JP2000321067A

JP2000321067A - 電子方位計及び電子方位計付時計

Info

Publication number: JP2000321067A
Application number: JP11133348A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kato; 一雄加藤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2000-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】３個の磁気センサを有する電子方位計におい
て、高い測定精度を維持しながら、小型化と低消費電力
化を図ること。【解決手段】３個の磁気センサ１１〜１３を相互に等
間隔で且つ磁界検出軸を１２０度にして配置した磁気セ
ンサ部１０を具備する電子方位計において、磁気センサ
１１〜１３を個々に駆動する磁気センサ駆動回路２０
と、この磁気センサ駆動回路２０により駆動されている
磁気センサを選択する選択回路３０と、選択された磁気
センサのアナログの出力信号を選択回路３０を介して入
力しデジタル値に変換して信号処理回路５０の制御回路
５１に出力するＡ／Ｄ回路４０とを設けた。制御回路５
１は磁気センサ駆動回路２０と選択回路３０の動作を制
御する。また制御回路５１は、３つの磁界出力信号から
スレシホールド値以上の大きさの２つの磁界出力信号を
選択し、この２つの磁界出力信号から方位角度を算出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子方位計及び電
子方位計付時計に関し、特に電子方位計の測定精度の向
上と消費電流の低減に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子方位計は、磁界の方向を検出する磁
気センサとこの磁気センサの出力信号を処理して方位を
決定し表示器に表示させる信号処理装置とから構成され
ている。そして、磁気センサは、ホール素子や磁気抵抗
素子（ＭＲ素子）で構成されている。

【０００３】周知の如く、磁界即ち地磁気の強さと方向
を測定するための磁気センサには、一般に磁界検出軸が
一つある。従って、１個の磁気センサの出力は、例えば
図６の磁気センサＸ出力特性曲線から明らかな如く、磁
界の方向と磁気センサの磁界検出軸が一致する場合、例
えば０度即ち北方向で一致する場合はその検出感度は最
大で出力信号は正方向最大となり、１８０度即ち南方向
で一致する場合は検出感度は最大で出力信号は負方向最
大となる。磁界の方向と磁気センサの磁界検出方向が直
交するとき感度及び出力はどちら側も最小となる。磁気
センサを複数個用いて構成された方位計が、これまでに
種々開発されてきた。

【０００４】２個の磁気センサを用いた方位計は、磁界
検出軸が直交するように配置し、Ｘ軸方向の磁界BxとＹ
軸方向の磁界Byを夫々検出し、arctan(Bx／By)から方位
を測定するものである。ところが、この方位計は、図６
の磁気センサＸと磁気センサＹの出力特性図を参照すれ
ば明らかな如く、地磁気の向きが磁気センサの最大検出
感度の方向に対して垂直付近では磁界検出量が小さいた
め、ノイズに埋もれてしまい、従って特定の方位角度で
の方位の分解能が低下するという問題がある。また、地
磁気の向きが磁界センサの最大検出感度付近では方位１
度の変化に対する検出量ΔBが小さいため、特定の方位
角度での方位の分解能が低下するという問題もある。

【０００５】また、ＵＳＰ５、０４６、２６０号公報に
は３個の磁気センサを使用し、磁界検出軸α、β及びγ
を相互に１２０度となるように配置した方位計が開示さ
れている。このように配置することによって、３個の磁
気センサα、磁気センサβ、磁気センサγの出力特性図
である図７の如く変化する。図７から明らかな如く、１
個の磁気センサの出力がノイズに埋もれて検出できない
場合でも、他の２つの磁気センサの出力は必ず検出でき
るという特性がある。例えば、磁気センサαの出力が最
小となる方位角９０度付近では、磁気センサβの出力は
正の最大値の８割程度であり、且つ磁気センサγの出力
は負の最大値の８割程度である。

【０００６】この方位計は上述の特性を利用したもの
で、３個の磁気センサを相互に等間隔で且つ磁界検出軸
を１２０度にして配置した磁気センサ部と、コイル及び
コイル駆動回路からなり前記磁気センサ部に外部磁界を
印加するバイアス磁界部と、前記磁気センサを並列接続
して同時に且つ連続的に駆動する磁気センサ駆動回路
と、前記コイルから交番磁界を発生し検出磁界信号の差
分によりオフセットをキャンセルして増幅するオフセッ
トキャンセル部と、このオフセットキャンセル部のアナ
ログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ回路と、
３つの磁界センサからの検出信号（Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃ）
から２つを選ぶ組合わせ（ＵａとＵｂ、ＵｂとＵｃ、Ｕ
ｃとＵａ）から方位角度を各々計算し、平均化する信号
処理部とから構成された電子方位計である。

