DE102016104285A1

DE102016104285A1 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE102016104285A1
Application number: DE102016104285.4A
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: 2016-03-09
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: DE102016104285B4; JP2016166741A; JP6191838B2

Abstract

Ein Magnetsensor erzeugt einen Wert eines erfassten Winkels, der eine Entsprechungsbeziehung zu einem Winkel aufweist, den die Richtung eines Zielmagnetfelds an einer Bezugsposition bezüglich einer Bezugsrichtung bildet. Der Magnetsensor enthält eine Magnetfeld-Erfassungseinheit. Wenn sich die Richtung des Zielmagnetfelds mit einer vorgegebenen Periode dreht, enthält der Wert des erfassten Winkels einen Winkelfehleranteil, der sich mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode ändert. Ein maximaler Betrag des Winkelfehleranteils ändert sich um 0,1° oder weniger, wenn sich die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb eines Teilbereichs ändert, 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
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetsensor zum Erfassen eines Winkels, den die Richtung eines zu erfassenden Magnetfelds bezüglich einer Bezugsrichtung bildet.
2. 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 konventionellen Magnetsensoren zeigt der Winkelfehler aufgrund der oben erwähnten Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke manchmal eine starke Schwankung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der Stärke des Zielmagnetfelds, welcher der erwartete Stärkebereich des Zielmagnetfelds während der Verwendung des Magnetsensors ist. Als Abhilfemaßnahme kann eine Korrekturverarbeitung für den erfassten Winkel durchgeführt werden, um den Winkelfehler zu reduzieren, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds einen von bestimmten Werten innerhalb des vorgegebenen Bereichs annimmt. Der Winkelfehler wird jedoch nur dann ausreichend reduziert, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds einen der bestimmten Werte annimmt.
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 eine reduzierte Schwankung des Winkelfehlers in einem großen Stärkebereich des Zielmagnetfelds erreicht.
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 sich ein maximaler Betrag des Winkelfehleranteils um 0,1° oder weniger ändert, wenn sich die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb eines Teilbereichs ändert, 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 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 eine 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.
Der Betrag einer Differenz zwischen einem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils und einem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils kann sich um 0,18 % oder weniger ändern, wenn sich die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs ändert, wobei das Verhältnis des dritten harmonischen Anteils der Mittelwert eines ersten Verhältnisses und eines dritten Verhältnisses und das Verhältnis des fünften harmonischen Anteils der Mittelwert eines 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.
Im Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann die Berechnungseinheit einen Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt zum Berechnen des Werts des erfassten Winkels sowie einen Korrekturverarbeitungsabschnitt umfassen, der eine Korrekturverarbeitung für den Wert des erfassten Winkels durchführt und dadurch einen korrigierten Wert des erfassten Winkels erzeugt. Ein maximaler Betrag eines Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels ist geringer als ein maximaler Betrag eines Fehlers im Wert des erfassten Winkels. In diesem Fall kann der Korrekturverarbeitungsabschnitt die Korrekturverarbeitung so durchführen, dass 1/2 einer Differenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert des Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels 0,1° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs annimmt.
Der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann so konfiguriert sein, dass sich der maximale Betrag des Winkelfehleranteils um 0,05° oder weniger ändert, wenn sich die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs ändert. In diesem Fall kann sich der Betrag der Differenz zwischen dem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils und dem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils um 0,09 % oder weniger ändern, wenn sich die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs ändert. Die Berechnungseinheit kann einen Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt zum Berechnen des Werts des erfassten Winkels sowie einen Korrekturverarbeitungsabschnitt umfassen, der eine Korrekturverarbeitung für den Wert des erfassten Winkels durchführt und dadurch einen korrigierten Wert des erfassten Winkels erzeugt. Ein maximaler Betrag eines Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels ist geringer als ein maximaler Betrag eines Fehlers im Wert des erfassten Winkels. In diesem Fall kann der Korrekturverarbeitungsabschnitt die Korrekturverarbeitung so durchführen, dass 1/2 der Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels 0,05° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs annimmt.
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 Änderungsbetrag des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils 0,1° oder weniger, wenn sich die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit innerhalb des Teilbereichs ändert. Die vorliegende Erfindung erreicht somit einen reduzierten Änderungsbetrag 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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 Funktionsblockdiagramm, das den Aufbau einer Berechnungseinheit des in 3 gezeigten Magnetsensors darstellt.
5 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.
6 ist eine Draufsicht einer in 3 gezeigten Wheatstone-Brückenschaltung.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines in 6 gezeigten magnetischen Erfassungselements.
8A bis 8C sind Wellenform-Diagramme, die ein erstes Beispiel des Zusammenhangs zwischen einem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und einer Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
9A bis 9C sind Wellenform-Diagramme, die ein zweites Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
10A bis 10C sind Wellenform-Diagramme, die ein drittes Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
11A bis 11C sind Wellenform-Diagramme, die ein viertes Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
12 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.
13 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements in der Ausführungsform der Erfindung.
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 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.
17 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.
18 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.
19 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.
20 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils und des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils von der Magnetfeldstärke in einem ersten Beispiel zeigt.
