JP3318762B2 - 電子方位計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子方位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁界の変化により抵抗値が変化する磁気
抵抗素子を利用した方位計が考えられている。磁気抵抗
素子は小型で、消費電力も少ないので、腕時計等の小型
の装置にも組み込むことが可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、磁気抵
抗素子はヒステリシス特性を持っている為に、どのよう
な履歴を経て磁界が印加されたかにより、同じ磁界であ
っても抵抗値が異なってしまうという問題点があった。

【０００４】また、磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加
して磁界の強さを検出しようとしたときに、バイアス磁
界の変動により磁気抵抗素子の出力が変化してしまうと
いう問題点があった。

【０００５】本発明の課題は、磁気センサのヒステリシ
ス等による方位の測定誤差を少なくすることである。ま
た、バイアス磁界の変動による方位の測定誤差を少なく
することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明において、磁
気センサは、例えば磁界の強さに応じて磁気抵抗が変化
する磁気抵抗素子などで構成される。

【０００７】制御手段は、バイアス磁界用コイルに第1
の電圧を印加してバイアス磁界を発生させると共に、前
記バイアス磁界用コイルに前記第1の電圧より高い第２
の電圧を印加して磁気センサを飽和させる磁界を発生さ
せる。方位算出手段は、バイアス磁界が発生されている
ときの磁気センサの出力から方位を算出する。

【０００８】第２の発明では、制御手段は、バイアス磁
界用コイルの両端に交互に第1の電圧を印加して、正、
負のバイアス磁界を発生させると共に前記第1の電圧よ
り高い第２の電圧を印加して磁気センサを飽和させる磁
界を発生させる。

【０００９】方位算出手段は、正のバイアス磁界が印加
されたときの磁気センサの出力と、負のバイアス磁界が
印加されたときの出力との差を検出し、例えば２個の磁
気センサの出力から地磁気のＸ成分、Ｙ成分を求め方位
を算出する。

【００１０】

【作用】第１の発明では、磁気センサを一度飽和状態に
してから、バイアス磁界を印加して地磁気の強さを検出
するようにしたので、磁気抵抗素子に加わる磁界の履歴
を一定にしてヒステリシスによる誤差を少なくできる。

【００１１】第２の発明では、磁気センサに飽和磁界を
印加して飽和状態にしてから、正のバイアス磁界を印加
したときと、負のバイアス磁界を印加したときの出力差
を求め、その出力差から方位を算出するようにしたの
で、ヒステリシスによる方位の測定誤差並びにバイアス
磁界の変動による測定誤差を少なくすることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図１は、本発明の第１実施例の電子方位計の
回路構成図である。

【００１３】基板１上には、パーマロイ等の磁気抵抗素
子２ａ、２ｂが互いに直交する方向にパターニングされ
ており、その基板１の回りにはバイアス磁界用コイル３
が巻かれている。

【００１４】バイアス磁界用コイル３の一端はオペアン
プ４の出力に接続され、他端は電流検出用の抵抗Ｒ１を
介してＶ_DD（グランド）に接続されている。オペアンプ
４の−入力端子は抵抗Ｒ１とバイアス磁界用コイル３と
の接続点に接続され、＋入力端子は、トランスファーゲ
ート（以下、ゲートと呼ぶ）５、６を介して基準電圧発
生回路７の２つの出力端子に接続されており、オペアン
プ４は、＋入力端子に入力する電圧とほぼ等しい電圧を
バイアス磁界用コイル３に供給する。

【００１５】基準電圧発生回路７の２つの出力端子から
は、バイアス磁界用コイル３に磁気抵抗素子２ａ、２ｂ
を飽和させる飽和磁界を発生させる電圧Ｖ_ref1、と、所
定のバイアス磁界を発生させる電圧Ｖ_ref2とがそれぞれ
出力され、これらの出力電圧の一方がゲート５、６によ
り選択されてオペアンプ４の＋入力端子に出力される。

【００１６】ゲート切り替え回路８は、後述する演算／
制御部１４から出力される信号Ａに基づいてゲート５、
６をオン、オフさせる信号Ｂ、Ｃを生成する回路であ
る。なお、信号Ｃは、図２に示すように信号Ａと同じ位
相の信号であり、信号Ｂは信号Ａと逆位相の信号であ
る。

