DE102006035661B4

DE102006035661B4 - Magnetfelderfassungsvorrichtung und Verfahren zu deren Einstellung

Info

Publication number: DE102006035661B4
Application number: DE102006035661.6A
Authority: DE
Inventors: Taisuke Furukawa; Hiroshi Kobayashi; Takashi Takenaga; Takeharu Kuroiwa; Sadeh Beysen; Masakazu Taki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: CN1924603B; DE102006035661A1; JP4573736B2; CN1924603A; JP2007064813A; US20070047152A1; US7786725B2

Abstract

Magnetfelderfassungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Magnetwiderstandseffektelement (2) mit einer ersten ferromagnetischen Schicht (12) und einer zweiten ferromagnetischen Schicht (16), die mit einer dazwischenliegenden ersten nichtmagnetischen Schicht (14, 15) aufeinandergesetzt sind; und eine Erfassungsschaltung (6), um ein externes Magnetfeld, das an das Magnetwiderstandseffektelement (2) angelegt wird, auf Grundlage des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements (2) zu erfassen, wobei die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ungeachtet des externen Magnetfelds feststeht, sich die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) mit dem externen Magnetfeld ändert, sich das Magnetwiderstandseffektelement (2) im Widerstandswert in Übereinstimmung mit der Korrelation zwischen den Magnetisierungsrichtungen der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht ändert, die Magnetfelderfassungsvorrichtung darüber hinaus eine Vormagnetisiereinheit (4) umfasst, um ein Vormagnetisierungsfeld, das eine magnetische Feldkomponente senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht aufweist, an das Magnetwiderstandseffektelement anzulegen und eine Kennlinie des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements (2) auf das externe Magnetfeld abzuändern, und die Erfassungsschaltung (6) konfiguriert ist, um das externe magnetische Feld zu detektieren, basierend auf dem Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements (2) und einer Erfassungsempfindlichkeit in Abhängigkeit von dem Wert der magnetischen Feldkomponente senkrecht auf die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfelderfassungsvorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen der Vorrichtung bzw. insbesondere auf eine Magnetfelderfassungsvorrichtung mit einem Magnetwiderstandseffektelement mit einem Spinvalve- oder Drehventilaufbau und ein Verfahren zum Einstellen der Vorrichtung.
Beschreibung des Stands der Technik
Ein Verfahren zum Erfassen der Winkelposition und der Drehzahl einer drehenden Einheit wie einem Motor auf Grundlage der Veränderung des Magnetfelds eines Magneten, der auf der Fläche der drehenden Einheit angeordnet ist, ist bekannt. Die herkömmliche Magnetfelderfassungsvorrichtung, die ein Hall-Element oder ein Magnetwiderstandseffektelement umfasst, wird im Allgemeinen als Einrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds verwendet.
Das Hall-Element nutzt den Hall-Effekt, bei dem, wenn ein Gleichstrom entlang der langen Seite einer Dünnschicht wie einem Halbleiter oder dergleichen zugeführt und ein Magnetfeld aus der zur langen Seite der Dünnschicht senkrechten Richtung her angelegt wird, eine Spannung in der Richtung entlang der Ebene des Halbleiters erzeugt wird. Das Magnetwiderstandseffektelement wiederum nutzt die MR-Wirkung (MR-magnetoresistance, also Magnetwiderstand), bei der sich der Widerstandswert unter der Einwirkung eines Magnetfelds verändert. Im Falle, dass eine hohe Erfassungsgenauigkeit erforderlich ist, wird im Allgemeinen eine Magnetfelderfassungsvorrichtung verwendet, die ein Magnetwiderstandseffektelement umfasst.
Das Magnetwiderstandseffektelement umfasst ein anisotropes Magnetwiderstandseffektelement (im Nachstehenden manchmal als AMR-Element bezeichnet), das die anisotrope Magnetwiderstandswirkung eines ferromagnetischen Werkstoffs nutzt, ein Riesen-Magnetwiderstandseffektelement (im Nachstehenden manchmal als GMR-Element – Giant Magnetoresistance Effect Element bezeichnet), um eine hohe Widerstandsveränderungsrate mit einem Stapelaufbau aus einem ferromagnetischen und einem nichtmagnetischen Teil zu entwickeln, und ein Tunnel-Magnetwiderstandseffektelement (im Nachstehenden manchmal als TMR-Element bezeichnet), um den Tunneleffekt zu erzeugen.
Die JP 2004-069546 A offenbart beispielsweise eine Magnetfelderfassungsvorrichtung, die ein GMR-Element aufweist und eine bewegliche Einheit erfasst, die sich synchron mit einer Drehwelle dreht. Die in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2004-069546 offenbarte Magnetfelderfassungsvorrichtung ist so aufgebaut, dass das Nullmagnetfeld dadurch nicht gekreuzt wird, dass ein Vormagnetisierungsfeld an das GMR-Element angelegt wird.
In jüngster Zeit wurden ein GMR-Element und ein TMR-Element mit einem Spinvalve-Aufbau vorgeschlagen, die eine größere Widerstandswertveränderungsrate aufweisen und in der Lage sind, eine hohe Erfassungsgenauigkeit zu bewerkstelligen. Der Spinvalve-Aufbau besitzt einen Stapel von Schichten einschließlich einer freien Schicht, wobei deren Magnetisierungsrichtung sich mit einem externen Magnetfeld ändert, und einer Pin- oder unveränderlichen Schicht, wobei deren Magnetisierungsrichtung im Hinblick auf ein externes Magnetfeld feststeht.
Die JP H04-358 310 A offenbart beispielsweise einen Magnetwiderstandssensor mit einem Spinvalve-Aufbau. Auch offenbart die JP 2001-217478 A ein TMR-Element mit einem Spinvalve-Aufbau. Darüber hinaus offenbart die JP H11-298063 A ein TMR-Element mit einem Spinvalve-Aufbau, wobei die freie Schicht unter Verwendung einer Permanentmagnetschicht ausgeführt ist.
Es wurde auch eine Erfassungsvorrichtung vorgeschlagen, die diese Magnetwiderstandseffektelemente mit dem Spinvalve-Aufbau verwendet. Die JP H08-226 960 A offenbart beispielsweise eine Wheatstone-Brückenschaltung, die aus vier GMR-Elementen mit dem Spinvalve-Aufbau besteht. Auch offenbart die JP 2003-215 145 A (= US 2003/013 73 381 A1 ) eine Drehzahlerfassungsvorrichtung,die das TMR-Element mit dem Spinvalve-Aufbau einsetzt.
Wie in 2 der JP H08-226 960 A gezeigt ist, hat das Magnetwiderstandseffektelement mit dem Spinvalve-Aufbau einen linearen Kennlinienbereich, der einen Widerstandswert erzeugt, der im Wesentlichen proportional zum externen Magnetfeld ist, und einen gesättigten Bereich, der ungeachtet des externen Magnetfelds einen vorbestimmten Widerstandswert erzeugt.
Mit Bezug auf 39 wird der Widerstandswert R des Magnetwiderstandseffektelements ausgedrückt als: R = Rm + ΔR/2 × Hex/Hk (Linearbereich: –Hk ≤ Hex ≤ Hk) R = Rm + ΔR/2 = Rmax (gesättigter Bereich: Hex ≥ Hk) R = Rm – ΔR/2 = Rmin (gesättigter Bereich: Hex ≤ –Hk), worin Hex das externe Magnetfeld und Hk die Größenordnung des gesättigten Magnetfelds des Magnetwiderstandseffektelements ist.
Allgemein kann die Erfassungsvorrichtung, die ein Magnetwiderstandseffektelement mit dem Spinvalve-Aufbau verwendet, ein Magnetfeld aus einem linearen Kennlinienbereich heraus nicht genau erfassen, und deshalb ist der Erfassungsbereich des externen Magnetfelds auf die Größenordnung des gesättigten Magnetfelds beschränkt.
Beim Erfassen einer winzigen Wechselstromkomponente aus einem externen Magnetfeld, das eine große Gleichstromkomponente enthält, stellt sich deshalb das Problem, dass, sobald die Gleichstromkomponente die Größenordnung des gesättigten Magnetfelds überschreitet und das Magnetwiderstandseffektelement in einen gesättigten Zustand gerät, eine winzige Wechselstromkomponente nicht erfasst werden kann.
Darüber hinaus wird die Größenordnung des gesättigten Magnetfelds durch die physikalischen Eigenschaften wie Material, Dicke und Form der freien Schicht bestimmt. Deshalb erfordert die Entwicklung und die Herstellung des Magnetwiderstandseffektelements für verschiedene Anwendungen einen erheblichen Arbeitsaufwand und erhöht die Kosten.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, eine Magnetfelderfassungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, den Erfassungsbereich und die Erfassungsempfindlichkeit je nach besonderer Anwendung beliebig zu ändern.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einstellen der Magnetfelderfassungsvorrichtung bereitzustellen, mit dem das externe Magnetfeld mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.
Diese Aufgaben werden durch die in den Haupt- bzw. Nebenansprüchen angegebenen Gegenstände gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Magnetfelderfassungsvorrichtung mit einem Magnetwiderstandseffektelement bereitgestellt, das eine erste und eine zweite ferromagnetische Schicht, die mit einer dazwischenliegenden nichtmagnetischen Schicht aufeinandergesetzt sind, und eine Erfassungsschaltung umfasst, um auf Grundlage des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements das externe Magnetfeld zu erfassen, das am Magnetwiderstandseffektelement anliegt. Die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht ist unveränderlich, ungeachtet des externen Magnetfelds, und die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht verändert sich je nach dem externen Magnetfeld, und wobei sich der Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements je nach dem Verhältnis zwischen den Magnetisierungsrichtungen in der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht ändert, wobei die Magnetfelderfassungsvorrichtung darüber hinaus eine Vormagnetisierungseinheit umfasst, um ein Vormagnetisierungsfeld an das Magnetwiderstandseffektelement anzulegen und eine Widerstandswertkennlinie des Magnetwiderstandseffektelements auf das externe Magnetfeld abzuändern.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Einstellen der Magnetfelderfassungsvorrichtung bereitgestellt, das in der Lage ist, das durch eine bewegliche Einheit erzeugte externe Magnetfeld zu erfassen, die bewegt wird, um sich einer ersten und einer zweiten Position anzunähern. Die Magnetfelderfassungsvorrichtung umfasst ein erstes bis viertes Magnetwiderstandseffektelement, wovon jedes eine erste und eine zweite ferromagnetische Schicht, die mit einer dazwischen angeordneten nichtmagnetischen Schicht aufeinandergesetzt sind, und eine Erfassungsschaltung, um auf Grundlage des Widerstandswerts des ersten bis vierten Magnetwiderstandseffektelements das externe Magnetfeld zu erfassen, und eine Vormagnetisierungseinheit, um ein Vormagnetisierungsfeld an das erste bis vierte Magnetwiderstandseffektelement anzulegen. Die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht ist unveränderlich, ungeachtet des externen Magnetfelds, und die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht verändert sich mit dem externen Magnetfeld, wobei sich der Widerstandswert jedes der Magnetwiderstandseffektelemente je nach dem Verhältnis der Magnetisierungsrichtung zwischen der ersten und der zweiten ferromagnetischen Schicht ändert, wobei das erste und das zweite Magnetwiderstandseffektelement an einer ersten Position angeordnet sind, und das dritte und vierte Magnetwiderstandseffektelement an einer zweiten Position angeordnet sind, wobei jedes der Magnetwiderstandseffektelemente so angeordnet ist, dass die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht gleich der Richtung des externen Magnetfelds ist. Die Erfassungsschaltung bildet eine Brückenschaltung, wobei das erste und das zweite Magnetwiderstandseffektelement ein Paar von Gegenseiten und das dritte und vierte Magnetwiderstandseffektelement das andere Paar von Gegenseiten bilden, wobei auf Grundlage des Potentialunterschieds zwischen entgegengesetzten Punkten der Brückenschaltung ein externes Magnetfeld erfasst wird, das durch den Unterschied des Widerstandswerts zwischen dem Paar aus erstem und zweitem Magnetwiderstandseffektelement und dem Paar aus drittem und viertem Magnetwiderstandseffektelement aufgrund der Bewegung der beweglichen Einheit bewirkt wird.
Nach noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Einstellen der Magnetfelderfassungsvorrichtung bereitgestellt, das den Schritt umfasst, die Position der Vormagnetisierungseinheit so zu bestimmen, dass die Potentiale an entgegengesetzten Punkten der Brückenschaltung übereinstimmen, oder der Potentialunterschied zwischen entgegengesetzten Punkten der Brückenschaltung Null beträgt.
Nach dem einem Aspekt der Erfindung verändert sich die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht mit dem externen Magnetfeld, und der Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements verändert sich je nach dem Verhältnis zwischen der veränderten Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht und der unveränderlichen Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht. Eine Vormagnetisierungseinheit legt ein Vormagnetisierungsfeld an, um dadurch die Kennlinie der Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht zu ändern, um dadurch die Kennlinie des Widerstandswerts im Hinblick auf das externe Magnetfeld zu ändern. Somit ist es möglich, die Magnetfelderfassungsvorrichtung zu verwirklichen, die in der Lage ist, den Erfassungsbereich und die Erfassungsempfindlichkeit frei je nach einer besonderen Anwendung beliebig zu ändern.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird die Position der Vormagnetisierungseinheit so bestimmt, dass sich die Brückenschaltung, wenn kein externes Magnetfeld angelegt ist, im Gleichgewicht befindet. Somit ist es möglich, die Einstellung der Magnetfelderfassungsvorrichtung so auszuführen, dass sie das externe Magnetfeld mit hoher Genauigkeit erfassen kann.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekt und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau einer Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau eines Magnetwiderstandseffektelements zeigt;
3 ist ein Schaubild, das den wesentlichen Abschnitt eines Magnetwiderstandseffektelements zeigt, das aus einem TMR-Element besteht
4 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau einer Erfassungsschaltung zeigt;
die 5A und 5B sind Schaubilder, die den wesentlichen Abschnitt einer Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
6 ist ein schematisches Schaubild, welches das Verhältnis zwischen dem externen Magnetfeld und dem Widerstandswert der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
die 7A und 7B zeigen ein Beispiel für das Verhältnis zwischen der Vormagnetisierungseinheit und dem Vormagnetisierungsfeld;
8 zeigt ein Beispiel für das Verhältnis zwischen dem externen Magnetfeld und dem Widerstandswert beim räumlichen Abstand von 2,5 mm von 7B;
9 ist ein Schaubild, das den wesentlichen Abschnitt des Magnetwiderstandseffektelements und der Erfassungsschaltung zeigt;
die 10A und 10B sind Schaubilder, die den wesentlichen Abschnitt des Magnetwiderstandseffektelements zeigen, das aus einem GMR-Element besteht;
11 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau des Magnetwiderstandseffektelements zeigt, das eine Pin- oder unveränderliche Schicht mit einem SAF-Aufbau umfasst;
die 12A und 12B sind Schaubilder, die den wesentlichen Abschnitt einer Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
13 ist ein schematisches Schaubild, welches das Verhältnis zwischen dem externen Magnetfeld und dem Widerstandswert der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
14 zeigt ein Beispiel für das Verhältnis zwischen dem externen Magnetfeld und dem Widerstandswert in dem Fall, bei dem der in 7 gezeigte SmCo-Magnet als Vormagnetisierungseinheit verwendet wird;
die 15A und 15B sind Schaubilder, die den wesentlichen Abschnitt einer Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
16 ist ein Schaubild zur Erläuterung des Vormagnetisierungsfelds, das an das Magnetwiderstandseffektelement der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der dritten Ausführungsform der Erfindung angelegt wird;
17 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung der Vormagnetisierungseinheit im Hinblick auf das Magnetwiderstandseffektelement;
18 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau einer Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
die 19A und 19B sind Schaubilder, die den wesentlichen Abschnitt einer Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
20 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau der Erfassungsschaltung zeigt;
21 ist ein Schaubild zur Erläuterung der Veränderung des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements, wobei die freie Schicht gesättigt ist;
22 ist ein Schaubild zur Erläuterung des Vormagnetisierungsfelds, das an das Magnetwiderstandseffektelement der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der vierten Ausführungsform der Erfindung angelegt wird;
die 23A und 23B sind Schaubilder zur Erläuterung der Veränderung der Empfindlichkeit der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der vierten Ausführungsform der Erfindung;
die 24A und 24B sind Schaubilder, die den wesentlichen Abschnitt einer Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigen;
25 ist ein Schaubild zur Erläuterung des Vormagnetisierungsfelds, das an das Magnetwiderstandseffektelement der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der fünften Ausführungsform der Erfindung angelegt wird;
26 ist ein Schaubild, das den wesentlichen Abschnitt einer Stromerfassungsschaltung zeigt, die sich einer Magnetfelderfassungsschaltung nach der fünften Ausführungsform bedient;
27 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau einer Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
28 ist ein Schaubild, das den wesentlichen Abschnitt der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
29 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau der Erfassungsschaltung zeigt;
30 ist ein Schaubild zur Erläuterung des externen Magnetfelds und des Vormagnetisierungsfelds, die an das Magnetwiderstandseffektelement der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der sechsten Ausführungsform der Erfindung angelegt werden;
31 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis zwischen der Lageveränderung einer Magnetfelderzeugungseinheit und dem Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements zeigt;
32 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis zwischen der Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit und dem von der Erfassungsschaltung abgegebenen Erfassungssignal zeigt;
33 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau der Erfassungsschaltung zum Einstellen der Position der Vormagnetisierungseinheit zeigt;
34 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau der Magnetfelderfassungseinheit nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
35 ist ein Schaubild, das den wesentlichen Abschnitt der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
36 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau der Erfassungsschaltung zeigt;
37 ist ein Schaubild zur Erläuterung des externen Magnetfelds und des Vormagnetisierungsfelds, die an das Magnetwiderstandseffektelement der Magnetfelderfassungsvorrichtung nach der siebten Ausführungsform angelegt werden;
die 38A und 38B sind Schaubilder, welche das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel der Magnetfelderzeugungseinheit und dem Spannungssignal in der Erfassungsschaltung zeigen; und
39 ist ein schematisches Schaubild, welches das Verhältnis zwischen dem externen Magnetfeld und dem Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements mit dem Spinvalve- oder Drehventilaufbau zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend im Einzelnen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind gleiche oder entsprechende Bauteile jeweils mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht immer wieder erläutert.
