JP3794122B2 - 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、低コスト化を達成し、高感度化を図った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、ホール素子を用いた磁気探知装置、フラックスゲートセンサを用いた磁気探知装置、磁気抵抗効果素子を用いた磁気探知装置などがある。
【０００４】
ホール素子を用いた磁気探知装置は、図１７に示すように、両端に電極１０１，１０２を設けたホール素子１０３のホール効果を応用して外部磁界を検出するものである。すなわち、ホール素子を用いた磁気探知装置では、外部磁界の変化によってホール素子１０３に発生するホール電圧Ｖｈの変化に基づいて外部磁界を検出する。ここで、ホール素子１０３の厚さをｄとし、ホール素子１０３を流れる電流をＩとし、ホール素子１０３を通る磁束をＢとすると、ホール電圧Ｖｈは、下記式（１−１）のようになる。
【０００５】
Ｖｈ＝Ｒｈ・Ｉ・Ｂ／ｄ ・・・（１−１）
しかし、このようなホール電圧Ｖｈは非常に小さいため、ホール素子を用いた磁気探知装置では、例えば、約０．３ガウス程度の地磁気のような微弱な磁界を検出することは困難である。
【０００６】
また、フラックスゲートセンサを用いた磁気探知装置は、図１８に示すように、外部磁界によってヒステリシス曲線がシフトする特殊な高透磁率材料からなる環状の磁気コア１１０に、励磁用コイル１１１及び検出用コイル１１２を巻回してなるものである。
【０００７】
この磁気探知装置で外部磁界を検出する際には、磁気コア１１０が過飽和状態にまで励磁されるような高周波電流を励磁用コイル１１１に流しておく。このとき、外部からの磁界が磁気コア１１０に作用していなければ、検出用コイル１１２の左右のコイル１１２ａ，１１２ｂからの出力は同じ出力波形となる。そして、検出用コイル１１２の左右のコイル１１２ａ，１１２ｂは逆相に接続されているので、検出用コイル１１２の左側のコイル１１２ａからの出力と、検出用コイル１１２の右側のコイル１１２ｂからの出力とが互いに打ち消し合って検出用コイル１１２全体からは何も出力されないこととなる。
【０００８】
一方、例えば、励磁用コイル１１１によって右回りの磁束Ｂが磁気コア１１０内に発生しているときに、図１８中のＮからＳに至る方向より外部磁界Ｈｅが加わると、外部磁界Ｈｅがバイアス磁界として作用して、磁気コア１１０の右側が早く飽和し、磁気コア１１０の左側が逆に遅れて飽和する。そして、検出用コイル１１２の左右のコイル１１２ａ，１１２ｂは逆相に接続されているので、検出用コイル１１２の左側のコイル１１２ａからの出力と、検出用コイル１１２の右側のコイル１１２ｂからの出力との差分が、外部磁界Ｈｅの大きさに対応して出力されることとなる。
【０００９】
しかし、このような磁気探知装置では、検出用コイル１１２によって磁気信号を電気信号に変換するため、感度を上げるには検出用コイル１１２の巻き数を多くしたり、外部磁界Ｈｅの集束効果を高めるために磁気コア１１０の形状を大きくする必要がある。したがって、フラックスゲートセンサを用いた磁気探知装置では、小型化や低価格化が非常に困難であった。
【００１０】
また、磁気抵抗効果素子を用いた磁界探知装置は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果を利用して外部磁界を検出するものである。ここで、磁気抵抗効果素子とは、Ｎｉ合金等からなる強磁性薄膜の磁気抵抗効果を応用した磁電変換素子であり、印加された磁界の強さに応じて、その抵抗値が変化する特性を持っている。そして、図１９に示すように、磁気抵抗効果素子１２０を流れる電流Ｉの方向と、外部磁界Ｈｅによる磁気抵抗効果素子１２０の磁化Ｍの方向とのなす角をθとし、電流Ｉの方向と磁化Ｍの方向とが同一のときの磁気抵抗効果素子１２０の抵抗値をＲａとし、電流Ｉの方向と磁化Ｍの方向とのなす角θが９０°のときの磁気抵抗効果素子１２０の抵抗値をＲｂとすると、磁気抵抗効果素子１２０の抵抗値Ｒは、下記式（１−２）のようになる。
【００１１】
Ｒ＝Ｒｂ＋（Ｒａ−Ｒｂ）・ｃｏｓ²θ ・・・（１−２）
また、上記式（１−２）を図にすると図２０のようになる。ここで、縦軸は、磁気抵抗効果素子１２０の抵抗値Ｒであり、横軸は、磁気抵抗効果素子１２０を流れる電流Ｉの方向と、外部磁界Ｈｅによる磁気抵抗効果素子１２０の磁化Ｍの方向とのなす角度θである。
【００１２】
しかし、このような磁気抵抗効果素子１２０において、抵抗変化率の最大値は２〜３％程度と非常に小さいため、適当な大きさのバイアス磁界を加えて感度の良いところを使用したとしても、地磁気のような微弱な磁界では０．０５％程度しか抵抗変化が得られない。したがって、磁気抵抗効果素子１２０を用いた磁気探知装置も感度が不十分であり、地磁気のような微弱な磁界の検出には適してない。さらに、磁気抵抗効果素子１２０の抵抗変化率は、０．３％／℃程度の大きな温度係数を持っているため、磁気抵抗効果素子１２０を用いた磁気探知装置では、温度ドリフト等の問題もある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来から知られている磁気探知装置では、感度が不十分であったり、小型化や低価格化が難しいという問題があった。
【００１４】
そこで本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、小型化や低価格化が容易で、高い感度が得られる磁気探知装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述したような目的を達成するため、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、前記磁気センサのコイルに発振電圧が供給されたときに前記コイルに流れる発振電流について、外部磁界により変化する発振電流がピーク値になったときの電流を検出し、この電流値の変化によって外部磁界を探知する磁気探知装置において、前記磁気センサに流れる発振電流の方向を反転させる反転手段と、前記磁気センサのコイルの両端部にそれぞれ接続され、交互に駆動される一対のピーク検波手段を備えるようにしたものである。
【００１６】
本発明に係る磁気探知装置では、外部磁化の変化をインダクタンスの変化として検出する。すなわち、外部磁界が変化すると、磁気センサの磁性体の磁化量が変化し、その結果、磁気センサのインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化は、コイルに流れる発振電流の変化を引き起こす。その結果、この磁気探知装置では、外部磁界に応じて磁気センサに流れる発振電流のピーク値が変化する。この磁気探知装置において、発振電流がピークとなったときの電流を検出するため、検出された電流値は、外部磁界に応じて変化する。したがって、この磁気探知装置では、電流値の変化を検出することによって外部磁界を探知することができる。
