JPH03295482A - 磁場検出装置 - 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】

［０００１３

【産業上の利用分野］ 本発明は、特に地球の磁場を感知するための磁場検出装
置に関する。この検出装置は、感知した磁場の値に相応
する電気信号を発するコイル式磁場センサを、少なくと
も１個含んでいる。 ［０００２］ 【従来の技術】 地球の磁場を確認するための装置は、長い間、羅針盤と
いう形で知られて来た。それは、磁場の南北方向をさす
ようにピボットで支持された磁針を利用するのが普通で
あり、読み取るのが比較的困難である。 ［０００３］ さらに複雑な羅針盤は、異なった型の複数のソレノイド
から成る電磁センサを利用している。その電磁センサに
電圧を印加すると、その電磁センサは、指示計器すなわ
ち読取り式計器に測定信号を供給する。この羅針盤は、
たとえば船舶の操船、航空機の操縦などの際の補助機器
として用いられる。この羅針盤は構造が比較的複雑であ
るため、非常に高価なものになる。 ［０００４］

【発明が解決しようとする課題】

本発明の目的は、比較的簡単な手段を用いて地球の磁場
を確認するための、読取りの容易な、信頼度の高い計器
を提供することである。 ［０００５］

【課題を解決するための手段】

上記の目的は、この明細書の冒頭に記載したような装置
によって達成される。 この装置の磁場感知手段は、上記センサのヒステリシス
を持つ双安定磁気材料から成るセンサを含んでいる。こ
のセンサは、確認しようとしている磁場を感知するため
の少なくとも１個のコイルによって、少なくとも部少な
くとも１個のこのコイルは、センサの磁化の方向を交互
に変えるためのものである。 ［０００６］ 本発明による装置は、２つの双安定磁化状態を持つ１本
または複数本の非晶質または微品質の磁気金属製のフィ
ラメント／繊維で構成されているが、以下においては、
もっばら繊維という用語のみを用いることにする。この
繊維を、地球の磁場に対してどのような方向または方位
を持っているかを確認しようとする物体に固定する。 ［０００７］

【作用】

それぞれの繊維を取り囲んでいるコイルに励磁信号を印
加することに、よって、繊維は基準磁場の中に置かれる
。基準磁場は周期的にその強さと方向とを変えられ、そ
の変化に合わせて繊維を一方の双安定状態から他方の双
安定状態へ転換させるだけの強さを持たされる。したが
って、合金の種類と繊維の製法が与えられれば、コイル
に誘起される電圧パルスと、繊維に働く全磁場との間に
は、明白な関係が成り立つ。本発明の１つの実施例では
、磁場の周期的な転換に関連する基準時点からのパルス
発生時点の遅れ、または正のパルスと負のパルスの間の
時間差、および負のパルスと正のパルスの間の時間差を
測定する。誘起した電圧パルスを測定回路に印加するこ
とによって、確認しようとしている地球の磁場を測定す
ることができる。 ［０００８］ 本発明は、いわゆる急速凝固法によって非晶質またはガ
ラス状の結晶構造を持たされるある種の合金の周知の性
質を利用する。このような合金は、■、オーナカ等が１
９８２年の急速焼入れ金属に関する第４回国際会議の議
事録の中で述べている特殊な製法、すなわち、手短かに
言えば、急速回転ドラムの内部に置かれた水浴の中へ溶
融合金を射出するという製法（「回転水浴内急速焼入れ
法」）によって、糸状または繊維状に作られる。非晶質
で磁気歪みを持つこの種のワイヤは、独特の経過をたど
って磁化され、２つの状態だけを持ち得るので、普通、
双安定と言われテイル。コノ挙動にツイテは、Ｋ、−Ｅ
−り等がＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　Ｍａｇｎ、、　ＭＡ
Ｇ−２０（１９８４年）の１４０９ページに記述してい
る。 ［０００９］

