DE102016104208B4

DE102016104208B4 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE102016104208B4
Application number: DE102016104208.0A
Authority: DE
Inventors: Kazuya Watanabe; Hiraku Hirabayashi; Kazuma YAMAWAKI; Suguru Watanabe
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: JP2016166748A; DE102016104208A1

Abstract

Magnetsensor (1), umfassend eine Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) und eine Berechnungseinheit (30), wobei der Magnetsensor (1) zum Erzeugen eines Werts eines erfassten Winkels (θs) eingerichtet ist, welcher eine Entsprechungsbeziehung zu einem Winkel (θ) aufweist, den die Richtung (DM) eines zu erfassenden Magnetfelds (MF) an einer Bezugsposition (PR) bezüglich einer Bezugsrichtung (DR) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass:
die Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) eine Vielzahl von magnetoresistiven Elementen (50) zum Erfassen des Magnetfelds (MF) umfasst und ein erstes Signal (S1) und ein zweites Signal (S2) ausgibt, wobei das erste Signal (S 1) eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) bezüglich einer ersten Richtung (D1) bildet, und das zweite Signal (S2) eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) bezüglich einer zweiten Richtung (D2) bildet;
jedes der Vielzahl von magnetoresistiven Elementen (50) umfasst: eine Schicht mit festliegender Magnetisierung (53), deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist; eine freie Schicht (51), deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) ändert; und eine nichtmagnetische Schicht (52), die zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung (53) und der freien Schicht (51) angeordnet ist;
die Berechnungseinheit (30) den Wert des erfassten Winkels (θs) auf Grundlage des ersten Signals (S1) und des zweiten Signals (S2) berechnet;
der Wert des erfassten Winkels (θs), wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit einer vorgegebenen Periode dreht, einen Winkelfehleranteil enthält, der sich mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode ändert; und
der Winkelfehleranteil einen maximalen Betrag von 0,1° oder weniger hat, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb eines Teilbereichs annimmt, der Teil eines Bereichs von 20 bis 150 mT ist und eine Obergrenze und eine Untergrenze aufweist, die sich voneinander um 30 mT oder mehr unterscheiden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetsensor zum Erfassen eines Winkels, den die Richtung eines Magnetfelds bezüglich einer Bezugsrichtung bildet.
Beschreibung des Stands der Technik
In den letzten Jahren wurden verbreitet Magnetsensoren benutzt, um die Drehstellung eines Objekts in verschiedenen Anwendungen zu erfassen, wie etwa die Erfassung der Drehstellung eines Lenkrads oder eines Servolenkungsmotors in einem Automobil. Magnetsensoren werden nicht nur zum Erfassen der Drehstellung eines Objekts, sondern auch zum Erfassen einer linearen Verschiebung eines Objekts eingesetzt. In Systemen, die Magnetsensoren verwenden, ist typischerweise eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfelds vorgesehen, dessen Richtung sich als Reaktion auf die Drehung oder lineare Bewegung des Objekts dreht. Im Folgenden wird das zu erfassende Magnetfeld als Zielmagnetfeld bezeichnet. Bei der Magnetfeld-Erzeugungseinheit kann es sich um einen Magneten handeln. Die Magnetsensoren verwenden magnetische Erfassungselemente zum Erfassen des Winkels, den die Richtung des Zielmagnetfelds an einer Bezugsposition bezüglich einer Bezugsrichtung bildet. Die Drehstellung oder lineare Verschiebung des Objekts wird so erfasst.
Unter den bekannten Magnetsensoren befindet sich einer, der zwei Brückenschaltungen (Wheatstone-Brückenschaltungen) enthält, wie in EP 2455720 A1 und EP 1232400 B1 beschrieben. Bei einem solchen Magnetsensor enthält jede der beiden Brückenschaltungen vier magnetische Erfassungselemente und gibt ein auf die Richtung des Zielmagnetfelds reagierendes Signal aus. Jedes magnetische Erfassungselement enthält ein magnetoresistives (MR-) Element. Die Ausgangssignale der beiden Brückenschaltungen unterscheiden sich voneinander in der Phase um 1/4 der Periode der Ausgangssignale der Brückenschaltungen. Der Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfelds bezüglich der Bezugsrichtung bildet, wird auf Grundlage der Ausgangssignale der beiden Brückenschaltungen berechnet.
In einem Magnetsensor, der ein MR-Element verwendet, sollte das Ausgangssignal des MR-Elements, das dem Widerstand des MR-Elements entspricht, idealerweise eine Wellenform besitzen, die eine sinusförmige Kurve (einschließlich Sinus- und Kosinuswellenformen) beschreibt, während sich die Richtung des Zielmagnetfelds dreht. Wie in EP 2455720 A1 beschrieben, ist es jedoch bekannt, dass die Ausgangssignal-Wellenform des MR-Elements manchmal gegenüber einer sinusförmigen Kurve verzerrt werden kann. Die Verzerrung der Ausgangssignal-Wellenform des MR-Elements gegenüber einer sinusförmigen Kurve bedeutet, dass das Ausgangssignal des MR-Elements einen harmonischen Anteil enthält, der keine sinusförmige Grundwelle ist. Wenn das Ausgangssignal des MR-Elements diesen harmonischen Anteil enthält, kann im vom Magnetsensor erfassten Winkel ein Fehler auftreten.
Im Folgenden werden Beispiele von Situationen beschrieben, wo die Ausgangssignal-Wellenform eines MR-Elements verzerrt wird. Es soll hier angenommen werden, dass das MR-Element ein Spinventil-MR-Element ist, das eine Schicht mit festliegender Magnetisierung enthält, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung des Zielmagnetfelds ändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung und der freien Schicht angeordnet ist. Beispiele für Spinventil-MR-Elemente sind Riesenmagnetowiderstandselemente (Giant Magnetoresistive Elements, GMR) und Tunnelmagnetowiderstandselemente (tunneling magnetoresistive elements, TMR). Zu den Beispielen von Situationen, in denen die Ausgangssignal-Wellenform eines MR-Elements verzerrt wird, gehören der Fall, in dem die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung aufgrund der Beeinflussung durch das Zielmagnetfeld oder anderer Faktoren variiert, und der Fall, in dem die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht aufgrund von Effekten wie der Formanisotropie der freien Schicht von der Richtung des Zielmagnetfelds abweicht.
EP 2455720 A1 offenbart eine Methode zur Reduzierung des Fehlers des erfassten Winkels, die im Folgenden beschrieben wird. Gemäß der Methode werden die Spinventil-MR-Elemente, die die konventionelle Brückenschaltung bilden, durch Ketten von MR-Elementen ersetzt, wobei jede Kette von MR-Elementen aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Spinventil-MR-Elementen besteht. Die Ketten von MR-Elementen enthalten jeweils ein oder mehrere Paare von MR-Elementen. Die Schichten mit festliegender Magnetisierung zweier miteinander gepaarter MR-Elemente besitzen Magnetisierungsrichtungen, die in einander entgegengesetzten Richtungen um den gleichen Winkel bezüglich der Magnetisierungsrichtung der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente gedreht sind, die die konventionelle Brückenschaltung bilden.
EP 1232400 B1 offenbart eine Methode zum Korrigieren des erfassten Winkels, indem eine elektrische Verbindung zwischen einem Hauptsensorelement und zwei Korrektursensorelementen hergestellt wird, wobei das Hauptsensorelement eine Hauptreferenz-Magnetisierungsachse aufweist und jedes der zwei Korrektursensorelemente eine Referenzmagnetisierungsachse besitzt, die bezüglich der Hauptreferenz-Magnetisierungsachse geneigt ist.
Bei den Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat sich herausgestellt, dass der Fehler des von Magnetsensoren erfassten Winkels in Abhängigkeit von der Stärke des Zielmagnetfelds variiert. Im Folgenden wird der Fehler des erfassten Winkels als Winkelfehler bezeichnet und die Änderung des Winkelfehlers in Abhängigkeit von der Stärke des Zielmagnetfelds als Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke. Die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke wurde sogar bei einem Magnetsensor beobachtet, der über ein Mittel zur Reduzierung des Winkelfehlers verfügt.
Andererseits ist in einem System, das einen Magnetsensor verwendet, die Stärke des Zielmagnetfelds, das auf den Magnetsensor angewendet wird, nicht notwendigerweise konstant. Beispielsweise können in Verbindung mit einem einzelnen Magnetsensor eine Vielzahl von Typen von Magnetfeld-Erzeugungseinheiten verwendet werden, die Zielmagnetfelder unterschiedlicher Stärken erzeugen. Außerdem kann im Fall der Verwendung eines Magnets als Magnetfeld-Erzeugungseinheit eine Temperaturschwankung oder Verschlechterung des Magnets zu einer Änderung der Stärke des Zielmagnetfelds führen, auch wenn der Magnet selbst nicht geändert wird. Weiterhin kann die Verwendung eines kostengünstigen Magneten o. ä. dazu führen, dass die tatsächliche Stärke des Zielmagnetfelds von dem bei der Systemauslegung angenommenen Wert abweicht.
Bei herkömmlichen Magnetsensoren besteht das Problem, dass auch dann, wenn Maßnahmen zur Reduzierung des Winkelfehlers getroffen werden, dieser aufgrund der oben erwähnten Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke je nach Stärke des Zielmagnetfelds nicht ausreichend reduziert
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetsensor zum Erfassen eines Winkels bereitzustellen, den die Richtung eines Zielmagnetfelds bezüglich einer Bezugsrichtung bildet, wobei der Magnetsensor in der Lage ist, den Winkelfehler in einem großen Stärkebereich des Zielmagnetfelds zu
Ein Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass ein Wert eines erfassten Winkels erzeugt wird, der eine Entsprechungsbeziehung zu einem Winkel aufweist, den die Richtung des Zielmagnetfelds an einer Bezugsposition bezüglich einer Bezugsrichtung bildet. Der Magnetsensor enthält eine Magnetfeld-Erfassungseinheit und eine Berechnungseinheit. Die Magnetfeld-Erfassungseinheit enthält eine Vielzahl von magnetoresistiven Elementen zum Erfassen des Zielmagnetfelds und gibt ein erstes Signal und ein zweites Signal aus. Das erste Signal weist eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des Zielmagnetfelds bezüglich einer ersten Richtung bildet. Das zweite Signal weist eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des Zielmagnetfelds bezüglich einer zweiten Richtung bildet. Jedes der Vielzahl von magnetoresistiven Elementen enthält: eine Schicht mit festliegender Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung des Zielmagnetfelds ändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die sich zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung und der freien Schicht befindet. Die Berechnungseinheit berechnet den Wert des erfassten Winkels auf Grundlage des ersten Signals und des zweiten Signals.
Gemäß dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung enthält der Wert des erfassten Winkels einen Winkelfehleranteil, der, wenn sich die Richtung des Zielmagnetfelds mit einer vorgegebenen Periode dreht, mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode variiert. Der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass der Winkelfehleranteil einen maximalen Betrag von 0,1° oder weniger hat, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb eines Teilbereichs annimmt, der Teil eines Bereichs von 20 bis 150 mT ist und eine Obergrenze und eine Untergrenze aufweist, die sich voneinander um 30 mT oder mehr unterscheiden.
Gemäß dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann der maximale Betrag des Winkelfehleranteils für einen ersten Stärkewert und einen zweiten Stärkewert der Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit null sein, wobei sich der erste Stärkewert und der zweite Stärkewert voneinander unterscheiden. Wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts kann im Bereich von 20 bis 150 mT oder im Teilbereich liegen.
Gemäß dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann das erste Signal einen ersten idealen Anteil, einen ersten dritten harmonischen Anteil und einen ersten fünften harmonischen Anteil enthalten und das zweite Signal einen zweiten idealen Anteil, einen zweiten dritten harmonischen Anteil und einen zweiten fünften harmonischen Anteil enthalten, wenn sich die Richtung des Zielmagnetfelds mit einer vorgegebenen Periode dreht. Der erste ideale Anteil ist ein Anteil, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale Sinuskurve beschreibt. Der erste dritte harmonische Anteil ist ein Fehleranteil, der zu einer dritten Harmonischen des ersten idealen Anteils äquivalent ist. Der erste fünfte harmonische Anteil ist ein Fehleranteil, der zu einer fünften Harmonischen des ersten idealen Anteils äquivalent ist. Der zweite ideale Anteil ist ein Anteil, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale Sinuskurve beschreibt. Der zweite dritte harmonische Anteil ist ein Fehleranteil, der zu einer dritten Harmonischen des zweiten idealen Anteils äquivalent ist. Der zweite fünfte harmonische Anteil ist ein Fehleranteil, der zu einer fünften Harmonischen des zweiten idealen Anteils äquivalent ist.