[Erste Ausführungsform]
Mit Bezug auf 1 umfasst eine Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Magnetwiderstandseffektelement 2, eine Vormagnetisierungseinheit 4 und eine Erfassungsschaltung 6.
Bei dem Magnetwiderstandseffektelement 2 handelt es sich um ein TMR-Element oder ein GMR-Element mit dem Spinvalve- oder Drehventilaufbau. Das Magnetwiderstandseffektelement 2 nimmt ein zu erfassendes externes Magnetfeld und ein Vormagnetisierungsfeld von der Vormagnetisierungseinheit 4 auf und verändert sich entsprechend mit den aufgenommenen Magnetfeldern im Widerstandswert. Die folgende Beschreibung der ersten Ausführungsform erfolgt für den Fall eines Magnetwiderstandseffektelements 2, das aus einem TMR-Element mit dem Spinvalve-Aufbau besteht.
Die Erfassungsschaltung 6 legt eine vorbestimmte Spannung oder einen vorbestimmten Strom an das Magnetwiderstandseffektelement 2 an, erfasst den im Magnetwiderstandseffektelement 2 entstandenen Widerstandswert und gibt ein Erfassungssignal ab, das dem externen Magnetfeld entspricht. Die Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 kann darüber hinaus eine arithmetische Operationsschaltung umfassen, um das Erfassungssignal aus der Erfassungsschaltung 6 zu empfangen und ein Signal abzugeben, das die Größenordnung des externen Magnetfelds angibt.
Die Vormagnetisierungseinheit 4 legt ein vorbestimmtes Vormagnetisierungsfeld an das Magnetwiderstandseffektelement 2 an und ändert somit dessen Widerstandswertkennlinie auf diejenige des externen Magnetfelds ab. Insbesondere verändert die Vormagnetisierungseinheit 4 die Erfassungseigenschaften, einschließlich des Erfassungsbereichs und der Erfassungsempfindlichkeit für das externe Magnetfeld, das vom Magnetwiderstandseffektelement 2 erfasst wird. Die Vormagnetisierungseinheit 4 besteht aus einem Magneten, einem Elektromagneten, einer elektromagnetischen Spule oder einer auf einem Substrat ausgebildeten ferromagnetischen Dünnschicht, wovon aber ein Magnet vorzuziehen ist, der ein Vormagnetisierungsfeld ohne äußere Stromzufuhr erzeugt. Die erste Ausführungsform wird nachstehend für den Fall beschrieben, bei dem die Vormagnetisierungseinheit 4 aus einem Magneten besteht.
Mit Bezug auf 2 hat das Magnetwiderstandseffektelement 2 einen Lagenaufbau aus einer antiferromagnetischen Schicht 10, einer ferromagnetischen Schicht 12, einer nichtmagnetischen Schicht 14 und einer ferromagnetischen Schicht 16, die in dieser Reihenfolge zusammengefügt sind. Die ferromagnetischen Schichten 12 und 16 werden durch das interne bzw. externe Magnetfeld magnetisiert.
Die der antiferromagnetischen Schicht 10 hinzugefügte ferromagnetische Schicht 12 erzeugt ein Austauschkopplungsfeld, wobei die Magnetisierungsrichtung ungeachtet des externen Magnetfelds feststeht. Die ferromagnetische Schicht 12 mit der auf diese Weise unveränderlichen Magnetisierungsrichtung wird nachstehend auch als Pin- oder unveränderliche Schicht bezeichnet.
Die ferromagnetische Schicht 16 ist andererseits der nichtmagnetischen Schicht 14 hinzugefügt, und wird deshalb durch die ferromagnetische Schicht 12 und die antiferromagnetische Schicht 10 nicht beeinflusst, und ändert sich in der Magnetisierungsrichtung entsprechend dem externen Magnetfeld. Die ferromagnetische Schicht 16, deren Magnetisierungsrichtung sich auf diese Weise entsprechend dem externen Magnetfeld verändert, wird nachstehend auch als freie Schicht bezeichnet.
Das Magnetwiderstandseffektelement 2, das aus dem TMR-Element aufgebaut ist, kann beispielsweise aus einer antiferromagnetischen Schicht 10 aus IrMn, einer ferromagnetischen Schicht 12 mit einer Zusammensetzung aus NiFe und CoFe, einer nichtmagnetischen Schicht 14 aus Al₂O₃ und einer ferromagnetischen Schicht 16 aus NiFe bestehen.
Außerdem lassen sich FeMn, IrMn oder PtMn für die antiferromagnetische Schicht 10 verwenden. Auch lassen sich die ferromagnetischen Schichten 12 und 16 aus einem Metallwerkstoff herstellen, der Co, Ni oder Fe als Hauptbestandteil enthält, wie etwa Co, Fe, eine CoFe-Legierung, CoNi oder eine CoFeNi-Legierung, oder eine Legierung wie NiMnSb oder CoMnGe. Bei der nichtmagnetischen Schicht 14 kann es sich um einen isolierenden Werkstoff handeln, der den Tunneleffekt bewirkt, wie etwa ein Metalloxid wie Ta₂O₅, SiO₂ oder MgO oder ein Fluoridmetall.
Der Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements 2 verändert sich entsprechend dem Verhältnis zwischen der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) und der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht). Speziell verändert sich der Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements 2 entsprechend dem Winkel zwischen dem sich je nach dem externen Magnetfeld drehenden magnetischen Vektor der ferromagnetischen Schicht 16 und dem magnetischen Vektor der unveränderlichen ferromagnetischen Schicht 12.
Dem aus dem TMR-Element aufgebauten Magnetwiderstandseffektelement 2 wird durch einen Draht 8.1, der an die ferromagnetische Schicht 16 angeschlossen ist, und einen Draht 8.2, der an die ferromagnetische Schicht 12 angeschlossen ist, auf eine solche Weise Strom zugeführt, dass dieser zwischen den ferromagnetischen Schichten 12 und 16 durch die nichtmagnetischen Schicht 14 fließt, die ein Isolierglied bildet. Insbesondere verändert sich der Tunnelstrom, der durch den Tunneleffekt durch die nichtmagnetische Schicht 14 aus isolierendem Material fließt, entsprechend dem externen Magnetfeld und somit ändert sich auch der Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements 2.
Die Abmessung jeder zu den Übergangsflächen senkrechten Schicht, d. h. die Dicke jeder Schicht des Magnetwiderstandseffektelements 2, beträgt in etwa 1/100 der Abmessung der kurzen Seite jeder Schicht auf den Flächen. Im Ergebnis wird das Magnetwiderstandseffektelement 2 stark durch die Magnetformanisotropie beeinflusst, und die zu den Übergangsflächen senkrechte Magnetisierungskomponente kann im Vergleich zu der zu den Übergangsflächen parallelen Magnetfeldkomponente im Wesentlichen vernachlässigt werden. Deshalb wird das Magnetwiderstandseffektelement 2 beim Widerstandswert durch das externe Magnetfeld im Wesentlichen nicht verändert, das aus der zu den Übergangsflächen senkrechten Richtung her eingehen kann, sondern hauptsächlich durch das zu den Übergangsflächen parallele externe Magnetfeld.
In der folgenden Beschreibung wird deshalb der magnetische Vektor, der in der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) und der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) entsteht, als zweidimensionaler Vektor angesehen, der sich nur auf deren Flächen in den Richtungen verändert.
Der magnetische Vektor der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) wird durch das externe Magnetfeld verändert. Die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) lässt sich vorab bestimmen, wenn das externe Magnetfeld nicht an sie angelegt ist. Indem der magnetische Vektor, der in der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) entsteht, und der magnetische Vektor, der in der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) entsteht, im rechten Winkel zueinander angesetzt sind, wenn kein externes Magnetfeld auf sie wirkt, kann deshalb die Empfindlichkeit des Widerstandswerts für das externe Magnetfeld erhöht werden.
Bei einem Verfahren zur Vorbestimmung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) wird ein externes Magnetfeld mit der gewünschten Magnetisierungsrichtung auf die ferromagnetische Schicht 12 (die unveränderliche Schicht) angelegt und gleichzeitig die Wärmebehandlung (das Glühen) nach der Herstellung des Magnetwiderstandseffektelements 2 durchgeführt. Auf diese Weise kann die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) beliebig bestimmt werden.
Die von der Form her rechteckige ferromagnetische Schicht 16 (die freie Schicht) entwickelt auf ihrer Oberfläche aufgrund der Magnetformanisotropie einen magnetischen Vektor in der Richtung entlang ihrer langen Seite. Deshalb kann die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) dadurch bestimmt werden, dass eine rechteckige ferromagnetische Schicht 16 (freie Schicht) so hergestellt wird, dass die gewünschte Richtung des magnetischen Vektors und die lange Seite des Rechtecks einander entsprechen.
Mit Bezug auf 3 umfasst das Magnetwiderstandseffektelement 2 die antiferromagnetische Schicht 10 und die ferromagnetische Schicht 12, die auf einem Substrat 32 aufeinandergesetzt sind. Die nichtmagnetische Schicht 14 und die ferromagnetische Schicht 16 sind auf der Fläche der ferromagnetischen Schicht 12 übereinander angeordnet, die der Übergangsfläche zur antiferromagnetischen Schicht 10 – entgegengesetzt ist. Darüber hinaus ist der Draht 8.1 über Kontakte 24.1 und 24.2 an die ferromagnetische Schicht 16 angeschlossen, und der Draht 8.2 ist über einen Kontakt 24.3 an die ferromagnetische Schicht 12 angeschlossen.
Die Drähte 8.1 und 8.2 bestehen beispielsweise aus Al.
Die antiferromagnetische Schicht 10, die ferromagnetische Schicht 12, die nichtmagnetische Schicht 14 und die ferromagnetische Schicht 16, die auf diese Weise übereinander auf dem Substrat ausgebildet werden, können durch Sputtern wie Gleichstrom-Magnetronzerstäubung, Aufdampfen wie Molekularstrahlepitaxie (MBE – Molecular Beam Epitaxy) oder chemisches Aufdampfen (CVD – Chemical Vapor Deposition) wie etwa optisches CVD hergestellt werden.
Nachdem jede Schicht über dem Substrat abgelagert wurde, wird ein Fotolithografieverfahren durchgeführt, wobei die gewünschte Vorlage durch einen Fotolack übertragen wird und dann die gewünschte Struktur durch Ionenstrahlfräsen oder reaktives Ionenstrahlätzen ausgebildet wird. Auf diese Weise kann das in 3 gezeigte Magnetwiderstandseffektelement 2 hergestellt werden. Anstelle von Fotolithografie kann Elekttonenstrahllithografie oder ein Verfahren, das sich eines fokussierten Ionenstrahls bedient, verwendet werden.
Mit Bezug auf 4 führt die Erfassungsschaltung 6 dem Magnetwiderstandseffektelement 2 über die Drähte 8.1 und 8.2 einen Konstantstrom zu und gibt ein Erfassungssignal ab, das der durch den Konstantstrom im Magnetwiderstandseffektelement 2 entstandenen Spannung entspricht. Die Erfassungsschaltung 6 umfasst eine Konstantstromquelle 30 und einen Vorverstärker 31.
Die Konstantstromquelle 30 liefert ungeachtet des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements 2 einen Konstantstrom.
Der Vorverstärker 31 gibt durch Verstärken des Potentialunterschieds zwischen dem Potential an der Anschlussstelle der Konstantstromquelle 30 und dem Magnetwiderstandseffektelement 2 ein Bezugspotential mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor ab.
5A ist eine perspektivische Ansicht der Magnetfelderfassungsvorrichtung 100.
5B ist eine Draufsicht der Magnetfelderfassungsvorrichtung 100.
Mit Bezug auf 5A umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 das Magnetwiderstandseffektelement 2, das auf dem Substrat 32 ausgebildet ist, und die Vormagnetisierungseinheit 4, die in umgekehrtem Verhältnis zum Magnetwiderstandseffektelement 2 angeordnet ist. In der Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 ist die Vormagnetisierungseinheit 4 so angeordnet, dass ihre Mittelachse mit derjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2 fluchtet.
Mit Bezug auf 5B erzeugt die Vormagnetisierungseinheit 4 ein Magnetfeld Hb zur Vormagnetisierungseinheit 4 ausgehend vom Magnetwiderstandseffektelement 2 entlang der Linie, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4 und die Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2 verbindet.
Im Magnetwiderstandseffektelement 2 ist hingegen ein magnetischer Vektor 40 der unveränderlichen Schicht in der Richtung zur Vormagnetisierungseinheit 4 ausgehend vom Magnetwiderstandseffektelement 2 entlang der Linie festgelegt, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4 und die Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2 verbindet, während ein magnetischer Vektor 42 der freien Schicht unter der Einwirkung eines externen Magnetfelds Hex in der zum magnetischen Vektor 40 der unveränderlichen Schicht aus der zum magnetischen Vektor 40 der unveränderlichen Schicht senkrechten Richtung gedreht werden kann.
Insbesondere erfasst das Magnetwiderstandseffektelement 2 das externe Magnetfeld Hex, das sich in der Größenordnung in derselben Richtung verändert wie der magnetische Vektor 40 der unveränderlichen Schicht. Im Falle, dass das externe Magnetfeld Hex ausreichend groß ist, wird der magnetische Vektor 42 der freien Schicht parallel oder antiparallel zum magnetischen Vektor 40 der unveränderlichen Schicht, und deshalb kann ein breiter Bereich sichergestellt werden, in dem sich der Widerstandswert mit der Veränderung des externen Magnetfelds Hex verändert.
Wie vorstehend beschrieben, werden ein Vormagnetisierungsfeld Hb und ein externes Magnetfeld Hex an das Magnetwiderstandseffektelement 2 angelegt. Das Vormagnetisierungsfeld Hb und das externe Magnetfeld Hex werden auf derselben geraden Linie erzeugt, und deshalb wirkt das Vormagnetisierungsfeld Hb so, dass es das an das Magnetwiderstandseffektelement 2 angelegte externe Magnetfeld Hex behindert. Deshalb wird die Magnetisierung der freien Schicht im Magnetwiderstandseffektelement 2 unterdrückt und der Drehwinkel des magnetischen Vektors 42 verkleinert.
Somit wird die Kennlinie des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements 2 im Hinblick auf das externe Magnetfeld Hex um den Betrag verschoben, der dem Vorspannungsmagnetfeld Hb entspricht.
Mit Bezug auf 6 hat das Magnetwiderstandseffektelement 2 bei Nichtvorhandensein des Vormagnetisierungsfelds Hb aus der Vormagnetisierungseinheit 4 einen linearen Kennlinienbereich innerhalb des Bereichs –Hk bis Hk (Hk: Größenordnung des gesättigten Magnetfelds).
