フラックスゲート型地磁気センサ

【課題】フラックスゲート型地磁気センサにあって、いわゆるセルフチェック機能を持たせた。
【解決手段】磁心１に巻回された励磁コイル２と磁心１及び励磁コイル２を囲むように巻回された検出コイル４とを有するフラックスゲート５と、検出コイル２による検出信号を処理し地磁気の強さに相応する出力信号を得る検出回路６と、を有するフラックスゲート型地磁気センサにおいて、磁心１及び励磁コイル２を囲むように巻回された自己診断用励磁コイル２０と、この自己診断用励磁コイル２０に自己診断信号を送出し自己診断用励磁コイル２０での自己診断信号に基づく検出コイル４での検出信号の変化にて自己診断を行う自己診断制御部２１と、を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、船舶、あるいは人工衛星等の移動体に搭載して地磁気を検出するフラックスゲート型地磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
フラックスゲート型地磁気センサは、例えば図８（ａ）に例示されるようなフラックスゲート構造を有し、環状の磁心１に励磁コイル２が巻かれ、この励磁コイル２を巻いた磁心１がボビン３内に収納され、このボビン３に検出コイル４が巻回された構造を有する（特許文献１参照）。そして、このフラックスゲートの等価回路としては、図８（ｂ）に示すように励磁コイル２に励磁電流Ｉを流して磁心１内に磁束Φを発生させ、この磁束Φの変化を互いに逆向きに分割して巻回した二つの検出コイル４にて誘起電圧ｅあるいは−ｅとして取り出す回路構成を有し、検出コイル４の端子からは励磁電流Ｉの磁束Φによる誘起電圧を相殺して地磁気に応じた出力を得る構成となっている。
【０００３】
図９は、このフラックスゲート型地磁気センサのフラックスゲートと検出回路とを含めたブロック構成を示す。すなわち、図９でのフラックスゲート５は、磁心１、励磁コイル２、検出コイル４からなり、この図９でのフラックスゲート５に接続されている検出回路６には、磁心１に巻回された励磁コイル２に励磁電流を流すための駆動回路７が存在し、更に、検出コイル４に接続されて検出信号を増幅する増幅回路８、増幅回路８にて増幅された信号を地磁気の極性に対応した極性の直流電圧に変換する同期検波回路９、この同期検波回路９の出力を積分する積分器１０、この積分器１０の積分出力を出力回路１２に出力すると共に検出コイル４にフィードバックさせる抵抗器１１が存在する。
【０００４】
かかる図９に示す構造にあって、駆動回路７からは、図１０（ａ）に示すような励磁コイル２に磁心１を飽和するに十分な大きさの励磁電流がパルス状に通電される。励磁電流の増加または減少時は、磁心１は非飽和状態であり、励磁電流と磁束密度とが比例の状態にある。この磁心１が非飽和状態の場合においては、パルス状の励磁電流の変化に起因して検出コイル４に磁束密度変化による誘起電圧が生ずる。しかし、検出コイル４は互いに逆方向の接続状態に置かれるため、誘起電圧は相殺されることになる。従って、検出コイル４の出力端子には励磁電流変化による誘起電圧は発生しない。
【０００５】
一方、励磁電流が最大又は最小となって磁心１が飽和状態になると、磁束密度も一定となって変化しなくなる。この磁心１が飽和状態の場合においては、磁束密度が変化しない状態によって、検出コイル４には誘起電圧が発生しない。
ところが、外部から地磁気が入力された場合、上述の関係が崩れることとなる。この動きを図８（ｂ）を使って説明する。磁心１にΦという磁束が通っている状態から、地磁気（ΔΦ）が入力されると、検出コイル４の左側（４ａ）の磁束はΦ＋ΔΦ、検出コイル４の右側（４ｂ）の磁束はΦ−ΔΦ、となってバランスが崩れ、左側の磁束が右側の磁束より大きくなる。この結果、磁心１の左側の磁気飽和が起こる時点が磁心１の右側に比べ早くなり、磁心１の左側が磁気飽和している状態で磁心１の右側が磁気変化を生じている状態が生ずる。励磁コイル２と検出コイル４は磁気結合であるから、励磁コイル２で発生させた磁界の変化量に対応して、検出コイル４に電圧が発生するのであるが、上述のように検出コイル４の左側（４ａ）部が先に磁気飽和し、同右側（４ｂ）部が後に飽和することにより、左側（４ａ）部と右側（４ｂ）部とで発生する誘起電圧に差が発生することになる。
【０００６】
図８（ｂ）における励磁コイル２に対する励磁電流は交流電圧の印加によるので、Φの方向は、印加した周波数に対応して反転することになる。Φの方向が反転したときには、検出コイル４の左側（４ａ）の磁束は−Φ＋ΔΦ、検出コイル４の右側（４ｂ）の磁束は−Φ−ΔΦとなり、今度は磁気飽和の極性が反転し、検出コイル４右側（４ｂ）が先に飽和することになる。
