(57)【要約】【課題】３次元磁界測定を実現する上で深刻な障害となる他軸感度の問題を解決する３次元磁界測定装置及びその測定方法を提供する。【解決手段】本発明の３次元磁界測定装置１０は、半導体ＩＣ基板１上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体２の周辺に複数の磁気検出素子３を配置したものである。信号処理部１２は、磁性体２に入力される３次元磁界ベクトルＨｘ，Ｈｙ，Ｈｚに対応する３次元のベクトル信号である出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを生成する。補正係数記憶部１４は、信号処理部１２による３次元の出力信号を生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶する。磁界成分算出部１５は、補正係数記憶部１４により記憶された補正係数に基づいて３次元の出力信号を算出する。【選択図】図８
2015075465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体と、
前記磁性体の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子と、
を備える３次元磁界測定装置において、
前記第１乃至第４の磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記３次元磁界測定装置に印加される磁界に応じた出力信号を生成する演算部と、
前記演算部の出力信号に含まれる他軸感度成分を補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶部と、
前記演算部の出力信号と前記補正係数に基づいて前記３次元磁界測定装置に印加される前記磁界のＸ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出する算出部と、
を備える３次元磁界測定装置。
【請求項２】
前記演算部は、
前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第１の信号処理部と、
前記第３の磁気検出素子の出力信号と前記第４の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第３の磁気検出素子の出力信号と前記第４の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第２の信号処理部と、
前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号の和又は差に基づく信号であり、前記第１の信号処理部と異なる信号を出力する第３の信号処理部と、
を備える請求項１に記載の３次元磁界測定装置。
【請求項３】
磁性体と、
前記磁性体の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子と、
前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第１の信号処理部と、
前記第３の磁気検出素子の出力信号と前記第４の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第３の磁気検出素子の出力信号と前記第４の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第２の信号処理部と、
前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号の和又は差に基づく信号であり、前記第１の信号処理部と異なる信号を出力する第３の信号処理部と、
前記第１乃至第３の信号処理部の出力信号を補正する補正係数を記憶するための補正係数記憶部と、
前記第１乃至第３の信号処理部の出力信号と前記補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出する磁界成分算出部と、
を備える３次元磁界測定装置。
【請求項４】
前記第１の信号処理部が出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｘ、
前記第２の信号処理部が出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｙ、
前記第３の信号処理部が出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｚ
としたときに、
前記補正係数が、
３次元ベクトル信号を他の３次元ベクトル信号に変換するための係数である請求項２又は３に記載の３次元磁界測定装置。
【請求項５】
前記補正係数が、
第１の磁界と第２の磁界と第３の磁界とを前記３次元磁界測定装置に印加したときの、前記第１乃至第４の磁気検出素子から出力される出力信号に基づき演算される係数である請求項１から４のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項６】
前記第１の磁界と前記第２の磁界と前記第３の磁界は、互いに線形独立な磁界である請求項５に記載の３次元磁界測定装置。
【請求項７】
直交する３軸方向をそれぞれＸ’軸方向、Ｙ’軸方向、Ｚ’軸方向と定義したときに、
前記第１の磁界は、Ｘ’軸方向の磁界成分を有し、Ｙ’軸方向の磁界成分とＺ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界であり、
前記第２の磁界は、Ｙ’軸方向の磁界成分を有し、Ｘ’軸方向の磁界成分とＺ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界であり、
前記第３の磁界は、Ｚ’軸方向の磁界成分を有し、Ｘ’軸方向の磁界成分とＹ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界である請求項５又は６に記載の３次元磁界測定装置。
【請求項８】
前記Ｘ軸方向と前記Ｘ’軸方向は同じ方向であり、前記Ｙ軸方向と前記Ｙ’軸方向は同じ方向であり、前記Ｚ軸方向と前記Ｚ’軸方向は同じ方向である請求項７に記載の３次元磁界測定装置。
【請求項９】
前記補正係数が、
前記第１の磁界を前記３次元磁界測定装置に印加したときに前記第１の信号処理部から出力される信号に基づく値をα１、
前記第１の磁界を前記３次元磁界測定装置に印加したときに前記第３の信号処理部から出力される信号に基づく値をα２、
前記第２の磁界を前記３次元磁界測定装置に印加したときに前記第２の信号処理部から出力される信号に基づく値をβ１、
前記第２の磁界を前記３次元磁界測定装置に印加したときに前記第３の信号処理部から出力される信号に基づく値をβ２、
前記第３の磁界を前記３次元磁界測定装置に印加したときに前記第１の信号処理部から出力される信号に基づく値をγ１、
前記第３の磁界を前記３次元磁界測定装置に印加したときに前記第２の信号処理部から出力される信号に基づく値をγ２、
前記第３の磁界を前記３次元磁界測定装置に印加したときに前記第３の信号処理部から出力される信号に基づく値をγ３としたときの、
前記α１、α２、β１、β２、γ１、γ２、γ３に基づく値である請求項５から８のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１０】
前記第３の信号処理部が、前記第１乃至第４の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第１乃至第４の磁気検出素子の出力信号の和又は差に基づく信号が出力される請求項２乃至９のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１１】
前記磁界成分算出部が、
前記第１乃至第３の信号処理部の出力信号と前記補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分を算出するＸ軸方向磁界成分算出部と、
前記第１乃至第３の信号処理部の出力信号と前記補正係数に基づき、Ｙ軸方向の磁界成分を算出するＹ軸方向磁界成分算出部と、
前記第１乃至第３の信号処理部の出力信号と前記補正係数に基づき、Ｚ軸方向の磁界成分を算出するＺ軸方向磁界成分算出部と、
を備えている請求項３に記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１２】
前記第１乃至第４の磁気検出素子が配置される前記半導体ＩＣ基板を備え、前記第１乃至第４の磁気検出素子は、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とを結ぶ直線と、前記第３の磁気検出素子と前記第４の磁気検出素子とを結ぶ直線とが、互いに略直交するように配置されている請求項１乃至１１のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１３】
前記第１の磁気検出素子から前記第２の磁気検出素子に向かう直線の方向と、前記Ｘ軸方向が同じ方向であり、前記第３の磁気検出素子から前記第４の磁気検出素子に向かう直線の方向と、前記Ｙ軸方向が同じ方向である請求項１２に記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１４】
前記第１乃至第４の磁気検出素子は、
前記磁性体を平面視したときに、各磁気検出素子の感磁部の少なくとも一部が前記磁性体に覆われる位置に配置される請求項１乃至１３のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１５】
前記磁性体の形状が円形状又は多角形状である請求項１乃至１４のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１６】
前記磁性体の形状が点対称な形状であり、
前記磁性体を平面視したときに、
前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とを結ぶ線分の中点の位置と、前記磁性体の対称点の位置が異なる請求項１から１５のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１７】
前記第１の磁気検出素子の磁気感度と前記第２の磁気検出素子の磁気感度が異なる請求項１から１６のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１８】
前記磁性体を平面視したときに、
前記第１の磁気検出素子の感磁部の前記磁性体に覆われている部分の面積と、前記第２の磁気検出素子の感磁部の前記磁性体に覆われている部分の面積が異なる面積である請求項１から１７のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項１９】
前記磁気検出素子が、ホール素子である請求項１乃至１８のいずれかに記載の３次元磁界測定装置。
【請求項２０】
磁性体と、
前記磁性体の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子と、
を備える３次元磁界測定装置を用いた３次元磁界測定方法であって、
前記第１乃至第４の磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記３次元磁界測定装置に印加される磁界に応じた出力信号を生成する演算ステップと、
前記演算ステップで生成された信号に含まれる他軸感度成分を補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶ステップと、
前記演算ステップで生成された信号と前記補正係数に基づいて前記３次元磁界測定装置に印加される前記磁界のＸ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出する算出ステップと、
を有する３次元磁界測定方法。
【請求項２１】
磁性体と、前記磁性体の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子と、
を備える３次元磁界測定装置を用いた３次元磁界測定方法であって、
前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第１の信号処理ステップと、
前記第３の磁気検出素子の出力信号と前記第４の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第３の磁気検出素子の出力信号と前記第４の磁気検出素子の出力信号の差又は和に基づく信号を出力する第２の信号処理ステップと、
前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号が入力され、前記第１の磁気検出素子の出力信号と前記第２の磁気検出素子の出力信号の和又は差に基づく信号であり、前記第１の信号処理ステップと異なる信号を出力する第３の信号処理ステップと、
前記第１乃至第３の信号処理ステップの出力信号を補正する補正係数を記憶するための補正係数記憶ステップと、
前記第１乃至第３の信号処理ステップの出力信号と前記補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出する磁界成分算出ステップと、
を有する３次元磁界測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元磁界測定装置及び３次元磁界測定方法に関し、より詳細には、３次元（３軸）の磁界測定を行う３次元磁界測定装置及びその測定方法に関する。特に、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各成分の磁界を電気信号に変換して測定する際の他軸感度の補正技術に関し、電子コンパスや３次元回転角度センサなどに適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来から磁界測定装置として、半導体基板に設けられたホール素子と、このホール素子上に設けられた磁気収束機能を有する磁性体（磁気収束板）を備えて、ホール素子に磁気集束させることにより、その磁界強度をホール素子で測定するようにすることは、よく知られている。
ホール素子やＭＲ素子（磁気抵抗素子）といった磁気検出素子を利用して測定対象となる磁界（３次元磁界ベクトル）を測定する磁界測定装置については、それらの磁気検出素子と磁性体で作られた磁気収束板を組み合わせた構成で実現されているものが多い（例えば、特許文献１及び２、特許文献５参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１及び２には、磁気集束板の外周付近の位置に対となったホール素子を配置した磁界測定装置の構造が開示されている。
また、特許文献５には、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果；Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ）素子を使用して３次元の磁界を測定する３次元磁界測定装置が開示されており、このＧＭＲ素子と磁気収束板を組み合わせることにより、３次元の磁界測定を実現している。
【０００４】
こうした磁界測定装置のなかでも、半導体製造プロセスを利用することにより、シリコンＩＣ基板のなかに複数のホール素子（シリコンモノリシックホール素子）を形成し、このシリコンＩＣ基板の上部に磁気収束板を形成した磁界測定装置の構造については、測定対象となる磁界を電気信号としての空間ベクトル（３次元ベクトル）に変換して測定することが可能となる（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００５】
