多軸フラックスゲート型磁気センサ
【課題】温度変動に関わらず正確なセンシングができる多軸フラックスゲート型磁気センサを供給する。
【解決手段】環状の第１磁性体コアと、第１磁性体コアに巻かれた第１励磁コイルと、第１磁性体コアに互いの入力軸が直交するように巻かれた２つの検出コイルと、検出コイルの出力を検出し、出力信号をその検出コイルにフィードバックする２つの信号検出／フィードバック部と、第１励磁コイルに励磁電流を供給する第１励磁部と、を有し、さらに、第２磁性体コアと、第２磁性体コアに巻かれた補正コイルと、検出コイルの出力から、補正コイルへ印加する補正電流を生成する補正信号生成部と、を備え、補正コイルが作る補正磁界が、第１磁性体コアに巻かれた２つの検出コイル間の干渉を、打ち消せる位置及び方向に、第２磁性体コア及び補正コイルを配置する。
【解決手段】環状の第１磁性体コアと、第１磁性体コアに巻かれた第１励磁コイルと、第１磁性体コアに互いの入力軸が直交するように巻かれた２つの検出コイルと、検出コイルの出力を検出し、出力信号をその検出コイルにフィードバックする２つの信号検出／フィードバック部と、第１励磁コイルに励磁電流を供給する第１励磁部と、を有し、さらに、第２磁性体コアと、第２磁性体コアに巻かれた補正コイルと、検出コイルの出力から、補正コイルへ印加する補正電流を生成する補正信号生成部と、を備え、補正コイルが作る補正磁界が、第１磁性体コアに巻かれた２つの検出コイル間の干渉を、打ち消せる位置及び方向に、第２磁性体コア及び補正コイルを配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多軸フラックスゲート型磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
＜フラックスゲート型磁気センサ９００＞
まず、従来のフラックスゲート型磁気センサ９００の検出の原理について簡単に説明する。図１のように、パーマロイ等の高透磁率材料からなる環状の磁性体コア１（図１中に破線で示す）に、励磁コイル２としてトロイダル巻線を施し、この磁性体コア１の外側に検出コイル４としてソレノイド巻線を施す。
【０００３】
励磁コイル２には励磁回路２０から周波数ｆ０の例えば矩形波状の励磁電流ＩＨが供給される。励磁電流ＩＨによって励磁コイル２に起磁力が発生し、発生した磁束φが検出コイル４を鎖交する。励磁電流ＩＨの値を、磁性体コア１を磁気飽和させるのに十分な大きさに設定しておくことで、磁性体コア１は周期的に磁気飽和を繰り返す。
【０００４】
地磁気等の外部磁界Ｈがある場合に、磁性体コア１を周波数ｆ０で励磁すると，検出コイル４に周波数２ｆ０のパルス波形が発生する。このパルス波形のパルス幅と振幅が外部磁界Ｈの大きさで変化する。よって、この周波数２ｆ０のパルス波形（以下、センサ出力信号ともいう）をセンサ出力信号検出回路３０で検出することにより外部磁界Ｈを計測することができる。なお、詳細な動作原理については、特許文献１等に記載されている。
【０００５】
ところが、この場合のセンサ出力信号の振幅は、外部磁界が小さいときにのみ外部磁界の大きさと線形関係が成り立つ。そのため、磁気センサ９００は、リニアリティが悪く、測定範囲が狭いという問題がある。
【０００６】
＜フラックスゲート型磁気センサ９１０＞
この欠点を避けるための技術として、フィードバック磁界Ｈ’を用いた方法がある。図２を用いて、１軸クローズドループ方式の従来のフラックスゲート型磁気センサ９１０を説明する。フラックスゲート型磁気センサ９１０は、外部磁界Ｈと絶対値が等しく、外部磁界Ｈに対して逆極性となるフィードバック磁界Ｈ’を作り、センサ部１０の磁界が常に０磁界になるようにフィードバック制御を行う。
【０００７】
信号検出/フィードバック回路１３０は、センサ部１０の出力を電流に変換し、この電流で検出コイル４に対してフィードバックをかける。フィードバック電流が検出コイル４に流れることで外部磁界Ｈと逆極性のフィードバック磁界Ｈ’が発生し、Ｈ’の絶対値がＨと等しくなるまでフィードバック電流は増加し、検出コイル内に存在する磁界が０になったところでバランスする。この時の電流は外部磁界Ｈに比例するため、この電流を検出することによって、外部磁界Ｈを検出することができる。このようにしてリニアリティが良く、測定範囲が広いフラックスゲート型磁気センサ装置を実現することができる。
【０００８】
＜多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０＞
図３を用いて従来の多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０を説明する。ここでは３軸型を例に説明する。
フラックスゲート型磁気センサ９００と同様に、図示しない環状の磁性体コアに、励磁コイル２−１としてトロイダル巻線を施し、この磁性体コアの外側に第２検出コイル４としてソレノイド巻線を施す。さらに、第２検出コイル４に直交するように、磁性体コアの外側に第１検出コイル３としてソレノイド巻線を施す。環状の磁性体コアと、励磁コイル２−１と、第１検出コイル３と、第２検出コイル４とにより第１及び第２センサ部１１０を構成する。
【０００９】
さらに、図示しない環状の磁性体コアに、励磁コイル２−２としてトロイダル巻線を施し、この磁性体コアの外側に第３検出コイル５としてソレノイド巻線を施す。環状の磁性体コアと、励磁コイル２−２と、第３検出コイル５とにより第３センサ部２１０を構成する。第３検出コイル５の入力軸（例えばｚ軸とする）が、第１検出コイル３及び第２検出コイル４の入力軸（例えばｘ軸及びｙ軸とする）それぞれに対して直交するように、第３センサ部２１０を配置する。図３（Ａ）において第３センサ部２１０の正面図を示し、（Ｂ）において第３センサ部２１０の平面図を示す。第１検出コイル３は信号検出／フィードバック回路１３０−１に、第２検出コイル４は信号検出／フィードバック回路１３０−２に、第３検出コイル５は信号検出／フィードバック回路１３０−３に、それぞれ接続される。各検出コイル３〜５は、それぞれ第１〜第３フィードバック磁界Ｈ’ｘ、Ｈ’ｙ、Ｈ’ｚ、を作り、磁気センサ９１０と同様の方法によりセンシングを行う。これによって、互いに直交する入力軸を持つ３軸型のフラックスゲート型磁気センサを構成している。
【００１０】
従来、多軸フラックスゲート型磁気センサを用いて、油田掘削ツールの姿勢制御を行う際などに、掘削に伴う摩擦熱、或いは、地熱等のため、磁性体コアの磁気特性等が温度によって変動し出力変動を引き起こすという問題があった。これらの特性変動は、温度に対して非線形となることが多く、センサ出力の温度特性も温度に対して非線形なものとなることが避けられなかった。信号処理回路内に、サーミスターによる温度検知機構を設け、温度上昇に伴う回路のゲイン低下を補正する技術として、特許文献２が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−９２３８１号公報
【特許文献２】特開２００２−７１７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献２は、単純に一定値以上のゲインが確保されていればよいような用途においては有効であるが、温度特性カーブの直線性が求められるような用途においては不十分であるという問題がある。
【００１３】
また、環状の磁性体コアを有するフラックスゲート型磁気センサを多軸化する際に、検出コイルが互いに直交することは避けがたいが、直交する２軸は、コア材の不均質であることに起因し、干渉を起こし、かつ、この干渉量は温度依存性を持つことが知られている（参考文献１参照）。
［参考文献１］P. Brauer, J. M. G. Merayo, O. V. Nielsen, F. Primdahl and J. R. Petersen, "Transverse field effect in fluxgate sensors", Sensors and Actuators A: Physical, 1997, vol.59, Volume 59, p.70-74
