DE102013102165A1

DE102013102165A1 - Magnetsensorsystem

Info

Publication number: DE102013102165A1
Application number: DE102013102165.4A
Authority: DE
Inventors: Kazuya Watanabe; Hiraku Hirabayashi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-02-06
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: DE102013102165B4; JP2014020888A; US20140021943A1; US9175942B2; JP5590349B2

Abstract

Ein Magnetsensorsystem enthält eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Zielmagnetfeldes und einen Magnetsensor zum Erfassen des Zielmagnetfeldes und ist zwischen einem Betriebszustand und einem Ruhezustand wählbar. Der Magnetsensor weist ein magnetisches Erfassungselement auf, das eine magnetische Schicht enthält, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung des Zielmagnetfeldes in einer Referenzposition variiert. Im Betriebszustand variiert die Richtung des Zielmagnetfeldes aus der Sicht des Magnetsensors in der Referenzposition. Im Ruhezustand variiert die Richtung des Zielmagnetfeldes aus der Sicht des Magnetsensors in der Referenzposition nicht und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht ist in einer ersten Richtung festgesetzt. Die magnetische Schicht hat eine induzierte magnetische Anisotropie, die der magnetischen Schicht im Voraus verliehen wird.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetsensorsystem, das eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfeldes und einen Magnetsensor zum Erfassen des Magnetfeldes enthält.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In den letzten Jahren wurden Magnetsensoren weitläufig zum Erfassen der Drehposition eines Objekts in zahlreichen Anwendungen verwendet, wie dem Erfassen des Öffnungsgrades eines Drosselventils in Kraftfahrzeugen, dem Erfassen der Drehposition des Lenkrades in Kraftfahrzeugen und dem Erfassen der Drehposition der Scheibenwischer in Kraftfahrzeugen. Magnetsensoren werden nicht nur zum Erfassen der Drehposition eines Objekts verwendet, sondern auch zum Erfassen einer linearen Verschiebung eines Objekts. Systeme, die Magnetsensoren verwenden, sind für gewöhnlich mit Mitteln (zum Beispiel einem Magneten) zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfeldes versehen, dessen Richtung sich in Verbindung mit der Drehung oder linearen Bewegung eines Objekts dreht. Im Folgenden wird das zu erfassende Magnetfeld als Zielmagnetfeld bezeichnet. Die Magnetsensoren verwenden magnetische Erfassungselemente zum Erfassen des Winkels, den die Richtung des Zielmagnetfeldes in einer Referenzposition in Bezug auf eine Referenzrichtung bildet. Somit wird die Drehposition oder lineare Verschiebung eines Objekts erfasst.
Unter bekannten Magnetsensoren ist einer, der ein magnetoresistives (MR) Spinventilelement als magnetisches Erfassungselement verwendet, wie in WO 00/17666 , EP 1986015 A3 , US 7,394,248 B1 und DE 102009006144 A1 offenbart. Das MR-Spinventilelement weist eine Schicht mit fester Magnetisierung auf, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung des Zielmagnetfeldes variiert, und eine nicht magnetische Schicht, die zwischen der Schicht mit fester Magnetisierung und der freien Schicht angeordnet ist.
Ein Magnetsensor, der ein MR-Spinventilelement als magnetisches Erfassungselement verwendet, kann einen Fehler bei einem erfassten Winkel aufgrund von Variationen in den magnetischen Eigenschaften des MR-Elements aufweisen, wie in DE 102009006144 A1 beschrieben. DE 102009006144 A1 offenbart eine Technologie zur Verringerung eines Fehlers im erfassten Winkel, der durch Variationen während der Herstellung des MR-Elements verursacht wird. Diese Technik ist sozusagen eine Technik zur Verringerung eines Fehlers im erfassten Winkel zum Zeitpunkt der Fertigstellung des Magnetsensors als Produkt.
Fehler im erfassten Winkel, die im Magnetsensor auftreten könnten, umfassen einen Fehler, der nach dem Einbau des Magnetsensors auftritt, zusätzlich zu einem Fehler, der zum Zeitpunkt der Fertigstellung des Produkts, wie oben erwähnt, vorgefunden wird. Eine der Ursachen für das Auftreten eines Fehlers im erfassten Winkel nach dem Einbau des Magnetsensors ist eine induzierte magnetische Anisotropie, die im Nachhinein in der freien Schicht des MR-Elements auftritt. Eine solche induzierte magnetische Anisotropie kann in der freien Schicht auftreten, wenn zum Beispiel die Temperatur des MR-Elements von einer hohen Temperatur abgesenkt wird, während ein externes Magnetfeld an das MR-Element in einer bestimmten Richtung angelegt wird. Ein solche Situation kann eintreten, wenn zum Beispiel der Magnetsensor in einem Kraftfahrzeug eingebaut wird und eine bestimmte Relativposition zwischen dem Magnetsensor und dem Mittel zum Erzeugen eines Zielmagnetfeldes eingestellt wird, während das Kraftfahrzeug nicht betrieben wird. Insbesondere kann die oben erwähnte Situation eintreten, wenn der Magnetsensor zum Erfassen der Position eines Objekts verwendet wird, das an einer vorbestimmten Position zum Stillstand kommt, während das Kraftfahrzeug nicht betrieben wird, wie der Scheibenwischer eines Kraftfahrzeuges.
Der Magnetsensor muss einen verringerten Fehler im erfassten Winkel aufweisen, der aufgrund einer induzierten magnetischen Anisotropie auftreten kann, die erst im Nachhinein nach der Installation eintritt. Es ist zu beachten, dass die vorangehenden Beschreibungen das Problem behandelt haben, das vorgefunden wird, wenn eine induzierte magnetische Anisotropie erst im Nachhinein in der freien Schicht eines MR-Spinventilelements nach dem Einbau eines Magnetsensors auftritt, der das MR-Spinventilelement als magnetisches Erfassungselement verwendet. Dieses Problem trifft jedoch auf alle Fälle zu, in denen der Magnetsensor ein magnetisches Erfassungselement aufweist, das eine magnetische Schicht enthält, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung des Zielmagnetfeldes variiert, und eine induzierte magnetische Anisotropie erst im Nachhinein in der magnetischen Schicht des magnetischen Erfassungselements nach dem Einbau des Magnetsensors eintritt.
AUFGABE UND KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetsensorsystem vorzusehen, das eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Zielmagnetfeldes und einen Magnetsensor mit einem magnetischen Erfassungselement aufweist, das eine magnetische Schicht enthält, wobei das Magnetsensorsystem imstande ist, einen Fehler zu verringern, der in dem erfassten Wert aufgrund einer induzierten magnetischen Anisotropie auftreten kann, die erst im Nachhinein in der magnetischen Schicht des magnetischen Erfassungselements eintritt.
Ein Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung enthält eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Zielmagnetfeldes und einen Magnetsensor zum Erfassen des Zielmagnetfeldes und kann zwischen einem Betriebszustand und einem Ruhezustand wählen. Der Magnetsensor weist ein magnetisches Erfassungselement auf und erzeugt einen erfassten Wert entsprechend dem Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfeldes in einer Referenzposition in Bezug auf eine Referenzrichtung bildet. Das magnetische Erfassungselement enthält eine magnetische Schicht, deren Magnetisierungsrichtung gemäß der Richtung des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition variiert. Wenn das Magnetsensorsystem im Betriebszustand ist, variiert die Richtung des Zielmagnetfeldes vom Magnetsensor aus gesehen in der Referenzposition. Wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist, variiert die Richtung des Zielmagnetfeldes vom Magnetsensor aus gesehen in der Referenzposition nicht und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht ist in einer ersten Richtung festgesetzt. Die magnetische Schicht hat eine induzierte magnetische Anisotropie, die der magnetischen Schicht im Voraus verliehen wird. Eine leichte Magnetisierungsachse, die sich aus der verliehenen induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, ist in eine Richtung ausgerichtet, die einen Winkel im Bereich von 0° bis 15° in Bezug auf die erste Richtung bildet.
Wenn das Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung im Betriebszustand ist, können die Magnetfelderzeugungseinheit und der Magnetsensor in einer variierenden Relativposition zueinander stehen, während, wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist, die Magnetfelderzeugungseinheit und der Magnetsensor in einer festgesetzten Relativposition zueinander stehen können.
Im Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung kann der Magnetsensor eine Korrektur eines Fehlers vornehmen, der im erfassten Wert augrund der induzierten magnetischen Anisotropie auftritt, die der magnetischen Schicht verliehen wurde. Die Korrektur des Fehlers kann durch eine magnetische Formanisotropie ausgeführt werden, die der magnetischen Schicht verliehen wird. In diesem Fall kann eine leichte Magnetisierungsachse, die sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, in eine Richtung ausgerichtet sein, die einen Winkel im Bereich von 75° bis 90° in Bezug auf sowohl die erste Richtung wie auch die Richtung der leichten Magnetisierungsachse bildet, die sich aus der induzierten magnetischen Anisotropie ergibt. Alternativ kann der Magnetsensor eine arithmetische Schaltung zur Durchführung der Fehlerkorrektur enthalten.
In dem Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung wird der magnetischen Schicht im Voraus eine induzierte magnetische Anisotropie verliehen. Somit weist die magnetische Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Fall, in dem der magnetischen Schicht keine induzierte magnetische Anisotropie im Voraus verliehen wird, eine nicht so hohe induzierte magnetische Anisotropie auf wie jene, die in der magnetischen Schicht im Nachhinein verursacht werden kann. Folglich ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen Fehler im erfassten Wert zu verringern, der durch eine induzierte magnetische Anisotropie verursacht wird, die im Nachhinein in der magnetischen Schicht des magnetischen Erfassungselements auftritt.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines Magnetsensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist ein erklärendes Schema, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln in der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist ein erklärendes Schema, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln in der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines in 4 dargestellten MR-Elements zeigt.
6 ist ein Kennliniendiagramm, das ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der kumulativen Zeit einer Anisotropieeinleitenden Situation und dem Winkelfehler zeigt.
7 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenform einer Komponente zweiter Ordnung von jeweils einem ersten Fehler, einem zweiten Fehler und einem Restfehler, durch Simulation bestimmt, zeigt.
8 ist ein Kennliniendiagramm, das ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Aspektverhältnis und der Größe einer Komponente dritter Ordnung des zweiten Fehlers, durch Simulation bestimmt, zeigt.
9 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines in 9 dargestellten MR-Elements zeigt.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines Magnetsensorsystems gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
12 ist ein erklärendes Diagramm, das die Form und Anordnung von MR-Elementen in der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
13 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
14A ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors eines Vergleichsbeispiels gegenüber einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
14B ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
15A ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors eines Vergleichsbeispiels gegenüber einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
15B ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zunächst wird auf 1 bis 3 Bezug genommen, um einen allgemeinen Aufbau eines Magnetsensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau des Magnetsensorsystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 2 und 3 sind erklärende Schemata, die die Definitionen von Richtungen und Winkeln in der vorliegenden Ausführungsform zeigen.
