JP2004184150A - 磁気検知装置、方位検知システム及び携帯通信端末 - Google Patents
磁気検知装置、方位検知システム及び携帯通信端末 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】小型・軽量で高感度な磁気検知装置を提供する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子２に流してその変化を磁界変化として検知するための検知用電流を流す向きを電流極性切換手段９により交互に切換え、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧検出手段８により検出される出力電圧の平均値をとることにより、検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を少なくして磁界検知が可能となり、磁界検知の高感度化を外部コイルなしに実現できるようにした。
【選択図】 図１
【解決手段】磁気抵抗効果素子２に流してその変化を磁界変化として検知するための検知用電流を流す向きを電流極性切換手段９により交互に切換え、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧検出手段８により検出される出力電圧の平均値をとることにより、検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を少なくして磁界検知が可能となり、磁界検知の高感度化を外部コイルなしに実現できるようにした。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
本発明は、磁界測定用、ナビゲーション用の地磁気センサ等の磁気センサを備える磁気検知装置、この磁気検知装置を用いた方位検知システム及び携帯通信端末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサ等が用いられている。このうち、近年開発されたＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易なため、近年その改良も盛んである。また、ＭＲ素子の場合もこのＭＲ素子に高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができる。
【０００３】
このような磁気センサに対して、最近では、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることから、この際の磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行なう原理のトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が提案されている。強磁性体トンネル効果は非常に高い磁場感度を有するため、超高密度磁気記録におけるＨＤＤ用磁気再生ヘッドとしての利用可能性がある。この他、モータ用磁界測定装置、ナビゲーション用地磁気センサ等の磁気センサや、いわゆるＭＲＡＭと称される磁気固体メモリデバイス等への利用も可能といえる。
【０００４】
このようなＴＭＲ素子に関しては、静磁気相互作用の動作の向上を図った提案例がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、ＭＲ素子一般を方位計に用いる場合、磁界感度の鋭敏さとヒステリシスのために補助磁界を与えて高感度化を図るようにした提案例がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、センサ電流に関しては、電流を膜面に平行に流すようにした巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）に関する提案例がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
さらに、地磁気センサに関して、外部から補助磁界を与えることにより、検知感度を上げるようにした提案があり、特に補助磁界の極性を反転させるようにしたものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３００４００５号公報
【特許文献２】
特開平５−１５７５６６号公報
【特許文献３】
特開２００２−１５１７５９公報
【非特許文献１】
下江治、外３名，「磁気抵抗効果素子を用いた方位センサ」，日立金属技報，日立金属株式会社，Ｖｏｌ．１８（２００２），ｐ．３７−４２
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１の場合、積層化により静磁気相互作用の動作の向上を図っているもので、本質的な解決法とはいえず、コスト高にもつながる対応策である。
【００１０】
また、例えば方位センサを実現する上で、ＭＲ素子のように補助磁界を与えて高感度化を図るのもあまり得策とはいえない。
【００１１】
また、特許文献３の場合、ＧＭＲ素子に関するものであり、ＴＭＲ素子の場合には、電流は膜面に垂直であって、積極的に当該センサデバイスの検知性能を上げ得るものではない。
【００１２】
さらに、非特許文献１の場合、外部磁界を与えるに際して、専用のコイル等が必要であり、その分、素子サイズが大きくなる、コイル作製に手間がかかる、コスト高となる、等の欠点がある。
【００１３】
結局、このような従来の磁気センサ類では、小型・軽量・低コスト化の点及び感度的な面でまだ十分とはいえず、改良の余地が多分にある。
【００１４】
そこで、本発明は、小型・軽量で高感度な磁気検知装置を提供することを目的とする。
【００１５】
特に、１個の素子で２軸ベクトル検知を可能にすることを目的とする。
【００１６】
併せて、このような磁気検知装置を利用することで地磁気検知等の精度を向上させることができ、ナビゲーションシステム等に有効な方位検知システム又は携帯通信端末を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気検知装置は、少なくとも磁性薄膜の積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、検知用電流の向きを切換える電流極性切換手段を含み、前記磁気抵抗効果素子に磁界変化を検知するための検知用電流を流す電源と、前記検知用電流を流したときに磁界変化に伴い前記磁気抵抗効果素子に発生する出力電圧を検出する電圧検出手段と、を備える。
【００１８】
従って、磁気抵抗効果素子に流してその変化を磁界変化として検知するための検知用電流を流す向きを電流極性切換手段により切換えることにより、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧検出手段により検出される出力電圧の平均値をとることにより検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を少なくして磁界検知が可能となり、磁界検知の高感度化を外部コイルなしに実現できる。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気検知装置において、各々の向きの前記検知用電流を流したときに前記電圧検出手段により検出される出力電圧の増減に基づき検知磁界の方向を判定する方向判定手段を備える。
【００２０】
従って、各々の向きの検知用電流を流すことにより発生する磁界の影響が加わることで磁気抵抗効果素子の抵抗値が、当該影響がない場合に比べて、増減することから、出力電圧の増減をもって、検知する磁界の方向の確定が可能となる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の磁気検知装置において、地磁気を検知対象とする。
【００２２】
従って、通常は、地磁気の検知には２個以上の磁気抵抗効果素子が必要であるが、検知する磁界の方向の確定が可能な請求項２記載の磁気検知装置を利用することで、１素子で地磁気検知が可能となる。
【００２３】
請求項４記載の発明の磁気検知装置は、薄膜積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、検知用電流の値を切換える電流値切換手段を含み、前記磁気抵抗効果素子に磁界変化を検知するための検知用電流を流す電源と、前記検知用電流を流したときに磁界変化に伴い前記磁気抵抗効果素子に発生する出力電圧を検出する電圧検出手段と、各々の電流値の前記検知用電流を流したときに前記電圧検出手段により検出される出力電圧と予め設定されている各電流値対応の相関係数とに基づき回路部の誤差成分を除去する誤差除去手段と、を備える。
【００２４】
従って、検知用電流として複数の電流値を流し、各々の電流値について出力電圧を検出し、これらの出力電圧値と予め設定されている各電流値対応の相関係数との照合に基づき磁気抵抗効果素子に接続されている回路部のＤＣドリフト分や磁気ヒステリシスに伴う誤差成分を除去することで、より正確な磁界検知が可能で高感度化を図れる。
【００２５】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の磁気検知装置において、前記磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性体絶縁層及び磁性体層の積層構造を含んでモノリシックに薄膜形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子であって、前記電源とともにモノリシックに構成されている。
