DE102023108121A1

DE102023108121A1 - Magnetischer kodierer und abstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102023108121A1
Application number: DE102023108121.7A
Authority: DE
Inventors: Yongfu CAI
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2022-04-01
Filing date: 2023-03-30
Publication date: 2023-10-05
Also published as: JP2023152002A; CN116892961A; US20230314178A1

Abstract

Ein magnetischer Kodierer weist einen Magnetfeldgenerator auf, der konfiguriert ist, ein Zielmagnetfeld zu erzeugen, das eine Magnetfeldkomponente enthält, und einen Magnetsensor, der konfiguriert ist, das Zielmagnetfeld zu erfassen. Der Magnetsensor weist eine Mehrzahl von Widerständen auf, die jeweils konfiguriert sind, den Widerstandswert mit der Stärke der Magnetfeldkomponente zu ändern. Der Magnetfeldgenerator ist eine magnetische Skala, die eine Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen aufweist, die abwechselnd angeordnet sind. Der Magnetpolabstand, der ein Abstand von Mitte zu Mitte zwischen zwei N-Polen ist, die über einen S-Pol aneinandergrenzen, unterscheidet sich von einem Konstruktionsabstand, der das Vierfache eines Abstands zwischen einer vorbestimmten Position in einem in der Mehrzahl der Widerstände enthaltenen Widerstand und einer vorbestimmten Position in einem anderen Widerstand ist.

Description

HINTERGRUND
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Kodierer, der einen Magnetfeldgenerator und einen Magnetsensor aufweist, sowie eine Abstandsmessvorrichtung, die den magnetischen Kodierer aufweist.
2. Beschreibung der zugehörigen Technik
Ein magnetischer Kodierer, der einen Magnetsensor verwendet, wird verwendet, um die Position eines beweglichen Objekts zu detektieren, dessen Position sich in einer vorgegebenen Richtung ändert. Die vorgegebene Richtung ist eine gerade Richtung oder eine Roationsrichtung. Der magnetische Kodierer, der zum Detektieren der Position des beweglichen Objekts verwendet wird, ist so konfiguriert, dass mindestens ein Magnetfeldgenerator, wie zum Beispiel eine magnetischer magnetische Skala, und der Magnetsensor in Abhängigkeit von der Änderung der Position des beweglichen Objekts arbeitet.
Wenn zumindest der Magnetsensor oder der Magnetfeldgenerator arbeitet, ändert sich die Stärke einer Komponente eines Zielmagnetfeldes, das vom Magnetfeldgenerator erzeugt und an den Magnetsensor angelegt wird, in einer Richtung. Der Magnetsensor detektiert beispielsweise 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 eine unterschiedliche Phase aufweisen. Der magnetische Kodierer erzeugt auf der Grundlage der beiden Detektionssignale einen Detektionswert, der der Position des beweglichen Objekts entspricht.
Ein Magnetsensor aufweisend eine Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen wird als Magnetsensor für den magnetischen Kodierer verwendet. Beispielsweise offenbaren WO 2009/031558 und EP 2267413 A1 einen Magnetsensor, in dem eine Mehrzahl von Riesenmagnetowiderstandselementen (GMR) als magnetoresistive Elemente in einer Richtung der Relativbewegung zwischen einem Magneten und dem Magnetsensor und einer Richtung orthogonal zu der Richtung der Relativbewegung angeordnet sind.
In dem Magnetsensor für den magnetischen Kodierer sind eine erste Gruppe magnetoresistiver Elemente zur Erzeugung eines Detektionssignals und eine zweite Gruppe magnetoresistiver Elemente zur Erzeugung des anderen Detektionssignals im Allgemeinen in einer Richtung versetzt aufgebracht, um zwei Detektionssignale zu erzeugen, deren Phasen sich voneinander unterscheiden. Beispielsweise bei dem in EP 2267413 A1 offenbarten Magnetsensor bilden die Mehrzahl von GMR-Elemente eine Phase-A-Brückenschaltung und eine Phase-B-Brückenschaltung. In dem Magnetsensor ist die Mehrzahl von GMR-Elementen in der Richtung der Relativbewegung in Mittenabständen von λ, λ/2 oder λ/4 angeordnet, wobei der Mittenabstand (Polabstand) der N- und S-Pole des Magneten λ beträgt. Die Phase-A-Brückenschaltung und die Phase-B-Brückenschaltung erzeugen Ausgangswellenformen, die sich in der Phase um λ/2 unterscheiden.
Wie bei dem in EP 2267413 A1 offenbarten Magnetsensor entspricht ein Offset-Betrag zwischen der ersten Gruppe magnetoresistiver Elemente und der zweiten Gruppe magnetoresistiver Elemente einem Magnetpolabstand (zum Beispiel einem Mittenabstand zwischen zwei benachbarten N-Polen) eines zu verwendenden Magnetfeldgenerators. Wenn der Magnetpolabstand gleich oder im Wesentlichen gleich dem Vierfachen des oben beschriebenen Offsetbetrages ist, ist eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht und in einem Detektionssignal enthalten ist, am kleinsten. Daher wird normalerweise nicht davon ausgegangen, dass der Magnetfeldgenerator des magnetischen Kodierers durch einen Magnetfeldgenerator mit einer anderen Magnetpolabstand ersetzt wird.
Bei einem magnetischen Kodierer, der an einem Gerät angebracht ist, das eine relativ große Vibration erzeugt, kann jedoch ein großer Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator erforderlich sein, um eine Kollision zwischen dem Magnetsensor und dem Magnetfeldgenerator zu verhindern. Wenn der oben beschriebene Abstand vergrößert wird, ohne den Magnetpolabstand des Magnetfeldgenerators zu ändern, besteht die Sorge, dass das auf den Magnetsensor einwirkende Magnetfeld abnimmt und das Detektionssignal des Magnetsensors verringert wird. Daher ist es in dem oben beschriebenen Fall erwünscht, den Magnetfeldgenerator mit einem großen Magnetpolabstand zu verwenden. Da jedoch der oben beschriebene Offset-Betrag, das heißt der Zwischenraum zwischen den magnetoresistiven Elementen, nicht einfach geändert werden kann, erhöht sich der Fehler eines Detektionswertes des magnetischen Kodierers, wenn der Magnetsensor in Kombination mit dem Magnetfeldgenerator verwendet wird, der einen großen Magnetpolabstand hat, während der Zwischenraum zwischen den magnetoresistiven Elementen beibehalten wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen magnetischen Kodierer bereitzustellen, der einen Fehler aufgrund einer Differenz in einem Magnetpolabstand eines Magnetfeldgenerators reduzieren kann, und eine Abstandsmessvorrichtung, die den magnetischen Kodierer aufweist.
Ein magnetischer Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Magnetfeldgenerator auf, der konfiguriert ist, ein Zielmagnetfeld zu erzeugen, das eine Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung enthält, und einen Magnetsensor, der konfiguriert ist, das Zielmagnetfeld zu erfassen. Der Magnetsensor und der Magnetfeldgenerator sind so konfiguriert, dass sich die Stärke der Magnetfeldkomponente in einer Referenzposition ändert, wenn zumindest einer der beiden, der Magnetsensor oder der Magnetfeldgenerator, arbeitet. Der Magnetfeldgenerator ist eine magnetische Skala, die eine Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Paaren von N- und S-Polen aufweist. Der Magnetsensor weist eine Mehrzahl von Widerständen auf, die jeweils konfiguriert sind, den Widerstandswert mit der Änderung der Stärke der Magnetfeldkomponente zu ändern, und ist konfiguriert, ein erstes Detektionssignal und ein zweites Detektionssignal zu erzeugen, die jeweils einer Änderung der Stärke der Magnetfeldkomponente entsprechen.
Die Mehrzahl der Widerstände weist zwei Widerstände auf. Ein Widerstandswert des einen der beiden Widerstände entspricht dem ersten Detektionssignal. Ein Widerstandswert des anderen Widerstandes der beiden Widerstände entspricht dem zweiten Detektionssignal. Der eine Widerstand und der andere Widerstand sind in der ersten Richtung in voneinander verschiedenen Positionen angeordnet, so dass eine Phase des ersten Detektionssignals und eine Phase des zweiten Detektionssignals voneinander verschieden sind. Wenn sich ein Magnetpolabstand auf einen Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen zwei N-Polen bezieht, die über einen S-Pol in der magnetischen Skala aneinandergrenzen, und sich ein Konstruktionsabstand auf das Vierfache eines Abstands zwischen einer vorbestimmten Position in dem einen Widerstand und einer vorbestimmten Position in dem anderen Widerstand in der ersten Richtung bezieht, ist der Magnetpolabstand größer als der Konstruktionsabstand.
Jedes der ersten und zweiten Detektionssignale enthält eine ideale Komponente, die sich periodisch ändert, um eine ideale sinusförmige Kurve nachzuzeichnen, und eine Mehrzahl von harmonischen Komponenten, die jeweils einer Harmonischen höherer Ordnung der idealen Komponente entsprechen. Die Mehrzahl der Widerstände ist so konfiguriert, dass sie mindestens eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht, aus der Mehrzahl der harmonischen Komponenten reduziert.
In dem magnetischen Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Magnetpolabstand größer als das 1,1-fache des Konstruktionsabstands sein. Der Magnetpolabstand kann größer als das 1,25-fache des Konstruktionsabstands und kleiner als das 1,75-fache des Konstruktionsabstands sein.
In dem magnetischen Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Magnetsensor ferner einen Stromversorgungsanschluss, einen Masseanschluss, einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss aufweisen. Die Mehrzahl der Widerstände kann einen ersten Widerstand, einen zweiten Widerstand, einen dritten Widerstand, einen vierten Widerstand, einen fünften Widerstand, einen sechsten Widerstand, einen siebten Widerstand und einen achten Widerstand aufweisen. Der erste Widerstand und der zweite Widerstand können in dieser Reihenfolge von der Seite des Stromversorgungsanschlusses in einem ersten Pfad bereitgestellt sein, der den Stromversorgungsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss verbindet. Der dritte Widerstand und der vierte Widerstand können in dieser Reihenfolge von der Seite des Masseanschlusses in einem zweiten Pfad bereitgestellt sein, der den Masseanschluss und den ersten Ausgangsanschluss verbindet. Der fünfte und der sechste Widerstand können in dieser Reihenfolge von der Seite des Masseanschlusses in einem dritten Pfad bereitgestellt sein, der den Masseanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss verbindet. Der siebte und der achte Widerstand können in dieser Reihenfolge von der Seite des Stromversorgungsanschlusses in einem vierten Pfad bereitgestellt sein, der den Stromversorgungsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss verbindet.
Ein Abstand zwischen einer ersten Position in dem ersten Widerstand und einer zweiten Position in dem zweiten Widerstand in der ersten Richtung, ein Abstand zwischen einer dritten Position in dem dritten Widerstand und einer vierten Position in dem vierten Widerstand in der ersten Richtung, ein Abstand zwischen einer fünften Position in dem fünften Widerstand und einer sechsten Position in dem sechsten Widerstand in der ersten Richtung und ein Abstand zwischen einer siebten Position in dem siebten Widerstand und einer achten Position in dem achten Widerstand in der ersten Richtung können jeweils gleich einer ungeraden Zahl mal 1/2 des Konstruktionsabstands sein. Ein Abstand zwischen der ersten Position und der dritten Position in der ersten Richtung und ein Abstand zwischen der fünften Position und der siebten Position in der ersten Richtung kann jeweils gleich Null oder einer ganzzahligen Zahl mal dem Konstruktionsabstand sein. Ein Abstand zwischen der ersten Position und der fünften Position in der ersten Richtung kann gleich 1/4 des Konstruktionsabstands sein.
Der Magnetsensor kann ferner eine Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen aufweisen. Jedes der Mehrzahl der magnetoresistiven Elemente kann eine magnetisierte Schicht, eine freie Schicht und eine Spaltschicht aufweisen, die sich zwischen der magnetisierten Schicht und der freien Schicht befindet. Die magnetisierte Schicht kann eine erste Magnetisierung haben, deren Richtung festgelegt ist. Die freie Schicht kann eine zweite Magnetisierung haben, deren Richtung innerhalb einer Ebene parallel zu der ersten Richtung und einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung variabel ist. Die magnetisierte Schicht, die freie Schicht und die Spaltschicht können in einer dritten Richtung orthogonal zur ersten und zweiten Richtung gestapelt sein. Die ersten bis achten Widerstände können aus der Mehrzahl magnetoresistiver Elemente gebildet sein. Die erste Magnetisierung der magnetisierten Schicht in den ersten, vierten, sechsten und siebten Widerständen kann eine Komponente in einer ersten Magnetisierungsrichtung enthalten, die eine Richtung parallel zur ersten Richtung ist. Die erste Magnetisierung der magnetisierten Schicht in den zweiten, dritten, fünften und achten Widerständen kann eine Komponente in einer zweiten Magnetisierungsrichtung enthalten, die der ersten Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt ist.
Wenn die Mehrzahl der Widerstände den ersten bis achten Widerstand aufweist, kann die erste Position ein Schwerpunkt des ersten Widerstands sein, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung. Die zweite Position kann ein Schwerpunkt des zweiten Widerstands sein, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung. Die dritte Position kann ein Schwerpunkt des dritten Widerstands sein, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung. Die vierte Position kann ein Schwerpunkt des vierten Widerstands sein, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung. Die fünfte Position kann ein Schwerpunkt des fünften Widerstands sein betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung. Die sechste Position kann ein Schwerpunkt des sechsten Widerstands sein, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung. Die siebte Position kann ein Schwerpunkt des siebten Widerstands sein, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung. Die achte Position kann ein Schwerpunkt des achten Widerstands sein, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung.
