JP4006674B2

JP4006674B2 - 方位計

Info

Publication number: JP4006674B2
Application number: JP2001153068A
Authority: JP
Inventors: 泰典阿部; 治下江
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2021-05-22
Also published as: US20040111906A1; US6826842B2; EP1394508B1; CN1531642A; KR20040008183A; CA2447711C; KR100846078B1; EP1394508A1; CA2447711A1; JP2002350136A; CN100367001C; EP1394508A4; WO2002095330A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面コイルと薄膜磁気抵抗効果素子(以下、略して、磁気抵抗素子とも言う)を重ね合わせて用いた扁平型方位計、特に小型、軽量であり、モバイル機器に好適な方位計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗素子はその磁化容易軸方向に電流を流したときに、それに直角な方向に磁界を印加すると、電流の方向での電気抵抗は磁界の大きさによって減少する磁気抵抗効果を持つ。電気抵抗(以下、略して、抵抗とも言う)と印加する磁界強度との関係は、図１７のようになる。
【０００３】
Ｈｋを飽和磁界とすると磁気抵抗素子に１／２・Ｈｋ程度のバイアス磁界を印加した状態では、外部磁界と抵抗とはほぼ直線関係にある。このように一定のバイアス磁界を印加した状態で、この外部磁界と抵抗との直線関係を利用すれば外部磁界の大きさを抵抗値に依って読み取ることができる。地磁気の直交する２成分の各々を、適当なバイアスを印加した２群の磁気抵抗素子群で読み取り、演算すれば測定地点での方位を測定することができる。
【０００４】
４個の直交する磁気抵抗素子９１，９２，９３，９４を図１８のようにＭＲブリッジに組み、図１９に断面模式図、図２０に外観図を示すように、磁気抵抗素子の電流方向に対して４５°の角度になるように２つの直交するバイアス磁界を印加できるように２個のバイアスコイル１０１，１０２を磁気抵抗素子の外部に付けたホルダーに巻き付けた方位計が用いられている。
【０００５】
方位を測定する際には、一方のバイアスコイル１０１（ｘ方向コイルとする）によって、ＭＲブリッジになった４個の磁気抵抗素子９１，９２，９３，９４に＋ｘ方向バイアスを印加しながら、ＭＲブリッジになった磁気抵抗素子間の中間電位差を測定し、次に同じバイアスコイル１０１によって磁気抵抗素子に−ｘ方向バイアスを印加しながら、磁気抵抗素子間の中間電位差を測定する。＋ｘ方向バイアス印加時と−ｘ方向バイアス印加時の中間電位差同士の差を求めると、この差が地磁気の水平分力とｘ軸方向との角度θの正弦と比例したものになる。
【０００６】
次に他方のバイアスコイル１０２（ｙ方向コイルとする）によって、フルブリッジになった４個の磁気抵抗素子９１，９２，９３，９４に＋ｙ方向バイアスを印加しながら、ＭＲブリッジになった磁気抵抗素子間の中間電位差を測定し、次いで同じバイアスコイル１０２によって磁気抵抗素子に−ｙ方向バイアスを印加しながら磁気抵抗素子間の中間電位差を測定する。＋ｙ方向バイアス印加時と−ｙ方向バイアス印加時の中間電位差同士の差を求めると、この差が地磁気の水平分力の方向θとはｓｉｎ（π／２−θ）に、すなわち角度θの余弦と比例する。
【０００７】
これらｙ方向出力Ｖｙとｘ方向出力Ｖｘから地磁気の水平分力の方向
θ＝ｔａｎ^-1Ｖｘ／Ｖｙ
として、方位が測定出来る。
【０００８】
しかしながら、実際には、磁気抵抗素子への印加磁界と抵抗との関係にはヒステリシスがあり、図１７に示したものよりも、むしろ図２１のようになる。印加磁界強度を上げていくと図２１の上のカーブを辿り飽和となり、そこから印加磁界を下げていくと下のカーブを辿る。
【０００９】
そこで、方位を測定する際に、このヒステリシスの影響を考慮して、バイアス磁界を印加する前に飽和磁界を印加しておくことが行われている。
【００１０】
例えば、特開平5-157565号公報にあるように、上で説明した磁気抵抗素子と２つの直交するバイアスコイルからなる方位計を用いて方位を測定する際に、＋ｘ方向に飽和磁界Ｈｋを印加し、次いで＋ｘ方向バイアス磁界Ｈｂを印加しながら磁気抵抗素子間の中間電位差を測定する。そして同じバイアスコイルによって−ｘ方向に飽和磁界−Ｈｋを印加し、次いで−ｘ方向バイアス磁界−Ｈｂを印加しながら磁気抵抗素子間の中間電位差を測定する。このようにして求めた＋ｘ方向バイアス印加時と−ｘ方向バイアス印加時の中間電位差同士の差をｘ方向出力Ｖｘとする。
【００１１】
