JPH09113276A

JPH09113276A - 地磁気方位センサ

Info

Publication number: JPH09113276A
Application number: JP7274527A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Hisamura; 達雄久村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子を用いた地磁気方位センサ
の精度の向上を図る。【解決手段】磁気抵抗効果素子を用いた地磁気方位セ
ンサにおいて、磁気抵抗効果素子に印加するバイアス磁
界の大きさを、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗曲線の半値
幅に対して０．４５〜０．５５となるように設定する。
これにより、磁気抵抗効果素子の帯磁等の影響によって
生じる方位誤差が低減され、地磁気方位センサの方位精
度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果素子
を用いた地磁気方位センサに関するものであり、特に、
磁気抵抗効果素子に印加するバイアス磁界を磁気抵抗効
果素子の磁気抵抗曲線の半値幅に対して０．４５〜０．
５５となるように設定することで、方位精度の向上を図
った新規な地磁気方位センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、カラー陰極線管において、電子
銃から出射された電子ビームの軌道が地磁気によって曲
げられ、蛍光面上での電子ビーム到達位置、すなわち電
子ビームのランディングに変化が生じることがある。特
に高精細度陰極線管では、ランディングの変化に対する
余裕度が小さいために、地磁気によるランディングの変
化が色純度の劣化等の問題を引き起こしてしまうことが
ある。これを補正するために、通常、カラー陰極線管に
は、ランディング補正コイルが取り付けられている。そ
して、地磁気の方位に応じて自動的に、ランディング補
正コイルにランディング補正に必要な最適電流を流すこ
とにより、電子ビームの軌道を制御して、ランディング
の変化を防止するようにしている。ここで、ランディン
グ補正を行うには、地磁気の方位を正確に検出する必要
があり、この検出のために地磁気方位センサが使用され
ている。

【０００３】このように、地磁気の影響を補正する必要
があるカラー陰極線管のような機器において、地磁気方
位センサは非常に重要なセンサとなっている。また、地
磁気方位センサは、従来から用いられてきた磁石式の方
位計、すなわち磁気コンパスの代替として、携帯型の方
位計としても使用されている。

【０００４】このように地磁気方位センサは様々な用途
に使用されており、その代表的な構造としては、フラッ
クスゲート型のものや、磁気抵抗効果型のものが知られ
ている。そして、これらの地磁気方位センサの中でも、
地磁気を集束するための強磁性体コアを備えた磁気抵抗
効果型のものは非常に高感度であり、近年、従来の他の
タイプの地磁気方位センサに置き換わりつつある。

【０００５】強磁性体コアを備えた磁気抵抗効果型の地
磁気方位センサは、例えば、ギャップを介して円環状に
組み合わされた４つの円弧状の強磁性体コアと、各強磁
性体コア間のギャップ内にそれぞれ配された４つの磁気
抵抗効果素子と、各磁気抵抗効果素子にそれぞれバイア
ス磁界を印加するための励磁用コイルとから構成され
る。ここで、磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果を有す
る磁気抵抗効果膜を備えた、外部磁界の大きさによって
抵抗値が変化する素子である。そして、この地磁気方位
センサでは、各磁気抵抗効果素子によって各磁気抵抗効
果素子の長手方向に対して垂直に印加している地磁気の
強さを検出し、このように各磁気抵抗効果素子によって
検出された各方向における地磁気の強さに基づいて、地
磁気の方位を検出する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような磁気抵抗
効果型の地磁気方位センサでは、使用される磁気抵抗効
果素子の特性が、センサの精度を大きく左右する。そこ
で、磁気抵抗効果素子には、優れた磁気特性を有するパ
ーマロイ膜が多く用いられており、通常、その形状は幅
の狭いストライプ形状とされる。ここで、磁気抵抗効果
素子をストライプ形状とするのは、磁気抵抗効果が磁化
困難軸方向で最大となることから、ストライプ形状とす
ることによって形状効果による磁気異方性、すなわち形
状磁気異方性を誘起させ、ストライプの幅方向を磁化困
難軸として利用するためである。

【０００７】ところで、このような磁気抵抗効果素子
は、通常、電子ビーム蒸着やスパッタ等のような真空薄
膜形成法によって成膜されて形成されるが、成膜時に被
着基板近傍部の漏洩磁界や温度分布のむら、或いは入射
粒子に対する被着基板面の法線方向からのずれ等の影響
により、膜に磁気異方性が付与される。このような磁気
異方性は、その大きさや方向が一定ではなく、また、成
膜後に熱処理等を施しても完全に除去することはできな
い。

