專利名稱：方位計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有與薄膜磁阻元件(以下稱作“磁阻元件”)層疊在一起的平面線圈的平面方位計或方位傳感器，還涉及適用于移動器件的體積小、重量輕的方位計。
背景技術(shù)：
當沿易磁化軸的方向向磁阻元件施加電流的同時在其垂直方向施加磁場時，則電流方向上的電學電阻就會有磁阻效應(yīng)，也就是說，它隨著磁場強度而減小。電學電阻(下文中稱作“電阻”)和所施加磁場強度之間的關(guān)系基本如圖20所示。
假設(shè)Hk表示飽和磁場，當對磁阻元件施加大約1/2Hk的偏置磁場時，在外部磁場H和電阻R之間存在基本線性的關(guān)系。在施加某一偏置磁場時，外部磁場可通過使用外部磁場H和電阻R之間的線性關(guān)系來測量。然后，當用兩組施加了合適偏置的磁阻元件探測地磁場互相正交的兩個分量時，則可以在一個測量點測量方位。
所使用的方位計或方位傳感器包含MR橋路，由四個如圖21所示互相正交的磁阻元件91、92、93和94構(gòu)成；兩個偏置線圈101和102，纏繞在磁阻元件之外的支架上，從而可以以相對于磁阻元件的電流方向成45度角的方向施加兩個正交的偏置磁場。圖22為其示意性剖視圖，而圖23為其透視圖。
在方位測量中，由一個偏置線圈101(稱作x方向線圈)向構(gòu)成MR橋路的四個磁阻元件91、92、93和94施加+x方向的偏置以測量磁阻元件之間的中間電勢差，然后，由同一線圈101向磁阻元件施加-x方向的偏置以測量磁阻元件之間的中間電勢差。施加+x方向的偏壓時和施加-x方向的偏壓時中間電勢差之間的差成比例于sinθ，角度θ為地磁場水平分量和x軸之間的夾角。
接下來，由另一偏置線圈102(稱作y方向線圈)向構(gòu)成MR橋路的四個磁阻元件91、92、93和94施加+y方向的偏置以測量磁阻元件之間的中間電勢差，然后，由同一線圈102向磁阻元件施加-y方向的偏置以測量磁阻元件之間的中間電勢差。施加+y方向的偏壓時和施加-y方向的偏壓時中間電勢差之間的差比例于sin(π/2-θ)，也就是cosθ。
從y方向輸出Vy和x方向輸出Vx可以測出方位，表示為于地磁場水平分量之間的夾角θθ＝tan-1(Vx/Vy)。
然而，施加到磁阻元件上的磁場與電阻之間的關(guān)系實際上包括如圖24所示的磁滯，而不是圖20所示的那樣。當所施加的磁場強度H增大時，它通過圖24中上面一條曲線達到飽和值，而當它從這個值下降時，卻是沿下面一條曲線。
因此，在測量方位時，考慮到磁滯，在施加偏置磁場之前施加飽和磁場。
例如，正如在日本專利特許公開No.5-157565中所公開的，當使用由上述磁阻元件和兩個正交偏置線圈組成的方位計測量方位時，沿+x方向施加飽和磁場Hk，然后在施加+x方向偏置磁場Hb的同時測量磁阻元件之間的中間電勢差。然后，由同一線圈沿-x方向施加飽和磁場-Hk，然后在施加-x方向偏置磁場-Hb的同時測量磁阻元件之間的中間電勢差。這樣得到的施加+x方向偏置時和施加-x方向時中間電勢差之間的差定義為x方向輸出Vx。
然后，由另一線圈沿+y方向施加飽和磁場，然后在施加+y方向偏置磁場的同時測量磁阻元件之間的中間電勢差。然后，由同一線圈沿-y方向施加飽和磁場，然后在施加-y方向偏置磁場的同時測量磁阻元件之間的中間電勢差。這樣得到的施加+y方向偏置時和施加-y方向時中間電勢差之間的差定義為y方向輸出Vy。根據(jù)Vx和Vy，按照上面描述過的方法測量方位。
上述組裝到MR橋路中的正交的四個磁阻元件可以是通過刻蝕沉積在陶瓷襯底上的Ni基合金膜而形成的鋸齒形磁阻元件。這樣，磁阻元件可以非常小而且薄。然而，由于沿x方向和y方向纏繞在它們周圍的兩組偏置線圈處于磁阻元件橋路外部，這樣的方位計具有，至少，大約3mm的厚度和大約10mm×10mm量級的面積。
在上述描述中說明的測量方位的程序中，因為要由x方向線圈在+x方向和-x方向施加偏壓并由y方向線圈在+y方向和-y方向施加偏壓，所以需要進行四次測量，然后才進行計算。
此外，為了消除磁滯效應(yīng)，在施加偏置磁場之前，施加了與偏置磁場方向相同的飽和磁場。在施加飽和磁場之后，在同一方向施加偏置磁場會使磁阻元件的電阻和磁場關(guān)系曲線的斜率下降，從而要測量的輸出變低。
發(fā)明公開本發(fā)明的一個目的是給出厚度和面積顯著減小的方位計或方位傳感器。
