DE112014006248T5

DE112014006248T5 - Magnetische Erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112014006248T5
Application number: DE112014006248.0T
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Tatenuma; Junichi Ichikawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2016-10-13
Also published as: CN109001653A; CN109001653B; CN105899964B; WO2015111163A1; JPWO2015111163A1; US9983274B2; CN105899964A; US20160223625A1

Abstract

Eine magnetische Erfassung, der ein erstes Element (3) und ein zweites Element (4), die ein magnetoresistives Element sind, dessen Widerstandswert sich ansprechend auf ein externes Magnetfeld ändert, in Reihe miteinander verbunden sind, um eine Brückenschaltung zu bilden, ein Ende der Brückenschaltung mit einer Stromversorgung (5) verbunden ist, das andere Ende geerdet ist, ein Verbindungspunkt (6) zwischen dem ersten Element (3) und dem zweiten Element (4) mit einem Verstärkermittel (9) verbunden ist, wenigstens ein Schaltmittel (1) in Reihe mit der Brückenschaltung verbunden ist und ein Ausgangsanschluss (11) des Verstärkermittels (9) mit einem Fehlererfassungsmittel (12) verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Erfassungsvorrichtungen, die magnetoresistive Elemente verwenden und eine Rotation eines zu erfassenden Objekts durch eine Änderung in einem Magnetfeld erfasst.
STAND DER TECHNIK
Es gibt ein Verfahren, in dem Elektroden an beiden Enden eines magnetoresistiven Elements ausgebildet sind, das ein elektromagnetisches Wandlungselement ist, um eine Wheatstone-Brückenschaltung zu bilden, eine Konstantspannungsversorgung zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden dieser Wheatstone-Brückenschaltung verbunden ist und eine Änderung des Widerstandswerts des magnetoresistiven Elements in eine Spannungsänderung umgewandelt wird, wodurch eine Änderung des auf das magnetoresistive Element wirkenden Magnetfeldes erfasst wird (siehe z. B. Patentdokument 1).
Das magnetoresistive Element ist hier, wie in 7 gezeigt, mit einem Laminat ausgestattet, das enthält eine magnetisierungsfreien Schicht 113, deren Magnetisierungsrichtung sich ansprechend auf ein externes Magnetfeld ändert, eine magnetisierungsfeste Schicht 111, deren Magnetisierungsrichtung hinsichtlich des externen Magnetfelds fest ist, und eine nicht-magnetische Zwischenschicht 112, die zwischen der magnetisierungsfesten Schicht 111 und der magnetisierungsfreien Schicht 113 eingefügt ist. Die Magnetisierung der magnetisierungsfreien Schicht 113 rotiert frei ansprechend auf das externe Magnetfeld innerhalb einer Filmebene des Laminats. Nachstehend wird erläutert, das magnetoresistive Element durch ein Tunnel-magnetoresistives (nachstehend als TMR bezeichnet) Element beispielhaft beschrieben wird, dessen nichtmagnetische Zwischenschicht 112 aus einem Isolator hergestellt wird.
Die elektrischen Charakteristiken des TMR-Elements werden im Allgemeinen in Form einer Leitfähigkeit G ausgedrückt (siehe Gleichung (2) in Spalte V: Zusammenfassung, Nichtpatentdokument 1).
Das heißt, wenn ein relativer Winkel der Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfreien Schicht 113 bezüglich der magnetisierungsfesten Schicht 111 θ ist, kann die Leitfähigkeit G wie nachstehend ausgedrückt werden.
Hier wird die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfreien Schicht 113 die gleiche wie die Richtung des externen Magnetfelds, das heißt der Rotationswinkel θ des Magnetfelds. G = G0 + G1cosθ (1)
Falls dies in Form eines Widerstandswerts ausgedrückt wird, wird es das Inverse der Gleichung (1) wie folgt: R = 1/(G0 + G1cosθ) (2)
8 zeigt, wie sich die Leitfähigkeit G ansprechend auf die Richtung des von außen an das TMR-Element angelegte Magnetfeld ändert. In 8 stellt die horizontale Achse den Rotationswinkel des Magnetfelds dar und die vertikale Achse stellt die Leitfähigkeit G dar.
Eine konventionelle Technologie wird hier beschrieben, in der eine Halbbrücke (nachstehend als Brücke bezeichnet) ausgebildet ist, wie in 9 gezeigt, mit TMR-Element-Verbindungsteilen 116 und 117, die jeweils acht, miteinander verbundene TMR-Elemente verwenden, diese Brücke vor einem Magnetteil 114 angeordnet ist, das alternierend zu N-Polen und S-Polen magnetisiert ist, und eine Spannung an dem Mittelpunkt der Brücke an einem Verstärker 119 angelegt ist.
Wenn in 9 das Magnetteil 114 sich nach links auf diesem Papier bewegt, sind Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfesten Schichten aller TMR-Elemente diejenigen, die durch Pfeile 118 angezeigt sind. Die Richtung 115 des externen Magnetfelds ändert sich wie in 8 gezeigt abhängig von der Position; deshalb ändert sich die Leitfähigkeit G des TMR-Element-Verbindungsteils 116 und 117 in Form einer Cosinuswelle.
