JP2934446B2 - 周波数差ディジタルコンパスおよび磁力計 - Google Patents

周波数差ディジタルコンパスおよび磁力計

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JP2934446B2 JP63507091A JP50709188A JP2934446B2 JP 2934446 B2 JP2934446 B2 JP 2934446B2 JP 63507091 A JP63507091 A JP 63507091A JP 50709188 A JP50709188 A JP 50709188A JP 2934446 B2 JP2934446 B2 JP 2934446B2
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    • G—PHYSICS
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    • G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/02—Magnetic compasses
    • G01C17/28—Electromagnetic compasses

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の分野 この発明は地球の磁界の方向が、地球の磁界に関して
ディジタルコンパスの配向の関数である周波数差を基準
にして決定されるディジタルコンパスに関する。特に、
それはアナログ信号をディジタル信号に変換する必要の
ないようなディジタルコンパスに関する。それはさらに
周波数差に基づいて弱い磁界の配向を検定するための一
般的な適用を有する磁力計の新規の形式に関する。
2.先行技術の説明 様々なディジタルコンパスおよび磁力計がその技術で
知られている。たとえば、サールビ（Salvi）氏に1968
年８月６日に発行された米国特許第3,396,329号は弱い
磁界の強さが検出された信号における周波数差の関数で
あるが、しかし磁力計が取付けられる容器の配向から独
立している磁力計を開示する。1972年１月18日にスター
（Star）氏に発行された米国特許第3,634,946号は、セ
ンサが基準方向で整列し、地球の磁界と直行するとき発
生されるパルスの空間の関係を基準として動作するディ
ジタルコンパスのすべてのディジタル回路具現に関す
る。この特許において配向により生み出される周波数差
の言及はなく、図示された回路はそのような周波数差を
基準にして弁別しない。1981年12月８日にロング（Lon
g）氏らに発行された米国特許第4,305,034号は、背景磁
界が、それは地球の磁界であり得るが、金属物体により
乱されるとき周波数変化が生み出される磁力計を開示す
るが、しかしこの装置ほ符号情報、すなわち磁界がセン
サコイルに平行か、または逆平行かを提供することがで
きない。1982年７月20日にスパークス（Sparks）氏に発
行された米国特許第4,340,861号は異なった周波数信号
における振幅情報を基準にして、周波数差が永久磁石よ
り発生される磁界の分布を決定するのに使用される磁力
計を開示する。1982年７月27日にボンダレフスク（Bond
arevsk）氏らに発行されたソ連特許第945,835号は強い
磁界はLC回路に周波数差を発生するであろうということ
を開示する。
次の付加的な発行された米国特許は位相差、既知の方
位における以前の信号との比較または方位を決定する検
出マークの計数を利用するディジタルコンパスに関す
る。1970年１月13日にシェリル（Sherrill）氏らに発行
された第3,490,024号、1970年９月９日にヘビサイド（H
eaviside）氏らに発行された第3,903,610号、1976年４
月27日にベンジャミン（Benjamin）氏らに発行された第
3,952,420号、1978年６月20日にクレーマ（Kramer）氏
に発行された第4,095,348号、1979年12月18日にロッサ
ーニ（Rossani）氏に発行された第4,179,741号、1984年
１月10日にフランクス（Franks）氏に発行された第4,42
