JPH02502671A - 単線巻き磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 単線巻き磁力計 （技術分野） 本発明は、磁力計即ち磁界の検出および測定のための計器に関する。特に、本発 明は検出軸当たり単線巻きのみを有するコイルを使用する新しい形式の磁力計に 関する。

（背景技術） 磁力計は、磁界の強さを測定する装置である。磁力計は、長い間周知であり、多 くの用途を有する。性格的に機械的なものおよび電気的および電子的なものを含 むいくつかの形式の磁力計が存在する。１つの一般的な電子的磁力計の形式は、 磁束ゲート磁力計と呼ばれる。

磁束ゲート磁力計は、検出巻線が周囲に設けられるする。磁芯の飽和および不飽 和の作用は、同じ磁芯における駆動巻線に対し加えられる駆動信号により生じる 。この駆動巻線は、検出巻線に磁力線を交互に集中して磁力線を弛張させる。外 部の磁界は、検出巻線と接続された電子回路を介して検出することができるよう に検出巻線により生成された磁界と相互に作用する。磁束ゲート磁力計の出力信 号は、外部の磁界と線形的に比例する電圧である。このような特性を持つ装置か らコンパスを容易に構成できることが理解されよう。このようなコンパスは、例 えば自動車、船舶および航空機の運行において有用である。

コンパスの用途においては、検出軸当たり少なくとも１つずつ２つ以上の磁力計 が一般に使用される。電子回路は、２つの直交軸に沿う磁界の変化についての情 報を処理して向きの情報を得る。２つの磁力計が通常同じ設計ならびに構造であ るため、各軸について個々に考察することができる。測定の信号／ノイズ比を向 上させるため、あるいは伏角を検出するため２つ以上の軸がしばしば使用される 。

従来の磁力計は、２つ以上のコイル巻線と多数の電子回路からなっている。巻線 の一方は電子信号により駆動され、他の巻線の少なくとも１つは、駆動信号のみ ではな（これらの巻線の運動即ち方向の変化により生じる駆動される巻線および 検出巻線内の磁束の変化にも依存する出力を生じる。例えば、１９８１年１２月 ８日発行のＤｅｄｉｎａ　Ｏ，Ｍａｃｈ等の名義の米国特許第４．３０５．０３ ６５号においては、２つのコイルが各軸に沿った検出のため使用される。各コイ ル対は、それ自体の電子素子を持ち、各コイル対は個々の小さな芯部材料片上に 巻付けられ、これらコイルは電子コンパスとして使用されるためジンバル付きの 支持部に定置される。６対のコイルの一方は駆動信号が加えられる駆動コイルで あり、他方のコイルは磁界検出コイルである。２軸コンパスの用途においては、 検出コイルの各々が１つの面内の磁界の成分のみを検出し、１つの出力がコイル の一方の軸に沿った磁界を表わし、他方は他のコイルの軸に沿った磁界を表わす 。各駆動コイルに加えられる駆動信号は三角形の波形を呈して、交互に反対方向 にコイル芯部を飽和させる。加えられた磁界は、付勢サイクルの半分において加 算効果を有し、他の半分のサイクルにおいては減算効果を有して、検出された波 形に正味のＤＣレベルを確立する傾向を生じる。このＤＣ成分は除去され、これ を行うため必要な信号が印加磁界強さの表示として使用される。前記米国特許の 第１図に示されるように、この発明の示された実施態様は上記の複数のコイルを 要する許りでなく（各軸毎に）６つの演算増幅器と多数の別の構成要素をも必要 とする。

２軸の検出のため３つのコイルと１つの駆動巻線を使用する磁束ゲート磁力計が 、米国ロードアイランド州ミドルトン市ｃ７）ＫＶｔｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ 、　Ｉｎｃ、によりそのＫＶＨＰＣ１０３型磁束ゲート・コンパスおよび関連す る製品の一部として販売されている。Ｋ　Ｖ　１１社の文献によれば、そのセン サは中心部に自由に浮遊するリングコアを持つ円環体状の磁束ゲート磁力計を使 用している。

このコアは、パーマロイ（登録商標）ブランドのテープで巻付けられたステンレ ス鋼リボンから作られている。

駆動磁界はこのコアに加えられ、駆動磁界との外部磁界の相互作用がコアの磁束 の非対称的な変化を生じる。コアの磁束のこの変化が、コア上の二次巻線により 検出され、その結果化じる信号が次に処理される。

他の多重巻線磁束ゲート磁力計コンパスが、例えば、米国特許第３．８９９．８ ３４号および同第４．２７７、７５１号に示されている。

（発明の要約） しかし、小型の比較的安い磁界センサに対する用途が存在する。上記の米国特許 第４．２７７、７５１号は、例えば、ワット損が少ない磁力計の必要を示してい る。

従って、本発明の目的は、非常に低コストの磁力計の提供にある。

少なくとも上記の一部によれば、本発明の別の目的は、少ないコイル巻線数を用 いる磁力計の提供にある。

本発明の更に別の目的は、従来技術の磁力計より少ない回路構成要素を用いる磁 力計の提供にある。

（以下の詳細な説明を読めば更に明らかになろう）本発明の上記および他の目的 および利点は、１つの軸に沿って磁界を検出するため僅かに１つのコイル巻線し か必要としない磁力計を用いて達成される。磁力計は、高い透磁率の飽和可能な 磁芯材料の使用に依存する。磁芯の形状は用途に依存し、電流の検出のためには 円環体状の磁芯が使用できるが、地磁界の検出には円筒状の磁芯が使用できる。

