DE102021119395A1

DE102021119395A1 - Magnetsensorsystem und linsenpositionsdetektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021119395A1
Application number: DE102021119395.8A
Authority: DE
Inventors: Yongfu CAI; Hayato Miyashita; Tsuyoshi Umehara; Yuta Saito
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2022-02-10
Also published as: JP2022029354A; US11486734B2; JP2023093560A; CN114063172A; JP7463593B2; US20220042826A1

Abstract

Ein Magnetsensorsystem weist einen Magnetfeldgenerator und einen Magnetsensor auf. Der Magnetsensor weist eine Mehrzahl von MR-Elementen auf. Die Mehrzahl von MR-Elementen sind jeweils so eingerichtet, dass ein Vormagnetisierungsmagnetfeld in einer zweiten Richtung orthogonal zu einer ersten Richtung an eine freie Schicht angelegt wird und sich der Widerstand mit der Stärke einer Magnetfeldkomponente ändert. Eine maximale Stärke der an jedes der MR-Elemente angelegten Magnetfeldkomponente ist größer oder gleich dem 1,2-fachen der Stärke eines Vormagnetisierungsmagnetfeldes.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetsensorsystem und eine Linsenpositionsdetektionsvorrichtung, die das Magnetsensorsystem verwendet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Als Magnetsensorsystem, das einen Magnetsensor verwendet, ist eines bekannt, das so eingerichtet ist, dass sich die Position eines Magnetfeldgenerators, wie z. B. einer magnetischen Skala, relativ zum Magnetsensor innerhalb eines vorgegebenen Bereichs ändert. Während sich die Position des Magnetfeldgenerators relativ zum Magnetsensor ändert, ändert sich die Stärke einer Komponente eines Zielmagnetfeldes, das vom Magnetfeldgenerator erzeugt und an den Magnetsensor angelegt wird, in einer Richtung. Der Magnetsensor detektiert z. B. die Stärke der Komponente des Zielmagnetfeldes in einer Richtung und erzeugt zwei Detektionssignale, die der Stärke der Komponente in der einen Richtung entsprechen und jeweils Differenzphasen haben. Aus den beiden Detektionssignalen erzeugt das Magnetsensorsystem einen Detektionswert, der der Position des Magnetfeldgenerators relativ zum Magnetsensor entspricht.
Das Magnetsensorsystem weist eine Detektionswerterzeugungsschaltung auf, die den Detektionswert erzeugt. Typischerweise werden wesentliche Teile der Detektionswerterzeugungsschaltung durch einen digitalen Signalprozessor (DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder einen Mikrocomputer gebildet. Die Detektionswerterzeugungsschaltung erzeugt den Detektionswert auf der Grundlage der Detektionssignale des Magnetsensors, die von Analog-Digital-Wandlern (im Folgenden auch als A/D-Wandler bezeichnet) digital umgewandelt werden.
Das Magnetsensorsystem wird beispielsweise für eine Positionsdetektionsvorrichtung verwendet, die die Position eines sich bewegenden Objekts erfasst, dessen Position sich in einer vorgegebenen Richtung ändert. Die Positionsdetektionsvorrichtung, die das Magnetsensorsystem verwendet, wird im Folgenden als magnetische Positionsdetektionsvorrichtung bezeichnet. Die magnetische Positionsdetektionseinrichtung ist so eingerichtet, dass sich die Position des Magnetfeldgenerators relativ zum Magnetsensor in Abhängigkeit von der Änderung der Position des bewegten Objekts ändert. Die vorgegebene Richtung kann linear oder eine Rotation sein.
Magnetische Positionsdetektionsvorrichtungen sind beispielsweise in JP 06-207834 A , EP 2955487 A1 und EP 3385680 A1 beschrieben. Die in den vorgenannten Veröffentlichungen beschriebenen Positionsdetektionsvorrichtungen verwenden magnetoresistive Elemente (im Folgenden auch als MR-Elemente bezeichnet) als ihre magnetischen Detektionselemente. Die MR-Elemente befinden sich in einem vorgegebenen Abstand zu einem magnetischen Aufzeichnungsmedium oder einer magnetischen Skala.
Es ist daneben bekannt, dass Magnetsensorsysteme und magnetische Positionsdetektionsvorrichtungen aufgrund von Harmonischen eine Verzerrung der Wellenformen der Detektionssignale ihres Magnetsensors verursachen. Wenn die Ausgabewellenformen der Detektionssignale des Magnetsensors verzerrt sind, kann die Position des Magnetfeldgenerators relativ zum Magnetsensor nicht genau erfasst werden. In Anbetracht dessen enthält die in JP 06-207834 A beschriebene Positionsdetektionsvorrichtung einen Vormagnetisierungsmagneten, der ein Vormagnetisierungsmagnetfeld an die MR-Elemente anlegt, wodurch Verzerrungskomponenten aufgrund der Harmonischen des Detektionssignals entfernt werden.
Die in EP 3385680 A1 beschriebene Positionsdetektionsvorrichtung enthält eine Mehrzahl von MR-Elementen (TMR-Elemente), die in Längsrichtung einer magnetischen Skala angeordnet sind. Die MR-Elemente sind basierend auf einem Abstand („Pitch“) P angeordnet, der der Wellenlänge λ oder einer Hälfte der Wellenlänge λ eines Aufzeichnungssignals auf der magnetischen Skala entspricht, wodurch harmonische Verzerrungen ungerader Ordnung des Detektionssignals ausgelöscht werden.
DE 112007003025 T5 beschreibt einen magnetischen Kodierer, der einen Magnetsensor und einen stabförmigen Magneten aufweist. Der magnetische Kodierer weist weichmagnetische Schichten auf, die sich in der Nähe von MR-Elementen befinden, wodurch ein an die MR-Elemente anzulegendes Ausgangsmagnetfeld verstärkt wird, um die magnetischen Detektionsempfindlichkeiten der MR-Elemente zu verbessern.
Wie bei den in JP 06-207834 A , EP 2955487 A1 und EP 3385680 A1 beschriebenen Positionsdetektionsvorrichtungen und dem in DE 112007003025 T5 beschriebenen magnetischen Kodierer besteht bei einem Magnetsensorsystem mit einem Magnetsensor, der sich in einem vorbestimmten Abstand zu einem Magnetfeldgenerator befindet, die Möglichkeit, dass der Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator aufgrund der Montagegenauigkeit des Magnetsensors schwankt. Wenn der Abstand schwankt, ändern die Detektionssignale des Magnetsensors, die in die Detektionswerterzeugungsschaltung eingegeben werden, ihre Größe. Daher besteht das Problem, dass die Detektionssignale von Charge zu Charge oder von Produkt zu Produkt kalibriert werden müssen, was viel Zeit und Aufwand erfordert.
Wenn sich der Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator verringert, nimmt die Stärke des an den Magnetsensor angelegten Zielmagnetfelds zu. Infolgedessen steigen die Maximalwerte der Detektionssignale des Magnetsensoreingangs, die in die Detektionswerterzeugungsschaltung eingespeist werden. In einigen Fällen können die Beträge der Detektionssignale die Eingangsbereiche der A/D-Wandler überschreiten, und die in die Detektionswerterzeugungsschaltung eingespeisten Detektionssignale können in Sättigung gehen. Die Sättigung der Detektionssignale ist problematisch, da sich die Detektionsgenauigkeit des Magnetsensorsystems verschlechtert.
Im Allgemeinen werden die Detektionssignale vor der Einspeisung in die A/D-Wandler durch Verstärker mit einer vorgegebenen Verstärkung vervielfacht. Um eine Sättigung der Detektionssignale zu verhindern, kann die Verstärkung unter der Annahme eingestellt werden, dass der Abstand zwischen Magnetsensor und Magnetfeldgenerator minimal ist. Dies bedeutet jedoch, dass nicht der gesamte Eingangsbereich der A/D-Wandler genutzt wird, was zu einer Verringerung der Auflösung und der Detektionsgenauigkeit führt.
Darüber hinaus kann der Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator manchmal durch einen physischen Stoß während des Gebrauchs abweichen. Dies kann ebenfalls problematisch sein, da die Detektionssignale gesättigt werden und sich somit die Detektionsgenauigkeit des Magnetsensorsystems verschlechtert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Magnetsensorsystem bereitzustellen, das Änderungen in den Detektionssignalen aufgrund der Abweichung des Abstands zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator unterdrücken kann, und eine Linsenpositionsdetektionsvorrichtung, die das Magnetsensorsystem verwendet.
Ein Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Magnetfeldgenerator auf, der so eingerichtet ist, dass er ein Zielmagnetfeld erzeugt, und einen Magnetsensor, der so eingerichtet ist, dass er das Zielmagnetfeld detektiert. Der Magnetsensor und der Magnetfeldgenerator sind so eingerichtet, dass eine Stärke einer Magnetfeldkomponente des Zielmagnetfelds, die von dem Magnetsensor in einer ersten Richtung erfasst wird, sich mit einer Änderung einer Position des Magnetfeldgenerators relativ zu dem Magnetsensor ändert.
Der Magnetsensor weist eine Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen auf. Jedes der Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen weist jeweils eine magnetisierungsfeste Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung fixiert ist, eine freie Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von einer Richtung und der Stärke der Magnetfeldkomponente variabel ist, und eine Abstandsschicht, die sich zwischen der magnetisierungsfesten Schicht und der freien Schicht befindet. Die magnetoresistiven Elemente sind so eingerichtet, dass an die freie Schicht ein Vormagnetisierungsmagnetfeld in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung angelegt wird und sich der Widerstand mit der Stärke der Magnetfeldkomponente ändert. Die maximale Stärke der an jedes der magnetoresistiven Elemente angelegten Magnetfeldkomponente ist größer oder gleich dem 1,2-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes.
In dem Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann die maximale Stärke der magnetischen Feldkomponente, die an jedes der magnetoresistiven Elemente angelegt wird, kleiner oder gleich dem 15,6-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes sein.
In dem Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Vormagnetisierungsmagnetfeld entweder auf ein externes Magnetfeld, das von außen an die freie Schicht angelegt wird, oder auf ein anisotropes Magnetfeld aufgrund der Anisotropie der freien Schicht oder auf beides zurückzuführen sein.
In dem Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Magnetsensor weiterhin einen Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator aufweisen, der so eingerichtet ist, dass er ein externes Magnetfeld erzeugt, das an die freie Schicht angelegt wird. In einem solchen Fall kann das Vormagnetisierungsmagnetfeld zumindest dem externen Magnetfeld zugeordnet sein. Der Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator kann eine Mehrzahl von Magnetpaaren enthalten, die jeweils einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten aufweisen. In einem solchen Fall können der erste und der zweite Magnet in jedem der Magnetpaare in einem vorbestimmten Abstand voneinander in der zweiten Richtung angeordnet sein, so dass das externe Magnetfeld an die gesamte freie Schicht von mindestens einem magnetoresistiven Element der Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen angelegt wird. In einem solchen Fall können die magnetisierungsfeste Schicht, die freie Schicht und die Abstandsschicht eine Schichtfolie bilden. Der Schichtfolie hat eine Breite, die eine Abmessung in einer Richtung parallel zur ersten Richtung ist. Die Breite der Schichtfolie kann kleiner oder gleich dem Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten in jedem der Magnetpaare sein.
In dem Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann die freie Schicht magnetische Formanisotropie aufweisen. In einem solchen Fall kann das Vormagnetisierungsmagnetfeld zumindest auf die magnetische Formanisotropie zurückgeführt werden.
In dem Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Magnetsensor weiterhin einen Magnetfeldverstärker aufwiesen, der so eingerichtet ist, dass er die Magnetfeldkomponente verstärkt, die an jedes der magnetoresistiven Elemente angelegt werden soll. In einem solchen Fall kann der Magnetfeldverstärker eine Mehrzahl von weichmagnetischen Schichten aufweisen. Jede der Mehrzahl von weichmagnetischen Schichten kann jeweils so angeordnet sein, dass sie mindestens ein magnetoresistives Element der Mehrzahl der magnetoresistiven Elemente, bei einer Betrachtung in einer dritten Richtung orthogonal zu den ersten und zweiten Richtungen, überlappen.
In dem Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Abstandsschicht eine Tunnelsperrschicht sein.
