JP3746354B2 - Magnetic field detector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地磁気等の平行磁界の方位や強度を検出する装置や、磁気式の位置検出装置に関し、特に、検出精度の向上や、回路構成の簡略化や、低コスト化を図ったものに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、カーナビゲーションシステム等において、地磁気のような比較的微弱な平行磁界の方位や強度を検出するための装置として、リング状の高透磁率磁性材を利用した磁気変調器(一名としてフラックス・ゲート型磁気センサと呼ばれるもの)が用いられている。
【0003】
このフラックス・ゲート型磁気センサについては、特開昭54−21889号公報や特開昭61−83909号公報に詳細に記載されているが、その全体構成の一例を示すと、図11の通りである。
【0004】
磁路形成部材31は、リング状の高透磁率磁性材からなっている。
磁路形成部材31には、励磁コイル32がリングの全周にわたり均一に巻装されている。励磁コイル32には発振器34から周波数fの励磁電圧が印加され、これにより磁路形成部材31が飽和磁界まで励磁される。
【0005】
また磁路形成部材31には、互いに直交するX軸,Y軸のうち、X軸方向上で相対向する箇所を包囲するように出力コイル33xが巻装されるとともに、Y軸方向上で相対向する箇所を包囲するように出力コイル33yが巻装されている。
【0006】
出力コイル33xには、中心周波数が2fのバンドパスフィルタ36xと同期検波回路37xと平滑回路38xとが順次接続されている。また出力コイル33yには、中心周波数が2fのバンドパスフィルタ36yと同期検波回路37yと平滑回路38yとが順次接続されている。
【0007】
周波数逓倍回路35は、発振器34からの周波数fの信号から周波数2fの信号を生成し、この信号を同期検波のための基準信号として同期検波回路37x,37yに供給する。
【0008】
このセンサにおける平行磁界の方位や強度の検出方式は、次の通りである。
センサが平行磁界の中に置かれていない場合には、出力コイル33x,33yに誘起される電圧は、発振器34からの励磁電圧に基づくものだけとなる。しかるに、この励磁電圧による磁路形成部材31のリング内の磁束は、各出力コイル33x,33yの両端箇所ではそれぞれ逆向き且つ大きさが等しいものである。従って、この場合には出力コイル33x,33yには電圧は誘起されない。
【0009】
これに対し、センサが例えば図11に示すような平行磁界Hの中に置かれている場合には、磁路形成部材31のリング内の磁束が、各出力コイル33x,33yの両端箇所でそれぞれ大きさが異なるようになる。従って、出力コイル33x,33yから、平行磁界HのX軸,Y軸成分であるHx,Hyにそれぞれ比例した、励磁周波数fの偶数次高調波成分2f,4f,6f…がそれぞれ出力されるようになる。
【0010】
この偶数次高調波成分のうち、2f成分のみが、バンドパスフィルタ36x,36yで取り出され、同期検波回路37x,37yで同期検波された後、平滑回路38x,38yを経ることにより、Hx,Hyに比例した出力信号Vx,Vyがそれぞれ得られる。
【0011】
ここで、Hx,HyとVx,Vyとの比例定数をKとし、平行磁界Hの向きとX軸方向との間の角度をθとすると、Vx,Vyは、
Vx=KHx=KHcosθ
Vy=KHy=KHsinθ
となる。
【0012】
従って、例えば出力信号Vx,Vyを用いて平行磁界Hの方位を求めようとする場合には、
Vy/Vx=KHsinθ/KHcosθ=tanθ
θ=tan-1Vy/Vx
として求めることができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図11に示したような従来のフラックス・ゲート型磁気センサには、次のような不都合があった。
【0014】
(1) 磁路形成部材31のリングの全周にわたって励磁コイル32を巻装しなければならないので、励磁コイル32の巻き方が僅かながら不均一になることがあるが、それに応じて磁路形成部材31の磁界強度が不均一になることにより、出力コイル33x,33yに誘起される電圧にアンバランスが生じてしまうので、検出精度が悪化する。
【0015】
(2) 出力コイル33xと33yとが磁路形成部材1の中心部分で交差するので、いずれか一方を全て巻装し終えた後で残りの一方を巻装すると、出力コイル33xと33yとで抵抗やインダクタンスに差が生じ、且つ、出力コイル33xを貫く磁束数と出力コイル33yを貫く磁束数とが異なってしまう。このため、出力信号VxとVyとに差を生じるので、検出精度が悪化する。
【0016】
この不都合を解消する対策として、出力コイル33xと33yとを一層ずつ交互に巻装する方法も提案されている(特開平1−288718号)。しかし、この方法には、巻装を行うのにたいへん手間がかかるという別の不都合がある。
【0017】
(3) 検出原理として磁気変調方式を採用しているため、バンドパスフィルタ36x,36y,同期検波回路37x,37y,周波数逓倍回路35を必要とするので、回路構成が複雑になるとともにコスト高になってしまう。
【0018】
