(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２個の磁界センサの組立品を具え、前記各磁界センサが、同一平面内に位置し、かつ同一の優先磁化方向を有する多数の磁気抵抗センサ素子から構成される磁界測定装置であって、前記センサ素子の一方の側を電源回路に接続し、他方の側を信号処理回路に接続し、異なる前記磁界センサの前記センサ素子は優先磁化方向が異なり、多数のターンで中心軸線の周囲を取り巻く導電体として形成され、かつ前記中心軸線に平行に伸びる補助磁界を発生すべく構成した磁化コイル内に前記磁界センサの組立品を配置して、前記中心軸線が前記センサ素子の平面への垂線に対してなす角が、前記各磁界センサについて同一であり、かつ前記各磁界センサの領域における補助磁界が、関連する磁界センサのセンサ素子の優先磁化方向に平行に伸びる成分を含むように、前記磁界センサを前記磁化コイル内に配置した磁界測定装置において、
前記補助磁界の方向が、前記各磁界センサのセンサ素子の優先磁化方向に対して０゜＜α＜90゜なる同一角αをなすことを特徴とする磁界測定装置。
【請求項２】
前記組立品が２個の磁界センサを具えて、該磁界センサのセンサ素子が同一平面内あるいは互いに平行な平面内に位置し、前記センサ素子の優先磁化方向が互いに垂直に伸びて前記中心軸線に対して45゜の角をなすように、前記磁界センサを配置したことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記組立品が、支持体の互いに垂直な３つの表面上に装着した３個の磁界センサを具え、前記各磁界センサのセンサ素子の平面が、前記３つの表面のうち１つに平行に広がり、前記３つの表面への垂線が前記中心軸線に対して等しい角をなすように、前記支持体を前記磁化コイル内に配置したことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記磁界センサを、導電体トラックを設けた電気絶縁材料のフレキシブル箔の第１部分の上に装着して、前記導電体トラックが、前記センサ素子を前記電源回路及び前記信号処理回路に接続するための接続導体を構成し、前記箔の第１部分が前記表面に対向して配置されるように、前記箔を前記支持体の回りに折り畳むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記箔が、前記磁化コイルから突出したストリップ形の第２部分も具え、前記第２部分の上に前記導電体トラックが連続することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記支持体を立方体の少なくとも一部分として形成し、前記３つの表面が前記立方体の同一頂点で隣接して、前記磁化コイルの中心軸線が、前記頂点を通って伸びる前記立方体の立体対角線に一致するようにしたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記支持体を、前記頂点に対向して位置する側面の所で、前記立体対角線に垂直に広がる境界面によって区切ったことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記磁化コイルを、正六角形の断面を有する直角柱として形成したことを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、少なくとも２個の磁界センサから成る組立品を具え、これらの各磁界センサが、同一平面内に位置し、かつ同一の優先磁化方向を有する多数の磁気抵抗センサ素子から構成される磁界測定装置に関するものであり、前記センサ素子の一方の側を電源回路に、他方の側を信号処理回路に接続し、異なる磁界センサのセンサ素子は優先磁化方向が異なり、多数のターンで中心軸線の周囲を取り巻く導電体として形成され、かつ前記中心軸線に平行に伸びる補助磁界を発生すべく構成した磁化コイル内に、前記磁界センサの組立品を配置して、前記中心軸線が前記センサ素子の平面への垂線に対してなす角が前記各磁界センサについて同一であり、そして前記各磁界センサの領域における補助磁界が、関連する磁界センサのセンサ素子の優先磁化方向に平行に伸びる成分を含むように、前記磁界センサを前記磁化コイル内に配置する。
