(57)【要約】方位センサ（５００）において、地磁気ベクトルの３軸成分を検出する磁気センサ（６００）と、３軸方向の傾きを検出する傾斜センサ（７００）とが、一つの基板上に一体として形成される。磁気センサ（６００）は複数の磁気検出素子を備え、そのうちのいくつかは、熱収縮性をもつポリイミドフィルムに固着されて、そのポリイミドフィルムが加熱されることにより、基板の表面から直立するように構成される。
2003100449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
携帯端末装置に内蔵され、地磁気ベクトルの３軸成分のそれぞれを検出する磁気検出素子が基板において形成された地磁気センサであって、
少なくとも１つの磁気検出素子は、ＭＲ素子またはホール素子であることを特徴とする地磁気センサ。
【請求項２】
磁気ベクトルの軸方向成分を検出する磁気検出素子を基板に備えた磁気センサであって、前記磁気検出素子は、ＭＲ素子またはホール素子であって、熱収縮性をもつフィルムに固着されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気検出素子は、前記基板に少なくとも一部を固定されたポリイミドフィルムに固着されており、前記基板の表面に対して所定の角度をつけて構成されることを特徴とする請求の範囲２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気検出素子は、ポリイミドフィルムが加熱されて熱収縮することにより、前記基板の表面に対して角度をつけて構成されることを特徴とする請求の範囲３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
磁気検出素子を固着された側とは反対側のポリイミドフィルムの面は、押さえ部材に固定されることを特徴とする請求の範囲３または４に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記押さえ部材は、シリコンで形成されていることを特徴とする請求の範囲５に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記基板はシリコンで形成されていることを特徴とする請求の範囲２から６のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項８】
地磁気ベクトルの３軸成分のそれぞれを検出する磁気検出素子を有する地磁気センサと、３軸方向の傾きを検出する傾斜センサとが一つの基板上に一体として形成された方位センサ。
【請求項９】
前記磁気検出素子のいくつかは、ポリイミドフィルムに固着されていることを特徴とする請求の範囲８に記載の方位センサ。
【請求項１０】
磁気ベクトルの軸方向成分を検出する磁気検出素子を基板に備えた磁気センサであって、前記磁気検出素子は、ＭＲ素子またはホール素子であって、基板の表面に対して所定の角度を有する斜面に形成されていることを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、携帯端末装置、主として携帯電話の表示部に現在位置を表示する地図情報が、携帯電話の移動による方位変更に対応して回転する、位置情報表示システムに関し、また、この位置情報表示システムを実現するために利用される地磁気の検出技術に関する。
背景技術
現在位置を端末装置に表示する、例えば車輛に搭載されるナビゲーションシステムは、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）を利用する。ＧＰＳは、４個以上の衛星から電波の到着時間の差を地上の制御局を介して利用者に伝達して、現在位置を測定する。また、進行方向については、例えばジャイロとＧＰＳからの信号をもとに移動量を積分方式で計算して得られる。ＧＰＳとジャイロによって測位された現在位置及び進行方向は、モニタに地図データとともに表示される。
しかしながら、上記したナビゲーションシステムでは、方位検出に、ジャイロとＧＰＳの時速約４０ｋｍ以上のスピードでの移動量を用いることから、スタート地点（表示地点）と計測地点との間に時間差を生じ、また、受信した信号を積分方式で計算処理することから、誤差が累積される。これを解消すべくジャイロからの信号によって補正を加えるものの、ジャイロ自体の信号処理も積分方式で計算する関係上、元の情報自体に誤差があった場合、その誤差がそのまま維持あるいは拡大されて表示されることになる。
また、車輛の移動に伴ないモニタに表示される地図データが単に前後左右方向にスクロール動作を行って現在位置を表示する。このため、車輛の向きと地図データ上の移動方向とが一致しないことがあり、違和感を生じる。更に、方位検出装置を小型化しにくく、しかも上記したような積分方式であるために方位の検出にむらや誤差を生じる。このため、従来の位置表示システムは、携帯端末装置、特に携帯電話にこれを適用しにくい。
また、携帯端末装置の位置表示機能を実現するために磁気センサを用いることは有効な手法であるが、携帯端末装置の小型化の要請から高精度の磁気センサをいかに小型に形成することが重要な課題となっている。
発明の開示
したがって、本発明の目的は、携帯端末装置において現在位置を認識して地図を表示させる技術と、携帯端末装置に組み込まれる磁気センサおよび方位センサについての技術を提供することにある。
本発明のある態様は、携帯端末装置に内蔵され、地磁気ベクトルの３軸成分のそれぞれを検出する磁気検出素子が基板において形成された地磁気センサであって、少なくとも１つの磁気検出素子が、ＭＲ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子またはホール素子であることを特徴とする地磁気センサを提供する。ＭＲ素子またはホール素子を基板に作りこむことにより、小型の地磁気センサを実現することが可能となる。
