DE2454522A1

DE2454522A1 - Magnetoresistives element

Info

Publication number: DE2454522A1
Application number: DE19742454522
Authority: DE
Inventors: Hideo Hara; Yoshimi Makino; Yoshimoto Ohmura
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1973-11-17
Filing date: 1974-11-16
Publication date: 1975-07-24
Also published as: IT1025751B; FR2251917A1; GB1486926A; DE2454522C2; CA1018285A; FR2251917B1; US3949346A; NL7414829A

Description

Sony Corporation, Tokyo / Japan

Tsu 3074

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Magnetoresistives Element

Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Element, insbesondere zur Peststellung der Richtung eines Magnetfeldes. .-.-".

Es ist bekannt, die jeweilige Winkellage des Rotors eines bürstenlosen Elektromotors mittels eines magnetoelektrischen Wandlers festzustellen, um die in der Statorwicklung des Motors fließenden Ströme zu steuern. Es sind weiterhin Plattenspieler bekannt, die zum Zwecke der Regelung ihrer Drehgeschwindigkeit am Umfang eines Drehtisches eine Anzahl von Magneten tragen. Ein Magnetkopf ist nahe dem Umfang des Drehtisches angeordnet und damit bei der Drehung des Drehtisches einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt. Die Frequenz des Ausgangssignales 1st der Drehgeschwindigkeit des Drehtisches proportional; dieses Signal wird einem Servoverstärker zugeführt, der den Antriebsmotor des Drehtisches steuert.

Dieses bekannte System ist mit dem Nachteil behaftet, daß das Ausgangssignal des Magnetkopfes stark von der Größe des zwischen dem Magnetkopf und dem Drehtisch vorhandenen Spaltes abhängt. Infolgedessen wird das Ausgangssignal durch Temperaturänderungen sowie durch äußere Magnetfelder stark beeinflußt.

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Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde in der älteren Anmeldung P 2k 336 45.6 ein magnetoresistives Element vorgeschlagen, das auf einem Isolierstoff-Substrat einen ersten stromleitenden Filmstreifen aus ferromagnetischem Metall enthält, dessen Stromleitfähigkeit hauptsächlich in einer Richtung verläuft, wobei ein zweiter stromleitender Filmstreifen aus ferromagnetischem Metall auf dem Substrat angeordnet ist und eine Stromleitfähigkeit besitzt, die hauptsächlich in einer Richtung senkrecht zur erstgenannten Richtung verläuft. Bei diesem magnetoresistiven Element sind die Enden der beiden genannten Streifen miteinander verbunden. Ein Stromeingangsanschluß ist an den entgegengesetzten Enden der Streifen und ein Ausgangsanschluß an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Streifen vorgesehen. Die beiden Streifen können auf derselben Seite oder auf entgegengesetzten Seiten des Substrates angeordnet werden. Beim Gegenstand dieser älteren Anmeldung sind zwei Filmstreifen aus ferromagnetischem Metall nebeneinander auf dem Substrat so angeordnet, daß sie demselben Magnetfeld ausgesetzt sind.

Die vorliegende Erfindung stellt nun eine Weiterentwicklung des Gegenstandes der älteren Anmeldung dar. Erfindungsgemäß wird die Relativlage der beiden magnetoresistiven Filmstreifen derart verschoben, daß sie voneinander um eine halbe Wellenlänge oder ein Vielfaches davon des wechselnden Magnetfeldes entfernt sind, dem die Elemente ausgesetzt sind, wenn die beiden Filmstreifen rechtwinklig zueinander orientiert sind, während ein Abstand der Filmstreifen von einer viertel Wellenlänge oder einenl· ungeradzahligen Vielfachen hiervon gewählt wird, wenn die beiden Filmstreifen parallel zueinander ausgerichtet sind.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein magnetoresistives Element (entsprechend

dem Gegenstand der erwähnten älteren Anmeldung), bei dem zwei "Filmstreifen vorgesehen sind, deren Stromleitfähigkeit im wesentlichen in zwei Richtungen senkrecht zueinander verläuft;

