JP2005265620A - 磁気検出素子及び磁気方位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部磁界に対する感度の指向性を一様にする。
【解決手段】 軟磁性材料からなる磁気コア４０と、外部磁界Hを検出する検出コイル４１とを有しており、磁気コア４０の形状は、正多角形であり、検出コイル４１は、正多角形の磁気コア４０の各辺に形成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、地磁気方位測定する磁気検出素子及び磁気方位測定装置に関する。

従来、地磁気等の外部磁界と、磁気センサ装置の間の方位角を得るためには、図２１に示すように、指向性を持つ磁気センサ素子Ｘ１６１，Ｙ１６２を、９０°の位置関係に配し、これらから検出・増幅回路１６３を介して得られる二つの出力Xout、Youtを基に方位を求める方法が主に用いられてきた。

つまり、方位角θに対する、個々のセンサの出力（Xout、Yout）は、指向性／位置関係のため、下記（１）、（２）式に示すように９０°位相のずれた正弦波状（図２２に波形を示す）に変化する。
Xout0＝cos(θ) ・・・（１）
Yout0＝sin(θ) ・・・（２）
これから、
θ_０＝Tan^−１(Yout0／Xout0)＝Tan^−１(sinθ／cosθ) ・・・（３）
を計算することにより、方位角θ_０が求められる。

ただし、Tan^−１は不連続点を持つため、下記の条件に従いθ_０を補正する必要がある。
条件：Xout≧０、Yout0≧０ なら θ＝θ_０
Xout＜０ なら θ＝θ_０＋１８０°
Xout≧０、Yout0＜０ なら θ＝θ_０＋３６０°
・・・（４）
特開平８−２０１０６０号公報 特願２００２−３０４９９０号公報

ところで、上記Tan^−１をアナログ的（回路的）に得るのは困難であり、図２３に示すマイクロコンピュータ１６４等を用い演算を行う必要がある。このため、システムにはセンサからのアナログ出力を、ディジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ１６５が必要となる。また、Tan^−１は非線形関数であるため、演算を行うためには、数値テーブル等大量のメモリ１６６と、高い計算能力を有するマイコン１６４を使う必要がある。

このように、従来方式では方位情報を得るために、センサ以外に複雑で大規模なシステムを構成する必要があった。

さらに、センサから出力される信号は、素子／回路個々のバラつき、環境等の影響により実際には下式のようになる。
Xout＝Ax・cos(θ)＋Ox ・・・（５）
Yout＝Ay・sin(θ)＋Oy ・・・（６）
（ここで、Ax、Ayを振幅、Ox、Oyをオフセット電圧と定義する）
これらから、
θ＝Tan^−１((Ay・sin(θ)＋Oy)／(Ax・cos(θ)＋Ox)) ・・・（７）
となる。

振幅、オフセット等の影響により実際の方位角とθの間に誤差が生じる。この誤差を補正し、精度良い方位測定を行うには、センサを回転させキャリブレーションを行う必要があったが、これは一定条件の下で回転を行う必要があり、非常な手間を要し、場合によってはさらに特性を悪化させるケースもあった。また、システムにキャリブレーションを制御するモードを設定する必要があり、さらに複雑化する要因にもなっている。結局、これらを解決し、方位精度を向上させるためには、センサ単体レベル、回路でのバラつきを徹底的に抑える必要があり、量産性に影響を及ぼすこととなる。

また、例えば、センサが磁気コアの長手方向に検出コイル及び励磁コイルを巻回してなるフラックスゲート型センサの場合、コアの反磁界を減少させるために、各センサを個別に構成するのではなく、磁気コアを共通化（リング状）する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、特許文献２に示すように、磁気コアのリング形状が円形の場合には、各検出コイルは、円形の磁気コアに沿って形成されるため、ある曲率を持った素子形状となる。したがって、センサ内部の部位ごとに、外部磁界に対する指向性の方向が異なることになる。つまり、同一センサ内において、方位情報の出力に対する寄与度が低い部分が生じることとなり、センサ全体において、磁界に対する感度が減少することになる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、演算手段や回転等のメカ的な動作を不要とし、また、簡単な構成で量産性に影響を及ぼすことがなく、さらに高精度に方位を測定することができ、また、同一センサ内において方位情報の出力に対する寄与度を均一にし、センサ全体において、磁界に対する感度を向上することができる磁気検出素子及び磁気方位測定装置の提供を目的とする。

本発明に係る磁気検出素子は、上述した課題を解決するために、軟磁性材料からなる磁気コアと、外部磁界を検出する検出コイルとを有しており、磁気コアの形状は、正多角形であり、検出コイルは、正多角形の磁気コアの各辺に形成される。