Wenn die Mehrzahl der Widerstände den ersten bis achten Widerstand aufweist, können der erste Widerstand und der dritte Widerstand in der zweiten Richtung aneinandergrenzen. Der zweite Widerstand und der vierte Widerstand können in der zweiten Richtung aneinander grenzen. Der fünfte Widerstand und der siebte Widerstand können in der zweiten Richtung aneinandergrenzen. Der sechste Widerstand und der achte Widerstand können in der zweiten Richtung aneinander grenzen.
Wenn die Mehrzahl der Widerstände den ersten bis achten Widerstand aufweist, kann der erste Widerstand an den siebten Widerstand und nicht an den achten Widerstand angrenzen. Der achte Widerstand kann an den zweiten Widerstand angrenzen und darf nicht an den ersten Widerstand angrenzen. Der dritte Widerstand kann sich an einer solchen Position befinden, dass der erste Widerstand zwischen dem dritten und dem siebten Widerstand eingeschlossen ist. Der vierte Widerstand kann sich an einer solchen Position befinden, dass der zweite Widerstand zwischen dem vierten und dem achten Widerstand eingeschlossen ist. Der fünfte Widerstand kann sich an einer solchen Position befinden, dass der siebte Widerstand zwischen dem fünften und dem ersten Widerstand eingeschlossen ist. Der sechste Widerstand kann sich an einer solchen Position befinden, dass der achte Widerstand zwischen dem sechsten Widerstand und dem zweiten Widerstand eingeschlossen ist.
Wenn der Magnetsensor die Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen aufweist, kann jedes der Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen so konfiguriert sein, dass ein Vormagnetisierungsfeld in einer Richtung, die die erste Richtung schneidet, an die freie Schicht angelegt wird. Bei der Spaltschicht kann es sich um eine Tunnelbarriereschicht handeln.
In dem magnetischen Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Magnetfeldgenerator konfiguriert sein, um eine Rotationsachse zu rotieren, und kann eine Endfläche aufweisen, die an einem Ende in einer Richtung parallel zur Rotationsachse angeordnet ist. Die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen kann abwechselnd um die Rotationsachse angeordnet sein und kann auf der Endfläche bereitgestellt sein. Die Stärke der Magnetfeldkomponent in der Referenzposition kann sich entsprechend der Rotation des Magnetfeldgenerators ändern. Der Magnetsensor kann so angeordnet sein, dass er der Endfläche zugewandt ist. Der Magnetfeldgenerator kann konfiguriert sein, in Verbindung mit einem optischen Element zu rotieren, das so konfiguriert ist, dass es eine Ausbreitungsrichtung von Licht ändert zum Messen eines Abstands zu einem Zielobjekt.
In dem magnetischen Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Magnetfeldgenerator konfiguriert sein, um eine Rotationsachse zu rotieren, und kann eine äußere Umfangsfläche aufweisen, die in eine Richtung weg von der Rotationsachse gerichtet ist. Die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen kann abwechselnd um die Rotationsachse angeordnet sein und kann auf der äußeren Umfangsfläche bereitgestellt sein. Die Stärke der Magnetfeldkomponente in der Referenzposition kann sich entsprechend der Rotation des Magnetfeldgenerators ändern. Der Magnetsensor kann so angeordnet sein, dass er der Außenumfangsfläche zugewandt ist. Der Magnetfeldgenerator kann konfiguriert sein, in Verbindung mit einem optischen Element zu rotieren, das so konfiguriert ist, dass es eine Ausbreitungsrichtung von Lichts ändert, zum Messen eines Abstands zu einem Zielobjekt.
Eine Abstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Abstandsmessvorrichtung zum Messen eines Abstands zu einem Zielobjekt durch Erfassen von einfallendem Licht. Die Abstandsmessvorrichtung weist ein optisches Element auf, das konfiguriert ist, zusammen zu rotieren, wenn sich eine Ausbreitungsrichtung des Lichts ändert, und den magnetischen Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Magnetfeldgenerator ist konfiguriert, in Verbindung mit dem optischen Element um eine Rotationsachse zu rotieren. Die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen sind abwechselnd um die Rotationsachse angeordnet. Die Stärke der Magnetfeldkomponente in der Referenzposition ändert sich entsprechend der Rotation des Magnetfeldgenerators.
Bei der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung kann der Magnetfeldgenerator eine Endfläche aufweisen, die an einem Ende in einer Richtung parallel zur Rotationsachse angeordnet ist. In diesem Fall kann die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen auf der Endfläche bereitgestellt sein. Der Magnetsensor kann so angeordnet sein, dass er der Endfläche zugewandt ist. Alternativ kann der Magnetfeldgenerator eine äußere Umfangsfläche aufweisen, die in eine Richtung weg von der Rotationsachse gerichtet ist. In diesem Fall kann die Mehrzahl der Paare von N- und S-Polen auf der äußeren Umfangsfläche bereitgestellt sein. Der Magnetsensor kann so angeordnet sein, dass er der äußeren Umfangsfläche zugewandt ist.
In dem magnetischen Kodierer und der Abstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Mehrzahl von Widerständen konfiguriert, mindestens eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht, unter der Mehrzahl von harmonischen Komponenten zu reduzieren. Auf diese Weise kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fehler aufgrund einer Differenz in einem Magnetpolabstand eines Magnetfeldgenerators reduziert werden.
Andere und weitere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung ausführlicher dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind zum weiteren Verständnis der Offenbarung ausgewiesen und sind Bestandteil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen zeigen beispielhafte Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Technologie zu erklären.

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Abstandsmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen magnetischen Kodierers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
3 ist eine Draufsicht, die den magnetischen Kodierers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
4 ist eine Frontansicht, die den magnetischen Kodierers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
5 ist eine Draufsicht, die einen Magnetsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
6 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration des Magnetsensors gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung eines Layouts des ersten bis achten Widerstands des Ausführungsbeispiels der Erfindung.
8 ist eine Draufsicht, die den ersten Widerstand des Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes Beispiel für ein magnetoresistives Element des Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die ein zweites Beispiel des magnetoresistiven Elements des Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt.
11 ist eine Draufsicht, die einen Magnetsensor eines Vergleichsbeispiels zeigt.
12 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration des Magnetsensors des Vergleichsbeispiels zeigt.
13 ist ein charakteristisches Diagramm, das ein durch eine Simulation ermitteltes Amplitudenverhältnis eines Modells des Vergleichsbeispiels zeigt.
14 ist ein charakteristisches Diagramm, das ein durch die Simulation ermitteltes Amplitudenverhältnis eines Modells eines Praxisbeispiels zeigt.
15 ist ein charakteristisches Diagramm, das einen durch die Simulation ermittelten Fehler eines Detektionswertes des Modells des Vergleichsbeispiels und des Modells des Praxisbeispiels zeigt.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Magnetfeldgenerator in einem Modifikationsbeispiel des magnetischen Kodierers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden einige beispielhafte Ausführungsformen und Modifikationsbeispiele der Technologie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Zu beachten ist, dass sich die folgende Beschreibung auf illustrative Beispiele der Offenbarung bezieht und nicht als Einschränkung der Technologie zu verstehen ist. Faktoren aufweisend, ohne Einschränkung, numerische Werte, Formen, Materialien, Komponenten, Positionen der Komponenten und wie die Komponenten miteinander gekoppelt sind, sind nur illustrativ und nicht als Einschränkung der Technologie zu verstehen. Ferner sind Elemente in den folgenden beispielhaften Ausführungsformen, die nicht in einem der allgemeinsten unabhängigen Ansprüche der Offenbarung aufgeführt sind, optional und können je nach Bedarf bereitgestellt werden. Die Zeichnungen sind schematisch und nicht als maßstabsgetreu anzusehen. Gleichartige Elemente werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, um redundante Beschreibungen zu vermeiden. Zu beachten ist, dass die Beschreibung in der folgenden Reihenfolge gegeben wird.
Zuerst wird eine Abstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Abstandsmessvorrichtung 401 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Eine in 1 gezeigte Abstandsmessvorrichtung 401 ist eine Vorrichtung, die einen Abstand zu einem Zielobjekt durch Erfassen von einfallendem Licht misst und beispielsweise einen Teil eines LIDAR (aus dem Englischen: Light Detection and Ranging) für den Einsatz in Fahrzeugen darstellt. In dem in 1 gezeigten Beispiel weist die Abstandsmessvorrichtung 401 eine photoelektrische Einheit 411, ein optisches Element 412 und eine nicht gezeigte Antriebseinheit auf.
Die photoelektrische Einheit 411 weist ein optisches Element auf, das Licht 411a aussendet, und ein Detektionselement, das das von einem Zielobjekt reflektierte Licht 411b erfasst. Das optische Element 412 kann zum Beispiel ein Spiegel sein, der von einem Träger 413 getragen wird. Das optische Element 412 ist in Bezug auf eine Emissionsfläche des optischen Elements geneigt, so dass sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts 411a und des reflektierten Lichts 411b jeweils ändert. Das optische Element 412 ist konfiguriert, durch die nicht gezeigte Antriebseinheit um eine vorbestimmte Rotationsachse rotiert zu werden.
Ein magnetischer Kodierer 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird als Positionserfassungsvorrichtung zur Erfassung einer Rotationsposition des optischen Elements 412 verwendet. Eine schematische Konfiguration des magnetischen Kodierers 1 wird im Folgenden mit Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben. 2 ist eine perspektivische Ansicht des magnetischen Kodierers 1. 3 ist eine Draufsicht auf den magnetischen Kodierer 1. 4 ist eine Frontansicht des magnetischen Kodierers 1.
Der magnetische Kodierer 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist einen Magnetsensor 2 und einen Magnetfeldgenerator 3 auf. Der Magnetfeldgenerator 3 ist konfiguriert sich in Verbindung mit dem in 1 dargestellten optischen Element 412 um eine Rotationsachse C zu rotieren.
Der Magnetfeldgenerator 3 erzeugt ein Zielmagnetfeld MF, das ein Magnetfeld für die Positionserfassung und ein Magnetfeld für die Detektion durch den Magnetsensor 2 ist (zu detektierendes Magnetfeld). Das Zielmagnetfeld MF enthält eine Magnetfeldkomponente in einer Richtung parallel zu einer imaginären Geraden. Der Magnetsensor 2 und der Magnetfeldgenerator 3 sind so konfiguriert, dass sich die Stärke der Magnetfeldkomponente in einer Referenzposition ändert, wenn mindestens einer der beiden, der Magnetsensor 2 oder der Magnetfeldgenerator 3, arbeitet. Die Referenzposition kann eine Position sein, in der der Magnetsensor 2 liegt. Der Magnetsensor 2 erfasst das Zielmagnetfeld MF aufweisend die oben beschriebene Magnetfeldkomponente und erzeugt erst und zweite Detektionssignale, die jeweils der Stärke der Magnetfeldkomponente entsprechenden.
Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform der Magnetfeldgenerator 3 eins magnetische Skala (Rotationsskala), der eine Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen aufweist, die abwechselnd um die Rotationsachse C angeordnet sind. Der Magnetfeldgenerator 3 weist eine Endfläche 3a auf, die an einem Ende in einer Richtung parallel zur Rotationsachse C angeordnet ist. Die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen sind auf der Endfläche 3a bereitgestellt. In den 2 und 3 ist der N-Pol zum besseren Verständnis schraffiert dargestellt. In 4 ist der Magnetfeldgenerator 3 zum besseren Verständnis schematisch mit der Mehrzahl der Paare von N- und S-Polen dargestellt. Der Magnetsensor 2 ist liegt so, dass er der Endfläche 3a zugewandt ist. Die Stärke einer Magnetfeldkomponente MFx in einer Referenzposition, zum Beispiel einer Position, in der der Magnetsensor 2 liegt, ändert sich in gemäß der Rotation des Magnetfeldgenerators 3.
Wie in 4 dargestellt, wird ein Abstand zwischen zwei in Rotationsrichtung des Magnetfeldgenerators 3 benachbarten N-Polen, also ein Mittenabstand zwischen den beiden über einen S-Pol benachbarten N-Polen, als Magnetpolabstand bezeichnet. Die Größe des Magnetpolabstands wird mit dem Symbol λm bezeichnet. Ein Mittenabstand zwischen zwei S-Polen, die über einen N-Pol aneinander grenzen, ist gleich dem Magnetpolabstand λm.
Nun werden die X-, Y- und Z-Richtungen wie in 4 dargestellt definiert. In der vorliegenden Ausführungsform können zwei Richtungen orthogonal zur Rotationsachse C die X-Richtung und die Y-Richtung sein, und eine Richtung parallel zur Rotationsachse C und vom Magnetsensor 2 zum Magnetfeldgenerator 3 ist die Z-Richtung. Die Y-Richtung ist eine Richtung vom Magnetsensor 2 zur Rotationsachse C. In 4 ist die Y-Richtung als eine Richtung von der nahen Seite zur fernen Seite von 4 dargestellt. Die zur X-, Y- und Z-Richtung entgegengesetzten Richtungen werden als -X-, -Y- bzw. -Z-Richtung bezeichnet.
