JPH0843101A - 地磁気方位センサ - Google Patents
地磁気方位センサInfo
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- JPH0843101A JPH0843101A JP6178955A JP17895594A JPH0843101A JP H0843101 A JPH0843101 A JP H0843101A JP 6178955 A JP6178955 A JP 6178955A JP 17895594 A JP17895594 A JP 17895594A JP H0843101 A JPH0843101 A JP H0843101A
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- sensor
- magnetic field
- gap
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- geomagnetic
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 実用的な感度を有して地磁気検出精度が高
く、しかも小型化、低価格化が容易な地磁気方位センサ
を提供する。 【構成】 周方向に配列された各強磁性体コアK1 ,K
2 ,K3 ,K4 により形成されている閉曲形状(円弧
状)の中心距離(半径)をrとし、Hgをギャップ内磁
界、NIを起磁力、μを強磁性体コアの比透磁率とする
と、ギャップ長g(r)が、 g(r)=1/4{(NI/Hg)−(2πr/μ)}
・・・(1) で表す大きさとなるように上記各ギャップG1 ,G2 ,
G3 ,G4 を形成する。
く、しかも小型化、低価格化が容易な地磁気方位センサ
を提供する。 【構成】 周方向に配列された各強磁性体コアK1 ,K
2 ,K3 ,K4 により形成されている閉曲形状(円弧
状)の中心距離(半径)をrとし、Hgをギャップ内磁
界、NIを起磁力、μを強磁性体コアの比透磁率とする
と、ギャップ長g(r)が、 g(r)=1/4{(NI/Hg)−(2πr/μ)}
・・・(1) で表す大きさとなるように上記各ギャップG1 ,G2 ,
G3 ,G4 を形成する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気抵抗効果素子を用
いた地磁気方位センサに関するものであり、特に強磁性
体コアと組み合わせて高感度化を図った新規な地磁気方
位センサに関するものである。
いた地磁気方位センサに関するものであり、特に強磁性
体コアと組み合わせて高感度化を図った新規な地磁気方
位センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えば、カラー陰極線管では、電子銃か
ら出射された電子ビームの軌道が、地磁気により曲げら
れ、蛍光面上でのビーム到達位置(ランディング)が変
化することがある。特に高精細度陰極線管においては、
ランディング余裕度が小さいために、前記ランディング
の変化(位置ずれ)が色純度の劣化等の問題を引き起こ
す。
ら出射された電子ビームの軌道が、地磁気により曲げら
れ、蛍光面上でのビーム到達位置(ランディング)が変
化することがある。特に高精細度陰極線管においては、
ランディング余裕度が小さいために、前記ランディング
の変化(位置ずれ)が色純度の劣化等の問題を引き起こ
す。
【0003】これを補正するために、通常、ランディン
グ補正コイルが陰極線管に取り付けられており、このラ
ンディング補正コイルに地磁気の方位に応じて自動的に
ランディング補正に必要な最適電流を流すことにより、
電子ビームの軌道を制御してミスランディングを防止す
るようにしている。
グ補正コイルが陰極線管に取り付けられており、このラ
ンディング補正コイルに地磁気の方位に応じて自動的に
ランディング補正に必要な最適電流を流すことにより、
電子ビームの軌道を制御してミスランディングを防止す
るようにしている。
【0004】したがって、前記ランディング補正に際し
ては、地磁気の方位を正確に検出する必要があり、いわ
ゆる地磁気方位センサが使用されている。
ては、地磁気の方位を正確に検出する必要があり、いわ
ゆる地磁気方位センサが使用されている。
【0005】あるいは、従来から用いられてきた磁石式
の方位計(磁気コンパス)の代替として、携帯型の方位
計としても地磁気方位センサが使用されている。
の方位計(磁気コンパス)の代替として、携帯型の方位
計としても地磁気方位センサが使用されている。
【0006】上述のように、地磁気方位センサは、様々
な用途に使用されるが、その代表的な構造としては、い
わゆるフラックスゲート型のものと、磁気抵抗効果型
(MR型)のものが知られている。
な用途に使用されるが、その代表的な構造としては、い
わゆるフラックスゲート型のものと、磁気抵抗効果型
(MR型)のものが知られている。
【0007】前者は、図13に示すように、パーマロイ
コア101に電気信号出力用コイル102と励磁用コイ
ル103を巻回してなるもので、地磁気を前記パーマロ
イコアで集束し、これを電気信号出力用コイル102に
伝えるような構造とされている。
コア101に電気信号出力用コイル102と励磁用コイ
ル103を巻回してなるもので、地磁気を前記パーマロ
イコアで集束し、これを電気信号出力用コイル102に
伝えるような構造とされている。
【0008】そして、このフラックスゲート型の地磁気
方位センサでは、励磁コイル103により交流バイアス
磁界HB をパーマロイコア101中に発生させ、バイア
ス磁界が反転したときに発生するパルス状の電圧を信号
として検出する。このパルス状電圧の電圧値は、地磁気
の方位によって変化するので、地磁気センサとして利用
することができる。
方位センサでは、励磁コイル103により交流バイアス
磁界HB をパーマロイコア101中に発生させ、バイア
ス磁界が反転したときに発生するパルス状の電圧を信号
として検出する。このパルス状電圧の電圧値は、地磁気
の方位によって変化するので、地磁気センサとして利用
することができる。
【0009】しかしながら、このフラックスゲート型の
地磁気方位センサは、コイルにより地磁気を電気信号に
変換するため、感度を上げるためには電気信号出力用コ
イル102の巻き数を多くしたり、集束効果を高めるた
めにパーマロイコア101の形状を大きくする必要があ
る。したがって、小型化や低価格化は難しい。
