JP3907488B2

JP3907488B2 - Magnetic sensor

Info

Publication number: JP3907488B2
Application number: JP2002020260A
Authority: JP
Inventors: 栄作新井
Original assignee: 株式会社マコメ研究所
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2022-01-29
Also published as: JP2003215221A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、磁界を電気信号に変換する磁気センサに関し、特に、可飽和コイルを用いた磁気センサの回路技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可飽和コイルを用いて磁気センサを構成する方法としては、本出願人による特願平１１−３３２９７２等で公開されている技術がある。このような従来技術の動作原理を以下に説明する。
【０００３】
従来の可飽和コイルは、図３に示すように、コア２１に高透磁率軟磁性材料（例えばパーマロイ）を使用し、ボビン２２を介して銅線を巻線２３として巻いた構造である。高感度の磁気センサを実現するために、可飽和コイルのコア２１は、コイル電流による磁界で容易に飽和（透磁率が減少）するように形状を設計する。一例を示せば、コア２１の寸法は外形が縦５mm、横4mm 、コイル巻線２３部分が縦３mm、横１mmであり、厚さは０．０５mmである。また、コイルは直径０．０６mmの銅線を１９０回巻いたものである。図３（Ａ）と（Ｂ）にこのような従来の可飽和コイルの正面図と側面図を示す。可飽和コイルのインダクタンスは、コア２１の透磁率に比例するため、コア２１が飽和すると著しく減少する。
【０００４】
上述した可飽和コイルを用いた磁気センサは、前述したコア２１の飽和現象を利用する。すなわち、コア２１の飽和領域まで可飽和コイルを励振し、外部磁界の作用によってコア２１の飽和点が移動することを利用する。従って、可飽和コイルを用いた磁気センサ回路の設計は、コイル巻線２３の励振過程におけるインダクタンス変化を電圧等の電気信号に変換する手段を考察することである。
【０００５】
図５は、従来の動作説明図である。
可飽和コイルのコア材のＢ−Ｈ曲線図を図５（Ａ）に示す。コアに作用する磁界は、コイル電流による磁界Ｈと外部磁界Ｈｅｘがあるが、横軸に示したのは、コイル電流による磁界Ｈである。外部磁界Ｈｅｘの成分は、Ｂ−Ｈ曲線を横軸方向にシフトすることで表す。尚、コイル電流による磁界Ｈは、コイル電流に比例する。縦軸は、コイル電流による磁界Ｈ及び外部磁界Ｈｅｘの作用によってコア内部に発生する磁束密度Ｂである。
【０００６】
図４は、従来の回路構成である。可飽和コイル３３は、通常電力効率を高めるためパルス電圧によって励振される。駆動回路３２は、可飽和コイル３３を励振するために必要な電流供給能力を持ち、発振回路３１のパルス信号を所定の電圧レベルに設定して出力する回路である。具体的には、昇圧トランスまたは電源電圧をトランジスタでスイッチングする方法が用いられる。パルス電圧が可飽和コイル３３に与えられると図５（Ｂ）に示すようにコイル電流は、Ｔ１１〜Ｔ１２の区間で時間Ｔに比例して増加する（図５（Ｂ）及び（Ｃ））。また、コイル電流の増加率はコイルのインダクタンスに反比例する。
【０００７】
可飽和コイル３３のコアにはコイル電流による磁界Ｈと外部磁界Ｈｅｘが作用し、Ｂ−Ｈ曲線に対応した磁束密度Ｂがコア内部に発生する。外部磁界Ｈｅｘがゼロの場合、Ｂ−Ｈ曲線は、図５（Ａ）において実線５２Ａで示すように原点が基点となる。また、外部磁界Ｈｅｘがコイル電流による磁界Ｈと同極性で作用した場合、図５（Ａ）において細かい破線５１Ａで示すように外部磁界Ｈｅｘによりコア内部に磁束密度Ｂｅｘが発生し、基点は、磁束密度Ｂｅｘの点に移動する。
【０００８】
同様に外部磁界Ｈｅｘがコイル電流による磁界Ｈと逆極性で作用した場合、図５（Ａ）において粗い破線５３Ａで示すように外部磁界Ｈｅｘによりコア内部に磁束密度−Ｂｅｘが発生し、基点は、磁束密度−Ｂｅｘの点に移動する。
【０００９】
このように、外部磁界Ｈｅｘに相対してＢ−Ｈ曲線が横軸方向に移動すると言うことは、コアを飽和させるために必要なコイル電流値が増減すると言うことである。すなわち、外部磁界Ｈｅｘがコイル電流による磁界Ｈと同極性で作用した場合、より少ないコイル電流でコアを飽和させる事が出来、逆の場合は、コアを飽和させるためにより多くのコイル電流が必要になる。
【００１０】
パルス電圧のパルス幅は一定であるから、飽和磁束密度Ｂｓａｔに達するまでの時間差に相対してコイル電流のピーク値に差が生じる。このようにして可飽和コイルには、外部磁界Ｈｅｘの極性と大きさに相対して図５（Ｂ）においてＴ１２時点での５１Ｂ、５２Ｂ、５３Ｂで示すようにピーク電流が変化するパルス状の電流が流れる。図５（Ｂ）に同図（Ａ）と同じ線種で対応させたコイル電流の曲線を示す。
【００１１】
