JP2015075465A - Three-dimensional magnetic field measuring apparatus and three-dimensional magnetic field measuring method - Google Patents

Three-dimensional magnetic field measuring apparatus and three-dimensional magnetic field measuring method Download PDF

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茂樹 岡武
Shigeki Okatake
茂樹 岡武
準也 田島
Junya Tajima
準也 田島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional magnetic field measuring apparatus and a three-dimensional magnetic field measuring method capable of solving a problem of cross-axis sensitivity that constitutes a serious obstacle for realizing three-dimensional magnetic field measurement.SOLUTION: A three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 of the present invention is configured so that a plurality of magnetic detection elements 3 is arranged around a magnetic body 2 provided on a semiconductor IC substrate 1 and having a magnetic amplification function. A signal processing unit 12 generates output signals Vsig,x, Vsig,y, and Vsig,z that are three-dimensional vector signals corresponding to three-dimensional magnetic vectors Hx, Hy, and Hz input to the magnetic body 2, respectively. A correction-coefficient storage unit 14 stores a correction coefficient for correcting cross-axis sensitivity generated in magnetic-electric conversion performed by the signal processing unit 12 for generating the three-dimensional output signals Vsig,x, Vsig,y, and Vsig,z. A magnetic-field-component calculation unit 15 calculates the three-dimensional output signals Vsig,x, Vsig,y, and Vsig,z based on the correction coefficient stored in the correction-coefficient storage unit 14.

Description

本発明は、3次元磁界測定装置及び3次元磁界測定方法に関し、より詳細には、3次元(3軸)の磁界測定を行う3次元磁界測定装置及びその測定方法に関する。特に、X軸,Y軸,Z軸の各成分の磁界を電気信号に変換して測定する際の他軸感度の補正技術に関し、電子コンパスや3次元回転角度センサなどに適用可能である。   The present invention relates to a three-dimensional magnetic field measurement apparatus and a three-dimensional magnetic field measurement method, and more particularly to a three-dimensional magnetic field measurement apparatus that performs three-dimensional (three-axis) magnetic field measurement and a measurement method thereof. In particular, the present invention is applicable to an electronic compass, a three-dimensional rotation angle sensor, and the like regarding a correction technique for other-axis sensitivity when measuring the magnetic field of each component of the X-axis, Y-axis, and Z-axis into an electric signal.

従来から磁界測定装置として、半導体基板に設けられたホール素子と、このホール素子上に設けられた磁気収束機能を有する磁性体(磁気収束板)を備えて、ホール素子に磁気集束させることにより、その磁界強度をホール素子で測定するようにすることは、よく知られている。
ホール素子やMR素子(磁気抵抗素子)といった磁気検出素子を利用して測定対象となる磁界(3次元磁界ベクトル)を測定する磁界測定装置については、それらの磁気検出素子と磁性体で作られた磁気収束板を組み合わせた構成で実現されているものが多い(例えば、特許文献1及び2、特許文献5参照)。
Conventionally, as a magnetic field measuring apparatus, a Hall element provided on a semiconductor substrate and a magnetic body (magnetic focusing plate) having a magnetic focusing function provided on the Hall element are magnetically focused on the Hall element. It is well known to measure the magnetic field strength with a Hall element.
Magnetic field measuring devices that measure magnetic fields (three-dimensional magnetic field vectors) to be measured using magnetic detection elements such as Hall elements and MR elements (magnetoresistance elements) are made of those magnetic detection elements and magnetic materials. Many are realized by the structure which combined the magnetic convergence board (for example, refer patent document 1 and 2, patent document 5).

例えば、特許文献1及び2には、磁気集束板の外周付近の位置に対となったホール素子を配置した磁界測定装置の構造が開示されている。
また、特許文献5には、GMR(巨大磁気抵抗効果;Giant Magneto Resistive effect)素子を使用して3次元の磁界を測定する3次元磁界測定装置が開示されており、このGMR素子と磁気収束板を組み合わせることにより、3次元の磁界測定を実現している。
For example, Patent Documents 1 and 2 disclose the structure of a magnetic field measuring apparatus in which a Hall element paired with a position near the outer periphery of a magnetic focusing plate is arranged.
Patent Document 5 discloses a three-dimensional magnetic field measuring apparatus that measures a three-dimensional magnetic field using a GMR (Giant Magneto Resistive Effect) element. By combining these, three-dimensional magnetic field measurement is realized.

こうした磁界測定装置のなかでも、半導体製造プロセスを利用することにより、シリコンIC基板のなかに複数のホール素子(シリコンモノリシックホール素子)を形成し、このシリコンIC基板の上部に磁気収束板を形成した磁界測定装置の構造については、測定対象となる磁界を電気信号としての空間ベクトル(3次元ベクトル)に変換して測定することが可能となる(例えば、特許文献1及び2参照)。   Among such magnetic field measuring devices, a semiconductor manufacturing process is used to form a plurality of Hall elements (silicon monolithic Hall elements) in a silicon IC substrate, and a magnetic convergence plate is formed on the silicon IC substrate. The structure of the magnetic field measurement device can be measured by converting the magnetic field to be measured into a space vector (three-dimensional vector) as an electric signal (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

このため、この磁界測定装置の構造は、地磁気の空間成分を3次元ベクトルとして測定する地磁気センサ(電子コンパス)といった用途において利用されている。
上述したように、複数のシリコンモノリシックホール素子とこれら複数のシリコンモノリシックホール素子を内蔵したシリコン半導体ICの上部に磁気収束板を配置した磁界測定装置の構造は、地磁気の空間成分を3次元ベクトルとして測定する3次元磁界測定装置に関して、極めて好適な磁界測定装置の構造である。
For this reason, the structure of this magnetic field measuring apparatus is used in applications such as a geomagnetic sensor (electronic compass) that measures a spatial component of geomagnetism as a three-dimensional vector.
As described above, the structure of the magnetic field measuring device in which the magnetic converging plate is arranged on the silicon semiconductor IC including the plurality of silicon monolithic Hall elements and the plurality of silicon monolithic Hall elements has a spatial component of geomagnetism as a three-dimensional vector. Regarding the three-dimensional magnetic field measuring device to be measured, the structure of the magnetic field measuring device is extremely suitable.

また、特許文献3には、ホール素子を内蔵した半導体基板の上に磁気集束板を形成した磁界測定装置の構造が開示されている。また、本発明の3次元磁界測定装置の前提となる磁界測定装置の構造に関して、その形状、各種の製造方法、各種の構成材料などの詳細が開示されている。
また、特許文献4には、3次元の磁界を測定する電子コンパスといった用途において、複数のセンサ素子からの出力信号をもとに3次元のベクトル信号を測定するための信号処理手段について開示されている。
Patent Document 3 discloses a structure of a magnetic field measuring device in which a magnetic focusing plate is formed on a semiconductor substrate having a Hall element built therein. In addition, regarding the structure of the magnetic field measurement device which is the premise of the three-dimensional magnetic field measurement device of the present invention, details of its shape, various manufacturing methods, various constituent materials, and the like are disclosed.
Patent Document 4 discloses signal processing means for measuring a three-dimensional vector signal based on output signals from a plurality of sensor elements in an application such as an electronic compass for measuring a three-dimensional magnetic field. Yes.

また、特許文献5には、GMR素子を使用して3次元の磁界を測定する3次元磁界測定装置が示されている。この特許文献5に記載された3次元磁界測定装置は、GMR素子と軟磁性体材料を使って作成された磁気収束板を組み合わせることにより、3次元の磁界測定を実現している。この特許文献5のなかで開示された3次元磁界測定装置においては、GMR素子がこれに水平な磁界成分を測定する磁電変換素子であるため、磁気収束板に対して垂直な磁界成分から磁気収束板に水平な磁束を得る目的で磁気収束板が使用されている。一方で、本発明の前提となるホール素子を用いた磁界測定装置の構造においては、ホール素子がこれに垂直な磁界成分を測定する磁電変換であるため、磁気収束板に対して水平な磁界成分から磁気収束板に垂直な磁束を得る目的で磁気収束板が使用されている。   Patent Document 5 discloses a three-dimensional magnetic field measuring apparatus that measures a three-dimensional magnetic field using a GMR element. The three-dimensional magnetic field measuring apparatus described in Patent Document 5 realizes a three-dimensional magnetic field measurement by combining a GMR element and a magnetic focusing plate formed using a soft magnetic material. In the three-dimensional magnetic field measuring apparatus disclosed in Patent Document 5, since the GMR element is a magnetoelectric conversion element that measures a magnetic field component that is horizontal to the GMR element, the magnetic convergence from the magnetic field component perpendicular to the magnetic convergence plate. A magnetic converging plate is used for the purpose of obtaining a magnetic flux horizontal to the plate. On the other hand, in the structure of the magnetic field measuring apparatus using the Hall element, which is the premise of the present invention, the Hall element is a magnetoelectric conversion that measures a magnetic field component perpendicular to the Hall element. The magnetic converging plate is used for the purpose of obtaining a magnetic flux perpendicular to the magnetic converging plate.

また、特許文献6においては、地磁気の3次元磁界を測定する方位角センサ(電子コンパス)に関連して、地磁気以外のオフセット磁界の影響をキャンセルして、地磁気の3次元磁界を測定することが開示されている。この特許文献6の実施例のなかで示された地磁気センサモジュールは、特に、本発明の前提となる磁界測定装置の構造のものではなく、地磁気のX成分,Y成分,Z成分のそれぞれを測定するために3つのホール素子HEx,HEy,HEzを内蔵した地磁気センサモジュールとなっている。また、この特許文献6においては、上述した地磁気センサモジュールの向きを変えながら、3つのホール素子HEx,HEy,HEzから出力される信号(ホール起電力信号)を測定することにより、地磁気センサモジュール付近に配置されたスピーカなどから生じる地磁気センサの妨害となるオフセット磁界を測定する地磁気センサモジュールのオフセット補正手順が開示されている。   Further, in Patent Document 6, in relation to an azimuth angle sensor (electronic compass) that measures a geomagnetic three-dimensional magnetic field, the influence of an offset magnetic field other than the geomagnetism can be canceled to measure the geomagnetic three-dimensional magnetic field. It is disclosed. The geomagnetic sensor module shown in the example of this Patent Document 6 is not particularly one having the structure of the magnetic field measuring apparatus which is the premise of the present invention, but measures each of the X, Y and Z components of the geomagnetism. Therefore, a geomagnetic sensor module incorporating three Hall elements HEEx, HEy, and HEz is provided. Further, in Patent Document 6, by measuring the signals (Hall electromotive force signals) output from the three Hall elements HEx, HEy, HEz while changing the direction of the above-described geomagnetic sensor module, the vicinity of the geomagnetic sensor module is measured. An offset correction procedure for a geomagnetic sensor module that measures an offset magnetic field that interferes with a geomagnetic sensor generated from a speaker or the like disposed in the above is disclosed.

また、特許文献7においては、地磁気の3次元磁界を測定する方位角センサ(電子コンパス)に関連して、地磁気以外のオフセット磁界の影響をキャンセルして、地磁気の3次元磁界を測定することが開示されている。この特許文献7の実施例のなかで示された方位角測定装置については、特に、本発明の前提となる磁界測定装置の構造のものではなく、地磁気のX成分,Y成分,Z成分のそれぞれを測定するために3つのホール素子HEx,HEy,HEzを内蔵した方位角測定装置の構成となっている。また、この特許文献7においては、上述した特許文献6と同様に、方位角測定装置付近に配置されたスピーカなどから生じる方位角測定装置の妨害となるオフセット磁界を測定する方位角測定装置のオフセット補正手順が開示されている。また、この特許文献7においては、特に、方位角測定装置によって、所定回数以上の地磁気ベクトルが測定されたときに、測定された地磁気ベクトルの集合をもとに幾何学的な計算手法を用いて、オフセット磁界を測定する方位角測定装置のオフセット補正手順が開示されている。   Further, in Patent Document 7, in relation to an azimuth angle sensor (electronic compass) that measures a geomagnetic three-dimensional magnetic field, the influence of an offset magnetic field other than the geomagnetism can be canceled to measure the geomagnetic three-dimensional magnetic field. It is disclosed. The azimuth measuring device shown in the embodiment of Patent Document 7 is not particularly the structure of the magnetic field measuring device that is the premise of the present invention, but each of the X, Y, and Z components of geomagnetism. In order to measure the azimuth angle measuring apparatus, three Hall elements HEx, HEy, and HEz are incorporated. In Patent Document 7, as in Patent Document 6 described above, the offset of the azimuth measuring device that measures an offset magnetic field that interferes with the azimuth measuring device generated from a speaker or the like disposed near the azimuth measuring device. A correction procedure is disclosed. In Patent Document 7, a geometric calculation method is used on the basis of a set of measured geomagnetic vectors, particularly when a geomagnetic vector is measured a predetermined number of times or more by an azimuth measuring device. An offset correction procedure for an azimuth angle measuring apparatus that measures an offset magnetic field is disclosed.

また、特許文献8には、水平方向及び垂直方向の磁界を測定するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる水平方向と垂直方向の間での測定感度のずれを解消するとともに、垂直方向の磁界測定に対するS/N比を向上させた3次元磁気測定装置が開示されている。つまり、本発明の前提となる磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造において問題となる磁気感度差(XY平面とZ軸の間の磁気感度の差)の問題を扱っている。本発明の前提となる磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造においては、円盤状の磁気収束板が一般的に用いられるが、こうした形状の磁気収束板の寸法形状に関して、磁気収束板の直径が磁気収束板の厚みに対して十分に大きい場合、X方向及びY方向(円盤の面内方向)についての磁気収束板の磁気増幅率と比較して、Z方向(円盤の厚み方向)の磁気増幅率が小さくなってしまうという技術課題に対して、この特許文献8では、この問題を解決するホール素子配置が開示されている。   Further, in Patent Document 8, when measuring the magnetic field in the horizontal direction and the vertical direction, the deviation in measurement sensitivity between the horizontal direction and the vertical direction caused by using the magnetic focusing plate is eliminated, and the vertical direction is determined. A three-dimensional magnetic measurement apparatus having an improved S / N ratio for magnetic field measurement in a direction is disclosed. That is, the problem of the magnetic sensitivity difference (difference in magnetic sensitivity between the XY plane and the Z axis) which is a problem in the structure of the magnetic field measuring apparatus using the magnetic converging plate which is the premise of the present invention is dealt with. In the structure of a magnetic field measuring apparatus using a magnetic converging plate, which is a premise of the present invention, a disk-shaped magnetic converging plate is generally used. Regarding the size and shape of the magnetic converging plate having such a shape, the diameter of the magnetic converging plate is used. Is sufficiently larger than the thickness of the magnetic converging plate, the magnetism in the Z direction (disk thickness direction) is compared with the magnetic amplification factor of the magnetic converging plate in the X direction and Y direction (in-plane direction of the disk). In response to the technical problem that the amplification factor becomes small, Patent Document 8 discloses a Hall element arrangement that solves this problem.

また、特許文献9には、本発明の前提となる磁界測定装置の構造、すなわち、ホール素子と磁気収束板を組み合わせた磁界測定装置の構造を使用して3次元磁界に対応した3次元の電気信号を得る3次元の磁界測定に関して、上述した特許文献8と同じく、X軸,Y軸,Z軸のあいだで感度が一致しない感度ミスマッチに対する解決手段が開示されている。   Patent Document 9 discloses a three-dimensional electric field corresponding to a three-dimensional magnetic field by using a structure of a magnetic field measuring apparatus which is a premise of the present invention, that is, a structure of a magnetic field measuring apparatus in which a Hall element and a magnetic focusing plate are combined. As for the three-dimensional magnetic field measurement for obtaining a signal, a solution to a sensitivity mismatch in which the sensitivities do not match among the X-axis, Y-axis, and Z-axis is disclosed, as in Patent Document 8 described above.

また、特許文献10には、本発明の前提となるホール素子と磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造を使用して、3次元の磁界測定を行うことにより、ブレーキペダルやシフトレバーといった装置における回転位置を非接触手段によって測定する回転角度センサが示されている。この特許文献10の図2に示された回転角度センサは、図2のなかに図示された直交座標系のなかで、主に、X軸とZ軸の成分を使って、回転体の回転角度(ZX平面での角度)を測定する回転角度センサであるが、この図2の回転角度センサにとっては、Z軸の磁界測定精度が重要となることから、本発明の3次元磁界測定装置を応用する事例となりうるものである。   Patent Document 10 discloses a device such as a brake pedal or a shift lever by performing three-dimensional magnetic field measurement using the structure of a magnetic field measuring device using a Hall element and a magnetic converging plate, which is a premise of the present invention. A rotation angle sensor is shown which measures the rotational position at the position by non-contact means. The rotation angle sensor shown in FIG. 2 of Patent Document 10 uses the X-axis and Z-axis components in the orthogonal coordinate system shown in FIG. Although it is a rotation angle sensor for measuring (angle on the ZX plane), the Z-axis magnetic field measurement accuracy is important for the rotation angle sensor of FIG. It can be an example to do.

特開2002−71381号公報JP 2002-71381 A 米国特許第6545462号明細書(B2)US Pat. No. 6,545,462 (B2) 国際公開WO2007/119569号(A1)International Publication No. WO 2007/11969 (A1) 国際公開WO2008/032741号(A1)International Publication WO 2008/032741 (A1) 国際公開WO2011/068146号(A1)International Publication WO2011 / 068146 (A1) 特開2004-12416号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-12416 国際公開WO2005/061990号(A1)International Publication WO 2005/061990 (A1) 特開2004-257995号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-25795 国際公開WO2008/123144号(A1)International Publication WO 2008/123144 (A1) 特開2012−98138号公報JP 2012-98138 A

上述した特許文献1及び2には、磁気集束板の外周付近の位置に対となったホール素子を配置した3次元磁界測定装置の構造が示されており、本発明は、この3次元磁界測定装置の構造を前提としたものである。
3次元磁界測定装置とは、3次元磁界測定装置に印加される磁界のX軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号と、Y軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号と、Z軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号を出力する装置である。尚、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向を互いに直交する方向である。
Patent Documents 1 and 2 described above show the structure of a three-dimensional magnetic field measuring device in which a Hall element paired with a position near the outer periphery of the magnetic focusing plate is arranged. It is based on the structure of the device.
The three-dimensional magnetic field measuring device is a signal indicating the direction and magnitude of the magnetic field component in the X-axis direction of the magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measuring device, and a signal indicating the direction and magnitude of the magnetic field component in the Y-axis direction. , A device that outputs a signal indicating the direction and magnitude of the magnetic field component in the Z-axis direction. The X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction are directions orthogonal to each other.

しかしながら、特許文献1及び2においては、他軸感度が発生すること、他軸感度を補正する手段などについては何ら言及されていない。
ここで、他軸感度とは、3次元磁界測定装置が出力するX軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号の中に、3次元磁界測定装置に印加される磁界のX軸方向以外の軸方向の磁界成分に応じた信号成分が含まれてしまうことである。
However, Patent Documents 1 and 2 make no mention of the occurrence of other-axis sensitivity, means for correcting other-axis sensitivity, and the like.
Here, the other-axis sensitivity is a signal other than the X-axis direction of the magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measurement device in the signal indicating the direction and magnitude of the magnetic field component in the X-axis direction output from the three-dimensional magnetic field measurement device. That is, a signal component corresponding to the axial magnetic field component is included.

また、他軸感度成分とは、3次元磁界測定装置が出力するX軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号の中に含まれる、3次元磁界測定装置に印加される磁界のX軸方向以外の軸方向の磁界成分に応じた信号成分のことを指す。
なお、上記はX軸方向を中心に他軸感度と他軸感度成分を説明したが、Y軸、Z軸方向においても同様に定義される。
The other-axis sensitivity component is the X-axis of the magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measurement device included in the signal indicating the direction and magnitude of the magnetic field component in the X-axis direction output from the three-dimensional magnetic field measurement device. A signal component corresponding to a magnetic field component in an axial direction other than the direction.
In the above description, the other-axis sensitivity and the other-axis sensitivity component have been described with the X-axis direction as the center.

また、特許文献3には、ホール素子を内蔵した半導体基板の上に磁気集束板を形成した磁界測定装置の構造が示されており、磁気収束板の側面の形状に関して、テーパー状にすることによる利点についての記載があるが、このテーパー状の側面を持つ磁気収束板の場合、円盤形状の磁気収束板の直径の両端に配置された2つのホール素子の間で磁気感度のミスマッチが発生しやすい。このことから解るように、この特許文献3に記載された磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造は、本発明にとって解決すべき課題となる他軸感度の問題が発生しやすい磁界測定装置の構造であると言える。つまり、特許文献3においては、他軸感度が発生すること、他軸感度を補正する手段などについては何ら言及されていない。   Further, Patent Document 3 shows the structure of a magnetic field measuring device in which a magnetic focusing plate is formed on a semiconductor substrate with a built-in Hall element. The shape of the side surface of the magnetic focusing plate is tapered. Although there is a description about the advantage, in the case of the magnetic converging plate having this tapered side surface, a magnetic sensitivity mismatch is likely to occur between two Hall elements arranged at both ends of the diameter of the disk-shaped magnetic converging plate. . As can be seen from this, the structure of the magnetic field measuring apparatus using the magnetic focusing plate described in Patent Document 3 is a magnetic field measuring apparatus that is liable to cause a problem of other-axis sensitivity that is a problem to be solved by the present invention. It can be said that it is a structure. That is, Patent Document 3 does not mention anything about the occurrence of other-axis sensitivity, means for correcting the other-axis sensitivity, and the like.

