JP2006214776A

JP2006214776A - 磁界を３次元で検出する小型磁気センサー素子

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Publication number: JP2006214776A
Application number: JP2005025683A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Miyashita; 信一宮下; Toru Sekiguchi; 亨関口; Atsushi Kanamaru; 厚史金丸; Takashi Hasunuma; 孝蓮沼
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: JP4804764B2

Abstract

【課題】フラックスゲート素子を用いて3次元で磁界を検出する3次元磁気センサーは従来、高さ方向が縦又は横寸法と同等又はそれ以上となるため、薄型とすることが出来ず、部品の高さに制限のある機器に搭載できないという問題を改善する。
【解決手段】フラックスゲート素子１１、１２、１３を使用して磁界を３次元で検出する磁気センサー素子１０において、水平面に配置されるＸ軸とＹ軸の少なくとも一軸についてはフラックスゲート素子の２個１１，１２を一組として、それぞれのフラックスゲート素子を水平面に対しプラスおよびマイナス方向に１°から45°の範囲の傾斜角θ１、θ２で傾斜を持たせて配置するとともに、前記フラックスゲート素子１１，１２のそれぞれの出力と前記傾斜角の正弦又は余弦とに基づく演算により磁界の3次元成分を算出する演算手段５を備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ナビゲーションや姿勢制御等に用いられる電子コンパスに使用される磁気センサー素子に関し、特に磁界を３次元で検出するフラックスゲート型の磁気センサー素子に関する。

従来、フラックスゲート素子等の細長い形状の磁気検出素子を使って磁界を3次元で検出する磁気センサーを構成しようとした場合、第1、第2、第3のフラックスゲート素子を用い、第1と第2のフラックスゲート素子は、任意の水平面の２軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸とする）に９０°の交差角をつけて配置するが、第3のフラックスゲート素子はその水平面に対し直角に立てた軸（Ｚ軸とする）の方向に配置していた（例えば特許文献１参照。）。ここでフラックスゲート素子とは、磁性材の棒よりなる磁心にコイルを回捲してなるものであり、コイルの出力により、磁心の方向の磁界の強さを検出するものである。

特開平９−３０４０７７号公報（第２頁、図３、図４、図６）

ここで、上記のような従来の3次元磁気センサーの作用の原理を説明する。図１０のモデル図に示すように、互い直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸に沿ってフラックスゲート素子１１１、１１２、１１３がそれぞれ配置されている。これらのフラックスゲート素子は、図１１に示す３次元の磁界Hが存在する場所に配置される。図１１に示すように、磁界HのＸ方向成分をＨｘ、Ｙ方向成分をＨｙ、Ｚ方向成分をＨｚで表す。ここで、３次元の磁界のベクトルＨは、Ｘ軸方向のベクトルＨｘとＹ方向のベクトルＨｙとＺ方向のベクトルＨｚが合成されて出来たベクトルとみなすことが出来る。ところで、一般に磁界の方向とフラックスゲート素子のなす角がθであるときは、その磁界の強さにｃｏｓθを乗じたものが検出の対象となる。よって、Ｘ軸方向に配されたフラックスゲート１１１の検出対象となる磁界の強さをＡ１とすれば
Ａ１＝Ｈｘｃｏｓ０°＋Ｈｙｃｏｓ９０°＋Ｈｚｃｏｓ９０°＝Ｈｘ
Ｙ軸方向に配されたフラックスゲート１１２の検出対象となる磁界の強さをB１とすれば
B１＝Ｈｘｃｏｓ９０°＋Ｈｙｃｏｓ０°＋Ｈｚｃｏｓ９０°＝Ｈｙ
Ｚ軸方向に配されたフラックスゲート１１２の検出対象となる磁界の強さをＣ１とすれば
Ｃ１＝Ｈｘｃｏｓ９０°＋Ｈｙｃｏｓ９０°＋Ｈｚｃｏｓ０°＝Ｈｚ
となる。このようにして、フラックスゲート１１１、１１２、１１３により、それぞれに
磁界Hの３次元成分Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを検出することができる。

