KR20060051899A

KR20060051899A - 자기검출장치 및 그것을 사용한 전자방위계

Info

Publication number: KR20060051899A
Application number: KR1020050091889A
Authority: KR
Inventors: 유키미츠 야마다
Original assignee: 알프스 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-05-19
Also published as: US7268544B2; EP1643213A1; US20060071660A1; CN1755325A; CN100510624C; KR100709363B1

Abstract

본 발명은 자기검출회로 중의 앰플리파이어로부터 출력되는 전압에 불가피적으로 옵셋전압이 생겨도 방위 오차로 이어지지 않는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여 본 발명의 전압발생부(11)는, 센서부(12)에 극성이 반전된 제 1,제 2 전압을 인가한다. 센서부(12)는, 지구자기의 변화에 대응한 전압값을 출력한다. 바이어스 자계 발생부(16)는, 센서부(12)에 교류 바이어스 자계를 인가한다. 검출부(13)는, 제 1, 제 2 각각의 전압에 있어서, 교류 바이어스 자계가 양 및 음의 방향으로 인가되었을 때의 전압을 각각 검출한다. 그들 검출된 전압의 차분을 취함으로써 자기검출회로로부터 출력되는 옵셋전압을 소거한다.

Description

자기검출장치 및 그것을 사용한 전자방위계{MAGNETIC DETECTION APPARATUS AND ELECTRONIC ORIENTATION SYSTEM USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 자기검출장치를 구비한 전자방위계의 개략 구성을 나타내는 블럭도,

도 2는 도 1에 나타내는 전자방위계의 연산부의 내부 구성을 나타내는 블럭도,

도 3은 자기저항소자의 저항변화를 설명하기 위한 도,

도 4(a)는 본 발명의 실시형태 1에 관한 전자방위계의 스테이지 S1를 나타내는 회로도,

도 4(b)는 자기저항소자의 저항변화를 나타내는 도,

도 5는 본 발명의 실시형태 1에 관한 전자방위계의 각 스테이지의 제어신호의 상태를 나타내는 도,

도 6(a)는 본 발명의 실시형태 1에 관한 전자방위계의 스테이지 S2를 나타내는 회로도,

도 6(b)는 자기저항소자의 저항변화를 나타내는 도,

도 7은 본 발명의 실시형태 1에 관한 전자방위계의 스테이지 S3를 나타내는 회로도,

도 8은 본 발명의 실시형태 1에 관한 전자방위계의 스테이지 S4를 나타내는 회로도,

도 9는 본 발명의 실시형태 2에 관한 전자방위계의 스테이지 T1를 나타내는 회로도,

도 10은 본 발명의 실시형태 2에 관한 전자방위계의 각 스테이지의 제어신호의 상태를 나타내는 도,

도 11은 본 발명의 실시형태 2에 관한 전자방위계의 스테이지 T2를 나타내는 회로도,

도 12는 본 발명의 실시형태 2에 관한 전자방위계의 스테이지 T3을 나타내는 회로도,

도 13은 본 발명의 실시형태 2에 관한 전자방위계의 스테이지 T4를 나타내는 회로도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 전압발생부 12 : 센서부

13 : 검출부 14 : AD 변환부

15 : 연산부 16 : 바이어스 자계 발생부

17 : 제어부 121 : 코일

131, 132 : 앰플리파이어 133 : 콘덴서

151, 154∼156 : 데이터 보존부 152 : 차분 연산부

153 : 선택부 157 : 방위 산출부

SW₁∼SW₇ : 스위치

본 발명은 자기검출장치 및 그것을 사용한 전자방위계에 관한 것이다.

전자적으로 방위측정을 행하는 경우에는, 지구자기를 검출하는 자기센서를 사용하여 행한다. 자기센서를 포함하는 자기검출회로를 사용하여 방위를 구하는 경우에, 자기센서에 대하여 교류적인 바이어스 자계를 인가하여 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하였을 때에 자기센서로부터 출력되는 전압을 측정하는 기술이 알려져 있다. 이 전압값을 콘덴서에 기억하여 극성마다의 전압값의 차를 사용하여 방위를 산출함으로써, 자기센서 고유의 옵셋특성, 히스테리시스특성에 기인하는 오차를 소거할 수 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특허제3318761호 공보

그러나 상기 자기검출회로에 있어서는, 회로 중의 앰플리파이어(증폭기)로부터 출력되는 전압의 차분값에 불가피적으로 앰플리파이어 고유의 옵셋전압이 포함되고 있고, 이 옵셋전압이 방위오차로 이어진다는 문제가 있다. 통상, 이 옵셋전압은 수 mV 이며, 이 옵셋전압에 의하여 방위가 5°내지 10°어긋난다.

본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 검출회로로부터 출력되는 전압에 불가피적으로 옵셋전압이 생켜도 방위오차로 이어지지 않는 자기검출장치및 그것을 사용한 전자방위계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 자기검출장치는, 자기를 검출하는 자기센서와, 상기 자기센서에 극성을 반전시켜 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 발생수단과, 상기 자기센서에 극성이 반전된 크기가 같은 제 1, 제 2 전압을 인가하는 전압인가수단과, 각각의 극성의 바이어스 자계에 대하여 얻어진 전압값을 검출하는 검출수단과, 상기 전압값을 사용하여 방위를 구하는 연산수단을 구비하고, 상기 검출수단은, 상기 제 1 전압에 대하여 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값의 차인 제 1 출력전압과, 상기 제 2 전압에 대하여 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값의 차인 제 2 출력전압을 구하고, 양자의 차분에 의하여 상기 제 1 및 제 2 출력전압에 포함되는 옵셋전압을 소거하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 자기검출에 있어서 바이어스 자계 및 전압의 극성을 반전시켜 구해진 제 1 및 제 2 출력전압의 차분을 취함으로써 회로 내부에서 발생하는 옵셋전압을 제거할 수 있다.