【００１７】従って、信号Ｂがハイレベルのときは、ゲ
ート５がオンしてオペアンプ４の＋入力端子に電圧Ｖ
_ref1が与えられ、バイアス用コイル３に飽和磁界が発生
する。他方、信号Ｃがハイレベルのときは、ゲート６が
オンしてオペアンプ４の＋入力端子に電圧Ｖ_ref2が与え
られ、バイアス用コイル３に所定のバイアス磁界が発生
する。

【００１８】磁気抵抗素子２ａ、２ｂの一端は、それぞ
れＶ_DDに接続され、他端は定電流回路９、１０を介して
Ｖ_SSに接続されている。定電流回路９、１０は、外部磁
界が変化して磁気抵抗素子の抵抗値が変化したとき、磁
気抵抗素子２ａ、２ｂを流れる電流を一定に保つ働きを
する。

【００１９】磁気抵抗素子２ａ、２ｂの他端と定電流回
路９、１０との接続点には、ゲート１１、１２を介して
Ａ／Ｄ変換器１３が接続されており、ゲート１１、１２
で選択された磁気抵抗素子２ａ、２ｂの出力電圧がＡ／
Ｄ変換器１３でディジタルデータに変換されて演算／制
御部１４に出力される。

【００２０】ゲート切り替え回路１５は、演算／制御部
１４から出力される信号Ｄに基づいてゲート１１、１２
をオン、オフさせる信号Ｅ、Ｆを生成する回路であり、
それらの信号Ｅ、Ｆをゲート１１、１２の制御端子に出
力する。

【００２１】なお、信号Ｅは、図２に示すように信号Ｄ
の２倍の周期で同位相の信号であり、信号Ｆは信号Ｄの
２倍の周期で信号Ｅと１８０°位相の異なる信号であ
る。従って、信号Ｆがハイレベルのときは、ゲート１１
がオンし磁気抵抗素子２ａの出力電圧がゲート１１を経
てＡ／Ｄ変換器１３に入力し、そのＡ／Ｄ変換器１３で
ディジタルデータに変換されて演算／制御部１４に出力
される。

【００２２】一方、信号Ｅがハイレベルのときは、ゲー
ト１２がオンして磁気抵抗素子２ｂの出力電圧がゲート
１２を経てＡ／Ｄ変換器１３に入力し、そのＡ／Ｄ変換
器１３でディジタルデータに変換されて演算／制御部１
４に出力される。

【００２３】演算／制御部１４は、ゲート切り替え回路
８に信号Ａを出力してバイアス磁界の切り替えを指示す
ると共に、ゲート切り替え回路１５に信号Ｄを出力して
磁気抵抗素子２ａ、２ｂの何れの出力電圧を取り出すか
を指示する。また、Ａ／Ｄ変換器１３から出力される２
個の磁気抵抗素子２ａ、２ｂの出力から地磁気の方位を
算出して、その方位を表示部１６に表示する。

【００２４】次に、上記回路の動作を図２のタイムチャ
ートを参照して説明する。演算／制御部１４から図２に
示すような信号Ａが出力されると、ゲート切り替え回路
８から信号Ａを反転した信号Ｂと、信号Ａと同位相の信
号Ｃとがそれぞれゲート５、６の制御端子に出力され
る。

【００２５】信号Ｂがハイレベルの期間ゲート５がオン
して、バイアス磁界用コイル３に電圧Ｖ_ref1が印加され
る。この電圧Ｖ_ref1により、バイアス磁界用コイル３に
は飽和磁界が発生し磁気抵抗素子２ａ、２ｂが飽和す
る。

【００２６】次に、信号Ｃがハイレベルの期間ゲート６
がオンして、バイアス磁界用コイル３に電圧Ｖ_ref2が印
加される。この電圧Ｖ_ref2により、バイアス磁界用コイ
ル３に所定のバイアス磁界が発生し、そのときの地磁気
の強さに比例した出力電圧が磁気抵抗素子２ａ、２ｂか
ら出力される。

【００２７】また、信号Ｃがハイレベルのとき、ゲート
切り替え回路１５からは信号Ｄの２倍の周期で、かつ互
いに１８０°の位相差を持ち、信号Ｃがハイレベルのと
き一定期間ハイレベルとなる信号Ｅ、Ｆが出力される。
この信号Ｅ、Ｆにより２個の磁気抵抗素子２ａ、２ｂの
出力電圧がゲート１１、１２で交互に選択されてＡ／Ｄ
変換器１３に出力される。

