TWI262317B - Method for controlling a magnetic flux sensor, a control device, and a mobile terminal device - Google Patents

Description

J262317 九、發明說明： [發明所屬之技術領域】 本發明是關於進行檢測地球磁 等的磁場感測器之控制方法、控制^磁1測器的校準 f置。 置、及攜帶式終端裝 【先前技術】 丨 近年來，搭載有磁場感測器的行 端裝置已#者田儿 ^ 力包忐寺的攜页式終 位，也具有=P=P式終端 星定位系統）的位置資^^ A GSItlQnlng System:全球衛 J〜Ϊ貝讯為基礎，依昭 置等顯示於晝面的地圖上之功能/、'則疋的方位將現在位 【發明内容】 (發明所欲解決之問題） 磁場感測器不僅受到地球磁 =端裝置的電子零件所具有的::的：:到:r 1二=:Γ=Γ形也-樣。例如㈣在大樓 到地球磁場成分以外的磁場成分器。2_感測器感測 係成為正確的方位測定、 ，4種磁場成分 因。因此，為了 場的檢測產生誤差的原 成分打消該磁場成分以外的磁二要Μ測的磁場 (calibration)。 琢成刀用的校準 本發明乃馨於上述問題而 易進行磁場感測器的校準之技術。-目的為^供可容 316967 1262317 (用以解決問題之手段） 本發明的某—能择a , 係為檢測地球磁;i磁場感測器之控制方法。此方法 法，包含：每向里的3軸成分之磁場感測器之控制方 而取準的地球磁場向量的3轴成分變換座標 于：預疋的座標空間的基準座標之步驟； 之步驟「磁“測态的四個以上的姿勢的3軸成分的輸出 而取= 成分的輸出就各自之姿勢變換座標， /、土皁座禚同一的座標空間的座標之步驟； …所取得的4點以上的座標的球，而由其中心 參昭移求出偏位MM磁場量之步驟；以及 …、偏位磁％ I校準磁場感測器之步驟。 基準座標」也可以為以磁場 地球磁場全磁力A车M α I的稷數個姿勢的 由通…'點座標。依照此態樣， 容易進行校準。 γ出偏㈣場量’可 本發明的另一態樣係磁場感測器之控 法為檢測地球磁場向量的2軸成分 此方係 法，包含： 破两感測益之控制方 =將成為基準的地球磁場向量的2轴成 而取件的預定的座標平面的基準座標之 又換压冲不 、、目丨]哭沾-^ 〆知，取得磁場感 ^二個以上的姿勢的2軸成分的輪出之步騍· ^ 將所取得的2軸成分的輸出依每勢變⑽ 316967 1262317 取忖興基準座標同一的座枳正 卜 生成通過所取得的3點以：的:座私之，驟； .與基準座標的偏移求出偏位磁場圓其中心點 磁場量校準前述磁場感測器之步二之^，以及芬照偏位 依照此態樣，由通過3 < 出偏位磁場量，可容易進行校準。的座標之圓的中心點求 鲁 本發明的另—其他態樣 裝置係為檢測地球磁―、心心之控制1置。此 制裝置，包含：#向$的3轴成分之磁場感測器之控 變換座標，基=的地球磁場向量的3轴成分 、、畲管 t預疋的座標空間的基準座標；以及 的輪出'=’Γ場感測器的四個以上的姿勢之3轴成分 座桴㈣㈣座標，取得與基準座標同-的 二生成通過所取得的4點以上的座標的球， 求出偏位磁場旦，灸日^中扣别述基準座標的偏移 準。依日刀此〜里多’’〜偏位磁場量進行磁場感測器的校 的中/ 卜演算部藉由由通過4點以上的座標之球 、〜點求出偏位磁場量，而可容易進行校準。 / 係為場感測器之晴置。此裝置 置，包含w "向置的2抽成分之磁場感測器之控制裝 變換：:!