JP2005249554A - 磁界検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３軸磁界計測装置の高さを薄くするための手法を提供する。
【解決手段】 縦方向に実装されるホール素子Ａ，Ｂを傾けて実装し、これらのホール素子出力と、高さ方向のみの磁気成分を出力するホール素子Ｃの出力とから、水平方向の磁気成分と垂直方向の磁気成分を演算で分離し、３軸磁界計測値を得る。
【選択図】 図４

Description

本発明は、磁界検出装置に関する。さらに言えば、地磁気ベクトルを検出し、方位角を知ることができる磁界検出装置に関する。

太古より、地磁気を利用して進行方位や対向方位を求める方法は広く知られており、磁鉄鉱からなる針状物を浮きにつけ、水面に浮かべてその針の指し示す方向を知るものをいわゆる羅針盤と呼ばれている。近年は磁化された針状の鉄片の中心を突起でささえ、空中もしくは特殊なオイルで封止した容器の中にいれることで可搬性を改良した方位磁針（コンパス）が広く使われている。さらに、空間の磁界強度を検知し電気情報に換える磁気センサを用いて磁界強度に相関する電気信号を容易に得ることができるようになり、２軸または３軸の磁気センサの出力信号を取得し、アナログデジタルコンバータを介してマイクロプロセッサなどのデジタル演算装置に入力し、演算により地磁気方位の方向を知る、いわゆる電子コンパスも普及してきている。ここで、２軸または３軸とは、２次元もしくは３次元の直交座標系を設定し、その各軸に平行に入射される磁界成分を各軸で独立に検出することが可能な構成を意味する。

よく知られているように、地磁気は地球上の磁極と呼ばれる極点の一方から発し、他方に集束される。磁極は、現在は北緯、南緯それぞれ７０度の付近と極帯にあり、磁束線はその磁極から磁極へと到達する。

したがって、地磁気を３次元ベクトルでみると、赤道付近では水平の略南北方向に磁束が向くが、緯度が高くなるにつれ、徐々に水平から傾いた成分を持ち始める。日本付近では、水平面から北方向に４０度から５０度の地面方向の傾きを持った磁束線が観測できる。南半球では逆に、南方向に地面方向の傾きを持った磁束線が観測できる。即ち、元来地磁気を検出するには３次元成分を検出する必要があるといえる。

羅針盤やコンパスというものは２次元の磁界成分を検出するものであるが、これは、羅針盤やコンパスは水面やオイル、また突起を介して空中に浮いた状態で使う構造であり、水平面に沿って設置される前提があり、この場合は水平方向の２軸の成分からで、十分に正確な地磁気方位が検出できる。

車載用ナビゲーション装置で電子コンパスを搭載した例がある。車載用のナビゲーション装置の場合は、大抵車両は地面に水平な位置を保つため、地磁気ベクトルの水平平面への投影成分を検知し、その情報をもとに水平方向方位を演算し、表示することで実用上十分な精度を得られた。

従って、磁気センサとしては水平面上でデカルト座標系上互いに９０度離れて配置された２軸の成分を検知するセンサ素子を用いて地磁気成分を計測する事で十分であった。

一方、最近、携帯電話をはじめとする携帯機器に電子コンパス機能を搭載し、ＧＰＳ装置と組み合わせることで、街中などでの歩行ナビゲーションに用いるという応用が注目されている。使い方の例としては、携帯電話を手に持ってその画面に表示された地図情報等を確認しながら自分の進行方位を確認するなどが考えられる。

その場合、３０度から５０度程度の傾き（ピッチ角およびロール角）を持った状態で携帯電話をもつのが自然であるが、この角度に携帯電話を保持した際に、２次元の磁気センサを内部基板上に実装した場合は、正しい方位角情報を得ることができない。

したがって、このような場合には３軸の磁気センサを搭載するのが好ましい。３軸の磁気センサに関しては、以下のような技術が知られている。
３軸磁気センサと３軸の傾斜角センサ、および３軸の角加速度センサによる姿勢検出装置（特許文献１参照）
３軸磁気センサと２軸の傾斜角センサによる地層方向の測定装置（特許文献２参照）
２軸の磁気センサと１軸の磁気センサを組み合わせた構成の３軸磁気センサ（特許文献３参照）