また、本発明に係る磁気方位測定装置は、上述した課題を解決するために、指向性を有する２個以上の磁気検出素子を、それらの指向性が異なるように一定規則で等間隔に配置してなる磁気検出手段と、磁気検出手段の各磁気検出素子からの電磁変換出力を順次スイッチングして取り出す取り出し手段と、取り出し手段により順次スイッチングされて取り出された電磁変換出力が所定の条件となったか否かを判断する条件判断手段と、条件判断手段の判断結果に基づいて磁気方位情報を出力する方位情報出力手段とを備え、磁気検出手段は、軟磁性材料からなる磁気コアと、外部磁界を検出する検出コイルとを有しており、磁気コアの形状は、正多角形であり、検出コイルは、正多角形の磁気コアの各辺に形成される。

本願発明に係る磁気検出素子は、多角形の磁気コアの各辺に磁気検出素子部が形成されてなるので、一つの素子部内では、コアは直線状となり、素子内での指向性を一様にすることができ、素子全体として外部磁界の検出感度を向上することができる。

本願発明に係る磁気方位測定装置は、磁気検出素子群の多角形リング磁気コアの各辺に形成されている各磁気検出素子からの電磁変換出力を、取り出し手段となるスイッチング回路と同期検波回路が順次スイッチングして取り出し、条件判断回路が取り出された電磁変換出力が所定の条件となったか否かを判断し、その判断結果に基づいて方位情報出力手段である出力インターフェース回路が磁気方位情報を出力するので、感度指向性が外部磁界Hに対して均一となる各磁気検出素子からなる磁気検出素子群の感度指向性が外部磁界に対して均一となり、演算手段や回転等のメカ的な動作を不要とし、また簡単な構成で量産性に影響を及ぼすことがなく、さらに高精度に方位を測定することができる。

また、磁気方位測定装置は、磁気検出素子群が磁気コアの内周側コイルを検出コイルとし、外周側コイルを励磁コイルとするので、磁気コアの長手方向における励磁コイルの導体の間隔が原理的には薄膜プロセスのパターンニングの分解能により決定される間隔まで狭めることができるので、コイル内部の磁界強度の不均一性を少なくすることが可能となり、磁界検出動作の安定性を向上することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。この実施の形態は、図１に概略構成を示すように、指向性を有する例えば８個の磁気検出素子からなる磁気検出素子群２を備え、磁気検出素子群２の各磁気検出素子の電磁変換出力を、検出・増幅回路３により順次スイッチングして取り出し、取り出した電磁変換出力が所定の条件となったときに、外部磁界の方位情報ＤＩを生成する磁気方位測定装置１である。

磁気検出素子群２としては、後述するようにフラックスゲート方式、磁気抵抗素子、ホール素子等を用いることができる。この磁気検出素子群２と検出・増幅回路３とが、磁気検出部４を構成している。

制御部５は、磁気検出素子群２の後述する励磁コイルを励磁するための励磁信号や、検出・増幅回路３にて各磁気検出素子の電磁変換出力を取り出し、方位情報ＤＩを出力するための制御信号を生成して、各部に供給する。

なお、この実施の形態では、説明の便宜上磁気検出素子の数を８個とするが、２個以上であれば何個でもよい。また、磁気検出素子の数は、２^ｎ個（ｎは１以上の整数）でもよい。具体的には、２，４，８，１６，３２，６４，１２８,２５６個でもよい。磁気検出素子の数が多くなるほど、磁気方位の測定を精細に行うことができる。

磁気検出素子群２内の例えば８個の磁気検出素子は、それらの指向性が異なるように、例えば正多角形の円周上に一定規則で等間隔に配置される。すなわち、磁気検出素子群２は、磁気検出素子の配置の仕方や、後述する励磁コイルや、検出コイルの巻き方などに特徴がある。なお、この磁気検出素子群２の詳細については後述する。

次に、磁気方位測定装置１の詳細な構成について図２を参照して説明する。特に図１の検出・増幅回路３に相当する部分や、制御部５に相当する部分の詳細な構成について説明する。なお、説明の便宜上、地磁気を電気信号に変換する方式として公知技術であるフラックスゲート方式を用い、検出素子数を８個とする。もちろん、磁電変換方式として他の方式（例えば磁気抵抗素子、ホール素子など）を用いることも可能であり、また、検出素子数を８個以外の数とすることも可能である。図１の検出・増幅回路３に相当する部分は、スイッチング回路６、同期検波回路７、増幅回路８、条件判断回路９、出力インターフェース回路１０からなる。また、制御部５に相当する部分は、発振器１１、分周回路１２、ドライブ回路１３からなる。