二’保持將成為基準的地球磁場向量的2軸成分 而取得的預定的座標平面的基準座標；以及 以部’將磁場感測器的三個以上的姿勢中的2轴成 316967 1262317 刀:：出依母—各別姿勢變換座標。 的座私平面的座標， 于與基準座標同— 严， 相所取得的3點以上的座標的 演算部係由生成的圓的巾+^ 偏位磁場量，參照該偏位磁場-土丰座標的偏移求出 依照此態樣，演算部藉由由通過3^場感測器的校準。 心點求出偏位磁場量，可實現：/上的座標之圓的中 感測器的行動電話等的攜帶切端=易進行校準之磁場 本發_又-其他純係攜 包含： 而忒置。此裝置係 磁場感測器，檢測地球磁場向 檢測3軸成分的磁場感測器能：：二；以及 依照此態樣，由通過4勢以上6二:4的控制裝置。 出偏位磁場量，可容易進行校準^的座標的球的中心點求 含：本發明的又—其他態樣係攜帶式終端裝置。此裝置包 磁場感測器’檢測地球磁場向 檢測2軸成分的磁場感_的上、+、刀，以及 仂职 9上述恶樣的控制裝置。 出偏：、此態樣，由通過3點以上的座標之圓的中心” 出偏位磁場量，可實現搭載可容易進行校準之磁二Ϊ 的仃動電話等的攜帶式終端I置。 胃m 在方^外:上述構成要件之何組合，或將本發明之表現 本發明二之：媒體、電腦程式等之間變換者，仍屬 316967 1262317 (發明的效杲） 依…不發明，可容易進行磁場感測器的校準。 【實施方式】 分以：=:在詳細說明用以打消本實施形態之地球磁場成 軸磁成分的校準方法前，先說明成為其對象的3 例之：’1及益的構成。第1圖係顯示磁場感測器100的- 心。：磁場感測器_係具有分別檢測磁場向量的 106〇 ^ 軸成分之至少三個磁場檢測元件102、〗04、 第二磁^ 4，則兀件102係檢測x軸方向的磁場成分， 卿：-:兀件104係檢測γ軸方向的磁場成分，第三 測兀件1〇6係檢測ζ轴方向的磁場成分。 =感測器100中，至少第一磁場檢測元件1〇2及 I； Γ：；Γ#104^ MR(Magnet〇 —e：..) 元件較佳:5而=1)71 件—或MI(Magnet°Impedance:磁阻抗） 件、霍兩 ，弟二磁場檢測元件106也一樣為MR元 件為黯::=元件較佳。藉由以所有的磁一 製程《此__jf|1(K)。 連串的丰導體 基板:二及第二磁場檢測…㈣對 板表面的方I*疋的角度而構成，分別檢測平行於基 分。在此，第—、Γ即x轴方向及方向的2轴的磁場成 係在基板㈣ 板】1〇的表面中\ —、V ‘而^較佳。而且，在基 卜磁％檢測兀件】02及第二磁場檢測 3J6967 9 1262317 二件104係平行於各個表面的方向成9(Γ而配置較佳。第 =磁場檢測元件106係形成於基板no的表面，檢測垂直 於基板表面的方向，亦即ζ軸方向的磁場成分。 各磁場檢測元件具有以一般式（Col_aFea)1〇〇x个 zLxMyOz表現的薄膜構造的磁阻膜。磁性體膜係使用透磁 2 l，_，0_e以上’可檢測】"丁以上的磁場的稀土類 .與不米=級（nanoorder)的磁性體金屬粉末而構成也可以。 在第1圖所示的磁場感測器1〇〇中，兩個磁場檢測元 102及104得'直立而構成，但在其他例子中，兩個 ==件係形成於基板110的平面上，一個磁場檢測元件 直立而構成也可以。此時，形成於基板11〇 ^上的兩個磁場檢測元件係檢測磁場向量的垂直磁 此#平，场’直立而構成的磁場檢測元件只要檢測垂直於 此寻磁場的成分即可。 、 L可以此Γ磁場感測器為磁通閘（flux叫型磁場感測器也 # :通閘型磁場感測器因需要線圈的鐵心“㈣，故構 充八的大。因此’對於搭載磁通閘型磁場感測器於可取得 刀化置空間的車輛等的情形無問題，但對於内裝 2電話等的小型的終端裝置的情形，則由於1他时元丁 的需在«内的配置設計下工夫。