JP4482866B2 - 巨大磁気抵抗素子を持った方位計 - Google Patents

Description

本発明は等方性の巨大磁気抵抗素子を用いた方位計、特に巨大磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加しながら方位を測定する方位計に関するものである。

本出願人は異方性磁気抵抗素子と平面コイルとを組み合わせた方位計を既に出願しており、特許文献１として公開されている。特許文献１の方位計は図９に分解斜視図で示すように、ほぼ方形をした平面コイル１と、平面コイルに平行で近接した平面に８個の磁気抵抗素子６１，６２，７１，７２，８１，８２，９１，９２を持っている。２個の磁気抵抗素子（例えば、６１，７２）が平面コイルの各辺（例えば、１１）とそれら磁気抵抗素子の長手方向とほぼ４５°で交差しており、それら２個の磁気抵抗素子の長手方向は互いに直角となっている。そして平面コイルの対向している２辺（例えば、１１と１２）のそれぞれと交差しており、互いに長手方向が直角となっている２個の磁気抵抗素子（例えば、６１と６２、７１と７２）によって磁気抵抗素子対６，７，８，９を形成している。磁気抵抗素子対（例えば、６）の一方の端部同士が接続されていて、磁気抵抗素子対（例えば、６）の他の端部間に測定用電圧Ｖｃｃが印加される。平面コイルによって磁気抵抗素子対にバイアス磁界を印加している間に、磁気抵抗素子対６，７，８，９の接続されている端部から磁気抵抗素子対の中間電圧を取り出し、平面コイル１の対向している２辺１１と１２と交差している２組の磁気抵抗素子対６と７の中間電圧差Ｖｘを求める。平面コイル１の対向している他の２辺１３と１４と交差している他の２組の磁気抵抗素子対８、９についても同様に中間電圧差Ｖｙを求める。次に平面コイル１によって磁気抵抗素子対６，７，８，９に反対方向のバイアス磁界を印加している間に、同様に平面コイル１の対向している２辺１１と１２と交差している２組の磁気抵抗素子対６、７の中間電圧差Ｖｘを求め、平面コイル１の対向している他の２辺１３と１４と交差している他の２組の磁気抵抗素子対８、９についても同様に中間電圧差Ｖｙを求める。そして、平面コイルの一方の対向している２辺１１，１２と交差している２組の磁気抵抗素子対６，７について、先に印加したバイアス磁界をかけているときに求めた中間電圧差Ｖｘと、反対方向バイアス磁界をかけているときに求めた中間電圧差Ｖｘとの差電圧を求め、平面コイルの他の対向している２辺１３，１４と交差している２組の磁気抵抗素子対８，９について、先に印加したバイアス磁界をかけているときに求めた中間電圧差Ｖｙと、反対方向バイアス磁界をかけているときに求めた中間電圧差Ｖｙとの差電圧を求める。そしてこれら２個の差電圧の比から外部磁界（例えば、地磁気）の方向を求めるようになっている。

磁気抵抗素子は、電流の流す方向と直角方向に印加した磁界の強さに応じて電流に対する抵抗が変化し、電流と直角な磁界が強くなるに従って抵抗が小さくなる。方位計として用いる場合、各磁気抵抗素子の抵抗変化率がほぼ同一であることが望ましく、そのために上で説明した方位計の各磁気抵抗素子は長手方向に結晶磁気異方性を付けている。
特開２００２−３１０６５９

特許文献１に示されている方位計では図９に示すように、４個の磁気抵抗素子６１，７１，８１，９１と４個の磁気抵抗素子６２，７２，８２，９２とはそれらの長手方向が互いに垂直となっている。これら８個の磁気抵抗素子にそれぞれの長手方向に結晶磁気異方性を付けるには、同じ方向の４個の磁気抵抗素子６１，７１，８１，９１をそれらの長手方向に磁界を印加しながら形成し、その後でそれらと垂直な４個の磁気抵抗素子６２，７２，８２，９２をそれらの長手方向に磁界を印加しながら形成する必要があった。

