JPH1020006A

JPH1020006A - 磁気探知装置

Info

Publication number: JPH1020006A
Application number: JP17001796A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kurihara; 一夫栗原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化や低価格化が容易で、しかも、高い感
度が得られる磁気探知装置を提供する。【解決手段】磁性体にコイルが巻かれてなる磁気セン
サを回路の一部に用いて、単安定マルチバイブレータを
構成し、この単安定マルチバイブレータから出力される
パルス信号の時間幅によって外部磁界の強さを検出する
ようにする。ここで、単安定マルチバイブレータ回路
は、トリガパルスが入力されたときに、外部磁界の強さ
に応じた時間幅のパルス信号を出力するようにする。

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、ホール
素子を用いた磁気探知装置、フラックスゲートセンサを
用いた磁気探知装置、磁気抵抗効果素子を用いた磁気探
知装置などがある。

【０００４】ホール素子を用いた磁気探知装置は、図８
に示すように、両端に電極１０１，１０２を設けたホー
ル素子１０３のホール効果を応用して外部磁界を検出す
るものである。すなわち、ホール素子を用いた磁気探知
装置では、外部磁界の変化によってホール素子１０３に
発生するホール電圧Ｖ_hの変化に基づいて外部磁界を検
出する。ここで、ホール素子１０３のホール係数をＲ_h
とし、ホール素子１０３の厚さをｄとし、ホール素子１
０３を流れる電流をＩとし、ホール素子１０３を通る磁
束をＢとすると、ホール電圧Ｖ_hは、下記式（１−１）
のようになる。

【０００５】Ｖ_h ＝Ｒ_h ・Ｉ・Ｂ／ｄ・・・（１−１）しかし、このようなホール電圧Ｖ_hは非常に小さいた
め、ホール素子を用いた磁気探知装置では、例えば、約
０．３ガウス程度の地磁気のような微弱な磁界を検出す
ることは困難である。

【０００６】また、フラックスゲートセンサを用いた磁
気探知装置は、図９に示すように、外部磁界によってヒ
ステリシス曲線がシフトする特殊な高透磁率材料からな
る環状の磁気コア１１０に、励磁用コイル１１１及び検
出用コイル１１２を巻回してなるものである。

【０００７】この磁気探知装置で外部磁界を検出する際
には、磁気コア１１０が過飽和状態にまで励磁されるよ
うな高周波電流を励磁用コイル１１１に流しておく。こ
のとき、外部からの磁界が磁気コア１１０に作用してい
なければ、検出用コイル１１２の左右のコイル１１２
ａ，１１２ｂからの出力は同じ出力波形となる。そし
て、検出用コイル１１２の左右のコイル１１２ａ，１１
２ｂは逆相に接続されているので、検出用コイル１１２
の左側のコイル１１２ａからの出力と、検出用コイル１
１２の右側のコイル１１２ｂからの出力とが互いに打ち
消し合って検出用コイル１１２全体からは何も出力され
ないこととなる。

【０００８】一方、例えば、励磁用コイル１１１によっ
て右回りの磁束Ｂが磁気コア１１０内に発生していると
きに、図９中のＮからＳに至る方向より外部磁界Ｈ_exが
加わると、外部磁界Ｈ_exがバイアス磁界として作用し
て、磁気コア１１０の右側が早く飽和し、磁気コア１１
０の左側が逆に遅れて飽和する。そして、検出用コイル
１１２の左右のコイル１１２ａ，１１２ｂは逆相に接続
されているので、検出用コイル１１２の左側のコイル１
１２ａからの出力と、検出用コイル１１２の右側のコイ
ル１１２ｂからの出力との差分が、外部磁界Ｈ_exの大き
さに対応して出力されることとなる。

【０００９】しかし、このような磁気探知装置では、検
出用コイル１１２によって磁気信号を電気信号に変換す
るため、感度を上げるには検出用コイル１１２の巻き数
を多くしたり、外部磁界Ｈ_exの集束効果を高めるために
磁気コア１１０の形状を大きくする必要がある。したが
って、フラックスゲートセンサを用いた磁気探知装置で
は、小型化や低価格化が非常に困難であった。

