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2020.06.30 センサ

地磁気センサ

センサの基礎

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地磁気センサは名前の通り地磁気を検出して、主に方位を知ることに使われますが、センサの感度によっては、屋内測位やAR(拡張現実)への応用や、金属異物検出にも利用できます。

地磁気センサとは

地球には北極をS極、南極N極とする(厳密には極点から少しずれている)磁気が取り巻いています。これが地磁気で、方位磁石は地磁気を利用した一種のセンサとも言えます。地磁気センサはこの地磁気を検出するセンサの総称で、別名電子コンパスとも呼ばれ方角を知ることができます。センサ素子の違いや用途によっていろいろな種類があります。

地磁気センサの方位検出原理

地磁気センサには主にXとYの2軸タイプとX、Y、Zの3軸タイプがあり、各軸方向の磁力を計測します。XとY軸が水平の場合はXとY軸のみの計測値を使って方位を計算します。ただ、実際はX、Y軸が水平であることは困難であり、3軸での計測値と加速度センサを組み合わせて傾きの補正を行うのが一般的です。

右下の図は、地磁気センサのX、Y軸を水平に回転させた場合の、各出力を分布図にしたものです。地磁気センサを水平に回転させると、周囲の磁場の影響がない理想的な場合、出力分布図の円の中心はゼロになります。しかしながら、実際は周囲に磁場があることが多くその影響を受けるので中心はずれます。実際に図でもずれています。そのため、円の中心をゼロに補正する必要があります。

その計測結果を基に、左下の計算式を使って磁北からの角度を算出し、方角を導出することができます。磁北とは磁石が実際に指す北で、北極点からは少しずれています。

左:地磁気センサのX、Y出力のプロット。右:地磁気センサのX、Y出力から磁北を算出する式。

地磁気センサの種類

磁気センサには、目的に応じていろいろな種類があります。以下に代表的なものを示します。

●ホールセンサ
ホール効果を用いて磁束密度を測定するセンサで磁束密度に比例した電圧を出力する。使い勝手がよく、冷蔵庫のドアや電子機器の蓋やケースなどの開閉検出など、主に非接触スイッチ用途に使用される。

●MRセンサ
MR(Magneto Resistance)センサは、磁気抵抗効果を利用したセンサで、個体の電気抵抗が磁界によって変化するのを利用して地場の大きさを測定する。ホールセンサより感度が高く、消費電力も小さいことから採用が増えており、電子コンパスなどの地磁気検出の他、モータの回転、位置検出などに用いられる。

●MIセンサ
MI(Magneto Impedance)センサは、特殊なアモルファスワイヤを使用し、その磁気インピーダンス効果を応用した磁気センサで、次世代の磁気センサと言われている。ホールセンサに対し10,000倍以上も感度が高く、地磁気の微小な変化も高精度に測定が可能。超低消費電流の方位検出(電子コンパス)用途の他、屋内測位、金属異物検出など高感度特性を活かしたアプリケーションに展開可能。

ホールセンサ、MRセンサ、MIセンサの特徴

MI磁気センサ:BM1422AGMV

実際のセンサの例として、MI磁気センサICのBM1422AGMVを紹介します。BM1422AGMVは3軸のデジタル出力仕様で、3軸分のMIセンサと制御用チップを2mm角の超小型パッケージに集積しています。出力は12ビット/14ビットのデジタル出力で、ホストとのインタフェースはI2Cです。

左:MIセンサICのBM1422AGMVの2mm角超小型パッケージ。右:MIセンサICのBM1422AGMVの機能ブロック図。

MIセンサの高感度を活かしたアプリケーション例

MIセンサは非常に高感度であることから、方位検出(電子コンパス)用途の他にも屋内測位、AR(拡張現実)、金属異物検出など様々なアプリケーションがあります。

以下は、路上に設置したMIセンサにより、そこを移動した自動車による地磁気の変化を捉えた例です。

MIセンサICのBM1422AGMVを使った自動車の移動検出の例

これは一例ですが、このように地磁気の変動を高感度で検出できることにより、多様なアプリケーションへの展開が期待されています。

キーポイント:

・地磁気センサは地磁気を検出して、主に方位を知ることに使われる。

・センサの感度によっては、屋内測位やAR(拡張現実)への応用や、金属異物検出にも利用できる。

・主にXとYの2軸タイプとX、Y、Zの3軸タイプがある。

・磁気センサには、目的に応じていろいろな種類があり、代表的なものとして、ホールセンサ、MRセンサ、MIセンサがある。

・MIセンサは、ホールセンサに対し10,000倍以上も感度が高く、地磁気の微小な変化も高精度に測定が可能。

・BM1422AGMVは3軸のデジタル出力MIセンサICで、σノイズはホールセンサに比べ1桁低い。