TWI509271B - 磁場感測器與使用該磁場感測器的電子羅盤 - Google Patents

Description

磁場感測器與使用該磁場感測器的電子羅盤

本發明是有關於一種磁場感測器與使用該磁場感測器的電子羅盤，且特別是有關於一種能以較低成本的方式獲得較精確結果的磁場感測器與電子羅盤。

隨著微機電技術的發展，電子羅盤的使用已經愈來愈普遍，尤其是近年來隨著智慧型手機的普及，電子羅盤的應用也愈來愈多元。

目前市面上的電子羅盤中，一般會包括一加速度感測器(G sensor)與一磁場感測器(Magnetic sensor)。其中，加速度感測器可感測電子羅盤於X軸、Y軸、與Z軸的加速度分量，而磁場感測器則是用於感測電子羅盤於X軸、Y軸、與Z軸的磁場分量。藉由所測得的加速度分量與磁場分量，還可以推得電子羅盤的俯仰角(pitch angle)、滾轉角(roll angle)、與偏航角(yaw angle)。

然而，在目前的磁場感測器中，在測量沿著Z軸的磁場分量時，其靈敏度往往較測量沿著X軸的磁場分量與沿著Y軸的磁場分量來得低。這樣一來，所量測到的沿著Z軸的磁場分量會與實際上的磁場分量有所差異，從而導致在推算電子羅盤的偏航角時便有可能產生誤差，使電子羅盤所推得的偏航角與實際的偏航角不相符合。為了解決這樣的問題，本領域具有通常知識者往往藉由改善磁場感測器的製造程序來提高磁場感測器於Z軸上的靈敏度，然而製造程序的改善往往伴隨 著較高的成本。因此，如何讓磁場感測器所取得的Z軸磁場分量與實際值相符，是值得本領域具有通常知識者去思量地。

本發明之其中一目的在於提供一磁場感測器與使用該磁場感測器的一電子羅盤，能以較低成本的方式讓該磁場感測器所取得的磁場分量與實際值較相符。

為了達到上述目的與其他目的，本發明提供一種磁場感測器，此磁場感測器用以感測於一第一參考座標系上各座標軸的磁場分量，且第一參考座標系是與該磁場感測器相關聯。在此，第一參考座標系的原點是設置在磁場感測器上。其中，當磁場感測器在該第一參考座標系上其中一座標軸A的靈敏度不同於其他座標軸上的靈敏度時，該座標軸A上的磁場分量Am可用以下的方程式進行修正：Am=Am(n-1)×(Wa-1)/Wa+Am(n)×1/Wa...........(A)

其中，Am(n)是指當下所量測到的沿著該座標軸A的磁場分量，Am(n-1)是指前一次所量測或計算的沿著該座標軸A的磁場分量，Wa則為一權重值。

在其中一實施例中，磁場感測器在座標軸A上的靈敏度為在其他座標軸上的靈敏度的1/N時，Wa是介於N/2與3N/2之間。在另一實施例中，Wa約當等於N。在上述中，N可為一自然數。

為了達到上述目的與其他目的，本發明提供一種電子羅盤，此電子羅盤包括上述的磁場感測器與一加速度感測器。經由上述方程式(A)的調整後，可取得較精確的磁場分量Am，這樣一來電子羅盤便可取得較精確的俯仰角、滾轉角、或偏航角。

10‧‧‧第一參考座標系

20‧‧‧第二參考座標系

100‧‧‧電子羅盤

110‧‧‧磁場感測器

120‧‧‧加速度感測器

X1,Y1,Z1‧‧‧座標軸

X2,Y2,Z2‧‧‧座標軸

熟知此項技藝者在參照附圖閱讀了下列詳細敘述後，當更瞭解本發明的上述目的與優點，其中：

圖1所繪示為俯仰角ψ、滾轉角ρ、與偏航角θ的定義。

圖2A所繪示為本發明之第一實施例的電子羅盤之架構方塊圖。

圖2B所繪示為加速度感測器與磁場感測器的擺放方式示意圖。

圖3所繪示為另一實施例的加速度感測器與磁場感測器的擺放方式示意圖。

本發明在此所探討的是一種電子羅盤，此電子羅盤包含一種磁場感測器，此磁場感測器可感測垂直基板表面之Z軸磁場以及平行基板表面之X軸與Y軸磁場，並可以包含感測裝置常用的其他結構如：設定/重設定電路；各式用以放大信號、過濾信號、轉換信號用的電路；屏蔽非所欲之電磁干擾用的屏蔽結構…等。為了能徹底且清楚地說明本發明及不模糊本發明的焦點，便不針對此些常用的結構多做介紹，但本發明之電子羅盤中的磁場感測器可選擇性地包含此些常用的結構。