地磁気方位センサは、コイルにより地磁気を電気信号に
変換するため、感度を上げるためには電気信号出力用コ
イル102の巻き数を多くしたり、集束効果を高めるた
めにパーマロイコア101の形状を大きくする必要があ
る。したがって、小型化や低価格化は難しい。
【0010】一方、後者(MR型)は、図14に示すよ
うに、磁気抵抗効果素子(MRセンサチップ)111を
形成したMRセンサチップ110を空心コイル112の
中に入れ、これらMRセンサチップ110に対して45
゜方向の交流バイアス磁界HB を印加してなるものであ
る。等価回路を図15に示す。地磁気方位センサとして
使用する場合には、図14に示す構造のものを空心コイ
ルの巻回方向が直交するするように1組使用する。
うに、磁気抵抗効果素子(MRセンサチップ)111を
形成したMRセンサチップ110を空心コイル112の
中に入れ、これらMRセンサチップ110に対して45
゜方向の交流バイアス磁界HB を印加してなるものであ
る。等価回路を図15に示す。地磁気方位センサとして
使用する場合には、図14に示す構造のものを空心コイ
ルの巻回方向が直交するするように1組使用する。
【0011】このMR型の地磁気方位センサは、磁気抵
抗効果素子を使用しているため、フラックスゲート型の
地磁気方位センサに比べて感度が高いが、MRセンサチ
ップ110のみで地磁気を感知しているため、0.3ガ
ウス程度の地磁気の方位を検出するには不十分である。
抗効果素子を使用しているため、フラックスゲート型の
地磁気方位センサに比べて感度が高いが、MRセンサチ
ップ110のみで地磁気を感知しているため、0.3ガ
ウス程度の地磁気の方位を検出するには不十分である。
【0012】また、このMR型の地磁気方位センサで
は、MRセンサチップ110に対して45゜方向のバイ
アス磁界HB を加えていること、感度向上のためにMR
カーブを無理に急峻なものとしていることから、MR特
性にヒステリシスを持っており、これを解消するために
信号処理用回路が複雑なものとなったり、方位精度が±
10゜と悪い等の不都合を有する。
は、MRセンサチップ110に対して45゜方向のバイ
アス磁界HB を加えていること、感度向上のためにMR
カーブを無理に急峻なものとしていることから、MR特
性にヒステリシスを持っており、これを解消するために
信号処理用回路が複雑なものとなったり、方位精度が±
10゜と悪い等の不都合を有する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来知
られる地磁気方位センサでは、感度の点で不満を残して
おり、また小型化、低価格化も難しい。
られる地磁気方位センサでは、感度の点で不満を残して
おり、また小型化、低価格化も難しい。
【0014】そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑み
て提案されたもので、実用的な感度を有して地磁気検出
精度が高く、しかも小型化、低価格化が容易な地磁気方
位センサを提供することを目的とする。
て提案されたもので、実用的な感度を有して地磁気検出
精度が高く、しかも小型化、低価格化が容易な地磁気方
位センサを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の地磁気方位セン
サは、地磁気を強磁性体コアで集束することにより大き
な磁束密度に変換し、これをコア間のギャップ内に配置
したMR素子で検出するものである。
サは、地磁気を強磁性体コアで集束することにより大き
な磁束密度に変換し、これをコア間のギャップ内に配置
したMR素子で検出するものである。
【0016】すなわち、本発明の地磁気方位センサは、
地磁気を集束する複数の強磁性体コアが所定のギャップ
をもって周方向に配列されるとともに、前記ギャップを
各強磁性体コアの内周から外周にかけて徐々に幅狭とな
るように形成し、前記ギャップにおける磁界方向に対し
て略直交するように磁気抵抗効果素子がギャップ内に配
されていることを特徴とする。
地磁気を集束する複数の強磁性体コアが所定のギャップ
をもって周方向に配列されるとともに、前記ギャップを
各強磁性体コアの内周から外周にかけて徐々に幅狭とな
るように形成し、前記ギャップにおける磁界方向に対し
て略直交するように磁気抵抗効果素子がギャップ内に配
されていることを特徴とする。
【0017】このとき主に、各ギャップの最大幅、すな
わち最内周部におけるギャップ幅を50μm以下とした
場合に本発明を適用するものとする。
わち最内周部におけるギャップ幅を50μm以下とした
場合に本発明を適用するものとする。
【0018】本発明の地磁気方位センサにおいては、磁
気抵抗効果素子(以下、MRセンサと称する。)は、互
いに直交するX軸方向とY軸方向での出力を得るため、
最低でも2箇所に互いに直交するように配置する。好ま
しくは、等角度間隔(90゜間隔)で4つのMRセンサ
を配置する。
気抵抗効果素子(以下、MRセンサと称する。)は、互
いに直交するX軸方向とY軸方向での出力を得るため、
最低でも2箇所に互いに直交するように配置する。好ま
しくは、等角度間隔(90゜間隔)で4つのMRセンサ
を配置する。
【0019】この場合、具体的には、周方向に配列され
た各強磁性体コアにより形成されている閉曲形状の中心
距離をrとし、Hgをギャップ内磁界、NIを起磁力、
μを強磁性体コアの比透磁率とすると、ギャップ長g
(r)が、 g(r)=1/4{(NI/Hg)−(2πr/μ)} で表す大きさとなるように上記ギャップを形成する。
た各強磁性体コアにより形成されている閉曲形状の中心
距離をrとし、Hgをギャップ内磁界、NIを起磁力、
μを強磁性体コアの比透磁率とすると、ギャップ長g
(r)が、 g(r)=1/4{(NI/Hg)−(2πr/μ)} で表す大きさとなるように上記ギャップを形成する。
【0020】一方、強磁性体コアは、前記MRセンサの
配置に応じて等角度間隔(例えば90゜間隔)でギャッ
プを有し、且つ閉磁路を構成するように、周方向に配列
する。このとき、強磁性体コアの配列状態は、90゜回
転させても対称となる構造とすることが好ましく、具体
的には、円環状、あるいは正方形状に配列する。
配置に応じて等角度間隔(例えば90゜間隔)でギャッ
プを有し、且つ閉磁路を構成するように、周方向に配列
する。このとき、強磁性体コアの配列状態は、90゜回
転させても対称となる構造とすることが好ましく、具体
的には、円環状、あるいは正方形状に配列する。