21 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke im ersten Beispiel zeigt.
22 ist ein Kennliniendiagramm, das einen Winkelfehler im ersten Beispiel zeigt.
23 ist ein Kennliniendiagramm, das einen geschätzten Winkelfehler im ersten Beispiel zeigt.
24 ist ein Kennliniendiagramm, das einen korrigierten Winkelfehler im ersten Beispiel zeigt.
25 ist ein Kennliniendiagramm, das den Zusammenhang zwischen einer angewandten Feldstärke und der Amplitude des korrigierten Winkelfehlers im ersten Beispiel zeigt.
26 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils und des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils von der Magnetfeldstärke in einem zweiten Beispiel zeigt.
27 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke im zweiten Beispiel zeigt.
28 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils und des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils von der Magnetfeldstärke in einem dritten Beispiel zeigt.
29 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke im dritten Beispiel zeigt.
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.
4 ist ein Funktionsblockdiagramm, das den Aufbau der Berechnungseinheit 30 darstellt. Die Berechnungseinheit 30 enthält einen Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt 31, einen Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 und einen Korrekturinformationen-Speicherabschnitt 33. Auf der Grundlage des ersten und zweiten Signals S1 und S2, die vom ersten und zweiten Erfassungsschaltkreis 10 und 20 ausgegeben werden, berechnet der Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt 31 den Wert des erfassten Winkels θs, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ aufweist. Der Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 führt die Korrekturverarbeitung für den Wert des erfassten Winkels θs durch und erzeugt dadurch einen korrigierten Wert des erfassten Winkels θt. Ein maximaler Betrag eines Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels θt ist geringer als ein maximaler Betrag eines Fehlers im Wert des erfassten Winkels θs. Der Korrekturinformationen-Speicherabschnitt 33 trägt die vom Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 bei der Durchführung der Korrekturverarbeitung zu verwendenden Korrekturinformationen. Der korrigierte Wert des erfassten Winkels θt ist der 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. Eine ausführliche Beschreibung der Berechnung des Werts des erfassten Winkels θs durch den Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt 31 und der Korrekturverarbeitung durch den Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 wird weiter unten gegeben.
Wie später beschrieben wird, kann die Berechnungseinheit 30 weder den Korrekturverarbeitungsabschnitts 32 noch den Korrekturinformationen-Speicherabschnitt 33 enthalten und kann den Wert des erfassten Winkels θs als den Wert des Winkels θ, der vom Magnetsensor 1 erfasst wird, ausgeben.
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 5 Bezug genommen, um die Beziehung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung von zwei miteinander gepaarten MR-Elementen zu beschreiben. In 5 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 D111 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 5 gezeigten MR-Elements R111 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 5 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 5 gezeigten MR-Elements R111 überein. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung des MR-Elements R142 stimmt mit der Magnetisierungsrichtung D112 der Schicht mit festliegender Magnetisierung des in 5 gezeigten MR-Elements R112 überein.
In 5 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 5 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 5 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 5 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 5 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 etwas 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 6 und 7 beschrieben. 6 ist eine Draufsicht der in 3 gezeigten Brückenschaltung 14. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines in 6 gezeigten magnetischen Erfassungselements. Im in 6 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 6 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 7 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 7 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 7 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 7 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 6 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.
Es soll jetzt unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben werden, wie der Wert des erfassten Winkels θs vom Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt 31 berechnet wird. 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 der Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt 31 den Wert des erfassten Winkels θs, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ aufweist. Genauer berechnet der Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt 31 θs nach folgender Gleichung (1). Zu beachten ist, dass „atan“ für Arkustangens steht. θs = atan (S2/S1) (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 der Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt 31 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.
Wir betrachten jetzt einen Fall, wo die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke zu einer starken Schwankung des Winkelfehlers innerhalb eines vorgegebenen Bereichs führt, welcher der erwartete Bereich der angewandten Feldstärke während der Verwendung des Magnetsensors 1 ist. In einem solchen Fall kann eine Korrekturverarbeitung für den erfassten Winkel durchgeführt werden, um den Winkelfehler zu reduzieren, wenn die angewandte Feldstärke einen von bestimmten Werten innerhalb des vorgegebenen Bereichs annimmt. Dadurch kann der Winkelfehler jedoch nicht ausreichend reduziert werden, wenn die angewandte Feldstärke einen Wert annimmt, der nicht zu den bestimmten Werten gehört.
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 Änderungsbetrag des maximalen Betrags E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke reduziert wird, kann der Änderungsbetrag des Winkelfehlers in diesem großen Bereich der angewandten Feldstärke reduziert werden. Wird dies erreicht, wird es möglich, den Winkelfehler in dem großen Bereich der angewandten Feldstärke auch bei großem Winkelfehler zu reduzieren, indem eine Korrekturverarbeitung durchgeführt wird, die nicht von der angewandten Feldstärke abhängt.
