CN102016513A - 旋转角度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转角度检测装置，具备：磁体转子、检测来自磁体转子的磁束的方向的磁传感器、修正电路、以及角度运算电路，磁传感器具有分别连接4个磁阻效应元件的桥式电路X以及桥式电路Y，各磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，修正电路根据桥式电路x的输出电压Vx以及桥式电路Y的输出电压Vy计算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，并且使二者的振幅一致，角度运算电路根据从修正电路输出的具有相同振幅的(Vx-Vy)’信号以及(Vx+Vy)’信号，通过逆正切运算求得转子的旋转角度。

Description

旋转角度检测装置

技术领域

本发明涉及一种具备采用了由自旋阀型巨磁阻效应膜构成的磁阻效应元件的磁传感器的旋转角度检测装置，特别涉及一种降低由磁传感器制造偏差引起的角度误差的旋转角度检测装置。

背景技术

采用了能够以非接触方式检测旋转角度的变化的磁阻效应元件的磁传感器，要求针对旋转磁场具有良好的检测灵敏度。高灵敏度的磁阻效应元件中采用自旋阀型巨磁阻效应(SVGMR)膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜包括：具有各向异性的磁化固定层(简称为“固定层”)；非磁性中间层，切断形成在固定层上的磁耦合；以及自由层，通过形成在非磁性中间层上的外部磁场，磁化方向旋转至任意方向。当以惠斯通电桥形式连接具有SVGMR膜的元件时，可得到输出电压因外部磁场方向而变化的磁传感器。

日本专利特开2001-159542号公开了一种旋转角度传感器，其具备：基板，具有磁阻效应元件；布线基板，连接所述磁阻效应元件从而构成桥式电路；和传感器保持架，保持所述基板以及布线基板，在所述传感器保持架上具有4的倍数的所述基板，至少2个基板在布线基板面上倾斜80～100°。在该旋转角度传感器中，尽管桥式连接了从同一晶片切出的4个元件，但无法吸收晶片面内的偏差。

日本专利特表2003-502876号公开了一种制造在同一晶片上具有多个感磁方向的元件的方法。在该方法中，形成了所希望的元件图案之后，通过一边以加热器对元件进行局部加热一边施加外部磁场，从而将固定层磁化方法设定为所希望的方向。图41以及图42表示通过该方法得到的元件的配置。如图42放大表示的那样，虽然在箭头方向100存在具有反平行的固定层磁化方向的元件，但在与箭头方向100垂直的箭头方向100’不存在具有反平行的固定层磁化方向的元件。因此，即便在这种元件配置中形成桥式电路，也仅得到同相的输出，无法得到全桥式输出。此外，在元件间的角度为90°的元件配置中，无法得到角度误差以及畸变较小的输出信号。

日本专利特开2005-024287号公开了一种元件，该元件为了消除AMR效应连接了长边方向90°不同的图案。此外，专利第3587678号提出了降低H_k的半圆形状或螺旋状的元件图案。但是，这些结构仅仅是消除AMR效应和降低H_k，而不是为了降低角度误差而进行信号处理。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具备使用了SVGMR元件的磁传感器的旋转角度检测装置，特别提供一种降低由磁传感器的制造偏差等引起的角度误差的旋转角度检测装置。

本发明的第一旋转角度检测装置特征在于，具备：磁体转子、检测来自所述磁体转子的磁束的方向的磁传感器、修正电路、以及角度运算电路，所述磁传感器具有连接了4个磁阻效应元件的桥式电路X以及连接了4个磁阻效应元件的桥式电路Y，所述各磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜具有：固定层，所具备的磁化方向被固定在一个方向；自由层，磁化方向以与外部磁场方向一致的方式可变；以及中间层，被夹在所述固定层和所述自由层之间，所述修正电路根据所述桥式电路X的输出电压Vx以及所述桥式电路Y的输出电压Vy计算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，并且使二者的振幅一致，所述角度运算电路通过对(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’进行逆正切运算求得所述磁体转子的旋转角度，该(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’是根据从所述修正电路输出的具有相同振幅的(Vx-Vy)’信号以及(Vx+Vy)’信号而求得的。

本发明的第二旋转角度检测装置特征在于，具备：磁体转子、检测来自所述磁体转子的磁束的方向的磁传感器、运算放大器电路、修正电路、以及角度运算电路，所述磁传感器具有连接了4个磁阻效应元件的桥式电路X以及连接了4个磁阻效应元件的桥式电路Y，所述各磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜具有：固定层，所具备的磁化方向被固定在一个方向；自由层，磁化方向以与外部磁场方向一致的方式可变；以及中间层，被夹在所述固定层和所述自由层之间，所述运算放大器电路根据所述桥式电路X的输出电压Vx以及所述桥式电路Y的输出电压Vy计算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，所述修正电路使从所述运算放大器电路输出的(Vx-Vy)信号以及(Vx+Vy)信号的振幅一致，所述角度运算电路通过对(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’进行逆正切运算求得所述磁体转子的旋转角度，该(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’是根据从所述修正电路输出的具有相同振幅的(Vx-Vy)’信号以及(Vx+Vy)’信号而求得的。