4,631号、1987年２月３日にターナ（Tanner）氏らに発
行された第4,640,016号である。次の発行された米国特
許は概して磁力計に関し、1969年３月11日にゴドビー
（Godby）氏らに発行された第3,432,751号、1969年３月
25日にイノウエ（Inouye）氏らに発行された第3,435,33
7号、1969年８月12日にモリス（Morris）氏らに発行さ
れた第3,461,387号、1973年10月23日にスウェイン（Swa
in）氏に発行された第3,768,011号、および1987年２月
３日にドルタン（Dalton）,Jr.に発行された第4,641,09
4号である。磁力計設計における技術の状態は、磁気学
に関するIEEE紀要（IEEE Transactions on Magnetic
s）、Vol.MAG−20、No.5、1984年９月、1723頁ないし17
25頁、「演算増幅器により駆動される共振型アモルファ
スリボン磁力計」、タケウチ氏らによりさらに示され
る。
ディジタルコンパスおよび磁力計の設計に関する技術
はこのようによく開発されたものであるが、消費者使用
に適当な簡単な、信頼できる、低コストディジタルコン
パスおよび低い強さの磁界の方位を決定するための簡単
な磁力計の開発の必要が残されている。
発明の概要 したがって、この発明の目的は簡単なディジタル回路
で実施され得る、かつ消費者の適用に十分低コストであ
るディジタルコンパスを提供することである。
この発明のもう１つの目的は地球の磁界に関する方位
が検出回路で得られる周波数差により決定されるような
ディジタルコンパスを提供することである。
これらおよび関連した目的の到達はここに開示された
新規のディジタルコンパスの使用によって達せられ得
る。この発明に従うディジタルコンパスは高い直流透磁
率磁気材料の長手のストリップ上に巻かれた少なくとも
１つの検出コイルを有する。検出コイルは検出回路に接
続される。少なくとも１つの検出コイルおよび検出回路
は地球の磁界に応答し検出回路の出力に発振信号を提供
し、それは周波数が地球の磁界に関して少なくとも１つ
の検出コイルの配向とともに変化する。マイクロプロセ
ッサは発振信号から情報入力を受取るために接続され
る。マイクロプロセッサは発振信号の周波数に基づいて
情報入力を地球の磁界に関する少なくとも１つの検出コ
イルの配向の表示に変換するように構成される。ディス
プレイ手段がマイクロプロセッサからの配向表示を受取
るために接続される。
検出コイルは地球の磁界に関して平行配向から逆平行
配向に移動させられるので、検出回路の出力における発
振信号の周波数は、実質上、たとえば約100％まで変化
する。そのような実質上の周波数差は、検出コイル配向
と磁北との間の角度の非常に正確なディジタル読出がマ
イクロプロセッサから得られるということを意味する。
同様に、この発明に従う磁力性は高い直流透磁率気材
料の長手のストリップ上に巻かれる少なくとも１つの検
出コイルを有する。検出コイルは検出回路に接続され
る。少なくとも１つの検出コイルおよび検出回路が、磁
界に応答し、第１の検出回路の出力に、周波数が磁界に
関する少なくとも１つの検出コイルの配向で変化する発
振信号を供給する。検出コイルが接続され検出コイルを
通る直流により自己バイアスされる。発振信号を受取る
のに、発振信号の周波数を測定し、かつ周波数の表示を
提供するための手段が接続される。
前述の、および関連した目的の達成、この発明の利点
および特徴が、図面とともに考えられると、この発明の
次のより詳細な説明の観察後に当業者により容易に明ら
かとなるはずである。
図面の簡単な説明 第１図はこの発明に従うディジタルコンパスで使用さ
れる検出エレメントのためのヒステリシス曲線である。
第２図はこの発明の動作を理解するのに有用なプロッ
トである。
第３図はこの発明に従うディジタルコンパスで使用さ
れる検出回路の略図である。
第４図はこの発明に従うディジタルコンパスのブロッ
ク図である。
発明の詳細な説明 こで図面に注意を向けると、特に第１図を考えると、
アランド・シグナル・コーポレーション（Allied Sign
al Corporation）から得られる、商業的に入手不可能
