[実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図1および図2を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る回転磁界センサの概略の構成について説明する。図1は、本実施の形態に係る回転磁界センサの概略の構成を示す斜視図である。図2は、本実施の形態における方向と角度の定義を示す説明図である。
図1に示したように、本実施の形態に係る回転磁界センサ1は、回転磁界MFを検出するものである。ここで、基準平面、基準位置および基準方向を、以下のように想定する。基準平面は、回転磁界センサ1と所定の位置関係を有する仮想の平面である。基準位置は、基準平面内に位置する。基準方向は、基準平面内に位置して、基準位置と交差する。基準位置における回転磁界MFの方向であって基準平面内に位置する方向は、回転磁界センサ1から見て、基準位置を中心として回転する。以下の説明において、基準位置における回転磁界MFの方向とは、基準平面内に位置する方向を指す。回転磁界センサ1は、基準位置における回転磁界MFの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する検出値を生成する。
図1には、回転磁界MFを発生する手段の例として、円柱形状の磁石5を示している。この磁石5は、円柱の中心軸を含む仮想の平面を中心として対称に配置されたN極とS極とを有している。この磁石5は、円柱の中心軸を中心として回転する。磁石5は、円柱の中心軸方向の両端に位置する2つの端面を有している。回転磁界センサ1は、磁石5の一方の端面に対向するように配置されている。本実施の形態では、基準平面は、例えば、磁石5の一方の端面に平行な平面である。また、基準位置は、例えば、回転磁界センサ1が回転磁界MFを検出する位置である。基準位置は、円柱の中心軸を含む回転中心Cと基準平面とが交差する位置であってもよい。この場合、磁石5が回転すると、基準位置における回転磁界MFの方向は、回転磁界センサ1から見て、基準位置を中心として回転する。
なお、回転磁界MFを発生する手段と回転磁界センサ1の構成は、図1に示した例に限られない。回転磁界MFを発生する手段と回転磁界センサ1は、基準位置における回転磁界MFの方向が回転磁界センサ1から見て回転するように、回転磁界MFを発生する手段と回転磁界センサ1の相対的位置関係が変化するものであればよい。例えば、図1に示したように配置された磁石5と回転磁界センサ1において、磁石5が固定されて回転磁界センサ1が回転してもよいし、磁石5と回転磁界センサ1が互いに反対方向に回転してもよいし、磁石5と回転磁界センサ1が同じ方向に互いに異なる角速度で回転してもよい。
また、磁石5の代わりに、1組以上のN極とS極が交互にリング状に配列された磁石を用い、この磁石の外周の近傍に回転磁界センサ1が配置されていてもよい。この場合には、磁石と回転磁界センサ1の少なくとも一方が回転すればよい。
また、磁石5の代わりに、複数組のN極とS極が交互に直線状に配列された磁気スケールを用い、この磁気スケールの外周の近傍に回転磁界センサ1が配置されていてもよい。この場合には、磁気スケールと回転磁界センサ1の少なくとも一方が、磁気スケールのN極とS極が並ぶ方向に直線的に移動すればよい。なお、この例については、後で第2の実施の形態として詳しく説明する。
上述の種々の回転磁界MFを発生する手段と回転磁界センサ1の構成においても、基準平面、基準位置および基準方向を想定可能である。
回転磁界センサ1は、第1の検出回路10、第2の検出回路20および第3の検出回路30を備えている。第1の検出回路10は、第1の磁気検出素子を含んでいる。第2の検出回路20は、第2の磁気検出素子を含んでいる。第3の検出回路30は、第3の磁気検出素子を含んでいる。図1では、理解を容易にするために、第1ないし第3の検出回路10,20,30を別体として描いているが、第1ないし第3の検出回路10,20,30は一体化されていてもよい。また、図1では、第1ないし第3の検出回路10,20,30が回転中心Cに平行な方向に積層されているが、その積層順序は図1に示した例に限られない。
第1の検出回路10は、基準位置における回転磁界MFの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する第1の信号を生成する。第2の検出回路20は、基準位置における回転磁界MFの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する第2の信号を生成する。第3の検出回路30は、基準位置における回転磁界MFの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する第3の信号を生成する。
なお、本実施の形態において、検出回路10,20,30の空間上の位置は、厳密には一致しない。同様に、検出回路10,20,30に含まれる第1ないし第3の磁気検出素子の空間上の位置も、厳密には一致しない。しかし、空間上において回転磁界MFの方向が同じになる領域の大きさに比べると、検出回路10,20,30の空間上の位置の差は十分に小さい。そのため、検出回路10,20,30のそれぞれの位置における回転磁界MFの方向は、実質的に同じである。従って、検出回路10,20,30内の任意の位置を基準位置とすることによって、検出回路10,20,30は、それぞれ、基準位置における回転磁界MFの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する第1の信号、第2の信号、第3の信号を生成することができる。
基準位置における回転磁界MFの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する第1ないし第3の信号は、検出した上記角度の値を示すものであってもよいし、上記角度に連動して変化する値を示すものであってもよい。後で詳しく説明するが、本実施の形態では、第1ないし第3の信号は、それぞれ、上記角度に連動して変化する値を示す信号であり、具体的には、基準位置における回転磁界MFの、所定の方向の成分の強度を示す信号である。
第1ないし第3の信号と同様に、基準位置における回転磁界MFの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する検出値についても、検出した上記角度の値を示すものであってもよいし、上記角度に連動して変化する値を示すものであってもよい。後で詳しく説明するが、本実施の形態では、上記検出値は、検出した上記角度の値を示すものである。
ここで、図2を参照して、本実施の形態における方向と角度の定義について説明する。まず、図1に示した回転中心Cに平行で、磁石5の一方の端面から回転磁界センサ1に向かう方向をZ方向と定義する。次に、Z方向に垂直な2つの方向であって、互いに直交する2つの方向をX方向とY方向と定義する。図2では、X方向を右側に向かう方向として表し、Y方向を上側に向かう方向として表している。また、X方向とは反対の方向を−X方向と定義し、Y方向とは反対の方向を−Y方向と定義する。
ここでは、基準位置PRは、回転磁界センサ1が回転磁界MFを検出する位置とする。また、基準方向DRはX方向とする。基準位置PRにおける回転磁界MFの方向DMが基準方向DRに対してなす角度を記号θで表す。回転磁界MFの方向DMは、図2において反時計回り方向に回転するものとする。角度θは、基準方向DRから反時計回り方向に見たときに正の値で表し、基準方向DRから時計回り方向に見たときに負の値で表す。
第1および第2の検出回路10,20は、基準位置PRにおける回転磁界MFの、第1の方向D1の成分を検出する。第3の検出回路30は、基準位置PRにおける回転磁界MFの、第2の方向D2の成分を検出する。本実施の形態は、第1の方向D1は、基準方向DR(X方向)から反時計回りに90°回転した方向であり、Y方向と一致している。第2の方向D2は、基準方向DRおよびX方向と一致している。
本実施の形態では、第1の信号と第2の信号における第1の磁気異方性に起因する変動の態様が互いに異なるように、第1および第2の磁気検出素子の少なくとも一方に第1の磁気異方性が設定されている。第1の信号と第2の信号における第1の磁気異方性に起因する変動とは、第1および第2の磁気検出素子の少なくとも一方に第1の磁気異方性が設定されていることによって、第1および第2の磁気検出素子に第1の磁気異方性が設定されていない場合と比較して、第1の信号と第2の信号に生じる変動を言う。
