(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング形コアに形成された環状コイルパターンを励磁用コイルおよび磁界検出用コイルとして共用し、
前記環状コイルパターンが時分割で励磁用と磁界検出用に切り替えて利用され、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の外部磁界が交互に検出されることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
リング形コアに形成された環状コイルパターンを励磁用コイルおよび磁界検出用コイルとして共用し、
前記環状コイルパターンは４分割され、二組の対向するコイルパターンの内、一組が磁界検出用に、他の一組が励磁用に時分割で用途が切り替えられてＸ軸方向およびＹ軸方向の外部磁界が交互に検出され、
前記対向するコイルパターンの端点の接続を切り替えることにより、電流の流れる方向をたどった場合のコイルの巻く向きを変えて、前記対向するコイルパターンの用途を励磁用と磁界検出用の間で切り替えることを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
リング形コアに形成された環状コイルパターンを励磁用コイルおよび磁界検出用コイルとして共用し、
前記環状コイルパターンは４分割され、二組の対向するコイルパターンの内、一組が磁界検出用に、他の一組が励磁用に時分割で用途が切り替えられてＸ軸方向およびＹ軸方向の外部磁界が交互に検出され、
二組の前記対向するコイルパターンの一組については、励磁状態において磁界が前記リング形コアを一方向に回転する向きに発生するように、前記対向するコイルパターンの端点の接続がなされ、他の一組については、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の外部磁界の検出が可能なように、前記対向するコイルパターンの端点の接続がなされることを特徴とする磁気センサ。
【請求項４】
前記環状コイルパターンが形成された基板を前記リング形コアの上下に相対するように積層したセンサ基板を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項５】
リング形コアに環状コイルパターンが形成された磁気センサと、
前記環状コイルパターンの一部を励磁用コイルとして、他の一部をＸ軸方向またはＹ軸方向の磁界検出用コイルとして相互に切り替える切替制御部と、
前記励磁用コイルに励磁電流を供給する励磁電流制御部と、
前記磁界検出用コイルから磁界信号を検出する磁界検出部と、
前記切替制御部にタイミング信号を供給して、時分割で前記環状コイルパターンを励磁用および磁界検出用に切り替えるタイミング制御部とを含むことを特徴とする磁気センサユニット。
【請求項６】
前記環状コイルパターンは４分割され、前記切替制御部は、二組の対向するコイルパターンの内、一組が励磁用コイルとして、他の一組がＸ軸方向またはＹ軸方向の磁界検出用コイルとして利用されるように二組の対向するコイルパターンの用途を交互に切り替えることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサユニット。
【請求項７】
前記切替制御部は、
励磁状態において磁界が前記リング形コアを一方向に回転する向きに発生するように、前記対向するコイルパターンの接続端子の配線を形成した上で、二組の前記対向するコイルパターンを切り替えていずれか一組を使用可能にする励磁切替部と、
Ｘ軸方向またはＹ軸方向の外部磁界の検出が可能なように、前記対向するコイルパターンの接続端子の配線を形成した上で、二組の前記対向するコイルパターンを切り替えて、前記励磁切替部で使用されていない他の一組を使用可能にする検出切替部と
を含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気センサユニット。
【請求項８】
前記磁気センサは、前記環状コイルパターンが形成された基板を前記リング形コアの上下に相対するように積層したセンサ基板を含み、前記分割されたコイルパターンの接続端子が最外層の基板の表面に形成されたことを特徴とする請求項６に記載の磁気センサユニット。