また、磁気抵抗素子の幅方向にかかる外部磁界（地磁気等）を検出するので、幅方向寸法を小さくするとその反磁界の影響が大きくなって地磁気のように弱い磁界の測定には感度が悪くなるものであった。そこである程度の幅寸法を持った磁気抵抗素子にせざるを得なかったが、幅寸法を大きくすると磁気抵抗素子の抵抗が小さくなるので、測定用電圧を磁気抵抗素子対にかけたときの消費電力が大きくなっていた。そこで磁気抵抗素子の抵抗を上げるには磁気抵抗素子を長くすることになるが、磁気抵抗素子幅を広く、長さを長くすると磁気抵抗素子面積が大きくなるので、方位計を大きくする必要があった。

そこで、本発明では上記欠点を改善するために、等方性の巨大磁気抵抗素子を用いた方位計を提供するものである。

本発明の方位計は、互いに平行となっている対辺対を少なくとも部分的に有し直流電流を流すための平面コイルと、
その平面コイル面の同じ側にあって、平面コイル面に平行で近接した平面内に設けられた巨大磁気抵抗素子２個からなる少なくとも１組の巨大磁気抵抗素子対とを有しており、
巨大磁気抵抗素子それぞれは、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した積層薄膜であり、その長手方向寸法に対して薄膜の幅方向寸法が十分に小さな形状をしており、
巨大磁気抵抗素子対の各巨大磁気抵抗素子の長手方向は平面コイルの対辺対の各１辺のみと実質的に直交して対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界が各巨大磁気抵抗素子の当該長手方向に印加されるものであり、
巨大磁気抵抗素子対の巨大磁気抵抗素子の一方の端部同士が接続されているとともに、他方の端部間に測定用電圧が印加されるようになっており、一方の端部から中間電圧を取り出すようになっている。

本発明の方位計は、巨大磁気抵抗素子対を２組持ち、平面コイルは巨大磁気抵抗素子対の各組と交差している対辺対を２組持っているとともに、その２組の対辺対が互いに垂直であることが好ましい。

本発明の方位計は、巨大磁気抵抗素子対を４組持ち、平面コイルは巨大磁気抵抗素子対の各２組と交差している対辺対を２組持っているとともに、その２組の対辺対が互いに垂直であることが更に好ましい。

本発明の方位計は、更に平面コイルに電流を供給するための電源を更に持っており、その電源は、巨大磁気抵抗素子の磁化が長手方向に飽和する大きさの直流磁界を巨大磁気抵抗素子に印加するのに十分な直流電流を平面コイルに供給し、
巨大磁気抵抗素子に前にかけた直流磁界よりも小さな所定の直流磁界を印加する直流電流を平面コイルに供給し、
巨大磁気抵抗素子の磁化が前とは逆方向に飽和する大きさの直流磁界を巨大磁気抵抗素子に印加するのに十分な直流電流を平面コイルに供給し、そして
巨大磁気抵抗素子に前回の所定の直流磁界と逆方向の所定の直流磁界を印加する直流電流を平面コイルに供給するものであることが好ましい。

本発明の方位計において、巨大磁気抵抗素子に最初の所定の直流磁界を印加している間に各巨大磁気抵抗素子対の一方の端部から第一の中間電圧を取り出し、
巨大磁気抵抗素子に最初とは逆方向の所定の直流磁界を印加している間に各巨大磁気抵抗素子対の一方の端部から第二の中間電圧を取り出し、
第一と第二の中間電圧の差に基づいて外部磁界の方位を求める演算器を有していることが好ましい。

本発明の等方性巨大磁気抵抗素子を用いた方位計は、巨大磁気抵抗素子を形成する際に結晶磁気異方性を制御する必要がないから、製造工程が単純になって製造が容易である。

また、本発明では等方性巨大磁気抵抗素子の幅方向の反磁界を利用しているので、幅寸法をできるだけ小さくすることが好ましく、方位計の小型化、低消費電力とすることができる。

