JP3047567B2 - 方位センサ - Google Patents

方位センサ

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JP3047567B2
JP3047567B2 JP3288316A JP28831691A JP3047567B2 JP 3047567 B2 JP3047567 B2 JP 3047567B2 JP 3288316 A JP3288316 A JP 3288316A JP 28831691 A JP28831691 A JP 28831691A JP 3047567 B2 JP3047567 B2 JP 3047567B2
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正憲 鮫島
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気抵抗素子に適当な
バイアス磁界を付与し、地磁気を検出して方位を知る方
位センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、地磁気を検出するセンサとして
は、回転自在の磁石を用いたもの、コアに検出用のコイ
ルを巻き付けたもの、磁気抵抗素子を用いたもの等があ
る。回転自在の磁石を用いたものは、一般に永久磁石の
N極とS極の中心点を回転自在に支持したもので、地磁
気の方向に沿ってN極とS極が常に南北をさすことによ
り方位が検知される。しかしながらこの方式は、可動部
があるために、素子が小型化しにくいうえ、検出結果を
電気信号に換え、他の用途と組み合わせるという応用が
難しい。また、コアに検出用のコイルを巻いたものは、
地磁気信号をコイルで検出し回路処理することにより、
方位を検出するものであるが、これもまた、小型化が難
しいものであった。
【0003】これに対し、弱磁界感度が良好な強磁性の
磁気抵抗素子を用いた方位センサは、検出信号の処理の
容易さ及び他の電気制御への応用が可能である。更に小
型化が可能である等の利点があり、磁気抵抗素子を用い
た方位センサが考えられている。
【0004】図4に磁気抵抗素子を用いた従来の方位セ
ンサを示す。方位センサは、A,B2つのセンサ部から
なる。図6において11a,11bは磁気抵抗素子であ
り、そのエレメントのパターン方向は同一方向である。
この磁気抵抗素子11a,11bの、外部磁界に対する
抵抗値変化の様子を図7(a)に示すが、図7(b)の
ようにエレメントのパターンに対して回転方向に磁界が
加わった時の抵抗値の変化である。12a,12bはバ
イアス磁界発生用の永久磁石であり、前記磁気抵抗素子
11a,11bに加わる磁界Ha,Hbは図に示すよう
に互いに直交している。いま、地磁気Heの方向が図6
に示す向きとすると、各磁気抵抗素子11a,11bが
感じる磁界は、磁界Ha,HbとHeとの合成磁界Ht
a,Htbで表される。すなわち、前記センサAの前記
バイアス磁界と地磁気とのなす角度をθとすると、前記
センサBと地磁気とのなす角度は、θ+90°となり、
θがわかれば、方位が検出できることになる。
【0005】ところで、このようなA,B各センサを同
一平面内で回転して、地磁気を検出すると、その出力
は、理論的には図6に示すような互いに90°位相がず
れた波形になる。すなわち、センサA,Bの各出力は、 Va=Asinθ Vb=Bcosθ と表すことができ、これから、センサに対する地磁気の
方向角度は、 tanθ=sinθ/cosθ=(Va×B)/(vb×A) として得られる。この算出は、マイクロコンピュータを
用いれば簡単に行える。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の磁
気抵抗素子11a,11bを用いた従来の方位センサで
は、以下の点でその示す方位に誤差が生じ易い。まず、
2つの磁気抵抗素子11a,11bからの出力の比で方
位を求めるのであるから、各センサの感度は同一でない
と誤差が生じる。すなわち、各磁気抵抗素子間の磁気特
性が同一でなければならない。次に、素子に加わる合成
磁界も同一でなければならず、バイアス磁界の大きさ、
各磁気抵抗素子エレメントに対する方向が一定でなけれ
ばならない。
【0007】しかしながら、実際に図8に示すような特
性が完全に一致した磁気抵抗素子11a,11bを作成
することは困難である。また、精度良くバイアス磁石を
設置することも困難であり、図9の特性図に示すよう
に、各エレメントの動作中心が異なり、出力が小さくな
るとともに、上述のように各センサ間の出力にばらつき
が生じ、その結果方位検出に誤差が生じるという課題が
あった。
【0008】更にバイアス磁界Ha,Hbを永久磁石に
より形成するため各バイアス磁界Ha,Hbが互いに影
響しあい、正確に直交するバイアス磁界Ha,Hbが得
られない。以上のように従来の方位センサでは検出方位
に誤差が含まれやすいという課題があった。
【0009】また、2つの磁気抵抗素子を用いておりセ
ンサが大きくなるという課題もあった。
