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KR20020030244A - 3축 자기 센서, 전방위 자기 센서 및 이를 이용한 방위측정방법 - Google Patents

3축 자기 센서, 전방위 자기 센서 및 이를 이용한 방위측정방법 Download PDF

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KR20020030244A
KR20020030244A KR1020010006162A KR20010006162A KR20020030244A KR 20020030244 A KR20020030244 A KR 20020030244A KR 1020010006162 A KR1020010006162 A KR 1020010006162A KR 20010006162 A KR20010006162 A KR 20010006162A KR 20020030244 A KR20020030244 A KR 20020030244A
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KR
South Korea
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magnetic
sensor
substrate
magnetic sensor
inclination
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KR1020010006162A
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다무라야스히로
Original Assignee
스미야 테이조
가부시키가이샤 에이피원시스템
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Application filed by 스미야 테이조, 가부시키가이샤 에이피원시스템 filed Critical 스미야 테이조
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Abstract

본 발명은, 휴대전화에 지자기 센서를 조합하면 이용자의 자세나 소지 방법에 따라 지자기 센서가 경사져 정확한 방위 측정을 행할 수 없으므로, 기판을 본체로서 형성하고, 기판과 평행인 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 플럭스 게이트형 자기 센서(100)와, 자기 벡터의 기판과는 수직인 방향의 성분을 검출하는 홀 소자(24)와 기판의 경사각을 검출하는 경사 센서(22)와, CPU(20)를 포함하고, 하이브리드 IC로서 일체로 구성된 하이브리드 자기 센서(200)를 제공한다. 검출되는 3차원 자기 벡터는 기판의 경사를 고려하여 보정되므로, 지자기의 정확한 방위를 산출할 수 있다.

Description

3축 자기 센서, 전방위 자기 센서 및 이를 이용한 방위 측정방법{A THREE-AXIS MAGNETIC SENSOR, AN OMNIDIRECTIONAL MAGNETIC SENSOR AND AN AZIMUTH MEASUREING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 지자기 측정기술에 관한 것이다. 특히 본 발명은 방위산출의 오차를 보정할 수 있는 지자기 센서 및 방위 측정방법에 관한 것이다.
지자기 센서는 관측지점의 방위를 측정하기 위해 이용된다. 지자기 센서는 관측 지점에서 수평면상에 설치되어 수평면상의 지자기 벡터의 2축 성분을 검출한다. 지자기 센서가 검출하는 2축 성분으로부터 자방위(磁方位)가 산출된다. 지자기 센서는 자동차의 나비게이션 시스템에도 이용되고 있고, 착자에 의한 영향을 보정하기 위해 미리 캘리브레이션이 행해진 후, 출하된다.
한편, 지도정보를 휴대전화나 휴대단말에 표시하는 용도가 넓어지고 있다. 이 상황을 감안하여 본 출원인은 우선 지자기 센서를 휴대전화나 휴대단말 등의 휴대기기에 조합하는 것을 상정하고, 그 실현을 검토하는 단계에서 이하의 과제를 인식하는데 이르렀다. 즉, 소지자가 휴대기기를 들 때의 자세나 잡는 방법에 따라 휴대기기는 모든 방향을 향할 수 있고, 또한 휴대기기의 방향은 일정하게 정해지지 않고, 끊임없이 변화한다. 따라서 휴대기기에 탑재되는 지자기 센서는 수평위치에 대해 모든 경사각을 가지고 경사지고, 그 경사각은 끊임없이 변동한다. 따라서, 이러한 사용환경에서는 착자에 의한 영향이나, 자세나 잡는 방법의 변화에 따른 영향을 리얼 타임으로 배제하고, 지자기 벡터의 검출신호를 자동적으로 보정하는 것이 필요해진다.
본 출원인은 이상의 인식에 의거하여 본 발명을 이룬 것으로, 그 목적은 소형이고 착자나 경사에 대한 보정을 자동적으로 행할 수 있는 지자기 센서 및 그 지자기 센서를 이용한 방위 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 제1 실시 형태에 관한 전방위 자기 센서에 이용되는 플럭스 게이트형 자기 센서의 분해 설명도,
도2는 전방위 자기 센서에 이용되는 경사 센서의 원리 설명도,
도3은 전방위 자기 센서의 일례인 하이브리드 자기 센서의 구성도,
도4는 다른 제조공정으로 실현되는 하이브리드 자기 센서의 개략도,
도5는 하이브리드 자기 센서의 기능 구성도,
도6은 하이브리드 자기 센서의 CPU가 행하는 보정계산의 플로우 챠트,
도7은 제3 실시 형태에 관한 하이브리드 자기 센서의 상면도,
도8은 제4 실시 형태에 관한 하이브리드 자기 센서를 이용한 방위 측정 시스템의 설명도,
도9는 하이브리드 자기 센서를 내장하는 휴대전화의 기능 구성도,
도10은 방위 측정 방법의 플로우 챠트이다.
