JP2005043103A

JP2005043103A - 磁気コンパス

Info

Publication number: JP2005043103A
Application number: JP2003200603A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sasagawa; 新一笹川
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-02-17
Also published as: CN1576784A; EP1500905A2; EP1500905A3; US20050016006A1

Abstract

【課題】伏角の影響を抑制すると共に小型である磁気コンパスを提供すること。
【解決手段】基板１１と、基板１１上に配され外部磁界を検出する２軸センサ１２と、各磁気センサの出力から方位を検出する磁北算出装置１３とを有する磁気コンパスであって、基準点Ｐ１を回転中心として、基板面上に回転磁界を発生させる回転磁界発生装置１４を有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地磁気による磁力線の方位を検出する磁気コンパスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、単独で地磁気などの外部磁界による磁力線の方位を測定できる磁気コンパスが、車載用コンパス及びナビゲーションシステム等の自車位置の検出手段として広く用いられている。
【０００３】
このような磁気コンパスは、フラックスゲート、ホール素子、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）素子、ＭＩ（磁気インピーダンス）素子等の磁気センサを用い、平面上の直交するＸ、Ｙ軸の２軸方向の磁気検出ができるように設置した装置で、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれのセンサで検出される地磁気の水平成分を検出し、これらの検出量から磁北の方向を算出して求める。
【０００４】
磁北の方向の算出方法は、予め磁気コンパスを水平にした状態で角度による地磁気の強度を計測してメモリに記憶させ、この計測データとセンサの検出量を比較して対応した角度を磁北としている。そのため、測定時にセンサを水平に保てないと、伏角の影響を受けてセンサの検出量が変化し、正しい方向を算出することが難しくなる。
これらの解決策として、磁気センサをジンバルに載せて常に水平に保つ方法、水準器等と併用して水平に固定して測定する方法がある。また、２個の磁気センサを直交して配置し、これと水平面或いは鉛直面を検出するセンサと組み合わせて地磁気に対するセンサの姿勢を３次元で検出し、その水平成分を計算して方位を知る方法等がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２１１４７４号公報（第４−７頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の磁気コンパスには、以下の課題が残されている。すなわち、従来の磁気コンパスは、精度のよい磁北方向の算出を行うためにセンサを水平にして測定するか、センサの数を増やして複雑な演算を行う等の方法が必要であった。したがって、例えば携帯端末装置へ取り付ける際、センサを水平に保つことが困難であるため、磁北方向の算出精度を犠牲にするか、正確に磁北を算出する為の複雑なシステムを導入する必要があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で伏角の影響を抑制して正確な方位を計測できると共に小型である磁気コンパスを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の磁気コンパスは、基材と、該基材に配され外部磁界を検出する複数の磁気センサと、該磁気センサの出力から方位を検出する方位検出装置とを有する磁気コンパスであって、前記基材の前記複数の磁気センサから離間した基準点を回転中心として、その基準点を含む平面上に回転磁界を発生させる回転磁界発生装置を有することを特徴とする。
【０００９】
この磁気コンパスでは、回転磁界発生装置によって基準点を含む平面上に回転磁界を加え、この回転磁界と地磁気との合成磁界を複数の磁気センサで検出し、方位検出装置が複数の磁気センサの検出結果から計算される磁気ベクトルの強度が最大となる角度を磁北と算出する。ここで、基準点を含む平面が水平面から傾いたときは、回転磁界と地磁気の平面成分との合成磁界を検出する。したがって、磁気センサが水平面から傾いていても磁気ベクトルの強度が最大となる角度を求めることができ、伏角や測定環境の変化の影響を受けない。また、予め水平面にて計測する補正が不要となるため、操作性が向上する。また、伏角の影響を排除するための特別な装置が不要なため、システム構成が簡単になるため、コストの低減が図れる。