【００１７】
また、上記磁気探知装置は、磁気センサと直列に接続された抵抗を備えていてもよい。このように、磁気センサと直列に抵抗を接続したときには、磁気センサのインダクタンスと、磁気センサと直列に接続された抵抗との時定数により、ピーク値の外部磁界に応じた変化の大きさを定めることができる。
【００１８】
さらに、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されていることが好ましい。このように発振電流の振幅を設定することにより、外部磁界の変化によって磁気センサのインダクタンスが大きく変化するようになるため、磁気探知装置の感度を高めることができる。この磁気探知装置においては、発振電流の振幅をインダクタンスが直線性をもって急峻に変化する部分に設定することになるために、コイルに流れる発振電流のピーク値の変化が直線性を有することになる。
【００１９】
そして、本発明に係る磁気探知装置は、磁気センサのコイルに流れる電流の方向を反転させる反転手段を設け、磁気センサのコイルに流れる電流の方向を反転させることにより、ピーク値の変化を検出する際にそれらの差動を取ることができ、電流方向が一定のときに比べて約２倍の出力が得られる。
【００２０】
さらにまた、磁気センサのコイルに流れる電流の方向を反転させたときに、外部磁界が零ならば、それぞれの電流方向における応答波形の変化は互いにキャンセルされる。したがって、この場合、磁気探知装置では、外部磁界がない状態である０点を容易に認識できることとなる。
【００２１】
さらにまた、コイルに流れる電流の方向を短時間に反転させたときには、磁気センサのインダクタンスに温度ドリフトや時間ドリフト等が生じても、これらの影響は互いにキャンセルされることとなる。したがって、磁界反転手段を備えた磁気探知装置では、磁気センサのインダクタンスの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、高精度に外部磁界を探知することができる。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
この磁気センサは、図１に示すように、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１と、この磁性体１の長手方向に巻回された銅線等からなるコイル２とから構成される。ここで、磁性体１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。そして、この磁気センサ３のコイル２からは、２つの端子４，５が導出される。
【００２５】
このような磁気センサ３について、図２に示すように、磁気センサ３の端子４，５に交流電流源６を接続して交流の励磁電流を供給すると共に、磁気センサ３の長手方向に外部磁界Ｈｅを加える。このとき、磁気センサ３の特性を、図３に示す。この図３は、「磁気センサ３のインダクタンスＬ」及び「磁気センサ３のインピーダンスＺ」と、「磁気センサ３に供給した励磁電流の周波数ｆ」との関係を示している。
【００２６】
ここで、図３中の特性１は、外部磁界Ｈｅ＝０のときのインダクタンスＬの変化を示しており、図３中の特性２は、外部磁界ＨｅがあるときのインダクタンスＬの変化を示しており、図３中の特性３は、外部磁界Ｈｅ＝０のときのインピーダンスＺの変化を示しており、図３中の特性４は、外部磁界ＨｅがあるときのインピーダンスＺの変化を示している。
【００２７】
この図３の特性１及び特性２に示すように、磁気センサ３のインダクタンスＬは、励磁電流周波数ｆが高くなると小さくなり、また、外部磁界Ｈｅが加わると小さくなる。そして、図３の特性３及び特性４に示すように、磁気センサ３のインピーダンスＺは、励磁電流周波数ｆが高くなると大きくなり、また、外部磁界Ｈｅが加わると小さくなる。
【００２８】
ここで、図３の特性１及び特性２に示したようなインダクタンスＬの変化に着目し、外部磁界Ｈｅを磁気センサ３の長手方向に加えたときにインダクタンスＬの変化量ΔＬが大きい励磁電流周波数、すなわち図３中のｆＬで示すような励磁電流周波数で、この磁気センサ３を動作させる。このとき、インダクタンスＬの外部磁界依存性は、図４に示すようになる。ここで、磁気センサ３の磁性体１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の優れた磁性材料を用いているため、図４に示すように、磁気センサ３のインダクタンスＬの変化は急峻なものとなる。
【００２９】
つぎに、このような磁気センサ３を用いて外部磁界Ｈｅを検出するときの原理について、図５を参照しながら説明する。この図５では、パルス幅Ｔ及びパルス電流Ｖがそれぞれ一定の発振電圧信号Ｖｏｓを磁気センサ３に供給したときに、磁気センサ３に流れる電流ｉ０１と電流ｉ０１を反転させた電流ｉ０２とが磁気センサ３に流れている状態について、磁気センサ３のインダクタンスＬの変化と対応させて示している。
【００３０】
このとき、電流ｉ０１及び電流ｉ０２を直流バイアス成分を含んだ交流電流とすることが好ましい。電流ｉ０１及び電流ｉ０２に直流バイアス成分を含ませることにより、これら電流ｉ０１及び電流ｉ０２からは直流バイアス成分を有する交流磁界が発生し、磁性体１がその長手方向に磁化されることになる。ここで、供給される電流ｉ０及び電流ｉ０２は、外部磁界Ｈｅが加わって交流磁界がシフトしたとしても、交流磁界が、磁気センサ３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。
【００３１】
以下の説明において、先ず、磁気センサ３に電流ｉ０１が流れる場合に関して説明し、次に、磁気センサ３に電流ｉ０２が流れる場合に関して説明する。
【００３２】
ここで、先ず、磁気センサ３に加わる外部磁界Ｈｅに関して、外部磁界Ｈｅ＝０の場合を考える。この場合、図５に示すように、磁気センサ３のコイル２に流れる電流ｉ０１が０からＩｈまで変化するように設定すると、磁気センサ３のインダクタンスＬはＬｍａｘからＬｍｉｎに変化する。すなわち、この場合、電流ｉ０１のピーク値はＩｈであり、そのときのインダクタンスＬはＬｍｉｎである。また、このインダクタンスＬがＬｍａｘからＬｍｉｎに変化する電流値をＩｃとすると、発振電圧信号Ｖｏｓのパルス幅Ｔとパルス電圧Ｖとの積は、ファラデーの法則により下記式（２−１）のように表される。
【００３３】
Ｖ・Ｔ＝Ｌｍａｘ・Ｉｃ＋Ｌｍｉｎ・（Ｉｈ−Ｉｃ）・・・（２−１）
そして、次に、磁気センサ３に対して外部磁界Ｈｅが加わる場合を考える。この場合、図５に示すように、電流ｉ０１が供給された磁気センサ３には、直流バイアス成分が外部磁界Ｈｅ分だけシフトすることとなり、その結果、図５中Ｉｅで示す分だけシフトした電流ｉｅ１が流れることになる。そして、電流ｉｅ１のピーク値をＩｅ１とすると、発振電圧信号Ｖｏｓのパルス幅Ｔとパルス電圧Ｖとの積は、ファラデーの法則により下記式（２−２）のように表される。