本発明の別の態様は、磁気ベクトルの軸方向成分を検出する磁気検出素子を基板に備えた磁気センサであって、磁気検出素子は、ＭＲ素子またはホール素子であって、熱収縮性をもつフィルムに固着されていることを特徴とする磁気センサを提供する。フィルムの熱収縮性を利用することにより、基板上に小規模なＭＲ素子またはホール素子を形成することが可能となる。
磁気検出素子は、基板に少なくとも一部を固定されたポリイミドフィルムに固着されており、基板の表面に対して所定の角度をつけて構成されることが好ましい。所定の角度とは例えば基板の表面に対して垂直であってよい。例えば３軸の磁気センサにおいては、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁気成分を検出するために、２つの磁気検出素子が、基板の表面に直立した状態に構成され、これらは基板の表面において、互いに９０°の角度をなすように配置されてもよい。Ｚ軸方向の磁気成分を検出する磁気検出素子は基板の表面に形成され、このＺ軸磁気検出素子については必ずしもポリイミドフィルムに固着されなくてもよい。３軸センサの別の例としては、１つの磁気検出素子が基板の表面に直立した状態に構成されて、１軸方向の磁気成分を検出し、２つの磁気検出素子が基板の表面に形成されてそれぞれ垂直磁界および水平磁界の２軸成分を検出してもよい。
磁気検出素子は、ポリイミドフィルムが加熱されて熱収縮することにより、基板の表面に対して角度をつけて構成されることが好ましい。ポリイミドの熱収縮性を利用することにより、磁気検出素子を基板の表面から持ち上げて直立させることが可能である。
磁気検出素子を固着された側とは反対側のポリイミドフィルムの面は、押さえ部材に固定されてもよい。ポリイミドは高温に加熱することにより、シリコンに非常に強固に熱接着する特性を有する。したがって、この押さえ部材は、ポリイミドとの固着性の観点からシリコンで形成されることが好ましい。同様に、基板はシリコンで形成されてもよい。
本発明のさらに別の態様は、地磁気ベクトルの３軸成分のそれぞれを検出する磁気検出素子を有する地磁気センサと、３軸方向の傾きを検出する傾斜センサとが一つの基板上に一体として形成された方位センサを提供する。一つの基板上に一体として複数のセンサを形成することにより、非常にコンパクトな方位センサを形成することが可能となる。磁気センサおよび傾斜センサは、基板上に作りこまれることが好ましい。複数の磁気検出素子のいくつか、例えば基板表面に水平な方向の磁気成分を検出する磁気検出素子は、ポリイミドフィルムに固着されていてもよい。
本発明のさらに別の態様は、磁気ベクトルの軸方向成分を検出する磁気検出素子を基板に備えた磁気センサであって、磁気検出素子は、ＭＲ素子またはホール素子であり、基板の表面に対して所定の角度を有する斜面に形成されている磁気センサを提供する。例えば、この斜面は、シリコンウェハをカットするために形成されるスクライブ線の側壁であってもよい。また、基板をエッチングすると、その材料の特性により、エッチング箇所に所定の角度を有する側壁が形成されるが、磁気検出素子はこのような側壁に形成されてもよい。
なお、以上のエレメントの任意の組合せや、その表現を方法、装置などの間で変更したものもまた、本発明の範囲に含まれる。
発明を実施するための最良の形態
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて詳説する。第１の実施の形態の目的は、小型の携帯端末装置、主として携帯電話に地図情報とともに所持者の現在位置を表示可能とするとともに、携帯端末装置の方角移動に伴ない地図情報が回転し、携帯端末装置の移動進行方向が常時表示部平面内の予め設定された特定方向を向くようにして表示させ、また、ＧＰＳ受信部の位置情報を地磁気センサからの方位情報によって補正可能とすることにより、誤差情報の累積を可及的になくす、位置情報表示システムを提供することにある。図１は、携帯電話に搭載された本発明の第１の実施の形態に係るシステムのブロック図である。図中符号１は位置検出手段としてのＧＰＳ受信部で、アンテナより受信したＧＰＳ衛星の電波によって現在の経度と緯度が計算される。
２は方位検出手段としての地磁気センサで、センサコア３の上下に磁界検出コイル基板４と励磁コイル基板５を相対するように積層したセンサ基板から成る。ここでは方位検出手段２としてフラックスゲート型磁気センサを例示しているが、その他の地磁気センサが用いられてもよい。フラックスゲート型磁気センサとしては、本発明者による例えば特開平９−４３３２２号、特開平１１−１１８８９２号に開示の磁気センサがある。センサコアは平板状のアモルファスコアであるとリング状のアモルファスコアであるとを問わない。その他の地磁気センサとしては、ホール素子や磁気抵抗素子を用いたものが考えられる。いずれも携帯端末装置に搭載可能な程度に小型で感度に富むものであることが好ましい。
図２にこの磁気センサに含まれる磁気検出部１００の具体例を分解して示す。センサコア３は、アモルファス薄板をリング状にカットし、これにトロイダルコアを巻いたようにエッチング処理した、アモルファスコアにより形成されている。
