JPH07504033A - 電子センサ付き移動体用コンパス - 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】 電子センサ付き移動体用コンパス 発明の分野 本発明は、移動体用磁気コンパスに関する。より詳細には、本発明は、電磁界セ ンサを使用するタイプのコンパスに関する。

発明の背景 磁気コンパスは、陸上用車両、船舶および航空機などの移動体によく使用され、 方向探知や航行の助けとなる。特に乗用車で使用する磁気コンパスへの需要は高 まっている。

この用途の分野では、低コストで、しかも比較的高い精度を示し、信頼度が高く かつ小型軽量のコンパスがめられている。

移動体用磁気コンパスは、磁界センサのタイプによって類別され得る。１つは、 回転自在に装着されて周囲の磁界に一致する方向を向く磁化された部品を使用す る磁気回転子である。このタイプの移動体用コンパスの例は、１９８９年９月５ 日発行のシーアビーク他（Ｓｃｈｉｅｒｂｅｅｋ　ｅｔ　ａｌ）の米国特許第４ ，８６２，５９４号およびシーアビーク他によって１９９０年ｌＯ月１５日に出 願され、本件と同一譲受人に譲渡された同時係属出願米国特許出願連続番号第０ ７１５９７．８５４号に開示されている。

もう１つのタイプは、フラックスゲートセンサで、励磁用および検知用巻線を存 する可飽和磁気コアを利用して、周囲の磁界の方向および強度を検知する。フラ ックスゲートセンサを使用する移動体用コンパスは、１９７２年８月１５日発行 の、ベーカー他（Ｂａｋｅｒ　ｅｔ　ａｌ　）の米国特許第３．６８３．６６８ 号、１９８８年３月２２日発行バウア他（Ｂｏｗｅｒ　ｅｔ　ａｌ　）の米国特 許第４，７３３，１７９号、１９８８年１月２６日発行ホーメル（Ｈｏｒｍｅｌ ）の米国特許第４，７２０．９９２号、および１９９０年９月４日発行パン・レ ンチ他（Ｖａｎ　Ｌｅｎｔｅ　ｅｔ　ａｔ　）の米国特許第４，９５３．３０５ 号にその代表的な例が示されている。

乗用車用コンパスには、特に精度、信頼性、小型化軽量化および低コストといっ た目標を達成する改善された磁界センサが必要である。しかしながら、これらの 目標を達成する上での問題の１つは、高度な精度を得るために要求される、コン パスの自差を補償するという問題であり、しかも大幅なコストの上昇を伴わずに これを行なうということである。移動体に装備された磁気コンパスは、この移動 体自体の磁界の悪影響を補正するために、この移動体の中で較正する必要がある ことが知られている。強磁性物質や、電流を流す配線類の存在により移動体が磁 界を発生させることがわかっており、この磁界が移動体の車体内部および隣接す るさまざまな位置で地磁界に干渉する。コンパスの磁界センサは、地磁界に対す る方向探知を行なう目的で局所的な磁界中に置かれ、磁界に対し反応する。移動 体が作り出す磁界ベクトルを本明細書中では自差発生磁界ベクトルと呼ぶことに する。このベクトルが地磁界と結合してえられる合力または外部磁界ベクトルは 、較正または補償を行わなければ信頼度や精度がめられる方向探知への使用には 適していない。乗用車に今日求められる要求を満たすためには完全に自動の自差 補償が必要である。

電流で励磁されると自差発生磁界に等しい大きさで逆の方向の磁界を発生する１ 対の補償コイルを使用し、回転子形センサで磁気コンパスにおいて自差補償を行 なう方法が知られている。この自差補償方法では、移動体を磁北に対しである基 本方位に配向する必要があり、コイルの電流を調節する必要がある。この調節は 、移動体のドライバが行なうか、コンピュータ制御のコンパスで自動化するがで ある。これでは、移動体の進路が磁北に対し正確に方位合せされていない限り不 正確になってしまう。このタイプの自差補償については、上記のシーアビークの 特許第４，８６２．５９４に開示されている。

乗用車用コンパスの自差補償方法には、もう１つ、１８０°補償法と呼ばれるも のがある。この方法では、まず移動体を磁北に対し任意の選択された方位にして 合力磁界を測定し、それから移動体をこの始めの方位から１８０’変位した方向 にして合力磁界を測定する。合力磁界の大きさおよび方向に関する測定値を使用 して、自差発生磁界を、大きさおよび方向の両方について計算する。計算値を蓄 積し、かつ後はど方向探知に使用するコンパスで得た磁界の測定値から減算して 、自差を補償するというものである。

この方法をフラックスゲートコンパスに用いたものが、上記のバウア特許第４， ７３３，１７９号、ホーメル特許第４．７２０，９９２号およびベーカー他の特 許第３，６８３．６６８号に開示されている。

