JP4034039B2

JP4034039B2 - mobile phone

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Publication number: JP4034039B2
Application number: JP2001001887A
Authority: JP
Inventors: 泰弘田村
Original assignee: 電通企工株式会社; 株式会社アモセンス
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: KR100894171B1; KR20080009188A; JP2002196055A; CN1249453C; KR20020030244A; CN1349109A; KR100874241B1; KR20100054121A; KR20080092326A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
【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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
【発明の効果】
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。
【図面の簡単な説明】
【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】
６Ｘ軸方向磁界検出コイル基板、７Ｙ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、１０Ｘコイルパターン、１１Ｙコイルパターン、１２励磁コイルパターン、２０ＣＰＵ、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、１０２ＧＰＳ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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a geomagnetic measurement technique. In particular, the present invention relates to a geomagnetic sensor and an azimuth measuring method that can correct an azimuth calculation error.
[0002]
[Prior art]
The geomagnetic sensor is used to measure the orientation of the observation point. The geomagnetic sensor is installed on the horizontal plane at the observation point, and detects a biaxial component of the geomagnetic vector on the horizontal plane. The magnetic orientation is calculated from the biaxial components detected by the geomagnetic sensor. Geomagnetic sensors are also used in automobile navigation systems, and are shipped after being calibrated in advance to correct the influence of magnetization.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, the use of displaying map information on mobile phones and mobile terminals is expanding. In view of this situation, the present applicant first assumed that the geomagnetic sensor is to be incorporated into a mobile device such as a mobile phone or a mobile terminal, and has recognized the following problems at the stage of studying the realization thereof. In other words, the portable device can be oriented in any direction depending on the posture and how the holder holds the portable device, and the direction of the portable device is not constant and constantly changes. Therefore, the geomagnetic sensor mounted on the portable device is tilted at every tilt angle with respect to the horizontal position, and the tilt angle constantly varies. Therefore, in such a use environment, it is necessary to eliminate the influence of magnetization and the influence of changes in posture and holding in real time and automatically correct the detection signal of the geomagnetic vector.
[0004]
The present applicant has made the present invention based on the above recognition, and an object of the present invention is to provide a geomagnetic sensor that is small and can automatically correct for magnetization and inclination, and an azimuth measuring method using the geomagnetic sensor. With the goal.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In Japanese Patent Application No. 2000-104689, the present applicant has proposed a portable terminal device incorporating a two-axis magnetic sensor, and processed the map by aligning the orientation of the map displayed on the portable terminal device with the orientation of the portable terminal device. A position information display system is proposed. The applicant further proposes an omnidirectional magnetic sensor in which a tilt sensor is incorporated in the magnetic sensor and correction for tilt can be automatically performed in order to improve the convenience of the system.
[0006]
One embodiment of the present invention relates to a three-axis magnetic sensor. The triaxial magnetic sensor is configured by integrating a biaxial magnetic sensor and a magnetic detection element as a hybrid IC. The biaxial magnetic sensor is formed with a substrate as a main body, and detects a biaxial component of a magnetic vector defined by a plane parallel to the substrate. The magnetic detection element detects a component of the magnetic vector in a direction perpendicular to the plane. As a result, the triaxial magnetic sensor can detect the triaxial component of the geomagnetic vector. As a magnetic detection element, a magnetic sensitive element such as a Hall element that detects magnetism by the Hall effect, or a magnetoresistive element such as an MR element that detects magnetism by a phenomenon in which the electric resistance changes with magnetization of a ferromagnetic material is used. Also good.
[0007]
The biaxial magnetic sensor may be one in which a coil pattern for detecting a biaxial component of a magnetic vector is formed over stacked substrates. The biaxial magnetic sensor uses an amorphous ring coil as a core to excite a coil substrate that detects a magnetic field component in the X-axis direction on a plane parallel to the substrate and a coil substrate that detects a magnetic field component in the Y-axis direction on the plane. It may be a flux gate type magnetic sensor laminated on the outer surface of a coil substrate for use.