Die Leitfähigkeit G eines TMR-Element-Verbindungsteils 116 und diejenige des TMR-Element-Verbindungsteils 117 sind voneinander um 180 Grad außer Phase. In diesem Moment kann die Spannung an dem Mittelpunkt der Brücke, die ein Verbindungspunkt zwischen dem TMR-Element-Verbindungsteil 116 und dem TMR-Element-Verbindungsteil 117 ist, unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichung (2) berechnet werden, die durch die folgende Gleichung (3) gegeben ist. (G0 + G1cosθ)/2G0 (3)
Eine Änderung der Spannung an dem Mittelpunkt tritt in Form einer Cosinuswelle auf und eine Ausgangswellenform an einem Ausgangsanschluss 120 wird eine Cosinuswelle, wie durch eine Kurve 121 gezeigt, wobei die Spannung an dem Mittelpunkt invers durch einen Verstärker 119 verstärkt wird. Auf diese Weise wird die Änderung des Magnetfelds in eine Spannungsänderung umgewandelt und dadurch kann die Bewegung des Magnetteils, das ein zu erfassendes Objekt ist, erfasst werden.
Es wurden verschiedene Arten von Fehlerfassungsmitteln in Erfassungsvorrichtung zur allgemeinen Verwendung vorgeschlagen. Es gibt zum Beispiel eine Vorrichtung, die eine Änderung einer Spannung erfasst durch Anlegen eines konstanten Stroms an den Mittelpunkt einer Brücke (siehe z. B. Patentdokument 2).
Weiterhin gibt es eine andere Vorrichtung, in der Schalter in Teilen einer Brücke bereitgestellt werden, um den Widerstand der Brücke durch Ändern über diese Schalter zu überwachen (siehe z. B. Patentdokument 3).
STAND-DER-TECHNIK-DOKUMENT
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 3017061
Patentdokument 2: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2007-114132
Patentdokument 3: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2005-156193

NICHT-PATENTDOKUMENT

Nicht-Patentdokument 1: Angular Dependence of the Tunnel Magnetoresistance in Transition-metal-based Junctions, Physical Review B Vol. 64, 064427 (2001)

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Wie oben beschrieben, ist die nichtmagnetische Zwischenschicht 112 des TMR-Elements aus einem Oxidfilm hergestellt. Da der Oxidfilm nur solch eine Dicke aufweist, um einen Tunneleffekt aufzuweisen (einige Nanometer), gibt es Bedenken, dass der Oxidfilm durch einen elektrischen Einfluss oder irgendeinen physikalischen Einfluss aufgrund von Fremdsubstanzen durchbrechen kann. Dieser Durchbruch des Oxidfilm bedeutet, dass der Widerstand des TMR-Elements niedrig wird (oder kurzgeschlossen wird).
10 zeigt einen Fall, in dem eine Verbindungseinheit 122 eines TMR-Elements aus sechzehn, miteinander verbundenen TMR-Elementen einen Fehler aufweist. Der Fehler bedeutet in diesem Fall, dass dessen Widerstand niedrig wird (oder kurzgeschlossen ist). Es wird angenommen, dass ein Magnetfeld in der gleichen Richtung auf die TMR-Element-Verbindungsteile 116 und 117 angewandt wird. In diesem Fall weicht eine Ausgangswellenform 123 in Richtung der höheren Spannungsseite ab, verglichen mit der normalen Ausgangswellenform 124. Deshalb kann der Fehler unter Verwendung einer Abweichung von einer vorbestimmten Spannung erfasst werden.
Wenn jedoch zwei Verbindungseinheiten 125 eines TMR-Elements aus den sechzehn, miteinander verbundenen TMR-Elementen wie in 11 gezeigt einen Fehler aufweisen, überlappt eine Ausgangswellenform 126 vollständig mit einer vorbestimmten Spannung 127 und als Resultat kann der Fehler nicht durch Überwachen der Ausgangswellenform erfasst werden. Wenn die gleiche Anzahl von Verbindungseinheiten davon in den Verbindungsteilen in den höheren und niedrigeren Spannungsseiten hinsichtlich des Mittelpunkts der Brücke einen Fehler aufweisen, gibt es auf ähnliche Weise ein Problem, dass der Fehler der TMR-Elemente nicht erfasst werden kann.
Weiterhin kann ein Fehler manchmal nicht durch das Verfahren des Patentdokuments 2 erfasst werden, abhängig davon, wie viele Verbindungseinheiten eines TMR-Elements einen Fehler aufweisen. 12 zeigt als Referenz eine Konfiguration, in der ein Fehler nicht erfasst werden kann.
