DE102016000257B4

DE102016000257B4 - Magnetsensorsystem

Info

Publication number: DE102016000257B4
Application number: DE102016000257.3A
Authority: DE
Inventors: Kazuya Watanabe; Hiraku Hirabayashi; Kazuma YAMAWAKI
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2036-01-09
Also published as: JP6066134B2; JP2016128768A; DE102016000257A1

Abstract

Ein Magnetsensorsystem enthält eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Zielmagnetfelds und einen Magnetsensor zum Erzeugen eines Wertes eines erfassten Winkels, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung des Zielmagnetfelds an einer Bezugsposition bezüglich einer Bezugsrichtung bildet. Der Magnetsensor enthält eine Magnetfeld-Erfassungseinheit. Wenn sich die Richtung des Zielmagnetfelds mit einer vorgegebenen Periode dreht, enthält der Winkelerfassungswert einen Winkelfehleranteil, der sich mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode ändert. Der Magnetsensor ist so beschaffen, dass, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit variiert wird, sich ein maximaler Betrag des Winkelfehleranteils so ändert, dass er einen Minimalwert annimmt, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds einen ersten Stärkewert hat. Eine Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und einem zweiten Stärkewert beträgt während der Verwendung des Magnetsensorsystems 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts, wobei es sich bei dem zweiten Stärkewert um einen Stärke-Istwert des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit handelt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Magnetsensorsystem, das eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines zu erkennenden Magnetfelds und einen Magnetsensor zum Erfassen des Magnetfelds enthält.
Beschreibung des Stands der Technik
In den letzten Jahren wurden verbreitet Magnetsensoren benutzt, um die Drehstellung eines Objekts in verschiedenen Anwendungen zu erfassen, wie etwa die Erfassung der Drehstellung eines Lenkrads oder eines Servolenkungsmotors in einem Automobil. Magnetsensoren werden nicht nur zum Erfassen der Drehstellung eines Objekts, sondern auch zum Erfassen einer linearen Verschiebung eines Objekts eingesetzt. In Systemen, die Magnetsensoren verwenden, ist typischerweise eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfelds vorgesehen, dessen Richtung sich als Reaktion auf die Drehung oder lineare Bewegung des Objekts dreht. Im Folgenden wird das zu erfassende Magnetfeld als Zielmagnetfeld bezeichnet. Bei der Magnetfeld-Erzeugungseinheit kann es sich um einen Magneten handeln. Die Magnetsensoren verwenden magnetische Erfassungselemente zum Erfassen des Winkels, den die Richtung des Zielmagnetfelds an einer Bezugsposition bezüglich einer Bezugsrichtung bildet. Die Drehstellung oder lineare Verschiebung des Objekts wird so erfasst.
Unter den bekannten Magnetsensoren befindet sich einer, der zwei Brückenschaltungen (Wheatstone-Brückenschaltungen) enthält, wie in EP 2455720 A1 und EP 1232400 B1 beschrieben. Bei einem solchen Magnetsensor enthält jede der beiden Brückenschaltungen vier magnetische Erfassungselemente und gibt ein auf die Richtung des Zielmagnetfelds reagierendes Signal aus. Jedes magnetische Erfassungselement enthält ein magnetoresistives (MR-) Element. Die Ausgangssignale der beiden Brückenschaltungen unterscheiden sich voneinander in der Phase um 1/4 der Periode der Ausgangssignale der Brückenschaltungen. Der Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfelds bezüglich der Bezugsrichtung bildet, wird auf Grundlage der Ausgangssignale der beiden Brückenschaltungen berechnet.
In einem Magnetsensor, der ein MR-Element verwendet, sollte das Ausgangssignal des MR-Elements, das dem Widerstand des MR-Elements entspricht, idealerweise eine Wellenform besitzen, die eine sinusförmige Kurve (einschließlich Sinus- und Kosinuswellenformen) beschreibt, während sich die Richtung des Zielmagnetfelds dreht. Wie in EP 2455720 A1 beschrieben, ist es jedoch bekannt, dass die Ausgangssignal-Wellenform des MR-Elements manchmal gegenüber einer sinusförmigen Kurve verzerrt werden kann. Die Verzerrung der Ausgangssignal-Wellenform des MR-Elements gegenüber einer sinusförmigen Kurve bedeutet, dass das Ausgangssignal des MR-Elements einen harmonischen Anteil enthält, der keine sinusförmige Grundwelle ist. Wenn das Ausgangssignal des MR-Elements diesen harmonischen Anteil enthält, kann im vom Magnetsensor erfassten Winkel ein Fehler auftreten.
Im Folgenden werden Beispiele von Situationen beschrieben, in denen die Ausgangssignal-Wellenform eines MR-Elements verzerrt ist. Es soll hier angenommen werden, dass das MR-Element ein Spinventil-MR-Element ist, das eine Schicht mit festliegender Magnetisierung enthält, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung des Zielmagnetfelds ändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung und der freien Schicht angeordnet ist. Beispiele für Spinventil-MR-Elemente sind Riesenmagnetowiderstandselemente (Giant Magnetoresistive Elements, GMR) und Tunnelmagnetowiderstandselemente (tunneling magnetoresistive elements, TMR). Zu den Beispielen von Situationen, in denen die Ausgangssignal-Wellenform eines MR-Elements verzerrt wird, gehört der Fall, in dem die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung aufgrund der Beeinflussung durch das Zielmagnetfeld oder anderer Faktoren variiert, und der Fall, in dem die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht aufgrund von Effekten wie der Formanisotropie der freien Schicht von der Richtung des Zielmagnetfelds abweicht.
EP 2455720 A1 offenbart eine Methode zur Reduzierung des Fehlers des erfassten Winkels, die im Folgenden beschrieben wird. Gemäß der Methode werden die Spinventil-MR-Elemente, die die konventionelle Brückenschaltung bilden, durch Ketten von MR-Elementen ersetzt, wobei jede Kette von MR-Elementen aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Spinventil-MR-Elementen besteht. Die Ketten von MR-Elementen enthalten jeweils ein oder mehrere Paare von MR-Elementen. Die Schichten mit festliegender Magnetisierung zweier miteinander gepaarter MR-Elemente besitzen Magnetisierungsrichtungen, die in einander entgegengesetzten Richtungen um den gleichen Winkel bezüglich der Magnetisierungsrichtung der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente gedreht sind, die die konventionelle Brückenschaltung bilden.
EP 1232400 B1 offenbart eine Methode zum Korrigieren des erfassten Winkels, indem eine elektrische Verbindung zwischen einem Hauptsensorelement und zwei Korrektursensorelementen hergestellt wird, wobei das Hauptsensorelement eine Hauptreferenz-Magnetisierungsachse aufweist und jedes der zwei Korrektursensorelemente eine Referenzmagnetisierungsachse besitzt, die bezüglich der Hauptreferenz-Magnetisierungsachse geneigt ist.
Die DE 10 2013 102 165 A1 betrifft ein Magnetsensorsystem zur Winkelerfassung, bei der auch eine Fehlerkorrektur vorgesehen ist.
Bei den Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat sich herausgestellt, dass der Fehler des von Magnetsensoren erfassten Winkels in Abhängigkeit von der Stärke des Zielmagnetfelds variiert. Im Folgenden wird der Fehler des erfassten Winkels als Winkelfehler bezeichnet und die Änderung des Winkelfehlers in Abhängigkeit von der Stärke des Zielmagnetfelds als Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke. Die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke wurde sogar bei einem Magnetsensor beobachtet, der über ein Mittel zur Reduzierung des Winkelfehlers verfügt. In der gängigen Praxis wurde die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke jedoch nicht berücksichtigt, um Maßnahmen zur Reduzierung des Winkelfehlers unter tatsächlichen Einsatzbedingungen zu ergreifen und auf diese Weise den Winkelfehler bei einer Iststärke des Zielmagnetfelds zu minimieren.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetsensorsystem zum Erfassen eines Winkels bereitzustellen, den die Richtung eines Zielmagnetfelds bezüglich einer Bezugsrichtung bildet, wobei das Magnetsensorsystem eine wirksame Reduzierung des Winkelfehlers unter tatsächlichen Einsatzbedingungen erreicht, indem die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke berücksichtigt wird.
Ein Magnetsensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Zielmagnetfelds; und einen Magnetsensor zum Erzeugen eines Wertes eines erfassten Winkels, der eine Entsprechungsbeziehung zu einem Winkel aufweist, den die Richtung des Zielmagnetfelds an einer Bezugsposition bezüglich einer Bezugsrichtung bildet. Der Magnetsensor enthält eine Magnetfeld-Erfassungseinheit und eine Berechnungseinheit. Die Magnetfeld-Erfassungseinheit enthält eine Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen zum Erfassen des Zielmagnetfelds und gibt ein erstes Signal und ein zweites Signal aus. Das erste Signal weist eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des Zielmagnetfelds bezüglich einer ersten Richtung bildet. Das zweite Signal weist eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des Zielmagnetfelds bezüglich einer zweiten Richtung bildet. Die Berechnungseinheit berechnet den Wert des erfassten Winkels auf Grundlage des ersten Signals und des zweiten Signals.
Gemäß dem Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung enthält der Wert des erfassten Winkels, wenn sich die Richtung des Zielmagnetfelds mit einer vorgegebenen Periode dreht, eine Winkelfehlerkomponente, die sich mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode ändert. Der Magnetsensor ist so beschaffen, dass, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit variiert wird, sich ein maximaler Betrag des Winkelfehleranteils so ändert, dass er einen Minimalwert angenimmt, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit einen ersten Stärkewert hat. Das Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass eine Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und einem zweiten Stärkewert während der Verwendung des Magnetsensorsystems 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts beträgt, wobei es sich bei dem zweiten Stärkewert um einen Stärke-Istwert des Zielmagnetfelds an der Magnetfeld-Erfassungseinheit handelt. Das Magnetsensorsystem kann so aufgebaut sein, dass der maximale Betrag des Winkelfehleranteils 0,1° oder weniger beträgt.