[0008]
As a mounting form in which the biaxial magnetic sensor and the magnetic detection element are integrated, the substrate on which the biaxial magnetic sensor is formed has a pattern for transmitting a detection signal output from the magnetic detection element. When mounted on a substrate, the detection signal may be directly introduced into the substrate through the pattern.
[0009]
The signal processing unit further includes a signal processing unit that processes output signals of the biaxial magnetic sensor and the magnetic detection element, and the signal processing unit calculates the intensity of the detected magnetism and generates a magnetic vector detected by the biaxial magnetic sensor. Biaxial component correction may be performed. The signal processing unit may be integrated with the triaxial magnetic sensor and formed on the substrate, or may be outside the triaxial magnetic sensor, receive an output signal, and perform predetermined signal processing. .
[0010]
Another aspect of the present invention relates to an omnidirectional magnetic sensor. The omnidirectional magnetic sensor is formed on a substrate, and is configured by integrally forming a three-axis magnetic sensor that detects a three-dimensional magnetic vector and a tilt sensor that detects the tilt angle of the substrate as a hybrid IC. “To be formed on a substrate” means that, for example, at least a part of the components of the three-axis magnetic sensor is formed with the substrate as a main body, and other components of the three-axis magnetic sensor are mounted outside the substrate. In addition, the entire configuration of the three-axis magnetic sensor includes a case where the substrate is formed as a main body. As an example, a biaxial magnetic sensor that detects a biaxial component of a magnetic vector defined on a plane parallel to the substrate is formed with the substrate as a main body, and detects a component of the magnetic vector in a direction perpendicular to the plane. The magnetic detection element to be connected may be attached in a form connected to a pattern formed on the substrate.
[0011]
The inclination sensor may detect an inclination angle in the x-axis direction and an inclination angle in the y-axis direction defined on a plane parallel to the substrate. The tilt sensor may detect a displacement due to a tilt in the triaxial direction. Such an inclination sensor may be an acceleration sensor or an angular velocity sensor that detects a displacement in a biaxial direction or a triaxial direction.
[0012]
The substrate has a pattern for transmitting a detection signal output from the tilt sensor. When the tilt sensor is mounted on the substrate, the detection signal is directly introduced into the substrate through the pattern. You may make it do.
[0013]
A film substrate mounted on the substrate in a form extending outward from the substrate; mounting the tilt sensor on the film substrate; folding the film substrate toward the substrate; It may be formed by being fixed.
[0014]
The three-axis magnetic sensor is formed with the substrate as a main body and detects a two-axis component of a magnetic vector defined by a plane parallel to the substrate, and the plane of the magnetic vector is perpendicular to the plane. And a magnetic detection element for detecting a direction component. The magnetic detection element may be mounted on the film substrate. The method of mounting the element on the film substrate may be a flip chip method.
[0015]
The signal processing unit further includes a signal processing unit that processes output signals of the three-axis magnetic sensor and the tilt sensor, and the signal processing unit includes a three-dimensional magnetic vector detected by the three-axis magnetic sensor and an inclination angle detected by the tilt sensor. The horizontal magnetic field component may be calculated based on The signal processing unit corrects the tilt angle based on the displacement due to the tilt in the three-axis direction detected by the tilt sensor, and corrects the tilt with the three-dimensional magnetic vector detected by the three-axis magnetic sensor. A horizontal magnetic field component may be calculated based on the angle. The signal processing unit may correct the horizontal magnetic field line segment based on the magnetic intensity calculated from the three-dimensional magnetic vector.
[0016]
Another aspect of the present invention relates to an orientation measurement method. The azimuth measuring method includes a process of receiving a detection signal of a three-dimensional magnetic vector, a process of receiving a detection signal of an inclination angle formed by a three-dimensional coordinate defining the magnetic vector and a ground plane, and a calculation from the three-dimensional magnetic vector. A process of correcting a detection signal of a three-dimensional magnetic vector using the magnetic field strength, a process of converting the corrected three-dimensional magnetic vector based on the inclination angle, and calculating a horizontal magnetic field component; including. In the process of receiving the tilt angle detection signal, the tilt angle detection signal may be corrected by detecting a triaxial component of gravity. A step of calculating an azimuth angle based on the horizontal magnetic field component may be further included.