【0010】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、簡単な構成で地磁気を検出し小型で正確な方位を示
す方位センサを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の方位センサは、4つの直交する辺を有する絶
縁基板上にパターンの長手方向に通電すると電気抵抗が
パターンに直交する磁界の強さに応じて変化する4個の
磁気抵抗エレメントをパターンの長手方向が互いに直交
しかつ前記絶縁基板の各辺に対して45°の方向を向く
ように配置し互いに直列に接続するとともに所定の入力
端子と出力端子を設けて構成した磁気抵抗素子と、前記
磁気抵抗エレメントを形成した面がその中心部にくるよ
うに上記磁気抵抗素子を設置する台座を有し、かつ上記
磁気抵抗エレメントに対して45°方向にバイアス磁界
を付与するための第1のバイアスコイルを前記磁気抵抗
エレメントから所定の距離で巻くための第1の溝とさら
に前記第1のバイアスコイルに対して直交する第2のバ
イアスコイルを前記第1のバイアスコイルに触れないよ
うな所定の位置に形成するための第2の溝とを有するホ
ルダーと前記ホルダーにそれぞれ所定の巻数で形成した
2つのバイアスコイルとを備えたものである。
【0012】
【作用】本発明によれば、磁気抵抗素子は、同一形成条
件でしかもきわめて近くに隣接する位置に形成された磁
気抵抗エレメントにて構成される磁気抵抗素子を用いて
おり、外部磁界と各直交バイアス磁界との合成磁界に対
する出力特性はどの磁気抵抗エレメントも同一である。
【0013】また、バイアス磁界は、各バイアスコイル
に流す電流のON,OFFを瞬時に切り替えて、2つの
バイアスコイルのうちどちらか一方のみがバイアス磁界
を印加する方式で方位を検出するので、お互い他方のバ
イアス磁界が影響してバイアス磁界の印加方向にずれが
生じて誤差が生じるということもない。また、磁気抵抗
素子はバイアスコイルを形成するホルダーにて保持さ
れ、予めその磁気抵抗エレメントが外部に形成するバイ
アスコイルの中心部にくるように台座にて設置されてお
り、バイアス磁界との位置関係も所定値に保てる。さら
に外巻のバイアスコイルは内巻のコイルに直接巻かれる
ことが無いのでコイルの形状が安定し発生磁界も安定す
る。そのうえ各バイアスコイルの巻き数は所定の巻き数
に設定するので、同一の定電流源で励磁しても同程度の
磁界が得られる。
【0014】また、磁気抵抗エレメントに対して45°
方向にバイアス磁界を付与するようにバイアスコイルを
巻線する場合、磁気抵抗エレメントの長手方向が絶縁基
板の4つの辺に対して45°方向になるように形成した
場合は、絶縁基板の4つの辺に対して平行に形成した場
合よりもセンサ全体として小形化が実現できる。
【0015】これにより簡単な構成で地磁気を検出し正
確な方位を示す方位センサを実現できる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の一実施例の方位センサについ
て、図面を参照しながら説明する。図1(a),(b)
はそれぞれ本実施例における方位センサの外形を示した
斜視図及び平面図であり、図2(a)は同センサの上面
を切り欠いた断面図である。図2(b)は同センサの側
面の断面図である。図において、1は磁気抵抗素子であ
り、四角形の平板上のガラスからなる絶縁基板上に形成
されたパターンの長手方向が互いに直交し直列に接続さ
れた4つの磁気抵抗エレメント3からなる。この4つの
磁気抵抗エレメント3は、NiFeを膜厚1000Åを
真空蒸着したのち、フォトリソグラフィーおよびエッチ
ングにより所定のパターンに加工したものであり、前記
ガラス基板の4辺に対してパターンの長手方向を45°
方向になるようにしている。また3aは磁気抵抗素子端
子である。2a,2bはバイアス磁界発生用のバイアス
コイルであり、前記磁気抵抗素子1を箱形の素子ホルダ
ー4内の設置台部4aに設置したのち、この素子ホルダ
ー4に設けたコイル用溝4b,4cに絶縁被覆線を所定
の数だけ巻いて作成した。ここで、素子ホルダー4のコ
イル用溝4b,4cの深さは図3(a),(b)に示す
ようにh1,h2であり、内側に形成されるコイルのコイ
ル用溝4bの方が深くなっている。そしてなお、外側に
巻くコイルの位置は内側のコイルの厚さd1を考慮し
て、予め外巻き用溝の位置をd1だけ高く変えている。
(h1−h2=Δh≧d1)各バイアスコイル2a,2b
の形成方向は互いに直交し、また各バイアスコイル2
a,2bと前記磁気抵抗エレメント3のなす角度は互い
に45°方向になるように素子ホルダー4にて決められ
ている。
【0017】このような構成の方位センサの動作は次の
通りである。出力は図2(a)に示す端子T1,T3間
に定電圧を加え、端子T2,T4間の出力電圧を更に増
幅回路で処理する。いま、バイアスコイル2a,2bの
いずれかに所定の電流を流しながら、このセンサを同一
平面内で1回転して地磁気を検出すると、その出力は図
4のようになり、90°位相がずれ、しかも振幅の大き
