３軸磁気センサ、全方位磁気センサおよびそれらを用いた方位測定方法
【課題】 携帯電話に地磁気センサを組み込むと、利用者の姿勢や持ち方により、地磁気センサが傾斜し、正確な方位の測定ができない。
【解決手段】 基板を本体として形成され、基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出するフラックスゲート型磁気センサ１００と、磁気ベクトルの基板とは垂直な方向の成分を検出するホール素子２４と、基板の傾斜角を検出する傾斜センサ２２と、ＣＰＵ２０とを含み、ハイブリッドＩＣとして一体に構成されたハイブリッド磁気センサ２００を提供する。検出される３次元の磁気ベクトルは、基板の傾斜を考慮して補正されるので、地磁気の正確な方位を算出することができる。
【解決手段】 基板を本体として形成され、基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出するフラックスゲート型磁気センサ１００と、磁気ベクトルの基板とは垂直な方向の成分を検出するホール素子２４と、基板の傾斜角を検出する傾斜センサ２２と、ＣＰＵ２０とを含み、ハイブリッドＩＣとして一体に構成されたハイブリッド磁気センサ２００を提供する。検出される３次元の磁気ベクトルは、基板の傾斜を考慮して補正されるので、地磁気の正確な方位を算出することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気の測定技術に関する。特に本発明は、方位算出の誤差を補正することのできる地磁気センサ及び方位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地磁気センサは、観測地点の方位を測定するために用いられる。地磁気センサは観測地点において水平面上に設置され、水平面上の地磁気ベクトルの２軸成分を検出する。地磁気センサが検出する２軸成分から磁方位が算出される。地磁気センサは自動車のナビゲーションシステムにも用いられており、着磁による影響を補正するためあらかじめキャリブレーションが行われた後、出荷されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、地図情報を携帯電話や携帯端末に表示する用途が広がっている。この状況に鑑み、本出願人は、まず地磁気センサを携帯電話や携帯端末などの携帯機器へ組み込むことを想定し、その実現を検討する段階で以下の課題を認識するに至った。すなわち、所持者が携帯機器をもつときの姿勢や持ち方によって携帯機器はあらゆる方向を向きうるのであって、また携帯機器の方向は一定には定まらず絶えず変化する。したがって携帯機器に搭載される地磁気センサは水平位置に対してあらゆる傾斜角をもって傾斜し、その傾斜角は絶えず変動する。したがってこのような使用環境においては、着磁による影響や、姿勢や持ち方の変化による影響をリアルタイムに排除し、地磁気ベクトルの検出信号を自動的に補正することが必要となる。
【０００４】
本出願人は以上の認識に基づき本発明をなしたもので、その目的は、小型で着磁や傾斜に対する補正が自動的に行える地磁気センサ及びその地磁気センサを用いた方位測定方法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】
本出願人は、特願２０００−１０４６８９号において、２軸磁気センサを組み込んだ携帯端末装置を提案し、携帯端末装置の方位に、携帯端末装置に表示される地図の方位を合わせて地図を加工できる位置情報表示システムを提案している。本出願人はさらに、システムの利便性を高めるために、磁気センサに傾斜センサを組み込み、傾斜に対する補正が自動的に行える全方位磁気センサを提案するものである。
【０００６】
本発明のある態様は、３軸磁気センサに関する。３軸磁気センサは、２軸磁気センサと磁気検出素子とをハイブリッドＩＣとして一体に構成したものである。２軸磁気センサは、基板を本体として形成され、前記基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する。磁気検出素子は、前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する。これにより、３軸磁気センサは地磁気の磁気ベクトルを３軸成分を検出することが可能となる。磁気検出素子として、ホール効果によって磁気を検出するホール素子などの磁気感応素子、または強磁性体の磁化に伴い電気抵抗が変化する現象によって磁気を検出するＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
【０００７】
２軸磁気センサは、磁気ベクトルの２軸成分を検出するためのコイルパターンが、積層される基板にわたって形成されてなるものであってもよい。２軸磁気センサは、アモルファスリングコイルを核として、前記基板と平行な平面のＸ軸方向の磁界成分を検出するコイル基板と、前記平面のＹ軸方向の磁界成分を検出するコイル基板とを励磁用のコイル基板の外面に積層してなるものフラックスゲート型磁気センサであってもよい。
【０００８】
２軸磁気センサと磁気検出素子とを一体化する実装形態として、２軸磁気センサが形成される基板は磁気検出素子から出力される検出信号を伝達するためのパターンを有し、磁気検出素子が基板上に実装されたとき、前記検出信号が前記パターンを介して基板に直接導入されるようにしてもよい。
【０００９】
前記２軸磁気センサと前記磁気検出素子の出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、検出された磁気の強度を算出し、前記２軸磁気センサが検出する磁気ベクトルの２軸成分の補正を行ってもよい。この信号処理部は、当該３軸磁気センサに一体化されて基板に形成されてもよく、または当該３軸磁気センサの外部にあって、出力信号を受け取り、所定の信号処理を行ってもよい。
【００１０】
本発明の別の態様は、全方位磁気センサに関する。全方位磁気センサは、基板上に形成され、３次元の磁気ベクトルを検出する３軸磁気センサと、前記基板の傾斜角を検出する傾斜センサとをハイブリッドＩＣとして一体に構成したものである。「基板上に形成される」とは、たとえば、３軸磁気センサの少なくとも一部の構成要素が基板を本体として形成され、３軸磁気センサの他の構成要素が基板の外側に装着される場合や、３軸磁気センサの全部の構成が基板を本体として形成される場合などを含む。一例として、基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する２軸磁気センサが、基板を本体として形成されて、前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する磁気検出素子が、基板上に形成されたパターンに接続される形で装着されてもよい。
【００１１】
傾斜センサは、前記基板と平行な平面に規定されるｘ軸方向の傾斜角とｙ軸方向の傾斜角を検出してもよい。傾斜センサは、３軸方向の傾斜による変位を検出してもよい。このような傾斜センサは、２軸方向または３軸方向の変位を検出する加速度センサまたは角速度センサであってもよい。
【００１２】
前記基板は前記傾斜センサから出力される検出信号を伝達するためのパターンを有し、前記傾斜センサが前記基板上に実装されたとき、前記検出信号が前記パターンを介して前記基板に直接導入されるようにしてもよい。
【００１３】
前記基板から外に向けて延びる形にて、その基板に装着されるフィルム基板をさらに含み、前記傾斜センサを前記フィルム基板の上に実装し、前記フィルム基板を前記基板の方へ折り返し、全体を固着して形成してもよい。
【００１４】
前記３軸磁気センサは、前記基板を本体として形成され、前記基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する２軸磁気センサと、前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する磁気検出素子とを含んでもよい。前記磁気検出素子は、前記フィルム基板の上に実装してもよい。前記フィルム基板の上に素子を実装する方式は、フリップチップ方式であってもよい。
【００１５】
前記３軸磁気センサと前記傾斜センサの出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、前記３軸磁気センサが検出する３次元の磁気ベクトルと前記傾斜センサが検出する傾斜角に基づいて、水平磁界成分を算出してもよい。前記信号処理部は、前記傾斜センサが検出する３軸方向の傾斜による変位に基づいて、前記傾斜角の補正を行い、前記３軸磁気センサが検出する３次元の磁気ベクトルと補正された前記傾斜角に基づいて、水平磁界成分を算出してもよい。前記信号処理部は、前記３次元の磁気ベクトルから計算される磁気の強度に基づいて、前記水平磁界線分の補正を行ってもよい。
【００１６】
