DE102016103348A1

DE102016103348A1 - Magnetsensor und magnetischer Codierer

Info

Publication number: DE102016103348A1
Application number: DE102016103348.0A
Authority: DE
Inventors: Kunihiro Ueda; Yoshiyuki Mizoguchi; Hiroshi Yamazaki; Suguru Watanabe
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2016-09-29
Also published as: CN106019182A; US9810747B2; JP2016186476A; US20160282145A1

Abstract

Ein Magnetsensor und ein magnetischer Codierer sind geschaffen, die zwei Arten von Elementen mit magnetoresistivem Effekt aufweisen, die voneinander verschiedene Ansprechverhalten erfordern, und die die durch jedes Element mit magnetoresistivem Effekt benötigten unterschiedlichen Ansprechverhalten verbessern können. Bei einem Magnetsensor sind erste und zweite Elemente mit magnetoresistivem Effekt vorgesehen, die ein externes Magnetfeld erfassen können. Die ersten und zweiten Elemente mit magnetoresistivem Effekt enthalten mindestens Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten, wo eine Magnetisierungsrichtung gemäß einem externen Magnetfeld geändert wird. Die Breite W1 einer Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Breite W2 einer Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt stehen in einer durch die nachstehende Formel (1) gezeigten Beziehung. Die Empfindlichkeit des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt gegenüber dem externen Magnetfeld ist höher als die des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt. W1 > W2(1)