Gemäß dem Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung kann das erste Signal einen ersten idealen Anteil, einen ersten dritten harmonischen Anteil und einen ersten fünften harmonischen Anteil enthalten und das zweite Signal einen zweiten idealen Anteil, einen zweiten dritten harmonischen Anteil und einen zweiten fünften harmonischen Anteil enthalten, wenn sich die Richtung des Zielmagnetfelds mit einer vorgegebenen Periode dreht. Der erste ideale Anteil ist ein Anteil, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale Sinuskurve beschreibt. Der erste dritte harmonische Anteil ist ein Fehleranteil, der zu einer dritten Harmonischen des ersten idealen Anteils äquivalent ist. Der erste fünfte harmonische Anteil ist ein Fehleranteil, der zu einer fünften Harmonischen des ersten idealen Anteils äquivalent ist. Der zweite ideale Anteil ist ein Anteil, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale Sinuskurve beschreibt. Der zweite dritte harmonische Anteil ist ein Fehleranteil, der zu einer dritten Harmonischen des zweiten idealen Anteils äquivalent ist. Der zweite fünfte harmonische Anteil ist ein Fehleranteil, der zu einer fünften Harmonischen des zweiten idealen Anteils äquivalent ist.
Eine Differenz zwischen dem Mittelwert eines ersten Verhältnisses und eines dritten Verhältnisses und dem Mittelwert eines zweiten Verhältnisses und eines vierten Verhältnisses kann einen Betrag von 0, 18 % oder weniger besitzen, wobei das erste Verhältnis das Verhältnis des ersten dritten harmonischen Anteils zum ersten idealen Anteil ist, wenn der erste ideale Anteil einen Maximalwert annimmt, das zweite Verhältnis das Verhältnis des ersten fünften harmonischen Anteils zum ersten idealen Anteil ist, wenn der erste ideale Anteil den Maximalwert annimmt, das dritte Verhältnis das Verhältnis des zweiten dritten harmonischen Anteils zum zweiten idealen Anteil ist, wenn der zweite ideale Anteil einen Maximalwert annimmt, und das vierte Verhältnis das Verhältnis des zweiten fünften harmonischen Anteils zum zweiten idealen Anteil ist, wenn der zweite ideale Anteil den Maximalwert annimmt. In diesem Fall kann der Mittelwert des ersten Verhältnisses und dritten Verhältnisses niedriger sein als der Mittelwert des zweiten Verhältnisses und vierten Verhältnisses, wenn die Magnetfeld-Erfassungseinheit eine Temperatur von 20°C aufweist.
Das Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung kann so aufgebaut sein, dass eine Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert 10 % oder weniger des ersten Stärkewerts beträgt. Das Magnetsensorsystem kann auch so aufgebaut sein, dass der maximale Betrag des Winkelfehleranteils 0,05° oder weniger beträgt. Der Betrag der Differenz zwischen dem Mittelwert des ersten Verhältnisses und dritten Verhältnisses und dem Mittelwert des zweiten Verhältnisses und vierten Verhältnisses kann 0, 09 % oder weniger betragen. In diesem Fall kann der Mittelwert des ersten Verhältnisses und dritten Verhältnisses niedriger sein als der Mittelwert des zweiten Verhältnisses und vierten Verhältnisses, wenn die Magnetfeld-Erfassungseinheit eine Temperatur von 20°C aufweist.
Im Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung kann die zweite Richtung orthogonal zur ersten Richtung sein.
Im Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung kann jedes der Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen ein magnetoresistives Element enthalten, welches enthält: eine Schicht mit festliegender Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist; eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung des Zielmagnetfelds ändert; und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung und der freien Schicht angeordnet ist. In diesem Fall kann die freie Schicht eine erste Oberfläche in Kontakt mit der nichtmagnetischen Schicht aufweisen und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche. Die zweite Oberfläche kann eine rotationssymmetrische Form der Ordnung vier, nicht der Ordnung fünf oder höher aufweisen.
Das Magnetsensorsystem der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine wirksame Reduzierung des Winkelfehlers unter tatsächlichen Einsatzbedingungen, indem die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke berücksichtigt wird.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich vollständiger aus der folgenden Beschreibung.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines Magnetsensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln darstellt, die in der Ausführungsform der Erfindung benutzt werden.
3 ist ein Schaltplan, der den Aufbau eines Magnetsensors gemäß der Ausführungsform der Erfindung darstellt.
4 ist eine Draufsicht einer in 3 gezeigten Wheatstone-Brückenschaltung.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines in 4 gezeigten magnetischen Erfassungselements.
6A bis 6C sind Wellenform-Diagramme, die ein erstes Beispiel des Zusammenhangs zwischen einem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und einer Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
7A bis 7C sind Wellenform-Diagramme, die ein zweites Beispiel des Zusammenhangs zwischen den Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
8A bis 8C sind Wellenform-Diagramme, die ein drittes Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
9A bis 9C sind Wellenform-Diagramme, die ein viertes Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkelfehleranteil vierter Ordnung und der Vielzahl von Fehleranteilen zeigen.
10 ist ein Kennliniendiagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Betrag der Differenz zwischen einem Verhältnis der dritten harmonischen Anteils und einem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils und dem maximalen Betrag des Winkelfehleranteils vierter Ordnung zeigt.
11 ist ein Kennliniendiagramm, das die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils, des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils und des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke darstellt.
12 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements in der Ausführungsform der Erfindung.
13 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements in der Ausführungsform der Erfindung.
14 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements in der Ausführungsform der Erfindung.
15 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie sich die Abhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils und des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils von der Magnetfeldstärke mit der Änderung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements ändern.
16 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie sich die Abhängigkeit des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung von der Magnetfeldstärke mit der Änderung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht des MR-Elements ändert.
17 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils, des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils und des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung in einem Vergleichsbeispiel darstellt.
18 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeiten des Verhältnisses des dritten harmonischen Anteils, des Verhältnisses des fünften harmonischen Anteils und des maximalen Betrags des Winkelfehleranteils vierter Ordnung in einem Beispiel darstellt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnung genau beschrieben. Zuerst wird auf 1 und 2 Bezug genommen, um den allgemeinen Aufbau eines Magnetsensorsystems gemäß der Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau des Magnetsensorsystems gemäß der Ausführungsform darstellt. 2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln darstellt, die in der Ausführungsform benutzt werden.
Wie in 1 gezeigt, enthält das Magnetsensorsystem gemäß der Ausführungsform einen Magnetsensor 1 und eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2. Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 erzeugt ein Zielmagnetfeld MF. In dem in 1 gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 um einen zylindrischen Magneten. Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 weist einen N-Pol und einen S-Pol auf, die symmetrisch bezüglich einer imaginären Ebene angeordnet sind, die die Mittelachse des Zylinders einschließt. Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 dreht sich um die Mittelachse des Zylinders. Daher dreht sich die Richtung des Zielmagnetfelds MF, das durch die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 erzeugt wird, um eine Drehachse C, die die Mittelachse des Zylinders einschließt.
Der Magnetsensor 1 ist so aufgebaut, dass der Winkel erfasst wird, den die Richtung des Zielmagnetfelds MF an einer Bezugsposition bezüglich einer Bezugsrichtung bildet. Genauer erzeugt der Magnetsensor 1 einen Wert eines erfassten Winkels, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition bezüglich der Bezugsrichtung bildet.
Die Bezugsposition befindet sich in einer imaginären Ebene parallel zu einer Endfläche der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2. Diese imaginäre Ebene wird nachstehend als die Bezugsebene bezeichnet. In der Bezugsebene dreht sich die Richtung des durch die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 erzeugten Zielmagnetfelds MF um die Bezugsposition. Die Bezugsrichtung befindet sich in der Bezugsebene und läuft durch die Bezugsposition. In der folgenden Beschreibung ist die Richtung des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition eine in der Bezugsebene liegende Richtung. Die Richtung des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition kann einfach als Richtung des Zielmagnetfelds MF bezeichnet werden. Der Magnetsensor 1 ist so angeordnet, dass er zur vorgenannten Endfläche der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 weist.
Der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 können auch auf andere Weise als in 1 gezeigt konfiguriert sein. Der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 müssen lediglich so konfiguriert sein, dass sich ihre relative Position auf solche Weise ändert, dass sich die Richtung des Zielmagnetfelds MF aus Sicht des Magnetsensors 1 dreht. Beispielsweise können der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2, die wie in 1 angeordnet sind, wie folgt konfiguriert sein: Der Magnetsensor 1 dreht sich, während die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 feststeht; der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 drehen sich in entgegengesetzten Richtungen; oder der Magnetsensor 1 und die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 drehen sich in der gleichen Richtung, aber mit gegenseitig unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten.
Alternativ kann anstelle des in 1 gezeigten Magneten als Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 ein Magnet eingesetzt werden, der ein oder mehrere Paare von N- und S-Polen, die abwechselnd ringförmig angeordnet sind, umfasst, wobei der Magnetsensor 1 in der Nähe des äußeren Umfangs des Magneten angeordnet werden kann. In diesem Fall dreht sich mindestens einer von Magnet und Magnetsensor 1.
Alternativ kann anstelle des in 1 gezeigten Magneten als Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 ein Magnetband eingesetzt werden, das eine Vielzahl von Paaren von N- und S-Polen, die abwechselnd in einer linearen Konfiguration angeordnet sind, umfasst, wobei der Magnetsensor 1 in der Nähe des Randbereiches des Magnetbands angeordnet werden kann. In diesem Fall bewegt sich mindestens eines von Magnetband und Magnetsensor 1 linear in der Richtung, in der die N- und S-Pole des Magnetbands angeordnet sind.