【００１０】また、磁気抵抗効果素子を用いた磁界探知
装置は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果を利用して外
部磁界を検出するものである。ここで、磁気抵抗効果素
子とは、Ｎｉ合金等からなる強磁性薄膜の磁気抵抗効果
を応用した磁電変換素子であり、印加された磁界の強さ
に応じて、その抵抗値が変化する特性を持っている。そ
して、図１０に示すように、磁気抵抗効果素子１２０を
流れる電流Ｉの方向と、外部磁界Ｈ_exによる磁気抵抗効
果素子１２０の磁化Ｍの方向とのなす角をθとし、電流
Ｉの方向と磁化Ｍの方向とが同一のときの磁気抵抗効果
素子１２０の抵抗値をＲ_aとし、電流Ｉの方向と磁化Ｍ
の方向とのなす角θが９０°のときの磁気抵抗効果素子
１２０の抵抗値をＲ_bとすると、磁気抵抗効果素子１２
０の抵抗値Ｒは、下記式（１−２）のようになる。

【００１１】Ｒ＝Ｒ_b ＋（Ｒ_a −Ｒ_b ）・ｃｏｓ²θ ・・・（１−２）また、上記式（１−２）を図にすると図１１のようにな
る。ここで、縦軸は、磁気抵抗効果素子１２０の抵抗値
Ｒであり、横軸は、磁気抵抗効果素子１２０を流れる電
流Ｉの方向と、外部磁界Ｈ_exによる磁気抵抗効果素子１
２０の磁化Ｍの方向とのなす角度θである。

【００１２】しかし、このような磁気抵抗効果素子１２
０において、抵抗変化率の最大値は２〜３％程度と非常
に小さいため、適当な大きさのバイアス磁界を加えて感
度の良いところを使用したとしても、地磁気のような微
弱な磁界では０．０５％程度しか抵抗変化が得られな
い。したがって、磁気抵抗効果素子１２０を用いた磁気
探知装置も感度が不十分であり、地磁気のような微弱な
磁界の検出には適してない。さらに、磁気抵抗効果素子
１２０の抵抗変化率は、０．３％／℃程度の大きな温度
係数を持っているため、磁気抵抗効果素子１２０を用い
た磁気探知装置では、温度ドリフト等の問題もある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来か
ら知られている磁気探知装置では、感度が不十分であっ
たり、小型化や低価格化が難しいという問題があった。

【００１４】そこで本発明は、このような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、小型化や低価格化が容易
で、しかも、高い感度が得られる磁気探知装置を提供す
ることを目的としている。

【００１５】

【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回路の一部に用いた
単安定マルチバイブレータを備え、上記単安定マルチバ
イブレータから出力されるパルス信号の時間幅によって
外部磁界の強さを検出することを特徴とするものであ
る。ここで、単安定マルチバイブレータ回路は、例え
ば、トリガパルスが入力されたときに、外部磁界の強さ
に応じた時間幅のパルス信号を出力する。

【００１６】本発明に係る磁気探知装置では、外部磁化
の変化をインダクタンスの変化として検出することとな
る。すなわち、外部磁界が変化すると、磁気センサの磁
性体の磁化量が変化し、その結果、磁気センサのインダ
クタンスが変化する。そして、このインダクタンスの変
化は、コイルに流れる電流の応答波形の変化として現れ
るので、この応答波形の変化を、単安定マルチバイブレ
ータから出力されるパルス信号の時間幅として検出する
ことにより、外部磁界が探知されることとなる。

【００１７】上記磁気探知装置は、磁気センサと直列に
接続された抵抗を備えていてもよく、このときは、パル
ス信号の時間幅が、磁気センサのインダクタンスと、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。
すなわち、磁気センサと直列に抵抗を接続したときに
は、磁気センサのインダクタンスと、磁気センサと直列
に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、コイルに流れる電流の応答波形の外部磁界強度に応
じた変化の大きさを定めることができる。

【００１８】なお、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
定されていることが好ましい。このように電流の振幅を
設定することにより、外部磁界の変化によって磁気セン
サのインダクタンスが大きく変化するようになるため、
磁気探知装置の感度を高めることができる。さらに、電
流の振幅をインダクタンスの急峻な変化を包括するよう
に設定することにより、外部磁界の有無や大きさによら
ず、磁気センサのインダクタンスが急峻な変化を示す範
囲全体が常に利用されることとなり、この結果、磁気探
知装置のリニアリティが向上する。