In 12 ist der Widerstandswert einer Verbindungseinheit eines TMR-Elements zum Beispiel 2 kΩ und eine gemessene Spannung in dem normalen Zustand ist 1,8 V, die gemessene Spannung wird auch 1,8 V, sogar falls sechs Verbindungseinheiten davon und zwei Verbindungseinheiten davon einen Fehler aufweisen (einen Kurzschluss) in der höheren Spannungsseite bzw. der niedrigeren Spannungsseite hinsichtlich der Mittelpunktspannung; deshalb kann der Fehler manchmal nicht erfasst werden.
In der Vorrichtung des Patentdokuments 3 kann ein Fehler aller Widerstandswerte der Brücke erfasst werden; jedoch werden Schalter für jede Seite der Brücke benötigt. Wenn zum Beispiel eine Vielzahl von Wheatstone-Brücken bereitgestellt werden, wird die Schaltung kompliziert, wodurch eine Produktion und Steuerung der Vorrichtung sehr schwierig wird.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und eine magnetische Erfassungsvorrichtung bereitzustellen, in der ein Fehler, bei dem ein TMR-Elementwiderstand niedrig wird (bis zum Kurzschluss) oder hoch wird (bis zur Trennung), mit Sicherheit durch eine einfachere Konfiguration erfasst werden kann.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf solche eine Weise eingerichtet, dass ein erstes Element und ein zweites Element, die ein magnetoresistives Element sind, dessen Widerstandswert sich ansprechend auf ein externes Magnetfeld ändert, in Reihe miteinander verbunden sind, um eine Brückenschaltung zu bilden, ein Ende der Brückenschaltung mit einer Stromversorgung verbunden ist, das andere Ende der Brückenschaltung geerdet ist, ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element mit einem Verstärkungsmittel verbunden ist, wenigstens ein Schaltmittel in Reihe mit der Brückenschaltung verbunden ist und ein Ende des Ausgangs des Verstärkungsmittels mit einem Fehlererfassungsmittel verbunden ist.
EFFEKT DER ERFNDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine magnetische Erfassungsvorrichtung erhalten werden, die mit Sicherheit einen Fehler von magnetoresistiven Elementen durch eine einfachere Konfiguration mit einer kleinen Anzahl von Schaltern oder ohne jeglichen Schalter erfassen kann.
Die vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Erläuterung und Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Abbildungen in den folgenden Ausführungsformen klarer werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm einer magnetischen Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm einer magnetischen Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm einer magnetischen Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm einer magnetischen Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm einer magnetischen Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Wellenformdiagramm zum Erläutern eines Betriebs der magnetischen Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines konventionellen magnetoresistiven Elements zeigt;
8 ist ein Wellenformdiagramm zum Erläutern der Betriebs-Charakteristiken des konventionellen magnetoresistiven Elements;
9 ist eine schematische Abbildung, die die Konfiguration und den Betrieb einer konventionellen magnetischen Erfassungsvorrichtung zeigt;
10 ist eine schematische Abbildung, die den Betrieb der konventionellen magnetischen Erfassungsvorrichtung bei einem Fehler zeigt,
11 ist eine andere schematische Abbildung, die den Betrieb der konventionellen magnetischen Erfassungsvorrichtung bei einem Fehler zeigt; und
12 ist noch eine andere schematische Abbildung, die den Betrieb der konventionellen magnetischen Erfassungsvorrichtung bei einem Fehler zeigt.
ARTEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachstehend werden die Ausführungsformen der magnetischen Erfassungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
Zusätzlich stellen die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder entsprechend Teile in jeder Abbildung dar.
Ausführungsform 1
1 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm, das eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 1 stellt das Bezugszeichen 2 eine Verbindungseinheit eines TMR-Elements dar; TMR-Element-Verbindungsteil 3 und 4 enthalten jeweils acht Verbindungseinheiten davon, die als ein Satz verbunden sind und eine Brücke bilden. Ein Ende des TMR-Element-Verbindungsteils 3 ist mit einer Stromversorgung 5 über einen Schalter 1 verbunden. Weiterhin ist ein Ende des TMR-Element-Verbindungsteils 4 geerdet. Der Mittelpunkt 6 der Brücke, die aus den TMR-Element-Verbindungsteilen 3 und 4 gebildet ist, ist mit einem Widerstand 7 verbunden. Der Widerstand 7 und ein Widerstand 8 sind Widerstände, die zum Bestimmen des Verstärkungsfaktors eines Operationsverstärkers 9 (nachstehend auch als ein Verstärker bezeichnet) dienen. Die positive Seite des Operationsverstärkers 9 ist mit einer Referenzstromversorgung 10 verbunden. Ein Ende des Ausgangs des Operationsverstärkers 9 ist mit einem Fehlerdetektor 12 verbunden.
Wenn der Schalter 1 mit dem stromversorgungsseitigen Kontakt 1a verbunden ist, weist diese magnetische Erfassungsvorrichtung die gleiche Schaltkonfiguration wie diejenige in der oben beschriebenen 9 auf; wie in der konventionellen Technologie beschrieben, nimmt eine Wellenform an dem Ausgangsanschluss 11 die Form einer Cosinuswelle ansprechend auf die Bewegung eines Magnetteils 14 auf, die die gleiche wie die Ausgangswellenform in 9 ist; deshalb kann die Bewegung des Magnetteils 14, das ein zu erfassendes Objekt ist, erfasst werden.