【０００７】この従来の電子方位計は、このような構成
であるため、上述の２個の磁気センサを用いた方位計が
有する問題点は解消し、高精度の方位測定を行っている
ものである。しかしながら、この電子方位計は、３個の
磁気センサを並列接続し、連続的に同時駆動しているこ
と、及びコイル方式でバイアス磁界を印加していること
から、装置が大型で且つ大きな消費電力を要するという
問題を有する。また、各磁気センサの出力はそれぞれの
増幅器で増幅されるため、増幅器毎の利得のばらつきが
測定精度に影響を与えるという問題も有する。

【０００８】更に、ＵＳＰ５，４３５，０７０号公報に
は、４個の磁気センサを使用し、磁界検出軸を順に４５
度づつ異ならせて配置した方位計が開示されている。こ
のように配置することによって、４個の磁気センサＡ、
磁気センサＢ、磁気センサＣ、及び磁気センサＤの出力
特性曲線は、図８の如く変化する。この方位計において
も、４個の磁気センサはバイアス磁界が印加されて、連
続的に同時駆動されており、消費電力は大きい。しか
も、この方位計は、4個の磁気センサ出力を正又は負の
矩形波出力に変換し、更にこれらを組み合わせて４ビッ
トのグレーコードを構成させ８個の出力に変換し、２桁
の１１セグメントＬＥＤ表示器を制御して方位点を表示
させるものである。表示可能な方位点は、北、北東、
東、南東南、南西、西及び北西の８つの主要方位点のみ
である。従って、この方位計では、３６０度の方位を測
定することは出来ない。．

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、３個の磁気センサを相互に等間隔で且つ磁
界検出軸を１２０度にして配置した磁気センサ部と、こ
の磁気センサ部の出力信号をデジタル信号処理して方位
を決定し且つ表示する信号処理部を具備する電子方位計
において、高い測定精度を維持しながら、小型化と低消
費電力化を図ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る電子方位計を、３個の磁気センサを相
互に等間隔で且つ磁界検出軸を１２０度にして配置した
磁気センサ部と、この磁気センサ部の出力信号をデジタ
ル信号処理して方位を決定し且つ表示する信号処理部、
前記磁気センサを個々に駆動する磁気センサ駆動回路
と、この磁気センサ駆動回路により駆動されている磁気
センサを選択する選択回路と、選択された磁気センサの
アナログの出力信号をデジタル値に変換し前記信号処理
回路の制御回路に入力するＡ／Ｄ回路とで構成し、前記
制御回路に前記磁気センサ駆動回路及び前記選択回路の
動作を同期して制御させるようにした。また、前記制御
回路には３つの磁界出力信号からスレシホールド値以上
の大きさの２つの磁界出力信号を選択する信号判定手
段、及び選択された２つの磁界出力信号から方位角度を
算出する方位演算手段を具備させた。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例の電子方位計
は、図１に全体構成をブロック図で、且つ図２にその主
要部を回路図で示す通り、３個の磁気センサ１１、１２
及び１３を相互に等間隔で且つ磁界検出軸を１２０度に
して配置した磁気センサ部１０と、この磁気センサ部１
０の磁界出力信号をデジタル信号処理して方位を決定し
且つ表示する信号処理部５０を具備する電子方位計にお
いて、磁気センサ１１、１２及び１３を個々に駆動する
磁気センサ駆動回路２０と、この磁気センサ駆動回路２
０により駆動されている磁気センサを選択する選択回路
３０とを設け、信号処理部５０の制御回路に磁気センサ
駆動回路２０及び選択回路３０の動作を同期して制御さ
せるようにした電子方位計である。

【００１２】磁気センサ部１０は、その磁界検出軸をα
軸に合致して配置された第１磁気センサ１１、その磁界
検出軸をβ軸に合致して配置された第２磁気センサ１
２、及びその磁界検出軸をγ軸に合致して配置された第
２磁気センサ１３の３個の磁気センサから構成されてい
る。ここに、α軸、β軸及びγ軸は、同一平面上に相互
に１２０度の角度を有するように配置されているもので
ある。従って、３個の磁気センサ１１、１２及び１３の
基本的配置は図４（ａ）に示すような放射状形や、図４
（ｂ）に示すような正三角形となる。

【００１３】磁気センサ１１、１２、１３は特性並びに
サイズが同じものであって、ホール素子や磁気抵抗素子
で構成されている。本実施例では、図２に示す如く、ホ
イートストーンブリッジ型に接続された４個の磁気抵抗
素子から構成された磁気センサモジュールが用いられて
いる。