In den oben beschriebenen verschiedenen Konfigurationen des Magnetsensors 1 und der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 existiert ebenfalls eine Bezugsebene, die eine vorgegebene Positionsbeziehung zum Magnetsensor 1 hat, und innerhalb der Bezugsebene dreht sich die Richtung des Zielmagnetfelds MF aus Sicht des Magnetsensors 1 um die Bezugsposition.
Der Magnetsensor 1 enthält eine Magnetfeld-Erfassungseinheit 3. Die Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 enthält eine Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen zum Erfassen des Zielmagnetfelds MF und gibt ein erstes Signal S1 und ein zweites Signal S2 aus. Das erste Signal S1 weist eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des Zielmagnetfelds MF bezüglich einer ersten Richtung bildet. Das zweite Signal S2 weist eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des Zielmagnetfelds MF bezüglich einer zweiten Richtung bildet.
Die Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 enthält einen ersten Erfassungsschaltkreis 10 und einen zweiten Erfassungsschaltkreis 20. Zur Erleichterung des Verständnisses stellt 1 den ersten und zweiten Erfassungsschaltkreis 10 und 20 als separate Komponenten dar. Jedoch können der erste und zweite Erfassungsschaltkreis 10 und 20 in einem einzigen Bauelement integriert sein. Weiterhin kann, während in 1 der erste und zweite Erfassungsschaltkreis 10 und 20 in einer Richtung parallel zur Drehachse C gestapelt sind, die Stapelreihenfolge gegenüber dem in 1 gezeigten Beispiel umgekehrt sein.
Die Definitionen der in der Ausführungsform benutzten Richtungen und Winkel werden nun mit Bezug auf 1 und 2 erläutert. Als Erstes entspricht die Z-Richtung der Richtung parallel zu der in 1 gezeigten Drehachse C und von unten nach oben in 1. In 2 ist die Z-Richtung als die Richtung aus der Ebene der 2 heraus gezeigt. Als Nächstes sind die Richtungen X und Y die beiden Richtungen, die senkrecht zur Z-Richtung und rechtwinklig zueinander stehen. In 2 ist die X-Richtung als die Richtung nach rechts gezeigt und die Y-Richtung ist als die Richtung nach oben gezeigt. Weiterhin ist die -X-Richtung die Richtung entgegengesetzt zur X-Richtung und die -Y-Richtung die Richtung entgegengesetzt zur Y-Richtung.
Die Bezugsposition PR ist die Position, bei der der Magnetsensor 1 das Zielmagnetfeld MF erfasst. Die Bezugsrichtung DR soll die X-Richtung sein. Der Winkel, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition PR bezüglich der Bezugsrichtung DR bildet, wird mit dem Symbol θ bezeichnet. Die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF soll sich in 2 gegen den Uhrzeigersinn drehen. Der Winkel θ wird in positiven Werten ausgedrückt, wenn er gegen den Uhrzeigersinn läuft, gesehen aus der Bezugsrichtung DR, und in negativen Werten, wenn er im Uhrzeigersinn läuft, gesehen aus der Bezugsrichtung DR.
Der Aufbau des Magnetsensors S1 wird nun ausführlich mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 ist ein Schaltplan, der den Aufbau des Magnetsensors 1 darstellt. Der Magnetsensor 1 enthält eine Berechnungseinheit 30 sowie die oben beschriebene Magnetfeld-Erfassungseinheit 3. Wie oben beschrieben enthält die Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 den ersten Erfassungsschaltkreis 10 und den zweiten Erfassungsschaltkreis 20.
Der erste Erfassungsschaltkreis 10 erzeugt das erste Signal S1, das eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der ersten Richtung bildet. Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 erzeugt das zweite Signal S2, das eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der zweiten Richtung bildet. In dieser Ausführungsform ist die erste Richtung die X-Richtung und die zweite Richtung die Y-Richtung. Die zweite Richtung ist also orthogonal zur ersten Richtung. In 2 gibt der mit D1 bezeichnete Pfeil die erste Richtung an und der mit D2 bezeichnete Pfeil die zweite Richtung. Das erste Signal S1 ist beispielsweise ein Signal, das auf die Stärke eines Anteils des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition PR reagiert, wobei der Anteil in der ersten Richtung D1 (die X-Richtung) liegt. Das zweite Signal S2 ist beispielsweise ein Signal, das auf die Stärke eines Anteils des Zielmagnetfelds MF an der Bezugsposition PR reagiert, wobei der Anteil in der zweiten Richtung D2 (die Y-Richtung) liegt.
Wenn sich die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF mit einer vorgegebenen Periode dreht, ändern sich das erste und zweite Signal S1 und S2 periodisch mit einer der vorgegebenen Periode entsprechenden Signalperiode T. Das zweite Signal S2 weicht vom ersten Signal S1 in der Phase ab. In dieser Ausführungsform weicht das zweite Signal S2 in der Phase bevorzugt um ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/4 der Signalperiode T vom ersten Signal S1 ab. Aufgrund der Fertigungsgenauigkeit der magnetischen Erfassungselemente und anderer Faktoren kann der Phasenunterschied zwischen dem ersten Signal S1 und dem zweiten Signal S2 jedoch etwas von einem ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Signalperiode T abweichen. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass die Phasen des ersten Signals S1 und des zweiten Signals S2 die zuvor genannte bevorzugte Beziehung erfüllen.
Der erste Erfassungsschaltkreis 10 verfügt über einen Ausgang zur Ausgabe des ersten Signals S1. Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 verfügt über einen Ausgang zur Ausgabe des zweiten Signals S2. Die Berechnungseinheit 30 verfügt über zwei Eingänge und einen Ausgang. Die beiden Eingänge der Berechnungseinheit 30 sind mit dem jeweiligen Ausgang des ersten und zweiten Erfassungsschaltkreises 10 und 20 verbunden.
Die Berechnungseinheit 30 berechnet einen Wert eines erfassten Winkels θs, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ aufweist. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Wert des erfassten Winkels θs um den Wert des Winkels θ, der vom Magnetsensor 1 erfasst wird. Die Berechnungseinheit 30 kann beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) oder als Mikrocomputer ausgeführt sein. Die Berechnung des Wert des erfassten Winkels θs wird weiter unten ausführlich beschrieben.
Der erste Erfassungsschaltkreis 10 enthält eine Wheatstone-Brückenschaltung 14 und einen Differenzdetektor 15. Die Wheatstone-Brückenschaltung 14 enthält einen Stromversorgungsanschluss V1, einen Masseanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, ein erstes Paar in Reihe geschalteter magnetischer Erfassungselemente R11 und R12 und ein zweites Paar in Reihe geschalteter magnetischer Erfassungselemente R13 und R14. Ein Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R11 und R13 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V1 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R11 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R12 und dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R13 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R14 und dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Das andere Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R12 und R14 ist mit dem Masseanschluss G1 verbunden. Eine Versorgungsspannung eines vorgegebenen Betrags wird an den Stromversorgungsanschluss V1 angelegt. Der Masseanschluss G1 wird mit Erde verbunden. Der Differenzdetektor 15 gibt als das erste Signal S1 einen Signalwert an die Berechnungseinheit 30 aus, der der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht.
Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 verfügt über einen ähnlichen Schaltungsaufbau wie der erste Erfassungsschaltkreis 10. Genauer enthält der zweite Erfassungsschaltkreis 20 eine Wheatstone-Brückenschaltung 24 und einen Differenzdetektor 25. Die Wheatstone-Brückenschaltung 24 enthält einen Stromversorgungsanschluss V2, einen Masseanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, ein erstes Paar in Reihe geschalteter magnetischer Erfassungselemente R21 und R22 und ein zweites Paar in Reihe geschalteter magnetischer Erfassungselemente R23 und R24. Ein Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R21 und R23 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V2 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R21 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R22 und dem Ausgangsanschluss E21 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R23 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R24 und dem Ausgangsanschluss E22 verbunden. Das andere Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R22 und R24 ist mit dem Masseanschluss G2 verbunden. Eine Versorgungsspannung eines vorgegebenen Betrags wird an den Stromversorgungsanschluss V2 angelegt. Der Masseanschluss G2 wird mit Erde verbunden. Der Differenzdetektor 25 gibt als das zweite Signal S2 einen Signalwert an die Berechnungseinheit 30 aus, der der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht.
In dieser Ausführungsform enthält jedes der Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen, die in den Wheatstone-Brückenschaltungen (nachstehend als Brückenschaltungen bezeichnet) 14 und 24 enthalten sind, mindestens ein Spinventil-MR-Element, und genauer mindestens ein TMR-Element. Das TMR-Element kann durch ein GMR-Element ersetzt werden. Das Spinventil-MR-Element enthält eine Schicht mit festliegender Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung DM des Zielmagnetfelds MF ändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die sich zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung und der freien Schicht befindet. Im TMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine Tunnelbarrierenschicht. Im GMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. Das Spinventil-MR-Element verändert seinen Widerstandswert je nach dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht bezüglich der Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung bildet, und weist einen minimalen Widerstandswert auf, wenn der genannte Winkel 0° beträgt, und einen maximalen Widerstandswert, wenn der genannte Winkel 180° beträgt. In 3 geben die ausgefüllten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente an, und die hohlen Pfeile geben die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten der MR-Elemente an.
Im ersten Erfassungsschaltkreis 10 sind die Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente in den magnetischen Erfassungselementen R11 und R14 in der X-Richtung (der ersten Richtung) magnetisiert, und die Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente in den magnetischen Erfassungselementen R12 und R13 sind in der -X-Richtung magnetisiert. In diesem Fall verändert sich die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 je nach dem Winkel zwischen der Richtung DM des Zielmagnetfelds MF und der ersten Richtung D1 (der X-Richtung) . Der erste Erfassungsschaltkreis 10 erzeugt somit das erste Signal S1, das eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der ersten Richtung D1 (der X-Richtung) bildet.