【0021】上記強磁性体コアには、パーマロイ、珪素
鋼板、各種ソフトフェライト等、高透磁率、高飽和磁束
密度を有する軟磁性材(いわゆるソフト材)を用い、バ
イアス磁界の印加と地磁気の集束に利用する。
鋼板、各種ソフトフェライト等、高透磁率、高飽和磁束
密度を有する軟磁性材(いわゆるソフト材)を用い、バ
イアス磁界の印加と地磁気の集束に利用する。
【0022】したがって、上記強磁性体コアには、励磁
用コイルを巻回し、それに電流IBを流すことによって
バイアス磁界HB を発生させ、MRセンサを磁界感度が
高く且つ直線性(リニアリティ)の良いところで使用す
る。なお、バイアス磁界HB(バイアス電流IB )は、
交流であってもよいし、直流であってもよい。
用コイルを巻回し、それに電流IBを流すことによって
バイアス磁界HB を発生させ、MRセンサを磁界感度が
高く且つ直線性(リニアリティ)の良いところで使用す
る。なお、バイアス磁界HB(バイアス電流IB )は、
交流であってもよいし、直流であってもよい。
【0023】ただし、電流IB の電流値は、バイアス磁
界HB が強磁性体系部(強磁性体コアによって構成され
る閉磁路)の飽和磁束密度以下で透磁率値の前後までと
し、回転磁化範囲を避けるとともに、強磁性体系部の磁
化量に余裕を持たせ、地磁気の集束にも利用する。
界HB が強磁性体系部(強磁性体コアによって構成され
る閉磁路)の飽和磁束密度以下で透磁率値の前後までと
し、回転磁化範囲を避けるとともに、強磁性体系部の磁
化量に余裕を持たせ、地磁気の集束にも利用する。
【0024】MRセンサを交流バイアスで使用した場
合、方位信号(低周波数)を交流信号(高周波数)に重
畳した電気信号として取り出すことができるため、MR
センサにより発生するオフセット及び温度ドリフト等の
ノイズ成分をハイパスフィルタ(HPF)等による回路
処理で取り除くことができ、高方位精度を得ることがで
きる。
合、方位信号(低周波数)を交流信号(高周波数)に重
畳した電気信号として取り出すことができるため、MR
センサにより発生するオフセット及び温度ドリフト等の
ノイズ成分をハイパスフィルタ(HPF)等による回路
処理で取り除くことができ、高方位精度を得ることがで
きる。
【0025】また、本発明の地磁気方位センサにおいて
は、バイアス磁界の方向が180゜異なる一対のMRセ
ンサから差動出力を得るとともに、各MRセンサにそれ
ぞれ直列にMRセンサを接続し、いわゆるブリッジを構
成することで出力の安定化を図ることもできるが、この
場合、直接出力に寄与しないMRセンサは、磁界方向
(バイアス磁界HB の方向)と平行に強磁性体コア上に
配置することが好ましい。これにより、高出力、高方位
精度が実現される。
は、バイアス磁界の方向が180゜異なる一対のMRセ
ンサから差動出力を得るとともに、各MRセンサにそれ
ぞれ直列にMRセンサを接続し、いわゆるブリッジを構
成することで出力の安定化を図ることもできるが、この
場合、直接出力に寄与しないMRセンサは、磁界方向
(バイアス磁界HB の方向)と平行に強磁性体コア上に
配置することが好ましい。これにより、高出力、高方位
精度が実現される。
【0026】
【作用】本発明の地磁気方位センサにおいて、強磁性体
コアは、バイアス磁界の磁路を構成するとともに、地磁
気を集束するいわゆる集束ホーンとして機能する。その
結果、互いに直交するMRセンサに加わる地磁気の総量
は、それぞれ地磁気とMRセンサのなす角度に応じて決
まり、各MRセンサから強磁性体コアにより構成される
閉磁路の中心を通る地磁気線に直角に引いた線に比例す
る。
コアは、バイアス磁界の磁路を構成するとともに、地磁
気を集束するいわゆる集束ホーンとして機能する。その
結果、互いに直交するMRセンサに加わる地磁気の総量
は、それぞれ地磁気とMRセンサのなす角度に応じて決
まり、各MRセンサから強磁性体コアにより構成される
閉磁路の中心を通る地磁気線に直角に引いた線に比例す
る。
【0027】ところで、上記ギャップのギャップ長を小
さくすると、各MRセンサの感度が向上する反面、ギャ
ップ内の磁界に分布が生じて均一でなくなる。この磁界
分布は、ギャップ長方向と直交する方向について各強磁
性体コアの内周から外周へ向かうにつれて磁界が低下す
るという傾向を有する。そこで、本発明の地磁気方位セ
ンサにおいては、各MRセンサが配設されている各強磁
性体コア間のギャップが、各強磁性体コアの内周から外
周にかけて徐々に幅狭となるように形成されているの
で、上記磁界分布が相殺されて磁界がギャップ内の位置
によらず均一となる。
さくすると、各MRセンサの感度が向上する反面、ギャ
ップ内の磁界に分布が生じて均一でなくなる。この磁界
分布は、ギャップ長方向と直交する方向について各強磁
性体コアの内周から外周へ向かうにつれて磁界が低下す
るという傾向を有する。そこで、本発明の地磁気方位セ
ンサにおいては、各MRセンサが配設されている各強磁
性体コア間のギャップが、各強磁性体コアの内周から外
周にかけて徐々に幅狭となるように形成されているの
で、上記磁界分布が相殺されて磁界がギャップ内の位置
によらず均一となる。
【0028】したがって、地磁気が効率的にMRセンサ
へ磁気信号として供給され、上記ギャップ長を小さくし
ても地磁気の方位が高感度且つ高精度に検出される。
へ磁気信号として供給され、上記ギャップ長を小さくし
ても地磁気の方位が高感度且つ高精度に検出される。
【0029】
【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0030】図1は、本発明を適用した地磁気方位セン
サの基本構造の一例を示すものである。
サの基本構造の一例を示すものである。
【0031】この地磁気方位センサは、パーマロイ等か
らなる4つの円弧状の強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,
K4 を円環状に組合せ、90゜間隔でギャップG1 ,G
2 ,G3 ,G4 を配するとともに、これらギャップ
G1 ,G2 ,G3 ,G4 内にそれぞれMRセンサM1 ,
M2 ,M3 ,M4 を配置してなるものである。
らなる4つの円弧状の強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,
K4 を円環状に組合せ、90゜間隔でギャップG1 ,G
2 ,G3 ,G4 を配するとともに、これらギャップ
G1 ,G2 ,G3 ,G4 内にそれぞれMRセンサM1 ,