機能的には、本発明は、エネルギの蓄積および磁界の検出のための飽和誘導子を 使用する発振器を含む。

この誘導子の付勢は、下記の如く正と負の間で交番する。即ち、要約すれば、こ の誘導子は、誘導子に流れる電流が磁芯が飽和されたことを示す値を越えるまで 正の電圧で駆動され、この時駆動電圧は等しい大きさの負の値へ切換わる。この 負の駆動電圧は、誘導子を流れる電流が磁芯が反対方向に飽和されることを示す 値を越えるまで印加され、この時駆動電圧は再び正の値へ切換わる。外部から磁 界が加えられなければ、雰の平均誘導子電流が得られる。しかし、外部から加え られた磁界は、磁芯をより容易に１つの方向に飽和させ、他の方向にはそれほど 容易には飽和させず、その結果平均誘導子電流の変化を生じ、また副次効果とし て、駆動電圧のデユーティ・サイクルの公称値５０％からの離脱を生じることに なる。誘導子に当たる外部の磁界の強さの測定値としてとられるこのデユーティ ・サイクルの変動を検出するための手段が提供される。

本発明は、本発明は、磁束の平衡化、および低電力量および低製造コストを伴う 構造と電子素子の簡素化により、各軸毎に僅かに１つのコイル巻線しか必要とし ないことで他と差別化される。

本発明については、参考として本文に包含される付随図面に関して読むべき以降 の詳細な説明を参照することにより更によく理解されよう。

（図面の簡単な説明） 図において、 第１図は、本発明による磁力計の部分ブロック回路図、 第２図は、飽和し得る磁性材料における単純な非定形Ｂ　−Ｈカーブの理想化図 、 第３図は、本発明の誘導子に対する磁芯材料として使用できる３つの磁性材料の Ｂ−Ｈカーブ、第４図は、外部から加えられた磁界の効果を示す典型的なり一１ ４カーブの個別の線形近似図、および第５図は、誘導子の正味電流の計算に用い られた領域における印加磁界の効果を示す図である。

（実施例） 次に、本発明による基本的な磁力計の更に完全な機能の説明を第１図および後で 識別される各図に関してりのいくつかの非常に基本的な構成をも示している。

要約すれば、磁力計ｌＯは、発振器１２および発振のデユーティ・サイクルの測 定（あるいはデユーティ・サイクルの相当の検出）のための手段１４を含む。発 振器１２の飽和誘導子２０は、磁界に応答する検出要素である。

発振器１２の飽和誘導子２０は、磁界に応答する検出要素である。

コンパレータ２４は、誘導子に対する駆動電圧の極性を制御する。コレパレータ ２４は、誘導子２０の両端の電圧をその非反転入力側で受取り、基準電圧がコン ／＜レータの反転入力側へ与えられる。この基準電圧は、コンノ（レークの出力 側とアース（即ち、誘導子の一端部と共通の点）間に直列に、バイポーラ電圧ソ ース２６（即ち、１対の逆接続されたツェナー・ダイオード）２６および抵抗２ ８を入れることにより得られ、この抵抗はアースとバイポーラ電圧ソース間に接 続されている。基準電圧は、ノード３４（抵抗２８とソース２６との接合点）に おける電圧である。コンパレータ２４の出力はまた、ソース１６（即ち、抵抗２ ２）と誘導子２０とに直列抵抗３２を介して接続されている。

作動においては、誘導子２０は、誘導子に対する電流が誘導子の磁芯が飽和状態 にあることを示す値（この値はノード３４における基準電圧により確立される） を越えるまで、正の電圧で駆動される。この時、ノード３３における電圧は零に 変化し、コンパレータ３０は状態を切換え、これによりコンパレータ出力におけ る駆動電圧の極性が変化する。コンパレータは、抵抗３２の両端の電圧が電圧ソ ース２６の電圧を越える時切換わる。磁芯が逆の方向に飽和すると、類似の切換 え動作が生じる。

磁芯の飽和を示す電流の値は、バイポーラ電圧ソース２６および抵抗２８により 設定される。（このバイポーラのソースは抵抗で置換してもよいが、コンパレー タが切換わる電流がコンパレータ２４からの出力電圧の非対称性により、また誘 導子２０の透磁率が飽和状態においては零ではないという事実によって影響を受 けるおそれがあるためエラーが増大しよう。）このように、飽和電流の閾値は上 式により与えられる。即ち、但し、■１，４　は飽和電流を表わし、■、はバイ ポーラ電圧ソース出力の（無符号の）大きさくコンパレータ２４の出力の制限さ れた振り）を表わし、Ｒ３□は抵抗３２の抵抗値を表わす。コンパレータ２４の 出力における振りの値は、それ自体のコンパレータにより設定され、使用される 電源の関数である。正および負のコンパレータ出力の振りの大きさの非対称性が 二次エラーを生じる。

もし電圧ソース２６が理想的であれば、このエラーは消滅する。このように、発 振の周波数は、駆動電圧、電流限度および誘導子の磁芯の特性により決定される 。

誘導子の両端の長期の平均電圧は、周知のとおり零でなければならない。このこ とは、フィードバック・ループが破壊されて（即ち、抵抗２２に電流がない）誘 導子２０を流れる電流は下式で与えられる。即ち、但し、Ｖ　＊　ｗ　＋　ｌ　 ｃ　ｈはコンパレータ２４の出力電圧を表し、ＩＬ　は誘導子２０に流れる電流 を表す。組合わされた括弧［および］は、括弧で括られた変数即ち数式の比較的 長い時間にわたる平均を表す。

