特許 6525336 ３軸デジタルコンパス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6525336

(24)【登録日】2019年5月17日

(45)【発行日】2019年6月5日

(54)【発明の名称】３軸デジタルコンパス

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/02 20060101AFI20190527BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20190527BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20190527BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/02 V

   G01R33/09

   G01R33/02 L

   H01L43/08 Z

【請求項の数】8

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2016-515637(P2016-515637)

(86)(22)【出願日】2014年5月28日

(65)【公表番号】特表2016-521845(P2016-521845A)

(43)【公表日】2016年7月25日

(86)【国際出願番号】CN2014078685

(87)【国際公開番号】WO2014190909

(87)【国際公開日】20141204

【審査請求日】2017年2月14日

(31)【優先権主張番号】201310202801.1

(32)【優先日】2013年5月28日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】514116947

【氏名又は名称】江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＭＵＬＴＩＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ディーク、ジェイムズ ゲーザ

(72)【発明者】

【氏名】チョウ、チーミン

(72)【発明者】

【氏名】リー、ダン

【審査官】 永井 皓喜

(56)【参考文献】

【文献】 中国特許出願公開第１０３１１６１４３（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１７２６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１５５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０７３７４４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｇ０１Ｒ ３３／０６

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／０６

Ｈ０１Ｌ ４３／０４

Ｈ０１Ｌ ４３／０２

Ｈ０１Ｌ ４３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部磁場のＺ軸磁場成分がＸ軸磁場成分とＹ軸磁場成分とに変わるように前記外部磁場を歪ませる磁束コンセントレータと、
Ｘ軸方向に沿った両側で前記磁束コンセントレータの縁部の近くにそれぞれ位置し、Ｘ軸磁場センサの各々が前記Ｘ軸と平行である感知方向を有する２つのＸ軸磁気センサと、
Ｙ軸方向に沿った両側で前記磁束コンセントレータの縁部の近くにそれぞれ位置し、Ｙ軸磁場センサの各々が前記Ｙ軸と平行である感知方向を有する２つのＹ軸磁気センサと、
各々の前記磁気センサの出力端子に接続され、前記磁気センサの出力信号をサンプリングするために用いられる信号サンプリングユニットと、
前記サンプリングユニットの出力に接続され、前記サンプリングされた信号から対応する前記Ｘ軸磁場成分、前記Ｙ軸磁場成分、および前記Ｚ軸磁場成分を計算するために使用される信号処理ユニットと、
前記信号処理ユニットによって実行された計算を表現するデジタル信号を送出する信号出力ユニットと、
を備え、
前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサは、ＡＭＲ、ＧＭＲ、またはＴＭＲ磁気センサ素子で構成され、
前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサは各々が少なくとも感知素子および参照素子を含み、前記参照素子は、前記磁束コンセントレータの下に位置し、前記感知素子は、前記磁束コンセントレータの前記縁部に沿って位置し、
前記外部磁場の前記Ｚ軸磁場成分は、前記Ｘ軸磁気センサからの２つの出力信号の間の差と相関がある、もしくは、前記Ｙ軸磁気センサからの２つの出力信号の間の差と相関がある、または、Ｙ軸磁気センサ出力の間の差に加算されたＸ軸磁気センサ信号出力の間の差の合計と相関がある、３軸デジタルコンパス。

【請求項2】

前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサの各々は、基板表面に成膜され、前記基板表面と平行である磁場成分を感知する、請求項１に記載の３軸デジタルコンパス。

【請求項3】

前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサは、ピン止め層磁化方向をもつＸ軸磁気感知素子と、互いに直交する方向に並べられたピン止め層磁化方向をもつＹ軸磁気感知素子とを有するスピンバルブである、請求項１に記載の３軸デジタルコンパス。

【請求項4】

前記外部磁場の前記Ｘ軸磁場成分は、前記Ｘ軸磁気センサからの２つの出力信号の合計と相関があり、前記外部磁場の前記Ｙ軸磁場成分は、前記Ｙ軸磁気センサからの２つの出力信号の合計と相関がある、請求項１に記載の３軸デジタルコンパス。