次に他方のバイアスコイルによって、＋ｙ方向に飽和磁界を印加し、次いで＋ｙ方向バイアスを印加しながら磁気抵抗素子間の中間電位差を測定する。そして同じバイアスコイルによって−ｙ方向に飽和磁界を印加し、次いで−ｙ方向バイアスを印加しながら磁気抵抗素子間の中間電位差を測定する。このようにして求めた＋ｙ方向バイアス印加時と−ｙ方向バイアス印加時の中間電位差同士の差をｙ方向出力Ｖｙとする。これらＶｘとＶｙから上記と同じように方位を測定するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上で説明したＭＲブリッジに組み立てた４個の直交する磁気抵抗素子は一枚のセラミック基板上にＮｉ系合金膜を蒸着し、エッチングによってつづら折り状の各磁気抵抗素子として形成することができる。そのために極めて小さく、また薄いものとすることができる。しかし、それをｘ方向、ｙ方向に取り巻いて形成した２個のバイアスコイルは磁気抵抗素子ブリッジの外周に設けられているために、厚さが３ｍｍ程度で面積が１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の物となっていた。
【００１３】
また、方位を測定する手順を上で説明したが、ｘ方向コイルで＋ｘ方向と−ｘ方向のバイアスを印加して測定し、ｙ方向コイルで＋ｙ方向と−ｙ方向のバイアスを印加して測定し、その後演算するので４回の測定が必要なものであった。
【００１４】
更に、ヒステリシスの影響をなくすために、バイアス磁界を印加する前にバイアス磁界と同じ方向の飽和磁界を印加することが行われている。飽和磁界を印加した後に同じ方向のバイアス磁界を印加すると磁気抵抗素子の抵抗と磁界曲線の勾配が小さくなって測定する出力が低くなってしまう。
【００１５】
そこで、本発明の目的とするところは、厚さを極めて薄く且つ面積を小さくすることのできる方位計を提供することである。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、従来よりもコイルへの通電回数を減らし、測定回数を少なくすることのできる方位計を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の方位計は、例えば、四角形の形状に巻回した平面コイルと、その平面コイルの面にほぼ平行に、少なくとも２群の薄膜磁気抵抗素子群を配置し、前記磁気抵抗素子群の各々が、偶数個の磁気抵抗素子を導通してＭＲブリッジを構成するようにすると共に、地磁気の直行する２成分を検知して出力し、これら出力値から方位情報を得るものにおいて、平面コイルに所定方向の電流を流して前記磁気抵抗素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加した後、これとは逆方向の一定のバイアス磁界を印加し、次に前記所定方向とは逆方向に磁気抵抗素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加した後、これとは逆方向の一定のバイアス磁界を印加する手段と、前記バイアス磁界印加に合わせて薄膜磁気抵抗素子群に磁場測定電流を流す手段を備えたものである。
【００１８】
好ましくは、一つの電源を利用して磁気抵抗素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加する場合に、事前に当該電源からの電流を利用して充電したコンデンサ電荷による放電圧を重畳して平面コイルに電圧を印加する回路構成とする。
好ましくは、各磁気抵抗素子長手方向とその近傍の平面コイルの一辺とのなす角度βが、sinβxcosβ≠０となるものであり、磁気抵抗素子の印加磁場に対する抵抗値変化が極小となる近傍の印加磁場特性を利用する。
【００１９】
1群の薄膜磁気抵抗素子群が、前記四角形の対辺に各々２個ずつをその辺に交差するように配置した磁気抵抗素子を導通して構成したものであり、他の1群の薄膜磁気抵抗素子群が、前記対辺とは別の対辺に各々２個ずつをその辺に交差するように配置した磁気抵抗素子を導通して構成したものであり、同一の辺に配置する２個の磁気抵抗素子の長手方向同志は、ほぼ直交するものとする事が優位である。
【００２０】
βは、好ましくは、約４５度、約１３５度、約２２５度、あるいは、約３１５度のいずれかである。各磁気抵抗素子について、その磁気抵抗素子長手方向が各辺と交差する角度のバラツキが±５°以内であることが好ましい。必要な場合には、地磁気の直交２成分を各々で検知して出力し、これら出力値から方位情報を得るものにおいて、正方向にバイアスを印加して得た出力と負正方向にバイアスを印加して得た出力との差を出力する回路を付加することができる。
【００２１】
平面コイルに所定方向の電流を流して前記磁気抵抗素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加した後、これとは逆方向の一定のバイアス磁界を印加して磁場を測定し出力を得て、次に前記所定方向とは逆方向に磁気抵抗素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加した後、これとは逆方向の一定のバイアス磁界を印加して磁場を測定して出力を得ることを２回以上行ない、これら出力値から方位情報を得るものとすることができる。