M2 ,M3 ,M4 を配置してなるものである。
【0032】前記各強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K
4 には、それぞれ励磁用コイルC1,C2 ,C3 ,C4
が巻回され、ギャップG1 ,G2 ,G3 ,G4 中に配置
される各MRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 に対してバ
イアス磁界HB を直角に印加するようになっている。な
お、各MRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 は、図2に示
すように、各ギャップG1 ,G2 ,G3 ,G4 上に成膜
する形で形成されており、したがって、各MRセンサM
1 ,M2 ,M3 ,M4 の膜面に対して略平行にバイアス
磁界HB が印加される。
4 には、それぞれ励磁用コイルC1,C2 ,C3 ,C4
が巻回され、ギャップG1 ,G2 ,G3 ,G4 中に配置
される各MRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 に対してバ
イアス磁界HB を直角に印加するようになっている。な
お、各MRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 は、図2に示
すように、各ギャップG1 ,G2 ,G3 ,G4 上に成膜
する形で形成されており、したがって、各MRセンサM
1 ,M2 ,M3 ,M4 の膜面に対して略平行にバイアス
磁界HB が印加される。
【0033】ここで特に、各ギャップG1 ,G2 ,
G3 ,G4 は、図3に示すように、各強磁性体コア
K1 ,K2 ,K3 ,K4 の内周から外周にかけて徐々に
幅狭となるように形成されている。本実施例において
は、周方向に配列された各強磁性体コアK1 ,K2 ,K
3 ,K4 により形成されている閉曲形状(円弧状)の中
心距離(半径)をrとし、Hgをギャップ内磁界、NI
を起磁力、μを強磁性体コアの比透磁率とすると、ギャ
ップ長g(r)が、 g(r)=1/4{(NI/Hg)−(2πr/μ)} ・・・(1) で表す大きさとなるように上記各ギャップG1 ,G2 ,
G3 ,G4 が形成されている。すなわち、各強磁性体コ
アK1 ,K2 ,K3 ,K4 の内周から外周へ向かうにつ
れて各ギャップG1 ,G2 ,G3 ,G4 のギャップ長は
線形に減少してゆく。
G3 ,G4 は、図3に示すように、各強磁性体コア
K1 ,K2 ,K3 ,K4 の内周から外周にかけて徐々に
幅狭となるように形成されている。本実施例において
は、周方向に配列された各強磁性体コアK1 ,K2 ,K
3 ,K4 により形成されている閉曲形状(円弧状)の中
心距離(半径)をrとし、Hgをギャップ内磁界、NI
を起磁力、μを強磁性体コアの比透磁率とすると、ギャ
ップ長g(r)が、 g(r)=1/4{(NI/Hg)−(2πr/μ)} ・・・(1) で表す大きさとなるように上記各ギャップG1 ,G2 ,
G3 ,G4 が形成されている。すなわち、各強磁性体コ
アK1 ,K2 ,K3 ,K4 の内周から外周へ向かうにつ
れて各ギャップG1 ,G2 ,G3 ,G4 のギャップ長は
線形に減少してゆく。
【0034】上記MRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M
4 は、例えばX軸方向検出用の2つのMRセンサM1 ,
M3 と、これと直交するY軸方向検出用の2つのMRセ
ンサM2,M4 に分類される。
4 は、例えばX軸方向検出用の2つのMRセンサM1 ,
M3 と、これと直交するY軸方向検出用の2つのMRセ
ンサM2,M4 に分類される。
【0035】そして、各MRセンサM1 ,M2 ,M3 ,
M4 には、温度特性(中点電位等)補正用のMRセンサ
M5 ,M6 ,M7 ,M8 が接続されている。
M4 には、温度特性(中点電位等)補正用のMRセンサ
M5 ,M6 ,M7 ,M8 が接続されている。
【0036】ここで、温度特性補正用の各MRセンサM
5 ,M6 ,M7 ,M8 は、ギャップの外(したがって強
磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4 上)にMRセンサM
1 ,M2 ,M3 ,M4 に対して直交するように、すなわ
ち強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4 中の磁気信号に
対して平行になるように配置するが、これは次のような
理由による。
5 ,M6 ,M7 ,M8 は、ギャップの外(したがって強
磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4 上)にMRセンサM
1 ,M2 ,M3 ,M4 に対して直交するように、すなわ
ち強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4 中の磁気信号に
対して平行になるように配置するが、これは次のような
理由による。
【0037】例えば、温度特性補正用のMRセンサ
M5 ,M6 ,M7 ,M8 を地磁気検出用のMRセンサM
1 ,M2 ,M3 ,M4 と平行に配置すると、ギャップの
外であっても漏れ磁界が温度特性補正用のMRセンサM
5 ,M6 ,M7 ,M8 にバイアス磁界として印加され
る。このバイアス磁界の方向は、地磁気検出用のMRセ
ンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 に印加されるバイアス磁界
の方向と同方向であり、地磁気検出用のMRセンサ
M1 ,M3 、あるいはMRセンサM2 ,M4 の差動出力
が打ち消されて小さくなる。その結果、S/Nが悪化
し、方位精度が悪化する。(方位精度±5゜程度) これに対し、温度特性補正用の各MRセンサM5 ,
M6 ,M7 ,M8 を地磁気検出用のMRセンサM1 ,M
2 ,M3 ,M4 に対して直交するように配置すると、強
磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4 中の磁気信号に対し
てほとんど感度を示さない。(バイアス磁界に対して直
交するように配置した場合に比べ、平行に配置した場合
の感度は1/100以下である。) したがって、上記差動出力は大きく取れ、高い方位精度
