JP2012505367A - １つのパッケージに統合され傾斜の補償がなされるコンパス - Google Patents

Abstract

磁気コンパスは、磁気センサと、加速センサと、それぞれのセンサと電子的に通信するそれぞれの信号調整回路と、マイクロプロセッサとを含む。これらのコンポーネントは単一電子パッケージに配され構造的に結合される。単一電子パッケージは、センサと、信号調整回路と、マイクロプロセッサとを支持し、小型化した磁気コンパスを提供する。更に、温度センサが単一電子パッケージと結合され、上記のコンポーネントの少なくとも何れかのものに対して温度補償を提供する。

Description

１つのパッケージに統合され傾斜の補償がなされるコンパス。

既存の磁気コンパスは、典型的には、磁気センサと加速センサとを含むように構成されるが、現在のパッケージ技術は、既存のコンパスを、十分に小さいものとし且つ工業の先端の性能および精度に関する要求を満たすものとすることができない。従来、既存のコンパスの磁気センサと加速センサとは、別個の電子パッケージに配されている。更に、コンパスは、他の別個の電子パッケージに配される信号調整集積回路を含み得る。従って、コンパスの様々な機能を行うために、様々なパッケージが互いに電子的に通信するように構成される。

本発明は、ＳＭＴアセンブリ・コンパチブルである１つの電子パッケージに配される磁気コンパスを提供する。磁気コンパスは、磁気センサと、磁気センサと電子的に通信する第１の集積化した信号調整回路と、加速センサと、加速センサと電子的に通信する第２の集積化した信号調整回路と、第１および第２の集積化した信号調整回路と電気的に通信するマイクロプロセッサと、上記のセンサと信号調整回路とマイクロプロセッサとを集積化した配置で構造的に支持する単一電子パッケージとを含み、上記のセンサと信号調整回路とマイクロプロセッサとは、信号調整およびコンパスの計算を行うために対話するものであり、更に、コンパスをホスト・デバイスへ統合することを可能にする１組の特徴を含み得る。

本発明の１つの態様では、コンパス関連の計算を行うための磁気コンパスの電気コンポーネントを配置する方法は、磁気センサと加速センサと信号調整回路とを単一電子パッケージへ構造的に取り付けることと、マイクロプロセッサをパッケージ上で中央に位置させて構造的に取り付けて、マイクロプロセッサが少なくとも信号調整回路と電気的に通信するようにすることと、加速センサを用いてコンパスの傾斜角を検出し、マイクロプロセッサに対して傾斜角を表す信号を提供することと、磁気センサを用いて磁気の方向（heading）を検出し、マイクロプロセッサに対して磁気方向を表す信号を提供することと、マイクロプロセッサを用いて行われた計算の結果（算定数値）を出力し、読取可能なコンパスの傾斜角と磁気方向とを提供することとを含む。

本発明の好適な実施形態および代替の実施形態を、以下で、図面を参照して詳細に説明する。

図は、本発明の例示の実施形態に従った、単一電子パッケージに配された磁気コンパスの電子コンポーネントのハードウェア・ブロック図である。

以下の説明では、本発明の様々な実施形態を十分に理解できるように、或る特定の詳細が説明される。しかし、本発明は、それらの詳細や、それらの詳細の様々な組み合わせを用いずとも実施でき得ることを、当業者には理解できるであろう。別の例では、磁気センサ、加速度計、および電子ハードウェア・パッケージングに関連する知られた構造および方法およびそれらの動作は、本発明の実施形態の説明を不必要に不明瞭としないように、詳細に示さない場合や説明しない場合がある。

以下の説明は、一般に、傾斜補償される磁気コンパスに関するものであり、その磁気コンパスは、様々なセンサと、集積回路と、少なくとも１つのマイクロプロセッサとを単一電子パッケージに備え、一連のアプリケーションをイネーブルにするように動作する。アプリケーションは、例えば、Location Based ServicesおよびGeo Physical Informationのデータなどであるが、これらに限定されるものではない。電子パッケージは、一般に、回路、接続、およびボンド（bond）のバンドル（一束にされた回路、接続、およびボンド）と、電子デバイス内でのそれらの配置とであると理解されている。

