(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
その平面コイル面の同じ側にあって、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる少なくとも１組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子は平面コイルの対辺対の１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流によるバイアス直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にそのバイアス直流磁界が印加されるものであり、
磁気抵抗素子対の他方の磁気抵抗素子は対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該対辺を流れる直流電流によるバイアス直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にそのバイアス直流磁界が印加されるものであるとともに、その長手方向は前記一方の磁気抵抗素子の長手方向と非平行になっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は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いて、前記一方の端部から中間電位出力を取り出すようになっていることを特徴とする方位計。
【請求項２】
平面コイルが対辺対を２組持っていることを特徴とする請求項１記載の方位計。
【請求項３】
平面コイルが平行四辺形状であることを特徴とする請求項２記載の方位計。
【請求項４】
２組の対辺対が長方形の４辺を少なくとも部分的に構成していることを特徴とする請求項２記載の方位計。
【請求項５】
磁気抵抗素子対が２組あることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の方位計。
【請求項６】
２組の磁気抵抗素子対にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと交差していて、各他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が対辺対の前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は非平行になっていることを特徴とする請求項５記載の方位計。
【請求項７】
磁気抵抗素子対のうち１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの対辺対の１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が他の対辺対の１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の対辺のみと交差していることを特徴とする請求項５記載の方位計。
【請求項８】
磁気抵抗素子対が４組あり、
磁気抵抗素子対のうち２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が対辺対の前記１辺の同じ対辺のみと交差しているとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が他の対辺対の同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の同じ対辺のみと交差していて、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は非平行になっていることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の方位計。
【請求項９】
各磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの各辺と交差する角度が４５°よりも大きく９０°以内であることを特徴とする請求項１から８いずれか記載の方位計。
【請求項１０】
磁気抵抗素子対について、それぞれの磁気抵抗素子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１から９のいずれか記載の方位計。
【請求項１１】
各磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの各辺と交差する角度が４５°であることを特徴とする請求項１から８いずれか記載の方位計。
【請求項１２】
長方形状で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一方側にあって、平面コイル面と平行な平面内に設けられた磁気抵抗素子からなる少なくとも１組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子は平面コイルの１辺のみと４５°で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの当該１辺を流れる直流電流によるバイアス直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にそのバイアス直流磁界が印加されるものであり、
磁気抵抗素子対の他方の磁気抵抗素子は平面コイルの前記１辺の対辺のみと４５°で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの前記１辺の当該対辺を流れる直流電流によるバイアス直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にそのバイアス直流磁界が印加されるものであるとともに、その長手方向は前記一方の磁気抵抗素子の長手方向と直交しており、
各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の平面コイル内側にある端部同士は接続されているとともに、平面コイル外側にある端部間に測定用電圧が印加されるようになっていて、内側にある端部から中間電位出力を取り出すようになっていることを特徴とする方位計。
【請求項１３】
磁気抵抗素子対が２組あることを特徴とする請求項１２記載の方位計。
【請求項１４】
磁気抵抗素子対２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの同じ１辺のみと交差していて、各他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は直角になっていることを特徴とする請求項１３記載の方位計。
【請求項１５】
磁気抵抗素子対のうち１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの他のいずれか１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの前記他のいずれか１辺の対辺のみと交差していることを特徴とする請求項１３記載の方位計。
【請求項１６】
磁気抵抗素子対が４組あり、
磁気抵抗素子対のうち２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの前記１辺の同じ対辺のみと交差しているとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの他のいずれか同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの前記他のいずれか１辺の同じ対辺のみと交差していて、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向が直角になっていることを特徴とする請求項１２記載の方位計。
