JP7094472B2

JP7094472B2 - 磁気センサ装置、磁気センシング方法およびプログラム

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Publication number: JP7094472B2
Application number: JP2022516776A
Authority: JP
Inventors: 裕士田中; 善樹高橋; 龍平高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: WO2021214956A1; JPWO2021214956A1

Description

本開示は、磁気センサ装置、磁気センシング方法およびプログラムに関する。

複数の方向に配置された複数の磁気素子からなる磁気センサを用いて、磁性体の移動によって生じる地球磁場変動を探知する技術の開発が進められている。磁性体によって生じる地球磁場変動は、距離に対する減衰が大きく、地球磁場強度と比較して１０^－６倍程度の微弱な変動として観測される。同一利得を有した３つの磁気素子が３軸に直交配置された磁気センサにおいて、３つの磁気素子の出力を合成して得られる出力値は、磁気センサの動揺に対して不変であり、微弱な地球磁場の変動を安定して探知するための観測値として有効である。

また、磁気素子を厳密に直交配置することは困難であり、磁気素子の利得には個体差がある。このため、地球磁場強度が一様な環境下であっても、磁気センサが搭載されたプラットフォームが動揺すると、磁気雑音（以下、動揺雑音と記載する）が発生することで、磁気センサの出力が時々刻々と変化してしまう。この場合は、磁気センサの観測値を予め補償し、動揺雑音の発生を抑制する必要がある。

地球磁場強度が既知の条件下の動揺雑音を補償する問題は、本質的には、観測時刻ごとの磁場成分の観測信号によって描かれる楕円軌道を推定する問題と等価である。例えば、非特許文献１には、最小二乗法を利用して未知パラメータを解くことにより、動揺雑音を補償する磁気センサ装置が記載されている。磁気センサの出力から直流成分が除去（ＤＣカット）された観測値を用いることで、ダイナミックレンジが拡大され、十分な分解能で地球磁場変動を観測することができる。

Ｘ．Ｃｕｉ，Ｙ．Ｌｉ，Ｑ．Ｗａｎｇ，Ｍ．ＺｈａｎｇａｎｄＪ．Ｌｉ， " Ｔｈｒｅｅ－ａｘｉｓｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｏｐｔｉｍａｌｅｌｌｉｐｓｏｉｄａｌｆｉｔｔｉｎｇｕｎｄｅｒｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｏｒｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇｆｏｏｔ－ｍｏｕｎｔｅｄｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒ／ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ " ，２０１８ＩＥＥＥ／ＩＯＮＰｏｓｉｔｉｏｎ，ＬｏｃａｔｉｏｎａｎｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＰＬＡＮＳ），Ｍｏｎｔｅｒｅｙ，ＣＡ，ｐｐ．１６６－１７４，２０１８．

磁気センサの出力をＤＣカットすることによりダイナミックレンジは拡大するが、地球磁場の絶対強度に関する情報が消失してしまう。すなわち、観測信号に含まれる楕円軌道情報が消失するので、楕円軌道を用いる推定方法では、動揺雑音補償のための未知パラメータを十分な精度で推定できないという課題があった。

本開示は上記課題を解決するものであり、動揺雑音補償およびダイナミックレンジの拡大を実現することができる磁気センサ装置、磁気センシング方法およびプログラムを得ることを目的とする。

本開示に係る磁気センサ装置は、複数の異なる方向に配置された複数の磁気素子によって構成され、直流成分を含む磁場成分を観測する磁気センサを用いて磁場成分の変動を検出する磁気センサ装置であって、磁気センサにおける各磁気素子の観測値に含まれる直流成分を除去するＤＣカット処理部と、直流成分を除去した観測値の時間変化量の積分値を算出し、算出した積分値を用いて、直流成分を含む観測値を復元する積分処理部と、復元された観測値に基づいて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を示すパラメータを推定するパラメータ推定部と、推定されたパラメータを用いて、直流成分を除去した観測値に含まれる動揺雑音を補償する動揺雑音補償部と、動揺雑音を補償した観測値を合成した値を出力する観測値合成処理部を備える。