【００３４】

したがって、外部磁界Ｈｅが加わらない状態から外部磁界Ｈｅが加わった状態に変化したときの発振電圧信号Ｖｏｓのピーク値の変化量をΔＩ１とすると、変化量ΔＩ１は、上記式（２−１）及び上記式（２−２）より下記式（２−３）のように表される。
【００３５】

上記式（２−３）から分かるように、見かけ上シフトしたこととなる電流Ｉｅとピーク値の変化量ΔＩ１とは比例関係にある。そして、この関係において、インダクタンスＬの変化量が大きいほどピーク値の変化量ΔＩ１が大きくなる。また、この関係において、インダクタンスＬの変化量が一定、すなわち、インダクタンスＬが直線的に変化すると、ピーク値の変化量ΔＩ１が電流Ｉｅに対してリニアリティをもって変化することとなる。
【００３６】
次に、磁気センサ３に対して電流ｉ０１を反転させた電流ｉ０２が供給された場合について説明する。
【００３７】
電流ｉ０２が供給された場合において、磁気センサ３に加わる外部磁界Ｈｅに関して、外部磁界Ｈｅ＝０の場合を考える。この場合、図５に示すように、磁気センサ３のコイル２に流れる電流ｉ０２が０から−Ｉｈまで変化するように設定すると、磁気センサ３のインダクタンスＬはＬｍａｘからＬｍｉｎに変化する。すなわち、この場合、電流ｉ０１のピーク値は−Ｉｈであり、そのときのインダクタンスＬはＬｍｉｎである。また、このインダクタンスＬがＬｍａｘからＬｍｉｎに変化する電流値を−Ｉｃとすると、発振電圧信号Ｖｏｓのパルス幅Ｔとパルス電圧−Ｖとの積は、ファラデーの法則により下記式（２−４）のように表される。
【００３８】
−Ｖ・Ｔ＝Ｌｍａｘ・−Ｉｃ＋Ｌｍｉｎ・（−Ｉｈ＋Ｉｃ）・・・（２−４）
そして、次に、電流ｉ０２が供給された状態において、磁気センサ３に対して外部磁界Ｈｅが加わる場合を考える。この場合、図５に示すように、電流ｉ０２が供給された磁気センサ３には、直流バイアス成分が外部磁界Ｈｅ分だけシフトすることとなり、その結果、図５中Ｉｅで示す分だけシフトした電流ｉｅ２が流れることになる。そして、電流ｉｅ２のピーク値をＩｅ２とすると、発振電圧信号Ｖｏｓのパルス幅Ｔとパルス電圧Ｖとの積は、ファラデーの法則により下記式（２−５）のように表される。
【００３９】

したがって、外部磁界Ｈｅが加わらない状態から外部磁界Ｈｅが加わった状態に変化したときの発振電圧信号Ｖｏｓのピーク値の変化量をΔＩ２とすると、変化量ΔＩ２は、上記式（２−４）及び上記式（２−５）より下記式（２−６）のように表される。
【００４０】

上記式（２−６）から分かるように、見かけ上シフトしたこととなる電流Ｉｅとピーク値の変化量ΔＩ２とは比例関係にある。そして、この関係においても、インダクタンスＬの変化量が大きいほどピーク値の変化量ΔＩ２が大きくなる。また、この関係において、インダクタンスＬの変化量が一定、すなわち、インダクタンスＬが直線的に変化すると、ピーク値の変化量ΔＩ２が電流Ｉｅに対してリニアリティをもって変化することとなる。また、このピーク値の変化量ΔＩ２は、上述したピーク値の変化量ΔＩ１と符号が逆で同じ大きさとなっている。すなわち、ピーク値の変化量ΔＩ１とピーク値の変化量ΔＩ２とは、差動の関係にある。
【００４１】
そこで、順方向に電流を流したとき、すなわち電流ｉ０１を供給したときのピーク値Ｉｅ１と、逆方向に電流を流したとき、すなわち電流ｉ０２を供給したときのピーク値Ｉｅ２とを測定し、これらの差動を取ることにより、外部磁界Ｈｅ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。
【００４２】
また、ピーク値Ｉｅ１とピーク値Ｉｅ２との差動を取ることにより、外部磁界Ｈｅ＝０のときには、磁気センサ３に流れるピーク値が互いにキャンセルされるので、外部磁界Ｈｅがない状態である０点を容易に認識することができる。
【００４３】
さらに、磁気センサ３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磁気センサに流れる電流のピーク値に変化が生じるが、磁気センサ３に流れる電流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３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Ｈｅを検出することができる。
【００４４】
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説明する。
【００４５】
この磁気探知装置は、図６に示すように、磁気センサ１０を有して複数個のアナログスイッチを備えてなる第１のアナログスイッチ回路１１と、この第１のアナログスイッチ回路１１に接続された抵抗１２と、この第１のアナログスイッチ回路１１に発振電圧信号Ｖｏｓを供給するパルス信号発振器１３と、抵抗１２と接続された第２のアナログスイッチ回路１４と、この第２のアナログスイッチ回路１４に接続されたピーク検波器１５Ａ及びピーク検波器１５Ｂと、これらピーク検波器１５Ａ及びピーク検波器１５Ｂに接続された差動増幅器１６と、第１のアナログスイッチ回路１１及び第２のアナログスイッチ回路１４に接続された周波数分周器１７とを備える。
【００４６】
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を備えた第１のアナログスイッチ回路１１内に配されている。そして、磁気センサ１０に流れる電流方向は、これら４つのスイッチをオン／オフ制御することによって反転させることができるようになっている。そして、アナログスイッチ回路１１に接続された抵抗１２は、磁気センサ１０に対して直列となるように接続されており、この抵抗１２と磁気センサ１０とによって積分回路が構成される。
【００４７】
この積分回路は、パルス信号発振器１３に接続されており、このパルス信号発振器１３から積分回路に発振電圧信号Ｖｏｓが供給され、これにより、磁気センサ１０及び抵抗１２に積分電流が流れ、この積分電流Ｎ応じて抵抗１２には積分電圧Ｖｒが生じる。なお、発振電圧供給源１３から供給される発振電圧は、方形波が好ましいが、これに限られるものではなく、例えば、三角波等であってもよい。
【００４８】
また、積分電圧Ｖｒは、抵抗１２の一端部から導出された配線に接続された第２のアナログスイッチ回路１４に供給される。この第２のアナログスイッチ回路１４は、スイッチＳＷ５及びスイッチＳＷ６を備え、磁気センサ１０に流れる電流の方向に対応して積分電圧Ｖｒをピーク検波器１５Ａ又はピーク検波器１５Ｂのいずれか一方に供給する。この第２のアナログスイッチ回路１４では、スイッチＳＷ５がオンでスイッチＳＷ６がオフとされることにより、積分電圧Ｖｒが積分電圧Ｖｒ１としてピーク検波器１５Ａに供給される。これに対して、この第２のアナログスイッチ回路１４では、スイッチＳＷ５がオフでスイッチＳＷ６がオンとされることによって、積分電圧Ｖｒが積分電圧Ｖｒ２としてピーク検波器１５Ｂに供給される。
