JPH02502400A - 電子コンパス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電子コンパス 本発明は請求項１記載の上位概念に記載の電子コンパスに関する。

この形式の電子コンパスはＶＡＬＶＯ社の壮語’　Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ工ｎｒ ｏｒｍａｔｉｏｎ　’第８４０３２３号により公知である。これに記載のＫＭＺ ｌ［ＩＡＯタイプの伍気抵抗効果形センサは、動作電圧が印加される抵抗ブリッ ジを有する受動構成部品である。ブリッジの補償は、センサをその長手方向に貫 通する磁界の強さに依存して変化する。従ってブリッジ対角点から、正負符号は 印加磁界の方向に依存し大きさは印加磁界の強さに依存する電圧を取出すことが 可能である。この場合、２つのこのようなセンサが９０°互いにずらして配置さ ね従ってこれらのセンサは２つの互いに垂直な方向の印加磁界成分を評価する。

これらの２つの成分によりすなわち２つのセンナの出力電圧により磁界の強さと 方向が検出され、このようにして磁界は一義的に求められる。

このようなセンサにオフセット電圧が発生するのは避けられない。オフセット電 圧とはこの場合、特にブリッジの補償が完全でないこと及びその他の外乱により 出力信号の中に現れる直流電圧成分のことである。

このオフセット電圧は例えば±１０１０−２Ｏであり、数μＶの領域にある信号 電圧より大幅に大きい。

このオフセット電圧の補償のためにセンサにコイルヲ設置ｔル。コイルはクロッ ク電圧により制御されてセンサの中に交番励振磁界を発生する。この磁界はセン サの受感方向に垂直に位置すみ。この励振磁界によりセンサの受感方向はクロッ ク電圧の周波数とともに周期的に切換えられる。従ってセンサの出力信号は直流 電圧でなく、クロック電圧の周波数を有する交流電圧である。このようにして、 実際の使用信号をオフセット電圧から分離することが可能である。

・センサから送出された使用信号は後の信号処理のためにまず増幅される。一方 では、その振幅は後の信号処理のためには小さすぎる。他方では、地磁気は地域 的に強く変化し、従って増幅率はその都度に整合され調整されなければならなり ０個々の信号の増幅率の僅ンサの信号のための増幅路が多数の場合には増幅路の 調整を行う際に増幅動作を同期させることは実際上実現できない。従って測定に 比較的大きい誤差が発生する。このような誤差はこの形式の侮気抵抗効果形セン サの使用を制限する。

本発明の課題は、センサの補償及びその他のパラメータに対する前述のようなば らつき及び依存性を低減し、このよ５なセンサ１！−備えるコンパスの精度を高 めることにある。

上記の課題は、請求項１に記載の特徴部分に記載の特徴により解決される。有利 な実旋例はその他の請求項に記載されている。

本発明は次のような認識及び考えに基づいている。

３つの同一のセンサを互いに１２００の角度間隔で配置する場合、同一の磁界が 印加されて因る３つのセ／すの出力信号の和は０に等しい。これは、１つの正弦 波の互いに１２０°の位相差を有する６つの瞬時値の和は常にＤであることに起 因する。これは、一定の磁界の中で回転される６つのセンサの互いに１２００ず れてｂる出力信号は、互いに１２０°ずれている出力信号が同一の振幅を有する という前提の下ではこの磁界の強さにかかわりなく常に０であることと同一の意 味である。

従って、３つのセンサの出力信号がそれぞれ時間的に微小の間隔で順次に検出さ れるとするとそれらの和は０である。このようにして得られた信号は互いに独立 している。何故ならばこれらの信号は直流電圧成分を含まないからである。従っ てこれらの信号は共通の交流増幅器を介して導くことが可能である。この交流増 幅器の増幅率は有利にも余り問題にならない。何故ならばこの増幅率は測定結果 の中に入らず、測定結果はセンサの出力信号の振幅の比のみにより決まるからで ある。従って、例えばドリフト、温度影響、増幅率調整等による増幅率の変化は 測定結果の中に入らない。

