JPH09292449A - 磁気探知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気センサに接続された抵抗のバラツキが精
度に影響しないような構造を持ち、しかも小型化や低価
格化が容易な磁気探知装置を提供する。 【解決手段】 本発明に係る磁気探知装置は、磁性体に
コイルが巻かれてなる磁気センサを時定数決定素子の一
部として用いた発振回路を備え、上記発振回路から出力
される発振電圧の発振周期の変化によって外部磁界の強
さを検出する磁気探知装置であって、磁気センサに流れ
る電流の方向を反転させるバイラテラル・スイッチを備
えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁性体にコイルが
巻かれてなる磁気センサを備えた磁気探知装置に関し、
特に、簡単な構造で高精度化を図った新規な磁気探知装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】外部磁界を探知する磁気探知装置は、磁
場の検出器や測定器などの計測用から始まり、近年で
は、磁気式スイッチ、磁気式ロータリ・エンコーダ、地
磁気センサなど民生用に広く使用されている。

【０００３】このような磁気探知装置としては、従来、
ホール素子を用いた磁気探知装置や、フラックスゲート
センサを用いた磁気探知装置や、磁気抵抗効果素子を用
いた磁気探知装置などがあったが、最近になり、より高
感度な磁気探知装置として、マグネトロ・インダクタン
ス素子（以下、ＭＩ素子と称する。）を用いた磁気探知
装置が実用化されている。

【０００４】ＭＩ素子は、外部磁界の強さを検出する磁
気センサとして機能する素子であり、細長い磁性体と、
この磁性体の長手方向に巻回されたコイルとから構成さ
れる。ここで、磁性体には、数ガウス程度の微弱磁界で
急峻な透磁率変化を示す角形特性の優れた磁性材料を用
いる。このＭＩ素子では、外部磁界の変化に応じて、磁
性体の透磁率が変化し、その結果、コイルのインダクタ
ンスが大きく変化する。したがって、ＭＩ素子では、イ
ンダクタンスの変化を検出することにより、外部磁界を
検出することができる。

【０００５】このようなＭＩ素子からなる磁気センサを
用いた磁気探知装置の一例を図１２に示す。図１２に示
すように、この磁気探知装置は、上述のようなＭＩ素子
からなる磁気センサ１００と、発振電圧を出力するシュ
ミットトリガ回路１０１と、磁気センサ１００の一方の
端子Ｃ１に接続された抵抗１０２と、磁気センサ１００
の他方の端子Ｃ２に接続された抵抗１０３と、磁気セン
サ１００の端子Ｃ１，Ｃ２のいずれか一方を交互にシュ
ミットトリガ回路１０１の入力に接続する一対のスイッ
チ１０４，１０５と、ＤＣ電位に接続された一対のＡＮ
Ｄゲート１０６，１０７とを備えている。

【０００６】上記磁気探知装置では、外部磁界の変化に
応じて、磁気センサ１００のインダクタンスが変化し、
これにより、シュミットトリガ回路１０１からの発振電
圧の発振周期が変化する。そこで、この磁気探知装置で
は、シュミットトリガ回路１０１からの発振電圧の発振
周期を測定することにより、外部磁界の強さを検出す
る。

【０００７】ところで、上記磁気探知装置で、実際に外
部磁界を検出する際には、磁気センサ１００に流れる直
流バイアス電流の向きを、一対のスイッチ１０４と一対
のＡＮＤゲート１０５により短時間で切り換え、各々の
状態における発振電圧の発振周期を測定し、それらの差
を求める。このように、磁気センサ１００に供給される
直流バイアス電流の向きを切り換えることにより、外部
磁界の方向を検出することが可能になるとともに、温度
ドリフトや時間ドリフトをキャンセルして高精度に外部
磁界を検出することが可能となる。

【０００８】図１３に、一方のＡＮＤゲート１０６への
入力を‘Ｈ’にし、他方のＡＮＤゲート１０７への入力
を‘Ｌ’にしたときの等価回路図を示す。このとき、磁
気センサ１００に供給される電流は、図１３中矢印Ａ１
に示すように、端子Ｃ１から端子Ｃ２へと流れる。この
ように、一方のＡＮＤゲート１０６への入力を‘Ｈ’に
し、他方のＡＮＤゲート１０７への入力を‘Ｌ’にした
とき、ＡＮＤゲート１０６は、励振及び緩衝増幅を行う
バッファとして働き、磁気探知装置は全体として、外部
磁界の大きさに応じて発振電圧の発振周期が変化する無
安定マルチバイブレータ回路として動作する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記磁気探
知センサにおいて、図１３に示したように電流を流した
とき、磁気センサ１００に流れる電流量は、シュミット
トリガ回路１０１への入力電圧と、磁気センサ１００に
接続された一方の抵抗１０３の抵抗値とによって決定す
る。また、電流の向きを切り換えたとき、磁気センサ１
００に流れる電流量は、シュミットトリガ回路１０１へ
の入力電圧と、磁気センサ１００に接続された他方の抵
抗１０２の抵抗値とによって決定する。したがって、こ
の磁気探知装置では、磁気センサ１００に接続された一
方の抵抗１０３の抵抗値と、磁気センサ１００に接続さ
れた他方の抵抗１０２の抵抗値とにバラツキがあると、
電流の向きによって測定値にバラツキが生じてしまい、
磁界検出精度が低下してしまう。