【００１４】
よって、従来の多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０は、直交するフィードバック磁界の間（例えば、第１フィードバック磁界Ｈ’ｘと第２フィードバック磁界Ｈ’ｙの間）に、干渉が生じ、正確なセンシングができないという問題がある。
【００１５】
この干渉量を予め測定しておき、補正することが考えられるが、干渉量は温度依存性があり、かつ、その温度依存性は温度変動に対して非線形なものである。そのため、単純に干渉量を補正することができない。温度変動がほぼ直線的であれば、干渉量を補正することは容易であるが、温度変動が非線形であり多項式近似を用いて補正をかける場合、補正式の次数は高い方が望ましいにもかかわらず、通常は補正システムの制限から補正式の次数も制約を受ける。データの非線形な変動に対し充分な次数を確保できないと、補正残差が増大し実用に耐えうるものではなくなる。
【００１６】
以下、干渉量は温度依存性があり、かつ、その温度依存性は温度変動に対して非線形なものであることを簡単に説明する(参考文献１参照)。まず、各検出コイル内の磁束Φｄは以下の式で表される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
但し、Φｄはコイル内の全磁束を、Ｌｄ０（ｔ）は検出コイルの自己インダクタンス（磁性体コア無しの場合）を、ｉｄ（ｔ）は検出電流を、μ０は磁性体コアの透磁率を、Ａｃｏｒｅは磁性体コアの断面積を、ｄは磁性体コアの直径を、θは磁性体コアの回転位置として表される角度を、Ｍ（ｔ，θ）は磁性体コアの接線方向の磁化を、ｈｔ１（ｎ，θ）は磁性体コア内の磁界の（ｎ番目の検出巻線によって生み出される）接線方向成分を、Ｎｄは検出コイルの巻数を表す。
【００１９】
ここで磁性体コアの接線方向の磁化Ｍ（ｔ，θ）は、磁化率χ（θ）に比例し、飽和磁化Ｍｓの２乗に反比例する（参考文献１参照）。磁化率χ（θ）は磁性体コアの回転方向成分に依存する量であり、これが、直交する軸間の干渉の原因となっている。また、飽和磁化Ｍｓは一般的に温度上昇に伴って低下することが知られており、非線形な特性を持つ。従って、磁化Ｍ（ｔ，θ）は磁化率χ（θ）と温度の関数となっており、直交する軸からの干渉量は、温度により非線形に変動する。この非線形な干渉量により、干渉量を補正することが難しく、正確なセンシングができない。
【００２０】
例えば、多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０のセンサ感度の温度特性は、図４の実線で示すように、ある温度を境に温度係数が急激に増大するような特性を示す。これは、磁性体コアの材質等が非線形な温度係数を持ち、直交軸間の干渉量に影響を与えていることに由来すると推定されている。なお、図４の測定方法の詳細については後述する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の課題を解決するために、本発明に係る多軸フラックスゲート型磁気センサは、環状の第１磁性体コアと、第１磁性体コアに巻かれた第１励磁コイルと、第１磁性体コアに互いの入力軸が直交するように巻かれた２つの検出コイルと、検出コイルの出力を検出し、出力信号をその検出コイルにフィードバックする２つの信号検出／フィードバック部と、第１励磁コイルに励磁電流を供給する第１励磁部と、を有する。さらに、第２磁性体コアと、第２磁性体コアに巻かれた補正コイルと、検出コイルの出力から、補正コイルへ印加する補正電流を生成する補正信号生成部と、を備え、補正コイルが作る補正磁界が、第１磁性体コアに巻かれた２つの検出コイル間の干渉を、打ち消せる位置及び方向に、第２磁性体コア及び補正コイルを配置する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、補正コイルに補正電流を印加し、補正磁界を作り、直交する軸間の干渉を相殺することで、温度変動に関わらず正確なセンシングができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のフラックスゲート型磁気センサ９００の構成例を示す図。
【図２】フィードバック磁界を用いた従来のフラックスゲート型磁気センサ９１０の構成例を示す図。
【図３】（Ａ）は従来のフィードバック磁界を用い、かつ、多軸であるフラックスゲート型磁気センサ９２０の構成例を、（Ｂ）は第３センサ部２１０の平面図を示す図。
【図４】従来の多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０と実施例１の多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の磁気感度の変化量と温度の関係を示す図。
【図５】実施例１の多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の構成例を示す図。
【図６】補正信号生成回路６１の構成例を示す図。
【図７】多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の第１及び第２センサ部１１０の平面図と第３センサ部３１０の背面図を示す図。
【図８】多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の第１及び第２センサ部１１０と第３センサ部３１０の配置関係を示す斜視図。
【図９】（Ａ）は磁性体コア１及び励磁コイル２の平面図、（Ｂ）はコイル固定手段１１の底面図。
【図１０】（Ａ）は第１及び第２センサ部１１０の底面図、（Ｂ）は第１及び第２センサ部１１０の正面図、（Ｃ）は第１及び第２センサ部１１０の右側面図。
【図１１】第３センサ部３１０の底面図。
【図１２】実施例１の多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の原理を説明するための図。
【図１３】１つの検出コイルの出力から補正磁界を調整する方法を説明するための図。
【図１４】検出コイルとして、磁性体コアの一部に対し巻線を施した場合の構成例を示す図。
【図１５】検出コイルの入力軸が２軸であり、磁性体コア１−１と１−２を同一平面上に配した場合の構成例を示す図。
【図１６】２つの検出コイルの出力から補正磁界を調整する方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
＜多軸フラックスゲート型磁気センサ１００＞
図５〜８を用いて実施例１に係る多軸フラックスゲート型磁気センサ１００を説明する。多軸フラックスゲート型磁気センサ１００は、第１及び第２センサ部１１０と、第３センサ部３１０と、信号検出／フィードバック回路１３０−１〜１３０−３と、励磁回路１２０−１〜１２０−２と、補正信号生成回路６１を有する。
【００２６】
＜第１及び第２センサ部１１０＞
図９及び１０を用いて第１及び第２センサ部１１０を説明する。図９（Ａ）の破線で示すパーマロイ等の高透磁率材料からなる環状の磁性体コア１−１に励磁コイル２−１としてトロイダル巻線を施す。
【００２７】
励磁コイル２−１を図９（Ｂ）のコイル固定手段１１−１の励磁コイル嵌合部１１ａに嵌め込む。さらに、磁性体コア１−１の外側に（第２検出コイル用溝部１１ｃに）、第２検出コイル４としてソレノイド巻線を施す（図１０（Ａ）参照）。さらに、第２検出コイル４に直交するように、磁性体コアの外側に（第１検出コイル用溝部１１ｂに）、第１検出コイル３としてソレノイド巻線を施す。このように磁性体コア１−１に対し、第１検出コイル３と第２検出コイル４を巻くことで、検出コイルの入力軸が直交する。環状の磁性体コア１−１と、励磁コイル２−１と、コイル固定手段１１−１と、第１検出コイル３と、第２検出コイル４とにより第１及び第２センサ部１１０を構成する。なお、センサ部の図面の向きを図１０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、の表現で表す。図７に示すように、非磁性体のシャフト３２０の切り欠き部３２１に第１及び第２センサ部１１０を配置する。なお、第１及び第２センサ部１１０は、図７において、平面図として示されている。