本発明の別の態様は、方位測定方法に関する。方位測定方法は、３次元の磁気ベクトルの検出信号を受け取る過程と、前記磁気ベクトルを規定する３次元座標が地平面となす傾斜角の検出信号を受け取る過程と、前記３次元の磁気ベクトルから計算される磁界強度を用いて、３次元の磁気ベクトルの検出信号を補正する過程と、補正された前記３次元の磁気ベクトルを前記傾斜角に基づいて座標変換し、水平磁界成分を算出する過程とを含む。前記傾斜角の検出信号を受け取る過程において、重力の３軸成分を検出して、前記傾斜角の検出信号を補正してもよい。前記水平磁界成分に基づいて方位角を算出する過程をさらに含んでもよい。
【００１７】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明を方法、センサ、システムなどとして表現したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、傾斜による影響を排除する補正を行い、地磁気の方位を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第１の実施の形態を説明する。図１から図３を用いて、第１の実施の形態に係る全方位磁気センサの構成を説明する。図１において、全方位磁気センサに用いられる２軸磁気センサの構成を説明し、図２において、全方位磁気センサに用いられる傾斜センサの構成を説明し、図３において、全方位磁気センサ全体の構成を示す。
【００２０】
図１は、２軸地磁気センサの一例であるフラックスゲート型磁気センサ１００の分解説明図である。フラックスゲート型磁気センサ１００は、特開平９−４３３２２号公報および特開平１１−１１８８９２号公報に開示されるフラックスゲート型の磁気センサであり、リング状のアモルファスコアによって形成されたリングコア９を核として、その上下面に、励磁コイルパターン１２がエッチングされた励磁コイル用基板８、Ｙコイルパターン１１がエッチングされたＹ軸方向磁界検出コイル基板７、Ｘコイルパターン１０がエッチングされたＸ軸方向磁界検出コイル基板６が、同図に示された順に積層されてなる。
【００２１】
図２は、傾斜センサ２２の原理説明図である。重錘体３４を圧電素子の一例であるピエゾ素子３２Ａ〜Ｄによって筐体３０から支える構造であり、重錘体３４の変位をピエゾ素子３２Ａ〜Ｄが検出することにより、傾斜を測定することができる。
【００２２】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、全方位磁気センサの一例であるハイブリッド磁気センサ２００の構成図である。図３（Ａ）に、ハイブリッド磁気センサ２００の上面図、図３（Ｂ）に、ハイブリッド磁気センサ２００の断面図を示す。ハイブリッド磁気センサ２００は、フラックスゲート型磁気センサ１００を基板として、その基板に形成されたパターン上に演算処理部としてのＣＰＵ２０、傾斜センサ２２、及び磁気検出素子の一例としてのホール素子２４がボンディング２８により装着され、シリコン樹脂２６で全体を固め、ハイブリッド型に一体化したものである。傾斜センサ２２とホール素子２４が出力する検出信号がパターンを介して基板に直接に導入され、ＣＰＵ２０はフラックスゲート型磁気センサ１００が出力する検出信号とともに、傾斜センサ２２とホール素子２４の検出信号を受け取り、後述の補正計算を行い、補正された信号を出力することができるように構成される。ホール素子２４は基板とは垂直な方向の磁気成分を検出する。フラックスゲート型磁気センサ１００とホール素子２４の組み合わせにより３次元の磁気ベクトルを検出可能な３軸磁気センサが構成される。磁気検出素子として、ホール素子２４などの磁気感応素子を用いてもよく、ＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
【００２３】
図４は、他の製造工程で実現されるハイブリッド磁気センサ２００の概略図である。フラックスゲート型磁気センサ１００の端部にフィルム基板４０Ａ〜Ｃが装着され、フィルム基板４０Ａ〜Ｃに形成されたパターンにＣＰＵ２０、傾斜センサ２２、およびホール素子２４が実装される。フィルム基板４０Ａ〜Ｃはフラックスゲート型磁気センサ１００の方へ折り畳まれて、全体が固着される。フィルム基板４０Ａ〜Ｃ上への素子の配置は設計の自由度があり、ＣＰＵ２０、傾斜センサ２２、およびホール素子２４を含む素子をいずれのフィルム基板４０Ａ〜Ｃ上に実装してもよく、フィルム基板４０Ａ〜Ｃのすべてを用いる必要はなく、少なくとも１つのフィルム基板にそれらの素子を実装してもよい。このようにフィルム基板を用いてハイブリッド磁気センサ２００を形成した場合、ボンディングがない分、厚さを減らすことができる。
【００２４】
図３、図４のいずれの構成によっても、ハイブリッド磁気センサ２００は、２次元平面における２軸の磁気成分を検出する２軸磁気センサが実装される基板上に、基板とは垂直な方向の磁気成分を検出する磁気検出素子と、基板の傾斜を検出する傾斜センサが一体化して実装されるハイブリッドＩＣ型の構成であり、複数のセンサの融合による小型化が図られている。
【００２５】
図５は、ハイブリッド磁気センサ２００の機能構成図である。フラックスゲート型磁気センサ１００から基板の平面で規定される２次元座標軸におけるＸ軸、Ｙ軸方向の磁界成分ｘ、ｙが出力される。ホール素子２４から基板の平面とは垂直な方向のＺ軸方向の磁界成分ｚが出力される。傾斜センサ２２からは、Ｘ軸方向の傾斜角α（以下「ピッチ角」ともいう）、Ｙ軸方向の傾斜角β（以下「ロール角」ともいう）が出力される。
【００２６】
ハイブリッド磁気センサ２００は携帯電話などに内蔵され、ユーザは携帯電話を自由な角度で手に持って使用する。そのような状況下では、水平磁界がフラックスゲート型磁気センサ１００に入射する角度、すなわち地磁気の仰角の違いが検知感度に著しい影響を与える。そこで、ハイブリッド磁気センサ２００の基板の傾斜を求め、水平面に座標変換して、水平時の磁気ベクトルを求める。
【００２７】
ＣＰＵ２０は、座標変換部２０２と方位角算出部２０４とを有する。座標変換部２０２は、磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）と、ピッチ角α、ロール角βに基づいて、傾斜による影響を排除する補正計算を行い、ハイブリッド磁気センサ２００の基板が地平面に対して水平に置かれた場合に検出される水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を算出する。方位角算出部２０４は、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を入力し、地磁気の方位角θを算出する。方位角算出部２０４はさらに地磁気の伏角φを算出してもよい。
【００２８】
図６は、ハイブリッド磁気センサ２００のＣＰＵ２０が行う補正計算のフローチャートである。座標変換部２０２は、傾斜センサ２２からピッチ角αとロール角βを取得し（Ｓ１０）、フラックスゲート型磁気センサ１００から磁気ベクトルのＸ軸方向、Ｙ軸方向の成分ｘ、ｙ、およびホール素子２４から磁気ベクトルのＺ軸方向の成分ｚを取得する（Ｓ１２）。座標変換部２０２は、ハイブリッド磁気センサ２００の基板が地平面に対して水平に置かれた場合の水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を求める（Ｓ１４）。具体的な補正計算は次のように行う。
【００２９】
ハイブリッド磁気センサ２００の基板が水平時の空間座標系のＸ軸回りにα、Ｙ軸回りにβだけ傾斜しているときの磁気ベクトルが（ｘ，ｙ，ｚ）であるから、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）は、磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）を次式のようにＹ軸回りに−β、Ｘ軸回りに−αだけ回転させることにより得られる。
【００３０】
【数１】
これより、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）は、
【数２】
と求められる。
【００３１】
方位角算出部２０４は、座標変換後の磁気ベクトルのＸ軸成分ｘｈ、Ｙ軸成分ｙｈから、地磁気の方位角θを次式により求める（Ｓ１６）。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｙｈ／ｘｈ） （３）
方位角算出部２０４は、さらに地磁気の伏角、すなわち地磁気ベクトルと水平磁界ベクトル（ｘｈ，ｙｈ）とのなす角φを次式により求めてもよい。
φ＝ａｒｃｃｏｓ（Ｈ／ｒ） （４）
ただし、Ｈは水平磁界ベクトル（ｘｈ，ｙｈ）の大きさであり、ｒは磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）の大きさ、すなわち磁界強度である。
【００３２】
磁界強度ｒは着磁等による地磁気の検出誤差を補正するために用いられる。一般に磁気センサは、磁気センサ自身の着磁による影響や、磁気センサが実装される装置が帯びる磁気の影響を受けるため、出力値の補正が必要である。特に、ハイブリッド磁気センサ２００は携帯電話や携帯端末に実装され、ユーザが持ち歩くため、都市部や交通網の発達している地域などで機器が磁界を帯びたり、鉄筋構造物の近辺で、相手の対象物が帯びた磁気を拾ってしまい、自然には発生しない動的な磁界が混在することがある。このような自然磁界以外の強磁界が磁気センサに入射し、飽和状態となり、地磁気の検出ができなくなることが起こる。
