JP3907488B2 - 磁気センサ - Google Patents

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０．０ 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)

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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