【００２８】
＜第３センサ部３１０＞
図１１を用いて第３センサ部３１０を説明する。図９（Ａ）のように磁性体コア１−１と同様の磁性体コア１−２に励磁コイル２−２としてトロイダル巻線を施す。
【００２９】
励磁コイル２−２を図９（Ｂ）のコイル固定手段１１−２の励磁コイル嵌合部１１ａに嵌め込む。さらに、磁性体コアの外側に（第３検出コイル用溝部１１ｃに）、第３検出コイル５としてソレノイド巻線を施す。さらに、第３検出コイル５に直交するように、磁性体コアの外側に（補正コイル用溝部１１ｂに）、補正コイル６としてソレノイド巻線を施す。このように磁性体コア１−２に対し、第３検出コイル５と補正コイル６を巻くことで、第３検出コイル５と補正コイル６の入力軸が直交する。磁性体コア１−２と、励磁コイル２−２と、コイル固定手段１１−２と、第３検出コイル５と、補正コイル６とにより第３センサ部３１０を構成する。図７に示すように、シャフト３２０の切り欠き部３２２に第３センサ部３１０を配置する。なお、第３センサ部３１０は、図７において、背面図として示されている。図７及び８に示すように、切り欠き部３２１と３２２の成す面が直交し、第３検出コイル５の入力軸が第１検出コイル３及び第２検出コイル４のそれぞれの入力軸に対し直交するように配置することで、３軸のフラックスゲート型磁気センサを構成することができる。
【００３０】
＜励磁回路１２０−１及び１２０−２＞
励磁回路１２０−１は励磁コイル２−１に、励磁回路１２０−２は励磁コイル２−２に、それぞれ接続され、励磁コイル２−１及び励磁コイル２−２に励磁電流を供給する。なお、図５において、励磁コイル２−１及び２−２それぞれに対して、励磁回路１２０−１及び１２０−２を設けているが、励磁回路１２０−１及び１２０−２は共通の励磁回路であってもよい。
【００３１】
＜信号検出／フィードバック回路１３０−１、１３０−２及び１３０−３＞
第１検出コイル３は信号検出／フィードバック回路１３０−１に、第２検出コイル４は信号検出／フィードバック回路１３０−２に、第３検出コイル５は信号検出／フィードバック回路１３０−３にそれぞれ接続される。
【００３２】
信号検出／フィードバック回路１３０−１〜１３０−３は、それぞれ検出コイル３〜５の出力を検出し、出力信号をその検出コイルにフィードバックする。各検出コイル３，４及び５は、それぞれ第１、第２及び第３フィードバック磁界Ｈ’ｘ、Ｈ’ｙ、Ｈ’ｚ、を作り、磁気センサ９１０と同様の方法によりセンシングを行う。つまり、信号検出/フィードバック回路１３０−１、１３０−２及び１３０−３は、それぞれのフィードバック電流によって、外部磁界を検出する。
【００３３】
＜補正信号生成回路６１＞
補正信号生成回路６１は、第１検出コイル３及び第２検出コイル４の少なくとも一方の出力から、補正コイル６へ印加する補正電流を生成する。例えば、本実施例では、第２検出コイル４の出力から、補正コイル６へ印加する補正電流を生成する。図６を用いて説明する。補正信号生成回路６１は、バッファアンプ６２−２と抵抗６５とからなる。バッファアンプ６２−２は、第２検出コイル４の出力が入力される。バッファアンプ６２−２のゲインはゲイン調整端子６３−２で設定される。補正コイル６の一端は抵抗器６５を介してバッファアンプ６２−２に接続され、他端はシグナルグランド６６に接続されており、バッファアンプ６２−２の出力を補正コイル６へ印加すると、補正コイル６が補正磁界Ｈ’ｗを作る。ゲイン調整端子６３−２で設定されるゲインの大きさの求め方については後述する。
【００３４】
＜補正コイルの配置＞
図１２に示すように、例えば、補正コイル６が作る補正磁界Ｈ’ｗが、第１磁性体コア１−１に巻かれた第１検出コイル３と第２検出コイル４が生成するフィードバック磁界Ｈ’ｘとＨ’ｙの間に生じる干渉を、打ち消せる（相殺する）位置及び方向に、磁性体コア１−２及び補正コイル６を配置する。例えば、図７及び８のようにｘ軸方向において、補正コイル６と第１及び第２検出コイルをずらして配置し、それぞれの磁性体コアの中心間の距離を約３５ｍｍとする。例えば、補正コイル６が作る補正磁界Ｈ’ｗの向きが、第２検出コイル４が作るフィードバック磁界Ｈ’ｙの向きとほぼ逆方向になるように配置し、第２検出コイル４の出力に応じて補正コイル６に印加する補正電流の量を調整すると、補正コイル６が作る補正磁界Ｈ’ｗが、直交するフィードバック磁界の相互干渉を相殺するように働き、第１検出コイル３による磁気検出感度の直線性を補償することができる。
【００３５】
＜補正磁界の調整＞
補正磁界の最適値は、干渉を起こす検出コイル３及び４と補正コイル６との距離、位置関係、方向等により異なるため、切り欠き部３２１及び３２２内で第２検出コイル４及び補正コイル６の距離、位置関係、方向等を調整可能な構成としておく。
【００３６】
例えば、図１３のような構成とし、温度を印加し、第２検出コイル４の出力を用いて、補正磁界を生成しながら、第１検出コイル３の磁気センサ感度の変化をモニターし、温度特性カーブの非直線性が最小となるように、バッファアンプ６２−２のゲインや、相殺しようとする干渉を起こす検出コイルと補正コイル６との距離、位置関係、方向や、補正コイル６の巻数を調整する。この調整により、予めこのゲイン等を決定しておき、実際の使用においては、２つの検出コイルのうちの少なくとも一方の出力を用いて、補正電流の大きさを決定し、補正磁界を調整する。
【００３７】
＜効果＞
このような構成により、直交する２軸間の干渉は抑えられ、結果として図４の破線で示すように、温度に対して磁気感度の変化量はほぼ線形となる。これにより、磁気感度変化量を容易に補正することができ、正確なセンシングが可能となる。また、高温用のアプリケーションに対しても適用可能となる。
【００３８】
なお、図４は従来の多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０と多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の磁気感度の変化量と温度の関係を示す。なお、各検出コイル３〜５及び補正コイルの巻数は全て同じとし、検出コイル３及び４と補正コイルの距離は約３５ｍｍとし、補正コイルの入力軸は、ｘ軸と平行であり、第２検出コイル４の出力を補正信号生成回路６１の入力とし、補正信号生成回路６１の出力を補正コイル６に供給し、補正コイル６が補正磁界を作る。
【００３９】
図４のデータ取得手順は以下の通りである。（１）ｘ軸を地磁気と直交するよう、姿勢を設定する。（２）地磁気の伏角を基準に、４５°毎に８ポイント（１周分）、それぞれの点において、第２検出コイル４、第３検出コイル５の出力電圧を測定する。なお、第１検出コイル３の入力軸（ｘ軸）周りに回転させた時のデータとなるので、当然、第１検出コイル３の出力電圧はほぼ０となる。また、地磁気の伏角は、測定する地域によって異なる。（３）ｙ軸を地磁気と直交するよう、姿勢を設定し、（２）と同様の手順で、第１検出コイル３、第３検出コイル５の出力電圧を測定する。（４）ｚ軸を地磁気と直交するよう、姿勢を設定し、（２）と同様の手順で、第１検出コイル３、第２検出コイル４の出力電圧を測定する。但し、測定軸の順（２）〜（４）は、必ずしもｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の順である必要はない。上記に従って測定したデータより、「反復Total Field Calibration 手法」を用いて（参考文献２参照）、地磁気センサの特性値（バイアス、感度、ミスアライメント）を算出する。
［参考文献２］R. Estes, P. Walters, “Improvement of Azimuth Accuracy by Use of Iterative Total Field Calibration Technique and Compensation for System Environment Effects”, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Society of Petroleum Engineers, 1989, SPE 19546, p.287-298