コイル電流は、負荷抵抗（Ｒ１）３４によって外部磁界Ｈｅｘの極性と大きさに相対してピーク電圧が変化するパルス電圧に変換される。更にダイオード（Ｄ１）３５とコンデンサ（Ｃ１）３６と抵抗（Ｒ２）３７で構成する検波回路及び抵抗（Ｒ３）３８とコンデンサ（Ｃ２）３９で構成するフィルタ回路によりパルス電圧は直流電圧に変換される。このようにして出力端子４０から外部磁界Ｈｅｘの極性と大きさに相対した出力電圧（ＯＵＴ）を得る。
【００１２】
実際のセンサ回路では、外部磁界に対してお互いに逆極性に動作するように構成した二つの回路を用意して、その作動電圧を出力するように構成する。こうすることでオフセットの無い出力電圧が得られる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の磁気センサでは、コアの飽和領域まで可飽和コイルを励振することは、動作原理上必須の条件である。従って、パルス電圧のパルス幅は、可飽和コイルのコアが外部磁界によって磁束密度−Ｂｉｐにバイアスされた状態（図５（Ａ）において粗い破線５３Ａで示した曲線）でも、飽和磁束密度Ｂｓａｔを超えるまで継続させる必要がある。
【００１４】
このため、図５（Ｂ）から分かるように、外部磁界がゼロの状態において、可飽和コイルのコイルには大きなピーク電流が流れており、回路の消費電力が大きくなる原因となっている。また、計測可能な磁界範囲を広くするに従ってパルス電圧のパルス幅を広くする必要があり、更に回路の消費電力が増大するという不都合があった。
【００１５】
例えば、磁気誘導式無人搬送車で使用する磁気テープのトレース用磁気センサや携帯用のガウスメータ等は、蓄電池または電池で動作する。このため、電池寿命を延ばす意味から磁気センサの低消費電力化が望まれていた。また、近年のエネルギー事情から鑑みて低消費電力化は、時代の要請でもある。
【００１６】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、以上の課題を解決するために低消費電力の磁気センサを提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気センサは、可飽和コイルと、パルス発振器と、パルス幅変調手段と、電流検出手段とを備え、電流検出手段は、可飽和コイルに流れる電流を検出し、しきい値を超えたときに電流検出信号を発生するように構成し、しきい値は、可飽和コイルが飽和領域に達したと判断できる電流値とし、パルス幅変調手段は、パルス発振器に同期してオンになり、電流検出信号に同期してオフになるパルス幅変調信号を出力し、パルス幅変調信号は、可飽和コイルを励振し、外部磁界が可飽和コイルに作用したときにパルス幅が変化するパルス幅変調信号を出力するものである。
【００１８】
従って本発明によれば、以下の作用をする。
パルス発振器の発振周期のパルス信号は、パルス幅変調手段で所定のパルス電圧に設定され、可飽和コイルを励振する。
【００１９】
パルス電圧が可飽和コイルに与えられるとコイル電流は、時間に比例して増加する。また、コイル電流の増加率はコイルのインダクタンスに反比例するので、コアが飽和すると急激にコイル電流が増加する。
【００２０】
可飽和コイルのコアにはコイル電流による磁界と外部磁界が作用し、Ｂ−Ｈ曲線に対応した磁束密度がコア内部に発生する。外部磁界がゼロの場合、Ｂ−Ｈ曲線は、原点が基点となる。
【００２１】
また、外部磁界がコイル電流による磁界と同極性で作用した場合、外部磁界によりコア内部に磁束密度が発生し、基点は、所定の磁束密度の点に移動する。
【００２２】
同様に外部磁界がコイル電流による磁界と逆極性で作用した場合、外部磁界によりコア内部にマイナスの所定の磁束密度が発生し、基点は、マイナスの所定の磁束密度の点に移動する。
【００２３】
このように、外部磁界に相対してＢ−Ｈ曲線が横軸方向に移動すると言うことは、コアを飽和させるために必要なコイル電流値が増減すると言うことである。
【００２４】
すなわち、外部磁界がコイル電流による磁界と同極性で作用した場合、より少ないコイル電流でコアを飽和させる事が出来、逆の場合は、コアを飽和させるためにより多くのコイル電流が必要になる。
【００２５】
コイル電流が時間に比例して増加するため、コア内部の磁束密度が飽和磁束密度を超えるまでの時間が、外部磁界の極性と大きさに相対して変化する。Ｂ−Ｈ曲線によれば、外部磁界がコイル電流による磁界と同極性で作用した場合は到達時間が短くなり、逆極性で作用した場合は到達時間が長くなる。
【００２６】
電流検出手段は、コイル電流を測定し、しきい値を超えた時点でパルス信号を出力する。しきい値は、コアが飽和磁束密度を僅かに超え、コイル電流の増加率が急増し始める値に設定してある。
【００２７】
このため、パルス電圧が印可されてからコアが飽和磁束密度を超えるまでの時間と電流検出手段がパルス信号を出力するまでの時間は比例し、ほぼ同時に発生する。
【００２８】
このように、外部磁界の極性と大きさに相対して可飽和コイルを励振するパルス電圧のパルス幅が変化するように動作する。
【００２９】
従って、外部磁界の極性と大きさに相対してデューティー比が変化するパルス信号が得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の磁気センサ回路（以下、新型回路）は、可飽和コイルを磁気検出素子として、発振回路とＲＳフリップフロップと駆動回路と電流検出回路とで構成される。