本開示によれば、磁場成分の観測値に含まれる直流成分を除去することでダイナミックレンジが拡大され、直流成分を除去した観測値の時間変化量の積分値を用いて直流成分を含む観測値を復元し、復元された直流成分を含む観測値に基づいて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を示すパラメータを推定し、推定されたパラメータを用いて、直流成分を除去した観測値に含まれる動揺雑音が補償される。これにより、本開示に係る磁気センサ装置は、動揺雑音補償およびダイナミックレンジの拡大を実現することができる。

実施の形態１に係る磁気センサ装置の構成を示すブロック図である。磁気センサの概要を示す説明図である。実施の形態１に係る磁気センシング方法を示すフローチャートである。図４Ａは、ＤＣカットされてない観測値の時間変動を示すグラフであり、図４Ｂは、ＤＣカットされてない観測値のｕｖ平面の分布を示す説明図である。図５Ａは、ＤＣカットされた観測値の時間変動を示すグラフであり、図５Ｂは、ＤＣカットされた観測値のｕｖ平面の分布を示す説明図である。積分処理前後の観測値の状態を示す説明図である。図７Ａは、実施の形態１に係る磁気センサ装置の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図であり、図７Ｂは、実施の形態１に係る磁気センサ装置の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る磁気センサ装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る磁気センサ装置１の構成を示すブロック図である。図１において、磁気センサ装置１は、例えば、移動体であるプラットフォームに搭載され、磁気センサ２を用いて地球磁場成分の変動を検出する装置であり、ＤＣカット処理部３、積分処理部４、パラメータ推定部５、動揺雑音補償部６および観測値合成処理部７を備える。

磁気センサ２は、複数の異なる方向に配置された複数の磁気素子２ａを有する。各磁気素子２ａは、地球磁場成分を観測する。磁気素子２ａによって時刻ｎごとに観測された地球磁場成分の観測値ｚ（ｎ）には直流成分が含まれている。以下、地球磁場成分は、単に「磁場成分」と記載される。また、直流成分は、「ＤＣ成分」と記載し、ＤＣ成分を除去することを、「ＤＣカット」と記載する。

ＤＣカット処理部３は、各磁気素子２ａから出力された観測値ｚ（ｎ）を用いて、磁場成分をＤＣカットした値Δｚ（ｎ）を算出する。ＤＣカット処理部３は、ＤＣカットした磁場成分の値Δｚ（ｎ）を、積分処理部４および動揺雑音補償部６に出力する。

積分処理部４は、ＤＣカット処理部３によってＤＣカットされた磁場成分の時間変化量の積分値を算出し、算出した積分値を用いてＤＣ成分を含む観測値ｚチルダ（ｎ）を復元する。復元された観測値ｚチルダ（ｎ）は、積分処理部４からパラメータ推定部５に出力される。

パラメータ推定部５は、積分処理部４によって復元された観測値ｚチルダ（ｎ）に基づいて、時刻ｎごとに、パラメータθ_{ｎｏｒｍ．}ハットを推定する。パラメータθ_{ｎｏｒｍ．}ハットは、時刻ｎごとの観測値ｚ（ｎ）によって形成される楕円軌道を示すパラメータである。

動揺雑音補償部６は、パラメータ推定部５により推定されたパラメータθ_{ｎｏｒｍ．}ハットを用いて、ＤＣカットされた観測値Δｚ（ｎ）の動揺雑音を補償する。動揺雑音補償部６によって動揺雑音が補償された観測値Δｚ_ｃａｌ．（ｎ）は、観測値合成処理部７に出力される。

観測値合成処理部７は、時刻ｎにおける、磁気素子２ａごとの観測値Δｚ_ｃａｌ．（ｎ）を合成することによって、時刻ｎごとの磁場変動出力値ｙ（ｎ）を算出して出力する。磁場変動出力値ｙ（ｎ）は、動揺雑音が補償された磁場強度である。