In dem Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Magnetfeldgenerator eine magnetische Skala sein, die eine Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen aufweist, die abwechselnd in einer vorgegebenen Teilung in einer vorgegebenen Richtung angeordnet sind. In einem solchen Fall kann der Magnetsensor ein Detektionssignal erzeugen, das mit dem Widerstand jedes der magnetoresistiven Elemente korrespondiert. Das Detektionssignal enthält eine ideale Komponente, die sich periodisch ändert, um eine ideale sinusförmige Kurve zu verfolgen, und eine Fehlerkomponente, die eine Mehrzahl von Harmonischen der idealen Komponente enthält. Die Mehrzahl der magnetoresistiven Elemente kann in einem vorbestimmten Muster basierend auf der vorbestimmten Teilung angeordnet sein, so dass die Fehlerkomponente reduziert wird. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl der magnetoresistiven Elemente so angeordnet sein, dass die Komponenten reduziert werden, die mindestens der siebten und den kleineren ungeraden Harmonischen entsprechen, die in der Fehlerkomponente enthalten sind.
Das Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Detektionswerterzeugungsschaltung aufweisen, die so eingerichtet ist, dass sie einen Detektionswert erzeugt, der mit der Position des Magnetfeldgenerators relativ zum Magnetsensor auf der Grundlage des Widerstands jedes der magnetoresistiven Elemente korrespondiert.
Eine Linsenpositionsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dazu vorgesehen, eine Position einer Linse zu detektieren, deren Position variabel ist. Die Linsenpositionsdetektionsvorrichtung weist das Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Die Linse ist so eingerichtet, dass sie in einer ersten Richtung beweglich ist. Der Magnetsensor und der Magnetfeldgenerator sind so eingerichtet, dass sich die Stärke der Magnetfeldkomponente ändert, wenn sich die Position der Linse ändert.
Die Linsenpositionsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Detektionswerterzeugungsschaltung enthalten, die so eingerichtet ist, dass sie einen Detektionswert erzeugt, der eine Entsprechung mit der Position der Linse auf der Grundlage des Widerstands jedes der magnetoresistiven Elemente hat.
In dem Magnetsensorsystem und der Linsenpositionsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedes der Mehrzahl der magnetoresistiven Elemente jeweils so eingerichtet, dass das Vormagnetisierungsmagnetfeld in der zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung an die freie Schicht angelegt wird und sich der Widerstand mit der Stärke der Magnetfeldkomponente ändert. Die maximale Stärke der an jedes der magnetoresistiven Elemente angelegten Magnetfeldkomponente ist größer oder gleich dem 1,2-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes. Gemäß der vorliegenden Erfindung können somit Änderungen des Detektionssignals aufgrund der Abweichung des Abstands zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator unterdrückt werden.
Andere und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung vollständiger hervorgehen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Magnetsensorsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist eine Frontansicht, die das Magnetsensorsystem gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration eines Magnetsensors der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispielkonfiguration einer in 3 gezeigten Detektionswerterzeugungsschaltung zeigt.
5 ist eine Draufsicht, die den Magnetsensor der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 ist eine Draufsicht, die einen ersten Widerstand der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein magnetoresistives Element der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
8 ist eine Draufsicht, die das magnetoresistive Element der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
9 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung eines Vormagnetisierungsmagnetfeldes, das an eine freie Schicht der Ausführungsform der Erfindung angelegt wird.
10 ist ein charakteristischer Graph, der ein Beispiel für eine Beziehung zwischen einem Spalt und einer Magnetfeldkomponente der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
11 ist ein charakteristischer Graph, der ein Beispiel für eine Beziehung zwischen einem Spalt und einem Detektionssignal gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
12 ist ein charakteristischer Graph, der ein Beispiel für eine Beziehung zwischen einer Magnetfeldkomponente und einem Detektionssignal gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
13 ist ein charakteristischer Graph, der eine Beziehung zwischen dem Spalt und einem Peak-to-Peak-Wert eines ersten Detektionssignals zeigt, ermittelt durch eine erste Simulation.
14 ist ein charakteristischer Graph, der eine Beziehung zwischen der Stärke der Magnetfeldkomponente und einer Ausgangsänderungsrate zeigt, ermittelt durch die erste Simulation.
15 ist ein charakteristischer Graph, der eine Beziehung zwischen der Stärke der Magnetfeldkomponente und einer dreizehnten Harmonischen zeigt, ermittelt durch eine zweite Simulation.
16 ist ein charakteristischer Graph, der eine Beziehung zwischen einem Magnetfeldverhältnis und einem Winkelfehler zeigt, ermittelt durch eine zweite Simulation.
17 ist ein charakteristischer Graph, der eine Beziehung zwischen einer Magnetfeldkomponente und einem ersten Detektionssignal zeigt, ermittelt durch eine dritte Simulation.
18 ist ein charakteristischer Graph, der eine Beziehung zwischen dem Vormagnetisierungsmagnetfeld und einer Hysterese zeigt, ermittelt durch die dritte Simulation.
19 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Linsenmodul mit einer Positionsdetektionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
20 ist eine perspektivische Ansicht, die die Positionsdetektionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes Modifikationsbeispiel für ein magnetoresistives Element der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
22 ist eine Draufsicht, die ein zweites Modifikationsbeispiel des magnetoresistiven Elements der Ausführungsform der Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Ein schematischer Aufbau eines Magnetsensorsystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Magnetsensorsystem 1 zeigt. 2 ist eine Frontansicht, die das Magnetsensorsystem 1 zeigt. Das Magnetsensorsystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist einen Magnetsensor 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und einen Magnetfeldgenerator 3 auf.
Der Magnetfeldgenerator 3 erzeugt ein Zielmagnetfeld MF, das ein Magnetfeld für den Magnetsensor 2 ist (zu detektierendes Magnetfeld). Das Zielmagnetfeld MF weist eine Magnetfeldkomponente in einer Richtung parallel zu einer gedachten Geraden auf. Der Magnetsensor 2 und der Magnetfeldgenerator 3 sind so eingerichtet, dass sich die Stärke der Magnetfeldkomponente des vom Magnetsensor 2 detektierten Zielmagnetfeldes MF mit einer Änderung der Position des Magnetfeldgenerators 3 relativ zum Magnetsensor 2 ändert. Der Magnetsensor 2 detektiert das Zielmagnetfeld MF einschließlich der Magnetfeldkomponente und erzeugt mindestens ein der Stärke der Magnetfeldkomponente entsprechendes Detektionssignal.
Der Magnetfeldgenerator 3 kann eine magnetische Skala sein, die eine Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen enthält, die abwechselnd in einer vorgegebenen Richtung angeordnet sind. Die magnetische Skala kann ein magnetisches Medium, wie z. B. ein Magnetband, sein, das abwechselnd für die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen magnetisiert ist. Die magnetische Skala kann eine Mehrzahl von Magneten sein, die entlang der vorgenannten vorbestimmten Richtung angeordnet sind. Der Magnetsensor 2 oder der Magnetfeldgenerator 3 ist innerhalb eines vorgegebenen Bereichs entlang der vorgegebenen Richtung beweglich. Wenn sich der Magnetsensor 2 oder der Magnetfeldgenerator 3 bewegt, ändert sich die Position des Magnetfeldgenerators 3 relativ zum Magnetsensor 2. Die vorbestimmte Richtung kann eine lineare Richtung oder eine Drehrichtung sein.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Magnetfeldgenerator 3 eine lineare Skala, die mit einer Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen in einer linearen Richtung magnetisiert ist. Der Magnetsensor 2 oder der Magnetfeldgenerator 3 ist entlang der Längsrichtung des Magnetfeldgenerators 3 beweglich. Die Mehrzahl der Paare von N- und S-Polen im Magnetfeldgenerator 3 sind abwechselnd in einem vorgegebenen Abstand angeordnet. Wie in 2 gezeigt, wird der Abstand zwischen zwei in Längsrichtung des Magnetfeldgenerators 3 zueinander benachbarten N-Polen (der gleiche wie der Abstand zwischen zwei in Längsrichtung des Magnetfeldgenerators 3 zueinander benachbarten S-Polen) als ein Pitch bezeichnet. Die Größe von einem Pitch wird mit dem Symbol Lp bezeichnet.
Wir definieren nun die X-, Y- und Z-Richtungen, wie in den 1 und 2 gezeigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Richtung parallel zu der Längsrichtung des Magnetfeldgenerators 3 als X-Richtung bezeichnet. Zwei zueinander orthogonale Richtungen, die senkrecht zur X-Richtung stehen, werden als Y- und Z-Richtung bezeichnet. In 2 ist die Y-Richtung als eine Richtung von der nahen Seite zur fernen Seite der 2 dargestellt. Die zur X-, Y- und Z-Richtung entgegengesetzten Richtungen werden als -X-, -Y- bzw. -Z-Richtung bezeichnet.
Die Richtung parallel zur X-Richtung entspricht einer ersten Richtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Y-Richtung oder -Y-Richtung entspricht einer zweiten Richtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Z-Richtung oder -Z-Richtung entspricht einer dritten Richtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Magnetsensor 2 ist von dem Magnetfeldgenerator 3 in Z-Richtung entfernt angeordnet. Der Magnetsensor 2 ist so eingerichtet, dass er die Stärke einer Magnetfeldkomponente MFx des Zielmagnetfelds MF an einer vorbestimmten Position in einer Richtung parallel zur X-Richtung detektieren kann. Die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx ändert sich periodisch, wenn sich der Magnetsensor 2 oder der Magnetfeldgenerator 3 entlang der Richtung parallel zur X-Richtung bewegt.
Stärke der Magnetfeldkomponente MFx wird zum Beispiel in positiven Werten ausgedrückt, wenn die Richtung der Magnetfeldkomponente MFx die X-Richtung ist, und in negativen Werten, wenn die Richtung der Magnetfeldkomponente MFx die -X-Richtung ist. Der Magnetsensor 2 kann detektieren, ob die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx einen positiven Wert oder einen negativen Wert hat. Der Magnetsensor 2 kann also im Wesentlichen die Richtung der Magnetfeldkomponente MFx (X-Richtung oder -X-Richtung) detektieren. In der folgenden Beschreibung schließt die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx sowohl positive als auch negative Werte ein, sofern nicht anders angegeben.
Als nächstes wird der Aufbau des Magnetsensors 2 mit Bezug auf 3 detailliert beschrieben. 3 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration des Magnetsensors 2 zeigt. Der Magnetsensor 2 weist einen ersten Widerstand R11, einen zweiten Widerstand R12, einen dritten Widerstand R21 und einen vierten Widerstand R22 auf, die jeweils so eingerichtet sind, dass sich ihr Widerstandswert mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx ändert. Die ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 enthalten jeweils eine Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen (im Folgenden als MR-Elemente bezeichnet) 50.
Der Magnetsensor 2 weist weiterhin einen Stromversorgungsanschluss VI, einen Masseanschluss G1, einen ersten Ausgangsanschluss E1 und einen zweiten Ausgangsanschluss E2 auf. Der erste Widerstand R11 befindet sich zwischen dem Stromversorgungsanschluss V1 und dem ersten Ausgangsanschluss E1. Der zweite Widerstand R12 befindet sich zwischen dem Masseanschluss G1 und dem ersten Ausgangsanschluss E1. Der dritte Widerstand R21 befindet sich zwischen dem Stromversorgungsanschluss V1 und dem zweiten Ausgangsanschluss E2. Der vierte Widerstand R22 befindet sich zwischen dem Masseanschluss G1 und dem zweiten Ausgangsanschluss E2. An den Stromversorgungsanschluss V1 wird eine Versorgungsspannung mit vorgegebener Größe angelegt. Der Masseanschluss G1 ist mit der Masse verbunden. Der Magnetsensor 2 wird vorzugsweise mit einer konstanten Spannung betrieben.
Der Magnetsensor 2 erzeugt ein Signal, das eine Entsprechung mit dem Potential am ersten Ausgang E1 hat, als ein erstes Detektionssignal S1, und erzeugt ein Signal, das eine Entsprechung mit dem Potential am zweiten Ausgang E2 hat, als ein zweites Detektionssignal S2.
Wie in 3 gezeigt, enthält das Magnetsensorsystem 1 weiterhin eine Detektionswerterzeugungsschaltung 4. Die Detektionswerterzeugungsschaltung 4 erzeugt einen Detektionswert Vs, der eine Entsprechung mit der Position des Magnetfeldgenerators 3 relativ zum Magnetsensor 2 auf der Basis des ersten und zweiten Detektionssignals S1 und S2 hat.