본 발명의 자기검출장치는, 자기를 검출하는 자기센서와, 상기 자기센서에 극성을 반전시켜 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 발생수단과, 상기 자기센서에 전압을 인가하는 전압 인가수단과, 각각의 극성의 바이어스 자계에 대하여 얻어진 전압값을 검출하는 검출수단과, 상기 전압값을 사용하여 방위를 구하는 연 산수단을 구비하고, 상기 검출수단은, 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 제 1, 제 2 전압값을 각각 입력시켜, 상기 제 1 전압값으로부터 상기 제 2 전압값을 감산할지, 상기 제 2 전압값으로부터 상기 제 1 전압값을 감산할지를 변환하는 수단을 가지고, 변환 전후의 값의 차분을 취함으로써 옵셋전압을 소거하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 제 1, 제 2 전압값을 교체하여 감산하고, 그 감산결과의 차분을 취함으로써, 회로 내부에서 발생하는 옵셋전압을 제거할 수 있다.

본 발명의 자기검출장치에 있어서는, 상기 자기센서는, 자계에 대하여 대상성이 있는 저항변화를 나타내는 자기저항소자를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서 자기저항소자는, GIG 소자 또는 MR 소자인 것이 바람직하다.

본 발명의 자기검출장치에 있어서는, 상기 자기센서는 브릿지회로로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 전자방위계는, 상기한 복수의 자기검출장치와, 상기 복수의 자기검출장치에 의하여 구해진 각각의 차분전압을 사용하여 방위를 구하는 방위 산출수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 자기저항변화로부터 구한 차분전압을 사용하여 방위산출이 가능하게 된다. 이 경우, 본 발명에 관한 자기검출장치에 있어서, 회로 내부에서 발생하는 옵셋전압을 제거할 수 있기 때문에, 더욱 정밀도가 높은 방위산출이 가능하게 된다.

본 발명자는, 자기검출회로 중의 앰플리파이어로부터 출력되는 전압에 불가피적으로 옵셋전압이 생기고, 이 옵셋전압이 방위오차로 이어지는 것에 착안하여 이 옵셋전압은 제 1 전압에 대하여 극성을 반전시킨 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값으로부터 구한 제 1 출력전압과, 제 2 전압에 대하여 극성을 반전시킨 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값으로부터 구한 제 2 출력전압과의 차분에 의해 상기 제 1 및 제 2 출력전압을 구할 때에 생기는 옵셋전압을 소거할 수 있는 것을 발견하고 본 발명을 하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 골자는, 제 1 전압에 대하여 극성을 반전시킨 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값으로부터 구한 제 1 출력전압과, 제 2 전압에 대하여 극성을 반전시킨 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값으로부터 구한 제 2 출력전압과의 차분에 의하여 자기검출회로 중의 앰플리파이어로부터 출력되는 전압에 불가피적으로 발생하는 옵셋전압을 소거하는 것이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

(실시형태 1)

본 실시형태에 있어서는, 자기센서에 극성을 반전시켜 전압을 인가하는 구성에 대하여 설명한다. 즉, 본 실시형태에 있어서는 제 1 전압으로서 한쪽의 극성(예를 들면 양)의 전압을 사용하고, 제 2 전압으로서 다른쪽 극성(예를 들면 음)의 전압을 사용한다. 도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 자기검출장치를 구비한 전자방위계의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.

도 1에 나타내는 자기검출장치는, 지구자기의 변화에 대응한 전압값을 출력하는 센서부(12)와, 센서부(12)에 제 1 및 제 2 전압(양 및 음의 전압)을 변환하여 교대로 인가하는 전압발생부(11)와, 센서부(12)에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 발생부(16)와, 센서부(12)에서 출력되는 전압값을 검출(증폭)하는 검출부(13)와, 전압값을 AD 변환하는 AD 변환부(14)와, AD 변환후의 디지털 데이터를 사용하여 방위를 구하는 연산부(15)와, 전압발생부(11), 검출부(13) 및 바이어스 자계 발생부(16)의 제어를 행하는 제어부(17)로 주로 구성되어 있다.

전압발생부(11)는, 센서부(12)에 인가하는 전압을 변환한다. 본 실시형태에 있어서는, 도 4에 나타내는 바와 같이 센서부(12)의 브릿지회로에 접속된 스위치(SW₁, SW₂)로 구성되어 있다. 이 전압의 변환의 타이밍은 제어부(17)에 의하여 제어된다.

센서부(12)는, X축, Y축 및 Z축의 3축으로 구성되고, 지구자기를 검출하는 자기효과 소자를 포함하는 자기센서를 가지며, 지구자기의 변화에 대응한 전압값을 출력한다. 본 실시형태에 있어서는, 도 4에 나타내는 바와 같이 브릿지회로로 구성되어 있다. 자기효과 소자로서는, 자계에 대하여 대상성이 있는 변화를 나타내는 자기저항소자를 사용한다. 이와 같은 자기효과 소자로서는, GIG(Granular In Gap)소자, MR(Magneto Resistance)소자 등을 들 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, 지구자기를더욱 감도 좋게 검출할 수 있는 GIG 소자를 사용한다.