优选所述磁阻效应元件的至少一个长边方向相对于其固定层磁化方向倾斜锐角θ，该锐角θ满足条件36°≤θ＜45°。

优选在所述桥式电路X以及所述桥式电路Y的各自的4个磁阻效应元件之中，2个磁阻效应元件相对于固定层磁化方向倾斜锐角θ，剩余的2个磁阻效应元件倾斜-θ。优选构成桥式电路X以及桥式电路Y的各自半桥的2个磁阻效应元件的固定层磁化方向是反平行方向。

优选桥式电路X的磁阻效应元件的长边方向与桥式电路Y的磁阻效应元件的长边方向垂直。

通过将固定层磁化方向相同的磁阻效应元件配置成不平行，消除AMR效应，抑制角度误差。

优选自旋阀型巨磁阻效应膜中的固定层-自由层间的互换耦合磁场H_int为±0.4kA/m以内。

发明的效果

本发明的旋转角度检测装置通过使根据桥式电路X的输出电压Vx以及桥式电路Y的输出电压Vy得到的(Vx-Vy)信号以及(Vx+Vy)信号的振幅一致之后，对(Vx-Vy)/(Vx+Vy)进行逆正切运算，能够降低因磁传感器的制造偏差等引起的角度误差。

附图说明

图1是概略表示旋转角度检测装置的侧面图。

图2是表示磁阻效应膜的层结构的一例的剖面图。

图3是表示磁阻效应膜的层结构的其他例的剖面图。

图4是表示磁阻效应元件受到的磁能的概略图。

图5(a)是表示直线状的磁阻效应元件的概略图。

图5(b)是表示曲折状的线状磁阻效应元件的概略图。

图6(a)是表示形状为连接多个圆的磁阻效应元件的一例的概略图。

图6(b)是表示形状为连接多个圆的磁阻效应元件的其他例的概略图。

图7(a)是表示形状为连接一部分被切去的多个圆的磁阻效应元件的一例的概略图。

图7(b)是表示形状为连接一部分被切去的多个圆的磁阻效应元件的其他例的概略图。

图8(a)是表示形状为连接多个半圆的磁阻效应元件的一例的概略图。

图8(b)是表示形状为连接多个半圆的磁阻效应元件的其他例的概略图。

图9(a)是表示形状为连接多个半圆的磁阻效应元件的又一例的概略图。

图9(b)是表示形状为连接多个半圆的磁阻效应元件的又一例的概略图。

图10(a)是表示形状为连接多个多角形的磁阻效应元件的一例的概略图。

图10(b)是表示形状为连接多个多角形的磁阻效应元件的其他例的概略图。

图11是表示构成磁传感器的磁阻效应元件的桥式电路的图。

图12是表示相位偏移为0°时以及相位偏移为1°时的θ_err与θ_app之间的关系的曲线图。

图13是表示相位偏移为1°时以及修正了相位偏移时的θ_err与θ_app之间的关系的曲线图。

图14是表示本发明的旋转角度检测装置的一例的概略图。

图15是表示本发明的旋转角度检测装置的其他例的概略图。

图16是表示各桥式电路中的磁阻效应元件的配置的一例的概略图。

图17是表示针对磁阻效应元件，形状各向异性方向θ_dip与角度误差θ_err的变化幅度Δθ_err之间的关系的曲线图。

图18是表示针对样品1-1以及样品1-4的磁阻效应元件，外部磁场H_app相对于基准轴的角度θ_app与角度误差θ_err之间的关系的曲线图。

图19是表示针对样品1-4以及样品1-5的磁阻效应元件，θ_app与θ_err之间的关系的曲线图。

图20是表示针对样品1-1以及样品1-7的磁阻效应元件，θ_app与θ_err之间的关系的曲线图。

图21是表示样品1-1、样品1-4、样品1-5以及样品1-7的磁阻效应元件的谐波分量的曲线图。

图22是表示样品1-1、样品1-4、样品1-5以及样品1-7的磁阻效应元件的谐波发生率的曲线图。

图23是表示使磁阻效应元件的形状各向异性H_kd固定时每个各向异性磁场H_k中的磁阻效应元件的Δθ_err与θ_dip之间的关系的曲线图。

图24是表示使H_k固定时各H_kd中的磁阻效应元件的Δθ_err与θ_dip之间的关系的曲线图。

图25是表示存在AMR效应时以及不存在时的磁阻效应元件的Δθ_err与θ_dip之间的关系的曲线图。

图26是表示各桥式电路中的磁阻效应元件的配置的其他例的概略图。

图27是表示磁阻效应元件平行配置以及不平行配置时，加入了AMR效应的Δθ_err的θ_dip依赖性的曲线图。

图28是表示磁阻效应元件平行配置的样品2-1、样品2-5以及样品2-7的谐波分量的曲线图。

图29是表示磁阻效应元件不平行配置的样品3-4以及样品3-5的谐波分量的曲线图。

图30是表示样品2-5以及样品3-5的谐波分量的曲线图。

图31是表示各H_int-R1中的磁阻效应元件的Δθ_err与H_int-R5之间的关系的曲线图。

图32是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置的一例的概略图。

图33是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的一例的概略图。

图34是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的其它例的概略图。

图35是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的又一例的概略图。

图36是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的又一例的概略图。

图37是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的又一例的概略图。

图38是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的又一例的概略图。