此外，本發(fā)明的另一目的是給出向線圈施加電流的數(shù)量和測量的數(shù)量小于從前的方位計或方位傳感器。
例如，根據(jù)本發(fā)明的方位計包含繞成矩形的平面線圈；與平面線圈的平面基本平行的至少兩組薄膜磁阻元件，其中所述兩組磁阻元件中的每一組構(gòu)成互相之間電相連的偶數(shù)個磁阻元件的MR橋路，并探測和輸出地磁場的兩個垂直分量，根據(jù)輸出值得到方位信息(bearing information)，其中方位計還包含沿預定方向向平面線圈通入電流以向其施加等于或高于所述磁阻元件磁飽和的磁場、沿與預定方向相反的方向施加等于或高于磁阻元件磁飽和的磁場、然后沿與后一方向相反的方向施加偏置磁場的裝置；以及在施加所述偏置磁場的同時向那組薄膜磁阻元件通入磁場測量電流的裝置。
優(yōu)選地，這樣安排電路，當使用某一電源施加等于或高于磁阻元件磁飽和的磁場時，事先由來自電源的旁路電流充電的電容的放電電壓與施加到平面線圈上的電壓重疊。
優(yōu)選地，每個磁阻元件的軸向和平面線圈靠近磁阻元件的一側(cè)之間的夾角β滿足這樣的關(guān)系sinβ×cosβ≠0，并使用磁阻元件對所施加磁場的響應(yīng)的電學電阻變化最小的區(qū)域附近的所施加磁場的特性。
優(yōu)選地，一組薄膜磁阻元件由兩對磁阻元件構(gòu)成，每對中的磁阻元件與所述矩形線圈相對的兩側(cè)相交并互相電相連，另一組薄膜磁阻元件由兩對磁阻元件構(gòu)成，每對中的磁阻元件與所述矩形線圈中與上述對邊不同相對的兩側(cè)相交并互相電相連，置于同一邊上的兩個磁阻元件的軸向基本上互相垂直。
優(yōu)選地，夾角β為下述中任何一種大約45度，大約135度，大約225度以及大約315度。優(yōu)選地，每個磁阻元件的軸向與矩形線圈的側(cè)邊之間的夾角變化小于±5度。如果需要，在由每組磁阻元件探測并輸出地磁場的兩個垂直分量，并且根據(jù)輸出值得到方位信息的情形中，可加入一個電路，輸出沿正向施加偏置時得到的輸出和沿負向施加偏置時得到的輸出之間的差別。
下面的程序可進行兩次或更多次，并根據(jù)輸出值得到方位信息沿預定方向向平面線圈通入電流以向其施加等于或高于所述磁阻元件磁飽和的磁場，沿相反方向施加恒定偏置磁場，然后測量所得磁場以得到輸出值；沿與所述預定方向相反的方向施加等于或高于所述磁阻元件磁飽和的磁場，沿相反方向施加偏置磁場，然后測量所得磁場以得到輸出值。
在根據(jù)本發(fā)明的方位計中，偶數(shù)個磁阻元件互相電相連以構(gòu)成MR橋路。例如，在本發(fā)明的“MR橋路”中，磁阻元件A和B置于繞成矩形的平面線圈相對的兩側(cè)上并互相串連，垂直于磁阻元件A的磁阻元件C置于與磁阻元件A相同的一側(cè)上，垂直于磁阻元件B的磁阻元件D置于與磁阻元件B相同的一側(cè)上，磁阻元件C和D互相串連。該橋路輸出磁阻元件A和B之間的中點處的輸出V1與磁阻元件C和D之間的中點處的輸出V2之間的電勢差。根據(jù)本發(fā)明，由每組磁阻元件探測地磁場兩個互相垂直的分量，并根據(jù)其輸出得到方位信息。著可以減小所施加電廠對電阻的磁滯效應(yīng)，消除輸出噪聲并提高輸出絕對值。
附圖簡述

圖1為本發(fā)明實施例的示意性俯視圖；圖2為本發(fā)明實施例的分解透視圖；圖3為適合于本發(fā)明實施例的磁阻元件電路圖的實施例；圖4為一曲線圖，示出電阻和外部磁場強度之間的關(guān)系；圖5為根據(jù)本發(fā)明磁阻元件的工作方式的說明圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明驅(qū)動方位計的說明性電路圖；圖7為驅(qū)動本發(fā)明的方位計的時序圖；圖8為一曲線圖，示出用于本發(fā)明的方位計的驅(qū)動電路的電壓波形和線圈電流波形；圖9為驅(qū)動本發(fā)明的方位計的時序圖；圖10為根據(jù)本發(fā)明驅(qū)動方位計的另一電路圖；圖11為驅(qū)動本發(fā)明的方位計的時序圖；圖12為一曲線圖，示出本發(fā)明的方位計中測量到的線圈電流波形；圖13為一放大曲線圖，示出本發(fā)明的方位計中測量到的線圈電流波形；圖14為根據(jù)本發(fā)明驅(qū)動方位計的另一電路圖；圖15為一曲線圖，說明本發(fā)明的電路特性；圖16為本發(fā)明的模擬輸出的電路圖；圖17為本發(fā)明的模擬輸出的另一電路圖；圖18為一移動電話的透視圖，該移動電話帶有安裝了本發(fā)明的方位計的導航器；圖19為帶有導航器的傳統(tǒng)移動電話的透視圖；圖20為一典型曲線圖，說明電學電阻與所施加磁場強度之間的關(guān)系；圖21用于典型方位計中的MR橋路的說明性電路圖；圖22為用于傳統(tǒng)方位計中的MR橋路的示意性剖視圖；圖23為傳統(tǒng)方位計的透視圖；以及圖24為一曲線圖，示出包括在電學電阻和所施加磁場強度之間的關(guān)系中的磁滯。