上記のごとく、外部から加えられる磁界は、１つの方向における磁芯の飽和を「 助け」、他の磁芯の飽和を「妨げる」。このことは、誘導子の平均電流を零から 離れて変化させるという結果を有する。抵抗３２は、誘導子２０を流れる電流を 検出するよう働く。従って、外部の磁界が存在する場合は、誘導子２０に対して 加えられる駆動電圧は、抵抗３２が零でない値を有するという事実の直接的な結 果として池のものより半サイクルだけ低い。これは、更に、ノード２１における 駆動電圧のデユーティ・サイクルを５０％でなくさせる。デユーティ・サイクル 測定システム１４は、このデユーティ・サイクルの５０％からの離脱の大きさを 測定する出力を生じる。このデユーティ・サイクル測定システムは、例えば、コ ンパレータ２４の出力を直接受取ってソフトウェアのタイミング・ループを用い て状態の変化（また従って、デユーティ・サイクル）を検出する。マイクロプロ セ・ンサは、他の機能を実施するより大きなシステムの一部であり得、その結果 このシステムに対する磁界の測定の追加が最小限の付加的なコストをもたらすこ とになる。

外部の磁界の印加が如何にして発振器の作動に影響を及ぼすかの更に詳細な説明 については、第２図に示した簡単なり　−１４カーブ５０を参照されたい。同図 において、ｙ軸はボルト・秒／メートル単位で測定される磁束密度Ｂを表す。円 筒状の誘導子の巻線内の領域に注目して、磁束密度は印加電圧の積分に比例して 増加することになる。即ち、 但し、Ａは平方メートル単位の円筒の断面積である。

Ｘ軸は磁界強さＩ］を表し、これはアンペア回数／メートル単位で測定すること ができる。この場合、「メートル」は「有効磁力線経路長さ」の測定を表す。

これは、小さな断面の円環体状磁芯の周囲として見做すのが最も容易である。円 筒状の磁芯の場合は、前記経路の一部は磁芯内にあり、一部は周囲の空気中にあ る。

磁界の強さは、電流の値が全アンペア回数に対して同じであるため、与えられた 電流においては誘導子における巻数に比例する。即ち、 但し、Ｉ　＋、は誘導子の電流を表し、Ｎ３は巻数を表し、ｍは磁力線経路の長 さを表す。

磁力計の作動は、誘導子の磁芯におけるヒステリシス効果に感応し、そのため磁 芯材料は適正なヒステリシス品質を求めて選定されなければならない。一般に、 磁芯材料の残留磁化５２が小さければ小さいほど、ヒステリシスにより影響を受 けやすいオフセット電流が小さくなる。

第３図は、いくつかの磁芯材料に対する典型的なり−Ｈカーブ、即ちスーパーマ ロイに対するカーブ５４．０ｒｔｈｏｎｏｌ　（Ｓｐａｎｇ　＆　Ｃｏｍｐａｎ ｙ、米国ペンシルバニア州パトラ−）に対するカーブ５６、および５ｉｌｅｃｔ ｒｏｎ（＾ｌｌｅｇｈｅｎｙ　Ｌｕｄｌｕｍ　５ｔｅｅｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ ｏｎ、同国ペンシルバニア州ピッツバーグの登録商標）に対するカーブ５８を示 している。各材料は、その飽和磁束密度ＣＢ　、、、）、透磁率（Ｕ）およびＢ 　−１（カーブ（特に、「隅部」の形状）と特徴とする。スーパーマロイは、「 方形ループ材」と呼ばれ、一方５ｉｌｅｃｔｒｏｎは「円形ループ」と呼ばれる こともある。

説明を更に簡単にするため、Ｂ−Ｈカーブに対して近似法を用い、ヒステリシス を無視してカーブ形状に対する個々の線形モデルを提起する。この近似法は第４ 図に示される。同図において、Ｈ、、、より大きなＨの値については、Ｂは雰で はなくｕより実質的に小さな透磁率Ｕ、１．で増加する。透磁率Ｕは、Ｂ　ｓａ ｔ／　Ｈｓａｔとして定義することができる。外部の磁界Ｈ＠　ｗ　Ｉ　　が存 在する場合、発振器はあたかもＢ−Ｈカーブ６０がＨ軸に沿って原点から（例え ば、カーブ６２の位置へ）ずれるかのように働くことになる。この動きは、定常 電流により二次巻線により、あるいは単一巻線と並列の電流ソースによって生じ るものと等しいことになる。

このため、電流波形＋＋、（１）における非対称性をもたらす。

グラフの説明もまた行い、第５図に関して論述しよう。Ｒ３□が小さく飽和時の 透磁率が零である仮定すると、「動作点」は、飽和透磁率が零であるため、電圧 Ｖの符号と共にＢ軸に沿って−Ｂ　口ｗｈと十Ｂ、ユの間に一定の早さで移動す る。外部の磁界の存在時には、動作点はＢ軸の片側において他の側よりも更に時 間を費やし、従って正味の誘導子電流の計算に用いる結果として得る面積（即ち 、第５図に示されるＱとｒ）は等しくない。このことは、誘導子電流の平均値が 印加磁界により生じるものと丁度大きさが等しく方向が反対であることを示唆す る。

この作動についての別の考え方は、発振器の動作点が「平均化」できＢ−１１カ ーブ上の１つの点として表すことができることである。磁芯の明瞭なり−Ｈカー ブは全てのＨｃｍに対してＨ軸に関して対称的であるため、平均値Ｂは常に零と なる。このことは、前にそうであったように、誘導子の両端の時間的な平均電圧 が零であるとしたものと同じである。［平均ｆｉＥＩＪ）ｌはＨｅ　ｘ　ｔと大 きさが等しく方向が反対となる。従って、電流ＩＬの時間的な平均値はＨｃ、、 と比例しなければならない。飽和の「曲折部（ｋｎｅｅｓ）　Ｊ即ち「隅部」は 、Ｂを既知の値Ｂ　Ｉ　ｍ　ｌに強制することにより、積分定数Ｃをリセットす る一方法と考えることができる。即ち、 電流制限の変化に対するＢ　ｓａｔの感度がＵｌ、、に反比例することに注意。

半サイクルにわたる平均誘導子電流は、これは、第５図における２つの面積ｑお よびｒの和である。即ち、 【　− コンデンサ８４を用いいて、コンパレータが両方のその入力および出力が全て零 となる安定状態に捕捉状態となることを阻止することにより発振を保証し、コン デンサ８４の付設により、両入力はコンパレータ出力が零に経て切換わると同時 に零にならないようになる。