磁界検出コイル基板４は、Ｘ軸方向成分磁界検出コイル形成用のコイルパターン４１ａを有する第１検出コイル基板４１と、Ｙ軸方向成分磁界検出コイル形成用のコイルパターン４２ａを有する第２検出コイル基板４２とから成る。第１検出コイル基板４１は、センサコア３を上下から挟むようにして互いに導通可能に積層される２枚のＸコイル基板４１１を有する。各Ｘコイル基板４１１は、エポキシ基板の表面にＸ軸方向成分磁界検出コイル用のＸコイルパターン４１ａを形成し、周縁部に各Ｘコイルパターン４１ａを接続する端子用のスルーホール４１ｂを形成して成る。同様にして、第２検出コイル基板４２は、センサコア３を上下から挟むようにして互いに導通可能に積層される２枚のＹコイル基板４２１を有する。各Ｙコイル基板４２１は、エポキシ基板の表面にＹ軸方向成分磁界検出コイル用のＹコイルパターン４２ａを形成する一方、周縁部に各Ｙコイルパターン４２ａを接続する端子用のスルーホール４２ｂを形成して成る。
また、励磁コイル基板５は、センサコア３を上下から挟むようにして互いに導通可能に積層される２枚の励磁コイル用基板５１，５２を有する。各励磁コイル用基板５１，５２は、エポキシ基板の表面に励磁コイルパターン５１ａ，５２ａを形成し、周縁部に各励磁コイルパターンを接続する端子用のスルーホール５１ｂ，５２ｂを形成して成る。本磁気検出部１００は、これらセンサコア３と磁界検出コイル基板４と励磁コイル基板５を、センサコア３を中心に順次積重ね、プレスして層状に形成される。
磁気検出部１００では、センサコア３のまわりに交流電流を通すことにより、センサコア３を飽和させている。外部磁界の影響がない状態では、交流電流の正方向に向かうときと負方向に向かうときで、センサコア３が飽和するタイミングはちょうど均等に現れる。しかし、ある方向からの磁束がセンサコア３を通過すると、その磁界が前記正方向または負方向の電流のいずれかによってセンサコア３に生じる磁界に重畳するため、その方向においてセンサコア３の飽和が早まる。センサコア３にセンスコイルを巻き、飽和状態の不均衡を電圧として外部で検出する。２組のセンスコイル（Ｘコイル、Ｙコイル）を直交して配置することにより、Ｘ軸方向の磁界成分とＹ軸方向の磁界成分に対応した出力電圧を検出することができる。
６はＣＰＵで、入力されたＧＰＳ受信部１からの位置信号と磁気センサ２からの方位信号に基づき所定の演算処理を行って現在位置（経度と緯度及び方位）を測位し、この現在位置情報に合致する地図情報を地図情報記録部７から読み出して位置情報表示部９のディスプレイ９１に現在地指標とともに表示する。併せて、位置情報表示部９は、現在位置や方向などを合成音声で発音表示する。
ＧＰＳ受信部１からの位置情報と磁気センサ２からの方位情報とは相互補完を行う。携帯端末装置の移動に伴なうＧＰＳ受信部１の位置情報の変遷から、演算によって方位情報を得ることができる。この方位情報と磁気センサ２からの方位情報と比較し、磁気センサ２からの方位情報を正とした場合に、スタート地点を割り出すことが可能となる。これにより、ＧＰＳ受信部１の位置情報をスタート時点に戻すことが可能になり、積分され、累積された誤差情報を０に戻すことが可能になる。
地図情報表示処理部８は、ディスプレイ９１に表示される現在地の地図情報を必要に応じ所要角度回転スクロールさせ、現在地の地図情報上で現在地指標の進行方向（磁気センサの向いている方向）が常時ディスプレイの上辺を向くように表示処理する。図３を参照して説明する。磁気センサ２からの方位信号は、検出された地磁気をＸ軸方向（東西方向）磁界ベクトル値とＹ軸方向（南北方向）磁界ベクトル値に分解したアナログ値としてＣＰＵ６に入力される。ＣＰＵ６は、この入力信号をディジタル信号にＡ／Ｄ変換する。Ｘ軸方向とＹ軸方向の磁界ベクトル値は、ＥＥＰ−ＲＯＭに格納されている所定の補正パラメータを用いることにより、分解能が高められる。磁北方向を０度とした場合、Ｘ軸方向磁界ベクトル値Ｘ１とＹ軸方向磁界ベクトル値Ｙ１の合成ベクトルＴ（磁気センサの向いている方向を表す）に至る時計方向への回転角（方位角）θは、次の式によって得られる。
θ＝ｔａｎ−１Ｘ１／Ｙ１
方位角の算出にあたっては、各方向の磁界ベクトル値に補正パラメータを用いない算出ロジックによっても可能である。
地図情報表示処理部８の処理過程を、図４から図６を参照して説明する。例えば、現在、携帯端末装置の所持者が新宿駅中央通りの工学院大学角部に所在し、北東（方位角４５度）の方向を向いているとする。ＧＰＳ受信部１からの位置信号によって地図情報記録部７から該当する経度と緯度の地図情報（図４参照）が呼び出される。そして、現在位置Ｐを中心にディスプレイ画面の大きさ（例えば２００ドット×２００ドット）に合った範囲の地図情報が区切り選択される。このとき、選択された地図情報Ａは、磁気センサ２からの方位信号によって得られた方位角θ分だけ時計方向に回転した範囲の地図情報となっている（図５参照）。そして、ディスプレイ９１に表示されるときに、上記表示処理部８によって選択地図情報Ａが方位角分反時計方向に回転処理されて修正表示される（図６参照）。この結果、地図情報Ｂは、磁気センサ２の向いている方向（進行方向）を常にディスプレイ９１の上辺方向にした地図となる。携帯端末の移動によって進行方向の方角が変更されると、地図情報表示処理部８はその都度上記と同様な処理を行って、常時進行方向がディスプレイ上辺方向に向いた地図情報を表示する。これらの一連の処理は、高速にかつリアルタイムで行われる。
また、地図情報表示処理部８は、ディスプレイ９１に表示される地図情報に含まれる文字や記号を、地図情報が方位角に基づいて回転処理されたときに、回転処理させることなくディスプレイの上辺方向に対して元の位置関係に維持する。なお、図６では、こうした処理をすることなく文字等も方位角分回転して表示してある。水平方向に記された文字や記号は、地図情報が回転表示された場合にも同様に水平方向に記された態様を維持する。これにより、文字等の情報が視認し易くなる。