Bei der Ermittlung der Größenordnung des externen Magnetfelds Hex sind beispielsweise die Größenordnung des externen Magnetfelds Hex und der Widerstandswert R, d. h. die Größenordnung des externen Magnetfelds Hex und das Erfassungssignal wünschenswerter Weise zueinander proportional. Bei der Ermittlung der Größenordnung des externen Magnetfelds Hex ist deshalb der messbare Bereich –Hk bis Hk, in dem das Magnetwiderstandseffektelement 2 in einem linearen Kennlinienbereich arbeitet.
Indem das Vormagnetisierungsfeld Hb von der Vormagnetisierungseinheit 4 angelegt wird, wird der lineare Kennlinienbereich des Magnetwiderstandseffektelements 2 zum Bereich –Hk + Hb bis +Hk + Hb verschoben. Im Ergebnis wird der messbare Bereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 um den Betrag verschoben, der gleich dem Vormagnetisierungsfeld Hb ist.
Indem wie vorstehend beschrieben das Vormagnetisierungsfeld Hb angemessen in Übereinstimmung mit dem variablen Bereich des zu messenden externen Magnetfelds Hex ausgewählt wird, kann die Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 eine winzige Wechselstromkomponente aus dem externen Magnetfeld Hex erfassen, das eine große Gleichstromkomponente enthält.
Die 7A und 7B zeigen ein Beispiel für das Verhältnis zwischen der Vormagnetisierungseinheit 4 und dem Vormagnetisierungsfeld Hb. Die 7A und 7B zeigen einen Fall, bei dem als Vormagnetisierungseinheit 4 ein SmCo-Magnet (Seltenerdmetallmagnet aus Samarium und Cobalt) verwendet wird, der als Würfel mit einer Seitenlänge von 1 mm hergestellt ist.
7A zeigt relative Positionen der Vormagnetisierungseinheit 4 und des Magnetwiderstandseffektelements 2.
7B zeigt die Kennlinie der Größenordnung des Vormagnetisierungsfelds Hb in bezug auf den räumlichen Abstand zwischen der Vormagnetisierungseinheit 4 und dem Magnetwiderstandseffektelement 2.
Mit Bezug auf die 5B und 7A wird der Abstand zwischen der Stirnseite der Vormagnetisierungseinheit 4 und der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2 auf der Linie, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2 verbindet, als räumlicher Abstand definiert.
Unter der Annahme, dass mit Bezug auf 8 der räumliche Abstand beispielsweise 2,5 mm beträgt, ist das an das Magnetwiderstandseffektelement 2 angelegte Vormagnetisierungsfeld Hb durch 55 × 10³/4πA/m gegeben. Der Erfassungsbereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 wird deshalb um 55 × 10³/4πA/m verschoben.
Mit Bezug auf 8 wird im Falle, dass kein Vormagnetisierungsfeld Hb angelegt wird, ein linearer Kennlinienbereich bewirkt, der sich bei einem externen Magnetfeld Hex mit Nullwert zentriert, wobei der Widerstandswert R im Wesentlichen proportional zum externen Magnetfeld Hex ist. Unter der Annahme, dass der räumliche Abstand zwischen der Vormagnetisierungseinheit 4 und dem Magnetwiderstandseffektelement 2 2,5 mm beträgt, wird hingegen ein Vormagnetisierungsfeld Hb mit 55 × 10³/4πA/m an das Magnetwiderstandseffektelement 2 angelegt. Deshalb wird ein linearer Kennlinienbereich, der sich am Vormagnetisierungsfeld Hb zentriert, erhalten, bei dem der Widerstandswert R im Wesentlichen proportional zum externen Magnetfeld Hex ist.
Darüber hinaus sollte in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 das durch das externe Magnetfeld verursachte Rauschen des Erfassungssignals unterdrückt werden. Indem das Magnetwiderstandseffektelement 2 und ein Vorverstärker 31 auf demselben Substrat ausgebildet werden, ist der Verdrahtungsabstand vom Vorverstärker 31 zum Magnetwiderstandseffektelement 2 verkürzt, so dass das Rauschen, das aus dem Vormagnetisierungsfeld und dem externen Magnetfeld her in die Verdrahtung eindringt, unterdrückt werden kann.
Mit Bezug auf 9 ist der Aufbau des Magnetwiderstandseffektelements 2 ähnlich 3, und deshalb wird die ausführliche Beschreibung hier nicht noch einmal wiederholt. Ein Gate 66 ist auf der Fläche des Substrats 32 dessen Fläche entgegengesetzt ausgebildet, auf der das Magnetwiderstandseffektelement 2 ausgebildet ist. Eine Source 62 und ein Drain 64 sind auf einer Oxidschicht 60 auf der dem Gate 66 entgegengesetzten Fläche ausgebildet. Das Gate, 66, die Source 62, der Drain 64 und die Oxidschicht 60 bilden den Vorverstärker 31.
Darüber hinaus ist das Gate 66 über einen Kontakt 24.4 an den Draht 8.1, die Source 62 über einen Kontakt 24.5 an den Draht 8.4, und der Drain 64 über einen Kontakt 24.6 an den Draht 8.3 angeschlossen.
Somit wird das Gate 66 mit einer Spannung versorgt, die in der ferromagnetischen Schicht 16 des Magnetwiderstandseffektelements 2 erzeugt wurde, um dadurch einen von der Source 62 zum Drain 64 fließenden Strom zu erzeugen, der dem bestimmten Spannungswert entspricht. Der von der Source 62 zum Drain 64 fließende Strom wird durch den Draht 8.3 als Erfassungssignal abgegeben.
Wie beschrieben, ist das Gate 66 des Vorverstärkers 31, der die Erfassungsschaltung 6 ausmacht, so aufgebaut, dass es einer kürzeren Verdrahtungsstrecke wegen gemeinsam mit dem Magnetwiderstandseffektelement 2 auf dem Substrat 32 ausgebildet ist, so dass die Auswirkung des Vormagnetisierungsfelds und des externen Magnetfelds unterdrückt wird, wodurch eine Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 hergestellt wird, die geringes Rauschen aufweist.
(Erste Abwandlung)
Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform bezieht sich auf ein Magnetwiderstandseffektelement 2, das aus einem TMR-Element mit dem Spinvalve-Aufbau ausgebaut ist. Darüber hinaus kann alternativ auch ein GMR-Element mit dem Spinvalve-Aufbau verwendet werden.
10A ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau zeigt.
10B ist ein Schaubild, das den wesentlichen Abschnitt zeigt.
Mit Bezug auf 10A umfasst das GMR-Element eine antiferromagnetische Schicht 10 und eine ferromagnetische Schicht 12, die übereinander auf einem Substrat 32 angeordnet sind. Eine nichtmagnetische Schicht 15 aus einem Metallwerkstoff und eine ferromagnetische Schicht 16 sind auf der Fläche der ferromagnetischen Schicht 12, die der Übergangsfläche zur antiferromagnetischen Schicht 10 entgegengesetzt ist, aufeinandergesetzt.
Mit Bezug auf 10B besitzt das GMR-Element Drähte 8.1 und 8.2, die über einen Kontakt 24.1 bzw. 24.2 an die ferromagnetische Schicht 16 angeschlossen sind. Die nichtmagnetische Schicht 15 kann aus einem Metallwerkstoff wie Cu hergestellt werden.
Mit Bezug auf die 10A und 10B fließt der Strom, der von der Erfassungsschaltung 6 (1) durch den an die ferromagnetische Schicht 16 angeschlossenen Draht 8.1 geliefert wird, hauptsächlich entlang der Ebene der nichtmagnetischen Schicht 15 und wird aus dem an die ferromagnetische Schicht 16 angeschlossenen Draht 8.2 ausgegeben. Entsprechend dem magnetischen Vektor der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) und dem magnetischen Vektor der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) wird der in der nichtmagnetischen Schicht 15 fließende Strom so beeinflusst, dass der Widerstandswert des GMR-Elements verändert wird.
Der Strom (Elektronen), der in der nichtmagnetischen Schicht 15 fließt, wird in die beiden Grenzflächen der nichtmagnetischen Schicht 15 gestreut, d. h. in die Übergangsfläche zwischen der ferromagnetischen Schicht 16 und der nichtmagnetischen Schicht 15, und in die Übergangsfläche zwischen der ferromagnetischen Schicht 12 und der nichtmagnetischen Schicht 15. Das Ausmaß, in dem dieser Strom (Elektronen) gestreut wird, wird durch den Unterschied zwischen dem magnetischen Vektor der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) und dem magnetischen Vektor der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) bestimmt. Speziell im Falle, dass der magnetische Vektor der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) und der magnetische Vektor der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) von der Richtung her übereinstimmen, wird der Strom (werden die Elektronen) nicht so einfach gestreut und der elektrische Widerstand sinkt. Im Falle, dass der magnetische Vektor der ferromagnetischen Schicht 12 (der unveränderlichen Schicht) und der magnetische Vektor der ferromagnetischen Schicht 16 (der freien Schicht) von der Richtung her entgegengesetzt sind, wird der Strom (werden die Elektronen) problemlos gestreut, und der elektrische Widerstand nimmt zu.
Wie vorstehend beschrieben, erzeugen das GMR-Element und das TMR-Element den Magnetwiderstandseffekt nach verschiedenen Prinzipien. Die Eigenschaften der beiden Elemente, was das externe Magnetfeld betrifft, und die Eigenschaften von der Erfassungsschaltung her gesehen, entsprechen einander im Wesentlichen, und deshalb kann das Magnetwiderstandseffektelement 2 aus dem GMR-Element anstelle des TMR-Elements aufgebaut werden.
(Zweite Abwandlung)
Darüber hinaus kann in dem in 2 gezeigten Spinvalve-Aufbau eine unveränderliche Schicht mit einem SAF-Aufbau (SAF – Synthese-Antiferroelektrikum), der einen Stapel aus einer ferromagnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht umfasst, anstelle der unveränderlichen Schicht verwendet werden, die nur eine einzige ferromagnetische Schicht hat.
Mit Bezug auf 11 umfasst das Magnetwiderstandseffektelement 2, das die unveränderliche Schicht mit dem SAF-Aufbau besitzt, eine ferromagnetische Schicht 18, eine nichtmagnetische Schicht 20 und eine ferromagnetische Schicht 22 anstelle der ferromagnetischen Schicht 12 des in 2 gezeigten Magnetwiderstandseffektelements 2. Die nichtmagnetische Schicht 20 besteht beispielsweise aus Ru oder Cu.
Die ferromagnetischen Schichten 18 und 22 sind mit solchen magnetischen Vektoren magnetisiert, dass sie voneinander versetzt sind. Sowohl die ferromagnetische Schicht 22 als auch die ferromagnetische Schicht 16 (die freie Schicht) haben magnetische Vektoren und stehen deshalb so in Wechselbeziehung, dass sie eine dem in 2 gezeigten Magnetwiderstandseffektelement 2 ähnliche Kennlinie haben. In den kombinierten ferromagnetischen Schichten 18 und 22 sind hingegen deren magnetische Vektoren voneinander versetzt und werden im Wesentlichen zu Null. Selbst wenn ein starkes externes Magnetfeld an die eine unveränderliche Schicht bildenden ferromagnetischen Schichten 18 und 22 aus der zu deren Übergangsflächen senkrechten Richtung angelegt wird, verändert sich die Magnetisierung der jeweiligen Schichten nicht so einfach, und der magnetische Vektor der unveränderlichen Schicht wird insgesamt stabilisiert.
Die vorstehend erläuterte erste Ausführungsform bezieht sich auf einen Fall, bei dem die Vormagnetisierungseinheit 4 vorab an einer vorbestimmten Stelle befestigt wird. Einen Mechanismus zum Bewegen der Vormagnetisierungseinheit 4 vorzusehen, macht es jedoch möglich, verschiedene externe Magnetfelder Hex zu erfassen.
Nach der ersten Ausführungsform der Erfindung legt die Vormagnetisierungseinheit 4 ein Vormagnetisierungsfeld in derselben Richtung an, wie sie das externe Magnetfeld hat. Das an das Magnetwiderstandseffektelement 2 angelegte externe Magnetfeld wird mit dem Vormagnetisierungsfeld kombiniert. Im Ergebnis liegt ein externes Magnetfeld an, das im Wesentlichen mehr oder weniger das von der Vormagnetisierungseinheit 4 an das Magnetwiderstandseffektelement angelegte Vormagnetisierungsfeld ist. Auf diese Weise lässt sich die Kennlinie des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements zum externen Magnetfeld um den Betrag verschieben, der dem Vormagnetisierungsfeld entspricht. Indem ein optimales Vormagnetisierungsfeld eingestellt wird, kann deshalb eine Magnetfelderfassungsvorrichtung verwirklicht werden, bei welcher der Erfassungsbereich in Übereinstimmung mit dem variablen Bereich des externen Magnetfelds zum gewünschten Bereich verschoben wird.
[Zweite Ausführungsform]
Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform bezieht sich auf einen Aufbau, bei denn das Vormagnetisierungsfeld in der zum externen Magnetfeld parallelen Richtung angelegt wird. In der zweiten Ausführungsform hingegen erfolgt eine Erläuterung über einen Aufbau, bei dem das Vormagnetisierungsfeld in der zum externen Magnetfeld senkrechten Richtung angelegt wird.
12A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 nach der zweiten Ausführungsform zeigt.
12B ist eine Draufsicht, die die Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 nach der zweiten Ausführungsform zeigt.
Mit Bezug auf 12A umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 ein Magnetwiderstandseffektelement 2, das auf einem Substrat 32 ausgebildet ist, und eine Vormagnetisierungseinheit 4, die in umgekehrtem Verhältnis zum Magnetwiderstandseffektelement 2 angeordnet ist. In der Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 fluchtet die Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 mit der Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2. In der zu der Linie senkrechten Richtung, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2 verbindet, erfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 ein externes Magnetfeld Hex, das sich in der Richtung und Größenordnung ändert.
Mit Bezug auf 12B erzeugt die Vormagnetisierungseinheit 4 ein Vormagnetisierungsfeld Hb ausgehend vom Magnetwiderstandseffektelement 2 zur Vormagnetisierungseinheit 4 entlang der Linie, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2 verbindet.
Das Magnetwiderstandseffektelement 2 erfasst ein sich in der Größenordnung veränderndes externes Magnetfeld Hex in derselben Richtung wie den magnetischen Vektor 40 der unveränderlichen Schicht. Im Magnetwiderstandseffektelement 2 ist der magnetische Vektor 40 der unveränderlichen Schicht in der zu der Linie senkrechten Richtung festgelegt, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2 verbindet. Der magnetische Vektor 42 der freien Schicht wird insgesamt gesehen im Ansprechen auf das externe Magnetfeld aus der zum magnetischen Vektor 40 der unveränderlichen Schicht senkrechten Richtung in der zum magnetischen Vektor 40 der unveränderlichen Schicht parallelen Richtung gedreht.
Wie vorstehend beschrieben, werden das Vormagnetisierungsfeld Hb und das externe Magnetfeld Hex an das Magnetwiderstandseffektelement 2 angelegt. Bei dem Vorgang wirkt das Vormagnetisierungsfeld Hb so, dass es den magnetischen Vektor 42 der freien Schicht des Magnetwiderstandseffektelements 2 in der Richtung der Vormagnetisierungseinheit 4 hält. Insbesondere wird verhindert, dass der magnetische Vektor 42 der freien Schicht durch das Vormagnetisierungsfeld Hb seine Richtung ändert, und deshalb ist das Ansprechen (die Empfindlichkeit) des magnetischen Vektors 42 der freien Schicht auf das externe Magnetfeld Hex gemindert.
Im Ergebnis folgt die Kennlinie des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements 2 auf das externe Magnetfeld Hex einer leichten Veränderungsbetragkurve entsprechend dem Vormagnetisierungsfeld Hb.
Mit Bezug auf 13 hat das Magnetwiderstandseffektelement 2 bei Nichtvorhandensein des Vormagnetisierungsfelds Hb von der Vormagnetisierungseinheit 4 einen Bereich mit einer linearen Kennlinie im Bereich von –Hk bis Hk (Hk: Größenordnung des gesättigten Magnetfelds). Beim Anlegen des Vormagnetisierungsfelds Hb von der Vormagnetisierungseinheit 4 hingegen wird der lineare Kennlinienbereich des Magnetwiderstandseffektelements 2 auf den Bereich –Hk' bis Hk' vergrößert (Hk': Größenordnung des gesättigten Magnetfelds bei angelegtem Vormagnetisierungsfeld Hb).
Wie in der ersten Ausführungsform entspricht bei der Ermittlung der Größenordnung des externen Magnetfelds Hex der Bereich, in dem die Kennlinienkurve des Magnetwiderstandseffektelements 2 linear ist, einem messbaren Bereich. Durch Anlegen des Vormagnetisierungsfelds Hb wird der messbare Bereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 um das Hk'/Hk-fache vergrößert.