【００３１】
図１に本実施の形態の磁気センサ回路としての新型回路の構成図を示す。
発振回路１は、一定周波数のパルス信号を発生する。ＲＳフリップフロップ２は、Ｓ入力端子に信号が入るとＱ出力端子がハイレベルにセットされ、Ｒ入力端子に信号が入るとＱ出力端子がローレベルにリセットされる論理回路である。発振回路１のパルス信号は、ＲＳフリップフロップ２のＳ入力端子に接続してあり、発振回路１の発振周期でＲＳフリップフロップ２のＱ出力端子をハイレベルにセットする。ＲＳフリップフロップ２のＱ出力端子は、駆動回路３の入力端子に接続してある。
【００３２】
駆動回路３は、可飽和コイル４を励振するために必要な電流供給能力を持ち、入力パルスを所定の電圧レベルに設定して出力する回路である。駆動回路３の出力端子は、可飽和コイル４の一方の端子に接続してあり、可飽和コイル４の他方の端子は、電流検出回路５の入力端子に接続してある。
【００３３】
可飽和コイル４を励振する電流は、駆動回路３から供給され、可飽和コイル４の一方の端子から他方の端子に流れ、電流検出回路５の入力端子を通って電流検出回路５の接地端子に流れる。
【００３４】
電流検出回路５は、可飽和コイル４と直列に接続され、可飽和コイル４に流れる電流を検出し、可飽和コアが飽和したと判断できるしきい値を超えたときにパルス信号を出力する。
【００３５】
電流検出回路５の出力端子は、ＲＳフリップフロップ２のＲ入力端子に接続され、可飽和コイル４の飽和を検出すると同時にＲＳフリップフロップ２のＱ出力端子をローレベルにリセットして出力端子６から出力信号（ＯＵＴ）を出力するする。以降、発振回路１の発振周期で上記の動作を繰り返す。
【００３６】
このように構成された本実施の形態の磁気センサ回路としての新型回路は、以下のような動作をする。
図２は、図５と対比させた新型回路の動作説明図である。可飽和コイルのコア材のＢ−Ｈ曲線図を図２（Ａ）に示す。コアに作用する磁界は、コイル電流による磁界Ｈと外部磁界Ｈｅｘがあるが、横軸に示したのは、コイル電流による磁界Ｈである。外部磁界Ｈｅｘの成分は、Ｂ−Ｈ曲線を横軸方向にシフトすることで表す。
【００３７】
尚、コイル電流による磁界Ｈは、コイル電流に比例する。縦軸は、コイル電流による磁界Ｈ及び外部磁界Ｈｅｘの作用によってコア内部に発生する磁束密度Ｂである。
【００３８】
ＲＳフリップフロップ２のＱ端子は、発振回路１の発振周期でハイレベルになり、電流検出回路５からの信号でローレベルにリセットされる。ＲＳフリップフロップ２のＱ端子から出力されるパルス信号は、駆動回路３で所定のパルス電圧に設定され、可飽和コイル４を励振する。
【００３９】
パルス電圧が可飽和コイル４に与えられると図２（Ｂ）に示すようにコイル電流１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂは、Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４まで時間Ｔに比例して増加する（図２（Ｂ）及び（Ｃ））。また、コイル電流の増加率はコイルのインダクタンスに反比例するので、コアが飽和すると急激にコイル電流が増加する。
【００４０】
可飽和コイル４のコアにはコイル電流による磁界Ｈと外部磁界Ｈｅｘが作用し、Ｂ−Ｈ曲線に対応した磁束密度Ｂがコア内部に発生する。外部磁界Ｈｅｘがゼロの場合、Ｂ−Ｈ曲線は、図２（Ａ）において実線１２Ａで示すように原点が基点となる。
【００４１】
また、外部磁界Ｈｅｘがコイル電流による磁界Ｈと同極性で作用した場合、図２（Ａ）において細かい破線１１Ａで示すように外部磁界Ｈｅｘによりコア内部に磁束密度Ｂｅｘが発生し、基点は、磁束密度Ｂｅｘの点に移動する。
【００４２】
同様に外部磁界Ｈｅｘがコイル電流による磁界Ｈと逆極性で作用した場合、図２（Ａ）において粗い破線１３Ａで示すように外部磁界Ｈｅｘによりコア内部に磁束密度−Ｂｅｘが発生し、基点は、磁束密度−Ｂｅｘの点に移動する。
【００４３】
このように、外部磁界Ｈｅｘに相対してＢ−Ｈ曲線が横軸方向に移動すると言うことは、コアを飽和させるために必要なコイル電流値が増減すると言うことである。
【００４４】
すなわち、外部磁界Ｈｅｘがコイル電流による磁界Ｈと同極性で作用した場合、より少ないコイル電流でコアを飽和させる事が出来、逆の場合は、コアを飽和させるためにより多くのコイル電流が必要になる。
【００４５】
コイル電流が時間Ｔに比例して増加するため、コア内部の磁束密度Ｂが飽和磁束密度Ｂｓａｔを超えるまでの時間が、外部磁界Ｈｅｘの極性と大きさに相対して変化する。図２（Ａ）のＢ−Ｈ曲線によれば、外部磁界Ｈｅｘがコイル電流による磁界Ｈと同極性で作用した場合は到達時間が短くなり、逆極性で作用した場合は到達時間が長くなる。
【００４６】
電流検出回路５は、コイル電流を測定し、しきい値ＩＴＨを超えた時点でパルス信号を出力する。しきい値ＩＴＨは、図２（Ｂ）に示すようにコアが飽和磁束密度Ｂｓａｔを僅かに超え、コイル電流の増加率が急増し始める値に設定してある。
【００４７】
