DE112014005099T5

DE112014005099T5 - Magnetfeld-Erfassungssensor

Info

Publication number: DE112014005099T5
Application number: DE112014005099.7T
Authority: DE
Inventors: Junya TANIGAWA; Makoto Ishii; Hiroki Sugiyama
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-09-01
Also published as: JP6325797B2; WO2015068629A1; US20160245879A1; JP2015092144A; US9791522B2

Abstract

Ein Magnetfeld-Erfassungssensor umfasst ein Magnet-Impedanz-Element 12, das ausgebildet ist, den Magnet-Impedanz-Effekt auszunutzen, und eine Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14, die ausgebildet ist, ein Vormagnetisierungsfeld an das Magnet-Impedanz-Element 12 anzulegen. Der Magnetfeld-Erfassungssensor ist ausgebildet, ein äußeres Magnetfeld auf der Grundlage eines Ausgangssignals zu erfassen, das durch Anlegen eines Wechselstroms an das Magnet-Impedanz-Element 12 gewonnen wird. Das Magnet-Impedanz-Element 12 weist ein nicht-magnetisches Substrat 12a und eine magnetische Dünnschicht 12b auf, die auf einer Oberfläche des nicht-magnetischen Substrats vorgesehen ist. Die Magnetfeld-Erfassungsrichtung stimmt mit der Längsrichtung des Magnet-Impedanz-Elements 12 über ein, und die magnetische Dünnschicht 12b ist ausgebildet, eine magnetische Anisotropie derart aufzuweisen, dass eine Richtung einer Achse ihrer leichten Magnetisierbarkeit mit der Magnetfeld-Erfassungsrichtung übereinstimmt. Auf diese Weise kann ein Magnetfeld-Erfassungssensor bereit gestellt werden, in welchem eine Stromaufnahme reduziert, die Erfassungsgenauigkeit verbessert und ein breiterer Erfassungsbereichs gewährleistet ist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeld-Erfassungssensor.
Hintergrund
Konventionellerweise ist ein Magnetfeld-Erfassungssensor mit einem Magnet-Impedanz-(MI)Element offenbart, das den magnetoresistiven Effekt bzw. Magnet-Impedanz-Effekt eines amorphen Drahtes nutzt. Eine Baugrößenreduzierung ist mit einem MI-Element im Vergleich zu einem Fluss-Tor-Sensor einfacher, und Sensoren unter Anwendung eines MI-Elements weisen eine Erfassungsempfindlichkeit auf, die äquivalent ist zu der von Fluss-Tor-Sensoren.
Es wird nun ein Beispiel eines derartigen Magnetfeld-Erfassungssensors unter Anwendung des MI-Elements erläutert. Eine Oszillatorschaltung liefert einen Wechselspannungs-(AC)Vormagnetisierungsstrom an eine Spule, die um ein MI-Element herumgewickelt ist. Es wird dadurch ein AC-Vormagnetisierungsfeld in dem MI-Element erzeugt, und eine amplitudenmodulierte (AM) Signalform, deren Höchstwerte abwechselnd eine Größendifferenz aufweisen, werden als ein Ausgangssignal erhalten. Eine Detektor-Schaltung ist ausgebildet, das Ausgangssignal zu erfassen und entfernt die Gleichstrom-(DC-)Komponente, und die resultierende Signalform wird in einen Komparator eingespeist. Der Magnetfeld-Erfassungssensor erhält dann ein Ausgangssignal mit einer digitalen Signalform, das auf der Grundlage der Größendifferenz pulsmoduliert ist. Ein derartiger Magnetfeld-Erfassungssensor ermittelt die Größe des externen Magnetfeldes nicht auf der Grundlage des Absolutwertes der Amplitude des Ausgangssignals aus der Oszillatorschaltung, sondern auf der Grundlage des Betrags der Änderung der Amplitude. Daher wird ein derartiger Magnetfeld-Erfassungssensor weniger durch eine Schwankung der Speisespannung, den Temperatureigenschaften des Elements und dergleichen beeinflusst, so dass nicht nur eine präzise Einstellung der Oszillatorschaltung unnötig wird, sondern es kann auch ein Magnetfeld-Erfassungssensor bereitgestellt werden, der robust ist im Hinblick auf das Rauschen (siehe Patentliteratur 1).
Ferner ist ein Magnetfeld-Erfassungssensor offenbart, der eine Oszillatorschaltung, die einen Hochfrequenzstrom in Sinusform an beide Enden eines Magnetkerns anlegt, eine Pufferschaltung, die zwischen der Oszillatorschaltung und dem Magnetkern eines Dünnschicht-Magnet-Impedanz-Elements angeordnet ist, und die Fehlanpassung zwischen einer Ausgangsimpedanz der Oszillatorschaltung und einer Eingangsimpedanz des Dünnschicht-Magnet-Impedanz-Elements einstellt, eine Detektor-Schaltung zur Erfassung eines Betrags einer magnetischen Änderung in dem externen Magnetfeld auf der Grundlage des Betrags der Änderung des Hochfrequenzstroms, der sich entsprechend dem externen Magnetfeld ändert, der auf das Magnet-Impedanz-Element einwirkt, und eine Hysterese-Auslöschschaltung aufweist, die die Hysterese in dem Magnet-Impedanz-Element auslöscht. Da ein derartiger Magnetfeld-Erfassungssensor beispielsweise mit einer Pufferschaltung versehen ist, kann das Ausgangssignal, das sich aus dem von der Oszillatorschaltung angelegten Hochfrequenzstrom ergibt, ohne Verlust bereitgestellt werden (siehe Patentliteratur 2). Da die Neigung bzw. Steigung, die die Änderung des Betrags repräsentiert, die abhängig von dem an das Magnet-Impedanz-Element angelegte externe Magnetfeld ist, in dem Magnet-Erfassungssensor bei 400 A/m am steilsten wird, wie in 5 in der Patentliteratur 2 dargestellt ist, muss ein konstanter Strom, der den Arbeitspunkt auf den Punkt verschiebt, an welchem der Betrag der Änderung am steilsten wird, in die Vormagnetisierungsspule eingeprägt werden. Zitatliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: japanische offen gelegte Patentanmeldung mit der Nummer 9-127218
Patentliteratur 2: offen gelegte japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2000-180521

Überblick
Technisches Problem
Die in Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2 offenbarten Magnetfeld-Erfassungssensoren sind jedoch nicht in der Lage, eine sehr empfindliche Messung durchzuführen, sofern nicht eine AC-Vorspannung mit einem Pegel angelegt wird, bei welchem die Steigung der Impedanz steil wird (bis zu ±400 A/n in 5, die in Patentliteratur 2 offenbart ist), da die Impedanz, die von der Magnetfeld des MI-Elements abhängt, sich in M-Form ändert. Dadurch wird die Stromaufnahme erhöht. In ähnlicher Weise erfordert eine Vorgehensweise zur Anlegung einer DC-Vorspannung bei einem Pegel, an welchem die Steigung der Impedanzänderung steil wird, einen größeren Betrag für die Stromaufnahme.
Da ferner in den M-förmigen Eigenschaften die Hysterese vergrößert ist, wird die Erfassungsgenauigkeit durch die Größe der Hysterese beeinträchtigt. Da ferner das Magnetfeld nur mit hoher Empfindlichkeit innerhalb des Bereichs gemessen werden kann, in welchem eine steile Neigung bzw. Steigung gewährleistet ist, ist nur ein begrenzter Erfassungsbereich verfügbar.