図２は、磁気センサ２の概要を示す説明図であり、複数の磁気素子２ａの理想的な配置方向からなる直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）と、複数の磁気素子２ａの実際の配置方向である非直交座標系（ｕ，ｖ，ｗ）を示している。ｕ軸とｖ軸がなす角（π／２）＋α、ｖ軸とｗ軸がなす角（π／２）＋β、およびｗ軸とｕ軸がなす角（π／２）＋γは、それぞれ直交座標系のｘ軸とｙ軸がなす角（π／２）、ｙ軸とｚ軸がなす角（π／２）およびｚ軸とｘ軸がなす角（π／２）に比較してそれぞれα、βおよびγずれている。α、βおよびγは、直交角度誤差と呼ばれる。

Ｇ_ｕ０、Ｇ_ｖ０およびＧ_ｗ０は、ｕ軸、ｖ軸およびｗ軸にそれぞれ配置された磁気素子２ａの絶対利得である。ただし、磁気素子２ａの相対利得が推定できれば、動揺雑音の補償は可能である。Ｇ_ｖ：＝Ｇ_ｖ０／Ｇ_ｕ０およびＧ_ｗ：＝Ｇ_ｗ０／Ｇ_ｕ０と定義することにより、動揺雑音補償に必要な未知パラメータは、Ｇ_ｖ、Ｇ_ｗ、α、βおよびγの５つになる。

実施の形態１に係る磁気センシング方法は、以下の通りである。
図３は、実施の形態１に係る磁気センシング方法を示すフローチャートであり、磁気センサ装置１による一連の動作を示している。

磁気センサ２が備える複数の磁気素子２ａのそれぞれは、時刻ｎごとに地球の磁場成分を観測することによって、観測値ｚ（ｎ）を出力する。観測値ｚ（ｎ）には、ＤＣ成分が含まれ、さらに、磁気センサ装置１が搭載されたプラットフォームの動揺による動揺雑音が含まれている。

ＤＣカット処理部３は、ＤＣ成分を含む観測値ｚ（ｎ）からＤＣ成分をカットすることによって、ＤＣカット処理後の地球磁場成分Δｚ（ｎ）を算出する（ステップＳＴ１）。Δｚ（ｎ）は、時刻ｎにおける、ＤＣ成分が除去された磁場成分の観測値の時間変化量である。

積分処理部４は、ＤＣカット処理部３がＤＣカットした観測値Δｚ（ｎ）を時間積分することによって、ＤＣ成分を含む観測値ｚチルダ（ｎ）を復元する（ステップＳＴ２）。観測値ｚチルダ（ｎ）は、例えば、下記式（１）に従って磁場成分の時間変化量の積分値を算出することによって復元される。下記式（１）において、ｚ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、ＤＣカットがされる前の観測値であり、観測信号が描く楕円軌道の中心（オフセット）を示す未知のパラメータである。

パラメータ推定部５は、積分処理部４によって復元された観測値ｚチルダ（ｎ）に基づいて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を推定し、推定結果を用いて、動揺雑音補償に必要な未知パラメータＧ_ｖ、Ｇ_ｗ、α、βおよびγを推定する（ステップＳＴ３）。パラメータＧ_ｖ、Ｇ_ｗ、α、βおよびγが、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を示すパラメータであり、以下の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）のステップによって推定される。
（Ａ）ＤＣカットした観測値の時間変化量Δｚ（ｎ）の積分値は、上記式（１）に従って算出される。
（Ｂ）未知パラメータに関する行列Ｔが算出される。
（Ｃ）行列Ｔおよび楕円体制約行列Ｃに基づいて未知パラメータが算出される。

行列Ｔは、下記式（２）に従って算出される。

上記式（２）の右辺の各項の値は、下記式（３）によって表されるｖ（ｎ）および下記式（４）によって表される相間行列推定値Ｒ_ｖｖハットを用いて算出される。下記式（４）における相間行列推定値Ｒ_ｖｖハットの要素は、下記式（５）および下記式（６）によって表される。

