DE4407565C2 - Magnetsensor zum Detektieren eines Objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetsensor zum Detek­ tieren eines Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Magnetsensor zum Detektieren eines Ob­ jekts ist aus der EP 0 419 040 A1 bekannt. Dieser bekannte Magnetsensor dient zum Detektieren eines Objekts, das aus einer magnetischen Substanz gebildet ist und sich in einer ersten Richtung bewegt, und enthält einen Magneten mit ei­ ner Poloberfläche, die im wesentlichen flach und zur ersten Richtung parallel angeordnet ist. Auf der Poloberfläche ist ein Magneto-Widerstandseffektelement mit einer Brücken­ schaltung angeordnet. Der Magnetsensor ist bei dieser be­ kannten Konstruktion gegen die Poloberfläche, das heißt die Feldlinien des Magneten geneigt angeordnet oder ist durch ein hochpermeables Polstück von der Poloberfläche beabstan­ det und ist bezüglich letzterer außermittig angeordnet. Da­ durch wird eine Kalibrierungsmöglichkeit der Normalbe­ triebsbedingungen bzw. im anderen Fall eine Minimierung von Ungleichheiten im Magneten erreicht.

Aus der Literaturstelle J. Phys. E. SCI. Instrum. 19 (1986), Seiten 503-515, ist ein Magnetsensor bekannt, bei dem das Magneto-Widerstandseffektelement vier Gruppen ent­ hält, die jeweils eine Vielzahl von ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen umfassen.

Aus der Zeitschrift "Elektronik" 12/1993, Seiten 30-34, sind magneto-resistive Sensoren bekannt, die zum Messen von Drehwinkeln ausgebildet sind. Diese magneto­ resistiven Sensoren können dabei sowohl als Halbbrücken- Magnetfeldsensoren als auch als Vollbrücken-Magnetfeldsen­ soren ausgebildet sein. Die Ausführungsform als Vollbrücke kann dabei vier parallel ausgerichtete, in einer Reihe lie­ gende Sensorelemente umfassen.

Aus der Zeitschrift "Elektronik" 2/1991, Seiten 78-81, sind magneto-resistive Sensoren bekannt, die beispielsweise aus vier Sensorelementen bestehen, die als Wheatstone- Brücke zusammengeschaltet sind. Der Widerstandsstreifen je­ des Elements verläuft, um eine möglichst große Länge zu er­ halten, in Meanderform. Die in Dünnfilm-Technologie als Permalloy hergestellten Sensorstreifen haben als Substrat ein Siliziumkristall.

Eine weitere Konstruktion eines magneto-resistiven Sensors ist aus der Zeitschrift "Elektor" 1/88, Seiten 22-24, bekannt. Auch bei dieser bekannten Konstruktion ge­ langt ein Siliziumträger zur Anwendung und die verwendeten Widerstandsbahnen sind meanderförmig gestaltet. Auch können bei diesem bekannten Sensor beispielsweise vier meanderför­ mige Widerstandsbahnen als Wheatstone-Brücke geschaltet werden.

Aus der EP 0 493 260 A1 ist ein magneto-resistiver Po­ sitionssensor bekannt, der die Position eines Gegenstandes mit hoher Auflösung und Genauigkeit detektieren kann. Das zu detektierende Objekt kann dabei beispielsweise eine Drehbewegung ausführen, so daß der magneto-resistive Sensor eine Drehposition des Objektes mit sehr hoher Genauigkeit und sehr hoher Auflösung feststellen kann.

Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten experi­ mentell einen Magnetsensor her, der wie in Fig. 23 gezeigt angeordnet war, um eine hohe Empfindlichkeit in der Nähe eines Nullmagnetfeldes zu erhalten. Fig. 23A ist eine Draufsicht, und Fig. 23B ist eine Querschnittsansicht längs der Linie k-k von Fig. 23A. Fig. 23C und 23D sind Quer­ schnittsansichten längs der Linie L-L von Fig. 23A. Ein Ma­ gnetowiderstandseffektelement 2 ist, wie oben gezeigt, im wesentlichen in der Mitte einer flachen Oberfläche angeord­ net, die einen Magnetpol eines zylindrischen Dauermagneten 1 bildet. Fig. 23C und 23D sind schematische Ansichten, die die Veränderung des Magnetfeldes zeigen, das auf das Ma­ gnetowiderstandseffektelement 2 anzuwenden ist, wenn ein Objekt 3, das aus einer magnetischen Substanz besteht, in einer Richtung, die durch einen Pfeil A bezeichnet ist, parallel zu einer Magnetpoloberfläche 11 des Dauermagneten 1 bewegt wird. Die gestrichelten Linien mit Pfeil zeigen die Magnetkraftlinien an.

In einem Fall, bei dem das Objekt 3 von dem Magneto­ widerstandseffektelement 2 entfernt angeordnet ist, werden auf das Magnetowiderstandseffektelement 2 nur Magnetfelder angewendet, die zu dessen Oberfläche rechtwinklig sind. Wenn sich das magnetische Objekt 3, wie in Fig. 23C ge­ zeigt, dem Magnetowiderstandseffektelement 2 nähert, werden Magnetfeldkomponenten (nachfolgend "empfindliche Magnetfel­ der Hs" genannt) auf das Magnetowiderstandseffektelement 2 angewendet. In einem Zustand, bei dem das in unmittelbarste Nähe bewegte Objekt 3 beginnt, sich von dem Magnetowider­ standseffektelement 2 hinwegzubewegen, wie in Fig. 23D ge­ zeigt, werden auf das Magnetowiderstandseffektelement 2 Ma­ gnetfeldkomponenten mit inverser Richtung -Hs angewendet.

Fig. 24 ist eine schematische Ansicht, die ein Bei­ spiel der Struktur des Magnetowiderstandseffektelementes 2 zeigt. Fig. 24A ist eine perspektivische Ansicht, die die Gesamtstruktur zeigt, Fig. 24B ist eine vergrößerte Drauf­ sicht, und Fig. 24C ist eine teilweise vergrößerte Drauf­ sicht.

Das Magnetowiderstandseffektelement 2, das aus ferro­ magnetischen Dünnfilmstreifen 4 besteht, die parallel zu­ einander angeordnet sind und in ihrer Längsrichtung seriell verbunden sind, ist auf einem Substrat 5 gebildet, das aus einer nichtmagnetischen Substanz hergestellt ist und die Oberfläche hat, die wenigstens eine Isoliercharakteristik hat. Die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 sind zum Bei­ spiel aus einer Legierung aus Eisen und Nickel (FeNi) her­ gestellt. Wie aus den Figuren verständlich ist, bilden die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 eine geschlossene Schaltung, die Elektroden 15, 16, 17 und 18 umfaßt, die an vier Positionen angeordnet sind, wodurch die geschlossene Schaltung in vier gleiche Abschnitte geteilt wird. Deshalb bilden die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 und die Elektroden 15, 16, 17 und 18 eine Brückenschaltung.

Das Magnetowiderstandseffektelement 2, das wie oben gezeigt angeordnet ist, ist als sogenannter Magneto-Wider­ standskopf [MRH] gebildet. Eine Vielzahl von leitfähigen Dünnfilmstreifen 6, die sich in einer Richtung erstrecken, die einen Winkel von etwa 45° mit der Längsrichtung der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 bildet, sind, wie in Fig. 24B und 24C gezeigt, auf den ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen 4 gebildet. Deshalb bildet der elektrische Strom i, der jeden ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 durchfließt, einen Winkel von 45° mit der Längsrichtung der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4. In einem Abschnitt, in dem die leitfähigen Dünnfilmstreifen 6 gebildet sind, fließt ein Hauptteil der elektrischen Ströme durch die leitfähigen Dünnfilmstreifen 6.

Gewöhnlich hat der ferromagnetische Dünnfilmstreifen, wie wohlbekannt ist, eine Magnetisierung M in seiner Längs­ richtung. Deshalb bilden in den ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen des Magneto-Widerstandskopfes 4, die in Fig. 24 gezeigt sind, der elektrische Strom i und die Magnetisie­ rung M einen Winkel von 45°, falls auf dieselben kein ex­ ternes Magnetfeld wirkt. Falls das obige empfindliche Ma­ gnetfeld Hs auf die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 angewendet wird die in Fig. 24 gezeigt sind, wird die Ma­ gnetisierung M auf der Ebene der ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen 4 rotiert.

Bekanntlich wird der Widerstand des ferromagnetischen Dünnfilmstreifens maximal, wenn der elektrische Strom i und die Magnetisierung M parallel zueinander verlaufen, während derselbe minimal wird, wenn der elektrische Strom i und die Magnetisierung M senkrecht zueinander gemacht werden. Des­ halb erhöht die Rotation der Magnetisierung M, um sich der Richtung des elektrischen Stroms i zu nähern, die durch An­ wenden des empfindlichen Magnetfeldes Hs verursacht wird, den Widerstand des Magnetowiderstandseffektelementes 2. An­ dererseits reduziert die Rotation der Magnetisierung M, um sich der Richtung zu nähern, die zum elektrischen Strom i senkrecht ist, den Widerstand des Magnetowiderstandseffekt­ elementes 2.

Die Widerstandsveränderungsrate (Δp/p₀) der ferroma­ gnetischen Dünnfilmstreifen des Magneto-Widerstandskopfes 4 und das angewendete Magnetfeld Hs halten der Beziehung stand, wie in Fig. 25 gezeigt, wobei p₀ der Widerstand ist, wenn das Magnetfeld Hs nicht angewendet ist. Eine ausge­ zeichnete Linearität erscheint, wie oben gezeigt, in einer Zone, in der ein schwaches Magnetfeld angewendet wird. Des­ halb kann eine befriedigende Detektionsempfindlichkeit er­ halten werden, wenn eine kleine Veränderung des schwachen Magnetfeldes erfolgt.

Wie aus Fig. 24C ersichtlich ist, invertiert die Dif­ ferenz der Magnetisierung M in der Anfangsrichtung um einen Winkel von 180° auf den Ebenen der ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen 4 die Tendenz der Widerstandsveränderung, die auf Grund der Anwendung des empfindlichen Magnetfeldes Hs auftritt, zwischen Erhöhung und Verringerung. Das heißt, die Anfangsrichtung der Magnetisierung M verursacht das Auftreten der Differenz der Widerstandsveränderungsrate (Δp/p₀), die in Fig. 25 gezeigt ist, zwischen jener, die durch eine Kurve mit durchgehender Linie bezeichnet ist, und jener, die mit einer Kurve mit gestrichelter Linie be­ zeichnet ist. Als anderer Fakt ist verständlich, daß die Differenz der Neigung der leitfähigen Dünnfilmstreifen 6 um einen Winkel von 90° von der Längsrichtung der ferromagne­ tischen Dünnfilmstreifen 4 das Auftreten einer ähnlichen Differenz verursacht.