この種の装置はPhilips Technical Publication 268より既知である。この既知の装置の一態様においては、前記磁化コイルを、反対電流方向の電流パルスを前記磁化コイルに交番的に供給すべく構成した電流パルス発生器に接続して、この装置は、前記センサ素子の優先磁化方向に平行に伸び、かつ前記のセンサ素子の内部磁化方向を反転するのに充分強い磁化コイル内の磁界を、各電流パルスが発生するような装置である。センサ素子の内部磁化の反転は、例えば製造公差により及び温度変動によるドリフトにより生じるような、測定を妨害する効果を除去するために作用する。既知の装置の組立品は、引用文献の図28に示すように、円筒状磁化コイル内に、互いに垂直に装着した２個の磁界センサを具えることができる。この既知の装置の第１の欠点は、第３の磁界センサのセンサ素子の優先磁化方向が、最初の２個の磁界センサのセンサ素子の優先磁化方向と垂直に伸びるように、第３の磁界センサを装着することが、容易にできないことにある。そして補助磁界が、第３磁界センサのセンサ素子の平面と垂直に伸びているので、所望の効果を有し得ない。それ故に、別の磁化コイルが第３磁界センサのために必要になり、そのことれがこの装置を嵩張らせかつ重くする。それにもかかわらす、磁界の３個の互いに垂直な成分を検出することは往々にして望ましい。これは、例えばこの装置を、地球磁界の３つの成分方向が所望される種類の磁気羅針儀に用いる場合である。２つの磁界成分のみを測定することが必要な場合には、既知の装置が適している。しかしながら、磁化コイルを規定する全容積を、互いに垂直な磁界センサで囲まねばならないので、磁化コイルが比較的嵩張りかつ重くなることが不都合である。従って既知の装置は、少なくとも磁界センサを含む部分が非常に小さくかつ軽くなくてはならない用途にはさほど適していない。そのような応用の一例は、乗物、例えば自動車内の羅針儀である。そしてこの装置が地球磁界の水平成分の方向を検出すべく作用し、かつ一般に車体が多量の鉄で構成され、従って局所的地球磁界への妨害効果を有するので、車体の外側に磁界センサを取り付けることが所望される。センサにとって適切な位置は、例えば乗物に装備したアンテナの先端である。しかしその際には、センサ及びこれに接続した磁化コイルが極端に小さくかつ軽くなくてはならない。その際に関連する回路を乗物内に収容し得るので、これらは嵩張りかつ重くてもよい。
本発明の目的は、少なくとも２個の磁界センサの場合に、既知の装置におけるよりも大幅に小さくかつ軽い磁化コイルを用いることができ、そしてこの目的のために付加的な磁化コイルを必要とせずに互いに垂直な３つの磁界成分を測定するのに適した、前述の種類の装置を提供することにある。これを達成するために、本発明による装置は、補助磁界の方向が磁界センサの各センサ素子の優先磁化方向に対して同一角α（ここで０゜＜α＜90゜）をなすことを特徴としている。本発明のステップの結果として、補助磁界が各センサ素子の優先磁化方向に平行な成分を有し、これらの成分はすべてのセンサ素子について等しい大きさである。なお単一の磁化コイルが発生する補助磁界中で、３個の磁界センサによって磁界を測定するための装置自体は、欧州特許出願公開明細書第EP−Ａ−0 290 611号より既知である。この既知の装置においては、磁界センサを収容するための窪みを設けた環状支持体上に磁化コイルを巻くので、補助磁界が各磁界センサについての優先磁化方向に平行に伸びる。このように形成したセンサ部分は比較的嵩高くかつ重い。
本発明による装置の第１好適例は、磁界センサのセンサ素子が同一平面内あるいは互いに平行な平面内に位置し、かつセンサ素子の優先磁化方向が互いに垂直に伸び、かつ中心軸線に対して45゜の角をなすように配置した２個の磁界センサを、前記組立品が具えていることを特徴とする。この好適例は、互いに垂直な２つの磁界成分の測定に適している。２個の磁界センサのセンサ素子が一平面内あるいは互いに平行な平面内に位置するので、２個の磁界センサから成る組立品は非常に小さい、ブロック形状の容積をほとんど完全に満たす。磁化コイルはこの容積形状に適合した形状を有することができるので、これは既知の装置の磁化コイルよりも大幅に小さくすることができる。
本発明による装置の第２好適例は、前記組立体が、前記支持体の互いに垂直な３つの表面上に装着した３個の磁界センサを具え、磁界センサの各センサ素子の平面が、前記３つの表面の一つに平行に広がり、そして前記３つの表面への垂線が前記中心軸線に対して等しい角をなすように、前記支持体を前記磁化コイル内に配置したことを特徴とする。この好適例が、互いに垂直な３つの磁界成分の測定を可能にする。本好適例では、前記センサ素子を電源回路及び信号処理回路に接続するための接続導体を構成する電気導体トラックを設けた電気絶縁材料のフレキシブル箔の第１部分上に磁界センサを装着することによって、特に簡単な磁界センサの装着を達成することができ、前記箔の第１部分が前記表面に対面して配置されるように、前記箔を前記支持体の回りに折り畳む。必要であれば、前記電源及び信号処理回路を、前記箔自体の上に設けることができる。しかしながら多くの場合に、他の構成要素を付加することによる磁界センサと磁化コイルとの組み合わせの重さと体積との増加を回避することが望ましくなる。他の実施例では、前記回路を、磁界センサからある程度の距離に容易に装着することができ、本好適例は、前記箔が、上に導体トラックが連続し、かつ磁化コイルから突出するストリップ形状の第２部分も具えていることを特徴とする。