【請求項5】

前記磁束コンセントレータは、高透磁率軟磁性材料ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＳｉＢまたはＦｅＳｉＢＮｂＣｕで構成されている、請求項１に記載の３軸デジタルコンパス。

【請求項6】

前記磁束コンセントレータの厚さは、１から２０μｍである、請求項１に記載の３軸デジタルコンパス。

【請求項7】

基板は、ＣＭＯＳを含み、前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサは、前記基板の上部にリソグラフィ的にパターニングされている、請求項１に記載の３軸デジタルコンパス。

【請求項8】

前記外部磁場の前記Ｘ軸磁場成分は、前記Ｘ軸磁気センサからの２つの出力信号の合計と相関があり、前記外部磁場の前記Ｙ軸磁場成分は、前記Ｙ軸磁気センサからの２つの出力信号の合計と相関がある、請求項７に記載の３軸デジタルコンパス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気センサ技術、詳しくは、３軸デジタルコンパスに関する。

【背景技術】

【0002】

家電製品、たとえば、スマートフォン、タブレットコンピュータ、および他の携帯用電子機器の分野では、完全な９軸慣性磁気誘導ユニットを形成するために、３軸ジャイロスコープおよび３軸加速度計のような慣性測定機器と組み合わされた３軸コンパスを使用することが必要である。これらの３軸コンパスは、同時に３つの磁場成分を一斉に測定することができ、ＡＭＲ、ＧＭＲ、またはＴＭＲ磁気抵抗センサで構成されている。これらの磁気抵抗センサは、２軸ＸＹ磁場センサを実現するために、２つの磁場成分Ｘ、Ｙが同じ基板上の２つの直交する磁気抵抗センサによって検出できるように基板の平面内の磁場を検出する。しかしながら、Ｚ軸磁場成分については、１つの解決手法は、直交平面上に設置された１軸センサを使用することである。この方法は、以下の欠点がある。

【0003】

１）Ｚ単軸磁気センサ付きのＸＹ磁気センサは、完全に一体化された製造工程では完成させることができないので、複雑さを増加させる。

【0004】

２）完全に一体化された製造工程と比較して、３軸コンパスへの個別のセンサの組み付けは、あまり正確ではなく、このことは、結果として得られるセンサの精度に影響を与える。

【0005】

３）１軸Ｚ軸磁気センサは、ＸＹ２軸磁気センサに垂直である感知軸を有するので、結果として得られる３軸磁場センサのサイズがより大きくなり、このことは、機器のサイズを増大させ、パッケージング工程の複雑さを増加させる。

【発明の概要】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明は、３軸デジタルコンパスを開示し、コンパスの素子は、シングルチップ上に生成することができ、コンパスは、磁場を歪ませるために磁束コンセントレータを利用し、平面に垂直であるＺ軸磁場成分が平面内ＸＹ成分に変換され、２つのＸおよびＹ磁気センサによって検出することができ、その結果として、ＸおよびＹ磁気センサは、Ｘ、Ｙ、Ｚ磁場成分を同時に計算するために使用することができ、これらのＸ、Ｙ、Ｚ磁場成分は、次に、アルゴリズムによって取り出すことができ、その後、デジタル信号に変換される。本発明は、
外部磁場のＺ軸成分がＸ軸磁場成分とＹ軸磁場成分とに変わるように前記外部磁場を歪ませる磁束コンセントレータと、
Ｘ軸方向に沿った両側で前記磁束コンセントレータの縁部の近くにそれぞれ位置し、Ｘ軸磁場センサの各々が前記Ｘ軸と平行である感知方向を有する２つのＸ軸磁気センサと、
Ｙ軸方向に沿った両側で前記磁束コンセントレータの縁部の近くにそれぞれ位置し、Ｙ軸磁場センサの各々が前記Ｙ軸と平行である感知方向を有する２つのＹ軸磁気センサと、
各々の前記磁気センサの出力端子に接続され、前記磁気センサの出力信号をサンプリングするために用いられる信号サンプリングユニットと、
前記サンプリングユニットの出力に接続され、前記サンプリングされた信号から対応する前記Ｘ軸磁場成分、前記Ｙ軸磁場成分、および前記Ｚ軸磁場成分を計算するために使用される信号処理ユニットと、
前記信号処理ユニットによって実行された計算を表現するデジタル信号を送出する信号出力ユニットと、
を備える３軸デジタルコンパスを提供する。

