DE112010005566T5

DE112010005566T5 - Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung und Drehwinkel-Messvorrichtung, die diese verwendet

Info

Publication number: DE112010005566T5
Application number: DE112010005566T
Authority: DE
Inventors: Mutsumi Suzuki; Hiroshi Iwasawa; Masahiro Iwamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2030-05-15
Also published as: JPWO2011141969A1; US9506997B2; JP5439595B2; DE112010005566B4; WO2011141969A1; US20130063135A1

Abstract

In einer Magnetfeldwinkel-Detektionsvorrichtung und in einer Drehwinkel-Detektionsvorrichtung, die ein Tunnelmagnetwiderstandselement verwenden, sind eine Magnetfeldwinkel-Detektionsvorrichtung und eine Drehwinkel-Detektionsvorrichtung vorgesehen, in denen die Genauigkeit des gemessenen Winkels selbst dann nicht verschlechtert ist, wenn das MR-Verhältnis des Tunnelmagnetwiderstandselements erhöht ist. In der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung und einen Magnetsensor mit einem Tunnelmagnetwiderstandselement mit einer festen Magnetschicht enthält, weist die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung eine Leistungsversorgungseinheit, die eine konstante Spannung als eine Vorspannung an das Tunnelmagnetwiderstandselement des Magnetsensors ausgibt, und eine Stromdetektionseinheit, die einen Ausgangsstrom des Tunnelmagnetwiderstandselements detektiert, auf. Die Genauigkeit des gemessenen Winkels der Magnetfeldwinkel-Detektionsvorrichtung und der Drehwinkel-Detektionsvorrichtung ist dadurch verbessert, dass der Tunnelmagnetwiderstandselement-Strom gemessen wird, während die Klemmenspannung des Tunnelmagnetwiderstandselements mit der Eingangsimpedanz der Stromdetektionseinheit von null konstant gehalten wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die unter Verwendung eines Tunnelmagnetwiderstandselements (TMR-Elements) mit einer festen Magnetschicht (”pinned magnetic layer”) konfiguriert ist, und auf eine Drehwinkel-Messvorrichtung, die diese verwendet.
Stand der Technik
In einer Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die den Winkel eines Magnetfelds (den Magnetfeldwinkel) misst, oder in einer Drehwinkelmessvorrichtung, die den Drehwinkel einer Dreheinheit durch Messen des Magnetfeldwinkels eines an der Dreheinheit festen Magneten misst, hängen die Messcharakteristiken von einem Sensorelement ab, das den Winkel des Magnetfelds detektiert. Als eine solche Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung oder Drehwinkel-Messvorrichtung sind im verwandten Gebiet Vorrichtungen bekannt, die ein Magnetfeldwiderstandselement (MR-Element) verwenden.
Als MR-Elemente sind ein anisotropes Magnetwiderstandselement (AMR-Element), ein Riesenmagnetwiderstandselement (GMR-Element), ein Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR-Element) und dergleichen bekannt. In diesen Elementen ändert sich der Widerstandswert jedes Elements, falls sich der Winkel des äußeren Magnetfelds (der Magnetfeldwinkel) oder die Stärke des äußeren Magnetfelds ändert.
Als Messleistungsmerkmal der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung ist das S/N-Verhältnis (Signal-Rausch-Verhältnis) eine wichtige Gütezahl.
Das S/N-Verhältnis des MR-Elements wird von der Größe der Änderung des Widerstands des Elements zu Änderungen des Magnetfeldwinkels dominiert. Während die Änderungsrate des Werts des Widerstands des Elements zu einer festen Magnetfeldwinkeländerung zunimmt, wird das S/N-Verhältnis verbessert. Die maximale Änderungsrate des Widerstandswerts wegen Änderungen des Magnetfeldwinkels wird ein MR-Verhältnis genannt. Das MR-Verhältnis ist in dem AMR-Element etwa 2% und ist in dem GMR-Element etwa 10%, während das MR-Verhältnis in dem TMR-Element 50% oder mehr erreicht.
Insbesondere hat das MR-Verhältnis des TMR-Elements wegen Verbesserungen oder dergleichen einer in den letzten Jahren in dem Element verwendeten Tunnelisolatorschicht 100% überschritten, wobei ebenfalls ein TMR-Element mit dem MR-Verhältnis von sogar 600% berichtet worden ist.
Als ein Sensor, der den Drehwinkel der Dreheinheit unter Verwendung eines TMR-Elements detektiert, ist z. B. ein in PTL 1 offenbarter magnetischer Winkelcodierer bekannt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung und auf eine Drehwinkel-Messvorrichtung, die ein TMR-Element verwenden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die ein TMR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis verwendet, und auf eine Drehwinkel-Messvorrichtung, die diese verwendet.
Als eine Form eines GMR-Elements gibt es ein körniges GMR-Element, das durch Dispergieren paramagnetischer Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 5 nm in einem Isoliermaterial gebildet ist. Zwischen den paramagnetischen Teilchen tunneln Elektronen, so dass ein Strom durch das granulare GMR-Element fließt. Falls sich das äußere Magnetfeld ändert, ändert sich der Winkel des Magnetfelds in den paramagnetischen Teilchen ebenso und ändert sich dementsprechend der Widerstandswert der Schicht. Da der Betrieb des granularen GMR-Elements auf der Tunnelerscheinung zwischen Teilchen beruht, wird das granulare GMR-Element gelegentlich als ein Tunnelmagnetwiderstandselement angesehen. Allerdings ist das MR-Verhältnis nur etwa 10%. Da das granulare GMR-Element ein Element ist, das keine feste Magnetschicht aufweist, ist es in der vorliegenden Erfindung außerdem nicht enthalten.
21 zeigt eine Struktur eines TMR-Elements mit einer festen Magnetschicht. Das TMR-Element 51 weist eine Schichtstruktur auf, in der eine Tunnelisolatorschicht 12 zwischen einer festen Magnetschicht (festen Schicht) 13 und einer freien Magnetschicht (freien Schicht) 11 liegt. Die feste Magnetschicht 13 und die freie Magnetschicht 11 sind aus einem magnetischen Material mit Komponenten z. B. aus Co, Fe, Ni und dergleichen gebildet. Die Tunnelisolatorschicht 12 ist aus einem Isolator wie etwa Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Magnesiumoxid (MgO) gebildet und die Lagendicke ist etwa 0,5 bis 2 nm.
Der Winkel der Magnetisierung 22 in der festen Magnetschicht 13 ist unter dem Winkel θp in einer vorgegebenen Richtung fest und wird durch das äußere Magnetfeld 30 nicht geändert. Andererseits ändert sich der Winkel der Magnetisierung 20 in der freien Magnetschicht 11 bei dem Winkel θf in Übereinstimmung mit dem Winkel θm des Winkels des äußeren Magnetfelds 30.
Der Widerstandswert zwischen der festen Magnetschicht 13 und der freien Magnetschicht 11 ändert sich in dem TMR-Element in Abhängigkeit von der Winkeldifferenz Δθ = θf – θp zwischen den Winkeln der Magnetisierung. Der Widerstandswert des TMR-Elements ist ein Minimalwert R(P), wenn die Winkeldifferenz Δθ zwischen den Winkeln der Magnetisierung der freien Magnetschicht 11 und der festen Magnetschicht 13 0 ist (parallel), und ist ein Maximalwert R(AP), wenn die Winkeldifferenz Δθ zwischen den Winkeln der Magnetisierung 180° ist (antiparallel). Das MR-Verhältnis (MR) des TMR-Elements ist durch den folgenden Ausdruck definiert. MR = R(AP) – R(P) / R(P) = R(AP) / R(P) –1. (1)
In dem in PTL 1 offenbarten verwandten Gebiet ist in einer zu messenden Dreheinheit eine sich drehende Magneteinheit bereitgestellt, in der N- und S-Pole eines Magneten abwechselnd angeordnet sind, wobei durch ein TMR-Element der Winkel des Magnetfelds detektiert wird, das sich in Übereinstimmung mit der Drehung der Dreheinheit umkehrt. In diesem Fall sind die TMR-Elemente in einer Brückenkonfiguration angeordnet und als ein magnetischer Winkelcodierer verwendet.
22 zeigt eine Brückenkonfiguration 60, die vier TMR-Elemente enthält. Die Magnete sind in der Dreheinheit, die ein zu detektierendes Objekt ist, das in dem Drehzustand ist, mit einem Wiederholungsabstand von λ angeordnet. Dementsprechend sind TMR-Elemente 51a, 51b, 51c und 51d in einem Abstand von λ/4 bereitgestellt. Da die TMR-Elemente 51a und 51c mit einem Abstand von λ/2 bereitgestellt sind, ist dementsprechend der Winkel des Magnetfelds in der Stellung des TMR-Elements 51c θ = θ0 + 180°, wenn der Winkel des Magnetfelds in der Stellung des TMR-Elements 51a θ = 80 ist. Somit weist das TMR-Element auf der Masseseite (GND-Seite) von 0 V wie oben beschrieben einen minimalen Widerstandswert auf, wenn der Widerstandswert des TMR-Elements auf der Seite der Erregungsspannung e0 in der in 22 gezeigten Brückenkonfiguration ein Maximalwert ist. Auf diese Weise wird bei der Spannung zwischen den Signalanschlüssen (V2 – V1) eine Signaländerung in Übereinstimmung mit dem Drehzustand der Dreheinheit beobachtet.
Um die Messgenauigkeit des Drehwinkels der Dreheinheit in dem in PTL 1 offenbarten Verfahren zu verbessern, ist es notwendig, durch Erhöhen der Anzahl der Pole der Magnetisierung der Dreheinheit den Wiederholungsabstand der Magnetisierung zu verengen, so dass der Winkel des Magnetfelds selbst dann umgekehrt wird, wenn sich der Drehwinkel geringfügig ändert. Allerdings nehmen in diesem Fall die Herstellungskosten zu.
Im Gegensatz dazu gibt es ein Verfahren zum Messen des Magnetfeldwinkels, der sich in einem Bereich von θ = 0 bis 360° ändert, ohne die Anzahl der Pole der Magnetisierung eines Magneten zu erhöhen, wenn der Drehwinkel der Dreheinheit gemessen wird. Allerdings ist es in diesem Fall schwierig, den Magnetfeldwinkel genau zu messen.
Insbesondere hat der Erfinder ein Problem festgestellt, dass eine Verringerung der Messgenauigkeit auffälliger ist, wenn ein TMR-Element mit einem großen MR-Verhältnis verwendet wird, das 100% übersteigt.