３個の前記磁界センサにより形成される組立品は、前記支持体を少なくとも立方体の一部として形成し、前記３つの表面が前記立方体の同一頂点に隣接し、前記磁化コイルの軸が、前記立方体の前記頂点を通って伸びる立体対角線（立方体の内部を通る対角線）に一致することを特徴とする態様において、非常にコンパクトになり得る。前記支持体を、前記頂点に対向して位置する側面の所で、前記立体対角線に垂直に広がる境界面によって区切れば、重量をさらに低減することができる。後の二つの好適例では、磁化コイルを正六角形の断面を有する直角柱として形成した場合には、磁界センサの組立品が磁化コイルの内部をはとんど完全に満たすことができる。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１に、それ自体は既知の、磁気抵抗効果に基づく磁界センサ１を示す。これは電流搬送磁気材料の電気抵抗が外部磁界の存在で変化するという現象である。この変化は電流方向に対する磁化の回転により生じる。例えばパーマロイ（20％の鉄と80％のニッケルを含む強磁性合金）の場合には、（電流方向に垂直に伸びる外部磁界によって生じる）90゜の磁化の回転が、２〜３％の抵抗変化を生じさせる。図に示す磁界センサ（Philips type KMZ 10）では、４個の磁気抵抗センサ素子３を珪素基板２上に設ている。これらの各センサ素子３が、ストリップの長軸方向に平行な、すなわち矢印５の方向に優先磁化方向を有するパーマロイの蛇行状ストリップにより形成されている。これらのセンサ素子３の端部は、ホイートストンブリッジの４分枝を形成すべく相互接続してある。このブリッジの不平衡の度合いは、センサ素子３の平面における、これらのセンサ素子を通って流れる電流の方向と垂直な磁界の強度の変動の尺度として用いることができる。センサ素子３によって形成した前記ブリッジ回路は、接続点７を介して、一方の側を電源回路に、他方の側を信号処理回路に接続することができる。
図２に、図１に示す種類の磁界センサを用いた磁界測定装置の一実施例のブロック線図を示す。センサ素子３によって形成したブリッジ回路の一方の側を電源回路９（この場合には電池）に、他方の側を信号処理回路11に接続している。適切な信号処理回路の例は、例えば引用文献Philips Technical Publication 268に記載されている。この引用文献には、オフセット効果を除去するために、磁化コイル13が発生する補助磁界をセンサ素子３が受けるように、磁界センサを装着することが望ましいとも記載してある。磁化コイル13に反対電流方向の電流パルスを交番的に供給すべく構成した電流パルス発生器15に、磁化コイル13を接続して、磁化コイル内に対向する補助磁界を交番的に発生する。磁化コイル13は、この磁化コイル内に発生する補助磁界がセンサ素子３の優先磁化方向５に平行に伸びるように配置する。磁化コイル13、及び電流パルス発生器15が供給する電流強度の特性は、発生する補助磁界がセンサ素子の内部磁化方向を反転するのに充分強いように選択する。簡単のために、図２には１個の磁界センサのみを示す。本発明による装置では、２個以上の磁界センサを組合わせて、単一磁化コイル13と共にセンサ部分17を構成する組立品が形成されるようにする。磁化コイル13が発生する補助磁界は、各磁界センサのセンサ素子３の優先磁化方向５に平行に伸びる成分を含む。これらの成分はすべて同じ大ささである。
図３に、互いに垂直な２つの磁界成分の大きさ及び方向とを特定可能な装置用のセンサ部分17の一実施例を示す。この種の装置は、例えば地球磁界の水平成分に敏感な磁気羅針儀に用いることができる。センサ部分17は非磁性材料、例えば適当な合成材料の筐体19に共に装着した２個の磁界センサ1aと1bの組立品を具えている。これら２個の磁界センサ1a及び1bは、これらの磁界センサのセンサ素子（図３では別個に示していない）が一平面内に位置し、かつ優先磁化方向5a及び5bが互いに垂直に伸びるように装着する。これらのセンサ素子は、接続導線21を介して筐体19の接続ピン23に接続する。筐体19は、磁化コイル13を上に巻いた合成材料のコイル巻型25で囲まれている。磁化コイル13は、多数のターンで中心軸線27の周囲を取り巻く導電線から構成され、この中心軸線は、各優先磁化方向5a及び5bに対して45゜の角をなす。磁化コイル13を構成する導線の二つの端部は、接続ピン23のうちの２個に接続する。磁化コイル13に電流を供給した場合には、このコイル内で、中心軸線27と平行に伸びる補助磁界Ｈが発生して、これは前記各優先磁化方向に対して45゜の角をなす。既知のように、磁界Ｈに対して角αをなす方向の成分Ｈ（α）の大きさはHcosαに等しい。従ってこの場合には、前記優先磁化方向5a及び5bに平行に伸びる補助磁界Ｈの成分の大きさは