Wie in 1 dargestellt, enthält das Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Magnetfelderzeugungseinheit 2 zum Erzeugen eines Zielmagnetfeldes MF und einen Magnetsensor 1 zum Erfassen des Zielmagnetfeldes MF. Der Magnetsensor 1 enthält eine erste Erfassungsschaltung 10 und eine zweite Erfassungsschaltung 20 zum Erfassen des Zielmagnetfeldes MF. Für ein leichteres Verständnis zeigt 1 die erste und zweite Erfassungsschaltung 10 bzw. 20 als separate Komponenten. Die erste und zweite Erfassungsschaltung 10 bzw. 20 können jedoch in einer einzigen Komponente integriert sein. Die erste und zweite Erfassungsschaltung 10 bzw. 20 sind in 1 vertikal gestapelt und die Reihenfolge des Stapels kann zu der in 1 dargestellten umgedreht sein.
Hier sind eine Referenzebene, eine Referenzposition und eine Referenzrichtung wie folgt definiert. Die Referenzebene ist eine gedachte Ebene mit einer vorgegebenen Relativposition zum Magnetsensor 1. Die Referenzposition liegt innerhalb der Referenzebene. Die Referenzrichtung liegt innerhalb der Referenzebene und schneidet die Referenzposition. Eine Richtung, die die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition ist und die innerhalb der Referenzebene liegt, kann aus der Sicht des Magnetsensors 1 variieren. In den folgenden Beschreibungen bezieht sich die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition auf eine Richtung, die in der Referenzebene liegt. Die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition ist zum Beispiel aus der Sicht des Magnetsensors 1 um die Referenzposition drehbar. Der Magnetsensor 1 erzeugt einen erfassten Wert entsprechend dem Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition in Bezug auf die Referenzrichtung bildet.
In der vorliegenden Ausführungsform weist die Magnetfelderzeugungseinheit 2 einen zylindrischen Magneten 5 auf. Der Magnet 5 hat einen N-Pol und einen S-Pol, die symmetrisch um eine gedachte Ebene angeordnet sind, die die Mittelachse des Zylinders enthält. Der Magnet 5 ist um die Mittelachse des Zylinders drehbar. Der Magnet 5 weist zwei Stirnflächen auf, die an gegenüberliegenden Enden des Magneten 5 in Richtung der Mittelachse des Zylinders liegen. Der Magnetsensor 1 ist so angeordnet, dass er einer der zwei Stirnflächen des Magneten 5 zugewandt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Referenzebene zum Beispiel eine Ebene parallel zu einer der zwei Stirnflächen des Magneten 5. Ferner ist die Referenzposition zum Beispiel die Position, in der der Magnetsensor 1 das Zielmagnetfeld MF erfasst. Die Referenzposition kann die Position sein, in der ein Drehmittelpunkt C, der die Mittelachse des Zylinders enthält, die Referenzebene schneidet. Wenn sich in diesem Fall der Magnet 5 dreht, dreht sich die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition aus der Sicht des Magnetsensors 1 um die Referenzposition.
Die erste Erfassungsschaltung 10 enthält ein magnetisches Erfassungselement und erzeugt ein erstes Signal S1 entsprechend dem Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition in Bezug auf die Referenzrichtung bildet. Die zweite Erfassungsschaltung 20 enthält ein magnetisches Erfassungselement und erzeugt ein zweites Signal S2 entsprechend dem Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition in Bezug auf die Referenzrichtung bildet. Das magnetische Erfassungselement jeder der ersten und zweiten Erfassungsschaltung 10 bzw. 20 enthält eine magnetische Schicht, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition variiert.
Das Magnetsensorsystem ist zwischen dem Betriebszustand und dem Ruhezustand wählbar. Wenn sich das Magnetsensorsystem im Betriebszustand befindet, variiert die Richtung des Zielmagnetfeldes MF aus der Sicht des Magnetsensors 1 in der Referenzposition. In der vorliegenden Ausführungsform, insbesondere wenn das Magnetsensorsystem im Betriebszustand ist, dreht die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition aus der Sicht des Magnetsensors 1 um die Referenzposition. Wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist, variiert die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition aus der Sicht des Magnetsensors 1 nicht und die Magnetisierungsrichtung in der magnetischen Schicht ist in einer ersten Richtung festgesetzt, wie später beschrieben wird.
Der Aufbau des Magnetsensorsystems ist nicht auf das in 1 dargestellte Beispiel beschränkt. Das Magnetsensorsystem muss nur so sein, dass, wenn es sich im Betriebszustand befindet, die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition aus der Sicht des Magnetsensors 1 variiert, während, wenn es im Ruhezustand ist, die Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition aus der Sicht des Magnetsensors 1 nicht variiert und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht in der ersten Richtung festgesetzt ist. Zum Beispiel kann ein solches Magnetsensorsystem so aufgebaut sein, dass, wenn es sich im Betriebszustand befindet, die Magnetfelderzeugungseinheit 2 und der Magnetsensor 1 in einer variierenden Relativposition zueinander stehen, während, wenn es sich im Ruhezustand befindet, die Magnetfelderzeugungseinheit 2 und der Magnetsensor 1 in einer festgesetzten Relativposition zueinander stehen. Das Magnetsensorsystem, das in 1 dargestellt ist, ist ein Beispiel davon.
Das Magnetsensorsystem, wenn es den Magneten 5 und den Magnetsensor 1 enthält, die wie zum Beispiel in 1 dargestellt angeordnet sind, kann so aufgebaut sein, dass, wenn es im Betriebszustand ist, der Magnet 5 fixiert ist, während sich der Magnetsensor 1 dreht, oder sich der Magnet 5 und der Magnetsensor 1 in entgegengesetzte Richtungen drehen oder der Magnet 5 und der Magnetsensor 1 sich in dieselbe Richtung, jedoch bei wechselseitig unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten, drehen.
Das Magnetsensorsystem kann auch so aufgebaut sein, dass die Magnetfelderzeugungseinheit 2 nicht den Magneten 5 aufweist, sondern einen Magneten, der ein oder mehrere Paare von N- und S-Polen enthält, die abwechselnd in Ringform angeordnet sind, wobei der Magnetsensor 1 in der Nähe des Außenumfangs des Magneten angeordnet ist. Wenn in diesem Fall zum Beispiel das Magnetsensorsystem im Betriebszustand ist, können sich der Magnet und/oder Magnetsensor 1 drehen, während im Ruhezustand sowohl der Magnet als auch der Magnetsensor 1 still stehen können.
Das Magnetsensorsystem kann auch so aufgebaut sein, dass die Magnetfelderzeugungseinheit 2 nicht den Magneten 5 aufweist, sondern einen magnetischen Maßstab, der mehrere Paare von N- und S-Polen enthält, die abwechselnd in gerader Linie angeordnet sind, wobei der Magnetsensor 1 in der Nähe der Peripherie der magnetischen Schiene angeordnet ist. Wenn in diesem Fall zum Beispiel das Magnetsensorsystem im Betriebszustand ist, können sich die magnetische Schiene und/oder der Magnetsensor 1 linear in die Richtung bewegen, in der die N- und S-Pole der magnetischen Schiene ausgerichtet sind, während im Ruhezustand sowohl die magnetische Schiene als auch der Magnetsensor 1 still stehen können. Dieses Beispiel wird später als dritte Ausführungsform näher beschrieben.
Die Referenzebene, die Referenzposition und die Referenzrichtung können auch in den oben genannten verschiedenen Arten eines Aufbaus des Magnetsensorsystems angenommen werden.
Die Definitionen von Richtungen und Winkeln in der vorliegenden Ausführungsform werden nun unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben. Zunächst ist eine Richtung, die zum Drehmittelpunkt C, wie in 1 dargestellt, parallel liegt und von einer der zwei Stirnflächen des Magneten 5 zum Magnetsensor 1 verläuft, als die Z-Richtung definiert. Dann werden zwei Richtungen, die orthogonal zueinander und senkrecht zur Z-Richtung liegen, als die X-Richtung und die Y-Richtung definiert. In 2 ist die X-Richtung als die Richtung nach rechts und die Y-Richtung als die Richtung nach oben dargestellt. Die Richtung, die der X-Richtung entgegengesetzt ist, wird als die –X-Richtung definiert und die Richtung, die der Y-Richtung entgegengesetzt ist, wird als die –Y-Richtung definiert.
Hier soll die Referenzposition PR die Position sein, in der der Magnetsensor 1 das Zielmagnetfeld MF erfasst. Die Referenzrichtung DR soll die X-Richtung sein. Der Winkel, den die Richtung DM des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR in Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet, wird mit dem Symbol θ bezeichnet. Die Richtung DM des Zielmagnetfeldes MF soll sich gegen den Uhrzeigersinn in 2 drehen. Der Winkel θ wird als positiver Wert angegeben, wenn er aus der Referenzrichtung DR gegen den Uhrzeigersinn betrachtet wird, und als ein negativer Wert, wenn er aus der Referenzrichtung DR im Uhrzeigersinn betrachtet wird.
Wenn in der vorliegenden Ausführungsform das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist, ist die Richtung DM des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR in der ersten Richtung D1 festgesetzt und folglich ist auch die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht in der ersten Richtung D1 festgesetzt. In der vorliegenden Ausführungsform soll die erste Richtung D1 die Y-Richtung sein.
Anschließend wird der Aufbau des Magnetsensors 1 ausführlich unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau des Magnetsensors 1 zeigt. Die erste Erfassungsschaltung 10 erfasst eine X-Richtungskomponente des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR und erzeugt das erste Signal S1 entsprechend dem Winkel θ. Die zweite Erfassungsschaltung 20 erfasst eine Y-Richtungskomponente des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR und erzeugt das zweite Signal S2 entsprechend dem Winkel θ. Das erste Signal S1 ist ein Signal, das der Stärke der X-Richtungskomponente des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR zugeordnet ist. Das zweite Signal S2 ist ein Signal, das der Stärke der Y-Richtungskomponente des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR zugeordnet ist.
Das erste und zweite Signal S1 und S2 variieren periodisch mit derselben Signalperiode T. Das zweite Signal S2 unterscheidet sich vom ersten Signal S1 in der Phase. In der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich das zweite Signal S2 vorzugsweise vom ersten Signal S1 in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 mal der Signalperiode T. Angesichts der Produktionsgenauigkeit der magnetischen Erfassungselemente und anderer Faktoren kann die Phasendifferenz zwischen dem ersten Signal S1 und dem zweiten Signal S2 jedoch etwas von einem ungeraden Vielfachen von 1/4 mal der Signalperiode T abweichen. Die folgende Beschreibung nimmt an, dass die Phasen des ersten Signals S1 und des zweiten Signals S2 das oben genannte bevorzugte Verhältnis erfüllen.
Die erste Erfassungsschaltung 10 weist einen Ausgang auf zum Ausgeben des ersten Signals S1. Die zweite Erfassungsschaltung 20 weist einen Ausgang auf zum Ausgeben des zweiten Signals S2. Wie in 4 dargestellt, enthält der Magnetsensor 1 ferner eine arithmetische Schaltung 30. Die arithmetische Schaltung 30 weist zwei Eingänge und einen Ausgang auf. Die zwei Eingänge der arithmetischen Schaltung 30 sind an die jeweiligen Ausgänge der ersten und zweiten Erfassungsschaltung 10 bzw. 20 angeschlossen.
Die arithmetische Schaltung 30 berechnet einen erfassten Wert θs entsprechend dem Winkel θ. In der vorliegenden Ausführungsform ist der erfasste Wert θs der Wert des Winkels θ, der vom Magnetsensor 1 erfasst wird. Die arithmetische Schaltung 30 kann zum Beispiel durch einen Mikrocomputer implementiert sein. Wie der erfasste Wert θs berechnet wird, wird später ausführlich beschrieben.
