JPH0352832B2

JPH0352832B2 -

Info

Publication number: JPH0352832B2
Application number: JP16050483A
Authority: JP
Inventors: Azuma Murakami; Yoshinori Taguchi; Tsugunari Yamanami
Original assignee: Wakomu KK
Current assignee: Wakomu KK
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1983-09-02
Publication date: 1991-08-13
Also published as: JPS6053861A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は簡単な操作で高精度な測定が可能な磁
界測定装置に関するものである。

従来より用いられている磁界測定装置として
は、磁気感応儀、プロトン磁力計、フラツクスゲ
ート磁力計等がある。しかしながら、磁気感応儀
においては各種誤差を除去するための反復測定が
必要であり、また、プロトン磁力計では励磁のた
めにかなりの電力を必要とするほか、完全な連続
測定でなく、磁場が均一でない場合には全部のプ
ロトンが同一位相で動かなくなるため信号が出な
くなり、さらにまた、フラツクスゲート磁力計で
は水平及び鉛直分力の測定の際に直流を補償コイ
ルに流して平均的水平及び鉛直分力を打ち消さね
ばならないが、このような打ち消し磁場を長期に
わたつて１（γ）以内の精度で維持することは難
しい等、取扱いが複雑で精度の高い測定が困難で
あるという欠点があつた。

本発明は上記従来の欠点を除去し、操作が簡単
で高精度の測定がなし得る装置を実現することを
目的としたもので、その要旨とするところは外部
磁界の印加により電気機械結合係数が漸次増大
し、所定の外部磁界が加わつた時に該電気機械結
合係数が最大値となる磁性素子と、磁性素子の一
端及び他端にそれぞれ配設した第１及び第２のコ
イルと、上記磁性素子の第１及び第２のコイルの
配設部位にそれぞれ配設した第３及び第４のコイ
ルと、上記第１のコイルに磁性素子を共振させる
交流信号を加える手段と、上記第３のコイルに上
記所定の外部磁界を発生させる直流電流を加える
手段と、上記第４のコイルに信号電流を大きさ及
び極性を順次変えながら加える手段と、上記第２
のコイルに発生する検出信号の電圧値を検出する
手段と、上記検出信号の電圧値が極小となつた時
の上記信号電流の大きさ及び極性から上記磁性素
子の方向の磁界強さと磁界の向きを測定する手段
とからなる磁界測定装置にある。以下、図面につ
いて詳細に説明する。

まず、本発明の磁界測定装置のセンサ部及びそ
の測定原理を第１図及び第２図について説明す
る。

図中、１は磁性素子であり、特に外部磁界の印
加により電気機械結合係数が漸次増大し、所定の
外部磁界が加わつた時に該電気機械結合係数が最
大値となるもの、例えばアモルフアス合金のリボ
ンである。ここで、電気機械結合係数とは、磁界
及び磁化の微小変化により磁気的に与えられたエ
ネルギーのうち、弾性エネルギーに変換されて材
料内に蓄えられるエネルギーの割合、あるいは応
力及び歪みの微小変化により弾性的に与えられた
エネルギーのうち、磁気的エネルギーに変換され
て材料内に蓄えられるエネルギーの割合を示すも
のである。また、該電気機械結合係数の値は材料
によつて異なるとともに該材料に加わる外部磁界
の大きさによつて変化する。例えば、上述したリ
ボン１では外部磁界がない状態ではほとんど０か
又は小さな値であるが、外部磁界が加わると当初
は外部磁界の増加に伴つて増大し、所定の外部磁
界が加わつた時に最大値となり、その後、さらに
外部磁界が増加すると減少する。なお、電気機械
結合係数の詳細については、例えば「Ｒ＆Ｄレポ
ートNo.34 応用開発進むアモルフアス金属材料」
（株式会社シーエムシー、昭和57年11月16日発行、
P96〜99）等に記載されている。