【０００８】そして、このような大きさや方向が一定で
ない磁気異方性が発生して、上述の形状磁気異方性に加
わると、磁気抵抗効果素子は、いわゆる二軸異方性を有
する状態となってしまう。そして、このような二軸異方
性を有する磁気抵抗効果素子では、本来ならばストライ
プの幅方向で得ることができる、最大且つヒステリシス
の少ない磁気抵抗効果を得ることができない。したがっ
て、二軸異方性を有する磁気抵抗効果素子を用いた地磁
気方位センサでは、方位精度が低下してしまう。特に、
形状磁気異方性以外の磁気異方性が磁気抵抗効果素子に
加わり、磁気抵抗効果素子が帯磁してしまうと、以下に
説明するように、大きな方位誤差が生じてしまう。

【０００９】ここで、磁気抵抗効果素子による外部磁界
の検出の原理、並びに方位誤差の発生について、図１２
乃至図１４を用いて説明する。

【００１０】図１２及び図１３は、磁気抵抗効果素子の
基本的な動作原理を説明するための図であり、磁気抵抗
効果素子の磁気抵抗曲線と、この磁気抵抗効果素子に交
流バイアス磁界を印加したときの出力を示している。こ
こで、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗曲線は、磁界Ｈがゼ
ロの位置を中心として左右対称となっている。そして、
図１２に示すように、外部磁界が無い場合には、振幅が
ＨＢの交流バイアス磁界を印加したとき、磁気抵抗効果
素子からの出力は一定の波形となる。これに対して、図
１３に示すように、地磁気等によって外部磁界ＨＥが印
加している場合には、振幅がＨＢの交流バイアス磁界に
外部磁界ＨＥが直流的に加わるため、磁気抵抗効果素子
からの出力は交互に振幅が変化する波形となる。そこ
で、このように振幅が変化している出力から、その波形
の高さの変化量Ｌを検出することにより、磁気抵抗効果
素子に印加されている外部磁界ＨＥの大きさが分かるこ
ととなる。

【００１１】これに対して、形状磁気異方性以外の磁気
異方性が磁気抵抗効果素子に加わり、磁気抵抗効果素子
が帯磁していると、磁気抵抗効果特性がシフトして、磁
気抵抗効果素子の動作点が非対称となるため、外部磁界
が無い場合にも、磁気抵抗効果素子からの出力は、あた
かも外部磁界を感知したかのような出力となってしま
う。すなわち、図１４に示すように、磁気抵抗効果特性
がシフトして、磁界Ｈがゼロでない位置が磁気抵抗曲線
の中心となっていると、外部磁界が無くても、磁気抵抗
効果特性のシフト量−Ｈｕの影響により、磁気抵抗効果
素子からの出力は、図１３に示した出力の波形と同様な
波形となり、あたかも地磁気を感知したかのような出力
となってしまう。したがって、形状磁気異方性以外の磁
気異方性が磁気抵抗効果素子に加わって、磁気抵抗効果
特性がシフトすると、地磁気方位センサの精度が大幅に
低下してしまう。

【００１２】このように、磁気抵抗効果型の地磁気方位
センサでは、使用される磁気抵抗効果素子の特性が、セ
ンサの精度を大きく左右するため、磁気抵抗効果素子の
特性を向上することが大きな課題となっている。

【００１３】そこで本発明は、このような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、磁気抵抗効果素子の特性
を向上し、地磁気方位センサの精度の向上を図ることを
目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに完成された本発明に係る地磁気方位センサは、磁気
抵抗効果素子を用いた地磁気方位センサであって、上記
磁気抵抗効果素子に印加されるバイアス磁界の大きさ
が、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗曲線の半値幅に対して
０．４５〜０．５５であることを特徴とするものであ
る。

【００１５】上記地磁気方位センサでは、磁気抵抗効果
素子へのバイアス磁界が、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗
曲線の半値幅に対して０．４５〜０．５５となるように
設定されているので、帯磁等による方位誤差が低減さ
れ、方位精度が向上する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。なお、本発明は以下の例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、形状や材質等を
任意に変更することが可能であることは言うまでもな
い。

