CN1396436A - 带方位测量的便携电子设备及其磁传感器、方位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有带永磁和方位测量的通信设备的便携式电子设备，一种适于该设备的磁传感器单元，以及用于该设备的方位测量方法。手机具有CPU和包括X轴磁传感器、Y轴磁传感器和温度传感器的磁传感器单元。CPU在第一和第二温度上测量永磁体的磁场对X轴磁传感器的输出Sx和Y轴磁传感器的输出Sy的影响，并将该影响与第一和第二温度数据一起存储。根据温度检测器检测的当前温度以及所存储的影响数据，CPU估计在当前温度上对X轴磁传感器的输出Sx和Y轴磁传感器的输出Sy的影响。根据所估计的影响，CPU校正输出Sx和Sy，并根据校正的输出Sx和Sy，确定手机的方位。

Description

带方位测量的便携电子设备 及其磁传感器、方位测量方法

                        对相关申请的交叉参考

本申请基于2002年4月17日申请的日本专利申请2002-115250号，将其全部内容插入于此作为参考。

                        技术领域

本发明涉及一种具有带永磁和方位测量的通信设备的便携式电子设备，一种适于该设备的磁传感器单元，以及用于该设备的方位测量方法。

                        背景技术

已知磁传感器单元是用于检测地磁和测量方位的。近期的研究方向主要是将导向功能添加到典型的具有通信装置的手机之类的便携式电子设备以及能够检测地磁的磁传感器单元、包括扬声器、麦克风、收发机电路、显示装置等的通信设备。

包括扬声器、麦克风、显示装置等的通信设备具有永磁场。磁传感器单元输出对应于地磁场和永磁磁场的合成磁场的信号。因此，就出现下面的问题，从磁传感器单元输出的信号确定的方位是不准确的。永磁的磁场是随着磁体的温度而改变的。如果仅通过磁传感器信号在一温度上检测的磁体的磁场的影响来校正磁传感器单元的信号，并且从该校正的信号中确定方位，则当磁体温度变化时，所确定的方位是不正确的。

                        发明内容

本发明的一个目的在于提供一种即使在永磁体温度改变时也能够以高精度测量方位的便携式电子设备、一种适于该设备的磁传感器单元。

本发明的另一个目的在于提供一种能够以高精度测量方位的方位测量方法，其是通过用户的简单操作，估计该设备的永磁体的磁场对磁传感器单元的影响来达到上述目的的。

根据本发明的一个方面，提供一种便携式电子设备，包括：外壳；通信装置，位于所述外壳中，并具有永磁体；以及方位测量装置，位于所述外壳中，用于通过利用地磁来测量方位，其中所述方位测量装置包括：磁传感器，用于输出对应于外磁场的信号；温度传感器，用于检测温度；校正器，用于根据所检测的温度，估计永磁体的磁场对从所示磁传感器输出的信号的影响，并根据所述估计的影响校正从所述磁传感器输出的信号；以及方位确定装置，用于根据所校正的信号确定方位。所检测的温度对应于永磁体的温度。检测温度也包括估计温度。

根据所检测的温度，估计永磁体的磁场对磁传感器的输出的影响。通过所估计的影响，来校正磁传感器单元的输出。根据校正的磁传感器的输出确定方位。因此即使在永磁体的温度变化，并且永磁体的磁场对磁传感器单元的输出的影响变化的情况下，也能够以高精确度测量和确定方位。

以例如下面的方式，能够估计永磁体的磁场对磁传感器的输出的影响。首先便携式电子设备放置在桌子上，测量磁传感器单元输出的信号作为第一值。接着，在桌上的手机旋转180°的状态中，测量磁传感器单元输出的信号作为第二值。第一和第二值的和除以2(获得第一和第二值的平均值)。该估计需要用户将在桌上的手机旋转180°并执行其它操作。这些操作对用户来说是比较厌烦的，因此所需的这种操作要尽可能得少。

最好是，校正装置在第一温度和不同于第一温度的第二温度上，测量包含在磁传感器输出的信号中的永磁体的磁场的影响，并根据第一和第二温度、以及使用温度传感器检测的当前的温度上的变化，估计永磁体的磁场的影响。

通过在第一和第二温度上测量永磁体的磁场的影响，能够估计在另一温度上的影响。因此，在减少用于影响估计的由用户执行的多个操作的同时，能够以高精确度测量方位。根据实验，便携式电子设备的永磁体的磁场大约与永磁体的温度成比例。因此，在当前时刻的温度上的影响，可以通过相对于该温度，执行对在第一和第二温度上的影响的线性内插或外插来容易地估计。

永磁体的磁场的影响的测量不可避免地包含测量误差。因此，如果第一和第二温度之间的差值太小，则当根据在第一和第二温度上永磁体的磁场的影响，估计在另一温度上的永磁体的磁场的影响时，则担心会出现在每一温度上影响的测量误差可能会极大地降低在另一温度上的影响的估计精确度。

为避免这种情况，校正器最好提供有初始提示装置，用于当在第一温度上测量影响之后，使用所述温度传感器检测的温度与第一温度之间的差值变为预定温度、或更高时，提示该便携式电子设备的用户执行获得在第二温度上的影响的操作。该初始提示装置可以是在便携式电子设备的显示单元上显示这种效果的装置，或用于从便携式电子设备的声音生成装置生成这种效果的消息的声音的装置。

如果以上述方式，获得在第一和第二温度上的影响，就能够避免包含在影响测量中的测量误差大大地降低在另一温度上的影响的估计精确度。因为当在第二温度上测量影响时的时间通知给用户，所以能够避免不必要的初始操作。

根据本发明的另一个方面，提供一种磁传感器，包括：基板；磁传感器部件，形成于所述基板上，用于输出对应于外磁场方向和幅度的信号；以及温度传感器，形成于所述基板上，用于感知温度。