此點MR^件等 、磁阻效應元件或霍爾元件等 閘型磁場成測哭# f㈣L丑 成比磁逍 1公遂小型’也適合搭載於攜帶式終端裝置。 乐2圖係择員示本發明奋 場摊]： 控制裝置200及磁 仏的方塊圖。控麵20。可藉由任意的電腦 -,】6967 10 1262317 " 的CPU、RAM、ROM、下載於ROM的磁化磁場(因感應到 磁場而產生之磁場）消除程式等來實現，惟此處係描繪藉由 此等構件的聯繫而實現的功能塊。因此，此等功能塊僅由 、更體或僅由軟體或藉由此等硬體、軟體的組合，可用各種 形式實現，係可由熟習該項技術者理解的。 控制裝置200係具備：演算部210、記憶部220以及 φ 監視部230。演算部210係進行後述的演算處理，並校準 磁場感測器1 00。記憶部220係對磁場感測器100的實際 β輸出登錄當作參考的基本數據等。在無地球磁場成分以外 的磁化磁場成分的狀態，來自磁場感測器1 00的X軸、Υ 軸、Ζ軸的輸出係使地球磁場全磁力的分力分別被檢測 出。使磁場感測器10 0的姿勢變動，在四個以上的姿勢中， 由X軸、Υ軸、Ζ軸分別取得輸出。而且，將所取得的3 轴成分的輸出依每一各別姿勢變換座標，生成通過該4點 # 以上的座標的球，以其中心點座標當作基準座標。可設定 φ此基準座標於上述基本數據。此基準座標可用模擬或實驗 求出，設定求出的值於記憶部220。此外，由其中心點座 標描繪使半徑為地球磁場全磁力的球，通過該球的點的座 標當作基本數據登錄亦可。 監視部230係監視磁場感測器1 00的X、Υ、Ζ軸的各 輸出。X軸的輸出係由磁場感測器1 00的第一磁場檢測元 件1 02輸入到控制裝置200，Υ軸的輸出係由磁場感測器 1 0 0的弟二磁場檢測元件1 0 4輸入到控制裝置2 0 0 ’ Ζ轴的 輸出係田磁场感測為1 0 0的弟二磁場檢測元件1 0 6輸入到 316967 1262317 控制裝置200。 各X、Y、Z的輸出可用以下的公式表示。

X二W{cos(f) · cos(p) · cos(d)，sin(f) · sin(p)}+A Y二W{-cos(f) · cos(r) · sin(d)-cos(f) · sin(p) · Sin⑴· cos(d)-sin(f) · cos(p) · sin(r)}+B Z-W{~cos(f) · sin(r) · sin(d) + cos(f) · sin(p) . c〇s(r) ·

_ cos(d) + sin(f) · c〇s(p) · cos(r)}+C ⑩ W=磁場強度、h俯角、d=旋轉角、p =俯仰角、r=滾轉 角、A=X軸的磁化磁場、Β=γ軸的磁化磁場、c；==z軸的磁 化磁場。因此，此處的各軸的磁場強度w變成表示地球磁 場全磁力的分力與各軸的磁化磁場。 不假想地球磁場以外的磁化磁場的情形，在3軸特性 -二的磁場感測器100巾，在地球磁場之中向所有方向旋 轉時，以各個磁場檢測元件的輸出χ、γ、ζ表示的 座標空間：點的集合係可描繪以原點，亦即。磁場為中 _〜，以半徑為地球磁場全磁力的球。 …、 ::對於此，磁場感測器100存在磁化磁場，亦即偏位 琢守，與上述—樣旋轉時的點 心點偏移，半徑不變的球。 僅球的中 以下，針對以此為前提之控 說明。第3圖是顯示拉w 才置2GG的权準動作來 磁場感測器100的校準 …工J衣置“00進行 、日丨- 平動作之流程圖。首杏，y批 測裔]00的終端等起動時， 八先、4合載磁場感 100的輪出（s]〇)。