JP5308500B2 - 地磁気センサ - Google Patents

Description

この発明は地磁気を測定する地磁気センサに関する。

従来、地磁気を測定する地磁気センサとしては、フラックスゲート型（ＦＧ型）の地磁気センサが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。

フラックスゲート型の地磁気センサは高精度な地磁気の測定が可能であるものの、励磁コイルが巻回されているコアを交流で磁気飽和させる必要があり、このため、励磁電流が大きくなり、消費電力が大きいといった問題がある。

特開２００９−９２３８１号公報

この発明の目的は、上述した問題に鑑み、低消費電力化を図ることができる地磁気センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、地磁気センサは、閉磁路を構成するコアと、コアの互いに対向する位置に巻回され、コアに同じ周回方向に磁束を発生させるように直列接続された一対のコイルと、一対のコイルに直流電流を重畳した交流電流を印加する励磁電源と、一対のコイルの接続点に接続された検出回路とを備える。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、検出回路は、前記接続点の電圧を励磁電源の交流励磁電圧を用いて同期検波する同期検波器と、同期検波器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなる。

請求項３の発明では請求項１の発明において、検出回路は、前記接続点の電圧の直流成分を除去する直流遮断器と、直流遮断器の出力を全波整流する全波整流器と、全波整流器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなる。

請求項４の発明では請求項１の発明において、検出回路は、前記接続点の電圧の直流成分を除去する直流遮断器と、直流遮断器の出力を半波整流する半波整流器と、半波整流器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなる。

請求項５の発明では請求項２乃至４のいずれかの発明において、フィードバックコイルとフィードバック回路と読取抵抗器とが設けられ、フィードバックコイルはコアを磁気平衡させるべく、コアに巻回され、フィードバック回路は、基準電圧を発生する基準電圧源と、ローパスフィルタの出力と基準電圧を加算する加算器と、加算器の出力を増幅してフィードバックコイルにフィードバック電流を流す増幅器とよりなり、フィードバック電流は読取抵抗器によって電圧に変換されて出力される。

この発明によれば、従来のフラックスゲート型の地磁気センサのようにコアが磁気飽和するまで励磁するといったことは不要となり、つまりコアを磁気飽和させることなく、地磁気を高精度に測定することができ、よって従来に比し、低消費電力化を図ることができる。

この発明による地磁気センサの第１の実施例の構成概要を示す図。 この発明による地磁気センサの第１の実施例の機能構成を示すブロック図。 Ｂ−Ｈカーブ及び比透磁率を示すグラフ。 この発明による地磁気センサの第２の実施例の機能構成を示すブロック図。 この発明による地磁気センサの第３の実施例の構成概要を示す図。 この発明による地磁気センサの第３の実施例の機能構成を示すブロック図。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明による地磁気センサの第１の実施例の構成概要を示したものであり、図２は図１に示した地磁気センサの機能構成をブロック図で示したものである。

閉磁路を構成するコア１０は、パーマロイ等の高透磁率材料よりなり、この例ではトロイダルコアとされている。コア１０の互いに対向する位置には、コイル軸心が互いに平行とされてコイル２１，２２が巻回されている。コイル２１，２２はコア１０の中心から見て同じ向きに巻回されており、コイル２１，２２に電流を印加した時に、コア１０に同じ周回方向に磁束を発生させるように直列接続されている。

一方のコイル２１の一端には励磁電源３０が接続されている。励磁電源３０は直流電源３１と交流電源３２とよりなり、直流電流を重畳した交流電流をコイル２１，２２に印加することができるものとなっている。図１中、３３は直流遮断器（コンデンサ）を示す。

直流電源３１によりコイル２１，２２には直流電流が印加され、これによりコア１０内に直流磁束が発生する。図１中、矢印ａ，ｂはそれぞれコイル２１及びコイル２２により発生する磁束の向きを例示したものであり、コイル２１及びコイル２２により発生する磁束はコア１０の周回方向において同じ向きになる。

図３はコア１０のＢ−Ｈカーブ及び比透磁率を示したものであり、コイル２１，２２に印加する直流電流は、例えば８Ａ／ｍ程度の直流磁界が発生するように設定する。この磁界の値：８Ａ／ｍは、磁界に対し、比透磁率がリニアに変化する領域のほぼ中央に位置する。