【００２６】
従って、請求項１ないし４の何れか一記載の磁気検知装置を実現する上で、磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてモノリシックに作製され、かつ、電源もモノリシックに作製されるので、高精度・高感度な磁気検知装置を小型・低コストに実現できる。
【００２７】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気検知装置において、前記磁気抵抗効果素子等の構成部品をチップ部品としてチップ搭載基板上に実装した。
【００２８】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気検知装置を実現する上で、磁気抵抗効果素子等の構成部品がチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、低コストな磁気検知装置とすることができる。
【００２９】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一記載の磁気検知装置において、前記磁気抵抗効果素子の磁性薄膜の少なくとも１層の平面形状が、円形形状又はドーナツ形状に形成されている。
【００３０】
従って、磁性薄膜の少なくとも１層の平面形状を円形形状（真円形状、楕円形状等）又はドーナツ形状とすることで、形状異方性に伴う磁気異方性の影響を長方形形状等に比べて少なくすることができ、磁界の方向検知に関してより一層高感度化を図れる。
【００３１】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気検知装置において、前記磁気抵抗効果素子は、磁性体基板上に設けられている。
【００３２】
従って、磁気抵抗効果素子をフェライト基板等の磁性体基板上に設けることにより、例えば、その材料特性として軟磁気特性を持たせることで、磁気検知装置の一層の高感度化を図ることができ、また、その材料特性としてセミハード磁気特性を持たせることで、磁気スイッチ等における特性向上を見込める。
【００３３】
請求項９記載の発明の方位検知システムは、磁気抵抗効果素子が異なる直交平面上に配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし８の何れか一記載の２個の磁気検知装置と、これらの磁気検知装置の検知出力に基づき３軸のベクトルを検知する３軸ベクトル検知手段と、を備える。
【００３４】
従って、通常は、地磁気の３軸のベクトル検知には３個以上の磁気抵抗効果素子が必要であるが、１素子で同一平面内の２軸のベクトル検知が可能な請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置を利用することで、２つの磁気抵抗効果素子を異なる直交平面上に配置させるだけの簡単な構成で３軸のベクトル検知を実現できる。
【００３５】
請求項１０記載の発明の方位検知システムは、地磁気を検知対象として磁気ベクトルを検知する請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置と、この磁気検知装置の検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３６】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置の検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気検知装置の検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気検知装置による検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００３７】
請求項１１記載の発明の携帯通信端末は、表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置を備える。
【００３８】
従って、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気検知装置を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見込まれる。特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又は一体化され、検知誤差が少なくなる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１は本実施の形態の磁気検知装置１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はそのセンサ部分の概略断面図である。
【００４０】
本実施の形態の磁気検知装置１は、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）２をセンサ部に用いたものであり、基本的には、石英、ガラス等の絶縁性の基板３上に磁性体層４、非磁性体絶縁層５、磁性体層６を各々所定パターンの薄膜構成で順次積層させた構成とされている。ここに、磁性体層４，６は電極としても機能し、磁性体層４から非磁性体絶縁層５を介して磁性体層６にトンネル電流が流れる構造とされている。また、磁性体層４，６は各々保磁力が異なり、例えば、磁性体層４が中程度の保磁力を持つのに対して、磁性体層６は、磁化反転容易な保磁力を有する層として、他層に比べて低い保磁力を持たせてなる磁界検知用軟磁性体層として構成されている。これにより、印加される外部磁界によってこれらの磁化状態を所望のものとすることにより、目的の磁界強度を検知し得る磁気センサとして利用可能なものである。
【００４１】
即ち、本実施の形態で利用するＴＭＲ素子２は、基本的には、近年において見出された現象、即ち、強磁性体と絶縁膜と強磁性体との接合構造により形成されて、両強磁性体の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れる強磁性体トンネル効果という現象を利用したもので、例えば、特開平１０−９１９２５号公報、特開平１０−２５５２３１号公報中にも記載されているように、Ｓ．Ｍａｅｋｓａｗａ ａｎｄ Ｖ．Ｇａｆｖｅｒｔ等は、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，ＭＡＧ−１８，７０７（１９８２）において、磁性体／絶縁体／磁性体結合で両磁性層の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れることが規定されることを理論的、実験的に示している。
【００４２】
このようなＴＭＲ素子２に対して、電極として機能する磁性体層４，６の一端間には検知用電流を流すための電源７が接続され、磁性体層４，６の他端間にはＴＭＲ素子２の出力電圧を検出するための電圧検出手段としての電圧計８が接続されている。ここに、電源７は、直流電源９と、この直流電源９から磁性体層４，６間に流す検知用電流の向きを磁性体層４側から磁性体層６側、磁性体層６側から磁性体層４側となるように交互に反転切換えする電流極性切換手段１０とにより構成されている。
【００４３】
このような構成において、磁性体層４側から非磁性体絶縁層５を介して磁性体層６側に、又は、磁性体層６側から非磁性体絶縁層５を介して磁性体層４側に、直流のトンネル電流を検知用電流として流した場合に、磁性体層４，６間に生ずる出力電圧の変化を電圧計８により検出する。このように磁界検知動作において、ＴＭＲ素子２に流す検知用電流の向きを電流極性切換手段１０により交互に反転切換えし、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧計８により検出される出力電圧の平均値をとることにより検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を少なくして磁界検知が可能となる。よって、磁界検知の高感度化を外部コイルなしに簡単に実現することができる。
【００４４】
本発明の第二の実施の形態を図２に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも同様とする）。
【００４５】
本実施の形態の磁気検知装置１１は、より実際的な構成例を示すものであり、電源７及び電圧計８に対して制御用ＣＰＵ１２が接続されている。この制御用ＣＰＵ１２は、電源７中の電流極性切換手段１０に対して検知用電流の電流極性の切換えを指定してその制御を受け持つ電流極性制御手段１３と、ＴＭＲ素子２に対して各々の向きに検知用電流を流したときに電圧計８により検出される出力電圧の電圧値及びその増減をチェックする出力状態判定手段１４と、この出力状態判定手段１４によりチェックされた出力電圧の平均値、各々の向きの検知用電流における出力電圧の増減情報に基づき検知磁界の方向及びその強度を判定する方向判定手段１５と、の機能部を有している。
【００４６】