Der Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sich der maximale Betrag E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung um 0,1° oder weniger ändert, wenn sich die angewandte Feldstärke innerhalb eines Teilbereichs ändert, 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. Dieser Teilbereich, dessen Obergrenze und Untergrenze sich um 30 mT oder mehr unterscheiden, ist für den Bereich der angewandten Feldstärke bei der praktischen Anwendung des Magnetsensors 1 groß genug. Der so beschaffene Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist in der Lage, den Änderungsbetrag des Winkelfehlers 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 der ersten idealen Anteil 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. E4 = |V3r – V5r| × 0,56 (2)
Gemäß Gleichung (2) ist E4 prinzipiell null, wenn V3r und V5r gleich sind. Weiterhin ist E4 gemäß Gleichung (2) gleich 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.
Nachstehend wird der Betrag, um den der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r schwankt, wenn sich die angewandte Feldstärke innerhalb des Teilbereichs ändert, auch als Änderungsbetrag des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r innerhalb des Teilbereichs bezeichnet. Der Betrag, um den E4 schwankt, wenn sich die angewandte Feldstärke innerhalb des Teilbereichs ändert, wird auch als Änderungsbetrag von E4 innerhalb des Teilbereichs bezeichnet. Gemäß Gleichung (2) ist der Änderungsbetrag von E4 innerhalb des Teilbereichs 0,1° oder weniger, wenn der Änderungsbetrag des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r innerhalb des Teilbereichs 0,18 % oder weniger ist. Weiterhin ist der Änderungsbetrag von E4 innerhalb des Teilbereichs 0,05° oder weniger, wenn der Änderungsbetrag des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r innerhalb des Teilbereichs 0,09 % oder weniger ist.
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 8A bis 11C beschrieben.
8A, 9A, 10A und 11A zeigen jeweils jede der Wellenformen V11, V13r und V15r. 8B, 9B, 10B und 11B zeigen jeweils jede der Wellenformen V21, V23r und V25r. 8C, 9C, 10C und 11C zeigen jeweils die Wellenform des Winkelfehleranteils vierter Ordnung. In jeder der 8A bis 11C ist auf der horizontalen Achse der Winkel θ aufgetragen. In 8A, 9A, 10A und 11A 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 8B, 9B, 10B und 11B ist auf der vertikalen Achse jeweils der Wert von V21, V23r und V25r aufgetragen. V21 wird dadurch ausgedrückt, dass es seinen Maximalwert bei 100% annimmt. In 8C, 9C, 10C und 11C ist auf der vertikalen Achse jeweils der Wert des Winkelfehleranteils vierter Ordnung aufgetragen.
8A, 8B und 8C 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.
9A, 9B und 9C 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.
10A, 10B und 10C 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.
11A, 11B und 11C 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 12 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 12 werden die Ergebnisse gezeigt. In 12 ist auf der horizontalen Achse der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r aufgetragen und auf der vertikalen Achse E4. Die ausgefüllten Quadrate in 12 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 12 ist eine annähernd gerade Linie, die den Zusammenhang zwischen E4 und dem Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r darstellt. Die Gleichung (2) beschreibt diese annähernd gerade Linie.
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. Wie zuvor beschrieben, ist E4 proportional zum Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r. Folglich ist es klar, dass eine Reduzierung des Änderungsbetrags von E4 innerhalb des Teilbereichs erreicht werden kann, indem der Änderungsbetrag des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r bei beliebigen angewandten Feldstärken innerhalb des Teilbereichs reduziert wird. Dies kann erreicht werden, indem die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke so geregelt werden, dass sich die Änderungsrate von V3r bezüglich eines Anstiegs der angewandten Feldstärke und die Änderungsrate von V5r bezüglich eines Anstiegs der angewandten Feldstärke im Teilbereich einander annähern.
In dieser Ausführungsform werden ein erstes Mittel und ein zweites Mittel, die unten beschrieben werden, verwendet, um die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke so zu regeln, dass sich die Änderungsrate von V3r bezüglich eines Anstiegs der angewandten Feldstärke und die Änderungsrate von V5r bezüglich eines Anstiegs der angewandten Feldstärke in einem gewünschten Teilbereich 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 5 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 13 bis 15 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.
13 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51. In 13 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 13 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(θa) = 100 + dr·cos(4(θa – α)) (3)
14 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°.
15 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 14 gezeigten Zusammenhang aufweisen. In 15 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 13 gezeigt deutlich gegenüber einem exakten Kreis verzerrt, sondern stellt einen fast exakten Kreis dar, wie in 15 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 drei Weisen in eine erste bis dritte Form geändert wurde. 16 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. 17 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 gleich 0,5 % und α gleich 45° ist. Die zweite Form der zweiten Oberfläche ist solcher Art, dass dr null ist. Die dritte Form der zweiten Oberfläche ist solcher Art, dass dr gleich 0,5 % und α gleich 0° ist. In 16 werden V3r und V5r im Fall der ersten Form als V3r (dr = 0,5%, α = 45°) bzw. V5r (dr = 0,5%, α = 45°) ausgedrückt; V3r und V5r im Fall der zweiten Form werden als V3r (dr = 0) bzw. V5r (dr = 0) ausgedrückt; und V3r und V5r im Fall der dritten Form werden als V3r (dr = 0,5%, α = 0°) bzw. V5r (dr = 0,5%, α = 0°) ausgedrückt. In 17 wird E4 im Fall der ersten Form als E4 (dr = 0,5%, α = 45°) ausgedrückt; E4 im Fall der zweiten Form wird als E4 (dr = 0) ausgedrückt; und E4 im Fall der dritten Form wird als E4 (dr = 0,5%, α = 0°) ausgedrückt.