【００１４】磁気センサを個々に駆動する磁気センサ駆
動回路２０は、図２に示す如く、３個のＭＯＳトランジ
スタからなる駆動スイッチ、即ち第１駆動スイッチ２
１、第２駆動スイッチ２２及び第３駆動スイッチ２３
と、駆動電源２４とで構成されている。携帯型電子方位
計の場合、駆動電源２４は信号処理部５０の駆動電源で
あるバッテリーの電圧を定電流化あるいは定電圧化して
得られる。第１駆動スイッチ２１は駆動電源２４と第１
磁気センサ１１との間に接続され、第２駆動スイッチ２
２は駆動電源２４と第２磁気センサ１２、第３駆動スイ
ッチ２３は駆動電源２４と第３磁気センサ１３との間に
接続されている。更に、第１駆動スイッチ２１、第２駆
動スイッチ２２及び第３駆動スイッチ２３の制御端子
は、選択制御信号Ｅｎα、Ｅｎβ及びＥｎγがそれぞれ
加えられるように制御回路５１に接続されている。

【００１５】磁気センサ駆動回路２０により駆動されて
いる磁気センサを選択する選択回路３０は、磁気センサ
部１０とＡ／Ｄ回路４０との間に接続されている。選択
回路３０は、図２に示す如く、それぞれが一対の半導体
スイッチと１個のＮＯＴ回路とからなる３個の半導体ス
イッチ回路３１、３２及び３３とで構成されている。第
１半導体スイッチ回路３１の一対の半導体スイッチは、
第１磁気センサ１１の一対の出力端子とＡ／Ｄ回路４０
の一対の入力端子との間にそれぞれ接続されている。第
２半導体スイッチ回路３２の一対の半導体スイッチは、
第２磁気センサ１２の一対の出力端子とＡ／Ｄ回路４０
の一対の入力端子との間にそれぞれ接続されている。第
３半導体スイッチ回路３３の一対の半導体スイッチは、
第３磁気センサ１３の一対の出力端子とＡ／Ｄ回路４０
の一対の入力端子との間にそれぞれ接続されている。更
に、第１半導体スイッチ回路３１、第２半導体スイッチ
回路３２及び第３半導体スイッチ回路３３の制御端子
は、選択制御信号Ｅｎα、Ｅｎβ及びＥｎγがそれぞれ
加えられるように制御回路５１に接続されている。

【００１６】Ａ／Ｄ回路４０は、選択回路３０を経て磁
気センサ部１０から入力されたアナログの磁界出力信号
をプリアンプで増幅してデジタル信号に変換し、信号処
理部５０に出力するものである。Ａ／Ｄ回路４０は増幅
回路を内蔵したＡ／Ｄ回路で実現できる。

【００１７】磁気センサ部１０の磁界出力信号をデジタ
ル信号処理して方位を決定し且つ表示する信号処理部５
０は、一般的なマイクロプロセッサＣＰＵで実現される
制御回路５１、電子方位計の動作を制御するためのファ
ームウエアプログラム等が格納されたＲＯＭ５２、処理
データ等が格納されるＲＡＭ５３、電子方位計の起動／
停止等の情報を入力するためのキー入力回路５４、方位
等の情報を表示する表示装置５５、表示装置５５を駆動
するための表示駆動回路５６、発振回路５７、及び分周
回路５８とで構成されている。発振回路５７及び分周回
路５８は電子方位計を制御する基本クロック信号発生部
を構成している。

【００１８】磁気センサ部１０の磁界出力信号をデジタ
ル信号処理して方位を決定する信号処理部５０の機能
は、制御回路５１に３つの磁界出力信号からスレシホー
ルド値以上の大きさの２つの磁界出力信号を判定して選
択する信号判定手段、及び選択された２つの磁界出力信
号から方位角度を算出する方位演算手段を具備させるこ
とによって実現している。そして、これら２つの手段
は、ファームウエアプログラムとしてＲＯＭ５２に格納
されている制御プログラムで実現される。