このため、この磁界測定装置の構造は、地磁気の空間成分を３次元ベクトルとして測定する地磁気センサ（電子コンパス）といった用途において利用されている。
上述したように、複数のシリコンモノリシックホール素子とこれら複数のシリコンモノリシックホール素子を内蔵したシリコン半導体ＩＣの上部に磁気収束板を配置した磁界測定装置の構造は、地磁気の空間成分を３次元ベクトルとして測定する３次元磁界測定装置に関して、極めて好適な磁界測定装置の構造である。
【０００６】
また、特許文献３には、ホール素子を内蔵した半導体基板の上に磁気集束板を形成した磁界測定装置の構造が開示されている。また、本発明の３次元磁界測定装置の前提となる磁界測定装置の構造に関して、その形状、各種の製造方法、各種の構成材料などの詳細が開示されている。
また、特許文献４には、３次元の磁界を測定する電子コンパスといった用途において、複数のセンサ素子からの出力信号をもとに３次元のベクトル信号を測定するための信号処理手段について開示されている。
【０００７】
また、特許文献５には、ＧＭＲ素子を使用して３次元の磁界を測定する３次元磁界測定装置が示されている。この特許文献５に記載された３次元磁界測定装置は、ＧＭＲ素子と軟磁性体材料を使って作成された磁気収束板を組み合わせることにより、３次元の磁界測定を実現している。この特許文献５のなかで開示された３次元磁界測定装置においては、ＧＭＲ素子がこれに水平な磁界成分を測定する磁電変換素子であるため、磁気収束板に対して垂直な磁界成分から磁気収束板に水平な磁束を得る目的で磁気収束板が使用されている。一方で、本発明の前提となるホール素子を用いた磁界測定装置の構造においては、ホール素子がこれに垂直な磁界成分を測定する磁電変換であるため、磁気収束板に対して水平な磁界成分から磁気収束板に垂直な磁束を得る目的で磁気収束板が使用されている。
【０００８】
また、特許文献６においては、地磁気の３次元磁界を測定する方位角センサ（電子コンパス）に関連して、地磁気以外のオフセット磁界の影響をキャンセルして、地磁気の３次元磁界を測定することが開示されている。この特許文献６の実施例のなかで示された地磁気センサモジュールは、特に、本発明の前提となる磁界測定装置の構造のものではなく、地磁気のＸ成分，Ｙ成分，Ｚ成分のそれぞれを測定するために３つのホール素子ＨＥｘ，ＨＥｙ，ＨＥｚを内蔵した地磁気センサモジュールとなっている。また、この特許文献６においては、上述した地磁気センサモジュールの向きを変えながら、３つのホール素子ＨＥｘ，ＨＥｙ，ＨＥｚから出力される信号（ホール起電力信号）を測定することにより、地磁気センサモジュール付近に配置されたスピーカなどから生じる地磁気センサの妨害となるオフセット磁界を測定する地磁気センサモジュールのオフセット補正手順が開示されている。
【０００９】
また、特許文献７においては、地磁気の３次元磁界を測定する方位角センサ（電子コンパス）に関連して、地磁気以外のオフセット磁界の影響をキャンセルして、地磁気の３次元磁界を測定することが開示されている。この特許文献７の実施例のなかで示された方位角測定装置については、特に、本発明の前提となる磁界測定装置の構造のものではなく、地磁気のＸ成分，Ｙ成分，Ｚ成分のそれぞれを測定するために３つのホール素子ＨＥｘ，ＨＥｙ，ＨＥｚを内蔵した方位角測定装置の構成となっている。また、この特許文献７においては、上述した特許文献６と同様に、方位角測定装置付近に配置されたスピーカなどから生じる方位角測定装置の妨害となるオフセット磁界を測定する方位角測定装置のオフセット補正手順が開示されている。また、この特許文献７においては、特に、方位角測定装置によって、所定回数以上の地磁気ベクトルが測定されたときに、測定された地磁気ベクトルの集合をもとに幾何学的な計算手法を用いて、オフセット磁界を測定する方位角測定装置のオフセット補正手順が開示されている。
【００１０】
また、特許文献８には、水平方向及び垂直方向の磁界を測定するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる水平方向と垂直方向の間での測定感度のずれを解消するとともに、垂直方向の磁界測定に対するＳ／Ｎ比を向上させた３次元磁気測定装置が開示されている。つまり、本発明の前提となる磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造において問題となる磁気感度差（ＸＹ平面とＺ軸の間の磁気感度の差）の問題を扱っている。本発明の前提となる磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造においては、円盤状の磁気収束板が一般的に用いられるが、こうした形状の磁気収束板の寸法形状に関して、磁気収束板の直径が磁気収束板の厚みに対して十分に大きい場合、Ｘ方向及びＹ方向（円盤の面内方向）についての磁気収束板の磁気増幅率と比較して、Ｚ方向（円盤の厚み方向）の磁気増幅率が小さくなってしまうという技術課題に対して、この特許文献８では、この問題を解決するホール素子配置が開示されている。
【００１１】
また、特許文献９には、本発明の前提となる磁界測定装置の構造、すなわち、ホール素子と磁気収束板を組み合わせた磁界測定装置の構造を使用して３次元磁界に対応した３次元の電気信号を得る３次元の磁界測定に関して、上述した特許文献８と同じく、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のあいだで感度が一致しない感度ミスマッチに対する解決手段が開示されている。
【００１２】
また、特許文献１０には、本発明の前提となるホール素子と磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造を使用して、３次元の磁界測定を行うことにより、ブレーキペダルやシフトレバーといった装置における回転位置を非接触手段によって測定する回転角度センサが示されている。この特許文献１０の図２に示された回転角度センサは、図２のなかに図示された直交座標系のなかで、主に、Ｘ軸とＺ軸の成分を使って、回転体の回転角度（ＺＸ平面での角度）を測定する回転角度センサであるが、この図２の回転角度センサにとっては、Ｚ軸の磁界測定精度が重要となることから、本発明の３次元磁界測定装置を応用する事例となりうるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−７１３８１号公報
【特許文献２】米国特許第６５４５４６２号明細書（Ｂ２）
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００７/１１９５６９号（Ａ１）
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００８/０３２７４１号（Ａ１）
【特許文献５】国際公開ＷＯ２０１１/０６８１４６号（Ａ１）
【特許文献６】特開２００４-１２４１６号公報
【特許文献７】国際公開ＷＯ２００５/０６１９９０号（Ａ１）
【特許文献８】特開２００４-２５７９９５号公報
【特許文献９】国際公開ＷＯ２００８/１２３１４４号（Ａ１）
【特許文献１０】特開２０１２−９８１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述した特許文献１及び２には、磁気集束板の外周付近の位置に対となったホール素子を配置した３次元磁界測定装置の構造が示されており、本発明は、この３次元磁界測定装置の構造を前提としたものである。
３次元磁界測定装置とは、３次元磁界測定装置に印加される磁界のＸ軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号と、Ｙ軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号と、Ｚ軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号を出力する装置である。尚、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を互いに直交する方向である。
【００１５】
しかしながら、特許文献１及び２においては、他軸感度が発生すること、他軸感度を補正する手段などについては何ら言及されていない。
ここで、他軸感度とは、３次元磁界測定装置が出力するＸ軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号の中に、３次元磁界測定装置に印加される磁界のＸ軸方向以外の軸方向の磁界成分に応じた信号成分が含まれてしまうことである。
【００１６】
また、他軸感度成分とは、３次元磁界測定装置が出力するＸ軸方向の磁界成分の向きと大きさを示す信号の中に含まれる、３次元磁界測定装置に印加される磁界のＸ軸方向以外の軸方向の磁界成分に応じた信号成分のことを指す。
なお、上記はＸ軸方向を中心に他軸感度と他軸感度成分を説明したが、Ｙ軸、Ｚ軸方向においても同様に定義される。
【００１７】
また、特許文献３には、ホール素子を内蔵した半導体基板の上に磁気集束板を形成した磁界測定装置の構造が示されており、磁気収束板の側面の形状に関して、テーパー状にすることによる利点についての記載があるが、このテーパー状の側面を持つ磁気収束板の場合、円盤形状の磁気収束板の直径の両端に配置された２つのホール素子の間で磁気感度のミスマッチが発生しやすい。このことから解るように、この特許文献３に記載された磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造は、本発明にとって解決すべき課題となる他軸感度の問題が発生しやすい磁界測定装置の構造であると言える。つまり、特許文献３においては、他軸感度が発生すること、他軸感度を補正する手段などについては何ら言及されていない。
【００１８】
また、特許文献４には、３次元の磁界を測定する電子コンパスといった用途において、複数のセンサ素子からの出力信号をもとに３次元のベクトル信号を測定するための信号処理手段について記載されている。つまり、この３次元のベクトル信号を測定するための信号処理手段においては、３次元のベクトル信号のＸ成分，Ｙ成分，Ｚ成分の間で、それらの線形結合によって得られる信号を測定することが特徴となっており、この線形結合を利用した信号検出によって、所定の測定時間のなかで得られるＳＮ比を向上させる３次元の物理量計測手段を実現している。しかしながら、この特許文献４は、専ら３次元の物理量計測におけるＳＮ比に関するものであって、検出される３次元のベクトル信号における他軸感度を補正する手段などについては何ら言及されていない。
【００１９】
また、特許文献５には、ＧＭＲ素子と磁気収束板を用いて、３次元の磁界を測定する磁界測定装置の構造が開示されているものの、このＧＭＲ素子と磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造及びホール素子と磁気収束板を用いた磁界測定装置の構造に関して、他軸感度が発生すること及び他軸感度を補正する手段などについては何ら言及されていない。
また、特許文献６及７においては、地磁気の３次元磁界を測定する方位角センサ（電子コンパス）に関連して、地磁気以外のオフセット磁界の影響をキャンセルして、地磁気の３次元磁界を測定する技術について記述されているが、この磁界測定装置の構造については、シリコンＩＣ基板のなかに形成されたホール素子とシリコンＩＣ基板の上に形成された磁気収束板の間での位置合わせの誤差が発生すると、３次元の磁界ベクトルを測定する際に、３つの空間成分の間で他軸感度が発生するという弱点が存在する。その結果、この磁界測定装置の構造を使用した３次元磁界測定については、この弱点の存在により、地磁気センサといった用途において、磁界測定精度が大きく劣化するという問題があった。
【００２０】
また、電子コンパスで実施しているような、磁気収束板を用いた３次元磁界測定においては、Ｚ軸の磁界測定に関して、Ｘ軸−Ｚ軸，Ｙ軸−Ｚ軸の他軸感度が発生しやすいという問題があった。
つまり、上述した特許文献１及び２の磁気集束板を利用した３次元磁界測定装置における磁界測定精度の向上が課題であり、また、上述した磁界測定装置の構造において、磁気集束板とホール素子の間の相対位置がずれた場合に発生しやすい他軸感度（ＸＹＺ軸の間の他軸感度）の補正が課題であった。
【００２１】
また、特許文献８に記載の３次元磁気測定装置において、Ｚ軸方向とＸ軸，Ｙ軸方向との間での磁気感度の差異という技術課題に対して、一つの解決方法を開示したものである。一方で、本発明が解決すべき技術課題は、３次元の磁界測定から３次元の電気信号を生成する３次元磁界測定装置において、Ｚ軸の磁界に対応した電気信号のなかに、Ｘ軸，Ｙ軸の磁界に対応した電気信号の成分が混入するといった所謂、他軸感度の問題である。この３次元磁界測定装置における他軸感度の問題に関しては、特許文献８にはいかなる記載もない。
【００２２】
また、この特許文献９において示された解決手段は、ホール素子と磁気収束板の間に補正用のコイルを形成し、このコイルによって発生される磁界を利用して、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の間の磁気感度ミスマッチの補正を行うものである。しかしながら、この特許文献９にも３次元の成分の間での他軸感度の補正に関する記載はない。
また、特許文献１０に挙げられたブレーキペダルやシフトレバーといった装置については、その基本技術が、３次元の磁界測定に基づいた技術であるという点では、地磁気センサと共通するところがあるものの、ブレーキペダルやシフトレバーといった装置において要求される角度測定精度は、一般に、地磁気センサにおいて要求される角度測定精度と比べて、はるかに厳しい精度が要求される。以上から理解されるように、特許文献１０において開示された技術を用いて、ブレーキペダルやシフトレバーといった装置を高精度に実現するためには、特許文献１０の図２のなかで図示された３次元磁界測定装置が高精度な３次元磁界測定を実現している必要がある。そこで、高精度な３次元磁界測定装置の実現を可能にする本発明は、特許文献１０に記載された回転角度センサを実現するうえでも不可欠な技術となる。
【００２３】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高精度な３次元磁界測定を実現する上で深刻な障害となる他軸感度の問題を解決するようにした３次元磁界測定装置及び３次元磁界測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、磁性体（２）と、前記磁性体（２）の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子と、を備える３次元磁界測定装置（１０）において、前記第１乃至第４の磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記３次元磁界測定装置（１０）に印加される磁界に応じた出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を生成する演算部（１２）と、前記演算部の出力信号に含まれる他軸感度成分を補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶部（１４）と、前記演算部の出力信号と前記補正係数に基づいて前記３次元磁界測定装置（１０）に印加される前記磁界のＸ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出する算出部（１５）と、を備える。