ここで、参考までに電子コンパス等の磁気方位測定手段において、磁界Hの３次元成分Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚより、磁界Hの方位を求める方法を説明する。例えば、Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを順次合成することにより３次元の磁界のベクトルＨの方位および大きさを求めることができる。すなわち、図１１に示すように、ＨｘとＨｙの合成ベクトルＨ１を考え、そのＸＹ面におけるＸ軸からの角度をφ１とすれば、
φ１＝ｔａｎ^−１（Ｈｙ／Ｈｘ）・・・・（１）
Ｈ１の絶対値は
（Ｈ１）^２＝Ｈｘ^２＋Ｈｙ^２
となる。次に、ベクトルＨ１にベクトルＨｚを合成した3次元ベクトルＨを考え、Ｈ１からＨへの回転角をφ２とすると、
φ２＝ｔａｎ^−１（Ｈｚ／Ｈ１）
＝ｔａｎ^−１［Ｈｚ／（Ｈｘ^２＋Ｈｙ^２）^−１／２］・・・・（２）
となる。3次元ベクトルＨの絶対値は
Ｈ^２＝（Ｈ１）^２＋Ｈｚ^２＝Ｈｘ^２＋Ｈｙ^２＋Ｈｚ^２・・・・（３）
となる。このようにして、３次元磁気センサーにより磁界のベクトルＨのＸ、Ｙ、Ｚ方向の成分Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを検出し、この値を電子コンパス等の磁気方位測定手段に入力し計算手段により演算を行うことにより、（１）、（２）式より前記のφ１およびφ２を算出し、磁界ベクトルＨの３次元の方位を特定することができ、また、（３）式よりその大きさを求めることができる。

このようにして、従来のフラックスゲート素子を使用した3次元磁気センサーは3次元の磁界をそのＸ、Ｙ、Ｚ方向の成分を直接に検出することにより検出することができ、この検出結果に基づいて電子コンパス等の磁気方位測定手段において3次元の磁気の方位を検出する等の利用をすることができる。しかしながら、かかる従来の3次元磁気センサーにおけるフラックスゲート素子の配置においては、図１０に示すように、第3のフラックスゲート素子（１１３）は、第1および第2のフラックスゲート素子により決められる水平面（ＸＹ面）に対して立てて配置しなければならず、3次元磁気方位検出センサーの高さ方向に、フラックスゲート素子の長さと同等以上のスペースを必要としていた。このため、磁気センサー装置の形状をキュービック型としていたが、これでは部品の高さに制限のある携帯情報機器等においては搭載が不可能であった。そこでフラックスゲート素子を用いた3次元磁気方位検出センサーの薄型化を図るに手段として、Ｚ軸用のフラックスゲート素子のみを半導体型のフラックスゲート素子等（素子の面に垂直方向の磁界を検出する性質を有するフラックスゲート素子）とすることも考えられるが、種類の違う素子を搭載することにより、その素子用の駆動回路が別途必要となり、製造工程が複雑となる等の問題があった。

本発明は上記したようなフラックスゲート素子を用いた3次元磁気出センサーにおいて、製造工程の特別の複雑化を招くことなく、その厚み方向の寸法を従来よりも減少させ、部品の高さに制限のある携帯情報機器等への搭載を可能とするように改善することを課題とする。