第1の磁気異方性は、第1および第2の磁気検出素子のうちの少なくとも第2の磁気検出素子に設定されていてもよい。本実施の形態では、特に、第1および第3の磁気検出素子には第1の磁気異方性が設定されずに、第2の磁気検出素子に第1の磁気異方性が設定されている。この場合、第1および第3の信号には、第1の磁気異方性に起因する変動は生じないが、第2の信号には、第1の磁気異方性に起因する変動が生じる。その結果、第1の信号と第2の信号における第1の磁気異方性に起因する変動の態様が互いに異なる。
また、本実施の形態では、第1の磁気異方性は、第2の磁気検出素子が含む磁性層の形状磁気異方性によって設定されている。図2において、符号11,21,31は、それぞれ、第1の磁気検出素子、第2の磁気検出素子、第3の磁気検出素子が含む磁性層の平面形状(上から見た形状)を表している。図2に示したように、本実施の形態では、例えば、第1および第3の磁気検出素子の磁性層の平面形状を円形とし、第2の磁気検出素子の磁性層の平面形状を楕円形とすることによって、第1および第3の磁気検出素子には設定されていない、形状異方性による第1の磁気異方性を、第2の磁気検出素子に設定している。
図2において、符号DA1を付した破線は、第2の磁気検出素子に設定された第1の磁気異方性による磁化容易軸方向、すなわち第2の磁気検出素子の磁性層の平面形状である楕円の長軸方向を表している。ここで、基準方向DRから反時計回り方向に見たときの、方向DA1が基準方向DRに対してなす角度を、記号βで表す。角度βは、0°以上、180°未満である。
第1ないし第3の磁気検出素子には、第1の磁気異方性とは異なる第2の磁気異方性が、例えば後天的に生じる。第2の磁気異方性は、例えば誘導磁気異方性によるものである。この第2の磁気異方性は、例えば、第1ないし第3の磁気検出素子に特定の方向の外部磁界が印加されたままで、第1ないし第3の磁気検出素子の温度が高温から下降した場合に生じる。図2において、符号DA2を付した破線は、第2の磁気異方性による磁化容易軸方向を表している。ここで、基準方向DRから反時計回り方向に見たときの、方向DA2が基準方向DRに対してなす角度を、記号αで表す。角度αは、0°以上、180°未満である。
次に、図3を参照して、回転磁界センサ1の構成について詳しく説明する。図3は、回転磁界センサ1の構成を示す回路図である。第1の検出回路10は、角度θと対応関係を有する第1の信号S1を生成する。第2の検出回路20は、角度θと対応関係を有する第2の信号S2を生成する。第3の検出回路30は、角度θと対応関係を有する第3の信号S3を生成する。第1および第2の信号S1,S2は、基準位置PRにおける回転磁界MFの、第1の方向D1の成分の強度に対応した信号である。第3の信号S3は、基準位置PRにおける回転磁界MFの、第2の方向D2の成分の強度に対応した信号である。
第1ないし第3の信号S1〜S3は、互いに等しい信号周期Tで周期的に変化する。第1および第3の磁気検出素子に第2の磁気異方性が生じていない状態では、第1および第3の信号S1,S3の波形は、理想的には、正弦曲線(サイン(Sine)波形とコサイン(Cosine)波形を含む)となる。第1および第3の磁気検出素子に第2の磁気異方性が生じると、第1および第3の信号S1,S3の波形は、正弦曲線から歪む。
第2の信号S2の波形は、少なくとも第1の磁気異方性に起因して、正弦曲線から歪む。第2の磁気検出素子に第2の磁気異方性が生じると、第2の信号S2の波形は、第1および第2の磁気異方性に起因して、正弦曲線から歪む。
第3の信号S3の位相は、第1の信号S1の位相と異なっている。本実施の形態では、第3の信号S3の位相は、第1の信号S1の位相に対して、信号周期Tの1/4の奇数倍だけ異なっていることが好ましい。ただし、磁気検出素子の作製の精度等の観点から、第1の信号S1と第3の信号S3の位相差は、信号周期Tの1/4の奇数倍から、わずかにずれていてもよい。以下の説明では、第1の信号S1の位相と第3の信号S3の位相の関係が上記の好ましい関係になっているものとする。
第1の検出回路10は、第1の信号S1を出力する出力端を有している。第2の検出回路20は、第2の信号S2を出力する出力端を有している。第3の検出回路30は、第3の信号S3を出力する出力端を有している。図3に示したように、回転磁界センサ1は、更に、第1の演算回路61と、第2の演算回路62とを備えている。第1および第2の演算回路61,62は、それぞれ、2つの入力端と1つの出力端とを有している。第1の演算回路61の2つの入力端は、それぞれ、第1および第2の検出回路10,20の各出力端に接続されている。第2の演算回路62の2つの入力端は、それぞれ、第3の検出回路30と第1の演算回路61の各出力端に接続されている。
第2の演算回路62は、角度θと対応関係を有する検出値θsを算出する。本実施の形態では、検出値θsは、回転磁界センサ1によって検出された角度θの値である。第1および第2の演算回路61,62は、例えば、1つのマイクロコンピュ−タによって実現することができる。第1および第2の演算回路61,62の作用と、検出値θsの算出方法については、後で詳しく説明する。
第1の検出回路10は、ホイートストンブリッジ回路14と、差分検出器15とを有している。ホイートストンブリッジ回路14は、電源ポートV1と、グランドポートG1と、2つの出力ポ−トE11,E12と、直列に接続された第1の対の磁気検出素子R11,R12と、直列に接続された第2の対の磁気検出素子R13,R14とを含んでいる。磁気検出素子R11,R13の各一端は、電源ポートV1に接続されている。磁気検出素子R11の他端は、磁気検出素子R12の一端と出力ポートE11に接続されている。磁気検出素子R13の他端は、磁気検出素子R14の一端と出力ポートE12に接続されている。磁気検出素子R12,R14の各他端は、グランドポートG1に接続されている。電源ポートV1には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポ−トG1はグランドに接続される。差分検出器15は、出力ポートE11,E12の電位差に対応する信号である第1の信号S1を第1の演算回路61に出力する。
第2の検出回路20の回路構成は、第1の検出回路10と同様である。すなわち、第2の検出回路20は、ホイートストンブリッジ回路24と、差分検出器25とを有している。ホイートストンブリッジ回路24は、電源ポートV2と、グランドポートG2と、2つの出力ポ−トE21,E22と、直列に接続された第1の対の磁気検出素子R21,R22と、直列に接続された第2の対の磁気検出素子R23,R24とを含んでいる。磁気検出素子R21,R23の各一端は、電源ポートV2に接続されている。磁気検出素子R21の他端は、磁気検出素子R22の一端と出力ポートE21に接続されている。磁気検出素子R23の他端は、磁気検出素子R24の一端と出力ポートE22に接続されている。磁気検出素子R22,R24の各他端は、グランドポートG2に接続されている。電源ポートV2には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポ−トG2はグランドに接続される。差分検出器25は、出力ポートE21,E22の電位差に対応する信号である第2の信号S2を第1の演算回路61に出力する。
第3の検出回路30の回路構成は、第1の検出回路10と同様である。すなわち、第3の検出回路30は、ホイートストンブリッジ回路34と、差分検出器35とを有している。ホイートストンブリッジ回路34は、電源ポートV3と、グランドポ−トG3と、2つの出力ポ−トE31,E32と、直列に接続された第1の対の磁気検出素子R31,R32と、直列に接続された第2の対の磁気検出素子R33,R34とを含んでいる。磁気検出素子R31,R33の各一端は、電源ポートV3に接続されている。磁気検出素子R31の他端は、磁気検出素子R32の一端と出力ポートE31に接続されている。磁気検出素子R33の他端は、磁気検出素子R34の一端と出力ポートE32に接続されている。磁気検出素子R32,R34の各他端は、グランドポートG3に接続されている。電源ポートV3には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートG3はグランドに接続される。差分検出器35は、出力ポートE31,E32の電位差に対応する信号である第3の信号S3を第2の演算回路62に出力する。