図２において、磁気検出素子群２の８個の磁気検出素子からの検出出力である誘導電圧信号は、スイッチング回路６の電子スイッチ部１４に供給される。電子スイッチ部１４は、８個の電子スイッチＳ１・・・，Ｓ７，Ｓ８からなり、８個の磁気検出素子からの検出出力を受け取る。電子スイッチ部１４の８個の電子スイッチは、スイッチング回路内のエンコーダ１５からのデジタル出力によって順次ある周期毎に切り換わり、切り換えた誘導電圧信号を同期検波回路７に供給する。

同期検波回路７は、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波し、増幅回路８に供給する。増幅回路８は、同期検波された誘導電圧信号を後段回路で信号を処理するのに十分なレベルに増幅するとともに、高周波成分をＬＰＦ１６により除去し、条件判断回路９に供給する。

スイッチング回路６と同期検波回路７とは、各磁気検出素子からの電磁変換出力をスイッチングし、さらにスイッチングされた信号を所定の周波数により同期検波して外部磁界強度に応じた電圧変化を取り出す取り出し手段である。

条件判断回路９は、増幅回路８からの出力波形が一定条件（例えば、最大）となった際に、トリガ信号trを発生し、出力インターフェース回路１０へ供給する。なお、一定条件としては、上記出力波形が最小、又はゼロクロスとなったこととしてもよい。

出力インターフェース回路１０は、条件判断回路９が発生したトリガ信号trにより、スイッチング信号（ディジタル）をホールドし、例えばピーク時を検出し、出力することで方位情報ＤＩとする。また、外部機器に対し方位情報出力を行うためのタイミング調整などを行う。

発振器１１は、磁気検出素子群２の励磁コイルにドライブ回路１３を介して供給する信号、スイッチング回路６に供給されて電子スイッチ部１４を切り換えるための信号、同期検波回路７に供給されて同期検波用の制御信号の基になる周波数ｆの信号を発振する。

分周回路１２は、発振器１１からの周波数ｆの信号を、ｆ／２に分周してドライブ回路１３に供給する。また、発振器１１からの周波数ｆの信号を、ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍに分周することにより、例えば８進のカウンタを構成し、数列１，２・・・８をエンコーダ１５を介して電子スイッチ部１４の各電子スイッチＳ１〜Ｓ８へ供給する。

ドライブ回路１３は、分周回路１２からのｆ／２の信号を用いて磁気検出素子群２の励磁コイルを駆動する。励磁コイルは、後述するように、磁気検出素子毎に設けられたり、あるいは全ての磁気検出素子に共通に設けられている。

スイッチング回路６は、分周回路１２を８進のカウンタとして構成した際に、ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍの信号に基づいた数列１，２・・・８を受け取り、エンコーダ１５にて電子スイッチ部１４の各電子スイッチを切り換えるためのディジタル出力に変換する。

前記数列１，２・・・８をエンコーダ１５にて変換したデータは、各電子スイッチＳ１〜Ｓ８のセンサ出力に一対一で対応しているので、個々の検出コイルの位置（方向）に対応することになる。つまり、順次スイッチングされたセンサ出力信号が、条件判断回路９で判断されるある一定条件となったタイミングの、外部磁界の方位をディジタル的に表した値となる。このディジタル的な値を用いれば外部磁界の方位を知ることができる。

次に、磁気検出素子群２の具体例の構成及び動作原理を説明する。

磁気検出素子群２は、図３に示すように、８個の磁気検出素子２ａ〜２ｈを、それらの指向性が異なるように一定規則で等間隔で配置してなる。ここでは、特に円周上に等間隔で配置している。各磁気検出素子２ａ〜２ｈは、図４に示すように、軟磁性材料からなる多角形リング磁気コア４０と、それを励磁する励磁コイル４１と、外部磁界を検出する検出コイル４２から構成されており、フラックスゲート型のセンサである。