In dem Magnetowiderstandseffektelement 2, das in Fig. 24 gezeigt ist, bilden die Richtungen, in denen sich die leitfähigen Dünnfilmstreifen 6 erstrecken, die auf jeder von zwei beliebigen benachbarten Seiten der Brückenschal­ tung gebildet sind, einen Winkel von 90°. Falls das emp­ findliche Magnetfeld Hs oder -Hs auf den Gesamtkörper des Magnetowiderstandseffektelementes 2 angewendet wird, wird deshalb die Tendenz der Veränderung des Widerstandes, die in den ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 auf den benach­ barten Seiten auftritt, verschieden. Das heißt, wenn der Widerstand der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 auf ei­ ner Seite ansteigt, wird der Widerstand der ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 4 auf einer anderen Seite reduziert. Als Resultat verursacht die Veränderung des empfindlichen Magnetfeldes Hs, daß sich die Ausgabe von Signalen zum Bei­ spiel von den Elektroden 16 und 18, die auf einer diago­ nalen Linie der Brückenschaltung angeordnet sind, auf ähn­ liche Weise verändert, wie durch die Kurve bezeichnet, die die Widerstandsveränderungsrate (Δp/p₀) anzeigt und in Fig. 25 gezeigt ist. Deshalb kann eine Veränderung in einem schwachen Magnetfeld mit ausgezeichneter Empfindlichkeit detektiert werden.

Die Zusammenfassung lautet wie folgt: die einfache Konfiguration des Dauermagneten 1 und des Magnetowider­ standseffektelementes 2, wie in Fig. 23 gezeigt, ermöglicht es, einen empfindlichen Magnetsensor mit den in Fig. 25 ge­ zeigten Charakteristiken zu erhalten.

Der obige Magnetsensor leidet jedoch unter instabilen Charakteristiken, und insbesondere unter einer allmählichen Verschlechterung der Empfindlichkeit über einen langen Zeitraum.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten die Ursache des obigen Problems, mit dem Resultat, daß es von einem Fakt herrührte, daß die Richtung der Magnetisie­ rung M der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4, die an­ geordnet sind, um parallel zueinander zu verlaufen, auf Grund der wiederholten Anwendung des empfindlichen Magnet­ feldes Hs invertiert wird. Das heißt, es wird angenommen, daß die Näherung des magnetischen Objekts 3 das empfindli­ che Magnetfeld Hs, das anzuwenden ist, verstärkt, und des­ halb verursacht wird, daß die Magnetisierung M im wesentli­ chen senkrecht zu der Längsrichtung der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 gerichtet ist. Wenn das magnetische Ob­ jekt 3 hinwegbewegt und das empfindliche Magnetfeld Hs im wesentlichen Null geworden ist, wird manchmal verursacht, daß sich die Magnetisierung M der entgegengesetzten Rich­ tung der Anfangsrichtung zuwendet. Die obige Inversion der Magnetisierung M tritt nicht immer in jedem der ferromagne­ tischen Dünnfilmstreifen 4 ähnlich auf.

Falls sich die Magnetisierung M invertiert ausrichtet, wie oben beschrieben, wird die Tendenz des Erhöhens/Ver­ ringerns des Widerstandes der ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 4, die auf Grund der Anwendung des empfindlichen Magnetfeldes Hs auftritt, invertiert. Deshalb verursacht das Auftreten der Inversion der Magnetisierung in einem Teil der Vielzahl der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4, der eine Seite der Brückenschaltung bildet, daß in den fer­ romagnetischen Dünnfilmstreifen 4 zwischen der Erhöhung und der Verringerung des Widerstandes eine Aufhebung auf Grund der Anwendung des empfindlichen Magnetfeldes Hs oder -Hs stattfindet. Als Resultat ergibt sich eine Reduzierung der effektiven Gesamtveränderung des Widerstandes der obigen Dünnfilmstreifen 4, die seriell verbunden sind. Das heißt, die Empfindlichkeit verschlechtert sich.

Im allgemeinen wird auf das Magnetowiderstandseffekt­ element 2 temporär ein Magnetfeld zu dem Zweck angewendet, um die Magnetisierung M aller ferromagnetischer Dünnfilm­ streifen 4, die jede Seite der Brückenschaltung bilden, im Anfangszustand in dieselbe Richtung zu richten. Falls das empfindliche Magnetfeld Hs oder -Hs wiederholt angewendet wird, vermehren sich die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4, die von der obigen Inversion betroffen sind. Als Resul­ tat wird die Empfindlichkeitsverschlechterung beträchtlich.

Andererseits bestand der Wunsch, eine Umsetzungsschal­ tung zum Verarbeiten eines analogen Signals zu verbessern, das von dem Magnetsensor übertragen wird, der das Magneto­ widerstandseffektelement umfaßt, bei dem der obige ferroma­ gnetische Dünnfilm verwendet wird.

Fig. 26 ist ein Blockdiagramm, das eine herkömmliche Umsetzungsschaltung zeigt, und Fig. 27 ist eine grafische Darstellung der Wellenformen von Signalen, die gezeigt sind, um die Operation der Umsetzungsschaltung zu erläu­ tern. Unter Bezugnahme auf Fig. 26 und 27 wird ein analoges Signal von etwa 10 mV Spitze-Spitze (siehe Fig. 27A), das von dem Magnetowiderstandseffektelement 2 (MR) übertragen wurde, das aus einer Brückenschaltung des obigen Typs be­ steht, etwa auf das 150fache durch einen Differenzverstär­ ker verstärkt, der aus zwei Operationsverstärkern M1 und M2 besteht (siehe Fig. 27B). Das verstärkte Signal wird dann durch eine Integrationsschaltung mit einem Widerstand R5 und einem Kondensator C1 integriert. Ein Signal (siehe Fig. 27C), das von der Integrationsschaltung übertragen wurde, und das Ausgangssignal von dem Differenzverstärker werden einem Vergleich in einem Komparator M4 unterzogen, so daß ein Zweizustandssignal, das in Fig. 27D gezeigt ist, erhal­ ten wird. Zeichen M3, das in Fig. 26 gezeigt ist, verkör­ pert eine Pufferschaltung, die eingefügt ist, um die Impe­ danz zu wandeln.

Unter Verwendung des Ausgangssignals von der Integra­ tionsschaltung, wie oben beschrieben, kann der Vergleich ausgeführt werden, indem der Zentralpegel des Ursprungs­ signals, das heißt, der Gleichstrompegel desselben, ver­ wendet wird. Deshalb kann, selbst wenn das Ausgangssignal in eine Drift gerät, zum Beispiel auf Grund der Temperatur­ charakteristiken des Magnetowiderstandseffektelementes 2, das Zweizustandssignal erhalten werden, das dem ursprüng­ lichen analogen Signal entspricht.

Die in Fig. 26 gezeigte Schaltung umfaßt die Integra­ tionsschaltung, die eine Zeitkonstante hat, die auf etwa 100 ms festgelegt ist. Deshalb treten folgende Erscheinun­ gen auf.

• (1) Eine Verzögerung der in Fig. 27C gezeigten Wellenform, die in einer Periode von einem Moment an auftritt, in dem die Energie zugeführt wird, bis zu einem Moment, in dem ein konstanter Wert realisiert wird, verschmälert die anfäng­ liche Breite des Binärsignalimpulses um Δt1, wie in Fig. 27D gezeigt.
• (2) Da der Kondensator C1, der die Integrationsschaltung bildet, eine relativ große Kapazität von etwa 0,1 µF hat, ergibt sich ein Problem, weil die Umsetzungsschaltung nicht ohne weiterhin als monolithische Schaltung gebildet werden kann.

Die obigen Probleme (1) und (2) treten auf Grund der Tatsache auf, daß die Integrationsschaltung eine große Zeitkonstante hat. Falls die Zeitkonstante jedoch auf einen kleineren Wert festgelegt wird, treten die Wechselstromkom­ ponenten des ursprünglichen Signals in der in Fig. 27C ge­ zeigten Wellenform übermäßig auf, und deshalb kann das Si­ gnal, das von der Integrationsschaltung mit der kleineren Zeitkonstante ausgegeben wird, natürlich nicht als Bezugs­ signal zur Verwendung bei dem obigen Vergleich verwendet werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Magnetsensor zum Detektieren eines Objekts der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die Stabilität der Detektionsempfindlichkeit wesentlich verbessert ist.

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Lösungsvorschlag erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspru­ ches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Ein zweiter Lösungsvorschlag der Erfindung für die ge­ nannte Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 3.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsformen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläu­ tert.

Fig. 1A-1D zeigen das Prinzip eines Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A-2B zeigen eine Ausführungsform eines Magneto­ widerstandseffektelementes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine Draufsicht, die eine andere Ausfüh­ rungsform eines Magnetowiderstandseffektelementes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4A-4C enthalten eine Draufsicht und eine Ansicht von Signalwellenformen, die ein Verfahren gemäß der vor­ liegenden Erfindung zum Kompensieren einer Veränderung der Empfindlichkeit mit einem einseitig wirkenden Magnetfeld darstellen;

Fig. 5 ist eine Teilrißansicht, die das Grundkonzept einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6A-6D sind eine Seitenansicht und eine schemati­ sche Draufsicht, die einen Abschnitt in bezug auf Fig. 5 zeigen;

Fig. 7A-7C zeigen die Kombination der Strukturen eines Magnetowiderstandseffektelementes und eines Magnetfeldes, das auf das Magnetowiderstandseffektelement anzuwenden ist;

Fig. 8A-8B zeigen die Strukturen eines Magnetowider­ standseffektelementes, das für die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform geeignet ist;

Fig. 9A-9B zeigen eine andere Ausführungsform in bezug auf Fig. 7;

Fig. 10A-10B zeigen die Strukturen eines Magnetowider­ standseffektelementes, das für die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform geeignet ist;

Fig. 11A-11B zeigen ein anderes Verfahren zum Anwenden eines einseitig wirkenden Magnetfeldes auf ein Magnetowider­ standseffektelement;

Fig. 12A-12B zeigen eine Ausführungsform eines Magnet­ sensors, der eine Vielzahl von magnetischen Objekten detek­ tieren kann;