图39是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的又一例的概略图。

图40是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的又一例的概略图。

图41是表示特表2003-502876号记载的磁阻效应元件的配置的平面图。

图42是表示图41的一部分的放大图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于此。

[1]旋转角度检测装置

图1表示旋转角度检测装置的一例。该装置具备：磁传感器31，桥式连接了SVGMR元件；圆盘状永久磁体33，在与磁传感器31对置的直径方向上二极带磁；装配架34，固定永久磁体33；以及与装配架34一体的转轴34b，当永久磁体33旋转时泄露磁场发生变化。图1中点划线表示旋转中心轴线，永久磁体33与磁传感器32之间的箭头32表示磁力线。由磁传感器31检测SVGMAR元件的面内方向的磁场变化。图1所示的旋转角度检测装置的其他例是磁传感器从31移动至31’。磁传感器31’的基板面与永久磁体33的外周面对置，具有与所述旋转中心轴线平行的中心轴线。

[2]磁传感器

图2概略表示SVGMR膜的层结构的一例，但各层厚度的放大倍率并不是一定的。SVGMR膜具有在基板10上依次形成的基底膜11、固定层12、中间层13、自由层14以及保护层15。固定层12从下方依次具有反铁磁性层121、第一铁磁性层122、反平行耦合层123以及第二铁磁性层124，自由层14具有2层以上的铁磁性层141、142。固定层12具有固定为单向的磁化方向(单向的磁各向异性)。根据固定层磁化方向、和通过外部磁场自由旋转的自由层14的磁化方向所成的角度，电阻发生变化。

图3表示SVGMR膜的层结构的其他例。由于该SVMGR膜具有从图2所示的SVGMR膜中除去了反铁磁性层121的层结构，因此固定层12的单向磁各向异性仅由铁磁性层122、124的反铁磁性的耦合来表现。图3所示的SVGMR膜不仅不需要使反铁磁性层结构规则从而使固定层带磁的热处理工序，而且能够在成膜过程中将固定层的各向异性设定为任意方向。具体而言，在固定层中使用的2层铁磁性层成膜时，至少在与中间层13相接的铁磁性层成膜时施加磁场，从而能够使固定层磁化方向与施加磁场的方向一致。在本发明中，通过将固定层磁化方向不同的SVGMR膜隔着绝缘层层叠4次，在同一晶片上形成具有4个方向的固定层磁化方向的元件。

图4概略表示SVGMR元件(磁阻效应元件)接受的磁能。θ_M表示元件整体的磁化方向，θ_dip表示形状各向异性方向，θ_free表示自由层的单轴磁各向异性方向。当对SVGMR元件施加外部磁场H_app时，叠加于元件的有效磁场M除了受到因元件形状引起的形状各向异性H_kd以外，还受到因H_k、H_int等SVGMR膜引起的磁场的影响，从而朝向与H_app不同的方向。

SVGMR元件接受到的磁能E_total通过下式(1)求得。

E_total＝E_kd+E_k+E_ax+E_z…(1)

其中，E_kd是SVGMR元件的形状磁各向异性能量，E_k是自由层的磁各向异性能量，E_ex是SVGMR膜的层间交换耦合能量，E_z是SVGMR膜的塞曼能量，分别由下式(2)～(5)表示。

E_kd＝K_udsin²(θ_M-θ_dip)…(2)

E_k＝K_usin²(θ_M-θ_free)…(3)

E_ax＝-H_int·M_scos(θ_M-θ_free)…(4)

E_z＝-H_app·M_scos(θ_app-θ_M)…(5)

Ms表示自由层的磁化量，磁各向异性常数K_ud以及K_u分别由下式(6)以及(7)表示。

K_ud＝(H_kd·M_s)/2…(6)

K_u＝(H_k·M_s)/2…(7)

M的方向θ_M是在E_total最小时得到的，当使用该θ_M时，SVGMR元件的电阻R由下式(8)表示。

$R=\{R_{\min }+\frac{\mathrm{dR}}{2}(1-\cos ({\mathrm{\θ}}_M-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{pin}}))\}+\left\{{\mathrm{dR}}^{\′}{\cos }^2({\mathrm{\θ}}_M-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dip}})\right\}---\left(8\right)$

(其中，R_min是SVGMR元件的电阻最小值，dR是GMR效应引起的电阻变化量，dR’是AMR效应引起的电阻变化量。)

式(8)的前半项表示由GMR效应引起的电阻变化，后半项表示由AMR效应引起的电阻变化。

形状各向异性方向θ_dip由SVGMR元件的形状决定，与元件的长边方向一致。例如，如图5(a)所示直线状(长宽比大的矩形状)的SVGMR元件221、或如图5(b)所示曲折状的SVGMR元件231的情况下，θ_dip与流过端子223、223’间的电流的流向222(元件的长边方向)大致一致。如图6(a)以及图6(b)所示在形状为连接了多个圆的SVGMR元件241、251的情况下，θ_dip与流过端子223、223’间的电流的流向222(元件的长边方向)一致。如图7(a)～图10(c)所示在形状为连接了多个切去了一部分的圆、形状为连接了多个半圆、以及形状为连接了多个多角形的SVGMR元件261、271、281、291、301、311、321、331的情况下，θ_dip同样地与电流的流线222(元件的长边方向)一致。