手動で介入を行なう必要がない、乗用車用コンパスのための完全自動自差補償シ ステムも提案されている。１９８４年５月１日発行のツシモ（Ｔｓｕｓｈｊｍｏ ）の米国特許第４゜４４５．２７９号には、フラックスゲートセンサを使用する 自動システムが開示されている。自差発生磁界を補償するために、車を１周走ら せた後、Ａ−Ｄ変換器とマイクロプロセッサとを使用してオフセット訂正値を計 算する。完全自動補償システムについては、１９８９年２月２８日発行の、アル ・アタール（ＡＩ−Ａｔｔａｒ　）の米国特許第４，８０７．４６２号に記載さ れる。この特許のシステムでは、フラックスゲートセンサが自動車走行中に３つ の針路を測定し、これらの針路を使用して地磁界の円の中心の座標を計算し、か つ方向オフセット値をこの座標を使用して計算する。もう１つの完全自動自差補 償システムは、上記のパン・レントの特許第４，９５３．３０５号に記載される ものである。このシステムでは、移動体を閉じたループに走行させる間に、フラ ックスゲートセンサを使用して最大および最小信号値を記録する。それから、自 差を生じさせる移動体の磁界の値を記録した値から計算する。補償電流をフラッ クスゲートセンサのＸおよびＹ軸検知コイルのそれぞれに印加して、自差発生磁 界を打消す。

先行技術では、磁気コンパス内に磁気抵抗センサを使用することが提案されてい る。このようなコンパスは、１９３４年２月１３日発行のピカード（Ｐｉｃａｒ ｄ）の米国特許第１．９４６，１７０号に開示されており、これによると磁気抵 抗素子がブリッジ回路の形に接続されている。薄膜磁気抵抗センサを使用するコ ンパス力月９７６年３月９日発行のスタッキー他（Ｓｔｕｃｋｉ　ｅｔ　ａｌ） の米国特許第３，９４２．２５８号に記載されている。このシステムでは、３つ の磁気抵抗センサを直角をなす関係に配設して、コンパスのプラットホームと磁 北との間の角度関係に対応する信号を発生させる。これらセンサには、互いに９ ０°の角度でフィルムに巻かれたボンピングコイルと出力コイルとが設けられて いる。ポンピングコイルは磁気抵抗膜に交番バイアス磁界を印加する。１９８５ 年６月２５日発行のサンツム（Ｓａｎｓｏｍ）の米国特許第４，５２５．６７１ 号には、１つて磁界の２つの成分を検知することができる磁気抵抗素子を備えた 磁気抵抗センサが記載されている。一つの電流ストラップが磁気抵抗素子に並行 に延びかつ他の一つのがこの磁気抵抗素子に直角をなして延びる。電流ストラッ プの一方はある周期サイクルの間に交番方向に電流を流し、定力のストラップは ある一方方向に電流を流す。磁気抵抗薄膜を備える磁気コンパスのもう１つの例 が１９８８年９月２８日公開の英国特許出願第８７０７２１８号に開示されてい る。２対の磁気抵抗薄膜を互いに直角に配設する。

バイアス磁界を生じかつこの磁気抵抗物質の電気抵抗の変化を測定する手段を設 ける。１９８５年８月６日発行の、ボード他（Ｂｏｏｒｄ　ｅｔ　ａｔ　）の米 国特許第４，５３３．８７２号には、コンパスに電子センサとして使用する特定 の形状の磁気抵抗薄膜センサが記載されている。

このように、先行技術には移動体用コンパス技術についてかなり詳細に記載され ている。先行技術においては、コンパスに磁気抵抗センサを使用することが提案 される一方、実際の応用面では移動体において完全自動自差補償を行なうための 許容可能な技術がめられている。先行技術には、移動体用コンパスのさまざまな 自差補償法が含まれているが、磁気抵抗センサのための自差補償方法については 触られていない。

本発明の包括的な目的は、先行技術のい（つかの欠点を克服する磁気抵抗センサ を使用する改善された乗用車用コンパスを提供することである。

発明の概要 本発明により、高い精度と信頼性を備え、小型軽量でかつ低コストの移動体用コ ンパスが提供される。これは、切換え可能な磁気バイアスを与える電流導体と、 自差を発生する磁界を打消すための電流導体とを備える薄膜磁気抵抗センサを使 用して実現される。

さらに本発明によれば、閉ループシステムを使用して自差発生磁界を打消す電子 コンパスが提供される。

以下の詳細な説明を添付の図面とともに読むことで本発明を完全に理解すること ができるであろう。

図面の説明 図１は、単軸磁気抵抗センサの図である。

図２は、単軸磁気抵抗センサの動作を説明するグラフである。

図３は、コンパスといくつかの磁界ベクトルとの典型的な関係を、本発明のコン パスが装備された移動体の方向軸とともに示す図である。

図４は、本発明の実施例のコンパスのブロック図である。

図５Ａおよび図５Ｂは、図４のコンパスの動作を表わすグラフである。

図６は、説明に利用するタイミング図である。

図７は、コンパスのマイクロコンピュータにより実行されるプログラムを表わす フローチャートである。

図８は、本発明の実施例のコンパスのＹ軸信号チャネルの模式図である。

図９は、Ｘ軸信号チャンネルの模式図である。

図１０ＡとＪＯＢとは、合わせてマイクロコンピュータを含む電気回路の模式図 であり、これらの回路はコンパスの図８．９およびＩＯに示される回路と結合さ れる。

図１１は、センサのセットおよびリセットのためのバイアス電流回路の模式図で ある。

発明を実施するためのベストモード 図面には、磁気抵抗センサを使用する移動体用磁気コンパスにおける本発明の実 施例が示される。本発明が他の用途においても有用でありかつ異なる実施態様で も実施され得る事を前提として説明が進められる点に留意されたい。