【００１０】
前記基材が基板であり、その一面上に前記磁気センサが形成され、前記回転磁界発生装置が、前記基板の一面に沿って強度が一定の回転磁界を発生させるものであることが好ましい。
この磁気コンパスでは、上述と同様に、伏角や測定環境の変化の影響を受けず、またシステム構成を簡単にすることができる。
【００１１】
また、本発明に係る磁気コンパスは、前記回転磁界発生装置が、複数のコイルと、前記複数のコイルに対して位相差を設けて磁界を発生させる磁界制御部とを有することが好ましい。
この磁気コンパスでは、磁界制御部から複数のコイルに対して適宜位相差を設けて磁界を発生させることによって、基準点を回転中心として一定の強度を持った回転磁界を発生させることができる。
【００１２】
また、本発明に係る磁気コンパスは、前記回転磁界発生装置が、前記基準点を含む平面上にて該基準点から放射方向へ向けて磁極が配されている永久磁石と、該永久磁石に対して前記基準点を回転中心として該基準点を含む平面に沿って回転させる回転駆動部とを有することが好ましい。
この磁気コンパスでは、基準点から放射方向へ向けて磁極が配されている永久磁石が基準点を回転中心として回転されることによって、回転磁界を発生させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る磁気コンパスの第１実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。
本実施形態による磁気コンパス１は、図１に示されるように、パッケージ１０と、パッケージ１０内に収容された基板（基材）１１と、基板１１上で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸としたとき各軸上の磁界を検出する２軸センサ１２と、２軸センサ１２で検出した磁界を基に磁北の方向を算出する電子回路である磁北算出装置（方位検出装置）１３と、２軸の交点である基準点Ｐ１を回転中心とし強度が一定の回転磁界を発生させる回転磁界発生装置１４とを備えている。
【００１４】
２軸センサ１２は、図２に示されるように、例えばホール素子で構成されＸ軸上の磁界を検出するＸ軸磁気センサ２１及びＹ軸上の磁界を検出するＹ軸磁気センサ２２を有し、薄膜形成技術によって基板１１の一方の面上に形成されている。
また、２軸センサ１２は、ワイヤボンディングによってパッケージ１０の側面に形成された端子Ｔ１に接続されており、パッケージ１０の外部に設けられた磁北算出装置１３に電気的に接続される。
【００１５】
回転磁界発生装置１４は、基板１１にＸ軸方向に向けて巻回されたＸ軸コイル２５と、同様にＹ軸方向に向けて巻回されたＹ軸コイル２６と、パッケージ１０の外部に設けられ各コイルに磁界を発生させるための電流を制御する電子回路である磁界制御回路２７とを備えている。
各コイルは、上述と同様の薄膜形成によって２軸センサ１２の上下面に積層するように基板１１の一方の面上に形成された導体パターンにより形成されている。
ここで、各コイル間には電気的に導通しないように絶縁層（図示略。）が設けられている。
なお、各コイルは、基板１１の他方の面上と２軸船さ１２の面上に形成された導体パターンと、基板１１の貫通孔に半田等の導体が埋め込まれたスルーホールとを電気的に接続することにより形成されるようにしてもよい。
また、各コイルの端点は、ワイヤボンディングによってパッケージ１０の側面に形成された端子Ｔ２〜Ｔ４にそれぞれ接続されており、パッケージ１０の外部に設けられた磁界制御回路２７に接続される。
【００１６】
次に、本実施形態の磁気コンパス１を用いた磁北の判定方法について説明する。
【００１７】
本実施形態では、Ｘ軸の正方向を０°とし、右回りで回転角度が増加するものとする。先ず、磁界制御回路２７は、Ｘ軸コイル２５、及びＹ軸コイル２６が回転角度に対しそれぞれ図３に示されるような正弦的に変化する磁界を発生するように電流を制御する。このとき、Ｘ軸コイル２５は、Ｙ軸コイル２６に対し９０°の位相差を有する電流が流れる。これにより、基準点Ｐ１を回転中心とした基板１１の平面上を回転し、一定の強度を持った回転磁界が発生される。この回転磁界と地磁気との合成磁界を２軸センサ１２が検出する。
【００１８】
ここで、地磁気のＹ軸に対する角度、すなわち磁北の方向をθ_０とし、地磁気の強度をＡとし、回転磁界発生装置１４で発生された回転磁界のＹ軸に対する角度をθ_１とし、回転磁界の強度をＢとし、合成磁界の強度をＣ、合成磁界のＸ軸成分をＳ_ｘとし、合成磁界のＹ軸成分をＳ_ｙと定義すると、以下の式（１）、（２）、及び（３）が成り立つ。
【００１９】
【数１】