Der Magnetsensor 2 ist in Z-Richtung von dem Magnetfeldgenerator 3 entfernt angeordnet. Der Magnetsensor 2 ist konfiguriert, die Stärke einer Magnetfeldkomponente MFx des Zielmagnetfeldes MF an einer vorbestimmten Position in einer Richtung parallel zur X-Richtung erfassen zu können. Zum Beispiel wird die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx 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. Die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx ändert sich periodisch, wenn der Magnetfeldgenerator rotiert. Die Richtung parallel zur X-Richtung entspricht im Rahmen der vorliegenden Erfindung einer „ersten Richtung“.
Als nächstes wird der Magnetsensor 2 unter Bezugnahme auf die 5 und 6 detailliert beschrieben. 5 ist eine Draufsicht, die den Magnetsensor 2 zeigt. 6 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration des Magnetsensors 2 zeigt. Wie in 6 gezeigt, enthält der magnetische Kodierer 1 außerdem eine Detektionswerterzeugsungsschaltung 4. Die Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 erzeugt einen Detektionswert Vs, der mit der Rotationsposition des Magnetfeldgenerators 3, das heißt der Rotationsposition des optischen Elements 412, eine Entsprechung hat, auf der Grundlage eines ersten Detektionssignals S1 und eines zweiten Detektionssignals S2, entsprechend der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx und erzeugt von dem Magnetsensor 2. Die Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 kann zum Beispiel durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder einen Mikrocomputer implementiert sein.
Der Magnetsensor 2 weist einen ersten Widerstand R11, einen zweiten Widerstand R12, einen dritten Widerstand R13, einen vierten Widerstand R14, einen fünften Widerstand R21, einen sechsten Widerstand R22, einen siebten Widerstand R23 und einen achten Widerstand R24 auf, die jeweils konfiguriert sind, den Widerstandswert mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx zu ändern. Der Magnetsensor 2 weist eine Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen (im Folgenden als MR-Elemente bezeichnet) 50 auf. Jeder der ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 ist aus der Mehrzahl der MR-Elemente 50 gebildet.
Der Magnetsensor 2 weist ferner einen Stromversorgungsanschluss V1, einen Masseanschluss G1, einen ersten Ausgangsanschluss E1 und einen zweiten Ausgangsanschluss E2 auf. Der Masseanschluss G1 ist mit der Masse verbunden. Der erste und der zweite Ausgangsanschluss E1 und E2 sind mit der Schaltung zur Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 verbunden. Der Magnetsensor 2 kann mit einer konstanten Spannung oder mit einem konstanten Strom betrieben werden. Wird der Magnetsensor 2 mit einer konstanten Spannung betrieben, wird an den Stromversorgungsanschluss V1 eine Spannung mit vorgegebener Größe angelegt. Wird der Magnetsensor 2 mit einem konstanten Strom betrieben, wird dem Stromversorgungsanschluss V1 ein Strom mit vorgegebener Stärke zugeführt
Der Magnetsensor 2 erzeugt ein Signal, das mit dem Potential am ersten Ausgangsanschluss E1 eine Entsprechung hat, als ein erstes Detektionssignal S1, und erzeugt ein Signal, das mit dem Potential am zweiten Ausgangsanschluss E2 eine Entsprechung hat, als ein zweites Detektionssignal S2. Die Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 erzeugt den Detektionswert Vs auf der Grundlage des ersten und des zweiten Detektionssignals S1 und S2. Zumindest entweder der Magnetsensor 2 oder die Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 können dazu konfiguriert sein, in der Lage zu sein, die Amplitude, die Phase und den Offset jedes der ersten und zweiten Detektionssignals S1 und S2 zu korrigieren.
Die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 erfüllen die folgende Anforderung an das Layout in einer Schaltungskonfiguration. Der erste Widerstand R11 und der zweite Widerstand R12 sind in dieser Reihenfolge von der Seite des Stromversorgungsanschlusses V1 in einem ersten Pfad 5 bereitgestellt, der den Stromversorgungsanschluss V1 und den ersten Ausgangsanschluss E1 miteinander verbindet. Der dritte Widerstand R13 und der vierte Widerstand R14 werden in dieser Reihenfolge von der Seite des Masseanschlusses G1 in einem zweiten Pfad 6 bereitgestellt, der den Masseanschluss G1 und den ersten Ausgangsanschluss E1 verbindet. Der fünfte Widerstand R21 und der sechste Widerstand R22 sind in dieser Reihenfolge von der Seite des Masseanschlusses G1 in einem dritten Pfad 7 bereitgestellt, der den Masseanschluss G1 und den zweiten Ausgangsanschluss E2 verbindet. Der siebte Widerstand R23 und der achte Widerstand R24 werden in dieser Reihenfolge von der Seite des Stromversorgungsanschlusses V1 in einem vierten Pfad 8 bereitgestellt, der den Stromversorgungsanschluss V1 und den zweiten Ausgangsanschluss E2 verbindet.
Wie in 5 gezeigt, weist der Magnetsensor 2 ferner ein Substrat 10 und eine Stromversorgungsanschlussstelle 11, eine Masseanschlussstelle 12, eine ersten Ausgangsanschlussstelle 13 und eine zweiten Ausgangsanschlussstelle 14 auf, die sich auf dem Substrat 10 befinden. Der Stromversorgungsanschlussstelle 11 bildet den Stromversorgungsanschluss V1. Die Masseanschlussstelle 12 bildet den Masseanschluss G1 dar. Die erste und der zweite Ausgangsanschlussstelle 13 und 14 bilden den ersten beziehungsweise zweiten Ausgangsanschluss E1 bzw. E2.
Als Nächstes wird das Layout des ersten bis achten Widerstands R11 bis R14 und R21 bis R24 unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung des Layouts der ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24. Ein Widerstandswert jedes der ersten bis vierten Widerstände R11 bis R14 hat eine Entsprechung mit dem ersten Detektionssignal S1. Ein Widerstandswert jedes der fünften bis achten Widerstände R21 bis R24 hat eine Entsprechung mit dem zweiten Detektionssignal S2. Eine Gruppe der ersten bis vierten Widerstände R11 bis R14 und eine Gruppe der fünften bis achten Widerstände R21 bis R24 sind in der Richtung parallel zur X-Richtung in voneinander verschiedenen Positionen angeordnet, so dass eine Phase des ersten Detektionssignals S1 und eine Phase des zweiten Detektionssignals S2 voneinander verschieden sind.
In 7 bezeichnet ein Bezugszeichen C11 eine erste Position innerhalb des ersten Widerstands R11, ein Bezugszeichen C12 eine zweite Position innerhalb des zweiten Widerstands R12, ein Bezugszeichen C13 eine dritte Position innerhalb des dritten Widerstands R13 und ein Bezugszeichen C14 eine vierte Position innerhalb des vierten Widerstands R14. Die ersten bis vierten Positionen C11 bis C14 sind Positionen zur Bestimmung der physischen Positionen des ersten bis vierten Widerstands R11 bis R14. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die erste Position C11 der Schwerpunkt des ersten Widerstands R11 betrachtet in Z-Richtung, in anderen Worten, wenn der Magnetsensor 2 von einer Position vor dem Magnetsensor 2 betrachtet wird. Die zweite Position C12 ist der Schwerpunkt des zweiten Widerstands R12 betrachtet in Z-Richtung, die dritte Position C13 ist der Schwerpunkt des dritten Widerstands R13 betrachtet in Z-Richtung und die vierte Position C14 ist der Schwerpunkt des vierten Widerstands R14 betrachtet in Z-Richtung.
In 7 bezeichnet ein Bezugszeichen C21 eine fünfte Position innerhalb des fünften Widerstands R21, ein Bezugszeichen C22 eine sechste Position innerhalb des sechsten Widerstands R22, ein Bezugszeichen C23 eine siebte Position innerhalb des siebten Widerstands R23 und ein Bezugszeichen C24 eine achte Position innerhalb des achten Widerstands R24. Die fünfte bis achte Position C21 bis C24 sind Positionen zur Bestimmung der physischen Positionen des fünften bis achten Widerstandes R21 bis R24. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die fünfte Position C21 der Schwerpunkt des fünften Widerstands R21 betrachtet in Z-Richtung, die sechste Position C22 ist der Schwerpunkt des sechsten Widerstands R22 betrachtet in Z-Richtung, die siebte Position C23 ist der Schwerpunkt des siebten Widerstands R23 betrachtet in Z-Richtung und die achte Position C24 ist der Schwerpunkt des achten Widerstands R24 betrachtet in Z-Richtung.
Nun wird ein Konstruktionsabstand λs wie unten beschrieben definiert. Der Konstruktionsabstand λs ist das Vierfache eines Abstands zwischen einer vorbestimmten Position im ersten Widerstand R11 und einer vorbestimmten Position im fünften Widerstand R21 in der Richtung parallel zur X-Richtung. Insbesondere ist bei der vorliegenden Ausführungsform die vorbestimmte Position im ersten Widerstand R11 die erste Position C11 und die vorbestimmte Position im fünften Widerstand R21 die fünfte Position C21.
Insbesondere sind in der vorliegenden Ausführungsform ein Abstand zwischen der ersten Position C11 und der fünften Position C21 in der Richtung parallel zur X-Richtung, ein Abstand zwischen der zweiten Position C12 und der sechsten Position C22 in der Richtung parallel zur X-Richtung, ein Abstand zwischen der dritten Position C13 und der siebten Position C23 in der Richtung parallel zur X-Richtung und ein Abstand zwischen der vierten Position C14 und der achten Position C24 in der Richtung parallel zur X-Richtung gleich zueinander. Daher kann der Konstruktionsabstand λs auch durch Verwendung eines Paares aus dem zweiten und sechsten Widerstand R12 und R22, eines Paares aus dem dritten und siebten Widerstand R13 und R23 oder eines Paares aus dem vierten und achten Widerstand R14 und R24 anstelle eines Paares aus dem ersten und fünften Widerstand R11 und R21 definiert werden.
Die in 4 gezeigte Magnetpolabstand λm ist größer als der Konstruktionsabstand λs. Der Magnetpolabstand λm ist vorzugsweise größer als das 1,1 mal der Konstruktionsabstand ks, größer als das 1,25 mal der Konstruktionsabstand λs und kleiner als das 1,75 mal der Konstruktionsabstand λs.
Nehmen wir nun einen imaginären Magnetfeldgenerator an, der sich von dem Magnetfeldgenerator 3 der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet. Die Konfiguration des imaginären Magnetfeldgenerators ist die gleiche wie die Konfiguration des Magnetfeldgenerators 3, mit der Ausnahme, dass ein Magnetpolabstand von dem Magnetpolabstand λm des Magnetfeldgenerators 3 verschieden ist. Der Magnetpolabstand des imaginären Magnetfeldgenerators ist gleich der Konstruktionsabstands λs. Daher ist der Magnetpolabstand λm größer als der Magnetpolabstand des imaginären Magnetfeldgenerators. Wenn der Magnetfeldgenerator 3 durch den imaginären Magnetfeldgenerator ersetzt wird, beträgt eine Phasendifferenz zwischen dem ersten Detektionssignal S1 und dem zweiten Detektionssignal S2 90°. Wenn der Magnetfeldgenerator 3 durch den imaginären Magnetfeldgenerator ersetzt wird, sind eine Gruppe des ersten bis vierten Widerstands R11 bis R14 und eine Gruppe des fünften bis achten Widerstands R21 bis R24 in der Richtung parallel zur X-Richtung in voneinander verschiedenen Positionen angeordnet, so dass die Phasendifferenz zwischen dem ersten Detektionssignal S1 und dem zweiten Detektionssignal S2 90° beträgt.
Die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 erfüllen die folgende Anforderung an das physikalische Layout. Ein Abstand zwischen der ersten Position C11 und der zweiten Position C12 in der Richtung parallel zur X-Richtung, ein Abstand zwischen der dritten Position C13 und der vierten Position C14 in der Richtung parallel zur X-Richtung, ein Abstand zwischen der fünften Position C21 und der sechsten Position C22 in der Richtung parallel zur X-Richtung und ein Abstand zwischen der siebten Position C23 und der achten Position C24 in der Richtung parallel zur X-Richtung sind gleich einer ungeraden Zahl mal 1/2 des Konstruktionsabstands λs. Ein Abstand zwischen der ersten Position C11 und der dritten Position C13 in der Richtung parallel zur X-Richtung und ein Abstand zwischen der fünften Position C21 und der siebten Position C23 in der Richtung parallel zur X-Richtung sind jeweils gleich Null oder eine ganzzahlige Zahl mal dem Konstruktionsabstand λs. Ein Abstand zwischen der ersten Position C11 und der fünften Position C21 in der Richtung parallel zur X-Richtung ist gleich 1/4 der Konstruktionsabstands λs.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Position C12 eine Position λs/2 von der ersten Position C11 in X-Richtung entfernt, und die vierte Position C14 ist eine Position λs/2 von der dritten Position C13 in X-Richtung entfernt. Der Abstand zwischen der ersten Position C11 und der dritten Position C13 in der Richtung parallel zur X-Richtung ist Null. Mit anderen Worten, die dritte Position C13 in der Richtung parallel zur X-Richtung ist die gleiche wie die erste Position C11 in derselben Richtung. Die dritte Position C13 liegt in der -Y-Richtung vor der ersten Position C11. Die vierte Position C14 in der Richtung parallel zur X-Richtung ist die gleiche wie die zweite Position C12 in der gleichen Richtung. Die vierte Position C14 liegt in der -Y-Richtung vor der zweiten Position C12.