携帯端末装置のキーを利用するなどして目的地の入力を行うようにしても良い。その場合、地図情報に基づいて目的地までの最短経路や所要時間が算出され、これらが位置情報表示部のディスプレイにあるいは音声出力部によって表示される。また、受信あるいは測定したＧＰＳ受信部の位置情報と磁気センサの方位情報を一時的に記録すれば、これに基づいて携帯端末装置が移動した軌跡を後から確認することもできる。
本発明の第１の実施の形態によれば、次の効果を奏する。ＧＰＳ位置検出手段と併用される方位検出手段に、センサコアの上下に磁界検出コイル基板と励磁コイル基板とを積層したセンサ基板から成るフラックスゲート型磁気センサまたはホール素子あるいは磁気抵抗素子などを利用した地磁気センサを用いるので、小型の携帯端末装置、特に携帯電話のディスプレイに、地図情報とともに所持者の正確な現在位置を表示させることができる。
磁気センサの磁界ベクトル値から求められる方位角に基づいて地図情報を地図情報処理手段によって回転スクロールさせるようにしたので、携帯端末装置の移動進行方向が常時表示部平面内の予め設定された特定方向を向くようにして表示させることができ、地図情報の向きと進行方向とが一致し、使用者に違和感を与えることがないばかりでなく、正確な方位と位置を動態的に理解させることができる。
さらに、ＧＰＳによる位置情報を地磁気センサによる方位情報によって補完するようにしたので、積分方式により累積される誤差情報を可及的になくすことができ、精度の高い位置表示システムを提供できる。
この第１の実施の形態における特徴は、以下の各項目に規定される。
（項目１−１）  携帯端末装置に、ＧＰＳ信号に基づいて位置を検出する位置検出手段と、センサコアの上下に磁界検出コイル基板と励磁コイル基板とを積層したセンサ基板から成るフラックスゲート型磁気センサまたはホール素子あるいは磁気抵抗素子などを利用した地磁気センサによって方位を検出する方位検出手段と、上記位置検出手段による位置情報を上記方位検出手段によって補正する演算手段と、地図情報が記憶された地図情報記憶手段と、上記演算手段に基づいて確定された現在位置を上記地図情報とともに表示する位置情報表示手段と、現在位置の方位変更に伴ない、位置情報表示手段によって表示される地図情報を上記方位検出手段からの出力信号に基づいて変更角度分回転スクロールさせる表示処理手段とを設け、携帯端末装置の移動によって方位が変更されたときに上記表示処理手段によって地図情報を回転させ、位置情報表示手段の表示部に、携帯端末装置の現在位置を、その移動進行方向が常時表示部平面内の予め設定された特定方向を向くようにして表示させる、ことを特徴とする位置情報表示システム。
（項目１−２）  前記フラックスゲート型磁気センサの磁界検出コイル基板は、Ｘ軸方向成分磁界検出コイル形成用のコイルパターンを有する第１検出コイル基板と、Ｙ軸方向成分磁界検出コイル形成用のコイルパターンを有する第２検出コイル基板とから成り、前記励磁コイル基板は、励磁コイル形成用の環状コイルパターンを有し、また、前記センサ基板の縁部には、各コイルパターンに接続するスルーホールが形成されている（項目１−１）記載の位置情報表示システム。
（項目１−３）  携帯端末装置の現在位置が、前記位置情報表示手段の表示部平面内の常時上辺方向を進行方向として表示される（項目１−１）記載の位置情報表示システム。
（項目１−４）  前記位置情報表示手段は、画像と文字等の視覚表示手段と、音声から成る聴覚表示手段とを含み、現在位置及び／もしくは移動進行状況が、視覚とともに音声で表示される（項目１−１）記載の位置情報表示システム。
（項目１−５）  前記位置情報表示手段によって表示される地図情報が、前記表示処理手段によって回転処理されたときに、地図情報に含まれる文字が前記特定方向に対して上記回転処理される前の位置関係を維持する（項目１−１）記載の位置情報表示システム。
（項目１−６）  前記磁気センサは、地磁気をＸ軸方向磁界成分とＹ軸方向磁界成分に分解し、これをアナログ値の信号として出力し、前記演算手段は、上記アナログ信号をディジタル変換して現在地の方位を測位し、前記表示処理手段は、北磁極方向を０度とした場合の現在地の方位までの角度を回転角として所要方向に地図情報を回転させる（項目１−１）記載の位置情報表示システム。
（項目１−７）  前記位置情報表示手段は、目的地までの最短経路あるいは所要時間を表示させる（項目１−１）記載の位置情報表示システム。
＜第２の実施の形態＞
地磁気センサは、観測地点の磁方位を測定するために従来から用いられている。地磁気センサは観測地点において水平面上に設置され、水平面上の地磁気ベクトルの２軸成分を検出する。地磁気センサが検出する２軸成分から磁方位が算出される。
地図情報を携帯電話や携帯端末装置などの携帯機器に表示する用途が広がっている。そのためには、地磁気センサを携帯機器に組み込むことが想定され、小型で性能の良い地磁気センサが求められている。本発明者は以上の認識に基づき本発明をなしたもので、小型で性能の良い地磁気センサを提供することを目的とする。
第２の実施の形態のある態様は、フラックスゲート型磁気センサに関する。センサコイル（Ｘコイル、Ｙコイル）及びそれらを励磁する交流磁界を発生するトロイダルコイルを含む磁気検出部とその磁気検出部の出力信号を処理する信号処理回路を備えている。
磁気検出部は、複数の基板層を一体化して形成されるものであってもよく、それらの基板層は、センサコイル（Ｘコイル、Ｙコイル）及びトロイダルコイルのコイル部分を基板パターンによって構成するものであっても良い。