Wie vorstehend beschrieben, wird durch angemessene Auswahl des Vormagnetisierungsfelds Hb in Übereinstimmung mit dem variablen Betrag des zu messenden externen Magnetfelds Hex, der Messbereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 größer, und sie kann einen breiteren Bereich des externen Magnetfelds Hex erfassen.
14 zeigt ein Beispiel für das Verhältnis zwischen einem externen Magnetfeld Hex und dem Widerstandswert R in dem Fall, in dem ein in 7 gezeigter SmCo-Magnet als Vormagnetisierungseinheit 4 verwendet wird. In 14 wird davon ausgegangen, dass der räumliche Abstand zwischen der Vormagnetisierungseinheit 4 und dem Magnetwiderstandseffektelement 2 5,6 mm betragen soll.
Mit Bezug auf 14 liegt im Falle, dass kein Vormagnetisierungsfeld Hb anliegt, ein linearer Kennlinienbereich zum externen Magnetfeld Hex im Bereich von ca. ±10 × 10³/4πA/m. Beim Anlegen des Vormagnetisierungsfelds Hb hingegen wird ein linearer Kennlinienbereich zum externen Magnetfeld Hex im Bereich von ca. ±20 × 10³/4πA/m erhalten.
Insbesondere ist es klar, dass das Vormagnetisierungsfeld Hb die Empfindlichkeit des Widerstandswerts R für das externe Magnetfeld Hex senkt und den erfassbaren Bereich des externen Magnetfelds Hex vergrößert.
Die anderen Punkte entsprechen denjenigen der ersten Ausführungsform und werden deshalb hier nicht noch einmal wiederholt.
Nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung legt die Vormagnetisierungseinheit ein Vormagnetisierungsfeld in der zur Magnetisierungsrichtung der unveränderlichen Schicht des Magnetwiderstandseffektelements senkrechten Richtung an, und deshalb bleibt der magnetische Vektor in der freien Schicht tendenziell in der zur Magnetisierungsrichtung der unveränderlichen Schicht senkrechten Richtung. Als Ergebnis dreht sich der Magnetisierungsvektor in der freien Schicht des Magnetwiderstandseffektelements auch unter der Einwirkung des externen Magnetfelds nicht einfach in der Magnetisierungsrichtung der unveränderlichen Schicht, um dadurch die Empfindlichkeit Für das externe Magnetfeld zu senken. Mit anderen Worten ist die Empfindlichkeit der Widerstandswerterfassung für das externe Magnetfeld des Magnetwiderstandseffektelements gesenkt. Somit wird eine Magnetfelderfassungsvorrichtung bereitgestellt, bei der durch Einstellen des optimalen Vormagnetisierungsfelds der Erfassungsbereich im gewünschten Ausmaß in Übereinstimmung mit dem variablen Bereich des externen Magnetfelds vergrößert werden kann.
[Dritte Ausführungsform]
Die erste und zweite Ausführungsform wurden vorstehend mit Bezug auf einen Aufbau beschrieben, bei dem das Vormagnetisierungsfeld in der zum externen Magnetfeld parallelen oder senkrechten Richtung angelegt wird. In der dritten Ausführungsform wird hingegen ein Aufbau erläutert, bei dem ein Vormagnetisierungsfeld so angelegt wird, dass eine zum externen Magnetfeld parallele Komponente und eine zum externen Magnetfeld senkrechte Komponente gleichzeitig erzeugt werden.
15A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 nach der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
15B ist eine Draufsicht, die die Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 nach der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Mit Bezug auf 15A umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 ein Magnetwiderstandseffektelement 2, das auf einem Substrat 32 ausgebildet ist, und eine Vormagnetisierungseinheit 4, die in umgekehrtem Verhältnis zum Magnetwiderstandseffektelement 2 angeordnet ist.
Mit Bezug auf 15B ist die Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 parallel und in einem vorbestimmten Abstandsverhältnis zur Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 angeordnet. Das Magnetwiderstandseffektelement 2 erfasst ein sich in der Größenordnung veränderndes externes Magnetfeld Hex entlang derselben Richtung wie der magnetische Vektor 40 der unveränderlichen Schicht.
Mit Bezug auf 16 ist die Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 um einen vorbestimmten Abstand von der Vormagnetisierungseinheit 4 entfernt, und deshalb wird das Vormagnetisierungsfeld Hb mit einem vorbestimmten Winkel an die Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 angelegt. Mit der Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 als Bezug ist das Vormagnetisierungsfeld Hb in eine parallele Komponente Hb1 und eine orthogonale Komponente Hb2 unterteilt, die zueinander senkrecht sind.
Die parallele Komponente Hb1 ist sowohl zur Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 als auch zum externen Magnetfeld Hex parallel. Die orthogonale Komponente Hb hingegen ist sowohl zur Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 als auch zum externen Magnetfeld Hex senkrecht.
Mit Bezug auf die 15B und 16 ist der magnetische Vektor 40 der unveränderlichen Schicht des Magnetwiderstandseffektelements 2 in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 parallel zum externen Magnetfeld Hex. Deshalb ist die parallele Komponente Hb1 des Vormagnetisierungsfelds Hb parallel zum externen Magnetfeld Hex, während die orthogonale Komponente Hb2 des Vormagnetisierungsfelds Hb senkrecht zum externen Magnetfeld Hex ist.
Speziell im Hinblick auf die Tatsache, dass das externe Magnetfeld Hex, die parallele Komponente Hb1 des Vormagnetisierungsfelds und der magnetische Vektor 40 der unveränderlichen Schicht des Magnetwiderstandseffektelements 2 parallel zueinander sind, ist deshalb die Wirkung der parallelen Komponente Hb1 des Vormagnetisierungsfelds gleichwertig derjenigen des Vormagnetisierungsfelds in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 nach der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform.
Andererseits sind das externe Magnetfeld Hex und der magnetische Vektor 40 der unveränderlichen Schicht des Magnetwiderstandseffektelements 2 parallel zueinander, und die parallele Komponente Hb1 des Vormagnetisierungsfelds ist senkrecht zum externen Magnetfeld Hex und dem magnetischen Vektor 40 der unveränderlichen Schicht des Magnetwiderstandseffektelements 2. Deshalb ist die Wirkung der orthogonalen Komponente Hb2 des Vormagnetisierungsfelds gleichwertig derjenigen des Vormagnetisierungsfelds in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 nach der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform.
Bei der Veränderung in der Erfassungskennlinie das Vormagnetisierungsfelds Hb in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 handelt es sich demnach um eine Kombination aus der Lageveränderung des Erfassungsbereichs durch die parallele Komponente Hb1 des Vormagnetisierungsfelds und der Vergrößerung des Erfassungsbereichs durch die orthogonale Komponente Hb2 des Vormagnetisierungsfelds.
17 zeigt ein Beispiel fit die Anordnung der Vormagnetisierungseinheit 4 im Hinblick auf das Magnetwiderstandseffektelement 2. In 17 wird der in 7 gezeigte SmCo-Magnet als Vormagnetisierungseinheit 4 verwendet.
Mit Bezug auf 17 ist die Vormagnetisierungseinheit 4 so angeordnet, dass der Abstand zwischen der Stirnseite der Vormagnetisierungseinheit 4 und dem Mittelpunkt des Magnetwiderstandseffektelements 2 auf der Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 2,5 mm beträgt, und der Abstand zwischen der Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 und der Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 0,25 mm beträgt. Dann nimmt die parallele Komponente Hb1 des Vormagnetisierungsfelds Hb im Magnetwiderstandseffektelement 2 den Wert 55 × 10³/4πA/m an, und die orthogonale Komponente Hb2 des Vormagnetisierungsfelds Hb nimmt den Wert 7 × 10³/4πA/m an.
Somit handelt es sich bei dem Verhältnis zwischen dem externen Magnetfeld Hex und dem Widerstandswert R in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 um eine Kombination aus der Erfassungskennlinie der in 8 gezeigten Magnetfelderfassungsvorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform und der Erfassungskennlinie der in 14 gezeigten Magnetfelderfassungsvorrichtung 200 nach der zweiten Ausführungsform. Wie speziell in 8 gezeigt ist, wird der Erfassungsbereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 einerseits um 55 × 10³/4πA/m verschoben, und wie in 14 gezeigt ist, wird der Erfassungsbereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 andererseits von ±10 × 10³/4πA/m auf ±20 × 10³/4πA/m vergrößert. Im Ergebnis der Kombination aus diesen Erfassungskennlinien, macht es ein Anlegen des Vormagnetisierungsfelds Hb deshalb möglich, den Erfassungsbereich in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 von –10 × 10³/4πA/m bis 10 × 10³/4πA/m auf den Erfassungsbereich 35 × 10³/4πA/m bis 75 × 10³/4πA/m abzuändern.
Indem wie vorstehend beschrieben das Vormagnetisierungsfeld Hb mit einem vorbestimmten Winkel an die Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2 angelegt wird, kann der Erfassungsbereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 300 beliebig verändert werden.
Die anderen Punkte sind ähnlich denjenigen der ersten Ausführungsform und werden deshalb hier nicht noch einmal wiederholt.
Nach der dritten Ausführungsform der Erfindung wird das Vormagnetisierungsfeld, das eine in derselben Richtung verlaufende Komponente enthält wie das externe Magnetfeld, und eine zur Magnetisierungsrichtung der unveränderlichen Schicht des Magnetwiderstandseffektelements senkrechte Komponente durch die Vormagnetisierungseinheit angelegt, und deshalb können die Auswirkungen sowohl der ersten als auch der zweiten Ausführungsform gleichzeitig erzielt werden. Insbesondere wird eine Magnetfelderfassungsvorrichtung verwirklicht, bei der durch Einstellen des optimalen Vormagnetisierungsfelds der Erfassungsbereich in Übereinstimmung mit dem variablen Bereich des externen Magnetfelds auf den gewünschten Bereich verschoben und auf das gewünschte Ausmaß vergrößert werden kann.
[Vierte Ausführungsform]
Die Ausführungsformen Eins bis Drei beziehen sich auf eine Magnetfelderfassungsvorrichtung zum Erfassen des externen Magnetfelds, die den nichtgesättigten Zustand nutzt, in dem das Magnetisierungsverhältnis des ferromagnetischen Werkstoffs, aus dem die freie Schicht besteht, wobei die Magnetisierung, die durch das externe Magnetfeld erfolgt, im Wesentlichen proportional zur Größenordnung des externen Magnetfelds ist. In der vierten Ausführungsform hingegen wird eine Magnetfelderfassungsvorrichtung erläutert, bei der das externe Magnetfeld unter Nutzung des gesättigten Zustands erfasst wird, in dem der ferromagnetische Werkstoff, der die freie Schicht ausmacht, durch das externe Magnetfeld voll magnetisiert wird.
Mit Bezug auf 18 umfasst eine Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 nach der vierten Ausführungsform der Erfindung Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2, Vormagnetisierungseinheiten 4.1 und 4.2 und eine Erfassungsschaltung 50.
Die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 nehmen das externe Magnetfeld bzw. das Vormagnetisierungsfeld auf und verändern sich im Widerstandswert. Die anderen Punkte sind ähnlich denjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2 nach der ersten Ausführungsform, und deshalb erfolgt hier nicht immer wiedereine ausführliche Beschreibung.
Die Erfassungsschaltung 50 ist an die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 angeschlossen und erfasst die Veränderung in deren Widerstandswert durch eine durch eine Brückenschaltung erfolgende Differentialoperation. Dann gibt die Erfassungsschaltung 50 die erfasste Veränderung im Widerstandswert als Erfassungssignal ab.
Die Vormagnetisierungseinheiten 4.1 und 4.2 legen ein Vormagnetisierungsfeld in einer ausreichenden Größenordnung an die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 an, um jeweils deren freie Schichten zu sättigen. Die anderen Punkte sind ähnlich denjenigen der Vormagnetisierungseinheit 4 nach der ersten Ausführungsform, und deshalb erfolgt hier nicht noch einmal eine ausführliche Beschreibung.
19A ist ein perspektivische Ansicht, die eine Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 zeigt.
19B ist eine Draufsicht, die die Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 zeigt.
Mit Bezug auf 19A umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2, die auf einem Substrat 32 ausgebildet sind, und Vormagnetisierungseinheiten 4.1 und 4.2, die in umgekehrtem Verhältnis zu den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1 und 2.2 angeordnet sind. In der Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 ist die Vormagnetisierungseinheit 4.1 so angeordnet, dass ihre Mittelachse mit derjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 fluchtet, und die Vormagnetisierungseinheit 4.2 ist so angeordnet, dass ihre Mittelachse mit derjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2.2 fluchtet. Das Magnetwiderstandseffektelement 2.1 erfasst das sich in der Größenordnung verändernde externe Magnetfeld Hex entlang derselben Richtung, in der der magnetische Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht verläuft, während das Magnetwiderstandseffektelement 2.2. das sich in der Größenordnung verändernde externe Magnetfeld Hex entlang derselben Richtung erfasst, in der der magnetische Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht verläuft. Die zu erfassenden externen Magnetfelder Hex sind dieselben.
Die Vormagnetisierungseinheiten 4.1 und 4.2 stimmen genau überein, und auch die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 stimmen genau überein. Somit verändern sich die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 unter der Einwirkung des externen Magnetfelds Hex im Widerstandswert im Wesentlichen auf dieselbe Weise.
Mit Bezug auf 19B erzeugt die Vormagnetisierungseinheit 4.1 ein Vormagnetisierungsfeld Hb zur Vormagnetisierungseinheit 4.1 hin ausgehend vom Magnetwiderstandseffektelement 2.1 entlang der Linie, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4.1 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 verbindet. Auf ähnliche Weise erzeugt die Vormagnetisierungseinheit 4.2 ein Vormagnetisierungsfeld Hb zur Vormagnetisierungseinheit 4.2 hin ausgehend vom Magnetwiderstandseffektelement 2.2 entlang der Linie, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4.2 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2.2 verbindet.
Im Magnetwiderstandseffektelement 2.1 steht der magnetische Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht in der zu der Linie senkrechten Richtung fest, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4.1 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 verbindet, und der magnetische Vektor 42.1 der freien Schicht ist in einem Winkel angesetzt, der dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb entspricht. Auf ähnliche Weise steht der magnetische Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht in der zu der Linie senkrechten Richtung fest, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4.2 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2.2 verbindet, und der magnetische Vektor 42.2 der freien Schicht ist in einem Winkel angesetzt, der dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb entspricht. Es sind im Wesentlichen die freien Schichten der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2, die in der Richtung der magnetischen Vektoren 42.1 und 42.2 voll magnetisiert werden und einen gesättigten Zustand annehmen.
Mit Bezug auf 20 erfasst die Erfassungsschaltung 50 die Veränderung im Widerstandswert der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 durch eine Brückenschaltung und gibt ein dem Erfassungsergebnis entsprechendes Erfassungssignal ab. Die Erfassungsschaltung 50 umfasst einen Vorverstärker 54 und Bezugswiderstände 52.1 und 52.2.
Die Bezugswiderstände 52.1 und 52.2 haben denselben Widerstandswert. Die Bezugswiderstände 52.1 und 52.2 können alternativ aus Magnetwiderstandseffektelementen mit freien Schichten bestehen, die eine feststehende Magnetisierungsrichtung haben.
Ein Ende des Bezugswiderstands 52.1 ist an ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 angeschlossen, und an das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 wird eine Stromversorgungsspannung Vcc angelegt, wähnend an das andere Ende des Bezugswiderstands 52.1 Massespannung angelegt wird.
Ein Ende des Bezugswiderstands 52.2 ist an ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.2 angeschlossen, und an das andere Ende des Bezugswiderstands 52.2 wird eine Stromversorgungsspannung Vcc angelegt, während an das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.2 Massespannung angelegt wird.
Indem er mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt, gibt der Vorverstärker 54 den Potentialunterschied zwischen dem Potential an der Anschlussstelle zwischen dem Bezugswiderstand 52.1 und dem Magnetwiderstandseffektelement 2.1 und dem Potential an der Anschlussstelle zwischen dem Bezugswiderstand 52.2 und dem Magnetwiderstandseffektelement 2.2 aus.
Wie vorstehend beschrieben, bildet die Erfassungsschaltung 50 eine Brückenschaltung mit den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1 und 2.2 als Gegenseiten, und erfasst deren Potentialunterschied. Im Vergleich zu einem Fall, bei dem der Widerstandswert eines Magnetwiderstandseffektelements erfasst wird, lässt sich die Erfassungsempfindlichkeit beinahe verdoppeln. Auch lässt sich der Effekt des Gleichtaktrauschens mindern.
