JP2006153674A - Direction sensor - Google Patents

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俊成 大山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem in a direction sensor for determining a direction by detecting earth magnetism that accurate and stable calibration is not made since it is necessary to turn the direction sensor in its calibration. <P>SOLUTION: This direction sensor comprises a magnetic sensor 1 for detecting earth magnetism, a vibration means 2 for vibrating the magnetic sensor, an amplifier 3 for amplifying an output of the magnetic sensor, a first differentiator 4 for differentiating an output of the amplifier, a second differentiator 5 for differentiating an output of the first differentiator, and an arithmetic means 6 for performing calibration by arithmetical operation and calculation of a direction. This constitution makes it possible to perform accurate and stable calibration while dispensing with turning the magnetic sensor for calibration. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、地磁気を検出して方位を特定する方位センサであり、特に、検出精度を高めるため較正を実行する方位センサに関するものである。   The present invention relates to an azimuth sensor that detects geomagnetism and identifies an azimuth, and particularly relates to an azimuth sensor that performs calibration to increase detection accuracy.

従来より自動車や携帯機器等のナビゲーション機能を有する装置において、進行方向や装置の向きなどを検出する方位センサが広く使用されている。このような方位センサは、磁気センサによって地磁気を検出し方位を特定する。ところで、検出される地磁気は常に一定ではなく、周囲の金属の存在や、温度変化や、経時変化などによって強度や方向が変化するため、一般に較正作業が必要である。較正は、装置を1回転させるなどして、全方向の磁気センサの出力値から行うのが一般的である。   2. Description of the Related Art Conventionally, in an apparatus having a navigation function such as an automobile or a portable device, an orientation sensor that detects a traveling direction, an orientation of the apparatus, and the like has been widely used. Such an azimuth sensor detects geomagnetism by a magnetic sensor and specifies the azimuth. By the way, the detected geomagnetism is not always constant, and the intensity and direction change depending on the presence of surrounding metal, temperature change, change with time, etc., and therefore calibration work is generally required. The calibration is generally performed from the output value of the magnetic sensor in all directions by rotating the apparatus once.

ところが、携帯機器によく見られるように、人間が装置を回転させるような場合は、回転が速すぎる、水平が保てない、などの理由で正しく較正できなかったり、操作が煩雑であるいという問題があった。この問題を解決するため、演算を用いることで、装置を1回転させずとも、装置をいくつかの向きにして、そのときの出力値だけから較正を行う方位センサが考えられており、提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   However, as is often seen in mobile devices, when a person rotates the device, it can not be calibrated correctly because the rotation is too fast, the level cannot be maintained, or the operation is complicated. There was a problem. In order to solve this problem, an azimuth sensor that calibrates only from the output value at that time is considered by using an arithmetic operation without causing the apparatus to rotate once, and is proposed. (For example, refer to Patent Document 1).

特許文献1に示した従来技術の方位センサを図面を用いて説明する。図7は、特許文献1に示した従来技術の方位センサを示す構成図である。
図7において、80は3軸磁気センサ、81はx軸ホール素子、82はy軸ホール素子、83はz軸ホール素子、84はチョッパ部、85は磁気センサ駆動電源部、86は差動入力アンプ、87はA/D変換部、88は補正値更新部、89は補正値記憶部、90は補正計算部、91は方位角計算部である。
A conventional azimuth sensor shown in Patent Document 1 will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a block diagram showing a conventional azimuth sensor shown in Patent Document 1. In FIG.
In FIG. 7, 80 is a 3-axis magnetic sensor, 81 is an x-axis hall element, 82 is a y-axis hall element, 83 is a z-axis hall element, 84 is a chopper section, 85 is a magnetic sensor drive power supply section, and 86 is a differential input. An amplifier 87 is an A / D conversion unit, 88 is a correction value update unit, 89 is a correction value storage unit, 90 is a correction calculation unit, and 91 is an azimuth calculation unit.

以下に方位検出の原理を説明する。3軸磁気センサ80は、x軸ホール素子81とy軸ホール素子82とz軸ホール素子83とを有している。x軸ホール素子81とy軸ホール素子82とは、水平面内の回転角を検出するように配置され、z軸ホール素子83は鉛直方向の磁気を検出するように配置されている。
チョッパ部84は、x軸ホール素子81、y軸ホール素子82およびz軸ホール素子83を駆動する端子を切り換えるためのもので、磁気センサ駆動電源部85から出力された駆動電圧をx軸ホール素子81、y軸ホール素子82およびz軸ホール素子83にそれぞれ印加する。
x軸ホール素子81、y軸ホール素子82およびz軸ホール素子83から出力された信号は、差動入力アンプ86でそれぞれ増幅され、ここで増幅された出力増幅値がA/D変換部87でデジタル信号に変換された後、補正計算部90に入力される。
補正値記憶部89には、x軸ホール素子81、y軸ホール素子82およびz軸ホール素子83の出力のばらつきを示すオフセット値と増幅度とがそれぞれ記憶されており、補正計算部90は、これらのオフセット値および増幅度を用いることにより、x軸ホール素子81、y軸ホール素子82およびz軸ホール素子83の出力値をそれぞれ補正し、地磁気の各軸成分に比例した値に変換して出力する。方位角計算部91は、補正計算部90の出力を用いて方位を算出する。
The principle of direction detection will be described below. The triaxial magnetic sensor 80 has an x axis hall element 81, a y axis hall element 82, and a z axis hall element 83. The x-axis hall element 81 and the y-axis hall element 82 are arranged so as to detect a rotation angle in a horizontal plane, and the z-axis hall element 83 is arranged so as to detect magnetism in the vertical direction.
The chopper section 84 is for switching terminals for driving the x-axis hall element 81, the y-axis hall element 82, and the z-axis hall element 83, and the drive voltage output from the magnetic sensor driving power supply section 85 is used as the x-axis hall element. 81, applied to the y-axis hall element 82 and the z-axis hall element 83, respectively.
The signals output from the x-axis hall element 81, the y-axis hall element 82, and the z-axis hall element 83 are respectively amplified by the differential input amplifier 86, and the amplified output values are amplified by the A / D converter 87. After being converted to a digital signal, it is input to the correction calculation unit 90.
The correction value storage unit 89 stores an offset value indicating the variation in output of the x-axis hall element 81, the y-axis hall element 82, and the z-axis hall element 83, and the amplification degree. By using these offset values and the degree of amplification, the output values of the x-axis hall element 81, the y-axis hall element 82, and the z-axis hall element 83 are corrected and converted into values proportional to each axis component of geomagnetism. Output. The azimuth angle calculation unit 91 calculates the azimuth using the output of the correction calculation unit 90.