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Magnetsensor und einen magnetischen Codierer, ausgestattet mit dem Magnetsensor.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmlich ist in Werkzeugmaschinen oder dergleichen eine Positionserfassungsvorrichtung zum Erfassen einer durch die Drehbewegung oder Linearbewegung eines beweglichen Körpers erzeugten Position verwendet. Bei einem Typ einer bekannten Positionserfassungsvorrichtung sind ein/mehrere Signalträger, wo magnetische Signale aufgezeichnet sind, und ein Magnetsensor vorgesehen, wobei der Magnetsensor ein Signal ausgeben kann, das eine relative Positionsbeziehung zwischen einem Signalträger und dem Magnetsensor angibt.
Ein bekannter, in einer solchen Positionserfassungsvorrichtung verwendeter Magnetsensor ist ein Vielschicht-Hauptteil mit einer freien Schicht und einer Schicht mit festliegender Magnetisierung, bei dem ein Element mit magnetoresistivem Effekt (MR-Element) vorgesehen ist, dessen Widerstand sich bezüglich der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht gemäß einem externen Magnetfeld ändert. Weiter umfassen bekannte Signalträger, die in einer solchen Positionserfassungsvorrichtung verwendet sind, beispielsweise einen mit einer Spur für absolute Signale, einen mit einer Spur für inkrementelle Signale und einen mit einer Spur für absolute Signale und einer Spur für inkrementelle Signale.
Herkömmlich weist ein Magnetsensor, der für die Positionserfassungsvorrichtung verwendet ist, die mit einem Signalträger mit einer Spur für absolute Signale und einer Spur für inkrementelle Signale ausgestattet ist, zwei Arten von MR-Elementen auf: ein MR-Element zum Erfassen eines in der Spur für absolute Signale aufgezeichneten magnetischen Signals und ein MR-Element zum Erfassen eines in der Spur für inkrementelle Signale aufgezeichneten magnetischen Signals (siehe Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2001-264112 ).
Zusammenfassung der Erfindung
In dem Magnetsensor erfordert das MR-Element zum Erfassen eines in der Spur für absolute Signale aufgezeichneten magnetischen Signals eine Kennlinie (ein Ansprechverhalten), um eine Ausgabe als Reaktion auf die Änderung des Magnetfelds bezüglich der Bewegung des Signalträgers exponentiell zu ändern. Indessen erfordert das MR-Element zum Erfassen eines in der Spur für inkrementelle Signale aufgezeichneten magnetischen Signals eine Kennlinie (ein Ansprechverhalten), um die Ausgabe als Reaktion auf die Änderung des Magnetfelds, die die Relativbewegung des Signalträgers begleitet, linear zu ändern.
Somit besteht in zwei Arten von nachgefragten MR-Elementen mit verschiedenen Ansprechverhalten in jüngster Zeit ein Bedarf zur Verbesserung des Ansprechverhaltens, wie etwa erhöhte Empfindlichkeit oder geringeres Rauschen. Herkömmlich werden Verbesserungen des Ansprechverhaltens erreicht durch eine Verwendung von Materialien, aus denen Schichten aufgebaut werden, wie etwa die freie Schicht, aus der die MR-Elemente aufgebaut werden, und durch ein Optimieren der Schichtdicke der Schichten und dergleichen. Jedoch besteht das Problem, dass es sehr schwierig ist, das Ansprechverhalten durch diese Mittel weiter zu verbessern.
Hinsichtlich des obigen Problems ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetsensor und einen magnetischen Codierer herzustellen, die zwei Arten von Elementen mit magnetoresistivem Effekt aufweisen, die voneinander verschiedene Ansprechverhalten erfordern, und die verschiedene, für die Elemente mit magnetoresistivem Effekt erforderliche Ansprechverhalten verbessern können.
Um das obige Problem zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung einen Magnetsensor, bei dem mindestens ein erstes Element mit magnetoresistivem Effekt und ein zweites Element mit magnetoresistivem Effekt vorgesehen sind, die ein externes Magnetfeld erfassen können, wobei: das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt jeweils mindestens eine Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht enthalten, wo eine Magnetisierungsrichtung gemäß dem externen Magnetfeld verändert wird; wobei die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt in einer durch die nachstehende Formel (1) gezeigten Beziehung stehen; und die Empfindlichkeit des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt gegenüber dem externen Magnetfeld höher ist als die des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt gegenüber dem externen Magnetfeld. W1 > W2 (1)
Gemäß der Erfindung ist die Breite W1 in der anfänglichen Richtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt, die eine exponentielle Steigung der Ausgabe sein muss (eine Änderung der Ausgabe ist exponentiell), größer als die Breite W2 in der anfänglichen Richtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt, die eine lineare Steigung der Ausgabe sein muss (eine Änderung der Ausgabe ist linear). Weil die Empfindlichkeit des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt höher ist als die des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt, können die verschiedenen Ansprechverhalten, die beim ersten und beim zweiten Element mit magnetoresistivem Effekt erforderlich sind, beide verbessert sein.
In der obigen Erfindung ist es vorzuziehen, dass ein Verhältnis W1/L1 der Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L1 in einer Richtung, die rechtwinklig zur Breite W1 steht, und ein Verhältnis W2/L2 der Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L2 in einer Richtung, die rechtwinklig zur Breite W2 steht, beide 1,2 oder weniger betragen.
In den obigen Erfindungen ist es vorzuziehen, dass ein Verhältnis W1/L1 der Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L1 in der Richtung, die rechtwinklig zur Breite W1 steht, und ein Verhältnis W2/L2 der Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L2 in der Richtung, die rechtwinklig zur Breite W2 steht, eine Beziehung aufweisen, die mit der nachstehenden Formel (2) gezeigt ist. W1/L1 ≥ W2/L2 (2)
In den obigen Erfindungen ist es vorzuziehen, dass ein Verhältnis der Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt 1:0,2 bis 0,9 beträgt.
Weiter schafft die vorliegende Erfindung einen Magnetsensor, bei dem mindestens ein erstes Element mit magnetoresistivem Effekt und ein zweites Element mit magnetoresistivem Effekt vorgesehen sind, die ein externes Magnetfeld erfassen können, wobei das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt jeweils mindestens eine Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht enthalten, wo jeweils eine Magnetisierungsrichtung gemäß dem externen Magnetfeld verändert wird; wobei die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Länge L1 in einer Richtung, die rechtwinklig zu der Breite W1 steht, sowie die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Länge L2 in einer Richtung, die rechtwinklig zu der Breite W2 steht, in durch die nachstehenden Formeln (3) und (4) gezeigten Beziehungen stehen. W1 = W2 (3) W1/L1 > W2/L2 (4)
Gemäß der obigen Erfindung können, sogar wenn die Breite W1 in der anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt, die eine exponentielle Steigung einer Ausgabe sein muss (eine Änderung der Ausgabe ist exponentiell), und die Breite W2 in der anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt, die eine lineare Steigung der Ausgabe sein muss (eine Änderung der Ausgabe ist linear), dieselben sind, weil das Verhältnis der Breite W1 zur Länge L1 in der rechtwinkligen Richtung zur Breite W1 (das Aspektverhältnis) größer ist als das Verhältnis der Breite W2 zur Länge L2 in der rechtwinkligen Richtung zur Breite W2 (das Aspektverhältnis), die verschiedenen Ansprechverhalten verbessert sein, die vom ersten bzw. zweiten Element mit magnetoresistivem Effekt gefordert sind.
In den obigen Erfindungen ist es vorzuziehen, dass ein Verhältnis der Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L1 in einer Richtung, die rechtwinklig zur Breite W1 steht, 0,8 oder mehr beträgt.
In den obigen Erfindungen ist es bei Betrachtung des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt von der Oberseite in der Schichtungsrichtung vorzuziehen, dass die Form der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Form der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt derselben Art sind (Erfindung 7).
In den obigen Erfindungen kann als das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt ein TMR-Element, ein GMR-Element oder ein AMR-Element verwendet sein.