提供一种紧凑、成本低廉并能够相对于永磁体的温度补偿永磁体的磁场对方位测量的影响的磁传感器是可能的，并且该磁传感器适合于具有永磁体的便携式电子设备。

最好磁传感器包括多个磁传感器部件，并且磁传感器部件是磁阻响应部件，具有固定磁化方向的固着层(pinned layer)和磁化方向随外磁场变化的自由层，并且所述磁传感器部件根据固着层的磁化方向与自由层的磁化方向之间的夹角来改变其磁阻值。并且在多个磁阻效应部件中至少两个部件的固着层的磁化方向是交叉(cross)的。

因此，通过使用大磁阻效应(GMR)部件或磁隧穿效应(TMR)部件，能够提供一种以高精确度测量方位的磁传感器。

最好磁传感器还包括形成于相同基板上的数字信号处理电路。

能够提供一种磁传感器，其结构更紧凑，能够处理数字信号形式的信号，并适合于便携式电子设备。

根据本发明的再一方面，提供一种方位测量方法，包括步骤：准备便携式电子设备，该便携式电子设备包括：外壳，具有第一平面；通信装置，位于外壳中，并具有永磁体；磁传感器，位于外壳中，并输出对应于外磁场的信号；以及输出装置，形成于第一平面，用于输入操作信号；当输入操作信号时，在便携式电子设备的第一平面朝上的状态中，测量从磁传感器输出的信号，作为第一值；当输入操作信号时，在便携式电子设备的第一平面朝上，并且在测量第一值之后，便携式电子设备旋转180°的状态中，测量从磁传感器输出的信号，作为第二值；根据第一和第二值，估计永磁体的磁场对磁传感器输出的信号的影响；根据所估计的影响，校正从磁传感器输出的信号；以及根据磁传感器的校正信号，确定方位。

在便携式电子设备被旋转180°之前和之后，相同幅度和相反方向的地磁施加到磁传感器上。因此，在便携式电子设备被旋转180°之前和之后的磁传感器的每一输出之和是与地磁无关的，并对应于永磁体的磁场对磁传感器的输出的影响。通过使用这个和，能够容易地并以高精确度估计永磁体的磁场的影响。通过以上述方式确定方位，能够容易地并以高精确度测量该方位。

                        附图说明

图1是根据本发明的具有磁传感器单元的手机的前视图。

图2是图1所示手机的电子电路的结构的方框图。

图3是图2所示的磁传感器单元的平面视图(元件布局图)。

图4是图2所示的使用X轴磁传感器检测的外磁场H的X轴分量的输出特性图。

图5是图2所示的使用Y轴磁传感器检测的外磁场H的Y轴分量的输出特性图。

图6是图2所示的X轴磁传感器的等效电路图。

图7是图6所示的第一磁隧穿效应部件组的概略平面图。

图8是图7所示的第一磁隧穿效应部件组的剖面视图，其是沿着图7所示线1-1方向的视图。

图9是图7所示的第一磁隧穿效应部件组的概略平面图的一部分。

图10示出了与图7所示的第一磁隧穿效应部件组的外磁场相关的电阻改变特性图。

图11是表示图2所示的X轴磁传感器和Y轴磁传感器之间的位置关系以及它们的电连接图。

图12是图2所示的温度传感器的等效电路。

图13是图2所示的X轴磁传感器和Y轴磁传感器相对于方位的输出图。

图14至16是表示在图1所示的手机中不同的永磁体的磁场的温度特性图。

图17是表示图2所示的X轴磁传感器相对于地磁的输出特性图。

图18是表示图2所示的Y轴磁传感器相对于地磁的输出特性图。

图19是施加到图2所示的磁传感器单元的地磁和永磁体的漏磁场之间关系的矢量图。

图20至23是说明由图2所示的CPU执行的例程的流程图。

图24是表示温度传感器的另一个例子的电路图。

图25是图24所示电路的温度特性图。

                        具体实施方式

将通过以手机作为便携式电子设备的例子，参照附图说明根据本发明实施例的便携式电子设备。如图1所示的概略平面图，手机10具有外壳11、天线单元12、扬声器单元13、液晶显示单元14、操作单元(操作信号输入单元)15以及麦克风单元16。如图1所示的平面图，外壳11通常是具有沿垂直的X和Y轴延伸的边沿的矩形形状。天线单元12位于外壳11的右上方或左上方。扬声器单元13位于外壳11的右上方。液晶显示单元14位于外壳11的前面扬声器单元13的下方。液晶显示单元14用于显示字符和图形。操作单元15位于外壳11的前面液晶显示单元14的下方。操作单元15用于输入电话号码和其它的命令信号。麦克风单元16位于外壳11的前面的最下方。天线单元12、扬声器单元13、液晶显示单元14、操作单元15以及麦克风单元16的全部或部分构成了包括永磁体的通信装置。

图2是手机10的电子电路的概略方框图。手机10具有通过总线互连的CPU21、ROM22、RAM23和非易失RAM24。CPU21执行存储在ROM22中的各种程序。RAM23临时存储CPU21执行程序所需的数据等。当手机10的主电源被接通时，响应于来自CPU21的指令，在非易失RAM24中写入数据，并且即使在主电源断开期间，该写入的数据仍被存储和保持。响应于主电源接通期间来自CPU21的请求，将所保存的数据提供给CPU21。非易失RAM24可以用EEPROM来代替。

天线单元12具有收发器天线12a、连接到天线12a的收发器电路12b、连接到收发器电路12b的调制解调器电路12c。调制解调器电路12c解调由收发器电路12b接收的信号，并调制将发送的信号，并将其提供给收发器电路12b。扬声器单元13具有包括永磁体的扬声器13a以及连接到扬声器13a的声音发生器电路13b，用于生成提供给扬声器13a的信号以再现所对应的声音。液晶显示单元4具有液晶显示板14a和连接到液晶显示板14a的显示电路14b。液晶显示板14a位于手机10的外壳11的前面。显示电路14b生成提供给液晶显示板14a的信号以显示所对应的数据。操作单元15具有多个按压式按纽15a以及连接到按压式按纽15a的检测器电路15b，用于检测每一个按压式按纽15a的接通/断开状态。麦克风单元16具有麦克风16a以及连接到麦克风16a的放大器电路16b，用于放大从麦克风16a输入的声音信号。在这些单元中，调制解调器电路12c、声音发生器电路13b、显示电路14b、检测器电路15b和放大器电路16b是通过总线连接到CPU21，并受CPU21控制的。