以下に較正について説明する。較正とは、補正値記憶部89に記憶されている、x軸ホール素子81、y軸ホール素子82およびz軸ホール素子83のそれぞれのオフセット値および増幅度を正しい値に更新することである。
較正の手順は、まず、同一面内で90度ずつ回転した際のボタン入力等の人間の動作を
機に、ホール素子からの信号を取得する。例えば、x軸ホール素子81のある向きにおける信号をXaとして取得し、その向きに対して90度、180度の向きにおける信号を、それぞれXb、Xcとして取得する。次に、以下の計算により求めたオフセット値および増幅度を補正値記憶部89に記憶する。
x軸のオフセット値Oxは、以下の式で表すことができる。
Ox=(Xa+Xc)/2
x軸の増幅度Axは、以下の式で表すことができる。
Ax={(Xa−Ox)^2+(Xb−Ox)^2}^2
y軸、z軸についても同様に、オフセット値Oy、Ozと増幅度Ay、Azとを求める。
The calibration will be described below. Calibration refers to updating the offset value and the amplification degree of the x-axis hall element 81, the y-axis hall element 82, and the z-axis hall element 83, which are stored in the correction value storage unit 89, to correct values.
In the calibration procedure, first, a signal from the Hall element is acquired by using a human operation such as a button input when rotating 90 degrees in the same plane. For example, a signal in a certain direction of the x-axis Hall element 81 is acquired as Xa, and signals in directions of 90 degrees and 180 degrees with respect to the direction are acquired as Xb and Xc, respectively. Next, the offset value and the amplification degree obtained by the following calculation are stored in the correction value storage unit 89.
The x-axis offset value Ox can be expressed by the following equation.
Ox = (Xa + Xc) / 2
The amplification factor Ax on the x axis can be expressed by the following equation.
Ax = {(Xa-Ox) ^ 2 + (Xb-Ox) ^ 2} ^ 2
Similarly, the offset values Oy and Oz and the amplification degrees Ay and Az are obtained for the y-axis and the z-axis.

以下に補正計算部90における補正計算について説明する。x軸ホール素子81、y軸ホール素子82およびz軸ホール素子83の出力値をそれぞれX、Y、Zとした時、補正後のx軸信号αは、以下の式で表すことができる。
α=(X−Ox)/Ax
補正後のy軸信号βは、以下の式で表すことができる。
β=(Y−Oy)/Ay
補正後のz軸信号γは、以下の式で表すことができる。
γ=(Z−Oz)/Az
The correction calculation in the correction calculation unit 90 will be described below. When the output values of the x-axis hall element 81, the y-axis hall element 82, and the z-axis hall element 83 are X, Y, and Z, respectively, the corrected x-axis signal α can be expressed by the following equation.
α = (X−Ox) / Ax
The corrected y-axis signal β can be expressed by the following equation.
β = (Y−Oy) / Ay
The corrected z-axis signal γ can be expressed by the following equation.
γ = (Z−Oz) / Az

以下に方位角計算部91における方位角計算について説明する。方位角計算部91は、補正計算部90によって補正された信号α、β、γを用いて方位を算出する。例えば、X軸とY軸とが水平面内にある時は、方位角計算部91は、地磁気の各軸成分に比例した値であるα、βを用いて、方位角θを以下の式に基づいて算出する。
θ=tan−1(β/α)
また、X軸とY軸とが水平面から傾いている時には、地磁気の各軸成分に比例した値であるα、β、γを用いて傾斜角を補正した上で、方位角θを算出することもできる。
The azimuth calculation in the azimuth calculation unit 91 will be described below. The azimuth calculation unit 91 calculates the azimuth using the signals α, β, and γ corrected by the correction calculation unit 90. For example, when the X-axis and the Y-axis are in the horizontal plane, the azimuth calculation unit 91 uses α and β, which are values proportional to the geomagnetic axis components, to calculate the azimuth θ based on the following equation: To calculate.
θ = tan −1 (β / α)
When the X and Y axes are tilted from the horizontal plane, the azimuth angle θ is calculated after correcting the tilt angles using α, β, and γ, which are values proportional to the geomagnetic axis components. You can also.