が得られる。(方位精度±1゜程度) 以上の構成を有する地磁気方位センサの等価回路は、図
4に示す通りである。すなわち、X軸方向検出用の2つ
のMRセンサM1 ,M3 は、温度特性補正用のMRセン
サM5 ,M7 と共にブリッジを構成し、差動アンプA1
よりX出力が出力される。
M5 ,M6 ,M7 ,M8 を地磁気検出用のMRセンサM
1 ,M2 ,M3 ,M4 と平行に配置すると、ギャップの
外であっても漏れ磁界が温度特性補正用のMRセンサM
5 ,M6 ,M7 ,M8 にバイアス磁界として印加され
る。このバイアス磁界の方向は、地磁気検出用のMRセ
ンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 に印加されるバイアス磁界
の方向と同方向であり、地磁気検出用のMRセンサ
M1 ,M3 、あるいはMRセンサM2 ,M4 の差動出力
が打ち消されて小さくなる。その結果、S/Nが悪化
し、方位精度が悪化する。(方位精度±5゜程度) これに対し、温度特性補正用の各MRセンサM5 ,
M6 ,M7 ,M8 を地磁気検出用のMRセンサM1 ,M
2 ,M3 ,M4 に対して直交するように配置すると、強
磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4 中の磁気信号に対し
てほとんど感度を示さない。(バイアス磁界に対して直
交するように配置した場合に比べ、平行に配置した場合
の感度は1/100以下である。) したがって、上記差動出力は大きく取れ、高い方位精度
が得られる。(方位精度±1゜程度) 以上の構成を有する地磁気方位センサの等価回路は、図
4に示す通りである。すなわち、X軸方向検出用の2つ
のMRセンサM1 ,M3 は、温度特性補正用のMRセン
サM5 ,M7 と共にブリッジを構成し、差動アンプA1
よりX出力が出力される。
【0038】同様に、Y軸方向検出用の2つのMRセン
サM2 ,M4 は、温度特性補正用のMRセンサM6 ,M
8 と共にブリッジを構成し、差動アンプA2 よりY出力
が出力される。
サM2 ,M4 は、温度特性補正用のMRセンサM6 ,M
8 と共にブリッジを構成し、差動アンプA2 よりY出力
が出力される。
【0039】地磁気検出用のMRセンサM1 ,M2 ,M
3 ,M4 には、定電位電源VCCが接続され、センス電流
が供給される。
3 ,M4 には、定電位電源VCCが接続され、センス電流
が供給される。
【0040】また、交流バイアス電流IB により、X軸
方向検出用のMRセンサM1 とMRセンサM3 には、1
80゜方位の異なるバイアス磁界(HB 及び−HB )が
印加され、同様にY軸方向検出用のMRセンサM2 とM
RセンサM4 にも180゜方位の異なるバイアス磁界
(HB 及び−HB )が印加される。
方向検出用のMRセンサM1 とMRセンサM3 には、1
80゜方位の異なるバイアス磁界(HB 及び−HB )が
印加され、同様にY軸方向検出用のMRセンサM2 とM
RセンサM4 にも180゜方位の異なるバイアス磁界
(HB 及び−HB )が印加される。
【0041】上記構成の地磁気方位センサにおいて、M
RセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 は、次のような特徴を
持っている。
RセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 は、次のような特徴を
持っている。
【0042】(1)磁界の強度により抵抗値が変化す
る。(磁気抵抗効果) (2)弱い磁界を感知する能力に優れている。
る。(磁気抵抗効果) (2)弱い磁界を感知する能力に優れている。
【0043】(3)抵抗値変化を電気信号として取り出
すことができる。
すことができる。
【0044】本発明の地磁気方位センサにおいては、こ
の特徴を利用して地磁気による磁気信号を電気信号に変
換する。
の特徴を利用して地磁気による磁気信号を電気信号に変
換する。
【0045】図5は、MRセンサのMR特性曲線を示す
ものである。この図5において、横軸はMRセンサに垂
直に加わる磁界の強さ、縦軸はMRセンサの抵抗値の変
化、あるいは出力電圧変化(MRセンサに直流電流を流
した場合)である。
ものである。この図5において、横軸はMRセンサに垂
直に加わる磁界の強さ、縦軸はMRセンサの抵抗値の変
化、あるいは出力電圧変化(MRセンサに直流電流を流
した場合)である。
【0046】MRセンサの抵抗値は、磁界零で最大とな
り、大きな磁界(MRセンサのパターン形状等にもよる
が100〜200ガウス程度)を印加したときに約3%
小さくなる。
り、大きな磁界(MRセンサのパターン形状等にもよる
が100〜200ガウス程度)を印加したときに約3%
小さくなる。
【0047】MRセンサ出力のS/N(出力電圧振幅)
及び歪率向上のためには、図5に示すように、バイアス
磁界HB が必要となる。このバイアス磁界HB は、先に
も述べたように、強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4
に励磁用コイルC1 ,C2 ,C3 ,C4 を巻き、これに
バイアス電流IB を流すことによって与えられる。
及び歪率向上のためには、図5に示すように、バイアス
磁界HB が必要となる。このバイアス磁界HB は、先に
も述べたように、強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4
に励磁用コイルC1 ,C2 ,C3 ,C4 を巻き、これに
バイアス電流IB を流すことによって与えられる。
【0048】このとき、X軸方向検出用のMRセンサM
1 に印加されるバイアス磁界の方向とMRセンサM3 に
印加されるバイアス磁界の方向は、互いに180゜反転
している。同様に、Y軸方向検出用のMRセンサM2 に
印加されるバイアス磁界の方向とMRセンサM4 に印加
されるバイアス磁界の方向も、互いに180゜反転して
いる。
1 に印加されるバイアス磁界の方向とMRセンサM3 に
印加されるバイアス磁界の方向は、互いに180゜反転
している。同様に、Y軸方向検出用のMRセンサM2 に
印加されるバイアス磁界の方向とMRセンサM4 に印加
されるバイアス磁界の方向も、互いに180゜反転して
いる。
【0049】ここで、地磁気信号HE が入ってくると、
例えばX軸方向検出用のMRセンサM1 及びM3 に加わ
る磁界の強さは以下のようになる。