Die vorliegende Erfindung wurde erdacht, um das zuvor beschriebene Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetfeld-Erfassungssensor bereitzustellen, der in der Lage ist, die Stromaufnahme zu verringern, die Erfassungsgenauigkeit zu verbessern und den Erfassungsbereich zu vergrößern.
Lösung des Problems
Ein Magnetfeld-Erfassungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Magnet-Impedanz-Element, das ausgebildet ist, einen Magnet-Impedanz-Effekt auszunutzen; und eine Vormagnetisierungsspule, die ausgebildet ist, ein Vormagnetisierungsfeld an das Magnet-Impedanz-Element anzulegen, wobei der Magnetfeld-Erfassungssensor ausgebildet ist, ein externes Magnetfeld auf der Grundlage eines Ausgangssignals zu erfassen, das erhalten wird, indem ein Wechselstrom an das Magnet-Impedanz-Element angelegt wird, und das Magnet-Impedanz-Element umfasst ein nicht-magnetisches Substrat und eine magnetische Schicht, die auf einer Oberfläche des nicht-magnetischen Substrats vorgesehen ist, wobei eine Magnetfeld-Erfassungsrichtung mit einer Längsrichtung des Magnet-Impedanz-Elements übereinstimmt, und die magnetische Schicht ausgebildet ist, eine magnetische Anisotropie derart aufzuweisen, dass eine Richtung einer Achse mit leichter Magnetisierbarkeit mit der Magnetfeld-Erfassungsrichtung übereinstimmt.
In dem Magnetfeld-Erfassungssensor stimmt die Magnetfeld-Erfassungsrichtung mit der Längsrichtung des Magnet-Impedanz-Elements in dem Magnetfeld-Erfassungssensor überein, und die magnetische Schicht ist mit einer magnetischen Anisotropie derart versehen, dass eine Richtung einer Achse der leichten Magnetisierbarkeit sich entlang der Längsrichtung erstreckt. In dem Magnetfeld-Erfassungssensor können aufgrund der Anpassung der Magnetfeld-Erfassungsrichtung an die Achse der leichten Magnetisierbarkeit der magnetischen Schicht pyramidenförmige Magnet-Impedanz-Eigenschaften erreicht werden. Durch die pyramidenförmigen Magnet-Impedanz-Eigenschaften des Magnetfeld-Erfassungssensors wird eine Anwendung einer DC- oder AC-Vorspannung bei einem Pegel, an welchem die Steigung der Impedanzänderung für die M-förmigen Eigenschaften steil wird, unnötig. Da ferner ein Magnetfeld-Erfassungssensor mit den pyramidenförmigen Eigenschaften eine kleinere Hysterese im Vergleich zu einem Sensor mit den M-förmigen Eigenschaften aufweist, kann die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden. Da ferner die pyramidenförmigen Eigenschaften einen gewissen Grad an Neigung bzw. Steigung über den gesamten Bereich hinweg repräsentieren, kann ein breiterer Erfassungsbereich gewährleistet werden. Der Magnetfeld-Erfassungssensor kann daher die Stromaufnahme reduzieren, die Erfassungsgenauigkeit verbessern und einen breiteren Erfassungsbereich gewährleisten.
Es ist bevorzugt, dass der Magnetfeld-Erfassungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine Oszillatorschaltung, die ausgebildet ist, den Wechselstrom in das Magnet-Impedanz-Element einzuprägen; eine Differenzierschaltung, die ausgebildet ist, ein Ausgangssignal des Magnet-Impedanz, Elements zu differenzieren; und eine Recheneinheit aufweist, die ausgebildet ist, das externe Magnetfeld auf der Grundlage eines Auslösesignals, das von der Differenzierschaltung ausgegeben wird, zu erfassen.
Da der Magnetfeld-Erfassungssensor das externe Magnetfeld auf der Grundlage des Auslösesignals erfasst, das von der Differenzierschaltung ausgegeben wird, kann mittels des Magnetfeld-Erfassungssensors ein Sensor bereitgestellt werden, der im Vergleich mit einem Aufbau, in welchem das externe Magnetfeld auf der Grundlage der Größendifferenz in der Amplitude erfasst wird, und im Vergleich zu einer Konfiguration, in der eine integrierte Schaltung verwendet wird, robuster gegenüber dem Rauschen ist. Der Magnetfeld-Erfassungssensor kann daher die Erfassungsgenauigkeit weiter verbessern.
In dem Magnetfeld-Erfassungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Vormagnetisierungsspule aus einer einzigen Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung aufgebaut ist, die ausgebildet ist, das Vormagnetisierungsfeld und ein Magnetfeld für negative Rückkopplung an das Magnet-Impedanz-Element anzulegen.
In dem Magnetfeld-Erfassungssensor kann der Magnetfeld-Erfassungssensor eine Zunahme der Baugröße und der Kosten im Vergleich zu dem Aufbau vermeiden, in welchem eine Spule für negative Rückkopplung und eine Vormagnetisierungsspule separat vorgesehen sind.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Magnetfeld-Erfassungssensor bereitzustellen, der in der Lage ist, die Stromaufnahme zu reduzieren, die Erfassungsgenauigkeit zu verbessern und einen breiteren Erfassungsbereich sicherzustellen.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1 ist ein Schaltplan, der schematisch einen Magnetfeld-Erfassungssensor gemäß einer Ausführungsform darstellt.
2A ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes Beispiel eines Magnet-Impedanz-Elements und von Strukturen um das Magnet-Impedanz-Element herum gemäß der Ausführungsform detailliert darstellt.
2B ist eine perspektivische Ansicht, die ein zweites Beispiel des Magnet-Impedanz-Elements und der Strukturen um das Magnet-Impedanz-Element herum gemäß der Ausführungsform detailliert darstellt.
3 ist eine Ansicht, die Magnet-Impedanz-Eigenschaften bzw. magnetoresistive Eigenschaften zeigt.
4A ist eine Ansicht, die ein Ausgangssignal aus einem Sensor mit dem Magnet-Impedanz-Element und einen Widerstand gemäß der Ausführungsform darstellt, wenn ein äußeres Magnetfeld 0 [H/m] ist.
4B ist eine Ansicht, die ein Ausgangssignal aus dem Sensor mit dem Magnet-Impedanz-Element und dem Widerstand gemäß der Ausführungsform darstellt, wenn das äußere Magnetfeld negativ ist (zum Beispiel –40 [H/m]).
5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das diverse Signale darstellt, wenn das äußere Magnetfeld 0 [H/m] ist.
6 ist ein Zeitablaufdiagramm, das diverse Signale zeigt, wenn das äußere Magnetfeld positiv ist.
7 ist ein Zeitablaufdiagramm, das diverse Signale zeigt, wenn das äußere Magnetfeld negativ ist.