Die erste Erfassungsschaltung 10 weist eine Wheatstone-Brückenschaltung 14 und eine Differenzschaltung 15 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 14 enthält einen Versorgungsanschluss V1, einen Masseanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, ein erstes Paar magnetischer Erfassungselemente R11 und R12, die in Serie geschaltet sind, und ein zweites Paar magnetischer Erfassungselemente R13 und R14, die in Serie geschaltet sind. Ein Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R11 und R13 ist an den Leistungsversorgungsanschluss V1 angeschlossen. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R11 ist an ein Ende des magnetischen Erfassungselements R12 und den Ausgangsanschluss E11 angeschlossen. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R13 ist an ein Ende des magnetischen Erfassungselements R14 und den Ausgangsanschluss E12 angeschlossen. Das andere Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R12 und R14 ist an den Masseanschluss G1 angeschlossen. Eine Leistungsversorgungsspannung vorgegebener Größe wird an den Leistungsversorgungsanschluss V1 angelegt. Der Masseanschluss G1 ist geerdet. Die Differenzschaltung 15 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht, als das erste Signal S1 an die arithmetische Schaltung 30 aus.
Die zweite Erfassungsschaltung 20 weist einen Schaltungsaufbau auf ähnlich jenem der ersten Erfassungsschaltung 10. Insbesondere weist die zweite Erfassungsschaltung 20 eine Wheatstone-Brückenschaltung 24 und eine Differenzschaltung 25 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 24 enthält einen Leistungsversorgungsanschluss V2, einen Masseanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, ein erstes Paar magnetischer Erfassungselemente R21 und R22, die in Serie geschaltet sind, und ein zweites Paar magnetischer Erfassungselemente R23 und R24, die in Serie geschaltet sind. Ein Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R21 und R23 ist an den Leistungsversorgungsanschluss V2 angeschlossen. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R21 ist an ein Ende des magnetischen Erfassungselements R22 und den Ausgangsanschluss E21 angeschlossen. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R23 ist an ein Ende des magnetischen Erfassungselements R24 und den Ausgangsanschluss E22 angeschlossen. Das andere Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R22 und R24 ist an den Masseanschluss G2 angeschlossen. Eine Leistungsversorgungsspannung vorgegebener Größe wird an den Leistungsversorgungsanschluss V2 angelegt. Der Masseanschluss G2 ist geerdet. Die Differenzschaltung 25 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht, als das zweite Signal S2 an die arithmetische Schaltung 30 aus.
In der vorliegenden Ausführungsform sind alle magnetischen Erfassungselemente, die in den Wheatstone-Brückenschaltungen (im Folgenden als Brückenschaltungen bezeichnet) 14 und 24 enthalten sind, MR-Spinventilelemente, insbesondere TMR-Elemente. GMR-Elemente können anstelle der TMR-Elemente verwendet werden. Die TMR-Elemente oder GMR-Elemente haben jeweils eine Schicht mit fester Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung festgesetzt ist, eine freie Schicht, die eine magnetische Schicht ist, deren Magnetisierungsrichtung gemäß der Richtung DM des Zielmagnetfeldes MF variiert, und eine nicht magnetische Schicht, die zwischen der Schicht mit fester Magnetisierung und der freien Schicht angeordnet ist. Für TMR-Elemente ist die nicht magnetische Schicht eine Tunnelsperrschicht. Für GMR-Elemente ist die nicht magnetische Schicht eine nicht magnetische, leitende Schicht. Die TMR-Elemente oder GMR-Elemente variieren im Widerstand, abhängig von dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht in Bezug auf die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fester Magnetisierung bildet. Der Widerstand erreicht seinen Minimalwert, wenn der vorangehende Winkel 0° ist. Der Widerstand erreicht seinen Maximalwert, wenn der vorangehende Winkel 180° ist. In der folgenden Beschreibung werden die magnetischen Erfassungselemente, die in den Brückenschaltungen 14 und 24 enthalten sind, als MR-Elemente bezeichnet. In 4 zeigen die vollen Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente an. Die leeren Pfeile zeigen die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten der MR-Elemente an.
In der ersten Erfassungsschaltung 10 sind die Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente R11 und R14 in die X-Richtung magnetisiert und die Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente R12 und R13 sind in die –X-Richtung magnetisiert. In 2 gibt der Pfeil DP1 die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente R11 und R14 an. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entsprechend der Stärke der X-Richtungskomponente des Zielmagnetfeldes MF. Die erste Erfassungsschaltung 10 erfasst somit die Stärke der X-Richtungskomponente des Zielmagnetfeldes MF und erzeugt das erste Signal S1, das die Stärke angibt.
In der zweiten Erfassungsschaltung 20 sind die Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente R21 und R24 in die Y-Richtung magnetisiert und die Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente R22 und R23 sind in die –Y-Richtung magnetisiert. In 2 gibt der Pfeil DP2 die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente R21 und R24 an. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entsprechend der Stärke der Y-Richtungskomponente des Zielmagnetfeldes MF. Die zweite Erfassungsschaltung 20 erfasst somit die Stärke der Y-Richtungskomponente des Zielmagnetfeldes MF und erzeugt das zweite Signal S2, das die Stärke angibt.
Angesichts der Produktionsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren können die Schichten mit fester Magnetisierung der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungsschaltungen 10 und 20 in Richtungen magnetisiert sein, die sich von den oben beschriebenen Richtungen geringfügig unterscheiden.
Jedes der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungsschaltungen 10 und 20 enthält eine freie Schicht, die eine magnetische Schicht ist, deren Magnetisierungsrichtung abhängig von der Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR variiert. In der vorliegenden Ausführungsform wird der freien Schicht im Voraus eine induzierte magnetische Anisotropie verliehen. Im Folgenden wird die induzierte magnetische Anisotropie, die der freien Schicht im Voraus verliehen wird, als die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie bezeichnet. In jeder von 2 und 3 gibt der Pfeil DA1 die Richtung einer leichten Magnetisierungsachse an, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt. Die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie kann zum Beispiel durch Abscheiden der freien Schicht, während auf diese ein Magnetfeld in der leichten Achsenrichtung DA1 angelegt wird, erzeugt werden. Hier wird der Winkel, den die leichte Achsenrichtung DA1 in Bezug auf die erste Richtung D1 bildet, mit einem Symbol α bezeichnet. Der Winkel α liegt vorzugsweise im Bereich von 0° bis 15° und insbesondere im Bereich von 0° bis 9°. Der Grund dafür wird später ausführlich beschrieben. Es ist zu beachten, dass der Winkel α mit 0° oder in einem positiven Wert angegeben wird. Fälle, in welchen die Richtung DA1 den Winkel α in Bezug auf die Richtung D1 bildet, enthalten einen Fall, in dem die Richtung DA1 die Richtung ist, die im Uhrzeigersinn um α aus der Richtung D1 gedreht ist, und einen Fall, in dem die Richtung DA1 die Richtung ist, die gegen den Uhrzeigersinn um α aus der Richtung D1 gedreht ist.
Die Wellenformen des ersten und zweiten Signals S1 bzw. S2 folgen im Idealfall einer sinusförmigen Kurve (die eine Sinuswellenform und eine Kosinuswellenform enthält). Da in der vorliegenden Ausführungsform jedoch die freie Schicht jedes MR-Elements die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie aufweist, sind die Wellenformen des ersten und zweiten Signals S1 und S2 aus einer sinusförmigen Kurve verzerrt, so dass ein Fehler im erfassten Wert θs auftritt, wenn keine Maßnahmen ergriffen werden.
Der Magnetsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform führt eine Korrektur des Fehlers durch, der im erfassten Wert θs aufgrund der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie auftritt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Fehlerkorrektur durch eine magnetischen Formanisotropie durchgeführt, die der freien Schicht verliehen wird. Dies wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben. In 2 und 3 bezeichnen die Bezugszeichen 11 und 21 die planaren Formen der freien Schichten der MR-Elemente in der Erfassungsschaltung 10 bzw. 20. Es ist zu beachten, dass sich die planare Form auf die Form in der Draufsicht bezieht. In der vorliegenden Ausführungsform wird jeder freien Schicht eine magnetische Formanisotropie verliehen, indem beispielsweise die freie Schicht in der planaren Form elliptisch gemacht wird, wie in 2 und 3 dargestellt. In jeder von 2 und 3 zeigt der Pfeil DA2 die Richtung einer leichten Magnetisierungsachse an, die sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, d. h. die Richtung der Hauptachse der Ellipse oder der planaren Form der freien Schicht. Es ist zu beachten, dass die planare Form der freien Schicht nicht auf eine elliptische Form beschränkt ist und jede Form sein kann, die der freien Schicht eine magnetische Formanisotropie verleihen kann. Beispiele für eine solche planare Form der freien Schicht enthalten eine rechteckige Form und eine Rautenform zusätzlich zu einer elliptischen Form.
Der Winkel, den die Richtung DA2 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, in Bezug auf die Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, bildet, wird mit dem Symbol β bezeichnet. Der Winkel, den die leichte Achsenrichtung DA2 in Bezug auf die erste Richtung D1 bildet, wird mit dem Symbol γ bezeichnet. Beide Winkel β und γ liegen vorzugsweise im Bereich von 75° bis 90° und insbesondere im Bereich von 81° bis 90°. Der Grund dafür wird später ausführlich beschrieben. Fälle, in welchen β nicht 90° ist, enthalten einen Fall, in dem die leichte Achsenrichtung DA2 einen Winkel kleiner 90° in Bezug auf die leichte Achsenrichtung DA1 bildet, und einen Fall, in dem die leichte Achsenrichtung DA2 einen Winkel größer 90° in Bezug auf die leichte Achsenrichtung DA1 bildet. Wenn β nicht 90° ist, soll der erstgenannte Fall, d. h. ein Winkel kleiner 90°, als β angenommen werden. Ebenso enthalten Fälle, in welchen γ nicht 90° ist, einen Fall, in dem die leichte Achsenrichtung DA2 einen Winkel kleiner 90° in Bezug auf die erste Richtung D1 bildet, und einen Fall, in dem die leichte Achsenrichtung DA2 einen Winkel größer 90° in Bezug auf die erste Richtung D1 bildet. Wenn γ nicht 90° ist, soll der erstgenannte Fall, d. h., ein Winkel kleiner 90°, als γ angenommen werden. 2 zeigt ein Beispiel, in dem α nicht 0° ist, während β nicht 90° ist und γ 90° ist. 3 zeigt ein Beispiel, in welchem α 0° ist, während β und γ nicht 90° sind. Es ist zu beachten, dass im Idealfall α 0° ist, während β und γ 90° sind.
Es wird nun ein Beispiel des Aufbaus jedes MR-Elements und der magnetischen Formanisotropie, die der freien Schicht verliehen wird, unter Bezugnahme auf 2, 3 und 5 beschrieben. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Teil eines MR-Elements zeigt, das in 4 dargestellt ist. In diesem Beispiel weist das MR-Element eine Vielzahl von unteren Elektroden 42, eine Vielzahl von MR-Filmen 50 und eine Vielzahl von oberen Elektroden 43 auf. Die Vielzahl von unteren Elektroden 42 ist auf einem Substrat (nicht dargestellt) angeordnet. Jede der unteren Elektroden 42 hat eine lange schlanke Form. Jeweils zwei untere Elektroden 42, die in Längsrichtung der unteren Elektroden 42 nebeneinander liegen, haben dazwischen einen Spalt. Wie in 5 dargestellt, sind MR-Filme 50 auf den oberen Flächen der unteren Elektroden 42 nahe den entgegengesetzten Enden in der Längsrichtung vorgesehen.