图11表示桥式连接SVGMR元件而构成的磁传感器的等效电路。由图中箭头表示各元件的固定层磁化方向。元件21a和21c、元件21b和21d、元件31a和31c、以及元件31b和31d分别具有相同的固定层磁化方向。此外，元件21a和21b、以及元件31a和31b分别具有反平行(180°反方向)的固定层磁化方向，元件21a和31a具有90°不同的固定层磁化方向。元件21a～21d构成桥式电路X，元件31a～31d构成桥式电路Y。在实际的桥式电路中，元件21a和31a、元件21b和31b、元件21c和元件31c、以及元件21d和元件31d分别被配置成彼此垂直。如果没有特别说明，则元件与固定层磁化方向之间的角度是指元件的长边方向与固定层磁化方向之间的角度。从桥式电路输出的电压V_x1、V_x2、V_y1、V_y2分别由下式(9)～(12)表示。

$V_{x1}=\left(\frac{R_{21a}}{R_{21a}+R_{21b}}\right)\×V_{\mathrm{cc}}---\left(9\right)$

$V_{x2}=\left(\frac{R_{21d}}{R_{21c}+R_{21d}}\right)\×V_{\mathrm{cc}}---\left(10\right)$

$V_{y1}=\left(\frac{R_{31a}}{R_{31a}+R_{31b}}\right)\×V_{\mathrm{cc}}---\left(11\right)$

$V_{y2}=\left(\frac{R_{31d}}{R_{31c}+R_{31d}}\right)\×V_{\mathrm{cc}}---\left(12\right)$

(其中，R_21a～R_21d、以及R_31a～R_31d分别表示元件21a～21d、31a～31d的电阻。)

从V_x1-V_x2得到输出电压Vx，从V_y1-V_y2得到输出电压Vy。Vx以及Vy大致呈正弦波或余弦波的波形。从Vx以及Vy通过逆正切运算得到的角θ_calc、与H_app相对于基准轴的角度θ_app之间的差是磁传感器的角度误差θ_err。

[3]信号处理电路

本发明的旋转角度检测装置采用的信号处理电路中包括：第一信号处理电路，具备(a)修正电路和角度运算电路；以及第二信号处理电路，具备(b)运算放大器电路、修正电路、角度运算电路。

(1)原理

第一以及第二信号处理电路都能够降低因磁传感器的制造偏差等引起的角度误差。例如，有时桥式电路X的输出Vx与桥式电路Y的输出Vy之间的相位差不是π/2，由于制造偏差等而成为π/2±Δ。图12表示在样品3-4的桥式电路X和桥式电路Y的相位差π/2±Δ中、Δ为0°时和1°时的角度误差θ_err、与θ_app(H_app相对于基准轴的角度)之间的关系。根据图12可知由于Δ而角度误差增大。

在这种情况下，能够通过下述的修正消除Δ的影响。桥式电路X的输出Vx以及桥式电路Y的输出Vy由式(13)以及(14)表示。

Vx＝cosθ_app…(13)

Vy＝cos(θ_app-π/2+Δ)…(14)

(Vx-Vy)以及(Vx+Vy)按照式(15)以及(16)所示是相位差为π/2的2个信号。

Vx-Vy＝2sin(π/4-Δ/2)sin(θ_app-π/4+Δ/2)…(15)

Vx+Vy＝2cos(π/4-Δ/2)cos(θ_app-π/4+Δ/2)…(16)

使(Vx-Vy)信号以及(Vx+Vy)信号的振幅一致(标准化)，从而生成(Vx-Vy)’信号以及(Vx+Vy)’信号，并计算它们的比(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’。由于(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’＝sin(θ_app-π/4+Δ/2)/cos(θ_app-π/4+Δ/2)，因此角度θ由下式(17)表示。

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{app}}-\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\Δ}}{2})}{\cos ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{app}}-\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\Δ}}{2})}\right)={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{app}}-\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\Δ}}{2}---\left(17\right)$

式(17)表示初始相位不同但无误差地检测θ_app。图13表示修正了相位偏移的情况下的角度误差θ_err与θ_app之间的关系。修正后的角度误差θ_err返回至图12所示的样品3-4的θ_err的波形，能够完全消除相位偏移。

(2)第一信号处理电路

图14表示消除相位偏移的第一信号处理电路40。旋转角度检测装置包括：转子，具有固定于轴的二极磁体33；以及磁传感器31，配置于二极磁体33的附近。信号处理电路40具有：运算放大器41a、41b，输入磁传感器31内的桥式电路X、Y的输出电压Vx、Vy；A-D变换修正电路42，输入运算放大器41a、41b的输出；以及角度运算电路43，输入A-D变换修正电路42的输出。运算放大器41a根据输出电压Vx、Vy计算Vx-Vy，运算放大器41b根据输出电压Vx、Vy计算Vx+Vy。A-D变换修正电路42输入运算放大器41a、41b的(Vx-Vy)以及(Vx+Vy)，进行模拟-数字变换，并且进行修正使得它们的振幅变得相同，输出振幅相同的(Vx-Vy)’信号以及(Vx+Vy)’信号，进行(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’的逆正切运算从而求得角度θ。