もし真の電圧コンパレータが多くのこのようなデバイスに典型的なヒステリシス を呈するならば、コンデンサ８４は、このコンパレータが演算増幅器の代わりに 要素２４に対して用いられる時省くことができる。誘導子は、米国ペンシルバニ ア州パトラ−のＭａｇｎｅｔｉｃｓ、　　Ｉｎｃ、製のモデル５００８６−２Ｆ 円環体状磁芯上の巻線を約５０回を持つものでよい。

本発明についてはその多くの実施態様を記述したが、本文に明示的に記載されな い種々の変更、修正および改善がそれにも拘わらず示唆され、かつ本発明が関与 する技術に習熟する者には容易に恋着されよう筈である。このため、本文の論議 は例示であり限定するものではない。記載から明らかになる程度に、これらの変 更、修正および改善は以降の請求の範囲およびこれに相当するものによってのみ 限定される本発明の一部であると意図される。

浄書（内容に変更なし） 第　２　図 補正書の翻訳文提出書 第　４ＴｙＪ −電流調堺　　　Ｂ茸ホ′ルト・８−Ｚ−明　　　　細　　　　書 （特許法第１８４条の８） 特許庁長官　　吉　１）文教　殿 １、特許出願の表示 ＰＣＴ／ＵＳ８８１０２９２８ ２、発明の名称 単線巻き磁力計 ３、特許出願人 住　所　　アメリカ合衆国マサチューセッツ州０２０６２．ノーウ・ソド。

インダストリアル・パーク、ルート　１名　称　　アナログ・ディバイセス・イ ンコーホレーテッド４、代理人 住　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 単線巻き磁力計 （技術分野） 本発明は、磁力計即ち磁界の検出および測定のためのけ器に関する。特に、本発 明は検出軸当たり僅かに１回巻きを有するコイルを使用する新しい形式の磁力計 に関する。

（背景技術） 磁力計は、磁界の強さを測定する装置である。磁力計は、長い間周知であり、多 くの用途を有する。性格的に醜械的なものおよび電気的および電子的なものを含 むいくつかの形式の磁力計が存在する。１つの一般的な磁子的磁力計の形式は、 磁束ゲート磁力計と呼ばれる。

磁束ゲート磁力計は、検出巻線が周囲に設けられる磁芯を飽和および不飽和状態 にすることにより作動する。

磁芯の飽和および不飽和の作用は、同じ磁芯における駆動巻線に対し加えられる 駆動信号により生じる。

この駆動巻線は、検出巻線に磁力線を交互に集中して磁力線を弛張させる。外部 の磁界は、検出巻線と接続された電子回路を介して検出することができるように 険出巻線により生成された磁界と相互に作用する。

磁束ゲート磁力計の出力信号は、外部の磁界と線形的に比例する電圧である。こ のような特性を持つ装置からコンパスを容易に構成できることが理解されよう。

このようなコンパスは、例えば自動車、船舶および航空機の運行において有用で ある。

コンパスの用途においては、検出軸当たり少なくとも１つずつ２つ以上の磁力計 が一般に使用される。電子回路は、２つの直交軸に沿う磁界の変化についての情 報を処理して向きの情報を得る。２つの磁力計が通常同じ設計ならびに構造であ るため、各軸について個々に考察することができる。測定の信号／ノイズ比を向 上させるため、あるいは伏角を検出するため２つ以上の軸がしばしば使用される 。

従来の磁力計は、２つ以上のコイル巻線と多数の電子回路からなっている。巻線 の一方は電子信号により駆動され、他の巻線の少なくとも１つは、駆動信号のみ ではなくこれらの巻線の運動即ち方向の変化により生じる駆動される巻線および 検出巻線内の磁束の変化にも依存する出力を生じる。例えば、１９８１年１２月 ８日発行のＤｅｄｉｎａ’Ｏ，１ｌａｃｈ等の名義の米国特許第４．３０５．０ ３５号においては、２つのコイルが各軸に沿った検出のため使用される。各コイ ル対は、それ自体の電子素子を持ち、各コイル対は個々の小さな芯部材料片上に 巻付けられ、これらコイルは電子コンパスとして使用されるためジンバル付きの 支持部に定置される。６対のコイルの一方は駆動信号が加えられる駆動コイルで あり、他方のコイルは磁界検出コイルである。２軸コンパスの用途においては、 検出コイルの各々が１つの面内の磁界の成分のみを検出し、１つの出力がコイル の一方の軸に沿った磁界を表わし、他方は他のコイルの軸に沿った磁界を表わす 。各駆動コイルに加えられる駆動信号は三角形の波形を呈して、交互に反対方向 にコイル芯部を飽和させる。加えられた磁界は、付勢サイクルの半分において加 算効果を有し、池の半分のサイクルにおいては減算効果を有して、検出された波 形に正味のＤＣレベルを確立する傾向を生じる。このＤＣ成分は除去され、これ を行うため必要な信号が印加磁界強さの表示として使用される。前記米国特許の 第１図に示されるように、この発明の示された実施態様は上記の複数のコイルを 要する詐りでなく（各軸毎に）６つの演算増幅器と多数の別の構成要素をも必要 とする。

２軸の検出のため３つのコイルと１つの駆動巻線を使用する磁束ゲート磁力計が 、米国ロードアイランド州ミドルトン市のＫＶＩ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、　Ｉ ｎｃ、によりそのＫＶＩＩ　ＰＣ１０３型磁束ゲート・コンパスおよび関連する 製品の一部として販売されている。Ｋ　Ｖ　１１社の文献によれば、そのセンサ は中心部に自由に浮遊するリングコアを持つ円環体状の磁束ゲート磁力計を使用 している。このコアは、パーマロイ（登録商標）ブランドのテープで巻付けられ たステンレス鋼リボンから作られている。