【００１７】まず、本発明を適用した地磁気方位センサ
に用いられる磁気抵抗効果素子の一例について説明す
る。

【００１８】この磁気抵抗効果素子は、後述するように
強磁性体コア間に設けられるギャップ内に配される。こ
こで、通常、地磁気方位センサを小型化する必要性か
ら、強磁性体コア間のギャップの幅を大きくとることは
できない。そこで、磁気抵抗効果素子の感磁部の長さを
長くして感度を高めるために、例えば図１に示されるよ
うに、磁気抵抗効果素子Ｍは、強磁性体コアＫａと強磁
性体コアＫｂの間に、何重にも折り曲げた、いわゆるつ
づら折り形状にパターニングされる。そして、この磁気
抵抗効果素子Ｍは、磁気抵抗効果素子Ｍの感磁部の長軸
方向が強磁性体コアＫａと強磁性体コアＫｂとの間に生
じる磁界Ｈに対して直交するように、すなわち、パター
ン幅方向がギャップに対して垂直となるように配され
る。

【００１９】ここで、磁気抵抗効果素子Ｍには、例え
ば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ合金、又はこれ
らの合金に微少添加物を加えた軟磁性材料が用いられ
る。そして、このような材料から成る磁気抵抗効果素子
Ｍは、電子ビーム蒸着やスパッタ等のような真空薄膜形
成法や、電着法等によって基板上に成膜され、その後、
上述したように、フォトリソグラフィ技術によって、図
２に示すようなつづら折り形状にパターニングされて形
成される。このとき、地磁気方位センサ内に形成される
各磁気抵抗効果素子を結ぶ配線や、外部回路と電気的接
触を図るために磁気抵抗効果素子の両端に配される電極
等も、同時にパターニングされ形成される。

【００２０】つぎに、以上のような磁気抵抗効果素子を
備えた地磁気方位センサの一例について説明する。

【００２１】この地磁気方位センサは、図３に示すよう
に、９０度間隔でギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４が形
成されるように、４つの円弧状の強磁性体コアＫ１、Ｋ
２、Ｋ３、Ｋ４が円環状に組み合わされると共に、これ
らギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４内にそれぞれ上述の
ような地磁気検出用の磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ
３、Ｍ４が配されて構成される。ここで、強磁性体コア
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の材料には、パーマロイ、セン
ダスト、アモルファス、フェライト等のような優れた軟
磁気特性を有するものが適している。

【００２２】上記磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、
Ｍ４は、Ｘ軸方向の磁界を検出するための２つの磁気抵
抗効果素子Ｍ１、Ｍ３と、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向
の磁界を検出するための２つの磁気抵抗効果素子Ｍ２、
Ｍ４とに分類される。そして、これらの磁気抵抗効果素
子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４は、定電位電源Ｖｃｃに接続
されており、この定電位電源Ｖｃｃから、これらの磁気
抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４にセンス電流が供
給される。

【００２３】一方、上記強磁性体コアＫ１、Ｋ２、Ｋ
３、Ｋ４には、それぞれ励磁用コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ
３、Ｃ４が巻回されており、この励磁用コイルＣ１、Ｃ
２、Ｃ３、Ｃ４に電流を流すことにより、ギャップＧ
１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４内に配された各磁気抵抗効果素子
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４にバイアス磁界が印加される。
すなわち、励磁用コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に供給
される交流バイアス電流ＩＢにより、Ｘ軸方向の磁界を
検出するための磁気抵抗効果素子Ｍ１及び磁気抵抗効果
素子Ｍ２に、それぞれ互いに逆方向のバイアス磁界が印
加され、同様に、Ｙ軸方向の磁界を検出するための磁気
抵抗効果素子Ｍ２及び磁気抵抗効果素子Ｍ４にも、それ
ぞれ互いに逆方向のバイアス磁界が印加される。

【００２４】ここで、各磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、
Ｍ３、Ｍ４は、図４に示すように、それぞれギャップに
対応するように形成されており、したがって、磁気抵抗
効果素子Ｍ１及び磁気抵抗効果素子Ｍ２には、その膜面
に対して略平行にバイアス磁界ＨＢが印加され、磁気抵
抗効果素子Ｍ３及び磁気抵抗効果素子Ｍ４には、その膜
面に対して略平行にバイアス磁界−ＨＢが印加される。
そして、このように各磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ
３、Ｍ４に印加されるバイアス磁界の大きさは、それぞ
れ磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の磁気抵抗
曲線の半値幅に対して０．４５〜０．５５となるように
設定される。