Ein Beispiel für die Konfiguration der Detektionswerterzeugungsschaltung 4 wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 ist ein Blockdiagramm, das das in 3 gezeigte Beispiel für die Konfiguration der Detektionswerterzeugungsschaltung 4 zeigt. In dem in 4 gezeigten Beispiel weist die Detektionswerterzeugungsschaltung 4 zwei Tiefpassfilter 41 und 42 zum Entfernen von Harmonischen-Anteilen, zwei Verstärker 43 und 44 zum Verstärken von Signalen, zwei Analog-Digital-Wandler (im Folgenden als A/D-Wandler bezeichnet) 45 und 46 zum Umwandeln von analogen Signalen in digitale Signale und eine Rechenschaltung 47 auf.
Die Rechenschaltung 47 erzeugt den Detektionswert Vs auf der Grundlage der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2, die von den A/D-Wandlern 45 und 46 digital gewandelt werden. Die Rechenschaltung 47 kann z. B. durch einen digitalen Signalprozessor (DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder einen Mikrocomputer realisiert werden.
Die Detektionswerterzeugungsschaltung 4 kann so eingerichtet sein, dass sie in der Lage ist, den Offset der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 zu korrigieren. Insbesondere kann die Detektionswerterzeugungsschaltung 4 beispielsweise so eingerichtet sein, dass sie in der Lage ist, ein Offset-Korrektursignal Sc1 zu dem ersten Detektionssignal S1 und ein Offset-Korrektursignal Sc2 zu dem zweiten Detektionssignal S2 hinzuzufügen. Die Offset-Korrektursignale Sc1 und Sc2 können analoge Signale sein, die z. B. durch einen nicht dargestellten Digital-Analog-Wandler umgewandelt werden.
Als nächstes wird der Magnetsensor 2 mit Bezug auf 5 näher beschrieben. Wie in 5 gezeigt, weist der Magnetsensor 2 weiterhin ein Substrat 10 und einen Stromversorgungsanschluss 11, einen Masseanschluss 12, einen ersten Ausgangsanschluss 13 und einen zweiten Ausgangsanschluss 14 auf, die auf dem Substrat 10 angeordnet sind. Der Stromversorgungsanschluss 11 stellt den Stromversorgungsanschluss V1 dar. Der Masseanschluss 12 stellt den Masseanschluss G1 dar. Der erste und zweite Ausgangsanschluss 13 und 14 bilden den ersten bzw. zweiten Ausgangsanschluss E1 bzw. E2.
Die ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 sind wie unten beschrieben auf dem Substrat 10 angeordnet. In der folgenden Beschreibung wird die Anordnung der ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 mit Bezug auf die Schwerpunkte der Widerstände in Z-Richtung gesehen beschrieben (im Folgenden einfach als Schwerpunkte bezeichnet). Der zweite Widerstand R12 befindet sich an der gleichen Position wie der erste Widerstand R11 in X-Richtung. Der zweite Widerstand R12 befindet sich auch in -Y-Richtung vor dem ersten Widerstand R11.
Der dritte Widerstand R21 befindet sich an einer Position Lp/4 (siehe 2) in X-Richtung vom ersten Widerstand R11 entfernt. Der dritte Widerstand R21 befindet sich auch in Y-Richtung vor dem ersten Widerstand R11.
Der vierte Widerstand R22 befindet sich an einer Position Lp/4 (siehe 2) in X-Richtung vom zweiten Widerstand R12 entfernt. Der vierte Widerstand R22 befindet sich an der gleichen Position wie der dritte Widerstand R21 in X-Richtung. Der vierte Widerstand R22 befindet sich ebenfalls in -Y-Richtung vor dem zweiten Widerstand R12.
In 5 bezeichnet das Symbol L eine imaginäre gerade Linie parallel zur X-Richtung. Insbesondere befinden sich in der vorliegenden Ausführungsform der Schwerpunkt des ersten Widerstands R11 und der Schwerpunkt des zweiten Widerstands R12 an Positionen, die symmetrisch zur imaginären geraden Linie L liegen. Der Schwerpunkt des dritten Widerstands R21 und der Schwerpunkt des vierten Widerstands R22 befinden sich an Positionen, die symmetrisch zur imaginären geraden Linie L liegen.
Als nächstes wird eine Konfiguration der ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 beschrieben. Jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 enthält eine ideale Komponente, die sich periodisch mit einer vorbestimmten Signalperiode derart ändert, dass eine ideale Sinuskurve (einschließlich Sinus- und Cosinus-Wellenformen) verfolgt wird. Die in 2 gezeigte Größe Lp von einem Pitch entspricht einer Periode der idealen Komponenten, d. h. einem elektrischen Winkel von 360°. Jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 enthält neben der idealen Komponente auch Fehlerkomponenten, die den Harmonischen der idealen Komponente entsprechen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 so eingerichtet, dass sie die Fehlerkomponenten reduzieren.
Die Konfiguration der ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 wird im Folgenden detailliert beschrieben. Zunächst wird die Konfiguration der MR-Elemente 50 beschrieben. Jedes der Mehrzahl der MR-Elemente 50 ist jeweils so eingerichtet, dass sich sein Widerstand mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx ändert. In der vorliegenden Ausführungsform sind die MR-Elemente 50 jeweils ein Spin-Ventil-MR-Element. Das Spin-Ventil-MR-Element weist eine magnetisierungsfeste Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung fest ist, eine freie Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von der Magnetfeldkomponente MFx variabel ist, und eine Abstandsschicht, die sich zwischen der magnetisierungsfesten Schicht und der freien Schicht befindet, auf. Das Spin-Ventil-MR-Element kann ein tunnelmagnetoresistives (TMR) Element oder ein riesenmagnetoresistives (GMR) Element sein. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform das MR-Element 50 vorzugsweise ein TMR-Element, um die Abmessungen des Magnetsensors 2 zu reduzieren. Bei dem TMR-Element ist die Abstandsschicht eine Tunnelsperrschicht. Beim GMR-Element ist die Abstandsschicht eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. Der Widerstand des Spin-Ventil-MR-Elements ändert sich mit dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht gegenüber der Magnetisierungsrichtung der magnetisierten Schicht einnimmt. Der Widerstand des Spin-Ventil-MR-Elements hat seinen minimalen Wert, wenn der vorgenannte Winkel 0 ist°, und seinen maximalen Wert, wenn der vorgenannte Winkel 180 ist°.
In 3 zeigen die Pfeile, die innerhalb der ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 dargestellt sind, die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierten Schichten in der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50, die in den Widerständen enthalten sind. Die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfesten Schichten in der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50, die in den ersten und dritten Widerständen R11 und R21 enthalten sind, sind eine erste Magnetisierungsrichtung. Die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfesten Schichten in der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50, die in den zweiten und vierten Widerständen R12 und R22 enthalten sind, sind eine zweite Magnetisierungsrichtung, die der ersten Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt ist.
Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die erste Magnetisierungsrichtung die -X-Richtung, und die zweite Magnetisierungsrichtung ist die X-Richtung. In einem solchen Fall ändern sich die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten in der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50 innerhalb der XY-Ebene mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx. Der Widerstand jedes der Mehrzahl von MR-Elementen 50 ändert sich somit mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx. Folglich ändert sich das Potential an jedem der ersten und zweiten Ausgangsanschlüsse E1 und E2 mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx. Wie oben beschrieben, hat das erste Detektionssignal S1 eine Entsprechung mit dem Potenzial des ersten Ausgangsanschlusses E1. Das zweite Detektionssignal S2 hat eine Entsprechung mit dem Potential des zweiten Ausgangsanschlusses E2. Das erste und zweite Detektionssignal S1 und S2 ändern sich also mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx.
Das Potenzial des ersten Ausgangsanschlusses E1 hängt von den Widerstandswerten des ersten und zweiten Widerstands R11 und R12 ab. Die Widerstandswerte der ersten und zweiten Widerstände R11 und R12 hängen von den Widerstandswerten der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50 in den ersten und zweiten Widerständen R11 und R12 ab. Das erste Detektionssignal S1 hat also eine Entsprechung zu den Widerstandswerten der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50 in den ersten und zweiten Widerständen R11 und R12.
In ähnlicher Weise hängt das Potenzial des zweiten Ausgangsanschlusses E2 von den Widerstandswerten des dritten und vierten Widerstands R21 und R22 ab. Die Widerstandswerte der dritten und vierten Widerstände R21 und R22 hängen von den Widerstandswerten der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50 in den dritten und vierten Widerständen R21 und R22 ab. Das zweite Detektionssignal S2 hat also eine Entsprechung zu den Widerstandswerten der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50 in den dritten und vierten Widerständen R21 und R22.
Als nächstes wird die Anordnung der Mehrzahl von MR-Elementen 50 in jedem der ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 beschrieben. Die Mehrzahl der MR-Elemente 50 sind in einem vorbestimmten Muster angeordnet, das auf der Größe Lp von einem Pitch basiert, so dass die Fehlerkomponenten reduziert werden. Wie hier verwendet, wird ein Set von einem oder mehreren MR-Elementen 50 als eine Elementgruppe bezeichnet. Die ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 weisen jeweils eine Mehrzahl von Elementgruppen auf. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Positionen der Mehrzahl von MR-Elementen 50 in Einheiten von Elementgruppen definiert. Um die Fehlerkomponenten zu reduzieren, sind die Mehrzahl von Elementgruppen in vorbestimmten Abständen voneinander auf der Basis der Größe Lp von einem Pitch angeordnet. In der folgenden Beschreibung wird die Anordnung der Mehrzahl von Elementgruppen mit Bezug auf vorbestimmte Positionen der Elementgruppen beschrieben. Ein Beispiel für die vorbestimmte Position einer Elementgruppe ist der Schwerpunkt der Elementgruppe bei Betrachtung in Z-Richtung.
Angenommen, dass n und m ganze Zahlen sind, die größer oder gleich 1 sind und sich voneinander unterscheiden. Um beispielsweise eine Komponente zu reduzieren, die einer (2n + 1)-ten Harmonischen der Fehlerkomponenten entspricht, befindet sich eine erste Elementgruppe an einer Position Lp/(4n + 2) entfernt von einer zweiten Elementgruppe in X-Richtung. Um eine Komponente zu reduzieren, die einer (2m + 1)-ten Harmonischen der Fehlerkomponenten entspricht, wird eine dritte Elementgruppe an einer Position Lp/(4m + 2) entfernt von der ersten Elementgruppe in der X-Richtung angeordnet, und eine vierte Elementgruppe wird an einer Position Lp/(4m + 2) entfernt von der zweiten Elementgruppe in der X-Richtung angeordnet. Um auf diese Weise Komponenten zu reduzieren, die einer Mehrzahl von Harmonischen entsprechen, die in den Fehlerkomponenten enthalten sind, ist jede der Mehrzahl von Elementgruppen zum Reduzieren einer Komponente, die einer Harmonischen entspricht, in einem vorbestimmten Abstand basierend auf der Größe Lp von einem Pitch in der X-Richtung von einer entsprechenden aus der Mehrzahl von Elementgruppen zum Reduzieren einer Komponente, die einer anderen Harmonischen entspricht, angeordnet.
Die Mehrzahl von Elementgruppen (Mehrzahl von MR-Elementen 50) sind so angeordnet, dass sie die Komponenten reduzieren, die mindestens den in den Fehlerkomponenten enthaltenen siebten und niedrigeren Harmonischen ungerader Ordnung entsprechen. Die Anzahl der Elementgruppen kann erhöht werden, um Komponenten zu reduzieren, die Harmonischen höherer Ordnung entsprechen. Die zu reduzierenden Komponenten sind vorzugsweise solche, die der elften oder niedrigeren Harmonischen ungerader Ordnung entsprechen, noch bevorzugter der dreizehnten oder niedrigeren Harmonischen ungerader Ordnung.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Mehrzahl von Elementgruppen (Mehrzahl von MR-Elementen 50) in jedem der ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 so angeordnet, dass sie die in den Fehlerkomponenten enthaltenen Komponenten reduzieren, die der elften und niedrigeren Harmonischen ungerader Ordnung entsprechen. 6 ist eine Draufsicht, die den ersten Widerstand R11 zeigt. Der erste Widerstand R11 weist sechzehn Elementgruppen 501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 508, 509, 510, 511, 512, 513, 514, 515 und 516 auf. Jede der Elementgruppen 501 bis 516 ist in vier Abschnitte unterteilt. Jeder Abschnitt enthält ein oder mehrere MR-Elemente 50. Mit anderen Worten weist jede Elementgruppe vier oder mehr MR-Elemente 50. Die Mehrzahl der MR-Elemente 50 kann innerhalb jeder Elementgruppe in Reihe geschaltet sein. In diesem Fall kann die Mehrzahl der Elementgruppen in Reihe geschaltet sein. Alternativ kann die Mehrzahl der MR-Elemente 50 unabhängig von den Elementgruppen in Reihe geschaltet sein.