Mit Bezug auf 21 ist der Widerstandswert R durch Gleichung (1) als Winkel θ ausgedrückt, den der magnetische Vektor 40 der unveränderlichen Schicht mit dem magnetischen Vektor 42 der freien Schicht bildet. R = Rm + R_ocosθ (1)
Solange die freie Schicht gesättigt ist, wird insbesondere deren Widerstandswert, ungeachtet der Größenordnung des externen Magnetfelds, durch den Winkel bestimmt, den der magnetische Vektor 40 der unveränderlichen Schicht mit dem magnetischen Vektor 42 der freien Schicht bildet. Deshalb wird in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 400, während die freie Schicht gesättigt gehalten wird, der Widerstandswert R erfasst, der sich mit dem Winkel θ ändert, den der durch das externe Magnetfeld gedrehte magnetische Vektor 42 der freien Schicht mit dem magnetischen Vektor 40 der unveränderlichen Schicht bildet.
Mit Bezug auf 22 fluchtet die Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4.1 mit derjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 und deshalb wird an dieses das Vormagnetisierungsfeld Hb parallel zu seiner Mittelachse angelegt. Auch wird an das Magnetwiderstandseffektelement 2.1 das sich in der Größenordnung verändernde externe Magnetfeld Hex entlang der zu der Linie senkrechten Richtung angelegt, die die Mitte der Vormagnetisierungseinheit 4.1 mit der Mitte des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 verbindet.
Angesichts der Tatsache, dass an das Magnetwiderstandseffektelement 2.1 das Vormagnetisierungsfeld Hb und das externe Magnetfeld Hex, die orthogonal zueinander sind, angelegt werden, wird der Winkel θ, den ein kombiniertes Magnetfeld H mit dem magnetischen Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht bildet, durch Ausdruck (2) ausgedrückt. θ = tan^–1(Hb/Hex) (2)
Wird Gleichung (2) in Gleichung (1) eingesetzt, wird der Widerstandswert R des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 durch Gleichung (3) ausgedrückt. R = Rm + R_ocos(tan^–1(Hb/Hex)) (3)
Aus Gleichung (3) lässt sich der Widerstandswert R des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 durch eine Funktion ausdrücken, die das externe Magnetfeld Hex enthält, und deshalb kann die Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 das externe Magnetfeld auf Grundlage der Veränderung im Widerstandswert R erfassen.
Das Magnetwiderstandseffektelement 2.2 entspricht dem Magnetwiderstandseffektelement 2.1, und deshalb wird hier eine ausführliche Beschreibung nicht noch einmal wiederholt.
Wie aus Gleichung (3) zu sehen ist, wird die Veränderungsrate (Empfindlichkeit) des Widerstandswerts der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 durch das Verhältnis zwischen der Größenordnung des externen Magnetfelds Hex und der Größenordnung des Vormagnetisierungsfelds Hb bestimmt.
23A zeigt einen Fall, bei dem das Vormagnetisierungsfeld Hb im Verhältnis größer ist als das externe Magnetfeld Hex.
23B zeigt einen Fall, bei dem ein kleineres als das in 23A gezeigte Vormagnetisierungsfeld Hb angelegt wird.
Mit Bezug auf 23A soll im Falle, dass ein externes Magnetfeld Hex und ein Vormagnetisierungsfeld Hb an die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 angelegt werden, davon ausgegangen werden, dass der Winkel zwischen dem kombinierten Magnetfeld H und dem magnetischen Vektor der unveränderlichen Schicht α ist, und dass der Winkel zwischen dem kombinierten Magnetfeld H', der einer Zunahme ΔHex am externen Magnetfeld Hex entspricht, und dem magnetischen Vektor der unveränderlichen Schicht α' ist.
Mit Bezug auf 23B soll davon ausgegangen werden, dass das externe Magnetfeld Hex, das genau mit dem externen Magnetfeld von 23A übereinstimmt, und ein Vormagnetisierungsfeld Hb, das kleiner ist als das Vormagnetisierungsfeld von 23A, an die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 angelegt werden, und dass das kombinierte Magnetfeld H einen Winkel β mit dem magnetischen Vektor der unveränderlichen Schicht bildet. Es soll auch davon ausgegangen werden, dass der Winkel, den das kombinierte Magnetfeld H', der einer Zunahme desselben ΔHex wie in 23A am externen Magnetfeld Hex entspricht, mit dem magnetischen Vektor der unveränderlichen Schicht bildet, β' ist.
Mit Bezug auf die 23A und 23B ist die Veränderung vom Winkel β zu β' größer als die Veränderung vom Winkel α zu α' (β – β' > α – α'). Dies zeigt an, dass die Empfindlichkeit der Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 in 23B höher ist als in 23A. Selbst wenn das externe Magnetfeld Hex dieselbe Veränderung ΔHex erfährt, kann insbesondere die Empfindlichkeit der Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 entsprechend der Korrelation mit dem Vormagnetisierungsfeld Hb eingestellt werden.
Indem das Vormagnetisierungsfeld Hb entsprechend dem variablen Bereich des externen Magnetfelds Hex angesetzt wird, kann deshalb die Empfindlichkeit der Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 eingestellt und der geeignete Erfassungsbereich hergestellt werden.
Gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung legt die Vormagnetisierungseinheit ein Vormagnetisierungsfeld in der zum externen Magnetfeld senkrechten Richtung an, und das Magnetwiderstandseffektelement nimmt das aus dem externen Magnetfeld und dem Vormagnetisierungsfeld kombinierte Magnetfeld auf. Die freie Schicht des Magnetwiderstandseffektelements wird mit dem kombinierten Magnetfeld gesättigt und erzeugt einen magnetischen Vektor in Richtung des kombinierten Magnetfelds. Darüber hinaus verändert sich die Erfassungsempfindlichkeit für den Widerstandswert des externen Magnetfelds entsprechend dem Verhältnis zwischen der Größenordnung des Vormagnetisierungsfelds und der Größenordnung des externen Magnetfelds. Im Ergebnis wird eine Magnetfelderfassungsvorrichtung verwirklicht, bei der der Erfassungsbereich in Übereinstimmung mit dem variablen Bereich des externen Magnetfelds beliebig eingestellt werden kann.
Auch legt nach der vierten Ausführungsform der Erfindung die Vormagnetisierungseinheit das Vormagnetisierungsfeld in der zum externen Magnetfeld senkrechten Richtung an, und deshalb können die Bestandteile des kombinierten Magnetfelds in voneinander unabhängige Elemente zerlegt werden. Ungeachtet der Größenordnung des externen Magnetfelds kann deshalb das Vormagnetisierungsfeld mit einem vorbestimmten Verhältnis aufrechterhalten werden, und deshalb kann die Erfassungskennlinie des Widerstandswerts innerhalb des Erfassungsbereichs linearisiert werden.
Darüber hinaus werden nach der vierten Ausführungsform der Erfindung zwei Magnetwiderstandseffektelemente verwendet, und deren Veränderung im Widerstandswert wird von einer Brückenschaltung erfasst. Deshalb können Referenzstrom und Referenzspannung entfallen. Auch im Hinblick auf die Tatsache, dass die Erfassungsempfindlichkeit verdoppelt werden kann, kann das externe Magnetfeld mit höherer Genauigkeit erfasst werden. Da darüber hinaus das Rauschen in der Phase versetzt werden kann, kann der Erfassungsfehler unterdrückt werden.
[Fünfte Ausführungsform]
Die vorstehend beschriebene vierte Ausführungsform bezieht sich auf einen Aufbau zum Erfassen des externen Magnetfelds in derselben Richtung wie die Magnetisierungsrichtung der unveränderlichen Schicht des Magnetwiderstandseffektelements. Die fünfte Ausführungsform hingegen bezieht sich auf einen Aufbau zum Erfassen des externen Magnetfelds in der zur Magnetisierungsrichtung des unveränderlichen Schicht eines Magnetwiderstandseffektelements senkrechten Richtung.
Der schematische Aufbau einer Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 nach der fünften Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich demjenigen der in 18 gezeigten Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 nach der vierten Ausführungsform, und deshalb wird die ausführliche Beschreibung hier nicht noch einmal wiederholt.
24A ist eine perspektivische Ansicht, die die Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 nach der fünften Ausführungsform zeigt.
24B ist eine Draufsicht, die die Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 nach der fünften Ausführungsform zeigt.
Mit Bezug auf 24A umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2, die auf einem Substrat 32 ausgebildet sind, und Vormagnetisierungseinheiten 4.1 und 4.2, die in umgekehrtem Verhältnis zu den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1 bzw. 2.2 angeordnet sind.
Mit Bezug auf 24B ist die Vormagnetisierungseinheit 4.1, deren Mittelachse parallel zu derjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2,1 ist, in einem vorbestimmten Abstandsverhältnis zum Magnetwiderstandseffektelement 2.1 angeordnet. Auf ähnliche Weise ist die Vormagnetisierungseinheit 4.2, deren Mittelachse parallel zu derjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2.2 ist, in einem vorbestimmten Abstandsverhältnis zum Magnetwiderstandseffektelement 2.2 angeordnet. Die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 erfassen das sich in der Größenordnung verändernde externe Magnetfeld Hex entlang derselben Richtung wie die magnetischen Vektoren 40.1 bzw. 40.2 der unveränderlichen Schicht verlaufen. Die zu erfassenden externen Magnetfelder Hex sind dieselben.
Im Magnetwiderstandseffektelement 2.1 ist der magnetische Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht in der zur Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4.1 und der Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelement 2.1 senkrechten Richtung festgelegt, während der magnetische Vektor 42.1 der freien Schicht mit einem Winkel angesetzt ist, der dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb entspricht. Auf ähnliche Weise ist der magnetische Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht in der zur Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4.2 und der Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2.2 senkrechten Richtung festgelegt, und der magnetische Vektor 42.2 der freien Schicht ist mit einem Winkel angesetzt, der dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb entspricht. Im Wesentlichen sind es die freien Schichten der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2, die in den Richtungen der magnetischen Vektoren 42.1 bzw. 42.2 im Wesentlichen voll magnetisiert werden und einen gesättigten Zustand annehmen.
Vom Aufbau her sind die Vormagnetisierungseinheiten 4.1 und 4.2 gleich zueinander, wie es auch die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 sind. Somit verändern sich die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 im Widerstandswert unter dem Einfluss des externen Magnetfelds Hex im Wesentlichen auf dieselbe Weise.
Mit Bezug auf 25 ist die Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 um einen vorbestimmten Abstand von der Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4.1 entfernt, und deshalb wird das Vormagnetisierungsfeld Hb an das Magnetwiderstandseffektelement 2.1 mit einem vorbestimmten Winkel zu dessen Mittelachse angelegt. Mit der Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 als Bezug, wird das Vormagnetisierungsfeld Hb in eine parallele Komponente Hb1 und eine orthogonale Komponente Hb2 zerlegt, die zueinander senkrecht sind.
Die parallele Komponente Hb1 ist sowohl zur Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 als auch zum externen Magnetfeld Hex parallel. Die orthogonale Komponente Hb2 ist sowohl zur Mittelachse des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 als auch zum externen Magnetfeld Hex senkrecht.
Ein kombiniertes Magnetfeld H aus der Vormagnetisierungseinheit Hb und dem externen Magnetfeld Hex besteht deshalb aus einer Komponente, die die parallele Komponente Hb1 des Vormagnetisierungsfelds Hb und des externen Magnetfelds Hex einerseits enthält, und andererseits eine orthogonale Komponente Hb2 des Vormagnetisierungsfelds Hb. Ein Winkel θ, den der magnetische Vektor 42.1 (kombiniertes Magnetfeld H) der freien Schicht mit dem magnetischen Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht bildet, wird durch Gleichung (4) ausgedrückt. 0 = tan^–1((Hb1 + Hex)/Hb2)) (4)
Wenn Gleichung (4) in Gleichung (1) eingesetzt wird, wird der Widerstandswert R des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 durch die Gleichung (5) ausgedrückt. R = Rm + R_ocos(tan^–1((Hb1 + Hex)/Hb2) (5)
Aus Gleichung (5) lässt sich der Widerstandswert R des Magnetwiderstandseffektelements 2.1 durch eine Funktion ausdrücken, die das externe Magnetfeld einschließt, und deshalb kann die Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 das externe Magnetfeld Hex auf Grundlage der Veränderung im Widerstandswert R erfassen.
Das Magnetwiderstandseffektelement 2.2 entspricht dem Magnetwiderstandseffektelement 2.1, und deshalb wird hier eine ausführliche Beschreibung nicht noch einmal wiederholt.
Wie aus Gleichung (5) zu sehen ist, wird die Veränderungsrate (Empfindlichkeit) des Widerstandswerts der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 durch das Verhältnis zwischen der Größenordnung der parallelen Komponente Hb1 des Vormagnetisierungsfelds Hb und des externen Magnetfelds Hex und orthogonalen Komponente Hb2 des Vormagnetisierungsfelds Hb bestimmt. Indem die Größenordnung und Richtung des Vormagnetisierungsfelds Hb, das an die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 angelegt wird, angemessen angesetzt werden, kann deshalb der Erfassungsbereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 eingestellt werden.
Insbesondere kann durch angemessenes Festsetzen der Position der Vormagnetisierungseinheiten 4.1 und 4.2 in Bezug auf die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 der Erfassungsbereich der Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 beliebig verändert werden.
In der Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 wird im Wesentlichen dasselbe externe Magnetfeld Hex an die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1 und 2.2 angelegt, um dadurch das externe Magnetfeld Hex zu erfassen. Somit lässt sich die Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 auf eine wie nachstehend beschrieben Stromerfassungsschaltung anwenden.
Mit Bezug auf 26 ist ein Stromweg 69, in dem der zu erfassende Strom fließt, über den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1 und 2.2 angeordnet. Der zu erfassende, im Stromweg 69 fließende Strom erzeugt ein elektromagnetisches Feld in der Schaltungsrichtung des Stromwegs 69, das entlang des Stromwegs 69 eine gleichmäßige Größenordnung hat. Dieses elektromagnetische Feld ist proportional zur Größenordnung des zu erfassenden Stroms, und deshalb kann die Größenordnung des Stroms durch Erfassen des elektromagnetischen Felds ermittelt werden.
Wie beschrieben, erfasst deshalb die Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 das durch den im Stromweg 69 fließenden, zu erfassenden Strom erzeugte externe Magnetfeld Hex, und ermittelt den Strom auf Grundlage des so erfassten externen Magnetfelds Hex.
Nach der fünften Ausführungsform der Erfindung erhalten die Magnetwiderstandseffektelemente ein kombiniertes Magnetfeld aus externem Magnetfeld und Vormagnetisierungsfeld. Die freie Schicht der Magnetwiderstandseffektelemente wird mit dem kombinierten Magnetfeld gesättigt und erzeugt einen magnetischen Vektor in Richtung des kombinierten Magnetfelds. Darüber hinaus verändert sich die Erfassungsempfindlichkeit für den Widertandswert auf das externe Magnetfeld entsprechend dem Verhältnis zwischen der Größenordnung des Vormagnetisierungsfelds und der Größenordnung des externen Magnetfelds. Somit kann eine Magnetfelderfassungsvorrichtung verwirklicht werden, bei der der Erfassungsbereich beliebig in Übereinstimmung mit dem variablen Bereich des externen Magnetfelds eingestellt werden kann, indem das optimale Vormagnetisierungsfeld angesetzt wird.
[Sechste Ausführungsform]
Die vierte und fünfte Ausführungsform beziehen sich auf einen Aufbau, bei dem an jedes von mehreren Magnetwiderstandseffektelementen von einer entsprechenden Vormagnetisierungseinheit ein Vormagnetisierungsfeld angelegt wird. Die sechste Ausführungsform hingegen bezieht sich auf einen Aufbau, bei dem ein und dieselbe Vormagnetisierungseinheit ein Vormagnetisierungsfeld an mehrere Magnetwiderstandseffektelemente anlegt.
Mit Bezug auf 27 umfasst eine Magnetfelderfassungsvorrichtung 600 nach der sechsten Ausführungsform der Erfindung Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b, 2.2a und 2.2b, eine Vormagnetisierungseinheit 4 und eine Erfassungsschaltung 56.
Die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b, 2.2a und 2.2b haben denselben Aufbau. Die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b wie auch die Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b sind nahe beieinander angeordnet. Deshalb verändern sich die Widerstandswerte der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b wie auch der Magnetwiderstandseffektelemente 12a und 2.2b durch die Aufnahme des externen Magnetfelds und des Vormagnetisierungsfelds gleich. Die anderen Punkte sind ähnlich denjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2 nach der ersten Ausführungsform, und deshalb wird hier eine ausführliche Beschreibung nicht noch einmal wiederholt.