さは同等の波形が得られる。よって下記の式から地磁気
の方向を正確に検出することができる。
【0018】 tanθ=sinθ/cosθ=va/Vb 以上のように本実施例によれば磁気抵抗素子1は、同一
形成条件でしかもきわめて近くに隣接する位置に形成さ
れた磁気抵抗エレメント3にて構成される磁気抵抗素子
1を1つしか用いておらず、外部磁界と各直交バイアス
磁界との合成磁界に対する出力特性はどの磁気抵抗エレ
メント3も同一である。
【0019】また、バイアス磁界は、各バイアスコイル
2a,2bに流す電流のON,OFFを瞬時に切り替え
て、2つのバイアスコイル2a,2bのうちどちらか一
方のみがバイアス磁界を印加する方式で方位を検出する
ので、お互い他方のバイアス磁界が影響してバイアス磁
界の印加方向にずれが生じるということもない。さら
に、バイアス磁界と磁気抵抗素子の位置関係は予め素子
ホルダー4にて決められているとともにバイアス磁界の
大きさもその形成位置及び巻き数を所定値に決めてある
のでばらつきが低減される。その上磁気抵抗エレメント
3を、各エレメントがそのパターン方向を互いに直交す
るようにして直列接続し、かつ、エレメントに対して4
5°方向にバイアス磁界を加えることは、すべての磁気
抵抗エレメントに対して同一の動作をさせることにな
る。また、45°方向にバイアス磁界が加わることは、
特性検出を、微少磁界に対してダイナミックに特性変化
する領域で行うことになり、わずかの誤差に対する安定
性が向上する。
【0020】また、磁気抵抗エレメントに対して45°
方向にバイアス磁界を付与するようにバイアスコイルを
巻線する場合、図5(a)に示すように磁気抵抗エレメ
ントの長手方向が絶縁基板の4つの辺に対して45°方
向になるように形成した場合は、図5(b)のように絶
縁基板の4つの辺に対して平行に形成した場合よりも
ンサ全体として小形化が実現できる。(2.8×X<
X:磁気抵抗素子に占める引き回しおよび電極パターン
幅>)
【0021】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、1つの磁
気抵抗素子に90°異なる方向からバイアスコイルによ
り別々にバイアス磁界を加え、更にその磁界方向と磁気
抵抗エレメントの方向を45°にすること、また、バイ
アス磁界と磁気抵抗素子の位置関係およびコイルの巻き
数を設定することにより地磁気の検出を正確に測定する
ことが可能となる。更に、磁気抵抗エレメントの長手方
向を絶縁基板の4つの辺に対して45°方向に形成する
ので、センサの形状が小型になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の一実施例における方位センサ
の斜視図 (b)は同平面図
【図2】(a)は同断面図 (b)は同断面図
【図3】(a),(b)はそれぞれ同実施例の素子ホル
ダーの断面図
【図4】同実施例における地磁気検出の出力波形図
【図5】(a),(b)は磁気抵抗エレメントの配置方
向とセンサ形状比較を示した平面図
【図6】従来の方位センサの外形図
【図7】(a)は磁気抵抗素子の磁気抵抗特性図 (b)は磁気抵抗素子に流れる電流iと印加される磁界
Hとの関係を示した説明図
【図8】従来の方位センサの地磁気検出の出力波形図
【図9】同センサの出力波形図
【符号の説明】
1 磁気抵抗素子 2a,2b バイアスコイル 3 磁気抵抗エレメント 3a 磁気抵抗素子端子 4 素子ホルダー 4a 設置台部 4b,4c コイル用溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 17/30 G01C 17/28

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】4つの直交する辺を有する絶縁基板上にパ
    ターンの長手方向に通電すると電気抵抗がパターンに直
    交する磁界の強さに応じて変化する4個の磁気抵抗エレ
    メントをパターンの長手方向が互いに直交しかつ前記絶
    縁基板の各辺に対して45°の方向を向くように配置し
    互いに直列に接続するとともに所定の入力端子と出力端
    子を設けて構成した磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗エレ
    メントを形成した面がその中心部にくるように上記磁気
    抵抗素子を設置する台座を有するホルダーと、このホル
    ダーにそれぞれ所定の巻数で形成した2つのバイアスコ
    イルとを備え、かつ前記ホルダーに上記磁気抵抗エレメ
    ントに対して45°方向にバイアス磁界を付与するため
    の第1のバイアスコイルを前記磁気抵抗エレメントから
    所定の距離で巻くための第1の溝と前記第1のバイアス
    コイルに対して直交する第2のバイアスコイルを前記第
    1のバイアスコイルに触れないような所定の位置に形成
    するための第2の溝とを有する方位センサ。
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