【００２５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記演算部は、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））が入力され、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））の差又は和に基づく信号（Ｖｓｉｇ,ｘ）を出力する第１の信号処理部（１２ｘ）と、前記第３の磁気検出素子（３Ｙ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１））と前記第４の磁気検出素子（３Ｙ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２））が入力され、前記第３の磁気検出素子（３Ｙ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１））と前記第４の磁気検出素子（３Ｙ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２））の差又は和に基づく信号（Ｖｓｉｇ,ｙ）を出力する第２の信号処理部（１２ｙ）と、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））が入力され、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））の和又は差に基づく信号であり、前記第１の信号処理部（１２ｘ）と異なる信号（Ｖｓｉｇ,ｚ）を出力する第３の信号処理部（１２ｚ）と、を備える。
【００２６】
また、請求項３に記載の発明は、磁性体（２）と、前記磁性体（２）の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）と、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））が入力され、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））の差又は和に基づく信号（Ｖｓｉｇ,ｘ）を出力する第１の信号処理部（１２ｘ）と、前記第３の磁気検出素子（３Ｙ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１））と前記第４の磁気検出素子（３Ｙ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２））が入力され、前記第３の磁気検出素子（３Ｙ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１））と前記第４の磁気検出素子（３Ｙ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２））の差又は和に基づく信号（Ｖｓｉｇ,ｙ）を出力する第２の信号処理部（１２ｙ）と、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））が入力され、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））の和又は差に基づく信号であり、前記第１の信号処理部（１２ｘ）と異なる信号（Ｖｓｉｇ,ｚ）を出力する第３の信号処理部（１２ｚ）と、前記第１乃至第３の信号処理部（１２ｘ乃至１２ｚ）の出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を補正する補正係数を記憶するための補正係数記憶部（１４）と、前記第１乃至第３の信号処理部（１２ｘ乃至１２ｚ）の出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）と前記補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出する磁界成分算出部（１５）と、を備える。
【００２７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、前記第１の信号処理部（１２ｘ）が出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｘ、前記第２の信号処理部（１２ｙ）が出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｙ、前記第３の信号処理部（１２ｚ）が出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｚとしたときに、前記補正係数が、３次元ベクトル信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を他の３次元ベクトル信号（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）に変換するための係数である。
【００２８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れかに記載の発明において、前記補正係数が、第１の磁界と第２の磁界と第３の磁界とを前記３次元磁界測定装置（１０）に印加したときの、前記第１乃至第４の磁気検出素子（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）から出力される出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）乃至Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２））に基づき演算される係数である。
【００２９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記第１の磁界と前記第２の磁界と前記第３の磁界は、互いに線形独立な磁界である。
また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、直交する３軸方向をそれぞれＸ’軸方向、Ｙ’軸方向、Ｚ’軸方向と定義したときに、前記第１の磁界は、Ｘ’軸方向の磁界成分を有し、Ｙ’軸方向の磁界成分とＺ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界であり、前記第２の磁界は、Ｙ’軸方向の磁界成分を有し、Ｘ’軸方向の磁界成分とＺ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界であり、前記第３の磁界は、Ｚ’軸方向の磁界成分を有し、Ｘ’軸方向の磁界成分とＹ’軸方向の磁界成分の極めて少ない磁界である。
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記Ｘ軸方向と前記Ｘ’軸方向は同じ方向であり、前記Ｙ軸方向と前記Ｙ’軸方向は同じ方向であり、前記Ｚ軸方向と前記Ｚ’軸方向は同じ方向である。
【００３０】
また、請求項９に記載の発明は、請求項５から８のいずれかに記載の発明において、前記補正係数が、前記第１の磁界を前記３次元磁界測定装置（１０）に印加したときに前記第１の信号処理部（１２ｘ）から出力される信号（Ｖｓｉｇ,ｘ）に基づく値をα１（数式１７のＤｘｘ）、前記第１の磁界を前記３次元磁界測定装置（１０）に印加したときに前記第３の信号処理部（１２ｚ）から出力される信号（Ｖｓｉｇ,ｚ）に基づく値をα２（数式１７のＮＤｚｘ）、前記第２の磁界を前記３次元磁界測定装置（１０）に印加したときに前記第２の信号処理部（１２ｙ）から出力される信号（Ｖｓｉｇ,ｙ）に基づく値をβ１（数式１７のＤｙｙ）、前記第２の磁界を前記３次元磁界測定装置（１０）に印加したときに前記第３の信号処理部（１２ｚ）から出力される信号（Ｖｓｉｇ,ｚ）に基づく値をβ２（数式１７のＮＤｚｖ）、前記第３の磁界を前記３次元磁界測定装置（１０）に印加したときに前記第１の信号処理部（１２ｘ）から出力される信号（Ｖｓｉｇ,ｘ）に基づく値をγ１（数式１７のＮＤｘｚ）、前記第３の磁界を前記３次元磁界測定装置（１０）に印加したときに前記第２の信号処理部（１２ｙ）から出力される信号（Ｖｓｉｇ,ｙ）に基づく値をγ２（数式１７のＮＤｙｚ）、前記第３の磁界を前記３次元磁界測定装置（１０）に印加したときに前記第３の信号処理部（１２ｚ）から出力される信号（Ｖｓｉｇ,ｚ）に基づく値をγ３（数式１７のＤｚｚ）としたときの、前記α１、α２、β１、β２、γ１、γ２、γ３に基づく値である。
【００３１】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項２から９のいずれかに記載の発明において、
前記第３の信号処理部（１２ｚ）が、前記第１乃至第４の磁気検出素子（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）の出力信号が入力され、前記第１乃至第４の磁気検出素子（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）の出力信号の和又は差に基づく信号が出力される。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記磁界成分算出部（１５）が、前記第１乃至第３の信号処理部（１２ｘ乃至１２ｚ）の出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）と前記補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分を算出するＸ軸方向磁界成分算出部（１５ｘ）と、前記第１乃至第３の信号処理部（１２ｘ乃至１２ｚ）の出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）と前記補正係数に基づき、Ｙ軸方向の磁界成分を算出するＹ軸方向磁界成分算出部（１５ｙ）と、前記第１乃至第３の信号処理部（１２ｘ乃至１２ｚ）の出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）と前記補正係数に基づき、Ｚ軸方向の磁界成分を算出するＺ軸方向磁界成分算出部（１５ｚ）と、を備えている。
【００３２】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１から１１のいずれかに記載の発明において、前記第１乃至第４の磁気検出素子（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）が配置される前記半導体ＩＣ基板（１）を備え、前記第１乃至第４の磁気検出素子（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）は、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）とを結ぶ直線と、前記第３の磁気検出素子（３Ｙ１）と前記第４の磁気検出素子（３Ｙ２）とを結ぶ直線とが、互いに略直交するように配置されている。
【００３３】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）から前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）に向かう直線の方向と、前記Ｘ軸方向が同じ方向であり、前記第３の磁気検出素子（３Ｙ１）から前記第４の磁気検出素子（３Ｙ２）に向かう直線の方向と、前記Ｙ軸方向が同じ方向である。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１から１３のいずれかに記載の発明において、前記第１乃至第４の磁気検出素子は、前記磁性体を平面視したときに、各磁気検出素子の感磁部の少なくとも一部が前記磁性体に覆われる位置に配置される。
【００３４】
また、請求項１５に記載の発明は、請求項１から１４のいずれかに記載の発明において、前記磁性体の形状が円形状又は多角形状である。
また、請求項１６に記載の発明は、請求項１から１５のいずれかに記載の発明において、前記磁性体の形状が点対称な形状であり、前記磁性体を平面視したときに、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とを結ぶ線分の中点の位置と、前記磁性体の対称点の位置が異なる。
【００３５】
また、請求項１７に記載の発明は、請求項１から１６のいずれかに記載の発明において、前記第１の磁気検出素子の磁気感度と前記第２の磁気検出素子の磁気感度が異なる。
また、請求項１８に記載の発明は、請求項１から１７のいずれかに記載の発明において、前記磁性体を平面視したときに、前記第１の磁気検出素子の感磁部の前記磁性体に覆われている部分の面積と、前記第２の磁気検出素子の感磁部の前記磁性体に覆われている部分の面積が異なる面積である。
【００３６】
また、請求項１９に記載の発明は、請求項１から１８のいずれかに記載の発明において、前記磁気検出素子（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）が、ホール素子である。
また、請求項２０に記載の発明は、磁性体（２）と、前記磁性体（２）の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子と、を備える３次元磁界測定装置（１０）を用いた３次元磁界測定方法であって、前記第１乃至第４の磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記３次元磁界測定装置（１０）に印加される磁界に応じた出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を生成する演算ステップと、前記演算ステップで生成された信号に含まれる他軸感度成分を補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶ステップと、前記演算ステップで生成された信号と前記補正係数に基づいて前記３次元磁界測定装置（１０）に印加される前記磁界のＸ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出する算出ステップと、を有する。
【００３７】