本発明の態様は、一般に、磁気コンパスの様々な特徴と、それら特徴を単一電子パッケージに統合（集積）することとに関連する。好適には、磁気コンパスは完全に統合（集積化）され、傾斜補償されるコンパスは、磁気センサ、傾斜を検出するための３軸加速センサ、温度補償するための温度センサ、センサからの信号を調整するための信号調整集積回路（ＩＣ）、およびデジタル信号処理およびコンパス計算を行うためのマイクロプロセッサを有する。上述の電子コンポーネントの全ては、単一ラミネート（薄板）上に配される単一電子パッケージに配され、それにより、電子パッケージ全体を十分に小型化し、更に、組み立てのコスト効率を高める。１つの実施形態では、磁気コンパスは、主に、計算された方位（directional heading）と、望まれる基準面に対する傾斜角とを提供する。動作前に、様々なセンサは個々に校正され、動作中に、温度センサは、センサが正確な結果を導き出すために、温度補償を提供するように動作する。

図は、磁気コンパス１００のブロック図であり、磁気コンパス１００は、構造的に結合され、単一電子パッケージ１０２に配されたコンポーネントを有する。一例として、単一電子パッケージ１０２は、プラスチックや、シリコンや、それらと同等の材料からなる一片であり、その上に、従来は、単一のセンサ、プロセッサ、または集積チップが取り付けられていた。１つの実施形態では、単一電子パッケージ１０２は、フレキシブルなラミネートであり、パッケージ１０２の範囲全体を約９ｍｍ×９ｍｍの範囲またはそれより小さくすることを可能とする。

例示の実施形態では、単一電子パッケージ１０２は、集積化した接続プラットフォームを提供し、磁気センサ１０４、加速センサ１０６、磁気センサ１０４と電子的に通信し、磁気センサ１０４からの磁気信号１１０を処理する第１の信号処理集積回路１０８、加速センサ１０６と電子的に通信し、加速センサ１０６からの加速度計信号１１４を処理する第２の信号処理集積回路１１２を構造的に支持する。１つの実施形態では、第１の信号処理集積回路１０８と第２の信号処理集積回路１１２との一方または双方が、センサ１０４からの信号１１０およびセンサ１０６からの信号１１４のうちの対応するものを調整するようにカスタマイズされたアクティブの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。

上述のコンポーネントに加えて、マイクロプロセッサ１１６が、パッケージ１０２と構造的に結合され、第１の信号処理集積回路１０８および第２の信号処理集積回路１１２と信号通信するように配される。好適には、マイクロプロセッサ１１６は、パッケージ１０２の中央に配されて、パッケージ１０２のフットプリントを最小にする。好適な実施形態では、マイクロプロセッサ１１６は、約０．５〜２．０度の範囲内の精度のコンパス方位を提供するなどのような、コンパス計算を行うように動作する。一例として、方位の精度は、単一ユニットとして校正できる単一パッケージの全てのセンサが、より整合したデータを提供することにより可能とされ、特定的には、磁気、加速度、および電子パッケージの座標システムはコリニア（co-linear、共線形）とされる。更なる例としては、マイクロプロセッサ１１６は、センサ信号のデジタル化、デジタル信号の調整および補償、コンパス方位の計算、コンパス姿勢、および通信の処理を行う。

温度センサ１１８は、パッケージ１０２と構造的に結合され、マイクロプロセッサ１１６と信号通信するように配される。温度センサ１１８は、磁気コンパス１００の動作中に、センサ１０４、１０６、回路１０８、１１２、マイクロプロセッサ１１６、またはこれらの何らかの組み合わせに対して、少なくとも或る量の温度補償を提供するように動作する。マイクロプロセッサ１１６は、温度センサ１１８を用いてパッケージの温度を監視し、磁気センサおよび加速センサのオフセットおよびスケール・ファクタ（scale factor、目盛係数）を補償する。マイクロプロセッサ１１６を用いない別の形態の温度補償も可能である。