本実施の形態では、ホイートストンブリッジ回路(以下、ブリッジ回路と記す。)14,24,34に含まれる全ての磁気検出素子として、磁気抵抗効果型磁気検出素子であるMR素子、特にスピンバルブ型のMR素子を用いている。スピンバルブ型のMR素子は、TMR素子でもよいし、GMR素子でもよい。TMR素子またはGMR素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、回転磁界MFの方向DMに応じて磁化の方向が変化する磁性層である自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。TMR素子では、非磁性層はトンネルバリア層である。GMR素子では、非磁性層は非磁性導電層である。TMR素子またはGMR素子では、自由層の磁化の方向が磁化固定層の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が0°のときに抵抗値は最小値となり、角度が180°のときに抵抗値は最大値となる。以下の説明では、ブリッジ回路14,24,34に含まれる磁気検出素子をMR素子と記す。また、第1ないし第3の磁気検出素子を、第1ないし第3のMR素子と記す。図3において、塗りつぶした矢印は、MR素子における磁化固定層の磁化の方向を表し、白抜きの矢印は、MR素子における自由層の磁化の方向を表している。
第1の検出回路10では、MR素子R11,R14における磁化固定層の磁化の方向は、第1の方向D1(Y方向)に平行な方向であり、MR素子R12,R13における磁化固定層の磁化の方向は、MR素子R11,R14における磁化固定層の磁化の方向とは反対の方向である。図2において、符号DP1を付した矢印は、MR素子R11,R14における磁化固定層の磁化の方向を表している。この場合、回転磁界MFの第1の方向D1(Y方向)の成分の強度に応じて、出力ポートE11,E12の電位差が変化する。従って、第1の検出回路10は、回転磁界MFの第1の方向D1の成分の強度を検出して、その強度を表す第1の信号S1を出力する。
第2の検出回路20では、MR素子R21,R24における磁化固定層の磁化の方向は、第1の方向D1(Y方向)に平行な方向であり、MR素子R22,R23における磁化固定層の磁化の方向は、MR素子R21,R24における磁化固定層の磁化の方向とは反対の方向である。図2において、符号DP2を付した矢印は、MR素子R21,R24における磁化固定層の磁化の方向を表している。この場合、回転磁界MFの第1の方向D1(Y方向)の成分の強度に応じて、出力ポートE21,E22の電位差が変化する。従って、第2の検出回路20は、回転磁界MFの第1の方向D1の成分の強度を検出して、その強度を表す第2の信号S2を出力する。
第3の検出回路30では、MR素子R31,R34における磁化固定層の磁化の方向は、第2の方向D2(X方向)に平行な方向であり、MR素子R32,R33における磁化固定層の磁化の方向は、MR素子R31,R34における磁化固定層の磁化の方向とは反対の方向である。図2において、符号DP3を付した矢印は、MR素子R31,R34における磁化固定層の磁化の方向を表している。この場合、回転磁界MFの第2の方向D2(X方向)の成分の強度に応じて、出力ポートE31,E32の電位差が変化する。従って、第3の検出回路30は、回転磁界MFの第2の方向D2の成分の強度を検出して、その強度を表す第3の信号S3を出力する。
なお、検出回路10,20,30内の複数のMR素子における磁化固定層の磁化の方向は、MR素子の作製の精度等の観点から、上述の方向からわずかにずれていてもよい。
次に、図2、図5および図6を参照して、MR素子の構成の一例と、第1の磁気異方性について説明する。図5は、第1および第3のMR素子の一部を示す斜視図である。この例では、第1および第3のMR素子は、複数の下部電極と、複数のMR膜と、複数の上部電極とを有している。複数の下部電極42は図示しない基板上に配置されている。個々の下部電極42は細長い形状を有している。下部電極42の長手方向に隣接する2つの下部電極42の間には、間隙が形成されている。図5に示したように、下部電極42の上面上において、長手方向の両端の近傍に、それぞれMR膜50が配置されている。
MR膜50は、下部電極42側から順に積層された自由層51、非磁性層52、磁化固定層53および反強磁性層54を含んでいる。図5に示した例では、MR膜50は、円柱形状を有している。この場合、自由層51の平面形状は円形になる。自由層51は、下部電極42に電気的に接続されている。反強磁性層54は、反強磁性材料よりなり、磁化固定層53との間で交換結合を生じさせて、磁化固定層53の磁化の方向を固定する。複数の上部電極43は、複数のMR膜50の上に配置されている。個々の上部電極43は細長い形状を有し、下部電極42の長手方向に隣接する2つの下部電極42上に配置されて隣接する2つのMR膜50の反強磁性層54同士を電気的に接続する。このような構成により、図5に示したMR素子は、複数の下部電極42と複数の上部電極43とによって直列に接続された複数のMR膜50を有している。なお、MR膜50における層51〜54の配置は、図5に示した配置とは上下が反対でもよい。
図6は、第2のMR素子の一部を示す斜視図である。第2のMR素子の構成は、基本的には、第1および第3のMR素子の構成と同じである。ただし、第2のMR素子では、MR膜50の形状が、第1および第3のMR素子におけるMR膜50の形状とは異なっている。図6に示した例では、MR膜50は、楕円柱形状を有している。この場合、自由層51の平面形状は楕円形になる。
このように、本実施の形態では、第1および第3のMR素子の自由層51の平面形状を円形とし、第2のMR素子の自由層51の平面形状を楕円形とすることによって、第1および第3のMR素子には設定されていない、形状異方性による第1の磁気異方性を、第2のMR素子に設定している。
第2のMR素子において、自由層51の平面形状である楕円の長軸方向が、自由層51の磁化容易軸方向となる。この自由層51の磁化容易軸方向は、図2に示した第1の磁気異方性による磁化容易軸方向DA1と一致する。第2のMR素子において、自由層51の磁化容易軸方向は、磁化固定層53の磁化方向(第1の方向D1)に対して平行ではなく且つ直交していないことが好ましい。
なお、MR膜50の形状は、図5および図6に示した例に限られない。例えば、第1および第3のMR素子におけるMR膜50は、上面が正方形の角柱形状を有していてもよいし、第2のMR素子におけるMR膜50は、上面が長方形の角柱形状を有していてもよい。
次に、第1および第3の信号S1,S3の波形について説明する。図3に示した例では、第1および第3のMR素子に第2の磁気異方性が生じていない状態では、理想的には、第3のMR素子の磁化固定層の磁化方向は、第1のMR素子の磁化固定層の磁化方向に直交している。この場合、理想的には、第1の信号S1の波形は、角度θに依存したサイン(Sine)波形になり、第3の信号S3の波形は、角度θに依存したコサイン(Cosine)波形になる。この場合、第3の信号S3の位相は、第1の信号S1の位相に対して、信号周期Tの1/4すなわちπ/2(90°)だけ異なっている。
角度θが0°よりも大きく180°よりも小さいときは、第1の信号S1は正の値であり、角度θが180°よりも大きく360°よりも小さいときは、第1の信号S1は負の値である。また、角度θが0°以上90°未満のとき、および270°より大きく360°以下のときは、第3の信号S3は正の値であり、角度θが90°よりも大きく270°よりも小さいときは、第3の信号S3は負の値である。
上述のように、本実施の形態では、第1および第3のMR素子に第2の磁気異方性が生じていない状態では、第1および第3の信号S1,S3の波形は、理想的には正弦曲線となる。しかし、第1および第3のMR素子に後天的に第2の磁気異方性が生じると、第1および第3の信号S1,S3の波形は、正弦曲線から歪む。第1および第3のMR素子に生じる第2の磁気異方性は、MR素子の自由層51に生じる誘導磁気異方性によるものである。この自由層51の誘導磁気異方性は、例えば、MR素子に特定の方向の外部磁界が印加されたままで、MR素子の温度が高温から下降した場合に生じる。
第2の磁気異方性によって波形が歪んだ第1および第3の信号S1,S3は、近似的に、第2の磁気異方性に基づく角度変動項を含む変数を用いた三角関数で表すことができる。具体的には、第1および第3の信号S1,S3は、近似的に、下記の式(1)、(2)で表すことができる。
