JPH02504072A - 周波数差ディジタルコンパスおよび磁力計 - 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】 周波数差ディジタルコンパスおよび磁力計発明の背景 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決定す 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３，３ ９６．３２９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（５ｔａｒ）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、地球の磁界と直交するとき発 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（Ｌ。

ｎｇ）　Ｊｔ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、しかしこの装置は符号情報、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４，３４０，８ ６１号は異なつ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 石に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。１ ９８２年７月２７日にボンダレフスフＣＢｏｎｄａｒｅｖｓｋ）氏らに発行され たソ連特許Ｍ９４５゜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（Ｓｈｅｒｒｊｌｌ）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（Ｈｅａｖｊｓｉｄ ｅ）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（Ｂｅｎｊａｉｌｎ）氏らに発行された第３，９５２．４２０号、１９７ ８年６月２０日にクレー７　（Ｋｒａｏｅｒ）氏に発行された第４，０９５゜３ ４８号、１９７９年１２月１８日にロッサーニ（Ｒｏｓｓａｎｌ）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４．４２４．６３１号、１９８７年２月３日にターナ（Ｔａ ｎｎｅｒ）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゜７５】号、１９６９年３月２５日にイノウニ（ ］　ｎｏｕｙｅ）氏らに発行された第３．４３５，３３７号、１９６９年８月１ ２日にモリス（月ｏｒｒｉｓ）氏らに発行された第３．４６１゜３８７号、１９ ７３年１０月２３日にスウェイン（Ｓｗａｉｎ）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）　、　　Ｊ　 ｒ、に発行された誇４゜６４１．０９４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Ｉ　ＥＥＥ紀要（Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉ 。

ｎｓ　ｏｎ　Ｍａｇｎｅｉｉｃｓ）、Ｖｏｌ、　ＭＡ　Ｇ　−２０、Ｎｏ、５． １９８４年９月、１７２３頁ないし１７２５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計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 ここで図面に注意を向けると、特に第１図を考えると、アライド・シグナル・コ ーポレーション（Ａｌｌｉｅｄ　ＳｉｇｎａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　）から 得られる、商業的に入手可能な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Ｏ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の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−μ。ｎ　Ｉ　　　　　　　　　（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、μ。は自由空間の透磁率であり、 ｌ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、■はコア材料のｄ　巳 体積であり％ｄｉ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、 Ｂ そこでは・−一は特定の点における、Ｂ対Ｈ曲線の傾きであｄｌ−す る。

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Ｈ ０を発生し、コイルはμ（Ｈ）曲線１４の傾斜領域〕２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Ｈ８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。インダクタンスしは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。デニーティサイクルは非対称であるはずで、線形領域μ（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 必要にする。μ（Ｈ）領域の直線性は有用な情報を回復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ばならない。

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２ ０を図示する。コンパス２０は、インターフェイス回路３４にそれぞれライン２ ８．３０、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、ナシラナル・セミフンダクタ・コーポレーションから入手できる、ＬＭ３ ３９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５０にΩ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 ２０μｍの厚さを持つＭＥＴＧＬＡＳアモルファス合金の真直ぐなストリップの 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５に可変抵 抗善良２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ｌＮ４１４８型ダイオードＤ１を介して＋Ｖｃｃに接続さ れ、ライン６６で４．７に抵抗器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５６０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。Ｈｅ、、がセンサ６０の長さに平行な地球の磁界の成 分であり、Ｈｅ、、がＨ８の方向に沿って正であると解される場合、Ｈｅ、、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、直交の方向に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 Ｈｅ、。

ｙおよびＨｅ、、ｘ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２ ６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 方向から逆平行讐椿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きさはディジタルコンパス２０での配向の非常に正確な ディジタル読出を生じる。

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ィジタルコンパスが提 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 ディジタルコンパスは簡単なディジタル回路を使用し、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ィジタル続出が 滉られる。

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 。

に、■力 １ｏ、ｏｏ。

、００１．００２．Ｏ０５，０１，０２，０５０，１２５１０２５１０ＦＩＧＵ ＲＥ７ 両町 ＦＪＧＵＲＥ２ ＦＩＧＵＲＥ３ ＦＩＧＵＲＥ４ 補正書の写しく翻訳文）提８書（特許法第１８４条の８）

