DE102020115047A1

DE102020115047A1 - Positionsbestimmungssvorrichtung

Info

Publication number: DE102020115047A1
Application number: DE102020115047.4A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Uchida; Yongfu CAI
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2020-12-10
Also published as: US20220357182A1; JP6954326B2; JP2020197492A; CN112050722B; US20240133715A1; US20200386577A1; US20240230376A9; CN112050722A; US11898886B2; US11428545B2

Abstract

Eine Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst einen Magneten, der ein zu erfassendes Magnetfeld erzeugt, und einen Magnetsensor. Der Magnetsensor detektiert das zu detektierende Magnetfeld und erzeugt einen Detektionswert, der der Position des Magneten entspricht. Das zu erfassende Magnetfeld hat eine erste Richtung, die sich innerhalb einer ersten Ebene, an einer Referenzposition in der ersten Ebene, ändert. Der Magnetsensor umfasst vier MR-Elemente. Jedes der MR-Elemente enthält eine erste Magnetschicht mit einer ersten Magnetisierung, die sich innerhalb einer zweiten Ebene, die jedem der MR-Elemente entspricht, in ihrer Richtung ändern kann. Die erste Ebene und die zweite Ebene schneiden sich in einem anderen Flächenwinkel a als 90°. Ein Detektionswert hängt von der Richtung der ersten Magnetisierung ab.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Positionsbestimmungsvorrichtung mittels eines Magnetsensors
Beschreibung der verwandten Kunst
Positionsbestimmungsvorrichtung mit Magnetsensoren wurden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Die Positionsbestimmunsvorrichtungen, die Magnetsensoren verwenden, werden im Folgenden als magnetische Positionsbestimmungsvorrichtung bezeichnet. Die magnetischen Positionsbestimmungsvorrichtungen werden beispielsweise zur Bestimmung einer Linsenposition in einem Kameramodul mit einem optischen Bildstabilisierungsmechanismus und einem Autofokusmechanismus in einem Smartphone verwendet.
Zu den magnetischen Positionsbestimmungsvorrichtung gehören z. B. ein Magnet, der sich mit der Bewegung eines Objekts bewegt, und ein Magnetsensor, der ein vom Magneten erzeugtes Magnetfeld erfasst. Beispiele für bekannte Magnetsensoren sind solche, die ein magnetoresistives Spin-Ventil-Element verwenden, das auf einem Substrat angebracht ist. Das magnetoresistive Spin-Ventil-Element enthält eine magnetisierungsfixierte Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung fest ist, eine freie Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von der Richtung eines angelegten Magnetfeldes variabel ist, und eine Spaltschicht, die sich zwischen der magnetisierungsfixierten Schicht und der freien Schicht befindet. In vielen Fällen ist das auf einem Substrat vorgesehene magnetoresistive Spin-Ventil-Element so konfiguriert, dass es für ein Magnetfeld in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats empfindlich ist. Ein solches magnetoresistives Element ist daher geeignet, ein Magnetfeld zu erfassen, das sich in einer Ebene parallel zur Substratoberfläche in seiner Richtung ändert.
Einige magnetische Positionsbestimmungsvorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie ein Magnetfeld, das eine Komponente enthält, in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Substrats erfassen, indem sie ein auf dem Substrat vorgesehenes magnetoresistives Element verwenden. Ein Beispiel für solche magnetischen Positionsbestimmungsvorrichtungen ist in US 2015/0192432 A1 und JP H09-219546 A beschrieben.
US 2015/0192432 A1 beschreibt einen Magnetsensor zur Bestimmung der Position eines Magneten. Dieser Magnetsensor besteht aus einem Substrat, zwei magnetischen Sensorelementen, die sich auf dem Substrat befinden, einem Magneten, der sich über dem Substrat befindet, und einem weichmagnetischen Körper. Der weichmagnetische Körper befindet sich zwischen dem Magneten und den beiden magnetischen Sensorelementen. Der weichmagnetische Körper wandelt ein Magnetfeld auf einer XZ-Ebene, das durch den Magneten erzeugt wird, in ein Magnetfeld auf einer XY-Ebene um, auf das die beiden magnetischen Sensorelemente empfindlich reagieren. Die XY-Ebene ist parallel zur Substratoberfläche. Die XZ-Ebene steht senkrecht zur Substratoberfläche.
JP H09-219546 A beschreibt ein Bauelement, in dem sich ein magnetoresistives Element mit Magnetstreifen auf einer auf einem Substrat gebildeten Schräge befindet und ein rotierender Körper mit einem Magneten über dem Substrat angeordnet ist. Wenn sich der rotierende Körper in dieser Vorrichtung dreht, ändert sich die Richtung eines durch den rotierenden Körper erzeugten Magnetfeldes innerhalb einer Variationsebene senkrecht zur Schräge. Das magnetoresistive Element erfasst das durch den rotierenden Körper erzeugte Magnetfeld.
EP 1860450 A1 und EP 3385740 A1 beschreiben, obwohl keine magnetische Positionsbestimmungsvorrichtung, eine Vorrichtung mit drei Sensoren zur Erfassung einer Komponente in X-Richtung, einer Komponente in Y-Richtung und einer Komponente eines externen Magnetfeldes in Z-Richtung. In dieser Vorrichtung enthält der Sensor zur Erfassung der Z-Richtungskomponente ein magnetoresistives Element, das sich auf einer auf einem Substrat gebildeten Schräge befindet.
Der in US 2015/0192432 A1 beschriebene Magnetsensor hat das Problem, dass die Detektionsgenauigkeit aufgrund eines unnötigen Magnetfeldes, das vom weichmagnetischen Körper ausgeht, und der magnetischen Hystereseeigenschaften des weichmagnetischen Körpers abnehmen kann.
Als nächstes wird ein Problem mit den in JP H09-219546 A , EP 1860450 A1 und EP 3385740 A1 beschriebenen Vorrichtungen beschrieben. Der Sensor zur Erfassung der Z-Richtungskomponente in EP 1860450 A1 und EP 3385740 A1 wird im Folgenden als Z-Richtungssensor bezeichnet. Das Magnetfeld, das an das magnetoresistive Element in JP H09-219546 A und das Magnetfeld, das an den Z-Richtungssensor in EP 1860450 A1 und EP 3385740 A1 angelegt wird, wird jeweils als angelegtes Magnetfeld bezeichnet. Die Komponente des angelegten Magnetfelds, für die das magnetoresistive Element gemäß JP H09-219546 A empfindlich ist, und die Komponente des angelegten Magnetfelds, für die der Z-Richtungssensor gemäß EP 1860450 A1 und EP 3385740 A1 empfindlich ist, werden jeweils als Empfindlichkeitskomponente bezeichnet.
Die Stärke des angelegten Magnetfelds kann aus Gründen wie z.B. Variationen in der Anordnung der Bestandteile der Vorrichtung variieren Die in JP H09-219546 A , EP 1860450 A1 und EP 3385740 A1 beschriebenen Vorrichtungen haben das Problem, dass die Detektionsgenauigkeit im Verhältnis zu Schwankungen in der Stärke des angelegten Magnetfeldes stark abnimmt. Eine detaillierte Beschreibung davon ist unten aufgeführt.
Je geringer die Stärke der Empfindlichkeitskomponente ist, desto stärker sinkt die Detektionsgenauigkeit im Verhältnis zu Schwankungen in der Stärke des angelegten Magnetfeldes Bei dem in JP H09-219546 A beschriebenen Vorrichtung ändert sich die Richtung des angelegten Magnetfelds innerhalb der Ebene der Variation des Magnetfelds senkrecht zur Schräge. In der Vorrichtung kann die Richtung des angelegten Magnetfeldes also senkrecht zur Schräge verlaufen, d.h. eine Richtung, für die das magnetoresistive Element keine Empfindlichkeit hat. In einer solchen Vorrichtung kann die Stärke der Empfindlichkeitskomponente Null sein.
Bei den in EP 1860450 A1 und EP 3385740 A1 beschriebenen Vorrichtungen kann die Richtung des angelegten Magnetfeldes senkrecht zur Schräge sein, d.h. eine Richtung, für die der Z-Richtungssensor keine Empfindlichkeit hat. In solchen Vorrichtungen kann die Stärke der Empfindlichkeitskomponente Null sein.
Bei den in JP H09-219546 A , EP 1860450 A1 und EP 3385740 A1 beschriebenen Vorrichtungen kann die Detektionsgenauigkeit im Verhältnis zu Schwankungen in der Stärke des angelegten Magnetfeldes stark abnehmen, wenn die Richtung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, dass die Stärke der empfindlichen Komponente einen Wert von Null oder nahe Null hat
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Positionsbestimmungsvorrichtung mit einem Magnetsensor, der ein zu erfassendes Magnetfeld erfasst und einen Detektionswert erzeugt, wobei der Detektionswert erzeugt werden kann, während ein Abfall der Detektionsgenauigkeit unterdrückt wird, selbst wenn der Magnetsensor ein magnetoresistives Element enthält, das geeignet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, dessen Richtung sich innerhalb einer vorbestimmten Ebene ändert, und die Richtung des zu erfassenden Magnetfelds sich innerhalb eines variablen Bereichs einschließlich einer Richtung außerhalb der vorbestimmten Ebene ändert.
Eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Magnetfeldgenerator, der ein zu erfassendes Magnetfeld erzeugt, und einen Magnetsensor. Der Magnetsensor detektiert das zu detektierende Magnetfeld und erzeugt einen Detektionswert, der einer relativen Position des Magnetfeldgenerators in Bezug auf den Magnetsensor entspricht. Das zu detektierende Magnetfeld hat eine erste Richtung an einer Referenzposition innerhalb einer ersten Ebene. Der Magnetfeldgenerator und der Magnetsensor sind so konfiguriert, dass, wenn sich die relative Position des Magnetfeldgenerators in Bezug auf den Magnetsensor ändert, sich die erste Richtung innerhalb eines vorbestimmten variablen Bereichs in der ersten Ebene ändert.
Der Magnetsensor enthält mindestens ein magnetoresistives Element. Das mindestens eine magnetoresistive Element enthält jeweils eine erste Magnetschicht mit einer ersten Magnetisierung, die sich innerhalb einer zweiten Ebene, die dem mindestens einen magnetoresistiven Element entspricht, in ihrer Richtung ändern kann. Die erste Ebene und die zweite Ebene schneiden sich unter einem anderen Flächenwinkel als 90°. Das zu erfassende Magnetfeld, das von jedem der mindestens einen magnetoresistiven Elemente empfangen wird, kann in eine in der Ebene liegende Komponente parallel zur zweiten Ebene und eine senkrecht zur zweiten Ebene stehende Komponente geteilt werden. Die in der Ebene liegende Komponente hat eine zweite Richtung, die sich mit einer Änderung in der ersten Richtung ändert. Die Richtung der ersten Magnetisierung ändert sich mit einer Änderung in der zweiten Richtung. Der Detektionswert hängt von der Richtung der ersten Magnetisierung ab.
Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die erste Magnetschicht die Eigenschaft haben, dass die erste Magnetisierung durch das zu erfassende Magnetfeld gesättigt ist, wenn die erste Richtung zumindest in einem Teil des variablen Bereichs liegt.
In der Positionsbestimmungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das mindestens eine magnetoresistive Element jeweils eine zweite Magnetschicht mit einer zweiten Magnetisierung in einer Richtung parallel zur zweiten Ebene und eine zwischen der ersten Magnetschicht und der zweiten Magnetschicht angeordnete Spaltschicht enthalten.
Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Flächenwinkel in einem Bereich von 30° bis 84° liegen
Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Magnetsensor ferner ein Substrat enthalten, das das mindestens eine magnetoresistive Element trägt. Das Substrat kann eine Hauptfläche senkrecht zur ersten Ebene und mindestens eine Schräge schräg zur Hauptfläche aufweisen. Das mindestens eine magnetoresistive Element kann sich auf der mindestens einen Schräge befinden. Die zweite Ebene, die jedem der mindestens einen magnetoresistiven Elemente entspricht, kann parallel zu der Schräge sein, auf der jedes der mindestens einen magnetoresistiven Elemente angeordnet ist.
Wenn der Magnetsensor das oben genannte Substrat enthält, kann der Magnetsensor als das mindestens eine magnetoresistive Element ein erstes magnetoresistives Element und ein zweites magnetoresistives Element enthalten. Das Substrat kann als die mindestens eine Schräge eine erste Schräge, auf der sich das erste magnetoresistive Element befindet, und eine zweite Schräge, auf der sich das zweite magnetoresistive Element befindet, aufweisen. In diesem Fall ist die zweite Ebene, die dem ersten magnetoresistiven Element entspricht, parallel zur ersten Schräge, und die zweite Ebene, die dem zweiten magnetoresistiven Element entspricht, ist parallel zur zweiten Schräge.
Wenn der Magnetsensor das erste und zweite magnetoresistive Element enthält, kann der Magnetsensor außerdem einen Signalausgangsknoten enthalten. Das erste und das zweite magnetoresistive Element können über den Signalausgangsknoten in Reihe geschaltet werden. In diesem Fall kann der Detektionswert von einem Potential des Signalausgangsknotens abhängen.
Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann sich die relative Position des Magnetfeldgenerators in Bezug auf den Magnetsensor so ändern, dass sich ein Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator ändert.
Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Magnetfeldgenerator ein Magnet sein. Die relative Position des Magnetfeldgenerators in Bezug auf den Magnetsensor kann sich so verändern können, dass sich ein vorbestimmter Punkt des Magneten innerhalb eines linearen Bewegungsbereichs bewegt. Der Bewegungsbereich kann in einer Ebene parallel zur ersten Ebene liegen. Der Magnet kann in einer zur ersten Ebene parallelen Richtung magnetisiert werden.
Eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Magneten, der ein zu erfassendes Magnetfeld erzeugt, und einen Magnetsensor. Der Magnetsensor detektiert das zu detektierende Magnetfeld und erzeugt einen Detektionswert, der einer relativen Position des Magneten in Bezug auf den Magnetsensor entspricht. Der Magnetsensor umfasst ein magnetoresistives Element und ein Substrat, das das magnetoresistive Element trägt. Das Substrat umfasst eine Hauptfläche mit einer ebenen Oberfläche und einer Schräge schräg zur Hauptfläche.
Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung befindet sich das magnetoresistive Element auf der Schräge. Das magnetoresistive Element enthält eine erste Magnetschicht mit einer ersten Magnetisierung, die sich mit einer Richtung des zu erfassenden Magnetfeldes, das vom magnetoresistiven Element innerhalb einer Bezugsebene parallel zur Schräge empfangen wird, in ihrer Richtung ändern kann. Die relative Position des Magneten in Bezug auf den Magnetsensor kann sich so ändern, dass sich ein vorbestimmter Punkt im Magneten innerhalb eines linearen Bewegungsbereichs bewegt. Der Bewegungsbereich liegt in einer vertikalen Ebene senkrecht zur Hauptoberfläche. Der Magnet wird in einer Richtung parallel zur vertikalen Ebene magnetisiert. Die vertikale Ebene und die Bezugsebene schneiden sich in einem anderen Flächenwinkel als 90°.
Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung schneiden sich die erste Ebene und die zweite Ebene unter einem anderen Flächenwinkel als 90°. Dadurch wird verhindert, dass die Stärke der in der Ebene liegenden Komponente unabhängig von der ersten Richtung innerhalb des variablen Bereichs Null wird, solange ein Magnetfeld zu erfassen ist. Entsprechend der Positionsbestimmungsvorrichtung des ersten Aspekts kann der Detektionswert somit erzeugt werden, während ein Abfall der Detektionsgenauigkeit unterdrückt wird, selbst wenn der Magnetsensor ein magnetoresistives Element enthält, das geeignet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, dessen Richtung sich innerhalb einer vorbestimmten Ebene ändert, und die Richtung des zu erfassenden Magnetfelds sich innerhalb eines variablen Bereichs einschließlich einer Richtung außerhalb der vorbestimmten Ebene ändert.
Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt der Bewegungsbereich in der vertikalen Ebene, der Magnet ist in einer Richtung parallel zur vertikalen Ebene magnetisiert, und die vertikale Ebene und die Bezugsebene schneiden sich unter einem anderen Flächenwinkel als 90°. Dadurch wird verhindert, dass die Stärke einer Komponente eines parallel zur Bezugsebene zu erfassenden Magnetfeldes zu Null wird, solange das zu erfassende Magnetfeld vorhanden ist. Gemäß der Positionsbestimmungsvorrichtung des zweiten Aspekts kann der Detektionswert somit unter Unterdrückung eines Rückgangs der Detektionsgenauigkeit erzeugt werden, selbst wenn der Magnetsensor ein magnetoresistives Element enthält, das geeignet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, dessen Richtung sich innerhalb einer vorbestimmten Ebene ändert, und die Richtung des zu erfassenden Magnetfelds sich innerhalb eines variablen Bereichs einschließlich einer Richtung außerhalb der vorbestimmten Ebene ändert.
Andere und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung ausführlicher dargestellt.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist eine Schnittdarstellung, die die Positionsbestimmungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispielkonfiguration eines Magnetsensors der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist ein Schaltplan, der eine Beispielschaltungskonfiguration des Magnetsensors der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines magnetoresistiven Elements der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung einer Beziehung zwischen einer Magnetposition und einem Magnetfeld, das in der ersten Ausführungsform der Erfindung zu erkennen ist.
7 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung der Beziehung zwischen der Magnetposition und dem Magnetfeld, das in der ersten Ausführungsform der Erfindung zu erkennen ist.
8 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung einer ersten Ebene und einer zweiten Ebene in der ersten Ausführungsform der Erfindung.
9 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung der ersten Ebene und der zweiten Ebene in der ersten Ausführungsform der Erfindung.
10 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung einer ersten Richtung und eines ersten Winkels in der ersten Ausführungsform der Erfindung.
11 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung einer zweiten Richtung und eines zweiten Winkels in der ersten Ausführungsform der Erfindung.
12 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung der zweiten Richtung und des zweiten Winkels in der ersten Ausführungsform der Erfindung.
13 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Ergebnisse einer Simulation veranschaulicht.
14 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Simulationsergebnisse veranschaulicht.
15 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
16 ist eine Schnittdarstellung, die die Positionsbestimmungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
17 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
18 ist eine Schnittdarstellung, die die Positionsbestimmungsvorrichtung nach der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
19 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
20 ist eine Schnittdarstellung, die die Positionsbestimmungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration der haptischen Vorrichtung einschließlich der Positionsbestimmungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
22 ist eine Schnittdarstellung, die den schematischen Aufbau der in 21 gezeigten haptischen Vorrichtung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich beschrieben. Zunächst wird eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung anhand der 1 und 2 skizziert. Wie in den 1 und 2 dargestellt, besteht eine Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform aus einem Magnetfeldgenerator 2, der ein zu erfassendes Magnetfeld erzeugt, und einem Magnetsensor 3. Der Magnetsensor 3 detektiert das zu detektierende Magnetfeld und erzeugt einen Detektionswert θs, der einer relativen Position des Magnetfeldgenerators 2 in Bezug auf den Magnetsensor 3 entspricht. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform der Magnetfeldgenerator 2 ein Magnet. Der Magnet wird im Folgenden auch mit der Kennziffer 2 bezeichnet. Eine Beschreibung des Magneten 2 gilt auch für den Magnetfeldgenerator 2.
Wie später im Detail beschrieben wird, enthält der Magnetsensor 3 mindestens ein magnetoresistives Element (im Folgenden als MR-Element bezeichnet) und ein Substrat, das das mindestens eine MR-Element trägt. Das Substrat umfasst eine Hauptfläche mit einer ebenen Oberfläche und mindestens einer zur Hauptfläche schrägen Schräge.
X-, Y- und Z-Richtungen sind hier wie in 1 und 2 definiert. Die X-, Y- und Z-Richtungen sind zueinander orthogonale Richtungen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Z-Richtung eine Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats in Aufwärtsrichtung, wie in 1 und 2 dargestellt. Die X- und Y-Richtungen sind beide parallel zur Hauptoberfläche des Substrats. Die entgegengesetzten Richtungen zu den X-, Y- und Z-Richtungen sind als -X-, -Y- bzw. -Z-Richtung definiert. Wie nachstehend verwendet, bezieht sich der Begriff „oben“ auf Positionen, die in Z-Richtung vor einer Referenzposition liegen, und „unten“ auf Positionen, die in Bezug auf die Referenzposition den „oben“ liegenden Positionen entgegengesetzt sind. Der Magnet 2 liegt über dem Magnetsensor 3.
Eine relative Position des Magneten 2 in Bezug auf den Magnetsensor 3 kann sich so ändern, dass sich ein vorbestimmter Punkt im Magneten 2 innerhalb eines linearen Bewegungsbereichs RM bewegt. Die relative Position des Magneten 2 in Bezug auf den Magnetsensor 3 wird im Folgenden einfach als Position des Magneten 2 bezeichnet. Der vorbestimmte Punkt im Magneten 2 wird als Positionsreferenzpunkt bezeichnet und mit der Referenznummer 2C bezeichnet. Insbesondere kann sich in der vorliegenden Ausführungsform die Position des Magneten 2 so verändern, dass sich ein Abstand zwischen dem Magnetsensor 3 und dem Magneten 2 ändert. Zum Beispiel kann der Positionsbezugspunkt 2C ein Punkt innerhalb des Magneten 2 sein, wie der Schwerpunkt des Magneten 2, oder ein Punkt auf der Oberfläche des Magneten 2. In der folgenden Beschreibung wird der Schwerpunkt des Magneten 2 als Positionsreferenzpunkt 2C angenommen.
Der Bewegungsbereich RM liegt in einer vertikalen Ebene VP senkrecht zur Hauptfläche. Die vertikale Ebene VP ist in 1 dargestellt. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der vertikalen Ebene VP. Insbesondere in der vorliegenden Darstellung bezieht sich die Vertikalebene VP auf eine YZ-Ebene. Der Bewegungsbereich RM wird durch ein Liniensegment parallel zur Y-Richtung dargestellt. Der Magnet 2 ist in einer Richtung parallel zur Vertikalebene VP magnetisiert. Insbesondere in der vorliegenden Ausführung ist der Magnet 2 in Y-Richtung magnetisiert. In den 1 und 2 gibt der mit der Kennziffer 2M bezeichnete Pfeil die Magnetisierungsrichtung des Magneten 2 an. In 2 stellt die gestrichelte Linie einen Teil eines Magnetflusses dar, der dem zu erfassenden Magnetfeld entspricht.
Das zu detektierende Magnetfeld hat eine erste Richtung an einer Referenzposition innerhalb einer ersten Ebene. Der Magnet 2 und der Magnetsensor 3 sind so konfiguriert, dass, wenn sich die Position des Magneten 2 ändert, sich die erste Richtung innerhalb eines vorgegebenen variablen Bereichs in der ersten Ebene ändert. In der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich die erste Ebene auf eine YZ-Ebene, die den Magneten 2 und den Magnetsensor 3 schneidet. Die erste Ebene kann mit der vertikalen Ebene VP zusammenfallen. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass die erste Ebene mit der Vertikalebene VP zusammenfällt.
Als nächstes wird nun eine Beispielkonfiguration des Magnetsensors 3 anhand der 3 und 4 beschrieben. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Beispielkonfiguration des Magnetsensors 3 zeigt. 4 ist ein Schaltplan, der eine Beispielschaltungskonfiguration des Magnetsensors 3 zeigt. In diesem Beispiel enthält der Magnetsensor 3, wie in 3 dargestellt, vier MR-Elemente R1, R2, R3 und R4 sowie ein Substrat 10, das die vier MR-Elemente R1, R2, R3 und R4 trägt. Das Substrat 10 umfasst einen flach geformten Hauptkörper 10M und vier Vorsprünge 11, 12, 13 und 14. Der Hauptkörper 10M hat eine Oberseite 10Ma und eine Unterseite 10Mb, die ebene Oberflächen sind. Die obere Fläche 10Ma liegt am Ende des Hauptkörpers 10M in Z-Richtung. Die untere Fläche 10Mb liegt am Ende des Hauptkörpers 10M in der -Z-Richtung. Sowohl die obere Fläche 10Ma als auch die untere Fläche 10Mb sind die XY-Ebene und entsprechen der vorhergehenden Hauptfläche.
Die vier Vorsprünge 11, 12, 13 und 14 sind so vorgesehen, dass sie von der oberen Fläche 10Ma nach oben ragen. Jeder der Vorsprünge 11, 12, 13 und 14 weist eine Schräge 11a, 12a, 13a und 14a auf, die schräg zur oberen Fläche 10Ma verläuft, die die Hauptfläche darstellt.
Es wird hier angenommen, dass ein Winkel α größer als 0° und kleiner als 90° ist. Eine von der Z-Richtung in die -X-Richtung um a gedrehte Richtung wird als U-Richtung bezeichnet. Die Richtung, die der U-Richtung entgegengesetzt ist, wird als -U-Richtung bezeichnet. Eine Richtung, die von der Z-Richtung in Richtung der X-Richtung um a gedreht wird, wird als V-Richtung bezeichnet. Die Richtung, die der V-Richtung entgegengesetzt ist, wird als -V-Richtung bezeichnet.
Beide Schrägen 11a und 14a sind Ebenen parallel zur U-Richtung und zur Y-Richtung, d.h. UY-Ebenen. Sowohl die Schrägen 12a und 13a sind Ebenen parallel zur V-Richtung und zur Y-Richtung, d.h. VY-Ebenen.
Die MR-Elemente R1, R2, R3 und R4 befinden sich an den Schrägen 11a, 12a, 13a bzw. 14a. Bei der Beschreibung eines beliebigen der MR-Elemente R1, R2, R3 und R4 wird das MR-Element im Folgenden mit dem Symbol R bezeichnet. Ein MR-Element R enthält eine erste Magnetschicht mit einer ersten Magnetisierung, die sich innerhalb einer entsprechenden zweiten Ebene in der Richtung ändern kann. Das durch das MR-Element R zu detektierende Magnetfeld kann in eine in der Ebene liegende Komponente parallel zur zweiten Ebene und in eine senkrecht zur zweiten Ebene stehende Komponente geteilt werden. Die vorgenannten ersten und zweiten Ebenen schneiden sich unter einem anderen Flächenwinkel als 90°. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Flächenwinkel durch das vorstehende Symbol a dargestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Ebene auch als Bezugsebene bezeichnet. Für jedes der jeweiligen MR-Elemente R gibt es eine Referenzebene. Bezogen auf die Referenzebene kann man sagen, dass die erste Magnetschicht eines MR-Elements R eine erste Magnetisierung aufweist, die sich innerhalb der dem MR-Element R entsprechenden Referenzebene in der Richtung ändern kann. Die vorstehende vertikale Ebene VP und die Referenzebene schneiden sich unter einem Flächenwinkel a.