Liste der Literaturhinweise
Patentliteratur

[PTL 1] JP-A-2000-123328

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In einer Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die ein TMR-Element mit einer festen Magnetschicht verwendet, und in einer Drehwinkel-Messvorrichtung, die diese verwendet, gibt es Probleme dahingehend, dass es schwierig ist, die Messgenauigkeit des Magnetfeldwinkels oder des Drehwinkels zu verbessern, wobei insbesondere eine Verringerung der Messgenauigkeit auffälliger ist, wenn ein TMR-Element mit einem großen MR-Verhältnis verwendet ist. Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die den Magnetfeldwinkel selbst dann mit hoher Genauigkeit messen kann, wenn ein TMR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis verwendet ist, und eine Drehwinkel-Messvorrichtung, die diese verwendet, die den Drehwinkel mit hoher Genauigkeit messen kann, geschaffen.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung ist eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die einen Magnetsensor und eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung enthält und die dadurch charakterisiert ist, dass der Magnetsensor ein Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR-Element) mit einer festen Magnetschicht aufweist, dass die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung eine Leistungsversorgungseinheit, die eine konstante Spannung als eine Vorspannung an das TMR-Element des Magnetsensors ausgibt, und eine Stromdetektionseinheit, die einen fließenden Strom des TMR-Elements detektiert, aufweist und dass die Eingangsimpedanz der Stromdetektionseinheit auf null eingestellt ist.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Stromdetektionseinheit einen Operationsverstärker aufweist, der einen fließenden Strom des TMR-Elements detektiert, und dass die Eingangsimpedanz der Stromdetektionseinheit durch Verbinden des Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers mit der virtuellen Masse auf null eingestellt ist.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Leistungsversorgungseinheit eine konstante Spannung einer Impulsspannung als eine Vorspannung an das TMR-Element des Magnetsensors ausgibt.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Magnetsensor zwei TMR-Elemente aufweist, in denen sich die Winkel der Magnetisierung der festen Magnetschichten um 90° voneinander unterscheiden.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass das TMR-Element des Magnetsensors einen ersten und einen zweiten Zuführungsanschluss und einen ersten Abtastanschluss aufweist, dass die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung eine Leistungsversorgungseinheit, die eine konstante Spannung als eine Vorspannung an das TMR-Element des Magnetsensors ausgibt, und eine Stromdetektionseinheit, die einen Ausgangsstrom des TMR-Elements detektiert, aufweist, dass eine Klemmenspannung des TMR-Elements durch den ersten Abtastanschluss detektiert wird und dass die Leistungsversorgungseinheit eine Rückkopplungsregelung in der Weise ausführt, dass die Klemmenspannung an einen vorgegebenen Spannungswert angepasst ist.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass das TMR-Element außer dem ersten Abtastanschluss einen zweiten Abtastanschluss aufweist und dass die Klemmenspannung des TMR-Elements über den ersten und den zweiten Abtastanschluss detektiert wird.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Leistungsversorgungseinheit einen Differenzverstärker mit Differenzeingängen einer Ausgangsspannung des ersten Abtastanschlusses und mit einem Ausgang einer Referenzspannungs-Erzeugungseinheit aufweist.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Leistungsversorgungseinheit eine Impulsspannung erzeugt.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Magnetsensor zwei TMR-Elemente aufweist, in denen sich die Winkel der Magnetisierung der festen Magnetschichten um 90° voneinander unterscheiden.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die einen Magnetsensor und eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung enthält und die dadurch charakterisiert ist, dass der Magnetsensor ein TMR-Element mit einer festen Magnetschicht aufweist, dass die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung eine Stromversorgungseinheit und eine Stromdetektionseinheit, die einen Ausgangsstrom des TMR-Elements detektiert, aufweist, dass die Stromversorgungseinheit einen Spannungseingangsanschluss, der mit einer Spannungserzeugungseinheit verbunden ist, einen Stromeingangsanschluss, in den ein Strom von der Stromdetektionseinheit eingegeben wird, und einen Stromausgangsanschluss, über den ein Strom an den Magnetsensor ausgegeben wird, aufweist, dass ein fließender Strom des Stromeingangsanschlusses und ein fließender Strom des Stromausgangsanschlusses gleich sind, dass eine Spannung des Stromausgangsanschlusses auf der Grundlage einer Spannung der Spannungserzeugungseinheit eingestellt ist und dass die Stromdetektionseinheit mit dem Stromeigangsanschluss der Stromversorgungseinheit verbunden ist und dass der Magnetsensor mit dem Stromausgangsanschluss verbunden ist.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Stromversorgungseinheit einen Feldeffekttransistor und einen Stromversorgungseinheits-Operationsverstärker aufweist und dass ein Anschluss des Feldeffekttransistors und ein Anschluss der Spannungserzeugungseinheit mit Eingangsanschlüssen des Stromversorgungseinheits-Operationsverstärkers verbunden sind.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Stromversorgungseinheit einen Transistor mit einer Basis aufweist, in die eine Ausgangsspannung der Spannungserzeugungseinheit eingegeben wird.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Spannungserzeugungseinheit eine Impulsspannung erzeugt.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Magnetsensor zwei TMR-Elemente aufweist, in denen sich die Winkel der Magnetisierung der festen Magnetschichten um 90° voneinander unterscheiden.
Außerdem ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung die zwei Stromversorgungseinheiten aufweist und dass die Stromversorgungseinheiten jeweils mit den zwei TMR-Elementen elektrisch verbunden sind.
Außerdem wird eine Drehwinkel-Messvorrichtung geschaffen, die die wie oben beschriebene Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung und einen an einer Dreheinheit befestigten Magneten enthält.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Wie oben beschrieben wurde, weist der Magnetsensor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die einen Magnetsensor und eine Magnetfeldwinkel-Detektionseinheit enthält, ein TMR-Element mit einer festen Magnetschicht auf, wobei die Magnetfeldwinkel-Detektionseinheit eine Leistungsversorgungseinheit, die eine konstante Spannung als eine Vorspannung an das TMR-Element des Magnetsensors ausgibt, und eine Stromdetektionseinheit, die einen fließenden Strom des TMR-Elements detektiert, aufweist. Dadurch, dass die Eingangsimpedanz der Stromdetektionseinheit auf null eingestellt wird, kann die Spannung zwischen den Anschlüssen des Magnetsensors mit einem TMR-Element immer konstant gehalten werden. Dementsprechend ist es möglich, eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung zu schaffen, die den Magnetfeldwinkel selbst dann mit hoher Genauigkeit messen kann, wenn ein TMR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis verwendet ist. Außerdem ist es unter Verwendung der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung mit hoher Genauigkeit möglich, eine Drehwinkel-Messvorrichtung zu schaffen, die den Drehwinkel mit hoher Genauigkeit messen kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem MR-Verhältnis und einer Spannung zwischen den Anschlüssen eines TMR-Elements mit einer Brückenkonfiguration zeigt.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem MR-Verhältnis und einer Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen des TMR-Elements in 1 zeigt.
3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem MR-Verhältnis des TMR-Elements und einer Elementvorspannung zeigt.
4A ist ein schematisches Diagramm, das den Mechanismus der Elektronenleitung des TMR-Elements darstellt.
4B ist ein schematisches Diagramm, das den Mechanismus der Elektronenleitung des TMR-Elements darstellt.
5 ist ein Stromlaufplan, der die Konfiguration der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Stromlaufplan, der die Konfiguration der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Graph, der die Impulsversorgungsspannung der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Stromlaufplan, der die Konfiguration der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Stromlaufplan, der die Konfiguration der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines Magnetsensors der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein Stromlaufplan, der die Konfiguration der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist ein Blockschaltplan, der die Konfiguration der siebenten und der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines in der siebenten und in der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Magnetsensors zeigt.
15 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist ein Blockschaltplan, der ein Motorsteuerverfahren der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist ein Blockschaltplan, der die Konfiguration der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist ein Stromlaufplan, der die genaue Schaltungskonfiguration aus 17 zeigt.
19 ist ein Stromlaufplan, der eine Änderung von 17 zeigt.
20 ist ein Stromlaufplan, der die Konfiguration der elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
21 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines TMR-Elements in dem verwandten Gebiet zeigt.
22 ist ein Stromlaufplan, der die Brückenkonfiguration des TMR-Elements in dem verwandten Gebiet zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
Erste Ausführungsform
Es wird eine erste Ausführungsform einer Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform wird hier nach einem Verständnis der Ursache des Problems der herkömmlichen Konfiguration beschrieben.
(TMR-Element-Struktur)
In der ersten Ausführungsform ist ein TMR-Element mit der in 21 beschriebenen Struktur verwendet. In der ersten Ausführungsform ist MgO als eine Tunnelisolatorschicht verwendet. Falls MgO als die Tunnelisolatorschicht 12 verwendet ist, ist das MR-Verhältnis um 100% oder mehr erhöht. Außerdem kann das MR-Verhältnis weiter erhöht sein, falls einkristallines MgO verwendet ist. Aluminiumoxid (Al₂O₃) kann ebenfalls als eine Tunnelisolatorschicht verwendet sein.
Wenn anstelle des Widerstands der Leitwert G verwendet wird, wird der Leitwert des TMR-Elements im Fall eines parallelen Winkels der Magnetisierung (Δθ = 0) zu einem Maximalwert G(P) und im Fall eines antiparallelen Winkels der Magnetisierung (Δθ = 180°) zu einem Minimalwert G(AP). Falls das durch (Ausdruck 1) definierte MR-Verhältnis unter Verwendung des Leitwerts ausgedrückt wird, wird der folgende Ausdruck erhalten. MR = R(AP) – R(P) / R(P) = R(AP) / R(P) – 1 = G(P) / G(AP) – 1 (2)
Zwischen Δθ = 0 und Δθ = 180° beruht das MR-Verhältnis auf dem folgenden Ausdruck. Außerdem wird im Folgenden der Winkel der Magnetisierung θp der festen Magnetschicht als θp = 0 festgesetzt und Δθ als θ ausgedrückt. Das heißt, der Winkel der Magnetisierung der festen Magnetschicht wird als die Winkelreferenz (der Ursprung) verwendet.