【００２２】
本発明の方位計では偶数個の磁気抵抗素子を導通してＭＲブリッジを形成するようにする。本発明で「ＭＲブリッジ」というのは、たとえば、四角形状に巻回した平面コイルの一辺とその対抗する辺の各々に磁気抵抗素子Ａ，Ｂを配置し直列に接続する。前記一辺には、磁気抵抗素子Ａと直交する別の磁気抵抗素子Ｃを、また、その対抗する辺には、磁気抵抗素子Ｂとは直交する別の磁気抵抗素子Ｄを配置して、磁気抵抗素子Ｃと磁気抵抗素子Ｄを直列に接続する。磁気抵抗素子ＡとＢの中間地点の出力Ｖ1と磁気抵抗素子ＣとＤ中間地点の出力Ｖ２との電位差を出力するように構成したものである。本発明では、一群の磁気抵抗素子群ともう一つの磁気抵抗素子群の各々が一般には直交する２方向の地磁気の成分を検知しこれら出力によって方位情報を得る。このようにすることに依って、抵抗に対する印加磁場のヒステリスの影響を少なくし、出力に混入するノイズを除去する事ができ、出力の絶対値も大きなものとする事ができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の方位計について、実施例の平面図を図１に示している。図１で１は四角形状コイルであり数十回巻回したものである。この平面コイル面の同じ側に、この図では下側に、この平面コイル面と平行な平面内に磁気抵抗素子対２，３，４，５が４組設けられている。磁気抵抗素子対２，３，４，５それぞれは２個の磁気抵抗素子２１と２２，３１と３２，４１と４２，５１と５２からなっている。
【００２４】
磁気抵抗素子対２の一方である磁気抵抗素子２１の長手方向は平面コイル１の１辺１１のみと約４５°で交差している。磁気抵抗素子対２の他方の磁気抵抗素子２２の長手方向は平面コイル１の対辺すなわち辺１２のみと約４５°で交差している。そして、磁気抵抗素子２１の長手方向は磁気抵抗素子２２の長手方向とほぼ直角となっていて、これら磁気抵抗素子２１と２２の一方の端部（この実施例では平面コイル１の内側にある端部）同士は接続されている。他の磁気抵抗素子対３，４，５についても、各一方の磁気抵抗素子３１，４１，５１の長手方向は平面コイル１の１辺１２，１３，１４それぞれのみと、各他方の磁気抵抗素子３２，４２，５２の長手方向は平面コイル１の対辺１１，１４，１３それぞれのみと、約４５°で交差している。そして、磁気抵抗素子３１，４１，５１それぞれの長手方向は、磁気抵抗素子対のそれぞれの対応する磁気抵抗素子３２，４２，５２の長手方向と直角となっていて、磁気抵抗素子３１と３２の一方の端部（この実施例では平面コイル１の内側にある端部）同士、磁気抵抗素子４１と４２の一方の端部（この実施例では平面コイル１の内側にある端部）同士、磁気抵抗素子５１と５２の一方の端部（この実施例では平面コイル１の内側にある端部）同士それぞれが接続されている。また、平面コイル１の１辺１１と交差している２個の磁気抵抗素子２１と３２はその長手方向が直角となっている。同様に辺１２，１３，１４と交差しているそれぞれ２個の磁気抵抗素子２２と３１，４１と５２，４２と５１はその長手方向が直角となっている。
【００２５】
この方位計は基板上に、磁気抵抗素子を形成し、さらに平面コイルを形成している。基板の厚さは０．７ｍｍである。基板上に成膜した磁気抵抗素子や平面コイルなどの薄膜の部分の厚さは、４０〜５０μm である。基板の縦横寸法は３ｍｍ×４ｍｍである。
【００２６】
図１に示した方位計の実施例をよりよく理解できるように、その模式図の展開斜視図を図２に、磁気抵抗素子の結線図を図３に、また、これら磁気抵抗素子、平面コイルを駆動する回路構成の例を図４に示す。図２から判るように、平面コイル１に直流電流を流したとき、平面コイル面に平行な面には、コイルの内側から外へ、あるいは外から内側へ向いた直流磁界が生じるので、磁気抵抗素子対に直流磁界が印加されることになる。図３で平面コイル１に右回りの電流Ｉｂが流れると磁気抵抗素子２１，３２にはｘ方向の磁界が、磁気抵抗素子２２，３１には−ｘ方向の磁界が、磁気抵抗素子４１，５２にはｙ方向の磁界が、磁気抵抗素子４２，５１には−ｙ方向の磁界が印加される。平面コイル１にそれとは反対方向の電流−Ｉｂが流されると各磁気抵抗素子には先ほどと反対方向の磁界が印加される。要すれば、磁気抵抗素子２１，２２，３１，３２で一つのＭＲブリッジを形成し、磁気抵抗素子４１，４２，５１，５２で、もう一つのＭＲブリッジを形成している。
【００２７】
磁気抵抗素子の長手方向に電流を流すときに、磁気抵抗素子面で長手方向と直角方向に磁界を印加した場合、磁気抵抗素子の抵抗は図１７ように磁界の大きさに応じて減少し、その磁界の印加方向によって図２１のようにヒステリシスが生じる。
【００２８】