この際の前提は、信号の中の障害オフセット電圧が除去されていることである。

これは、請求項９記載の特に有利な回路により満たされる。

従って回路装置全体の補償は特に簡単である。何故ならば実質的に必要なのは３ つのセンサの異なる感度に対する補償だけであるからである。温度の影響は３つ のセンサに一様に作用する。すなわちセンナの３つの出力信号に一様に影響する 。従ってこれらの信号の比に基づいている測定結−果に入らない。これは有利で ある。本発明によるコンパスとこれに設けられている信号評価回路により地磁気 の方向の測定の精度は約１／２°、分解能は約１／１０°に達することが可能で ある。すなわち、従来の機械的なコンパス針の場合に比べ大幅に高い値を得るこ とができる。コンパスは評価回路と共働して種々のナビゲーション装置に整合す ることができ、例えば画面上のベクトルの形、地磁気の方向のデジタル表示の形 等の測定結果の表示の種々の表示に適する。本発明により、公知のセンサに残さ れている欠点がほぼ除去され、公知の゛センサを地磁気の測定に利用する分野が 拡張される。本発明はいわゆる磁気抵抗効果形センナに適用できる。これは特に 有利である。磁気抵抗効果形センサの抵抗は、自身を貫通する磁界の強さ及び方 向に依存する。又、前記のＶＡＬ’ＶＯ社の壮語’　Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ　Ｉ ｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　’に記載のようにこの形式のセンサは非常に小星であり 、コンパス全体の高密度構成を特徴とする 請求項９記載の実施例では簡単な方法で望ましくないオフセット電圧の除去が行 われる。これは次のように行われる。まず、励振磁界を発生するクロック電圧の 第１の半波の期間の間にコンデンサがセンサからの電圧で充電される。次に、第 ２の半波の期間の間にこの電圧は後続の信号路に伝達される。伝達された電圧は これらの２つの半波のピーク電圧の間の差に等しい。

従って障害オフセット電圧が除去される。請求項６及び７記載の別の実施例では 、センサの３つの電圧に共通に用いられる交流電圧増幅器は、最大振幅を有する 信号が全制御領域に丁度達し、例えば信号路に設けられているＡ　／　Ｄ変換器 が完全に制御されるように常に制御される。このようにして最大分解能が高めら れる。

何故ならばこの場合に少なくとも最大信号のためには変換器の制御領域全体が利 用され、デジタル信号のための変換器のすべての段階例えば２５６段階が使用さ れるからである。これは、増幅器の増幅率が前述のように測定結果になんらの影 響を及ぼさなしので可能なのである。従って、３つのセンサの最大信号の振幅に 依存する増幅器の調整電圧を、請求項８記載のように地磁気の絶対値を表示する ためにも用いることが可能となる。

磁界の方向を求めるためには本来は２つの互いに角度がずれているセンナで十分 である。従って６つのセンサの３つの信号はそれ自体としては冗長である。従っ て、請求項５記載の実施例ではこのずれ角度のための全部で３つの結果が形成さ れているが、これらの結果は理論的には一致しなければならない。従って、精度 を高めるために又は明らかな誤り測定を除外するために３つの結果からその都度 に平均値が形成され、この平均値が漬水に用いられる。互いに角度がずれて配置 されている３つのセンサと励振磁界のためのコイルを有するコンパスは、コンパ クトであり必要な場合には流し込みによりカプセル化されているユニットとして 形成される。このようにしてセンサ相互間の１２０゜のずれ配置は高い精度で守 られる。

次に本発明を実施例に基づき図を用いて説明する。

第１図は本発明によるコンパスの構造の原理図、第２図はオフセット電圧の除去 のための回路図、第３図は第２図を説明するための電圧の時間変化を示す線図、 第４図は３つのセンサの信号の評価回路全体を示す回路図、第５図は第４図の回 路を説明するための電圧波形図である。