【実施例】

次に、図面に示した本発明の実施例を、さらに詳細に説
明する。 本発明による装置は、磁場と、それが、ある物体に対し
てどのような方向を持っているかを確認するための、新
たな測定原理を提供する。図１に示すように、この装置
は磁場検出用のコイル手段１を含んでいる。１つの好ま
しい実施例ではコイル手段１は、磁場に対する相対的な
方向を確認しようとする物体（図示せず）に固定される
非晶質の繊維２を含んでいる。繊維２は、周囲の磁場の
強さと方向を感知すると、内部に軸方向の磁化ベクトル
を発生させる。あらかじめ定められている値を越える軸
方向成分を持つ基準磁場を外部から印加することによつ
て、上記ベクトルを反転させると、いわゆる大バルクハ
ウゼン効果があられれる。このことは次のことを意味す
る。すなわち磁化ベクトルが持つことを許される方向と
いうのは、互いに正反対な２つの方向だけだから、繊維
の再磁化は、双安定挙動を示す単一ステップで起こる、
ということを意味する。再磁化は、繊維２に特有な磁場
が存在するときに起こり、この実施例の場合、それは励
磁コイル３を用いて達成される。繊維２の磁化状態が反
転するたびに、検出コイル４に電圧パルスが発生する。 図示の場合、検出コイル４は特殊な形状を有するが、そ
れについては、以下においてさらに詳細に説明する。 ［００１０］ この実施例の場合のコイル手段１では、励磁コイル３は
非晶質の繊維２をその全長にわたって取り囲んでいるが
、検出コイル４の軸方向長さは繊維２の全長のうちの一
部、好ましくはその中央部分に限られている。コイル手
段１の１つの実施例では、直径３０ミクロンの非晶質の
繊維２を用い、それを、外径が約２ｍｒｎの絶縁層５で
取り巻いている。絶縁層５は、巻数２８０の巻線から成
る検出コイル４を支えている。励磁コイル３は検出コイ
ル４の外側に取り付けられ、この実施例の場合、巻数８
００の巻線から成る。 ［００１１］ 非晶質の双安定繊維２の磁化状態は、図２に示すような
独特の経過をたどって変化する。図２は、繊維２の磁化
状態Ｍを、外部の磁場Ｈの関数として示しなものである
。磁場Ｈの強さが、レベルＨ１から矢印Ｐ１で示すよう
に増加しても臨界磁場＋ＨＫ　になるまでは、磁化状態
Ｍは変わらない。臨界磁場になった瞬間に、磁化状態Ｍ
は素早くレベルＭ２　に変わる。磁場Ｈの強さが引き続
き増加しても、磁化状態Ｍは変わらない。磁場Ｈの強さ
が矢印Ｐ２で示すように減少して−Ｈに等しくなったと
き、磁化状態の素早い変化が起こる。 ［００１２］ 繊維２は２つの磁化状態を持つに過ぎないので、外部の
磁場Ｈによる再磁化は外部の磁場Ｈが臨界磁場ＨＫ　を
越えるや否や、非常に素早く起こる。急速凝固した未処
理繊維の場合には、臨界磁場は約７０ｍ０ｅ　（５Ａ　
／　ｍ　）である。適当に熱処理した繊維の場合には、
臨界磁場ＨＫ　を約１０ｅ　（８０Ａ　／　ｍ　）にま
で達せしめることができる（Ｒ，マルムヘル他、ＩＥＥ
Ｅ　Ｔｒａｎｓ、　Ｍａｇｎ、　１９８７年）。このよ
うにワイヤの品質と物性は、熱処理法を変えることによ
って変えることができる。 ［００１３］ 磁場を測定するためにコイル手段１を用いる場合には、
三角波状の磁場Ｈを生じさせる電流■を励磁コイル３に
供給するのが特に有利である。本発明の１つの実施例で
は、繊維２を再磁化するのに必要な臨界磁場ＨＫ　　よ
りも、上記三角波の振幅を大きくする。 ［００１４］ 図５は、その（ａ）において、上記のような三角波状の
磁場Ｈが、時間ｔの経過につれて変化する様子を示した