手机10还具有磁传感器单元30，用于输出对应于外磁场的方向和幅度的信号。磁传感器单元30具有X轴磁传感器31、Y轴磁传感器32、温度传感器33和控制电路(数字信号处理器)34。如图3所示的磁传感器单元30的概略平面图，这些X轴磁传感器31、Y轴磁传感器32、温度传感器33和控制单元34，以及多个焊盘35一般形成在正方形的单片上。磁传感器单元30放在手机10中，一般与液晶显示板14a的面(外壳的前边)平行，如图1的虚线所示。

再来参照图2，控制电路34具有A/D转换器(ADC)34a以及直流恒压电路34b。控制电路34具有处理从X轴磁传感器31、Y磁传感器32以及温度传感器33输出的信号，并输出数字信号的功能。A/D转换器34a通过总线连接到CPU21。A/D转换器34a对从连接到A/D转换器34a的X轴磁传感器31、Y磁传感器32以及温度传感器33输出的信号进行A/D转换，并将A/D转换的数字数据提供给CPU21。直流恒压电路34b将恒定电压提供给连接到A/D转换器34a的X轴磁传感器31、Y磁传感器32以及温度传感器33。

图4是表示X轴磁传感器检测的输出Sx与外磁场H的X轴分量之间的关系图。图5是Y轴磁传感器检测的输出Sy与外磁场H的Y轴分量之间的关系图。处于安装在手机10上状态的X轴磁传感器31输入与外磁场的X轴分量成比例的信号值。同样，处于安装在手机10上状态的Y轴磁传感器32输入与外磁场的Y轴分量成比例的信号值。X轴磁传感器31和Y轴磁传感器32具有相同的结构，即输出与沿每一个预定方向的磁场幅度成比例的信号值，并以预定方向(磁场检测方向)是垂直的方式，位于磁传感器单元30的单片上。磁传感器单元30以这样的一种方式位于手机10上，即使X轴磁传感器31和Y轴磁传感器32输出与沿手机10的外壳11的X和Y轴平行的方向的磁场幅度成比例的信号值。

图6是X轴磁传感器31的等效电路。将详细描述X轴磁传感器31的结构。Y轴磁传感器32的结构与X轴磁传感器31的相似。X轴磁传感器31具有以全桥电路形式连接的第一至第四磁隧穿效应部件组31a、31b、31c和31d。

第一至第四磁隧穿效应部件组31a、31b、31c和31d的每一个具有相同的结构。作为这些部件的代表例子，将描述第一磁隧穿效应部件组31a的结构。

图7是第一磁隧穿效应部件组31a的放大的平面图。第一磁隧穿效应部件组31a是由多个(在该例中为20个部件)串联连接的磁隧穿效应部件构成的。

图8是沿图7所示的线1-1方向的第一磁隧穿效应部件组31a的部分剖面视图。磁隧穿效应部件组具有在基板上形成的矩形形状的多个下部电极31a1。下部电极31a1横向分布(沿X轴方向)在预定间隔的行中。下部电极31a1是由导电非磁性金属材料Cr(或Ta、Ti)制成的，并具有大约30nm的膜厚。在每一个下部电极31a1上，堆放了具有与下部电极31a1相同平面形状的抗强磁性膜31a2。抗强磁性膜31a2由PtMn制成，并具有大约30nm的膜厚。

在每一个抗强磁性膜31a2上，堆放了一对由NiFe制成的、具有大约10nm膜厚的强磁性膜31a3，在强磁性膜31a3之间具有一定的间隙。从平面视图看，强磁性膜31a3具有矩形形状，并且它们的较长的边是平行放置的。

图9是图7所示的第一磁隧穿效应部件组31a的平面图的部分。强磁性膜31a3构成一个固着层(pinned layer)，其磁化方向被抗强磁性膜31a2固定在沿箭头方向(正X轴方向，即短边方向)。

再参照图8，在每一个强磁性膜31a3上，堆放了具有与强磁性膜31a3相同平面形状的绝缘层31a4。绝缘层31a4是由Al₂O₃(Al-O)之类的绝缘材料制成的，并具有1nm的膜厚。

在绝缘层31a4上，堆放了具有与绝缘层31a4相同平面形状的强磁性膜31a5。强磁性膜31a5由NiFe制成，并具有大约40nm的膜厚。该强磁性膜31a5构成自由层(自由磁化层)，其磁化方向改变以近似地与外磁场的方向一致。强磁性膜31a5、绝缘膜31a4和强磁性膜31a3或固着层构成磁隧穿结结构。一个磁隧穿效应部件(除电极外)是由抗强磁性膜31a2、强磁性膜31a3、绝缘层31a4和强磁性膜31a5构成。

在每一个强磁性膜31a5上，堆放了具有与强磁性膜31a5相同平面形状的虚膜(dummy film)31a6。虚膜31a6由Ta之类的导电非磁性金属材料制成，并具有大约40nm的膜厚。

覆盖在基板30a、下部电极31a1、抗强磁性膜31a2、强磁性膜31a3、绝缘层31a4、强磁性膜31a5和虚膜31a6上，形成中间层绝缘层31a7。中间层绝缘层31a7与多个下部电极31a1以及抗强磁性膜31a2电绝缘，并还与分别形成在抗强磁性膜31a2上的一对强磁性膜31a3、绝缘层31a4、强磁性膜31a5和虚膜31a6电绝缘。中间层绝缘层31a7由SiO₂制成，并具有大约250nm的膜厚。

通过中间层绝缘层31a7形成到达虚膜31a6的接触孔CH。在该中间层绝缘层31a7上，通过覆盖接触孔CH并电连接到形成在不同的下部电极31a1和抗强磁性膜31a2之上的虚膜31a6之一，形成上部电极31a8。例如，上部电极31a8由Al制成，并具有300nm的膜厚。因此通过下部电极31a1和抗强磁性膜31a2和上部电极31a8，相邻的强磁性膜31a5(和虚膜31a6)和抗强磁性膜31a2对交替地、顺序地电连接。在这种方式中，可以形成具有20个串联连接的磁隧穿结结构的磁隧穿部件组31a，该磁隧穿结结构具有相同磁化方向的固着层。尽管未示出，还形成了覆盖在上部电极31a8上的SiO和SiN之类的钝化膜。