なMETGLASアモルファス合金2705Mのためのヒステリシス
曲線10が図示される。この材料は焼鈍しなしで０に近い
磁気歪と高い直流透磁率とを特徴とするコバルトベース
の磁気合金である。この材料は、従来のソレノイドジオ
メトリで合金を真直ぐなストリップのまわりにコイルを
巻くことにより、この発明のディジタルコンパスのため
のセンサを形成するのに使用される。
次の背景情報がこの発明の理解を容易にするであろ
う。磁心ソレノイドにとって、次の等式は概して真であ
る。
Ｈ＝μ0nI （１） そこではＨは磁化力であり、ｎは単位長あたりの巻数で
のコイルの巻線密度であり、μ０は自由空間の透磁率で
あり、Ｉはコイルを流れる電流である。
そこではＥはボルトでのコイルにかかる電位であり、ｎ
は単位長あたりの巻線での巻線密度であり、Ｖはコア材
料の体積であり、 は全体の磁束の時間導関数である。
Ｈにおける小さい遷移または変化のために、コイルは
理想インダクタとしてモデル化されることができ、そこ
では 前の等式の代入により、および解くことにより、以下の
ものが示されることができ、 そこでは は特定の点における、Ｂ対Ｈ曲線の傾きである。
とする。たいていの材料はＨの大きいレンジにわたり定
数μを呈するが、上記のMETGLAS合金は、第２図のμ
（Ｈ）プロットにより図示されるような、独特の違った
特性を有する。図示されるように、コイルを通る直流バ
イアス電流を供給することにより、磁化力H0を発生し、
コイルはμ（Ｈ）曲線14の傾斜領域12の中間にある動作
点でバイアスされ得る。コイルに平行な静止磁界がH0に
付加され、静止磁界の極性次第で動作点をどちらかの方
向に移動するであろう。インダクタンスＬはμ（Ｈ）に
比例するので、インダクタンスは印加された静止磁界で
かなり変化するであろう。
誘導変分の上記の原理は第３図に図示されるようなシ
ュミットトリガ18を用いる弛張発振器検出回路16で認め
られ得る。出力の周期、Ｔは、L/Rに比例する。直流バ
イアス電流はＲおよびシュミットトリガ18のしきい値レ
ベルによる。概して、どんな発振器回路ものインダクタ
タイミングエレメントとしてセンサを用いることによ
り、静止磁界における変化は出力における周波数変化を
発生するであろう。デューティサイクルは非対称である
はずで、線形領域（Ｈ）、すなわち第２図の曲線14の傾
斜部分12における動作点で著しく変化しない。そのよう
な周波数変化検出機構はアナログ−ディジタル（A/D）
コンバータを不要するのに。μ（Ｈ）領域の直線性は有
用な情報を回復回するのに必須ではないということに注
目されたく、動作領域は単に単調でなけれはならない。
第４図は第３図に図示された型の検出回路23を利用す
るディジタルコンパス20を図示する。コンパス20は、イ
ンターファイス回路34にそれぞれライン28、30、および
32により接続されるＸセンサ23、Ｙセンサ24、およびＺ
センサ26を有する。インターフェイス回路34はライン38
によりマイクロプロセッサ36に接続される。マイクロプ
ロセッサ36は、それぞれライン44およびライン46により
リードオンリメモリ（ROM）40に、およびランダムアク
セスメモリ（RAM）42に接続される。マイクロプロセッ
サ36はライン50によりディスプレイドライバ48に接続さ
れる。ディスプレイドライバ48はライン54によりディス
プレイ52に引き続いて接続される。
Ｘセンサ23、Ｙセンサ24、およびＺセンサ26の各々
は、Ｘセンサ23について図示された構成を有する。Ｘセ
ンサ23は、カリフォルニア州、サンタクレアラ、ナショ
ナル・セミコンダクタ・コーポレーションから入手でき
る。LM339型電圧比較器集積回路で実現されるシュミッ
トトリガ回路56を有する。＋Vcc入力は50KΩ可変抵抗器
R1を介してライン58によりシュミットトリガ56の正の入
力に接続される。1.8cmの長さ、0.5mmの幅、および20μ
ｍの厚さを持つMETGLASアモルファス合金の真直なスト
リップのまわりにワイヤの1200の巻数を有するセンサコ
イル60がライン62によりシュミットトリガ56の負の入力
へ接続される。＋Vcc入力はまた5K可変抵抗器R2を介し
てシュミットトリガ56の負の入力へ接続される。シュミ
