JP5640874B2

JP5640874B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP5640874B2
Application number: JP2011085665A
Authority: JP
Inventors: 健二飯島
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP2012220321A

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平１１−２３６８３号公報特表２００９−５３５６１６号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
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。

本発明の磁気センサにおける二軸磁気センサ素子の説明図。図１で示した二軸磁気センサ素子のコアを示す平面図。図１で示した二軸磁気センサ素子のコアを示す斜視図。本発明の磁気センサにおける二軸磁気センサ素子の別実施例を示す説明図。本発明の磁気センサにおける一軸磁気センサ素子のコアを示す正面図。本発明の磁気センサの斜視図。本発明における一軸磁気センサの別の実施例を示す斜視図。従来の棒状コア型三軸磁気センサの一例を示す斜視図。従来のループ状コア型三軸磁気センサを示す斜視図。従来のループ状コア型三軸磁気センサの別の例を示す斜視図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
３ａＸ軸用検出コイル
３ｂＹ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）

Claims

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磁気センサ。
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にした請求項１に記載の磁気センサ。