S1=sin[θ−Asin{2(θ−α)}] …(1)
S3=cos[θ−Asin{2(θ−α)}] …(2)
上記の式(1)、(2)において、Asin{2(θ−α)}は、第2の磁気異方性に基づく角度変動項である。この角度変動項において、Aは振幅(角度変動の最大値)を表し、αはθに対する位相差を表している。なお、この角度変動項におけるαは、図2に示したαと同じものである。この角度変動項の周期は、信号周期Tの1/2、すなわちπ(180°)となる。
次に、第2の信号S2の波形について説明する。図3に示した例では、第2のMR素子の磁化固定層の磁化方向は、第1のMR素子の磁化固定層の磁化方向と一致している。この場合、第2の信号S2の波形は、第1の信号S1の波形と類似したものとなる。ただし、第2のMR素子には、第1のMR素子には設定されていない第1の磁気異方性が設定されていることから、この第1の磁気異方性に起因して、第2の信号S2の波形は、第1の信号S1の波形とは若干異なったものとなる。このようにして、第1の信号S1と第2の信号S2における第1の磁気異方性に起因する変動の態様が互いに異なる。
第2のMR素子に後天的に第2の磁気異方性が生じると、第2の信号S2の波形は、第1および第2の磁気異方性に起因して、正弦曲線から歪む。第1および第2の磁気異方性に起因して歪んだ第2の信号S2は、近似的に、第1の磁気異方性に基づく角度変動項と第2の磁気異方性に基づく角度変動項とを含む変数を用いた三角関数で表すことができる。具体的には、第2の信号S2は、近似的に、下記の式(3)で表すことができる。
S2=sin[θ−Asin{2(θ−α)}−Bsin{2(θ−β)}]…(3)
上記の式(3)において、Bsin{2(θ−β)}は、第1の磁気異方性に基づく角度変動項である。この角度変動項において、Bは振幅(角度変動の最大値)を表し、βはθに対する位相差を表している。なお、この角度変動項におけるβは、図2に示したβと同じものである。この角度変動項の周期は、信号周期Tの1/2、すなわちπ(180°)となる。第1の磁気異方性は任意に設定することができることから、Bおよびβの値も任意に設定することができる。
図7は、第1の信号S1の波形と第2の信号S2の波形の一例を示している。図7において、横軸は角度θを示し、縦軸は第1および第2の信号S1,S2の大きさ(電圧)を示している。符号71で示す波形は第1の信号S1の波形を示し、符号72で示す波形は、第2の信号S2の波形を示している。なお、図7に示した各波形は、式(1)、(3)を用いてシミュレーションによって作成したものである。このシミュレーションでは、式(1)、(3)におけるAを5°とし、式(1)、(3)におけるαを0°とし、式(3)におけるBを10°とし、式(3)におけるβを45°とした。図7に示したように、第2の信号S2の波形は、第1の信号S1の波形とは若干異なったものとなる。
次に、第1の演算回路61について説明する。第1の演算回路61は、第2の磁気異方性に起因して検出値θsに生じる誤差を補正するための補正情報を求める。図4は、第1の演算回路61の構成の一例を示すブロック図である。この例では、第1の演算回路61は、信号取得部61A、補正情報演算部61Bおよび設定部61Cを有している。ここで、信号取得部61Aとは、時間的に推移する第1の信号S1、第2の信号S2のうち、予め決められた値の一方の信号と同時刻に得られる他方の信号とを入手するものである。設定部61Cには、少なくとも1以上の三角関数の値(S1a、S2a)と三角関数の値の逆関数で求められる異なる2つの角度(θa、θb)と第1の磁気異方性に基づく角度変動項におけるBとβが設定されている。信号取得部61Aは、同時刻に得られる第1の信号S1と第2の信号S2の対を信号対としたとき、回転磁界MFの方向DMが所定範囲で回転する過程で得られる信号対の推移から、第1の信号S1の出力が設定部61Cに設定された少なくとも1以上の三角関数の値S1aと等しい時の(同時刻に得られる)第2の信号S2aを取得する。同じく、第1の信号S1の出力が設定部61Cに設定された少なくとも1以上の三角関数の値S1bと等しい時の(同時刻に得られる)第2の信号S2bを取得する。補正情報演算部61Bは、設定部61Cに予め設定した異なる2つの角度(θa、θb)と、任意に設定したB、βと、信号取得部61Aで取得した第2の信号S2aとS2bを用いて補正情報A、αを演算する。所定範囲は、360°でもよいし、後で説明する信号対の推移の態様から補正情報を求めることが可能であれば360°未満の範囲でもよい。あるいは、360°未満の異なる複数の範囲でもよいし、異なる複数の角度でもよい。以下の説明では、所定範囲を360°とする。
図8の(a)、(b)、(c)は、信号対の推移の態様の3つの例を示している。図8の(a)、(b)、(c)において、横軸は第1の信号S1の大きさ(電圧)を示し、縦軸は第2の信号S2の大きさ(電圧)を示している。図8の(a)、(b)、(c)に示した3つのリサージュ曲線は、式(1)、(3)を用いてシミュレーションによって作成したものである。このシミュレーションでは、式(1)、(3)におけるαを0°とし、式(3)におけるBを10°とし、式(3)におけるβを45°とした。図8の(a)、(b)、(c)は、それぞれ、式(1)、(3)におけるAが0°、5°、10°の場合におけるリサージュ曲線を示している。
図8に示したように、信号対の推移の態様(リサージュ曲線の形状)は、第2の磁気異方性の態様によって変化する。従って、信号対の推移の態様(リサージュ曲線の形状)から、第2の磁気異方性に関する情報を得ることが可能である。この情報は、第2の磁気異方性に起因して検出値θsに生じる誤差を補正するための補正情報となる。より詳しく説明すると、第2の磁気異方性の態様は、式(1)、(3)におけるAとαの値の組み合わせによって決まる。以下、Aとαの値の組み合わせを(A,α)と表現する。本実施の形態では、信号対の推移の態様(リサージュ曲線の形状)から得られる異なる2つの第2の信号に基づいて、(A,α)を特定することが可能であり、この(A,α)が補正情報となる。
なお、以下の例外を除いて、(A,α)が異なれば、信号対の推移の態様(リサージュ曲線の形状)が異なる。例外は、βが90°の場合と0゜の場合、すなわち、第2のMR素子において、自由層51の磁化容易軸方向DA1が磁化固定層53の磁化方向(第1の方向D1)に対して平行な場合と直交している場合である。これらの場合には、Aが等しいという前提の下で、α=γ(γは0°より大きく90°より小さい)のときと、α=180°−γのときに、信号対の推移の態様(リサージュ曲線の形状)が等しくなる。そのため、第2のMR素子において、自由層51の磁化容易軸方向DA1は、磁化固定層53の磁化方向(第1の方向D1)に対して平行ではなく且つ直交していないことが好ましい。
なお、ここでは第1の信号S1と第2の信号S2との最大値と最小値が等しくなるようにそれぞれの磁気抵抗素子が設計されている。また、第1の信号S1と第2の信号S2を出力するそれぞれの磁気抵抗素子には飽和磁界が印加されており、同一の飽和磁界の方向に対してブリッジ回路を形成するそれぞれの磁気抵抗素子の磁化固定層の固定された方向が同じ方向となるように設計されている。このように磁気抵抗素子が設計されているので、同一の飽和磁界に対するそれぞれの磁化固定層の固定された方向を基準方向とする基準平面内の角度は同等とみなすことが可能となる。また、第1の信号S1と第2の信号S2との最大値と最小値が等しくなるよう設計されているので、信号の取り扱いが容易となっている。
図8の(b)を使って、信号取得部61Aにおける第2の信号S2a、S2bの取得について具体的に説明する。
図8の(b)は、式(1)、(3)を用いてシミュレーションによって作成したものである。このシミュレーションでは、式(1)、(3)におけるαを0°、Aが5°とし、式(3)におけるBを10°とし、式(3)におけるβを45°とした場合におけるリサージュ曲線を示している。
設定部61Cは補正情報A=0、α=0の時の少なくとも1以上の三角関数の値、例えば、S1a=S2a=0.5と、逆三角関数、例えば、式(1)の逆正弦関数で求められる異なる2つの角度、すなわちθa=30°、θb=150°、さらに、第1の磁気異方性に基づく角度変動項におけるBとβ、例えばB=10°、β=45°を出力する。なお、設定部61Cは少なくとも1以上の三角関数の値(S1a、S2a)、逆正弦関数で求められる異なる2つの角度(θa、θb)、第1の磁気異方性に基づく角度変動項におけるBとβは、予めメモリに記憶しておいても良いし、随時演算しても良い。