图10是表示如上所述形成的第一磁隧穿效应部件部31a的电阻R1和外磁场H之间的关系图。在外磁场H的绝对值较小的范围(即在磁场饱和范围-Hc至+Hc内)内，电阻R1与外磁场成比例地改变。外磁场随着固着层的磁化方向改变其幅度。即，电阻R1由下式(1)给出：

R1＝-(ΔR/Hc)·H+R0                 (1)

如图6所示，X轴磁传感器31具有四组磁隧穿效应部件。磁隧穿效应部件组31a至31d的固着层的磁化方向在图6中用箭头示出。第一和第四磁隧穿效应部件组31a和31d的固着层的磁化方向是正X轴方向，而第二和第三磁隧穿效应部件组31b和31c的固着层的磁化方向是负X轴方向。第一和第四磁隧穿效应部件组31a和31d的电阻R1根据式(1)变化，而第二和第三磁隧穿效应部件组31b和31c的电阻R2根据下面的式(2)变化：

R2＝(ΔR/Hc)·H+R0                   (2)

在X轴磁传感器31中，第一磁隧穿效应部件组31a连接到第二磁隧穿效应部件组31b的一端，并且第一和第二磁隧穿效应部件组31a和31b的另一端分别连接到直流恒压电路34b的正和负电极。同样第三磁隧穿效应部件组31c连接到第四磁隧穿效应部件组31d的一端，并且第三和第四磁隧穿效应部件组31c和31d的另一端分别连接到直流恒压电路34b的正和负电极。在第一和第二磁隧穿效应部件组31a和31b的连接点上的电位与第三和第四磁隧穿效应部件组31c和31d的连接点上的电位之间的电位差被拾取，并被提供到A/D转换器34a，作为X轴磁传感器31的输出Vout。

如上述所述构造的X轴磁传感器31检测X轴方向中外磁场H的X轴分量Hx，并输出由下面的式(3)给出的信号Vout(＝Sx)：

Sx＝Vin·(ΔR/R0)·(Hx/Hc)                  (3)

其中Vin是直流恒压电路34b的电压。

如图11所示，具有和X轴磁传感器31相同结构的Y轴磁传感器32放置在与X轴传感器31垂直的位置。Y轴磁传感器32检测Y轴方向中外磁场H的X轴分量Hy，并输出由下面的式(4)给出的信号Vout(＝Sy)：

Sy＝Vin·(ΔR/R0)·(Hy/Hc)          (4)

温度传感器33由带隙参考电路(band gap reference circuit)组成。该电路是如图12所示的一个例子的众所周知的偏置电路。正如已知的，该电路由不受温度影响的电流源I、四个晶体管Q1至Q4以及三个电阻R10至R30构成。现在描述这些元件的连接。电流源I连接在电压源Vcc和晶体管Q1的集电极之间。晶体管Q1的发射极接地，并且其基极连接到电阻R10的一端与晶体管Q2的集电极之间的连接点上。晶体管Q2的发射极通过电阻R20接地，其基极连接到与连接成二极管的晶体管Q3的基极和集电极。晶体管Q3的发射极接地，并且其集电极和基极通过电阻R30连接到电阻R10的另一端和晶体管Q4的发射极。晶体管Q4的基极连接到晶体管Q1的集电极，并且其集电极连接到电压源Vcc。电压源Vcc是控制电路34中提供的。

在图12所示的该电路中，将晶体管Q3与晶体管Q2的发射极面积比率设置成比“1”大的预定值N。带隙参考电路的输出电压Vbg由下面的式(5)给出：

Vbg＝VBE_Q3+VT·In(N)·R100/R200       (5)

其中VBE_Q3是晶体管Q3的基-射极电压，VT是热电压，R100是电阻R10的电阻值，R200是电阻R20的电阻值。

在式(5)中，已知VBE_Q3具有负温度系数(-2mV/K)，并且VT具有正温度系数(0.085mV/K)。显然，从式(5)中通过适当选择电阻值R100和R200，可以消除输出信号Vbg中的温度影响。因此在该实施例中，选择电阻值R100和R200使得能够消除输出信号Vbg的温度相关性。温度传感器33将电阻R30两端的电压(Vbg-VBE_Q3)提供给A/D转换器34a。

接着，在假设施加到磁传感器30上的外磁场H仅是地磁的情况下，通过如上所述构成的手机10，来描述方位测量方法。手机10的方位定义为：在手机10的外壳11的前面是通常的水平放置，并且该前面朝上的条件下，从末端部分(例如麦克风单元16)指向手机10的最接近部分(例如扬声器单元13)的矢量的方位，即沿正Y轴方向指向的矢量。在本说明书中，如图13所示，在参考方位a是0°(西)，并以从北、东到南的顺序旋转方位a所得到的90°、180°和270°的假设上定义方位的。

图13是在手机10的方位a与X轴和Y轴磁传感器31和32是输出信号Sx与Sy之间的关系图。

地磁是从南极指向北极的磁场。如果手机10的外壳11的前面是通常的水平放置，并且前面朝上，则磁传感器单元30的X轴和Y轴磁传感器31和32的输出信号相对于手机10的方位余弦地和正弦地变化，如图13所示，图13中所示的传感器输出信号Sx和Sy的值是标准化(normalize)的值。更具体地，X轴磁传感器31的实际输出信号Sx被输出信号Sx的最大值和最小值之间差值的一半分割，该输出信号是在手机10的外壳11的前面是通常的水平放置以及前面朝上的条件下，在该手机10的360°旋转过程中获得的。被差值的一半分割的实际输出信号Sx被用做输出信号值Sx的标准化值。同样，Y轴磁传感器32的实际输出信号Sy被输出信号Sy的最大值和最小值之间差值的一半分割，该输出信号是在手机10的外壳11的前面是通常的水平放置以及前面朝上的条件下，在该手机10的360°旋转过程中获得的。被差值的一半分割的实际输出信号Sy被用做输出信号值Sy的标准化值。