【００２８】演算／制御部１４は、２個の磁気抵抗素子
２ａ、２ｂの出力電圧から地磁気の大きさと向きとを求
め方位を算出する。図３は、磁気抵抗素子に正の飽和磁
界と負の飽和磁界とを印加したときの磁気抵抗素子の出
力電圧と磁界との関係を示す図である。バイアス磁界Ｈ
_B の付近では、ヒステリシスの影響の為外部の磁界の値
が同じであっても、その磁界の値になる前の値により、
出力電圧が異なる。

【００２９】又、磁気抵抗素子２ａ、２ｂに飽和磁界Ｈ
_F を印加すると、図３に示すように飽和磁界Ｈ_F 以上で
は磁気抵抗素子２ａ、２ｂの出力電圧はほぼ一定値とな
る。そこで、磁気抵抗素子２ａ、２ｂを一度飽和させた
後、バイアス磁界Ｈ_B を印加するようにすれば、バイア
ス磁界Ｈ_B と地磁気の強さＨ_E とで決まる磁気抵抗素子
２ａ、２ｂの出力電圧は、それ以前の磁気抵抗素子２
ａ、２ｂの履歴に関わらず常に図３の中心に向かう経路
上に得ることができる。

【００３０】これにより、磁気抵抗素子のヒステリシス
による影響を除去できるので、地磁気の方位を正確に測
定することができる。次に、磁気抵抗素子２ａ、２ｂに
正、負の飽和磁界と、正、負のバイアス磁界とを交互に
印加する本発明の第２実施例を説明する。

【００３１】図４は、第２実施例の電子方位計の回路構
成図である。同図において、図１に示した回路と同じ回
路ブロックには同じ符号をつけてそれらの説明を省略す
る。図４のバイアス反転回路２１は、オペアンプ４から
供給される基準電圧発生回路７の出力電圧Ｖ_ref1、Ｖ
_ref2を交互に反転させてバイアス磁界用コイル３に供給
する回路である。

【００３２】電圧差検出回路２２、２３は、正のバイア
ス磁界が印加されたときと、負のバイアス磁界が印加さ
れたときの磁気抵抗素子２ａ、２ｂの出力電圧の電圧差
を検出する回路であり、それぞれ検出した電圧差をゲー
ト１１、１２を介してＡ／Ｄ変換器１３に出力する。

【００３３】なお、以下の説明では、バイアス磁界用コ
イル３の端子ａにオペアンプ４の出力電圧が印加された
とき発生する磁界を正のバイアス磁界、端子ｂにオペア
ンプ４の出力電圧が印加されたとき発生する磁界を負の
バイアス磁界としている。

【００３４】演算／制御部２４は、正、負のバイアス磁
界が印加されたときのそれぞれの磁気抵抗素子２ａ、２
ｂの出力電圧の差から、地磁気の大きさ、向きを演算に
より求める。

【００３５】次に図５は、上記バイアス反転回路２１の
具体的構成の一例を示す図である。ここで、信号Ｇは、
演算／制御部２２からバイアス反転回路２１に出力され
るバイアス電圧の極性の反転を指示する信号である。

【００３６】この信号Ｇは、トランジスタＴＲ３及びＴ
Ｒ４のベースに供給され、さらにインバータＩＮＶ１を
介してトランジスタＴＲ１及びＴＲ２のベースに供給さ
れている。

【００３７】トランジスタＴＲ１及びＴＲ３のエミッタ
は、端子ｃ、すなわち図４のオペアンプ４の出力端子に
接続され、トランジスタＴＲ２及びＴＲ４のエミッタ
は、端子ｄ、すなわち図４の抵抗Ｒ１の一端に接続され
ている。

【００３８】トランジスタＴＲ１のコレクタとトランジ
スタＴＲ２のコレクタとの接続点は端子ａ、すなわちバ
イアス磁界用コイル３の一端に接続され、トランジスタ
ＴＲ３のコレクタとトランジスタＴＲ４のコレクタとの
接続点は端子ｂ、すなわちバイアス磁界用コイル３の他
端に接続されている。

【００３９】信号Ｇがハイレベルのときは、トランジス
タＴＲ１及びＴＲ４がオン、トランジスタＴＲ２、ＴＲ
３がオフして、オペアンプ４の出力電圧はバイアス磁界
用コイル３の端子ａに印加される。信号Ｇがハイレベル
の間、オペアンプ４からは前述した電圧Ｖ_ref1、Ｖ_ref2
が交互に出力されるので、バイアス磁界用コイル３には
正の飽和磁界と正のバイアス磁界が発生する。