信号取得部61Aは、例えば、第1の信号S1の出力がS1=S1a=0.5となる同時刻に得られる第2の信号S2aを出力する。同じく、第1の信号S1の出力がS1=S1b=0.5となる同時刻に得られるS2aとは異なる第2の信号S2bを出力する。なお、S1a、S1bは設定部61Cから出力される。
次に、補正情報(A、α)の演算について式(1)、(3)を使って具体的に説明する。
補正情報演算部61Bは、信号取得部61Aで求めたS2aとS2bと設定部61Cに設定された第1の磁気異方性に基づく角度変動項におけるBとβとに基づいて、補正情報(A、α)を求める。なお、“arcsin”は、アークサインを表す。
θa=30°において、式(1)は以下となる。
0.5=sin[θ−Asin{2(θ−α)}]の逆三角関数より、
θ−Asin{2(θ−α)}=30° …(4)
また、式(3)に式(4)を代入することで以下となる。
S2a=sin[30°−Bsin{2(θ−β)}] …(5)
ここで、式(5)をθについて解くと、
30°−Bsin{2(θ−β)}=arcsin(S2a)
Bsin{2(θ−β)}=30°−arcsin(S2a)の逆三角(正弦)関数より、
2(θ−β)=arcsin[{30°−arcsin(S2a)}/B]
θ=(1/2)・arcsin[{30°−arcsin(S2a)}/B]+β …(6)
ここで、式(6)は設定部61Cに設定したBとβとS2aから導かれる定数であり、θ=θac(定数)とおくと、式(4)から次式となる。
θac−Asin{2(θac−α)}=30° …(7)
同様に、θb=150°において次式が導かれる。
θbc−Asin{2(θbc−α)}=150° …(8)
なお、
θbc=(1/2)・arcsin[{150°−arcsin(S2b)}/B]+β
…(9)
よって、式(7)、(8)から補正情報A、αを求めることができる。以上より、異なる2つの第2の信号S2a、S2bに基づいて、補正情報(A、α)を求めることが可能となっている。また、異なる2つの第1の信号S1a、S1bの信号に基づいて同様の演算を行うことも可能である。この場合は、第1の信号S1に対する逆正弦関数の値から異なる2つの角度を求めれば良いことになる。なお、説明のため、第1の信号S1を横軸、第2の信号S2を縦軸としているが、第2の信号S2を横軸、第1の信号S1を縦軸としても良く、この場合であっても、補正情報(A、α)を演算することは可能である。従って第1の信号S1および第2の信号S2のうちの一方の異なる2つの信号に基づいて、補正情報を求めることが可能となっている。
なお、本実施の形態では、三角関数の値の逆関数で求められる異なる2つの角度が30°と150°について補正情報(A,α)を求めたが、異なる角度であれば、0°以上360°未満の範囲でどの角度を選んでもかまわない。また、少なくとも1以上の三角関数の値は同一でなくてもよい。
なお、少なくとも1以上の三角関数の値が同一の場合、すなわち、ひとつの値である場合、信号取得部で検出する電圧がひとつとなることから実際の回路規模を小さくすることが可能となる。また、第1の信号および第2の信号の最大、最小とは異なる角度であれば、信号取得部の検出誤差を低減することが可能となるので、より精度の良い補正情報を求めることが可能となる。
なお、補正情報(A,α)を求めるためには、信号取得部61Aによって、回転磁界MFの方向DMが所定範囲で回転する過程で得られる信号を取得する必要がある。また、信号取得部61Aは、予め決められた時間以上の時間間隔を開けて、回転磁界センサ1の動作中であって回転磁界MFの方向DMが所定範囲以上回転したときに、信号を取得するように設定されていてもよい。あるいは、信号取得部61Aは、使用者の指示があったときに、信号を取得するように設定されていてもよい。また、信号取得部61Aは、信号対の推移をメモリ等に保存し第2の信号を選択して取得するように設定されていてもよい。
第1の演算回路61は、信号取得部61Aによって、新たな信号が取得され、それに応じて新たな補正情報(A,α)を求め、出力する補正情報(A,α)を更新する。
また、設定部61Cが出力する少なくとも1以上の三角関数の値(S1a、S2a)、逆正弦関数で求められる異なる2つの角度(θa、θb)、第1の磁気異方性に基づく角度変動項におけるBとβは、通信インターフェース等を介して演算部61に与えても良い。
また、第2の磁気抵抗素子に代えて、第1の磁気抵抗素子に第1の磁気異方性が設定されていても良い。この場合であっても設定部から該当する角度変動項が出力され、補正情報演算部61Bの数式上の取り扱いは変わらない。
また、図8から明らかなように、第1の信号S1および第2の信号S2を出力する磁気抵抗素子の自由層に磁気異方性が存在する場合、オフセット電圧が0である第1の信号S1と第2の信号S2を使用するリサージュ曲線はそれぞれの信号が0となる近傍で理想的な曲線(直線)から離れている。つまり、この近傍では同一となる第1の信号S1および第2の信号S2のうち一方の信号に対する第1の信号S1および第2の信号S2のうちの他方の信号の異なる2つの値はそれ以外の一方の信号に対する異なる2つの他方の信号の差より大きくなるので、計算上の誤差をより低減できることが可能となっている。従って、第1の信号S1と第2の信号S2とが等しい値となる点を結んだ第1の直線に対する垂線の長さの方向が異なる、連続する第1の信号S1および第2の信号S2のうち一方を引数とする2つの他方の信号のそれぞれの垂線の長さが最大となる一方の信号の第1の最大値および第2の最大値をSmax1、Smax2(但し、Smax1>Smax2)とした場合に、一方の信号のとりうる値の範囲はSmax2以上Smax1以下とすることが好ましい。なお、それぞれの信号に直流オフセット信号Voff1、Voff2が印加された場合でも上記関係は満たされる。交流オフセットが印加される場合は交流オフセットを減算すれば、上記関係は満たされる。なお、本構成は既存の集積回路などを利用することで容易に実現可能である。
次に、図3を参照して、第2の演算回路62の作用と、検出値θsの算出方法について説明する。図3に示したように、第2の演算回路62には、第1および第3の信号S1,S3と補正情報(A,α)が入力される。第2の演算回路62は、第1の信号S1、第3の信号S3および補正情報(A,α)を用いて、補正された検出値θsを算出する。
ここで、検出値θsの算出方法の一例について説明する。この例では、第2の演算回路62は、まず、式(1)、(2)に、第1の演算回路61によって求められた補正情報(A,α)を代入する。次に、式(1)、(2)において、角度θを所定の角度間隔で変化させて、角度θと、第1および第3の信号S1,S3の計算値との対応関係を示すテーブルを作成する。表1に、角度θと第1の信号S1の計算値との対応関係を示すテーブルを示す。このテーブルと同様に、角度θと第3の信号S3の計算値との対応関係を示すテーブルも作成される。
表1において、θ0,θ1,・・・,θmは、0°以上360°未満の範囲内で所定の角度間隔を開けて選択された角度θの値の順列である。S10,S11,・・・,S1mは、それぞれ、式(1)にθ0,θ1,・・・,θmを代入して得られた第1の信号S1の計算値を表している。ここで、順列θ0,θ1,・・・,θm中の任意の値をθnと表し、式(1)にθnを代入して得られた第1の信号S1の計算値をS1nと表す。
第2の演算回路62は、次に、表1に示したテーブルを用いて、第2の演算回路62に入力された第1の信号S1に最も近い計算値S1nを検索する。具体的には、第2の演算回路62は、第1の信号S1との差の2乗が最小となる計算値S1nを検索する。第2の演算回路62は、この検索によって得られた計算値S1nに対応する角度θnを、検出値θsの第1の候補とする。
角度θが0°以上360°未満の範囲内では、第1の信号S1が最大値または最小値となる場合を除いて、2つの異なるθのときに第1の信号S1は同じ値となる。そのため、上記の方法では、ほとんどの場合、第1の信号S1の1つの値に対して、検出値θsの第1の候補は2つ得られる。