また、特許文献4には、3次元の磁界を測定する電子コンパスといった用途において、複数のセンサ素子からの出力信号をもとに3次元のベクトル信号を測定するための信号処理手段について記載されている。つまり、この3次元のベクトル信号を測定するための信号処理手段においては、3次元のベクトル信号のX成分,Y成分,Z成分の間で、それらの線形結合によって得られる信号を測定することが特徴となっており、この線形結合を利用した信号検出によって、所定の測定時間のなかで得られるSN比を向上させる3次元の物理量計測手段を実現している。しかしながら、この特許文献4は、専ら3次元の物理量計測におけるSN比に関するものであって、検出される3次元のベクトル信号における他軸感度を補正する手段などについては何ら言及されていない。   Patent Document 4 describes a signal processing means for measuring a three-dimensional vector signal based on output signals from a plurality of sensor elements in an application such as an electronic compass for measuring a three-dimensional magnetic field. Yes. That is, in the signal processing means for measuring the three-dimensional vector signal, a signal obtained by linear combination of the X component, the Y component, and the Z component of the three-dimensional vector signal can be measured. The signal detection using this linear combination realizes a three-dimensional physical quantity measuring means for improving the S / N ratio obtained within a predetermined measurement time. However, this Patent Document 4 is exclusively related to the S / N ratio in three-dimensional physical quantity measurement, and does not mention any means for correcting other-axis sensitivity in the detected three-dimensional vector signal.

また、特許文献5には、GMR素子と磁気収束板を用いて、3次元の磁界を測定する磁界測定装置の構造が開示されているものの、このGMR素子と磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造及びホール素子と磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造に関して、他軸感度が発生すること及び他軸感度を補正する手段などについては何ら言及されていない。
また、特許文献6及7においては、地磁気の3次元磁界を測定する方位角センサ(電子コンパス)に関連して、地磁気以外のオフセット磁界の影響をキャンセルして、地磁気の3次元磁界を測定する技術について記述されているが、この磁界測定装置の構造については、シリコンIC基板のなかに形成されたホール素子とシリコンIC基板の上に形成された磁気収束板の間での位置合わせの誤差が発生すると、3次元の磁界ベクトルを測定する際に、3つの空間成分の間で他軸感度が発生するという弱点が存在する。その結果、この磁界測定装置の構造を使用した3次元磁界測定については、この弱点の存在により、地磁気センサといった用途において、磁界測定精度が大きく劣化するという問題があった。
Patent Document 5 discloses a structure of a magnetic field measuring apparatus that measures a three-dimensional magnetic field using a GMR element and a magnetic converging plate. However, a magnetic field measuring apparatus using the GMR element and the magnetic converging plate is disclosed. No mention is made of the generation of other-axis sensitivity and the means for correcting the other-axis sensitivity with respect to the structure of the above and the structure of the magnetic field measuring apparatus using the Hall element and the magnetic converging plate.
In Patent Documents 6 and 7, the influence of an offset magnetic field other than geomagnetism is canceled and the geomagnetic three-dimensional magnetic field is measured in relation to an azimuth angle sensor (electronic compass) that measures the geomagnetic three-dimensional magnetic field. Although the technology is described, regarding the structure of this magnetic field measuring apparatus, an alignment error occurs between the Hall element formed in the silicon IC substrate and the magnetic focusing plate formed on the silicon IC substrate. When measuring a three-dimensional magnetic field vector, there is a weak point that other-axis sensitivity occurs between three spatial components. As a result, the three-dimensional magnetic field measurement using the structure of the magnetic field measurement apparatus has a problem that the magnetic field measurement accuracy is greatly deteriorated in applications such as a geomagnetic sensor due to the presence of this weak point.

また、電子コンパスで実施しているような、磁気収束板を用いた3次元磁界測定においては、Z軸の磁界測定に関して、X軸−Z軸,Y軸−Z軸の他軸感度が発生しやすいという問題があった。
つまり、上述した特許文献1及び2の磁気集束板を利用した3次元磁界測定装置における磁界測定精度の向上が課題であり、また、上述した磁界測定装置の構造において、磁気集束板とホール素子の間の相対位置がずれた場合に発生しやすい他軸感度(XYZ軸の間の他軸感度)の補正が課題であった。
In addition, in the three-dimensional magnetic field measurement using a magnetic converging plate as performed by an electronic compass, other axis sensitivities occur in the X-axis-Z-axis and Y-axis-Z-axis with respect to the Z-axis magnetic field measurement. There was a problem that it was easy.
In other words, improvement of the magnetic field measurement accuracy in the three-dimensional magnetic field measurement device using the magnetic focusing plates of Patent Documents 1 and 2 described above is an issue, and in the structure of the magnetic field measurement device described above, the magnetic focusing plate and the Hall element are Correction of other-axis sensitivity (other-axis sensitivity between the XYZ axes) that is likely to occur when the relative position between them is shifted is a problem.

また、特許文献8に記載の3次元磁気測定装置において、Z軸方向とX軸,Y軸方向との間での磁気感度の差異という技術課題に対して、一つの解決方法を開示したものである。一方で、本発明が解決すべき技術課題は、3次元の磁界測定から3次元の電気信号を生成する3次元磁界測定装置において、Z軸の磁界に対応した電気信号のなかに、X軸,Y軸の磁界に対応した電気信号の成分が混入するといった所謂、他軸感度の問題である。この3次元磁界測定装置における他軸感度の問題に関しては、特許文献8にはいかなる記載もない。   Moreover, in the three-dimensional magnetic measurement apparatus described in Patent Document 8, one solution is disclosed for the technical problem of the difference in magnetic sensitivity between the Z-axis direction and the X-axis and Y-axis directions. is there. On the other hand, the technical problem to be solved by the present invention is that, in a three-dimensional magnetic field measuring apparatus that generates a three-dimensional electric signal from a three-dimensional magnetic field measurement, among the electric signals corresponding to the Z-axis magnetic field, This is a so-called other-axis sensitivity problem in which a component of an electric signal corresponding to the Y-axis magnetic field is mixed. There is no description in Patent Document 8 regarding the problem of other-axis sensitivity in this three-dimensional magnetic field measuring apparatus.

また、この特許文献9において示された解決手段は、ホール素子と磁気収束板の間に補正用のコイルを形成し、このコイルによって発生される磁界を利用して、X軸,Y軸,Z軸の間の磁気感度ミスマッチの補正を行うものである。しかしながら、この特許文献9にも3次元の成分の間での他軸感度の補正に関する記載はない。
また、特許文献10に挙げられたブレーキペダルやシフトレバーといった装置については、その基本技術が、3次元の磁界測定に基づいた技術であるという点では、地磁気センサと共通するところがあるものの、ブレーキペダルやシフトレバーといった装置において要求される角度測定精度は、一般に、地磁気センサにおいて要求される角度測定精度と比べて、はるかに厳しい精度が要求される。以上から理解されるように、特許文献10において開示された技術を用いて、ブレーキペダルやシフトレバーといった装置を高精度に実現するためには、特許文献10の図2のなかで図示された3次元磁界測定装置が高精度な3次元磁界測定を実現している必要がある。そこで、高精度な3次元磁界測定装置の実現を可能にする本発明は、特許文献10に記載された回転角度センサを実現するうえでも不可欠な技術となる。
Further, the solving means shown in Patent Document 9 forms a correction coil between the Hall element and the magnetic converging plate, and uses the magnetic field generated by this coil to make the X, Y and Z axes. The magnetic sensitivity mismatch is corrected. However, this Patent Document 9 also has no description regarding correction of other-axis sensitivity between three-dimensional components.
In addition, as for the devices such as the brake pedal and the shift lever listed in Patent Document 10, the brake pedal is similar to the geomagnetic sensor in that the basic technology is based on the three-dimensional magnetic field measurement. The angle measurement accuracy required in devices such as a shift lever and a shift lever is generally required to be much stricter than the angle measurement accuracy required in a geomagnetic sensor. As can be understood from the above, in order to realize a device such as a brake pedal and a shift lever with high accuracy using the technique disclosed in Patent Document 10, 3 shown in FIG. It is necessary that the three-dimensional magnetic field measurement apparatus realizes highly accurate three-dimensional magnetic field measurement. Therefore, the present invention that enables the realization of a highly accurate three-dimensional magnetic field measuring apparatus is an indispensable technique for realizing the rotation angle sensor described in Patent Document 10.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高精度な3次元磁界測定を実現する上で深刻な障害となる他軸感度の問題を解決するようにした3次元磁界測定装置及び3次元磁界測定方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to solve the problem of other-axis sensitivity that becomes a serious obstacle to realizing highly accurate three-dimensional magnetic field measurement. Another object of the present invention is to provide a three-dimensional magnetic field measuring apparatus and a three-dimensional magnetic field measuring method.

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、磁性体(2)と、前記磁性体(2)の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子と、を備える3次元磁界測定装置(10)において、前記第1乃至第4の磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記3次元磁界測定装置(10)に印加される磁界に応じた出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を生成する演算部(12)と、前記演算部の出力信号に含まれる他軸感度成分を補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶部(14)と、前記演算部の出力信号と前記補正係数に基づいて前記3次元磁界測定装置(10)に印加される前記磁界のX軸方向の磁界成分と、前記X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、前記X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出する算出部(15)と、を備える。   The present invention has been made in order to achieve such an object, and the invention according to claim 1 includes a magnetic body (2) and a first to a second body disposed in the vicinity of the magnetic body (2). A magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measurement device (10) based on output signals of the first to fourth magnetic detection elements. Stores a calculation unit (12) that generates an output signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) according to, and a correction coefficient for correcting the other-axis sensitivity component included in the output signal of the calculation unit A correction coefficient storage unit (14) that performs, a magnetic field component in the X-axis direction of the magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measurement device (10) based on the output signal of the calculation unit and the correction coefficient, and the X axis A magnetic field component in the Y-axis direction orthogonal to the direction, the X-axis direction, and Comprising calculation unit for calculating the magnetic field component in the Z-axis direction perpendicular to the axial direction (15), the.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記演算部は、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))が入力され、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))の差又は和に基づく信号(Vsig,x)を出力する第1の信号処理部(12x)と、前記第3の磁気検出素子(3Y1)の出力信号(Vsig(HallY1))と前記第4の磁気検出素子(3Y2)の出力信号(Vsig(HallY2))が入力され、前記第3の磁気検出素子(3Y1)の出力信号(Vsig(HallY1))と前記第4の磁気検出素子(3Y2)の出力信号(Vsig(HallY2))の差又は和に基づく信号(Vsig,y)を出力する第2の信号処理部(12y)と、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))が入力され、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))の和又は差に基づく信号であり、前記第1の信号処理部(12x)と異なる信号(Vsig,z)を出力する第3の信号処理部(12z)と、を備える。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the arithmetic unit is configured to output the output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1) and the second magnetic field. The output signal (Vsig (HallX2)) of the detection element (3X2) is input, and the output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1) and the output of the second magnetic detection element (3X2). A first signal processing unit (12x) that outputs a signal (Vsig, x) based on a difference or sum of signals (Vsig (HallX2)), and an output signal (Vsig (HallY1) of the third magnetic detection element (3Y1) )) And the output signal (Vsig (HallY2)) of the fourth magnetic detection element (3Y2), and the output signal (Vsig (HallY1) of the third magnetic detection element (3Y1). )) And a fourth signal processing unit (12y) for outputting a signal (Vsig, y) based on the difference or sum of the output signals (Vsig (HallY2)) of the fourth magnetic detection element (3Y2); The output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1) and the output signal (Vsig (HallX2)) of the second magnetic detection element (3X2) are input, and the first magnetic detection element (3X1) ) Output signal (Vsig (HallX1)) and the output signal (Vsig (HallX2)) of the second magnetic detection element (3X2), the first signal processing unit (12x) And a third signal processing unit (12z) that outputs a different signal (Vsig, z).

また、請求項3に記載の発明は、磁性体(2)と、前記磁性体(2)の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子(3X1,3X2,3Y1,3Y2)と、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))が入力され、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))の差又は和に基づく信号(Vsig,x)を出力する第1の信号処理部(12x)と、前記第3の磁気検出素子(3Y1)の出力信号(Vsig(HallY1))と前記第4の磁気検出素子(3Y2)の出力信号(Vsig(HallY2))が入力され、前記第3の磁気検出素子(3Y1)の出力信号(Vsig(HallY1))と前記第4の磁気検出素子(3Y2)の出力信号(Vsig(HallY2))の差又は和に基づく信号(Vsig,y)を出力する第2の信号処理部(12y)と、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))が入力され、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))の和又は差に基づく信号であり、前記第1の信号処理部(12x)と異なる信号(Vsig,z)を出力する第3の信号処理部(12z)と、前記第1乃至第3の信号処理部(12x乃至12z)の出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を補正する補正係数を記憶するための補正係数記憶部(14)と、前記第1乃至第3の信号処理部(12x乃至12z)の出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)と前記補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分と、前記X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、前記X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出する磁界成分算出部(15)と、を備える。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a magnetic body (2), first to fourth magnetic detection elements (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2) disposed in the vicinity of the magnetic body (2), An output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1) and an output signal (Vsig (HallX2)) of the second magnetic detection element (3X2) are input, and the first magnetic detection element A first signal (Vsig, x) based on the difference or sum of the output signal (Vsig (HallX1)) of (3X1) and the output signal (Vsig (HallX2)) of the second magnetic detection element (3X2) The signal processing unit (12x), the output signal (Vsig (HallY1)) of the third magnetic detection element (3Y1), and the output signal (Vsig (HallY2)) of the fourth magnetic detection element (3Y2) are input. The signal (Vsig) based on the difference or sum of the output signal (Vsig (HallY1)) of the third magnetic detection element (3Y1) and the output signal (Vsig (HallY2)) of the fourth magnetic detection element (3Y2). , y), the second signal processing unit (12y), the output signal of the first magnetic detection element (3X1) (Vsig (HallX1)), and the output signal of the second magnetic detection element (3X2) (Vsig (HallX2)) is input, and the output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1) and the output signal (Vsig (HallX2)) of the second magnetic detection element (3X2) A third signal processing unit (12z) that outputs a signal (Vsig, z) different from the first signal processing unit (12x), which is a signal based on a sum or difference, and the first to third signals. A correction coefficient storage unit (14) for storing correction coefficients for correcting output signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) of the processing units (12x to 12z), and the first to third signals. Based on the output signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) of the processing unit (12x to 12z) and the correction coefficient, the magnetic field component in the X-axis direction and the magnetic field in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction And a magnetic field component calculation unit (15) that calculates a magnetic field component in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction.

また、請求項4に記載の発明は、請求項2又は3に記載の発明において、前記第1の信号処理部(12x)が出力する信号が示す値をVsig,x、前記第2の信号処理部(12y)が出力する信号が示す値をVsig,y、前記第3の信号処理部(12z)が出力する信号が示す値をVsig,zとしたときに、前記補正係数が、3次元ベクトル信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を他の3次元ベクトル信号(Sx,Sy,Sz)に変換するための係数である。   According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect of the present invention, the value indicated by the signal output from the first signal processing unit (12x) is Vsig, x, and the second signal processing. When the value output by the signal output from the unit (12y) is Vsig, y and the value output by the signal output from the third signal processing unit (12z) is Vsig, z, the correction coefficient is a three-dimensional vector. This is a coefficient for converting the signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) into another three-dimensional vector signal (Sx, Sy, Sz).

また、請求項5に記載の発明は、請求項1から4の何れかに記載の発明において、前記補正係数が、第1の磁界と第2の磁界と第3の磁界とを前記3次元磁界測定装置(10)に印加したときの、前記第1乃至第4の磁気検出素子(3X1,3X2,3Y1,3Y2)から出力される出力信号(Vsig(HallX1)乃至Vsig(HallY2))に基づき演算される係数である。   The invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the correction coefficient is obtained by changing the first magnetic field, the second magnetic field, and the third magnetic field to the three-dimensional magnetic field. Calculation based on output signals (Vsig (HallX1) to Vsig (HallY2)) output from the first to fourth magnetic detection elements (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2) when applied to the measuring device (10). Is a coefficient.

また、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の発明において、前記第1の磁界と前記第2の磁界と前記第3の磁界は、互いに線形独立な磁界である。
また、請求項7に記載の発明は、請求項5又は6に記載の発明において、直交する3軸方向をそれぞれX’軸方向、Y’軸方向、Z’軸方向と定義したときに、前記第1の磁界は、X’軸方向の磁界成分を有し、Y’軸方向の磁界成分とZ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界であり、前記第2の磁界は、Y’軸方向の磁界成分を有し、X’軸方向の磁界成分とZ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界であり、前記第3の磁界は、Z’軸方向の磁界成分を有し、X’軸方向の磁界成分とY’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界である。
また、請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の発明において、前記X軸方向と前記X’軸方向は同じ方向であり、前記Y軸方向と前記Y’軸方向は同じ方向であり、前記Z軸方向と前記Z’軸方向は同じ方向である。
According to a sixth aspect of the invention, in the fifth aspect of the invention, the first magnetic field, the second magnetic field, and the third magnetic field are linearly independent magnetic fields.
The invention according to claim 7 is the invention according to claim 5 or 6, wherein the three orthogonal directions are defined as an X′-axis direction, a Y′-axis direction, and a Z′-axis direction, respectively. The first magnetic field is a magnetic field having a magnetic field component in the X′-axis direction and having very little magnetic field component in the Y′-axis direction and a magnetic field component in the Z′-axis direction, and the second magnetic field is in the Y′-axis direction. The third magnetic field has a magnetic field component in the Z′-axis direction, and has a magnetic field component in the X′-axis direction and a magnetic field component in the Z′-axis direction. The magnetic field component of the direction and the magnetic field component of the Y′-axis direction are extremely small.
The invention according to claim 8 is the invention according to claim 7, wherein the X-axis direction and the X′-axis direction are the same direction, and the Y-axis direction and the Y′-axis direction are the same direction. Yes, the Z-axis direction and the Z′-axis direction are the same direction.

また、請求項9に記載の発明は、請求項5から8のいずれかに記載の発明において、前記補正係数が、前記第1の磁界を前記3次元磁界測定装置(10)に印加したときに前記第1の信号処理部(12x)から出力される信号(Vsig,x)に基づく値をα1(数式17のDxx)、前記第1の磁界を前記3次元磁界測定装置(10)に印加したときに前記第3の信号処理部(12z)から出力される信号(Vsig,z)に基づく値をα2(数式17のNDzx)、前記第2の磁界を前記3次元磁界測定装置(10)に印加したときに前記第2の信号処理部(12y)から出力される信号(Vsig,y)に基づく値をβ1(数式17のDyy)、前記第2の磁界を前記3次元磁界測定装置(10)に印加したときに前記第3の信号処理部(12z)から出力される信号(Vsig,z)に基づく値をβ2(数式17のNDzv)、前記第3の磁界を前記3次元磁界測定装置(10)に印加したときに前記第1の信号処理部(12x)から出力される信号(Vsig,x)に基づく値をγ1(数式17のNDxz)、前記第3の磁界を前記3次元磁界測定装置(10)に印加したときに前記第2の信号処理部(12y)から出力される信号(Vsig,y)に基づく値をγ2(数式17のNDyz)、前記第3の磁界を前記3次元磁界測定装置(10)に印加したときに前記第3の信号処理部(12z)から出力される信号(Vsig,z)に基づく値をγ3(数式17のDzz)としたときの、前記α1、α2、β1、β2、γ1、γ2、γ3に基づく値である。   The invention according to claim 9 is the invention according to any one of claims 5 to 8, wherein the correction coefficient is applied when the first magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus (10). A value based on a signal (Vsig, x) output from the first signal processing unit (12x) is α1 (Dxx in Expression 17), and the first magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus (10). Sometimes the value based on the signal (Vsig, z) output from the third signal processing unit (12z) is α2 (NDzx in Expression 17), and the second magnetic field is supplied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus (10). A value based on the signal (Vsig, y) output from the second signal processing unit (12y) when applied is β1 (Dyy in Expression 17), and the second magnetic field is the three-dimensional magnetic field measuring device (10 ) When applied to the third signal processing unit (1). z) is a value based on the signal (Vsig, z) output from β2 (NDzv in Expression 17), and the third signal is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus (10). When the value based on the signal (Vsig, x) output from the unit (12x) is γ1 (NDxz in Expression 17) and the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus (10), the second A value based on the signal (Vsig, y) output from the signal processing unit (12y) is γ2 (NDyz in Expression 17), and the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus (10). 3 based on α1, α2, β1, β2, γ1, γ2, and γ3, where γ3 (Dzz in Equation 17) is a value based on the signal (Vsig, z) output from the signal processing unit (12z) 3 Value.

また、請求項10に記載の発明は、請求項2から9のいずれかに記載の発明において、
前記第3の信号処理部(12z)が、前記第1乃至第4の磁気検出素子(3X1,3X2,3Y1,3Y2)の出力信号が入力され、前記第1乃至第4の磁気検出素子(3X1,3X2,3Y1,3Y2)の出力信号の和又は差に基づく信号が出力される。
また、請求項11に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記磁界成分算出部(15)が、前記第1乃至第3の信号処理部(12x乃至12z)の出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)と前記補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分を算出するX軸方向磁界成分算出部(15x)と、前記第1乃至第3の信号処理部(12x乃至12z)の出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)と前記補正係数に基づき、Y軸方向の磁界成分を算出するY軸方向磁界成分算出部(15y)と、前記第1乃至第3の信号処理部(12x乃至12z)の出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)と前記補正係数に基づき、Z軸方向の磁界成分を算出するZ軸方向磁界成分算出部(15z)と、を備えている。
Further, the invention according to claim 10 is the invention according to any one of claims 2 to 9,
The third signal processing unit (12z) receives the output signals of the first to fourth magnetic detection elements (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2), and the first to fourth magnetic detection elements (3X1). , 3X2, 3Y1, 3Y2) are output based on the sum or difference of the output signals.
According to an eleventh aspect of the present invention, in the invention according to the third aspect, the magnetic field component calculation unit (15) outputs an output signal (Vsig) of the first to third signal processing units (12x to 12z). , x, Vsig, y, Vsig, z) and the correction coefficient, an X-axis direction magnetic field component calculation unit (15x) that calculates a magnetic field component in the X-axis direction, and the first to third signal processing units ( 12x to 12z) based on the output signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) and the correction coefficient, a Y-axis direction magnetic field component calculation unit (15y) that calculates a magnetic field component in the Y-axis direction, A Z-axis direction magnetic field component for calculating a Z-axis direction magnetic field component based on the output signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) of the first to third signal processing units (12x to 12z) and the correction coefficient And a calculation unit (15z).

