(57)【要約】【課題】検出コイルの断線を検出できるだけでなく磁気検出動作を継続することが可能な自励式のフラックスゲート型磁気センサを提供する。【解決手段】フラックスゲート型磁気センサ１は、磁場を検出する磁気センサ素子１０と、磁気センサ素子１０に接続された自励発振回路２０と、自励発振回路２０の発振周波数を検出する周波数検出回路３０と、発振周波数が所定の閾値を下回ったことを検出する異常検出回路４０とを備えている。磁気センサ素子１０は、並列接続された複数の検出コイル１２Ａ，１２Ｂを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場を検出する磁気センサ素子と、
前記磁気センサ素子に接続された自励発振回路と、
前記自励発振回路の発振周波数を検出する周波数検出回路と、
前記発振周波数が所定の閾値を下回ったことを検出する異常検出回路とを備え、
前記磁気センサ素子は、並列接続された複数の検出コイルを含むことを特徴とするフラックスゲート型磁気センサ。
【請求項２】
前記自励発振回路は、
前記異常検出回路が前記警報信号を出力していない正常時において第１の閾値電圧を用いて自励発振動作を行い、
前記異常検出回路が前記警報信号を出力している異常時において前記第１の閾値電圧と異なる第２の閾値電圧を用いて自励発振動作を行う、請求項１に記載のフラックスゲート型磁気センサ。
【請求項３】
前記複数の検出コイルの磁気結合定数が＋０．８以下である、請求項１又は２に記載のフラックスゲート型磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気センサ素子は、前記検出コイルを３つ以上有し、各検出コイルは相互インダクタンスが同一となるように配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフラックスゲート型磁気センサ。
【請求項５】
前記複数の検出コイルは、円周上に等間隔で配置されており、
前記複数の検出コイルのコイル軸は、同一平面上に配置されている、請求項４に記載のフラックスゲート型磁気センサ。
【請求項６】
前記複数の検出コイルは、そのコイル軸が互いに平行となるように配置されている、請求項４に記載のフラックスゲート型磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラックスゲート型磁気センサに関し、特に磁気センサ素子の構造及びその異常を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流センサや電子コンパスに用いられる磁気センサとして、磁気コアにコイル状配線を巻き回して構成されたフラックスゲート型磁気センサが知られている。
【０００３】
従来のフラックスゲート型磁気センサにおいてコイル状配線が断線した場合、出力劣化過程を経ず直ちに出力を失うため、故障予知が困難である。このような問題を解決するため、例えば特許文献１には、並列接続された励磁コイルの抵抗を監視することによって励磁コイルの断線の検出を可能にしたフラックスゲート型磁気センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１９４４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された従来のフラックスゲート型磁気センサは、励磁コイルの断線を検出することはできるが、検出コイルの断線を検出することはできず、自励式には適用することができない。またフラックスゲート型磁気センサの用途によっては、故障によって完全に停止することなく磁気検出動作を継続できることが求められており、フラックスゲート型磁気センサの信頼性の向上が求められている。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、検出コイルの断線を検出できるだけでなく磁気検出動作を継続することが可能な自励式のフラックスゲート型磁気センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明によるフラックスゲート型磁気センサは、磁場を検出する磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子に接続された自励発振回路と、前記自励発振回路の発振周波数を検出する周波数検出回路と、前記発振周波数が所定の閾値を下回ったことを検出する異常検出回路とを備え、前記磁気センサ素子は、並列接続された複数の検出コイルを含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、自励式であっても検出コイルの断線を検出することができる。また、検出コイルを分割することによって冗長構成とすることができ、検出コイルの一つが断線した場合でも残りの検出コイルを用いて磁気検出動作を継続できるため、磁気検出動作の完全な停止を回避することができ、フラックスゲート型磁気センサの信頼性が高めることができる。
【０００９】