更に、巨大磁気抵抗素子の幅寸法を小さくしているので、測定すべき磁界の巨大磁気抵抗素子の幅方向成分による影響を小さくすることができる。

このような利点を本発明の方位計は持っていて、しかも外部磁界の印加された方向を測定することができる。

また、地磁気以外の磁界発生源より発せられる磁界方向と巨大磁気抵抗素子の感軸方向とがなす角を測定する、角度センサーとしても用いることができる。

実施例１
本発明の実施例１の方位計を分解斜視図で図１に、またその回路図を図２に示している。図１、図２で１は平行四辺形状（ここでは正方形）をした平面コイルで数十回巻かれている。この平面コイル面の同じ側に、この図では下側に、この平面コイル面に平行で近接した平面内に巨大磁気抵抗素子対２，３，４，５が４組設けられている。巨大磁気抵抗素子対２，３，４，５それぞれは２個の巨大磁気抵抗素子２１と２２，３１と３２，４１と４２，５１と５２からなっている。

巨大磁気抵抗素子対２の一方の巨大磁気抵抗素子２１の長手方向は平面コイル１の１辺１１のみと実質的に垂直に交差している。巨大磁気抵抗素子対２の他方の巨大磁気抵抗素子２２の長手方向は平面コイル１の対辺すなわち辺１２のみと実質的に垂直に交差している。これら巨大磁気抵抗素子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。他の巨大磁気抵抗素子対３，４，５についても、各一方の巨大磁気抵抗素子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、各他方の巨大磁気抵抗素子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、実質的に垂直に交差している。巨大磁気抵抗素子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、巨大磁気抵抗素子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、巨大磁気抵抗素子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）同士がそれぞれ接続されている。そして、巨大磁気抵抗素子対２，３，４，５それぞれの他方の端部間に測定用電圧Ｖｃｃが印加されている。

この方位計は基板上に、等方性巨大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０．６２５ｍｍである。基板上に成膜した巨大磁気抵抗素子や平面コイルなどの薄膜の部分の厚さは、１０〜２０μmである。基板の縦横寸法は１．６ｍｍ×１．７５ｍｍである。

図１と図２から理解できるように、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、図１の下半分に矢印で示しているように、巨大磁気抵抗素子対に直流磁界が印加されることになる。図２で平面コイル１に時計廻りの電流Ｉｂが流れると巨大磁気抵抗素子２１，３２にはｘ方向の磁界が、巨大磁気抵抗素子２２，３１には−ｘ方向の磁界が、巨大磁気抵抗素子４１，５２にはｙ方向の磁界が、巨大磁気抵抗素子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が流されると各巨大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。巨大磁気抵抗素子が形成されている平面は、平面コイルによる磁界が巨大磁気抵抗素子に十分にかかる程度に、平面コイルからの位置に設けられている。

巨大磁気抵抗素子それぞれは、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した積層薄膜であり、その長手方向寸法に対して薄膜の幅方向寸法が十分に小さい。例えば、Ｓｉ基板上に８５ｎｍ厚のＡｌ_２Ｏ_３膜と５ｎｍ厚のＮｉＦｅＣｒ膜とを下地膜として、その上に１．６ｎｍ厚のＮｉＦｅＣｏＢ合金からなる強磁性層と２．４ｎｍ厚のＣｕ層（非磁性層）とを交互に１４層ずつ積層した巨大磁気抵抗素子を用いることができる。図３に巨大磁気抵抗素子の一部を切り取って斜視図で示している。２０１は下地膜であり５ｎｍ厚のＮｉＦｅＣｒ膜で、その上にＮｉＦｅＣｏＢの強磁性層２１１とＣｕの非磁性層２２１とが積層されている。この図では強磁性層２１１を２層と非磁性層２２１を２層のみを示しているが、実際にはそれぞれ１０〜１５層ずつ積層されている。