In dem ersten Widerstand R11 sind die Elementgruppen 501 bis 516 so angeordnet, dass sie die Komponente, die der dritten Harmonischen (Harmonische dritter Ordnung) der idealen Komponente entspricht, die Komponente, die der fünften Harmonischen (Harmonische fünfter Ordnung) der idealen Komponente entspricht, die Komponente, die der siebten Harmonischen (Harmonische siebter Ordnung) der idealen Komponente entspricht, und die Komponente, die der elften Harmonischen (Harmonische elfter Ordnung) der idealen Komponente entspricht, die in den Fehlerkomponenten enthalten sind, reduzieren. Wie in 6 dargestellt sind die Elementgruppen 501 bis 504 entlang der X-Richtung angeordnet. Die Elementgruppe 502 befindet sich an einer Position Lp/10 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 503 befindet sich an einer Position Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 504 befindet sich an einer Position Lp/10 + Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung (an einer Position Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 502 in X-Richtung).
Wie in 6 dargestellt, sind die Elementgruppen 505 bis 508 entlang der X-Richtung angeordnet, in -Y-Richtung vor den Elementgruppen 501 bis 504. Die Elementgruppe 505 befindet sich an einer Position Lp/22 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 506 befindet sich an einer Position Lp/22 + Lp/10 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 507 befindet sich an einer Position Lp/22 + Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 508 befindet sich an einer Position Lp/22 + Lp/10 + Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppen 505 bis 508 befinden sich in X-Richtung jeweils an einer Position Lp/22 entfernt von den Elementgruppen 501 bis 504.
Wie in 6 gezeigt, sind die Elementgruppen 509 bis 512 entlang der X-Richtung angeordnet, in -Y-Richtung vor den Elementgruppen 505 bis 508. Die Elementgruppe 509 befindet sich an einer Position Lp/14 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 510 befindet sich an einer Position Lp/14 + Lp/10 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 511 befindet sich an einer Position Lp/14 + Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 512 befindet sich an einer Position Lp/14 + Lp/10 + Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung.
Wie in 6 gezeigt, sind die Elementgruppen 513 bis 516 entlang der X-Richtung angeordnet, in -Y-Richtung vor den Elementgruppen 509 bis 512. Die Elementgruppe 513 befindet sich an einer Position Lp/14 + Lp/22 entfernt von der Elementgruppe 501 in der X-Richtung. Die Elementgruppe 514 befindet sich an einer Position Lp/14 + Lp/22 + Lp/10 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 515 befindet sich an einer Position Lp/14 + Lp/22 + Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppe 516 befindet sich an einer Position Lp/14 + Lp/22 + Lp/10 + Lp/6 entfernt von der Elementgruppe 501 in X-Richtung. Die Elementgruppen 513 bis 516 befinden sich in X-Richtung jeweils an einer Position Lp/14 entfernt von den Elementgruppen 505 bis 508.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Konfiguration der Mehrzahl von Elementgruppen in jedem der zweiten bis vierten Widerstände R12, R21 und R22 die gleiche wie die Konfiguration der Mehrzahl von Elementgruppen in dem ersten Widerstand R11. Genauer gesagt enthalten die zweiten bis vierten Widerstände R12, R21 und R22 jeweils sechzehn Elementgruppen 501 bis 516 mit der in 6 gezeigten Konfiguration. Die Elementgruppen 501 bis 516 des ersten Widerstands R11 und die Elementgruppen 501 bis 516 des zweiten Widerstands R12 befinden sich an Positionen, die symmetrisch zur imaginären geraden Line L liegen. Die Elementgruppen 501 bis 506 des zweiten Widerstands R12 befinden sich in der X-Richtung jeweils an denselben Positionen wie die Elementgruppen 501 bis 516 des ersten Widerstands R11.
Die Elementgruppe 501 des dritten Widerstands R21 befindet sich an einer Position Lp/4 entfernt von der Elementgruppe 501 des ersten Widerstands R11 in X-Richtung. Das Layout der Elementgruppen 501 bis 516 im dritten Widerstand R21 ist das gleiche wie das der Elementgruppen 501 bis 516 im ersten Widerstand R11.
Die Elementgruppen 501 bis 516 des dritten Widerstands R21 und die Elementgruppen 501 bis 516 des vierten Widerstands R22 befinden sich an Positionen, die symmetrisch zur imaginären geraden Linie L liegen. Die Elementgruppen 501 bis 506 des vierten Widerstands R22 befinden sich in der X-Richtung jeweils an denselben Positionen wie die Elementgruppen 501 bis 516 des dritten Widerstands R21.
Die oben beschriebene Konfiguration der ersten bis vierten Widerstände R11, R12, R21 und R22 bewirkt, dass eine Phasendifferenz der idealen Komponente des zweiten Detektionssignals S2 von der idealen Komponente des ersten Detektionssignals S1 eine ungerade Anzahl von 1/4 mal einer vorbestimmten Signalperiode (die Signalperiode der idealen Komponente) beträgt, und reduziert die Fehlerkomponenten der jeweiligen ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2.
In Anbetracht der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente 50 und anderer Faktoren können die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfesten Schichten, die Positionen des ersten bis vierten Widerstands R11, R12, R21 und R22 und die Positionen der Elementgruppen 501 bis 516 geringfügig von den oben beschriebenen Richtungen und Positionen abweichen.
Als nächstes wird eine Konfiguration der MR-Elemente 50 mit Bezug auf die 7 und 8 beschrieben. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein MR-Element 50 zeigt. 8 ist eine Draufsicht, die das MR-Element 50 zeigt. Das MR-Element 50 weist eine Schichtfolie 50A auf, die eine magnetisierungsfeste Schicht 51, eine Abstandsschicht 52 und eine freie Schicht 53 enthält, die in dieser Reihenfolge in Z-Richtung gestapelt sind. In Z-Richtung gesehen hat die Schichtfolie 50A eine rechteckige oder im Wesentlichen rechteckige ebene Form.
Die Unterseite der Schichtfolie 50A des MR-Elements 50 ist mit der Unterseite der Schichtfolie 50A eines weiteren MR-Elements 50 durch eine nicht dargestellte untere Elektrode elektrisch verbunden. Die Oberseite der Schichtfolie 50A des MR-Elements 50 ist mit der Oberseite der Schichtfolie 50A eines weiteren MR-Elements 50 durch eine nicht dargestellte obere Elektrode elektrisch verbunden. Auf diese Weise ist die Mehrzahl der MR-Elemente 50 in Reihe geschaltet. Es ist zu beachten, dass die Schichten 51 bis 53 jeder Schichtfolie 50A in umgekehrter Reihenfolge zu der in 7 gezeigten gestapelt sein können.
Der Magnetsensor 2 weist einen Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator 50B und einen Magnetfeldverstärker 50D auf. Der Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator 50B erzeugt ein externes Magnetfeld, das an die freie Schicht 53 in jedem der MR-Elemente 50 angelegt wird. Der Magnetfeldverstärker 50D verstärkt die Magnetfeldkomponente MFx, die an jedes der MR-Elemente 50 angelegt werden soll. Insbesondere weist in der vorliegenden Ausführungsform der Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator 50B eine Mehrzahl von Magnetpaaren 50C auf. Der Magnetfeldverstärker 50D weist eine Mehrzahl von weichmagnetischen Schichten 50E auf.
Jedes der Mehrzahl von Magnetpaaren 50C weist jeweils einen ersten Magneten 54 und einen zweiten Magneten 55 auf. In jedem der Magnetpaare 50C sind der erste und der zweite Magnet 54 und 55 in einem vorbestimmten Abstand zueinander in Y-Richtung angeordnet, so dass das externe Magnetfeld an die gesamte freie Schicht 53 von mindestens einem der Mehrzahl von MR-Elemente 50 angelegt wird. Wie in 7 gezeigt, befinden sich der erste und der zweite Magnet 54 und 55 in Z-Richtung vor der Schichtfolie 50A. Wie in 7 und 8 gezeigt, befindet sich der erste Magnet 54 in der Nähe des Endes der Schichtfolie 50A in -Y-Richtung, und der zweite Magnet 55 befindet sich in der Nähe des Endes der Schichtfolie 50A in Y-Richtung. Der erste und der zweite Magnet 54 und 55 haben jeweils eine planare Form, die sich in X-Richtung (wenn in Z-Richtung gesehen) erstreckt. In 7 deuten die Pfeile im ersten und zweiten Magneten 54 und 55 ihre jeweiligen Magnetisierungsrichtungen an. Die Richtung des externen Magnetfelds, das durch den ersten und zweiten Magneten 54 und 55 an die freie Schicht 53 angelegt wird, ist die Y-Richtung.
In 8 überlappt der erste Magnet 54, in Z-Richtung gesehen, einen Teil der Schichtfolie 50A einschließlich des Endes in -Y-Richtung. Der erste Magnet 54 kann sich jedoch in der -Y-Richtung vor der Schichtfolie 50A befinden. In ähnlicher Weise überlappt der zweite Magnet 55, in Z-Richtung gesehen, einen Teil der Schichtfolie 50A einschließlich des Endes in Y-Richtung. Der zweite Magnet 55 kann sich jedoch in Y-Richtung vor der Schichtfolie 50A befinden.
Jede der weichmagnetischen Schichten 50E ist so angeordnet, dass sie, in Z-Richtung gesehen, mindestens eines der mehreren MR-Elemente 50 überlappt. In dem in 7 gezeigten Beispiel ist die weichmagnetische Schicht 50E so angeordnet, dass sie ein MR-Element 50 überlappt. Außerdem befindet sich die weichmagnetische Schicht 50E zwischen der Schichtfolie 50A und dem Magnetpaar 50C (erster und zweiter Magnet 54 und 55). Die weichmagnetische Schicht 50E hat eine planare Form, die sich in Y-Richtung erstreckt. Die weichmagnetische Schicht 50E kann, in Z-Richtung gesehen, jeden der ersten und zweiten Magneten 54 und 55 überlappen.
Als nächstes wird das Vormagnetisierungsmagnetfeld, das an die freie Schicht 53 in jedem der MR-Elemente 50 angelegt wird, unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
9 ist ein erklärendes Diagramm, das ein an die freie Schicht 53 angelegtes Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb beschreibt. In der vorliegenden Ausführungsform werden die folgenden ersten und zweiten Anforderungen an das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb gestellt. Die erste Anforderung besteht darin, dass jedes der MR-Elemente 50 so eingerichtet ist, dass es seinen Widerstand mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx ändert und außerdem ein Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb in Y-Richtung oder -Y-Richtung an die freie Schicht 53 anlegt. Die zweite Anforderung ist, dass die maximale Stärke der Magnetfeldkomponente MFx, die an jedes der MR-Elemente 50 angelegt wird, größer oder gleich dem 1,2-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb ist.
Die erste Anforderung definiert die Richtung des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb sowie die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb. Genauer gesagt, wenn das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb zu hoch ist, ändert sich der Widerstand des MR-Elements 50 nicht mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx. Ist das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb dagegen zu gering, ist der Widerstand des MR-Elements 50 im Bereich der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx gesättigt. Wenn der Widerstand des MR-Elements 50 gesättigt ist, ändert sich der Widerstand des MR-Elements 50 nicht mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx. Die erste Bedingung definiert also, dass die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb in den Bereich der Stärke fällt, in dem sich der Widerstand mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx ändert.
Die zweite Anforderung besteht, mit anderen Worten, darin, dass die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb so definiert ist, dass sie kleiner oder gleich dem 0,83-fachen der maximalen Stärke der an das MR-Element 50 angelegten Magnetfeldkomponente MFx ist. Kurz gesagt, die erste und die zweite Anforderung definieren, dass die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb in den Stärkebereich fällt, in dem sich der Widerstand mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx ändert, und kleiner oder gleich dem 0,83-fachen der maximalen Stärke der an das MR-Element 50 angelegten Magnetfeldkomponente MFx innerhalb des Bereichs der Stärke ist.