また、請求項２１に記載の発明は、磁性体（２）と、前記磁性体（２）の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）と、を備える３次元磁界測定装置（１０）を用いた３次元磁界測定方法であって、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））が入力され、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））の差又は和に基づく信号（Ｖｓｉｇ,ｘ）を出力する第１の信号処理ステップと、前記第３の磁気検出素子（３Ｙ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１））と前記第４の磁気検出素子（３Ｙ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２））が入力され、前記第３の磁気検出素子（３Ｙ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１））と前記第４の磁気検出素子（３Ｙ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２））の差又は和に基づく信号（Ｖｓｉｇ,ｙ）を出力する第２の信号処理ステップと、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））が入力され、前記第１の磁気検出素子（３Ｘ１）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１））と前記第２の磁気検出素子（３Ｘ２）の出力信号（Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２））の和又は差に基づく信号であり、前記第１の信号処理ステップと異なる信号（Ｖｓｉｇ,ｚ）を出力する第３の信号処理ステップと、前記第１乃至第３の信号処理ステップの出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を補正する補正係数を記憶するための補正係数記憶ステップと、前記第１乃至第３の信号処理ステップの出力信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）と前記補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出する磁界成分算出ステップと、を有する。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各成分の磁界を電気信号に変換して測定する際の他軸感度の補正をすることのできる３次元磁界測定装置及び３次元磁界測定方法を実現することができる。特に、電子コンパスや３次元回転角度センサなどに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の前提となる３次元磁界測定装置を説明するための構成図である。
【図２】磁気収束板とホール素子の間の相対位置を説明するための図である。
【図３】図１に示した３次元磁界測定装置に対して、Ｘ軸方向の磁界が入力されたときの磁束分布を説明するための図である。
【図４】磁気集束板とホール素子の間の相対位置が本来あるべき相対位置からずれたときには、ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置とホール素子ＨａｌｌＸ２の感磁面を貫く磁力線の様子を説明するための図である。
【図５】磁気成分Ｈｘ，Ｈｚに対応した電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚについて、他軸感度が発生しない理想的な場合での電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚの座標軸を説明するための図である。
【図６】磁気成分Ｈｘ，Ｈｚに対応した電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚについて、他軸感度が発生したときの電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚの座標軸を説明するための図である。
【図７】図６に示された他軸感度があるときに、ＺＸ平面内で入力磁界の角度を測定したときの角度測定誤差を示す図である。
【図８】本発明に係る３次磁界測定装置の実施形態を説明するための構成図である。
【図９】本発明に係る３次元磁界測定装置の磁界測定方法における補正手順のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。  
まず、本発明の前提となる３次元磁界測定装置について以下に説明する。  
図１は、本発明の前提となる３次元磁界測定装置を説明するための構成図である。図中符号１は半導体ＩＣ基板（ＣＭＯＳＩＣ）、２は磁性体（磁気収束板）、３（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）は磁気検出素子（シリコンモノリシックホール素子）、１０は３次元磁界測定装置を示している。また、測定対象となる３次元磁界ベクトルを記述する際に空間座標の基準となる直交座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）を図示している。
【００４１】
図１に示した３次元磁界測定装置は、図示された直交座標系（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）のもとで（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）として定義される３次元磁界ベクトルを測定するものである。
図１に示した３次元磁界測定装置は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；相補型金属酸化膜半導体）の製造プロセスを利用してＣＭＯＳＩＣ１のなかに形成された４つのホール素子３Ｘ１（ＨａｌｌＸ１），３Ｘ２（ＨａｌｌＸ２），３Ｙ１（ＨａｌｌＹ１），３Ｙ２（ＨａｌｌＹ２）の上部に円盤形状の磁気収束板２を配置した構造となっている。
【００４２】
このホール素子は、ＣＭＯＳＩＣ１のなかで、Ｎウェルをホール素子として利用することにより、ＣＭＯＳＩＣ１のチップ面に垂直な方向の磁界成分を測定することができる。
図２は、磁気収束板とホール素子の間の相対位置を説明するための図で、図１に示した３次元磁界測定装置をＺ軸の上部方向から見た構成図である。図中符号４は磁気収束板の外周を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００４３】
図２に示したように、一対のホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２は、ＣＭＯＳＩＣ１のなかでＸ軸上に配置されており、一対のホール素子ＨａｌｌＹ１，ＨａｌｌＹ２は、ＣＭＯＳＩＣ１のなかでＹ軸上に配置されている。
これら４つのホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２，ＨａｌｌＹ１，ＨａｌｌＹ２を利用して、３次元磁界（強度）ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）の測定を行う技術については、上述した特許文献１及び２と同様な構成になっている。
【００４４】
一般に、磁気収束板の材料としては、物性定数としての透磁率μの高い材料が用いられ、磁束密度Ｂ、磁界強度Ｈの間には、Ｂ＝μ×Ｈで表される関係が存在する。ここで、磁束密度Ｂ、磁界強度Ｈは、それぞれ、３次元のベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）、（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）である。また、磁気収束板のなかで、透磁率μは２階のテンソル量であり、３行３列の行列を使って表される。
【００４５】
図１及び図２において、Ｘ軸上でＸ＞０の位置に配置されたホール素子ＨａｌｌＸ１における磁束密度Ｂ（ＨａｌｌＸ１）と３次元磁界測定装置への入力磁界Ｈの間には、数式（１）で記述される関係がある。数式（１）において、ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置における透磁率は、２階のテンソル（３行３列の行列）Ｍ（ＨａｌｌＸ１）であらわされている。
【００４６】
【数１】
2015075465.tif 000003
【００４７】
同様に、図１及び図２において、Ｘ軸上でＸ＜０の位置に配置されたホール素子ＨａｌｌＸ２における磁束密度Ｂ（ＨａｌｌＸ２）と３次元磁界測定装置への入力磁界強度Ｈの間には、数式（２）で記述される関係がある。数式（２）において、ホール素子ＨａｌｌＸ２の位置における透磁率は、２階のテンソル（３行３列の行列）Ｍ（ＨａｌｌＸ２）であらわされている。
【００４８】
【数２】
2015075465.tif 000004
【００４９】
３次元磁界測定装置を示す図１及び図２に関して、Ｘ軸上に配置された２つのホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２においては、それぞれ、数式（１），数式（２）で表されるように、３次元磁界測定装置への入力磁界強度Ｈと磁束密度Ｂの関係がある。
３次元磁界測定装置のＹ軸上に配置された２つのホール素子ＨａｌｌＹ１，ＨａｌｌＹ２についても、Ｘ軸上に配置された２つのホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２と同様の入力磁界強度Ｈと磁束密度Ｂの関係があることは、容易に理解できるものである。
【００５０】
したがって、以下の部分で行う詳細説明においては、Ｘ軸上のホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２に関する説明を中心に行うことにするが、Ｘ軸上のホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２における状況と同様の状況がＹ軸上の２つのホール素子ＨａｌｌＹ１，ＨａｌｌＹ２についても生じていることは容易に理解できるものである。そこで、Ｙ軸上の２つのホール素子ＨａｌｌＹ１，ＨａｌｌＹ２についても同様である。
【００５１】
図３は、図１に示した３次元磁界測定装置に対して、Ｘ軸方向の磁界が入力されたときの磁束分布を説明するための図で、磁気収束板に磁界ベクトルが入力された時の磁束ベクトルの様子を示す図である。ここでは、本発明の３次元磁界測定装置において、Ｘ軸方向だけにゼロでない成分を持つ磁界ベクトル（ＣＭＯＳＩＣ１のチップ面に平行な磁界ベクトル）が入力されている。
【００５２】
ここで、図３を見ると理解されるように、ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置では、Ｚ軸成分がプラスとなる磁束密度Ｂｚ（ＨａｌｌＸ１）がホール素子ＨａｌｌＸ１を貫いている。
このホール素子ＨａｌｌＸ１における磁束密度Ｂｚ（ＨａｌｌＸ１）はＸ軸方向の入力磁界成分Ｈｘに起因したものであり、ホール素子ＨａｌｌＸ１における磁気集束板２の透磁率を表すテンソルの成分Ｍｚｘ（ＨａｌｌＸ１）を使って、数式（３）として記述することができる。ここで、ホール素子ＨａｌｌＸ１におけるＺ軸成分の磁束密度Ｂｚ（ＨａｌｌＸ１）がプラス符号であることから、テンソル成分Ｍｚｘ（ＨａｌｌＸ１）＞０である。
【００５３】
【数３】
2015075465.tif 000005
【００５４】
同じく、図３を見ると理解されるように、ホール素子ＨａｌｌＸ２の位置では、Ｚ軸成分がマイナスとなる磁束密度Ｂｚ（ＨａｌｌＸ２）がホール素子ＨａｌｌＸ２を貫いている。
このホール素子ＨａｌｌＸ２における磁束密度Ｂｚ（ＨａｌｌＸ２）は、Ｘ軸方向の入力磁界成分Ｈｘに起因したものであり、ホール素子ＨａｌｌＸ２における磁気集束板の透磁率を表すテンソルの成分Ｍｚｘ（ＨａｌｌＸ２）を使って、数式（４）として記述することができる。ここで、ホール素子ＨａｌｌＸ２におけるＺ軸成分の磁束密度Ｂｚ（ＨａｌｌＸ２）がマイナス符号であることから、テンソル成分Ｍｚｘ（ＨａｌｌＸ２）＜０である。
【００５５】
【数４】
2015075465.tif 000006
【００５６】
上述したように、ＣＭＯＳＩＣの上部に置かれた円盤形状の磁気集束板２の外周付近にホール素子を配置することによって、ＣＭＯＳＩＣ面に平行な磁界成分をＣＭＯＳＩＣ面に垂直な磁束に変換してホール素子で検出する磁界測定装置の形態については、上述した特許文献１及び２に記載されている。
【００５７】
以上では、本発明の前提となる磁界測定装置の構造として、ＣＭＯＳＩＣ１の上部に形成された磁気集束板２を用いて、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から３次元の磁束密度ベクトル（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）を生成することの説明を行った。
ホール素子を磁気集束板の外周付近の位置に配置することにより、Ｘ軸方向の磁界、Ｙ方向の磁界をホール素子の感磁面を貫く向きの磁束（Ｚ軸方向の磁束）に変換することについては、上述した特許文献１及び２に記載されている。
【００５８】
なお、ホール素子を内蔵したＣＭＯＳＩＣの上部に磁気収束板を形成する手段については、上述した特許文献３の記載からも理解されるように、工業生産に適した製造技術が存在する。
以下では、本発明の実施形態を説明する目的で、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から、これに対応した出力（電気）信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を生成する信号処理方式についての説明を行う。
【００５９】
以下の説明のなかで、本発明の前提となる磁界測定装置の構造については、３次元磁界測定装置に入力される３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から、これに対応した出力（電気）信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を生成する磁電変換において、他軸感度が発生するという問題点が示される。
本発明の３次元磁界測定装置は、出力（電気）信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）のなかで生じる他軸感度成分をキャンセルして、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を高精度に測定する手段を提供するものである。
【００６０】
また、ここでは、本発明の前提となる磁界測定装置の構造に関して、３次元磁界測定装置に入力される３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から、これに対応した出力（電気）信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を生成する磁電変換についての説明を行う。
ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置において、入力磁界のＸ軸成分Ｈｘが磁気集束板によってＺ成分の磁束に変換されると、Ｚ軸成分がプラスの磁束Ｍｚｘ（ＨａｌｌＸ１）×Ｈｘが生成される。ここで、ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置において、磁界のＸ軸成分Ｈｘから磁束のＺ軸成分Ｂｚ（ＨａｌｌＸ１）が生成されるときの透磁率テンソルの成分がＭｚｘ（ＨａｌｌＸ１）である。
【００６１】
ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置では、入力磁界強度のＺ成分Ｈｚもゼロでない有限な値を持っているため、入力磁界強度のＺ成分が作る磁束は、Ｍｚｚ（ＨａｌｌＸ１）×Ｈｚである。ここで、ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置において、磁界強度のＺ軸成分Ｈｚから磁束密度のＺ軸成分Ｂｚ（ＨａｌｌＸ１）が生成されるときの透磁率テンソルの成分がＭｚｚ（ＨａｌｌＸ１）である。
【００６２】