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式圖1示出本發(fā)明實施例的方位計的俯視圖。在圖1中，參考號1表示纏繞了數(shù)十圈的方形平面線圈。在平面線圈的同一側(cè)——本圖中平面線圈下方——在平行于平面線圈的平面中有四對磁阻元件對2、3、4和5。磁阻元件對2、3、4和5各由兩個磁阻元件21和22、31和32、41和42，以及51和52構(gòu)成。
磁阻元件對2中的一個磁阻元件21的軸向只與平面線圈1的一邊11相交一個大約為45度的角度。磁阻元件對2中的另一個磁阻元件22的軸向只與平面線圈1中與上述相對的一邊——即邊12——相交一個大約為45度的角度。磁阻元件21的軸向與磁阻元件22的軸向基本垂直，這些磁阻元件21和22中的每一個都在其一端處與另一個相連(在該實施例中即平面線圈1的內(nèi)側(cè)上的一端)。類似地，對于其它磁阻元件對3、4和5，磁阻元件31、41和51的軸向分別只與平面線圈1的邊12、13和14相交，而磁阻元件32、42和52的軸向分別只與平面線圈相對的另一邊11、14和13相交，夾角都是大約45度。另外，磁阻元件31、41和51的軸向與它們各自相應(yīng)的磁阻元件32、42和52的軸向垂直。并且，磁阻元件31和32中的每一個都在其一端處與另一個相連(在該實施例中即平面線圈1的內(nèi)側(cè)上的一端)，磁阻元件41和42中的每一個都在其一端處與另一個相連(在該實施例中即平面線圈1的內(nèi)側(cè)上的一端)，磁阻元件51和52中的每一個都在其一端處與另一個相連(在該實施例中即平面線圈1的內(nèi)側(cè)上的一端)。此外，都與平面線圈1的邊11相交的兩個磁阻元件21和32的軸向互相垂直。類似地，都與邊12相交的兩個磁阻元件22和31的軸向、都與邊13相交的兩個磁阻元件41和52的軸向以及都與邊14相交的兩個磁阻元件42和51的軸向都互相垂直。
在該方位計中，在襯底上給出磁阻元件，然后再繞上平面線圈。襯底厚0.7mm。襯底上包括磁阻元件和平面線圈的薄膜部分為40至50微米厚。襯底尺寸為3mm×4mm。
為了更好地理解圖1所示的方位計的實施例，圖2為其示意性分解透視圖，圖3為其電路圖，圖6為根據(jù)本發(fā)明驅(qū)動方位計的說明性電路圖。如圖2所示，當向平面線圈1通入直流電時，在平行于平面線圈的平面中，沿線圈的從里向外的方向產(chǎn)生DC磁場，反之亦然，從而對磁阻元件對施加了DC磁場。參見圖3，當電流Ib沿順時針方向流過平面線圈1時，對磁阻元件21和32施加了x方向的磁場，對磁阻元件22和31施加了-x方向的磁場，對磁阻元件41和52施加了y方向的磁場，對磁阻元件42和51施加了-y方向的磁場。如果電流-Ib沿相反方向流過平面線圈1，則對每個磁阻元件施加相反方向的磁場。也就是說，四個磁阻元件21、22、31和32構(gòu)成一個MR橋路，而四個磁阻元件41、42、51和52構(gòu)成另一個MR橋路。
如果，當電流沿軸向流過磁阻元件，并且當沿磁阻元件所在平面中垂直于軸向的方向施加磁場時，磁阻元件的電阻隨磁場強度而減小，如圖20所示，產(chǎn)生取決于所施加磁場的方向的磁滯，如圖24所示。
如果磁阻元件像本發(fā)明中那樣與平面線圈的側(cè)邊相交一個角度45度，則外部磁場沿相對于垂直于軸向的方向成45度角的方向施加。此時，磁阻元件在軸向上具有形狀磁各向異性，從而這一情況可認為等效于向其施加磁形狀各向異性的磁場和外部磁場的合矢量的情況。因此，在向磁阻薄板施加外部磁場時，外部磁場與電阻之間的關(guān)系由圖4所示的曲線來表示。圖4示出當沿正向施加強磁場的同時逐漸降低所施加磁場的強度的情形中電阻的變化(a)，以及反向變化(b)。由于所施加磁場為負時電阻具有最小值，當施加了正向強磁場并且減小之后施加預定強度的負向磁場時，電阻相對于所施加磁場的變化的變化率變得最大。在沿負向施加強磁場的同時逐漸增大所施加磁場的情形中，電阻相對于所施加磁場的變化的變化率在施加預定強度的正向磁場時變得最大。