Fig. 13 ist eine schematische Draufsicht, die eine andere Ausführungsform des Magnetsensors zeigt, der eine Vielzahl von magnetischen Objekten detektieren kann;

Fig. 14A-14D zeigen ein anderes Verfahren zum Anwenden eines einseitig wirkenden Magnetfeldes auf ein Magnetowider­ standseffektelement;

Fig. 15A-15B sind eine Vorderansicht und eine Seiten­ ansicht, die eine Ausführungsform der tatsächlichen Struktur eines Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 16A-16B sind eine Vorderansicht und eine Seiten­ ansicht, die ein anderes Verfahren zum Anwenden eines einseitig wirkenden Magnetfeldes auf ein Magnetowiderstands­ effektelement zeigen;

Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das die Prinzipstruktur einer Signalumsetzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 18A-18D zeigen Signalwellenformen zum Erläutern der Operation der Signalumsetzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 19 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der Signalumsetzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung zeigt;

Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Aus­ führungsform einer Halbwellengleichrichterschaltung der Signalumsetzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 21 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform einer Differenzverstärkungsschaltung der Signalumsetzungs­ schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 22A-22D zeigen die Gesamttemperaturcharakteristi­ ken, die durch Miteinanderkombinieren des Magnetsensors und der Signalumsetzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung realisiert werden;

Fig. 23A-23D zeigen eine herkömmliche Technik bezüglich des Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 24A-24C zeigen die Struktur und die Operation eines Magnetowiderstandseffektelementes, das ferromagneti­ sche Dünnfilmstreifen umfaßt;

Fig. 25 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie­ hung zwischen der Widerstandsveränderungsrate eines ferro­ magnetischen Dünnfilmstreifens und dem auf ihn angewendeten Magnetfeld zeigt;

Fig. 26 ist ein Blockdiagramm, das eine herkömmliche Signalumsetzungsschaltung zeigt; und

Fig. 27A-27D zeigen die Wellenformen von Signalen, die zum Erläutern der Operation der in Fig. 26 gezeigten Signal­ umsetzungsschaltung gezeigt sind.

Fig. 1 ist eine erläuternde Ansicht des Prinzips eines Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1A ist eine Draufsicht, Fig. IB ist eine Querschnittsansicht längs der Linie k-k von Fig. 1A, und Fig. 1C und 1D sind Quer­ schnittsansichten jeweils längs der Linie L-L von Fig. 1A.

Ein Magnetowiderstandseffektelement 2 ist, wie in Fig. 1A gezeigt, an einer Position angeordnet, die von der Mitte einer Magnetpoloberfläche 11 eines Dauermagneten 1 abweicht, vorzugsweise an einer Position, die von der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 längs der Magnetpoloberfläche 11 in einer Richtung abweicht, die zu einer Richtung (bezeichnet durch einen Pfeil A, der in Fig. 1C und 1D gezeigt ist) senkrecht ist, in der ein Objekt 3 bewegt wird.

Als Resultat der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird auf die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 eine Magnetfeldkom­ ponente (nachfolgend als "einseitig wirkendes Magnetfeld Hb" bezeichnet) angewendet, die sich hin zu der Abweichungs­ richtung des Objekts richtet. In einem Fall, bei dem das Magnetowiderstandseffektelement 2 aus ferromagnetischen Dünnfilmstreifen des Barbierstabtyps 4 hergestellt ist, die wie in Fig. 24 gezeigt gebildet sind, koinzidiert die obige Abweichungsrichtung mit der Längsrichtung der ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 4.

Die obige Anordnung bewirkt zwangsläufig, daß sich die Magnetisierung M aller ferromagnetischer Dünnfilmstreifen 4 der Richtung des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb zuwen­ det, in einem Fall, bei dem das empfindliche Magnetfeld Hs nicht angewendet wird. Deshalb kann das empfindliche Magnet­ feld Hs auf solch eine Weise detektiert werden, daß die Anfangszustände der Magnetisierung M für alle ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 4 zu denselben gemacht werden. Als Resultat kann die Verschlechterung der Empfindlichkeit, die bei dem herkömmlichen Sensor vorkam, der unter Bezugnahme auf Fig. 23 beschrieben wurde, und auf Grund der Inversion der Magnetisierung M von einem Teil der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 auftrat, verhindert werden.

Falls das Magnetowiderstandseffektelement 2 wie oben beschrieben an einer Position angeordnet ist, die von der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 abweicht, erfolgt die Veränderung der Richtung des empfindlichen Magnetfeldes Hs, wenn das magnetische Objekt 3 bewegt wird, ähnlich wie bei der in Fig. 23 gezeigten Anordnung. Deshalb kann die Ver­ änderung des Ausgangssignals von dem Magnetowiderstands­ effektelement 2, die auf Grund der Veränderung der Richtung des empfindlichen Magnetfeldes Hs auftritt, der Beziehung, die in Fig. 25 gezeigt ist, standhalten, und demzufolge kann in einer schwachen Magnetfeldzone eine ausgezeichnete Empfindlichkeit aufrechterhalten werden.

Bei dem Magnetsensor gemäß dieser Ausführungsform, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist es vorzuziehen, wenn das Magneto­ widerstandseffektelement 2 von der Mitte der Magnetpolober­ fläche 11 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung abweicht, in der das Objekt 3 bewegt wird, wie oben beschrieben. Der obige Fakt kann qualitativ folgendermaßen beschrieben werden.

Das heißt, wenn die Magnetisierung M der ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 4 senkrecht zu dem empfindlichen Magnetfeld Hs gerichtet ist, wird der Effekt des empfindli­ chen Magnetfeldes Hs, das auf die Magnetisierung M wirkt, maximal. Deshalb verursacht eine Einstellung der Abwei­ chungsrichtung der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4, wie oben beschrieben, ein einseitig wirkendes Magnetfeld Hb, das bewirkt, daß sich die Magnetisierung M einer Richtung zuwendet, die zu dem anzuwendenden empfindlichen Magnetfeld Hs senkrecht ist. Als Resultat wird die Veränderung des Widerstandes der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4, die auf Grund der Anwendung eines schwachen empfindlichen Magnetfeldes Hs auftritt, maximal. Eine Untersuchung bezüglich des Betrages der Abweichung, die durch die Erfin­ der der vorliegenden Erfindung erfolgte, erbrachte, daß die optimale Distanz das Zwei- bis Vierfache der Breite des Magnetowiderstandseffektelementes ist.

Falls das Magnetowiderstandseffektelement 2 angeordnet wird, um von der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 in einer Richtung parallel zu der Richtung abzuweichen, in der das Objekt 3 bewegt wird, ist das einseitig wirkende Magnetfeld Hb, folglich die Magnetisierung M, immer der Richtung des empfindlichen Magnetfeldes Hs zugewandt, und das Magneto­ widerstandseffektelement 2 kann nicht effektiv betrieben werden. Deshalb sollte solch eine Richtung oder jene in der Nähe von ihr bei der Abweichungsrichtung ausgelassen werden.

Die obige Magnetpoloberfläche 11 des Magneten 1 ist nicht auf die obige runde Form begrenzt. Falls die Magnet­ poloberfläche 11 als elliptische Form oder als regelmäßiges Vieleck, wie in regelmäßiger Sechseckform, gebildet ist, kann sie auf die vorliegende Erfindung angewendet werden.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur eines Magnetowiderstandseffektelementes 21 gemäß der vor­ liegenden Erfindung zeigt, wobei das Magnetowiderstands­ effektelement 21 ähnliche Charakteristiken wie jene des Magnetowiderstandseffektelementes 2 hat, das aus den ferro­ magnetischen Dünnfilmstreifen des "barber pole"-typs 4 her­ gestellt ist, wie unter Bezugnahme auf Fig. 24 beschrieben.

Um denselben Zustand hervorzubringen, bei dem die Magnetisierung M einen Winkel von 45° mit dem elektrischen Strom i bildet, wie bei den ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen des barber pole-typs 4, unter der Anwendung des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb, werden ferromagnetische Dünnfilmstreifen 41, die aus einer NiFe-Legierung oder einer NiCo-Legierung bestehen, die jeweils zum Beispiel bis zu 80% Nickel enthalten, angeordnet, um einen Winkel von 45° mit der Richtung des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb zu bilden. In einem Fall, bei dem das Magnetowiderstandseffekt­ element 21 angeordnet ist, um von der Mitte der Magnetpol­ oberfläche 11 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung abzuweichen, in der das Objekt 3 bewegt wird, bilden die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 41 einen Winkel von 45° mit der Richtung, in der das Objekt 3 bewegt wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 51 ein Substrat aus nichtmagnetischem Material und mit der Ober­ fläche, die wenigstens eine Isoliercharakteristik hat, wobei das Substrat 51 zum Beispiel ein Siliziumchip ist, der mit einem SiO₂-Film bedeckt ist. Bezugszeichen 15 bis 18 bezeichnen Elektroden zum Beispiel aus einem dünnen Gold- (Au)-Film.

Das in Fig. 2 gezeigte Magnetowiderstandseffektelement 2 weist im Vergleich zu dem Magnetowiderstandseffektelement 2, das aus den ferromagnetischen Dünnfilmstreifen des "barber pole"-typs 4 besteht, die in Fig. 24 gezeigt sind, einen Vorteil auf, der darin besteht, daß das Verfahren zum Bilden des Elementmusters vereinfacht werden kann, da die leitfähigen Dünnfilmstreifen 6 nicht angeordnet sind.

Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht, die ein Magnetowiderstandseffektelement 22 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welches Magnetowiderstandseffektelement 22 eine Abwandlung des Magnetowiderstandseffektelementes 2 ist, das aus den ferromagnetischen Dünnfilmstreifen des "barber pole"-typs 4 besteht, die in Fig. 24 gezeigt sind.

Eine Brückenschaltung besteht aus ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 bis 45, die zum Beispiel aus der NiFe- oder NiCo-Legierung ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform hergestellt sind, und aus Elektroden 15 bis 18, die jeweils aus einem dünnen Au-Film bestehen. Leitfähi­ ge Dünnfilmstreifen 62 bis 65, die sich erstrecken, um einen Winkel von 45° mit der Längsrichtung der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 bis 45 zu bilden, sind auf den ferro­ magnetischen Dünnfilmstreifen 42 bis 45 gebildet.