8 ist eine Ansicht, die eine Korrelation zwischen der Zeit, während ein Signal auf einem HOCH-Pegel ist, und der Größe des äußeren Magnetfeldes darstellt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Es wird nun mit Bezug zu einigen Zeichnungen eine anschauliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
1 ist ein Schaltplan, der schematisch einen Magnetfeld-Erfassungssensor gemäß einer Ausführungsform darstellt. Dieser Magnetfeld-Erfassungssensor 1, der in 1 dargestellt ist und mit einem Magnet-Detektor versehen ist, ist ausgebildet, ein äußeres Magnetfeld (die Richtung, den Azimuth und die Größe des Magnetfeldes) auf der Grundlage eines Ausgangssignals eines Magnet-Impedanz-Elements 12 zu erfassen, in das ein AC-Strom eingeprägt wird, und das beispielsweise als ein Element in einem Stromsensor, einem Azimuth-Sensor, einem Drehmomentsensor oder einem Drehwinkelsensor verwendet wird. Ein derartiger Magnetfeld-Erfassungssensor 1, der als ein Detektor für Magnetismus dient, umfasst eine Oszillatorschaltung 10, das Magnet-Impedanz-Element bzw. magnetoresistive Element 12, einen Widerstand R und eine Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung (Vormagnetisierungsspule) 14.
Die Oszillatorschaltung 10 ist eine Quelle für eine AC-Spannung zur Ansteuerung des Magnet-Impedanz-Elements 12, die beispielsweise einen Kristall-Oszillator aufweist und ausgebildet ist, ein Wechselstromsignal (AC-Spannung) auszugeben. Die von der Oszillatorschaltung 10 ausgegebene AC-Spannung wird an das Magnet-Impedanz-Element 12 angelegt. Das Magnet-Impedanz-Element 12 umfasst einen amorphen Magnetkörper mit null Magnetostriktion oder beispielsweise eine magnetische Dünnschicht und ist geeignet, einen Magnet-Impedanz-Effekt bzw. magnetoresistiven Effekt zu zeigen. Der Magnet-Impedanz-Effekt ist eine Erscheinung, in der sich die Impedanz ändert, wenn ein hochfrequenter Strom zugeführt wird, beispielsweise aufgrund einer Änderung der Eindringtiefe. Dies geschieht, da sich die magnetische Permeabilität bei Einwirkung eines äußeren Magnetfelds deutlich in der Umfangsrichtung ändert. Ein Ende des Magnet-Impedanz-Elements 12 ist mit der Oszillatorschaltung 10 verbunden, und das andere Ende ist mit einem Ende des Widerstands R verbunden. Das andere Ende des Widerstands R ist geerdet.
Die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 ist eine Spule, die um das Magnet-Impedanz-Element 12 herumgewickelt ist. Die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 muss jedoch nicht um das Magnet-Impedanz-Element 12, das als ein Kern dient, herumgewickelt sein, solange die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 in der Lage ist, ein Vormagnetisierungsfeld an das Magnet-Impedanz-Element 12 anzulegen. In dem zuvor beschriebenen Beispiel sind ferner das Magnet-Impedanz-Element 12 und der Widerstand R als eine Halbbrücke ausgebildet, aber die Schaltung kann die Konfiguration einer Vollbrücke mit drei Widerständen haben, und ist nicht auf die Konfiguration der Halbbrücke beschränkt.
2A und 2B sind perspektivische Ansichten, die das Magnet-Impedanz-Element 12 gemäß der Ausführungsform und die Strukturen um das Magnet-Impedanz-Element 12 herum detailliert darstellen. 2A zeigt ein erstes Beispiel und 2B zeigt ein zweites Beispiel. Wie in 2A dargestellt ist, weist das Magnet-Impedanz-Element 12 ein nicht-magnetisches Substrat 12a, eine magnetische Dünnschicht (magnetische Schicht) 12b und Elektroden 12c und 12d auf.
Das nicht-magnetische Substrat 12a ist ein Substrat, das aus einem nicht-magnetischen Körper hergestellt ist, und ist auf einer Leiterplatte 100 angeordnet. Dieses nicht-magnetische Substrat 12a ist beispielsweise aus Kalziumtitanat, Oxid-Glas, Titandioxid oder Aluminiumoxid hergestellt und hat in der Ausführungsform eine im Wesentlichen würfelförmige Gestalt.
Die magnetische Dünnschicht 12b ist eine magnetische Metallschicht mit hoher magnetischer Permeabilität, die an einer Oberfläche des nicht-magnetischen Substrats 12a gegenüberliegend zu einer Oberfläche angeordnet ist, auf der die Leiterplatte 100 angeordnet ist, und hat eine meanderförmige Gestalt (Serpentinenform) in einer Draufsicht, wie in 2A dargestellt ist. Genauer gesagt, die magnetische Dünnschicht 12b hat die Gestalt eines rechteckigen Verlaufs, wobei sich sein Anstieg und Abfall in der Längsrichtung des nicht-magnetischen Substrats 12a erstrecken, das eine im Wesentlichen würfelförmige Gestalt hat.
Die magnetische Dünnschicht 12b ist so gebildet, dass sie eine magnetische Anisotropie derart aufweist, dass eine Richtung für eine Achse mit leichter Magnetisierbarkeit zu der Längsrichtung der magnetischen Dünnschicht 12b auf der Schichtoberfläche ausgerichtet ist, und dass die gesamte Richtung der Achse mit leichter Magnetisierbarkeit der magnetischen Dünnschicht 12d zu der Längsrichtung des nicht-magnetischen Substrats 12a ausgerichtet ist. Die Richtung der Achse mit leichter Magnetisierbarkeit bedeutet hierin die Orientierung eines Kristalls, in der die magnetische Dünnschicht (magnetische Körper) 12b, die eine Anisotropie aufweist, leicht magnetisiert werden kann.
Die Elektroden 12c und 12d sind an der Oberfläche des nicht-magnetischen Substrats 12a an jeweiligen Enden der magnetischen Dünnschicht 12b vorgesehen. Die Elektroden 12c und 12d sind mit entsprechenden Elektroden 100a und 100b, die auf der Leiterplatte 100 vorgesehen sind, durch Bond-Drähte verbunden. Die Elektroden 100a und 100b, die auf der Leiterplatte 100 vorgesehen sind, sind entsprechend mit der Oszillatorschaltung 10 und dem Widerstand R verbunden, die in 1 gezeigt sind.
Die Leiterplatte 100 weist auch einen Einschnitt 100c auf jeder Seite des Magnet-Impedanz-Elements 12 in der Breitenrichtung in einer Weise auf, dass er zu dem Magnet-Impedanz-Element 12 einen Spalt bildet, wie in 2A dargestellt ist. Die Einschnitte 100c erstrecken sich von einem Ende der Leiterplatte 100 in Richtung in die Nähe der Mitte der Leiterplatte 100.
Die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 ist um das Magnet-Impedanz-Element 12 mittels der Einschnitte 100c der Leiterplatte 100 gewickelt. Die Richtung der Spulenachse der Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 ist daher an die Längsrichtung des nicht-magnetischen Substrats 12a angepasst, und daher stimmt die Magnetfeld-Erfassungsrichtung mit der Längsrichtung des Magnet-Impedanz-Elements 12 über ein. Da die Richtung der Achse für leichte Magnetisierbarkeit zu der Längsrichtung des nicht-magnetischen Substrats 12a ausgerichtet ist, wie zuvor erwähnt ist, kann man sagen, dass die magnetische Dünnschicht 12b mit einer magnetischen Anisotropie derart versehen ist, dass eine Achse der leichten Magnetisierbarkeit mit der Magnetfeld-Erfassungsrichtung übereinstimmt.