本発明のコンパスについて説明する前に、まずコンパスに使用される磁気抵抗セ ンサについて考えてみる。車軸磁気抵抗センサは、図１の模式図に示される。セ ンサｌＯは、ブリッジ回路の形で接続された４つの磁気抵抗素子の組を含むブリ ッジ回路１２を備える。磁気抵抗素子１４は、磁気抵抗効果を示す磁気物質、た とえば磁界の存在下でその抵抗が変化するパーマロイ等から形成される。ブリッ ジ回路１２は、入力端子間にかかるＤＣ電圧で励磁され、かつ出力信号電圧Ｖ、 が外部の磁界に応答して出力端子間に発生する。センサ１０にはバイアス電流ス トラップ１６が設けられ、このストラップをその入力端子でセット／リセット電 圧で励磁してバイアス磁界Ｍ、を発生させる。この磁界は入力電圧に従い極性が 逆転し得る。また、センサｌＯにはオフセット電流ストラップ１８が設けられ、 このストラップはその入力端子に可逆極性のオフセット電圧を付与することによ って励磁される。電流ストラップ１８は入力信号電圧に従い可逆の極性を有する オフセット磁界Ｍ０を発生させる。バイアス電流ストラップ１６およびオフセッ ト電流ストラップ１８の機能については後はど説明することにする。

センサｌＯは、好ましくはシリコン基板上に製作され、基板の上に磁気抵抗素子 １４が薄膜として堆積される。この構成では、バイアス電流ストラップ１６は電 流導電層として形成される。この層が、軟磁性層に重なり、この軟磁性層が素子 １４を覆う。電流ストラップ１６を１方向に流れる電流のパルスによって磁性層 を飽和させかつ正のバイアス磁界を生じるのに十分な強度の磁界が発生する。電 流を取除くと、装置は磁性層の影響下にバイアスされた状態のままになる。同様 に、反対方向に流れる電流のパルスによってマイナスのバイアスが発生する。オ フセット電流ストラップ１８は電流導電層として形成され、磁気抵抗素子１４を 覆い、ストラップ１６の電流が流れる方向に対し、直角の方向に電流を流す。電 流ストラップ１８により生じたオフセット磁界Ｍ０は磁気抵抗素子１４にかかる 外部の磁界に効果的に対向する。シリコン基板上に薄膜強磁性物質を堆積するこ とによって構成した磁気抵抗センサは、この技術分野では周知であり、たとえ（ よボードの米国特許第４．５３３，８７２号にも記載されている。

センサ１０の動作について図２のグラフを参照して説明する。カーブＶは、セン サ１０の出力電圧を、磁気抵抗素子１４を流れる電流の流れに対し直角をなす方 向の磁界強度の関数として表わす。磁界強度がＯの場合、出力電圧Ｖは最小値で あり、かつ磁界強度がＯからいずれの方向に増大しても、出力電圧は対称的に低 下する。（「正」および［負」ならびにこれらを表わす記号は磁化の対向する方 向または極性を表わすため相対的な意味で使用されている。

）ピーク付近の電圧力ーブはかなり非線形であり、電圧変化の中間範囲では実質 的に線形になる傾向にある。外部磁界に関する方向の情報を得るために、十Ｍ＠ と−ＭＩｌとの交番電界強度を有するバイアス電界を磁気抵抗素子１４にかける 。これは、バイアス電流ストラップ１６、および電流ストラップ１６を通る交流 極性の電流パルスで交互に磁気飽和に至る関連の軟磁性層によって行なわれる。

電流パルスカ月方向に付与されると、装置は、電磁軟鉄層の飽和状態が逆になる まで正のバイアス十Ｍ、で動作することになり、この状態をここでは「セットモ ード」と呼ぶことにする。反対方向の電流パルスは飽和の方向を逆転させ、かつ 装置は負のバイアス−Ｍｌｌで動作することになるが、これをここでは「リセッ トモード」と呼ぶことにする。

装置が交互にセットとリセットモードで動作したり、かけられる磁界の強度が０ であったりする場合には、出力電圧Ｖはセットモードでもリセットモードでも値 Ｖ、を有することになり、出力電圧はＶ、レベルで一定のまま維持される。セン サ１０に外部磁界Ｍ、がかかる場合、この外部磁界とバイアス磁界Ｍ、とが結合 する。図２に示されるとおり、外部磁界が正の極性すなわち十Ｍ、の場合には、 これはバイアス磁界子Ｍ８に加わって合成磁界強度Ｍｓ　＋Ｍ、が生じ、その結 果出力電圧−■、が得られる。リセットモードでは、外部磁界十Ｍ、によってバ イアス磁界＝Ｍｂが減じられて、−Ｍ、＋Ｍ、の正味電界強度が生じる。これに よって得られるリセットモードでの出力電圧は＋Ｖ。