【請求項１７】
互いに平行となっている対辺対２組を少なくとも部分的に持っている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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる少なくとも１組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子は平面コイルの対辺対の１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、
磁気抵抗素子対の他方の磁気抵抗素子は対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、その長手方向は前記一方の磁気抵抗素子の長手方向と非平行になっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は接続されているものを用いて、
平面コイルに直流電流を流して、磁気抵抗素子の磁化が少なくとも長手方向に飽和する大きさの直流磁界を磁気抵抗素子に印加し、
前記直流電流と反対向きで所定の大きさの直流電流を平面コイル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、磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の他方の端部間に測定用電圧を印加して、接続されている端部から中間電位出力を取りだし、
次に平面コイルに先に飽和させたときとは反対向きの直流電流を流して、磁気抵抗素子の磁化が少なくとも長手方向に飽和する大きさの直流磁界を磁気抵抗素子に印加し、
その直流電流と反対向きで所定の大きさの直流電流を平面コイル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、磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の他方の端部間に測定用電圧を印加して、接続されている端部から中間電位出力を取りだして、
各々のバイアス直流磁界を印加しているときに取り出した中間電位出力２つの差を求め、
それに基づいて方位を求めることを特徴とする方位の測定方法。
【請求項１８】
互いに平行となっている対辺対２組を少なくとも部分的に持っている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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる２組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、各他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
各磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子と他方の磁気抵抗素子の長手方向は互いに非平行となっており、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は非平行になっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は接続されているものを用いて、
接続されている端部から中間電位出力を取り出す際に２組の磁気抵抗素子対の中間電位出力差を取り出し、
各バイアス直流磁界を印加しているときに取り出した中間電位出力差２つの差を求め、それに基づいて方位を求めることを特徴とする請求項１７記載の方位の測定方法。
【請求項１９】
互いに平行となっている対辺対２組を少なくとも部分的に持っている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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる２組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対のうち１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの対辺対の１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、他方の磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が他の対辺対の１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、その磁気抵抗素子の長手方向が当該他の対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、他方の磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、その磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
各磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子と他方の磁気抵抗素子の長手方向は互いに非平行となっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は接続されているものを用いて、
各バイアス直流磁界を印加しているときに、各磁気抵抗素子対について取り出した中間電位出力２つの差を求め、
両磁気抵抗素子対についての中間電位出力の差に基づいて方位を求めることを特徴とする請求項１７記載の方位の測定方法。
【請求項２０】
互いに平行となっている対辺対２組を少なくとも部分的に持っている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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる４組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対のうち２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が対辺対の前記１辺の同じ対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が他の対辺対の同じ１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の同じ対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は非平行になっていて、
各磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子と他方の磁気抵抗素子の長手方向は互いに非平行となっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は接続されているものを用いて、
接続されている端部から中間電位出力を取り出す際に、平面コイルの同じ対辺と交差している２組の磁気抵抗素子対の中間電位出力差を取り出し、
各バイアス直流磁界を印加しているときに磁気抵抗素子対の各２組について取り出した中間電位出力差２つの間の差を求め、
その中間電位出力差２つの間の差２つに基づいて方位を求めることを特徴とする請求項１７記載の方位の測定方法。