Um einen Fehler der TMR-Elemente zu erfassen, ist der Schalter 1 mit dem erdungsseitigen Kontakt 1b hier verbunden. Zurzeit wird angenommen, dass ein Magnetfeld in der gleichen Richtung an den TMR-Element-Verbindungsteilen 3 und 4 angelegt wird. Dies ist so, weil die TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 näherungsweise den gleichen Widerstandswert aufweisen. Da die positiven und negativen Elektroden des Operationsverstärkers 9 miteinander imaginär kurzgeschlossen sind, wird die Spannung der Referenzstromversorgung 10 an der positiven Elektrode an die Reihenschaltung des Widerstands 7 und des kombinierten Widerstands der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 angelegt. Ein Strom, der durch die Reihenschaltung des Widerstands 7 und des kombinierten Widerstands der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 fließt, wird in eine Spannung durch den Widerstand 8 umgewandelt und die resultierende Spannung wird an den Ausgangsanschluss 11 ausgegeben. Dies ist eine Strom-Spannungs-Wandlungsschaltung zur allgemeinen Verwendung. Unter der Annahme, dass der Widerstandswert des Widerstands 7 und derjenige des Widerstands 8 jeweils auf einen beliebigen Wert eingestellt sind, ändert sich eine Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 abhängig von dem Widerstandswert des TMR-Element-Verbindungsteils 3 oder demjenigen des TMR-Element-Verbindungsteils 4; deshalb kann der Fehler durch Messen dieser Spannung durch den Fehlerdetektor 12 erfasst werden.
Die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 wird unter Verwendung spezifischer numerischer Werte berechnet.
Wenn der Widerstandswert der Verbindungseinheit 12 eines TMR-Elements 2 kΩ ist, die Anzahl der Verbindungseinheiten davon, die in jeder der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 enthalten sind, Acht ist, der Widerstandswert des Widerstands 7 1 kΩ ist, der Widerstandswert des Widerstands 8 10 kΩ ist und die Spannung der Referenzspannungsversorgung 10 1 V ist, wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 2,11 V.
Falls eine der Verbindungseinheiten eines TMR-Elements hier in einem der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 einen Fehler aufweist, wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 2,25 V. Da die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 sich auf diese Weise ändert, wenn ein Fehler auftritt, kann der Fehler der TMR-Elemente erfasst werden durch Erfassen einer Änderung der Spannung an dem Ausgangsanschluss 11.
Wie oben beschrieben, ist die magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung mit einem Schalter ausgestattet und der durch die magnetoresistiven Elemente fließende Stromwert wird in einen Spannungswert unter Verwendung eines Verstärkers umgewandelt; sogar falls die gleiche Anzahl von Verbindungseinheiten in jedem der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 einen Fehler aufweist, kann deshalb der Fehler erfasst werden.
Ausführungsform 2
2 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm, das eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der Figur stellen die Bezugszeichen 13a und 13b jeweils einen Schalter dar. Die weitere Konfiguration ausgenommen der Schalter 1 der Ausführungsform 1 in 1 ist die gleiche wie diejenige in 1.
Wenn die Schalter 13a und 13b in dem AN-Zustand sind, weist diese magnetische Erfassungsvorrichtung die gleiche Schaltkonfiguration wie diejenige in 9 auf; wie in der konventionellen Technologie beschrieben, nimmt die Wellenform an dem Ausgangsanschluss 11 die Form einer Cosinuswelle ansprechend auf die Bewegung des Magnetteils an, die die gleiche wie die Ausgangswellenform in 9 ist; deshalb kann die Bewegung des Magnetteils, das ein zu erfassendes Objekt ist, erfasst werden.
Um einen Fehler der TMR-Elemente zu erfassen, wird der Schalter 13a hier ausgeschaltet. In diesem Moment wird angenommen, dass ein Magnetfeld in der gleichen Richtung auf die TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 angewandt wird. Da die positiven und negativen Elektroden des Operationsverstärkers 9 miteinander imaginär kurzgeschlossen sind, wird die Spannung der Referenzstromversorgung 10 an der positiven Elektrode an die Reihenschaltung des Widerstands 7 und des TMR-Element-Verbindungsteils 4 angelegt.
Ein durch die Reihenschaltung des Widerstands 7 und des TMR-Element-Verbindungsteils 4 fließender Strom wird in eine Spannung durch den Widerstand 8 umgewandelt und die resultierende Spannung wird an den Ausgangsanschluss 11 ausgegeben.