Die Erfassungsschaltung 56 bildet eine Brückenschaltung mit den in Reihe angeschlossenen Magnetwiderstandseffektelementen 2.1a und 2.2a und den in Reihe angeschlossenen Magnetwiderstandseffektelementen 2.1b und 2.2b. Die Erfassungsschaltung 56 führt eine Differentialoperation zwischen den Widerstandswerten der Reihenschaltungen durch, erfasst deren Veränderung im Widerstandswert und gibt das erfasste Ergebnis als Erfassungssignal ab.
Die Vormagnetisierungseinheit 4 legt ein Vormagnetisierungsfeld mit einer ausreichenden Größenordnung an die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b, 2.2a und 2.2b an, um die freie Schicht jedes der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b, 2.2a und 2.2b zu sättigen. Die anderen Punkte sind ähnlich denjenigen der Vormagnetisierungseinheit 4 nach der ersten Ausführungsform, und deshalb wird eine ausführliche Beschreibung hier nicht noch einmal wiederholt.
Mit Bezug auf 28 umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 600 eine Vormagnetisierungseinheit 4, die auf einem Substrat 32 ausgebildet ist, Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b und Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b, die symmetrisch um die Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 angeordnet sind.
Die Magnetfelderfassungsvorrichtung 600 erfasst die Lageveränderung einer Magnetfelderzeugungseinheit 92, die einer beweglichen Einheit hinzugefügt ist, die linear in der zur Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 senkrechten Richtung bewegt wird. Insbesondere erfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 600 die Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 auf Grundlage des Unterschieds im Widerstandswert, der durch den Unterschied zwischen dem externen Magnetfeld, das von den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1a und 2.1b aufgenommen wird, und dem externen Magnetfeld, das von den Magnetwiderstandseffektelementen 2.2a und 2.2b aufgenommen wird, entsprechend der Position der Magnetfelderzeugungseinheit 92 zum Erzeugen des externen Magnetfelds Hex verursacht wird.
Mit Bezug auf 29 erfasst die Erfassungsschaltung 56 die Veränderung im Widerstandswert der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b, 2.2a und 2.2b durch eine Brückenschaltung und gibt ein Erfassungssignal ab, das dem Erfassungsergebnis entspricht. Die Erfassungsschaltung 56 umfasst auch einen Vorverstärker 54.
Ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.1a ist an ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.2a angeschlossen. Das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.1a wird mit einer Stromversorgungsspannung Vcc beaufschlagt, und das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.2a wird mit Massespannung beaufschlagt.
Ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.1b ist an ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.2b angeschlossen. Das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.2b wird mit einer Stromversorgungsspannung Vcc beaufschlagt, und das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 2.1b wird mit Massespannung beaufschlagt.
Durch Verstärken mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor gibt der Vorverstärker 54 den Unterschied zwischen dem Potential an der Anschlussstelle der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.2a und dem Potential an der Anschlussstelle der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1b und 2.2.b aus.
Wie vorstehend beschrieben, bildet die Erfassungsschaltung 56 eine Brückenschaltung mit einem ersten Paar von Gegenseiten, das die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b umfasst, und einem zweiten Paar von Gegenseiten, das die Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b umfasst, und erfasst den Potentialunterschied zwischen diesen. Deshalb kann die Veränderung im Widerstandswert der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b im Hinblick auf die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b ohne irgendein Bezugswiderstandselement erfasst werden.
Mit Bezug auf 30 ist der Abstand zwischen dem Magnetwiderstandseffektelement 2.1a und dem Magnetwiderstandseffektelement 2.1b ausreichend kleiner als der Abstand von den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1a und 2.1b zur Vormagnetisierungseinheit 4 und den Magnetwiderstandseffektelementen 2.2a und 2.2b. Deshalb wird davon ausgegangen, dass das Vormagnetisierungsfeld Hb und das externe Magnetfeld Hex eine gleiche Auswirkung auf die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b haben. Entsprechend wird davon ausgegangen, dass das Vormagnetisierungsfeld Hb und das externe Magnetfeld Hex eine gleiche Auswirkung auf die Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b haben. Deshalb können das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b und das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b jeweils als äquivalente Magnetwiderstandseffektelemente angesehen werden.
In den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1a und 2.1b ist der magnetische Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht in der zur Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 parallelen Richtung festgelegt, und der magnetische Vektor 42.1 der freien Schicht ist mit einem Winkel angesetzt, der dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb entspricht. Entsprechend ist in den Magnetwiderstandseffektelementen 2.2a und 2.2b der magnetische Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht in der zur Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 parallelen Richtung festgelegt, und der magnetische Vektor 42.2 der freien Schicht ist mit einem Winkel angesetzt, der dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb entspricht. Es sind im Wesentlichen die freien Schichten der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und 2.2a und 2.2b, die in der Richtung der magnetischen Vektoren 42.1 bzw. 42.2 voll magnetisiert und gesättigt werden.
Auch sind das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b und das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b im Hinblick aufeinander symmetrisch um die Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 angeordnet. Im Ergebnis sind das Vormagnetisierungsfeld Hb, das an das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b und das Vormagnetisierungsfeld Hb, das an das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b angelegt wird, symmetrisch um die Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4. Sofern das externe Magnetfeld Hex nicht angelegt wird, fällt deshalb der Winkel, den der magnetische Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht mit dem magnetischen Vektor 42.1 der freien Schicht in den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1a und 2.1b bildet, mit dem Winkel zusammen, den der magnetische Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht mit dem magnetischen Vektor 412 der freien Schicht in den Magnetwiderstandseffektelementen 2.2a und 2.2b bildet.
Der Widerstandswert, der durch die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b erzeugt wird, ist im Wesentlichen derselbe wie derjenige, der durch die Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b erzeugt wird, so dass die Ausgangsspannung der Brückenschaltung im Wesentlichen Null beträgt.
Als Nächstes wird beim Anlegen des externen Magnetfelds Hex an die Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und 2.2a, 2.2b, wie in der Magnetfelderfassungsvorrichtung 400 nach der vierten Ausführungsform und der Magnetfelderfassungsvorrichtung 500 nach der fünften Ausführungsform die Richtung der magnetischen Vektoren 42.1 und 42.2 der freien Schicht verändert. Im Ergebnis erfahren auch die Widerstandswerte der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und 2.2a, 2.2b eine Veränderung.
Wieder mit Bezug auf 28, werden externe Magnetfelder Hex mit verschiedenen Größenordnungen an das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b und das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b in Übereinstimmung mit der Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 94 angelegt, die zu einer beweglichen Einheit 90 hinzugefügt wurde, die dazu ausgelegt ist, sich linear zu bewegen. Im Ergebnis entsteht der Unterschied in den Widerstandswerten zwischen dem Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b und dem Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b.
Wieder mit Bezug auf 30 soll davon ausgegangen werden, dass sich die Magnetfelderzeugungseinheit 92 dem Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b nähert. Es wird ein größeres externes Magnetfeld an das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b angelegt. Dann wird die Richtung des magnetischen Vektors 42.1 der freien Schichten der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a und 2.1b durch das externe Magnetfeld Hex verändert, und der Winkel zum magnetischen Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht im Vergleich zu dem Winkel verkleinert, den der magnetische Vektor 42.2 der freien Schicht des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b mit dem magnetischen Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht bildet.
Darüber hinaus wird im Falle, dass sich die Magnetfelderzeugungseinheit 92 bewegt und sich dem Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b nähert, ein größeres externes Magnetfeld an das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b angelegt. Dann wird die Richtung des magnetischen Vektors 42.2 der freien Schichten der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a und 2.2b durch das externe Magnetfeld Hex verändert. Somit wird der Winkel zum magnetischen Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht im Vergleich zu dem Winkel verkleinert, den der magnetische Vektor 42.1 der freien Schicht des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b mit dem magnetischen Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht bildet.
31 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen der Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 und den Widerstandswerten des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b zeigt. Die Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 ist auf der Papierseite von 28 von der Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 aus positiv nach rechts gerichtet.
Mit Bezug auf 31 nimmt der Widerstandswert des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b den Mindestwert dann an, wenn die Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 negativ ist, d. h. wenn sich die Magnetfelderzeugungseinheit 92 zu den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1a, 2.1b hin bewegt. Hingegen nimmt der Widerstandswert des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b den Mindestwert dann an, wenn die Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 positiv ist, d. h. wenn die Magnetfelderzeugungseinheit 92 sich zu den Magnetwiderstandseffektelementen 2.2a, 2.2b hin bewegt.
Mit der Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 entstehen deshalb verschiedene Kennlinien des Widerstandswerts zwischen dem Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und dem Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b. Auf diese Weise erfasst die Erfassungsschaltung 56 den Unterschied im Widerstandswert unter Verwendung einer Brückenschaltung.
32 zeigt das Verhältnis zwischen der Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 und dem aus der Erfassungsschaltung 56 abgegebenen Erfassungssignal. Beim räumlichen Abstand d handelt es sich in 28 um den Abstand von der Magnetfelderzeugungseinheit 92 zu den Magnetwiderstandseffektelementen 2.1a, 2.1b und 2.2a, 2.2b.
Mit Bezug auf 32 stimmen dann, wenn die Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 Null beträgt, d. h. wenn die Magnetfelderzeugungseinheit 92 sich auf der verlängerten Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 befindet, die Widerstandswerte des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und die Widerstandswerte des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b miteinander überein, und deshalb ist die Brückenschaltung im Gleichgewicht, was zu einem Erfassungssignal von Null führt. Das Erfassungssignal steigt oder fällt im Wert, je nach der Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92.
Je kleiner der räumliche Abstand d ist, umso größer ist die Veränderung (Amplitude) des Erfassungssignals. Und zwar aufgrund der Tatsache, dass bei der Annäherung der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und 2.2a und 2.2b an die Magnetfelderzeugungseinheit 92, das externe Magnetfeld Hex, das von dieser erzeugt wird, mehr aus dem Gleichgewicht gebracht wird.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Magnetfelderfassungsvorrichtung 600 die Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 erfassen, die zur beweglichen Einheit 90 hinzugekommen ist, die dazu ausgelegt ist, sich linear in der zur Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 senkrechten Richtung zu bewegen. Die Geschwindigkeit sowie die Lageveränderung der Magnetfelderzeugungseinheit 92 zu einem bestimmten Zeitpunkt lassen sich erfassen, indem die Lageveränderungsveränderung im Zeitbereich gezählt wird.
Bei der Magnetfelderzeugungseinheit 92 kann es sich um einen an der bewegliche Einheit 90 angebrachten Magneten handeln, oder ein Teil der beweglichen Einheit 90 kann in der gewünschten Richtung magnetisiert sein. Darüber hinaus kann es sich bei der Magnetfelderzeugungseinheit 92 um einen zahnartigen Vorsprung handeln, der an der beweglichen Einheit 90 zu einer erfassbaren Seite der Magnetfelderfassungsvorrichtung 600 hin ausgebildet ist.
Auch kann die Magnetfelderfassungsvorrichtung 600 eine bewegliche Einheit, die dazu ausgelegt ist, sich um deren auf der Verlängerung der Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 befindlichen Drehachse zu drehen, wie auch die sich linear bewegende bewegliche Einheit 90 erfassen.
Solange das externe Magnetfeld Hex nicht anliegt bzw. solange die Magnetfelderzeugungseinheit 92 an der Verlängerung der Mittelachse der Vormagnetisierungseinheit 4 wie vorstehend beschrieben vorhanden ist, stimmen die Widerstandswerte, die durch das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b erzeugt werden, wünschenswerter Weise überein, um die Brückenschaltung im Gleichgewicht zu halten. Zu diesem Zweck muss die Position der Vormagnetisierungseinheit 4 im Hinblick auf das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 2.2a, 2.2b eingestellt werden.
Mit Bezug auf 33 entspricht eine Erfassungsschaltung 58 der in 29 gezeigten Erfassungsschaltung 56, umfasst aber zusätzliche Kontaktierungseinheiten 59.1, 59.2 und 59.3.
Die Kontaktierungseinheiten 59.1 und 59.2 sind Anschlüsse zum Messen der Spannung, die in den Vorverstärker 54 eingespeist wird.
Die Kontaktierungseinheit 59.3 ist ein Anschluss zum Messen der Spannung, die aus dem Vorverstärker 54 ausgegeben wird.
Beim Einstellen der Position der Vormagnetisierungseinheit 4 werden die beiden Spannungen (Messspannungen 1 und 2), die über die Kontaktierungseinheiten 59.1 und 59.2 in den Vorverstärker 54 eingegeben werden, kontinuierlich gemessen, ohne dass dabei ein externes Magnetfeld anliegt. Während die Vormagnetisierungseinheit 4 gleichzeitig bewegt wird, wird die Position bestimmt, an der die beiden Spannungen miteinander übereinstimmen.
Als Alternative wird die Spannung (Messspannung 3), die vom Vorverstärker 54 abgegeben wird, über die Kontaktierungseinheit 59.3 kontinuierlich gemessen, während gleichzeitig die Vormagnetisierungseinheit 4 bewegt und die Position bestimmt wird, an der die bestimmte Spannung zu Null wird.
Jeder Mechanismus kann als Verfahren zum Bewegen der Vormagnetisierungseinheit 4 verwendet werden. Um eine hohe Erfassungsgenauigkeit zu erreichen, ist der zeitliche Abstand pro Bewegung wünschenswerter Weise jedoch in Übereinstimmung mit der Größe der Magnetwiderstandseffektelemente 2.1a, 2.1b und 2.2a, 2.2b ausreichend klein.
Nach der sechsten Ausführungsform der Erfindung wird die Veränderung im Widerstandswert zweier Paare von jeweils zwei Magnetwiderstandseffektelementen, die an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind, unter Verwendung einer Brückenschaltung erfasst, und auf Grundlage der zeitlichen Widerstandswertveränderung wird die Lage der Magnetfelderzeugungseinheit erfasst, die zur beweglichen Einheit hinzugekommen ist.
Auf diese Weise kann eine Magnetfelderfassungsvorrichtung verwirklicht werden, welche die Lage einer beweglichen Einheit berührungslos erfasst.
Auch wird nach der sechsten Ausführungsform der Erfindung die Vormagnetisierungseinheit bewegt, während die Spannung der Brückenschaltung ohne angelegtes externes Magnetfeld gemessen wird, und deshalb kann die Position der Vormagnetisierungseinheit bestimmt werden, an der sich die Brückenschaltung im Gleichgewicht befindet. Im Ergebnis wird eine Magnetfelderfassungsvorrichtung verwirklicht, die einen geringen Erfassungsfehler und hohe Erfassungsgenauigkeit aufweist.
[Siebte Ausführungsform]
Die sechste Ausführungsform bezieht sich auf einen Aufbau, der in der Lage ist, die Lageveränderung einer beweglichen Einheit zu erfassen. Die siebte Ausführungsform hingegen bezieht sich auf einen Aufbau, um sowohl die Lageveränderung als auch die Lageveränderungsrichtung einer beweglichen Einheit zu erfassen.
Mit Bezug auf 34 umfasst eine Magnetfelderfassungsvorrichtung 700 nach der siebten Ausführungsform der Erfindung Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b, 3.2a, 3.2b, 3.3a, 3.3b, 3.4a und 3.4b, eine Vormagnetisierungseinheit 4 und eine Erfassungsschaltung 70.
Die Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b, 3.2a und 3.2b haben denselben Aufbau. Die Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a und 3.1b wie auch die Magnetwiderstandseffektelemente 3.2a und 3.2b sind nahe beieinander angeordnet. Deshalb ist unter der Einwirkung des externen Magnetfelds und des Vormagnetisierungsfelds die Veränderung im Widerstandswert der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a und 3.1b wie auch die Veränderung im Widerstandswert der Magnetwiderstandseffektelemente 3.2a und 3.2b gleich.
Die Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a, 3.3b und 3.4a, 3.4b haben denselben Aufbau. Die Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a und 3.3b wie auch die Magnetwiderstandseffektelemente 3.4a und 3.4b sind nahe beieinander angeordnet.
Die Magnetwiderstandseffektelemente 3.4a und 3.4b erhalten ein ausreichend großes externes Magnetfeld in einer vorbestimmten Richtung von der Vormagnetisierungseinheit 4, und fungieren deshalb als Bezugswiderstandselement mit einem vorbestimmten Widerstandswert.
Die anderen Punkte der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b, 3.2a, 3.2b, 3.3a, 3.3b, 3.4a und 3.4b sind ähnlich denjenigen des Magnetwiderstandseffektelements 2 nach der ersten Ausführungsform, und deshalb wird hier eine ausführliche Beschreibung nicht noch einmal wiederholt.
