CN103809136A

CN103809136A - 磁性检测装置

Info

Publication number: CN103809136A
Application number: CN201310241695.8A
Authority: CN
Inventors: 馆沼义范; 川野裕司
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-05-21
Also published as: JP2014092526A; US20140125328A1; DE102013214195A1

Abstract

本发明的目的在于得到一种以更为简单的结构来准确地检测出被检测对象的旋转角度信息的磁性检测装置，具有磁阻元件（1），该磁阻元件（1）包括：磁化固定层（111）、磁化自由层（113）、以及夹在磁化固定层（111）与磁化自由层（113）之间的非磁性中间层（112），将磁阻元件（1）两端的电位差设为固定电压，并对磁阻元件的电流值（1）相对于磁场变化而发生的变化进行检测。

Description

磁性检测装置

技术领域

本发明涉及一种使用磁阻元件、并利用磁场变化来检测出被检测对象的旋转角度的磁性检测装置。

背景技术

已知有如下检测方法：在作为电磁转换元件的磁阻元件的两端形成电极以构成惠斯通电桥电路，该惠斯通电桥电路上相对的两个电极之间连接有额定电压的电源，将磁阻元件的电阻值变化转换成电压变化，从而检测出作用在该磁阻元件上的磁场的变化（日本专利第3017061号公报）。

图10是表示这种惠斯通电桥电路的电路结构图。

图中，构成电桥电路的磁阻元件101、102、103、104如图11所示，具有层叠体，该层叠体包括使磁化方向相对于外部磁场固定的磁化固定层111，磁化方向根据外部磁场进行变化的磁化自由层113，以及夹在磁化固定层111与磁化自由层113之间的非磁性中间层112。该磁化自由层113的磁化基于外部磁场在层叠体的膜面内自由地旋转。这里，以非磁性中间层112为绝缘体的隧道磁电阻元件（tunnel magnetoresistive element）（以下，称作TMR元件）为例进行说明。

已知TMR元件的电气特性由电导G的形式来表示。（非专利文献1）若将磁化自由层113的磁化方向与磁化固定层111的磁化方向的相对角度设为θ，则电导G如下所示。此处，磁化自由层113的磁化方向与外部磁场的方向、即磁场的旋转角θ一致。

Ｇ＝Ｇ0＋Ｇ1ｃｏｓθ………（数学式1）

若利用电阻值来进行表示，则对数学式1取倒数。

Ｒ＝1/（Ｇ0＋Ｇ1ｃｏｓθ）………（数学式2）

此外，在图10中，用箭头标记方向105、106、107、108来表示TMR元件101、102、103、104各自的磁化固定层111的磁化方向。另外，惠斯通电桥电路中央部的箭头标记109表示外部磁场的方向。

这里，着重观察TMR元件101与TMR元件102。图12示出了在磁场方向109旋转360°的情况下，TMR元件101与TMR元件102的电导G如何变化的情况。若磁场方向与磁化固定层的磁化朝向相同（θ＝0°），则如数学式1所示那样，电导G为最大。另外，若磁场方向与磁化固定层的磁化朝向相反（θ＝180°），则电导G为最小，由于TMR元件101与TMR元件102的磁化固定层的磁化朝向相差180°，因此，电导G的值为相互反转180°的形式。

另一方面，利用数学式2来计算TMR元件101与TMR元件102的电气中间点电位、即in1，如下数学式3所示。

ｉｎ1＝（Ｇ0＋Ｇ1ｃｏｓθ）/2Ｇ0………（数学式3）

如该数学式3所示，分子侧出现了ｃｏｓθ，而分母侧为常数，因此，in1为所谓的三角函数的余弦波形。

这里，在TMR元件102与磁场方向无关而为固定的电阻值R0的情况下，中间点电位in1可利用数学式2表示成如下这样。

ｉｎ1＝Ｒ0（Ｇ0＋Ｇ1ｃｏｓθ）/｛Ｒ0（Ｇ0＋Ｇｃｏｓθ）+1｝……（数学式4）

如该数学式4所示，分子侧、分母侧都出现了ｃｏｓθ，因此，in1为既不是三角函数的余弦波形也不是正弦波形的某种波形。假设输出的是理想的余弦或正弦波形，并以计算磁场方向的角度为前提，在此情况下，数学式4的波形偏离于理想的余弦、正弦波形，因此，不优选这种做法。