ットトリガ56の出力はライン28によりインターフェイス
回路34へ接続される。シュミットトリガの出力はまたラ
イン64でセンサコイル60を通って入力へ送り返される。
出力はまた1N4148型ダイオードD1を介して＋Vccに接続
され、ライン66で4.7K抵抗器R3を通ってシュミットトリ
ガ56の正の入力へ送り返される。抵抗器R2はバイアス電
流（ゆえに動作点）と発振器の周波数との両方を調整す
るのに使用され得る。R1はシュミットトリガの正のおよ
び負のしきい値の位置を変更するであろう。R3は発振器
回路の周波数および電流揺れを調整するのに使用され得
る。
動作において、上記で言及されたように、シュミット
トリガ56の発振出力の周期Ｔは入力におけるL/Rに比例
する。Ｌの値は地球の磁界に関するセンサコイル60の配
向で変化する。He11がセンサ60の長さに平行な地球の磁
界の成分であり、He11がH0の方向に沿って正であると解
される場合、He11は周波数偏移を検出することにより非
常に正確に決定されることができる。たとえばｘおよび
ｙのような、直行の方向に２つのセンサを有することに
より、コンパス20の固定した方向に関する磁北の配向角
度、θは、公式に従って決定されることができ、 ３つのセンサ23、24、および26を有することにより、磁
北の配向角度は３次元におけるコンパス20のどんな固定
された方向においても決定されることができる。傾斜情
報で、我々は地球の表面に平行である、２つの成分He11
yおよびHe11を抽出する。
実際面で、約200kHzの発振中心周波数f0がセンサ23、
24、および26で得られる。センサ23、24、および26の１
つが地球の磁界に関して平行方向から逆平行方向まで回
転されるので、約100％の周波数変化が得られる。この
周波数変化の大さはデジィタルコンパス20での配向の非
常に正確なデジィタル読出を生じる。
この発明の述べられた目的を達することが可能な新規
なデジィタルコンパスが提供されたということは当業者
に今ではたやすく明らかなはずである。この発明のデジ
ィタルコンパスは簡単なデジィタル回路を使用し、した
がって消費者の適用について十分に低コストである。セ
ンサの方向は地球の磁界に関して変化するので、コンパ
スは周波数差に基づいて地球の磁界に関する配向を決定
する。センサは十分に大きい周波数差を発生し、それで
配向の非常に正確なデジィタル読出が得られる。
形式および図示され記述されたようなこの発明の詳細
における種々の変化がなされ得るということが当業者に
さらに明らかなはずである。そのような変更はここに添
付された請求の範囲の精神および範囲内に含まれるとい
うことが意図される。
フロントページの続き (56)参考文献 米国特許3936949（ＵＳ，Ａ) 米国特許4182987（ＵＳ，Ａ) 米国特許3416072（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01R 33/02

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】磁力計であって、 発振器回路を備え、前記発振器回路は、 第１および第２の端子を有し、発振電流を供給する発振
    器ドライバ手段と、 第１の高い透磁率の等方性コア上に巻かれた第１のコイ
    ルを有し、前記発振器回路の周波数を制御するセンサ手
    段とを含み、前記第１のコイルは前記第１および第２の
    端子の間に結合され、前記第１のコイルは磁軸を有し、 前記発振器ドライバ手段は、前記センサ手段が外部から
    印加された磁界の変化を経験するときに前記発振電流の
    周波数が前記第１のコイルの磁軸の方向における印加さ
    れた外部磁界の大きさの変化とともに単調に変化するよ
    うに、前記第１のコイルを通る直流バイアス電流を供給
    し、 前記磁力計はさらに、 前記発振電流の周波数を測定しかつそれに応答して測定
    信号を供給する測定手段を備えた、磁力計。
  2. 【請求項２】前記発振器ドライバ手段は、電位のソース
    と前記センサ手段との間に接続されて前記直流バイアス
    電流を供給する抵抗性の手段を含む、請求項１に記載の
    磁力計。