T ist hier ein TMR-Koeffizient und βg ist ein Leitwertmodulationsfaktor wegen Änderungen des Magnetfelds. βg ist durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
Wie in (Ausdruck 3) gezeigt ist, ist der Leitwert anstelle des Widerstands proportional zu cosθ. Theoretisch ist ein magnetfeldabhängiger Term des Leitwerts proportional zu cosθ. Wenn das MR-Verhältnis wie in einem GMR-Element nicht größer als etwa 10% ist, tritt selbst dann, wenn ein magnetfeldabhängiger Term des Widerstands proportional zu cosθ ist, kein großer Fehler auf, wenn angenommen wird, dass der magnetfeldabhängige Term des Leitwerts proportional zu cosθ ist. Falls das MR-Verhältnis dagegen wie in einem TMR-Element 50% übersteigt, tritt ein großer Fehler auf, wenn angenommen wird, dass der magnetfeldabhängige Term des Widerstands proportional zu cosθ ist.
Aus (Ausdruck 2) und (Ausdruck 3) wird die Beziehung zwischen dem Leitwertmodulationsfaktor βg und dem MR-Verhältnis MR wie folgt erhalten. β_g = 2MR / MR+2 (5)
Wie aus (Ausdruck 5) zu sehen, erreicht z. B. im Fall von MR-Verhältnis = 2 (200%) der Leitwertmodulationsfaktor βg 100%. Da der Leitwertmodulationsfaktor des GMR-Elements etwa 10% ist, ist zu sehen, dass die Leitwertänderung des TMR-Elements durch das Magnetfeld etwa 10-mal größer als die des GMR-Elements ist.
(Messgenauigkeit einer Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung)
Es wird hier der Grund beschrieben, weshalb die Messgenauigkeit insbesondere in einer Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die ein TMR-Element mit einem großen MR-Verhältnis verwendet, verschlechtert ist. Wie oben beschrieben wurde, ist für die Spannung (im Folgenden als eine Elementvorspannung bezeichnet) über das TMR-Element 51c in der in 22 gezeigten Brückenkonfiguration 60 der Widerstandswert des TMR-Elements 51a R(P) und der Widerstandswert des TMR-Elements 51c R(AP), wenn der Winkel θ des äußeren Magnetfelds 0 ist. Dementsprechend wird die Spannung V1 eines Signalanschlusses 61, d. h. die Elementvorspannung V1 des TMR-Elements 51c, durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt. V₁(θ = 0) = R(AP) / R(P) + R(AP)e₀ = MR + 1 / MR + 2e₀ (6)
e0 ist eine Erregungsspannung der Brücke. Andererseits wird die Spannung V1 durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt, wenn der Winkel θ des äußeren Magnetfelds 180° ist (θ = 180°).
Als ein Beispiel ist der Winkel der Magnetisierung 20 der freien Magnetschicht gleich dem Winkel des äußeren Magnetfelds 30, wenn ein Fall betrachtet wird, in dem das MR-Verhältnis 200% ist und die Brückenerregungsspannung e0 0,4 V ist, V1(θ = 0) = 0,3 V ist und V1(θ = 180°) = 0,1 V ist. Der Winkel der Magnetisierung 20 der freien Magnetschicht ist gleich dem Winkel des äußeren Magnetfelds 30. Dies gibt an, dass sich die Vorspannung des TMR-Elements 3 wegen des Winkels des äußeren Magnetfelds 30 in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 V ändert. Im Folgenden wird V1(θ = x) als V1(x) bezeichnet.
1 ist ein Graph, der durch Darstellung von V1(0) und V1(180°) als eine Funktion des MR-Verhältnisses erhalten wird, und 2 ist ein Graph, der durch Darstellung der Änderung V1(0) – V1(180°) der Elementvorspannung als Funktion des MR-Verhältnisses erhalten wird.
Als der Wert auf der horizontalen Achse in 1 bezeichnet ”1” das MR-Verhältnis von 100% und bezeichnet ”2” das MR-Verhältnis von 200%. Wie aus 22 zu sehen ist, sind V1(0) und V1(180°) gleich Elementvorspannungen des TMR-Elements 51c, d. h., die Spannungen über das TMR-Element zur Zeit θ = 0 bzw. 180°. Für die graphische Darstellung sind (Ausdruck 6) und (Ausdruck 7) verwendet worden. Sowohl in 1 als auch in 2 ist auf der vertikalen Achse der durch Dividieren der Spannung durch die Brückenerregungsspannung e0 normierte Wert aufgetragen. Zum Beispiel gibt in den Zeichnungen ”0,5” an, dass die Spannung ”0,5·e0” ist.
Wenn das MR-Verhältnis, wie in 2 gezeigt ist, nicht größer als etwa 10% ist, ist die Änderung der Elementvorspannung nahezu null. Wenn das MR-Verhältnis dagegen 100% übersteigt (das Gebiet von ”MR-Verhältnis > 1” auf der horizontalen Achse in 5 und 6), ist zu sehen, dass die Änderung V1(0) – V1(180°) der Elementvorspannung etwa 0,3 e0 übersteigt und sich auf etwa 1/3 der Brückenerregungsspannung ändert.
(Vorspannungsabhängigkeit des MR-Verhältnisses)
3 ist ein Graph, der ein Beispiel der Beziehung zwischen dem MR-Verhältnis des TMR-Elements und der Vorspannung E (der über das Element angelegten Spannung E) zeigt. Wie durch das folgende Dokument bekannt ist, ändert sich z. B. das MR-Verhältnis stark mit der Vorspannung E.
"Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 44, Nr. 19, 2005 und S. L587–L589".
Es ist eine Charakteristik des TMR-Elements, dass sich das MR-Verhältnis mit der Vorspannung ändert. Dies beruht auf dem folgenden Grund. Die Elektronenleitungserscheinung zwischen der festen Magnetschicht und der freien Magnetschicht in dem TMR-Element ist eine Folge der Wechselwirkung zwischen den zwei Wellenfunktionen der festen und der freien Magnetschicht. Jede der Wellenfunktionen dringt von der jeweiligen Magnetschicht aus in die Tunnelisolatorschicht ein. 4A und 4B sind Elektronenenergiebänderdiagramme. Sowohl in 4A als auch in 4B ist auf der oberen Seite der Figur ein Elektronenenergiebänderdiagramm schematisch gezeigt; die untere Seite jeder Figur ist eine schematische Darstellung der zwei Wellenfunktionen ☐1 und ☐2 (einschließlich des Spinzustands) der Elektronen in der festen Magnetschicht (13) bzw. in der freien Magnetschicht (11). Falls die zwei Wellenfunktionen ☐1 und ☐2 wie in 4A gezeigt Spinzustände mit derselben Richtung aufweisen, koppeln die zwei Wellenfunktionen miteinander, um zwischen der festen (13) und der freien (11) Magnetschicht Leitungswege von Elektronen zu bilden und somit einen Elektronenstromfluss zu verursachen. Falls die zwei Wellenfunktionen ☐1 und ☐2 andererseits wie in 4B gezeigt Spinzustände mit den unterschiedlichen Richtungen aufweisen, löschen sich die zwei Wellenfunktionen aus, was keinen Leitungsweg für Elektronen verursacht, was veranlasst, dass das TMR-Element in einem hochohmigen Zustand ist.
Wenn die Elementvorspannung erhöht wird, tragen zu der Wechselwirkung außer der Wechselwirkung zwischen den Wellenfunktionen in dem Grundzustand Wellenfunktionen in angeregten Zuständen bei. Selbst wenn die zwei Wellenfunktionen einen antiparallelen Spinzustand aufweisen, heben sich Wellenfunktionen mit unterschiedlichen angeregten Zuständen nicht notwendig auf. Somit zeigt das TMR-Element unter einer hohen Elementvorspannung nicht den hochohmigen Zustand. Während bei diesem Mechanismus die Elementvorspannung zunimmt, nimmt R(AP) ab, was eine Abnahme des MR-Verhältnisses verursacht.
(Ursache für die Verschlechterung der Messgenauigkeit)
Auf der Grundlage der obigen Punkte wird die Ursache der Verschlechterung der Messgenauigkeit in einer Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die ein TMR-Element verwendet, beschrieben. In der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die ein TMR-Element verwendet, wird der Magnetfeldwinkel θ aus einer Leitwertänderung (oder aus einer Widerstandsänderung) auf der Grundlage der Beziehung von (Ausdruck 3) berechnet. Falls sich das MR-Verhältnis dagegen mit dem Winkel des Magnetfelds ändert, ändert sich der Leitwertmodulationsfaktor βg in Übereinstimmung mit (Ausdruck 5) ebenfalls. Im Ergebnis ändert sich ein Proportionalitätskoeffizient von cosθ in (Ausdruck 3). Aus diesem Grund tritt ein Fehler auf, wenn der Magnetfeldwinkel aus der Leitwertänderung berechnet wird. Dies ist eine Ursache für die Verschlechterung der Messgenauigkeit. Wie aus (Ausdruck 6) und (Ausdruck 7) zu sehen ist, wird dieses Problem auffällig, während das MR-Verhältnis zunimmt.
Außerdem wird die Messgenauigkeit selbst dann verschlechtert, wenn anstelle der Brückenkonfiguration ein Verfahren zum Messen der Spannung zwischen zwei Anschlüssen verwendet wird, in dem ein konstanter Stromfluss über ein TMR-Element veranlasst wird, da sich die Spannung zwischen zwei Anschlüssen mit dem Winkel des Magnetfelds ändert.
Außerdem ändert sich die Größe des Spannungsabfalls, der durch den Detektionswiderstand verursacht wird, wenn sich der Strom ändert, auch wenn eine konstante Spannung an das TMR-Element angelegt wird und ein Elementstrom unter Verwendung eines Detektionswiderstands gemessen wird. Im Ergebnis tritt dasselbe Problem wie oben auf, da sich die Spannung über das TMR-Element ändert.
(Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung)
5 zeigt die Konfiguration der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der ersten Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie einen Magnetsensor 301 mit dem Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR-Element) 51 und eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 enthält. 71 ist ein erster Zuführungsanschluss des Magnetsensors 301 und 72 ist ein zweiter Zuführungsanschluss.
Die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 enthält eine Leistungsversorgungseinheit 311, die dem TMR-Element 51 eine konstante Spannung zuführt, und eine Stromdetektionseinheit 321. Die Stromdetektionsschaltung 321 ist aus einer Stromfolgerschaltung (auch als eine Strom-Spannungs-Umsetzungsschaltung bezeichnet) gebildet, die einen Operationsverstärker (OP-Verstärker) 323 verwendet. Außerdem bedeutet ein nach unten gerichtetes Dreieck in den Zeichnungen der vorliegenden Erfindung die Erdung zu einer gemeinsamen Spannung. 324 ist ein Rückkopplungswiderstand und 326 ist ein Signalausgangsanschluss.
