JP5640874B2 - Magnetic sensor - Google Patents
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Description
本発明は、外部磁界を測定できるフラックスゲート型の磁気センサに関し、特に、直交するX軸、Y軸、Z軸の3軸方向の磁界を測定できるループ状コア型の三軸磁気センサに関する。 The present invention relates to a fluxgate type magnetic sensor capable of measuring an external magnetic field, and more particularly to a loop core type three-axis magnetic sensor capable of measuring magnetic fields in three axial directions of orthogonal X, Y, and Z axes.
フラックスゲート型磁気センサは、軟磁性材料からなるコアの飽和磁束密度の対称性を利用して磁束密度を計測するものとして知られている(例えば特許文献1、特許文献2参照)。
このような従来のフラックスゲート型磁気センサは、コアを励磁する励磁コイルと、コアに誘起する磁束密度の変化を検出する検出コイルとを備え、励磁コイルへ駆動電圧を印加することにより、コアを飽和磁束密度に達する領域まで磁束を励磁し、コアに誘起する磁束密度の変化を検出コイルから検出する。
A fluxgate type magnetic sensor is known as one that measures the magnetic flux density using the symmetry of the saturation magnetic flux density of a core made of a soft magnetic material (see, for example,
Such a conventional fluxgate type magnetic sensor includes an excitation coil that excites the core and a detection coil that detects a change in magnetic flux density induced in the core. By applying a drive voltage to the excitation coil, the core is detected. A magnetic flux is excited to a region reaching the saturation magnetic flux density, and a change in magnetic flux density induced in the core is detected from the detection coil.
すなわち、コアに励磁磁界以外の外部磁界が印加されていない状態では、誘起する磁束密度は対称である。一方、コアに外部磁界が印加されると、励磁磁界に外部磁界が加算されるため、コアに加わる磁界に偏りが生じて磁束密度が非対称となる。この磁束密度を検出コイルで検出することにより外部磁界を計測するようにしている。 That is, in the state where an external magnetic field other than the excitation magnetic field is not applied to the core, the induced magnetic flux density is symmetric. On the other hand, when an external magnetic field is applied to the core, the external magnetic field is added to the excitation magnetic field, so that the magnetic field applied to the core is biased and the magnetic flux density becomes asymmetric. An external magnetic field is measured by detecting this magnetic flux density with a detection coil.
水平な面内で直交するX軸、Y軸と、この水平面に垂直なZ軸の3つの方向の検出コイルを有するフラックスゲート型三軸磁気センサとして、例えば図8に示すような、コアを棒状にした磁気センサと、図9,10に示すような、コアを閉磁路形のループ状とした磁気センサとが知られている。 As a fluxgate type triaxial magnetic sensor having a detection coil in three directions of an X axis and a Y axis perpendicular to each other in a horizontal plane and a Z axis perpendicular to the horizontal plane, the core is formed in a rod shape as shown in FIG. There are known a magnetic sensor and a magnetic sensor whose core is a closed magnetic circuit loop as shown in FIGS.
図8の棒状コア型三軸磁気センサは、立方体のケース10に、励磁コイル並びに検出コイル(図面では省略されている)を巻回した2本一組の棒状コア11,12,13をX,Y,Z方向に組み込んで構成されている。
The rod-shaped core type three-axis magnetic sensor of FIG. 8 includes a pair of rod-
図9のループ状コア型三軸磁気センサは、励磁コイル(図示省略)を全周に巻回したループ状コア14を方形状のケース15に収納し、このケース15の周面に検出コイル16を一方向に巻回して構成した3つの一軸磁気センサ素子17を、それぞれの検出コイルの巻回軸芯がX,Y,Z方向に向くように配置して構成されている。
また、図10に示すループ状コア型三軸磁気センサは、上記図8で示した一軸磁気センサ素子17と、ループ状コア14を内蔵するケース15の周面に互いに交差する2軸方向の検出コイル18,19を巻回した二軸磁気センサ素子20とを形成し、それぞれの検出コイルの巻回軸芯がX,Y,Z方向に向くように配置してある。
The loop-shaped core type three-axis magnetic sensor of FIG. 9 houses a loop-
Further, the loop-shaped core type triaxial magnetic sensor shown in FIG. 10 is detected in the biaxial direction intersecting with the peripheral surface of the
磁気センサによる外部磁界の検出感度を高くするには、励磁コイルを巻回するコアの磁路を長くすることが一つの条件となる。しかし、棒状コアでは、長い磁路を得るためにその全長を長くすると磁気センサ全体が大型化するため、小型化が要求される磁気センサでは検出感度の向上に限界があった。 In order to increase the detection sensitivity of the external magnetic field by the magnetic sensor, one condition is to lengthen the magnetic path of the core around which the exciting coil is wound. However, in the case of a rod-shaped core, if the entire length of the rod-shaped core is increased in order to obtain a long magnetic path, the entire magnetic sensor increases in size. Therefore, there is a limit to improvement in detection sensitivity in a magnetic sensor that is required to be downsized.