Fig. 5 eine bekannte Einrichtung;

Fig. 2, 3, 4, 6 und 7 Schemadarstellungen zur Erläuterung des Aufbaues und der Funktion der Anordnung gemäß der älteren Anmeldung;

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden

ferromagnetisehen Filmstreifen um eine Wellenlänge voneinander entfernt sind und ihre Stromleitfähigkeit hauptsächlich in Richtungen besitzen, die rechtwinklig zueinander verlaufen;

Fig. 9 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem die

Filmstreifen voneinander um eine halbe Wellenlänge entfernt sind;

Fig. 10 und 11 Schemadarstellungen von zwei weiteren Ausführungsbeispielen, bei denen die magnetο-resistiven Filmstreifen voneinander um Abstände entfernt sind, die 11/4 Wellenlänge bzw. 1/4 Wellenlänge des wechselnden Magnetfeldes H betragen.

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Zur Erläuterung der Unterschiede der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik seien zunächst die Fig. 1 bis 4 und 6 bis 7 betrachtet, die die Einrichtung entsprechend der älteren Anmeldung zeigen. Wie insbesondere in Fig. 1 veranschaulicht ist, enthält das magnetoresistive Element 1 zwei Streifen A und B, die aus einem ferromagnetisehen Material mit magnetoresistivem Effekt bestehen. Die Längsrichtung des Streifens A verläuft senkrecht zur Längsrichtung des Streifens B. Die Streifen A und B sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. Stromanschlüsse 7a und 7b sind an entgegengesetzten Enden der Streifen A und B vorhanden. Vorzugsweise besteht jeder Streifen aus einer Legierung, die etwa 80 Gew.-Jt Nickel und etwa 20 Gew.-JK Kobalt enthält. Ein Ausgangsanschluß ist mit der Verbindungsstelle zwischen den Streifen A und B verbunden. Eine Stromquelle 8 liegt zwischen den Anschlüssen 7a und 7b. Der eine der beiden Stromanschlüsse, nämlich 7b, ist ferner mit Masse verbunden. Die ganze Schaltung bildet einen Meßkreis zur Messung von Magnetfeldern.

Die ferromagnetisehen Streifen A und B enthalten eine Anzahl von Hauptstromwegen 2A und 2B mit zugehörigen Verbindungsteilen 3A, 3B. Die Hauptstromwege 2A und 2B laufen im wesentlichen senkrecht zueinander. Der letzte Stromweg 4A der Hauptstromwege 2A ist mit dem ersten Stromweg ¹IB der Hauptstromwege 2B verbunden. Der Verbindungspunkt des letzten Stromweges 4A und des ersten Stromweges 4B ist mit einem Anschluß 5 verbunden.

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Die Pig. 2 und H veranschaulichen die elektrische ' Schaltung der Anordnung gemäß Fig. 1. Die magnetoresistiven Elemente A und B sind über eine Batterie 8 in Reihe geschaltet, wobei eine Seite am Anschluß 7b an Masse liegt. Der Ausgangsanschluß 5 ist an die Verbindungsstelle zwischen den Streifen A und B angeschlossen. Das Magnetfeld zu einem bestimmten Zeitpunkt ist durch den Buchstaben H gekennzeichnet. Pig. 3 zeigt die Änderung der Spannung am Ausgangsanschluß 5 in Abhängigkeit vom Winkel Θ.

Fig. 5 zeigt eine weitere bekannte Einrichtung, bei der ein Wandler 12 neben einem Drehtisch.10 angeordnet ist, der an seinem Umfang eine Vielzahl magnetisierter ' .' Teile 11 aufweist, so daß abwechselnd Nord- und Südpole am Wandler 12 vorbeilaufen. Das Ausgangssignal des Wandlers 12 steuert über einen Servoverstärker 13 den Motor 14, der den Drehtisch 10 antreibt.