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に等しい。それ故に、同じ効果を得るためには、補助磁界Ｈの強度が、前記優先磁化方向に平行に伸びる補助磁界の強度の
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でなければならない。このことは、磁化コイル13の電流強度あるいはこのコイルのターン数を適応させることによって容易に達成することができる。
２個の磁界センサ1a及び1bを一平面内に隣接して配置するので、組立品の厚さ（前記の平面に垂直な方向での寸法）は非常に小さい。それ故に、筐体19の厚さも非常に小さくてもよい。ハウジング19の幅（前記の方向に垂直かつ中心軸線27に垂直な方向、すなわち図の左から右の方向の寸法）は、接続ピン23のために必要な空間によって決まる。コイル巻型25の寸法は、筐体19が少しの空隙をおいてコイル巻型の空洞内に合うように選択する。これにより、このコイル巻型25内のスペースを非常に有効に用いることができ、そしてセンサ部分17の全体を、非常に小型で軽くすることができる。このことは、２個の磁界センサ1a及び1bを隣接して配置しないが、優先磁化方向5a及び5bが図３に示す向きになるように積層させた場合にも当てはまる。この場合には、センサ素子の平面が互いに平行に広がり、そして前記組立品が、図に示す場合よりも大きい厚さと小さい幅を有する。その際に、筐体19の断面がより四角形に近くなり、そして接続ピン23を、例えば二つの平行な列に配列することができる。双方の場合において、前記センサ部分は、センサ素子の平面における優先磁化方向5a及び5bに垂直な、すなわち矢印28a及び28bで表わす２方向の磁界の測定に適している。これらの磁界は、例えば地球磁界の２成分とすることができる。必要ならば、例えば集積回路のような他の構成要素を筐体19内に収容してもよい。
図4aは、３つの第１部分31及び１つの第２部分33を具えた電気絶縁材料、例えばカブトンのフレキシブル箔29の平面図である。箔29の主な表面上に、例えば印刷回路板の製造における慣例の銅の薄型層から形成される多数の電気導体トラック35を設けてある。各導体トラック35は、一つの第１部分31から始まって、第２部分33上で連続する。第１部分31は四角形であり、第２部分33はストリップ形である。第１部分31の各々に、それぞれ磁気センサ1a、1b、1cを装着し（図には別個に示していない）、センサ素子を外部回路に接続するための接続導体として作用する導体トラック35の関連するものに、センサ素子を電気的に接続している。
箔29の形状は、３つの第１部分31が互いに垂直な平面内に位置するように、破線で表わす折り線37に沿って折り畳むことが可能なように選択する。そして、これら３つの第１部分31は、立方体の同一頂点に隣接する３つの側面に対応する。これにより、箔29を、図4bに示す支持体39の回りに折り畳むことができる。支持体39を立方体として形成し、そして例えば適切な合成材料で作製することができる。この立方体は中空でもあるいは中実でもよい。前記３つの側面が隣接する頂点は、図4bでは参照符号41によって表わし、そして関連する頂点を通って伸びる、一点鎖線によって表わす立方体の立体対角線を、参照符号43によって示す。この立体対角線は前記３つの側面への垂線に対して等しい角をなす。
図5aは、箔29を支持39の回りに折り畳んだ後に得られる半完成品の斜視図である。３つの第１部分31が支持体39の３つの側面に接触して、第２部分33が第４側面に沿って折り戻される。この部分上に存在する導体トラック35（図5aでは見えない）は、電源回路９及び信号処理回路11（図２）に、直接または（図示しない）接続ケーブルによって接続することができる。必要ならば、これらの回路と関連する構成要素を第２部分33上に直接装着してもよい。３個の磁界センサ1a、1b及び1cのセンサ素子の優先磁化方向5a、5b及び5cは、図4bに示す立体対角線43に対して57.4゜の等しい角をなす。
図5bは、図5aに示す半完成品を用いることによって製造したセンサ部分の前面図である。こうするために、前記立体対角線（図4b）が図5bの平面に垂直に伸びる中心軸線２に一致するように、前記半完成品を磁化コイル13内に配置する。これにより、磁化コイル13が発生し、中心軸線27に平行に伸びる補助磁界の方向は、各優先磁化方向5a、5b及び5cに対して57.4゜の角をなす。本実施例の磁化コイル13は、正六角形の断面を有する直角柱として形成してある。図5bからわかるように、中心軸線27に垂直な平面（図の平面）上の磁界センサの立方体の組立品の投影も、正六角形をなしている。かくして、この組立品は磁化コイル13内のスペースをほとんど完全に満たすので、このセンサ部分の寸法と重さとは最小限になる。少し大きい寸法及び少し重い重量が許容される場合には、磁化コイルは明らかに他の形状、例えば直立円柱形状を有することもできる。そして図5bでは見えない箔29の第２部分33は、磁化コイル13から突出している。