上記の課題を解決するための第1の手段として本発明は、フラックスゲート素子を使用して磁界を３次元で検出する磁気センサー素子において、水平面に配置されるＸ軸とＹ軸の少なくとも一軸についてはフラックスゲート素子2個を一組として、それぞれのフラックスゲート素子を水平面に対しプラスおよびマイナス方向に１°から45°の範囲で傾斜を持たせて配置するとともに、前記フラックスゲート素子のそれぞれの出力と前記傾斜角の正弦又は余弦とに基づく演算により磁界の3次元成分を算出する演算手段を備えたことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の手段として本発明は、前記第1の手段において、前記の２個が一組のフラックスゲート素子の一方のフラックスゲート素子が水平面に対しプラス方向に傾斜し、他の一方のフラックスゲート素子が水平方向に対しマイナス方向に傾斜し、そのプラス方向の傾斜角とマイナス方向の傾斜角の絶対値が略等しい場合において、一方のフラックスゲート素子の出力と他方のフラックスゲートの出力の和を用いてＸ軸又はＹ軸方向の磁界成分の強度を算出し、これらの出力の差を用いて前記水平面に直交するＺ軸方向の磁界成分の強度を算出する演算手段を備えたことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の手段として本発明は、前記第1の手段又は第2の手段において、前記Ｘ軸とＹ軸の両方の軸について、フラックスゲート素子2個を一組として、それぞれのフラックスゲート素子を水平面に対しプラスおよびマイナス方向に１°から45°の範囲で傾斜を持たせて配置することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の手段として本発明は、前記第1の手段乃至第3手段のいずれかにおいて、前記２個が一組のフラックスゲート素子の一方のフラックスゲート素子と他の一方のフラックスゲート素子は互いに間隔をおいた平行面内に保持されることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の手段として本発明は、前記第1の手段乃至第3手段のいずれかにおいて、水平面に配置した磁気センサーの基板と、その基板に設けられた略直方体の台座を有し、台座の略垂直の側面にフラックスゲート素子を固定することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第６の手段として本発明は、前記第1の手段乃至第3手段のいずれかにおいて、水平面に配置した磁気センサー素子の基板と、その基板に設けられた略直方体の台座を有し、台座の略垂直の側面にフラックスゲート素子を固定するとともに、前記台座の側面と直交する上面の水平面にＸ軸又はＹ軸に対し傾斜する方向に第3のフラックスゲート素子を固定したことを特徴とする。

前記の第1の手段乃至第６の手段のいずれか１の手段によれば、複数のフラックスゲート素子のいずれもが、水平面に対しプラスおよびマイナス方向に１°から45°の範囲で傾斜を持たせているので、厚み方向の寸法を低減することができる。しかも、このように傾斜を持たせていても、各フラックスゲート素子の出力と傾斜角の正弦又は余弦とに基づく演算を行うことにより、３次元の磁界の水平方向（Ｘ方向およびＹ方向）の成分および垂直方向（Ｚ方向とする）の成分を求めることが出来、これらより３次元の磁界を特定することができる。このように、本発明によれば、ハード面およびソフト面からの対処により3次元の磁界の成分を検知する磁気センサー素子の厚み寸法の低減が可能となる。

前記第2の手段によれば、各フラックスゲート素子の出力から、磁界の水平方向および
垂直方向の成分を求める演算が簡単となる。

前記第４の手段又は第５の手段によれば、フラックスゲート素子同士の間隔が確保され
フラックスゲート素子間の干渉が阻止でき、動作の安定性が確保できる。

前記第６の手段によれば、台座の上面にもフラックスゲート素子を固定するので、台座が1個ですみ、平面寸法が小さくできる。

本発明を実施するための最良の形態は、フラックスゲート素子を使用して磁界を３次元で検出する磁気センサーを、水平面に配置されるＸ軸とＹ軸の少なくとも一軸についてはフラックスゲート素子2個を一組として、それぞれのフラックスゲート素子を水平面に対しプラスおよびマイナス方向に１°から45°の範囲で傾斜を持たせて配置するとともに、
前記フラックスゲート素子のそれぞれの出力と前記傾斜角の正弦又は余弦とに基づく演算により磁界の3次元成分を算出する演算手段を備えた構成とする。

