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Hintergrund der Erfindung
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1. Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetdetektor, der ein Riesenmagnetowiderstandselement (”giant magnetic resistance element”), im Folgenden als GMR-Element bezeichnet, verwendet, das als magnetoelektrische Transformationsvorrichtung wirkt.
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2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Das GMR-Element ist ein Laminat, das aus abwechselnd geschichteten magnetischen Schichten und nicht-magnetischen Schichten mit einer Dicke von einigen Angström bis Dutzenden von Angström gebildet wird, und stellt einen sogenannten künstlichen Gitterfilm dar. Als derartige künstliche Gitterfilme sind (Fe-Cr)n, (Permalloy/Cu/Co/Cu)n und (Co/Cu)n bekannt (n bezeichnet die Anzahl der Laminate).
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Es entspricht einem gegenwärtigen Trend, dass das folgende magnetische Detektionsverfahren zur Benutzung in einem Fahrzeug-Drehsensor und dergleichen verwendet wird. Bei diesem magnetischen Detektionsverfahren sind an jedem Anschluss eines Magnetowiderstand-Segmentes, das aus dem oben genannten GMR-Element aufgebaut ist, Elektroden ausgebildet, um einen Brücken-Schaltkreis zu bilden; eine Spannungsquelle mit konstanter Spannung und einem konstanten Strom ist zwischen diesen beiden gegenüberliegenden Elektroden dieses Brücken-Schaltkreises angeschlossen, und eine Veränderung in den Widerstandswerten des Magnetowiderstand-Segmentes wird in eine Spannungsänderung transformiert, um eine Änderung in Magnetfeldern zu detektieren, die auf dieses Magnetowiderstands-Element wirken.
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In der (ungeprüften)
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 69546/2004 ist solch ein herkömmlicher Magnetdetektor offenbart, der im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben wird.
1(a), (b), und (c) zeigen erläuternde Ansichten des Aufbaus eines herkömmlichen Magnetdetektors, der in der (ungeprüften) japanischen Patentveröffentlichung Nr. 69546/2004 offenbart ist. In der Zeichnung ist
1(a) eine perspektivische Ansicht,
1(b) eine Draufsicht und
1(c) eine vergrößerte Ansicht eines Magnetowiderstand-Segmentes.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen magnetischen beweglichen Körper, z. B. ein Zahnrad, das am Umfang einer Scheibe Vorsprünge hat, und das eine Form hat, die zum Ändern eines Magnetfeldes benötigt wird. Bezugszeichen 2 bezeichnet ein Verarbeitungsschaltungsteil, bei dem ein Schaltkreis auf die Fläche einer Platine gedruckt ist. Bezugszeichen 2a und 2b bezeichnen Magnetowiderstand-Segmente. Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Magneten. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Drehachse des magnetischen beweglichen Körpers 1. Wenn sich diese Drehachse 4 dreht, dreht sich der magnetische bewegliche Körper 1 ebenfalls synchron. Außerdem sind die Magnetowiderstand-Segmente 2a und 2b in 1(a) bzw. 1(b) als schwarze Kästchen gezeigt, und die Form (das Muster) des Magnetowiderstand-Segmentes ist in 1(c) vergrößert dargestellt.
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2 zeigt den Aufbau des Verarbeitungsschaltungsteils 2 des oben erwähnten herkömmlichen Magnetdetektors. Wie in 2 gezeigt ist, besteht der Verarbeitungsschaltungsteil 2 aus einer Wheatstonesche-Brücken-Schaltung 11, die zwei Magnetowiderstand-Segmente (GMR-Elemente) 2a und 2b enthält, einer Differentialverstärkerschaltung 12, einer Vergleicherschaltung 13 und einer Ausgabeschaltung 14.
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Darüber hinaus bezeichnet das Bezugszeichen 151 einen Transistor und das Bezugszeichen 152 einen Ausgabeanschluss, VCC bezeichnet eine konstante Spannung und Vref bezeichnet eine Bezugsspannung.
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Wie in 2 gezeigt ist, wird eine konstante Spannung VCC an eine Brückenschaltung angelegt, die aus den Magnetowiderstand-Segmenten 2a und 2b oder aus festen Widerständen besteht, und eine Änderung in den Widerstandswerten der Magnetowiderstand-Segmente 2a und 2b, die durch eine Veränderung des Magnetfeldes hervorgerufen wird, wird in eine Spannungsänderung transformiert. Die genannten Signale, die in eine Spannung abgeändert wurden, werden von der Differentialverstärkerschaltung 12 verstärkt und dann in die Vergleicherschaltung 13 eingegeben. Die Signale, die von der Vergleicherschaltung 13 mit einer vorbestimmten Bezugsspannung Vref verglichen wurden, werden von dem Transistor 151 der Ausgabeschaltung 14 in eine Endausgabe von ”0” oder ”1” (= VCC) transformiert, und am Ausgabeanschluss 152 ausgegeben.