【００４９】
ピーク検波器１５Ａは、積分電圧Ｖｒ１のピーク値を検出することができ、その結果、差動増幅回路１６に対して電圧信号Ｖｅ１を出力する。同様に、ピーク検波器１５Ｂは、積分電圧Ｖｒ２のピーク値を検出することができ、その結果、差動増幅回路１６に対して電圧信号Ｖｅ２を出力する。
【００５０】
そして、差動増幅器１６は、電圧信号Ｖｅ１及び電圧信号Ｖｅ２の差動をとることができ、その結果、電圧信号Ｖｅを出力する。このとき、差動増幅器１６に対して出力される電圧信号Ｖｅ１及び電圧信号Ｖｅ２は、外部磁界に応じた大きさを有し、互いに差動の関係にある。このため、差動増幅器１６から出力される電圧信号Ｖｅは、外部磁界に対応して大きさの異なるものとなる。
【００５１】
一方、この磁気探知装置において、周波数分周器１７は、第１のアナログスイッチ回路１１及び第２のアナログスイッチ回路１４におけるスイッチのオン／オフ制御を行うための信号Ｑ，Ｑ´を発生している。このとき、周波数分周器１７は、パルス信号発振器１３と接続されており、このパルス信号発振器１３から発振電圧信号Ｖｏｓが供給される。そして、このパルス信号発振器１３に供給された発振電圧信号Ｖｏｓは、分周されて信号Ｑ，Ｑ´となる。
【００５２】
これら信号Ｑ，Ｑ´は、第１のアナログスイッチ回路１１におけるスイッチＳＷ１乃至ＳＷ４と第２のアナログスイッチ回路１４におけるＳＷ５及びＳＷ６とを同期して切り替えることによって、磁気センサ１０に流れる電流の方向と上述したＳＷ５及びＳＷ６のオン／オフ制御を同期させている。
【００５３】
このように、この磁気探知装置では、信号Ｑ，Ｑ´により、発振電圧信号Ｖｏｓと、第１のアナログスイッチ回路１１及び第２のアナログスイッチ回路１４を構成する複数個のスイッチＳＷ１乃至スイッチＳＷ６の切替えとを同期させている。このため、この磁気探知装置は、より確実な動作をすることとなり、動作安定性が向上したものとなる
このような磁気探知装置の動作について、電圧波形のタイムチャートである図７を参照しながら説明する。
【００５４】
先ず、この磁気探知装置では、パルス信号発振器１３から、図７（１）で示すように、発振電圧信号Ｖｏｓが供給される。この発振電圧信号Ｖｏｓは、周波数分周器に供給されると、図７（２）で示すように、信号Ｑ及び信号Ｑ´となる。この信号Ｑ及び信号Ｑ´は、互いに正反対の位相を有する波形を有する信号となり、第１のアナログスイッチ回路１１及び第２のアナログスイッチ回路１４にそれぞれ供給される。
【００５５】
第１のアナログスイッチ回路１１において、信号Ｑは、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２に接続され、信号Ｑ´は、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ４に接続される。そして、これらのスイッチＳＷ１乃至スイッチＳＷ４は、それぞれに接続された信号Ｑ又は信号Ｑ´の信号レベルが「Ｈ」のときオンとなり、信号Ｑ又は信号Ｑ´の信号レベルが「Ｌ」のときオフとなる。
【００５６】
また、第２のアナログスイッチ回路１４では、信号ＱはスイッチＳＷ５に接続され、信号Ｑ´はスイッチＳＷ６に接続される。そして、これらスイッチＳＷ５及びスイッチＳＷ６は、それぞれに接続された信号Ｑ又は信号Ｑ´の信号レベルが「Ｈ」のときオンとなり、信号Ｑ又は信号Ｑ´の信号レベルが「Ｌ」のときオフとなる。
【００５７】
このため、信号Ｑが「Ｈ」であり信号Ｑ´が「Ｌ」であるような場合、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２がオンとなり、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ４がオフとなる。このため、この第１のアナログスイッチ回路１１では、図６中矢印Ａで示す方向に電流が流れる。
【００５８】
そして、信号Ｑが「Ｈ」であり信号Ｑ´が「Ｌ」であるような場合、第２のアナログスイッチ回路１４では、スイッチＳＷ５がオンとなり、スイッチＳＷ６がオフとなる。このため、第２のアナログスイッチ回路１４では、積分電圧Ｖｒが積分電圧Ｖｒ１としてピーク検波器１５Ａに供給される。
【００５９】
これに対して、信号Ｑが「Ｌ」であり信号Ｑ´が「Ｈ」であるような場合、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２がオフとなり、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ４がオンとなる。このため、この第１のアナログスイッチ回路１１では、図６中矢印Ｂで示す方向に電流が流れる。
【００６０】
そして、信号Ｑが「Ｌ」であり信号Ｑ´が「Ｈ」であるような場合、第２のアナログスイッチ回路１４では、スイッチＳＷ５がオフとなり、スイッチＳＷ６がオンとなる。このため、第２のアナログスイッチ回路１４では、積分電圧Ｖｒが積分電圧Ｖｒ２としてピーク検波器１５Ｂに供給される。
【００６１】
このように、積分電圧Ｖｒは、図７（３）に示すように、磁気センサ１１に供給された電流の方向に応じた積分電圧Ｖｒ１及び積分電圧Ｖｒ２から構成されている。そして、この磁気探知装置では、磁気センサ１０に供給される電流の方向とスイッチＳＷ５及びスイッチＳＷ６のオン／オフ制御とが同期して行われる。このように、磁気センサ１０に対して図６中矢印Ａで示す方向に電流が流れた場合には、積分電圧ＶｒはＶｒ１としてピーク検波器１５Ａに供給され、このピーク検波器１５Ａからピーク値Ｖｅ１が出力される。また、磁気センサ１０に対して図６中矢印Ｂで示す方向に電流が流れた場合には、積分電圧ＶｒはＶｒ２としてピーク検波器１５Ｂに供給され、このピーク検波器１５Ｂからピーク値Ｖｅ２が出力される。
【００６２】
ここで、積分電圧Ｖｒ１及び積分電圧Ｖｒ２は、磁気センサ１０に発振電圧信号Ｖｏｓを供給したときの、電流の方向による応答波形を示している。したがって、これら積分電圧Ｖｒ１及び積分電圧Ｖｒ２は、外部磁界の大きさに従ったピーク値Ｖｅ１及びピーク値Ｖｅ２を有することとなる。また、これらピーク値Ｖｅ１及びピーク値Ｖｅ２は、異なる方向の電流からの応答波形からのピーク値であるために互いに差動の関係を有する。ここで、発振電圧信号Ｖｏｓは、振幅が磁気センサ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。これにより、磁気探知装置では、外部磁界の大きさの変化に伴うインダクタンスＬの変化を積分電圧Ｖｒのピーク値の変化として出力する際、ピーク値の変化量が線形に変化することになる。
【００６３】