上記の最良の形態に基づき、本発明の具体的な形態である実施例を説明するに先立ち、本発明の原理を説明する。本発明は、従来のようにこのような互いに直交する3個のフラックスゲート素子を使用する方式（図１０参照）とは異なる方式により、図４に示すような磁界ＨのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の成分であるＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚを検知するものである。すなわち本発明によれば、複数のフラックスゲート素子のうち少なくとも2個のフラックスゲート素子はＸ軸とＹ軸を含む水平面（ＸＹ面）に対し絶対値が1°以上で４５°以下の傾斜角をなすものである。例えば、図５に示すようにＸ軸とＺ軸（水平面に垂直な軸）を含む平面であるＸZ面において、Ｘ軸に対しθ１だけ傾斜したフラックスゲート素子１１とθ２だけ傾斜したフラックスゲート素子１２があり、θ１もθ２絶対値が1°から４５°の範囲にあるとする。ここで、一般に磁界の方向とフラックスゲート素子のなす角をθとするとフラックスゲート素子の出力はｋｃｏｓθ で表される。ここでｋは検出定数である。フラックスゲート素子１１は図４に示す磁界Ｈｘに対してはθ１だけ傾斜しているのでこれによりｋ・Hｘ・ｃｏｓθ１の出力を生ずる。磁界Ｈｚ対しては（９０°−θ１）だけ傾斜しているのでこれによりｋ・Hｚ・ｓｉｎθ１の出力を生ずる。そして、フラックスゲート素子１１は（ＸZ面にあるため）磁界Ｈｙに対する角度は９０°となるので、これによる出力はｋ・Hｙ・ｃｏｓ90°＝０となり、出力は生じない。よって、Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚの成分を有する磁界Ｈにより生ずるフラックスゲート出素子１１の出力Ａは
Ａ＝ｋ（Hｘ・ｃｏｓθ１＋Hｚ・ｓｉｎθ１）・・・・（４）
となる。同様にしてフラックスゲート素子１２の出力Ｂは
Ｂ＝ｋ（Hｘ・ｃｏｓθ２＋Hｚ・ｓｉｎθ２）・・・・（５）
となる。
なお、図６に示すように、フラックスゲート出素子１１および１２がＹＺ面にあるときは、同様の原理により、フラックスゲート出素子１１の出力は（４）式においてＨｘをＨｙに置き換えたものとなり、フラックスゲート出素子１２の出力は（５）式においてＨｘをＨｙに置き換えたものとなる。

なお、参考までに述べると、上記のようにフラックスゲート素子１１とフラックスゲート素子１２が共にＸＺ平面にあるときは、磁界のY成分であるＨｙを検出することがないので、フラックスゲート素子１１の出力は、図７（ａ）に示すようなＨｘとＨｚの2次元の合成ベクトルの磁界Ｈ０を図７（ｂ）に示すように、フラックスゲート素子１１により検出する場合と同様となる。ここで、Ｈ０もフラックスゲート素子１１も共にＸＺ面にある。この場合、Ｈ０のＸ軸に対する傾斜角をθ０とすれば
ｓｉｎθ０＝Ｈｚ／Ｈ０ｃｏｓθ０＝Ｈｘ／Ｈ０となる。又、磁界Ｈ０とフラックスゲート素子のなす角θは θ＝θ０−θ１となる。よって、フラックスゲート素子１１の出力Ａは
Ａ＝ｋ・Ｈ０・ｃｏｓθ＝ｋ・Ｈ０・ｃｏｓ（θ０−θ１）
＝ｋ・Ｈ０（ｃｏｓθ０・ｃｏｓθ１＋ｓｉｎθ０・ｓｉｎθ１）
＝ｋ・Ｈ０［（Ｈｘ／Ｈ０）・ｃｏｓθ１＋（Ｈｚ／Ｈ０）・ｓｉｎθ１］
＝ｋ（Hｘ・ｃｏｓθ１＋Hｚ・ｓｉｎθ１）
となって、（４）式と一致する。同様にして、フラックスゲート素子１の出力Ｂについても、
Ｂ＝ｋ・Ｈ０・ｃｏｓ（θ０−θ２）＝ｋ（Hｘ・ｃｏｓθ２＋Hｚ・ｓｉｎθ２）
となって（５）式と一致した式が成立つ。