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Im Folgenden wird der Betrieb des herkömmlichen Magnetdetektors unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 3 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb des herkömmlichen Magnetdetektors zeigt. In dieser Zeichnung zeigt (a) die Positionen des magnetischen beweglichen Körpers 1; (b) zeigt die Widerstandswerte der Magnetowiderstand-Segmente 2a und 2b; (c) zeigt Ausgaben aus der Differentialverstärkerschaltung 12; und (d) zeigt Endausgaben.
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Wenn sich der in 1 gezeigte magnetische bewegliche Körper 1 um die Drehachse 4 dreht, ändern sich die magnetischen Felder, die auf die Magnetowiderstand-Segmente 2a und 2b einwirken. Wie ferner in 3(a) und (b) gezeigt ist, äußert sich die Änderung in den Widerständen, die mit dem Magnetfeld, das auf die Magnetowiderstand-Segmente 2a und 2b einwirkt, korrespondiert, entsprechend der Form des magnetischen beweglichen Körpers 1.
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Wie darüber hinaus in 3(c) gezeigt ist, können Ausgaben der Differentialverstärkerschaltung 12 infolge der Änderung der oben genannten Widerstandswerte erhalten werden. Dann wird, wie in 3(d) gezeigt ist, die Ausgabeform aus der Differentialverstärkerschaltung 12 einer Wellenform-Formung durch die Vergleicherschaltung 13 unterworfen, und es können Endausgabesignale von ”1” oder ”0” erhalten werden, die mit der Form des magnetischen beweglichen Körpers 1 korrespondieren.
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In jüngerer Zeit bestand jedoch ein zunehmender Bedarf für eine höhere Detektionsgenauigkeit bei dem oben beschriebenen Magnetdetektor; allerdings sind einer höheren Genauigkeit bei der Detektion der konkaven oder konvexen Teile des magnetischen beweglichen Körpers 1 Grenzen gesetzt, und zwar aufgrund einer Variation bezüglich der relativen Lagen der Magnetowiderstand-Segmente 2a, 2b und des Magneten 3 zueinander, die im Herstellungsprozess auftritt.
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4(a) und (b) zeigen schematisch Fälle, bei denen die relativen Lagen zwischen den Magnetowiderstand-Segmenten 2a, 2b und dem Magnet 3 jeweils mit hoher Genauigkeit angeordnet sind, und 4(c) und (d) zeigen Fälle, bei denen deren relative Lagen jeweils nicht ausgerichtet sind. 4(a) und (b) sind Beispiele eines Magnetdetektors, der mit hoher Genauigkeit angeordnet ist, und bei denen (a) einen Fall zeigt, bei dem magnetische bewegliche Körper 1 nahe an den Magnetowiderstand-Segmenten 2a und 2b ist, und (b) einen Fall zeigt, bei dem der magnetische bewegliche Körper 1 von den Magnetowiderstand-Segmenten 2a und 2b entfernt ist. In beiden Fällen sind die in einer Ebene angeordneten Magnetfelder, die auf die Magnetowiderstand-Segmente 2a und 2b einwirken, gleich. Das heißt, ein bezüglich den Magnetowiderstand-Segmenten vertikales Magnetfeld und ein horizontales Magnetfeld sind äquivalent.
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Andererseits sind für den Fall, dass die Lagebeziehung zwischen den Magnetowiderstand-Segmenten 2a, 2b und dem Magnet 3 unausgerichtet ist, wie in 4(c) und (d) gezeigt ist, die in der Ebene liegenden Magnetfelder, die auf die Magnetowiderstand-Segmente 2a, 2b wirken, ungleich. Das heißt, was das Magnetowiderstand-Segment 2a anbelangt, ergibt es sich, dass eine horizontale Magnetfeldkomponente entlang dessen Längsseite intensiver ist. Was andererseits das Magnetowiderstand-Segment 2b anbelangt, ergibt es sich, dass eine vertikale Magnetfeldkomponente entlang dessen Längsseite intensiver ist. Daher sind das vertikale Magnetfeld und das horizontale Magnetfeld bezüglich der Magnetowiderstand-Segmente 2a, 2b nicht gleich.