因此，在本發(fā)明中，當使用圖1至3所示的實施例的方位計測量方位時，沿圖3中的順時針方向向平面線圈1通入直流電，沿垂直于軸向的方向向磁阻元件21至52施加足以使每個磁阻元件21至52的磁場飽和的DC磁場，沿相反方向(圖3中逆時針方向)向平面線圈1通入預定強度的直流電，沿垂直于軸向的方向向磁阻元件施加偏置DC磁場，在施加偏置磁場器件，在磁阻元件對中磁阻元件的另一端之間施加用于測量方位的電壓Vcc以從磁阻元件對的相連端獲得中間電勢。當沿圖3中順時針方向通入直流電以沿垂直于軸向的方向向磁阻元件21至52施加足以使每個磁阻元件21至52的磁場飽和的DC磁場時，所有磁阻元件進入圖4右端所示的狀態(tài)。直流電減弱或切斷，則施加沿與該直流電相對的方向——特殊地，在圖3中為逆時針方向——的預定強度的直流電所產(chǎn)生的DC磁場，也就是說，電阻對于所施加磁場的變化的變化率接近其最大值處的磁場，從磁阻元件的相連端獲得中間電勢?，F(xiàn)在，假設(shè)地磁場的水平分量的大小由He表示，地磁場水平分量He與x軸之間的夾角由θ表示。那么磁阻元件21和22的中間電勢輸出可表示為VCC·(1/2-1/(2·Rb)·βHecosθ)，其中符號β表示電阻對于磁場的變化率，而符號Rb表示只施加了偏置磁場Hb時磁阻元件的電阻。
在該實施例中，由于磁阻元件對2和3相連端的中間電勢輸出之間的差在圖3中以Vx得出，則中間電勢輸出之差Vx表示為Vx(+)＝VCC·((1/2-1/(2·Rb)·βHecosθ)-(1/2+1/(2·Rb)·βHecosθ))＝-VCC·1/Rb·βHecosθ。
類似地，由于磁阻元件對4和5相連端的中間電勢輸出之間的差在圖3中以Vy得出，則中間電勢輸出之差Vy表示為Vy(+)＝VCC·((1/2-1/(2·Rb)·βHesinθ)-(1/2+1/(2·Rb)·βHesinθ))＝-VCC·1/Rb·βHesinθ。
接下來，沿與上面的描述相反的方向(圖3中的逆時針方向)向平面線圈1通入直流電，沿垂至于軸向的方向向磁阻元件21至52施加足以使每個磁阻元件21至52的磁場飽和的DC磁場，并且沿與前述直流電相反的方向(圖3中的順時針方向)向平面線圈1通入預定強度的直流電，沿垂至于軸向的方向向磁阻元件施加偏置DC磁場，并且在施加偏置DC磁場的過程中，在磁阻元件對中磁阻元件的另一端之間按與上述相同的方式施加用于測量方位的電壓Vcc以從相連端獲得中間電勢。如果所施加的磁場大小的絕對值與上面的描述基本相同，那么電阻對于所施加磁場的變化率變得最大。
磁阻元件對2和3相連部分的中間電勢輸出之間的差在圖3中以Vx得出，中間電勢輸出之差Vx表示為Vx(-)＝VCC·1/Rb·βHecosθ。
并且，磁阻元件對4和5相連端的中間電勢輸出之間的差在圖3中以Vy得出，中間電勢輸出之差Vy表示為Vy(-)＝VCC·1/Rb·βHesinθ。
x方向和y方向的中間電勢輸出差之間的差如下獲得x方向中V＝Vx(+)-Vx(-)＝-2 VCC·1/Rb·βHecosθ；y方向中V＝Vy(+)-Vy(-)＝-2 VCC·1/Rb·βHesinθ。
因此，地磁場水平分量與x軸之間的夾角θ可表示為θ＝tan-1(y方向中的V/x方向中的V)。
從上面的描述可以看出， 當沿某一方向通入直流電時，可同時分別得到沿x方向和y方向向磁阻元件對2、3以及磁阻元件對4、5施加偏置磁場時中間電勢輸出之差，并且當沿相反方向通入直流電時，可同時分別得到沿-x方向和-y方向向磁阻元件對2、3以及磁阻元件對4、5施加偏置磁場時中間電勢輸出之差。
雖然在實施例的描述中，磁阻薄板與平板線圈相應(yīng)邊的交角假設(shè)為π/4，也就是，45度，但是，交角在0度到60度范圍內(nèi)都可以測量方位。然而，當這一角度太小時，電阻隨磁場變化的區(qū)域在圖4的最小值附近減小了，從而很難建立合適的偏置磁場。因此，最可控制的角度是45度。