この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、コイルの均一な巻装が容易であり、コイル同士の抵抗やインダクタンスや磁束数の相違がなく、しかも回路構成が簡単で低コストな磁界検出装置を提供しようとするものである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁界検出装置は、高透磁率磁性材から成る閉磁路をもつ磁路形成部材と、この閉磁路上の互いに異なる箇所にそれぞれ巻装された3つのコイルとを含む磁界検出部と、これらのコイルに励磁電圧を印加する励磁部と、これらのコイルにかかる励磁電圧を検波、平滑化して出力する出力部とを備え、励磁部により、励磁電圧による閉磁路内の磁界の向きが等しくなるようにこれらのコイルを励磁して、出力部から、外部磁界に応じた3相の出力を得るようにしたことを特徴としている。
【0020】
この磁界検出装置によれば、磁路形成部材の閉磁路上の互いに異なる箇所に、それぞれ個別にコイルを巻装するようになっている。従って、図11に示した励磁コイル2のようにリング(閉磁路)の全周にわたって巻装しなければならないものと違って、均一な巻装が容易であるので、上述の(1)の不都合が解消される。また、例えば磁路形成部材をボビンに装着した状態で巻装を行うこと等により、コイルを正確に閉磁路上の所定箇所に位置決めして巻装することができる。
【0021】
そして、このように閉磁路上の互いに異なる箇所に巻装されるコイルは、図11に示した出力コイル33xと33yのように交差することはない。従って、いずれか一つを全て巻装し終えた後で残りを巻装しても、それを原因としてコイル同士の抵抗やインダクタンスや磁束数の相違が生じることはないので、上述の(2)の不都合も解消される。
【0022】
更に、図11に示したバンドパスフィルタ36x,36y,同期検波回路37x,37y,周波数逓倍回路35のような複雑な回路を用いることなく、検波器や平滑回路といった比較的簡単な構成の回路により出力が得られるので、上述の(3)の不都合も解消される。
【0023】
尚、この磁界検出装置は、例えば磁路形成部材を、閉磁路を含む面が地磁気等の平行磁界と平行になるように配置することにより、図11に示したセンサと同じく、平行磁界の方位や強度を検出するために用いることが可能である。
【0024】
しかし、別の用途として、例えば相対移動する2部材のうちの一方の部材に発磁体(永久磁石等)を取り付けるとともに残りの一方の部材にこの磁界検出装置を上記発磁体に近接させて取り付けることにより、これら2部材の相対移動に応じた出力を得る位置検出装置として用いるようにすることもできる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明に係る磁界検出装置の磁界検出部の構造の一例を示すものであり、Aは平面図、BはAのX軸に沿ったX−X’断面図である。
【0026】
この磁界検出部1は、磁路形成部材2とコイルX1,X2,Y1とを含んでいる。
磁路形成部材2は、高透磁率磁性材の一種であるパーマロイを材質としており、リング状の閉磁路をもつ形状をしている。このリングの寸法は、例えば外径10mm,リング断面の幅0.2mm,リング断面の厚さ0.05mmである(但しこの寸法以外であってもよいことはもちろんである)。
【0027】
磁路形成部材2のリングの、互いに直交する二軸(図のX軸,Y軸)のうちY軸方向上で相対向する箇所には、一対のコイルX1,X2が巻装されており、X軸方向上で相対向する箇所のうちの一方の箇所には、コイルY1が巻装されている。コイルX1,X2,Y1は、全て巻線数が等しくなっている。
【0028】
同図から明らかなように、コイルX1,X2,Y1は、リング上の互いに異なる箇所に個別に巻装されるので、これらのコイルを均一に巻装することは容易になっている。
【0029】
また、これらのコイルは互いに交差することはないので、いずれか一つを全て巻装し終えた後で残りを巻装しても、それを原因として、コイル同士の抵抗やインダクタンスに相違が生じたり、後述の励磁電圧によりこれらのコイルを貫く磁束数に相違が生じたりすることはない。
【0030】
磁路形成部材2は、Y軸方向上の相対向する2箇所及びX軸方向上の相対向する2箇所のうちの1箇所のみを露出させるようにして3個のボビン22a〜22cに装着されており、この状態で、コイルX1,X2,Y1が磁路形成部材2に巻装される。これにより、コイルX1及びX2,Y1を、それぞれ正確にリング上のY軸,X軸方向上の箇所に位置決めして巻装することができる。
ボビン22a〜22cには、各コイルX1,X2,Y1毎に、その一端に接続された端子P1と、その残りの一般に接続された端子P2とが取り付けられている。
【0031】
図2は、この磁界検出部1の磁界−インピーダンス特性(コイルX1〜Y1にかかる磁界の方位及び強度とコイルX1〜Y1のインピーダンスとの関係)の一例を示す。磁界の方位にかかわらず、磁界が強くなると、磁路形成部材2の透磁率が小さくなることにより、コイルX1〜Y1のインピーダンスが小さくなっており、逆に磁界が弱くなると、磁路形成部材2の透磁率が大きくなることにより、コイルX1〜Y1のインピーダンスが大きくなる様子が表れている。そして、こうしたインピーダンス変化は、地磁気程度の微弱な磁界によってもほぼリニアに生じており、磁界の強度が1Oe変化するとインピーダンスが約10%変化し、全体ではインピーダンスが約50%変化している。
【0032】
尚、磁界検出部の変更例として、磁路形成部材の材質をパーマロイ以外の高透磁率磁性材(例えばフェライトまたはアモルファス合金等)にしてもよく、また、磁路形成部材としてリング状以外の(例えば矩形状または三角形状の)閉磁路をもつ形状のものを用いるようにしてもよい。矩形状の閉磁路をもつ形状の磁路形成部材2’を用いた場合の例を図1と同様にして示すと、図3の通りである。