【００１９】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。このように直流バイアス電
流成分を含ませることにより、電流のレベルを磁気セン
サのインダクタンスの変化が大きい部分に設定すること
ができる。したがって、直流バイアス電流成分を含ませ
ることにより、磁気探知装置の感度を高めることができ
る。

【００２０】また、上記磁気探知装置は、磁気センサの
コイル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が好ましい。このようにバイラ
テラルスイッチを設けて、磁気センサのコイルに流れる
電流の方向を反転させたときには、応答波形の変化を検
出する際にそれらの差動を取ることにより、電流方向が
一定のときに比べて約２倍の出力が得られることとな
る。

【００２１】また、磁気センサのコイルに流れる電流の
方向を反転させたときに、外部磁界が零ならば、それぞ
れの電流方向における応答波形の変化は互いにキャンセ
ルされる。したがって、バイラテラルスイッチを備えた
磁気探知装置では、外部磁界がない状態である０点を容
易に認識できることとなる。

【００２２】さらに、コイルに流れる電流の方向を短時
間に反転させたときには、磁気センサのインダクタンス
に温度ドリフトや時間ドリフト等が生じても、これらの
影響は互いにキャンセルされることとなる。したがっ
て、バイラテラルスイッチを備えた磁気探知装置では、
磁気センサのインダクタンスの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、高精度に外部磁界を探
知することができる。

【００２３】なお、このような磁気探知装置において、
１つの磁気センサによって検出されるのは、外部磁界の
うち、磁気センサの磁性体の長手方向の成分だけであ
る。したがって、この磁気探知装置は、複数の磁気セン
サを備えていることが好ましい。そして、磁気探知装置
が複数の磁気センサを備えていれば、各磁気センサによ
って探知される磁界の大きさに基づいて、外部磁界の方
向を探知することが可能となる。

【００２４】

【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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】上記磁気センサ１を用いて外部磁界Ｈ_ex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、直流バイアス電流成分を含んだ交流
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。ここで、交流バ
イアス電流ｉ₁の立ち上がり部分の電流をｉ_1uとし、交
流バイアス電流ｉ₂の立ち上がり部分の電流をｉ_2uとす
る。

【００２８】磁気センサ１を用いて外部磁界Ｈ_ex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Ｈ
_exが加わって磁界の大きさがシフトしたとしても、磁界
の変化範囲が、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。

【００２９】そして、外部磁界Ｈ_ex＝０のときに、電流
値がＩ_aからＩ_bまで変化するような電流ｉ_1uを磁気セ
ンサ１のコイル３に流すと、磁気センサ１のインダクタ
ンスＬはＬ_max からＬ_min 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、電
流ｉ_1uの立ち上がり時間ｔ_1uは、ファラデーの法則によ
って下記式（２−１）のように表される。

【００３０】

【数１】

【００３１】一方、外部磁界Ｈ_exが加わっているとき
に、同様に磁気センサに電圧を印加すると、磁気センサ
１のコイル３に流れる電流ｉ_1uは、外部磁界Ｈ_ex分だけ
シフトして、例えば、Ｉ_a＋Ｉ_exからＩ_b＋Ｉ_exまで変
化するようになる。このとき、電流ｉ_1u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、電流ｉ_1uの応答波形が変化し、その立ち上がり時
間ｔ_1uが、下記式（２−２）で表される変化時間Δｔ_1u
だけ変化することとなる。

【００３２】

【数２】

【００３３】このように、電流ｉ_1uの立ち上がり時間ｔ
_1uは、外部磁界Ｈ_ex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、電流ｉ_1uの立ち上がり時間
ｔ_1uの変化量を検出することにより、外部磁界Ｈ_exの変
化を検出することができる。

【００３４】なお、この磁気センサ１では、外部磁界Ｈ
_exが加わっても、磁気センサ１のコイル３に流れる電流
ｉ_1uが、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（２−２）
から明らかなように、外部磁界Ｈ_ex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。

【００３５】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Ｈ_exの検出に、インダクタン
スＬの急峻な変化、すなわちＬ_maxからＬ_min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。