本発明において、前記自励発振回路は、前記異常検出回路が前記警報信号を出力していない正常時において第１の閾値電圧を用いて自励発振動作を行い、前記異常検出回路が前記警報信号を出力している異常時において前記第１の閾値電圧と異なる第２の閾値電圧を用いて自励発振動作を行うことが好ましい。自励発振回路において極性の切り替えに用いる閾値電圧を異常検出の有無に応じて変えることで、異常時のときの磁場の検出感度を調整することができ、フラックスゲート型磁気センサの出力の信頼性を高めることができる。
【００１０】
前記複数の検出コイルの磁気結合定数は＋０．８以下であることが好ましい。磁気結合係数が＋０．８以下であれば、磁気センサ素子が複数の検出コイルの並列回路からなる場合でも磁場の変化を検出することができる。
【００１１】
前記磁気センサ素子は、前記検出コイルを３つ以上有し、各検出コイルは相互インダクタンスが同一となるように配置されていることが好ましい。この場合において、前記複数の検出コイルは、円周上に等間隔で配置されており、前記複数の検出コイルのコイル軸は、同一平面上に配置されていてもよい。あるいは、前記複数の検出コイルは、そのコイル軸が互いに平行となるように配置されていてもよい。この構成によれば、３つ以上の検出コイルを用いて磁気センサ素子を構成することができ、磁気センサ素子を構成する検出コイルの冗長性をさらに高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によれば、検出コイルの断線を検出できるだけでなく磁気検出動作を継続することが可能な自励式のフラックスゲート型磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態によるフラックスゲート型磁気センサの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図２は、自励発振回路の発振電圧及び磁気センサ素子に流れる電流（シャント電圧）を示す波形図である。
【図３】図３は、断線前後における磁気センサ素子のインダクタンスの変化を説明するための図であって、（ａ）は断線前（正常時）、（ｂ）は断線後をそれぞれ示している。
【図４】図４は、断線前後における磁気センサ素子のシャント電圧の応答特性を示すグラフである。
【図５】図５は、断線後に自励発振回路の極性切り替え基準電圧を変更する場合について説明するための図である。
【図６】図６は、磁気センサ素子１０の第１の変形例を示す略平面図である。
【図７】図７は、磁気センサ素子１０の第２の変形例を示す略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるフラックスゲート型磁気センサの構成を概略的に示すブロック図である。
【００１６】
図１に示すように、このフラックスゲート型磁気センサ１は、磁場を検出する磁気センサ素子１０と、磁気センサ素子１０に接続された自励発振回路２０と、自励発振回路２０の発振周波数を検出する周波数検出回路３０と、周波数検出回路３０によって検出された発振周波数が所定の閾値を下回ったことを検出する異常検出回路４０とを備えている。
【００１７】
磁気センサ素子１０は、磁気コアに巻回されたコイル状配線からなる複数の検出コイルを用いて構成されたものであり、特に本実施形態による磁気センサ素子１０は、磁気コア１１Ａ，１１Ｂにそれぞれ巻回された２つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂの並列回路によって構成されている。２つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂは自励発振回路２０の外側で並列接続されているが、自励発振回路２０の内部で並列接続されてもよい。検出コイル１２Ａ，１２ＢのインダクタンスＬは同一である。
【００１８】
図２は、自励発振回路２０の発振電圧及び磁気センサ素子１０に流れる電流（シャント電圧）を示す波形図である。
【００１９】
自励発振回路２０は、プラス側の定電圧とマイナス側の定電圧を交互に出力する。図２に示すように、プラス側の定電圧が印加された磁気センサ素子１０に流れる電流は徐々に増加し、シャント抵抗器を通じて測定される電圧（シャント電圧）も比例して増加する。自励発振回路２０はシャント電圧が所定の閾値電圧（＋ＶＴＨ１又は−ＶＴＨ１）に到達したときに定電圧の極性を切り替える。このような極性切り替え動作を繰り返すことにより、自励発振回路２０は発振電圧を出力する。
【００２０】
周波数検出回路３０は、自励発振回路２０の発振周波数を検出する。例えば外部磁場の影響を受ける場合、プラス側及びマイナス側の定電圧の印加時間のどちらか一方が長くなり、他方が短くなる。例えば図２では、プラス側の定電圧の印加時間Ｔ１よりもマイナス側の定電圧の印加時間Ｔ２の方が長くなっている。この時間差は外部磁場の大きさに比例する。周波数検出回路３０は、プラス側の定電圧の印加時間とマイナス側の定電圧の印加時間との差、つまり発振周波数の歪みの大きさから、外部磁場の大きさを算出することができる。
【００２１】