【数２】

【数３】

【００２０】
ここで、磁北の方向θ_０を３０°とし、地磁気の強度Ａを０．５とし、回転磁界の強度Ｂを０．５とすると、式（１）及び式（２）より、合成磁界のＸ軸成分Ｓ_ｘ及びＹ軸成分Ｓ_ｙが、図３に示されるようになる。
また、Ｘ軸磁気センサ２１及びＹ軸磁気センサ２２からの検出出力はそれぞれ合成磁界のＸ軸成分Ｓ_ｘ及びＹ軸成分Ｓ_ｙと等しいものとすると、磁北算出装置１３は、上記式（３）の計算を行うことによって、回転磁界の角度に対し、図３に示すような値を得る。
この計算結果から磁北算出装置１３は、合成磁界の強度が最大となる角度を求め、３０°を磁北の方向として算出する。
【００２１】
次に、磁北θ_０が１２０°の方向であった場合、上述と同様に合成磁界のＸ軸成分Ｓ_ｘ、Ｙ軸成分Ｓ_ｙ、及び合成磁界の強度は、回転磁界の角度に対し、図４に示すような磁界検出量となり、磁気算出装置１５が合成磁界の強度が最大になる角度を求め、１２０°を磁北の方向として算出する。
また、磁北θ_０が２１０°の方向であった場合、上述と同様に合成磁界のＸ軸成分Ｓ_ｘ、Ｙ軸成分Ｓ_ｙ、及び合成磁界の強度は、回転磁界の角度に対し、図５に示すような磁界検出量となり、磁気算出装置１５が合成磁界の強度が最大になる角度を求め、２１０°を磁北の方向として算出する。
【００２２】
次に、基板１１が水平面から傾いた状態で磁北の方向を算出する場合を考える。
基板１１の伏角をαとすると、各センサが検出できる地磁気の強度は、基板１１面上の成分であると考えることができる。したがって、基板１１の面上の地磁気の強度は、Ｂ×ｃｏｓαとなる。
ここで、磁北を３０°とし、伏角αを３０°とし、地磁気の強度Ａを０．５とし、回転磁界の強度Ｂを０．５としたとき、Ｘ軸磁気センサ２１及びＹ軸磁気センサ２２は、回転磁界のベクトルの方向に対し、図６に示すような磁界検出量となる。
各磁気センサの磁界検出量から磁気算出装置１５は、上記式（３）の計算を行う。この結果、回転磁界のベクトルの方向に対し、図６に示すような値を得る。この演算結果から磁北算出装置１３は合成磁界の強度が最大になる角度を求め、３０°を磁北の方向として算出する。
【００２３】
上記の構成によれば、回転磁界発生装置１４で基板１１面内に強度が一定の回転磁界を発生させ、２軸センサ１２と磁北算出装置とによって合成磁界の強度が最大となる角度を算出することで磁北の方向を判断できる。また、基板１１が水平面から伏角αだけ傾いた場合においても、回転磁界と地磁気の基板１１面成分との合成磁界を検出するため、合成磁界の強度の最大値が小さくなるが、磁北を正確に判断できる。したがって、伏角の影響を受けず精度のよい方位の検出ができる。また、予め磁気コンパスを水平にした状態で角度による地磁気の強度を計測する補正が不要となるため、磁気コンパスの操作性が向上する。また、特に伏角の影響を排除するための特別な装置を不要にできるので、磁気コンパス全体の構成が簡略化することができ、コストの抑制が可能となる。
【００２４】
次に、第２実施形態について、図７を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態はその基本的構成が上述した第１実施形態と同様であり、上述の第１実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図６においては、図１と同一構成要素に同一符号をし、この説明を省略する。
【００２５】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では回転磁界発生装置１４が、Ｘ軸コイル２５と、Ｙ軸コイル２６と、磁界制御回路２７とによって構成されているのに対して、第２実施形態における磁気コンパス３０では回転磁界発生装置３１が、基板１１の面上にて基準点Ｐ１から放射方向へ向けて磁極が配された永久磁石３２と、永久磁石３２が基準点Ｐ１を回転中心として回転させる回転駆動部３３とを有している点である。
また、回転駆動部３３は、永久磁石３２の回転角度を検出するロータリーエンコーダ３４を有している。
また、ロータリーエンコーダ３４は、磁北算出装置１３に電気的に接続されている。
【００２６】
上記の構成によれば、回転駆動部３３によって永久磁石３２を基板１１の面上で回転させることにより基準点Ｐ１を回転中心とした一定強度の回転磁界を発生させることができる。上述の第１実施形態の場合と同様に、回転磁界と地磁気との合成磁界の強度が最大となる角度を磁北の方向として算出する。