強磁性層２１１内の磁化は外部から磁界が印加されていない状態で矢印で示しているように、非磁性層２２１を挟んで隣り合っている強磁性層２１１の磁化２１２は反平行となっている。隣り合っている強磁性層２１１内の磁化２１２は互いに磁気結合しているので反平行となる。そのように隣り合っている強磁性層内の磁化が互いに反平行となっているときには、それら強磁性層に挟まれた非磁性層２２１を流れる電流に対する電気抵抗が最も大きい。外部磁界が加わって非磁性層２２１を挟む両側の強磁性層２１１の磁化が同じ方向に揃ってくると、電流に対する電気抵抗が小さくなる。外部磁界が加わらないときには、巨大磁気抵抗素子全体としては巨大磁気抵抗素子の面に平行ないずれの方向にも磁化がないすなわち結晶磁気異方性を持たず磁気的に等方性である。そのために巨大磁気抵抗素子面に平行ないずれかの方向に外部磁界が加わった場合、その磁界の大きさに応じて図４のカーブｌのように抵抗が変わる。

磁気的に等方性の材料であっても、その形状によって反磁界の大きさが異なるために形状異方性がある。本発明に用いている巨大磁気抵抗素子の様に長手方向寸法に対して薄膜の幅方向寸法が十分に小さいときには、巨大磁気抵抗素子薄膜の長手方向の反磁界は十分に小さく無視することができるが、その幅方向の反磁界が大きく、幅方向に外部磁界が印加されたときには巨大磁気抵抗素子内部の磁化に影響を及ぼす磁界は印加した磁界の強さから反磁界の強さを差し引いたものとなる。そこで、巨大磁気抵抗素子の幅方向に外部磁界を印加したときの巨大磁気抵抗素子の抵抗と外部磁界の大きさとの関係は図４のカーブｖの様になる。他方、巨大磁気抵抗素子の長手方向に外部磁界を印加したときの巨大磁気抵抗素子の抵抗と外部磁界の大きさとの関係は同図のカーブｌである。長手方向と横方向との中間すなわち図５で巨大磁気抵抗素子２００の長手方向に対してある角度θで外部磁界３００をかけたときの巨大磁気抵抗素子抵抗と外部磁界の大きさとの関係は図４でカーブｌとカーブｖとの間にあるカーブｄの様になる。

巨大磁気抵抗素子の磁化がその長手方向に少し揃って、図４のカーブｌのほぼ中間程度の抵抗となる大きさの直流電流を平面コイルに流し、その直流電流をバイアス電流Ｉｂとする。バイアス電流Ｉｂによって各巨大磁気抵抗素子に加わる直流磁界をバイアス磁界Ｈｂと呼ぶ。巨大磁気抵抗素子に更に外部磁界（例えば地磁気）Ｈｅｘがｘ軸に対して角度θの方向に印加されると、外部磁界Ｈｅｘのｘ方向成分Ｈｘ（＝Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）によって、巨大磁気抵抗素子の抵抗は図４のカーブｌ上をバイアス点Ｒｂから右下方向矢印の向きに変化する。その変化率を−βｌ（＝ΔＲ／ΔＨ）とする。ｙ方向磁界による抵抗変化は図４のカーブｖなので、外部磁界Ｈｅｘのｙ方向成分Ｈｙ（＝Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）によって、巨大磁気抵抗素子の抵抗はカーブｖ上で右下方向矢印の向きに変化する。その変化率を−βｖ（＝ΔＲ／ΔＨ）とする。ｙ方向磁界による抵抗変化率βｖはｘ方向磁界による抵抗変化率βｌよりも小さく、幅方向寸法が長手方向に比して十分小さいすなわち細いときには抵抗変化率βｖは極めて小さい値となる。