此外，雖然在上述實施例中描述了這樣的情形兩個與平面線圈1的一邊相交的磁阻元件的軸向互相垂直，并且一個磁阻元件對的兩個磁阻元件的軸向互相垂直；但是實際上，只要它們之間不平行就可以了。然而，其最易控制的角度是直角。優(yōu)選地，一個元件對中相交各邊的磁阻元件成鏡像關(guān)系。鏡像關(guān)系時輸出的變化更小并且近似正弦波。因此，在磁阻元件對中，磁阻元件與相應(yīng)邊相交的角度之間的差別應(yīng)該落在+/-5度的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，對于方位計中的所有磁阻元件，磁阻元件與相應(yīng)邊相交的角度的變化應(yīng)落在+/-5度的范圍內(nèi)。
至于平面線圈，當制造了外徑2至3mm、匝數(shù)50至100匝的平面線圈時，得到了足夠的輸出。線圈的尺寸優(yōu)選地盡可能小以使功率消耗降到最低。
用低電源電壓產(chǎn)生所需磁場的最有效方式是降低線圈電阻。線圈電阻取決于厚度、寬度和長度，長度主要取決于線圈的尺寸。盡管寬度和厚度優(yōu)選地盡可能大，但是厚度由導線之間的空間決定。在導線之間的空間限制許可的范圍內(nèi)，厚度大更好。然而，在制造方面，不希望電鍍厚度太大。所以，適當?shù)暮穸仁?至5微米。因此，適當?shù)膶挾仁?至20微米。
平面線圈和磁阻元件之間的距離優(yōu)選地盡可能小，因為在本發(fā)明中使用極靠近平面線圈的磁場?？紤]到其間的絕緣膜的絕緣特性，這一距離在磁阻元件和布線膜厚度的1.5倍左右是合適的。適當?shù)木嚯x是0.5至2微米。
在上述實施例中，方位計為兩層式，其中磁阻元件置于襯底上，而線圈置于其上。磁阻元件和線圈的數(shù)量可以增加。例如，如果使用磁阻元件、線圈、磁阻元件順序置于襯底上的三層式，那么輸出就可以翻倍。作為選擇，也可使用線圈、磁阻元件和線圈順序置于襯底上的三層式。另外，磁阻元件可放置于許多平行于平面線圈所在平面的平面中。
作為線圈結(jié)構(gòu)，可使用平行四邊形、矩形或十字形平面線圈。盡管通過使用上述方形平面線圈說明了本發(fā)明，但是也可使用其它形狀的平面線圈。
下面，將更詳細地描述磁阻元件和用于磁阻元件的驅(qū)動電路的工作方式。
如上所述，圖4為一曲線圖，示出電流方向與所施加磁場方向成45度角時磁阻元件的電阻和所施加的磁場。在本發(fā)明中，采用了這一附圖所示的特性。
圖5為根據(jù)本發(fā)明磁阻元件工作方式的說明性視圖。在參考號61和62所表示的工作點處，曲線關(guān)于所施加磁場的斜率——即靈敏度——大于圖20所示曲線的斜率。因此，以相對于元件軸向(元件中電流的方向)成45度角施加磁場可提供高靈敏度。在參考號所表示的點處的工作如下。
A)參考號60表示沿負向施加等于或大于飽和磁化Hk的磁場的一點。在這一點處，磁阻元件的磁疇對準某一方向。
B)參考號61表示沿正向施加偏置的一點。在沒有外部磁場時，電阻為參考號67指示的值，而當存在外部磁場65時，電阻為參考號68所指示的值。
C)參考號62表示沿正向施加等于或大于飽和磁化Hk的磁場的一點。磁阻元件的磁疇對準與點60相反的方向。
D)參考號63表示沿負向施加偏置的一點。在存在外部磁場64(與外部磁場65在方向和強度上都一致)時，電阻為參考號66所指示的值。
對于沒有外部磁場時獲得的電阻值67，電阻在值66和68之間變化。這一差別由電阻值69表示。在這一方式中，連接在MR橋路結(jié)構(gòu)中的四個電阻中的兩個工作。剩下的兩個置于與外部磁場相反的方向，可提供與電阻值69符號相反、大小相等的信號。
圖6示出本發(fā)明中所使用的驅(qū)動電路的實施例。菱形表示由四個磁阻元件構(gòu)成的MR橋路201和202。其輸出由CMOS運算放大器203和204放大100倍。假定沿從多路復用器Y端到多路復用器X端的方向流過平面線圈1的電流為正電流，圖6與圖7所示的時序圖相聯(lián)。
A)在圖6中，左框中的電容205由總電壓——電壓Vdd(正)大小的絕對值與電壓Vee(負)大小的絕對值之和——通過電阻(Isrset)充電。端口A和B保持在低電平。如果端口INH變?yōu)榈碗娖?，那么多路復用器X端和多路復用器Y端分別與終端X0和Y0相連，一個脈沖電流沿從X端到Y(jié)端的方向通過線圈1。
B)如果端口B變?yōu)楦唠娖?，那么多路復用器X端和多路復用其Y端分別與終端X2和Y2相連，電流沿從Y端到X端的方向通過線圈1。此時，引出兩個MR橋路201和202的輸出。端口INH變?yōu)楦唠娖揭躁P(guān)斷偏置電流。在此過程中，電容C205充電。