また、請求項12に記載の発明は、請求項1から11のいずれかに記載の発明において、前記第1乃至第4の磁気検出素子(3X1,3X2,3Y1,3Y2)が配置される前記半導体IC基板(1)を備え、前記第1乃至第4の磁気検出素子(3X1,3X2,3Y1,3Y2)は、前記第1の磁気検出素子(3X1)と前記第2の磁気検出素子(3X2)とを結ぶ直線と、前記第3の磁気検出素子(3Y1)と前記第4の磁気検出素子(3Y2)とを結ぶ直線とが、互いに略直交するように配置されている。   According to a twelfth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to eleventh aspects, the first to fourth magnetic detection elements (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2) are arranged. An IC substrate (1) is provided, and the first to fourth magnetic detection elements (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2) include the first magnetic detection element (3X1) and the second magnetic detection element (3X2). And a straight line connecting the third magnetic detection element (3Y1) and the fourth magnetic detection element (3Y2) are arranged so as to be substantially orthogonal to each other.

また、請求項13に記載の発明は、請求項12に記載の発明において、前記第1の磁気検出素子(3X1)から前記第2の磁気検出素子(3X2)に向かう直線の方向と、前記X軸方向が同じ方向であり、前記第3の磁気検出素子(3Y1)から前記第4の磁気検出素子(3Y2)に向かう直線の方向と、前記Y軸方向が同じ方向である。
また、請求項14に記載の発明は、請求項1から13のいずれかに記載の発明において、前記第1乃至第4の磁気検出素子は、前記磁性体を平面視したときに、各磁気検出素子の感磁部の少なくとも一部が前記磁性体に覆われる位置に配置される。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the twelfth aspect of the present invention, a direction of a straight line from the first magnetic detection element (3X1) to the second magnetic detection element (3X2), and the X The axial directions are the same, and the direction of the straight line from the third magnetic detection element (3Y1) to the fourth magnetic detection element (3Y2) is the same as the Y-axis direction.
The invention according to claim 14 is the invention according to any one of claims 1 to 13, wherein the first to fourth magnetic detection elements are configured to detect each magnetic field when the magnetic body is viewed in plan view. At least a part of the magnetic sensing portion of the element is disposed at a position covered with the magnetic body.

また、請求項15に記載の発明は、請求項1から14のいずれかに記載の発明において、前記磁性体の形状が円形状又は多角形状である。
また、請求項16に記載の発明は、請求項1から15のいずれかに記載の発明において、前記磁性体の形状が点対称な形状であり、前記磁性体を平面視したときに、前記第1の磁気検出素子と前記第2の磁気検出素子とを結ぶ線分の中点の位置と、前記磁性体の対称点の位置が異なる。
The invention according to claim 15 is the invention according to any one of claims 1 to 14, wherein the magnetic substance has a circular shape or a polygonal shape.
The invention according to claim 16 is the invention according to any one of claims 1 to 15, wherein the magnetic body has a point-symmetric shape, and when the magnetic body is viewed in plan, the first The position of the midpoint of the line segment connecting the first magnetic detection element and the second magnetic detection element is different from the position of the symmetry point of the magnetic body.

また、請求項17に記載の発明は、請求項1から16のいずれかに記載の発明において、前記第1の磁気検出素子の磁気感度と前記第2の磁気検出素子の磁気感度が異なる。
また、請求項18に記載の発明は、請求項1から17のいずれかに記載の発明において、前記磁性体を平面視したときに、前記第1の磁気検出素子の感磁部の前記磁性体に覆われている部分の面積と、前記第2の磁気検出素子の感磁部の前記磁性体に覆われている部分の面積が異なる面積である。
The invention according to claim 17 is the invention according to any one of claims 1 to 16, wherein the magnetic sensitivity of the first magnetic detection element is different from the magnetic sensitivity of the second magnetic detection element.
The invention according to claim 18 is the invention according to any one of claims 1 to 17, wherein the magnetic body of the magnetic sensing portion of the first magnetic detection element when the magnetic body is viewed in plan. The area of the portion covered with the magnetic material is different from the area of the portion covered with the magnetic body of the magnetic sensing portion of the second magnetic detection element.

また、請求項19に記載の発明は、請求項1から18のいずれかに記載の発明において、前記磁気検出素子(3X1,3X2,3Y1,3Y2)が、ホール素子である。
また、請求項20に記載の発明は、磁性体(2)と、前記磁性体(2)の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子と、を備える3次元磁界測定装置(10)を用いた3次元磁界測定方法であって、前記第1乃至第4の磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記3次元磁界測定装置(10)に印加される磁界に応じた出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を生成する演算ステップと、前記演算ステップで生成された信号に含まれる他軸感度成分を補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶ステップと、前記演算ステップで生成された信号と前記補正係数に基づいて前記3次元磁界測定装置(10)に印加される前記磁界のX軸方向の磁界成分と、前記X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、前記X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出する算出ステップと、を有する。
According to a nineteenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to eighteenth aspects, the magnetic detection elements (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2) are Hall elements.
According to a twentieth aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional magnetic field measuring apparatus (10) comprising: a magnetic body (2); and first to fourth magnetic detection elements disposed in the vicinity of the magnetic body (2). ) Using the output signals of the first to fourth magnetic sensing elements based on the magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measuring device (10) ( Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z), a correction coefficient storage step for storing a correction coefficient for correcting the other-axis sensitivity component included in the signal generated in the calculation step, The magnetic field component in the X-axis direction of the magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measuring device (10) based on the signal generated in the calculation step and the correction coefficient, and the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction. Magnetic field component, X-axis direction and Y Having a calculation step of calculating the Z-axis direction of the magnetic field component perpendicular to the direction.

また、請求項21に記載の発明は、磁性体(2)と、前記磁性体(2)の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子(3X1,3X2,3Y1,3Y2)と、を備える3次元磁界測定装置(10)を用いた3次元磁界測定方法であって、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))が入力され、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))の差又は和に基づく信号(Vsig,x)を出力する第1の信号処理ステップと、前記第3の磁気検出素子(3Y1)の出力信号(Vsig(HallY1))と前記第4の磁気検出素子(3Y2)の出力信号(Vsig(HallY2))が入力され、前記第3の磁気検出素子(3Y1)の出力信号(Vsig(HallY1))と前記第4の磁気検出素子(3Y2)の出力信号(Vsig(HallY2))の差又は和に基づく信号(Vsig,y)を出力する第2の信号処理ステップと、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))が入力され、前記第1の磁気検出素子(3X1)の出力信号(Vsig(HallX1))と前記第2の磁気検出素子(3X2)の出力信号(Vsig(HallX2))の和又は差に基づく信号であり、前記第1の信号処理ステップと異なる信号(Vsig,z)を出力する第3の信号処理ステップと、前記第1乃至第3の信号処理ステップの出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を補正する補正係数を記憶するための補正係数記憶ステップと、前記第1乃至第3の信号処理ステップの出力信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)と前記補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分と、前記X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、前記X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出する磁界成分算出ステップと、を有する。   The invention according to claim 21 is the magnetic body (2), the first to fourth magnetic detection elements (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2) disposed in the vicinity of the magnetic body (2), A three-dimensional magnetic field measurement method using a three-dimensional magnetic field measurement apparatus (10) comprising: an output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1) and the second magnetic detection element ( 3X2) output signal (Vsig (HallX2)) is input, and the output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1) and the output signal (Vsig of the second magnetic detection element (3X2)). (HallX2)), a first signal processing step that outputs a signal (Vsig, x) based on the difference or sum, an output signal (Vsig (HallY1)) of the third magnetic detection element (3Y1), and the fourth of The output signal (Vsig (HallY2)) of the magnetic detection element (3Y2) is input, and the output signal (Vsig (HallY1)) of the third magnetic detection element (3Y1) and the fourth magnetic detection element (3Y2). A second signal processing step of outputting a signal (Vsig, y) based on a difference or sum of output signals (Vsig (HallY2)), and an output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1); And the output signal (Vsig (HallX2)) of the second magnetic detection element (3X2), and the output signal (Vsig (HallX1)) of the first magnetic detection element (3X1) and the second magnetic detection. A signal based on the sum or difference of the output signals (Vsig (HallX2)) of the element (3X2), which is different from the first signal processing step (Vsig, z) A third signal processing step to output, and a correction coefficient storage step for storing correction coefficients for correcting the output signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) of the first to third signal processing steps. Based on the output signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) of the first to third signal processing steps and the correction coefficient, the magnetic field component in the X-axis direction is orthogonal to the X-axis direction. A magnetic field component calculating step of calculating a magnetic field component in the Y-axis direction and a magnetic field component in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction.

本発明によれば、X軸,Y軸,Z軸の各成分の磁界を電気信号に変換して測定する際の他軸感度の補正をすることのできる3次元磁界測定装置及び3次元磁界測定方法を実現することができる。特に、電子コンパスや3次元回転角度センサなどに適用可能である。   According to the present invention, a three-dimensional magnetic field measuring apparatus and a three-dimensional magnetic field measurement capable of correcting the sensitivity of other axes when measuring by converting the magnetic field of each component of the X axis, Y axis, and Z axis into an electrical signal. A method can be realized. In particular, it can be applied to an electronic compass, a three-dimensional rotation angle sensor, and the like.

本発明の前提となる3次元磁界測定装置を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the three-dimensional magnetic field measuring apparatus used as the premise of this invention. 磁気収束板とホール素子の間の相対位置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relative position between a magnetic convergence board and a Hall element. 図1に示した3次元磁界測定装置に対して、X軸方向の磁界が入力されたときの磁束分布を説明するための図である。It is a figure for demonstrating magnetic flux distribution when the magnetic field of an X-axis direction is input with respect to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus shown in FIG. 磁気集束板とホール素子の間の相対位置が本来あるべき相対位置からずれたときには、ホール素子HallX1の位置とホール素子HallX2の感磁面を貫く磁力線の様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the magnetic force line which penetrates the position of Hall element HallX1, and the magnetic sensitive surface of Hall element HallX2, when the relative position between a magnetic focusing plate and a Hall element has shifted | deviated from the relative position which should be originally. 磁気成分Hx,Hzに対応した電気信号Vsig,x、Vsig,zについて、他軸感度が発生しない理想的な場合での電気信号Vsig,x、Vsig,zの座標軸を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the coordinate axis of the electric signal Vsig, x, Vsig, z in the ideal case where another-axis sensitivity does not generate | occur | produce about the electric signal Vsig, x, Vsig, z corresponding to magnetic component Hx, Hz. . 磁気成分Hx,Hzに対応した電気信号Vsig,x、Vsig,zについて、他軸感度が発生したときの電気信号Vsig,x、Vsig,zの座標軸を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the coordinate axis of electric signal Vsig, x, Vsig, z when another-axis sensitivity generate | occur | produces about the electric signal Vsig, x, Vsig, z corresponding to magnetic component Hx, Hz. 図6に示された他軸感度があるときに、ZX平面内で入力磁界の角度を測定したときの角度測定誤差を示す図である。It is a figure which shows the angle measurement error when the angle of an input magnetic field is measured in a ZX plane when there exists the other-axis sensitivity shown by FIG. 本発明に係る3次磁界測定装置の実施形態を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating embodiment of the tertiary magnetic field measuring apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る3次元磁界測定装置の磁界測定方法における補正手順のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the correction procedure in the magnetic field measuring method of the three-dimensional magnetic field measuring apparatus which concerns on this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
まず、本発明の前提となる3次元磁界測定装置について以下に説明する。
図1は、本発明の前提となる3次元磁界測定装置を説明するための構成図である。図中符号1は半導体IC基板(CMOSIC)、2は磁性体(磁気収束板)、3(3X1,3X2,3Y1,3Y2)は磁気検出素子(シリコンモノリシックホール素子)、10は3次元磁界測定装置を示している。また、測定対象となる3次元磁界ベクトルを記述する際に空間座標の基準となる直交座標軸(X軸,Y軸,Z軸)を図示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a three-dimensional magnetic field measuring apparatus which is a premise of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a three-dimensional magnetic field measuring apparatus which is a premise of the present invention. In the figure, reference numeral 1 is a semiconductor IC substrate (CMOSIC), 2 is a magnetic body (magnetic converging plate), 3 (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2) is a magnetic detection element (silicon monolithic Hall element), and 10 is a three-dimensional magnetic field measuring device. Is shown. In addition, orthogonal coordinate axes (X axis, Y axis, Z axis), which serve as a reference for spatial coordinates when describing a three-dimensional magnetic field vector to be measured, are shown.

図1に示した3次元磁界測定装置は、図示された直交座標系(X軸,Y軸,Z軸)のもとで(Hx,Hy,Hz)として定義される3次元磁界ベクトルを測定するものである。
図1に示した3次元磁界測定装置は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor;相補型金属酸化膜半導体)の製造プロセスを利用してCMOSIC1のなかに形成された4つのホール素子3X1(HallX1),3X2(HallX2),3Y1(HallY1),3Y2(HallY2)の上部に円盤形状の磁気収束板2を配置した構造となっている。
The three-dimensional magnetic field measuring apparatus shown in FIG. 1 measures a three-dimensional magnetic field vector defined as (Hx, Hy, Hz) under the illustrated orthogonal coordinate system (X axis, Y axis, Z axis). Is.
The three-dimensional magnetic field measuring apparatus shown in FIG. 1 has four Hall elements 3X1 (HallX1), 3X2 formed in CMOSIC1 using a manufacturing process of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). The disk-shaped magnetic converging plate 2 is arranged above (HallX2), 3Y1 (HallY1), and 3Y2 (HallY2).

このホール素子は、CMOSIC1のなかで、Nウェルをホール素子として利用することにより、CMOSIC1のチップ面に垂直な方向の磁界成分を測定することができる。
図2は、磁気収束板とホール素子の間の相対位置を説明するための図で、図1に示した3次元磁界測定装置をZ軸の上部方向から見た構成図である。図中符号4は磁気収束板の外周を示している。なお、図1と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
This Hall element can measure the magnetic field component in the direction perpendicular to the chip surface of the CMOSIC 1 by using the N well as the Hall element in the CMOS IC 1.
FIG. 2 is a diagram for explaining the relative position between the magnetic flux concentrating plate and the Hall element, and is a configuration diagram of the three-dimensional magnetic field measuring apparatus shown in FIG. 1 as viewed from the upper direction of the Z axis. Reference numeral 4 in the drawing indicates the outer periphery of the magnetic flux concentrating plate. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which has the same function as FIG.

図2に示したように、一対のホール素子HallX1,HallX2は、CMOSIC1のなかでX軸上に配置されており、一対のホール素子HallY1,HallY2は、CMOSIC1のなかでY軸上に配置されている。
これら4つのホール素子HallX1,HallX2,HallY1,HallY2を利用して、3次元磁界(強度)ベクトル(Hx,Hy,Hz)の測定を行う技術については、上述した特許文献1及び2と同様な構成になっている。
As shown in FIG. 2, the pair of Hall elements HallX1 and HallX2 are disposed on the X axis in the CMOSIC1, and the pair of Hall elements HallY1 and HallY2 are disposed on the Y axis in the CMOSIC1. Yes.
A technique for measuring a three-dimensional magnetic field (intensity) vector (Hx, Hy, Hz) using these four Hall elements HallX1, HallX2, HallY1, and HallY2 has the same configuration as that of Patent Documents 1 and 2 described above. It has become.

一般に、磁気収束板の材料としては、物性定数としての透磁率μの高い材料が用いられ、磁束密度B、磁界強度Hの間には、B=μ×Hで表される関係が存在する。ここで、磁束密度B、磁界強度Hは、それぞれ、3次元のベクトル(Hx,Hy,Hz)、(Bx,By,Bz)である。また、磁気収束板のなかで、透磁率μは2階のテンソル量であり、3行3列の行列を使って表される。   In general, a material having a high magnetic permeability μ as a physical constant is used as the material of the magnetic flux concentrating plate, and a relationship represented by B = μ × H exists between the magnetic flux density B and the magnetic field strength H. Here, the magnetic flux density B and the magnetic field strength H are three-dimensional vectors (Hx, Hy, Hz) and (Bx, By, Bz), respectively. Further, in the magnetic converging plate, the magnetic permeability μ is a tensor amount on the second floor, and is expressed using a matrix of 3 rows and 3 columns.

図1及び図2において、X軸上でX>0の位置に配置されたホール素子HallX1における磁束密度B(HallX1)と3次元磁界測定装置への入力磁界Hの間には、数式(1)で記述される関係がある。数式(1)において、ホール素子HallX1の位置における透磁率は、2階のテンソル(3行3列の行列)M(HallX1)であらわされている。   In FIG. 1 and FIG. 2, there is a formula (1) between the magnetic flux density B (HallX1) in the Hall element HallX1 arranged at the position of X> 0 on the X axis and the input magnetic field H to the three-dimensional magnetic field measuring device. There is a relationship described in. In Equation (1), the magnetic permeability at the position of the Hall element HallX1 is represented by a second-order tensor (matrix with 3 rows and 3 columns) M (HallX1).

Figure 2015075465
Figure 2015075465

同様に、図1及び図2において、X軸上でX<0の位置に配置されたホール素子HallX2における磁束密度B(HallX2)と3次元磁界測定装置への入力磁界強度Hの間には、数式(2)で記述される関係がある。数式(2)において、ホール素子HallX2の位置における透磁率は、2階のテンソル(3行3列の行列)M(HallX2)であらわされている。   Similarly, in FIGS. 1 and 2, between the magnetic flux density B (HallX2) in the Hall element HallX2 arranged at the position of X <0 on the X axis and the input magnetic field strength H to the three-dimensional magnetic field measuring device, There is a relationship described by Equation (2). In Equation (2), the magnetic permeability at the position of the Hall element HallX2 is represented by a second-order tensor (matrix with 3 rows and 3 columns) M (HallX2).

Figure 2015075465
Figure 2015075465

3次元磁界測定装置を示す図1及び図2に関して、X軸上に配置された2つのホール素子HallX1,HallX2においては、それぞれ、数式(1),数式(2)で表されるように、3次元磁界測定装置への入力磁界強度Hと磁束密度Bの関係がある。
3次元磁界測定装置のY軸上に配置された2つのホール素子HallY1,HallY2についても、X軸上に配置された2つのホール素子HallX1,HallX2と同様の入力磁界強度Hと磁束密度Bの関係があることは、容易に理解できるものである。
1 and 2 showing the three-dimensional magnetic field measuring apparatus, in the two Hall elements HallX1 and HallX2 arranged on the X axis, as represented by Equation (1) and Equation (2), respectively, 3 There is a relationship between the input magnetic field strength H and the magnetic flux density B to the dimensional magnetic field measuring apparatus.
Regarding the two Hall elements HallY1 and HallY2 arranged on the Y axis of the three-dimensional magnetic field measuring apparatus, the relationship between the input magnetic field strength H and the magnetic flux density B is the same as that of the two Hall elements HallX1 and HallX2 arranged on the X axis. It is easy to understand that there is.

したがって、以下の部分で行う詳細説明においては、X軸上のホール素子HallX1,HallX2に関する説明を中心に行うことにするが、X軸上のホール素子HallX1,HallX2における状況と同様の状況がY軸上の2つのホール素子HallY1,HallY2についても生じていることは容易に理解できるものである。そこで、Y軸上の2つのホール素子HallY1,HallY2についても同様である。   Therefore, in the detailed description given in the following part, the explanation will be focused on the Hall elements HallX1 and HallX2 on the X axis, but the situation similar to the situation in the Hall elements HallX1 and HallX2 on the X axis is the Y axis. It can be easily understood that the above two Hall elements HallY1 and HallY2 are also generated. Therefore, the same applies to the two Hall elements HallY1 and HallY2 on the Y axis.

図3は、図1に示した3次元磁界測定装置に対して、X軸方向の磁界が入力されたときの磁束分布を説明するための図で、磁気収束板に磁界ベクトルが入力された時の磁束ベクトルの様子を示す図である。ここでは、本発明の3次元磁界測定装置において、X軸方向だけにゼロでない成分を持つ磁界ベクトル(CMOSIC1のチップ面に平行な磁界ベクトル)が入力されている。   FIG. 3 is a diagram for explaining the magnetic flux distribution when a magnetic field in the X-axis direction is input to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus shown in FIG. 1, and when a magnetic field vector is input to the magnetic convergence plate. It is a figure which shows the mode of a magnetic flux vector. Here, in the three-dimensional magnetic field measuring apparatus of the present invention, a magnetic field vector having a non-zero component only in the X-axis direction (magnetic field vector parallel to the chip surface of CMOSIC1) is input.