次に、フラックスゲート素子１１の出力Ａおよびフラックスゲート素子１２の出力Ｂとから磁界のＸ、Z軸方向の成分Ｈｘ、Ｈｚを求める方法につき説明する。図５に示すようにフラックスゲート素子１１とフラックスゲート素子１２がＸＺ面に配されているときは、（４）式および（5）式より連立方程式を解くことにより
Ｈｚ＝（Ａｃｏｓθ２−Bｃｏｓθ１）／ｋｓｉｎ（θ１−θ２）・・・・（６）
Hｘ＝（Ａｓｉｎθ２−Bｓｉｎθ１）／ｋｓｉｎ（θ２−θ１）・・・・（７）
となる。（６）式、（７）式より傾斜角θ１、θ２が任意の場合であっても出力Ａおよび出力Ｂに基づいて、ＨｚおよびHｘを算出することができる。なお、ここで特殊な例として傾斜角の方向が逆で絶対値が等しい場合すなわち θ２＝−θ１の場合は（６）式および（７）式より、それぞれ
Ｈｚ＝（Ａ−Ｂ）／２ｋｓｉｎθ１・・・・（８）
Ｈｘ＝（Ａ＋Ｂ）／２ｋｃｏｓθ１・・・・（９）
が成立する。いずれにしても、フラックスゲート素子１１の出力Ａおよびフラックスゲート素子１２の出力Ｂとから磁界のＸ、Z軸方向の成分Ｈｘ、Ｈｚを求めることができる。

ここで、図６に示すように、フラックスゲート素子１１およびフラックスゲート素子１２が共にＹＺ面に配置され、Ｙ軸に対しそれぞれθ１、θ２の傾斜角で傾斜している場合は、Hｚについては、（６）式又は（８）式を適用して、これを求めることが出来、Ｙ方向の磁界成分Ｈｙについては、（７）式においてＨｘをＨｙに置き換えた式
Hｙ＝（Ａｓｉｎθ２−Bｓｉｎθ１）／ｋｓｉｎ（θ２−θ１）・・・・（１０）
によりこれを求めることができる。特に θ２＝−θ１の場合は（９）式においてＨｘをＨｙに置き換えた式
Ｈｙ＝（Ａ＋Ｂ）／２ｋｃｏｓθ１・・・・（１１）
によりこれを求めることができる。以上のようにして、磁界のＸ、Ｙ、Ｚ成分Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを演算により求めることにより、磁界を３次元で検出することができる。
なお、例えばＸＺ面に配置したフラックスゲート素子１１およびフラックスゲート素子１２の出力からＨｘとＨｚを算出し、さらにＨｙを求めるには、図６に示すようなＹＺ面に配置され1対のフラックスゲート素子を用いることなく、図８に示すように第3のフラックスゲート素子１３をＹ軸方向に配し、その出力Ｃから直ちに
Ｈｙ＝Ｃ／ｋ・・・・（１２）
としてＨｙを求めることもできる。このようにして、磁界のＸ、Ｙ、Ｚ成分であるＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚが全て求められると、すでに説明した（１）式及び（２）式より磁界の3次元の方位を求めることができる。又、必要に応じて（３）式より磁界の強さを求めることができる。

なお、上記に説明した例に限らず、例えば図９に示すように、ＸＺ面に配置した1対のフラックスゲート素子１１、１２ののうちのフラックスゲート素子１１は水平であり、フラックスゲート素子１２のみがＸ軸に対し角度θ２で傾斜しているときは、（６）、（７）式より
Ｈｚ＝（B−Ａｃｏｓθ２）／ｋｓｉｎθ２・・・・（１１）
Hｘ＝Ａ／ｋ・・・・（１２）
としてＨｚとHｘを求めることができる。
以上に、本発明の原理につき説明を行ったが、本発明のより具体的な実施の態様につき、実施例を用いて以下に説明する。