Die fünften bis achten Widerstände R21 bis R24 liegen in Y-Richtung vor den ersten bis vierten Widerständen R11 bis R14. Das physikalische Layout der fünften bis achten Widerstände R21 bis R24 ist ähnlich dem physikalischen Layout der ersten bis vierten Widerstände R11 bis R14. Wenn die ersten bis vierten Widerstände R11 bis R14 und die ersten bis vierten Positionen C11 bis C14 in der Beschreibung des physikalischen Layouts der ersten bis vierten Widerstände R11 bis R14 durch die fünften bis achten Widerstände R21 bis R24 beziehungsweise die fünften bis achten Positionen C21 bis C24 ersetzt werden, entspricht dies der Beschreibung des physikalischen Layouts der fünften bis achten Widerstände R21 bis R24.
In der vorliegenden Ausführungsform liegt die fünfte Position C21 (siebte Position C23) in X-Richtung λs/4 vor der ersten Position C11 (dritte Position C13). Die sechste Position C22 (achte Position C24) liegt in X-Richtung λ/4 vor der zweiten Position C12 (vierte Position C14).
Der erste Widerstand R11 grenzt an den siebten Widerstand R23, aber nicht an den achten Widerstand R24. Der achte Widerstand R24 grenzt an den zweiten Widerstand R12, aber nicht an den ersten Widerstand R11.
Der dritte Widerstand R13 liegt an einer solchen Position, dass der erste Widerstand R11 zwischen dem dritten Widerstand R13 und dem siebten Widerstand R23 eingeschlossen ist. Der vierte Widerstand R14 liegt an einer solchen Position, dass der zweite Widerstand R12 zwischen dem vierten Widerstand R14 und dem achten Widerstand R24 eingeschlossen ist. Der fünfte Widerstand R21 liegt an einer solchen Position, dass der siebte Widerstand R23 zwischen dem fünften Widerstand R21 und dem ersten Widerstand R11 eingeschlossen ist. Der sechste Widerstand R22 liegt an einer solchen Position, dass der achte Widerstand R24 zwischen dem sechsten Widerstand R22 und dem zweiten Widerstand R12 eingeschlossen ist
Als nächstes wird eine Konfiguration des ersten bis achten Widerstands R11 bis R14 und R21 bis R24 beschrieben. Jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 weist eine ideale Komponente auf, die sich periodisch mit einer vorbestimmten Signalperiode so ändert, um eine ideale sinusförmige Kurve (einschließlich Sinus- und Cosinus-Wellenformen) nachzuzeichnen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 so konfiguriert, dass die ideale Komponente des ersten Detektionssignals S1 und die ideale Komponente des zweiten Detektionssignals S2 jeweils unterschiedliche Phasen haben. Der in 7 dargestellte Konstruktionsabstand λs entspricht bei Verwendung des oben beschriebenen imaginären Magnetfeldgenerators einer Periode der idealen Komponente, d.h. einem elektrischen Winkel von 360°. In dem magnetischen Kodierer 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Magnetfeldgenerator 3 mit einem Magnetpolabstand von λm verwendet. Bei Verwendung des Magnetfeldgenerators 3 entspricht der Magnetpolabstand λm einer Periode der idealen Komponente (ein elektrischer Winkel von 360°). Mit anderen Worten, eine Periode der idealen Komponente ist λm.
Jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 enthält eine Mehrzahl von harmonischen Komponenten, die Harmonischen höherer Ordnung der idealen Komponente neben der idealen Komponente entsprechen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 konfiguriert, die Mehrzahl der harmonischen Komponenten zu reduzieren.
Die Konfiguration der ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 wird im Folgenden im Detail beschrieben. Zunächst wird die Konfiguration der MR-Elemente 50 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform sind die MR-Elemente 50 jeweils ein Spin-Valve-MR-Element. Das Spin-Valve-MR-Element weist eine magnetisierte Schicht, eine freie Schicht und eine Spaltschicht auf, die sich zwischen der magnetisierten Schicht und der freien Schicht befindet. Die magnetisierte Schicht weist eine erste Magnetisierung auf, deren Richtung fest ist. Die freie Schicht weist eine zweite Magnetisierung auf, deren Richtung innerhalb einer Ebene (innerhalb einer XY-Ebene) parallel zu der Richtung parallel zur X-Richtung und einer Richtung parallel zur Y-Richtung variabel ist. Die magnetisierte Schicht, die freie Schicht und die Spaltschicht sind in einer Richtung parallel zur Z-Richtung gestapelt. Die Richtung parallel zur Y-Richtung entspricht in der vorliegenden Erfindung einer „zweiten Richtung“. Die Richtung parallel zur Z-Richtung entspricht einer „dritten Richtung“ in der vorliegenden Erfindung.
Das Spin-Valve-MR-Element kann ein tunnel-magnetoresistives (TMR) Element oder ein riesenmagnetoresistives (GMR) Element sein. Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform ist das MR-Element 50 vorzugsweise ein TMR-Element, um die Abmessungen des Magnetsensors 2 zu verringern. Bei dem TMR-Element ist die Spaltschicht eine Tunnelsperrschicht. Beim GMR-Element ist die Spaltschicht eine nichtmagnetische, leitfähige Schicht. Der Widerstandswert des Spin-Valve-MR-Elements ändert sich mit dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht in Bezug auf die Magnetisierungsrichtung der magnetisierten Schicht bildet. Der Widerstandswert des Spin-Valve-MR-Elements hat seinen Minimalwert, wenn der vorgenannte Winkel 0° beträgt, und seinen Maximalwert, wenn der vorgenannte Winkel 180° beträgt.
In den 5 und 6 zeigen die Pfeile innerhalb des ersten bis achten Widerstands R11 bis R14 und R21 bis R24 erste Magnetisierungsrichtungen der magnetisierten Schichten in der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50, die die Widerstände aufweisen.
Die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 erfüllen die folgende Anforderung an die Magnetisierung der magnetisierbaren Schicht. Die erste Magnetisierung der magnetisierten Schicht in den ersten und vierten Widerständen R1 1 und R14 enthält eine Komponente in einer ersten Magnetisierungsrichtung, die eine Richtung parallel zu der oben beschriebenen ersten Richtung ist (die Richtung parallel zur X-Richtung). Die erste Magnetisierung der magnetisierten Schicht in den zweiten und dritten Widerständen R12 und R13 enthält eine Komponente in einer zweiten Magnetisierungsrichtung, die der ersten Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt ist. Die erste Magnetisierung der magnetisierten Schicht im fünften und achten Widerstand R21 und R24 enthält die Komponente in der zweiten Magnetisierungsrichtung. Die erste Magnetisierung der magnetisierten Schicht in den sechsten und siebten Widerständen R22 und R23 enthält die Komponente in der ersten Magnetisierungsrichtung. Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Magnetisierungsrichtung die -X-Richtung und die zweite Magnetisierungsrichtung ist die X-Richtung
Wenn die erste Magnetisierung eine Komponente in einer spezifischen Magnetisierungsrichtung enthält, ist zu beachten, dass die Komponente in der spezifischen Magnetisierungsrichtung eine Hauptkomponente der ersten Magnetisierung sein kann. Alternativ dazu kann die erste Magnetisierung keine Komponente in einer Richtung orthogonal zur spezifischen Magnetisierungsrichtung enthalten. In der vorliegenden Ausführungsform, wenn die erste Magnetisierung die Komponente in der spezifischen Magnetisierungsrichtung enthält, ist die erste Magnetisierungsrichtung die spezifische Magnetisierungsrichtung oder im Wesentlichen die spezifische Magnetisierungsrichtung.
Die zweiten Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten in der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50 ändern sich innerhalb der XY-Ebene mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx. Folglich ändert sich das Potential an jedem der ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen E1 und E2 mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx..
Als nächstes wird das Layout der Mehrzahl von MR-Elemente 50 in jedem der ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 beschrieben. Wie hier verwendet, wird ein Satz von einem oder mehreren MR-Elementen 50 als Elementgruppe bezeichnet. Jeder der ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 weist eine Mehrzahl von Elementgruppen auf. Um eine Fehlerkomponente zu reduzieren, ist die Mehrzahl von Elementgruppen in vorbestimmten Abständen voneinander auf der Grundlage des Konstruktionsabstands λs angeordnet. In der folgenden Beschreibung wird das Layout der Mehrzahl von Elementgruppen unter Bezugnahme auf vorbestimmte Positionen der Elementgruppen beschrieben. Ein Beispiel für die vorbestimmte Position einer Elementgruppe ist der Schwerpunkt der Elementgruppe in Z-Richtung betrachtet.
8 ist eine Draufsicht, die den ersten Widerstand R11 zeigt. Wie in 8 gezeigt, weit der erste Widerstand R11 acht Elementgruppen 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 und 38 auf. Jede der Elementgruppen 31 bis 38 ist in vier Abschnitte unterteilt. Jeder Abschnitt enthält ein oder mehrere MR-Elemente 50. Mit anderen Worten, jede Elementgruppe weist vier oder mehr MR-Elemente 50 auf. Die Mehrzahl von MR-Elemente 50 kann innerhalb jeder Elementgruppe in Reihe geschaltet sein. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl der Elementgruppen in Reihe geschaltet werden. Alternativ kann die Mehrzahl der MR-Elemente 50 unabhängig von den Elementgruppen in Reihe geschaltet werden.
In 8 sind bei Verwendung des oben beschriebenen imaginären Magnetfeldgenerators die Elementgruppen 31 bis 38 so angeordnet, dass sie eine harmonische Komponente, die einer dritten Harmonischen (Harmonische dritter Ordnung) der idealen Komponente entspricht, eine harmonische Komponente, die einer fünften Harmonischen (Harmonische fünfter Ordnung) der idealen Komponente entspricht, und eine harmonische Komponente, die einer siebten Harmonischen (Harmonische siebter Ordnung) der idealen Komponente entspricht, reduzieren. Wie in 8 dargestellt, sind die Elementgruppen 31 bis 34 entlang der X-Richtung angeordnet. Die Elementgruppe 32 liegt an einer Position λs/10 von der Elementgruppe 31 in X-Richtung entfernt. Die Elementgruppe 33 liegt an einer Position λs/6 von der Elementgruppe 31 in X-Richtung entfernt. Die Elementgruppe 34 liegt an einer Position λs/10 + λs/6 von der Elementgruppe 31 in X-Richtung entfernt (an einer Position λs/6 von der Elementgruppe 32 in X-Richtung entfernt).
Wie in 8 gezeigt, sind die Elementgruppen 35 bis 38 entlang der X-Richtung vor den Elementgruppen 31 bis 34 in -Y-Richtung angeordnet. Die Elementgruppe 35 liegt an einer Position λs/14 von der Elementgruppe 31 in X-Richtung entfernt. Die Elementgruppe 36 liegt an einer Position λs/14 + λs/10 entfernt von der Elementgruppe 31 in X-Richtung (an einer Position λs/14 entfernt von der Elementgruppe 32 in X-Richtung). Die Elementgruppe 37 liegt an einer Position λs/14 + λs/6 entfernt von der Elementgruppe 31 in X-Richtung (an einer Position λs/14 entfernt von der Elementgruppe 33 in X-Richtung). Die Elementgruppe 38 liegt an einer Position λs/14 + λs/10 + λs/6 entfernt von der Elementgruppe 31 in X-Richtung (an einer Position λs/14 entfernt von der Elementgruppe 34 in X-Richtung).
Das Layout der Mehrzahl von Elementgruppen zur Reduzierung der Mehrzahl von harmonischen Komponenten ist nicht auf das in 8 gezeigte Beispiel beschränkt. Nun angenommen, dass k und m ganze Zahlen sind, die größer oder gleich 1 und voneinander verschieden sind. Um zum Beispiel eine harmonische Komponente zu reduzieren, die einer Harmonischen der Ordnung (2k + 1) entspricht, ist eine erste Elementgruppe an einer Position λs/(4k + 2) von einer zweiten Elementgruppe in X-Richtung entfernt gelegt. Um eine Fehlerkomponente zu reduzieren, die einer Harmonischen der Ordnung (2m + 1) entspricht, ist eine dritte Elementgruppe an einer Position λ/(4m + 2) entfernt von der ersten Elementgruppe in X-Richtung gelegen, und eine vierte Elementgruppe ist an einer Position λ/(4m + 2) entfernt von der zweiten Elementgruppe in X-Richtung gelegen. Auf solch eine Weise wird zur Reduzierung von harmonischen Komponenten, die einer Mehrzahl von Harmonischen entsprechen, jede einer Mehrzahl von Elementgruppen zur Reduzierung einer Fehlerkomponente, die einer Harmonischen entspricht, an eine Position gelegt, die einen vorbestimmten Abstand basierend auf dem Konstruktionsabstand λs von einer entsprechenden einer Mehrzahl von Elementgruppen zur Reduzierung einer Fehlerkomponente, die einer anderen Harmonischen in der X-Richtung entspricht, entfernt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Konfiguration und das Layout der Mehrzahl von Elementgruppen in jedem der zweiten bis achten Widerstände R12 bis R14 und R21 bis R24 die gleichen wie die der Mehrzahl von Elementgruppen im ersten Widerstand R11. Genauer gesagt weist jeder der zweiten bis achten Widerstände R12 bis R14 und R21 bis R24 auch die acht Elementgruppen 31 bis 38 mit der in 8 gezeigten Konfiguration und Lagebeziehung auf. Zu beachten ist, dass sich die Elementgruppe 31 des dritten Widerstands R13 an der gleichen Position liegt wie die Elementgruppe 31 des ersten Widerstands R11 in X-Richtung. Die Elementgruppe 31 des vierten Widerstands R14 liegt an der gleichen Position wie die Elementgruppe 31 des zweiten Widerstands R12 in X-Richtung. Die Elementgruppe 31 des zweiten Widerstands R12 liegt an einer Position λs/2 entfernt von der Elementgruppe 31 des ersten Widerstands R11 on X-Richtung. Die Elementgruppe 31 des vierten Widerstands R14 liegt an einer Position λs/2 entfernt von der Elementgruppe 31 des dritten Widerstands R13 in X-Richtung.