信号処理回路は、Ｘコイル、Ｙコイルそれぞれに対応して、独立に設けられた方向性依存回路を含む。各方向性依存回路は、交流磁界の周波数に従って一方がオン、他方がオフするよう構成された第１及び第２のアナログスイッチ、第１のアナログスイッチの出力を積分する能動的な第１の積分回路、第２のアナログスイッチの出力を積分する能動的な第２の積分回路、第１の積分回路及び第２の積分回路の差分を増幅する差動増幅器、その差動増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器から構成されている。
図７を用いて、第２の実施の形態に係るフラックスゲート型磁気センサを説明する。
図７は、フラックスゲート型磁気センサ３００の構成図であり、図２に示された磁気検出部１００のＸコイルパターン４１ａとそれに対応する信号処理回路２００を示したものである。Ｘコイルパターン４１ａの一端は接地されているが、第１の積分回路２４と第２の積分回路２６におけるオペアンプのプラス側と接続しても良い。
信号処理回路２００は、第１のアナログスイッチ２０、第２のアナログスイッチ２２、第１のアナログスイッチ２０の出力を積分する能動的な第１の積分回路２４、第２のアナログスイッチ２２の出力を積分する能動的な第２の積分回路２６、第１の積分回路２４及び第２の積分回路２６の差分を増幅する差動増幅器２８、その差動増幅器２８の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３０が、図７に示されるように配置されている。第１の積分回路２４と第２の積分回路２６における積分定数及び差動増幅器２８は、Ａ／Ｄ変換器３０の持つ能力に応じて決定される。
信号処理回路２００では、前記交流磁界の周期に対応した周波数ｆ０に従って、第１のアナログスイッチ２０と第２のアナログスイッチ２２が交互にオン／オフしている。それぞれの出力電圧を、第１の積分回路２４と第２の積分回路２６で積分し、それらの差分を差動増幅器２８により増幅することで、Ｘ軸方向の磁界成分に対応した出力電圧を得ることができる。その出力電圧をＡ／Ｄ変換器３０でアナログからデジタルに変換し、そのＸ軸方向の磁気成分のデータをＣＰＵ部分へ転送している。また、信号処理回路２００は、Ｘコイルと図示しないＹコイルに対応してそれぞれ独立に設けられているが、Ｙコイルより検出した信号についても同様の処理が行なわれる。
Ｘコイル及びＹコイルより検出した出力電圧について前記の信号処理を行うことで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の磁気成分に対応したデジタルデータが得られ、磁方位を知ることが可能となる。
本発明の第２の実施の形態によれば、フラックスゲート型磁気センサにおいて磁方位を特定するための信号処理が実現する。
この第２の実施の形態における特徴は、以下の各項目に規定される。
（項目２−１）  ＸＹコイル及びそれらを励磁する交流磁界を発生するトロイダルコイルを含む磁気検出部とその磁気検出部の出力信号を処理する信号処理回路とを含むフラックスゲート型磁気センサであって、
前記信号処理回路は、前記ＸＹコイルにそれぞれ対応して独立に設けられた２つの方向性依存回路を含み、
各方向性依存回路は、
それぞれ対応するコイルから出力された信号を前記交流磁界の周波数に従って、一方がオン、他方がオフするよう構成された第１及び第２のアナログスイッチと、
第１のアナログスイッチの出力を積分する能動的な第１の積分回路と、
第２のアナログスイッチの出力を積分する能動的な第２の積分回路と、
第１の積分回路及び第２の積分回路の差分を増幅する差動増幅器と、
その差動増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
を含むことを特徴とする地磁気センサ。
（項目２−１）  ＸＹコイル及びそれらを励磁する交流磁界を発生するトロイダルコイルを含む磁気検出部とその磁気検出部の出力信号を処理する信号処理回路とを含むフラックスゲート型磁気センサであって、
前記磁気検出部は、複数の基板層を一体化して形成され、それらの基板層はそれぞれＸＹコイル及びトロイダルコイルのコイル部分を基板パターンによって構成するものであり、
前記信号処理回路は、前記ＸＹコイルにそれぞれ対応して独立に設けられた２つの方向性依存回路を含み、
各方向性依存回路は、
それぞれ対応するコイルから出力された信号を前記交流磁界の周波数に従って、一方がオン、他方がオフするよう構成された第１及び第２のアナログスイッチと、
第１のアナログスイッチの出力を積分する能動的な第１の積分回路と、
第２のアナログスイッチの出力を積分する能動的な第２の積分回路と、
第１の積分回路及び第２の積分回路の差分を増幅する差動増幅器と、
その差動増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
を含むことを特徴とする地磁気センサ。
＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態は、さらに小型の磁気センサを実現することを目的とする。以下では、磁気センサ、およびその磁気センサを組み込んだ方位センサを小型に作製する技術について説明する。
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る方位センサ５００の構成を示す図である。この方位センサ５００は、磁気センサ６００、傾斜センサ７００、気圧センサ８００および温度センサ９００を備え、位置や方位、高さなどを検出する機能を有する。方位センサ５００において、磁気センサ６００、傾斜センサ７００、気圧センサ８００および温度センサ９００は別個に形成されてもよいが、携帯端末装置などに搭載されるために、単一の基板上に構築されて小型に形成されることが好ましい。磁気センサ６００は、磁気ベクトルのＸＹＺの３軸成分のそれぞれを検出する少なくとも３つの磁気検出素子を有する。傾斜センサ７００は、基板の傾斜角を検出する機能を有し、ＸＹＺの３軸方向の傾斜角を検出できることが好ましい。Ｘ軸方向の傾斜角をピッチ角、Ｙ軸方向の傾斜角をロール角と呼んでもよい。気圧センサ８００は、外気の圧力を検出する。温度センサ９００は、温度を検出する。検出した温度は、温度ドリフトによる磁気センサ６００の出力のズレを補正するために用いられる。