このように、ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置においてホール素子の感磁面を貫く磁束密度のＺ成分は、Ｍｚｘ（ＨａｌｌＸ１）×Ｈｘ＋Ｍｚｚ（ＨａｌｌＸ１）×Ｈｚとなる。ここで、ホール素子ＨａｌｌＸ１の磁気感度をＳ（ＨａｌｌＸ１）とすれば、ホール素子ＨａｌｌＸ１において発生するホール起電力信号は、Ｍｚｘ（ＨａｌｌＸ１）×Ｈｘ×Ｓ（ＨａｌｌＸ１）＋Ｍｚｚ（ＨａｌｌＸ１）×Ｈｚ×Ｓ（ＨａｌｌＸ１）となる。
【００６３】
ホール素子ＨａｌｌＸ２において発生するホール起電力信号についても、ホール素子ＨａｌｌＸ１において発生するホール起電力信号と同様に考えて、Ｍｚｘ（ＨａｌｌＸ２）×Ｈｘ×Ｓ（ＨａｌｌＸ２）＋Ｍｚｚ（ＨａｌｌＸ２）×Ｈｚ×Ｓ（ＨａｌｌＸ２）となる。ここで、Ｓ（ＨａｌｌＸ２）はホール素子ＨａｌｌＸ２の磁気感度である。また、ここで、ホール素子ＨａｌｌＸ２の位置において、磁界のＸ軸成分Ｈｘから磁束密度のＺ軸成分Ｂｚ（ＨａｌｌＸ２）が生成されるときの透磁率テンソルの成分がＭｚｘ（ＨａｌｌＸ２）である。また、ここで、ホール素子ＨａｌｌＸ２の位置において、磁界のＺ軸成分Ｈｚから磁束密度のＺ軸成分Ｂｚ（ＨａｌｌＸ２）が生成されるときの透磁率テンソルの成分がＭｚｚ（ＨａｌｌＸ２）である。
【００６４】
以上の説明に基づいて、Ｘ軸上に配置された２つのホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２において発生する２つのホール起電力信号の間で、数式（５）の計算式で定義される計算を行うと信号Ｖｓｉｇ,ｘが得られる。この信号Ｖｓｉｇ,ｘは、本来、磁界のＸ軸成分Ｈｘに対応した電気信号である。
【００６５】
【数５】
2015075465.tif 000007
【００６６】
同様に、Ｙ軸上に配置された２つのホール素子ＨａｌｌＹ１，ＨａｌｌＹ２において発生する２つのホール起電力信号の間で、数式（６）の計算式で定義される計算を行うと信号Ｖｓｉｇ,ｙが得られる。この信号Ｖｓｉｇ,ｙは、本来、磁界のＹ軸成分Ｈｙに対応した電気信号である。
【００６７】
【数６】
2015075465.tif 000008
【００６８】
更に、磁界のＺ軸成分Ｈｚに対応した電気信号Ｖｓｉｇ,ｚを得る計算方式として、ここでは、２つのホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２において発生する２つのホール起電力信号を使用したひとつの具体的な計算方法を利用する。その具体的な計算式は、数式（７）で与えられるものである。
【００６９】
【数７】
2015075465.tif 000009
【００７０】
ここでは、磁界のＺ軸成分Ｈｚに対応した電気信号Ｖｓｉｇ,ｚの具体的な計算方式として、ホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２において発生するホール起電力信号の間で計算を行う計算方式である数式（７）を使用したが、この計算方式とは異なり、ホール素子ＨａｌｌＹ１，ＨａｌｌＹ２において発生するホール起電力信号の間で計算を行う計算方式（数式（７）とは異なる計算方式）を使用することも可能である。
【００７１】
本発明の前提となる磁界測定装置の構造について、ホール素子及び磁気収束板が理想的に形成された場合には、本発明が解決すべき課題となる他軸感度がゼロになることについて以下に説明する。
本発明の前提となる磁界測定装置の構造において、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）が入力されるときに、磁気収束板に対して垂直な磁束成分Ｂｚが生成される現象については、ホール素子ＨＸ１，ＨＸ２の位置において、それぞれ、数式（１），（２）で表される関係が成り立つ。
【００７２】
ここで、本発明の前提となる磁界測定装置の構造に関して、ホール素子及び磁気収束板が理想的に形成されるという仮定のもとでは、磁気収束板に対して水平方向の磁界成分Ｈｘが磁気収束板に入力されるとき、磁気収束板に対して垂直な磁束成分Ｂｚが生じる現象についての関係式として、数式（８）が成立する。この仮定の下では、Ｘ軸に関する数式（８）と同様の関係式が、Ｙ軸に関しても成立することが容易に理解できる。
【００７３】
【数８】
2015075465.tif 000010
【００７４】
同じく、ホール素子及び磁気収束板が理想的に形成されるという仮定のもとでは、磁気収束板に対して垂直な磁界成分Ｈｚが磁気収束板に入力されるとき、磁気収束板に対して垂直な磁束成分Ｂｚが生じる現象についての関係式として、数式（９）が成立する。
【００７５】
【数９】
2015075465.tif 000011
【００７６】
ここで仮定したような理想的な状況、すなわち、ホール素子および磁気収束板が理想的に形成され、その結果として、数式（８），（９）が成り立つ状況では、Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚのなかに他軸感度は発生しないことが、以下のように、数式（５），（６），（７）からも解る。
【００７７】
実際に、数式（５）を見ると、上記の仮定のもとでは、Ｖｓｉｇ,ｘの表式のなかで、[  ]で囲まれたＨｚの係数がゼロとなるため、Ｘｓｉｇ,ｚのなかにＨｚの成分が混入するという他軸感度は発生しない。
同様に、数式（６）を見ると、上記の仮定のもとでは、Ｖｓｉｇ,ｙの表式のなかで、[  ]で囲まれたＨｚの係数がゼロとなるため、Ｘｓｉｇ,ｙのなかにＨｚの成分が混入するという他軸感度は発生しない。
【００７８】
同様に、数式（７）を見ると、上記の仮定のもとでは、Ｖｓｉｇ,ｚの表式のなかで、[  ]で囲まれたＨｘの係数がゼロとなるため、Ｘｓｉｇ,ｚのなかにＨｘの成分が混入するという他軸感度は発生しない。
このように、ホール素子および磁気収束板が理想的に形成されるという理想的な状況を仮定する限りは、上記の数式を見ても理解されるように、３次元磁界から３次元の電気信号ベクトルを生成する３次元磁界測定において、他軸感度の問題は発生しない。
【００７９】
以下では、他軸感度の問題について、更に解りやすく説明する目的で、上述した数式（５），（６），（７）を、行列を使った形式で表現し、そこでの行列の非対角成分が他軸感度に対応した成分であることを説明する。
上述した数式（５），（６），（７）を見ると、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）の各空間成分Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚに対応した電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚについては、各空間成分Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚの線形結合となっていることが判る。そこで、電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚのそれぞれについて、線形結合の関係式における一次係数を抜き出すと、それぞれ、数式（１０），（１１），（１２）となる。
【００８０】
【数１０】
2015075465.tif 000012
【００８１】
【数１１】
2015075465.tif 000013
【００８２】
【数１２】
2015075465.tif 000014
【００８３】
上述した数式（５），（６），（７）で表される３つの線形結合の関係式は、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から、これに対応した３次元の電気信号を生成する関係式（磁電変換の関係式）であり、これを、３行３列の行列Ｍ＿ＨｔｏＶを使って書くと、数式（１３）が得られる。
【００８４】
【数１３】
2015075465.tif 000015
【００８５】
数式（１０），（１１），（１２）のなかで、記号Ｄは、行列Ｍ＿ＨｔｏＶの対角成分(Ｄｉａｇｏｎａｌ成分)を表し、記号ＮＤは、行列Ｍ＿ＨｔｏＶの非対角成分（Ｎｏｎ-ｄｉａｇｏｎａｌ成分）を表す記号である。
数式（１０），（１１）においては、ＮＤｘｙ，ＮＤｙｘという非対角成分について、これをゼロと見なしている。以下では、ＮＤｘｙ，ＮＤｙｘという非対角成分をゼロとみなしてよい理由について、図２を用いた説明を行う。
【００８６】
図２において、Ｘ軸上に形成されたホール素子ＨａｌｌＸ１，ＨａｌｌＸ２及びＹ軸上に形成されたホール素子ＨａｌｌＹ１，ＨａｌｌＹ２は、ＣＭＯＳの半導体製造プロセスのなかで製造されるために、非常に高い位置精度を以って製造されている。したがって、ホール素子ＨａｌｌＸ１とＨａｌｌＸ２を結ぶ直線とホール素子ＨａｌｌＹ１とＨａｌｌＹ２を結ぶ直線の間の角度は、非常に高い精度で９０°となる。このように、ＣＭＯＳの半導体製造プロセスの精度によって、ＸＹ平面内での非直交性が極めて小さくなる。これが、非対角成分ＮＤｘｙ，ＮＤｙｘについて、これらの値をゼロと見なしてよい理由である。
【００８７】
本発明の前提となる磁界測定装置の構造に関して、数式（１３）は、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から、これに対応した３次元の電気信号を生成する関係式（磁電変換の関係式）であるが、数式（１３）のなかで記号ＮＤで表される非対角成分については、それらの値が極めてゼロに近い値であるとみなして扱われてきた。
本発明の前提となる磁界測定装置の構造が理想的な形で製造される限りは、３次元磁界測定装置に設定される直交座標系に関して、磁電変換における他軸感度（Ｘ軸とＺ軸の間の他軸感度、Ｙ軸とＺ軸の間の他軸感度）の問題は発生しない。
【００８８】
仮に、理想的な状況（現実的でない状況）として、数式（１０），（１１），（１２）において、ホール素子ＨａｌｌＸ１とＨａｌｌＸ２の間及びホール素子ＨａｌｌＹ１とＨａｌｌＹ２の間で、磁気集束板の透磁率テンソル成分の全てが相等しく、同時に、ホール素子ＨａｌｌＸ１とＨａｌｌＸ２の間及びホール素子ＨａｌｌＹ１とＨａｌｌＹ２の間でホール素子の磁気感度が相等しいという条件が成り立つ場合には、行列Ｍ＿ＨｔｏＶのなかで記号ＮＤで表される非対角成分は全てゼロになり、行列Ｍ＿ＨｔｏＶは、数式（１４）の様に、対角成分だけを持つ行列となる。
【００８９】
【数１４】
2015075465.tif 000016
【００９０】
上述したように、本発明の前提となる磁界測定装置の構造において理想的な状況を想定する場合に限っては、電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）をもとに、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を高精度に測定することが可能であることが解る。
【００９１】
しかしながら、本発明の前提となる磁界測定装置の構造においては、３次元磁界測定装置に入力される磁界から、これに対応する電気信号への磁電変換において、他軸感度の発生をゼロにすることが極めて困難である。
本発明の前提となる磁界測定装置の構造において、この他軸感度の発生が不可避である限り、高精度な３次元磁界測定を実現するためには、この他軸感度を補正する手段が非常に重要となる。
【００９２】
以下に、本発明の前提となる磁界測定装置の構造について、３次元磁界測定装置に設定される直交座標系（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）を空間座標としたとき、３次元磁界測定装置への入力磁界ベクトルから、これに対応した３次元電気信号ベクトルに変換する際に生じる他軸感度（Ｘ軸とＺ軸の間の他軸感度、Ｙ軸とＺ軸の間の他軸感度）の発生原因について、具体的な数値例を挙げての説明を行う。
【００９３】
この他軸感度の発生に関して、有力な発生原因のひとつは、磁気集束板とホール素子（Ｘ軸，Ｙ軸に配置されたホール素子対）の間の位置ずれ誤差である。
図４は、磁気集束板とホール素子の間の相対位置が本来あるべき相対位置からずれたときに、ホール素子ＨａｌｌＸ１の位置とホール素子ＨａｌｌＸ２の感磁面を貫く磁力線の様子を説明するための図で、２つのホール素子の位置の間で磁束の分布が異なるため、他軸感度が発生する様子を示している。
【００９４】
上述した特許文献３においては、円盤形状の磁気集束板の側面のテーパーについて言及されている。この磁気集束板の側面のテーパーに関して、ホール素子ＨａｌｌＸ１付近の位置とホール素子ＨａｌｌＸ２付近の位置の間で、このテーパーの度合が異なる場合にも、こうした磁電変換における他軸感度が発生することは容易に理解できるであろう。
また、こうした磁電変換における他軸感度が発生する別の原因としては、数式（５），（６），（７）から容易に理解されるように、ホール素子ＨａｌｌＸ１の磁気感度Ｓ（ＨａｌｌＸ１）とホール素子ＨａｌｌＸ２の磁気感度Ｓ（ＨａｌｌＸ２）との間でミスマッチが存在して、Ｓ（ＨａｌｌＸ１）≠Ｓ（ＨａｌｌＸ２）となる場合がある。
【００９５】
実際に、ＣＭＯＳの半導体製造プロセスのなかでシリコン基板（Ｐ型基板）のなかにホール素子を形成する場合には、ホール素子は、Ｎウェルとして形成されることが一般的である。このため、ウェハーにおけるプロセス勾配等によるＮウェルの不純物濃度のばらつきがホール素子の磁気感度ばらつきの主な原因となる。このため、実際に、円盤型の磁気収束板の直径の両端付近に配置された２つのホール素子の磁気感度Ｓ（ＨａｌｌＸ１），Ｓ（ＨａｌｌＸ２）については、数％のミスマッチが発生する。
【００９６】
このように、本発明の前提となる磁界測定装置の構造、すなわち、磁気収束板の外周付近の位置にホール素子を配置する磁界測定装置の構造（特許文献１及び２に記載の磁界測定装置の構造）においては、上述したように、複数の原因によって、Ｚ軸が関連する他軸感度（Ｘ軸とＺ軸の間の他軸感度、Ｙ軸とＺ軸の間の他軸感度）が発生する。
以上の説明によって、本発明の前提となる磁界測定装置の構造においては、３次元磁界の測定精度を高精度化するうえで、この他軸感度の問題が大きな障害となることが理解されるであろう。
【００９７】
以下では、この他軸感度の発生について、具体的な数値例を使った例についての検討を行うことにより、この他軸感度が、本発明の前提となる磁界測定装置の構造を使用した３次元磁界測定において、磁界測定精度を大きく劣化させることについて説明する。
以下での例示的な説明を簡単にするために、数式（５），（６），（７）において、Ｍｚｘ，Ｍｚｙ，Ｍｚｚという磁気集束板の透磁率に関するテンソル成分については、理想的に完全にマッチングしており、それらの各テンソル成分の絶対値が全て１．０である場合を考える。
【００９８】
ここで、ホール素子ＨａｌｌＸ１とＨａｌｌＸ２について、それらの間での磁気感度のミスマッチがなく、Ｓ（ＨａｌｌＸ１）＝Ｓ（ＨａｌｌＸ１）＝０．５（理想的なマッチング）を仮定すれば、数式（５），（７）をまとめた数式は（１５）となり、問題となる他軸感度の発生は起こらないことが解る。
図５は、磁気成分Ｈｘ，Ｈｚに対応した電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚについて、他軸感度が発生しない理想的な場合での電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚの座標軸を説明するための図で、３次元磁界測定装置の測定対象である磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｚ）の座標軸と３次元磁界測定装置が出力する電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚ）座標軸の間の関係を示している。
