(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気検知部に高周波電流を印加し、その両端部間のインピーダンス変化を検知することにより外部磁界に応じた信号を取り出すことが可能な磁気検出素子において、前記長手状の２つの磁気検知部を長手方向が互いに直交し、前記一方の磁気検知部の長手方向先端が前記他方の磁気検知部の長手方向中央部に近接するようにＴ字状に配置し、前記２つの磁気検知部をそれぞれ独立した非磁性基板上に形成すると共に、前記２つの磁気検知部が同一平面上に位置するように前記非磁性基板を接合したことを特徴とする磁気検出素子。
【請求項２】
前記磁気検知部のそれぞれは、直線を複数回平行に折り返した細長いつづら折り状のパターンの磁性薄膜から成ることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出素子。
【請求項３】
磁気検出素子を用いた方位センサユニットであって、前記磁気検出素子は、磁気検知部に高周波電流を印加し、その両端部間のインピーダンス変化を検知することにより外部磁界に応じた信号を取り出すことが可能とし、前記長手状の２つの磁気検知部を長手方向が互いに直交し、前記一方の磁気検知部の長手方向先端が前記他方の磁気検知部の長手方向中央部に近接するようにＴ字状に配置し、前記２つの磁気検知部をそれぞれ独立した非磁性基板上に形成すると共に、前記２つの磁気検知部が同一平面上に位置するように前記非磁性基板を接合した構成を有し、前記磁気検知部を形成した面をプリント基板に対接し、前記磁気検知部の両端の電極を前記プリント基板の電極に接続すると共に、直交する前記２つの磁気検知部の磁界検知方向に対してそれぞれ４５度方向のバイアス磁界を印加するバイアスコイルを前記磁気検出素子の周囲に設置し、前記バイアスコイルは前記磁気検出素子が前記プリント基板に実装された後に、前記プリント基板の側面から挿入する構成としたことを特徴とする方位センサユニット。
【請求項４】
前記プリント基板上には、前記磁気検出素子の前記２つの磁気検知部に対して高周波電流を印加する発振回路と、前記２つの磁気検知部における外部磁界に応じたインピーダンス変化により振幅変調した前記高周波電流の信号のそれぞれを検波して直交する２方向の外部磁界に応じた信号を出力する検波回路とを有することを特徴とする請求項３に記載の方位センサユニット。
【請求項５】
請求項３に記載の方位センサユニットを搭載した携帯端末。
【請求項６】
請求項３に記載の方位センサユニットを搭載した腕時計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子に関し、特に、コンパス機能を搭載した携帯電話、ＰＤＡなどの携帯端末、腕時計などに搭載可能な小型、高感度の方位センサに好適な磁気検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気インピーダンス素子（以下ＭＩ素子と称する）は、高透磁率の磁性体に高周波電流を印加すると、外部磁界に応じてその磁性体の透磁率が変化することにより、磁性体両端間のインピーダンスが変化する磁気インピーダンス効果を利用して外部磁界を検出するために用いられるものであり、磁性体を磁気検知部として、磁気検知部の両端間のインピーダンス変化による信号を外部磁界の検出出力として取り出すようにしている。
【０００３】
図８は磁気検知部を磁性薄膜により構成したＭＩ素子の一例を示し、この例では直線を複数回平行に折り返した全体として細長いつづら折り状パターンの磁性薄膜が磁気検知部１１０としてガラス等から成る非磁性基板１１２上に形成されている。磁気検知部１１０の磁界検出方向はそのパターンの長手方向であり、パターン両端に形成された電極１１４ａ、１１４ｂからＭＨｚ帯の高周波電流を印加し、電極１１４ａ、１１４ｂ間のインピーダンス変化による信号を外部磁界の検出出力として取り出す。なお、磁気検知部１１０の磁性薄膜の磁化容易軸はパターン幅方向に付けられており、その長手方向が磁気検知部１１０による磁界検知方向となっている。