Das MR-Element R kann ein Spinventil-MR-Element oder ein anisotropes MR-Element sein Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform ist das MR-Element R ein Spinventil-MR-Element. In diesem Fall enthält das MR-Element R eine zweite Magnetschicht und eine Spaltschicht neben der vorhergehenden ersten Magnetschicht. Die zweite Magnetschicht hat eine zweite Magnetisierung in einer Richtung parallel zur zweiten Ebene, die jedem der MR-Elemente R entspricht. Die Spaltschicht befindet sich zwischen der ersten und der zweiten Magnetschicht. Die Richtung der zweiten Magnetisierung ändert sich nicht. Das MR-Element mit Spin-Ventil kann ein magnetoresistives Tunnelelement (TMR-Element) oder ein magnetoresistives Riesenelement (GMR-Element) sein. Bei dem TMR-Element ist die Spaltschicht eine Tunnelbarriereschicht. Beim GMR-Element ist die Spaltschicht eine nichtmagnetische leitende Schicht. Der Widerstand des MR-Elements R ändert sich mit einem Winkel, den die Richtung der ersten Magnetisierung der ersten Magnetschicht in Bezug auf die Richtung der zweiten Magnetisierung der zweiten Magnetschicht bildet. Der Widerstand wird minimiert, wenn der Winkel 0° beträgt. Der Widerstand wird maximiert, wenn der Winkel 180° beträgt. In 3 und 4 zeigt der dicke Pfeil die Richtung der zweiten Magnetisierung an.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Richtungen der zweiten Magnetisierung in den MR-Elementen R1 und R4 die -U-Richtung. Die Richtungen der zweiten Magnetisierung in den MR-Elementen R2 und R3 sind die V-Richtung. Unter dem Gesichtspunkt der Herstellungsgenauigkeit des MR-Elements R können die Richtungen der zweiten Magnetisierung leicht von der vorgenannten Richtung abweichen.
Die zweite Ebene, die dem MR-Element R1 entspricht, ist parallel zur Schräge 11a, auf der sich das MR-Element R1 befindet. Die zweite Ebene, die dem MR-Element R2 entspricht, ist parallel zu der Schräge 12a, auf der sich das MR-Element R2 befindet. Die zweite Ebene, die dem MR-Element R3 entspricht, ist parallel zu der Schräge 13a, auf der sich das MR-Element R3 befindet. Die zweite Ebene, die dem MR-Element R4 entspricht, ist parallel zu der Schräge 14a, auf der sich das MR-Element R4 befindet. Eine Beziehung zwischen den zweiten Ebenen, die den jeweiligen MR-Elementen R1, R2, R3 und R4 entsprechen, und der ersten Ebene wird später ausführlicher beschrieben.
Das Substrat 10 kann anstelle der vier Vorsprünge 11, 12, 13 und 14 vier Rillen in der oberen Oberfläche 10Ma enthalten. Die vier Rillen umfassen die entsprechenden Schrägen 11a, 12a, 13a und 14a.
Wie in 4 dargestellt, enthält der Magnetsensor 3 außerdem einen Stromversorgungsknoten VI, einen Masseknoten G, einen ersten Signalausgangsknoten E1 und einen zweiten Signalausgangsknoten E2. Das MR-Element R1 und das MR-Element R2 sind über den ersten Signalausgangsknoten E1 in Reihe geschaltet. Das MR-Element R1 ist zwischen dem Stromversorgungsknoten VI und dem ersten Signalausgangsknoten E1 angeordnet. Das MR-Element R2 ist zwischen dem ersten Signalausgangsknoten E1 und dem Masseknoten G angeordnet. Das MR-Element R3 und das MR-Element R4 sind über den zweiten Signalausgangsknoten E2 in Reihe geschaltet. Das MR-Element R3 ist zwischen dem Stromversorgungsknoten VI und dem zweiten Signalausgangsknoten E2 angeordnet. Das MR-Element R4 ist zwischen dem zweiten Signalausgangsknoten E2 und dem Masseknoten G angeordnet. Am Stromversorgungsknoten V1 wird eine Versorgungsspannung vorgegebener Größe angelegt. Der Masseknoten G ist geerdet.
Der Magnetsensor 3 enthält außerdem einen Differentialdetektor 21 und eine Detektionswerterzeugungseinheit 22. Der Differentialdetektor 21 gibt ein Detektionssignal S1 aus, das einer Potentialdifferenz zwischen den Signalausgangsknoten E1 und E2 entspricht. Die Detektionswerterzeugungseinheit 22 erzeugt den Detektionswert θs auf der Grundlage des Detektionssignals S1. Die Detektionswerterzeugungseinheit 22 enthält z.B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder einen Mikrocomputer.
Ein Beispiel für die Konfiguration des MR-Elements R wird nun anhand von 5 beschrieben. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil des MR-Elements R zeigt. In diesem Beispiel enthält das MR-Element R eine Vielzahl von unteren Elektroden 41, eine Vielzahl von MR-Filmen 50 und eine Vielzahl von oberen Elektroden 42. Die Vielzahl der unteren Elektroden 41 befinden sich auf der Schräge, auf der sich das MR-Element R befindet. Jede der unteren Elektroden 41 hat eine lange, schlanke Form. Jeweils zwei untere Elektroden 41, die in Längsrichtung der unteren Elektroden 41 nebeneinander liegen, haben einen Spalt dazwischen. Wie in 5 dargestellt, sind auf den Oberseiten der unteren Elektroden 41 in der Nähe der gegenüberliegenden Enden in Längsrichtung MR-Filme 50 vorgesehen. Jeder der MR-Filme 50 enthält eine erste Magnetschicht 51, eine Spaltschicht 52, eine zweite Magnetschicht 53 und eine antiferromagnetische Schicht 54, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei die erste Magnetschicht 51 der unteren Elektrode 41 am nächsten liegt. Die erste Magnetschicht 51 ist elektrisch mit der unteren Elektrode 41 verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 54 ist aus einem antiferromagnetischen Material gebildet. Die antiferromagnetische Schicht 54 steht in Austauschkopplung mit der zweiten Magnetschicht 53, um die Magnetisierungsrichtung der zweiten Magnetschicht 53 festzulegen. Die Vielzahl der oberen Elektroden 42 ist über der Vielzahl der MR-Filme 50 angeordnet. Jede der oberen Elektroden 42 hat eine lange, schlanke Form und stellt eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen antiferromagnetischen Schichten 54 von zwei benachbarten MR-Filmen 50 her, die auf zwei unteren Elektroden 41 angeordnet sind, die in Längsrichtung der unteren Elektroden 41 benachbart sind. Bei einer solchen Konfiguration sind die mehreren MR-Filme 50 in dem in 5 gezeigten MR-Element R durch die mehreren unteren Elektroden 41 und die mehreren oberen Elektroden 42 in Reihe geschaltet. Es ist zu beachten, dass die Schichten 51 bis 54 der MR-Filme 50 in umgekehrter Reihenfolge wie in 5 gestapelt werden können.
Als nächstes wird die Beziehung zwischen der Position des Magneten 2 und dem zu detektierenden Magnetfeld anhand der 2, 6 und 7 beschrieben In der folgenden Beschreibung wird die Position des Magneten 2 durch die Position des Positionsreferenzpunktes 2C dargestellt. In einem solchen Fall kann der Bewegungsbereich RM als der Bewegungsbereich der Position des Magneten 2 bezeichnet werden. 2 zeigt einen Zustand, in dem der Magnet 2 in der Mitte des Bewegungsbereichs RM liegt. 6 zeigt einen Zustand, in dem der Magnet 2 am Ende in der -Y-Richtung des Bewegungsbereichs RM liegt. 7 zeigt einen Zustand, in dem der Magnet 2 am Ende in der Y-Richtung des Bewegungsbereichs RM liegt.
Die Referenzposition in der ersten Ebene wird im Folgenden mit dem Symbol P0 und das an der Referenzposition P0 zu detektierende Magnetfeld mit dem Symbol H bezeichnet. Wie in 2 dargestellt, fällt in der vorliegenden Ausführungsform der Mittelpunkt im Bewegungsbereich RM auf eine virtuelle Linie L1, die durch die Referenzposition P0 verläuft und parallel zur Z-Richtung verläuft.
Wie in den 2, 6 und 7 gezeigt, kann das zu detektierende Magnetfeld H in eine erste Komponente Hz in einer Richtung parallel zur Z-Richtung und eine zweite Komponente Hy in einer Richtung parallel zur Y-Richtung unterteilt werden. In dem in 2 dargestellten Zustand ist die erste Komponente Hz gleich 0 und die zweite Komponente Hy ist gleich dem zu erfassenden Magnetfeld H. Mit der Änderung der Position des Magneten 2 ändert sich die Richtung des zu erfassenden Magnetfeldes H, d.h. die erste Richtung. Die erste Richtung wird im Folgenden mit dem Symbol D1 bezeichnet. Ein Winkel, den die erste Richtung D1 in Bezug auf eine vorbestimmte Bezugsrichtung bildet, wird als erster Winkel bezeichnet und mit dem Symbol θ1 gekennzeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Bezugsrichtung die Z-Richtung. Der erste Winkel θ1 wird in positiven Werten ausgedrückt, wenn er in einer Drehrichtung von der Z-Richtung zur Y-Richtung gesehen wird, und in negativen Werten ausgedrückt, wenn er in einer Drehrichtung von der Z-Richtung zur -Y-Richtung gesehen wird. Wenn sich die Position des Magneten 2 ändert, ändert sich der erste Winkel θ1. Der erste Winkel θ1 hat also eine Korrelation mit der Position des Magneten 2.
Als nächstes wird die Beziehung zwischen den zweiten Ebenen, die den jeweiligen MR-Elementen R1, R2, R3 und R4 entsprechen, und der ersten Ebene unter Bezugnahme auf die 8 bis 12 beschrieben. Die erste Ebene wird im Folgenden mit dem Symbol PL1 bezeichnet. Die zweiten Ebenen, die den MR-Elementen R1 und R4 entsprechen, werden beide mit dem Symbol PL21 bezeichnet. Die zweiten Ebenen, die den MR-Elementen R2 und R3 entsprechen, werden beide mit dem Symbol PL22 bezeichnet. 8 zeigt die erste Ebene PL1 und eine zweite Ebene PL21. 9 zeigt die erste Ebene PL1 und eine zweite Ebene PL22. Der Einfachheit halber sind in 8 und 9 die zweiten Ebenen PL21 und PL22 so dargestellt, dass sie die Referenzposition P0 passieren. Die zweiten Ebenen PL21 und PL22 laufen jedoch nicht unbedingt über die Referenzposition P0. In den 8 und 9 stellt eine mit dem Symbol PL3 bezeichnete Ebene eine XY-Ebene dar, die die Bezugsposition P0 passiert. Diese Ebene wird im Folgenden als dritte Ebene bezeichnet.
Die MR-Elemente R1, R2, R3 und R4 befinden sich in einem Bereich, in dem in Abhängigkeit von den Positionen, an denen die Mehrzahl der MR-Elemente das zu detektierende Magnetfeld empfängt, kein wesentlicher Unterschied in der Richtung des zu detektierenden Magnetfeldes auftritt. Die Richtungen des zu erfassenden Magnetfeldes, das von den MR-Elementen R1, R2, R3 und R4 empfangen wird, sind also im Wesentlichen gleich der Richtung des zu erfassenden Magnetfeldes H an der Referenzposition P0, d.h. der ersten Richtung D1.
Wenn sich die Position des Magneten 2 innerhalb des Bewegungsbereichs RM ändert, ändert sich die erste Richtung D1 innerhalb eines vorgegebenen variablen Bereichs in der ersten Ebene PL1. In den 8 und 9 stellt der mit dem Symbol D1 gekennzeichnete Pfeil die erste Richtung D1 und die Stärke des zu erfassenden Magnetfeldes H an der Bezugsposition P0 dar. Das Ende des mit dem Symbol D1 gekennzeichneten Pfeils bewegt sich entlang eines mit dem Symbol C1 gekennzeichneten Kreises. In der vorliegenden Ausführungsform ist der variable Bereich der ersten Richtung D1 180° oder kleiner. Der variable Bereich des ersten Winkels θ1 reicht von -180° bis maximal 0°.
Wie in 8 dargestellt, ist die zweite Ebene PL21 eine Ebene parallel zur U- und Y-Richtung, d.h. eine UY-Ebene. Die zweite Ebene PL21 ist sowohl zur ersten Ebene PL1 als auch zur dritten Ebene PL3 schräg. Die erste Ebene PL1 und die zweite Ebene PL21 schneiden sich unter einem anderen Flächenwinkel α als 90°. Die zweite Ebene PL21 ist eine Ebene, die durch Drehen der XY-Ebene um eine Achse in Y-Richtung um einen Winkel von 90° - a erhalten wird.