因此，如图10所示，优选构成TMR元件的电桥电路。

接下来，为了从外部对TMR元件施加磁场，以使用图13A、图13B所示那样的磁化转子121的情况为例进行说明。

此处，简要地用122来表示磁化转子121的轴中心，用123来表示磁化转子121表面附近的磁场方向。TMR元件101、102以接近该磁化转子121的方式进行配置，用箭头标记124来表示TMR元件102的磁化固定层的朝向。磁化转子121表面附近的磁场方向123与TMR元件101、102附近的磁场方向近似相同。

以上述结构为基础，若经过磁化后的磁化转子121进行旋转，则施加在TMR元件101、102上的磁场的方向会发生变化。TMR元件101、102构成如图10所示那样的电桥电路，若磁化转子121旋转一周，则磁场方向旋转360°×2＝720°。因此，能够根据TMR元件101与TMR元件102的电桥电路的中间点in1的输出来获取到磁化转子121的旋转角度信息。此时，例如需要将TMR元件101及TMR元件102配置在相互靠近的位置上。然而，如图13A所示，难以将TMR元件101及TMR元件102配置在完全相同的点上，因而，实际上是隔开某一程度的间隙来进行配置，由此将产生角度偏差。该角度偏差将成为检测旋转时精度变差的原因。

另外，如图13（b）所示，在将TMR元件101、102配置在互相远离的位置上的情况下，虽然能够减小角度偏差的影响，但是配置位置依赖于磁化转子121的大小，因而，需要针对每个磁化转子121的大小来决定TMR元件101与TMR元件102的配置位置，由此会产生通用性欠佳的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3017061号公报

非专利文献

非专利文献1：《Angular Dependence of the tunnel magnetoresistancetransition-metal-based junction》：Physical Review B Vol.64,064427（2001年）（式（2）以及Ｖ．CONCLUSION一栏）

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够利用一个磁阻元件来得到更为准确的旋转角度信息的磁性检测装置。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明所涉及的磁性检测装置包括磁阻元件，该磁阻元件具有：被磁化到一个方向并且使磁化方向相对于外部磁场固定的磁化固定层；磁化方向根据外部磁场进行旋转的磁化自由层；以及夹在磁化固定层与磁化自由层之间的非磁性中间层，将磁阻元件两端的电位差设为固定电压，并对磁阻元件的电流值相对于磁场变化而发生的变化进行检测。

发明效果

根据本发明，无需惠斯通电桥电路结构，就能利用更为简单的结构来起到获得被检测对象的准确的旋转角度信息的效果。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的磁性检测装置的电路结构图。

图2是表示图1中的主要部分的结构的概要图。

图3是说明本发明的实施方式1所涉及的磁性检测装置的动作的波形图。

图4是本发明的实施方式2所涉及的磁性检测装置的电路结构图。

图5是说明本发明的实施方式2所涉及的磁性检测装置的动作的波形图。

图6是本发明的实施方式3所涉及的磁性检测装置的电路结构图。

图7是说明本发明的实施方式3所涉及的磁性检测装置的动作的波形图。

图8是本发明的实施方式4所涉及的磁性检测装置的电路结构图。

图9是说明本发明的实施方式4所涉及的磁性检测装置的动作的波形图。

图10是表示现有的惠斯通电桥电路的电路结构图。

图11是表示现有的磁阻元件的构造的立体图。

图12是说明现有的磁阻元件的动作特性的波形图。

图13A、13B是表示现有的磁性检测装置的其它结构的概要图。

具体的实施方式

实施方式1

下面，参照实施方式的附图对本发明进行说明。

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的磁性检测装置的电路结构图。

图1中，TMR元件1通过层叠如图11所示的磁化固定层111、非磁性中间层112以及磁化自由层113来构成，向该TMR元件1的输入端提供规定的电压va，并且将其输出端连接到作为放大单元的运算放大器2的一个输入端。向运算放大器2的另一个输入端提供作为基准电位的电源电压vb，在其输出端产生输出vout。将运算放大器2的输出端及一个输入端连接到决定增益倍数的固定电阻器3，由此来构成磁性检测装置。