【0033】
図4は、この実施例に係る磁界検出装置の全体の回路構成の一例を示す(同図ではボビン22a〜22cの図示は省略している)。
励磁部3は、高周波発振器4と、増幅器5と、抵抗器R4,R5,R6とを含んでいる。
【0034】
高周波発振器4は、マルチバイブレータ回路を応用するとともに、ヒステリシスをもつシュミット・インバータIC1によりチャタリングを除去するようにしたものである。高周波発振器4からは、周波数が数十kHz〜数MHzの範囲内(例えば約1MHz)でありデューティー比が約1/10であるパルス波が発振される。このように発振周波数を高くすることにより、出力の応答性を向上させることができる。
【0035】
このパルス波は、増幅器5で増幅され、図1の端子P1を介して各コイルX1〜Y1の一端に供給される。他方、コイルX1,X2,Y1の残りの一端は、図1の端子P2を介し、互いに抵抗値の等しい抵抗器R4,R6,R5をそれぞれ挟んで、図示しない共通のDC電源(電圧Bとする)に接続されており、これにより各コイルX1,X2,Y1に励磁電圧が印加される。
【0036】
具体的には、この励磁電圧のピーク値をDC電源の電圧Bに略等しくし、このピーク値の励磁電圧による磁界の強さが図のHdとなるように抵抗器R4,R5,R6の抵抗値を設定するものとする。
【0037】
尚、励磁部3に、パルス波を発振する高周波発振器4の代わりに正弦波を発振する発振回路を設けるようにしてもよい。但し、消費電流の節減や素子の感度の向上を図るという観点からは、正弦波よりもパルス波を用いることが一層好適である。
【0038】
出力部6は、検波器7と平滑回路8とを含んでいる。
検波器7は、コイルX1と抵抗器R4との接続中点aに接続されてコイルX1の励磁電圧を検波するためのダイオードD1と、コイルY1と抵抗器R5との接続中点cに接続されてコイルY1の励磁電圧を検波するためのダイオードD2と、コイルX2と抵抗器R6との接続中点bに接続されてコイルX2の励磁電圧を検波するためのダイオードD3とから成る。
【0039】
平滑回路8は、抵抗器R7,R8,R9と、コンデンサC2,C3,C4,C5,C6と、出力電圧の直流成分調整用のボリュームVR1,VR2と、出力電圧のゲイン調整用のボリュームVR3,VR4とから成り、励磁部3による励磁電圧の周期よりも十分大きい時定数をもっており、コイルX1の励磁電圧を平滑化した電圧Vx1と、コイルY1の励磁電圧を平滑化した電圧Vyと、コイルX2の励磁電圧を平滑化した電圧Vx2とを出力する。
このように、出力部6は、少数ずつのダイオード,抵抗器,コンデンサ,ボリュームを用いた簡単な構成のものになっている。
【0040】
この磁界検出装置を平行磁界の方位や強度を検出する装置として用いる際の検出方式は、次の通りである。
前述のようにコイルX1〜Y1は互いに交差することなく均一に巻装することができるとともに巻線数が全て等しく(従ってそれらの抵抗値やインダクタンスは互いに等しく)、且つ、抵抗器R4〜R6の抵抗値も全て等しいので、磁界検出装置が平行磁界の中に置かれていない場合には、コイルX1〜Y1にかかる励磁電圧は全て等しくなる。
従って、この場合には、平滑回路8の出力電圧Vx1,Vy,Vx2が、DC電源の電圧よりも低く且つ互いに等しい大きさ(電圧Eとする)になる。
【0041】
これに対し、磁界検出装置が図4に示すような平行磁界Hの中に置かれている場合には、コイルX1では磁界の強度がHd+Hxと増大するので、図2に示したようにコイルX1のインピーダンスは小さくなる。従って、コイルX1にかかる励磁電圧が小さくなるので、出力電圧Vx1はEよりも小さくなる。
【0042】
他方、コイルX2では磁界の強度がHd−Hxと減少するので、コイルX1のインピーダンスが大きくなる。従って、コイルX2にかかる励磁電圧が大きくなるので、出力電圧Vx2はEよりも大きくなる。
【0043】
また、X軸成分Hxの方位が図4に示したのと逆のときには、出力電圧Vx1のほうがEよりも大きくなるとともに、出力電圧Vx2のほうがEよりも小さくなる。
【0044】
このように、出力電圧Vx1,Vx2は、それぞれ電圧Eを中心としてX軸成分Hxの強さに応じてレベルが変動する信号となり、且つ、それらの位相は互いに180度ずれることになる。
【0045】
コイルY1についても同様であり、出力電圧Vyは、電圧Eを中心としてY軸成分Hyの強さに応じてレベル変動する信号となる。但し、この信号の位相は、X軸成分HxとY軸成分Hyとが直交していることから、信号Vx1,Vx2に対して90度ずれることになる。
これにより、位相差が90度ずつの3相信号Vx1,Vy,Vx2が得られることになる。図5は、この3相信号の位相関係をベクトルで表したものである。
【0046】
ここで、平行磁界Hの方位を算出するためには、原理的には、互いに位相が90度ずれた2相信号があれば足りるので、上記3相信号のうちのVx1とVyとのみ、あるいはVx2とVyとのみを利用すればよいことになる。しかし、各信号Vx1,Vy,Vx2には、磁界とは関係のないオフセット電圧である電圧Eが含まれている。この電圧Eは、温度差によるドリフト等により変動するので、例えばカーナビゲーションシステムのような温度変化等の激しい環境で磁界検出装置を使用する場合には、この変動分が誤差となって検出精度を悪化させてしまう。
【0047】
そこで、信号Vx1とVyとの差動信号A(A=Vy−Vx1)を求めるとともに、信号Vx2とVyとの差動信号B(B=Vy−Vx2)を求めるようにする。この信号A,Bは、図5にも表れているように、オフセット電圧Eが除外され、且つ、互いに位相が90度ずれたものとなる。従って、この信号A,Bを利用して、平行磁界Hの方位を高精度に検出できるようになる。