【００３６】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。

【００３７】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、外部磁界Ｈ_ex＝０のときに
磁気センサ１に流れる電流ｉ_2uが−Ｉ_aから−Ｉ_bまで
変化するように、磁気センサ１に電圧を印加する。この
ときも、磁気センサ１のインダクタンスＬは、Ｌ_maxか
らＬ_min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、電流ｉ_2uの立ち上が
り時間ｔ_2uは、ファラデーの法則によって下記式（２−
３）のように表され、上述の立ち上がり時間ｔ_1uと同じ
となる。

【００３８】

【数３】

【００３９】一方、外部磁界Ｈ_exが加わると、磁気セン
サ１のコイルに流れる電流ｉ_2uは、外部磁界Ｈ_ex分だけ
シフトして、例えば、−Ｉ_a＋Ｉ_exから−Ｉ_b＋Ｉ_exま
で変化するようになる。このとき、電流ｉ_2u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、電流ｉ_2uの応答波形が変化し、その立ち上
がり時間ｔ_2uが、下記式（２−４）で表される変化時間
Δｔ_2uだけ変化することとなる。

【００４０】

【数４】

【００４１】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、電流ｉ_2u
の立ち上がり時間ｔ_2uは、外部磁界Ｈ_exの変化に応じて
変化する。そして、この変化時間Δｔ_2uは、上述の変化
時間Δｔ_1uと符号が逆で同じ大きさとなっている。すな
わち、変化時間Δｔ_1uと変化時間Δｔ_2uとは、差動の関
係にある。

【００４２】そこで、順方向に電流を流したときの立ち
上がり時間ｔ_1u＋Δｔ_1uと、逆方向に電流を流したとき
の立ち上がり時間ｔ_2u＋Δｔ_2uとを測定し、下記式（２
−５）に示すように、これらの差動を取る。

【００４３】（ｔ_1u＋Δｔ_1u）−（ｔ_2u＋Δｔ_2u）＝２×Δｔ_1u ・・・（２−５）これにより、外部磁界Ｈ_ex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。

【００４４】また、順方向に電流を流したときの立ち上
がり時間ｔ_1u＋Δｔ_1uと、逆方向に電流を流したときの
立ち上がり時間ｔ_2u＋Δｔ_2uとの差動を取ると、外部磁
界Ｈ_ex＝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
Ｈ_exがない状態である０点を容易に認識することができ
る。

【００４５】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Ｈ_exを検出することができる。

【００４６】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。

【００４７】この磁気探知装置は、図３に示すように、
磁気センサ１０と、磁気センサ１０に流れる電流ｉの方
向を反転させるためのバイラテラルスイッチ１１と、磁
気センサ１０に直列に接続された抵抗１２と、トリガパ
ルスを出力するパルス発生器１３と、パルス発生器１３
に接続されたコンデンサ１４と、電圧レベルの比較を行
うコンパレータ１５とを備えており、これらにより、単
安定マルチバイブレータ回路が構成されている。

【００４８】上記磁気探知装置において、磁気センサ１
０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ｉ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。

【００４９】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いる。

【００５０】すなわち、抵抗１２の一端は、磁気センサ
１０と抵抗１２により微分回路が構成されるように、バ
イラテラルスイッチ１１を介して磁気センサ１０に直列
に接続されているとともに、磁気センサ１０と抵抗１２
からなる微分回路に生じる微分電圧Ｖ₂がコンパレータ
１５のプラス側端子１５ａに入力するように、コンパレ
ータ１５のプラス側端子１５ａに接続されている。一
方、抵抗１２の他端は、コンパレータ１５の出力端子１
５ｃに接続されており、また、コンパレータ１５の出力
端子１５ｃからは、この磁気探知装置の出力端子１６が
導出されている。

【００５１】また、コンデンサ１４の一端は、パルス発
生器１３に接続されている。一方、コンデンサ１４の他
端は、コンパレータ１５のマイナス側端子１５ｂに接続
されているとともに、抵抗１７を介して接地されてい
る。そして、パルス発生器１３からの出力が、コンデン
サ１４を介してコンパレータ１５のマイナス側端子１５
ｂに入力するようになされている。ここで、コンパレー
タ１５のマイナス側端子１５ｂは、抵抗１８を介してコ
ンパレータ１５の出力端子１５ｃに接続されている。な
お、コンパレータ１５のマイナス側端子１５ｂには、コ
ンパレータ１５に入力されるパルスの波形整形等のため
に、抵抗１９を介して外部回路が接続されていてもよ
い。