Eine Differenz zwischen einem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils und einem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils kann einen Betrag von 0,18 % oder weniger besitzen, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs annimmt, wobei das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils der Mittelwerteines ersten Verhältnisses und eines dritten Verhältnisses und das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils der Mittelwerteines zweiten Verhältnisses und eines vierten Verhältnisses ist, und wobei das erste Verhältnis das Verhältnis des ersten dritten harmonischen Anteils zum ersten idealen Anteil ist, wenn der erste ideale Anteil einen Maximalwert annimmt, das zweite Verhältnis das Verhältnis des ersten fünften harmonischen Anteils zum ersten idealen Anteil ist, wenn der erste ideale Anteil den Maximalwert annimmt, das dritte Verhältnis das Verhältnis des zweiten dritten harmonischen Anteils zum zweiten idealen Anteil ist, wenn der zweite ideale Anteil einen Maximalwert annimmt, und das vierte Verhältnis das Verhältnis des zweiten fünften harmonischen Anteils zum zweiten idealen Anteil ist, wenn der zweite ideale Anteil den Maximalwert annimmt.
Der Betrag der Differenz zwischen dem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils und dem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils kann für einen ersten Stärkewert und einen zweiten Stärkewert der Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit null sein, wobei sich der erste Stärkewert und der zweite Stärkewert voneinander unterscheiden. Wenigstens einer von erstem Stärkewert und zweitem Stärkewert kann im Bereich von 20 bis 150 mT oder im Teilbereich liegen. Innerhalb des Teilbereichs kann sich entweder die Änderungsrate des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils bezüglich eines Anstiegs der Stärke des Zielmagnetfelds oder die Änderungsrate des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils bezüglich des Anstiegs der Stärke des Zielmagnetfelds erhöhen, während die jeweils andere abfallen kann, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit ansteigt. Das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils kann niedriger sein als das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils, wenn die Magnetfeld-Erfassungseinheit eine Temperatur von 20°C besitzt.
Gemäß dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann der maximale Betrag des Winkelfehleranteils 0,05° oder weniger sein, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs annimmt. In diesem Fall kann der maximale Betrag des Winkelfehleranteils für einen ersten Stärkewert und einen zweiten Stärkewert der Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit null sein, wobei sich der erste Stärkewert und der zweite Stärkewert voneinander unterscheiden. Wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts kann im Bereich von 20 bis 150 mT oder im Teilbereich liegen.
Angenommen, der maximale Betrag des Winkelfehleranteils ist wie oben beschrieben 0,05° oder weniger, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs annimmt. In diesem Fall kann der Betrag der Differenz zwischen dem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils und dem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils 0,09 % oder weniger sein, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs annimmt. In diesem Fall kann der Betrag der Differenz zwischen dem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils und dem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils für einen ersten Stärkewert und einen zweiten Stärkewert der Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit null sein, wobei sich der erste Stärkewert und der zweite Stärkewert voneinander unterscheiden.
Wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts kann im Bereich von 20 bis 150 mT oder im Teilbereich liegen. Innerhalb des Teilbereichs kann sich entweder die Änderungsrate des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils bezüglich eines Anstiegs der Stärke des Zielmagnetfelds oder die Änderungsrate des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils bezüglich des Anstiegs der Stärke des Zielmagnetfelds erhöhen, während die jeweils andere abfallen kann, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit ansteigt. Das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils kann niedriger sein als das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils, wenn die Magnetfeld-Erfassungseinheit eine Temperatur von 20°C besitzt.
Im Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann die zweite Richtung orthogonal zur ersten Richtung sein.
Im Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann die Magnetfeld-Erfassungseinheit einen ersten Erfassungsschaltkreis zur Ausgabe eines ersten Signals und einen zweiten Erfassungsschaltkreis zur Ausgabe eines zweiten Signals enthalten. Sowohl der erste Erfassungsschaltkreis als auch der zweite Erfassungsschaltkreis kann eine Kette von magnetoresistiven Elementen enthalten, die aus zwei oder mehr der Vielzahl von magnetoresistiven Elementen besteht, wobei diese in Reihe geschaltet sind. Die freie Schicht von jedem der Vielzahl von magnetoresistiven Elementen weist eine erste Oberfläche in Kontakt mit der nichtmagnetischen Schicht und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche auf. Die zweite Oberfläche besitzt eine rotationssymmetrische Form der Ordnung vier, nicht der Ordnung fünf oder höher. Die Anzahl der zwei oder mehr magnetoresistiven Elemente, die die Kette der magnetoresistiven Elemente bilden, ist geradzahlig. Die zwei oder mehr magnetoresistiven Elemente, die die Kette der magnetoresistiven Elemente bilden, enthalten ein oder mehr Paare von magnetoresistiven Elementen. Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten magnetoresistiven Elementen bilden einen vorgegebenen relativen Winkel, der nicht 0° oder 180° beträgt. Im ersten Erfassungsschaltkreis ist die erste Richtung entweder eine Zwischenrichtung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten magnetoresistiven Elementen oder eine der Zwischenrichtung entgegengesetzte Richtung. Im zweiten Erfassungsschaltkreis ist die zweite Richtung entweder eine Zwischenrichtung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten magnetoresistiven Elementen oder eine der Zwischenrichtung entgegengesetzte Richtung.
Gemäß dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung ist der maximale Betrag des Winkelfehleranteils 0,1° oder weniger, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs annimmt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit eine Reduzierung des Winkelfehlers in einem großen Stärkebereich des Zielmagnetfelds.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich vollständiger aus der folgenden Beschreibung.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines Magnetsensorsystems, das einen Magnetsensor enthält, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln darstellt, die in der Ausführungsform der Erfindung benutzt werden.
3 ist ein Schaltplan, der den Aufbau des Magnetsensors gemäß der Ausführungsform der Erfindung darstellt.
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten MR-Elementen im in 3 gezeigten Magnetsensor darstellt.
5 ist eine Draufsicht einer in 3 gezeigten Wheatstone-Brückenschaltung.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines in 5 gezeigten magnetischen Erfassungselements.
7A bis 7C sind Wellenform-Diagramme, die ein erstes Beispiel des Zusammenhangs zwischen einem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und einer Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
8A bis 8C sind Wellenform-Diagramme, die ein zweites Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
9A bis 9C sind Wellenform-Diagramme, die ein drittes Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
10A bis 10C sind Wellenform-Diagramme, die ein viertes Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
11 ist ein Kennliniendiagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Betrag der Differenz zwischen einem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils und einem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils und dem maximalen Betrag des Winkelfehleranteils vierter Ordnung zeigt.
12 ist ein Kennliniendiagramm, das ein erstes Beispiel der Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils, des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils und des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke darstellt.
13 ist ein Kennliniendiagramm, das ein zweites Beispiel der Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils, des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils und des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke darstellt.
14 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements in der Ausführungsform der Erfindung.
15 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements in der Ausführungsform der Erfindung.
16 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements in der Ausführungsform der Erfindung.
17 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie sich die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils und des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils von der Magnetfeldstärke mit der Änderung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements ändern.
18 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie sich die Abhängigkeit des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke mit der Änderung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements ändert.
19 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie sich die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils und des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils von der Magnetfeldstärke mit der Änderung des Versatzwinkels ändern.
20 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie sich die Abhängigkeit des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke mit der Änderung des Versatzwinkels ändert.
21 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils und des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils von der Magnetfeldstärke für ein erstes bis drittes Muster zeigt.
22 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke für das erste bis dritte Muster zeigt.
23 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils und des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils von der Magnetfeldstärke für ein viertes Muster zeigt.
24 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke für das vierte Muster zeigt.
25 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils, des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils und des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung in einem Vergleichsbeispiel darstellt.
26 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils, des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils und des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung in einem Beispiel darstellt.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnung genau beschrieben. Zuerst wird auf 1 und 2 Bezug genommen, um den allgemeinen Aufbau eines Magnetsensorsystems mit einem Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau des Magnetsensorsystems gemäß dieser Ausführungsform darstellt. 2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln darstellt, die in der Ausführungsform benutzt werden.
Wie in 1 gezeigt, enthält das Magnetsensorsystem dieser Ausführungsform einen Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform sowie eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2. Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 erzeugt ein Zielmagnetfeld MF. In dem in 1 gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 um einen zylindrischen Magneten. Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 weist einen N-Pol und einen S-Pol auf, die symmetrisch bezüglich einer imaginären Ebene angeordnet sind, die die Mittelachse des Zylinders einschließt. Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 dreht sich um die Mittelachse des Zylinders. Daher dreht sich die Richtung des Zielmagnetfelds MF, das durch die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 erzeugt wird, um eine Drehachse C, die die Mittelachse des Zylinders einschließt.
Der Magnetsensor 1 ist so aufgebaut, dass der Winkel erfasst wird, den die Richtung des Zielmagnetfelds MF an einer Bezugsposition bezüglich einer Bezugsrichtung bildet. Genauer erzeugt der Magnetsensor 1 einen Wert eines erfassten Winkels, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition bezüglich der Bezugsrichtung bildet.
Die Bezugsposition befindet sich in einer imaginären Ebene parallel zu einer Endfläche der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2. Diese imaginäre Ebene wird nachstehend als die Bezugsebene bezeichnet. In der Bezugsebene dreht sich die Richtung des durch die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 erzeugten Zielmagnetfelds MF um die Bezugsposition. Die Bezugsrichtung befindet sich in der Bezugsebene und läuft durch die Bezugsposition. In der folgenden Beschreibung ist die Richtung des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition eine in der Bezugsebene liegende Richtung. Die Richtung des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition kann einfach als Richtung des Zielmagnetfelds MF bezeichnet werden. Der Magnetsensor 1 ist so angeordnet, dass er zur vorgenannten Endfläche der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 weist.
Der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 können auch auf andere Weise als in 1 gezeigt konfiguriert sein. Der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 müssen lediglich so konfiguriert sein, dass sich ihre relative Position auf solche Weise ändert, dass sich die Richtung des Zielmagnetfelds MF aus Sicht des Magnetsensors 1 dreht. Beispielsweise können der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2, die wie in 1 angeordnet sind, wie folgt konfiguriert sein: Der Magnetsensor 1 dreht sich, während die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 feststeht; der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 drehen sich in entgegengesetzten Richtungen; oder der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 drehen sich in der gleichen Richtung, aber mit gegenseitig unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten.
Alternativ kann anstelle des in 1 gezeigten Magneten als Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 ein Magnet eingesetzt werden, der ein oder mehrere Paare von N- und S-Polen, die abwechselnd ringförmig angeordnet sind, umfasst, wobei der Magnetsensor 1 in der Nähe des äußeren Umfangs des Magneten angeordnet werden kann. In diesem Fall dreht sich mindestens einer von Magnet und Magnetsensor 1.
Alternativ kann anstelle des in 1 gezeigten Magneten als Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 ein Magnetband eingesetzt werden, das eine Vielzahl von Paaren von N- und S-Polen, die abwechselnd in einer linearen Konfiguration angeordnet sind, umfasst, wobei der Magnetsensor 1 in der Nähe des Randbereichs des Magnetbands angeordnet werden kann. In diesem Fall bewegt sich mindestens eines von Magnetband und Magnetsensor 1 linear in der Richtung, in der die N- und S-Pole des Magnetbands angeordnet sind.
In den oben beschriebenen verschiedenen Konfigurationen des Magnetsensors 1 und der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 existiert ebenfalls eine Bezugsebene, die eine vorgegebene Positionsbeziehung zum Magnetsensor 1 hat, und innerhalb der Bezugsebene dreht sich die Richtung des Zielmagnetfelds MF aus Sicht des Magnetsensors 1 um die Bezugsposition.
Der Magnetsensor 1 enthält eine Magnetfeld-Erfassungseinheit 3. Die Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 enthält eine Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen zum Erfassen des Zielmagnetfelds MF und gibt ein erstes Signal S1 und ein zweites Signal S2 aus. Das erste Signal S1 weist eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des Zielmagnetfelds MF bezüglich einer ersten Richtung bildet. Das zweite Signal S2 weist eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des Zielmagnetfelds MF bezüglich einer zweiten Richtung bildet. Jedes der Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen enthält wenigstens ein magnetoresistives (MR-) Element zum Erfassen des Zielmagnetfelds MF. Die Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 enthält somit eine Vielzahl von MR-Elementen.
Die Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 enthält einen ersten Erfassungsschaltkreis 10 und einen zweiten Erfassungsschaltkreis 20. Zur Erleichterung des Verständnisses stellt 1 den ersten und zweiten Erfassungsschaltkreis 10 und 20 als separate Komponenten dar. Jedoch können der erste und zweite Erfassungsschaltkreis 10 und 20 in einem einzigen Bauelement integriert sein. Weiterhin kann, während in 1 der erste und zweite Erfassungsschaltkreis 10 und 20 in einer Richtung parallel zur Drehachse C gestapelt sind, die Stapelreihenfolge gegenüber dem in 1 gezeigten Beispiel umgekehrt sein.