【0007】

好ましくは、前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサの各々は、基板表面に成膜され、前記基板表面と平行である磁場成分を感知する。

【0008】

好ましくは、前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサは、ＡＭＲ、ＧＭＲ、またはＴＭＲ磁気センサ素子で構成されている。

【0009】

好ましくは、前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサは、ピン止め層磁化方向をもつＸ軸磁気感知素子と、互いに直交する方向に並べられたピン止め層磁化方向をもつＹ軸磁気感知素子とを有するスピンバルブである。

【0010】

好ましくは、前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサは各々が少なくとも感知素子および参照素子を含み、前記参照素子は、前記磁束コンセントレータの下に位置し、前記感知素子は、前記磁束コンセントレータの前記縁部に沿って位置している。

【0011】

好ましくは、前記磁場の前記Ｘ軸成分は、前記Ｘ軸磁気センサからの２つの出力信号の合計と相関があり、前記磁場の前記Ｙ軸成分は、前記Ｙ軸磁気センサからの２つの出力信号の合計と相関がある。

【0012】

好ましくは、前記磁場の前記Ｚ軸成分は、前記Ｘ軸センサからの２つの出力信号の間の差と相関がある、もしくは、前記Ｙ軸センサからの２つの出力信号の間の差と相関がある、または、Ｙ軸磁気センサ出力の間の差に加算されたＸ軸磁気センサ信号出力の合計の間の差と相関がある。

【0013】

好ましくは、前記磁束コンセントレータは、高透磁率軟磁性材料ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＳｉＢまたはＦｅＳｉＢＮｂＣｕで構成されている。

【0014】

好ましくは、前記磁束コンセントレータの厚さは、１から２０μｍである。

【0015】

好ましくは、基板は、ＣＭＯＳを含み、前記Ｘ軸磁気センサおよび前記Ｙ軸磁気センサは、前記基板の上部にリソグラフィ的にパターニングされている。

【0016】

好ましくは、前記磁場の前記Ｘ軸成分は、前記Ｘ軸磁気センサからの２つの出力信号の合計と相関があり、前記磁場の前記Ｙ軸成分は、前記Ｙ軸磁気センサからの２つの出力信号の合計と相関がある。

【0017】

好ましくは、前記磁場の前記Ｚ軸成分は、前記Ｘ軸磁気センサからの２つの出力信号の間の差と相関があり、もしくは、前記Ｙ軸磁気センサからの２つの出力信号の間の差と相関があり、または、Ｙ軸磁気センサ出力の間の差に加算されたＸ軸磁気センサ信号出力の合計の間の差と相関がある。

【0018】

本発明は、小型、単純な製造工程、簡単なパッケージング、新規な構造、単純なアルゴリズム、および高測定精度をもたらす。

【0019】

提案された技術的解決手段の様々な実施をより明確に例示するため、以下の図および本文は、技術的解決手段を紹介するために簡単な実施例を紹介しているが、言うまでもなく、以下の記載は、あらゆる可能な事例について説明するものではなく、平均的な当業者は、創造的な努力なしで、添付図面を使用してさらなる図を作ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の３軸コンパスの平面図である。