平面コイル１にバイアス電流Ｉｂを時計廻りに流しているときに、外部磁界Ｈｅｘを実施例１の方位計にｘ軸と角度θを持って印加したとき巨大磁気抵抗素子２１の抵抗Ｒ２１は次式となる。
Ｒ２１＝Ｒｂ−βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ
巨大磁気抵抗素子２２，３１には外部磁界Ｈｅｘと反対方向のバイアス磁界が印加されており、巨大磁気抵抗素子３２には巨大磁気抵抗素子２１に印加されているバイアス磁界と同じバイアス磁界が印加されているので、巨大磁気抵抗素子それぞれの抵抗Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２は次のようになる。
Ｒ２２＝Ｒｂ＋βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ
Ｒ３１＝Ｒｂ＋βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ
Ｒ３２＝Ｒｂ−βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ
巨大磁気抵抗素子２１と巨大磁気抵抗素子２２の第一の中間電圧Ｖ２（正方向バイアス電流を流しているときの電圧を「第一」と呼ぶ）、巨大磁気抵抗素子３１と巨大磁気抵抗素子３２の第一の中間電圧Ｖ３それぞれは、
Ｖ２＝Ｖｃｃ・（Ｒｂ＋βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）／２（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
Ｖ３＝Ｖｃｃ・（Ｒｂ−βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）／２（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
なので、これらの第一の中間電圧差Ｖｘ（＋）（正方向バイアス電流を流している状態を「＋」とする）は
Ｖｘ（＋）＝Ｖ２−Ｖ３＝Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ／（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
となる。同様にして、巨大磁気抵抗素子対４と巨大磁気抵抗素子対５との第一の中間電圧差Ｖｙ（＋）を求めると、
Ｖｙ（＋）＝Ｖ４−Ｖ５＝Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ／（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）
となる。

次に平面コイル１にバイアス電流−Ｉｂを反時計方向に流しているときに、外部磁界Ｈｅｘによる第二の中間電圧差Ｖｘ（−）（負方向バイアス電流を流している状態を「−」として、「第二」と呼ぶ）と第二の中間電圧差Ｖｙ（−）は、それぞれ
Ｖｘ（−）＝−Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ／（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
Ｖｙ（−）＝−Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ／（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）
となる。

平面コイル１に正方向バイアス電流を流しているときの第一の中間電圧差と負方向バイアス電流を流しているときの第二の中間電圧差との差をｘ方向の２組の巨大磁気抵抗素子対２，３について、またｙ方向の２組の巨大磁気抵抗素子対４，５について求めると、各々
Ｖｘ＝Ｖｘ（＋）−Ｖｘ（−）＝２Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ／（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
Ｖｙ＝Ｖｙ（＋）−Ｖｙ（−）＝２Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ／（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）
となり、ここでβｖはβｌよりも極めて小さく、Ｒｂ＞＞βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ、Ｒｂ＞＞βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθといえるので、
Ｖｘ≒２Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ／Ｒｂ
Ｖｙ≒２Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ／Ｒｂ
となる。
これらの式から、外部磁界の加わる角度θは、
θ＝ｔａｎ^−１（Ｖｙ／Ｖｘ）
となるので、実施例１の方位計によって外部磁界の加わる角度θを求めることができる。

上の説明では平面コイル１に流す電流は正方向バイアス電流Ｉｂと負方向バイアス電流−Ｉｂとについてのみ説明した。しかし、本発明で、平面コイルの好ましい電源としては、巨大磁気抵抗素子の磁化が長手方向に飽和する大きさの直流磁界を巨大磁気抵抗素子に印加するのに十分な直流電流を平面コイルに供給し、その直流磁界よりも小さな所定の直流磁界すなわちバイアス磁界を巨大磁気抵抗素子に印加するだけの直流電流を平面コイルに供給し、巨大磁気抵抗素子の磁化が前記と逆方向に飽和する大きさの直流磁界を巨大磁気抵抗素子に印加するのに十分な直流電流を平面コイルに供給し、そして上記所定の直流磁界と逆方向の所定の直流磁界すなわちバイアス磁界を印加するだけの直流電流を平面コイルに供給するものである。

巨大磁気抵抗素子に印加する外部磁界と巨大磁気抵抗素子の抵抗との関係には通常ヒステリシスがあり、磁界を負方向から増やしていく場合と正方向から減らしていく場合とは図６に示すように少し違ったループを取る。地磁気のように小さな磁界を測定する場合にはこの違いが無視できない。そこで本発明ではバイアス磁界を印加する前に予め飽和するだけの大きさの磁界をバイアス磁界と同じ方向にかけておき、磁界を減らしていって、バイアス磁界を印加することが望ましい。

実施例２
本発明の方位計の実施例２について回路図を図７に示している。ここに示している方位計は図２の回路図に示した方位計から、巨大磁気抵抗素子対３と５を除いたものである。そのために、図２では巨大磁気抵抗素子対２と３の中間電圧差、及び巨大磁気抵抗素子対４と５の中間電圧差を求めていたのに対して、図７の方位計では巨大磁気抵抗素子対２と４それぞれの中間電圧を求めるようになっている。参照符号は図１、図２と同じものを用いて示している。