Die Definitionen der in der Ausführungsform benutzten Richtungen und Winkel werden nun mit Bezug auf 1 und 2 erläutert. Als Erstes entspricht die Z-Richtung der Richtung parallel zu der in 1 gezeigten Drehachse C und von unten nach oben in 1. In 2 ist die Z-Richtung als die Richtung aus der Ebene der 2 heraus gezeigt. Als Nächstes sind die Richtungen X und Y die beiden Richtungen, die senkrecht zur Z-Richtung und orthogonal zueinander stehen. In 2 ist die X-Richtung als die Richtung nach rechts gezeigt und die Y-Richtung ist als die Richtung nach oben gezeigt. Weiterhin ist die -X-Richtung die Richtung entgegengesetzt zur X-Richtung und die -Y-Richtung die Richtung entgegengesetzt zur Y-Richtung.
Die Bezugsposition PR ist die Position, wo der Magnetsensor 1 das Zielmagnetfeld MF erfasst. Die Bezugsrichtung DR soll die X-Richtung sein. Der Winkel, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition PR bezüglich der Bezugsrichtung DR bildet, wird mit dem Symbol θ bezeichnet. Die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF soll sich in 2 gegen den Uhrzeigersinn drehen. Der Winkel θ wird in positiven Werten ausgedrückt, wenn er gegen den Uhrzeigersinn läuft, gesehen aus der Bezugsrichtung DR, und in negativen Werten, wenn er im Uhrzeigersinn läuft, gesehen aus der Bezugsrichtung DR.
Der Aufbau des Magnetsensors 1 wird nun ausführlich mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 ist ein Schaltplan, der den Aufbau des Magnetsensors 1 darstellt. Der Magnetsensor 1 enthält eine Berechnungseinheit 30 sowie die oben beschriebene Magnetfeld-Erfassungseinheit 3. Wie oben beschrieben enthält die Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 einen ersten Erfassungsschaltkreis 10 und einen zweiten Erfassungsschaltkreis 20.
Der erste Erfassungsschaltkreis 10 erzeugt das erste Signal S1, das eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der ersten Richtung bildet. Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 erzeugt das zweite Signal S2, das eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der zweiten Richtung bildet. In dieser Ausführungsform ist die erste Richtung die X-Richtung und die zweite Richtung die Y-Richtung. Die zweite Richtung ist also orthogonal zur ersten Richtung. In 2 gibt der mit D1 bezeichnete Pfeil die erste Richtung an und der mit D2 bezeichnete Pfeil die zweite Richtung. Das erste Signal S1 ist beispielsweise ein Signal, das auf die Stärke einer Komponente des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition PR reagiert, wobei es sich bei der Komponente um die erste Richtung D1 (die X-Richtung) handelt. Das zweite Signal S2 ist beispielsweise ein Signal, das auf die Stärke einer Komponente des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition PR reagiert, wobei es sich bei der Komponente um die zweite Richtung D2 (die Y-Richtung) handelt.
Wenn sich die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF mit einer vorgegebenen Periode dreht, ändern sich das erste und zweite Signal S1 und S2 periodisch mit einer der vorgegebenen Periode entsprechenden Signalperiode T. Das zweite Signal S2 weicht vom ersten Signal S1 in der Phase ab. In dieser Ausführungsform weicht das zweite Signal S2 in der Phase bevorzugt um ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/4 der Signalperiode T vom ersten Signal S1 ab. Aufgrund der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren kann der Phasenunterschied zwischen dem ersten Signal S1 und dem zweiten Signal S2 jedoch etwas von einem ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Signalperiode T abweichen. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass die Phasen des ersten Signals S1 und des zweiten Signals S2 die zuvor genannte bevorzugte Beziehung erfüllen.
Der erste Erfassungsschaltkreis 10 verfügt über einen Ausgang zur Ausgabe des ersten Signals S1. Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 verfügt über einen Ausgang zur Ausgabe des zweiten Signals S2. Die Berechnungseinheit 30 verfügt über zwei Eingänge und einen Ausgang. Die beiden Eingänge der Berechnungseinheit 30 sind mit dem jeweiligen Ausgang des ersten und zweiten Erfassungsschaltkreises 10 und 20 verbunden.
Die Berechnungseinheit 30 berechnet einen Wert eines erfassten Winkels θs, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ aufweist. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Wert des erfassten Winkels θs um den Wert des Winkels θ, der vom Magnetsensor 1 erfasst wird. Die Berechnungseinheit 30 kann beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) oder als Mikrocomputer ausgeführt sein. Die Berechnung des Werts des erfassten Winkels θs wird weiter unten ausführlich beschrieben.
Der erste Erfassungsschaltkreis 10 enthält eine Wheatstone-Brückenschaltung 14 und einen Differenzdetektor 15. Die Wheatstone-Brückenschaltung 14 enthält einen Stromversorgungsanschluss V1, einen Masseanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, in Reihe geschaltete magnetische Erfassungselemente R11 und R12 und in Reihe geschaltete magnetische Erfassungselemente R13 und R14. Ein Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R11 und R13 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V1 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R11 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R12 und dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R13 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R14 und dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Das andere Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R12 und R14 ist mit dem Masseanschluss G1 verbunden. Eine Versorgungsspannung eines vorgegebenen Betrags wird an den Stromversorgungsanschluss V1 angelegt. Der Masseanschluss G1 wird mit Erde verbunden. Der Differenzdetektor 15 gibt als das erste Signal S1 einen Signalwert an die Berechnungseinheit 30 aus, der der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht.
Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 verfügt über einen ähnlichen Schaltungsaufbau wie der erste Erfassungsschaltkreis 10. Genauer enthält der zweite Erfassungsschaltkreis 20 eine Wheatstone-Brückenschaltung 24 und einen Differenzdetektor 25. Die Wheatstone-Brückenschaltung 24 enthält einen Stromversorgungsanschluss V2, einen Masseanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, in Reihe geschaltete magnetische Erfassungselemente R21 und R22 und in Reihe geschaltete magnetische Erfassungselemente R23 und R24. Ein Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R21 und R23 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V2 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R21 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R22 und dem Ausgangsanschluss E21 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R23 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R24 und dem Ausgangsanschluss E22 verbunden. Das andere Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R22 und R24 ist mit dem Masseanschluss G2 verbunden. Eine Versorgungsspannung eines vorgegebenen Betrags wird an den Stromversorgungsanschluss V2 angelegt. Der Masseanschluss G2 wird mit Erde verbunden. Der Differenzdetektor 25 gibt als das zweite Signal S2 einen Signalwert an die Berechnungseinheit 30 aus, der der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht.
Wie oben beschrieben, enthält jedes der Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen, die in den Wheatstone-Brückenschaltungen (nachstehend als Brückenschaltungen bezeichnet) 14 und 24 enthalten sind, mindestens ein MR-Element. Diese Ausführungsform verwendet als das MR-Element ein Spinventil-MR-Element, insbesondere ein TMR-Element. Das TMR-Element kann durch ein GMR-Element ersetzt werden. Das Spinventil-MR-Element enthält eine Schicht mit festliegender Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung DM des Zielmagnetfelds MF ändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die sich zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung und der freien Schicht befindet. Im TMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine Tunnelbarrierenschicht. Im GMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. Das Spinventil-MR-Element verändert seinen Widerstandswert je nach dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht bezüglich der Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung bildet, und weist einen minimalen Widerstandswert auf, wenn der genannte Winkel 0°, beträgt, und einen maximalen Widerstandswert, wenn der genannte Winkel 180° beträgt.
In dieser Ausführungsform besteht jedes der Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen, die in den Brückenschaltungen 14 und 24 enthalten sind, insbesondere aus einer Kette von MR-Elementen. Die Kette von MR-Elementen besteht aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten MR-Elementen. Die Anzahl der zwei oder mehr MR-Elemente, die die Kette der MR-Elemente bilden, ist geradzahlig. Die zwei oder mehr MR-Elemente, die die Kette der MR-Elemente bilden, enthalten ein oder mehr Paare von MR-Elementen. Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten MR-Elementen bilden einen vorgegebenen relativen Winkel, der nicht 0° oder 180° beträgt.
Im ersten Erfassungsschaltkreis 10 ist die erste Richtung D1 entweder eine Zwischenrichtung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten MR-Elementen, oder eine der Zwischenrichtung entgegengesetzte Richtung. Im zweiten Erfassungsschaltkreis 20 ist die zweite Richtung D2 entweder eine Zwischenrichtung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten MR-Elementen oder eine der Zwischenrichtung entgegengesetzte Richtung.
3 zeigt ein Beispiel, in dem die zwei oder mehr MR-Elemente, die die Kette der MR-Elemente bilden, nur ein Paar von MR-Elementen enthalten, wie im Folgenden erläutert. Das magnetische Erfassungselement R11 besteht aus einem Paar von MR-Elementen R111 und R112. Das magnetische Erfassungselement R12 besteht aus einem Paar von MR-Elementen R121 und R122. Das magnetische Erfassungselement R13 besteht aus einem Paar von MR-Elementen R131 und R132. Das magnetische Erfassungselement R14 besteht aus einem Paar von MR-Elementen R141 und R142. Das magnetische Erfassungselement R21 besteht aus einem Paar von MR-Elementen R211 und R212. Das magnetische Erfassungselement R22 besteht aus einem Paar von MR-Elementen R221 und R222. Das magnetische Erfassungselement R23 besteht aus einem Paar von MR-Elementen R231 und R232. Das magnetische Erfassungselement R24 besteht aus einem Paar von MR-Elementen R241 und R242. In 3 geben die ausgefüllten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente an, und die hohlen Pfeile geben die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten der MR-Elemente an.
Es wird nun auf 4 Bezug genommen, um die Beziehung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten MR-Elementen zu beschreiben. In 4 geben die mit D111 und D112 gekennzeichneten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R111 bzw. R112 an. Die Magnetisierungsrichtungen D111 und D112 der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R111 und R112 sind auf solche Weise festgelegt, dass die Zwischenrichtung zwischen den Richtungen D111 und D112 mit der ersten Richtung D1 (der X-Richtung) übereinstimmt. Die Magnetisierungsrichtung D111 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R111 ist die von der ersten Richtung D1 um einen Winkel ϕ im Uhrzeigersinn gedrehte Richtung. Die Magnetisierungsrichtung D112 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R112 ist die von der ersten Richtung D1 um einen Winkel ϕ im Gegenuhrzeigersinn gedrehte Richtung. Nachstehend wird der Winkel ϕ als der Versatzwinkel ϕ bezeichnet.
Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R121 und R122 sind auf solche Weise festgelegt, dass die Zwischenrichtung zwischen diesen Magnetisierungsrichtungen die -X-Richtung ist, d. h. die der ersten Richtung D1 entgegengesetzte Richtung. Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R131 und R132 sind ebenfalls auf solche Weise festgelegt, dass die Zwischenrichtung zwischen diesen Magnetisierungsrichtungen der ersten Richtung D1 entgegengesetzt ist. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R131 stimmt mit derjenigen der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R121 überein. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R132 stimmt mit derjenigen der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R122 überein. Die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R121 und R131 ist der Magnetisierungsrichtung Dill der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 4 gezeigten MR-Elements Rill entgegengesetzt. Die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R122 und R132 ist der Magnetisierungsrichtung D112 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 4 gezeigten MR-Elements R112 entgegengesetzt.
Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R141 und R142 sind auf solche Weise festgelegt, dass die Zwischenrichtung zwischen diesen Magnetisierungsrichtungen mit der ersten Richtung D1 (der X-Richtung) übereinstimmt. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R141 stimmt mit der Magnetisierungsrichtung D111 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 4 gezeigten MR-Elements Rill überein. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R142 stimmt mit der Magnetisierungsrichtung D112 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 4 gezeigten MR-Elements R112 überein.
In 4 geben die mit D211 und D212 gekennzeichneten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R211 bzw. R212 an. Die Magnetisierungsrichtungen D211 und D212 der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R211 und R212 sind auf solche Weise festgelegt, dass die Zwischenrichtung zwischen den Richtungen D211 und D212 mit der zweiten Richtung D2 (der Y-Richtung) übereinstimmt. Die Magnetisierungsrichtung D211 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R211 ist die von der zweiten Richtung D2 um den Versatzwinkel ϕ im Uhrzeigersinn gedrehte Richtung. Die Magnetisierungsrichtung D212 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R212 ist die von der zweiten Richtung D2 um den Versatzwinkel ϕ im Gegenuhrzeigersinn gedrehte Richtung.
Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R221 und R222 sind auf solche Weise festgelegt, dass die Zwischenrichtung zwischen diesen Magnetisierungsrichtungen die -Y-Richtung ist, d. h. die der zweiten Richtung D2 entgegengesetzte Richtung. Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R231 und R232 sind ebenfalls auf solche Weise festgelegt, dass die Zwischenrichtung zwischen diesen Magnetisierungsrichtungen der zweiten Richtung D2 entgegengesetzt ist. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R231 stimmt mit derjenigen der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R221 überein. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R232 stimmt mit derjenigen der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R222 überein. Die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R221 und R231 ist der Magnetisierungsrichtung D211 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 4 gezeigten MR-Elements R211 entgegengesetzt. Die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R222 und R232 ist der Magnetisierungsrichtung D212 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 4 gezeigten MR-Elements R212 entgegengesetzt.