B ° 視磁場感測哭 0)-且，將該輪出變換成空間座標，並:: ’16967 12 1262317 較琢座標與預先設定於記憶部22〇的基本資料之座標群 (S12) 〇 — 比較的結果，其差分超過預定的臨限值的情形（S 12的 γ)，進行後述的校準處理。在此，該差分為輸入座標與最 近似該輸入座標的登錄座標之差分也可以。不超過預定的 L限值的情形（S12的N)，持續監視（sl〇)。在此，預定的 ►臨:值係用以檢測地球磁場成分以外的磁場成分，也可以 •為：釦出者。而且’也與可容許到哪一程度的誤差為止 之容許範圍的設計有關。 =部別係由磁場感測器刚的χ、γ、Μ的各別 :出：：磁場強度⑻4)。針對不同的4點以上進行此運 中’至少一點以上係在不為同-平面上的點。以下 ‘，、、員不具出不同的4點的磁場強度用的公式。

W】2=X】2 + Y】2+z】2 ^2^=Χ22 + Υ22+292 W32-X32+Y32+232 w42-x42+y42+z42 八次’演算部210係由此4 亦即，以磁場感測器100的χ、γ η的··.，占生成球⑻6)。 空間的座標，針對上述4 車*的各輪出為3次元 亦即，生成使各座標的半徑成為^成通過各座標的球。 球。此半徑係顯示地球磁場力目寺广位置為中心點的 2】〇所生成的球的—例的圖圖係顯示演算部 “，長度均相等的位置為球的二= 畐：、、々 點為四個以 316967 ]3 1262317 上也可以。 一 Λ、# °卩21 〇仏求出所生成的球的中心點的座標。該座 =變成偏位磁場量（S18)。以下顯示算出球的h座標用的 ;十异式。此計算式可由求上述各x、Y、u輸出的公式導 [數學式1]

τ [數學式2]

[數學式3] C ^ A ( y 4 — V 〇 *s _ Λ —'~Γ~Ι ^ 4-42~3^ ? 1 丨各輪：=二0係藉由由磁場感測器10。的x、Y、z軸的 卜細出減去所求出的X、γ 進行校準（S20)。 軸的磁化磁場A、B、C， 依照以上說明之本實能μ 的磁場感測器的輪出其〜’猎由以四個以上的姿勢 磁場量，可容县’、土I成球，由其中心點檢測偏位 分。即使編物場成 輸出之數據的最大 0 1=1 ’不進行求出在其間所 Π 值^、攻小值的中Fb3 Μ ΔΑ + 此，使用者不進行麻須的旋轉即可:寺的處理也可以。因 而且，對於製造磁 T ^ 無須考慮磁化成分。 -感測-的情形，可不考慮磁化磁場而 316967 ]4 1262317 決足零件配置，使開發變得容易。 弟5圖係顯示本發明之實施形態的 3。。的構成。此攜帶式終端裝置30。係：動：且 PHS(Personal Handyph_冰加：個人行動電話系統）及 PDA(Persona】 Data個人資料助理）等的攜帶用的 小型電子機器。第5圖係顯示用以實現方位測定及後述的 應用的構成，但攜帶式終端裝置綱具備依照用途的其他 構成亦可’可由熟習該項技術者理解的。 攜帶式終端裝置300係具備：控制裝置2〇〇、檢測部 、攝影部30、通信部32、Gps資訊取得部34及顯示部 36。檢測部20係具有磁場感測器1〇〇、傾斜角感測器12〇、 氣壓感測E U0及溫度感測器16〇，並具有檢測位置或方 位一文勢、向度等功能。攝影部30係具備CCD等光電變 換兀件，取得影像傳送至控制裝置2〇〇。通信部Μ係具有 藉由外部的伺服器與無線線路進行通信的功能。此通信以 有線線路進行亦可。Gps資訊取得部34係由GW衛星接 受位置資訊。控制裳i2〇0係根據此位置資訊計算現在位 =亦即現在的緯度及經度。此外，可藉由來自磁場感測 請的方位資訊修正位置資訊，求出正確的現在位置及 方位。