16 und 17 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. Obwohl nicht in 16 und 17 gezeigt, werden die unten beschriebenen Änderungstrends in den Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke, wenn dr bei feststehenden α variiert wird, mit steigendem dr deutlicher; mit fallendem dr nähern sich die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke dagegen denjenigen des Falls dr gleich null an.
Gemäß 16 sind die folgenden Änderungstrends in den Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke feststellbar. Wenn das Verzerrungsverhältnis dr auf einen Wert über null eingestellt wird, weichen die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke von denjenigen im Fall eines Verzerrungsverhältnisses dr von null ab. 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 16 gezeigten Beispiel wird durch Einstellung von dr auf 0,5 % 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 Einstellung von dr auf 0,5 % 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 17 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°. 18 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke sich mit der Änderung des Versatzwinkels ϕ ändern. 19 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke sich mit der Änderung des Versatzwinkels ϕ ändert.
In 18 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 18 die drei Linien für V5r (ϕ = 0°), V5r (ϕ = 8°) und V5r (ϕ = 17°) aufeinanderfallen. In 19 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 18 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 19 gezeigt, führt daher eine Änderung des Versatzwinkels ϕ zu einer Änderung der Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke.
Wie in 17 und 19 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, eine ausreichende Reduzierung des Änderungsbetrags von E4 in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke zu erreichen. 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 sich E4 um 0,1° oder weniger ändert, wenn sich die angewandte Feldstärke innerhalb eines Teilbereichs ändert, 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.
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, den Änderungsbetrag von 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.
Es werden nun ein erstes bis drittes Beispiel des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform sowie ein Magnetsensor eines Vergleichsbeispiels beschrieben. Das erste bis dritte Beispiel verwenden jeweils ein erstes Mittel und ein zweites Mittel in Kombination. Der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels ist ein Beispiel, wo die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 so geformt ist, dass dr gleich null ist, und der Versatzwinkel ϕ auf 0° eingestellt ist.
[Erstes Beispiel]
Der Magnetsensor 1 des ersten Beispiels ist ein Beispiel, wo die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 so geformt ist, dass dr gleich 1 % und α gleich 0° ist, und der Versatzwinkel ϕ auf 25° eingestellt ist. 20 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke jeweils für den Magnetsensor 1 des ersten Beispiels und den Magnetsensor des Vergleichsbeispiels zeigt. 21 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke jeweils für den Magnetsensor 1 des ersten Beispiels und den Magnetsensor des Vergleichsbeispiels zeigt. In 20 werden V3r und V5r im Fall des Magnetsensors 1 des ersten Beispiels als V3r (dr = 1%, ϕ = 25°) bzw. V5r (dr = 1%, ϕ = 25°) ausgedrückt; V3r und V5r im Fall des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels werden dagegen als V3r (dr = 0, ϕ = 0°) bzw. V5r (dr = 0, ϕ = 0°) ausgedrückt. In 21 wird E4 im Fall des Magnetsensors 1 des ersten Beispiels als E4 (dr = 1%, ϕ = 25°) ausgedrückt, während E4 im Fall des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels als E4 (dr = 0, ϕ = 0°) ausgedrückt wird.
20 und 21 zeigen, dass sich gemäß dem Magnetsensor 1 des ersten Beispiels der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r im Bereich von 40 bis 150 mT der angewandten Feldstärke um 0,18 % oder weniger und E4 um 0,1° oder weniger ändert. Weiterhin ändert sich gemäß dem Magnetsensor 1 des ersten Beispiels der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r im Bereich von 50 bis 120 mT der angewandten Feldstärke um 0,09 % oder weniger und E4 um 0,05° oder weniger. Der Magnetsensor 1 des ersten Beispiels erfüllt die Anforderungen an die Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform. Der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels erfüllt die Anforderungen an die Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform dagegen nicht.
Es wird jetzt ein erstes Beispiel und ein zweites Beispiel der Korrekturverarbeitung, die vom Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 der in 4 dargestellten Berechnungseinheit 30 durchgeführt wird, beschrieben.
Gemäß dem ersten Beispiel der Korrekturverarbeitung wird vor der Auslieferung der folgende Test des Magnetsensors 1 durchgeführt, um die Korrekturinformationen, die im Korrekturinformationen-Speicherabschnitt 33 gespeichert werden, zu erzeugen. Im Test wird die angewandte Feldstärke auf einen bestimmten Wert innerhalb des Teilbereichs eingestellt. Dann wird der Winkel θ, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der Bezugsrichtung DR bildet, in regelmäßigen Intervallen in einem Bereich von 0° bis 360° variiert, um den Wert des erfassten Winkels θs, der vom Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt 31 berechnet wird, sowie den Winkelfehler, bei dem es sich um einen Fehler im Wert des erfassten Winkels θs handelt, für jeden der Vielzahl von Winkeln θ zu ermitteln. Nachstehend wird der Winkelfehler mit dem Symbol AE bezeichnet.