【００２５】また、各磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ
３、Ｍ４には、中点電位等の温度特性を補正するための
温度特性補正用磁気抵抗効果素子Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ
８が接続されている。すなわち、磁気抵抗効果素子Ｍ１
には、温度特性補正用磁気抵抗効果素子Ｍ５が接続さ
れ、磁気抵抗効果素子Ｍ２には、温度特性補正用磁気抵
抗効果素子Ｍ６が接続され、磁気抵抗効果素子Ｍ３に
は、温度特性補正用磁気抵抗効果素子Ｍ７が接続され、
磁気抵抗効果素子Ｍ４には、温度特性補正用磁気抵抗効
果素子Ｍ８が接続されている。

【００２６】ここで、各温度特性補正用磁気抵抗効果素
子Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８は、強磁性体コアＫ１、Ｋ
２、Ｋ３、Ｋ４を通る磁束に対して平行となるように、
それぞれ磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４に対
して直交するように配される。すなわち、温度特性補正
用磁気抵抗効果素子Ｍ５は、ギャップＧ１の外部に、磁
気抵抗効果素子Ｍ１に対して直交するように配され、温
度特性補正用磁気抵抗効果素子Ｍ６は、ギャップＧ２の
外部に、磁気抵抗効果素子Ｍ２に対して直交するように
配され、温度特性補正用磁気抵抗効果素子Ｍ７は、ギャ
ップＧ３の外部に、磁気抵抗効果素子Ｍ３に対して直交
するように配され、温度特性補正用磁気抵抗効果素子Ｍ
８は、ギャップＧ４の外部に、磁気抵抗効果素子Ｍ４に
対して直交するように配される。

【００２７】ここで、例えば、各温度特性補正用磁気抵
抗効果素子Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８を、それぞれ磁気抵
抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４に対して平行となる
ように配すると、ギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４から
漏れた磁界が温度補正用磁気抵抗効果素子Ｍ５、Ｍ６、
Ｍ７、Ｍ８にもバイアス磁界として働いてしまう。そし
て、このバイアス磁界の方向は、地磁気検出用の磁気抵
抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４に印加されるバイア
ス磁界の方向と同方向であるので、後述するように磁気
抵抗効果素子Ｍ１及び磁気抵抗効果素子Ｍ３から得られ
る差動信号や、磁気抵抗効果素子Ｍ２及び磁気抵抗効果
素子Ｍ４から得られる差動信号が打ち消されて小さくな
ってしまう。その結果、Ｓ／Ｎが悪化し、方位精度が±
５度程度にまで悪くなってしまう。

【００２８】これに対して、上述のように、各温度特性
補正用磁気抵抗効果素子Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８を、そ
れぞれ磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４に対し
て直交するように配したときには、ギャップＧ１、Ｇ
２、Ｇ３、Ｇ４から漏れた磁界が温度補正用磁気抵抗効
果素子Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８にバイアス磁界として働
くようなことが殆どない。これは、磁気抵抗効果素子の
感度が、磁界に対して直交するように配置した場合に比
べて、平行に配置した場合は１／１００以下となるため
である。したがって、上述の地磁気方位センサでは、温
度特性補正用磁気抵抗効果素子Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８
が、強磁性体コアＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４中の磁気信号
に対して感度を示すようなことは殆どなく、そのため、
上述の地磁気方位センサでは、磁気抵抗効果素子Ｍ１及
び磁気抵抗効果素子Ｍ３から得られる差動信号や、磁気
抵抗効果素子Ｍ２及び磁気抵抗効果素子Ｍ４から得られ
る差動信号を大きく取ることが可能となる。その結果、
Ｓ／Ｎが向上し、方位精度が±１度程度と非常に優れた
ものとなる。