例えばX軸方向検出用のMRセンサM1 及びM3 に加わ
る磁界の強さは以下のようになる。
【0050】MRセンサM1 : HB +HE MRセンサM3 : −HB +HE 交流バイアス磁界を印加とすると、MRセンサM1 に印
加される磁界は図5中線Aで示すように変化し、この磁
界の変化が図5中線Bで示すように電圧変化として出力
される。一方、MRセンサM3 に印加される磁界は図5
中線Cで示すように変化し、この磁界の変化が図5中線
Dで示すように電圧変化として出力される。
加される磁界は図5中線Aで示すように変化し、この磁
界の変化が図5中線Bで示すように電圧変化として出力
される。一方、MRセンサM3 に印加される磁界は図5
中線Cで示すように変化し、この磁界の変化が図5中線
Dで示すように電圧変化として出力される。
【0051】このMRセンサM1 からの出力(線B)と
MRセンサM3 からの出力(線D)の出力差Lが、差動
信号(X出力)として取り出される。Y軸方向検出用の
MRセンサM2 ,M4 についても同様であり、差動信号
(Y出力)が取り出される。
MRセンサM3 からの出力(線D)の出力差Lが、差動
信号(X出力)として取り出される。Y軸方向検出用の
MRセンサM2 ,M4 についても同様であり、差動信号
(Y出力)が取り出される。
【0052】これら差動信号は地磁気HE の方位により
変化し、それぞれHE sinθ、HE cosθに比例す
る。したがって、横軸に方位θをとって出力電位をプロ
ットすると、X出力及びY出力は図6に示すようなもの
となる。
変化し、それぞれHE sinθ、HE cosθに比例す
る。したがって、横軸に方位θをとって出力電位をプロ
ットすると、X出力及びY出力は図6に示すようなもの
となる。
【0053】したがって、これらX出力及びY出力か
ら、地磁気に対する方位θを算出することができる。
ら、地磁気に対する方位θを算出することができる。
【0054】すなわち、X出力とY出力の比X/Yは、
これら出力がHE sinθ、HE cosθに比例するこ
とから、sinθ/cosθで表わすことができる。
これら出力がHE sinθ、HE cosθに比例するこ
とから、sinθ/cosθで表わすことができる。
【0055】X/Y=sinθ/cosθ=tanθ したがって、 θ=tan-1(X/Y) (ただし、0≦θ≦180゜のときX≧0、180゜<
θ<360゜のときX<0である。)以上によって地磁
気HE の方位θを知ることができる。
θ<360゜のときX<0である。)以上によって地磁
気HE の方位θを知ることができる。
【0056】次に強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K4
による地磁気集束原理について説明する。
による地磁気集束原理について説明する。
【0057】先ず、図7に、フェライト、パーマロイ等
からなる強磁性体コアKが地磁気にどのような影響を与
えるのかを模式的に図示した。
からなる強磁性体コアKが地磁気にどのような影響を与
えるのかを模式的に図示した。
【0058】強磁性体は空気中に比べて磁気抵抗が小さ
いため、地磁気が吸い寄せられるように曲げられ、強磁
性体コアK中を通って再び外へ出る。
いため、地磁気が吸い寄せられるように曲げられ、強磁
性体コアK中を通って再び外へ出る。
【0059】したがって、上記強磁性体コアKは、地磁
気を集束し、大きな磁束密度に変換する。(実際は、地
磁気は強磁性体コアKを磁化し、ギャップに大きな磁界
を発生する。)図8は、円形の強磁性体コアKを用いた
場合に地磁気がどのように各MRセンサM1,M2,
M3,M4に伝わるのかを示したものであり、各MRセン
サM1,M2,M3,M4に磁気信号として印加される地磁気
の総量は、各MRセンサM1,M2,M3,M4から強磁性
体コアKの中心を通る地磁気線HEOに垂直に引いた線の
長さに相当する。
気を集束し、大きな磁束密度に変換する。(実際は、地
磁気は強磁性体コアKを磁化し、ギャップに大きな磁界
を発生する。)図8は、円形の強磁性体コアKを用いた
場合に地磁気がどのように各MRセンサM1,M2,
M3,M4に伝わるのかを示したものであり、各MRセン
サM1,M2,M3,M4に磁気信号として印加される地磁気
の総量は、各MRセンサM1,M2,M3,M4から強磁性
体コアKの中心を通る地磁気線HEOに垂直に引いた線の
長さに相当する。
【0060】X軸方向検出用MRセンサM1 ,M3 に印
加される地磁気の総量:rsinθ Y軸方向検出用MRセンサM2 ,M4 に印加される地磁
気の総量:rcosθ したがって、これら地磁気の総量に基づいて出力される
地磁気方位センサ出力(X出力,Y出力)より、先の計
算式に従って地磁気HEの方位θが算出される。
加される地磁気の総量:rsinθ Y軸方向検出用MRセンサM2 ,M4 に印加される地磁
気の総量:rcosθ したがって、これら地磁気の総量に基づいて出力される
地磁気方位センサ出力(X出力,Y出力)より、先の計
算式に従って地磁気HEの方位θが算出される。
【0061】図9に示すように強磁性体コアKが正方形
の場合も同様であり、強磁性体コアKの中心点を回転中
心として90゜回転させたときに対称となる形状であれ
ば、いずれの場合にも同様の出力を得ることができる。
の場合も同様であり、強磁性体コアKの中心点を回転中
心として90゜回転させたときに対称となる形状であれ
ば、いずれの場合にも同様の出力を得ることができる。
【0062】前述のように、励磁用コイルC1 ,C2 ,
C3 ,C4 のコアとして機能する強磁性体コアK1 ,K
2 ,K3 ,K4 を軟磁性体(ソフト強磁性体)とし、地
磁気の集束ホーンとして使用すると、空心コイルやマグ
ネットを使用したときに比べて出力が大きくなり、感度
が向上する。
C3 ,C4 のコアとして機能する強磁性体コアK1 ,K
2 ,K3 ,K4 を軟磁性体(ソフト強磁性体)とし、地
磁気の集束ホーンとして使用すると、空心コイルやマグ
ネットを使用したときに比べて出力が大きくなり、感度
が向上する。
【0063】ここで、1つの実験例について説明する。
この実験例は、上記実施例に係る地磁気方位センサの実
際の効果について調べたものである。
この実験例は、上記実施例に係る地磁気方位センサの実
際の効果について調べたものである。
【0064】上記実験例においては、上記実施例と異な
り図10(ここでは強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K