Das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb ist entweder auf ein externes Magnetfeld zurückzuführen, das von außen an die freie Schicht 53 angelegt wird, oder auf ein anisotropes Magnetfeld aufgrund der Anisotropie der freien Schicht 53, oder auf beides. Insbesondere wird in der vorliegenden Ausführungsform das externe Magnetfeld, das durch den Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator 50B (Magnetpaar 50C) erzeugt wird, an die freie Schicht 53 als das vorstehend genannte externe Magnetfeld angelegt. Mit anderen Worten wirkt das externe Magnetfeld als das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb. Wie oben beschrieben ist die Richtung des externen Magnetfelds die Y-Richtung. Wenn das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb dem externen Magnetfeld zugeschrieben wird, ist die Richtung des Vormagnetisierungsmagnetfelds MFb daher auch die Y-Richtung.
Das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb, das an die freie Schicht 53 angelegt wird, kann eines sein, das dem anisotropen Magnetfeld zusätzlich zum oder anstelle des externen Magnetfelds zugeschrieben wird. Beispielsweise kann die freie Schicht 53 eine magnetische Formanisotropie mit einer Richtung einer leichten Achse der Magnetisierung parallel zur Y-Richtung aufweisen. In einem solchen Fall wirkt das anisotrope Magnetfeld, das der magnetischen Formanisotropie zugeschrieben wird, als das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb.
Wie in 8 gezeigt, wird der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Magneten 54 und 55 durch das Symbol D bezeichnet. Die Breite, oder die Abmessung in der Richtung parallel zur X-Richtung, des geschichteten Films 50A wird durch das Symbol W bezeichnet. Die Breite W ist kleiner oder gleich der Abmessung des geschichteten Films 50A in der Y-Richtung. Die Breite W ist bevorzugt kleiner oder gleich dem Abstand D. Dadurch wirken sowohl das äußere Magnetfeld als auch das anisotrope Magnetfeld als das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb.
Die Richtung des externen Magnetfeldes kann schräg zur Y-Richtung oder -Y-Richtung sein und die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung kann schräg zu einer Richtung parallel zur Y-Richtung sein, solange das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb in der Y-Richtung oder -Y-Richtung an die freie Schicht 53 angelegt wird. Das anisotrope Magnetfeld kann eines sein, das auf eine andere magnetische uniaxiale Anisotropie als die magnetische Formanisotropie zurückzuführen ist, wie z. B. die magnetokristalline Anisotropie.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Erzeugung des Detektionswerts Vs der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Beispielsweise erzeugt die Detektionswerterzeugungsschaltung 4 den Detektionswert Vs auf folgende Weise. Die Rechenschaltung 47 der Detektionswerterzeugungsschaltung 4 bestimmt einen anfänglichen Detektionswert im Bereich von 0 °oder mehr und weniger als 360°, indem sie den Arkustangens des Verhältnisses des zweiten Detektionssignals S2 zum ersten Detektionssignal S1, d.h. atan (S2/S1), berechnet. Der anfängliche Detektionswert kann der Wert des Arkustangens selbst sein. Der anfängliche Detektionswert kann ein Wert sein, der durch Addition eines vorbestimmten Winkels zum Wert des Arkustangens erhalten wird.
Wenn der obige Wert des Arkustangens 0 ist°, stimmen die Position eines S-Pols des Magnetfeldgenerators 3 und die Position der Elementgruppe 501 in jedem der ersten und zweiten Widerstände R11 und R12 in X-Richtung überein. Wenn der vorgenannte Wert des Arkustangens 180 beträgt°, stimmen die Position eines N-Pols des Magnetfeldgenerators 3 und die Position der Elementgruppe 501 in jedem der ersten und zweiten Widerstände R11 und R12 in X-Richtung überein. Der anfängliche Detektionswert hat somit eine Übereinstimmung mit der Position des Magnetfeldgenerators 3 relativ zum Magnetsensor 2 (im Folgenden auch als relative Position bezeichnet) innerhalb von einem Pitch.
Die Rechenschaltung 47 der Detektionswerterzeugungsschaltung 4 zählt auch die Anzahl der Umdrehungen des elektrischen Winkels von einer Referenzposition, wobei eine Periode des anfänglichen Detektionswertes einem elektrischen Winkel von 360° entspricht°. Eine Umdrehung des elektrischen Winkels entspricht dem Betrag der Bewegung der Relativposition in Höhe von einem Pitch. Die Rechenschaltung 47 der Detektionswerterzeugungsschaltung 4 erzeugt auf der Basis des anfänglichen Detektionswertes und der Anzahl der Umdrehungen des elektrischen Winkels den Detektionswert Vs, der mit der relativen Position übereinstimmt.
Wie oben beschrieben, haben das erste und das zweite Detektionssignal S1 und S2 eine Entsprechung mit den Widerständen der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50. Die Rechenschaltung 47 der Detektionswerterzeugungsschaltung 4 kann somit den Detektionswert Vs basierend auf den Widerstandswerten der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50 in den ersten bis vierten Widerständen R11, R12, R21 und R22 erzeugen.
Als nächstes werden der Betrieb und die Wirkungen des Magnetsensorsystems 1 und des Magnetsensors 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform sind die MR-Elemente 50 so eingerichtet, dass das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb an die freien Schichten 53 angelegt wird. Wie oben beschrieben, werden in der vorliegenden Ausführungsform die ersten und zweiten Anforderungen für das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb festgelegt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können Änderungen der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 aufgrund einer Abweichung des Abstands zwischen dem Magnetsensor 2 und dem Magnetfeldgenerator 3 unterdrückt werden, indem die ersten und zweiten Anforderungen erfüllt werden. Dies wird nun im Detail beschrieben.
Zunächst wird ein Zusammenhang zwischen den Auswirkungen des Abstands zwischen dem Magnetsensor 2 und dem Magnetfeldgenerator 3 auf die Magnetfeldkomponente MFx und das erste und zweite Detektionssignal S1 und S2 beschrieben. Wie in 1 und 2 dargestellt, befindet sich der Magnetsensor 2 in einem vorgegebenen Abstand zum Magnetfeldgenerator 3. Der Abstand zwischen dem Magnetsensor 2 und dem Magnetfeldgenerator 3 wird im Folgenden als Spalt bezeichnet und mit dem Symbol AG bezeichnet.
10 ist ein charakteristischer Graph, der ein Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Spalt AG und der Magnetfeldkomponente MFx zeigt. 11 ist ein charakteristischer Graph, der ein Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Spalt AG und den Detektionssignalen zeigt. In den 10 und 11 bezeichnet die horizontale Achse den Spalt AG In 10 zeigt die vertikale Achse den Betrag einer magnetischen Flussdichte Bx, die der maximalen Stärke der vom Magnetsensor 2 detektierbaren Magnetfeldkomponente MFx entspricht. In 11 zeigt die vertikale Achse einen Peak-to-Peak-Wert Vpp des ersten Detektionssignals S1 an, wenn die Position des Magnetfeldgenerators 3 relativ zum Magnetsensor 2 verändert wird. In 10 stellt die mit der Bezugsziffer 71 bezeichnete Kurve die magnetische Flussdichte Bx bei Verwendung des Magnetfeldgenerators 3 dar, wenn die Größe Lp von einem Pitch auf 1000 µm eingestellt ist. Die mit der Bezugsziffer 72 bezeichnete Kurve stellt die magnetische Flussdichte Bx bei Verwendung des Magnetfeldgenerators 3 dar, wenn die Größe Lp von einem Pitch auf 750 µm eingestellt ist.
Wie aus 10 ersichtlich ist, nimmt die magnetische Flussdichte Bx, d.h. die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx, mit zunehmendem Spalt AG ab. Wie aus 11 ersichtlich ist, nimmt der Peak-to-Peak-Wert Vpp, d.h. die Größe des ersten Detektionssignals S1, mit zunehmendem Spalt AG ab. Obwohl im Graph nicht dargestellt, gilt die Beziehung zwischen dem Spalt AG und dem ersten Detektionssignal S1 auch für die Beziehung zwischen dem Spalt AG und dem zweiten Detektionssignal S2. Das zweite Detektionssignal S2 nimmt daher ebenfalls ab, wenn der Spalt AG größer wird.
12 ist ein charakteristischer Graph, der ein Beispiel für eine Beziehung zwischen der Magnetfeldkomponente MFx und den Detektionssignalen zeigt. In 12 zeigt die horizontale Achse die Größe der magnetischen Flussdichte Bx, die der Magnetfeldkomponente MFx entspricht, und die vertikale Achse die Größe des ersten Detektionssignals S1. In 12 wird die magnetische Flussdichte Bx, wenn die Richtung der Magnetfeldkomponente MFx die X-Richtung ist, in positiven Werten und, wenn die Richtung der Magnetfeldkomponente MFx die -X-Richtung ist, in negativen Werten ausgedrückt. In 12 ist das erste Detektionssignal S1 so normiert, dass der Maximalwert des ersten Detektionssignals S1 gleich 1 und der Minimalwert des ersten Detektionssignals S1 gleich -1 ist.
Wie aus 12 ersichtlich ist, ändert sich das erste Detektionssignal S1 stark mit einer Änderung der Stärke der magnetischen Feldkomponente MFx, wenn sich die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx (magnetische Flussdichte Bx) in einem relativ engen Bereich einschließlich 0 (z. B. ±7 mT) ändert. Der Maximalwert des ersten Detektionssignals S1 ändert sich daher auch stark mit einer Änderung der maximalen Stärke der Magnetfeldkomponente MFx. Wenn in einem solchen Fall der Spalt AG schwankt, so dass sich die maximale Stärke der Magnetfeldkomponente MFx verschiebt, ändert sich der Maximalwert des ersten Detektionssignals S1 stark.
Im Gegensatz dazu definiert in der vorliegenden Ausführungsform die zweite Anforderung, dass die maximale Stärke der an jedem der MR-Elemente 50 anliegenden Magnetfeldkomponente MFx größer oder gleich dem 1,2-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird dadurch der Bereich der Änderungen des ersten Detektionssignals S1 vergrößert, so dass sich der Maximalwert des ersten Detektionssignals S1 bei einer Änderung der maximalen Stärke der Magnetfeldkomponente MFx nicht stark ändert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können somit Änderungen des Maximalwerts des ersten Detektionssignals S1 bei einer Schwankung des Spalts AG zur Verschiebung der Maximalstärke der Magnetfeldkomponente MFx unterdrückt werden.
Die vorangehende Beschreibung des ersten Detektionssignals S1 gilt auch für das zweite Detektionssignal S2. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können wie beim ersten Detektionssignal S1 Änderungen des Maximalwerts des zweiten Detektionssignals S2 bei Schwankungen des Spalts AG mit der Folge einer Verschiebung der maximalen Stärke der Magnetfeldkomponente MFx unterdrückt werden.
Als nächstes wird ein Zusammenhang zwischen der maximalen Stärke der Magnetfeldkomponente MFx und der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb unter Bezugnahme auf die Ergebnisse von ersten und zweiten Simulationen detailliert beschrieben. In der folgenden Beschreibung bezieht sich die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx auf die maximale Stärke der Magnetfeldkomponente MFx, sofern nicht anders angegeben.
Zunächst wird die erste Simulation beschrieben. Für die erste Simulation wurde ein Modell des Magnetsensorsystems 1 verwendet. Die Größe Lp von einem Pitch des Magnetfeldgenerators 3 wurde auf 1000 µm gesetzt.
In der ersten Simulation wurde eine Beziehung zwischen dem Spalt AG und dem Peak-to-Peak-Wert Vpp des ersten Detektionssignals S1 durch Ändern des Spalts AG bestimmt. In der ersten Simulation wurde eine magnetische Flussdichte Bb, die der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfelds MFb entspricht, auf 0,1 mT, 2 mT, 5 mT, 10 mT und 15 mT geändert. Die Beziehung zwischen dem Spalt AG und dem Peak-to-Peak-Wert Vpp des ersten Detektionssignals S1 wurde für jede Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb (jeden Wert der magnetischen Flussdichte Bb) bestimmt.
In der ersten Simulation wurde auch die Änderungsrate des ersten Detektionssignals S1 bei Änderung des Spalts AG (im Folgenden als Ausgangsänderungsrate bezeichnet) ermittelt. Dabei wird der Peak-to-Peak-Wert Vpp für einen ersten Wert des Spalts AG als erster Peak-to-Peak-Wert bezeichnet. Der Peak-to-Peak-Wert Vpp für einen zweiten Wert des Spalts AG, der 50 µm größer ist als der erste Wert, wird als zweiter Peak-to-Peak-Wert bezeichnet. In der ersten Simulation wurde die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Peak-to-Peak-Wert, geteilt durch den ersten Peak-to-Peak-Wert, als Ausgangsänderungsrate für den ersten Wert des Spalts AG angenommen. Aus der Beziehung zwischen dem Spalt AG und der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx wurde dann eine Beziehung zwischen der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx und der Ausgangsänderungsrate ermittelt. Für jede Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb (jeden Wert der magnetischen Flussdichte Bb) wurde der Zusammenhang zwischen der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx und der Ausgangsänderungsrate ermittelt.