【００２９】以上のような構成を有する地磁気方位セン
サの等価回路を図５に示す。すなわち、この地磁気方位
センサにおいて、Ｘ軸方向の磁界を検出するための２つ
の磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ３は、温度特性補正用磁気
抵抗効果素子Ｍ５、Ｍ７と共にブリッジを構成してお
り、このブリッジに定電位電源Ｖｃｃからセンス電流が
供給される。そして、このブリッジからの出力が差動ア
ンプＡ１に供給され、この差動アンプＡ１によって差動
が取られ、その結果、外部磁界ＨＥのうちＸ軸方向の磁
界成分の大きさを示す差動信号（Ｘ出力）が出力され
る。このとき、励磁用コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に
より、磁気抵抗効果素子Ｍ１には、バイアス磁界ＨＢが
印加され、磁気抵抗効果素子Ｍ３には、磁気抵抗効果素
子Ｍ１に印加されるバイアス磁界ＨＢに対して１８０度
方位が異なるバイアス磁界−ＨＢが印加される。

【００３０】同様に、Ｙ軸方向の磁界を検出するための
２つの磁気抵抗効果素子Ｍ２、Ｍ４も、温度特性補正用
磁気抵抗効果素子Ｍ６、Ｍ８と共にブリッジを構成して
おり、このブリッジに定電位電源Ｖｃｃからセンス電流
が供給される。そして、このブリッジからの出力が差動
アンプＡ２に供給され、この差動アンプＡ２によって差
動が取られ、その結果、外部磁界ＨＥのうちＹ軸方向の
磁界成分の大きさを示す差動信号（Ｙ出力）が出力され
る。このとき、励磁用コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に
より、磁気抵抗効果素子Ｍ２には、バイアス磁界ＨＢが
印加され、磁気抵抗効果素子Ｍ４には、磁気抵抗効果素
子Ｍ２に印加されるバイアス磁界ＨＢに対して１８０度
方位が異なるバイアス磁界−ＨＢが印加される。

【００３１】以上のような地磁気方位センサに使用され
る磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４は、次のよ
うな特徴を持っている。

【００３２】（１）磁界の強度により抵抗値が変化す
る。

【００３３】（２）弱い磁界を感知する能力に優れてい
る。

【００３４】（３）抵抗値変化を電気信号として取り出
すことができる。

【００３５】そして、上記地磁気方位センサでは、この
ような磁気抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の特徴
を利用して地磁気による磁気信号を電気信号に変換し
て、地磁気の方位を検出している。以下、このような地
磁気の方位の検出の原理について説明する。

【００３６】図６に磁気抵抗効果素子の磁気抵抗曲線を
示す。図６において、横軸は磁気抵抗効果素子に垂直に
加わる磁界Ｈ、縦軸は磁気抵抗効果素子の抵抗値Ｒを示
している。ここで、縦軸は磁気抵抗効果素子の抵抗値を
示しているので、縦軸の値は磁気抵抗効果素子に直流電
流を流したときの出力電圧に相当する。

【００３７】図６に示すように、磁気抵抗効果素子の抵
抗値Ｒは、磁界Ｈがゼロのときに最大となり、大きな磁
界、具体的には、磁気抵抗効果素子のパターン形状等に
もよるが、５０〜２００Ｏｅ程度の磁界Ｈを印加したと
きに、約３％小さくなる。そこで、地磁気方位センサで
は、このような特性を有する磁気抵抗効果素子によって
磁界Ｈの変化を抵抗値Ｒの変化として検出する。

【００３８】そして、磁気抵抗効果素子には、上述した
ように、強磁性体コアＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４に巻回さ
れた励磁用コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に交流バイア
ス電流ＩＢを流すことにより、交流のバイアス磁界が印
加される。このようにバイアス磁界を印加することによ
り、磁気抵抗曲線の傾きが大きい部分を外部磁界の検出
に利用することが可能となり、磁気抵抗効果素子からの
出力のＳ／Ｎ、すなわち出力電圧の振幅の向上、及び歪
率の向上が図られる。

【００３９】ここで、バイアス磁界は、上述したよう
に、Ｘ軸方向の磁界を検出するための磁気抵抗効果素子
Ｍ１、Ｍ３のうち、磁気抵抗効果素子Ｍ１にはバイアス
磁界ＨＢが印加され、磁気抵抗効果素子Ｍ３には、磁気
抵抗効果素子Ｍ１に印加されるバイアス磁界ＨＢに対し
て１８０度方位が異なるバイアス磁界−ＨＢが印加され
る。同様に、Ｙ軸方向の磁界を検出するための磁気抵抗
効果素子Ｍ２、Ｍ４のうち、磁気抵抗効果素子Ｍ２には
バイアス磁界ＨＢが印加され、磁気抵抗効果素子Ｍ４に
は、磁気抵抗効果素子Ｍ２に印加されるバイアス磁界Ｈ
Ｂに対して１８０度方位が異なるバイアス磁界−ＨＢが
印加される。

