JP2002525610A - 磁気抵抗型センサ素子、とりわけ角度センサ素子 - Google Patents
磁気抵抗型センサ素子、とりわけ角度センサ素子Info
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- G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
Abstract
(57)【要約】
磁気抵抗型センサ素子、とりわけ角度センサ素子であって、第１の磁気層（３）と、第２の非磁性層（２）と、第３の磁気層（１）とを有し、前記第１の磁気層（３）の磁化方向は基準方向を表し、前記第２の非磁性層は第１の磁気層（３）の上に構成されており、前記第３の磁気層（１）は第２の非磁性層（２）の上に構成されており、かつ第３の磁気層の磁化方向は外部磁界により影響を受ける形式のセンサ素子において、異なる基準方向を形成するために、前記第１の層（３）の磁化方向を選択的に配向するための手段（５）が設けられている。
Description
【０００１】 本発明は、請求項１の上位概念による磁気抵抗型センサ素子、とりわけ角度セ
ンサ素子、並びに請求項６の上位概念による磁界方向の検出方法に関する。
ンサ素子、並びに請求項６の上位概念による磁界方向の検出方法に関する。
【０００２】 磁気抵抗効果に基づいて動作するセンサ、とりわけ角度センサは公知である。
ここでは外部の磁界方向に依存するセンサ素子の電気抵抗が測定される。とりわ
け異方性磁気抵抗効果を利用するいわゆるＡＭＲセンサが使用されている。同じ
ように、いわゆるＧＭＲ（Giant-Magneto-Resistance-Effect）センサ素子が、
自己安定型磁気層の下で使用されるシステムも公知である（van den Berg et.al
., GMR angle detector with an artificial antiferromagnetic subsystem, Jo
urnal of Magnetism and Magnetic Materials 165 (1997) 524-528）。ここでは
第１の薄い、いわゆる基準層が次のことにより形成される。すなわち、反対に磁
化された２つの層（例えばＣｏからなる）の間に、反強磁性の結合層（例えばＣ
ｕまたはＲｕからなる）を設けることにより形成される。基準層の磁気安定性は
この多層構造によって、個々のＣｏ層の場合に対して約一桁も向上される。基準
層の磁化方向、いわゆる基準方向は（理想的には）外部の（測定すべき）磁界方
向に依存しない。
ここでは外部の磁界方向に依存するセンサ素子の電気抵抗が測定される。とりわ
け異方性磁気抵抗効果を利用するいわゆるＡＭＲセンサが使用されている。同じ
ように、いわゆるＧＭＲ（Giant-Magneto-Resistance-Effect）センサ素子が、
自己安定型磁気層の下で使用されるシステムも公知である（van den Berg et.al
., GMR angle detector with an artificial antiferromagnetic subsystem, Jo
urnal of Magnetism and Magnetic Materials 165 (1997) 524-528）。ここでは
第１の薄い、いわゆる基準層が次のことにより形成される。すなわち、反対に磁
化された２つの層（例えばＣｏからなる）の間に、反強磁性の結合層（例えばＣ
ｕまたはＲｕからなる）を設けることにより形成される。基準層の磁気安定性は
この多層構造によって、個々のＣｏ層の場合に対して約一桁も向上される。基準
層の磁化方向、いわゆる基準方向は（理想的には）外部の（測定すべき）磁界方
向に依存しない。
【０００３】 基準層は薄い非磁性層により覆われ、この非磁性層にはさらに薄い軟磁性層、
いわゆる検知層が構成されている。検知層の磁化方向は外部の磁界方向に向いて