In den obigen Erfindungen ist es vorzuziehen, dass das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt ausgebildet sind durch ein Schichten einer Schicht mit festliegender Magnetisierung, einer nichtmagnetischen Zwischenschicht und der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in dieser Reihenfolge, und in einer solchen Erfindung ist es vorzuziehen, dass die nichtmagnetische Zwischenschicht MgO_X ist (X = 0,1 bis 0,9).
Außerdem schafft die vorliegende Erfindung einen magnetischen Codierer, enthaltend: den Magnetsensor nach den Erfindungen; und ein Skalenteil, das eine absolute Signalspur, wo absolute magnetische Signale aufgezeichnet sind, und eine inkrementelle Signalspur enthält, wo inkrementelle magnetische Signale aufgezeichnet sind, und der bezüglich des Magnetsensors relativ beweglich ist, wobei der Magnetsensor und das Skalenteil so angeordnet sind, dass sie zueinander weisen, um zu ermöglichen, dass das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und die absolute Signalspur zueinander weisen, und um zu ermöglichen, dass das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt und die inkrementelle Signalspur zueinander weisen.
In der obigen Erfindung ist es vorzuziehen, dass eine anfängliche Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht im ersten Element mit magnetoresistivem Effekt und im zweiten Element mit magnetoresistivem Effekt eine Richtung ist, die rechtwinklig zu einer Relativbewegungsrichtung steht, in der sich das Skalenteil relativ bewegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können der Magnetsensor und der magnetische Codierer geschaffen sein, die zwei Arten von Elementen mit magnetoresistivem Effekt enthalten, die voneinander verschiedene Ansprechverhalten erfordern, und die beide die verschiedenen, für jedes Element mit magnetoresistivem Effekt erforderlichen Ansprechverhalten verbessern können.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines magnetischen Codierers zeigt, bei dem ein Magnetsensor vorgesehen ist, der sich auf eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht.
2 ist eine Draufsicht, die einen schematischen Aufbau des Magnetsensors zeigt, der sich auf eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht.
3 ist eine Schnittansicht, die einen schematischen Aufbau eines ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt oder eines zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine perspektivische Ansicht (Nr. 1) zum Erläutern der Funktionsweise des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine perspektivische Ansicht (Nr. 1) zum Erläutern der Funktionsweise des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine perspektivische Ansicht (Nr. 2) zum Erläutern der Funktionsweise des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine perspektivische Ansicht (Nr. 2) zum Erläutern der Funktionsweise des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist Kurve, die eine Änderung der Ausgabe des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist Kurve, die eine Änderung der Ausgabe des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen weiteren schematischen Aufbau des magnetischen Codierers zeigt, bei dem der Magnetsensor vorgesehen ist, der sich auf die beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind mit Bezug auf die Zeichnung genau beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den schematischen Aufbau eines magnetischen Codierers zeigt, bei dem ein Magnetsensor vorgesehen ist, der sich auf eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht; 2 ist eine Draufsicht, die den schematischen Aufbau des Magnetsensors zeigt, der sich auf die beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht; 3 ist eine Schnittansicht, die einen schematischen Aufbau des Magnetsensors zeigt, der sich auf die beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht; und 4 ist eine perspektivische Ansicht von Elementen mit magnetoresistivem Effekt in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, sind bei einem magnetischen Codierer 10 in der vorliegenden Ausführungsform ein Magnetsensor 1, der sich auf die erste Ausführungsform bezieht, und ein Skalenteil 20 vorgesehen, das in einer ersten Richtung (in der Folge die „X-Richtung”) bezüglich des Magnetsensors 1 beweglich ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Skalenteil 20 eine so genannte lineare Skala und weist eine absolute Signalspur 21, wo absolute magnetische Signale aufgezeichnet sind, und eine inkrementelle Signalspur 22 auf, wo inkrementelle magnetische Signale aufgezeichnet sind. Die absoluten magnetischen Signale und die inkrementellen magnetischen Signale sind jeweils in der ersten Richtung (der ±X-Richtung) magnetisiert. Weiter sind in 1 die Magnetisierungsrichtungen der absoluten magnetischen Signale und der inkrementellen magnetischen Signale jeweils mit Pfeilen gezeigt.
[Erste Ausführungsform]
Wie in 1 gezeigt, ist beim Magnetsensor 1, der sich auf die erste Ausführungsform bezieht, ein Substrat 2 vorgesehen, und ein erstes Magnetsensorteil 3 und zwei zweite Magnetsensorteile 4 sind auf das Substrat 2 gesetzt. Das erste Magnetsensorteil 3 ist ein Magnetsensor zum Erfassen eines absoluten magnetischen Signals, das in der absoluten Signalspur 21 des Skalenteils 20 aufgezeichnet ist. Das zweite Magnetsensorteil 4 ist ein Magnetsensor zum Erfassen eines inkrementellen magnetischen Signals, das in der inkrementellen Signalspur 22 des Skalenteils 20 aufgezeichnet ist.
Wie in 2 gezeigt, sind am ersten Sensorteil 3 ein erstes Element mit magnetoresistivem Effekt vom Spinventil-Typ (erstes MR-Element) 31 und Vormagnetisierungsfelderzeuger 32 vorgesehen, die an beide Seiten in einer zweiten Richtung (in der Folge die „Y-Richtung”) des ersten MR-Elements 31 gesetzt sind, sodass das erste MR-Element 31 zwischen den Vormagnetisierungsfelderzeugern 32 liegt. Am zweiten Magnetsensorteil 4 sind ein zweites Element mit magnetoresistivem Effekt vom Spinventil-Typ (zweites MR-Element) 41 und Vormagnetisierungsfelderzeuger 42 vorgesehen, die an beide Seite in der Y-Richtung des zweiten MR-Elements 41 gesetzt sind, sodass das zweite MR-Element 41 zwischen den Vormagnetisierungsfelderzeugern 42 liegt.
Das Substrat 2 ist rechteckig, trägt sowohl das erste Magnetsensorteil 3 als auch die zweiten Magnetsensorteile 4 und kann beispielsweise aus Glas, Silizium (Si), Aluminiumoxid (Al₂O₃), AlTiC (Al₂O₃-TiC) oder dergleichen hergestellt sein.
In der ersten Ausführungsform weist das erste MR-Element 31, das ein absolutes, in der absoluten Signalspur 21 aufgezeichnetes magnetisches Signal erfasst, ein Ansprechverhalten auf, das eine Ausgabe gemäß einer Änderung des externen Magnetfelds durch die Relativbewegung der Spur 21 (Skalenteil 20) exponentiell ändern kann. Indessen weist das zweite MR-Element 41, das ein inkrementelles, in der inkrementellen Signalspur 22 aufgezeichnetes magnetisches Signal erfasst, ein Ansprechverhalten auf, das die Ausgabe gemäß der Änderung des externen Magnetfelds aufgrund der Relativbewegung der Spur 22 (Skalenteil 20) linear ändern kann. Mit anderen Worten, eine Steigung der Ausgabe vom ersten MR-Element 31 wird größer als die der Ausgabe vom zweiten MR-Element 41. Wenn beispielsweise das externe Magnetfeld im Bereich von –50 Oe bis 50 Oe verändert wird, beträgt die Steigung der Ausgabe vom ersten MR-Element 31 ungefähr 10 mV/Oe oder mehr. Indessen beträgt die Steigung der Ausgabe vom zweiten MR-Element 41 ungefähr 2 bis 5 mV/Oe. Mit anderen Worten, die Empfindlichkeit (mV/mT) des ersten MR-Elements 31 gegenüber dem externen Magnetfeld ist höher als die des zweiten MR-Elements 41. Das erste MR-Element 31 und das zweite MR-Element 41 können wirksam Ansprechverhalten darstellen, die aufgrund von Maßunterschieden (Breitenunterschieden), gesehen von der Oberseite der Schichtungsrichtung (Z-Richtung), voneinander verschieden sind.
Genauer weisen die Breite W1 des ersten MR-Elements 31 in der Y-Richtung und die Breite W2 des zweiten MR-Elements 41 in der Y-Richtung die in der nachstehenden Formel (1) gezeigte Beziehung auf. W1 > W2 (1)