【0048】
図6は、この磁界検出装置を、図7に示すように磁界検出部1(ここでは形状を略示している)を地表面に平行に配置した(即ち図1のXY平面を地表面に平行にした)状態で、地表面に(従ってXY平面に)垂直なZ軸を中心として回転させたときの回転角度−出力特性(回転角度と信号A,Bとの関係)の測定例を示す。信号A,Bとして、互いに位相とが90度すれた正弦波が得られることが表れている。
【0049】
次に、この磁界検出装置を位置検出装置として用いる際の検出方式は、次の通りである。
図8に示すように、発磁体(永久磁石等)11を、検出対象の工作機械等において相対移動する2部材(図示せず)のうちの一方の部材に取り付ける。また、当該2部材のうちの残りの一方の部材に、図4に示した構成の磁界検出装置(ここでは励磁部3及び出力部6を簡略化して示している)を、発磁体11に近接させて取り付ける。その際、磁界検出部1のコイルX1〜Y1の位置関係は、相対移動方向(図ではY軸方向)上にコイルX1とX2とが並ぶとともに、コイルY1が発磁体11と対向するようにしておく。
【0050】
すると、発磁体11からの磁界により、コイルX1,X2では、磁界の強度がHd−Hs1(但しHs1は発磁体11からコイルX1,X2までの距離における発磁体11からの磁界のX軸成分の強度)となり、コイルY1では、磁界の強度がHd+Hs2(但しHs2は発磁体11からコイルY1までの距離における発磁体11からの磁界のY軸成分の強度)となる。
【0051】
そして、X軸成分の強度Hs1は、発磁体11のY軸方向上の中央部分で最小となり、この中央部分からずれるに従って増大していき、発磁体11のY軸方向上のエッジ部分の近傍において最大になる。また、Y軸成分の強度Hs2は、発磁体11のY軸方向上の中央部分で最大となり、この中央部分からずれるに従って減少していき、発磁体11のY軸方向上のエッジ部分の近傍において最小になる。
【0052】
従って、磁界検出部1と発磁体11との相対位置に応じて、出力部6からの出力電圧Vx1,Vy,Vx2は、図9に示すような、位相差が略90度ずつの3相信号となる。(尚、この位相差は発磁体11の大きさや発磁体11と磁界検出部1との距離等によっても異なるが、それらを適宜設定することにより位相差を略90度ずつとすることが可能である。)
【0053】
ここで、信号Vx1とVx2の差動信号Cを求め、この信号Cと信号Vyとの関係を示すと、図10Aのようになる。従って、例えば信号Vyから図10Bのようなゲート信号Gを得て、このゲート信号Gの動作範囲内で信号Cを位置検出信号として用いてサーボ制御を行うことにより、検出信号の直線性の良好な範囲内にサーボの安定点を位置させることができるようになる。
【0054】
尚、以上の実施例において、磁路形成部材の閉磁路上での3つのコイルの巻層箇所は、図1に示した箇所に限る必要はない。例えば3相信号Vx1,Vy,Vx2をどのような位相関係の信号にしたいかに応じて、これら3つのコイルを巻層する箇所を決定してよい(一例として、信号Vx1,Vy,Vx2の位相が120度ずつずれるような箇所にこれら3つのコイルを巻層するようにしてよい)。あるいは、磁路形成部材の形状やコイルを巻装するスペース等の都合に応じて、これら3つのコイルを巻層する箇所を決定するようにしてもよい。
【0055】
また、本発明は、以上の実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、その他様々の構成をとりうることはもちろんである。
【0056】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る磁界検出装置によれば、次のような効果を得ることができる。
(1)コイルの均一な巻装が容易であり、また、例えば磁路形成部材をボビンに装着した状態で巻装を行うこと等により、コイルを正確に閉磁路上の所定箇所に位置決めして巻装することができる。従って、不均一な巻装を原因とする検出精度の悪化を防止して、平行磁界の方位及び強度の検出精度や、相対移動する部材の位置の検出精度を向上させることができる。
【0057】
(2)各コイルは互いに交差することはないので、コイル同士の抵抗やインダクタンスに相違が生じたり、後述の励磁電圧によりこれらのコイルを貫く磁束数に相違が生じたりすることはない。従って、この点でも平行磁界の方位及び強度の検出精度や、相対移動する部材の位置の検出精度を向上させることができる。
(3)検波器や平滑回路といった比較的簡単な構成の回路により出力が得られるので、回路構成が簡単となり、装置を低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁界検出部の構造の一例を示す図である。
【図2】磁界検出部の磁界−インピーダンス特性の一例を示す図である。
【図3】磁界検出部の変更例を示す図である。
【図4】磁界検出装置の全体の回路構成の一例を示す図である。
【図5】3相信号の位相関係を示す図である。
【図6】磁界検出装置の回転角度−出力特性の一例を示す図である。
【図7】磁界検出装置の使用態様の一例を示す図である。
【図8】磁界検出装置の適用例を示す図である。
【図9】図9の例における3相信号の位相関係を示す図である。
【図10】図9の3相信号から得られる信号の一例を示す図である。
【図11】従来の磁界検出装置の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