In der vorliegenden Ausführungsform fällt die erste Ebene PL1 mit der in 1 gezeigten vertikalen Ebene VP zusammen. Die zweite Ebene PL21 stellt die Bezugsebene dar, die jedem der MR-Elemente R1 und R4 entspricht. Im Folgenden wird eine Bezugsebene durch das Symbol RP bezeichnet. Wie in 8 dargestellt, schneiden sich die Vertikalebene VP und die Bezugsebene RP, die jedem der MR-Elemente R1 und R4 entsprechen, unter einem Flächenwinkel a.
Die in der Ebene liegende Komponente auf der zweiten Ebene PL21 hat eine zweite Richtung D21, die sich mit einer Änderung in der ersten Richtung D1 ändert. In 8 stellt der mit dem Symbol D21 gekennzeichnete Pfeil die zweite Richtung D21 und die Stärke des in der Ebene liegenden Bauteils auf der zweiten Ebene PL21 dar. Das Ende des mit dem Symbol D21 gekennzeichneten Pfeils bewegt sich entlang einer Ellipse, die mit dem Symbol C21 gekennzeichnet ist. Die zweite Richtung D21 und die Ellipse C21 sind jeweils orthogonale Projektionen der ersten Richtung D1 und des Kreises C1 auf die zweite Ebene PL21.
Wie in 9 dargestellt, ist die zweite Ebene PL22 eine Ebene parallel zur V-Richtung und zur Y-Richtung, d.h. eine VY-Ebene. Die zweite Ebene PL22 ist sowohl zur ersten Ebene PL1 als auch zur dritten Ebene PL3 schräg. Die erste Ebene PL1 und die zweite Ebene PL22 schneiden sich unter einem anderen Flächenwinkel α als 90°. Die zweite Ebene PL22 ist eine Ebene, die durch Drehen der XY-Ebene um eine Achse in Y-Richtung um einen Winkel von 90° - a erhalten wird. Die zweite Ebene PL22 ist symmetrisch mit der zweiten Ebene PL21 um die YZ-Ebene.
In der vorliegenden Ausführungsform stellt die zweite Ebene PL22 die Referenzebene RP dar, die jedem der MR-Elemente R2 und R3 entspricht. Wie in 9 dargestellt, schneiden sich die vertikale Ebene VP und die Bezugsebene RP, die jedem der MR-Elemente R2 und R3 entspricht, unter einem Flächenwinkel a.
Die in der Ebene liegende Komponente auf der zweiten Ebene PL22 hat eine zweite Richtung D22, die sich mit einer Änderung in der ersten Richtung D1 ändert. In 9 stellt der mit dem Symbol D22 gekennzeichnete Pfeil die zweite Richtung D22 und die Stärke des in der Ebene liegenden Bauteils auf der zweiten Ebene PL22 dar. Das Ende des mit dem Symbol D22 gekennzeichneten Pfeils bewegt sich entlang einer Ellipse, die mit dem Symbol C22 gekennzeichnet ist. Die zweite Richtung D22 und die Ellipse C22 sind jeweils orthogonale Projektionen der ersten Richtung D1 und des Kreises C1 auf die zweite Ebene PL22.
Ein Winkel θ21, den die zweite Richtung D21 in Bezug auf die U-Richtung bildet, ist gleich einem Winkel θ22, den die zweite Richtung D22 in Bezug auf die V-Richtung bildet Sowohl der Winkel θ21 als auch der Winkel θ22 werden im Folgenden als zweiter Winkel bezeichnet.
10 zeigt die erste Richtung D1, den ersten Winkel θ1 und den Kreis C1. 11 zeigt die zweite Richtung D21, den zweiten Winkel θ21 und die Ellipse C21. 12 zeigt die zweite Richtung D22, den zweiten Winkel θ22 und die Ellipse C22.
Der zweite Winkel θ21 wird in positiven Werten ausgedrückt, wenn er in einer Drehrichtung von der U-Richtung zur Y-Richtung gesehen wird, und in negativen Werten, wenn er in einer Drehrichtung von der U-Richtung zur -Y-Richtung gesehen wird. Der zweite Winkel θ22 wird in positiven Werten ausgedrückt, wenn er in einer Drehrichtung von der V-Richtung zur Y-Richtung gesehen wird, und in negativen Werten ausgedrückt, wenn er in einer Drehrichtung von der V-Richtung zur -Y-Richtung gesehen wird. Die zweiten Winkel θ21 und θ22 haben eine Korrelation mit dem ersten Winkel θ1. In der vorliegenden Ausführungsform ist der variable Bereich der zweiten Richtungen D21 und D22 180° oder weniger groß. Der variable Bereich der zweiten Winkel θ21 und θ22 reicht von -180° bis maximal 0°.
Wenn der erste Winkel θ1 -180°ist, sind die zweiten Winkel θ21 und θ22 ebenfalls -180°. Wenn der erste Winkel θ1 gleich -90° ist, sind die zweiten Winkel θ21 und θ22 ebenfalls -90°. Ist der erste Winkel θ1 gleich 0°, so sind die zweiten Winkel θ21 und θ22 ebenfalls 0°.
Als nächstes wird eine Beziehung zwischen dem ersten Winkel θ1, den zweiten Winkeln θ21 und θ22 und dem Detektionssignal S1 beschrieben. Die Richtungen der ersten Magnetisierung in den ersten Magnetschichten der jeweiligen MR-Elemente R1 und R4 ändern sich mit einer Änderung in der zweiten Richtung D21, d.h. mit einer Änderung des zweiten Winkels θ21. Die Widerstände der jeweiligen MR-Elemente R1 und R4 hängen von den Richtungen der ersten Magnetisierung ab. Die Widerstände der jeweiligen MR-Elemente R1 und R4 ändern sich also mit einer Änderung des zweiten Winkels θ21. Die Widerstände der MR-Elemente R1 und R4 hängen also von den Richtungen der ersten Magnetisierung in den ersten Magnetschichten der jeweiligen MR-Elemente R1 und R4 und vom zweiten Winkel θ21 ab.
Die Richtungen der ersten Magnetisierung in den ersten Magnetschichten der jeweiligen MR-Elemente R2 und R3 ändern sich mit einer Änderung in der zweiten Richtung D22, d.h. mit einer Änderung des zweiten Winkels θ22. Die Widerstände der jeweiligen MR-Elemente R2 und R3 hängen von den Richtungen der ersten Magnetisierung ab. Die Widerstände der jeweiligen MR-Elemente R2 und R3 ändern sich also mit einer Änderung des zweiten Winkels θ22. Die Widerstände der jeweiligen MR-Elemente R2 und R3 hängen also von den Richtungen der ersten Magnetisierung in den ersten Magnetschichten der jeweiligen MR-Elemente R2 und R3 und dem zweiten Winkel θ22 ab.
Bei dem in 3 und 4 gezeigten Magnetsensor 3 werden die Widerstände der MR-Elemente R1 und R4 minimiert und die Widerstände der MR-Elemente R2 und R3 maximiert, wenn die zweiten Winkel θ21 und θ22 -180°betragen. Die Widerstände der MR-Elemente R1 und R4 werden maximiert und die Widerstände der MR-Elemente R2 und R3 minimiert, wenn die zweiten Winkel θ21 und θ22 0° sind.
Wie oben beschrieben, haben die zweiten Winkel θ21 und θ22 eine Korrelation mit dem ersten Winkel θ1. Die Widerstände der MR-Elemente R1, R2, R3 und R4 hängen daher auch vom ersten Winkel θ1 ab.
Das Detektionssignal S1 entspricht der Potentialdifferenz zwischen den Signalausgangsknoten E1 und E2. Das Potential des Signalausgangsknotens E1 hängt von den Widerständen der MR-Elemente R1 und R2 ab. Das Potential des Signalausgangsknotens E2 hängt von den Widerständen der MR-Elemente R3 und R4 ab. Das Detektionssignal S1 hängt also von den Widerständen der MR-Elemente R1, R2, R3 und R4 ab.
Folglich hängt das Detektionssignal S1 von den Richtungen der ersten Magnetisierung in den ersten Magnetschichten der jeweiligen MR-Elemente R1, R2, R3 und R4, dem ersten Winkel θ1 und den zweiten Winkeln θ21 und θ22 ab.
Die Konfiguration des Magnetsensors 3 ist nicht auf die in 3 und 4 gezeigte beschränkt. Zum Beispiel kann der Magnetsensor 3 die MR-Elemente R1 und R2 ohne die MR-Elemente R3 und R4 enthalten. In einem solchen Fall kann ein Signal, das dem Potential des Signalausgangsknotens E1 entspricht, als Detektionssignal S1 verwendet werden. Das Detektionssignal S1 hängt hier auch von den Richtungen der ersten Magnetisierung, dem ersten Winkel θ1 und den zweiten Winkeln θ21 und θ22 ab.
Der Magnetsensor 3 kann anstelle des MR-Elements R1 einen Widerstand mit einem konstanten Widerstand enthalten, ohne die MR-Elemente R3 und R4. Auch in einem solchen Fall kann ein Signal, das dem Potential des Signalausgangsknotens E1 entspricht, als Detektionssignal S1 verwendet werden. Das Detektionssignal S1 hängt auch hier von den Richtungen der ersten Magnetisierung, dem ersten Winkel θ1 und den zweiten Winkeln θ21 und θ22 ab.
Als nächstes wird der Detektionswert θs beschrieben, der von der Detektionswerterzeugungseinheit 22 erzeugt wird Der Detektionswert θs hängt vom Detektionssignal S1 ab. Wie oben beschrieben, hängt das Detektionssignal S1 von den Richtungen der ersten Magnetisierung, dem ersten Winkel θ1 und den zweiten Winkeln θ21 und θ22 ab. Der Detektionswert θs hängt also von den Richtungen der ersten Magnetisierung, dem ersten Winkel θ1 und den zweiten Winkeln θ21 und θ22 ab.
Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform der Detektionswert θs ein Wert, der den ersten Winkel θ1 angibt. Wie oben beschrieben, hat der erste Winkel θ1 eine Korrelation mit der Position des Magneten 2. Der Detektionswert θs entspricht also der Position des Magneten 2. Das Detektionssignal θs kann ein Wert sein, der die Position des Magneten 2 selbst angibt, oder ein Wert, der den zweiten Winkel θ21 oder θ22 angibt. Wie oben beschrieben, haben die zweiten Winkel θ21 und θ22 eine Korrelation mit dem ersten Winkel θ1, und der erste Winkel θ1 hat eine Korrelation mit der Position des Magneten 2. Die zweiten Winkel θ21 und θ22 korrelieren also mit der Position des Magneten 2, und der Detektionswert θs, der den zweiten Winkel θ21 oder θ22 angibt, korreliert ebenfalls mit der Position des Magneten 2.
Die Methode zur Erzeugung des Detektionswertes θs wird im Folgenden genauer beschrieben. Zunächst wird die Methode zur Erzeugung des Detektionswertes θs skizziert. Der in 10 gezeigte Pfeil, der die erste Richtung D1 anzeigt, stellt einen Vektor dar, der die Richtung und Stärke des zu detektierenden Magnetfeldes repräsentiert, das vom MR-Element R im YZ-Koordinatensystem mit der Referenzposition P0 als Ursprung empfangen wird. Ein solcher Vektor wird im Folgenden als ein erster Vektor D1 bezeichnet. Die Y-Komponente und die Z-Komponente des ersten Vektors D1 werden mit Y1 bzw. Z1 bezeichnet.
Der Pfeil, der die in 11 gezeigte zweite Richtung D21 anzeigt, stellt einen Vektor dar, der die Richtung und Stärke der in der Ebene liegenden Komponente repräsentiert, die von jedem der MR-Elemente R1 und R4 im YU-Koordinatensystem mit der Referenzposition P0 als Ursprung empfangen wird. Ein solcher Vektor wird im Folgenden als zweiter Vektor D21 bezeichnet. Der zweite Vektor D21 ist eine orthogonale Projektion des ersten Vektors D1 auf die zweite Ebene PL21. Die Y-Komponente des zweiten Vektors D21 hat den gleichen Wert wie die Y-Komponente des ersten Vektors D1, d.h. Y1. Die Y- und U-Komponente des zweiten Vektors D21 werden im Folgenden mit Y1 bzw. U1 bezeichnet.
Der Pfeil, der die zweite Richtung D22 in 12 anzeigt, stellt einen Vektor dar, der die Richtung und Stärke der in der Ebene liegenden Komponente repräsentiert, die von jedem der MR-Elemente R2 und R3 im YV-Koordinatensystem mit der Referenzposition P0 als Ursprung empfangen wird. Ein solcher Vektor wird im Folgenden als zweiter Vektor D22 bezeichnet. Der zweite Vektor D22 ist eine orthogonale Projektion des ersten Vektors D1 auf die zweite Ebene PL22. Die Y-Komponente des zweiten Vektors D22 hat den gleichen Wert wie die Y-Komponente des ersten Vektors D1, d.h. Y1. Die Y- und U-Komponenten des zweiten Vektors D22 werden im Folgenden mit Y1 bzw. V1 bezeichnet.