これに対し、ループ状コアでは、コアを閉磁路状のループとし、かつ、その全周に励磁コイルを巻回することができるために、棒状コアに比較して小型で高感度の磁気センサを形成することができる。
しかし、図示したループ状コア型三軸磁気センサでは、それぞれの一軸磁気センサ素子もしくは二軸磁気センサ素子が高感度であっても、各一軸磁気センサ素子、もしくは一軸磁気センサ素子と二軸磁気センサ素子の検出軸の中心点が離れているので、各磁気センサ素子における外部磁界の計測ポイントが一致せず、結果として高精度で感度の高い磁気センサが得られない、といった問題点があった。
On the other hand, in the loop-shaped core, since the core is a closed magnetic circuit-shaped loop and an excitation coil can be wound around the entire circumference of the loop-shaped core, a magnetic sensor having a small size and high sensitivity compared to the rod-shaped core can be obtained. Can be formed.
However, in the illustrated loop core type triaxial magnetic sensor, each uniaxial magnetic sensor element, or uniaxial magnetic sensor element and biaxial magnetic sensor, even if each uniaxial magnetic sensor element or biaxial magnetic sensor element is highly sensitive. Since the center points of the detection axes of the elements are separated, the measurement points of the external magnetic field in each magnetic sensor element do not coincide with each other, and as a result, a highly accurate and highly sensitive magnetic sensor cannot be obtained.
そこで、本発明は、このような課題を解決し、精度のよい高感度の三軸磁気センサをコンパクトな構成で提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve such problems and provide a highly sensitive and highly sensitive three-axis magnetic sensor with a compact configuration.
上記目的を達成するために本発明では次のような技術的手段を講じた。すなわち、本発明の磁気センサは、二軸磁気センサ素子と一軸磁気センサ素子とからなり、二軸磁気センサ素子は、励磁コイルを巻回した磁性体製のリング状コアと、平面上で直交する2軸方向の磁界を検出する検出コイルを備え、一軸磁気センサ素子は、長円状の形態で形成され、励磁コイルを巻回した磁性体製のリング状コアと、このリング状コアを内蔵するケースとを備え、該ケースの外周面でリング状コアの軸芯に対して直交する面に1軸方向の磁界を検出する検出コイルが巻回されており、この一軸磁気センサ素子の検出コイルの巻回軸芯を二軸磁気センサ素子のリング状コアの軸芯と一致するように、一軸磁気センサ素子を二軸磁気センサ素子のリング状コアの中心部に配置させたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention takes the following technical means. That is, the magnetic sensor of the present invention comprises a biaxial magnetic sensor element and a uniaxial magnetic sensor element, and the biaxial magnetic sensor element is orthogonal to the ring-shaped core made of a magnetic material around which an exciting coil is wound. A uniaxial magnetic sensor element having a detection coil for detecting a magnetic field in a biaxial direction is formed in an oval shape , and includes a ring-shaped core made of a magnetic material around which an excitation coil is wound, and this ring-shaped core is built in A detection coil for detecting a magnetic field in a uniaxial direction is wound on a surface orthogonal to the axial center of the ring-shaped core on the outer peripheral surface of the case, and the detection coil of the uniaxial magnetic sensor element is wound around the detection coil. The uniaxial magnetic sensor element is arranged at the center of the ring core of the biaxial magnetic sensor element so that the winding axis coincides with the axis of the ring core of the biaxial magnetic sensor element It is.
本発明によれば、一軸磁気センサ素子の検出コイルの巻回軸芯を二軸磁気センサ素子のリング状コアの軸芯と一致するように、一軸磁気センサ素子を二軸磁気センサ素子のリング状コアの中心部に配置させたので、各磁気センサ素子における3方向の検出コイルの計測中心を一致させることができ、これにより、計測される外部磁界の計測位置をピンポイントで正しく測定できて、高精度で感度の高い三軸磁気センサを得ることができる。 According to the present invention, the uniaxial magnetic sensor element is arranged in the ring shape of the biaxial magnetic sensor element so that the winding axis of the detection coil of the uniaxial magnetic sensor element coincides with the axial center of the ring shaped core of the biaxial magnetic sensor element. Since it is arranged at the center of the core, the measurement centers of the three-direction detection coils in each magnetic sensor element can be made to coincide with each other, so that the measurement position of the external magnetic field to be measured can be correctly measured at a pinpoint, A highly accurate and highly sensitive three-axis magnetic sensor can be obtained.