Der Winkelfehler AE ändert sich mit einer Periode von 1/4 der Periode des Winkels θ. Der Winkelfehler AE besteht überwiegend aus dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung. Hier soll angenommen werden, dass der Wert des erfassten Winkels θs für jeden von einer Anzahl von m Winkeln θ ermittelt werden soll. Zur Erzeugung der Korrekturinformationen muss m gemäß dem Abtasttheorem eine ganze Zahl größer oder gleich 8 sein. Die Vielzahl der Winkel θ zur Ermittlung der Werte des erfassten Winkels θs umfasst bevorzugt den Winkel 0°, und in diesem Fall ist m eine ganze Zahl größer oder gleich 16.
Ein Winkel θ, für den der Wert des erfassten Winkels θs ermittelt werden soll, wird durch θn bezeichnet, wobei n eine ganze Zahl zwischen 1 und einschließlich m ist. Der Wert des erfassten Winkels θs, der θn entspricht, wird durch θsn bezeichnet. Der θn entsprechende Winkelfehler AE wird durch AEn bezeichnet. Eine Kombination von θsn und AEn wird durch den Ausdruck (θsn, AEn) bezeichnet. Beim Test werden (θsn, AEn) als Korrekturinformationen im Korrekturinformationen-Speicherabschnitt 33 gespeichert.
Bei der Verwendung des Magnetsensors 1 bestimmt der Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 den korrigierten Wert des erfassten Winkels θt für den eingegebenen Wert des erfassten Winkels θs anhand der Korrekturinformationen (θsn, AEn) durch lineare Interpolation. Um genauer zu sein, bestimmt der Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 einen ungefähren Winkelfehler AEs, der dem eingegebenen Wert des erfassten Winkels θs entspricht, anhand von zwei Sätzen von Korrekturinformationen (θsn, AEn), die θsn vor und nach dem eingegebenen Wert des erfassten Winkels θs entsprechen, durch lineare Interpolation, und bestimmt θs minus AEs als korrigierten Wert des erfassten Winkels θt. Der ungefähre Winkelfehler AEs ist äquivalent zum Winkelfehler AEn, der einem bestimmten θsn entspricht, wenn der eingegebene Wert des erfassten Winkels θs auf den bestimmten θsn fällt. Wenn der eingegebene Wert des erfassten Winkels θs ein anderer Wert als θsn ist, ist der ungefähre Winkelfehler AEs ein durch lineare Interpolation geschätzter Winkelfehler.
Im Folgenden wird das erste Beispiel der Korrekturverarbeitung ausführlicher mit Bezug auf den Magnetsensor 1 des ersten Beispiels beschrieben. Hier wird angenommen, dass der Teilbereich der Bereich von 50 bis 120 mT der angewandten Feldstärke ist. 22 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Winkel θ und dem Winkelfehler AE des Werts des erfassten Winkels θs für die angewandten Feldstärken 20 mT, 80 mT und 150 mT im Magnetsensor 1 des ersten Beispiels. In 22 ist auf der horizontalen Achse der Winkel θ und auf der vertikalen Achse der Winkelfehler AE aufgetragen. In 22 bezeichnen AE (20 mT), AE (80 mT) und AE (150 mT) die Winkelfehler AE bei angewandten Feldstärken von 20 mT, 80 mT und 150 mT. Zu beachten ist, dass der Zusammenhang zwischen dem Winkel θ und dem Winkelfehler AE im gesamten Bereich der angewandten Feldstärke von 50 bis 120 mT nahezu unverändert ist. Es lässt sich daher sagen, dass der Zusammenhang zwischen dem Winkel θ und dem Winkelfehler AE bei einer angewandten Feldstärke von 80 mT, wie in 22 gezeigt, für den Zusammenhang zwischen dem Winkel θ und dem Winkelfehler AE im Bereich von 50 bis 120 mT der angewandten Feldstärke repräsentativ ist.
Beispielsweise kann beim oben beschriebenen Test des Magnetsensors 1 vor der Auslieferung die angewandte Feldstärke auf 50 mT und die Anzahl m der Vielzahl der Winkel θn, für die die Werte des erfassten Winkels θs ermittelt werden, auf 32 festgelegt werden. θn ist 0°, wenn n = 1. Eine Kombination von θn und AEn wird durch (θn, AEn) bezeichnet. Der Test liefert Informationen zu (θn, AEn). 23 ist ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen dem Winkel θ und einem geschätzten Winkelfehler AEe, der anhand der Informationen über (θn, AEn) durch lineare Interpolation erzeugt wird. In 23 ist auf der horizontalen Achse der Winkel θ und auf der vertikalen Achse der geschätzte Winkelfehler AEe aufgetragen. Der geschätzte Winkelfehler AEe ist zu AEn äquivalent, wenn der Winkel θ gleich θn ist. Wenn der Winkel θ einen anderen Wert als θn hat, ist der geschätzte Winkelfehler AEe ein durch lineare Interpolation geschätzter Winkelfehler. Die Kennlinie in 23, die den Zusammenhang zwischen θ und AEe darstellt, ist ein Polygonzug mit Eckpunkten bei (θn, AEn).