コイル２１，２２は同一巻数とされ、コイル２１のインダクタンスＬ１とコイル２２のインダクタンスＬ２は等しくされている。コイル２１とコイル２２の接続点Ｐには直流電源３１と交流電源３２とよりなる励磁電源３０により、直流電圧が重畳した交流電圧が発生している。接続点Ｐの交流電圧Ｖｄは励磁電源３０の交流励磁電圧をＶacとすると、
Ｖｄ＝（Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２））・Ｖac （１）
で表され、外部磁界が０の時には、コイル２１とコイル２２のインダクタンスＬ１，Ｌ２が等しいため、接続点Ｐの交流電圧Ｖｄは交流励磁電圧Ｖacの1/2となる。

一方、図１に示したように地磁気Ｍがコア１０を通過すると、地磁気Ｍに比例した磁束がコア１０の、コイル２１，２２が位置する部分に発生する。これにより、コイル２２が位置する部分では直流磁束は強めあい、コイル２１が位置する部分では直流磁束は打ち消しあう。よって、コイル２１が位置する部分及びコイル２２が位置する部分におけるコア１０内部の磁束密度が変化する。

磁束密度が変化すると、図３から分かるように、コア１０の比透磁率が変化する。コイル２２が位置する部分では磁束密度が大きくなるため、比透磁率は小さくなり、コイル２１が位置する部分では磁束密度が小さくなるため、比透磁率は大きくなる。この比透磁率の変化により、コイル２２のインダクタンスＬ２は小さくなり、コイル２１のインダクタンスＬ１は大きくなる。従って、（１）式より接続点Ｐの交流電圧Ｖｄは外部磁界が０の時の値より小さくなり、つまり交流励磁電圧Ｖacの1/2より小さくなる。

このように、２つのコイル２１，２２の接続点Ｐの交流電圧Ｖｄは地磁気（外部磁界）の入力により変化するため、接続点Ｐの交流電圧Ｖｄを検出することで地磁気を測定することができる。

検出回路４０はコイル２１，２２の接続点Ｐに接続されている。検出回路４０はこの例では図２に示したように同期検波器４１とローパスフィルタ４２とよりなる。同期検波器４１は接続点Ｐの電圧を励磁電源３０の交流励磁電圧Ｖacを用いて同期検波する。ローパスフィルタ４２は同期検波器４１の出力を平滑化する。同期検波された電圧はローパスフィルタ４２を通過して出力Ｖｏとなる。

検出回路４０はこのようにして出力Ｖｏを得るものとなっている。出力Ｖｏは地磁気の大きさに対応（比例）するため、この出力Ｖｏにより地磁気を測定することができる。

上述したように、この例では従来のフラックスゲート型の地磁気センサと違い、コア１０が磁気飽和するまで励磁する必要はなく、言い換えればコア１０を磁気飽和させないものとなっている。従って、励磁電流（直流電流）は小さくてよく、また交流励磁電圧も小さい振幅でよく、これにより従来のフラックスゲート型の地磁気センサと比べ、消費電力を低減することができる。

図４はこの発明による地磁気センサの第２の実施例の機能構成をブロック図で示したものであり、この例では検出回路４０’はコイル２１，２２の接続点Ｐの電圧から直流成分を除去する直流遮断器４３と、直流遮断器４３の出力を全波整流する全波整流器４４と、全波整流器４４の出力を平滑化するローパスフィルタ４２によって構成されている。図２に示した検出回路４０に代え、このような検出回路４０’を採用することもできる。なお、全波整流器４４に代えて半波整流器を用いる構成としてもよい。

次に、この発明による地磁気センサの第３の実施例について説明する。図５は第３の実施例の構成概要を示したものであり、図６は第３の実施例の機能構成をブロック図で示したものである。