【００１０】また、上述のように、ＡＮＤゲート１０
６，１０７によって電流の流れを制御する磁気探知装置
では、特に複数の磁気センサを設けようとしたときに、
構成が非常に複雑になってしまい、小型化や低価格化を
図ることが難しくなる。すなわち、上述のような磁気探
知装置では、例えば外部磁界の３次元方向を検出するた
めに、互いに直交する３つの磁気センサを設けたときな
どに、特に小型化や低価格化を図ることが難しくなって
しまう。

【００１１】以上のように、従来の磁気探知装置では、
磁気センサに接続された抵抗のバラツキにより精度が低
下してしまうという問題があり、また、小型化や低価格
化が難しいという問題もあった。

【００１２】本発明は、このような従来の実情を鑑みて
提案されたものであり、磁気センサに接続された抵抗の
バラツキが精度に影響しないような構造を持ち、しかも
小型化や低価格化が容易な磁気探知装置を提供すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに完成された本発明に係る磁気探知装置は、磁性体に
コイルが巻かれてなる磁気センサを時定数決定素子の一
部として用いた発振回路を備え、上記発振回路から出力
される発振電圧の発振周期の変化によって外部磁界の強
さを検出する磁気探知装置であって、上記磁気センサに
流れる電流の方向を反転させるバイラテラル・スイッチ
を備えていることを特徴とするものである。

【００１４】上記磁気探知装置において、発振回路は、
例えば、無安定マルチバイブレータ回路として動作する
ようにする。このとき、無安定マルチバイブレータ回路
は、例えば、シュミットトリガ回路を用いて構成する。

【００１５】また、上記磁気探知装置において、発振回
路の発振周期は、例えば、磁気センサのインダクタンス
と、磁気センサに直列接続された抵抗の抵抗値とによっ
て定まる時定数により決定されるようにする。

【００１６】また、上記磁気探知装置において、磁気セ
ンサのコイルに流れる発振電流の振幅は、磁気センサの
インダクタンスが急峻な変化を示す範囲を包括するよう
に設定することが好ましい。また、磁気センサのコイル
に流れる発振電流は、直流バイアス電流成分を含んでい
ることが好ましい。

【００１７】また、上記磁気探知装置において、磁気セ
ンサは、複数備えていてもよい。

【００１８】以上のような本発明に係る磁気探知装置で
は、バイラテラル・スイッチによって磁気センサに流れ
る電流の方向を反転させる。したがって、この磁気探知
装置では、電流の向きに関わらず、磁気センサには同じ
電流が供給される。また、この磁気探知装置では、バイ
ラテラル・スイッチによって磁気センサに流れる電流の
方向を反転させるので、複数のＡＮＤゲートや複数の抵
抗等を備える必要が無く、構成を簡単なものとすること
ができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。なお、本発明は以下の例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である
ことは言うまでもない。

【００２０】まず、本発明を適用した磁気探知装置に用
いられる磁気センサの一例について説明する。

【００２１】図１に示すように、本実施の形態において
使用される磁気センサ１は、リボン状やワイヤー状に形
成された細長いアモルファス等からなる磁性体２と、こ
の磁性体２の長手方向に巻回された銅線等からなるコイ
ル３とから構成され、コイル３の両端から一対の端子
４，５が導出される。ここで、磁性体２には、数ガウス
程度の微弱な磁界で急峻な透磁率変化を示す角形特性に
優れた磁性材料を用いる。

【００２２】上記磁気センサ１を用いて外部磁界Ｈｅｘ
を検出するときの原理について、図２を参照しながら説
明する。この図２は、交流バイアス電流ｉ１、又は交流
バイアス電流ｉ１を反転させた交流バイアス電流ｉ２
を、磁気センサ１に供給したときの状態について、磁気
センサ１のインダクタンスＬの変化と対応させて示した
ものである。

【００２３】磁気センサ１を用いて外部磁界Ｈｅｘを検
出する際は、コイル３に直流バイアス電流成分を含んだ
交流バイアス電流ｉ１を流すことにより、磁気センサ１
を長手方向に磁化して、磁気センサ１の長手方向に直流
バイアス磁界成分を含んだ交流バイアス磁界を発生させ
る。ここで、コイル３に供給する交流バイアス電流ｉ１
は、外部磁界Ｈｅｘが加わって交流バイアス磁界がシフ
トしたとしても、交流バイアス磁界が、磁気センサ１の
インダクタンスＬが急峻な変化を示す範囲を包括するよ
うに設定する。