Im ersten Beispiel der Korrekturverarbeitung werden die oben beschriebenen Korrekturinformationen (θsn, AEn) anhand der durch den Test ermittelten Informationen über (θn, AEn) erzeugt und im Korrekturinformationen-Speicherabschnitt 33 gespeichert. Bei der Verwendung des Magnetsensors 1 bestimmt der Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 den korrigierten Wert des erfassten Winkels θt für den eingegebenen Wert des erfassten Winkels θs, wie zuvor beschrieben. Ein Fehler im korrigierten Wert des erfassten Winkels θt wird hier als Fehler des korrigierten Winkels CAE (Corrected Angle Error) bezeichnet.
Beispielsweise zeigt 24 den Zusammenhang zwischen dem Winkel θ und dem Fehler des korrigierten Winkels CAE, wenn die angewandte Feldstärke bei 80 mT liegt. In 24 ist auf der horizontalen Achse der Winkel θ und auf der vertikalen Achse der Fehler des korrigierten Winkels CAE aufgetragen. Wie in 24 gezeigt, beträgt ein maximaler Betrag des Fehlers des korrigierten Winkels CAE 0,05° oder weniger, wenn die angewandte Feldstärke bei 80 mT liegt. Dieser Wert ist wesentlich kleiner als der maximale Betrag des Winkelfehlers AE, wenn die angewandte Feldstärke bei 80 mT liegt, wie in 22 gezeigt.
Es wird nun 1/2 der Differenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert des Fehlers des korrigierten Winkels CAE als die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE definiert. Die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE ist kleiner oder gleich dem maximalen Betrag des Fehlers des korrigierten Winkels CAE. Wie im Beispiel in 24 gezeigt, ist die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE daher 0,05° oder weniger, wenn die angewandte Feldstärke bei 80 mT liegt.
Der Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 führt die Korrekturverarbeitung bevorzugt so durch, dass die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE 0,1° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb des Teilbereichs annimmt. Weiter bevorzugt führt der Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 die Korrekturverarbeitung so durch, dass die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE 0,05° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die angewandte Feldstärke innerhalb des Teilbereichs annimmt.
25 zeigt den Zusammenhang zwischen der angewandten Feldstärke und dem Fehler des korrigierten Winkels CAE im Teilbereich von 50 bis 120 mT. In 25 ist auf der horizontalen Achse die angewandte Feldstärke und auf der vertikalen Achse die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE aufgetragen. Wie in 25 gezeigt, ist die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE im Teilbereich von 50 bis 120 mT kleiner oder gleich 0,05°.
Wie zuvor erwähnt, besteht der Winkelfehler AE überwiegend aus dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung. Der ungefähre Winkelfehler AEs liegt sehr nahe bei dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung. Da der korrigierte Wert des erfassten Winkels θt gemäß dem ersten Beispiel der Korrekturverarbeitung durch Subtraktion des ungefähren Winkelfehlers AEs vom Wert des erfassten Winkels θs erzeugt wird, enthält der so erzeugte korrigierte Wert des erfassten Winkels θt kaum einen Fehleranteil mit einer Periode von 1/4 der Periode des Winkels θ. Das erste Beispiel der Korrekturverarbeitung ermöglicht daher eine Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE im Teilbereich von 0,1° oder weniger, wenn der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich 0,1° oder weniger ist, und eine Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE im Teilbereich von 0,05° oder weniger, wenn der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich 0,05° oder weniger ist.
Es wird jetzt das zweite Beispiel der Korrekturverarbeitung durch den Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 beschrieben. Im zweiten Beispiel der Korrekturverarbeitung wird vor der Auslieferung der gleiche Test des Magnetsensors 1 wie im ersten Beispiel der Korrekturverarbeitung durchgeführt, wobei der Winkel θ in regelmäßigen Intervallen im Bereich von 0° bis 360° variiert wird, um den Winkelfehler AE für jeden der Vielzahl von Winkeln θ zu bestimmen. Dann wird die Amplitude F des Winkelfehlers AE, die als 1/2 der Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Winkelfehlers AE definiert ist, ermittelt. Im Test wird die Amplitude F im Korrekturinformationen-Speicherabschnitt 33 als Korrekturinformationen gespeichert.
Bei der Verwendung des Magnetsensors 1 bestimmt der Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 den korrigierten Wert des erfassten Winkels θt für den eingegebenen Wert des erfassten Winkels θs mit Hilfe von Gleichung (4) einschließlich der Korrekturinformationen F. θt = θs – Fsin4θs (4)
„Fsin4θs“ in Gleichung (4) ist zum ungefähren Winkelfehler AEs im ersten Beispiel der Korrekturverarbeitung äquivalent. Wie das erste Beispiel der Korrekturverarbeitung ermöglicht es auch das zweite Beispiel der Korrekturverarbeitung, dass die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE im Teilbereich 0,1° oder weniger ist, wenn der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich 0,1° oder weniger ist, und dass die Amplitude des Fehlers des korrigierten Winkels CAE im Teilbereich 0,05° oder weniger ist, wenn der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich 0,05° oder weniger ist.