このため、パルス電圧が印可されてからコアが飽和磁束密度Ｂｓａｔを超えるまでの時間と電流検出回路５がパルス信号を出力するまでの時間は比例し、ほぼ同時に発生する。この時の電流波形を図２（Ｂ）に同図（Ａ）と同じ線種で対応させて示した。
【００４８】
電流検出回路５の出力パルスは、ＲＳフリップフロップ２のＲ入力端子に与えられ、ＲＳフリップフロップ２のＱ出力端子をローにリセットする。この結果、コイル電圧がゼロになり、可飽和コイル４の励振を停止する。
【００４９】
このように、新型回路は、外部磁界Ｈｅｘの極性と大きさに相対して可飽和コイル４を励振するパルス電圧のパルス幅が変化するように動作する。ＲＳフリップフロップ２のＱ端子は、発振回路のパルス信号によって再びハイにセットされ上記の動作を繰り返す。
【００５０】
従って、ＲＳフリップフロップ２のＱ端子からは、外部磁界Ｈｅｘの極性と大きさに相対してデューティー比が変化するパルス信号が得られる。換言すれば、新型回路は、外部磁界に相対したパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を有する磁気センサ回路である。
【００５１】
また、上述において、電圧出力が必要な場合は、抵抗とコンデンサで構成するフィルタ回路を付加すればよい。
【００５２】
上述した本実施の形態によれば、コイル電流のしきい値ＩＴＨは、可飽和コイルのコアが飽和領域に達したと判断できる電流値に設定すればよい（図２（Ｂ））。すなわち、コアが飽和したことを検出すると同時にコイルの励振を停止するため、従来回路に見られるような大きなピーク電流が流れない。以上のことから、新型回路は、従来回路と比較して格段に消費電力を低下することができる。
【００５３】
また、本実施の形態の新型回路は、パルス幅変調出力を有する事から出力信号を様々な形態に変換することが容易になった。例えば、出力信号をアナログ電圧に変換したい場合は、フィルター回路を付加するだけでよい。また、パルス信号を積分した後、サンプル・ホールド回路を付加することでリップルの無いアナログ電圧に変換にする方法もある。Ａ／Ｄコンバータを使用しないで出力信号をデジタル化することも容易である。
【００５４】
例えば、パルス信号のパルス幅をクロック信号とカウンタで計数すれば直接デジタル値を得られる。一般にセンサ信号を長距離伝送する場合、信号の劣化を防止するためにアナログ信号をＡ／ＤコンバータやＶ／Ｆコンバータ等でシリアル・デジタル信号に変換して伝送する場合がある。新型検出回路では、前述した信号変換回路を使用することなくセンサが生成するパルス信号を直接伝送することが出来る。このため前述した信号変換回路を介在させることによる誤差が無く、全く信号劣化の無い長距離伝送が可能である。
【００５５】
【発明の効果】
この発明の本発明の磁気センサは、可飽和コイルと、パルス発振器と、パルス幅変調手段と、電流検出手段とを備え、電流検出手段は、可飽和コイルに流れる電流を検出し、しきい値を超えたときに電流検出信号を発生するように構成し、しきい値は、可飽和コイルが飽和領域に達したと判断できる電流値とし、パルス幅変調手段は、パルス発振器に同期してオンになり、電流検出信号に同期してオフになるパルス幅変調信号を出力し、パルス幅変調信号は、可飽和コイルを励振し、外部磁界が可飽和コイルに作用したときにパルス幅が変化するパルス幅変調信号を出力するので、従来回路と比較して格段に消費電力を低下することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の磁気センサ回路の構成を示す図である。
【図２】本実施の形態の動作説明図であり、図２ＡはコアのＢ−Ｈ曲線、図２Ｂはコイル電流、図２Ｃはコイル電圧である。
【図３】従来の可飽和コイルを示す図であり、図３Ａは正面図、図３Ｂは側面図である。
【図４】従来の磁気センサ回路図である。
【図５】従来の動作説明図であり、図５ＡはコアのＢ−Ｈ曲線、図５Ｂはコイル電流、図５Ｃはコイル電圧である。
【符号の説明】
１……発振回路、２……ＲＳフリップフロップ、３……駆動回路、４……可飽和コイル、５……電流検出回路、６……出力端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic sensor that converts, for example, a magnetic field into an electric signal, and more particularly to a circuit technology of a magnetic sensor using a saturable coil.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method for configuring a magnetic sensor using a saturable coil, there is a technique disclosed in Japanese Patent Application No. 11-332972 by the present applicant. The operation principle of such a prior art will be described below.