励磁コイルに電流ieを流すと、多角形リング磁気コア４０内には図５に示すような励磁磁界（磁束）Hieが発生する。励磁電流ieを交流信号とすることにより、磁気コア内磁束Hieも時間tに対して交流的に変化し、各々の検出コイル４２には電磁誘導の法則により誘導電圧eが発生する。励磁電流の振幅を大きくし、磁化力をある程度以上に大きくしても多角形リング磁気コア４０の磁束密度Bは図６に示すように増加しなくなり飽和状態となって、検出コイル誘導電圧eが大きく歪むこととなる。ここで、磁気検出素子２ａ〜２ｈに外部から磁界Hが印加された場合、磁気コア内磁束は励磁磁束Hieと外部磁界Hによる磁束が加算されたものとなる（Hie＋H）。このため、外部磁界Hの強度に応じ、多角形リング磁気コア４０の飽和点が図７に示すように正または負側にシフトする。これにより、検出コイル誘導電圧eは、正負非対称な波形となる。これは誘導電圧の２次高調波成分が変化することと等価である。このため、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波することにより、外部磁界強度Hに応じた電圧変化を取り出すことが可能となる。

また、磁気コアの形状を多角形にすることによる効果について以下に述べる。

例えば、磁気コアの形状を円形にし、円形の磁気コアに沿って磁気検出素子が４つ形成されている場合（図８（ａ））には、図８（ｂ）に示すように、一の磁気検出素子内において感度指向性が外部磁界Hに対して均一とならない。したがって、円形形状の磁気コアに沿って形成されている磁気検出素子は、方位情報ＤＩの出力に対する寄与度の低い部分が生じることになり、素子全体として、外部磁界Hに対する感度が減少してしまう。また、図９（ａ）のように、円形の磁気コアに沿って形成する磁気検出素子の数を８つに増加した場合であっても、図９（ｂ）に、示すように、外部磁界Hが密のときには、一の磁気検出素子内において感度指向性が均一にならない。

一方、例えば、多角形の磁気コアの各辺に磁気検出素子が４つ形成されている場合（図１０（ａ）には、図１０（ｂ）に示すように、一の磁気検出素子内において感度指向性が外部磁界Hに対して均一となる。したがって、多角形形状の磁気コアの各辺に形成されている磁気検出素子は、方位情報ＤＩの出力に対する寄与度が均一となり、素子全体として、上述した円形形状に比べて、外部磁界Hに対する感度を向上することができる。なお、図１１（ａ）のように、磁気検出素子の数を増加（８つ）した場合にも、図１１（ｂ）に示すように、外部磁界Hが密なときにも、一の磁気検出素子内において感度指向性が均一となる。

次に、スイッチング回路６の構成について詳細に説明する。前述のようにスイッチング回路６は、８個の磁気検出素子２ａ〜２ｈの電磁変換出力の読み出しを電気的に行う８個の電子スイッチＳ１〜Ｓ８を有する電子スイッチ部１４と、電子スイッチ部１４の８個の電子スイッチＳ１〜Ｓ８の切り換えを制御するディジタル出力を生成するエンコーダ１５とを備えてなる。そして、スイッチング回路６は、８個の磁気検出素子の出力を分周回路１２から供給されたｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍよりなる８進カウンタからの数列にしたがったディジタル値に基づいて順次切り換える。

次に、分周回路１２の構成について詳細に説明する。分周回路１２は、バイナリカウンタにより構成され、発振器１１からの周波数ｆをクロックCLK端子から取り入れて、ｆ／２、ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍを出力する。ｆ／２の信号は、ドライブ回路１３に供給される。また、ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍの信号に基づいた数列１，２・・・８をスイッチング回路６のエンコーダ１５に供給する。また、この分周回路１２は、出力インターフェース回路１０にもｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍの信号に基づいた数列１，２・・・８を選択的に供給する。

次に、出力インターフェース回路１０の詳細な構成について説明する。出力インターフェース回路１０は、ラッチ１７を有し、条件判断回路９からのトリガ信号trに基づいて、例えばピーク時のスイッチング信号をホールドし、方位情報ＤＩを出力する。

次に、本実施の形態の磁気方位測定装置１の動作の詳細を説明する。図１２は、磁気検出素子群２の各磁気検出素子２ａ〜２ｈを模式的に示している。また、外部磁界Hが矢印の方向から印加されていることを示している。

図４に示したように、外部磁界Hに対する、軟磁性体の多角形リング磁気コア４０内の磁束は、コア接線と外部磁界方向の方位角に対し正弦波状の分布となる。つまり、コア接線が磁界と平行となる近傍で最大値MAX、反平行となる部分で最小値MINとなり、その間の部分では、正弦波状に連続的な変化をする。このような磁束の分布に対し、検出コイルを多角形リングコアの局部（各辺）にのみ巻回し、同様の検出コイルを等間隔で８個配置した場合、各検出コイルからの出力は、コイル近傍のコア内磁束分布に従い分布することとなる。