【００４０】
各温度で（１）〜（４）を繰返し、それぞれの温度でのセンサ特性値を求め、第１検出コイルの出力に基づき「反復Total Field Calibration 手法」により得られた磁気センサ感度をプロットすることで、図４の温度特性カーブを求めた。
【００４１】
本実施例では、磁性体コア１−１と１−２を同一の構成としているため、生産効率を向上させることができる。さらに、励磁コイル２−１と２−２や、コイル固定手段１１−１と１１−２を同一の構成とすることで、同様の効果を得ることができる。さらに、検出コイル３、４、５を全て同一の構成とすることで、生産効率を向上させることができる。本実施例では、多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０において、第３検出コイル５と同じ磁性体コアに巻かれ、第３検出コイル５に対し直交するコイルを補正コイル６として用いているため、補正コイル６と補正信号生成回路６１以外の新たな部品等を増やすことなく、正確なセンシングを可能としている。
【００４２】
［変形例］
各検出コイル４〜６は、入力軸が直交すればよく、各磁性体コアに全体に対しソレノイド巻線を施すのではなく、図１４のように、磁性体コアの一部に対し、巻線を施したものであってもよい。
【００４３】
また、各磁性体コアの形状は、それぞれ必要とされる検出コイルまたは補正コイルを巻くことができればよい。よって、各磁性体コアの形状（環状）は、実施例に示した円環状に限定されるものではなく、矩形環状、多角形環状、楕円環状等であってもよい。
【００４４】
また、本実施例では、検出コイルの入力軸が３軸だが、２軸であってもよいし、４軸以上であってもよい。
【００４５】
また、本実施例では、補正コイル６の入力軸を相殺しようと直交軸間干渉を起こす検出コイルのうちの一方の第１検出コイル３の入力軸と平行に、かつ、他方の第２検出コイル４の入力軸と直交するように配置しているが、相殺しようとする干渉を、打ち消せる位置及び方向に配置すればよい。
【００４６】
例えば、図１５は、検出コイルの入力軸が２軸であり、磁性体コア１−１と１−２を同一平面上に配し、補正コイル６の入力軸を、第１検出コイル３の入力軸と直交するように、かつ、第２検出コイル４の入力軸と逆方向に配置した場合の例を示す。
【００４７】
また、補正コイルが巻かれる磁性体コア１−２の形状は、棒状等、他の形状であってもよい。また、磁性体コア１−２の材質が磁性体コア１−１と異なってもよい。
【００４８】
本実施例の補正信号生成回路６１は、第２検出コイル４の出力から、補正コイル６へ印加する補正電流を生成しているが、第１検出コイル３及び第２検出コイル４の両方の出力から、補正コイル６へ印加する補正電流を生成してもよい。
【００４９】
図６を用いて説明する。補正信号生成回路６１は、バッファアンプ６２−１及び６２−２と、加算回路６４と、抵抗器６５とからなる。バッファアンプ６２−１は第１検出コイル３の出力が入力され、バッファアンプ６２−２は第２検出コイル４の出力が入力される。バッファアンプ６２−１のゲインはゲイン調整端子６３−１で、バッファアンプ６２−２のゲインはゲイン調整端子６３−２で設定される。加算回路６４は、バッファアンプ６２−１及び６２−２の出力が入力され、これを加算し出力とする。補正コイル６の一端は抵抗器６５を介して加算回路６４に接続され、他端はシグナルグランド６６に接続されており、加算回路６４の出力を補正コイル６へ印加すると、補正コイル６が補正磁界を作る。
【００５０】
例えば、図１６のような構成とし、補正磁界の最適値を以下のようにして求める。温度を印加し、第１検出コイル３及び第２検出コイル４の出力を用いて、補正磁界を生成しながら、第１検出コイル３の磁気センサ感度の変化をモニターし、温度特性カーブの非直線性が最小となるように、バッファアンプ６２−１及び６２−２のゲインや、相殺しようとするフィードバック磁界を作る検出コイル（例えば、第２検出コイル４）と補正コイル６との距離、位置関係、方向や、補正コイル６の巻数を調整する。
【００５１】
なお、図１６では、第１検出コイル３の入力軸と補正コイル６の入力軸のなす角が４５°とし、第２検出コイル４の入力軸と補正コイル６の入力軸のなす角が１３５°とし、補正コイル６の作る補正磁界Ｈ’ｗが、第１フィードバック磁界Ｈ’ｘ及びＨ’ｙの両方に対し、影響し、直交軸間の干渉を相殺する。直交するフィードバック磁界を生成する２軸のフィードバック電流から、直交する２軸間の干渉量を推定するため、より正確に干渉を相殺し、より正確なセンシングが可能となる。
【００５２】
また、本実施例では補正コイルは１つであるが、２つの補正コイルと２つの補正信号生成回路を設け、２つの検出コイルのそれぞれに対応させ、各補正信号生成回路が、対応する検出コイルの出力から、対応する補正コイルに印加する補正電流を生成し、それぞれのフィードバック磁界のうち干渉している磁界を相殺し、直交する２軸間の干渉を打ち消す構成としてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
９００，９１０ フラックスゲート型磁気センサ
９２０，１００ 多軸フラックスゲート型磁気センサ
１１０ 第１及び第２センサ部
２１０，３１０ 第３センサ部
１，１−１，１−２ 磁性体コア
２，２−１，２−２ 励磁コイル
３，４，５ 検出コイル
６ 補正コイル
６１ 補正信号生成回路
１２０，１２０−１，１２０−２ 励磁回路
１３０、１３０−１，１３０−２，１３０−３ 信号検出／フィードバック回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は多軸フラックスゲート型磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
＜フラックスゲート型磁気センサ９００＞
まず、従来のフラックスゲート型磁気センサ９００の検出の原理について簡単に説明する。図１のように、パーマロイ等の高透磁率材料からなる環状の磁性体コア１（図１中に破線で示す）に、励磁コイル２としてトロイダル巻線を施し、この磁性体コア１の外側に検出コイル４としてソレノイド巻線を施す。
【０００３】
励磁コイル２には励磁回路２０から周波数ｆ０の例えば矩形波状の励磁電流ＩＨが供給される。励磁電流ＩＨによって励磁コイル２に起磁力が発生し、発生した磁束φが検出コイル４を鎖交する。励磁電流ＩＨの値を、磁性体コア１を磁気飽和させるのに十分な大きさに設定しておくことで、磁性体コア１は周期的に磁気飽和を繰り返す。
【０００４】
地磁気等の外部磁界Ｈがある場合に、磁性体コア１を周波数ｆ０で励磁すると，検出コイル４に周波数２ｆ０のパルス波形が発生する。このパルス波形のパルス幅と振幅が外部磁界Ｈの大きさで変化する。よって、この周波数２ｆ０のパルス波形（以下、センサ出力信号ともいう）をセンサ出力信号検出回路３０で検出することにより外部磁界Ｈを計測することができる。なお、詳細な動作原理については、特許文献１等に記載されている。
【０００５】
ところが、この場合のセンサ出力信号の振幅は、外部磁界が小さいときにのみ外部磁界の大きさと線形関係が成り立つ。そのため、磁気センサ９００は、リニアリティが悪く、測定範囲が狭いという問題がある。
【０００６】
＜フラックスゲート型磁気センサ９１０＞
この欠点を避けるための技術として、フィードバック磁界Ｈ’を用いた方法がある。図２を用いて、１軸クローズドループ方式の従来のフラックスゲート型磁気センサ９１０を説明する。フラックスゲート型磁気センサ９１０は、外部磁界Ｈと絶対値が等しく、外部磁界Ｈに対して逆極性となるフィードバック磁界Ｈ’を作り、センサ部１０の磁界が常に０磁界になるようにフィードバック制御を行う。
【０００７】