Jeder der MR-Filme 50 enthält eine freie Schicht 51, eine nicht magnetische Schicht 52, eine Schicht mit fester Magnetisierung 53 und eine anti-ferromagnetische Schicht 54, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei die freie Schicht 51 der unteren Elektrode 42 am nächsten liegt. In dem in 5 dargestellten Beispiel weist jeder der MR-Filme 50 eine elliptische Zylinderform auf. In diesem Fall ist die planare Form der freien Schicht 51 elliptisch. Die freie Schicht 51 ist elektrisch an die untere Elektrode 42 angeschlossen. Die anti-ferromagnetische Schicht 54 besteht aus einem anti-ferromagnetischen Material. Die anti-ferromagnetische Schicht 54 ist in Austauschkopplung mit der Schicht mit fester Magnetisierung 53, so dass die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fester Magnetisierung 53 festgesetzt wird. Die Vielzahl von oberen Elektroden 43 ist über der Vielzahl von MR-Filmen 50 angeordnet. Jede der oberen Elektroden 43 hat eine lange schlanke Form und stellt eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen anti-ferromagnetischen Schichten 54 von zwei benachbarten MR-Filmen 50 her, die auf zwei unteren Elektroden 42 angeordnet sind, die in Längsrichtung der unteren Elektroden 42 benachbart sind. Bei einem solchen Aufbau ist die Vielzahl von MR-Filmen 50 im MR-Element, das in 5 dargestellt ist, durch die Vielzahl von unteren Elektroden 42 und die Vielzahl von oberen Elektroden 43 in Serie geschaltet. Es lässt sich leicht nachvollziehen, dass die Schichten 51 bis 54 der MR-Filme 50 in einer Reihenfolge gestapelt sein können, die zu jener, die in 5 dargestellt ist, umgekehrt sein kann.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der freien Schicht 51 eine magnetische Formanisotropie verliehen, indem die planare Form der freien Schicht 51 elliptisch gemacht wird. Die Richtung der Hauptachse der Ellipse oder die planare Form der freien Schicht 51 ist die Richtung DA2 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, die in 2 und 3 dargestellt ist.
Es ist zu beachten, dass die Form der MR-Filme 50 nicht auf das in 5 dargestellte Beispiel beschränkt ist. Zum Beispiel können die MR-Filme 50 eine prismatische Form mit einer rechteckigen oder rautenförmigen oberen Fläche aufweisen.
Wie der erfasste Wert θs berechnet wird, wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. In dem in 4 dargestellten Beispiel sind die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente in der zweiten Erfassungsschaltung 20 im Idealfall orthogonal zu den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente in der ersten Erfassungsschaltung 10. In diesem Fall hat das erste Signal S1 im Idealfall eine Kosinuswellenform, die vom Winkel θ abhängt, und das zweite Signal S2 hat im Idealfall eine Sinuswellenform, die vom Winkel θ abhängt. In diesem Fall unterscheidet sich das zweite Signal S2 vom ersten Signal S1 in der Phase um 1/4 mal der Signalperiode T, d. h. um π/2 (90°).
Wenn der Winkel θ gleich oder größer 0° und kleiner 90° ist und wenn der Winkel θ größer 270° ist und kleiner oder gleich 360° ist, nimmt das erste Signal S1 einen positiven Wert an. Wenn der Winkel θ größer 90° und kleiner 270° ist, nimmt das erste Signal S1 einen negativen Wert an. Wenn ferner der Winkel θ größer 0° und kleiner 180° ist, nimmt das zweite Signal S2 einen positiven Wert an. Wenn der Winkel θ größer 180° und kleiner 360° ist, nimmt das zweite Signal S2 einen negativen Wert an.
Die arithmetische Schaltung 30 berechnet auf der Basis des ersten und zweiten Signals S1 und S2 den erfassten Wert θs entsprechend dem Winkel θ. Insbesondere berechnet die arithmetische Schaltung 30 θs durch Anwendung zum Beispiel der folgenden Gleichung (1). Es ist zu beachten, dass ”atan” einen Arcustangens angibt. θs = atan (S2/S1) (1)
Der Ausdruck ”atan (S2/S1)” von Gleichung (1) stellt die Arcustangensberechnung zur Bestimmung von θs dar. Für θs im Bereich von 0° oder größer und kleiner 360° gibt es zwei Lösungen für θs in Gleichung (1) mit einer Differenz von 180° im Wert. Welche der zwei Lösungen für θs in Gleichung (1) die wahre Lösung für θs ist, kann aus der Kombination von positiven und negativen Vorzeichen für S1 und S2 bestimmt werden. Insbesondere, wenn S1 einen positiven Wert hat, ist θs gleich oder größer 0° und kleiner 90° oder ist größer 270° und kleiner oder gleich 360°. Wenn S1 einen negativen Wert hat, ist θs größer 90° und kleiner 270°. Wenn S2 einen positiven Wert hat, ist θs größer 0° und kleiner 180°. Wenn S2 einen negativen Wert hat, ist θs größer 180° und kleiner 360°. Unter Anwendung der Gleichung (1) und basierend auf der vorangehenden Bestimmung der Kombination aus positiven und negativen Vorzeichen für S1 und S2 bestimmt die arithmetische Schaltung 30 θs im Bereich von 0° oder größer und kleiner 360°.
Es werden nun der Betrieb und die Effekte des Magnetsensorsystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist, variiert die Richtung DM des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR aus der Sicht des Magnetsensors 1 nicht. Währenddessen wird das Zielmagnetfeld MF, das in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist, kontinuierlich an den Magnetsensor 1 angelegt und die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 51 jedes der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungsschaltungen 10 und 20 ist in der ersten Richtung D1 festgesetzt.
Hier betrachten wir einen Fall, in dem die freie Schicht 51 die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie nicht aufweist. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass eine induzierte magnetische Anisotropie zur Orientierung der leichten Magnetisierungsachse in eine Richtung parallel zur ersten Richtung D1 in der freien Schicht 51 im Nachhinein aufgrund des Zielmagnetfeldes MF auftreten kann, das kontinuierlich an den Magnetsensor 1 angelegt wird, wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist. Eine solche induzierte magnetische Anisotropie wird im Folgenden als eine nachträglich induzierte magnetische Anisotropie bezeichnet.
Die nachträglich induzierte magnetische Anisotropie tritt zum Beispiel auf, wenn die Temperatur des MR-Elements während des Ruhezustands von einer hohen Temperatur abgesenkt wird. Das Auftreten einer nachträglich induzierten magnetischen Anisotropie in der freien Schicht 51 bewirkt, dass die Wellenformen des ersten und zweiten Signals S1 und S2 von einer sinusförmigen Kurve verzerrt werden, wodurch ein Fehler im erfassten Wert θs verursacht wird. Im Folgenden wird jede Situation, die eine nachträglich induzierte magnetische Anisotropie in der freien Schicht 51 herbeiführt, als die Anisotropie einleitende Situation bezeichnet. Ferner wird der Fehler im erfassten Wert θs als Winkelfehler bezeichnet. Die Größe der nachträglich induzierten magnetischen Anisotropie (die Größe des Anisotropiefeldes), die in der freien Schicht 51 auftritt, steigt ständig, bis sie gesättigt ist, während sich die Gesamtdauer der Anisotropie einleitenden Situation erhöht. Daher nimmt auch der Winkelfehler kontinuierlich zu.
6 ist ein Kennliniendiagramm, das ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Gesamtdauer der Anisotropie einleitenden Situation und dem Winkelfehler zeigt. In 6 stellt die horizontale Achse die Gesamtdauer der Anisotropie einleitenden Situation dar und die vertikale Achse stellt den Winkelfehler dar. Wie in 6 dargestellt, wird der Winkelfehler umso größer, je länger die Gesamtdauer der Anisotropie einleitenden Situation ist. Mit steigender Gesamtdauer der Anisotropie einleitenden Situation nimmt jedoch der Anstieg im Winkelfehler pro Zeiteinheit ab. Wenn die Gesamtdauer der Anisotropie einleitenden Situation über die maximale Dauer steigt, der auf der horizontalen Achse von 6 dargestellt ist, wird die Größe der induzierten magnetischen Anisotropie nach einer Weile gesättigt und der Winkelfehler wird ebenfalls gesättigt.
In der vorliegenden Ausführungsform weist die freie Schicht 51 die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie auf. Die Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, ist zur ersten Richtung D1 parallel oder annähernd parallel. Insbesondere, wie zuvor beschrieben, liegt der Winkel α, den die Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, in Bezug auf die erste Richtung D1 bildet, vorzugsweise im Bereich von 0° bis 15° und bevorzugter im Bereich von 0° bis 9°.
Indem der freien Schicht 51 wie oben beschrieben die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird, wird eine induzierte magnetische Anisotropie, die in der freien Schicht 51 im Nachhinein eintreten kann, nach Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems im Vergleich zu einem Fall, in dem der freien Schicht 51 keine voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird, in ihrer Größe weniger erhöht. Wenn die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird, um somit die Größe der induzierten magnetischen Anisotropie in der freien Schicht 51 zu sättigen, nimmt die Größe der induzierten magnetischen Anisotropie in der freien Schicht 51 nach Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems nicht zu. Aus der Sicht des Winkelfehlers ist die Tatsache, dass die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie der freien Schicht 51 verliehen wird, gleichzusetzen mit der Tatsache, dass die Gesamtdauer der Anisotropie einleitenden Situation auf der horizontalen Achse, die in 6 dargestellt ist, bereits bis zu einem gewissen Maß bei Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems verstrichen ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht dies, dass die gesamte Zunahme des Winkelfehlers und die Zunahme des Winkelfehlers pro Zeiteinheit nach Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems kleiner ist als in dem Fall, in dem der freien Schicht 51 keine voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird.
Es ist zu beachten, dass die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie, die der freien Schicht 51 verliehen wird, einen Winkelfehler bei Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems verursachen würde, wenn keine Maßnahmen ergriffen werden. Ein solcher Winkelfehler jedoch, der bei Beginn der Verwendung eintritt, kann im Voraus bekannt sein. Es ist daher möglich, den Winkelfehler im Voraus zu korrigieren, um somit den Winkelfehler zu reduzieren. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Korrektur des Winkelfehlers durch die magnetische Formanisotropie korrigiert, die der freien Schicht 51 verliehen wird. Folglich ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, den Winkelfehler zu verringern, der durch eine induzierte magnetische Anisotropie verursacht wird, die im Nachhinein in der freien Schicht 51 auftritt.