此外，将流过TMR元件1的电流设为I，将固定电阻器3的电阻值设为R。

图2是表示磁化转子121与TMR元件1的位置关系的概要图，简要地用箭头标记123来表示磁化转子121表面附近的磁场方向，简要地用箭头标记124来表示TMR元件1的磁化固定层的磁化朝向。此处，磁化转子121表面附近的磁场方向123与TMR元件1附近的磁场方向近似相同。磁化转子121以轴中心122为中心进行旋转，用箭头标记125来表示该旋转方向。

在这种结构的基础上，使磁化转子121旋转，当在图2中的位置A处TMR元件1与磁化转子121相对时，TMR元件1的磁化固定层的磁化朝向124与磁场方向123一致，因此，示出了数学式1中的θ＝0的状态。因此，如图3所示，0°位置上的电导G变为Ｇ0＋Ｇ1。

另外，由于TMR元件1两端为固定电压（ｖａ－ｖｂ），因此，流过TMR元件1的电流I变为（Ｇ0＋Ｇ1）（ｖａ－ｖｂ）。

因而，运算放大器2的输出电压vout为固定电阻器3与流过TMR元件1的电流之积，因此，变为（Ｇ0＋Ｇ1）（ｖａ－ｖｂ）Ｒ。

接下来，在磁化转子121向箭头标记124旋转45°时，即当TMR元件1与位置B相对时，磁场的方向与位置A处不同，变为数学式1中的θ＝90°的状态。在该情况下，电导G变为G0，TMR元件1的电流I变为Ｇ0（ｖａ－ｖｂ），输出vout变为Ｇ0（ｖａ－ｖｂ）Ｒ。

由此，针对磁化转子121的旋转位置A、B、C、D、E，输出vout为如图3所示那样的余弦波形。

此外，在图3中，用51来表示TMR元件1的电导波形，用52来表示TMR元件1的电流波形，用53来表示运算放大器2的输出电压vout波形。

如上所述，伴随着磁化转子121的旋转，运算放大器2的输出电压vout变成输出余弦波形，因此，利用该输出能得到准确的磁化转子121的旋转角度信息。

此处，可以将规定的电压va设为0[Ｖ]（接地），在该情况下，能够减少电源的数量。另外，磁化转子121可具有多对图2所示的N极与S极，也可仅具有一对。并且，在图2中，将TMR元件1的位置配置于磁化转子121的圆周外侧，但也可配置在磁化转子121的轴中心122上，只要使施加在TMR元件1上的磁场方向旋转，就可以采用任何形态（长方体、球体等）的磁化转子121。

由此，通过设置将流过TMR元件1的电流转换成电压并将其输出的电路，从而无需将TMR元件1连接到惠斯通电桥电路，并且能够以更为简单的结构来得到被检查对象的准确的旋转角度信息。

实施方式2

图4是表示本发明的实施方式2所涉及的磁性检测装置的电路结构图。

图中，固定电阻器4连接到作为放大单元的运算放大器2的输出端及一个输入端，并决定增益的倍数，其电阻值被设为电阻值RA，另外，其温度系数被设定为与TMR元件1的电阻的温度系数相同。其它结构与图1中的实施方式1相同。

图5是表示使实施方式2中的温度变化为－40℃、27℃、150℃时的动作波形的仿真图，ｖａ＝0［Ｖ］、ｖｂ＝1［Ｖ］、ＲＡ＝20ｋ[Ω]、TMR元件1的电导值＝0．000075＋0．000025ｂ×ｃｏｓθ［Ｇ］、TMR元件1及固定电阻器4的温度系数ＴＣ1＝0．001，并间θ转换成时间来进行表示。如图所示，在各温度时电流I的波形出现差异，而输出vout的波形显示为互相重叠。由此，通过将TMR元件1与固体电阻器4的温度系数相结合，从而能够抵消因温度而产生的振幅差异。