Im zweiten Erfassungsschaltkreis 20 sind die Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente in den magnetischen Erfassungselementen R21 und R24 in der Y-Richtung (der zweiten Richtung) magnetisiert, und die Schichten mit festliegender Magnetisierung der MR-Elemente in den magnetischen Erfassungselementen R22 und R23 sind in der -Y-Richtung magnetisiert. In diesem Fall verändert sich die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 je nach dem Winkel zwischen der Richtung DM des Zielmagnetfelds MF und der zweiten Richtung D2 (der Y-Richtung) . Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 erzeugt so das zweite Signal S2, das eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF bezüglich der zweiten Richtung D2 (der Y-Richtung) bildet.
In Anbetracht der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren können sich die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit festliegender Magnetisierung der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungsschaltkreisen 10 und 20 leicht von den oben beschriebenen unterscheiden.
Ein Beispiel des Aufbaus der Brückenschaltungen und der magnetischen Erfassungselemente wird nun mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. 4 ist eine Draufsicht der in 3 gezeigten Brückenschaltung 14. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines in 4 gezeigten magnetischen Erfassungselements. Im in 4 gezeigten Beispiel ist jedes der magnetischen Erfassungselemente R11, R12, R13 und R14 aus einer Kette von MR-Elementen aufgebaut. Die Kette von MR-Elementen enthält eine Vielzahl in Reihe geschalteter MR-Elemente 50. Im in 4 gezeigten Beispiel ist die Kette von MR-Elementen aus acht MR-Elementen 50 und einer Vielzahl von unteren Elektroden 41 und oberen Elektroden 42, durch die die acht MR-Elemente 50 in Reihe miteinander verbunden sind, aufgebaut. Jedes der MR-Elemente 50 weist eine obere Endfläche und eine untere Endfläche auf. Die Brückenschaltung 24 verfügt über den gleichen Aufbau wie die in 4 gezeigte Brückenschaltung 14.
Die Vielzahl von unteren Elektroden 41 ist auf einem Substrat (nicht dargestellt) angeordnet. Jede der unteren Elektroden 41 weist eine lange, schlanke Form auf. Zwischen zwei benachbarten unteren Elektroden 41 befindet sich jeweils ein Spalt. Wie in 5 gezeigt, sind zwei benachbarte MR-Elemente 50 auf der oberen Fläche jeder unteren Elektrode 41 in Längsrichtung an Positionen nahe den entgegengesetzten Enden angeordnet. Jede der oberen Elektroden 42 weist eine lange, schlanke Form auf und stellt eine elektrische Verbindung zwischen zwei MR-Elementen 50 her, die auf zwei benachbarten unteren Elektroden 41 angeordnet und zueinander benachbart sind.
Wie in 5 gezeigt, enthält jedes der MR-Elemente 50 eine antiferromagnetische Schicht 54, eine Schicht mit festliegender Magnetisierung 53, eine nichtmagnetische Schicht 52 und eine freie Schicht 51, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei sich die antiferromagnetische Schicht 54 am nächsten an der unteren Elektrode 41 befindet. Die antiferromagnetische Schicht 54 ist aus einem antiferromagnetischen Material ausgebildet. Die antiferromagnetische Schicht 54 befindet sich in Austauschwechselwirkung mit der Schicht mit festliegender Magnetisierung 53 und legt dadurch die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung 53 fest. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Schichten 51 bis 54 jedes MR-Elements 50 in zur in 5 gezeigten umgekehrter Reihenfolge gestapelt sein können.
Die freie Schicht 51 besitzt eine erste Oberfläche in Kontakt mit der nichtmagnetischen Schicht und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche. Im in 5 gezeigten Beispiel stellt die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 die obere Endfläche des MR-Elements 50 dar. In 2 repräsentiert das Symbol 11 die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 jedes MR-Elements 50 in dem ersten Erfassungsschaltkreis 10 und das Symbol 21 repräsentiert die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 jedes MR-Elements 50 in dem zweiten Erfassungsschaltkreis 20.
Die in 4 gezeigte Brückenschaltung 14 enthält vier Verbindungselektroden 431, 432, 433 und 434 zur elektrischen Verbindung von zwei magnetischen Erfassungselementen. Die Verbindungselektroden 431 bis 434 sind auf dem nicht gezeigten Substrat angeordnet.
Die Verbindungselektrode 431 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem MR-Element 50, das sich am einen Ende des magnetischen Erfassungselements R11 befindet, und dem MR-Element 50, das sich am einen Ende des magnetischen Erfassungselements R13 befindet, her und ist elektrisch mit dem Stromversorgungsanschluss V1 verbunden. Die Verbindungselektrode 432 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem MR-Element 50, das sich am anderen Ende des magnetischen Erfassungselements R11 befindet, und dem MR-Element 50, das sich am einen Ende des magnetischen Erfassungselements R12 befindet, her und ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Die Verbindungselektrode 433 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem MR-Element 50, das sich am anderen Ende des magnetischen Erfassungselements R13 befindet, und dem MR-Element 50, das sich am einen Ende des magnetischen Erfassungselements R14 befindet, her und ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Die Verbindungselektrode 434 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem MR-Element 50, das sich am anderen Ende des magnetischen Erfassungselements R12 befindet, und dem MR-Element 50, das sich am anderen Ende des magnetischen Erfassungselements R14 befindet, her und ist elektrisch mit dem Masseanschluss G1 verbunden.
Die Berechnung des Wert des erfassten Winkels θs wird jetzt mit Bezug auf 3 beschrieben. Im in 3 gezeigten Beispiel sollte das erste Signal S1 idealerweise eine Kosinus-Wellenform aufweisen, die vom Winkel θ abhängt, und das zweite Signal S2 eine Sinus-Wellenform, die vom Winkel θ abhängt. In diesem Fall weicht das zweite Signal S2 in der Phase vom ersten Signal S1 um 1/4 der Signalperiode T ab, d. h. um π/2 (90°) .
Wenn der Winkel θ größer oder gleich 0° und kleiner als 90° ist und wenn der Winkel θ größer als 270° und kleiner oder gleich 360° ist, hat das erste Signal S1 einen positiven Wert. Wenn der Winkel θ größer als 90° und kleiner als 270° ist, hat das erste Signal S1 einen negativen Wert. Wenn der Winkel θ größer als 0° und kleiner als 180° ist, hat das zweite Signal S2 einen positiven Wert. Wenn der Winkel θ größer als 180° und kleiner als 360° ist, hat das zweite Signal S2 einen negativen Wert.
Auf der Grundlage des ersten und zweiten Signals S1 und S2 berechnet die Berechnungseinheit 30 den Wert des erfassten Winkels θs, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ aufweist. Genauer berechnet die Berechnungseinheit 30 θs nach folgender Gleichung (1) . Zu beachten ist, dass „atan“ für Arkustangens steht. $θ s = atan (S2 / S1)$
Der Ausdruck „atan (S2/S1)“ von Gleichung (1) stellt die Arkustangens-Berechnung zum Bestimmen von θs dar. Für θs im Bereich von 0° bis weniger als 360° gibt es in Gleichung (1) zwei Lösungen von θs mit einer Differenz des Wertes von 180°. Welche der beiden Lösungen für θs aus Gleichung (1) der wahre Wert von θs ist, kann aus der Kombination positiver und negativer Vorzeichen bei S1 und S2 bestimmt werden. Genauer gesagt , wenn S1 einen positiven Wert hat, fällt θs in einen Bereich von größer oder gleich 0° bis kleiner als 90° und von größer als 270° bis kleiner oder gleich 360°. Wenn S1 einen negativen Wert hat, ist θs größer als 90° und kleiner als 270°. Wenn S2 einen positiven Wert hat, ist θs größer als 0° und kleiner als 180°. Wenn S2 einen negativen Wert hat, ist θs größer als 180° und kleiner als 360°. Unter Verwendung von Gleichung (1) und auf Grundlage der vorstehenden Bestimmung aus der Kombination positiver und negativer Vorzeichen bei S1 und S2 bestimmt die Berechnungseinheit 30 θs im Bereich von 0° bis weniger als 360°.
Wenn sich die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF mit der vorgegebenen Periode dreht, ändern sich wie zuvor beschrieben das erste und zweite Signal S1 und S2 periodisch mit der der vorgegebenen Periode gleichen Signalperiode T. Idealerweise sollte die Wellenform jedes der Signale S1 und S2 eine sinusförmige Kurve beschreiben (einschließlich Sinus-Wellenform und Cosinus-Wellenform) . Tatsächlich besitzt sowohl das erste Signal S1 als auch das zweite Signal S2 eine Wellenform, die gegenüber einer sinusförmigen Kurve verzerrt ist, wenn sich beispielsweise die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festliegender Magnetisierung 53 des MR-Elements 50 unter dem Einfluss des Zielmagnetfelds MF oder ähnlicher Faktoren ändert oder wenn die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 51 des MR-Elements 50 aufgrund von Effekten wie der Formanisotropie der freien Schicht 51 von der Richtung DM des Zielmagnetfelds MF abweicht.
Die Verzerrung der Wellenform jedes der Signale S1 und S2 gegenüber einer sinusförmigen Kurve bedeutet, dass die Signale S1 und S2 jeweils nicht nur einen idealen Anteil enthalten, der sich periodisch auf solche Weise ändert, dass die Kurve eine ideale Sinusform besitzt, sondern auch einen oder mehrere Fehleranteile, die zu einer oder mehreren Harmonischen des idealen Anteils äquivalent sind. Die ein oder mehreren Fehleranteile, die in jedem der Signale S1 und S2 enthalten sind, führen dazu, dass der Wert des erfassten Winkels θs einen Fehler enthält. Der Fehler des Wertes des erfassten Winkels θs wird nachstehend als Winkelfehler bezeichnet. Wenn sich die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF mit der vorgegebenen Periode dreht, kann der Winkelfehler einen oder mehrere Winkelfehleranteile enthalten, die sich periodisch mit einer oder mehr von der vorgegebenen Periode unterschiedlichen Perioden ändern.