楕円体制約行列Ｃを用いた未知パラメータの推定問題は、下記式（７）によって表される一般化固有値問題について固有値λの最大値（最大固有値）に対応する固有ベクトルθを解く問題に帰着する。

パラメータ推定部５は、上記問題を解いて固有ベクトルθの第一要素を１に規格化したθ_{ｎｏｒｍ．}ハットを推定し、推定したθ_{ｎｏｒｍ．}ハットを、動揺雑音補償に必要なパラメータとして動揺雑音補償部６に出力する。一般化固有値問題を解いて得られるθ_{ｎｏｒｍ．}ハットは、下記式（８）における第一要素を１に規格化したものである。下記式（８）におけるｇ_ｕ０、ｇ_ｖ０およびｇ_ｗ０は、磁気素子２ａの絶対利得の逆数ｇ_ｕ０＝１／Ｇ_ｕ０、ｇ_ｖ０＝１／Ｇ_ｖ０およびｇ_ｗ０＝１／Ｇ_ｗ０である。

上記式（８）において、θ_０は、観測信号が描く楕円軌道を示すパラメータを推定する問題における未知パラメータであり、下記式（９）に示す評価関数Ｊ（θ_０）の最小化問題を解くことにより得られる値である。下記式（９）において、Ｈ_Ｅ０は、０以上の定数であり、地球磁場強度である。

楕円体制約行列Ｃには、ＨｙｐｅｒＥｌｌｉｐｓｏｉｄ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃ（ＨＥＳ）制約を設けた、下記式（１０）に示すＣ_ＨＥＳ、または、Ｓｕｍ－Ｏｆ－Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔｓ（ＳＯＤ）制約を設けた、下記式（１１）に示すＣ_ＳＯＤがある。

動揺雑音補償部６は、ＤＣカット処理部３によってＤＣカットされた観測値Δｚ（ｎ）と、パラメータ推定部５によって推定されたパラメータを用いて、ＤＣカットした観測値に含まれる動揺雑音を補償する（ステップＳＴ４）。例えば、動揺雑音が補償された磁場成分の観測値Δｚ_ｃａｌ．（ｎ）は、下記式（１２）を用いて算出される。

上記式（１２）における行列Ａ（α,β，γ）は、直交角度誤差を示す行列であり、下記式（１３）によって表される。ただし、ｃ_０は、下記式（１４）によって表される。

行列Ｇ（Ｇ_ｖ，Ｇ_ｗ）は、非直交座標系（ｕ，ｖ，ｗ）に配置された磁気素子２ａについて、ｕ軸の磁気素子２ａの絶対利得を基準とした場合の相対利得を示す行列であり、下記式（１５）によって表される。下記式（１５）において、ｄｉａｇ｛・｝は、対角行列である。

未知パラメータα、β、γ、ｇ_ｕ０、ｇ_ｖ０およびｇ_ｗ０の推定値である、αハット、βハット、γハット、ｇ_ｕ０ハット、ｇ_ｖ０ハットおよびｇ_ｗ０ハットは、上記式（９）に示した評価関数Ｊ（θ_０）の最小化問題を解いて得られた推定値θハットを用いることにより、下記式（１６）、下記式（１７）、下記式（１８）、下記式（１９）、下記式（２０）および下記式（２１）に従って算出される。なお、θハットは、θ_{ｎｏｒｍ．}ハットの第一要素を規格化する前の値であり、θハット＝［θ_１ハット θ_２ハット θ_３ハット・・・θ_６ハット］^Ｔである。［・］^Ｔは転置行列である。

観測値合成処理部７は、動揺雑音補償部６によって動揺雑音が補償された磁気素子２ａごとの観測値Δｚ_ｃａｌ．（ｎ）を合成することで、時刻ｎごとの磁場変動出力値ｙ（ｎ）を算出して出力する（ステップＳＴ５）。ｙ（ｎ）は、下記式（２２）によって表される。