[0017]
It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and those expressing the present invention as a method, sensor, system, etc. are also effective as an aspect of the present invention.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described. The configuration of the omnidirectional magnetic sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 1, the structure of the biaxial magnetic sensor used for the omnidirectional magnetic sensor will be described. In FIG. 2, the structure of the tilt sensor used for the omnidirectional magnetic sensor will be described. In FIG. The configuration is shown.
[0019]
FIG. 1 is an exploded explanatory view of a fluxgate type magnetic sensor 100 which is an example of a biaxial geomagnetic sensor. The fluxgate type magnetic sensor 100 is a fluxgate type magnetic sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 9-43322 and 11-118892, and has a ring core 9 formed by a ring-shaped amorphous core as a core. The excitation coil substrate 8 with the excitation coil pattern 12 etched thereon, the Y axis direction magnetic field detection coil substrate 7 with the Y coil pattern 11 etched, and the X axis direction magnetic field detection with the X coil pattern 10 etched on the upper and lower surfaces thereof. The coil substrate 6 is laminated in the order shown in FIG.
[0020]
FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the tilt sensor 22. The weight body 34 is supported from the housing 30 by piezoelectric elements 32A to 32D, which are examples of piezoelectric elements, and the inclination can be measured by detecting the displacement of the weight body 34 by the piezoelectric elements 32A to 32D. it can.
[0021]
3A and 3B are configuration diagrams of a hybrid magnetic sensor 200 which is an example of an omnidirectional magnetic sensor. 3A is a top view of the hybrid magnetic sensor 200, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the hybrid magnetic sensor 200. In the hybrid magnetic sensor 200, the flux gate type magnetic sensor 100 is used as a substrate, and a CPU 20 as an arithmetic processing unit, a tilt sensor 22, and a Hall element 24 as an example of a magnetic detection element are bonded on a pattern formed on the substrate 28. And the whole is hardened with a silicone resin 26 and integrated into a hybrid type. Detection signals output from the inclination sensor 22 and the Hall element 24 are directly introduced into the substrate through the pattern, and the CPU 20 outputs detection signals from the inclination sensor 22 and the Hall element 24 together with the detection signal output from the fluxgate magnetic sensor 100. It is configured so that it can receive, perform correction calculation described later, and output a corrected signal. The Hall element 24 detects a magnetic component in a direction perpendicular to the substrate. A combination of the fluxgate type magnetic sensor 100 and the Hall element 24 constitutes a three-axis magnetic sensor capable of detecting a three-dimensional magnetic vector. As the magnetic detection element, a magnetic sensitive element such as a Hall element 24 may be used, or a magnetoresistive effect element such as an MR element may be used.
[0022]
FIG. 4 is a schematic diagram of a hybrid magnetic sensor 200 realized in another manufacturing process. Film substrates 40A to 40C are mounted on the end of the fluxgate type magnetic sensor 100, and the CPU 20, the tilt sensor 22 and the hall element 24 are mounted on the patterns formed on the film substrates 40A to 40C. The film substrates 40A to 40C are folded toward the fluxgate type magnetic sensor 100, and the whole is fixed. The arrangement of the elements on the film substrates 40A to 40C has a degree of design freedom, and the elements including the CPU 20, the inclination sensor 22 and the hall element 24 may be mounted on any of the film substrates 40A to 40C. It is not necessary to use all of 40A to C, and those elements may be mounted on at least one film substrate. When the hybrid magnetic sensor 200 is formed using the film substrate in this way, the thickness can be reduced by the amount of no bonding.
[0023]
3 and FIG. 4, the hybrid magnetic sensor 200 has a magnetic field perpendicular to the substrate on the substrate on which the two-axis magnetic sensor for detecting the two-axis magnetic component in the two-dimensional plane is mounted. This is a hybrid IC type configuration in which a magnetic detection element for detecting a component and a tilt sensor for detecting the tilt of the substrate are integrated and mounted, and downsizing is achieved by the fusion of a plurality of sensors.