【００９９】
図５から理解されるように、理想的な状況として、他軸感度の発生がない状況を仮定すれば、３次元磁界測定装置において設定された直交座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）と電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）の座標軸が重なって、完全に一致するため、３次元磁界測定装置が電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を測定することによって、３次元磁界測定装置の測定対象である３次元磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を正確に測定することが可能となる。
【０１００】
【数１５】
2015075465.tif 000017
【０１０１】
次に、実際のＣＭＯＳの半導体製造プロセスにおいて、現実的に起こり得る状況として、ホール素子ＨａｌｌＸ１とＨａｌｌＸ２の間で磁気感度のミスマッチが存在し、Ｓ（ＨａｌｌＸ１）＝０．５５、Ｓ（ＨａｌｌＸ１）＝０．４５（２つのホール素子の間の磁気感度ミスマッチ＝±１０％）となった状況についての検討を行うことにする。この状況では、数式（５），（７）をまとめた数式が（１６）となる。
【０１０２】
【数１６】
2015075465.tif 000018
【０１０３】
図６は、磁気成分Ｈｘ，Ｈｚに対応した電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚについて、他軸感度が発生したときの電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚの座標軸を説明するための図で、３次元磁界測定装置の測定対象である磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｚ）の座標軸と３次元磁界測定装置が出力する電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚ）の座標軸の間の関係を示している。
【０１０４】
図６では、（Ｈｘ，Ｈｚ）の座標軸に対して、（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚ）の座標軸が傾いていることが解る。このように、図６を見れば、他軸感度が存在するときは、３次元磁界測定において大きな誤差が発生することが理解できる。
図６に示された状況において、３次元磁界測定装置が生成する電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚ）をもとに、θｚｘ＝ａｔａｎ（Ｖｓｉｇ,ｚ／Ｖｓｉｇ,ｘ）という計算を行って、３次元磁界測定装置において設定された直交座標軸のＺＸ平面のなかでの電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｚ）の角度を計算すると、この角度計算の結果には、図７に示したように約６度にもおよぶ大きな角度誤差（角度測定における非線形性誤差）が発生する。
【０１０５】
図７は、図６に示された他軸感度があるときに、ＺＸ平面内で入力磁界の角度を測定したときの角度測定誤差を示す図である。
このように、本発明の前提となる磁界測定装置の構造においては、ホール素子ＨａｌｌＸ１とＨａｌｌＸ２の間で、＋１０％、−１０％の磁気感度ミスマッチが発生しただけで、３次元磁界測定の精度は大きく劣化することが示された。
【０１０６】
本発明は、本発明の前提となる磁界測定装置の構造、すなわち、磁気収束板の外周付近の位置に対となるホール素子を配置する磁界測定装置の構造を利用した３次元磁界測定装置に関して、Ｚ軸を含んだ他軸感度に起因して起こる３次元磁界測定誤差を解消する手段を示したものである。
ここで、本発明の３次元磁界測定装置に関しては、これに入力される３次元磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）と、この３次元磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）に対応した電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）の間の関係を表すための行列Ｍ＿ＨｔｏＶを実測によって決定するための補正操作が必要となる。
【０１０７】
この補正操作について、最も理解が容易な方法として、３次元磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）として、（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）を入力すれば、行列Ｍ＿ＨｔｏＶの成分を得ることが出来ることは自明である。
３次元磁界測定装置に入力される磁界ベクトルが（１，０，０）のときに、３次元磁界測定装置が生成する電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）から、行列Ｍ＿ＨｔｏＶのなかの２つの成分Ｄｘｘ、ＮＤｚｘが得られる。
【０１０８】
【数１７】
2015075465.tif 000019
【０１０９】
３次元磁界測定装置に入力される磁界ベクトルが（０，１，０）のときに、３次元磁界測定装置が生成する電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）から、行列Ｍ＿ＨｔｏＶのなかの２つの成分Ｄｙｙ，ＮＤｚｙが得られる。
【０１１０】
【数１８】
2015075465.tif 000020
【０１１１】
３次元磁界測定装置に入力される磁界ベクトルが（０，０，１）のときに、３次元磁界測定装置が生成する電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）から、行列Ｍ＿ＨｔｏＶのなかの３つの成分ＮＤｘｚ，ＮＤｙｚ，Ｄｚｚが得られる。
【０１１２】
【数１９】
2015075465.tif 000021
【０１１３】
このように、最も簡単な補正手段の例として示した補正操作を行なった結果として行列Ｍ＿ＨｔｏＶの各成分を実測することができれば、行列Ｍ＿ＨｔｏＶの非対角成分がゼロでない有限な値であることによって発生する３次元磁界ベクトル測定の誤差を補正することが可能である。
【０１１４】
この方法としては、補正手段によって得られる行列Ｍ＿ＨｔｏＶについて、逆行列Ｍ＿ＶｔｏＨを計算すればよい。
【０１１５】
【数２０】
2015075465.tif 000022
【０１１６】
例えば、数式（１６）で示した他軸感度の発生の具体例について、３次元磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）に対応した電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）の間の関係を表すための行列Ｍ＿ＨｔｏＶが、数式（２２）となった場合、行列Ｍ＿ＨｔｏＶの逆行列である行列Ｍ＿ＶｔｏＨは、数式（２０）の様に計算することができる。
【０１１７】
【数２１】
2015075465.tif 000023
【０１１８】
【数２２】
2015075465.tif 000024
【０１１９】
この行列Ｍ＿ＶｔｏＨを用いて、数式（２３）にしたがって、電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）から信号（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）を計算すると、信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、他軸感度の影響が補正されたものとなる。
【０１２０】
【数２３】
2015075465.tif 000025
【０１２１】
したがって、本発明の３次元磁界測定装置においては、このようにして、信号（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）を計算することにより、３次元の磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を高精度に測定することが可能となる。
以上では、３次元磁界測定装置に入力される磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から３次元磁界測定装置が出力する電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）への磁電変換における他軸感度の問題について、これを補正（補正）して、高精度な３次元磁界測定を実現する手段として、３次元磁界測定装置へ入力される３次元磁界ベクトル（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）を３次元磁界測定装置に入力する手段を、理解のし易さの観点から説明した。
【０１２２】
しかしながら、以上の説明から容易に理解できるように、３次元磁界測定装置へ入力される３次元磁界ベクトルとしては、必ずしも、（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）である必要はなく、線形独立な３つのベクトルであればよい。
本発明の３次元磁界測定装置については、これまでに説明を行った補正操作を行うことにより、本発明の前提となる磁界測定装置の構造において、高精度な３次元磁界測定を行ううえで深刻な技術課題となる他軸感度の問題を解決することが可能となる。
【０１２３】
図８は、本発明に係る３次磁界測定装置の実施形態を説明するための構成図である。図中符号１１は補正係数生成装置、１２（１２ｘ，１２ｙ，１２ｚ）は信号処理部（加減算回路／演算手段）、１３はインターフェイス回路、１４は補正係数記憶部（不揮発性メモリ／補正係数記憶手段）、１５（１５ｘ，１５ｙ，１５ｚ）は磁界成分算出部（行列演算回路／算出手段）を示している。なお、図１及び図２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【０１２４】
本発明の３次元磁界測定装置１０は、半導体ＩＣ基板１上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体２の周辺に複数の磁気検出素子３を配置した３次元磁界測定装置で、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ，１２ｙ，１２ｚと補正係数記憶部１４と磁界成分算出部１５とを備えている。
第１乃至第３の信号処理部１２ｘ，１２ｙ，１２ｚは、磁性体２に入力される３次元磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）に対応する３次元のベクトル信号である出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを生成するものである。
【０１２５】
また、インターフェイス回路１３は、他軸感度を含んだ電気信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを３次元磁界測定装置１０から外部に読みだす操作を行うとともに、逆行列（Ｍ＿ＶｔｏＨ）の成分の値（係数）を３次元磁界測定装置１０に内蔵されている不揮発性メモリ１４に書き込む操作を行うものである。
また、補正係数生成装置１１は、補正係数を生成する目的で、３次元磁界測定装置１０の外部に設けられる。補正係数を生成し、補正係数記憶部１４に補正係数を書き込むまでの手順は以下の手順となる。
【０１２６】
先ず、前述のように線形独立な３つの磁界ベクトルを３次元磁界測定装置１０に入力し、その際に、３次元磁界測定装置１０が生成する他軸感度を含んだ電気信号ベクトル（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を、インターフェイス回路１３を通じて、補正係数生成装置１１に読み出す。
補正係数生成装置１１においては、こうして読み出された３つの電気信号ベクトル（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）をもとに、数式（１７），（１８），（１９）で示した計算式にしたがって、行列（Ｍ＿ＨｔｏＶ）を計算し、更に、行列（Ｍ＿ＨｔｏＶ）の逆行列（Ｍ＿ＶｔｏＨ）を計算する。この逆行列（Ｍ＿ＶｔｏＨ）の成分が、他軸感度を補正するための補正係数となる。
【０１２７】
こうして、３次元磁界測定装置１０のなかで計算された補正係数は、インターフェイス回路１３を通じて、補正係数記憶部１４に書き込まれる。
したがって、補正係数記憶部１４は、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ，１２ｙ，１２ｚによる３次元の出力信号を生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶するものである。
【０１２８】
また、磁界成分算出部１５は、Ｘ軸方向磁界成分算出部１５ｘとＹ軸方向磁界成分算出部１５ｙとＺ軸方向磁界成分算出部１５ｚとから構成され、補正係数記憶部１４により記憶された補正係数に基づいて３次元の出力信号を算出するものである。
他軸感度は、磁性体２と磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２との間の相対位置ずれにより発生するものである。また、他軸感度は、Ｘ軸及びＹ軸に配置された磁気検出素子対３Ｘ１／３Ｘ２，３Ｙ１／３Ｙ２の各々の磁気検出素子３Ｘ１と３Ｘ２又は３Ｙ１と３Ｙ２の磁気感度の誤差により発生するものである。
【０１２９】
また、３次元の出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを生成する磁電変換の関係式は、行列（Ｍ＿ＨｔｏＶ）で表される。
また、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ，１２ｙ，１２ｚは、加減算回路であることが望ましい。また、磁界成分算出部１５は、行列演算回路で構成されていることが望ましい。また、この行列演算回路は、３次元の出力信号ベクトル（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）に逆行列（Ｍ＿ＶｔｏＨ）を乗算する演算を行って、他の３次元ベクトル信号（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）を得るものである。
【０１３０】
なお、磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２は、ホール素子であることが好ましい。
また、本発明の３次元磁界測定装置１０は、磁性体２の近傍に配置される第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２と、第１の信号処理部１２ｘと、第２の信号処理部１２ｙと、第３の信号処理部１２ｚと、補正係数記憶部１４と、磁界成分算出部１５とを備えている。
【０１３１】