In der ersten Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass das Verhältnis der Breite W1 des ersten MR-Elements 31 in der Y-Richtung zur Breite W2 des zweiten MR-Elements 41 in der Y-Richtung (W1:W2) 1:0,2 bis 0,9 beträgt, und es ist besonders vorzuziehen, dass das Verhältnis 1:0,2 bis 0,5 beträgt. Weil die Breite W1 des ersten MR-Elements 31 größer ist als die Breite W2 des zweiten MR-Elements 41, kann sich die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 exponentiell ändern, und die Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 kann sich linear ändern.
In der ersten Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass das Verhältnis der Breite W1 zur Länge L1 des ersten MR-Elements 31 (Aspektverhältnis, W1/L1) und das Verhältnis der Breite W2 zur Länge L2 des zweiten MR-Elements 41 (Aspektverhältnis, W2/L2) die in der nachstehenden Formel (2) gezeigte Beziehung aufweisen. W1/L1 ≥ W2/L2 (2)
Weil die Aspektverhältnisse (W1/L1, W2/L2) beider die durch die Formel (2) angegebene Beziehung aufweisen, kann sich die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 exponentiell ändern, und die Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 kann sich linearer ändern.
Es ist vorzuziehen, dass die Aspektverhältnisse (W1/L1, W2/L2) des ersten MR-Elements 31 und des zweiten MR-Elements 41 1,2 oder weniger betragen, und es ist besonders vorzuziehen, dass das Aspektverhältnis (W1/L1) des ersten MR-Elements 31 0,8 oder mehr beträgt. Wenn die Aspektverhältnisse (W1/L1, W2/L2) 1,2 übersteigen, kann ein Stabilisieren der Magnetisierung schwierig werden, weil anfängliche Richtungen der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 (siehe 3) des ersten MR-Elements 31 und des zweiten MR-Elements 41 die Querrichtungen der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 werden. Weiter kann es, wenn das Aspektverhältnis (W1/L1) des ersten MR-Elements 31 weniger als 0,8 beträgt, schwierig werden, die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 exponentiell zu ändern.
In der ersten Ausführungsform sind die Form des ersten MR-Elements 31 und die Form des zweiten MR-Elements 41, gesehen von der Oberseite in der Schichtungsrichtung, nicht besonders eingeschränkt, sondern sie können ähnliche Formen aufweisen. Weiter ist bei ähnlichen Formen in der ersten Ausführungsform, wenn das erste MR-Element 31 und das zweite MR-Element 41 beispielsweise beide Polygone sind, die Anzahl der Seiten für beide dieselbe (beiderseits viereckig, fünfeckig, sechseckig geformt oder dergleichen).
Die Vormagnetisierungsfelderzeuger 32 und 42 sind beispielsweise mit einem Permanentmagneten gestaltet, und ein Vormagnetisierungsfeld ist an die Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 angelegt, um die anfänglichen Magnetisierungsrichtungen (Magnetisierungen 315M und 415M der gesamten Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415, wenn das externe Magnetfeld null beträgt (Magnetfeld null) (siehe 4 und 5)) der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 (siehe 3) in eine vorgegebene Richtung (die Y-Richtung in der ersten Ausführungsform) zu orientieren.
Der Abstand G1 zwischen dem ersten MR-Element 31 und dem Vormagnetisierungsfelderzeuger 32 ist vorzugsweise größer als der Abstand G2 zwischen dem zweiten MR-Element 41 und dem Vormagnetisierungsfelderzeuger 42, und der Abstand G1 beträgt vorzugsweise ungefähr 1 μm bis 5 μm, und besser noch ungefähr 1 μm bis 2 μm. Der Abstand G2 beträgt vorzugsweise ungefähr 0 bis 5 μm, und besser noch ungefähr 0 bis 1 μm. Weil der Abstand G1 größer ist als der Abstand G2, wird die Stärke des an das erste MR-Element 31 anzulegenden Vormagnetisierungsfelds kleiner als die des an das zweite MR-Element 41 angelegten Vormagnetisierungsfelds; daher kann die Änderung der Ausgabe des ersten MR-Elements 31 exponentieller sein. Indessen kann die Änderung der Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 linearer sein. Weiter ist der Abstand G1 zwischen dem ersten MR-Element 31 und dem Vormagnetisierungsfelderzeuger 32 als der kürzeste Abstand in der Y-Richtung zwischen dem ersten MR-Element 31 und dem Vormagnetisierungsfelderzeuger 32 in einer ebenen Ansicht des Magnetsensors 1 definiert (betrachtet von der Oberseite in der Schichtungsrichtung des ersten MR-Elements 31). Der Abstand G2 zwischen dem zweiten MR-Element 41 und dem Vormagnetisierungsfelderzeuger 42 ist als der kürzeste Abstand in der Y-Richtung zwischen dem zweiten MR-Element 41 und dem Vormagnetisierungsfelderzeuger 42 definiert.
Als Nächstes ist der Schichtungsaufbau des ersten MR-Elements 31 und des zweiten MR-Elements 41 erläutert. Wie in 3 gezeigt, sind das erste MR-Element 31 und das zweite MR-Element 41 Vielschichtkörper, wo Unterschichten 311 und 411, antiferromagnetische Schichten 312 und 412, Schichten mit festliegender Magnetisierung 313 und 413, nichtmagnetische Zwischenschichten 314 und 414, Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 und Deckschichten 316 und 416 in dieser Reihenfolge geschichtet sind. Eine untere Seitenelektrodenschicht und eine obere Seitenelektrodenschicht (beide nicht dargestellt) aus einer Cu-Schicht oder dergleichen sind unter die Unterschichten 311 und 411 bzw. über die Deckschichten 315 und 416 gelegt, und ein Messstrom fließt in der Schichtungsrichtung des ersten MR-Elements 31 und des zweiten MR-Elements 41.
Die Unterschichten 311 und 411 sind ausgebildet, um die Wirkung einer Kristallachse des Substrats 2 zu beseitigen und die Kristallisierbarkeit und Orientierung jeder Schicht zu verbessern, die auf/über den Unterschichten 311 und 411 geschichtet und ausgebildet ist. Beispielsweise sind Ta, Ru und dergleichen beispielhafte Materialien, um die Unterschichten 311 und 411 zu bilden.
Die antiferromagnetischen Schichten 312 und 412 sind Schichten, die die Aufgabe übernehmen, die Magnetisierungsrichtung der Schichten mit festliegender Magnetisierung 313 und 413 über diesen Schichten zu fixieren. Antiferromagnetische Materialien, die beispielsweise mindestens eine Elementart, die aus der Gruppe Pt, Ru, Rh, Pd, Ni, Cu, Ir, Cr und Fe gewählt ist, sowie Mn enthalten, sind beispielhafte Materialien zum Aufbauen der antiferromagnetischen Schichten 312 und 412. Der Gehalt an Mn in einem solchen antiferromagnetischen Material beträgt vorzugsweise 35 bis 95 Atom-%.
Ein antiferromagnetisches Material des Typs ohne Wärmebehandlung, das antiferromagnetische Eigenschaften aufweist, ohne jede Wärmebehandlung zu erfordern, und das ein austauschkoppelndes Magnetfeld mit ferromagnetischem Material induziert, und ein antiferromagnetisches Material des Wärmebehandlungstyps, das antiferromagnetische Eigenschaften durch eine Wärmebehandlung aufweist, sind als die antiferromagnetischen Materialien verfügbar. In der ersten Ausführungsform sind beide Arten antiferromagnetischen Materials als Material zum Aufbauen der antiferromagnetischen Schichten 312 und 412 verwendbar. RuRhMn, FeMn, IrMn und dergleichen sind beispielhafte antiferromagnetisches Materialien des Typs ohne Wärmebehandlung, und PtMn, NiMn, PtRhMn und dergleichen sind beispielhafte antiferromagnetische Materialien des Wärmebehandlungstyps.
Die Schichten mit festliegender Magnetisierung 313 und 413 weisen einen Aufbau auf, bei dem erste Schichten mit festliegender Magnetisierung 313A und 413A, Zwischenschichten 313B und 413B und zweite Schichten mit festliegender Magnetisierung 313C und 413C in dieser Reihenfolge auf die antiferromagnetischen Schichten 312 und 412 geschichtet sind. NiFe, CoZrTa, Sendust, NiFeCo, CoZrNb, CoFe und dergleichen können beispielhafte Materialien sein, aus denen die ersten Schichten mit festliegender Magnetisierung 313A und 413A und die zweiten Schichten mit festliegender Magnetisierung 313C und 413C aufgebaut sind, und Ru und dergleichen können beispielhafte Materialien sein, aus denen die Zwischenschichten 313B und 413B aufgebaut sind. Die Dicke der Schichten mit festliegender Magnetisierung 313 und 413 kann ungefähr 3,5 nm bis 5,5 nm betragen.
In den Schichten mit festliegender Magnetisierung 313 und 413 ist die Magnetisierung der ersten Schichten mit festliegender Magnetisierung 313A und 413A durch die antiferromagnetischen Schichten 312 und 412 fixiert, und die Magnetisierung der zweiten Schichten mit festliegender Magnetisierung 313C und 413C ist mit den ersten Schichten mit festliegender Magnetisierung 313A und 413A über die Zwischenschichten 313B und 413B austauschgekoppelt und fixiert. In der ersten Ausführungsform ist die Magnetisierungsrichtung der zweiten Schichten mit festliegender Magnetisierung 313C und 413C auf die X-Richtung festgelegt.