ところで、本実施の形態に係る磁気探知装置では、第１のアナログスイッチ回路１１により磁気センサ１０に流れる電流方向を反転させることができる。このため、この磁気探知装置では、磁気センサ１０に流れる電流方向を反転させて外部磁界Ｈｅを検出することにより、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、この磁気探知装置は、外部磁界Ｈｅ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。
【００６４】
また、本実施の形態に示した磁気探知装置では、応答波形である積分電圧Ｖｒのピーク値Ｖｅの変化量を検出しているため、０．３±０．６（Ｇ）程度の地磁気を高感度に検出することができる。そして、この磁気探知装置においては、磁気センサ１０の構成が比較的簡単であり、且つ、ピーク値Ｖｅの変化量を検出する回路に用いる集積回路（ＩＣ）の数を削減することができるため、小型化及び低コスト化を達成することができる。
【００６５】
ところで、本発明は、上述したような磁気探知装置に限定されるものではなく、図８に示すような磁気探知装置であってもよい。
【００６６】
この磁気探知装置は、第１の端子２０Ａ及び第２の端子２０Ｂを有する磁気センサ１０と、第１の端子２０Ａと第１の抵抗２１Ａを介して接続された第１のアンドゲート２２Ａと、第２の端子２０Ｂと第２の抵抗２１Ｂを介して接続された第２のアンドゲート２２Ｂと、これら第１のアンドゲート２２Ａ及び第２のアンドゲート２２Ｂに対して発振電圧Ｖｏｓを供給するパルス電圧発振器１３と、このパルス電圧発振器１３から供給された発振電圧を分周して制御信号Ｑ，Ｑ´を発振する周波数分周器１７とを備える。また、この磁気探知装置は、第１の端子２０Ａと接続された第１のピーク検波器２３Ａと、第２の端子２０Ｂと接続された第２のピーク検波器２３Ｂと、第１のピーク検波器２３Ａ及び周波数分周器１７に接続された第１のトランジスタ２４Ａと、第２のピーク検波器２３Ｂ及び周波数分周器１７に接続された第２のトランジスタ２４Ｂとを備える。さらに、この磁気探知装置は、これら一対のピーク検波器２３Ａ，２３Ｂから供給された信号の差動をとる差動増幅器２５を備える。
【００６７】
この磁気探知装置において、第１のピーク検波器２３Ａは、トランジスタ２７及び抵抗２８からなる第１のエミッタフォロア回路２９と、トランジスタ３０及び抵抗３１からなる第２のエミッタフォロア回路３２と、この第２のエミッタフォロア回路の出力に接続されたコンデンサ３３とから構成されている。なお、この磁気探知装置において、第１のピーク検波器２３Ａと第２のピーク検波器２３Ｂとは、同一の構成を有するために、同一符号を付することにより説明を省略する。
【００６８】
また、この磁気探知装置において、差動増幅回路２５は、第１のオペアンプ３５と、第２のオペアンプ３６と、抵抗３７、抵抗３８、抵抗３９及び抵抗４０と、コンデンサ４１と、基準電源４２とから構成されている。この差動増幅器２５では、抵抗４０とコンデンサ４１とからローパスフィルターを構成している。
【００６９】
以上のように構成された磁気探知装置の動作原理を、図９に示す各段階における波形図に基づいて説明する。
【００７０】
先ず、パルス電圧発振器１３では、図９中（１）に示すように、パルス幅Ｔ、パルス電流Ｖの発振電圧Ｖｏｓが形成される。この発振電圧Ｖｏｓは、一対のアンドゲート２２Ａ，２２Ｂにそれぞれ供給されるとともに周波数分周器１７に供給される。周波数分周器１７では、供給された発振電圧Ｖｏｓを基にして、図９中（２）に示すような制御信号Ｑ，Ｑ´が形成される。制御信号Ｑ´は、第１のアンドゲート２２Ａに供給されるとともに第２のトランジスタ２４Ｂに供給され、制御信号Ｑは、第２のアンドゲート２２Ｂに供給されるとともに第１のトランジスタ２４Ａに供給される。
【００７１】
このとき、アンドゲート２２Ａ及びアンドゲート２２Ｂでは、発振電圧Ｖｏｓと制御信号Ｑ，Ｑ´の論理積をとる。すなわち、第１のアンドゲート２２Ａでは、制御信号Ｑ´と発振電圧Ｖｏｓとの論理積をとるため、図９中（３）のＶｇ１で示す波形の信号を出力する。また、第２のアンドゲート２２Ｂでは、制御信号Ｑと発振電圧Ｖｏｓとの論理積をとるため、図９中（３）のＶｇ２で示す波形の信号を出力する。
【００７２】
これにより、この磁気探知装置では、磁気センサ１０に対して所定のタイミングで信号Ｖｇ１及び信号Ｖｇ２が出力されることとなる。このとき、磁気センサ１０では、信号Ｖｇ１が「Ｌ」であり、信号Ｖｇ２が「Ｈ」である場合に、図８中矢印Ａで示す方向に電流が流れる。逆に、信号Ｖｇ１が「Ｈ」であり、信号Ｖｇ２が「Ｌ」である場合に、図８中矢印Ｂで示す方向に電流が流れる。なお、図８中矢印Ａで示す方向に流れる時間をＴ１とし、図８中矢印Ｂで示す方向に流れる時間をＴ２とする。
【００７３】
この磁気探知装置では、図８中矢印Ａ方向に電流が流れる場合、第１の抵抗２１Ａと磁気センサ１０とにより積分回路が構成されることになり、これに対して、図８中矢印Ｂ方向に電流が流れる場合、第２の抵抗２１Ｂと磁気センサ１０とにより積分回路が構成されることになる。そして、図８中矢印Ａ方向に電流が流れた場合、第１の抵抗２１Ａと磁気センサ１０の一方の端子２０Ａとには、流れた積分電流に応じて図９（４）のＶｒ１で示す積分電圧が発生する。逆に、図８中矢印Ｂ方向に電流が流れた場合、第２の抵抗２１Ｂと磁気センサ１０の一方の端子２０Ｂとには、流れた積分電流に応じて図９（４）のＶｒ２で示す積分電圧が発生する。
【００７４】
これら積分電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２は、磁気センサ１０に発振電圧Ｖｏｓを供給したときの、電流の方向による応答波形を示している。したがって、これら積分電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２は、外部磁界の大きさに従ったピークを示すこととなる。また、これら積分電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２は、所定の外部磁界が磁気センサ１０に印加された際に形成される波形であり、磁気センサ１０のコイルに正反対方向に流れた電流によって形成されるために互いに差動の関係にある。
【００７５】
そして、積分電圧Ｖｒ１は、第１のピーク検波器２３Ａに供給されるとともに、積分電圧Ｖｒ２は、第２のピーク検波器２３Ｂに供給される。そして、これらピーク検波器２３Ａ，２３Ｂでは、所定の時間における積分電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２のピークがそれぞれ検出される。
【００７６】