信号検出/フィードバック回路１３０は、センサ部１０の出力を電流に変換し、この電流で検出コイル４に対してフィードバックをかける。フィードバック電流が検出コイル４に流れることで外部磁界Ｈと逆極性のフィードバック磁界Ｈ’が発生し、Ｈ’の絶対値がＨと等しくなるまでフィードバック電流は増加し、検出コイル内に存在する磁界が０になったところでバランスする。この時の電流は外部磁界Ｈに比例するため、この電流を検出することによって、外部磁界Ｈを検出することができる。このようにしてリニアリティが良く、測定範囲が広いフラックスゲート型磁気センサ装置を実現することができる。
【０００８】
＜多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０＞
図３を用いて従来の多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０を説明する。ここでは３軸型を例に説明する。
フラックスゲート型磁気センサ９００と同様に、図示しない環状の磁性体コアに、励磁コイル２−１としてトロイダル巻線を施し、この磁性体コアの外側に第２検出コイル４としてソレノイド巻線を施す。さらに、第２検出コイル４に直交するように、磁性体コアの外側に第１検出コイル３としてソレノイド巻線を施す。環状の磁性体コアと、励磁コイル２−１と、第１検出コイル３と、第２検出コイル４とにより第１及び第２センサ部１１０を構成する。
【０００９】
さらに、図示しない環状の磁性体コアに、励磁コイル２−２としてトロイダル巻線を施し、この磁性体コアの外側に第３検出コイル５としてソレノイド巻線を施す。環状の磁性体コアと、励磁コイル２−２と、第３検出コイル５とにより第３センサ部２１０を構成する。第３検出コイル５の入力軸（例えばｚ軸とする）が、第１検出コイル３及び第２検出コイル４の入力軸（例えばｘ軸及びｙ軸とする）それぞれに対して直交するように、第３センサ部２１０を配置する。図３（Ａ）において第３センサ部２１０の正面図を示し、（Ｂ）において第３センサ部２１０の平面図を示す。第１検出コイル３は信号検出／フィードバック回路１３０−１に、第２検出コイル４は信号検出／フィードバック回路１３０−２に、第３検出コイル５は信号検出／フィードバック回路１３０−３に、それぞれ接続される。各検出コイル３〜５は、それぞれ第１〜第３フィードバック磁界Ｈ’ｘ、Ｈ’ｙ、Ｈ’ｚ、を作り、磁気センサ９１０と同様の方法によりセンシングを行う。これによって、互いに直交する入力軸を持つ３軸型のフラックスゲート型磁気センサを構成している。
【００１０】
従来、多軸フラックスゲート型磁気センサを用いて、油田掘削ツールの姿勢制御を行う際などに、掘削に伴う摩擦熱、或いは、地熱等のため、磁性体コアの磁気特性等が温度によって変動し出力変動を引き起こすという問題があった。これらの特性変動は、温度に対して非線形となることが多く、センサ出力の温度特性も温度に対して非線形なものとなることが避けられなかった。信号処理回路内に、サーミスターによる温度検知機構を設け、温度上昇に伴う回路のゲイン低下を補正する技術として、特許文献２が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−９２３８１号公報
【特許文献２】特開２００２−７１７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献２は、単純に一定値以上のゲインが確保されていればよいような用途においては有効であるが、温度特性カーブの直線性が求められるような用途においては不十分であるという問題がある。
【００１３】
また、環状の磁性体コアを有するフラックスゲート型磁気センサを多軸化する際に、検出コイルが互いに直交することは避けがたいが、直交する２軸は、コア材の不均質であることに起因し、干渉を起こし、かつ、この干渉量は温度依存性を持つことが知られている（参考文献１参照）。
［参考文献１］P. Brauer, J. M. G. Merayo, O. V. Nielsen, F. Primdahl and J. R. Petersen, "Transverse field effect in fluxgate sensors", Sensors and Actuators A: Physical, 1997, vol.59, Volume 59, p.70-74
【００１４】
よって、従来の多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０は、直交するフィードバック磁界の間（例えば、第１フィードバック磁界Ｈ’ｘと第２フィードバック磁界Ｈ’ｙの間）に、干渉が生じ、正確なセンシングができないという問題がある。
【００１５】
この干渉量を予め測定しておき、補正することが考えられるが、干渉量は温度依存性があり、かつ、その温度依存性は温度変動に対して非線形なものである。そのため、単純に干渉量を補正することができない。温度変動がほぼ直線的であれば、干渉量を補正することは容易であるが、温度変動が非線形であり多項式近似を用いて補正をかける場合、補正式の次数は高い方が望ましいにもかかわらず、通常は補正システムの制限から補正式の次数も制約を受ける。データの非線形な変動に対し充分な次数を確保できないと、補正残差が増大し実用に耐えうるものではなくなる。
【００１６】
以下、干渉量は温度依存性があり、かつ、その温度依存性は温度変動に対して非線形なものであることを簡単に説明する(参考文献１参照)。まず、各検出コイル内の磁束Φｄは以下の式で表される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
但し、Φｄはコイル内の全磁束を、Ｌｄ０（ｔ）は検出コイルの自己インダクタンス（磁性体コア無しの場合）を、ｉｄ（ｔ）は検出電流を、μ０は磁性体コアの透磁率を、Ａｃｏｒｅは磁性体コアの断面積を、ｄは磁性体コアの直径を、θは磁性体コアの回転位置として表される角度を、Ｍ（ｔ，θ）は磁性体コアの接線方向の磁化を、ｈｔ１（ｎ，θ）は磁性体コア内の磁界の（ｎ番目の検出巻線によって生み出される）接線方向成分を、Ｎｄは検出コイルの巻数を表す。
【００１９】
ここで磁性体コアの接線方向の磁化Ｍ（ｔ，θ）は、磁化率χ（θ）に比例し、飽和磁化Ｍｓの２乗に反比例する（参考文献１参照）。磁化率χ（θ）は磁性体コアの回転方向成分に依存する量であり、これが、直交する軸間の干渉の原因となっている。また、飽和磁化Ｍｓは一般的に温度上昇に伴って低下することが知られており、非線形な特性を持つ。従って、磁化Ｍ（ｔ，θ）は磁化率χ（θ）と温度の関数となっており、直交する軸からの干渉量は、温度により非線形に変動する。この非線形な干渉量により、干渉量を補正することが難しく、正確なセンシングができない。
【００２０】
例えば、多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０のセンサ感度の温度特性は、図４の実線で示すように、ある温度を境に温度係数が急激に増大するような特性を示す。これは、磁性体コアの材質等が非線形な温度係数を持ち、直交軸間の干渉量に影響を与えていることに由来すると推定されている。なお、図４の測定方法の詳細については後述する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の課題を解決するために、本発明に係る多軸フラックスゲート型磁気センサは、環状の第１磁性体コアと、第１磁性体コアに巻かれた第１励磁コイルと、第１磁性体コアに互いの入力軸が直交するように巻かれた２つの検出コイルと、検出コイルの出力を検出し、出力信号をその検出コイルにフィードバックする２つの信号検出／フィードバック部と、第１励磁コイルに励磁電流を供給する第１励磁部と、を有する。さらに、第２磁性体コアと、第２磁性体コアに巻かれた補正コイルと、検出コイルの出力から、補正コイルへ印加する補正電流を生成する補正信号生成部と、を備え、補正コイルが作る補正磁界が、第１磁性体コアに巻かれた２つの検出コイル間の干渉を、打ち消せる位置及び方向に、第２磁性体コア及び補正コイルを配置する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、補正コイルに補正電流を印加し、補正磁界を作り、直交する軸間の干渉を相殺することで、温度変動に関わらず正確なセンシングができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のフラックスゲート型磁気センサ９００の構成例を示す図。