控制裝置200也可以利用位置資訊及方位資訊互相 補足。此外，控制裝置200可不利用來自Gps衛星的位置 貢訊，僅根據來自檢測部20的檢測結果，求出現在位置及 方位。顯示部36係具有顯示器’依照應用輸出在控制裝置 2〇〇中被處理的資訊。此外，具備未圖示的揚聲器，對使 316967 15 1262317 用者以聲音輸出各種資訊亦可。 磁場感測器100係可利用上述構成。檢測以 4的地球磁場向量為基礎，來自磁北的旋轉角之方 .亦即偏航(…平偏角)角。但是，地球 致水平，但在赤道以外的場所傾斜。而 終端裝置_的姿勢不一定經常 =式 對重力方向的相斟由 u此，必須利用 . 角度，亦即俯仰（pitch)角及滾轉（roll) 7正該地球磁場向量。此俯仰角及 …測。控制裝置2。。係利用^ 軸及Y轴的檢測結果，使的檢測結杲與： 由將磁i:】軸：水平時之檢測結果的狀態相同。如此，藉 1 /則益100設為3轴’利用修正z轴的檢測6士果， 安％大大地變化時，也能保持方位角的精度。。 傾斜角感測器120係檢測3軸方 有電阻值變化方式、電容變化方式= ’水m 角感測器120也配置有X軸、Y軸，以在 端F置扇丁:而ί重力的方向配置有2轴。藉由攜帶式終 的妥勢傾斜，使重力加速度變化，藉由檢測此 檢測俯仰角及滾轉角。在攜帶式終端裝置30。 300的姿二= Μ確地檢測攜帶式終端裝置 保有払V式終端裝置300的使用者在步行， :、：坐車輛或自行車等的交通工具時’因加入運動加速度 :刀，傾斜角感測器】20,故無法正確地檢測姿勢。藉由 4。軸，可分離重力加速度與運動加速度，而可檢測正 3]6967 16 1262317 確的姿勢。若積分各軸的輸出值，求出假想角度，比較此 心又想角度與加速度成分進行預定的演算，則可算出正確的 俯仰角及滾轉角。 氣壓感測器140係檢測外氣的壓力，溫度感測器】 係檢測溫度。所檢測的溫度係為修正因溫度飄移造成的磁 場感測器100、傾斜角感測器120及氣壓感測器14〇的輪 出的偏移而使用。 第6圖係顯示以磁場感測器i 〇〇及傾 檢測結果為基礎算出方位的流程。首先，二角： 益120檢測的3軸方向的加速度成分為基礎，#出磁場感 T器100的傾斜角（S30)。在此係算出俯仰角及滾轉角。磁 ^感測器100係檢測地球磁場向量的3軸成分（S32)。控制 哀置200係進行上述权準，並消除磁化磁場（sw)。然後， 將地％磁場向量的成分藉由俯仰角及滾轉角變換座標 (S36)，求出正確的方位（S38)。此時，利用溫度感測器⑽ >的檢測結果進行溫度修正也可以。如此，傾斜角感測器㈣ :檢測結果係使用於方位的算出，但也能更有效地利用此 檢測結果，實現各種應用。 =以上說明之本實施形態，可容易實現磁化磁場及 +角的校準，可得到精度非常高的磁場感測器的輸出。 兴例Z係以實施形態為基礎來說明本發明。實施形態係 牛二' ，在廷些各構成要素或各處理程序的組合中，各 :重二：例时為可能’而且，這些變形例也在本發明的 係可由熟習該項技術者理解的。 τ 3 316967 ]7 1262317 在實施形態中說明了校準3 場之手法。此點，對於2轴的磁場=㈣測器的磁化磁 手法進行校準。2轴的情形，演器也能藉由同樣的 1 〇〇的X、Y I由的夂仏山& 开邛21 〇係以磁場感測器 ' :'，、2次兀平面的座標，針對不同