13 ist ein charakteristischer Graph, der die Beziehung zwischen dem Spalt AG und dem Peak-to-Peak-Wert Vpp des ersten Detektionssignals S1 zeigt. In 13 zeigt die horizontale Achse den Spalt AG und die vertikale Achse den Peak-to-Peak-Wert Vpp. In 13 stellt die mit dem Bezugszeichen 73 bezeichnete Kurve den Peak-to-Peak-Wert Vpp für eine magnetische Flussdichte Bb von 0,1 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnete Kurve stellt den Peak-to-Peak-Wert Vpp für eine magnetische Flussdichte Bb von 2 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 75 bezeichnete Kurve stellt den Peak-to-Peak-Wert Vpp für eine magnetische Flussdichte Bb von 5 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 76 bezeichnete Kurve stellt den Peak-to-Peak-Wert Vpp für eine magnetische Flussdichte Bb von 10 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 77 bezeichnete Kurve stellt den Peak-to-Peak-Wert Vpp für eine magnetische Flussdichte Bb von 15 mT dar.
Aus 13 ist ersichtlich, dass der Peak-to-Peak-Wert Vpp, d.h. der Betrag des ersten Detektionssignals S1, mit zunehmendem Spalt AG abnimmt, außer bei der magnetischen Flussdichte Bb von 0,1 mT. 13 zeigt auch, dass der Betrag der Änderung des ersten Detektionssignals S1 mit einer Änderung des Spalts AG abnimmt, wenn die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfelds MFb (magnetische Flussdichte Bb) abnimmt.
14 ist ein charakteristischer Graph, der den Zusammenhang zwischen der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx und der Ausgangsänderungsrate zeigt. In 14 zeigt die horizontale Achse die Größe der magnetischen Flussdichte Bx, die der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx entspricht, und die vertikale Achse die Ausgangsänderungsrate. In 14 stellt die mit dem Bezugszeichen 78 bezeichnete Kurve die Ausgangsänderungsrate für eine magnetische Flussdichte Bb von 2 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 79 bezeichnete Kurve stellt die Ausgangsänderungsrate für eine magnetische Flussdichte Bb von 5 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnete Kurve stellt die Ausgangsänderungsrate für eine magnetische Flussdichte Bb von 10 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 81 bezeichnete Kurve stellt die Ausgangsänderungsrate für eine magnetische Flussdichte Bb von 15 mT dar.
Aus 14 ist zu erkennen, dass die Ausgangsänderungsrate mit zunehmender Stärke der Magnetfeldkomponente MFx (magnetische Flussdichte Bx) abnimmt. 14 zeigt auch, dass die Ausgangsänderungsrate abnimmt, wenn die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb (magnetische Flussdichte Bb) abnimmt.
Aus den Ergebnissen der ersten Simulation ist ersichtlich, dass die Ausgangsänderungsrate durch eine Erhöhung der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx oder eine Verringerung der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb reduziert werden kann. Der obere Grenzwert der Ausgangsänderungsrate, bei dem die Änderung des Detektionssignals als gering eingestuft werden kann, beträgt z. B. 15 %. Aus 14 geht hervor, dass die magnetische Flussdichte Bx, bei der die Ausgangsänderungsrate 15 % beträgt, 6 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 5 mT, 12 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 10 mT und 18 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 15 mT beträgt. Das heißt, die Ausgangsänderungsrate beträgt 15 %, wenn die magnetische Flussdichte Bx das 1,2-fache der magnetischen Flussdichte Bb beträgt.
Die magnetische Flussdichte Bx entspricht der maximalen Stärke der an jedem der MR-Elemente 50 anliegenden Magnetfeldkomponente MFx. Die magnetische Flussdichte Bb entspricht der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb. In der vorliegenden Ausführungsform ist die maximale Stärke der an jedes der MR-Elemente 50 angelegten Magnetfeldkomponente MFx größer oder gleich dem 1,2-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb eingestellt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann so die Ausgangsänderungsrate auf kleiner oder gleich 15 % reduziert werden.
Die Ausgangsänderungsrate ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 10 %, noch bevorzugter kleiner als oder gleich 8 %. Aus 14 geht hervor, dass die magnetische Flussdichte Bx, bei der die Ausgangsänderungsrate 10 % beträgt, 8,5 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 5 mT, 17 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 10 mT und 25,5 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 15 mT beträgt. Das heißt, die Ausgangsänderungsrate beträgt 10 %, wenn die magnetische Flussdichte Bx das 1,7-fache der magnetischen Flussdichte Bb beträgt.
Aus 14 geht hervor, dass die magnetische Flussdichte Bx, bei der die Ausgangsänderungsrate 8 % beträgt, 10 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 5 mT, 20 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 10 mT und 30 mT bei einer magnetischen Flussdichte Bb von 15 mT beträgt. Das heißt, die Ausgangsänderungsrate beträgt 8 %, wenn die magnetische Flussdichte Bx das 2-fache der magnetischen Flussdichte Bb beträgt.
Wie oben beschrieben ist die maximale Stärke der Magnetfeldkomponente MFx, die an jedes der MR-Elemente 50 angelegt wird, vorzugsweise größer oder gleich dem 1,7-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb, besonders bevorzugt größer oder gleich dem Doppelten.
Als nächstes wird die zweite Simulation beschrieben. Wie bei der ersten Simulation wurde auch bei der zweiten Simulation ein Modell des Magnetsensorsystems 1 verwendet. Die dem Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb entsprechende magnetische Flussdichte Bb wurde auf 5 mT eingestellt.
Das Verhältnis der maximalen Stärke der an jedem der MR-Elemente 50 anliegenden Magnetfeldkomponente MFx zur Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb wird als Magnetfeldverhältnis bezeichnet. In der zweiten Simulation wurden die Auswirkungen des Magnetfeldverhältnisses auf die Detektionssignale und den Detektionswert Vs durch Veränderung der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx untersucht. Konkret wurde eine Komponente, die der dreizehnten Harmonischen (Harmonische dreizehnter Ordnung) der in den Fehlerkomponenten des ersten Detektionssignals S1 enthaltenen Idealkomponente entspricht, ermittelt, um eine Beziehung zwischen der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx und der dreizehnten Harmonischen zu bestimmen.
In der zweiten Simulation wurde aus dem ersten und zweiten Detektionssignal S1 und S2 ebenfalls der vorgenannte Anfangsdetektionswert ermittelt. Darüber hinaus wurde aus den idealen Komponenten der jeweiligen ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 ein idealer Winkel ermittelt, der dem anfänglichen Detektionswert entspricht, und es wurde eine Differenz zwischen dem anfänglichen Detektionswert und dem idealen Winkel (im Folgenden als Winkelfehler bezeichnet) bestimmt. Anschließend wurde ein Zusammenhang zwischen dem Magnetfeldverhältnis und dem Winkelfehler ermittelt.
15 ist ein charakteristischer Graph, der die Beziehung zwischen der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx und der dreizehnten Harmonischen zeigt. In 15 zeigt die horizontale Achse die magnetische Flussdichte Bx, die der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx entspricht. Die vertikale Achse zeigt in 15 das Verhältnis V13th/V1st der Amplitude der dreizehnten Harmonischen zu der der idealen Komponente. Aus 15 ist zu erkennen, dass das Verhältnis V13th/V1st mit zunehmender magnetischer Flussdichte Bx steigt. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Amplitude der dreizehnten Harmonischen mit zunehmendem Magnetfeldverhältnis steigt.
Der Magnetsensor 2 des Magnetsensorsystems 1 enthält eine Mehrzahl von MR-Elementen 50, die so angeordnet sind, dass sie die Komponenten reduzieren, die den elften und niedrigeren Harmonischen ungerader Ordnung entsprechen, die in den Fehlerkomponenten enthalten sind. Mit anderen Worten, der Magnetsensor 2 ist nicht so eingerichtet, dass er die Komponenten reduziert, die den dreizehnten und höheren Harmonischen entsprechen, die in den Fehlerkomponenten enthalten sind. Wie in 15 gezeigt, steigt die Amplitude der dreizehnten Harmonischen daher mit zunehmender magnetischer Flussdichte Bx. Die in den Fehlerkomponenten enthaltene Komponente, die der dreizehnten Harmonischen entspricht, nimmt daher mit zunehmendem Magnetfeldverhältnis zu.
16 ist ein charakteristischer Graph, der die Beziehung zwischen dem Magnetfeldverhältnis und dem Winkelfehler zeigt. In 16 zeigt die horizontale Achse das Magnetfeldverhältnis und die vertikale Achse den Winkelfehler. Aus 16 ist ersichtlich, dass der Winkelfehler mit steigendem Magnetfeldverhältnis zunimmt. Der Grund dafür ist, dass mit zunehmendem Magnetfeldverhältnis die der dreizehnten Harmonischen entsprechende Komponente unter den Fehlerkomponenten wie oben beschrieben zunimmt.
Je größer der Winkelfehler ist, desto größer ist der Fehler des Detektionswertes Vs. Aus 16 ist somit zu erkennen, dass der Fehler im Detektionswert Vs mit zunehmendem Magnetfeldverhältnis steigt.
Der obere Grenzwert des Winkelfehlers, bei dem der Fehler im Detektionswert Vs zulässig ist, beträgt z. B. 3°. Aus 16 geht hervor, dass das Magnetfeldverhältnis, bei dem der Winkelfehler 3° beträgt, 15,6 ist. Das Magnetfeldverhältnis entspricht dem Verhältnis der maximalen Stärke der an jedem der MR-Elemente 50 anliegenden Magnetfeldkomponente MFx zu der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb.
Der Winkelfehler kann also auf kleiner oder gleich 3° reduziert werden, indem die maximale Stärke der an jedem der MR-Elemente 50 anliegenden Magnetfeldkomponente MFx kleiner oder gleich dem 15,6-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb eingestellt wird.
Der Winkelfehler ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 2°, noch bevorzugter kleiner als oder gleich 1°. Aus 16 geht hervor, dass das Magnetfeldverhältnis, bei dem der Winkelfehler 2° beträgt, 9,2 ist, und dass das Magnetfeldverhältnis, bei dem der Winkelfehler 1° ist, 5,6 ist. Die maximale Stärke der Magnetfeldkomponente MFx, die an jedem der MR-Elemente 50 anliegt, ist also vorzugsweise kleiner oder gleich dem 9,2-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb, weiter bevorzugt kleiner oder gleich dem 5,6-fachen.
In der vorliegenden Ausführungsform enthält das Magnetsensorsystem 1 die Detektionswerterzeugungsschaltung 4. Wenn der Magnetsensor 2 der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, kann die Detektionswerterzeugungsschaltung 4 oder die Rechenschaltung 47 die ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 oder den Detektionswert Vs korrigieren, um den Fehler aufgrund des Winkelfehlers zu reduzieren. Die Korrektur des ersten und zweiten Detektionssignals S1 und S2 oder des Detektionswerts Vs wird erleichtert, indem das Magnetfeldverhältnis so eingestellt wird, dass der Winkelfehler wie oben beschrieben etwas klein ist.
Als nächstes wird die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb anhand des Ergebnisses einer dritten Simulation beschrieben. Wie bei der ersten und zweiten Simulation wurde auch bei der dritten Simulation ein Modell des Magnetsensorsystems 1 verwendet.
In der dritten Simulation wurde ein Zusammenhang zwischen der Magnetfeldkomponente MFx und einem Detektionssignal ermittelt, während die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb verändert wurde. In der dritten Simulation wurde das erste Detektionssignal S1 als Detektionssignal verwendet. In der dritten Simulation wurde eine magnetische Flussdichte Bb entsprechend der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb auf 0 mT, 2 mT, 5 mT, 8 mT, 10 mT, 15 mT und 20 mT geändert. Die Beziehung zwischen der Magnetfeldkomponente MFx und dem ersten Detektionssignal S1 wurde für jede Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb (jeden Wert der magnetischen Flussdichte Bb) bestimmt.