Die Eigenschaft der Stromdetektionseinheit 321 der ersten Ausführungsform ist, dass der masseseitige Anschluss des TMR-Elements 51 mit einem virtuellen Masseanschluss des Operationsverstärkers 323 verbunden ist. Aus diesem Grund wird der masseseitige Anschluss des TMR-Elements 51 unabhängig von dem Elementstrom zu einer Massespannung. Der virtuelle Masseanschluss bezieht sich hier auf einen Anschluss, dessen elektrisches Potential in der Schaltungskonfiguration eines Operationsverstärkers gleich dem des Masseanschlusses ist. Wenn ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 323 wie in 5 gezeigt mit einem Eingangsanschluss (–) verbunden ist und ein Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers 323 geerdet ist, sind die Spannungen der beiden Eingangsanschlüsse wie oben beschrieben gleich 0 V. Eine Referenzspannung zur Zeit der virtuellen Erdung kann hier eine von 0 V verschiedene konstante Spannung sein. Obwohl die Massespannung nicht auf einen bestimmten Bereich beschränkt ist, ist die Massespannung in der ersten Ausführungsform auf 0 V festgesetzt.
Da von der Leistungsversorgungseinheit 311 die konstante Spannung zugeführt wird, wird die Vorspannung des TMR-Elements 51 unabhängig von der Größe des Elementstroms durch die Annahme einer solchen Schaltungskonfiguration konstant gehalten. Dementsprechend ist das MR-Verhältnis festgesetzt und ist der durch (Ausdruck 4) definierte Leitwertmodulationsfaktor ebenfalls festgesetzt. Dementsprechend ist es möglich, den Magnetfeldwinkel genau zu berechnen.
Unter der Annahme, dass der Elementstrom Id ist, ist die Ausgangssignalspannung Vsig der Stromdetektionseinheit 321 –Id·Rd. Unter der Annahme, dass die Ausgangsspannung der Leistungsversorgungseinheit 311 E0 ist, wird der Leitwert des TMR-Elements 51 als Id/E0 berechnet. Dementsprechend kann der Magnetfeldwinkel θ aus (Ausdruck 3) berechnet werden.
Obwohl zwei Konstanten G₀ und T in (Ausdruck 3) unbekannt sind, werden außerdem der Leitwert G(0) und der Leitwert G(180°) unter einer Bedingung gemessen, in der der Winkel des äußeren Magnetfelds auf zwei Zustände θ = 0 und θ = 180° eingestellt wird, und wird die Konstante T aus der Differenz zwischen dem Leitwert G(0) und dem Leitwert G(180°) berechnet. Daraufhin wird die Konstante G0 aus dem Durchschnitt des Leitwerts G(0) und des Leitwerts G(180°) berechnet.
Somit kann durch Verbinden einer Seite des TMR-Elements 51 mit der Leistungsversorgungseinheit 311, die die konstante Spannung E₀ zuführt, und durch Verbinden der anderen Seite mit der Stromdetektionseinheit 321, deren Eingangsimpedanz null ist, eine genaue Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung verwirklicht werden. ”Die Impedanz ist null” bedeutet hier, dass die wesentliche Impedanz 0 ist. Das heißt, genau genommen braucht die Impedanz nicht 0 zu sein und kann sie ein Wert mit einer bestimmten Weite sein.
Zweite Ausführungsform
Nachfolgend wird anhand von 6 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 6 zeigt eine weitere Schaltungskonfiguration der Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 in der ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform ist die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 so konfiguriert, dass sie die Leistungsversorgungseinheit 311 und die Stromdetektionseinheit 321 enthält. Die Leistungsversorgungseinheit 311 ist so konfiguriert, dass sie eine Referenzspannungs-Erzeugungseinheit 316 enthält, und erzeugt eine Spannung Vb. Die Stromdetektionseinheit 321 ist so konfiguriert, dass sie einen Operationsverstärker 323 und einen Rückkopplungswiderstand 324 enthält. In die Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers 323 werden eine Spannung des Zuführungsanschlusses des Magnetsensors 301 und eine Ausgangsspannung der Leistungsversorgungseinheit 311 eingegeben.
In der in 6 gezeigten Konfiguration ist die Klemmenspannung des Magnetsensors 301 gleich der wegen der Funktion des Operationsverstärkers 323 durch die Leistungsversorgungseinheit 311 erzeugten Spannung Vb. Außerdem ist eine Ausgangssignalspannung Vsig eines Signalausgangsanschlusses 326 der Stromdetektionseinheit 321 (Rd·i0 + Vb). Rd ist hier der Widerstandswert des Rückkopplungswiderstands 324 und i0 ist ein TMR-Element-Strom des Magnetsensors 301.
In Übereinstimmung mit der Konfiguration der zweiten Ausführungsform wird die Spannung zwischen den Anschlüssen des Magnetsensors 301 unabhängig von der Größe des Elementstroms des Magnetsensors 301 mit einem TMR-Element konstant als Vb gehalten. Somit ist es möglich, den Magnetfeldwinkel auch dann mit hoher Genauigkeit zu messen, wenn ein TMR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis verwendet ist.
Außerdem sind in der in 6 gezeigten Konfiguration alle Signale positive Spannungen. Da die Stromversorgung eines Operationsverstärkers oder dergleichen nur eine positive Spannung aufweist, gibt es dementsprechend einen Vorteil, dass die Stromversorgung mit niedrigen Kosten verwirklicht werden kann. Außerdem ist die Spannung des Eingangsanschlusses unabhängig von der Größe des durch den Eingangsanschluss der Stromdetektionseinheit 321 fließenden Stroms (i0) als Vb festgesetzt. Dementsprechend ist die Eingangsimpedanz des Eingangsanschlusses wie in der ersten Ausführungsform null.
In der Konfiguration der zweiten Ausführungsform ist der Eingangsanschluss der Stromdetektionseinheit 321 dadurch, dass er mit dem Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 323 verbunden ist, praktisch zu dem elektrischen Potential Vb geerdet. Auf diese Weise kann die Spannung zwischen den Anschlüssen des Magnetsensors 301 mit einem TMR-Element festgesetzt werden.
Dritte Ausführungsform
In einer dritten Ausführungsform ist ein Beispiel einer Detektionsschaltung gezeigt, die eine Impulsspannungs-Stromversorgung verwendet. Es ist eine Leistungsversorgungseinheit verwendet, die eine in 7 gezeigte Impulsspannung ausgibt.
Das heißt, wie in 7 gezeigt ist, misst eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung einen Strommesswert (Nullpunktstrom) Iz zum Zeitpunkt t0, zu dem 0 V ausgegeben wird, und einen Strommesswert Idm zum Zeitpunkt t1, zu dem die Elementvorspannung E0 ausgegeben wird, und berechnet eine Differenz (Idm – Iz) zwischen den beiden Messwerten. Da eine Drift oder ein Versatz des Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltungsabschnitts in Echtzeit entfernt werden kann, ist eine hochgenaue Messung möglich.
Die Schaltungskonfiguration in diesem Fall ist in 8 gezeigt. In 8 ist die Leistungsversorgungseinheit 311 in 5 durch eine Leistungsversorgungseinheit 311a ersetzt. Wenn in der Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 die Leistungsversorgungseinheit 311a bereitgestellt ist, die die in 7 gezeigte Impulsspannung ausgibt, und wenn eine an das TMR-Element 51 angelegte Spannung gepulst ist, ist die dem TMR-Element 51 zugeführte elektrische Leistung verringert, wobei dies die Erwärmung des Elements unterdrückt. Da eine Drift des Elementstroms verringert ist, ist es dementsprechend möglich, ein genaues Messergebnis mit guter Reproduzierbarkeit zu erhalten. Außerdem tritt eine Verschlechterung des TMR-Elements weniger wahrscheinlich auf, da die dem TMR-Element 51 zugeführte elektrische Leistung verringert ist. Auch in diesem Punkt ist die vorliegende Erfindung bevorzugt.
Die Impulsbreite ist vorzugsweise 1 μs bis 10 ms und der Tastgrad des Impulses, d. h. (Impulsbreite/Impulswiederholungsperiode), ist vorzugsweise 0,01 bis 0,5. Da der Tastgrad des Impulses eine Wirkung auf den Durchschnittswert der dem TMR-Element zugeführten elektrischen Leistung hat, ist es wichtig, den Tastgrad des Impulses auf einen geeigneten Wert einzustellen. In der dritten Ausführungsform sind die Impulsbreite, die Impulswiederholungsperiode und der Tastgrad in dieser Reihenfolge auf 100 μs, 1 ms und 0,1 eingestellt.
Auf diese Weise gibt es keine Drift des detektierten Stroms. Im Ergebnis konnte ein genaues Winkelmessergebnis erhalten werden. Außerdem kann in der in 9 gezeigten Schaltungskonfiguration einer im Folgenden beschriebenen vierten Ausführungsform dieselbe Wirkung durch Pulsen der Ausgangsspannung der Leistungsversorgungseinheit 311 erhalten werden.
Vierte Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Verwendung von 9 eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In vielen Fällen ist die Elementvorspannung des TMR-Elements 51 nicht größer als 1 V oder kleiner. Wie in 3 gezeigt ist, wird außerdem ein höheres MR-Verhältnis erhalten, während die Vorspannung niedriger wird. Somit ist es bevorzugt, eine niedrige Vorspannung einzustellen, um das S/N-Verhältnis in der Magnetfeldwinkelmessung zu erhöhen.
Die bevorzugte Vorspannung hängt von Entwurf eines TMR-Elements, insbesondere von der Filmdicke einer Tunnelisolationsschicht, ab. Zum Beispiel ist die Vorspannung in dem TMR-Element mit der in 3 gezeigten Charakteristik etwa 0,1 bis 0,3 V.