【００２４】そして、外部磁界Ｈｅｘ＝０のときに、磁
気センサ１のコイル３に流れる電流がＩａからＩｂまで
変化するように交流バイアス電流ｉ１を供給すると、磁
気センサ１のインダクタンスＬはＬｍａｘからＬｍｉｎ
に変化する。そして、磁気センサ１に印加される電圧の
変化が一定であるならば、交流バイアス電流ｉ１の立ち
上がり時間ｔ１は、ファラデーの法則によって下記式
（１−１）のように表される。

【００２５】

【数１】

【００２６】一方、外部磁界Ｈｅｘが加わると、磁気セ
ンサ１に流れる電流は、外部磁界Ｈｅｘ分だけシフトし
て、例えば、Ｉａ＋ＩｅｘからＩｂ＋Ｉｅｘまで変化す
るようになる。このとき、交流バイアス電流ｉ１は、Ｉ
ｅｘの分だけシフトすると共に、その応答波形に変化が
生じる。そして、交流バイアス電流ｉ１の応答波形が変
化し、例えば、交流バイアス電流ｉ１の立ち上がり時間
ｔ１が、下記式（１−２）で表されるシフト時間Δｔ１
だけ変化することとなる。

【００２７】

【数２】

【００２８】このように、交流バイアス電流ｉ１の立ち
上がり時間ｔ１は、外部磁界Ｈｅｘの変化に応じて変化
する。したがって、この磁気センサ１では、交流バイア
ス電流ｉ１の立ち上がり時間ｔ１のシフト量を検出する
ことにより、外部磁界Ｈｅｘの変化を検出することがで
きる。

【００２９】なお、この磁気センサ１では、交流バイア
ス電流ｉ１が、外部磁界Ｈｅｘ分だけ電流値がシフトし
てもインダクタンスＬが急峻な変化を示す範囲を包括す
るように設定する。これにより、上記式（１−２）から
明らかなように、外部磁界Ｈｅｘの変化に応じて、シフ
ト時間Δｔ１は、ほぼ直線的に変化することとなる。

【００３０】したがって、この磁気センサ１は、外部磁
界検出時のリニアリティが優れたものとなり、磁界検出
用のセンサとして非常に好適に動作する。また、この磁
気センサ１では、外部磁界Ｈｅｘの検出に、インダクタ
ンスＬの急峻な変化、すなわちＬｍａｘからＬｍｉｎに
至る大きな変化を、常に利用することとなるので、非常
に高い感度が得られる。

【００３１】つぎに、交流バイアス電流ｉ１を反転させ
た交流バイアス電流ｉ２を磁気センサ１に供給したとき
の動作について説明する。

【００３２】ここでは、図２に示すように、磁気センサ
１に流れる電流を反転させて、外部磁界Ｈｅｘ＝０のと
きに磁気センサ１に流れる電流が−Ｉａから−Ｉｂまで
変化するように、磁気センサ１に交流バイアス電流ｉ２
を供給する。このときも、磁気センサ１のインダクタン
スＬは、ＬｍａｘからＬｍｉｎへ変化する。そして、磁
気センサ１に印加される電圧の変化が一定であるなら
ば、交流バイアス電流ｉ２の立ち上がり時間ｔ２は、フ
ァラデーの法則によって下記式（１−３）のように表さ
れ、上述の立ち上がり時間ｔ１と同じとなる。

【００３３】

【数３】

【００３４】一方、このように交流バイアス電流ｉ２を
供給しているときに、外部磁界Ｈｅｘが加わると、磁気
センサ１に流れる電流は、外部磁界Ｈｅｘ分だけシフト
して、例えば、−Ｉａ＋Ｉｅｘから−Ｉｂ＋Ｉｅｘまで
変化するようになる。このとき、交流バイアス電流ｉ２
は、Ｉｅｘの分だけシフトすると共に、その応答波形に
変化が生じる。そして、交流バイアス電流ｉ２の応答波
形が変化して、例えば、交流バイアス電流ｉ２の立ち上
がり時間ｔ２が、下記式（１−４）で表されるシフト時
間Δｔ２だけ変化することとなる。

【００３５】

【数４】

【００３６】このように、交流バイアス電流ｉ１を反転
させた交流バイアス電流ｉ２を流したときも、交流バイ
アス電流ｉ２の立ち上がり時間ｔ２は、外部磁界Ｈｅｘ
の変化に応じて変化する。そして、このシフト時間Δｔ
２は、上述のシフト時間Δｔ１と符号が逆で同じ大きさ
となっている。すなわち、シフト時間Δｔ１とシフト時
間Δｔ２とは、差動の関係にある。