下面將詳細地說明本發明的較佳實施例，舉凡本中所述的裝置、模組、元件、元件子部、結構、材料、配置等皆可不依說明的順序或所屬的實施例而任意搭配成新的實施例，此些實施例當屬本發明之範疇。在閱讀了本發明後，熟知此項技藝者當能在不脫離本發明之精神和範圍內，對上述的裝置、模組、元件、元件子部、結構、材料、配 置等作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準，且此些更動與潤飾當落在本發明之申請專利範圍內。

本發明的圖示意在傳達本發明的概念及精神，故圖中的所顯示的距離、大小、比例、形狀、連接關係….等皆為示意而非實況，所有能以相同方式達到相同功能或結果的距離、大小、比例、形狀、連接關係….等皆可視為等效物而採用之。

在本說明書中，「磁場」或「沿著某一方向的磁場」可以用來代表在某處各種不同來源之磁場在相加或抵消後的淨磁場也可以用來代表未考慮其他來源下在某處特定來源的磁場或在某一方向上的磁場分量。又，在本說明書中，方向「實質上」平行或「實質上」垂直係指兩者之間的夾角近乎0度或近乎90度，但基於設計上的考量或製程上的偏差，兩者之間的夾角可與0度或90度偏差數度例如偏差1度、3度、5度或7度；此偏差可藉由電路補償、向量合成或其他方式來加以抵消，使得感測的結果達到期望的目的。

在此，將對俯仰角ψ、滾轉角ρ、與偏航角θ的定義簡介。由圖1可知，俯仰角ψ是以X軸為中心所旋轉的角度，滾轉角ρ是以Y軸為中心所旋轉的角度，而偏航角θ則是以Z軸為中心所旋轉的角度。

在下述的第一實施例中，將以圖2B中的Z1軸作為座標軸A的實施例，而以在圖2A中磁場感測器110於Z1軸所受的磁場分量Zm作為上述方程式(A)中磁場分量Am的實施例。

請參照圖2A，圖2A所繪示為本發明之第一實施例的電子羅盤之架構方塊圖，此電子羅盤100包括一磁場感測器110與一加速度感測 器120。也請同時參照圖2B，圖2B所繪示為加速度感測器與磁場感測器的擺放方式示意圖。另外，在與磁場感測器110的第一參考座標系10中，其三個互相垂直的軸是分別以X1,Y1,Z1進行表示。其中，第一參考座標系10的原點是位於磁場感測器110上(例如在磁場感測器110的中心點)。而且，第一參考座標系10是和磁場感測器110連動，例如：當磁場感測器110移動一定距離時，第一參考座標系10也會跟著移動一定距離。

在與加速度感測器120相關聯的第二參考座標系20中，其三個互相垂直的軸是分別以X2,Y2,Z2進行表示。其中，第二參考座標系20的原點是位於加速度感測器120上(例如在加速度感測器120的重心)。而且，第二參考座標系20是和加速度感測器120連動，例如：當加速度感測器120旋轉一定角度時，第二參考座標系20也會跟著旋轉一定角度。由圖2B可知，X2軸，Y2軸，Z2軸所指向的方向是分別與X1軸，Y1軸，Z1軸所指向的方向相同。

其中，加速度感測器120是用以感測電子羅盤100所受到的加速度分別於X2軸，Y2軸，Z2軸上的分量，即：Xg,Yg,Zg。另外，磁場感測器110用以感測電子羅盤100所處環境的磁場於X1軸，Y1軸，Z1軸上的分量，即：Xm,Ym,Zm。

在加速度感測器120量測到沿著X2軸與Y2軸上的分量後，即：Xg,Yg，便可以藉由以下的方程式(1)推得電子羅盤100的俯仰角ψ，方程式(1)如下：ψ=tan^-1 (Xg/Yg)……………………(1)