第１の信号処理部１２ｘは、第１の磁気検出素子３Ｘ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）と第２の磁気検出素子３Ｘ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２）が入力され、第１の磁気検出素子３Ｘ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）と第２の磁気検出素子３Ｘ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２）の差又は和に基づく信号Ｖｓｉｇ,ｘを出力するものである。
【０１３２】
また、第２の信号処理部１２ｙは、第３の磁気検出素子３Ｙ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１）と第４の磁気検出素子３Ｙ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２）が入力され、第３の磁気検出素子３Ｙ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１）と第４の磁気検出素子３Ｙ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２）の差又は和に基づく信号Ｖｓｉｇ,ｙを出力するものである。
【０１３３】
また、第３の信号処理部１２ｚは、第１の磁気検出素子３Ｘ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）と第２の磁気検出素子３Ｘ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２）が入力され、第１の磁気検出素子３Ｘ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）と第２の磁気検出素子３Ｘ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２）の和又は差に基づく信号であり、第１の信号処理部１２ｘと異なる信号Ｖｓｉｇ,ｚを出力するものである。
【０１３４】
また、補正係数記憶部１４は、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ乃至１２ｚによる３次元の出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶するためのものである。
また、磁界成分算出部１５は、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ乃至１２ｚの出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚと補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分と、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出するものである。
【０１３５】
また、第１の信号処理部１２ｘが出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｘ、第２の信号処理部１２ｙが出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｙ、第３の信号処理部１２ｚが出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｚとしたときに、補正係数は、３次元の出力信号である３次元ベクトル信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを他の３次元ベクトル信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚに変換するための係数である。
【０１３６】
また、補正係数は、第１の磁界と第２の磁界と第３の磁界とを３次元磁界測定装置１０に印加したときの、第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２から出力される出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）乃至Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２）に基づき演算される係数である。また、第１の磁界と第２の磁界と第３の磁界は、互いに線形独立な磁界である。
【０１３７】
また、直交する２軸方向をそれぞれＸ’軸方向、Ｙ’軸方向、Ｚ’軸方向と定義したときに、第１の磁界は、Ｘ’軸方向の磁界成分を有し、Ｙ’軸方向の磁界成分とＺ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界であり、第２の磁界は、Ｙ’軸方向の磁界成分を有し、Ｘ’軸方向の磁界成分とＺ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界であり、第３の磁界は、Ｚ’軸方向の磁界成分を有し、Ｘ’軸方向の磁界成分とＹ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界である。
【０１３８】
また、Ｘ軸方向とＸ’軸方向は同じ方向であり、Ｙ軸方向とＹ’軸方向は同じ方向であり、Ｚ軸方向とＺ’軸方向は同じ方向である。
また、補正係数は、第１の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第１の信号処理部１２ｘから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｘに基づく値をα１（数式１７のＤｘｘ）、第１の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第３の信号処理部１２ｚから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｚに基づく値をα２（数式１７のＮＤｚｘ）、第２の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第２の信号処理部１２ｙから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｙに基づく値をβ１（数式１７のＤｙｙ）、第２の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第３の信号処理部１２ｚから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｚに基づく値をβ２（数式１７のＮＤｚｙ）、第３の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第１の信号処理部１２ｘから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｘに基づく値をγ１（数式１７のＮＤｘｚ）、第３の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第２の信号処理部１２ｙから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｙに基づく値をγ２（数式１７のＮＤｙｚ）、第３の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第３の信号処理部１２ｚから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｚに基づく値をγ３（数式１７のＤｚｚ）としたときの、α１、α２、β１、β２、γ１、γ２、γ３に基づく値である。
【０１３９】
また、第３の信号処理部１２ｚにおいて、第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２の出力信号が入力され、第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２の出力信号の和又は差に基づく信号が出力される。
また、磁界成分算出部１５は、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ乃至１２ｚの出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚと補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分を算出するＸ軸方向磁界成分算出部１５ｘと、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ乃至１２ｚの出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚと補正係数に基づき、Ｙ軸方向の磁界成分を算出するＹ軸方向磁界成分算出部１５ｙと、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ乃至１２ｚの出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚと補正係数に基づき、Ｚ軸方向の磁界成分を算出するＺ軸方向磁界成分算出部１５ｚとを備えている。
【０１４０】
また、第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２が配置される半導体ＩＣ基板１を備え、第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２は、第１の磁気検出素子３Ｘ１と第２の磁気検出素子３Ｘ２とを結ぶ直線と、第３の磁気検出素子３Ｙ１と第４の磁気検出素子３Ｙ２とを結ぶ直線とが、互いに直交するように配置されている。
【０１４１】
また、第１の磁気検出素子３Ｘ１から第２の磁気検出素子３Ｘ２に向かう直線の方向と、Ｘ軸方向が同じ方向であり、第３の磁気検出素子３Ｙ１から第４の磁気検出素子３Ｙ２に向かう直線の方向と、Ｙ軸方向が同じ方向である。
また、磁性体２の形状は、円形状であり、磁性体２の中心と、前記第１の磁気検出素子３Ｘ１と第２の磁気検出素子３Ｘ２とを結ぶ直線と、第３の磁気検出素子３Ｙ１と第４の磁気検出素子３Ｙ２とを結ぶ直線との交点が、半導体ＩＣ基板１を平面視ときに一致する位置に配置されている。
【０１４２】
図８に示した本発明の３次元磁界測定装置は、磁気集束板の外周付近の位置に対となったホール素子を配置した磁界測定装置の構造を取っており、この３次元磁界測定装置において設定された直交座標系（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）に関して、Ｘ軸上に対となったホール素子ＨａｌｌＸ１とＨａｌｌＸ２が配置されており、Ｙ軸上に対となったホール素子ＨａｌｌＹ１とＨａｌｌＹ２が配置されている。
【０１４３】
これらの対になったホール素子ＨａｌｌＸ１とＨａｌｌＸ２及びＨａｌｌＹ１とＨａｌｌＹ２において発生するホール起電力信号が信号増幅された後、加減算回路１２のなかで、数式（５），（６），（７）で定義される信号処理が実行されることにより、３次元の電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）が生成される。
また、行列演算回路１４において、３次元の電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）に行列Ｍ＿ＶｔｏＨを乗算する演算（数式２３で定義される信号処理）が行われて、３次元ベクトル（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）が得られる。ここで、行列Ｍ＿ＶｔｏＨの成分の値は、不揮発性メモリに記憶されている。
【０１４４】
また、ここで、本発明の３次元磁界測定装置の出力信号は、上述した３次元ベクトル信号（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）又は上述した３次元ベクトル信号（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）から派生する信号となる。上述した３次元ベクトル信号（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）から派生する信号の例としては、３次元磁界測定装置において設定された直交座標系（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）に関して、ＸＹ平面のなかでのベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ）の角度θｘｙ及びＹＺ平面のなかでのベクトル（Ｈｙ，Ｈｚ）の角度θｙｚ及びＺＸ平面のなかでのベクトル（Ｈｚ，Ｈｘ）の角度θｚｘがある。
【０１４５】
これらの角度θｘｙ，角度θｙｚ，角度θｚｘを出力する３次元磁界測定装置は、３次元磁界測定装置の近傍に置かれた磁性体の３次元回転位置を測定する３次元回転角度センサとして使用することができる。なお、θｘｙ，θｙｚ，θｚｘの計算方法については、θｘｙ＝ａｔａｎ（Ｓｙ／Ｓｘ），θｙｚ＝ａｔａｎ（Ｓｚ／Ｓｙ），θｚｘ＝ａｔａｎ（Ｓｘ／Ｓｚ）といった逆正接計算を行えばよい。実際に、これらの逆正接演算を行う場合には、ＡＤ変換器を使って、３次元ベクトル信号（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）をデジタル化された信号として測定し、ＣＯＲＤＩＣ（Ｃｏｒｄｉｎａｔｅ  Ｒｏｔａｔｉｏｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）アルゴリズムとして、一般に知られたアルゴリズムを使用することができる。
【０１４６】
図８に示した３次元磁界測定装置は、半導体ＩＣ基板の内部にホール素子を形成したＣＭＯＳＩＣの上部に磁気集束板を配置したシリコンモノリシック型の磁界測定装置の形態で実現するために非常に適したものである。
このように、本発明の３次元磁界測定装置によれば、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各成分の磁界を電気信号に変換して測定する際の他軸感度の補正をすることができる。特に、電子コンパスや３次元回転角度センサなどに適用可能である。
【０１４７】
そして本発明の３次元磁界測定装置は、他軸感度が発生する構成の３次元磁界測定装置に特に好適に用いることができる。他軸感度は、例えば、磁性体２と、磁性体２の近傍に配置された第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２を備えた３次元磁界測定装置において、磁性体２の形状が点対称な形状であり、磁性体２を平面視したときに、磁気検出素子３Ｘ１と磁気検出素子３Ｘ２とを結ぶ線分の中点の位置と、磁性体の対称点の位置が異なる場合や、磁気検出素子３Ｙ１と磁気検出素子３Ｙ２とを結ぶ線分の中点の位置と、磁性体の対称点の位置が異なる場合などに発生する。この他、磁気検出素子３Ｘ１と磁気検出素子３Ｘ２の磁気感度が異なる場合や、磁気検出素子３Ｙ１と磁気検出素子３Ｙ２の磁気感度が異なる場合、磁気検出素子３Ｘ１の感磁部の磁性体に覆われている部分の面積と磁気検出素子３Ｘ２の感磁部の磁性体に覆われている部分の面積が異なる場合や、磁気検出素子３Ｙ１の感磁部の磁性体に覆われている部分の面積と磁気検出素子３Ｙ２の感磁部の磁性体に覆われている部分の面積が異なる場合に発生する。