Die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 und 43, bei denen bewirkt wurde, daß sie parallel verlaufen und benach­ bart angeordnet sind, bilden ein Paar von zwei benachbarten Seiten der Brückenschaltung, wobei sich die leitfähigen Dünnfilmstreifen 62 und 63, die auf den ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 und 43 gebildet sind, in Richtungen erstrecken, um miteinander einen Winkel von 90° zu bilden. Ähnlich bilden die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 44 und 45, bei denen bewirkt wurde, daß sie parallel verlaufen und benachbart angeordnet sind, ein anderes Paar von zwei benachbarten Seiten der Brückenschaltung, wobei sich die leitfähigen Dünnfilmstreifen 64 und 65, die auf den ferroma­ gnetischen Dünnfilmstreifen 44 und 45 gebildet sind, in Richtungen erstrecken, um miteinander einen Winkel von 90° zu bilden. Die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 und 45 bilden zwei benachbarte Seiten der Brückenschaltung, während die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 43 und 44 die anderen zwei benachbarten Seiten der Brückenschaltung bilden. Die leitfähigen Dünnfilmstreifen 62 und 65 und 63 und 64 er­ strecken sich jeweils in Richtungen, die miteinander einen Winkel von 90° bilden. Deshalb ist das Magnetowiderstands­ effektelement 22 äquivalent dem Magnetowiderstandseffekt­ element 2, das in Fig. 24 gezeigt ist. Ferner ist das Magnetowiderstandseffektelement 22 auf solch eine Weise angeordnet, daß das einseitig wirkende Magnetfeld Hb ange­ wendet werden kann, das parallel zu den Richtungen verläuft, in die sich die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 bis 45 erstrecken.

Das Magnetowiderstandseffektelement 22, das in Fig. 3 gezeigt ist, weist im Vergleich zu dem Magnetowiderstands­ effektelement 2, das in Fig. 24 gezeigt ist, folgenden Vorteil auf. Das heißt, da die ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 42 und 43 oder 44 und 45, die die benachbarten zwei Seiten der Brückenschaltung bilden, benachbart angeordnet sind, kann ein Vorteil realisiert werden, insofern als es durch eine unregelmäßige Verteilung der Magnetfelder, die auf Grund einer lokalen Veränderung des Magnetfeldes auf­ tritt, nicht ohne weiteres beeinflußt werden kann.

In dem in Fig. 1 gezeigten Magnetsensor schwankt die Stärke des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb, das auf das Magnetowiderstandseffektelement angewendet wird, in Abhängigkeit von der Distanz von der Mitte der Magnetpol­ oberfläche 11 des Dauermagneten 1. Fig. 4 ist eine Ansicht, die ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, um die Verschlechterung der Empfindlichkeit zu kompensieren, die auf Grund der Differenz in dem einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb auftritt, die in Abhängigkeit von der Distanz vorkommt. Fig. 4A ist eine schematische Draufsicht, und Fig. 4B und 4C sind die Wellenformen der detektierten Signale.

Die Widerstandsveränderungsrate eines ferromagnetischen Dünnfilmstreifens schwankt in Abhängigkeit von der Stärke des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb. Deshalb sind die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen in dem Magnetowider­ standseffektelement der Differenz der Widerstandsverände­ rungsrate ausgesetzt, die auf Grund der Differenz ihrer Positionen auftritt. Als Resultat ist die Detektionsempfind­ lichkeit bei dem Magnetsensor im Vergleich zu einem Ideal­ fall vermindert, bei dem gleiche einseitig wirkende Magnet­ felder Hb auf alle ferromagnetischen Dünnfilmstreifen angewendet werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4A wird angenommen, daß das Magnetowiderstandseffektelement 22, wie in Fig. 3 gezeigt, an einer Position angeordnet ist, die von der Mitte P der Magnetpoloberfläche 11 des Dauermagneten 1 abweicht. Gruppen gerader Linien 62 bis 65, die in Fig. 4A gezeigt sind, zeigen schematisch die leitfähigen Dünnfilmstreifen, die auf den entsprechenden ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 bis 45 eines "barber pole"-typs angeordnet sind, um die Be­ bung einfach zu machen.

Falls das obige Objekt 3, das aus einer magnetischen Substanz besteht, wiederholt eine Position durchläuft, die an den in Fig. 4A gezeigten Magnetsensor angrenzt, wird das Detektionssignal verändert, wie in Fig. 4B gezeigt. Fig. 4B zeigt die Wellenform eines Signals, das von dem Magneto­ widerstandseffektelement 22 unter einer Idealbedingung übertragen wird, bei der einseitig wirkende Magnetfelder Hb, die dieselbe Stärke haben, auf die ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen 42 bis 45 angewendet werden. Tatsächlich wirken auf die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 und 43, die nahe der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 positioniert sind, und auf die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 44 und 45, die relativ weit von der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 entfernt positioniert sind, einseitig wirkende Magnetfelder Hb mit unterschiedlicher Stärke. Deshalb wird die Wellenform des Detektionssignals so wie durch eine gestrichelte Linie dargestellt, die in Fig. 4C gezeigt ist. Das heißt, die Höhe des Detektionssignals ist niedrig, wie gezeigt.

Als Resultat einer Untersuchung, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung vorgenommen wurde, wird die Widerstandsveränderungsrate (Δp/p₀) eines ferromagnetischen Dünnfilmstreifens verringert, falls seine Dicke vergrößert oder seine Breite reduziert wird. Deshalb können die Wider­ standsveränderungsraten der ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 42 bis 45 bei den jeweils angewendeten einseitig wirkenden Magnetfeldern Hb durch Konstruieren der Dicke oder der Breite von jedem der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 bis 45 egalisiert werden. Genauer gesagt, die Dicke von jedem der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 42 und 43, auf die ein relativ schwaches einseitig wirkendes Signal Hb angewendet wird, muß dicker als die von jedem der ferro­ magnetischen Dünnfilmstreifen 44 und 45 sein, auf die das relativ starke Vorspannungssignal Hb angewendet wird. Als Alternative dazu muß die Breite von jedem der ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 42 und 43 in bezug auf jene von jedem der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 44 und 45 verschmä­ lert werden. Als Resultat hat das Detektionssignal des Magnetsensors eine Wellenform wie durch eine durchgehende Linie dargestellt, die in Fig. 4C gezeigt ist, ähnlich dem Fall, bei dem die einseitig wirkenden Magnetfelder Hb mit derselben Intensität auf die ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 42 bis 45 angewendet werden. Das heißt, die Höhe des Signals nimmt zu.

Obwohl die obige Ausführungsform bezüglich des Bei­ spiels beschrieben wurde, bei dem das Magnetowiderstands­ effektelement aus ferromagnetischen Dünnfilmstreifen des "barber pole"-typs verwendet wird, kann für diese Ausfüh­ rungsform ein Magnetowiderstandseffektelement aus ferroma­ gnetischen Dünnfilmstreifen eingesetzt werden, die auf der Grundlage der Idee angeordnet sind, die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde.

Fig. 5 ist eine schematische Rißansicht, die das Konzept der Grundlage von anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.

Das obige Objekt 3, das aus der weichmagnetischen Substanz besteht, wird zum Beispiel bei den Zähnen eines Getriebes eingesetzt, das um eine Achse rotiert. Der obige Magnetsensor aus dem Dauermagneten 1 und dem Magnetowider­ standseffektelement 23 ist angrenzend an die Zähne des Getriebes angeordnet. Eine Anordnung erfolgt auf solch eine Weise, daß die Breite W von jedem der Zähne im wesentlichen dieselbe wie das Ausmaß des Magnetowiderstandseffektelemen­ tes 23 ist, und die Zahnteilung etwa das Zwei- bis Fünffache der Breite W beträgt (d. h., die Breite der Nut zwischen Zähnen ist im wesentlichen dieselbe wie W oder etwa bis zu viermal größer als diese).

Wenn das Objekt 3 eine Position passiert, die an das Magnetowiderstandseffektelement 23 angrenzt, wird das empfindliche Magnetfeld Hs, wie in Fig. 6 gezeigt, auf das Magnetowiderstandseffektelement 23 angewendet. Das heißt, wenn das Objekt 3 positioniert ist, um der Oberfläche des Magnetowiderstandseffektelementes 23 zugewandt zu sein, wird der Magnetfluß des Dauermagneten 1 abgelenkt, um zu dem Objekt 3 hin konvergiert zu werden, wie in Fig. 6A gezeigt. Wenn das Objekt 3 abseits von der Position positioniert ist, an der es dem Magnetowiderstandseffektelement 23 zugewandt ist, und das Magnetowiderstandseffektelement 23 zwischen benachbarten Objekten 3 positioniert ist, wird der Fluß des Dauermagneten 1 abgelenkt, um zu den zwei Seitenobjekten 3 zu divergieren, wie in Fig. 6B gezeigt. Als Resultat werden empfindliche Magnetfelder Hs und -Hs, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen verlaufen, auf die zwei ferro­ magnetischen Dünnfilmstreifen 46 angewendet, die das Magne­ towiderstandseffektelement 23 bilden. Fig. 6C und 6D sind schematische und teilweise Draufsichten, die Fig. 6A bzw. 6B entsprechen. Fig. 6C und 6D zeigen ferromagnetische Dünn­ filmstreifen des Barbierstabtyps 46 als Beispiel.

Fig. 7 zeigt Beispiele von Kombinationen der Richtung des empfindlichen Magnetfeldes Hs und der Richtung des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb. Obwohl Fig. 7 ein Magnetowiderstandseffektelement zeigt, das aus den ferro­ magnetischen Dünnfilmstreifen des Barbierstabtyps 46 und 47 besteht, kann es gegen ein Magnetowiderstandseffektelement ausgetauscht werden, das aus ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen besteht, die angeordnet sind, um einen Winkel von 45° mit dem einseitig wirkenden Magnetfeld Hb zu bilden, wie zum Beispiel in Fig. 2 gezeigt.

Fig. 7A zeigt einen Fall, bei dem ein einseitig gerich­ tetes empfindliches Magnetfeld Hs oder -Hs und ein einseitig wirkendes Magnetfeld Hb auf den Gesamtabschnitt der ferroma­ gnetischen Dünnfilmstreifen 46 und 47 angewendet werden. Bei den ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 und 47, die in Fig. 7A gezeigt sind, sind die leitfähigen Dünnfilmstreifen 66 und 67 auf den entsprechenden ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 46 und 47, die die beliebigen zwei benachbarten Seiten einer Brückenschaltung bilden, angeordnet, wobei die leitfähigen Dünnfilmstreifen 66 und 67 einen Winkel von 90° miteinander bilden, ähnlich wie bei der in Fig. 24 gezeigten Struktur.