図４Ａは、ＤＣカットされてない観測信号の時間変動を示すグラフであり、図４Ｂは、ＤＣカットされてない観測信号のｕｖ平面での挙動を示す説明図である。図５Ａは、ＤＣカットされた観測信号の時間変動を示すグラフであり、図５Ｂは、ＤＣカットされた観測信号のｕｖ平面での挙動を示す説明図である。

図４Ａは、ＤＣカットされていない磁場強度の変動Ａ１を示している。図５Ａは、ＤＣカットされた磁場強度の変動Ａ２を示している。図４Ａおよび図５Ａにおいて、観測可能最大値Ｃ１は、磁気センサ２によって観測可能な磁場強度の最大値である。地球磁場強度Ｂは、一定である。ＤＣカット処理部３によって観測値がＤＣカットされると、図４Ａに示すダイナミックレンジＤＲ１は、図５Ａに示すダイナミックレンジＤＲ２へ拡大する。これにより、磁場強度の変動は、ＤＣカット前に比べて広範囲かつ高分解能な観測が可能である。

図４Ｂおよび図５Ｂに示すｕｖ平面おいて、黒色のプロットＳ１～Ｓ５は、磁場成分の観測信号であり、白色のプロットＳ０は、楕円軌道Ｅの原点Ｏを示す観測値ｚ_{ｏｆｆｓｅｔ}である。地球磁場強度情報Ｄは、地球磁場の絶対強度を示す情報、すなわち、図４Ｂに示すように、観測信号によって描かれる楕円軌道を規定する情報である。地球磁場強度情報Ｄは、ＤＣ成分を含む磁場成分によって規定された情報であるため、磁場成分がＤＣカットされると消失する。このため、図５Ｂに示すように、観測信号Ｓ１～Ｓ５が描く楕円軌道が推定できなくなり、この楕円軌道を前提とした未知パラメータＧ_ｖ、Ｇ_ｗ、α、βおよびγの推定を十分な精度で行えなくなる。

図６は、積分処理前後の観測値の状態を示す説明図である。ＤＣカットされた観測信号Ｓ１～Ｓ５は、時刻ｎ＝１～５に磁場成分の時間変化量の観測信号である。例えば、観測信号Ｓ２は、時刻ｎ＝２に観測された原点Ｏからの時間変化量Ｆ１を示す信号であり、観測信号Ｓ３は、時刻ｎ＝３に観測された原点Ｏからの時間変化量Ｆ２を示す信号である。観測信号Ｓ１～Ｓ５は、ＤＣカットされているので、図６の左側に示すように、観測信号Ｓ１～Ｓ５によって描かれる楕円軌道に関する情報は消失している。

磁気センサ装置１において、積分処理部４は、磁場成分の時間変化量を積分するので、ＤＣカットされる前の楕円軌道Ｅが復元される。例えば、時刻ｎ＝１に観測された観測信号Ｓ１に積分処理Ｇ１を行うことで、ＤＣカット前の観測信号Ｓ２が復元され、時刻ｎ＝２に観測された観測信号Ｓ２に積分処理Ｇ２を行うことで、ＤＣカット前の観測信号Ｓ３が復元される。この結果、動揺雑音補償に必要な未知パラメータが十分な精度で推定可能になる。なお、楕円軌道Ｅの原点Ｏであるオフセットの情報は別途未知パラメータとして推定する必要がある。ただし、行列Ｔから未知パラメータを推定することで、オフセットの情報が加味された推定を行うことができる。

磁気センサ装置１の機能を実現するハードウェア構成は、以下の通りである。
磁気センサ装置１が備えるＤＣカット処理部３、積分処理部４、パラメータ推定部５、動揺雑音補償部６および観測値合成処理部７の機能は、処理回路によって実現される。
すなわち、磁気センサ装置１は、図３に示したステップＳＴ１からステップＳＴ５までの処理を実行するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）であってもよい。