同様に、第2の演算回路62は、角度θと第3の信号S3の計算値との対応関係を示すテーブルを用いて、第2の演算回路62に入力された第3の信号S3に最も近い計算値S3nを検索し、この検索によって得られた計算値S3nに対応する角度θnを、検出値θsの第2の候補とする。このときも、ほとんどの場合、第3の信号S3の1つの値に対して、検出値θsの第2の候補は2つ得られる。
2つの第1の候補のうちの一方と、2つの第2の候補のうちの一方は、一致するか極めて近いはずである。第2の演算回路62は、一致する第1の候補と第2の候補が存在する場合には、その一致する第1および第2の候補を、補正された検出値θsとする。第2の演算回路62は、一致する第1の候補と第2の候補が存在しないが、極めて近い第1の候補と第2の候補が存在する場合には、例えば、それらのうち、計算値S1nと第1の信号S1との差の2乗と、計算値S3nと第3の信号S3との差の2乗のうち、小さい値となる方のS1nまたはS3nに対応する候補を、補正された検出値θsとする。
以上説明したように、本実施の形態に係る回転磁界センサ1では、第1の演算回路61によって、回転磁界MFの方向DMが所定範囲で回転する過程で得られる信号対の推移の態様に基づいて、補正情報(A,α)を求め、第2の演算回路62によって、第1の信号S1、第3の信号S3および補正情報(A,α)を用いて、補正された検出値θsを算出する。これにより、本実施の形態によれば、第1のMR素子と第3のMR素子に後天的に第2の磁気異方性が生じた場合でも、第2の磁気異方性に起因して検出値θsに生じる誤差を低減することが可能になる。
なお、本実施の形態において、第2の演算回路62は、第1の信号S1、第3の信号S3および補正情報(A,α)を用いて、補正された検出値θsを算出するようにしてもよい。図129は、第2の演算回路62の構成の一例を示すブロック図である。この例では、第2の演算回路62は、補正量演算部62Aと、補正信号演算部62B及び検出値演算部62Cを有している。
第2の演算回路62は、第1の信号S1と第3の信号S3と補正情報(A、α)とを入力し、第1の信号S1および第3の信号S3の等分化された1次および3次の高調波成分とする第1の補正量S1eおよび第3の補正量S3eを出力する補正量演算部62Aと、第1の信号S1と第3の信号S3と第1の補正量S1eと第3の補正量S3eとを入力し、第1の信号S1から第1の補正量S1eを減算し、第3の信号S3から第3の補正量S3eを減算するともに、減算された第1の補正信号S1nおよび第3の補正信号S3nを出力する補正信号演算部62Bと、第1の補正信号S1nおよび第3の補正信号S3nを入力し、補正された検出値θsを算出する検出値演算部62Cとを有する。以下に説明する。
本実施形態では、まず、第1の演算回路61によって求められた補正情報(A,α)と第1の信号S1と第3の信号S3が、第2の演算回路62の有する補正量演算部62Aに入力される。補正量演算部62Aは、以下に示す式(10)、(11)で示される第1の信号S1の補正量S1eと、第3の信号S3の補正量S3eを近似的に計算する。
…(10)
…(11)
ここで、式(10)、(11)について説明する。磁気抵抗素子の自由層に、例えば、後天的に生じた磁気異方性により、第1の信号S1および第3の信号S3の波形は、式(1)と式(2)で表せ、奇数次の高調波成分を含み、図7の符号71で示される理想的な波形(正弦波形)に対して、符号72で示される波形は歪んだ波形になっている。ここで式(1)、式(2)中のAは、その値が微小とみなせる場合、第1の信号および第3の信号中のsin{2(θ―α)}をフーリエ展開した奇数次の高調波成分において、A・sin{2(θ―α)}の5次以降の高調波成分は極小になる。なお、自由層に後天的に誘導磁気異方性が発生した場合、偶数次の高調波成分は発生しないので、奇数次のみを扱えばよい。ここで、Aの範囲は概ね2°以下である。
ここで、理想的な波形(正弦波形)と、第1の信号S1および第3の信号S3の波形との差分は、検出値の誤差を生む成分と言うことができ、第1の信号S1および第3の信号S3の補正すべき量となる。式中のAの範囲が微小とみなせる場合、この差分は等分化された1次の成分および3次の高調波成分に近似することができることが知られている。等分化とは、等しい信号振幅のことを指す。これより、補正量演算部62Aは、第1の信号S1の補正量S1eと、第3の信号S3の補正量S3eを、式(10)、式(11)を使って近似的に表現でき、複雑な演算器を用いることなく、算出することが可能となっている。
以上に記載した、第1の信号S1および第3の信号S3の補正すべき量について、詳細を説明する。前記の通り、後天的に生じた磁気異方性により生じる成分は、第1および第3の信号S1,S3の式(1)および(2)と、理想的な波形(正弦波形)であるsinθおよびcosθとの差分ということができ、式(12)(13)で表すことができる。これが、第1の信号S1および第3の信号S3の補正すべき量となる。
S1e=sin[θ−Asin{2(θ−α)}]−sinθ …(12)
S3e=cos[θ−Asin{2(θ−α)}]−cosθ …(13)
この式(12)、(13)は、三角関数の加法定理より、各々式(14)、(15)に変換できる。
…(14)
…(15)
ここで、補正情報Aが小さい場合、式(16)および(17)の近似が成り立つ。
cos[Asin{2(θ−α)}]≒1 …(16)
sin[Asin{2(θ−α)}]≒(A・π/180)・sin{2(θ−α)}
…(17)
この式(16)、(17)を式(14)、(15)に代入し、三角関数の積和の公式より展開すると、以下の式(18)、(19)となる。
…(18)
…(19)
この式(18)、(19)は、第1の信号S1および第3の信号S3の補正すべき量が、A/2倍された一倍角および三倍角と等価であることを示している。つまりA値が小さい場合は、5次以降の高調波成分は極小になり、A/2倍に等分化された一次成分および、3次高調波成分に近似するとこができる。式(10)及び(11)は、上記式(18)および(19)を、三角関数の加法定理および三倍角の公式を用いて展開したものである。
なお、補正信号演算部62Aにおいて、補正情報(A、α)より、式(10)および式(11)中のcos(2α)及びsin(2α)を求める手段として、αに対する数値テーブル表を用意しておき、このテーブル表から求めてもよい。また、補正信号演算部62Aに、CORDICアルゴリズムを持った演算器を所有してもよく、この演算器を利用して、cos(2α)及びsin(2α)を求めてもよい。
第2の演算回路62は、次に、補正信号演算部62Bにおいて、補正された第1の信号S1nと補正された第3の信号S3nを演算する。まず、補正信号演算部62Bに、第1の信号S1と、第3の信号S3と、第1の信号S1の補正量S1eと、第3の信号S3の補正量S3eが入力される。次に、式(20)、(21)において、第1の信号S1より補正量S1eを減算することで、補正された第1の信号S1nを算出し、第3の信号S3より補正量S3eを減算することで、補正された第3の信号S3nを算出する。
S1n=S1−S1e …(20)
S3n=S3−S3e …(21)
第2の演算回路62は、次に、検出値演算部62Cにおいて、補正された第1の信号S1n,補正された第3の信号S3nから、下記の式(22)によって、補正された検出値θsを演算する。なお、”arctan”は、アークタンジェントを表す。
θs=arctan(S1n/S3n) …(22)
仮に補正情報Aが1°の場合、検出値θsの誤差は±1°となるが、本実施形態で補正された検出値θsの誤差は、±0.02°以下になる。
なお、角度θsが0°以上360°未満の範囲内では、式(22)におけるθsの解には、180°異なる2つの値がある。しかし、S1nとS3nの正負の組み合わせにより、θsの真の値が式(22)におけるθsの2つの解のいずれであるかを判別することができる。すなわち、S1nが正の値のときは、θsは0°よりも大きく180゜よりも小さい。S1nが負の値のときは、θsは180°よりも大きく360゜よりも小さい。S3nが正の値のときは、θsは、0°以上90゜未満、および270°より大きく360°以下の範囲内である。S3nが負の値のときは、θsは90°よりも大きく270゜よりも小さい。θsは、式(22)と、上記のS1nとS3nの正負の組み合わせの判定によって求めることができる。以上の第2の演算回路62において補正された第1の信号を算出する方法は、上記のように数式による演算処理のみで完了するため算出時間が短くなり、またテーブルなどを格納するためのメモリも不要となる。