このような構成によれば、各々の向きの検知用電流を流すことにより発生する磁界の影響が加わることでＴＭＲ素子２の抵抗値が、当該磁界の影響がない場合に比べて、電流の正逆に従って増減する。しかも、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧計８によって検出される出力電圧の増減は、検知する磁界の方向に対して加算（又は、減算）されるので、電流を流す向きによって発生する磁界を基準として磁化状態を特定できる。この結果、例えば、検知対象を地磁気とする場合、通常であれば、２個以上のＴＭＲ素子が必要であるが、検知する磁界の方向の確定が可能な本実施の形態の磁気検知装置１１を利用することで、１素子で地磁気検知が可能となる。即ち、地磁気検知の場合、概ね最大と最小とを検知すれば、南北は判明する。しかしながら、東西位置の確定には、本実施の形態によって、ＴＭＲ素子２の抵抗値が増減することが判れば、確定可能である。
【００４７】
なお、これらの第一、二の実施の形態等における電源７のより具体的な一例としては、直流電源９と電流極性切換手段１０とによる電源７を、図２（ｂ）に示すように、片電源駆動可能なオペアンプ（ＯＰアンプ）で構成し、その中点付近を用いて、ＴＭＲ素子２をオペアンプで駆動させるように構成すればよい。
【００４８】
なお、制御用ＣＰＵ１２部分（信号処理・制御部）は、ＩＣ構成であってもよく、或いは、ＴＭＲ素子２（磁界検知装置１部分）が搭載された実装機器における外部回路構成やプログラム構成であってもよい。
【００４９】
本発明の第三の実施の形態を図３に基づいて説明する。本実施の形態はの磁気検知装置２１は、電源７に代えて、電源２２が設けられている。この電源２２は、直流電源２３と、この直流電源２３から電極として機能する磁性体層４，６の一端間に流す検知用電流の電流値を複数値で切換える電流値切換手段２４とにより構成されている。
【００５０】
また、電源２２及び電圧計８に対して制御用ＣＰＵ２５が接続されている。この制御用ＣＰＵ２５は、電源２２中の電流値切換手段２４に対して検知用電流の電流値の切換えを指定してその制御を受け持つ電流値制御手段２６と、ＴＭＲ素子２に対して各々の電流値の検知用電流を流したときに電圧計８により検出される出力電圧の電圧値を予め設定されている各電流値対応の相関係数と比較照合する比較手段２７と、この比較手段２７の比較結果に基づき出力電圧からＤＣオフセット分を除去する誤差除去手段２８と、の機能部を有している。
【００５１】
このような構成において、ＴＭＲ素子２に対する検知用電流として複数の電流値を流し、各々の電流値について電圧計８で出力電圧を検出し、これらの出力電圧値と予め設定されている各電流値対応の相関係数との比較照合に基づき当該ＴＭＲ素子２に接続されている回路部のＤＣドリフト分や磁気ヒステリシスに伴う誤差成分を誤差除去手段２８により除去する。よって、より正確な磁界検知が可能で高感度化を図ることができる。
【００５２】
ＴＭＲ素子２は、電流値にほぼ比例して電圧が発生する領域が大きいので、例えば、電流値Ａ，Ｂ，Ｃを流した際の電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣを各々測定する。この際、比例係数からのずれ分は、回路部のドリフト分や磁気ヒステリシスに伴う誤差と考えられる。各素子について予め比例係数を求めておくことで、高感度化を図れる。例えば、比例係数をＲＯＭに格納しておくことにより、誤差除去手段２８は達成できる。
【００５３】
なお、制御用ＣＰＵ２５部分（信号処理・制御部）は、ＩＣ構成であってもよく、或いは、ＴＭＲ素子２（磁界検知装置１部分）が搭載された実装機器における外部回路構成やプログラム構成であってもよい。
【００５４】
また、電源２２に関しては、検知用電流の電流値の切換機能だけでなく、第一、二の実施の形態の場合と同様に極性切換機能をも、持たせるようにしてもよい。
【００５５】
本発明の第四の実施の形態を図４に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知装置３１は、基本構成・作用は、各々図２又は図３に準ずるが、ＴＭＲ素子２がＳｉ熱酸化基板等の薄膜作製基板３２上にモノリシックに薄膜形成された高精度な素子であるとともに、電源７（又は、２２）も例えば図２（ｂ）に示したようなオペアンプ構成を利用することで、この薄膜作製基板３２上にモノリシックに構成されている。
【００５６】
従って、本実施の形態によれば、高精度・高感度な磁気検知装置３１（１１又は２１）を小型・低コストに実現することができる。
【００５７】
本発明の第五の実施の形態を図５に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知装置４１も、基本構成・作用は、各々図２又は図３に準ずるが、ＴＭＲ素子２がＳｉ熱酸化基板等の薄膜作製基板３２上にモノリシックに薄膜形成された高精度なチップ部品とするとともに、電圧計８、電源７（又は、２２）や制御用ＣＰＵ１２（又は、２５）等の構成部品のチップ部品として実装用基板４２上に実装することにより構成されている。
【００５８】
従って、本実施の形態によれば、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、汎用チップ部品を利用できるので、低コストな磁気検知装置４１（１１又は２１）とすることができる。
【００５９】
本発明の第六の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知装置５１は、例えば、磁気検知装置１におけるＴＭＲ素子２に関して、磁性薄膜（磁性体層４，６）の少なくとも１層、例えば、磁性体層６の平面形状が楕円形状として形成されている。
【００６０】
本実施の形態によれば、磁性体層６の平面形状を矩形短冊状とした場合に比べ、楕円形状とすることで、その形状異方性に伴う磁気異方性の影響を少なくすることができ、磁界の方向検知に関してより一層高感度化を図ることが可能となる。
【００６１】
なお、磁性体層６の平面形状としては楕円形状に限らず、真円形状等を含む円形形状であればよく、或いは、ドーナツ形状であってもよい。
【００６２】
本発明の第七の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知装置６１は、例えば、磁気検知装置５１において、基板３に代えて、磁性体基板６２が用いられている。磁性体基板６２としては、Ｍｎ−Ｚｎフェライト基板、Ｎｉ−Ｚｎフェライト基板等の酸化物基板やパーマロイ等の金属基板等が用いられる。
【００６３】
従って、本実施の形態によれば、ＴＭＲ素子２の基板を磁性体基板６２とすることにより、例えば、その材料特性として軟磁気特性を持たせれば、当該磁気検知装置の６１の一層の高感度化を図ることができる。また、その材料特性としてセミハード磁気特性を持たせれば、磁気スイッチ等における特性向上を見込むことができる。
【００６４】
本発明の第八の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気検知装置を利用して構成した地磁気検知の方位検知システムへの適用例を示す。まず、例えば２つの磁気検知装置７１ａ，７１ｂ（前述した磁気検知装置１，１１，２１，３１，４１，５１，６１の何れの形態でもよい）をｘｙｚ３軸ベクトルの方向中の任意の２面（ｘ，ｙ軸でもよく、ｙ，ｚ軸でもよく、ｚ，ｘ軸でもよい）＝直交平面上に独立して配置させた地磁気センサ７２が設けられている。これらの磁気検知装置７１ａ，７１ｂの検知出力はデータ取り込み部７３を介して検知手段としての３磁気成分検知部７４に入力されている。この３磁気成分検知部７４は地磁気検知に関して、磁気検知装置７１ａ，７１ｂの検知出力に基づき３軸ベクトル成分を検知する。一方、データ取り込み部７３を介して取り込まれた磁気検知装置７１ａ，７１ｂの検知出力に関してその絶対値を算出する絶対値演算部７５と、この絶対値演算部７５により算出された絶対値の大きさを予め設定されている比較地磁気強度に測定マージンを加味した閾値と比較する比較部７６とによる異常検知手段７７が設けられている。比較部７６では算出された絶対値の大きさが閾値を越えている場合に検知結果に異常があると判断する。この比較部７６の出力側には異常検知出力に基づき動作する報知手段としての警報部７８が設けられている。
【００６５】
これにより、本実施の形態の方位検知システムによれば、通常は、地磁気の３軸のベクトル検知には３個以上のＴＭＲ素子が必要であるが、１素子で同一平面内の２軸のベクトル検知が可能な前述の実施の形態の磁気検知装置を利用することで、２つのＴＭＲ素子２（磁気検知装置７１ａ，７１ｂ）を異なる直交平面上に配置させるだけの極めて簡単な構成で３軸のベクトル検知を実現することができる。
【００６６】
また、測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味して予め設定されている閾値を超えるような大きさの検知結果が得られた場合には、警報部７８を通じて測定値に異常がある旨を報知するので、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。なお、より実際的には、３磁気成分検知部７４から得られる検知結果とともに、この警報部７８の出力も通信部７９を通じて当該システムの使用者に通信によって通知するシステム構成とすればよい。これにより、ＧＰＳシステムや後述の携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能となる。