駆動磁界はこのコアに加えられ、駆動磁界との外部磁界の相互作用がコアの磁束 の非対称的な変化を生じる。コアの磁束のこの変化が、コア上の二次巻線により 検出され、その結果生じる信号が次に処理される。

ヨーロッパ特許出願第０　０６５　５８９号は、規則的な方形波形を持つコイル を指向するため飽和し得るコア上に巻付けられたコイルおよび回路を含む磁力計 を開示している。外部の磁界の存在が、誘導子の両端に生じる電圧のデユーティ ・サイクルを外部磁界の強さと比例的に変化させる。本装置は、次に、デユーテ ィ・サイクルと標準的なデユーティ・サイクル間のさせを測定して、外部磁界の 強さを決定する。

他の多重巻線磁束ゲート磁力計コンパスが、例えば、米国特許第３．８９９．８ ３４号および同第４．２７７、７５１号に示されている。米国特許第４．２７７ 、７５１号は、磁力計の駆動巻線に流れる電流を平均化する積分器を使用する。

この積分器の出力は、抵抗を介して誘導子と接続され、誘導子に対して外部磁界 により生じる平均電流を補償する信号を与える。

（発明の要約） しかし、小型の比較的安い磁界センサに対する用途が存在する。上記の米国特許 第４．２７７、７５１号は、例えば、ワット損が少ない磁力計の必要を示してい る。

従って、本発明の目的は、非常に低コストの磁力計の提供にある。

少なくとも上記の一部によれば、本発明の別の目的は、少ないコイル巻線数を用 いる磁力計の提供にある。

本発明の更に別の目的は、従来技術の磁力計より少ない回路構成要素を用いる磁 力計の提供にある。

（以下の詳細な説明を読めば更に明らかになろう）本発明の上記および他の目的 および利点は、１つの軸に沿って磁界を検出するため１つ以上の巻線を有する一 回のコイル巻線しか必要としない磁力計を用いて達成される。磁力計は、高い透 磁率の飽和し得る磁芯材料の使用に依存する。磁芯の形状は用途に依存し、電流 の検出のためには円環体状の磁芯が使用できるが、地磁界の検出には円筒状の磁 芯が使用できる。

機能的には、本発明は、エネルギの蓄積および磁界の検出のための飽和誘導子を 使用する発振器を含む。

この誘導子の付勢は、下記の如く正と負の間で交番する。即ち、要約すれば、こ の誘導子は、誘導子に流れる電流が磁芯が飽和されたことを示す値を越えるまで 正の電圧で駆動され、この時駆動電圧は等しい大きさの負の値へ切換わる。この 負の駆動電圧は、誘導子を流れる電流が磁芯が反対方向に飽和されることを示す 値を越えるまで印加され、この時駆動電圧は再び正の値へ切換わる。外部から磁 界が加えられなければ、零の平均誘導子電流が得られる。しかし、外部から加え られた磁界は、磁芯をより容易に１つの方向に飽和させ、他の方向にはそれほど 容易には飽和させず、その結果平均誘導子電流の変化を生じ、また副次効果とし て、駆動電圧のデユーティ・サイクルの公称値５０％からの離脱を生じることに なる。誘導子に当たる外部の磁界の強さの測定値としてとられるこのデユーティ ・サイクルの変動を検出するための手段が提供される。

本発明は、本発明は、磁束の平衡化、および低電力量および低製造コストを伴う 構造と電子素子の簡素化により、各軸回に僅かに１つのコイル巻線しか必要とし ないことで池と差別化される。

本発明については、参考として本文に包含される付随図面に関して読むべき以降 の詳細な説明を参照することにより更によく理解されよう。

（図面の簡単な説明） 図において、 第１図は、本発明による磁力計の部分ブロック回路図、 第２図は、飽和し得る磁性材料における単純な非定形Ｂ　−Ｈカーブの理想化図 、 第３図は、本発明の誘導子に対する磁芯材料として使用できる３つの磁性材料の Ｂ　−１１カーブ、第４図は、外部から加えられた磁界の効果を示す典型的なり −Ｈカーブの個別の線形近似図、および第５図は、誘導子の正味電流の計算に用 いられた領域における印加磁界の効果を示す図である。

（実施例） 次に、本発明による基本的な磁力計の更に完全な機能の説明を第１図および後で 識別される各図に関して行う。

第１図は、本発明のブロック図のみではなく、ブロックのいくつかの非常に基本 的な構成をも示している。要約すれば、磁力計１０は、発振器１２および発振の デユーティ・サイクルの測定（あるいはデユーティ・サイクルの相当の検出）の ための手段１４を含む。発振器１２の飽和誘導子２０は、磁界に応答する検出要 素である。

コンパレータ２４は、誘導子に対する駆動電圧の極性を制御する。コンパレータ ２４は、誘導子２０の両端の電圧をその非反転入力側で受取り、基準電圧がコン パレータの反転入力側へ与えられる。この基準電圧は、コンパレータの出力側と アース（即ち、誘導子の一端部と共通の点）間に直列に、バイポーラ電圧ソース ２６（即ち、１対の逆接続されたツェナー・ダイオード）２６および抵抗２８を 入れることにより得られ、この抵抗はアースとバイポーラ電圧ソース間に接続さ れている。基準電圧は、ノード３４（抵抗２８とソース２６との接合点）におけ る電圧である。コンパレータ２４の出力はまた、ソース１６と誘導子２０との接 合点に直列抵抗３２を介して接続されている。