先ず、第１のピーク検波器２３Ａにおいて、積分電圧Ｖｒ１のピークを検出する場合を説明する。この第１のピーク検波器２３Ａは、この第１のトランジスタ２４Ａによりオン／オフ制御される。そして、第１のピーク検波器２３Ａは、オンとされることにより、期間Ｔ１における積分電圧Ｖｒ１のピークを検出する。また、第１のピーク検波器２３Ａは、オフとされることにより、積分電圧Ｖｒ１のピークを検出せずに出力を生じない。
【００７７】
第１のトランジスタ２４Ａは、周波数分周器１７と接続されており、周波数分周器１７より制御信号Ｑが供給される。そして、第１のトランジスタ２４Ａは、供給された制御信号Ｑが「Ｈ」であるときオフとなる。これに対して、第１のトランジスタ２４Ａは、供給された制御信号Ｑが「Ｌ」であるときオンとなる。
【００７８】
このとき、第１のトランジスタ２４Ａは、第２のエミッタフォロア回路３２の入力と接続されており、この第２のエミッタフォロア回路３２を駆動させるかどうかを制御している。すなわち、第１のトランジスタ２４Ａがオンであるときには、第２のエミッタフォロア回路３２を駆動させないこととなり、第１のピーク検波器２３Ａがオフとなる。逆に、第１のトランジスタ２４Ａがオフであるときには、第２のエミッタフォロア回路３２を駆動させることとなり、第１のピーク検波器２３Ａがオンとなる。
【００７９】
このため、この磁気探知装置では、制御信号Ｑが「Ｈ」のとき、第１のトランジスタ２４Ａにより第１のピーク検波器２３Ａが駆動して積分電圧Ｖｒ１のピークを検出する。そして、このピーク検波器２３Ａは、制御信号Ｑが「Ｌ」のとき、第１のトランジスタ２４Ａによりオフとされ、積分電圧Ｖｒ１のピークの検出を行わない。
【００８０】
この磁気探知装置では、図９に示す波形図におけるＴ１で示した期間で、制御信号Ｑが「Ｈ」となっている。このため、この磁気探知装置では、期間Ｔ１における積分電圧Ｖｒ１のピークを第１のピーク検波回路２３Ａにて検出することができる。
【００８１】
ところで、この第１のピーク検波器２３Ａでは、第２のエミッタフォロア回路３２が駆動しているとき、積分電圧Ｖｒ１がピークとなるとコンデンサ３３に充電され、そのピーク電圧値Ｖｅ１が保持される。そして、このピーク電圧値Ｖｅ１は、差動増幅器２５に対して出力される。また、このとき、第１のピーク検波器２３Ａでは、積分電圧Ｖｒ１がピークでない場合、コンデンサ３３に保持された電圧によりトランジスタ３０がオフとなる。このため、コンデンサ３３の電荷は、抵抗３１を通して大きな時定数で放電される。したがって、この第１のピーク検波器２３Ａでは、期間Ｔ１における積分電圧Ｖｒ１のピークのみを検出することができる。
【００８２】
一方、第２のピーク検波器２３Ｂでは、上述した第１のピーク検波器２３Ａの場合と同様に、第２のトランジスタ２４Ｂによりオン／オフ制御がなされる。この第２のピーク検波器２３Ｂの場合、第２のトランジスタ２４Ｂに対して制御信号Ｑ´が供給されるため、期間Ｔ２における積分電圧Ｖｒ２のピーク電圧値Ｖｅ２のみを検出することができる。したがって、この第２のピーク検波器２３Ｂからは、差動増幅器２５に対してピーク電圧値Ｖｅ２が出力される。
【００８３】
そして、差動増幅器２５では、供給されたピーク電圧値Ｖｅ１，Ｖｅ２の差動をとり、図９中（５）に示すように、電圧増幅された電圧値Ｖｅが出力される。このとき、差動増幅器２５に対して出力されるピーク電圧値Ｖｅ１及びピーク電圧値Ｖｅ２は、外部磁界に応じた大きさを有し、互いに差動の関係にある。この差動増幅器２５において、抵抗３７及び抵抗４０の値をＲｏとし、抵抗３８及び抵抗３９の値をＲｉとし、基準電圧４２の値をＶｒｅｆとすると、外部磁界Ｈｅが直流のときには出力である電圧値Ｖｅが下記式（３ー１）のように表される。
【００８４】
Ｖｅ＝（Ｒｏ／Ｒｉ＋１）（Ｖｅ１−Ｖｅ２）＋Ｖｒｅｆ・・・（３ー１）
すなわち、電圧値Ｖｅは、図９中（５）に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆを基準とした電圧信号として出力される。なお、この差動増幅器２５では、外部磁界Ｈｅが０のとき、出力されるＶｅはＶｒｅｆと同じ値となる。
【００８５】
また、この差動増幅器２５には、抵抗４０とコンデンサ４１とによりローパスフィルターが構成されている。このローパスフィルターにおいて、コンデンサ４１の値をＣｏとすると、カットオフ周波数ｆｃは下記式（３−２）のように近似して表すことができる。
【００８６】
ｆｃ＝１／（２π・Ｃｏ・Ｒｏ）・・・（３−２）
この式（３−２）からわかるように、差動増幅器２５では、外部磁界Ｈｅに乗った交流磁界をローパスフィルターにて除去することができる。このため、この磁気探知装置では、出力を向上させることができ、より高精度に外部磁界を検出することができる。
【００８７】
上述したように、図８に示した磁気探知装置では、磁気センサ１０に供給される電流を反転させる手段としてアンドゲート２２Ａ，２２Ｂを用いている。このため、この磁気探知装置では、容易に小型化することができ、また、コストを低く抑えることができる。
【００８８】
つぎに、磁気センサ１０に加わった外部磁界Ｈｅの変化が、磁気センサ１０と直列に接続された抵抗１２に生じるピーク値の変化として現れる原理について説明する。
【００８９】
磁気センサと抵抗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図を図１０に示す。この図１０に示した回路は、磁気センサ５０と抵抗５１とが直列に接続され、スイッチ５２と直流電源５３とが配されなるような構成とされる。このような回路において、スイッチ５２をオフからオンにすると、磁気センサ５０と抵抗５１とからなる積分回路に直流電源５３から直流電圧が印加され、磁気センサ５０に電流ｉが流れ出す。ここで、磁気センサ５０に流れる電流ｉは、積分回路に印加される直流電圧をＶ、磁気センサ５０のインダクタンスをＬ、抵抗５１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（２−７）で表される。
【００９０】
【数１】

【００９１】
上述したように、磁気センサ５０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、電流ｉ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。
【００９２】
そして、磁気センサ５０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１１に示すように、その電流値が０からＩｃまでのあいだインダクタンスＬがＬｍａｘの状態で立ち上がり、その電流値がＩｃからＩｈのあいだインダクタンスＬがＬｍｉｎの状態で立ち上がることとなる。なお、図１１において、電流ｉの電流値０から電流値Ｉｃまでの立上がり時間をｔ１とし、電流ｉの電流値Ｉｃから電流値Ｉｈまでの立上がり時間をｔ２とする。そして、これら立上り時間ｔ１及びｔ２の合計をＴとし、この合計時間Ｔが一定とすると、上記式（２−７）から下記式（２−８）が導かれる。