Wenn die Vorspannung auf diese Weise niedrig ist, wird ein Spannungsabfall über den Streuwiderstand zu einem Problem. Der Streuwiderstand ist hier ein anderer Widerstand als der Widerstand eines Tunnelübergangs (des Abschnitts der freien Magnetschicht 11/der Tunnelisolatorschicht 12/der festen Magnetschicht 13 in 2) des TMR-Elements 51 auf dem Weg ”Leistungsversorgungseinheit 311 → TMR-Element 51 → Stromdetektionseinheit 321” der Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung. Es sind die folgenden Dinge enthalten:

(a) ein Drahtwiderstand zwischen der Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 und einem TMR-Element,
(b) ein Drahtkontaktierungswiderstand zwischen einem Anschluss in einer TMR-Element-Baueinheit und einer Anschlussfläche an einem Wafer,
(c) ein Drahtwiderstand einer Verdrahtungsleitung zwischen einem Tunnelübergang und einer Anschlussfläche in einem Wafer, in dem ein TMR-Element gebildet ist,
(d) eine Ausgangsimpedanz der Leistungsversorgungseinheit 311 und eine Eingangsimpedanz der Stromdetektionseinheit 321.

Wenn z. B. der Streuwiderstand 20 Ω ist, der Elementstrom 2 mA ist und die Vorspannung 0,1 V ist, ist ein durch den Streuwiderstand verursachter Spannungsabfall 40 mV. Dementsprechend erreicht der Spannungsabfall 40% der Vorspannung. Das heißt, die an den Tunnelübergang angelegte Vorspannung ist auf 60 mV verringert. Somit tritt in der Magnetfeldwinkelmessung ein Fehler auf, da sich das MR-Verhältnis mit der in 3 gezeigten Charakteristik ändert. Die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform ist eine Lösung eines solchen Problems und dergleichen.
Die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie das TMR-Element 51 und die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 enthält. Das TMR-Element 51 weist außer dem ersten und dem zweiten Zuführungsanschluss 71 und 72 einen ersten und einen zweiten Abtastanschluss 75 und 76 auf. Die Leistungsversorgungseinheit 311 der Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 weist außer einem Ausgangsanschluss, über den eine Spannung an den ersten Zuführungsanschluss 71 ausgegeben wird, einen Eingangsanschluss auf, über den die Ausgaben des ersten und des zweiten Abtastanschlusses 75 und 76 eingegeben werden.
Ein Spannungssignal des zweiten Abtastanschlusses 76 ist mit der Referenzspannungs-Erzeugungseinheit 316 verbunden. Die Referenzspannungs-Erzeugungseinheit 316 erzeugt einen gewünschten Spannungswert Vref und gibt eine durch Überlagern des Spannungswerts Vref auf das Eingangssignal erhaltene Spannung aus.
Die Ausgabe der Referenzspannungs-Erzeugungseinheit 316 und das in den ersten Abtastanschluss 75 eingegebene Signal werden in einen Differenzverstärker 315 eingegeben. Die Ausgabe des Differenzverstärkers 315 wird in einen Leistungsverstärker 317 eingegeben und die Ausgabe des Leistungsverstärkers 317 wird an den ersten Zuführungsanschluss 71 des TMR-Elements 51 ausgegeben. In der vierten Ausführungsform ist der Spannungsverstärkungsfaktor des Leistungsverstärkers auf 1 eingestellt.
Wie in 9 gezeigt ist, wird in der Konfiguration der vierten Ausführungsform der erste Abtastanschluss 75 in den Eingangsanschluss des Differenzverstärkers 315 eingegeben und ist der zweite Abtastanschluss 76 über die Referenzspannungs-Erzeugungseinheit 316 mit dem Eingangsanschluss des Differenzverstärkers 315 verbunden. Da über den Eingangsanschluss des Differenzverstärkers 315 kein Strom fließt, fließt kein Strom über irgendeinen Abtastanschluss. Dementsprechend kann die Spannung über den Tunnelübergang des TMR-Elements 51 genau detektiert werden, da ein durch eine Verdrahtungsleitung oder dergleichen verursachter Spannungsabfall vernachlässigt werden kann. Der zweite Zuführungsanschluss 72 des TMR-Elements ist mit der Stromdetektionseinheit 321 verbunden. Die Stromdetektionseinheit 321 ist wie in der ersten Ausführungsform aus einer Schaltung mit einer Eingangsimpedanz von null gebildet.
In dieser Konfiguration wird eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Abtastanschluss 75 und 76 des TMR-Elements rückgekoppelt, so dass sie gleich dem Sollspannungswert Vref der Referenzspannungserzeugungsschaltung 316 wird, und wird die Spannung angelegt. Dementsprechend wird die an den Übergang des TMR-Elements 51 angelegte Vorspannung auf Vref gehalten.
10 ist ein schematisches Diagramm, das Verdrahtungsleitungen auf einem Wafer 260 zeigt, der das TMR-Element 51 bildet. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, sind in dem Magnetsensor 301 mit dem TMR-Element 51 eine Waferanschlussfläche 262a, die dem ersten Zuführungsanschluss 71 entspricht, und eine Waferanschlussfläche 262c, die dem ersten Abtastanschluss 75 entspricht, über getrennte Verdrahtungswege mit einem Tunnelübergang 252 des TMR-Elements 51 verbunden. Ähnlich sind eine Waferanschlussfläche 262b, die dem zweiten Zuführungsanschluss 72 entspricht, und eine Waferanschlussfläche 262d, die dem zweiten Abtastanschluss 76 entspricht, über getrennte Verdrahtungswege mit dem Tunnelübergang 252 verbunden.
Aus diesem Grund kann die Spannung des Tunnelübergangs 252 selbst dann über den ersten und den zweiten Abtastanschluss 75 und 76 detektiert werden, wenn in einem Weg des ersten Zuführungsanschlusses 71 zu dem Tunnelübergang 252, über den ein Strom fließt, eine Spannung abfällt. 265 ist ein Kontaktierungsdraht, der die Waferanschlussflächen 262a bis 262d und die Baueinheitsanschlüsse 261a bis 261d miteinander verbindet.
Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 10 gezeigt ist, die Konfiguration gezeigt, in der die Verdrahtungsleitungen an dem Wafer des TMR-Elements 51 voneinander getrennt sind. Allerdings brauchen die Verdrahtungsleitungen auf dem Wafer natürlich nicht voneinander getrennt zu sein, wenn der Verdrahtungswiderstand eine Größe hat, dass er vernachlässigt werden kann.
Fünfte Ausführungsform
Nachfolgend wird anhand von 11 eine fünfte Ausführungsform der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beschrieben. In 11 ist die Referenzspannungs-Erzeugungseinheit 316 in 9 durch eine Referenzspannungs-Erzeugungseinheit 316a ersetzt. In der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Referenzspannungs-Erzeugungseinheit 316a eine Impulsspannung.
Da in diesem Fall eine dem TMR-Element 51 zugeführte elektrische Leistung in Übereinstimmung mit dem Tastgrad des Impulses abnimmt, wird eine Erwärmung des TMR-Elements 51 unterdrückt. Im Ergebnis wird eine Drift des Elementstroms verringert und ist es möglich, ein genaues Messergebnis mit guter Reproduzierbarkeit zu erhalten. Außerdem tritt eine Verschlechterung des TMR-Elements weniger wahrscheinlicher auf, da die dem TMR-Element 51 zugeführte Leistung verringert ist. Auch in diesem Punkt ist die vorliegende Erfindung bevorzugt.
Sechste Ausführungsform
Nachfolgend wird in einer sechsten Ausführungsform anhand von 12 eine Drehwinkel-Messvorrichtung beschrieben, die die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Drehwinkel-Messvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie einen Magnetsensor 301 mit einem TMR-Element, eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 und einen in einer Dreheinheit 121, die ein zu messendes Objekt ist, vorgesehenen Magneten 202 enthält. Wenn sich die Dreheinheit 121 um die Drehachse 226 dreht, dreht sich der Magnet 202 ebenfalls. Durch Messen des Winkels des durch den Magneten 202 erzeugten Magnetfelds ist es möglich, den Drehwinkel der Dreheinheit 201 zu messen. Als der Magnetsensor 301 und als die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302, die in der sechsten Ausführungsform verwendet sind, sind jene mit derselben Konfiguration verwendet, wie sie in 9 beschrieben ist.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass das TMR-Element in dem Magnetsensor 301 an einer Stelle auf der Verlängerungslinie der Drehachse der Dreheinheit angeordnet ist. Der Grund dafür ist, dass der Drehwinkel der Dreheinheit 121 genau gemessen werden kann, da der Winkel des durch den Magneten 202 erzeugten Magnetfelds und der Drehwinkel der Dreheinheit 121 in dieser Anordnung gleich sind.
Für die durch den Magneten 202 erzeugte Magnetfeldstärke ist es bevorzugt, dass die Magnetfeldstärke am Ort des TMR-Elements gleich oder größer als 10 mT ist. Durch Einstellen dieser Magnetfeldstärke arbeitet das TMR-Element in einem Sättigungszustand in Bezug auf das Magnetfeld. Das heißt, alle Spins in der freien Magnetschicht 11 sind entlang des Winkels des Magnetfelds angeordnet. Aus diesem Grund kann der Winkel des Magnetfelds selbst dann genau berechnet werden, wenn sich die Magnetfeldstärke wegen des Einflusses der Umgebungstemperatur oder desgleichen geringfügig ändert. Dementsprechend kann der Drehwinkel der Dreheinheit genau gemessen werden.
Als der Magnet 202 kann ein Ferritmagnet verwendet werden oder kann ein Neodymmagnet oder ein Samarium-Cobalt-Magnet verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Neodymmagnet verwendet.
Siebente Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Verwendung von 13 und 14 eine siebente Ausführungsform hinsichtlich der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der siebenten Ausführungsform kann der Magnetfeldwinkel unter Verwendung zweier TMR-Elemente in dem gesamten Winkelbereich von 0 bis 360° gemessen werden.
13 ist ein Blockschaltplan, der die Gesamtkonfiguration einer Drehwinkel-Messvorrichtung zeigt, die die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der siebenten Ausführungsform enthält. In dem Magnetsensor 301 sind zwei TMR-Elemente 51a und 51b angeordnet. Die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie den Magnetsensor 301 und die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 enthält.
14 ist ein schematisches Diagramm, das die Anordnung einer TMR-Element-Baueinheit zeigt, die der Magnetsensor 301 ist. Der Winkel eines TMR-Element-Wafers 260a in dem Winkel der Magnetisierung 22 der festen Magnetschicht ist 0, während der Winkel θp eines TMR-Element-Wafers 260b in dem Winkel der Magnetisierung 22 der festen Magnetschicht auf 90° eingestellt ist. Wie in 10 gezeigt ist, sind in jedem Element die Baueinheitsanschlüsse 261, die dem ersten und dem zweiten Zuführungsanschluss und dem ersten und dem zweiten Abtastanschluss entsprechen, vorgesehen. Diese sind über einen Kontaktierungsdraht 265 mit Waferanschlussflächen 262 der TMR-Element-Wafer 260a und 260b verbunden.