Die Elementgruppe 31 des siebten Widerstands R23 liegt an der gleichen Position wie die Elementgruppe 31 des fünften Widerstands R21 in X-Richtung. Die Elementgruppe 31 des achten Widerstands R24 liegt an der gleichen Position wie die Elementgruppe 31 des sechsten Widerstands R22 in X-Richtung. Die Elementgruppe 31 des fünften Widerstands R21 liegt an einer Position λs/4 entfernt von der Elementgruppe 31 des ersten Widerstands R11 in X-Richtung. Die Elementgruppe 31 des sechsten Widerstands R22 liegt an einer Position λs/2 entfernt von der Elementgruppe 31 des fünften Widerstands R21 in X-Richtung. Die Elementgruppe 31 des achten Widerstands R24 liegt an einer Position λs/2 entfernt von der Elementgruppe 31 des siebten Widerstands R23 in X-Richtung.
Die oben beschriebene Konfiguration der ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 bewirkt eine Phasendifferenz der idealen Komponente des zweiten Detektionssignals S2 von der idealen Komponente des ersten Detektionssignals S1 um eine ungerade Zahl von 1/4 einer vorbestimmten Signalperiode (der Signalperiode der idealen Komponente) und reduziert die Mehrzahl der harmonischen Komponenten der jeweiligen ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2.
Zu beachten ist, dass im Lichte der der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente 50 und anderen Faktoren die Positionen der ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 sowie die Positionen der Elementgruppen 31 bis 38 geringfügig von den oben beschriebenen Positionen abweichen können.
Als nächstes werden erste und zweite Beispiele des MR-Elements 50 unter Bezugnahme auf die 9 und 10 beschrieben. 9 ist eine perspektivische Ansicht zeigt das erste Beispiel des MR-Elements 50. Im ersten Beispiel weist das MR-Element 50 einen geschichteten Film 50Amit einer magnetisierbaren Schicht 51, einer Spaltschicht 52 und einer freien Schicht 53 auf, die in dieser Reihenfolge in Z-Richtung gestapelt sind. Der geschichtete Film 50Akann eine kreisförmige ebene Form oder eine quadratische oder fast quadratische ebene Form haben, wie in 7 gezeigt, betrachtet in Z-Richtung.
Die untere Fläche des geschichteten Films 50A des MR-Elements 50 ist mit der unteren Fläche des geschichteten Films 50A eines anderen MR-Elements 50 durch eine nicht gezeigte untere Elektrode elektrisch verbunden. Die obere Fläche des geschichteten Films 50A des MR-Elements 50 ist mit der oberen Fläche des geschichteten Films 50A eines anderen MR-Elements 50 durch eine nicht gezeigte obere Elektrode elektrisch verbunden. Auf solch eine Weise ist die Mehrzahl der MR-Elemente 50 in Reihe geschaltet. Es sollte gewürdigt werden, dass die Schichten 51 bis 53 jedes Schichtfilms 50A können in umgekehrter Reihenfolge wie in 9 gezeigt gestapelt werden.
Das MR-Element 50 weist ferner einen Vormagnetisierungsfeldgenerator 50B auf, der ein Vormagnetisierungsfeld erzeugt, das an die freie Schicht 53 angelegt wird. Die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes schneidet die Richtung parallel zur X-Richtung. Im ersten Beispiel weist der Vormagnetisierungsmagnetfeldgenerator 50B zwei Magnete 54 und 55 auf. Der Magnet 54 liegt in der -Y-Richtung vor dem geschichteten Film 50A. Der Magnet 55 liegt in Y-Richtung vor dem geschichteten Film 50A. Insbesondere liegen im ersten Beispiel der geschichteten Film 50A und die Magnete 54 und 55, um eine imaginäre Ebene parallel zur XY-Ebene schneiden. In 7 zeigen die Pfeile in den Magneten 54 und 55 die Magnetisierungsrichtungen der Magnete 54 und 55 an. Im ersten Beispiel ist die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes die Y-Richtung.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die das zweite Beispiel des MR-Elements 50 zeigt. Das zweite Beispiel des MR-Elements 50 hat die gleiche Konfiguration wie die des ersten Beispiels des MR-Elements 50, mit Ausnahme der planaren Form des geschichteten Films 50Aund der Positionen der Magneten 54 und 55. Im zweiten Beispiel liegen die Magnete 54 und 55 an Positionen, die sich von der des geschichteten Film 50A in Z-Richtung unterscheiden. Insbesondere in dem in 8 gezeigten Beispiel liegen die Magnete 54 und 55 in Z-Richtung vor der Schichtfolie 50A. In Z-Richtung betrachtet hat der geschichteten Film 50A eine rechteckige, ebene Form, die in Y-Richtung lang ist. In Z-Richtung betrachtet, liegen die Magnete 54 und 55 so, dass sie die Schichtfolie 50Aüberlappen.
Die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und das Layout der Magnete 54 und 55 sind nicht auf die in den 9 und 10 dargestellten Beispiele beschränkt. Zum Beispiel kann die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes eine Richtung sein, die die Richtung parallel zur X-Richtung und die Richtung parallel zur Z-Richtung schneidet, und kann eine Richtung schräg zur Y-Richtung sein. Die Magnete 54 und 55 können an jeweils unterschiedlichen Positionen in der Richtung parallel zur X-Richtung angeordnet sein.
Das Vormagnetisierungsfeld kann anstelle des Vormagnetisierungsfeldgenerators 50B durch einachsige magnetische Anisotropie, wie eine magnetische Formanisotropie oder magnetokristalline Anisotropie, an die freie Schicht 53 angelegt werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Erzeugung des Detektionswerts Vs der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Beispielsweise erzeugt die Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 den Detektionswert Vs auf die folgende Weise. Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 führt zunächst eine vorbestimmte Korrekturverarbeitung an jedem der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 durch. Die Korrekturverarbeitung weist zumindest die Verarbeitung der Einstellung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Detektionssignal S1 und dem zweiten Detektionssignal S2 auf 90° auf. Die Korrekturverarbeitung kann ferner mindestens eine Verarbeitung zur Korrektur einer Amplitude jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 und eine Verarbeitung zur Korrektur eines Offsets jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S1 und S2 aufweisen. Die Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 bestimmt dann einen anfänglichen Detektionswert im Bereich von 0° oder mehr und weniger als 360° durch Berechnung des Arkustangens des Verhältnisses des zweiten Detektionssignals S2 zum ersten Detektionssignal S1, das heißt atan (S2/S1). 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° beträgt, stimmen die Position eines S-Pols des Magnetfeldgenerators 3 und die Position der Elementgruppe 31 in jedem der ersten und dritten Widerstände R11 und R13 aus der Z-Richtung gesehen überein. Wenn der vorgenannte Wert des Arkustangens 180° beträgt, stimmen die Position eines N-Pols des Magnetfeldgenerators 3 und die Position der Elementgruppe 31 in jedem der ersten und dritten Widerstände R11 und R13 aus der Z-Richtung gesehen überein. Daher entspricht der anfängliche Detektionswert der Rotationsposition des Magnetfeldgenerators 3 innerhalb eines Bereichs von einem S-Pol zu einem anderen S-Pol, der über einen N-Pol angrenzt.
Die Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 zählt auch die Anzahl der Umdrehungen des elektrischen Winkels aus einer Referenzposition, wobei eine Periode des anfänglichen Detektionswerts einem elektrischen Winkel von 360° entspricht. Der elektrische Winkel hat eine Entsprechung mit der Rotationsposition des Magnetfeldgenerators 3, und eine Umdrehung des elektrischen Winkels entspricht dem Betrag der Bewegung von einem S-Pol zu einem anderen S-Pol, der über einen N-Pol angrenzt. Die Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 erzeugt den Detektionswert Vs, der mit der Rotationsposition des Magnetfeldgenerators 3 übereinstimmt, auf der Grundlage des anfänglichen Detektionswertes und der Anzahl der Umdrehungen des elektrischen Winkels.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für den Magnetsensor 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kurz beschrieben. Das Herstellungsverfahren für den Magnetsensor 2 weist einen Schritt des Ausbildens der Mehrzahl von MR-Elementen 50 auf dem Substrat 10 auf, einen Schritt des Ausbildens der Anschlussstellen 11 bis 14 auf dem Substrat 10 und einen Schritt des Ausbildens einer Mehrzahl von Verdrahtungen, die mit der Mehrzahl von MR-Elementen 50 und den Anschlussstellen 11 bis 14 verbunden sind.
Im Schritt der Bildung der Mehrzahl von MR-Elementen 50 wird zunächst eine Mehrzahl von anfänglichen MR-Elementen gebildet, die später zu der Mehrzahl von MR-Elementen 50 werden. Jedes der Mehrzahl von anfänglichen MR-Elemente weist eine anfängliche magnetisierte Schicht, die später zur magnetisierten Schicht 51 wird, die freie Schicht 53 und die Spaltschicht 52 auf.
Als nächstes werden die Magnetisierungsrichtungen der anfänglich magnetisierten Schichten mit Hilfe von Laserlicht und externen Magnetfeldern in den vorgenannten vorbestimmten Richtungen fixiert. Beispielsweise wird eine Mehrzahl von anfänglichen MR-Elemente, die später zu der Mehrzahl von MR-Elementen 50 werden sollen, die den ersten, vierten, sechsten und siebten Widerstand R11, R14, R22 und R23 bilden, mit Laserlicht bestrahlt, während ein externes Magnetfeld in der ersten Magnetisierungsrichtung (-X-Richtung) an sie angelegt wird. Wenn die Bestrahlung mit dem Laserlicht abgeschlossen ist, sind die Magnetisierungsrichtungen der anfänglich magnetisierten Schichten in der ersten Magnetisierungsrichtung fixiert. Dadurch werden die anfänglich magnetisierten Schichten zu den magnetisierten Schichten 51 und die Mehrzahl von anfänglichen MR-Elemente zu der Mehrzahl von MR-Elementen 50, die den ersten, vierten, sechsten und siebten Widerstand R11, R14, R22 und R23 bilden.
In einer Mehrzahl von anderen anfänglichen MR-Elementen, die später zu der Mehrzahl von MR-Elementen 50 werden sollen, die den zweiten, dritten, fünften und achten Widerstand R12, R13, R21 und R24 bilden, kann die Magnetisierungsrichtung der anfänglichen magnetisierten Schichten in jedem der Mehrzahl von anderen anfänglichen MR-Elementen auf die zweite Magnetisierungsrichtung (X-Richtung) fixiert werden, indem die Richtung des externen Magnetfeldes auf die zweite Magnetisierungsrichtung eingestellt wird. Die Mehrzahl der MR-Elemente 50 wird auf diese Weise gebildet.
Als nächstes werden die Funktionsweise und die Auswirkungen des magnetischen Kodierers 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 konfiguriert, mindestens eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht, aus einer Mehrzahl von harmonischen Komponenten zu reduzieren. Insbesondere sind die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 so angeordnet, dass sie die Anforderung bezüglich des Layouts in der Schaltungskonfiguration, die Anforderung bezüglich des physikalischen Layouts und die Anforderung bezüglich der Magnetisierung der magnetisierten Schicht wie oben beschrieben erfüllen. Auf diese Weise kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Fehler aufgrund einer Differenz zwischen dem Magnetpolabstand λm des Magnetfeldgenerators 3 und dem Konstruktionsabstand λs des Magnetsensors 2 reduziert werden.
Im Vergleich zu einem magnetischen Kodierer eines Vergleichsbeispiels werden im Folgenden die Auswirkungen des magnetischen Kodierers 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Zunächst wird der Aufbau des magnetischen Kodierer des Vergleichsbeispiels beschrieben. Die Konfiguration des magnetischen Kodierer des Vergleichsbeispiels unterscheidet sich von der Konfiguration des magnetischen Kodierer 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einem Punkt, dass ein Magnetsensor 102 des Vergleichsbeispiels anstelle des Magnetsensors 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bereitgestellt ist.
11 ist eine Draufsicht auf den Magnetsensor 102 des Vergleichsbeispiels. 12 ist ein Schaltplan, der die Konfiguration des Magnetsensors 102 des Vergleichsbeispiels zeigt. Der Magnetsensor 102 weist einen ersten Widerstand R1, einen zweiten Widerstand R2, einen dritten Widerstand R3 und einen vierten Widerstand R4 auf, die jeweils konfiguriert sind, den Widerstandswert mit der Stärke der Magnetfeldkomponente MFx zu ändern. Der Magnetsensor 102 weist eine Mehrzahl von MR-Elementen 50 auf. Jeder der ersten bis vierten Widerstände R1 bis R4 wird aus der Mehrzahl der MR-Elemente 50 gebildet.
Der Magnetsensor 102 weist ferner einen Stromversorgungsanschluss V101, einen Masseanschluss G101, einen ersten Ausgangsanschluss E101 und einen zweiten Ausgangsanschluss E102 auf. Der Masseanschluss G101 ist mit der Masse verbunden. Die ersten und zweiten Ausgangsanschlüsse E101 und E102 sind mit der Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 verbunden.