Als Nächstes wird der Schalter 13a angeschaltet und der Schalter 13b wird ausgeschaltet. Da die positiven und negativen Elektroden des Operationsverstärkers 9 miteinander imaginär kurzgeschlossen sind, wird die Differenz zwischen der Spannung der Stromversorgung 5 und derjenigen der Referenzstromversorgung 10 an der Reihenschaltung des TMR-Element-Verbindungsteils 3 und des Widerstands 7 angelegt. Ein Strom, der durch die Reihenschaltung des Widerstands 7 und des TMR-Element-Verbindungsteils 3 fließt, wird in eine Spannung von dem Widerstand 8 umgewandelt und die resultierende Spannung an den Ausgangsanschluss 11 ausgegeben. Unter der Annahme, dass der Widerstandswert des Widerstands 7 und derjenige des Widerstands 8 auf einen beliebigen Wert eingestellt sind, ändert sich die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 abhängig von dem Widerstandswert des TMR-Element-Verbindungsteils 3 oder demjenigen des TMR-Element-Verbindungsteils 4, deshalb wird eine Fehlererfassung möglich.
Die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 wird berechnet unter Verwendung spezifischer numerischer Werte. Wenn der Widerstandswert der Verbindungseinheit 2 eines TMR-Elements 2 kΩ ist, die Anzahl von Verbindungseinheiten davon, die in jedem der TMR-Element-Verbindungsteilen 3 und 4 enthalten sind, Acht ist, der Widerstandswert des Widerstands 7 1 kΩ ist, der Widerstandswert des Widerstands 8 10 kΩ ist, die Spannung der Referenzstromversorgung 10 1 V ist und die Spannung der Spannungsversorgung 5 2 V ist. Wenn der Schalter 13a ausgeschaltet wird (während der Schalter 13b angeschaltet ist), wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 1,59 V.
Wenn der Schalter 13b ausgeschaltet ist (während der Schalter 13a angeschaltet ist), wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 0,41 V. Falls eine der Verbindungseinheiten eines TMR-Elements in jedem der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 einen Fehler aufweist, wenn der Schalter 13a ausgeschaltet ist, wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 1,67 V, im Gegensatz zu 0,33 V, wenn der Schalter 13b ausgeschaltet ist.
Da die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 sich auf diese Weise ändert, wenn ein Fehler auftritt, kann der Fehler erfasst werden durch Messen dieser Spannungsänderung von dem Fehlerdetektor 12.
Wie oben beschrieben, ist die magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung mit zwei Schaltern ausgestattet und der Stromwert, der durch die magnetoresistiven Elemente fließt, wird in eine Spannung unter Verwendung eines Verstärkers umgewandelt, wodurch, sogar falls die gleiche Anzahl von Verbindungseinheitsfehlern in jedem der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 einen Fehler aufweist, der Fehler erfasst werden kann.
Ausführungsform 3
3 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm, das eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung werden magnetoresistive Elemente in Form einer sogenannten Wheatstone-Brücke konfiguriert und die Konfiguration ist fast die gleiche wie diejenige der Ausführungsform 1, abgesehen davon, dass ein Schalter 14 zusätzlich bereitgestellt wird. Wenn der Schalter 1 mit dem stromversorgungsseitigen Kontakt 1a verbunden ist und der Schalter 14 mit der Kontakt 14a Seite in 3 verbunden ist, nimmt die Wellenform an dem Ausgangsanschluss 11, wie in der konventionellen Technologie erläutert, die Form einer Cosinuswelle ansprechend auf die Bewegung des Magnetteils an, die die gleiche wie die Ausgangswellenform in 9 ist; deshalb kann die Bewegung des Magnetteils 113, das ein zu erfassendes Objekt ist, erfasst werden. Zusätzlich sind die magnetoresistiven Elemente in Form der Wheatstone-Brücke in Ausführungsform 3 eingerichtet, eine Änderung einer Spannung an einem Verbindungspunkt zwischen den TMR-Element-Verbindungsteilen 3a und 4a ist um 180° von derjenigen an einem Verbindungspunkt zwischen den TMR-Element-Verbindungsteilen 3b und 4b phasenverschoben; deshalb kann eine Ausgangsspannung, die doppelt so hoch wie diejenige in Ausführungsform 1 ist, an dem Ausgangsanschluss 11 erhalten werden.
Um einen Fehler der TMR-Elemente zu erfassen, ist der Schalter 1 mit dem erdungsseitigen Kontakt 1b verbunden und der Schalter 14 ist mit 14b verbunden. In diesem Moment wird angenommen, dass ein Magnetfeld in der gleichen Richtung auf die TMR-Element-Verbindungsteile 3a, 3b, 4a und 4b angelegt wird. Dies ist so, weil die TMR-Element-Verbindungsteile 3a, 3b, 4a und 4b näherungsweise den gleichen Widerstandswert aufweisen. Da die positiven und negativen Elektroden des Operationsverstärkers 9 miteinander imaginär kurzgeschlossen sind, wird die Spannung der Referenzstromversorgung 10 an der positiven Elektrode an eine Reihenschaltung angelegt, die aus einem Widerstand 7a und dem kombinierten Widerstand der TMR-Element-Verbindungsteile 3a, 3b, 4a und 4b angelegt.