C)端口A變?yōu)楦唠娖?。那么，如果端口INH變?yōu)榈碗娖?，那么脈沖電流沿從X3端到Y(jié)3端的方向通過線圈1。
D)如果端口B變?yōu)榈碗娖?，那么終端X1和Y1相連，從而電流沿負方向。再次引出兩個MR橋路的輸出。然后，端口INH變?yōu)楦唠娖揭躁P(guān)斷線圈電流。
兩個測量中所得值之差可測得每個方向的磁場。圖8示出用于真實電路的電壓波形和線圈電流波形。如果省略中間操作就可實現(xiàn)相同的操作。這種情形中的時序圖示于圖9中。
因為高的線圈電阻，在圖6所示的電路中，電源電壓不足以提供足夠的重置電流，這樣，需要另一個相反極性的電源。圖10示出進行了改善以解決這一問題的電路。雖然圖10中所示的MR橋路以下的布置與圖6中所示的相同，但是驅(qū)動線圈的方式卻與圖6所示的不同。圖11示出用于說明其工作的時序圖。
圖6所示的電路需要兩個電源Vdd和Vee。圖10所示的電路在這一點上有所改善。為了合并電源，電路的特征在于通過利用下面的簡單電路布置得到了高電壓在原有電壓上疊加電容中所充的電壓。微計算機需要具有兩個端口(A、B)。雖然端口A通常保持在高電平，但是它在使用傳感器時變?yōu)榈碗娖?。線圈通過四個NOR門(一個IC)驅(qū)動，X端輸出用作用于橋路201、202和運算放大器203、204的電源的ON/OFF輸出。連接和工作的方式與圖6中所示的電路相同。端口B的輸入保持在低電平。然后，端口A也變?yōu)榈碗娖?，從而向放大器和橋路提供電力。Y端側(cè)變?yōu)榈碗娖蕉鳽端側(cè)變?yōu)楦唠娖?。電流從Z端流經(jīng)電阻Rs2、線圈1和電阻Rs1到達Y端。這樣，向電阻Rs1、Rs2和線圈1施加了電壓。利用這一電壓，在數(shù)十個微秒內(nèi)，電容C1在電阻Rs1一側(cè)的極板充電并帶上負電，而電容C2在電阻Rs2一側(cè)的極板充電并帶上正電。由于電容在Y和Z輸出之間連成十字形(橋路)，電容電壓大小的絕對值之和等于或稍高于電源電壓。
端口B的輸入變?yōu)楦唠娖健Ｈ缓?，Y端輸出和Z端輸出都反轉(zhuǎn)。也就是，Y端變?yōu)楦唠娖?，而Z端變?yōu)榈碗娖?。這樣，與Y端相連的電容C2在電阻Rs2一側(cè)的極板被另外施加了原先充電的電壓，這樣，電容C2具有大約1.5倍于其中充電的電源電壓的電壓。另一方面，于Z端相連的電容C1具有大約0.5倍于其中出現(xiàn)的電源電壓的負電壓。線圈1被施加了這些電壓的電壓差，即兩倍于電源電壓的電壓。結(jié)果，線圈1能夠產(chǎn)生足以提供磁阻元件飽和磁化的磁場。這一狀態(tài)相應(yīng)于圖5中的點60。電容在大約2μs內(nèi)完全放電，然后，電流沿從Y端到Z端的方向流經(jīng)線圈。電流的值與圖5中的工作點61相關(guān)，由電阻Rs1、Rs2和線圈1的電阻以及電源電壓決定。此時，電容C1和C2按與上述相反的方向充電。在此過程中，放大并測量了兩個MR橋路的輸出電壓。一旦完成了測量，端口B待輸入變?yōu)榈碗娖?。然后，Y端變?yōu)榈碗娖?，Z端變?yōu)楦唠娖健Ｒ呀?jīng)反向充電的電容中的電荷產(chǎn)生反向脈沖電流。這一狀態(tài)相應(yīng)于圖5中的工作點62。一旦放電完成，取決于電阻Rs1、Rs2和線圈1的電流沿從Z端到Y(jié)端的方向流經(jīng)線圈。然后，到達工作點63。此時，重新測量兩個MR橋路201、202的輸出。一旦完成了測量，端口A變?yōu)楦唠娖?。然后，圖10中所示的電路停止工作。之后，確定用于兩個方向的磁場的兩個輸出之差，從而給出磁場的測量值。然后，進行計算以給出方位指示。
圖12示出實際線圈電流的測量。顯著的正、負脈沖相應(yīng)于圖5中的工作點62和60。平坦的正、負部分相應(yīng)于工作點61、63。這里，對于每個方向四次整個地測量放大的模擬電壓。圖13為示出線圈電流初始部分的放大圖。顯著的負脈沖相應(yīng)于圖5中的點60。線圈電阻為200Ω，電源電壓為3V，流經(jīng)線圈的電流為23mA。施加給線圈的電壓為4.6V，高于電源電壓。脈沖寬度可由電容C1和C2來改變。雖然更大的脈寬更為有效，但是更大的脈寬需要更長的時間來使IC輸出放電并且消耗更大的電流。實驗上，在電容C1和C2為22000pF且電容放電時間為大約2μs時給出適當?shù)慕Y(jié)果。