Die magnetische Dünnschicht 12b kann auf der Rückseite des nicht-magnetischen Substrats 12a vorgesehen sein, d. h., auf der Oberfläche, auf der die Leiterplatte 100 angeordnet ist, wie in 2B dargestellt ist. In einer derartigen Anordnung sind die Elektroden 12c und 12d an jeweiligen Enden der magnetischen Dünnschicht 12b auf der hinteren Oberfläche des nicht-magnetischen Substrats 12a vorgesehen. Die Elektroden 100a und 100b sind ebenfalls auf der Seite der Leiterplatte 100, die der Rückseite des nicht-magnetischen Substrats 12a zugewandt ist, vorgesehen.
Es sei wieder auf 1 zurückverwiesen, wobei der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 auch einen Instrumentenverstärker 16, einen ersten Verstärker 18, eine erste Differenzierschaltung 20, einen zweiten Verstärker 22, eine zweite Differenzierschaltung 24, einen Komparator 26, eine Flip-Flop-Schaltung 28 und einen Mikro-Computer (Recheneinheit) 30 zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Einheiten aufweist, und diese Einheiten sind der Reihe nach in der hier aufgeführten Reihenfolge miteinander verbunden.
Der Instrumentenverstärker 16 empfängt als Eingangssignal ein Ausgangssignal aus der Halbbrückenschaltung, die das Magnet-Impedanz-Element 12 und den Widerstand R aufweist. Der erste Verstärker 18 ist dahinter mit dem Instrumentenverstärker 16 verbunden. Die Ausgangsspannung aus der Halbbrückenschaltung wird von dem Instrumentenverstärker 16 und dem ersten Verstärker 18 verstärkt und anschließend der ersten Differenzierschaltung 20 eingespeist.
Die erste Differenzierschaltung 20 ist ausgebildet, einen Punkt der Änderung der Spannung, die von dem Instrumentenverstärker 16 und dem ersten Verstärker 18 verstärkt ist, zu erfassen. Die erste Differenzierschaltung 20 gibt den Punkt der Änderung der Ausgangsspannung aus der Halbbrückenschaltung als ein Auslösesignal bzw. Trigger-Signal aus. Der zweite Verstärker 22 verstärkt dann das Ausgangssignal aus der ersten Differenzierschaltung 20. Die zweite Differenzierschaltung 24 ist ausgebildet, einen Änderungspunkt der von dem zweiten Verstärker 22 verstärkten Spannung zu erfassen. Der zweite Verstärker 22 und die zweite Differenzierschaltung 24 bewirken, dass das Auslösesignal in einer ausgeprägteren Form ausgegeben wird. Obwohl der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 gemäß der Ausführungsform mit der ersten Differenzierschaltung 20 zum Differenzieren des Ausgangssignals des Magnet-Impedanz-Elements 12, dem zweiten Verstärker 22 und der zweiten Differenzierschaltung 24 zum Differenzieren des Ausgangssignals des Magnet-Impedanz-Elements 12 versehen ist, kann alternativ der Magnetfeld-Erfassungssensor mit einer einzelnen Differenzierschaltung zum Differenzieren des Ausgangssignals des Magnet-Impedanz-Elements 12 versehen sein.
Das von der zweiten Differenzierschaltung 24 ausgegebene Auslösesignal wird dem Komparator 26 eingespeist. Die Flip-Flop-Schaltung 28 gibt ein HOCH-Pegel-Signal und ein TIEF-Pegelsignal auf der Grundlage des Auslösesignals aus. Der Mikro-Computer 30 erfasst dann die Zeit für HOCH und TIEF. Der Zeitverlauf für HOCH und TIEF gibt das äußere Magnetfeld wieder, wie nachfolgend bei der Beschreibung der Funktionsweise erläutert wird. Der Mikro-Computer 30 erfasst daher das äußere Magnetfeld auf der Grundlage des Zeitverlaufs von HOCH und TIEF. Als die Flip-Flop-Schaltung 28 wird eine J-K-Flip-Flop-Schaltung verwendet.
Der Mikro-Computer 30 erzeugt ferner eine Pulsspannung, um ein Vormagnetisierungsfeld an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 anzulegen. Der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 weist einen Filter 32 und einen dritten Verstärker 34 auf. Der Filter 32 wandelt den von dem Mikro-Computer 30 ausgegebenen Puls in ein Dreieckssignal um, und das von dem Filter 32 ausgegebene Dreieckssignal wird als eine AC-Vorspannung an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 über den dritten Verstärker 34 angelegt. Auf diese Weise wird das Vormagnetisierungsfeld an das Magnet-Impedanz-Element 12 angelegt.
Der Mikro-Computer 30 gibt ferner ein Signal (Signal für negative Rückkopplung) zum Anlegen eines Magnetfeldes in einer Richtung entgegengesetzt zu dem erfassten äußeren Magnetfeld an das Magnet-Impedanz-Element 12 aus. Der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 weist einen Ausgangsverstärker für hohen Strom 36 und einen Addierer 38 auf. Der Ausgangsverstärker für großen Strom 36 verstärkt das Signal für negative Rückkopplung, das von dem Mikro-Computer 30 ausgegeben wird. Der Addierer 38 ist zwischen dem Filter 32 und dem dritten Verstärker 34 angeordnet und summiert das Dreieckssignal, das von dem Filter 32 ausgegeben wird, und das Signal für negative Rückkopplung, das von dem Ausgangsverstärker für großen Strom 36 verstärkt ist. Auf diese Weise werden die Vorspannung und die Spannung für negative Rückkopplung der Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 über den dritten Verstärker 34 zugeleitet.
Da, wie zuvor beschrieben ist, der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 gemäß der Ausführungsform eine Vormagnetisierung und eine negative Rückkopplung in einer einzelnen Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 einrichtet, kann der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 eine Zunahme in Baugröße und Kosten im Vergleich mit einem Aufbau vermeiden, in welchem eine Spule für negative Rückkopplung und eine Vormagnetisierungsspule separat vorgesehen sind.
Es werden nun eine Funktion, eine Betriebsweise und dergleichen des Magnetfeld-Erfassungssensors 1 gemäß der Ausführungsform erläutert. Durch Anpassen der Magnetfeld-Erfassungsrichtung an die Achse der leichten Magnetisierbarkeit der magnetischen Dünnschicht 12b können pyramidenförmige Magnet-Impedanz-Eigenschaften erreicht werden.
3 ist ein Diagramm, das Magnet-Impedanz-Eigenschaften darstellt. In 3 repräsentieren die durchgezogenen Linien die Eigenschaften gemäß der Ausführungsform, und die gepunkteten Linien repräsentieren konventionelle Eigenschaften. In 3 repräsentiert die horizontale Achse ein Magnetfeld H [Oe], und die vertikale Achse repräsentiert eine Impedanz Z [Ohm]. Wie durch die gepunkteten Linien in 3 angegeben ist, entspricht die Form der konventionellen Magnet-Impedanz-Eigenschaften einer M-Form. Bei den M-förmigen Eigenschaften ist die Änderung der Impedanz bei einem äußeren Magnetfeld in der Nähe von 0 [Oe] äußerst gering. Daher ist eine sehr empfindliche Messung konventioneller Weise nicht möglich, sofern nicht die AC-Vorspannung an einem Pegel erfolgt, an welchem die Steigung der Impedanzänderung steil ist (4 [Oe] bis 8 [Oe]). Folglich erhöht sich die Stromaufnahme. Eine Maßnahme zum Anlegen einer DC-Vorspannung bei einem Pegel, bei welchem die Steigung der Impedanzänderung steil ist, erfordert ebenfalls eine erhöhte Stromaufnahme.