Fig. 7B zeigt einen Fall, bei dem die empfindlichen Magnetfelder Hs und -Hs, die in den entgegengesetzten Richtungen verlaufen, auf die zwei ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen 46 und 47 angewendet werden, die in einer Richtung senkrecht zu dem einseitig wirkenden Magnetfeld Hb benachbart angeordnet sind, während ein einseitig wirkendes Magnetfeld Hb auf den Gesamtabschnitt der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 und 47 angewendet wird. Die leitfähigen Dünnfilmstreifen 66, die jeweils auf den zwei in senkrechter Richtung zu dem einseitig wirkenden Magnetfeld Hb benach­ barten ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 angeordnet sind, verlaufen parallel zueinander. Andererseits bilden die leitfähigen Dünnfilmstreifen 66 und 67, die jeweils auf den zwei in paralleler Richtung zu dem einseitig wirkenden Magnetfeld Hb benachbarten ferromagnetischen Dünnfilmstrei­ fen 46 und 47 angeordnet sind, einen Winkel von 90° mitein­ ander.

Fig. 7C zeigt einen Fall, bei dem die empfindlichen Magnetfelder Hs und -Hs, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen verlaufen, auf die zwei benachbarten ferromagne­ tischen Dünnfilmstreifen 46 in einer Richtung senkrecht zu dem einseitig wirkenden Magnetfeld Hb angewendet werden, und die einseitig wirkenden Magnetfelder Hb und -Hb, die in entgegengesetzter Richtung verlaufen, werden auf die zwei benachbarten ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 in deren Richtung angewendet. Die leitfähigen Dünnfilmstreifen 66, die jeweils auf allen ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 gebildet sind, verlaufen parallel zueinander.

Entsprechend der Richtungsänderung des empfindlichen Magnetfeldes zwischen Hs und -Hs, die in Fig. 7A bis 7C gezeigt ist, sind die Zeichen (+ oder -) der Widerstandsver­ änderung, die in den jeweiligen ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 46 und/oder 47 stattgefunden hat. Bei den gezeigten Kombinationen unterscheiden sich die Zeichen der Wider­ standsveränderungen der zwei beliebigen benachbarten ferro­ magnetischen Dünnfilmstreifen 46 oder 47 voneinander. Deshalb kann die Brückenschaltung, die aus den obigen ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 und/oder 47 besteht, als Magnetsensor effektiv arbeiten. Es versteht sich ohne weiteres, daß die Brückenschaltung von Fig. 7B als Magnet­ sensor auch effektiv arbeiten kann, wenn ein einseitig wirkendes Magnetfeld Hb in der Richtung angewendet wird, die durch den Pfeil Hs oder -Hs bezeichnet ist, und die empfind­ lichen Magnetfelder Hs und -Hs, die zueinander entgegen­ gesetzt sind, auf die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 und 47 jeweils parallel zu der Richtung angewendet werden, die durch den Pfeil Hb bezeichnet ist.

Fig. 7A entspricht dem Fall, bei dem der Abstand zwischen den benachbarten Objekten 3, der in Fig. 6 gezeigt ist, verglichen mit der Größe des Magnetowiderstandseffekt­ elementes 23 ausreichend groß ist, und der Gesamtkörper des Magnetowiderstandseffektelementes 23 ist an einer Position angeordnet, die in einer Richtung von der Mitte der Magnet­ poloberfläche 11 des Dauermagneten 1 abweicht, wie in Fig. 1 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform kann irgendeines der Magnetowiderstandseffektelemente 2, 21 oder 22, die in Fig. 24, 2 bzw. 3 gezeigt sind, verwendet werden.

Fig. 7B entspricht einem Fall, bei dem die Breite W der obigen Zähne fast dieselbe wie die Größe des Magnetowider­ standseffektelementes 23 ist und die Zahnteilung etwa das Zwei- bis Fünffache beträgt, wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben, und der Gesamtkörper des Magnetowiderstands­ effektelementes 23 ist an einer Position angeordnet, die in einer Richtung von der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 des Dauermagneten 1 abweicht, wie in Fig. 1 gezeigt. Beispiele des Musters der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen, die das Magnetowiderstandseffektelement gemäß dieser Ausführungsform bilden, sind in Fig. 8 gezeigt.

Ein Muster, das in Fig. 8A gezeigt ist, besteht aus vier Streifengruppen, wovon jede eine Vielzahl von ferroma­ gnetischen Dünnfilmstreifen 46 und 47 umfaßt. Alle ferroma­ gnetischen Dünnfilmstreifen 46 und 47 bilden einen Winkel von 45° mit der Richtung, in der das einseitig wirkende Magnetfeld Hb angewendet wird, das heißt, mit der Abwei­ chungsrichtung von der Magnetpoloberfläche 11 des Dauer­ magneten 1, die in Fig. 1 gezeigt ist. Die zwei ferromagne­ tischen Dünnfilmstreifengruppen 46, die in einer Richtung senkrecht zu dem einseitig wirkenden Magnetfeld Hb benach­ bart angeordnet sind, verlaufen parallel zueinander. Die anderen zwei ferromagnetischen Dünnfilmstreifengruppen 47 verlaufen parallel zueinander. Die zwei ferromagnetischen Dünnfilmstreifengruppen 46 und 47, die in einer Richtung parallel zu dem einseitig wirkenden Magnetfeld Hb benachbart angeordnet sind, bilden einen Winkel von 90° miteinander. Die Elektroden 15 bis 18 sind mit den Verbindungsstellen der obigen Streifengruppen verbunden.

Ein Muster, das in Fig. 8B gezeigt ist, besteht aus vier Streifengruppen, wovon jede eine Vielzahl von ferroma­ gnetischen Dünnfilmstreifen 46 und 47 des "barber pole"-typs umfaßt. Alle ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 und 47 verlaufen parallel zu der Richtung, in der das einseitig wirkende Magnetfeld Hb angewendet wird. Die leitfähigen Dünnfilmstreifen 66, die auf den zwei ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 angeordnet sind, die in einer Richtung senkrecht zu dem einseitig wirkenden Magnetfeld Hb benach­ bart angeordnet sind, verlaufen parallel zueinander. Die leitfähigen Dünnfilmstreifen 67, die auf den anderen zwei ferromagnetischen Dünnfilmstreifengruppen 47 angeordnet sind, verlaufen parallel zueinander. Die leitfähigen Dünn­ filmstreifen 66 und 67, die auf den zwei ferromagnetischen Dünnfilmstreifengruppen 46 bzw. 47 angeordnet sind, die in einer Richtung parallel zu dem einseitig wirkenden Magnet­ feld Hb benachbart angeordnet sind, bilden einen Winkel von 90° miteinander. Die Elektroden 15 bis 18 sind mit den Verbindungsstellen der obigen Streifengruppen verbunden.

Das Verfahren, das unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wurde und arrangiert wird, um die Verschlechte­ rung der Empfindlichkeit zu kompensieren, die auf Grund der Differenz des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb auftritt, die in Abhängigkeit von dem einseitigen Abstand von der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 vorkam, kann auf das in Fig. 8A oder 8B gezeigte Muster angewendet werden. Das heißt, die Konstruktion erfolgt auf solch eine Weise, daß die Dicke der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46, auf die ein relativ schwaches Vorspannungssignal Hb angewendet wird, dicker als die der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 47 gemacht wird, auf die ein relativ starkes Vorspannungssignal Hb angewendet wird, oder daß die Breite der ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 46 schmaler als jene der ferromagne­ tischen Dünnfilmstreifen 47 gemacht wird.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 7C entspricht die gezeigte Struktur einer Struktur, die unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben wurde, in der die Breite W der obigen Zähne fast dieselbe wie die Größe des Magnetowiderstands­ effektelementes 23 ist und die Zahnteilung etwa das Zwei- bis Fünffache beträgt. Ferner sind die vier ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 46, die ein Magnetowiderstandseffekt­ element bilden, an Positionen angeordnet, die von der Mitte einer Magnetpoloberfläche abweichen, während sie bezüglich der Mitte der Magnetpoloberfläche symmetrisch angeordnet sind. Somit werden einseitig wirkende Magnetfelder Hb und - Hb, die zueinander entgegengesetzt sind, jeweils auf die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 angewendet, die in den verschiedenen Richtungen abweichen.

Als Resultat der Anordnung der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 kann eine leere Zone an dem zentralen Abschnitt des Substrats 5 erhalten werden. Falls das Sub­ strat 5 einen Siliziumchip umfaßt, der mit einem SiO₂-Film bedeckt ist, kann eine Struktur gebildet werden, bei der die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 auf dem SiO₂-Film angeordnet sind, und die zentrale Zone 52 des Chips kann als Raum zum Bilden einer integrierten Halbleiterschaltung zum Verarbeiten des Detektionssignals von dem Magnetowider­ standseffektelement verwendet werden.

Fig. 10 zeigt Beispiele des Musters der ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 46, die das Magnetowiderstandseffekt­ element 23 bilden, das in Fig. 9 gezeigt ist.

Das in Fig. 10A gezeigte Muster besteht aus vier Streifengruppen, wovon jede eine Vielzahl von ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen 46 umfaßt. Alle ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 bilden einen Winkel von 45° mit der Richtung, in der das einseitig wirkende Magnetfeld Hb oder -Hb angewendet wird, wobei die ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 46 parallel zueinander verlaufen. Die obigen Streifengruppen sind an Positionen angeordnet, die von der Mitte des Musters um eine vorbestimmte Distanz D abweichen, um auf sie das einseitig wirkende Magnetfeld Hb oder -Hb mit einer vorbestimmten Stärke anzuwenden. Die Elektroden 15 bis 18 sind mit den Verbindungsstellen der obigen Streifen­ gruppen verbunden.

Das in Fig. 10B gezeigte Muster besteht aus vier Streifengruppen, wovon jede eine Vielzahl von ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen des "barber pole"-typs 46 umfaßt. Alle ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 verlaufen par­ allel zu der Richtung, in der das einseitig wirkende Magnet­ feld Hb oder -Hb angewendet wird. Die leitfähigen Dünnfilm­ streifen 66, die auf den ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 46 angeordnet sind, verlaufen parallel zueinander, während sie einen Winkel von 45° mit der Richtung bilden, in der das einseitig wirkende Magnetfeld Hb oder -Hb angewendet wird. Ähnlich wie bei der in Fig. 10A gezeigten Struktur sind die Streifengruppen an Positionen angeordnet, die von der Mitte des Musters um eine vorbestimmte Distanz D abweichen. Die Elektroden 15 bis 18 sind mit den Verbindungsstellen der Streifengruppen verbunden.

