方位検出器
【課題】弱い磁力を検出でき、電気回路の増幅率を上げることなく、羅針盤内磁石は集磁器や周囲の磁性金属の影響を受けることなく方位の狂わない高信頼性の、しかも簡単安価に実現し得る方位検出器を提供する。
【解決手段】両側に集磁器２１ａｘ，２１ｂｘを配置した第１のホール素子Ｓ１ｘと、両側に集磁器２１ａy，２１ｂｙを配置した第２のホール素子Ｓ１ｙとを、互いに直交し、かつ四辺形の相隣る２辺となる位置に配置し、かつ前記四辺形の他の相隣る２辺に、前記第１と第２のホール素子の両側に設けた集磁器２１ａｘ，２１ｂｘ、及び２１ａy，２１ｂｙに磁気バランスさせた集磁器２２ａｘ、２２ｂｘおよび２２ａｙ，２２ｂｙを設け、前記第１のホール素子と第２のホール素子からの電気信号により方位を求める。
【解決手段】両側に集磁器２１ａｘ，２１ｂｘを配置した第１のホール素子Ｓ１ｘと、両側に集磁器２１ａy，２１ｂｙを配置した第２のホール素子Ｓ１ｙとを、互いに直交し、かつ四辺形の相隣る２辺となる位置に配置し、かつ前記四辺形の他の相隣る２辺に、前記第１と第２のホール素子の両側に設けた集磁器２１ａｘ，２１ｂｘ、及び２１ａy，２１ｂｙに磁気バランスさせた集磁器２２ａｘ、２２ｂｘおよび２２ａｙ，２２ｂｙを設け、前記第１のホール素子と第２のホール素子からの電気信号により方位を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、羅針盤表面上に載置して羅針盤内磁石の磁力を電気的に計測し方位を検出するのに好適な方位検出器、特に船などの移動体に搭載して自動操舵に用いられる方位検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
羅針盤を用いた方位検出器は、船体の動揺や振動の影響を少なくするため、羅針盤内液体の浮力により浮かせた磁石が、船が航行する場合、常に地磁気の南北を磁針が指すように地磁気の磁力線によって自在に回転することにより生じる磁力変化を、フラックスゲート型磁気センサを用いて電気的に導出し、船の進行方位を検出するようにしている。
この種方位検出器に使用されるフラックスゲート型磁気センサとして、例えば図１０に示すように励磁コイル２ｂを巻回したＺ方向の軸心を有するトロイダルコア２ｃと、このトロイダルコア２ｃに対してＸ軸方向の軸心を有するＸ方向の検出コイル２ｘと、Ｙ方向の軸心を有するＹ方向の検出コイル２ｙとを有するフラックスゲート型磁気センサ２と、励磁コイル２ｂにパルス励磁信号を与える励磁回路３と、検出コイル２ｘからの検出信号を処理するＸ方向信号処理系４ｘと、検出コイル２ｙからの検出信号を処理するＹ方向信号処理系４ｙと、Ｘ方向信号処理系４ｘからの信号とＹ方向信号処理系４ｙからの信号とを受けて進行方向の方位を演算する方位演算部５と、からなる方位検出器が開示されている(例えば特許文献１、特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平６−１４９１２号公報
【特許文献２】実開平６−５０７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように従来の方位検出器では、高感度磁気センサとしてフラックスゲート型磁気センサが広く用いられて来たが、近年、以下の問題点が生じている。
１）．励磁回路より励磁コイルに一定の正弦波または，矩形波を印加し、検出コイルで磁力の強弱によって変化するインダクタンスの変化を検出するため、高周波ノイズが発生し、海上等で交信する無線通信の送受信に大きな影響を与えるおそれがある。
２）．磁気センサの構造としてトロイダルコアなどのコアに励磁コイル、検出コイルを巻回する巻線を使用するため、磁気の検出、ひいては方位検出器の小型、薄型化が困難である。
３）．同じく励磁コイル、検出コイルなどの巻線を使用するため断線などの可能性があり、使用上、信頼性に劣る。
４）．トロイダルコアに励磁コイル、検出コイルを巻いて磁力を検出するためコイルの巻回作業が生産性を低くし、低価格化が困難である。
そこで、フラックスゲート型磁気センサを用いることによる問題点を解消するために、本願発明者等は、フラックスゲートに変えてホール素子や磁気抵抗素子などの磁気センサ素子を使用することを試みた。
これにより、小型・薄型化、及び高周波ノイズの軽減が可能になったものの、次の問題点がある。
１）．方位を検出する基となる羅針盤内磁石の磁力が弱いため、検出自体が困難である。
２）．羅針盤内磁石の磁力が弱く、ホール素子などの素子の出力電圧が小さいため、信号処理部（電気回路）の増幅率を上げねばならず、電子部品の周囲温度による特性への影響やドリフトなどにより、検出精度の安定性、信頼性に劣る。