どなる。したがって、センサ１０の出力電圧は、十Ｍ、の外部磁界がかかってい る場合には、バイアス電流ストラップ１６に付与される交流方形波電圧と同じ周 波数の交流方形波電圧である。出力電圧はリセットモードにおける＋Ｖ、という 正のピーク値からセットモードにおける一■、という負のピーク値まで変化する 。図２に示されるように、出力電圧Ｖ。のピーク闇値は外部磁界Ｍｅを表わす。

後はと説明するように、電圧Ｖ、はオフセット電圧であり、これはＡＣ結合によ り出力電圧Ｖ。から取除かれる。なお、出力電圧■。かりセットモードで正の場 合、外部磁界Ｍ。

は正であり、−力出力電圧Ｖ。がセットモードで正であれば、外部磁界は負であ る。外部磁界の大きさを測定するには出力電圧ｖ０の正の部分を測定するだけで よく、かつ外部磁界Ｍ、の方向はその極性およびセットモードかりセットモード かによってわかる。

さてここで図３に示されるような乗用車等の移動体に装備されたセンサｌＯにつ いて考える。外部磁界Ｍ、の方向を判別するには、相互に直角をなして配向した ２つの単軸センサｌＯおよびｌＯ′を使用することが必要である。センサｌＯは 移動体の中に装着され、その検知ＳＡ軸が方向基準軸、すなわち移動体２６の長 手方向の軸Ｙ−Ｙに対し平行にされている。センサ１０’はセンサｌＯと同じ構 成で、かつセンサｌＯに隣接して装着されて、その検知軸が移動体のＸ−Ｘ軸に 平行に延びている。このような装着状況で、センサは、地球に対して変動しない 地磁界Ｍ、に当てられかつまた移動体に対して変動しない移動体の磁界Ｍ７に対 しても当てられる。センサ１０にかかる外部磁界Ｍ、は地磁界と移動体の磁界と のベクトル和である。したがって、センサｌＯは移動体の磁界のＹ軸成分に反応 し、センサ１０’はＸ軸成分に反応する。移動体の磁界Ｍｖは、移動体２６の進 行方向に関係なく一定である。しかしながら、外部磁界Ｍ、には地磁界Ｍ、によ る成分が含まれ、かつセンサ１０および１０’の出力電圧は磁北方位に対する移 動体の針路とともに変化する。これについては以下に説明するとおりである。

本発明の電子コンパスが図４にブロック図で示される。

一般に、コンパスは、二軸センサ３２とマルチプレクサ３４とを含み、これらは センサ回路基板３６上に装着される。

またマイクロコンピュータ３８、アナログ−デジタル変換器４２およびデジタル −アナログ変換器４４が設けられ、これらは母板４６上に装着される。図４の回 路はＸおよびＹ軸出力信号を測定しかつこれらの信号を処理してＤＣ！圧オフセ ットをなくしかつ移動体の自差発生磁界の影響を打消して、コンパスの自差補償 を行なう。マイクロコンピュータ３８は制御プログラム下に動作させ、信号処理 して自差補償を行ないかつ移動体の磁方位を計算する。これについては以下に説 明するとおりである。

図４の回路についてより詳しく説明することにする。二軸センサ３２は互いに対 しかつ移動体２６に対し上記のように装着されたＹ軸センサ１０とＸ軸センサ１ ０′とを備える。マルチプレクサ３４はＸまたはＹ軸出力信号を選択するための アドレス選択人力５２を有する。Ｙ軸センサｌＯの出力信号はマルチプレクサの 入力５４に付与され、かつセンサ１０’のＸ軸出力信号はマルチプレクサの入力 ５６に付与される。出力５８でのマルチプレクサの出力信号がキャパシタ６２を 介してＡ／Ｄ変換器４２の入力６４に結合される。キャパシタ６２はマルチプレ クサ出力５８とＡ／Ｄ変換器人力６４との間にＡＣ結合を行なって、図２を参照 して上に述へたＤＣオフセット電圧Ｖ、を遮断する。

こうして、Ａ／Ｄ変換器４２で測定する必要があるセンサＩＯおよび１０′の出 力電圧の振幅はＤＣオフセット電圧の値だけ低減される。

Ａ／Ｄ変換器４２の出力がマイクロコンピュータ３８の入力６２に付与される。

マイクロコンピュータ３８は、Ｘ軸およびＹ軸センサ１０’およびＩＯそれぞれ の打消し磁界を決定するためのアルゴリズムに基づいてＡ／Ｄ変換器４２のデジ タル信号出力を処理して、センサに対する移動体の自差を発生する磁界の影響を オワセットしかつ打消す。

