JP2979003B2

JP2979003B2 - 直流磁場検出装置

Info

Publication number: JP2979003B2
Application number: JP1269461A
Authority: JP
Inventors: 隆男山口; 一西沢
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1999-11-15
Anticipated expiration: 2014-11-15
Also published as: JPH03131783A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、直流磁場検出装置に関するものである。

（ロ）従来の技術従来の直流磁場検出装置として、特公昭38−16943号
公報に示されるものがある。すなわち、これに示される
直流磁場検出装置は、交流１次コイルによって励磁され
る可飽和棒状磁心に穴が設けられており、この穴の両側
に形成される磁路にそれぞれ２次コイルが巻かれてい
る。各２次コイルの回路には整流器が設けられている。
２つの整流器はこれを通して電流が流れたとき磁心に設
けた穴の周囲を一方向に回る磁場（バイアス磁場）を生
ずる向きに配置されている。このような場合、両２次コ
イルの直流を差動的に検出することにより外部から加わ
る直流磁場が検出される。すなわち、磁心の軸方向に外
部からの直流磁場が存在しない状態では両２次コイルに
作用するバイアス磁場は等しいため、両２次コイルの回
路における整流された電流は相等しくなり、出力端子に
現れる電圧も等しくなる。一方、磁心の軸方向に測定す
べき外部直流磁場が存在すると、一方の磁路に作用する
起磁力は存在する直流磁場分だけ小さくなり、他方の磁
路に作用する起磁力は逆に直流磁場の分だけ大きくな
る。交流１次電流によるバイアス磁場と測定すべき直流
磁場とが同方向の場合には磁路が飽和点に近づき、一方
測定すべき直流磁場が交流１次電流によるバイアス磁場
とは逆方向の場合には飽和点から遠ざかるように設定す
ることにより、一方の磁路と他方の磁路とでは磁束の飽
和状態が相違し、一方の磁路の２次コイルと他方の磁路
の２次コイルとで異なった直流電圧が発生する。この直
流電圧の差から磁心の軸方向の磁場の強さを測定するこ
とができる。

（ハ）発明が解決しようとする課題しかしながら、上記のような従来の直流磁場検出装置
には、磁心の磁路の製作上の誤差に起因して精度上の限
界があるという問題点がある。すなわち、棒状の磁心に
穴を加工することにより形成される磁路の部分の断面積
は避けることのできない製作上の誤差のために、両磁路
について完全に同一とすることができず、磁気特性が非
対称となる。このため、この直流磁場検出装置を用いて
コンパスを構成した場合、10゜程度の方位誤差は許容せ
ざるを得なかった。またこの方式の直流磁場検出装置は
セルフバイアス方式であるため高周波発振器の電源出力
が変動するときに生ずる高調波がバイアス設定値に影響
を与え、これも測定誤差を増大させる要因となってい
る。本発明はこのような課題を解決することを目的とし
ている。

（ニ）課題を解決するための手段本発明は、２次コイルからの出力の調整手段を設ける
ことにより、上記課題を解決する。すなわち、本発明に
よる直流磁場検出装置は、交流電源（14）と接続される
１次コイル（12）と、１次コイルによって励磁される磁
心（10）とを有し、磁心には軸直交方向の穴によって互
いに分離された磁心軸方向の狭い２つの可飽和な磁路
（18及び20）が設けられており、両磁路にはそれぞれ２
次コイル（22及び24）が巻かれており、両２次コイルの
一端側から取り出される線（25及び27）は接地され、両
２次コイルの反対側の端部から取り出される線（30及び
34）はそれぞれ整流器（32及び36）を介してバイアス調
整用可変抵抗器（44）及び出力抵抗器（38）の両端に接
続され、両整流器はこれらを通して電流が流れたとき各
磁路に互いに逆向きの磁場を生ずる向きに接続されてお
り、出力抵抗器にはこれの中点を中心に接触位置が可変
である基線調整用スライダ（40）が設けられており、基
線調整用スライダが出力端子（42）と接続されている。