上記のような原理に基づき地磁気を検出することによって方位を特定することができる。   The direction can be specified by detecting the geomagnetism based on the principle as described above.

特開2004−12416号公報(第8−11頁、第1図)JP 2004-12416 A (page 8-11, FIG. 1)

特許文献1に示した従来技術の方位センサは、いくつかの向きにおける出力信号だけから演算を用いて較正を行うことができるため、方位センサを搭載した装置を1回転させる必要はない。しかしながら、いくつかの向きに装置を向ける必要があるため、例えば、正確に90度向きを変えるなどの操作が難しく、また、向きを変えている最中に装置を水平を保つことも難しいといったことから、精度良く安定した較正ができないという欠点があった。さらに、いくつかの向きといえども、装置を動かす必要があるから、動かせる装置の大きさを制限してしまう。つまり、従来技術の方位センサは、大きな装置には搭載できないという欠点もあった。   Since the azimuth sensor of the prior art shown in Patent Document 1 can be calibrated by using computation only from output signals in several directions, it is not necessary to rotate the device equipped with the azimuth sensor once. However, since it is necessary to orient the device in several orientations, for example, it is difficult to change the orientation by 90 degrees accurately, and it is also difficult to keep the device horizontal while changing the orientation. Therefore, there is a drawback that accurate and stable calibration cannot be performed. Furthermore, even in some orientations, it is necessary to move the device, which limits the size of the device that can be moved. That is, the conventional orientation sensor has a drawback that it cannot be mounted on a large apparatus.

本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、精度良く安定した較正を行うとともに、搭載する装置の大きさを制限しない方位センサを提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide an orientation sensor that performs accurate and stable calibration and does not limit the size of a device to be mounted.

上記目的を達成するため、本発明の方位センサは下記に示す構造を採用する。   In order to achieve the above object, the orientation sensor of the present invention employs the structure shown below.

地磁気を検出して方位を特定する方位センサであって、
地磁気を検出する磁気センサと、磁気センサを振動させる振動手段と、磁気センサの出力を増幅する増幅器と、増幅器の出力を微分する第1の微分器と、第1の微分器の出力を微分する第2の微分器と、演算により較正と方位の算出とを行う演算手段とを有することを特徴とする。
An orientation sensor that detects geomagnetism and identifies the orientation,
Magnetic sensor for detecting geomagnetism, vibration means for vibrating the magnetic sensor, amplifier for amplifying the output of the magnetic sensor, first differentiator for differentiating the output of the amplifier, and differentiating the output of the first differentiator It has the 2nd differentiator and the calculating means which performs a calibration and the calculation of an azimuth | direction by a calculation.

振動手段は、一定角速度で磁気センサを振動させることを特徴とする。   The vibrating means vibrates the magnetic sensor at a constant angular velocity.

振動手段は、形状記憶合金を有し、形状記憶合金の相変態を利用して振動を発生させることを特徴とする。   The vibration means has a shape memory alloy, and generates vibrations using a phase transformation of the shape memory alloy.

本発明の方位センサは、磁気センサを振動させる振動手段を設け、磁気センサの出力を増幅する増幅器と、この増幅器の出力を微分する微分器とを設けている。この微分器は、第1の微分器と第2の微分器とからなり、第1の微分器の出力を第2の微分器が微分する。
本発明の方位センサは、磁気センサを一定角速度で振動させることにより、増幅度とオフセットとを演算により求めることができるため、較正と方位の算出とを行うことができる。
さらに、較正のために人間が一切手を触れる必要はないから、精度良く、安定した較正を行うことができるという効果がある。また、本発明の方位センサを搭載する装置を動かす必要がないから、装置の大きさを制限しない。したがって、あらゆる装置に本発明の方位センサを搭載することができるという効果もある。
The azimuth sensor of the present invention is provided with vibration means for vibrating the magnetic sensor, and includes an amplifier that amplifies the output of the magnetic sensor and a differentiator that differentiates the output of the amplifier. This differentiator comprises a first differentiator and a second differentiator, and the second differentiator differentiates the output of the first differentiator.
The azimuth sensor of the present invention can perform calibration and azimuth calculation because the amplification degree and the offset can be obtained by calculation by vibrating the magnetic sensor at a constant angular velocity.
In addition, since there is no need for a human to touch for calibration, there is an effect that stable calibration can be performed with high accuracy. Moreover, since it is not necessary to move the apparatus which mounts the direction sensor of this invention, the magnitude | size of an apparatus is not restrict | limited. Therefore, there is an effect that the azimuth sensor of the present invention can be mounted on any device.

以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。図1は、本発明の方位センサを示す構成図である。図2は、本発明の方位センサの磁気センサと振動手段とを示す構成図である。図3は、本発明の方位センサの形状記憶合金の形状図であって、図3(a)は第1の形状を示す図であり、図3(b)は第2の形状を示す図である。図4は、本発明の方位センサの磁気センサの理想的な出力波形を説明する図である。図5は、本発明の方位センサの磁気センサの実際の出力波形を説明する図である。図6は、本発明の方位センサの微分器の回路図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an orientation sensor of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing the magnetic sensor and the vibration means of the direction sensor of the present invention. FIG. 3 is a shape diagram of the shape memory alloy of the azimuth sensor of the present invention, FIG. 3 (a) is a diagram showing the first shape, and FIG. 3 (b) is a diagram showing the second shape. is there. FIG. 4 is a diagram for explaining an ideal output waveform of the magnetic sensor of the azimuth sensor according to the present invention. FIG. 5 is a diagram for explaining an actual output waveform of the magnetic sensor of the azimuth sensor according to the present invention. FIG. 6 is a circuit diagram of the differentiator of the azimuth sensor of the present invention.