17 ist ein charakteristischer Graph, der die Beziehung zwischen der Magnetfeldkomponente MFx und dem ersten Detektionssignal S1 zeigt. In 17 zeigt die horizontale Achse die magnetische Flussdichte Bx, die der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx entspricht, und die vertikale Achse das erste Detektionssignal S1. In 17 stellt die mit dem Bezugszeichen 82 bezeichnete Kurve das erste Detektionssignal S1 für eine magnetische Flussdichte Bb von 0 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 83 bezeichnete Kurve stellt das erste Detektionssignal S1 für eine magnetische Flussdichte Bb von 2 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 84 bezeichnete Kurve stellt das erste Detektionssignal S1 für eine magnetische Flussdichte Bb von 5 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 85 bezeichnete Kurve stellt das erste Detektionssignal S1 für eine magnetische Flussdichte Bb von 8 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 86 bezeichnete Kurve stellt das erste Detektionssignal S1 für eine magnetische Flussdichte Bb von 10 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 87 bezeichnete Kurve stellt das erste Detektionssignal S1 für eine magnetische Flussdichte Bb von 15 mT dar. Die mit dem Bezugszeichen 88 bezeichnete Kurve stellt das erste Detektionssignal S1 für eine magnetische Flussdichte Bb von 20 mT dar.
In dem in 17 dargestellten Beispiel beträgt das erste Detektionssignal S1 für eine magnetische Flussdichte Bx von 0 (der Offset des ersten Detektionssignals S1) idealerweise 1,4 V Der Wert der magnetischen Flussdichte Bx, bei dem das erste Detektionssignal S1 1,4 V erreicht, wenn die magnetische Flussdichte Bx von einem negativen Wert aus erhöht wird, wird als ein erster Wert bezeichnet. Der Wert der magnetischen Flussdichte Bx, bei dem das erste Detektionssignal S1 1,4 V erreicht, wenn die magnetische Flussdichte Bx von einem positiven Wert aus verringert wird, wird als zweiter Wert bezeichnet. Der Absolutwert der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wert wird als Hysterese Hys bezeichnet.
18 ist ein charakteristischer Graph, der den Zusammenhang zwischen dem Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb und der Hysterese Hys zeigt. In 18 zeigt die horizontale Achse die magnetische Flussdichte Bb, die der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb entspricht, und die vertikale Achse die Hysterese Hys. 18 zeigt, dass die Hysterese Hys mit abnehmender Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb (magnetische Flussdichte Bb) abnimmt.
Der Fehler im Detektionswert Vs kann sowohl durch die Hysterese Hys als auch durch den vorgenannten Winkelfehler entstehen. Der obere Grenzwert der Hysterese Hys, bei dem der Fehler im Detektionswert Vs zulässig ist, beträgt z. B. 1 mT. Aus 18 geht hervor, dass die magnetische Flussdichte Bb, bei der die Hysterese Hys 1 mT beträgt, 3 mT beträgt. Die magnetische Flussdichte Bb, die der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb entspricht, ist also vorzugsweise größer oder gleich 3 mT.
Wenn die Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb erhöht wird, muss die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx erhöht werden, um die Ausgangsänderungsrate zu verringern. Um die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx zu erhöhen, muss z. B. der Spalt AG verkleinert werden. Im Hinblick auf die Sicherstellung eines etwas großen Spaltes AG ist die magnetische Flussdichte Bb entsprechend der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb vorzugsweise kleiner oder gleich 40 mT.
Das Vormagnetisierungsmagnetfeld MFb wird entweder dem externen Magnetfeld zugeschrieben, das durch den Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator 50B erzeugt wird, oder dem anisotropen Magnetfeld aufgrund der Anisotropie der freien Schicht 53 in jedem MR-Element 50 oder beidem. Wenn das Magnetpaar 50C (erster und zweiter Magnet 54 und 55) als Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator 50B vorgesehen ist, kann die Richtung des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb auf eine Richtung (Y-Richtung oder -Y-Richtung) eingestellt werden. Die Größe jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2, wenn die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx 0 ist, d. h. der Offset des Detektionssignals kann unterschiedlich sein, je nachdem, ob die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 53 die Y-Richtung oder die -Y-Richtung ist. Im Gegensatz dazu kann durch die Bereitstellung des Magnetpaares 50C (erster und zweiter Magnet 54 und 55) die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 53, wenn die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx 0 ist, auf eine Richtung (Y-Richtung oder -Y-Richtung) festgelegt werden. Dies erleichtert die Offsetkorrektur.
Indem die Stärke des vom Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator 50B erzeugten externen Magnetfelds etwas erhöht wird, kann verhindert werden, dass die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 53 bei einer Stärke der Magnetfeldkomponente MFx von 0 umgekehrt wird, um den Offset zu ändern, wenn ein Magnetfeld in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung des externen Magnetfelds an das MR-Element 50 angelegt wird. Auch unter einem solchen Gesichtspunkt ist die magnetische Flussdichte Bb, die der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes MFb entspricht, vorzugsweise etwas hoch, insbesondere größer oder gleich 3 mT.
Als nächstes werden die anderen Effekte der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform sind die mehreren MR-Elemente 50 so angeordnet, dass sie die Komponenten reduzieren, die der elften und den niedrigeren Harmonischen ungerader Ordnung entsprechen, die in den Fehlerkomponenten jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 enthalten sind. Wie aus dem Ergebnis der zweiten Simulation ersichtlich ist, nimmt die Komponente, die der Harmonischen dreizehnter Ordnung entspricht, die in den Fehlerkomponenten enthalten ist, zu, wenn das Magnetfeldverhältnis, oder insbesondere die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx, zunimmt. Wenn die Mehrheit der MR-Elemente 50 nicht wie oben beschrieben angeordnet sind, nehmen die Komponenten, die der elften und der niedrigeren, ungeraden Harmonischen entsprechen, ebenfalls zu, wenn die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx zunimmt. In einem solchen Fall sind die Wellenformen der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 rechteckig verzerrt. Dadurch erhöht sich der Fehler im Detektionswert Vs.
Im Gegensatz dazu ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Mehrzahl der MR-Elemente 50 wie oben beschrieben angeordnet. Dies kann die Fehlerkomponenten, die in jedem der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 enthalten sind, reduzieren und die Wellenform jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 nahe an eine ideale Sinuskurve bringen, während die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx erhöht wird. Infolgedessen kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Fehler im Detektionswert Vs reduziert werden und die Ausgangsänderungsrate kann ebenfalls reduziert werden.
Als nächstes wird eine Linsenpositionsdetektionsvorrichtung (im Folgenden einfach als Positionsdetektionsvorrichtung bezeichnet) gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf die 19 und 20 beschrieben. 19 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Linsenmodul mit der Positionsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 20 ist eine perspektivische Ansicht, die die Positionsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Ein in 19 dargestelltes Linsenmodul 300 ist beispielsweise Teil einer Smartphone-Kamera. Das Linsenmodul 300 wird in Kombination mit einem Bildsensor 310 verwendet, der einen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Sensor („complementary metal-oxide-silicon“, CMOS) oder ähnliches verwendet. In dem in 19 gezeigten Beispiel weist das Linsenmodul 300 ein dreieckiges Prisma 302 und drei Linsen 303A, 303B und 303C auf, die zwischen dem Bildsensor 310 und dem Prisma 302 angeordnet sind. Mindestens eine der Linsen 303A, 303B und 303C ist so eingerichtet, dass sie von einer nicht dargestellten Antriebseinheit bewegt werden kann, so dass zumindest entweder eine Fokussierung oder ein Zoom durchgeführt werden kann.
20 zeigt eine Linse 303 aus den Linsen 303A, 303B und 303C. Das Linsenmodul 300 weist weiterhin einen Linsenhalter 304, der die Linse 303 hält, und eine Welle 305 auf. Das Linsenmodul 300 kann die Position der Linse 303 in einer optischen Achsenrichtung der Linse 303 unter Verwendung des Linsenhalters 304, der Welle 305 und der nicht dargestellten Antriebseinheit ändern. In 20 zeigt der mit dem Symbol D gekennzeichnete Pfeil die Bewegungsrichtung der Linse 303 an.
Das Linsenmodul 300 weist weiterhin eine Positionsdetektionsvorrichtung 301 zur Detektion der Position der Linse 303 auf, deren Position variabel ist. Die Positionsdetektionsvorrichtung 301 wird verwendet, um die Position der Linse 303 bei der Durchführung der Fokussierung oder des Zoomens zu erfassen.
Die Positionsdetektionseinrichtung 301 ist eine magnetische Positionsdetektionseinrichtung und weist das Magnetsensorsystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf. In dem Linsenmodul 300 sind der Magnetsensor 2 und der Magnetfeldgenerator 3 des Magnetsensorsystems 1 so eingerichtet, dass sich die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx (siehe 2) ändert, wenn sich die Position der Linse 303 in der Bewegungsrichtung D ändert. Insbesondere ist der Magnetsensor 2 feststehend, und der Magnetfeldgenerator 3 ist so eingerichtet, dass er mit der Linse 303 in der Bewegungsrichtung D beweglich ist. Wenn sich die Position der Linse 303 ändert, ändert sich somit die Position des Magnetfeldgenerators 3 relativ zum Magnetsensor 2, und als Folge davon ändert sich die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx.
Die Positionsdetektionsvorrichtung 301 weist weiterhin die Detektionswerterzeugungsschaltung 4 der vorliegenden Ausführungsform auf (siehe 4). Die Positionsdetektionsvorrichtung 301 erzeugt einen Detektionswert Vs, der mit der Position der Linse 303 korrespondiert, auf der Basis des ersten und zweiten Detektionssignals S1 und S2, die von dem Magnetsensor 2 erzeugt werden. Die Position der Linse 303 hat eine Entsprechung mit der Position des Magnetfeldgenerators 3 relativ zum Magnetsensor 2. Das Verfahren zur Erzeugung des Detektionswertes Vs durch die Positionsdetektionseinrichtung 301 ist das gleiche wie das vorhergehende Verfahren zur Erzeugung des Detektionswertes Vs.
[Modifikationsbeispiele]
Als nächstes werden Modifikationsbeispiele des MR-Elements 50 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Ein erstes Modifikationsbeispiel des MR-Elements 50 wird zunächst unter Bezugnahme auf 21 beschrieben. In dem ersten Modifikationsbeispiel sind zwei der Mehrzahl der weichmagnetischen Schichten 50E so angeordnet, dass sie das gleiche MR-Element 50 in Z-Richtung gesehen überlappen. Die beiden weichmagnetischen Schichten 50E sind in X-Richtung in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet. Eine der beiden weichmagnetischen Schichten 50E befindet sich in der Nähe des Endes der Schichtfolie 50A in -X-Richtung. Die andere der beiden weichmagnetischen Schichten 50E befindet sich in der Nähe des Endes der Schichtfolie 50A in X-Richtung. Die beiden weichmagnetischen Schichten 50E befinden sich zwischen der Schichtfolie 50A und dem Magnetpaar 50C (erster und zweiter Magnet 54 und 55). Die beiden weichmagnetischen Schichten 50E haben jeweils eine in Y-Richtung langgestreckte ebene Form.
Als nächstes wird ein zweites Modifikationsbeispiel des MR-Elements 50 unter Bezugnahme auf 22 beschrieben. In dem zweiten Modifikationsbeispiel weist das MR-Element 50 zwei Schichtfolien 50A1 und 50A2 anstelle der in den 7 und 8 gezeigten Schichtfolie 50A auf. Die Schichtfolien 50A1 und 50A2 haben jeweils die gleiche Konfiguration und Form wie jene der Schichtfolie 50A. Die Schichtfolien 50A1 und 50A2 sind durch Elektroden parallel verbunden, um ein Schichtfolienpaar zu bilden. Das Schichtfolienpaar ist über eine Elektrode mit dem Schichtfolienpaar eines anderen MR-Elements 50 in Reihe geschaltet. Beispielsweise sind die Unterseiten der jeweiligen Schichtfolien 50A1 und 50A2 mit den Unterseiten der jeweiligen Schichtfolien 50A1 und 50A2 eines anderen MR-Elements 50 durch eine nicht dargestellte untere Elektrode elektrisch verbunden. Die Oberseiten der jeweiligen Schichtfolien 50A1 und 50A2 sind über eine nicht dargestellte obere Elektrode mit den Oberseiten der jeweiligen Schichtfolien 50A1 und 50A2 eines weiteren MR-Elements 50 elektrisch verbunden.