そこで本願発明者等は、羅針盤内磁石の磁力の弱さにも対応し得るように、ホール素子の両側に２方向に集磁器を配置することを試みた。これにより、ホール素子近傍の羅針盤内磁石の磁力は集磁器に集束されてホール素子に導かれるため検出の困難性は解消されたが、なお次の問題点が残された。
１）．Ｘ方向とＹ方向の十字方向に磁気センサ素子を配置する場合、プリント基板の同一面内にＸ方向とＹ方向の磁気センサを配置できず、プリント基板の上下に配置する形状となり、羅針盤内の磁石からそれぞれの磁気センサ素子までの距離が変わるため信号処理部(電気回路)の増幅率が異なり、温度特性などの安定性が欠ける。
またプリント基板の上下面に配置される信号処理部（電気回路）の増幅率が異なるため、上下逆（片方向のみ)に取り付けて使用することが出来ない。
２）．プリント基板の同一面に集磁器をＸ方向，Ｙ方向の２方向配置する場合、集磁器の磁性体により羅針盤内液体の浮力により浮いて自在に回転（地磁気方向に）する磁石の磁力線が崩れ、磁石と集磁器の間で吸引力が働き、地磁気の方向とは異なる力が働き、磁石が正しい位置から回転し、大きな検出誤差を発生する。
また、羅針盤の周辺に鉄など磁性金属があると、その磁性体により磁力線が歪められ、大きな検出誤差が発生する。これらにより羅針盤の方位が狂い信頼性に欠ける。
この発明は上記問題点に着目してなされたものであって、弱い磁力に対して検出することができ、信号処理部（電気回路）の増幅率を上げることなく、集磁器の影響や周囲の磁性金属などの影響を受けずに、羅針盤の方位が狂わない高信頼性の、しかも簡単、安価に実現し得る方位検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の方位検出器は、上記課題を解決するために、各々の両側にそれぞれ集磁器を
配置した第１と第２の磁気センサ素子を、互いに直交し、かつ四辺形の相隣る二辺となる位置に配置し、前記四辺形の他の相隣る二辺に、前記第１と第２の磁気センサ素子の両側に設けた集磁器にバランスさせた集磁器を設け、前記第１と第２の磁気センサ素子からの電気信号により方位を求めることを特徴とする。
【０００６】
この発明の方位検出器では、磁気センサとして、フラックスゲートなどを使用することなく磁気センサ素子を使用するので、構成が簡単で安価な方位検出器を実現できる。また、それぞれの磁気検出面の両側に集磁器を配置した第１と第２の磁気センサ素子を、四辺形の相隣る２辺に互いに直行するように設置するとともに他の四辺の相隣る２辺にバランス用の集磁器を設置するので、それぞれ近傍を通過する羅針盤内磁石の磁力線は常にバランスをもって集磁器に集束されるので、集磁器の影響や周囲の磁性金属の存在などに乱されることなく、方位を正しく検出できる。
この発明の方位検出器において、集磁器は、棒状の磁性体からなるものを使用することが望ましい。
また、この発明の方位検出器において、集磁器は、保持力が小さく、かつ透磁率が高い磁性材を使用することが望ましく、純鉄、珪素鉄、フェライト、パーマロイ、アモルファス等を使用すると良い。
また、この発明の方位検出器において、磁気センサ素子は、ホール素子、磁気抵抗素子等が使用される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、磁気センサ素子としてホール素子を用い、かつホール素子への羅針盤内磁石の磁力を集磁器により集束するので、簡単かつ安価な構成で、極めて低い磁界を検出できる。
また、集磁器を、磁気センサ素子を配置する四辺形の相隣る２辺以外の他の相隣る２辺にも設けるので、羅針盤内磁石は集磁器の影響を受けることなく、方位を正しく検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の一実施形態に係る方位検出器の設置状態を示す概略図である。
【図２】同実施形態方位検出器に使用される磁気検出用のホール素子を示す外観斜視図である。
【図３】同実施形態方位検出器のホール素子を含む磁気検出素子の回路構成を示す回路図である。
【図４】同実施形態方位検出器のホール素子と集磁器の配置状態を示す平面図である。
【図５】同実施形態方位検出器において、羅針盤を回転させた場合の２つの磁気センサ素子の出力変化を示す図である。
【図６】同実施形態方位検出器の集磁器装着前のプリント基板の表面図である。
【図７】同実施形態方位検出器の集磁器装着前のプリント基板の裏面図である。
【図８】同実施形態方位検出器の集磁器装着後のプリント基板の表面図である。