本発明のように、磁気抵抗素子を平面コイルの辺と４５°で交差している場合は、長手方向の直角方向に対して４５°の方向に外部磁界が印加されることになる。その場合磁気抵抗素子は長手方向に形状磁気異方性があり、形状磁気異方性磁界と外部磁界の合成ベクトルが磁気抵抗素子に印加されたのと同じになる。そのために、磁気抵抗素子に外部磁界を印加したときの外部磁界と抵抗の関係は図１０に示すグラフのようになる。図１０では正方向に大きな磁界を掛けておいて、徐々にその掛けている磁界の大きさを小さくしていったときの抵抗の変化(a)と、逆方向の変化(b)を示している。正方向に大きな磁界を掛けておいて徐々にその掛けている磁界の大きさを小さくしていったとき印加磁界が負になったときに極小の抵抗を持つので、負で所定の大きさの磁界を印加しているときに、印加磁界の変化に対する抵抗の変化率が最も大きくなる。負方向に大きな磁界を掛けておいて、次第に印加磁界を大きくしていった場合には、正で所定の大きさの磁界を印加しているときに、印加磁界の変化に対する抵抗の変化率が最も大きくなる。
【００２９】
そこで本発明において、図１〜３に示す第一実施例の方位計を用いて方位を測定するに際して、平面コイル１に直流電流を図３で右回りに流して、磁気抵抗素子２１〜５２が長手方向と直角方向に飽和する大きさの直流磁界を磁気抵抗素子２１〜５２に印加し、その直流電流と反対向き（図３で左回り）で所定の大きさの直流電流をその平面コイル１に流して磁気抵抗素子の長手方向と直角方向にバイアス直流磁界を印加している間に、磁気抵抗素子対の各磁気抵抗素子の他方の端部同士間に測定用電圧Ｖｃｃを印加して、接続されている端部から中間電位出力を取り出す。図３で右回りに直流電流を流して、磁気抵抗素子２１〜５２の長手方向と直角方向に飽和する大きさの直流磁界を磁気抵抗素子２１〜５２に印加すると、いずれの磁気抵抗素子も図１０のグラフの右端の状態となる。直流電流を減少させるか、あるいは切って、その直流電流とは反対向き、図３で左回りであって、印加磁界に対する抵抗変化率が最大となる付近の大きさの磁界、すなわち、所定の大きさの直流電流による直流磁界を印加しておいて、磁気抵抗素子同士の接続されている端部から中間電位出力を取り出す。いま地磁気の水平成分の大きさをＨｅとして、その地磁気の水平成分Ｈｅのｘ軸となす角度をθとする。磁気抵抗素子２１と磁気抵抗素子２２の中間電位出力は、
Vcc ・（1/2 −1/(2・Rb) ・βHecos θ）
となる。なお、ここでβは抵抗の磁界に対する変化率であって、Rbはバイアス磁界Ｈｂのみが印加されているときの磁気抵抗素子の抵抗である。
【００３０】
この実施例では、磁気抵抗素子対２と磁気抵抗素子対３の接続されている端部の中間電位出力の間の差を図３のＶｘとして取りだしているので、中間電位出力差Ｖｘは
Vx(+)= Vcc・((1/2 −1/(2・Rb) ・βHecos θ) −(1/2+1/(2 ・Rb) ・βHecos θ))
= −Vcc ・1/Rb・βHecos θ
となる。
【００３１】
同様にして、磁気抵抗素子対４と磁気抵抗素子対５の接続されている端部の中間電位出力の間の差を図３のＶｙとして取りだしているので、中間電位出力差Ｖｙは
Vy(+)= Vcc・((1/2 −1/(2・Rb) ・βHesin θ) −(1/2+1/(2 ・Rb) ・βHesin θ))
= −Vcc ・1/Rb・βHesin θ
となる。
【００３２】
次に、平面コイル１に前述した方向と反対向き（図３で左回り）に直流電流を流して、磁気抵抗素子２１〜５２が長手方向と直角方向に飽和する大きさの直流磁界を磁気抵抗素子２１〜５２に印加し、その直流電流とは反対向き（図３で右回り）で所定の大きさの直流電流をその平面コイル１に流して磁気抵抗素子の長手方向と直角方向にバイアス直流磁界を印加している間に、上と同様に磁気抵抗素子対の各磁気抵抗素子の他の端部同士間に測定用電圧Ｖｃｃを印加して、接続されている端部から中間電位出力を取り出す。このときに印加する磁界の大きさは、絶対値で上とほぼ同じ大きさの磁界とすると、印加磁界に対する抵抗変化率が最大となる。
【００３３】
この場合の磁気抵抗素子対２と磁気抵抗素子対３の接続されている部分の中間電位出力の間の差を図３のＶｘとして取り出すと、中間電位出力差Ｖｘは
Vx(-)=Vcc ・1/Rb・βHecos θ
となる。また、磁気抵抗素子対４と磁気抵抗素子対５の接続されている端部の中間電位出力の間の差を図３のＶｙとして取り出すと、中間電位出力差Ｖｙは
Vy(-)=Vcc ・1/Rb・βHesin θ
となる。
【００３４】
これらの両中間電位出力差をｘ方向とｙ方向について差を求めると、
ｘ方向のＶ=Vx(+)−Vx(-) ＝−2Vcc・1/Rb・βHecos θ
ｙ方向のＶ=Vy(+)−Vy(-) ＝−2Vcc・1/Rb・βHesin θ
となるので、地磁気の水平成分がｘ軸となす角度θは
θ=tan^−１（ｙ方向のＶ/ ｘ方向のＶ）
として求めることができる。
【００３５】