Ferner wird bei den M-förmigen Eigenschaften die Hysterese vergrößert, bei der die Impedanzänderungen mit großer Steigung erfolgen, wie in 3 dargestellt ist, und die Erfassungsgenauigkeit verschlechtert sich entsprechend der Größe der Hysterese. Ferner ist die äußerst empfindliche Magnetfeldmessung nur in dem Bereich möglich, in welchem die Impedanzänderungen eine steile Steigung aufweisen. Daher ist nur ein begrenzter Erfassungsbereich verfügbar.
Im Gegensatz dazu werden in der Ausführungsform pyramidenförmige Magnet-Impedanz-Eigenschaften erreicht, indem die Magnetfeld-Erfassungsrichtung und die Achse der leichten Magnetisierbarkeit der magnetischeb Dünnschicht 12b zueinander ausgerichtet sind. In den pyramidenförmigen Eigenschaften, wie in 3 dargestellt ist, wird ein gewisser Betrag an Impedanzänderung selbst in der Nähe eines äußeren magnetischen Feldes von 0 [Oe] gewährleistet. Anders ausgedrückt, die Eigenschaften repräsentieren eine gewisse Steigung selbst in der Nähe von 0 [Oe]. Daher wird das Anlegen einer DC- oder AC-Vorspannung bei einem Pegel, bei welchem die Steigung der Impedanzänderung steil ist, wie dies für die M-förmigen Eigenschaften erforderlich ist, unnötig und die Leistungsaufnahme kann verringert werden.
Ferner zeigen die pyramidenförmigen Eigenschaften generell eine kleinere Hysterese im Vergleich zu einem Teil der M-förmigen Eigenschaften, in welchem die Impedanzänderung steil verläuft. Daher kann durch die pyramidenförmigen Eigenschaften die Erfassungsgenauigkeit im Vergleich zu den M-förmigen Eigenschaften verbessert werden. Da ferner die pyramidenförmigen Eigenschaften einen gewissen Grad an Steigung über den gesamten Bereich hinweg repräsentieren, kann ein breiterer Erfassungsbereich gewährleistet werden.
4A und 4B sind Ansichten, die Ausgangssignale eines Sensors mit dem Magnet-Impedanz-Element 12 und dem Widerstand R gemäß der Ausführungsform zeigen. 4A zeigt ein Beispiel, in welchem das äußere Magnetfeld 0 [H/m] ist, und 4B zeigt ein Beispiel, in welchem das äußere Magnetfeld negativ ist (beispielsweise –40 [H/m]). In 4A und 4B repräsentiert die horizontale Achse die Größe (H [A/m] des Magnetfeldes und die vertikale Achse repräsentiert die Impedanz Z [Ω].
Wie in 4A dargestellt ist, schwingt die AC-Vorspannung bi-symmetrisch in Bezug auf den Scheitelpunkt der Pyramide (bi-symmetrisch in 4), da der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 gemäß der Ausführungsform pyramidenförmige Magnet-Impedanz-Eigenschaften zeigt, wenn das äußere Magnetfeld 0 [H/m] ist, und eine Frequenz der Impedanzänderung, die von dem Sensor entsprechend der AC-Vorspannung ausgegeben wird, wird zum doppelten der AC-Vorspannungsfrequenz.
Genauer gesagt, der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 zeigt eine Impedanz Z₁ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Ta1, und eine Impedanz Z₂ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Ta2. Der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 zeigt auch die Impedanz Z₁ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Ta3, zeigt die Impedanz Z₂ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Ta4 und zeigt die Impedanz Z₁ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Ta5. Auf diese Weise ergibt sich die Frequenz des Sensorausgangs als das Doppelte der AC-Vorspannungsfrequenz.
Wenn andererseits das äußere Magnetfeld negativ ist, wird die Mitte der AC-Vorspannungsschwingung von dem Scheitelpunkt der Pyramide verschoben, wie in 4B dargestellt ist, und das Sensorausgangssignal ändert sich entsprechend.
Genauer erläutert, der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 zeigt eine Impedanz Z₃ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Tb1, und zeigt die Impedanz Z₁ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Tb2. Der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 zeigt eine Impedanz Z₄ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Tb3, zeigt die Impedanz Z₁ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Tb4 und zeigt die Impedanz Z₃ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Tb5. Der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 zeigt die Impedanz Z₅ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Tb6 und zeigt die Impedanz Z₃ in Bezug auf die AC-Vorspannung zum Zeitpunkt Tb7.
Wenn das äußere Magnetfeld negativ ist, hat auf diese Weise das Sensorausgangssignal eine unterschiedliche Form im Vergleich dazu, wenn das äußere Magnetfeld 0 [H/m] ist, und das Sensorausgangssignal nimmt zwei maximale Werte und zwei minimale Werte an. Diese maximalen Werte und minimalen Werte werden als das Auslösesignal in der ersten Differenzierschaltung 20, dem zweiten Verstärker 22 und der zweiten Differenzierschaltung 24 verwendet, wie später erläutert ist. Mit Bezug zu 4B ist ein Beispiel erläutert, in welchem das äußere Magnetfeld negativ ist, aber das gleiche gilt auch, wenn das äußere Magnetfeld positiv ist mit der Ausnahme, dass die Mitte der AC-Vorspannung in der entgegengesetzten Richtung verschoben ist.
5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das diverse Signale darstellt, wenn das äußere Magnetfeld 0 [H/m] ist. In den Zeitabläufen, die in 5 und 6 und 7, die nachfolgend erläutert sind, dargestellt sind, repräsentiert die horizontale Achse die Zeitachse [t] und die vertikale Achse repräsentiert der Reihe nach von oben nach unten „die von dem Mikro-Computer an den Filter ausgegebene Pulsspannung”, „die AC-Vorspannung, die an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung angelegt wird”, „das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung”, „das Ausgangssignal der zweiten Differenzierschaltung” und „das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung” [V]. In der nachfolgenden Erläuterung wird „die von dem Mikro-Computer an den Filter ausgegebene Spannung” manchmal als eine erste Zeile bezeichnet, und „die an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung angelegte AC-Vorspannung wird manchmal als eine zweite Zeile bezeichnet. „Das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung” wird manchmal als eine dritte Zeile bezeichnet, „das Ausgangssignal der zweiten Differenzierschaltung” wird gelegentlich als eine vierte Zeile bezeichnet und „das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung” wird gelegentlich als eine fünfte Zeile bezeichnet.
Wie in der ersten Zeile in 5 angegeben ist, gibt der Mikro-Computer 30 ein Signal mit einer vorbestimmten Frequenz (AC-Vorspannungsfrequenz f₀) aus. Insbesondere steigt das Frequenzsignal zum Zeitpunkt t₁₀ an, fällt zum Zeitpunkt t₂₀ ab, steigt zum Zeitpunkt t₃₀ an, fällt zum Zeitpunkt t₄₀ ab und steigt zum Zeitpunkt t₅₀ an. Das Signal mit einer derartigen Frequenz wird durch den Filter 32 in ein Dreieckssignal umgewandelt, und wird von den dritten Verstärker 34 verstärkt, und es wird die AC-Vorspannung, die in der zweiten Zeile in 5 angegeben ist, erzeugt. Diese AC-Vorspannung nimmt zu dem Zeitpunkt t₁₀ den maximalen Wert an, nimmt zum Zeitpunkt t₂₀ den minimalen Wert an, nimmt zum Zeitpunkt t₃₀ den maximalen Wert an, nimmt zum Zeitpunkt t₄₀ den minimalen Wert an und nimmt zum Zeitpunkt t₅₀ den maximalen Wert an. Eine derartige AC-Vorspannung wird an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 angelegt, und es wird ein Wechselstrom-Magnetfeld an das Magnet-Impedanz-Element 12 angelegt.