一方向に所定のバイアス磁界を印加したとき巨大磁気抵抗素子対２の第一の中間電圧を求めると、
Ｖｘ（＋）＝Ｖｃｃ・（Ｒｂ＋βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）／２（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
であり、反対方向に所定の直流磁界を印加したときの第二の中間電圧は
Ｖｘ（−）＝Ｖｃｃ・（Ｒｂ−βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）／２（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
である。

また、一方向に所定のバイアス磁界を印加したとき巨大磁気抵抗素子対４の第一の中間電圧を求めると、
Ｖｙ（＋）＝Ｖｃｃ・（Ｒｂ＋βｌ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）／２（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）
であり、反対方向に所定の直流磁界を印加したときの第二の中間電圧は
Ｖｙ（−）＝Ｖｃｃ・（Ｒｂ−βｌ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）／２（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）
なので、これら両中間電圧をｘ方向、ｙ方向それぞれについて差を求めると、
ｘ方向のＶｘ＝Ｖｘ（＋）−Ｖｘ（−）
＝Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ／（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
≒Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ／Ｒｂ
ｙ方向のＶｙ＝Ｖｙ（＋）−Ｖｙ（−）
＝Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ／（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ）
≒Ｖｃｃ・βｌ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ／Ｒｂ
となる。この出力を実施例１の出力と比べると、半分になっている。これは実施例１ではフルブリッジになっていたものが、ここではハーフブリッジになっているためである。外部磁界の水平成分がｘ軸となす角度θは
θ＝ｔａｎ^−１（Ｖｙ／Ｖｘ）
として求めることができる。

この実施例において上の説明から明らかなように、一方向に直流電流を流しているときに巨大磁気抵抗素子対２および巨大磁気抵抗素子対４にｘ方向とｙ方向のバイアスを印加したときの中間電位出力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巨大磁気抵抗素子対２および巨大磁気抵抗素子対４に−ｘ方向と−ｙ方向のバイアスを印加したときの中間電位出力も同時に求めることができる
実施例３
本発明の方位計の実施例３について、回路図を図８に示している。ここに示している方位計は図７の回路図に示した方位計から、更に巨大磁気抵抗素子対４を除いたものである。ここでは巨大磁気抵抗素子対２の中間電圧を求めるようになっている。参照符号は図１、２、７と同じものを用いて示している。

一方向に電流を流して、所定の磁界を印加したときの巨大磁気抵抗素子対２の第一の中間電圧は実施例１，２と同様に
Ｖｘ（＋）＝Ｖｃｃ・（Ｒｂ＋βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）／２（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
であり、反対方向に電流を流して、所定の磁界を印加したときの巨大磁気抵抗素子対２の第二の中間電圧は同様にして
Ｖｘ（−）＝Ｖｃｃ・（Ｒｂ−βｌ・Ｈｅｘ・ｃｏｓθ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）／２（Ｒｂ−βｖ・Ｈｅｘ・ｓｉｎθ）
となる。これら両方向磁界を印加したときの両中間電圧の間の差を求めると
ｘ方向のＶｘ＝Ｖｘ（＋）−Ｖｘ（−）≒Ｖｃｃ・βｌＨｅｘ・ｃｏｓθ／Ｒｂ
となる。この式から地磁気の水平成分のｘ軸との角度θを求めることができる。しかし、ｙ方向の出力差Ｖを測定していないので＋／−θの区別が出来ないという欠点がある。

本発明の実施例１〜３から明らかなように、本発明の方位計はいずれも外部からかけた磁界の方向を測定することができる。この方位計は等方性巨大磁気抵抗素子を用いて、その形状異方性を使って方位を測定している。結晶磁気異方性を持たない巨大磁気抵抗素子を用いているので、巨大磁気抵抗素子を形成する際に磁界をかける必要がなく、実施例１のように巨大磁気抵抗素子を８個使っている場合でも、同じプロセス内で同時にそれら巨大磁気抵抗素子を作ることができる。巨大磁気抵抗素子の長手方向寸法に比して幅寸法を極めて小さくすることができる。そのために、巨大磁気抵抗素子の抵抗を大きくすることができ、測定時の発熱を小さくすることができる。更に、巨大磁気抵抗素子の長手方向磁界に対しては感度が良く、それに垂直な磁界に対しては感度が低いので、測定する方向の磁界に対して感度を上げることができる。