なお、２次コイルの上記一端側から取り出される線
（25及び27）を磁心に巻いてフィードバックコイル（26
及び28）を構成することもできる。

なお、かっこ内の符号は後述の実施例の対応する部材
を示す。

（ホ）作用交流電源を作動させ、１次コイルに交流電源を流す
と、２次コイルが巻かれた磁路に交流磁場が作用し、２
次コイルに交流電流が発生する。両２次コイルの回路に
はそれぞれ整流器が設けられている。両整流器は、これ
らを通して電流が流れたとき、磁心に設けた穴の周囲を
一方向に回る磁場（バイアス磁場）を生ずる向きに配置
されている。この状態で磁心に外部より測定すべき直流
磁場が作用すると、交流電源によって発生する磁場と直
流磁場との方向が一致する場合には磁場が強められ、逆
の場合には磁場が弱められる。磁場が強められた場合に
は磁路が飽和点に近づき、磁場が弱められた場合に飽和
点から遠ざかるように設定することにより、両２次コイ
ルの出力電圧に差が発生する。この出力電圧電圧の差に
より磁心の軸方向への磁場の強さが検出される。

この直流磁場検出装置によって地球磁場を測定するに
当り、基線調整用スライダによって、作用磁場最大の場
合（磁場が磁心軸方向に作用した場合、すなわち磁心を
北（90゜）及び南（270゜）方向に配置した場合）の出
力を同一にし、またバイアス調整用可変抵抗器によって
磁場が作用しない場合（磁心を東（０゜）及び西（180
゜）方向に配置した場合）の出力の位相を調整し両方向
の出力を０値に一致させるようにしてあるので、磁路の
断面積が多少相違していてもこれを補正した出力値を得
ること、すなわち出力正弦波の正規化が可能となる。

また、２次コイルによって得られる整流電流をフィー
ドバックコイルによって磁心に負帰還させるようにする
と、高調波分の影響が除去され、２次コイルからの出力
が安定化し、更に入力磁場が急速に変化した場合のヒス
テリシス誤差も少なくなる。この結果、上記のような簡
易な構成にもかかわらず、高い精度で直流磁場の検出が
可能となる。

（へ）実施例（第１実施例）第１図に本発明の第１実施例を示す。長方形薄板の磁
心10は可飽和フェライト製であり、これの外周に巻かれ
た１次コイル12によって励磁可能である。１次コイル12
は交流電源14に接続されている。交流電源14の発振周波
数は２〜4MHzである。磁心10は、厚さ0.5mm、長さ15mm
及び幅5mmであり、長手方向及び幅方向の中央部に直径4
mmの穴16が設けられている。この穴16によりこれの両側
に狭い磁路18及び20が形成される。磁路18及び20の最も
断面積の小さい部分は0.5×0.5mm²となる。磁路18に２
次コイル22が巻かれており、また磁路20に２次コイル24
が巻かれている。２次コイル22及び24は同一巻線方向で
同一巻数としてある。２次コイル22及び24の第１図中左
端側の線25及び27は共に接地されている。２次コイル22
の第１図中右端側から取り出される線30には整流器32が
設けられており、一方２次コイル24側の線34には整流器
36が設けられている。線30及び線34の終端は出力抵抗器
38の両端にそれぞれ接続されている。整流器32及び整流
器36は、これらの通電可能方向に電流が流れた場合に、
２次コイル22及び24によって互いに逆向きの磁場が発生
するように（穴16の周方向に１方向に回る磁束が形成さ
れるように）配置されている。出力抵抗器38には、中点
を中心にしゅう動可能な基線調整用スライダ40が設けら
れており、基線調整用スライダ40は出力端子42と接続さ
れている。線30と線34との間には、抵抗器38と並列にな
るようにバイアス調整用可変抵抗器44が接続されてい
る。また、線30及び線34はそれぞれコンデンサ46及びコ
ンデンサ48を介して接地されている。

