 10x and 10y in the magnetic detector, the direction of the external magnetic field Hex can be known. In order to know the direction of the external magnetic field Hex in the three-dimensional space, that is, the three-dimensional direction of the external magnetic field Hex, three magnetic sensors orthogonal to each other may be used.
[0074]
Also in the magnetic detector shown in FIG. 10, the current flowing through the magnetic sensor is determined only by the voltage input to the Schmitt trigger circuit and a single resistor. Therefore, even in this magnetic detection device, even if the direction of the current flowing through the magnetic sensor is reversed or the magnetic sensor through which the current flows is switched, it is caused by variations in the resistance value of the resistance connected to the magnetic sensor. As a result, the detection accuracy does not deteriorate. Therefore, this magnetic detector can also detect the magnitude and direction of the external magnetic field Hex with high accuracy.
[0075]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the magnetic detection device according to the present invention, the same current is supplied to the magnetic sensor regardless of the direction of the current, so that the measurement value varies depending on the direction of the current. The external magnetic field can be detected with high accuracy.
[0076]
Further, in the magnetic detection device according to the present invention, it is not necessary to provide a plurality of AND gates, a plurality of resistors, and the like, and the configuration can be simplified. Therefore, it is possible to easily achieve downsizing and cost reduction. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a magnetic sensor used in a magnetic detection device to which the present invention is applied.
2 is a diagram for explaining the principle of external magnetic field detection by the magnetic sensor shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of a magnetic detection device to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a diagram illustrating a time chart of a voltage output from a Schmitt trigger circuit and a time chart of a voltage input to the Schmitt trigger circuit.
FIG. 5 is a circuit diagram modeling a state when a current rises in an integrating circuit including a magnetic sensor and a resistor.
6 is a diagram illustrating a state when a current flowing through the integration circuit illustrated in FIG. 5 rises. FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram modeling a state when a current flowing through an integrating circuit including a magnetic sensor and a resistor falls.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a relationship between an oscillation period of a square wave oscillation voltage output from a Schmitt trigger circuit and a direction of an external magnetic field Hex.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a state of magnetization of a magnetic body of a magnetic sensor.
FIG. 10 is a circuit diagram showing another configuration example of the magnetic detection device to which the present invention is applied.
11 is a schematic diagram showing a state of arrangement of magnetic sensors of the magnetic detection device shown in FIG. 10;
FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration example of a conventional magnetic detection device.
13 is a circuit diagram showing an operation example of the magnetic detection device shown in FIG. 12;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic sensor, 2 Magnetic body, 3 Coil, 10 Magnetic sensor, 11 Bilateral switch, 12 Resistance, 13 Schmitt trigger circuit

Claims (5)

磁性体にコイルが巻かれてなる磁気センサを時定数決定素子の一部として用いた発振回路を備え、上記発振回路から出力される発振電圧の周期の変化によって外部磁界の強さを検出する磁気探知装置において、
上記発振回路は、シュミットトリガ回路を用いて構成された無安定マルチバイブレータ回路からなり、上記シュミットトリガ回路の入力と出力間に並列で少なくとも1つの上記磁気センサとその磁気センサに流れる電流の方向を反転させるための少なくとも4つのバイラテラル・スイッチが接続され、上記シュミットトリガ回路の入力に抵抗が接続されており、その発振周期が、上記磁気センサのインダクタンスと、上記バイラテラル・スイッチを介して上記磁気センサに直列接続される上記抵抗の抵抗値とによって定まる時定数により決定されることを特徴とする磁気探知装置。
A magnetic circuit that includes an oscillation circuit using a magnetic sensor in which a coil is wound around a magnetic material as part of a time constant determining element, and detects the strength of an external magnetic field by changing the period of an oscillation voltage output from the oscillation circuit. In the detection device,
The oscillation circuit is composed of an astable multivibrator circuit configured using a Schmitt trigger circuit, and in parallel between at least one of the Schmitt trigger circuit and the output , the direction of the current flowing through the magnetic sensor and the magnetic sensor is determined. At least four bilateral switches for inversion are connected, a resistor is connected to the input of the Schmitt trigger circuit, and the oscillation period is determined by the inductance of the magnetic sensor and the bilateral switch via the bilateral switch. A magnetic detection device characterized by being determined by a time constant determined by a resistance value of the resistor connected in series to a magnetic sensor .
上記磁気センサのコイルに流れる発振電流の振幅は、磁気センサのインダクタンスが急峻な変化を示す範囲を包括するように設定されていることを特徴とする請求項1記載の磁気探知装置。2. The magnetic detection device according to claim 1, wherein the amplitude of the oscillating current flowing through the coil of the magnetic sensor is set so as to cover a range in which the inductance of the magnetic sensor shows a steep change. 上記磁気センサのコイルに流れる発振電流は、直流バイアス電流成分を含んでいることを特徴とする請求項1記載の磁気探知装置。2. The magnetic detection device according to claim 1, wherein the oscillating current flowing in the coil of the magnetic sensor includes a DC bias current component. 上記磁気センサを複数備えていることを特徴とする請求項1記載の磁気探知装置。The magnetic detection apparatus according to claim 1, comprising a plurality of the magnetic sensors. 上記磁性体を上記コイルに流れる発振電流によって長手方向に磁化して利用することを特徴とする請求項1記載の磁気探知装置。2. The magnetic detection device according to claim 1, wherein the magnetic body is used by being magnetized in the longitudinal direction by an oscillating current flowing in the coil.
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