4 及びMRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 のみ示す)に
示すように、各ギャップG1 ,G2 ,G3 ,G4 のギャ
ップ長が場所によらず一定とされた地磁気方位センサを
用いて、上記ギャップ長とMRセンサM1 ,M2 ,
M3 ,M4 の感度との関係について調べた。
り図10(ここでは強磁性体コアK1 ,K2 ,K3 ,K
4 及びMRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 のみ示す)に
示すように、各ギャップG1 ,G2 ,G3 ,G4 のギャ
ップ長が場所によらず一定とされた地磁気方位センサを
用いて、上記ギャップ長とMRセンサM1 ,M2 ,
M3 ,M4 の感度との関係について調べた。
【0065】最初に、ギャップ長を0.3mmの一定値
として、外部磁界である地磁気信号HE の増幅率につい
て測定したところ、図11に示すように、強磁性体コア
K1,K2 ,K3 ,K4 により形成された円弧状の内周
近傍の箇所Aから外周近傍の箇所Bに架けて約5倍の一
定増幅率を示した。
として、外部磁界である地磁気信号HE の増幅率につい
て測定したところ、図11に示すように、強磁性体コア
K1,K2 ,K3 ,K4 により形成された円弧状の内周
近傍の箇所Aから外周近傍の箇所Bに架けて約5倍の一
定増幅率を示した。
【0066】このようにギャップ長が比較的大きい値で
ある場合には、ギャップ内磁界が一定であり地磁気の角
度検出精度は良好である反面、上記の如く増幅率が低く
感度は十分であるとは言い難い。
ある場合には、ギャップ内磁界が一定であり地磁気の角
度検出精度は良好である反面、上記の如く増幅率が低く
感度は十分であるとは言い難い。
【0067】そこで、感度の向上を図るために、上記ギ
ャップ長を10μmの一定値として、外部磁界である地
磁気信号HE の増幅率について同様に測定したところ、
図12に示すように、約30倍以上の増幅率を示した。
ところが、ギャップ内において上記箇所Aから上記箇所
Bに架けて磁界の分布が生じてムラが発生してしまい、
地磁気の角度検出精度が著しく劣化するという結果とな
った。
ャップ長を10μmの一定値として、外部磁界である地
磁気信号HE の増幅率について同様に測定したところ、
図12に示すように、約30倍以上の増幅率を示した。
ところが、ギャップ内において上記箇所Aから上記箇所
Bに架けて磁界の分布が生じてムラが発生してしまい、
地磁気の角度検出精度が著しく劣化するという結果とな
った。
【0068】これは、以下に示すことが原因であると考
えられる。周方向に配列された各強磁性体コアK1 ,K
2 ,K3 ,K4 により形成されている閉曲形状(円弧
状)の中心距離(半径)をrとし、半径rからr+Δr
までの間の磁気抵抗の値をR、ギャップ長をg、強磁性
体コアの厚みをt、強磁性体コア及び真空の透磁率をそ
れぞれμ,μ0 として、ギャップが4箇所設けられてい
ることを考慮すると、上記磁気抵抗Rは、 R=(2πr/μμ0 tΔr)+(4g/μ0 tΔr) ・・・(2) で表される。また、起磁力NIを加えた場合の磁気回路
内の磁束φは、 φ=NI/R ・・・(3) であるので、ギャップ内の磁界Hg は、 Hg =(1/μ0 tΔr)φ =NI/{(2πr/μ)+4g} ・・・(4) で表される。
えられる。周方向に配列された各強磁性体コアK1 ,K
2 ,K3 ,K4 により形成されている閉曲形状(円弧
状)の中心距離(半径)をrとし、半径rからr+Δr
までの間の磁気抵抗の値をR、ギャップ長をg、強磁性
体コアの厚みをt、強磁性体コア及び真空の透磁率をそ
れぞれμ,μ0 として、ギャップが4箇所設けられてい
ることを考慮すると、上記磁気抵抗Rは、 R=(2πr/μμ0 tΔr)+(4g/μ0 tΔr) ・・・(2) で表される。また、起磁力NIを加えた場合の磁気回路
内の磁束φは、 φ=NI/R ・・・(3) であるので、ギャップ内の磁界Hg は、 Hg =(1/μ0 tΔr)φ =NI/{(2πr/μ)+4g} ・・・(4) で表される。
【0069】したがって、ギャップ長が大きいときには
磁気抵抗Rがギャップ長のみで決定されると見なせるの
でギャップ内の磁界分布は一様になるが、ギャップ長が
小さいときにはギャップ内の磁界分布は一様とはならず
にムラが生じる。
磁気抵抗Rがギャップ長のみで決定されると見なせるの
でギャップ内の磁界分布は一様になるが、ギャップ長が
小さいときにはギャップ内の磁界分布は一様とはならず
にムラが生じる。
【0070】そこで、ギャップ長gを半径rの関数g
(r)として上記(1)式のように規定することによ
り、(4)式に示すギャップ内の磁界Hg を一定値とす
ることが可能となる。
(r)として上記(1)式のように規定することによ
り、(4)式に示すギャップ内の磁界Hg を一定値とす
ることが可能となる。
【0071】このように、本実施例に係る地磁気方位セ
ンサによれば、MRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 の感
度を向上させるとともにギャップ内の磁界分布を均一と
し、地磁気の角度検出精度の向上を図ることが可能とな
る。
ンサによれば、MRセンサM1 ,M2 ,M3 ,M4 の感
度を向上させるとともにギャップ内の磁界分布を均一と
し、地磁気の角度検出精度の向上を図ることが可能とな
る。
【0072】以上、本発明を適用した実施例について説
明してきたが、本発明がこれら実施例に限定されるわけ
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で形状、材
質、寸法等、任意に変更することが可能である。
明してきたが、本発明がこれら実施例に限定されるわけ
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で形状、材
質、寸法等、任意に変更することが可能である。
【0073】例えば、各強磁性体コアK1 ,K2 ,
K3 ,K4 を薄膜として構成することもできる。このと
き、薄膜形成プロセスにおいては容易にギャップ長が狭
くなるようにギャップを形成することが可能であるため
に、マスクを修正するのみで容易にギャップを上記
(1)式で示すような形状に形成することができる。し
たがって、この手法を用いれば超小型の地磁気方位セン