在通过修正电路42使(Vx-Vy)信号和(Vx+Vy)信号的振幅一致时，存在修正(Vx-Vy)信号和(Vx+Vy)信号双方的振幅、和仅修正一个信号的振幅的情况。在前者的情况下，例如对输入至修正电路42的(Vx-Vy)信号和(Vx+Vy)信号的振幅分别乘以C₁以及C₂，得到具有相同振幅的C₁(Vx-Vy)信号和C₂(Vx+Vy)信号。此时，(Vx-Vy)’＝C₁(Vx-Vy)，(Vx+Vy)’＝C₂(Vx+Vy)。在后者的情况下，例如对输入至修正电路42的(Vx-Vy)信号的振幅乘以C₃，得到具有相同振幅的C₃(Vx-Vy)信号和(Vx+Vy)信号。此时，(Vx-Vy)’＝C₃(Vx-Vy)，(Vx+Vy)’＝(Vx+Vy)。

(3)第二信号处理电路

图15表示消除相位偏移的第二信号处理电路40’。旋转角度检测装置与图14所示的相同。信号处理电路40’具有：A-D变换修正电路42’，从磁传感器31内的桥式电路X、Y输入输出信号Vx、Vy，进行模拟-数字变换之后，计算(Vx-Vy)和(Vx+Vy)并且进行它们的振幅修正；和角度运算电路43，输入A-D变换修正电路42’的输出(Vx-Vy)’、(Vx+Vy)’，根据(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’的逆正切运算求得角度θ。在第二信号处理电路40’中，由A-D变换修正电路42’来实现第一信号处理电路40中的运算放大器41a、41b和A-D变换修正电路的功能。

[4]磁传感器的优选例

例1

图16表示具有SVGMR元件的桥式电路X以及桥式电路Y的磁传感器的一例。图示的元件配置相当于后述表1的样品1-3。在桥式电路X中，在基板上形成4个矩形状SVGMR元件201a～201b，元件201b以及201c连接于电源端子Vcc，元件201a以及201d连接于接地端子GND，元件201a以及201b连接于一个输出端子V_x1，元件201c以及201d连接于另一个输出端子V_x2。相对于与由箭头表示的固定层磁化方向平行的轴线202，元件201a～201d的长边方向倾斜了角度θ_dip-R1～θ_dip-R4。在桥式电路Y中，在基板上形成4个矩形状SVGMR元件203a～203d，分别与桥式电路X的对应元件201a～201d垂直。尽管各元件的固定层磁化方向与垂直于轴线202的轴线204平行，但长边方向倾斜了θ_dip-R5～θ_dip-R8。在图16所示的磁传感器中，固定层磁化方向相同的元件的长边方向是平行的。各元件201a～201d、203a～203d的θ_dip-R1～θ_dip-R4以及θ_dip-R5～～θ_dip-R8满足以下关系。

元件201a的θ_dip-R1＝元件201c的θ_dip-R3

元件201b的θ_dip-R2＝元件201d的θ_dip-R4

θ_dip-R1＝-θ_dip-R2

元件203a的θ_dip-R5＝元件203c的θ_dip-R7

元件203a的θ_dip-R6＝元件201d的θ_dip-R8

θ_dip-R5＝-θ_dip-R6

将桥式电路X的右方向设为0°，将桥式电路Y的上方向设为0°，如表1(以“+”表示元件的反时针方向角度，括号内表示θ_dip-180°的值)所示那样改变各元件201a～201d、203a～203d的θ_dip，通过仿真求得配置角度θ_dip对角度误差θ_err的变化量(Δθ_err)带来的影响。Δθ_err是从使θ_err从0°变化至360°时的θ_err最大值中减去最小值后的值。在该仿真中，使Ms＝800emu/cc、H_k＝0.16kA/m、H_kd＝1.6kA/m、以及H_app＝24kA/m，将各元件的θ_free和固定层磁化方向之间的角度设为90°，将表示GMR比的dR/R设为10％，将dR’设为0，并且未加入AMR效应。表2以及图17表示其结果。图17所示的θ_dip-R1是表1所示的元件201a的配置角度θ_dip。Δθ_err越大则磁传感器的角度误差越大。

[表1]

表2中表示表1所示的元件201a的配置角度θ_dip-R1为35°～45°时的Δθ_err。元件201a的配置角度θ_dip-R1为+40°以及+140°(-40°)时(样品1-4以及1-9)，Δθ_err是0.0762°时为最小。在元件201a的配置角度θ_dip-R1为+140°(-40°)时，构成半桥的对方的元件201b的配置角度θ_dip-R2为-140°(+40°)。

[表2]

θdip·R1	Δθerr(°)
		35	0.4101
36	0.3438
		37	0.2771
38	0.2102
		39	0.1432
40	0.0762
		41	0.1088
42	0.1763
		43	0.2433
44	0.3099
		45	0.3760