【００９３】
【数２】

【００９４】
ここで、磁気センサ５０に加わる外部磁界Ｈｅ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ことを考慮する。すなわち、磁気センサ５０に加わる外部磁界Ｈｅが変化すると、電流値Ｉｃの値がシフトする。したがって、上記式（２−８）から分かるように、磁気センサ５０に加わる外部磁界Ｈｅが変化して電流値Ｉｃがシフトすると、立上り時間ｔ１及びｔ２が変化する。
【００９５】
このことから、磁気センサ５０に加わる外部磁界Ｈｅが変化すると、電流値Ｉｈも変化することが分かる。言い換えると、磁気センサ５０に加わる外部磁界Ｈｅが変化すると、抵抗５１に発生する電流値が変化することとなる。このことを上述した磁気探知装置に当てはめて考えると、磁気センサ１０に供給された発振電圧信号Ｖｏｓは、外部磁界Ｈｅが変化すると積分電圧Ｖｒの波形が変化したものとなることがわかる。このため、磁気センサ１０に加わる外部磁界Ｈｅが変化すると、積分電圧Ｖｒから出力されるピーク値Ｖｅが変化することが分かる。
【００９６】
ところで、図６又は図８に示したような磁気探知装置において、磁気センサ１０と抵抗１２，２１Ａ，２１Ｂとからなる積分回路に供給された発振電圧信号Ｖｏｓから生じるピーク値Ｖｅは、外部磁界Ｈｅ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Ｈｅが一定のとき、ピーク値Ｖｅは、図１２に示すように、外部磁界Ｈｅと磁気センサ１１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１２では、外部磁界Ｈｅの向きと磁気センサ１１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。
【００９７】
図１２から分かるように、ピーク値Ｖｅは外部磁界Ｈｅ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１１に流れる電流ｉによる磁化量と外部磁界Ｈｅによる磁化量との合計であり、外部磁界Ｈｅによる磁化量が、外部磁界Ｈｅ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。
【００９８】
すなわち、図１３に示すように、磁気センサ１０のコイル１０ｂに流れる電流ｉによる磁界Ｈｂは一定であるが、外部磁界Ｈｅ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Ｈｅ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（２−９）で示すように、外部磁界Ｈｅのうち、磁性体１０ａの長手方向成分のみとなる。
【００９９】
Ｈ＝Ｈｅ・ｃｏｓθ ・・・（２−９）
なお、上記式（２−９）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Ｈｅの方位情報を含んでいるので、複数の磁気センサ１０を用いることにより、外部磁界Ｈｅの方向を知ることができる。
【０１００】
具体的には、例えば、図１４に示すように、磁気探知装置に２つの磁気センサ１０ｘ，１０ｙを組み込むことが考えられる。なお、この一対の磁気センサ１０ｘ，１０ｙを有する磁気探知装置において、図６に示した磁気探知装置と同一の部材に関して同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【０１０１】
この磁気探知装置は、一対の磁気センサ１０ｘ，１０ｙを有するセンサ部６０と、これら磁気センサ１０ｘ，１０ｙを駆動させる第１のアナログスイッチ回路６１と、センサ部６０からの積分電圧Ｖｒを選択的に出力させる第２のアナログスイッチ回路６２とを備える。また、この磁気探知装置は、一対の磁気センサ１０ｘ及び磁気センサ１０ｙと直列に接続された抵抗１２と、パルス信号発振器１３と周波数分周器と、差動増幅回路（図示せず。）とを備える。
【０１０２】
ここで、図１５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１５に示すように、外部磁界Ｈｅ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Ｈｘは、下記式（２−１０）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Ｈｙは、下記式（２−１１）で表される。
【０１０３】
Ｈｘ＝Ｈｅ・ｃｏｓθ ・・・（２−１０）
Ｈｙ＝Ｈｅ・ｓｉｎθ ・・・（２−１１）
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Ｈｙとの比をとると、下記式（２−１２）となる。
【０１０４】
Ｈｙ／Ｈｘ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθ ・・・（２−１２）
したがって、外部磁界Ｈｅ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（２−１３）で表される。ただし、下記式（２−１３）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。
【０１０５】
θ＝ｔａｎ^-1（Ｈｙ／Ｈｘ） ・・・（２−１３）
このように磁気探知装置に２つの磁気センサを設けることにより、外部磁界Ｈｅの２次元での方向を知ることができる。
【０１０６】
ところで、上述したような一対の磁気センサを有する磁気探知装置は、図１４に示したような構成に限定されるものではない。すなわち、一対の磁気センサを有する磁気探知装置としては、図１６に示すように、一対のアンドゲート２２Ａ，２２Ｂを備える構成のものが挙げられる。この磁気探知装置において、図８に示した磁気探知装置と同様の部材に関して同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【０１０７】
この磁気探知装置は、一対の磁気センサ１０ｘ，１０ｙと、磁気センサ１０ｘに接続された抵抗２１Ａ，２１Ｂ及び磁気センサ１０ｙに接続された抵抗２１Ａ，２１Ｂと、これら抵抗２１Ａ，２１Ｂを介して磁気センサ１０ｘ，１０ｙとそれぞれ接続された一対のアンドゲート２２Ａ，２２Ｂとを備える。また、この磁気探知装置は、磁気センサ１０ｘ及び抵抗２１Ａ，２１Ｂからの積分電圧におけるピークを検出する一対のピーク検出器２３Ａ，２３Ｂと、これら一対のピーク検出器２３Ａ，２３Ｂからの出力の差動をとる第１の差動増幅器２５Ａとを備える。さらに、この磁気探知装置は、磁気センサ１０ｙ及び抵抗２１Ａ，２１Ｂからの積分電圧におけるピークを検出する一対のピーク検出器２３Ａ，２３Ｂと、これら一対のピーク検出器２３Ａ，２３Ｂからの出力の差動をとる第２の差動増幅器２５Ｂとを備える。