【００３７】そこで、順方向に電流を流したときの立ち
上がり時間ｔ１＋Δｔ１と、逆方向に電流を流したとき
の立ち上がり時間ｔ２＋Δｔ２とを測定し、これらの差
動を取ることにより、外部磁界Ｈｅｘの変化に応じた信
号を、一定の方向にだけ電流を流したときに比べて、約
２倍の出力として取り出すことができる。

【００３８】また、順方向に電流を流したときの立ち上
がり時間ｔ１＋Δｔ１と、逆方向に電流を流したときの
立ち上がり時間ｔ２＋Δｔ２との差動を取ると、外部磁
界Ｈｅｘ＝０のときには、交流バイアス電流の立ち上が
り時間が互いにキャンセルされる。したがって、外部磁
界Ｈｅｘがない状態である０点を容易に認識することが
できる。

【００３９】さらに、磁気センサ１は温度等によってイ
ンダクタンスＬの大きさが変化して交流バイアス電流の
立ち上がり時間に変化が生じるが、交流バイアス電流の
方向を短時間で反転させることにより、このような温度
ドリフトや時間ドリフト等の影響を互いにキャンセルす
ることができる。したがって、この磁気センサでは、温
度ドリフトや時間ドリフト等の影響を受けることなく、
高精度に外部磁界Ｈｅｘを検出することができる。

【００４０】つぎに、以上のような磁気センサを用いた
磁気探知装置の一構成例について、具体的に説明する。

【００４１】この磁気探知装置は、図３に示すように、
上述のような磁気センサ１０と、磁気センサ１０に流れ
る電流の方向を反転させるためのバイラテラル・スイッ
チ１１と、バイラテラル・スイッチ１１に接続された抵
抗１２と、磁気センサ１０の両端から導出された配線に
接続されたシュミットトリガ回路１３とを備えており、
これらにより、無安定マルチバイブレータ回路として動
作する発振回路が構成されている。

【００４２】ここで、磁気センサ１０は、上述したよう
に、リボン状やワイヤー状に形成された細長いアモルフ
ァス等からなる磁性体と、この磁性体の長手方向に巻回
された銅線等からなるコイルとから構成される。そし
て、この磁気センサ１０は、スイッチＳＷ１、スイッチ
ＳＷ２、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ４を備えたバ
イラテラル・スイッチ１１内に配されており、磁気セン
サ１０に流れる電流の方向は、このバイラテラル・スイ
ッチ１１によって反転させることができるようになって
いる。このバイラテラル・スイッチ１１に接続された抵
抗１２の一端は、バイラテラル・スイッチ１１を介して
磁気センサ１０に対して直列に接続されており、この抵
抗１２の他端は、接地されている。

【００４３】また、シュミットトリガ回路１３は、入力
電圧に応じて出力電圧を繰り返し反転させて、方形波発
振電圧Ｖ０を出力する。すなわち、シュミットトリガ回
路１３は、入力電圧が立ち上がってシュミット電圧Ｖｓ
Ｈに達したら、出力電圧を反転させて出力し、同様に、
入力電圧が立ち下がってシュミット電圧ＶｓＬに達した
ら出力電圧を反転させて出力し、これらの結果として、
方形波発振電圧Ｖ０を出力する。

【００４４】このように、シュミットトリガ回路１３か
ら方形波発振電圧Ｖ０を出力することにより、上記磁気
探知装置は、無安定マルチバイブレータ回路として動作
する。ここで無安定マルチバイブレータ回路の時定数
は、磁気センサ１０のインダクタンスＬと、抵抗１２の
抵抗値Ｒとにより定まる。すなわち、上記磁気探知装置
において、磁気センサ１０及び抵抗１２は、無安定マル
チバイブレータ回路の時定数決定素子となっている。

【００４５】そして、無安定マルチバイブレータ回路の
発振周期は時定数によって決まるので、この無安定マル
チバイブレータ回路の発振周期は、磁気センサ１０のイ
ンダクタンスＬと、磁気センサ１０に直列接続された抵
抗１２の抵抗値Ｒとにより決定する。

【００４６】ここで、磁気センサ１０のインダクタンス
Ｌは、外部磁界Ｈｅｘの変化に応じて変化する。したが
って、この無安定マルチバイブレータ回路の発振周期
は、外部磁界Ｈｅｘの変化に応じて変化する。そこで、
この磁気探知装置では、この無安定マルチバイブレータ
回路の発振周期、すなわちシュミットトリガ回路１３か
らの方形波発振電圧Ｖ０の発振周期を測定することによ
り、外部磁界の強さを検出する。