いる。磁気抵抗効果の理論から、センサ信号は関数 Ｒ（α）＝Ｒｏ＋ΔＲ＊sin（α） ないし Ｒ（α）＝Ｒｏ＋ΔＲ＊cos（α） に従うことが公知である。ここでＲｏはオフセット抵抗、ΔＲはセンサの信号偏
移、そしてαは顕著なセンサ方向（とりわけ基準方向）と外部磁界の方向との間
の測定すべき角度である。
いわゆる検知層が構成されている。検知層の磁化方向は外部の磁界方向に向いて
いる。磁気抵抗効果の理論から、センサ信号は関数 Ｒ（α）＝Ｒｏ＋ΔＲ＊sin（α） ないし Ｒ（α）＝Ｒｏ＋ΔＲ＊cos（α） に従うことが公知である。ここでＲｏはオフセット抵抗、ΔＲはセンサの信号偏
移、そしてαは顕著なセンサ方向（とりわけ基準方向）と外部磁界の方向との間
の測定すべき角度である。
【０００４】 この種のＡＭＲセンサないしＧＭＲセンサは、３６０゜角度センサとしては大
きなコストを掛けなければ使用できない。とりわけ十分に正確な測定結果を得る
ためには、少なくとも２つのセンサ素子を相互接続し、それぞれのセンサ信号を
計算で結合しなければならない。ＧＭＲ材料を使用する場合はさらに、磁界が過
度に強い場合にセンサ機能が破壊されることがある。
きなコストを掛けなければ使用できない。とりわけ十分に正確な測定結果を得る
ためには、少なくとも２つのセンサ素子を相互接続し、それぞれのセンサ信号を
計算で結合しなければならない。ＧＭＲ材料を使用する場合はさらに、磁界が過
度に強い場合にセンサ機能が破壊されることがある。
【０００５】 さらにホール効果に基づいて動作する角度センサが公知である。しかしこの角
度センサは通常、１２０゜の角度領域しか網羅することができない。
度センサは通常、１２０゜の角度領域しか網羅することができない。
【０００６】 本発明の課題は、製造コストおよび動作中の測定コストが従来のセンサに対し
て低減されたセンサ、とりわけ角度センサを提供することである。
て低減されたセンサ、とりわけ角度センサを提供することである。
【０００７】 この課題は、請求項１に記載されたセンサ素子によって、並びに請求項６に記
載された磁界方向の検出方法によって解決される。
載された磁界方向の検出方法によって解決される。
【０００８】 本発明によれば、当該形式の従来装置に対して格段に簡単で安価な構造を有す
るセンサ素子ないしセンサが得られる。複数のセンサ素子を統合接続することは
もはや不要であり、測定すべき角度を簡単にただ１つのセンサ素子により検出す
ることができる。したがって複数のセンサ素子を１つの基板に取り付けるという
コストの掛かることも省略される。センサ素子のオフセットおよび感度も改善さ
れる。なぜなら、異なるセンサの調整を実行する必要がないからである。
るセンサ素子ないしセンサが得られる。複数のセンサ素子を統合接続することは
もはや不要であり、測定すべき角度を簡単にただ１つのセンサ素子により検出す
ることができる。したがって複数のセンサ素子を１つの基板に取り付けるという
コストの掛かることも省略される。センサ素子のオフセットおよび感度も改善さ
れる。なぜなら、異なるセンサの調整を実行する必要がないからである。
【０００９】 本発明のセンサ素子に対する有利な適用領域は、自動車の走行ダイナミクス制
御のためのステアリング角度発生器、例えば機関ダイレクトスタート制御のため
のカムシャフト信号発生器、ＤＶＥチョーク調整ユニット、またはサンルーフ制
御器である。
御のためのステアリング角度発生器、例えば機関ダイレクトスタート制御のため
のカムシャフト信号発生器、ＤＶＥチョーク調整ユニット、またはサンルーフ制
御器である。
【００１０】 本発明のセンサ素子ないし本発明の方法の有利な構成は従属請求項に記載され
ている。
ている。
【００１１】 異なる基準方向を９０゜だけ相互にずらすと有利である。この手段により例え
ば簡単に、とりわけ外部磁界の回転方向の正弦または余弦に配属された信号を形
成することができ、この信号は線形に独立している。例えば逆正接関数を使用し
て公知のように僅かなコストで、顕著な方向、例えば２つの基準方向の１つを基
準にした外部磁界の回転方向ないし角度を検出することができる。