的U以上，生成通過各座標的圓丁了+ J 的半經成為相等的位置為中心點P ’生成以各座標 _標，求出磁場感測器⑽的χ 1此中心點的座 該偏位磁場量。 軸的偏位磁場量，校準 點感測器_不僅求出4 即選出彼Μ 出㈣誤差最小的點，亦 即运出彼此儘可能各自分 複幾次此選出，长出…：求出中心點。而且’重 測哭10“丄ί Γ 據此，集因磁場感 妙的變化造成的誤差，可進：::二也球磁場全磁力之微 」進订更兩精度的校準。 而y測地球磁場時，因地球上的場所會產生偏角。 t 場所預先測定的偏角登錄於記憶部22〇，依 100的現在位置，校準該偏角也可以。現在 位且可错由以央白广P Q θ 声資m 本 作T生的時刻資訊為基礎的緯度、經 度貝讯或使用者輸入來特定。 (產業上的可利用性） 本發明可適用於校準磁場感測器的領域。 【圖式簡單說明】 弟]圖係顯示磁場感測器的一例的圖。 第2圖係顯示本發明杂 月之戶'鈿形悲中之控制裝置及磁場 316967 18 .1262317 感測器的圖。 第3圖係顯示藉由實施形態的控 _…、 器的校準用之流程圖。 且I仃磁場感測 第4圖係顯示演算部所生成的球的_例的圖。 【主要元件符號說明】 $ 5圖係顯示實施形態的攜帶式终端裝置的構成圖。 罘6圖係以磁場感測器及傾斜角感測器的檢 基礎算出方位用的流程圖。 ’心、。禾為 20 檢測部 30 攝影部 32 通信部 34 GPS資訊取得部 36 顯示部 100 磁場感測器 102 第一磁場檢測元件 104 第二磁場檢測元 106 第三磁場檢測元件 110 基板 120 傾斜角感測器 140 氣壓感測器 160 溫度感測器 200 控制裝置 210 演算部 220 記憶部 230 監視部 300 攜帶式終端裝詈 S10 監視輪出 S12 超過臨限j直 S14 算出4點以上的磁場強度 S16 S20 球的生成 打消偏置 S18 由球的中心算出

Claims (1)

1262317 十二中請專利範圍： 種磁場感測器之控制方 地球磁場向旦…玄磁场感測器係用以檢測 。里的^軸成分者，其特徵為包含： 保持將成為基準的地球磁場向 " 標而取思— 〇 ^軸成分變換座 仔的頂疋的座標空間中的美 ^ ^ 、 T日〕丞旱座標之步驟； 亍刖处磁場感測器的四個以上的攻# έ 4、八 丨 的輪出之步驟； 上的文勢的3軸成分 將所取得的3軸成分的輸出依一 釀標，取得與前述基準座標同 勢受換座 驟； 、座&工間的座標之步 由所取得的4點以 該4點的座厓心璉出4點，而生成通過 軚的球，由其中心點與基準座护的偽_ 偏位磁場量之步驟；以及 钻的偏移求出 芬照前述偏位磁場量 1 驟。 枚準則逑磁場感測器之步 2·如申凊專利範圍第1 中，求出偏位磁場量之步方法，其 標，選出彼此的距離成為儘可能:取:;之/點以上的座 點。 J月匕地刀_的位置關係之4 3· —種磁場感測器之控制 地球:::量的:一 分變換座標而r::111:地球磁場向量的3轴成 肩异部，將前述磁場片、目丨卜。从 土+压钻，以及 ‘，涿感測态的四個以上的姿勢的3 3]6967 20 1262317 軸Μ刀虼铷出依每_各別姿勢變換座 準座標同—的 ，又侍興珂述基 A捭、山 苁杌土間的座標，由所取得的4 .坐不=、4點，生成通過該4點的座標的球， 、 刖述演算部係由生成的球的中 標的偏移求出偏位磁場量，參照該偏位磁場=基準座 磁場感測器的校準。 里道仃前述 4.如申：專利範圍第3項之磁場感測器之控 中，刚述演算部係由所取得的5點以上的座標其 此的距離成為儘可能地分離的位置關係之4點。、出破 5 ·種攜帶式終端裝置，其特徵為包含： 磁場感測器，檢測地球磁場向量的3軸成分·、 申請專利範圍第3項所述之控制裝置。刀，以及 6，一種攜帶式終端裝置，其特徵為包含： 磁場感測器，檢測地球磁場向量的3軸成分·、 申凊專利範圍第4項所述之控制裝置。 乂及 31696?