[0024]
FIG. 5 is a functional configuration diagram of the hybrid magnetic sensor 200. Magnetic flux components x and y in the X-axis and Y-axis directions on the two-dimensional coordinate axis defined by the plane of the substrate are output from the fluxgate type magnetic sensor 100. The Hall element 24 outputs a magnetic field component z in the Z-axis direction perpendicular to the plane of the substrate. The inclination sensor 22 outputs an inclination angle α in the X-axis direction (hereinafter also referred to as “pitch angle”) and an inclination angle β in the Y-axis direction (hereinafter also referred to as “roll angle”).
[0025]
The hybrid magnetic sensor 200 is built in a mobile phone or the like, and the user uses the mobile phone by holding it at a free angle. Under such circumstances, the angle at which the horizontal magnetic field enters the fluxgate magnetic sensor 100, that is, the difference in the elevation angle of the geomagnetism, has a significant effect on the detection sensitivity. Therefore, the inclination of the substrate of the hybrid magnetic sensor 200 is obtained, and the coordinates are converted to a horizontal plane to obtain the horizontal magnetic vector.
[0026]
The CPU 20 includes a coordinate conversion unit 202 and an azimuth angle calculation unit 204. The coordinate conversion unit 202 performs correction calculation to eliminate the influence of the inclination based on the magnetic vector (x, y, z), the pitch angle α, and the roll angle β, and the substrate of the hybrid magnetic sensor 200 is made with respect to the ground plane. The horizontal magnetic vector (xh, yh, zh) detected when placed horizontally is calculated. The azimuth angle calculation unit 204 receives the horizontal magnetic vector (xh, yh, zh) and calculates the azimuth angle θ of geomagnetism. The azimuth angle calculation unit 204 may further calculate the geomagnetic dip angle φ.
[0027]
FIG. 6 is a flowchart of correction calculation performed by the CPU 20 of the hybrid magnetic sensor 200. The coordinate conversion unit 202 acquires the pitch angle α and the roll angle β from the tilt sensor 22 (S10), and from the flux gate type magnetic sensor 100, the X and Y components x and y of the magnetic vector and the Hall element. The component z in the Z-axis direction of the magnetic vector is acquired from 24 (S12). The coordinate conversion unit 202 obtains a horizontal magnetic vector (xh, yh, zh) when the substrate of the hybrid magnetic sensor 200 is placed horizontally with respect to the ground plane (S14). A specific correction calculation is performed as follows.
[0028]
Since the magnetic vector when the substrate of the hybrid magnetic sensor 200 is inclined by α around the X axis of the spatial coordinate system when horizontal and by β around the Y axis is (x, y, z), The vector (xh, yh, zh) is obtained by rotating the magnetic vector (x, y, z) by −β around the Y axis and −α around the X axis as in the following equation.
[0029]
[Expression 1]

From this, the horizontal magnetic vector (xh, yh, zh) is
[Expression 2]

Is required.
[0030]
The azimuth angle calculation unit 204 obtains the geomagnetic azimuth angle θ from the X-axis component xh and the Y-axis component yh of the magnetic vector after coordinate conversion by the following equation (S16).
θ = arctan (yh / xh) (3)
The azimuth angle calculation unit 204 may further determine the dip angle of geomagnetism, that is, the angle φ formed by the geomagnetic vector and the horizontal magnetic field vector (xh, yh) by the following equation.
φ = arccos (H / r) (4)
Here, H is the magnitude of the horizontal magnetic field vector (xh, yh), and r is the magnitude of the magnetic vector (xh, yh, zh), that is, the magnetic field strength.
[0031]
The magnetic field strength r is used to correct a geomagnetic detection error due to magnetization or the like. In general, since the magnetic sensor is affected by the magnetization of the magnetic sensor itself and the magnetic effect of the device on which the magnetic sensor is mounted, the output value needs to be corrected. In particular, since the hybrid magnetic sensor 200 is mounted on a mobile phone or a mobile terminal and carried by a user, the device has a magnetic field in an urban area or an area where a traffic network is developed, or in the vicinity of a reinforcing bar structure. There is a case where a magnetic field that is picked up by an object is picked up and a dynamic magnetic field that does not occur naturally is mixed. Such a strong magnetic field other than the natural magnetic field is incident on the magnetic sensor and becomes saturated, and geomagnetism cannot be detected.