【００５２】上記磁気探知装置において、コンパレータ
１５は、プラス側端子１５ａからの入力と、マイナス側
端子１５ｂからの入力とを比較する。そして、マイナス
側端子１５ｂからの入力の電圧レベルの方が大きいとき
には、出力端子１５ｃから高電位Ｖ_Hの出力電圧Ｖ₀を
出力し、マイナス側端子１５ｂからの入力の電圧レベル
の方が小さいときには、出力端子１５ｃから低電位Ｖ_H
の出力電圧Ｖ₀を出力する。

【００５３】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１１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。

【００５４】ここで、図４（ａ）は、パルス発生器１３
から出力されるトリガパルスＶ_cの電圧波形を示すタイ
ムチャートである。また、図４（ｂ）は、コンパレータ
１５のマイナス側端子１５ｂに入力する電圧の波形を示
すタイムチャートである。また、図４（ｃ）は、コンパ
レータ１５のプラス側端子１５ａに入力する電圧の波形
を示すタイムチャートである。また、図４（ｄ）は、コ
ンパレータ１５から出力される出力電圧Ｖ₀のタイムチ
ャート、すなわち、この磁気探知装置から出力されるパ
ルス信号の電圧波形を示すタイムチャートである。

【００５５】上記磁気探知装置が動作する際は、先ず、
図４（ａ）に示すようなトリガパルスＶ_cがパルス発生
器１３から出力され、このトリガパルスＶ_cがコンデン
サ１４を介してコンパレータ１５のマイナス側端子１５
ｂに入力する。

【００５６】そして、トリガパルスＶ_cが入力される
と、図４（ｄ）に示すように、コンパレータ１５からの
出力電圧Ｖ₀は、低電位Ｖ_Lから高電位Ｖ_Hとなる。

【００５７】これにより、図４（ｃ）に示すように、磁
気センサ１０と抵抗１２からなる微分回路に高電位Ｖ_H
の微分電圧Ｖ₂が生じるとともに、図４（ｂ）に示すよ
うに、コンパレータ１５のマイナス側端子１５ｂに印加
する電圧Ｖ₁が、低電位Ｖ_tLから高電位Ｖ_tHに変化す
る。

【００５８】このとき、磁気センサ１０と抵抗１２から
なる微分回路に微分電圧Ｖ₂が生じることにより、磁気
センサ１０に電流ｉが流れる。そして、磁気センサ１０
に電流ｉが流れるのに伴い、図４（ｃ）に示すように、
微分電圧Ｖ₂のレベルが低下する。

【００５９】そして、微分電圧Ｖ₂のレベルが低下し、
微分電圧Ｖ₂のレベルが、コンパレータ１５のマイナス
側端子１５ｂに印加している電圧Ｖ₁の電位Ｖ_tHにまで
達すると、図４（ｄ）に示すように、コンパレータ１５
からの出力電圧Ｖ₀は、再び高電位Ｖ_Hから低電位Ｖ_L
となる。

【００６０】これにより、図４（ｃ）に示すように、微
分電圧Ｖ₂の電位は、基準レベルＧＮＤとなり、また、
図４（ｂ）に示すように、コンパレータ１５のマイナス
側端子１５ｂの印加する電圧Ｖ₁は、高電位Ｖ_tHから低
電位Ｖ_tLに変化する。

【００６１】以上のような動作の繰り返しにより、磁気
センサ１０を含む回路は単安定マルチバイブレータとし
て動作し、コンパレータ１５からの出力電圧Ｖ₀は、図
４（ｄ）に示すようなパルス信号となる。そして、この
パルス信号が、この磁気探知装置からの出力となる。