ものである。この磁場Ｈも、電流工を励磁コイル３に供
給することによって生じさせたものである。磁場Ｈの振
幅が臨界磁場のレベル＋ＨＫ　および−ＨＫ　を越える
たびに、図５の（ｂ）に示すように、検出コイル４に短
い電圧パルスｅｐ　　が誘起される。隣接する正の電圧
パルスどうしの間の時間的間隔は、交番磁場Ｈの周期Ｔ
（周波数ｆ）によって定まる。繊維２が他の磁場から影
響を受けていない場合には、隣接する正の電圧パルスと
負の電圧パルスとの間の時間的間隔ｔ　　は、周期Ｔｏ
　の半分である。 ［００１５］ 繊維２が他の磁場、たとえば地球の磁場Ｈ，（図５の（
Ｃ））から影響を受けている場合には、隣接する正の電
圧パルスと負の電圧パルスとの間の時間的間隔ｔＸ　　
は、図５の（ｃ）に示すように半周期１０　　から逸脱
する。この時間的なずれは、繊維２の軸方向に働いてい
る他の磁場の強さを、Ｈ，＝Ａｔ　＋Ｂという式によっ
て測定する際の基礎となる。ここにＡおよびＢは定数で
あって、その値は、交番磁場（三角波状の磁場）の周期
と振幅によって定まる。 ［００１６］ 未知の磁場Ｈ０の方向がワイヤの方向とある角をなして
いる場合には、未知の磁場の各成分を確認するため、２
本のコイル手段１を互いにある角をなすように、好まし
くは直角をなすように、適当に配置する。たとえばヨー
イングを補正する必要がある場合には、３本のコイル手
段１を用いることもできる。この場合には、３本のコイ
ル手段１を、互いに垂直な３つの平面上にそれぞれ配置
する。 ［００１７３ 上記のような配置の一例として、磁場検出用の２本のコ
イル手段ＩＡおよびＩＢから成るものの概略図を、図３
に示す。それぞれのコイル手段と協働する励磁コイルが
３Ａおよび３Ｂであり、検出コイル４Ａおよび４Ｂも同
様にそれぞ゛れに対応させである。以下において検出コ
イル４Ａ、４Ｂの測定回路を、図４に示す実施例との関
連において説明する。まず、励磁コイル３Ａ、３Ｂ用の
励磁回路の実施例について説明する。 ［００１８］ 励磁コイル３Ａ、３Ｂ用の励磁回路の構成は互いに同じ
であるので、一方の励磁回路についてだけ説明する。各
励磁回路は三角波発生器１０と励磁段１．１とを含んで
おり、励磁段１１、は本質的には帰還増幅段から成り、
この帰還増幅段の出力端１−２は励磁コイル３の一端に
接続されており、励磁コイル３の他端は接地されている
［００１９］ 三角波発生器１．０は、公知のものと同様に、三角波の
振幅を決定する加減抵抗帰還素子１４を備えた増幅段１
，３と、三角波の周波数を決定するものとして増幅段１
３の出力端に接続される加減抵抗器１５とを含んでいる
。加減抵抗器１５の出力信号は、さらに別の増幅器１６
を経て、励磁段１１に供給される。 ［００２０］ 図４の実施例に含まれている検出コイル４Ａおよび４Ｂ
は、磁場検出用のそれぞれのコイル手段ＬＡ、ＩＢに付
属するものであって、それぞれ、測定回路２０に接続さ
れている。２つの測定回路２０は互いに同じものである
ので、一方の測定回路についてだけ説明する。 ［００２］、、］ 各測定回路２０は、それに接続されている検出コイル４
から信号を供給される増幅段２１を含Ａ７でいる。増幅
段２１の出力端はパルス形成段２３に接続されており、
パルス形成段２３は時間差段２２に接続されている。 ［００２２］ 検出コイル４が発生する信号は、図５の（ｂ）および（
ｄ）に関する説明の部分で述べたような「スパイクＪｅ
ｐ　　から成る。この信号は増幅されたのち、パルス形