Die Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 sind weichmagnetische Schichten, wo sich die Magnetisierungsrichtung gemäß Änderungen in den Signalmagnetfeldern des absoluten magnetischen Signals und des inkrementellen magnetischen Signals in Verbindung mit der Relativbewegung des Skalenteils 20 ändert. NiFe, CoFe, COFeB, CoFeNi, CO₂MnSi, Co₂MnGe, FeO_X (Eisenoxid) und dergleichen können beispielhafte Materialien sein, aus denen die freien Schichten 315 und 415 aufgebaut sind. Die Dicke der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 kann auf ungefähr 0,5 nm bis 8 nm eingestellt sein. Eine anfängliche Magnetisierungsrichtung in den Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 ist aufgrund des Anlegens des Vormagnetisierungsfelds von den Vormagnetisierungsfelderzeugern 32 und 42 auf die Y-Richtung festgelegt.
Die nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 sind wesentliche Schichten zum Anregen eines magnetoresistiven Effekts (MR-Effekts) im ersten MR-Element 31 und im zweiten MR-Element 41 in der ersten Ausführungsform. Wenn das erste MR-Element 31 und das zweite MR-Element 41 in der ersten Ausführungsform TMR-Elemente sind, die einen magnetoresistiven Tunneleffekt zeigen, bestehen die nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 aus einer isolierenden Schicht. Wenn indessen das erste MR-Element 31 und das zweite MR-Element 41 in der ersten Ausführungsform GMR-Elemente sind, bestehen die nichtmagnetischen Zwischenschichten aus einer Metallschicht. Beispielsweise sind Cu, Au, Ag, Zn, Ga, TiO_X, ZnO, InO, SnO, GaN, Indiumzinnoxid (ITO), Al₂O₃, MgO und dergleichen beispielhafte Materialien, aus denen die nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 aufgebaut sind. Wenn das erste MR-Element 31 und das zweite MR-Element 41 in der ersten Ausführungsform TMR-Elemente sind, ist es vorzuziehen, MgO_X (X = 0,1 bis 0,9) als ein Material zu verwenden, aus dem die nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 aufgebaut sind. Ein höheres MR-Verhältnis kann erzielt werden durch ein Verwenden von MgO_X (X = 0,1 bis 0,9) als ein Material, aus dem die nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 aufgebaut sind.
Die nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 können vorzugsweise aus einer Schichtung mit zwei oder mehr Schichten bestehen. Weil die nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 aus einer Schichtung mit zwei oder mehr Schichten bestehen, kann der Widerstand der MR-Elemente (des ersten MR-Elements 31 und des zweiten MR-Elements 41) leicht eingestellt werden. Beispielsweise können die nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 aus einer zweilagigen Schichtung, wie etwa MgO/MgO, oder einer dreilagigen Schichtung bestehen, wie etwa Cu/ZnO/Cu oder Cu/ZnO/Zn. Weiter kann die Dicke der nichtmagnetischen Zwischenschichten 314 und 414 ungefähr 0,5 nm bis 5 nm betragen.
Die Deckschichten 316 und 416 sind Schichten zum Schützen des ersten MR-Elements 31 und des zweiten MR-Elements 41. Als die Deckschichten 316 und 416 sind eine einlagige Schicht einer Art oder eine Schichtung von zwei oder mehr Arten aus Ta, Ru, Cu, Ag, Rh, Cr, Tl, Re, Ir, Mo, W, Ti und dergleichen beispielhafte Materialien als die Deckschichten 316 und 416.
Die Funktionsweise eines magnetischen Codierers 10 in der ersten Ausführungsform mit der obigen Anordnung ist nachstehend erläutert.
Im ersten MR-Element 31 stehen die Magnetisierung 315M und die Magnetisierung 313M der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 und der Schicht mit festliegender Magnetisierung 313 (zweiten Schicht mit festliegender Magnetisierung 313C) im Wesentlichen rechtwinklig zueinander (siehe 4). Dieser Zustand ist ein Anfangszustand als das erste MR-Element 31. Ähnlich stehen im zweiten MR-Element 41 die Magnetisierung 415M und die Magnetisierung 413M der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 und der Schicht mit festliegender Magnetisierung 413 (zweiten Schicht mit festliegender Magnetisierung 413C) rechtwinklig zueinander (siehe 5).
Wenn der Magnetsensor 1, der sich auf die erste Ausführungsform bezieht, relativ zum Skalenteil 20 in der -X-Richtung bewegt wird, ändert sich die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 allmählich aufgrund eines absoluten magnetischen Signals der absoluten magnetischen Signalspur 21. Beispielsweise werden der Magnetsensor 1 und der Skalenteil 20 relativ zueinander bewegt, und wenn der physische Abstand zwischen dem ersten MR-Element 31 und dem absoluten magnetischen Signal der absoluten Magnetsignalspur 21 kleiner wird, wird die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 allmählich größer. Weil die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 in der ersten Ausführungsform größer ist als die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 und die Empfindlichkeit des ersten MR-Elements 31 gegenüber dem externen Magnetfeld höher ist als die des zweiten MR-Elements 41 gegenüber dem externen Magnetfeld, dreht sich, wenn die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, die Magnetisierung 315M der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 im Wesentlichen um 90 Grad, und die Magnetisierung 315M der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 und die Magnetisierung 313M der Schicht mit festliegender Magnetisierung 313 stehen im Wesentlichen antiparallel (oder parallel) zueinander (siehe 6). Mit anderen Worten, der Widerstandswert im ersten Magnetsensor 3 (ersten MR-Element 31) wird exponentiell erhöht (oder verringert), und die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 wird exponentiell verändert (siehe 8). Dies ermöglicht ein Erfassen der absoluten Position mit hoher Genauigkeit.
Indessen ändert sich, wenn sich der Magnetsensor 1, der sich auf die erste Ausführungsform bezieht, relativ zum Skalenteil 20 in der –X-Richtung bewegt, die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 allmählich aufgrund eines inkrementellen magnetischen Signals der inkrementellen Magnetsignalspur 22. Weil die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 in der ersten Ausführungsform kleiner ist als die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 und die Empfindlichkeit des zweiten MR-Elements 41 gegenüber dem externen Magnetfeld niedriger ist als die des ersten MR-Elements 31 gegenüber dem externen Magnetfeld, dreht sich die Magnetisierung 415M der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 allmählich gemäß Änderungen der Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 (siehe 7). Mit anderen Worten, der Widerstandswert im zweiten Magnetsensor 4 (zweiten MR-Element 41) verringert oder erhöht sich allmählich, und die Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 ändert sich linear (siehe 9). Dies ermöglicht ein Erfassen inkrementeller Positionen mit hoher Genauigkeit.
Im magnetischen Codierer 10 in der ersten Ausführungsform kann sich, weil die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 größer ist als die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41, die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 exponentiell ändern; indessen kann sich die Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 linear ändern.
Somit können gemäß dem Magnetsensor 1, der sich auf die erste Ausführungsform bezieht, weil die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 zum Erfassen eines absoluten magnetischen Signals und die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 zum Erfassen inkrementeller magnetischer Signale die gewünschte Beziehung (W1 > W2) aufweisen, die Ansprechverhalten (exponentielle Änderung der Ausgabe und lineare Änderung der Ausgabe), die gefordert sind, wirksam gezeigt sein. Wegen dieser Gestaltung können gemäß dem magnetischen Codierer 10, bei dem der Magnetsensor 1 vorgesehen ist, die absolute Position durch das absolute magnetische Signal und die inkrementelle Position durch das inkrementelle magnetische Signal mit höherer Genauigkeit erfasst werden als bei einem herkömmlichen.
[Zweite Ausführungsform]
Eine Erläuterung des Magnetsensors ist vorgesehen, der sich auf die zweite Ausführungsform bezieht. Bei dem Magnetsensor 1, der sich auf die zweite Ausführungsform bezieht, weisen die Breite W1 des ersten MR-Elements 31 und die Länge L1 in der Richtung rechtwinklig zur Breite W1 (X-Richtung) sowie die Breite W2 des zweiten MR-Elements 41 und die Länge L2 in der Richtung rechtwinklig zur Breite W2 (X-Richtung) die durch die nachstehenden Formeln (3) und (4) gezeigten Beziehungen auf. W1 = W2 (3) W1/L1 > W2/L2 (4)