바이어스 자계 발생부(16)는, 극성을 반전시킨 바이어스 자계를 발생시키기 위한 전류를 센서부에 공급함으로써, 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계를 변환한다. 본 실시형태에 있어서는, 도 4에 나타내는 바와 같이 센서부(12)의 브릿지회로에 접속된 스위치(SW₃, SW₄)로 구성되어 있다. 이 바이어스 자계의 변환 타이밍은 제어부(17)에 의하여 제어된다.

검출부(13)는, 센서부(12)에서 출력되는 전압값을 검출(증폭)한다. 본 실시형태에 있어서는, 도 4에 나타내는 바와 같이 앰플리파이어(131)와, 전압값을 증폭하는 앰플리파이어(132)와, 전압값을 축적하는 콘덴서(133)와, 콘덴서(133)에 축적할지를 변환하는 스위치(SW₅)로 구성된다. 이 전압값의 축적 타이밍은, 제어부(17)에 의하여 제어된다.

AD 변환부(14)는, 검출부(13)에서 검출된 아날로그의 전압값을 AD 변환하여 대응하는 디지털 데이터를 연산부(15)에 출력한다. 또한 여기서는 AD 변환부(14)의 분해능은 10비트 상당으로 사용하고 있다.

연산부(15)는, AD 변환부(14)로부터의 디지털 데이터에 대하여 데이터간 연산을 행하고, 그 연산결과를 사용하여 방위산출을 행한다. 연산부(15)는, 도 2에 나타내는 구성을 가진다. 도 2는 도 1에 나타내는 전자방위계의 연산부의 내부 구성을 나타내는 블럭도이다.

연산부(15)는, 제 1 전압을 사용하여 얻어진 제 1 출력전압을 저장하는 데이터 보존부(151)와, 제 2 전압을 사용하여 얻어진 제 2 출력전압과 데이터 보존부(151)에 저장된 제 1 출력전압과의 사이의 차분을 구하는 차분 연산부(152)와, 얻 어진 차분전압이 어느 축에 대한 차분전압인지에 의하여 저장장소를 선택하는 선택부(153)와, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 차분전압을 저장하는 데이터 보존부(154, 155, 156)와, 이들 차분전압(연산결과)으로부터 방위를 구하는 방위 산출부(157)로 주로 구성되어 있다.

이 연산부(15)에서는 제 1 전압(양의 전압)에 대하여 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값으로부터 구한 제 1 출력전압을 데이터 보존부(151)에 저장하고, 제 2 전압(음의 전압)에 대하여 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값으로부터 구한 제 2 출력전압이 얻어졌을 때에, 차분연산부(152)에 있어서, 제 1 출력전압과 제 2 출력전압과의 사이의 차분을 산출한다. 이 차분은, 선택부(153)를 거쳐 데이터 보존부(154∼156)에 저장된다. 즉, X축용 차분이면 X축용 데이터 보존부에 저장되고, Y축용 차분이면 Y축용 데이터 보존부에 저장되며, Z축용 차분이면 Z축용 데이터 보존부에 저장된다. 그리고 이들 차분전압을 사용하여 방위 산출부(157)에서 방위가 구해진다.

또한, 연산부(15)는 데이터의 안전성이나 신뢰성의 향상을 위하여 평균화처리, 메디안처리 등의 필터처리를 행하는 기능이나, 측정환경이나 센서의 온도특성 등에 의하여 발생하는 드리프트 보정기능(캐리블레이션기능)도 아울러 가진다.

제어부(17)는, 전압발생부(11), 검출부(13) 및 바이어스 자계 발생부(16)에 제어신호(φ1∼φ4)를 공급하여 각 처리부를 제어한다. 또 제어부(17)는, 전자방위계의 외부와의 데이터통신의 제어 등의 기능도 가진다. 이 경우, 전체의 소비전력을 적게 하기 위하여 각 처리부를 ON/OFF 제어한다.

다음에, 본 발명의 전자방위계의 동작에 대하여 도 4에 나타내는 회로도를 사용하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시형태 1에 관한 전자방위계를 나타내는 회로도이다. 또한 도 4에 있어서는, 설명을 간단하게 하기 위하여 제어부는 도시하지 않고, 제어신호의 입력을 나타내고 있다. 또 여기서는 제 1 전압을 양으로 하고, 제 2전압을 음으로 하고 있다.

먼저, 센서부(12)에 사용되는 자기저항소자는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 자계에 대하여 대상성을 나타내는 자기저항효과를 나타낸다. 즉, 자계가 전혀 없을 때에 자기저항소자의 저항은 최대가 되어, 양, 음의 어느 쪽으로 자계가 인가되어도 저항이 작아진다. 이 자기저항소자에 양의 바이어스 자계를 인가하면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 바이어스 자계에 의하여 Ha를 중심으로 하여 저항이 변화하게 된다. 그리고 이 상태에서 지구자기 등의 외부로부터의 다른 자계가 자기저항소자에 인가되면 저항값이 변화된다. 이 다른 자계의 방향과 바이어스 자계의 방향이 동일한 경우에는 저항값은 감소하고, 다른 경우에는 저항값이 증가한다.

본 실시형태에 있어서는, 센서부(12)는 브릿지회로로 구성된다. 도 4의 브릿지회로에 있어서, 자기저항변화를 나타내는 소자는 Ra, Rc 이다. 또 Rb, Rd는 고정 저항이다. 이 브릿지회로의 1쌍의 단자(Sa, Sc)에 전압을 인가하면, 각각의 저항으로 분압된 전압이 반대의 1쌍의 단자(Sb, Sd)로부터 출력된다. 브릿지회로를 구성하는 Ra, Rc는 자기에 의하여 저항이 변화하기 때문에, 그 자기에 대응하여 전압이 출력된다.