【００３３】
磁気センサの着磁等の影響を除くために、一般的には、使用場所においてキャリブレーションが行われている。磁気センサを水平に設置した状態で、鉛直方向、すなわちＺ軸の回りに３６０度回転させ、Ｘ軸方向の出力値と、Ｙ軸方向の出力値が作る円の中心点を求め、その中心点の座標値を補正のためのオフセットとして用いることが行われる。しかしながら、ハイブリッド磁気センサ２００は携帯電話や携帯端末等に内蔵され、ユーザが携帯して任意の場所で使用するものであるから、ユーザに使用の度にキャリブレーションを課するのは適当ではない。
【００３４】
そこで、測定された磁界強度ｒにより、着磁等の強磁界の影響をとらえ、強磁界のＸ軸成分、Ｙ軸成分をハイブリッド磁気センサ２００の出力値のオフセットとして用いて、強磁界の影響をキャンセルする。測定された磁界強度から強磁界を排除するために、初期磁界強度や検出される可能性のある磁界強度の範囲をあらかじめテーブルの形にてメモリに格納する。実際に測定された磁界強度とテーブルに格納されたデータとを相互補完して、自然磁界以外の磁界成分の影響をキャンセルして検出値の補正処理を行う。また設定された磁界強度の範囲を超える強磁界が検出された場合は、検出値を破棄し、測定を無効にしてもよい。
【００３５】
一般に、磁気センサは使用する度にキャリブレーションを行わないと正確な地磁気の強さと方位を求めることができないが、本実施形態のハイブリッド磁気センサ２００は、Ｚ軸方向の磁界成分を検出できるホール素子２４を備えたことにより、強磁界を検出することができ、ＣＰＵ２０にて補正処理により自然磁界を正確に算出することができる。したがって、ハイブリッド磁気センサ２００は、使用時に自動的なキャリブレーションを行ったことに相当する効果をもたらす。これはハイブリッド磁気センサ２００を携帯機器に内蔵する上で非常に有利である。
【００３６】
本発明の第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態では、ハイブリッド磁気センサ２００の傾斜を検出するために、Ｘ軸回り、Ｙ軸回りの傾斜角を検出する２軸の傾斜センサ２２を用いた。第２の実施形態では、さらにＺ軸回りの傾斜角も検出できる３軸の傾斜センサを設けた点が第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００３７】
第１の実施の形態では、３軸の磁気センサを用いて着磁等による強磁界を測定することにより、自動的なキャリブレーションを可能にした。第２の実施の形態では、傾斜センサについても自動的なキャリブレーションを可能とするために、３軸の傾斜センサが用いられる。
【００３８】
第２の実施の形態で用いる３軸の傾斜センサは、第１の実施形態で説明した図２の傾斜センサ２２と構成は同じであり、重力による重錘体３４の変位の３軸成分を検出する。これにより、ハイブリッド磁気センサ２００の基板とともに動く動座標系において重力ベクトル（ｇｘ，ｇｙ，ｇｚ）を得ることができる。したがって、ハイブリッド磁気センサ２００の基板の傾き、すなわち基板の法線方向と鉛直方向のなす角ψを知ることができる。この情報を用いて、傾斜センサのＸ軸、Ｙ軸の出力信号の補正を行う。得られた重力ベクトルが（０，０，ｇ）であり、Ｚ軸の出力信号がゼロなら、基板は水平であり、補正は不要である。
【００３９】
一般に、傾斜センサにおいても、傾斜角の正確な値を得るためには、傾斜センサを水平に設置した状態でキャリブレーションを行い、出力値の補正をする必要がある。２軸の傾斜センサでは、Ｘ軸、Ｙ軸の出力値しか得られないため、傾斜センサ自体が傾いているかどうかがわからないため、水平状態でのキャリブレーションが必要となる。３軸の傾斜センサを用いたことにより、Ｚ軸の出力信号を得ることができ、Ｚ軸の出力信号をリファレンスに用いてＸ軸、Ｙ軸回りの傾斜角の補正が可能である。これにより、水平に設置した状態で使用前に行うキャリブレーションが不要となり、使用時に自動的なキャリブレーションを行ったことに相当する効果をもたらす。
【００４０】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図７は、第３の実施の形態に係るハイブリッド磁気センサ２００の上面図である。フラックスゲート型磁気センサ１００を基板として上部にＣＰＵ２０、傾斜センサ２３、およびホール素子２４が実装される。本実施形態の傾斜センサ２３は、第１の実施の形態で説明した図２の傾斜センサ２２と同じ構成であるが、柔軟性のあるゲルシリコン５０で覆われ、外気圧とセンサ内の内圧との差により、外気圧も検出できる点が異なる。ハイブリッド磁気センサ２００の他の構成は第１の実施の形態で説明した図３と同じであり、傾斜センサ２２を除いて全体がシリコン樹脂２６で固められる。このように実装されたハイブリッド磁気センサ２００は、観測地点の方位とともに、外気圧から高度を計測することができる。
【００４１】
次に、本発明の第４の実施の形態として、第１から第３の実施の形態のいずれかのハイブリッド磁気センサ２００を用いた方位測定システムを説明する。図８は、第４の実施形態の方位測定システムの説明図である。携帯電話１１０は、ハイブリッド磁気センサ２００と、ＧＰＳ受信部１０２を内蔵する。携帯電話１１０は、複数のＧＰＳ衛星１１４から位置情報を受信する。位置情報は観測地点の緯度、経度を含む。携帯電話１１０は受信した位置情報を地上局１１２に送信する。地上局１１２は、サーバ１１６と、地図データ１１８と、ＧＰＳアンテナ１２０とを有する。地上局１１２の緯度、経度は正確にわかっており、サーバ１１６は、地上局１１２の既知の緯度、経度を参照データとして用い、ＧＰＳアンテナ１２０が複数のＧＰＳ衛星１１４から受信する位置情報を用いて、携帯電話１１０が送信する位置情報を補正し、正確な位置情報を携帯電話１１０へ送信する。またサーバ１１６は、携帯電話１１０が要求する現在位置の全磁力データを地図データ１１８から抽出して携帯電話１１０へ送信する。またサーバ１１６は、携帯電話１１０の現在位置に基づいて地図情報を地図データ１１８から抽出して携帯電話１１０へ送信する。携帯電話１１０はハイブリッド磁気センサ２００により測定した地磁気の方位に基づいて、地図情報を加工して表示する。
【００４２】
図９は、携帯電話１１０の機能構成図である。携帯電話１１０の通話機能などは省略し、本発明の方位測定技術に関わる機能を図示する。携帯電話１１０は、ＧＰＳ衛星１１４からＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部１０２と、地上局１１２から全磁力データを取得する全磁力取得部１０４と、ハイブリッド磁気センサ２００と、地図情報処理部２０６と、表示部２０８とを有する。ハイブリッド磁気センサ２００は、フラックスゲート型磁気センサ１００と、傾斜センサ２２と、座標変換部２０２と、方位角算出部２０４とを有する。
【００４３】
ＧＰＳ受信部１０２は観測地点の位置情報をＧＰＳ衛星１１４から受信し、全磁力取得部１０４は、ＧＰＳ受信部１０２が受信する位置情報を地上局１１２に送信して、地上局１１２から観測地点の全磁力ｒを受信する。全磁力取得部１０４は全磁力ｒを座標変換部２０２に入力する。フラックスゲート型磁気センサ１００が検出して出力する磁気ベクトルのＸ軸、Ｙ軸成分ｘ、ｙと、傾斜センサ２２が出力するピッチ角α、ロール角βが、座標変換部２０２に入力される。座標変換部２０２は、磁気ベクトルのＸ軸成分ｘ、Ｙ軸成分ｙ、全磁力ｒに基づいて、磁気ベクトルのＺ軸成分ｚを求め、ピッチ角αとロール角βを用いて、座標変換により、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ、ｙｈ、ｚｈ）を求める。方位角算出部２０４は水平時の磁気ベクトルに基づいて地磁気の方位角θを算出し、地図情報処理部２０６に出力する。
【００４４】
地図情報処理部２０６は、地上局１１２から受信した地図データを方位角θに基づいて加工し、表示部２０８は加工された地図データを画面に表示する。たとえば、地図情報処理部２０６は、測定された地磁気の方位角θに地図の方位を合わせて地図を回転させる。携帯電話１１０の画面には携帯電話１１０の所持者が向いている方位に合わされた地図が表示される。
【００４５】
図１０は、本実施形態の方位測定方法のフローチャートである。座標変換部２０２は、傾斜センサ２２からピッチ角α、ロール角βを取得し（Ｓ２０）、フラックスゲート型磁気センサ１００から磁気ベクトルのＸ軸成分ｘ、Ｙ軸成分ｙを取得する（Ｓ２２）。ＧＰＳ受信部１０２は現在位置情報を取得し（Ｓ２４）、全磁力取得部１０４は現在位置情報を地上局１１２のサーバ１１６へ送信し、サーバ１１６から現在位置の全磁力ｒを受信する（Ｓ２６）。座標変換部２０２は、全磁力ｒと磁気ベクトルのＸ軸成分ｘ、Ｙ軸成分ｙより磁気ベクトルのＺ軸成分ｚを次式により算出する（Ｓ２８）。
【数３】
座標変換部２０２は、ピッチ角αとロール角βを用いて、前述の（２）式の座標変換により、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ、ｙｈ、ｚｈ）を求める（Ｓ３０）。方位角算出部２０４は、座標変換後の磁気ベクトルのＸ軸成分ｘｈ、Ｙ軸成分ｙｈから前述の（３）式により方位角θを算出する（Ｓ３２）。