Die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente R241 und R242 sind auf solche Weise festgelegt, dass die Zwischenrichtung zwischen diesen Magnetisierungsrichtungen mit der zweiten Richtung D2 (der Y-Richtung) übereinstimmt. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R241 stimmt mit der Magnetisierungsrichtung D211 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 4 gezeigten MR-Elements R211 überein. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R242 stimmt mit der Magnetisierungsrichtung D212 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 4 gezeigten MR-Elements R212 überein.
In Anbetracht der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren können sich die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungsschaltkreisen 10 und 20 leicht von den oben beschriebenen unterscheiden.
Im ersten Erfassungsschaltkreis 10 verändert sich die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 je nach dem Winkel zwischen der Richtung DM des Zielmagnetfelds MF und der ersten Richtung D1 (der X-Richtung). Der erste Erfassungsschaltkreis 10 erzeugt somit das erste Signal S1, das eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der ersten Richtung D1 (der X-Richtung) bildet.
Im zweiten Erfassungsschaltkreis 20 verändert sich die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 je nach dem Winkel zwischen der Richtung DM des Zielmagnetfelds MF und der zweiten Richtung D2 (der Y-Richtung). Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 erzeugt so das zweite Signal S2, das eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der zweiten Richtung D2 (der Y-Richtung) bildet.
Ein Beispiel des Aufbaus der Brückenschaltungen und der magnetischen Erfassungselemente wird nun mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben. 5 ist eine Draufsicht der in 3 gezeigten Brückenschaltung 14. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines in 5 gezeigten magnetischen Erfassungselements. Im in 5 gezeigten Beispiel besteht jedes der magnetischen Erfassungselemente R11, R12, R13 und R14 der Brückenschaltung 14 aus einer Kette von MR-Elementen, die acht in Reihe geschaltete MR-Elemente 50 enthält. Zur Vielzahl der MR-Elemente 50, aus denen die Kette der MR-Elemente besteht, gehören vier Paare von MR-Elementen 50. Die Kette der MR-Elemente enthält eine Vielzahl von unteren Elektroden 41 und eine Vielzahl von oberen Elektroden 42, durch die die acht MR-Elemente 50 in Reihe geschaltet sind. Jedes der MR-Elemente 50 weist eine obere Endfläche und eine untere Endfläche auf. Die Brückenschaltung 24 verfügt über den gleichen Aufbau wie die in 5 gezeigte Brückenschaltung 14.
Die Vielzahl von unteren Elektroden 41 ist auf einem Substrat (nicht dargestellt) angeordnet. Jede der unteren Elektroden 41 weist eine lange, schlanke Form auf. Zwischen zwei benachbarten unteren Elektroden 41 befindet sich jeweils ein Spalt. Wie in 6 gezeigt, sind zwei benachbarte MR-Elemente 50 auf der oberen Fläche jeder unteren Elektrode 41 in Längsrichtung an Positionen nahe den entgegengesetzten Enden angeordnet. Jede der oberen Elektroden 42 weist eine lange, schlanke Form auf und stellt eine elektrische Verbindung zwischen zwei MR-Elementen 50 her, die auf zwei benachbarten unteren Elektroden 41 angeordnet und zueinander benachbart sind.
Wie in 6 gezeigt, enthält jedes der MR-Elemente 50 eine antiferromagnetische Schicht 54, eine Schicht mit festliegender Magnetisierung 53, eine nichtmagnetische Schicht 52 und eine freie Schicht 51, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei sich die antiferromagnetische Schicht 54 am nächsten an der unteren Elektrode 41 befindet. Die antiferromagnetische Schicht 54 ist aus einem antiferromagnetischen Material ausgebildet. Die antiferromagnetische Schicht 54 befindet sich in Austauschwechselwirkung mit der Schicht mit festliegender Magnetisierung 53 und legt dadurch die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung 53 fest. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Schichten 51 bis 54 jedes MR-Elements 50 in zur in 6 gezeigten umgekehrter Reihenfolge gestapelt sein können.
Die freie Schicht 51 besitzt eine erste Oberfläche in Kontakt mit der nichtmagnetischen Schicht und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche. Im in 6 gezeigten Beispiel stellt die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 die obere Endfläche des MR-Elements 50 dar. In 2 repräsentiert das Symbol 11 die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 jedes MR-Elements 50 in dem ersten Erfassungsschaltkreis 10 und das Symbol 21 repräsentiert die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 jedes MR-Elements 50 in dem zweiten Erfassungsschaltkreis 20.
Die in 5 gezeigte Brückenschaltung 14 enthält vier Verbindungselektroden 431, 432, 433 und 434 zur elektrischen Verbindung von zwei magnetischen Erfassungselementen. Die Verbindungselektroden 431 bis 434 sind auf dem nicht gezeigten Substrat angeordnet.
Die Verbindungselektrode 431 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem MR-Element 50, das sich am einen Ende des magnetischen Erfassungselements R11 befindet, und dem MR-Element 50, das sich am einen Ende des magnetischen Erfassungselements R13 befindet, her und ist elektrisch mit dem Stromversorgungsanschluss V1 verbunden. Die Verbindungselektrode 432 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem MR-Element 50, das sich am anderen Ende des magnetischen Erfassungselements R11 befindet, und dem MR-Element 50, das sich am einen Ende des magnetischen Erfassungselements R12 befindet, her und ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Die Verbindungselektrode 433 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem MR-Element 50, das sich am anderen Ende des magnetischen Erfassungselements R13 befindet, und dem MR-Element 50, das sich am einen Ende des magnetischen Erfassungselements R14 befindet, her und ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Die Verbindungselektrode 434 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem MR-Element 50, das sich am anderen Ende des magnetischen Erfassungselements R12 befindet, und dem MR-Element 50, das sich am anderen Ende des magnetischen Erfassungselements R14 befindet, her und ist elektrisch mit dem Masseanschluss G1 verbunden.
Im magnetischen Erfassungselement R11 haben beispielsweise die Schichten mit festliegender Magnetisierung des ersten bis vierten MR-Elements 50 vom Stromversorgungsanschluss V1 die gleiche Magnetisierungsrichtung wie die der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 3 gezeigten MR-Elements R111, wohingegen die Schichten mit festliegender Magnetisierung des fünften bis achten MR-Elements 50 vom Stromversorgungsanschluss V1 die gleiche Magnetisierungsrichtung haben wie die der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 3 gezeigten MR-Elements R112. In diesem Fall wird das erste MR-Element 50 mit dem fünften MR-Element 50 gepaart; das zweite MR-Element 50 wird mit dem sechsten MR-Element 50 gepaart; das dritte MR-Element 50 wird mit dem siebten MR-Element 50 gepaart; und das vierte MR-Element 50 wird mit dem achten MR-Element 50 gepaart.
Im magnetischen Erfassungselement R12 haben beispielsweise die Schichten mit festliegender Magnetisierung des ersten bis vierten MR-Elements 50 vom Ausgangsanschluss E11 die gleiche Magnetisierungsrichtung wie die der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 3 gezeigten MR-Elements R121, wohingegen die Schichten mit festliegender Magnetisierung des fünften bis achten MR-Elements 50 vom Ausgangsanschluss E11 die gleiche Magnetisierungsrichtung haben wie die der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 3 gezeigten MR-Elements R122. In diesem Fall wird das erste MR-Element 50 mit dem fünften MR-Element 50 gepaart; das zweite MR-Element 50 wird mit dem sechsten MR-Element 50 gepaart; das dritte MR-Element 50 wird mit dem siebten MR-Element 50 gepaart; und das vierte MR-Element 50 wird mit dem achten MR-Element 50 gepaart.
Im magnetischen Erfassungselement R13 haben beispielsweise die Schichten mit festliegender Magnetisierung des ersten bis vierten MR-Elements 50 vom Stromversorgungsanschluss V1 die gleiche Magnetisierungsrichtung wie die der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 3 gezeigten MR-Elements R131, wohingegen die Schichten mit festliegender Magnetisierung des fünften bis achten MR-Elements 50 vom Stromversorgungsanschluss V1 die gleiche Magnetisierungsrichtung haben wie die der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 3 gezeigten MR-Elements R132. In diesem Fall wird das erste MR-Element 50 mit dem fünften MR-Element 50 gepaart; das zweite MR-Element 50 wird mit dem sechsten MR-Element 50 gepaart; das dritte MR-Element 50 wird mit dem siebten MR-Element 50 gepaart; und das vierte MR-Element 50 wird mit dem achten MR-Element 50 gepaart.
Im magnetischen Erfassungselement R14 haben beispielsweise die Schichten mit festliegender Magnetisierung des ersten bis vierten MR-Elements 50 vom Ausgangsanschluss E12 die gleiche Magnetisierungsrichtung wie die der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 3 gezeigten MR-Elements R141, wohingegen die Schichten mit festliegender Magnetisierung des fünften bis achten MR-Elements 50 vom Ausgangsanschluss E12 die gleiche Magnetisierungsrichtung haben wie die der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 3 gezeigten MR-Elements R142. In diesem Fall wird das erste MR-Element 50 mit dem fünften MR-Element 50 gepaart; das zweite MR-Element 50 wird mit dem sechsten MR-Element 50 gepaart; das dritte MR-Element 50 wird mit dem siebten MR-Element 50 gepaart; und das vierte MR-Element 50 wird mit dem achten MR-Element 50 gepaart.
Die Berechnung des Werts des erfassten Winkels θs wird jetzt mit Bezug auf 3 beschrieben. Im in 3 gezeigten Beispiel sollte das erste Signal S1 idealerweise eine Kosinus-Wellenform aufweisen, die vom Winkel θ abhängt, und das zweite Signal S2 eine Sinus-Wellenform, die vom Winkel θ abhängt. In diesem Fall weicht das zweite Signal S2 in der Phase vom ersten Signal S1 um 1/4 der Signalperiode T ab, d. h. um π/2 (90°).
Wenn der Winkel θ größer oder gleich 0° und kleiner als 90° ist, und wenn der Winkel θ größer als 270° und kleiner oder gleich 360°, ist, hat das erste Signal S1 einen positiven Wert. Wenn der Winkel θ größer als 90° und kleiner als 270° ist, hat das erste Signal S1 einen negativen Wert. Wenn der Winkel θ größer als 0° und kleiner als 180° ist, hat das zweite Signal S2 einen positiven Wert. Wenn der Winkel θ größer als 180° und kleiner als 360° ist, hat das zweite Signal S2 einen negativen Wert.
Auf der Grundlage des ersten und zweiten Signals S1 und S2 berechnet die Berechnungseinheit 30 den Wert des erfassten Winkels θs, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ aufweist. Genauer berechnet die Berechnungseinheit 30 θs nach folgender Gleichung (1). Zu beachten ist, dass „atan“ für Arkustangens steht. $θ s = atan (S 2 /S 1)$
Der Ausdruck „atan (S2/S1)“ von Gleichung (1) stellt die Arkustangens-Berechnung zum Bestimmen von θs dar. Für θs im Bereich von 0° bis weniger als 360° gibt es in Gleichung (1) zwei Lösungen von θs mit einer Differenz des Wertes von 180°. Welche der beiden Lösungen für θs aus Gleichung (1) der wahre Wert von θs ist, kann aus der Kombination positiver und negativer Vorzeichen bei S1 und S2 bestimmt werden. Genauer gesagt, wenn S1 einen positiven Wert hat, fällt θs in einen Bereich von größer oder gleich 0° bis kleiner als 90° und von größer als 270° bis kleiner oder gleich 360°. Wenn S1 einen negativen Wert hat, ist θs größer als 90° und kleiner als 270°. Wenn S2 einen positiven Wert hat, ist θs größer als 0° und kleiner als 180°. Wenn S2 einen negativen Wert hat, ist θs größer als 180° und kleiner als 360°. Unter Verwendung von Gleichung (1) und auf Grundlage der vorstehenden Bestimmung aus der Kombination positiver und negativer Vorzeichen bei S1 und S2 bestimmt die Berechnungseinheit 30 θs im Bereich von 0° bis weniger als 360°.°.
Wenn sich die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF mit der vorgegebenen Periode dreht, ändern sich wie zuvor beschrieben das erste und zweite Signal S1 und S2 periodisch mit der der vorgegebenen Periode gleichen Signalperiode T. Idealerweise sollte die Wellenform jedes der Signale S1 und S2 eine sinusförmige Kurve beschreiben (einschließlich Sinus-Wellenform und Cosinus-Wellenform). Tatsächlich besitzt sowohl das erste Signal S1 als auch das zweite Signal S2 eine Wellenform, die gegenüber einer sinusförmigen Kurve verzerrt ist, wenn sich beispielsweise die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung 53 des MR-Elements 50 unter dem Einfluss des Zielmagnetfelds MF oder ähnlicher Faktoren ändert, oder wenn die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 51 des MR-Elements 50 aufgrund von Effekten wie der Formanisotropie der freien Schicht 51 von der Richtung DM des Zielmagnetfelds MF abweicht.