[構造説明:図1、図2、図4、図6]
まず、本発明の方位センサの構成を図1、図2、図4、図6を用いて説明する。
図1において、1は磁気センサ、2は振動手段、3は増幅器、4は第1の微分器、5は第2の微分器、6は演算手段である。
本発明の実施の形態では、磁気センサ1として磁気によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を用いた場合を例にして説明するが、これに限られるものではなく、磁気インピーダンス素子、フラックスゲートなどの磁気センサであってもよい。また、本発明の実施の形態では、振動手段として形状記憶金属を用いた場合を例にして説明する。
演算手段6はメモリとA/D変換器とを有するマイクロコントローラを使用することができる。
[Description of structure: FIG. 1, FIG. 2, FIG. 4, FIG. 6]
First, the configuration of the azimuth sensor of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 4, and FIG.
In FIG. 1, 1 is a magnetic sensor, 2 is a vibration means, 3 is an amplifier, 4 is a first differentiator, 5 is a second differentiator, and 6 is an arithmetic means.
In the embodiment of the present invention, a case where a magnetoresistive element whose resistance value changes due to magnetism is used as the magnetic sensor 1 will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a magnetic impedance element, a flux gate, etc. It may be a magnetic sensor. In the embodiment of the present invention, a case where a shape memory metal is used as the vibration means will be described as an example.
The calculation means 6 can use a microcontroller having a memory and an A / D converter.

図2において、7は磁気抵抗素子、9a〜9dは形状記憶合金、10は電極である。
形状記憶合金9a〜9dは、Ti(チタン)とNi(ニッケル)との化合物からなるTi−Ni合金を使用することができる。図2においては、形状記憶合金9a〜9dは4つ、電極10は8つある場合を示している。
図2の形状記憶合金9bに示す点線の矢印は、電極10を通して形状記憶合金9bに流す電流を模式的に示したものである。
図1と図2とに示す円弧状の矢印は、振動手段2による磁気センサ1の振動を模式的に
示したものである。
In FIG. 2, 7 is a magnetoresistive element, 9a-9d are shape memory alloys, and 10 is an electrode.
As the shape memory alloys 9a to 9d, Ti—Ni alloys made of a compound of Ti (titanium) and Ni (nickel) can be used. FIG. 2 shows a case where there are four shape memory alloys 9a to 9d and eight electrodes 10.
The dotted arrow shown in the shape memory alloy 9b in FIG. 2 schematically shows the current flowing through the shape memory alloy 9b through the electrode 10.
The arc-shaped arrows shown in FIG. 1 and FIG. 2 schematically show the vibration of the magnetic sensor 1 by the vibration means 2.

図3において、図3(a)と図3(b)とに示すものは、図2に示す形状記憶合金9a〜9dが記憶している形状である。形状記憶合金9a〜9dは、図3(a)に示す第1の形状か図3(b)に示す第2の形状のどちらかの形状を記憶している。図3に示す円弧状の矢印は、形状記憶合金9a〜9dへの通電により発生する熱で、その形状が変形する様子を模式的に示したものである。   3, what is shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) is the shape stored in the shape memory alloys 9a to 9d shown in FIG. The shape memory alloys 9a to 9d memorize either the first shape shown in FIG. 3A or the second shape shown in FIG. 3B. The arc-shaped arrow shown in FIG. 3 schematically shows how the shape is deformed by heat generated by energizing the shape memory alloys 9a to 9d.

図4においては、11はx軸出力、12はy軸出力である。XaとYaとは、ある向きにおけるそれぞれの軸出力である。   In FIG. 4, 11 is an x-axis output and 12 is a y-axis output. Xa and Ya are respective axis outputs in a certain direction.

図5においては、AxとAyは増幅度、OxとOyとはオフセット値である。   In FIG. 5, Ax and Ay are amplification degrees, and Ox and Oy are offset values.

図6においては、13はオペアンプ、14は第1の抵抗、15はコンデンサ、16は第2の抵抗である。   In FIG. 6, 13 is an operational amplifier, 14 is a first resistor, 15 is a capacitor, and 16 is a second resistor.

なお、図1から図6において同一の構成には同一の番号を付与している。   1 to 6, the same number is assigned to the same configuration.