Fig. 6 zeigt schematisch das Verhältnis der magnetosensitiven Streifen A und B. gegenüber den am Umfang des Drehtisches 10 angebrachten Magnetpolen (Teile 11). Der Pfeil ν in Fig. 6 kennzeichnet die Drehrichtung des Drehtisches 10.

Gemäß Fig. 6 stellt der magnetoresistive Streifen A eine etwas andere Richtung des wechselnden Magnetfeldes H fest als der magnetoresistive Streifen B (Grund hierfür ist die Abmessung 1). Demgemäß verringert sich die Ausgangsspannung des magnetoresistiven Elementes 1 etwas und die Wellenform der Ausgangsspannung wird verzerrt.

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Die vorliegende Erfindung beruht nun auf dem Prinzip, die magnetoresistiven Streifen (Filmstreifen) in Abständen voneinander anzuordnen, die wenigstens IM der Wellenlänge oder ein Vielfaches hiervon betragen. Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Hierbei sind die magnetoresistiven Filmstreifen um die Wellenlänge des wechselnden Magnetfeldes H im magnetoresistiven Element voneinander getrennt, d.h. um einen Abstand, der im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nordpolen ist. Dies ist schematisch in Fig. 8 veranschaulicht, wo die Streifen A und B um eine ganze Wellenlänge voneinander entfernt sind. Sie sind ferner elektrisch über eine an die Anschlüsse 7A, 7B angeschlossene Stromquelle verbunden. Der Ausgangsanschluß ist mit 5 bezeichnet.

Die Filmstreifen A und B sind elektrisch über einen Leiter 17 miteinander verbunden. Das Magnetfeld ist mit H bezeichnet.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. Hier sind die Filmstreifen A und B um eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt.

Die Fig. 10 und 11 veranschaulichen ein drittes und viertes Ausführungsbeispiel. Gemäß Fig. 10 sind die Filmstreifen um 1 1/4 Wellenlänge voneinander getrennt, gemäß Fig. 11 um 1/4 Wellenlänge. Für gleiche Teile sind bei allen Ausführungsbeispielen dieselben Bezugszeichen vorgesehen.

Was nun die Ausführungsbeispiele der Fig. 8 und 9 im allgemeinen betrifft, so kann der Streifen A vom Streifen Bum i n% entfernt sein, wobei η = O, 1, 2, .... Ist η eine

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gerade Zahl, so wirkt das wechselnde Magnetfeld H auf die Streifen A und B jeweils unter demselben Winkel. Ist η dagegen eine ungerade Zahl, so wirkt das Magnetfeld H auf die Streifen A und B unter Winkeln, die gegeneinander um 18O° versetzt sind. Demgemäß sind die elektrischen Widerstände $A und S B der Streifen A und B gegeben durch

A = ?_x sin²e + ^COs²G (1)

B = Sj_cos²(8 +7C ) + ?_/; sin²(e +TC) ... .(2)

Die Gleichungen 1 bis 5 entsprechen hierbei den jeweiligen Gleichungen der eingangs genannten älteren Anmeldung.

Die Ausgangsspannung V'_e ergibt sich dann zu

V· = —^ Y_n (3)

^θ · ?A + lB °

Es gilt ferner
ξ ^ cos²(9 + Tf) + ?_/ysin² (Θ +7C ) = J^cOS²O + ?_//Sin²9

Demgemäß entspricht V'_a in der obigen Gleichung (3) dem Wert Vq in der. Gleichung (3) der genannten älteren Anmeldung.

Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 10 und 11 ist der Streifen A vom Streifen A' um die Länge 71+ ^-7U entfernt, wobei Tv die Wellenlänge des wechselnden Magnetfeldes ,A ist (vgl. Fig. 10). Das wechselnde Magnetfeld H wirkt auf den Streifen A unter einem Winkel 0° und auf den anderen Streifen A¹ unter einem Winkel von 90°.