次にこの実施例の動作について説明する。交流電源14
によって１次コイル12に高周波の交流電流を流すと、磁
路18及び20に相等しい交番磁束が発生する。これによ
り、２次コイル22及び24にそれぞれ交番起電力が誘起さ
れ、線30及び線34を電流が流れることになる。線30及び
34にはそれぞれ整流器32及び36が設けられているため、
流れる電流は１方向に整流される。この場合、２次コイ
ル22及び24はそれぞれ磁路18及び20を磁心として有して
いるので、所定のインダクタンスL₁及びL₂を有してい
る。磁路18及び20は可飽和の磁性を有しているため、２
次コイル22及び24のインダクタンスは飽和状態によって
可変となる。飽和領域における磁路18及び20のインダク
タンスをＬとし、磁路18及び20の軸方向への直流磁場を
Ｈとして一般的に表わせば、直流磁場Ｈとインダクタン
スＬとの関係は可飽和特性のため第２図に示すようにな
る。前述のように整流器32及び36は磁路18及び20に逆向
きの磁場を生ずるように配置されているので、磁路18及
び20には互いに逆方向の直流バイアス磁場h₁及びh₂が存
在することになる。このため、２次コイル22及び24のイ
ンダクタンスL₁及びL₂の特性を、直流磁場Ｈを横軸にし
て示すと、第３図のようになる。h₁及びh₂は磁路18及び
20の形体が等しい場合にはh₁＝h₂であり、またインダク
タンスL₁及びL₂の最大値L₁₀及びL₂₀は、L₁₀＝L₂₀となっ
ている。この状態において、磁心10の軸方向に外部から
の磁場Ｆが作用すると、作用する外部磁場Ｆの方向に応
じて例えば磁路18側の磁場H₁には磁場Ｆが加算され、一
方磁路20側の磁場H₂には磁場Ｆが差引かれる。従ってイ
ンダクタンスL₁側については、 H₁＝h₁＋Ｆ一方、インダクタンスL₂側に関しては、 H₂＝h₂−Ｆとなる。ここでL₁−L₂＝ΔＬとして、ΔＬとＦとの関係
を示すと、第４図のような関係となる。すなわち、磁場
Ｆの大きさに応じてインダクタンスの差ΔＬが変化する
ことになる。両インダクタンスの差ΔＬに応じて線30及
び線34を電流が流れるため、出力端子42に磁場Ｆを応じ
た電圧信号が出力されることになる。なお、h₁＝h₂、ま
たL₁₀＝L₂₀の場合には基線調整用スライダ40は出力抵抗
器38の中点に設定しておけばよいことになる。また、コ
ンデンサ46及び48は線30及び34を流れる２次電流の交流
分をバイパスさせ、直流分のみを出力端子42に出力させ
る作用をしている。

磁場Ｆが地球磁場の場合には、出力端子42で得られる
出力電圧は、磁心10が南北を向いた場合に正負の最大値
となり、磁心10が東西を向いた場合に０となり、第５図
に示すような正弦波形となる。従って、第１図に示す構
成の磁心10の一対のものを互いに直交向きに配置すれ
ば、一方の出力電圧は正弦波となり、他方の出力電圧は
余弦波となる。このため、双方の比を取れば、 sinθ/cosθ＝tanθ となり、方位角θを求めることができる。

上記説明は、前述のようにh₁＝h₂、またL₁₀＝L₂₀の場
合のものであるが、実際上は磁心10の製作誤差などに起
因してインダクタンスL₁及びL₂の非対称性が発生する。
すなわち、穴16を設けることにより構成される磁路18及
び磁路20は、前述のように設計上は0.5×0.5mm²の最小
断面積を有することになるが、穴16の中心位置の製作上
の誤差が必ず発生するため磁路18及び20の断面積に偏差
が発生する。このため、第６図に示すようにL₁₀及びL₂₀
の偏差が発生する。この結果、第７図に示すように磁場
に対するインダクタンスの差ΔＬの特性も非対称的にな
り、出力線図も第８図に示すように正しい正弦波形とな
らない。本実施例においては、バイアス調整用可変抵抗
器44及び基線調整用スライダ40によって上記非対称性の
補正が行なわれる。すなわち、第１図に示す装置の組立
工程中に、磁心10の長手方向軸心を南及び北に向けた状
態で、両方の場合の出力端子42の正負出力電圧が相等し
くなるように、基線調整用スライダ40によって基線位置
を調整する。次いで、磁心10の軸心を東及び西に向けた
状態で、両方の場合の出力電圧が０となるように、バイ
アス調整用可変抵抗器44によって位相を調整する。上記
調整作業を繰り返すことにより、北位置（90゜位置）及
び南位置（270゜位置）の出力電圧の正負最大値の一
致、西位置（０゜位置）及び東位置（180゜位置）の出
力電圧の０値一致、及び東西方向と南北方向との直交度
を正確に求めること、すなわち正弦波正規化調整が可能
となる。このようにして、正規化された２つの直流磁場
検出装置を組合わせれば、方位角精度±１゜のコンパス
を得ることができる。

（第２実施例）第９図に第２実施例に示す。この第２実施例は、上述
の第１実施例の構成にフィードバックコイル26及び28を
付加したものであり、これ以外の構成は第１実施例と同
様である。すなわち、２次コイル22及び24からの線25及
び27が、それぞれフィードバックコイル26及び28として
磁心10に巻かれている。