このアルゴリズムは、後はど説明するマイクロコンピュータ３８のプログラム６ ４（図７を参照）において実施される。

移動体の磁界による自差についてコンパスを補償するやり方に関し、包括的に図 ５Ａおよび５Ｂを参照して説明する。図４に示されるコンパスを図３（二関して 記載したような移動体２６に装備すると、ＡＣ結合によってＡ／Ｄ変換器４２の 入力に付与されるセンサ１０の出力信号は図５Ａの波形Ｖ　ａ　ｖよって表され る。この信号Ｖ、アは、自差補償を行なう前には、オフセット成分Ｄアを有し、 これは定数で、移動体の磁界のＹ軸成分によって生成される。Ｙ軸出力信号Ｖ、 、は移動体２６の進行方向に従い地磁界によって発生する交流成分ＥＹを有する 。成分ＥＹは、移動体を磁北に対しさまざまな方向に走行させると、信号レベル Ｄ、に対して、図５八に示すような正弦状で変化する。Ｙ軸出力信号の波形ｖ、 、は比較的短い期間にわたって発生させてもよいし長い時間にわたって発生させ てもよい、すなわち図５八に示されるものは時間に関係なく描かれている。その 代わり、出力信号を移動体の方向の関数として表してている。

移動体が磁北の方位に進行している場合、出力信号Ｖ、アはその最大値Ｖ、ア１ １．にあり、かつ移動体が磁南の方位に進行している場合には、最小値Ｖ、ア１ ．である。針路が西または東のいずれかである場合には、Ｙ軸信号Ｖ、アの値が 自差成分Ｄアの値になり、これは最大値と最小値の中間にあ自差発生磁界のＹ軸 成分を打消すためには、自差オフセットストラップ１８における電流を測定する 必要がある。

この目的のため、Ａ／Ｄ変換器４２にフルスケールレンジの読取り能力、すなわ ち地磁界成分ＢＹの最大値に等しいかまたはわずかに大きい能力をセットする。

この最大値は、移動体が操作され得る地理的範囲、たとえば北米大陸内で発生す る最大値である。Ａ／Ｄ変換器４２のこのフルスケールレンジは、図５Ａでは、 Ａ／Ｄで表わす信号電圧レベルで示される。センサｌＯのストラップ１８に自差 オフセット電流を与えるための、コンパス回路の動作について以下に説明する。

図５Ａを参照して上に述べたセンサｌＯのＸ軸出力信号に関して説明したものと 類似する態様で、Ｘ軸センサｌＯは図５Ｂに示されるＸ軸出力信号ｖ！Ｉを発生 する。なお、この信号ｖ１．は移動体の自差発生磁界のＸ軸成分の結果として一 定の成分Ｄ８を有する。また、地磁界による交流成分Ｅ、も有し、これは移動体 の進行方向によって変化する。

しかしながら、この交流成分は正弦状に変化する一方Ｙ軸センサ１０の出力信号 における可変の成分Ｅ７に対しては９０°位相がずれている。なお典型的には、 Ｘ軸センサｌＯ′の出力信号ｖ０．の自差成分Ｄ工はＹ軸センサ１０の出力信号 ｖ、７０自差発生ＤＹとは大きさが違う。相対的な大きさは移動体の磁界ベクト ルＭ、の方向に依存しかつこれらはそのベクトルが移動体の長さ方向の軸に対し ４５°かまたはその奇数倍の角度にあるときにのみ互いに等しくなる。一方、Ｘ 軸センサ出力信号ｖ、Ｎにおける交流成分Ｅ８はＹ軸センサｌＯの出力信号ｖ９ ７における交流成分Ｅｙと同じ振幅を有する。図５Ｂに示されるとおり、Ａ／Ｄ 変換器４２のフルスケールレンジは、信号レベルＡ／Ｄで示されているが、Ａ／ Ｄ変換器４２によるＹ軸およびＸ軸双方の出力信号のサンプリングに関して同じ である。

電子コンパスの動作について図４、図５Ａ、図５Ｂ、図６および図７を参照して 説明することにする。移動体の磁方位は、移動体の自差発生磁界の影響を打消し て始めて正確に特定することができる。このように打消すことができれば、Ｙ軸 およびＸ軸出力信号は地磁界の成分に対してのみ対応しかつ周知の関数関係で結 合させて磁北ベクトルの方向を決定することができる。磁界のずれを打消し、コ ンパスの自差補償を行なう磁気コンパスの動作について以下に説明する。

移動体の自差発生磁界を打消しかつ地磁界を測定するための動作を表わすタイミ ング図が図６である。センサ１０およびｌＯ′は、マイクロコンピュータ３８か らのタイミング制御信号下に、お互い同時にセットモードとリセットモードで交 互に動作される。特にセンサ１０および１０′のバイアス電流ストラップ１６お よび１６’はそれぞれ直列に接続されて、たとえば５ミリ秒といったリセット期 間リセット方向のある電流パルスで励磁され、またたとえば５ミリ秒といったセ ット期間の間セット方向に同じ電流ノくルスて励磁される。このリセットモード の間、図６に示すとおり、Ｘ軸センサｌＯ′の出力信号をＡ／Ｄ変換器４２で測 定する。まず、図５Ｂに示されるように、出力信号Ｖ■の値はＡ／Ｄ変換器４２ のフルスケールよりも大きくなる。この測定の結果、マイクロコンピュータ３８ が制御信号をＤ／Ａ変換器４４に送り、センサ１０’のオフセット電流ストラッ プ１８’に、移動体の自差発生磁界のＸ軸成分の増分を打消すような極性の自差 オフセット電流の増分を発生させる。