作動においては、誘導子２０は、誘導子に対する電流が誘導子の磁芯が飽和状態 にあることを示す値（この値はノード３４における基準電圧により確立される） を越えるまで、正の電圧で駆動される。この時、ノード３３における電圧は零に 変化し、コンパレータ３０は状態を切換え、これによりコンパレータ出力におけ る駆動電圧の極性が変化する。コンパレータは、抵抗３２の両端の電圧が電圧ソ ース２６の電圧を越える時切換わる。磁芯が逆の方向に飽和すると、類似の切換 え動作が生じる。

磁芯の飽和を示す電流の値は、バイポーラ電圧ソース２６および抵抗２８により 設定される。（このバイポーラのソースは抵抗で置換してもよいが、コンパレー タが切換わる電流がコンパレータ２４からの出力電圧の非対称性により、また誘 導子２０の透磁率が飽和状態においては零ではないという事実によって影響を受 けるおそれがあるためエラーが増大しよう。）このように、飽和電流の閾値は下 式により与えられる。即ち、但し、Ｉ＋、イ　は飽和電流を表わし、■、はバイ ポーラ電圧ソース出力の（無符号の）大きさくコンパレータ２４の出力の制限さ れた振り）を表わし、Ｒ３□　は抵抗３２の抵抗値を表わす。コンパレータ２４ の出力における振り（７）　［ハ、それ自体のコンパレータにより設定され、使 用される電源の関数である。正および負のコンパレータ出力の振りの大きさの非 対称性が二次エラーを生じる。もし電圧ソース２６が理想的であれば、このエラ ーは消滅する。　このように、発振の周波数は、駆動電圧、電流限度および誘導 子の磁芯の特性により決定される。誘導子の両端の長期の平均電圧は、周知のと おり零でなければならない。このことは、フィードバック・ループが破壊されて （即ち、抵抗２２に電流がない）誘導子２０を流れる電流は下式で与えられる。

但シ、Ｖ　＊　ｗ　＋　ｌ　ｃ　ｈはコンパレータ２４の出力電圧を表し、■８ ．は誘導子２０に流れる電流電流を表す。組合わされた括弧［および］は、括弧 で括られた変数即ち数式の比較的長い時間にわたる平均を表す。

上記のごとく、外部から加えられる磁界は、１つの方向における磁芯の飽和を「 助け」、池の磁芯の飽和を「妨げる」。このことは、誘導子の平均電流を零から 離れて変化させるという結果を有する。抵抗３２は、誘導子２０を流れる電流を 検出するよう働く。従って、外部の磁界が存在する場合は、誘導子２０に対して 加えられる駆動電圧は、抵抗３２が零でない値を有するという事実の直接的な結 果として他のものより半サイクルだけ低い。これは、更に、ノード２１における 駆動電圧のデユーティ・サイクルを５０％でなくさせる。デユーティ・サイクル 測定システム１４は、このデユーティ・サイクルの５０％からの離脱の大きさを 測定する出力を生じる。このデユーティ・サイクル測定システムは、例えば、コ ンパレータ２４の出力を直接受取ってソフトウェアのタイミング・ループを用い て状態の変化（また従って、デユーティ・サイクル）を検出する。マイクロプロ セッサは、他の機能を実施するより大きなシステムの一部であり得、その結果こ のシステムに対する磁界の測定の追加が最小限の付加的なコストをもたらすこと になる。

外部の磁界の印加が如何にして発振器の作動に影響を及ぼすかの更に詳細な説明 については、第２図に示した簡単なり　−Ｈカーブ５０を参照されたい。同図に おいて、ｙ軸はボルト・秒／メートル単位で測定される磁束密度Ｂを表す。円筒 状の誘導子の巻線内の領域に注目して、磁束密度は印加電圧の積分に比例して増 加することになる。即ち、 但し、Ａは平方メートル単位の円筒の断面積である。

Ｘ軸は磁界強さ１１を表し、これはアンペア回数／メートル単位で測定すること ができる。この場合、「メートル」は「有効磁力線経路長さ」の測定を表す。

これは、小さｔ断面の円環体状磁芯の周囲として見做すのが最も容易である。円 筒状の磁芯の場合は、前記経路の一部は磁芯内にあり、一部は周囲の空気中にあ る。

磁界の強さは、電流の値が全アンペア回数に対して同じであるため、与えられた 電流においては誘導子における巻数に比例する。即ち、 但し、ＩＬは誘導子の電流を表し、Ｎ、は巻数を表し、ｍは磁力線経路の長さを 表す。

磁力計の作動は、誘導子の磁芯におけるヒステリシス効果に感応し、そのため磁 芯材料は適正なヒステリシス品質を求めて選定されなければならない。一般に、 磁芯材料の残留磁化５２が小さければ小さいほど、ヒステリシスにより影響を受 けやすいオフセット電流が小さくなる。

第３図は、いくつかの磁芯材料に対する典型的なり−Ｈカーブ、即ちスーパーマ ロイに対するカーブ５４．０ｒｔｈｏｎｏｌ　（Ｓｐａｎｇ　＆　Ｃｏｍｐａｎ ｙ、米国ペンシルバニア州パトラ−）に対するカーブ５６、およびＳｉｌｅｃｔ ｒｏｎ（Ａｌｌｅｇｈｅｎｙ　Ｌｕｄｌｕｍ　５ｔｃｃｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ ｏｎ、同国ペンンルバニア州ピッツバーグの登録商標）に対するカーブ５８を示 している。各材料は、その飽和磁束密度（Ｂ、、、）、透磁率（μ）およびＢ− １１カーブ（特に、「隅部」の形状）と特徴とする。スーパーマロイは、「方形 ループ材」と呼ばれ、一方５ｉｌｅｃｔｒｏｎは「円形ループ」と呼ばれること もある。

説明を更に簡単にするため、Ｂ　−Ｈカーブに対して近似法を用い、ヒステリシ スを無視してカーブ形状に対する個々の線形モデルを提起する。この近似法は第 ４図に示される。同図において、Ｈ、、、より大きなＨの値については、Ｂは零 ではなくμより実質的に小さな透磁率μ１．．で増加する。透磁率μは、Ｂ　、 、、／　Ｈ、、。