また、一軸磁気センサ素子のリング状コアを長円状の形態で形成しているので、真円状のコアに比べて磁路をより長く形成することができて、外部磁界のZ軸方向の検出感度をさらに高めることができる。In addition, since the ring-shaped core of the uniaxial magnetic sensor element is formed in an oval shape, the magnetic path can be formed longer than the perfect circular core, and the external magnetic field in the Z-axis direction can be formed. The detection sensitivity can be further increased.
上記発明において、二軸磁気センサ素子の検出コイルは、四方に対応して4つに分断され、かつ、そのうちの対をなす二つの検出コイルどうしが互いに逆向きとなるように巻回され、平面上で直交する2軸方向の磁界を検出するような構成とするのがよい。In the above invention, the detection coil of the biaxial magnetic sensor element is divided into four corresponding to four directions, and two detection coils forming a pair of them are wound so that they are opposite to each other. It is preferable to adopt a configuration that detects magnetic fields in two axial directions orthogonal to each other.
これにより、一つのリング状コアで平面的に直交する2軸方向の磁界を高感度で検出することが可能な検出コイルを形成することができる。Thereby, the detection coil which can detect the magnetic field of the biaxial direction orthogonal to planarly by one ring-shaped core with high sensitivity can be formed.
以下において、本発明にかかる磁気センサを、図1〜6に基づいて詳細に説明する。
本発明の磁気センサは、図1〜3で示す二軸磁気センサ素子Aと、図5,6で示す一軸磁気センサ素子Bとから構成される。
二軸磁気センサ素子Aは、磁性体からなるリング状コア1を備え、このコア1の全周面に励磁コイル2が巻回されており、さらに、コア周面には絶縁皮膜を介して検出コイル3が巻回されている。なお、図1では励磁コイル2の図示を省略した。
Below, the magnetic sensor concerning this invention is demonstrated in detail based on FIGS.
The magnetic sensor of the present invention includes a biaxial magnetic sensor element A shown in FIGS. 1 to 3 and a uniaxial magnetic sensor element B shown in FIGS.
The biaxial magnetic sensor element A includes a ring-
検出コイル3は四方に4分断され、かつ、そのうちの対をなす二つの検出コイル3a,3a並びに3b,3bどうしを互いに逆向きに巻回して接続することにより、一方の検出コイル3a,3aをX軸用検出コイルとして、他方の検出コイル3b,3bをY軸用検出コイルとして形成されている。
The
一軸磁気センサ素子Bは、図5及び図6で示すように、励磁コイル5を全周に巻回した磁性体からなるリング状コア6と、このリング状コア6を内蔵するケース7とを備えている。本実施例では、リング状コア6は長円状の形態で形成されている。また、ケース7の外周面でリング状コア6の軸芯に対して直交する面に検出コイル8が巻回されている。
そして、この一軸磁気センサ素子Bの検出コイル8の巻回軸芯を二軸磁気センサ素子Aのリング状コア1の軸芯に一致するように、一軸磁気センサ素子Bを二軸磁気センサ素子Aの中心に配置することにより、一軸磁気センサ素子Bの検出コイル8がZ軸用検出コイルとして形成されている。
As shown in FIGS. 5 and 6, the uniaxial magnetic sensor element B includes a ring-
Then, the uniaxial magnetic sensor element B is changed to the biaxial magnetic sensor element A so that the winding axis of the
以上の構成において、二軸磁気センサ素子Aの励磁コイル2並びに、一軸磁気センサ素子Bの励磁コイル5に交流電流を流すと、二軸磁気センサ素子Aでは、リング状コア1が励磁され、X軸用の検出コイル3a,3aの内部、並びに、Y軸用の検出コイル3b,3bの内部に交流磁束が生じる。コア1に励磁磁界以外の外部磁界が印加されていない状態では、誘起する磁束密度も対称であるが、コアに外部磁界が印加されると、励磁磁界に外部磁界が加算されるため、コア1に加わる磁界に偏りが生じて磁束密度が非対称となる。この磁束密度の変化を検出コイル3a、3a並びに検出コイル3b、3bで検出することにより、水平面上で互いに直交するX軸、Y軸の2軸方向の外部磁界を検出することができる。
In the above configuration, when an alternating current is passed through the
また、一軸磁気センサ素子Bでは、励磁コイル5に交流電流を流すことによって、リング状コア6が励磁され、Z軸用検出コイル8の内部に交流磁束が生じる。これにより、上記同様の原理によりコア6に加わる磁界に偏りが生じて磁束密度が非対称となる。この磁束密度の変化を検出コイル8で検出することにより垂直なZ軸方向の外部磁界を計測することができる。
Further, in the uniaxial magnetic sensor element B, by passing an alternating current through the
本実施例では、一軸磁気センサ素子Bの検出コイル8の巻回軸芯を二軸磁気センサ素子Aのリング状コア1の軸芯と一致するように、一軸磁気センサ素子Bを二軸磁気センサ素子Aのリング状コア1の中心部に配置させてあるので、各磁気センサ素子におけるX軸用検出コイル3a,3a、Y軸用検出コイル3b,3b並びにZ軸用検出コイル8の計測中心が一致し、これにより、計測される外部磁界の計測位置を正しく確定でき、高精度で感度の高い三軸磁気センサを得ることができる。