次に、図６に示されるように、Ｙ軸センサ１０の出力信号を、セットモードの間 にＡ／Ｄ変換器４２で測定する。最初、図５Ａに示すように、出力信号Ｖ。、の 値はＡ／Ｄ変換器のフルスケールよりも大きくなる。この測定結果から、マイク ロコンピュータ３８はＤ／Ａ変換器４４に制御信号を送り、移動体の自差発生磁 界のＹ軸成分の増分を打ち消すような極性の自差オフセット電流の増分を、Ｙ軸 センサ１０のオフセット電流ストラップ１８において発生させる。

次に、図６に示すように、リセットサイクルの間にＹ軸センサｌＯの出力信号を 測定する。これに続き、Ｘ軸センサ１０′の出力信号を、セットモードの間に測 定し、それからリセットモードの間に測定する。出力信号の測定により、信号が Ａ／Ｄ変換器４２のフルスケールよりも大きいと判定されるごとに対応する自差 オフセット電流ストラップ１８または１８’における電流が増分される。このプ ロセスは、Ｙ軸センサの電流ストラップ１８内の自差オフセット電流がＡ／Ｄ変 換器４２のフルスケール範囲内のレベルになり、かつ移動体の自差発生磁界のＹ 軸成分がほぼ打消されるまで続けられる。Ｘ軸センサについても同様のことが行 なわれる。この状態で、Ｘ軸出力信号とＸ軸出力信号の値は測定が行なわれる間 の特定の移動体の針路に関して地磁界に正確に対応する。自差補償プロセスは移 動体を動作している間続けられ、補償の第１のサイクルは移動体が任意の出発地 点から１周回ったところで完了する。１周回ったということはＹ軸センサの最大 出力信号と最小出力信号に対応するピーク値Ｖ、ア１．。とＶ、７．。の発生お よびＸ軸出力信号の最大値および最小値に対応するＶ　＠Ｗｍａ□とＶ、。

、１．の発生により示される。

図７はマイクロコンピュータ３８のプログラムを表わすフローチャートである。

ブロック１００で、プログラムの実行が開始され、次いでブロック１０２ではＸ 軸センサｌＯ′の出力信号が読取られる。ブロック１０４では、プログラムはＸ 軸信号の値がＡ／Ｄ変換器４２のフルスケールレンジ内にあるか否かを決定する 。範囲内にない場合には、プログラムはブロック１０６に進み；Ｘの値がＡ／Ｄ 変換器４２のフルスケールよりも大きいかどうかを決定する。

大きい場合には、ブロック１０８は−Ｘ方向の打消し磁界を増大させ、プログラ ムはブロック１０２に戻る。ブロック１０６が、Ｘはフルスケールより大きくな いと決定した場合には、ブロック１１２で＋Ｘ方向の打消し磁界を増大させ、プ ログラムはブロック１０２に戻る。

ブロック１０４で、Ｘ軸出力信号の測定値がＡ／Ｄ変換器４２のフルスケールレ ンジ内にあると決定されれば、プログラムはブロック１１４に進み、ここでＹ軸 センサｌＯの出力信号の測定値を読取る。そこで、ブロック１１６ではＹ軸信号 の値がＡ／Ｄ変換器４２のフルスケールレンジ内にあるか否かが決定される。も しその範囲内にない場合には、ブロック１１Ｂで、この値がフルスケールレンジ より大きいかどうかを決定する。大きい場合は、ブロック１２２が−Ｙ方向にＹ 軸センサ１０における打消し磁界を増大させる。それから、プログラムはブロッ ク１０２に戻る。

ブロック１１８で、Ｙ軸センサの出力信号がＡ／Ｄ変換器のフルスケールレンジ より大きくないことが決定されると、ブロック１２４は＋Ｙ方向にＹ軸センサの 打消し磁界を増大させ、プログラムはブロック＋０２に戻る。このプログラムの 実行は、ブロック１０４で、Ｘ軸出力信号がＡ／Ｄ変換器４２のフルスケールレ ンジ内にありかつさらにはブロック１１６で、Ｙ軸センサの出力信号がフルスケ ールレンジ内にあると決定されるまで続けられる。その後、プログラムはブロッ ク１２６に進み、ここでＸ軸センサ１０′特表千７−５０４０３３　（７） かを決定する。確認された場合には、プログラムはブロック１２８に進み、そこ でＸ軸センサの出力信号の最小値または負のピークが確認されたかどうかを決定 する。確認されていない場合には、プログラムはブロック１０２に戻り、確認さ れた場合には、プログラムはブロック１３２に進む。

ブロック１３２は、Ｙ軸センサの出力信号の最大値または正のピークが確認され たか否かを決定する。確認されていない場合には、プログラムはブロック１０２ へ戻る。確認されている場合には、プログラムはブロック１３４に進む。