此外，对于固体电阻器4的温度系数，只要利用例如具有与TMR元件1相同的电阻的温度系数的TMR元件来构成固定电阻器4，并使磁场方向不变即可。

另外，在准备具有与TMR元件1相同的电阻温度系数的固定电阻器较为困难的情况下，可以使用如下方法。

使用2种温度系数不同的固定电阻RA、RB，并将它们串联连接，由此来构成固定电阻器4。将TMR元件1的电阻温度系数设为ＴＣｔｍｒ，将电阻RA的温度系数设为ＴＣＡ，将电阻RB的温度系数设为ＴＣＢ，在该情况下，可以准备满足下式的电阻RA及电阻RB。

ＴＣＡ＜ＴＣｔｍｒ＜ＴＣＢ………（数学式10）

若将电阻RA与电阻RB公式化，则得到下式。

ＲＡ＝ＲＡ0｛1＋ＴＣＡ（ｔ－ｔ0）｝………（数学式11）

ＲＢ＝ＲＢ0｛1＋ＴＣＢ（ｔ－ｔ0）｝………（数学式12）

此处，RA0、RB0表示基准温度的电阻值，t0表示基准温度，t表示温度。

由于电阻RA与电阻RB为串联连接，因此，得到如数学式11及数学式12所示的合成电阻。

ＲＡ＋ＲＢ＝（ＲＡ0＋ＲＢ0）｛1＋（ＴＣＡ·ＲＡ0+ＴＣＢ·ＲＢ0）（ｔ－ｔ0）/（ＲＡ0+ＲＢ0）｝………（数学式13）

电阻RA与电阻RB的合成电阻的温度系数是指数学式13中的（ＴＣＡ·ＲＡ0+ＴＣＢ·ＲＢ0）/（ＲＡ0+ＲＢ0）的部分，如果分别对电阻RA及电阻RB进行调整，则能够得到与TMR元件1相同的电阻的温度系数。

由此，具有将流过TMR元件1的电流转换成电压并将其输出的电路，并且使决定运算放大器增益的倍数的固定电阻器4变为电阻的温度系数与TMR元件1相同的固定电阻，其中，该运算放大器用于将电流转换成电压，由此能够抵消因温度而造成的电压振幅的差异，从而起到不依赖于温度就能得到高精度的被检测物体的旋转角度信息的效果。

实施方式3

图6是表示本发明的实施方式3所涉及的磁性检测装置的电路结构图，图中将第2放大单元连接到图4中的磁性检测装置。

图中，作为第1放大单元的运算放大器2的后级设有：缓存器10，作为第2放大单元的运算放大器11，决定运算放大器11的增益的固定电阻器12、13，以及与运算放大器11的另一个输入端相连接的基准电位vc。

通过如上述那样地构成，可利用固定电阻器12及固定电阻器13来调整运算放大器11的输出振幅，另外，还可利用基准电位vc来调整运算放大器11的输出振幅的偏移分量。

即，如图7中的波形54所示，相对于缓存10的输入波形53，能够增大运算放大器11的输出vout。

此外，图中，51表示TMR元件1的电导，52表示TMR元件1的电流变化。

由此，具有将流过TMR元件1的电流转换成电压并将其输出的电路，并且通过使后级与作为第2放大单元的运算放大器11相连接，从而能够对输出的偏移分量及输出的振幅成分进行调整，由此起到能得到所希望的输出的效果。

实施方式4

图8是表示本发明的实施方式4所涉及的磁性检测装置的电路结构图。

图中，在由电源vc、晶体管21及晶体管22所构成的电流镜电路的电流源一侧连接有TMR元件1，在其输出一侧连接有固定电阻器23。此处，将晶体管21与晶体管22设为具有相同的晶体管特性的晶体管，将基极与发射极之间的正向电位设为Vd。另外，将流过TMR元件1的电流设为I，将固定电阻器23的电阻值设为R。