第１図には例えばＶＡＬＶＯ社のＫＭＺｌ［］Ａタイプの３つの磁気抵抗効果形 センサ１，２．３が示されてｂる。

これらのセンナは互いに１２０°の角度位置で配置されセンサ１，２．３の長手 方向軸線が互いに１２０°の角ている。コイル４にはクロック電圧ＴＪｔが印加 される。

コイル４は、、Ｅ７に垂直でありセンサ１，２．３の受感方向を周期的に極性反 転する励振磁界Ｈｚを発生する。センサ１，２．３の出力信号の和は、回転磁界 の原理による１２０°転置構成により地磁界Ｈｙの位置及び方向及びコンパスの 空間的位置に関係なく常に０に等しい。センサ１，２．３の各信号は、クロック 電圧Ｕｔにより発生される有効交流電圧の他に、センサに含まれている抵抗ブリ ッジ回路における補償のずれ及びその他のずれによる好ましくないオフセット電 圧を有する。

第２図及び第３図は、その都度の１つのセンサの出力信号の中に含まれている評 価のために好ましくないオフセット電・圧を除去する回路を示す。センサ１には 地磁気成分Ｅｙと、周期的に切換えられる励振磁界成分Ｈｚが印加される。この ようにして得られた電圧Ｕａは差動増幅器５に供給され増幅されて出力側ａから 取出される。（クロック電圧Ｕｔに対応する〕電圧Ｕａの第１の半波Ｈ１の間に スイッチ７は同期切換電圧により閉じる。低抵抗に形成されてｂる出力側ａと、 スイッチ７を介してアースに接続されてｂる点すによりコンデンサ６は非常に短 時間の間に出力側ａの電圧値まで充電される。この電圧は第３図に示されて込る ようにＵｏ　−Ｕｎの値を有する。ただしＵ！ｏは交流電圧の振幅、ＵＯはオフ セット電圧の値である。第２の半波Ｈ２においてスイッチ７は開き、信号評価の ためにスイッチ８が短時間にわたり閉じる。この時点までは出力側ａの負の電圧 ｔ７ｏ　−Ｕｓがコンデンサ６に印加されている。今、出力側ａからＵｎ　＋　 Ｕｏの電圧が取出されるので、閉じてｈるスイッチ８を介して端子Ｃにはｔｌｏ 　＋　Ｕｎ　−（Ｕｏ　−Ｕｎ　）　Ｗ　２Ｕｎの電圧が供給される。

端子ｃＫ供給される信号電圧は障害オフセット電圧が除去されてｂるのが分かる 。従って、端子Ｃから評価回路に供給される信号はオフセット電°圧Ｕｏが除去 されている。相応す・る回路が同一の形式で他の２つのセンサ２，３のために設 けられてｂる。差動増幅器５は増＠嘉、の小さい直流電圧増幅器である。差動増 幅器５は、コンデンサ６の充放電のために低抵抗の出力側ａを形成し、６つのセ ンサ１，２．３の異なる感度を補償すことを可能にするために主に用いられる。