본 실시형태에 있어서, 전압발생부(1)는 스위치(SW₁, SW₂)로 구성되고, 센서부(12)에 인가하는 전압의 극성(방향)을 제어부(17)로부터의 제어신호(φ1)에 의하여 변환한다. 제어신호(φ1)가 하이(H 신호)인 경우, 스위치(SW₁, SW₂)에 의하여 Vdd가 단자(Sa)측에 접속되어, 단자(Sa)로부터 단자(Sd)의 방향으로 전압이 인가된다. 제어신호(φ1)가 로우(L 신호)인 경우, 스위치(SW₁, SW₂)에 의하여 Vdd가 단자(Sd)측에 접속되어, 단자(Sd)로부터 단자(Sa)방향으로 전압이 인가된다.

바이어스 자계 발생부(16)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 센서부(12)에 설치되는 코일(121)에 흘리는 전류의 방향을 제어부(17)로부터의 제어신호(φ2)에 의하여 변환하여, 센서부(12)에 극성을 반전시킨 바이어스 자계를 인가한다. 제어신호(φ2)가 하이(H 신호)인 경우, 스위치(SW₃, SW₄)에 의하여 윗쪽에서 보아 시계방향으로 전류가 흐르고, 센서부(12)에는 도 3에 있어서의 HA 방향으로 바이어스 자계가 발생한다. 제어신호(φ2)가 로우(L 신호)인 경우, 스위치(SW₃, SW₄)에 의하여 상기와는 반대방향으로 전류가 흐르고, 센서부(12)에는 도 3에 있어서의 HB 방향으로 바이어스 자계가 발생한다.

검출부(13)에 있어서는, 앰플리파이어(131)는 브릿지회로의 단자(Sb, Sd)에 접속되어 있고, 센서부(12)의 출력을 도입한다. 도입된 전압은, 스위치(SW₅)를 거쳐 콘덴서(133)에 충전된다. 또 도입된 전압은, 앰플리파이어(132)의 입력단자와 접속되어 있다. 또한 스위치(SW₅)는, 제어부(17)의 제어신호(φ3)에 의하여 제어된 다. 제어신호(φ3)가 하이(H 신호)인 경우, 스위치(SW₅)에 의하여 앰플리파이어(131)의 출력은 콘덴서(133)와 접속되고, 제어신호(φ3)가 로우(L 신호)인 경우, 스위치(SW₅)에 의하여 콘덴서(133)와의 접속이 해제된다. 앰플리파이어(132)는, 콘덴서(133)의 전압값과 앰플리파이어(131)의 출력인 전압값과의 사이의 차분을 증폭하도록 동작한다. 이에 의하여 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계의 방향을 변환하였을 때의 전압값의 차를 증폭하여 출력한다.

다음에, 상기 구성을 가지는 전자방위계의 동작에 대하여 설명한다. 또한 검출하는 자기(지구자기)의 자계와 동일방향의 바이어스 자계를 양방향으로 하고 있다.

본 실시형태에 관한 전자방위계의 센서부(12)에 있어서의 구동모드는 이하의 4개의 스테이지로 구성된다. 각 스테이지에 있어서의 제어신호의 상태를 도 5에 나타낸다.

S1 : 전압이 양, 바이어스 자계가 양

S2 : 전압이 양, 바이어스 자계가 음

S3 : 전압이 음, 바이어스 자계가 양

S4 : 전압이 음, 바이어스 자계가 음

스테이지 S1은 도 4(a)에 나타내는 바와 같이 센서부(12)에 인가하는 전압이 양[제어신호(φ1)가 H 신호]이고, 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계가 양[제어신호(φ2)가 H 신호]이다. 이 때문에 자기저항소자의 저항변화는 도 4(b)에 나타 내는 바와 같이 된다. 통상, 외부로부터 자계가 없고 바이어스 자계뿐인 경우에 센서부 (12)로부터 출력되는 전압을 Vacen과 Vbcen이라 하면, 외부로부터 자계가 있었던 경우에는 그 저항 변화분(ΔR)에 따른 전압(ΔV)이 가산되어 센서부(12)로부터 출력된다. Sd 단자의 전압을 VaS1이라 하고, Sb 단자의 전압을 VbS1이라 하면 그들 전압값은, 수학식 (1), 수학식 (2)와 같아진다.

이때, 검출부(13)내의 앰플리파이어(131)로부터 출력되는 전압값(Vs1)(제 1 전압값)은, 수학식 (3)과 같아진다.

이 Vs1은, 제어신호(φ3)가 H 신호이기 때문에, 전압값(Vs1)은 검출부(13)내의 콘덴서(133)에 유지된다.

스테이지 S2는, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 센서부(12)에 인가하는 전압이 양[제어신호(φ1)가 H 신호]이고, 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계가 음[제어신호(φ2)가 L 신호]이다. 이 때문에 자기저항소자의 저항변화는 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 된다. 이 경우, 도 4(a)와 비교하여 바이어스 자계가 극성 반전되어 있는 점이 다르기 때문에, 그 점을 고려하여 센서부(12)로부터 출력되는 전압값을 구하면 수학식 (4), 수학식 (5)와 같아진다.

이때 검출부(13)내의 앰플리파이어(131)로부터 출력되는 전압값(Vs2)(제 2 전압값)은 수학식 (6)과 같아진다.

이때 제어신호(φ3)가 L 신호이기 때문에, Vs2는 앰플리파이어(132)로 스테이지 S1일 때의 Vs1과의 사이에서 차분이 취해지고, 그 차분이 증폭된다. 앰플리파이어(132)의 내부 옵셋오차를 Vofs라 하고, 앰플리파이어(132)로 증폭된 전압(제 1 전압)을 Vamp2라 하면 수학식 (7)과 같아진다. 또한 이하에 있어서는 설명을 간단하게 하기 위하여 증폭율을 1로 한 경우에 대하여 설명한다.