また、２はリボン１を共振させる交流電流を加
えるための第１のコイル（以下、励振コイルと称
す。）、３は検出信号を取出すための第２のコイル
（以下、検出コイルと称す。）、４はリボン１の励
振コイル２の配設部位に上述した所定の外部（バ
イアス）磁界を与えるための第３のコイル（以
下、励振バイアスコイルと称す。）、５はリボン１
の検出コイル３の配設部位に外部（バイアス）磁
界を後述する如くその強さ及び向きを順次変えな
がら与えるための第４のコイル（以下、検出バイ
アスコイルと称す。）である。

上記リボン１はその中央付近にて略直角に折り
曲げられ、その一辺１ａは略鉛直に、また、他辺
１ｂは検出すべき磁界の方向Ａに向けて配置され
る。また、該一辺１ａの周りには励振コイル２及
び励振バイアスコイル４が配設され、他辺１ｂの
周りには検出コイル３及び検出バイアスコイル５
が配設されている。

上記励振バイアスコイル４には一定の直流電流
が流され、リボン１の励振コイル２の配設部位に
所定のバイアス磁界が加えられるが、その強さ及
び向きはリボン１の電気機械結合係数がほぼ最大
となるように設定される。なお、ここでリボン１
の電気機械結合係数がほぼ最大となるバイアス磁
界を与えるのは、後述する励振コイル２によるリ
ボン１の励振が最も効率良くなされるようにする
ためである。

而して、励振コイル２に交流の入力電流を流す
と、該励振コイル２に交流磁界が発生するが、こ
の交流磁界による磁気エネルギーはリボン１にて
振動（弾性）エネルギーに変換され、該リボン１
は振動状態となる。一方、振動状態のリボン１に
おける振動エネルギーは該リボン１にて磁気エネ
ルギーに変換され、その周囲に交流磁界を発生さ
せるため、検出コイル３には交流の出力電圧が発
生する。

この際、入力電流として第２図に示す特定周波
数の入力電流６を励振コイル２に流すと、リボン
１は共振状態となり、検出コイル３には同一周波
数の大きな出力電圧７（厳密には他の周波数の電
圧も発生するが、ここでは考えない。）が発生す
る。

ところで上記出力電圧７はリボン１の他辺１ｂ
の方向Ａに存在する磁界の極性、強さによつて異
なる。

ここで存在する磁界として地磁気について考え
ると、リボン１の他辺１ｂが北を向いている場合
は磁界の強さが最も大きいため、その出力電圧７
は最大値を示す。次に一辺１ａを中心として他辺
１ｂを回転させ東に向かわせると、磁界の強さが
弱まるため電圧値は小さくなり（出力電圧７′）、
ちようど東で最小値をとる。それから更に回転さ
せて少しでも南に向けると、磁界の極性が逆転す
るため、位相が180度変化し（出力電圧７″）、南
に近づくに従つて磁界の強さが増し、その電圧値
が大きくなる（出力電圧７）。

一方、上記検出バイアスコイル５に電流を流す
と他辺１ｂ方向にバイアス磁界が発生するが、該
電流の大きさ、極性を順次変えていくと、方向Ａ
の磁界と打ち消し合つて励振コイル３の出力電圧
値が最小値をとる場合が生ずる。従つて、この時
の検出バイアスコイル５に流した電流の値と極性
より方向Ａの磁界の強さと極性を判定することが
可能となる。

第３図乃至第６図は本発明の磁界検出装置の一
実施例を示すもので、ここでは３個のセンサ部を
互いに直交するように組合わせて、磁界の真の方
向、強さを測定し得る如くなしている。即ち、図
中、１０，２０，３０はセンサ部で、該センサ部
１０，２０，３０はその中央付近にて略直角に折
り曲げられたアモルフアス合金のリボン１１，２
１，３１と、その一辺１１ａ，２１ａ，３１ａに
取付けられた励振コイル１２，２２，３２及び励
振バイアスコイル１４，２４，３４と、他辺１１
ｂ，２１ｂ，３１ｂに取付けられた検出コイル１
３，２３，３３及び検出バイアスコイル１５，２
５，３５とからなつており、他辺１１ｂ，２１
ｂ，３１ｂはそれぞれ互いに直交するｘ，ｙ，ｚ
軸方向に沿つて配設されている。