1 磁界検出部、 2 磁路形成部材、 3 励磁部、 4 高周波発振器、5 増幅器、 6 出力部、 7 検波器、 8 平滑回路、 22a,22b,22c ボビン、 X1,X2,Y1 コイル、 R4,R5,R6 抵抗器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a device for detecting the azimuth and intensity of a parallel magnetic field such as geomagnetism, and a magnetic position detection device, and more particularly, to an improvement in detection accuracy, simplification of circuit configuration, and cost reduction. .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a car navigation system or the like, as a device for detecting the direction and strength of a relatively weak parallel magnetic field such as geomagnetism, a magnetic modulator using a ring-shaped high permeability magnetic material (as a flux What is called a gate-type magnetic sensor is used.
[0003]
This flux gate type magnetic sensor is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-21889 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-83909. An example of the entire configuration is shown in FIG. is there.
[0004]
The magnetic path forming member 31 is made of a ring-shaped high magnetic permeability magnetic material.
An excitation coil 32 is uniformly wound on the magnetic path forming member 31 over the entire circumference of the ring. An excitation voltage having a frequency f is applied to the excitation coil 32 from the
[0005]
An output coil 33x is wound around the magnetic path forming member 31 so as to surround a portion of the X axis and the Y axis that are orthogonal to each other in the X axis direction. An output coil 33y is wound so as to surround the facing portion.
[0006]
A
[0007]
The
[0008]
The detection method of the direction and intensity of the parallel magnetic field in this sensor is as follows.
When the sensor is not placed in a parallel magnetic field, the voltage induced in the output coils 33x and 33y is only based on the excitation voltage from the
[0009]
On the other hand, when the sensor is placed in a parallel magnetic field H as shown in FIG. 11, for example, the magnetic flux in the ring of the magnetic path forming member 31 is changed at both ends of the output coils 33x and 33y. The size will be different. Therefore, the even-order harmonic components 2f, 4f, 6f,... Of the excitation frequency f that are proportional to the X-axis and Y-axis components Hx and Hy of the parallel magnetic field H are output from the output coils 33x and 33y, respectively. become.