以上の説明から明らかなようにある方向に直流電流を流しているときに、磁気抵抗素子対２と３及び磁気抵抗素子対４と５の２組ずつにｘ方向とｙ方向のバイアス磁界を印加したときの中間電位出力差を同時に求めることができるとともに、反対方向に直流電流を流しているときに、磁気抵抗素子対２と３及び磁気抵抗素子対４と５の２組ずつに−ｘ方向と−ｙ方向のバイアス磁界を印加したときの中間電位出力差を同時に求めることができる。
【００３６】
以上の実施例の説明では、磁気抵抗素子と平面コイルの各辺とが交差する角度をπ／４すなわち４５°として説明したが、この交差する角度は０°よりも大きく６０°以内であれば方位を測定出来る。しかしながら、角度が小さすぎると図１０の極小値近傍で抵抗の磁界に対する変化の大きい領域が狭まり、適当なバイアス磁界の設定が難しくなるため、４５°のときが最も取り扱いやすい。
【００３７】
また、平面コイル１の１辺と交差している２個の磁気抵抗素子の長手方向が互いに直角になっているもの、１組の磁気抵抗素子対の２個の磁気抵抗素子の長手方向が互いに直角となっているものについて上の実施例では説明したが、お互いが非平行であればよい。しかし、直角となっているものが最も扱いやすい。なお、磁気抵抗素子と辺の交差角度は、素子対においてミラーイメージ（鏡像）の関係にすることが好ましい。ミラーイメージの関係に近づけると出力のバラツキが低減されて正弦波状になる。そこで、磁気抵抗素子対において、磁気抵抗素子が各辺と交差する角度の差は±５°以内とする。さらに好ましくは、方位計の全ての磁気抵抗素子について、各々の磁気抵抗素子が各辺と交差する角度のバラツキを±５°以内とする。
【００３８】
平面コイルについては、外寸２〜３ｍｍで５０〜１００ターンの平面コイル
を作製したところ、十分な出力が得られた。一方、コイル寸法は消費電力を小さくするためにできるだけ小さい方がよい。
【００３９】
低い電源電圧で必要な磁界を発生させるためには、コイルの抵抗を低くすることが最も効果的である。コイル抵抗は膜厚と線幅と長さで決まるが、長さはコイル寸法によるところが大きい。線幅と膜厚はできるだけ大きい方がよいが、膜厚は導体間スペースによって規定される。導体間スペースの制約の中で、膜厚は厚い方が好ましいが、製造上メッキ厚が厚すぎるのは好ましくない。そのために２〜５μｍが適当である。また線幅はそれに伴い８〜２０μｍが適当である。
【００４０】
平面コイルと磁気抵抗素子の間隔は、本発明では平面コイルの極近傍の磁界を利用するのでできるだけ近い方が好ましい。その間に挿入されている絶縁膜厚の絶縁性を考慮し、磁気抵抗素子と配線膜の膜厚の１．５倍程度とすると良い。この間隔は０．５〜2 μｍが適当である。
【００４１】
上で説明した各実施例は、基板上に磁気抵抗素子を設け、その上にコイルを積層している２層型である。磁気抵抗素子あるいはコイルを増やすこともできる。例えば、基板上に磁気抵抗素子／コイル／磁気抵抗素子の順に積層した３層型とすると、出力を２倍にできる。また、基板上にコイル／磁気抵抗素子／コイルの順に積層した３層型とすることもできる。更に、平面コイルのある平面と平行な複数の平面に磁気抵抗素子を設けることも可能である。
【００４２】
コイルの形状には、平行四辺形状あるいは長方形、十字型がある。特に正方形の平面コイルを用いて本発明を以上説明したが、他の形状の平面コイル１でもよい。
【００４３】
以下、磁気抵抗素子の駆動回路と磁気抵抗素子の作動について、更に詳細に説明をする。
図１０は、先に説明したように、電流と印加磁界方向が４５度の角度を持つ時の磁気抵抗素子の抵抗-印加磁界特性を示す図である。本発明では、本図に示す特性を使用する。
図１１は、本発明の磁気抵抗素子の動作原理を説明する図である。１４，１６で示す動作点での印加磁界変化に対する曲線の傾き、すなわち感度は、図１７に示した曲線の傾きより大きく、したがって素子の長手方向(電流方向)と４５度をなすように使う事で、高い感度が得られることが分かる。番号で示した点での動作を以下に説明する。
A）負側に飽和磁化Ｈｋ以上に大きく磁界を印加する点を１３で示した。ここでは、磁気抵抗素子の磁区を一方向にそろえることになる。
B) 正側にバイアスを印加する点を１４で示した。外部磁界がゼロでは抵抗値20であが、外部磁界18があると抵抗値は21となる。
C)正側に飽和磁化Ｈｋ以上に磁界を印加する点が１５であり、点１３と反対側の向きに磁気抵抗素子の磁区をそろえることになる。
D)負側にバイアス磁界を印加する点が１６である。外部磁界１７（１８と同じ向き同じ大きさ）があると抵抗値は19となる。
外部磁界の無い場合の抵抗値20に対して１９と２１の抵抗値の変化が得られる。この差が抵抗値２２となる。ＭＲブリッジ接続された４つの磁気抵抗素子のうち二つはこのように動作し、他の二つは外部磁界に対し向きが反対に配置され、符号が逆で２２と同じ大きさの信号を得る事が出来る。
【００４４】
図４は、本発明に使用する駆動回路の例を示すものである。
菱形は磁気抵抗素子4本からなるＭＲブリッジ回路である。出力をＣＭＯＳオペアンプで約100倍に増幅する。センサコイルのYからXに流れる電流を正電流とすると、図５のタイミングチャートに対応する。