特許第１６８８７２４号公報 特開平０９−２４３３６０号公報 特開２００２−１９６０５５号公報

しかしながら、３軸の磁気センサを集積し、小さなパッケージに収めようとする場合にはその厚みが厚くなるという欠点がある。例えば、ホール素子は素子の感磁面に垂直方向の磁界成分に感度があるが、ホール素子で３軸方向の磁界成分を検出しようとすれば、水平方向の２軸を検出するための素子を縦に配置する必要がある。素子の感磁面の大きさが例えば１ｍｍ角であったとしたら、その縦型に配置するための基板や上面の封止樹脂を考えると１．５ｍｍなどの厚みになってしまう。

磁気抵抗素子においては、素子の感磁面に水平方向の磁界線分に感度を持つので、垂直方向の磁気成分を検出するためには縦方向に向けて実装する必要があり、同様の問題が生ずる。

近年の携帯電話の内部部品は、できる限り薄い構造が求められており、同一の素子を用いた３軸の磁気センサの構造で、厚みを薄く作成する技術が求められている。

そこで本発明の目的は、以上のような問題を解消し、高さ方向を薄くできる３軸の磁気センサの構成を提供することにある。

本発明は、少なくとも２つの磁気センサの出力に基づいて、少なくとも直交する２軸方向の磁界成分を検出することによって少なくとも２次元の空間の磁界成分を得る磁界検出装置であって、前記少なくとも２つの磁気センサは、同一のパッケージに収納されており、前記少なくとも２つの磁気センサのうちの少なくとも一方の磁気センサは、その感度の方向が、前記パッケージの表面に対して斜めに配置して、前記少なくとも２つの磁気センサによって前記直交する２軸方向の磁界成分を検出することを特徴とする。

ここで、さらに第３の磁気センサを、その感度の方向が前記表面に対して斜めに且つ前記２つの磁気センサと異なる方向になるように配置して、互いに直交する３軸方向の磁界成分を検出することによって３次元空間の磁界成分を得ることができる。

さらに、前記磁気センサは、半導体薄膜を有し、その感度の方向が前記半導体薄膜に対して垂直の方向であるホール素子とすることができる。

または、前記磁気センサは、磁気抵抗素子または磁気インピーダンス素子とすることができる。

本発明によれば、形状の大きな磁気センサを用いても、厚み薄く構成できるという効果を有する。

本発明について、以下具体的に説明する。
磁気検知素子を基板に対して縦型に配置する場合に、基板面に垂直に立てるのではなく、水平面に対して傾きをもつように実装すると、同検知素子は、水平方向成分と垂直方向成分の合成成分を検知する。即ち、垂直方向の磁界成分にも感度を持つようになる。検知素子と基板面の為す角度が既知であれば、検知素子が出力する信号から、水平方向成分と垂直方向成分を分離することが可能である。すなわち、検知素子の出力信号値に基づいて、マイクロプロセッサ等の演算手段を用いて、例えば、３次元空間の磁界成分を計算することができる（以下の各実施例も同様）。

例えば、今、Ｘ、Ｙ，Ｚからなる直交座標系を考え、磁気検知素子が取り付けられる基板がＸＹ平面を構成するとする（図１参照）。磁気検知素子であるホール素子ＨＥｘは、Ｘ方向にその感度の方向（感磁面）を向け、基板面に対して垂直に取り付けられているとする。すなわち、ＹＺ平面上に取り付けられていることになる。このときは、ホール素子ＨＥｘは環境磁界ＭのＸ方向成分Ｍｘにのみ感度を持つ。同様に、Ｙ方向の磁気成分を検知するホール素子ＨＥｙは、基板面に対して垂直に取り付けられており、環境磁界ＭのＹ方向成分Ｍｙにのみ感度を持つ。さらに、Ｚ方向の磁気成分を検知するホール素子ＨＥｚは、基板面に対して水平に取り付けられており、環境磁界ＭのＺ方向成分Ｍｚにのみ感度を持つ。この様子は図１に示されているが、Ｘ方向の磁気成分を検知するホール素子ＨＥｘ、Ｙ方向の磁気成分を検知するホール素子ＨＥｙが、センサが固定される基板上に縦方向に実装されるので、センサ全体として高さが高くなっている。