【０００４】
このＭＩ素子の外部磁界に対する磁気インピーダンス特性は、図９に示す通りであり、磁界ゼロを底としたＶ字型の特性となる。このＶ字傾斜部は感度が極めて高く、外部磁界に対し急激な透磁率の変化により、磁気検知部１１０の磁性薄膜に流れる高周波電流の表皮深さが変化し、急峻なインピーダンス変化をもたらす。
【０００５】
２個のＭＩ素子を使用し、それぞれの磁界検知方向が直交するように配置すれば、それぞれのＭＩ素子から直交する２方向の外部磁界のそれぞれに応じたインピーダンス変化による信号を取り出すことができる。
【０００６】
従って、これを用いて２方向の外部磁界を検出する磁気センサ装置、例えば直交するｘ、ｙ方向における地磁気の磁界の成分を検出して地磁気ベクトルの方向（コンパスの磁針が指すＮ、Ｓの方向）を基準とした方位角を検知する方位センサを構成できる。特に、磁性薄膜を用いたＭＩ素子はチップ部品サイズであり、２個のＭＩ素子を近接させ、磁界検知方向を直角になるように配置すれば、超小型の方位センサを構成できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２個のＭＩ素子を極めて近接して配置すると、ＭＩ素子同士の磁気干渉が生じ、方位センサとしての機能を果たせなくなってしまう。
【０００８】
即ち、図１０に示すように、２個のＭＩ素子１００ｘ、１００ｙをそれぞれ直交するｘ方向とｙ方向に沿って隣接して配置すると、一方のＭＩ素子１００ｘはその磁界検知方向である磁気検知部１１０のパターン長手方向であるｘ方向と直角のｙ方向の外部磁界Ｈｙに対して本来は検知感度を持たないはずである。しかし、ｙ方向の外部磁界Ｈｙによって、隣接配置されたＭＩ素子１００ｙの磁気検知部１１０の両端に磁極が発生して、そこから磁界が発生すると、その磁界がＭＩ素子１００ｘの磁気検知部１１０のパターン長手方向（ｘ方向）に印加されることにより、ＭＩ素子１００ｘがｙ方向の磁界感度も持つことになる。
【０００９】
同様に、ＭＩ素子１００ｙはｘ方向の外部磁界に対して本来は検知感度を持たないはずであるが、ｘ方向の外部磁界によってＭＩ素子１００ｘの両端に磁極が発生して、そこから磁界が発生すると、その磁界がＭＩ素子１００ｙのパターン長手方向に印加されることで、ＭＩ素子１００ｙがｘ方向の磁界感度も持ってしまう。
【００１０】
このように、隣接する２個のＭＩ素子１００ｘ、１００ｙ間で磁気干渉があると、２個のＭＩ素子を用いて構成されたセンサを一様な外部磁界中でその磁界の方向を基準に３６０°の方位角まで回転させた場合に、図１１に示すようにセンサのｘ、ｙ方向の出力特性が本来の破線で示す正弦波の特性から矢印方向にずれて、実線の波形の特性となり、ｘ、ｙ方向の出力の位相差が９０°を保てなくなってしまう。つまり、磁気干渉があると機械的に直角度を確保しても、電気的には直角度が保証されなくなってしまうことになる。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題に鑑みなされたものであり、直交する２方向の外部磁界に応じた信号を取り出すために２つの磁気検知部同士を隣接して配置しても、その磁気検知部同士の磁気干渉の影響を排除できる磁気検出素子を提供することにある。また、小型、高精度な方位センサユニット及びそれを搭載した携帯端末、腕時計の提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る磁気検出素子は、磁気検知部に高周波電流を印加し、その両端部間のインピーダンス変化を検知することにより外部磁界に応じた信号を取り出すことが可能な磁気検出素子において、前記長手状の２つの磁気検知部を長手方向が互いに直交し、前記一方の磁気検知部の長手方向先端が前記他方の磁気検知部の長手方向中央部に近接するようにＴ字状に配置し、前記２つの磁気検知部をそれぞれ独立した非磁性基板上に形成すると共に、前記２つの磁気検知部が同一平面上に位置するように