[方位検出原理説明:図1、図2、図4、図5]
まずはじめに、本発明の方位センサの方位検出原理を図1、図2、図4、図5を用いて説明する。
図1示す磁気センサ1はx軸とy軸との2方向の地磁気を検出するため、図2に示すごとく2つの磁気抵抗素子7を直角に配置した構造を持つ。それぞれの磁気抵抗素子7は、地磁気に応じた信号を出力する。この信号は増幅器3によって増幅された後、演算手段6に入力される。演算手段6は演算を用いて方位を算出する。
磁気抵抗素子7は、磁気の強さに比例して抵抗値が増加するものであるので、磁気抵抗素子7は南北に向いた時、最大の抵抗値を示し、出力が最大となり、東西に向いた時出力0となる。つまり、磁気センサ1を一定角速度で振動させたとすると、理想的には図4に示すようなサイン波形を示す。x軸出力11とy軸出力12とは、磁気抵抗素子7が直角に配置されているため、90度位相がずれた波形となる。今、ある向きにおけるx軸出力をXa、y軸出力をYaとしたならば、演算手段6では方位角θを次式に基づいて算出することができる。
θ=tan−1(Ya/Xa)
ところが、検出される地磁気は常に一定ではなく、周囲の金属の存在や、温度変化や、経時変化などによって変化するため、図4に示すような理想的な波形からずれた図5のような波形となる。つまり、x軸出力11とy軸出力12との振幅が異なってしまう増幅度のばらつきの現象や、サイン波形の中心が出力0の点からずれてオフセット値が加わってしまうといった現象を含んだ波形となる。そのため、正しい計測を行うためには、この増幅度やオフセット値を正しく検出するという較正作業が必要となる。
[Description of orientation detection principle: Fig.1, Fig.2, Fig.4, Fig.5]
First, the azimuth detection principle of the azimuth sensor of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, 4, and 5. FIG.
The magnetic sensor 1 shown in FIG. 1 has a structure in which two magnetoresistive elements 7 are arranged at right angles as shown in FIG. 2 in order to detect geomagnetism in two directions of the x axis and the y axis. Each magnetoresistive element 7 outputs a signal corresponding to the geomagnetism. This signal is amplified by the amplifier 3 and then input to the arithmetic means 6. The calculating means 6 calculates an azimuth | direction using a calculation.
Since the resistance value of the magnetoresistive element 7 increases in proportion to the strength of the magnetism, the magnetoresistive element 7 shows the maximum resistance value when facing north-south, the output is maximized, and the direction is east-west. Output is 0 when That is, if the magnetic sensor 1 is vibrated at a constant angular velocity, a sine waveform as shown in FIG. 4 is ideally shown. The x-axis output 11 and the y-axis output 12 have waveforms that are 90 degrees out of phase because the magnetoresistive elements 7 are arranged at right angles. Now, assuming that the x-axis output in a certain direction is Xa and the y-axis output is Ya, the computing means 6 can calculate the azimuth angle θ based on the following equation.
θ = tan −1 (Ya / Xa)
However, the detected geomagnetism is not always constant and changes depending on the presence of surrounding metal, temperature change, change with time, etc., and therefore the waveform shown in FIG. 5 deviates from the ideal waveform shown in FIG. It becomes. In other words, a waveform including a phenomenon of variation in amplification in which the amplitudes of the x-axis output 11 and the y-axis output 12 are different, and a phenomenon in which an offset value is added because the center of the sine waveform is shifted from the point of the output 0. It becomes. Therefore, in order to perform correct measurement, a calibration operation is required to correctly detect the amplification degree and the offset value.

[較正手順説明:図1、図2、図3、図5]
次に、本発明の方位センサの較正手順を図1、図2、図3、図5を用いて説明する。
較正時、図1に示す振動手段2は、磁気センサ1を回転角45度程度、一定角速度ωで振動させる。この時、磁気センサ1の出力は、図5のようなサイン波形を示す。
今、x軸について考えてみると、x軸出力11は、以下の式で表すことができる。
X1=Ax*sin(ωt+φ)+Ox ・・・・(式1)
ここで、X1はx軸出力11、Axは増幅度、ωは一定角速度、tは時間、φは初期位相、Oxはオフセット値である。
第1の微分器4は、x軸出力11を微分する。すなわち、式1を微分するので第1の微分器4の出力X2は、以下の式で表すことができる。
X2=Ax*ω*cos(ωt+φ) ・・・・(式2)
第2の微分器5は、第1の微分器4の出力をさらに微分するので、その出力X3は、以下の式で表すことができる。
X3=−Ax*ω^2*sin(ωt+φ) ・・・・(式3)
[Calibration procedure explanation: Fig.1, Fig.2, Fig.3, Fig.5]
Next, the calibration procedure of the azimuth sensor of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, and FIG.
At the time of calibration, the vibrating means 2 shown in FIG. 1 vibrates the magnetic sensor 1 at a rotation angle of about 45 degrees and a constant angular velocity ω. At this time, the output of the magnetic sensor 1 shows a sine waveform as shown in FIG.
Considering the x-axis now, the x-axis output 11 can be expressed by the following equation.
X1 = Ax * sin (ωt + φ) + Ox (Expression 1)
Here, X1 is an x-axis output 11, Ax is an amplification factor, ω is a constant angular velocity, t is time, φ is an initial phase, and Ox is an offset value.
The first differentiator 4 differentiates the x-axis output 11. That is, since Expression 1 is differentiated, the output X2 of the first differentiator 4 can be expressed by the following expression.
X2 = Ax * ω * cos (ωt + φ) (Equation 2)
Since the second differentiator 5 further differentiates the output of the first differentiator 4, the output X3 can be expressed by the following equation.
X3 = −Ax * ω ^ 2 * sin (ωt + φ) (Equation 3)

演算手段6は、式1、式2、式3で表される信号を受取り、以下の式により増幅度Ax、オフセット値Oxを算出する。オフセット値Oxは、式1と式3とにより算出し、増幅度Axは、式2と式3とにより算出する。
Ox=X1+X3/(ω^2)
Ax={(X2/ω)^2 + (X3/ω^2)^2 }^(1/2)
The computing means 6 receives the signals represented by Equation 1, Equation 2, and Equation 3, and calculates the amplification degree Ax and the offset value Ox by the following equations. The offset value Ox is calculated by Equation 1 and Equation 3, and the amplification degree Ax is calculated by Equation 2 and Equation 3.
Ox = X1 + X3 / (ω ^ 2)
Ax = {(X2 / ω) ^ 2 + (X3 / ω ^ 2) ^ 2} ^ (1/2)