<부호의 설명>
6 : X축 방향 자계검출 코일 기판
7 : Y축 방향 자계검출 코일 기판
8 : 여자(勵磁) 코일용 기판 9 : 링 코어
10 : X 코일 패턴 11 : Y 코일 패턴
12 : 여자 코일 패턴 20 : CPU
22, 23 : 경사 센서 24 : 홀 소자
26 : 실리콘 수지 32 : 피에조 소자
40 : 필름 기판 50 : 겔 실리콘
100 : 플럭스 게이트형 자기 센서 102 : GPS 수신부
104 : 전 자력 취득부 116 : 서버
200 : 하이브리드 자기 센서 202 : 좌표 변환부
204 : 방위각 산출부
본 출원인은 일본국 특원 2000-104689호에 있어서, 2축 자기 센서를 조합한 휴대단말장치를 제안하고, 휴대단말장치의 방위에, 휴대단말장치에 표시되는 지도 방위를 맞추어 지도를 가공할 수 있는 위치정보 표시 시스템을 제안하고 있다. 본 출원인은 또한 시스템의 편리성을 높이기 위해서, 자기 센서에 경사 센서를 조합하고, 경사에 대한 보정을 자동적으로 행할 수 있는 전방위(全方位) 자기 센서를 제안하고 있다.
본 발명의 한 형태는 3축 자기 센서에 관한 것이다. 3축 자기 센서는 2축 자기 센서와 자기검출소자를 하이브리드 IC로서 일체로 구성한 것이다. 2축 자기 센서는 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면으로 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출한다. 자기검출소자는 상기 자기 벡터의 상기 평면과 수직인 방향의 성분을 검출한다. 이에 따라 3축 자기 센서는 지자기의 자기 벡터의 3축 성분을 검출하는 것이 가능해진다. 자기검출소자로서 홀 효과에 의해 자기를 검출하는 홀 소자 등의 자기감응소자, 또는 강자성체의 자화에 따라 상기 저항이 변화하는 현상에 의해 자기를 검출하는 MR 소자 등의 자기저항효과 소자를 이용해도 된다.
2축 자기 센서는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하기 위한 코일 패턴이, 적층되는 기판에 걸쳐 형성되어 이루어지는 것이어도 된다. 2축 자기 센서는 비정질 링 코일을 핵으로 하여 상기 기판과 평행한 평면의 X축 방향의 자계성분을 검출하는 코일 기판과, 상기 평면의 Y축 방향의 자계성분을 검출하는 코일 기판을 여자용 코일 기판의 외면에 적층하여 이루어지는 플럭스 게이트형 자기 센서여도 된다.
2축 자기 센서와 자기검출소자를 일체화하는 설치형태로서, 2축 자기 센서가 형성되는 기판은 자기검출소자로부터 출력되는 검출신호를 전달하기위한 패턴을 가지고, 자기검출소자가 기판상에 설치되었을 때, 상기 검출신호가 상기 패턴을 통하여 기판에 직접 도입되도록 해도 된다.
상기 2축 자기 센서와 상기 자기검출소자의 출력신호를 처리하는 신호 처리부를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 검출된 자기 강도를 산출하고, 상기 2축 자기 센서가 검출하는 자기 벡터의 2축 성분의 보정을 행해도 된다. 이 신호처리부는 해당 3축 자기 센서에 일체화되어 기판에 형성되어도 되고, 또는 해당 3축 자기 센서의 외부에 있어서의 출력신호를 받아 소정 신호처리를 행해도 된다.
본 발명의 다른 형태는 전방위 자기 센서에 관한 것이다. 전방위 자기 센서는 기판상에 형성되고, 3차원 자기 벡터를 검출하는 3축 자기 센서와, 상기 기판의 경사각을 검출하는 경사 센서를 하이브리드 IC로서 일체로 구성한 것이다. 「기판상에 형성된다」라는 것은 예를들면, 3축 자기 센서의 적어도 일부 구성요소가 기판을 본체로 하여 형성되고, 3축 자기 센서의 다른 구성요소가 기판의 외측에 장착되는 경우나, 3축 자기 센서의 전체 구성이 기판을 본체로 하여 형성되는 경우 등을 포함한다. 일례로서, 기판과 평행한 평면으로 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 자기 센서가 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 자기 벡터의 상기 평면과 수직 방향의 성분을 검출하는 자기검출소자가 기판상에 형성된 패턴에 접속되는 형으로 장착되어도 된다.
경사 센서는 상기 기판과 평행한 평면으로 규정되는 x축 방향의 경사각과 y축 방향의 경사각을 검출해도 된다. 경사 센서는 3축 방향의 경사에 의한 변위를 검출해도 된다. 이러한 경사 센서는 2축 방향 또는 3축 방향의 변위를 검출하는 가속도 센서 또는 각속도 센서여도 된다.
상기 기판은 상기 경사 센서로부터 출력되는 검출신호를 전달하기 위한 패턴을 가지고, 상기 경사 센서가 상기 기판상에 설치되었을 때, 상기 검출신호가 상기 패턴을 통하여 상기 기판에 직접 도입되도록 해도 된다.