【図2】Ｚ軸磁場の歪を表す図である。

【図3】Ｘ軸またはＹ軸磁場の歪を表す図である。

【図4】Ｘ軸に沿って印加された磁場を用いる３軸デジタルコンパスの測定原理を示す図である。

【図5】Ｙ軸に沿って印加された磁場を用いる３軸デジタルコンパスの測定原理を示す図である。

【図6】Ｚ軸に沿って印加された磁場を用いる３軸デジタルコンパスの測定原理を示す図である。

【図7】本発明の具体的な実施形態のブロック図である。

【図8】Ｘ軸およびＹ軸被参照ブリッジ型磁気センサの回路の概略図である。

【図9】本発明の３軸デジタルコンパスの断面図である。

【図10】本発明の３軸デジタルコンパスのために使用される信号処理システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

好ましい実施形態例と組み合わされた以下の図は、発明を詳細に説明するために使用される。

【実施例1】

【0022】

図１は、本発明の３軸デジタルコンパスの平面図を示す。図１から分かるように、３軸デジタルコンパスは、２つのＸ軸磁気センサ１および２と、２つのＹ軸磁気センサ３および４と、磁束コンセントレータ５とを含む。Ｘ軸磁気センサ１および２とＹ軸磁気センサ３および４とは、各々が少なくとも１つの感知素子および１つの参照素子を含む。これらは、基板の表面上に成膜され、磁束コンセントレータ５の外周の周りに配置され、Ｘ軸磁気センサ１および２は、向かい合って配置され、Ｙ軸磁気センサ３および４は、向かい合って配置されている。磁気センサの参照素子は、磁束コンセントレータ５の下に位置し、感知素子は、磁束コンセントレータ５の縁部の周りに位置している。Ｘ軸磁気センサは、磁場のＸ成分だけを検出し、Ｙ軸磁気センサは、磁場のＹ成分だけを検出する。２つのＸ軸磁気センサ１および２と２つのＹ軸磁気センサ３および４とは、ＡＭＲ、ＧＭＲ、またはＴＭＲ型磁気抵抗センサである可能性がある。これらは、スピンバルブでもよく、Ｘ軸磁気センサ１および２のピン止め層磁気モーメント方向は、Ｙ軸磁気センサ３および４のピン止め層磁化方向に関して直角に設定される。磁束コンセントレータ５は、高透磁率軟強磁性材料で構成され、好ましくは、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＳｉＢ、またはＦｅＳｉＢＮｂＣｕのような合金で構成されている。好ましくは、磁束コンセントレータ５は、１から２０μｍの厚さを有する。基板の表面は、ＸＹ平面と平行であり、Ｚ軸は、基板平面と垂直である。

【実施例2】

【0023】

図２は、磁束コンセントレータ５の周りのＺ軸磁場成分の分布を表す。磁力線６の分布から分かるように、磁束コンセントレータ５の近くで磁場のＺ成分は、曲げられるので、ＸＹ平面内に磁場成分を発生させる。磁束コンセントレータ５の周囲の周りに配置されたＸ軸およびＹ軸磁気センサの感知素子７および８は、Ｘ軸およびＹ軸磁場成分をそれぞれ測定することができ、出力信号を生成するが、磁束コンセントレータ５の下に位置している参照素子９および１０は、ＸまたはＹ磁場成分に晒されることがなく、近くの磁場は、ほぼ垂直方向に向けられるので、信号を生成し、出力することがない。

【実施例3】

【0024】

図３は、磁束コンセントレータ５の周りの磁場成分の分布のＸまたはＹ平面における断面図を表す。磁力線分布１１から、磁束コンセントレータ５の近くでのＸまたはＹ平面磁場成分は曲げられ、Ｚ軸成分を生成することが分かり、磁束コンセントレータ５の下に位置している参照素子９および１０に対して、磁場は、磁束コンセントレータの内部領域の近くで垂直であり、ほぼ完全にＺ軸成分を生成し、その結果、信号応答が生成されることはない。磁束コンセントレータ５の縁部の近くに位置している感知素子７および８に対して、Ｘ軸およびＹ軸磁場成分が存在するので、Ｘ軸またはＹ軸に向けられた磁場は、応答を生成するであろう。２つのＸ軸磁場センサは、Ｘ軸磁場成分に対する応答だけを生成するものであり、Ｙ軸磁場成分に応答することはないであろう。２つのＹ軸磁場センサは、Ｙ軸磁場成分に対する応答だけを生成するものであり、Ｘ軸磁場成分に応答することはないであろう。