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Allgemein ausgedrückt, kann ein Streifen A vom Streifen A¹ um eine Länge d = -* xiK + ^-7L entfernt sein, wobei η = 0, 1, 2, .... Ist η = 0 oder eine gerade Zahl und gilt damit Länge d = jh> , 1 ^ Ά> , 2 -Jj-?^ ..., so gelten die folgenden Beziehungen:

?_Sin²6

wobei Θ¹ = θ·

Demgemäß gilt

Bei 0° < θ < 90° und 180° < θ < 270°, cos (θ + Tj) = - sin θ

Bei 90° < θ < 180° und 270° * θ _ 360° gilt

cos (0 + ψ) = sin θ
Demgemäß gilt cos²(6 + |) = sin²e.

Bei 0° < θ . 90° und l80° < θ _ 270° gilt sin (Θ + <k) = cos Θ;

9²©' (5)

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bei 90° < θ _ 180° und 270° < θ * 360°, gilt sin (Θ + <|) = - cos 6.

Demgemäß gilt sin²(e + If) = cos²e und die Gleichung (5)¹ ist dieselbe wie Gleichung (4) für das grundigende magnetoresistive Element: .

Ist η eine ungerade Zahl bzw. ist die Länge d

-7 -t -T

= 4 Tv ,It^ ²T^ ...,so gelten die folgenden Beziehungen:

? A = ?j. cos²9 + S_nBIn²Q . (6)

wobei Θ" = θ - \·

Demgemäß gilt ?A· = S_xCOs²Ce - ^) + S_/7sin²(6 - #) ...(T)¹; bei 0° < θ < 90° und 180° < θ < 270°, gilt cos (Θ - ^) = sin θ ;

bei 90 ± θ < 180° und 270° ^ θ * 360°, gilt cos (θ - ψ ⁼ - ^{sin θ}·

Demgemäß gilt cos (θ - ^) = sin θ.

Bei 0° < θ < 90° und l80° < θ < 270°, gilt

sin (Θ - %) - - cos Θ;

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bei 90° < θ < 180° und 270° <_ θ < 360°, gilt

IC
sin (θ - j ) = cos θ.

Demgemäß gilt sin²(6 - |f ) = cos²6; die Gleichung (7)¹ ist dieselbe wie Gleichung (4) wie das grundlegende magnetoresistive Element.

Der elektrische Leiter 17, der die Streifen A und B verbindet, besteht nicht aus ferromagnetischem Material.

Die oben anhand von vier Ausführungsbeispielen erläuterte Erfindung besitzt folgende Vorzüge:

1. Die Frequenz des Ausgangssignales des magnetoresistiven Elementes ist doppelt so groß wie die Frequenz des wechselnden Magnetfeldes. Es ist demgemäß-einfach, eine Schaltung für das Steuersystem zu entwickeln.

2. Das magnetoresistive Element wird durch ein äußeres Magnetfeld sowie durch Temperaturänderungen nicht beeinflußt.

3. Die Ausgangsspannung des magnetoresistiven Elementes kann im Vergleich zu der des magnetoresistiven Elementes gemäß Fig. 1 vergrößert werden.

4. Das magnetoresistive Element besitzt eine erhöhte Genauigkeit und Verzerrungsfreiheit der Wellenform der Au s gangs sp annung.

Bei den in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführungsbeispielen besitzen die beiden Filmstreifen ihre Stromleitfähigkeit im wesentlichen in derselben Richtung.