【００４０】このとき、地磁気による磁界ＨＥが入って
くると、例えば、Ｘ軸方向の磁界を検出するための磁気
抵抗効果素子Ｍ１、Ｍ３に加わる磁界は、磁気抵抗効果
素子Ｍ１に加わる磁界が（ＨＢ＋ＨＥ）となり、磁気抵
抗効果素子Ｍ３に加わる磁界が（−ＨＢ＋ＨＥ）とな
る。

【００４１】このとき、磁気抵抗効果素子Ｍ１には、交
流のバイアス磁界ＨＢが印加されているので、磁気抵抗
効果素子Ｍ１に印加される磁界は図６中実線Ａで示すよ
うに変化し、この磁界の変化が図６中実線Ｂで示すよう
な電圧変化として出力される。一方、磁気抵抗効果素子
Ｍ３には、交流のバイアス磁界−ＨＢが印加されている
ので、磁気抵抗効果素子Ｍ３に印加される磁界は図６中
実線Ｃで示すように変化し、この磁界の変化が図６中実
線Ｄで示すような電圧変化として出力される。

【００４２】そして、図６中実線Ｂで示したような磁気
抵抗効果素子Ｍ１からの出力と、図６中実線Ｄで示した
ような磁気抵抗効果素子Ｍ３からの出力との差が、差動
アンプＡ１によってＸ軸方向の磁界についての差動信
号、すなわちＸ出力として取り出される。同様に、Ｙ軸
方向の磁界を検出するための磁気抵抗効果素子Ｍ２及び
磁気抵抗効果素子Ｍ３からも、磁界の変化が電圧変化と
して出力され、Ｙ軸方向の磁界についての差動信号、す
なわちＹ出力が取り出される。

【００４３】そして、これらの差動信号は地磁気ＨＥの
方位によって変化し、それぞれＨＥ・ｓｉｎθ、ＨＥ・
ｃｏｓθに比例している。したがって、横軸に地磁気の
方位θをとって、Ｘ出力及びＹ出力の電圧をプロットす
ると、図７に示すようになる。したがって、Ｘ軸方向の
磁界についての差動信号であるＸ出力と、Ｙ軸方向の磁
界についての差動信号であるＹ出力とから、地磁気の方
位θを算出することができる。

【００４４】すなわち、Ｘ出力とＹ出力の比Ｖｘ／Ｖｙ
は、これらの出力がそれぞれＨＥ・ｓｉｎθ、ＨＥ・ｃ
ｏｓθに比例することから、下記式（１）に示すよう
に、ｔａｎθで表すことができる。

【００４５】Ｖｘ／Ｖｙ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθ ・・・（１）したがって、地磁気の方位θは、下記式（２）で表され
る。

【００４６】 θ＝ｔａｎ^-1（Ｖｘ／Ｖｙ）・・・（２）ただし、上記式（２）において、Ｖｘ≧０のときは、０
°≦θ≦１８０°であり、Ｖｘ＜０のときは、１８０°
＜θ＜３６０°である。

【００４７】以上のようにして、本実施の形態に係る地
磁気方位センサでは、地磁気ＨＥの方位θを知ることが
できる。

【００４８】つぎに、以上のような地磁気方位センサに
使用される磁気抵抗効果素子の特性を評価した結果につ
いて説明する。ここで、磁気抵抗効果素子の特性は、ス
トライプ幅が異なる３種類の磁気抵抗効果素子を作製
し、これらの磁気抵抗効果素子について調べた。

【００４９】特性の評価に用いた磁気抵抗効果素子は、
ガラス基板上に電子ビーム蒸着によって膜厚が７０ｎｍ
の磁気抵抗効果膜を成膜し、この磁気抵抗効果膜に対し
て、フォトリソグラフィ技術を用いて所定のストライプ
幅及びストライプ長となるようにパターニング処理を施
し、これらの膜の両端に測定用電極を形成して作製し
た。ここで、３種類の磁気抵抗効果素子は、それぞれス
トライプ幅が、８０μｍ、４０μｍ、２０μｍとなるよ
うにした。また、ストライプ長は、全て２０ｍｍとし
た。