Die Erfassungsschaltung 70 bildet eine Brückenschaltung mit den in Reihe angeschlossenen Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a und 3.2a und den in Reihe angeschlossenen Magnetwiderstandseffektelementen 3.1b und 3.2b, und erfasst die Veränderung im Widerstandswert jeder Reihenschaltung durch eine Differentialoperation der jeweiligen Widerstandswerte. Darüber hinaus bildet die Erfassungsschaltung 70 eine Brückenschaltung mit den in Reihe angeschlossenen Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a und 3.4a und den in Reihe angeschlossenen Magnetwiderstandseffektelementen 3.3b und 3.4b, und erfasst die Veränderung im Widerstandswert jeder Reihenschaltung durch eine Differentialoperation der jeweiligen Widerstandswerte. Auf Grundlage der Veränderung in den auf diese Weise erfassten Widerstandswerten berechnet die Erfassungsschaltung 70 den Drehwinkel und die Drehrichtung, und gibt diese aus.
Die Vormagnetisierungseinheit 4 legt ein Vormagnetisierungsfeld an die Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b, 3.2a, 3.2b, 3.3a, 3.3b, 3.4a und 3.4b an. Die freien Schichten der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b, 3.2a, 3.2b, 3.3a, 3.3b, 3.4a und 3.4b werden durch das von der Vormagnetisierungseinheit 4 her eingehende Vormagnetisierungsfeld gesättigt. Die anderen Punkte sind ähnlich denjenigen der Vormagnetisierungseinheit 4 nach der ersten Ausführungsform, und deshalb wird eine ausführliche Beschreibung hier nicht noch einmal wiederholt.
Mit Bezug auf 35 umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 700 die Vormagnetisierungseinheit 4, die in einem vorbestimmten beabstandeten Verhältnis über einem Substrat 32 angeordnet ist, ein Paar von Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b und ein Paar von Magnetwiderstandseffektelementen 3.2a, 3.2b, die symmetrisch um die Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 angeordnet sind, und ein Paar von Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a, 3.3b und ein Paar von Magnetwiderstandseffektelementen 3.4a, 3.4b, die entlang der Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 angeordnet sind. Die Magnetfelderfassungsvorrichtung 700 erfasst den Drehwinkel und die Drehrichtung einer beweglichen Einheit 96, die sich um eine (nicht gezeigte) Drehachse auf der Verlängerung der Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 dreht.
Insbesondere erfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 700 den Drehwinkel einer Magnetfelderzeugungseinheit 98 auf Grundlage des Unterschieds im Widerstandswert, der in Übereinstimmung mit der Lage des Magnetfelderzeugungseinheit 98 zum Erzeugen eines externen Magnetfelds Hex durch den Unterschied bewirkt wird, der zwischen dem externen Magnetfeld, das von den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b aufgenommen wird, und dem externen Magnetfeld, das von den Magnetwiderstandseffektelementen 3.2a, 3.2b aufgenommen wird, besteht. Auch erfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 700 den Drehwinkel der Magnetfelderzeugungseinheit 98 unter dem Einfluss des externen Magnetfelds in Übereinstimmung mit der Lage der Magnetfelderzeugungseinheit 98 zum Erzeugen eines externen Magnetfelds Hex durch eine Differentialoperation des Widerstandswerts der Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a, 3.3b und des Widerstandswerts der Magnetwiderstandseffektelemente 3.4a, 3.4b, die ungeachtet des externen Magnetfelds Hex konstant bleiben. Darüber hinaus erfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung 700 die Drehrichtung der Magnetfelderzeugungseinheit 98 auf Grundlage der beiden Erfassungsergebnisse.
Mit Bezug auf 36 erfasst die Erfassungsschaltung 70 einerseits die Veränderung im Widerstandswert des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.2a und des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1b, 3.2b durch eine Brückenschaltung, und andererseits die Veränderung im Widerstandswert des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a, 3.3b und des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 3.4a, 3.4b durch eine Brückenschaltung. Darüber hinaus gibt die Erfassungsschaltung 70 den Drehwinkel und die Drehrichtung aus. Die Erfassungsschaltung 70 umfasst Vorverstärker 74 und 75 und eine arithmetische Operationseinheit 72.
Ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.1a ist an eine Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.2a angeschlossen. Darüber hinaus wird das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.1a mit einer Stromversorgungsspannung Vcc beaufschlagt, während das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.2a mit Massespannung beaufschlagt wird.
Ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.1b ist an eine Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.2b angeschlossen. Darüber hinaus wird das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.2b mit einer Stromversorgungsspannung Vcc beaufschlagt, während das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.1b mit Massespannung beaufschlagt wird.
Der Vorverstärker 74 verstärkt mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor den Potentialunterschied zwischen dem Potential an der Anschlussstelle der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.2a und dem Potential an der Anschlussstelle der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1b, 3.2b, und gibt die verstärkte Spannung an die arithmetische Operationseinheit 72 aus.
Ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.3a ist an ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.4a angeschlossen. Darüber hinaus wird das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.3a mit einer Stromversorgungsspannung Vcc beaufschlagt, während das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.4a mit Massespannung beaufschlagt wird.
Ein Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.3b ist an eine Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.4b angeschlossen. Darüber hinaus wird das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.4b mit einer Stromversorgungsspannung Vcc beaufschlagt, während das andere Ende des Magnetwiderstandseffektelements 3.3b mit Massespannung beaufschlagt wird.
Der Vorverstärker 75 verstärkt mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor den Potentialunterschied zwischen dem Potential an der Anschlussstelle der Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a, 3.4a und dem Potential an der Anschlussstelle der Magnetwiderstandseffektelemente 3.3b, 3.4b, und gibt die verstärkte Spannung an die arithmetische Operationseinheit 72 aus.
Im Ansprechen auf das vom Vorverstärker 74 abgegebene Spannungssignal und das vom Vorverstärker 75 abgegebene Spannungssignal berechnet die arithmetische Operationseinheit 72 den Drehwinkel und die Drehrichtung und gibt beide aus.
Mit Bezug auf 37 ist der Abstand zwischen den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a und 3.1b ausreichend kleiner als der Abstand von den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.2b zur Vormagnetisierungseinheit 4 und der beweglichen Einheit 96. Deshalb wird davon ausgegangen, dass das Vormagnetisierungsfeld Hb und das externe Magnetfeld Hex die gleiche Auswirkung auf die Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a und 3.1b haben. Dies trifft auch auf die anderen Magnetwiderstandseffektelemente zu. Somit können die Magnetwiderstandseffektelemente 3.2a, 3.2b, die Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a, 3.3b bzw. die Magnetwiderstandseffektelemente 3.4a, 3.4b jeweils als Paar gleichwertiger Magnetwiderstandseffektelemente angesehen werden.
In den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a und 3.1b ist der magnetische Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht in der zur Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 parallelen Richtung festgelegt, und der magnetische Vektor 42.1 der freien Schicht ist mit einem Winkel angesetzt, der dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb entspricht. Auf ähnliche Weise ist in den Magnetwiderstandseffektelementen 3.2a, 3.2b der magnetische Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht in der zur Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 parallelen Richtung festgelegt, und der magnetische Vektor 42.2 der freien Schicht ist mit einem Winkel angesetzt, der dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb entspricht. In dem Prozess werden im Wesentlichen die freien Schichten der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b und 3.2a, 3.2b in der Richtung der magnetischen Vektoren 42.1 bzw. 42.2 voll magnetisiert und geraten in den gesättigten Zustand.
Auch sind das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b und das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 3.2a, 3.2b im Hinblick aufeinander symmetrisch um die Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 angeordnet. Die Vormagnetisierungsfelder Hb, die an das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b und das Paar der Magnetwiderstandseffektelemente 3.2a, 3.2b angelegt werden, sind symmetrisch um die Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 angeordnet. Sofern kein externes Magnetfeld Hex angelegt wird, stimmt deshalb der Winkel, den der magnetische Vektor 40.1 der unveränderlichen Schicht mit dem magnetischen Vektor 42.1 der freien Schicht in den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b bildet, mit dem Winkel überein, den der magnetische Vektor 40.2 der unveränderlichen Schicht mit dem magnetischen Vektor 42.2 der freien Schicht in den Magnetwiderstandseffektelementen 3.2a, 3.2b bildet.
Als Nächstes verändern beim Anlegen des externen Magnetfelds Hex an die Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b und 3.2a, 3.2b die magnetischen Vektoren 42.1 und 42.2 der freien Schichten die Richtung.
Im Ergebnis entspricht die durch die Erfassungsschaltung 70 erfasste Ausgangsspannung der Brückenschaltung, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b und 3.2a, 3.2b aufgebaut ist, der Ausgangsspannung der Brückenschaltung der Magnetfelderfassungsvorrichtung 600 nach der sechsten Ausführungsform.
In den Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a, 3.3b hingegen ist der magnetische Vektor 40.3 der unveränderlichen Schicht in der zur Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 parallelen Richtung festgelegt, während der magnetische Vektor 42.3 der freien Schicht in Übereinstimmung mit dem externen Magnetfeld Hex und dem Vormagnetisierungsfeld Hb in der Richtung umgekehrt ist. Auch in den Magnetwiderstandseffektelementen 3.4a, 3.4b ist der magnetische Vektor 40.4 der unveränderlichen Schicht in der zur Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4 parallelen Richtung festgelegt, während der magnetische Vektor 42.4 der freien Schicht in der Richtung des Vormagnetisierungsfelds Hb feststeht und vom externen Magnetfeld Hex nicht beeinflusst wird.
Insbesondere wird die Magnetisierungsrichtung der Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a, 3.3b abwechselnd in Übereinstimmung mit dem Drehwinkel der Magnetfelderzeugungseinheit 98 umgekehrt, was zu einer großen Veränderung des Widerstandswerts führt. Die Magnetwiderstandseffektelemente 3.4a, 3.4b hingegen werden durch das externe Magnetfeld Hex nicht beeinflusst und haben deshalb ungeachtet der Position der Magnetfelderzeugungseinheit 98 einen konstanten Widerstandswert, wodurch sie als Bezugswiderstand fungieren. Auf diese Weise wird ein vorbestimmtes Vormagnetisierungsfeld an die Magnetwiderstandseffektelemente 3.4a, 3.4b angelegt, damit sie als Bezugswiderstand wirken. Im Falle, dass eine Brückenschaltung aus Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a, 3.3b und 3.4a, 3.4b aufgebaut ist, kann deshalb die Temperaturabhängigkeit jedes Widerstandswerts versetzt werden. Im Ergebnis wird ein vom Temperaturfaktor herrührender Fehler unterdrückt.
38A zeigt ein Spannungssignal, das von einer Brückenschaltung abgegeben wird, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b und 3.2a, 3.2b aufgebaut ist.
38B zeigt ein Spannungssignal, das von einer Brückenschaltung abgegeben wird, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a, 3.3b und 3.4a, 3.4b aufgebaut ist.
Mit Bezug auf die 37 und 38A stimmen im Falle, dass sich die Magnetfelderzeugungseinheit 98 am Punkt B befindet, d. h. auf der Mittelachse der auf dem Substrat 32 abgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4, die Widerstandswerte des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b und des Paars der Magnetwiderstandseffektelementen 3.2a, 3.2b miteinander überein. Somit tritt die Brückenschaltung in ein Gleichgewicht ein und das Spannungssignal fällt auf Null ab. Im Falle, dass sich die Magnetfelderzeugungseinheit 98 am Punkt A befindet, d. h auf der Seite der Magnetwiderstandseffektelemente 3.2a, 3.2b, wird hingegen der Widerstandswert des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 3.2a, 3.2b gesenkt und das Spannungssignal steigt zur positiven Seite hin an. Im Falle, dass sich die Magnetfelderzeugungseinheit 98 darüber hinaus am Punkt C befindet, d. h. auf der Seite der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b, sinkt der Widerstandswert des Paars der Magnetwiderstandseffektelemente 3.1a, 3.1b und das Spannungssignal fällt zur negativen Seite hin ab. Wie vorstehend beschrieben, verändert sich das Spannungssignal der Brückenschaltung, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b und 3.2a und 3.2b aufgebaut ist, periodisch mit der Drehung der Magnetfelderzeugungseinheit 98.
Mit Bezug auf die 37 und 38B wird im Falle, dass sich die Magnetfelderzeugungseinheit 98 am Punkt B befindet, d. h. auf der Mittelachse der auf dem Substrat 32 ausgebildeten Vormagnetisierungseinheit 4, die Magnetisierungsrichtung der freien Schichten der Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a, 3.3b umgekehrt, und deshalb erfährt der Widerstandswert eine große Veränderung, so dass das Spannungssignal einen lokalen Höchstwert annimmt. Sobald die Magnetfelderzeugungseinheit 98 mit einem beträchtlichen Abstand von den Magnetwiderstandseffektelemente 3.3a, 3.3b getrennt ist, kann die Magnetisierungsrichtung der freien Schichten nicht länger im umgekehrten Zustand gehalten werden. Deshalb tritt die Brückenschaltung in ein Gleichgewicht ein, und das Spannungssignal fällt auf Null ab.
Wie vorstehend beschrieben, verändert sich das Spannungssignal der Brückenschaltung, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a, 3.3b und 3.4a, 3.4b aufgebaut ist, periodisch mit der Drehung der Magnetfelderzeugungseinheit 98.
Mit Bezug auf die 38A und 38B wird eine arithmetische Operationseinheit 82 (36) der Erfassungsschaltung 70 mit einem Spannungssignal der Brückenschaltung versorgt, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b und 3.2a, 3.2b aufgebaut ist, und berechnet den Drehwinkel der Magnetfelderzeugungseinheit 98. Darüber hinaus berechnet die arithmetische Operationseinheit 72 der Erfassungseinheit 70 die Drehrichtung der Magnetfelderzeugungseinheit 98 noch, indem das Spannungssignal aus der Brückenschaltung, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b und 3.2a, 3.2b aufgebaut ist, mit dem Spannungssignal der Brückenschaltung verglichen wird, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a, 3.3b und 3.4a, 3.4b aufgebaut ist.
Zu dem Zeitpunkt als Bezugszeit, zu dem das Spannungssignal aus der Brückenschaltung, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a, 3.3b und 3.4a, 3.4b aufgebaut ist, einen lokalen Höchstwert annimmt, wird beispielsweise die Polarität der anschließenden Spannungssignale aus der Brückenschaltung bestimmt, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b und 3.2a, 3.2b aufgebaut ist, um dadurch die Drehrichtung zu bestimmen. Insbesondere wird dann, wenn das Spannungssignal aus der Brückenschaltung, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.1a, 3.1b und 3.2a, 3.2b aufgebaut ist, zu und nach dem Zeitpunkt positiv ist, wenn das Spannungssignal aus der Brückenschaltung, die aus den Magnetwiderstandseffektelementen 3.3a, 3.3b und 3.4a, 3.4b aufgebaut ist, einen lokalen Höchstwert annimmt, die Drehung in der Richtung vom Punkt B zum Punkt A bestimmt, während im Falle, dass das Spannungssignal negativ ist, die Spannung hingegen in der Richtung ausgehend vom Punkt B zum Punkt C bin bestimmt wird.
Die Magnetfelderzeugungseinheit 98 kann aus einem Magneten bestehen, der an der beweglichen Einheit 96 angebracht ist. Alternativ kann ein Teil der mobilen Einheit 96 in der gewünschten Richtung magnetisiert werden. Darüber hinaus kann es sich bei der Magnetfelderzeugungseinheit 98 um einen zahnartigen Vorsprung handeln, der an der beweglichen Einheit 96 zu der erfassbaren Seite der Magnetfelderfassungsvorrichtung 700 hin ausgebildet ist.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf einen Fall, bei dem der Drehwinkel und die Drehrichtung der in Drehung befindlichen beweglichen Einheit als ein Beispiel für die Lageveränderung und Lageveränderungsrichtung der beweglichen Einheit erfasst werden. Nichtsdestoweniger können als Alternative natürlich auch die Lageveränderung und die Lageveränderungsrichtung einer in linearer Bewegung befindlichen beweglichen Einheit erfasst werden.