Fig. 11 ist eine schematische Vorderansicht, die ein Mittel zum effektiven Anwenden von einseitig wirkenden Magnetfeldern Hb und -Hb, die zueinander entgegengesetzt sind, auf die zwei benachbarten ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 46, wie in Fig. 6 oder Fig. 7B und 7C gezeigt, oder auf die Streifengruppe, die aus der Vielzahl von ferromagne­ tischen Dünnfilmstreifen 46 oder 47 besteht, die wie in Fig. 8 gezeigt angeordnet sind, zeigt.

Ein Magnetjoch 7 aus einer weichmagnetischen Substanz ist auf einer Magnetpoloberfläche 11 eines zylindrischen Dauermagneten 1 angeordnet. Das Magnetjoch 7 umfaßt einen plattenartigen Abschnitt 70, der im wesentlichen in Kontakt mit der Magnetpoloberfläche 11 angeordnet ist, und vor­ stehende Abschnitte 71, die von zwei Seiten gebildet sind, um das Magnetowiderstandseffektelement 23 zu halten. Bezugs­ zeichen 5 bezeichnet ein Substrat zum Halten des Magneto­ widerstandseffektelementes 23. Fig. 11A zeigt einen Zustand, bei dem das Objekt 3, das aus einer magnetischen Substanz besteht, positioniert ist, um dem Magnetowiderstandseffekt­ element 23 zugewandt zu sein, während Fig. 11B einen Zustand zeigt, bei dem das Magnetowiderstandseffektelement 23 zwischen zwei benachbarten Objekten 3 positioniert ist. Magnetkraftlinien, die von der Magnetpoloberfläche 11 ausgehen, verlaufen von den führenden Abschnitten der vorstehenden Abschnitte 71 hin zu dem Objekt 3, wie durch gestrichelte Linien angegeben, die jeweils einen Pfeil haben. Da die Magnetflußdichte verglichen mit der Struktur, in der das Magnetjoch 7 nicht angeordnet ist, erhöht ist, werden stärkere einseitig wirkende Magnetfelder Hb und -Hb auf das Magnetowiderstandseffektelement 23 angewendet. Als Magnetowiderstandseffektelement 23 können die ferromagneti­ schen Dünnfilmstreifen verwendet werden, die das Muster haben, das wie in Fig. 8 oder Fig. 10 gezeigt gebildet ist.

Fig. 12 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform zum Detektieren einer Vielzahl von Objekten zeigt, wovon jedes aus einer magnetischen Substanz besteht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 12A ist eine Vielzahl der Magnetowiderstandseffektelemente 21, die zum Beispiel wie in Fig. 2 gezeigt angeordnet sind, auf einer geraden Linie angeordnet, die durch die Mitte der Magnetpoloberfläche 11 des Dauermagneten 1 verläuft. Andererseits ist eine Vielzahl von Objekten 31 und 32, wovon jedes aus einem gedruckten Muster aus magnetischer Tinte besteht, auf einer Oberfläche eines Trägers 8 gebildet, der zum Beispiel ein Blatt Papier ist. Während einer Periode, in der der Träger 8 in einer Richtung bewegt wird, die durch einen Pfeil A bezeichnet ist, werden die Objekte 31 und 32 durch das entsprechende Magnetowiderstandseffektelement 21 individuell detektiert. Die Objekte 31 und 32, die durch die entsprechenden Magneto­ widerstandseffektelemente 21 zu detektieren sind, sind nicht auf jene begrenzt, die auf einer geraden Linie senkrecht zu der Richtung angeordnet sind, in der der Träger 8 bewegt wird. Die Objekte 31 und 32 können ein Abschnitt eines zusammenhängenden Musters sein.

Fig. 12B zeigt eine Ausführungsform, die für einen Zustand geeignet ist, bei dem eine Vielzahl von obigen Objekten 31 und 32 unter Bedingungen, die unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben wurden, in der Richtung angeordnet sind, in der der Träger 8, welcher ein Blatt Papier ist, bewegt wird. Das heißt, die Breite W der Vielzahl der Objekte 31 oder 32 in der Richtung, in der der Träger 8 bewegt wird, ist im wesentlichen dieselbe wie das Ausmaß des Magnetowiderstandseffektelementes 23, während die Anord­ nungsteilung der Objekte 31 oder 32 in der Richtung, in der der Träger 8 bewegt wird, etwa das Zwei- bis Fünffache der Breite W beträgt. In diesem Fall wird das Magnetowider­ standseffektelement 23 mit den ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen 46 und 47 eingesetzt, die das in Fig. 8 gezeigte Muster haben. Ferner können in dieser Ausführungsform die Objekte 31 und 32 ein Abschnitt des zusammenhängenden Musters in einer Richtung sein, die zu der Richtung senk­ recht ist, in der der Träger 8 bewegt wird, falls die Breite W und die Anordnungsteilung der Objekte 31 oder 32 in der Richtung, in der der Träger 8 bewegt wird, den obigen Bedingungen genügen.

Wie in Fig. 12A und 12B gezeigt, ermöglicht es der Einsatz zum Beispiel eines Siliziumchips als Substrat 5, eine integrierte Halbleiterschaltung zum Verarbeiten des Detektionssignals in der zentralen Zone 52 des Substrats zu bilden, ähnlich wie jene, die in Fig. 9 gezeigt ist. Die Anzahl der Magnetowiderstandseffektelemente 21 oder 23, die auf dem Substrat 5 angeordnet sind, wie in Fig. 12 gezeigt, ist natürlich nicht auf zwei begrenzt. Die Notwendigkeit des Bildens der Objekte 31 und 32 auf einem flachen Glied kann eliminiert werden. Zum Beispiel können sie auf der Seiten­ oberfläche eines zylindrischen Glieds gebildet sein, das um die Achse rotiert.

Fig. 13 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform zeigt, die angeordnet ist, um eine Vielzahl von Objekten zu detektieren, wovon jedes aus einer magnetischen Substanz besteht, ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform.

Eine Vielzahl von Magnetsensoren, wovon jeder den Dauermagnet 1 und die Substrate umfaßt, sind in einer Linie auf einem Halteglied 9, wie eine gedruckte Leiterplatte, angeordnet. Jeder Sensor hat, wie unter Bezugnahme auf Fig. 12 beschrieben, eine Vielzahl von Magnetowiderstandseffekt­ elementen 21 oder 23 (beide nicht gezeigt), die auf seinem Substrat 5 angeordnet sind. Wenn angenommen wird, daß zwei Magnetowiderstandseffektelemente 21 auf jedem Substrat 5 angeordnet sind, ist die in Fig. 13 gezeigte Struktur mit den drei Sensoren äquivalent einer Struktur, in der sechs Magnetowiderstandseffektelemente 21 auf dem Halteglied 9 angeordnet sind. Eine Vielzahl von Objekten 31 bis 36, die auf einem Träger 8 angeordnet sind, der ein Blatt Papier ist, das sich in eine Richtung bewegt, die durch einen Pfeil A bezeichnet ist, werden durch die entsprechenden Magneto­ widerstandseffektelemente 21 detektiert. Ferner ist diese Ausführungsform nicht auf die Objekte 31 bis 36 begrenzt, die auf einer geraden Linie angeordnet sind, die zu der Richtung, in der der Träger 8 bewegt wird, senkrecht ist. Ferner können sie ein Abschnitt eines zusammenhängenden Musters in einer Richtung sein, die zu der Richtung senk­ recht ist, in der der Träger 8 bewegt wird.

Als Resultat der in Fig. 13 gezeigten Struktur kann eine Vielzahl von unabhängigen Mustern, wovon jedes aus einer magnetischen Substanz besteht, oder ein Abschnitt eines zusammenhängenden Muster mit hoher Auflösung detek­ tiert werden.

Fig. 14 zeigt eine andere Ausführungsform des Ver­ fahrens zum Anwenden des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb auf ein Magnetowiderstandseffektelement, wobei sich das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform von dem Verfahren unterscheidet, das unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde und auf solch eine Weise angeordnet ist, daß das Magnetowiderstandseffektelement an einer Position angeordnet ist, die von der Mitte einer Magnetpoloberfläche eines Dauermagneten abweicht.

Unter Bezugnahme auf eine Draufsicht, die in Fig. 14A gezeigt ist, und eine Seitenansicht, die in Fig. 14B gezeigt ist, ist ein plattenartiger zweiter Dauermagnet 12, der magnetisiert ist, um einen Kraftlinienweg zu haben, der zu der Magnetpoloberfläche 11 des zylindrischen Dauermagneten 1 parallel verläuft, auf der Magnetpoloberfläche 11 angeord­ net. Ein Substrat 5 mit einem Magnetowiderstandseffekt­ element (bei der Darstellung weggelassen) ist daraufgesta­ pelt und an dem Dauermagneten 12 befestigt. Als Magneto­ widerstandseffektelement wird irgendeines der in Fig. 24, 2, 3 und 8 gezeigten Elemente verwendet, und das eingesetzte Magnetowiderstandseffektelement wird auf solch eine Weise angeordnet, daß die Richtung des gezeigten einseitig wirken­ den Magnetfeldes Hb in Fig. 2, 3 oder 8 oder die Längs­ richtung der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen 4 in Fig. 24 zu dem Kraftlinienweg des Dauermagneten parallel verläuft.

Der Dauermagnet 12 wendet das einseitig wirkende Magnetfeld Hb, das in einer vorbestimmten Richtung verläuft, auf das Magnetowiderstandseffektelement an, so daß das herkömmliche Problem, das heißt, die Verschlechterung der Empfindlichkeit während wiederholter Operation, verhindert werden kann.

Unter Bezugnahme auf eine Draufsicht, die in Fig. 14C gezeigt ist, und eine Seitenansicht, die in Fig. 14D gezeigt ist, sind vorstehende Abschnitte 72, wovon jeder aus einer weichmagnetischen Substanz besteht, an den zwei Endabschnit­ ten des Dauermagneten 12 in der Richtung des Kraftlinien­ weges desselben angeordnet. Als Alternative dazu kann ein Magnetjoch 7 mit vorstehenden Abschnitten 72 zwischen dem Dauermagnet 12 und dem Substrat 5 angeordnet sein. Als Resultat kann das einseitig wirkende Magnetfeld Hb auf das Magnetowiderstandseffektelement effektiv angewendet werden. Die Dicke des Dauermagneten 12 kann nämlich reduziert werden, und demzufolge kann ein Vorteil realisiert werden, insofern als die Größe und das Gewicht des Magnetsensors reduziert werden können. Bei der in Fig. 14 gezeigten Struktur kann die Notwendigkeit des Anordnens des Magneto­ widerstandseffektelementes an einer Position, die von der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 abweicht, entfallen.