【請求項２１】
各磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの各辺と交差する角度が４５°よりも大きく９０°以内であることを特徴とする請求項１７から２０いずれか記載の方位の測定方法。
【請求項２２】
各磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの各辺と交差する角度が４５°であることを特徴とする請求項１７から２０のいずれか記載の方位の測定方法。
【請求項２３】
平面コイルは長方形状をしているとともに、
各磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子の長手方向は他方の磁気抵抗素子の長手方向と直角になっていて、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は互いに直角になっていることを特徴とする請求項２１あるいは２２記載の方位の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気抵抗素子を用いた方位計及び方位の測定方法、特に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及び方位の測定方法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。抵抗と印加する磁界強度との関係はほぼ２次関数で近似することが出来て、図８のように
Ｒ＝Ｒ０  （１−α（Ｈ／Ｈｋ  ）２  ）
となっている。ここで、Ｒ０  は無磁界時の抵抗、αは抵抗率変化率、Ｈｋは飽和磁界である。
【０００３】
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。地磁気の水平成分は最大０．４Ｏｅであるから、適当なバイアスを印加すると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９のようにフルブリッジに組み、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。それを図１０に断面模式図、図１１に外観図で示している。
【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、フルブリッジになった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、フル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、フル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＝ａｔａｎＶｘ／Ｖｙ
として、方位が測定出来る。
【０００８】
以上のことは原理として正しいのであるが、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８に示したものよりも、むしろ図１２のようになる。印加磁界強度を上げていくと図１２の上のカーブを辿り飽和となる、そこから印加磁界を下げていくと下のカーブを辿ると言われている。
【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】
上で説明したフル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を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。このように厚さが大きいために、電子方位計を組み込んだリストウオッチが大きなものとなっていた。
【００１３】
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（図１２参照）の勾配が小さくなって、測定する出力が低くなってしまっている。
【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】
本発明の更なる目的は、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の測定方法を提供することである。
【００１８】
本発明の更に他の目的は、出力を高くした方位の測定方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる少なくとも１組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子は平面コイルの対辺対の１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流によるバイアス直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にそのバイアス直流磁界が印加されるものであり、
磁気抵抗素子対の他方の磁気抵抗素子は対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該対辺を流れる直流電流によるバイアス直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にそのバイアス直流磁界が印加されるものであるとともに、その長手方向は前記一方の磁気抵抗素子の長手方向と非平行になっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は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いて、前記一方の端部から中間電位出力を取り出すようになっていることを特徴とするものである。
【００２０】
平面コイルはその互いに平行となっている対辺対と対辺対の間に斜めになっているコイル部分や曲がっているコイル部分があっても、磁気抵抗素子と交差している付近で直線となっていればよい。本発明に用いることのできる平面コイルの好ましい例として、互いに平行となっている対辺対を２組持っているものである。対辺対２組の間に斜めになっていたり、曲がってＲ状になっている部分があってもよい。これら２組の対辺対が直接に接続されていて、それらの間に接続点以外に斜めやＲ状部のないときが平行四辺形状ということができる。
【００２１】
本発明に用いる平面コイルとしてさらに好ましいのは、互いに平行となっている対辺対を２組持っていて、その２組の対辺対が長方形の４辺を少なくとも部分的に構成しているものである。互いに平行となっている２組の対辺対が直交していると、平行なコイル辺が長方形の４辺を部分的に構成する。対辺対と対辺対とを接続している部分に斜めのコイル部分あるいはＲ状のコイル部分があっても、磁気抵抗素子と交差している付近のコイルが直線で平行となっておればよいのである。
【００２２】
この方位計では磁気抵抗素子対を２組持つことができる。その場合、磁気抵抗素子対２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと交差していて、各他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が対辺対の前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は非平行になっていることができる。またあるいは、磁気抵抗素子対のうち１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの対辺対の１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が他の対辺対の１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の対辺のみと交差していることができる。