ここで、図3を見ると理解されるように、ホール素子HallX1の位置では、Z軸成分がプラスとなる磁束密度Bz(HallX1)がホール素子HallX1を貫いている。
このホール素子HallX1における磁束密度Bz(HallX1)はX軸方向の入力磁界成分Hxに起因したものであり、ホール素子HallX1における磁気集束板2の透磁率を表すテンソルの成分Mzx(HallX1)を使って、数式(3)として記述することができる。ここで、ホール素子HallX1におけるZ軸成分の磁束密度Bz(HallX1)がプラス符号であることから、テンソル成分Mzx(HallX1)>0である。
Here, as understood from FIG. 3, at the position of the Hall element HallX1, the magnetic flux density Bz (HallX1) having a positive Z-axis component passes through the Hall element HallX1.
The magnetic flux density Bz (HallX1) in the Hall element HallX1 is attributed to the input magnetic field component Hx in the X-axis direction. , Can be described as Equation (3). Here, since the magnetic flux density Bz (HallX1) of the Z-axis component in the Hall element HallX1 is a plus sign, the tensor component Mzx (HallX1)> 0.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

同じく、図3を見ると理解されるように、ホール素子HallX2の位置では、Z軸成分がマイナスとなる磁束密度Bz(HallX2)がホール素子HallX2を貫いている。
このホール素子HallX2における磁束密度Bz(HallX2)は、X軸方向の入力磁界成分Hxに起因したものであり、ホール素子HallX2における磁気集束板の透磁率を表すテンソルの成分Mzx(HallX2)を使って、数式(4)として記述することができる。ここで、ホール素子HallX2におけるZ軸成分の磁束密度Bz(HallX2)がマイナス符号であることから、テンソル成分Mzx(HallX2)<0である。
Similarly, as understood from FIG. 3, at the position of the Hall element HallX2, the magnetic flux density Bz (HallX2) having a negative Z-axis component passes through the Hall element HallX2.
The magnetic flux density Bz (HallX2) in the Hall element HallX2 is caused by the input magnetic field component Hx in the X-axis direction. , Can be described as Equation (4). Here, since the magnetic flux density Bz (HallX2) of the Z-axis component in the Hall element HallX2 is a minus sign, the tensor component Mzx (HallX2) <0.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

上述したように、CMOSICの上部に置かれた円盤形状の磁気集束板2の外周付近にホール素子を配置することによって、CMOSIC面に平行な磁界成分をCMOSIC面に垂直な磁束に変換してホール素子で検出する磁界測定装置の形態については、上述した特許文献1及び2に記載されている。   As described above, by arranging a Hall element in the vicinity of the outer periphery of the disk-shaped magnetic focusing plate 2 placed on the upper part of the CMOSIC, a magnetic field component parallel to the CMOSIC surface is converted into a magnetic flux perpendicular to the CMOSIC surface to generate a hole. About the form of the magnetic field measuring apparatus detected with an element, it describes in patent document 1 and 2 mentioned above.

以上では、本発明の前提となる磁界測定装置の構造として、CMOSIC1の上部に形成された磁気集束板2を用いて、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)から3次元の磁束密度ベクトル(Bx,By,Bz)を生成することの説明を行った。
ホール素子を磁気集束板の外周付近の位置に配置することにより、X軸方向の磁界、Y方向の磁界をホール素子の感磁面を貫く向きの磁束(Z軸方向の磁束)に変換することについては、上述した特許文献1及び2に記載されている。
In the above, as the structure of the magnetic field measuring apparatus as a premise of the present invention, the magnetic focusing plate 2 formed on the upper part of the CMOSIC 1 is used to convert the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) to the three-dimensional magnetic flux density vector. The generation of (Bx, By, Bz) has been described.
By arranging the Hall element at a position near the outer periphery of the magnetic focusing plate, the magnetic field in the X-axis direction and the magnetic field in the Y-direction are converted into magnetic flux (Z-axis direction magnetic flux) in a direction penetrating the magnetic sensing surface of the Hall element. Is described in Patent Documents 1 and 2 described above.

なお、ホール素子を内蔵したCMOSICの上部に磁気収束板を形成する手段については、上述した特許文献3の記載からも理解されるように、工業生産に適した製造技術が存在する。
以下では、本発明の実施形態を説明する目的で、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)から、これに対応した出力(電気)信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を生成する信号処理方式についての説明を行う。
As means for forming the magnetic flux concentrating plate on the upper part of the CMOSIC having the Hall element built therein, there is a manufacturing technique suitable for industrial production, as can be understood from the description of Patent Document 3 described above.
In the following, for the purpose of explaining the embodiment of the present invention, from the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz), the output (electric) signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) corresponding thereto is used. A signal processing method for generating the signal will be described.

以下の説明のなかで、本発明の前提となる磁界測定装置の構造については、3次元磁界測定装置に入力される3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)から、これに対応した出力(電気)信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を生成する磁電変換において、他軸感度が発生するという問題点が示される。
本発明の3次元磁界測定装置は、出力(電気)信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)のなかで生じる他軸感度成分をキャンセルして、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)を高精度に測定する手段を提供するものである。
In the following description, regarding the structure of the magnetic field measuring apparatus as a premise of the present invention, the output corresponding to the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) input to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus ( In the magnetoelectric conversion for generating the (electrical) signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z), the problem that the other-axis sensitivity occurs is shown.
The three-dimensional magnetic field measuring apparatus of the present invention cancels the other-axis sensitivity component generated in the output (electrical) signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) and cancels the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy). , Hz) with high accuracy.

また、ここでは、本発明の前提となる磁界測定装置の構造に関して、3次元磁界測定装置に入力される3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)から、これに対応した出力(電気)信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を生成する磁電変換についての説明を行う。
ホール素子HallX1の位置において、入力磁界のX軸成分Hxが磁気集束板によってZ成分の磁束に変換されると、Z軸成分がプラスの磁束Mzx(HallX1)×Hxが生成される。ここで、ホール素子HallX1の位置において、磁界のX軸成分Hxから磁束のZ軸成分Bz(HallX1)が生成されるときの透磁率テンソルの成分がMzx(HallX1)である。
In addition, here, regarding the structure of the magnetic field measuring apparatus as a premise of the present invention, an output (electrical) signal corresponding to the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) input to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus. The magnetoelectric conversion for generating (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) will be described.
When the X-axis component Hx of the input magnetic field is converted into a Z-component magnetic flux by the magnetic focusing plate at the position of the Hall element HallX1, a positive magnetic flux Mzx (HallX1) × Hx is generated. Here, at the position of the Hall element HallX1, the component of the magnetic permeability tensor when the Z-axis component Bz (HallX1) of the magnetic flux is generated from the X-axis component Hx of the magnetic field is Mzx (HallX1).

ホール素子HallX1の位置では、入力磁界強度のZ成分Hzもゼロでない有限な値を持っているため、入力磁界強度のZ成分が作る磁束は、Mzz(HallX1)×Hzである。ここで、ホール素子HallX1の位置において、磁界強度のZ軸成分Hzから磁束密度のZ軸成分Bz(HallX1)が生成されるときの透磁率テンソルの成分がMzz(HallX1)である。   At the position of the Hall element HallX1, the Z component Hz of the input magnetic field strength also has a finite value that is not zero. Therefore, the magnetic flux generated by the Z component of the input magnetic field strength is Mzz (HallX1) × Hz. Here, at the position of the Hall element HallX1, the component of the magnetic permeability tensor when the Z-axis component Bz (HallX1) of the magnetic flux density is generated from the Z-axis component Hz of the magnetic field strength is Mzz (HallX1).

このように、ホール素子HallX1の位置においてホール素子の感磁面を貫く磁束密度のZ成分は、Mzx(HallX1)×Hx+Mzz(HallX1)×Hzとなる。ここで、ホール素子HallX1の磁気感度をS(HallX1)とすれば、ホール素子HallX1において発生するホール起電力信号は、Mzx(HallX1)×Hx×S(HallX1)+Mzz(HallX1)×Hz×S(HallX1)となる。   As described above, the Z component of the magnetic flux density penetrating the magnetic sensing surface of the Hall element at the position of the Hall element HallX1 is Mzz (HallX1) × Hx + Mzz (HallX1) × Hz. Here, if the magnetic sensitivity of the Hall element HallX1 is S (HallX1), the Hall electromotive force signal generated in the Hall element HallX1 is Mzz (HallX1) × Hx × S (HallX1) + Mzz (HallX1) × Hz × S ( HallX1).

ホール素子HallX2において発生するホール起電力信号についても、ホール素子HallX1において発生するホール起電力信号と同様に考えて、Mzx(HallX2)×Hx×S(HallX2)+Mzz(HallX2)×Hz×S(HallX2)となる。ここで、S(HallX2)はホール素子HallX2の磁気感度である。また、ここで、ホール素子HallX2の位置において、磁界のX軸成分Hxから磁束密度のZ軸成分Bz(HallX2)が生成されるときの透磁率テンソルの成分がMzx(HallX2)である。また、ここで、ホール素子HallX2の位置において、磁界のZ軸成分Hzから磁束密度のZ軸成分Bz(HallX2)が生成されるときの透磁率テンソルの成分がMzz(HallX2)である。   The Hall electromotive force signal generated in the Hall element HallX2 is also considered in the same manner as the Hall electromotive force signal generated in the Hall element HallX1, and Mzx (HallX2) × Hx × S (HallX2) + Mzz (HallX2) × Hz × S (HallX2). ) Here, S (HallX2) is the magnetic sensitivity of the Hall element HallX2. Here, the component of the magnetic permeability tensor when the Z-axis component Bz (HallX2) of the magnetic flux density is generated from the X-axis component Hx of the magnetic field at the position of the Hall element HallX2 is Mzx (HallX2). Here, at the position of the Hall element HallX2, the component of the magnetic permeability tensor when the Z-axis component Bz (HallX2) of the magnetic flux density is generated from the Z-axis component Hz of the magnetic field is Mzz (HallX2).

以上の説明に基づいて、X軸上に配置された2つのホール素子HallX1,HallX2において発生する2つのホール起電力信号の間で、数式(5)の計算式で定義される計算を行うと信号Vsig,xが得られる。この信号Vsig,xは、本来、磁界のX軸成分Hxに対応した電気信号である。   Based on the above description, when the calculation defined by the calculation formula (5) is performed between the two Hall electromotive force signals generated in the two Hall elements HallX1 and HallX2 arranged on the X axis, a signal is obtained. Vsig, x is obtained. This signal Vsig, x is essentially an electrical signal corresponding to the X-axis component Hx of the magnetic field.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

同様に、Y軸上に配置された2つのホール素子HallY1,HallY2において発生する2つのホール起電力信号の間で、数式(6)の計算式で定義される計算を行うと信号Vsig,yが得られる。この信号Vsig,yは、本来、磁界のY軸成分Hyに対応した電気信号である。   Similarly, when the calculation defined by the equation (6) is performed between two Hall electromotive force signals generated in the two Hall elements HallY1 and HallY2 arranged on the Y axis, the signal Vsig, y becomes can get. This signal Vsig, y is essentially an electrical signal corresponding to the Y-axis component Hy of the magnetic field.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

更に、磁界のZ軸成分Hzに対応した電気信号Vsig,zを得る計算方式として、ここでは、2つのホール素子HallX1,HallX2において発生する2つのホール起電力信号を使用したひとつの具体的な計算方法を利用する。その具体的な計算式は、数式(7)で与えられるものである。   Further, as a calculation method for obtaining the electric signal Vsig, z corresponding to the Z-axis component Hz of the magnetic field, here, one specific calculation using two Hall electromotive force signals generated in the two Hall elements HallX1 and HallX2. Use the method. The specific calculation formula is given by Formula (7).

Figure 2015075465
Figure 2015075465

ここでは、磁界のZ軸成分Hzに対応した電気信号Vsig,zの具体的な計算方式として、ホール素子HallX1,HallX2において発生するホール起電力信号の間で計算を行う計算方式である数式(7)を使用したが、この計算方式とは異なり、ホール素子HallY1,HallY2において発生するホール起電力信号の間で計算を行う計算方式(数式(7)とは異なる計算方式)を使用することも可能である。   Here, as a specific calculation method of the electric signal Vsig, z corresponding to the Z-axis component Hz of the magnetic field, a mathematical expression (7) that calculates between the Hall electromotive force signals generated in the Hall elements HallX1 and HallX2. However, unlike this calculation method, it is also possible to use a calculation method for calculating between Hall electromotive force signals generated in the Hall elements HallY1 and HallY2 (a calculation method different from Equation (7)). It is.

本発明の前提となる磁界測定装置の構造について、ホール素子及び磁気収束板が理想的に形成された場合には、本発明が解決すべき課題となる他軸感度がゼロになることについて以下に説明する。
本発明の前提となる磁界測定装置の構造において、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)が入力されるときに、磁気収束板に対して垂直な磁束成分Bzが生成される現象については、ホール素子HX1,HX2の位置において、それぞれ、数式(1),(2)で表される関係が成り立つ。
Regarding the structure of the magnetic field measuring apparatus which is the premise of the present invention, when the Hall element and the magnetic focusing plate are ideally formed, the other-axis sensitivity that is a problem to be solved by the present invention becomes zero. explain.
Regarding the structure of the magnetic field measuring apparatus which is the premise of the present invention, regarding a phenomenon in which a magnetic flux component Bz perpendicular to the magnetic convergence plate is generated when a three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) is input. In the positions of the Hall elements HX1 and HX2, the relationships represented by the formulas (1) and (2) are established, respectively.

ここで、本発明の前提となる磁界測定装置の構造に関して、ホール素子及び磁気収束板が理想的に形成されるという仮定のもとでは、磁気収束板に対して水平方向の磁界成分Hxが磁気収束板に入力されるとき、磁気収束板に対して垂直な磁束成分Bzが生じる現象についての関係式として、数式(8)が成立する。この仮定の下では、X軸に関する数式(8)と同様の関係式が、Y軸に関しても成立することが容易に理解できる。   Here, with respect to the structure of the magnetic field measuring apparatus as a premise of the present invention, the magnetic field component Hx in the horizontal direction with respect to the magnetic converging plate is magnetic under the assumption that the Hall element and the magnetic converging plate are ideally formed. As a relational expression regarding a phenomenon in which a magnetic flux component Bz perpendicular to the magnetic converging plate is generated when being input to the converging plate, Equation (8) is established. Under this assumption, it can be easily understood that the same relational expression as the mathematical formula (8) regarding the X axis holds true for the Y axis.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

同じく、ホール素子及び磁気収束板が理想的に形成されるという仮定のもとでは、磁気収束板に対して垂直な磁界成分Hzが磁気収束板に入力されるとき、磁気収束板に対して垂直な磁束成分Bzが生じる現象についての関係式として、数式(9)が成立する。   Similarly, under the assumption that the Hall element and the magnetic converging plate are ideally formed, when the magnetic field component Hz perpendicular to the magnetic converging plate is input to the magnetic converging plate, it is perpendicular to the magnetic converging plate. Equation (9) is established as a relational expression regarding a phenomenon in which a large magnetic flux component Bz is generated.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

ここで仮定したような理想的な状況、すなわち、ホール素子および磁気収束板が理想的に形成され、その結果として、数式(8),(9)が成り立つ状況では、Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zのなかに他軸感度は発生しないことが、以下のように、数式(5),(6),(7)からも解る。   In an ideal situation as assumed here, that is, in a situation where the Hall element and the magnetic converging plate are ideally formed, and as a result, the expressions (8) and (9) are satisfied, Vsig, x, Vsig, y , Vsig, z does not generate other-axis sensitivity, as can be seen from equations (5), (6), and (7) as follows.

実際に、数式(5)を見ると、上記の仮定のもとでは、Vsig,xの表式のなかで、[ ]で囲まれたHzの係数がゼロとなるため、Xsig,zのなかにHzの成分が混入するという他軸感度は発生しない。
同様に、数式(6)を見ると、上記の仮定のもとでは、Vsig,yの表式のなかで、[ ]で囲まれたHzの係数がゼロとなるため、Xsig,yのなかにHzの成分が混入するという他軸感度は発生しない。
Actually, looking at the equation (5), under the above assumption, the coefficient of Hz surrounded by [] is zero in the expression of Vsig, x, so in Xsig, z There is no other axis sensitivity that the component of Hz mixes.
Similarly, looking at Equation (6), under the above assumption, the coefficient of Hz surrounded by [] is zero in the expression of Vsig, y, and therefore, in Xsig, y, There is no other axis sensitivity that the component of Hz mixes.

同様に、数式(7)を見ると、上記の仮定のもとでは、Vsig,zの表式のなかで、[ ]で囲まれたHxの係数がゼロとなるため、Xsig,zのなかにHxの成分が混入するという他軸感度は発生しない。
このように、ホール素子および磁気収束板が理想的に形成されるという理想的な状況を仮定する限りは、上記の数式を見ても理解されるように、3次元磁界から3次元の電気信号ベクトルを生成する3次元磁界測定において、他軸感度の問題は発生しない。
Similarly, looking at Equation (7), under the above assumption, the coefficient of Hx surrounded by [] is zero in the expression of Vsig, z. There is no other axis sensitivity that Hx component is mixed.
As long as the ideal situation where the Hall element and the magnetic converging plate are ideally formed is assumed as described above, the three-dimensional magnetic signal is converted from the three-dimensional magnetic field as understood from the above formula. In the three-dimensional magnetic field measurement for generating a vector, the problem of other axis sensitivity does not occur.

以下では、他軸感度の問題について、更に解りやすく説明する目的で、上述した数式(5),(6),(7)を、行列を使った形式で表現し、そこでの行列の非対角成分が他軸感度に対応した成分であることを説明する。
上述した数式(5),(6),(7)を見ると、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)の各空間成分Hx,Hy,Hzに対応した電気信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zについては、各空間成分Hx,Hy,Hzの線形結合となっていることが判る。そこで、電気信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zのそれぞれについて、線形結合の関係式における一次係数を抜き出すと、それぞれ、数式(10),(11),(12)となる。
In the following, for the purpose of more easily explaining the problem of other-axis sensitivity, the above formulas (5), (6), and (7) are expressed in a form using a matrix, and the non-diagonal of the matrix there It will be explained that the component is a component corresponding to the other axis sensitivity.
Looking at the equations (5), (6), and (7), the electrical signals Vsig, x, Vsig, corresponding to the spatial components Hx, Hy, Hz of the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz). It can be seen that y, Vsig, z are linear combinations of the spatial components Hx, Hy, Hz. Therefore, when the first order coefficients in the relational expression of the linear combination are extracted for each of the electric signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z, equations (10), (11), and (12) are obtained, respectively.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

Figure 2015075465
Figure 2015075465

Figure 2015075465
Figure 2015075465

上述した数式(5),(6),(7)で表される3つの線形結合の関係式は、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)から、これに対応した3次元の電気信号を生成する関係式(磁電変換の関係式)であり、これを、3行3列の行列M_HtoVを使って書くと、数式(13)が得られる。   The relational expression of the three linear combinations expressed by the above-described mathematical formulas (5), (6), and (7) is a three-dimensional electric signal corresponding to the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz). Is written using a matrix M_HtoV of 3 rows and 3 columns, Equation (13) is obtained.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

数式(10),(11),(12)のなかで、記号Dは、行列M_HtoVの対角成分(Diagonal成分)を表し、記号NDは、行列M_HtoVの非対角成分(Non-diagonal成分)を表す記号である。
数式(10),(11)においては、NDxy,NDyxという非対角成分について、これをゼロと見なしている。以下では、NDxy,NDyxという非対角成分をゼロとみなしてよい理由について、図2を用いた説明を行う。
In Equations (10), (11), and (12), symbol D represents a diagonal component (Diagonal component) of matrix M_HtoV, and symbol ND represents a non-diagonal component (Non-diagonal component) of matrix M_HtoV. It is a symbol showing.
In the equations (10) and (11), the non-diagonal components NDxy and NDyx are regarded as zero. Hereinafter, the reason why the non-diagonal components NDxy and NDyx may be regarded as zero will be described with reference to FIG.

図2において、X軸上に形成されたホール素子HallX1,HallX2及びY軸上に形成されたホール素子HallY1,HallY2は、CMOSの半導体製造プロセスのなかで製造されるために、非常に高い位置精度を以って製造されている。したがって、ホール素子HallX1とHallX2を結ぶ直線とホール素子HallY1とHallY2を結ぶ直線の間の角度は、非常に高い精度で90°となる。このように、CMOSの半導体製造プロセスの精度によって、XY平面内での非直交性が極めて小さくなる。これが、非対角成分NDxy,NDyxについて、これらの値をゼロと見なしてよい理由である。   In FIG. 2, the Hall elements HallX1 and HallX2 formed on the X axis and the Hall elements HallY1 and HallY2 formed on the Y axis are manufactured in a CMOS semiconductor manufacturing process. It is manufactured with. Therefore, the angle between the straight line connecting Hall elements HallX1 and HallX2 and the straight line connecting Hall elements HallY1 and HallY2 is 90 ° with very high accuracy. Thus, the non-orthogonality in the XY plane becomes extremely small due to the accuracy of the CMOS semiconductor manufacturing process. This is the reason why these values may be regarded as zero for the off-diagonal components NDxy and NDyx.