In dem TMR-Element 50b ist der Winkel der Magnetisierung 22 der festen Magnetschicht um 90° versetzt. Dementsprechend wird die Magnetfeldwinkelabhängigkeit des Leitwerts durch Ersetzen von (θ – 90°) in (Ausdruck 3) berechnet. Das heißt, dies ist wie folgt.
Da cosθ und sinθ durch Berechnen des Leitwerts durch Messen des Elementstroms jedes der TMR-Elemente 51a und 51b und Entfernen eines magnetfeldunabhängigen Terms G0 erhalten werden können, ist es dementsprechend möglich, den Magnetfeldwinkel θ durch die Arkustangenstransformation (Arkus-Tangens-Transformation) zu berechnen.
Nachfolgend wird anhand von 13 die Konfiguration der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der siebenten Ausführungsform beschrieben. Die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 weist eine Leistungsversorgungseinheit 311A und eine Stromdetektionseinheit 321A, die dem TMR-Element 51a entsprechen, und eine Leistungsversorgungseinheit 311B und eine Stromdetektionseinheit 321B, die dem TMR-Element 51b entsprechen, auf und weist ferner eine Signalverarbeitungseinheit 331 und eine Parameterspeichereinheit 332 auf.
Die Konfiguration der Leistungsversorgungseinheit 311A und der Stromdetektionseinheit 321A ist dieselbe, wie sie in 9 gezeigt ist. Das heißt, die Leistungsversorgungseinheit 311A ist mit jedem Anschluss des TMR-Elements 51a verbunden und koppelt die angelegte Spannung in der Weise zurück, dass die an den Tunnelübergang 252 des TMR-Elements 51a angelegte Vorspannung zu einem festen Wert wird. Außerdem misst die Stromdetektionseinheit 321A einen Elementstrom Id(A), der über das TMR-Element 51a fließt.
Die Konfiguration der Leistungsversorgungseinheit 311B und der Stromdetektionseinheit 321B ist dieselbe, wie sie in 9 gezeigt ist. Ähnlich misst die Stromdetektionseinheit 321B einen Elementstrom Id(B), der über das TMR-Element 51b fließt.
Da der Elementstrom proportional zu dem Leitwert des TMR-Elements ist, wird jeder Elementstrom, wie aus (Ausdruck 3) und (Ausdruck 8) zu sehen ist, durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt.
Hier ist e0 eine Referenzspannung, die in der Referenzspannungs-Erzeugungserzeugungseinheit 316 innerhalb jeder der Leistungsversorgungseinheiten A311A und B311B eingestellt wird. Die an die TMR-Elemente 51A und 51B angelegte Vorspannung ist gleich e0. Außerdem wird die Signalverarbeitung durch Einstellen der an die TMR-Elemente 51A und 51B angelegten Vorspannung auf denselben Wert e0 vereinfacht.
In die Signalverarbeitungseinheit 331 werden Signale eingegeben, die den Werten der Elementströme Id(A) und Id(B) entsprechen. In der Signalverarbeitungseinheit 331 werden Werte, die durch Subtrahieren des konstanten Terms e0G0 in (Ausdruck 9) erhalten werden, aus den Elementströmen als Id'(A) bzw. Id'(B) berechnet. Das Verfahren zum Berechnen des Werts des zu subtrahierenden konstanten Terms e0G0 wird später beschrieben. Wie aus (Ausdruck 9) zu sehen ist, wird auf diese Weise das Magnetfeld θ aus dem folgenden Ausdruck durch eine arctan-Verarbeitung (Arkustangensverarbeitung) berechnet.
Hier ist θ = atan2(y, x) eine Funktion, die in Übereinstimmung damit, ob die Argumente x und y positiv oder negativ sind, geeignet den Wert von θ = 0 bis 360° (oder –180 bis 180°) ausgibt. Zum Beispiel ist atan2(y, x) = arctan(y/x), wenn sowohl x als auch y positiv ist, und atan2(y, x) = arctan(y/x) + 180°, wenn sowohl x als auch y negativ ist. Der Magnetfeldwinkel θ wird wie oben beschrieben berechnet.
Nachfolgend wird das Verfahren zum Berechnen des konstanten Terms e0G0 in (Ausdruck 9) beschrieben. Die Elementströme Id(A) und Id(B) werden in einer Zeitdauer von N Umdrehungen (N ≥ 1), die dadurch erzeugt wird, dass die Dreheinheit mit einer festen Drehzahl drehen gelassen wird, in einigen Punkten abgetastet. Wenn die Anzahl der Abtastpunkte 100 oder mehr ist, ist die Genauigkeit verbessert. Wenn sowohl für die abgetasteten Id(A)-Werte als auch für die abgetasteten Id(B)-Werte der Durchschnittswert berechnet wird, wird der folgende Ausdruck erhalten, da der zweite Term wegen der Symmetrie von cosθ und sinθ null ist. Durchschnitt(Id(A)) = e₀G₀ Durchschnitt(I_d(B)) = e₀G₀ (11)
Der Durchschnitt (x) gibt hier einen Prozess zum Berechnen des Durchschnittswerts an. Auf diese Weise ist es möglich, den konstanten Term e₀G₀ zu berechnen. Der berechnete Wert e₀G₀ wird in der Parameterspeichereinheit 332 gespeichert und für den Prozess zum Berechnen von Id'(A) aus dem oben beschriebenen Id(A) verwendet.
Der Koeffizient e0T in (Ausdruck 9) braucht aus dem folgenden Grund nicht berechnet zu werden. Der Grund ist, dass sich die Koeffizienten e0T wegheben, da die atan2(y, X)-Verarbeitung in (Ausdruck 10) ein Prozess zum Berechnen des Arkustangens des Verhältnisses, z. B. wie arctan(y/x), ist.
Achte Ausführungsform
Nachfolgend wird wieder unter Verwendung von 13 eine Drehwinkel-Messvorrichtung, die die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der siebenten Ausführungsform verwendet, in einer achten Ausführungsform beschrieben. In der achten Ausführungsform ist die Drehwinkel-Messvorrichtung so konfiguriert, dass sie einen an der Dreheinheit 121, die sich um die Drehachse 226 dreht, befestigten Magneten 202, einen Magnetsensor 301 und eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 enthält.
Es ist bevorzugt, dass der Magnetsensor 301 auf der Verlängerungslinie der Drehachse 226 der Dreheinheit 121 angeordnet ist. Der Grund dafür ist, dass der Drehwinkel der Dreheinheit genau gemessen werden kann, da der Winkel des durch den Magneten 202 erzeugten Magnetfelds und der tatsächliche Drehwinkel in dieser Anordnung gleich sind.
Für die durch den Magneten 202 erzeugte Magnetfeldstärke ist es bevorzugt, dass die Magnetfeldstärke am Ort des aus einem TMR-Element gebildeten Magnetsensors 301 gleich oder größer als 10 mT ist. Dadurch, dass eine solche Magnetfeldstärke eingestellt wird, arbeitet das TMR-Element in einem Sättigungszustand in Bezug auf das Magnetfeld. Das heißt, alle Spins in der freien Magnetschicht 11 sind auf denselben Winkel wie der Magnetfeldwinkel ausgerichtet. Aus diesem Grund kann der Winkel des Magnetfelds selbst dann genau berechnet werden, wenn sich die Magnetfeldstärke wegen des Einflusses der Umgebungstemperatur oder dergleichen geringfügig ändert. Dementsprechend kann der Drehwinkel der Dreheinheit genau gemessen werden.
Als der Magnet 202 kann ein Ferritmagnet verwendet werden oder kann ein Neodymmagnet oder ein Samarium-Cobalt-Magnet verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung wird der Neodymmagnet verwendet.
Wie in der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der siebenten Ausführungsform beschrieben worden ist, kann der Magnetfeldwinkel an dem Punkt des Magnetsensors 301 unter Verwendung des Magnetsensors 301 und der Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 in dieser Konfiguration über den gesamten Bereich von 0 bis 360° mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Somit kann der Drehwinkel der Dreheinheit 121 durch Messen des Winkels des durch den in der Dreheinheit 121 angeordneten Magneten 202 erzeugten Magnetfelds mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Neunte Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Verwendung von 15 eine neunte Ausführungsform beschrieben, in der die Drehwinkel-Messvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf einen Motor angewendet ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind eine Motoreinheit 100 und eine Drehwinkeldetektionseinheit 200 vorgesehen.
Die Motoreinheit 100 erzeugt durch Drehung mehrerer drehbarer Magnetpole wegen der magnetischen Wechselwirkung mehrerer fester Magnetpole und mehrerer drehbarer Magnetpole ein Drehmoment und enthält einen Stator 110, der mehrere feste Magnetpole bildet, und einen Rotor 120, der mehrere drehbare Magnetpole bildet. Der Stator 110 ist so konfiguriert, dass er einen Statorkern 111 und eine Statorspule 112 enthält. Der Rotor 120 ist in der Weise auf der Innenumfangsseite des Stators 110 angeordnet, dass sie sich mit einem Luftspalt dazwischen gegenüberliegen, und ist drehbar unterstützt. In der vorliegenden Ausführungsform ist als der Motor 100 ein Oberflächenpermanentmagnetsynchronmotor vom Dreiphasen-Wechselstromtyp verwendet.
Aus einer ersten und aus einer zweiten Halterung 102 und 103, die an beiden Enden eines zylindrischen Rahmens 101 in seiner Achsenrichtung vorgesehen sind, ist eine Hülle gebildet. In einem hohlen Abschnitt der ersten Halterung 101 ist ein Lager 106 vorgesehen und in einem hohlen Abschnitt der zweiten Halterung 103 ist ein Lager 107 vorgesehen. Diese Lager stützen eine drehbare Welle 121 in der Weise, dass sie drehbar ist.
Zwischen dem Rahmen 101 und der ersten Halterung 102 ist ein Dichtungsmittel (nicht gezeigt) vorgesehen, das aus einem ringförmigen O-Ring gebildet ist. Das Dichtungsmittel liegt zwischen dem Rahmen 101 und der ersten Halterung 102 und ist aus der axialen Richtung und aus der radialen Richtung durch sie zusammengedrückt. Im Ergebnis ist die Vorderseite durch die Dichtung zwischen dem Rahmen 101 und der ersten Halterung 102 wasserdicht abgedichtet. Außerdem erfolgt ebenfalls eine Wasserabdichtung durch das Dichtungsmittel zwischen dem Rahmen 101 und der zweiten Halterung 103.