【００５０】そして、これら３種類の磁気抵抗効果素子
について、磁気抵抗効果素子の幅方向に交流消磁処理を
施した後、永久磁石を磁気抵抗効果素子の幅方向から近
づけて帯磁させ、その後、磁気抵抗効果特性を測定した
ところ、印加磁界に対するヒステリシスや動作点の非対
称性が観察された。

【００５１】そこで、まず、図８に示すように、バイア
ス磁界Ｈｂの大きさを磁気抵抗曲線の半値幅Ｈｗに対し
て１／３となるように設定して、各磁気抵抗効果素子に
ついて非対称性を測定した。結果を図９に示す。なお、
図９に示す測定結果において、非対称性を表わす指標に
は、下記式（３）で表される値Ｆａを用いた。

【００５２】Ｆａ＝（ΔＬ１＋ΔＬ２）／｛（Ｌ１＋Ｌ２）／２｝・・・（３）上記式（３）において、ΔＬ１は、図１０（１）に示す
ように、永久磁石のＮ極で磁気抵抗効果素子を帯磁させ
たときに生じる、バイアス磁界Ｈｂに対する磁気抵抗曲
線の動作点の変化量を表しており、ΔＬ２は、図１０
（２）に示すように、永久磁石のＳ極で磁気抵抗効果素
子を帯磁させたときに生じる、バイアス磁界Ｈｂに対す
る磁気抵抗曲線の動作点の変化量を表している。また、
Ｌ１は、図１０（１）に示すように、永久磁石のＮ極で
磁気抵抗効果素子を帯磁させたときの、バイアス磁界Ｈ
ｂに対する磁気抵抗効果素子の抵抗の変化量を表してお
り、Ｌ２は、図１０（２）に示すように、永久磁石のＳ
極で磁気抵抗効果素子を帯磁させたときの、バイアス磁
界Ｈｂに対する磁気抵抗効果素子の抵抗の変化量を表し
ている。

【００５３】また、図９には、各磁気抵抗効果素子につ
いて、磁気抵抗効果素子の静的状態での磁化のストライ
プ長手方向からのずれの角度である磁化の方向θｓにつ
いてもプロットしている。ここで、磁化の方向θｓは、
静磁エネルギー、反磁界エネルギー、そして成膜時に生
じた磁気異方性エネルギーの実測値を用いて、それらの
エネルギーが最小になるような角度として計算によって
求めた。

【００５４】図９から、磁気抵抗効果素子のストライプ
幅Ｗが大きくなるほど、静的状態での磁化の方向θｓの
値が大きくなり、そして、静的状態での磁化の方向θｓ
の値が大きくなるにつれ、帯磁によって磁気抵抗曲線の
非対称性が増していくことが分かる。

【００５５】つぎに、磁気抵抗曲線の半値幅Ｈｗに対す
るバイアス磁界Ｈｂの大きさと、帯磁等の影響によって
生じる磁気抵抗曲線の非対称性が最小となるときのバイ
アス磁界印加方向との関係を調べた。結果を図１１に示
す。

【００５６】図１１において、縦軸は、磁気抵抗曲線の
非対称性が最小になるときのバイアス磁界印加方向θ
ｎ、すなわち、磁気抵抗効果素子のストライプ長手方向
と、磁気抵抗曲線の非対称性が最小となるバイアス磁界
の方向との成す角度を表している。また、横軸は、磁気
抵抗曲線の半値幅Ｈｗに対するバイアス磁界Ｈｂの大き
さ、すなわち、Ｈｂ／Ｈｗの値を表している。

【００５７】図１１に示すように、バイアス磁界Ｈｂが
小さい場合には、磁気抵抗曲線の非対称性が最小になる
バイアス磁界印加方向θｎが、ストライプ幅方向である
９０度の方向から大きくずれており、同様に、バイアス
磁界Ｈｂが大きい場合にも、磁気抵抗曲線の非対称性が
最小になるバイアス磁界印加方向θｎが、ストライプ幅
方向である９０度の方向から大きくずれている。そし
て、磁気抵抗曲線の半値幅Ｈｗに対してバイアス磁界Ｈ
ｂの大きさが０．４５〜０．５５程度のときに、磁気抵
抗曲線の非対称性が最小になるバイアス磁界印加方向θ
ｎが約９０度となり、磁気抵抗曲線の非対称性が最小に
なるバイアス磁界印加方向θｎと、磁気抵抗効果素子の
ストライプ幅方向とが一致する。