【００２７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記第１実施形態では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に向けて配された各コイルによって回転磁界を発生させたが、これに限らず、基準点を回転中心とした回転磁界が発生するようにコイルを配置すればよい。例えば図８に示すように、基準点Ｐ１まわりに１２０°ずらして配された３つのコイル４１、４２、及び４３に順次通電することによって回転磁界を発生させてもよい。
また、基準点Ｐ１まわりに４５°ずらして４つのコイルを配し、この４つのコイルに対し順番に強度が一定の磁界を発生させてもよい。発生させる磁界のベクトル方向が２通りあるので、印加した８方向の磁界のうち合成磁界の強度が最大となる方向を磁北の方向とすることで、印加磁界の制御が容易となる。
また、上記第１実施形態では、回転磁界発生装置として、薄膜コイルを用いたが、導体線を基板１１に巻回させることによって形成されたコイルであってもよい。
【００２８】
また、上記実施形態では、磁気センサとしてホール素子を用いたが、フラックスゲート、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）素子、及びＭＩ（磁気インピーダンス）素子等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、基板上に磁気センサを配置したが、基板ではなく、枠やフレームなどを用いてもよい。また、磁気センサは、基板に内蔵されたり、基板の裏面に配置されてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の磁気コンパスによれば、磁気センサが水平面上に配置されていても配置されていなくとも精度のよい磁北の方向の算出を行うことができる。また、伏角の影響を排除して磁北の計測ができるので、伏角の影響を排除するための特別な装置が不要であり、磁気コンパス全体の構成が簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる第１実施形態における磁気コンパスを示す概略平面図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態における２軸センサを示す斜視図である。
【図３】本発明にかかる第１実施形態において、磁北の方向が３０°であるときの回転角度に対する磁界の大きさを示すグラフである。
【図４】本発明にかかる第１実施形態において、磁北の方向が１２０°であるときの回転角度に対する磁界の大きさを示すグラフである。
【図５】本発明にかかる第１実施形態において、磁北の方向が２１０°であるときの回転角度に対する磁界の大きさを示すグラフである。
【図６】本発明にかかる第１実施形態において、磁北の方向が３０°、伏角が３０°であるときの回転角度に対する磁界の大きさを示すグラフである。
【図７】本発明にかかる第２実施形態における磁気コンパスを示す構成図である。
【図８】本発明にかかる第１実施形態における磁気コンパスの別形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１、３０磁気コンパス
１１基板（基材）
１２２軸センサ
１３磁北算出装置（方位検出装置）
１４、３１回転磁界発生装置
２１Ｘ軸磁気センサ（磁気センサ）
２２Ｙ軸磁気センサ（磁気センサ）
２５Ｘ軸コイル（コイル）
２６Ｙ軸コイル（コイル）
２７磁界制御回路（磁界制御部）
３２永久磁石
３３回転駆動部

Claims

基材と、該基材に配され外部磁界を検出する複数の磁気センサと、該磁気センサの出力から方位を検出する方位検出装置とを有する磁気コンパスであって、
前記基材の前記複数の磁気センサから離間した基準点を回転中心として、その基準点を含む平面上に回転磁界を発生させる回転磁界発生装置を有することを特徴とする磁気コンパス。
前記基材が基板であり、その一面上に前記磁気センサが形成され、前記回転磁界発生装置が、前記基板の一面に沿って強度が一定の回転磁界を発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気コンパス。
前記回転磁界発生装置が、複数のコイルと、前記複数のコイルに対して位相差を設けて磁界を発生させる磁界制御部とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の磁気コンパス。
前記回転磁界発生装置が、前記基準点を含む平面上にて該基準点から放射方向へ向けて磁極が配されている永久磁石と、該永久磁石に対して前記基準点を回転中心として該基準点を含む平面に沿って回転させる回転駆動部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気コンパス。