Bei den Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass Magnetsensoren einschließlich des Magnetsensors 1 dieser Ausführungsform im Allgemeinen Schwankungen des Winkelfehlers in Abhängigkeit von der Stärke des Zielmagnetfelds zeigen, d. h. die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke. Der Magnetsensor 1 dieser Ausführungsform ist so beschaffen, dass, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds MF bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 variiert wird, sich der maximale Betrag des Winkelfehlers so ändert, dass er einen Minimalwert annimmt, wenn die Stärke des Zielmagnetfelds MF bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 einen ersten Stärkewert hat. Nachstehend wird die Stärke des Zielmagnetfelds MF bei der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 als die angewandte Feldstärke zeichnet. Nicht nur der Magnetsensor 1 dieser Ausführungsform, sondern auch alle anderen Magnetsensoren, die auf die gleiche Weise aufgebaut sind wie der Magnetsensor 1, zeigen eine solche Eigenschaft.
Weiterhin hat sich bei den Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke hauptsächlich auf einen der zuvor erwähnten einen oder mehreren Winkelfehleranteile zurückzuführen ist, d. h. auf einen Winkelfehleranteil, der sich mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode ändert. Dieser Winkelfehleranteil wird nachstehend als der Winkelfehleranteil vierter Ordnung bezeichnet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich der Winkelfehleranteil vierter Ordnung bei sich ändernder angewandter Feldstärke auf die gleiche Weise ändert wie der gesamte Winkelfehler.
Der maximale Betrag des Winkelfehleranteils vierter Ordnung bei sich mit der vorgegebenen Periode drehender Richtung DM des Zielmagnetfelds MF wird durch das Symbol E4 bezeichnet. Der Magnetsensor 1 dieser Ausführungsform ist so beschaffen, dass sich der maximale Betrag E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung, wenn die angewandte Feldstärke variiert wird, so ändert, dass er einen Minimalwert annimmt, wenn die angewandte Feldstärke den ersten Stärkewert besitzt.
Das Magnetsensorsystem gemäß dieser Ausführungsform ist so ausgelegt, dass eine Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und einem zweiten Stärkewert während der Verwendung des Magnetsensorsystems 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts beträgt, wobei es sich bei dem zweiten Stärkewert um einen Istwert der angewandten Feldstärke handelt. Das bedeutet, dass sich der maximale Betrag E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung während der Verwendung des Magnetsensorsystems bei oder in der Nähe des Minimalwerts befindet. Daher liegt im Magnetsensorsystem auch der maximale Betrag des Winkelfehlers bei oder in der Nähe eines Minimalwerts. Die Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert beträgt bevorzugt 10 % oder weniger des ersten Stärkewerts.
Der erste Stärkewert hängt von den Eigenschaften des Magnetsensors 1 ab und der zweite Stärkewert von den Eigenschaften der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2. Um die Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert von 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts zu erhalten, kann der zweite Stärkewert entsprechend dem ersten Stärkewert oder der erste Stärkewert entsprechend einem unveränderlichen zweiten Stärkewert angepasst werden. Die Anpassung des zweiten Stärkewerts entsprechend dem ersten Stärkewert kann beispielsweise durch Anpassung der Eigenschaften des als Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 verwendeten Magneten oder durch Anpassung des Abstands zwischen der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 2 und der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 realisiert werden.
Zur Anpassung des ersten Stärkewerts entsprechend dem unveränderlichen zweiten Stärkewert müssen die Eigenschaften des Magnetsensors 1 angepasst werden. Die Eigenschaften des Magnetsensors 1 können beispielsweise durch Anpassen der Form des MR-Elements 50 geändert werden. In dieser Ausführungsform wird der erste Stärkewert durch Anpassen der Form des MR-Elements 50, genauer der Form der freien Schicht 51, eingestellt. Die Grundsätze hiervon werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
Die Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ergeben, dass der Winkelfehleranteil vierter Ordnung von zwei in jedem der Signale S1 und S2 enthaltenen Fehleranteilen abhängt. Dies wird als Erstes beschrieben. Wenn sich die Richtung DM des Zielmagnetfelds MF mit einer vorgegebenen Periode dreht, enthält das erste Signal S1 einen ersten idealen Anteil V11, einen ersten dritten harmonischen Anteil V13 und einen ersten fünften harmonischen Anteil V15, während das zweite Signal S2 einen zweiten idealen Anteil V21, einen zweiten dritten harmonischen Anteil V23 und einen zweiten fünften harmonischen Anteil V25 enthält. Der erste ideale Anteil V11 ist ein Anteil, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale Sinuskurve beschreibt. Der erste dritte harmonische Anteil V13 ist ein Fehleranteil, der zu einer dritten Harmonischen des ersten idealen Anteils V11 äquivalent ist. Der erste fünfte harmonische Anteil V15 ist ein Fehleranteil, der zu einer fünften Harmonischen des ersten idealen Anteils V11 äquivalent ist. Der zweite ideale Anteil V21 ist ein Anteil, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale Sinuskurve beschreibt. Der zweite dritte harmonische Anteil V23 ist ein Fehleranteil, der zu einer dritten Harmonischen des zweiten idealen Anteils V21 äquivalent ist. Der zweite fünfte harmonische Anteil V25 ist ein Fehleranteil, der zu einer fünften Harmonischen des zweiten idealen Anteils V21 äquivalent ist.
Wir definieren jetzt wie folgt ein erstes Verhältnis V13r, ein zweites Verhältnis V15r, ein drittes Verhältnis V23r und ein viertes Verhältnis V25r. Das erste Verhältnis V13r ist das Verhältnis des ersten dritten harmonischen Anteils V13 zum ersten idealen Anteil V11, wenn der erste ideale Anteil V11 einen Maximalwert annimmt. Das zweite Verhältnis V15r ist das Verhältnis des ersten fünften harmonischen Anteils V15 zum ersten idealen Anteil V11, wenn der erste ideale Anteil V11 den Maximalwert annimmt. Das dritte Verhältnis V23r ist das Verhältnis des zweiten dritten harmonischen Anteils V23 zum zweiten idealen Anteil V21, wenn der zweite ideale Anteil V21 einen Maximalwert annimmt. Das vierte Verhältnis V25r ist das Verhältnis des zweiten fünften harmonischen Anteils V25 zum zweiten idealen Anteil V21, wenn der zweite ideale Anteil V21 den Maximalwert annimmt. Der Mittelwert des ersten Verhältnisses V13r und des dritten Verhältnisses V23r wird nachstehend Verhältnis des dritten harmonischen Anteils genannt und mit dem Symbol V3r bezeichnet. Der Mittelwert des zweiten Verhältnisses V15r und des vierten Verhältnisses V25r wird nachstehend Verhältnis des fünften harmonischen Anteils genannt und mit dem Symbol V5r bezeichnet.
Die Forschungsarbeiten der Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ergeben, dass der maximale Betrag E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung proportional zum Betrag der Differenz zwischen dem Verhältnis des dritten harmonischen Anteils V3r und dem Verhältnis des fünften harmonischen Anteils V5r ist. E4 wird annähernd durch die Gleichung (2) unten ausgedrückt. In Gleichung (2) wird E4 in Grad angegeben und V3r und V5r werden in Prozent angegeben. $E4 = | V3r - V5r | \times 0,56$
Gemäß Gleichung (2) ist E4 prinzipiell null, wenn V3r und V5r gleich sind. Weiterhin ist E4 gemäß Gleichung (2) 0,1°, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,18 % beträgt; und E4 ist 0,05°, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,09 % beträgt.
Es werden jetzt die Beispiele eins bis vier des Zusammenhangs des Winkelfehleranteils vierter Ordnung mit einer Vielzahl von durch Simulation bestimmten Fehleranteilen unter Bezugnahme auf 6A bis 9C beschrieben.
6A, 7A, 8A und 9A zeigen jeweils jede der Wellenformen V11, V13r und V15r. 6B, 7B, 8B und 9B zeigen jeweils jede der Wellenformen V21, V23r und V25r. 6C, 7C, 8C und 9C zeigen jeweils die Wellenform des Winkelfehleranteils vierter Ordnung. In jeder der 6A bis 9C ist auf der horizontalen Achse der Winkel θ aufgetragen. In 6A, 7A, 8A und 9A ist auf der vertikalen Achse jeweils der Wert von V11, V13r und V15r aufgetragen. V11 wird dadurch ausgedrückt, dass es seinen Maximalwert bei 100% annimmt. In 6B, 7B, 8B und 9B ist auf der vertikalen Achse jeweils der Wert von V21, V23r und V25r aufgetragen. V21 wird dadurch ausgedrückt, dass es seinen Maximalwert bei 100% annimmt. In 6C, 7C, 8C und 9C ist auf der vertikalen Achse jeweils der Wert des Winkelanteils vierter Ordnung aufgetragen.
6A, 6B und 6C stellen das erste Beispiel dar. Im ersten Beispiel haben V13r, V15r, V23r und V25r jeweils den Wert 0,1 %. In diesem Fall sind sowohl V3r als auch V5r 0,1 %. Da in diesem Fall V3r und V5r gleich sind, ist der Winkelfehleranteil vierter Ordnung unabhängig vom Winkel θ gleich null, sodass E4 null ist.
7A, 7B und 7C stellen das zweite Beispiel dar. Im zweiten Beispiel sind sowohl V13r als auch V23r gleich null und sowohl V15r als auch V25r betragen 0,1 %. In diesem Fall ist V3r gleich null und V5r beträgt 0,1 %. Weiterhin ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,1 %, sodass E4 gleich 0,056° ist.