上述の特徴およびコンポーネントに加えて、磁気コンパス１００は、少なくとも１つのパッシブ（受動型）・コンポーネント１２０を含むことができ、これは、例えば、信号用のパッシブ・フィルタを構成するコンデンサや、アプリケーション（ホスト）の電源から引き出す電流を制限する抵抗であり得る。

電子パッケージ１０２は、集積回路１０８および／またはマイクロプロセッサ１１６の１以上のものが外部シリアル・デバイスと通信する又はインターフェースされる複数の様々なタイプのデータ通信デバイスやポート１２２を組み込むことができる。そのような通信デバイスの１つは、ユニバーサル非同期型レシーバ・トランスミッタ（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter、ＵＡＲＴ）であり、ＵＡＲＴは、マイクロプロセッサ１１６と、単一パッケージ１０２の外部に位置するシリアル・デバイスとの間でのデータ転送を制御するプログラムまたはモジュールを有する例えば、ＵＡＲＴは、マイクロプロセッサ１１６へ、ＲＳ２３２Ｃデータ・ターミナル・イクイップメント（ＤＴＥ）インターフェースを提供し、それにより、マイクロプロセッサ１１６は、モデムおよび他のシリアル・デバイスと、通信および／またはデータ交換を行うことができる。

更に、ブラグマティック・ゼネラル・マルチキャスト（pragmatic general multicast、ＰＧＭ）ポートも可能であり、これは、パッケージ１０２に配されたコンポーネントの少なくとも或るものが、コンパスをプログラムするためにプログラマと通信することを可能にする。

更に、単一電子パッケージ１０２は、様々なハードウェア・デバイスおよびソフトウェア・デバイスと通信するように構成される。これらのデバイスは、インターインテグレーテッド・サーキット（inter-integrated circuit、Ｉ２Ｃ）バス、シリアル・ペリフェラル・インターフェース（serial peripheral interface、ＳＰＩ）バス、およびＵＡＲＴを含むが、これらに限定されるものではない。更に、センサ１０４、１０６、信号調整集積回路１０８、１１２、マイクロプロセッサ１１６、および温度センサ１１８の配置は、コンパス１００の機能を改善し得る。この改善は、推測航法と、ホストに対しての様々な考慮され得る機械的取り付けのためのユーザ定義のコンパスの向きと、何れのホストにも常に存在する磁気的外乱に対する補償を行うための完全に自動化した現場またはユーザの校正と、ＳＭＴ組み立てプロセスの間に殆どの加速度計にもたらされるシフトを補正するための組立後の加速度計の補償方法と、応用での必要性に応じてコンパスをカスタマイズすることを可能にするためのユーザ選択可能な加速範囲とを提供することによるものである。

好都合に、単一電子パッケージ１０２は、磁気センサと加速度計とを統合し、センサの校正を工場で行う事を可能にし、かつ、ユーザに、単一パッケージのプラグ・アンド・プレイの傾斜補償された磁気コンパスの利点を提供する。コンパスは、工場を離れる前に、正確な方位および傾斜のデータを提供するように校正されることができる。これにより、センサをホスト・アプリケーションの段階で校正する必要性が除かれ、プラグ・アンド・プレイを可能とする。また、これがプラグ・アンド・プレイとなるのは、デバイスが、生のセンサ・データや未補償の方位データとは異なり、センサの補償され完全に校正された方位出力を送信するからである。更に、コンパス１００の様々なコンポーネントは、表面実装技術（surface mount technology、ＳＭＴ）、ワイヤ・ボンディング（wire bonding）、フリップ・チップ、スタックト・ダイ（stacked die）、または他の集積回路組み立て技術を介して、電子パッケージ１０２に統合され構造的に結合される。磁気コンパス１００は温度補償されたコンパス方位を出力するので、ユーザは、コンパス１００を動作させるときに、方位の計算も補償もそれらと同様のステップも行う必要がない。

本発明の好適な実施形態を例示し説明したが、本発明の精神および範囲を超えることなく、多くの変更を行うことができる。本発明の範囲は、開示された実施形態により制限されるものではない。本発明は、特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。

Claims (20)