【請求項９】
前記切替制御部は、前記最外層の基板の表面に形成された前記接続端子の接続を切り替えることにより、二組の前記対向するコイルパターンを励磁用と磁界検出用に切り替えることを特徴とする請求項８に記載の磁気センサユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地磁気を測定する技術に関する。特に本発明は、磁気センサ及び磁気センサユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
観測地点の方位を測定するための地磁気センサの一例として、フラックスゲート型磁気センサがある。特開平９−４３３２２号公報および特開平１１−１１８８９２号公報には、２軸のフラックスゲート型磁気センサが開示されている。このフラックスゲート型磁気センサは、リング状のアモルファスコアによって形成されたリングコアを核として、その上下面に、励磁コイルパターンがエッチングされた励磁コイル用基板、ＹコイルパターンがエッチングされたＹ軸方向磁界検出コイル基板、ＸコイルパターンがエッチングされたＸ軸方向磁界検出コイル基板が、順に積層されて形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような磁気センサでは、地磁気をセンシングするためのＸコイルパターンとＹコイルパターンがリングコアを大きく巻くように形成されるため、基板面積が大きくなるという問題があった。またＸ軸方向とＹ軸方向のコイルパターンを別々の基板に形成して積層するため、センサ基板の厚さも問題となる。磁気センサは、携帯電話や携帯端末などの携帯機器や電子腕時計などの小型電子機器へ組み込まれることも多く、小型化は開発上の重要な課題の一つとなっている。
【０００４】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、省スペース化の要請に応える小型の磁気センサおよび磁気センサユニットを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様は、磁気センサに関する。この磁気センサは、リング形コアに形成された環状コイルパターンを励磁用コイルおよび磁界検出用コイルとして共用する。前記環状コイルパターンが時分割で励磁用と磁界検出用に切り替えて利用され、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の外部磁界が交互に検出されてもよい。
【０００６】
前記環状コイルパターンは４分割され、二組の対向するコイルパターンの内、一組が磁界検出用に、他の一組が励磁用に時分割で用途が切り替えられてＸ軸方向およびＹ軸方向の外部磁界が交互に検出されてもよい。二組の対向するコイルパターンのペアは直交する位置関係にあるので、一方のペアはＸ軸方向、他方のペアはＹ軸方向の磁界検出に利用できる。あるタイミングでは一方のペアをＸ軸方向の磁界検出に利用し、他方のペアを励磁に利用する。他のタイミングでは、先にＸ軸方向の磁界検出に利用したペアを励磁に利用し、先に励磁に利用したペアをＹ軸方向の磁界検出に利用する。この動作を周期的に切り替えて繰り返すことによりＸ軸方向およびＹ軸方向の外部磁界を交互に検出することができる。
【０００７】
前記対向するコイルパターンの端点の接続を切り替えることにより、電流の流れる方向をたどった場合のコイルの巻く向きを変えて、前記対向するコイルパターンの用途を励磁用と磁界検出用の間で切り替えてもよい。
【０００８】
環状コイルパターンがリング形コアを巻く向きは変えないが、対向するコイルパターンの電流の流れる方向をたどった場合のコイルの巻く向きは、対向する二つのコイルパターンの端点の接続の仕方により変えることができる。対向する二つのコイルパターンの端点の接続を切り替えることにより、対向するコイルパターンのペアを励磁に用いるときは、二つのコイルパターンがリング形コアを巻く向きを時計回りと反時計回りの組合せにし、互いに反対回りになるようにし、磁界検出に用いるときは、二つのコイルパターンがリング形コアを巻く向きを二つとも時計回りか反時計回りのいずれか一方の向きに揃えることができる。これにより励磁に用いられるコイルパターンのペアにおいては、励磁状態において磁界が前記リング形コアを一方向に回転する向きに発生するようになる。また磁界検出に用いられるコイルパターンのペアについては、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の外部磁界の検出が可能となる。