前記非磁性基板を接合したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る方位センサユニットは、磁気検出素子を用いた方位センサユニットであって、前記磁気検出素子は、磁気検知部に高周波電流を印加し、その両端部間のインピーダンス変化を検知することにより外部磁界に応じた信号を取り出すことが可能とし、前記長手状の２つの磁気検知部を長手方向が互いに直交し、前記一方の磁気検知部の長手方向先端が前記他方の磁気検知部の長手方向中央部に近接するようにＴ字状に配置し、前記２つの磁気検知部をそれぞれ独立した非磁性基板上に形成すると共に、前記２つの磁気検知部が同一平面上に位置するように前記非磁性基板を接合した構成を有し、前記磁気検知部を形成した面をプリント基板に対接し、前記磁気検知部の両端の電極を前記プリント基板の電極に接続すると共に、直交する前記２つの磁気検知部の磁界検知方向に対してそれぞれ４５度方向のバイアス磁界を印加するバイアスコイルを前記磁気検出素子の周囲に設置し、前記バイアスコイルは前記磁気検出素子が前記プリント基板に実装された後に、前記プリント基板の側面から挿入する構成としたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図７に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
先ず、図１は実施形態における磁気検出素子の構造を示している。ここに示す磁気検出素子はＸ、Ｙ方向に沿った磁界検出方向を持つ２つの磁気検知部１２ｘ、１２ｙを一体化したＭＩ素子である。便宜上、Ｘ方向を検知する素子をＸ素子、Ｙ方向を検知する素子をＹ素子と定義する。実際には、基板に実装する際に適宜にＸ軸、Ｙ軸を定義すればよい。
【００２１】
磁界検知部１２ｘ、１２ｙはＦｅ−Ｔａ−Ｃ系などの高透磁率磁性薄膜から成り、Ｘ、Ｙ方向の磁界検知方向に沿って長手パターンとして、非磁性基板１０ｘ、１０ｙ上にそれぞれ形成されている。磁気検知部１２ｘ、１２ｙの磁性薄膜の厚さは、表皮効果を発生させるための駆動周波数、磁性薄膜の透磁率に依存するが、１〜５μｍの間で選択することが好ましい。
【００２２】
図１においては、磁界検知部１２ｘ、１２ｙの長手パターンは、直線を複数回平行に折り返した細長いつづら折り状のパターンに形成されている。具体的には、パターン直線部の幅２４μｍ、パターン直線部の間隔１２μｍ、直線部の長さ１．４ｍｍとして形成したつづら折れ構造は、小型のままインピーダンスを稼ぎ、出力を取り出し易くすることに適している。また、磁性薄膜の磁化容易軸はパターン幅方向とされている。
【００２３】
磁気検知部１２ｙの一端が磁気検知部１２ｘの中央部に近接するように、両検知部１２ｘ、１２ｙは概ねＴ字状に配置され、両検知部１２ｘ、１２ｙが同一平面上になるように磁気検知部１２ｙの形成面の反対側に設けられた接合溝１６に、接着剤１８を充填して接合されている。接着剤１８は素子を半田実装するための耐熱性を考慮して、ガラス転移点の高いエポキシ系の樹脂や低融点ガラスによる接合を選択する。接合するための接合溝１６は必須ではなく、基板１０ｘ、１０ｙの境界面に接着剤を流す方法でもよい。
【００２４】
Ｘ素子、Ｙ素子では、磁気検知部１２ｘと１２ｙの両端にそれぞれ電極１４ｘａ、１４ｘｂと電極１４ｙａ、１４ｙｂが設けられ、各電極ａｂ間にＭＨｚ帯の高周波電流を印加し、外部磁界に対する電極両端の振幅変調信号を検波回路等で取り出している。磁気検知部１２ｙの電極は自由に設定でき、電極１４ｙｃや１４ｙｄも適宜に選択できる。
【００２５】
図２に示すように、Ｙ素子である磁気検知部１２ｙの磁界検知方向に沿って外部磁界Ｈｅｘｔが掛かっても、磁気検知部１２ｙの両端に発生する磁極に対する磁束は、図の矢印方向の通りＸ素子である磁気検知部１２ｘの長手方向に対して左右対称であり、トータルではキャンセルするように磁束が掛かっている。このため、Ｘ素子、Ｙ素子間の干渉は極めて少なく、電気的に定義される直角度が確保されることになる。