図6aは、多くの点で図4aに示された箔29と類似のフレキシブル箔129の平面図である。しかし、箔129の第１部分131の形状は、前記箔29の第１部分31の形状と大きく異なる。箔129にも、前記第１部分131上に装着すべき磁界センサ1a、1b及び1c用の接続導体を構成する導電体トラック135を設けてある。第１部分131が、一点で互いに隣接する互いに垂直な平面内に位置するように、箔129を破線の折り畳み線137に沿って折り畳むことができる。これにより、図6bに示すような、ビラミッドの頂点を構成する点141において互いに隣接する互いに垂直な３面を有するビラミッドとして形成される支持体139の回りに、箔129を折り畳むことができる。幾何学の観点からは、これらの３面は、頂点で互いに隣接する立方体の３面に相当し、前記立方体の立体対角線は一点鎖線143として表わす。この立方体は、立体対角線143に垂直に伸び、前記ビラミッドの底部を構成する境界面145に沿って切り落としてある。
図7aは、前に図示した方法で、箔129を支持体139の回りに折り畳むことによって得られる半完成品の斜視図である。３つの第１部分131を、支持体139の側面に対して配置して、第２部分133を底部境界面145に沿って折り戻す。ここでも、この部分上に設けた導体トラック135（図7aでは見えない）を、電源回路９及び信号処理回路11（図２）に接続することができる。これら３個の磁界センサ1a、1b及び1cのセンサ素子の優先磁化方向5a、5b及び5cは、図6bに示す立体対角線143に対して57.4゜の等しい角をなす。
図7bは、図7aに示す半完成品によって製造したセンサ部分の平面図である。こうするために、立体対角線143（図6b）が図7bの面に垂直に伸びる中心軸線27に一致するように、前記半完成品を磁化コイル13内に配置する。このため、磁化コイル13が発生し、中心軸線27に平行伸びる補助磁界の方向は、各優先磁化方向5a、5b及び5cに対して57.4゜の角をなす。ここでも、本実施例の磁化コイル13は、正六角形の断面を有する直角柱として形成される。図7aに示す半完成品を、こうしたコイルに適するように作製するためには、箔129の第１部分131を越えて伸びる支持体139の頂点147を切り落とすことが望ましい。これにより、この支持体は、頂点を切り落としたピラミッド形になる。しかし図5bに示す実施例と同様に、磁化コイル13の他の形状も実現可能であり、支持体139を図6bに示すように形成することも可能である。すでに述べたように、センサ部分の寸法が小さいので、前述した装置は乗物、例えば自動車、ボート又は飛行機用の磁気羅針儀に用いるのに特に適している。他の実行可能な応用は、例えば時計内に組み込む羅針儀（特に二つの磁界成分に敏感な、例えば図７の変形例）、あるいは、スポーツまたは自動車アクセサリー用の内蔵型羅針儀である。他の実現可能な応用は、高解像度映像モニタ、及び交通制御システム（例えば路面を埋め込むセンサ）用の地球磁界補償制御システムである。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による装置に使用するのに適した種類の磁界センサの平面図である。
図２は本発明による装置の一実施例の部分ブロック線図である。
図３は本発明による装置用のセンサ部分の第１実施例の斜視図である。
図4a及び図4bはそれぞれ、本発明による装置用のセンサ部分の第２実施例用の、箔及び支持体を示す図である。
図5a及び図5bは、第２実施例の製造の異なる段階を示す図である。
図6a及び図6bはそれぞれ、本発明による装置用のセンサ部分の第３実施例用の、箔及び支持体を示す図である。
図7a及び図7bは、第３実施例の製造の異なる段階を示す図である。
【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図７ｂ】
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【図１】
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【図２】
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【図４ｂ】
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【図６ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図６ａ】
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【図７ａ】
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