【0025】

線形範囲において、センサ応答が外部磁場に関して以下の関係：
Ｖ_ｉｊ＝Ｓ_ｉｊＢ_ｉｊ＋Ｖｏ_ｉｊ
を有することを仮定する。式中、ｉ＝１または２であり、ｊ＝ｘまたはｙである。Ｓ_ｉｊは、磁気センサ感度を表し、以下の値の範囲：
Ｓ_ｉｊ：０＜Ｓ_ｉｊ＜１００ｍＶ／Ｖ／Ｇ
を有する。Ｂ_ｉｊは、各センサ位置の場所における磁場を表す。

【0026】

Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿った外部磁場は、磁束コンセントレータを通過した後に歪むようになる３つの成分Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、およびＢ_ｚを有する。Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、およびＹ２磁気センサの位置１〜４において、磁場Ｂ_１ｘ、Ｂ_２ｘ、Ｂ_１ｙ、およびＢ_２ｙは：
Ｂ_１ｘ＝αＢ_ｘ＋γＢ_ｚ
Ｂ_２ｘ＝αＢ_ｘ−γＢ_ｚ
Ｂ_１ｙ＝αＢ_ｙ＋γＢ_ｚ
Ｂ_２ｙ＝αＢ_ｙ−γＢ_ｚ
と表されることがある。

【0027】

センサの出力電圧は、磁場成分Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、およびＢ_ｚの線形結合：
Ｖ_１ｘ＝Ｓ_１ｘ（αＢ_ｘ＋γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_１ｘ
Ｖ_２ｘ＝Ｓ_２ｘ（αＢ_ｘ−γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_２ｘ
Ｖ_１ｙ＝Ｓ_１ｙ（αＢ_ｙ＋γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_１ｙ
Ｖ_２ｙ＝Ｓ_２ｙ（αＢ_ｙ−γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_２ｙ
に関連している。

【0028】

式中、αおよびγは、外部磁場に対する磁束コンセントレータ５の磁場利得係数であり、これらは、この磁束コンセントレータの長さ（Ｌ）、幅（Ｗ）、および厚さ（ｔ）の関数：
α＝α（Ｌ，Ｗ，ｔ）
γ＝γ（Ｌ，Ｗ，ｔ）
である。式中、
α：０＜｜α｜＜１００
γ：０＜｜γ｜＜１００
である。

【0029】

センサ出力に対するこれらの線形方程式を解法するために、４つの出力電圧信号Ｖ_１ｘ、Ｖ_２ｘ、Ｖ_１ｙ、Ｖ_２ｙを利用し、固有の磁場値の組Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、Ｂ_Ｚについてこれらの線形方程式を解法することができる：

【数1】

【数2】

【数3】

【0030】

簡単にするために、較正定数は、以下の通り：
Ｖ_ｏｘ＝Ｖｏ_１ｘ＋Ｖｏ_２ｘ
Ｓ_ｘ＝α（Ｓ_１ｘ＋Ｓ_２ｘ）
ここで、
Ｂ_ｏｘ＝Ｖ_ｏｘ／Ｓ_ｘ
Ｖ_ｏｙ＝Ｖｏ_１ｙ＋Ｖｏ_２ｙ
Ｓ_ｙ＝α（Ｓ_１ｙ＋Ｓ_２ｙ）
ここで、
Ｂ_ｏｙ＝Ｖ_ｏｙ／Ｓ_ｙ
Ｖ_ｏｚ＝（Ｖｏ_２ｘ−Ｖｏ_１ｘ）＋（Ｖｏ_２ｙ−Ｖｏ_１ｙ）
Ｓ_ｚ＝γ（Ｓ_１ｘ＋Ｓ_２ｘ＋Ｓ_１ｙ＋Ｓ_２ｙ）
ここで、
Ｂ_ｏｚ＝Ｖ_ｏｚ／Ｓ_ｚ
と定義することができる。