サを実現させることが可能となる。
K3 ,K4 を薄膜として構成することもできる。このと
き、薄膜形成プロセスにおいては容易にギャップ長が狭
くなるようにギャップを形成することが可能であるため
に、マスクを修正するのみで容易にギャップを上記
(1)式で示すような形状に形成することができる。し
たがって、この手法を用いれば超小型の地磁気方位セン
サを実現させることが可能となる。
【0074】
【発明の効果】以上の説明からも明かなように、本発明
によれば、実用的な感度を有して地磁気検出精度が高
く、しかも小型化、低価格化が容易な地磁気方位センサ
を提供することが可能である。
によれば、実用的な感度を有して地磁気検出精度が高
く、しかも小型化、低価格化が容易な地磁気方位センサ
を提供することが可能である。
【図1】本実施例の地磁気方位センサの一構成例を模式
的に示す平面図である。
的に示す平面図である。
【図2】本実施例の地磁気方位センサの一構成例を模式
的に示す正面図である。
的に示す正面図である。
【図3】各ギャップの形状を模式的に示す平面図であ
る。
る。
【図4】図1に示す地磁気方位センサの等価回路を示す
回路図である。
回路図である。
【図5】MRセンサの磁気抵抗効果特性を示す特性図で
ある。
ある。
【図6】出力電圧と方位の関係を示す特性図である。
【図7】強磁性体コアによる地磁気の集束状態を示す模
式図である。
式図である。
【図8】円形コアを用いた場合に各MRセンサに印加さ
れる地磁気の総量を示す模式図である。
れる地磁気の総量を示す模式図である。
【図9】正方形コアを用いた場合に各MRセンサに印加
される地磁気の総量を示す模式図である。
される地磁気の総量を示す模式図である。
【図10】実験例における各ギャップのギャップ長が場
所によらず一定とされた地磁気方位センサの要部を模式
的に示す平面図である。
所によらず一定とされた地磁気方位センサの要部を模式
的に示す平面図である。
【図11】図10に示す地磁気方位センサのギャップ長
を0.3mmとした際の感度を示す特性図である。
を0.3mmとした際の感度を示す特性図である。
【図12】図10に示す地磁気方位センサのギャップ長
を10μmとした際の感度を示す特性図である。
を10μmとした際の感度を示す特性図である。
【図13】従来のフラックスゲート型の地磁気方位セン
サの一例を示す概略平面図である。
サの一例を示す概略平面図である。
【図14】従来のMR型の地磁気方位センサの一例を示
す概略平面図である。
す概略平面図である。
【図15】図14に示す地磁気方位センサの等価回路図
である。
である。
M1,M2,M3,M4 MRセンサ K1,K2,K3,K4 強磁性体コア G1,G2,G3,G4 ギャップ
Claims (4)
- 【請求項1】 地磁気を集束する複数の強磁性体コアが
所定のギャップをもって周方向に配列されるとともに、 前記ギャップが各強磁性体コアの内周から外周にかけて
徐々に幅狭となるように形成され、 前記ギャップにおける磁界方向に対して略直交するよう
に磁気抵抗効果素子がギャップ内に配されてなることを
特徴とする地磁気方位センサ。 - 【請求項2】 各ギャップの最大幅が50μm以下であ
ることを特徴とする請求項1記載の地磁気方位センサ。 - 【請求項3】 略直交する少なくとも一対の磁気抵抗効
果素子を有することを特徴とする請求項1記載の地磁気
方位センサ。 - 【請求項4】 二対の磁気抵抗効果素子を有し、周方向
に配列された各強磁性体コアにより形成されている閉曲
形状の中心距離をrとし、Hgをギャップ内磁界、NI
を起磁力、μを強磁性体コアの比透磁率とすると、ギャ
ップ長g(r)は、 g(r)=1/4{(NI/Hg)−(2πr/μ)} で表されることを特徴とする請求項3記載の地磁気方位
センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6178955A JPH0843101A (ja) | 1994-07-29 | 1994-07-29 | 地磁気方位センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6178955A JPH0843101A (ja) | 1994-07-29 | 1994-07-29 | 地磁気方位センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0843101A true JPH0843101A (ja) | 1996-02-16 |
Family
ID=16057587
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6178955A Withdrawn JPH0843101A (ja) | 1994-07-29 | 1994-07-29 | 地磁気方位センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0843101A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011064648A (ja) * | 2009-09-18 | 2011-03-31 | Tokai Rika Co Ltd | 電流センサ |
CN105004331A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-10-28 | 常州安塔歌电子科技有限公司 | 一种基于太阳测向的方位角传感器 |
-
1994
- 1994-07-29 JP JP6178955A patent/JPH0843101A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011064648A (ja) * | 2009-09-18 | 2011-03-31 | Tokai Rika Co Ltd | 電流センサ |
CN105004331A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-10-28 | 常州安塔歌电子科技有限公司 | 一种基于太阳测向的方位角传感器 |
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Date | Code | Title | Description |
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