A)左の枠内コンデンサは、抵抗(Isr set)を通してVdd0(正電圧)とVss(負電圧）の絶対値の合計電圧で充電されている。A,Bはlowレベルに保っておく。INHをlowレベルにするとマルチプレクサX,Y端子がそれぞれX0,Y0に接続され、コイルにはXからYに向かってパルス電流が流れる。
B）ポートBをhighレベルとすると今度はマルチプレクサX,Y端子がそれぞれX2,Y2に接続され、コイルにはYからXに向かって電流が流れる。ここで2つのＭＲブリッジの出力を取り出す。 INHをhighとしてバイアス電流を切る。この間にもコンデンサＣは再充電されている。
C)ポートAをhighにする。そこでINHをlowにするとX3からY3にパルス電流が流れる。
D）ポートBをlowとするとX1,Y1が接続され、負方向に電流が流れる。再度2つのＭＲブリッジの出力を取り出す。INHをhighとしてコイル電流を切る。
２回の測定値をそれぞれ引き算して各方向の磁界の測定が行える。
実際の回路の電圧波形およびコイル電流の波形を図６に示す。
真中のINHをやめても同じ動作は可能であり、この場合のタイミングチャートを図９に示す。
【００４５】
この図４で示した回路はコイル抵抗が大きいため電源電圧だけでは充分なリセット電流を流せないため、極性の異なる別電源が必要であった。この問題を解決するために改良した回路を図７に示す。ＭＲブリッジ以降の構成は、図４と同じであるが、コイルの駆動法が異なる。動作を説明するタイミングチャートは図８に示した。
図４の回路ではVdd0とVssの２つの電源が必要であった。この点を改良した回路が図７で示すものである。電源を一つにするために、コンデンサに充電された電圧をもとの電圧に積み重ねて、高い電圧を簡単な回路で得ることが特徴である。マイコンのポートは２つ(A, B)必要であり、片方のポートＡは通常はhighレベルに保つが、このセンサを使うときにはlowレベルとする。コイルの駆動はNORゲート４個(ICにして１個)、X出力はブリッジとオペアンプの電源のON/OFF出力となっている。接続法や動作は図４の回路と同じである。 B入力をlowにしておく。ここでAもlowにして、アンプとブリッジの電源を供給する。Y側はlowレベル、Z側はhighレベルとなる。Z側からRs2とコイル、Rs1を通ってY側に電流が流れる。このためRs1,Rs2、コイルには電圧が加わる。この電圧により、数十μ秒後には、C1のRs1側は負に,C2のRs2側は正に充電される。この電圧はYZ出力に対してコンデンサがたすきがけ(ブリッジ）となっているため、両コンデンサの絶対値電圧の合計は電源電圧と同等かややそれより大きい電圧となる。
B入力をhighとする。Ｙ，Ｚ出力とも反転し、Yがhighに、Zがlowとなる。このため、Y端子につながったC2のRs2側は、先ほどまで充電されていた電圧が加わり、電源電圧の１．５倍ほどの電圧となる。逆にZ側につながったC1では電源電圧の０．５倍ほどのマイナス電圧が発生している。コイルにはこの両者の差電圧、すなわち電源電圧の２倍程度が印加される。この結果コイルにMR素子の磁化を飽和させるに充分な磁界を発生させる事が出来る。図１１で示す点１３に相当する。コンデンサに蓄えられた電荷は約２μ秒で放電し、今度はYからZ方向にコイル電流が流れる。この電流値は図１１の動作点１４に相当し、Rs１、Rs2、コイルの抵抗値と電源電圧によって決定される。このとき先程とは逆向きにC1,C2に充電されている。この間に２つのＭＲブリッジ出力電圧を増幅測定する。測定が終わったら今度はB入力をlowとする。Yがlowに、Zがhighとなる。逆向きに充電されていた電荷は、逆向きにパルス電流を発生させる。図１１の作用点１５に相当する。放電が終わってから、Rs１，Rs２，コイル抵抗で決まる電流が、ZからYに流れる。動作点１６に至る。ここで再び２つのＭＲブリッジの出力を測定する。測定が終了したら、Aをhighに戻す。図６に示した回路は動作を停止する。あとは、２つの方向の磁界に対応する２つの出力それぞれの差をとり、磁界の測定値を得る。その後演算を行い、方位表示を得る。
【００４６】
実際のコイル電流の測定値を図１４に示す。正負の大きなパルスが図１１の作用点１５,１３に対応する。正負の平らな部分が作用点１４,１６に対応する。
ここで増幅されたアナログ電圧をそれぞれの方向で合計４回測定する。図１５はその最初の部分の拡大図である。負の大きなパルスが図１１の点１３に相当する。コイル抵抗は２００Ω、電源電圧は３Ｖであり、２３ｍＡ流れている。コイル電圧は電源電圧以上の４．６Ｖかかっていた事になる。
パルス幅はＣ１，Ｃ２によって変えられ、大きい方が確実な効果があるが、時間がかかり電流消費も大きい。実験的にはＣ１、Ｃ２＝２２０００ｐＦを用い、約２μ秒の時が良かった。
【００４７】
更なる改良を次に説明する。