【0031】

このように、３つの感度および３つのオフセット較正係数を使用して以下の３つの簡単な方程式を解法することにより、３つの磁場成分Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、およびＢ_ｚを取得することができる。従って、この３軸コンパスの較正は、従来技術の設計と同じ複雑さである。

【数4】

【数5】

【数6】

【実施例4】

【0032】

図４、図５および図６は、それぞれ、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に印加された外部磁場の磁場分布を表している。Ｘ軸磁場成分１３、Ｂｙ＝０、Ｂｚ＝０だけに対して、Ｘ軸およびＹ軸磁気センサの出力は、それぞれ、以下の通り：
Ｖ_１ｘ＝Ｓ_１ｘ（αＢ_ｘ）＋Ｖｏ_１ｘ
Ｖ_２ｘ＝Ｓ_２ｘ（αＢ_ｘ）＋Ｖｏ_２ｘ
Ｖ_１ｙ＝Ｖｏ_１ｙ
Ｖ_２ｙ＝Ｖｏ_２ｙ
である。上記４つの方程式から、Ｖ_１ｘ、Ｖ_２ｘは、外部磁場に関連し、Ｖ_１ｙ、Ｖ_２ｙは、外部磁場に関連することなく、

【数7】

であることが分かる。

【0033】

図５は、Ｂ_ｘ＝０、Ｂ_ｚ＝０であるときのＢ_ｙ磁場成分１２を表している。このとき、Ｘ軸およびＹ軸磁気センサ出力は：
Ｖ_１ｘ＝Ｖｏ_１ｘ
Ｖ_２ｘ＝Ｖｏ_２ｘ
Ｖ_１ｙ＝Ｓ_１ｙ（αＢ_ｙ）＋Ｖｏ_１ｙ
Ｖ_２ｙ＝Ｓ_２ｙ（αＢ_ｙ）＋Ｖｏ_２ｙ
である。上記４つの方程式から、Ｖ_１ｘ、Ｖ_２ｘは、外部磁場に依存することがなく、Ｖ_１ｙ、Ｖ_２ｙは、

【数8】

であるように外部磁場に依存することが分かる。

【0034】

図６は、Ｂ_ｘ＝０、Ｂ_ｙ＝０である場合のＢ_ｚ磁場成分１４を表し、Ｘ軸およびＹ軸磁気センサ出力は、それぞれ：
Ｖ_１ｘ＝Ｓ_１ｘ（γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_１ｘ
Ｖ_２ｘ＝Ｓ_２ｘ（−γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_２ｘ
Ｖ_１ｙ＝Ｓ_１ｙ（γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_１ｙ
Ｖ_２ｙ＝Ｓ_２ｙ（−γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_２ｙ
である。ここから、Ｖ_１ｘ、Ｖ_２ｘ、Ｖ_１ｙ、およびＶ_２ｙは、外部磁場に関連し、

【数9】

であることが分かる。

【実施例5】

【0035】

図７は、３軸デジタルコンパス発明の具体的な実施形態の別の実施例を表している。同図において、Ｘ軸磁気センサ（１’，２’）およびＹ軸磁気センサ（３’，４’）は、基板の表面と平行である平面内でＸＹ磁場成分を感知し、同図は、ＸＹ平面と平行である平面を表している。磁気センサは、ＡＭＲ、ＧＭＲ、またはＴＭＲセンサでもよい。各磁気センサは、磁束コンセントレータ５の直ぐ下に位置している２つの参照素子８’および９’と、磁束コンセントレータ５の外周の周りに配置されている２つの感知素子７’および１０’とを含む。参照素子８’および９’は、ＸＹ磁場成分に晒されないので、外部磁場に対する応答が存在することなく、それ故に、２つのＸ軸およびＹ軸磁気センサ７’および１０’を使って磁場センサ信号出力が生成される。参照素子８’および９’は、磁束コンセントレータ５の外側縁部の周りにある感知素子７’および１０’の代わりに感知素子としても使用されることがある。参照素子８’、９’と感知素子７’、１０’とは、図８に表されるようにフルブリッジとして接続されている。同図において、各素子は、フルブリッジ回路が以下の出力電圧：