また４０，４１はマルチプレクサ、４２はビデ
オアンプ、４３は同期検波器、４４はローパスフ
イルタ（LPF）、４５はコンパレータ、４６は信
号発生器、４７は励振用磁気バイアス電流源、４
８はＤ−Ａ変換器、４９はマイクロプロセツサで
ある。

上記励振コイル１２，２２，３２には信号発生
器４６より特定周波数の交流電流が供給され、ま
た励振バイアスコイル１４，２４，３４には励振
用磁気バイアス電流源４７より所定の直流電流が
供給されており、リボン１１，２１，３１は共振
状態に保たれている。検出コイル１３，２３，３
３及び検出バイアスコイル１５，２５，３５はそ
れぞれマルチプレクサ４０及び４１に接続され、
マイクロプロセツサ４９により切換え、選択され
る如くなつている。

次に地磁気の全磁力と伏角とを測定する場合を
例にとつて動作を説明する。ここでｚ軸は沿直方
向に配置するものとする。まずマイクロプロセツ
サ４９はマルチプレクサ４０及び４１によりｘ軸
方向のコイル、即ち検出コイル１３及び検出バイ
アスコイル１５を選択し、Ｄ−Ａ変換器４８より
検出バイアスコイル１５に絶対値及び極性を変え
た電気信号を順次入力する。検出コイル１３から
の電気信号よりビデオアンプ４２、同期検波器４
３を経て信号発生器４６の特定周波数と同一周波
数の信号、即ち検出信号が取り出され、ローパス
フイルタ４４にて平滑化され、コンパレータ４５
にて０レベルと比較されるが、検出バイアスコイ
ル１５の発生するバイアス磁界により検出コイル
１３からの電気信号の位相が180度変化し、検出
信号が０レベルを交差すると、コンパレータ４５
よりマイクロプロセツサ４９にパルス信号が出さ
れ、この時の検出バイアスコイル１５へ流した電
流の値と極性が記憶される。以下、ｙ軸、ｚ軸に
ついても同様にして、検出信号が０レベルを交差
する時の検出バイアスコイル２５，３５に流され
た電流の値及び極性がマイクロプロセツサ４９に
記憶される。以上の動作が所定の回数繰り返さ
れ、その平均値が求められ、予め定められた変換
係数に基づいてｘ，ｙ，ｚ軸方向の磁界の強さと
極性が求められる。

次にマイクロプロセツサ４９は上記ｘ，ｙ，ｚ
軸方向の磁界の強さと極性より地磁気の真の磁界
の方向及びその磁界の強さを以下に示す演算によ
り求める。

即ち、第６図において、水平分力Ｈはｘ軸方向
及びｙ軸方向の磁界強さをそれぞれＸ，Ｙとすれ
ば、Ｈ＝√²＋² ……(1) となる。また真の磁界の強さ、即ち全磁力Ｆはｚ
軸方向の磁界強さをＺとすると、Ｆ＝√₂＋² ……(2) となる。また全磁力Ｆの水平分力Ｈに対する伏角
ＩはＩ＝tan^-1F／Ｈ ……(3) となる。また偏角Ｄを補正すれば真北の方向を判
定することもできる。

第７図は本発明の磁界測定装置の変形例を示す
もので、ここでは励振コイルと検出コイル、また
励振バイアスコイルと検出バイアスコイルを兼用
として部品数を削減している。即ち、図中、５
０，５１，５２はアモルフアス合金のリボン、５
３，５４，５５，５６，５７，５８はコイルで、
上記リボン５０，５１，５２はその中央付近にて
直角に折り曲げられ、一辺５０ａ，５１ａ，５２
ａはそれぞれｙ，ｚ，ｘ軸方向に、また他辺５０
ｂ，５１ｂ，５２ｂはそれぞれｘ，ｙ，ｚ軸方向
に向けて配置されている。コイル５３，５６はリ
ボン５０の他辺５０ｂとリボン５２の一方５２ａ
の周りに配設され、コイル５４，５７はリボン５
１の他辺５１ｂとリボン５０の一辺５０ａの周り
に配設され、コイル５５，５８はリボン５２の他
辺５２ｂとリボン５１の一辺５１ａの周りに配設
されている。ここで例えばｘ軸方向の磁界につい
て測定する場合にはコイル５３が検出コイルに、
コイル５６が検出バイアスコイルに、コイル５４
が励振コイルに、またコイル５７が励振バイアス
コイルに選択されて行なわれる。なお、電気回路
部分については信号発生器の出力と励振用磁気バ
イアス電流源の出力をマルチプレクサにより各コ
イル５３〜５８に選択的に加えるようにするのみ
で、他はそのままでよい。