【００６７】
本発明の第九の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気検知装置を利用して構成したＧＰＳ対応の携帯通信端末としての携帯電話８１への適用例を示す。図９は携帯電話８１の外観構成を示す概略正面図で、種々の構成例があるが、一例としてマイク部８２、入力操作部８３、スピーカ部８４、ＬＣＤ等による表示部８５等を備え、ヒンジ部８６により２つ折り構造とされている。
【００６８】
このような基本的な構成に加え、本実施の形態では、ＧＰＳ機能を発揮させるための地磁気の方位検知に利用する磁気検知装置８７（前述した磁気検知装置１，１１，２１，３１，４１，５１，６１の何れの形態でもよい）が表示部８５の裏面側に埋め込まれることにより搭載されている。磁気検知装置８７中、例えば、８８はＴＭＲ素子相当部分であり、８９は制御用ＣＰＵ１２等の信号処理・制御部相当部分である。
【００６９】
従って、携帯電話８１等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気検知装置８７を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見込まれる。特に、表示部８５の裏面側に埋め込み実装しているので、本実施の形態のような折り畳みタイプの携帯電話８１の場合であっても、表示面に近接又は一体化されるので、誤差が少なくなる。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の磁気検知装置によれば、磁気抵抗効果素子に流してその変化を磁界変化として検知するための検知用電流を流す向きを電流極性切換手段により切換えるようにしたので、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧検出手段により検出される出力電圧の平均値をとることにより検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を少なくして磁界検知が可能となり、磁界検知の高感度化を外部コイルなしに実現することができる。
【００７１】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の磁気検知装置において、各々の向きの検知用電流を流すことにより発生する磁界の影響が加わることで磁気抵抗効果素子の抵抗値が、当該影響がない場合に比べて、増減することから、出力電圧の増減をもって、検知する磁界の方向を確定することができる。
【００７２】
請求項３記載の発明の磁気検知装置によれば、通常は、地磁気の検知には２個以上の磁気抵抗効果素子が必要であるが、検知する磁界の方向の確定が可能な請求項２記載の磁気検知装置を利用するようにしたので、１素子で地磁気検知を行うことができる。
【００７３】
請求項４記載の発明の磁気検知装置によれば、検知用電流として複数の電流値を流し、各々の電流値について出力電圧を検出し、これらの出力電圧値と予め設定されている各電流値対応の相関係数との照合に基づき磁気抵抗効果素子に接続されている回路部のＤＣドリフト分や磁気ヒステリシスに伴う誤差成分を除去するようにしたので、より正確な磁界検知が可能で高感度化を図ることができる。
【００７４】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし４の何れか一記載の磁気検知装置を実現する上で、磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてモノリシックに作製され、かつ、電源もモノリシックに作製されるので、高精度・高感度な磁気検知装置を小型・低コストに実現することができる。
【００７５】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気検知装置を実現する上で、磁気抵抗効果素子等の構成部品がチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、低コストな磁気検知装置とすることができる。
【００７６】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし６の何れか一記載の磁気検知装置において、磁性薄膜の少なくとも１層の平面形状を円形形状（真円形状、楕円形状等）又はドーナツ形状としたので、形状異方性に伴う磁気異方性の影響を長方形形状等に比べて少なくすることができ、磁界の方向検知に関してより一層高感度化を図ることができる。
【００７７】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気検知装置において、磁気抵抗効果素子をフェライト基板等の磁性体基板上に設けたので、例えば、その材料特性として軟磁気特性を持たせることで、磁気検知装置の一層の高感度化を図ることができ、また、その材料特性としてセミハード磁気特性を持たせることで、磁気スイッチ等における特性向上を見込むことができる。
【００７８】
請求項９記載の発明の方位検知システムによれば、通常は、地磁気の３軸のベクトル検知には３個以上の磁気抵抗効果素子が必要であるが、１素子で同一平面内の２軸のベクトル検知が可能な請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置を利用するようにしたので、２つの磁気抵抗効果素子を異なる直交平面上に配置させるだけの簡単な構成で３軸のベクトル検知を実現することができる。
【００７９】
請求項１０記載の発明の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置の検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気検知装置の検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができ、さらには、磁気検知装置による検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００８０】
請求項１１記載の発明の携帯通信端末によれば、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気検知装置を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減を見込むことができ、特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又は一体化され、検知誤差を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はそのセンサ部分の概略断面図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図３】本発明の第三の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図４】本発明の第四の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図５】本発明の第五の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図６】本発明の第六の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図７】本発明の第七の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図８】本発明の第八の実施の形態の方位検知システムの構成例を示す模式図である。
【図９】本発明の第九の実施の形態の携帯電話の構成例を示す概略正面図である。
【符号の説明】
１ 磁気検知装置
２ 磁気抵抗効果素子、トンネル型磁気抵抗効果素子
４ 磁性体層、磁性薄膜
５ 非磁性体絶縁層
６ 磁性体層、磁性薄膜
７ 電源
８ 電圧検出手段
１０ 電流極性切換手段
１１ 磁気検知装置
１５ 方向判定手段
２１ 磁界検知装置
２２ 電源
２４ 電流値切換手段
２８ 誤差除去手段
３１，４１ 磁気検知装置
４２ 実装用基板
５１，６１ 磁気検知装置
６２ 磁性体基板
７１ 磁気検知装置
７４ 検知手段
７７ 異常検知手段
７８ 報知手段
８５ 表示部
８７ 磁気検知装置
本発明は、磁界測定用、ナビゲーション用の地磁気センサ等の磁気センサを備える磁気検知装置、この磁気検知装置を用いた方位検知システム及び携帯通信端末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサ等が用いられている。このうち、近年開発されたＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易なため、近年その改良も盛んである。また、ＭＲ素子の場合もこのＭＲ素子に高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができる。
【０００３】