図９は、傾斜センサ７００の一例を示す図である。傾斜センサ７００は、錘体７０２を有する。この錘体７０２に加速度成分が加わると、錘体７０２を支持する支持部材７０４に歪みが生じ、この歪みを抵抗体で検出して傾斜を測定する。図中、一つの支持部材７０４のみが示されているが、錘体７０２は、ＸＹＺの３軸方向から複数の支持部材７０４により支持されることが好ましい。これらの支持部材７０４は、ピエゾ素子を含んで構成されることが好ましい。この傾斜センサ７００はＸＹＺの３軸方向の傾斜角を検知する。磁気センサ６００の傾きをＺ軸方向の傾斜角として検出するため、Ｘ軸およびＹ軸方向において検知した傾斜角を補正することができる。
図１０は、磁気センサ６００の一例を示す図である。この磁気センサ６００は３軸磁気センサとして機能し、Ｘ軸方向の磁気成分を検出する第１磁気検出素子６０２、Ｙ軸方向の磁気成分を検出する第２磁気検出素子６０４およびＺ軸方向の磁気成分を検出する第３磁気検出素子６０６を備える。
第１および第２の実施の形態においては、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁気成分をフラックスゲート型磁気センサにより検出する例を中心に説明した。フラックスゲート型磁気センサは、コイルであるリングコアを必要とするため、構成としては若干大きなものとなる。そのため、フラックスゲート型磁気センサを十分な配置空間がとれる車輌などに搭載する場合には問題ないが、携帯電話などの小型の端末装置に内蔵させる場合には、他の内蔵素子との関係から筐体内の配置設計を工夫する必要があった。
一方、ＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子や、ホール素子などの磁気感応素子はフラックスゲート型磁気センサよりも小型に形成可能であることが知られているが、従来、携帯端末装置に搭載できる程度にＭＲ素子ないしはホール素子を首尾よく作製することは容易でなかった。そこで、第３の実施の形態では、磁気センサ６００を小型に形成する技術を提供し、特にこの磁気センサ６００を傾斜センサなどの他のセンサとともに１枚の基板上に形成する技術を提供する。
磁気センサ６００において、少なくとも第１磁気検出素子６０２および第２磁気検出素子６０４はＭＲ素子またはホール素子であることが好ましく、さらに第３磁気検出素子６０６も同様にＭＲ素子またはホール素子であることが好ましい。全ての磁気検出素子をＭＲ素子またはホール素子として形成することにより、この磁気センサ６００を一連の半導体製造プロセスを用いて形成することが可能となる。
第１磁気検出素子６０２および第２磁気検出素子６０４は、基板６１０の表面に対して所定の角度をつけて構成され、基板表面に平行な方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）の２軸の磁気成分をそれぞれ検出する。ここで、第１磁気検出素子６０２および第２磁気検出素子６０４は、基板６１０の表面においてほぼ直立するように形成されることが好ましい。また基板６１０の表面において、第１磁気検出素子６０２および第２磁気検出素子６０４は、それぞれの表面に平行な方向が９０°となるように配置されることが好ましい。第３磁気検出素子６０６は、基板６１０の表面に形成され、基板表面に垂直な方向（Ｚ軸方向）の磁気成分を検出する。
各磁気検出素子は、一般式（Ｃｏ１−ａＦｅａ）１００ｘ−ｙ−ｚＬｘＭｙＯｚで表現される薄膜構造の磁気抵抗膜を有する。磁性体膜は、透磁率を１，０００，０００ｌｅ以上とし、１μＴ以上の磁界を検知可能な希土類とナノオーダーの磁性体金属粉末を用いて構成してもよい。
磁気検出素子の製造工程において、まずＭＲ素子またはホール素子である磁気検出素子が基板上に形成され、その後、形成した磁気検出素子をポリイミドフィルムに固着させることが好ましい。この例では、第１磁気検出素子６０２および第２磁気検出素子６０４がポリイミドフィルムに固着される。ポリイミドフィルムの少なくとも一部の領域は、基板に固定される。
ポリイミドフィルムは、所定の熱を加えることにより収縮する特性を有している。第３の実施の形態ではポリイミドフィルムのもつ熱収縮特性を利用し、ポリイミドフィルムの一面に磁気検出素子を固着後、磁気検出素子を固着された領域と基板に固定された領域との間に存在する領域の一部を線状に加熱して収縮させ、磁気検出素子を固着した領域を所望の方向に折り曲げる。このようにして、基板６１０の表面にほぼ直立する磁気検出素子を作成することが可能となる。以下に、第１磁気検出素子６０２を基板において直立させて構成する方法について説明する。なお、第２磁気検出素子６０４についても、同様の方法により直立させることができる。
図１０に示した磁気センサ６００においては、２つの磁気検出素子６０２および６０４が直立されて構成されているが、別の例においては、２つの磁気検出素子が基板６１０の平面上に形成され、１つの磁気検出素子が基板６１０において直立されて構成されてもよい。このとき、基板６１０の平面上に形成される２つの磁気検出素子は、磁気ベクトルの垂直磁界および水平磁界を検出し、直立して構成される磁気検出素子は、これらの磁界に垂直な成分を検出すればよい。