此外，将TMR元件1与磁化转子121的位置关系设定成与图2相同。

在这种结构的基础上，使磁化转子121旋转，当在图2中的位置A处TMR元件1与磁化转子121相对的情况下，TMR元件1的磁化固定层的磁化朝向124与磁场方向123一致，因此，示出了数学式1中的θ＝0的状态。因而，如图9所示，在0°位置上的电导G变为Ｇ0＋Ｇ1。

另外，由于晶体管21的正向电位（固定电压）vd与固定电压vc被施加到TMR元件1的两端，因此，流过TMR元件1的电流I变为（Ｇ0＋Ｇ1）（ｖｃ－ｖｄ）。并且，由于构成了电流镜电路，因此，输出侧的固定电阻器23中也有（Ｇ0＋Ｇ1）（ｖｃ－ｖｄ）的电流流过，使得输出端的输出电压vout变为ｖｃ－Ｒ（Ｇ0＋Ｇ1）（ｖ－ｖｄ）。

同样地，若使磁化转子121向箭头标记125旋转，则输出电压vout如图9所示那样依次发生变化，并示出为余弦波形。

如上所述，伴随着磁化转子121的旋转，电流镜电路的输出电压vout输出为余弦波形，因此，利用该输出能得到准确的磁化转子121的旋转角度信息。

此外，在上述实施方式中，以TMR元件为例对隧道磁电阻元件（TunnelMagneto Resistance元件）进行了说明，但也可利用巨磁电阻元件（GiantMagneto Resistance元件）来实现同样的实施方式。

另外，本发明可以在该发明的范围内对实施方式进行适当地变形、省略。

工业上的实用性

本发明可以应用到搭载于车辆等中、以检测方向盘的旋转角度的转向控制装置。

标号说明

1：磁阻元件（ＴＭＲ元件）

2：运算放大器（第1放大单元）

3、4：固定电阻器

10:缓冲器

11：运算放大器（放大单元）

12、13、23：固定电阻器

101～104：磁阻元件

111：磁化固定层

112：非磁性中间层

113：磁化自由层

121：磁化转子

Claims

1.一种磁性检测装置，利用磁场变化来检测出被检测对象的旋转角度，其特征在于，

具有磁阻元件（1），该磁阻元件（1）包括：

磁化固定层（111），该磁化固定层（111）被磁化到一个方向并且使磁化方向相对于外部磁场固定；磁化自由层（113），该磁化自由层（113）的磁化方向根据外部磁场进行旋转；以及

非磁性中间层（112），该非磁性中间层（112）夹在所述磁化固定层（111）与所述磁化自由层（113）之间，

将所述磁阻元件（1）两端的电位差设为固定电压，并对所述磁阻元件（1）的电流值相对于磁场变化而发生的变化进行检测。

2.如权利要求1所述的磁性检测装置，其特征在于，

将放大单元（2）用作为检测所述电流值变化的单元。

3.如权利要求2所述的磁性检测装置，其特征在于，

可对所述放大单元（2）的增益倍数进行调整，以使得所述放大单元（2）的输出不因所述磁阻元件（1）的温度变化而发生变化。

4.如权利要求3所述的磁性检测装置，其特征在于，

决定所述放大单元（2）的增益倍数的单元是固定电阻器（4），并且使所述磁阻元件（1）的电阻的温度系数与固定电阻器（4）的电阻的温度系数相同。

5.如权利要求2所述的磁性检测装置，其特征在于，

在所述放大单元（2）的后级具有将增益调整到所希望的倍数的第2放大单元（11）。

6.如权利要求1所述的磁性检测装置，其特征在于，

将电流镜电路用作为检测所述电流值变化的单元。

7.如权利要求1至6中任一项所述的磁性检测装置，其特征在于，所述磁阻元件（1）是隧道磁电阻元件或巨磁电阻元件。