以上のことは、磁気センサ1を一定角速度ωで振動させたことにより、増幅度Axとオフセット値Oxとが、3つの出力X1、X2、X3のみから演算により求められることを示している。
同様にy軸についても増幅度Ay、オフセット値Oyを求める。このように求められた、AxとAy、OxとOyは演算手段6内のメモリに記憶され、方位計測時の補正演算に使用される。
The above indicates that the amplitude Ax and the offset value Ox can be obtained by calculation from only the three outputs X1, X2, and X3 by vibrating the magnetic sensor 1 at a constant angular velocity ω.
Similarly, the amplification degree Ay and the offset value Oy are obtained for the y axis. The Ax and Ay and Ox and Oy thus obtained are stored in the memory in the calculation means 6 and used for correction calculation at the time of azimuth measurement.

[方位計測時の補正演算説明]
次に、本発明の方位センサの方位計測時の補正演算を説明する。方位計測時のx軸出力をXとし、y軸出力をYとする。補正後のx軸出力αと補正後のy軸出力βと、これを利用して正しく補正された方位角θとは以下の式で表すことができる。
α=(X−Ox)/Ax
β=(Y−Oy)/Ay
θ=tan−1(β/α)
[Explanation of correction calculation when measuring direction]
Next, correction calculation at the time of measuring the direction of the direction sensor of the present invention will be described. The x-axis output at the time of azimuth measurement is X, and the y-axis output is Y. The corrected x-axis output α, the corrected y-axis output β, and the azimuth angle θ corrected correctly using this can be expressed by the following equations.
α = (X−Ox) / Ax
β = (Y−Oy) / Ay
θ = tan −1 (β / α)

[振動手段説明:図2、図3]
次に、本発明の方位センサの振動手段2を図2、図3を用いて説明する。
図2に示すように、振動手段2は、形状記憶合金9a〜9dと電極10とを有している。形状記憶合金9a〜9dは、一般に知られるように、温度によってオーステナイト相とマルテンサイト相との間で相変態を起すものであって、低温のマルテンサイト相では非常に柔らかく変形しやすく、加熱しオーステナイト相になると記憶していた形状を復元するというものである。
[Explanation of vibration means: FIGS. 2 and 3]
Next, the vibration means 2 of the direction sensor of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 2, the vibration means 2 includes shape memory alloys 9 a to 9 d and an electrode 10. As is generally known, the shape memory alloys 9a to 9d cause a phase transformation between the austenite phase and the martensite phase depending on the temperature. In the low temperature martensite phase, the shape memory alloys 9a to 9d are very soft and easily deformed. In the austenite phase, the memorized shape is restored.

本発明の方位センサは、形状記憶合金9a〜9dを磁気センサ1の周囲に配置する。図2に示す例では、形状記憶合金9a〜9dは、磁気センサ1を挟み、形状記憶合金9aと9cとが対向し、形状記憶合金9bと9dとが対向するように磁気センサ1の周囲に設けている。
磁気センサ1を挟み、対向配置する形状記憶合金は、同一の形状を記憶しておく。例えば、形状記憶合金9aと9cとは、図3(a)に示すような第1の形状を記憶しておき、形状記憶合金9bと9dとは、図3(b)に示すような第2の形状を記憶しておく。したがって、形状記憶合金の数が4つの場合は、隣り合う形状記憶合金は、互いに異なる形状を記憶していることになる。
In the azimuth sensor of the present invention, the shape memory alloys 9 a to 9 d are arranged around the magnetic sensor 1. In the example shown in FIG. 2, the shape memory alloys 9a to 9d sandwich the magnetic sensor 1, the shape memory alloys 9a and 9c face each other, and the shape memory alloys 9b and 9d face each other around the magnetic sensor 1. Provided.
The shape memory alloys that are placed opposite to each other with the magnetic sensor 1 in between store the same shape. For example, the shape memory alloys 9a and 9c store the first shape as shown in FIG. 3 (a), and the shape memory alloys 9b and 9d are the second as shown in FIG. 3 (b). Remember the shape. Therefore, when the number of shape memory alloys is four, adjacent shape memory alloys memorize different shapes.

形状記憶合金9a〜9dへの加熱は、電極10を通して電流を印加した時のジュール熱によって行うが、図2に示す例では、磁気センサ1を挟み、対向して配置する形状記憶合金(例えば、形状記憶合金9aと9c)と、それとは異なって対向して配置する形状記憶合金(例えば、形状記憶合金9bと9d)とに、交互に電流を印加することにより、磁気センサ1を図中の円弧状の矢印に示すごとく振動させることができる。また、ジュール熱は電流の2乗に比例するので一定電流を印加することで、一定角速度で振動させることが
できる。
The shape memory alloys 9a to 9d are heated by Joule heat when an electric current is applied through the electrode 10, but in the example shown in FIG. By alternately applying a current to the shape memory alloys 9a and 9c) and the shape memory alloys (for example, the shape memory alloys 9b and 9d) arranged opposite to each other, the magnetic sensor 1 is It can be vibrated as indicated by the arcuate arrow. Since Joule heat is proportional to the square of the current, it can be vibrated at a constant angular velocity by applying a constant current.