상기 기판으로부터 외부로 향해 연장되는 형으로 그 기판에 장착되는 필름 기판을 더 포함하고, 상기 경사 센서를 상기 필름 기판상에 설치하며, 상기 필름기판을 상기 기판쪽으로 되돌려 전체를 고정 장착하여 형성해도 된다.
상기 3축 자기 센서는 상기 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면으로 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 자기 센서와, 상기 자기 벡터의 상기 평면과 수직인 방향의 성분을 검출하는 자기검출소자를 포함해도 된다. 상기 자기검출소자는 상기 필름기판상에 설치해도 된다. 상기 필름기판상에 소자를 설치하는 방식은 플립 칩 방식이어도 된다.
상기 3축 자기 센서와 상기 경사 센서의 출력신호를 처리하는 신호처리부를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 3축 자기 센서가 검출하는 3차원 자기 벡터와 상기 경사 센서가 검출하는 경사각에 따라 수평자계성분을 산출해도 된다. 상기 신호처리부는 상기 경사 센서가 검출하는 3축 방향의 경사에 의한 변위에 따라 상기 경사각의 보정을 행하고, 상기 3축 자기 센서가 검출하는 3차원 자기 벡터와 보정된 상기 경사각에 따라 수평자계성분을 산출해도 된다. 상기 신호처리부는 상기 3차원 자기 벡터로부터 계산되는 자기 강도에 따라 상기 수평자계선분의 보정을 행해도 된다.
본 발명의 다른 형태는 방위 측정방법에 관한 것이다. 방위 측정방법은 3차원 자기 벡터의 검출신호를 받아들이는 과정과, 상기 자기 벡터를 규정하는 3차원좌표가 지평면과 이루는 경사각의 검출신호를 받아들이는 과정과, 상기 3차원 자기 벡터로부터 계산되는 자계강도를 이용하여 3차원 자기 벡터의 검출신호를 보정하는 과정과, 보정된 상기 3차원 자기 벡터를 상기 경사각에 따라 좌표변환하고, 수평자계성분을 산출하는 과정을 포함한다. 상기 경사각의 검출신호를 받아들이는 과정에서, 중력의 3축 성분을 검출하고, 상기 경사각의 검출신호를 보정해도 된다. 상기 수평자계성분에 따라 방위각을 산출하는 과정을 더 포함해도 된다.
또한, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나, 본 발명을 방법, 센서, 시스템 등으로서 표현한 것도 또한 본 발명의 형태로서 유효하다.
<발명의 실시형태>
본 발명의 제1 실시의 형태를 설명한다. 도1에서 도3을 이용하여 제1 실시 형태에 관한 전방위 자기 센서의 구성을 설명한다. 도1에서 전방위 자기 센서에 이용되는 2축 자기 센서의 구성을 설명하고, 도2에서 전방위 자기 센서에 이용되는 경사 센서의 구성을 설명하며, 도3에서 전방위 자기 센서 전체의 구성을 도시한다.
도1은 2축 지자기 센서의 일례인 플럭스 게이트형 자기 센서(100)의 분해 설명도이다. 플럭스 게이트형 자기 센서(100)는 일본국 특개평 9-43322호 공보 및 일본국 특개평 11-118892호 공보에 개시되는 플럭스 게이트형 자기 센서이고, 링형상의 비정질 코어에 의해 형성된 링 코어(9)를 핵으로 하여 그 상하면에 여자 코일 패턴(12)이 에칭된 여자 코일용 기판(8), Y 코일 패턴(11)이 에칭된 Y축 방향 자계검출 코일 기판(7), X 코일 패턴(10)이 에칭된 X축 방향 자계검출 코일 기판(6)이 동 도면에 도시된 순으로 적층되어 이루어진다.
도2는 경사 센서(22)의 원리 설명도이다. 중추체(34)를 압전 소자의 일례인 피에조 소자(32A∼D)에 의해 몸체(30)로부터 지지되는 구조이고, 중추체(34)의 변위를 피에조 소자(32A∼D)가 검출함으로써 경사를 측정할 수 있다.
도3(A), (B)는 전방위 자기 센서의 일례인 하이브리드 자기 센서(200)의 구성도이다. 도3(A)에 하이브리드 자기 센서(200)의 상면도, 도3(B)에 하이브리드 자기 센서(200)의 단면도를 도시한다. 하이브리드 자기 센서(200)는 플럭스 게이트형 자기 센서(100)를 기판으로 하고, 그 기판에 형성된 패턴상에 연산 처리부로서의 CPU(20), 경사 센서(22), 및 자기 검출소자의 일례로서의 홀 소자(24)가 본딩(28)에 의해 장착되고, 실리콘 수지(26)로 전체를 굳혀, 하이브리드형으로 일체화한 것이다. 경사 센서(22)와 홀 소자(24)가 출력하는 검출신호가 패턴을 통하여 기판에 직접 도입되고, CPU(20)는 플럭스 게이트형 자기 센서(100)가 출력하는 검출신호와 함께 경사 센서(22)와 홀 소자(24)의 검출신호를 받아 후술하는 보정계산을 행하고, 보정된 신호를 출력할 수 있도록 구성된다. 홀 소자(24)는 기판과 수직 방향의 자기성분을 검출한다. 플럭스 게이트형 자기 센서(100)와 홀 소자(24)의 조합에 의해 3차원 자기 벡터를 검출할 수 있는 3축 자기 센서가 구성된다. 자기 검출소자로서, 홀 소자(24) 등의 자기감응소자를 이용해도 되고, MR 소자 등의 자기저항효과 소자를 이용해도 된다.