異常検出回路４０は、周波数検出回路３０によって検出された自励発振回路２０の発振周波数の大きな変化を監視し、発振周波数が所定の閾値を下回った場合に磁気センサ素子１０に断線等の異常が発生したものと判断して警報信号を出力する。
【００２２】
図３は、断線前後における磁気センサ素子１０のインダクタンスの変化を説明するための図であって、（ａ）は断線前（正常時）、（ｂ）は断線後をそれぞれ示している。
【００２３】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁気センサ素子１０は、第１の検出コイル１２Ａと第２の検出コイル１２Ｂの並列回路であり、第１及び第２の検出コイル１２Ａ，１２Ｂは、第１の検出コイル１２Ａに電流を流したときに発生する磁界の向きが第２の検出コイル１２Ｂに電流を流したときに発生する磁界の向きと同じになるように配置されている。そのため、第１、第２の検出コイル１２Ａ，１２Ｂ間の相互インダクタンスＭはマイナスとなる。
【００２４】
第１及び第２の検出コイル１２Ａ，１２Ｂの自己インダクタンスをＬ、相互インダクタンスをＭ、磁気結合係数をｋ（ただし−１≦ｋ≦１）とする。図３（ａ）に示すように、２つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂが並列回路を構成している正常時の合成インダクタンスＬbeforeは次のようになる。
【００２５】
Ｌbefore＝（Ｌ＋Ｍ）／２＝（１＋ｋ）Ｌ／２
【００２６】
一方、２つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂの片方が断線したときの合成インダクタンスＬafterは次のようになる。
【００２７】
Ｌafter＝Ｌ（＞Ｌbefore）
【００２８】
すなわち、磁気センサ素子１０の断線後のインダクタンスＬafterは、断線前のインダクタンスＬbeforeよりも大きくなる。
【００２９】
断線によって磁気センサ素子１０のインダクタンスが上記のように変化すると、磁気センサ素子１０に接続された自励発振回路２０の発振周波数も変化する。図４に示すように、正常時（断線前）のシャント電圧の応答特性は比較的急峻であるが、断線後のシャント電圧の変化は、磁気センサ素子１０のインダクタンスが増加する影響を受けて比較的緩やかになる。そのため、磁気センサ素子１０のシャント電圧が極性切り替え基準電圧ＶＴＨ１（第１の閾値電圧）に到達するまでの時間ｔ２は、断線前の時間ｔ１よりも長くなる。すなわち、断線後には磁気センサ素子１０インダクタンスが増加し、極性の切り替え周期（発振電圧のパルス幅）が広くなり、極性切り替え周波数（発振周波数）が小さくなる。
【００３０】
例えば、磁気結合係数ｋ＝−０．５とするとき、断線前のインダクタンスＬbefore＝０．２５Ｌとなり、断線後のインダクタンスＬafter＝Ｌとなり、断線後のインダクタンスＬafterは断線前のインダクタンスＬbeforeのおおよそ４倍となる。そのため、断線後の発振周波数ｆafterは、断線前の発振周波数ｆbeforeのおおよそ１／４（ｆafter≒ｆbefore／４）となる。
【００３１】
このように、異常検出回路４０は発振周波数の変化から磁気センサ素子１０を構成する検出コイルの断線を検出することができる。また、磁気センサ素子１０のインダクタンスが変化してもその出力がゼロになることはないので、磁気検出動作を継続することができる。
【００３２】
第１及び第２の検出コイル１２Ａ，１２Ｂ間の磁気結合定数は＋０．８以下であることが好ましい。磁気結合係数が１に近いと外部磁場による発振周波数の変化と断線による発振周波数の変化との違いを判別することが困難となる。しかし、磁気結合係数が０．８以下であれば、複数の検出コイルの並列回路で構成された磁気センサ素子を用いて断線による発振周波数の変化を検出することができる。
【００３３】
異常検出回路４０が出力した警報信号は自励発振回路２０にフィードバックされることが好ましい。図５に示すように、断線後にはシャント電圧が極性切り換え基準電圧（第１の閾値電圧）ＶＴＨ１に到達するまでの時間（発振周期の約半分）が長くなり、発振周波数が小さくなる。このような状態で外部磁場の大きさを求めた場合には、磁場の大きさの測定誤差が大きくなるおそれがある。そこで、異常検出回路４０によって断線が検出された場合には、図５に示すように、極性切り換え基準電圧をＶＴＨ１（第１の閾値電圧）からＶＴＨ２（第２の閾値電圧）に切り換える。自励発振回路２０は、正常時には第１の閾値電圧ＶＴＨ１を用いて自励発振動作を行うが、異常時には第２の閾値電圧ＶＴＨ２を用いて自励発振動作を行う。このようにすることで、断線の前後での発振周波数をほぼ一定にすることができ、外部磁場の測定誤差を小さくすることが可能である。なお、異常検出回路４０が断線を検出した場合、閾値電圧を変更する以外に、自励発振回路２０や周波数検出回路３０に含まれる増幅器の増幅率を変更してもよく、出力特性を制御する様々な回路要素に対してフィードバックを行うことができる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によるフラックスゲート型磁気センサ１は、検出コイル及び磁気コアが電気的に並列な２つのペアに分割されており、磁気センサ素子１０のインダクタンスの変化から検出コイルの断線を検出するので、自励式であっても検出コイルの断線を検出することができる。また、検出コイルを２つのペアに分割することによって冗長構成とすることができ、検出コイルの一つが断線した場合でも残りの検出コイルを用いて磁気検出動作を継続できる。したがって、磁気検出動作の完全な停止を回避することができ、フラックスゲート型磁気センサの信頼性を高めることができる。