[0010]
Of the even-order harmonic components, only the 2f component, the
[0011]
Here, assuming that the proportionality constant between Hx, Hy and Vx, Vy is K and the angle between the direction of the parallel magnetic field H and the X-axis direction is θ, Vx, Vy is
Vx = KHx = KHcosθ
Vy = KHy = KHsinθ
It becomes.
[0012]
Therefore, for example, when trying to obtain the orientation of the parallel magnetic field H using the output signals Vx and Vy,
Vy / Vx = KHsin θ / KH cos θ = tan θ
θ = tan −1 Vy / Vx
Can be obtained as
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional flux gate type magnetic sensor as shown in FIG. 11 has the following disadvantages.
[0014]
(1) Since the exciting coil 32 must be wound over the entire circumference of the ring of the magnetic path forming member 31, the winding of the exciting coil 32 may be slightly non-uniform, but the magnetic path is formed accordingly. Since the magnetic field strength of the member 31 is not uniform, the voltage induced in the output coils 33x and 33y is unbalanced, so that the detection accuracy is deteriorated.
[0015]
(2) Since the output coils 33x and 33y intersect at the central portion of the magnetic
[0016]
As a countermeasure for solving this inconvenience, a method of alternately winding the output coils 33x and 33y one by one has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 1-288718). However, this method has another inconvenience that it takes a lot of time to perform winding.
[0017]
(3) Since the magnetic modulation method is adopted as the detection principle, the
[0018]
The present invention has been made in view of the above-described points, and makes it easy to uniformly coil coils, there is no difference in resistance, inductance, and number of magnetic flux between coils, and the circuit configuration is simple and low-cost magnetic field detection. The device is to be provided.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
A magnetic field detection apparatus according to the present invention includes a magnetic path forming member having a closed magnetic path made of a high magnetic permeability magnetic material, and three coils wound respectively at different locations on the closed magnetic path, An excitation unit that applies excitation voltage to these coils and an output unit that detects and smoothes the excitation voltage applied to these coils and outputs them, and the direction of the magnetic field in the closed magnetic circuit by the excitation voltage is equal by the excitation unit. These coils are excited so that a three-phase output corresponding to the external magnetic field is obtained from the output unit.
[0020]
According to this magnetic field detection device, coils are individually wound at different locations on the closed magnetic path of the magnetic path forming member. Accordingly, unlike the
[0021]
And the coil wound by the mutually different location on a closed magnetic path does not cross | intersect like the output coils 33x and 33y shown in FIG. Therefore, even if all the one is wound and then the rest is wound, there is no difference in resistance, inductance, or number of magnetic fluxes between the coils due to that, so the above (2) The inconvenience is also eliminated.
[0022]
Further, a complicated circuit such as a detector or a smoothing circuit can be used without using complicated circuits such as the
[0023]
In this magnetic field detection device, for example, by arranging the magnetic path forming member so that the surface including the closed magnetic path is parallel to the parallel magnetic field such as the geomagnetism, the orientation of the parallel magnetic field is the same as the sensor shown in FIG. And can be used to detect intensity.
[0024]
However, as another application, for example, a magnetic generator (permanent magnet or the like) is attached to one of the two members that move relative to each other, and the magnetic field detection device is attached to the other member in proximity to the magnetic generator. Thus, it can also be used as a position detection device that obtains an output corresponding to the relative movement of these two members.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows an example of the structure of a magnetic field detection unit of a magnetic field detection apparatus according to the present invention, in which A is a plan view and B is a cross-sectional view along line XX ′ along A's X axis.
[0026]
The
The magnetic
[0027]
A pair of coils X1 and X2 are wound around the Y axis direction of two rings (X axis and Y axis in the figure) of the ring of the magnetic
[0028]
As is apparent from the figure, the coils X1, X2, and Y1 are individually wound at different locations on the ring, so that it is easy to wind these coils uniformly.
[0029]
In addition, since these coils do not cross each other, even if any one of them is wound and then the rest is wound, this causes a difference in resistance and inductance between the coils. There is no difference in the number of magnetic fluxes penetrating these coils due to the excitation voltage described later.