ば簡単に、とりわけ外部磁界の回転方向の正弦または余弦に配属された信号を形
成することができ、この信号は線形に独立している。例えば逆正接関数を使用し
て公知のように僅かなコストで、顕著な方向、例えば２つの基準方向の１つを基
準にした外部磁界の回転方向ないし角度を検出することができる。
【００１２】 有利には導体の磁化方向を選択的に配向するための手段が形成され、この導体
は第１の層から絶縁層により導電分離されており、種々異なる方向、とりわけ相
互に９０゜ずらされた方向に電流を供給するように構成されている。この種のい
わゆるバイアス電流によって、磁化方向の選択的配向が簡単かつ確実に達成され
る。とりわけバイアス電流の電流強度を制御することにより、センサ精度を磁気
環境に適合することができる。熱的ドリフトがセンサ素子に発生することはない
。なぜならバイアス電流はこの時間一定であるか、または簡単に一定に制御する
ことができるからである。基準磁化を形成するのに硬質磁性材料を使用する必要
がないから、本発明では磁界が強力な場合でもセンサ機能の損傷または破壊が発
生しない。この種のセンサ素子は広い温度使用領域を有し、とりわけ自動車に適
する。
は第１の層から絶縁層により導電分離されており、種々異なる方向、とりわけ相
互に９０゜ずらされた方向に電流を供給するように構成されている。この種のい
わゆるバイアス電流によって、磁化方向の選択的配向が簡単かつ確実に達成され
る。とりわけバイアス電流の電流強度を制御することにより、センサ精度を磁気
環境に適合することができる。熱的ドリフトがセンサ素子に発生することはない
。なぜならバイアス電流はこの時間一定であるか、または簡単に一定に制御する
ことができるからである。基準磁化を形成するのに硬質磁性材料を使用する必要
がないから、本発明では磁界が強力な場合でもセンサ機能の損傷または破壊が発
生しない。この種のセンサ素子は広い温度使用領域を有し、とりわけ自動車に適
する。
【００１３】 有利には第１の層を軟磁性材料から作製する。この種の材料は安価に使用でき
、導体誘導性磁界（バイアス電流）によって磁化することができる。
、導体誘導性磁界（バイアス電流）によって磁化することができる。
【００１４】 有利には、第３の層、すなわちセンサ素子の検知層を軟磁性材料から作製する
。これにより、検知層の磁化方向を外部磁界の方向に正確にかつ遅延なしに適合
することができる。
。これにより、検知層の磁化方向を外部磁界の方向に正確にかつ遅延なしに適合
することができる。
【００１５】 本発明の方法の有利な実施例では、センサ信号の１つが、第１の基準方向と第
３の層の磁化方向との間の角度の正弦に配属された信号であり、センサ信号の別
の信号が、第２の基準方向と第３の層の磁化方向との間の角度の余弦に配属され
た信号である。この種の信号はとりわけ逆正接関数を使用して簡単に評価するこ
とができる。
３の層の磁化方向との間の角度の正弦に配属された信号であり、センサ信号の別
の信号が、第２の基準方向と第３の層の磁化方向との間の角度の余弦に配属され
た信号である。この種の信号はとりわけ逆正接関数を使用して簡単に評価するこ
とができる。
【００１６】 本発明の有利な実施例を、図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】 図１は、本発明のセンサ素子の有利な実施例の層構造を示す断面図である。
【００１８】 図２は、図１のセンサ素子の上側の３つの層と顕著な磁化方向（第１の基準方
向）を示す斜視図である。
向）を示す斜視図である。
【００１９】 図３は、図１のセンサ素子の上側の３つの層と顕著な磁化方向（第２の基準方
向）を示す斜視図である。
向）を示す斜視図である。
【００２０】 図４は、第１の基準層が存在する場合のセンサ信号の経過を示す線図である。
【００２１】 図５は、第２の基準層が存在する場合のセンサ信号の経過を示す線図である。
【００２２】 図６は、本発明のセンサ素子の導体層の有利な実施例の平面図である（その上
の層は図示しない）。
の層は図示しない）。