下面將描述進一步的改善。有時，IC輸出的反轉(zhuǎn)需要很長時間。在這樣的情形中，電容中的電荷不僅流過電流要通過的線圈，還流過電阻Rs1和Rs2。這是因為電阻中的電流比例于電壓而增大，從而，可以用雙向恒流元件來代替電阻Rs1和Rs2，這種雙向恒流元件即使在所加電壓增大的情況下電流也不會增加。特定地，電路如圖14中所示的那樣安排，圖15示出其特性。所用的結(jié)型場效應(yīng)晶體管為2SK170，電阻為33Ω。表現(xiàn)出大約4mA的恒流特性。結(jié)果，流經(jīng)IC的電流的峰值為32mA，而在使用電阻Rs1和Rs2時大約為48mA。
在根據(jù)所得的X方向和Y方向的地磁場的磁場強度計算方位時，需要反正切結(jié)算。反正切的主值為從-90度到+90度。因此，在切換的這一點上，X方向的值很小，從而容易出錯。這樣，優(yōu)選地通過在X方向分量和Y方向分量具有大的絕對值的+/-45度和+/-135度分解函數(shù)來進行計算。
圖16和17示出需要模擬輸出的情形中的示例性電路。這些電路與上面由DFF(D型觸發(fā)器)輸出通過由電容C3、C4和電阻R4、R5構(gòu)成的橋路驅(qū)動的線圈1情形中描述的電路相同，使用了圖5中的工作點60、61、62和63。然而，在此情形中，在AD轉(zhuǎn)換之后，不能進行數(shù)字相減，從而，以模擬的方式進行相減。也就是說，DFF輸出不僅與線圈1相連以驅(qū)動之，還與MR橋路201、202相連，反轉(zhuǎn)電壓施加給MR橋路201、202從而當MR橋路201、202在工作點61提供正輸出時，在工作點63提供負輸出。在此情形中，如果沒有信號，那么MR橋路不會給出輸出。然而，通常，由于其電阻之間的微小差別，MR橋路產(chǎn)生偏移電壓。結(jié)果，如果施加給MR橋路的正、負電壓之比精確地設(shè)置為1∶1，那么輸出電壓的參考點(其平均值)構(gòu)成電源電壓的中點，可實現(xiàn)精確測量。在有外部磁場時，如果沿正向?qū)R橋路施加電壓并且偏置電壓也是正的，這一狀態(tài)相應(yīng)于工作點61，從而，產(chǎn)生與電阻大小68關(guān)聯(lián)的電壓。如果DFF反轉(zhuǎn)了，那么偏置磁場也反轉(zhuǎn)，結(jié)果就是工作點63的狀態(tài)。然而，由于橋路電壓也反轉(zhuǎn)了，所以通過反轉(zhuǎn)出現(xiàn)了與電阻大小66關(guān)聯(lián)的電壓。即，在該圖中，出現(xiàn)正的外部磁場時，MR橋路輸出恒定地提供與施加給MR橋路的電壓極性無關(guān)的負電壓，其平均值(積分值)也是負的。這樣，可給出與外部磁場連續(xù)關(guān)聯(lián)的模擬電壓。
根據(jù)本發(fā)明的方位計如果安裝在移動器件——例如移動電話或PDA——上，則可為它們提供顯著改善的導航功能。在移動電話領(lǐng)域，用于顯示城鎮(zhèn)地圖的應(yīng)用軟件——例如美食向?qū)Ш吐灭^向?qū)А呀?jīng)進入了實際應(yīng)用。過去，在這樣的應(yīng)用軟件中，地圖按實際方位來顯示，顯示屏是固定的。例如，顯示屏的上邊指示北方。這樣，如果移動電話顯示屏的上方?jīng)]有真實地指向北方，那么使用者就必需旋轉(zhuǎn)顯示屏以將其上方定于北方，這對于使用者來說是一個累贅的過程。如果使用了根據(jù)本發(fā)明的方位計，則可以為移動器件——例如移動電話——提供導航功能，能通過將顯示在屏幕上的地圖的方位與實際地理方位對準來顯示地圖，而不用考慮移動器件顯示屏的指向。為了解決仰角帶來的輸出偏差，可附加用于探測仰角的元件和校正計算電路。作為選擇，為了解決同一問題，方位計可以是三維的。圖18為加入根據(jù)本發(fā)明的方位計具有導航功能的移動電話的透視圖。參考號300表示具有導航功能的移動電話的主體單元，而參考號310表示液晶顯示(LCD)單元。
為了比較，在圖19中示出一個傳統(tǒng)例子。與圖18相同的部分標以相同的參考號。使用者的位置以十字標記320指示。圖18中所示的具有根據(jù)本發(fā)明的導航功能的移動電話能通過將真實方位400與地圖方位350對準來顯示地圖。這是通過使用內(nèi)置的根據(jù)本發(fā)明的方位計得到的信息來實現(xiàn)的。在圖19所示的傳統(tǒng)例子中，在移動電話中沒有能夠內(nèi)置方位元件，從而，指示北方的地圖方位350固定在顯示屏315上不能與真實方位400對準。