另外，電子羅盤100的滾轉角ρ則可藉由以下的方程式(2)推得，方程式(2)如下：

值得注意的是，上述求得俯仰角ψ與滾轉角ρ的方程式僅是舉例，本領域具有通常知識者也可用其他的方程式求得俯仰角ψ與滾轉角ρ。

雖然，電子羅盤100的俯仰角ψ與滾轉角ρ藉由加速度感測器120的量測結果即可推得，但若要得知電子羅盤100的偏航角θ則需藉由磁場感測器110的量測結果才能取得。然而，在本實施例中，由於磁場感測器110在Z1軸上的靈敏度小於在X1軸與Y1軸上的靈敏度，故磁場感測器110所量測到的於Z1軸上的磁場分量Zm便可藉由以下的方程式(3)進行修正：Zm=Zm(n-1)×(Wz-1)/Wz+Zm(n)×1/Wz；……(3)

其中，Zm(n)是指當下磁場分量Zm的量測值(即：磁場感測器110目前於Z1軸上所量測的值)或計算值(即：磁場感測器110目前於Z1軸上所計算而得的值)。Zm(n-1)是指磁場感測器110前一次對磁場分量Zm的量測值或計算值，Wz則為一權重值。一般來說，Wz的值主要是決定於：磁場感測器110在Z1軸上的靈敏度與在X1軸上的靈敏度間的差異。在其中一實施例中，當磁場感測器110在Z1軸上的靈敏度為在X1軸上的靈敏度的1/N時，Wz介於N/2與3N/2間。更詳細的說，例如當磁場感測器110在Z1軸上的靈敏度為在X1軸上的靈敏度的1/5時，則Wz的值便可設定為借於2.5到7.5之間。或者，當磁場感測器110在Z1軸上的靈敏度為在X1軸上的靈敏度的1/8時，則Wz的值便可設定為4-12之間。

或者，在另外一實施例中，當磁場感測器110在Z1軸上的靈敏度為在X1軸上的靈敏度的1/N時，Wz約等於N。舉例來說，當磁場 感測器110在Z1軸上的靈敏度為在X1軸上的靈敏度的1/5時，則Wz的值便約為5左右。或者，當磁場感測器110在Z1軸上的靈敏度為在X1軸上的靈敏度的1/8時，則Wz的值便約是在8左右。除此之外，在上述實施例中，N值並非一定要為自然數，其也可以為分數。在其他的實施例中，Wz值的大小還可由電子羅盤100的設計者依據經驗或重覆的測試來進行調整。

再藉由上述的方程式(3)取得Zm值後，可將該Zm值、俯仰角ψ、滾轉角ρ輸入至下述的方程式(4)與方程式(5)中：Xh=Xm×cos ρ-Ym×sin ρ×sin ψ-Zm×cos ψ×sinρ…(4)

Yh=Ym×cos ψ-Zm×sin ψ………………(5)

在求得Xh與Yh後，便可由下述的方程師(6)以進而取得電子羅盤100的偏航角θ：θ=tan^-1 (-Xh/Yh)……………(6)

tan^-1 函數定義範圍為-90°~90°，但藉由Xh與Yh的正負值即可算出偏航角θ(0°~360°)。舉例來說，若經由方程式(6)所得到的值雖然為-60°，但若Xh為正值，則便可推得θ的值為300°；反之，若Xh為負值，則便可推得θ的值為120°。

綜上，即使磁場感測器110在Z1軸上的靈敏度不同於在X1軸上與Y1軸上的靈敏度，但當磁場感測器110所測得的Zm值經由上述方程式(3)的調整後，再經由方程式(4)、方程式(5)、與方程式(6)便可以求得較精確地偏航角θ。這樣一來，便無需藉由改善磁場感測器的製造程序來提高磁場感測器110於Z1軸上的靈敏度，從而減少相關成本。

在上述的第一實施例中，由於磁場感測器110在Z1軸上的靈敏 度小於在X1軸與Y1軸上的靈敏度，故需對所量測到的於Z1軸上的磁場分量Zm進行調整。然而，在其他實施例中，若磁場感測器在Y1軸上的靈敏度小於在X1軸與Z1軸上的靈敏度，則需對所量測到的於Y1軸上的磁場分量Ym進行調整，用以調整磁場分量Ym的方程式如下：Ym=Ym(n-1)×(Wy-1)/Wy+Ym(n)×1/Wy.........(7)