Wenn die zuvor beschriebene Vorspannung an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 angelegt wird, wobei angenommen ist, dass das äußere Magnetfeld 0 [H/m] ist, liegt das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung beim Zweifachen der AC-Vorspannungsfrequenz, wie mit Bezug zu 4A erläutert ist. Insbesondere nimmt das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung den minimalen Wert zum Zeitpunkt t₁₀, t₂₀, t₃₀, t₄₀ und t₅₀ an, wie in der dritten Zeile in 5 angegeben ist. Das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung nimmt den maximalen Wert an am Zeitpunkt t₆₀, der zwischen dem Zeitpunkt t₁₀ und dem Zeitpunkt t₂₀ liegt, am Zeitpunkt t₇₀, der zwischen dem Zeitpunkt t₂₀ und dem Zeitpunkt t₃₀ liegt, am Zeitpunkt t₈₀, der zwischen dem Zeitpunkt t₃₀ und dem Zeitpunkt t₄₀ liegt, und am Zeitpunkt t₉₀, der zwischen dem Zeitpunkt t₄₀ und dem Zeitpunkt t₅₀ liegt.
Das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung wird dann mittels der ersten Differenzierschaltung 20, dem zweiten Verstärker 22 und der zweiten Differenzierschaltung 24 in ein Auslösesignal umgewandelt. Insbesondere wird das Auslösesignal entsprechend dem maximalen Wert und dem minimalen Wert des Ausgangssignals der Halbbrückenschaltung ausgegeben, wie dies in der vierten Zeile in 5 angegeben ist. Anders ausgedrückt, das Auslösesignal wird zum Zeitpunkt t₁₀, t₂₀, t₃₀, t₄₀, t₅₀, t₆₀, t₇₀, t₈₀ und t₉₀ gewonnen. Das Auslösesignal nimmt die Form eines Auslösesignals auf der positiven Seite zum Zeitpunkt t₁₀, t₂₀, t₃₀, t₄₀ und t₅₀ an, und nimmt zum Zeitpunkt t₅₀, t₇₀, t₈₀ und t₉₀ eine Auslösesignal auf der negativen Seite an.
Die Flip-Flop-Schaltung 28, die ein derartiges Auslösesignal erhält, gibt fortlaufend ein HOCH-Pegel-Signal während der Zeit aus, in der das Auslösesignal auf der negativen Seite liegt. Die Dauer des negativen Auslösesignals, d. h., die Zeit T, in der das HOCH-Pegel-Signal ausgegeben wird, ändert sich in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld. Der Mikro-Computer 30 erfasst daher das äußere Magnetfeld auf der Grundlage der Zeitdauer T, während welcher das Signal auf dem HOCH-Pegel liegt. In dem in 5 dargestellten Beispiel beträgt die Zeit T = 1/2f₀, und daher erkennt der Mikro-Computer 30, dass das äußere Magnetfeld 0 [H/m] ist.
6 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die diversen Signale darstellt, wenn das äußere Magnetfeld positiv ist.
Zunächst gibt, wie in der ersten Zeile in 6 dargestellt ist, der Mikro-Computer 30 ein Signal mit einer vorbestimmten Frequenz (AC-Vorspannungsfrequenz f₀) aus. Dieses Signal ist das gleiche, das in der ersten Zeile in 5 dargestellt ist, und steigt zum Zeitpunkt t₁₊ an, fällt zum Zeitpunkt t₂₊ ab, steigt zum Zeitpunkt t₃₊ an, fällt zum Zeitpunkt t₄₊ ab, und steigt zum Zeitpunkt t₅₊ an. Das Signal, das eine derartige Frequenz aufweist, wird von dem Filter 32 in ein Dreieckssignal umgewandelt und von dem dritten Verstärker 34 verstärkt, und die AC-Vorspannung, die in der zweiten Zeile in 6 angegeben ist, wird dadurch erzeugt. Diese AC-Vorspannung ist die gleiche wie die in der zweiten Zeile in 5 dargestellte Vorspannung und nimmt den maximalen Wert zum Zeitpunkt t₁₊ an, nimmt den minimalen Wert zum Zeitpunkt t₂₊ an, nimmt den maximalen Wert zum Zeitpunkt t₃₊ an, nimmt den minimalen Wert zum Zeitpunkt t₄₊ an, und nimmt den maximalen Wert zum Zeitpunkt t₅₊ an. Eine derartige AC-Vorspannung wird der Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 zugeleitet und es wird ein Wechselstrom-Magnetfeld an das Magnet-Impedanz-Element 12 angelegt.
Wenn die zuvor beschriebene Vorspannung an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 angelegt wird, ist das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung unter der Annahme, dass das äußere Magnetfeld positiv ist, gleich dem Ausgangssignal, das in 4B dargestellt ist, ist aber in der positiven Richtung dazu verschoben. Insbesondere nimmt das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung den minimalen Wert zum Zeitpunkt t₁₊, t₂₊, t₃₊, t₄₊ und t₅₊ an, wie in der dritten Zeile in 6 angegeben ist. Das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung nimmt den maximalen Wert an zum Zeitpunkt t₆₊, der zwischen dem Zeitpunkt t₁₊ und dem Zeitpunkt t₂₊ liegt, zu dem Zeitpunkt t₇₊, der zwischen dem Zeitpunkt t₂₊ und dem Zeitpunkt t₂₊ liegt, zu dem Zeitpunkt t₈₊, der zwischen dem Zeitpunkt t₃₊ und dem Zeitpunkt t₄₊ liegt, und zu dem Zeitpunkt t₉₊, der zwischen dem Zeitpunkt t₄₊ und dem Zeitpunkt t₅₊ liegt.
Der Zeitpunkt t₆₊ und der Zeitpunkt t₇₊, die dem maximalen Wert entsprechen, liegen in der Nähe des Zeitpunkts t₂₊, und der Zeitpunkt t₈₊ und der Zeitpunkt t₉₊ liegen in der Nähe des Zeitpunkts t₄₊.
Das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung wird dann mittels der ersten Differenzierschaltung 20, dem zweiten Verstärker 22 und der zweiten Differenzierschaltung 24 in ein Auslösesignal umgewandelt. Insbesondere wird ein Auslösesignal entsprechend den maximalen Werten und den minimalen Werten des Ausgangssignals der Halbbrückenschaltung ausgegeben, wie dies in der vierten Zeile in 6 angegeben ist. Anders ausgedrückt, das Auslösesignal wird zu dem Zeitpunkt t₁₊, t₂₊, t₃₊, t₄₊, t₅₊, t₆₊, t₇₊, t₈₊ und t₉₊ gewonnen. Das Auslösesignal nimmt die Form eines positiven Auslösesignals im Zeitpunkt t₁₊, t₂₊, t₃₊, t₄₊ und t₅₊ an, und nimmt die Form eines negativen Auslösesignals im Zeitpunkt t₆₊, t₇₊, t₈₊ und t₉₊ an.