从图13所示的图中看出，通过考虑下面(1)至(4)的四种情况，能够获得手机10的方位a：

(1)如果Sx＞0，并且|Sx|＞|Sy|，则a＝tan^-1(Sy/Sx)

(2)如果Sx＜0，并且|Sx|＞|Sy|，则a＝180°+tan^-1(Sy/Sx)

(3)如果Sy＞0，并且|Sx|＜|Sy|，则a＝90°-tan^-1(Sx/Sy)

(4)如果Sy＜0，并且|Sx|＜|Sy|，则a＝270°-tan^-1(Sx/Sy)

如果在(1)至(4)的四种情况的任一中情况中获得的方位是负的，则将360°加到方位a上以将该结果用做方位a。如果所获得的方位是360°或大于360°，则从方位a中减去360°以将该结果用做方位a。

手机10具有扬声器13a等的多个永磁体。永磁体产生漏磁场。图14至16是表示手机10中的永磁体的漏磁场的温度特性。漏磁场的强度变化取决于在测量时刻的温度上永磁体的场强以及永磁体与测量点之间的距离。图14-16示出了在永磁体与测量点之间的距离是常数的条件下，不同永磁体的漏磁场的随温度变化的特性。在这些图中，横坐标表示温度，纵坐标表示漏磁场的场强。假设磁体与测量点之间的距离是常数，则漏磁场的强度相对于温度具有负系数关系。因此，具有与这些永磁体的温度近似成比例的幅度和近似相同方向的这些永磁体的漏磁场(不是地磁的外磁场)被施加到与手机10成预定位置放置的磁传感器单元30上。

如图17所示，X轴磁传感器的输出被移动(平行移动)一对应于漏磁场的偏置量OFx。同样，如图18所示，Y轴磁传感器的输出被移动一对应于漏磁场的偏置量OFy。如上所述，由于漏磁场近似地与永磁体温度成比例地变化，所以偏置量OFx和OFy也近似地与永磁体的温度成比例地变化。这些偏置量OFx和OFy可以认为是在磁传感器单元30的输出时的由永磁体产生的影响量。

图19是表示通过使用磁传感器单元30作为参考的、施加到磁传感器单元30的来自永磁体的漏磁场和地磁的矢量图。

首先，在该图中示出了在手机10的前面朝上，并且该手机10的方向被设置成预定(所需的)的方位的状态中，施加到磁传感器单元30的地磁TH0和来自永磁体的漏磁场LH。接着示出当手机10的方向被旋转180°时，施加到磁传感器单元30的地磁TH180和来自永磁体的漏磁场LH。从图19中看出，来自具有相同方向和幅度的永磁体的漏磁场LH总是施加到磁传感器单元30，而与手机10的方向无关。相反，当手机10旋转180°时，具有相同幅度和相反方向的地磁施加到磁传感器单元30。X轴磁传感器31的偏置量OFx可以通过下面的式(6)给出：

OFx＝(S1x+S2x)/2             (6)

其中S1x是当手机10的方向被设置成可选的方位θ时的X轴磁传感器31的输出，并且S2x是当手机10的方向被旋转180°(即，方位θ+180°)时的x轴磁传感器31的输出。

同样，Y轴磁传感器32的偏置量OFy可以通过下面的式(7)给出：

OFy＝(S1y+S2y)/2             (7)

其中S1y是当手机10的方向被设置成可选的方位θ时的Y轴磁传感器32的输出，并且S2y是当手机10的方向被旋转180°(即，方位θ+180°)时的Y轴磁传感器32的输出。

这些偏置量OFx和OFy与永磁体的温度成比例。在温度T的X轴磁传感器31的偏置量OFx由下面的式(8)给出：

OFx＝(OF2x-OF1x)·(T-T1)/(T2-T1)+OF1x    (8)

其中OF1x是温度T1的X轴磁传感器31的偏置量，OF2x是不同于温度T1的温度T2的X轴磁传感器31的偏置量。

同样，在温度T的Y轴磁传感器32的偏置量OFy由下面的式(9)给出：

OFy＝(OF2y-OF1y)·(T-T1)/(T2-T1)+OF1y    (9)

其中OF1y是温度T1的Y轴磁传感器31的偏置量，OF2y是温度T2的Y轴磁传感器31的偏置量。

在该实施例中，在计算偏置量OFx和OFy之后，偏置量OFx和OFy被从实际传感器输出Sx和Sy中减去以获得校正的传感器输出Sx和Sy。方位a是根据校正的传感器输出Sx和Sy和在(1)至(4)的四种情况中列出的方位计算方法的每一种方法而确定的。在这种方式中，能够以高精确度确定方位a而不受永磁体的漏磁场的影响。如上已经通过手机10描述了方位确定方法的原理。

接着将参照图23至23描述根据上述原理的通过手机10的CPU21执行的方位确定方法的操作。图20至23是说明每当经过预定时间时，由CPU21执行的程序的流程图。

如图20所示，在步骤1700，当购买手机10的用户第一次使用该电话，并接通电源时，CPU21在预定的时刻开始初始化提示显示例程(完成初始提示装置的功能)。接着在步骤1705，检查第一初始标志F1是否为“0”。在手机10生产之后立即执行的初始例程将第一初始标志F1的值设置成“0”。因此，在步骤1705，CPU21判断为“是”，并前进到步骤1710，在液晶显示板14a上显示用于提示手机10的用户执行初始操作的消息(初始提示消息)。此后，在步骤1795终止该例程。初始提示消息包括提示用户按压在多个按压式按纽15a中特定的偏置数据获得按纽以改变该按纽的状态为“on”状态的消息。

如图21所示，在步骤1800，CPU21在预定时刻开始偏置数据获得例程。接着，在步骤1805，检查偏置数据获得按纽的状态是否从“off”状态变成“on”状态。如果没有，即在步骤1805的判断是“否”，则前进到步骤1895，并重复上述处理。