도4는 다른 제조공정으로 실현되는 하이브리드 자기 센서(200)의 개략도이다. 플럭스 게이트형 자기 센서(100)의 단부에 필름 기판(40A∼C)이 장착되고, 필름 기판(40A∼C)에 형성된 패턴에 CPU(20), 경사 센서(22) 및 홀 소자(24)가 설치된다. 필름 기판(40A∼C)은 플럭스 게이트형 자기 센서(100)쪽으로 접혀 전체가 고착된다. 필름 기판(40A∼C)상에의 소자 배치는 설계 자유도가 있어, CPU(20), 경사 센서(22) 및 홀 소자(24)를 포함하는 소자를 어느쪽 필름 기판(40A∼C)상에 설치해도 되고, 필름 기판(40A∼C)의 전부를 이용할 필요 없이, 적어도 1개의 필름기판에 이들 소자를 설치해도 된다. 이와 같이 필름기판을 이용하여 하이브리드 자기 센서(200)를 형성한 경우, 본딩이 없는 만큼 두께를 줄일 수 있다.
도3, 도4의 어느쪽 구성에 의해서도, 하이브리드 자기 센서(200)는 2차원 평면의 2축 자기성분을 검출하는 2축 자기 센서가 설치되는 기판상에 기판과 수직 방향의 자기성분을 검출하는 자기검출 소자와, 기판의 경사를 검출하는 경사 센서가 일체화되어 설치되는 하이브리드 IC형 구성으로 복수 센서의 융합에 의한 소형화가 도모되고 있다.
도5는 하이브리드 자기 센서(200)의 기능 구성도이다. 플럭스 게이트형 자기 센서(100)로부터 기판의 평면으로 규정되는 2차원 좌표축의 X축, Y축 방향의 자계성분 x, y가 출력된다. 홀 소자(24)로부터 기판의 평면과 수직인 방향의 Z축 방향의 자계성분 z가 출력된다. 경사 센서(22)로부터는 X축 방향의 경사각 α(이하「피치각」이라고도 한다), Y축 방향의 경사각 β(이하「롤각」이라고도 한다)가 출력된다.
하이브리드 자기 센서(200)는 휴대 전화 등에 내장되고, 사용자는 휴대전화를 자유로운 각도로 손에 들고 사용한다. 이와같은 상황하에서는 수평자계가 플럭스 게이트형 자기 센서(100)에 입사하는 각도, 즉 지자기 앙각의 차이가 검지 감도에 현저한 영향을 준다. 그래서 하이브리드 자기 센서(200)의 기판 경사를 구하고, 수평면에 좌표 변환하여 수평시의 자기 벡터를 구한다.
CPU(20)는 좌표 변환부(202)와 방위각 산출부(204)를 가진다. 좌표 변환부(202)는 자기 벡터(x, y, z)와 피치각 α, 롤각 β에 따라 경사에 의한 영향을 배제하는 보정계산을 행하고, 하이브리드 자기 센서(200)의 기판이 지평면에 대해 수평으로 놓인 경우에 검출되는 수평시의 자기 벡터 (xh, yh, zh)를 산출한다. 방위각 산출부(204)는 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)를 입력하고, 지자기 방위각 θ을 산출한다. 방위각 산출부(204)는 또한 지자기 복각 ø을 산출해도 된다.
도6은 하이브리드 자기 센서(200)의 CPU(20)가 행하는 보정계산의 플로우 챠트이다. 좌표 변환부(202)는 경사 센서(22)로부터 피치각 α과 롤각 β을 취득하여(S10), 플럭스 게이트형 자기 센서(100)로부터 자기 벡터의 X축방향, Y축방향의 성분 x, y 및 홀 소자(24)로부터 자기 벡터의 Z축 방향의 성분 z를 취득한다(S12). 좌표 변환부(202)는 하이브리드 자기 센서(200)의 기판이 지평면에 대해 수평으로 놓인 경우의 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)를 구한다(S14). 구체적인 보정계산은 다음과 같이 행한다.
하이브리드 자기 센서(200)의 기판이 수평시의 공간 좌표계의 X축 주위에 α, Y축 주위에 β만큼 경사져 있을 때의 자기 벡터가 (x, y, z)이므로, 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)는 자기 벡터(x, y, z)를 다음식과 같이 Y축 주위에 -β, X축 주위에 -α만큼 회전시킴으로써 얻어진다.