なお、補正された第1の信号S1nを使ったsin逆関数の式(23)、もしくは補正された第3の信号S3nを使ったcos逆関数の式(24)を用いて、補正された検出値θsを演算してもよい。この場合、検出値θsの候補は2つ得られるが、信号S1nと信号S3nの正負の関係に基づいて、真の検出値θsとして特定することができる。なお、下記の式(23)の”arcsin”は、アークサインを表し、下記の式(24)の”arccos”は、アークコサインを表す。
θs=arcsin(S1n) …(23)
θs=arccos(S3n) …(24)
なお、本実施の形態において、第2の演算回路62は、第1の信号S1、もしくは、第1の信号S1および第3の信号S3から仮の検出値θoを求め、仮の検出値θoおよび補正情報(A、α)から補正値θcを求め、仮の検出値θoおよび補正値θcから検出値θsを算出するようにしてもよい。図10は、別の第2の演算回路63の構成の一例を示すブロック図である。図10に基づいて説明する。第2の演算回路63は、第1の信号S1、もしくは、第1の信号S1および第3の信号S3を入力し、仮の検出値θoを出力する検出値演算部62Aと、仮の検出値θoおよび補正情報(A、α)を入力し、仮の検出値θoを補正する補正値θcを出力する補正値演算部63Bと、補正値θcおよび仮の検出値θoを入力・加算し、加算された加算値を検出値θsとして算出する加算部63Cとを有する。以下に説明する。
第2の演算回路63が備える検出値演算部63Aは、第1の信号S1、もしくは、第1の信号S1と第3の信号S3が入力され、仮の検出値θoが算出される。ここで、仮の検出値θoは、以下の数式(25)、(26)に示されるように第1の信号S1、もしくは、第1の信号S1と第3の信号S3の逆三角関数から求められる。
θo=arcsin(S1) …(25)
θo=arctan(S1/S3) …(26)
補正値演算部63Bは、仮の検出値θo、補正情報(A、α)が入力され、補正値θc(初期補正値θc0、初期補正値θc0+追加補正値θc1)を算出する。なお、詳細は後述する。
加算部63Cは、仮の検出値θoと補正値θcが加算され、検出値θsを算出する。
なお、仮の検出値θoが0°以上360°未満の範囲内では、(25)式、(26)式におけるθoの解には、180°異なる2つの値がある。しかし、S1とS3の正負の組合せにより、θoの真の値が式(25)におけるθoの2つの解のいずれであるかを判別することが出来る。すなわち、S1が正の値のときは、θoは0°よりも大きく180゜よりも小さい。S1が負の値のときは、θoは180°よりも大きく360゜よりも小さい。S3が正の値のときは、θoは、0°以上90゜未満、および270°より大きく360°以下の範囲内である。S3が負の値のときは、θoは90°よりも大きく270゜よりも小さい。θoは、式(26)と、上記のS1とS3の正負の組合せを判定することにより求めることが出来る。
補正値演算部63Bにおいて、初期補正値θc0、追加補正値θc1が演算される。補正値θcは、初期補正値θc0、もしくは、初期補正値θc0と追加補正値θc1の和として出力される。ここで、追加補正値θc1は、初期補正値θc0の誤差を補正する近似項であり、追加補正値θc1単独で使用されることはない。
検出値演算部63Aで算出される仮の検出値θoは、(25)、(26)式に示される通り、実際の第1の信号S1、第3の信号S3そのものに基づくものであり、(1)、(2)式に示される第2の磁気異方性に基づく角度変動項(A、α)を含んでいる為、正確な検出値θに角度変動項Asin2(θ−α)が減算された(27)式であらわされる。これより、正確な検出値θは、算出された仮の検出値θoに角度変動項Asin2(θ−α)を加算した(28)で求めることが出来る。
θo=θ−Asin{2(θ−α)} …(27)
θ=θo−Asin{2(θ−α)} …(28)
(27)式の角度変動項Asin{2(θ−α)}は仮の検出値θoの誤差分に対応し、0°から360°の間で振幅A°、位相α°の2周期の正弦波となる。ここで補正情報(A、α)について考えると、αは0°から360°の全範囲を取り得るが、Aは現実的には数度程度なので、誤差の振れ幅は最大でも±数度程度となる。従って、仮の検出値θoは正確な検出値θを中心に±数度振幅の2周期の正弦波となる。
(28)式の通り、仮の検出値θoに角度変動項Asin{2(θ−α)}を加算することで正確なθを求められるが、この中には求めたい正確なθが含まれており、直接の計算は出来ない。そこで、角度変動項Asin{2(θ−α)}におけるθを仮の検出値θoで置き換えた場合を想定して、そのときの差分Δ(θ→θo)を計算すると(31)式が求められる。
…(29)
第1項に加法定理を適用すると、
…(30)
となり、
…(31)
Aは現実的には数度程度なので、弧度法では微小角として扱え、(32)式の近似が成り立つ。
…(32)
ここでは、A[deg]= πA/180[rad]を適用している。
(31)式に(32)式の近似を適用すると、差分Δ(θ→θo)は(33)式に簡略化される。また、これを変形することで(34)式が求められる。
ここで(28)式の角度変動項Asin2(θ−α)におけるθの代わりに仮の検出値θoを用いた場合を考え、(28)式に(13−5)式を代入することで、仮の検出値θoにAsin2(θo−α)を加算した場合に生じる誤差を第2項に含んだ(35)式が得られる。
(28)式、(35)式の第2項が正確なθとの差、すなわち誤差項になるが、その最大値はそれぞれの正弦波の振幅に対応する。例えば、(28)式ではA、(35)式ではπA2/180で最大となる。 これは、(28)式の角度変動項Asin2(θ−α)におけるθの代わりに仮の検出値θoを用いた場合、誤差がAからπA2/180になることを意味する。すなわち、A>πA2/180が成立する範囲では、(28)式の角度変動項Asin2(θ−α)のθを仮の検出値θoで置き換えることで、誤差の低減が可能となる。
実際のAは数度程度であり(36)の範囲内にあるので、(28)式の第2項より(35)式の第2項の方が小さい。すなわち、(28)式の角度変動項Asin2(θ−α)におけるθを仮の検出値θoで置き換えることで、補正が可能である。以上より、仮の検出値θoに加算する補正項の初期補正値θc0として角度変動項Asin2(θ−α)のθを仮の検出値θoで置き換えた、(37)式を初期補正値として定義できる。
また、(35)式の第2項は、仮の検出値θoに(37)式を加算したθo+θc1を計算した場合の正確なθからの誤差となるので、第2項(πA2/180)sin(4(θ−α))を加算することで、さらなる誤差の低減が可能である。しかしながら、この項の中にも求めたい正確なθが含まれており、直接の計算が出来ない。そこで、この項におけるθを仮の検出値θoで置き換えた場合の差分Δ1(θ→θo)を計算すると、(40)式が求められる。
…(38)
第1項に加法定理を適用すると、
…(39)
となり、
…(40)
Aは現実的には数度程度なので、弧度法では微小角として扱え、(41)の近似が成り立つ。
…(41)
ここでは、A[deg]= πA/180[rad]を適用している。
(18−3)式に(19)の近似を適用すると、差分Δ1(θo−θ)は(42)式に簡略化される。
ここで、(35)式の第2項および(18−4)式の最大値はそれぞれの三角関数の振幅に対応する。例えば、(35)式ではπA2/180、(18−4)式では(π/90)2A3となる。すなわち、(35)式の第2項(πA2/180)sin(4(θ−α))におけるθの代わりに仮の検出値θoを用いた場合、πA2/180から(π/90)2A3になることを意味する。すなわち、πA2/180>(π/90)2A3が成立する範囲では、(35)式の第2項(πA2/180)sin(4(θ−α))におけるθの代わりに仮の検出値θoで置き換えて、誤差の低減が可能となる。ただし、ここでは振幅のみを比較しているので、実際の補正範囲より厳しいものとなっている。
実際のAは(43)の範囲内にあるので、(πA2/180)sin(4(θ−α))のθの代わりに 仮の検出値θoに置き換えて誤差の低減が可能である。 以上より、仮の検出値θoに初期補正値θc0を加算した後に追加加算する補正項として追加補正値θc1を(21)式で定義できる。
ここで、補正値演算部62Bで算出する補正値θcは、必要な精度により以下のどちらかを適用する。
θc=θc0 …(45)
θc=θc0+θc1 …(46)