【０００９】
この磁気センサは、前記環状コイルパターンが形成された基板を前記リング形コアの上下に相対するように積層したセンサ基板を含んでもよい。環状コイルパターンは励磁と磁界検出に共用されるため、リング形コアの上下に積層する基板は最低１枚ずつにすることができる。磁界検出の感度を向上させるために、環状コイルパターンが形成される基板を多層構造にし、リング形コアを巻くコイルを多重化してもよい。
【００１０】
本発明の別の態様は、センサユニットに関する。このセンサユニットは、リング形コアに環状コイルパターンが形成された磁気センサと、前記環状コイルパターンの一部を励磁用コイルとして、他の一部をＸ軸方向またはＹ軸方向の磁界検出用コイルとして相互に切り替える切替制御部と、前記励磁用コイルに励磁電流を供給する励磁電流制御部と、前記磁界検出用コイルから磁界信号を検出する磁界検出部と、前記切替制御部にタイミング信号を供給して、時分割で前記環状コイルパターンを励磁用および磁界検出用に切り替えて利用するタイミング制御部とを含む。
【００１１】
前記環状コイルパターンは４分割され、前記切替制御部は、二組の対向するコイルパターンの内、一組が励磁用コイルとして、他の一組がＸ軸方向またはＹ軸方向の磁界検出用コイルとして利用されるように二組のコイルパターンの役割を交互に切り替えてもよい。
【００１２】
前記切替制御部は、励磁状態において磁界が前記リング形コアを一方向に回転する向きに発生するように、前記対向するコイルパターンの接続端子の配線を形成した上で、二組の前記対向するコイルパターンを切り替えていずれか一組を使用可能にする励磁切替部と、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の外部磁界の検出が可能なように、前記対向するコイルパターンの接続端子の配線を形成した上で、二組の前記対向するコイルパターンを切り替えて、前記励磁切替部で使用されていない他の一組を使用可能にする検出切替部とを含んでもよい。
【００１３】
前記磁気センサは、前記環状コイルパターンが形成された基板を前記リング形コアの上下に相対するように積層したセンサ基板にて形成され、前記分割されたコイルパターンの接続端子が最外層の基板の表面に形成されてもよい。前記切替制御部は、前記最外層の基板の表面に形成された前記接続端子の接続を切り替えることにより、２組の前記対向するコイルパターンを励磁用と磁界検出用に切り替えてもよい。
【００１４】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の表現を方法、センサ、ユニット、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る磁気センサ４０を説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、磁気センサ４０の分解説明図であり、図２は、磁気センサ４０の上面図、図３は磁気センサ４０の断面図である。これらの図を適宜参照しながら、磁気センサ４０の構成を説明する。
【００１６】
磁気センサ４０は、フラックスゲート型磁気センサの一種であり、図３の断面図に示すように、アモルファスコアによって形成されたリングコア２２を含む第２層の基板２０を中心として、その上下面に、環状コイルパターンがエッチングされた第１層の基板１０と第３層の基板３０が積層されて形成される。
【００１７】
図２の上面図に示すように、第２層の基板２０にあるリングコア２２を巻くように環状コイルパターンが形成されており、この環状コイルパターンは第１コイルパターン１１、第２コイルパターン１２、第３コイルパターン１３、および第４コイルパターン１４に４分割されている。各コイルパターンは、第１層の基板１０および第３層の基板３０上に形成されており、スルーホール４２を通してつながっている。
【００１８】