<식1>
이로부터 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)는,
<식2>
로 구해진다.
방위각 산출부(204)는 좌표 변환후의 자기 벡터의 X축성분 xh, Y축성분 yh에서 지자기 방위각 θ을 다음식에 의해 구한다(S16).
θ= arctan(yh/xh) (3)
방위각 산출부(204)는 또한 지자기 복각, 즉 지자기 벡터와 수평 자계 벡터(xh, yh)가 이루는 각 ø을 다음식에 의해 구해도 된다.
ø = arccos(H/r) (4)
단, H는 수평 자계 벡터(xh, yh)의 크기이고, r은 자기 벡터(xh, yh, zh)의 크기, 즉 자계 강도이다.
자계 강도 r은 착자 등에 의한 지자기 검출오차를 보정하기 위해 이용된다. 일반적으로 자기 센서는 자기 센서 자체의 착자에 의한 영향이나, 자기 센서가 설치되는 장치가 띠고 있는 자기의 영향을 받기 때문에, 출력치의 보정이 필요하다. 특히, 하이브리드 자기 센서(200)는 휴대전화나 휴대단말에 설치되고, 사용자가 가지고 다니기 때문에, 도시나 교통망이 발달해 있는 지역 등에서 기기가 자계를 띠거나, 철근 구조물의 부근에서 상대의 대상물이 띠고 있는 자기를 잡아 자연적으로는 발생하지 않는 동적인 자계가 혼재하는 일이 있다. 이러한 자연 자계 이외의 강자계가 자기 센서에 입사하고, 포화 상태로 되어, 지자기의 검출을 할 수 없게 되는 일이 발생한다.
자기 센서의 착자 등의 영향을 제거하기 위해서, 일반적으로 사용장소에서 캘리브레이션이 행해지고 있다. 자기 센서를 수평으로 설치한 상태에서 연직방향, 즉 Z축 주위로 360도 회전시켜, X축 방향의 출력치와, Y축 방향의 출력치가 만드는 중심점을 구하고, 그 중심점의 좌표치를 보정을 위한 오프 셋으로서 이용하는 것이 행해진다. 그러나, 하이브리드 자기 센서(200)는 휴대전화나 휴대단말 등에 내장되고, 사용자가 휴대하여 임의의 장소에서 사용하는 것이므로, 사용자에게 사용시 마다 캘리브레이션을 부과하는 것은 적당하지 않다.
그래서, 측정된 자계강도 r에 의해, 착자 등의 강자계의 영향을 받아 강자계의 X축 성분, Y축 성분을 하이브리드 자기 센서(200)의 출력치 오프 셋으로서 이용하여 강자계의 영향을 캔슬한다. 측정된 자계 강도로부터 강자계를 배제하기 위해, 초기 자계강도나 검출될 가능성이 있는 자계강도의 범위를 미리 테이블형으로 메모리에 격납한다. 실제로 측정된 자계강도와 테이블에 격납된 데이터를 상호 보완하고, 자연 자계 이외의 자계성분 영향을 캔슬하여 검출치의 보정처리를 행한다. 또한 설정된 자계강도의 범위를 넘는 강자계가 검출된 경우는 검출치를 파기하여, 측정을 무효로 해도 된다.
일반적으로 자기 센서는 사용할 때마다 캘리브레이션을 행하지 않으면 정확한 지자기의 강도와 방위를 구할 수 없는데, 본 실시형태의 하이브리드 자기 센서(200)는 Z축 방향의 자계성분을 검출할 수 있는 홀 소자(24)를 구비함으로써 강자계를 검출할 수 있고, CPU(20)로 보정처리에 의해 자연 자계를 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 하이브리드 자기 센서(200)는 사용시에 자동적인 캘리브레이션을 행한 것에 상당하는 효과를 가져온다. 이는 하이브리드 자기 센서(200)를 휴대기기에 내장하는데 있어 매우 유리하다.
본 발명의 제2 실시 형태를 설명한다. 제1 실시 형태에서는 하이브리드 자기 센서(200)의 경사를 검출하기 위해, X축 주위, Y축 주위의 경사각을 검출하는 2축 경사 센서(22)를 이용했다. 제2 실시형태에서는 또한 Z축 주위의 경사각도 검출할 수 있는 3축 경사 센서를 형성한 점이 제1 실시형태와 다르고, 그 밖의 구성은 제1 실시형태와 동일하다.
제1 실시 형태에서는 3축 자기 센서를 이용하여 착자 등에 의한 강자계를 측정함으로써, 자동적인 캘리브레이션을 가능하게 했다. 제2 실시 형태에서는 경사 센서에 관해서도 자동적인 캘리브레이션을 가능하게 하기 위해 3축 경사 센서가 이용된다.