Die Beispiele für die Korrekturverarbeitung sind nicht auf das oben beschriebene erste und zweite Beispiel beschränkt. Bei der Korrekturverarbeitung kann es sich um einen beliebigen Verarbeitungsvorgang handeln, der die Erzeugung eines korrigierten Werts des erfassten Winkels θt ermöglicht, der kaum einen Fehleranteil mit einer Periode von 1/4 der Periode des Winkels θ enthält.
[Zweites Beispiel]
Der Magnetsensor 1 des zweiten Beispiels ist ein Beispiel, wo die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 so geformt ist, dass dr gleich 0,1 % und α gleich 0° ist, und der Versatzwinkel ϕ auf 10° eingestellt ist. 26 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke jeweils für den Magnetsensor 1 des zweiten Beispiels und den Magnetsensor des Vergleichsbeispiels zeigt. 27 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke jeweils für den Magnetsensor 1 des zweiten Beispiels und den Magnetsensor des Vergleichsbeispiels zeigt. In 26 werden V3r und V5r im Fall des Magnetsensors 1 des zweiten Beispiels als V3r (dr = 0,1%, ϕ = 10°) bzw. V5r (dr = 0,1%, ϕ = 10°) ausgedrückt; V3r und V5r im Fall des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels werden dagegen als V3r (dr = 0, ϕ = 0°) bzw. V5r (dr = 0, ϕ = 0°) ausgedrückt. In 27 wird E4 im Fall des Magnetsensors 1 des zweiten Beispiels als E4 (dr = 0,1%, ϕ = 10°) ausgedrückt, während E4 im Fall des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels als E4 (dr = 0, ϕ = 0°) ausgedrückt wird.
26 und 27 zeigen, dass gemäß dem Magnetsensor 1 des zweiten Beispiels sich der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r im Bereich von 20 bis 70 mT der angewandten Feldstärke um 0,18 % oder weniger und E4 um 0,1° oder weniger ändert. Weiterhin ändert sich gemäß dem Magnetsensor 1 des zweiten Beispiels der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r im Bereich von 25 bis 55 mT der angewandten Feldstärke um 0,09 % oder weniger und E4 um 0,05° oder weniger. Der Magnetsensor 1 des zweiten Beispiels erfüllt die Anforderungen an die Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform.
[Drittes Beispiel]
Der Magnetsensor 1 des dritten Beispiels ist ein Beispiel, wo die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 so geformt ist, dass dr gleich 1 % und α gleich 0° ist, und der Versatzwinkel ϕ auf 30° eingestellt ist. 28 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke jeweils für den Magnetsensor 1 des dritten Beispiels und den Magnetsensor des Vergleichsbeispiels zeigt. 29 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke jeweils für den Magnetsensor 1 des dritten Beispiels und den Magnetsensor des Vergleichsbeispiels zeigt. In 28 werden V3r und V5r im Fall des Magnetsensors 1 des dritten Beispiels als V3r (dr = 1%, ϕ = 30°) bzw. V5r (dr = 1%, ϕ = 30°) ausgedrückt; V3r und V5r im Fall des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels werden dagegen als V3r (dr = 0, ϕ = 0°) bzw. V5r (dr = 0, ϕ = 0°) ausgedrückt. In 29 wird E4 im Fall des Magnetsensors 1 des dritten Beispiels als E4 (dr = 1%, ϕ = 30°) ausgedrückt, während E4 im Fall des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels als E4 (dr = 0, ϕ = 0°) ausgedrückt wird.
28 und 29 zeigen, dass gemäß dem Magnetsensor 1 des dritten Beispiels sich der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r im Bereich von 50 bis 150 mT der angewandten Feldstärke um 0,18 % oder weniger und E4 um 0,1° oder weniger ändert. Weiterhin ändert sich gemäß dem Magnetsensor 1 des dritten Beispiels der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r im Bereich von 60 bis 150 mT der angewandten Feldstärke um 0,09 % oder weniger und E4 um 0,05° oder weniger. Der Magnetsensor 1 des dritten Beispiels erfüllt die Anforderungen an die Beschaffenheit des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform.
Das erste bis dritte Beispiel machen deutlich, dass der Teilbereich, der die Anforderungen, dass die Differenz zwischen Obergrenze und Untergrenze 30 mT oder mehr und der Änderungsbetrag von 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 der Änderungsbetrag von E4 gleich 0,1° oder weniger ist, wenn sich die angewandte Feldstärke innerhalb eines Teilbereichs ändert, 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. Der Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform erreicht somit einen reduzierten Änderungsbetrag des Winkelfehlers in einem großen Bereich der angewandten Feldstärke.
Wenn der Winkelfehler AE in dieser Ausführungsform im Teilbereich einen ausreichend kleinen maximalen Betrag wie z. B. 0,1° oder weniger oder 0,05° oder weniger aufweist, kann die Berechnungseinheit 30 den Wert des erfassten Winkels θs als den Wert des vom Magnetsensor 1 erfassten Winkels θ ausgeben. In diesem Fall braucht die Berechnungseinheit 30 weder den Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 noch den Korrekturinformationen-Speicherabschnitt 33 zu enthalten.