このような磁気センサに対して、最近では、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることから、この際の磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行なう原理のトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が提案されている。強磁性体トンネル効果は非常に高い磁場感度を有するため、超高密度磁気記録におけるＨＤＤ用磁気再生ヘッドとしての利用可能性がある。この他、モータ用磁界測定装置、ナビゲーション用地磁気センサ等の磁気センサや、いわゆるＭＲＡＭと称される磁気固体メモリデバイス等への利用も可能といえる。
【０００４】
このようなＴＭＲ素子に関しては、静磁気相互作用の動作の向上を図った提案例がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、ＭＲ素子一般を方位計に用いる場合、磁界感度の鋭敏さとヒステリシスのために補助磁界を与えて高感度化を図るようにした提案例がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、センサ電流に関しては、電流を膜面に平行に流すようにした巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）に関する提案例がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
さらに、地磁気センサに関して、外部から補助磁界を与えることにより、検知感度を上げるようにした提案があり、特に補助磁界の極性を反転させるようにしたものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３００４００５号公報
【特許文献２】
特開平５−１５７５６６号公報
【特許文献３】
特開２００２−１５１７５９公報
【非特許文献１】
下江治、外３名，「磁気抵抗効果素子を用いた方位センサ」，日立金属技報，日立金属株式会社，Ｖｏｌ．１８（２００２），ｐ．３７−４２
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１の場合、積層化により静磁気相互作用の動作の向上を図っているもので、本質的な解決法とはいえず、コスト高にもつながる対応策である。
【００１０】
また、例えば方位センサを実現する上で、ＭＲ素子のように補助磁界を与えて高感度化を図るのもあまり得策とはいえない。
【００１１】
また、特許文献３の場合、ＧＭＲ素子に関するものであり、ＴＭＲ素子の場合には、電流は膜面に垂直であって、積極的に当該センサデバイスの検知性能を上げ得るものではない。
【００１２】
さらに、非特許文献１の場合、外部磁界を与えるに際して、専用のコイル等が必要であり、その分、素子サイズが大きくなる、コイル作製に手間がかかる、コスト高となる、等の欠点がある。
【００１３】
結局、このような従来の磁気センサ類では、小型・軽量・低コスト化の点及び感度的な面でまだ十分とはいえず、改良の余地が多分にある。
【００１４】
そこで、本発明は、小型・軽量で高感度な磁気検知装置を提供することを目的とする。
【００１５】
特に、１個の素子で２軸ベクトル検知を可能にすることを目的とする。
【００１６】
併せて、このような磁気検知装置を利用することで地磁気検知等の精度を向上させることができ、ナビゲーションシステム等に有効な方位検知システム又は携帯通信端末を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気検知装置は、少なくとも磁性薄膜の積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、検知用電流の向きを切換える電流極性切換手段を含み、前記磁気抵抗効果素子に磁界変化を検知するための検知用電流を流す電源と、前記検知用電流を流したときに磁界変化に伴い前記磁気抵抗効果素子に発生する出力電圧を検出する電圧検出手段と、を備える。
【００１８】
従って、磁気抵抗効果素子に流してその変化を磁界変化として検知するための検知用電流を流す向きを電流極性切換手段により切換えることにより、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧検出手段により検出される出力電圧の平均値をとることにより検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を少なくして磁界検知が可能となり、磁界検知の高感度化を外部コイルなしに実現できる。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気検知装置において、各々の向きの前記検知用電流を流したときに前記電圧検出手段により検出される出力電圧の増減に基づき検知磁界の方向を判定する方向判定手段を備える。
【００２０】
従って、各々の向きの検知用電流を流すことにより発生する磁界の影響が加わることで磁気抵抗効果素子の抵抗値が、当該影響がない場合に比べて、増減することから、出力電圧の増減をもって、検知する磁界の方向の確定が可能となる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の磁気検知装置において、地磁気を検知対象とする。
【００２２】
従って、通常は、地磁気の検知には２個以上の磁気抵抗効果素子が必要であるが、検知する磁界の方向の確定が可能な請求項２記載の磁気検知装置を利用することで、１素子で地磁気検知が可能となる。
【００２３】
請求項４記載の発明の磁気検知装置は、薄膜積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、検知用電流の値を切換える電流値切換手段を含み、前記磁気抵抗効果素子に磁界変化を検知するための検知用電流を流す電源と、前記検知用電流を流したときに磁界変化に伴い前記磁気抵抗効果素子に発生する出力電圧を検出する電圧検出手段と、各々の電流値の前記検知用電流を流したときに前記電圧検出手段により検出される出力電圧と予め設定されている各電流値対応の相関係数とに基づき回路部の誤差成分を除去する誤差除去手段と、を備える。
【００２４】
従って、検知用電流として複数の電流値を流し、各々の電流値について出力電圧を検出し、これらの出力電圧値と予め設定されている各電流値対応の相関係数との照合に基づき磁気抵抗効果素子に接続されている回路部のＤＣドリフト分や磁気ヒステリシスに伴う誤差成分を除去することで、より正確な磁界検知が可能で高感度化を図れる。
【００２５】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の磁気検知装置において、前記磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性体絶縁層及び磁性体層の積層構造を含んでモノリシックに薄膜形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子であって、前記電源とともにモノリシックに構成されている。
【００２６】
従って、請求項１ないし４の何れか一記載の磁気検知装置を実現する上で、磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてモノリシックに作製され、かつ、電源もモノリシックに作製されるので、高精度・高感度な磁気検知装置を小型・低コストに実現できる。
【００２７】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気検知装置において、前記磁気抵抗効果素子等の構成部品をチップ部品としてチップ搭載基板上に実装した。
【００２８】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気検知装置を実現する上で、磁気抵抗効果素子等の構成部品がチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、低コストな磁気検知装置とすることができる。
【００２９】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一記載の磁気検知装置において、前記磁気抵抗効果素子の磁性薄膜の少なくとも１層の平面形状が、円形形状又はドーナツ形状に形成されている。
【００３０】
従って、磁性薄膜の少なくとも１層の平面形状を円形形状（真円形状、楕円形状等）又はドーナツ形状とすることで、形状異方性に伴う磁気異方性の影響を長方形形状等に比べて少なくすることができ、磁界の方向検知に関してより一層高感度化を図れる。
【００３１】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気検知装置において、前記磁気抵抗効果素子は、磁性体基板上に設けられている。
【００３２】
従って、磁気抵抗効果素子をフェライト基板等の磁性体基板上に設けることにより、例えば、その材料特性として軟磁気特性を持たせることで、磁気検知装置の一層の高感度化を図ることができ、また、その材料特性としてセミハード磁気特性を持たせることで、磁気スイッチ等における特性向上を見込める。
【００３３】
請求項９記載の発明の方位検知システムは、磁気抵抗効果素子が異なる直交平面上に配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし８の何れか一記載の２個の磁気検知装置と、これらの磁気検知装置の検知出力に基づき３軸のベクトルを検知する３軸ベクトル検知手段と、を備える。