Die Verzerrung der Wellenform jedes der Signale S1 und S2 gegenüber einer sinusförmigen Kurve bedeutet, dass die Signale S1 und S2 jeweils nicht nur einen idealen Anteil enthalten, der sich periodisch auf solche Weise ändert, dass die Kurve eine ideale Sinusform besitzt, sondern auch einen oder mehrere Fehleranteile, die zu einer oder mehreren Harmonischen des idealen Anteils äquivalent sind. Die ein oder mehreren Fehleranteile, die in jedem der Signale S1 und S2 enthalten sind, führen dazu, dass der Wert des erfassten Winkels θs einen Fehler enthält. Der Fehler des Werts des erfassten Winkels θs wird nachstehend als Winkelfehler bezeichnet. Wenn sich die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF mit der vorgegebenen Periode dreht, kann der Winkelfehler einen oder mehrere Winkelfehleranteile enthalten, die sich periodisch mit einer oder mehr von der vorgegebenen Periode unterschiedlichen Perioden ändern.
Bei den Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass Magnetsensoren im Allgemeinen Schwankungen des Winkelfehlers in Abhängigkeit von der Stärke des Zielmagnetfelds zeigen, d. h. die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke. Weiterhin hat sich bei den Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke hauptsächlich auf einen der zuvor erwähnten einen oder mehreren Winkelfehleranteile zurückzuführen ist, d. h. auf einen Winkelfehleranteil, der sich mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode ändert. Dieser Winkelfehleranteil wird nachstehend als der Winkelfehleranteil vierter Ordnung bezeichnet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich der Winkelfehleranteil vierter Ordnung bei variierter Stärke des Zielmagnetfelds MF bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 ändert, und die Art dieser Änderung stimmt mit der Art der Änderung des gesamten Winkelfehlers bei variierter Stärke des Zielmagnetfelds MF bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 überein. Nachstehend wird die Stärke des Zielmagnetfelds MF bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 als die angewandte Feldstärke bezeichnet. Die Erfinder haben weiterhin herausgefunden, dass durch Reduzierung des Winkelfehleranteils vierter Ordnung der gesamte Winkelfehler reduziert werden kann.
Der maximale Betrag des Winkelfehleranteils vierter Ordnung bei sich mit der vorgegebenen Periode drehender Richtung DM des Zielmagnetfelds MF wird durch das Symbol E4 bezeichnet. Indem der maximale Betrag E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke reduziert wird, kann der Winkelfehler in diesem großen Bereich der angewandten Feldstärke reduziert werden.
Der Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist so konfiguriert, dass der maximale Betrag E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung 0,1° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb eines Teilbereichs, der Teil eines Bereichs von 20 bis 150 mT ist und eine Obergrenze und eine Untergrenze aufweist, die sich voneinander um 30 mT oder mehr unterscheiden, annimmt. Dieser Teilbereich, dessen Obergrenze und Untergrenze sich um 30 mT oder mehr unterscheiden, ist im praktischen Einsatz des Magnetsensors 1 groß genug. Der so beschaffene Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist in der Lage, den Winkelfehler in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke zu reduzieren.
Es wird nun ausführlich beschrieben, wie die oben beschriebene Beschaffenheit des Magnetsensors 1 realisiert werden kann. Die Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ergeben, dass der Winkelfehleranteil vierter Ordnung von zwei in jedem der Signale S1 und S2 enthaltenen Fehleranteilen abhängt. Dies wird als Erstes beschrieben. Wenn sich die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF mit einer vorgegebenen Periode dreht, enthält das erste Signal S1 einen ersten idealen Anteil V11, einen ersten dritten harmonischen Anteil V13 und einen ersten fünften harmonischen Anteil V15, und das zweite Signal S2 enthält einen zweiten idealen Anteil V21, einen zweiten dritten harmonischen Anteil V23 und einen zweiten fünften harmonischen Anteil V25. Der erste ideale Anteil V11 ist ein Anteil, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale Sinuskurve beschreibt. Der erste dritte harmonische Anteil V13 ist ein Fehleranteil, der zu einer dritten Harmonischen des ersten idealen Anteils V11 äquivalent ist. Der erste fünfte harmonische Anteil V15 ist ein Fehleranteil, der zu einer fünften Harmonischen des ersten idealen Anteils V11 äquivalent ist. Der zweite ideale Anteil V21 ist ein Anteil, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale Sinuskurve beschreibt. Der zweite dritte harmonische Anteil V23 ist ein Fehleranteil, der zu einer dritten Harmonischen des zweiten idealen Anteils V21 äquivalent ist. Der zweite fünfte harmonische Anteil V25 ist ein Fehleranteil, der zu einer fünften Harmonischen des zweiten idealen Anteils V21 äquivalent ist.
Wir definieren jetzt wie folgt ein erstes Verhältnis V13r, ein zweites Verhältnis V15r, ein drittes Verhältnis V23r und ein viertes Verhältnis V25r. Das erste Verhältnis V13r ist das Verhältnis des ersten dritten harmonischen Anteils V13 zum ersten idealen Anteil V11, wenn der erste ideale Anteil V11 einen Maximalwert annimmt. Das zweite Verhältnis V15r ist das Verhältnis des ersten fünften harmonischen Anteils V15 zum ersten idealen Anteil V11, wenn der erste ideale Anteil V11 den Maximalwert annimmt. Das dritte Verhältnis V23r ist das Verhältnis des zweiten dritten harmonischen Anteils V23 zum zweiten idealen Anteil V21, wenn der zweite ideale Anteil V21 einen Maximalwert annimmt. Das vierte Verhältnis V25r ist das Verhältnis des zweiten fünften harmonischen Anteils V25 zum zweiten idealen Anteil V21, wenn der zweite ideale Anteil V21 den Maximalwert annimmt. Der Mittelwert des ersten Verhältnisses V13r und des dritten Verhältnisses V23r wird nachstehend das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils genannt und mit dem Symbol V3r bezeichnet. Der Mittelwert des zweiten Verhältnisses V15r und des vierten Verhältnisses V25r wird nachstehend das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils genannt und mit dem Symbol V5r bezeichnet.
Die Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ergeben, dass der maximale Betrag E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung proportional zum Betrag der Differenz zwischen dem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils V3r und dem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils V5r ist. E4 wird annähernd durch die Gleichung (2) unten ausgedrückt. In Gleichung (2) wird E4 in Grad angegeben und V3r und V5r werden in Prozent angegeben.
$E 4 = | V 3 r - V 5 r | \times 0,56$
Gemäß Gleichung (2) ist E4 prinzipiell null, wenn V3r und V5r gleich sind. Weiterhin ist E4 gemäß Gleichung (2) 0,1°, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,18 % beträgt; und E4 ist 0,05°, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,09 % beträgt.
Es werden jetzt die Beispiele eins bis vier des Zusammenhangs des Winkelfehleranteils vierter Ordnung mit einer Vielzahl von durch Simulation bestimmten Fehleranteilen unter Bezugnahme auf 7A bis 10C beschrieben.
7A, 8A, 9A und 10A zeigen jeweils jede der Wellenformen V11, V13r und V15r. 7B, 8B, 9B und 10B zeigen jeweils jede der Wellenformen V21, V23r und V25r. 7C, 8C, 9C und 10C zeigen jeweils die Wellenform des Winkelfehleranteils vierter Ordnung. In jeder der 7A bis 10C ist auf der horizontalen Achse der Winkel θ aufgetragen. In 7A, 8A, 9A und 10A ist auf der vertikalen Achse jeweils der Wert von V11, V13r und V15r aufgetragen. V11 wird dadurch ausgedrückt, dass es seinen Maximalwert bei 100% annimmt. In 7B, 8B, 9B und 10B ist auf der vertikalen Achse jeweils der Wert von V21, V23r und V25r aufgetragen. V21 wird dadurch ausgedrückt, dass es seinen Maximalwerts bei 100% annimmt. In 7C, 8C, 9C und 10C ist auf der vertikalen Achse jeweils der Wert des Winkelfehleranteils vierter Ordnung aufgetragen.
7A, 7B und 7C stellen das erste Beispiel dar. Im ersten Beispiel haben V13r, V15r, V23r und V25r jeweils den Wert 0,1 %. In diesem Fall sind sowohl V3r als auch V5r 0,1 %. Da in diesem Fall V3r und V5r gleich sind, ist der Winkelfehleranteil vierter Ordnung unabhängig vom Winkel θ gleich null, sodass E4 null ist.
8A, 8B und 8C stellen das zweite Beispiel dar. Im zweiten Beispiel sind sowohl V13r als auch V23r gleich null und sowohl V15r als auch V25r betragen 0,1 %. In diesem Fall ist V3r gleich null und V5r beträgt 0,1 %. Weiterhin ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,1 %, sodass E4 gleich 0,056° ist.
9A, 9B und 9C stellen das dritte Beispiel dar. Im dritten Beispiel sind sowohl V13r als auch V23r gleich 0,1 % und sowohl V15r als auch V25r sind null. In diesem Fall ist V3r gleich 0,1 % und V5r ist null. Weiterhin ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,1 %, sodass E4 gleich 0,056° ist.
10A, 10B und 10C stellen das vierte Beispiel dar. Im vierten Beispiel sind sowohl V13r als auch V23r gleich -0,1 % und sowohl V15r als auch V25r gleich 0,1 %. In diesem Fall ist V3r gleich -0,1 % und V5r ist 0,1 %. Weiterhin ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,2 %, sodass E4 0,11° ist.
Die Ergebnisse einer Simulation, die zur Bestimmung des in Gleichung (2) ausgedrückten Zusammenhangs zwischen E4 und dem Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r durchgeführt wurde, werden nun mit Bezug auf 11 beschrieben. In der Simulation wurde der Zusammenhang zwischen E4 und dem Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r mit verschiedenen Wertekombinationen von V3r und V5r ermittelt. In 11 werden die Ergebnisse gezeigt. In 11 ist auf der horizontalen Achse der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r aufgetragen und auf der vertikalen Achse E4. Die ausgefüllten Quadrate in 11 stehen jeweils für eine Kombination eines Werts von E4 und des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r gemäß der Simulation. Die gerade Linie in 11 ist eine angenähert gerade Linie, die den Zusammenhang zwischen E4 und dem Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r darstellt. Die Gleichung (2) beschreibt diese angenähert gerade Linie.
12 bzw. 13 zeigen ein erstes Beispiel und ein zweites Beispiel der Änderung von V3r, V5r und E4 in Abhängigkeit von der angewandten Feldstärke. Die Änderung von V3r, V5r und E4 in Abhängigkeit von der angewandten Feldstärke wird nachstehend als die Abhängigkeit von V3r, V5r bzw. E4 von der Magnetfeldstärke bezeichnet. In 12 und 13 sind auf der horizontalen Achse die angewandte Feldstärke und auf der vertikalen Achse die Werte von V3r, V5r und E4 aufgetragen. Im Allgemeinen ist die Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke bei V3r und V5r verschieden. Durch Änderung der angewandten Feldstärke ändert sich daher der Betrag der Differenz von V3r und V5r, sodass sich E4 ändert. Falls V3r und V5r gleich werden, wenn die angewandte Feldstärke einen bestimmten Stärkewert annimmt, dann ist E4 für diesen Stärkewert gleich null, wie in dem Beispiel in 12 und 13 gezeigt wird,.
Zu beachten ist, dass, wenn die angewandte Feldstärke variiert wird, nicht immer ein Stärkewert existiert, für den V3r und V5r gleich werden. Wenn kein Stärkewert existiert, für den V3r und V5r gleich werden, ist E4 am niedrigsten, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r am niedrigsten ist.
Wie zuvor beschrieben, ist E4 proportional zum Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r. Dementsprechend ist klar, dass E4 überall in einem gewünschten Teilbereich reduziert werden kann, indem die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke so geregelt werden, dass sich diese Abhängigkeiten innerhalb des Teilbereichs annähern. Dies lässt sich leicht durch einen Vergleich der 12 und 13 sehen. Im ersten Beispiel, das in 12 gezeigt wird, unterscheiden sich die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke größtenteils voneinander, und der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r ist nur in einem kleinen Bereich der angewandten Feldstärke niedrig. Daher ist E4 nur in diesem kleinen Bereich der angewandten Feldstärke niedrig. Im Gegensatz dazu sind im zweiten Beispiel, das in 13 gezeigt wird, die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke einander ähnlich, und der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r ist in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke niedrig. Daher ist E4 in diesem großen Bereich niedrig.
In dieser Ausführungsform werden ein erstes Mittel und ein zweites Mittel, die nachstehend beschrieben werden, verwendet, um die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke so zu regeln, dass sich diese Abhängigkeiten innerhalb des gewünschten Teilbereichs einander annähern. Das erste Mittel ist die Anpassung der Form des MR-Elements 50, insbesondere der Form der freien Schicht 51. Das zweite Mittel ist die Anpassung des Versatzwinkels ϕ, der mit Bezug auf 4 beschrieben wurde.