제2 실시 형태에서 이용하는 3축 경사 센서는 제1 실시형태에서 설명한 도2의 경사 센서(22)와 구성은 같고, 중력에 의한 중추체(34) 변위의 3축 성분을 검출한다. 이에 따라 하이브리드 자기 센서(200)의 기판과 함께 움직이는 동좌표계(動座標系)에 있어서 중력 벡터(gx, gy, gz)를 얻을 수 있다. 따라서, 하이브리드 자기 센서(200)의 기판 경사, 즉 기판 법선방향과 연직방향이 이루는 각 ø을 알 수 있다. 이 정보를 이용하여 경사 센서의 X축, Y축의 출력신호의 보정을 행한다. 얻어진 중력 벡터가 (0, 0, g)이고, Z축 출력신호가 제로이면, 기판은 수평이고, 보정은 불필요하다.
일반적으로, 경사 센서에 있어서도, 경사각의 정확한 값을 얻기 위해서는 경사 센서를 수평으로 설치한 상태에서 캘리브레이션을 행하여, 출력치의 보정을 할 필요가 있다. 2축 경사 센서에서는 X축, Y축의 출력치밖에 얻을 수 없으므로, 경사 센서 자체가 기울어 있는지 여부를 알 수 없어 수평상태에서의 캘리브레이션이 필요해진다. 3축 경사 센서를 이용함으로써, Z축 출력신호를 얻을 수 있고, Z축 출력신호를 레퍼런스로 이용하여 X축, Y축 주위의 경사각의 보정이 가능하다. 이에따라, 수평으로 설치한 상태에서 사용전에 행하는 캘리브레이션이 불필요해져 사용시에 자동적인 캘리브레이션을 행한 것에 상당하는 효과를 가져온다.
다음에, 본 발명의 제3 실시의 형태를 설명한다. 도7은 제3 실시 형태에 관한 하이브리드 자기 센서(200)의 상면도이다. 플럭스 게이트형 자기 센서(100)를 기판으로 하여 상부에 CPU(20), 경사 센서(23) 및 홀 소자(24)가 설치된다. 본 실시형태의 경사 센서(23)는 제1 실시 형태에서 설명한 도2의 경사 센서(22)와 동일한 구성이지만, 유연성 있는 겔 실리콘(50)으로 덮이고, 외기압과 센서내의 내압차에 의해, 외기압도 검출할 수 있는 점이 다르다. 하이브리드 자기 센서(200)의 다른 구성은 제1 실시의 형태에서 설명한 도3과 동일하고, 경사 센서(22)를 제외하고 전체가 실리콘 수지(26)로 굳혀진다. 이와 같이 설치된 하이브리드 자기 센서(200)는 관측지점 방위와 함께 외기압으로부터 고도를 계측할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제4 실시 형태로서, 제1 내지 제3 실시 형태 중 어느 하나의 하이브리드 자기 센서(200)를 이용한 방위 측정 시스템을 설명한다. 도8은 제4 실시형태 방위 측정 시스템의 설명도이다. 휴대전화(110)는 하이브리드 자기 센서(200)와, GPS 수신부(102)를 내장한다. 휴대전화(110)는 복수의 GPS 위성(114)으로부터 위치정보를 수신한다. 위치정보는 관측지점의 위도, 경도를 포함한다. 휴대전화(110)는 수신한 위치정보를 지상국(112)에 송신한다. 지상국(112)은 서버(116)와, 지도 데이터(118)와, GPS 안테나(120)를 가진다. 지상국(112)의 위도, 경도는 정확하게 알고 있고, 서버(116)는 지상국(112)의 기존에 알고 있는 위도, 경도를 참조 데이터로서 이용하여 GPS 안테나(120)가 복수의 GPS 위성(114)으로부터 수신하는 위치정보를 이용하여 휴대전화(110)가 송신하는 위치정보를 보정하고, 정확한 위치정보를 휴대전화(110)로 송신한다. 또한 서버(116)는 휴대전화(110)가 요구하는 현재위치의 전(全) 자력 데이터를 지도 데이터(118)로부터 추출하여 휴대전화(110)로 송신한다. 또한 서버(116)는 휴대전화(110)의 현재위치에 따라 지도정보를 지도 데이터(118)로부터 추출하여 휴대전화(110)로 송신한다. 휴대전화(110)는 하이브리드 자기 센서(200)에 의해 측정한 지자기 방위에 따라 지도정보를 가공하여 표시한다.
도9는 휴대전화(110)의 기능 구성도이다. 휴대전화(110)의 통화기능 등은 생략하고, 본 발명 방위 측정기술에 관한 기능을 도시한다. 휴대전화(110)는 GPS 위성(114)으로부터 GPS 신호를 수신하는 GPS 수신부(102)와, 지상국(112)으로부터 전 자력 데이터를 취득하는 모든 전 자력 취득부(104)와, 하이브리드 자기 센서(200)와, 지도정보 처리부(206)와, 표시부(208)를 가진다. 하이브리드 자기 센서(200)는 플럭스 게이트형 자기 센서(100)와 경사 센서(22)와 좌표 변환부(202)와 방위각 산출부(204)를 가진다.