【００３４】
従って、通常は、地磁気の３軸のベクトル検知には３個以上の磁気抵抗効果素子が必要であるが、１素子で同一平面内の２軸のベクトル検知が可能な請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置を利用することで、２つの磁気抵抗効果素子を異なる直交平面上に配置させるだけの簡単な構成で３軸のベクトル検知を実現できる。
【００３５】
請求項１０記載の発明の方位検知システムは、地磁気を検知対象として磁気ベクトルを検知する請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置と、この磁気検知装置の検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３６】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置の検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気検知装置の検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気検知装置による検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００３７】
請求項１１記載の発明の携帯通信端末は、表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置を備える。
【００３８】
従って、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気検知装置を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見込まれる。特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又は一体化され、検知誤差が少なくなる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１は本実施の形態の磁気検知装置１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はそのセンサ部分の概略断面図である。
【００４０】
本実施の形態の磁気検知装置１は、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）２をセンサ部に用いたものであり、基本的には、石英、ガラス等の絶縁性の基板３上に磁性体層４、非磁性体絶縁層５、磁性体層６を各々所定パターンの薄膜構成で順次積層させた構成とされている。ここに、磁性体層４，６は電極としても機能し、磁性体層４から非磁性体絶縁層５を介して磁性体層６にトンネル電流が流れる構造とされている。また、磁性体層４，６は各々保磁力が異なり、例えば、磁性体層４が中程度の保磁力を持つのに対して、磁性体層６は、磁化反転容易な保磁力を有する層として、他層に比べて低い保磁力を持たせてなる磁界検知用軟磁性体層として構成されている。これにより、印加される外部磁界によってこれらの磁化状態を所望のものとすることにより、目的の磁界強度を検知し得る磁気センサとして利用可能なものである。
【００４１】
即ち、本実施の形態で利用するＴＭＲ素子２は、基本的には、近年において見出された現象、即ち、強磁性体と絶縁膜と強磁性体との接合構造により形成されて、両強磁性体の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れる強磁性体トンネル効果という現象を利用したもので、例えば、特開平１０−９１９２５号公報、特開平１０−２５５２３１号公報中にも記載されているように、Ｓ．Ｍａｅｋｓａｗａ ａｎｄ Ｖ．Ｇａｆｖｅｒｔ等は、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，ＭＡＧ−１８，７０７（１９８２）において、磁性体／絶縁体／磁性体結合で両磁性層の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れることが規定されることを理論的、実験的に示している。
【００４２】
このようなＴＭＲ素子２に対して、電極として機能する磁性体層４，６の一端間には検知用電流を流すための電源７が接続され、磁性体層４，６の他端間にはＴＭＲ素子２の出力電圧を検出するための電圧検出手段としての電圧計８が接続されている。ここに、電源７は、直流電源９と、この直流電源９から磁性体層４，６間に流す検知用電流の向きを磁性体層４側から磁性体層６側、磁性体層６側から磁性体層４側となるように交互に反転切換えする電流極性切換手段１０とにより構成されている。
【００４３】
このような構成において、磁性体層４側から非磁性体絶縁層５を介して磁性体層６側に、又は、磁性体層６側から非磁性体絶縁層５を介して磁性体層４側に、直流のトンネル電流を検知用電流として流した場合に、磁性体層４，６間に生ずる出力電圧の変化を電圧計８により検出する。このように磁界検知動作において、ＴＭＲ素子２に流す検知用電流の向きを電流極性切換手段１０により交互に反転切換えし、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧計８により検出される出力電圧の平均値をとることにより検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を少なくして磁界検知が可能となる。よって、磁界検知の高感度化を外部コイルなしに簡単に実現することができる。
【００４４】
本発明の第二の実施の形態を図２に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも同様とする）。
【００４５】
本実施の形態の磁気検知装置１１は、より実際的な構成例を示すものであり、電源７及び電圧計８に対して制御用ＣＰＵ１２が接続されている。この制御用ＣＰＵ１２は、電源７中の電流極性切換手段１０に対して検知用電流の電流極性の切換えを指定してその制御を受け持つ電流極性制御手段１３と、ＴＭＲ素子２に対して各々の向きに検知用電流を流したときに電圧計８により検出される出力電圧の電圧値及びその増減をチェックする出力状態判定手段１４と、この出力状態判定手段１４によりチェックされた出力電圧の平均値、各々の向きの検知用電流における出力電圧の増減情報に基づき検知磁界の方向及びその強度を判定する方向判定手段１５と、の機能部を有している。
【００４６】
このような構成によれば、各々の向きの検知用電流を流すことにより発生する磁界の影響が加わることでＴＭＲ素子２の抵抗値が、当該磁界の影響がない場合に比べて、電流の正逆に従って増減する。しかも、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧計８によって検出される出力電圧の増減は、検知する磁界の方向に対して加算（又は、減算）されるので、電流を流す向きによって発生する磁界を基準として磁化状態を特定できる。この結果、例えば、検知対象を地磁気とする場合、通常であれば、２個以上のＴＭＲ素子が必要であるが、検知する磁界の方向の確定が可能な本実施の形態の磁気検知装置１１を利用することで、１素子で地磁気検知が可能となる。即ち、地磁気検知の場合、概ね最大と最小とを検知すれば、南北は判明する。しかしながら、東西位置の確定には、本実施の形態によって、ＴＭＲ素子２の抵抗値が増減することが判れば、確定可能である。
【００４７】
なお、これらの第一、二の実施の形態等における電源７のより具体的な一例としては、直流電源９と電流極性切換手段１０とによる電源７を、図２（ｂ）に示すように、片電源駆動可能なオペアンプ（ＯＰアンプ）で構成し、その中点付近を用いて、ＴＭＲ素子２をオペアンプで駆動させるように構成すればよい。
【００４８】
なお、制御用ＣＰＵ１２部分（信号処理・制御部）は、ＩＣ構成であってもよく、或いは、ＴＭＲ素子２（磁界検知装置１部分）が搭載された実装機器における外部回路構成やプログラム構成であってもよい。
【００４９】
本発明の第三の実施の形態を図３に基づいて説明する。本実施の形態はの磁気検知装置２１は、電源７に代えて、電源２２が設けられている。この電源２２は、直流電源２３と、この直流電源２３から電極として機能する磁性体層４，６の一端間に流す検知用電流の電流値を複数値で切換える電流値切換手段２４とにより構成されている。
【００５０】
また、電源２２及び電圧計８に対して制御用ＣＰＵ２５が接続されている。この制御用ＣＰＵ２５は、電源２２中の電流値切換手段２４に対して検知用電流の電流値の切換えを指定してその制御を受け持つ電流値制御手段２６と、ＴＭＲ素子２に対して各々の電流値の検知用電流を流したときに電圧計８により検出される出力電圧の電圧値を予め設定されている各電流値対応の相関係数と比較照合する比較手段２７と、この比較手段２７の比較結果に基づき出力電圧からＤＣオフセット分を除去する誤差除去手段２８と、の機能部を有している。
【００５１】
このような構成において、ＴＭＲ素子２に対する検知用電流として複数の電流値を流し、各々の電流値について電圧計８で出力電圧を検出し、これらの出力電圧値と予め設定されている各電流値対応の相関係数との比較照合に基づき当該ＴＭＲ素子２に接続されている回路部のＤＣドリフト分や磁気ヒステリシスに伴う誤差成分を誤差除去手段２８により除去する。よって、より正確な磁界検知が可能で高感度化を図ることができる。