[0032]
In order to eliminate the influence of the magnetization of the magnetic sensor and the like, calibration is generally performed at the place of use. With the magnetic sensor installed horizontally, rotate 360 degrees around the vertical direction, that is, around the Z axis, and find the center point of the circle created by the output value in the X axis direction and the output value in the Y axis direction. Is used as an offset for correction. However, since the hybrid magnetic sensor 200 is built in a mobile phone, a mobile terminal, or the like and is carried by a user and used at an arbitrary place, it is not appropriate to impose calibration on the user every time it is used.
[0033]
Therefore, the influence of a strong magnetic field such as magnetization is captured by the measured magnetic field strength r, and the influence of the strong magnetic field is used by using the X-axis component and the Y-axis component of the strong magnetic field as an offset of the output value of the hybrid magnetic sensor 200. Cancel. In order to exclude the strong magnetic field from the measured magnetic field strength, the initial magnetic field strength and the range of the magnetic field strength that may be detected are stored in the memory in the form of a table in advance. The actually measured magnetic field strength and the data stored in the table are complemented to cancel the influence of the magnetic field components other than the natural magnetic field, and the detection value is corrected. When a strong magnetic field exceeding the set magnetic field strength range is detected, the detected value may be discarded and the measurement may be invalidated.
[0034]
In general, the magnetic sensor cannot perform accurate geomagnetism strength and orientation unless calibration is performed each time it is used. However, the hybrid magnetic sensor 200 of the present embodiment can detect a magnetic field component in the Z-axis direction. By providing 24, a strong magnetic field can be detected, and the natural magnetic field can be accurately calculated by the CPU 20 through correction processing. Therefore, the hybrid magnetic sensor 200 provides an effect equivalent to performing automatic calibration at the time of use. This is very advantageous when the hybrid magnetic sensor 200 is built in a portable device.
[0035]
A second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, in order to detect the tilt of the hybrid magnetic sensor 200, the biaxial tilt sensor 22 that detects tilt angles about the X axis and the Y axis is used. The second embodiment is different from the first embodiment in that a triaxial tilt sensor that can also detect a tilt angle around the Z axis is provided, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0036]
In the first embodiment, automatic calibration is made possible by measuring a strong magnetic field due to magnetization or the like using a triaxial magnetic sensor. In the second embodiment, a triaxial tilt sensor is used to enable automatic calibration of the tilt sensor.
[0037]
The triaxial tilt sensor used in the second embodiment has the same configuration as the tilt sensor 22 of FIG. 2 described in the first embodiment, and detects the triaxial component of the displacement of the weight body 34 due to gravity. To do. Thereby, a gravity vector (gx, gy, gz) can be obtained in a dynamic coordinate system that moves with the substrate of the hybrid magnetic sensor 200. Therefore, it is possible to know the inclination of the substrate of the hybrid magnetic sensor 200, that is, the angle ψ between the normal direction of the substrate and the vertical direction. Using this information, the X-axis and Y-axis output signals of the tilt sensor are corrected. If the obtained gravity vector is (0, 0, g) and the Z-axis output signal is zero, the substrate is horizontal and no correction is required.
[0038]
In general, also in a tilt sensor, in order to obtain an accurate value of the tilt angle, it is necessary to calibrate and correct the output value with the tilt sensor installed horizontally. Since the biaxial tilt sensor can only obtain the output values of the X axis and the Y axis, it cannot be determined whether the tilt sensor itself is tilted, so calibration in a horizontal state is required. By using a three-axis tilt sensor, a Z-axis output signal can be obtained, and the tilt angle around the X-axis and Y-axis can be corrected using the Z-axis output signal as a reference. This eliminates the need for calibration performed before use in a horizontally installed state, and brings about an effect equivalent to performing automatic calibration during use.