【００４７】上記磁気探知装置の動作について、バイラ
テラル・スイッチ１３によって磁気センサ１０に対して
一定の方向に電流が流れるようにしたときの電圧波形の
タイムチャートである図４を参照しながら説明する。こ
こで、図４（ａ）は、シュミットトリガ回路１３から出
力される方形波発振電圧Ｖ０のタイムチャートを示して
おり、図４（ｂ）は、磁気センサ１０に生じる電圧、す
なわちシュミットトリガ回路１３へ入力する電圧Ｖｒの
タイムチャートを示している。

【００４８】図４（ａ）に示すように、先ず、シュミッ
トトリガ回路１３から、所定の直流バイアス成分を含む
電圧Ｖ１が磁気センサ１０に供給され、これにより、磁
気センサ１０と抵抗１２とからなる積分回路に流れる電
流が立ち上がる。ここで、磁気センサ１０に供給される
電圧は直流バイアス成分を含んでいるので、磁気センサ
１０に流れる電流は、直流バイアス電流成分を含んでい
る。このとき、図４（ｂ）に示すように、磁気センサ１
０に生じる電圧、すなわちシュミットトリガ回路１３へ
入力する電圧Ｖｒ１の波形は、シュミットトリガ回路１
３から出力された電圧Ｖ１に対して、立ち上がり時に遅
延が生じた波形となる。この電圧Ｖｒ１の波形は、磁気
センサ１０に流れる電流の応答波形に対応するものであ
り、したがって、この電圧Ｖｒ１の立ち上がり時の遅延
は、磁気センサ１０に加わる外部磁界Ｈｅｘの大きさに
応じて変化する。そして、シュミットトリガ回路１３
は、入力が立ち上がって所定のシュミット電圧ＶｓＨに
達したら、図４（ａ）に示すように、出力を反転する。

【００４９】これにより、シュミットトリガ回路１３か
ら、元の電圧Ｖ１を反転させた電圧Ｖ２が磁気センサ１
０に供給され、これにより、磁気センサ１０と抵抗１２
とからなる積分回路に流れる電流が立ち下がる。このと
き、図４（ｂ）に示すように、磁気センサ１０に生じる
電圧、すなわちシュミットトリガ回路１３へ入力する電
圧Ｖｒ２の波形は、シュミットトリガ回路１３から出力
された電圧Ｖ２に対して、立ち下がり時に遅延が生じた
波形となる。この電圧Ｖｒ２の波形は、磁気センサ１０
に流れる電流の応答波形に対応するものであり、したが
って、この電圧Ｖｒ２の立ち下がり時の遅延は、磁気セ
ンサ１０に加わる外部磁界Ｈｅｘの大きさに応じて変化
する。そして、シュミットトリガ回路１３は、入力が立
ち下がって所定のシュミット電圧ＶｓＬに達したら、出
力を反転する。

【００５０】以上のような動作の繰り返しにより、シュ
ミットトリガ回路１３は、図４（ａ）に示すような方形
波発振電圧Ｖ０を出力する。ここで、シュミット電圧Ｖ
ｓＬ，ＶｓＨは、磁気センサ１０に流れる電流の立ち上
がり時及び立ち下がり時における磁気センサ１０のイン
ダクタンスＬのＬｍａｘからＬｍｉｎへの変化を包括す
るように設定しておく。すなわち、シュミット電圧Ｖｓ
Ｌ，ＶｓＨは、磁気センサ１０に流れる発振電流の振幅
が、磁気センサ１０のインダクタンスＬが急峻な変化を
示す範囲を包括するように設定しておく。

【００５１】そして、上述したように、シュミットトリ
ガ回路１３に入力する電圧Ｖｒの波形は、磁気センサ１
０に流れる電流の応答波形に対応している。したがっ
て、シュミットトリガ回路１３から出力される方形波発
振電圧Ｖ０の発振周期は、磁気センサ１０に流れる電流
の立ち上がり時間及び立ち下がり時間に対応している。
そして、上述したように磁気センサ１０に流れる電流の
立ち上がり時間及び立ち下がり時間は外部磁界Ｈｅｘの
大きさに依存しているので、このシュミットトリガ回路
１３から出力される方形波発振電圧Ｖ０の発振周期に基
づいて、磁気センサ１０に加わっている外部磁界Ｈｅｘ
の大きさを検出することができる。

【００５２】すなわち、この磁気探知装置では、磁気セ
ンサ１０に加わった外部磁界Ｈｅｘの変化が、シュミッ
トトリガ回路１３から出力される方形波発振電圧Ｖ０の
発振周期の変化として現れる。そこで、この発振周期の
変化を検出することにより、外部磁界Ｈｅｘの強さを検
出することが可能となる。