図１（ａ）は第１層の基板１０上に形成された環状コイルパターン、図１（ｂ）は第２層の基板２０上に設けられたリングコア２２、図１（ｃ）第３層の基板３０上に形成された環状コイルパターンを示す。
【００１９】
図１（ａ）に示すように、第１層の基板１０上には、リングコア２２の上側を環状に横切る形で第１コイルパターン１１ｂ、第２コイルパターン１２ｂ、第３コイルパターン１３ｂ、第４コイルパターン１４ｂが形成されており、図１（ｃ）に示すように、第３層の基板３０上には、リングコア２２の下側を環状に横切る形で第１コイルパターン１１ａ、第２コイルパターン１２ａ、第３コイルパターン１３ａ、第４コイルパターン１４ａが形成されている。第１層の基板１０には、第１層の基板１０上に形成された第１コイルパターン１１ｂの端点につながる接続端子１ｂが設けられている。また第３層の基板３０上の第１コイルパターン１１ａの端点にスルーホール４２ａを介してつながるもう一方の接続端子１ａが同じく第１層の基板１０上に設けられている。他のコイルパターンについても同様に、それぞれのコイルパターンの端点につながる接続端子２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが第１層の基板１０上に設けられている。
【００２０】
図４（ａ）、（ｂ）は分割されたコイルパターンが励磁コイルまたは磁界検出コイルとして切り替えて利用される様子を説明する図である。リングコア２２上で対向する位置にある第１コイルパターン１１と第３コイルパターン１３のペアは励磁コイルまたはＸ軸方向の磁界検出コイルとして利用される。また同じく対向する位置にあり、先のペアとは直交する位置関係にある第２コイルパターン１２と第４コイルパターン１４のペアは、励磁コイルまたはＹ軸方向の磁界検出コイルとして利用される。ある励磁タイミングＡでは、第１コイルパターン１１と第３コイルパターン１３のペアが励磁コイルとして利用され、このとき第２コイルパターン１２と第４コイルパターン１４のペアはＹ軸方向の磁界検出コイルとして利用される。別の励磁タイミングＢでは、第２コイルパターン１２と第４コイルパターン１４のペアが励磁コイルとして利用され、このとき第１コイルパターン１１と第３コイルパターン１３のペアはＸ軸方向の磁界検出コイルとして利用される。二つの励磁タイミングＡ、Ｂにおける動作を周期的に切り替えてＸ軸方向の磁界検出とＹ軸方向の磁界検出が交互に行われる。
【００２１】
図４（ａ）は、励磁タイミングＡにおける磁気センサ４０の励磁および磁界検出に係る等価回路を示している。励磁タイミングＡでは、第１コイルパターン１１と第３コイルパターン１３のペアを励磁コイルとして利用するため、第１コイルパターン１１の接続端子１ｂと第３コイルパターン１３の接続端子３ａとを直結し、第１コイルパターン１１の接続端子１ａと第３コイルパターン１３の接続端子３ｂに励磁入力を与える。このとき、リングコア２２には矢印で示したように一定方向の回転磁界が発生する。もっとも励磁入力は交流電流であるから、この回転磁界の向きは反対向きにもなる。一方、第２コイルパターン１２と第４コイルパターン１４のペアをＹ軸方向の磁界検出コイルとして利用するため、第２コイルパターン１２の接続端子２ｂと、第４コイルパターン１４の接続端子４ｂとを直結し、第２コイルパターン１２の接続端子２ａと第４コイルパターン１４の接続端子４ａから外部磁界のＹ軸成分の検出電流を取得する。
【００２２】
図４（ｂ）は、励磁タイミングＢにおける磁気センサ４０の励磁および磁界検出に係る等価回路を示している。励磁タイミングＢでは、第２コイルパターン１２と第４コイルパターン１４のペアを励磁コイルとして利用するため、第２コイルパターン１２の接続端子２ｂと第４コイルパターン１４の接続端子４ａとを直結し、第２コイルパターン１２の接続端子２ａと第４コイルパターン１４の接続端子４ｂに励磁入力を与える。このとき、リングコア２２には回転磁界が発生する。一方、第１コイルパターン１１と第３コイルパターン１３のペアをＸ軸方向の磁界検出コイルとして利用するため、第１コイルパターン１１の接続端子１ｂと、第３コイルパターン１３の接続端子３ｂとを直結し、第１コイルパターン１１の接続端子１ａと第３コイルパターン１３の接続端子３ａから外部磁界のＸ軸成分の検出電流を取得する。
【００２３】