对于样品1-1Δθ_err约为1.8°。这样，θ_err很大程度依赖于θ_dip，根据元件配置角度误差会有很大变化。根据图17以及表2可知，通过设定使得元件配置角度θ_dip满足36°≤θ_dip-R1＜45°的条件，由此角度误差变小，从而得到输出畸变较小的磁传感器。优选的θ_dip为37～43°，进一步优选的θ_dip为39～42°。

当使用元件配置角度θ_dip为45°的桥式电路来构成磁传感器时，由于SVGMR元件自身的磁特性(层间耦合磁场H_int以及各向异性磁场H_k)的偏差，角度误差(根据磁传感器的输出得到的旋转角度的误差)增加。相对于此，通过设定36°≤θ_dip-R1＜45°，能够减少磁传感器输出中的角度误差。

通过仿真求得样品1-1、样品1-4、样品1-5以及样品1-7中θ_err的θ_app依赖性。图18以及图20中分别表示其结果。样品1-5相当于特表2003-502876号以及2005-024287号中记载的元件配置。在样品1-4中θ_err最大约为0.04°，在样品1-1以及样品1-7中θ_err最大约为0.9°～1.0°，样品1-5中约为0.19°。在样品1-4与样品1-5中，θ_dip的差为5°的情况下θ_err存在较大差异。此外，在样品1-1和样品1-7中，尽管是相同的元件配置，但由于θ_dip和固定层磁化方向之间的关系不同，因此θ_err的θ_app依赖性也不同。根据这些结果可知随着θ_dip和固定层磁化方向之间的关系不同θ_err存在较大差异。

为了更加详细地研究这种倾斜，通过样品1-1、样品1-4、样品1-5以及样品1-7中的θ_err傅里叶级数展开来进行谐波解析，直至求得5次谐波。由于1次谐波以及2次谐波与更高次的谐波相比非常小，并且θ_dip依赖性也较小，因此图21以及图22中仅表示3次～5次谐波。对于θ_err较小的样品1-4，所有的谐波都非常小，3次谐波以及5次谐波的发生率分别是40％左右，并且4次谐波是20％左右。另一方面，对于θ_err较大的样品1-1、样品1-5以及样品1-7，4次谐波较大，4次谐波的发生率是80％左右，3次谐波以及5次谐波分别是10％左右。特别如样品1-1以及样品1-7那样，θ_dip与固定层磁化方向成直角或者平行的情况下，存在非常大的4次谐波。因此，可知4次谐波的减少对于θ_err的降低有很大作用。

在使用SVGMR膜的磁传感器中，由于式(2)以及(3)中存在sin²θ项，因此认为发生4次谐波的主要原因是元件形状以及自由层的磁各向异性、即H_kd以及H_k。将H_kd固定在1.6kA/m，通过仿真求得使自由层的磁各向异性H_k从0.16kA/m变化至3.2kA/m时的Δθ_err的θ_dip依赖性。图23中表示其结果。随着H_k的下降从而Δθ_err的θ_dip依赖性也下降。Δθ_err的极小值与H_k无关大致相同(约0.07～0.3°)，Δθ_err为极小的θ_dip在大致30～40°的范围中。此外，在H_k与H_kd(＝1.6kA/m)相等的条件下，由于H_k与H_kd抵消，因此θ_dip＝0°时Δθ_err为极小值。

将H_k固定在0.16kA/m，通过仿真求得使H_kd从0.16kA/m变化至3.2kA/m时的Δθ_err的θ_dip依赖性。图24中表示其结果。与使H_k变化时的情况同样，随着H_kd的下降从而Δθ_err的θ_dip依赖性也下降。Δθ_err为极小的θ_dip在大致30～40°的范围中。Δθ_err的极小值约为0.04～～0.13°。此外，在H_kd＝H_k的条件下，θ_dip＝0°时Δθ_err为极小值。这样，通过减小H_k以及/或者H_kd，能够减小角度误差。

H_k根据自由层中使用的材料而唯一地决定。虽然在本例中将H_k设定0.16kA/m(自由层中一般所使用的NiFe的H_k)，但是当使用具有更低H_k的材料时，对滞后作用带来影响的顽磁力等有可能发生变化。此外，当使用由隔着非磁性层的2层铁磁性层构成的层叠含铁(ferro-)自由层时，宏观来看能减小H_k，但很有可能因膜厚增加而引起分流损耗增加或灵敏度下降。再有，由于SVMGR元件具有有限的长度，因此不容易使依赖于元件形状的H_kd接近于0。但是，通过将θ_dip与固定层磁化方向的角度设定为例如θ_dip＝40°，能够抑制SVGMR膜的特性偏差引起的H_k变动、或θ_err相对于元件形状引起的H_kd变动的增加，由此，能得到检测精度高的旋转角度检测装置。

例2

为了增大SVGMR元件的电阻从而抑制磁传感器的消耗功率，有时将元件的长度方向尺寸设定为几十～100μm左右。这样，当使元件较长时SVGMR膜的自由层的形状各向异性变大，不能忽视自由层的AMR效应。因此，在与例1相同元件配置的磁传感器中，按照表3(以“+”表示元件的逆时针方向角度，括号内表示θ_dip-180°的值)所示改变θ_dip，通过仿真求得加入了AMR效应时以及未加入时的Δθ_err。图25中表示其结果。在式(8)中，根据自由层相对于SVGMR膜的膜厚比以及NiFe膜的电阻率，将对AMR起作用的电阻值假定为7500Ω，并且将AMR比假定为0.3％，从而估计出dR’为22.5Ω。样品2-5是特表2003-502876号以及特开2005-024287号中记载的元件配置。