【００５３】ところで、本実施の形態に係る磁気探知装
置では、バイラテラル・スイッチ１１によって磁気セン
サ１０に流れる電流の方向を反転させることができる。
すなわち、図３において、スイッチＳＷ１及びスイッチ
ＳＷ４がオンで、スイッチＳＷ２及びスイッチＳＷ３が
オフのとき、図３の矢印Ａの向きに電流が流れ、また、
スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ４がオフで、スイッチ
ＳＷ２及びスイッチＳＷ３がＯＮのとき、図３の矢印Ｂ
の向きに電流が流れる。そして、バイラテラル・スイッ
チ１１によって磁気センサ１０に流れる電流の方向を反
転させて外部磁界Ｈｅｘを検出することにより、上述し
たように、一定の方向にだけ電流を流したときに比べて
約２倍の出力が得られ、また、外部磁界Ｈｅｘがない状
態である０点を容易に認識することができ、さらには、
温度ドリフトや時間ドリフト等の影響を取り除くことが
できる。

【００５４】つぎに、磁気センサ１０に加わった外部磁
界Ｈｅｘの変化が、シュミットトリガ回路１３から出力
される方形波発振電圧Ｖ０の発振周期の変化として現れ
る原理について、さらに詳細に説明する。

【００５５】図５に、磁気センサ２０と抵抗２１が直列
に接続された積分回路に電流が立ち上がるときの状態を
モデル化した回路を示す。このような回路において、ス
イッチ２２をオフからオンにすると、磁気センサ２０と
抵抗２１からなる積分回路に直流電源２３から直流電圧
が印加され、磁気センサ２０に電流ｉが流れ出す。ここ
で、磁気センサ２０に流れる電流ｉは、積分回路に印加
される直流電圧の値をＥ、磁気センサ２０のインダクタ
ンスをＬ、抵抗２１の抵抗値をＲ、電流ｉの立ち上がり
時間をｔとすると、下記式（１−５）で表される。

【００５６】

【数５】

【００５７】上記式（１−５）から分かるように、電流
ｉの立ち上がり時間ｔは、積分回路の時定数Ｌ／Ｒに比
例している。したがって、このような積分回路では、磁
気センサ２０のインダクタンスＬや、抵抗２１の抵抗値
Ｒの大きさを変えることにより、電流ｉの立ち上がり時
間ｔが変化する。

【００５８】ところで、上述したように、磁気センサの
インダクタンスＬは、電流ｉが立ち上がっている間に、
ＬｍａｘからＬｍｉｎへ変化する。ここで、上述のシュ
ミット電圧ＶｓＬ，ＶｓＨは、インダクタンスＬのＬｍ
ａｘからＬｍｉｎへの変化を包括するように設定してお
く。

【００５９】そして、磁気センサ２０のインダクタンス
ＬがＬｍａｘからＬｍｉｎへと変化するため、積分回路
に流れる電流ｉは、図６に示すように、初めはインダク
タンスＬがＬｍａｘの状態で立ち上がり、やがて、イン
ダクタンスＬがＬｍｉｎの状態で立ち上がることとな
る。したがって、積分回路に流れる電流ｉがシュミット
電圧ＶｓＨに対応するレベルに達するまで時間Ｔｓは、
インダクタンスＬがＬｍａｘの状態での立ち上がり時間
Ｔ１と、インダクタンスＬがＬｍｉｎの状態での立ち上
がり時間Ｔ２との合計になる。

【００６０】そして、磁気センサ２０に加わる外部磁界
Ｈｅｘが変化すると、この変化分だけ、インダクタンス
ＬがＬｍａｘからＬｍｉｎに変化する変化点Ｐがシフト
するので、外部磁界Ｈｅｘに応じて、積分電流ｉがシュ
ミット電圧ＶｓＨに対応するレベルに達するまでの時間
Ｔｓが変化することとなる。

【００６１】したがって、上述の図４に示したように、
外部磁界Ｈｅｘの変化が、シュミットトリガ回路１３か
ら出力される方形波発振電圧Ｖ０の発振周期の変化とし
て現れることとなる。

【００６２】また、図７に、磁気センサ３０と抵抗３１
が直列に接続された積分回路に流れていた電流ｉが立ち
下がるときの状態をモデル化した回路を示す。このよう
な回路において、スイッチ３２をオフからオンにする
と、直流電源３３からの直流電圧が積分回路に加わらな
くなり、磁気センサ３０に流れていた電流に立ち下がり
が生じる。ここで、磁気センサ３０に流れる電流ｉは、
積分回路に印加されていた直流電圧の値をＥ、磁気セン
サ３０のインダクタンスをＬ、抵抗３１の抵抗値をＲ、
電流の立ち下がり時間をｔとすると、下記式（１−６）
で表される。