【００６２】ここで、パルス信号の時間幅Ｔは、磁気セ
ンサ１０に電流ｉが流れるのに伴う微分電圧Ｖ₂の立ち
下がりの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ｉの立ち上がり時間は外部
磁界Ｈ_exの大きさに依存しているので、このパルス信号
の時間幅Ｔに基づいて、磁気センサ１０に加わっている
外部磁界Ｈ_exの大きさを検出することができる。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Ｈ_exの変化が、コンパレータ１５から出力され
るパルス信号の時間幅Ｔの変化として現れるので、この
時間幅Ｔの変化を検出することにより、外部磁界Ｈ_exの
強さを検出することが可能となる。

【００６３】なお、上記磁気探知装置において、磁気セ
ンサ１０と抵抗１２からなる微分回路に生じる微分電圧
Ｖ₂が変化する範囲は、磁気センサ１０に流れる電流ｉ
の立ち上がり時における磁気センサ１０のインダクタン
スＬのＬ_maxからＬ_minへの変化を包括するように設定
しておく。すなわち、コンパレータ１５からの出力電圧
Ｖ₀や、抵抗１２の抵抗値等は、磁気センサ１０に流れ
る電流ｉの変化する範囲が、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。これにより、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全体が常に利用されること
となり、この結果、磁気探知装置の感度やリニアリティ
が向上する。

【００６４】上記磁気探知装置において、磁気センサ１
０に加わった外部磁界Ｈ_exの変化が、パルス信号の時間
幅Ｔ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。

【００６５】上記磁気探知装置において、パルス発生器
１３からトリガパルスＶ_cが供給されたとき、磁気セン
サ１０に流れる電流ｉ、及びその立ち上がり時間ｔは、
磁気センサ１０のインダクタンスをＬ、抵抗１２の抵抗
値をＲ、コンパレータ１５から出力される出力電圧Ｖ₀
が高電位のときの電圧をＶ_H、コンパレータ１５から出
力される出力電圧Ｖ₀が低電位のときの電圧をＶ_Lとす
ると、下記式（２−５）で表される。

【００６６】

【数５】

【００６７】上記式（２−５）から分かるように、電流
ｉの立ち上がり時間ｔ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とによって定まる時定数
Ｌ／Ｒに比例している。したがって、磁気センサ１０の
インダクタンスＬや、抵抗１２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。

【００６８】そして、上述したように、磁気センサ１０
のインダクタンスＬは、電流ｉが立ち上がっている間
に、Ｌ_maxからＬ_minに変化する。このため、磁気セン
サに流れる電流ｉは、初めはインダクタンスＬがＬ_max
の状態で立ち上がり、やがて、インダクタンスＬがＬ
_minの状態で立ち上がることとなる。したがって、電流
ｉの立ち上がり時間ｔは、インダクタンスＬがＬ_maxの
状態での立ち上がり時間と、インダクタンスＬがＬ_min
の状態での立ち上がり時間との合計になる。そして、磁
気センサ１０に加わる外部磁界Ｈ_exが変化すると、この
変化分だけ、インダクタンスＬがＬ_maxからＬ_minに変
化する変化点がシフトするので、外部磁界Ｈ_exに応じ
て、電流ｉの立ち上がり時間ｔが変化することとなる。

【００６９】そして、電流ｉの立ち上がり時間ｔは、微
分電圧Ｖ₂の立ち下がり時間に対応しているので、外部
磁界Ｈ_exの大きさに依存して、微分電圧Ｖ₂の立ち下が
り時間が変化することとなる。そして、この磁気探知装
置から出力されるパルス信号の時間幅Ｔは、微分電圧Ｖ
₂の立ち下がり時間に対応しているので、磁気センサ１
０に加わった外部磁界Ｈ_exの変化が、パルス信号の時間
幅Ｔの変化として現れることとなる。

【００７０】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Ｓ
Ｗ４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Ｓ
Ｗ２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１
１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Ｈ_ex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Ｈ_ex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。

【００７１】なお、上記磁気探知装置では、磁気センサ
に流れる電流の立ち上がりを利用して、単安定マルチバ
イブレータ回路を構成したが、磁気センサに流れる電流
の立ち下がりを利用して、単安定マルチバイブレータ回
路を構成してもよく、このときも同様に、パルス信号の
時間幅の変化として、外部磁界を検出することができ
る。

【００７２】ところで、図３に示したような磁気探知装
置において、出力されるパルス信号の時間幅Ｔ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Ｈ_exが一定のとき、図５に示すように、パ
ルス信号の時間幅Ｔは、外部磁界Ｈ_exと、磁気センサ１
０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５では、外部磁界Ｈ_exの向き
と、磁気センサ１０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角度θ＝０°としている。