1. 磁気コンパスであって、
   磁気センサと、
   前記磁気センサと信号を通信する第１の信号調整回路と、
   加速センサと、
   前記加速センサと信号を通信する第２の信号調整回路と、
   前記第１の信号調整回路および前記第２の信号調整回路と信号を通信するマイクロプロセッサと、
   前記のセンサ、前記の信号調整回路、および前記マイクロプロセッサを構造的に支持し、電気的に相互接続するように構成される単一電子パッケージであって、前記のセンサ、前記の信号調整回路、および前記マイクロプロセッサは、信号調整およびコンパスのための計算を行うために対話するものである、単一電子パッケージと、
   を備える磁気コンパス。
2. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記加速センサは、磁界の成分を検出するために配される少なくとも２つの磁界感知軸を含む、磁気コンパス。
3. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記加速センサは、磁界の成分を検出するために互いに実質的に直交して配される３つの磁界感知軸を含む、磁気コンパス。
4. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記加速センサは、加速度を検出するために配される少なくとも２つの加速感知軸を含む、磁気コンパス。
5. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記加速センサは、加速度を検出するために互いに実質的に直交して配される３つの加速感知軸を含む、磁気コンパス。
6. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、第２の信号調整回路は統合される、磁気コンパス。
7. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記パッケージに取り付けられ前記マイクロプロセッサと信号を通信する温度センサを更に備える磁気コンパス。
8. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記温度センサは、感知された前記信号の少なくとも１つに対する温度補償を与えるように構成される、磁気コンパス。
9. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記単一電子パッケージは、プラスチック、シリコン、およびラミネートを含むグループから作られる、磁気コンパス。
10. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記第１の信号処理回路は、前記磁気センサからの信号を処理するための特定用途向け集積回路として構成される、磁気コンパス。
11. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記第２の信号処理回路は、前記加速センサからの信号を処理するための特定用途向け集積回路として構成される、磁気コンパス。
12. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記単一電子パッケージは、表面実装技術を用いて、前記磁気コンパスを次のレベルのアセンブリ上に統合することを可能とするように構成される、磁気コンパス。
13. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記単一電子パッケージは、垂直または水平に、および任意の向きに、組み立てることができる、磁気コンパス。
14. 請求項１に記載の磁気コンパスであって、前記マイクロプロセッサは、前記単一電子パッケージが望まれる向きに配されたときにコンパスの方位を求めるように動作する、磁気コンパス。
15. コンパス関連の算定数値を生成するために磁気コンパスの電気的コンポーネントを配する方法であって、
    磁気センサと、加速センサと、信号調整回路とを、単一電子パッケージ上に構造的に取り付けるステップと、
    マイクロプロセッサを前記単一電子パッケージの中央に配置し、構造的に取り付け、
    前記マイクロプロセッサが少なくとも前記信号調整回路と電気的に通信するようにする、ステップと、
    前記加速センサを用いて前記磁気コンパスの傾斜角を検出し、前記傾斜角を表す信号を前記マイクロプロセッサへ提供するステップと、
    前記磁気センサを用いて磁界を検出し、前記磁気の方位を表す信号を前記マイクロプロセッサへ提供するステップと、
    前記磁気コンパスの検出した傾斜角および磁気の方位に基づいて傾斜角および磁気の方位を出力するステップと
    を備える方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、前記磁気センサと、前記加速センサと、前記信号調整回路とを、前記単一電子パッケージ上に構造的に取り付ける前記ステップは、表面実装技術を用いることを含む、方法。
17. 請求項１５に記載の方法であって、前記出力するステップは、データ通信ポートを介してシリアル・デバイスとインターフェースすることを含む、方法。
18. 請求項１５に記載の方法であって、前記出力するステップは、前記単一電子パッケージの感知した温度基づいて温度補償を行うことを含む、方法。
19. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記単一電子パッケージに配され結合された温度センサを用いて前記単一電子パッケージの温度を感知するステップを更に備える、方法。
20. 請求項１５に記載の方法であって、前記磁気コンパスを次のレベルのアセンブリ上に取り付けることから生じる、補償のためのセンサのバイアスを感知するステップを更に備える方法。

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