이 전압값은, AD 변환부(14)에서 디지털신호처리되어, 데이터(D_D1)로서 연산부(15)의 데이터 보존부(151)에 저장된다. 데이터(D_D1)는, 데이터로서는 디지털이나, Vamp2와 동일한 레벨의 값이다.

스테이지 S3은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 센서부(12)에 인가하는 전압이 음[제어신호(φ1)가 L 신호]이고, 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계가 양(제어신호(φ2)가 H 신호]이다. 이 때문에 자기저항소자의 저항변화는 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 된다. 이 경우, 도 4(a)와 비교해하여 전압이 극성 반전되어 있는 점이 다르기 때문에, 그 점을 고려하여 센서부(12)로부터 출력되는 전압값을 구하면 수학식 (8), 수학식 (9)와 같아진다.

이때 검출부(13)내의 앰플리파이어(131)로부터 출력되는 전압값(Vs3)(제 1 전압값)은, 수학식 (10)과 같아진다.

이 Vs3은, 제어신호(φ3)가 H 신호이기 때문에, 전압값(Vs3)은 검출부(13)내의 콘덴서(133)에 유지된다.

스테이지 S4는, 도 8에 나타내는 바와 같이 센서부(12)에 인가하는 전압이 음[제어신호(φ1)가 L 신호]이고, 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계가 음[제어신호(φ2)가 L 신호]이다. 이 때문에 자기저항소자의 저항변화는 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 된다. 이 경우, 도 4(a)와 비교하여 전압 및 바이어스 자계가 극성 반전되어 있는 점이 다르기 때문에, 그 점을 고려하여 센서부(12)로부터 출력되는 전압값을 구하면 식 (11), 식(12)와 같아진다.

이때, 검출부(13)내의 앰플리파이어(131)로부터 출력되는 전압값(Vs4)(제 2 전압값)은, 수학식 (13)과 같아진다.

이때 제어신호(φ3)가 L 신호이기 때문에, Vs4는 앰플리파이어(132)로 스테이지 S3일 때의 Vs3과의 사이에서 차분이 취해지고, 그 차분이 증폭된다. 앰플리파이어(132)의 내부 옵셋오차를 Vofs라 하고, 앰플리파이어(132)로 증폭된 전압(제 2 전압)을 Vamp4라 하면 수학식 (14)와 같아진다. 여기서도 증폭율은 1로 하고 있다.

이 전압값은, AD 변환부(14)에서 디지털신호처리되어, 데이터(D_D2)로서 연산부(15)의 차분 연산부(152)에 보내진다. 이때 데이터보존부(151)에 저장된 데이터(D_D1)도 차분 연산부(152)에 보내진다. 또한 데이터(D_D2)는, 데이터로서는 디지털이나, Vamp4와 같은 레벨의 값이다.

이어서, 차분 연산부(152)에서 D_D1과 D_D2의 차분연산을 행하고, 그 결과를 선택부(153)를 거쳐 데이터보존부(154∼156)에 저장한다. 차분연산의 결과(차분전압)를 D_Dout라 하면 수학식 (15)와 같아지고, VOfs는 소거되어 있다.

센서부(12)는 X축, Y축 및 Z축의 3축으로 구성되어 있기 때문에, 상기한 바와 같은 처리에 의하여 X축용의 차분전압(D_DoutX), Y축용의 차분전압(D_DoutY), Z축용의 차분전압(D_DoutZ)이 각각 구해진다. 이들 차분전압은, 각각의 데이터보존부(154∼156)에 저장된다. 그후, 방위 산출부(157)에 있어서, 데이터보존부(154∼156)에 저장된 차분전압을 사용하여 방위를 산출한다. 즉, X축용의 차분전압(D_DoutX)과 Y축용의 차분전압(D_DoutY)의 비에 대하여 아크탄젠트를 취함으로써 방위를 산출한다. 또 Z축용의 차분전압(D_DoutZ)은, 전자방위계의 기울어진 상태를 보정하는 연산에 있어서 사용한다. 예를 들면 휴대전화 등에 본 발명에 관한 전자방위계를 탑재한 경우에는, 휴대전화를 경사시킨 상태에서 사용되는 것이 예상되기 때문에, 이와 같은 경우에 있어서, Z축용의 차분전압(D_DoutZ)을 사용하여 보정연산을 행하여 방위를 산출한다.

이와 같이, 자기저항 변화로부터 구한 차분전압(D_Dout)을 사용함으로써 방위산출이 가능하게 된다. 이 자기검출에 있어서는, 바이어스 자계 및 전압의 극성을 반전시켜 구해진 제 1 및 제 2 출력전압의 차분을 취함으로써, 상기 수학식 (15)에 나타내는 바와 같이, 회로 내부[특히 검출부(13)내의 앰플리파이어(132)]에서 발생 하는 옵셋전압(Vofs)을 제거할 수 있다. 따라서 더욱 정밀도가 높은 방위 산출이 가능하게 된다.

(실시형태 2)

본 실시형태에 있어서는, 검출부에 있어서 한쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값으로부터 다른쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값을 감산할지, 다른쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값으로부터 한쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값을 감산할지를 변환하는 구성에 대하여 설명한다. 이 구성은, 도 1에 나타내는 전자방위계의 전압발생부(11)가 없는 구성으로, 전압의 극성을 반전시키고 있지 않다.