成段２３に送られる。パルス形成段２３の回路構成は従
事のものと同じであり、この中で行われる信号処理の結
果、方形波Ｕができる。この方形波Ｕのパルス幅が、検
出コイル４によって感知された磁場の強さをあられして
いる。方形波Ｕを時間差段２２で定量化して、その出力
側で動作信号Δｔ／Ｔを得る。この動作信号は上記の磁
場の強さに比例する信号であり、この信号を用いて、た
とえば本発明による磁場検出器を（羅針盤という形で）
搭載している船舶の進路を、表示手段（図示せず）に表
示することができる。この実施例の場合、検出コイル４
Ａ、４Ｂは互いある角をなして置かれており、それらに
付属しているコイル手段の内部の繊維が、地球の磁場か
らそれぞれ異なった影響を受けているので、検出コイル
４Ａおよび４Ｂが発する動作信号Δｔ　　およびΔｔＢ
　も、互いに異なる。 ［００２３］ 本発明による磁場検出器の１つの好ましい実施例では、
上述のような回路切換えをマイクロプロセッサＭＣＵで
制御することによって、回路切換えをさらに簡略化した
。以下においてその実施例を、図６および図７を参照し
て説明する。 ［００２４］ 図６は磁場検出器の概略ブロック図であるが、この磁場
検出器のセンサは、単一のコイル１０３によって取り囲
まれた非晶質の双安定繊維（図示せず）から成りこの単
一のコイルが、励磁コイルと検出コイルの両方の機能を
有する。積分器１０１からコイル１０３に励磁信号１０
１ａが供給されると、コイル１０３は出力信号１０３ａ
を発する。出力信号１０３ａは未知の磁場の影響を受け
ている信号であり、増幅検出段１２１で増幅される。増
幅検出段１２１は、増幅した信号１２１ａを発する。信
号１２１ａは、もっばら未知の磁場に対応する信号部分
だけから成る。すなわち「スパイクＪｅｐ　　から成る
。これはコンパレータ１２３に供給される。未知の磁場
に対応するものとして得られた［スパイクＪｅｐ　　は
、コンパレータ１２３で２つの位相依存信号１２３ａお
よび１２３ｂに分割される。これらの位相依存信号１２
３ａ、　１２３ｂで双安定フリップフロップ１２２を作
動させる。双安定フリップフロップ１２２の出力信号１
２２ａは「戻り信号」として積分器１０１に印加される
。コンパレーダー２３から得られたスパイクがどちら向
きのスパイクであるかによって、フリップフロップ１２
２の出力が高レベルに設定されたり低レベルに設定され
たりする。そしてその出力が、積分器１０１の向きを（
したがって、コイル１０３を通じて自己生成磁場の向き
を）制御する。このようにし、て、フリップフロップ１
２２は、電流の向きを、またそれと共に磁場の向きを切
り換える役目をする。向きが反対になった磁場が繊維の
切換え磁場と一致すると、繊維が切り換えられる。その
時、繊維に誘起される電圧パルスが、再び電流の向きを
逆にする。このようにして回路は一定の周波数（普通は
８ＫＨｚ）で発振する。 ［００２５］ 外部から磁場が印加されない限り、回路は基準レベルに
関Ｉ−で対称になるように発振する。すなわち整流され
た平均値は基準レベルとの関係においてＯＶという値を
とる。この場合の基準レベルは、供給電圧の半分である
。他方において、外部から磁場が（地球の磁場が）印加
されると、発生するのこぎり波状電圧の平均値は、基準
電圧との関係において正または負の電圧となる。この電
圧は、印加された外部磁場Ｈ２に比例する。 ［００２６］ 積分器１０１は平滑段１０６に励磁信号１０１ｅを供給
する。励磁信号１０１ａおよび１０１ｅは同一の信号で