Nachfolgend wird die Konfiguration der Drehwinkeldetektionseinheit 200 beschrieben. Die Drehwinkeldetektionseinheit 200 ist so konfiguriert, dass sie ein Magnetsensormodul 201, das einen Magnetfeldwinkel misst, und einen Sensormagneten 202 enthält. Die Drehwinkeldetektionseinheit 200 ist in dem von der Hülle 203 und von der zweiten Halterung 103 umgebenen Raum angeordnet. Der Sensormagnet 202 ist bei einer Welle angeordnet, die sich zusammen mit der drehbaren Welle 121 dreht. Wenn sich die Drehstellung der drehbaren Welle 121 ändert, ändert sich in Übereinstimmung mit der Änderung der Winkel des erzeugten Magnetfelds. Durch Detektieren des Winkels dieses Magnetfelds mit dem Magnetsensormodul 201 ist es möglich, den Drehwinkel (die Drehstellung) der drehbaren Welle 121 zu messen.
Falls das Magnetsensormodul 201 auf der Drehachse 226 der drehbaren Welle 121 angeordnet ist, ist ein Fehler der räumlichen Verteilung des durch den Sensormagneten 202 erzeugten Magnetfelds verringert. Aus diesem Grund ist diese Anordnung bevorzugt.. Der Sensormagnet 202 ist ein Zweipolmagnet, der in Zweipolform magnetisiert ist, oder ein Multipolmagnet, der in Multipolform, in mehr als oder gleich 4 Polen, magnetisiert ist. Das Magnetsensormodul 201 ist so konfiguriert, dass es den Magnetsensor und den in 13 und 14 der siebenten Ausführungsform gezeigten Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltungsabschnitt enthält, wobei der Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltungsabschnitt eine Signalverarbeitungseinheit aufweist.
Ein Ausgangssignal des Magnetsensors ändert sich in Abhängigkeit von dem Winkel des Magnetfelds. In der neunten Ausführungsform ist ein Magnetsensor mit zwei TMR-Elementen verwendet, deren Winkel θp des Magnetisierungsvektors 22 einer festen Magnetschicht um 90° gegeneinander versetzt sind.
Das Magnetsensormodul 201 ist in der Hülle 203 angeordnet. Vorzugsweise ist die Hülle 203 aus einem Material mit einer magnetischen Suszeptibilität von 0,1 oder weniger wie etwa Aluminium oder Harz gebildet, so dass sie von dem Winkel des Magnetflusses nicht beeinflusst wird. In der neunten Ausführungsform ist die Hülle 203 aus Aluminium gebildet.
Außerdem kann das Magnetsensormodul 201 an der Motoreinheit befestigt sein oder kann es zweifellos an anderen Komponenten als der Hülle 203 befestigt sein. Dies ist so, da der Drehwinkel der drehbaren Welle 121 durch Detektieren eines Winkels einer Magnetfeldänderung in dem Magnetsensormodul 201 detektiert werden kann, wenn sich die Richtung des Sensormagneten 202 wegen einer Änderung des Drehwinkels der drehbaren Welle 121 ändert, falls das Magnetsensormodul 201 an der Motoreinheit befestigt ist.
Mit dem Magnetsensormodul 201 ist eine Sensorverdrahtungsleitung 208 verbunden. Über die Sensorverdrahtungsleitung 208 wird ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 201 übertragen.
16 zeigt ein Steuersystem der Motoreinheit der Drehwinkel-Messvorrichtung, die die vorliegende Ausführungsform ist. Ein Signal von dem Magnetsensormodul 201 wird in eine elektronische Steuereinheit (ECU) 411 eingegeben und die ECU 411 sendet Steuerbefehle an eine Antriebseinheit 412. Die Antriebseinheit 412 steuert durch Ausgeben einer geeignete Spannungssignalform an den Stator 110 der Motoreinheit 100 die Drehzahl und/oder die Drehstellung des Rotors 121.
Da der Winkel des Magnetfelds in Übereinstimmung mit der neunten Ausführungsform durch die in 13 gezeigte Konfiguration genau gemessen werden kann, ist es möglich, den Drehwinkel des Rotors 121 in der in 15 und 16 gezeigten Konfiguration genau zu messen. Aus diesem Grund ist in der Antriebseinheit 412 eine Steuerung mit hoher Genauigkeit möglich. Auf diese Weise kann ein Motor mit hohem Energienutzungsgrad verwirklicht werden. Alternativ ist es möglich, einen hochgenauen Motor zu verwirklichen, der auf einen Befehlswinkel (angewiesenen Winkel) genau reagiert.
Außerdem kann das Magnetsensormodul 201 nur aus dem Magnetsensor 301 gebildet sein oder kann die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 in der ECU 411 gebildet sein.
Zehnte Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Verwendung von 17 bis 19 eine zehnte Ausführungsform der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 17 gezeigt ist, ist eine Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der zehnten Ausführungsform so konfiguriert, dass sie einen Magnetsensor 301 und eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 enthält. Als der Magnetsensor 301 ist eine TMR-Element-Baueinheit verwendet.
Die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 der zehnten Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie eine Stromversorgungseinheit 341, eine Spannungserzeugungseinheit 346 und eine Stromdetektionseinheit 321 enthält. Die Stromversorgungseinheit 341 weist einen Stromeingangsanschluss 343, einen Stromausgangsanschluss 344 und einen Spannungseingangsanschluss 345 auf.
Die Stromversorgungseinheit 341 ist wie folgt gebildet. Das heißt, ein von dem Stromausgangsanschluss 344 ausgegebener Strom i2 wird so eingestellt, dass er gleich einem in den Stromeingangsanschluss 343 eingegebenen Strom i1 ist, und eine Ausgangsspannung Vb des Stromausgangsanschlusses 344 wird durch eine in den Spannungseingangsanschluss 345 eingegebene Spannung Vbin eingestellt.
”Die Ausgangsspannung Vb wird durch die Eingangsspannung Vbin des Spannungseingangsanschlusses eingestellt” bedeutet hier, dass der Eingangswert Vbin und der Ausgangswert Vb einander eineindeutig entsprechen. Genauer gibt es einen Fall, in dem die Eingangsspannung Vbin und die Ausgangsspannung Vb gleich sind, einen Fall, in dem der zu der Eingangsspannung Vbin proportionale Wert als die Ausgangsspannung Vb ausgegeben wird, und dergleichen.
In 17 ist ein Anschluss des Magnetsensors 301 mit dem Stromausgangsanschluss 344 der Stromversorgungseinheit 341 verbunden. Die Stromdetektionseinheit 321 ist mit dem Stromeingangsanschluss 343 verbunden. Die Stromversorgungseinheit 346 ist mit dem Spannungseingangsanschluss 345 verbunden.
Durch eine solche Konfiguration kann die an den Anschluss des Magnetsensors 301, d. h. an eine TMR-Element-Baueinheit, angelegte Spannung bei dem festen Wert Vb aufrechterhalten werden. Da der durch den Magnetsensor 301 fließende Strom i2 in diesem Fall gleich dem Stromeingangsanschlussstrom i1 der Stromversorgungseinheit 341 ist, ist es möglich, den Strom i2 durch die Stromdetektionseinheit 321 zu messen. Da der TMR-Element-Strom gemessen werden kann, während die Klemmenspannung des TMR-Elements konstant gehalten wird, ist es somit möglich, den Magnetfeldwinkel selbst dann mit hoher Genauigkeit zu messen, wenn ein TMR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis verwendet ist.
Die Richtungen der Pfeile des Stroms i1 und i2 in 17 werden unter der Annahme beschrieben, dass die Spannungspolarität des Stromausgangsanschlusses 344 positiv ist und dass ein positiver Strom von der Stromversorgungseinheit 341 in Richtung des Magnetsensors 301 fließt. Wenn die Spannungspolarität des Stromausgangsanschlusses 344 negativ ist, fließt ein Strom von dem Magnetsensor 301 zu der Stromversorgungseinheit 341. Allerdings ist es in diesem Fall bevorzugt anzunehmen, dass ein negativer Strom von dem Stromausgangsanschluss 344 fließt und dass der negative Strom zu dem Stromeigangsanschluss 343 fließt. Das heißt, die Konfiguration der vorliegenden Erfindung ist unabhängig von der Richtung des von dem Stromausgangsanschluss 344 ausgegebenen Stroms (d. h. ein positiver oder ein negativer Stromwert) erfüllt, so dass die gewünschten Wirkungen erhalten werden.
Nachfolgend wird unter Verwendung von 18 die genaue Konfiguration der Stromversorgungseinheit 341 beschrieben. 18 ist ein Beispiel, in dem die Stromversorgungseinheit 341 so konfiguriert ist, dass sie einen Operationsverstärker 351 und einen Feldeffekttransistor (FET) 352 enthält. Eine Spannung des Stromversorgungsanschlusses 344 wird zu einem Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 351 rückgekoppelt.
Die Spannungserzeugungseinheit 346 ist mit dem Spannungseingangsanschluss 345 verbunden. Die Stromdetektionseinheit 321 ist mit dem Stromeingangsanschluss 343 verbunden und der Magnetsensor 301 ist mit dem Stromausgangsanschluss 344 verbunden.
Wenn die Spannung Vb des Spannungseingangsanschlusses 345 eingegeben wird, wird die Spannung des Stromausgangsanschlusses 344 wegen der Funktion des Operationsverstärkers 351 gleich Vb. Da davon ausgegangen werden kann, dass die Eingangsimpedanz des Signaleingangsanschlusses des Operationsverstärkers 351 unendlich ist, werden außerdem der Stromeingangsanschlussstrom i1 und der Stromausgangsanschlussstrom i2 gleich. Das heißt, es ist zu sehen, dass die Funktion der Stromversorgungseinheit zufriedenstellend ist.
In der zehnten Ausführungsform ist die Stromdetektionseinheit 321 aus einer Stromfolgerschaltung gebildet. Die Ausgangsspannung des Signalausgangsanschlusses 326 ist Rd·i1 = Rd·i2. Auf diese Weise ist es möglich, den über den Magnetsensor 301 fließenden Strom i2 zu messen.