当用户响应在液晶显示板14a上显示的初始提示消息，并且偏置数据获得按纽的状态从“off”状态变成“on”状态时，即在步骤1805 CPU21的判断是“是”，则前进到步骤1810。在步骤1810，在液晶显示板14a上显示“第一操作方法”的解释。第一操作方法的解释包括一消息，提示用户通过将外壳11的前面反转朝上将手机10放置在桌子上(即，通过设置前面近似水平)，并按压在多个按压式按纽15a中特定的偏置按纽，由此改变该按纽的状态为“on”状态。接着，在步骤1815，CPU21监视该偏置按纽的状态是否从“off”状态变成“on”状态。

当用户响应第一操作方法的解释，并将按纽的状态从“off”状态变成“on”状态时，即CPU21在步骤1815的判断是“是”，则前进到步骤1820。在步骤1820，检测X轴磁传感器31的输出Sx的绝对值是否大于可测量的最大值Smax或Y轴磁传感器32的输出Sy的绝对值是否大于可测量的最大值Smax。如果X轴磁传感器31的输出Sx的绝对值大于可测量的最大值Smax或如果Y轴磁传感器32的输出Sy的绝对值大于可测量的最大值Smax，则CPU21在步骤1820的判断是“是”，并前进到步骤1825。在步骤1825，在液晶显示板14a上显示初始失败的结果报警消息，然后前进到步骤1895终止该例程。

如果在步骤1820，X轴磁传感器31的输出Sx的绝对值等于或小于可测量的最大值Smax或如果Y轴磁传感器32的输出Sy的绝对值等于或小于可测量的最大值Smax，则CPU21在步骤1820的判断是“否”，并前进到步骤1830。在步骤1830，将X轴磁传感器31的输出Sx存储为第一X轴传感器输出S1x，并将Y轴磁传感器32的输出Sy存储为第一Y轴传感器输出S1y。

在步骤1835，CPU21在液晶显示板14a上显示“第二操作方法”的解释。第二操作方法的解释包括一消息，提示用户在手机10于桌子上旋转180°，并且其上面朝上之后，再次按压偏置按纽，并改变该按纽的状态为“on”。在步骤1840，CPU21再次监视该偏置按纽的状态是否从“off”状态变成“on”状态。

当用户响应第二操作方法的解释，并在手机10旋转180°之后，将偏置按纽的状态从“off”状态变成“on”状态时，即CPU21在步骤1840的判断是“是”，则前进到步骤1845。在步骤1845，检测X轴磁传感器31的输出Sx的绝对值是否大于可测量的最大值Smax或Y轴磁传感器32的输出Sy的绝对值是否大于可测量的最大值Smax。如果X轴磁传感器31的输出Sx的绝对值大于可测量的最大值Smax或如果Y轴磁传感器32的输出Sy的绝对值大于可测量的最大值Smax，则CPU21在步骤1845的判断是“是”，并前进到步骤1825。在步骤1825，显示初始失败的结果报警消息，然后前进到步骤1895终止该例程。

如果在步骤1845，X轴磁传感器31的输出Sx的绝对值等于或小于可测量的最大值Smax或如果Y轴磁传感器32的输出Sy的绝对值等于或小于可测量的最大值Smax，则CPU21在步骤1845的判断是“否”，并前进到步骤1850。在步骤1850，将X轴磁传感器31的输出Sx存储为第二X轴传感器输出S2x，并将Y轴磁传感器32的输出Sy存储为第二Y轴传感器输出S2y。

接着，在步骤1855，CPU21检查第一初始标记F1的值是否为“0”。在这种情况下，由于第一初始标记F1的值保持为“0”，则CPU21在步骤1855的判断是“是”，并前进到步骤1860。在步骤1860，计算X轴磁传感器31的第一X轴偏置量OF1x以及Y轴磁传感器32的第一Y轴偏置量OF1y。更具体地，第一X轴传感器输出S1x和第二X轴传感器输出S2x的和被2除(即，计算平均值)，并将所获得的值用做第一X轴偏置量OF1x。第一Y轴传感器输出S1y和第二Y轴传感器输出S2y的和被2除，并将所获得的值用做第一Y轴偏置量OF1y。第一X轴偏置量OF1x和第一Y轴偏置量OF1y存储在非易失RAM24中。

在步骤1865，CPU21读取温度传感器33的温度Temp，并将其存储在非易失RAM24中作为第一温度T1。在步骤1870，第一初始标记F1的值被设置成“1”，前进到步骤1895，在此终止该例程。

在这种状态中，由于CPU21在图20所示的步骤1700中开始初始提示显示例程，并前进到步骤1705，因为第一初始标记F1的值被设置成“1”，则CPU21判断为“否”以前进到步骤1715，在步骤1715，CPU21检查第二初始标记F2的值是否是“0”。通过上述的初始例程也将第二初始标记F2的值设置为“0”。因此，CPU21在步骤1715的判断是“是”以前进到步骤1720，在步骤1720，读取温度传感器33的温度Temp，并存储为当前温度Tc。在步骤1725，其检查第一温度T1和当前温度Tc之间的差值的绝对值是否大于预定的温度(阈值温度)Tth。阈值温度Tth是测量温度和在具有一定差异的两个温度上的地磁以保证使用温度传感器和磁传感器测量温度和地磁幅度的精确度所必需的。如果温度差值太小，则难于获得正确的温度系数和作出适当的校正。但是，阈值温度Tth(≥0℃)越小，则方位测量越精确。此外，在传感器和外磁场岁温度任意变化的情况下，阈值温度最好是较小的。由于上述原因，阈值温度最好是在5-25℃范围内选择。最好通过考虑上述条件来设置阈值温度Tth，例如Tth取10℃。

由于当前时间是紧接着第一温度T1之后获得的，在第一温度T1和当前温度Tc之间的差值的绝对值比阈值温度Tth小。因此，在步骤1725，CPU21的判断是“否”，以前进到步骤1795，在此终止该例程。