ある。平滑段１０６からは、マイクロプロセッサ−０７
に動作信号１．０６ａが供給される。動作信号１０６ａ
の強さに応じて、マイクロプロセッサ−０７はユーザー
・ステージ１０８に信号１０７ａを供給する。ユーザー
・ステージ１０８は、たとえば液晶表示装置でもよく、
磁場の大きさと向きに関する直接の情報を提供する役目
をする。マイクロプロセッサ−０７には、その他のユニ
ットも接続してよい。 ［００２７］ 磁場検出器の上記実施例を定針儀として使用する１つの
実施例では、２本の繊維をＸ軸とｙ軸に沿ってほぼ直角
に配置し、そのそれぞれにコイル１０３を付属せしめる
。マイクロプロセッサ−０７への入力を示す破線１００
で示す通り、マイクロプロセッサ−０７は両方のコイル
の共用とするが、各コイルは図６に示したのと同じ方法
で励磁される。 ［００２８］ 上記動作信号１０６ａのほかに制御信号１２２ｂがマイ
クロプロセッサ−０７に印加される。制御信号１２２ｂ
はフリップフロップ１２２がら得られる信号で、上記周
波数を持つようにされている。回路内に無線周波妨害、
またはその他の誤りもしくはエラーが発生すると、上記
周波数の供給が停止し、供給停止は直ちにマイクロプロ
セッサ１０７で感知される。すると、マイクロプロセッ
サ−０７は、フリップフロップ１２２に対してクロック
信号１０７ｂを発することによって、回路の再始動を試
みると共に、積分器１０１の向きを変えさせる。妨害が
やみ、回路にエラーがなくなるとプロセスが再開される
。 ［００２９］ 以上に述べた信号１０１ａ、１０３ａ、１２１ａ、ｅＰ
　　、１２３ａ、１２３ｂ、１２２ａ、１０１ｃ、１０
６ａおよび１０７ａをグラフで示したのが図７である。 図７から明らかな通り、この実施例でも三角波の励磁信
号１０１ａ、　１０１ｃが使用される。しかし励磁信号
１０１ａ、　１０１ｃの振幅は＋ＨＫ　　と−ＨＫ　の
レベルを越えることはなく、これら２つの波高値の間に
ある、という点に注目すべきである。その結果、図３な
いし図５に示した装置に比べて、軽視できない程度に、
エネルギーを節約できるということになる。検出される
べき外部の磁場をコイル１０３が感知すると、出力信号
１０３ａのグラフに示す通り、励磁信号１０１ａ、　１
０１ｃの波高値が「スパイクＪｅｐ　　と重なる。１２
１ａのグラフから明らかな通り、増幅検出段１２１で「
スパイク信号」が作られる。図７の中の当該グラフから
明らかな通り、上記スパイク信号はコンパレータ１２３
で２つの位相依存信号１２３ａ、　１２３ｂに分割され
る。 １２２ａのグラフに示すクロック・パルスは、積分器１
０１を制御する「戻り信号」としてすでに言及したもの
である。一番下のグラフ１０６ａは、マイクプロセッサ
ー０７に印加される動作信号を形成する直流電圧レベル
を示している。この直流電圧レベルは、検出しようとし
ている磁場、たとえば地球の磁場Ｈ１に比例する。 ［００３０］ 本発明による磁場検出器の、この実施例に用いた回路構
成は、以上の通り非常に簡略化されており、同時に、電
流消費量も少ない。 以上において、本発明による装置を、差し当たり最も有
利と考えられる電子回路を備えた若干の実施例を示す図
面との関連において説明したが、その他の回路構成から
も同等の結果が得られることは、当業者には明らかであ
ろう。したかって、本発明は特許請求の範囲に記載ｌ−
だ磁場検出装置も含むのであって、もつ（ｆ：。 ら上述の実施例に限定されたものとは考えられるべきで
なり）。 ［００３１］