8A, 8B und 8C stellen das dritte Beispiel dar. Im dritten Beispiel sind sowohl V13r als auch V23r gleich 0,1 % und sowohl V15r als auch V25r sind null. In diesem Fall ist V3r gleich 0,1 % und V5r ist null. Weiterhin ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,1 %, sodass E4 gleich 0,056° ist.
9A, 9B und 9C stellen das vierte Beispiel dar. Im vierten Beispiel sind sowohl V13r als auch V23r gleich -0,1 % und sowohl V15r als auch V25r gleich 0,1 %. In diesem Fall ist V3r gleich -0,1 % und V5r ist 0,1 %. Weiterhin ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,2 %, sodass E4 0,11° ist.
Die Ergebnisse einer Simulation, die zur Bestimmung des Zusammenhangs zwischen E4 und dem Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r durchgeführt wurde, welcher in Gleichung (2) ausgedrückt wird, werden nun mit Bezug auf 10 beschrieben. In der Simulation wurde der Zusammenhang zwischen E4 und dem Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r mit verschiedenen Wertekombinationen von V3r und V5r ermittelt. In 10 werden die Ergebnisse gezeigt. In 10 ist auf der horizontalen Achse der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r aufgetragen und auf der vertikalen Achse E4. Die ausgefüllten Quadrate in 10 stehen jeweils für eine Kombination eines Werts von E4 und des Betrags der Differenz zwischen V3r und V5r gemäß der Simulation. Die gerade Linie in 10 ist eine angenähert gerade Linie, die den Zusammenhang zwischen E4 und dem Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r darstellt. Die Gleichung (2) beschreibt diese angenähert gerade Linie.
11 zeigt ein Beispiel der Änderung von V3r, V5r und E4 in Abhängigkeit von der angewandten Feldstärke. Die Änderung von V3r, V5r und E4 in Abhängigkeit von der angewandten Feldstärke wird nachstehend als die jeweiligen Abhängigkeiten von V3r, V5r bzw. E4 von der Magnetfeldstärke bezeichnet. In 11 sind auf der horizontalen Achse die angewandte Feldstärke und auf der vertikalen Achse die Werte von V3r, V5r und E4 aufgetragen. Im Allgemeinen ist die Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke bei V3r und V5r verschieden. Durch Änderung der angewandten Feldstärke ändert sich daher der Betrag der Differenz von V3r und V5r, sodass sich E4 ändert. Falls V3r und V5r gleich werden, wenn die angewandte Feldstärke einen bestimmten Stärkewert annimmt, dann ist E4 gleich null für diesen Stärkewert, wie im Beispiel von 11 gezeigt wird. In diesem Fall ist der Minimalwert von E4 gleich null und der Stärkewert, für den E4 null wird, ist der erste Stärkewert.
Zu beachten ist, dass, wenn die angewandte Feldstärke variiert wird, nicht immer ein Stärkewert existiert, für den V3r und V5r gleich werden. Wenn kein Stärkewert existiert, für den V3r und V5r gleich werden, nimmt E4 einen Minimalwert ungleich null an, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r minimal wird. Auch in diesem Fall ist der Stärkewert, für den E4 den Minimalwert annimmt, der erste Stärkewert.
Die Abhängigkeit von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke kann je nach den Eigenschaften des Magnetsensors 1 unterschiedlich sein. Das bedeutet, dass der erste Stärkewert je nach den Eigenschaften des Magnetsensors 1 unterschiedlich sein kann. Wie zuvor beschrieben, können die Eigenschaften des Magnetsensors 1 beispielsweise durch Anpassen der Form des MR-Elements 50 geändert werden. In dieser Ausführungsform wird unter Ausnutzung dieses Sachverhalts die Form des MR-Elements 50, genauer die Form der freien Schicht 51, angepasst, um die Abhängigkeit von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke und damit den ersten Stärkewert anzupassen.
Es wird nun der Sachverhalt beschrieben, dass die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke durch Anpassen der Form der freien Schicht 51 angepasst werden können.
Als Erstes wird eine Methode zum Anpassen der Form der freien Schicht 51 in dieser Ausführungsform mit Bezug auf 12 bis 14 beschrieben. In dieser Ausführungsform wird die Form der freien Schicht 51 durch die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 definiert. Das MR-Element 50 wird beispielsweise hergestellt, indem zunächst ein Stapel aus einer Vielzahl von Folien gebildet wird, welche die das MR-Element 50 konstituierenden Schichten werden, und dann der Stapel mittels einer Ätzmaske einer gewünschten Form geätzt wird. Die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 wird durch die Form der Ätzmaske definiert. Die erste Oberfläche der freien Schicht 51 sowie eine obere und untere Oberfläche jeder der Schichten, aus denen das MR-Element 50 besteht, ausgenommen die freie Schicht 51, haben die gleiche oder eine ähnliche Form wie die zweite Oberfläche der freien Schicht 51.
12 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51. In 12 bezeichnet das Bezugszeichen 51a den äußeren Rand der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51. Zur Erleichterung des Verständnisses wurde die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche in 12 übertrieben dargestellt. Das Bezugszeichen 51C bezeichnet einen Bezugskreis, der zur Definition der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 verwendet wird. Der Bezugskreis 51C ist ein exakter Kreis.
Hier wird angenommen, dass der Schwerpunkt der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 der Mittelpunkt der zweiten Oberfläche ist. Das Symbol θa bezeichnet den Winkel, den eine gerade Linie, die einen beliebigen Punkt auf dem äußeren Rand 51a der zweiten Oberfläche mit dem Mittelpunkt der zweiten Oberfläche verbindet, bezüglich der X-Richtung bildet (siehe 2). Der Winkel θa gibt die Drehung gegen den Uhrzeigersinn relativ zur X-Richtung an. Der Winkel θa ist größer oder gleich 0° und kleiner als 360°. Der Abstand vom Mittelpunkt der zweiten Oberfläche zu einem gegebenen Punkt auf dem äußeren Rand 51a der zweiten Oberfläche wird durch R(θa) bezeichnet.
Um in dieser Ausführungsform den ersten Stärkewert entsprechend einem unveränderlichen zweiten Stärkewert so anzupassen, dass die Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts beträgt, wird die Form der zweiten Oberfläche im Rahmen der Herstellung des MR-Elements 50 angepasst. Die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche kann ein exakter Kreis sein, solange eine Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem unveränderlichen zweiten Stärkewert von 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts resultiert.
Falls es nicht möglich ist, mit einem äußeren Rand 51a in Form eines exakten Kreises die Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem unveränderlichen zweiten Stärkewert auf 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts zu bringen, wird die Form der zweiten Oberfläche in dieser Ausführungsform wie folgt angepasst. Konkret erhält die zweite Oberfläche in dieser Ausführungsform eine rotationssymmetrische Form, die von der rotationssymmetrischen Ordnung vier ist, nicht von der rotationssymmetrischen Ordnung fünf oder höher. Weiterhin werden ein Verzerrungsverhältnis und eine Verzerrungsrichtung, die weiter unten beschrieben werden, angepasst. Die rotationssymmetrische Form, die von der rotationssymmetrischen Ordnung vier ist und nicht von der rotationssymmetrischen Ordnung fünf oder höher ist, umfasst keine Form mit einer Rotationssymmetrie der Ordnung 4×n, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist. Die rotationssymmetrische Form, die von der rotationssymmetrischen Ordnung vier, nicht von der rotationssymmetrischen Ordnung fünf oder höher ist, wird nachstehend als symmetrische Form der Ordnung vier bezeichnet.
Wenn die zweite Oberfläche die symmetrische Form der Ordnung vier hat und der Winkel θa innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° variiert wird, nimmt R (θa) für vier Werte des Winkels θa, die voneinander um 90° versetzt sind, einen Maximalwert an und für vier andere Werte des Winkels θa, die voneinander um 90° versetzt sind, einen Minimalwert.
Der Bezugskreis 51C wird hier mit dem Mittelwert des Maximalwerts von R (θa) und des Minimalwerts von R (θa) als Radius Rc des Bezugskreises 51C definiert. Der Mittelpunkt des Bezugskreises 51C deckt sich mit dem Mittelpunkt der zweiten Oberfläche. Der Maximalwert von R (θa) minus den Radius Rc des Bezugskreises 51C ist die Verzerrungsstrecke d. Das Verzerrungsverhältnis dr ist als das Verhältnis der Verzerrungsstrecke d zu Rc (ausgedrückt als Prozentwert) definiert. Das Verhältnis von R (θa) zu Rc, ausgedrückt als Prozentwert, wird als r (θa) bezeichnet. Die Verzerrungsrichtung α ist als ein Winkel θa definiert, für den R (θa) einen Maximalwert im Bereich des Winkels θa von 0° bis weniger als 90° annimmt. In dieser Ausführungsform wird r (θa) beispielsweise durch die nachfolgende Gleichung (3) ausgedrückt. $r (θ a) = 100 + dr \cdot cos (4 (θ a - α))$
13 zeigt ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem Winkel θa und r (θa). In diesem Beispiel ist das Verzerrungsverhältnis dr 1 % und die Verzerrungsrichtung α ist 0°.
14 zeigt einen Teil des Bezugskreises 51C und einen Teil des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche im Bereich des Winkels θa zwischen 0° und einschließlich 90°, wenn der Winkel θa und r (θa) den in 13 gezeigten Zusammenhang aufweisen. In 14 ist auf der horizontalen Achse die Position in X-Richtung und auf der vertikalen Achse die Position in Y-Richtung aufgetragen. Die Positionen in X- und Y-Richtung sind in relativen Werten ausgedrückt, wobei der Radius Rc des Bezugskreises 51C auf 100 gesetzt und der Mittelpunkt des Bezugskreises 51C als Ursprung festgelegt wird.