これらの検出コイルからの出力を、スイッチング回路６により、時系列的に順次スイッチングすれば、前記コイル位置（方位）による出力分布に従い、図１３に示すように、時間に対し段階的に変化する正弦波状の信号が得られる。

このため、スイッチング回路６は、検出コイルと同期検波回路７の間に配置され、検出コイルの出力を順次スイッチングする。電気信号によりｏｎ／ｏｆｆ可能な、ある周期ごとに、切換を行っていく方法を採る。これら電子スイッチＳ１〜Ｓ８群は前述したようにエンコーダ１５からのディジタル信号によって切り換えられる。

ここで、検出コイルの数を、２^ｎとなるよう設定すれば（ディジタルで回路を組みやすくなる）、このスイッチング回路６を容易に形成できる。つまり、励磁信号をバイナリカウンタにより分周し（ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍに分周して）個々のスイッチのｏｎ／ｏｆｆ信号とすることができる。なお、このとき、多角形リング磁気コア４０の形状は、２^ｎ角形となる。

このスイッチング信号は、個々の検出スイッチ（センサ出力）に一対一で対応している。つまり、個々の検出コイルの位置（方向）に対応することとなる。その為、順次スイッチングされたセンサ出力信号が、ある一定条件となったタイミングの、スイッチング信号は、外部磁界の方位をディジタル的に表した値となる。

例えば、条件判断回路９は、スイッチングされた出力信号が最大（正のピーク）となった事を検出したら、トリガ信号trを発生し、このトリガ信号trにより、出力インターフェース回路１０がスイッチング信号を保持する。この出力インターフェース回路１０で、保持されたスイッチング信号は、外部磁界Hに平行な検出コイル位置をディジタル的に表したものである。したがって、センサ素子に対する外部磁界Hの方位を知ることができる。

例えば、図１２においては、磁気検出素子２ｄの出力が最大MAXとなり、検出素子番号（方位）「４」をダイレクトにディジタル値（例えば「０１００」）として出力する（図１３）。

また、図１２においては、磁気検出素子２ｈの出力が最小MINとなり、検出素子番号（方位）「８」をダイレクトにディジタル値（例えば「１０００」）として出力する（図１３）。

なお、磁気方位測定装置１が用いる磁気検出素子群２は、図３に示した具体例（磁気検出素子群２）に限定されるものではなく、他の具体例を用いることもできる。以下には、磁気検出素子群のいくつかの他の具体例について説明する。

第１の他の具体例は、多角形からなるループ状の一つの磁気コアを８個の磁気検出素子で共通に用いてなり、さらに一つの励磁コイルを８個の磁気検出素子で共通に用いてなる図１４に外観を示す磁気検出素子群５０である。検出コイルは、各磁気検出素子５０ａ〜５０ｈ毎に多角形リング磁気コア部５１に巻回しされている。

図１４及び図１５を用いて説明すると、各磁気検出素子５０ａ〜５０ｈは、共通のループ状磁気コア５１の各辺に形成されている。また、励磁コイル５２は全ての磁気検出素子で共通に用いられるように磁気コア部全体に連続して巻回しされている。等価回路は、図１６に示すようになる。なお、この具体例は、非磁性基板上に、磁気コア、励磁コイル、検出コイルを薄膜形成することにより構成されてもよい。図１５は、薄膜形成された素子の詳細を示す図である。

図１５は、薄膜形成された素子の詳細を示す図である。図１５（ａ）は、励磁コイル５２の層と検出コイル５３の層とからなり、多角形リング磁気コア５１の上側に巻回しされている上層コイルを示しており、図１５（ｂ）は、上層コイルと下層コイルが巻回される多角形リング磁気コア５１を示しており、図１５（ｃ）は、励磁コイル５２の層と検出コイル５３の層とからなり、多角形リング磁気コア５１の下側に巻き回しされている下層コイルを示している。

この磁気検出素子群５０にあっても、磁化力をある程度以上に大きくすれば磁気コアの磁束密度Bは増加しなくなり飽和状態となって、検出コイル誘導電圧eが大きく歪むこととなる。そして、外部から磁界Hが印加された場合、磁気コア内磁束は励磁磁束Hieと外部磁界Hによる磁束が加算されたものとなる（Hie＋H）。このため、外部磁界Hの強度に応じ、多角形リング磁気コア５１の飽和点が正または負側にシフトし、検出コイル誘導電圧eは、正負非対称な波形となる。

このため、磁気検出素子群５０を用いた磁気方位測定装置１にあっても、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波することにより、外部磁界強度Hに応じた電圧変化を取り出すことが可能となる。特に、この磁気センサ部は、励磁コイルを共通化することにより、シンプルな構成となる。