【００２３】 図７は、図６の導体層の電流印加を説明するための線図である、 図８は、本発明のセンサ素子の有利な適用の斜視図である。
【００２４】 図１には、本発明のセンサ素子の有利な層構造が概略的に示されている。セン
サ素子は薄い磁気層、有利には軟磁性の層３（基準層）を有する。この基準層３
の磁化方向がセンサ素子の基準方向である。基準層３には薄い、非磁性導体層２
が設けられており、この導体層には別の有利には軟磁性層１（検知層）が構成さ
れている。この検知層１の磁化方向は（総評面に対して平行に配向された）外部
磁界Ｂの方向に依存する。これについてはさらに下で詳細に説明する。
サ素子は薄い磁気層、有利には軟磁性の層３（基準層）を有する。この基準層３
の磁化方向がセンサ素子の基準方向である。基準層３には薄い、非磁性導体層２
が設けられており、この導体層には別の有利には軟磁性層１（検知層）が構成さ
れている。この検知層１の磁化方向は（総評面に対して平行に配向された）外部
磁界Ｂの方向に依存する。これについてはさらに下で詳細に説明する。
【００２５】 基準層３の下には絶縁層４が構成されている。この絶縁層は基準層３を導体と
して構成された層５から導電分離する。導体層５の電流方向に依存して基準層３
には磁界が誘導され、これにより基準層３は相応に磁化される。
して構成された層５から導電分離する。導体層５の電流方向に依存して基準層３
には磁界が誘導され、これにより基準層３は相応に磁化される。
【００２６】 層５の電流方向と基準層３に惹起される磁化との関係が図６に示されている。
電流ＩＳが図６に図示のように水平方向に流れると、その上に配置された、図６
には図示されていない基準層３に矢印Ｍｓにより示した方向に相応する磁化が惹
起される。電流Ｉｃがこれに対して垂直に流れれば、同じように矢印Ｍｃの方向
に磁化が生じる。簡単にするため以下、磁化方向ないし磁界の方向を示す矢印は
相応する磁化ないし磁界も同じように示すものとする。
電流ＩＳが図６に図示のように水平方向に流れると、その上に配置された、図６
には図示されていない基準層３に矢印Ｍｓにより示した方向に相応する磁化が惹
起される。電流Ｉｃがこれに対して垂直に流れれば、同じように矢印Ｍｃの方向
に磁化が生じる。簡単にするため以下、磁化方向ないし磁界の方向を示す矢印は
相応する磁化ないし磁界も同じように示すものとする。
【００２７】 導体層５の有利な制御が図７に示されている。導体層５には、相互に垂直に経
過する電流Ｉｓ，Ｉｃが交互に印加されることがわかる。
過する電流Ｉｓ，Ｉｃが交互に印加されることがわかる。
【００２８】 図２には、電流Ｉｓを印加した際の基準層３の磁化Ｍｓが示されている。この
図で矢印Ｍｓは図平面に入り込んでいる。外部磁界の測定すべき方向は矢印Ｂに
より示されている。磁界Ｂにより検知層１には相応の磁化が生じ、その方向は矢
印Ｍｄにより示されている。磁界Ｂと検知層の磁化Ｍｄとは同じ方向を有する。
図で矢印Ｍｓは図平面に入り込んでいる。外部磁界の測定すべき方向は矢印Ｂに
より示されている。磁界Ｂにより検知層１には相応の磁化が生じ、その方向は矢
印Ｍｄにより示されている。磁界Ｂと検知層の磁化Ｍｄとは同じ方向を有する。
【００２９】 図３で、基準層３の磁化方向を表す矢印Ｍｃは図平面に対して平行の方向を指
している。この磁化はすでに説明したように導体層５の電流Ｉｃによって惹起さ
れたものである。
している。この磁化はすでに説明したように導体層５の電流Ｉｃによって惹起さ
れたものである。
【００３０】 センサ素子により形成された電圧信号は（例えば磁界Ｂが回転する場合）、磁
化Ｍｓ、ＭｄないしＭｃ、Ｍｄの相対的方向に依存する。基準層の磁化Ｍｓに対
してはこの関係が図４に、基準層の磁化Ｍｃに対してはこの関係が図５に示され
ている。わかりやすくするためにこれらの図では磁化間のそれぞれの角度に加え
て磁化Ｍｄが大きな矢印によって、磁化ＭｓないしＭｃが小さな矢印によって示
されいる。
化Ｍｓ、ＭｄないしＭｃ、Ｍｄの相対的方向に依存する。基準層の磁化Ｍｓに対