Der Magnetsensor 102 erzeugt ein Signal, das mit dem Potential am ersten Ausgangsanschluss E101 korrespondiert, als ein erstes Detektionssignal S101, und erzeugt ein Signal, das mit dem Potential am zweiten Ausgangsanschluss E102 korrespondiert, als ein zweites Detektionssignal S102. Die mit dem Magnetsensor 102 verbundene Detektionswerterzeugsungsschaltung 4 erzeugt den Detektionswert Vs auf der Grundlage des ersten und zweiten Detektionssignals S101 und S102.
Der erste Widerstand R1 ist in einem Pfad bereitgestellt, der den Stromversorgungsanschluss V101 und den ersten Ausgangsanschluss E101 miteinander verbindet. Der zweite Widerstand R2 ist in einem Pfad bereitgestellt, der den Masseanschluss G101 und den ersten Ausgangsanschluss E101 verbindet. Der dritte Widerstand R3 ist in einem Pfad bereitgestellt, der den Erdungsanschluss G101 und den zweiten Ausgangsanschluss E102 verbindet. Der vierte Widerstand R4 ist in einem Pfad bereitgestellt, der den Stromversorgungsanschluss V101 und den zweiten Ausgangsanschluss E102 verbindet.
Der Schwerpunkt des zweiten Widerstands R2 liegt, in Z-Richtung betrachtet, an einer Position λs/2 in X-Richtung vom Schwerpunkt des ersten Widerstands R1, in Z-Richtung betrachtet, entfernt. Der Schwerpunkt des dritten Widerstands R3 liegt, in Z-Richtung betrachtet, an einer Position λs/2 in X-Richtung vom Schwerpunkt des vierten Widerstands R4, in Z-Richtung betrachtet, entfernt. Der Schwerpunkt des vierten Widerstands R4 liegt, in Z-Richtung betrachtet an einer Position, die in X-Richtung λs/4 vom Schwerpunkt des ersten Widerstands R1, in Z-Richtung betrachtet, entfernt ist.
In den 11 und 12 zeigen die Pfeile innerhalb des ersten bis vierten Widerstands R1 bis R4 die ersten Magnetisierungsrichtungen der magnetisierten Schichten in der jeweiligen Mehrzahl von MR-Elementen 50, die in den Widerständen enthalten sind. In dem Vergleichsbeispiel sind die ersten Magnetisierungsrichtungen die -X-Richtung in allen ersten bis vierten Widerständen R1 bis R4.
Jeder der ersten bis vierten Widerstände R1 bis R4 weist eine Mehrzahl von Elementgruppen auf. Die Konfiguration und das Layout der Mehrzahl von Elementgruppen in jedem der ersten bis vierten Widerstände R1 bis R4 sind die gleichen wie die der Mehrzahl von Elementgruppen im ersten Widerstand R11 des Magnetsensors 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Als nächstes wird das erste Detektionssignal S101 im Vergleichsbeispiel beschrieben. In dem Vergleichsbeispiel werden ein Widerstandswert R₁ des ersten Widerstands R1 und ein Widerstandswert R₂ des zweiten Widerstands R2 in den folgenden Gleichungen (1) bzw. (2) ausgedrückt. Zu beachten ist, dass in den Gleichungen (1) und (2) R₀ und ΔR jeweils eine vorgegebene Konstante sind und θ einen elektrischen Winkel darstellt. $R_{1} = R_{0} + Δ Rcos (θ)$
$R_{2} = R_{0} + Δ Rcos (θ+λ s/ λ m \times π)$
Das erste Detektionssignal S101 wird durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt. $S 101 = R_{2} / (R_{1} + R_{2})$
Wenn der Magnetpolabstand λm gleich dem Konstruktionsabstand λs ist, wird das erste Detektionssignal S101 in der folgenden Gleichung (4) aus den Gleichungen (1) bis (3) ausgedrückt. $\begin{array}{l} S 101 = R_{2} / (2 R_{0} + Δ Rcos (θ) - Δ Rcos (θ)) \\ = R/ 2 R_{20} \end{array}$
Wenn sich der Magnetpolabstand λm von dem Konstruktionsabstand λs unterscheidet, wird das erste Detektionssignal S101 in der folgenden Gleichung (5) mit den Gleichungen (1) bis (3) ausgedrückt. $S 101 = R_{2} / (2 R_{0} + Δ Rcos (θ) + Δ Rcos (θ+λ s/ λ m \times π))$
Wie aus Gleichung (4) ersichtlich, ist das erste Detektionssignal S101 gleich einer konstanten Zahl mal R₂, wenn der Magnetpolabstand λm gleich dem Konstruktionsabstand λs ist. In diesem Fall ist es ideal, dass das erste Detektionssignal S101 periodisch variiert, um eine ideale sinusförmige Kurve entsprechend dem elektrischen Winkel θ nachzuzeichnen (siehe Gleichung (2)). Andererseits ist, wie aus Gleichung (5) ersichtlich, in einem Nenner der Gleichung (5) eine Komponente vorhanden, die sich entsprechend dem elektrischen Winkel θ ändert, wenn der Magnetpolabstand λm von dem Konstruktionsabstand λs verschieden ist. Die Komponente bewirkt, dass das erste Detektionssignal S 101 eine harmonische Komponente erzeugt, die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht.
Die Beschreibung des ersten Detektionssignals S101 gilt auch für das zweite Detektionssignal S102. Ein Widerstandswert R₃ des dritten Widerstands R3, ein Widerstandswert R₄ des vierten Widerstands R4 und das zweite Detektionssignal S102 können jeweils durch eine Sinusfunktion dargestellt werden, die sich entsprechend dem elektrischen Winkel θ ändert. Wenn sich der Magnetpolabstand λm von dem Konstruktionsabstand λs unterscheidet, wird auch im zweiten Detektionssignal S102 eine harmonische Komponente erzeugt, die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht. Die harmonische Komponente jedes der ersten und zweiten Detektionssignale S101 und S102 verursacht einen Fehler im Detektionswert Vs.
Als nächstes wird das erste Detektionssignal S1 in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Widerstandswert R₁₁ des ersten Widerstands R11, ein Widerstandswert R₁₂ des zweiten Widerstands R12, ein Widerstandswert R₁₃ des dritten Widerstands R13 und ein Widerstandswert R₁₄ des vierten Widerstands R14 jeweils mit den folgenden Gleichungen (6) bis (9) ausgedrückt. $R_{11} = R_{0} + Δ Rcos (θ)$
$\begin{array}{l} R_{12} = R_{0} + Δ Rcos (θ+λ s/ λ m \times π+π) \\ = R_{0} + Δ Rcos (θ+λ s/ λ m \times π) \end{array}$
$\begin{array}{l} R_{13} = R_{0} + Δ Rcos (θ+π) \\ = R_{0} - Δ Rcos (θ+π) \end{array}$
$R_{1} = R_{0} + Δ Rcos (θ+λ s/ λ m \times π)$
Das erste Detektionssignal S1 wird durch die folgende Gleichung (10) ausgedrückt. $\begin{array}{l} S 1 = (R_{13} + R_{14}) / {(R_{11} + R_{12} + R_{13} + R)}_{14} \\ = (R_{13} + R_{14}) / 4 R_{0} \end{array}$
Wie aus der Gleichung (10) ersichtlich ist, ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Nenner in der Gleichung (10) unabhängig davon, ob der Magnetpolabstand λm gleich dem Konstruktionsabstand λs ist, eine Konstante, und das erste Detektionssignal S1 ist gleich einer konstanten Zahl mal einer Summe des Widerstandswerts R₁₃ und des Widerstandswerts R₁₄. Daher ist es in der vorliegenden Ausführungsform ideal, dass das erste Detektionssignal S1 periodisch variiert, um eine ideale sinusförmige Kurve entsprechend dem elektrischen Winkel θ nachzuzeichnen, unabhängig davon, ob der Magnetpolabstand λm gleich dem Konstruktionsabstand λs ist (siehe die Gleichungen (8) und (9)).
Die Beschreibung des ersten Detektionssignals S1 gilt auch für das zweite Detektionssignal S2. Das zweite Detektionssignal S2 wird mit einer Gleichung ausgedrückt, in der R₁₁ , R₁₂ , R₁₃ und R₁₄ in der Gleichung (10) durch einen Widerstandswert R₂₁ des fünften Widerstands R21, einen Widerstandswert R₂₂ des sechsten Widerstands R22, einen Widerstandswert R₂₃ des siebten Widerstands R23 beziehungsweise einen Widerstandswert R₂₄ des achten Widerstands R24 ersetzt werden. Ähnlich wie das erste Detektionssignal S1 ist es ideal, dass das zweite Detektionssignal S2 periodisch variiert, um eine ideale sinusförmige Kurve entsprechend dem elektrischen Winkel θ nachzuzeichnen, unabhängig davon, ob der Magnetpolabstand λm gleich dem Konstruktionsabstand λs ist.
Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Ausführungsform konfiguriert, eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht, aus einer Mehrzahl von harmonischen Komponenten zu reduzieren. Auf diese Weise kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform verhindert werden, dass ein Fehler im Detektionswert Vs verursacht wird. Der Effekt wird im Folgenden anhand eines Simulationsergebnisses beschrieben.
Bei der Simulation wurden ein Modell eines Vergleichsbeispiels und ein Modell eines Praxisbeispiels verwendet. Das Modell des Vergleichsbeispiels ist ein Modell für den magnetischen Kodierer des Vergleichsbeispiels. Das Modell des Praxisbeispiels ist ein Modell für den magnetischen Kodierer 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
In der Simulation betrug der Konstruktionsabstand λs 800 µm. Im Modell des Vergleichsbeispiels wurden die ersten bis vierten Widerstände R1 bis R4 so angeordnet, dass der Schwerpunkt des zweiten Widerstands R2 an einer Position 400 µm in X-Richtung vom Schwerpunkt des ersten Widerstands R1 entfernt lag, der Schwerpunkt des dritten Widerstands R3 an einer Position 400 µm in X-Richtung vom Schwerpunkt des vierten Widerstands R4 entfernt lag, und der Schwerpunkt des vierten Widerstands R4 an einer Position 200 µm in X-Richtung vom Schwerpunkt des ersten Widerstands R1 entfernt lag.
Im Modell des Praxisbeispiels wurden die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 so angeordnet, dass die zweite Position C12 an einer Position 400 µm in X-Richtung von der ersten Position C11 entfernt lag, die vierte Position C14 an einer Position 400 µm in X-Richtung von der dritten Position C13 entfernt lag, die sechste Position C22 sich an einer Position 400 µm in der X-Richtung von der fünften Position C21 entfernt lag, die achte Position C24 an einer Position 400 µm in der X-Richtung von der siebten Position C23 entfernt lag, und die fünfte Position C21 an einer Position 200 µm in der X-Richtung von der ersten Position C11 entfernt lag.
In der Simulation betrug sowohl der Abstand zwischen dem Magnetsensor 2 und dem Magnetfeldgenerator 3 in der Richtung parallel zur Z-Richtung, als auch der Abstand zwischen dem Magnetsensor 102 und dem Magnetfeldgenerator 3 in der Richtung parallel zur Z-Richtung 0,4 mm. Außerdem betrugen sowohl die an den Stromversorgungsanschluss V1 als auch die an den Stromversorgungsanschluss V101 angelegte Spannung 1 V
Dabei wird eine Komponente, deren Signalperiode mit der Signalperiode einer idealen Komponente übereinstimmt, als Komponente erster Ordnung bezeichnet, eine harmonische Komponente, die einer zweiten Harmonischen entspricht, als Komponente zweiter Ordnung, eine harmonische Komponente, die einer dritten Harmonischen entspricht, als Komponente dritter Ordnung, eine harmonische Komponente, die einer vierten Harmonischen entspricht, wird als Komponente vierter Ordnung bezeichnet, eine harmonische Komponente, die einer fünften Harmonischen entspricht, wird als Komponente fünfter Ordnung bezeichnet, und eine harmonische Komponente, die einer sechsten Harmonischen entspricht, wird als Komponente sechster Ordnung bezeichnet. Das Verhältnis einer Amplitude einer harmonischen Komponente zu einer Amplitude der Komponente erster Ordnung wird als Amplitudenverhältnis der harmonischen Komponente bezeichnet. Eine Differenz zwischen einem anfänglichen Detektionswert, der angenommen wird, wenn jedes der Detektionssignale S 1, S2, S 101 und S 102 nur eine ideale Komponente aufweist, und einem aus der Simulation gewonnenen anfänglichen Detektionswert wird als Fehler des Detektionswertes Vs bezeichnet. Zu beachten ist, dass der anfängliche Detektionswertes ein Wert ist, der einem durch Berechnung bestimmten elektrischen Winkel entspricht und als Wert in einem Bereich von 0° oder mehr und weniger als 360° ausgedrückt wird. Daher wird eine Einheit des Fehlers des Detektionswertes Vs als Winkel ausgedrückt.
In der Simulation wurde der Magnetpolabstand λm um 200 µm in einem Bereich von 600 µm bis 2600 µm verändert. Im Modell des Vergleichsbeispiels wurden für jedes Magnetpolabstand λm das erste und zweite Detektionssignal S101 und S 102 und der Detektionswert Vs bei Rotation des Magnetfeldgenerators 3 erhalten. Durch Durchführung einer Fourier-Transformation des ersten Detektionssignals S 101 wurden die Komponenten erster Ordnung bis sechster Ordnung des ersten Detektionssignals S 101 erhalten, und ein Amplitudenverhältnis jeder Komponente zweiter Ordnung bis sechster Ordnung wurde für das erste Detektionssignal S101 erhalten. Ein Fehler des Detektionswertes Vs wurde ermittelt.