Es folgt nun eine ausführliche Beschreibung der Tatsache, dass, wenn der freien Schicht 51 eine magnetische Formanisotropie verliehen wird, eine Korrektur eines Winkelfehlers möglich ist, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt. Wenn der freien Schicht 51 die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird, ohne der freien Schicht 51 die magnetische Formanisotropie zu verleihen, bewirkt die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie, dass das erste und zweite Signal S1 und S2 einen ersten Fehler aufweisen, der vom Winkel θ abhängig ist. Wenn andererseits die magnetische Formanisotropie der freien Schicht 51 verliehen wird, ohne der freien Schicht 51 die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie zu verleihen, bewirkt die magnetische Formanisotropie, dass das erste und zweite Signal S1 und S2 einen zweiten Fehler aufweisen, der vom Winkel θ abhängig ist. Die Hauptkomponente des ersten und des zweiten Fehlers ist eine Komponente, die eine Periode von 1/2 mal der Signalperiode T hat. Diese Komponente wird im Folgenden als die Komponente zweiter Ordnung bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform werden der freien Schicht 51 die magnetische Formanisotropie wie auch die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen. Der Winkel β, den die Richtung DA2 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, in Bezug auf die Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse bildet, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, ist 90° oder annähernd 90°. Insbesondere, wie zuvor beschrieben, liegt der Winkel β vorzugsweise im Bereich von 75° bis 90° und weiter bevorzugt im Bereich von 81° bis 90°. Dies bewirkt, dass die Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers und jene des zweiten Fehlers entgegengesetzte oder annähernd entgegengesetzte Phasen haben. Infolgedessen heben die Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers und jene des zweiten Fehlers einander auf. Dies verringert die Komponente zweiter Ordnung eines Fehlers, der in dem ersten und zweiten Signal S1 und S2 verbleibt (im Folgenden als Restfehler bezeichnet), und verringert somit den Winkelfehler.
Unter Bezugnahme auf die Ergebnisse von Simulationen folgt nun eine weitere Beschreibung der Tatsache, dass die Komponente zweiter Ordnung des Restfehlers wie oben beschrieben verringert ist. 7 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenform der Komponente zweiter Ordnung sowohl des ersten Fehlers und zweiten Fehlers als auch des Restfehlers zeigt, die durch Simulation bestimmt wurden. In 7 stellt die horizontale Achse den Winkel θ dar und die vertikale Achse stellt die Größe der Komponente zweiter Ordnung dar. In 7 bezeichnet das Bezugszeichen 61 die Wellenform der Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers, das Bezugszeichen 62 bezeichnet die Wellenform der Komponente zweiter Ordnung des zweiten Fehlers und das Bezugszeichen 63 bezeichnet die Wellenform der Komponente zweiter Ordnung des Restfehlers. 7 zeigt ein Beispiel, in dem die Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers und jene des zweiten Fehlers dieselbe Amplitude haben und der Winkel β 75° beträgt. Die vertikale Achse von 7 stellt relative Werte unter Annahme des Maximalwerts der Komponenten zweiter Ordnung des ersten und zweiten Fehlers als 1 dar.
In dem in 7 dargestellten Beispiel ist die Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des Restfehlers (Bezugszeichen 63) 50% der Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers (Bezugszeichen 61). Es ist offensichtlich, dass, wenn der Winkel β größer 75° und kleiner oder gleich 90° ist, die Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des Restfehlers weniger als 50% der Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers ist. Der Winkel β liegt vorzugsweise im Bereich von 75° bis 90°, da dies ermöglicht, dass die Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des Restfehlers 50% oder weniger der Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers ist, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt.
Ferner, wenn auch nicht dargestellt, ermöglicht die derartige Gestaltung des Winkels β, dass er in den Bereich von 81° bis 90° fällt, dass die Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des Restfehlers 30% oder weniger der Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers ist. Aus dieser Sicht ist es eher bevorzugt, dass der Winkel β im Bereich von 81° bis 90° liegt.
Anschließend wird ein bevorzugter Bereich des Winkels α (siehe 2) beschrieben, den die Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, in Bezug auf die erste Richtung D1 bildet. Wenn der Winkel α 0° ist und die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie so verliehen wird, dass die Größe einer induzierten magnetischen Anisotropie in der freien Schicht 51 gesättigt ist, steigt die Größe der induzierten magnetischen Anisotropie in der freien Schicht 51 nach Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems nicht. Wenn der Winkel α anders als 0° ist, kann jedoch eine nachträglich induzierte magnetische Anisotropie, die die leichte Magnetisierungsachse in eine Richtung parallel zur ersten Richtung D1 bringt, in der freien Schicht 51 auftreten. Dies bewirkt, dass die freie Schicht 51 eine induzierte magnetische Anisotropie aufweist, die sich aus einer Kombination der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie und der nachträglich induzierten magnetischen Anisotropie ergibt. Eine solche induzierte magnetische Anisotropie bringt die leichte Magnetisierungsachse in eine Richtung, die von der Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse abweicht, die durch die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie vorgesehen ist. Dies bedeutet, dass, wenn der Winkel β zu Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems auf 90° eingestellt ist, der Winkel β nach Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems von 90° abweicht. Wenn der Winkel α jedoch nicht 0° ist, hat das Ausmaß der Abweichung der leichten Achsenrichtung, die durch die nachträglich induzierte magnetische Anisotropie verursacht wird, einen Maximalwert α. Wenn daher der Winkel α in den Bereich von 0° bis 15° fällt, wird ein Effekt gleich oder größer jenem erzielt, der in dem Fall erreicht wird, in dem der Winkel β in den Bereich von 75° bis 90° fällt, und wenn der Winkel α in den Bereich von 0° bis 9° fällt, wird ein Effekt gleich oder größer jenem erzielt, der in dem Fall erreicht wird, in dem der Winkel β in den Bereich von 81° bis 90° fällt. Somit fällt der Winkel α vorzugsweise in den Bereich von 0° bis 15° und weiter bevorzugt in den Bereich von 0° bis 9°.
Wenn jedoch der Winkel γ kleiner als 75° ist, besteht die Möglichkeit, dass die Richtung der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der oben erwähnten induzierten magnetischen Anisotropie, d. h. aus der Kombination aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie und der nachträglich induzierten magnetischen Anisotropie, in der freien Schicht 51 ergibt, einen Winkel kleiner als 75° in Bezug auf die leichte Achsenrichtung DA2 bilden kann, selbst wenn der Winkel α im Bereich von 0° bis 15° und der Winkel β im Bereich von 75° bis 90° liegt. In diesem Fall kann die Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des Restfehlers 50% der Amplitude der Komponente zweiter Ordnung des ersten Fehlers übersteigen. Aus dieser Sicht ist bevorzugt, dass der Winkel γ wie auch der Winkel β in den Bereich von 75° bis 90° fallen und bevorzugter in den Bereich von 81° bis 90°.
Andererseits kann der erste Fehler, der durch die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verursacht wird, nicht nur die Komponente zweiter Ordnung, sondern auch eine Komponente mit einer Periode von 1/3 mal der Signalperiode T enthalten, die im Folgenden als Komponente dritter Ordnung bezeichnet wird. Ebenso kann der zweite Fehler, der durch die magnetische Formanisotropie verursacht wird, die Komponente dritter Ordnung zusätzlich zur Komponente zweiter Ordnung enthalten. Die Größe der Komponente dritter Ordnung im zweiten Fehler kann durch die Form der freien Schicht 51 eingestellt werden. Wenn daher der erste Fehler die Komponente dritter Ordnung enthält, ermöglicht die Einstellung durch die Form der freien Schicht 51 eine Verringerung der Komponente dritter Ordnung des Restfehlers. Dies wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Wenn zum Beispiel die planare Form der freien Schicht 51 elliptisch ist, bewirkt eine Veränderung des Verhältnisses der Länge der Nebenachse der Ellipse zu der Länge der Hauptachse der Ellipse eine Änderung in der Größe der Komponente dritter Ordnung des zweiten Fehlers. Hier wird angenommen, dass eine von der Nebenachse und der Hauptachse der Ellipse oder der planaren Form der freien Schicht 51 parallel zur X-Richtung und die andere parallel zur Y-Richtung liegt. Es wird auch angenommen, dass die Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie, die der freien Schicht 51 verliehen wird, ergibt, zur Y-Richtung parallel ist. Ferner wird das Verhältnis der Länge der Ellipse in X-Richtung zur Länge der Ellipse in Y-Richtung als das Aspektverhältnis bezeichnet. Wenn das Aspektverhältnis größer als 1 ist, sind die Richtung der Hauptachse der Ellipse und die Richtung DA2 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, zur X-Richtung parallel. In diesem Fall ist die Phase der Komponente dritter Ordnung des zweiten Fehlers der Phase der Komponente dritter Ordnung des ersten Fehlers entgegengesetzt. Wenn das Aspektverhältnis kleiner als 1 ist, sind die Richtung der Hauptachse der Ellipse und die leichte Achsenrichtung DA2 zur Y-Richtung parallel. In diesem Fall ist die Phase der Komponente dritter Ordnung des zweiten Fehlers gleich der Phase der Komponente dritter Ordnung des ersten Fehlers. Wenn das Aspektverhältnis 1 ist, ist die planare Form der freien Schicht 51 kreisförmig und verursacht keine magnetische Formanisotropie in der freien Schicht 51.
8 ist ein Kennliniendiagramm, das ein Beispiel des Zusammenhangs, der durch Simulation bestimmt wird, zwischen dem Aspektverhältnis und der Größe der Komponente dritter Ordnung des zweiten Fehlers zeigt. In 8 stellt die horizontale Achse das Aspektverhältnis dar, während die vertikale Achse die Größe der Komponente dritter Ordnung des zweiten Fehlers darstellt. Es ist zu beachten, dass in 8 die Größe der Komponente dritter Ordnung durch das Verhältnis der Amplitude (des Maximalwertes) der Komponente dritter Ordnung des zweiten Fehlers zur Amplitude (zum Maximalwert) einer idealen Komponente oder einer idealen sinusförmigen Kurvenkomponente des ersten und zweiten Signals S1 und S2, angegeben als Prozentsatz, dargestellt ist. Ferner wird die Größe der Komponente dritter Ordnung als positiver Wert angegeben, wenn das Aspektverhältnis kleiner als 1 ist, und als negativer Wert, wenn das Aspektverhältnis größer als 1 ist.
Wenn zum Beispiel die Amplitude (der Maximalwert) der Komponente dritter Ordnung des ersten Fehlers etwa 1% der Amplitude (des Maximalwerts) der idealen Komponente ist, ermöglicht das Einstellen der Größe der Komponente dritter Ordnung des zweiten Fehlers auf etwa –1%, dass die Komponenten dritter Ordnung des ersten und zweiten Fehlers einander aufheben, um dadurch die Komponente dritter Ordnung des Restfehlers zu verringern. In dem in 8 dargestellten Beispiel kann dies erreicht werden, indem das Aspektverhältnis so eingestellt wird, dass es in den Bereich von etwa 1,1 bis etwa 1,3 fällt. Somit ermöglicht die vorliegende Ausführungsform eine Verringerung der Komponente dritter Ordnung des Restfehlers durch Einstellen der elliptischen Form der freien Schicht 51, wodurch eine weitere Verringerung im Winkelfehler möglich ist.
[Zweite Ausführungsform]
Es wird nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 9 und 10 beschrieben. 9 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau des Magnetsensors 1 der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines in 9 dargestellten MR-Elements zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform hat die freie Schicht 51, die eine magnetische Schicht ist, deren Magnetisierungsrichtung gemäß der Richtung des Zielmagnetfeldes MF in der Referenzposition PR variiert, keine magnetische Formanisotropie. In dem in Beispiel 10 dargestellten Beispiel weisen die MR-Filme 50 eine kreisförmige Zylinderform auf. In diesem Fall ist die planare Form der freien Schicht 51 kreisförmig.