図12は補正情報(A=5°α=45°)での検出値補正例であるが、角度変動項による2周期の誤差が(45)の補正で小さな4周期誤差に、(46)の加算によるさらなる補正でほぼ見えなくなっていることがわかる。また、図13から図15は補正情報Aの値を振ったときの(45)、(46)式による実際の補正効果を比較したものであるが、Aが30°以内であれば十分に補正可能であることをあらわしている。また、検出値誤差が0.1度以下になる振幅変動値Aの最大値は、(45)式を用いた場合2.3°程度、(46)式を用いた場合5.5°程度となり、現実的なAの値で十分に有効であることをあらわしている。以上より、演算処理能力、回路実装規模、必要精度等のトレ−ドオフで、どちらの補正式を使用するか選択が可能である。
(37)式、(44)式は、三角関数の性質、定理などを用いて変形したものを使用しても同様の結果となる。例えば(37)式は2倍角の公式を利用して変形すると、以下となる。
第2の演算回路の別構成として、図11の演算回路64を使用することも可能である。演算回路64は、検出演算部64Aと、補正値演算部64Bと、加算部64Cで構成され、第1の信号S1、第3の信号S3および補正情報(A,α)を用いて、検出値θsを算出する。なお、図9と異なるのは、第3の信号S3が補正値演算部64Bに入力される点である。以下に説明する。
(1)、(2)式を仮の検出角θoであらわすと、(48)式、(49)式となる。
S1=sinθo …(48)
S3=cosθo …(49)
ここで、(37)式、(44)式の三角関数部分に2倍角の公式を適用すると、(50)ないし(52)式となる。
…(50)
…(51)
…(52)
(37)式に(50)式を適用すると、初期補正値θc0はS1、S3および補正情報(A、α)を用い、(53)式であらわされる。
また、(53)式に(51)、(52)式を適用すると、追加補正値θc1はS1、S3、補正情報(A、α)および初期補正値θc0を用い、(57)式であらわされる。
…(54)
ここで、
…(55)
と変形し、初期補正値θc0で置き換えると、
…(56)
(51)式を適用すると、
…(57)
(53)式、(57)式では、補正情報取得後のsin2α、cos2αの計算以外は、三角関数演算をすることなく、信号値S1、S2等を使用した四則演算で補正値θcを算出することが可能となっている。また、この場合の補正効果は、(37)式、(44)式を使用したときと同等である。
従って、初期補正値θc0の算出に(37)式もしくは(53)式、追加補正値θc1の算出に(44)もしくは(57)式の使用が可能であり、演算処理能力、回路実装規模、必要精度等のトレ−ドオフで選択する。従って、補正値θcとして、(37)式と(57)式の和、(44)式と(53)式の和を使用することも可能である。
また、S1、S3は引数の等しい正弦、余弦なので、(58)式が成立する。
S12+S32=1 …(58)
従って、初期補正値θc0および追加補正値θc1は(53)式、(57)式になるとは限らない。例えば(53)式は(58)式を用いて(59)式に置き換えることが出来るが、補正効果は(53)式と同等である。
また、本実施の形態において、第2の検出回路20は、第3の検出回路30と同様に、回転磁界MFの第2の方向D2の成分を検出するように構成されていてもよい。この場合、信号取得部61Aによって取得される信号対の推移(リサージュ曲線)は、円形に近いものとなる。この場合も、原則として、(A,α)が異なれば、信号対の推移の態様(リサージュ曲線の形状)が異なる。
また、本実施の形態において、第1および第2の検出回路10,20が回転磁界MFの第2の方向D2の成分を検出するように構成され、第3の検出回路30が回転磁界MFの第1の方向D1の成分を検出するように構成されていてもよい。この場合、信号取得部61Aによって取得される信号対の推移(リサージュ曲線)は、本実施の形態において既に説明した信号対の推移(リサージュ曲線)に似たものとなる。
また、本実施の形態において、高い測定精度が必要な場合には、第1および第2の信号S1,S2を規格化する処理を行って、規格化後の信号S1,S2を第1の演算回路61に入力させてもよい。この規格化の処理は、規格化後の信号S1,S2の最大値同士、最小値同士がそれぞれ等しくなるように、線形演算によって、規格化前の信号S1,S2を規格化後の信号S1,S2に変換する処理である。
また、回転磁界センサ1は、補正情報(A,α)を求めるために回転磁界MFの方向DMが回転する必要のある所定範囲(例えば360°)よりも小さい角度範囲内の角度を検出する用途に使用される場合もある。この場合には、回転磁界MFの方向DMを所定範囲以上回転させて補正情報(A,α)を求めた後、実際の角度の検出を行うようにすればよい。
また、本実施の形態において、第3の検出回路30の代わりに、基準位置PRにおける回転磁界MFの、第2の方向D2の成分の正負の判別のみを行う判別回路を設けてもよい。この判別回路は、例えば、第2の方向D2に感度を有する磁気検出素子と、この磁気検出素子の検出出力を、所定のしきい値を用いて2値化する回路とによって実現することができる。第2の方向D2に感度を有する磁気検出素子としては、例えば、磁化固定層の磁化の方向が第2の方向D2に平行な方向に設定されたTMR素子またはGMR素子や、第2の方向D2に感度を有するように設定されたホール素子を用いることができる。この場合、第2の演算回路62は、前述の検索によって得られた計算値S1nに対応する検出値θsの第1の候補と、判別回路によって得られる正負の判別結果とに基づいて、検出値θsを決定する。前述のように、ほとんどの場合、第1の信号S1の1つの値に対して、検出値θsの第1の候補は2つ得られる。この2つの候補の一方が0゜よりも大きく90°よりも小さいときには、2つの候補の他方は90゜よりも大きく180°よりも小さい。また、2つの候補の一方が180゜よりも大きく270°よりも小さいときには、2つの候補の他方は270゜よりも大きく360°よりも小さい。一方、角度θが0°以上90゜未満、および270°よりも大きく360°以下の範囲内のときは、第2の方向D2の成分は正の値であり、θsが90°よりも大きく270゜よりも小さいときには、第2の方向D2の成分は負の値である。従って、上記判別回路の判別結果を用いれば、検出値θsの2つの第1の候補のうちの一方を、真の検出値θsとして特定することができる。
また、回転磁界センサ1が、角度θが90°以上270゜以下の範囲内あるいは0°以上90゜以下および270°以上360゜未満の範囲内となる用途に使用される場合には、第3の検出回路30はなくてもよい。すなわち、この場合には、検出値θsの第1の候補は1つしか得られないので、この候補を検出値θsとすることができる。
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明における磁気検出素子としては、スピンバルブ型のMR素子(GMR素子、TMR素子)に限らず、何らかの形で磁気異方性を持ち得るものであればよい。例えば、磁気検出素子としては、AMR(異方性磁気抵抗効果)素子を用いてもよい。また、第1および第3の磁気異方性は、形状磁気異方性に限らず、結晶磁気異方性や、応力磁気異方性によって設定されてもよい。
また、本発明は、上記実施の形態、つまり、回転磁界センサと円柱状の磁石が平行に配置される場合のみに適用されるものではなく、回転磁界センサが磁石に対して傾いた場合であっても適用できる。この場合、基準平面も回転磁界センサの傾きに応じて傾き、基準方向、基準位置も回転磁界センサの傾きに応じて傾く。つまり、回転磁界センサと基準平面と基準方向と基準位置は一体とすることが可能である。また、例えば、リニアセンサのようなNS磁石を直線上に複数個配置し、NS磁石の配置方向と平行に回転センサが移動する場合であっても、本発明は適用可能である。この場合、回転磁界センサの直線移動量に応じて、回転磁界センサの回転角が変化することになる。例えば、NS磁石の配置方向と回転磁界センサを形成する膜の積層方向を直交とし、回転磁界センサの移動方向が回転磁界センサと一体となった基準平面内に含まれるように、回転磁界センサを配置すれば、NS磁石の発生する磁界に応じて磁気抵抗素子の自由層が回転することとなる。従って、回転磁界センサの回転角と回転磁界センサの直線移動量が対応することになる。このように本発明は、回転体の角度検出に限るものではなく、様々な相対移動量に基づく磁界検出を行う回転磁界センサに適用可能である。