【００２６】
図３は素子を方位センサユニットとして用いる実施の形態を示し、図１のＸ、Ｙ方向の磁界検知を一体化した素子２０は、磁気検知部が形成された面をガラスエポキシ等のプリント基板２２の面に対接するよう組み合わされる。そして、磁気検知部の両端の電極はそれぞれ、電極１４ｘａと１４ｙａが共通化されプリント基板２２上の接地（アース）電極２４ｇに半田付けにより接続され、電極１４ｘｂが同様に電極２４ｘに接続され、電極１４ｙｂが同様に電極２４ｙに接続される。なお、電極１４ｘａと１４ｙａの共通化は必須ではないが、後に説明する処理回路の説明で、素子の片側が必ずアース又は電源となるため共通化したほうが引き回しの点で自由度が大きくなる。
【００２７】
素子２０をプリント基板２２に面実装した後に、素子とプリント基板２２の一部を囲んでバイアス用コイル２６を巻回する。このバイアス用コイル２６は素子のＶ字特性の傾斜部へ感度の良好な動作点を確保するためのものであり、Ｘ素子、Ｙ素子に均等に磁界印加するために磁界検知部１２ｘ、１２ｙの長手方向に対して共に４５度方向となるようにコイルの軸方向を決定する。実際には、樹脂モールド支持部材２８にコイルを所定のターン数で巻き付けたものを用意しておき、素子２０の実装後に挿入する方法で生産できる。Ｘ素子、Ｙ素子のバイアス磁界が１つのコイルで済むのは、このＭＩ素子が磁界検知部長手方向に対して９０度方向には感度をほとんど持たないという優れた指向特性が寄与しているからである。
【００２８】
コイル２６の両端２６ａ、２６ｂはプリント基板２２の電極２４ｃａ、２４ｃｂにそれぞれ半田付け等により接続され、電流を印加してバイアス磁界を得る。
【００２９】
プリント基板２２上には図４で示される駆動回路が形成されている。プリント基板２２に実装された素子２０の磁気検知部１２ｘ、１２ｙは、図４に示すＭＨｚ帯のパルスを発生する発振回路３０とバッファアンプ３２ｘ、３２ｙを介し、さらにコンデンサ３４ｘ、３４ｙで直流分を除去した後に分圧抵抗３６ｘ、３６ｙを通して接続される。
【００３０】
磁気検知部１２ｘ、１２ｙの一端は接地し、或いは所定電位を設定してもよいが、それぞれ両端の外部磁界に対する振幅変調信号は検波回路３８ｘ、３８ｙにより、センサ出力Ｖｘ、Ｖｙとしてそれぞれ取り出される。センサ出力Ｖｘ、Ｖｙは従来のセンサ出力よりも大きいが、必要に応じて増幅器により増幅を行ってもよい。
【００３１】
検波回路３８ｘ、３８ｙの出力は図５で示す通りであり、相対的に回転する地磁気磁界に対して、９０度の位相差が正確にずれた性能が得られる。なお、この出力から方位角は逆三角関数により求めることができる。手順としては、先ず各波形の中心軸Ｘ0、Ｙ0を求める。具体的には、素子に回転磁界を与えて検波回路３８ｘの出力のピーク値とボトム値を検知し、それらの値の平均値を求める。検波回路３８ｙの出力についても同様である。或いは外部磁界を遮断するシールドボックス内で検波回路３８ｘ、３８ｙの出力計測（ゼロ点計測）を行うことにより求める。
【００３２】
次に、Ｘ素子、Ｙ素子の感度差（Ｓｘ／Ｓｙ）を求める。具体的には、素子に回転磁界を与えて検波回路３８ｘ、３８ｙのそれぞれの出力のピーク値とボトム値の差（Ｓｘ、Ｓｙ）を求めるか、或いはＸ、Ｙ方向に同じ大きさの磁界を印加し、検波回路３８ｘ、３８ｙの出力の中心軸からの変化量（Ｓｘ、Ｓｙ）を検知することにより求める。
【００３３】
次に、求めたそれらの値から方位角θを次式により求める。
Ｔａｎθ＝（Ｓｘ／Ｓｙ）＊（Ｙ−Ｙ0）／（Ｘ−Ｘ0）
【００３４】
つまり、初期化としてＸ素子、Ｙ素子の感度差、ゼロ点のずれ補正を行って、逆三角関数から方位角を算出する。これらの演算は方位センサユニットを組み込む機器のＣＰＵを用いて行う。
【００３５】