GPS 수신부(102)는 관측 지점의 위치정보를 GPS 위성(114)으로부터 수신하고, 전 자력 취득부(104)는 GPS 수신부(102)가 수신하는 위치정보를 지상국(112)으로 송신하며 지상국(112)으로부터 관측지점의 전 자력 r을 수신한다. 전 자력 취득부(104)는 전 자력 r을 좌표 변환부(202)에 입력한다. 플럭스 게이트형 자기 센서(100)가 검출하여 출력하는 자기 벡터의 X축, Y축 성분 x, y와, 경사 센서(22)가 출력하는 피치각 α, 롤각 β가 좌표 변환부(202)에 입력된다. 좌표 변환부(202)는 자기 벡터의 X축 성분 x, Y축 성분 y, 전 자력 r에 따라 자기 벡터의 Z축 성분 z를 구하고, 피치각 α와 롤각 β를 이용하여 좌표 변환에 의해 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)를 구한다. 방위각 산출부(204)는 수평시의 자기 벡터에 따라 지자기 방위각 θ을 산출하고, 지도 정보 처리부(206)로 출력한다.
지도 정보 처리부(206)는 지상국(112)으로부터 수신한 지도 데이터를 방위각θ에 따라 가공하고, 표시부(208)는 가공된 지도 데이터를 화면에 표시한다. 예를들면, 지도 정보 처리부(206)는 측정된 지자기 방위각 θ에 지도 방위를 맞추어 지도를 회전시킨다. 휴대전화(110)의 화면에는 휴대전화(110)의 소지자가 향하고 있는 방위에 맞추어진 지도가 표시된다.
도10은 본 실시형태의 방위 측정방법의 플로우 챠트이다. 좌표 변환부(202)는 경사 센서(22)로부터 피치각 α, 롤각 β을 취득하고(S20), 플럭스 게이트형 자기 센서(100)로부터 자기 벡터의 X축 성분 x, Y축 성분 y를 취득한다(S22). GPS 수신부(102)는 현재 위치정보를 취득하고(S24), 전 자력 취득부(104)는 현재 위치정보를 지상국(112)의 서버(116)로 송신하고, 서버(116)로부터 현재위치의 전 자력 r을 수신한다(S26). 좌표 변환부(202)는 전 자력 r과 자기 벡터의 X축 성분 x, Y축 성분 y에서 자기 벡터의 Z축 성분 z를 다음식에 의해 산출한다(S28).
<식3>
좌표 변환부(202)는 피치각 α과 롤각β을 이용하여 전술의 (2)식의 좌표 변환에 의해, 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)를 구한다(S30). 방위각 산출부(204)는 좌표 변환후의 자기 벡터의 X축 성분 xh, Y축 성분 yh에서 전술의 (3)식에 의해 방위각 θ을 산출한다(S32).
하이브리드 자기 센서(200)로서 제3 실시 형태에서 설명한 도7의 고도 검출이 가능한 하이브리드 자기 센서(200)를 이용하여 관측 지점의 위도, 경도와 동시에 관측지점의 고도를 지상국(112)의 서버(116)로 송신해도 된다. 또한, 서버(116)가 지역마다 현재의 기압 데이터를 가지고 있고, 휴대전화(110)에 기압 데이터가 제공되며, 기압 데이터를 이용하여 하이브리드 자기 센서(200)가 검출하는 고도의 검출치의 보정이 행해져도 된다.
또한, 상기 설명에서 하이브리드 자기 센서(200)는 Z축 방향의 자계성분을 검출하고 있지 않지만, 홀 소자(24)를 이용하여 Z축 방향의 자계성분을 검출하고, 자계강도를 구하여, 서버(116)로부터 얻은 전 자력 r과 비교하여, 착자 등에 의한 강자계의 영향을 보정해도 된다.
이상 기술한 바와같이, 상기 실시 형태에 관한 하이브리드 자기 센서(200)는 플럭스 게이트형 자기 센서(100)가 기판을 본체로 하여 형성되고, 기판에 홀 소자(24)와 경사 센서(22)가 설치되어 일체화된 구성이므로, 소형화를 도모할 수 있다.
또한 하이브리드 자기 센서(200)는 경사에 대한 자동보정에 의해 하이브리드 자기 센서(200)가 어떠한 방향으로 경사져도, 또한 경사각이 일정하게 정해지지 않은 경우라도, 경사에 의한 영향을 배제하므로 자동으로 보정을 행할 수 있고, 휴대전화나 휴대단말 등의 휴대기기에 간편하게 형성할 수 있다. 종래의 자기 방위 센서가 진자 등 기계적인 수평 유지 기능으로 캘리브레이션을 행한 것에 비해, 이와 같이 형성된 하이브리드 자기 센서(200)는 순전자식이므로, 응답성이 뛰어나고, 기계적인 접점이 없으므로 반영구적인 사용이 가능해지고, 또한 구조상 모든 자세에 대응시키는 것이 가능하다.