本発明の前提となる磁界測定装置の構造に関して、数式(13)は、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)から、これに対応した3次元の電気信号を生成する関係式(磁電変換の関係式)であるが、数式(13)のなかで記号NDで表される非対角成分については、それらの値が極めてゼロに近い値であるとみなして扱われてきた。
本発明の前提となる磁界測定装置の構造が理想的な形で製造される限りは、3次元磁界測定装置に設定される直交座標系に関して、磁電変換における他軸感度(X軸とZ軸の間の他軸感度、Y軸とZ軸の間の他軸感度)の問題は発生しない。
Regarding the structure of the magnetic field measuring apparatus which is the premise of the present invention, the mathematical expression (13) is a relational expression (magnetoelectric conversion) for generating a three-dimensional electric signal corresponding to a three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz). However, the non-diagonal component represented by the symbol ND in the equation (13) has been treated as a value that is extremely close to zero.
As long as the structure of the magnetic field measurement apparatus that is the premise of the present invention is manufactured in an ideal form, with respect to the Cartesian coordinate system set in the three-dimensional magnetic field measurement apparatus, the sensitivity of other axes in the magnetoelectric conversion (the X axis and the Z axis) The other axis sensitivity between them and the other axis sensitivity between Y axis and Z axis) do not occur.

仮に、理想的な状況(現実的でない状況)として、数式(10),(11),(12)において、ホール素子HallX1とHallX2の間及びホール素子HallY1とHallY2の間で、磁気集束板の透磁率テンソル成分の全てが相等しく、同時に、ホール素子HallX1とHallX2の間及びホール素子HallY1とHallY2の間でホール素子の磁気感度が相等しいという条件が成り立つ場合には、行列M_HtoVのなかで記号NDで表される非対角成分は全てゼロになり、行列M_HtoVは、数式(14)の様に、対角成分だけを持つ行列となる。   As an ideal situation (unreal situation), in the equations (10), (11), and (12), the transmission of the magnetic focusing plate is performed between the Hall elements HallX1 and HallX2 and between the Hall elements HallY1 and HallY2. If all of the magnetic susceptibility tensor components are equal and, at the same time, the condition that the magnetic sensitivities of the Hall elements are equal between the Hall elements HallX1 and HallX2 and between the Hall elements HallY1 and HallY2, the symbol ND in the matrix M_HtoV is satisfied. Are all zero, and the matrix M_HtoV is a matrix having only diagonal components as shown in Equation (14).

Figure 2015075465
Figure 2015075465

上述したように、本発明の前提となる磁界測定装置の構造において理想的な状況を想定する場合に限っては、電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)をもとに、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)を高精度に測定することが可能であることが解る。   As described above, only when an ideal situation is assumed in the structure of the magnetic field measurement apparatus that is the premise of the present invention, based on the electric signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z), It can be seen that a three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) can be measured with high accuracy.

しかしながら、本発明の前提となる磁界測定装置の構造においては、3次元磁界測定装置に入力される磁界から、これに対応する電気信号への磁電変換において、他軸感度の発生をゼロにすることが極めて困難である。
本発明の前提となる磁界測定装置の構造において、この他軸感度の発生が不可避である限り、高精度な3次元磁界測定を実現するためには、この他軸感度を補正する手段が非常に重要となる。
However, in the structure of the magnetic field measuring apparatus which is the premise of the present invention, the generation of the other-axis sensitivity is made zero in the magnetoelectric conversion from the magnetic field input to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus to the corresponding electric signal. Is extremely difficult.
In the structure of the magnetic field measuring apparatus which is the premise of the present invention, as long as the generation of this other axis sensitivity is unavoidable, means for correcting this other axis sensitivity is very important in order to realize highly accurate three-dimensional magnetic field measurement. It becomes important.

以下に、本発明の前提となる磁界測定装置の構造について、3次元磁界測定装置に設定される直交座標系(X軸,Y軸,Z軸)を空間座標としたとき、3次元磁界測定装置への入力磁界ベクトルから、これに対応した3次元電気信号ベクトルに変換する際に生じる他軸感度(X軸とZ軸の間の他軸感度、Y軸とZ軸の間の他軸感度)の発生原因について、具体的な数値例を挙げての説明を行う。   In the following, regarding the structure of the magnetic field measuring apparatus as a premise of the present invention, when the orthogonal coordinate system (X axis, Y axis, Z axis) set in the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is a spatial coordinate, the three-dimensional magnetic field measuring apparatus Other axis sensitivity that occurs when converting the input magnetic field vector to the corresponding three-dimensional electric signal vector (other axis sensitivity between X axis and Z axis, other axis sensitivity between Y axis and Z axis) The cause of the occurrence will be described with specific numerical examples.

この他軸感度の発生に関して、有力な発生原因のひとつは、磁気集束板とホール素子(X軸,Y軸に配置されたホール素子対)の間の位置ずれ誤差である。
図4は、磁気集束板とホール素子の間の相対位置が本来あるべき相対位置からずれたときに、ホール素子HallX1の位置とホール素子HallX2の感磁面を貫く磁力線の様子を説明するための図で、2つのホール素子の位置の間で磁束の分布が異なるため、他軸感度が発生する様子を示している。
Regarding the generation of this other-axis sensitivity, one of the prominent causes is a misalignment error between the magnetic focusing plate and the Hall elements (a pair of Hall elements arranged on the X and Y axes).
FIG. 4 is a view for explaining a state of magnetic lines of force penetrating the position of the Hall element HallX1 and the magnetic sensitive surface of the Hall element HallX2 when the relative position between the magnetic focusing plate and the Hall element is deviated from the proper relative position. In the figure, since the distribution of the magnetic flux is different between the positions of the two Hall elements, the other axis sensitivity is shown.

上述した特許文献3においては、円盤形状の磁気集束板の側面のテーパーについて言及されている。この磁気集束板の側面のテーパーに関して、ホール素子HallX1付近の位置とホール素子HallX2付近の位置の間で、このテーパーの度合が異なる場合にも、こうした磁電変換における他軸感度が発生することは容易に理解できるであろう。
また、こうした磁電変換における他軸感度が発生する別の原因としては、数式(5),(6),(7)から容易に理解されるように、ホール素子HallX1の磁気感度S(HallX1)とホール素子HallX2の磁気感度S(HallX2)との間でミスマッチが存在して、S(HallX1)≠S(HallX2)となる場合がある。
In Patent Document 3 described above, mention is made of the taper of the side surface of the disk-shaped magnetic focusing plate. Regarding the taper of the side surface of the magnetic focusing plate, it is easy to generate other-axis sensitivity in such magnetoelectric conversion even when the degree of taper is different between the position near the Hall element HallX1 and the position near the Hall element HallX2. Will understand.
As another cause of the occurrence of other-axis sensitivity in such magnetoelectric conversion, as easily understood from the equations (5), (6), and (7), the magnetic sensitivity S (HallX1) of the Hall element HallX1 and There may be a mismatch between the magnetic sensitivity S (HallX2) of the Hall element HallX2 and S (HallX1) ≠ S (HallX2).

実際に、CMOSの半導体製造プロセスのなかでシリコン基板(P型基板)のなかにホール素子を形成する場合には、ホール素子は、Nウェルとして形成されることが一般的である。このため、ウェハーにおけるプロセス勾配等によるNウェルの不純物濃度のばらつきがホール素子の磁気感度ばらつきの主な原因となる。このため、実際に、円盤型の磁気収束板の直径の両端付近に配置された2つのホール素子の磁気感度S(HallX1),S(HallX2)については、数%のミスマッチが発生する。   Actually, when a Hall element is formed in a silicon substrate (P-type substrate) in a CMOS semiconductor manufacturing process, the Hall element is generally formed as an N-well. For this reason, variations in impurity concentration of the N well due to process gradients in the wafer are the main cause of variations in magnetic sensitivity of the Hall elements. Therefore, in practice, a mismatch of several percent occurs with respect to the magnetic sensitivities S (HallX1) and S (HallX2) of the two Hall elements arranged near both ends of the diameter of the disk-type magnetic converging plate.

このように、本発明の前提となる磁界測定装置の構造、すなわち、磁気収束板の外周付近の位置にホール素子を配置する磁界測定装置の構造(特許文献1及び2に記載の磁界測定装置の構造)においては、上述したように、複数の原因によって、Z軸が関連する他軸感度(X軸とZ軸の間の他軸感度、Y軸とZ軸の間の他軸感度)が発生する。
以上の説明によって、本発明の前提となる磁界測定装置の構造においては、3次元磁界の測定精度を高精度化するうえで、この他軸感度の問題が大きな障害となることが理解されるであろう。
As described above, the structure of the magnetic field measurement device that is the premise of the present invention, that is, the structure of the magnetic field measurement device in which the Hall element is arranged near the outer periphery of the magnetic flux converging plate (the magnetic field measurement device described in Patent Documents 1 and 2). In the structure), as described above, the other axis sensitivity related to the Z axis (the other axis sensitivity between the X axis and the Z axis, the other axis sensitivity between the Y axis and the Z axis) occurs due to a plurality of causes. To do.
From the above description, it can be understood that, in the structure of the magnetic field measurement apparatus which is the premise of the present invention, this problem of other axis sensitivity becomes a major obstacle to increasing the measurement accuracy of the three-dimensional magnetic field. I will.

以下では、この他軸感度の発生について、具体的な数値例を使った例についての検討を行うことにより、この他軸感度が、本発明の前提となる磁界測定装置の構造を使用した3次元磁界測定において、磁界測定精度を大きく劣化させることについて説明する。
以下での例示的な説明を簡単にするために、数式(5),(6),(7)において、Mzx,Mzy,Mzzという磁気集束板の透磁率に関するテンソル成分については、理想的に完全にマッチングしており、それらの各テンソル成分の絶対値が全て1.0である場合を考える。
In the following, by examining an example using a specific numerical example for the generation of this other-axis sensitivity, this other-axis sensitivity is a three-dimensional structure using the structure of the magnetic field measurement device which is the premise of the present invention. In the magnetic field measurement, the fact that the magnetic field measurement accuracy is greatly deteriorated will be described.
In order to simplify the exemplary description below, in equations (5), (6), and (7), the tensor components relating to the magnetic permeability of the magnetic focusing plate such as Mzz, Mzy, and Mzz are ideally complete. And the absolute values of the respective tensor components are all 1.0.

ここで、ホール素子HallX1とHallX2について、それらの間での磁気感度のミスマッチがなく、S(HallX1)=S(HallX1)=0.5(理想的なマッチング)を仮定すれば、数式(5),(7)をまとめた数式は(15)となり、問題となる他軸感度の発生は起こらないことが解る。
図5は、磁気成分Hx,Hzに対応した電気信号Vsig,x、Vsig,zについて、他軸感度が発生しない理想的な場合での電気信号Vsig,x、Vsig,zの座標軸を説明するための図で、3次元磁界測定装置の測定対象である磁界ベクトル(Hx,Hz)の座標軸と3次元磁界測定装置が出力する電気信号(Vsig,x、Vsig,z)座標軸の間の関係を示している。
Here, regarding the Hall elements HallX1 and HallX2, there is no magnetic sensitivity mismatch between them, and assuming that S (HallX1) = S (HallX1) = 0.5 (ideal matching), Equation (5) , (7) is summarized as (15), and it can be seen that the problem of other-axis sensitivity does not occur.
FIG. 5 illustrates the coordinate axes of the electrical signals Vsig, x, Vsig, z in an ideal case where no other-axis sensitivity is generated for the electrical signals Vsig, x, Vsig, z corresponding to the magnetic components Hx, Hz. The figure shows the relationship between the coordinate axis of the magnetic field vector (Hx, Hz) that is the measurement target of the three-dimensional magnetic field measurement device and the electric signal (Vsig, x, Vsig, z) coordinate axis output by the three-dimensional magnetic field measurement device. ing.

図5から理解されるように、理想的な状況として、他軸感度の発生がない状況を仮定すれば、3次元磁界測定装置において設定された直交座標軸(X軸,Y軸,Z軸)と電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)の座標軸が重なって、完全に一致するため、3次元磁界測定装置が電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を測定することによって、3次元磁界測定装置の測定対象である3次元磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)を正確に測定することが可能となる。   As can be understood from FIG. 5, as an ideal situation, assuming that no other-axis sensitivity occurs, the orthogonal coordinate axes (X axis, Y axis, Z axis) set in the three-dimensional magnetic field measuring apparatus and Since the coordinate axes of the electrical signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) overlap and coincide completely, the three-dimensional magnetic field measuring device measures the electrical signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) By doing so, it becomes possible to accurately measure the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz), which is the measurement target of the three-dimensional magnetic field measuring apparatus.

Figure 2015075465
Figure 2015075465

次に、実際のCMOSの半導体製造プロセスにおいて、現実的に起こり得る状況として、ホール素子HallX1とHallX2の間で磁気感度のミスマッチが存在し、S(HallX1)=0.55、S(HallX1)=0.45(2つのホール素子の間の磁気感度ミスマッチ=±10%)となった状況についての検討を行うことにする。この状況では、数式(5),(7)をまとめた数式が(16)となる。   Next, in the actual CMOS semiconductor manufacturing process, as a situation that can actually occur, there is a magnetic sensitivity mismatch between Hall elements HallX1 and HallX2, and S (HallX1) = 0.55, S (HallX1) = A situation where 0.45 (magnetic sensitivity mismatch between two Hall elements = ± 10%) will be examined. In this situation, the mathematical formula obtained by combining the mathematical formulas (5) and (7) is (16).

Figure 2015075465
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図6は、磁気成分Hx,Hzに対応した電気信号Vsig,x、Vsig,zについて、他軸感度が発生したときの電気信号Vsig,x、Vsig,zの座標軸を説明するための図で、3次元磁界測定装置の測定対象である磁界ベクトル(Hx,Hz)の座標軸と3次元磁界測定装置が出力する電気信号(Vsig,x、Vsig,z)の座標軸の間の関係を示している。   FIG. 6 is a diagram for explaining the coordinate axes of the electric signals Vsig, x, Vsig, z when the other-axis sensitivity is generated for the electric signals Vsig, x, Vsig, z corresponding to the magnetic components Hx, Hz. The relationship between the coordinate axis of the magnetic field vector (Hx, Hz) that is the measurement target of the three-dimensional magnetic field measurement device and the coordinate axis of the electrical signal (Vsig, x, Vsig, z) output from the three-dimensional magnetic field measurement device is shown.

図6では、(Hx,Hz)の座標軸に対して、(Vsig,x、Vsig,z)の座標軸が傾いていることが解る。このように、図6を見れば、他軸感度が存在するときは、3次元磁界測定において大きな誤差が発生することが理解できる。
図6に示された状況において、3次元磁界測定装置が生成する電気信号(Vsig,x、Vsig,z)をもとに、θzx=atan(Vsig,z/Vsig,x)という計算を行って、3次元磁界測定装置において設定された直交座標軸のZX平面のなかでの電気信号(Vsig,x、Vsig,z)の角度を計算すると、この角度計算の結果には、図7に示したように約6度にもおよぶ大きな角度誤差(角度測定における非線形性誤差)が発生する。
In FIG. 6, it can be seen that the coordinate axis of (Vsig, x, Vsig, z) is inclined with respect to the coordinate axis of (Hx, Hz). In this way, it can be understood from FIG. 6 that a large error occurs in the three-dimensional magnetic field measurement when the other-axis sensitivity exists.
In the situation shown in FIG. 6, a calculation of θzx = atan (Vsig, z / Vsig, x) is performed based on the electric signal (Vsig, x, Vsig, z) generated by the three-dimensional magnetic field measuring apparatus. When the angle of the electric signal (Vsig, x, Vsig, z) in the ZX plane of the orthogonal coordinate axis set in the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is calculated, the result of this angle calculation is as shown in FIG. A large angle error (non-linearity error in angle measurement) of about 6 degrees occurs.

図7は、図6に示された他軸感度があるときに、ZX平面内で入力磁界の角度を測定したときの角度測定誤差を示す図である。
このように、本発明の前提となる磁界測定装置の構造においては、ホール素子HallX1とHallX2の間で、+10%、−10%の磁気感度ミスマッチが発生しただけで、3次元磁界測定の精度は大きく劣化することが示された。
FIG. 7 is a diagram showing an angle measurement error when the angle of the input magnetic field is measured in the ZX plane when the other-axis sensitivity shown in FIG. 6 is present.
As described above, in the structure of the magnetic field measurement apparatus that is the premise of the present invention, the magnetic sensitivity mismatch of + 10% and −10% occurs between the Hall elements HallX1 and HallX2, and the accuracy of the three-dimensional magnetic field measurement is It was shown to deteriorate greatly.

本発明は、本発明の前提となる磁界測定装置の構造、すなわち、磁気収束板の外周付近の位置に対となるホール素子を配置する磁界測定装置の構造を利用した3次元磁界測定装置に関して、Z軸を含んだ他軸感度に起因して起こる3次元磁界測定誤差を解消する手段を示したものである。
ここで、本発明の3次元磁界測定装置に関しては、これに入力される3次元磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)と、この3次元磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)に対応した電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)の間の関係を表すための行列M_HtoVを実測によって決定するための補正操作が必要となる。
The present invention relates to a structure of a magnetic field measuring apparatus that is a premise of the present invention, that is, a three-dimensional magnetic field measuring apparatus using a structure of a magnetic field measuring apparatus in which a pair of Hall elements are arranged near the outer periphery of a magnetic focusing plate. The means for eliminating the three-dimensional magnetic field measurement error caused by the sensitivity of other axes including the Z axis is shown.
Here, regarding the three-dimensional magnetic field measuring apparatus of the present invention, the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) input to this and the electric signal (Hx, Hy, Hz) corresponding to this three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz). A correction operation is required to determine the matrix M_HtoV for representing the relationship between Vsig, x, Vsig, y, and Vsig, z) by actual measurement.

この補正操作について、最も理解が容易な方法として、3次元磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)として、(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)を入力すれば、行列M_HtoVの成分を得ることが出来ることは自明である。
3次元磁界測定装置に入力される磁界ベクトルが(1,0,0)のときに、3次元磁界測定装置が生成する電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)から、行列M_HtoVのなかの2つの成分Dxx、NDzxが得られる。
As the most easily understood method for this correction operation, (1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1) are used as the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz). It is obvious that the components of the matrix M_HtoV can be obtained by inputting.
From the electric signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) generated by the three-dimensional magnetic field measurement device when the magnetic field vector input to the three-dimensional magnetic field measurement device is (1, 0, 0), the matrix M_HtoV Two components Dxx and NDzx are obtained.

Figure 2015075465
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3次元磁界測定装置に入力される磁界ベクトルが(0,1,0)のときに、3次元磁界測定装置が生成する電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)から、行列M_HtoVのなかの2つの成分Dyy,NDzyが得られる。   From the electric signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) generated by the three-dimensional magnetic field measurement device when the magnetic field vector input to the three-dimensional magnetic field measurement device is (0, 1, 0), the matrix M_HtoV Two components Dyy and NDzy are obtained.

Figure 2015075465
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3次元磁界測定装置に入力される磁界ベクトルが(0,0,1)のときに、3次元磁界測定装置が生成する電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)から、行列M_HtoVのなかの3つの成分NDxz,NDyz,Dzzが得られる。   From the electric signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) generated by the three-dimensional magnetic field measurement device when the magnetic field vector input to the three-dimensional magnetic field measurement device is (0, 0, 1), the matrix M_HtoV The three components NDxz, NDyz, and Dzz are obtained.

Figure 2015075465
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このように、最も簡単な補正手段の例として示した補正操作を行なった結果として行列M_HtoVの各成分を実測することができれば、行列M_HtoVの非対角成分がゼロでない有限な値であることによって発生する3次元磁界ベクトル測定の誤差を補正することが可能である。   Thus, if each component of the matrix M_HtoV can be actually measured as a result of performing the correction operation shown as an example of the simplest correction means, the off-diagonal component of the matrix M_HtoV is a finite value that is not zero. It is possible to correct an error in the generated three-dimensional magnetic field vector measurement.

この方法としては、補正手段によって得られる行列M_HtoVについて、逆行列M_VtoHを計算すればよい。   As this method, the inverse matrix M_VtoH may be calculated for the matrix M_HtoV obtained by the correcting means.

Figure 2015075465
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例えば、数式(16)で示した他軸感度の発生の具体例について、3次元磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)に対応した電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)の間の関係を表すための行列M_HtoVが、数式(22)となった場合、行列M_HtoVの逆行列である行列M_VtoHは、数式(20)の様に計算することができる。   For example, with respect to a specific example of the occurrence of the other-axis sensitivity shown in Expression (16), between the electric signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) corresponding to the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz). When the matrix M_HtoV for expressing the relationship becomes Equation (22), the matrix M_VtoH that is an inverse matrix of the matrix M_HtoV can be calculated as Equation (20).

Figure 2015075465
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Figure 2015075465
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この行列M_VtoHを用いて、数式(23)にしたがって、電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)から信号(Sx,Sy,Sz)を計算すると、信号Sx,Sy,Szは、他軸感度の影響が補正されたものとなる。   When the signal (Sx, Sy, Sz) is calculated from the electric signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) according to the equation (23) using this matrix M_VtoH, the signals Sx, Sy, Sz are The effect of other axis sensitivity is corrected.

Figure 2015075465
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したがって、本発明の3次元磁界測定装置においては、このようにして、信号(Sx,Sy,Sz)を計算することにより、3次元の磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)を高精度に測定することが可能となる。
以上では、3次元磁界測定装置に入力される磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)から3次元磁界測定装置が出力する電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)への磁電変換における他軸感度の問題について、これを補正(補正)して、高精度な3次元磁界測定を実現する手段として、3次元磁界測定装置へ入力される3次元磁界ベクトル(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)を3次元磁界測定装置に入力する手段を、理解のし易さの観点から説明した。
Therefore, in the three-dimensional magnetic field measuring apparatus of the present invention, the three-dimensional magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) is measured with high accuracy by calculating the signal (Sx, Sy, Sz) in this way. It becomes possible.
In the above, in the magnetoelectric conversion from the magnetic field vector (Hx, Hy, Hz) input to the three-dimensional magnetic field measuring device to the electric signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) output from the three-dimensional magnetic field measuring device. As a means for realizing a highly accurate three-dimensional magnetic field measurement by correcting (correcting) the problem of other-axis sensitivity, a three-dimensional magnetic field vector (1, 0, 0) input to the three-dimensional magnetic field measuring device, The means for inputting (0, 1, 0), (0, 0, 1) to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus has been described from the viewpoint of ease of understanding.