【図２】フィードバック磁界を用いた従来のフラックスゲート型磁気センサ９１０の構成例を示す図。
【図３】（Ａ）は従来のフィードバック磁界を用い、かつ、多軸であるフラックスゲート型磁気センサ９２０の構成例を、（Ｂ）は第３センサ部２１０の平面図を示す図。
【図４】従来の多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０と実施例１の多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の磁気感度の変化量と温度の関係を示す図。
【図５】実施例１の多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の構成例を示す図。
【図６】補正信号生成回路６１の構成例を示す図。
【図７】多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の第１及び第２センサ部１１０の平面図と第３センサ部３１０の背面図を示す図。
【図８】多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の第１及び第２センサ部１１０と第３センサ部３１０の配置関係を示す斜視図。
【図９】（Ａ）は磁性体コア１及び励磁コイル２の平面図、（Ｂ）はコイル固定手段１１の底面図。
【図１０】（Ａ）は第１及び第２センサ部１１０の底面図、（Ｂ）は第１及び第２センサ部１１０の正面図、（Ｃ）は第１及び第２センサ部１１０の右側面図。
【図１１】第３センサ部３１０の底面図。
【図１２】実施例１の多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の原理を説明するための図。
【図１３】１つの検出コイルの出力から補正磁界を調整する方法を説明するための図。
【図１４】検出コイルとして、磁性体コアの一部に対し巻線を施した場合の構成例を示す図。
【図１５】検出コイルの入力軸が２軸であり、磁性体コア１−１と１−２を同一平面上に配した場合の構成例を示す図。
【図１６】２つの検出コイルの出力から補正磁界を調整する方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
＜多軸フラックスゲート型磁気センサ１００＞
図５〜８を用いて実施例１に係る多軸フラックスゲート型磁気センサ１００を説明する。多軸フラックスゲート型磁気センサ１００は、第１及び第２センサ部１１０と、第３センサ部３１０と、信号検出／フィードバック回路１３０−１〜１３０−３と、励磁回路１２０−１〜１２０−２と、補正信号生成回路６１を有する。
【００２６】
＜第１及び第２センサ部１１０＞
図９及び１０を用いて第１及び第２センサ部１１０を説明する。図９（Ａ）の破線で示すパーマロイ等の高透磁率材料からなる環状の磁性体コア１−１に励磁コイル２−１としてトロイダル巻線を施す。
【００２７】
励磁コイル２−１を図９（Ｂ）のコイル固定手段１１−１の励磁コイル嵌合部１１ａに嵌め込む。さらに、磁性体コア１−１の外側に（第２検出コイル用溝部１１ｃに）、第２検出コイル４としてソレノイド巻線を施す（図１０（Ａ）参照）。さらに、第２検出コイル４に直交するように、磁性体コアの外側に（第１検出コイル用溝部１１ｂに）、第１検出コイル３としてソレノイド巻線を施す。このように磁性体コア１−１に対し、第１検出コイル３と第２検出コイル４を巻くことで、検出コイルの入力軸が直交する。環状の磁性体コア１−１と、励磁コイル２−１と、コイル固定手段１１−１と、第１検出コイル３と、第２検出コイル４とにより第１及び第２センサ部１１０を構成する。なお、センサ部の図面の向きを図１０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、の表現で表す。図７に示すように、非磁性体のシャフト３２０の切り欠き部３２１に第１及び第２センサ部１１０を配置する。なお、第１及び第２センサ部１１０は、図７において、平面図として示されている。
【００２８】
＜第３センサ部３１０＞
図１１を用いて第３センサ部３１０を説明する。図９（Ａ）のように磁性体コア１−１と同様の磁性体コア１−２に励磁コイル２−２としてトロイダル巻線を施す。
【００２９】
励磁コイル２−２を図９（Ｂ）のコイル固定手段１１−２の励磁コイル嵌合部１１ａに嵌め込む。さらに、磁性体コアの外側に（第３検出コイル用溝部１１ｃに）、第３検出コイル５としてソレノイド巻線を施す。さらに、第３検出コイル５に直交するように、磁性体コアの外側に（補正コイル用溝部１１ｂに）、補正コイル６としてソレノイド巻線を施す。このように磁性体コア１−２に対し、第３検出コイル５と補正コイル６を巻くことで、第３検出コイル５と補正コイル６の入力軸が直交する。磁性体コア１−２と、励磁コイル２−２と、コイル固定手段１１−２と、第３検出コイル５と、補正コイル６とにより第３センサ部３１０を構成する。図７に示すように、シャフト３２０の切り欠き部３２２に第３センサ部３１０を配置する。なお、第３センサ部３１０は、図７において、背面図として示されている。図７及び８に示すように、切り欠き部３２１と３２２の成す面が直交し、第３検出コイル５の入力軸が第１検出コイル３及び第２検出コイル４のそれぞれの入力軸に対し直交するように配置することで、３軸のフラックスゲート型磁気センサを構成することができる。
【００３０】
＜励磁回路１２０−１及び１２０−２＞
励磁回路１２０−１は励磁コイル２−１に、励磁回路１２０−２は励磁コイル２−２に、それぞれ接続され、励磁コイル２−１及び励磁コイル２−２に励磁電流を供給する。なお、図５において、励磁コイル２−１及び２−２それぞれに対して、励磁回路１２０−１及び１２０−２を設けているが、励磁回路１２０−１及び１２０−２は共通の励磁回路であってもよい。
【００３１】
＜信号検出／フィードバック回路１３０−１、１３０−２及び１３０−３＞
第１検出コイル３は信号検出／フィードバック回路１３０−１に、第２検出コイル４は信号検出／フィードバック回路１３０−２に、第３検出コイル５は信号検出／フィードバック回路１３０−３にそれぞれ接続される。
【００３２】
信号検出／フィードバック回路１３０−１〜１３０−３は、それぞれ検出コイル３〜５の出力を検出し、出力信号をその検出コイルにフィードバックする。各検出コイル３，４及び５は、それぞれ第１、第２及び第３フィードバック磁界Ｈ’ｘ、Ｈ’ｙ、Ｈ’ｚ、を作り、磁気センサ９１０と同様の方法によりセンシングを行う。つまり、信号検出/フィードバック回路１３０−１、１３０−２及び１３０−３は、それぞれのフィードバック電流によって、外部磁界を検出する。
【００３３】
＜補正信号生成回路６１＞
補正信号生成回路６１は、第１検出コイル３及び第２検出コイル４の少なくとも一方の出力から、補正コイル６へ印加する補正電流を生成する。例えば、本実施例では、第２検出コイル４の出力から、補正コイル６へ印加する補正電流を生成する。図６を用いて説明する。補正信号生成回路６１は、バッファアンプ６２−２と抵抗６５とからなる。バッファアンプ６２−２は、第２検出コイル４の出力が入力される。バッファアンプ６２−２のゲインはゲイン調整端子６３−２で設定される。補正コイル６の一端は抵抗器６５を介してバッファアンプ６２−２に接続され、他端はシグナルグランド６６に接続されており、バッファアンプ６２−２の出力を補正コイル６へ印加すると、補正コイル６が補正磁界Ｈ’ｗを作る。ゲイン調整端子６３−２で設定されるゲインの大きさの求め方については後述する。
【００３４】
＜補正コイルの配置＞