이상, 본 발명을 실시 형태를 바탕으로 설명했다. 실시 형태는 예시이고, 각 구성요소나 각 처리 프로세스의 조합에 여러 가지 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 것이다.
이와 같은 변형예를 설명한다. 상기의 설명에서는 하이브리드 자기 센서(200)에 CPU(20)를 형성했지만, 또한 메모리를 설치하고, 보정용 테이블을 격납하도록 해도 된다. 또한, CPU(20)나 메모리를 하이브리드 자기 센서(200)에는 설치하지 않고, 하이브리드 자기 센서(200)가 검출하는 신호를 외부로 꺼내고, 외부에 형성된 마이크로 컴퓨터에 의해 보정 등의 계산처리를 행해도 된다. 또한, 상기 설명에서는 자기 센서와 경사 센서를 동일 기판에 일체화하여 형성했지만, 자기 센서와 경사 센서를 일체화하지 않고 별도의 기판상에 설치하여 양자의 출력신호를 하나의 CPU(20)로 처리하도록 구성해도 된다.
본 발명에 의하면, 경사에 의한 영향을 배제하는 보정을 행하여, 지자기 방위를 정확하게 측정할 수 있다.

Claims (16)

  1. 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 자기 센서와,
    상기 자기 벡터의 상기 평면과 수직 방향의 성분을 검출하는 자기검출소자를 하이브리드 IC로서 일체로 구성한 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2축 자기 센서는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하기위한 코일 패턴이, 적층되는 기판에 걸쳐 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판은 상기 자기검출소자로부터 출력되는 검출신호를 전달하기위한 패턴을 가지고, 상기 자기검출소자가 상기 기판상에 설치되었을 때, 상기 검출신호가 상기 패턴을 통하여 상기 기판에 직접 도입되는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 2축 자기 센서와 상기 자기검출소자의 출력신호를 처리하는 신호처리부를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 검출된 자기 강도를 산출하며, 상기 2축 자기 센서가 검출하는 자기 벡터의 2축 성분의 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
  5. 기판상에 형성되고, 3차원 자기 벡터를 검출하는 3축 자기 센서와,
    상기 기판의 경사각을 검출하는 경사 센서를 하이브리드 IC로서 일체로 구성한 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기판은 상기 경사 센서로부터 출력되는 검출신호를 전달하기위한 패턴을 가지고, 상기 경사 센서가 상기 기판상에 설치되었을 때, 상기 검출신호가 상기 패턴을 통하여 상기 기판에 직접 도입되는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  7. 제5항에 있어서, 상기 기판으로부터 외부로 향해 연장되는 형으로 그 기판에 장착되는 필름 기판을 더 포함하고, 상기 경사 센서를 상기 필름 기판상에 설치하며, 상기 필름 기판을 상기 기판쪽으로 되돌려 전체를 고정 장착하여 형성된 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  8. 제5항 내지 7항중 어느 한항에 있어서, 상기 3축 자기 센서는 상기 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 자기 센서와,
    상기 자기 벡터의 상기 평면과 수직 방향의 성분을 검출하는 자기검출소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  9. 제5항 내지 8항중 어느 한항에 있어서, 상기 경사 센서는 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 x축 방향의 경사각과 y축 방향의 경사각을 검출하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  10. 제5항 내지 8항중 어느 한항에 있어서, 상기 경사 센서는 3축 방향의 경사에 의한 변위를 검출하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  11. 제5항 내지 9항중 어느 한항에 있어서, 상기 3축 자기 센서와 상기 경사 센서의 출력신호를 처리하는 신호처리부를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 3축 자기 센서가 검출하는 3차원 자기 벡터와 상기 경사 센서가 검출하는 경사각에 따라 수평자계성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  12. 제10항에 있어서, 상기 3축 자기 센서와 상기 경사 센서의 출력신호를 처리하는 신호처리부를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 경사 센서가 검출하는 3축 방향의 경사에 의한 변위에 따라 상기 경사각의 보정을 행하고, 상기 3축 자기 센서가 검출하는 3차원 자기 벡터와 보정된 상기 경사각에 따라 수평자계성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 3차원 자기 벡터로부터 계산되는 자기의 강도에 따라 상기 수평자계선분의 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
  14. 3차원 자기 벡터의 검출신호를 받아들이는 과정과,
    상기 자기 벡터를 규정하는 3차원 좌표가 지평면을 이루는 경사각의 검출신호를 받아들이는 과정과,
    상기 3차원 자기 벡터로부터 계산되는 자계강도를 이용하여 3차원 자기 벡터의 검출신호를 보정하는 과정과,
    보정된 상기 3차원 자기 벡터를 상기 경사각에 따라 좌표변환하고, 수평자계성분을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방위 측정방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 경사각의 검출신호를 받아들이는 과정에서, 중력의 3축성분을 검출하고, 상기 경사각의 검출신호를 보정하는 것을 특징으로 하는 방위 측정방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 수평자계성분에 따라 방위각을 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방위 측정방법.
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