以下に図面を参照して本発明の実施例１に係る３次元磁気センサー素子（又は３次元磁界センサーユニット）を説明する。図１は実施例１に係る３次元磁界センサー素子１０を示す図であり、図１（ａ）はＸＹ面で見た上面図、図１（ｂ）はＹＺ面で見た側面図、図１（ｃ）はＸＺ面で見た側面図である。図１において１は基板、２は第1の台座、３は第2の台座、４は第３の台座、５はコントロールＩＣ、１１は第1のフラックスゲート素子、１２は第2のフラックスゲート素子、１３は第3のフラックスゲート素子である。これらのフラックスゲート素子は、例えば磁性材の柱状の磁心にコイルが回捲されており、磁心を通る磁界に比例した出力をコイルの端子より発生することにより、磁心の方向（フラックスゲート素子の長手方向）の磁界の成分を検出するようになっている。台座２、３、４は略直方体で1方向に長い柱状をなしている。Ｘ、Ｙ、Ｚは互いに直交する軸であり、基板１の面はＸ軸とＹ軸により規定されるＸＹ面(水平面)と平行である。そして、台座２および台座３は基板１上に間隔をおいてＸ軸に平行な方向が長手方向となるように固定されている。台座２および３の間の基板１上にはコントロールＩＣ５が固定されている。台座４は装置基板１上で台座２および台座３の端面から若干離れた位置において、長手方向がＹ軸に平行となる方向に固定されている。そして、台座２、３、４によりコントロールＩＣ５をの3方から囲むような位置関係となっている。

台座２の外側の側面２ｂはＸＺ面となっているが、この面に、Ｘ軸に対しプラス方向にθ１だけ傾斜した状態でフラックスゲート素子１１が固定されている。台座３の外側の側面３ｂもＸＺ面となっているが、この面に、Ｘ軸に対しマイナス方向にθ２だけ傾斜した状態でフラックスゲート素子１２が固定されている。ここで、θ１とθ２の絶対値は1°より大で４５°以下となっている。台座４の外側の側面４ｂはＹＺ面となっているが、この面にＹ軸方向に平行にフラックスゲート素子１３が固定されている。フラックスゲート素子１１、１２、１３からはリード線が引き出され台座２、３、４に設けられた対応する素子接続端子７に接続されている。８は装置基板１上で、コントロールＩＣ５の周辺に設けられたＩＣ用接続端子である。ＩＣ用接続端子はワイヤー等の接続手段によりコントロールＩＣ５に接続されるとともに、図示しない配線手段により前記の素子接続端子７に接続されている。なおコントロールＩＣ５の内部にはフラックスゲート素子１１、１２、１３に検出動作をさせるための検出駆動手段および後述する演算をするための演算手段が設けられている。

ここで、上記の３次元磁気センサー素子１０が3次元の磁界Ｈの中に置かれた場合、フラックスゲート素子１１、１２、１３からの出力を夫々Ａ、Ｂ、Ｃとすると、これらの出力は前記の素子接続端子７、ＩＣ用接続端子８を経てコントロールＩＣ５に入力される。そしてコントロールＩＣ５に設けた演算手段において、前記の出力Ａ、Ｂ、Ｃに基づき、磁界ＨのＸ、Ｚ、Ｙ成分であるＨｘ、Ｈｚ、Ｈｙがすでに説明した原理により、それぞれ、（７）、（６）、（１２）式により算出される。なお、前記θ１とθ２の絶対値が等しい場合はＨｘとＨｚはそれぞれ（８）、（９）式により算出される。そして更に必要に応じて、コントロールＩＣ５内の演算手段によって、前記の算出されたＨｘ、Ｈｚ、Ｈｙの値に基づき、（１）式および（２）式により磁界Ｈの方位角φ１およびφ２を算出し、磁界Ｈの3次元の方向を特定することもできる。このように３次元磁気センサー素子１０はハード的な磁気検出手段である複数のフラックスゲート素子と、ソフト的な演算作用をなすコントロールＩＣとが組み合わされて、3次元で磁界を検出する機能を有する磁気センサー素子が構成されるものである。この場合は水平面に直立するフラックスゲート素子を使用する必要がない。よって本実施例１によれば、Ｚ方向（厚み方向）の占有スペースの小さい薄型の３次元磁気センサーを構成することができ、携帯電話機、小型のナビゲータ等に使用する上で有利となる。又、フラックスゲート素子１１、１２、１３は距離をおいて配置されているので、互いに干渉し合うことはなく、正確な検出ができる。