Die Flip-Flop-Schaltung 28, die ein derartiges Auslösesignal erhält, gibt fortlaufend ein HOCH-Pegel-Signal während der Zeit aus, in der das Auslösesignal negativ ist. Unter der Annahme, dass das äußere Magnetfeld positiv ist, liegen der Zeitpunkt t₆₊ und der Zeitpunkt t₇₊, an denen das Auslösesignal mit negativem Vorzeichen erzeugt wird, jeweils in der Nähe des Zeitpunkts t₂₊, und der Zeitpunkt t₈₊ und der Zeitpunkt t₉₊ liegen in der Nähe des Zeitpunkts t₄₊. Daher wird die Zeit T, während welcher das Signal auf dem HOCH-Pegel liegt, länger als in dem in 5 gezeigten Beispiel. Der Mikro-Computer 30 erfasst daher das äußere Magnetfeld auf der Grundlage der Zeitdauer T, während welcher das Signal auf HOCH-Pegel liegt. In dem in 6 dargestellten Beispiel beträgt die Zeit T > 1/2f₀, und daher erkennt der Mikro-Computer 30, dass das äußere Magnetfeld positiv ist.
7 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die diversen Signale darstellt, wenn das äußere Magnetfeld negativ ist.
Zunächst gibt, wie in der ersten Zeile in 7 angegeben ist, der Mikro-Computer 30 ein Signal mit einer vorbestimmten Frequenz (AC-Vorspannungsfrequenz f₀) aus. Dieses Signal ist das gleiche, das in der ersten Zeile in 5 dargestellt ist, und steigt zum Zeitpunkt t_1– an, fällt zum Zeitpunkt t_2– ab, steigt zum Zeitpunkt t_3– an, fällt zum Zeitpunkt t₄₊ ab und steigt zum Zeitpunkt t_5– an. Das Signal, das eine derartige Frequenz besitzt, wird durch den Filter 32 in ein Dreieckssignal umgewandelt, und wird von dem dritten Verstärker 34 verstärkt, und es wird die AC-Vorspannung, die in der zweiten Zeile in 7 angegeben ist, erzeugt. Diese AC-Vorspannung ist die gleiche, die in der zweiten Zeile in 5 dargestellt ist, und nimmt den maximalen Wert zum Zeitpunkt t_1– an, nimmt den minimalen Wert zum Zeitpunkt t_2– an, nimmt den maximalen Wert zum Zeitpunkt t_3– ein, nimmt den minimalen Wert am Zeitpunkt t_4– und nimmt den maximalen Wert am Zeitpunkt t_5– an. Ein derartiges AC-Vorspannungssignal wird an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 angelegt, und es wird ein Wechselstrom-Magnetfeld an das Magnet-Impedanz-Element 12 angelegt.
Wenn die zuvor beschriebene Vorspannung an die Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 unter der Annahme, dass das äußere Magnetfeld negativ ist, angelegt wird, ist das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung gleich dem, das mit Bezug zu 4B erläutert ist. Insbesondere nimmt das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung den minimalen Wert im Zeitpunkt t_1–, t_2–, t_3–, t_4– und t_5– an, wie in der dritten Zeile in 7 angegeben ist. Das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung nimmt den maximalen Wert an im Zeitpunkt t_6–, der zwischen dem Zeitpunkt 0 und dem Zeitpunkt t_1– liegt, im Zeitpunkt t_7–, der zwischen dem Zeitpunkt t_1– und dem Zeitpunkt t_2– liegt, im Zeitpunkt t_8–, der zwischen dem Zeitpunkt t_2– und dem Zeitpunkt t_3– liegt, im Zeitpunkt t_9–, der zwischen dem Zeitpunkt t_3– und dem Zeitpunkt t_4– liegt, im Zeitpunkt t_10–, der zwischen dem Zeitpunkt t_4– und dem Zeitpunkt t_5– liegt, und im Zeitpunkt t_11–, der auf den Zeitpunkt t_5– folgt.
Der Zeitpunkt t_6– und der Zeitpunkt t_7–, die dem maximalen Wert entsprechen, liegen in der Nähe des Zeitpunkts t_1–, und der Zeitpunkt t_8– und der Zeitpunkt t_9– liegen ebenfalls in der Nähe des Zeitpunkts t_3–. Der Zeitpunkt t_10– und der Zeitpunkt t_11– liegen ebenfalls in der Nähe des Zeitpunkts t_5–.
Das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung wird dann mittels der ersten Differenzierschaltung 20, dem zweiten Verstärker 22 und der zweiten Differenzierschaltung 24 in ein Auslösesignal umgewandelt. Insbesondere wird das Auslösesignal entsprechend den maximalen Werten und minimalen Werten des Ausgangssignals der Halbbrückenschaltung ausgegeben, wie in der vierten Zeile in 7 angegeben ist. Anders ausgedrückt, das Auslösesignal wird zum Zeitpunkt t_1–, t_2–, t_3–, t_4–, t_5–, t_6–, t_7–, t_8–, t_9–, t_10– und t_11– gewonnen. Das Auslösesignal wird zu einem positiven Auslösesignal zum Zeitpunkt t_1–, t_2–, t_3–, t_4– und t_5–, und wird zu einem negativen Auslösesignal zum Zeitpunkt t_6–, t_7–, t_8–, t_9–, t_10– und t_11–.
Die Flip-Flop-Schaltung 28, die ein derartiges Auslösesignal empfängt, gibt fortdauernd ein HOCH-Pegel-Signal während der Zeit aus, in der das Auslösesignal negativ ist. Wenn das äußere Magnetfeld negativ ist, liegen der Zeitpunkt t_6– und der Zeitpunkt t_7–, an welchem das negative Auslösesignal erzeugt wird, jeweils nahe an dem Zeitpunkt t_1–, und der Zeitpunkt t_8– und der Zeitpunkt t_9– liegen ebenfalls in der Nähe des Zeitpunkts t_3–. Der Zeitpunkt t_10– und der Zeitpunkt t_11– liegen ebenfalls in der Nähe des Zeitpunkts t_5–. Die Zeitdauer T, während welcher das Signal auf HOCH-Pegel liegt, wird daher kürzer als in dem in 5 gezeigten Beispiel. Der Mikro-Computer 30 erfasst daher das äußere Magnetfeld auf der Grundlage der Zeitdauer T, während welcher das Signal auf dem HOCH-Pegel liegt. In dem in 5 dargestellten Beispiel gilt für die Zeit T < 1/2f₀, und daher erkennt der Mikro-Computer 30, dass das äußere Magnetfeld negativ ist.
In den zuvor beschriebenen Beispiel ist es bevorzugt für den Mikro-Computer 30, dass er ein RÜCKSETZ bzw. RESET-Signal an die Flip-Flop-Schaltung 28 beim Abfall der AC-Vorspannungsfrequenz f₀ (an dem Zeitpunkt, der durch die Sternmarkierung in 5 bis 7 angegeben ist) sendet, und es ist für den Mikro-Computer 30 bevorzugt, dass er das äußere Magnetfeld auf der Grundlage der Zeitdauer T, die dem ersten HOCH-Pegel-Signal nach dem RÜCKSETZ bzw. RESET-Signal entspricht, erfasst. Auf diese Weise ist es möglich, auf eine Situation zu reagieren, in der die zweite Differenzierschaltung 24 nicht in der Lage ist, ein Auslösesignal in genauer Weise auszugeben.