Fig. 15A und 15B sind eine Draufsicht und eine Seiten­ ansicht, die die tatsächliche Struktur des Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, die unter Bezugnah­ me auf Fig. 1 beschrieben wurde.

Das Substrat 5, auf dem ein Magnetowiderstandseffekt­ element (nicht gezeigt) angeordnet ist, ist zum Beispiel in einem Block 90 aus Epoxyharz geformt. Das Substrat 5 wird an einer Position angeordnet, die von der Mitte der Magnetpol­ oberfläche 11 abweicht, und dann werden der Block 90 aus Harz und der Dauermagnet 1 befestigt. Als Magnetowider­ standseffektelement wird irgendeines der Elemente, die in Fig. 24, 2, 3 und 8 gezeigt sind, verwendet. Das Magnetowi­ derstandseffektelement ist auf solch eine Weise angeordnet, daß die Richtung, in der das einseitig wirkende Magnetfeld Hb angewendet werden muß, in die Abweichungsrichtung zeigt. Bezugszeichen 91 bezeichnet eine der Leitungen, die mit den Elektroden 15 bis 18 der Brückenschaltung verbunden sind, die die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen umfaßt, die das Magnetowiderstandseffektelement bilden.

Fig. 16 zeigt eine andere Ausführungsform des Ver­ fahrens zum Anwenden des einseitig wirkenden Magnetfeldes Hb auf ein Magnetowiderstandseffektelement, wobei sich das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform von dem Verfahren unterscheidet, das unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, bei dem das Magnetowiderstandseffektelement an einer Position angeordnet ist, die von der Mitte der Magnetpol­ oberfläche 11 des Dauermagneten 1 abweicht.

Bei dem Magnetsensor, der zum Beispiel unter Bezugnahme auf Fig. 15 beschrieben ist, wird das Substrat 5 mit einem Magnetowiderstandseffektelement (nicht gezeigt) eingestellt, um von der Magnetpoloberfläche 11 des Dauermagneten 1 um einen vorbestimmten Winkel α geneigt zu sein, und so werden der Block 90 aus Harz und der Dauermagnet 1 befestigt. Als Magnetowiderstandseffektelement wird irgendeines von jenen verwendet, die in Fig. 24, 2, 3 und 8 gezeigt sind, wobei das verwendete Magnetowiderstandseffektelement auf solch eine Weise angeordnet wird, daß die Richtung, in der das einseitig wirkende Magnetfeld Hb angewendet werden muß, mit der Richtung koinzidiert, in der der maximale Neigungswinkel Q gebildet wird. Als Resultat der obigen Anordnung kann das einseitig wirkende Magnetfeld Hb auf die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen angewendet werden, die das Magnetowider­ standseffektelement bilden. Bezugszeichen 91 bezeichnet eine Anschlußleitung ähnlich jener, die bei der obigen Ausfüh­ rungsform verwendet wird. In der in Fig. 16 gezeigten Struktur kann die Notwendigkeit des Anordnens des Magneto­ widerstandseffektelementes an der Position, die von der Mitte der Magnetpoloberfläche 11 abweicht, entfallen.

Fig. 17 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern der Prin­ zipstruktur einer Signalumsetzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 18 ist eine grafische Dar­ stellung, die die Wellenformen von Signalen zeigt, die dargestellt werden, um die Operation der Umsetzungsschaltung zu erläutern. Das Magnetowiderstandseffektelement 2 (MR) des Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung, der zum Beispiel unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, gibt ein analoges Signal (10 mV Spitze-Spitze) aus, das wie in Fig. 18A gezeigt gebildet ist. Eine Differenzverstärker­ schaltung 100 verstärkt das obige analoge Signal zum Bei­ spiel auf das 150fache, wie in Fig. 18B gezeigt. Das ver­ stärkte Signal wird durch eine Halbwellengleichrichter­ schaltung 200 gleichgerichtet. Die Halbwellengleichrichter­ schaltung 200 gibt unidirektionial ein einseitig gerichtetes Impulssignal aus, das wie in Fig. 18C gezeigt gebildet ist.

Die Signalausgaben von der Differenzverstärkerschaltung 100 und die Signalausgabe von der Halbwellengleichrichter­ schaltung 200 werden einem Vergleich durch einen Komparator 300 unterzogen. Als Resultat wird ein Zweizustandssignal von der Komparatorschaltung 300 ausgegeben, das wie in Fig. 18D gezeigt gebildet ist.

Die in Fig. 17 gezeigte Umsetzungsschaltung hat keine Integrationsschaltung mit einer großen Zeitkonstante der herkömmlichen Umsetzungsschaltung, wie in Fig. 23 gezeigt. Ferner benötigt sie nicht den Kondensator C1 mit einer großen Kapazität, der bei der vorhergehenden Integrations­ schaltung eingesetzt wurde. Deshalb kann die vorliegende Erfindung das Problem der unerwünschten Veränderung der Breite des Zweizustandssignalimpulses überwinden, das mit der Struktur auftrat, bei der die herkömmliche Umsetzungs­ schaltung verwendet wird.

Fig. 19 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform einer Signalumsetzungsschaltung zeigt, die in Fig. 17 dargestellt und gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Die Halbwellengleichrichterschaltung 200 umfaßt zum Beispiel einen Operationsverstärker 201 und eine Diode 202. Ein nichtinvertierender Eingang des Operationsverstärkers 201 ist mit dem Ausgang der obigen Differenzverstärker­ schaltung 100 verbunden. Die Diode 202 ist in der Vorwärts­ richtung zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 201 und dem invertierenden Eingangsanschluß desselben verbunden. Als Resultat der obigen Struktur können die Temperatur­ charakteristiken der Diode 202 kompensiert werden.

Der Kondensator C2, der zwischen dem Ausgang der Diode 202 und der Erde verbunden ist, ist zum Zweck des Haltens der Ausgangsspannung angeordnet, dabei hat der Kondensator C2 eine Kapazität von etwa mehreren bis zehn pF. Deshalb kann die Operationsgeschwindigkeit der Halbwellengleichrich­ terschaltung 200 nicht wesentlich beeinträchtigt werden.

Das einseitige Impulssignal, das von der Halbwellen­ gleichrichterschaltung 200 ausgegeben wurde, wird durch einen Teilungswiderstand, der aus Widerständen R20 und R21 besteht, geteilt und durch den nichtinvertierenden Eingangs­ anschluß des Komparators 300 empfangen. Das einseitige Impulssignal wird einem Vergleich mit dem Signal unterzogen, das von der Differenzverstärkerschaltung 100 an den inver­ tierenden Eingangsanschluß der Komparatorschaltung 300 gesendet wird. Falls der Pegel des einseitigen Impulssignals näher an dem des Ausgangssignals von der Differenzverstär­ kerschaltung 100 ist, besteht eine Möglichkeit, daß ein falsches Zweizustandssignal erzeugt wird. Deshalb wird das einseitige Impulssignal, das durch die Komparatorschaltung 300 zu empfangen ist, durch den Teilungswiderstand zum Beispiel auf ein Zehntel geteilt.

Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Aus­ führungsform der Halbwellengleichrichterschaltung 200 zeigt, bei der eine Konstantstromzuführung 203 mit dem Ausgang der Diode 202 verbunden ist. Deshalb wird dem obigen Teilungs­ widerstand, der aus den Widerständen R20 und R21 besteht, ein zusätzlicher Strom Ic zugeführt. Als Resultat wird der Gleichstrompegel des einseitigen Impulsstroms, der dem Komparator 300 zuzuführen ist, um Ic×R21 angehoben. Das führt zu der Tatsache, daß die Breite des Zweizustands­ signalimpulses, der von dem Komparator 300 ausgegeben wird, verbreitert wird. Das obige Verfahren ermöglicht es, das Tastverhältnis größer als 1 : 1 zu machen.

Fig. 21 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur der Differenzverstärkerschaltung 100 zeigt.

Bei der herkömmlichen Signalumsetzungsschaltung, die in Fig. 26 gezeigt ist, wird die Energieversorgungsspannung Vcc, die durch die Widerstände R9 und R10 geteilt wurde, den Operationsverstärkern M1 und M2 durch den Widerstand R8 zugeführt. Die geteilte Spannung ist der Gleichstrompegel der Differenzverstärkerschaltung, das heißt, der Arbeits­ punkt. Andererseits ist in der Halbwellengleichrichter­ schaltung 200, die in Fig. 19 oder Fig. 20 gezeigt ist, der Gleichstrompegel des Ausgangssignals der Mittelpunkt des dynamischen Bereichs des Ausgangssignals oder des durch Ic×R21 bestimmten Potentials. Deshalb muß eine Schaltung, die den Widerständen R8 und R2 entspricht, die in Fig. 24 gezeigt sind, weggelassen werden, wie in Fig. 21 gezeigt. Um eine hohe Eingangsimpedanz einzustellen, müssen der Aus­ gangsanschluß und der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers M1 direkt miteinander verbunden sein.