本発明の実施例１の方位計を示す分解斜視図である。 本発明の実施例１の方位計を示す回路図である。 本発明に用いている巨大磁気抵抗素子の一部を切断して示す説明斜視図である。 巨大磁気抵抗素子の抵抗Ｒと外部磁界Ｈとの関係を示すグラフである。 巨大磁気抵抗素子に印加する外部磁界を説明する平面図である。 巨大磁気抵抗素子へ加える外部磁界の方向によって生じるヒステリシスを説明するための抵抗と外部磁界との関係を示すグラフである。 本発明の実施例２の方位計を示す回路図である。 本発明の実施例３の方位計を示す回路図である。 特許文献１に示された方位計を説明するための分解斜視図である。

符号の説明

１ 平面コイル
１１，１２，１３，１４ （平面コイルの）辺
２，３，４，５ 巨大磁気抵抗素子対
２１，２２，３１，３２，４１，４２，５１，５２，２００ 巨大磁気抵抗素子
２０１ 下地層
２１１ 強磁性層
２１２ 磁化
２２１ 非磁性層
３００ 外部磁界
６，７，８，９ 磁気抵抗素子対
６１，６２，７１，７２，８１，８２，９１，９２ 磁気抵抗素子

Claims (3)

1. 互いに平行となっている対辺対を少なくとも部分的に有し直流電流を流すための平面コイルと、
   それぞれが強磁性層と非磁性層とを交互に積層した積層薄膜であり、その長手方向寸法に対して薄膜の幅方向寸法が十分に小さな形状をしており、平面コイル面の同じ側にあって、平面コイル面に平行で近接した平面内に、それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の各１辺のみと実質的に直交して設けられて、対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界がそれぞれの長手方向に印加される巨大磁気抵抗素子２個からなる少なくとも１組の巨大磁気抵抗素子対であって巨大磁気抵抗素子対を構成している２個の巨大磁気抵抗素子の一方の端部同士が接続されているとともに、他方の端部間に測定用電圧が印加されるようになっており、前記一方の端部から中間電圧を取り出すようになっているものと、
   巨大磁気抵抗素子の磁化が長手方向に飽和する大きさの直流磁界を巨大磁気抵抗素子に印加するのに十分な直流電流を平面コイルに供給し、巨大磁気抵抗素子に前記直流磁界よりも小さな所定の直流磁界を印加する直流電流を平面コイルに供給し、巨大磁気抵抗素子の磁化が前記と逆方向に飽和する大きさの直流磁界を巨大磁気抵抗素子に印加するのに十分な直流電流を平面コイルに供給し、そして巨大磁気抵抗素子に前記所定の直流磁界と逆方向の所定の直流磁界を印加する直流電流を平面コイルに供給する電源と、
   巨大磁気抵抗素子に前記所定の直流磁界を印加している間に各巨大磁気抵抗素子対の前記一方の端部から第一の中間電圧を取り出し、巨大磁気抵抗素子に前記逆方向の所定の直流磁界を印加している間に各巨大磁気抵抗素子対の前記一方の端部から第二の中間電圧を取り出し、第一と第二の中間電圧の差に基づいて外部磁界の方位を求める演算器を有していることを特徴とする方位計。
2. 前記巨大磁気抵抗素子対は２組あり、前記平面コイルは前記巨大磁気抵抗素子対の各組と交差している対辺対を２組持っているとともに、その２組の対辺対は互いに垂直である請求項１記載の方位計。
3. 前記巨大磁気抵抗素子対は４組あり、前記平面コイルは前記巨大磁気抵抗素子対の各２組と交差している対辺対を２組持っているとともに、その２組の対辺対は互いに垂直である請求項１記載の方位計。

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