図１２に示すように、例えば、補正コイル６が作る補正磁界Ｈ’ｗが、第１磁性体コア１−１に巻かれた第１検出コイル３と第２検出コイル４が生成するフィードバック磁界Ｈ’ｘとＨ’ｙの間に生じる干渉を、打ち消せる（相殺する）位置及び方向に、磁性体コア１−２及び補正コイル６を配置する。例えば、図７及び８のようにｘ軸方向において、補正コイル６と第１及び第２検出コイルをずらして配置し、それぞれの磁性体コアの中心間の距離を約３５ｍｍとする。例えば、補正コイル６が作る補正磁界Ｈ’ｗの向きが、第２検出コイル４が作るフィードバック磁界Ｈ’ｙの向きとほぼ逆方向になるように配置し、第２検出コイル４の出力に応じて補正コイル６に印加する補正電流の量を調整すると、補正コイル６が作る補正磁界Ｈ’ｗが、直交するフィードバック磁界の相互干渉を相殺するように働き、第１検出コイル３による磁気検出感度の直線性を補償することができる。
【００３５】
＜補正磁界の調整＞
補正磁界の最適値は、干渉を起こす検出コイル３及び４と補正コイル６との距離、位置関係、方向等により異なるため、切り欠き部３２１及び３２２内で第２検出コイル４及び補正コイル６の距離、位置関係、方向等を調整可能な構成としておく。
【００３６】
例えば、図１３のような構成とし、温度を印加し、第２検出コイル４の出力を用いて、補正磁界を生成しながら、第１検出コイル３の磁気センサ感度の変化をモニターし、温度特性カーブの非直線性が最小となるように、バッファアンプ６２−２のゲインや、相殺しようとする干渉を起こす検出コイルと補正コイル６との距離、位置関係、方向や、補正コイル６の巻数を調整する。この調整により、予めこのゲイン等を決定しておき、実際の使用においては、２つの検出コイルのうちの少なくとも一方の出力を用いて、補正電流の大きさを決定し、補正磁界を調整する。
【００３７】
＜効果＞
このような構成により、直交する２軸間の干渉は抑えられ、結果として図４の破線で示すように、温度に対して磁気感度の変化量はほぼ線形となる。これにより、磁気感度変化量を容易に補正することができ、正確なセンシングが可能となる。また、高温用のアプリケーションに対しても適用可能となる。
【００３８】
なお、図４は従来の多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０と多軸フラックスゲート型磁気センサ１００の磁気感度の変化量と温度の関係を示す。なお、各検出コイル３〜５及び補正コイルの巻数は全て同じとし、検出コイル３及び４と補正コイルの距離は約３５ｍｍとし、補正コイルの入力軸は、ｘ軸と平行であり、第２検出コイル４の出力を補正信号生成回路６１の入力とし、補正信号生成回路６１の出力を補正コイル６に供給し、補正コイル６が補正磁界を作る。
【００３９】
図４のデータ取得手順は以下の通りである。（１）ｘ軸を地磁気と直交するよう、姿勢を設定する。（２）地磁気の伏角を基準に、４５°毎に８ポイント（１周分）、それぞれの点において、第２検出コイル４、第３検出コイル５の出力電圧を測定する。なお、第１検出コイル３の入力軸（ｘ軸）周りに回転させた時のデータとなるので、当然、第１検出コイル３の出力電圧はほぼ０となる。また、地磁気の伏角は、測定する地域によって異なる。（３）ｙ軸を地磁気と直交するよう、姿勢を設定し、（２）と同様の手順で、第１検出コイル３、第３検出コイル５の出力電圧を測定する。（４）ｚ軸を地磁気と直交するよう、姿勢を設定し、（２）と同様の手順で、第１検出コイル３、第２検出コイル４の出力電圧を測定する。但し、測定軸の順（２）〜（４）は、必ずしもｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の順である必要はない。上記に従って測定したデータより、「反復Total Field Calibration 手法」を用いて（参考文献２参照）、地磁気センサの特性値（バイアス、感度、ミスアライメント）を算出する。
［参考文献２］R. Estes, P. Walters, “Improvement of Azimuth Accuracy by Use of Iterative Total Field Calibration Technique and Compensation for System Environment Effects”, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Society of Petroleum Engineers, 1989, SPE 19546, p.287-298
【００４０】
各温度で（１）〜（４）を繰返し、それぞれの温度でのセンサ特性値を求め、第１検出コイルの出力に基づき「反復Total Field Calibration 手法」により得られた磁気センサ感度をプロットすることで、図４の温度特性カーブを求めた。
【００４１】
本実施例では、磁性体コア１−１と１−２を同一の構成としているため、生産効率を向上させることができる。さらに、励磁コイル２−１と２−２や、コイル固定手段１１−１と１１−２を同一の構成とすることで、同様の効果を得ることができる。さらに、検出コイル３、４、５を全て同一の構成とすることで、生産効率を向上させることができる。本実施例では、多軸フラックスゲート型磁気センサ９２０において、第３検出コイル５と同じ磁性体コアに巻かれ、第３検出コイル５に対し直交するコイルを補正コイル６として用いているため、補正コイル６と補正信号生成回路６１以外の新たな部品等を増やすことなく、正確なセンシングを可能としている。
【００４２】
［変形例］
各検出コイル４〜６は、入力軸が直交すればよく、各磁性体コアに全体に対しソレノイド巻線を施すのではなく、図１４のように、磁性体コアの一部に対し、巻線を施したものであってもよい。
【００４３】
また、各磁性体コアの形状は、それぞれ必要とされる検出コイルまたは補正コイルを巻くことができればよい。よって、各磁性体コアの形状（環状）は、実施例に示した円環状に限定されるものではなく、矩形環状、多角形環状、楕円環状等であってもよい。
【００４４】
また、本実施例では、検出コイルの入力軸が３軸だが、２軸であってもよいし、４軸以上であってもよい。
【００４５】
また、本実施例では、補正コイル６の入力軸を相殺しようと直交軸間干渉を起こす検出コイルのうちの一方の第１検出コイル３の入力軸と平行に、かつ、他方の第２検出コイル４の入力軸と直交するように配置しているが、相殺しようとする干渉を、打ち消せる位置及び方向に配置すればよい。
【００４６】
例えば、図１５は、検出コイルの入力軸が２軸であり、磁性体コア１−１と１−２を同一平面上に配し、補正コイル６の入力軸を、第１検出コイル３の入力軸と直交するように、かつ、第２検出コイル４の入力軸と逆方向に配置した場合の例を示す。
【００４７】
また、補正コイルが巻かれる磁性体コア１−２の形状は、棒状等、他の形状であってもよい。また、磁性体コア１−２の材質が磁性体コア１−１と異なってもよい。
【００４８】
本実施例の補正信号生成回路６１は、第２検出コイル４の出力から、補正コイル６へ印加する補正電流を生成しているが、第１検出コイル３及び第２検出コイル４の両方の出力から、補正コイル６へ印加する補正電流を生成してもよい。
【００４９】
図６を用いて説明する。補正信号生成回路６１は、バッファアンプ６２−１及び６２−２と、加算回路６４と、抵抗器６５とからなる。バッファアンプ６２−１は第１検出コイル３の出力が入力され、バッファアンプ６２−２は第２検出コイル４の出力が入力される。バッファアンプ６２−１のゲインはゲイン調整端子６３−１で、バッファアンプ６２−２のゲインはゲイン調整端子６３−２で設定される。加算回路６４は、バッファアンプ６２−１及び６２−２の出力が入力され、これを加算し出力とする。補正コイル６の一端は抵抗器６５を介して加算回路６４に接続され、他端はシグナルグランド６６に接続されており、加算回路６４の出力を補正コイル６へ印加すると、補正コイル６が補正磁界を作る。
【００５０】
例えば、図１６のような構成とし、補正磁界の最適値を以下のようにして求める。温度を印加し、第１検出コイル３及び第２検出コイル４の出力を用いて、補正磁界を生成しながら、第１検出コイル３の磁気センサ感度の変化をモニターし、温度特性カーブの非直線性が最小となるように、バッファアンプ６２−１及び６２−２のゲインや、相殺しようとするフィードバック磁界を作る検出コイル（例えば、第２検出コイル４）と補正コイル６との距離、位置関係、方向や、補正コイル６の巻数を調整する。