重复上述处理，直到第一温度T1和当前温度Tc的差值的绝对值变得大于阈值温度Tth为止。直到此时，将不再显示初始提示消息。

如图22所示，在步骤1900，CPU21在预定时刻开始偏置确定例程。在步骤1905，检测第二初始标志F2的值是否为“0”。在这种情况中，由于第二初始标记F2的值保持为“0”，则CPU21在步骤1905的判断是“是”以前进到步骤1910。在步骤1910，已经计算的第一X轴偏置量OF1x和第一Y轴偏置量OF1Y被设置成X轴磁传感器31的偏置量OFx和Y轴磁传感器32的偏置量OFy。此后，在步骤1995终止该例程。

如图23所示，在步骤2000中，CPU21开始方位计算例程(构成方位确定装置)。在步骤2005，减去了X轴磁传感器31的偏置量OFx的X轴磁传感器31的输出Sx被设置成X轴磁传感器31的校正输出Sx，并且减去了Y轴磁传感器31的偏置量OFy的Y轴磁传感器32的输出Sy被设置成Y轴磁传感器32的校正输出Sy。在步骤2010，CPU21判断采用(1)至(4)情况中的哪一种情况。根据判断结果，流程前进到步骤2015至2030，通过使用每个步骤所示的公式计算方位a。接着，CPU21以下面的方式确定最终的方位。即，在步骤2035，如果所计算的方位a是负的，则在步骤2040，将与360°相加后的方位a用做最终的方位a，而在步骤2035和2045，如果所计算的方位a是等于或大于360°，则在步骤2050，将减去360°后的方位a用做最终的方位a。此后，在步骤2095终止该例程。

接着对下述情况给出描述，即手机10中的永磁体的温度升高，并且第一温度T1和当前温度Tc之间的差值的绝对值变得大于阈值Tth(用做第二温度T2)的情况。在这种情况中，在步骤1700，1705，1715和1720之后的步骤1725中，CPU21的判断是“是”以前进到步骤1710，在步骤1710，在液晶板14a上再次显示初始提示消息。

当用户响应该消息，并按压偏置数据获得按纽以将状态改变为“on”状态时，CPU21在步骤1805的判断是“是”以前进到步骤1810以及随后的步骤，如图21所示。在步骤1830，在手机10的方向是任意的方位θ的状态中的X轴磁传感器31的输出Sx和Y轴磁传感器32的输出Sy被分别存储为第一X轴传感器输出S1x和第一Y轴传感器输出S1y。在步骤1850，在手机10的方向是方位θ+180°的状态中的X轴磁传感器31的输出Sx和Y轴磁传感器32的输出Sy被分别存储为第二X轴传感器输出S2x和第二Y轴传感器输出S2y，然后前进到步骤1855。

由于在步骤1870，第一初始标记被设置成“1”，则在步骤1855，CPU21的判断是“否”以前进到步骤1875。在步骤1875，计算X轴磁传感器31的第二X轴偏置量OF2x和Y轴磁传感器32的第二Y轴偏置量OF2y。具体地，第一X轴传感器输出S1x和第二X轴传感器输出S2x的平均值被用做第二X轴偏置量OF2x，第一Y轴传感器输出S1y和第二Y轴传感器输出S2y的平均值被用做第二Y轴偏置量OF2y。第二X轴偏置量OF2x和第二Y轴偏置量OF2y被存储在非易失RAM24中。

接着，在步骤1880，CPU21读取温度传感器33的温度Temp，并将其存储在非易失RAM24中作为第二温度T2。在步骤1885，第二初始标记F2的值被设置成“1”，前进到步骤1895，在此终止该例程。

在这种状态中，由于CPU21在图20所示的步骤1700中开始初始提示显示例程，而且第一和第二初始标记F1和F2均被设置成“1”，则在步骤1705和1715，CPU21判断均为“否”以前进到步骤1795，在此终止该例程。此后将不再显示初始提示消息。

在这种情况中，由于图2所示的偏置确定例程开始，且第二初始标记F2的值被改变为“1”，则CPU21在步骤1905的判断是“否”以前进到步骤1915，在步骤1915，读取温度传感器33的温度Temp，并将其存储为当前温度Tc。

接着，在步骤1920，CPU21根据上述式(8)，对第一温度T1上的第一X轴偏置量OF1x和第二温度T2上的第二X轴偏置量OFx2，相对于温度执行线性内插，由此获得当前温度Tc上的X轴偏置量OFx。同样，在步骤1925，CPU21根据上述式(9)，对第一温度T1上的第一Y轴偏置量OF1y和第二温度T2上的第二Y轴偏置量OFy2，相对于温度执行线性内插，由此获得当前温度Tc上的Y轴偏置量OFy。在步骤1995终止该例程。在上述方式中，偏置值OFx和OFy表示从永磁体的温度估计的、永磁体的磁场对磁传感器输出的影响。

在下面的处理中，如图23所示，CPU21执行方位计算例程，以便在步骤2005，通过偏置量OFx校正X轴磁传感器31的输出Sx，和通过偏置量OFy校正Y轴磁传感器32的输出Sy。步骤2005构成校正装置的一部分。在步骤2010和随后的步骤中，根据X轴和Y轴磁传感器31和32的输出Sx和Sy，计算(测量和确定)方位a。

如上所述，在根据本发明实施例的手机10中，根据永磁体的温度，将作为手机10的分量的永磁体的磁场对磁传感器输出的影响估计为偏置量OFx和OFy。通过使用所估计的偏置量OFx和OFy校正磁传感器的输出。从所校正的磁传感器输出中测量方位，以便能够极大地改善方位测量的精确度。因为用户被提示在合适的时刻执行初始操作(当获得第一温度T1和第二温度T2时)，所以能够防止用户执行不必要的初始操作。第一温度T1和第二温度T2之间的差值比阈值温度Tth大。因此，在每个温度上获得的偏置量中包含的估计误差的影响是很难出现在通过偏置量的线性内插或外插等获得的当前温度Tc上的偏置量中。可以进一步改善方位的测量精确度。磁传感器单元30具有形成在一个基板上的X轴和Y轴磁传感器31和32、温度传感器33和控制电路34。因此，该磁传感器单元30结构紧凑而成本低廉，适合于诸如手机之类的具有永磁体的便携式电子设备。