もちろん、磁気センサ1を振動させる方法は、これに限定されるものではない。図2に示す例では、形状記憶合金を4つ用いる例を示したが、形状記憶合金の数は4つでなくてもよく、振動させる磁気センサ1の大きさや形状に応じて変更が可能である。例えば、磁気センサ1が大きい場合などは、いくつかの隣り合う形状記憶合金同士に同一の形状を記憶しておき、見かけ上1つの形状記憶合金としてグループ化し、そのグループに対して電流を印加してもかまわないのである。
さらに、磁気センサ1を挟み、対向して配置する形状記憶合金と、それとは異なって対向して配置する形状記憶合金とに、交互に電流を印加する例を説明したが、これに限定されるものではない。形状記憶合金の変形形状を鑑みて、例えば、形状記憶合金9aと9dと、形状記憶合金9bと9cとをそれぞれ同じ方向に変形するように配すれば、形状記憶合金9aと9dと、形状記憶合金9bと9cとに対して交互に電流を印加すれば、磁気センサ1を振動させることができるのである。
以上の説明では、形状記憶合金9a〜9dへの加熱は、電流印加により発生するジュール熱を利用した場合であるが、これに限定はされない。ヒーターなどを用いて加熱して相変態を起こさせてもよい。
Of course, the method of vibrating the magnetic sensor 1 is not limited to this. In the example shown in FIG. 2, an example in which four shape memory alloys are used is shown. However, the number of shape memory alloys may not be four, and can be changed according to the size and shape of the magnetic sensor 1 to be vibrated. is there. For example, when the magnetic sensor 1 is large, the same shape is stored in several adjacent shape memory alloys, apparently grouped as one shape memory alloy, and a current is applied to the group. It doesn't matter.
Furthermore, although the example which alternately applies an electric current to the shape memory alloy arrange | positioned on both sides of the magnetic sensor 1 and the shape memory alloy arrange | positioned facing differently from it was demonstrated, It is limited to this. It is not a thing. In view of the deformation shape of the shape memory alloy, for example, if the shape memory alloys 9a and 9d and the shape memory alloys 9b and 9c are arranged to be deformed in the same direction, the shape memory alloys 9a and 9d and the shape memory If a current is alternately applied to the alloys 9b and 9c, the magnetic sensor 1 can be vibrated.
In the above description, heating to the shape memory alloys 9a to 9d is a case where Joule heat generated by current application is used, but is not limited thereto. The phase transformation may be caused by heating using a heater or the like.

[微分器説明:図6]
次に、本発明の方位センサの微分器を図6を用いて説明する。
図1に示す第1の微分器4と第2の微分器5とを構成する回路は、同一構成とすることができ、一般に良く知られたオペアンプと抵抗とコンデンサとを有する微分器を使用することができる。このような微分器の一例を図6に示す。
図6に示す微分器は、オペアンプ13、第1の抵抗14、コンデンサ15、第2の抵抗16とを備える。微分器の入力とオペアンプ13の負入力との間にコンデンサ15と第2の抵抗16とを直列に接続し、微分器の出力とオペアンプ13の負入力との間に第1の抵抗14を接続する。オペアンプの正入力は、接地または一定の電位に接続する。
第2の抵抗16は発振防止のための抵抗であって、第1の抵抗14の1/100〜1/1000程度の抵抗値のものを使用する。
また、演算手段6が高い演算能力を持つ場合は、演算手段6の演算によって微分器を実現してもよい。
[Description of differentiator: Fig. 6]
Next, the differentiator of the azimuth sensor of the present invention will be described with reference to FIG.
The circuits constituting the first differentiator 4 and the second differentiator 5 shown in FIG. 1 can have the same configuration, and generally use a differentiator having a well-known operational amplifier, resistor, and capacitor. be able to. An example of such a differentiator is shown in FIG.
The differentiator shown in FIG. 6 includes an operational amplifier 13, a first resistor 14, a capacitor 15, and a second resistor 16. A capacitor 15 and a second resistor 16 are connected in series between the input of the differentiator and the negative input of the operational amplifier 13, and a first resistor 14 is connected between the output of the differentiator and the negative input of the operational amplifier 13. To do. The positive input of the operational amplifier is connected to ground or a constant potential.
The second resistor 16 is a resistor for preventing oscillation and has a resistance value of about 1/100 to 1/1000 of the first resistor 14.
Further, when the calculation means 6 has a high calculation capability, a differentiator may be realized by the calculation of the calculation means 6.

本発明の実施の形態における方位センサでは、その説明を簡単にするため、x軸、y軸の2軸の方位センサを例にして説明したが、同様な構成をz軸に用意し、3軸の方位センサを構成することもできる。   In order to simplify the description of the azimuth sensor according to the embodiment of the present invention, the two-axis azimuth sensor of the x-axis and the y-axis has been described as an example. The azimuth sensor can also be configured.

本発明の方位センサは、振動手段と第1の微分器と第2の微分器とを設けることによって、水平な机の上などに置くだけで較正ができるようになり、一切人間が触る必要がなく、精度良く、安定した較正ができる。   The azimuth sensor of the present invention can be calibrated simply by placing it on a horizontal desk or the like by providing the vibration means, the first differentiator, and the second differentiator, and it is necessary to touch the human at all. And accurate and stable calibration.