ブロック１３４では、Ｙ軸センサの出力信号の最小値または負のピークが確認さ れたかどうかを決定する。確認されていない場合には、プログラムはブロック１ ０２に戻る。

確認されている場合には、自差補償工程が１サイクルを完全に終了したと決定す る。

この状態で、Ｘ軸およびＸ軸出力信号は実質的に地磁界に対応しかつ移動体の磁 方位を計算するのに適している。

説明した方法については、繰返し連続的に行なって、起こり得る移動体の磁界の 変化に従う自差補償を調整し、継続的に針路表示の精度を強化する。ブロック１ ３４が、自差補償の１サイクルが全部実行されたことを決定すると、プログラム はブロック１３Ｂに進み、ここで移動体の磁方位を計算する。その後ブロック１ ３８が変化の補償の記憶値を加算して移動体の真の進行方向を得る。この真の進 行方向はブロック１４２により、移動体を運転するドライバへの情報として表示 される。

電子コンパスの回路が、図８、図９、図１０Ａ、図１ＯＢおよび図１１の模式図 に示される。図８は、出力センサ１０から出力信号Ｖ、アを発生するためのＹ軸 信号チャネル２０２を示す。センサ１０のブリッジ回路をＤ／Ｃ電圧Ｖ。。で励 磁する。ブリッジ回路の出力は第１段増幅器２０４の入力に与えられ、この増幅 器が約ＩＯまたは１２の電圧ゲインを与える。増幅された出力はＡＣ結合キャパ シタ２０６を介して第２段増幅器２０８の入力に与えられ、この増幅器が約２０ の利得を与える。増幅器２０８の出力はＡＣ結合キャパシタ２１２を介して端子 ２１４に与えられ、信号■、アが図１０４に示される回路に与えられるが、これ についてここで説明を行なう。

出力センサ１０′から出力信号ｖ、ｘを発生するためのＸ軸チャネル２２が図９ に示されかつこれは図８のものに類似している。センサ１０’のブリッジ回路は ＤＣ電圧Ｖ　ｃ　ｅて励磁される。ブリッジ回路の出力は第１段増幅器２２４０ 入力に与えられ、この増幅器が約１０または１２の電圧利得を与える。増幅され た出力はＡＣ結合キャパシタ２２６を介して第２段増幅器２２８の入力に与えら れ、この増幅器が約２０の利得を与える。増幅器２２８の出力はＡＣ結合キャパ シタ２３２を介して端子２３４に与えられ、信号Ｖ　ｅ　ｘが図１０に示される 回路に与えられるが、これについて次に説明する。

図１０Ａと図１０Ｂとを併せると、マイクロコンピュータ３８を含む電子回路の 模式図となり、これらは上記の図８および図９の回路および下に説明する図１１ の回路に結合される。マイクロコンピュータ３８として図示した例は、カリフォ ルニア州バロ・アルドのナショナル・セミコンダクター・インク（Ｎａｔｉｏｎ ａｌ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、　Ｉｎｃ、　ｏｆ　Ｐａｌ。

Ａｌｔｏ、　Ｃａ１ｉｆｏｒｎｉａ　）から入手可能な８ビツトマイクロプロセ ツサ型のＣ０Ｐ８８１Ｃ型である。図１Ｏに示されるとおり、マイクロコンピュ ータ３８にはピンＶ　ｅ　ｔ、リセットおよび接地に図示の通り結合される従来 設計のリセット回路２４２が設けられる。マイクロコンピュータにはこれも従来 設計でピンＣＫＩおよびＣＫ２に接続されたクロック回路２４４が設けられる。

図１０Ｂに示されるように、マイクロコンピュータ３８は、ピンＧｌ、Ｇ５、Ｇ ４、Ｇ６およびＧ２でＥＥＰＲＯＭ２４６に結合される。ＥＥＰＲＯＭ２４６は 、この電子回路への電力の供給が停止された場合にデータを記憶するための永久 メモリとして働く。

真空蛍光ディスプレイ等のコンパス針路ディスプレイ２４８がピンＧ５、Ｇ４お よびＧ６に結合される。ここで再び図１０Ａを参照して、手動切換回路２５２が マイクロコンピュータピン１Ｏ１１１，１２および１３に結合される。

手動スイッチ２５４は、バリエーションに対するコンパス補償に関連して設けら れる。また、手動スイッチ２５５がディスプレイ２４８の明るさを変えるための ものとして示されているが、自動手段を設けてもよい。マイクロコンピュータ３ ８に関連する残りの回路部分はこれから説明するが、センサ１０および１０’を 制御しかつこれらの出力信号を処理して自差補償を行ないかつ針路方向信号を発 生するために動作する。針路は、ディスプレイ２４８上に英数字で示され、移動 体のドライバに基本方位およびその間の方位を表わすコンパスのポイントによる 針路を示す。

センサ１０および１０’のセット／リセット電流ストラップ１６および１６’の ためのドライバ回路２８２が図１１に示される。ドライバ回路２８２のための切 換信号がマイクロコンピュータ３８により出力ピンＤＯで生成されて入力端子２ ８４に付与される。ドライバ回路２８２は、ダーリントン（Ｄａｒｌｉｎｇｔｏ ｎ）　トランジスタ２８６および２８８の対を備え、これらトランジスタはコネ クタ２８４上に与えられた切換信号に応じて交互に導電状態と非導電状態に切換 えられる。したがって、電流ストラップ１６および１６’は図６のタイミング図 に示しかつ上に述べたような電流パルスで励磁されて、センサｌＯおよびｌＯ′ にセットおよびリセットモードを与え、Ｙ軸センサ出力信号とＸ軸センサ出力信 号のそれぞれの測定を行なう。