【図９】同実施形態方位検出器の概略回路構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の方位検出器に使用されているフラックスゲートの概略構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る方位検出器の設置状態を示す概略図である。ここで示す方位検出器１１は、羅針盤１２の外容器１３の上端部より中心を通り橋設される支持板１４上に設置されている。船の自動操舵のための方位検出に使用される場合には、支持板１４が船の一定方向に固定されるように羅針盤１２が設置される。
羅針盤１２内の液体の浮力により浮かせて設けられる磁石１５が地磁気の磁力線に吸引され、磁石１５のＮ極が地磁気のＳ極に、磁石１５のＳ極が地磁気のＮ極を指すように船の船首方向の変化に応じて磁石１５が自在に回転する。
このように、羅針盤１２に方位検出器１１を設けること自体は、従来の方位検出器と特に変わるところはない。また、この実施形態方位検出器１１においても、図１０に示す方位検出器と同様のＸ方向磁気センサ素子とＹ方向磁気センサ素子とを備え、磁石１５による磁気をＸ方向磁器センサ素子とＹ方向磁気センサ素子とで検出し，Ｘ方向磁気センサ素子とＹ方向磁気センサ素子の出力から磁石１５のＮ極／Ｓ極方向、つまり地磁気方向に対する船の進行方向である方位を検出する。
この実施形態方位検出器の特徴は、磁気センサとしてフラックスゲートなどのように励磁コイル、検出コイルなどを有するものではなく、入力磁気に応じた電気信号を検出する磁気センサ素子、例えばホール素子Ｓ１を用い、かつ、このホール素子Ｓ１の両側に羅針盤内磁石の地磁気の磁力線をホール素子に誘導する集磁器２１ａ、２１ｂを備えたことである。ここで使用する磁気センサ素子は、ホール素子に代え、磁気抵抗素子など、他の磁気センサ素子であっても良い。
この実施形態方位検出器１１に使用するＸ方向用の磁気センサ、Ｙ方向用の磁気センサは、いずれも図２に示すように磁気センサチップ素子としてホール素子Ｓ1を使用し、このホール素子Ｓ１の両側に棒状の集磁器２１ａ，２１ｂが配置されている。
この磁気センサ素子としてホール素子Ｓ１を用いた磁気センサの回路２０を図３に示す。この回路において、電源Ｖｃｃは抵抗Ｒ１を介してホール素子Ｓ１のプラス電源側に接続され、電源Ｖｅｅは、抵抗Ｒ２を介してホール素子Ｓ１のマイナス電源側に接続されている。またホール素子Ｓ１のプラス電圧出力端子は抵抗Ｒ４を介して増幅器ＩＣ１の＋入力端子に接続され、ホール素子Ｓ１のマイナス電圧出力端子は抵抗Ｒ３を介して増幅器ＩＣ１の入力端子に接続されている。
また、電源Ｖｃｃ−Ｖｅｅ間に可変抵抗ＶＲ１が接続され、この可変抵抗ＶＲ１の可変端子が抵抗Ｒ６を介して増幅器ＩＣ１の＋入力端子に接続されている。増幅器ＩＣ１の−入力端子と出力端子ＯＵＴ間に抵抗Ｒ５と可変抵抗ＶＲ２の直列回路が接続されている。
ホール素子Ｓ１に、例えばＮ極の磁気が印加されるとホール効果により、抵抗Ｒ４に接続された端子側にプラスの電圧が、抵抗Ｒ３に接続された端子側にマイナスの電圧が発生する。また逆にホール素子Ｓ１にＳ極が印加されると、Ｎ極の場合と逆極性の電圧が発生する。そして、このホール素子Ｓ１の出力電圧は抵抗Ｒ４，Ｒ３を介して増幅器ＩＣ１で増幅されて出力端子ＯＵＴより入力磁気に応じた電圧が出力される。
この回路において、可変抵抗ＶＲ１は、増幅器ＩＣ１のオフセットやホール素子Ｓ１の不平衡電圧を調整するためのもので、磁気センサの検出方向が地磁気に対して直交、即ち検出面が東西に向いているとき、ホール素子Ｓ１に対し無磁気の状態となり、ホール素子Ｓ１の出力電圧が発生しないため、出力端子ＯＵＴの電圧値を任意のオフセット値に調整するためのものである。
又、可変抵抗ＶＲ２は、ホール素子Ｓ１の出力電圧のバラツキを増幅器ＩＣ１で増幅率を調整するためのもので、磁気センサの検出面が地磁気に対して平行、即ち検出面が南北に向いているとき、ホール素子Ｓ１の出力電圧が最大値又は最小値となるため、出力端子ＯＵＴの電圧値を任意でゲイン値に調整するためのものである。そのゲインの計算としては
Ｖｏｕｔ＝−Ｖｉｎ×（Ｒ５＋ＶＲ２）÷Ｒ３
となる。
この実施形態方位検出器では、図３の磁気センサ２０の回路を２個、Ｘ方向検出用，Ｙ方向検出用として羅針盤１２の中心Ｏに対し、磁気センサの検出方向が同一面内にて直交するように配置する。この場合のＸ方向検出用としてのホール素子Ｓ１ｘ、及び集磁器２１ａｘ，２１ｂｘと，Ｙ方向検出用としてのホール素子Ｓ１ｙ、及び集磁器２１ａｙ，２１ｂｙとを、図４に示すようにプリント基板２３上で、９０度、つまり各々が四辺形の相隣る２辺に位置する直交方向に配置する。
また、ホール素子Ｓ１ｘ，Ｓ１ｙの近傍の集磁器２１ａｘ、２１ｂｘ、２１ａｙ、２１ｙの磁性体により磁力バランスが崩れないように、集磁器２１ａｘ、２１ｂｘ、と集磁器２１ａｙ，２１ｂｙを四辺形の相隣る２辺に設けるに対し、四辺形の他の相隣る２辺に集磁器２２ａｘ，２２ｂｘ、２２ａｙ，２２ｂｙを配置する。集磁器２１ａｘ，２１ｂｘ，２１ａｙ，２１ｂｙ、２２ａｘ，２２ｂｘ、２２ａｙ，２２ｂｙは、いずれも円柱状の棒で同じ径、長さのものを使用している。また、これら集磁器は、保持力が小さく、かつ透磁率の高い磁性材使用するのが望ましく、純鉄、珪素鉄、フェライト、パーマロイ、アモルファス等を使用すると良い。