しかしながら、以上の説明から容易に理解できるように、3次元磁界測定装置へ入力される3次元磁界ベクトルとしては、必ずしも、(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)である必要はなく、線形独立な3つのベクトルであればよい。
本発明の3次元磁界測定装置については、これまでに説明を行った補正操作を行うことにより、本発明の前提となる磁界測定装置の構造において、高精度な3次元磁界測定を行ううえで深刻な技術課題となる他軸感度の問題を解決することが可能となる。
However, as can be easily understood from the above description, the three-dimensional magnetic field vector input to the three-dimensional magnetic field measuring device is not necessarily (1,0,0), (0,1,0), (0, 0, 1) need not be used, and may be three linearly independent vectors.
The three-dimensional magnetic field measurement apparatus according to the present invention is serious in performing high-precision three-dimensional magnetic field measurement in the structure of the magnetic field measurement apparatus as a premise of the present invention by performing the correction operation described so far. It becomes possible to solve the problem of other-axis sensitivity, which is a serious technical problem.

図8は、本発明に係る3次磁界測定装置の実施形態を説明するための構成図である。図中符号11は補正係数生成装置、12(12x,12y,12z)は信号処理部(加減算回路/演算手段)、13はインターフェイス回路、14は補正係数記憶部(不揮発性メモリ/補正係数記憶手段)、15(15x,15y,15z)は磁界成分算出部(行列演算回路/算出手段)を示している。なお、図1及び図2と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。   FIG. 8 is a configuration diagram for explaining an embodiment of the tertiary magnetic field measuring apparatus according to the present invention. In the figure, reference numeral 11 denotes a correction coefficient generation device, 12 (12x, 12y, 12z) denotes a signal processing unit (addition / subtraction circuit / calculation means), 13 denotes an interface circuit, and 14 denotes a correction coefficient storage unit (nonvolatile memory / correction coefficient storage means). ), 15 (15x, 15y, 15z) indicate magnetic field component calculation units (matrix operation circuit / calculation means). In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which has the same function as FIG.1 and FIG.2.

本発明の3次元磁界測定装置10は、半導体IC基板1上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体2の周辺に複数の磁気検出素子3を配置した3次元磁界測定装置で、第1乃至第3の信号処理部12x,12y,12zと補正係数記憶部14と磁界成分算出部15とを備えている。
第1乃至第3の信号処理部12x,12y,12zは、磁性体2に入力される3次元磁界ベクトル(Hx,Hy,Hz)に対応する3次元のベクトル信号である出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを生成するものである。
A three-dimensional magnetic field measurement apparatus 10 according to the present invention is a three-dimensional magnetic field measurement apparatus in which a plurality of magnetic detection elements 3 are arranged around a magnetic body 2 having a magnetic amplification function provided on a semiconductor IC substrate 1. A third signal processing unit 12x, 12y, 12z, a correction coefficient storage unit 14, and a magnetic field component calculation unit 15 are provided.
The first to third signal processing units 12x, 12y, 12z are output signals Vsig, x, which are three-dimensional vector signals corresponding to the three-dimensional magnetic field vectors (Hx, Hy, Hz) input to the magnetic body 2. Vsig, y and Vsig, z are generated.

また、インターフェイス回路13は、他軸感度を含んだ電気信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを3次元磁界測定装置10から外部に読みだす操作を行うとともに、逆行列(M_VtoH)の成分の値(係数)を3次元磁界測定装置10に内蔵されている不揮発性メモリ14に書き込む操作を行うものである。
また、補正係数生成装置11は、補正係数を生成する目的で、3次元磁界測定装置10の外部に設けられる。補正係数を生成し、補正係数記憶部14に補正係数を書き込むまでの手順は以下の手順となる。
In addition, the interface circuit 13 performs an operation of reading the electrical signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z including other-axis sensitivity from the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 to the outside, and a component of an inverse matrix (M_VtoH) Is written in the nonvolatile memory 14 built in the three-dimensional magnetic field measurement apparatus 10.
The correction coefficient generation device 11 is provided outside the three-dimensional magnetic field measurement device 10 for the purpose of generating correction coefficients. The procedure from generating the correction coefficient to writing the correction coefficient in the correction coefficient storage unit 14 is as follows.

先ず、前述のように線形独立な3つの磁界ベクトルを3次元磁界測定装置10に入力し、その際に、3次元磁界測定装置10が生成する他軸感度を含んだ電気信号ベクトル(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を、インターフェイス回路13を通じて、補正係数生成装置11に読み出す。
補正係数生成装置11においては、こうして読み出された3つの電気信号ベクトル(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)をもとに、数式(17),(18),(19)で示した計算式にしたがって、行列(M_HtoV)を計算し、更に、行列(M_HtoV)の逆行列(M_VtoH)を計算する。この逆行列(M_VtoH)の成分が、他軸感度を補正するための補正係数となる。
First, as described above, three linearly independent magnetic field vectors are input to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10, and at that time, the electric signal vector (Vsig, x including the other-axis sensitivity generated by the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 is generated. , Vsig, y, Vsig, z) are read out to the correction coefficient generation device 11 through the interface circuit 13.
In the correction coefficient generation device 11, the three electric signal vectors (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) read out in this way are expressed by equations (17), (18), (19). The matrix (M_HtoV) is calculated according to the above formula, and the inverse matrix (M_VtoH) of the matrix (M_HtoV) is further calculated. The inverse matrix (M_VtoH) component is a correction coefficient for correcting the other-axis sensitivity.

こうして、3次元磁界測定装置10のなかで計算された補正係数は、インターフェイス回路13を通じて、補正係数記憶部14に書き込まれる。
したがって、補正係数記憶部14は、第1乃至第3の信号処理部12x,12y,12zによる3次元の出力信号を生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶するものである。
Thus, the correction coefficient calculated in the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 is written to the correction coefficient storage unit 14 through the interface circuit 13.
Therefore, the correction coefficient storage unit 14 stores a correction coefficient for correcting the other-axis sensitivity generated in the magnetoelectric conversion that generates the three-dimensional output signals by the first to third signal processing units 12x, 12y, and 12z. is there.

また、磁界成分算出部15は、X軸方向磁界成分算出部15xとY軸方向磁界成分算出部15yとZ軸方向磁界成分算出部15zとから構成され、補正係数記憶部14により記憶された補正係数に基づいて3次元の出力信号を算出するものである。
他軸感度は、磁性体2と磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2との間の相対位置ずれにより発生するものである。また、他軸感度は、X軸及びY軸に配置された磁気検出素子対3X1/3X2,3Y1/3Y2の各々の磁気検出素子3X1と3X2又は3Y1と3Y2の磁気感度の誤差により発生するものである。
The magnetic field component calculation unit 15 includes an X-axis direction magnetic field component calculation unit 15x, a Y-axis direction magnetic field component calculation unit 15y, and a Z-axis direction magnetic field component calculation unit 15z, and is stored in the correction coefficient storage unit 14. A three-dimensional output signal is calculated based on the coefficient.
The other-axis sensitivity is generated due to a relative positional shift between the magnetic body 2 and the magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2. The other-axis sensitivity is generated by an error in the magnetic sensitivity of the magnetic detection elements 3X1 and 3X2 or 3Y1 and 3Y2 of the magnetic detection element pairs 3X1 / 3X2 and 3Y1 / 3Y2 arranged on the X axis and the Y axis. is there.

また、3次元の出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを生成する磁電変換の関係式は、行列(M_HtoV)で表される。
また、第1乃至第3の信号処理部12x,12y,12zは、加減算回路であることが望ましい。また、磁界成分算出部15は、行列演算回路で構成されていることが望ましい。また、この行列演算回路は、3次元の出力信号ベクトル(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)に逆行列(M_VtoH)を乗算する演算を行って、他の3次元ベクトル信号(Sx,Sy,Sz)を得るものである。
A relational expression of magnetoelectric conversion for generating the three-dimensional output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z is represented by a matrix (M_HtoV).
The first to third signal processing units 12x, 12y, and 12z are preferably addition / subtraction circuits. The magnetic field component calculation unit 15 is preferably composed of a matrix operation circuit. The matrix operation circuit performs an operation of multiplying a three-dimensional output signal vector (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) by an inverse matrix (M_VtoH) to obtain another three-dimensional vector signal (Sx, Sy, Sz).

なお、磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2は、ホール素子であることが好ましい。
また、本発明の3次元磁界測定装置10は、磁性体2の近傍に配置される第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2と、第1の信号処理部12xと、第2の信号処理部12yと、第3の信号処理部12zと、補正係数記憶部14と、磁界成分算出部15とを備えている。
The magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 are preferably Hall elements.
The three-dimensional magnetic field measurement apparatus 10 of the present invention includes first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 disposed in the vicinity of the magnetic body 2, a first signal processing unit 12x, 2 signal processing units 12y, a third signal processing unit 12z, a correction coefficient storage unit 14, and a magnetic field component calculation unit 15.

第1の信号処理部12xは、第1の磁気検出素子3X1の出力信号Vsig(HallX1)と第2の磁気検出素子3X2の出力信号Vsig(HallX2)が入力され、第1の磁気検出素子3X1の出力信号Vsig(HallX1)と第2の磁気検出素子3X2の出力信号Vsig(HallX2)の差又は和に基づく信号Vsig,xを出力するものである。   The first signal processing unit 12x receives the output signal Vsig (HallX1) of the first magnetic detection element 3X1 and the output signal Vsig (HallX2) of the second magnetic detection element 3X2, and receives the output of the first magnetic detection element 3X1. A signal Vsig, x based on the difference or sum of the output signal Vsig (HallX1) and the output signal Vsig (HallX2) of the second magnetic detection element 3X2 is output.

また、第2の信号処理部12yは、第3の磁気検出素子3Y1の出力信号Vsig(HallY1)と第4の磁気検出素子3Y2の出力信号Vsig(HallY2)が入力され、第3の磁気検出素子3Y1の出力信号Vsig(HallY1)と第4の磁気検出素子3Y2の出力信号Vsig(HallY2)の差又は和に基づく信号Vsig,yを出力するものである。   The second signal processing unit 12y receives the output signal Vsig (HallY1) of the third magnetic detection element 3Y1 and the output signal Vsig (HallY2) of the fourth magnetic detection element 3Y2, and receives the third magnetic detection element. A signal Vsig, y based on the difference or sum of the output signal Vsig (HallY1) of 3Y1 and the output signal Vsig (HallY2) of the fourth magnetic detection element 3Y2 is output.

また、第3の信号処理部12zは、第1の磁気検出素子3X1の出力信号Vsig(HallX1)と第2の磁気検出素子3X2の出力信号Vsig(HallX2)が入力され、第1の磁気検出素子3X1の出力信号Vsig(HallX1)と第2の磁気検出素子3X2の出力信号Vsig(HallX2)の和又は差に基づく信号であり、第1の信号処理部12xと異なる信号Vsig,zを出力するものである。   The third signal processing unit 12z receives the output signal Vsig (HallX1) of the first magnetic detection element 3X1 and the output signal Vsig (HallX2) of the second magnetic detection element 3X2, and receives the first magnetic detection element. A signal based on the sum or difference of the output signal Vsig (HallX1) of 3X1 and the output signal Vsig (HallX2) of the second magnetic detection element 3X2, and outputs a signal Vsig, z different from that of the first signal processing unit 12x It is.

また、補正係数記憶部14は、第1乃至第3の信号処理部12x乃至12zによる3次元の出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶するためのものである。
また、磁界成分算出部15は、第1乃至第3の信号処理部12x乃至12zの出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zと補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分と、X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出するものである。
Further, the correction coefficient storage unit 14 has other axis sensitivity generated in the magnetoelectric conversion for generating the three-dimensional output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z by the first to third signal processing units 12x to 12z. This is for storing a correction coefficient to be corrected.
In addition, the magnetic field component calculation unit 15 generates the magnetic field component in the X-axis direction based on the output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z and the correction coefficients of the first to third signal processing units 12x to 12z, and X A magnetic field component in the Y-axis direction orthogonal to the axial direction and a magnetic field component in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction are calculated.

また、第1の信号処理部12xが出力する信号が示す値をVsig,x、第2の信号処理部12yが出力する信号が示す値をVsig,y、第3の信号処理部12zが出力する信号が示す値をVsig,zとしたときに、補正係数は、3次元の出力信号である3次元ベクトル信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを他の3次元ベクトル信号Sx,Sy,Szに変換するための係数である。   Further, the value indicated by the signal output from the first signal processing unit 12x is Vsig, x, the value indicated by the signal output from the second signal processing unit 12y is Vsig, y, and the third signal processing unit 12z outputs the value. When the value indicated by the signal is Vsig, z, the correction coefficient is a three-dimensional vector signal Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z, which is a three-dimensional output signal, and other three-dimensional vector signals Sx, Sy, This is a coefficient for conversion to Sz.

また、補正係数は、第1の磁界と第2の磁界と第3の磁界とを3次元磁界測定装置10に印加したときの、第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2から出力される出力信号Vsig(HallX1)乃至Vsig(HallY2)に基づき演算される係数である。また、第1の磁界と第2の磁界と第3の磁界は、互いに線形独立な磁界である。   Further, the correction coefficients are the first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2 when the first magnetic field, the second magnetic field, and the third magnetic field are applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10. Is a coefficient calculated based on the output signals Vsig (HallX1) to Vsig (HallY2) output from. In addition, the first magnetic field, the second magnetic field, and the third magnetic field are magnetic fields that are linearly independent from each other.

また、直交する2軸方向をそれぞれX’軸方向、Y’軸方向、Z’軸方向と定義したときに、第1の磁界は、X’軸方向の磁界成分を有し、Y’軸方向の磁界成分とZ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界であり、第2の磁界は、Y’軸方向の磁界成分を有し、X’軸方向の磁界成分とZ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界であり、第3の磁界は、Z’軸方向の磁界成分を有し、X’軸方向の磁界成分とY’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界である。   Further, when the two orthogonal directions are defined as the X′-axis direction, the Y′-axis direction, and the Z′-axis direction, the first magnetic field has a magnetic field component in the X′-axis direction, and the Y′-axis direction. And the second magnetic field has a magnetic field component in the Y′-axis direction, a magnetic field component in the X′-axis direction, and a magnetic field component Z in the Z′-axis direction. 'A magnetic field component having a very small amount of magnetic field component in the axial direction and having substantially no magnetic field component. The third magnetic field has a magnetic field component in the Z' axis direction, and a magnetic field component in the X 'axis direction and a magnetic field in the Y' axis direction. It is a magnetic field that has very few components and substantially no magnetic field.

また、X軸方向とX’軸方向は同じ方向であり、Y軸方向とY’軸方向は同じ方向であり、Z軸方向とZ’軸方向は同じ方向である。
また、補正係数は、第1の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第1の信号処理部12xから出力される信号Vsig,xに基づく値をα1(数式17のDxx)、第1の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第3の信号処理部12zから出力される信号Vsig,zに基づく値をα2(数式17のNDzx)、第2の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第2の信号処理部12yから出力される信号Vsig,yに基づく値をβ1(数式17のDyy)、第2の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第3の信号処理部12zから出力される信号Vsig,zに基づく値をβ2(数式17のNDzy)、第3の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第1の信号処理部12xから出力される信号Vsig,xに基づく値をγ1(数式17のNDxz)、第3の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第2の信号処理部12yから出力される信号Vsig,yに基づく値をγ2(数式17のNDyz)、第3の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第3の信号処理部12zから出力される信号Vsig,zに基づく値をγ3(数式17のDzz)としたときの、α1、α2、β1、β2、γ1、γ2、γ3に基づく値である。
The X-axis direction and the X′-axis direction are the same direction, the Y-axis direction and the Y′-axis direction are the same direction, and the Z-axis direction and the Z′-axis direction are the same direction.
The correction coefficient is α1 (Dxx in Equation 17), a value based on the signal Vsig, x output from the first signal processing unit 12x when the first magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measurement apparatus 10. The value based on the signal Vsig, z output from the third signal processing unit 12z when the first magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 is α2 (NDzx in Expression 17), and the second magnetic field is the three-dimensional magnetic field. When a value based on the signal Vsig, y output from the second signal processing unit 12y when applied to the measuring device 10 is β1 (Dyy in Equation 17) and a second magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring device 10 The first signal processing unit when a value based on the signal Vsig, z output from the third signal processing unit 12z is β2 (NDzy in Expression 17) and a third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10. Signal V output from 12x The value based on the signal Vsig, y output from the second signal processing unit 12y when the value based on ig, x is γ1 (NDxz in Equation 17) and the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measurement apparatus 10. γ2 (NDyz in Expression 17), and a value based on the signal Vsig, z output from the third signal processing unit 12z when a third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 is expressed as γ3 (Dzz in Expression 17). Is a value based on α1, α2, β1, β2, γ1, γ2, and γ3.

また、第3の信号処理部12zにおいて、第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2の出力信号が入力され、第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2の出力信号の和又は差に基づく信号が出力される。
また、磁界成分算出部15は、第1乃至第3の信号処理部12x乃至12zの出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zと補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分を算出するX軸方向磁界成分算出部15xと、第1乃至第3の信号処理部12x乃至12zの出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zと補正係数に基づき、Y軸方向の磁界成分を算出するY軸方向磁界成分算出部15yと、第1乃至第3の信号処理部12x乃至12zの出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zと補正係数に基づき、Z軸方向の磁界成分を算出するZ軸方向磁界成分算出部15zとを備えている。
Further, in the third signal processing unit 12z, the output signals of the first to fourth magnetic detection elements 3X1 and 3X2 are input, and the sum or difference of the output signals of the first to fourth magnetic detection elements 3X1 and 3X2 is calculated. Based signal is output.
The magnetic field component calculation unit 15 calculates the magnetic field component in the X-axis direction based on the output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z and the correction coefficients of the first to third signal processing units 12x to 12z. Based on the output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z and correction coefficients of the X-axis direction magnetic field component calculation unit 15x and the first to third signal processing units 12x to 12z, the magnetic field component in the Y-axis direction is calculated. Based on the output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z and the correction coefficient of the Y-axis direction magnetic field component calculation unit 15y and the first to third signal processing units 12x to 12z, the magnetic field component in the Z-axis direction is calculated. And a Z-axis direction magnetic field component calculation unit 15z for calculation.

また、第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2が配置される半導体IC基板1を備え、第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2は、第1の磁気検出素子3X1と第2の磁気検出素子3X2とを結ぶ直線と、第3の磁気検出素子3Y1と第4の磁気検出素子3Y2とを結ぶ直線とが、互いに直交するように配置されている。   Further, the semiconductor IC substrate 1 on which the first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 are arranged is provided, and the first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 are the first A straight line connecting the magnetic detection element 3X1 and the second magnetic detection element 3X2 and a straight line connecting the third magnetic detection element 3Y1 and the fourth magnetic detection element 3Y2 are arranged to be orthogonal to each other.

また、第1の磁気検出素子3X1から第2の磁気検出素子3X2に向かう直線の方向と、X軸方向が同じ方向であり、第3の磁気検出素子3Y1から第4の磁気検出素子3Y2に向かう直線の方向と、Y軸方向が同じ方向である。
また、磁性体2の形状は、円形状であり、磁性体2の中心と、前記第1の磁気検出素子3X1と第2の磁気検出素子3X2とを結ぶ直線と、第3の磁気検出素子3Y1と第4の磁気検出素子3Y2とを結ぶ直線との交点が、半導体IC基板1を平面視ときに一致する位置に配置されている。
Further, the direction of the straight line from the first magnetic detection element 3X1 to the second magnetic detection element 3X2 is the same as the X-axis direction, and the third magnetic detection element 3Y1 is directed to the fourth magnetic detection element 3Y2. The direction of the straight line and the Y-axis direction are the same direction.
The shape of the magnetic body 2 is circular, the center of the magnetic body 2, the straight line connecting the first magnetic detection element 3X1 and the second magnetic detection element 3X2, and the third magnetic detection element 3Y1. And a line connecting the fourth magnetic detection element 3Y2 are arranged at positions that coincide with each other when the semiconductor IC substrate 1 is viewed in plan view.

図8に示した本発明の3次元磁界測定装置は、磁気集束板の外周付近の位置に対となったホール素子を配置した磁界測定装置の構造を取っており、この3次元磁界測定装置において設定された直交座標系(X軸,Y軸,Z軸)に関して、X軸上に対となったホール素子HallX1とHallX2が配置されており、Y軸上に対となったホール素子HallY1とHallY2が配置されている。   The three-dimensional magnetic field measuring apparatus of the present invention shown in FIG. 8 has the structure of a magnetic field measuring apparatus in which a pair of Hall elements is arranged near the outer periphery of the magnetic focusing plate. In this three-dimensional magnetic field measuring apparatus, With respect to the set orthogonal coordinate system (X axis, Y axis, Z axis), Hall elements HallX1 and HallX2 that are paired on the X axis are arranged, and Hall elements HallY1 and HallY2 that are paired on the Y axis are arranged. Is arranged.