Weiter weist der Magnetsensor 1, der sich auf die zweite Ausführungsform bezieht, eine ähnliche Anordnung auf wie der Magnetsensor 1, der sich auf die obige erste Ausführungsform bezieht, außer dass die Breite W1 und die Breite W2 und die Länge L1 und die Länge L2 des ersten MR-Elements 31 und des zweiten MR-Elements 41 die Beziehungen aufweisen, wie in den obigen Formeln (3) und (4) gezeigt. Folglich ist jede Anordnung mit denselben Symbolen bezeichnet, und deren genauen Erläuterungen sind weggelassen.
Wenn in dem magnetischen Codierer 10, bei dem der Magnetsensor 1 vorgesehen ist, der sich auf die zweite Ausführungsform bezieht, der Magnetsensor 1 relativ zum Skalenteil 20 in der –X-Richtung bewegt wird, ändert sich die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 allmählich aufgrund des absoluten magnetischen Signals der absoluten magnetischen Signalspur 21. Beispielsweise bewegen sich der Magnetsensor 1 und der Skalenteil 20 relativ zueinander, und wenn der physische Abstand zwischen dem ersten MR-Element 31 und dem absoluten magnetischen Signal der absoluten magnetischen Signalspur 21 kleiner wird, wird die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 allmählich größer. Weil die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 in der zweiten Ausführungsform und die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 dieselben sind und das Aspektverhältnis (W1/L1) der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 größer ist als das Aspektverhältnis (W2/L2) der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41, ist die Empfindlichkeit des ersten MR-Elements 31 gegenüber dem externen Magnetfeld größer als die des zweiten MR-Elements 41. Als Ergebnis dreht sich, wenn die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, die Magnetisierung 315M der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 im Wesentlichen um 90 Grad, und die Magnetisierung 315M der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 und die Magnetisierung 313M der Schicht mit festliegender Magnetisierung 313 werden im Wesentlichen antiparallel (oder parallel) zueinander (siehe 6). Mit anderen Worten, der Widerstandswert im ersten Magnetsensor 3 (ersten MR-Element 31) wird exponentiell erhöht (oder verringert), und die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 wird exponentiell verändert (siehe 8). Dies ermöglicht ein Erfassen der absoluten Positionen mit hoher Genauigkeit.
Indessen ändert sich, wenn sich der Magnetsensor 1, der sich auf die zweite Ausführungsform bezieht, relativ zum Skalenteil 20 in der –X-Richtung bewegt, die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 allmählich aufgrund eines inkrementellen Signals der inkrementellen Magnetsignalspur 22. Weil die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 in der zweiten Ausführungsform und die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 dieselben sind und das Aspektverhältnis (W2/L2) der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 kleiner ist als das Aspektverhältnis (W1/L1) der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31, ist die Empfindlichkeit des zweiten MR-Elements 41 gegenüber dem externen Magnetfeld niedriger als die des ersten MR-Elements 31. Als Ergebnis dreht sich die Magnetisierung 415M der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 allmählich gemäß der Änderung der Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds gegenüber der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 (siehe 7). Mit anderen Worten, der Widerstandswert im zweiten Magnetsensor 4 (zweiten MR-Element 41) verringert oder erhöht sich allmählich, und die Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 ändert sich linear (siehe 9). Dies ermöglicht ein Erfassen inkrementeller Positionen mit hoher Genauigkeit.
Somit kann gemäß dem Magnetsensor 1, der sich auf die zweite Ausführungsform bezieht, weil die Breite W1 und die Länge L1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 zum Erfassen eines absoluten magnetischen Signals und die Breite W2 und die Länge L2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 415 des zweiten MR-Elements 41 zum Erfassen eines inkrementellen magnetischen Signals die gewünschten Beziehungen (W1 = W2, W1/L1 > W2/L2) aufweisen, das jeweils erwünschte Ansprechverhalten (exponentielle Änderung der Ausgabe, lineare Änderung der Ausgabe) wirksam gezeigt sein. Wegen dieser Gestaltung können gemäß dem magnetischen Codierer 10, bei dem der Magnetsensor 1 vorgesehen ist, die absolute Position durch das absolute magnetische Signal und die inkrementelle Position durch das inkrementelle magnetische Signal mit höherer Genauigkeit erfasst werden als bei dem herkömmlichen.
Die oben erläuterten Ausführungsformen sind zum Erleichtern des Verständnisses der vorliegenden Erfindung beschrieben und nicht zum Einschränken der vorliegenden Erfindung. Daher ist beabsichtigt, dass der Geltungsbereich jedes in den obigen Ausführungsformen offenbarten Elements alle Gestaltungsänderungen und Äquivalente innerhalb des technischen Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung umfasst.
In den obigen Ausführungsformen wurden als das erste MR-Element 31 und das zweite MR-Element 41 das TMR-Element und das GMR-Element mit Schichtungsaufbauten als Beispiele erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf solche Bauweisen beschränkt, und diese können beispielsweise ein AMR-Element mit einem einschichtigen Aufbau aus einem ferromagnetischen Material umfassen.
In den obigen Ausführungsformen ist ein Beispiel erläutert, in dem die Form des ersten MR-Elements 31 und die Form des zweiten MR-Elements 41 (von der Oberseite in der Schichtungsrichtung gesehene Form) jeweils dieselbe Art aufweisen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Bauweise beschränkt. Beispielsweise können zumindest die Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 eine Form derselben Art aufweisen, und es gibt keine Einschränkung bei der Form der anderen Schichten (wie etwa der Schichten mit festliegender Magnetisierung 313 und 413). In dieser Bauweise sind mit der Breite W1, der Breite W2, der Länge L1 und der Länge L2 die Breite W1, die Breite W2, die Länge L1 und die Länge L2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschichten 315 und 415 gemeint, und Breite und Länge anderer Schichten (wie etwa der Schichten mit festliegender Magnetisierung 313 und 413) sind nicht besonders eingeschränkt und können geeignet eingestellt sein.
In den obigen Ausführungsformen ist als ein beispielhafter magnetischer Codierer 10 ein linearer Sensor mit Magnetsignalspuren (der absoluten Magnetsignalspur 21 und der inkrementellen Magnetsignalspur 22) erläutert, die zum Magnetsensor 1 weisen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Bauweise beschränkt. Der magnetische Codierer der vorliegenden Erfindung kann auch ein Drehwinkelsensor sein. In diesem Fall sollte die Anordnung, wie in 10 gezeigt, diejenige sein, bei der ein Skalenteil 20', bei dem eine absolute Magnetsignalspur 21' und eine inkrementelle Magnetsignalspur 22' auf einem Außenumfang 51 eines trommelförmigen Drehkörpers 50 angebracht sind, und der Magnetsensor 1 vorgesehen ist, der sich auf die obigen Ausführungsformen bezieht.
In den obigen Ausführungsformen sind am Magnetsensor 1 das eine erste MR-Element 31 und die beiden zweiten MR-Elemente 41 vorgesehen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Bauweise beschränkt, und beispielsweise kann das erste Magnetsensorteil 3 eine Vielzahl von ersten MR-Elementen 31 enthalten, und das zweite Magnetsensorteil 4 kann drei oder mehr zweite MR-Elemente 41 enthalten.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend genauer mit Bezug auf die Beispiele und dergleichen erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
[Beispiel 1]
Das erste MR-Element 31 mit der in 3 und in Tabelle 1 gezeigten Schichtanordnung und ein Permanentmagnet als der Vormagnetisierungsfelderzeuger 32 wurden auf dem Si-Substrat 2 ausgebildet. Die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 des ersten MR-Elements 31 wurde auf 2,0 μm festgelegt, und die Länge L1 wurde auf 2,0 μm festgelegt (Muster 1, Aspektverhältnis (W1/L1) = 1).