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Im Folgenden werden Merkmale eines anzulegenden Magnetfeldes und eine Änderung in den Widerstandswerten eines GMR-Elementes, das ein Magnetowiderstand-Element ist, beschrieben. Das GMR-Element ist ein in einer Ebene magnetosensitives Element und hat einen relativ großen Magnetowiderstandseffekt (MR-Effekt, Rate der Änderung des Magnetowiderstands) im Vergleich mit einem Magnetowiderstands-Element (MR-Element); und da dieses Element nur von einem Relativwinkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen von benachbarten magnetischen Schichten abhängt, kann dieselbe Änderung in den Widerstandswerten selbst dann erhalten werden, wenn die Richtung eines externen Magnetfeldes in Bezug auf den Strom eine Winkeldifferenz aufweist.
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5(a) und (b) zeigen die Beziehungen zwischen der Intensität eines Magnetfeldes eines GMR-Elementes und einem Widerstandswert eines GMR-Elementes. 5(a) zeigt einen Fall, bei dem die relativen Lagen zwischen den Magnetowiderstand-Segmenten 2a, 2b und dem Magnet 3 mit hoher Genauigkeit angeordnet sind. 5(b) zeigt den Fall, bei dem die genannten relativen Lagen nicht ausgerichtet sind. Bei dem GMR-Element wird bezüglich einem in der Ebene anliegenden Magnetfeld ein Unterschied zwischen den Widerstandswerten des GMR-Elementes hervorgerufen, und zwar infolge der Wirkung des Magnetfeldes in einer vertikalen Richtung (der Richtung, die in 4(a) mit dem Pfeil A angezeigt ist) und in einer horizontalen Richtung (die Richtung, die in 4(a) mit dem Pfeil B angezeigt ist) bezogen auf die Form (das Muster) des GMR-Elementes. In 5(a) und (b) zeigt eine dicke Linie ein paralleles Magnetfeld, das auf ein GMR-Muster wirken möge, und eine dünne Linie zeigt ein vertikales Magnetfeld an, das auf ein GMR-Muster wirken möge.
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Pfeile in 5(a) zeigen Bereiche eines Widerstandswertes und eines Magnetfeldes eines GMR-Elementes für den Fall an, dass die in 4 gezeigten in der Ebene liegenden Magnetfelder gleich bzw. ausgewogen sind, und sie zeigen, dass diese Bereiche mittig zwischen dem vertikalen Magnetfeld und dem horizontalen Magnetfeld liegen. Darüber hinaus zeigen die Pfeile von 5(b) Bereiche eines Magnetfeldes und eines Widerstandes eines GMR-Elementes für den Fall an, dass die in der Ebene liegenden Magnetfelder, die in 4(c) und 4(d) gezeigt sind, ungleich bzw. unausgewogen sind, und sie zeigen, dass das Magnetowiderstand-Segment 2a ein größeres horizontales Magnetfeld besitzt und das Magnetowiderstand-Segment 2b ein größeres vertikales Magnetfeld besitzt. In dem Fall, bei dem die in der Ebene liegenden Magnetfelder ungleich bzw. unausgewogen sind, wie es in 5(b) gezeigt ist, ergibt sich ein Unterschied in dem Bereich der Änderung des Widerstandswertes zwischen dem Magnetowiderstand-Segment 2a und dem Magnetowiderstand-Segment 2b. Das heißt, der Bereich der Widerstandsänderung im Magnetowiderstand-Segment 2a wird geringer als der Bereich der Widerstandsänderung im Magnetowiderstand-Segment 2b.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird der Betrieb eines Magnetdetektors für den Fall beschrieben, dass die Magnetowiderstand-Segmente 2a, 2b und der Magnet 3 nicht miteinander ausgerichtet sind. In 6 zeigt (a) jeweils Positionen des magnetischen beweglichen Körpers 1, (b) zeigt jeweils Widerstandswerte der Magnetowiderstand-Segmente 2a, 2b, (c) zeigt jeweils Ausgaben aus der Differentialverstärker-Schaltung 12 und (d) zeigt jeweils Endausgaben.
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Wie in 6(c) und (d) gezeigt ist, wird ein Unterschied in den Änderungen des Widerstandswertes des GMR-Elementes erzeugt, und eine Ausgabe-Wellenform aus der Differentialverstärker-Schaltung 12 wird zu einer Seite verschoben. Da der Spannungswert der Vergleicherschaltung 13 nicht geändert wird, ergibt sich eine Verschiebung der Ausgabesignale verglichen mit dem Fall, in dem die Magnetowiderstand-Segmente 2a, 2b und der Magnet 3 miteinander ausgerichtet sind, was zu einer erheblichen Verringerung der Detektionsgenauigkeit führt.