Z1 kann durch die Verwendung von U1 und des Flächenwinkels a ausgedrückt werden. Das Verhältnis Y1/Z1 kann also durch das Verhältnis Y1/U1 und den Flächenwinkel a ausgedrückt werden. Das Verhältnis Y1/V1 ist gleich dem Verhältnis Y1/U1. Eine Gleichung, die eine Beziehung zwischen dem ersten Winkel θ1 und dem zweiten Winkel θ21 darstellt, kann durch Verwendung einer Beziehung zwischen dem Verhältnis Y1/Z1 und dem ersten Winkel θ1, einer Beziehung zwischen dem Verhältnis Y1/U1 und dem zweiten Winkel θ21 und einer Beziehung zwischen dem Verhältnis Y1/Z1 und dem Verhältnis Y1/U1 erhalten werden.
Ein Wert θ2s, der den zweiten Winkel θ21 darstellt, kann unter Verwendung des ersten Detektionssignals S1 bestimmt werden. In der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Detektionswerterzeugungseinheit 22 den Detektionswert θs, indem sie θ2s bestimmt und θ2s in die Gleichung einsetzt, die die Beziehung zwischen dem ersten Winkel θ1 und dem zweiten Winkel θ21 darstellt.
Als nächstes wird eine spezifische Methode zur Berechnung des Detektionswertes θs beschrieben Das Verhältnis Y1/Z1 und das Verhältnis Y1/U1 werden durch die folgenden Gl. (1) bzw. (2) dargestellt: $Y1/Z1 = tan θ 1,$
und $Y1/U1 = tan θ2 1.$
Z1 wird durch die folgende Gleichung (3) dargestellt: $Z1 = U1/cos α .$
Die Transformation von Gl. (1) und die Ersetzung der Gl. (2) und (3) in die transformierte Gleichung ergibt die folgende Gl. (4): $\begin{matrix} θ 1 = atan (Y1/Z1) \\ = atan (Y1/ (U1/cos α)) \\ = atan (cos α \cdot Y1/U1) \\ = atan (cos α \cdot tan θ 21) . \end{matrix}$
Gl. (4) stellt die Beziehung zwischen dem ersten Winkel θ1 und dem zweiten Winkel θ21 dar. Das Symbol „atan“ stellt den Arkustangens dar.
Bei dem in 3 und 4 gezeigten Magnetsensor 3 ist das Detektionssignal S1 maximiert, wenn die zweiten Winkel θ21 und θ22 -180° betragen. Das Detektionssignal S1 wird minimiert, wenn die zweiten Winkel θ21 und θ22 0° sind.
Das Detektionssignal S1 kann so normiert werden, dass das Detektionssignal S1 einen Wert von 1 hat, wenn der zweite Winkel θ21 -180° ist, einen Wert von 0, wenn der zweite Winkel θ21 -90° ist, und einen Wert von -1, wenn der zweite Winkel θ21 0° ist. In einem solchen Fall kann das Detektionssignal S1 durch die folgende Gl. (5) dargestellt werden: $S1 = - cos θ 21.$
Nun werden ein erstes und ein zweites Beispiel beschrieben, bei denen der erste Winkel θ1 unterschiedliche variable Bereiche aufweist. Im ersten Beispiel liegt der variable Bereich des ersten Winkels θ1 zwischen -180° und 0°. Im zweiten Beispiel ist der Variablenbereich größer als -180° und kleiner als 0°.
Sowohl im ersten als auch im zweiten Beispiel berechnet die Detektionswerterzeugungseinheit 22 den Wert θ2s durch die folgende Gleichung (69): $θ 2 s = acos (- S1) .$
Im ersten Beispiel liegt der Bereich des Wertes θ2s zwischen -180° und 0°. Im zweiten Beispiel ist der Bereich des Wertes θ2s größer als -180° und kleiner als 0°. Gl. (6) erhält man, indem man in Gl. (5) θ21 durch θ2s ersetzt und die Resultierende transformiert. Das Symbol „acos“ steht für das Arccosin.
Im ersten Beispiel berechnet die Detektionswerterzeugungseinheit 22 den Detektionswert θs durch die folgende Gl. (7) unter Ausschluss der später zu beschreibenden Ausnahmen: $θ s = atan (cos α \cdot tan θ 2 s) .$
Der Bereich des Detektionswertes θs liegt zwischen -180° und 0°. Gl. (7) erhält man, indem man in Gl. (4) θ1 und θ21 durch θs bzw. θ2s ersetzt und die Resultierende transformiert.
Die vorstehenden Ausnahmen beziehen sich auf Situationen, in denen der Wert θ2s -180° oder 0°ist. Wenn der Wert θ2s -180° oder 0°ist, hat θs in Gl. (7) zwei Lösungen, -180° oder 0°. Die Detektionswerterzeugungseinheit 22 verwendet dann einfach den Wert θ2s selbst als Detektionswert θs, wenn der Wert θ2s -180° oder 0° ist. Eine solche Ausnahmebehandlung nutzt die Tatsache, dass, wenn der erste Winkel θ1 -180° ist, die zweiten Winkel θ21 und θ22 ebenfalls -180°sind, und wenn der erste Winkel θ1 0° ist, die zweiten Winkel θ21 und θ22 ebenfalls 0°sind.
Im zweiten Beispiel gibt es keine solche Ausnahme, und die Detektionswerterzeugungseinheit 22 berechnet den Detektionswert θs immer nach Gl. (7).
Der Verarbeitungsinhalt der Detektionswerterzeugungseinheit 22 ist nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann die Detektionswerterzeugungseinheit 22 eine Tabelle behalten, die die Entsprechung zwischen dem Detektionssignal S1 und dem Detektionswert θs angibt, und den Detektionswert θs aus dem Detektionssignal S1 unter Bezugnahme auf die Tabelle generieren. Die Entsprechung zwischen dem Detektionssignal S1 und dem Detektionswert θs in der vorstehenden Tabelle kann theoretisch, wie oben beschrieben, oder experimentell bestimmt werden.
Als nächstes werden die Funktionsweise und Wirkung der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Der Magnetsensor 3 der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 enthält mindestens ein MR-Element R. Jedes MR-Element R enthält die erste Magnetschicht mit der ersten Magnetisierung, die sich innerhalb einer vorgegebenen Ebene in ihrer Richtung ändern kann, nämlich die zweite Ebene PL21 oder PL22. Jedes MR-Element R ist somit geeignet, das Magnetfeld zu erfassen, das innerhalb der vorbestimmten Ebene, d.h. der zweiten Ebene PL21 oder PL22, seine Richtung ändern kann.
Währenddessen hat das zu erfassende Magnetfeld, das durch den Magneten 2 erzeugt wird, die erste Richtung D1 an der Referenzposition P0 in der ersten Ebene PL1 (YZ-Ebene). Wenn sich die Position des Magneten 2 ändert, ändert sich die erste Richtung D1 innerhalb eines vorbestimmten variablen Bereiches in der ersten Ebene PL1 (YZ-Ebene). Mit anderen Worten, wenn sich die Position des Magneten 2 ändert, ändert sich die erste Richtung D1 innerhalb eines variablen Bereichs einschließlich einer Richtung außerhalb der vorhergehenden vorbestimmten Ebene. Nach der vorliegenden Ausführungsform kann der der Position des Magneten 2 entsprechende Detektionswert θs unter Unterdrückung eines Abfalls der Detektionsgenauigkeit auch dann erzeugt werden, wenn der Magnetsensor 3 die MR-Elemente R enthält, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erfassen, dessen Richtung sich innerhalb einer vorbestimmten Ebene ändert, und sich die Richtung des an der Bezugsposition P0 zu erfassenden Magnetfeldes innerhalb eines variablen Bereichs einschließlich einer Richtung außerhalb der vorbestimmten Ebene in der folgenden Weise ändert.
In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich jedes MR-Element R auf der Schräge des Substrats 10, und die zweite Ebene PL21 oder PL22, die jedem MR-Element R entspricht, ist so geneigt, dass sie mit der ersten Ebene PL1 einen Flächenwinkel a bildet. Jedes MR-Element R kann somit die in der Ebene liegende Komponente detektieren, die eine Komponente des zu detektierenden Magnetfeldes ist. Die zweiten Richtungen D21 und D22, die die Richtungen der in der Ebene liegenden Komponente sind, ändern sich mit einer Änderung in der ersten Richtung D1, die die Richtung des an der Referenzposition P0 zu erfassenden Magnetfeldes ist. Die erste Richtung D1 ändert sich mit einer Änderung der Position des Magneten 2. Daher ändern sich auch die zweiten Richtungen D21 und D22 mit der Änderung der Position des Magneten 2.
In jedem MR-Element R ändert sich die Richtung der ersten Magnetisierung mit einem Wechsel in die zweite Richtung D21 oder D22. Der Detektionswert θs hängt von der Richtung der ersten Magnetisierung ab. Folglich hängt der Detektionswert θs von der ersten Richtung D1 und den zweiten Richtungen D21 und D22 ab und entspricht der Position des Magneten 2.
Wenn nun die zweite Ebene eine Ebene senkrecht zur ersten Ebene PL1 ist, kann die Festigkeit der in der Ebene liegenden Komponente einen Wert von 0 oder nahe 0 haben, abhängig von der ersten Richtung D1. Ein Beispiel für den Fall, dass die zweite Ebene rechtwinklig zur ersten Ebene PL1 liegt, ist, wenn die zweite Ebene eine Ebene ist, die durch Drehen der XY-Ebene um eine Achse in X-Richtung um einen Winkel größer als 0° und kleiner als 90°erhalten wird. In diesem Fall hat die Stärke der in der Ebene liegenden Komponente einen Wert von 0, wenn die erste Richtung D1 senkrecht zur zweiten Ebene steht, und einen Wert nahe 0, wenn die erste Richtung D1 fast senkrecht zur zweiten Ebene steht. Wenn die Stärke der in der Ebene liegenden Komponente einen Wert von 0 oder nahe 0 hat, nimmt die Detektionsgenauigkeit des Magnetsensors 3 in Bezug auf Schwankungen in der Stärke des zu erfassenden Magnetfeldes stark ab.
In der vorliegenden Ausführungsform schneidet jede der zweiten Ebenen PL21 und PL22 die erste Ebene PL1 unter einem anderen Flächenwinkel α als 90°. Dadurch wird verhindert, dass die Stärke der in der Ebene liegenden Komponente unabhängig von der ersten Richtung D1 innerhalb des variablen Bereichs Null wird, solange ein Magnetfeld zu erfassen ist. Gemäß der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform kann der der Position des Magneten 2 entsprechende Detektionswert θs erzeugt werden, während ein Abfall der Detektionsgenauigkeit unterdrückt wird, selbst wenn der Magnetsensor 3 die MR-Elemente R enthält, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erfassen, dessen Richtung sich innerhalb einer vorbestimmten Ebene ändert, und sich die Richtung des an der Bezugsposition P0 zu erfassenden Magnetfeldes innerhalb des variablen Bereichs einschließlich der Richtung außerhalb der vorbestimmten Ebene ändert.
In der vorliegenden Ausführungsform kann sich die Position des Magneten 2 ändern, um sich innerhalb des linearen Bewegungsbereichs RM zu bewegen: Der Bewegungsbereich RM liegt in der vertikalen Ebene VP senkrecht zur Hauptfläche. Der Magnet 2 ist in einer Richtung parallel zur Vertikalebene VP magnetisiert. Die Vertikalebene VP und die Bezugsebene RP jedes MR-Elements R schneiden sich unter einem anderen Flächenwinkel α als 90°. Eine solche Konfiguration verhindert, dass die Stärke der Komponente des zu erfassenden Magnetfeldes parallel zur Bezugsebene RP, d.h. die in der Ebene liegende Komponente unabhängig von der ersten Richtung D1 innerhalb des variablen Bereichs Null wird, solange das zu erfassende Magnetfeld besteht. Damit sind die vorgenannten Effekte gegeben.
In der vorliegenden Ausführungsform steht die erste Ebene PL1 senkrecht zur oberen Fläche 10Ma und zur unteren Fläche 10Mb, die die Hauptflächen des Substrats 10 sind. Die Lagebeziehung zwischen dem Magnetsensor 3 und dem Magneten 2 lässt sich daher nach der vorliegenden Ausführungsform leicht definieren.
Ein günstiger Bereich des Flächenwinkels a wird nun beschrieben. Unter der Annahme, dass das zu detektierende Magnetfeld eine Stärke von H1 hat, ist der Minimalwert der Stärke der in der Ebene liegenden Komponente H1 ·cos α. Der Minimalwert der Stärke der in der Ebene liegenden Komponente beträgt vorzugsweise 10% oder mehr von H1, bevorzugter 30% oder mehr. Der Flächenwinkel a beträgt daher vorzugsweise 84° oder weniger, bevorzugter 73° oder weniger. Ein zu kleiner Flächenwinkel a kann es schwierig machen, das MR-Element R auf der Schräge des Substrats 10 zu formen. Der Flächenwinkel a beträgt daher vorzugsweise 30° oder mehr, bevorzugter 45° oder mehr. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Flächenwinkel a vorzugsweise im Bereich von 30° bis 84°, bevorzugter im Bereich von 45° bis 73° liegt.