Die ersten MR-Elemente 31, wo die Breite W1 und die Länge L1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht 315 geändert wurden, wie in Tabelle 2 gezeigt, wurden ähnlich hergestellt (Muster 2 bis 7). Tabelle 1:

	Material	Schichtdicke (Å)
Deckschicht (316)	Ta/Ru	60/70
Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht (315)	NiFe	40
Nichtmagnetische Zwischenschichten (314)	MgO_X (X = 0,8)	20
Zweite Schicht mit festliegender Magnetisierung (313C)	CoFe	20
Zwischenschicht (313B)	Ru	8
Erste Schicht mit festliegender Magnetisierung (313A)	CoFe	20
Anti-ferromagnetische Schicht (312)	IrMn	100
Unterschicht (311)	Ta/Ru	20/20

Dann wurde, während jeweils das erste MR-Element 31 in den Mustern 1 bis 4 mit einem konstanten Strom mit 1 V Spannung beaufschlagt wurde, die externe Magnetfeldstärke in einem Bereich von –10 bis 10 Oe variiert, und das externe Magnetfeld wurde an das erste MR-Element 31 angelegt, und die Empfindlichkeit (mV/mT) des ersten MR-Elements 31 wurde erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

Anschließend wurde die externe Magnetfeldstärke im Bereich von –50 bis 50 Oe bei Verwendung des ersten MR-Elements der Muster 1 bis 7 variiert, und das Ausgabeänderungsvolumen (die Differenz zwischen maximaler Ausgabe und minimaler Ausgabe, mV) des ersten MR-Elements wurde jeweils erhalten. Dann wurde ein Index IL bezüglich der Linearität mit der nachstehenden Formel aus dem Ausgabeänderungsvolumen MP1 (mV) des ersten MR-Elements, wenn die externe Magnetfeldstärke im Bereich von –10 bis 10 Oe variierte, und dem Ausgabeänderungsvolumen MP2 (mV) des ersten MR-Elements berechnet, wenn die externe Magnetfeldstärke im Bereich von –50 bis 50 Oe variierte. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