以下に、図１０に示した磁気センサ６００を作製する工程について説明する。
図１１（ａ）は、第１シリコン基板６２０において第１磁気検出素子６０２を形成した状態を示す図である。なお図示しないが、この工程において、同時に第２磁気検出素子６０４および第３磁気検出素子６０６についても同様に第１シリコン基板６２０上に形成する。各磁気検出素子は半導体製造プロセスを用いて形成される。
図１１（ｂ）は、第１磁気検出素子６０２の上方にポリイミドフィルム６２２を接着させた状態を示す図である。例えばシリカ混入のポリイミドを使用する場合には、ほぼ３６５℃に加熱することによってポリイミドフィルム６２２を第１シリコン基板６２０に熱接着することができる。それから第１磁気検出素子６０２の上方のポリイミドフィルム６２２は、第１磁気検出素子６０２の形状に合せて、エッチングにより切れ目を入れられる。また、第１磁気検出素子６０２に下方に存在するシリコンをエッチングにより除去する。このとき、直立させる必要のない第３磁気検出素子６０６の上方に位置するポリイミドフィルム６２２は、エッチングにより取り除かれることが好ましい。なお、各磁気検出素子に必要な配線および回路素子は、第１シリコン基板６２０上またはポリイミドフィルム６２２に形成される。
図１１（ｃ）は、ポリイミドフィルム６２２の上面図である。このポリイミドフィルム６２２には、３辺に切れ目を入れられた矩形状の被曲げ領域６２６が形成されている。この被曲げ領域６２６は、少なくとも下方の第１磁気検出素子６０２を覆うように切れ目を入れられて形成される。この被曲げ領域６２６は、前述の通りポリイミドフィルム６２２を第１シリコン基板６２０に接着した後、形成されてもよいが、接着前に予め形成されてもよい。
図１１（ｄ）は、ポリイミドフィルム６２２を上方に折り曲げて第１磁気検出素子６０２を直立させた状態を示す図である。ポリイミドフィルム６２２は、高温に加熱されると熱収縮する特性を有する。本実施の形態ではその特性を利用し、ポリイミドフィルム６２２の一部の領域を加熱して、ポリイミドフィルム６２２を折り曲げ、第１磁気検出素子６０２を第１シリコン基板６２０の表面に垂直な方向に直立させる。当然のことであるが、ポリイミドフィルム６２２は、下方に折り曲げられてもよい。
図１１（ｅ）は、第２シリコン基板６２４の側部にポリイミドフィルム６２２を固定した状態を示す図である。第２シリコン基板６２４は、ポリイミドフィルム６２２の被曲げ領域６２６の形状に合せて開口部６２８を形成されており、ポリイミドフィルム６２２と接触する部分は、ポリイミドフィルム６２２を固定するための押さえ部材として機能する。具体的に、第１磁気検出素子６０２を固着された側とは反対側のポリイミドフィルム６２２の面が、押さえ部材に固定される。なお、第３磁気検出素子６０６上の第２シリコン基板６２４は、エッチングにより開口部を形成されていることが好ましい。第２シリコン基板６２４は、第１磁気検出素子６０２を直立させる前にポリイミドフィルム６２２に固着されていてもよく、また直立後に固着されていてもよい。ポリイミドフィルム６２２と第２シリコン基板６２４の側部（押さえ部材）は、加熱されて熱接着されることが好ましい。
以上のプロセスにより、基板の表面に直立した第１磁気検出素子６０２を形成する。図１０に示した磁気センサ６００を作製するためには、同時に第２磁気検出素子６０４も形成することが好ましい。なお、第２シリコン基板６２４は、必要に応じて、第１磁気検出素子６０２および第２磁気検出素子６０４を固定するための押さえ部材の部分のみを残すように、他の領域をエッチングされて除去されてもよい。また、第３の実施の形態では、シリコン基板とポリイミドフィルムとを用いることによって、磁気センサを一体構造として形成するため、磁気センサの小型化に寄与することが可能となる。また、他のセンサ、すなわち傾斜センサおよび気圧センサなどもシリコン基板上に形成することが可能であるため、全体として非常にコンパクトな方位センサを作製することが可能となる。
図１２（ａ）は、ダイシング前のシリコンウェハ６５０を示す図である。シリコンウェハ６５０には、エッチングにより、チップに切り分けるための切り代であるスクライブ線が形成されている。図１２（ｂ）は、シリコンウェハ６５０の一部断面図である。シリコンのエッチング特性により、スクライブ線６５２の側壁６５６は、ウェハ表面に平行な面に対して約６７度の傾斜をもって形成される。図中、点線は、ダイシング時のカットラインである。
図１２（ｃ）は、スクライブ線６５２の側壁６５６に磁気検出素子６５４を形成した状態を示す図である。このように、シリコンウェハ６５０の表面に対して所定の角度を有する面に磁気検出素子６５４を形成することによって、３軸の磁気センサを容易に作製することが可能となる。なお、磁気検出素子６５４は、シリコン基板の表面に対して垂直に構成されていないため、検出される磁気成分を、斜面の角度（６７度）に基づいて補正する。
携帯端末装置などに搭載される磁気センサは、自然磁界だけでなく、携帯端末装置内部や、都市部や交通網の発達している地域などで発生される動的な磁界も検知することがある。したがって、自然磁界の成分のみを抽出するためには、検知した磁気成分から、動的な磁気成分を削除する必要がある。従来の２軸磁気センサを利用する場合には、磁界強度を求めることができないため、この動的な磁気成分を効率的に取り除くことができなかった。
一方、本実施の形態の磁気センサ６００は、３軸方向の磁気成分を検出することができるため、磁界強度を測定することが可能となる。例えば磁気センサ６００において、所定の磁界強度を設定して予め記録部に記録しておき、この設定強度を超える磁気成分を検出した場合に、この磁気成分をノイズと判断してキャンセルすることが可能となる。このように、磁気センサ６００は、磁界強度を検出できるため、ＣＰＵ６の演算処理による自動的なキャリブレーションを実現することが可能となる。