【００５２】
ＴＭＲ素子２は、電流値にほぼ比例して電圧が発生する領域が大きいので、例えば、電流値Ａ，Ｂ，Ｃを流した際の電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣを各々測定する。この際、比例係数からのずれ分は、回路部のドリフト分や磁気ヒステリシスに伴う誤差と考えられる。各素子について予め比例係数を求めておくことで、高感度化を図れる。例えば、比例係数をＲＯＭに格納しておくことにより、誤差除去手段２８は達成できる。
【００５３】
なお、制御用ＣＰＵ２５部分（信号処理・制御部）は、ＩＣ構成であってもよく、或いは、ＴＭＲ素子２（磁界検知装置１部分）が搭載された実装機器における外部回路構成やプログラム構成であってもよい。
【００５４】
また、電源２２に関しては、検知用電流の電流値の切換機能だけでなく、第一、二の実施の形態の場合と同様に極性切換機能をも、持たせるようにしてもよい。
【００５５】
本発明の第四の実施の形態を図４に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知装置３１は、基本構成・作用は、各々図２又は図３に準ずるが、ＴＭＲ素子２がＳｉ熱酸化基板等の薄膜作製基板３２上にモノリシックに薄膜形成された高精度な素子であるとともに、電源７（又は、２２）も例えば図２（ｂ）に示したようなオペアンプ構成を利用することで、この薄膜作製基板３２上にモノリシックに構成されている。
【００５６】
従って、本実施の形態によれば、高精度・高感度な磁気検知装置３１（１１又は２１）を小型・低コストに実現することができる。
【００５７】
本発明の第五の実施の形態を図５に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知装置４１も、基本構成・作用は、各々図２又は図３に準ずるが、ＴＭＲ素子２がＳｉ熱酸化基板等の薄膜作製基板３２上にモノリシックに薄膜形成された高精度なチップ部品とするとともに、電圧計８、電源７（又は、２２）や制御用ＣＰＵ１２（又は、２５）等の構成部品のチップ部品として実装用基板４２上に実装することにより構成されている。
【００５８】
従って、本実施の形態によれば、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、汎用チップ部品を利用できるので、低コストな磁気検知装置４１（１１又は２１）とすることができる。
【００５９】
本発明の第六の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知装置５１は、例えば、磁気検知装置１におけるＴＭＲ素子２に関して、磁性薄膜（磁性体層４，６）の少なくとも１層、例えば、磁性体層６の平面形状が楕円形状として形成されている。
【００６０】
本実施の形態によれば、磁性体層６の平面形状を矩形短冊状とした場合に比べ、楕円形状とすることで、その形状異方性に伴う磁気異方性の影響を少なくすることができ、磁界の方向検知に関してより一層高感度化を図ることが可能となる。
【００６１】
なお、磁性体層６の平面形状としては楕円形状に限らず、真円形状等を含む円形形状であればよく、或いは、ドーナツ形状であってもよい。
【００６２】
本発明の第七の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知装置６１は、例えば、磁気検知装置５１において、基板３に代えて、磁性体基板６２が用いられている。磁性体基板６２としては、Ｍｎ−Ｚｎフェライト基板、Ｎｉ−Ｚｎフェライト基板等の酸化物基板やパーマロイ等の金属基板等が用いられる。
【００６３】
従って、本実施の形態によれば、ＴＭＲ素子２の基板を磁性体基板６２とすることにより、例えば、その材料特性として軟磁気特性を持たせれば、当該磁気検知装置の６１の一層の高感度化を図ることができる。また、その材料特性としてセミハード磁気特性を持たせれば、磁気スイッチ等における特性向上を見込むことができる。
【００６４】
本発明の第八の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気検知装置を利用して構成した地磁気検知の方位検知システムへの適用例を示す。まず、例えば２つの磁気検知装置７１ａ，７１ｂ（前述した磁気検知装置１，１１，２１，３１，４１，５１，６１の何れの形態でもよい）をｘｙｚ３軸ベクトルの方向中の任意の２面（ｘ，ｙ軸でもよく、ｙ，ｚ軸でもよく、ｚ，ｘ軸でもよい）＝直交平面上に独立して配置させた地磁気センサ７２が設けられている。これらの磁気検知装置７１ａ，７１ｂの検知出力はデータ取り込み部７３を介して検知手段としての３磁気成分検知部７４に入力されている。この３磁気成分検知部７４は地磁気検知に関して、磁気検知装置７１ａ，７１ｂの検知出力に基づき３軸ベクトル成分を検知する。一方、データ取り込み部７３を介して取り込まれた磁気検知装置７１ａ，７１ｂの検知出力に関してその絶対値を算出する絶対値演算部７５と、この絶対値演算部７５により算出された絶対値の大きさを予め設定されている比較地磁気強度に測定マージンを加味した閾値と比較する比較部７６とによる異常検知手段７７が設けられている。比較部７６では算出された絶対値の大きさが閾値を越えている場合に検知結果に異常があると判断する。この比較部７６の出力側には異常検知出力に基づき動作する報知手段としての警報部７８が設けられている。
【００６５】
これにより、本実施の形態の方位検知システムによれば、通常は、地磁気の３軸のベクトル検知には３個以上のＴＭＲ素子が必要であるが、１素子で同一平面内の２軸のベクトル検知が可能な前述の実施の形態の磁気検知装置を利用することで、２つのＴＭＲ素子２（磁気検知装置７１ａ，７１ｂ）を異なる直交平面上に配置させるだけの極めて簡単な構成で３軸のベクトル検知を実現することができる。
【００６６】
また、測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味して予め設定されている閾値を超えるような大きさの検知結果が得られた場合には、警報部７８を通じて測定値に異常がある旨を報知するので、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。なお、より実際的には、３磁気成分検知部７４から得られる検知結果とともに、この警報部７８の出力も通信部７９を通じて当該システムの使用者に通信によって通知するシステム構成とすればよい。これにより、ＧＰＳシステムや後述の携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能となる。
【００６７】
本発明の第九の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気検知装置を利用して構成したＧＰＳ対応の携帯通信端末としての携帯電話８１への適用例を示す。図９は携帯電話８１の外観構成を示す概略正面図で、種々の構成例があるが、一例としてマイク部８２、入力操作部８３、スピーカ部８４、ＬＣＤ等による表示部８５等を備え、ヒンジ部８６により２つ折り構造とされている。
【００６８】
このような基本的な構成に加え、本実施の形態では、ＧＰＳ機能を発揮させるための地磁気の方位検知に利用する磁気検知装置８７（前述した磁気検知装置１，１１，２１，３１，４１，５１，６１の何れの形態でもよい）が表示部８５の裏面側に埋め込まれることにより搭載されている。磁気検知装置８７中、例えば、８８はＴＭＲ素子相当部分であり、８９は制御用ＣＰＵ１２等の信号処理・制御部相当部分である。
【００６９】
従って、携帯電話８１等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気検知装置８７を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見込まれる。特に、表示部８５の裏面側に埋め込み実装しているので、本実施の形態のような折り畳みタイプの携帯電話８１の場合であっても、表示面に近接又は一体化されるので、誤差が少なくなる。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の磁気検知装置によれば、磁気抵抗効果素子に流してその変化を磁界変化として検知するための検知用電流を流す向きを電流極性切換手段により切換えるようにしたので、各々の向きの検知用電流を流したときに電圧検出手段により検出される出力電圧の平均値をとることにより検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を少なくして磁界検知が可能となり、磁界検知の高感度化を外部コイルなしに実現することができる。
【００７１】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の磁気検知装置において、各々の向きの検知用電流を流すことにより発生する磁界の影響が加わることで磁気抵抗効果素子の抵抗値が、当該影響がない場合に比べて、増減することから、出力電圧の増減をもって、検知する磁界の方向を確定することができる。
【００７２】