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Die
DE 103 33 249 A1 betrifft eine magnetische Erfassungsvorrichtung mit zwei Magnetowiderstandselementen zum Erfassen eines Magnetfelds, einem Magneten zum Anlegen eines Magnetfelds an die Magnetowiderstandselemente, einem beweglichen Körper, welcher das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld verändert und einem Verarbeitungsschaltungsteil zur Ausgabe eines Signals, das auf einer Änderung in den Widerstandswerten der Magnetowiderstandselementen beruht. Die
DE 101 27 754 A1 zeigt Details einer magnetoresistiven Schichtanordnung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetdetektor zu erhalten, der eine konsistente Detektionsgenauigkeit eines magnetischen beweglichen Körpers hat, welcher Gegenstand der Detektion ist, selbst wenn die relative Lage zwischen den Magnetowiderstands-Elementen und einem Magnet infolge einer Variation im Herstellungsprozess nicht ausgerichtet ist.
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Ein erfindungsgemäßer Magnetdetektor beinhaltet: einen ein Magnetfeld detektierenden Teil, der aus mindestens zwei Magnetwiderstands-Elementen gebildet wird, einen Magnet, um an den genannten Magnetowiderstand-Elementen ein Magnetfeld anzulegen, einen magnetischen beweglichen Körper, um das Magnetfeld, das von dem genannten Magnet erzeugt wird, zu ändern, und einen Verarbeitungsschaltungsteil zum Ausgeben eines Signals, das auf einer Änderung der Widerstandswerte der genannten Magnetowiderstands-Elemente infolge einer Änderung des genannten Magnetfeldes basiert; und bei diesem Magnetdetektor ist die Form der genannten Magnetowiderstand-Elemente punktsymmetrisch und ein Spiralmuster eines Polygons.
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Als Ergebnis daraus ist es möglich, den Einfluss der Variationen bei der Herstellung auf die Detektionsgenauigkeit des drehbeweglichen Körpers zu eliminieren.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlicher.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1(a), (b) und (c) sind Ansichten, die jeweils einen Aufbau eines herkömmlichen Magnetdetektors zeigen, wobei 1(a) eine perspektivische Ansicht, 1(b) eine Draufsicht und 1(c) eine vergrößerte Ansicht eines Magnetowiderstand-Segmentes ist.
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2 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Verarbeitungsschaltungsteils des herkömmlichen Magnetdetektors zeigt.
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3 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb des herkömmlichen Magnetdetektors zeigt.
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4(a), (b), (c) und (d) sind Ansichten des herkömmlichen Magnetdetektors, die schematisch die Fälle der Figuren (a) und (b) zeigen, bei denen die relativen Lagen der Magnetowiderstand-Segmente und des Magneten mit großer Genauigkeit ausgerichtet sind, und die Fälle der Figuren (c) und (d), bei denen deren relative Lagen nicht ausgerichtet sind.
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5(a) und (b) sind grafische Diagramme, die jeweils eine Beziehung zwischen der Intensität des Magnetfeldes und des Widerstandswertes des GMR-Elementes zeigen.
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6 zeigt den herkömmlichen Magnetdetektor und besteht aus Zeitdiagrammen, die jeweils den Betrieb des Magnetdetektors in dem Fall zeigen, bei dem die jeweiligen Anordnungen nicht synchron sind.
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7(a), (b) und (c) sind Ansichten, die jeweils den Aufbau eines Magnetdetektors gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei 7(a) eine perspektivische Ansicht, 7(b) eine Draufsicht und 7(c) eine vergrößerte Ansicht eines Magnetowiderstand-Segmentes ist.
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8(a), (b), (c) und (d) sind Ansichten des Magnetdetektors nach Ausführungsform 1 der Erfindung, die schematisch die Fälle der Figuren (a) und (b) zeigen, bei denen die relativen Lagen der Magnetowiderstand-Segmente und des Magneten mit hoher Genauigkeit ausgerichtet sind, und die Fälle der Figuren (c) und (d), bei denen deren relative Lagen unausgerichtet sind.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Ausführungsform 1
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Ein Magnetdetektor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 7(a), (b) und (c) sind Ansichten, die den Aufbau eines Magnetdetektors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen. Bei den Zeichnungen ist 7(a) eine perspektivische Ansicht, 7(b) ist eine Draufsicht und 7(c) ist eine vergrößerte Ansicht eines Magnetowiderstand-Segmentes. Bei den Figuren bezeichnet Bezugszeichen 1 einen magnetischen beweglichen Körper, der eine Form hat, durch die ein Magnetfeld verändert wird, z. B. Vorsprünge an einem Umfang einer Scheibe. Bezugszeichen 2 bezeichnet ein Verarbeitungsschaltungsteil, bei dem eine Schaltung auf die Fläche einer Platine gedruckt ist. Bezugszeichen 2a und 2b bezeichnen Magnetowiderstand-Segmente. Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Magneten. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Drehachse des magnetischen beweglichen Körpers 1. Der bewegliche Körper 1 dreht sich synchron mit der Drehung dieser Drehachse 4 ebenfalls. Darüber hinaus sind die Magnetowiderstand-Segmente 2a und 2b in 7(b) als ein schwarzes Kästchen dargestellt, da die jeweiligen Segmente dicht geballt sind, und ein Segment nicht unabhängig dargestellt werden kann.