Gemäß dieser Ausführungsform führt der Korrekturverarbeitungsabschnitt 32 auch dann die Korrekturverarbeitung durch, wenn der maximale Betrag des Winkelfehlers AE so groß ist, dass z. B. 0,1° im Teilbereich überschritten wird, wobei die Korrekturverarbeitung nicht von der angewandten Feldstärke abhängt, um es so zu ermöglichen, dass der Fehler des korrigierten Winkels CAE, bei dem es sich um einen Fehler im korrigierten Wert des erfassten Winkels θt handelt, im Teilbereich einen kleinen maximalen Betrag aufweist.
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 kleiner der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich, desto besser. Der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich ist bevorzugt 0,05° oder weniger. Eine Minimalanforderung an E4 ist, dass der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich 0,1° oder weniger ist. Eine bevorzugte Anforderung an E4 ist, dass der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich 0,05° oder weniger ist.
Wie oben beschrieben, ist der Änderungsbetrag von E4 0,1° oder weniger, wenn der Änderungsbetrag des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r im Teilbereich 0,18 % oder weniger ist. Um daher die Minimalanforderung an E4 zu erfüllen, ist der Änderungsbetrag des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r im Teilbereich bevorzugt 0,18 % oder weniger. Weiterhin ist der Änderungsbetrag von E4 im Teilbereich 0,05° oder weniger, wenn der Änderungsbetrag des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r im Teilbereich 0,09 % oder weniger ist. Um daher die bevorzugte Anforderung an E4 zu erfüllen, ist der Änderungsbetrag des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r im Teilbereich bevorzugt 0,09 % oder weniger.
Der Magnetsensor 1 des ersten Beispiels und der Magnetsensor 1 des dritten Beispiels 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. Der Magnetsensor 1 des zweiten Beispiels erfüllt die Bedingungen, die sich aus einer Kombination von einer der Anforderungen für den Teilbereich (Minimalanforderung, bevorzugte Anforderung und weiter bevorzugte Anforderung) und der Minimalanforderung für E4 ergeben, sowie die Bedingungen, die sich aus einer Kombination der Minimalanforderung für den Teilbereich und der bevorzugten Anforderung für E4 ergeben.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2455720 A1 [0003, 0004, 0006]
EP 1232400 B1 [0003, 0007]

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 (S1) 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 sich ein maximaler Betrag des Winkelfehleranteils um 0,1° oder weniger ändert, wenn sich die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb eines Teilbereichs ändert, 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 wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit einer vorgegebenen Periode dreht, das erste Signal (S1) 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 sich ein Betrag einer Differenz zwischen einem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) und einem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r) um 0,18 % oder weniger ändert, wenn sich die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb des Teilbereichs ändert, 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 1 oder 2, wobei die Berechnungseinheit (30) einen Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt (31) zum Berechnen des Werts des erfassten Winkels (θs) sowie einen Korrekturverarbeitungsabschnitt (32) umfasst, um eine Korrekturverarbeitung für den Wert des erfassten Winkels (θs) durchzuführen und dadurch einen korrigierten Wert des erfassten Winkels (θt) zu erzeugen, wobei; ein maximaler Betrag eines Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels (θt) geringer ist als ein maximaler Betrag eines Fehlers im Wert des erfassten Winkels (θs).
Magnetsensor nach Anspruch 3, wobei der Korrekturverarbeitungsabschnitt (32) die Korrekturverarbeitung so durchführt, dass 1/2 einer Differenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert des Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels (θt) 0,1° oder weniger ist, unabhängig davon, welchen Wert die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb des Teilbereichs annimmt.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei sich der maximale Betrag des Winkelfehleranteils um 0,05° oder weniger ändert, wenn sich die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb des Teilbereichs ändert.
Magnetsensor nach Anspruch 5, wobei wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit einer vorgegebenen Periode dreht, das erste Signal (S1) 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 sich ein Betrag einer Differenz zwischen einem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils (V3r) und einem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils (V5r) um 0,09 % oder weniger ändert, wenn sich die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) innerhalb des Teilbereichs ändert, 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 oder 6, wobei die Berechnungseinheit (30) einen Winkelerfassungswert-Berechnungsabschnitt (31) zum Berechnen des Werts des erfassten Winkels (θs) sowie einen Korrekturverarbeitungsabschnitt (32) umfasst, um eine Korrekturverarbeitung für den Wert des erfassten Winkels (θs) durchzuführen und dadurch einen korrigierten Wert des erfassten Winkels (θt) zu erzeugen, wobei ein maximaler Betrag eines Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels (θt) geringer ist als ein maximaler Betrag eines Fehlers im Wert des erfassten Winkels (θs).
Magnetsensor nach Anspruch 7, wobei der Korrekturverarbeitungsabschnitt (32) die Korrekturverarbeitung so durchführt, dass 1/2 einer Differenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert des Fehlers im korrigierten Wert des erfassten Winkels (θt) 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 einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweite Richtung (D2) orthogonal zur ersten Richtung (D1) ist.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.