【００５１】
なお、図１６では、第１検出コイル３の入力軸と補正コイル６の入力軸のなす角が４５°とし、第２検出コイル４の入力軸と補正コイル６の入力軸のなす角が１３５°とし、補正コイル６の作る補正磁界Ｈ’ｗが、第１フィードバック磁界Ｈ’ｘ及びＨ’ｙの両方に対し、影響し、直交軸間の干渉を相殺する。直交するフィードバック磁界を生成する２軸のフィードバック電流から、直交する２軸間の干渉量を推定するため、より正確に干渉を相殺し、より正確なセンシングが可能となる。
【００５２】
また、本実施例では補正コイルは１つであるが、２つの補正コイルと２つの補正信号生成回路を設け、２つの検出コイルのそれぞれに対応させ、各補正信号生成回路が、対応する検出コイルの出力から、対応する補正コイルに印加する補正電流を生成し、それぞれのフィードバック磁界のうち干渉している磁界を相殺し、直交する２軸間の干渉を打ち消す構成としてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
９００，９１０ フラックスゲート型磁気センサ
９２０，１００ 多軸フラックスゲート型磁気センサ
１１０ 第１及び第２センサ部
２１０，３１０ 第３センサ部
１，１−１，１−２ 磁性体コア
２，２−１，２−２ 励磁コイル
３，４，５ 検出コイル
６ 補正コイル
６１ 補正信号生成回路
１２０，１２０−１，１２０−２ 励磁回路
１３０、１３０−１，１３０−２，１３０−３ 信号検出／フィードバック回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の第１磁性体コアと、第１磁性体コアに巻かれた第１励磁コイルと、第１磁性体コアに互いの入力軸が直交するように巻かれた２つの検出コイルと、検出コイルの出力を検出し、出力信号をその検出コイルにフィードバックする２つの信号検出／フィードバック部と、前記第１励磁コイルに励磁電流を供給する第１励磁部と、を有する多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
第２磁性体コアと、
第２磁性体コアに巻かれた補正コイルと、
前記検出コイルの出力から、前記補正コイルへ印加する補正電流を生成する補正信号生成部と、を備え、
前記補正コイルが作る補正磁界が、前記第１磁性体コアに巻かれた２つの検出コイル間の干渉を、打ち消せる位置及び方向に、前記第２磁性体コア及び補正コイルを配置する、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項２】
請求項１記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
前記第２磁性体コアは環状であり、
前記第２磁性体コアに巻かれた第２励磁コイルと、
前記第２磁性体コアに巻かれた第３検出コイルと、
第３検出コイルの出力を検出し、出力信号を第３検出コイルにフィードバックする第３信号検出／フィードバック部と、
前記第２励磁コイルに励磁電流を供給する第２励磁部と、を備え、
前記補正コイルと前記第３検出コイルの入力軸が直交する、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
前記第１磁性体コアと前記第２磁性体コアは同一の構成であり、
前記第１励磁コイルと前記第２励磁コイルは同一の構成であり、
第１磁性体に互いに直交するように巻かれた２つの検出コイルと、前記第２磁性体コアに前記補正コイルに直交するように巻かれた検出コイルは、全て同一の構成である、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
第３検出コイルの入力軸は、第１磁性体に巻かれた２つの検出コイルの入力軸それぞれに対し直交するように配置される、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
前記補正信号生成部の入力は、第１磁性体に巻かれた２つの検出コイルのうちの何れか一方の信号である、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項６】
請求項１から４の何れかに記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
前記補正信号生成部の入力は、第１磁性体に巻かれた２つの検出コイルの信号である、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項１】
環状の第１磁性体コアと、第１磁性体コアに巻かれた第１励磁コイルと、第１磁性体コアに互いの入力軸が直交するように巻かれた２つの検出コイルと、検出コイルの出力を検出し、出力信号をその検出コイルにフィードバックする２つの信号検出／フィードバック部と、前記第１励磁コイルに励磁電流を供給する第１励磁部と、を有する多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
第２磁性体コアと、
第２磁性体コアに巻かれた補正コイルと、
前記検出コイルの出力から、前記補正コイルへ印加する補正電流を生成する補正信号生成部と、を備え、
前記補正コイルが作る補正磁界が、前記第１磁性体コアに巻かれた２つの検出コイル間の干渉を、打ち消せる位置及び方向に、前記第２磁性体コア及び補正コイルを配置する、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項２】
請求項１記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
前記第２磁性体コアは環状であり、
前記第２磁性体コアに巻かれた第２励磁コイルと、
前記第２磁性体コアに巻かれた第３検出コイルと、
第３検出コイルの出力を検出し、出力信号を第３検出コイルにフィードバックする第３信号検出／フィードバック部と、
前記第２励磁コイルに励磁電流を供給する第２励磁部と、を備え、
前記補正コイルと前記第３検出コイルの入力軸が直交する、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
前記第１磁性体コアと前記第２磁性体コアは同一の構成であり、
前記第１励磁コイルと前記第２励磁コイルは同一の構成であり、
第１磁性体に互いに直交するように巻かれた２つの検出コイルと、前記第２磁性体コアに前記補正コイルに直交するように巻かれた検出コイルは、全て同一の構成である、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
第３検出コイルの入力軸は、第１磁性体に巻かれた２つの検出コイルの入力軸それぞれに対し直交するように配置される、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
前記補正信号生成部の入力は、第１磁性体に巻かれた２つの検出コイルのうちの何れか一方の信号である、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【請求項６】
請求項１から４の何れかに記載の多軸フラックスゲート型磁気センサであって、
前記補正信号生成部の入力は、第１磁性体に巻かれた２つの検出コイルの信号である、
ことを特徴とする多軸フラックスゲート型磁気センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２１４９３４（Ｐ２０１１−２１４９３４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８２１４６（Ｐ２０１０−８２１４６）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
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