第４図は、センサ１，２．３で発生される信号電圧の評価回路全２体を示す。こ の評゛価回路は、第２図に示されている回路を３個含む。第５図に示されてｂる 波形図に基づき回、路動作を説明する。電圧Ｓｔ１は増幅器１２と出力段１３と を介してクロック電圧Ｕｔを発生する。クロック電圧Ｕｔは前述のようにコイル ４に供給され、励振磁界ヨＸが発生される。第２図に関して説明したように、３ つのスイッチ７はそれぞれ電圧ｓｔ１と従ってクロック電圧Ｕｔｃｌ第１の半波 Ｈ１の間にパルスｓｔ２により同時に閉じ、コンデンサ６は差動増幅器５の出力 電圧に充電される。スイッチ８，９゜１０は１、第２図に示されているスイッチ ８と同様に動作するが、半波Ｈ２の間には時間的に順次にパルスＳｔ３．．　Ｓ ｉ４．　　Ｓｉ２により短時間にわたり導通状態に制御される。このようにして 端子Ｃから時間的に順次に、３つのセンサ゛１．２，３の出力信号を表しオフセ ット電圧が除去されている信号が取出される。このようにオフセット電圧が除去 された３つの信号を時間的に順次に得ることができる。何故ならば３つのセンサ の出力信号は少なくとも短時間の間に時間的に変化しないからである。これらの 順次の信号はコンデンサＣを介して、３つの信号すべてに共通の交流電圧増幅器 １５に供給される。交流電圧増幅器１１は調整電圧ＵｒによりＵ４整される。順 次の信号は増幅器１５を介して３つのサンプルホールｒ回路１６，１７．１８入 力端にそれぞれ供給される。サンプルホールド回路１６゜１７．１８は同期して 、しかしパルスｓｔ３．　　ｓｔ４　。

Ｓｉ２に対して増幅器１１．１５における走行時間だけ時間的にずれてパルスｓ ｔ６　、　　ｓｔ７　、　　ｓｔＢにより作動されて標本化を行う。従って３つ の信号は各々サンプルホールド回路１６．１７．１８に蓄積され、それぞれ次の パルスまですなわち電圧ｓｔ１の第２の牛波五２までｉ待される。このようにし て、その都度短時間にわたり増幅器１５の出力側から取出される順次の信号は再 び常に存在する同時の信号２に変換される。サンプルホール開路１６，１７．１ ８は各々信号Ｔ’　１　＋　Ｕ２ｔＵ３を送出する。。このようにして信号Ｕ、 １．Ｕ２゜Ｕ３のうちの２つ例えばＵｌ及びＵ２又はＵｌ及びＵ３−又はＵ２及 びＵ３の比から、コンパス−に印加されている地磁気の方向が求められる。これ らの信号は測定結果を表す。これらの信号により例えば測定された地磁気の方向 をベクトルの形式で画面に表示したり、デジタル形式で数値の形で地磁気の方向 を度と分で表したりすることが可能である。

増幅器１３．１４により信号Ｕ１．Ｕ２．Ｕ３から増幅器１１のための調整電圧 が形成される。この′＃Ａ！電用による増幅率のＩ！ｌ１ｌｆは、端子Ｃから取 出される最大振幅の信号により増幅器１１が完全に励・振制御されるように行わ れる。このように常時完全に励振制御することにより、信号路に設けられている Ａ　／　Ｄ変換器は、その都度に少なくとも最大振幅を有する信号により完全に 制御される。このようにして障害間隔及び誤りの可能性は低減される。このよう にすると、信号のため、に有効な増幅率は変化する。しかしこれが原因で測定結 果に誤りが生ずることはない。何故ならば信号Ｕｌｌ　　Ｕ２１　　Ｕ、３のた めの評価回路においてはこれらの信号の振幅の比のみが評価されるのであって、 低幅の絶対値が評価されるのではないからである。

従ってｌＪｗ＋整電圧ｔ７ｒの値は、センサにより評価された地磁気Ｈ７の最大 振幅に依存する。すなわち、振幅が小さくなるにつれ増幅器１１の増幅器は高め られる。

従ってＶ＠整電圧Ｕｒは、その都度に有効な、コンパスにより検出された地磁気 の絶対値の表示装置としても用いることもできる。

地磁気の方向を検出するためには本来ならば２つの信号で十分であり、従って、 得られた信号”１？Ｕ２？Ｕ３はそれ自体としては冗長である。従ってこれらの 信号から、ＵｌとＵ２の比較、Ｕｌと０３の比較、Ｕ２とＵ３の比較に−より地 磁気の方向に関して全部で３つの異なる結果を得ることができる。従って表示装 置のためにこれらの３つの測定結果の平均値を評価することができ、このように して精度が高められ、３つの結果における過度のずれにより太き、な誤差を検出 することができる。３つの信、号Ｕ１，０２．Ｕ３の和は同様に常にＯである。