また、地磁気成分を検出する際、磁気センサ６００が傾いている場合には、傾斜センサの出力値によりその傾斜分を補正する必要がある。従来の２軸の傾斜センサ（加速度センサ）を利用した場合には、Ｘ軸およびＹ軸方向の補正データしか得ることができず、傾斜センサ自体の傾きを検出することができなかった。そのため、２軸の傾斜センサを使用する場合には、傾斜センサのＺ軸成分を０とした状態、すなわち傾斜センサを水平にした状態でキャリブレーションを行って、磁気センサの検出値を補正する必要があった。
第３の実施の形態による傾斜センサ７００は、３軸方向の傾斜角を検出することができるため、傾斜センサを水平にして行うキャリブレーションを不要とする。また、錘体７０２を利用するために、傾斜センサ７００を磁気センサ６００などと共に一つの基板上にコンパクトに形成することも可能となる。この傾斜センサ７００によると、ユーザが意識することなく、ＣＰＵ６の演算処理による自動的な傾斜角のキャリブレーションを実現することができ、非常に精度の高い磁気センサ６００の出力を得ることが可能となる。
携帯端末装置上に地図情報が配信される場合に、方位センサ５００は非常に高精度の位置および方位測定を可能とするため、ＧＰＳから位置情報を取得することなく、携帯端末装置単体で地図情報を加工して表示することが可能となる。例えば、携帯端末装置にＪＡＶＡ（登録商標）などのアプリケーションソフトを予めインストールすることによって、地図情報の切り出しおよび表示処理を行ってもよい。当然ではあるが、第１の実施の形態において説明したように、携帯端末装置に内蔵された方位センサ５００とＧＰＳとが協同して、携帯端末装置の位置および方位を測定するようにしてもよい。また、いずれの場合であっても、携帯端末装置は、自身の画面サイズに合わせて、配信された地図情報を拡大または縮小表示可能なことが好ましい。
また、気圧センサ８００を携帯端末装置に搭載することにより、携帯端末装置が位置する高さを測定することが可能となる。気圧の測定値は気候により変化するため、地表面における気圧（絶対気圧）と、地表面よりも高い位置における気圧の上昇分（相対気圧）の関係を予めテーブルとして記録部に記録しておくことが好ましい。なお、絶対気圧と相対気圧の関係は、演算式の形式で記録部に格納されていてもよい。ＣＰＵ６は、気圧センサ８００の出力値に基づいて絶対気圧および相対気圧を算出して高さを特定し、また磁気センサ６００の出力値に基づいて携帯端末装置の現在位置（緯度および経度）を特定して、結果としてビルの何階に位置するかを判断することができる。例えばビルの３階に位置することが判断されると、携帯端末装置の表示画面に、そのビルの３階にある店の情報を表示したりすることができ、ユーザにとって利便性の高い携帯端末装置を実現することが可能となる。
一つの基板上に３軸の磁気センサ６００、３軸の傾斜センサ７００などを作製することにより、高精度の方位センサ５００を非常にコンパクトに形成することが可能となる。なお、この方位センサ５００については、主に携帯端末装置に組み込むことを例に説明してきたが、車輌やその他大型の移動装置に組み込んでもよいことは、当業者であれば容易に理解されるところである。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明は、位置情報を表示させるための装置、およびその表示装置に組み込まれる磁気センサまたは方位センサに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るシステムの概略を示すブロック図である。
図２は、磁気センサに含まれる磁気検出部の一例を示す分解説明図である。
図３は、地図情報の回転角を求めるための磁気ベクトルの説明図である。
図４は、ＧＰＳによって特定された現在位置の地図情報を示す説明図である。
図５は、地図情報表示処理部による地図情報の処理過程を示すもので、図４の地図情報から方位角に基づいて区分け選択された地図を示す説明図である。
図６は、図５の選択地図を方位角に基づいて回転させた状態の地図を示す説明図である。
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るフラックスゲート型磁気センサの構成図である。
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る方位センサの構成図である。
図９は、傾斜センサの一例を示す図である。
図１０は、磁気センサの一例を示す図である。
図１１（ａ）は第１シリコン基板において第１磁気検出素子を形成した状態を示す図であり、図１１（ｂ）は第１磁気検出素子の上方にポリイミドフィルムを接着させた状態を示す図であり、図１１（ｃ）はポリイミドフィルムの上面図であり、図１１（ｄ）はポリイミドフィルムを上方に折り曲げて第１磁気検出素子を直立させた状態を示す図であり、図１１（ｅ）は第２シリコン基板の側部にポリイミドを固定した状態を示す図である。
図１２（ａ）はダイシング前のシリコンウェハを示す図であり、図１２（ｂ）はシリコンウェハの一部断面図であり、図１２（ｃ）はスクライブ線の側壁に磁気検出素子を形成した状態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2003100449.tif 000016
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