【００５８】したがって、ストライプ形状の磁気抵抗効
果素子を用いて、その幅方向を磁界の検出方向とした上
述のような地磁気方位センサにおいては、バイアス磁界
Ｈｂの大きさを磁気抵抗曲線の半値幅Ｈｗに対して０．
４５〜０．５５に設定することにより、帯磁等の影響に
よって生じる磁気抵抗曲線の非対称性を最小とすること
ができる。そして、このように磁気抵抗曲線の非対称性
を最小とすることにより、帯磁等の影響を受けることな
く、高精度に地磁気の方位を検出することが可能とな
る。

【００５９】ここで、図１１から明らかなように、磁気
抵抗効果素子のストライプ幅が大きいほど、磁気抵抗曲
線の非対称性が最小になるときのバイアス磁界印加方向
θｎが、バイアス磁界の大きさによって大きく変化す
る。そのため、特にストライプ幅が大きい磁気抵抗効果
素子を用いた地磁気方位センサにおいて、磁気抵抗曲線
の非対称性に対するバイアス磁界Ｈｂの大きさの影響が
大きくなる。したがって、特にストライプ幅が大きい磁
気抵抗効果素子を用いた地磁気方位センサにおいて、磁
気抵抗曲線の半値幅Ｈｗに対してバイアス磁界Ｈｂの大
きさを０．４５〜０．５５に設定することによって、磁
気抵抗曲線の非対称性を大幅に軽減でき、地磁気方位検
出の精度を大幅に向上することができる。

【００６０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る地磁気方位センサでは、バイアス磁界の大きさを
磁気抵抗曲線の半値幅に対して０．４５〜０．５５に設
定することにより、帯磁等の影響を軽減し、地磁気の方
位を精度良く検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した地磁気方位センサの一例につ
いて、一部を拡大して示す平面図である。

【図２】本発明を適用した地磁気方位センサに使用され
る磁気抵抗効果素子の一例について、一部を拡大して示
す斜視図である。

【図３】本発明を適用した地磁気方位センサの一構成例
を模式的に示す平面図である。

【図４】本発明を適用した地磁気方位センサの一構成例
を模式的に示す正面図である。

【図５】図３に示した地磁気方位センサの等価回路を示
す回路図である。

【図６】磁気抵抗効果素子による磁界検出の原理を説明
するための図である。

【図７】磁気抵抗効果素子からの出力の電圧Ｖと、地磁
気の方位θとの関係を示す図である。

【図８】磁気抵抗曲線の半値幅Ｈｗとバイアス磁界Ｈｂ
を示す図である。

【図９】磁気抵抗効果素子のストライプ幅Ｗと非対称性
Ｆａの関係、及び磁気抵抗効果素子のストライプ幅Ｗと
磁化の方向θｓの関係を示す特性図である。

【図１０】磁気抵抗曲線の非対称性Ｆａを説明するため
の図である。

【図１１】磁気抵抗曲線の半値幅Ｈｗに対するバイアス
磁界Ｈｂの大きさと、磁気抵抗曲線の非対称性が最小と
なるときのバイアス磁界印加方向θｎとの関係を示す特
性図である。

【図１２】外部磁界が無いときの磁気抵抗効果素子から
の出力を説明するための図である。

【図１３】外部磁界が加わったときの磁気抵抗効果素子
からの出力を説明するための図である。

【図１４】帯磁等によって磁気抵抗効果特性がシフトし
たときの磁気抵抗効果素子からの出力を説明するための
図である。

【符号の説明】

Ｍ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４磁気抵抗効果素子Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８温度特性補正用磁気抵抗効果
素子Ｋａ、Ｋｂ、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４強磁性体コアＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４励磁用コイルＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４ギャップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気抵抗効果素子を用いた地磁気方位セ
ンサにおいて、上記磁気抵抗効果素子に印加されるバイアス磁界の大き
さが、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗曲線の半値幅に対し
て０．４５〜０．５５であることを特徴とする地磁気方
位センサ。