として定義することができる。外部の磁界Ｈｅ　１１が存在する場合、発振器は あたかもＢ　−１−１カーブ６０がＨ軸に沿って原点から（例えば、カーブ６２ の位置へ）ずれるかのように働くことになる。この動きは、定常電流により二次 巻線により、あるいは単一巻線と並列の電流ソースによって生じるものと等しい ことになる。

グラフの説明もまた行い、第５図に関して論述しよう。Ｒ３□が小さく飽和時の 透磁率が零である仮定すると、「動作点」は、飽和透磁率が零であるため、電圧 Ｖの符号と共にＢ軸に沿って−Ｂ９．ワと＋８１，６の間に一定の早さで移動す る。外部の磁界の存在時には、動作点はＢ軸の片側において他の側よりも更に時 間を費やし、従って正味の誘導子電流の計算に用いる結果として得る面積（即ち 、第５図に示されるＱとｒ）は等しくない。このことは、誘導子電流の平均値が 印加磁界により生じるものと丁度大きさが等しく方向が反対であることを示唆す る。

この作動についての別の考え方は、発振器の動作点が「平均化」できＢ　−１− １カーブ上の１つの点として表すことができることである。磁芯の明瞭なり−Ｈ カーブは全てのＨｅ　Ｍ　Ｉに対してＨ軸に関して対称的であるため、平均値Ｂ は常に零となる。このことは、前にそうであったように、誘導子の両端の時間的 な平均電圧が零であるとしたものと同じである。［平均値Ｊ　ＨはＨ８，１と大 きさが等しく方向が反対となる。従って、電流１１．の時間的な平均値はＩ−１ 、、、と比例しなければならない。

飽和の［曲折部（ｋｎｅｅｓ）Ｊ即ち「隅部」は、Ｂを既知の値Ｂ、５．に強制 することにより、積分定数Ｃをリセットする一方法と考えることができる。即ち 、電流制限の変化に対するＢ１．、の感度がｌＬｍｍ＋に反比例することに注意 。

半サイクルにわたる平均誘導子電流は、これは、第５図における２つの面積ｑお よびｒの和である。即ち、 コンデンサ８４を用いいて、コンパレータが両方のその入力および出力が全て零 となる安定状態に捕捉状態となることを阻止することにより発振を保証し、コン デンサ８４の付設により、両入力はコンパレータ出力が零に経て切換わると同時 に零にならないようになる。

もし真の電圧コンパレータが多くのこのようなデバイスに典型的なヒステリシス を呈するならば、コンデンサ８４は、このコンパレータが演算増幅器の代わりに 要素２４に対して用いられる時省くことができる。誘導子は、米国ペンシルバニ ア州パトラ−のＭａｇｎｅｔｉｃｓ、　　Ｉｎ仁製のモデル５００８６−２Ｆ円 環体状磁芯上の巻線を約５０回を持つ本発明についてはその多くの実施態様を記 述したが、本文に明示的に記載されない種々の変更、修正および改善がそれにも 拘わらず示唆され、かつ本発明が関与する技術に習熟する者には容易に恋着され よう筈である。このため、本文の論議は例示であり限定するものではない。記載 から明らかになる程度に、これらの変更、修正および改善は以降の請求の範囲お よびこれに相当するものによってのみ限定される本発明の一部であると意図され る。

７５表千２−５０２６７１（１０） 請求の範囲 １、飽和し得る材料の磁芯上に巻付けられた１巻き以上の巻線を有するコイル（ ２０）を有する誘導子を含み、該誘導子は第１および第２のリードを有し、該第 ２のリードは共通の基準点と接続され、該第２のリードは共通の基準点と接続さ れ、出力が第１の正の電圧と第２の負の電圧との間で切換え自在である電圧ソー ス（２４）を含み、該第１および第２の電圧は実質的に等しい大きさであり、第 １の抵抗（３２）を含み、該第１の抵抗は前記電圧ソースの出力と前記誘導子の 第１のリードとの間に直列に接続され、基準電圧を提供する手段（２６）を含む 磁界を測定する計器において、 前記基準電圧は前記電圧ソースの出力に応答し、該電圧ソースの切換えが、前記 基準電圧と、前記との間の差に応答し、 前記誘導子を流れる平均電流を測定する手段（１４）を特徴とする計器。

２、前記誘導子を流れる平均電流を測定する前記手段が、前記電圧ソースの出力 のデユーティ・サイクルの公称５０％からの偏差を測定することを特徴とする請 求項１記載の計器。

３、潜在エネルギの蓄積のための主たる要素とじて飽和し得る磁芯の誘導子（２ ０）を使用する発振器（１２）を含み、該誘導子はアースに接続されたリードを 有し、出力が第１の正の電圧と第２の負の電圧との間で振動する電圧ソース（２ ４）と、前記電圧ソースの出力のデユーティ・サイクルを測定する手段（１４） とを含む磁界を測定する計器において、 前記発振器が更に、前記電圧ソースの出力を（ｉ）前記誘導子の磁芯が１つの方 向に飽和する時、前記第１の正の電圧から前記第２の負の電圧へ、 （ｉｊ）前記誘導子の磁芯が反対の方向に飽和する時、第２の負の電圧から第１ の正の電圧へ切換えさせる手段を含み、 （ｉｉ）前記第１の正の電圧と前記第２の負の電圧が等しい大きさである ことを特徴とする計器。

４、前記電圧ソースの出力を切換えさせる前記手段が、 （ｉ）該前記電圧ソースの出力と前記誘導子の一方のリードとの間に接続された 抵抗と、 （ｉｉ）前記誘導子の磁芯の飽和を表わす誘導子の前記一方のリードにおける電 圧の変化を検出する手段とを含むことを特徴とすることを特徴とする請求項３記 載の計器。