其中，Ym(n)是指當下磁場分量Ym的量測值或計算值，Ym(n-1)是指前一次對磁場分量Ym的量測值或計算值，Wy則為一權重值。

同理，若磁場感測器在X1軸上的靈敏度小於在Y1軸與Z1軸上的靈敏度，則需對所量測到的於X1軸上的磁場分量Xm進行調整，用以調整磁場分量Xm的方程式如下：Xm=Xm(n-1)×(Wx-1)/Wx+Xm(n)×1/Wx.........(8)

其中，Xm(n)是指當下對磁場分量Xm的量測值或計算值，Xm(n-1)是指前一次對磁場分量Xm的量測值或計算值，Wx則為一權重值。

依據以上的原理，本實施例可以進一步延伸至當X1，Y1與Z1軸的靈敏度皆不同時，可以其中靈敏度最高的一軸為參考軸(如X1軸)，當Y1軸的靈敏度為X1軸的1/M時，而Z1軸的靈敏度為X1軸的1/N時，磁場感測器110所量測到的於Y1軸上的磁場分量Ym亦可藉由上述的方程式(7)來進行修正，同時Z1軸上的磁場分量Zm則可藉由上述的方程式(3)來進行修正。根據以上的實施例我們可以得到以下的通式用來修正不同靈敏度之磁場分量：Am=Am(n-1)×(Wa-1)/Wa+Am(n)×1/Wa；其中，Am(n)是指當下所量測或計算到的沿著該座標軸A的磁場分量，Am(n-1)是指前一次所量測或計算到的沿著該座標軸A的磁場 分量，Wa則為一權重值。

於上述中，關於Wx與Wy權重值大小的決定方式，與Wz權重值大小的決定方式相似，故在此便不在贅述。需注意的是，上述的方程式(3)與方程式(7)~(8)都為方程式(A)的實施例。

另外，在上述的第一實施例中，基於磁場感測器110與加速度感測器120的擺放位置，磁場感測器110的第一參考座標系10中的X1軸，Y1軸，Z1軸，是分別與加速度感測器120的第二參考座標系20中的X2軸，Y2軸，Z2軸相重合，且所指的方向也彼此相同。然而，本領域具有通常知識者也可以調整磁場感測器110與加速度感測器120的擺放位置，這樣一來方程式(1)、(2)、(4)~(6)可能會有所變動，但是方程式(3)、(7)~(8)的計算方式則不會有所變動。例如，當調整加速度感測器120的擺放方式，使第二參考座標系20中的X2軸，Y2軸，Z2軸所指的方向分別與第一參考座標系10中的X1軸，Y1軸，Z1軸相反時(如圖3所示)，電子羅盤100的俯仰角ψ與滾轉角ρ則分別能以下述的方程式(9)與方程式(10)所推得，而偏航角θ仍可由方程式(3)~(6)所推得。

ψ=tan^-1 (Yg/Zg)………………………………(9)

此外，不管是在第一實施例或第二實施例中，偏航角θ都可以用以下的方程式(11)作進一步的修正：θ=θ(n-1)×(W_θ -1)/W_θ +θ(n)×1/W_θ …………(11)

其中，θ(n)是指當下所量測或計算到的偏航角θ，θ(n-1)是指前一次所量測或計算到的偏航角θ，W_θ 則為一權重值，W_θ 的值可藉由上述磁場感測器110在相對於X，Y，Z軸不同之靈敏度所需的修正方程 式，計算出相對之W_θ 。在本實施例中W_θ 相當於Wz，但在其他情況下，W_θ 也可能是Wy,Wx或三者之混合比例，視實際之效能而定。

而且，在其他實施例中，也可不使用方程式(3)進行修正，而是將偏航角θ利用方程式(6)求出後，再用方程式(11)作修正。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧第一參考座標系

20‧‧‧第二參考座標系

110‧‧‧磁場感測器

120‧‧‧加速度感測器

X1,Y1,Z1‧‧‧座標軸

X2,Y2,Z2‧‧‧座標軸

Claims (10)