【００４６】
ハイブリッド磁気センサ２００として第３の実施の形態で説明した、図７の高度検出が可能なハイブリッド磁気センサ２００を用いて、観測地点の緯度、経度とともに観測地点の高度を地上局１１２のサーバ１１６へ送信してもよい。また、サーバ１１６が地域ごとに現在の気圧データを保持しており、携帯電話１１０に気圧データが提供され、気圧データを用いて、ハイブリッド磁気センサ２００が検出する高度の検出値の補正が行われてもよい。
【００４７】
また、上記の説明ではハイブリッド磁気センサ２００は、Ｚ軸方向の磁界成分を検出していないが、ホール素子２４を用いて、Ｚ軸方向の磁界成分を検出し、磁界強度を求め、サーバ１１６から得た全磁力ｒと比較して、着磁等による強磁界の影響を補正してもよい。
【００４８】
以上述べたように、上記の実施の形態に係るハイブリッド磁気センサ２００は、フラックスゲート型磁気センサ１００が基板を本体として形成され、基板にホール素子２４と傾斜センサ２２が実装されて一体化した構成であるため、小型化を図ることができる。
【００４９】
またハイブリッド磁気センサ２００は、傾斜に対する自動補正により、ハイブリッド磁気センサ２００がいかなる方向に傾斜しても、また傾斜角が一定に定まらない場合でも、傾斜による影響を排除するため自動で補正をかけることができ、携帯電話や携帯端末などの携帯機器に簡便に形成することができる。従来の磁気方位センサが振り子など機械的な水平保持機能でキャリブレーションを行っていたことと比べて、このように形成されたハイブリッド磁気センサ２００は、純電子式のため、応答性に優れ、機械的な接点がないため半永久的な使用が可能となり、また構造上全姿勢に対応させることが可能である。
【００５０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００５１】
そのような変形例を説明する。上記の説明では、ハイブリッド磁気センサ２００にＣＰＵ２０を設けたが、さらにメモリを設けて、補正用のテーブルを格納するようにしてもよい。また、ＣＰＵ２０やメモリをハイブリッド磁気センサ２００には実装せず、ハイブリッド磁気センサ２００が検出する信号を外部に取り出して、外部に設けられたマイクロコンピュータにより、補正などの計算処理を行ってもよい。また、上記の説明では、磁気センサと傾斜センサを同一基板にて一体化して形成したが、磁気センサと傾斜センサを一体化せずに別の基板上に設けて、両者の出力信号を一つのＣＰＵ２０で処理するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１の実施の形態に係る全方位磁気センサに用いられるフラックスゲート型磁気センサの分解説明図である。
【図２】全方位磁気センサに用いられる傾斜センサの原理説明図である。
【図３】全方位磁気センサの一例であるハイブリッド磁気センサの構成図である。
【図４】他の製造工程で実現されるハイブリッド磁気センサの概略図である。
【図５】ハイブリッド磁気センサの機能構成図である。
【図６】ハイブリッド磁気センサのＣＰＵが行う補正計算のフローチャートである。
【図７】第３の実施の形態に係るハイブリッド磁気センサの上面図である。
【図８】第４の実施の形態に係るハイブリッド磁気センサを用いた方位測定システムの説明図である。
【図９】ハイブリッド磁気センサを内蔵する携帯電話の機能構成図である。
【図１０】方位測定方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５３】
６ Ｘ軸方向磁界検出コイル基板、 ７ Ｙ軸方向磁界検出コイル基板、 ８ 励磁コイル用基板、 ９ リングコア、 １０ Ｘコイルパターン、 １１ Ｙコイルパターン、 １２ 励磁コイルパターン、 ２０ ＣＰＵ、 ２２，２３ 傾斜センサ、 ２４ ホール素子、 ２６ シリコン樹脂、 ３２ ピエゾ素子、 ４０ フィルム基板、 ５０ ゲルシリコン、 １００ フラックスゲート型磁気センサ、 １０２ ＧＰＳ受信部、 １０４ 全磁力取得部、 １１６ サーバ、 ２００ ハイブリッド磁気センサ、 ２０２ 座標変換部、 ２０４ 方位角算出部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気の測定技術に関する。特に本発明は、方位算出の誤差を補正することのできる地磁気センサ及び方位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地磁気センサは、観測地点の方位を測定するために用いられる。地磁気センサは観測地点において水平面上に設置され、水平面上の地磁気ベクトルの２軸成分を検出する。地磁気センサが検出する２軸成分から磁方位が算出される。地磁気センサは自動車のナビゲーションシステムにも用いられており、着磁による影響を補正するためあらかじめキャリブレーションが行われた後、出荷されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、地図情報を携帯電話や携帯端末に表示する用途が広がっている。この状況に鑑み、本出願人は、まず地磁気センサを携帯電話や携帯端末などの携帯機器へ組み込むことを想定し、その実現を検討する段階で以下の課題を認識するに至った。すなわち、所持者が携帯機器をもつときの姿勢や持ち方によって携帯機器はあらゆる方向を向きうるのであって、また携帯機器の方向は一定には定まらず絶えず変化する。したがって携帯機器に搭載される地磁気センサは水平位置に対してあらゆる傾斜角をもって傾斜し、その傾斜角は絶えず変動する。したがってこのような使用環境においては、着磁による影響や、姿勢や持ち方の変化による影響をリアルタイムに排除し、地磁気ベクトルの検出信号を自動的に補正することが必要となる。
【０００４】
本出願人は以上の認識に基づき本発明をなしたもので、その目的は、小型で着磁や傾斜に対する補正が自動的に行える地磁気センサ及びその地磁気センサを用いた方位測定方法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】
本出願人は、特願２０００−１０４６８９号において、２軸磁気センサを組み込んだ携帯端末装置を提案し、携帯端末装置の方位に、携帯端末装置に表示される地図の方位を合わせて地図を加工できる位置情報表示システムを提案している。本出願人はさらに、システムの利便性を高めるために、磁気センサに傾斜センサを組み込み、傾斜に対する補正が自動的に行える全方位磁気センサを提案するものである。
【０００６】
本発明のある態様は、３軸磁気センサに関する。３軸磁気センサは、２軸磁気センサと磁気検出素子とをハイブリッドＩＣとして一体に構成したものである。２軸磁気センサは、基板を本体として形成され、前記基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する。磁気検出素子は、前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する。これにより、３軸磁気センサは地磁気の磁気ベクトルを３軸成分を検出することが可能となる。磁気検出素子として、ホール効果によって磁気を検出するホール素子などの磁気感応素子、または強磁性体の磁化に伴い電気抵抗が変化する現象によって磁気を検出するＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
【０００７】
２軸磁気センサは、磁気ベクトルの２軸成分を検出するためのコイルパターンが、積層される基板にわたって形成されてなるものであってもよい。２軸磁気センサは、アモルファスリングコイルを核として、前記基板と平行な平面のＸ軸方向の磁界成分を検出するコイル基板と、前記平面のＹ軸方向の磁界成分を検出するコイル基板とを励磁用のコイル基板の外面に積層してなるものフラックスゲート型磁気センサであってもよい。
【０００８】
２軸磁気センサと磁気検出素子とを一体化する実装形態として、２軸磁気センサが形成される基板は磁気検出素子から出力される検出信号を伝達するためのパターンを有し、磁気検出素子が基板上に実装されたとき、前記検出信号が前記パターンを介して基板に直接導入されるようにしてもよい。
【０００９】
前記２軸磁気センサと前記磁気検出素子の出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、検出された磁気の強度を算出し、前記２軸磁気センサが検出する磁気ベクトルの２軸成分の補正を行ってもよい。この信号処理部は、当該３軸磁気センサに一体化されて基板に形成されてもよく、または当該３軸磁気センサの外部にあって、出力信号を受け取り、所定の信号処理を行ってもよい。
【００１０】