[0003]
As shown in FIG. 3, the conventional saturable coil has a structure in which a high permeability soft magnetic material (for example, permalloy) is used for the core 21 and a copper wire is wound as a winding 23 via a bobbin 22. In order to realize a high-sensitivity magnetic sensor, the core 21 of the saturable coil is designed so that it can be easily saturated (the permeability is reduced) by a magnetic field generated by a coil current. For example, the dimensions of the core 21 are 5 mm in length and 4 mm in width, the coil winding 23 part is 3 mm in length and 1 mm in width, and the thickness is 0.05 mm. The coil is made of 190 turns of a copper wire having a diameter of 0.06 mm. 3A and 3B are a front view and a side view of such a conventional saturable coil. Since the inductance of the saturable coil is proportional to the magnetic permeability of the core 21, it significantly decreases when the core 21 is saturated.
[0004]
The magnetic sensor using the saturable coil described above utilizes the saturation phenomenon of the core 21 described above. That is, the saturable coil is excited to the saturation region of the core 21 and the saturation point of the core 21 is moved by the action of the external magnetic field. Therefore, the design of a magnetic sensor circuit using a saturable coil is to consider means for converting an inductance change in the excitation process of the coil winding 23 into an electric signal such as a voltage.
[0005]
FIG. 5 is a diagram for explaining the conventional operation.
A BH curve diagram of the core material of the saturable coil is shown in FIG. The magnetic field acting on the core includes a magnetic field H caused by a coil current and an external magnetic field Hex. The horizontal axis shows the magnetic field H caused by a coil current. The component of the external magnetic field Hex is expressed by shifting the BH curve in the horizontal axis direction. The magnetic field H due to the coil current is proportional to the coil current. The vertical axis represents the magnetic flux density B generated inside the core due to the action of the magnetic field H caused by the coil current and the external magnetic field Hex.
[0006]
FIG. 4 shows a conventional circuit configuration. Saturable coil 33 is normally excited by a pulse voltage to increase power efficiency. The drive circuit 32 has a current supply capability necessary to excite the saturable coil 33, and is a circuit that outputs a pulse signal of the oscillation circuit 31 set to a predetermined voltage level. Specifically, a step-up transformer or a method of switching a power supply voltage with a transistor is used. When the pulse voltage is applied to the saturable coil 33, as shown in FIG. 5B, the coil current increases in proportion to the time T in the section from T11 to T12 (FIGS. 5B and 5C). Further, the rate of increase of the coil current is inversely proportional to the inductance of the coil.
[0007]
A magnetic field H caused by a coil current and an external magnetic field Hex act on the core of the saturable coil 33, and a magnetic flux density B corresponding to the BH curve is generated inside the core. When the external magnetic field Hex is zero, the origin of the BH curve is the origin as shown by the solid line 52A in FIG. When the external magnetic field Hex acts with the same polarity as the magnetic field H generated by the coil current, a magnetic flux density Bex is generated inside the core by the external magnetic field Hex as shown by a fine broken line 51A in FIG. Move to the point of density Bex.
[0008]
Similarly, when the external magnetic field Hex acts with a polarity opposite to that of the magnetic field H caused by the coil current, a magnetic flux density -Bex is generated inside the core by the external magnetic field Hex as shown by a rough broken line 53A in FIG. Move to the point of magnetic flux density -Bex.
[0009]
Thus, the fact that the BH curve moves in the horizontal axis direction relative to the external magnetic field Hex means that the coil current value necessary to saturate the core increases or decreases. That is, when the external magnetic field Hex acts with the same polarity as the magnetic field H due to the coil current, the core can be saturated with less coil current, and in the opposite case, more coil current is required to saturate the core. Become.
[0010]
Since the pulse width of the pulse voltage is constant, a difference occurs in the peak value of the coil current relative to the time difference until the saturation magnetic flux density Bsat is reached. In this manner, the saturable coil has a pulsed current whose peak current changes as shown by 51B, 52B, and 53B at time T12 in FIG. 5B relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field Hex. Flows. FIG. 5B shows a coil current curve corresponding to the same line type as in FIG.