8 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen der Zeitdauer T, während welcher das Signal auf HOCH-Pegel ist, und der Größe des äußeren Magnetfeldes darstellt. In dieser Ausführungsform kann der Mikro-Computer 30 nicht nur die Richtung (positiv, negativ), sondern auch die Größe des äußeren Magnetfeldes erfassen, indem die in 8 dargestellten Daten im Voraus gespeichert werden.
Wie zuvor beschrieben ist, ist in dem Magnetfeld-Erfassungssensor 1 gemäß der Ausführungsform die Längsrichtung des Magnet-Impedanz-Elements 12 an die Magnetfeld-Erfassungsrichtung angepasst, und das Magnet-Impedanz-Element 12 ist so ausgebildet, dass es eine magnetische Anisotropie derart aufweist, dass eine Achse der leichten Magnetisierbarkeit der magnetischen Dünnschicht 12b mit der Längsrichtung übereinstimmt. Durch die Angleichung der Richtung der Magnetfeld-Erfassungsrichtung und der Achse der leichten Magnetisierbarkeit der magnetischen Dünnschicht 12b in dem Magnetfeld-Erfassungssensor 1 können pyramidenförmige Magnet-Impedanz-Eigenschaften erreicht werden. Durch das Erreichen der pyramidenförmigen Magnet-Impedanz-Eigenschaften in dem Magnetfeld-Erfassungssensor 1 wird das Anlegen einer DC- oder AC-Vorspannung bei einem Pegel, an welchem die Steigung der Impedanzänderung steil wird, wie dies in einem Sensor mit M-förmigen Eigenschaften erforderlich gewesen ist, unnötig. Da ferner der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 mit den pyramidenförmigen Eigenschaften eine kleinere Hysterese als ein Sensor mit den M-förmigen Eigenschaften zeigt, kann ferner die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden. Da ferner die pyramidenförmigen Eigenschaften einen gewissen Grad an Neigung bzw. Steigung über den gesamten Bereich hinweg aufweisen, kann ein breiterer Erfassungsbereich gewährleistet werden. Daher können in dem Magnetfeld-Erfassungssensor 1 die Stromaufnahme reduziert, die Erfassungsgenauigkeit verbessert und ein breiterer Erfassungsbereich erreicht werden.
Da ferner der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 das äußere Magnetfeld auf der Grundlage des Auslösesignals erfasst, das von der zweiten Differenzierschaltung 24 ausgegeben wird, kann ein Sensor mit höherer Robustheit gegenüber dem Rauschen im Vergleich zu einer Konfiguration, in der das äußere Magnetfeld auf der Grundlage der Differenz der Amplitude erfasst wird, und im Vergleich zu der Konfiguration, in der eine integrierte Schaltung verwendet wird, bereitgestellt werden. In dem Magnetfeld-Erfassungssensor 1 kann daher die Erfassungsgenauigkeit weiter verbessert werden.
Ferner kann der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 eine Zunahme der Baugröße und der Kosten im Vergleich zu einer Konfiguration, die eine Spule für negative Rückkopplung und eine Vormagnetisierungsspule separat aufweist, vermeiden.
Die vorliegende Erfindung ist zuvor auf der Grundlage einer anschaulichen Ausführungsform erläutert, aber die vorliegende Ausführungsform ist nicht darauf eingeschränkt, und es sind weiterhin Modifizierungen innerhalb des Schutzbereichs möglich, ohne von dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise ist der Magnetfeld-Erfassungssensor 1 gemäß der Ausführungsform mit einer einzelnen Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 versehen, es können aber eine Spule für negative Rückkopplung und eine Vormmagnetisierungsspule separat vorgesehen werden, ohne auf die integrierte Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung 14 beschränkt zu sein.
Ferner hat in der Ausführungsform die magnetische Dünnschicht 12b des Magnet-Impedanz-Elements 12 eine meanderförmige Gestalt (Serpentinenform) in der Draufsicht, sie kann aber auch beispielsweise eine geradlinige Form haben, ohne auf die Meanderform eingeschränkt zu sein.
Ferner erfasst in der Ausführungsform der Mikro-Computer 30 das äußere Magnetfeld auf der Grundlage der Zeitdauer, in der das HOCH-Pegel-Signal ausgegeben wird, er ist aber nicht darauf beschränkt, sondern kann das äußere Magnetfeld auf der Grundlage der Zeitdauer erfassen, die beispielsweise bei der AC-Vorspannungsfrequenz f₀ beginnt, bis zu dem Zeitpunkt des Abfalls des HOCH-Pegel-Signals, da die gleichen Wirkungen dadurch erreicht werden können.
Bezugszeichenliste

1: Magnetfeld-Erfassungssensor
10: Oszillatorschaltung
12: Magnet-Impedanz-Element
12a: nicht-magnetisches Substrat
12b: magnetische Dünnschicht (magnetische Schicht)
12c, 12d: Elektroden
14: Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung (Vormagnetisierungsspule)
16: Instrumentenverstärker
18: erster Verstärker
20: erste Differenzierschaltung
22: zweiter Verstärker
24: zweite Differenzierschaltung
26: Komparator
28: Flip-Flop-Schaltung
30: Mikro-Computer (Recheneinheit)
32: Filter
34: dritter Verstärker
36: Ausgangsverstärker für hohen Strom
38: Addierer
R: Widerstand

Claims

Ein Magnetfeld-Erfassungssensor mit: einem Magnet-Impedanz-Element, das ausgebildet ist, einen Magnet-Impedanz-Effekt auszunutzen; und einer Vormagnetisierungsspule, die ausgebildet ist, ein Vormagnetisierungsfeld an das Magnet-Impedanz-Element anzulegen, wobei der Magnetfeld-Erfassungssensor ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld auf der Grundlage eines Ausgangssignals zu erfassen, das durch Anlegen eines Wechselstroms an das Magnet-Impedanz-Element erhalten wird, und das Magnet-Impedanz-Element ein nicht-magnetisches Substrat und eine magnetische Schicht, die auf einer Oberfläche des nicht-magnetischen Substrats vorgesehen ist, aufweist, wobei eine Magnetfeld-Erfassungsrichtung mit einer Längsrichtung des Magnet-Impedanz-Elements übereinstimmt, und wobei die magnetische Schicht ausgebildet ist, eine magnetische Anisotropie derart aufzuweisen, dass eine Richtung einer Achse einer leichten Magnetisierbarkeit davon mit der Magnetfeld-Erfassungsrichtung übereinstimmt.
Der Magnetfeld-Erfassungssensor nach Anspruch 1, der ferner umfasst: eine Oszillatorschaltung, die ausgebildet ist, den Wechselstrom an das Magnet-Impedanz-Element anzulegen; eine Differenzierschaltung, die ausgebildet ist, ein Ausgangssignal des Magnet-Impedanz-Elements zu differenzieren; und eine Recheneinheit, die ausgebildet ist, das äußere Magnetfeld auf der Grundlage eines Auslösesignals zu erfassen, das von der Differenzierschaltung ausgegeben wird.
Der Magnetfeld-Erfassungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vormagnetisierungsspule aus einer einzigen Vormagnetisierungsspule für negative Rückkopplung aufgebaut ist, die ausgebildet ist, das Vormagnetisierungsfeld und ein Magnetfeld für negative Rückkopplung an das Magnet-Impedanz-Element anzulegen.