【００２３】
本発明の方位計は、上記において磁気抵抗素子対が４組あり、
磁気抵抗素子対のうち２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が対辺対の前記１辺の同じ対辺のみと交差しているとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が他の対辺対の同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の同じ対辺のみと交差していて、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は非平行になっていることが好ましい。
【００２４】
本発明の上記方位計において、各磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの各辺と交差する角度が４５°よりも大きく９０°以内であることが好ましく、またこの交差角度のばらつきが±５°以内であることが好ましい。その交差する角度が４５°であることが更に好ましい。
【００２５】
本発明の方位計は、長方形状で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一方側にあって、平面コイル面と平行な平面内に設けられた磁気抵抗素子からなる少なくとも１組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子は平面コイルの１辺のみと４５°で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの当該１辺を流れる直流電流によるバイアス直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にそのバイアス直流磁界が印加されるものであり、
磁気抵抗素子対の他方の磁気抵抗素子は平面コイルの前記１辺の対辺のみと４５°で交差している長手方向を持ってっていて、その磁気抵抗素子の長手方向が前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、その長手方向は前記一方の磁気抵抗素子の長手方向と直角になっている、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の平面コイル内側にある端部同士は接続されているとともに、平面コイル外側にある端部間に測定用電圧が印加されるようになっていて、内側にある端部から中間電位出力を取り出すようになっていることが好ましい。
【００２６】
その方位計において、磁気抵抗素子対が２組あることができる。その場合、磁気抵抗素子対２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの同じ１辺のみと交差していて、各他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は直角になっていることができる。あるいは、磁気抵抗素子対のうち１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの他のいずれか１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの前記他のいずれか１辺の対辺のみと交差していることができる。
【００２７】
本発明の方位計は、磁気抵抗素子対が４組あり、
磁気抵抗素子対のうち２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの前記１辺の同じ対辺のみと交差しているとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの他のいずれか同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの前記他のいずれか１辺の同じ対辺のみと交差していて、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は直角になっていることが好ましい。
【００２８】
本発明の方位計において、バイアス磁界を二軸に形成するための平面スパイラルコイルと、バイアス磁界を感知するためにフルブリッジに接続する磁気抵抗素子を載せた基板をほぼ平行に重なるように配置し、磁気抵抗素子を利用する磁界測定用回路を形成したものとすることができる。
【００２９】
本発明の方位の測定方法は、互いに平行となっている対辺対２組を少なくとも部分的に持っている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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる少なくとも１組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子は平面コイルの対辺対の１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、
磁気抵抗素子対の他方の磁気抵抗素子は対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差している長手方向を持っていて、その磁気抵抗素子の長手方向が前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、その長手方向は前記一方の磁気抵抗素子の長手方向と非平行になっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は接続されているものを用いて、
平面コイルに直流電流を流して、磁気抵抗素子の磁化が少なくとも長手方向に飽和する大きさの直流磁界を磁気抵抗素子に印加し、
前記直流電流と反対向きで所定の大きさの直流電流を平面コイル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、磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の他方の端部間に測定用電圧を印加して、接続されている端部から中間電位出力を取りだし、
次に平面コイルに先に飽和させたときとは反対向きの直流電流を流して、磁気抵抗素子の磁化が少なくとも長手方向に飽和する大きさの直流磁界を磁気抵抗素子に印加し、
その直流電流と反対向きで所定の大きさの直流電流を平面コイル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、磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の他方の端部間に測定用電圧を印加して、接続されている端部から中間電位出力を取りだして、
各々のバイアス直流磁界を印加しているときに取り出した中間電位出力２つの差を求め、
それに基づいて方位を求めることを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の上記方位の測定方法において、
互いに平行となっている対辺対２組を少なくとも部分的に持っている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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる２組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、各他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
各磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子と他方の磁気抵抗素子の長手方向は互いに非平行となっており、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は非平行になっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は接続されているものを用いて、
接続されている端部から中間電位出力を取り出す際に２組の磁気抵抗素子対の中間電位出力差を取り出し、
各バイアス直流磁界を印加しているときに取り出した中間電位出力差２つの差を求め、それに基づいて方位を求めることができる。
【００３１】
また本発明の方位の測定方法において、
互いに平行となっている対辺対２組を少なくとも部分的に持っている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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる２組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対のうち１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの対辺対の１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、他方の磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、その磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の１組にある一方の磁気抵抗素子の長手方向が他の対辺対の１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、その磁気抵抗素子の長手方向が当該他の対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してその長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、他方の磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、その磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
各磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子と他方の磁気抵抗素子の長手方向は互いに非平行となっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は接続されているものを用いて、
各バイアス直流磁界を印加しているときに、各磁気抵抗素子対について取り出した中間電位出力２つの差を求め、
両磁気抵抗素子対についての中間電位出力の差に基づいて方位を求めることができる。
【００３２】
本発明の上記方位の測定方法において、
互いに平行となっている対辺対２組を少なくとも部分的に持っている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、平面コイル面と平行な各平面内に設けられたそれぞれの磁気抵抗素子２個からなる４組の磁気抵抗素子対とを有しており、
磁気抵抗素子対のうち２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が対辺対の前記１辺の同じ対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
磁気抵抗素子対のうち他の２組にある各一方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が他の対辺対の同じ１辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の当該１辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであり、他方の磁気抵抗素子２個それぞれの長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の同じ対辺のみと３０°よりも大きく９０°以内で交差していて、それら磁気抵抗素子の長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の当該対辺を流れる直流電流による直流磁界と交差してそれら長手方向と直角方向にその直流磁界が印加されるものであるとともに、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は非平行になっていて、
各磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子と他方の磁気抵抗素子の長手方向は互いに非平行となっており、
また各磁気抵抗素子対の磁気抵抗素子の一方の端部同士は接続されているものを用いて、
接続されている端部から中間電位出力を取り出す際に、平面コイルの同じ対辺と交差している２組の磁気抵抗素子対の中間電位出力差を取り出し、
各バイアス直流磁界を印加しているときに磁気抵抗素子対の各２組について取り出した中間電位出力差２つの間の差を求め、
その中間電位出力差２つの間の差２つに基づいて方位を求めることがより好ましい。
【００３３】
上記本発明の方位の測定方法において、
各磁気抵抗素子の長手方向が平面コイルの各辺と交差する角度が４５°よりも大きく９０°以内であることが好ましい。また、この交差する角度が４５°であることは最も好ましいものである。
【００３４】
上記本発明の方位の測定方法において、
平面コイルは長方形状をしているとともに、
各磁気抵抗素子対の一方の磁気抵抗素子の長手方向は他方の磁気抵抗素子の長手方向と直角になっていて、
平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗素子同士の長手方向は互いに直角になっていることが好ましい。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の方位計の第一実施例の平面図を図１に示している。図１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。
【００３６】
磁気抵抗素子対２の一方の磁気抵抗素子２１の長手方向は平面コイル１の１辺１１のみと３０°よりも大きく９０°以内で、好ましくは４５°よりも大きく９０°以内で、この実施例では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３０°よりも大きく９０°以内で、好ましくは４５°よりも大きく９０°以内で、この実施例では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の長手方向と非平行、この実施例では直角となっていて、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、３０°よりも大きく９０°以内で、好ましくは４５°よりも大きく９０°以内で、この実施例では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の長手方向と非平行、この実施例では直角となっていて、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はその長手方向が非平行、この実施例では直角となっている。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はその長手方向が非平行、この実施例では直角となっている。