また、第２の他の具体例は、多角形からなるループ状の一つの磁気コアを８個の磁気検出素子で共通に用い、また一つの励磁コイルを８個の磁気検出素子で共通に用いてなり、さらに８個の検出コイルの一端を共通とした図１７に外観を示す磁気検出素子群６０である。

図１７及び図１８を用いて説明すると、各磁気検出素子６０ａ〜６０ｈは、共通の多角形リング磁気コア６１の各辺に形成されている。また、励磁コイル６２は全ての磁気検出素子で共通に用いられるように多角形リング磁気コア６１全体に連続して巻回しされている。等価回路は、図１９に示すようになる。なお、この具体例についても第１の他の実施例同様、非磁性基板上に、磁気コア、励磁コイル、検出コイルを薄膜形成することにより構成されてもよい。図１８は薄膜形成された素子の詳細を示している。

図１８は薄膜形成された素子の詳細を示している。図１８（ａ）は、励磁コイル６２の層と検出コイル６３の層とからなり、多角形リング磁気コア６１の上側に巻回しされている上層コイルを示しており、図１８（ｂ）は、上層コイルと下層コイルが巻回される多角形リング磁気コア６１を示しており、図１８（ｃ）は、励磁コイル６２の層からなり、多角形リング磁気コア６１の下側に巻回しされている下層コイルを示している。

この磁気検出素子群６０にあっても、磁化力をある程度以上に大きくすれば多角形リング磁気コア６１の磁束密度Bは増加しなくなり飽和状態となって、検出コイル誘導電圧eが大きく歪むこととなる。そして、外部から磁界Hが印加された場合、多角形リング磁気コア内磁束は励磁磁束Hieと外部磁界Hによる磁束が加算されたものとなる（Hie＋H）。このため、外部磁界Hの強度に応じ、多角形リング磁気コア６１の飽和点が正または負側にシフトし、検出コイル誘導電圧eは、正負非対称な波形となる。

このため、磁気検出素子群６０を用いた磁気方位測定装置１にあっても、この磁気検出素子群６０により得られる、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波することにより、外部磁界強度Hに応じた電圧変化を取り出すことが可能となる。特に、この磁気センサ部は、励磁コイル６２を共通化し、検出コイル６３の一方の端子を共通化しているので、さらにシンプルな構成となる。

また、第１の他の具体例、第２の他の具体例は、薄膜プロセスにより形成されるのに適している。この場合の各磁気検出素子の薄膜プロセスについて図２０を用いて以下に説明する。

先ず、Ｓｉ等の非磁性材料よりなる基板７０上に、Ｃｕをメッキして第１の下層コイル７１を形成する。この第１の下層コイル７１は、後述の第１の上層コイル７９と接続され、外周側コイルとして多角形リング磁気コア７５にスパイラル状に巻回しされることになる。第１の下層コイル７１上と基板７０上の一部には、第１の下層コイル７１を保護すると共に、この第１の下層コイル７１と第２の下層コイル７３との絶縁を図るための第１のコイル絶縁層７２を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

また、第１のコイル絶縁層７２の上部に第２の下層コイル７３を形成する。この第２の下層コイル７３は、後述する第２の上層コイル７７と接続され、内周側コイルとして多角形リング磁気コア７５にスパイラル状に巻回しされることになる。第２の下層コイル７３上と第１のコイル絶縁層７２上の一部には、第２の下層コイル７３を保護すると共に、この第２の下層コイル７３と多角形リング磁気コア７５の絶縁を図るための第２のコイル絶縁層７４を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

第２のコイル絶縁層７４の上には、例えばＣｏ系アモルファス合金をリフトオフしてなる多角形リング磁気コア７５を形成する。このＣｏ系アモルファス合金は、熱処理と磁場によって誘導磁気異方性を付与及び除去できる材料である。

さらに、多角形リング磁気コア７５の上には、多角形リング磁気コア７５と後述する第２の上層コイル７７とを絶縁するための第３のコイル絶縁層７６を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

第３のコイル絶縁層７６上には、第２の上層コイル７７を前記第２の下層コイル７３と同様にＣｕをメッキして形成する。そして、第２の上層コイル７７上と第３のコイル絶縁層７６上の一部には、第２の上層コイル７７を保護するための第４のコイル絶縁層７８を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

また、第４のコイル絶縁層７８上には、第１の上層コイル７９を前記第１の下層コイル７１と同様にＣｕをメッキして形成する。そして、第１の上層コイル７９上と第４のコイル絶縁層７８上の一部には、第１の上層コイル７９を保護するための保護層８０を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