In dem Magnetsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fehler, der im erfassten Wert θs aufgrund der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie, die der freien Schicht 51 verliehen wird, auftritt, durch die arithmetische Schaltung 30 korrigiert. Die arithmetische Schaltung 30 berechnet einen korrigierten erfassten Wert θs in folgender Weise aus dem ersten und zweiten Signal S1 und S2, das von der ersten bzw. zweiten Erfassungsschaltung 10 bzw. 20 erzeugt wird.
Die arithmetische Schaltung 30 berechnet einen unkorrigierten θs aus dem ersten und zweiten Signal S1 und S2 durch Gleichung (1), die im Abschnitt der ersten Ausführungsform angegeben ist. Der unkorrigierte θs enthält einen Winkelfehler, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt. Die arithmetische Schaltung 30 der vorliegenden Ausführungsform enthält eine Tabelle, die den Zusammenhang mehrerer Werte des unkorrigierten θs mit mehreren Werten des korrigierten θs angibt, die theoretisch unter der Annahme bestimmt werden, dass keine voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird. Unter Bezugnahme auf diese Tabelle bestimmt die arithmetische Schaltung 30 den korrigierten θs aus dem unkorrigierten θs und gibt dann den erhaltenen Wert als den erfassten Wert θs aus.
Der übrige Aufbau, der Betrieb und die Effekte der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben wie jene der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Es wird nun eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zunächst wird der allgemeine Aufbau des Magnetsensorsystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau des Magnetsensorsystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschreibt. Das Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält eine Magnetfelderzeugungseinheit 2 zum Erzeugen eines Zielmagnetfeldes und einen Magnetsensor 101 zum Erfassen des Zielmagnetfeldes. Der Magnetsensor 101 enthält eine erste Erfassungsschaltung 10 und eine zweite Erfassungsschaltung 20 zum Erfassen des Zielmagnetfeldes. Die Magnetfelderzeugungseinheit 2 der vorliegenden Ausführungsform weist einen magnetischen Maßstab 120 auf, der mehrere Paare von N- und S-Polen enthält, die abwechselnd in einer geraden Linie angeordnet sind. 11 zeigt ein Beispiel, in dem die magnetische Schiene 120 eine obere Fläche 120a hat, die parallel zur Richtung T liegt, in der die N- und S-Pole der magnetischen Schiene 120 ausgerichtet sind. Der Magnetsensor 101 ist so angeordnet, dass er der oberen Fläche 120a der magnetischen Schiene 120 zugewandt ist. Wenn sich das Magnetsensorsystem in der vorliegenden Ausführungsform im Betriebszustand befindet, bewegen sich die magnetische Schiene 120 und/oder der Magnetsensor 101 linear in die Richtung T, so dass die Relativposition zwischen der magnetischen Schiene 120 und dem Magnetsensor 101 in Richtung T variiert. Wenn sich das Magnetsensorsystem im Ruhezustand befindet, stehen sowohl die magnetische Schiene 120 als auch der Magnetsensor 101 still, so dass die Relativposition zwischen der magnetischen Schiene 120 und dem Magnetsensor 101 in die Richtung T festgesetzt ist.
Hier wird die Länge eines Paares benachbarter N- und S-Pole der magnetischen Schiene 120 in die Richtung T als eine Teilung bezeichnet. Die erste Erfassungsschaltung 10 und die zweite Erfassungsschaltung 20 liegen an Positionen, die sich um eine 1/4 Teilung in die Richtung T unterscheiden. Die erste und zweite Erfassungsschaltung 10 bzw. 20 enthalten entsprechende magnetische Erfassungselemente. Die magnetischen Erfassungselemente der vorliegenden Ausführungsform sind zum Beispiel TMR-Elemente oder GMR-Elemente wie in der ersten Ausführungsform. Die magnetischen Erfassungselemente werden im Folgenden als MR-Elemente bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Erfassungsschaltungen 10 und 20 so angeordnet, dass die Ebenen der Vielzahl von Schichten, die jedes MR-Element (jeden MR-Film) bilden, zur oberen Fläche 120a der magnetischen Schiene 120 parallel sind.
12 zeigt schematisch die Form und Anordnung der MR-Elemente. In 12 bezeichnen die Bezugszeichen 11 und 12 die planaren Formen der freien Schichten der MR-Elemente in den Erfassungsschaltungen 10 bzw. 20. Das MR-Element der zweiten Erfassungsschaltung 20 ist zum MR-Element der ersten Erfassungsschaltung 10 um eine 1/4 Teilung in der Richtung T versetzt. Die planaren Formen der freien Schichten werden später ausführlich beschrieben.
Die Referenzebene, die Referenzposition und die Referenzrichtung in der vorliegenden Ausführungsform werden nun unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Richtung parallel zur Richtung T als die X-Richtung (die Richtung nach rechts in 11) definiert; eine Richtung senkrecht zur oberen Fläche 120a der magnetischen Schiene 120 ist als die Y-Richtung (die Richtung nach oben in 11) definiert; und die Richtung senkrecht zur X-Richtung und Y-Richtung ist als die Z-Richtung (die Richtung zur tieferen Seite in 11) definiert. Ferner ist die Richtung, die der X-Richtung entgegengesetzt ist, als die –X-Richtung definiert.
Die Referenzebene PL in der vorliegenden Ausführungsform ist eine Ebene senkrecht zur Z-Richtung. Die Referenzposition PR liegt innerhalb der Referenzebene PL. Die Referenzposition PR kann die Position sein, an der die erste Erfassungsschaltung 10 das Zielmagnetfeld erfasst, oder die Position, an der die zweite Erfassungsschaltung 20 das Zielmagnetfeld erfasst. Die folgende Beschreibung nimmt an, dass die Referenzposition PR die Position ist, an der die erste Erfassungsschaltung 10 das Zielmagnetfeld erfasst. Wenn sich das Magnetsensorsystem im Betriebszustand befindet, variiert die Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR aus der Sicht des Magnetsensors 1 innerhalb der Referenzebene PL. In der vorliegenden Ausführungsform, insbesondere wenn das Magnetsensorsystem im Betriebszustand ist, dreht die Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR aus der Sicht des Magnetsensors 1 um die Referenzposition PR. Eine Änderung um eine Teilung in der Relativposition zwischen der magnetischen Schiene 120 und dem Magnetsensor 1 in der Richtung T bewirkt, dass sich die Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR um 360° dreht. Somit haben die Relativposition zwischen der magnetischen Schiene 120 und dem Magnetsensor 1 und die Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR eine Entsprechung zueinander. Eine Teilung ist gleich einem Drehwinkel von 360° der Richtung DM des Zielmagnetfeldes. Da die erste Erfassungsschaltung 10 und die zweite Erfassungsschaltung 20 an Positionen liegen, die sich voneinander um eine 1/4 Teilung in die Richtung T wie oben erwähnt unterscheiden, unterscheidet sich die Richtung des Zielmagnetfeldes in der Position, an der die zweite Erfassungsschaltung 20 das Zielmagnetfeld erfasst, um 90° von der Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR.
Wenn sich das Magnetsensorsystem andererseits im Ruhezustand befindet, variiert die Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR aus der Sicht des Magnetsensors 1 innerhalb der Referenzebene PL nicht und die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht jedes der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungsschaltungen 10 und 20 ist in die erste Richtung D1 festgesetzt, mit einer Ausnahme, die im Folgenden beschrieben wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Richtung D1 die Richtung T (die X-Richtung oder die –X-Richtung). Die Ausnahme ist der Fall, in dem die Richtung des Zielmagnetfeldes, das an die magnetische Schicht (die freie Schicht) angelegt wird, in der Y-Richtung oder der –Y-Richtung in einer der Erfassungsschaltungen 10 und 20 festgesetzt ist. Selbst in diesem Fall ist in der anderen der Erfassungsschaltungen 10 und 20 die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht in der ersten Richtung D1 festgesetzt.
In der vorliegenden Ausführungsform soll die Referenzrichtung DR die X-Richtung sein. Der Winkel, den die Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR in Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet, wird mit dem Symbol θ bezeichnet. Der Winkel θ wird bei Betrachtung im Uhrzeigersinn aus der Referenzrichtung DR als positiver Wert angegeben und bei Betrachtung gegen den Uhrzeigersinn aus der Referenzrichtung DR als negativer Wert.
Es wird nun der Aufbau des Magnetsensors 101 ausführlich unter Bezugnahme auf 13 beschrieben. 13 ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau des Magnetsensors 101 zeigt. Der Magnetsensor 101 enthält die oben genannte erste und zweite Erfassungsschaltung 10 und 20 und eine arithmetische Schaltung 30. Der Aufbau der Erfassungsschaltungen 10 und 20 ist derselbe wie jener in der ersten Ausführungsform mit Ausnahme der Form von MR-Filmen, die die MR-Elemente bilden, und der Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente. Die arithmetische Schaltung 30 weist zwei Eingänge und einen Ausgang auf. Die zwei Eingänge der arithmetischen Schaltung 30 sind an die jeweiligen Ausgänge der Erfassungsschaltungen 10 und 20 angeschlossen.
Die arithmetische Schaltung 30 berechnet einen erfassten Wert θs entsprechend dem Winkel θ. In der vorliegenden Ausführungsform ist der erfasste Wert θs der Wert des Winkels θ, der vom Magnetsensor 101 erfasst wird, und bezieht sich auf die Relativposition zwischen der magnetischen Schiene 120 und dem Magnetsensor 101 in der Richtung T. Das Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist somit imstande, die Position des Magnetsensors 101 in Bezug auf die magnetische Schiene 120 in der Richtung T zu erfassen.
In 13 zeigen die vollen Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente, während die leeren Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten der MR-Elemente zeigen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente R11, R14, R21 und R24 in die X-Richtung magnetisiert und die Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente R12, R13, R22 und R23 sind in die –X-Richtung magnetisiert.
In der vorliegenden Ausführungsform erfasst die erste Erfassungsschaltung 10 die Stärke einer Komponente des Zielmagnetfeldes in der Richtung T (der X-Richtung oder der –X-Richtung) in der Referenzposition PR und gibt ein erstes Signal S1, das die Stärke anzeigt, an die arithmetische Schaltung 30 aus. Das erste Signal S1 entspricht dem Winkel θ, den die Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR in Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet.
Die zweite Erfassungsschaltung 20 erfasst die Stärke einer Komponente des Zielmagnetfeldes in der Richtung T (der X-Richtung oder der –X-Richtung) in der Position, in der die zweite Erfassungsschaltung 20 das Zielmagnetfeld erfasst, und gibt ein zweites Signal S2, das die Stärke anzeigt, an die arithmetische Schaltung 30 aus. Wie zuvor erwähnt, hat die Richtung des Zielmagnetfeldes in der Position, an der die zweite Erfassungsschaltung 20 das Zielmagnetfeld erfasst, einen gewissen Zusammenhang mit der Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR, d. h. eine Differenz um 90°. Somit hat das zweite Signal S2 auch einn Zusammenhang mit dem Winkel θ, den die Richtung DM des Zielmagnetfeldes in der Referenzposition PR in Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet.