５、反転入力と、非反転入力と、出力とを有するコンパレータ（２４）と、飽和 し得る磁芯材料上に巻付けられた１回以上の巻線を有する単一巻線（２０）を含 む誘導子と、前記コンパレータの出力における信号のデユーティ・サイクルを測 定する手段（１４）とを含む磁力計において、 ・　前記コンパレータの出力と前記誘導子の巻線の第１のリードとの間に直列に 接続された第１の抵抗（３２）と、 アースと接続された前記誘導子の巻線の第２のリードとを設け、 前記コンパレータの非反転入力が前記誘導子の巻線の前記第１のリードと接続さ れ、 前記コンパレータの出力と接続されて該コンパレータの出力から生じる基準電圧 を確立する手段（２６）前記コンパレータの前記反転入力が前記基準電圧を受取 るよう接続される ことを特徴とする磁力計。

６、基準電圧を確立する前記手段（２６）が、（ｉ）ツェナー・ダイオード（２ ６）の一方のリードが前記コンパレータの出力と接続される、直列に逆接続され た１対のツェナー・ダイオードと、（ｉｊ　）該ツェナー・ダイオード対の油力 のリードとアースとの間に接続された第２の抵抗（２８）とを含み、 前記コンパレータの非反転入力が、前記第２の抵抗と前記ツェナー・ダイオード 対との接合点（３４）と接続されることを特徴とする請求項５項記載の磁力計。

浄書（内容に変更なし） アンＸアｗｊ数、６η 手続補正書（方式） ％式％ １６事件の表示　　　　　　　　　　　　　　　いａＰＣＴ／ＵＳ　８８１０２ ９２８ ２、発明の名称 単線巻き磁力計 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名紘　　　アナログ・ディバイセス・インコーホレーテッド４、代理人 住　　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル２０６区 ５、補正命令の日付　平成　２年　５月　８日（発送日）手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 ＰＣＴ／ｌＪｓ　８８１０２９２８ ２、発明の名称 単線巻き磁力計 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住　　所 ６弥　　　アナログ・ディバイセス・インコーホレーテッド住　　所　　東京都 千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル２０６区 ５、補正命令の日付　平１１ｉ１！２年　５月　８日（発送日）国際調査報告 国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．磁界を測定するための計器において、ａ．飽和し得る材料の磁芯上に巻付け られたコイルを含む誘導子と、 ｂ．１つの制御条件に応答して、第１の正の電圧と第２の負の電圧との間に出力 が切換わり得る電圧ソースとを設け、該第１および第２の電圧は実質的に等しい 大きさであり、 ｃ．第１の抵抗を設け、該第１の抵抗は前記電圧ソースの出力と前記誘導子の一 方のリードとの間に直列に接続され、 ｄ．前記電圧ソースの出力に対して基準電圧を与える手段を設け、 ｅ．前記制御条件が、前記基準電圧と前記誘導子の両端の電圧との間の差であり 、 ｆ．（１）前記電圧ソースの出力のデューティ・サイクルと（２）前記誘導子を 流れる平均電流の少なくとも一方を測定する手段、 を設けてなることを特徴とする計器。
2. ２．前記デューティ・サイクルを測定する手段が、公称５０％からのデューティ ・サイクルにおける偏差を測定することを特徴とすることを特徴とする１項記載 の計器。
3. ３．磁界を測定する計器において、 ａ．飽和し得る磁芯の誘導子をその主な要素として潜在エネルギの蓄積のため使 用し、かつ第１および第２の電圧間で出力が振動する電圧ソースを備えた発振器 を設け、 ｂ．該発振器が更に、前記電圧ソースの出力を、（ｉ）前記誘導子の磁芯が１つ の方向において飽和する時前記第１の電圧から第２の電圧へ、また（ｉｉ）前記 誘導子の磁芯が反対の方向に飽和する時前記第２の電圧から第１の電圧へ 切換えさせる手段と、 ｃ．前記電圧ソースの出力のデューティ・サイクルを測定する手段と、 を設けてなることを特徴とする計器。
4. ４．前記電圧ソースの出力を切換えさせる前記手段が、 （ｉ）該前記電圧ソースの出力と誘導子の一方のリードとの間に接続された抵抗 と、 （ｉｉ）誘導子の磁芯の飽和を表わす誘導子の前記一方のリードにおける電圧の 変化を検出する手段とを含むことを特徴とすることを特徴とする３項記載の計器 。
5. ５．ａ．反転入力と、非反転入力と、出力とを有するコンパレータと、 ｂ．飽和し得る磁芯材料上に巻付けられた単一巻線を含む誘導子と、 ｃ．前記コンパレータの出力と前記誘導子の巻線の第１のリードとの間に直列に 接続された第１の抵抗とを設け、 ｄ．前記誘導子の巻線の第２のリードがアースに接続され、 ｅ．前記コンパレータの非反転入力が前記誘導子巻線の第１のリードと接続され 、 ｆ．前記コンパレータの出力と接続されて、該コンパレータの出力から得る基準 電圧を確立する手段を設け、 ｇ．前記コンパレータの反転入力が前記基準電圧を受取るように接続され、 ｈ．前記コンパレータの出力における信号のデューティ・サイクルを測定する手 段を設けてなることを特徴とする磁力計。
6. ６．基準電圧を確立する前記手段が、 （ｉ）一方のリードが前記コンパレータの出力と接続される、直列に逆接続され た１対のツェナー・ダイオードと、 （ｉｉ）該ツェナー・ダイオード対の他方のリードとアースとの間に接続された 抵抗とを含み、前記コンパレータの非反転入力が前記抵抗と前記ツェナー・ダイ オード対との接合点と接続されることを特徴とすることを特徴とする５項記載の 計器。