[0039]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a top view of the hybrid magnetic sensor 200 according to the third embodiment. CPU 20, tilt sensor 23, and Hall element 24 are mounted on the top using flux gate type magnetic sensor 100 as a substrate. The inclination sensor 23 of the present embodiment has the same configuration as the inclination sensor 22 of FIG. 2 described in the first embodiment, but is covered with a flexible gel silicon 50, and the external pressure and the internal pressure in the sensor are The difference is that the atmospheric pressure can also be detected. The other configuration of the hybrid magnetic sensor 200 is the same as that of FIG. 3 described in the first embodiment, and the entire structure except the tilt sensor 22 is hardened with the silicon resin 26. The hybrid magnetic sensor 200 mounted in this way can measure the altitude from the outside air pressure together with the direction of the observation point.
[0040]
Next, as a fourth embodiment of the present invention, an azimuth measurement system using the hybrid magnetic sensor 200 of any one of the first to third embodiments will be described. FIG. 8 is an explanatory diagram of an azimuth measuring system according to the fourth embodiment. The mobile phone 110 includes a hybrid magnetic sensor 200 and a GPS receiver 102. The mobile phone 110 receives position information from a plurality of GPS satellites 114. The position information includes the latitude and longitude of the observation point. The cellular phone 110 transmits the received position information to the ground station 112. The ground station 112 includes a server 116, map data 118, and a GPS antenna 120. The latitude and longitude of the ground station 112 are accurately known, and the server 116 uses the known latitude and longitude of the ground station 112 as reference data, and uses position information received by the GPS antenna 120 from a plurality of GPS satellites 114. The position information transmitted from the mobile phone 110 is corrected, and the accurate position information is transmitted to the mobile phone 110. The server 116 also extracts the total magnetic force data at the current position requested by the mobile phone 110 from the map data 118 and transmits it to the mobile phone 110. Further, the server 116 extracts map information from the map data 118 based on the current position of the mobile phone 110 and transmits it to the mobile phone 110. The mobile phone 110 processes and displays the map information based on the geomagnetic direction measured by the hybrid magnetic sensor 200.
[0041]
FIG. 9 is a functional configuration diagram of the mobile phone 110. The call function of the mobile phone 110 is omitted, and the functions related to the azimuth measurement technique of the present invention are illustrated. The mobile phone 110 includes a GPS receiver 102 that receives a GPS signal from a GPS satellite 114, a total magnetic force acquisition unit 104 that acquires total magnetic force data from the ground station 112, a hybrid magnetic sensor 200, a map information processing unit 206, And a display unit 208. The hybrid magnetic sensor 200 includes a fluxgate type magnetic sensor 100, a tilt sensor 22, a coordinate conversion unit 202, and an azimuth calculation unit 204.
[0042]
The GPS reception unit 102 receives the position information of the observation point from the GPS satellite 114, and the total magnetic force acquisition unit 104 transmits the position information received by the GPS reception unit 102 to the ground station 112. Receives the total magnetic force r. The total magnetic force acquisition unit 104 inputs the total magnetic force r to the coordinate conversion unit 202. The X-axis and Y-axis components x and y of the magnetic vector detected and output by the fluxgate magnetic sensor 100 and the pitch angle α and roll angle β output by the tilt sensor 22 are input to the coordinate conversion unit 202. The coordinate conversion unit 202 obtains the Z-axis component z of the magnetic vector based on the X-axis component x, the Y-axis component y, and the total magnetic force r of the magnetic vector, and performs coordinate conversion using the pitch angle α and the roll angle β. The horizontal magnetic vector (xh, yh, zh) is obtained. The azimuth angle calculation unit 204 calculates the azimuth angle θ of the geomagnetism based on the horizontal magnetic vector and outputs it to the map information processing unit 206.
[0043]
The map information processing unit 206 processes the map data received from the ground station 112 based on the azimuth angle θ, and the display unit 208 displays the processed map data on the screen. For example, the map information processing unit 206 rotates the map by aligning the azimuth of the map with the measured azimuth angle θ of geomagnetism. On the screen of the mobile phone 110, a map is displayed that is aligned with the direction in which the owner of the mobile phone 110 is facing.