Es wird nun das erste Mittel beschrieben. Als Erstes wird die Anpassung der Form der freien Schicht 51 in dieser Ausführungsform mit Bezug auf 14 bis 16 beschrieben. In dieser Ausführungsform wird die Form der freien Schicht 51 durch die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 definiert. Das MR-Element 50 wird beispielsweise hergestellt, indem zunächst ein Stapel aus einer Vielzahl von Folien gebildet wird, welche die das MR-Element 50 konstituierenden Schichten werden, und dann der Stapel mittels einer Ätzmaske einer gewünschten Form geätzt wird. Die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 wird durch die Form der Ätzmaske definiert. Die erste Oberfläche der freien Schicht 51 sowie eine obere und untere Oberfläche jeder der Schichten, aus denen das MR-Element 50 besteht, ausgenommen die freie Schicht 51, haben die gleiche oder eine ähnliche Form wie die zweite Oberfläche der freien Schicht 51.
14 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51. In 14 bezeichnet das Bezugszeichen 51a den äußeren Rand der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51. Zur Erleichterung des Verständnisses wurde die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche in 14 übertrieben dargestellt. Das Bezugszeichen 51C bezeichnet einen Bezugskreis, der zur Definition der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 verwendet wird. Der Bezugskreis 51C ist ein exakter Kreis.
Hier wird angenommen, dass der Schwerpunkt der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 der Mittelpunkt der zweiten Oberfläche ist. Das Symbol θa bezeichnet den Winkel, den eine gerade Linie, die einen beliebigen Punkt auf dem äußeren Rand 51a der zweiten Oberfläche mit dem Mittelpunkt der zweiten Oberfläche verbindet, bezüglich der X-Richtung bildet (siehe 2). Der Winkel θa gibt die Drehung gegen den Uhrzeigersinn relativ zur X-Richtung an. Der Winkel θa ist größer oder gleich 0° und kleiner als 360°. Der Abstand vom Mittelpunkt der zweiten Oberfläche zu einem gegebenen Punkt auf dem äußeren Rand 51a der zweiten Oberfläche wird durch R(θa) bezeichnet.
In dieser Ausführungsform wird die Form der zweiten Oberfläche im Rahmen der Herstellung des MR-Elements 50 wie folgt angepasst. Konkret erhält die zweite Oberfläche in dieser Ausführungsform eine rotationssymmetrische Form, die von der rotationssymmetrischen Ordnung vier ist, nicht von der rotationssymmetrischen Ordnung fünf oder höher. Weiterhin werden ein Verzerrungsverhältnis und eine Verzerrungsrichtung, die weiter unten beschrieben werden, angepasst. Die rotationssymmetrische Form, die von der rotationssymmetrischen Ordnung vier ist und nicht von der rotationssymmetrischen Ordnung fünf oder höher, umfasst keine Form mit einer Rotationssymmetrie der Ordnung 4×n, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist. Die rotationssymmetrische Form, die von der rotationssymmetrischen Ordnung vier, nicht von der rotationssymmetrischen Ordnung fünf oder höher ist, wird nachstehend als symmetrische Form der Ordnung vier bezeichnet.
Wenn die zweite Oberfläche die symmetrische Form der Ordnung vier hat und der Winkel θa innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° variiert wird, nimmt R(θa) für vier Werte des Winkels θa, die voneinander um 90° versetzt sind, einen Maximalwert an und für vier andere Werte des Winkels θa, die voneinander um 90° versetzt sind, einen Minimalwert.
Der Bezugskreis 51C wird hier mit dem Mittelwert des Maximalwerts von R(θa) und des Minimalwerts von R(θa) als Radius Rc des Bezugskreises 51C definiert. Der Mittelpunkt des Bezugskreises 51C deckt sich mit dem Mittelpunkt der zweiten Oberfläche. Der Maximalwert von R(θa) minus den Radius Rc des Bezugskreises 51C ist die Verzerrungsstrecke d. Das Verzerrungsverhältnis dr ist als das Verhältnis der Verzerrungsstrecke d zu Rc (ausgedrückt als Prozentwert) definiert. Das Verhältnis von R(θa) zu Rc, ausgedrückt als Prozentwert, wird als r(θa) bezeichnet. Die Verzerrungsrichtung α ist als ein Winkel θa definiert, für den R(θa) einen Maximalwert im Bereich des Winkels θa von 0° bis weniger als 90° annimmt. In dieser Ausführungsform wird r(θa)beispielsweise durch die nachfolgende Gleichung (3) ausgedrückt.
$r (θ a) = 100 + dr \cdot cos (4 (θ a - α))$
15 zeigt ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkel θa und r(θa). In diesem Beispiel ist das Verzerrungsverhältnis dr 1 % und die Verzerrungsrichtung α ist 0°.
16 zeigt einen Teil des Bezugskreises 51C und einen Teil des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche im Bereich des Winkels θa zwischen 0° und einschließlich 90°, wenn der Winkel θa und r(θa)den in 15 gezeigten Zusammenhang aufweisen. In 16 ist auf der horizontalen Achse die Position in X-Richtung und auf der vertikalen Achse die Position in Y-Richtung aufgetragen. Die Positionen in X- und Y-Richtung sind in relativen Werten ausgedrückt, wobei der Radius Rc des Bezugskreises 51C auf 100 gesetzt und der Mittelpunkt des Bezugskreises 51C als Ursprung festgelegt wird.
In dieser Ausführungsform ist der Anpassungsbereich für das Verzerrungsverhältnis dr bevorzugt 0 % bis 10 %. Wenn die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche quadratisch ist, überschreitet das Verzerrungsverhältnis dr 10 %. In dieser Ausführungsform kann die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche kein Quadrat sein. Wenn das Verzerrungsverhältnis dr in der Größenordnung von 1 % ist, wird die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche nicht wie in 14 gezeigt deutlich gegenüber einem exakten Kreis verzerrt, sondern stellt einen fast exakten Kreis dar, wie in 16 gezeigt.
Es wird nun mit Bezug auf die Ergebnisse eines ersten Experiments der Sachverhalt beschrieben, dass sich durch Modifikation der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke ändern können. In dem ersten Experiment wurden die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke bestimmt, indem der Versatzwinkel ϕ auf 0° eingestellt und die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 auf dreierlei Weise in eine erste bis dritte Form geändert wurde. 17 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke sich mit der Änderung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 ändern. 18 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke sich mit der Änderung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 ändert.
Die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 ist durch das Verzerrungsverhältnis dr und die Verzerrungsrichtung α definiert. Die erste Form der zweiten Oberfläche ist solcher Art, dass dr null ist. Die zweite Form der zweiten Oberfläche ist solcher Art, dass dr gleich dx% ist, wobei dx größer als 0 und α gleich 0° ist. Die dritte Form der zweiten Oberfläche ist solcher Art, dass dr gleich dx% und α gleich 45° ist. In 17 werden V3r und V5r im Fall der ersten Form als V3r (dr = 0) bzw. V5r (dr = 0) ausgedrückt; V3r und V5r im Fall der zweiten Form werden als V3r (dr = dx%, α = 0°) bzw. V5r (dr = dx%, α = 0°) ausgedrückt; und V3r und V5r im Fall der dritten Form werden als V3r (dr = dx%, α = 45°) bzw. V5r (dr = dx%, α = 45°) ausgedrückt. In 18 wird E4 im Fall der ersten Form als E4 (dr = 0) ausgedrückt; E4 im Fall der zweiten Form wird als E4 (dr = dx%, α = 0°) ausgedrückt; und E4 im Fall der dritten Form wird als E4 (dr = dx%, α = 45°) ausgedrückt.
17 und 18 zeigen ein Beispiel zur Beschreibung von Trends, wie sich die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke ändern, wenn mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird. Das in 17 und 18 gezeigte Beispiel entspricht dem Fall dx gleich 0,5. Obwohl nicht in 17 und 18 gezeigt, werden die unten beschriebenen Änderungstrends in den Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke, wenn dx bei feststehenden α variiert wird, mit steigendem dx deutlicher; mit fallendem dx nähern sich die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke dagegen denjenigen des Falls dr gleich null an.
Gemäß 17 sind die folgenden Änderungstrends in den Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke feststellbar. Ein Einstellen des Verzerrungsverhältnisses dr auf einen Wert über null führt dazu, dass die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke von denjenigen im Fall eines Verzerrungsverhältnisses dr von null abweichen. Die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke ändern sich außerdem in Abhängigkeit von der Verzerrungsrichtung α. Wenn mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird, ändern sich die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke auf jeweils unterschiedliche Weise. Im in 17 gezeigten Beispiel wird durch Einstellen von dr auf dx% und von α auf 0° im Vergleich zum Fall dr gleich null die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke so geändert, dass V3r erhöht wird, und die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke so geändert, dass V5r reduziert wird. Andererseits wird durch Einstellen von dr auf dx% und von α auf 45° im Vergleich zum Fall dr gleich null die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke so geändert, dass V3r reduziert wird, und die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke so geändert, dass V5r erhöht wird.
Der Betrag der Änderung von V3r bei Änderung von mindestens einem von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α und der Betrag der Änderung von V5r bei Änderung von mindestens einem von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α hängen jeweils von der angewandten Feldstärke ab.
Wie oben beschrieben, ändern sich die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke auf jeweils unterschiedliche Weise, wenn mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird. Wenn daher mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird, kann die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke geändert werden, wie in 18 gezeigt.
Es wird nun das zweite Mittel unter Bezugnahme auf die Ergebnisse eines zweiten Experiments beschrieben. In dem zweiten Experiment wurden die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke bestimmt, indem die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 so geformt wurde, dass dr gleich null ist, und der Versatzwinkel ϕ auf drei Weisen eingestellt wurde, d. h. auf 0°, 8° und 17°. 19 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke sich mit der Änderung des Versatzwinkels ϕ ändern. 20 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke sich mit der Änderung des Versatzwinkels ϕ ändert.
In 19 werden V3r und V5r bei einem Versatzwinkel ϕ von 0° als V3r (ϕ = 0°) bzw. V5r (ϕ = 0°) ausgedrückt; bei einem Versatzwinkel ϕ von 8° werden V3r und V5r als V3r (ϕ = 8°) bzw. V5r (ϕ = 8°) ausgedrückt; und bei einem Versatzwinkel ϕ von 17° werden V3r und V5r als V3r (ϕ = 17°) bzw. V5r (ϕ = 17°) ausgedrückt. Zu beachten ist, dass in 19 die drei Linien für V5r (ϕ = 0°), V5r (ϕ = 8°) und V5r (ϕ = 17°) aufeinanderfallen. In 20 wird E4 bei einem Versatzwinkel ϕ von 0° als E4 (ϕ = 0°) ausgedrückt; bei einem Versatzwinkel ϕ von 8° wird E4 als E4 (ϕ = 8°) ausgedrückt; und bei einem Versatzwinkel ϕ von 17° wird E4 als E4 (ϕ = 17°) ausgedrückt.
Wie in 19 zu sehen, führt eine Änderung des Versatzwinkels ϕ zu einer geringfügigen oder keiner Änderung der Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke, ändert aber die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke. Wie in 20 gezeigt, führt daher eine Änderung des Versatzwinkels ϕ zu einer Änderung der Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke.
Wie in 18 und 20 zu sehen, kann die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke durch alleinige Verwendung entweder des ersten Mittels oder des zweiten Mittels geändert werden. Durch alleinige Verwendung entweder des ersten Mittels oder des zweiten Mittels ist es jedoch schwierig, E4 in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke ausreichend zu reduzieren. Bei alleiniger Verwendung entweder des ersten Mittels oder des zweiten Mittels kann es daher manchmal schwierig sein, die Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform zu realisieren, d. h. die Beschaffenheit, dass E4 gleich 0,1° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb eines Teilbereichs, der Teil des Bereichs von 20 bis 150 mT ist und eine Obergrenze und eine Untergrenze aufweist, die sich voneinander um 30 mT oder mehr unterscheiden, annimmt.
Im Gegensatz zum Fall der alleinigen Verwendung entweder des ersten Mittels oder des zweiten Mittels ermöglicht es die Verwendung des ersten Mittels und des zweiten Mittels in Kombination, E4 in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke ausreichend zu reduzieren, sodass die oben beschriebene Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform leicht realisiert werden kann.
Nun wird mit Bezug auf die Ergebnisse eines dritten Experiments und eines vierten Experiments eine Beschreibung des Sachverhalts gegeben, dass es die kombinierte Verwendung des ersten Mittels und des zweiten Mittels ermöglicht, E4 in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke ausreichend zu reduzieren.