Ein Strom, der durch die Reihenschaltung des Widerstands 7a und den kombinierten Widerstand der TMR-Element-Verbindungsteile 3a, 3b, 4a und 4b fließt, wird in eine Spannung von einem Widerstand 8a umgewandelt und die resultierende Spannung wird an den Ausgangsanschluss 11 ausgegeben.
Unter der Annahme, dass der Widerstandswert des Widerstands 7a und derjenige des Widerstands 8a jeweils auf einen beliebigen Wert eingestellt sind, ändert sich die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 abhängig von den Widerstandswerten der TMR-Element-Verbindungsteile 3a, 3b, 4a und 4b, wodurch eine Erfassung des Fehlers ermöglicht wird.
Die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 wird unter Verwendung spezifischer numerischer Werte berechnet. Der Schalter 1 ist mit dem erdungsseitigen Kontakt 1b verbunden; der Schalter 14 ist mit 14b verbunden. Wenn der Widerstandswert der Verbindungseinheit 2 eines TMR-Elements 2 kΩ ist, die Anzahl dessen Verbindungseinheiten, die in jedem der TMR-Element-Verbindungsteile 3a, 3b, 4a und 4b enthalten ist, Acht ist, der Widerstandswert des Widerstands 7a 1 kΩ ist, der Widerstandswert des Widerstands 8a 10 kΩ ist und die Spannung der Referenzstromversorgung 10 1 V ist, wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 3 V. Falls eine der Verbindungseinheiten eines TMR-Elements in jedem der TMR-Element-Verbindungsteile 3a und 3b einen Fehler aufweist, wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 3,11 V.
Da die Spannung an dem Ausgangsanschluss 11 sich auf diese Weise ändert, falls ein Fehler auftritt, kann der Fehler durch Messen dieser Spannungsänderung von dem Fehlerdetektor 12 erfasst werden.
Wie oben beschrieben, ist eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung mit zwei Schaltern ausgestattet und der durch die magnetoresistiven Elemente fließende Stromwert wird in einen Spannungswert unter Verwendung eines Verstärkers umgewandelt; sogar falls die gleiche Anzahl von Verbindungseinheiten in jedem der TMR-Element-Verbindungsteile 3a und 3b einen Fehler aufweist, kann deshalb der Fehler erfasst werden.
Ausführungsform 4
4 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm, das eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 4 stellt das Bezugszeichen 2 eine Verbindungseinheit eines TMR-Elements dar; die TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 enthalten jeweils als einen Satz acht Verbindungseinheiten, die eine Brücke bilden. Das Bezugszeichen 19 stellt einen Puffer dar. Die Widerstände 8 und 8 sind Widerstände, die den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 bestimmen. Die Referenzstromversorgung 10 dient als eine Referenzspannung an dem Ausgangsanschluss 11 des Operationsverstärkers 9. Weiterhin bilden ein Widerstand 15, ein Operationsverstärker 16 und eine Stromversorgung 17 eine Strom-Spannungs-Wandlungsschaltung. Das Bezugszeichen 12 stellt einen Fehlerdetektor dar.
In der Strom-Spannungs-Wandlungsschaltung, die aus dem Widerstand 15, dem Operationsverstärker 16 und der Stromversorgung 17 gebildet werden, da die positive Seite und die negative Seite des Operationsverstärkers 16 miteinander imaginär kurzgeschlossen sind, wird die Spannung der Stromversorgung 17 an ein Ende des TMR-Element-Verbindungsteils 3 angelegt. Wie in der konventionellen Technologie erläutert, nimmt deshalb die Wellenform an dem Ausgangsanschluss 11 die Form einer Cosinuswelle ansprechend auf die Bewegung des magnetischen Teils an, die die gleiche ist wie die Ausgangswellenform in 9, so dass die Bewegung des magnetischen Teils, das ein zu erfassendes Objekt ist, erfasst werden kann.
Um einen Fehler von TMR-Elementen zu erfassen, wird angenommen, dass ein Magnetfeld in der gleichen Richtung an den TMR-Element-Verbindungsteilen 3 und 4 angelegt wird. Dies ist so, weil die TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 näherungsweise den gleichen Widerstandswert aufweisen. Da der Puffer 19 bereitgestellt wird, leckt ein Strom, der durch die TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 fließt, nicht auf die Puffer-19-Seite. Deshalb wird der Strom, der durch die Reihenwiderstandsschaltung fließt, die aus den TMR-Element-Verbindungsteilen 3 und 4 zusammengesetzt wird, an die die Spannung der Stromversorgung 17 angelegt wird, in eine Spannung von dem Widerstand 15 umgewandelt und die resultierende Spannung wird an den Ausgangsanschluss 18 ausgegeben.
Unter der Annahme, dass der Widerstandswert des Widerstands 15 auf einen beliebigen Wert eingestellt ist, ändert sich die Spannung an dem Ausgangsanschluss 18 abhängig von dem Widerstandswert des TMR-Element-Verbindungsteils 3 oder derjenigen des TMR-Element-Verbindungsteils 4; deshalb kann der Fehler erfasst werden durch Messen dieser Spannungsänderung von dem Fehlerdetektor 12.