図４には図示していないが、集磁器を装着前のホール素子、回路素子を実装したプリント基板の表面図を図６に、又その裏面図を図７に、さらに集磁器を装着したプリント基板の表面図を図８に、それぞれ示すように増幅器ＩＣ１、可変抵抗器ＶＲ１，ＶＲ２、及び抵抗Ｒ１〜Ｒ６は、プリント基板２３の表裏に実装されている。また、集磁器２１ａｘ，２１ｂｘ、・・・、２２ｂｙは、プリント基板２３上に装着した四辺形状の枠板２３ａに固定されている。
この実施形態方位検出器は、回路ブロック図を図９に示すように、上記した特徴あるＸ方向磁気センサ２０ｘ及びＹ方向磁気センサ２０ｙと、このＸ方向磁気センサ２０ｘ及びＹ方向磁気センサ２０ｙの出力を増幅する増幅器２４ｘ、２４ｙと、増幅器２４ｘ、２４ｙの出力をデジタルデータに変換して出力するＡ／Ｄコンバータ２５ｘ，２５ｙと、これらＡ／Ｄコンバータ２５ｘ，２５ｙからのデータを取込み、方位を求める演算を行う演算器（マイクロコンピュータ）２６と、検出データ・演算データを記憶する記憶部（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２７を備える。
以上の実施形態方位検出器において、羅針盤１１を回転させた場合、方位検出器の直交に配置した一方の磁気センサ２０ｘより、増幅器２４ｘを経て、その出力端子には正弦（以下ｓｉｎθ）波形の電圧が出力され、他方の磁気センサ２０ｙより、増幅器２４ｙを経て。その出力端子には、電気角９０度の位相差で余弦（以下ｃｏｓθ）波形の電圧が出力される。これら出力波形を図５に示す。
両磁気センサ２０ｘ，２０ｙおよび両増幅器２４ｘ、２４ｙを経ての両出力ｓｉｎθ，ｃｏｓθをＡ／Ｄコンバータ２５ｘ，２５ｙに入力することにより、デジタル化したｓｉｎθ（以下Ｄｓｉｎθ）とｃｏｓθ（以下Ｄｃｏｓθ）の電圧がＡ／Ｄコンバータ２５ｘ、２５ｙから出力され、出力されたＤｓｉｎθとＤｃｏｓθを演算器２６に入力することにより、種々の計算を行うことが出来る。
演算器２６において、ＤｓｉｎθをＤｃｏｓθで割ることによりデジタル化された正接（以下Ｄｔａｎθ）のデータを演算することが出来る。また、ＤｃｏｓθをＤｓｉｎθで割ることによりデジタル化された逆正接（以下Ｄｔａｎ―１θ）のデータを演算することができる。
演算器２５にてＤｔａｎθのデータが±１以上であればＤｔａｎ―１θのデータに切り替え、同様にＤｔａｎ―１θのデータの±１以上であれば、Ｄｔａｎθのデータに切り替えることにより、３６０度連続したデータを得ることができる。
羅針盤１２を３６０度回転した場合、磁気センサ２０ｘ，２０ｙにより出力されたＤｓｉｎθ，Ｄｃｏｓθ、及びＤｔａｎθ，Ｄｔａｎ―１θのデータにより絶対角度が検出でき、方位を検出することが可能である。
また記憶部２７に検出データを記憶させ、この記憶データを活用して演算することにより、絶対角度の０度をどの位置にすることもできる。
なお、上記実施形態においては、羅針盤に設置し、羅針盤内磁石により磁気を検出して方位を検出する方位検出器について説明したが、この発明は地磁気を直接検出して方位を検出する方位検出器にも適用できる。
【符号の説明】
【００１０】
１１ 方位検出器
１２ 羅針盤
１５ 羅針盤の磁石
Ｓ１ｘ Ｘ方向用ホール素子
Ｓ１ｙ Ｙ方向用ホール素子
２１ａｘ，２１ｂｘ 、２１ａｙ、２１ｂｙ
素子用集磁器
２２ａｘ，２２ｂｘ、２２ａｙ、２２ｂｙ
バランス用集磁器
２３ プリント基板
２３ａ 集磁器装着用枠板
２４ｘ，２４ｙ 増幅器
２５ｘ，２５ｙ Ａ／Ｄコンバータ
２６ 演算器
２７ 記憶部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、羅針盤表面上に載置して羅針盤内磁石の磁力を電気的に計測し方位を検出するのに好適な方位検出器、特に船などの移動体に搭載して自動操舵に用いられる方位検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
羅針盤を用いた方位検出器は、船体の動揺や振動の影響を少なくするため、羅針盤内液体の浮力により浮かせた磁石が、船が航行する場合、常に地磁気の南北を磁針が指すように地磁気の磁力線によって自在に回転することにより生じる磁力変化を、フラックスゲート型磁気センサを用いて電気的に導出し、船の進行方位を検出するようにしている。