このようにして磁気検出素子２ａは、非磁性基板７０上に薄膜プロセスにより、多角形リング磁気コア７５と、多角形リング磁気コア７５最近傍の第２の上層コイル７７と第２の下層コイル７３が接続されてなる内周側コイルと、第１の上層コイル７９と第１の下層コイル７１が接続されてなる外周側コイルとが形成される。

また、例えば、多角形リング磁気コア７５近傍の内周側コイルを励磁用のコイルとし、外周側コイルを検出用のコイルとした場合、コイルに時計回りの電流が流れているときには、右ねじの法則にしたがって、内周側コイル（励磁コイル）の内側及び外側に磁束が発生する。このとき、内周側コイルの多角形リング磁気コア７５を含めた内側と、外側で発生する磁束の向きが異なる。なお、センサの感度に直接寄与するのは多角形リング磁気コア７５内部を通る磁束である。

検出コイルである外周側コイルは、励磁コイルの外側に配置されているため、励磁コイル内側及び外側の両方の磁束と鎖交することになる。検出コイルからみて、励磁コイルの内側及び外側の両方に生じている互いに異なる向きの磁束は、打ち消しあい（キャンセル）全体の磁束数は減少することになり、検出コイルの検出感度も悪化してしまう。

そこで、本願発明に係る磁気検出素子では、内周側コイルを検出用のコイルとし、外周側コイルを励磁用のコイルとして用いる。磁気検出素子は、励磁コイルに時計回りの電流が流れている場合、右ねじの法則にしたがって、外周側コイル（励磁コイル）の内側には、同一方向の磁束が発生する。したがって、内周側コイル（検出コイル）の内側はすべて同一方向に磁束が発生することになり、多角形リング磁気コア７５内を通る磁束を損なうことなく検出コイルと鎖交し、検出感度に寄与することになる。

また、条件判断回路９における、上記一定条件としては、最大値を採る他に、例えば最小値（負のピーク）あるいは、一定電圧値（例えばゼロクロス点）等が使える。

このように構成される本願発明に係る磁気方位測定装置１は、磁気検出素子群２の多角形リング磁気コア４０の各辺に形成されている各磁気検出素子２ａ〜２ｈからの電磁変換出力を、取り出し手段となるスイッチング回路６と同期検波回路７が順次スイッチングして取り出し、条件判断回路９が取り出された電磁変換出力が所定の条件となったか否かを判断し、その判断結果に基づいて方位情報出力手段である出力インターフェース回路１０が磁気方位情報ＤＩを出力するので、感度指向性が外部磁界Hに対して均一となる各磁気検出素子２ａ〜２ｈからなる磁気検出素子群２の感度指向性が外部磁界Hに対して均一となり、演算手段や回転等のメカ的な動作を不要とし、また簡単な構成で量産性に影響を及ぼすことがなく、さらに高精度に方位を測定することができる。

また、磁気方位測定装置１は、磁気検出素子群２が磁気コアの内周側コイルを検出コイルとし、外周側コイルを励磁コイルとするので、磁気コアの長手方向における励磁コイルの導体の間隔が原理的には薄膜プロセスのパターンニングの分解能により決定される間隔まで狭めることができるので、コイル内部の磁界強度の不均一性を少なくすることが可能となり、磁界検出動作の安定性を向上することが可能となる。

また、本願発明に係る磁気方位測定装置１は、磁気コアの長手方向における励磁コイルの導体の間隔を狭めることにより、漏れ磁束を減少させ、磁界発生効率を向上することが可能となる。

また、図１における磁気検出素子群としては、フラックスゲートを用いる他に、例えば磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子、ホール素子等を用いる事が出来る。

また、本願発明に係る磁気検出素子群は、薄膜プロセスを用いたフラックスゲート型磁気センサのみならず、従来のようにバルク型センサであっても良く、この場合であっても、励磁コイルを磁気コアの長手方向に沿って、外周側から隙間なく巻回すことができるので、コイル内部の磁界強度を均一化することができ、また、漏れ磁束を減少させ、磁界発生効率を向上させることが可能となる。