【数10】

を生じるように同じ向きに設定された各素子のピン止め層磁化を有する。

【実施例6】

【0036】

図９は、３軸デジタルコンパスの構造を表す概略図であり、Ｘ軸磁気センサおよびＹ軸磁気センサの感知素子７および８は、磁束コンセントレータ５の外周の周りに位置し、参照素子９および１０は、磁束コンセントレータ５の縁部の下に位置し、参照素子９、１０と感知素子７、８とは、ＣＭＯＳ基板１５の表面上にリソグラフィ的にパターニングされている。

【0037】

図１０は、３軸デジタルコンパスの信号処理回路の略図を表している。Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、およびＹ２軸磁場センサ出力端部は、信号サンプリングユニットＡＤＣ １７の入力と電気接続され、出力信号Ｖ_１ｘ、Ｖ_２ｘ、Ｖ_３ｘ、およびＶ_４ｘは、信号サンプリングユニットＡＤＣ １７に送られ、デジタル信号に変換され、ＡＤＣ信号サンプリングユニット１７のデジタル変換された信号は、これの電気接続された出力を介して信号処理ユニット１８へ送られ、信号処理ユニット１８は、次に、以下のとおり、Ｖ_１ｘ、Ｖ_２ｘ、Ｖ_３ｘ、およびＶ_４ｘに加算演算および減算演算：
Ｖ_１ｘ＝Ｓ_１ｘ（αＢ_ｘ＋γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_１ｘ
Ｖ_２ｘ＝Ｓ_２ｘ（αＢ_ｘ−γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_２ｘ
Ｖ_１ｙ＝Ｓ_１ｙ（αＢ_ｙ＋γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_１ｙ
Ｖ_２ｙ＝Ｓ_２ｙ（αＢ_ｙ−γＢ_ｚ）＋Ｖｏ_２ｙ
を実行する。式中、αおよびγは、外部磁場に対する磁束コンセントレータ５の磁場利得係数であり、これらは、磁束コンセントレータの長さ（Ｌ）、幅（Ｗ）、および厚さ（ｔ）の関数である。
α＝α（Ｌ，Ｗ，ｔ）
γ＝γ（Ｌ，Ｗ，ｔ）

【0038】

その後、以下の方程式を使用することにより、電圧信号は、３つの磁場成分：

【数11】

【数12】

【数13】

に変換することができる。

【0039】

３次元磁場計算の結果は、信号出力ユニット１９に伝達され、３軸デジタルコンパスが外部磁場測定の成分を出力することを可能にする。

【0040】

磁場のＺ軸成分は、Ｘ軸磁気センサからの２つの出力信号の間の差と相関がある、もしくは、Ｙ軸磁気センサからの２つの出力信号の間の差と相関がある、または、Ｙ軸磁気センサ出力の間の差に加算されたＸ軸磁気センサ信号出力の合計の間の差と相関がある。本発明の本実施形態では、他の方法が対応する形で最終的に説明される可能性があるが、最初の２つの方法は、実質的な相違がなく、当業者は、これらの実施を理解した直ぐ後に、全く疑いなしに、最初の２つの方法から本発明の実施形態を結論として出すことができるので、これらの方法の上記詳細な説明は、繰り返されない。

【0041】

上記事項は、本発明の好ましい実施形態を提示するが、上記事項は、本発明を限定しない。当該技術分野において熟練した技術者にとって、本発明は、様々な変形および変更を行うことができる。本発明の趣旨および原理の範囲内の変更、等価置換、または改良はどれでも本発明の範囲内に含まれるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】