この種方位検出器に使用されるフラックスゲート型磁気センサとして、例えば図１０に示すように励磁コイル２ｂを巻回したＺ方向の軸心を有するトロイダルコア２ｃと、このトロイダルコア２ｃに対してＸ軸方向の軸心を有するＸ方向の検出コイル２ｘと、Ｙ方向の軸心を有するＹ方向の検出コイル２ｙとを有するフラックスゲート型磁気センサ２と、励磁コイル２ｂにパルス励磁信号を与える励磁回路３と、検出コイル２ｘからの検出信号を処理するＸ方向信号処理系４ｘと、検出コイル２ｙからの検出信号を処理するＹ方向信号処理系４ｙと、Ｘ方向信号処理系４ｘからの信号とＹ方向信号処理系４ｙからの信号とを受けて進行方向の方位を演算する方位演算部５と、からなる方位検出器が開示されている(例えば特許文献１、特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平６−１４９１２号公報
【特許文献２】実開平６−５０７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように従来の方位検出器では、高感度磁気センサとしてフラックスゲート型磁気センサが広く用いられて来たが、近年、以下の問題点が生じている。
１）．励磁回路より励磁コイルに一定の正弦波または，矩形波を印加し、検出コイルで磁力の強弱によって変化するインダクタンスの変化を検出するため、高周波ノイズが発生し、海上等で交信する無線通信の送受信に大きな影響を与えるおそれがある。
２）．磁気センサの構造としてトロイダルコアなどのコアに励磁コイル、検出コイルを巻回する巻線を使用するため、磁気の検出、ひいては方位検出器の小型、薄型化が困難である。
３）．同じく励磁コイル、検出コイルなどの巻線を使用するため断線などの可能性があり、使用上、信頼性に劣る。
４）．トロイダルコアに励磁コイル、検出コイルを巻いて磁力を検出するためコイルの巻回作業が生産性を低くし、低価格化が困難である。
そこで、フラックスゲート型磁気センサを用いることによる問題点を解消するために、本願発明者等は、フラックスゲートに変えてホール素子や磁気抵抗素子などの磁気センサ素子を使用することを試みた。
これにより、小型・薄型化、及び高周波ノイズの軽減が可能になったものの、次の問題点がある。
１）．方位を検出する基となる羅針盤内磁石の磁力が弱いため、検出自体が困難である。
２）．羅針盤内磁石の磁力が弱く、ホール素子などの素子の出力電圧が小さいため、信号処理部（電気回路）の増幅率を上げねばならず、電子部品の周囲温度による特性への影響やドリフトなどにより、検出精度の安定性、信頼性に劣る。
そこで本願発明者等は、羅針盤内磁石の磁力の弱さにも対応し得るように、ホール素子の両側に２方向に集磁器を配置することを試みた。これにより、ホール素子近傍の羅針盤内磁石の磁力は集磁器に集束されてホール素子に導かれるため検出の困難性は解消されたが、なお次の問題点が残された。
１）．Ｘ方向とＹ方向の十字方向に磁気センサ素子を配置する場合、プリント基板の同一面内にＸ方向とＹ方向の磁気センサを配置できず、プリント基板の上下に配置する形状となり、羅針盤内の磁石からそれぞれの磁気センサ素子までの距離が変わるため信号処理部(電気回路)の増幅率が異なり、温度特性などの安定性が欠ける。
またプリント基板の上下面に配置される信号処理部（電気回路）の増幅率が異なるため、上下逆（片方向のみ)に取り付けて使用することが出来ない。
２）．プリント基板の同一面に集磁器をＸ方向，Ｙ方向の２方向配置する場合、集磁器の磁性体により羅針盤内液体の浮力により浮いて自在に回転（地磁気方向に）する磁石の磁力線が崩れ、磁石と集磁器の間で吸引力が働き、地磁気の方向とは異なる力が働き、磁石が正しい位置から回転し、大きな検出誤差を発生する。
また、羅針盤の周辺に鉄など磁性金属があると、その磁性体により磁力線が歪められ、大きな検出誤差が発生する。これらにより羅針盤の方位が狂い信頼性に欠ける。
この発明は上記問題点に着目してなされたものであって、弱い磁力に対して検出することができ、信号処理部（電気回路）の増幅率を上げることなく、集磁器の影響や周囲の磁性金属などの影響を受けずに、羅針盤の方位が狂わない高信頼性の、しかも簡単、安価に実現し得る方位検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の方位検出器は、上記課題を解決するために、各々の両側にそれぞれ集磁器を
配置した第１と第２の磁気センサ素子を、互いに直交し、かつ四辺形の相隣る二辺となる位置に配置し、前記四辺形の他の相隣る二辺に、前記第１と第２の磁気センサ素子の両側に設けた集磁器にバランスさせた集磁器を設け、前記第１と第２の磁気センサ素子からの電気信号により方位を求めることを特徴とする。
【０００６】
