JP3633097B2 - 磁気探知装置 - Google Patents

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】

【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】

【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】

【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】

【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】

【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】

【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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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