[0030]
The magnetic
For each of the coils X1, X2, and Y1, a terminal P1 connected to one end thereof and the remaining generally connected terminal P2 are attached to the
[0031]
FIG. 2 shows an example of the magnetic field-impedance characteristic of the magnetic field detector 1 (relationship between the direction and intensity of the magnetic field applied to the coils X1 to Y1 and the impedance of the coils X1 to Y1). Regardless of the direction of the magnetic field, when the magnetic field becomes stronger, the magnetic permeability of the magnetic
[0032]
As a modification of the magnetic field detector, the magnetic path forming member may be made of a material having a high magnetic permeability other than permalloy (for example, ferrite or amorphous alloy). A shape having a closed magnetic circuit (for example, a rectangular shape or a triangular shape) may be used. FIG. 3 shows an example of using a magnetic
[0033]
FIG. 4 shows an example of the entire circuit configuration of the magnetic field detection apparatus according to this embodiment (illustration of
The
[0034]
The high-
[0035]
This pulse wave is amplified by the
[0036]
Specifically, the peak value of the excitation voltage is made substantially equal to the voltage B of the DC power supply, and the resistances of the resistors R4, R5, and R6 are set so that the magnetic field strength due to the excitation voltage of this peak value becomes Hd in the figure. A value shall be set.
[0037]
Note that an oscillation circuit that oscillates a sine wave may be provided in the
[0038]
The output unit 6 includes a detector 7 and a smoothing circuit 8.
The detector 7 is connected to a connection midpoint a between the coil X1 and the resistor R4 and connected to a diode D1 for detecting the excitation voltage of the coil X1 and a connection midpoint c between the coil Y1 and the resistor R5. A diode D2 for detecting the excitation voltage of the coil Y1, and a diode D3 for detecting the excitation voltage of the coil X2 connected to the connection midpoint b between the coil X2 and the resistor R6.
[0039]
The smoothing circuit 8 includes resistors R7, R8, and R9, capacitors C2, C3, C4, C5, and C6, volumes VR1 and VR2 for adjusting the DC component of the output voltage, and volumes VR3 and VR3 for adjusting the gain of the output voltage. VR4, which has a time constant sufficiently larger than the excitation voltage period of the
Thus, the output unit 6 has a simple configuration using a small number of diodes, resistors, capacitors, and volumes.
[0040]
A detection method when this magnetic field detection device is used as a device for detecting the direction and intensity of a parallel magnetic field is as follows.
As described above, the coils X1 to Y1 can be wound uniformly without crossing each other, the number of windings is all equal (thus, their resistance value and inductance are equal to each other), and the resistors R4 to R6 Since the resistance values are all equal, the excitation voltages applied to the coils X1 to Y1 are all equal when the magnetic field detection device is not placed in a parallel magnetic field.
Therefore, in this case, the output voltages Vx1, Vy, Vx2 of the smoothing circuit 8 are lower than the voltage of the DC power supply and equal to each other (referred to as voltage E).
[0041]
On the other hand, when the magnetic field detection device is placed in the parallel magnetic field H as shown in FIG. 4, the magnetic field strength of the coil X1 increases to Hd + Hx, so that the coil X1 as shown in FIG. The impedance of becomes smaller. Therefore, since the excitation voltage applied to the coil X1 becomes small, the output voltage Vx1 becomes smaller than E.
[0042]
On the other hand, in the coil X2, since the magnetic field intensity decreases to Hd−Hx, the impedance of the coil X1 increases. Accordingly, since the excitation voltage applied to the coil X2 becomes large, the output voltage Vx2 becomes larger than E.
[0043]
Further, when the orientation of the X-axis component Hx is opposite to that shown in FIG. 4, the output voltage Vx1 is larger than E and the output voltage Vx2 is smaller than E.
[0044]
As described above, the output voltages Vx1 and Vx2 are signals whose levels vary according to the strength of the X-axis component Hx with the voltage E as the center, and their phases are shifted from each other by 180 degrees.
[0045]
The same applies to the coil Y1, and the output voltage Vy is a signal whose level varies depending on the strength of the Y-axis component Hy with the voltage E as the center. However, the phase of this signal is shifted by 90 degrees with respect to the signals Vx1 and Vx2 because the X-axis component Hx and the Y-axis component Hy are orthogonal to each other.
As a result, three-phase signals Vx1, Vy, and Vx2 having a phase difference of 90 degrees are obtained. FIG. 5 shows the phase relationship of the three-phase signal as a vector.
[0046]
Here, in order to calculate the azimuth of the parallel magnetic field H, in principle, it is sufficient to have two-phase signals whose phases are shifted by 90 degrees from each other. Therefore, only Vx1 and Vy of the three-phase signals, or Only Vx2 and Vy need be used. However, each of the signals Vx1, Vy, and Vx2 includes a voltage E that is an offset voltage that is not related to the magnetic field. Since this voltage E fluctuates due to a drift due to a temperature difference, for example, when the magnetic field detection device is used in a severe environment such as a temperature change such as a car navigation system, the fluctuation amount becomes an error and the detection accuracy is increased. It gets worse.
[0047]
Therefore, the differential signal A (A = Vy−Vx1) between the signals Vx1 and Vy is obtained, and the differential signal B (B = Vy−Vx2) between the signals Vx2 and Vy is obtained. As shown in FIG. 5, the signals A and B are excluded from the offset voltage E and are out of phase with each other by 90 degrees. Therefore, the direction of the parallel magnetic field H can be detected with high accuracy by using the signals A and B.