또, 이 구성에서는 검출부(13)에, 한쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값으로부터 다른쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값을 감산할지, 다른쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값으로부터 한쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값을 감산할지(감산방향)를 변환하는 변환수단을 설치하고 있다. 이 경우에 있어서, 제 1 출력전압을 구할 때에 센서부(12)에 인가하는 제 1 전압과 제 2 출력전압을 구할 때에 센서부(12)에 인가하는 제 2 전압은 동일하다.

또한, AD 변환부 및 연산부(15)에 대해서는 실시형태 1과 동일하기 때문에, 그것들의 상세한 설명은 생략한다. 센서부(12)에 있어서는, 브릿지회로의 단자(Sa, Sc) 사이에 전압이 인가된다.

도 9는, 본 발명의 실시형태 2에 관한 전자방위계를 나타내는 회로도이다. 검출부(13)에 있어서는, 앰플리파이어(131)는 브릿지회로의 단자(Sb, Sd)에 접속되어 있고, 센서부(12)의 출력을 도입한다. 도입된 전압은, 스위치(SW₅)를 거쳐 콘덴서(133)에 충전된다. 또 도입된 전압은, 앰플리파이어(132)의 입력단자와 접속되어 있다. 또한 스위치(SW₅)는, 제어부(17)의 제어신호(φ3)에 의하여 제어된다. 제어신호(φ3)가 하이(H 신호)인 경우, 스위치(SW₅)에 의하여 앰플리파이어(131)의 출력은 콘덴서(133)와 접속하고, 제어신호(φ3)가 로우(L 신호)인 경우, 스위치(SW₅)에 의하여 콘덴서(133)와의 접속이 해제된다. 앰플리파이어(132)는, 콘덴서(133)의 전압값과 앰플리파이어(131)의 출력인 전압값과의 사이의 차분을 증폭하도록 동작한다. 이에 의하여 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계의 방향을 변환하였을 때의 전압값의 차를 증폭하여 출력한다.

앰플리파이어(132)의 전단에는, 한쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값으로부터 다른쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값을 감산할지, 다른쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값으로부터 한쪽 극성의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값을 감산할지(감산방향)를 변환하는 스위치(SW₆, SW₇)가 설치되어 있다. 이 스위치(SW₆, SW₇)에 의하여 앰플리파이어(131) 및 콘덴서(133)와 앰플리파이어(132)와의 접속방법(스트레이트, 크로스)을 변환한다. 접속이 스트레이트인 경우에는, 한쪽 극성(여기서는 양)의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값으로부터 다른쪽 극성(여기서 는 음)의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값을 감산하고, 접속이 크로스인 경우에는 다른쪽 극성(여기서는 음)의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값으로부터 한쪽 극성(여기서는 양)의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값을 감산한다.

또한 스위치(SW₆, SW₇)는, 제어부(17)의 제어신호(φ4)에 의하여 제어된다. 제어신호(φ4)가 하이(H 신호)인 경우, 스위치(SW₆, SW₇)에 의하여 앰플리파이어(131)의 출력이 앰플리파이어(132)의 + 측에 접속하고, 콘덴서(133)가 앰플리파이어(132)의 - 측에 접속한다. 한편, 제어신호(φ4)가 로우(L 신호)인 경우, 스위치(SW₆, SW₇)에 의하여 앰플리파이어(131)의 출력이 앰플리파이어(132)의 - 측에 접속하고, 콘덴서(133)가 앰플리파이어(132)의 + 측에 접속한다. 앰플리파이어(132)는, 콘덴서(133)의 전압값과 앰플리파이어(131)의 출력인 전압값과의 사이의 차분을 증폭하도록 동작한다. 이에 의하여 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계의 방향을 변환하였을 때의 전압값의 차를 증폭하여 출력한다.

다음에, 상기 구성을 가지는 전자방위계의 동작에 대하여 설명한다. 또한 검출하는 자기(지구자기)의 자계와 동일방향의 바이어스 자계를 양방향으로 한다. 또한 앰플리파이어의 증폭율은 1이라 한다.

본 실시형태에 관한 전자방위계의 센서부(12)에 있어서의 구동 모드는 이하의 4개의 스테이지로 구성된다. 각 스테이지에 있어서의 제어신호의 상태를 도 10에 나타낸다.

T1 : 스위치(SW₆, SW₇)가 하이(스트레이트접속), 바이어스 자계가 양

T2 : 스위치(SW₆, SW₇)가 하이(스트레이트접속), 바이어스 자계가 음

T3 : 스위치(SW₆, SW₇)가 하이(스트레이트접속), 바이어스 자계가 양

T4 : 스위치(SW₆, SW₇)가 로우(크로스접속), 바이어스 자계가 음

스테이지 T1은, 도 9에 나타내는 바와 같이 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계가 양[제어신호(φ2)가 H 신호]이고, 검출부(13)에 있어서의 앰플리파이어(131)의 출력과 콘덴서(133)의 출력이 스트레이트이다[제어신호(φ4)가 H 신호]. 이 때문에 자기저항소자의 저항변화는 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 된다. 통상, 외부로부터 자계가 없고 바이어스 자계뿐인 경우에 센서부(12)로부터 출력되는 전압을 Vacen과 Vbcen이라 하면, 외부로부터 자계가 있었던 경우에는, 그 저항 변화분(ΔR)에 따른 전압(ΔV)이 가산되어 센서부(12)로부터 출력된다. Sd 단자의 전압을 VaT1이라 하고, Sb 단자의 전압을 VbT1이라 하면, 그들의 전압값은, 수학식 (16), 수학식 (17)과 같아진다.