こうして、検出コイル４の出力は、左側（４ａ）と右側（４ｂ）とを加算したものであるから、結果として、地磁気に対応する誘起電圧が検出コイル４の出力端子に検出信号として現れることになる。
【０００７】
そして、この検出信号は、増幅回路８にて増幅され、同期検波回路９にて地磁気の極性に対応した極性の電圧に変換され、積分器１０にて積分されて、積分器１０からは図１０（ｂ）に示す直流信号として出力回路１２に出力されると共に検出コイル４に図１０（ｃ）に示すようなフィードバック電流として戻される。そして、この検出コイル４へのフィードバック電流により発生した磁束が地磁気による磁束と等しくなる値で検出コイル４からの検出信号を安定状態に置く。この電流値を抵抗１１にて電圧に変換し、出力回路１２により出力される。こうして、このフラックスゲート型地磁気センサは、励磁コイル２に磁心１を飽和させるようなパルス状の励磁電流を流すことにより、磁心１の飽和、非飽和を繰り返し、この繰り返しの際の地磁気による誘起電圧を取り出し地磁気の強さを計測するようになっている。
【特許文献１】実開平６−２５７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述のフラックスゲート型地磁気センサを搭載する移動体が移動しない場合には、地磁気の変化が生じにくいという性質を持つため、このセンサによるセンシング量が変動しにくい。このため、このセンサの起動時もしくは地磁気の変動しにくい状況では、このセンサが正常に動作しているか否かの判断ができない場合がある。すなわち、従来の地磁気センサは、正常に動作することができるか否かのいわゆるセルフチェック機能を有していない。
本発明は、上述の問題点に鑑み発明されたもので、いわゆるセルフチェック機能を持たせたフラックスゲート型地磁気センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明は、磁心に巻回された励磁コイルと磁心及び励磁コイルを囲むように巻回された検出コイルとを有するフラックスゲートと、検出コイルによる検出信号を処理し地磁気の強さに相応する出力信号を得る検出回路と、を有するフラックスゲート型地磁気センサにおいて、磁心及び励磁コイルを囲むように巻回された自己診断用励磁コイルと、この自己診断用励磁コイルに自己診断信号を送出し自己診断用励磁コイルでの自己診断信号に基づく検出コイルでの検出信号の変化にて自己診断を行う自己診断制御部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、自己診断部からの自己診断信号に基づく自己診断用励磁コイルからの磁束を検出コイルにて検出し、この検出信号を自己診断部にて自己診断することにより、地磁気センサの起動時あるいは地磁気が変化しにくい状況でも、セルフチェック機能を有することになり、誤動作の防止、正常動作の確認が可能となり、信頼性の高い地磁気センサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで、図１乃至図７を参照して本発明のフラックスゲート型地磁気センサの実施形態を説明する。なお、図８、図９と同一部分には同符号を付す。
図１は、本発明の一実施形態を例示するフラックスゲートの一例を示す。図１では、環状の磁心１に励磁コイル２が巻回され、この磁心１及び励磁コイル２を囲むように検出コイル４が巻回されている。検出コイル４は、図８（ｂ）に示すような互いに逆方向に二分割されて巻回されている構成も可能である。
更に、磁心１及び励磁コイル２を囲むようにして検出コイル４と同じ向きに自己診断用励磁コイル２０が、検出コイル４に重ねて巻回されている。自己診断用励磁コイル２０は、検出コイル４に対して任意の向き（巻線位置）に備えることができるが、この図１では同じ向きに重ねられている。
【００１２】
この自己診断用励磁コイル２０を含むフラックスゲート５及びそれに関連するブロックを図２に示す。すなわち、フラックスゲート５は、磁心１、励磁コイル２、検出コイル４、及び自己診断用励磁コイル２０を備え、励磁コイル２に励磁電流を流す駆動回路（図９参照）及び検出コイル４の出力側の各回路（図９参照）は、検出回路６内にある。
自己診断用励磁コイル２０に自己診断信号である励磁電流を流す自己診断制御部２１には、この励磁電流の値に相応するデジタル指示出力を出力するためのＣＰＵ２２、このＣＰＵ２２にて指示された励磁電流の値に相応するアナログ値にＤＡ変換するためのＤＡコンバータ２３、このＤＡコンバータ２３によるアナログ値に対応した励磁電流値を得る駆動回路２４を有し、更に、検出回路６からの検出出力をＣＰＵ２２にフィードバックさせる検出出力ライン２５に接続されたＡＤコンバータ２６、このＡＤコンバータ２６の出力を上記ＣＰＵ２２にて自己診断用の指示出力と比較して表示するモニタ２７を有する。