本発明の別の態様は、全方位磁気センサに関する。全方位磁気センサは、基板上に形成され、３次元の磁気ベクトルを検出する３軸磁気センサと、前記基板の傾斜角を検出する傾斜センサとをハイブリッドＩＣとして一体に構成したものである。「基板上に形成される」とは、たとえば、３軸磁気センサの少なくとも一部の構成要素が基板を本体として形成され、３軸磁気センサの他の構成要素が基板の外側に装着される場合や、３軸磁気センサの全部の構成が基板を本体として形成される場合などを含む。一例として、基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する２軸磁気センサが、基板を本体として形成されて、前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する磁気検出素子が、基板上に形成されたパターンに接続される形で装着されてもよい。
【００１１】
傾斜センサは、前記基板と平行な平面に規定されるｘ軸方向の傾斜角とｙ軸方向の傾斜角を検出してもよい。傾斜センサは、３軸方向の傾斜による変位を検出してもよい。このような傾斜センサは、２軸方向または３軸方向の変位を検出する加速度センサまたは角速度センサであってもよい。
【００１２】
前記基板は前記傾斜センサから出力される検出信号を伝達するためのパターンを有し、前記傾斜センサが前記基板上に実装されたとき、前記検出信号が前記パターンを介して前記基板に直接導入されるようにしてもよい。
【００１３】
前記基板から外に向けて延びる形にて、その基板に装着されるフィルム基板をさらに含み、前記傾斜センサを前記フィルム基板の上に実装し、前記フィルム基板を前記基板の方へ折り返し、全体を固着して形成してもよい。
【００１４】
前記３軸磁気センサは、前記基板を本体として形成され、前記基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する２軸磁気センサと、前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する磁気検出素子とを含んでもよい。前記磁気検出素子は、前記フィルム基板の上に実装してもよい。前記フィルム基板の上に素子を実装する方式は、フリップチップ方式であってもよい。
【００１５】
前記３軸磁気センサと前記傾斜センサの出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、前記３軸磁気センサが検出する３次元の磁気ベクトルと前記傾斜センサが検出する傾斜角に基づいて、水平磁界成分を算出してもよい。前記信号処理部は、前記傾斜センサが検出する３軸方向の傾斜による変位に基づいて、前記傾斜角の補正を行い、前記３軸磁気センサが検出する３次元の磁気ベクトルと補正された前記傾斜角に基づいて、水平磁界成分を算出してもよい。前記信号処理部は、前記３次元の磁気ベクトルから計算される磁気の強度に基づいて、前記水平磁界線分の補正を行ってもよい。
【００１６】
本発明の別の態様は、方位測定方法に関する。方位測定方法は、３次元の磁気ベクトルの検出信号を受け取る過程と、前記磁気ベクトルを規定する３次元座標が地平面となす傾斜角の検出信号を受け取る過程と、前記３次元の磁気ベクトルから計算される磁界強度を用いて、３次元の磁気ベクトルの検出信号を補正する過程と、補正された前記３次元の磁気ベクトルを前記傾斜角に基づいて座標変換し、水平磁界成分を算出する過程とを含む。前記傾斜角の検出信号を受け取る過程において、重力の３軸成分を検出して、前記傾斜角の検出信号を補正してもよい。前記水平磁界成分に基づいて方位角を算出する過程をさらに含んでもよい。
【００１７】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明を方法、センサ、システムなどとして表現したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、傾斜による影響を排除する補正を行い、地磁気の方位を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第１の実施の形態を説明する。図１から図３を用いて、第１の実施の形態に係る全方位磁気センサの構成を説明する。図１において、全方位磁気センサに用いられる２軸磁気センサの構成を説明し、図２において、全方位磁気センサに用いられる傾斜センサの構成を説明し、図３において、全方位磁気センサ全体の構成を示す。
【００２０】
図１は、２軸地磁気センサの一例であるフラックスゲート型磁気センサ１００の分解説明図である。フラックスゲート型磁気センサ１００は、特開平９−４３３２２号公報および特開平１１−１１８８９２号公報に開示されるフラックスゲート型の磁気センサであり、リング状のアモルファスコアによって形成されたリングコア９を核として、その上下面に、励磁コイルパターン１２がエッチングされた励磁コイル用基板８、Ｙコイルパターン１１がエッチングされたＹ軸方向磁界検出コイル基板７、Ｘコイルパターン１０がエッチングされたＸ軸方向磁界検出コイル基板６が、同図に示された順に積層されてなる。
【００２１】
図２は、傾斜センサ２２の原理説明図である。重錘体３４を圧電素子の一例であるピエゾ素子３２Ａ〜Ｄによって筐体３０から支える構造であり、重錘体３４の変位をピエゾ素子３２Ａ〜Ｄが検出することにより、傾斜を測定することができる。
【００２２】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、全方位磁気センサの一例であるハイブリッド磁気センサ２００の構成図である。図３（Ａ）に、ハイブリッド磁気センサ２００の上面図、図３（Ｂ）に、ハイブリッド磁気センサ２００の断面図を示す。ハイブリッド磁気センサ２００は、フラックスゲート型磁気センサ１００を基板として、その基板に形成されたパターン上に演算処理部としてのＣＰＵ２０、傾斜センサ２２、及び磁気検出素子の一例としてのホール素子２４がボンディング２８により装着され、シリコン樹脂２６で全体を固め、ハイブリッド型に一体化したものである。傾斜センサ２２とホール素子２４が出力する検出信号がパターンを介して基板に直接に導入され、ＣＰＵ２０はフラックスゲート型磁気センサ１００が出力する検出信号とともに、傾斜センサ２２とホール素子２４の検出信号を受け取り、後述の補正計算を行い、補正された信号を出力することができるように構成される。ホール素子２４は基板とは垂直な方向の磁気成分を検出する。フラックスゲート型磁気センサ１００とホール素子２４の組み合わせにより３次元の磁気ベクトルを検出可能な３軸磁気センサが構成される。磁気検出素子として、ホール素子２４などの磁気感応素子を用いてもよく、ＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
【００２３】
図４は、他の製造工程で実現されるハイブリッド磁気センサ２００の概略図である。フラックスゲート型磁気センサ１００の端部にフィルム基板４０Ａ〜Ｃが装着され、フィルム基板４０Ａ〜Ｃに形成されたパターンにＣＰＵ２０、傾斜センサ２２、およびホール素子２４が実装される。フィルム基板４０Ａ〜Ｃはフラックスゲート型磁気センサ１００の方へ折り畳まれて、全体が固着される。フィルム基板４０Ａ〜Ｃ上への素子の配置は設計の自由度があり、ＣＰＵ２０、傾斜センサ２２、およびホール素子２４を含む素子をいずれのフィルム基板４０Ａ〜Ｃ上に実装してもよく、フィルム基板４０Ａ〜Ｃのすべてを用いる必要はなく、少なくとも１つのフィルム基板にそれらの素子を実装してもよい。このようにフィルム基板を用いてハイブリッド磁気センサ２００を形成した場合、ボンディングがない分、厚さを減らすことができる。
【００２４】
図３、図４のいずれの構成によっても、ハイブリッド磁気センサ２００は、２次元平面における２軸の磁気成分を検出する２軸磁気センサが実装される基板上に、基板とは垂直な方向の磁気成分を検出する磁気検出素子と、基板の傾斜を検出する傾斜センサが一体化して実装されるハイブリッドＩＣ型の構成であり、複数のセンサの融合による小型化が図られている。
【００２５】
図５は、ハイブリッド磁気センサ２００の機能構成図である。フラックスゲート型磁気センサ１００から基板の平面で規定される２次元座標軸におけるＸ軸、Ｙ軸方向の磁界成分ｘ、ｙが出力される。ホール素子２４から基板の平面とは垂直な方向のＺ軸方向の磁界成分ｚが出力される。傾斜センサ２２からは、Ｘ軸方向の傾斜角α（以下「ピッチ角」ともいう）、Ｙ軸方向の傾斜角β（以下「ロール角」ともいう）が出力される。
【００２６】
ハイブリッド磁気センサ２００は携帯電話などに内蔵され、ユーザは携帯電話を自由な角度で手に持って使用する。そのような状況下では、水平磁界がフラックスゲート型磁気センサ１００に入射する角度、すなわち地磁気の仰角の違いが検知感度に著しい影響を与える。そこで、ハイブリッド磁気センサ２００の基板の傾斜を求め、水平面に座標変換して、水平時の磁気ベクトルを求める。
【００２７】
ＣＰＵ２０は、座標変換部２０２と方位角算出部２０４とを有する。座標変換部２０２は、磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）と、ピッチ角α、ロール角βに基づいて、傾斜による影響を排除する補正計算を行い、ハイブリッド磁気センサ２００の基板が地平面に対して水平に置かれた場合に検出される水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を算出する。方位角算出部２０４は、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を入力し、地磁気の方位角θを算出する。方位角算出部２０４はさらに地磁気の伏角φを算出してもよい。