この発明の方位検出器では、磁気センサとして、フラックスゲートなどを使用することなく磁気センサ素子を使用するので、構成が簡単で安価な方位検出器を実現できる。また、それぞれの磁気検出面の両側に集磁器を配置した第１と第２の磁気センサ素子を、四辺形の相隣る２辺に互いに直行するように設置するとともに他の四辺の相隣る２辺にバランス用の集磁器を設置するので、それぞれ近傍を通過する羅針盤内磁石の磁力線は常にバランスをもって集磁器に集束されるので、集磁器の影響や周囲の磁性金属の存在などに乱されることなく、方位を正しく検出できる。
この発明の方位検出器において、集磁器は、棒状の磁性体からなるものを使用することが望ましい。
また、この発明の方位検出器において、集磁器は、保持力が小さく、かつ透磁率が高い磁性材を使用することが望ましく、純鉄、珪素鉄、フェライト、パーマロイ、アモルファス等を使用すると良い。
また、この発明の方位検出器において、磁気センサ素子は、ホール素子、磁気抵抗素子等が使用される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、磁気センサ素子としてホール素子を用い、かつホール素子への羅針盤内磁石の磁力を集磁器により集束するので、簡単かつ安価な構成で、極めて低い磁界を検出できる。
また、集磁器を、磁気センサ素子を配置する四辺形の相隣る２辺以外の他の相隣る２辺にも設けるので、羅針盤内磁石は集磁器の影響を受けることなく、方位を正しく検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の一実施形態に係る方位検出器の設置状態を示す概略図である。
【図２】同実施形態方位検出器に使用される磁気検出用のホール素子を示す外観斜視図である。
【図３】同実施形態方位検出器のホール素子を含む磁気検出素子の回路構成を示す回路図である。
【図４】同実施形態方位検出器のホール素子と集磁器の配置状態を示す平面図である。
【図５】同実施形態方位検出器において、羅針盤を回転させた場合の２つの磁気センサ素子の出力変化を示す図である。
【図６】同実施形態方位検出器の集磁器装着前のプリント基板の表面図である。
【図７】同実施形態方位検出器の集磁器装着前のプリント基板の裏面図である。
【図８】同実施形態方位検出器の集磁器装着後のプリント基板の表面図である。
【図９】同実施形態方位検出器の概略回路構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の方位検出器に使用されているフラックスゲートの概略構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る方位検出器の設置状態を示す概略図である。ここで示す方位検出器１１は、羅針盤１２の外容器１３の上端部より中心を通り橋設される支持板１４上に設置されている。船の自動操舵のための方位検出に使用される場合には、支持板１４が船の一定方向に固定されるように羅針盤１２が設置される。
羅針盤１２内の液体の浮力により浮かせて設けられる磁石１５が地磁気の磁力線に吸引され、磁石１５のＮ極が地磁気のＳ極に、磁石１５のＳ極が地磁気のＮ極を指すように船の船首方向の変化に応じて磁石１５が自在に回転する。
このように、羅針盤１２に方位検出器１１を設けること自体は、従来の方位検出器と特に変わるところはない。また、この実施形態方位検出器１１においても、図１０に示す方位検出器と同様のＸ方向磁気センサ素子とＹ方向磁気センサ素子とを備え、磁石１５による磁気をＸ方向磁器センサ素子とＹ方向磁気センサ素子とで検出し，Ｘ方向磁気センサ素子とＹ方向磁気センサ素子の出力から磁石１５のＮ極／Ｓ極方向、つまり地磁気方向に対する船の進行方向である方位を検出する。
この実施形態方位検出器の特徴は、磁気センサとしてフラックスゲートなどのように励磁コイル、検出コイルなどを有するものではなく、入力磁気に応じた電気信号を検出する磁気センサ素子、例えばホール素子Ｓ１を用い、かつ、このホール素子Ｓ１の両側に羅針盤内磁石の地磁気の磁力線をホール素子に誘導する集磁器２１ａ、２１ｂを備えたことである。ここで使用する磁気センサ素子は、ホール素子に代え、磁気抵抗素子など、他の磁気センサ素子であっても良い。
この実施形態方位検出器１１に使用するＸ方向用の磁気センサ、Ｙ方向用の磁気センサは、いずれも図２に示すように磁気センサチップ素子としてホール素子Ｓ1を使用し、このホール素子Ｓ１の両側に棒状の集磁器２１ａ，２１ｂが配置されている。
この磁気センサ素子としてホール素子Ｓ１を用いた磁気センサの回路２０を図３に示す。この回路において、電源Ｖｃｃは抵抗Ｒ１を介してホール素子Ｓ１のプラス電源側に接続され、電源Ｖｅｅは、抵抗Ｒ２を介してホール素子Ｓ１のマイナス電源側に接続されている。またホール素子Ｓ１のプラス電圧出力端子は抵抗Ｒ４を介して増幅器ＩＣ１の＋入力端子に接続され、ホール素子Ｓ１のマイナス電圧出力端子は抵抗Ｒ３を介して増幅器ＩＣ１の入力端子に接続されている。