本発明の考え方を図２、図３を例にして説明する。
Ｘ成分を検知するホール素子１を、Ｘ方向に感磁面を向くように保ちながら、基板となす角度を９０度からθ(＜９０度)まで変化させる。即ち、図２の（Ａ）のように、ＹＺ平面に平行かつ、ＸＹ平面に近づくように傾けていく。ホール素子１はＸ方向成分Ｈｘのみならず、Ｚ方向成分Ｈｚにも感度を持つ。このとき、ホール素子１の出力Ｖｈは次式のように表される（図２の（Ｂ）、（Ｃ）参照）。

ただし、Ａは素子の感度であり、各ホール素子で同じとする。

したがって、基板から傾けた素子の出力（すなわち、上記式（１））から傾けていない参照素子（すなわち、ＸＹ平面である基板平面に直交するＺ方向に感滋面を配置した素子）の出力を減算することで、もう一方の軸の成分（Ｘ方向成分）を得ることができる。

すなわち、今、Ｈｚ成分を検知する素子は基板に水平に取り付けられていて、独立にＨｚを検知できるとすると、

と、Ｈｘ成分が求まることになる。
さらに、Ｘ成分、および、またはＹ成分の検出用の素子を、Ｘ−Ｙ平面に対して互いに交差するように傾けたものとする形状も考えられる。これが図３である。

Ｘ方向成分Ｈｘの検出用のホール素子の場合を考えてみる。
第一のホール素子２、第二のホール素子３を持ち、両者ともにＸ−Ｚ平面の磁気成分に感度を持ち、Ｘ−Ｙ平面に対して逆向きにθa１、θa２の角度で交差しているとする（図３の（Ａ）参照）。

素子２，３の出力信号をＶｈｘ１、Ｖｈｘ２として

ただし、Ｂは素子感度で２つとも同一とする（図３の（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）参照）。

いま、θa1=θa2 の場合を考えてみると、

つまり、縦方向の磁気センサを垂直に配置せずに傾きを持たせて配置しても、その傾き角が既知であれば、水平方向成分磁界と垂直方向成分磁界を分離して算出することが可能となり、傾けて配置する分だけ、実装後の厚みを薄くすることが可能となる。

この例では傾き角は２つのホール素子２，３が同一傾き角で逆方向に配置した場合を示したが、同一傾き角でなくとも傾き角が既知であればＺ方向成分を算出できる。また、磁気検知素子の感度は各軸で同一としたが、何らかの方法で各素子の感度が補正されていれば素子間感度に差があっても問題ない。

ホール素子を用いた３軸磁気センサの構成を考えれば、Ｘ成分、Ｙ成分の検出用の２素子はＸ−Ｙ平面に対して縦方向に、Ｚ方向成分検出用の素子はＸ−Ｙ平面上に横方向に配置される。Ｘ，Ｙ成分検出用の素子をＸ−Ｙ平面に垂直ではなく、Ｘ−Ｙ平面に対して角度θa、θbとなるように配置し、Ｚ方向の素子はそのままの配置とすると、

によって、Ｘ成分、Ｙ成分が得られる。

ただし、Ｘ成分検出用の素子、Ｙ成分検出用の素子、Ｚ成分検出用の素子の感度はすべて等しく、Ａとした。

上記議論は、ホール素子に関して例示したが、磁気センサはその他のものを用いても同様である。磁気抵抗素子や磁気インピーダンス素子、またフラックスゲート素子などの感磁面に対して水平方向の磁界成分に感度がある素子を用いる場合は、Ｘ，Ｙ方向成分の素子は基板上に水平方向に実装し、Ｚ方向成分の素子について、Ｘ方向またはＹ方向に傾けて配置する、もしくはＸ方向に傾けた素子とＹ方向に傾けた素子の両方を配置する構成とすることで、素子を垂直に配置することなく、３軸の磁界検出装置を構成できる。