Die Richtung der ersten Magnetisierung in der ersten Magnetschicht des MR-Elements R folgt vorzugsweise mit hoher Genauigkeit einer Änderung in der zweiten Richtung D21 oder D22 der in der Ebene liegenden Komponente. Zu diesem Zweck hat die erste Magnetschicht vorzugsweise die Eigenschaft, dass die erste Magnetisierung durch das zu detektierende Magnetfeld gesättigt ist, wenn die erste Richtung D1 des zu detektierenden Magnetfeldes zumindest in einem Teil des variablen Bereichs liegt. Die erste Magnetschicht hat vorzugsweise die Eigenschaft, dass die erste Magnetisierung durch das zu detektierende Magnetfeld gesättigt ist, unabhängig davon, in welcher Richtung innerhalb des variablen Bereichs die erste Richtung D1 liegt.
Wenn das MR-Element R ein Spinventil-MR-Element ist, hat die erste Magnetschicht vorzugsweise eine kleine einachsige magnetische Anisotropie, damit die Richtung der ersten Magnetisierung der ersten Magnetschicht einer Änderung in der zweiten Richtung D21 oder D22 mit hoher Genauigkeit folgt.
Die erste Magnetschicht des MR-Elements R kann die Eigenschaft haben, dass die erste Magnetisierung durch das zu detektierende Magnetfeld gesättigt ist, unabhängig davon, in welcher Richtung innerhalb des variablen Bereichs die erste Richtung D1 liegt. In diesem Fall ändert sich die Richtung der ersten Magnetisierung der ersten Magnetschicht nicht in Abhängigkeit von den Schwankungen der Stärke des zu erfassenden Magnetfeldes. Dadurch können Schwankungen des Detektionswertes θs aufgrund von Schwankungen der Stärke des zu erfassenden Magnetfeldes reduziert werden. Die Stärke des zu erfassenden Magnetfeldes kann z.B. aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur und Variationen in der Positionsbeziehung zwischen dem Magnetsensor 3 und dem Magneten 2 variieren.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann als Positionsbestimmungsvorrichtung verschiedener Arten von Objekten verwendet werden, wenn die Positionsbestimmungsvorrichtung so konfiguriert ist, dass sich der Magnet 2 mit der Bewegung der Objekte bewegt, um deren Position zu erkennen. Zum Beispiel kann die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 auf ein Kameramodul mit dem folgenden optischen Bildstabilisierungsmechanismus angewendet werden. Das Kameramodul umfasst ein Objektiv, einen Haltemechanismus und eine Antriebseinheit. Die Richtung der optischen Achse des Objektivs ist in der vorliegenden Ausführung parallel zur Z-Richtung. Der Stützmechanismus stützt die Linse so ab, dass sich die Linse in einer ersten und zweiten Richtung senkrecht zur Z-Richtung bewegen kann. Die Antriebseinheit ist eine Einheit zur Bewegung der Linse in der ersten und zweiten Richtung.
In einem solchen Kameramodul muss die Position des Objektivs in der ersten Richtung und die Position des Objektivs in der zweiten Richtung erfasst werden Mit der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführung kann die Position des Objektivs erfasst werden. Wenn die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 zur Bestimmung der Position des Objektivs in der ersten Richtung verwendet wird, kann die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 so konfiguriert werden, dass sich der Magnet 2 in der vorliegenden Ausführungsform parallel zur Y-Richtung zusammen mit der Bewegung des Objektivs in der ersten Richtung bewegt. In ähnlicher Weise kann, wenn die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 verwendet wird, um die Position der Linse in der zweiten Richtung zu erfassen, die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 so konfiguriert werden, dass sich der Magnet 2 in der vorliegenden Ausführung zusammen mit der Bewegung der Linse in der zweiten Richtung in einer Richtung parallel zur Y-Richtung bewegt.
Als nächstes wird ein Ergebnis einer Simulation zum Nachweis beschrieben, dass der der Position des Magneten 2 entsprechende Detektionswert θs durch die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 erzeugt werden kann. In der Simulation wird die Magnetisierungsrichtung des Magneten 2 auf die Y-Richtung eingestellt. Der Bewegungsbereich RM wird durch ein zur Y-Richtung paralleles Segment dargestellt. In der Simulation wird die Position des Magneten 2 durch einen Wert ausgedrückt, dessen Absolutwert der Abstand zwischen dem Positionsreferenzpunkt 2C und der Mitte des Bewegungsbereichs RM ist. Die Position des Magneten 2 wird durch negative Werte ausgedrückt, wenn der Positionsreferenzpunkt 2C in Bezug auf die Mitte des Bewegungsbereichs RM auf der Seite der -Y-Richtung liegt. Die Position des Magneten 2 wird in positiven Werten ausgedrückt, wenn der Positionsreferenzpunkt 2C in Bezug auf die Mitte des Bewegungsbereichs RM auf der Seite der Y-Richtung liegt.
In der Simulation wurden eine magnetische Flussdichte By entsprechend der zweiten Komponente Hy des zu erfassenden Magnetfeldes H in der Richtung parallel zur Y-Richtung und eine magnetische Flussdichte Bz entsprechend der ersten Komponente Hz des zu erfassenden Magnetfeldes H in der Richtung parallel zur Z-Richtung bestimmt. In der Simulation wird weiterhin eine magnetische Flussdichte Bu bestimmt, die einer Komponente Hu der in der Ebene liegenden Komponente auf der zweiten Ebene PL21 entspricht. Die Komponente Hu ist eine Komponente in einer zur U-Richtung parallelen Richtung. Die magnetische Flussdichte Bz wird in negativen Werten ausgedrückt, wenn die Richtung der ersten Komponente Hz die -Z-Richtung ist, und in positiven Werten ausgedrückt, wenn die Richtung der ersten Komponente Hz die Z-Richtung ist. Die magnetische Flussdichte By wird in negativen Werten ausgedrückt, wenn die Richtung der zweiten Komponente Hy die -Y-Richtung ist, und in positiven Werten ausgedrückt, wenn die Richtung der zweiten Komponente Hy die Y-Richtung ist. Die magnetische Flussdichte Bu wird in negativen Werten ausgedrückt, wenn die Richtung der Komponente Hu die -U-Richtung ist, und in positiven Werten ausgedrückt, wenn die Richtung der Komponente Hu die U-Richtung ist.
13 zeigt eine Beziehung zwischen der Position des Magneten 2 und den durch die Simulation ermittelten magnetischen Flussdichten By, Bz und Bu. In 13 zeigt die horizontale Achse die Position des Magneten 2 und die vertikale Achse die magnetischen Flussdichten By, Bz und Bu.
In der Simulation wurden der erste Winkel θ1 in 10 und der zweite Winkel θ21 in 11 mit Hilfe des Ergebnisses in 13 bestimmt. 14 zeigt eine Beziehung zwischen der Position des Magneten 2 und den durch die Simulation ermittelten Winkeln θ1 und θ21. In 14 gibt die horizontale Achse die Position des Magneten 2 und die vertikale Achse die Winkel θ1 und θ21 an.
Wie in 14 zu sehen ist, sind sowohl der erste als auch der zweite Winkel θ1 und θ21 mit der Position des Magneten 2 und der zweite Winkel θ21 mit dem ersten Winkel θ1 korreliert. Wie oben beschrieben, kann der Detektionswert θs in der vorliegenden Ausführungsform ein Wert sein, der den ersten Winkel θ1 anzeigt, oder ein Wert, der den zweiten Winkel θ21 anzeigt. Aus dem Ergebnis der Simulation ist ersichtlich, dass der der Position des Magneten 2 entsprechende Detektionswert θs entsprechend der vorliegenden Ausführungsform erzeugt werden kann.
[Zweite Ausführungsform]
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. 15 ist eine perspektivische Ansicht einer Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform. 16 ist eine Schnittdarstellung der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform. Im Folgenden werden die Unterschiede der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform gegenüber der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der ersten Ausführungsform beschrieben. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform enthält einen Magnetfeldgenerator 62 anstelle des Magnetfeldgenerators 2 der ersten Ausführungsform. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform der Magnetfeldgenerator 62 ein Magnet. Der Magnet wird im Folgenden auch mit der Kennziffer 62 bezeichnet. Eine Beschreibung des Magneten 62 gilt auch für den Magnetfeldgenerator 62.
Der Magnet 62 liegt über dem Magnetsensor 3. Wie die erste Ausführung ist der Magnet 62 in einer Richtung parallel zur Vertikalebene VP magnetisiert. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform der Magnet 62 in Z-Richtung magnetisiert. In den 15 und 16 gibt der mit der Kennziffer 62M bezeichnete Pfeil die Magnetisierungsrichtung des Magneten 62 an. In 16 stellen mehrere gestrichelte Linien einen Teil eines Magnetflusses dar, der dem zu erfassenden Magnetfeld entspricht.
Wie bei der ersten Ausführung wird die relative Position des Magneten 62 in Bezug auf den Magnetsensor 3 einfach als die Position des Magneten 62 bezeichnet. Die relative Position des Magneten 62 kann sich so ändern, dass sich ein Positionsreferenzpunkt 62C im Magneten 62 innerhalb eines linearen Bewegungsbereichs RM bewegt. Ein Beispiel für den Positionsreferenzpunkt 62C ist der Schwerpunkt des Magneten 62.
Der Bewegungsbereich RM der gegenwärtigen Ausführungsform ist der gleiche wie der der ersten Ausführungsform. Genauer gesagt liegt der Bewegungsbereich RM in einer Vertikalebene VP, die in 15 dargestellt ist. 16 zeigt einen Querschnitt entlang der Vertikalebene VP. Insbesondere bezieht sich die Vertikalebene VP in der vorliegenden Ausführungsform auf eine YZ-Ebene. Der Bewegungsbereich RM wird durch ein Liniensegment parallel zur Y-Richtung dargestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind eine erste Ebene PL1, eine Bezugsposition P0, eine erste Richtung D1, ein erster Winkel θ1, zweite Ebenen PL21 und PL22, zweite Richtungen D21 und D22 und zweite Winkel θ21 und θ22 wie in der ersten Ausführungsform definiert. 16 zeigt die erste Ebene PL1, die mit der Vertikalebene VP zusammenfällt.
Wenn sich die Position des Magneten 62 innerhalb des Bewegungsbereichs RM ändert, ändert sich die erste Richtung D1, d.h. die Richtung des zu erfassenden Magnetfelds H an der Referenzposition P0, innerhalb eines vorgegebenen variablen Bereichs in der ersten Ebene PL1. Dies ist aus 16 leicht zu erkennen. Genauer gesagt, wenn sich die Position des Magneten 62 innerhalb des Bewegungsbereichs RM ändert, ändert sich die Richtung des magnetischen Flusses, der die Referenzposition P0 durchquert, d.h. die erste Richtung D1 ändert sich.
In der vorliegenden Ausführungsform korrelieren der erste Winkel θ1 und die zweiten Winkel θ21 und θ22 wie in der ersten Ausführungsform mit der Position des Magneten 62
In der gegenwärtigen Ausführungsform ist der variable Bereich der ersten Richtung D1 180° oder weniger groß. Der variable Bereich des ersten Winkels θ1 reicht von -90° bis maximal 90°. Der variable Bereich der zweiten Richtungen D21 und D22 hat eine Größe von 180° oder weniger. Der variable Bereich der zweiten Winkel θ21 und θ22 liegt zwischen -90° und maximal 90°.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Richtungen der zweiten Magnetisierung in den MR-Elementen R1 und R4 die Y-Richtung. Die Richtungen der zweiten Magnetisierung in den MR-Elementen R2 und R3 sind die -Y-Richtung. Das Detektionssignal S1 kann so normiert werden, dass das Detektionssignal S1 einen Wert von -1 hat, wenn der zweite Winkel θ21 -90° ist, einen Wert von 0, wenn der zweite Winkel θ21 0° ist, und einen Wert von 1, wenn der zweite Winkel θ2 90° ist. In diesem Fall kann das Detektionssignal S1 anstelle von Gl. (5) in der ersten Ausführungsform durch die folgende Gl. (8) dargestellt werden: $S 1 = sin θ 21.$
Anstelle von Gl. (6) in der ersten Ausführungsform errechnet die Detektionswerterzeugungseinheit 22 der vorliegenden Ausführungsform den Wert θ2s durch die folgende Gl: $θ 2 s = asin S 1.$
Hier stellt das Symbol „asin“ den Arcsinus dar.
Die Konfiguration, Funktionsweise und Auswirkungen der gegenwärtigen Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. 17 ist eine perspektivische Ansicht einer Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform. 18 ist eine Schnittdarstellung der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform. Im Folgenden werden die Unterschiede der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform gegenüber der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der ersten Ausführungsform beschrieben.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführung unterscheidet sich von der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der ersten Ausführung im Bewegungsbereich RM des Magneten 2. Der Bewegungsbereich RM wird in der vorliegenden Ausführungsform durch ein zur Z-Richtung paralleles Segment dargestellt. Der Bewegungsbereich RM liegt in der in 17 dargestellten Vertikalebene VP. Die Vertikalebene VP ist eine YZ-Ebene. In 18 ist ein Querschnitt entlang der Vertikalebene VP dargestellt.