してはこの関係が図４に、基準層の磁化Ｍｃに対してはこの関係が図５に示され
ている。わかりやすくするためにこれらの図では磁化間のそれぞれの角度に加え
て磁化Ｍｄが大きな矢印によって、磁化ＭｓないしＭｃが小さな矢印によって示
されいる。
【００３１】 図４からわかるように、磁化ＭｄとＭｓとの間の角度のセンサ信号は正弦波状
である。図５にも、磁化ＭｄとＭｃとの間の関係は余弦波状であることが相応に
示されている。
である。図５にも、磁化ＭｄとＭｃとの間の関係は余弦波状であることが相応に
示されている。
【００３２】 したがって全体として、外部磁界Ｂ（ないし検知層１の磁化方向Ｍｄ）とセン
サ素子とのそれぞれの角度に対してこの角度の正弦および余弦に依存する信号が
得られる。この２つの信号により逆正接関数を使用して、外部磁界Ｂと任意の顕
著方向、例えば基準層３の２つの基準方向の１つとの間の実際の角度ないし機械
的角度が検出される。従来のセンサでは各正弦信号および余弦信号に対してそれ
ぞれ異なって配向されたセンサ素子を設けなければならなかった。
サ素子とのそれぞれの角度に対してこの角度の正弦および余弦に依存する信号が
得られる。この２つの信号により逆正接関数を使用して、外部磁界Ｂと任意の顕
著方向、例えば基準層３の２つの基準方向の１つとの間の実際の角度ないし機械
的角度が検出される。従来のセンサでは各正弦信号および余弦信号に対してそれ
ぞれ異なって配向されたセンサ素子を設けなければならなかった。
【００３３】 続いて図８に基づき、本発明のセンサ素子に対する有利な適用例を説明する。
内燃機関の吸気管３０に設けられたスロットルバルブ３１は、吸気管の外側に構
成された延長部に磁石３２を有する。この磁石は、スロットルバルブの位置に依
存するその配向状態に応じて磁界Ｂを形成する。この磁界Ｂの影響領域には概略
的に示された（極端に拡大されて）ＧＭＲセンサ素子３３が配置されている。こ
のセンサ素子は上に説明したのと同じ構造と作用を有している。磁界Ｂはセンサ
素子３３の表面に対して（ないしはセンサ素子の図示されていない検知層に対し
て）平行に配向されている。この１つのセンサ素子だけを用い、前記のようにス
ロットルバルブ３１のスロットルバルブ角度を簡単に検出することができる。
内燃機関の吸気管３０に設けられたスロットルバルブ３１は、吸気管の外側に構
成された延長部に磁石３２を有する。この磁石は、スロットルバルブの位置に依
存するその配向状態に応じて磁界Ｂを形成する。この磁界Ｂの影響領域には概略
的に示された（極端に拡大されて）ＧＭＲセンサ素子３３が配置されている。こ
のセンサ素子は上に説明したのと同じ構造と作用を有している。磁界Ｂはセンサ
素子３３の表面に対して（ないしはセンサ素子の図示されていない検知層に対し
て）平行に配向されている。この１つのセンサ素子だけを用い、前記のようにス
ロットルバルブ３１のスロットルバルブ角度を簡単に検出することができる。
【図１】 図１は、本発明のセンサ素子の有利な実施例の層構造を示す断面図である。
【図２】 図２は、図１のセンサ素子の上側の３つの層と顕著な磁化方向（第１の基準方
向）を示す斜視図である。
向）を示す斜視図である。
【図３】 図３は、図１のセンサ素子の上側の３つの層と顕著な磁化方向（第２の基準方
向）を示す斜視図である。
向）を示す斜視図である。
【図４】 図４は、第１の基準層が存在する場合のセンサ信号の経過を示す線図である。
【図５】 図５は、第２の基準層が存在する場合のセンサ信号の経過を示す線図である。
【図６】 図６は、本発明のセンサ素子の導体層の有利な実施例の平面図である（その上
の層は図示しない）。
の層は図示しない）。
【図７】 図７は、図６の導体層の電流印加を説明するための線図である、