以下に図面を参照して本発明の実施例２に係る３次元磁氣センサー素子を説明する。図２は実施例２に係る３次元磁気センサー素子２０を示す図であり、図２（ａ）はＸＹ面で見た上面図、図２（ｂ）はＸＺ面で見た側面図、図２（ｃ）はＹＺ面で見た側面図である。図２（ａ）においては横方向をＸ方向にとっている。図２に示すように、３次元磁気センサー２０には図１に示した3次元磁気センサー素子１０から台座３を省き、台座２の一方の側面２ｂにフラックスゲート素子１１を固定し、これと対向する他方の側面２ｃにフラックスゲート素子１２を固定している。この場合もフラックスゲート素子１１およびフラックスゲート素子１２のＸ軸に対する傾斜角度θ１、θ２は、図１に示した装置ユニット１０の場合と同様である。他の構成は図１に示した磁気センサーの装置ユニット１０の場合と同様である。本実施例２の場合も、フラックスゲート素子１１、１２、１３からはそれぞれ実施例１の場合と同様の出力Ａ、Ｂ、ＣがコントロールＩＣ５に入力され、ここで、実施例１と同様の演算が行われて、磁界Ｈを３次元で検出することができる。本実施例２の場合は台座３が２個ですむので、実施例１に比較して平面寸法を小さくすることができる。

なお、本実施例２の変形例として、図示は省略するが、図２に示す３次元磁気センサー素子２０からフラックスゲート素子１３を除き、代わりに台座４の対向する2つの側面４ｂ、４ｃのＺＹ面にＹ軸に対し異なる角度で傾斜する１対のフラックスゲート素子をそれぞれ配置したものがある。この例においては、この1対のフラックスゲート素子の出力に基づき（１０）式の演算を行い磁界ＨのＹ成分であるＨｙを求めることができる。なお、この場合、Ｈｘ、Ｈｚは図２に示す3次元磁気センサー２０と同様に、台座２に固定したフラックスゲート素子１１およびフラックスゲート素子１２の出力に基づき演算により求めるものである。

以下に図面を参照して本発明の実施例３に係る３次元磁氣センサー素子を説明する。図３は実施例３に係る３次元磁気センサー素子３０を示す図であり、図３（ａ）はＸＹ面で見た上面図、図３（ｂ）はＸＺ面で見た側面図、図３（ｃ）はＹＺ面で見た側面図である。図３において、６は上面の幅の広い幅広台座であり、１４は上面用フラックスゲート素子である。図３に示すように3次元磁気センサー素子３０においては、基板１上にＸ方向に幅広台座６を固定し、台座６の一方の側面６ｂのＸＺ面にフラックスゲート素子１１を固定し、これと対向する他の一方の側面６ｃにフラックスゲート素子１２を固定し、更に台座６の上面６ｄのＸＹ面に上面用フラックスゲート素子１４がＸ軸に対してθ３の傾斜角をなして固定される。この場合もフラックスゲート素子１１およびフラックスゲート素子１２のＸ軸に対する傾斜角度θ１、θ２は、図１に示した3次元磁気センサー素子１０場合と同様であり、フラックスゲート素子１１、１２からは実施例１の場合と同様の出力Ａ、Ｂが出力する。ここで、上面用フラックスゲート素子１４の出力をＤとすると、すでに説明したのと基本的には同様の原理（（４）式又は（５）式の原理を参照）により
D＝Ｋ（Ｈｘｃｏｓθ３＋Ｈｙｓｉｎθ３）
となる。これより、Ｈｙは
Hｙ＝［（Ｄ／Ｋ）−Ｈｘｃｏｓθ３］／ｓｉｎθ３・・・・（１３）
となり、（１３）式を用いてHｙを求めることができる。すなわち、本実施例３においては、フラックスゲート素子１１の出力Ａ、フラックスゲート素子１２の出力Ｂ、フラックスゲート素子１４の出力ＤをコントロールＩＣ５に入力すると、先ずＡ、Bにより（６）式および（７）式を用いてＨｚとＨｘが算出される。次に算出されたＨｘと出力Ｄにより（１３）式を用いてHｙが算出される。このようにして算出されたＨｚ、Ｈｘ、HｙとよりコントロールＩＣ５において、すでに説明した計算により、磁界の方位を算出することもできる。本実施例３においては、台座としては1個の台座６のみを使用するので、装置の平面寸法を更に小さくすることができる。又、フラックスゲート素子１１、１２、１４を接触せずに、台座２を介して離して配置できるのでフラックスゲート素子間の干渉を防ぐことができる。