In the present embodiment, the uniaxial magnetic sensor element B is a biaxial magnetic sensor so that the winding axis of the
また、本実施例では、一軸磁気センサ素子Bのリング状コア6を長円状の形態としたので、真円状のコアに比べて同じ横幅(真円状コアの直径幅と長円状コアの短径方向の幅をいう)とした場合、検出に有効な磁路をより長く形成することができ、これにより外部磁界のZ軸方向の検出感度をさらに高めることができる。
Further, in this embodiment, the ring-shaped
なお、本発明では、図4に示すように、二軸磁気センサ素子Aを、励磁コイルを巻回したコア1がケース4に収納され、このケース4の外周面に検出コイル3が先の実施例同様に巻回されているような構成としてもよい。
In the present invention, as shown in FIG. 4, the
また、本発明では、一軸磁気センサ素子Bを図7に示すような構成とすることもできる。この実施例では、一軸磁気センサ素子Bは、二軸磁気センサ素子Aと同じように、励磁コイルを巻回したリング状コア6の外周面をリング状の絶縁ケース7’で覆い、そのリング状絶縁ケース7’の外周面でリング状コア6の軸芯に対して直交する左右両部に、Z軸方向の外部磁界を検出するZ軸用検出コイル8a,8aを巻回して構成されている。
In the present invention, the uniaxial magnetic sensor element B may be configured as shown in FIG. In this embodiment, the uniaxial magnetic sensor element B, like the biaxial magnetic sensor element A, covers the outer peripheral surface of the ring-shaped
以上本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものでない。例えば、一軸磁気センサ素子Bのリング状コア6を、図示した長円状の形態に代えて真円状の形態としてもよい。その他本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。
While typical examples of the present invention have been described above, the present invention is not necessarily limited to the above embodiments. For example, the ring-shaped
本発明の磁気センサは、水平なX軸、Y軸の2軸方向の磁界と、垂直なZ軸方向の磁界を測定できるループ状コア型の三軸磁気センサに利用することができる。 The magnetic sensor of the present invention can be used as a loop-shaped core type three-axis magnetic sensor capable of measuring a magnetic field in the biaxial direction of the horizontal X-axis and the Y-axis and a magnetic field in the vertical Z-axis direction.
A 二軸磁気センサ素子
B 一軸磁気センサ素子
1 二軸磁気センサ素子のリング状コア
2 励磁コイル
3 検出コイル
3a X軸用検出コイル
3b Y軸用検出コイル
4 ケース
5 励磁コイル
6 一軸磁気センサ素子のリング状コア
7 ケース
8 検出コイル(Z軸用検出コイル)
A Biaxial magnetic sensor element B Uniaxial
Claims (2)
二軸磁気センサ素子は、励磁コイルを巻回した磁性体製のリング状コアと、平面上で直交する2軸方向の磁界を検出する検出コイルを備え、
一軸磁気センサ素子は、長円状の形態で形成され、励磁コイルを巻回した磁性体製のリング状コアと、このリング状コアを内蔵するケースとを備え、該ケースの外周面でリング状コアの軸芯に対して直交する面に1軸方向の磁界を検出する検出コイルが巻回されており、
この一軸磁気センサ素子の検出コイルの巻回軸芯を二軸磁気センサ素子のリング状コアの軸芯と一致するように、一軸磁気センサ素子を二軸磁気センサ素子のリング状コアの中心部に配置させたことを特徴とする磁気センサ。 It consists of a biaxial magnetic sensor element and a uniaxial magnetic sensor element,
The biaxial magnetic sensor element includes a ring-shaped core made of a magnetic material around which an exciting coil is wound, and a detection coil that detects a magnetic field in a biaxial direction perpendicular to the plane.
The uniaxial magnetic sensor element is formed in an oval shape, and includes a magnetic ring-shaped core around which an exciting coil is wound, and a case containing the ring-shaped core. A detection coil for detecting a magnetic field in one axial direction is wound on a surface orthogonal to the axis of the core,
Place the uniaxial magnetic sensor element in the center of the ring-shaped core of the biaxial magnetic sensor element so that the winding axis of the detection coil of the uniaxial magnetic sensor element matches the axis of the ring-shaped core of the biaxial magnetic sensor element. A magnetic sensor characterized by being arranged.
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