  3. 【請求項３】前記測定手段は、前記測定信号を供給する
    マイクロプロセッサ手段を含み、前記測定信号は、外部
    から印加された磁界の大きさおよび符号に関数的に関連
    する、請求項１に記載の磁力計。
  4. 【請求項４】前記マイクロプロセッサ手段から前記測定
    信号を受けるように結合され、前記第１のコイルの磁軸
    に関して外部から印加された磁界の大きさおよび符号の
    表示をディスプレイするディスプレイ手段をさらに備え
    た、請求項３に記載の磁力計。
  5. 【請求項５】第２の発振器回路をさらに備え、前記第２
    の発振器回路は、 第１および第２の端子を有し、第２の発振電流を供給す
    る第２の発振器ドライバ手段と、 第２の高い透磁率の等方性コア上に巻かれた第２のコイ
    ルを有し、前記第２の発振器回路の周波数を制御する第
    ２のセンサ手段とを含み、前記第２のコイルは前記第２
    の発振器ドライバ手段の前記第１および第２の端子の間
    に結合され、前記第２のコイルは、前記第１のコイルの
    磁軸に直交する方向成分を持つ磁軸を有し、 前記第２の発振器ドライバ手段は、前記第２のセンサ手
    段が外部から印加された磁界の変化を経験するときに前
    記第２の発振電流の周波数が前記第２のコイルの磁軸の
    方向における印加された外部磁界の大きさの変化ととも
    に単調に変化するように、前記第２のコイルを通る直流
    バイアス電流を供給し、 前記測定手段は、前記第２の発振電流の周波数を測定し
    かつそれに応答して第２の測定信号を供給する手段を含
    む、請求項１に記載の磁力計。
  6. 【請求項６】第３の発振回路をさらに備え、前記第３の
    発振回路は、 第１および第２の端子を有し、第３の発振電流を供給す
    る第３の発振器ドライバ手段と、 第３の高い透磁率の等方性コア上に巻かれた第３のコイ
    ルを有し、前記第３の発振器回路の周波数を制御する第
    ３のセンサ手段とを含み、前記第３のコイルは前記第３
    の発振器ドライバ手段の前記第１および第２の端子の間
    に結合され、前記第３のコイルは、前記第１のコイルの
    磁軸および前記第２のコイルの磁軸に直交する方向成分
    を持つ地軸を有し、 前記第３の発振器ドライバ手段は、前記第３のセンサ手
    段が外部から印加された磁界の変化を経験するときに前
    記第３の発振電流の周波数が前記第３のコイルの磁軸の
    変化における印加された外部磁界の大きさの変化ととも
    に単調に変化するように、前記第３のコイルを通る直流
    バイアス電流を供給し、 前記測定手段は、前記第３の発振電流の周波数を測定し
    かつそれに応答して第３の測定信号を供給する手段を含
    む、請求項５に記載の磁力計。
  7. 【請求項７】前記高い透磁率の材料が金属ガラス合金で
    ある、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の磁力
    計。
  8. 【請求項８】前記第１、第２および第３の発振器ドライ
    バ手段はシュミットトリガ回路を含む、請求項６に記載
    の磁力計。
  9. 【請求項９】ディジタルコンパスであって、 第１および第２の入力端子と出力端子とを有する第１の
    電圧比較器回路を備え、前記出力端子は前記第２の入力
    端子に戻るように結合されかつ前記第２の入力端子は第
    １の基準電位に結合され、 磁軸を有する、高い透磁率の等方性コア上に巻かれた第
    １の検出コイルをさらに備え、前記第１の検出コイル
    は、第１の弛張発振器を形成するように前記第１の電圧
    比較器回路の前記第１の入力端子および前記出力端子の
    間に接続され、前記第１の弛張発振器は、前記第１の検
    出コイルの磁軸の方向における地球の局部磁界の大きさ
    の単調関数である周波数を有する第１の発振信号を供給
    し、 前記第１の弛張発振器から前記発振信号を受取るように
    結合され、地球の局部磁界の方向に関して前記第１の検
    出コイルの磁軸の配向を表わす標識信号を供給するプロ
    セッサ手段をさらに備えた、ディジタルコンパス。