【００４０】一方、信号Ｇがローレベルのときは、トラ
ンジスタＴＲ２及びＴＲ３がオン、トランジスタＴＲ１
及びＴＲ４がオフし、オペアンプ４の出力電圧はバイア
ス磁界用コイル３の端子ｂに印加される。信号Ｇがロー
レベルの間、オペアンプ４からは電圧Ｖ_ref1、Ｖ_ref2が
交互に出力されるので、バイアス磁界用コイル３には負
の飽和磁界と負のバイアス磁界とが交互に発生する。

【００４１】この結果、磁気抵抗素子２ａ、２ｂに正、
負の飽和磁界、正、負のバイアス磁界が交互に印加され
る。次に、図６は、電圧差検出回路２２、２３の具体的
構成の一例を示す図である。磁気抵抗素子２ａ、２ｂの
出力電圧は、それぞれゲート３１、３２を介してコンデ
ンサＣ１、Ｃ２に接続されており、それらコンデンサＣ
１、Ｃ２の他端は抵抗Ｒ２、Ｒ３を介して接地されてい
る。

【００４２】コンデンサＣ１、Ｃ２とゲート３１、３２
との接続点には、オペアンプ３３、３４の＋入力端子が
接続されており、これらオペアンプ３３、３４の出力
は、抵抗Ｒ４、Ｒ５を介してそれぞれオペアンプ３５の
＋入力端子、−入力端子に接続されると共に、抵抗Ｒ
６、Ｒ７を介して自己の−入力端子に接続されている。

【００４３】これらオペアンプ３３、３４、３５及び抵
抗Ｒ４〜Ｒ１０からなる回路は、オペアンプ３３、３４
の入力電圧の差電圧を増幅する回路を構成している。こ
こで、図７のタイムチャートを参照して上記電圧差検出
回路２２、２３の動作を説明する。

【００４４】電圧差検出回路２２、２３の構成は同一で
あるので、電圧差検出回路２２の場合について説明す
る。電圧差検出回路２２の検出動作を制御する信号Ｈ
は、図７に示すようにバイアス反転信号Ｇがハイレベル
の期間の後半の期間ハイレベルとなり、信号Ｉはバイア
ス反転信号Ｇがローレベルの期間の後半の期間ハイレベ
ルとなる。

【００４５】信号Ｈがハイレベルのときゲート３２がオ
ンし、信号Ｇがハイレベルの期間のの後半、すなわち磁
気抵抗素子２ａに正のバイアス磁界が印加されていると
き出力電圧が電圧差検出回路２２のコンデンサＣ２に充
電される。このコンデンサＣ２に充電された電圧は、信
号Ｈがローレベルとなりゲート３２がオフしている間そ
のまま保持される。

【００４６】一方、信号Ｉがハイレベルのときゲート３
１がオンし、信号Ｇがローレベルの期間の後半、すなわ
ち負のバイアス磁界が磁気抵抗素子２ａに印加されてい
るときの出力電圧がコンデンサＣ１に充電される。この
コンデンサＣ１に充電された電圧は、信号Ｉがローレベ
ルとなりゲート３１がオフしている間そのまま保持され
る。

【００４７】すなわち、電圧差検出回路２２のコンデン
サＣ１には、正のバイアス磁界が印加されたときの磁気
抵抗素子２ａの出力電圧が保持され、コンデンサＣ２に
は、負のバイアス磁界が印加されたときの磁気抵抗素子
２ａの出力電圧が保持される。そして、両者の電圧差が
オペアンプ３５で増幅されゲート１１を介してＡ／Ｄ変
換器１３に出力される。

【００４８】この実施例では、磁気抵抗素子２ａ、２ｂ
に正の飽和磁界と、その正の飽和磁界より小さい所定の
正のバイアス磁界と、負の飽和磁界と、その負の飽和磁
界より絶対値で小さい所定のバイアス磁界とを順に印加
している。

【００４９】今、飽和磁界をＨ_F 、バイアス磁界を
Ｈ_B 、ある方位における地磁気の強さをＨ_E とすると、
飽和磁界Ｈ_F を印加したときの磁気抵抗素子２ａ、２ｂ
の出力電圧は、図８に示すようにほぼ一定値となるの
で、正、負の飽和磁界を交互に印加したときの磁気抵抗
素子２ａ、２ｂの出力電圧と磁界との関係は、図８に示
すような一定のヒステリシスループを描く。