【発明の効果】

本発明は、比較的簡単な回路構成によって地球の磁場を
確認することを可能（こする。本発明による磁場検出器
は電力消費量が少なｌ、ｚ’ｉ０

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による磁場検出器に含まれるコイル手段の縦断面
図である。

【図２】 非晶質の繊維で構成した本発明によるセンサの磁化状態
の変化の、独特の経過を示す図である。

【図３】 本発明による装置を羅針盤として使用する場合のコイル
手段、およびそれと協働する励磁回路の概略図である。

【図４】 本発明による磁場検出器において図３の励磁回路と組み
合わせて使用される測定回路の１つの実施例の原理を示
す図である。

【図５】 図３および図４の検出器で得られる励磁信号および測定
信号を示す図である。

【図６】 本発明による装置の測定回路の１つの好ましい実施例の
概略プロ・ツク図である

【図７】 図６に示した回路のいろんな点における信号を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１　　コイル手段 ２　　センサ ３　　励磁コイル 磁場検出コイル 信号発生器 増幅段 時間差段 パルス形成段 積分器 磁場検出コイル

【書類基】

図面

【図１】

【図２】

【図５】

【図６】

【図７】

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】感知した磁場の値に相応する電気信号を発
   する磁場検出用コイル手段（１）を少なくとも１個含ん
   でいる、特に地球の磁場を検出するための磁場検出装置
   において、上記コイル手段（１）が、ほぼ直角の磁気ヒ
   ステリシスを持つ双安定磁気材料から成るセンサ（２）
   を含んでおり、このセンサが、確認しようとしている磁
   場を感知するための少なくとも１個のコイル（３、４、
   １０３）によって、少なくとも部分的に取り囲まれてお
   り、このコイルが、上記センサの磁化の方向を交互に変
   えるためのものであることを特徴とする磁場検出装置。
2. 【請求項２】上記センサ（２）が、１本または複数本の
   非晶質の双安定磁気金属製のワイヤまたは繊維で構成さ
   れた長尺の部材を含んでおり、上記ワイヤまたは繊維が
   、上記部材の長軸方向に向けられていることを特徴とす
   る、請求項１記載の磁場検出装置。
3. 【請求項３】上記センサ（２）が、確認しようとしてい
   る磁場を感知するための第１コイル（４）と、基準磁場
   を発生させるための第２のコイル（３）とを含んでおり
   、第２のコイル（３）が、励磁回路に接続された磁化巻
   線を備えており、この磁化巻線は、上記部材が磁場の周
   期的変化に合わせて一方の磁化状態から他方の磁化状態
   へ転換させられるように、上記部材に含まれるワイヤ（
   ２）の磁化状態に影響を及ぼすため、磁場に周期的な変
   化を起こさせるためのものであることを特徴とする、請
   求項１および２のうちいずれか１項に記載の磁場検出装
   置。
4. 【請求項４】上記励磁回路が三角波を発生させるための
   信号発生器（１０）を含んでおり、上記三角波が増幅段
   （１１）を経て第２のコイル（３）に供給されることを
   特徴とする、請求項３記載の磁場検出装置。
5. 【請求項５】第１のコイル（４）が、その中で順次誘起
   される電圧パルス（ｅ＿ｐ）の間の時間差を測定するた
   めの測定回路に接続されていることを特徴とする、請求
   項３記載の磁場検出装置。
6. 【請求項６】上記センサ（２）に含まれる単一のコイル
   （１０３）が、積分器（１０１）によって発せられる制
   御信号（１０１ａ）によって励磁され、確認しようとし
   ている磁場が発生させるパルス信号（１２２ａ）が、上
   記制御信号に重ねられると共に、上記積分器（１０１）
   の方向制御用のフリップフロップ（１２２）を作動させ
   ることを特徴とする、請求項１および２のうちいずれか
   １項に記載の磁場検出装置。
7. 【請求項７】複数本の磁場検出用コイル手段（１）が互
   いにある角をなすように、好ましくは直角をなすように
   配置され、各コイル手段に含まれている磁場検出コイル
   （４Ａ、４Ｂ、１０３）が、感知した磁場の方向と強さ
   を確認するための共通の測定回路に接続されていること
   を特徴とする、請求項１ないし６のうちいずれか１項に
   記載の磁場検出装置。
8. 【請求項８】上記測定回路が、上記磁場検出コイル（４
   Ａ、４Ｂ）のそれぞれに１個ずつ付属するパルス形成段
   （２３）を含んでおり、このパルス形成段の出力信号が
   時間差段（２２）に印加され、時間差段（２２）がその
   出力側に、確認しようとしている磁場の強さに比例する
   信号（Δｔ／Ｔ）を発生させることを特徴とする、請求
   項７記載の磁場検出装置。
9. 【請求項９】上記磁場検出コイル（１０３）のそれぞれ
   に１個ずつ積分器（１０１）が割り当てられており、測
   定回路に含まれるマイクロプロセッサ（１０７）には、
   各積分器（１０１）から動作信号（１０１ｃ、１０６ａ
   ）が供給され、各磁場検出コイルの回路に含まれるフリ
   ップフロップ（１２２）から制御信号（１２２ｂ）が供
   給されることを特徴とする、請求項７記載の磁場検出装
   置。
10. 【請求項１０】上記制御信号（１２２ｂ）が供給されて
    いない時、上記マイクロプロセッサ（１０７）が各フリ
    ップフロップ（１２２）に再始動信号（１０７ｂ）を供
    給することを特徴とする、請求項６および９のうちいず
    れか１項に記載の磁場検出装置。