ＩＣ出力の反転に時間がかかる場合があるが、そのときには、コンデンサの蓄えられた電荷が、必要としているコイル以外にＲs1，Ｒs2にも流れてしまう。抵抗は電圧に対して電流が比例して増加することが原因であるから、電圧が上昇しても電流の増加しない双方向の定電流素子をＲs1，Ｒs2の代わりに入れればよい。具体的には図１６の回路で、その特性を図２２に示した。使用した接合型電界効果トランジスタは、２SK170、抵抗は３３Ωであった。約４ｍＡの定電流特性である。この結果、Ｒs1，Ｒs2を用いたときは、ＩＣを流れるピーク電流値が約４８ｍＡであったものが３２ｍＡとなった。
なお、得られたＸ，Ｙの磁界強度から方位を計算する際、逆正接演算が必要であるが、逆正接の主値は−90度から＋90度、この繰り返しのため、切り替わるところではＸの値が小さいので誤動作しやすい。Ｘ，Ｙの絶対値の大きい+/-45度、+/-135度で関数を区切って計算することが好ましい。
【００４８】
図２３及び図２４はアナログ出力が必要な場合の回路例である。D.F.F．(Ｄタイプ-フリップ・フロップ)出力で、コンデンサと抵抗からなるブリッジ回路を通してコイルを駆動し、図１１の動作点１３、１４，１５，１６を用いることは前記回路と同様であるが、この方式では、ＡＤ変換を行なった後でデジタルで引き算を行なうことができないため、アナログ的に引き算を行なった。すなわち、ＭＲブリッジにもコイルの駆動電圧と同じく、D.F.F．の出力を接続し、動作点１４に対してＭＲブリッジが正の出力の場合、動作点１６に対して負の出力が得られるよう、ＭＲブリッジの印加電圧を反転して加えた。このときＭＲブリッジ出力は無信号時には本来出力が現れないわけであるが、通常ＭＲブリッジはわずかな抵抗値の不一致から来るオフセット電圧が発生している。この結果、ブリッジに印加する正負の電圧の時間比を正確に１：１とすることにより、その平均値である出力電圧の基準点は電源電圧の中点となり、正確な測定が行なえるようになる。外部磁界がある場合には、正方向にＭＲブリッジ電圧が加えられているとき、バイアス電圧も正とすると、動作点は１４となり、２１のレベルの抵抗に対応する電圧が発生する。DFFが反転すると、バイアス磁界は反転し動作点は１６となる。ところがブリッジ電圧も反転しているため、１９に対応する電圧が反転して現れる。すなわち、この図では正の外部磁界にたいし、ＭＲブリッジに印加される電圧の極性に依らず常にＭＲブリッジ出力はとに負電圧を発生し、その平均値(積分値)も負となる。このようにして連続的に外部磁界に対応するアナログ電圧を得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明では平面コイルを磁気抵抗素子に飽和磁界とバイアス磁界を印加するのに用いているので、薄膜でコイルを作製することが出来て、方位計を薄く且つ面積を小さくすることができる。
【００５０】
本発明の方位計によれば、ｘ方向とｙ方向について同時にバイアス磁界を印加して方位を測定することができるので、方位の測定を従来の半分の回数で行うことができる。
【００５１】
また本発明の方位の測定方法によれば、印加する飽和磁界とバイアス磁界の方向を反対方向にして所定の大きさのバイアス磁界を印加しているので、出力を大きくすることができる。
【００５２】
本発明の方位計は、携帯電話あるいはＰＤＡ等モバイル機器に搭載することによって、特に改良されたナビゲーション機能を備えたモバイル機器を提供する事ができる。携帯電話でも、グルメガイド、ホテルガイド等、街の地図を表示するアプリケーションソフトが実用化されている。従来は、この場合、地図を表示する場合には、表示画面と実際の方位とは固定されていた。たとえば、表示画面の上側を北の方角とするものである。このために、表示画面の上側が実際の北の方角に向いてない場合には、携帯者が携帯電話の表示画面を回転させて、実際の北の方角に表示画面の上側を向ける必要があり、携帯者には煩わしい作業を強いるものであった。本発明の方位計を利用すれば、携帯電話等の表示画面の向いている方向の如何に拘らず、実際の地理的方位と画面上で表示される地図の方位とを一致させて表示することが可能としたナビゲーション付モバイル機器を提供することができる。仰角による出力変動対策については、仰角を検出する部品と補正演算回路を付加すれば可能である。方位計を３次元のものとする事によっても対策できる。本発明の方位計を組み込んだナビゲーション付携帯電話の外観を図１２示す。１００はナビゲーション付携帯電話本体、２００は液晶表示部（ＬＣＤ）である。
【００５３】
比較のため、従来例を図１３に示した。図１２同一部品は同一記号で示す。携帯者の現在位置は×印２０６で示される。図１２の本発明によるナビゲーション付携帯電話では、実際の方位４００と地図の方位３００を一致して表示する事ができる。これは、内蔵する本発明の方位計に依って得る方位情報を利用することにより可能とした。図１３の従来例では、小型の方位素子を組み込む事ができず、このために地図の方位Ｎ極３００は表示画面２０４上側に固定され、実際の方位４００と一致しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例の正面模式図である。