Im dritten Experiment wurden die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke für das folgende erste bis dritte Magnetsensor-Muster untersucht. Beim ersten Muster ist die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 solcher Art, dass dr gleich null ist, und der Versatzwinkel ϕ ist gleich 0°. Beim zweiten Muster ist die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 solcher Art, dass dr gleich 0,5 % und α gleich 0° ist, und der Versatzwinkel ϕ ist gleich 0°. Beim dritten Muster ist die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 solcher Art, dass dr gleich 0,5 % und α gleich 0° ist, und der Versatzwinkel ϕ ist gleich 25°. Das dritte Muster ist zur kombinierten Verwendung des ersten und zweiten Mittels äquivalent.
21 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke für das erste bis dritte Muster zeigt. 22 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke für das erste bis dritte Muster zeigt. In 21 werden V3r und V5r im Fall des ersten Musters als V3r (dr = 0, ϕ = 0°) bzw. V5r (dr = 0, ϕ = 0°) ausgedrückt; V3r und V5r im Fall des zweiten Musters werden als V3r (dr = 0,5%, ϕ = 0°) bzw. V5r (dr = 0,5%, ϕ = 0°) ausgedrückt; V3r und V5r im Fall des dritten Musters werden als V3r (dr = 0,5%, ϕ = 25°) bzw. V5r (dr = 0,5%, ϕ = 25°) ausgedrückt. Zu beachten ist, dass in 21 die zwei Linien für V5r (dr = 0,5%, ϕ = 0°) und V5r (dr = 0,5%, ϕ = 25°) aufeinanderfallen. In 22 wird E4 im Fall des ersten Musters als E4 (dr = 0, ϕ = 0°) ausgedrückt; E4 im Fall des zweiten Musters wird als E4 (dr = 0,5%, ϕ = 0°) ausgedrückt; und E4 im Fall des dritten Musters wird als E4 (dr = 0,5%, ϕ = 25°) ausgedrückt.
Wie in 22 gezeigt, weist das dritte Muster im Vergleich mit dem ersten und zweiten Muster ein ausreichend niedriges E4 in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke auf. Genauer ist E4 beim dritten Muster 0,1° oder weniger im Bereich der angewandten Feldstärke von 10 bis 110 mT und 0,05° oder weniger im Bereich der angewandten Feldstärke von 10 bis 100 mT. Das dritte Muster erfüllt die Anforderungen an die Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform.
Es wird nun ein Beispiel von Methoden der Gestaltung des Magnetsensors 1, um E4 in einem gewünschten Teilbereich auf 0,1° oder weniger zu bringen, beschrieben. In diesem Beispiel wird die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 zunächst so bestimmt, dass bei einer Einstellung des Versatzwinkels ϕ auf 0° eine Steigung einer Tangente einer Kennlinie, die die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke darstellt, sich bei beliebiger angewandter Feldstärke im gewünschten Teilbereich einer Steigung einer Tangente einer Kennlinie annähert, die die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke darstellt. Die Steigung der Tangente der Kennlinie, die die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke darstellt, drückt die Änderungsrate von V3r bei einer Steigerung der angewandten Feldstärke aus. Die Steigung der Tangente der Kennlinie, die die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke darstellt, drückt die Änderungsrate von V5r bei einer Steigerung der angewandten Feldstärke aus. Der Versatzwinkel ϕ wird dann so bestimmt, dass der Wert von V3r sich bei einer beliebigen angewandten Feldstärke im gewünschten Teilbereich dem Wert von V5r annähert. Es ist dadurch möglich, den Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r klein genug zu machen, um ein E4 von 0,1° oder weniger im gesamten gewünschten Teilbereich zu erhalten.
Im vierten Experiment wurden die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke für das folgende vierte Magnetsensor-Muster untersucht. Beim vierten Muster ist die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 solcher Art, dass dr gleich 1,5 % und α gleich 0° ist, und der Versatzwinkel ϕ ist gleich 40°. Das vierte Muster ist zur kombinierten Verwendung des ersten und zweiten Mittels äquivalent.
23 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke für das vierte Muster zeigt. 24 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke für das vierte Muster zeigt. In 23 werden V3r und V5r im Fall des vierten Musters als V3r (dr = 1,5%, ϕ = 40°) bzw. V5r (dr = 1,5%, ϕ = 40°) ausgedrückt. In 24 wird E4 im Fall des vierten Musters als E4 (dr = 1,5%, ϕ = 40°) ausgedrückt.
Wie in 24 gezeigt, ist E4 beim vierten Muster 0,1° oder weniger im Bereich der angewandten Feldstärke von 70 bis 150 mT und 0,05° oder weniger im Bereich der angewandten Feldstärke von 80 bis 150 mT. Das vierte Muster erfüllt die Anforderungen an die Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform.
In den 22 und 24 ist außerdem zu sehen, dass der Teilbereich, der die Anforderungen, dass die Differenz zwischen Obergrenze und Untergrenze 30 mT oder mehr und E4 0,1° oder weniger ist, erfüllt, innerhalb des Bereichs von 20 bis 150 mT verschoben werden kann, indem der Wert des Versatzwinkels ϕ und die Werte von dr und α, die die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 definieren, geändert werden.
Wie oben beschrieben, erfüllt der Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform die Anforderung, dass E4 gleich 0,1° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb eines Teilbereichs, der Teil des Bereichs von 20 bis 150 mT ist und eine Obergrenze und eine Untergrenze aufweist, die sich voneinander um 30 mT oder mehr unterscheiden, annimmt. Der Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist somit in der Lage, den Winkelfehler in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke zu reduzieren.
Zu beachten ist, dass das dritte und vierte Muster nur Beispiele des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform sind. Die Werte von dr, α und ϕ zur Erfüllung der Anforderungen an die Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform können sich je nach der Struktur des MR-Elements 50 und anderen Faktoren unterscheiden. Die Werte von dr, α und ϕ können daher entsprechend der Struktur des MR-Elements 50 und den Werten der Obergrenze und der Untergrenze der angewandten Feldstärke, die den Teilbereich definieren, frei gewählt werden.
Je größer der Teilbereich, desto besser. Die Differenz zwischen der Obergrenze und der Untergrenze des Teilbereichs, die die Breite des Teilbereichs definieren, beträgt bevorzugt 40 mT oder mehr und weiter bevorzugt 50 mT oder mehr. Eine Minimalanforderung an den Teilbereich ist, dass die Differenz zwischen der Obergrenze und der Untergrenze des Teilbereichs 30 mT oder mehr beträgt. Eine bevorzugte Anforderung an den Teilbereich ist, dass die Differenz zwischen der Obergrenze und der Untergrenze des Teilbereichs 40 mT oder mehr beträgt. Eine weiter bevorzugte Anforderung an den Teilbereich ist, dass die Differenz zwischen der Obergrenze und der Untergrenze des Teilbereichs 50 mT oder mehr beträgt.
Je niedriger E4, desto besser. E4 ist bevorzugt 0,05° oder weniger. Eine Minimalanforderung an E4 ist, dass E4 0,1° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb des Teilbereichs annimmt. Eine bevorzugte Anforderung an E4 ist, dass E4 0,05° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb des Teilbereichs annimmt.
Gemäß Gleichung (2) oben ist E4 0,1° oder weniger, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,18% oder weniger ist. Um daher die Minimalanforderung an E4 zu erfüllen, ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r bevorzugt 0,18 % oder weniger, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb des Teilbereichs annimmt. Gemäß Gleichung (2) oben ist E4 weiterhin 0,05° oder weniger, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,09 % oder weniger ist. Um daher die bevorzugte Anforderung an E4 zu erfüllen, ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r bevorzugt 0,09 % oder weniger, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb des Teilbereichs annimmt.
Das dritte Muster und das vierte Muster erfüllen alle Bedingungen, die sich aus einer Kombination von einer der Anforderungen für den Teilbereich (Minimalanforderung, bevorzugte Anforderung und weiter bevorzugte Anforderung) und einer der Anforderungen für E4 (Minimalanforderung und bevorzugte Anforderung) in beliebiger Weise ergeben.
Wie in 21 und 23 gezeigt, schneiden sich beim dritten und vierten Muster die Kennlinie, die die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke darstellt, und die Kennlinie, die die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke darstellt, bei zwei unterschiedlichen Werten der angewandten Feldstärke, d. h. einem ersten Stärkewert und einem zweiten Stärkewert. Mit anderen Worten ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r beim dritten und vierten Muster für den ersten Stärkewert und zweiten Stärkewert der angewandten Feldstärke gleich null. Wie in 22 und 24 gezeigt, ist dementsprechend E4 beim dritten und vierten Muster für den ersten Stärkewert und zweiten Stärkewert der angewandten Feldstärke gleich null. Indem die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke so geregelt werden, dass eine solche Beschaffenheit resultiert, können sich die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke einander in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke annähern, sodass dadurch E4 einen Wert von 0,1° oder weniger, oder einen Wert von 0,05° oder weniger, annehmen kann. Wenigstens einer von erstem Stärkewert und zweitem Stärkewert kann im Bereich von 20 bis 150 mT oder im Teilbereich liegen.
Wie in 21 und 23 gezeigt, verläuft beim dritten und vierten Muster innerhalb eines Bereichs der angewandten Feldstärke, der mindestens die Minimalanforderung an den Teilbereich erfüllt, entweder die Kennlinie, die die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke darstellt, oder die Kennlinie, die die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke darstellt, konvex nach oben, während die jeweils andere konvex nach unten verläuft. Wenn mit anderen Worten die angewandte Feldstärke im Teilbereich ansteigt, steigt beim dritten und vierten Muster entweder die Änderungsrate von V3r bezüglich eines Anstiegs der angewandten Feldstärke oder die Änderungsrate von V5r bezüglich eines Anstiegs der angewandten Feldstärke an, während die jeweils andere abfällt. Indem die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke so geregelt werden, dass ein solcher Zusammenhang resultiert, kann leicht erreicht werden, dass sich die Kennlinie, die die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke darstellt, und die Kennlinie, die die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke darstellt, für den ersten Stärkewert und zweiten Stärkewert der angewandten Feldstärke schneiden, wie oben beschrieben.
Magnetsensoren werden manchmal in Umgebungen eingesetzt, wo die Umgebungstemperatur stark schwankt wie z. B. in Kraftfahrzeugen. In solchen Fällen weisen herkömmliche Magnetsensoren manchmal das Problem auf, dass sich der Winkelfehler in Reaktion auf Temperaturänderungen des Magnetsensors in einem weiten Bereich ändert, da er mit steigender Temperatur des Magnetsensors zunimmt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Methode zur Begrenzung des Änderungsbereichs des Winkelfehlers in Reaktion auf Temperaturänderungen des Magnetsensors 1 durch Regelung des Zusammenhangs von V3r und V5r gefunden. Die Methode wird nachstehend mit Bezug auf die Ergebnisse eines fünften Experiments beschrieben.
Im Rahmen des fünften Experiments wurde untersucht, wie sich bei schwankender Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 des Magnetsensors 1 V3r, V5r und E4 ändern; mit anderen Worten wurden die Temperaturabhängigkeiten von V3r, V5r und E4 in einem Magnetsensor 1 eines Beispiels und einem Magnetsensor 1 eines Vergleichsbeispiels untersucht. In dem fünften Experiment wurde die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 im Bereich von 20°C bis 120°C variiert, da angenommen wurde, dass deren Temperatur während der Verwendung des Magnetsensors 1 in diesem Bereich schwanken würde. Die angewandte Feldstärke wurde auf 40 mT eingestellt.
25 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeiten von V3r, V5r und E4 im Magnetsensor 1 des Vergleichsbeispiels zeigt. 26 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeiten von V3r, V5r und E4 im Magnetsensor 1 des Beispiels zeigt. In 25 und 26 sind auf der horizontalen Achse die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 des Magnetsensors 1 und auf der vertikalen Achse die Werte von V3r, V5r und E4 aufgetragen.
Im Magnetsensor 1 des Vergleichsbeispiels ist die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 solcher Art, dass das Verzerrungsverhältnis dr null ist. Wie in 25 gezeigt, schwankt V5r im Allgemeinen nicht in Abhängigkeit von der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3, während V3r mit steigender Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 ansteigt. Im Vergleichsbeispiel ist V3r größer als V5r, wenn die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 bei 20°C liegt. In diesem Fall wachsen E4 sowie der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r im Verlauf des Anstiegs der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 von 20°C auf 120°C kontinuierlich an. Dies führt zu einem großen Änderungsbereich des Winkelfehlers in Reaktion auf Temperaturänderungen des Magnetsensors 1.
Im Magnetsensor 1 des Beispiels erhält die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 eine symmetrische Form der Ordnung vier, um zu erreichen, dass V3r niedriger ist als V5r, wenn die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 bei 20°C liegt. Wenn weiterhin die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 in den Bereich von 20°C bis 120°C fällt, ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,18 % oder weniger, und genauer 0,09 % oder weniger. Wie in 26 gezeigt, wird das Größenverhältnis zwischen V3r und V5r in dem Beispiel durch eine Erhöhung von V3r im Verlauf des Anstiegs der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 von 20°C auf 120°C umgekehrt. Im Verlauf des Anstiegs der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 von 20°C auf 120°C werden daher E4 und der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r in dem Beispiel zunächst reduziert und erreichen null, woraufhin sie wieder ansteigen. Dementsprechend ist bei dem Beispiel E4 im Temperaturbereich der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 von 20°C bis 120°C insgesamt niedriger und der Änderungsbereich von E4 ist kleiner als beim Vergleichsbeispiel.