工業(yè)適用性如上所詳述的，根據(jù)本發(fā)明，由于使用平面線圈為磁阻元件提供飽和磁場和偏置磁場，線圈可以由薄膜制成，因此，方位計的厚度和可以減小。
利用本發(fā)明的方位計，可通過同時在x和y方向施加偏置電場來測量方位，從而與傳統(tǒng)技術(shù)相比，方位測量的次數(shù)可以減半。
另外，利用根據(jù)本發(fā)明的定位過程，由于是以這樣的方式——所施加飽和磁場和偏置磁場的方向相反——施加預定強度的偏置磁場，所以可增大輸出。
權(quán)利要求
1.方位計，包含平面線圈，繞成相對于兩個互相垂直的軸對稱的形狀；至少兩組薄膜磁阻元件，其所處平面基本與平面線圈所在平面平行，其中所述幾組磁阻元件中的每一組構(gòu)成偶數(shù)個磁阻元件電相連的MR橋路并探測和輸出地磁場的兩個垂直分量，根據(jù)輸出值得到方位信息，其中該方位計進一步包含沿預定方向向平面線圈通入電流以向其施加等于或大于所述磁阻元件飽和磁化的磁場、沿相反方向施加恒定偏置磁場、沿與所述預定方向相反的方向施加等于或大于磁阻元件飽和磁化的磁場，然后沿相反方向施加偏置磁場的裝置；以及在施加所述偏置磁場的同時向這幾組薄膜磁阻元件通入磁場測量電流的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方位計，其中電路的安排使得在使用電源施加等于或大于磁阻元件飽和磁化的磁場時，預先通過來自電源的分流電流充電的電容的放電電壓疊加到施加給平面線圈線圈的電壓上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方位計，其中平面線圈為矩形，每個磁阻元件和平面線圈與磁阻元件相交的一邊形成的交角β滿足sinβ×cosβ≠0的關(guān)系，響應(yīng)所施加的磁場從而磁阻元件的電學電阻變化最小的區(qū)域附近的所施加磁場的特性被利用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方位計，其中這幾組薄膜磁阻元件中的一組由兩對磁阻元件構(gòu)成，每一對中的磁阻元件與所述矩形線圈相對的兩邊相交并互相電相連，這幾組薄膜磁阻元件中的另外組由兩對磁阻元件構(gòu)成，每一對中的磁阻元件與所述矩形線圈中與上述兩邊不同的相對的兩邊相交并互相電相連，同一邊上的兩個磁阻元件的軸向基本上互相垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方位計，其中角度β是下述任何一種大約45度、大約135度、大約225度和大約315度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方位計，其中每個磁阻元件的軸向與矩形線圈的邊的交角變化在±5度范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方位計，其中由這幾組磁阻元件中的每一組探測并輸出地磁場的兩個垂直分量，根據(jù)輸出值得到方位信息，其中，另外提供一個電路，用于輸出正向施加偏置時得到的輸出和負向施加偏置時得到的輸出之差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方位計，其中對下面的過程進行兩次或更多次，并根據(jù)輸出值得到方位信息沿預定方向向平面線圈通入電流以向其施加等于或高于所述磁阻元件飽和磁化的磁場，沿相反方向施加恒定偏置磁場，然后測量所得磁場以得到輸出值的過程；沿與所述預定方向相反的方向施加等于或高于所述磁阻元件飽和磁化的磁場，沿相反方向施加偏置磁場，然后測量所得磁場以得到輸出值的過程。
全文摘要
為提供薄且面積小的方位計。本發(fā)明排列了一個平面線圈和至少兩組薄膜磁阻元件。這幾組薄膜磁阻元件中的每一組構(gòu)成MR橋，探測和輸出地磁場的兩個垂直分量，根據(jù)輸出值得到方位信息。
文檔編號G01C17/30GK1531642SQ0280903
公開日2004年9月22日 申請日期2002年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月22日
發(fā)明者阿部泰典, 下江治 申請人:日立金屬株式會社