[0011]
The coil current is converted by the load resistance (R1) 34 into a pulse voltage whose peak voltage changes relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field Hex. Further, the pulse voltage is converted into a DC voltage by a detection circuit composed of a diode (D1) 35, a capacitor (C1) 36, and a resistor (R2) 37, and a filter circuit composed of a resistor (R3) 38 and a capacitor (C2) 39. . In this way, an output voltage (OUT) relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field Hex is obtained from the output terminal 40.
[0012]
In an actual sensor circuit, two circuits configured to operate in opposite polarities with respect to an external magnetic field are prepared, and the operation voltage is output. By doing so, an output voltage with no offset can be obtained.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional magnetic sensor, exciting the saturable coil to the saturation region of the core is an essential condition in terms of the operation principle. Therefore, the pulse width of the pulse voltage exceeds the saturation magnetic flux density Bsat even when the core of the saturable coil is biased to the magnetic flux density −Bip by the external magnetic field (the curve indicated by the rough broken line 53A in FIG. 5A). It is necessary to continue until.
[0014]
For this reason, as can be seen from FIG. 5B, when the external magnetic field is zero, a large peak current flows in the coil of the saturable coil, which increases the power consumption of the circuit. In addition, the pulse width of the pulse voltage needs to be increased as the measurable magnetic field range is increased, and the power consumption of the circuit is further increased.
[0015]
For example, a magnetic sensor for tracing a magnetic tape, a portable gauss meter, etc. used in a magnetic induction type automatic guided vehicle operate with a storage battery or a battery. For this reason, low power consumption of the magnetic sensor has been desired in order to extend the battery life. In view of the recent energy situation, low power consumption is also a request of the times.
[0016]
Therefore, the present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a magnetic sensor with low power consumption in order to solve the above problems.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The magnetic sensor of the present invention includes a saturable coil, a pulse oscillator, pulse width modulation means, and current detection means. The current detection means detects a current flowing through the saturable coil and exceeds a threshold value. It is configured to generate a current detection signal from time to time, the threshold value is a current value at which it can be determined that the saturable coil has reached the saturation region, and the pulse width modulation means is turned on in synchronization with the pulse oscillator, Outputs a pulse width modulation signal that turns off in synchronization with the current detection signal. The pulse width modulation signal excites the saturable coil, and the pulse width modulation changes when the external magnetic field acts on the saturable coil. A signal is output.
[0018]
Therefore, according to the present invention, the following operations are performed.
The pulse signal having the oscillation period of the pulse oscillator is set to a predetermined pulse voltage by the pulse width modulation means, and excites the saturable coil.
[0019]
When a pulse voltage is applied to the saturable coil, the coil current increases in proportion to time. Further, since the increase rate of the coil current is inversely proportional to the inductance of the coil, the coil current increases rapidly when the core is saturated.
[0020]
A magnetic field caused by a coil current and an external magnetic field act on the core of the saturable coil, and a magnetic flux density corresponding to the BH curve is generated inside the core. When the external magnetic field is zero, the origin of the BH curve is the base point.
[0021]
When the external magnetic field acts with the same polarity as the magnetic field generated by the coil current, a magnetic flux density is generated inside the core by the external magnetic field, and the base point moves to a point with a predetermined magnetic flux density.
[0022]
Similarly, when the external magnetic field acts with a polarity opposite to the magnetic field generated by the coil current, a negative predetermined magnetic flux density is generated inside the core by the external magnetic field, and the base point moves to a point of the negative predetermined magnetic flux density.
[0023]
Thus, the fact that the BH curve moves in the horizontal axis direction relative to the external magnetic field means that the coil current value necessary for saturating the core increases or decreases.
[0024]
That is, when the external magnetic field acts with the same polarity as the magnetic field generated by the coil current, the core can be saturated with less coil current, and in the opposite case, more coil current is required to saturate the core.
[0025]
Since the coil current increases in proportion to time, the time until the magnetic flux density inside the core exceeds the saturation magnetic flux density changes relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field. According to the BH curve, when the external magnetic field acts with the same polarity as the magnetic field due to the coil current, the arrival time is shortened, and when the external magnetic field acts with the opposite polarity, the arrival time becomes long.
[0026]
The current detection means measures the coil current and outputs a pulse signal when the threshold value is exceeded. The threshold value is set to a value at which the core slightly exceeds the saturation magnetic flux density and the increase rate of the coil current starts to increase rapidly.
[0027]
For this reason, the time from when the pulse voltage is applied until the core exceeds the saturation magnetic flux density is proportional to the time from when the current detection means outputs the pulse signal, and they occur almost simultaneously.
[0028]
In this way, the operation is performed so that the pulse width of the pulse voltage for exciting the saturable coil changes relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field.
