JP3907488B2 - 磁気センサ - Google Patents
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Description
【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0.0 6mm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
Claims (1)
- 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、
上記電流検出手段は、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、
上記しきい値は、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、
上記パルス幅変調手段は、上記パルス発振器に同期してオンになり、上記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、
上記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磁気センサ。
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