Das zweite Signal S2 unterscheidet sich in der Phase vom ersten Signal S1. In der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich das zweite Signal S2 vom ersten Signal S1 insbesondere um 90° in der Phase. Das erste Signal S1 hat im Idealfall eine Kosinuswellenform, die vom Winkel θ abhängig ist, und das zweite Signal S2 hat im Idealfall eine Sinuswellenform, die vom Winkel θ abhängig ist. Die arithmetische Schaltung 30 berechnet den erfassten Wert θs auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der freien Schicht jedes MR-Elements in den Erfassungsschaltungen 10 und 20 eine voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen. Die freie Schicht ist eine magnetische Schicht, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung des Zielmagnetfeldes variiert. Wie in der ersten Ausführungsform liegt der Winkel α, den die Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, in Bezug auf die erste Richtung D1 (die Richtung T) bildet, vorzugsweise im Bereich von 0° bis 15° und bevorzugter im Bereich von 0° bis 9°. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht dies, wie in der ersten Ausführungsform, dass der gesamte Anstieg im Winkelfehler und der Anstieg im Winkelfehler pro Zeiteinheit nach Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems kleiner ist als wenn der freien Schicht keine voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird.
Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform wie in der ersten Ausführungsform der Winkelfehler, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, durch eine magnetische Formanisotropie korrigiert, die der freien Schicht verliehen wird. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform sind die MR-Filme der MR-Elemente in den Erfassungsschaltungen 10 und 20 alle in der Form eines elliptischen Zylinders gebildet, so dass sowohl die planare Form (Bezugszeichen 11) der freien Schicht jedes der Vielzahl von MR-Elementen in der Erfassungsschaltung 10 als auch die planare Form (Bezugszeichen 21) der freien Schicht jedes der Vielzahl von MR-Elementen in der Erfassungsschaltung 20 elliptisch sind. Die Richtung der Hauptachse der Ellipse oder der planaren Form der freien Schicht ist die Richtung DA2 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt. Wie in der ersten Ausführungsform liegen sowohl der Winkel β, den die leichte Achsenrichtung DA2 in Bezug auf die Richtung DA1 der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, bildet, als auch der Winkel γ, den die leichte Achsenrichtung DA2 in Bezug auf die erste Richtung D1 bildet, vorzugsweise im Bereich von 75° bis 90° und bevorzugter im Bereich von 81° bis 90°.
Daher ist die vorliegende Ausführungsform wie die erste Ausführungsform imstande, einen Winkelfehler zu verringern, der durch eine induzierte magnetische Anisotropie verursacht wird, die im Nachhinein in der freien Schicht eintritt.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform der Fehler, der im erfassten Wert θs aufgrund der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie eintritt, die der freien Schicht verliehen wird, wie in der zweiten Ausführungsform von der arithmetischen Schaltung 30 korrigiert werden kann.
In der vorliegenden Ausführungsform können die Erfassungsschaltungen 10 und 20 so angeordnet sein, dass eine Richtung senkrecht zu den Ebenen der Vielzahl von Schichten, die die MR-Elemente (MR-Filme) bildet, die XY-Ebene schneidet. Wenn in diesem Fall das Magnetsensorsystem im Betriebszustand ist, bewirkt eine Veränderung der Relativposition zwischen der magnetischen Schiene 120 und dem Magnetsensor 101 in die Richtung T, dass sich die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht dreht. Somit kann in diesem Fall die Richtung D1, in die die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht festgesetzt ist, wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist, jede Richtung sein, die in einer Ebene parallel zur Ebene der freien Schicht liegt. Ferner kann in diesem Fall die Referenzebene PL eine Ebene parallel zu den Ebenen der Vielzahl von Schichten sein, die die MR-Elemente bildet. Ferner kann der Magnetsensor 1 der ersten Ausführungsform anstelle des Magnetsensors 101 verwendet werden und die Erfassungsschaltungen 10 und 20 können so angeordnet sein, dass eine Richtung senkrecht zu den Ebenen der Vielzahl von Schichten, die die MR-Elemente bilden, die XY-Ebene schneidet. In diesem Fall kann sich, wie in der ersten Ausführungsform, das zweite Signal S2 in der Phase um 1/4 der Signalperiode T, d. h. um π/2 (90°), vom ersten Signal S1 unterscheiden, während die Erfassungsschaltungen 10 und 20 in derselben Position angeordnet sind.
Der übrige Aufbau, der Betrieb und die Effekte der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben wie jene der ersten oder zweiten Ausführungsform.
[Vierte Ausführungsform]
Es wird nun eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 14A und 14B beschrieben. 14A ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors eines Vergleichsbeispiels gegenüber der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt. 14B ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels und der Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform enthalten beide eine erste und zweite Erfassungsschaltung 10 und 20. Jede der ersten und zweiten Erfassungsschaltung 10 und 20 enthält magnetische Erfassungselemente. In der vorliegenden Ausführungsform sind alle magnetischen Erfassungselemente, die in der ersten und zweiten Erfassungsschaltung 10 und 20 enthalten sind, TMR-Elemente oder GMR-Elemente. Die magnetischen Erfassungselemente werden im Folgenden als MR-Elemente bezeichnet.
Jede der ersten und zweiten Erfassungsschaltung 10 und 20 weist eine Halb-Brückenschaltung anstelle der Wheatstone-Brückenschaltung auf, die im Abschnitt der ersten Ausführungsform beschrieben ist, und weist keine Differenzschaltung auf. Die erste Erfassungsschaltung 10 weist ein Paar MR-Elemente R11 und R12 auf, die in Serie geschaltet sind und zwischen einem Leistungsversorgungsanschluss V1 und einem Masseanschluss G1 vorgesehen sind, sowie einen Ausgangsanschluss E1, der an den Verbindungspunkt zwischen den MR-Elementen R11 und R12 angeschlossen ist. Das erste Signal S1, das von der ersten Erfassungsschaltung 10 erzeugt wird, wird vom Ausgangsanschluss E1 zugeleitet. Die zweite Erfassungsschaltung 20 weist ein Paar MR-Elemente R21 und R22 auf, die in Serie geschaltet und zwischen dem Leistungsversorgungsanschluss V1 und einem Masseanschluss G2 vorgesehen sind, sowie einen Ausgangsanschluss E2, der an den Verbindungspunkt zwischen den MR-Elementen R21 und R22 angeschlossen ist. Das zweite Signal S2, das von der zweiten Erfassungsschaltung 20 erzeugt wird, wird vom Ausgangsanschluss E2 zugeleitet.
Wenn auch nicht dargestellt, so enthalten der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels und der Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform jeweils eine arithmetische Schaltung mit einem Eingang, der an die Ausgangsanschlüsse E1 und E2 angeschlossen ist. Die arithmetische Schaltung berechnet einen erfassten Wert θs entsprechend dem Winkel θ. Die arithmetische Schaltung berechnet den erfassten Wert θs auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform.
In 14A und 14B geben die vollen Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fester Magnetisierung der MR-Elemente an, während die leeren Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten der MR-Elemente angeben. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Schicht mit fester Magnetisierung des MR-Elements R11 in die X-Richtung magnetisiert und die Schicht mit fester Magnetisierung des MR-Elements R12 ist in die –X-Richtung magnetisiert. Ferner ist die Schicht mit fester Magnetisierung des MR-Elements R21 in die –Y-Richtung magnetisiert und die Schicht mit fester Magnetisierung des MR-Elements R22 ist in die Y-Richtung magnetisiert.
14A und 14B zeigen schematisch die planaren Formen der freien Schichten der MR-Elemente in den Erfassungsschaltungen 10 und 20. Die planare Form der freien Schicht jedes der MR-Elemente R11 und R12 ist ein Rechteck, wobei die längeren Seiten in die Y-Richtung ausgerichtet sind, während die planare Form der freien Schicht jedes der MR-Elemente R21 und R22 ein Rechteck ist, dessen längeren Seiten in die X-Richtung ausgerichtet sind. Im Magnetsensor des Vergleichsbeispiels haben die Rechtecke oder die planaren Formen der freien Schichten der MR-Elemente R11, R12, R21 und R22 dieselbe Größe. Im Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich das Rechteck oder die planare Form der freien Schicht jedes der MR-Elemente R11 und R12 vom Rechteck oder der planaren Form der freien Schicht jedes der MR-Elemente R21 und R22 in der Größe.
In der vorliegenden Ausführungsform soll die erste Richtung D1, die die Richtung ist, in die die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht festgesetzt ist, wenn sich das Magnetsensorsystem im Ruhezustand befindet, die X-Richtung sein. Im Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform weist die freie Schicht jedes der MR-Elemente R11, R12, R21 und R22 die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie auf. Wie in der ersten Ausführungsform bildet die Richtung der leichten Magnetisierungsachse, die sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, vorzugsweise einen Winkel im Bereich von 0° bis 15° und bevorzugter im Bereich von 0° bis 9° in Bezug auf die erste Richtung D1 (die X-Richtung). Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht dies wie in der ersten Ausführungsform, dass der gesamte Anstieg im Winkelfehler und der Anstieg im Winkelfehler pro Zeiteinheit nach Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems kleiner ist als in dem Fall, in dem der freien Schicht keine voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird.
Für den Magnetsensor des Vergleichsbeispiels wird angenommen, dass die freie Schicht jedes der MR-Elemente R11, R12, R21 und R22 die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie aufweist, wie beim Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform. Es wird jedoch angenommen, dass der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels einen Winkelfehler hat, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Winkelfehler, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, durch Einstellen der Größe der magnetischen Formanisotropie der freien Schicht korrigiert. Dies wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Zunächst weist die planare Form der freien Schicht jedes der MR-Elemente R11 und R12 von 14B eine geringere Länge in der X-Richtung im Vergleich zur planaren Form der freien Schicht jedes der MR-Elemente R11 und R12 von 14A auf. Dies bewirkt, dass die freie Schicht jedes der MR-Elemente R11 und R12 von 14B im Vergleich zur freien Schicht jedes der MR-Elemente R11 und R12 von 14A ein größeres Anisotropiefeld, das sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, in eine Richtung parallel zur Y-Richtung aufweist. Folglich ist die Erfassungsschaltung 10 von 14B im Vergleich zur Erfassungsschaltung von 14A imstande, den Fehler, der im ersten Signal S1 aufgrund der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie auftritt, besser zu verringern.
Andererseits weist die planare Form der freien Schicht jedes der MR-Elemente R21 und R22 von 14B eine größere Länge in die Y-Richtung im Vergleich zur planaren Form der freien Schicht jedes der MR-Elemente R21 und R22 von 14A auf. Dies bewirkt, dass die freie Schicht jedes der MR-Elemente R21 und R22 von 14B im Vergleich zur freien Schicht jedes der MR-Elemente R21 und R22 von 14A ein kleineres Anisotropiefeld hat, das sich aus der magnetischen Formanisotropie in eine Richtung parallel zur X-Richtung ergibt. Im Vergleich zur Erfassungsschaltung 20 von 14A ist folglich die Erfassungsschaltung 20 von 14B imstande, den Fehler, der im zweiten Signal S2 aufgrund der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie eintritt, besser zu verringern.
Daher ist im Vergleich zum Magnetsensor des Vergleichsbeispiels der Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform besser imstande, den Winkelfehler zu verringern, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt.
Der übrige Aufbau, der Betrieb und die Effekte der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben wie jene der ersten Ausführungsform.