【００１３】
このように自己診断制御部２１およびこれにつながる自己診断用励磁コイル２０を備えたブロック構造にあって、回路動作波形は図３に示すようになる。図３を参照して回路の動作を説明する。検出回路６内の駆動回路からは、図３（ａ）に示すように励磁コイル２にて磁心１を飽和するに十分な大きさの励磁電流がパルス状に通電される。検出コイル４からは、地磁気による誘起電圧が検出信号として出力される。
更に、自己診断制御部２１の駆動回路２４からは、ＣＰＵ２２からのデジタル指示出力に対応して自己診断用励磁コイル２０に図３（ｂ）に示す変極点を有する直流電流（励磁電流であり自己診断信号である）が通電され、この自己診断信号である励磁電流に伴う磁束変化による誘起電圧が検出コイル４から検出される。この図３（ｂ）に示す自己診断用励磁コイル励磁電流は、例えば±０．０００１Ｔの磁束密度変化を±１０Ｖにて検出する地磁気センサの場合にあっては例えば±２Ｖの誘起電圧を検出するような電流変化の値に対応させることができる。従って、検出コイル４にてかかる値の誘起電圧を発生するような直流電流（自己診断信号）を自己診断用励磁コイル２０に通電し、自己診断用励磁コイル２０にてこのような自己診断信号を発生させるためのデジタル指示信号がＣＰＵ２２より出力されることになる。ここで、自己診断信号は、当然磁心１を飽和させないようなレベルの信号であり、測定レンジの最大値と最小値との間を越えないレベルの信号である。また、自己診断信号は、変極点を有する直流電流であり、この変極点の存在によって地磁気と区別可能な自己診断をより確実に行うことができる。
【００１４】
検出コイル４にて検出された地磁気による磁束変化及び自己診断用励磁コイル２０の自己診断信号による磁束変化に応じた各誘起電圧は、検出回路６内において図９に示す増幅回路８、同期検波回路９、積分器１０にて増幅、検波、積分される。この検出回路６内の積分出力としては、図３（ｃ）に示すように地磁気による誘起電圧にて自己診断信号による誘起電圧が嵩上げされた波形となる。そして、この図３（ｃ）に示す積分出力に基づき図９に示す抵抗器１１を介して検出コイル４に図３（ｄ）に示すフィードバック電流が通電され、このフィードバック電流による磁束により検出コイル４からの図３（ｃ）に相応する検出信号を安定状態に置く。
【００１５】
同時に図３（ｃ）に示す積分出力に基づき検出回路６には、図３（ｅ）に示す出力が得られる。この検出回路６（図９の出力回路１２）の出力は、自己診断制御部２１への検出出力ライン２５を通る図３（ｆ）に示すフィードバック信号であり、ＡＤコンバータ２６への入力信号となる。そして、このアナログ入力信号が、ＡＤコンバータ２６によってＡＤ変換されデジタル信号となってＣＰＵ２２へ入力される。ＣＰＵ２２では、検出回路６から戻ってきた信号と自己診断用励磁コイル２０の駆動回路２４への指示とを比較し、検出回路６から検出出力ライン２５を通って戻ってきた信号には自己診断信号による磁束変化に地磁気による磁束変化が加算されることになるので、この加算値を検出することにより、この地磁気センサのセルフチェックを行うことができる。このセルフチェックの結果は、ＣＰＵ２２に接続されたモニタ２７にて表示することができる。
【００１６】
なお、図３では、励磁コイル２の励磁電流波形（ａ）、自己診断用励磁コイル２０の直流電流波形（ｂ）、検出コイル４に磁束を生じるフィードバック電流波形（ｄ）であり、積分器出力（ｃ）、検出回路出力（ｅ）（ｆ）は、電圧波形を示す。
図４は、例えばモニタ２７による表示例を示しており、図４（ａ）は検出回路６の出力に該当し、自己診断信号による自己診断用励磁コイル２０の励磁がない状態で検出回路６には地磁気に当たる図９（ｄ）に示す出力のみが得られた場合の出力に該当する。そして、図４（ａ）の波形は、この地磁気に当たる出力のみが検出回路６からＣＰＵ２２に戻ってきた場合のモニタ波形である。また、図４（ｂ）は、ＣＰＵ２２から出力される自己診断指示出力をアナログ波形とした場合の直流モニタ波形である。そして、図４（ｃ）は、地磁気による磁束と自己診断信号による磁束とがフラックスゲートに加わった場合の図３（ｅ）（ｆ）の検出出力に該当する波形である。従って、ＣＰＵ２２にて得られた地磁気に当たる検出出力図４（ａ）と、自己診断出力図４（ｂ）とをモニタし、そして例えばこの図４（ｃ）に示す自己診断信号による磁束変化と地磁気による磁束変化との加算波形が検出回路６からの戻り信号としてモニタすることになれば、正常な自己診断動作が行われており、地磁気センサは正常な動作をしていることになる。