本発明の方位センサは、振動手段に形状記憶合金を使用したため、構造が簡単になり小型化できる。特に、近年実用化されてきたMEMS(Micro Electro−Mechanical System)技術、すなわち、機構部品を半導体製造技術を利用して小型化するという技術を用いることにより、磁気センサ、振動手段を含む方位センサ全体を、例えば、5mm角以下に小型化することができる。
もちろん、振動手段はすべて形状記憶合金で構成する必要もなく、形状記憶合金とバネのように伸縮する部材とを組み合わせてもよい。
また、形状記憶合金を用いなくてもよく、その場合は、電気信号で伸縮する部材などを用いることができる。例えば、電圧変化で形状が変位する高分子アクチュータなどである。
Since the direction sensor of the present invention uses a shape memory alloy for the vibration means, the structure is simplified and the size can be reduced. In particular, the MEMS (Micro Electro-Mechanical System) technology that has been put into practical use in recent years, that is, the technology of downsizing the mechanical parts using semiconductor manufacturing technology, makes it possible to provide a whole orientation sensor including a magnetic sensor and vibration means. Can be reduced to, for example, 5 mm square or less.
Of course, it is not necessary that all the vibration means be made of a shape memory alloy, and the shape memory alloy and a member that expands and contracts like a spring may be combined.
In addition, a shape memory alloy may not be used, and in that case, a member that expands and contracts by an electric signal can be used. For example, a polymer actuator whose shape is displaced by a voltage change is used.

本発明の方位センサは、自動車や携帯機器等のナビゲーション機能を有する装置に適用することができる。特に、人間が一切手を触れることなく較正できるため、精度と安定した較正とを要求される電子機器に好適である。   The direction sensor of the present invention can be applied to a device having a navigation function such as an automobile or a portable device. In particular, since calibration can be performed without any human touch, it is suitable for electronic devices that require accuracy and stable calibration.

本発明の方位センサを示す構成図である。It is a block diagram which shows the direction sensor of this invention. 本発明の方位センサの磁気センサと振動手段とを示す構成図である。It is a block diagram which shows the magnetic sensor and vibration means of the direction sensor of this invention. 本発明の方位センサの形状記憶合金の形状図である。It is a shape figure of the shape memory alloy of the direction sensor of this invention. 本発明の方位センサの磁気センサの理想的な出力波形を説明する図である。It is a figure explaining the ideal output waveform of the magnetic sensor of the azimuth | direction sensor of this invention. 本発明の方位センサの磁気センサの実際の出力波形を説明する図である。It is a figure explaining the actual output waveform of the magnetic sensor of the azimuth | direction sensor of this invention. 本発明の方位センサの微分器の回路図である。It is a circuit diagram of the differentiator of the azimuth sensor of the present invention. 従来技術の方位センサを示す構成図である。It is a block diagram which shows the direction sensor of a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1 磁気センサ
2 振動手段
3 増幅器
4 第1の微分器
5 第2の微分器
6 演算手段
7 磁気抵抗素子
9 形状記憶合金
10 電極
11 x軸出力
12 y軸出力
13 オペアンプ
14 第1の抵抗
15 コンデンサ
16 第2の抵抗
80 3軸磁気センサ
81 x軸ホール素子
82 y軸ホール素子
83 z軸ホール素子
84 チョッパ部
85 磁気センサ駆動電源部
86 差動入力アンプ
87 A/D変換部
88 補正値更新部
89 補正値記憶部
90 補正計算部
91 方位角計算部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic sensor 2 Vibrating means 3 Amplifier 4 1st differentiator 5 2nd differentiator 6 Arithmetic means 7 Magnetoresistive element 9 Shape memory alloy 10 Electrode 11 X-axis output 12 Y-axis output 13 Operational amplifier 14 1st resistance 15 Capacitor 16 Second resistor 80 3-axis magnetic sensor 81 x-axis hall element 82 y-axis hall element 83 z-axis hall element 84 chopper section 85 magnetic sensor drive power supply section 86 differential input amplifier 87 A / D conversion section 88 correction value update section 89 Correction value storage unit 90 Correction calculation unit 91 Azimuth angle calculation unit

Claims (3)

地磁気を検出して方位を特定する方位センサであって、
地磁気を検出する磁気センサと、該磁気センサを振動させる振動手段と、該磁気センサの出力を増幅する増幅器と、該増幅器の出力を微分する第1の微分器と、該第1の微分器の出力を微分する第2の微分器と、演算により較正と方位の算出とを行う演算手段とを有することを特徴とする方位センサ。
An orientation sensor that detects geomagnetism and identifies the orientation,
A magnetic sensor for detecting geomagnetism, vibration means for vibrating the magnetic sensor, an amplifier for amplifying the output of the magnetic sensor, a first differentiator for differentiating the output of the amplifier, and the first differentiator. An azimuth sensor comprising: a second differentiator for differentiating an output; and arithmetic means for performing calibration and calculating an azimuth by calculation.
前記振動手段は、一定角速度で前記磁気センサを振動させることを特徴とする請求項1に記載の方位センサ。   The direction sensor according to claim 1, wherein the vibration unit vibrates the magnetic sensor at a constant angular velocity. 前記振動手段は、形状記憶合金を有し、該形状記憶合金の相変態を利用して振動を発生させることを特徴とする請求項1または2のいずれか1つに記載の方位センサ。   3. The direction sensor according to claim 1, wherein the vibration unit includes a shape memory alloy, and generates vibration using a phase transformation of the shape memory alloy. 4.
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