Ein Schalter oder mehrere Schalter werden in den Ausführungsformen 1 bis 3 verwendet; wenn jedoch die Schaltung zum Beispiel auf einer bipolaren IC ausgebildet ist, ist es manchmal schwierig, dass Schaltschaltungen darauf ausgebildet werden. Die Konfiguration der Ausführungsform 4 ist effektiv, wenn ein Ausbilden solcher Schalter schwierig ist.
Wie oben beschrieben, verwendet eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung einen Verstärker und der durch die magnetoresistiven Elemente fließende Stromwert wird dadurch in eine Spannung umgewandelt, sogar falls die gleiche Anzahl von Verbindungseinheiten in jedem der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 einen Fehler aufweist, kann der Fehler deshalb erfasst werden.
Ausführungsform 5
5 ist ein Schaltkonfigurationsdiagramm, das eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 5 stellt das Bezugszeichen 2 eine Verbindungseinheit eines TMR-Elements dar; die TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 enthalten jeweils einen Satz von acht Verbindungseinheiten. Eine Strom-Spannungs-Wandlungsschaltung wird aus einem Widerstand 20, einem Operationsverstärker 21 und einer Referenzstromversorgung 22 gebildet, während eine andere Strom-Spannung-Schaltung ähnlich aus einem Widerstand 23, einem Operationsverstärker 24 und einer Referenzstromversorgung 25 gebildet wird. Widerstände 7a, 7b, 8a und 8b, der Operationsverstärker 9 und die Referenzstromversorgung 10 bilden einen Differentialverstärker. Das Bezugszeichen 12 stellt einen Fehlerdetektor dar, der mit Ausgängen 26 und 27 verbunden ist, die Ausgänge der Operationsverstärker 21 bzw. 24 sind.
6 ist eine Abbildung zum Erläutern eines Betriebs der Ausführungsform 5. Ein Ende des TMR-Element-Verbindungsteils 3 ist mit der negativen Seite des Operationsverstärkers 21 verbunden, der eine der Strom-Spannungs-Wandlungsschaltungen bildet. Da die positive Seite und die negative Seite des Operationsverstärkers 21 miteinander imaginär kurzgeschlossen sind, wird die Spannung der Referenzstromversorgung 22 an dem TMR-Element-Verbindungsteil 3 angelegt. Das TMR-Element-Verbindungsteil 4 ist auch ähnlich konfiguriert, so dass die Spannung der Referenzstromversorgung 25 an dem TMR-Element-Verbindungsteil 4 angelegt wird. Wenn das Magnetteil 114, das vor den TMR-Element-Verbindungsteilen 3 und 4 angeordnet ist, sich in die linke Richtung auf diesem Papier bewegt, ändert sich die Richtung 31 eines externen Magnetfelds abhängig von der Position, wie in der Figur gezeigt; deshalb ändert sich die Leitfähigkeit G jedes TMR-Element-Verbindungsteils 3 und 4, wie in der konventionellen Technologie erläutert.
Wenn die Spannung der Referenzstromversorgungen 22 und 23 VA ist, sind die durch die TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 fließenden Ströme aus der oben beschriebenen Gleichung (1) wie folgt gegeben: (G0 + G1cosθ)VA, (3) (G0 + G1cos(θ + π))VA (4)
Wellenformen an den Ausgängen 26 und 27 der jeweiligen Operationsverstärker 21 und 24, die die Strom-Spannungs-Wandlungsschaltungen bilden, nehmen die Form einer Cosinuswelle an, wie durch die Wellenformen 33 und 34 in 6 gezeigt.
Die Ausgänge 26 und 27 der Operationsverstärker 21 bzw. 24 werden in den Operationsverstärker 9 eingegeben, der den Differentialverstärker bildet. Die Eingangswellenformen werden durch den Differentialverstärker 9 verstärkt, so dass die Wellenform an dem Ausgangsanschluss 11 die Form einer Cosinuswelle annimmt, dargestellt als Bezugszeichen 35 in 6. Deshalb kann die Bewegung des magnetischen Teils, das ein zu erfassendes Objekt ist, erfasst werden.
Um einen Fehler der TMR-Elemente zu erfassen, wird angenommen, dass ein Magnetfeld in der gleichen Richtung 32 an die magnetisierungsfesten Schichten aller TMR-Elemente der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 angelegt wird. Dies ist so, weil die TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 einen vorbestimmten Widerstandswert aufweisen. Ein Ende des TMR-Element-Verbindungsteils 3 und dasjenige des TMR-Element-Verbindungsteils 4 sind mit dem Operationsverstärker 21 bzw. dem Operationsverstärker 24 verbunden, die die Strom-Spannungs-Wandlungsschaltungen bilden. Unter der Annahme, dass der Widerstandswert jedes Widerstands 20 und 23 auf einen beliebigen Wert eingestellt ist, ändert sich die Spannung an dem Ausgang 26 oder 27 abhängig jeweils von dem Widerstandswert des TMR-Element-Verbindungsteils 3 oder 4; deshalb kann der Fehler durch Messen dieser Spannungsänderung von dem Fehlerdetektor 12 erfasst werden.