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Claims

Patentansprüche

l.JMagnetoresistives Element zur Feststellung der Relativbewegung gegenüber einem beweglichen Teil, der im Bereich einer benachbarten Kante dieses Teiles eine Anzahl von abwechselnd gepolten Magneten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoresistive Element auf einem Isolierstoffsubstrat einen ersten stromleitenden Filmstreifen aus ferr©magnetischem Metall trägt, dessen. Stromleitfähigkeit hauptsächlich in einer Richtung liegt, ferner einen zweiten stromleitenden Filmstreifen aus ferromagnetischem Metall, dessen Stromleitfähigkeit hauptsächlich in einer Richtung liegt, daß ferner diese Filmstreifen voneinander um einen Abstand entfernt sind, der einem Viertel der Wellenlänge oder einem Vielfachen hiervon des wechselnden Magnetfeldes entspricht, dem das magnetoresistive Element durch die Relativbewegung der Magnete gegenüber dem magnetoresistiven Element ausgesetzt sind, daß ferner diese Streifen in Reihe miteinander geschaltet sind, daß ein Stromanschluß mit den entgegengesetzten Enden der Streifen verbunden ist und daß ein Ausgangsanschluß an den Verbindungspunkt zwischen beiden Streifen angeschlossen ist, wobei die Filmstreifen unter rechtem Winkel zueinander angeordnet sind, wenn der Abstand -χ Ά/ oder ein Vielfaches hiervon beträgt, während sie zueinander parallel angeordnet sind, wenn der Abstand -^% oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon beträgt.

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2. Magnetoresistives Element zur Peststellung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Teiles, das an seinem Umfang eine Anzahl von abwechselnd gepolten Magneten trägt, wobei das magnetoresistive Element in unmittelbarer Nähe dieses rotierenden Teiles angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Isolierstoffsubstrat ein erster stromleitender Filmstreifen aus ferromagnetischem Metall angeordnet ist, der seine Stromleitfähigkeit hauptsächlich in einer Richtung besitzt, daß ferner ein zweiter stromleitender Filmstreifen aus ferromagnetischem Metall auf dem Substrat vorgesehen ist, der seine Stromleitfähigkeit hauptsächlich in einer Richtung besitzt, die im wesentlichen senkrecht zu der erstgenannten Richtung liegt, daß ferner diese Filmstreifen voneinander um einen Abstand entfernt sind, der einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen hiervon des wechselnden Magnetfeldes entspricht, dem das magnetoresistive Element bei der Drehbewegung der Magnete ausgesetzt ist, daß ferner diese Streifen in Reihe miteinander geschaltet sind, daß ein Stromeinangsanschluß mit den entgegengesetzten Enden der Streifen und ein Ausgangsanschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen beiden Streifen verbunden ist.

3. Magnetoresistives Element zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Teiles, an dessen Umfang eine Anzahl von abwechselnd gepolten Magneten angeordnet sind, wobei das magnetoresistive Element in unmittelbarer Nähe dieses drehbaren Teiles angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Isolierstoff-Substrat ein erster stromleitender FiIm-

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streifen aus ferr©magnetischem Metall angeordnet ist, dessen Stromleitfähigkeit hauptsächlich ineiner Richtung liegt, daß ferner auf diesem Substrat ein zweiter stromleitender Filmstreifen aus ferromagnetischem Metall angeordnet ist, dessen Stromleitfähigkeit hauptsächlich in derselben Richtung wie· die erstgenannte Richtung liegt, daß weiterhin diese Filmstreifen voneinander um einen Abstand entfernt sind, der η· T^ oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon des wechselnden Magnetfeldes beträgt, dem das magnetoresistive Element bei der Drehung der Magnete ausgesetzt ist, daß diese Streifen ferner in Reihe miteinander geschaltet sind, daß ein Stromeingangsanschluß mit den entgegengesetzten Enden der Streifen und ein Ausgangsanschluß mit dem Verbindungspunkt der beiden Streifen verbunden ist.

M. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld, dem das Element ausgesetzt ist, zur Sättigung des ersten und zweiten Filmstreifens ausreicht.

5. Magnetoresistives Element nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Streifen auf derselben Oberfläche des Substrates angeordnet sind.

6. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Streifen jeweils aus einer Anzahl von- elektrisch in Reihe geschalteten, parallelen Streifen bestehen.

Magnetoresistives Element nach 'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen aus einer Legierung besteht, die etwa 80 Gew.-5t Nickel und etwa 20 Gew.-J*. Kobalt enthält. .

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