具体例として、図６は本発明の方位センサユニットを腕時計に組み込んだ例を示している。本例においては、方位センサユニットは時計の回路基板に実装されている。６１は時計機能、方位センサユニット６６を制御するＣＰＵであり、上述した方位角の演算処理はこのＣＰＵ６１が実行する。６２は時計の回路基板であり、方位センサユニット６６が実装されると共に、図４で示した方位センサの駆動回路６５の他に、ＣＰＵ６１などの時計機能に必要な各種回路が設けられている。６３は時計機能に関する各種の操作ボタンであり、６４は時刻及び方位を表示する表示部である。本例においては、方位センサユニット６６の取付角度（Ｘ、Ｙ方向）は自由に設定でき、ソフト上で最終的に方位の基準を定義する。
【００３６】
また、他の具体例として、図７は本発明の方位センサユニット７６をＰＤＡに組み込んだ例を示している。本例においては、方位センサユニット７６はＰＤＡのメイン回路基板７７に実装されている。７１はＰＤＡの各種機能をつかさどり、また方位センサユニット７６を制御するＣＰＵであり、上述した方位角の演算処理はこのＣＰＵ７１が実行する。メイン回路基板７２には、方位センサユニット７６が実装されると共に、図４で示した方位センサの駆動回路７５の他に、ＣＰＵ７１などのＰＤＡの機能を処理する各種回路が形成されている。７３は各種操作ボタンであり、７４は表示部、７７はスピーカである。７８はＣＰＵ７１と接続した３２Ｍ程度のメモリである。
【００３７】
本例においては、方位センサユニット７６の取付角度（Ｘ、Ｙ方向）は自由に設定でき、ソフト上で最終的に方位の基準を定義する。本例においては、不図示のＧＰＳセンサにより現在位置を、また方位センサユニット７６により方位を検知し、その検知結果に基づいてメモリ７８に格納された地図情報を検索し、現在位置近傍の地図情報を表示すると共に、地図上に現在位置及び方位を表示することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る磁気検出素子は、長手状の２つの磁気検知部を長手方向が互いに直交し、一方の磁気検知部の長手方向先端が他方の磁気検知部の長手方向中央部に近接するようにＴ字状に配置したことにより、磁気検知部同士の磁気干渉の悪影響が少ない。
【００３９】
また、この磁気検出素子を用いて方位センサユニットを構成することにより高精度な方位センサが得られる。
【００４０】
更に、この方位センサユニットを腕時計や携帯端末に搭載することにより、実用的なコンパス機能を持たせた腕時計や携帯端末が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気検出素子の斜視図である。
【図２】磁気検出素子の作用説明図である。
【図３】方位センサユニットの構成図である。
【図４】駆動回路の回路図である。
【図５】検波回路の出力波形図である。
【図６】方位センサユニットを組み込んだ腕時計の模式図である。
【図７】本発明の方位センサユニットを組み込んだＰＤＡの模式図である。
【図８】従来の磁気検出素子の斜視図である。
【図９】磁気検出素子の出力波形の図である。
【図１０】従来の方位センサユニットの作用説明図である。
【図１１】従来の方位センサユニットの出力波形図である。
【符号の説明】
１０ｘ、１０ｙ  非磁性基板
１２ｘ、１２ｙ  磁気検知部
１４、２４  電極
１８  接着剤
２０  素子
２２  プリント基板
２６  バイアス用コイル
６１、７１  ＣＰＵ
６６、７６  センサユニット
【図１】
0004053783.tif 000002
【図２】
0004053783.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004053783.tif 000005
【図５】
0004053783.tif 000006
【図６】
0004053783.tif 000007
【図７】
0004053783.tif 000008
【図８】
0004053783.tif 000009
【図９】
0004053783.tif 000010
【図１０】
0004053783.tif 000011
【図１１】
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