この例では図１及び図２に示した構成に対し、フィードバックコイル２３とフィードバック回路５０と読取抵抗器６０とが付加されたものとなっている。

フィードバックコイル２３はコア１０を磁気平衡させるべく、コア１０に巻回される。フィードバックコイル２３は図５に示したように、外部磁界（地磁気Ｍ）に対してフィードバックコイル２３が発生する磁束が平行になるように配置するのが望ましい。図５中、矢印ｃはフィードバックコイル２３が発生する磁束の向きを示す。

フィードバック回路５０は検出回路４０の後段に接続される。フィードバック回路５０は基準電圧を発生する基準電圧源５１と、検出回路４０の出力（ローパスフィルタ４２の出力）と基準電圧を加算する加算器５２と、加算器５２の出力を増幅してフィードバックコイル２３にフィードバック電流を流す増幅器５３とよりなる。

読取抵抗器６０はフィードバックコイル２３に流れるフィードバック電流を電圧に変換して出力する。

基準電圧源５１が発生する基準電圧は外部磁界が０の時にローパスフィルタ４２から出力される出力電圧を相殺して０Ｖとするように設定される。従って、外部磁界が０の時はフィードバック電流は０となり、フィードバックコイル２３に電流は流れない。読取抵抗器６０の出力は０Ｖとなる。

一方、地磁気Ｍが図５に示したように入力した場合、ローパスフィルタ４２の出力は第１の実施例で説明したように、外部磁界が０の時よりも小さくなる。従って、加算器５２の出力は負の電圧となる。これにより、フィードバックコイル２３に負のフィードバック電流が流れ、コア１０は地磁気Ｍに対して磁気平衡状態となる。フィードバック電流は読取抵抗器６０によって電圧に変換されて出力され、この読取抵抗器６０の出力により、この例では入力した地磁気を測定することができる。なお、検出回路４０は検出回路４０’としてもよい。

以上、この発明の実施例について説明したが、コア１０はトロイダルコアに限らず、他の形状のものであってもよく、例えば四角形状をなすコアであってもよい。また、直流電源３１に代えて直流定電流源を用いるようにしてもよい。

１０ コア ２１，２２ コイル
２３ フィードバックコイル ３０ 励磁電源
３１ 直流電源 ３２ 交流電源
３３ 直流遮断器 ４０，４０’ 検出回路
４１ 同期検波器 ４２ ローパスフィルタ
４３ 直流遮断器 ４４ 全波整流器
５０ フィードバック回路 ５１ 基準電圧源
５２ 加算器 ５３ 増幅器
６０ 読取抵抗器

Claims (5)

1. 閉磁路を構成するコアと、
   前記コアの互いに対向する位置に巻回され、前記コアに同じ周回方向に磁束を発生させるように直列接続された一対のコイルと、
   前記一対のコイルに直流電流を重畳した交流電流を印加する励磁電源と、
   前記一対のコイルの接続点に接続された検出回路とを備えることを特徴とする地磁気センサ。
2. 請求項１記載の地磁気センサにおいて、
   前記検出回路は、前記接続点の電圧を前記励磁電源の交流励磁電圧を用いて同期検波する同期検波器と、前記同期検波器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなることを特徴とする地磁気センサ。
3. 請求項１記載の地磁気センサにおいて、
   前記検出回路は、前記接続点の電圧の直流成分を除去する直流遮断器と、前記直流遮断器の出力を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなることを特徴とする地磁気センサ。
4. 請求項１記載の地磁気センサにおいて、
   前記検出回路は、前記接続点の電圧の直流成分を除去する直流遮断器と、前記直流遮断器の出力を半波整流する半波整流器と、前記半波整流器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなることを特徴とする地磁気センサ。
5. 請求項２乃至４記載のいずれかの地磁気センサにおいて、
   フィードバックコイルとフィードバック回路と読取抵抗器とが設けられ、
   前記フィードバックコイルは前記コアを磁気平衡させるべく、前記コアに巻回され、
   前記フィードバック回路は、基準電圧を発生する基準電圧源と、前記ローパスフィルタの出力と前記基準電圧を加算する加算器と、前記加算器の出力を増幅して前記フィードバックコイルにフィードバック電流を流す増幅器とよりなり、
   前記フィードバック電流は前記読取抵抗器によって電圧に変換されて出力されることを特徴とする地磁気センサ。

Images