【図８】 図８は、本発明のセンサ素子の有利な適用の斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランツ ヨースト ドイツ連邦共和国 シユツツトガツト シ ェーンブーフシュトラーセ 30ベー (72)発明者 マルティン フライターク ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン ハービ ヒトヴェーク 10 Ｆターム(参考） 2G017 AA03 AB09 AD54 5D034 BA03 BA13 CA08
Claims (7)
- 【請求項１】 磁気抵抗型センサ素子、とりわけ角度センサ素子であって、
第１の磁気層（３）と、第２の非磁性層（２）と、第３の磁気層（１）とを有し
、 前記第１の磁気層（３）の磁化方向は基準方向を表し、 前記第２の非磁性層は第１の磁気層（３）の上に構成されており、 前記第３の磁気層（１）は第２の非磁性層（２）の上に構成されており、かつ
第３の磁気層の磁化方向は外部磁界により影響を受ける形式のセンサ素子におい
て、 異なる基準方向を形成するために、前記第１の層（３）の磁化方向を選択的に
配向するための手段（５）が設けられている、 ことを特徴とするセンサ素子。 - 【請求項２】 異なる基準方向は９０゜だけ相互にずらされている、請求項
１記載のセンサ素子。 - 【請求項３】 前記手段（５）は導体により形成され、 該導体は、第１の層（３）から絶縁層（４）により導電分離され、異なる方向
、とりわけ９０゜相互にずらされた方向で電流を供給するように構成されている
、請求項１または２記載のセンサ素子。 - 【請求項４】 第１の層（３）は軟磁性材料から作製される、請求項１から
３までのいずれか１項記載のセンサ素子。 - 【請求項５】 第３の層（１）は軟磁性材料から作製される、請求項１から
４までのいずれか１項記載のセンサ素子。 - 【請求項６】 磁界方向を、請求項１から５までのいずれか１項記載のセン
サ素子を使用して検出する方法において、 前記手段（５）によって交互に異なる基準方向をセンサ素子の第１の層（３）
に形成し、 各基準方向に対してセンサ信号を、それぞれの基準方向と、磁界により惹起さ
れた第３の層（１）の磁化方向との間の角度に依存して検出する、 ことを特徴とする方法。 - 【請求項７】 センサ信号の一方は、第１の基準方向と第３の層（１）の磁
化方向との間の角度の正弦に配属された信号であり、 センサ信号の他方は、第２の基準方向と第３の層（１）の磁化方向との間の角
度の余弦に配属された信号である、請求項６記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19843348.4 | 1998-09-22 | ||
| DE19843348A DE19843348A1 (de) | 1998-09-22 | 1998-09-22 | Magnetoresistives Sensorelement, insbesondere Winkelsensorelement |
| PCT/DE1999/001631 WO2000017667A1 (de) | 1998-09-22 | 1999-06-02 | Magnetoresistives sensorelement mit wahlweiser magnetisierungsrichtung der biasschicht |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002525610A true JP2002525610A (ja) | 2002-08-13 |
Family
ID=7881777
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000571277A Pending JP2002525610A (ja) | 1998-09-22 | 1999-06-02 | 磁気抵抗型センサ素子、とりわけ角度センサ素子 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6373247B1 (ja) |
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