【０１０８】
このように構成された磁気探知装置では、第１の差動増幅器２５Ａからの出力により、Ｘ軸における外部磁界を検出することができ、第２の差動増幅器２５Ｂからの出力により、Ｙ軸における外部磁界を検出することができる。これにより、この磁気探知装置では、Ｘ軸とＹ軸とからなる平面上における外部磁界を検出することができる。言い換えると、この磁気探知装置によれば、外部磁界の大きさとＸＹ平面における外部磁界の方向とを検出することができる。
【０１０９】
また、外部磁界の３次元での方向を知りたい場合には、３つの磁気センサを設ければよいことは言うまでもない。すなわち、外部磁界の３次元での方向や大きさ、すなわち立体空間内での外部磁界の方向や大きさ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。なお、従来の磁気探知装置でも、互いに直交する３つの磁気センサを設ければ、立体空間内での回転角度を探知することはできる。しかしながら、従来の磁気探知装置では、上述したように、磁気センサを互いに直交するように配置することは難しかった。
【０１１０】
これに対して、本発明を係る磁気探知装置に使用される磁気センサは、非常に簡単な構成であるので、それぞれを互いに直交するように配置することは容易である。したがって、本発明を適用することにより、立体空間内での回転角度を探知することができる磁気探知装置を、低価格で提供することが可能となる。
【０１１１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る磁気探知装置では、外部磁界の検出に、外部磁界の変化に伴って急峻な変化を示すインダクタンスの変化を、発振電流のピーク値の変化として検出しているため、非常に高い感度で外部磁界を検出することができる。また、本発明に係る磁気探知装置は、磁気センサにおける発振電流のピーク値を検出する回路が非常に簡単な構成であるので、容易に小型化や低価格化を図ることができる。
【０１１２】
したがって、本発明によれば、小型化や低価格化が容易で、高い感度が得られる磁気探知装置を提供することができる。
【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励磁電流を供給する様子を示す模式図である。
【図３】図１に示した磁気センサのインダクタンスＬ及びインピーダンスＺと、励磁電流周波数ｆとの関係を示す特性図である。
【図４】図１に示した磁気センサのインダクタンスＬと、外部磁界の大きさＨとの関係を示す特性図である。
【図５】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６】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７】図６に示した磁気探知装置の各部における電圧波形のタイムチャートを示す特性図である。
【図８】 本発明を適用した磁気探知装置の他の例を示す回路図である。
【図９】図８に示した磁気探知装置の各部における電圧波形のタイムチャートを示す特性図である。
【図１０】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１１】図１０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１２】ピーク値Ｖｒと外部磁界Ｈｅの方向との関係を示す特性図である。
【図１３】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１４】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１５】図１４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１６】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１７】ホール素子を用いた磁気探知装置の一例を示す模式図である。
【図１８】フラックスゲートセンサを用いた磁気探知装置の一例を示す模式図である。
【図１９】磁気抵抗効果素子の一例を示す模式図である。
【図２０】磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果特性を示す図である。
【符号の説明】
１０ 磁気センサ、１１ 第１のアナログスイッチ回路、１２ 抵抗、１３ パルス信号発振器、１４ 第２のアナログスイッチ回路、１５ ピーク検波器、１６ 差動増幅器

Claims (10)

1. 磁性体にコイルが巻かれてなる磁気センサを備え、前記磁気センサのコイルに発振電圧が供給されたときに前記コイルに流れる発振電流について、外部磁界により変化する発振電流がピーク値になったときの電流を検出し、この電流値の変化によって外部磁界を探知する磁気探知装置において、
   前記磁気センサに流れる発振電流の方向を反転させる反転手段と、
   前記磁気センサのコイルの両端部にそれぞれ接続され、交互に駆動される一対のピーク検波手段を備えることを特徴とする磁気探知装置。
2. 前記磁気センサと直列に接続された抵抗を備えることを特徴とする請求項１記載の磁気探知装置。
3. 前記磁気センサのコイルに流れる発振電流の振幅が、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。
4. 前記磁気センサのコイルに供給される発振電圧は、パルス電圧であることを特徴とする請求項１記載の磁気探知装置。
5. 磁気センサのコイルに発振電圧を供給する発振手段と、この発振手段より供給された発振電圧を分周することにより制御信号を出力する分周手段とを備え、
   前記反転手段は、この発振手段から供給される発振電圧とこの分周手段から供給される制御信号との論理積をとることを特徴とする請求項１記載の磁気探知装置。
6. 前記反転手段は、前記磁気センサのコイルの両端部にそれぞれ接続された一対のアンドゲートであることを特徴とする請求項５記載の磁気探知装置。
7. 前記一対のピーク検波手段には、それぞれ分周手段が接続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。
8. 前記一対のピーク検波手段のうちの一方には、他方のピーク検波手段に供給される制御信号と１８０°位相を異にする制御信号が供給されることを特徴とする請求項１記載の磁気探知装置。
9. 前記一対のピーク検波回路からそれぞれ出力された電圧値を信号として、これら信号の差動をとる差動増幅回路を備えることを特徴とする請求項１記載の磁気探知装置。
10. 前記差動増幅回路は、ローパスフィルタを有することを特徴とする請求項９記載の磁気探知装置。

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