【００２８】
図６は、ハイブリッド磁気センサ２００のＣＰＵ２０が行う補正計算のフローチャートである。座標変換部２０２は、傾斜センサ２２からピッチ角αとロール角βを取得し（Ｓ１０）、フラックスゲート型磁気センサ１００から磁気ベクトルのＸ軸方向、Ｙ軸方向の成分ｘ、ｙ、およびホール素子２４から磁気ベクトルのＺ軸方向の成分ｚを取得する（Ｓ１２）。座標変換部２０２は、ハイブリッド磁気センサ２００の基板が地平面に対して水平に置かれた場合の水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を求める（Ｓ１４）。具体的な補正計算は次のように行う。
【００２９】
ハイブリッド磁気センサ２００の基板が水平時の空間座標系のＸ軸回りにα、Ｙ軸回りにβだけ傾斜しているときの磁気ベクトルが（ｘ，ｙ，ｚ）であるから、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）は、磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）を次式のようにＹ軸回りに−β、Ｘ軸回りに−αだけ回転させることにより得られる。
【００３０】
【数１】
これより、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）は、
【数２】
と求められる。
【００３１】
方位角算出部２０４は、座標変換後の磁気ベクトルのＸ軸成分ｘｈ、Ｙ軸成分ｙｈから、地磁気の方位角θを次式により求める（Ｓ１６）。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｙｈ／ｘｈ） （３）
方位角算出部２０４は、さらに地磁気の伏角、すなわち地磁気ベクトルと水平磁界ベクトル（ｘｈ，ｙｈ）とのなす角φを次式により求めてもよい。
φ＝ａｒｃｃｏｓ（Ｈ／ｒ） （４）
ただし、Ｈは水平磁界ベクトル（ｘｈ，ｙｈ）の大きさであり、ｒは磁気ベクトル（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）の大きさ、すなわち磁界強度である。
【００３２】
磁界強度ｒは着磁等による地磁気の検出誤差を補正するために用いられる。一般に磁気センサは、磁気センサ自身の着磁による影響や、磁気センサが実装される装置が帯びる磁気の影響を受けるため、出力値の補正が必要である。特に、ハイブリッド磁気センサ２００は携帯電話や携帯端末に実装され、ユーザが持ち歩くため、都市部や交通網の発達している地域などで機器が磁界を帯びたり、鉄筋構造物の近辺で、相手の対象物が帯びた磁気を拾ってしまい、自然には発生しない動的な磁界が混在することがある。このような自然磁界以外の強磁界が磁気センサに入射し、飽和状態となり、地磁気の検出ができなくなることが起こる。
【００３３】
磁気センサの着磁等の影響を除くために、一般的には、使用場所においてキャリブレーションが行われている。磁気センサを水平に設置した状態で、鉛直方向、すなわちＺ軸の回りに３６０度回転させ、Ｘ軸方向の出力値と、Ｙ軸方向の出力値が作る円の中心点を求め、その中心点の座標値を補正のためのオフセットとして用いることが行われる。しかしながら、ハイブリッド磁気センサ２００は携帯電話や携帯端末等に内蔵され、ユーザが携帯して任意の場所で使用するものであるから、ユーザに使用の度にキャリブレーションを課するのは適当ではない。
【００３４】
そこで、測定された磁界強度ｒにより、着磁等の強磁界の影響をとらえ、強磁界のＸ軸成分、Ｙ軸成分をハイブリッド磁気センサ２００の出力値のオフセットとして用いて、強磁界の影響をキャンセルする。測定された磁界強度から強磁界を排除するために、初期磁界強度や検出される可能性のある磁界強度の範囲をあらかじめテーブルの形にてメモリに格納する。実際に測定された磁界強度とテーブルに格納されたデータとを相互補完して、自然磁界以外の磁界成分の影響をキャンセルして検出値の補正処理を行う。また設定された磁界強度の範囲を超える強磁界が検出された場合は、検出値を破棄し、測定を無効にしてもよい。
【００３５】
一般に、磁気センサは使用する度にキャリブレーションを行わないと正確な地磁気の強さと方位を求めることができないが、本実施形態のハイブリッド磁気センサ２００は、Ｚ軸方向の磁界成分を検出できるホール素子２４を備えたことにより、強磁界を検出することができ、ＣＰＵ２０にて補正処理により自然磁界を正確に算出することができる。したがって、ハイブリッド磁気センサ２００は、使用時に自動的なキャリブレーションを行ったことに相当する効果をもたらす。これはハイブリッド磁気センサ２００を携帯機器に内蔵する上で非常に有利である。
【００３６】
本発明の第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態では、ハイブリッド磁気センサ２００の傾斜を検出するために、Ｘ軸回り、Ｙ軸回りの傾斜角を検出する２軸の傾斜センサ２２を用いた。第２の実施形態では、さらにＺ軸回りの傾斜角も検出できる３軸の傾斜センサを設けた点が第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００３７】
第１の実施の形態では、３軸の磁気センサを用いて着磁等による強磁界を測定することにより、自動的なキャリブレーションを可能にした。第２の実施の形態では、傾斜センサについても自動的なキャリブレーションを可能とするために、３軸の傾斜センサが用いられる。
【００３８】
第２の実施の形態で用いる３軸の傾斜センサは、第１の実施形態で説明した図２の傾斜センサ２２と構成は同じであり、重力による重錘体３４の変位の３軸成分を検出する。これにより、ハイブリッド磁気センサ２００の基板とともに動く動座標系において重力ベクトル（ｇｘ，ｇｙ，ｇｚ）を得ることができる。したがって、ハイブリッド磁気センサ２００の基板の傾き、すなわち基板の法線方向と鉛直方向のなす角ψを知ることができる。この情報を用いて、傾斜センサのＸ軸、Ｙ軸の出力信号の補正を行う。得られた重力ベクトルが（０，０，ｇ）であり、Ｚ軸の出力信号がゼロなら、基板は水平であり、補正は不要である。
【００３９】
一般に、傾斜センサにおいても、傾斜角の正確な値を得るためには、傾斜センサを水平に設置した状態でキャリブレーションを行い、出力値の補正をする必要がある。２軸の傾斜センサでは、Ｘ軸、Ｙ軸の出力値しか得られないため、傾斜センサ自体が傾いているかどうかがわからないため、水平状態でのキャリブレーションが必要となる。３軸の傾斜センサを用いたことにより、Ｚ軸の出力信号を得ることができ、Ｚ軸の出力信号をリファレンスに用いてＸ軸、Ｙ軸回りの傾斜角の補正が可能である。これにより、水平に設置した状態で使用前に行うキャリブレーションが不要となり、使用時に自動的なキャリブレーションを行ったことに相当する効果をもたらす。
【００４０】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図７は、第３の実施の形態に係るハイブリッド磁気センサ２００の上面図である。フラックスゲート型磁気センサ１００を基板として上部にＣＰＵ２０、傾斜センサ２３、およびホール素子２４が実装される。本実施形態の傾斜センサ２３は、第１の実施の形態で説明した図２の傾斜センサ２２と同じ構成であるが、柔軟性のあるゲルシリコン５０で覆われ、外気圧とセンサ内の内圧との差により、外気圧も検出できる点が異なる。ハイブリッド磁気センサ２００の他の構成は第１の実施の形態で説明した図３と同じであり、傾斜センサ２２を除いて全体がシリコン樹脂２６で固められる。このように実装されたハイブリッド磁気センサ２００は、観測地点の方位とともに、外気圧から高度を計測することができる。
【００４１】
次に、本発明の第４の実施の形態として、第１から第３の実施の形態のいずれかのハイブリッド磁気センサ２００を用いた方位測定システムを説明する。図８は、第４の実施形態の方位測定システムの説明図である。携帯電話１１０は、ハイブリッド磁気センサ２００と、ＧＰＳ受信部１０２を内蔵する。携帯電話１１０は、複数のＧＰＳ衛星１１４から位置情報を受信する。位置情報は観測地点の緯度、経度を含む。携帯電話１１０は受信した位置情報を地上局１１２に送信する。地上局１１２は、サーバ１１６と、地図データ１１８と、ＧＰＳアンテナ１２０とを有する。地上局１１２の緯度、経度は正確にわかっており、サーバ１１６は、地上局１１２の既知の緯度、経度を参照データとして用い、ＧＰＳアンテナ１２０が複数のＧＰＳ衛星１１４から受信する位置情報を用いて、携帯電話１１０が送信する位置情報を補正し、正確な位置情報を携帯電話１１０へ送信する。またサーバ１１６は、携帯電話１１０が要求する現在位置の全磁力データを地図データ１１８から抽出して携帯電話１１０へ送信する。またサーバ１１６は、携帯電話１１０の現在位置に基づいて地図情報を地図データ１１８から抽出して携帯電話１１０へ送信する。携帯電話１１０はハイブリッド磁気センサ２００により測定した地磁気の方位に基づいて、地図情報を加工して表示する。
【００４２】