請求項３記載の発明の磁気検知装置によれば、通常は、地磁気の検知には２個以上の磁気抵抗効果素子が必要であるが、検知する磁界の方向の確定が可能な請求項２記載の磁気検知装置を利用するようにしたので、１素子で地磁気検知を行うことができる。
【００７３】
請求項４記載の発明の磁気検知装置によれば、検知用電流として複数の電流値を流し、各々の電流値について出力電圧を検出し、これらの出力電圧値と予め設定されている各電流値対応の相関係数との照合に基づき磁気抵抗効果素子に接続されている回路部のＤＣドリフト分や磁気ヒステリシスに伴う誤差成分を除去するようにしたので、より正確な磁界検知が可能で高感度化を図ることができる。
【００７４】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし４の何れか一記載の磁気検知装置を実現する上で、磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてモノリシックに作製され、かつ、電源もモノリシックに作製されるので、高精度・高感度な磁気検知装置を小型・低コストに実現することができる。
【００７５】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気検知装置を実現する上で、磁気抵抗効果素子等の構成部品がチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、低コストな磁気検知装置とすることができる。
【００７６】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし６の何れか一記載の磁気検知装置において、磁性薄膜の少なくとも１層の平面形状を円形形状（真円形状、楕円形状等）又はドーナツ形状としたので、形状異方性に伴う磁気異方性の影響を長方形形状等に比べて少なくすることができ、磁界の方向検知に関してより一層高感度化を図ることができる。
【００７７】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気検知装置において、磁気抵抗効果素子をフェライト基板等の磁性体基板上に設けたので、例えば、その材料特性として軟磁気特性を持たせることで、磁気検知装置の一層の高感度化を図ることができ、また、その材料特性としてセミハード磁気特性を持たせることで、磁気スイッチ等における特性向上を見込むことができる。
【００７８】
請求項９記載の発明の方位検知システムによれば、通常は、地磁気の３軸のベクトル検知には３個以上の磁気抵抗効果素子が必要であるが、１素子で同一平面内の２軸のベクトル検知が可能な請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置を利用するようにしたので、２つの磁気抵抗効果素子を異なる直交平面上に配置させるだけの簡単な構成で３軸のベクトル検知を実現することができる。
【００７９】
請求項１０記載の発明の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置の検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気検知装置の検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができ、さらには、磁気検知装置による検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００８０】
請求項１１記載の発明の携帯通信端末によれば、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気検知装置を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減を見込むことができ、特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又は一体化され、検知誤差を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はそのセンサ部分の概略断面図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図３】本発明の第三の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図４】本発明の第四の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図５】本発明の第五の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図６】本発明の第六の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図７】本発明の第七の実施の形態の磁気検知装置の構成例を示す概略平面図である。
【図８】本発明の第八の実施の形態の方位検知システムの構成例を示す模式図である。
【図９】本発明の第九の実施の形態の携帯電話の構成例を示す概略正面図である。
【符号の説明】
１ 磁気検知装置
２ 磁気抵抗効果素子、トンネル型磁気抵抗効果素子
４ 磁性体層、磁性薄膜
５ 非磁性体絶縁層
６ 磁性体層、磁性薄膜
７ 電源
８ 電圧検出手段
１０ 電流極性切換手段
１１ 磁気検知装置
１５ 方向判定手段
２１ 磁界検知装置
２２ 電源
２４ 電流値切換手段
２８ 誤差除去手段
３１，４１ 磁気検知装置
４２ 実装用基板
５１，６１ 磁気検知装置
６２ 磁性体基板
７１ 磁気検知装置
７４ 検知手段
７７ 異常検知手段
７８ 報知手段
８５ 表示部
８７ 磁気検知装置
Claims (11)
- 少なくとも磁性薄膜の積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、
検知用電流の向きを切換える電流極性切換手段を含み、前記磁気抵抗効果素子に磁界変化を検知するための検知用電流を流す電源と、
前記検知用電流を流したときに磁界変化に伴い前記磁気抵抗効果素子に発生する出力電圧を検出する電圧検出手段と、
を備えることを特徴とする磁気検知装置。 - 各々の向きの前記検知用電流を流したときに前記電圧検出手段により検出される出力電圧の増減に基づき検知磁界の方向を判定する方向判定手段を備えることを特徴とする請求項１記載の磁気検知装置。
- 地磁気を検知対象とすることを特徴とする請求項２記載の磁気検知装置。
- 薄膜積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、
検知用電流の値を切換える電流値切換手段を含み、前記磁気抵抗効果素子に磁界変化を検知するための検知用電流を流す電源と、
前記検知用電流を流したときに磁界変化に伴い前記磁気抵抗効果素子に発生する出力電圧を検出する電圧検出手段と、
各々の電流値の前記検知用電流を流したときに前記電圧検出手段により検出される出力電圧と予め設定されている各電流値対応の相関係数とに基づき回路部の誤差成分を除去する誤差除去手段と、
を備えることを特徴とする磁気検知装置。 - 前記磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性体絶縁層及び磁性体層の積層構造を含んでモノリシックに薄膜形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子であって、前記電源とともにモノリシックに構成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一記載の磁気検知装置。
- 前記磁気抵抗効果素子等の構成部品をチップ部品としてチップ搭載基板上に実装したことを特徴とする請求項１ないし５の何れか一記載の磁気検知装置。
- 前記磁気抵抗効果素子の磁性薄膜の少なくとも１層の平面形状が、円形形状又はドーナツ形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一記載の磁気検知装置。
- 前記磁気抵抗効果素子は、磁性体基板上に設けられていることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一記載の磁気検知装置。
- 磁気抵抗効果素子が異なる直交平面上に配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし８の何れか一記載の２個の磁気検知装置と、
これらの磁気検知装置の検知出力に基づき３軸のベクトルを検知する３軸ベクトル検知手段と、
を備えることを特徴とする方位検知システム。 - 地磁気を検知対象として磁気ベクトルを検知する請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置と、
この磁気検知装置の検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、
この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、
を備えることを特徴とする方位検知システム。 - 表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１ないし８の何れか一記載の磁気検知装置を備えることを特徴とする携帯通信端末。
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