図４（ａ）、（ｂ）において説明した通り、対向するコイルパターンのペアが、励磁コイルとして利用される場合と磁界検出コイルとして利用される場合ではペアを構成するコイルパターンのつなぎ方が異なる。これはコイルパターンを励磁に使う場合はリングコア２２を回転する方向の回転磁界を生成し、磁界検出に使う場合は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の磁界を検出する必要があるからである。より詳しく言えば、第１コイルパターン１１と第３コイルパターン１３のペアに注目すると、励磁に用いられる場合は、図４（ａ）のように二つのコイルパターンの接続端子１ｂと３ａが直結され、リングコア２２の断面で見た場合、一方のコイルパターンにおいては反時計回りに電流が流れるのに対して、他方のコイルパターンにおいては時計回りに電流が流れる。したがって、リングコア２２には一定方向の回転磁界が発生する。同じコイルパターンのペアが磁界検出に用いられる場合は、図４（ｂ）のように二つのコイルパターンの接続端子１ｂと３ｂが直結され、リングコア２２の断面で見た場合、Ｘ軸方向の外部磁界により、どちらのコイルパターンにも時計回りまたは反時計回りのいずれかの電流が発生する。
【００２４】
図５は、磁気センサユニットの機能構成図である。磁気センサユニットは、スイッチング制御部５０、励磁電流制御部５６、磁界検出部５８、タイミング制御部６０、および増幅部６２を含む。これらの機能構成は回路で実現されてもよく、少なくとも一部がソフトウエアモジュールで実現されてもよい。磁気センサユニットは、磁気センサ４０に励磁電流を入力し、出力として磁界検出信号を得る。この磁気センサユニットは、磁気センサ４０と一体化されて同一基板上に構成されてもよく、磁気センサ４０の入出力端子に接続する外付けのユニットとして構成されてもよい。その意味で、磁気センサユニットという呼称は、磁気センサ４０に図５の機能構成を含めたもの全体を指す場合と、磁気センサ４０の外部に接続するユニットを指す場合の両方に用いる。
【００２５】
スイッチング制御部５０は、磁気センサ４０の各コイルパターンを励磁用または磁界検出用に切り替える制御を行うもので、励磁切替部５２と検出切替部５４を含む。励磁切替部５２と検出切替部５４にはそれぞれ、４分割された環状コイルパターンの各々の二つの接続端子につながる配線が引かれている。
【００２６】
励磁切替部５２において、第１コイルパターン１１の接続端子１ｂと第３コイルパターン１３の接続端子３ａとが直結するように配線がなされ、第１コイルパターン１１の接続端子１ａと第３コイルパターン１３の接続端子３ｂに励磁電流制御部５６から励磁電流が与えられる。またスイッチを切り替えることにより、第２コイルパターン１２の接続端子２ｂと第４コイルパターン１４の接続端子４ａとが直結するように配線がなされ、第２コイルパターン１２の接続端子２ａと第４コイルパターン１４の接続端子４ｂに励磁電流制御部５６から励磁電流が与えられる。
【００２７】
検出切替部５４において、第２コイルパターン１２の接続端子２ｂと、第４コイルパターン１４の接続端子４ｂとが直結するように配線がなされ、第２コイルパターン１２の接続端子２ａと第４コイルパターン１４の接続端子４ａから外部磁界のＹ軸成分の検出電流が磁界検出部５８に入力される。またスイッチを切り替えることにより、第１コイルパターン１１の接続端子１ｂと、第３コイルパターン１３の接続端子３ｂとが直結するように配線がなされ、第１コイルパターン１１の接続端子１ａと第３コイルパターン１３の接続端子３ａから外部磁界のＸ軸成分の検出電流が磁界検出部５８に入力される。
【００２８】
励磁電流制御部５６は電源入力を受け取り、励磁切替部５２により切り替えられる磁気センサ４０のコイルパターンに交流の励磁電流を与える。磁界検出部５８は検出切替部５４により切り替えられる磁気センサ４０のコイルパターンから外部磁界の検出電流を受け取り、外部磁界のＸ軸成分またはＹ軸成分の値を検出する。増幅部６２は検出された磁界成分を増幅して出力する。
【００２９】
タイミング制御部６０は、クロックの入力とタイミング信号の入力を受け取り、励磁切替部５２と検出切替部５４の切り替えのタイミングを周期的に制御するとともに、励磁電流制御部５６と磁界検出部５８に励磁と磁界検出のタイミングを指示する。これにより二組の対向するコイルパターンの用途が励磁と磁界検出の間で周期的に切り替わり、Ｘ軸方向とＹ軸方向の磁界検出が交互に行われる。