これらの対になったホール素子HallX1とHallX2及びHallY1とHallY2において発生するホール起電力信号が信号増幅された後、加減算回路12のなかで、数式(5),(6),(7)で定義される信号処理が実行されることにより、3次元の電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)が生成される。
また、行列演算回路14において、3次元の電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)に行列M_VtoHを乗算する演算(数式23で定義される信号処理)が行われて、3次元ベクトル(Sx,Sy,Sz)が得られる。ここで、行列M_VtoHの成分の値は、不揮発性メモリに記憶されている。
After the Hall electromotive force signals generated in the Hall elements HallX1 and HallX2 and HallY1 and HallY2 that are paired with each other are amplified, the adder / subtracter circuit 12 defines the following equations (5), (6), and (7). By executing the signal processing, a three-dimensional electrical signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) is generated.
Further, the matrix calculation circuit 14 performs a calculation (signal processing defined by Expression 23) by multiplying the three-dimensional electrical signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) by the matrix M_VtoH, thereby performing a three-dimensional operation. A vector (Sx, Sy, Sz) is obtained. Here, the values of the components of the matrix M_VtoH are stored in the nonvolatile memory.

また、ここで、本発明の3次元磁界測定装置の出力信号は、上述した3次元ベクトル信号(Sx,Sy,Sz)又は上述した3次元ベクトル信号(Sx,Sy,Sz)から派生する信号となる。上述した3次元ベクトル信号(Sx,Sy,Sz)から派生する信号の例としては、3次元磁界測定装置において設定された直交座標系(X軸,Y軸,Z軸)に関して、XY平面のなかでのベクトル(Hx,Hy)の角度θxy及びYZ平面のなかでのベクトル(Hy,Hz)の角度θyz及びZX平面のなかでのベクトル(Hz,Hx)の角度θzxがある。   Here, the output signal of the three-dimensional magnetic field measuring apparatus of the present invention is a signal derived from the above-described three-dimensional vector signal (Sx, Sy, Sz) or the above-described three-dimensional vector signal (Sx, Sy, Sz). Become. As an example of a signal derived from the above-described three-dimensional vector signal (Sx, Sy, Sz), an orthogonal coordinate system (X-axis, Y-axis, Z-axis) set in the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is in the XY plane. There are an angle θxy of the vector (Hx, Hy) at, an angle θyz of the vector (Hy, Hz) in the YZ plane, and an angle θzx of the vector (Hz, Hx) in the ZX plane.

これらの角度θxy,角度θyz,角度θzxを出力する3次元磁界測定装置は、3次元磁界測定装置の近傍に置かれた磁性体の3次元回転位置を測定する3次元回転角度センサとして使用することができる。なお、θxy,θyz,θzxの計算方法については、θxy=atan(Sy/Sx),θyz=atan(Sz/Sy),θzx=atan(Sx/Sz)といった逆正接計算を行えばよい。実際に、これらの逆正接演算を行う場合には、AD変換器を使って、3次元ベクトル信号(Sx,Sy,Sz)をデジタル化された信号として測定し、CORDIC(Cordinate Rotation Digital Computing)アルゴリズムとして、一般に知られたアルゴリズムを使用することができる。   The three-dimensional magnetic field measuring device that outputs these angle θxy, angle θyz, and angle θzx should be used as a three-dimensional rotational angle sensor that measures the three-dimensional rotational position of a magnetic material placed in the vicinity of the three-dimensional magnetic field measuring device. Can do. As for the calculation method of θxy, θyz, and θzx, an arctangent calculation such as θxy = atan (Sy / Sx), θyz = atan (Sz / Sy), and θzx = atan (Sx / Sz) may be performed. Actually, when performing these arc tangent operations, an AD converter is used to measure a three-dimensional vector signal (Sx, Sy, Sz) as a digitized signal, and a CORDIC (Cordate Rotation Digital Computing) algorithm. As generally known algorithms can be used.

図8に示した3次元磁界測定装置は、半導体IC基板の内部にホール素子を形成したCMOSICの上部に磁気集束板を配置したシリコンモノリシック型の磁界測定装置の形態で実現するために非常に適したものである。
このように、本発明の3次元磁界測定装置によれば、X軸,Y軸,Z軸の各成分の磁界を電気信号に変換して測定する際の他軸感度の補正をすることができる。特に、電子コンパスや3次元回転角度センサなどに適用可能である。
The three-dimensional magnetic field measuring apparatus shown in FIG. 8 is very suitable for realization in the form of a silicon monolithic magnetic field measuring apparatus in which a magnetic focusing plate is arranged on top of a CMOSIC in which a Hall element is formed inside a semiconductor IC substrate. It is a thing.
As described above, according to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus of the present invention, it is possible to correct the other-axis sensitivity when measuring by converting the magnetic field of each component of the X axis, the Y axis, and the Z axis into an electric signal. . In particular, it can be applied to an electronic compass, a three-dimensional rotation angle sensor, and the like.

そして本発明の3次元磁界測定装置は、他軸感度が発生する構成の3次元磁界測定装置に特に好適に用いることができる。他軸感度は、例えば、磁性体2と、磁性体2の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2を備えた3次元磁界測定装置において、磁性体2の形状が点対称な形状であり、磁性体2を平面視したときに、磁気検出素子3X1と磁気検出素子3X2とを結ぶ線分の中点の位置と、磁性体の対称点の位置が異なる場合や、磁気検出素子3Y1と磁気検出素子3Y2とを結ぶ線分の中点の位置と、磁性体の対称点の位置が異なる場合などに発生する。この他、磁気検出素子3X1と磁気検出素子3X2の磁気感度が異なる場合や、磁気検出素子3Y1と磁気検出素子3Y2の磁気感度が異なる場合、磁気検出素子3X1の感磁部の磁性体に覆われている部分の面積と磁気検出素子3X2の感磁部の磁性体に覆われている部分の面積が異なる場合や、磁気検出素子3Y1の感磁部の磁性体に覆われている部分の面積と磁気検出素子3Y2の感磁部の磁性体に覆われている部分の面積が異なる場合に発生する。
図9は、本発明に係る3次元磁界測定装置の磁界測定方法における補正手順のフローチャートを示す図である。
The three-dimensional magnetic field measurement apparatus of the present invention can be used particularly suitably for a three-dimensional magnetic field measurement apparatus having a configuration in which other-axis sensitivity is generated. The other-axis sensitivity is, for example, in the three-dimensional magnetic field measuring apparatus including the magnetic body 2 and the first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 disposed in the vicinity of the magnetic body 2. Is a point-symmetric shape, and when the magnetic body 2 is viewed in plan, the position of the midpoint of the line segment connecting the magnetic detection element 3X1 and the magnetic detection element 3X2 is different from the position of the symmetry point of the magnetic body This occurs when the position of the midpoint of the line segment connecting the magnetic detection element 3Y1 and the magnetic detection element 3Y2 is different from the position of the symmetry point of the magnetic body. In addition, when the magnetic sensitivities of the magnetic detection element 3X1 and the magnetic detection element 3X2 are different, or when the magnetic sensitivities of the magnetic detection element 3Y1 and the magnetic detection element 3Y2 are different, they are covered with the magnetic material of the magnetic sensing part of the magnetic detection element 3X1. The area of the magnetic sensing element 3X2 is different from the area covered by the magnetic body of the magnetic sensing element 3X2, or the area of the magnetic sensing element 3Y1 covered by the magnetic body of the magnetic sensing element This occurs when the areas of the portions of the magnetic sensing element 3Y2 covered by the magnetic material of the magnetic sensing part are different.
FIG. 9 is a flowchart of a correction procedure in the magnetic field measurement method of the three-dimensional magnetic field measurement apparatus according to the present invention.

本発明の3次元磁界測定方法は、半導体IC基板1上に設けられた磁気収束板2の周辺に複数の磁気検出素子3を配置した3次元磁界測定装置における3次元磁界測定方法である。
まず、補正操作が開始されると、X軸方向だけに一定の磁界成分を持つ補正磁界を入力し、出力(電気)信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を測定する(ステップS1)。
The three-dimensional magnetic field measurement method of the present invention is a three-dimensional magnetic field measurement method in a three-dimensional magnetic field measurement apparatus in which a plurality of magnetic detection elements 3 are arranged around a magnetic convergence plate 2 provided on a semiconductor IC substrate 1.
First, when a correction operation is started, a correction magnetic field having a constant magnetic field component only in the X-axis direction is input, and output (electric) signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) are measured (step) S1).

次に、Y軸方向だけに一定の磁界成分を持つ補正磁界を入力し、出力(電気)信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を測定する(ステップS2)。
次に、Z軸方向だけに一定の磁界成分を持つ補正磁界を入力し、出力(電気)信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を測定する(ステップS3)。
次に、補正のなかで測定された信号をもとに、行列(M_HtoV)を計算する。また、逆行列(M_VtoH)を計算する(ステップS4)。次に、3次元の出力(電気)信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数となる逆行列式(M_VtoH)の成分を3次元磁界測定装置となるCMOSICのなかの不揮発性メモリに記憶させる(ステップS5)。
Next, a correction magnetic field having a constant magnetic field component only in the Y-axis direction is input, and output (electric) signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) are measured (step S2).
Next, a correction magnetic field having a constant magnetic field component only in the Z-axis direction is input, and output (electric) signals (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) are measured (step S3).
Next, a matrix (M_HtoV) is calculated based on the signal measured in the correction. Also, an inverse matrix (M_VtoH) is calculated (step S4). Next, a component of an inverse determinant (M_VtoH) serving as a correction coefficient for correcting other-axis sensitivity generated in magnetoelectric conversion for generating a three-dimensional output (electric) signal (Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z) Is stored in a non-volatile memory in a CMOSIC which is a three-dimensional magnetic field measuring device (step S5).

図9に示した補正手順においては、互いに線形独立となる3つの3次元磁界ベクトルを3次元磁界測定装置に入力して、それぞれの3次元磁界ベクトルに対応した電気信号(Vsig,x、Vsig,y、Vsig,z)を測定することにより、行列M_HtoVの成分を測定している。
本発明の3次元磁界測定装置をシリコンモノリシックの形態で実現する場合、測定された行列M_HtoVから、その逆行列である行列M_VtoHを計算する過程の操作は、シリコンモノリシック型の磁界測定装置を補正するための補正装置を用いて実行し、計算された行列M_VtoHの成分をシリコンモノリシック型の磁界測定装置内部に用意された不揮発性メモリに書き込むことにより、シリコンモノリシック型の3次元磁界測定装置の補正を行うことができる。
In the correction procedure shown in FIG. 9, three three-dimensional magnetic field vectors that are linearly independent from each other are input to a three-dimensional magnetic field measuring apparatus, and electrical signals (Vsig, x, Vsig, By measuring y, Vsig, z), the components of the matrix M_HtoV are measured.
When the three-dimensional magnetic field measurement apparatus of the present invention is realized in the form of silicon monolithic, the operation of the process of calculating the matrix M_VtoH that is the inverse matrix from the measured matrix M_HtoV corrects the silicon monolithic magnetic field measurement apparatus. And correcting the silicon monolithic three-dimensional magnetic field measuring device by writing the calculated matrix M_VtoH component into a non-volatile memory prepared in the silicon monolithic magnetic field measuring device. It can be carried out.

以下に、本発明の3次元磁界測定方法についてさらに詳細に説明する。本発明の3次元磁界測定方法は、演算ステップと補正係数記憶ステップと算出ステップとを有している。
演算ステップは、第1乃至第3の信号処理部12x,12y,12zにおいて、磁性体2に入力される3次元磁界ベクトルHx,Hy,Hzに対応する3次元のベクトル信号である出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを生成するものである。
Hereinafter, the three-dimensional magnetic field measuring method of the present invention will be described in more detail. The three-dimensional magnetic field measurement method of the present invention has a calculation step, a correction coefficient storage step, and a calculation step.
In the first to third signal processing units 12x, 12y, and 12z, the calculation step includes an output signal Vsig, which is a three-dimensional vector signal corresponding to the three-dimensional magnetic field vector Hx, Hy, Hz input to the magnetic body 2. x, Vsig, y, and Vsig, z are generated.

また、補正係数記憶ステップは、補正係数記憶部14において、演算ステップによる3次元の出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶するものである。
また、算出ステップは、磁界成分算出部15において、補正係数記憶ステップにより記憶された補正係数に基づいて3次元の出力信号を算出するものである。
In the correction coefficient storage step, the correction coefficient storage unit 14 corrects the other-axis sensitivity generated in the magnetoelectric conversion for generating the three-dimensional output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z by the calculation step. Is memorized.
In the calculation step, the magnetic field component calculation unit 15 calculates a three-dimensional output signal based on the correction coefficient stored in the correction coefficient storage step.

また、他軸感度は、X軸とZ軸との間の他軸感度と、Y軸とZ軸との間の他軸感度を意味している。また、他軸感度は、磁性体2と磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2との間の相対位置ずれにより発生するものである。また、他軸感度は、X軸及びY軸に配置された磁気検出素子対3X1/3X2,3Y1/3Y2の各々の磁気検出素子3X1と3X2又は3Y1と3Y2の磁気感度の誤差により発生するものである。   The other axis sensitivity means the other axis sensitivity between the X axis and the Z axis and the other axis sensitivity between the Y axis and the Z axis. The other-axis sensitivity is generated by a relative positional shift between the magnetic body 2 and the magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2. The other-axis sensitivity is generated by an error in the magnetic sensitivity of the magnetic detection elements 3X1 and 3X2 or 3Y1 and 3Y2 of the magnetic detection element pairs 3X1 / 3X2 and 3Y1 / 3Y2 arranged on the X axis and the Y axis. is there.

また、3次元の出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを生成する磁電変換の関係式は、行列(M_HtoV)で表される。
また、演算ステップは、第1乃至第3の信号処理部12x乃至12zを備えた加減算ステップを有している。また、算出ステップは、磁界成分算出部15で処理され、この磁界成分算出部15が行列演算ステップを有している。
A relational expression of magnetoelectric conversion for generating the three-dimensional output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z is represented by a matrix (M_HtoV).
Further, the calculation step includes an addition / subtraction step including first to third signal processing units 12x to 12z. Further, the calculation step is processed by the magnetic field component calculation unit 15, and the magnetic field component calculation unit 15 has a matrix calculation step.

また、行列演算ステップは、3次元の出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zに逆行列(M_VtoH)を乗算する演算を行って、他の3次元ベクトル信号Sx,Sy,Szを得るものである。
また、磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2は、ホール素子であることが望ましい。
In the matrix operation step, another three-dimensional vector signal Sx, Sy, Sz is obtained by performing an operation of multiplying the three-dimensional output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z by an inverse matrix (M_VtoH). Is.
The magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 are desirably Hall elements.

また、本発明の3次元磁界測定方法は、磁性体2の近傍に配置される第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2を備え、第1の信号処理ステップと第2の信号処理ステップと第3の信号処理ステップと補正係数記憶ステップと磁界成分算出ステップとを有している。
第1の信号処理ステップは、第1の信号処理部12xにおいて、第1の磁気検出素子3X1の出力信号Vsig(HallX1)と第2の磁気検出素子3X2の出力信号Vsig(HallX2)が入力され、第1の磁気検出素子3X1の出力信号Vsig(HallX1)と第2の磁気検出素子3X2の出力信号Vsig(HallX2)の差又は和に基づく信号Vsig,xを出力するものである。
The three-dimensional magnetic field measurement method of the present invention includes first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 disposed in the vicinity of the magnetic body 2, and includes a first signal processing step and a second signal processing step. A signal processing step, a third signal processing step, a correction coefficient storage step, and a magnetic field component calculation step.
In the first signal processing step, the output signal Vsig (HallX1) of the first magnetic detection element 3X1 and the output signal Vsig (HallX2) of the second magnetic detection element 3X2 are input in the first signal processing unit 12x. A signal Vsig, x based on the difference or sum of the output signal Vsig (HallX1) of the first magnetic detection element 3X1 and the output signal Vsig (HallX2) of the second magnetic detection element 3X2 is output.

また、第2の信号処理ステップは、第2の信号処理部12yにおいて、第3の磁気検出素子3Y1の出力信号Vsig(HallY1)と第4の磁気検出素子3Y2の出力信号Vsig(HallY2)が入力され、第3の磁気検出素子3Y1の出力信号Vsig(HallY1)と第4の磁気検出素子3Y2の出力信号Vsig(HallY2)の差又は和に基づく信号Vsig,yを出力するものである。   In the second signal processing step, the output signal Vsig (HallY1) of the third magnetic detection element 3Y1 and the output signal Vsig (HallY2) of the fourth magnetic detection element 3Y2 are input in the second signal processing unit 12y. The signal Vsig, y based on the difference or sum of the output signal Vsig (HallY1) of the third magnetic detection element 3Y1 and the output signal Vsig (HallY2) of the fourth magnetic detection element 3Y2 is output.

また、第3の信号処理ステップは、第3の信号処理部12zにおいて、第1の磁気検出素子3X1の出力信号Vsig(HallX1)と第2の磁気検出素子3X2の出力信号Vsig(HallX2)が入力され、第1の磁気検出素子3X1の出力信号Vsig(HallX1)と第2の磁気検出素子3X2の出力信号Vsig(HallX2)の和又は差に基づく信号であり、第1の信号処理部12xと異なる信号Vsig,zを出力するものである。   In the third signal processing step, the output signal Vsig (HallX1) of the first magnetic detection element 3X1 and the output signal Vsig (HallX2) of the second magnetic detection element 3X2 are input in the third signal processing unit 12z. The signal is based on the sum or difference of the output signal Vsig (HallX1) of the first magnetic detection element 3X1 and the output signal Vsig (HallX2) of the second magnetic detection element 3X2, and is different from the first signal processing unit 12x. The signal Vsig, z is output.

また、補正係数記憶ステップは、補正係数記憶部14において、第1乃至第3の信号処理部12x乃至12zによる3次元の出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶するものである。
また、磁界成分算出ステップは、磁界成分算出部15において、第1乃至第3の信号処理ステップの出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zと補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分と、X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出するものである。
The correction coefficient storage step is a magnetoelectric conversion in the correction coefficient storage unit 14 that generates the three-dimensional output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z by the first to third signal processing units 12x to 12z. A correction coefficient for correcting the generated other-axis sensitivity is stored.
In the magnetic field component calculation step, in the magnetic field component calculation unit 15, the magnetic field component in the X-axis direction is based on the output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z and the correction coefficient of the first to third signal processing steps. Then, the magnetic field component in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction and the magnetic field component in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction are calculated.

また、第1の信号処理ステップが出力する信号が示す値をVsig,x、第2の信号処理ステップが出力する信号が示す値をVsig,y、第3の信号処理ステップが出力する信号が示す値をVsig,zとしたときに、補正係数は、3次元の出力信号である3次元ベクトル信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zを他の3次元ベクトル信号Sx,Sy,Szに変換するための係数である。   Further, the value indicated by the signal output from the first signal processing step is Vsig, x, the value indicated by the signal output from the second signal processing step is Vsig, y, and the signal output from the third signal processing step is indicated. When the value is Vsig, z, the correction coefficient is converted from the three-dimensional vector signal Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z, which is a three-dimensional output signal, to other three-dimensional vector signals Sx, Sy, Sz. It is a coefficient to do.

また、補正係数は、第1の磁界と第2の磁界と第3の磁界とを3次元磁界測定装置10に印加したときの、第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2から出力される出力信号Vsig(HallX1)乃至Vsig(HallY2)に基づき演算される係数である。また、第1の磁界と第2の磁界と前記第3の磁界は、互いに線形独立な磁界である。   Further, the correction coefficients are the first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2 when the first magnetic field, the second magnetic field, and the third magnetic field are applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10. Is a coefficient calculated based on the output signals Vsig (HallX1) to Vsig (HallY2) output from. Further, the first magnetic field, the second magnetic field, and the third magnetic field are magnetic fields that are linearly independent from each other.

また、直交する2軸方向をそれぞれX’軸方向、Y’軸方向、Z’軸方向と定義したときに、第1の磁界は、X’軸方向の磁界成分を有し、Y’軸方向の磁界成分とZ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界であり、第2の磁界は、Y’軸方向の磁界成分を有し、X’軸方向の磁界成分とZ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界であり、第3の磁界は、Z’軸方向の磁界成分を有し、X’軸方向の磁界成分とY’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界である。   Further, when the two orthogonal directions are defined as the X′-axis direction, the Y′-axis direction, and the Z′-axis direction, the first magnetic field has a magnetic field component in the X′-axis direction, and the Y′-axis direction. And the second magnetic field has a magnetic field component in the Y′-axis direction, a magnetic field component in the X′-axis direction, and a magnetic field component Z in the Z′-axis direction. 'A magnetic field component having a very small amount of magnetic field component in the axial direction and having substantially no magnetic field component. The third magnetic field has a magnetic field component in the Z' axis direction, and a magnetic field component in the X 'axis direction and a magnetic field in the Y' axis direction. It is a magnetic field that has very few components and substantially no magnetic field.