Im zweiten Modifikationsbeispiel befindet sich der erste Magnet 54 des Magnetpaares 50C nahe den Enden der jeweiligen Schichtfolien 50A1 und 50A2 in -Y-Richtung. Der zweite Magnet 55 befindet sich in der Nähe der Enden der jeweiligen Schichtfolien 50A1 und 50A2 in Y-Richtung. Die weichmagnetische Schicht 50E ist so angeordnet, dass sie in Z-Richtung gesehen die beiden Schichtfolien 50A1 und 50A2 überlappt.
Die Konfigurationen der MR-Elemente 50, der Magnetpaare 50C und der weichmagnetischen Schichten 50E sind nicht auf die in den 7, 8, 21 und 22 dargestellten Beispiele beschränkt. Beispielsweise ist die Anzahl der in einem MR-Element 50 enthaltenen Schichtfolien bei den in den 7, 8 und 21 gezeigten Beispielen eins und bei dem in 22 gezeigten Beispiel zwei. Die Anzahl der Schichtfolien kann jedoch auch drei oder mehr betragen. Die Anzahl der weichmagnetischen Schichten 50E, die ein MR-Element 50 überlagern, ist in den in 7, 8 und 22 gezeigten Beispielen eins und in dem in 21 gezeigten Beispiel zwei. Die Anzahl der weichmagnetischen Schichten 50E kann jedoch auch drei oder mehr oder null betragen.
Ein Fall, in dem eine Mehrzahl von Schichtfolien in X-Richtung und eine Mehrzahl von weichmagnetischen Schichten 50E in X-Richtung angeordnet sind, wird im Folgenden als Beispiel beschrieben. Beispielsweise angenommen, dass die Anzahl der Schichtfolie zwei und die Anzahl der weichmagnetischen Schichten 50E zwei beträgt. In einem solchen Fall kann eine erste weichmagnetische Schicht 50E so angeordnet sein, dass sie in Z-Richtung gesehen eine erste Schichtfolie überlappt, und eine zweite weichmagnetische Schicht 50E kann so angeordnet sein, dass sie in Z-Richtung gesehen eine zweite Schichtfolie überlappt.
Wenn die Anzahl der Schichtfolien zwei und die Anzahl der weichmagnetischen Schichten 50E drei beträgt, kann eine erste weichmagnetische Schicht 50E so angeordnet sein, dass sie in Z-Richtung gesehen nur eine erste Schichtfolie überlappt. Eine zweite weichmagnetische Schicht 50E kann so angeordnet sein, dass sie in Z-Richtung gesehen sowohl die erste Schichtfolie als auch eine zweite Schichtfolie überlappt. Eine dritte weichmagnetische Schicht 50E kann so angeordnet sein, dass sie, in Z-Richtung gesehen, nur die zweite Schichtfolie überlappt.
Wenn die Anzahl der Schichtfolien drei und die Anzahl der weichmagnetischen Schichten 50E zwei beträgt, kann eine erste weichmagnetische Schicht 50E so angeordnet sein, dass sie in Z-Richtung gesehen sowohl die erste als auch die zweite Schichtfolie überlappt. Eine zweite weichmagnetische Schicht 50E kann so angeordnet sein, dass sie in Z-Richtung gesehen sowohl die zweite Schichtfolie als auch eine dritte Schichtfolie überlappt.
Wenn die Anzahl der Schichtfolien drei und die Anzahl der weichmagnetischen Schichten 50E vier beträgt, kann eine erste weichmagnetische Schicht 50E so angeordnet sein, dass sie in Z-Richtung gesehen nur eine erste Schichtfolie überlappt. Eine zweite weichmagnetische Schicht 50E kann so angeordnet sein, dass sie in Z-Richtung gesehen sowohl die erste Schichtfolie als auch eine zweite Schichtfolie überlappt. Eine dritte weichmagnetische Schicht 50E kann so angeordnet sein, dass sie sowohl die zweite Schichtfolie als auch eine dritte Schichtfolie in Z-Richtung gesehen überlappt. Eine vierte weichmagnetische Schicht 50E kann so angeordnet sein, dass sie, in Z-Richtung gesehen, nur die dritte Schichtfolie überlappt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehende Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden. Zum Beispiel sind die Form, die Anzahl und die Anordnung der MR-Elemente 50 nicht auf die in der Ausführungsform beschriebenen Beispiele beschränkt und können frei festgelegt werden, solange die in den Ansprüchen dargelegten Anforderungen erfüllt sind. Die ebene Form der MR-Elemente 50 ist nicht auf rechteckig beschränkt, sondern kann auch kreisförmig, elliptisch usw. sein.
Jeder Widerstand kann nur die Elementgruppen 501 bis 504 und 509 bis 512 der in 6 gezeigten Elementgruppen 501 bis 516 enthalten. Dies ermöglicht die Reduzierung der Komponenten, die den siebten und niedrigeren, Harmonischen ungerader Ordnung entsprechen, die in den Fehlerkomponenten enthalten sind.
Der Magnetfeldgenerator 3 kann eine Rotationsskala sein, die als mehrere Paare von N- und S-Polen entlang der Rotationsrichtung magnetisiert ist. Die Rotationsskala kann ein ringförmiger Magnet sein, oder ein magnetisches Medium, wie z. B. ein Magnetband, das an einem Ring oder einer Scheibe befestigt ist.
Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung in Anbetracht der obigen Lehren möglich. So ist es zu verstehen, dass, innerhalb des Anwendungsbereichs der beigefügten Ansprüche und Äquivalente davon, die Erfindung in anderen Ausführungsformen als der vorstehenden, am meisten bevorzugten Ausführungsform ausgeführt sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6207834 A [0005, 0006, 0009]
EP 2955487 A1 [0005, 0009]
EP 3385680 A1 [0005, 0007, 0009]
DE 112007003025 T5 [0008, 0009]

Claims

Magnetsensorsystem (1), aufweisend: einen Magnetfeldgenerator (3), der so eingerichtet ist, dass er ein Zielmagnetfeld (MF) erzeugt; und einen Magnetsensor (2), der so eingerichtet ist, dass er das Zielmagnetfeld (MF) detektiert, wobei der Magnetsensor (2) und der Magnetfeldgenerator (3) so eingerichtet sind, dass sich eine Stärke einer Magnetfeldkomponente (MFx) des von dem Magnetsensor (2) in einer ersten Richtung detektierten Zielmagnetfelds (MF) mit einer Änderung einer Position des Magnetfeldgenerators (3) relativ zu dem Magnetsensor (2) ändert, der Magnetsensor (2) eine Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen (50) enthält, jedes der Mehrzahl von magnetoresistiven Elemente (50) eine magnetisierungsfeste Schicht (51) mit einer Magnetisierung, deren Richtung fest ist, eine freie Schicht (53) mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von einer Richtung und der Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) variabel ist, und eine Abstandsschicht (52) aufweist, die sich zwischen der magnetisierungsfesten Schicht (51) und der freien Schicht (53) befindet, und so eingerichtet ist, dass ein Vormagnetisierungsmagnetfeld (MFb) in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung an die freie Schicht (53) angelegt wird und sich der Widerstand mit der Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) ändert; und eine maximale Stärke der an jedes der magnetoresistiven Elemente (50) angelegten Magnetfeldkomponente (MFx) größer oder gleich dem 1,2-fachen einer Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes (MFb) ist.
Magnetsensorsystem (1) nach Anspruch 1, wobei die maximale Stärke der an jedes der magnetoresistiven Elemente (50) angelegten Magnetfeldkomponente (MFx) kleiner oder gleich dem 15,6-fachen der Stärke des Vormagnetisierungsmagnetfeldes (MFb) ist.
Magnetsensorsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vormagnetisierungsmagnetfeld (MFb) entweder einem von außen an die freie Schicht (53) angelegten externen Magnetfeld oder einem anisotropen Magnetfeld aufgrund einer Anisotropie der freien Schicht (53) oder beidem zurückzurechnen ist.
Magnetsensorsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetsensor (2) weiterhin einen Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator (50B) enthält, der so eingerichtet ist, dass er ein externes Magnetfeld erzeugt, das an die freie Schicht (53) angelegt wird, und das Vormagnetisierungsmagnetfeld (MFb) mindestens dem externen Magnetfeld zuzurechnen ist.
Magnetsensorsystem (1) nach Anspruch 4, wobei der Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator (50B) eine Mehrzahl von Magnetpaaren (50C) enthält, von denen jedes einen ersten Magneten (54) und einen zweiten Magneten (55) aufweist, und der erste und der zweite Magnet (54, 55) in jedem der Magnetpaare (50C) in einem vorbestimmten Abstand voneinander in der zweiten Richtung angeordnet sind, so dass das externe Magnetfeld an die gesamte freie Schicht (53) von mindestens einem magnetoresistiven Element (50) aus der Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen (50) angelegt wird.
Magnetsensorsystem (1) nach Anspruch 5, wobei die magnetisierungsfeste Schicht (51), die freie Schicht (53) und die Abstandsschicht (52) eine Schichtfolie (50A; 50A1, 50A2) bilden, die Schichtfolie (50A; 50A1, 50A2) eine Breite aufweist, die eine Abmessung in einer Richtung parallel zur ersten Richtung ist, und die Breite der Schichtfolie (50A; 50A1, 50A2) kleiner oder gleich dem Abstand zwischen dem ersten und zweiten Magneten (54, 55) in jedem der Magnetpaare (50C) ist.
Magnetsensorsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die freie Schicht (53)eine magnetische Formanisotropie aufweist; und das Vormagnetisierungsmagnetfeld (MFb) mindestens der magnetischen Formanisotropie zuzurechnen ist.
Magnetsensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Magnetsensor (2) weiterhin einen Magnetfeldverstärker (50D) aufweist, der so eingerichtet ist, dass er die an jedes der magnetoresistiven Elemente (50) anzulegende Magnetfeldkomponente (MFx) verstärkt.
Magnetsensorsystem (1) nach Anspruch 8, wobei der Magnetfeldverstärker (50D) eine Mehrzahl von weichmagnetischen Schichten (50E) aufweist, und die mehreren weichmagnetischen Schichten (50E) jeweils so angeordnet sind, dass sie, wenn in einer dritten Richtung orthogonal zu den ersten und zweiten Richtungen gesehen, mindestens ein magnetoresistives Element (50) aus der Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen (50) überlappen.
Magnetsensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Abstandsschicht (52) eine Tunnelsperrschicht ist.
Magnetsensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Magnetfeldgenerator (3) eine magnetische Skala ist, die eine Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen aufweist, die abwechselnd in einem vorgegebenen Abstand in einer vorgegebenen Richtung angeordnet sind, der Magnetsensor (2) ein Detektionssignal (S1, S2) erzeugt, das mit dem Widerstandswert jedes der magnetoresistiven Elemente (50) korrespondiert, das Detektionssignal (S1, S2) eine ideale Komponente, die sich periodisch ändert, um einer idealen Sinuskurve zu folgen, und eine Fehlerkomponente, die eine Mehrzahl von Harmonischen der idealen Komponente enthält, aufweist, und die Mehrzahl der magnetoresistiven Elemente (50) in einem vorbestimmten Muster basierend auf dem vorbestimmten Abstand angeordnet sind, so dass die Fehlerkomponente reduziert wird.
Magnetsensorsystem (1) nach Anspruch 11, wobei die Mehrzahl der magnetoresistiven Elemente (50) so angeordnet ist, dass sie Komponenten reduzieren, die mindestens einer in der Fehlerkomponente enthaltenen siebten und niedrigeren Harmonischen ungerader Ordnung entsprechen.
Magnetsensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin aufweisend eine Detektionswerterzeugungsschaltung (4), die eingerichtet ist, um einen Detektionswert (Vs) zu erzeugen, der eine Entsprechung mit der Position des Magnetfeldgenerators (3) relativ zum Magnetsensor (2) hat, basierend auf dem Widerstandswert jedes der magnetoresistiven Elemente (50).
Linsenpositionsdetektionsvorrichtung (301), die eine Position einer Linse (303) detektiert, deren Position variabel ist, wobei die Linsenpositionsdetektionsvorrichtung (301) das Magnetsensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist, wobei die Linse (303) so eingerichtet ist, dass sie in der ersten Richtung beweglich ist, der Magnetsensor (2) und der Magnetfeldgenerator (3) so eingerichtet sind, dass sich die Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) ändert, wenn sich die Position der Linse (303) ändert.
Linsenpositionsdetektionsvorrichtung (301) nach Anspruch 14, die weiterhin eine Detektionswerterzeugungsschaltung (Vs) aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie einen Detektionswert korrespondierend zur Position der Linse (303) auf der Grundlage des Widerstandwerts jedes der magnetoresistiven Elemente (50) erzeugt.