図９は、携帯電話１１０の機能構成図である。携帯電話１１０の通話機能などは省略し、本発明の方位測定技術に関わる機能を図示する。携帯電話１１０は、ＧＰＳ衛星１１４からＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部１０２と、地上局１１２から全磁力データを取得する全磁力取得部１０４と、ハイブリッド磁気センサ２００と、地図情報処理部２０６と、表示部２０８とを有する。ハイブリッド磁気センサ２００は、フラックスゲート型磁気センサ１００と、傾斜センサ２２と、座標変換部２０２と、方位角算出部２０４とを有する。
【００４３】
ＧＰＳ受信部１０２は観測地点の位置情報をＧＰＳ衛星１１４から受信し、全磁力取得部１０４は、ＧＰＳ受信部１０２が受信する位置情報を地上局１１２に送信して、地上局１１２から観測地点の全磁力ｒを受信する。全磁力取得部１０４は全磁力ｒを座標変換部２０２に入力する。フラックスゲート型磁気センサ１００が検出して出力する磁気ベクトルのＸ軸、Ｙ軸成分ｘ、ｙと、傾斜センサ２２が出力するピッチ角α、ロール角βが、座標変換部２０２に入力される。座標変換部２０２は、磁気ベクトルのＸ軸成分ｘ、Ｙ軸成分ｙ、全磁力ｒに基づいて、磁気ベクトルのＺ軸成分ｚを求め、ピッチ角αとロール角βを用いて、座標変換により、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ、ｙｈ、ｚｈ）を求める。方位角算出部２０４は水平時の磁気ベクトルに基づいて地磁気の方位角θを算出し、地図情報処理部２０６に出力する。
【００４４】
地図情報処理部２０６は、地上局１１２から受信した地図データを方位角θに基づいて加工し、表示部２０８は加工された地図データを画面に表示する。たとえば、地図情報処理部２０６は、測定された地磁気の方位角θに地図の方位を合わせて地図を回転させる。携帯電話１１０の画面には携帯電話１１０の所持者が向いている方位に合わされた地図が表示される。
【００４５】
図１０は、本実施形態の方位測定方法のフローチャートである。座標変換部２０２は、傾斜センサ２２からピッチ角α、ロール角βを取得し（Ｓ２０）、フラックスゲート型磁気センサ１００から磁気ベクトルのＸ軸成分ｘ、Ｙ軸成分ｙを取得する（Ｓ２２）。ＧＰＳ受信部１０２は現在位置情報を取得し（Ｓ２４）、全磁力取得部１０４は現在位置情報を地上局１１２のサーバ１１６へ送信し、サーバ１１６から現在位置の全磁力ｒを受信する（Ｓ２６）。座標変換部２０２は、全磁力ｒと磁気ベクトルのＸ軸成分ｘ、Ｙ軸成分ｙより磁気ベクトルのＺ軸成分ｚを次式により算出する（Ｓ２８）。
【数３】
座標変換部２０２は、ピッチ角αとロール角βを用いて、前述の（２）式の座標変換により、水平時の磁気ベクトル（ｘｈ、ｙｈ、ｚｈ）を求める（Ｓ３０）。方位角算出部２０４は、座標変換後の磁気ベクトルのＸ軸成分ｘｈ、Ｙ軸成分ｙｈから前述の（３）式により方位角θを算出する（Ｓ３２）。
【００４６】
ハイブリッド磁気センサ２００として第３の実施の形態で説明した、図７の高度検出が可能なハイブリッド磁気センサ２００を用いて、観測地点の緯度、経度とともに観測地点の高度を地上局１１２のサーバ１１６へ送信してもよい。また、サーバ１１６が地域ごとに現在の気圧データを保持しており、携帯電話１１０に気圧データが提供され、気圧データを用いて、ハイブリッド磁気センサ２００が検出する高度の検出値の補正が行われてもよい。
【００４７】
また、上記の説明ではハイブリッド磁気センサ２００は、Ｚ軸方向の磁界成分を検出していないが、ホール素子２４を用いて、Ｚ軸方向の磁界成分を検出し、磁界強度を求め、サーバ１１６から得た全磁力ｒと比較して、着磁等による強磁界の影響を補正してもよい。
【００４８】
以上述べたように、上記の実施の形態に係るハイブリッド磁気センサ２００は、フラックスゲート型磁気センサ１００が基板を本体として形成され、基板にホール素子２４と傾斜センサ２２が実装されて一体化した構成であるため、小型化を図ることができる。
【００４９】
またハイブリッド磁気センサ２００は、傾斜に対する自動補正により、ハイブリッド磁気センサ２００がいかなる方向に傾斜しても、また傾斜角が一定に定まらない場合でも、傾斜による影響を排除するため自動で補正をかけることができ、携帯電話や携帯端末などの携帯機器に簡便に形成することができる。従来の磁気方位センサが振り子など機械的な水平保持機能でキャリブレーションを行っていたことと比べて、このように形成されたハイブリッド磁気センサ２００は、純電子式のため、応答性に優れ、機械的な接点がないため半永久的な使用が可能となり、また構造上全姿勢に対応させることが可能である。
【００５０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００５１】
そのような変形例を説明する。上記の説明では、ハイブリッド磁気センサ２００にＣＰＵ２０を設けたが、さらにメモリを設けて、補正用のテーブルを格納するようにしてもよい。また、ＣＰＵ２０やメモリをハイブリッド磁気センサ２００には実装せず、ハイブリッド磁気センサ２００が検出する信号を外部に取り出して、外部に設けられたマイクロコンピュータにより、補正などの計算処理を行ってもよい。また、上記の説明では、磁気センサと傾斜センサを同一基板にて一体化して形成したが、磁気センサと傾斜センサを一体化せずに別の基板上に設けて、両者の出力信号を一つのＣＰＵ２０で処理するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１の実施の形態に係る全方位磁気センサに用いられるフラックスゲート型磁気センサの分解説明図である。
【図２】全方位磁気センサに用いられる傾斜センサの原理説明図である。
【図３】全方位磁気センサの一例であるハイブリッド磁気センサの構成図である。
【図４】他の製造工程で実現されるハイブリッド磁気センサの概略図である。
【図５】ハイブリッド磁気センサの機能構成図である。
【図６】ハイブリッド磁気センサのＣＰＵが行う補正計算のフローチャートである。
【図７】第３の実施の形態に係るハイブリッド磁気センサの上面図である。
【図８】第４の実施の形態に係るハイブリッド磁気センサを用いた方位測定システムの説明図である。
【図９】ハイブリッド磁気センサを内蔵する携帯電話の機能構成図である。
【図１０】方位測定方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５３】
６ Ｘ軸方向磁界検出コイル基板、 ７ Ｙ軸方向磁界検出コイル基板、 ８ 励磁コイル用基板、 ９ リングコア、 １０ Ｘコイルパターン、 １１ Ｙコイルパターン、 １２ 励磁コイルパターン、 ２０ ＣＰＵ、 ２２，２３ 傾斜センサ、 ２４ ホール素子、 ２６ シリコン樹脂、 ３２ ピエゾ素子、 ４０ フィルム基板、 ５０ ゲルシリコン、 １００ フラックスゲート型磁気センサ、 １０２ ＧＰＳ受信部、 １０４ 全磁力取得部、 １１６ サーバ、 ２００ ハイブリッド磁気センサ、 ２０２ 座標変換部、 ２０４ 方位角算出部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を本体として形成され、前記基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する２軸磁気センサと、
前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する磁気検出素子と
をハイブリッドＩＣとして一体に構成したことを特徴とする３軸磁気センサ。
【請求項２】
前記２軸磁気センサは、磁気ベクトルの２軸成分を検出するためのコイルパターンが、積層される基板にわたって形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の３軸磁気センサ。
【請求項３】
前記基板は前記磁気検出素子から出力される検出信号を伝達するためのパターンを有し、前記磁気検出素子が前記基板上に実装されたとき、前記検出信号が前記パターンを介して前記基板に直接導入されることを特徴とする請求項１または２に記載の３軸磁気センサ。
【請求項４】
前記２軸磁気センサと前記磁気検出素子の出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、検出された磁気の強度を算出し、前記２軸磁気センサが検出する磁気ベクトルの２軸成分の補正を行うことを特徴とする請求項３に記載の３軸磁気センサ。
【請求項５】
基板上に形成され、３次元の磁気ベクトルを検出する３軸磁気センサと、
前記基板の傾斜角を検出する傾斜センサと
をハイブリッドＩＣとして一体に構成したことを特徴とする全方位磁気センサ。
【請求項６】
前記基板は前記傾斜センサから出力される検出信号を伝達するためのパターンを有し、前記傾斜センサが前記基板上に実装されたとき、前記検出信号が前記パターンを介して前記基板に直接導入されることを特徴とする請求項５に記載の全方位磁気センサ。
【請求項７】
前記基板から外に向けて延びる形にて、その基板に装着されるフィルム基板をさらに含み、前記傾斜センサを前記フィルム基板の上に実装し、前記フィルム基板を前記基板の方へ折り返し、全体を固着して形成されたことを特徴とする請求項５に記載の全方位磁気センサ。