Wie anhand der in 25 und 26 gezeigten Ergebnisse verständlich wird, ist es möglich, den Änderungsbereich des Winkelfehlers in Reaktion auf Temperaturänderungen des Magnetsensors 1 einzuschränken, indem beispielsweise die Form der freien Schicht 51 so angepasst wird, dass V3r niedriger als V5r wird, wenn die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 bei 20°C liegt, wobei es sich um die niedrigste Temperatur des angenommenen Änderungsbereichs der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 handelt, und weiterhin so, dass der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r die Anforderung der Ausführungsform im gesamten angenommenen Änderungsbereich der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 erfüllt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangegangene Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Modifikationen können daran vorgenommen werden. Wenn beispielsweise die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 eine symmetrische Form der Ordnung vier erhält, muss der äußere Rand 51a der zweiten Oberfläche nicht notwendigerweise eine solche Form haben, dass r(θa) durch Gleichung (3) ausgedrückt wird. Beispielsweise kann der äußere Rand 51a der zweiten Oberfläche eine solche Form haben, dass sich r(θa) in Form einer Dreieckswelle ändert.
Angesichts der vorstehenden Erläuterungen ist klar, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Dementsprechend versteht es sich, dass die Erfindung innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente in anderen Formen als der zuvor beschriebenen am meisten bevorzugten Ausführungsform ausgeführt werden kann.

Claims

Magnetsensor (1), umfassend eine Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) und eine Berechnungseinheit (30), wobei der Magnetsensor (1) zum Erzeugen eines Werts eines erfassten Winkels (θs) eingerichtet ist, welcher eine Entsprechungsbeziehung zu einem Winkel (θ) aufweist, den die Richtung (DM) eines zu erfassenden Magnetfelds (MF) an einer Bezugsposition (PR) bezüglich einer Bezugsrichtung (DR) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass: die Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) eine Vielzahl von magnetoresistiven Elementen (50) zum Erfassen des Magnetfelds (MF) umfasst und ein erstes Signal (S1) und ein zweites Signal (S2) ausgibt, wobei das erste Signal (S 1) eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) bezüglich einer ersten Richtung (D1) bildet, und das zweite Signal (S2) eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) bezüglich einer zweiten Richtung (D2) bildet; jedes der Vielzahl von magnetoresistiven Elementen (50) umfasst: eine Schicht mit festliegender Magnetisierung (53), deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist; eine freie Schicht (51), deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) ändert; und eine nichtmagnetische Schicht (52), die zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung (53) und der freien Schicht (51) angeordnet ist; die Berechnungseinheit (30) den Wert des erfassten Winkels (θs) auf Grundlage des ersten Signals (S1) und des zweiten Signals (S2) berechnet; der Wert des erfassten Winkels (θs), wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit einer vorgegebenen Periode dreht, einen Winkelfehleranteil enthält, der sich mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode ändert; und der Winkelfehleranteil einen maximalen Betrag von 0,1° oder weniger hat, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb eines Teilbereichs annimmt, der Teil eines Bereichs von 20 bis 150 mT ist und eine Obergrenze und eine Untergrenze aufweist, die sich voneinander um 30 mT oder mehr unterscheiden.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei der maximale Betrag des Winkelfehleranteils für einen ersten Stärkewert und einen zweiten Stärkewert der Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) null ist und wobei sich der erste Stärkewert und der zweite Stärkewert voneinander unterscheiden.
Magnetsensor nach Anspruch 2, wobei wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts im Bereich von 20 bis 150 mT liegt.
Magnetsensor nach Anspruch 2, wobei wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts im Teilbereich liegt.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei: wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit einer vorgegebenen Periode dreht, das erste Signal (S 1) einen ersten idealen Anteil (V11), einen ersten dritten harmonischen Anteil (V13) und einen ersten fünften harmonischen Anteil (V15) enthält und das zweite Signal (S2) einen zweiten idealen Anteil (V21), einen zweiten dritten harmonischen Anteil (V23) und einen zweiten fünften harmonischen Anteil (V25) enthält, wobei der erste ideale Anteil (V11) ein Anteil ist, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale sinusförmige Kurve beschreibt, der erste dritte harmonische Anteil (V13) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer dritten Harmonischen des ersten idealen Anteils (V11) ist, der erste fünfte harmonische Anteil (V15) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer fünften Harmonischen des ersten idealen Anteils (V11) ist, der zweite ideale Anteil (V21) ein Anteil ist, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale sinusförmige Kurve beschreibt, der zweite dritte harmonische Anteil (V23) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer dritten Harmonischen des zweiten idealen Anteils (V21) ist, der zweite fünfte harmonische Anteil (V25) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer fünften Harmonischen des zweiten idealen Anteils (V21) ist; und eine Differenz zwischen einem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) und einem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r) einen Betrag von 0,18 % oder weniger aufweist, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb des Teilbereichs annimmt, wobei das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) der Mittelwert eines ersten Verhältnisses und eines dritten Verhältnisses ist, das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r) der Mittelwert eines zweiten Verhältnisses und eines vierten Verhältnisses ist, das erste Verhältnis das Verhältnis des ersten dritten harmonischen Anteils (V13) zum ersten idealen Anteil (V11) ist, wenn der erste ideale Anteil (V11) einen Maximalwert annimmt, das zweite Verhältnis das Verhältnis des ersten fünften harmonischen Anteils (V15) zum ersten idealen Anteil (V11) ist, wenn der erste ideale Anteil (V11) den Maximalwert annimmt, das dritte Verhältnis das Verhältnis des zweiten dritten harmonischen Anteils (V23) zum zweiten idealen Anteil (V21) ist, wenn der zweite ideale Anteil (V21) einen Maximalwert annimmt, und das vierte Verhältnis das Verhältnis des zweiten fünften harmonischen Anteils (V25) zum zweiten idealen Anteil (V21) ist, wenn der zweite ideale Anteil (V21) den Maximalwert annimmt.
Magnetsensor nach Anspruch 5, wobei der Betrag der Differenz zwischen dem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) und dem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r) für einen ersten Stärkewert und einen zweiten Stärkewert der Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) null ist und wobei sich der erste Stärkewert und der zweite Stärkewert voneinander unterscheiden.
Magnetsensor nach Anspruch 6, wobei wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts im Bereich von 20 bis 150 mT liegt.
Magnetsensor nach Anspruch 6, wobei wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts im Teilbereich liegt.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei innerhalb des Teilbereichs sich entweder die Änderungsrate des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils (V3r) bezüglich eines Anstiegs der Stärke des Magnetfelds (MF) oder die Änderungsrate des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils (V5r) bezüglich des Anstiegs der Stärke des Magnetfelds (MF) erhöht, während die jeweils andere abfällt, wenn die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) ansteigt.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) niedriger ist als das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r), wenn die Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) eine Temperatur von 20°C besitzt.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei der maximale Betrag des Winkelfehleranteils 0,05° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb des Teilbereichs annimmt.
Magnetsensor nach Anspruch 11, wobei der maximale Betrag des Winkelfehleranteils für einen ersten Stärkewert und einen zweiten Stärkewert der Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) null ist und wobei sich der erste Stärkewert und der zweite Stärkewert voneinander unterscheiden.
Magnetsensor nach Anspruch 12, wobei wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts im Bereich von 20 bis 150 mT liegt.
Magnetsensor nach Anspruch 12, wobei wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts im Teilbereich liegt.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei: wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit einer vorgegebenen Periode dreht, das erste Signal (S 1) einen ersten idealen Anteil (V11), einen ersten dritten harmonischen Anteil (V13) und einen ersten fünften harmonischen Anteil (V15) enthält und das zweite Signal (S2) einen zweiten idealen Anteil (V21), einen zweiten dritten harmonischen Anteil (V23) und einen zweiten fünften harmonischen Anteil (V25) enthält, wobei der erste ideale Anteil (V11) ein Anteil ist, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale sinusförmige Kurve beschreibt, der erste dritte harmonische Anteil (V13) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer dritten Harmonischen des ersten idealen Anteils (V11) ist, der erste fünfte harmonische Anteil (V15) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer fünften Harmonischen des ersten idealen Anteils (V11) ist, der zweite ideale Anteil (V21) ein Anteil ist, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale sinusförmige Kurve beschreibt, der zweite dritte harmonische Anteil (V23) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer dritten Harmonischen des zweiten idealen Anteils (V21) ist, der zweite fünfte harmonische Anteil (V25) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer fünften Harmonischen des zweiten idealen Anteils (V21) ist; und eine Differenz zwischen einem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) und einem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r) einen Betrag von 0,09 % oder weniger besitzt, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb des Teilbereichs annimmt, wobei das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) der Mittelwert eines ersten Verhältnisses und eines dritten Verhältnisses ist, das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r) der Mittelwert eines zweiten Verhältnisses und eines vierten Verhältnisses ist, das erste Verhältnis das Verhältnis des ersten dritten harmonischen Anteils (V13) zum ersten idealen Anteil (V11) ist, wenn der erste ideale Anteil (V11) einen Maximalwert annimmt, das zweite Verhältnis das Verhältnis des ersten fünften harmonischen Anteils (V15) zum ersten idealen Anteil (V11) ist, wenn der erste ideale Anteil (V11) den Maximalwert annimmt, das dritte Verhältnis das Verhältnis des zweiten dritten harmonischen Anteils (V23) zum zweiten idealen Anteil (V21) ist, wenn der zweite ideale Anteil (V21) einen Maximalwert annimmt, und das vierte Verhältnis das Verhältnis des zweiten fünften harmonischen Anteils (V25) zum zweiten idealen Anteil (V21) ist, wenn der zweite ideale Anteil (V21) den Maximalwert annimmt.
Magnetsensor nach Anspruch 15, wobei der Betrag der Differenz zwischen dem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) und dem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r) für einen ersten Stärkewert und einen zweiten Stärkewert der Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) null ist und wobei sich der erste Stärkewert und der zweite Stärkewert voneinander unterscheiden.
Magnetsensor nach Anspruch 16, wobei wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts im Bereich von 20 bis 150 mT liegt.
Magnetsensor nach Anspruch 16, wobei wenigstens einer des ersten Stärkewerts und des zweiten Stärkewerts im Teilbereich liegt.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei innerhalb des Teilbereichs sich entweder die Änderungsrate des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils (V3r) bezüglich eines Anstiegs der Stärke des Magnetfelds (MF) oder die Änderungsrate des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils (V5r) bezüglich des Anstiegs der Stärke des Magnetfelds (MF) erhöht, während die jeweils andere abfällt, wenn die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) ansteigt.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) niedriger ist als das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r), wenn die Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) eine Temperatur von 20°C besitzt.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die zweite Richtung (D2) orthogonal zur ersten Richtung (D1) ist.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei: die Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) einen ersten Erfassungsschaltkreis (10) zur Ausgabe des ersten Signals (S1) und einen zweiten Erfassungsschaltkreis (20) zur Ausgabe des zweiten Signals (S2) umfasst; sowohl der erste Erfassungsschaltkreis (10) als auch der zweite Erfassungsschaltkreis (20) eine Kette von magnetoresistiven Elementen aufweist, die aus zwei oder mehr von der Vielzahl von magnetoresistiven Elementen (50) besteht, wobei diese in Reihe geschaltet sind; die freie Schicht (51) eines jeden der Vielzahl von magnetoresistiven Elementen (50) eine erste Oberfläche in Kontakt mit der nichtmagnetischen Schicht (52) und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche aufweist, wobei die zweite Oberfläche eine rotationssymmetrische Form der Ordnung vier und nicht der Ordnung fünf oder höher aufweist; die Anzahl der zwei oder mehr magnetoresistiven Elemente (50), die die Kette der magnetoresistiven Elemente bilden, geradzahlig ist; die zwei oder mehr magnetoresistiven Elemente (50), die die Kette der magnetoresistiven Elemente bilden, ein oder mehr Paare von magnetoresistiven Elementen (50) enthalten; die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung (53) von zwei magnetoresistiven Elementen (50), die miteinander gepaart sind, einen vorgegebenen relativen Winkel bilden, der nicht 0° oder 180° beträgt; im ersten Erfassungsschaltkreis (10) die erste Richtung (D1) entweder eine Zwischenrichtung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung (53) von zwei miteinander gepaarten magnetoresistiven Elementen (50) oder eine der Zwischenrichtung entgegengesetzte Richtung ist; und im zweiten Erfassungsschaltkreis (20) die zweite Richtung (D2) entweder eine Zwischenrichtung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung (53) von zwei miteinander gepaarten magnetoresistiven Elementen (50) oder eine der Zwischenrichtung entgegengesetzte Richtung ist.