【００７３】図５から分かるように、パルス信号の時間
幅Ｔは外部磁界Ｈ_ex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Ｈ_exによる磁化量
との合計であり、外部磁界Ｈ_exによる磁化量が、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に依存して変化するからである。

【００７４】すなわち、図６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Ｈ_bは一定
であるが、外部磁界Ｈ_ex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Ｈ_ex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（２−６）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。

【００７５】Ｈ＝Ｈ_ex・ｃｏｓθ ・・・（２−６）なお、上記式（２−６）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Ｈ_ex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Ｈ_exの方向を知ることができる。

【００７６】具体的には、例えば、図７に示すように、
互いに直交する一対の磁気センサ１０ｘ，１０ｙを磁気
探知装置に組み込む。ここで、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。このとき、外部磁界Ｈ
_ex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
Ｈ_xは、下記式（２−７）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Ｈ_y
は、下記式（２−８）で表される。

【００７７】Ｈ_x＝Ｈ_ex・ｃｏｓθ ・・・（２−７）Ｈ_y＝Ｈ_ex・ｓｉｎθ ・・・（２−８）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Ｈ_x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Ｈ_yとの比
をとると、下記式（２−９）となる。

【００７８】Ｈ_y／Ｈ_x＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθ ・・・（２−９）したがって、外部磁界Ｈ_exの方向と、Ｘ軸方向検出用の
磁気センサ１０_xの磁性体の長手方向とが成す角度θ
は、下記式（２−１０）で表される。ただし、下記式
（２−１０）において、Ｈ_y≧０のときは、１８０°≧
θ≧０°であり、０＞Ｈ_yのときは、３６０°＞θ＞１
８０°である。

【００７９】 θ＝ｔａｎ^-1（Ｈ_y／Ｈ_x）・・・（２−１０）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Ｈ_ex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Ｈ_exの方
向、すなわち外部磁界Ｈ_ex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。

【００８０】

【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、外部磁界の検出に、外部磁界
の変化に伴って急峻な変化を示すインダクタンスの変化
を用いているので、非常に高い感度で外部磁界を検出す
ることができる。しかも、本発明に係る磁気探知装置
は、非常に簡単な構成であるので、容易に小型化や低価
格化を図ることができる。

【００８１】したがって、本発明によれば、小型化や低
価格化が容易で、高い感度が得られる磁気探知装置を提
供することができる。

【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】図３に示した磁気探知装置の各部における電圧
波形を示すタイムチャートである。

【図５】パルス信号の時間幅Ｔと外部磁界Ｈ_exの方向と
の関係を示す特性図である。

【図６】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７】一対の磁気センサの配置を示す模式図である。

【図８】ホール素子を用いた磁気探知装置の一例を示す
模式図である。

【図９】フラックスゲートセンサを用いた磁気探知装置
の一例を示す模式図である。

【図１０】磁気抵抗効果素子の一例を示す模式図であ
る。

【図１１】磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果特性を示す
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、１２抵抗、１３パルス発生器、
１４コンデンサ、１５コンパレータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性体にコイルが巻かれてなる磁気セン
サを回路の一部に用いた単安定マルチバイブレータを備
え、上記単安定マルチバイブレータから出力されるパルス信
号の時間幅によって外部磁界の強さを検出することを特
徴とする磁気探知装置。
【請求項２】上記単安定マルチバイブレータ回路は、
トリガパルスが入力されたときに、外部磁界の強さに応
じた時間幅のパルス信号を出力することを特徴とする請
求項１記載の磁気探知装置。
【請求項３】上記磁気センサと直列に接続された抵抗
を備え、上記パルス信号の時間幅は、上記磁気センサのインダク
タンスと、上記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。
【請求項４】上記トリガパルスが入力されたときに上
記磁気センサのコイルに流れる電流の振幅が、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２記載の
磁気探知装置。
【請求項５】上記磁気センサのコイルに流れる電流
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。
【請求項６】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
とする請求項１記載の磁気探知装置。
【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。
【請求項８】上記磁性体を上記コイルに流れる電流に
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。