また、X軸方向と前記X’軸方向は同じ方向であり、Y軸方向と前記Y’軸方向は同じ方向であり、Z軸方向と前記Z’軸方向は同じ方向である。
また、補正係数は、第1の磁界を前記3次元磁界測定装置10に印加したときに第1の信号処理ステップから出力される信号Vsig,xに基づく値をα1(数式17のDxx)、第1の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第3の信号処理ステップから出力される信号Vsig,zに基づく値をα2(数式17のNDzx)、第2の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第2の信号処理ステップから出力される信号Vsig,yに基づく値をβ1(数式17のDyy)、第2の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第3の信号処理ステップから出力される信号Vsig,zに基づく値をβ2(数式17のNDzy)、第3の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第1の信号処理ステップから出力される信号Vsig,xに基づく値をγ1(数式17のNDxz)、第3の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第2の信号処理ステップから出力される信号Vsig,yに基づく値をγ2(数式17のNDyz)、第3の磁界を3次元磁界測定装置10に印加したときに第3の信号処理ステップから出力される信号Vsig,zに基づく値をγ3(数式17のDzz)としたときの、α1、α2、β1、β2、γ1、γ2、γ3に基づく値である。
The X-axis direction and the X′-axis direction are the same direction, the Y-axis direction and the Y′-axis direction are the same direction, and the Z-axis direction and the Z′-axis direction are the same direction.
The correction coefficient is α1 (Dxx in Expression 17), a value based on the signal Vsig, x output from the first signal processing step when the first magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measurement apparatus 10. The value based on the signal Vsig, z output from the third signal processing step when the magnetic field of 1 is applied to the three-dimensional magnetic field measurement apparatus 10 is α2 (NDzx in Expression 17), and the second magnetic field is measured in three-dimensional magnetic field. A value based on the signal Vsig, y output from the second signal processing step when applied to the apparatus 10 is β1 (Dyy in Expression 17), and the second magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 when the second magnetic field is applied. 3 is output from the first signal processing step when a value based on the signal Vsig, z output from the signal processing step 3 is β2 (NDzy in Expression 17) and the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10. Belief A value based on Vsig, x is γ1 (NDxz in Expression 17), and a value based on the signal Vsig, y output from the second signal processing step when the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 is γ2. (NDyz in Equation 17), and a value based on the signal Vsig, z output from the third signal processing step when the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus 10 is γ3 (Dzz in Equation 17). Values based on α1, α2, β1, β2, γ1, γ2, and γ3.

また、第3の信号処理ステップにおいて、第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2の出力信号が入力され、第1乃至第4の磁気検出素子3X1,3X2,3Y1,3Y2の出力信号の和又は差に基づく信号が出力される。
また、磁界成分算出ステップは、第1乃至第3の信号処理ステップの出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zと補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分を算出するX軸方向磁界成分算出ステップと、第1乃至第3の信号処理ステップの出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zと補正係数に基づき、Y軸方向の磁界成分を算出するY軸方向磁界成分算出ステップと、第1乃至第3の信号処理ステップの出力信号Vsig,x、Vsig,y、Vsig,zと補正係数に基づき、Z軸方向の磁界成分を算出するZ軸方向磁界成分算出ステップとを有している。
In the third signal processing step, the output signals of the first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 are inputted, and the first to fourth magnetic detection elements 3X1, 3X2, 3Y1, and 3Y2 A signal based on the sum or difference of the output signals is output.
The magnetic field component calculating step calculates the magnetic field component in the X-axis direction based on the output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z and the correction coefficient in the first to third signal processing steps. Y-axis direction magnetic field component calculation step for calculating the Y-axis direction magnetic field component based on the component calculation step and the output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z and the correction coefficient of the first to third signal processing steps And a Z-axis direction magnetic field component calculation step for calculating a magnetic field component in the Z-axis direction based on the output signals Vsig, x, Vsig, y, Vsig, z and the correction coefficient of the first to third signal processing steps. doing.

このように、本発明の3次元磁界測定方法によれば、X軸,Y軸,Z軸の各成分の磁界を電気信号に変換して測定する際の他軸感度の補正及び補正(補正)をすることができる。特に、電子コンパスや3次元回転角度センサなどに適用可能である。
そして、本発明の3次元磁界測定方法は、他軸感度が発生する構成の3次元磁界測定装置に特に好適に適用することができる。
As described above, according to the three-dimensional magnetic field measurement method of the present invention, correction and correction (correction) of other-axis sensitivity when the magnetic field of each component of the X-axis, Y-axis, and Z-axis is converted into an electric signal and measured. Can do. In particular, it can be applied to an electronic compass, a three-dimensional rotation angle sensor, and the like.
The three-dimensional magnetic field measuring method of the present invention can be particularly preferably applied to a three-dimensional magnetic field measuring apparatus configured to generate other-axis sensitivity.

1 半導体IC基板(CMOSIC)
2 磁性体(磁気収束板)
3(3X1,3X2,3Y1,3Y2) 磁気検出素子(ホール素子)
4 磁気収束板の外周
10 3次元磁界測定装置
11 補正係数生成装置
12(12x乃至12z) 信号処理部(加減算回路)
13 インターフェイス回路
14 補正係数記憶部(不揮発性メモリ)
15(15x乃至15z) 磁界成分算出部(行列演算回路)
1 Semiconductor IC substrate (CMOSIC)
2 Magnetic material (magnetic convergence plate)
3 (3X1, 3X2, 3Y1, 3Y2) Magnetic detection element (Hall element)
4 outer periphery of magnetic focusing plate 10 three-dimensional magnetic field measuring device 11 correction coefficient generating device 12 (12x to 12z) signal processing unit (addition / subtraction circuit)
13 Interface circuit 14 Correction coefficient storage unit (nonvolatile memory)
15 (15x to 15z) Magnetic field component calculation unit (matrix operation circuit)

Claims (21)

磁性体と、
前記磁性体の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子と、
を備える3次元磁界測定装置において、
前記第1乃至第4の磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記3次元磁界測定装置に印加される磁界に応じた出力信号を生成する演算部と、
前記演算部の出力信号に含まれる他軸感度成分を補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶部と、
前記演算部の出力信号と前記補正係数に基づいて前記3次元磁界測定装置に印加される前記磁界のX軸方向の磁界成分と、前記X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、前記X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出する算出部と、
を備える3次元磁界測定装置。
Magnetic material,
First to fourth magnetic sensing elements disposed in the vicinity of the magnetic body;
In a three-dimensional magnetic field measuring apparatus comprising:
A calculation unit that generates an output signal corresponding to a magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measurement device based on output signals of the first to fourth magnetic detection elements;
A correction coefficient storage unit that stores a correction coefficient for correcting the other-axis sensitivity component included in the output signal of the calculation unit;
The magnetic field component in the X-axis direction of the magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measurement device based on the output signal of the arithmetic unit and the correction coefficient; the magnetic field component in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction; A calculation unit for calculating a magnetic field component in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction;
A three-dimensional magnetic field measuring apparatus.
前記演算部は、
前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第1の信号処理部と、
前記第3の磁気検出素子の出力信号と前記第4の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第3の磁気検出素子の出力信号と前記第4の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第2の信号処理部と、
前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号の和又は差に基づく信号であり、前記第1の信号処理部と異なる信号を出力する第3の信号処理部と、
を備える請求項1に記載の3次元磁界測定装置。
The computing unit is
The output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element are input, and the difference or sum of the output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element A first signal processing unit for outputting a signal based on
The output signal of the third magnetic detection element and the output signal of the fourth magnetic detection element are input, and the difference or sum of the output signal of the third magnetic detection element and the output signal of the fourth magnetic detection element A second signal processing unit for outputting a signal based on
The output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element are input, and the sum or difference of the output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element A third signal processing unit that outputs a signal different from that of the first signal processing unit,
The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to claim 1, comprising:
磁性体と、
前記磁性体の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子と、
前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第1の信号処理部と、
前記第3の磁気検出素子の出力信号と前記第4の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第3の磁気検出素子の出力信号と前記第4の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第2の信号処理部と、
前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号の和又は差に基づく信号であり、前記第1の信号処理部と異なる信号を出力する第3の信号処理部と、
前記第1乃至第3の信号処理部の出力信号を補正する補正係数を記憶するための補正係数記憶部と、
前記第1乃至第3の信号処理部の出力信号と前記補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分と、前記X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、前記X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出する磁界成分算出部と、
を備える3次元磁界測定装置。
Magnetic material,
First to fourth magnetic sensing elements disposed in the vicinity of the magnetic body;
The output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element are input, and the difference or sum of the output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element A first signal processing unit for outputting a signal based on
The output signal of the third magnetic detection element and the output signal of the fourth magnetic detection element are input, and the difference or sum of the output signal of the third magnetic detection element and the output signal of the fourth magnetic detection element A second signal processing unit for outputting a signal based on
The output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element are input, and the sum or difference of the output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element A third signal processing unit that outputs a signal different from that of the first signal processing unit,
A correction coefficient storage unit for storing a correction coefficient for correcting the output signals of the first to third signal processing units;
Based on the output signals of the first to third signal processing units and the correction coefficient, the magnetic field component in the X-axis direction, the magnetic field component in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction, the X-axis direction, and the Y-axis A magnetic field component calculation unit for calculating a magnetic field component in the Z-axis direction orthogonal to the direction;
A three-dimensional magnetic field measuring apparatus.
前記第1の信号処理部が出力する信号が示す値をVsig,x、
前記第2の信号処理部が出力する信号が示す値をVsig,y、
前記第3の信号処理部が出力する信号が示す値をVsig,z
としたときに、
前記補正係数が、
3次元ベクトル信号を他の3次元ベクトル信号に変換するための係数である請求項2又は3に記載の3次元磁界測定装置。
The value indicated by the signal output from the first signal processing unit is Vsig, x,
The value indicated by the signal output from the second signal processing unit is represented by Vsig, y,
The value indicated by the signal output from the third signal processing unit is expressed as Vsig, z
And when
The correction factor is
The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to claim 2 or 3, wherein the three-dimensional vector signal is a coefficient for converting a three-dimensional vector signal into another three-dimensional vector signal.
前記補正係数が、
第1の磁界と第2の磁界と第3の磁界とを前記3次元磁界測定装置に印加したときの、前記第1乃至第4の磁気検出素子から出力される出力信号に基づき演算される係数である請求項1から4のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。
The correction factor is
A coefficient calculated based on output signals output from the first to fourth magnetic detection elements when the first magnetic field, the second magnetic field, and the third magnetic field are applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus. The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to claim 1, wherein
前記第1の磁界と前記第2の磁界と前記第3の磁界は、互いに線形独立な磁界である請求項5に記載の3次元磁界測定装置。   The three-dimensional magnetic field measurement apparatus according to claim 5, wherein the first magnetic field, the second magnetic field, and the third magnetic field are linearly independent magnetic fields. 直交する3軸方向をそれぞれX’軸方向、Y’軸方向、Z’軸方向と定義したときに、
前記第1の磁界は、X’軸方向の磁界成分を有し、Y’軸方向の磁界成分とZ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界であり、
前記第2の磁界は、Y’軸方向の磁界成分を有し、X’軸方向の磁界成分とZ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界であり、
前記第3の磁界は、Z’軸方向の磁界成分を有し、X’軸方向の磁界成分とY’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界である請求項5又は6に記載の3次元磁界測定装置。
When the three orthogonal directions are defined as the X ′ axis direction, the Y ′ axis direction, and the Z ′ axis direction, respectively,
The first magnetic field is a magnetic field having a magnetic field component in the X′-axis direction and having very little magnetic field component in the Y′-axis direction and magnetic field component in the Z′-axis direction,
The second magnetic field is a magnetic field having a magnetic field component in the Y′-axis direction and having very little magnetic field component in the X′-axis direction and magnetic field component in the Z′-axis direction,
The three-dimensional magnetic field according to claim 5 or 6, wherein the third magnetic field is a magnetic field having a magnetic field component in the Z'-axis direction and having a very small magnetic field component in the X'-axis direction and a magnetic field component in the Y'-axis direction. measuring device.
前記X軸方向と前記X’軸方向は同じ方向であり、前記Y軸方向と前記Y’軸方向は同じ方向であり、前記Z軸方向と前記Z’軸方向は同じ方向である請求項7に記載の3次元磁界測定装置。   The X-axis direction and the X′-axis direction are the same direction, the Y-axis direction and the Y′-axis direction are the same direction, and the Z-axis direction and the Z′-axis direction are the same direction. The three-dimensional magnetic field measuring apparatus described in 1. 前記補正係数が、
前記第1の磁界を前記3次元磁界測定装置に印加したときに前記第1の信号処理部から出力される信号に基づく値をα1、
前記第1の磁界を前記3次元磁界測定装置に印加したときに前記第3の信号処理部から出力される信号に基づく値をα2、
前記第2の磁界を前記3次元磁界測定装置に印加したときに前記第2の信号処理部から出力される信号に基づく値をβ1、
前記第2の磁界を前記3次元磁界測定装置に印加したときに前記第3の信号処理部から出力される信号に基づく値をβ2、
前記第3の磁界を前記3次元磁界測定装置に印加したときに前記第1の信号処理部から出力される信号に基づく値をγ1、
前記第3の磁界を前記3次元磁界測定装置に印加したときに前記第2の信号処理部から出力される信号に基づく値をγ2、
前記第3の磁界を前記3次元磁界測定装置に印加したときに前記第3の信号処理部から出力される信号に基づく値をγ3としたときの、
前記α1、α2、β1、β2、γ1、γ2、γ3に基づく値である請求項5から8のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。
The correction factor is
A value based on a signal output from the first signal processing unit when the first magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is α1,
A value based on a signal output from the third signal processing unit when the first magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is α2,
A value based on a signal output from the second signal processing unit when the second magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is β1,
A value based on a signal output from the third signal processing unit when the second magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is β2,
A value based on a signal output from the first signal processing unit when the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measurement apparatus is γ1,
A value based on a signal output from the second signal processing unit when the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is γ2,
When a value based on a signal output from the third signal processing unit when the third magnetic field is applied to the three-dimensional magnetic field measurement device is γ3,
The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to any one of claims 5 to 8, wherein the three-dimensional magnetic field measuring apparatus is a value based on the α1, α2, β1, β2, γ1, γ2, and γ3.
前記第3の信号処理部が、前記第1乃至第4の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第1乃至第4の磁気検出素子の出力信号の和又は差に基づく信号が出力される請求項2乃至9のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。   The third signal processing unit receives the output signals of the first to fourth magnetic detection elements, and outputs a signal based on the sum or difference of the output signals of the first to fourth magnetic detection elements. The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to claim 2. 前記磁界成分算出部が、
前記第1乃至第3の信号処理部の出力信号と前記補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分を算出するX軸方向磁界成分算出部と、
前記第1乃至第3の信号処理部の出力信号と前記補正係数に基づき、Y軸方向の磁界成分を算出するY軸方向磁界成分算出部と、
前記第1乃至第3の信号処理部の出力信号と前記補正係数に基づき、Z軸方向の磁界成分を算出するZ軸方向磁界成分算出部と、
を備えている請求項3に記載の3次元磁界測定装置。
The magnetic field component calculation unit
An X-axis direction magnetic field component calculation unit for calculating a magnetic field component in the X-axis direction based on the output signals of the first to third signal processing units and the correction coefficient;
A Y-axis direction magnetic field component calculation unit for calculating a magnetic field component in the Y-axis direction based on the output signals of the first to third signal processing units and the correction coefficient;
A Z-axis direction magnetic field component calculation unit that calculates a magnetic field component in the Z-axis direction based on the output signals of the first to third signal processing units and the correction coefficient;
The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to claim 3, comprising:
前記第1乃至第4の磁気検出素子が配置される前記半導体IC基板を備え、前記第1乃至第4の磁気検出素子は、前記第1の磁気検出素子と前記第2の磁気検出素子とを結ぶ直線と、前記第3の磁気検出素子と前記第4の磁気検出素子とを結ぶ直線とが、互いに略直交するように配置されている請求項1乃至11のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。   The semiconductor IC substrate on which the first to fourth magnetic detection elements are arranged, wherein the first to fourth magnetic detection elements include the first magnetic detection element and the second magnetic detection element. The three-dimensional magnetic field according to any one of claims 1 to 11, wherein a connecting straight line and a straight line connecting the third magnetic detection element and the fourth magnetic detection element are arranged so as to be substantially orthogonal to each other. measuring device. 前記第1の磁気検出素子から前記第2の磁気検出素子に向かう直線の方向と、前記X軸方向が同じ方向であり、前記第3の磁気検出素子から前記第4の磁気検出素子に向かう直線の方向と、前記Y軸方向が同じ方向である請求項12に記載の3次元磁界測定装置。   The straight line direction from the first magnetic detection element to the second magnetic detection element and the X-axis direction are the same direction, and the straight line from the third magnetic detection element to the fourth magnetic detection element The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to claim 12, wherein the direction and the Y-axis direction are the same. 前記第1乃至第4の磁気検出素子は、
前記磁性体を平面視したときに、各磁気検出素子の感磁部の少なくとも一部が前記磁性体に覆われる位置に配置される請求項1乃至13のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。
The first to fourth magnetic detection elements are:
The three-dimensional magnetic field measurement apparatus according to any one of claims 1 to 13, wherein when the magnetic body is viewed in plan, at least a part of a magnetic sensing portion of each magnetic detection element is disposed at a position covered with the magnetic body. .
前記磁性体の形状が円形状又は多角形状である請求項1乃至14のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。   The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to claim 1, wherein the magnetic body has a circular shape or a polygonal shape. 前記磁性体の形状が点対称な形状であり、
前記磁性体を平面視したときに、
前記第1の磁気検出素子と前記第2の磁気検出素子とを結ぶ線分の中点の位置と、前記磁性体の対称点の位置が異なる請求項1から15のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。
The shape of the magnetic body is a point-symmetric shape,
When the magnetic body is viewed in plan view,
The three-dimensional according to any one of claims 1 to 15, wherein a position of a midpoint of a line segment connecting the first magnetic detection element and the second magnetic detection element is different from a position of a symmetry point of the magnetic body. Magnetic field measuring device.
前記第1の磁気検出素子の磁気感度と前記第2の磁気検出素子の磁気感度が異なる請求項1から16のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。   The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to any one of claims 1 to 16, wherein a magnetic sensitivity of the first magnetic detection element is different from a magnetic sensitivity of the second magnetic detection element. 前記磁性体を平面視したときに、
前記第1の磁気検出素子の感磁部の前記磁性体に覆われている部分の面積と、前記第2の磁気検出素子の感磁部の前記磁性体に覆われている部分の面積が異なる面積である請求項1から17のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。
When the magnetic body is viewed in plan view,
The area of the magnetic sensing part of the first magnetic sensing element covered by the magnetic material is different from the area of the magnetic sensing part of the second magnetic sensing element covered by the magnetic material. The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to any one of claims 1 to 17, which is an area.
前記磁気検出素子が、ホール素子である請求項1乃至18のいずれかに記載の3次元磁界測定装置。   The three-dimensional magnetic field measuring apparatus according to claim 1, wherein the magnetic detection element is a Hall element. 磁性体と、
前記磁性体の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子と、
を備える3次元磁界測定装置を用いた3次元磁界測定方法であって、
前記第1乃至第4の磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記3次元磁界測定装置に印加される磁界に応じた出力信号を生成する演算ステップと、
前記演算ステップで生成された信号に含まれる他軸感度成分を補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶ステップと、
前記演算ステップで生成された信号と前記補正係数に基づいて前記3次元磁界測定装置に印加される前記磁界のX軸方向の磁界成分と、前記X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、前記X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出する算出ステップと、
を有する3次元磁界測定方法。
Magnetic material,
First to fourth magnetic sensing elements disposed in the vicinity of the magnetic body;
A three-dimensional magnetic field measurement method using a three-dimensional magnetic field measurement apparatus comprising:
A calculation step of generating an output signal corresponding to a magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measurement device based on output signals of the first to fourth magnetic detection elements;
A correction coefficient storage step for storing a correction coefficient for correcting the other-axis sensitivity component included in the signal generated in the calculation step;
A magnetic field component in the X-axis direction of the magnetic field applied to the three-dimensional magnetic field measurement device based on the signal generated in the calculation step and the correction coefficient; and a magnetic field component in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction; Calculating a magnetic field component in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction;
A three-dimensional magnetic field measuring method comprising:
磁性体と、前記磁性体の近傍に配置された第1乃至第4の磁気検出素子と、
を備える3次元磁界測定装置を用いた3次元磁界測定方法であって、
前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第1の信号処理ステップと、
前記第3の磁気検出素子の出力信号と前記第4の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第3の磁気検出素子の出力信号と前記第4の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第2の信号処理ステップと、
前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第1の磁気検出素子の出力信号と前記第2の磁気検出素子の出力信号の和又は差に基づく信号であり、前記第1の信号処理ステップと異なる信号を出力する第3の信号処理ステップと、
前記第1乃至第3の信号処理ステップの出力信号を補正する補正係数を記憶するための補正係数記憶ステップと、
前記第1乃至第3の信号処理ステップの出力信号と前記補正係数に基づき、X軸方向の磁界成分と、前記X軸方向と直交するY軸方向の磁界成分と、前記X軸方向及びY軸方向と直交するZ軸方向の磁界成分を算出する磁界成分算出ステップと、
を有する3次元磁界測定方法。
A magnetic body, and first to fourth magnetic detection elements disposed in the vicinity of the magnetic body;
A three-dimensional magnetic field measurement method using a three-dimensional magnetic field measurement apparatus comprising:
The output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element are input, and the difference or sum of the output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element A first signal processing step for outputting a signal based on:
The output signal of the third magnetic detection element and the output signal of the fourth magnetic detection element are input, and the difference or sum of the output signal of the third magnetic detection element and the output signal of the fourth magnetic detection element A second signal processing step for outputting a signal based on:
The output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element are input, and the sum or difference of the output signal of the first magnetic detection element and the output signal of the second magnetic detection element A third signal processing step for outputting a signal different from the first signal processing step,
A correction coefficient storage step for storing a correction coefficient for correcting the output signal of the first to third signal processing steps;
Based on the output signals of the first to third signal processing steps and the correction coefficient, the magnetic field component in the X-axis direction, the magnetic field component in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction, the X-axis direction, and the Y-axis A magnetic field component calculating step for calculating a magnetic field component in the Z-axis direction orthogonal to the direction;
A three-dimensional magnetic field measuring method comprising:
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