【００６３】

【数６】

【００６４】そして、このときも、上述の電流の立ち上
がり時と同様に、磁気センサ３０に加わる外部磁界Ｈｅ
ｘが変化すると、この変化分だけ、インダクタンスＬが
ＬｍａｘからＬｍｉｎに変化する変化点がシフトするの
で、外部磁界Ｈｅｘに応じて、積分電流ｉがシュミット
電圧ＶｓＬに対応するレベルに達するまで時間が変化す
ることとなる。

【００６５】したがって、電流の立ち下がり時において
も、上述の図４に示したように、外部磁界Ｈｅｘの変化
が、シュミットトリガ回路１５から出力される方形波発
振電圧Ｖ０の発振周期の変化として現れることとなる。

【００６６】ところで、図３に示したような磁気探知装
置において、シュミットトリガ回路１３から出力される
方形波発振電圧Ｖ０の発振周期の変化量は、外部磁界Ｈ
ｅｘと、磁気センサ１０の磁性体の長手方向に生じる磁
界とが成す角度θに依存している。すなわち、外部磁界
Ｈｅｘが一定のとき、図８に示すように、発振周期は、
外部磁界Ｈｅｘと、磁気センサ１０の磁性体の長手方向
に生じる磁界とが成す角度θに依存して変化する。な
お、図８では、外部磁界Ｈｅｘの向きと、磁気センサ１
０の磁性体の長手方向に生じる磁界の向きとが同じとき
を方位０°としている。

【００６７】図８から分かるように、発振周期は外部磁
界Ｈｅｘの方位情報を含んでいる。これは、磁気センサ
１０の磁性体の磁化量が、磁気センサ１０に流れる電流
による磁化量と、外部磁界Ｈｅｘによる磁化量との合計
であり、外部磁界Ｈｅｘによる磁化量が、外部磁界Ｈｅ
ｘと、磁気センサ１０の磁性体の長手方向に生じる磁界
とが成す角度θに依存して変化するからである。

【００６８】すなわち、図９に示すように、磁気センサ
１０のコイル１０ｂに流れる電流による磁界Ｈｂは一定
であるが、外部磁界Ｈｅｘによって磁気センサ１０の磁
性体１０ａに生じる磁界は、外部磁界Ｈｅｘの方向に依
存している。したがって、磁気センサ１０で検出される
磁界Ｈは、下記式（１−７）で示すように、外部磁界Ｈ
ｅｘのうち、磁性体１０ａの長手方向成分のみとなる。

【００６９】Ｈ＝Ｈｅｘ・ｃｏｓθ ・・・（１−７） なお、上記式（１−７）に示すように、磁気センサ１０
で検出される磁界Ｈは、外部磁界Ｈｅｘの方位情報を含
んでいるので、複数の磁気センサを用いることにより、
外部磁界Ｈｅｘの方向を知ることができる。

【００７０】具体的には、例えば、図１０に示すよう
に、磁気探知装置に２つの磁気センサ１０ｘ，１０ｙを
組み込む。なお、この磁気探知装置は、磁気センサを２
つ組み込んだ以外は、図３に示した磁気探知装置と同様
の回路構成である。ここで、図１１に示すように、磁気
センサ１０ｘは、Ｘ軸方向に配置し、磁気センサ１０ｙ
は、Ｘ軸方向に対して直交するＹ軸方向に配置する。す
なわち、磁気センサ１０ｘ及び磁気センサ１０ｙは、互
いに直交するように配置する。このとき、図１１に示す
ように、外部磁界Ｈｅｘの方向と、Ｘ軸方向検出用の磁
気センサ１１ｘの磁性体の長手方向とが成す角度をθと
すると、Ｘ軸方向検出用の磁気センサ１０ｘによって検
出される磁界の大きさＨｘは、下記式（１−８）で表さ
れ、Ｙ軸方向検出用の磁気センサ１０ｙによって検出さ
れる磁界の大きさＨｙは、下記式（１−９）で表され
る。

【００７１】 Ｈｘ＝Ｈｅｘ・ｃｏｓθ ・・・（１−８） Ｈｙ＝Ｈｅｘ・ｓｉｎθ ・・・（１−９） ここで、Ｘ軸方向検出用の磁気センサ１０ｘによって検
出される磁界の大きさＨｘと、Ｙ軸方向検出用の磁気セ
ンサ１０ｙによって検出される磁界の大きさＨｙとの比
をとると、下記式（１−１０）となる。

【００７２】 Ｈｙ／Ｈｘ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθ ・・・（１−１０） したがって、外部磁界Ｈｅｘの方向と、Ｘ軸方向検出用
の磁気センサ１０ｘの磁性体の長手方向とが成す角度θ
は、下記式（１−１１）で表される。ただし、下記式
（１−１１）において、Ｈｙ≧０のときは、１８０°≧
θ≧０°であり、０＞Ｈｙのときは、３６０°＞θ＞１
８０°である。