1. 一種磁場感測器，用以感測於一第一參考座標系上各座標軸的磁場分量，且該第一參考座標系是與該磁場感測器相關聯；其中，當該磁場感測器在該第一參考座標系上其中一座標軸A的靈敏度不同於其他座標軸上的靈敏度時，該座標軸A上的磁場分量Am是用以下的方程式進行修正：Am=Am(n-1)×(Wa-1)/Wa+Am(n)×1/Wa；其中，Am(n)是指當下所量測或計算到的沿著該座標軸A的磁場分量，Am(n-1)是指前一次所量測或計算到的沿著該座標軸A的磁場分量，Wa則為一權重值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁場感測器，其中當該磁場感測器在該座標軸A上的靈敏度為在其他座標軸上的靈敏度的1/N時，Wa介於N/2與3N/2間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磁場感測器，其中當該磁場感測器在該座標軸A上的靈敏度為在其他座標軸上的靈敏度的1/N時，Wa約等於N。
4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述之磁場感測器，其中N為一自然數。
5. 一種電子羅盤，包括：一磁場感測器，用以感測該電子羅盤於一第一參考座標系中三個互相垂直座標軸上的磁場分量Xm,Ym,Zm，該第一參考座標系是與該磁場感測器相關聯；一加速度感測器，用以感測於一第二參考座標系中三個互相垂直座標軸上的加速度分量Xg,Yg,Zg，該第二參考座標系是與該加速度感 測器相關聯；其中，當磁場感測器在該第一參考座標系上其中一座標軸Z的靈敏度不同於其他座標軸上的靈敏度時，該座標軸Z上的磁場分量Zm是用以下的方程式進行修正：Zm=Zm(n-1)×(Wz-1)/Wz+Zm(n)×1/Wz；其中，Zm(n)是指當下所量測或計算到的沿著該座標軸Z的磁場分量，Zm(n-1)是指前一次所量測或計算到的沿著該座標軸Z的磁場分量，Wz則為一權重值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電子羅盤，其中該第一參考座標系中三個互相垂直座標軸的指向是與該第二參考座標系中三個互相垂直座標軸的指向相同，該電子羅盤的俯仰角ψ、滾轉角ρ、與偏航角θ是由以下的方程式所求得：ψ=tan^-1 (Xg/Yg)； θ=tan^-1 (-Xh/Yh)；其中，Xh與Yh可由以下的方程式所求得：Xh=Xm×cos ρ-Ym×sin ρ×sin ψ-Zm×cos ψ×sinρ；Yh=Ym×cos ψ-Zm×sin ψ。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電子羅盤，其中該第一參考座標系中三個互相垂直座標軸的指向是與該第二參考座標系中三個互相垂直座標軸的指向相反，該電子羅盤的俯仰角ψ、滾轉角ρ、與偏航角θ是由以下的方程式所求得：ψ=tan^-1 (Xg/Yg)； θ=tan^-1 (-Xh/Yh)；其中，Xh與Yh可由以下的方程式所求得：Xh=Xm×cos ρ-Ym×sin ρ×sin ψ-Zm×cos ψ×sinρ；Yh=Ym×cos ψ-Zm×sin ψ。
8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之電子羅盤，其中該偏航角θ進一步用以下的方程式進行修正：θ=θ(n-1)×(W_θ -1)/W_θ +θ(n)×1/W_θ ；其中，θ(n)是指當下所量測或計算到的偏航角θ，θ(n-1)是指前一次所量測或計算到的偏航角θ，W_θ 則為一權重值。
9. 如申請專利範圍第5項所述之電子羅盤，其中當該磁場感測器在該座標軸Z上的靈敏度為在其他座標軸上的靈敏度的1/N時，Wz=N。
10. 一種電子羅盤，包括：一磁場感測器，用以感測該電子羅盤於一第一參考座標系中三個互相垂直座標軸上的磁場分量Xm,Ym,Zm，該第一參考座標系是與該磁場感測器相關聯；一加速度感測器，用以感測於一第二參考座標系中三個互相垂直座標軸上的加速度分量Xg,Yg,Zg，該第二參考座標系是與該加速度感測器相關聯；其中，當磁場感測器在該第一參考座標系上其中一座標軸Z的靈敏度不同於其他座標軸上的靈敏度時，該電子羅盤所計算而得的偏航角θ是用以下的方程式進行修正：θ=θ(n-1)×(W_θ -1)/W_θ +θ(n)×1/W_θ ；其中，θ(n)是指當下所量測或計算到的偏航角θ，θ(n-1)是指前一 次所量測或計算到的偏航角θ，W_θ 則為一權重值。