이때, 검출부(13)내의 앰플리파이어(131)로부터 출력되는 전압값(Vt1)(제 1 전압값)은, 수학식 (18)과 같아진다.

이 Vt1은, 제어신호(φ3)가 H 신호이기 때문에, 전압값(Vt1)은 검출부(13)내의 콘덴서(133)에 유지된다.

스테이지 T2는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계가 음[제어신호(φ2)가 L 신호]이고, 검출부(13)에 있어서의 앰플리파이어(131)의 출력과 콘덴서(133)의 출력이 스트레이트이다[제어신호(φ4)가 H 신호]. 이 때문에 자기저항소자의 저항변화는 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 된다. 이 경우, 도 9와 비교하여 바이어스 자계가 극성 반전되어 있는 점이 다르기 때문에, 그 점을 고려하여 센서부(12)로부터 출력되는 전압값을 구하면 수학식 (19), 수학식 (20)과 같아진다.

이때, 검출부(13)내의 앰플리파이어(131)로부터 출력되는 전압값(Vt2)(제 2 전압값)은, 수학식 (21)과 같아진다.

이때 제어신호(φ3)가 L 신호이기 때문에, Vt2는 앰플리파이어(132)로 스테이지 T1일 때의 Vt1과의 사이에서 차분이 취해지고, 그 차분이 증폭된다. 이때 제어신호(φ4)는 H 신호로 되어 있기 때문에, 앰플리파이어(132)에 대해서는 스트레이트로 접속된 형이 된다. 즉, 양의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값(Vtl)으로부터 음의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값(Vt2)을 감산한다. 앰플리파이어(132)의 내부 옵셋오차를 Vofs라 하고, 앰플리파이어(132)로 증폭된 전압(제 1 전압)을 Vamp2라 하면 수학식 (22)와 같아진다.

이 전압값은, AD 변환부(14)에서 디지털신호처리되어, 데이터(D_D1)로서 연산부(15)의 데이터보존부(151)에 저장된다. 데이터(D_D1)는 데이터로서는 디지털이나, Vamp2과 같은 레벨의 값이다.

스테이지 T3은, 도 12에 나타내는 바와 같이, 센서부(12)에 인가하는 바이어스 자계가 양[제어신호(φ2)가 H 신호]이고, 검출부(13)에 있어서의 앰플리파이어 (131)의 출력과 콘덴서(133)의 출력이 크로스이다[제어신호(φ4)가 L 신호]. 이 때문에 자기저항소자의 저항변화는 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 된다. 이 경우의 센서부(12)로부터 출력되는 전압값을 구하면 수학식 (23), 수학식 (24)와 같아진다.

이때, 검출부(13)내의 앰플리파이어(131)로부터 출력되는 전압값(Vt3)(제 1 전압값)은, 수학식 (25)와 같아진다.

이 Vt3은, 제어신호(φ3)가 H 신호이기 때문에, 전압값(Vt3)은 검출부(13)내의 콘덴서(133)에 유지된다.

스테이지(T4)는, 도 12에 나타내는 바와 같이 센서부에 인가하는 바이어스 자계가 음[제어신호(φ2)가 L 신호]이고, 검출부(13)에 있어서의 앰플리파이어(131)의 출력과 콘덴서(133)의 출력이 크로스이다[제어신호(φ4)가 L 신호]. 이 때문에 자기저항소자의 저항변화는 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 된다. 이 경우 의 센서부(12)로부터 출력되는 전압값을 구하면 수학식 (26), 수학식 (27)과 같아진다.

이때, 검출부(13)내의 앰플리파이어(131)로부터 출력되는 전압값(Vt4)(제 2 전압값)은, 수학식 (28)과 같아진다.

이때 제어신호(φ3)가 L 신호이기 때문에, Vt4는 앰플리파이어(132)로 스테이지 T3일 때의 Vt3과의 사이에서 차분이 취해지고, 그 차분이 증폭된다. 이때 제어신호(φ4)가 L 신호로 되어 있기 때문에, 앰플리파이어(132)에 대해서는 크로스로 접속된 형이 된다. 즉, 음의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 2 전압값(Vt4)으로부터 양의 바이어스 자계를 사용하여 얻어진 제 1 전압값(Vt3)을 감산한다. 앰플리파이어(132)의 내부 옵셋전압 오차를 Vofs라 하고, 앰플리파이어(132)로 증폭된 전압(제 2 전압)을 Vamp4라 하면 수학식 (29)와 같아진다.

이 전압값은, AD 변환부(14)에서 디지털신호처리되어, 데이터(D_D2)로서 연산부(15)의 차분연산부(152)에 보내진다. 이때 데이터보존부(151)에 저장된 데이터(D_D1)도 차분연산부(152)에 보내진다. 또한 데이터(DD2)는, 데이터로서는 디지털이나, Vamp4와 같은 레벨의 값이다.

이어서, 차분연산부(152)에서 D_D1과 D_D2의 차분연산을 행하여, 그 결과를 선택부(153)를 거쳐 데이터보존부(154∼156)에 저장한다. 차분연산의 결과(차분전압)를 D_Dout라 하면 수학식 (30)과 같이 되고, VOfs는 소거된다.