【００３０】
以上述べたように、リングコア２２を巻くように形成された環状コイルパターンを励磁用と磁界検出用に共用するため、磁界検出用に別のコイルパターンを形成する必要がなく、基板面積を小さく抑えることができる。またＸ軸方向の磁界検出コイル基板とＹ軸方向の磁界検出コイル基板を別々に設ける必要がなく、リングコア２２を巻く励磁コイルを磁界検出にも利用したことで、コイルパターンを形成する基板を単一化することができる。したがって磁気センサ４０を薄くすることができるとともに、開発コストの削減にもつながる。このように全体として、面積、厚さの両面において小型化を図るとともに、設計、開発の面でも簡単化が図られている。
【００３１】
またリングコア２２を直接に巻く環状コイルパターンを磁界検出に用いるため、外部磁界に対する感度を高めることができ、地磁気のような弱い磁界に対しても検出精度を上げることができる。
【００３２】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３３】
そのような変形例を説明する。上記の説明では、環状コイルパターンを４分割したが、分割の仕方はこれに限られない。また同一のコイルパターンを励磁用と磁界検出用に共用したが、環状コイルパターンを励磁専用のコイルと磁界検出専用のコイルとに分割して利用してもよい。
【００３４】
上記の説明では、磁気センサ４０は、リングコア２２を含む基板の上下に環状コイルパターンが形成された２層の基板を積層した３層構造であったが、磁界検出の感度を向上させるために、上下に配置する基板を多層にしてリングコア２２を巻くコイルを多重化してもよい。
【００３５】
多重コイル構造の磁気センサの一例として、リングコア２２を含む基板を第４層として、リングコア２２の基板の上に環状コイルパターンが形成された第１層から第３層までの３つの基板を設け、リングコア２２の下に第５層から第７層までの３つの基板を設けて、第１層から第７層までの基板をこの順で積層したセンサ基板を例にあげて説明する。まず第１層と第７層を用いてもっとも外側を巻く第１の環状コイルパターンが形成され、次に第２層と第６層を用いてその内側を巻く第２の環状コイルパターンが形成される。さらに第３層と第５層を用いてもっとも内側の第３の環状コイルパターンが形成される。これにより、３重に巻いた環状コイルパターンが形成される。各環状コイルパターンの構成は上記の３層構造の磁気センサ４０の場合と同様に４つのコイルパターンに分割される。また最外層である第１層に各コイルパターンの接続端子が設けられることも同様である。この７層構造の磁気センサでは、リングコア２２をコイルが３重に巻いているため、磁界の検出感度が一段と向上する。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気センサを小型化し、外部磁界の検出感度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る磁気センサの分解説明図である。
【図２】  磁気センサの上面図である。
【図３】  磁気センサの断面図である。
【図４】  図４（ａ）、（ｂ）は、異なる励磁タイミングにおける磁気センサの励磁および磁界検出に係る等価回路図である。
【図５】  磁気センサユニットの機能構成図である。
【符号の説明】
１０  第１層の基板、  １１  第１コイルパターン、  １２  第２コイルパターン、  １３  第３コイルパターン、  １４  第４コイルパターン、  ２０  第２層の基板、  ２２  リングコア、  ３０  第３層の基板、  ４０  磁気センサ、  ４２  スルーホール、  ５０  スイッチング制御部、  ５２  励磁切替部、５４  検出切替部、  ５６  励磁電流制御部、  ５８  磁界検出部、  ６０  タイミング制御部、  ６２  増幅部。
【図１】
0003834230.tif 000002
【図２】
0003834230.tif 000003
【図３】
0003834230.tif 000004
【図４】
0003834230.tif 000005
【図５】
0003834230.tif 000006