Wie in 18 dargestellt, befindet sich in der vorliegenden Ausführung der Positionsreferenzpunkt 2C, d.h. der Schwerpunkt des Magneten 2, an einer Position abseits der virtuellen Linie L1 in Y-Richtung Die virtuelle Linie L1 verläuft durch die Referenzposition P0 und ist parallel zur Z-Richtung.
Wie bei der ersten Ausführungsform ist die Magnetisierungsrichtung 2M des Magneten 2 der vorliegenden Ausführungsform die Y-Richtung. In 18 stellen mehrere gestrichelte Linien einen Teil eines magnetischen Flusses dar, der dem zu erfassenden Magnetfeld entspricht, das durch den Magneten 2 erzeugt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind eine erste Ebene PL1, eine Bezugsposition P0, eine erste Richtung D1, ein erster Winkel θ1, zweite Ebenen PL21 und PL22, zweite Richtungen D21 und D22 und zweite Winkel θ21 und θ22 wie in der ersten Ausführungsform definiert. 18 zeigt die erste Ebene PL1, die mit der Vertikalebene VP zusammenfällt.
Wenn sich die Position des Magneten 2 innerhalb des Bewegungsbereichs RM ändert, ändert sich die erste Richtung D1, d.h. die Richtung des an der Referenzposition P0 zu erfassenden Magnetfelds H, innerhalb eines vorgegebenen variablen Bereichs in der ersten Ebene PL1. Dies ist aus 18 leicht zu erkennen. Genauer gesagt, wenn sich die Position des Magneten 2 innerhalb des Bewegungsbereichs RM ändert, ändert sich die Richtung des magnetischen Flusses, der die Referenzposition P0 durchquert, d.h. die erste Richtung D1 ändert sich.
In der vorliegenden Ausführungsform korrelieren der erste Winkel θ1 und die zweiten Winkel θ21 und θ22 wie in der ersten Ausführungsform mit der Position des Magneten 2
In der gegenwärtigen Ausführungsform ist der variable Bereich der ersten Richtung D1 90° oder weniger groß. Der variable Bereich des ersten Winkels θ1 reicht von -90° bis maximal 0°. Der variable Bereich der zweiten Richtungen D21 und D22 ist 90° oder weniger groß. Der variable Bereich der zweiten Winkel θ21 und θ22 liegt zwischen -90° und maximal 0°.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auf ein Kameramodul mit folgendem Autofokus-Mechanismus angewendet werden. Das Kameramodul umfasst ein Objektiv, einen Haltemechanismus und eine Antriebseinheit. Die Richtung der optischen Achse des Objektivs ist in der vorliegenden Ausführung parallel zur Z-Richtung. Der Stützmechanismus stützt die Linse so ab, dass sich die Linse in einer Richtung parallel zur Z-Richtung bewegen kann. Die Antriebseinheit ist eine Einheit zur Bewegung der Linse in einer Richtung parallel zur Z-Richtung.
In einem solchen Kameramodul muss die Position des Objektivs in der Richtung parallel zur Z-Richtung erfasst werden Mit der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform kann die Position des Objektivs erfasst werden. In diesem Fall kann die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 so konfiguriert werden, dass sich der Magnet 2 parallel zur Z-Richtung mit der Bewegung des Objektivs bewegt.
Die Konfiguration, Funktionsweise und Auswirkungen der gegenwärtigen Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
[Vierte Ausführungsform]
Eine vierte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. 19 ist eine perspektivische Ansicht einer Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform. 20 ist eine Schnittdarstellung der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform. Im Folgenden werden die Unterschiede zwischen der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform und der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 nach der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Der Bewegungsbereich RM des Magneten 62 in der vorliegenden Ausführung unterscheidet sich von dem in der zweiten Ausführung Der Bewegungsbereich RM in der vorliegenden Ausführungsform wird durch ein zur Z-Richtung paralleles Segment dargestellt. Der Bewegungsbereich RM liegt in der in 19 dargestellten vertikalen Ebene VP. Die vertikale Ebene VP ist eine YZ-Ebene. 20 zeigt einen Querschnitt entlang der Vertikalebene VP.
Wie in 20 dargestellt, befindet sich in der vorliegenden Ausführung der Positionsreferenzpunkt 62C, d.h. der Schwerpunkt des Magneten 62, an einer Position abseits der virtuellen Linie L1 in Y-Richtung. Die virtuelle Linie L1 verläuft durch die Referenzposition P0 und ist parallel zur Z-Richtung.
Wie bei der zweiten Ausführungsform ist die Magnetisierungsrichtung 62M des Magneten 62 der vorliegenden Ausführungsform die Z-Richtung. In 20 stellen mehrere gestrichelte Linien einen Teil eines magnetischen Flusses dar, der dem zu erfassenden Magnetfeld entspricht, das durch den Magneten 62 erzeugt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind eine erste Ebene PL1, eine Bezugsposition P0, eine erste Richtung D1, ein erster Winkel θ1, zweite Ebenen PL21 und PL22, zweite Richtungen D21 und D22 und zweite Winkel θ21 und θ22 wie in der zweiten Ausführungsform definiert. 20 zeigt die erste Ebene PL1, die mit der Vertikalebene VP zusammenfällt.
Wenn sich die Position des Magneten 62 innerhalb des Bewegungsbereichs RM ändert, ändert sich die erste Richtung D1, d.h. die Richtung des zu erfassenden Magnetfelds H an der Referenzposition P0, innerhalb eines vorgegebenen variablen Bereichs in der ersten Ebene PL1. Dies ist aus 20 leicht zu erkennen. Genauer gesagt, wenn sich die Position des Magneten 62 innerhalb des Bewegungsbereichs RM ändert, ändert sich die Richtung des magnetischen Flusses, der die Referenzposition P0 durchquert, d.h. die erste Richtung D1 ändert sich.
In der vorliegenden Ausführungsform korrelieren der erste Winkel θ1 und die zweiten Winkel θ21 und θ22 wie in der zweiten Ausführungsform mit der Position des Magneten 62.
In der gegenwärtigen Ausführungsform ist der variable Bereich der ersten Richtung D1 90° oder weniger groß. Der variable Bereich des ersten Winkels θ1 reicht von 0° bis maximal 90°. Der variable Bereich der zweiten Richtungen D21 und D22 ist 90° oder weniger groß. Der variable Bereich der zweiten Winkel θ21 und θ22 liegt zwischen 0° und maximal 90°.
Die Konfiguration, die Funktionsweise und die Auswirkungen der gegenwärtigen Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform.
[Fünfte Ausführungsform]
Eine fünfte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Eine Positionsbestimmungsvorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform ist in einer haptischen Vorrichtung 100 enthalten, die in den 21 und 22 dargestellt ist. Bei der haptischen Vorrichtung 100 handelt es sich um eine Vorrichtung, die mechanische Veränderungen, wie z.B. Vibrationen, hervorrufen und dem Benutzer ein virtuelles Kraftgefühl vermitteln kann. 21 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration der haptischen Vorrichtung 100 einschließlich der Positionsbestimmungsvorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 22 ist eine Schnittdarstellung, die den schematischen Aufbau der in 21 gezeigten haptischen Vorrichtung 100 zeigt.
Wie in 21 und 22 dargestellt, umfasst die haptische Vorrichtung 100 ein Gehäuse 101, eine bewegliche Einheit 102, eine Trägereinheit 103, eine erste Spule 111, eine zweite Spule 112 und einen Magnetsensor 3. Die bewegliche Einheit 102, die Trägereinheit 103, die erste Spule 111, die zweite Spule 112 und der Magnetsensor 3 befinden sich im Gehäuse 101.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die zueinander orthogonalen X-, Y- und Z-Richtungen definiert, wie in 21 und 22 dargestellt.
Das Gehäuse 101 hat eine obere Fläche am Ende in Z-Richtung, eine untere Fläche am Ende in -Z-Richtung und eine Verbindungsfläche, die die obere und untere Fläche verbindet Von den Abmessungen des Gehäuses 101 in X-, Y- und Z-Richtung ist die Abmessung in Y-Richtung am größten und die Abmessung in Z-Richtung am kleinsten.
Die bewegliche Einheit 102 umfasst ein Gehäuse 120 sowie einen ersten Magneten 121 und einen zweiten Magneten 122, die im Gehäuse 120 untergebracht sind. Der erste Magnet 121 ist auf einer Spitzenseite in der -Y-Richtung in Bezug auf eine Mittenposition des Gehäuses 120 in der Y-Richtung angeordnet. Der zweite Magnet 122 ist auf einer Spitzenseite in der Y-Richtung in Bezug auf die Mittenposition des Gehäuses 120 in der Y-Richtung angeordnet.
Der erste Magnet 121 ist in Z-Richtung magnetisiert. In 22 gibt der mit der Kennziffer 121M bezeichnete Pfeil die Magnetisierungsrichtung des ersten Magneten 121 an. Der zweite Magnet 122 ist in der Richtung -Z magnetisiert. In 22 gibt der Pfeil mit der Kennziffer 122M die Magnetisierungsrichtung des zweiten Magneten 122 an.
Die Trägereinheit 103 umfasst zwei Federn 103A und 103B. Die Feder 103A verbindet einen Teil der Innenfläche des Gehäuses 101 am Ende in der -Y-Richtung und einen Teil der Außenfläche des Gehäuses 120 am Ende in der -Y-Richtung. Die Feder 103B verbindet einen Teil der Innenfläche des Gehäuses 101 an dem Ende in Y-Richtung und einen Teil der Außenfläche des Gehäuses 120 an dem Ende in Y-Richtung. Die Trägereinheit 103 stützt die bewegliche Einheit 102 so ab, dass die bewegliche Einheit 102 sich in einer Richtung parallel zur Y-Richtung bewegen kann.
Die erste Spule 111 ist an einem Teil der Innenfläche des Gehäuses 101 am Ende in Z-Richtung angeklebt. Die zweite Spule 112 ist an einem Teil der Innenfläche des Gehäuses 101 am Ende in -Z-Richtung angeklebt. Sowohl die erste als auch die zweite Spule 111 und 112 sind um eine virtuelle Mittellinie gewickelt, die sich in Z-Richtung erstreckt. Die erste und die zweite Spule 111 und 112 bilden jeweils einen Raum im Inneren.
Der Magnetsensor 3 befindet sich im Raum innerhalb der ersten Spule 111: Der Magnetsensor 3 der vorliegenden Ausführungsform hat dieselbe Konfiguration wie der Magnetsensor 3 der ersten Ausführungsform.
Die ersten und zweiten Magnete 121 und 122 sowie der Magnetsensor 3 bilden nach der vorliegenden Ausführung die Positionsbestimmungsvorrichtung. Die ersten und zweiten Magnete 121 und 122 bilden den Magnetfeldgenerator der vorliegenden Ausführungsform.
Als nächstes wird eine Operation des haptischen Vorrichtung 100 beschrieben: Die erste und zweite Spule 111 und 112 werden von einem nicht abgebildeten Steuergerät mit Wechselströmen versorgt. Die Richtung des Stroms, der durch die erste Spule 111 fließt, und die des Stroms, der gleichzeitig durch die zweite Spule 112 fließt, sind gleich. Die mit den Wechselströmen gespeisten ersten und zweiten Spulen 111 und 112 erzeugen ein Magnetfeld. Durch die Wirkung des von der ersten und zweiten Spule 111 und 112 erzeugten Magnetfeldes und eines von den ersten und zweiten Magneten 121 und 122 erzeugten Magnetfeldes nimmt die bewegliche Einheit 102 einschließlich der ersten und zweiten Magnete 121 und 122 mechanische Änderungen in einer Richtung parallel zur Y-Richtung vor. Die mechanischen Änderungen der beweglichen Einheit 102 geben dem Benutzer ein virtuelles Kraftgefühl. Die mechanischen Änderungen der bewegliche Einheit 102 beinhalten Vibrationen der bewegliche Einheit 102.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung nach der vorliegenden Ausführung erzeugt einen Detektionswert, der jeder der relativen Positionen des ersten und zweiten Magneten 121 und 122 in Bezug auf den Magnetsensor 3 entspricht. Die relative Position des ersten und zweiten Magneten 121 und 122 in Bezug auf den Magnetsensor 3 entspricht der relativen Position der beweglichen Einheit 102 in Bezug auf den Magnetsensor 3. Aus dem Detektionswert kann so z.B. die relative Position der beweglichen Einheit 102 in Bezug auf den Magnetsensor 3 und die Größe der Schwingungsamplitude der beweglichen Einheit 102 ermittelt werden. Der Detektionswert wird z.B. von der Steuereinheit verwendet, um den Betrieb der beweglichen Einheit 102 zu steuern.
Das Magnetfeld, das in der vorliegenden Ausführungsform detektiert werden soll, bezieht sich auf das Magnetfeld, das vom ersten und zweiten Magneten 121 und 122 erzeugt wird. Das zu detektierende Magnetfeld wird an den Magnetsensor 3 angelegt. Der Magnetsensor 3 wird zusätzlich zu dem zu erfassenden Magnetfeld auch dem Magnetfeld ausgesetzt, das von der ersten und zweiten Spule 111 und 112 erzeugt wird. Die Stärke des von der ersten und zweiten Spule 111 und 112 erzeugten Magnetfeldes ist jedoch ausreichend geringer als die des von den ersten und zweiten Magneten 121 und 122 erzeugten Magnetfeldes. Das von der ersten und zweiten Spule 111 und 112 erzeugte Magnetfeld hat daher keinen großen Einfluss auf den Detektionswert des Magnetsensors 3, und der Magnetsensor 3 detektiert im Wesentlichen das zu detektierende Magnetfeld.