【００３７】
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。
【００３８】
図１に示した方位計の第一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、また回路図を図３に示している。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、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。
【００３９】
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８の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１２のようにヒステリシスがある。
【００４０】
本発明のように、磁気抵抗素子を平面コイルの辺と３０°〜９０°で交差している場合は、長手方向の直角方向に対して３０°〜９０°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４に示すグラフのようになる。図４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を示している。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。この抵抗と磁界との関係グラフは、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、図４のグラフと磁界０の線に対して対称のグラフとなる。
【００４１】
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４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。
【００４２】
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
0003573100.tif 000002
となる。
【００４３】
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
0003573100.tif 000003
となる。
【００４４】
次に、平面コイル１に上とは反対向き（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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＝ａｔａｎ  （ｙ方向のＶ／  ｘ方向のＶ）
として求めることができる。
【００４７】
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。
【００４８】
上に述べた第一実施例においては平面コイルとして平行四辺形状のものを用いて説明したが、図１４，１５に平面模式図で示す平面コイルを用いることができる。図１４に示している平面コイル１′では、互いに平行となっている対辺対が２組あり、平面コイル１′の辺１１′と１２′が平行でまた辺１３′と１４′とが平行となっている。辺１１′と辺１３′の間には斜めになったコイル部分１５′、辺１１′と辺１４′の間には斜めになったコイル部分１６′、辺１４′と辺１２′の間には斜めになったコイル部分１７′、辺１２′と辺１３′の間には斜めになったコイル部分１８′がそれぞれある。４辺１１′、１２′、１３′、１４′は長方形ここでは正方形の４辺を部分的に構成している。平行になった対辺対を作っている辺１１′と１２′には図３に示したものと同様に磁気抵抗素子対２と３がそれらの長手方向をほぼ４５°にして交差している。同様に平行になった対辺対を作っている辺１３′と１４′には磁気抵抗素子対４と５がそれらの長手方向をほぼ４５°にして交差している。平面コイルの磁気抵抗素子と交差している部分では直線となっているので、コイル１′に時計廻りに電流が流れると、コイル面の下側に磁気抵抗素子面がある場合、いずれの磁気抵抗素子にも外へ向かう磁界を磁気抵抗素子の長手方向から４５°に印加することができる。そのために上で説明したのと全く同じように図１４に示す平面コイルを方位計に用いることができる。
【００４９】
図１５に示す平面コイル１″でも、２組の対辺対が互いに平行となっている。辺１１″と１２″が平行で、辺１３″と１４″が平行となっている。平行となった直線上の辺の間には曲がったコイル部分が設けられているが、４辺１１″，１２″，１３″，１４″は長方形ここでは正方形の４辺を部分的に構成している。平行になった対辺対を構成している各辺には磁気抵抗素子がそれらの長手方向をほぼ４５°にして交差している。平面コイル１″の磁気抵抗素子と交差している部分では直線となっているので、この平面コイル１″も方位計に用いることができるのが理解されるであろう。
【００５０】
本発明の方位計の第二の実施例について回路図を図５に示している。ここに示している方位計は図３の回路図に示した方位計から、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３では磁気抵抗素子対２と３の中間電位出力差、及び磁気抵抗素子対４と５の中間電位出力差を求めていたのに対して、図５の方位計では磁気抵抗素子対２と４それぞれの中間電位出力を求めるようになっている。参照符号は図１〜３と同じものを用いて示している。
【００５１】
一方向に所定のバイアス磁界を印加したとき磁気抵抗素子対２の中間電位出力を求めると、
Ｖｘ（＋）＝Ｖｃｃ  ・（１／２  −１／（２・Ｒｂ）  ・βＨｅｃｏｓ  θ）
であり、反対方向に所定の直流磁界を印加したときの中間電位出力は
Ｖｘ（  −）＝  Ｖｃｃ・（１／２＋１／（２・Ｒｂ）  ・βＨｅｃｏｓ  θ）
である。
【００５２】
また、一方向に所定のバイアス磁界を印加したとき磁気抵抗素子対４の中間電位出力を求めると、
Ｖｙ（＋）＝Ｖｃｃ  ・（１／２  −１／（２・Ｒｂ）  ・βＨｅｓｉｎ  θ）
であり、反対方向に所定の直流磁界を印加したときの中間電位出力は
Ｖｙ（  −）＝Ｖｃｃ  ・（１／２＋１／（２・Ｒｂ）  ・βＨｅｓｉｎ  θ）
なので、これら両中間電位出力をｘ方向、ｙ方向それぞれについて差を求めると、
ｘ方向のＶ＝Ｖｘ（＋）−Ｖｘ（−）  ＝−Ｖｃｃ  ・１／Ｒｂ・βＨｅｃｏｓ  θ
ｙ方向のＶ＝Ｖｙ（＋）−Ｖｙ（−）  ＝−Ｖｃｃ  ・１／Ｒｂ・βＨｅｓｉｎ  θ
となる。この出力を第一実施例の出力と比べると、半分になっている。これは第一実施例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。地磁気の水平成分がｘ軸となす角度θは
θ＝ａｔａｎ  （ｙ方向のＶ／  ｘ方向のＶ）
として求めることができる。
【００５３】
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磁気抵抗素子対２および磁気抵抗素子対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磁気抵抗素子対２および磁気抵抗素子対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