図１０Ａに示されるように、マルチプレクサ回路５２は、端子２１４でＹ軸セン サ出力信号を受けかつ端子２３４でＸ軸センサ出力信号を受ける。マルチプレク サ３４には、マイクロコンピュータ３８のデータ出力ピンＤＩおよびＤ２からの アドレス信号が与えられ、これがマルチプレクサ５２のピンＡおよびＢに与えら れる。こうして、Ｙ軸およびＸ軸センサｌＯおよび１０′の出力信号は図６を参 照して説明したようにセットおよびリセットモードと同期して交互にアクセスさ れる。センサ出力信号はマルチプレクサのピン０／１を通って図１０Ａに示され るＡ／Ｄ変換器４２に交互に出力される。Ａ／Ｄ変換器は、その反転入力がマル チプレクサ５２のＯ／１出力ピンに接続された比較器２５６を含む。比較器２５ ６の非反シ入力はランプ発生器２５８の出力に接続され、この発生器がマイクロ コンピュータ３４のピンＤ３からのパルス入力を受ける。クランプ回路２６２が ランプ発生器２５８に結合されてランプ発生器の出力をある電圧レベルにクラン プし、それによって、各ランプの後に出力が接地まで落ちて、ランプ参照電圧に まで立て直すのに遅延が必要となるようなことがないようにする。比較器２５６ は、たとえば非反転入力では約２゜５ボルトの参照電圧で動作される。Ａ／Ｄ変 換器はこの参照電圧より２．０ボルト高いフルスケールレンジを有し、かつクラ ンプ電圧はたとえば約２．３ボルトである。ランプ電圧はマイクロ秒当たり１ミ リボルトのレートで増分され、かつ比較器２５６の信号電圧レベルに達するのに 必要なパルスカウントがレジスタ内に記憶され、かつ比較２５６でＡ／Ｄ変換器 に与えられるセンサ電圧の測定値を表わす。パルスカウントレジスタは、信号測 定値がＡ／Ｄ変換器４２のフルスケールレンジより大きいときを示す。

図１０Ｂに示されるように、Ｄ／Ａ変換器４４が出力ピンＬＯからＬ７に結合さ れる。Ｄ／Ａ変換器４４はＲ２Ｒネットワークと呼ばれる梯子型回路網で、たと えばレジスタカウント１２７で２．５ボルトの出力電圧を発生する。

Ｄ／Ａ変換器の出力が増幅器２６４および２６６を含む電圧−電流変換器を介し て付与される。電流増幅器２６６は、図１０Ａに示されるオフセット電流ストラ ップ１８および１８’に対してコネクタ２６８でオフセット電流供給を発生する 。図１０Ａのオフセット電流帰還回路２７２はその非反転入力がマルチプレクサ ５２のピン２に結合された増オフセット電流帰還を行なう。自差補償を行なうの に必要なオフセット電流を発生するためのＡ／Ｄ変換器４２とＤ／Ａ変換器４４ の動作については図５Ａおよび図５Ｂを参照して上に説明した通りである。

本発明について特定の実施例を参照して記載したが、これは限定的な意味で解釈 されるべきでない。当業者には多くの変更および修正が思いつくことであろう。

本発明の定義については添付の請求の範囲を参照されたい。

ＦＩＧ　−１ ＦＩＧ　−３

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．移動体において使用するための電子コンパスであって、外部磁界を検出しか つ前記外部磁界に対応する電子信号を発生するための磁気抵抗センサを含み、前 記外部磁界とは地磁界と、自差を生じさせる移動体の磁界とが結合したものであ り、さらに 自差を生じさせる移動体の磁界の強度および方向を決定するための電子回路を含 み、 前記センサが前記センサ内に前記自差を生じさせる磁界を打消すための手段を含 み、 前記打消し手段が前記電子回路に結合され、かつ前記自差を生じさせる磁界の強 度および方向に従い前記電子回路により励磁されて、それにより、前記センサが 、地磁界に対応する、自差が補償された信号を発生する、電子コンパス。
2. ２．前記電子回路が、前記電子信号を測定しかつ前記測定値と地磁界に対応する 値との差を決定するための測定手段を含み、 前記電子回路が前記差に従い前記打消し手段を励磁するための手段を含む、請求 項１に記載の電子コンパス。
3. ３．磁界センサとともに利用し、自差を生じさせる磁界の影響を打消す方法であ って、 前記センサは、前記センサに当たる外部磁界の磁界強度および方向それぞれに対 応する大きさおよび極性を有する出力信号を発生し、前記外部磁界が地磁界およ び自差を生じさせる磁界による成分を有し、 前記方法は、 信号の実際の値が地磁界が作り出すと考えられる参照値と相違しているか否かを 決定するステップと、相達している場合は、自差を生じさせる磁界に対向して、 前記センサに当たる補償磁界の増分を発生するステップと、実際の値が参照値と 相異しているか否かを決定するステップと、補償磁界の増分を発生するステップ とを、実際の値が参照値に実質的に等しくなるまで繰返し行なうステップとを含 む、方法。