Eine relative Position des Magneten 121 in Bezug auf den Magnetsensor 3 kann sich so ändern, dass sich der Abstand zwischen dem Magnetsensor 3 und dem Magneten 121 ändert. Eine relative Position des Magneten 122 in Bezug auf den Magnetsensor 3 kann sich so ändern, dass sich ein Abstand zwischen dem Magnetsensor 3 und dem Magneten 122 ändert.
Die relativen Positionen des ersten und zweiten Magneten 121 und 122 in Bezug auf den Magnetsensor 3 werden im Folgenden einfach als die Positionen der Magnete 121 und 122 bezeichnet. Der vorbestimmte Punkt in jedem der Magnete 121 und 122 wird als Positionsreferenzpunkt bezeichnet und jede der Positionen der Magnete 121 und 122 wird durch die Position des Positionsreferenzpunktes dargestellt. Der Positionsreferenzpunkt kann der Schwerpunkt des Magneten 121 oder der Schwerpunkt des Magneten 122 sein.
Die Positionen der Magnete 121 und 122 können sich ändern, so dass sich der Positionsreferenzpunkt innerhalb eines linearen Bewegungsbereichs bewegt: Der Bewegungsbereich wird durch ein Liniensegment parallel zur Y-Richtung dargestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind eine vertikale Ebene VP, eine erste Ebene PL1, eine Bezugsposition P0, eine erste Richtung D1, ein erster Winkel θ1, zweite Ebenen PL21 und PL22, zweite Richtungen D21 und D22 und zweite Winkel θ21 und θ22 wie in der ersten Ausführungsform definiert. 22 zeigt die vertikale Ebene VP und die erste Ebene PL1. Die vertikale Ebene VP und die erste Ebene PL1 sind YZ-Ebenen.
Die Magnetisierungsrichtungen 121M und 122M der Magnete 121 und 122 sind parallel zur vertikalen Ebene VP. Der Bewegungsbereich liegt in der Vertikalebene VP.
Wenn sich die Positionen der Magnete 121 und 122 innerhalb des Bewegungsbereichs ändern, ändert sich die erste Richtung D1, d.h. die Richtung des zu erfassenden Magnetfelds H an der Referenzposition P0, innerhalb eines vorgegebenen variablen Bereichs in der ersten Ebene PL1. 22 zeigt einen Zustand, in dem die Magnete 121 und 122 in der Mitte des Bewegungsbereichs liegen. In einem solchen Zustand ist die erste Richtung D1 die Y-Richtung. Wenn sich die Magnete 121 und 122 aus dem in 22 gezeigten Zustand in die -Y-Richtung bewegen, dreht sich die erste Richtung D1 von der Y-Richtung in die -Z-Richtung. Bewegen sich die Magnete 121 und 122 aus dem in 22 gezeigten Zustand in Y-Richtung, so dreht sich die erste Richtung D1 von der Y-Richtung in Richtung Z-Richtung.
In der vorliegenden Ausführungsform korrelieren der erste Winkel θ1 und die zweiten Winkel θ21 und θ22 wie in der ersten Ausführungsform mit den Positionen der Magnete 121 und 122.
In der gegenwärtigen Ausführungsform ist der variable Bereich der ersten Richtung D1 180° oder weniger groß. Der variable Bereich des ersten Winkels θ1 reicht von 0° bis maximal 180°. Der variable Bereich der zweiten Richtungen D21 und D22 hat eine Größe von 180° oder weniger. Der variable Bereich der zweiten Winkel θ21 und θ22 liegt zwischen 0° und maximal 180°.
Eine spezifische Methode zur Berechnung des Detektionswertes θs in der vorliegenden Ausführungsform ist die gleiche wie die der ersten Ausführungsform. Die Winkel θ1, θ21 und θ22 von -180° in der ersten Ausführungsform sind äquivalent zu den Winkeln θ1, θ21 und θ22 von 180° gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Die Konfiguration, die Funktionsweise und die Auswirkungen der Positionsbestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Änderungen daran vorgenommen werden. Zum Beispiel kann sich bei der vorliegenden Erfindung die relative Position des Magnetfeldgenerators in Bezug auf den Magnetsensor ändern, während der Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator konstant bleibt.
Offensichtlich sind im Lichte der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es ist daher davon auszugehen, dass die Erfindung im Rahmen der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente in anderen Ausführungsformen als den vorstehend genannten bevorzugten Ausführungsformen praktiziert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2015/0192432 A1 [0004, 0005, 0008]
JP H09219546 A [0004, 0006, 0009, 0010, 0011, 0013]
EP 1860450 A1 [0007, 0009, 0010, 0012, 0013]
EP 3385740 A1 [0007, 0009, 0010, 0012, 0013]

Claims

Eine Positionsbestimmungsvorrichtung (1), umfassend: einen Magnetfeldgenerator (2; 62), der ein zu detektierendes Magnetfeld (H) erzeugt; und einen Magnetsensor (3), wobei der Magnetsensor (3) das zu detektierende Magnetfeld (H) erfasst und einen Detektionswert (θs) erzeugt, der einer relativen Position des Magnetfeldgenerators (2; 62) in Bezug auf den Magnetsensor (3) entspricht, das zu detektierende Magnetfeld (H) eine erste Richtung (D1) an einer Referenzposition (P0) innerhalb einer ersten Ebene (PL1) hat, der Magnetfeldgenerator (2; 62) und der Magnetsensor (3) so konfiguriert sind, dass, wenn sich die relative Position des Magnetfeldgenerators (2; 62) in Bezug auf den Magnetsensor (3) ändert, sich die erste Richtung (D1) innerhalb eines vorbestimmten variablen Bereichs in der ersten Ebene (PL1) ändert, der Magnetsensor (3) mindestens ein magnetoresistives Element (R1, R2, R3, R4) enthält, das mindestens eine magnetoresistive Element (R1, R2, R3, R4) jeweils eine erste Magnetschicht (51) mit einer ersten Magnetisierung aufweist, die sich innerhalb einer zweiten Ebene (PL21, PL22), die dem mindestens einen magnetoresistiven Element (R1, R2, R3, R4) entspricht, in der Richtung ändern kann, die erste Ebene (PL1) und die zweite Ebene (PL21, PL22) sich unter einem anderen Flächenwinkel (a) als 90°schneiden, das zu detektierende Magnetfeld (H), das von jedem der mindestens einen magnetoresistiven Elemente (R1, R2, R3, R4) empfangen wird, in eine in der Ebene liegende Komponente parallel zur zweiten Ebene (PL21, PL22) und eine senkrecht zur zweiten Ebene liegende Komponente senkrecht zur zweiten Ebene (PL21, PL22) aufgeteilt werden kann, die in der Ebene liegende Komponente hat eine zweite Richtung (D21, D22), die sich mit einer Änderung in der ersten Richtung (D1) ändert, die Richtung der ersten Magnetisierung ändert sich mit einer Änderung in der zweiten Richtung (D21, D22), und der Detektionswert (θs) hängt von der Richtung der ersten Magnetisierung ab.
Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Magnetschicht (51) eine Eigenschaft aufweist, dass die erste Magnetisierung durch das zu erfassende Magnetfeld (H) gesättigt ist, wenn die erste Richtung (D1) in mindestens einem Teil des variablen Bereichs liegt.
Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine magnetoresistive Element (R1, R2, R3, R4) jeweils weiterhin eine zweite Magnetschicht (53) mit einer zweiten Magnetisierung in einer Richtung parallel zur zweiten Ebene (PL21, PL22) und eine zwischen der ersten Magnetschicht (51) und der zweiten Magnetschicht (53) angeordnete Spaltschicht (52) aufweist.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Flächenwinkel (a) in einem Bereich von 30° bis 84°liegt.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: der Magnetsensor (3) ferner ein Substrat (10) umfasst, das das mindestens eine magnetoresistive Element (R1, R2, R3, R4) trägt; das Substrat (10) eine Hauptoberfläche (10Ma, 10Mb) senkrecht zu der ersten Ebene (PL1) und mindestens eine Schräge (11a, 12a, 13a, 14a) schräg zu der Hauptoberfläche (10Ma, 10Mb) aufweist; das mindestens eine magnetoresistive Element (R1, R2, R3, R4) sich auf der mindestens einen Schräge (11a, 12a, 13a, 14a) befindet; und die zweite Ebene (PL21, PL22), die jedem des mindestens einen magnetoresistiven Elements (R1, R2, R3, R4) entspricht, parallel zu der Schräge (11a, 12a, 13a, 14a) ist, auf der sich jedes des mindestens einen magnetoresistiven Elements (R1, R2, R3, R4) befindet.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei: der Magnetsensor (3) ein erstes magnetoresistives Element (R1, R4) und ein zweites magnetoresistives Element (R2, R3) als das mindestens eine magnetoresistive Elemententhält; das Substrat (10) als die mindestens eine Schräge eine erste Schräge (11a, 14a), auf der sich das erste magnetoresistive Element (R1, R4) befindet, und eine zweite Schräge (12a, 13a), auf der sich das zweite magnetoresistive Element (R2, R3) befindet, aufweist; die zweite Ebene (PL21), die dem ersten magnetoresistiven Element (R1, R4) entspricht, parallel zur ersten Schräge (11a, 14a) ist; und die zweite Ebene (PL22), die dem zweiten magnetoresistiven Element (R2, R3) entspricht, parallel zur zweiten Schräge (12a, 13a) liegt.
Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei: der Magnetsensor (3) enthält ferner einen Signalausgangsknoten (E1, E2); das erste und zweite magnetoresistive Element (R1, R2, R3, R4) sind über den Signalausgangsknoten (E1, E2) in Reihe geschaltet; und der Detektionswert (θs) hängt von einem Potential des Signalausgangsknotens (E1, E2) ab.
Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich die relative Position des Magnetfeldgenerators (2; 62) in Bezug auf den Magnetsensor (3) so ändern kann, dass sich ein Abstand zwischen dem Magnetsensor (3) und dem Magnetfeldgenerator (2; 62) ändert.
Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: der Magnetfeldgenerator (2; 62) ist ein Magnet (2; 62; 121, 122); die relative Position des Magnetfeldgenerators (2; 62) in Bezug auf den Magnetsensor (3) sich so ändern kann, dass sich ein vorbestimmter Punkt in dem Magneten (2; 62; 121, 122) innerhalb eines linearen Bewegungsbereichs (RM) bewegt; und der Bewegungsbereich (RM) in einer Ebene parallel zur ersten Ebene (PL1) liegt.
Positionsbestimmungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei der Magnet (2; 62; 121, 122) in einer Richtung parallel zur ersten Ebene (PL1) magnetisiert ist.
Positionsbestimmungsvorrichtung (1), umfassend: einem Magneten (2; 62; 121, 122), der ein zu detektierendes Magnetfeld (H) erzeugt; und einen Magnetsensor (3), wobei der Magnetsensor (3) das zu detektierende Magnetfeld (H) detektiert und einen Detektionswert (θs) erzeugt, der einer relativen Position des Magneten (2; 62; 121, 122) in Bezug auf den Magnetsensor (3) entspricht, der Magnetsensor (3) ein magnetoresistives Element (R1, R2, R3, R4) und ein Substrat (10) umfasst, das das magnetoresistive Element (R1, R2, R3, R4) trägt, das Substrat (10) eine Hauptoberfläche (10Ma, 10Mb) mit einer flachen Oberfläche und einer Schräge (11a, 12a, 13a, 14a) schräg zu der Hauptoberfläche (10Ma, 10Mb) aufweist, das magnetoresistive Element (R1, R2, R3, R4) befindet sich auf der Schräge (11a, 12a, 13a, 14a), das magnetoresistive Element (R1, R2, R3, R4) eine erste Magnetschicht (51) mit einer ersten Magnetisierung aufweist, die sich in Richtung mit einer Richtung des zu erfassenden Magnetfeldes (H) ändern kann, das von dem magnetoresistiven Element (R1, R2, R3, R4) innerhalb einer Bezugsebene (RP) parallel zu der Schräge (11a, 12a, 13a, 14a) empfangen wird, die relative Position des Magneten (2; 62; 121, 122) in Bezug auf den Magnetsensor (3) sich so ändern kann, dass sich ein vorbestimmter Punkt in dem Magneten (2; 62; 121, 122) innerhalb eines linearen Bewegungsbereichs (RM) bewegt, der Bewegungsbereich (RM) in einer vertikalen Ebene (VP) senkrecht zur Hauptoberfläche (10Ma, 10Mb) liegt, der Magnet (2; 62; 121, 122) in einer Richtung parallel zur vertikalen Ebene (VP) magnetisiert ist, und die vertikale Ebene (VP) und die Bezugsebene (RP) sich unter einem anderen Flächenwinkel (a) als 90°schneiden.