【請求項８】
前記３軸磁気センサは、前記基板を本体として形成され、前記基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する２軸磁気センサと、
前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する磁気検出素子とを含むことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の全方位磁気センサ。
【請求項９】
前記傾斜センサは、前記基板と平行な平面に規定されるｘ軸方向の傾斜角とｙ軸方向の傾斜角を検出することを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の全方位磁気センサ。
【請求項１０】
前記傾斜センサは、３軸方向の傾斜による変位を検出することを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の全方位磁気センサ。
【請求項１１】
前記３軸磁気センサと前記傾斜センサの出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、前記３軸磁気センサが検出する３次元の磁気ベクトルと前記傾斜センサが検出する傾斜角に基づいて、水平磁界成分を算出することを特徴とする請求項５から９のいずれかに記載の全方位磁気センサ。
【請求項１２】
前記３軸磁気センサと前記傾斜センサの出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、前記傾斜センサが検出する３軸方向の傾斜による変位に基づいて、前記傾斜角の補正を行い、前記３軸磁気センサが検出する３次元の磁気ベクトルと補正された前記傾斜角に基づいて、水平磁界成分を算出することを特徴とする請求項１０に記載の全方位磁気センサ。
【請求項１３】
前記信号処理部は、前記３次元の磁気ベクトルから計算される磁気の強度に基づいて、前記水平磁界成分の補正を行うことを特徴とする請求項１１または１２に記載の全方位磁気センサ。
【請求項１４】
３次元の磁気ベクトルの検出信号を受け取る過程と、
前記磁気ベクトルを規定する３次元座標が地平面となす傾斜角の検出信号を受け取る過程と、
前記３次元の磁気ベクトルから計算される磁界強度を用いて、３次元の磁気ベクトルの検出信号を補正する過程と、
補正された前記３次元の磁気ベクトルを前記傾斜角に基づいて座標変換し、水平磁界成分を算出する過程と
を含むことを特徴とする方位測定方法。
【請求項１５】
前記傾斜角の検出信号を受け取る過程において、重力の３軸成分を検出して、前記傾斜角の検出信号を補正することを特徴とする請求項１４に記載の方位測定方法。
【請求項１６】
前記水平磁界成分に基づいて方位角を算出する過程をさらに含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載の方位測定方法。
【請求項１】
基板を本体として形成され、前記基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する２軸磁気センサと、
前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する磁気検出素子と
をハイブリッドＩＣとして一体に構成したことを特徴とする３軸磁気センサ。
【請求項２】
前記２軸磁気センサは、磁気ベクトルの２軸成分を検出するためのコイルパターンが、積層される基板にわたって形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の３軸磁気センサ。
【請求項３】
前記基板は前記磁気検出素子から出力される検出信号を伝達するためのパターンを有し、前記磁気検出素子が前記基板上に実装されたとき、前記検出信号が前記パターンを介して前記基板に直接導入されることを特徴とする請求項１または２に記載の３軸磁気センサ。
【請求項４】
前記２軸磁気センサと前記磁気検出素子の出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、検出された磁気の強度を算出し、前記２軸磁気センサが検出する磁気ベクトルの２軸成分の補正を行うことを特徴とする請求項３に記載の３軸磁気センサ。
【請求項５】
基板上に形成され、３次元の磁気ベクトルを検出する３軸磁気センサと、
前記基板の傾斜角を検出する傾斜センサと
をハイブリッドＩＣとして一体に構成したことを特徴とする全方位磁気センサ。
【請求項６】
前記基板は前記傾斜センサから出力される検出信号を伝達するためのパターンを有し、前記傾斜センサが前記基板上に実装されたとき、前記検出信号が前記パターンを介して前記基板に直接導入されることを特徴とする請求項５に記載の全方位磁気センサ。
【請求項７】
前記基板から外に向けて延びる形にて、その基板に装着されるフィルム基板をさらに含み、前記傾斜センサを前記フィルム基板の上に実装し、前記フィルム基板を前記基板の方へ折り返し、全体を固着して形成されたことを特徴とする請求項５に記載の全方位磁気センサ。
【請求項８】
前記３軸磁気センサは、前記基板を本体として形成され、前記基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出する２軸磁気センサと、
前記磁気ベクトルの前記平面とは垂直な方向の成分を検出する磁気検出素子とを含むことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の全方位磁気センサ。
【請求項９】
前記傾斜センサは、前記基板と平行な平面に規定されるｘ軸方向の傾斜角とｙ軸方向の傾斜角を検出することを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の全方位磁気センサ。
【請求項１０】
前記傾斜センサは、３軸方向の傾斜による変位を検出することを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の全方位磁気センサ。
【請求項１１】
前記３軸磁気センサと前記傾斜センサの出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、前記３軸磁気センサが検出する３次元の磁気ベクトルと前記傾斜センサが検出する傾斜角に基づいて、水平磁界成分を算出することを特徴とする請求項５から９のいずれかに記載の全方位磁気センサ。
【請求項１２】
前記３軸磁気センサと前記傾斜センサの出力信号を処理する信号処理部をさらに含み、前記信号処理部は、前記傾斜センサが検出する３軸方向の傾斜による変位に基づいて、前記傾斜角の補正を行い、前記３軸磁気センサが検出する３次元の磁気ベクトルと補正された前記傾斜角に基づいて、水平磁界成分を算出することを特徴とする請求項１０に記載の全方位磁気センサ。
【請求項１３】
前記信号処理部は、前記３次元の磁気ベクトルから計算される磁気の強度に基づいて、前記水平磁界成分の補正を行うことを特徴とする請求項１１または１２に記載の全方位磁気センサ。
【請求項１４】
３次元の磁気ベクトルの検出信号を受け取る過程と、
前記磁気ベクトルを規定する３次元座標が地平面となす傾斜角の検出信号を受け取る過程と、
前記３次元の磁気ベクトルから計算される磁界強度を用いて、３次元の磁気ベクトルの検出信号を補正する過程と、
補正された前記３次元の磁気ベクトルを前記傾斜角に基づいて座標変換し、水平磁界成分を算出する過程と
を含むことを特徴とする方位測定方法。
【請求項１５】
前記傾斜角の検出信号を受け取る過程において、重力の３軸成分を検出して、前記傾斜角の検出信号を補正することを特徴とする請求項１４に記載の方位測定方法。
【請求項１６】
前記水平磁界成分に基づいて方位角を算出する過程をさらに含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載の方位測定方法。
【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２００６−２３３１８（Ｐ２００６−２３３１８Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７７４６０（Ｐ２００５−２７７４６０）
【出願日】平成１７年９月２６日（２００５．９．２６）
【分割の表示】特願２００１−１８８７（Ｐ２００１−１８８７）の分割
【原出願日】平成１３年１月９日（２００１．１．９）
【出願人】（５０４３０７３９７）電通企工株式会社 (3)
【出願人】（５０５２１８６９４）株式会社アモセンス (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２６日（２００５．９．２６）
【分割の表示】特願２００１−１８８７（Ｐ２００１−１８８７）の分割
【原出願日】平成１３年１月９日（２００１．１．９）
【出願人】（５０４３０７３９７）電通企工株式会社 (3)
【出願人】（５０５２１８６９４）株式会社アモセンス (1)
【Ｆターム（参考）】
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