図７Ａは、磁気センサ装置１の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図７Ａにおいて、受信Ｉ／Ｆ１００と処理回路１０１との間は信号バスによって接続されている。図７Ｂは、磁気センサ装置１の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図７Ｂにおいて、プロセッサ１０２およびメモリ１０３は、信号バスによって互いに接続されている。図７Ａおよび図７Ｂにおいて、受信Ｉ／Ｆ１００は、磁気センサ２から磁気センサ装置１へ出力された磁場成分の観測信号を中継するインタフェースである。

処理回路が図７Ａに示す専用のハードウェアである場合、処理回路１０１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）またはこれらを組み合わせたものが該当する。ＤＣカット処理部３、積分処理部４、パラメータ推定部５、動揺雑音補償部６および観測値合成処理部７の機能は、別々の処理回路で実現されてもよいし、これらの機能をまとめて１つの処理回路で実現されてもよい。

処理回路が図７Ｂに示すプロセッサである場合、ＤＣカット処理部３、積分処理部４、パラメータ推定部５、動揺雑音補償部６および観測値合成処理部７の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアと、ファームウェアとの組み合わせによって実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ１０３に記憶される。

プロセッサ１０２は、メモリ１０３に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、ＤＣカット処理部３、積分処理部４、パラメータ推定部５、動揺雑音補償部６および観測値合成処理部７の機能を実現する。すなわち、磁気センサ装置１は、プロセッサ１０２によって実行されるときに、図３に示したステップＳＴ１からステップＳＴ５までの処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１０３を備える。これらのプログラムは、ＤＣカット処理部３、積分処理部４、パラメータ推定部５、動揺雑音補償部６および観測値合成処理部７の手順または方法をコンピュータに実行させるものである。

メモリ１０３は、コンピュータを、ＤＣカット処理部３、積分処理部４、パラメータ推定部５、動揺雑音補償部６および観測値合成処理部７として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。

メモリ１０３には、例えば、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ－ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどが該当する。

なお、ＤＣカット処理部３、積分処理部４、パラメータ推定部５、動揺雑音補償部６および観測値合成処理部７の機能は、一部が専用のハードウェアで実現され、一部がソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。例えば、ＤＣカット処理部３については、専用のハードウェアとしての処理回路によってその機能が実現され、積分処理部４、パラメータ推定部５については、プロセッサ１０２がメモリ１０３に記憶されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現してもよい。このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせによって、上記機能のそれぞれを実現することができる。

以上のように、実施の形態１に係る磁気センサ装置１において、観測値をＤＣカットすることでダイナミックレンジが拡大され、ＤＣカットした観測値の時間変化量の積分値を用いてＤＣ成分を含む観測値が復元され、復元された観測値に基づいて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を示すパラメータを推定し、推定されたパラメータを用いて、ＤＣカットした観測値に含まれる動揺雑音が補償される。これにより、磁気センサ装置１は、動揺雑音補償およびダイナミックレンジの拡大を実現することができる。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る磁気センサ装置１Ａの構成を示すブロック図である。図８において、磁気センサ装置１Ａでは、ＤＣカットされた観測値に加えて、ＤＣ成分を含む観測値の時間変化量が積分処理の対象である。積分処理部４Ａは、ＤＣカット処理部３によってＤＣカットされた磁場成分の時間変化量Δｚ（ｎ）の積分値を算出し、算出した積分値ｚチルダ（ｎ）と、磁気素子２ａによって観測されたＤＣ成分を含む磁場成分の観測値ｚ（ｎ）とを用いて、ＤＣ成分を含む観測値を復元する。

例えば、積分処理部４Ａは、上記式（１）におけるｚ_{ｏｆｆｓｅｔ}に対し、ＤＣ成分を含む観測値の初期値ｚ（１）を代入することにより、ＤＣ成分を含む観測値ｚチルダ（ｎ）を算出する。