また、電源Ｖｃｃ−Ｖｅｅ間に可変抵抗ＶＲ１が接続され、この可変抵抗ＶＲ１の可変端子が抵抗Ｒ６を介して増幅器ＩＣ１の＋入力端子に接続されている。増幅器ＩＣ１の−入力端子と出力端子ＯＵＴ間に抵抗Ｒ５と可変抵抗ＶＲ２の直列回路が接続されている。
ホール素子Ｓ１に、例えばＮ極の磁気が印加されるとホール効果により、抵抗Ｒ４に接続された端子側にプラスの電圧が、抵抗Ｒ３に接続された端子側にマイナスの電圧が発生する。また逆にホール素子Ｓ１にＳ極が印加されると、Ｎ極の場合と逆極性の電圧が発生する。そして、このホール素子Ｓ１の出力電圧は抵抗Ｒ４，Ｒ３を介して増幅器ＩＣ１で増幅されて出力端子ＯＵＴより入力磁気に応じた電圧が出力される。
この回路において、可変抵抗ＶＲ１は、増幅器ＩＣ１のオフセットやホール素子Ｓ１の不平衡電圧を調整するためのもので、磁気センサの検出方向が地磁気に対して直交、即ち検出面が東西に向いているとき、ホール素子Ｓ１に対し無磁気の状態となり、ホール素子Ｓ１の出力電圧が発生しないため、出力端子ＯＵＴの電圧値を任意のオフセット値に調整するためのものである。
又、可変抵抗ＶＲ２は、ホール素子Ｓ１の出力電圧のバラツキを増幅器ＩＣ１で増幅率を調整するためのもので、磁気センサの検出面が地磁気に対して平行、即ち検出面が南北に向いているとき、ホール素子Ｓ１の出力電圧が最大値又は最小値となるため、出力端子ＯＵＴの電圧値を任意でゲイン値に調整するためのものである。そのゲインの計算としては
Ｖｏｕｔ＝−Ｖｉｎ×（Ｒ５＋ＶＲ２）÷Ｒ３
となる。
この実施形態方位検出器では、図３の磁気センサ２０の回路を２個、Ｘ方向検出用，Ｙ方向検出用として羅針盤１２の中心Ｏに対し、磁気センサの検出方向が同一面内にて直交するように配置する。この場合のＸ方向検出用としてのホール素子Ｓ１ｘ、及び集磁器２１ａｘ，２１ｂｘと，Ｙ方向検出用としてのホール素子Ｓ１ｙ、及び集磁器２１ａｙ，２１ｂｙとを、図４に示すようにプリント基板２３上で、９０度、つまり各々が四辺形の相隣る２辺に位置する直交方向に配置する。
また、ホール素子Ｓ１ｘ，Ｓ１ｙの近傍の集磁器２１ａｘ、２１ｂｘ、２１ａｙ、２１ｙの磁性体により磁力バランスが崩れないように、集磁器２１ａｘ、２１ｂｘ、と集磁器２１ａｙ，２１ｂｙを四辺形の相隣る２辺に設けるに対し、四辺形の他の相隣る２辺に集磁器２２ａｘ，２２ｂｘ、２２ａｙ，２２ｂｙを配置する。集磁器２１ａｘ，２１ｂｘ，２１ａｙ，２１ｂｙ、２２ａｘ，２２ｂｘ、２２ａｙ，２２ｂｙは、いずれも円柱状の棒で同じ径、長さのものを使用している。また、これら集磁器は、保持力が小さく、かつ透磁率の高い磁性材使用するのが望ましく、純鉄、珪素鉄、フェライト、パーマロイ、アモルファス等を使用すると良い。
図４には図示していないが、集磁器を装着前のホール素子、回路素子を実装したプリント基板の表面図を図６に、又その裏面図を図７に、さらに集磁器を装着したプリント基板の表面図を図８に、それぞれ示すように増幅器ＩＣ１、可変抵抗器ＶＲ１，ＶＲ２、及び抵抗Ｒ１〜Ｒ６は、プリント基板２３の表裏に実装されている。また、集磁器２１ａｘ，２１ｂｘ、・・・、２２ｂｙは、プリント基板２３上に装着した四辺形状の枠板２３ａに固定されている。
この実施形態方位検出器は、回路ブロック図を図９に示すように、上記した特徴あるＸ方向磁気センサ２０ｘ及びＹ方向磁気センサ２０ｙと、このＸ方向磁気センサ２０ｘ及びＹ方向磁気センサ２０ｙの出力を増幅する増幅器２４ｘ、２４ｙと、増幅器２４ｘ、２４ｙの出力をデジタルデータに変換して出力するＡ／Ｄコンバータ２５ｘ，２５ｙと、これらＡ／Ｄコンバータ２５ｘ，２５ｙからのデータを取込み、方位を求める演算を行う演算器（マイクロコンピュータ）２６と、検出データ・演算データを記憶する記憶部（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２７を備える。
以上の実施形態方位検出器において、羅針盤１１を回転させた場合、方位検出器の直交に配置した一方の磁気センサ２０ｘより、増幅器２４ｘを経て、その出力端子には正弦（以下ｓｉｎθ）波形の電圧が出力され、他方の磁気センサ２０ｙより、増幅器２４ｙを経て。その出力端子には、電気角９０度の位相差で余弦（以下ｃｏｓθ）波形の電圧が出力される。これら出力波形を図５に示す。
両磁気センサ２０ｘ，２０ｙおよび両増幅器２４ｘ、２４ｙを経ての両出力ｓｉｎθ，ｃｏｓθをＡ／Ｄコンバータ２５ｘ，２５ｙに入力することにより、デジタル化したｓｉｎθ（以下Ｄｓｉｎθ）とｃｏｓθ（以下Ｄｃｏｓθ）の電圧がＡ／Ｄコンバータ２５ｘ、２５ｙから出力され、出力されたＤｓｉｎθとＤｃｏｓθを演算器２６に入力することにより、種々の計算を行うことが出来る。