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．第１のおよび第２の端子を有し、発振電流を供給するための発振器ドライバ 手段と、 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ためのセンサ手段とを 含み、前記第１のコイルは前記第１の端子と前記第２の端子との間に結合され、 前記第１のコイルは磁軸を有し、 前記第１のコイルを通る直流バイアス電流を供給するための前記発振器ドライバ 手段は、前記センサ手段が外部に印加された磁界における変化を経験するとき、 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の磁 界の大きさの変化とともに単調に変化するようなものであり、さらに、 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提供するための測定 手段を含む発振器回路を含む磁力計。
2. ２．前記直流バイアス電流が電位のソースと前記センサ手段との間に接続された 抵抗器によつて供給される、請求項１に記載の磁力計。
3. ３．前記測定手段が前記測定信号を供給するためのマイクロプロセッサ手段を含 み、前記測定信号が外部に印加された磁界の大きさに関数的に関連するような請 求項１に記載の磁力計。
4. ４．前記マイクロプロセッサ手段から前記測定信号を受取るように結合され、前 記第１のコイルの磁軸に関連した外部に印加された磁界の大きさの表示をディス プレイするためのディスプレイ手段をさらに含む、請求項３に記載の磁力計。
5. ５．第１の端子および第２の端子を有し、第２の発振電流を供給するための第２ の発振器ドライバ手段と、第２のコイルを有し、前記第２の発振器回路の周波数 を制御するための第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の、および第２の端子の間に結合され、前記第２の コイルは第１のコイルの磁軸に直交する方向の成分を有する磁軸を有し、前記第 ２のコイルを通る直流バイアス電流を供給するための前記第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に印加された磁界における変化を経験する とき、第２の発振電流の周波数は前記第２のコイルの磁軸の方向における印加さ れた外部の磁界の大きさの変化とともに単調に変化し、 前記測定手段は第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 定信号を供給するための手段を含む、第２の発振器回路をさらに含む、請求項１ に記載の磁力計。
6. ６．第１の、および第２の端子を有し、第３の発振電流を供給するための第３の 発振器ドライバ手段と、第３のコイルを有し、前記第３の発振器回路の周波数を 制御するための第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の、および第２の端子の間に結合され、前記第３のコ イルは第１のコイルの磁軸に、および第２のコイルの磁軸に直交する方向の成分 を有する磁軸を有し、 前記第３のコイルを通る直流バイアス電流を供給するための前記第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に印加された磁界における変化を経 験するとき、第３の発振電流の周波数は前記第３のコイルの磁軸の方向における 印加された外部の磁界の大きさの変化とともに単調に変化するようなものであり 、 前記制定手段は第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 定信号を供給するための手段を含む、第３の発振器回路をさらに含む、請求項５ に記載の磁力計。
7. ７．前記第１のコイルはＭＥＴＧＬＡＳ合金のコア上に巻かれる、請求項１ない し請求項６に記載の磁力計。
8. ８．前記第２のコイルがＭＥＴＧＬＡＳ合金のコア上に巻かれる、請求項５およ び請求項６に記載の磁力計。
9. ９．前記第３のコイルがＭＥＴＧＬＡＳ合金のコア上に巻かれる、請求項６に記 載の磁力計。
10. １０．前記第１の、第２の、および第３の発振器ドライバがシユミットトリが回 路を含む、請求項１ないし請求項６に記載の磁力計。
11. １１．第１の、および第２の入力端子、および出力端子を有する第１の電圧比較 器回路を含み、第２の入力端子は第１の基準電位に接続され、さらに 磁軸を有し、かつ第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の入力端子と前記出力端子との間に接続される第１の検出コイルを含 み、前記第１の弛張発振器は第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な関数である周波数を有する第１の発振信号を供給し、さら に 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提供す るためのプロセッサ手段と、 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ためのディスプ レイ手段とを含むディジタルコンパス。
12. １２．前記ディジタルコンパスがＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の１つに沿つて配向さ れた磁軸を有する１組の３つの相互に直交して配置された検出コイルを有し、Ｘ 軸に沿つて配向された前記検出コイルは第１の電圧比較器回路の入力と出力との 間に接続され、Ｙ軸に沿つて配向された前記検出コイルは第２の電圧比較器回路 の入力端子と出力端子との間に接続され、Ｚ軸に沿つて配向された前記検出コイ ルは第３の電圧比較器回路の入力端子と出力端子との間に接続され、前記第２の 、および第３の電圧比較器回路は前記第１の電圧比較器回路と同じ態様で接続さ れ前記マイクロプロセッサにＹ軸の、およびＺ軸の発振信号を供給する、請求項 １１に記載のディジタルコンパス。
13. １３．前記比較器回路はシュミットトリガ回路である、請求項１１および請求項 １２に記載のディジタルコンパス。
14. １４．前記第１の、第２の、および第３の検出コイルが透磁性のコア上に巻かれ る、請求項１１、および請求項１２に記載のディジタルロンパス。
15. １５．前記透磁性の材料がＭＥＴＧＬＡＳ合金である、請求項１４に記載のディ ジタルコンパス。
16. １６．請求項６の磁力計を含み、前記印加された外部の磁界は地球の磁界である ディジタルコンパス。