本发明不限于上述实施例，在不背离本发明范围的前提下，可以进行各种修改。例如，在上述实施例中，尽管X轴和Y轴磁传感器31和32是磁隧穿效应部件组，能够输出对应于磁场的信号的其它的传感器，诸如大磁阻效应部件，也可以使用。在本实施例中，偏置按纽和偏置数据获得按纽用于初始操作。此外，可以通过在液晶显示板14a中添加菜单，并由操作单元15的特定操作员来选择每一菜单来实现与这些按纽功能相同的功能。除了X轴磁传感器31和Y轴磁传感器32之外，可以使用Z轴磁传感器来检测沿与X、Y轴垂直的Z轴方向的磁场。

作为温度传感器33的带隙参考电路可以具有图24所示的结构。由下面的式(10)给出晶体管Tr1和Tr2的基-射极电压Vbe的差值ΔVbe，并使用Vbe和乘以了常数K1的V_T，由下面的式(11)给出输出Vbg。常数K1由下面的式(12)给出。

ΔVbe＝V_T·ln{(Ic1/Ic2)·(A2/A1)}    ...(10)

Vbe＝Vbe(Q1)+K1·V_T                  ...(11)

K1＝(R3/R2)·ln{(Ic1/Ic2)·(A2/A1)}  ...(12)

其中，V_T＝KT/q，A1和A2是晶体管Tr1和Tr2的发射极面积，Vbe(Q1)是晶体管Tr1的基-射极电压。

适当地选取常数K1，以消除Vbe的温度相关性。电阻R3两端的电压被提供给A/D转换器34a作为温度传感器33的输出。

图25是图24所示的电路的温度特性图。从图25可知，图24所示的电路方案可以实现具有温度特性2mV/℃的温度传感器33。

已经结合优选实施例描述了本发明。但本发明不限于上述实施例，对本领域技术人员来说，各种改变、改进和组合都是显而易见的。

Claims (19)

1.一种便携式电子设备，包括：

外壳；

通信装置，位于所述外壳中，并具有永磁体；以及

方位测量装置，位于所述外壳中，用于通过利用地磁来测量方位，

其中所述方位测量装置包括：

磁传感器，用于输出对应于外磁场的信号；

温度传感器，用于检测温度；

校正器，用于根据所检测的温度，估计永磁体的磁场对从所示磁传感器输出的信号的影响，并根据所述估计的影响校正从所述磁传感器输出的信号；以及

方位确定装置，用于根据所校正的信号，确定方位。

2.如权利要求1所述的便携式电子设备，其中所述外壳具有第一平面，并且该便携式电子设备还包括形成于第一平面之上的、用于输入操作信号的输入装置。

3.如权利要求1所述的便携式电子设备，其中所述通信装置包括扬声器。

4.如权利要求1所述的便携式电子设备，其中所述通信装置包括麦克风。

5.如权利要求1所述的便携式电子设备，其中所述校正器在第一温度上测量包含在从所述磁传感器输出的信号中的、永磁体的磁场的影响，在不同于第一温度的第二温度上测量包含在从所述磁传感器输出的信号中的、永磁体的磁场的影响，并从第一温度、第二温度上的影响、以及使用所述温度传感器检测的当前温度中估计永磁体的磁场的影响。

6.如权利要求5所述的便携式电子设备，其中所述校正器包括：初始提示装置，用于当在第一温度上测量影响之后，使用所述温度传感器检测的温度与第一温度之间的差值变为预定温度、或更高时，提示该便携式电子设备的用户执行获得在第二温度上的影响的操作。

7.如权利要求6所述的便携式电子设备，其中所述的预定温度在5-25℃范围内选择。

8.如权利要求6所述的便携式电子设备，其中所述的初始提示装置包括字符显示装置。

9.一种磁传感器，包括：

基板；

磁传感器部件，形成于所述基板上，用于输出对应于外磁场方向和幅度的信号；以及

温度传感器，形成于所述基板上，用于感知温度。

10.如权利要求9所述的磁传感器，其中：

磁传感器包括多个磁传感器部件；

所述磁传感器部件是磁阻响应部件，具有固定磁化方向的固着层和磁化方向随外磁场变化的自由层，并且所述磁传感器部件根据固着层的磁化方向与自由层的磁化方向之间的夹角来改变其磁阻值；以及

在多个磁阻效应部件中至少两个部件的固着层的磁化方向是交叉(cross)的。

11.如权利要求9所述的磁传感器，还包括形成于所述基板上的数字信号处理电路。

12.如权利要求10所述的磁传感器，其中磁阻效应部件包括：

形成于所述基板上的下部电极；

形成于下部电极上的抗强磁性膜；

形成于抗强磁性膜上的第一强磁性膜；

形成于第一强磁性膜上的绝缘膜；以及

形成于绝缘膜上的第二强磁性膜。

13.如权利要求12所述的磁传感器，其中下部电极是由导电非磁性金属材料制成的。

14.如权利要求12所述的磁传感器，其中抗强磁性膜是由PtMn制成的。

15.如权利要求12所述的磁传感器，其中绝缘膜是由Al₂O₃或AlO制成的。

16.如权利要求12所述的磁传感器，其中强磁性膜是由NiFe制成的。

17.如权利要求12所述的磁传感器，其中第一强磁性膜是固着层，第二强磁性膜是自由层。

18.一种方位测量方法，包括步骤：

准备便携式电子设备，该便携式电子设备包括：外壳，具有第一平面；通信装置，位于外壳中，并具有永磁体；磁传感器，位于外壳中，并输出对应于外磁场的信号；以及输出装置，形成于第一平面，用于输入操作信号；

当输入操作信号时，在便携式电子设备的第一平面朝上的状态中，测量从磁传感器输出的信号，作为第一值；

当输入操作信号时，在便携式电子设备的第一平面朝上，并且在测量第一值之后，便携式电子设备旋转180°的状态中，测量从磁传感器输出的信号，作为第二值；

根据第一和第二值，估计永磁体的磁场对磁传感器输出的信号的影响；

根据所估计的影响，校正从磁传感器输出的信号；以及

根据磁传感器的校正信号，确定方位。

19.如权利要求12所述的方位测量方法，其中还考虑永磁体的温度来估计永磁体的磁场对磁传感器的信号的影响。

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