本発明の方位計の第三実施例について、回路図を図６に示している。ここに示している方位計は図３の回路図に示した方位計から、磁気抵抗素子対４と５を除いたものである。ここでは磁気抵抗素子対２と３の中間電位出力差を求めるようになっている。参照符号は図１〜３，５と同じものを用いて示している。
【００５４】
一方向に電流を流して、所定の磁界を印加したときの磁気抵抗素子対２と、磁気抵抗素子対３の中間電位出力差は第一実施例と同様に
Ｖｘ（＋）  ＝  −Ｖｃｃ  ・１／（２  ・Ｒｂ）・βＨｅｃｏｓ  θ
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磁気抵抗素子対２と、磁気抵抗素子対３の中間電位出力差は同様にして
Ｖｘ（−）  ＝Ｖｃｃ・１／（２  ・Ｒｂ）・βＨｅｃｏｓ  θ
となる。これら両方向磁界を印加したときの両中間電位出力差の間の差を求めると
ｘ方向のＶ＝Ｖｘ（＋）−Ｖｘ（−）  ＝−Ｖｃｃ  ・１／Ｒｂ・βＨｅｃｏｓ  θ
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。またθはＶｃｃの関数となっているので、定電流回路が必要となる。
【００５５】
本発明の方位計の第四の実施例について回路図を図７に示す。この方位計は図６の方位計から更に磁気抵抗素子対３を除いたものである。ここでは磁気抵抗素子対２の中間電位出力を求めるようになっている。参照符号は図１〜３，５，６と同じものを用いて示している。
【００５６】
一方向に電流を流して所定の磁界を印加したときの磁気抵抗素子対２の中間電位出力は第二の実施例と同様に
Ｖｘ（＋）＝  Ｖｃｃ・（１／２−１／（２・Ｒｂ）  ・βＨｅｃｏｓ  θ）
であり、反対方向に所定の直流磁界を印加したときの磁気抵抗素子対２の中間電位出力は
Ｖｘ（  −）＝Ｖｃｃ  ・（１／２＋１／（２  ・Ｒｂ）  ・βＨｅｃｏｓ  θ）
である。両方向磁界を印加したときの両中間電位出力差は
ｘ方向のＶ＝Ｖｘ（＋）−Ｖｘ（−）  ＝−Ｖｃｃ  ・１／Ｒｂ・βＨｅｃｏｓ  θ
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。しかしここでもｙ方向の出力差Ｖを測定していないだけ、＋／−θの区別が出来ないという欠点がある。またθはＶｃｃの関数となっているので、定電流回路が必要となる。
【００５７】
第一から第四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３０°よりも大きく９０°以内であれば方位を測定出来る。この角度内でも４５°よりも大きく９０°以内であれば抵抗の磁界に対する変化が大きいので好ましいが、角度が大きすぎると図４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。
【００５８】
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（鏡像）の関係にすることが好ましい。一方が１０°で他方が６０°ではブリッジ回路の出力がばらつく。ミラー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。
【００５９】
第一実施例にある方位計を試作した。磁気抵抗素子として、膜厚を３０ｎｍと３１．５ｎｍのものを作製した。３０ｎｍ厚のもののほうが反磁界の影響が少なく、厚みを大とすると見かけの反磁界が大きくなるので、必要な飽和磁界やバイアス磁界を印加するためにコイル電流を大きくする必要が出てくる。また、薄くしすぎると抵抗変化率が減少するおそれがあるので、膜厚は３０ｎｍ＋／−５ｎｍが適当である。
【００６０】
磁気抵抗素子の線幅を４０μｍから１０μｍまで変えて作製した。反磁界の影響が少ない４０μｍが最適である。これ以上線幅を広くすると、折り返しの回数が減少し、抵抗値が低下する。抵抗値が小さいと、消費電力が増加する。折り返しの回数を最大にして、反磁界の影響を小さくするには３０〜４０μｍがよい。
【００６１】
磁気抵抗素子間隔が５μｍ以下の場合、短絡などの問題が生じる。広くすればその問題が無くなるが、平面磁気抵抗素子コイル内での磁気抵抗素子の占有率が低下するので５μｍが最適である。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
上で説明した各実施例は、図２に示すように、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。
【００６６】
平行四辺形状あるいは長方形、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を図１３に平面模式図で示す。偶数の辺を有し、各辺が対辺と平行である平面コイルとして、（ａ）、（ｂ）のいずれも用いることができる。
【００６７】
【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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
更に本発明の方位計によれば、電流センサー、地磁気以外の弱磁界センサーとしても使用することが出来る。また、本発明の方位計と加速度センサーを併せ持つ小型モーションセンサーを実現することができる。本発明の方位計は小型であるので、時計や携帯電話、携帯パソコン等に組み込み、方位を用いた位置情報システムが容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例による方位計の平面図である。
【図２】本発明の第一実施例による方位計の展開斜視図である。
【図３】本発明の第一実施例による方位計の回路図である。
【図４】抵抗の印加磁界強度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第二実施例による方位計の回路図である。
【図６】本発明の第三実施例による方位計の回路図である。
【図７】本発明の第四実施例による方位計の回路図である。
【図８】抵抗の印加磁界強度との関係を示す一般的なグラフである。
【図９】一般的な方位計の回路図である。
【図１０】従来の方位計の断面模式図である。
【図１１】従来の方位計の斜視図である。
【図１２】抵抗の印加磁界強度との関係のヒステリシスを示すグラフである。
【図１３】他の実施例の平面コイルを説明する平面模式図である。
【図１４】平面コイルの変形例を説明する平面模式図である。
【図１５】平面コイルの変形例を説明する平面模式図である。
【符号の説明】
１，１′，１″        平面コイル
１１，１２，１３，１４，１１′，１２′，１３′，１４′，１１″，１２″，１３″，１４″                （コイルの）辺
２，３，４，５        磁気抵抗素子対
２１，２２，３１，３２，４１，４２，５１，５２，９１，９２，９３，９４  磁気抵抗素子
１０１，１０２        コイル
【図１】
0003573100.tif 000004
【図２】
0003573100.tif 000005
【図３】
0003573100.tif 000006
【図４】
0003573100.tif 000007
【図５】
0003573100.tif 000008
【図６】
0003573100.tif 000009
【図７】
0003573100.tif 000010
【図８】
0003573100.tif 000011
【図９】
0003573100.tif 000012
【図１０】
0003573100.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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