센서부(12)는 X축, Y축 및 Z축의 3축으로 구성되어 있기 때문에, 상기한 바와 같은 처리에 의하여 X축용의 차분전압(D_DoutX), Y축용의 차분전압(D_DoutY), Z축용의 차분전압(D_DoutZ)이 각각 구해진다. 이들의 차분전압은, 각각의 데이터보존부(154∼156)에 저장된다. 그후 방위 산출부(157)에 있어서, 데이터보존부(154∼156)에 저장된 차분전압을 사용하여 방위를 산출한다. 즉, X축용의 차분전압 (D_DoutX)과 Y축용의 차분전압(D_DoutY)의 비에 대하여 아크탄젠트를 취함으로써 방위를 산출한다. 또한 Z축용의 차분전압(D_DoutZ)은, 전자방위의 경사진 상태를 보정하는 연산에 있어서 사용한다. 예를 들면 휴대전화 등에 본 발명에 관한 전자방위계를 탑재한 경우에는, 휴대전화를 경사시킨 상태에서 사용되는 것이 예상되기 때문에, 이와 같은 경우에 있어서, Z축용의 차분전압(D_DoutZ)을 사용하여 보정연산을 행하여 방위를 산출한다.

이와 같이, 자기저항 변화로부터 구한 차분전압(D_Dout)을 사용함으로써, 방위 산출이 가능하게 된다. 이 자기검출에 있어서는, 바이어스 자계 및 전압의 극성을 반전시켜 구해진 제 1 및 제 2 출력전압의 차분을 취함으로써, 상기 수학식 (30)에 나타내는 바와 같이, 회로 내부[특히 검출부(13)내의 앰플리파이어(132)]에서 발생하는 옵셋전압을 제거할 수 있다. 따라서 더욱 정밀도가 높은 방위산출이 가능하게 된다.

본 발명은 상기 실시형태 1, 2에 한정되지 않고, 여러가지 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 예를 들면 상기 실시형태 1, 2에 있어서는 X축, Y축 및 Z축에 대한 자기검출을 동일한 회로에서 행하는 경우에 대하여 설명하고 있으나, 본 발명에 있어서는 X축용, Y축용 및 Z축용의 자기검출회로를 각각 사용하여도 좋고, X축 및 Y축에 대한 자기검출을 동일한 회로에서 행하고, Z축에 대한 자기검출을 다른 회로에서 행하도록 하여도 좋다. 상기 실시형태 1, 2에 있어서 설명한 구성은, 이들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한에 있어서 적절히 변경하는 것이 가능하다.

또, 상기 실시형태 1, 2에 있어서는, 앰플리파이어(132)의 옵셋전압만을 소거하는 경우에 대하여 설명하고 있으나, 본 발명에 의하면, 다른 앰플리파이어나 센서의 저항 밸런스에 의하여 발생하는 옵셋전압에 대해서도 소거할 수 있다.

또, 상기 실시형태 1, 2에 있어서는, 외부로부터의 바이어스와 동일방향으로 자계가 바이어스되어 있는 경우에 대하여 설명하고 있으나, 본 발명에 있어서는 외부로부터의 바이어스와 다른 방향으로 자계가 바이어스되어 있는 경우에도 마찬가지로 옵셋전압을 소거하여 방위를 산출할 수 있다.

본 발명에 의하면, 제 1 전압에 대하여 극성을 반전시킨 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값으로부터 구한 제 1 출력전압과, 제 2 전압에 대하여 극성을 반전시킨 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값으로부터 구한 제 2 출력전압과의 차분을 취하기 때문에, 자기검출회로 중의 앰플리파이어로부터 출력되는 전압에 불가피적으로 발생하는 옵셋전압을 소거할 수 있다. 이에 의하여 방위오차없이 방위를 산출하는 것이 가능해진다.

Claims

자기검출장치에 있어서,

자기를 검출하는 자기센서와, 상기 자기센서에 극성을 반전시켜 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 발생수단과, 상기 자기센서에 극성이 반전된 크기가 같은 제 1, 제 2 전압을 인가하는 전압 인가수단과, 각각의 극성의 바이어스 자계에 대하여 얻어진 전압값을 검출하는 검출수단과, 상기 전압값을 사용하여 방위를 구하는 연산수단을 구비하고, 상기 검출수단은, 상기 제 1 전압에 대하여 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값의 차인 제 1 출력전압과, 상기 제 2 전압에 대하여 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 전압값의 차인 제 2 출력전압을 구하고, 양자의 차분에 의하여 상기 제 1 및 제 2 출력전압에 포함되는 옵셋전압을 소거하는 것을 특징으로 하는 자기검출장치.
자기검출장치에 있어서,

자기를 검출하는 자기센서와, 상기 자기센서에 극성을 반전시켜 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계발생수단과, 상기 자기센서에 전압을 인가하는 전압인가수단과, 각각의 극성의 바이어스 자계에 대하여 얻어진 전압값을 검출하는 검출수단과, 상기 전압값을 사용하여 방위를 구하는 연산수단을 구비하고, 상기 검출수단은, 각각의 극성의 바이어스 자계를 인가하여 얻어진 제 1, 제 2 전압값을 각각 입력시켜 상기 제 1 전압값으로부터 상기 제 2 전압값을 감산할지, 상기 제 2 전압 값으로부터 상기 제 1 전압값을 감산할지를 변환하는 수단을 가지고, 변환 전후의 값의 차분을 취함으로써 옵셋전압을 소거하는 것을 특징으로 하는 자기검출장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 자기센서는, 자계에 대하여 대상성이 있는 저항변화를 나타내는 자기저항소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기검출장치.
제 3항에 있어서,

상기 자기저항소자는, GIG 소자 또는 MR 소자인 것을 특징으로 하는 자기검출장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 자기센서는, 브릿지회로로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기검출장치.
제 1항 또는 제 2항에 기재된 복수의 자기검출장치와, 상기 복수의 자기검출장치에 의하여 구해진 각각의 차분전압을 사용하여 방위를 구하는 방위 산출수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자방위계.