19 zeigt eine weitere Schaltung der Stromversorgungseinheit 341. In 19 ist eine Stromversorgungseinheit 341a unter Verwendung eines Transistors 348 verwirklicht. Eine Basis des Transistors 348 ist mit dem Spannungseingangsanschluss 345 verbunden, ein Emitter ist mit dem Stromausgangsanschluss 344 verbunden und ein Kollektor ist mit dem Stromeingangsanschluss 343 verbunden. In diesem Fall ist zwischen der Eingangsspannung Vb0 des Spannungseingangsanschlusses 345 und der Klemmenspannung Vb2 des Stromausgangsanschlusses 344 die Beziehung Vb2 = Vb0 – Vbe erfüllt. Vbe ist eine Basis-Emitter-Spannung, die von den Übergangscharakteristiken eines Transistors dominiert ist, und ist eine konstante Spannung von etwa 0,7 V. Dementsprechend wird die Klemmenspannung des Stromausgangsanschlusses 344 konstant bei Vb2 gehalten und ist der Strom i2 gleich dem fließenden Strom i1 des Stromeingangsanschlusses 343.
Da sich Vbe wegen einer großen Temperaturänderung und dergleichen geringfügig ändert, besteht außerdem ein Vorteil, dass die in 19 gezeigte Konfiguration eine hohe Leistung hat, aber nur einen Transistor enthält und dementsprechend mit niedrigen Kosten verwirklicht werden kann.
Elfte Ausführungsform
Unter Verwendung von 20 wird eine elfte Ausführungsform der Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der elften Ausführungsform ist als die Stromdetektionseinheit 321 in der Konfiguration der in 17 gezeigten Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung 302 der zehnten Ausführungsform eine Stromspiegelschaltung verwendet. Die Stromspiegelschaltung ist eine Schaltung, in der die fließenden Ströme i1 und i3 der zwei Anschlüsse gleich sind, wobei verschiedene Konfigurationen bekannt sind.
Wie in 20 gezeigt ist, sind die Ströme i1 und i3 gleich, wenn die Stromdetektionseinheit 321 unter Verwendung einer Stromspiegelschaltung 326 gebildet ist. Die Größe des Stroms i3 wird durch den Detektionswiderstand Rd in eine Spannung umgesetzt und die Ausgangsspannung Vsig des Signalausgangsanschlusses 326 wird auf (Rd·i3) eingestellt.
Wie in 18 beschrieben ist, arbeitet die Stromversorgungseinheit 341 in der Weise, dass i1 und der fließende Strom i2 des Magnetsensors 301 gleich werden. Dementsprechend ist es möglich, den fließenden Strom i2 des Magnetsensors 301 durch Messen des Stroms i3 zu messen.
Wie oben beschrieben wurde, wird die an den Magnetsensor 301 angelegte Spannung durch die Funktion der Stromversorgungseinheit 341 bei dem festen Wert Vb gehalten. Somit ist es möglich, den Magnetfeldwinkel selbst dann mit hoher Genauigkeit zu messen, wenn der Magnetsensor 301 verwendet ist, der ein TMR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis verwendet.
Wenn die Spannungserzeugungseinheit 346 in 17, 18 und 20 eine Impulsspannung erzeugt, wird die Impulsspannung an den aus einem TMR-Element gebildeten Magnetsensor 301 angelegt. In diesem Fall wird eine Erwärmung des Elements unterdrückt, da die dem TMR-Element zugeführte elektrische Leistung in Übereinstimmung mit dem Tastgrad des Impulses abnimmt. Im Ergebnis wird eine Drift des Elementstroms verringert, so dass es möglich ist, ein genaues Messergebnis mit guter Reproduzierbarkeit zu erhalten. Da die dem TMR-Element zugeführte Leistung verringert ist, tritt außerdem eine Verschlechterung des TMR-Elements weniger wahrscheinlich auf. Auch in diesem Punkt ist die vorliegende Erfindung bevorzugt.
In der zehnten und in der elften Ausführungsform ist die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung beschrieben worden. Allerdings kann dadurch, dass die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung in der zehnten und in der elften Ausführungsform mit dem in der Dreheinheit 121 angeordneten Magneten 202 in derselben Weise kombiniert wird, wie in 12 oder 13 gezeigt ist, eine Drehwinkel-Messvorrichtung verwirklicht werden, die den Drehwinkel der Dreheinheit 121 mit hoher Genauigkeit misst.
Bezugszeichenliste

11: freie Magnetschicht
12: Tunnelisolatorschicht
13: feste Magnetschicht
51: TMR-Element
71: erster Zuführungsanschluss
72: zweiter Zuführungsanschluss
75: erster Abtastanschluss
76: zweiter Abtastanschluss
121: Dreheinheit
200: Drehwinkeldetektionseinheit
201: Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung
202: Magnet
226: Drehachse
252: Tunnelübergang
301: Magnetsensor
302: Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung
311: Leistungsversorgungseinheit
315: Differenzverstärker
316: Referenzspannungs-Erzeugungseinheit
321: Stromdetektionseinheit
323: Operationsverstärker
326: Signalausgangsanschluss
328: Stromspiegelschaltung
341: Stromversorgungseinheit
343: Stromeingangsanschluss
344: Stromausgangsanschluss
345: Spannungseingangsanschluss
346: Spannungserzeugungseinheit

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 Nicht-Patentliteratur

”Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 44, Nr. 19, 2005 und S. L587–L589” [0075]

Claims

Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die umfasst: einen Magnetsensor; und eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung, wobei der Magnetsensor ein Tunnelmagnetwiderstandselement mit einer festen Magnetschicht aufweist, wobei die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung eine Leistungsversorgungseinheit, die eine konstante Spannung als eine Vorspannung an das Tunnelmagnetwiderstandselement des Magnetsensors ausgibt, und eine Stromdetektionseinheit, die einen fließenden Strom des Tunnelmagnetwiderstandselements detektiert, aufweist, und wobei die Eingangsimpedanz der Stromdetektionseinheit auf null eingestellt ist.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stromdetektionseinheit einen Operationsverstärker aufweist, der einen fließenden Strom des Tunnelmagnetwiderstandselements detektiert, und wobei die Eingangsimpedanz der Stromdetektionseinheit durch Verbinden des Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers mit der virtuellen Masse auf null eingestellt ist.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leistungsversorgungseinheit eine konstante Spannung einer Impulsspannung als eine Vorspannung an das Tunnelmagnetwiderstandselement des Magnetsensors ausgibt.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Magnetsensor zwei Tunnelmagnetwiderstandselemente aufweist, in denen sich die Winkel der Magnetisierung der festen Magnetschichten um 90° voneinander unterscheiden.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Tunnelmagnetwiderstandselement des Magnetsensors einen ersten und einen zweiten Zuführungsanschluss und einen ersten Abtastanschluss aufweist, wobei die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung eine Leistungsversorgungseinheit, die eine konstante Spannung als eine Vorspannung an das Tunnelmagnetwiderstandselement des Magnetsensors ausgibt, und eine Stromdetektionseinheit, die einen Ausgangsstrom des Tunnelmagnetwiderstandselements detektiert, aufweist, wobei eine Klemmenspannung des Tunnelmagnetwiderstandselements durch den ersten Abtastanschluss detektiert wird, und wobei die Leistungsversorgungseinheit eine Rückkopplungsregelung in der Weise ausführt, dass die Klemmenspannung an einen vorgegebenen Spannungswert angepasst ist.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Tunnelmagnetwiderstandselement außer dem ersten Abtastanschluss einen zweiten Abtastanschluss aufweist, und wobei die Klemmenspannung des Tunnelmagnetwiderstandselements über den ersten und den zweiten Abtastanschluss detektiert wird.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Leistungsversorgungseinheit einen Differenzverstärker mit Differenzeingängen einer Ausgangsspannung des ersten Abtastanschlusses und mit einem Ausgang einer Referenzspannungs-Erzeugungseinheit aufweist.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Leistungsversorgungseinheit eine Impulsspannung erzeugt.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Magnetsensor zwei Tunnelmagnetwiderstandselemente aufweist, in denen sich die Winkel der Magnetisierung der festen Magnetschichten um 90° voneinander unterscheiden.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung, die umfasst: einen Magnetsensor; und eine Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung, wobei der Magnetsensor ein Tunnelmagnetwiderstandselement mit einer festen Magnetschicht aufweist, wobei die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung eine Stromversorgungseinheit und eine Stromdetektionseinheit, die einen Ausgangsstrom des Tunnelmagnetwiderstandselements detektiert, aufweist, wobei die Stromversorgungseinheit einen Spannungseingangsanschluss, der mit einer Spannungserzeugungseinheit verbunden ist, einen Stromeingangsanschluss, in den ein Strom von der Stromdetektionseinheit eingegeben wird, und einen Stromausgangsanschluss, über den ein Strom an den Magnetsensor ausgegeben wird, aufweist, wobei ein fließender Strom des Stromeingangsanschlusses und ein fließender Strom des Stromausgangsanschlusses gleich sind, wobei eine Spannung des Stromausgangsanschlusses auf der Grundlage einer Spannung der Spannungserzeugungseinheit eingestellt ist, und wobei die Stromdetektionseinheit mit dem Stromeingangsanschluss der Stromversorgungseinheit verbunden ist und der Magnetsensor mit dem Stromausgangsanschluss verbunden ist.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Stromversorgungseinheit einen Feldeffekttransistor und einen Stromversorgungseinheits-Operationsverstärker aufweist, und wobei ein Anschluss des Feldeffekttransistors und ein Anschluss der Spannungserzeugungseinheit mit Eingangsanschlüssen des Stromversorgungseinheits-Operationsverstärkers verbunden sind.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Stromversorgungseinheit einen Transistor mit einer Basis aufweist, in die eine Ausgangsspannung der Spannungserzeugungseinheit eingegeben wird.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Spannungserzeugungseinheit eine Impulsspannung erzeugt.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Magnetsensor zwei Tunnelmagnetwiderstandselemente aufweist, in denen sich die Winkel der Magnetisierung der festen Magnetschichten um 90° voneinander unterscheiden.
Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Magnetfeldwinkel-Detektionsschaltung die zwei Stromversorgungseinheiten aufweist, und wobei die Stromversorgungseinheiten jeweils mit den zwei Tunnelmagnetwiderstandselementen elektrisch verbunden sind.
Drehwinkel-Messvorrichtung, die umfasst: die Magnetfeldwinkel-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15; und einen an einer Dreheinheit befestigten Magneten.