In ähnlicher Weise wurden im Modell des Praxisbeispiels das erste und zweite Detektionssignal S 1 und S2 und der Detektionswert Vs bei Rotation des Magnetfeldgenerators 3 für jeden Magnetpolabstand λm erhalten. Durch Durchführung einer Fourier-Transformation des ersten Detektionssignals S 1 wurden die Komponenten erster Ordnung sechster Ordnung des ersten Detektionssignals S 1 erhalten, und ein Amplitudenverhältnis jeder Komponente zweiter Ordnung bis sechster Ordnung erhalten. Es wurde ein Fehler des Detektionswerts Vs ermittelt.
13 ist ein charakteristisches Diagramm, das ein durch die Simulation ermitteltes Amplitudenverhältnis des Modells des Vergleichsbeispiels zeigt. 14 ist ein charakteristisches Diagramm, das ein durch die Simulation ermitteltes Amplitudenverhältnis des Modells des Praxisbeispiels zeigt. In den 13 und 14 stellt eine horizontale Achse den Magnetpolabstand λm und eine vertikale Achse ein Amplitudenverhältnis dar. In 13 bezeichnet eine Bezugsziffer 71 ein Amplitudenverhältnis der Komponente zweiter Ordnung, eine Bezugsziffer 72 ein Amplitudenverhältnis der Komponente dritter Ordnung, eine Bezugsziffer 73 ein Amplitudenverhältnis der Komponente vierter Ordnung, eine Bezugsziffer 74 ein Amplitudenverhältnis der Komponente fünfter Ordnung und eine Bezugsziffer 75 ein Amplitudenverhältnis der Komponente sechster Ordnung. In 14 bezeichnet eine Bezugsziffer 81 ein Amplitudenverhältnis der Komponente zweiter Ordnung, eine Bezugsziffer 82 ein Amplitudenverhältnis der Komponente dritter Ordnung, eine Bezugsziffer 83 ein Amplitudenverhältnis der Komponente vierter Ordnung, eine Bezugsziffer 84 ein Amplitudenverhältnis der Komponente fünfter Ordnung und eine Bezugsziffer 85 ein Amplitudenverhältnis der Komponente sechster Ordnung.
Wie in 13 gezeigt, waren in dem Modell des Vergleichsbeispiels das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 73) der Komponente vierter Ordnung, das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 74) der Komponente fünfter Ordnung und das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 75) der Komponente sechster Ordnung null oder im Wesentlichen null. Im Modell des Vergleichsbeispiels war, außer wenn der Magnetpolabstand λm 800 µm betrug, das Amplitudenverhältnis (Kennziffer 71) der Komponente zweiter Ordnung klar am größten. Es war klar, dass das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 71) der Komponente zweiter Ordnung am geringsten war, wenn der Magnetpolabstand λm 800 µm betrug, und anstieg, wenn der Magnetpolabstand λm von 800 µm anstieg. Zu beachten ist, dass der Fall, in dem der Magnetpolabstand λm 800 µm beträgt, ein Fall ist, in dem der Magnetpolabstand λm gleich der Konstruktionsabstand λs ist.
Wie in 14 gezeigt, waren in dem Modell des Praxisbeispiels ähnlich wie in dem Modell des Vergleichsbeispiels das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 83) der Komponente vierter Ordnung, das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 84) der Komponente fünfter Ordnung und das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 85) der Komponente sechster Ordnung null oder im Wesentlichen null. Bei dem Modell des Praxisbeispiels war das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 81) der Komponente zweiter Ordnung gleich Null.
Die in den 13 und 14 gezeigten Ergebnisse gelten auch für die zweiten Detektionssignale S2 und S102. Aus den Simulationsergebnissen ist klar, dass die vorliegende Ausführungsform konfiguriert ist, eine harmonische Komponente (Komponente zweiter Ordnung), die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht, aus einer Mehrzahl von harmonischen Komponenten zu reduzieren.
15 ist ein charakteristisches Diagramm, das einen durch die Simulation ermittelten Fehler des Detektionswertes Vs des Modells des Vergleichsbeispiels und des Modells des Praxisbeispiels zeigt. In 15 stellt eine horizontale Achse den Magnetpolabstand λm dar, und eine vertikale Achse stellt einen Fehler des Detektionswertes Vs dar. In 15 bezeichnet eine Bezugsziffer 91 einen Fehler des Modells des Vergleichsbeispiels und eine Bezugsziffer 92 einen Fehler des Modells des Praxisbeispiels.
Wie oben beschrieben, wurde in der Simulation der Fehler des Detektionswertes Vs unter Verwendung eines anfänglichen Detektionswertes berechnet, und der anfängliche Detektionswert wurde unter Verwendung der Detektionssignale S1, S2, S101 und S 102 berechnet. Eine Wellenform jedes der Detektionssignale S1, S2, S101 und S 102 wurde von einer sinusförmigen Kurve in Abhängigkeit von einem Amplitudenverhältnis einer harmonischen Komponente verfälscht. Der Fehler des Detektionswert Vs hing daher vom Amplitudenverhältnis der harmonischen Komponente ab. Wie aus den 13 bis 15 ersichtlich ist, hängt der Fehler (Bezugsziffer 91 in 15) des Detektionswertes Vs im Modell des Vergleichsbeispiels stark vom Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 71 in 13) der Komponente zweiter Ordnung ab. Ähnlich wie das Amplitudenverhältnis der Komponente zweiter Ordnung war der Fehler des Detektionswertes Vs minimal, wenn der Magnetpolabstand λm gleich dem Konstruktionsabstand λs (800 µm) war, und nahm zu, wenn der Magnetpolabstand λm von 800 µm abwich, mit anderen Worten, eine Abweichung der Magnetpolabstand λm von dem Konstruktionsabstand λs nahm zu.
Wie aus den 14 und 15 ersichtlich ist, hing im Modell des Praxisbeispiels, da das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 81 in 14) der Komponente zweiter Ordnung Null war, der Fehler (Bezugsziffer 92 in 15) des Detektionswertes Vs stark vom Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 82 in 14) der Komponente dritter Ordnung ab. Das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 82 in 14) der Komponente dritter Ordnung im Modell des Praxisbeispiels war jedoch ausreichend kleiner als das Amplitudenverhältnis (Bezugsziffer 71 in 13) der Komponente zweiter Ordnung im Modell des Vergleichsbeispiels. Wie in 15 gezeigt, war der Fehler (Bezugsziffer 92) im Modell des Praxisbeispiels daher ausreichend kleiner als der Fehler (Bezugsziffer 91) im Modell des Vergleichsbeispiels.
Wie aus den Simulationsergebnissen ersichtlich ist, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch ein Mittel verhindert werden, dass ein Fehler aufgrund einer Differenz zwischen dem Magnetpolabstand λm und dem Konstruktionsabstand λs im, das konfiguriert ist, eine harmonische Komponente (Komponente zweiter Ordnung) zu reduzieren, die einer Harmonischen zweiter Ordnung unter einer Mehrzahl von harmonischen Komponenten entspricht.
Wie oben beschrieben, sind in der vorliegenden Ausführungsform die Elementgruppen 31 bis 38 so angeordnet, dass sie eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen dritter Ordnung entspricht, eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen fünfter Ordnung entspricht, und eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen siebter Ordnung entspricht, reduzieren. Mit anderen Worten, in der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten bis achten Widerstände R11 bis R14 und R21 bis R24 konfiguriert, die harmonischen Komponenten, die den Harmonischen dritter, fünfter und siebter Ordnung entsprechen, zusätzlich zu der harmonischen Komponente, die der Harmonischen zweiter Ordnung entspricht, zu reduzieren. Auf diese Weise kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Fehler des Detektionswert Vs weiter reduziert werden.
Wenn der magnetische Kodierer 1 in einem Gerät eingesetzt wird, das eine relativ große Vibration erzeugt, kann ein großer Abstand zwischen dem Magnetsensor 2 und dem Magnetfeldgenerator 3 erforderlich sein, um eine Kollision zwischen dem Magnetsensor 2 und dem Magnetfeldgenerator 3 zu vermeiden. In diesem Fall ist der Magnetpolabstand λm vorzugsweise größer als der Konstruktionsabstand λs, um die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx (siehe 4) an einer Position, an der sich der Magnetsensor 2 befindet, als gewünschte Größe einzustellen. Insbesondere ist der Magnetpolabstand λm vorzugsweise größer als das 1,1-fache des Konstruktionsabstands λs und größer als das 1,25-fache des Konstruktionsabstands λs. Andererseits ist aus 15 ersichtlich, dass, wenn der Magnetpolabstand λm 1400 µm oder mehr beträgt, mit anderen Worten, wenn der Magnetpolabstand λm das 1,75-fache oder mehr des Konstruktionsabstands λs beträgt, der Fehler des Detektionswertes Vs mit zunehmendem Magnetpolabstand λm zunimmt. Daher ist der Magnetpolabstand λm vorzugsweise kleiner als das 1,75-fache des Konstruktionsabstands λs.
[Modifikationsbeispiel]
Als nächstes wird ein Modifikationsbeispiel des magnetischen Kodierers 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 16 beschrieben. 16 ist eine perspektivische Ansicht, die das Modifikationsbeispiel des magnetischen Kodierers 1 zeigt. In dem Modifikationsbeispiel weist der magnetische Kodierer 1 einen Magnetfeldgenerator 103 anstelle des in den 2 und 3 dargestellten Magnetfeldgenerators 3 auf. Der Magnetfeldgenerator 103 weist äußere Umfangsflächen 103a und 103b auf, die jeweils in eine Richtung weg von der Rotationsachse C gerichtet sind. Die äußeren Umfangsflächen 103a und 103b liegen an unterschiedlichen Positionen in der Richtung parallel zur Rotationsachse C. Die äußere Umfangsfläche 103a liegt an einer Position weiter weg von der Rotationsachse C als die äußere Umfangsfläche 103b.
Die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen sind auf der äußeren Umfangsfläche 103a bereitgestellt. In 16 ist zum besseren Verständnis der N-Pol mit schraffiert dargestellt. Der Magnetsensor 2 ist liegt so, dass er der Außenumfangsfläche 103a zugewandt ist. Die Stärke der Magnetfeldkomponente MFx (siehe 4) in einer Referenzposition, zum Beispiel einer Position, in der sich der Magnetsensor 2 befindet, ändert sich entsprechend der Rotation des Magnetfeldgenerators 103.
Im Modifikationsbeispiel kann eine Richtung parallel zur Rotationsachse C die Y-Richtung sein, und eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse C, die vom Magnetsensor 2 zur Rotationsachse C gerichtet ist, kann die Z-Richtung sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden. Zum Beispiel sind die Anzahl und das Layout der MR-Elemente 50 nicht auf die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können frei festgelegt werden, solange die in den Ansprüchen genannten Anforderungen erfüllt sind.
Jede der ersten bis achten Positionen C11 bis C14 und C21 bis C24 kann eine andere Position als der Schwerpunkt sein, zum Beispiel ein Endabschnitt eines entsprechenden Widerstands in -X-Richtung.
Der dritte, vierte, siebte und achte Widerstand R13, R14, R23 und R24 können an Positionen liegen, die eine ganzzahlige Zahl mal dem Konstruktionsabstand λs von dem ersten, zweiten, fünften und sechsten Widerstand R11, R12, R21 und R22 in X-Richtung beziehungsweise in -X-Richtung entfernt sind.
Der Magnetfeldgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine lineare Skala sein, die mit einer Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen in einer linearen Richtung magnetisiert ist. In diesem Fall kann der magnetische Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine Positionserfassungsvorrichtung zur Erfassung einer Position eines Zielobjekts, dessen Position verändert werden kann, angewendet werden. Der Magnetsensor und der Magnetfeldgenerator können so konfiguriert sein, dass sich die Stärke der Magnetfeldkomponente mit einer Änderung der Position des Zielobjekts ändert.
Der Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine erste Vollbrückenschaltung aufweisen, die zur Ausgabe eines ersten Detektionssignals konfiguriert ist, und eine zweite Vollbrückenschaltung, die zur Ausgabe eines zweiten Detektionssignals konfiguriert ist. Jede der ersten und zweiten Vollbrückenschaltungen kann aus einer Mehrzahl von Widerständen gebildet werden.
Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehren möglich. So ist zu verstehen, dass im Rahmen der beigefügten Ansprüche und Äquivalente davon, die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen als der vorstehenden Ausfuhrungsform praktiziert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/031558 [0004]
EP 2267413 A1 [0004, 0005, 0006]

Claims

Ein magnetische Kodierer (1) umfasst: einen Magnetfeldgenerator (3, 103), der konfiguriert ist, ein Zielmagnetfeld (MF) zu erzeugen, das eine Magnetfeldkomponente (MFx) in einer ersten Richtung aufweist; und einen Magnetsensor (2), der konfiguriert ist, das Zielmagnetfeld (MF) zu detektieren, wobei der Magnetsensor (2) und der Magnetfeldgenerator (3, 103) so konfiguriert sind, dass sich die Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) in einer Referenzposition ändert, wenn zumindest der Magnetsensor (2) oder der Magnetfeldgenerator (3, 103) arbeitet, der Magnetfeldgenerator (3, 103) eine magnetische Skala ist, aufweisend eine Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen, die abwechselnd angeordnet sind, der Magnetsensor (2) eine Mehrzahl von Widerständen (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) aufweist, die jeweils konfiguriert sind, den Widerstandswert mit einer Änderung der Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) zu ändern, und konfiguriert ist, ein erstes Detektionssignal (S1) und ein zweites Detektionssignal (S2) zu erzeugen, die jeweils einer Änderung der Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) entsprechen, die Mehrzahl der Widerstände (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) zwei Widerstände aufweisen, ein Widerstandswert eines Widerstands (R11, R12, R13, R14) der beiden Widerstände eine Entsprechung mit dem ersten Detektionssignal (S 1) hat, ein Widerstandswert eines anderen Widerstands (R21, R22, R23, R24) der beiden Widerstände eine Entsprechung mit dem zweiten Detektionssignal (S2) hat, der eine Widerstand (R11, R12, R13, R14) und der andere Widerstand (R21, R22, R23, R24) an in der ersten Richtung voneinander verschiedenen Positionen angeordnet sind, so dass eine Phase des ersten Detektionssignals (S1) und eine Phase des zweiten Detektionssignals (S2) voneinander verschieden sind, wenn sich ein Magnetpolabstand (λm) auf einen Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen zwei N-Polen bezieht, die über einen S-Pol in der magnetischen Skala aneinandergrenzen, und sich ein Konstruktionsabstand (λs) auf das Vierfache eines Abstands zwischen einer vorbestimmten Position in dem einen Widerstand (R11, R12, R13, R14) und einer vorbestimmten Position in dem anderen Widerstand (R21, R22, R23, R24) in der ersten Richtung bezieht, ist der Magnetpolabstand (λm) größer als der Konstruktionsabstand (λs), jedes der ersten und zweiten Detektionssignale (S1, S2) enthält eine ideale Komponente, die sich periodisch ändert, um eine ideale sinusförmige Kurve nachzuzeichnen, und eine Mehrzahl von harmonischen Komponenten, die jeweils einer Harmonischen höherer Ordnung der idealen Komponente entsprechen, und die Mehrzahl von Widerständen (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) sind konfiguriert, mindestens eine harmonische Komponente, die einer Harmonischen zweiter Ordnung entspricht, unter der Mehrzahl von harmonischen Komponenten zu reduzieren.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Magnetpolabstand (λm) größer als das 1,1-fache des Konstruktionsabstands (λs) ist.
Der magnetischer Kodierer (1) gemäß Anspruch 2, wobei der Magnetpolabstand (λm) größer als das 1,25-fache des Konstruktionsabstands (λs) und kleiner als das 1,75-fache des Konstruktionsabstands (λs) ist.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 1, wobei: der Magnetsensor (2) ferner einen Stromversorgungsanschluss (V1), einen Masseanschluss (G1), einen ersten Ausgangsanschluss (E1) und einen zweiten Ausgangsanschluss (E2) aufweist; die Mehrzahl von Widerständen (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) einen ersten Widerstand (R11), einen zweiten Widerstand (R12), einen dritten Widerstand (R13), einen vierten Widerstand (R14), einen fünften Widerstand (R21), einen sechsten Widerstand (R22), einen siebten Widerstand (R23) und einen achten Widerstand (R24) aufweist; der erste Widerstand (R11) und der zweite Widerstand (R12) in dieser Reihenfolge von einer Seite des Stromversorgungsanschlusses (V1) in einem ersten Pfad bereitgestellt sind, der den Stromversorgungsanschluss (V1) und den ersten Ausgangsanschluss (E1) verbindet; der dritte Widerstand (R13) und der vierte Widerstand (R14) in dieser Reihenfolge von einer Seite des Masseanschlusses (G1) in einem zweiten Pfad bereitgestellt sind, der den Masseanschluss (G1) und den ersten Ausgangsanschluss (E1) verbindet; der fünfte Widerstand (R21) und der sechste Widerstand (R22) in dieser Reihenfolge von einer Seite des Masseanschlusses (G1) in einem dritten Pfad bereitgestellt sind, der den Masseanschluss (G1) und den zweiten Ausgangsanschluss (E2) verbindet; der siebte Widerstand (R23) und der achte Widerstand (R24) in dieser Reihenfolge von einer Seite des Stromversorgungsanschlusses (V1) in einem vierten Pfad bereitgestellt sind, der den Stromversorgungsanschluss (V1) und den zweiten Ausgangsanschluss (E2) verbindet; ein Abstand zwischen einer ersten Position (C11) in dem ersten Widerstand (R11) und einer zweiten Position (C12) in dem zweiten Widerstand (R12) in der ersten Richtung, ein Abstand zwischen einer dritten Position (C13) in dem dritten Widerstand (R13) und einer vierten Position (C14) in dem vierten Widerstand (R14) in der ersten Richtung, ein Abstand zwischen einer fünften Position (C21) in dem fünften Widerstand (R21) und einer sechsten Position (C22) in dem sechsten Widerstand (R22) in der ersten Richtung und ein Abstand zwischen einer siebten Position (C23) in dem siebten Widerstand (R23) und einer achten Position (C24) in dem achten Widerstand (R24) in der ersten Richtung jeweils gleich einer ungeraden Zahl mal 1/2 des Konstruktionsabstands (λs) sind; ein Abstand zwischen der ersten Position (C11) und der dritten Position (C13) in der ersten Richtung und ein Abstand zwischen der fünften Position (C21) und der siebten Position (C23) in der ersten Richtung jeweils gleich Null oder einer ganzzahligen Zahl mal dem Konstruktionsabstand (λs) sind; ein Abstand zwischen der ersten Position (C11) und der fünften Position (C21) in der ersten Richtung gleich 1/4 des Konstruktionsabstand (λs) ist; der Magnetsensor (2) ferner eine Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen (50) aufweist; jedes der Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen (50) eine magnetisierte Schicht (51), eine freie Schicht (53) und eine Spaltschicht (52) aufweist, die zwischen der magnetisierten Schicht (51) und der freien Schicht (53) angeordnet ist; die magnetisierte Schicht (51) eine erste Magnetisierung hat, deren Richtung fest ist; die freie Schicht (53) eine zweite Magnetisierung hat, deren Richtung innerhalb einer Ebene parallel zu sowohl der ersten Richtung als auch einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung variabel ist; die magnetisierte Schicht (51), die freie Schicht (53) und die Spaltschicht (52) in einer dritten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung und der zweiten Richtung gestapelt sind; die ersten bis achten Widerstände (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) aus der Mehrzahl magnetoresistiver Elemente (50) gebildet sind; die erste Magnetisierung der magnetisierten Schicht (51) in dem ersten, vierten, sechsten und siebten Widerstand (R11, R14, R22, R23) eine Komponente in einer ersten Magnetisierungsrichtung enthält, die eine Richtung parallel zu der ersten Richtung ist; und die erste Magnetisierung der magnetisierten Schicht (51) in dem zweiten, dritten, fünften und achten Widerstand (R12, R13, R21, R24) eine Komponente in einer zweiten Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt zu der ersten Magnetisierungsrichtung enthält.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 4, wobei: die erste Position (C11) ein Schwerpunkt des ersten Widerstands (R11) ist, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung; die zweite Position (C12) ein Schwerpunkt des zweiten Widerstands (R12) ist, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung; die dritte Position (C13) ein Schwerpunkt des dritten Widerstands (R13) ist, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung; die vierte Position (C14) ein Schwerpunkt des vierten Widerstands (R14) ist, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung betrachtet wird; die fünfte Position (C21) ein Schwerpunkt des fünften Widerstands (R21) ist, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung; die sechste Position (C22) ein Schwerpunkt des sechsten Widerstands (R22) ist, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung; die siebte Position (C23) ein Schwerpunkt des siebten Widerstands (R23) ist, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung; und die achte Position (C24) ein Schwerpunkt des achten Widerstands (R24) ist, betrachtet in einer Richtung parallel zur dritten Richtung.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 4, wobei: der erste Widerstand (R11) und der dritte Widerstand (R13) in der zweiten Richtung aneinandergrenzen; der zweite Widerstand (R12) und der vierte Widerstand (R14) in der zweiten Richtung aneinandergrenzen; der fünfte Widerstand (R21) und der siebte Widerstand (R23) in der zweiten Richtung aneinandergrenzen; und der sechste Widerstand (R22) und der achte Widerstand (R24) in der zweiten Richtung aneinandergrenzen.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 4, wobei: der erste Widerstand (R11) an den siebten Widerstand (R23) und nicht an den achten Widerstand (R24) grenzt; und der achte Widerstand (R24) an den zweiten Widerstand (R12) und nicht an den ersten Widerstand (R11) grenzt.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 7, wobei: der dritte Widerstand (R13) sich an einer solchen Position befindet, dass der erste Widerstand (R11) zwischen dem dritten Widerstand (R13) und dem siebten Widerstand (R23) eingeschlossen ist; der vierte Widerstand (R14) sich an einer solchen Position befindet, dass der zweite Widerstand (R12) zwischen dem vierten Widerstand (R14) und dem achten Widerstand (R24) eingeschlossen ist; der fünfte Widerstand (R21) sich an einer solchen Position befindet, dass der siebte Widerstand (R23) zwischen dem fünften Widerstand (R21) und dem ersten Widerstand (R11) eingeschlossen ist; und der sechste Widerstand (R22) sich an einer solchen Position befindet, dass der achte Widerstand (R24) zwischen dem sechsten Widerstand (R22) und dem zweiten Widerstand (R12) eingeschlossen ist.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 4, wobei jedes der Mehrzahl von magnetoresistiven Elementen (50) so konfiguriert ist, dass ein Vormagnetisierungsfeld in einer Richtung, die die erste Richtung schneidet, an die freie Schicht (53) angelegt ist.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 4, wobei die Spaltschicht (52) eine Tunnelbarriereschicht ist.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 1, wobei: der Magnetfeldgenerator (3) konfiguriert ist, um eine Rotationsachse (C) zu rotieren, und eine Endfläche (3a) aufweist, die an einem Ende in einer Richtung parallel zur Rotationsachse (C) angeordnet ist; die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen abwechselnd um die Rotationsachse (C) angeordnet sind und auf der Endfläche (3a) bereitgestellt sind; die Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) in der Referenzposition sich entsprechend der Rotation des Magnetfeldgenerators (3) ändert; und der Magnetsensor (2) so angeordnet ist, dass er der Endfläche (3a) zugewandt ist.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 11, wobei der Magnetfeldgenerator (3, 103) konfiguriert ist, in Verbindung mit einem optischen Element (412) zu rotieren, das so konfiguriert ist, dass es eine Ausbreitungsrichtung von Licht ändert, zum Messen eines Abstands zu einem Zielobjekt.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 1, wobei: der Magnetfeldgenerator (103) konfiguriert ist, um eine Rotationsachse (C) zu rotieren, und eine äußere Umfangsfläche (103a) aufweist, die in eine Richtung weg von der Rotationsachse (C) gerichtet ist; die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen abwechselnd um die Rotationsachse (C) angeordnet sind, und auf der äußeren Umfangsfläche (103a) bereitgestellt sind; die Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) in der Referenzposition sich entsprechend der Rotation des Magnetfeldgenerators (103) ändert; und der Magnetsensor (2) so angeordnet ist, dass er der äußeren Umfangsfläche (103a) zugewandt ist.
Der magnetische Kodierer (1) gemäß Anspruch 13, wobei der Magnetfeldgenerator (3, 103) konfiguriert ist, in Verbindung mit einem optischen Element (412) zu rotieren, das so konfiguriert ist, dass es eine Ausbreitungsrichtung von Lichts ändert, zum Messen eines Abstands zu einem Zielobjekt.
Eine Abstandsmessvorrichtung (401) zum Messen eines Abstands zu einem Zielobjekt durch Erfassen von einfallendem Licht, wobei die Abstandsmessvorrichtung (401) umfasst: ein optisches Element (412), das konfiguriert ist, zusammen zu rotieren, wenn sich eine Ausbreitungsrichtung des Lichts ändert; und den magnetischen Kodierer (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10; wobei der Magnetfeldgenerator (3, 103) konfiguriert ist, in Verbindung mit dem optischen Element (412) um eine Rotationsachse (C) zu rotieren, die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen abwechselnd um die Rotationsachse (C) angeordnet sind und sich die Stärke der Magnetfeldkomponente (MFx) in der Referenzposition entsprechend der Rotation des Magnetfeldgenerators (3, 103) ändert.
Die Abstandsmessvorrichtung (401) gemäß Anspruch 15, wobei: der Magnetfeldgenerator (3) eine Endfläche (3a) aufweist, die an einem Ende in einer Richtung parallel zur Rotationsachse (C) angeordnet ist; die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen auf der Endfläche (3a) bereitgestellt ist; und der Magnetsensor (2) so angeordnet ist, dass er der Endfläche (3a) zugewandt ist.
Die Abstandsmessvorrichtung (401) gemäß Anspruch 15, wobei: der Magnetfeldgenerator (103) eine äußere Umfangsfläche (103a) aufweist, die in eine Richtung weg von der Rotationsachse (C) gerichtet ist; die Mehrzahl von Paaren von N- und S-Polen auf der äußeren Umfangsfläche (103a) vorgesehen ist; und der Magnetsensor (2) so angeordnet ist, dass er der äußeren Umfangsfläche (103a) zugewandt ist.