[0029]
Therefore, a pulse signal whose duty ratio changes relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field can be obtained.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
The magnetic sensor circuit of the present invention (hereinafter referred to as a new type circuit) is composed of an oscillation circuit, an RS flip-flop, a drive circuit, and a current detection circuit using a saturable coil as a magnetic detection element.
[0031]
FIG. 1 shows a configuration diagram of a new circuit as a magnetic sensor circuit of the present embodiment.
The oscillation circuit 1 generates a pulse signal having a constant frequency. The RS flip-flop 2 is a logic circuit in which the Q output terminal is set to a high level when a signal is input to the S input terminal, and the Q output terminal is reset to a low level when a signal is input to the R input terminal. The pulse signal of the oscillation circuit 1 is connected to the S input terminal of the RS flip-flop 2 and sets the Q output terminal of the RS flip-flop 2 to the high level in the oscillation cycle of the oscillation circuit 1. The Q output terminal of the RS flip-flop 2 is connected to the input terminal of the drive circuit 3.
[0032]
The drive circuit 3 has a current supply capability necessary to excite the saturable coil 4, and is a circuit that sets an input pulse to a predetermined voltage level and outputs it. The output terminal of the drive circuit 3 is connected to one terminal of the saturable coil 4, and the other terminal of the saturable coil 4 is connected to the input terminal of the current detection circuit 5.
[0033]
The current that excites the saturable coil 4 is supplied from the drive circuit 3, flows from one terminal of the saturable coil 4 to the other terminal, passes through the input terminal of the current detection circuit 5, and is connected to the ground terminal of the current detection circuit 5. Flowing.
[0034]
The current detection circuit 5 is connected in series with the saturable coil 4, detects the current flowing through the saturable coil 4, and outputs a pulse signal when a threshold value that can determine that the saturable core is saturated is exceeded.
[0035]
The output terminal of the current detection circuit 5 is connected to the R input terminal of the RS flip-flop 2, detects the saturation of the saturable coil 4, and simultaneously resets the Q output terminal of the RS flip-flop 2 to the low level, from the output terminal 6. An output signal (OUT) is output. Thereafter, the above operation is repeated at the oscillation cycle of the oscillation circuit 1.
[0036]
The new circuit as the magnetic sensor circuit of the present embodiment configured as described above operates as follows.
FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the new circuit compared with FIG. A BH curve diagram of the core material of the saturable coil is shown in FIG. The magnetic field acting on the core includes a magnetic field H caused by a coil current and an external magnetic field Hex. The horizontal axis shows the magnetic field H caused by a coil current. The component of the external magnetic field Hex is expressed by shifting the BH curve in the horizontal axis direction.
[0037]
The magnetic field H due to the coil current is proportional to the coil current. The vertical axis represents the magnetic flux density B generated inside the core due to the action of the magnetic field H caused by the coil current and the external magnetic field Hex.
[0038]
The Q terminal of the RS flip-flop 2 becomes a high level in the oscillation cycle of the oscillation circuit 1 and is reset to a low level by a signal from the current detection circuit 5. The pulse signal output from the Q terminal of the RS flip-flop 2 is set to a predetermined pulse voltage by the drive circuit 3 and excites the saturable coil 4.
[0039]
When the pulse voltage is applied to the saturable coil 4, as shown in FIG. 2B, the coil currents 11B, 12B, and 13B increase in proportion to the time T from T1 to T2, T3, and T4 (FIG. 2B ) And (C)). Further, since the increase rate of the coil current is inversely proportional to the inductance of the coil, the coil current increases rapidly when the core is saturated.
[0040]
A magnetic field H caused by a coil current and an external magnetic field Hex act on the core of the saturable coil 4, and a magnetic flux density B corresponding to the BH curve is generated inside the core. When the external magnetic field Hex is zero, the origin of the BH curve is the origin as shown by the solid line 12A in FIG.
[0041]
Further, when the external magnetic field Hex acts with the same polarity as the magnetic field H caused by the coil current, the magnetic flux density Bex is generated inside the core by the external magnetic field Hex as shown by a fine broken line 11A in FIG. Move to the point of density Bex.
[0042]
Similarly, when the external magnetic field Hex acts with a polarity opposite to that of the magnetic field H caused by the coil current, a magnetic flux density -Bex is generated inside the core by the external magnetic field Hex as shown by a rough broken line 13A in FIG. Move to the point of magnetic flux density -Bex.
[0043]
Thus, the fact that the BH curve moves in the horizontal axis direction relative to the external magnetic field Hex means that the coil current value necessary to saturate the core increases or decreases.
[0044]
That is, when the external magnetic field Hex acts with the same polarity as the magnetic field H due to the coil current, the core can be saturated with less coil current, and in the opposite case, more coil current is required to saturate the core. Become.
[0045]
Since the coil current increases in proportion to the time T, the time until the magnetic flux density B inside the core exceeds the saturation magnetic flux density Bsat changes relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field Hex. According to the BH curve in FIG. 2A, when the external magnetic field Hex acts with the same polarity as the magnetic field H caused by the coil current, the arrival time is shortened, and when the external magnetic field Hex acts with the opposite polarity, the arrival time is lengthened.