[0044]
FIG. 10 is a flowchart of the azimuth measuring method of the present embodiment. The coordinate conversion unit 202 acquires the pitch angle α and the roll angle β from the tilt sensor 22 (S20), and acquires the X-axis component x and the Y-axis component y of the magnetic vector from the fluxgate magnetic sensor 100 (S22). The GPS receiving unit 102 acquires the current position information (S24), and the total magnetic force acquiring unit 104 transmits the current position information to the server 116 of the ground station 112, and receives the total magnetic force r at the current position from the server 116 (S26). . The coordinate conversion unit 202 calculates the Z-axis component z of the magnetic vector from the total magnetic force r and the X-axis component x and Y-axis component y of the magnetic vector by the following equation (S28).
[Equation 3]

The coordinate conversion unit 202 obtains the horizontal magnetic vector (xh, yh, zh) by the coordinate conversion of the above-described equation (2) using the pitch angle α and the roll angle β (S30). The azimuth angle calculation unit 204 calculates the azimuth angle θ from the X-axis component xh and the Y-axis component yh of the magnetic vector after coordinate conversion by the above-described equation (3) (S32).
[0045]
The hybrid magnetic sensor 200 described in the third embodiment and capable of detecting the altitude shown in FIG. 7 is used as the hybrid magnetic sensor 200, and the altitude of the observation point is transmitted to the server 116 of the ground station 112 together with the latitude and longitude of the observation point. You may send it. Further, the server 116 holds the current atmospheric pressure data for each area, and the atmospheric pressure data is provided to the mobile phone 110, and the detected altitude detected by the hybrid magnetic sensor 200 is corrected using the atmospheric pressure data. May be.
[0046]
In the above description, the hybrid magnetic sensor 200 does not detect the magnetic field component in the Z-axis direction. However, the Hall element 24 is used to detect the magnetic field component in the Z-axis direction and obtain the magnetic field strength. You may correct | amend the influence of the strong magnetic field by magnetization etc. compared with the obtained total magnetic force r.
[0047]
As described above, the hybrid magnetic sensor 200 according to the above embodiment has a configuration in which the flux gate type magnetic sensor 100 is formed with the substrate as a main body, and the Hall element 24 and the tilt sensor 22 are mounted on the substrate and integrated. Therefore, downsizing can be achieved.
[0048]
In addition, the hybrid magnetic sensor 200 automatically corrects the tilt to automatically correct the tilt to eliminate the influence of the tilt even if the hybrid magnetic sensor 200 tilts in any direction and the tilt angle is not constant. And can be easily formed on a mobile device such as a mobile phone or a mobile terminal. Compared to the conventional magnetic azimuth sensor that has been calibrated with a mechanical horizontal holding function such as a pendulum, the hybrid magnetic sensor 200 formed in this way is purely electronic and therefore has excellent responsiveness. Since there is no static contact, it can be used semi-permanently and can be structurally compatible with all positions.
[0049]
The present invention has been described based on the embodiments. The embodiments are exemplifications, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of each component and each processing process, and such modifications are also within the scope of the present invention.
[0050]
Such a modification will be described. In the above description, the CPU 20 is provided in the hybrid magnetic sensor 200, but a memory may be further provided to store a correction table. Further, the CPU 20 and the memory may not be mounted on the hybrid magnetic sensor 200, and a signal detected by the hybrid magnetic sensor 200 may be taken out and calculation processing such as correction may be performed by a microcomputer provided outside. In the above description, the magnetic sensor and the tilt sensor are integrally formed on the same substrate. However, the magnetic sensor and the tilt sensor are provided on different substrates without being integrated, and the output signals of both are output as a single signal. You may comprise so that it may process with CPU20.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to perform correction to eliminate the influence of inclination and accurately measure the azimuth of geomagnetism.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded explanatory view of a fluxgate type magnetic sensor used in an omnidirectional magnetic sensor according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of a tilt sensor used for an omnidirectional magnetic sensor.
FIG. 3 is a configuration diagram of a hybrid magnetic sensor which is an example of an omnidirectional magnetic sensor.
FIG. 4 is a schematic view of a hybrid magnetic sensor realized in another manufacturing process.