以上のように、実施の形態２に係る磁気センサ装置１Ａにおいて、積分処理部４Ａは、ＤＣカットした観測値およびＤＣ成分を含む観測値を用いて観測値を復元する。ＤＣ成分を含む観測値を用いてオフセットの情報を追加した上で、ＤＣ成分を含む観測値が復元されるので、未知パラメータであるＧ_ｖ、Ｇ_ｗ、α、βおよびγの推定精度が向上する。

実施の形態２に係る磁気センサ装置１Ａにおいて、積分処理部４Ａは、ＤＣカットした観測値およびＤＣ成分を含む観測値を取捨選択し、選択された観測値を用いて、観測値を復元してもよい。例えば、積分処理部４Ａによる積分処理に用いられる、ＤＣ成分を含む観測値ｚ（ｎ）および磁場成分の時間変化量Δｚ（ｎ）には、地球磁場成分だけでなく、雑音成分も含まれる。

積分処理部４Ａによる積分処理に用いられる観測値の数が増加すると、復元した観測値ｚチルダ（ｎ）の信号対雑音比（ＳＮＲ）が低下して、未知パラメータの推定精度が低下する。これに対して、磁気センサ装置１Ａにおける未知パラメータの推定精度は、観測値から得られる地球磁場強度情報Ｄ（楕円軌道Ｅを示す情報）の情報量の増加に伴って向上する。

楕円軌道Ｅを示す情報は、様々な方向から入射された地球磁場成分の観測値を利用することで増加する。そこで、積分処理部４Ａは、例えば、磁場成分の時間変化量が閾値よりも大きなサンプルを優先的に選択して積分処理を行うことにより、パラメータ推定部５による未知パラメータの推定精度が向上する。

積分処理部４Ａによる積分処理に用いられる観測値の数が増加すると、復元した観測値ｚチルダ（ｎ）のＳＮＲが低下し、未知パラメータの推定精度が低下する。そこで、積分処理部４Ａは、少数の観測値を用いて積分処理を行い、復元した観測値に重みを付与し、復元に利用した観測値の数に応じて重みの値を大きくする。これにより、磁気センサ装置１Ａは、復元した観測値のＳＮＲの低下が抑制され、未知パラメータの推定精度の低下が抑制される。なお、重み付けの係数は、例えば、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを用いて決定されてもよい。

積分処理部４Ａは、ＤＣカットした観測値およびＤＣ成分を含む観測値を用いて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を得る逆問題を解くことによって、ＤＣ成分を含む観測値を復元してもよい。これにより、磁気センサ装置１Ａは、復元した観測値のＳＮＲの低下が抑制され、未知パラメータの推定精度の低下が抑制される。なお、逆問題とは、上記式（１２）に示した未知パラメータである、直交角度誤差行列Ａおよび磁気素子２ａの相対利得Ｇを推定する問題である。また、「逆問題を解く」とは、未知パラメータであるＡとＧを、上記式（１３）から上記式（２１）を解くことにより推定することである。

さらに、積分処理部４および４Ａは、ＤＣカット処理部３および磁気センサ２から出力された観測値を、磁気センサ２とは別の磁気センサ２によって観測された磁場成分の観測値に基づいて補正し、補正した観測値に基づいて、ＤＣカットした観測値の時間変化量の積分値を算出してもよい。すなわち、積分処理部４および４Ａは、上記式（１）におけるｚ_{ｏｆｆｓｅｔ}を、ＤＣカット後の観測値ｚチルダ（ｎ）を積分した値を用いて推定するのではなく、ＤＣカット前のｚ（ｎ）の値を用いて推定する。磁気センサ装置１または１Ａには、ＤＣカット処理部３の出力または磁気センサ２の出力のいずれか一方のみを積分処理部４または４Ａに出力する切り替え部を備える。積分処理部４または４Ａは、ＤＣカットされた観測値またはＤＣカットされていない観測値の一方のみを使用して積分処理を行うことになる。これにより、磁気センサ装置１Ａは、復元した観測値のＳＮＲの低下が抑制され、未知パラメータの推定精度の低下が抑制される。

なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る磁気センサ装置は、例えば、自動車に搭載される電子コンパスに利用可能である。

１，１Ａ磁気センサ装置、２磁気センサ、２ａ磁気素子、３ＤＣカット処理部、４，４Ａ積分処理部、５パラメータ推定部、６動揺雑音補償部、７観測値合成処理部、１００受信Ｉ／Ｆ、１０１処理回路、１０２プロセッサ
１０３：メモリ。

Claims

複数の異なる方向に配置された複数の磁気素子によって構成され、直流成分を含む磁場成分を観測する磁気センサを用いて磁場成分の変動を検出する磁気センサ装置であって、
前記磁気センサにおける各磁気素子の観測値に含まれる直流成分を除去するＤＣカット処理部と、
直流成分を除去した観測値の時間変化量の積分値を算出し、算出した積分値を用いて、直流成分を含む観測値を復元する積分処理部と、
復元された観測値に基づいて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を示すパラメータを推定するパラメータ推定部と、
推定された前記パラメータを用いて、直流成分を除去した観測値に含まれる動揺雑音を補償する動揺雑音補償部と、
動揺雑音を補償した観測値を合成した値を出力する観測値合成処理部と、
を備えたことを特徴とする磁気センサ装置。
前記積分処理部は、直流成分を除去した観測値および直流成分を含む観測値を用いて、観測値を復元すること
を特徴とする請求項１記載の磁気センサ装置。
前記積分処理部は、直流成分を除去した観測値および直流成分を含む観測値を取捨選択し、選択された観測値を用いて観測値を復元すること
を特徴とする請求項２記載の磁気センサ装置。
前記積分処理部は、復元した観測値を重み付けすること
を特徴とする請求項３記載の磁気センサ装置。
前記積分処理部は、直流成分を除去した観測値および直流成分を含む観測値を用いて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を得る逆問題を解くことにより観測値を復元すること
を特徴とする請求項２記載の磁気センサ装置。
複数の前記磁気センサを備え、
前記積分処理部は、前記ＤＣカット処理部および前記磁気センサから出力された観測値を、当該磁気センサとは別の前記磁気センサによって観測された磁場成分の観測値に基づいて補正し、補正した観測値を用いて、直流成分を除去した観測値の時間変化量の積分値を算出すること
を特徴とする請求項１記載の磁気センサ装置。
複数の異なる方向に配置された複数の磁気素子によって構成され、直流成分を含む磁場成分を観測する磁気センサを用いた磁気センシング方法であって、
ＤＣカット処理部が、前記磁気センサにおける各磁気素子の観測値に含まれる直流成分を除去するステップと、
積分処理部が、直流成分を除去した観測値の時間変化量の積分値を算出し、算出した積分値を用いて、直流成分を含む観測値を復元するステップと、
パラメータ推定部が、復元された観測値に基づいて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を示すパラメータを推定するステップと、
動揺雑音補償部が、推定された前記パラメータを用いて、直流成分を除去した観測値に含まれる動揺雑音を補償するステップと、
観測値合成処理部が、動揺雑音を補償した観測値を合成した値を出力するステップと、
を備えたことを特徴とする磁気センシング方法。
複数の異なる方向に配置された複数の磁気素子によって構成され、直流成分を含む磁場成分を観測する磁気センサが接続されたコンピュータを、
前記磁気センサにおける各磁気素子の観測値に含まれる直流成分を除去するＤＣカット処理部、
直流成分を除去した観測値の時間変化量の積分値を算出し、算出した積分値を用いて、直流成分を含む観測値を復元する積分処理部、
復元された観測値に基づいて、磁場成分の観測信号が描く楕円軌道を示すパラメータを推定するパラメータ推定部、
推定された前記パラメータを用いて、直流成分を除去した観測値に含まれる動揺雑音を補償する動揺雑音補償部、
動揺雑音を補償した観測値を合成した値を出力する観測値合成処理部、
として機能させるためのプログラム。