[表3]

在加入了AMR效应的情况下，Δθ_err在样品2-1(θ_dip＝0°)以及样品2-7(θ_dip＝90°)中约为2.6°，是极小值；在样品2-5(θ_dip＝45°)中约为47°，是极大值。由于任何的元件配置在同一桥内的各元件对(例如201a与201c、以及201b与201d)中电流为相反方向，因此AMR效应对角度误差的作用依赖于传感器电流的流向以及自由层的磁化容易轴。

图26表示对于AMR效应的抑制比较有效的磁传感器。在图26中，桥式电路X的固定层磁化方向是水平方向，桥式电路Y的固定层磁化方向是上下方向。在桥式电路X中，元件211a与211c的固定层磁化方向相同，元件211b与211d的固定层磁化方向相同。对于桥式电路Y也同样。在各桥内固定层磁化方向相同的元件的长边方向不平行。各元件211a～211d、213a～213d与图16同样是矩形状。

桥式电路X(元件211a～211d)以及桥式电路Y(元件213a～213d)中的各元件的θ_dip如下。

元件211a的θ_dip-R1＝元件211d的θ_dip-R4

元件211b的θ_dip-R2＝元件211c的θ_dip-R3

θ_dip-R1＝-θ_dip-R2

元件213a的θ_dip-R5＝元件213d的θ_dip-R8元件213b的θ_dip-R6＝元件213c的θ_dip-R7

θ_dip-R5＝-θ_dip-R6

将桥式电路X的右方向设为0°，将桥式电路Y的上方向设为0°，分别如表4(以“+”表示元件的顺时针方向角度，括号内表示θ_dip-180°的值)所示那样改变各元件211a～211d、213a～213d的θ_dip，通过仿真求得加入了AMR效应之后的Δθ_err的θ_dip依赖性。图27中表示结果。此外，表5中表示元件211a的配置角度θ_dip-R1为35～45°时的Δθ_err。

[表4]

[表5]

θdip-R1	Δθerr(°)
		35	0.6087
36	0.5139
		37	0.4187
38	0.3232
		39	0.2275
40	0.1317
		41	0.0360
42	0.0595
		43	0.1547

44	0.2494
		45	0.3435

当各桥式电路内固定层磁化方向相同的元件的长边方向不平行时(电源端子侧的半桥的2个平行的磁阻效应元件与接地端子侧的半桥的2个平行的磁阻效应元件之间不平行)，Δθ_err与未加入AMR效应时(相当于图17)相同程度地小，特别在θ_dip为40°的样品3-4中Δθ_err减小至0.1317°。另一方面，在固定层磁化方向相同的元件彼此垂直的样品3-5的配置(θ_dip＝45°的样品3-5)中，Δθ_err是0.3435°。由此可知，与θ_dip为45°的桥式电路相比，θ_dip为38°以上未达到45°的桥式电路中角度误差较小。在固定层磁化方向相同的元件为不平行的磁传感器的情况下，优选的θ_dip为39～44°，进一步优选的θ_dip为4043°。

为了对角度误差的减小效果进行更详细的研究，进行了θ_err的直至5次的谐波解析。图28中表示元件平行配置的样品2-1、样品2-5以及样品2-7的谐波解析结果。图29中表示元件为不平行配置的样品3-4以及样品3-5的谐波解析结果。在元件平行配置的情况下，θ_err较小的样品2-1以及样品2-7中表现出的谐波几乎全部为4次。另一方面，在θ_err较大的样品2-5中直至5次的谐波全部包含在内，1次和3次的谐波特别大。尽管根据式(8)AMR效应应该作为4次谐波表现出，但兼顾元件配置的情况下推测3次谐波较大。元件不平行配置的样品3-4以及样品3-5都几乎没有4次以外的谐波，并且对于4次谐波样品3-4一方显著较小。

图30表示θ_dip为45°元件平行配置的样品2-5、θ_dip为45°元件不平行配置的样品3-5的谐波。元件不平行配置的样品3-5中4次以外的谐波大致为0，此外其4次谐波也是元件平行配置的样品2-5的大致一半。由此可知，对于θ_err的降低，需要使1次或3次谐波大致为0并且显著减小4次谐波。

例3

在SVMGR膜中最容易变动的磁特性是H_int(作用于隔着中间层的固定层与自由层之间的磁场)。H_int容易随着中间层的膜厚变动、中间层的表面粗糙度引起的所谓“橘皮效应”、动作温度和环境温度等的温度的变动而变动。因此，为了在最合适的元件配置条件(样品3-4)下求得H_int和Δθ_err之间的关系，在图26所示的磁传感器中，在H_int-R1为0kA/m、0.08kA/m、0.16kA/m、0.40kA/m、以及0.80kA/m的情况下，分别通过仿真计算使元件213a的H_int(H_int-R5)从-0.8kA/m变化至+0.8kA/m时的Δθ_err。图31表示其结果。