本発明の実施例１に係る3次元磁気センサー素子の構成を示す図である。本発明の実施例２に係る3次元磁気センサー素子の構成を示す図である。本発明の実施例３に係る3次元磁気センサー素子の構成を示す図である。本発明により検出する3次元の磁界を示す図である。本発明に使用するフラックスゲート素子の配置の状態を説明する図である。本発明に使用するフラックスゲート素子の配置の状態を説明する図である。本発明により磁界の成分を検知する方法を説明する図である。本発明に使用するフラックスゲート素子の配置の状態を説明する図である。本発明に使用するフラックスゲート素子の配置の状態を説明する図である。従来の3次元磁気センサーにおけるフラックスゲート素子の配置の状態を説明する図である。従来の3次元磁気センサーの検出対象となる磁界を説明する図である。

符号の説明

１基板
２第1の台座
２ｂ、２ｃ、３ｂ、４ｂ、４ｃ、６ｂ、６ｃ台座の側面
３第2の台座
４第3の台座
５コントロールＩＣ
６幅広台座
６ｄ台座の上面
７素子接続端子
８ＩＣ用接続端子
１０、２０、３０ 3次元磁気センサー素子
１１第1のフラックスゲート素子
１２第２のフラックスゲート素子
１３第３のフラックスゲート素子
１４上面用フラックスゲート素子

Claims

フラックスゲート素子を使用して磁界を３次元で検出する磁気センサー素子において、水平面に配置されるＸ軸とＹ軸の少なくとも一軸についてはフラックスゲート素子2個を一組として、それぞれのフラックスゲート素子を水平面に対しプラスおよびマイナス方向に１°から45°の範囲の傾斜角で傾斜を持たせて配置するとともに、前記フラックスゲート素子のそれぞれの出力と前記傾斜角の正弦又は余弦とに基づく演算により磁界の3次元成分を算出する演算手段を備えたことを特徴とする磁気センサー素子。
前記の２個が一組のフラックスゲート素子の一方のフラックスゲート素子が水平面に対しプラス方向に傾斜し、他の一方のフラックスゲート素子が水平方向に対しマイナス方向に傾斜し、そのプラス方向の傾斜角とマイナス方向の傾斜角の絶対値が略等しい場合において、一方のフラックスゲート素子の出力と他方のフラックスゲートの出力の和を用いてＸ軸又はＹ軸方向の磁界成分の強度を算出し、これらの出力の差を用いて前記水平面に直交するＺ軸方向の磁界成分の強度を算出する演算手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー素子。
前記Ｘ軸とＹ軸の両方の軸について、フラックスゲート素子2個を一組として、それぞれのフラックスゲート素子を水平面に対しプラスおよびマイナス方向に１°から45°の範囲で傾斜を持たせて配置することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気センサー素子。
前記の２個が一組のフラックスゲート素子の一方のフラックスゲート素子と他の一方の
フラックスゲート素子は互いに間隔をおいた平行面内に保持されることを特徴とする請求１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気センサー素子。
水平面に配置した磁気センサー素子の基板と、その基板に設けられた略直方体の台座を有し、台座の略垂直の側面にフラックスゲート素子を固定することを特徴とする請求１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気センサー素子。
水平面に配置した磁気センサー素子の基板と、その基板に設けられた略直方体の台座を有し、台座の略垂直の側面にフラックスゲート素子を固定するとともに、前記台座の側面と直交する上面の水平面にＸ軸又はＹ軸に対し傾斜する方向に第3のフラックスゲート素子を固定したことを特徴とする請求１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気センサー素子。