回路のこの基本条件からのずれは同様に別個に求められ、誤差として検出され、 測定結果の消去に用いられる。信号ｔｒｉ、ｖ２，０３の評価は有利には、例え ば画面のベクトルを表示するための信号、磁界の方向の数値表示のための信号等 のそ゛の都度の表示の−だめの希望された信号を発生する計算機で行われる。

本発明は１１例えば航空機、船舶、交通サーチ装ｆｌ’ｔ−備える自動車、藺単 で障害なしに有効地磁気の求めることが有利又は必要である装置等のナビデーシ ョン装置を備えるすべての乗り物に適用できる。

Ｆｉｇ、１ Ｆｉｇ、４ 国際調査報告 国際調査報告 ＥＰ　８８００１０４ Ｓ＾　　　２１０３０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．自身を貫通する磁界（Ｈｙ）の大きさ及び方向に依存して出力信号を出力し 、クロック電圧（Ｕｔ）が印加されて励振磁界（ＨＸ）を誘導するコイル（４） を備えているセンサを有する電子コンパマスにおいて、信号増幅率が異なるため に発生する誤差を阻止するために３つのセンサ（１，２，３）を互いに１２０° の角度間隔で配置することを特徴とする電子コンパス。 ２．３つのセンサ（１，２，３）の出力信号（Ｕａ）をクロック電圧（Ｕｔ）の 半波（Ｈ１）の間に時間的に順次に評価し、共通の増幅器（１１）で増幅するこ とを特徴とする請求項１記載の電子コンパス。 ５．増幅路が、直流分離装置を有する交流電圧結合装置（Ｃ）を含むことを特徴 とする請求項１記載の電子コンパス。 ４．増幅器（１１）の３つの順次の出力信号を、サンプルホールド回路（６，７ ，８）により測定表示のための３つの同時的な連続信号（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）に 変換することを特徴とする請求項２記載の電子コンパス。 ５、地磁気の方向の表示のために、第１の信号と第２の信号からの結果、第１の 信号と第３の信号からの結果、第３の信号と第１の信号からの結果の３つの結果 を形成しこれらの平均値を用いることを特徴とする請求項２記載の電子コンパス 。 ６．増幅器（１１）の増幅率を信号（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）の振幅に依存して、増 幅器（１１）が最大の振幅を有する信号により常に完全に励振制御されるように 調整することを特徴とする請求項２記載の電子コンパス。 ７．アナログ信号（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）の振幅を、信号路に設けられているＡ／ Ｄ変換器が常に近似的に完全に制御されるように調整することを特徴とする請求 項６記載の電子コンパス。 ８．調整電圧（Ｕｒ）の大きさから地磁気の絶対値のための表示を導出すること を特徴とする請求項６記載の電子コンパス。 ９．その都度にセンサ（１，２，３）の出力信号を差動増幅器（５）の入力側に 印加し、差動増幅器（５）の出力側にコンデンサ（６）の一端を接続し、コンデ ンサ（６）の他端（ｂ）をクロック電圧（Ｕｔ）の第１の半波（Ｈ１）の期間に わたり第１のスイッチ（７）を介してアースし、クロック電圧（Ｕｔ）の第２の 半波（Ｈ２）の期間にわたり第２のスイッチ（８）を介して別の信号路（ｃ）に 接続する（第２図）ことを特徴とする請求項２記載の電子コンパス。 １０．その都度に第１の半波（Ｈ１）の期間にわたり３つのセンサ（１，２，３ ）の第１のスイツチ（７）を同時に作動し、第２の半波（Ｈ２）の期間にわたり ３つのセンサ（１，２，３）の第２のスイッチ（８，９，１０）を時間的に順次 に作動することを特徴とする請求項９記載の電子コンパス。