元件211a的H_int-R1＝元件211d的H_int-R4

元件211b的H_int-R2＝元件211c的H_int-R3

H_int-R1＝-H_int-R2

元件213a的H_int-R5＝元件213d的H_int-R8

元件213b的H_int-R6＝元件213c的H_int-R7

H_int-R5＝-H_int-R6

H_int-R1越小Δθ_err就越小，并且在H_int-R5的符号反转时为大致最小。H_int-R1为0.16kA/m以下则Δθ_err是1°以下，此外即使H_int-R1为0.4kA/m以上，只要H_int-R5为±0.4kA/m以内，则Δθ_err是1°以下。由此可知，只要H_int的变动在±0.4kA/m以内，则能够由本发明的磁传感器抑制角度误差，即便存在中间层的膜厚变动或高温时的H_int变动也能得到角度误差较小的磁传感器。

例4

图32表示图26所示的桥式电路中的元件配置的具体的一例。图中箭头X以及Y表示形成元件之后的传感器芯片的边方向。图33与固定层磁化方向(由箭头表示)一起概略表示图32的元件配置。固定层磁化方向相同的元件311a和311c、元件311b和311d(作为例子由虚线包围)、...等相对于固定层磁化方向处于所希望的角度(例如±40°)。但是，由于元件311a和311c、以及311b和311d彼此是不平行的，因此消除了AMR效应。

图33中由于元件311c和311b、元件313a和313d是等效的，因此即使替换元件313a和元件313d，如图34所示元件的长边方向与固定层磁化方向之间的关系也不变。在布线交叉的部分介入绝缘层，从而获得桥式间的绝缘。图35以及图36表示其他元件配置例。尽管对于图35和图36的例子，与图33所示的例子相邻的元件的角度不同，但元件的长边方向与固定层磁化方向之间的关系相同。

这种元件的互换可通过在成膜时能够对固定层磁化方向进行自由设定的SVGMR膜来实现，进而使用能任意设定成膜时的磁场施加方向的成膜装置时，可进一步提高元件配置的自由度。图37表示使图33的元件在面内旋转45°之后的桥式电路。使各元件从图33旋转45°，由此能够使元件的配置更紧密。也就是说，通过将元件长边方向与固定层磁化方向之间设定得较合适，相对于SVMGR膜的特性变动可提高其耐性，可实现自由的元件配置，减小输出畸变，得到能够减小角度误差的磁传感器以及旋转角度检测装置。此外，在图37的结构中也能够如图38所示那样变更一部分的磁化的方向。图39以及图40表示又一其他例。

Claims (4)

1.一种旋转角度检测装置，具备：磁体转子、检测来自所述磁体转子的磁束的方向的磁传感器、修正电路、以及角度运算电路，其特征在于，

所述磁传感器具有连接了4个磁阻效应元件的桥式电路X以及连接了4个磁阻效应元件的桥式电路Y，

每个所述磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜具有：固定层，所具备的磁化方向被固定在一个方向；自由层，磁化方向以与外部磁场方向一致的方式可变；以及中间层，被夹在所述固定层和所述自由层之间，

所述修正电路根据所述桥式电路X的输出电压Vx以及所述桥式电路Y的输出电压Vy计算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，并且使二者的振幅一致，

所述角度运算电路通过对(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’进行逆正切运算求得所述磁体转子的旋转角度，该(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’是根据从所述修正电路输出的具有相同振幅的(Vx-Vy)’信号以及(Vx+Vy)’信号而求得的。

2.一种旋转角度检测装置，具备：磁体转子、检测来自所述磁体转子的磁束的方向的磁传感器、运算放大器电路、修正电路、以及角度运算电路，其特征在于，

所述磁传感器具有连接了4个磁阻效应元件的桥式电路X以及连接了4个磁阻效应元件的桥式电路Y，

每个所述磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜具有：固定层，所具备的磁化方向被固定在一个方向；自由层，磁化方向以与外部磁场方向一致的方式可变；以及中间层，被夹在所述固定层和所述自由层之间，

所述运算放大器电路根据所述桥式电路X的输出电压Vx以及所述桥式电路Y的输出电压Vy计算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，

所述修正电路使从所述运算放大器电路输出的(Vx-Vy)信号以及(Vx+Vy)信号的振幅一致，

所述角度运算电路通过对(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’进行逆正切运算求得所述磁体转子的旋转角度，该(Vx-Vy)’/(Vx+Vy)’是根据从所述修正电路输出的具有相同振幅的(Vx-Vy)’信号以及(Vx+Vy)’信号而求得的。

3.根据权利要求1或者2所述的旋转角度检测装置，其特征在于，

所述磁阻效应元件的至少一个长边方向相对于其固定层磁化方向倾斜锐角θ，该锐角θ满足条件36°≤θ＜45°。

4.根据权利要求1～3的任意一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，

在所述桥式电路X以及所述桥式电路Y的各自的4个磁阻效应元件之中，2个磁阻效应元件相对于固定层磁化方向倾斜锐角θ，剩余的2个磁阻效应元件倾斜-θ。

Images