  10. 【請求項１０】前記標識信号を受取るように結合され、
    地球の局部磁界の方向に関して前記第１の検出コイルの
    相対的な配向に関連した信号をディスプレイするディス
    プレイ手段をさらに備えた、請求項９に記載のディジタ
    ルコンパス。
  11. 【請求項１１】前記第１の検出コイルの前記磁軸はＸ軸
    であり、 前記ディジタルコンパスは、 第１および第２の入力端子と出力端子とを有する第２の
    電圧比較器回路をさらに備え、前記第２の入力端子は第
    ２の基準電位に接続され、 Ｘ軸に直交する磁軸であるＹ軸を有する、高い透磁率の
    等方性コア上に巻かれた第２の検出コイルをさらに備
    え、前記第２の検出コイルは、第２の弛張発振器を形成
    するように前記第２の電圧比較回路の前記第１の入力端
    子および前記出力端子の間に接続され、前記第２の弛張
    発振器は、前記第２の検出コイルの磁軸の方向における
    地球の局部磁界の大きさの単調関数である周波数を有す
    る第２の発振信号を供給し、 第１および第２の入力端子と出力端子とを有する第３の
    電圧比較器回路をさらに備え、前記第２の入力端子は第
    ３の基準電位に接続され、 Ｘ軸とＹ軸との両方に直交する磁軸であるＺ軸を有す
    る、高い透磁率の等方性コア上に巻かれた第３の検出コ
    イルをさらに備え、前記第３の検出コイルは、第３の弛
    張発振器を形成するように前記第３の電圧比較器回路の
    前記第１の入力端子および前記出力端子の間に接続さ
    れ、前記第３の弛張発振器は、前記第３の検出コイルの
    磁軸の方向における地球の局部磁界の大きさの単調関数
    である周波数を有する第３の発振信号を供給し、 前記プロセッサ手段はさらに、前記第２および第３の弛
    張発振器から前記発振信号を受取るように結合され、地
    球の局部磁界の方向に関して前記第２および第３の検出
    コイルの磁軸の配向を示す標識信号を供給する、請求項
    ９に記載のディジタルコンパス。
  12. 【請求項１２】第１、第２および第３の電圧比較器回路
    の少なくとも１つはシュミットトリガ回路である、請求
    項11に記載のディジタルコンパス。
  13. 【請求項１３】前記高い透磁率の材料が金属ガラス合金
    である、請求項９ないし請求項11のいずれかに記載のデ
    ィジタルコンパス。
  14. 【請求項１４】請求項６に記載の磁力計を含み、かつ前
    記印加された外部磁界は地球の磁界である、ディジタル
    コンパス。
  15. 【請求項１５】前記第１の検出コイルの前記磁軸はＸ軸
    であり、 前記ディジタルコンパスは、 第１および第２の入力端子と出力端子とを有する第２の
    電圧比較器回路をさらに備え、前記第２の電圧比較器回
    路の前記出力端子は前記第２の電圧比較器回路の前記第
    ２の入力端子に戻るように結合され、 Ｘ軸に直交する磁軸であるＹ軸を有する第２の検出コイ
    ルをさらに備え、前記第２の検出コイルは、第２の弛張
    発振器を形成するように前記第２の電圧比較器回路の前
    記第１の入力端子および前記出力端子の間に接続され、
    前記第２の弛張発振器は、前記第２の検出コイルの磁軸
    の方向における地球の局部磁界の大きさの単調関数であ
    る周波数を有する第２の発振信号を供給し、 前記プロセッサ手段はさらに、前記第２の弛張発振器か
    ら前記第２の発振信号を受取るように結合され、地球の
    局部磁界の方向に関して前記第２の検出コイルの磁軸の
    配向を表わす標識信号を供給する、請求項９に記載のデ
    ィジタルコンパス。
  16. 【請求項１６】前記第１および第２の電圧比較器回路の
    少なくとも１つがシュミットトリガ回路である、請求項
    15に記載のディジタルコンパス。
  17. 【請求項１７】前記高い透磁率のコアが金属ガラス合金
    から構成される、請求項15に記載のディジタルコンパ
    ス。
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