Fig. 22 ist eine grafische Darstellung, die die Tempe­ raturcharakteristiken der Operation der Vorrichtung zeigt, die durch Kombinieren des obigen Magnetsensors und der Signalumsetzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurde. Fig. 22A ist eine grafische Darstellung, die die Wellenform des Ausgangssignals von dem Magnetsensor zeigt, Fig. 22B ist eine grafische Darstellung, die die Wellenform des Ausgangssignals von der Differenzverstärker­ schaltung 100 zeigt, Fig. 22C ist eine grafische Darstel­ lung, die die Wellenform des einseitigen Impulssignals zeigt, das von der Halbwellengleichrichterschaltung 200 übertragen wurde, und Fig. 22D ist eine grafische Darstel­ lung, die die Wellenform des Zweizustandsimpulses zeigt, der von dem Komparator 300 übertragen wurde. In den obigen Figuren ist der Parameter die Temperatur (T), der so an­ geordnet ist, daß T1 -50°C ist, T2 25°C ist und T3 100°C ist. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, wird die Wellen­ form des Zweizustandssignalimpulses in dem Temperaturbereich im wesentlichen nicht beeinflußt. Der Gleichstrompegel des pulsierenden Stromsignals wird, wie in Fig. 22 gezeigt, um einen Grad verschoben, der dem Produkt des elektrischen Stroms Ic von der Konstantstromzuführung 203 und dem Wider­ stand R21 entspricht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Anfangs­ magnetisierung einer Vielzahl von ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen, die ein Magnetowiderstandseffektelement bilden, angeordnet, um einer vorbestimmten Richtung zu­ gewandt zu sein. Deshalb kann die Detektionsempfindlichkeit des Magnetsensors, der das Magnetowiderstandseffektelement umfaßt, stabilisiert werden. Ferner kann die Breite des Zweizustandssignals, das dem analogen Ausgangssignal ent­ spricht, das von dem Magnetsensor übertragen wurde, auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden. Als Resultat kann die Genauigkeit der Steuerung, die mit dem Magnetsensor auszuführen ist, verbessert werden. Die vorliegende Erfin­ dung ermöglicht es, die Schaltung zum Umsetzen des analogen Ausgangssignals in das Zweizustandssignal mit dem Magneto­ widerstandseffektelement zu integrieren. Das führt zu dem Fakt, daß die Größe der Vorrichtung, die den Magnetsensor umfaßt, reduziert werden kann. Ferner ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die auf solch eine Weise angeordnet ist, daß eine Vielzahl der Magnetowiderstandseffektelemente integriert wird, das Magnetmuster, das auf der Oberfläche eines Blattes Papier gebildet ist, zu detektieren.

Claims (23)

1. Magnetsensor zum Detektieren eines Objekts, das aus einer magnetischen Substanz gebildet ist und sich in ei­ ner ersten Richtung bewegt, wobei der Sensor einen Magneten mit einer Poloberfläche, die im wesentlichen flach und zur ersten Richtung parallel angeordnet ist, und auf der Pol­ oberfläche ein Magnetowiderstandseffektelement mit einer Brückenschaltung enthält, dadurch gekennzeichnet daß das Magnetowiderstandseffektelement (2; 21; 22; 23) ein auf der Poloberfläche (11) des Magneten (1) angeordnetes Substrat (5; 51) enthält, auf dem vier Gruppen seriell ver­ bundener ferromagnetischer Dünnfilmstreifen (4; 41; 42 bis 45; 46; 46, 47) als Brückenschaltung in Reihen und Spalten angeordnet sind, die parallel zur ersten Richtung (Pfeil A) bzw. zu einer dazu senkrechten zweiten Richtung verlaufen, und daß das Magnetowiderstandseffektelement (2; 21; 22; 23) an einer Position angeordnet ist, die von der Mitte der Pol­ oberfläche (11) des Magneten (1) in der zweiten Richtung be­ abstandet ist.

2. Magnetsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Distanz des Magnetowiderstandseffektelements (2; 21; 22; 23) von der Mitte der Poloberfläche (11) des Ma­ gneten (1) etwa das Zwei- bis Vierfache der Breite des Ma­ gnetowiderstandseffektelements (2; 21; 22; 23) ist.

3. Magnetsensor zum Detektieren eines Objekts, das aus einer magnetischen Substanz gebildet ist und sich in ei­ ner ersten Richtung bewegt, wobei der Sensor einen Magneten mit einer Poloberfläche, die im wesentlichen flach und zur ersten Richtung parallel angeordnet ist, und auf der Pol­ oberfläche ein Magnetowiderstandseffektelement mit einer Brückenschaltung enthält, dadurch gekennzeichnet daß das Magnetowiderstandseffektelement ein auf der Poloberfläche des Magneten angeordnetes Substrat enthält, auf dem vier Gruppen seriell verbundener ferromagnetischer Dünnfilmstreifen (46) als Brückenschaltung in Reihen und Spalten angeordnet sind, die parallel zur ersten Richtung bzw. zu einer dazu senkrechten zweiten Richtung verlaufen, und daß die vier Gruppen von ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen (46) an vier Positionen angeordnet sind, die symmetrisch von der Mitte der Poloberfläche des Magneten beabstandet sind.

4. Magnetsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß auf dem Substrat (5) zwischen den vier Gruppen ein Bereich (52) zum Ausbilden einer Schaltung darin zum Verar­ beiten von Signalen bestimmt ist, die von dem Magnetowider­ standseffektelement (23) ausgegeben werden.

5. Magnetsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gruppen eine Mehr­ zahl von ferromagnetischen Dünnfilmstreifen (4; 41; 42 bis 45; 46; 46, 47) enthält, die längs der Poloberfläche (11) des Magneten (1) zumindest innerhalb jeder einzelnen Gruppe parallel zueinander verlaufen und in ihrer Verlaufsrichtung über ihre jeweiligen Enden seriell miteinander verbunden sind, und daß die vier Gruppen über jeweilige Anschlüsse (15 bis 18) miteinander verbunden sind, um eine Vollbrücken­ schaltung zu bilden.

6. Magnetsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen ferromagne­ tischen Dünnfilmstreifen (4; 41; 42 bis 45) in zwei der Gruppen, die in einer der Reihen oder Spalten angeordnet sind, dasselbe Muster haben.

7. Magnetsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die ferromagnetischen Dünnfilmstreifen (4; 41; 42 bis 45; 46; 46, 47) der vier Gruppen dasselbe Muster haben.

8. Magnetsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die jeweiligen ferromagnetischen Dünnfilmstreifen (4; 41; 42 bis 45) in zwei der Gruppen, die in jeder der Reihen angeordnet sind, dasselbe Muster haben, und die je­ weiligen ferromagnetischen Dünnfilmstreifen (4; 41; 42 bis 45) in zwei der Gruppen, die in jeder der Spalten angeordnet sind, verschiedene Muster haben.

9. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die jeweiligen ferromagnetischen Dünnfilmstreifen (4; 41; 42 bis 45) in zwei der Gruppen, die in einer der Reihen oder Spalten angeordnet sind, verschie­ dene Muster haben.

10. Magnetsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen (41; 46; 46, 47) in jeder der vier Gruppen in einer Richtung verlaufen, die mit der zweiten Richtung einen Winkel von etwa 45° bildet.

11. Magnetsensor nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweilige ferromagnetische Dünnfilmstreifen (41; 46, 47) in zwei der Gruppen, die in einer der Reihen oder Spalten angeordnet sind, senkrecht zueinander sind.

12. Magnetsensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeweilige ferromagnetische Dünnfilmstrei­ fen (41; 46, 47) in zwei der Gruppen, die in einer der Rei­ hen oder Spalten angeordnet sind, parallel zueinander sind.

13. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen (4; 42 bis 45; 46; 46, 47) in jeder der vier Grup­ pen parallel zur zweiten Richtung verlaufen, und daß auf je­ dem der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen (4; 42 bis 45; 46; 46, 47) eine Mehrzahl von zweiten Streifen (6; 62 bis 65; 66; 66, 67) angeordnet ist, die aus einem Leiterfilm be­ stehen und in einer Richtung verlaufen, die mit der zweiten Richtung einen Winkel von etwa 45° bildet.

14. Magnetsensor nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Streifen (6; 62 bis 65; 66; 66, 67) auf den jeweiligen ferromagnetischen Dünnfilmstreifen (4; 42 bis 45; 46; 46, 47) in zwei der Gruppen, die in einer der Reihen oder Spalten angeordnet sind, senkrecht zueinan­ der sind.

15. Magnetsensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten Streifen (6; 62 bis 65; 66; 66, 67) auf den jeweiligen ferromagnetischen Dünnfilmstrei­ fen (4; 42 bis 45; 46; 46, 47) in zwei der Gruppen, die in einer der Reihen oder Spalten angeordnet sind, parallel zu­ einander sind.

16. Magnetsensor nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeweilige seriell verbundene ferro­ magnetische Dünnfilmstreifen (4; 42 bis 45) in zwei der Gruppen, die in jeder der Reihen angeordnet sind, Seite an Seite verlaufen.

17. Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2 oder einem der Ansprüche 5 bis 16 in Verbindung mit Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen (42, 43; 46) in zwei der Gruppen, die in einer Rei­ he angeordnet sind, die weiter von der Mitte der Poloberflä­ che (11) des Magneten (1) entfernt ist als die andere Reihe, eine schmälere Breite als jene der ferromagnetischen Dünn­ filmstreifen (44, 45; 47) in den zwei Gruppen haben, die in der anderen Reihe angeordnet sind.

18. Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2 oder einem der Ansprüche 5 bis 16 in Verbindung mit Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Dünnfilm­ streifen (42, 43; 46) in zwei der Gruppen, die in einer Rei­ he angeordnet sind, die näher an der Mitte der Poloberfläche (11) des Magneten (1) liegt als die andere Reihe, eine grö­ ßere Dicke als jene der ferromagnetischen Dünnfilmstreifen (44, 45; 47) in den zwei Gruppen haben, die in der anderen Reihe angeordnet sind.

19. Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2 oder einem der Ansprüche 5 bis 18 in Verbindung mit Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Magnetowider­ standseffektelementen (21; 23) enthalten ist, die auf einer Linie angeordnet sind, die in der zweiten Richtung verläuft und durch die Mitte der Poloberfläche (11) des Magneten (1) geht.

20. Magnetsensor nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf dem Substrat (5) zwischen den Magnetowi­ derstandseffektelementen (21; 23) ein Bereich (52) zum Aus­ bilden einer Schaltung darin zum Verarbeiten von Signalen definiert ist, die von der Mehrzahl der Magnetowiderstands­ effektelemente (21; 23) ausgegeben werden.

21. Magnetsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß er zum Detektieren einer Mehrzahl von Objekten (3; 31, 32; 31 bis 36) ausgelegt ist, die in einer Reihe mit einem Abstand angeordnet sind und sich in der ersten Richtung (Pfeil A) bewegen, um nacheinan­ der an dem Sensor vorbeizugehen.

22. Magnetsensor nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Größe des Magnetowiderstandseffektelements oder der Magnetowiderstandseffektelemente (21; 23) im we­ sentlichen in einem Bereich von der Hälfte bis zu einem Fünftel der Abstände von zu detektierenden Objekten (3; 31, 32; 31 bis 36) liegt.

23. Magnetsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Magnetowider­ standseffektelements oder der Magnetowiderstandseffektele­ mente (21; 23) im wesentlichen einer vorbestimmten Breite jedes zu detektierenden Objekts (3; 31; 31, 32; 31 bis 36) entspricht.