本発明に係る磁気方位測定装置の概略構成を示すブロック図である。 磁気方位測定装置の詳細な構成を示す回路図である。 磁気方位測定装置で用いる磁気検出素子群の配置図である。 磁気検出素子の詳細な構成を示す図である。 励磁磁界の変動を示す図である。 磁気コアのＢ−Ｈ特性図である。 外部磁界の影響を受けた磁気コアのＢ−Ｈ特性図である。 （ａ）は、円形コアに磁気検出素子を等間隔に４つ形成した場合の磁気検出素子群の構成図であり、（ｂ）は、一の磁気検出素子内における感度指向性の向きを示す図である。 （ａ）は、円形コアに磁気検出素子を等間隔に８つ形成した場合の磁気検出素子群の構成図であり、（ｂ）は、一の磁気検出素子内における感度指向性の向きを示す図である。 （ａ）は、多角形コアの各辺に磁気検出素子を４つ形成した場合の磁気検出素子群の構成図であり、（ｂ）は、一の磁気検出素子内における感度指向性の向きを示す図である。 （ａ）は、多角形コアの各辺に磁気検出素子を８つ形成した場合の磁気検出素子群の構成図であり、（ｂ）は、一の磁気検出素子内における感度指向性の向きを示す図である。 円周状に配置した磁気検出素子を示す図である。 磁気検出素子の出力をスキャンした波形図である。 磁気検出素子群の第２の他の具他例の外観図である。 第２の他の具体例の分解図である。 第２の他の具体例の等価回路である。 磁気検出素子群の第３の他の具他例の外観図である。 第３の他の具体例の分解図である。 第３の他の具体例の等価回路である。 薄膜プロセスによる磁気検出素子の形成を説明するための図である。 従来の磁気検出素子を示す図である。 磁気検出素子による方位角−出力特性図である。 従来の磁気方位測定装置のブロック図である。

符号の説明

１ 磁気方位測定装置、２ 磁気検出素子群、３ 検出・増幅回路、４ 磁気検出部、５ 制御部、６ スイッチング回路、７ 同期検波回路、８ 増幅回路、９ 条件判断回路、１０ 出力インターフェース回路、１１ 発振器、１２ 分周回路、１３ ドライブ回路、１４ 電子スイッチ部、１５ エンコーダ

Claims (10)

1. 軟磁性材料からなる磁気コアと、
   外部磁界を検出する検出コイルとを有しており、
   上記磁気コアの形状は、正多角形であり、
   上記検出コイルは、上記正多角形の磁気コアの各辺に形成されることを特徴とする磁気検出素子。
2. 上記磁気コアを励磁する励磁コイルを有しており、
   上記励磁コイルは、上記正多角形の磁気コアの全周、又は、各辺に形成されることを特徴とする請求項１記載の磁気検出素子。
3. 上記検出コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回され、
   上記励磁コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回されている上記検出コイルの外側に、長手方向に沿って巻回されていることを特徴とする請求項２記載の磁気検出素子。
4. 上記励磁コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回されている上記検出コイルの外側に、ｎ層（ｎ＞１）に渡って長手方向に巻回されていることを特徴とする請求項２記載の磁気検出素子。
5. 上記磁気コア、上記検出コイル及び上記励磁コイルは、非磁性基板上に薄膜プロセスにより形成されることを特徴とする請求項２記載の磁気検出素子。
6. 指向性を有する２個以上の磁気検出素子を、それらの指向性が異なるように一定規則で等間隔に配置してなる磁気検出手段と、
   上記磁気検出手段の各磁気検出素子からの電磁変換出力を順次スイッチングして取り出す取り出し手段と、
   上記取り出し手段により順次スイッチングされて取り出された上記電磁変換出力が所定の条件となったか否かを判断する条件判断手段と、
   上記条件判断手段の判断結果に基づいて磁気方位情報を出力する方位情報出力手段とを備え、
   上記磁気検出手段は、軟磁性材料からなる磁気コアと、外部磁界を検出する検出コイルとを有しており、
   上記磁気コアの形状は、正多角形であり、
   上記検出コイルは、上記正多角形の磁気コアの各辺に形成されることを特徴とする磁気方位測定装置。
7. 上記磁気コアを励磁する励磁コイルを有しており、
   上記励磁コイルは、上記正多角形の磁気コアの全周、又は、各辺に形成されることを特徴とする請求項６記載の磁気方位測定装置。
8. 上記検出コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回され、
   上記励磁コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回されている上記検出コイルの外側に、長手方向に沿って巻回されていることを特徴とする請求項７記載の磁気方位測定装置。
9. 上記励磁コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回されている上記検出コイルの外側に、ｎ層（ｎ＞１）に渡って長手方向に巻回されていることを特徴とする請求項７記載の磁気方位測定装置。
10. 上記磁気コア、上記検出コイル及び上記励磁コイルは、非磁性基板上に薄膜プロセスにより形成されることを特徴とする請求項７記載の磁気方位測定装置。

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