IL = MP2/MP1

Tabelle 2:

	Breite W1 (μm)	Länge L1 (μm)	Aspektverhältnis (W1/L1)	Empfindlichkeit (mV/mT)	Linearität
Muster 1	2,0	2,0	1,00	2,5	4,0
Muster 2	2,0	2,5	0,80	2,4	4,1
Muster 3	2,0	3,0	0,67	2,2	4,3
Muster 4	2,0	4,0	0,50	2,1	4,5
Muster 5	2,0	1,6	1,25	2,1	4,1
Muster 6	1,0	2,0	0,50	2,0	4,5
Muster 7	1,0	3,0	0,33	1,8	4,7
Muster 8	1,0	4,0	0,25	1,5	5,0
Muster 9	4,0	4,0	1,00	2,8	4,0

Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde bestätigt, dass, je größer die Breite W1 in der Y-Richtung ist, desto höher die Empfindlichkeit ist, d. h. die Ausgabe konnte exponentiell verändert werden. Weiter wurde bestätigt, dass, obwohl die Breite W1 in der Y-Richtung dieselbe ist, je größer das Aspektverhältnis (W1/L1) ist, die Empfindlichkeit umso höher ist, und die Ausgabe konnte exponentiell verändert werden.
Weil die Breite W1 des ersten MR-Elements 31 und die Breite W2 des zweiten MR-Elements 41 die in der nachstehenden Formel (1) ausgedrückte Beziehung aufweisen, wurde gemäß den obigen Ergebnissen bestätigt, dass die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 exponentiell verändert werden konnte und die Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 linear verändert werden konnte. Weil in diesem Fall das Aspektverhältnis (W1/L1) des ersten MR-Elements 31 und das Aspektverhältnis (W2/L2) des zweiten MR-Elements 41 die durch die nachstehende Formel (2) ausgedrückte Beziehung aufweisen, wurde bestätigt, dass die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 exponentieller verändert werden konnte und die Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 linearer verändert werden konnte. W1 > W2 (1) W1/L1 ≥ W2/L2 (2)
Weil weiter die Breite W1 des ersten MR-Elements 31 und die Breite W2 des zweiten MR-Elements 41 sowie das Aspektverhältnis (W1/L1) des ersten MR-Elements 31 und das Aspektverhältnis (W2/L2) des zweiten MR-Elements 41 die durch die nachstehenden Formeln (3) und (4) ausgedrückten Beziehungen aufweisen, wurde gemäß den obigen Ergebnissen bestätigt, dass die Ausgabe des ersten MR-Elements 31 exponentiell geändert werden konnte und die Ausgabe des zweiten MR-Elements 41 linear geändert werden konnte. W1 = W2 (3) W1/L1 > W2/L2 (4)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001-264112 [0004]

Claims

Magnetsensor, umfassend mindestens ein erstes Element mit magnetoresistivem Effekt und ein zweites Element mit magnetoresistivem Effekt, die ein externes Magnetfeld erfassen können, wobei: das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt jeweils mindestens eine Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht enthalten, wo jeweils eine Magnetisierungsrichtung gemäß dem externen Magnetfeld verändert wird; die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt in einer durch die nachstehende Formel (1) gezeigten Beziehung stehen; und die Empfindlichkeit des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt gegenüber dem externen Magnetfeld höher ist als die des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt gegenüber dem externen Magnetfeld. W1 > W2 (1)
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis W1/L1 der Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L1 in einer Richtung, die rechtwinklig zur Breite W1 steht, und ein Verhältnis W2/L2 der Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L2 in einer Richtung, die rechtwinklig zur Breite W2 steht, beide 1,2 oder weniger betragen.
Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verhältnis W1/L1 der Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L1 in einer Richtung, die rechtwinklig zur Breite W1 steht, und ein Verhältnis W2/L2 der Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L2 in einer Richtung, die rechtwinklig zur Breite W2 steht, eine Beziehung aufweisen, die in der nachstehenden Formel (2) gezeigt ist. W1/L1 ≥ W2/L2 (2)
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Verhältnis der Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt 1:0,2 bis 0,9 beträgt.
Magnetsensor, umfassend mindestens ein erstes Element mit magnetoresistivem Effekt und ein zweites Element mit magnetoresistivem Effekt, die ein externes Magnetfeld erfassen können, wobei: das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt jeweils mindestens eine Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht enthalten, wo jeweils eine Magnetisierungsrichtung gemäß dem externen Magnetfeld verändert wird; die Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Länge L1 in einer Richtung, die rechtwinklig zu der Breite W1 steht, sowie die Breite W2 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Länge L2 in einer Richtung, die rechtwinklig zu der Breite W2 steht, in durch die nachstehenden Formeln (3) und (4) gezeigten Beziehungen stehen. W1 = W2 (3) W1/L1 > W2/L2 (4)
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Verhältnis der Breite W1 der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in einer anfänglichen Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt zur Länge L1 in einer Richtung, die rechtwinklig zur Breite W1 steht, 0,8 oder mehr beträgt.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei Betrachtung des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt von der Oberseite in der Schichtungsrichtung eine Form der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt und eine Form der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt dieselben sind.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt eins aus einem TMR-Element, einem GMR-Element und einem AMR-Element umfassen.
Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt ausgebildet sind durch ein Schichten einer Schicht mit festliegender Magnetisierung, einer nichtmagnetischen Zwischenschicht und der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht in dieser Reihenfolge.
Magnetsensor nach Anspruch 9, wobei die nichtmagnetische Zwischenschicht MgO_X ist (X = 0,1 bis 0,9).
Magnetischer Codierer, umfassend: den Magnetsensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, und ein Skalenteil, das eine absolute Magnetsignalspur, wo absolute magnetische Signale aufgezeichnet sind, und eine inkrementelle Magnetsignalspur aufweist, wo inkrementelle magnetische Signale aufgezeichnet sind, und das relativ zum Magnetsensor beweglich ist, wobei der Magnetsensor und das Skalenteil so angeordnet sind, dass sie zueinander weisen, um zu ermöglichen, dass das erste Element mit magnetoresistivem Effekt und die absolute Signalspur zueinander weisen, und um zu ermöglichen, dass das zweite Element mit magnetoresistivem Effekt und die inkrementelle Signalspur zueinander weisen.
Magnetischer Codierer nach Anspruch 11, wobei eine anfängliche Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtungs-Änderungsschicht im ersten Element mit magnetoresistivem Effekt bzw. im zweiten Element mit magnetoresistivem Effekt eine Richtung ist, die rechtwinklig zu einer Relativbewegungsrichtung des Skalenteils steht.