【００７３】 θ＝ｔａｎ^-1（Ｈｙ／Ｈｘ） ・・・（１−１０） このように磁気探知装置に、２つの磁気センサ１０ｘ，
１０ｙを設けることにより、外部磁界Ｈｅｘの方向を知
ることができる。なお、立体空間内での外部磁界Ｈｅｘ
の方向、すなわち外部磁界Ｈｅｘの３次元での方向まで
知りたいときには、互いに直交する３つの磁気センサを
用いればよい。

【００７４】図１０に示した磁気探知装置においても、
磁気センサに流れる電流は、シュミットトリガ回路へ入
力する電圧と、単一の抵抗とだけによって定まる。した
がって、この磁気探知装置においても、磁気センサに流
れる電流の向きを反転させても、また、電流を流す磁気
センサを切り換えても、磁気センサに接続された抵抗の
抵抗値のバラツキ等に起因して検出精度が低下してしま
うようなことはない。したがって、この磁気探知装置で
も、外部磁界Ｈｅｘの大きさと方向とを、高精度に検出
することができる。

【００７５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る磁気探知装置では、電流の向きに関わらず、磁気
センサには同じ電流が供給されるので、電流の向きによ
って測定値にバラツキが生じるようなことがなく、外部
磁界を高精度に検出することができる。

【００７６】また、本発明に係る磁気探知装置では、複
数のＡＮＤゲートや複数の抵抗等を備える必要が無く、
構成を簡単なものとすることができるので、小型化や低
価格化を容易に図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した磁気探知装置に用いられる磁
気センサの一例を示す模式図である。

【図２】図１に示した磁気センサによる外部磁界検出の
原理を説明するための図である。

【図３】本発明を適用した磁気探知装置の一構成例を示
す回路図である。

【図４】シュミットトリガ回路から出力される電圧のタ
イムチャートと、シュミットトリガ回路へ入力する電圧
のタイムチャートとを示す図である。

【図５】磁気センサと抵抗からなる積分回路に電流が立
ち上がるときの状態をモデル化した回路図である。

【図６】図５に示した積分回路に流れる電流の立ち上が
り時の様子を示す図である。

【図７】磁気センサと抵抗からなる積分回路に流れてい
た電流が立ち下がるときの状態をモデル化した回路図で
ある。

【図８】シュミットトリガ回路から出力される方形波発
振電圧の発振周期と、外部磁界Ｈｅｘの方向との関係を
示す特性図である。

【図９】磁気センサの磁性体の磁化の様子を示す模式図
である。

【図１０】本発明を適用した磁気探知装置の他の構成例
を示す回路図である。

【図１１】図１０に示した磁気探知装置の磁気センサの
配置の様子を示す模式図である。

【図１２】従来の磁気探知装置の一構成例を示す回路図
である。

【図１３】図１２に示した磁気探知装置の一動作例を示
す回路図である。

【符号の説明】

１ 磁気センサ、 ２ 磁性体、 ３ コイル、 １０
磁気センサ、 １１バイラテラル・スイッチ、 １２
抵抗、 １３ シュミットトリガ回路

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性体にコイルが巻かれてなる磁気セン
   サを時定数決定素子の一部として用いた発振回路を備
   え、上記発振回路から出力される発振電圧の発振周期の
   変化によって外部磁界の強さを検出する磁気探知装置に
   おいて、 上記磁気センサに流れる電流の方向を反転させるバイラ
   テラル・スイッチを備えていることを特徴とする磁気探
   知装置。
2. 【請求項２】 上記発振回路は、無安定マルチバイブレ
   ータ回路として動作することを特徴とする請求項１記載
   の磁気探知装置。
3. 【請求項３】 上記無安定マルチバイブレータ回路は、
   シュミットトリガ回路を用いて構成されていることを特
   徴とする請求項２記載の磁気探知装置。
4. 【請求項４】 上記発振回路の発振周期は、上記磁気セ
   ンサのインダクタンスと、上記磁気センサに直列接続さ
   れた抵抗の抵抗値とによって定まる時定数により決定さ
   れることを特徴とする請求項１記載の磁気探知装置。
5. 【請求項５】 上記磁気センサのコイルに流れる発振電
   流の振幅は、磁気センサのインダクタンスが急峻な変化
   を示す範囲を包括するように設定されていることを特徴
   とする請求項１記載の磁気探知装置。
6. 【請求項６】 上記磁気センサのコイルに流れる発振電
   流は、直流バイアス電流成分を含んでいることを特徴と
   する請求項１記載の磁気探知装置。
7. 【請求項７】 上記磁気センサを複数備えていることを
   特徴とする請求項１記載の磁気探知装置。
8. 【請求項８】 上記磁性体を上記コイルに流れる発振電
   流によって長手方向に磁化して利用することを特徴とす
   る請求項１記載の磁気探知装置。