【００３５】
図６は、磁気センサ素子１０の第１の変形例を示す略平面図である。
【００３６】
図６に示すように、この磁気センサ素子１０の特徴は、４つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄを用いて構成されている点にある。第１〜第４の検出コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄは、第１〜第４の磁気コア１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄにそれぞれ巻回されたコイル状配線からなり、第１及び第３の検出コイル１２Ａ，１２Ｃのコイル軸はＸ軸方向と平行であり、第２及び第４の検出コイル１２Ｂ，１２Ｄのコイル軸はＹ軸方向と平行である。４つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄのインダクタンスは同一であり、４つの検出コイルの並列回路を構成している。
【００３７】
本実施形態において、４つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄは、同一平面上に回転対称な位置関係となるように配置されている。すなわち、４つの検出コイルは円周上に等間隔で配置されている。４つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄのコイル軸はいずれもＸＹ平面と平行であり、ＸＹ平面と直交するＺ軸方向から見たときに回転対称な配置となっている。第１〜第４の検出コイル１２Ａ〜１２Ｄをこのように配置した場合、各検出コイルの相互インダクタンスが同一となるので、各検出コイルによる磁場の検出感度のバランスを保つことができる。また、４つの検出コイルを用いているので、磁気センサ素子１０を構成する検出コイルの冗長性をさらに高めることができる。
【００３８】
図７は、磁気センサ素子１０の第２の変形例を示す略斜視図である。
【００３９】
図７に示すように、この磁気センサ素子１０の特徴は、４つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄのコイル軸が互いに平行となるように配置されており、さらに各検出コイルのコイル軸が延在するＸ軸方向から見て対称的な位置関係となるように配置されている点にある。すなわち、４つの検出コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄのコイル軸はいずれもＸ軸と平行であり、Ｘ軸方向から見たときに円周上に等間隔で配置されている。このような構成であっても、第１〜第４の検出コイル１２Ａ〜１２Ｄの相互インダクタンスが同一となるので、各検出コイルによる磁場の検出感度のバランスを保つことができる。また、４つの検出コイルを用いているので、磁気センサ素子１０を構成する検出コイルの冗長性をさらに高めることができる。
【００４０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００４１】
例えば、上記実施形態においては２つ又は４つの検出コイルを用いて磁気センサ素子１０を構成しているが、検出コイルの数は特に限定されず、３つであってもよく、５つ以上であってもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１    フラックスゲート型磁気センサ
１０    磁気センサ素子
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ    磁気コア
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ    検出コイル
２０    自励発振回路
３０    周波数検出回路
４０    異常検出回路
ｆafter    切断後の発振周波数
ｆbefore    切断前の発振周波数
ｋ    磁気結合係数
Ｌ    検出コイルのインダクタンス
Ｌafter    切断後の合成インダクタンス
Ｌbefore    切断前の合成インダクタンス
Ｍ    相互インダクタンス
Ｔ１    プラス側の定電圧の印加時間
Ｔ２    マイナス側の定電圧の印加時間
ＶＴＨ１    極性切り替え基準電圧（第１の閾値電圧）
ＶＴＨ２    極性切り替え基準電圧（第２の閾値電圧）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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