【００１９】以上の如く構成された本発明の一実施例の
電子方位計の動作を、図３の流れ図を参照して説明す
る。キー入力回路５４の方位測定起動ボタンが押される
と制御回路５１は方位測定制御プログラムを起動する
（１０１）。先ず制御回路５１は選択制御信号Ｅｎαを
磁気センサ駆動回路２０と選択回路３０に出力して第１
磁気センサ１１（磁界検出軸αに一致して配置されてい
る磁気センサα）を選択し、これを駆動する。（１０
２）。制御回路５１は第１磁気センサ１１（磁気センサ
α）の磁界出力信号Ｂα（磁界Ｂのα軸成分）を測定す
る（１０３）。このステップ１０３には、第１磁気セン
サ１１のアナログの磁界出力信号をＡ／Ｄ回路４０でデ
ジタル信号に変換し、ＲＡＭ５３に格納する動作が含ま
れている。

【００２０】続いて、制御回路５１は選択制御信号Ｅｎ
βを磁気センサ駆動回路２０と選択回路３０に出力して
第２磁気センサ１２（磁界検出軸βに一致して配置され
ている磁気センサβ）を選択し、これを駆動する。（１
０４）。制御回路５１は第２磁気センサ１２（磁気セン
サβ）の磁界出力信号Ｂβ（磁界Ｂのβ軸成分）を測定
する（１０５）。このステップ１０５には、第２磁気セ
ンサ１２のアナログの磁界出力信号をＡ／Ｄ回路４０で
デジタル信号に変換し、ＲＡＭ５３に格納する動作が含
まれている。

【００２１】続いて制御回路５１は選択制御信号Ｅｎγ
を磁気センサ駆動回路２０と選択回路３０に出力して第
３磁気センサ１３（磁界検出軸γに一致して配置されて
いる磁気センサγ）、を選択し、これを駆動する。（１
０６）。制御回路５１は第３磁気センサ１３（磁気セン
サγ）の磁界出力信号Ｂγ（磁界Ｂのγ軸成分）を測定
する（１０７）。このステップ１０７には、第３磁気セ
ンサ１３のアナログの磁界出力信号をＡ／Ｄ回路４０で
デジタル信号に変換し、ＲＡＭ５３に格納する動作が含
まれている。

【００２２】以上の磁界出力信号の測定及び測定値のＲ
ＡＭ５３への格納が終了した後、制御回路５１は磁界出
力信号ＢαとＢβ及びスレシホールド値Ｂｍｉｎ（ノイ
ズレベル値）をＲＡＭ５３から読み出しＢα≧Ｂｍｉｎ
が成立し、且つＢβ≧Ｂｍｉｎが成立するかを判定する
（１０８）。判定結果がＹＥＳであれば、制御回路５１
はＢαとＢβより方位角度を計算する（１１２）。この
場合の方位角度Θの計算は、Θ＝ａｒｃｔａｎ[｛Ｂβ
ｓｉｎ１２０°＋（Ｂα−Ｂβｃｏｓ１２０°）ｔａｎ
３０°}／Ｂα ]で表される計算式が用いられる。

【００２３】ステップ１０８の判定結果がＮＯであれ
ば、制御回路５１は磁界出力信号ＢβとＢγ及びスレシ
ホールド値ＢｍｉｎをＲＡＭ５３から読み出しＢβ≧Ｂ
ｍｉｎが成立し、且つＢγ≧Ｂｍｉｎが成立するかを判
定する（１０９）。判定結果がＹＥＳであれば、制御回
路５１はＢβとＢγより方位角度を計算する（１１
３）。この場合の方位角度Θの計算は、 Θ＝ａｒｃ
ｔａｎ［｛Ｂγｃｏｓ３０°＋（Ｂβ＋Ｂγｓｉｎ３０
°）ｔａｎ３０°｝／Ｂβ］＋１２０°で表される計算
式が用いられる。

【００２４】ステップ１０９の判定結果がＮＯであれ
ば、制御回路５１は磁界出力信号ＢγとＢα及びスレシ
ホールド値Ｂｍｉｎ（ノイズレベル）をＲＡＭ５３から
読み出しＢγ≧Ｂｍｉｎが成立し、且つＢα≧Ｂｍｉｎ
が成立するかを判定する（１１０）。判定結果がＹＥＳ
であれば、制御回路５１はＢγとＢαより方位角度を計
算する（１１４）。この場合の方位角度Θの計算は、
Θ＝ａｒｃｔａｎ［｛Ｂγｓｉｎ２４０°＋（Ｂα−Ｂ
γｃｏｓ２４０°）ｔａｎ１５０°｝／Ｂα］で表され
る計算式が用いられる。

【００２５】ステップ１１２、１１３及び１１４の計算
により得られた方位角度に基づいて、表示装置５５には
方位と方位角度が表示される（１１５）。ステップ１１
０の判定結果がＮＯであれば、表示装置５５は地磁気検
出能力以下の表示、即ち地磁気を検出できない旨の表示
を行う（１１１）。以上のステップを経て、方位測定制
御プログラムは終了する（１１６）。