[0048]
FIG. 6 shows the magnetic field detection apparatus in which the magnetic field detector 1 (here, the shape is schematically shown) is arranged in parallel to the ground surface as shown in FIG. 7 (that is, the XY plane in FIG. 1 is parallel to the ground surface). The measurement example of the rotation angle-output characteristics (relationship between the rotation angle and the signals A and B) when rotating around the Z axis perpendicular to the ground surface (and hence the XY plane) in the state is shown. As the signals A and B, it is shown that sine waves whose phases are shifted by 90 degrees can be obtained.
[0049]
Next, the detection method when this magnetic field detection device is used as a position detection device is as follows.
As shown in FIG. 8, a magnetism generator (permanent magnet or the like) 11 is attached to one member of two members (not shown) that relatively move in a machine tool or the like to be detected. Further, the magnetic field detection device having the configuration shown in FIG. 4 (here, the
[0050]
Then, due to the magnetic field from the
[0051]
The strength Hs1 of the X-axis component is minimized at the central portion of the
[0052]
Accordingly, the output voltages Vx1, Vy, and Vx2 from the output unit 6 are three-phase signals having a phase difference of approximately 90 degrees as shown in FIG. 9 according to the relative positions of the magnetic
[0053]
Here, the differential signal C between the signals Vx1 and Vx2 is obtained, and the relationship between the signal C and the signal Vy is shown in FIG. 10A. Therefore, for example, by obtaining a gate signal G as shown in FIG. 10B from the signal Vy and performing servo control using the signal C as a position detection signal within the operation range of the gate signal G, the linearity of the detection signal is good. The stable point of the servo can be positioned within a certain range.
[0054]
In the above embodiment, the winding layer locations of the three coils on the closed magnetic path of the magnetic path forming member need not be limited to the locations shown in FIG. For example, depending on what phase relationship the three-phase signals Vx1, Vy, and Vx2 are desired to be made, the place where these three coils are wound may be determined (for example, the phases of the signals Vx1, Vy, and Vx2 are These three coils may be wound in places where they are shifted by 120 degrees). Or you may make it determine the location which winds these three coils according to convenience, such as the shape of a magnetic path formation member, and the space which winds a coil.
[0055]
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the magnetic field detection apparatus of the present invention, the following effects can be obtained.
(1) Uniform winding of the coil is easy. For example, the winding is performed with the magnetic path forming member mounted on the bobbin so that the coil is accurately positioned at a predetermined position on the closed magnetic path. Can be disguised. Therefore, it is possible to prevent the detection accuracy from being deteriorated due to non-uniform winding, and to improve the detection accuracy of the azimuth and strength of the parallel magnetic field and the detection accuracy of the position of the relative moving member.
[0057]
(2) Since the coils do not cross each other, there is no difference in the resistance and inductance between the coils, and no difference in the number of magnetic fluxes penetrating these coils due to the excitation voltage described later. Therefore, also in this respect, it is possible to improve the detection accuracy of the direction and intensity of the parallel magnetic field and the detection accuracy of the position of the relative moving member.
(3) Since the output can be obtained by a circuit having a relatively simple configuration such as a detector or a smoothing circuit, the circuit configuration is simplified and the cost of the apparatus can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a structure of a magnetic field detection unit.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a magnetic field-impedance characteristic of a magnetic field detection unit.
FIG. 3 is a diagram illustrating a modification example of a magnetic field detection unit.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an overall circuit configuration of a magnetic field detection device.
FIG. 5 is a diagram showing a phase relationship of a three-phase signal.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a rotation angle-output characteristic of a magnetic field detection device.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of how the magnetic field detection apparatus is used.
FIG. 8 is a diagram illustrating an application example of a magnetic field detection device.
9 is a diagram showing a phase relationship of three-phase signals in the example of FIG.
10 is a diagram illustrating an example of a signal obtained from the three-phase signal of FIG.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a configuration of a conventional magnetic field detection device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記コイルに励磁電圧を印加する励磁部と、
前記コイルにかかる励磁電圧を検波、平滑化して出力する出力部と
を備え、前記励磁部により、励磁電圧による前記閉磁路内の磁界の向きが等しくなるように前記コイルを励磁して、前記出力部から、外部磁界に応じた3相の出力を得るようにしたことを特徴とする磁界検出装置。A magnetic field detector including a magnetic path forming member having a closed magnetic path made of a high permeability magnetic material, and three coils respectively wound at different locations on the closed magnetic path;
An excitation unit for applying an excitation voltage to the coil;
An output unit that detects and smooths the excitation voltage applied to the coil and outputs the excitation voltage. A magnetic field detection device characterized in that a three-phase output corresponding to an external magnetic field is obtained from the unit.
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