以上説明したように本発明によれば、外部磁界
の印加により電気機械結合係数が漸次増大し、所
定の外部磁界が加わつた時に該電気機械結合係数
が最大値となる磁性素子と、磁性素子の一端及び
他端にそれぞれ配設した第１及び第２のコイル
と、上記磁性素子の第１及び第２のコイルの配設
部位にそれぞれ配設した第３及び第４のコイル
と、上記第１のコイルに磁性素子を共振させる交
流信号を加える手段と、上記第３のコイルに上記
所定の外部磁界を発生させる直流電流を加える手
段と、上記第４のコイルに信号電流を大きさ及び
極性を順次変えながら加える手段と、上記第２の
コイルに発生する検出信号の電圧値を検出する手
段と、上記検出信号の電圧値が極小となつた時の
上記信号電流の大きさ及び極性から上記磁性素子
の方向の磁界強さと磁界の向きを測定する手段と
からなるため、可動部分が全くなく、従つて、電
源投入後、直ちに測定を開始できるとともに複雑
な操作や取扱いを必要とせず、磁性素子の方向の
磁界強さや磁束の向きを高い精度で測定でき、ま
た、センサ部分は他の部分と離隔して設置するこ
とができ、リモートセンシングが可能で、その間
の距離も自由に設定することができ、また、安価
な磁性素子や少数のコイル及び簡単な電気回路に
より構成できるので、低価格且つ低消費電力とな
すことができ、また、磁界強さや磁束の向きを電
気信号で取出すことができるので、他の電子機器
との結合が容易となる等の利点がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の説明に供するもので、第１図は
本発明の磁界測定装置の基本原理を説明するため
のセンサ部の斜視図、第２図は第１図のセンサ部
における入力電流と出力電圧との関係を示す説明
図、第３図乃至第６図は本発明の磁界測定装置の
一実施例を示し、第３図はセンサ部分の斜視図、
第４図は電気回路部分のブロツク図、第５図はマ
イクロプロセツサの動作フローを示す図、第６図
は地磁気の全磁力と各成分との関係を示す図、第
７図は本発明の他の実施例を示す斜視図である。１，１１，２１，３１……アモルフアス合金の
リボン、２，１２，２２，３２……励振コイル、
３，１３，２３，３３……検出コイル、４，１
４，２４，３４……励振バイアスコイル、５，１
５，２５，３５……検出バイアスコイル、４０，
４１……マルチプレクサ、４３……同期検波器、
４４……ローパスフイルタ、４５……コンパレー
タ、４６……信号発生器、４７……励振用磁気バ
イアス電流源、４８……Ｄ−Ａ変換器、４９……
マイクロプロセツサ。

Claims

【特許請求の範囲】１外部磁界の印加により電気機械結合係数が漸
次増大し、所定の外部磁界が加わつた時に該電気
機械結合係数が最大値となる磁性素子と、該磁性素子の一端及び他端にそれぞれ配設した
第１及び第２のコイルと、上記磁性素子の第１及び第２のコイルの配設部
位にそれぞれ配設した第３及び第４のコイルと、上記第１のコイルに磁性素子を共振させる交流
信号を加える手段と、上記第３のコイルに上記所定の外部磁界を発生
させる直流電流を加える手段と、上記第４のコイルに信号電流を大きさ及び極性
を順次変えながら加える手段と、上記第２のコイルに発生する検出信号の電圧値
を検出する手段と、上記検出信号の電圧値が極小となつた時の上記
信号電流の大きさ及び極性から上記磁性素子の方
向の磁界強さと磁界の向きを測定する手段とからなる磁界測定装置。２磁性素子としてアモルフアス合金のリボンを
用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の磁界測定装置。