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7(c) zeigt eine vergrößerte Ansicht eines jeden Magnetowiderstand-Segmentes.
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Die Form des Magnetowiderstand-Segmentes ist ein Polygon mit einer n-fachen Winkelsymmetrie bzw. Rotationssymmetrie bezüglich einem Punkt. Das ”n” kann ein jeder Wert sein, bis zu einem Grad, dass keine anisotropischen Eigenschaften in der Form vorliegen. Angenommen, dass gilt n = ∞, dann ist seine Form ein Kreis. Für den Fall, dass ein Magnetowiderstand-Segment in einer Ebene eine symmetrische Form hat, wird das Magnetowiderstand-Segment der Einwirkung von omni-direktionalen Magnetfeldern in einer Ebene von einem führenden Ende zu einem hinterem Ende des Magnetowiderstand-Segmentes ausgesetzt. Das heißt, ein in der Ebene liegendes Magnetfeld, das auf das Magnetowiderstand-Segment einwirkt, hat bezogen auf ein beliebig ein-direktionales Magnetfeld keine Richtungseigenschaften, und hat keine Anisotropie.
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8(a), (b), (c) und (d) zeigen schematisch eine Änderung in den Magnetfeldern, die die Variation im Herstellungsprozess simulieren. 8(a) und (b) sind Beispiele eines Magnetdetektors, der mit großer Genauigkeit hergestellt ist. Die in einer Ebene angeordneten Magnetfelder, die auf die Magnetowiderstand-Segmente 2a, 2b einwirken, sind gleich bzw. ausgewogen, sowohl für den Fall, dass der magnetische bewegliche Körper 1 den Magnetowiderstand-Segmenten 2a, 2b nahe kommt, als auch für den Fall, dass der magnetische bewegliche Körper 1 von ihnen entfernt ist. Das heißt, ein vertikales Magnetfeld und ein horizontales Magnetfeld in einer Ebene sind gleich oder bzw. ausgewogen. Für den Fall, dass eine Lagebeziehung zwischen den Magnetowiderstand-Segmenten 2a, 2b und dem Magneten infolge einer Variation, die beim Herstellungsprozess auftritt, unausgerichtet ist, wie in 8(c) und (d) gezeigt ist, ergeben sich die in einer Ebene angeordneten Magnetfelder, die an den Magnetowiderstand-Segmenten 2a, 2b anliegen werden, wie folgt. Das heißt, das Magnetowiderstand-Segment 2a hat eine größere horizontale Magnetfeldkomponente, und das Magnetowiderstand-Segment 2b hat eine größere vertikale Magnetfeldkomponente.
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Da jedoch das Magnetowiderstand-Segment gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung keine anisotropische Formeigenschaften hat, sind die Magnetowiderstand-Segmente 2a, 2b der Einwirkung von omni-direktionalen Magnetfeldern von einem führenden Ende zu einem hinteren Ende ausgesetzt. Daher gibt es keinen Unterschied zwischen einem Bereich der Änderung in den Widerstandswerten des Magnetowiderstand-Segmentes 2a und einem Bereich der Änderung in den Widerstandswerten des Magnetowiderstand-Segmentes 2b, so dass keine Lageverschiebung in den Ausgabesignalen hervorgerufen wird. Dementsprechend sind die Wellenformen sowohl für den Fall, dass die Lagebeziehung zwischen den Magnetowiderstand-Segmenten 2a, 2b und dem Magnet 3 unausgerichtet ist, als auch für den Fall, dass die Lagebeziehung mit hoher Genauigkeit ausgerichtet ist, synchron.
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Obwohl die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Offenbarungen nur dem Zweck der Illustration dienen, und dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er in den anhängenden Ansprüchen dargelegt ist.