【００５０】すなわち、正、負のバイアス磁界Ｈ_B を磁
気抵抗素子２ａ、２ｂに交互に印加したとき、外部磁界
Ｈ_E と正のバイアス磁界Ｈ_B とにより決まる磁気抵抗素
子２ａ、２ｂの出力電圧と、外部磁界Ｈ_E と負のバイア
ス磁界−Ｈ_B とにより決まる磁気抵抗素子２ａ、２ｂの
出力電圧は、常に図８の中心に向かう経路上に存在す
る。

【００５１】従って、磁気抵抗素子２ａ、２ｂの履歴に
関わらず、常に一定の経路を通って地磁気を測定するこ
とができるので、磁気抵抗素子２ａ、２ｂの履歴の影響
により生じる方位の測定誤差を無くすことができる。

【００５２】また、正、負のバイアス磁界を印加したと
きの磁気抵抗素子の出力電圧差を求めることで、バイア
ス磁界の変動による磁気抵抗素子２ａ、２ｂの出力電圧
の変化を打ち消すことができ、バイアス磁界の変動によ
る方位の測定誤差を無くすことができる。

【００５３】なお２個の磁気抵抗素子を配置する角度は
９０度でなくとも、０°，１８０°以外ならば、演算／
制御部における演算方法を対応させることにより、方位
を算出することは可能である。

【００５４】なお、本発明は、方位計の専用装置に限ら
ず、電子腕時計、高度計等に組み込むこともでき、さら
に自動車等のナビゲーション装置に用いることもでき
る。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、磁気センサに飽和磁界
を印加することで、磁界の強さと磁気センサの出力との
関係が一定の経路を描くので、磁気センサの持つヒステ
リシス特性によるセンサの出力誤差を少なくすることが
できる。また、バイアス磁界用コイルを用いて飽和磁界
を発生させたので構成が簡単である。更に、磁気センサ
に正、負の飽和磁界及び正、負のバイアス磁界をそれぞ
れ交互に印加することで、ヒステリシスによる影響をさ
らに少なくできる。しかも、この場合、正のバイアス磁
界を印加したときの磁気センサの出力と、負のバイアス
磁界を印加したときの磁気センサの出力との差から方位
を算出することで、バイアス磁界の変動による磁気セン
サの出力の誤差も少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の方位計の回路構成図である。

【図２】第１実施例の回路の信号のタイムチャートであ
る。

【図３】第１実施例での磁気抵抗素子の出力電圧と磁界
との関係を示す図である。

【図４】第２実施例の方位計の回路構成図である。

【図５】バイアス反転回路の一例を示す図である。

【図６】電圧差検出回路の一例を示す図である。

【図７】第２実施例の回路の信号のタイムチャートであ
る。

【図８】第２実施例での磁気抵抗素子の出力電圧と磁界
との関係を示す図である。

【符号の説明】

２ａ、２ｂ 磁気抵抗素子 ３ バイアス磁界用コイル ７ 基準電圧発生回路 ２１ バイアス電圧反転回路 ２２、２３ 電圧差検出回路 １４、２４ 演算／制御部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気センサと、バイアス磁界用コイルと、 このバイアス磁界用コイルに第1の電圧を印加してバイ
   アス磁界を発生させると共に、前記バイアス磁界用コイ
   ルに前記第1の電圧より高い第２の電圧を印加して前記
   磁気センサを飽和させる磁界を発生させる制御段と、 前記バイアス磁界が発生しているときの 前記磁気センサ
   の出力から方位を算出する方位算出手段とを備えたこと
   を特徴とする電子方位計。
2. 【請求項２】 少なくとも２個の磁気センサと、バイアス磁界用コイルと、 このバイアス磁界用コイルの両端に交互に第1の電圧を
   印加して、正、負のバイアス磁界を発生させると共に前
   記第1の電圧より高い第２の電圧を印加して前記少なく
   とも２つの磁気センサを飽和させる磁界を発生させる制
   御手段と 、前記正のバイアス磁界が発生しているときの前記磁気セ
   ンサの出力と、前記負のバイアス磁界が発生していると
   きの前記磁気センサの出力との 差から方位を算出する方
   位算出手段とを備えたことを特徴とする電子方位計。