[0046]
The current detection circuit 5 measures the coil current and outputs a pulse signal when the threshold value ITH is exceeded. As shown in FIG. 2B, the threshold value ITH is set to a value at which the core slightly exceeds the saturation magnetic flux density Bsat and the rate of increase of the coil current starts to increase rapidly.
[0047]
For this reason, the time from when the pulse voltage is applied until the core exceeds the saturation magnetic flux density Bsat is proportional to the time until the current detection circuit 5 outputs the pulse signal, and they occur almost simultaneously. The current waveform at this time is shown in FIG. 2B corresponding to the same line type as in FIG.
[0048]
The output pulse of the current detection circuit 5 is applied to the R input terminal of the RS flip-flop 2 and resets the Q output terminal of the RS flip-flop 2 to low. As a result, the coil voltage becomes zero, and the excitation of the saturable coil 4 is stopped.
[0049]
In this way, the new circuit operates so that the pulse width of the pulse voltage for exciting the saturable coil 4 changes relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field Hex. The Q terminal of the RS flip-flop 2 is set to high again by the pulse signal of the oscillation circuit, and the above operation is repeated.
[0050]
Therefore, a pulse signal whose duty ratio changes relative to the polarity and magnitude of the external magnetic field Hex is obtained from the Q terminal of the RS flip-flop 2. In other words, the new circuit is a magnetic sensor circuit having a pulse width modulation (PWM) output relative to an external magnetic field.
[0051]
In the above description, when voltage output is required, a filter circuit composed of a resistor and a capacitor may be added.
[0052]
According to the present embodiment described above, the threshold value ITH of the coil current may be set to a current value at which it can be determined that the core of the saturable coil has reached the saturation region (FIG. 2B). That is, since the excitation of the coil is stopped at the same time as detecting that the core is saturated, a large peak current as in the conventional circuit does not flow. From the above, the new circuit can significantly reduce power consumption compared to the conventional circuit.
[0053]
Further, since the new circuit of the present embodiment has a pulse width modulation output, it is easy to convert the output signal into various forms. For example, if it is desired to convert the output signal to an analog voltage, it is only necessary to add a filter circuit. There is also a method of converting the pulse signal into an analog voltage having no ripple by adding a sample and hold circuit after integrating the pulse signal. It is also easy to digitize the output signal without using an A / D converter.
[0054]
For example, a digital value can be obtained directly by counting the pulse width of the pulse signal with a clock signal and a counter. In general, when a sensor signal is transmitted over a long distance, an analog signal may be converted into a serial digital signal by an A / D converter, a V / F converter, or the like in order to prevent signal degradation. The new detection circuit can directly transmit the pulse signal generated by the sensor without using the signal conversion circuit described above. For this reason, there is no error caused by interposing the signal conversion circuit described above, and long distance transmission without any signal degradation is possible.
[0055]
【The invention's effect】
The magnetic sensor of the present invention includes a saturable coil, a pulse oscillator, pulse width modulation means, and current detection means. The current detection means detects a current flowing through the saturable coil, and has a threshold value. The threshold value is set to a current value at which it can be determined that the saturable coil has reached the saturation region, and the pulse width modulation means is turned on in synchronization with the pulse oscillator. And outputs a pulse width modulation signal that turns off in synchronization with the current detection signal. The pulse width modulation signal excites the saturable coil, and the pulse width changes when an external magnetic field acts on the saturable coil. Since the pulse width modulation signal is output, the power consumption can be remarkably reduced as compared with the conventional circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a magnetic sensor circuit of an embodiment.
2A and 2B are operation explanatory diagrams of the present embodiment, in which FIG. 2A is a BH curve of the core, FIG. 2B is a coil current, and FIG. 2C is a coil voltage.
FIG. 3 is a view showing a conventional saturable coil, FIG. 3A is a front view, and FIG. 3B is a side view.
FIG. 4 is a circuit diagram of a conventional magnetic sensor.
5A and 5B are diagrams for explaining the conventional operation, in which FIG. 5A is a BH curve of the core, FIG. 5B is a coil current, and FIG. 5C is a coil voltage.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oscillation circuit, 2 ... RS flip-flop, 3 ... Drive circuit, 4 ... Saturable coil, 5 ... Current detection circuit, 6 ... Output terminal

Claims

A saturable coil, a pulse oscillator, pulse width modulation means, and current detection means,
The current detection means is configured to detect a current flowing through the saturable coil and generate a current detection signal when a threshold value is exceeded,
The threshold value is a current value at which it can be determined that the saturable coil has reached the saturation region,
The pulse width modulation means outputs a pulse width modulation signal that is turned on in synchronization with the pulse oscillator and turned off in synchronization with the current detection signal,
The pulse width modulated signal excites a saturable coil,
A magnetic sensor that outputs a pulse width modulation signal whose pulse width changes when an external magnetic field acts on a saturable coil.