【００２６】図５は、本発明に係る電子方位計を腕時計
に組み込んだ電子方位計付腕時計の要部の平面図であ
る。図５において、ムーブメント６１の内部には電池、
及び互いに１２０度の等間隔で配置された３個の磁気セ
ンサを回路基板上に実装して封止したセンサユニット６
２等が組み込まれている。尚、本実施例では磁気センサ
は磁気センサチップを用いているが、所望のサイズであ
ればパッケージの磁気センサを用いてもよい。図示しな
いが、この電子方位計付腕時計は、円形に配置した３６
０個の表示灯の1個で北の方向を示し、基線の方向の方
位角を文字盤内に設置した３桁デジタル表示器により表
示するように構成されている。また、言うまでもない
が、本発明の電子方位計は腕時計だけでなく適当なケー
スに収納し各種用途に供するすることが出来る。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係る電子方位計は、３個の磁気
センサを互いに等間隔で且つ磁界検出軸を１２０度にし
て配置して構成した磁気センサ部の３個の磁界出力信号
の中から、ノイズレベル以上の値を有する２つの信号を
選択し、所定の計算を行って方位角度を算出するもので
あって、３個の磁気センサを個々に駆動すると共に、駆
動されている磁気センサの磁界出力信号を選択回路で選
択してＡ／Ｄ回路に入力し、Ａ／Ｄ回路でデジタル信号
に変換して信号処理部のメモリに格納するようにしたも
のである。従って、３個の磁気センサを用いた従来の電
子方位計と同様に高い測定精度を有し、且つこの従来装
置よりも小型化と低消費電力化を図ることができた。こ
の小型化と低消費電力化に加えて、磁気センサをベアチ
ップ化して更に小型化することにより、腕時計その他の
移動体等への組み込みも容易になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子方位計の一実施例のブロック
回路図である。

【図２】図１に示す電子方位計の主要部の回路図であ
る。

【図３】本発明に係る電子方位計の動作を示す流れ図で
ある。

【図４】本発明における３個の磁気センサの配置例を示
す図である。

【図５】本発明に係る電子方位計をに組み込んだ腕時計
一実施例の要部の平面図である。

【図６】磁界との交差角度を横軸に磁束密度を縦軸にし
て示した２個の磁気センサからなる磁気センサ部の出力
特性図である。

【図７】磁界との交差角度を横軸に磁束密度を縦軸にし
て示した３個の磁気センサからなる磁気センサ部の出力
特性図である。

【図８】磁界との交差角度を横軸に磁束密度を縦軸にし
て示した４個の磁気センサからなる磁気センサ部の出力
特性図である。

【符号の説明】

１０磁気センサ部１１第１磁気センサ（磁気センサα）１２第２磁気センサ（磁気センサβ）１３第３磁気センサ（磁気センサγ）２０磁気センサ駆動回路２１第１駆動スイッチ２２第２駆動スイッチ２３第３駆動スイッチ３０選択回路３１第１選択スイッチ３２第２選択スイッチ３３第３選択スイッチ４０Ａ／Ｄ回路５０信号処理部５１制御回路５２ＲＯＭ５３ＲＡＭ５４キー入力回路５５表示装置５６表示駆動回路５７発振回路５８分周回路６１ムーブメント６２センサユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３個の磁気センサを相互に等間隔で且つ
磁界検出軸を１２０度にして配置した磁気センサ部と、
この磁気センサ部の出力信号をデジタル信号処理して方
位を決定し且つ表示する信号処理部を具備する電子方位
計において、前記磁気センサを個々に駆動する磁気セン
サ駆動回路と、この磁気センサ駆動回路により駆動され
ている磁気センサを選択する選択回路と、選択された磁
気センサのアナログの出力信号を前記選択回路を介して
入力しデジタル値に変換して前記信号処理回路の制御回
路に出力するＡ／Ｄ回路とを設け、前記制御回路に前記
磁気センサ駆動回路及び前記選択回路の動作を同期して
制御させるようにしたことを特徴とする電子方位計。
【請求項２】前記制御回路は３つの磁界出力信号から
スレシホールド値以上の大きさの２つの磁界出力信号を
選択する信号判定手段、及び選択された２つの磁界出力
信号から方位角度を算出する方位演算手段を有すること
を特徴とする請求項１の電子方位計。
【請求項３】請求項１の電子方位計を時計に組み込み
んだ電子方位計付時計。