【００１７】
一方、図５は、異常波形を例示したものである。図５（ａ）は、図４（ａ）と同じ地磁気のみに該当する検出波形であり、図５（ｂ）は、図４（ｂ）と同じ自己診断指示出力のアナログ波形である。地磁気センサが正常な場合は、図４（ｃ）に示す波形となるが、例えば地磁気センサの出力が零に故障した場合には、図５（ｃ）に示すように検出回路６からの加算出力（本来あるべき出力を点線にて示す）が全く発生しない状態となり、また、スケールファクタの異常の場合には、本来あるべき３Ｖ〜−１Ｖの出力が２．２５Ｖ〜−０．７５Ｖのような出力となってしまっており、モニタ２７上にて異常が検出される。また、更に別の点検項目としては、波形のリニアリティを確認することもモニタ上にて可能である。
【００１８】
これまでの説明は、図１に示すように検出コイル４と自己診断用励磁コイルが同じ向きに揃ったフラックスゲート構造に基づくものである。しかし、このフラックスゲートの構造は、図１の構造に限らず、具体的に例えば図６に示すような検出コイル４に対して角度θだけ斜めにずらして配置した構造も可能である。なおこの場合には、自己診断用励磁コイル２０による磁束は検出コイル４に係数ｃｏｓθをもって作用する。
図７は、二軸構造のフラックスゲートを例示するものである。図７（ａ）は、検出コイルを直交した２個の検出コイル４ａ、４ｂとし、この直交する検出コイル４ａ、４ｂに対して自己診断用励磁コイルも同様に同じ向きに直交する２個の自己診断用励磁コイル２０ａ、２０ｂとしたものである。また、図７（ｂ）は、直交する２個の検出コイル４ａ、４ｂに対して１個の自己診断用励磁コイル２０を一方の検出コイル４ｂに対して角度θだけ斜めにずらして配置したものである。この図７（ｂ）の構造は、自己診断用励磁コイル２０による磁束が検出コイル４ｂに係数ｃｏｓθをもって作用し、検出コイル４ａに係数ｃｏｓ（π／２−θ）をもって作用するが、図７（ａ）の場合に比べて、自己診断用励磁コイル２０は一つで済み地磁気センサの小型化に寄与する。
【００１９】
図２及び図９に示す構造は、抵抗器１１から検出コイル４へのフィードバックラインを備えたものであるが、このフィードバックラインを省き積分器をフィルタに置き換えて構成することもできる。この場合は、図２（ｄ）図１０（ｃ）の電流信号は存在しない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態を示すフラックスゲートの構成図である。
【図２】本発明の実施形態のブロック構成図である。
【図３】本発明の実施形態の波形図である。
【図４】モニタにて表示される正常波形図である。
【図５】モニタにて表示される異常波形図である。
【図６】フラックスゲートの他の例の構成図である。
【図７】フラックスゲートの更に他の例の構成図である。
【図８】従来のフラックスゲートの簡略斜視図及び等価回路図である。
【図９】フラックスゲートのブロック構成図である。
【図１０】従来のフラックスゲートの波形図である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁心に巻回された励磁コイルと上記磁心及び励磁コイルを囲むように巻回された検出コイルとを有するフラックスゲートと、上記検出コイルによる検出信号を処理し地磁気の強さに相応する出力信号を得る検出回路と、を有するフラックスゲート型地磁気センサにおいて、
上記磁心及び励磁コイルを囲むように巻回された自己診断用励磁コイルと、この自己診断用励磁コイルに自己診断信号を送出し上記自己診断用励磁コイルでの自己診断信号に基づく検出コイルでの検出信号の変化にて自己診断を行う自己診断制御部と、を有することを特徴とするフラックスゲート型地磁気センサ。
【請求項２】
上記自己診断制御部において、上記磁心を飽和させない範囲にて自己診断信号が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のフラックスゲート型地磁気センサ。
【請求項３】
上記検出コイルは直交する二つのコイルにより構成され、この検出コイルのそれぞれのコイルと同じ向きに二つの自己診断用励磁コイルが構成されていることを特徴とする請求項１に記載のフラックスゲート型地磁気センサ。
【請求項４】
上記検出コイルは直交する二つのコイルにより構成され、この検出コイルに対して斜めに自己診断用励磁コイルが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のフラックスゲート型地磁気センサ。

【図１】