Nach der siebten Ausführungsform der Erfindung wird die Veränderung im Widerstandswert zweier Paare aus je zwei Magnetwiderstandseffektelementen, die sich an verschiedenen Stellen befinden, unter Verwendung einer Brückenschaltung erfasst, und darüber hinaus wird die Veränderung im Widerstandswert zweier weiterer Paare aus je zwei Magnetwiderstandseffektelementen, die sich an verschiedenen Stellen befinden, unter Verwendung einer Brückenschaltung erfasst. Auf Grundlage der zeitlichen Veränderung, die durch die beiden Brückenschaltungen erfasst wird, lassen sich der Drehwinkel und die Drehrichtung der beweglichen Einheit erfassen. Im Ergebnis wird eine Magnetfelderfassungsvorrichtung verwirklicht, bei der die Lageveränderung und die Lageveränderungsrichtung einer beweglichen Einheit berührungslos erfasst werden. BEZUGSZAHLENLISTE

2, 2.1, 2.2, 2.1a, 2.1b, 2.2a, 2.2b, 3.1a, 3.1b, 3.2a, 3.2b, 3.4a, 3.3b, 3.4a, 3.4b	Magnetwiderstandseffektelement
4; 4.1, 4.2	Vormagnetisierungseinheit
6	Erfassungsschaltung
8.1, 8.2, 8.3, 8.4	Draht
10	Antiferromagnetische Schicht
12	Ferromagnetische Schicht
14	Nichtmagnetische Schicht
16	Ferromagnetische Schicht
18	Ferromagnetische Schicht
20	Nichtmagnetische Schicht
22	Ferromagnetische Schicht
24.1, 24.2, 24.3, 24.5, 24.6	Kontakte
30	Konstantstromquelle
31	Vorverstärker
32	Substrat
40, 40.1, 42, 42.1, 42.2	Magnetischer Vektor
50	Erfassungsschaltung
52.1, 52.2	Bezugswiderstände, -widerstandselemente
54	Vorverstärker
56	Erfassungsschaltung
58	Erfassungsschaltung
59.1, 59.2, 59.3	Kontaktierungseinheiten
60	Oxidschicht
62	Source
64	Drain
66	Gate
69	Stromweg
70	Erfassungsschaltung
72	Arithmetische Operationseinheit
74, 75	Vorverstärker
82	Arithmetische Operationseinheit
90	Bewegliche Einheit
92	Magnetfelderzeugungseinheit
96	Bewegliche Einheit
98	Magnetfelderzeugungseinheit
100, 200, 300, 400, 500, 600	Magnetfelderfassungsvorrichtung
H, H'	Kombiniertes Magnetfeld
Hb	Vormagnetisierungsfeld
Hb1	Parallele Komponente
Hb2	Orthogonale Komponente
Hex	Externes Magnetfeld

Claims

Magnetfelderfassungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Magnetwiderstandseffektelement (2) mit einer ersten ferromagnetischen Schicht (12) und einer zweiten ferromagnetischen Schicht (16), die mit einer dazwischenliegenden ersten nichtmagnetischen Schicht (14, 15) aufeinandergesetzt sind; und eine Erfassungsschaltung (6), um ein externes Magnetfeld, das an das Magnetwiderstandseffektelement (2) angelegt wird, auf Grundlage des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements (2) zu erfassen, wobei die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ungeachtet des externen Magnetfelds feststeht, sich die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) mit dem externen Magnetfeld ändert, sich das Magnetwiderstandseffektelement (2) im Widerstandswert in Übereinstimmung mit der Korrelation zwischen den Magnetisierungsrichtungen der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht ändert, die Magnetfelderfassungsvorrichtung darüber hinaus eine Vormagnetisiereinheit (4) umfasst, um ein Vormagnetisierungsfeld, das eine magnetische Feldkomponente senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht aufweist, an das Magnetwiderstandseffektelement anzulegen und eine Kennlinie des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements (2) auf das externe Magnetfeld abzuändern, und die Erfassungsschaltung (6) konfiguriert ist, um das externe magnetische Feld zu detektieren, basierend auf dem Widerstandswert des Magnetwiderstandseffektelements (2) und einer Erfassungsempfindlichkeit in Abhängigkeit von dem Wert der magnetischen Feldkomponente senkrecht auf die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das externe Magnetfeld in derselben Richtung erfasst wird wie die Magnetisierung der ersten ferromagnetischen Schicht verläuft.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vormagnetisierungseinheit (4) das Vormagnetisierungsfeld, das eine Magnetfeldkomponente enthält, in derselben Richtung anlegt wie das externe Magnetfeld, und die Erfassungsschaltung (6) konfiguriert ist, um das externe magnetische Feld zu detektieren, basierend auf einem Erfassungsbereich in Abhängigkeit von dem Wert der magnetischen Feldkomponente in derselben Richtung wie das externe magnetische Feld sowie auf dem Widerstandswert des Magnetwiderstandselements und der Erfassungsempfindlichkeit.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ist, wenn das externe Magnetfeld nicht angelegt wird.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich das Magnetwiderstandseffektelement (2) in Übereinstimmung mit dem Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (12) und der Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) nach der Magnetisierung der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) zum gesättigten Zustand im Widerstandswert verändert, die Vormagnetisierungseinheit (4) das Vormagnetisierungsfeld auf eine Weise anlegt, dass das Magnetwiderstandseffektelement (2) gesättigt wird, sich die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) in Übereinstimmung mit einem kombinierten Magnetfeld aus Vormagnetisierungsfeld und externem Magnetfeld dreht, und die Erfassungsschaltung (6) das externe Magnetfeld auf Grundlage des sich mit dem kombinierten Magnetfeld ändernden Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements (2) erfasst.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vormagnetisierungseinheit (4) das Vormagnetisierungsfeld in der zum externen Magnetfeld senkrechten Richtung anlegt.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, die Folgendes umfasst: zwei Magnetwiderstandseffektelemente (2.1, 2.2) und zwei Vormagnetisierungseinheiten (4.1, 4.2), die jeweils den beiden Magnetwiderstandseffektelementen (2.1., 2.2) entsprechen, wobei ein gemeinsames externes Magnetfeld an die beiden Magnetwiderstandseffektelemente (2.1, 2.2) angelegt wird, die beiden Vormagnetisierungseinheiten (4.1, 4.2) jeweils im Wesentlichen dasselbe Vormagnetisierungsfeld an die entsprechenden Magnetwiderstandseffektelemente (2.1, 2.2) anlegen, die Erfassungsschaltung zwei Bezugswiderstandselemente (52.1, 52.2) umfasst, wovon jedes ungeachtet des externen Magnetfelds einen im Wesentlichen konstanten Widerstandswert hat, und eine Brückenschaltung mit den Magnetwiderstandseffektelementen (2.1, 2.2) als einem Paar von Gegenseiten und den beiden Bezugswiderstandselementen (52.1, 52.2) als dem anderen Paar von zwei Gegenseiten bildet, und das externe Magnetfeld auf Grundlage des Potentialunterschieds zwischen entgegengesetzten Punkten an der Brückenschaltung erfasst wird, der durch die Veränderung im Widerstandswert der beiden Magnetwiderstandseffektelemente entsteht.
Magnetfelderfassungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Magnetwiderstandseffektelement (2) mit einer ersten ferromagnetischen Schicht (12) und einer zweiten ferromagnetischen Schicht (16), die mit einer dazwischenliegenden ersten nichtmagnetischen Schicht (14, 15) aufeinandergesetzt sind; und eine Erfassungsschaltung (6), um ein externes Magnetfeld, das an das Magnetwiderstandseffektelement (2) angelegt wird, auf Grundlage des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelements (2) zu erfassen, wobei die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ungeachtet des externen Magnetfelds feststeht, sich die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) mit dem externen Magnetfeld ändert, sich das Magnetwiderstandseffektelement (2) im Widerstandswert in Übereinstimmung mit der Korrelation zwischen den Magnetisierungsrichtungen der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht ändert, und die Magnetfelderfassungsvorrichtung darüber hinaus eine Vormagnetisierungseinheit (4) umfasst, um ein Vormagnetisierungsfeld an das Magnetwiderstandseffektelement anzulegen und eine Kennlinie des Widerstandswerts des Magnetwiderstandseffektelement (2) auf das externe Magnetfeld abzuändern, wobei die Magnetfelderfassungsvorrichtung das externe Magnetfeld erfasst, das von einer beweglichen Einheit (90, 96) erzeugt wird, die dazu ausgelegt ist, sich zu bewegen und sich einer ersten und einer zweiten Position zu nähern, und ein erstes Magnetwiderstandseffektelement (2.1a) und ein zweites Magnetwiderstandseffektelement (2.1b) umfasst, die an der ersten Position angeordnet sind, und ein drittes Magnetwiderstandseffektelement (2.2a) und ein viertes Magnetwiderstandseffektelement (2.2b), die an der zweiten Position angeordnet sind, wobei das erste und zweite Magnetwiderstandseffektelement (2.1a, 2.1b) und das dritte und vierte Magnetwiderstandseffektelement (2.2a, 2.2b) so angeordnet sind, dass jede Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht dieselbe ist wie die Richtung des externen Magnetfelds, jede Vormagnetisierungseinheit (4) so angeordnet ist, dass die Größenordnungen der Vormagnetisierungsfelder an der ersten und zweiten Position im Wesentlichen übereinstimmen, die Erfassungsschaltung eine erste Brückenschaltung mit dem ersten und zweiten Magnetwiderstandseffektelement (2.1a, 2.1b) als einem Paar von Gegenseiten, und dem dritten und vierten Magnetwiderstandseffektelement (2.2a, 2.2b) als dem anderen Paar von Gegenseiten bildet, und das externe Magnetfeld auf Grundlage des Potentialunterschieds zwischen entgegengesetzten Punkten der ersten Brückenschaltung erfasst wird, der durch den Unterschied im Widerstandswert zwischen dem Paar des ersten und zweiten Magnetwiderstandseffektelements (2.1a, 2.1b) und dem Paar des dritten und vierten Magnetwiderstandseffektelements (2.2a, 2.2b) mit der Bewegung der beweglichen Einheit bewirkt wird.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 8, darüber hinaus ein fünftes und ein sechstes Magnetwiderstandseffektelement (3.3a, 3.3b) umfassend, die an dritten Positionen auf einer geraden Linie, die einen Linienabschnitt an deren Mittelpunkt orthogonal kreuzt, die die erste mit der zweiten Position verbindet, angeordnet und dazu ausgelegt sind, dass sich die in Bewegung befindliche bewegliche Einheit (90, 96) ihnen nähert, wobei die Erfassungsschaltung darüber hinaus zwei Bezugswiderstandselemente (3.4a, 3.4b) umfasst, die ungeachtet des externen Magnetfelds im Widerstandswert im Wesentlichen konstant sind, und eine Brückenschaltung bildet, wobei das fünfte und sechste Magnetwiderstandseffektelement (3.3a, 3.3b) ein Paar von Gegenseiten bilden und die beiden Bezugswiderstandselemente (3.4a, 3.4b) das andere Paar von Gegenseiten bilden, und die Lageveränderung und die Lageveränderungsrichtung des externen Magnetfelds auf Grundlage der zeitlichen Veränderung des Potentialunterschieds zwischen entgegengesetzten Punkten der ersten Brückenschaltung und der zeitlichen Veränderung des Potentialunterschieds zwischen entgegengesetzten Punkten der zweiten Brückenschaltung erfasst werden, der durch die Bewegung der beweglichen Einheit (90, 96) bewirkt wird.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Bezugswiderstandselemente (3.4a, 3.4b) zwei Magnetwiderstandseffektelemente umfassen, an die ungeachtet des externen Magnetfelds ein im Wesentlichen konstantes Vormagnetisierungsfeld angelegt wird.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Vormagnetisierungseinheit (4) auf einer geraden Linie angeordnet ist, die einen Mittelpunkt eines Linienabschnitts enthält, der die erste mit der zweiten Position verbindet und parallel zur Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht ist.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das erste und zweite Magnetwiderstandseffektelement und das dritte und vierte Magnetwiderstandseffektelement auf demselben Substrat angeordnet sind, die Vormagnetisierungseinheit in einer Ebene angeordnet ist, die parallel zum Substrat und um einen vorbestimmten Abstand davon entfernt ist, und die Mittelachse der auf dem Substrat abgebildeten Vormagnetisierungseinheit (4) mit einer geraden Linie zusammenfällt, die einen Mittelpunkt eines Linienabschnitts enthält, der die erste mit der zweiten Position verbindet und parallel zur Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht ist.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Erfassungsschaltung darüber hinaus eine Kontaktierungseinheit umfasst, um zumindest ausgewählte Potentiale der Potentiale entgegengesetzter Punkte und den Potentialunterschied zwischen entgegengesetzten Punkten der ersten Brückenschaltung zu messen.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Erfassungsschaltung einen Teil davon umfasst, der auf einem Substrat angeordnet ist, das von den Magnetwiderstandseffektelementen gemeinsam genutzt wird.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Vormagnetisierungseinheit (4) aus einem Permanentmagneten besteht.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Magnetwiderstandseffektelement darüber hinaus eine antiferromagnetische Schicht (10) umfasst, die der ersten ferromagnetischen Schicht (12) auf der Fläche der ersten ferromagnetischen Schicht (12) hinzugefügt ist, die zur Fläche der ersten ferromagnetischen Schicht (12), die der ersten nichtmagnetischen Schicht (14) hinzugefügt ist, entgegengesetzt ist, und die antiferromagnetische Schicht (10) die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht durch Austauschkopplung festlegt.
Magnetfelderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetwiderstandseffektelement darüber hinaus eine dritte ferromagnetische Schicht (18) umfasst, die zwischen der ersten ferromagnetischen Schicht (22) und der antiferromagnetischen Schicht (10) eingefügt und der ersten ferromagnetischen Schicht (22) mit einer dazwischenliegend angeordneten zweiten nichtmagnetischen Schicht (20) hinzugefügt ist, und die dritte ferromagnetische Schicht (18) so magnetisiert ist, dass die Magnetisierung der ersten ferromagnetischen Schicht (22) versetzt wird.
Verfahren zum Einstellen einer Magnetfelderfassungsvorrichtung, die in der Lage ist, ein externes Magnetfeld zu erfassen, das von einer beweglichen Einheit (90) erzeugt wird, die sich bewegt und sich einer ersten und zweiten Position nähert, wobei die Magnetfelderfassungsvorrichtung ein erstes bis viertes Magnetwiderstandseffektelement (2.1a, 2.1b, 2.2a, 2.2b) umfasst, wovon jedes eine erste ferromagnetische Schicht (12) und eine zweite ferromagnetische Schicht (16) besitzt, die mit einer dazwischenliegenden ersten nichtmagnetischen Schicht (14, 15) aufeinandergesetzt sind, eine Erfassungsschaltung (58), um das externe Magnetfeld auf Grundlage eines Widerstandswerts des ersten bis vierten Magnetwiderstandseffektelements (2.1a, 2.1b, 2.2a, 2.2b) zu erfassen, und eine Vormagnetisierungseinheit (4), um ein Vormagnetisierungsfeld an das erste bis vierte Magnetwiderstandseffektelement (2.1a, 2.1b, 2.2a, 2.2b) anzulegen, die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ungeachtet des externen Magnetfelds feststeht, und sich die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) mit dem externen Magnetfeld ändert, sich der Widerstandswert jedes ersten bis vierten Magnetwiderstandseffektelements (2.1a, 2.1b, 2.2a, 2.2b) durch das Verhältnis zwischen den Magnetisierungsrichtungen der ersten ferromagnetischen Schicht (12) und der zweiten ferromagnetischen Schicht (16) von diesen verändert, das erste und zweite Magnetwiderstandseffektelement (2.1a, 2.1b) an der ersten Position angeordnet sind, und das dritte und vierte Magnetwiderstandseffektelement (2.2a, 2.2b) an der zweiten Position angeordnet sind, jedes der Magnetwiderstandseffektelemente so angeordnet ist, dass die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (12) mit der Magnetisierungsrichtung des externen Magnetfelds übereinstimmt, die Erfassungsschaltung (58) eine Brückenschaltung mit dem ersten und zweiten Magnetwiderstandseffektelement (2.1a, 2.1b) als einem Paar von Gegenseiten und dem dritten und vierten Magnetwiderstandseffektelement (2.2a, 2.2b) als dem anderen Paar von Gegenseiten bildet, und das externe Magnetfeld auf Grundlage des Potentialunterschieds zwischen entgegengesetzten Punkten der Brückenschaltung erfasst wird, der durch den Unterschied im Widerstandswert zwischen dem Paar des ersten und zweiten Magnetwiderstandseffektelements (2.1a, 2.1b) und dem Paar des dritten und vierten Magnetwiderstandseffektelements (2.2a, 2.2b) mit der Bewegung der beweglichen Einheit bewirkt wird, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, die Position der Vormagnetisierungseinheit (4) auf eine ausgewählte Weise zu bestimmen, bei der die Potentiale an entgegengesetzten Seiten der Brückenschaltung übereinstimmen, und auf eine Weise, bei der der Potentialunterschied zwischen entgegengesetzten Punkten der Brückenschaltung Null beträgt, wenn kein externes Magnetfeld angelegt wird.