演算器２６において、ＤｓｉｎθをＤｃｏｓθで割ることによりデジタル化された正接（以下Ｄｔａｎθ）のデータを演算することが出来る。また、ＤｃｏｓθをＤｓｉｎθで割ることによりデジタル化された逆正接（以下Ｄｔａｎ―１θ）のデータを演算することができる。
演算器２５にてＤｔａｎθのデータが±１以上であればＤｔａｎ―１θのデータに切り替え、同様にＤｔａｎ―１θのデータの±１以上であれば、Ｄｔａｎθのデータに切り替えることにより、３６０度連続したデータを得ることができる。
羅針盤１２を３６０度回転した場合、磁気センサ２０ｘ，２０ｙにより出力されたＤｓｉｎθ，Ｄｃｏｓθ、及びＤｔａｎθ，Ｄｔａｎ―１θのデータにより絶対角度が検出でき、方位を検出することが可能である。
また記憶部２７に検出データを記憶させ、この記憶データを活用して演算することにより、絶対角度の０度をどの位置にすることもできる。
なお、上記実施形態においては、羅針盤に設置し、羅針盤内磁石により磁気を検出して方位を検出する方位検出器について説明したが、この発明は地磁気を直接検出して方位を検出する方位検出器にも適用できる。
【符号の説明】
【００１０】
１１ 方位検出器
１２ 羅針盤
１５ 羅針盤の磁石
Ｓ１ｘ Ｘ方向用ホール素子
Ｓ１ｙ Ｙ方向用ホール素子
２１ａｘ，２１ｂｘ 、２１ａｙ、２１ｂｙ
素子用集磁器
２２ａｘ，２２ｂｘ、２２ａｙ、２２ｂｙ
バランス用集磁器
２３ プリント基板
２３ａ 集磁器装着用枠板
２４ｘ，２４ｙ 増幅器
２５ｘ，２５ｙ Ａ／Ｄコンバータ
２６ 演算器
２７ 記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の両側にそれぞれ集磁器を配置した第１と第２の磁気センサ素子を、互いに直交し、かつ四辺形の相隣る２辺となる位置に配置し、
前記四辺形の他の相隣る２辺に、前記第１と第２の磁気センサ素子の両側に設けた集磁器にバランスさせた集磁器を設け、
前記第１と第２の磁気センサ素子からの電気信号により方位を求めることを特徴とする方位検出器。
【請求項２】
前記集磁器は棒状の磁性材からなることを特徴とする請求項１記載の方位検出器。
【請求項３】
前記集磁器は、保持力が小さく，透磁率が高い磁性材を使用することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の方位検出器。
【請求項４】
前記磁気センサ素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項１記載の方位検出器。
【請求項５】
前記磁気センサ素子は、磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１記載の方位検出器。
【請求項１】
各々の両側にそれぞれ集磁器を配置した第１と第２の磁気センサ素子を、互いに直交し、かつ四辺形の相隣る２辺となる位置に配置し、
前記四辺形の他の相隣る２辺に、前記第１と第２の磁気センサ素子の両側に設けた集磁器にバランスさせた集磁器を設け、
前記第１と第２の磁気センサ素子からの電気信号により方位を求めることを特徴とする方位検出器。
【請求項２】
前記集磁器は棒状の磁性材からなることを特徴とする請求項１記載の方位検出器。
【請求項３】
前記集磁器は、保持力が小さく，透磁率が高い磁性材を使用することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の方位検出器。
【請求項４】
前記磁気センサ素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項１記載の方位検出器。
【請求項５】
前記磁気センサ素子は、磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１記載の方位検出器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２３０６０３（Ｐ２０１０−２３０６０３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８０７６２（Ｐ２００９−８０７６２）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（５９１０７５９５１）センサテック株式会社 (20)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（５９１０７５９５１）センサテック株式会社 (20)
【Ｆターム（参考）】
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