[Fünfte Ausführungsform]
Es wird nun eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 15A und 15B beschrieben. 15A ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors eines Vergleichsbeispiels gegenüber der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt. 15B ist ein Schaltungsdiagramm, das den Aufbau eines Magnetsensors der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt. Der Aufbau des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels gegenüber der vorliegenden Ausführungsform und des Magnetsensors der vorliegenden Ausführungsform ist derselbe wie jener des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels gegenüber der vierten Ausführungsform bzw. des Magnetsensors der vierten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch alle magnetischen Erfassungselemente, die in der ersten und zweiten Erfassungsschaltung 10 und 20 enthalten sind, anisotrope magnetoresistive (AMR) Elemente. Die magnetischen Erfassungselemente werden im Folgenden als AMR-Elemente bezeichnet. Die AMR-Elemente enthalten jeweils eine magnetische Schicht, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung eines Zielmagnetfeldes in einer Referenzposition variiert. Ferner variiert in den AMR-Elementen der Widerstand der magnetischen Schicht entsprechend dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht in Bezug auf die Richtung bildet, in der Strom durch die magnetische Schicht fließt.
In der vorliegenden Ausführungsform variieren das erste und zweite Signal S1 bzw. S2 um zwei Perioden, während das Zielmagnetfeld sich einmal dreht. Somit ist die Signalperiode des ersten und zweiten Signals S1 und S2 in der vorliegenden Ausführungsform gleich einer 1/2 Drehung des Zielmagnetfeldes und ist 1/2 mal der Signalperiode T der vierten Ausführungsform (der ersten Ausführungsform).
15A und 15B zeigen schematisch die planaren Formen der magnetischen Schichten der AMR-Elemente in den Erfassungsschaltungen 10 und 20. Sowohl im Magnetsensor des Vergleichsbeispiels als auch im Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform ist die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R11 ein Rechteck, dessen längeren Seiten in die Y-Richtung ausgerichtet sind, während die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R12 ein Rechteck ist, dessen längeren Seiten in die X-Richtung ausgerichtet sind.
In dem Magnetsensor des Vergleichsbeispiels, wie in 15A dargestellt, ist die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R21 ein Rechteck, dessen längeren Seiten um 45° gegen den Uhrzeigersinn aus der Y-Richtung gedreht sind, während die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R22 ein Rechteck ist, dessen längeren Seiten um 45° im Uhrzeigersinn aus der Y-Richtung gedreht sind.
In dem Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform, wie in 15B dargestellt, ist die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R21 ein Rechteck, dessen längeren Seiten um einen Winkel kleiner 45° gegen den Uhrzeigersinn aus der Y-Richtung gedreht sind, während die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R22 ein Rechteck ist, dessen längeren Seiten um einen Winkel kleiner 45° im Uhrzeigersinn aus der Y-Richtung gedreht sind.
Ferner haben die Rechtecke oder die planaren Formen der magnetischen Schichten der AMR-Elemente R11, R12, R21 und R22 im Magnetsensor des Vergleichsbeispiels dieselbe Größe. Die Rechtecke oder die planaren Formen der magnetischen Schichten der AMR-Elemente R11, R12, R21 und R22 im Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform unterscheiden sich von jenen des Vergleichsbeispiels in der Größe. Sowohl im Magnetsensor des Vergleichsbeispiels wie auch im Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform fließt Strom durch die AMR-Elemente R11, R12, R21 und R22 in Längsrichtung (der Richtung der längeren Seiten) ihrer magnetischen Schichten.
In der vorliegenden Ausführungsform soll die erste Richtung D1, die die Richtung ist, in die die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht festgesetzt ist, wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist, die X-Richtung sein. Im Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform weist die magnetische Schicht jedes der AMR-Elemente R11, R12, R21 und R22 die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie auf. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht dies, dass der gesamte Anstieg im Winkelfehler und der Anstieg im Winkelfehler pro Zeiteinheit nach Beginn der Verwendung des Magnetsensorsystems kleiner ist als in dem Fall, in dem der magnetischen Schicht keine voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie verliehen wird.
Für den Magnetsensor des Vergleichsbeispiels wird angenommen, dass die magnetische Schicht jedes der AMR-Elemente R11, R12, R21 und R22 die voreingestellte induzierte magnetische Anisotropie aufweist, wie bei dem Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform. Es wird jedoch angenommen, dass der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels einen Winkelfehler aufweist, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Winkelfehler, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, durch Einstellen der Größe der magnetischen Formanisotropie und der Position der magnetischen Schicht korrigiert. Dies wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
Die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R11 von 15B ist geometrisch ähnlich wie, aber kleiner als die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R11 von 15A. Indem die planare Form der magnetischen Schicht kleiner gestaltet wird, während die geometrische Ähnlichkeit gleich gehalten wird, bewirkt dieses Beispiel eine Erhöhung im Einfluss eines statischen Magnetfeldes in der magnetischen Schicht und eine Erhöhung in der Größe eines Anisotropiefeldes, das sich aus der magnetischen Formanisotropie in der Längsrichtung der magnetischen Schicht ergibt, die parallel zur Y-Richtung verläuft. Somit weist die magnetische Schicht des AMR-Elements R11 von 15B im Vergleich zur magnetischen Schicht des AMR-Elements R11 von 15A ein größeres Anisotropiefeld auf, das sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, in eine Richtung parallel zur Y-Richtung.
Andererseits ist die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R12 von 15B geometrisch ähnlich wie, aber größer als die planare Form der magnetischen Schicht des AMR-Elements R12 von 15A. Indem die planare Form der magnetischen Schicht größer gestaltet wird, während die geometrische Ähnlichkeit gleich gehalten wird, bewirkt dieses Beispiel eine Abnahme im Einfluss eines statischen Magnetfeldes in der magnetischen Schicht und eine Abnahme in der Größe eines Anisotropiefeldes, das sich aus der magnetischen Formanisotropie in der Längsrichtung der magnetischen Schicht ergibt, die parallel zur X-Richtung verläuft. Somit weist die magnetische Schicht des AMR-Elements R12 von 15B im Vergleich zur magnetischen Schicht des AMR-Elements R12 von 15A ein kleineres Anisotropiefeld auf, das sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, in eine Richtung parallel zur X-Richtung.
Im Vergleich zur Erfassungsschaltung 10 von 15A ist daher die Erfassungsschaltung 10 von 15B imstande, die Größe der magnetischen Formanisotropie der magnetischen Schichten der AMR-Elemente R11 und R12 in eine Richtung parallel zur Y-Richtung zu erhöhen, und ist daher imstande, einen Fehler, der im ersten Signal S1 aufgrund der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie eintritt, besser zu verringern.
Die planare Form der magnetischen Schicht jedes der AMR-Elemente R21 und R22 von 15B ist geometrisch ähnlich wie, aber kleiner als die planare Form der magnetischen Schicht jedes der AMR-Elemente R21 und R22 von 15A. Ferner ist der Winkel, den die Längsrichtung der magnetischen Schicht jedes der AMR-Elemente R21 und R22 von 15B in Bezug auf die Y-Richtung bildet, kleiner als der Winkel, den die Längsrichtung der magnetischen Schicht jedes der AMR-Elemente R21 und R22 von 15B in Bezug auf die Y-Richtung bildet. Somit weist die magnetische Schicht jedes der AMR-Elemente R21 und R22 von 15B im Vergleich zur magnetischen Schicht jedes der AMR-Elemente R21 und R22 von 15A ein größeres Anisotropiefeld auf, das sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, in einer Richtung parallel zur Y-Richtung. Im Vergleich zur Erfassungsschaltung 20 von 15A ist folglich die Erfassungsschaltung 20 von 15B imstande, einen Fehler, der im zweiten Signal S2 aufgrund der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie auftritt, besser zu verringern.
Daher ist der Magnetsensor der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zum Magnetsensor des Vergleichsbeispiels besser imstande, den Winkelfehler, der sich aus der voreingestellten induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, zu verringern.
Der übrige Aufbau, der Betrieb und die Effekte der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben wie jene der ersten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehenden Ausführungsformen beschränkt und es können verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. Zum Beispiel ist das magnetische Erfassungselement der vorliegenden Erfindung nicht auf ein MR-Spinventilelement (ein GMR-Element oder ein TMR-Element) oder ein AMR-Element beschränkt und kann jedes Element sein, das eine magnetische Schicht aufweist, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung des Zielmagnetfeldes variiert. Das magnetische Erfassungselement kann zum Beispiel ein Hall-Element sein, das eine ferromagnetische Schicht enthält und den ferromagnetischen Hall-Effekt nutzt.
Angesichts der vorangehenden Beschreibungen ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen und Abänderungen ausgeführt werden kann. Daher kann die vorliegende Erfindung im Umfang der folgenden Ansprüche und Äquivalente davon in anderen Formen als den vorangehenden besonders bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 00/17666 [0003]
EP 1986015 A3 [0003]
US 7394248 B1 [0003]
DE 102009006144 A1 [0003, 0004, 0004]

Claims

Magnetsensorsystem, aufweisend: eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfeldes; und einen Magnetsensor zum Erfassen des Magnetfeldes, wobei das Magnetsensorsystem zwischen einem Betriebszustand und einem Ruhezustand wählbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass: der Magnetsensor ein magnetisches Erfassungselement aufweist und einen erfassten Wert erzeugt, der einem Winkel entspricht, den die Richtung des Magnetfeldes in einer Referenzposition in Bezug auf eine Referenzrichtung bildet; das magnetische Erfassungselement eine magnetische Schicht enthält, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung des Magnetfeldes in der Referenzposition variiert; die Richtung des Magnetfeldes aus der Sicht des Magnetsensors in der Referenzposition variiert, wenn das Magnetsensorsystem im Betriebszustand ist; die Richtung des Magnetfeldes aus der Sicht des Magnetsensors in der Referenzposition nicht variiert und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht auf eine erste Richtung festgesetzt ist, wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist; die magnetische Schicht eine induzierte magnetische Anisotropie aufweist, die der magnetischen Schicht im Voraus verliehen wird; und eine leichte Magnetisierungsachse, die sich aus der induzierten magnetischen Anisotropie ergibt, die der magnetischen Schicht verliehen ist, in eine Richtung ausgerichtet ist, die einen Winkel im Bereich von 0° bis 15° in Bezug auf die erste Richtung bildet.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit und der Magnetsensor ihre relative Position zueinander variieren, wenn das Magnetsensorsystem im Betriebszustand ist, und die Magnetfelderzeugungseinheit und der Magnetsensor in einer festen relativen Position zueinander stehen, wenn das Magnetsensorsystem im Ruhezustand ist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetsensor eine Korrektur eines Fehlers durchführt, der im erfassten Wert aufgrund der induzierten magnetischen Anisotropie auftritt, die der magnetischen Schicht verliehen wird.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 3, wobei die Korrektur des Fehlers durch eine magnetische Formanisotropie ausgeführt wird, die der magnetischen Schicht verliehen wird.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 4, wobei eine leichte Magnetisierungsachse, die sich aus der magnetischen Formanisotropie ergibt, in eine Richtung ausgerichtet ist, die einen Winkel im Bereich von 75° bis 90° in Bezug auf sowohl die erste Richtung wie auch die Richtung der leichten Magnetisierungsachse bildet, die sich aus der induzierten magnetischen Anisotropie ergibt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 3, wobei der Magnetsensor eine arithmetische Schaltung zum Durchführen der Fehlerkorrektur enthält.