次にこのフィードバックコイル26及び28の作用につい
て説明する。１次コイル12に交流電流が流れると、磁心
10に交番磁場が作用し、２次コイル22及び24に整流電流
が流れ、これがフィードバックコイル26及び28も流れる
ことになる。このフィードバックコイル26及び28による
起磁力は２次コイル22及び24の起磁力とは逆向きとなる
ようにして、２次コイル22及び24に負帰還作用を与えて
ある。２次コイル22及び24を流れる整流電流には、直流
分と高調波を含む交流分とがある。直流分はバイアス位
置の決定に直接携わるが、交流分はバイアス位置決定に
は全く関係なく、かえって正常なバイアス動作を妨げる
ように作用する。特に、高調波はノイズとして出力を不
安定にする要因となる。直流分及び交流分は共にフィー
ドバックコイル26及び28を通って２次コイル22及び24に
負帰還作用を与えるが、この場合直流分は所定どおり出
力の大きさが減少し、その分だけ確度を高める。また、
交流分も大きさを減少し、その分だけ出力の安定度を高
める。特に、高調波は高周波電源の出力変動時に大きく
発生しやすいが、これのフィードバックによる減少は電
源変動時の出力の安定化に著しい効果がある。なお、直
流分及び交流分共にフィードバックコイル26及び28を通
り、これにより２次コイル22及び24に起磁力を伝達する
が、双方の伝達効率には相違がある。すなわち、交流分
はフィードバック係数の増加に伴なって急速に減少する
が、直流分の減少は少ない。例えばフィードバックコイ
ル26及び28の巻き数を25ターンにすると、直流分は70％
に減衰するが、交流分は７％以下に減衰する。このよう
に、直流分の減衰が小さいので、ゲインの低下が防止さ
れる。また、このフィードバックによって磁心10のヒス
テリシス誤差も減少する。

（ト）発明の効果以上説明してきたように、本発明によると、２次コイ
ルに接続された線に並列にバイアス調整用可変抵抗器と
基線調整用スライダ付きの出力抵抗器とを設け、基線調
整用スライダから出力電圧を取り出すようにしたので、
２次コイルを巻いた磁路などに非対称性がある場合でも
これを補正して出力信号を正規化することができ、磁場
測定精度が向上する。また、２次コイルと接続されるフ
ィードバックコイルを磁心の外周に設けると、高周波電
源出力に含まれる高調波ノイズの影響が整流回路より除
去され、電源変動時の出力の安定度が改善され、また入
力の急速変化時のヒステリシスを小さくし、精度の高い
磁場測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は磁場と
インダクタンスとの一般的な関係を示す図、第３図は本
発明の実施例の場合の磁場とインダクタンスとの関係を
示す図、第４図は測定対称磁場とインダクタンスの差と
の関係を示す図、第５図は地球磁場に対応する出力電圧
の特性を示す図、第６図は磁路が非対称の場合の磁場に
対するインダクタンスの関係を示す図、第７図は第６図
に示す状態の場合に得られる非対称磁場とインダクタン
スの差との関係を示す図、第８図は第７図に示す状態の
場合に得られる地球磁場に対する出力電圧の特性を示す
図、第９図は第２実施例を示す図である。 10……磁心、12……１次コイル、14……交流電源、16…
…穴、18……磁路、20……磁路、22……２次コイル、24
……２次コイル、26……フィードバックコイル、28……
フィードバックコイル、30……線、32……整流器、34…
…線、36……整流器、38……出力抵抗器、40……基線調
整用スライダ、42……出力端子、44……バイアス調整用
可変抵抗器、46……コンデンサ、48……コンデンサ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源と接続される１次コイルと、１次
コイルによって励磁される磁心とを有し、磁心には軸直
交方向の穴によって互いに分離された磁心軸方向の狭い
２つの可飽和な磁路が設けられており、両磁路にはそれ
ぞれ２次コイルが巻かれており、両２次コイルの一端側
から取り出される線は接地され、両２次コイルの反対側
の端部から取り出される線はそれぞれ整流器を介してバ
イアス調整用可変抵抗器及び出力抵抗器の両端に接続さ
れ、両整流器はこれらを通して電流が流れたとき各磁路
に互いに逆向きの磁場を生ずる向きに接続されており、
出力抵抗器にはこれの中点を中心に接触位置が可変であ
る基線調整用スライダが設けられており、基線調整用ス
ライダが出力端子と接続されている直流磁場検出装置。
【請求項２】両２次コイルの上記一端側から取り出され
る線は磁心に巻かれている請求項１記載の直流磁場検出
装置。