FIG. 5 is a functional configuration diagram of a hybrid magnetic sensor.
FIG. 6 is a flowchart of correction calculation performed by the CPU of the hybrid magnetic sensor.
FIG. 7 is a top view of a hybrid magnetic sensor according to a third embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram of an azimuth measuring system using a hybrid magnetic sensor according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a functional configuration diagram of a mobile phone incorporating a hybrid magnetic sensor.
FIG. 10 is a flowchart of a direction measuring method.
[Explanation of symbols]
6 X axis direction magnetic field detection coil substrate, 7 Y axis direction magnetic field detection coil substrate, 8 excitation coil substrate, 9 ring core, 10 X coil pattern, 11 Y coil pattern, 12 excitation coil pattern, 20 CPU, 22, 23 Inclination sensor , 24 Hall element, 26 silicon resin, 32 piezo element, 40 film substrate, 50 gel silicon, 100 fluxgate type magnetic sensor, 102 GPS receiver, 104 total magnetic force acquisition unit, 116 server, 200 hybrid magnetic sensor, 202 coordinate conversion Part, 204 azimuth calculation part.

Claims

And it has a communication function, and displays a map that is adapted to the orientation holder is facing the screen, the mobile phone smell that can be displayed by rotating the map to suit the orientation of the map azimuth of the geomagnetic And
E Bei omnidirectional magnetic sensor for detecting the azimuth angle of the geomagnetic,
The omnidirectional magnetic sensor is
A three-axis magnetic sensor formed on a substrate for detecting a three-dimensional magnetic vector;
An inclination sensor for detecting an inclination angle of the substrate;
A signal processing unit for processing output signals of the three-axis magnetic sensor and the tilt sensor;
Including
The three-axis magnetic sensor and the tilt sensor are integrally configured as a hybrid IC,
The substrate has a pattern for transmitting a detection signal output from the tilt sensor. When the tilt sensor is mounted on the substrate, the detection signal is directly introduced into the substrate through the pattern. ,
The signal processing unit calculates a horizontal magnetic field component based on a three-dimensional magnetic vector detected by the three-axis magnetic sensor and a tilt angle detected by the tilt sensor, and calculates a geomagnetic azimuth angle from the horizontal magnetic field component. In addition, when the magnetic field strength calculated from the three-dimensional magnetic vector exceeds a preset magnetic field strength range that can be detected, the calculated horizontal magnetic field component is discarded. thing,
A mobile phone featuring.

And it has a communication function, and displays a map that is adapted to the orientation holder is facing the screen, the mobile phone smell that can be displayed by rotating the map to suit the orientation of the map azimuth of the geomagnetic And
E Bei omnidirectional magnetic sensor for detecting the azimuth angle of the geomagnetic,
The omnidirectional magnetic sensor is
A three-axis magnetic sensor formed on a substrate for detecting a three-dimensional magnetic vector;
An inclination sensor for detecting an inclination angle of the substrate;
A signal processing unit for processing output signals of the three-axis magnetic sensor and the tilt sensor;
Including
The three-axis magnetic sensor and the tilt sensor are integrally configured as a hybrid IC,
A film substrate mounted on the substrate in a form extending outward from the substrate; mounting the tilt sensor on the film substrate; folding the film substrate toward the substrate; Formed by sticking,
The signal processing unit calculates a horizontal magnetic field component based on a three-dimensional magnetic vector detected by the three-axis magnetic sensor and a tilt angle detected by the tilt sensor, and calculates a geomagnetic azimuth angle from the horizontal magnetic field component. In addition, when the magnetic field strength calculated from the three-dimensional magnetic vector exceeds a preset magnetic field strength range that can be detected, the calculated horizontal magnetic field component is discarded. thing,
A mobile phone featuring.

The signal processing unit corrects the tilt angle based on the displacement due to the tilt in the three-axis direction detected by the tilt sensor, and corrects the tilt with the three-dimensional magnetic vector detected by the three-axis magnetic sensor. 3. The mobile phone according to claim 1, wherein a horizontal magnetic field component is calculated based on the angle.