本発明を実施例に基づいて説明する。
［実施例１］
ホール素子の場合
本発明の実施例１を図４にしたがって説明する。
空間上にＸ、Ｙ，Ｚの３軸直交座標系を考える。ホール素子Ｃはその感磁面がＸＹ平面上になるように配置され、Ｚ軸方向の磁界成分を検知する。ホール素子Ａの感磁面はＹ軸に平行であり、ＹＺ平面からＸ軸方向に傾けられて配置され、ＸＹ平面とはθaの角度を持つ。ホール素子Ｂの感磁面はＸ軸に平行であり、ＸＺ平面からＹ軸方向に傾けて配置され、ＸＹ平面とはθｂの角度を持つ。簡単のために、各素子の感度は同一とするが、感度差がある素子で、感度補正ができていたと考えてもよい。

さて、ホール素子ＣはＺ方向磁界Ｈｚを検知する。ホール素子ＡはＸ方向とＺ方向に感度を持つ。ホール素子ＢはＹ方向とＺ方向に感度を持つ。

ホール素子Ａの出力をＨａ、ホール素子Ｂの出力をＨｂとすると、
Ｈａ＝Ｈｘ・Ｓｉｎθa＋Ｈｚ・Ｃｏｓθa
Ｈｂ＝Ｈｙ・Ｓｉｎθb＋Ｈｚ・Ｃｏｓθb
Ｈｃ＝Ｈｚ

ただし、Ｈｘ、Ｈｙ，ＨｚはそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の磁界強度、θaはホール素子Ａの、θbはホール素子ＢのＸＹ平面に対する取り付け角となる。

今、θa,θbが既知であるとし、ＨｚはＣ素子が検知するので既知とすると、Ｈｘ，ＨｙはそれぞれＨａ，ＨｂおよびＨｃより求まる。
Ｈｘ＝（Ｈａ−Ｈｃ・Ｃｏｓθａ）／Ｓｉｎθａ
Ｈｙ＝（Ｈｂ−Ｈｃ・Ｃｏｓθａ）／Ｓｉｎθｂ

[実施例２]
本発明の実施例２を図５に示す。
実施例１と同様に考えてもよいが、本実施例では別の導出がある。

今、ホール素子Ａ１とＡ２が、Ｘ方向とＺ方向に感度を持つように配置されており、それぞれＸ−Ｙ平面とθａ１、θａ２の角度で逆向きに交差をしている。また。ホール素子Ｂ１とＢ２がはＹ方向とＺ方向に感度を持ち、それぞれＸ−Ｙ平面とθｂ１、θｂ２の角度で逆向きに交差をしている。

この場合ホール素子Ａ１、Ａ２、Ｂ１，Ｂ２の出力は、それぞれＨａ１、Ｈａ２、Ｈｂ１，Ｈｂ２としたときに、次のように表される。
Ｈａ１＝Ｈｘ・Ｓｉｎ（θａ１）＋Ｈｚ・Ｃｏｓ（θａ１）
Ｈａ２＝―Ｈｘ・ｓｉｎ（θａ２）＋Ｈｚ・Ｃｏｓ（θａ２）
Ｈｂ１＝Ｈｙ・Ｓｉｎ（θｂ１）＋Ｈｚ・Ｃｏｓ（θｂ１）
Ｈｂ２＝―Ｈｙ・Ｓｉｎ（θｂ２）＋Ｈｚ・Ｃｏｓ（θｂ２）