図９は、本発明に係る３次元磁界測定装置の磁界測定方法における補正手順のフローチャートを示す図である。
【０１４８】
本発明の３次元磁界測定方法は、半導体ＩＣ基板１上に設けられた磁気収束板２の周辺に複数の磁気検出素子３を配置した３次元磁界測定装置における３次元磁界測定方法である。
まず、補正操作が開始されると、Ｘ軸方向だけに一定の磁界成分を持つ補正磁界を入力し、出力（電気）信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を測定する（ステップＳ１）。
【０１４９】
次に、Ｙ軸方向だけに一定の磁界成分を持つ補正磁界を入力し、出力（電気）信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を測定する（ステップＳ２）。
次に、Ｚ軸方向だけに一定の磁界成分を持つ補正磁界を入力し、出力（電気）信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を測定する（ステップＳ３）。
次に、補正のなかで測定された信号をもとに、行列（Ｍ＿ＨｔｏＶ）を計算する。また、逆行列（Ｍ＿ＶｔｏＨ）を計算する（ステップＳ４）。次に、３次元の出力（電気）信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数となる逆行列式（Ｍ＿ＶｔｏＨ）の成分を３次元磁界測定装置となるＣＭＯＳＩＣのなかの不揮発性メモリに記憶させる（ステップＳ５）。
【０１５０】
図９に示した補正手順においては、互いに線形独立となる３つの３次元磁界ベクトルを３次元磁界測定装置に入力して、それぞれの３次元磁界ベクトルに対応した電気信号（Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚ）を測定することにより、行列Ｍ＿ＨｔｏＶの成分を測定している。
本発明の３次元磁界測定装置をシリコンモノリシックの形態で実現する場合、測定された行列Ｍ＿ＨｔｏＶから、その逆行列である行列Ｍ＿ＶｔｏＨを計算する過程の操作は、シリコンモノリシック型の磁界測定装置を補正するための補正装置を用いて実行し、計算された行列Ｍ＿ＶｔｏＨの成分をシリコンモノリシック型の磁界測定装置内部に用意された不揮発性メモリに書き込むことにより、シリコンモノリシック型の３次元磁界測定装置の補正を行うことができる。
【０１５１】
以下に、本発明の３次元磁界測定方法についてさらに詳細に説明する。本発明の３次元磁界測定方法は、演算ステップと補正係数記憶ステップと算出ステップとを有している。
演算ステップは、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ，１２ｙ，１２ｚにおいて、磁性体２に入力される３次元磁界ベクトルＨｘ，Ｈｙ，Ｈｚに対応する３次元のベクトル信号である出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを生成するものである。
【０１５２】
また、補正係数記憶ステップは、補正係数記憶部１４において、演算ステップによる３次元の出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶するものである。
また、算出ステップは、磁界成分算出部１５において、補正係数記憶ステップにより記憶された補正係数に基づいて３次元の出力信号を算出するものである。
【０１５３】
また、他軸感度は、Ｘ軸とＺ軸との間の他軸感度と、Ｙ軸とＺ軸との間の他軸感度を意味している。また、他軸感度は、磁性体２と磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２との間の相対位置ずれにより発生するものである。また、他軸感度は、Ｘ軸及びＹ軸に配置された磁気検出素子対３Ｘ１／３Ｘ２，３Ｙ１／３Ｙ２の各々の磁気検出素子３Ｘ１と３Ｘ２又は３Ｙ１と３Ｙ２の磁気感度の誤差により発生するものである。
【０１５４】
また、３次元の出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを生成する磁電変換の関係式は、行列（Ｍ＿ＨｔｏＶ）で表される。
また、演算ステップは、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ乃至１２ｚを備えた加減算ステップを有している。また、算出ステップは、磁界成分算出部１５で処理され、この磁界成分算出部１５が行列演算ステップを有している。
【０１５５】
また、行列演算ステップは、３次元の出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚに逆行列（Ｍ＿ＶｔｏＨ）を乗算する演算を行って、他の３次元ベクトル信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚを得るものである。
また、磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２は、ホール素子であることが望ましい。
【０１５６】
また、本発明の３次元磁界測定方法は、磁性体２の近傍に配置される第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２を備え、第１の信号処理ステップと第２の信号処理ステップと第３の信号処理ステップと補正係数記憶ステップと磁界成分算出ステップとを有している。
第１の信号処理ステップは、第１の信号処理部１２ｘにおいて、第１の磁気検出素子３Ｘ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）と第２の磁気検出素子３Ｘ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２）が入力され、第１の磁気検出素子３Ｘ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）と第２の磁気検出素子３Ｘ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２）の差又は和に基づく信号Ｖｓｉｇ,ｘを出力するものである。
【０１５７】
また、第２の信号処理ステップは、第２の信号処理部１２ｙにおいて、第３の磁気検出素子３Ｙ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１）と第４の磁気検出素子３Ｙ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２）が入力され、第３の磁気検出素子３Ｙ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ１）と第４の磁気検出素子３Ｙ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２）の差又は和に基づく信号Ｖｓｉｇ,ｙを出力するものである。
【０１５８】
また、第３の信号処理ステップは、第３の信号処理部１２ｚにおいて、第１の磁気検出素子３Ｘ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）と第２の磁気検出素子３Ｘ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２）が入力され、第１の磁気検出素子３Ｘ１の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）と第２の磁気検出素子３Ｘ２の出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ２）の和又は差に基づく信号であり、第１の信号処理部１２ｘと異なる信号Ｖｓｉｇ,ｚを出力するものである。
【０１５９】
また、補正係数記憶ステップは、補正係数記憶部１４において、第１乃至第３の信号処理部１２ｘ乃至１２ｚによる３次元の出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを生成する磁電変換において発生する他軸感度を補正する補正係数を記憶するものである。
また、磁界成分算出ステップは、磁界成分算出部１５において、第１乃至第３の信号処理ステップの出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚと補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分と、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の磁界成分と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交するＺ軸方向の磁界成分を算出するものである。
【０１６０】
また、第１の信号処理ステップが出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｘ、第２の信号処理ステップが出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｙ、第３の信号処理ステップが出力する信号が示す値をＶｓｉｇ,ｚとしたときに、補正係数は、３次元の出力信号である３次元ベクトル信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚを他の３次元ベクトル信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚに変換するための係数である。
【０１６１】
また、補正係数は、第１の磁界と第２の磁界と第３の磁界とを３次元磁界測定装置１０に印加したときの、第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２から出力される出力信号Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＸ１）乃至Ｖｓｉｇ（ＨａｌｌＹ２）に基づき演算される係数である。また、第１の磁界と第２の磁界と前記第３の磁界は、互いに線形独立な磁界である。
【０１６２】
また、直交する２軸方向をそれぞれＸ’軸方向、Ｙ’軸方向、Ｚ’軸方向と定義したときに、第１の磁界は、Ｘ’軸方向の磁界成分を有し、Ｙ’軸方向の磁界成分とＺ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界であり、第２の磁界は、Ｙ’軸方向の磁界成分を有し、Ｘ’軸方向の磁界成分とＺ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界であり、第３の磁界は、Ｚ’軸方向の磁界成分を有し、Ｘ’軸方向の磁界成分とＹ’軸方向の磁界成分の極めて少ない実質的に有さない磁界である。
【０１６３】
また、Ｘ軸方向と前記Ｘ’軸方向は同じ方向であり、Ｙ軸方向と前記Ｙ’軸方向は同じ方向であり、Ｚ軸方向と前記Ｚ’軸方向は同じ方向である。
また、補正係数は、第１の磁界を前記３次元磁界測定装置１０に印加したときに第１の信号処理ステップから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｘに基づく値をα１（数式１７のＤｘｘ）、第１の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第３の信号処理ステップから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｚに基づく値をα２（数式１７のＮＤｚｘ）、第２の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第２の信号処理ステップから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｙに基づく値をβ１（数式１７のＤｙｙ）、第２の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第３の信号処理ステップから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｚに基づく値をβ２（数式１７のＮＤｚｙ）、第３の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第１の信号処理ステップから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｘに基づく値をγ１（数式１７のＮＤｘｚ）、第３の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第２の信号処理ステップから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｙに基づく値をγ２（数式１７のＮＤｙｚ）、第３の磁界を３次元磁界測定装置１０に印加したときに第３の信号処理ステップから出力される信号Ｖｓｉｇ,ｚに基づく値をγ３（数式１７のＤｚｚ）としたときの、α１、α２、β１、β２、γ１、γ２、γ３に基づく値である。
【０１６４】
また、第３の信号処理ステップにおいて、第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２の出力信号が入力され、第１乃至第４の磁気検出素子３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２の出力信号の和又は差に基づく信号が出力される。
また、磁界成分算出ステップは、第１乃至第３の信号処理ステップの出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚと補正係数に基づき、Ｘ軸方向の磁界成分を算出するＸ軸方向磁界成分算出ステップと、第１乃至第３の信号処理ステップの出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚと補正係数に基づき、Ｙ軸方向の磁界成分を算出するＹ軸方向磁界成分算出ステップと、第１乃至第３の信号処理ステップの出力信号Ｖｓｉｇ,ｘ、Ｖｓｉｇ,ｙ、Ｖｓｉｇ,ｚと補正係数に基づき、Ｚ軸方向の磁界成分を算出するＺ軸方向磁界成分算出ステップとを有している。
【０１６５】
このように、本発明の３次元磁界測定方法によれば、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各成分の磁界を電気信号に変換して測定する際の他軸感度の補正及び補正（補正）をすることができる。特に、電子コンパスや３次元回転角度センサなどに適用可能である。
そして、本発明の３次元磁界測定方法は、他軸感度が発生する構成の３次元磁界測定装置に特に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【０１６６】
１  半導体ＩＣ基板（ＣＭＯＳＩＣ）
２  磁性体（磁気収束板）
３（３Ｘ１，３Ｘ２，３Ｙ１，３Ｙ２）  磁気検出素子（ホール素子）
４  磁気収束板の外周
１０  ３次元磁界測定装置
１１  補正係数生成装置
１２（１２ｘ乃至１２ｚ）  信号処理部（加減算回路）
１３  インターフェイス回路
１４  補正係数記憶部（不揮発性メモリ）
１５（１５ｘ乃至１５ｚ）  磁界成分算出部（行列演算回路）
【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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