In dieser Ausführungsform ist der Anpassungsbereich für das Verzerrungsverhältnis dr zur Anpassung des ersten Stärkewerts bevorzugt 0 % bis 10 %. Wenn die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche quadratisch ist, überschreitet das Verzerrungsverhältnis dr 10 %. In dieser Ausführungsform kann die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche kein Quadrat sein. Im Vergleich zu dem Fall, wo die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche ein exakter Kreis ist, ist das Verzerrungsverhältnis dr, das zur Änderung des ersten Stärkewerts um etwa 10 mT notwendig ist, in der Größenordnung von höchstens 1 %. Wenn das Verzerrungsverhältnis dr in der Größenordnung von 1 % ist, ist die Form des äußeren Rands 51a der zweiten Oberfläche nicht wie in 12 gezeigt deutlich gegenüber einem exakten Kreis verzerrt, sondern stellt einen fast exakten Kreis dar, wie in 14 gezeigt.
Es wird nun mit Bezug auf die Ergebnisse eines Experiments der Sachverhalt beschrieben, dass sich durch Modifikation der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke ändern können. In dem Experiment wurden die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke bestimmt, indem die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 auf drei Weisen in eine erste bis dritte Form geändert wurde. 15 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke sich mit der Änderung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 ändern. 16 ist ein Kennliniendiagramm, das zeigt, wie die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke sich mit der Änderung der Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 ändert.
Die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 ist durch das Verzerrungsverhältnis dr und die Verzerrungsrichtung α definiert. Die erste Form der zweiten Oberfläche ist solcher Art, dass dr null ist. Die zweite Form der zweiten Oberfläche ist solcher Art, dass dr gleich dx% ist, wobei dx größer als 0 und α gleich 0° ist. Die dritte Form der zweiten Oberfläche ist solcher Art, dass dr gleich dx% und α gleich 45° ist. In 15 werden V3r und V5r im Fall der ersten Form als V3r (dr = 0) bzw. V5r (dr = 0) ausgedrückt; V3r und V5r im Fall der zweiten Form werden als V3r (dr = dx%, α = 0°) bzw. V5r (dr = dx%, α = 0°) ausgedrückt; und V3r und V5r im Fall der dritten Form werden als V3r (dr = dx%, α = 45°) bzw. V5r (dr = dx%, α = 45°) ausgedrückt. In 16 wird E4 im Fall der ersten Form als E4 (dr = 0) ausgedrückt; E4 im Fall der zweiten Form wird als E4 (dr = dx%, α = 0°) ausgedrückt; und E4 im Fall der dritten Form wird als E4 (dr = dx%, α = 45°) ausgedrückt.
15 und 16 zeigen ein Beispiel zur Beschreibung von Trends, wie sich die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke ändern, wenn mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird. Das in 15 und 16 gezeigte Beispiel entspricht dem Fall dx gleich 0, 5. Obwohl nicht in 15 und 16 gezeigt, werden die unten beschriebenen Änderungstrends in den Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke, wenn dx bei feststehenden α variiert wird, mit steigendem dx deutlicher; mit fallendem dx nähern sich die Abhängigkeiten von V3r, V5r und E4 von der Magnetfeldstärke dagegen denjenigen des Falls dr gleich null an.
Gemäß 15 sind die folgenden Änderungstrends in den Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke feststellbar. Ein Einstellen des Verzerrungsverhältnisses dr auf einen Wert über null führt dazu, dass die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke von denjenigen im Fall eines Verzerrungsverhältnisses dr von null abweichen. Die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke ändern sich außerdem in Abhängigkeit von der Verzerrungsrichtung α. Wenn mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird, ändern sich die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke auf jeweils unterschiedliche Weise. Im in 15 gezeigten Beispiel wird durch Einstellung von dr auf dx% und von α auf 0° im Vergleich zum Fall dr gleich null die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke so geändert, dass V3r erhöht wird, und die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke so geändert, dass V5r reduziert wird. Andererseits wird durch Einstellen von dr auf dx% und von α auf 45° im Vergleich zum Fall dr gleich null die Abhängigkeit von V3r von der Magnetfeldstärke so geändert, dass V3r reduziert wird, und die Abhängigkeit von V5r von der Magnetfeldstärke so geändert, dass V5r erhöht wird.
Wie oben beschrieben, ändern sich die Abhängigkeiten von V3r und V5r von der Magnetfeldstärke auf jeweils unterschiedliche Weise, wenn mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird. Wenn daher mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird, kann die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke geändert werden. Im in 16 gezeigten Beispiel wird durch Einstellung von dr auf dx% und von α auf 0° im Vergleich zum Fall dr gleich null die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke so geändert, dass der erste Stärkewert reduziert wird. Andererseits wird durch Einstellung von dr auf dx% und von α auf 45° im Vergleich zum Fall dr gleich null die Abhängigkeit von E4 von der Magnetfeldstärke so geändert, dass der erste Stärkewert erhöht wird.
Wenn daher mindestens eines von Verzerrungsverhältnis dr und Verzerrungsrichtung α geändert wird, kann der erste Stärkewert geändert werden. Durch Ausnutzung dieses Sachverhalts ermöglicht es die Ausführungsform, den ersten Stärkewert bei feststehendem zweiten Stärkewert so anzupassen, dass die Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts beträgt.
Wie beschrieben wurde, wird mit dieser Ausführungsform während der Verwendung des Magnetsensorsystems eine Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert von 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts ermöglicht. Die Ausführungsform ermöglicht somit eine wirksame Reduzierung des Winkelfehlers unter tatsächlichen Einsatzbedingungen, indem die Abhängigkeit des Winkelfehlers von der Magnetfeldstärke berücksichtigt wird.
Für den maximalen Betrag E4 des Winkelfehleranteils vierter Ordnung ist ein möglichst niedriger Wert wünschenswert. Genauer ist E4 bevorzugt 0,1° oder weniger und weiter bevorzugt 0,05° oder weniger. Wie in 16 deutlich wird, lässt sich E4 auf 0,1° oder weniger bringen, indem die Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert auf 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts eingestellt wird. Gemäß Gleichung (2) oben ist E4 0,1° oder weniger, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,18% oder weniger ist. Der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r ist daher bevorzugt 0,18% oder weniger.
Wie weiterhin in 16 deutlich wird, lässt sich E4 auf 0,05° oder weniger bringen, indem die Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert auf 10 % oder weniger des ersten Stärkewerts eingestellt wird. Gemäß Gleichung (2) oben ist E4 0,05° oder weniger, wenn der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,09% oder weniger ist. Der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r ist daher weiter bevorzugt 0,09% oder weniger.
Magnetsensoren werden manchmal in Umgebungen eingesetzt, wo die Umgebungstemperatur stark schwankt, wie z. B. in Kraftfahrzeugen. In solchen Fällen weisen herkömmliche Magnetsensoren manchmal das Problem auf, dass sich der Winkelfehler in Reaktion auf Temperaturänderungen des Magnetsensors in einem weiten Bereich ändert, da er mit steigender Temperatur des Magnetsensors zunimmt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Methode zur Begrenzung des Änderungsbereichs des Winkelfehlers in Reaktion auf Temperaturänderungen des Magnetsensors 1 durch Änderung der Form der freien Schicht 51 gefunden. Die Methode wird nachstehend mit Bezug auf die Ergebnisse eines Experiments beschrieben.
Im Rahmen des Experiments wurde untersucht, wie sich bei schwankender Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 des Magnetsensors 1 V3r, V5r und E4 ändern; mit anderen Worten wurden die Temperaturabhängigkeiten von V3r, V5r und E4 in einem Magnetsensorsystem eines Beispiels und einem Magnetsensorsystem eines Vergleichsbeispiels untersucht. In dem Experiment wurde die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 im Bereich von 20°C bis 120°C variiert, da angenommen wurde, dass deren Temperatur während der Verwendung des Magnetsensorsystems in diesem Bereich schwanken würde. Die angewandte Feldstärke wurde auf 40 mT eingestellt.
17 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeiten von V3r, V5r und E4 im Magnetsensorsystem des Vergleichsbeispiels zeigt. 18 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeiten von V3r, V5r und E4 im Magnetsensorsystem des Beispiels zeigt. In jeder der 17 und 18 sind auf der horizontalen Achse die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 des Magnetsensors 1 und auf der vertikalen Achse die Werte von V3r, V5r und E4 aufgetragen.
Im Magnetsensorsystem des Vergleichsbeispiels ist die Form der zweiten Oberfläche der freien Schicht 51 solcher Art, dass das Verzerrungsverhältnis dr null ist. Wie in 17 gezeigt, schwankt V5r im Allgemeinen nicht in Abhängigkeit von der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3, während V3r mit steigender Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 ansteigt. Im Vergleichsbeispiel ist V3r größer als V5r, wenn die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 bei 20°C liegt. In diesem Fall wachsen E4 sowie der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r im Verlauf des Anstiegs der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 von 20°C auf 120°C kontinuierlich an. Dies führt zu einem großen Änderungsbereich des Winkelfehlers in Reaktion auf Temperaturänderungen des Magnetsensors.
Im Magnetsensorsystem des Beispiels erhält die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 eine symmetrische Form der Ordnung vier, um zu erreichen, dass V3r niedriger ist als V5r, wenn die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 bei 20°C liegt. Wenn weiterhin die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 in den Bereich von 20°C bis 120°C fällt, ist der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r 0,18 % oder weniger, und genauer 0,09 % oder weniger. Wie in 18 gezeigt, wird das Größenverhältnis zwischen V3r und V5r in dem Beispiel durch eine Erhöhung von V3r im Verlauf des Anstiegs der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 von 20°C auf 120°C umgekehrt. Im Verlauf des Anstiegs der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 von 20°C auf 120°C werden daher E4 und der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r in dem Beispiel zunächst reduziert und erreichen null, woraufhin sie wieder ansteigen. Dementsprechend ist bei dem Beispiel E4 im Temperaturbereich der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 von 20°C bis 120°C insgesamt niedriger und der Änderungsbereich von E4 ist kleiner als beim Vergleichsbeispiel.