ただし、Ｈｘ、Ｈｙ，ＨｚはそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の磁界強度、ここで、θａ１＝θａ２、θｂ１=θｂ２であった場合は、
Ｈｘ＝（Ｈａ１−Ｈａ２）／（２・Ｓｉｎ（θａ１））
Ｈｙ＝Ｈｂ１−Ｈｂ２／（２・Ｓｉｎθｂ１）
Ｈｚ＝（Ｈａ１＋Ｈａ２）／（２・Ｃｏｓ（θａ１））＝（Ｈｂ１＋Ｈｂ２）／（２・Ｃｏｓ（θｂ２））
となる。

［実施例３］
本発明の実施例３を図６に表す。
ホール素子以外の磁気センサでも実施例１や実施例２で示したものと同様の構成が考えられるが、磁気インピーダンス素子の場合は図６のような構成がある。

磁気インピーダンス素子をワイヤー状に構成し、その長手方向の磁界に感度を持つような場合において、磁気インピーダンス素子Ｂ３はＹ軸方向の磁気成分を検出し、磁気インピーダンス素子Ｃ３はＸ軸方向の磁気成分に感度があるとする。磁気インピーダンス素子Ａ３はＹ−Ｚ平面に平行であり、Ｘ−Ｙ平面に対して角度θａで交差する。

磁気インピーダンス素子Ａ３の出力をＨａ、磁気インピーダンス素子Ｂ３の出力をＨｂ、磁気インピーダンス素子Ｃ３の出力をＨｃ、とすると、
Ｈａ＝Ｈｙ＋Ｈｚ・Ｃｏｓθａ
Ｈｂ＝Ｈｙ
Ｈｃ＝Ｈｘ

ただし、Ｈｘ、Ｈｙ，ＨｚはそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の磁界強度、したがって、
Ｈｘ＝Ｈｃ
Ｈｙ＝Ｈｂ
Ｈｚ＝（Ｈａ−Ｈｂ）／Ｃｏｓθａ
となる。

同様に図７の構成も考えられる。
これは実施例２（図５）と同様である。

以上、磁気検知素子を用いた３軸磁界検出装置について述べてきたが、本発明は磁気に限らず、その他の物理量を検知する多軸ベクトル量検知装置一般にも適用されることは言うまでもない。

重力、加速度、光、電波などの検出にあたっても、同様の思想は適用されうる。

本発明は、磁気検出装置の分野に関する。さらにいえば、携帯機器に搭載される電子コンパスを目的とした３軸方位角検出装置において好適に利用できる。

磁気検知素子を３軸方向に実装した磁界検出装置の俯瞰図である。 本発明の原理を説明する模式図である。 本発明の原理を説明する模式図である。 本発明の実施形態を表す俯瞰図である。 本発明の実施形態を表す別の俯瞰図である。 本発明の実施形態を表す更に別の俯瞰図である。 本発明の実施形態を表す更に別の俯瞰図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ，Ｃ ホール素子
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２ ホール素子
Ａ３，Ｂ３，Ｃ３ 磁気インピーダンス素子
Ａ４，Ｂ４，Ｃ４ 磁気インピーダンス素子

Claims (4)

1. 少なくとも２つの磁気センサの出力に基づいて、少なくとも直交する２軸方向の磁界成分を検出することによって少なくとも２次元の空間の磁界成分を得る磁界検出装置であって、
   前記少なくとも２つの磁気センサは、同一のパッケージに収納されており、前記少なくとも２つの磁気センサのうちの少なくとも一方の磁気センサは、その感度の方向が、前記パッケージの表面に対して斜めに配置して、前記少なくとも２つの磁気センサによって前記直交する２軸方向の磁界成分を検出することを特徴とする磁界検出装置。
2. 請求項１において、
   さらに第３の磁気センサを、その感度の方向が前記表面に対して斜めに且つ前記２つの磁気センサと異なる方向になるように配置して、互いに直交する３軸方向の磁界成分を検出することによって３次元空間の磁界成分を得ることを特徴とする磁界検出装置。
3. 前記磁気センサは、半導体薄膜を有し、その感度の方向が前記半導体薄膜に対して垂直の方向であるホール素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁界検出装置。
4. 前記磁気センサは、磁気抵抗素子または磁気インピーダンス素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁界検出装置。
   

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