【図２】本発明による実施例の展開斜視模式図である。
【図３】本発明の実施例に利用できる磁気抵抗効果素子の結線例を示す図である。
【図４】本発明の方位計を駆動する回路構成例を説明する図である。
【図５】本発明の方位計を駆動するタイミングチャートである。
【図６】本発明の方位計を駆動する回路の電圧波形およびコイル電流波形を示す図である。
【図７】本発明の方位計を駆動する他の回路である。
【図８】本発明の方位計を駆動するタイミングチャートである。
【図９】本発明の方位計を駆動するタイミングチャートである。
【図１０】外部磁界と電気抵抗の関係を説明する図である。
【図１１】本発明の磁気抵抗効果素子の動作原理を説明する図である。
【図１２】本発明の方位計を組み込んだナビゲーション付き携帯電話の外観図である。
【図１３】従来のナビゲーション付き携帯電話の外観図である。
【図１４】本発明の方位計のコイル電流の測定値である。
【図１５】本発明の方位計のコイル電流の測定値の部分拡大図である。
【図１６】本発明の方位計を駆動する他の回路である。
【図１７】電気抵抗と印加する磁界強度との関係を説明する図である。
【図１８】方位計のＭＲブリッジの説明図である。
【図１９】方位計のＭＲブリッジの断面模式図である。
【図２０】従来の方位計の外観図である。
【図２１】印加する磁界強度と電気抵抗のヒステリシスを説明する図である。
【図２２】本発明の回路特性を説明する図である。
【図２３】本発明のアナログ出力回路図である。
【図２４】本発明の他のアナログ出力回路図である。
【符号の説明】
１平面コイル
１１，１２，１３，１４（コイルの）辺
２１，２２，３１，３２，４１，４２，５１，５２磁気抵抗素子

Claims

直交する２軸に対称な形状に巻回した平面コイルと、その平面コイルの面にほぼ平行に、少なくとも２群の薄膜磁気抵抗効果素子群を配置し、前記磁気抵抗効果素子群の各々が、偶数個の磁気抵抗抵抗素子を導通してＭＲブリッジを構成するようにすると共に、地磁気の直交２成分を検知して出力し、これら出力値から方位情報を得るものにおいて、平面コイルに所定方向の電流を流して前記磁気抵抗効果素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加した後、これとは逆方向の一定のバイアス磁界を印加し、次に前記所定方向とは逆方向に磁気抵抗効果素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加した後、これとは逆方向の一定のバイアス磁界を印加する手段と、前記バイアス磁界印加に合わせて薄膜磁気抵抗効果素子群に磁場測定電流を流す手段を備えたことを特徴とする方位計。
電源電圧を印加して磁気抵抗効果素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加する場合に、事前に当該電源からの電流を分流して充電しておいたコンデンサ電荷による放電電圧を重畳して平面コイルに電圧を印加する回路構成とした請求項1記載の方位計。
平面コイル形状が四角形であり、各磁気抵抗効果素子長手方向と交差する平面コイルの一辺とのなす角度βが、sinβ*cosβ≠０となるものであり、磁気抵抗効果素子の印加磁場に対する電気抵抗値変化が極小となる近傍の印加磁場特性を利用することを特徴とする請求項1記載の方位計。
1群の薄膜磁気抵抗効果素子群が、前記四角形の対辺に各々２個ずつをその辺に交差するように配置した磁気抵抗効果素子を導通して構成したものであり、他の1群の薄膜磁気抵抗効果素子群が、前記対辺とは別の対辺に各々２個ずつをその辺に交差するように配置した磁気抵抗効果素子を導通して構成したものであり、同一の辺に配置する２個の磁気抵抗効果素子の長手方向同士は、ほぼ直交するものとした請求項1記載の方位計。
βが、約４５度、約１３５度、約２２５度、あるいは、約３１５度のいずれかである請求項３記載の方位計。
各磁気抵抗効果素子について、その磁気抵抗効果素子長手方向が各辺と交差する角度のバラツキが±５°以内であることを特徴とする請求項２記載の方位計。
地磁気の直交２成分を各々で検知して出力し、これら出力値から方位情報を得るものにおいて、正方向にバイアスを印加して得た出力と負正方向にバイアスを印加して得た出力との差を出力する回路を付加した請求項1記載の方位計。
平面コイルに所定方向の電流を流して前記磁気抵抗効果素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加した後、これとは逆方向の一定のバイアス磁界を印加して磁場を測定し出力を得て、次に前記所定方向とは逆方向に磁気抵抗効果素子の磁化が飽和する以上の磁場を印加した後、これとは逆方向の一定のバイアス磁界を印加して磁場を測定して出力を得ることを２回以上行ない、これら出力値から方位情報を得るものとした請求項１記載の方位計。