Wie anhand der in 17 und 18 gezeigten Ergebnisse verständlich wird, ist es möglich, den Änderungsbereich des Winkelfehlers in Reaktion auf Temperaturänderungen des Magnetsensors 1 einzuschränken, indem die Form der freien Schicht 51 so angepasst wird, dass V3r niedriger als V5r wird, wenn die Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 bei 20°C liegt, wobei es sich um die niedrigste Temperatur des angenommenen Änderungsbereichs der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 handelt, und weiterhin so, dass der Betrag der Differenz zwischen V3r und V5r die Anforderung in der Ausführungsform im gesamten angenommenen Änderungsbereich der Temperatur der Magnetfeld-Erfassungseinheit 3 erfüllt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangegangene Ausführungsform beschränkt und verschiedene Modifikationen können daran vorgenommen werden. Wenn beispielsweise die zweite Oberfläche der freien Schicht 51 eine symmetrische Form der Ordnung vier erhält, muss der äußere Rand 51a der zweiten Oberfläche nicht notwendigerweise eine solche Form haben, dass r(θa) durch Gleichung (3) ausgedrückt wird. Beispielsweise kann der äußere Rand 51a der zweiten Oberfläche eine solche Form haben, dass sich r(θa) in Form einer Dreieckswelle ändert.
Angesichts der vorstehenden Erläuterungen ist klar, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Dementsprechend versteht es sich, dass die Erfindung innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente in anderen Formen als der zuvor beschriebenen am meisten bevorzugten Ausführungsform ausgeführt werden kann.

Claims

Magnetsensorsystem, umfassend: eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit (2) zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfelds (MF); und einen Magnetsensor (1) zum Erzeugen eines Wertes eines erfassten Winkels (θs), welcher eine Entsprechungsbeziehung zu einem Winkel (θ) aufweist, den die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) an einer Bezugsposition (PR) bezüglich einer Bezugsrichtung (DR) bildet, wobei der Magnetsensor (1) eine Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) und eine Berechnungseinheit (30) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass: die Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) eine Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) zum Erfassen des Magnetfelds (MF) enthält und ein erstes Signal (S1) und ein zweites Signal (S2) ausgibt, wobei das erste Signal (S1) eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) bezüglich einer ersten Richtung (D1) bildet, und das zweite Signal (S2) eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) bezüglich einer zweiten Richtung (D2) bildet; die Berechnungseinheit (30) den Wert des erfassten Winkels (θs) auf Grundlage des ersten Signals (S1) und des zweiten Signals (S2) berechnet; der Wert des erfassten Winkels (θs), wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit einer vorgegebenen Periode dreht, einen Winkelfehleranteil enthält, der sich mit einer Periode von 1/4 der vorgegebenen Periode ändert; der Magnetsensor (1) so beschaffen ist, dass, wenn die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) variiert wird, sich ein maximaler Betrag des Winkelfehleranteils so ändert, dass er einen Minimalwert annimmt, wenn die Stärke des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) einen ersten Stärkewert hat; und das Magnetsensorsystem so konfiguriert ist, dass eine Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und einem zweiten Stärkewert während der Verwendung des Magnetsensorsystems 20 % oder weniger des ersten Stärkewerts beträgt, wobei es sich bei dem zweiten Stärkewert um einen Stärke-Istwert des Magnetfelds (MF) an der Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) handelt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, das so konfiguriert ist, dass der maximale Betrag des Winkelfehleranteils 0,1° oder weniger beträgt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 2, wobei: wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit einer vorgegebenen Periode dreht, das erste Signal (S1) einen ersten idealen Anteil(V11), einen ersten dritten harmonischen Anteil (V13) und einen ersten fünften harmonischen Anteil (V15) enthält und das zweite Signal (S2) einen zweiten idealen Anteil (V21), einen zweiten dritten harmonischen Anteil (V23) und einen zweiten fünften harmonischen Anteil (V25) enthält, wobei der erste ideale Anteil (V11) ein Anteil ist, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale sinusförmige Kurve beschreibt, der erste dritte harmonische Anteil (V13) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer dritten Harmonischen des ersten idealen Anteils (V11) ist, der erste fünfte harmonische Anteil (V15) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer fünften Harmonischen des ersten idealen Anteils (V11) ist, der zweite ideale Anteil (V21) ein Anteil ist, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale sinusförmige Kurve beschreibt, der zweite dritte harmonische Anteil(V23) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer dritten Harmonischen des zweiten idealen Anteils (V21) ist, der zweite fünfte harmonische Anteil (V25) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer fünften Harmonischen des zweiten idealen Anteils (V21) ist; und eine Differenz zwischen dem Mittelwert (V3r) eines ersten Verhältnisses und eines dritten Verhältnisses und dem Mittelwert (V5r) eines zweiten Verhältnisses und eines vierten Verhältnisses einen Betrag von 0,18 % oder weniger aufweist, wobei das erste Verhältnis das Verhältnis des ersten dritten harmonischen Anteils (V13) zum ersten idealen Anteil (V11) ist, wenn der erste ideale Anteil (V11) einen Maximalwert annimmt, das zweite Verhältnis das Verhältnis des ersten fünften harmonischen Anteils (V15) zum ersten idealen Anteil (V11) ist, wenn der erste ideale Anteil (V11) den Maximalwert annimmt, das dritte Verhältnis das Verhältnis des zweiten dritten harmonischen Anteils (V23) zum zweiten idealen Anteil (V21) ist, wenn der zweite ideale Anteil (V21) einen Maximalwert annimmt, und das vierte Verhältnis das Verhältnis des zweiten fünften harmonischen Anteils (V25) zum zweiten idealen Anteil (V21) ist, wenn der zweite ideale Anteil (V21) den Maximalwert annimmt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 3, wobei der Mittelwert(V3r) des ersten Verhältnisses und des dritten Verhältnisses geringer ist als der Mittelwert (V5r) des zweiten Verhältnisses und des vierten Verhältnisses, wenn die Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) eine Temperatur von 20°C aufweist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, das so konfiguriert ist, dass die Differenz zwischen dem ersten Stärkewert und dem zweiten Stärkewert 10 % oder weniger des ersten Stärkewerts beträgt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 5, das so konfiguriert ist, dass der maximale Betrag des Winkelfehleranteils 0,05° oder weniger beträgt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 6, wobei: wenn sich die Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) mit der vorgegebenen Periode dreht, das erste Signal (S1) einen ersten idealen Anteil (V11), einen ersten dritten harmonischen Anteil (V13) und einen ersten fünften harmonischen Anteil (V15) enthält und das zweite Signal (S2) einen zweiten idealen Anteil (V21), einen zweiten dritten harmonischen Anteil (V23) und einen zweiten fünften harmonischen Anteil (V25) enthält, wobei der erste ideale Anteil (V11) ein Anteil ist, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale sinusförmige Kurve beschreibt, der erste dritte harmonische Anteil (V13) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer dritten Harmonischen des ersten idealen Anteils (V11) ist, der erste fünfte harmonische Anteil (V15) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer fünften Harmonischen des ersten idealen Anteils(V11) ist, der zweite ideale Anteil (V21) ein Anteil ist, der sich periodisch so ändert, dass er eine ideale sinusförmige Kurve beschreibt, der zweite dritte harmonische Anteil (V23) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer dritten Harmonischen des zweiten idealen Anteils (V21) ist, der zweite fünfte harmonische Anteil (V25) ein Fehleranteil ist, der äquivalent zu einer fünften Harmonischen des zweiten idealen Anteils (V21) ist; und eine Differenz zwischen dem Mittelwert (V3r) eines ersten Verhältnisses und eines dritten Verhältnisses und dem Mittelwert (V5r) eines zweiten Verhältnisses und eines vierten Verhältnisses einen Betrag von 0,09 % oder weniger besitzt, wobei das erste Verhältnis das Verhältnis des ersten dritten harmonischen Anteils (V13) zum ersten idealen Anteil (V11) ist, wenn der erste ideale Anteil (V11) einen Maximalwert annimmt, das zweite Verhältnis das Verhältnis des ersten fünften harmonischen Anteils (V15) zum ersten idealen Anteil (V11) ist, wenn der erste ideale Anteil (V11) den Maximalwert annimmt, das dritte Verhältnis das Verhältnis des zweiten dritten harmonischen Anteils (V23) zum zweiten idealen Anteil (V21) ist, wenn der zweite ideale Anteil (V21) einen Maximalwert annimmt, und das vierte Verhältnis das Verhältnis des zweiten fünften harmonischen Anteils (V25) zum zweiten idealen Anteil (V21) ist, wenn der zweite ideale Anteil (V21) den Maximalwert annimmt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 7, wobei der Mittelwert (V3r) des ersten Verhältnisses und des dritten Verhältnisses geringer ist als der Mittelwert (V5r) des zweiten Verhältnisses und des vierten Verhältnisses, wenn die Magnetfeld-Erfassungseinheit (3) eine Temperatur von 20°C aufweist.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweite Richtung (D2) orthogonal zur ersten Richtung (D1) ist.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jedes der Vielzahl von magnetischen Erfassungselementen (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) ein magnetoresistives Element (50) enthält, welches enthält: eine Schicht mit festliegender Magnetisierung (53), deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist; eine freie Schicht (51), deren Magnetisierungsrichtung sich je nach der Richtung (DM) des Magnetfelds (MF) ändert; und eine nichtmagnetische Schicht (52), die zwischen der Schicht mit festliegender Magnetisierung (53) und der freien Schicht (51) angeordnet ist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 10, wobei die freie Schicht (51) eine erste Oberfläche in Kontakt mit der nichtmagnetischen Schicht (52) und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche aufweist, wobei die zweite Oberfläche eine rotatiossymmetrische Form der Ordnung vier und nicht der Ordnung fünf oder höher aufweist.