Wenn wie in Ausführungsform 4 beschrieben, die Schaltung zum Beispiel auf einem bipolaren IC ausgebildet ist, ist das Ausbilden von Schaltschaltungen manchmal schwierig; die Konfiguration der Ausführungsform 5 ist jedoch effektiv, wenn ein Ausbilden solcher Schalter schwierig ist.
Wie oben beschrieben, verwendet eine magnetische Erfassungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung Verstärker und die durch magnetoresistive Elemente fließenden Stromwerte werden in ihre jeweiligen Spannung umgewandelt; sogar falls die gleiche Anzahl von Verbindungseinheiten in jedem der TMR-Element-Verbindungsteile 3 und 4 einen Fehler aufweist, kann der Fehler deshalb erfasst werden.
Zusätzlich wurden in den oben beschriebenen Ausführungsform Erläuterungen gemacht unter Verwendung Tunnel-magnetoresistiven Elementen als magnetoresistive Elemente; die Erfindung kann jedoch auf gleiche Weise unter Verwendung von Riesen-magnetoresistiven Elementen ausgeführt werden.
Weiterhin können die Ausführungsformen dieser Erfindung geeignet modifiziert oder gelöscht werden innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Erfassungsvorrichtungen, die magnetoresistive Elemente verwendet und eine Rotation eines zu erfassenden Objekts durch Änderung eines Magnetfelds erfasst, so dass die Vorrichtung bevorzugter Weise verwendet werden kann für einen Rotationssensor, der eine Rotation der Kurbelwelle oder einer Welle eines Fahrzeugmotors erfasst.
BESCHREIBUNG DER BEZUGSZEICHEN

1: Schalter, 2: Verbindungseinheit eines TMR-Elements, 3, 4: TMR-Element-Verbindungsteil, 5: Stromversorgung, 6: Mittelpunkt einer Brücke, 7, 8: Widerstand, 9: Operationsverstärker (Verstärker), 10: Referenzstromversorgung, 11: Ausgangsanschluss, 12: Fehlerdetektor, 13a, 13b, 14: Schalter, 15: Widerstand, 16: Operationsverstärker, 17: Stromversorgung, 18: Ausgangsanschluss, 19: Puffer, 20: Widerstand, 21: Operationsverstärker, 22: Referenzstromversorgung, 23: Widerstand, 24: Operationsverstärker, 25: Referenzstromversorgung.

Claims

Magnetische Erfassungsvorrichtung, wobei ein erstes Element und ein zweites Element, die ein magnetoresistives Element sind, dessen Widerstandswert sich ansprechend auf ein externes Magnetfeld ändert, in Reihe miteinander verbunden sind, um eine Brückenschaltung zu bilden; ein Ende der Brückenschaltung mit einer Stromversorgung verbunden ist; das andere Ende der Brückenschaltung geerdet ist; ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element mit einem Verstärkermittel verbunden ist, wenigstens ein Schaltmittel in Reihe mit der Brückenschaltung verbunden ist; und ein Ende des Ausgangs des Verstärkermittels mit einem Fehlererfassungsmittel verbunden ist.
Magnetische Erfassungsvorrichtung, wobei ein erstes Element und ein zweites Element, die ein magnetoresistives Element sind, dessen Widerstandswert sich ansprechend auf ein externes Magnetfeld ändert, in Reihe miteinander verbunden sind, und ein drittes Element und ein viertes Element, die das magnetoresistive Element sind, in Reihe miteinander verbunden sind; das erste Element, das zweite Element, das dritte Element und das vierte Element eine Brückenschaltung bilden; ein Ende der Brückenschaltung mit einer Stromversorgung verbunden ist; das andere Ende der Brückenschaltung geerdet ist, ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element und einem anderen Verbindungspunkt zwischen dem dritten Element und dem vierten Element beide mit einem Verstärkermittel verbunden sind; wenigstens ein Schaltmittel in Reihe mit der Brückenschaltung verbunden ist; wenigstens ein Schaltmittel zwischen der Brückenschaltung und dem Verstärkermittel verbunden ist; und ein Ende der Ausgabe des Verstärkermittels mit einem Fehlererfassungsmittel verbunden ist.
Magnetische Erfassungsvorrichtung, wobei ein erstes Element und ein zweites Element, die ein magnetoresistives Element sind, dessen Widerstandswert sich ansprechend auf ein externes Magnetfeld ändert, in Reihe miteinander verbunden sind, um eine Brückenschaltung zu bilden, ein Ende der Brückenschaltung mit einer Stromversorgung verbunden ist; das andere Ende der Brückenschaltung geerdet ist; ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element mit einem Verstärkermittel verbunden ist; ein Stromerfassungsmittel zwischen der Stromversorgung und der Brückenschaltung verbunden ist; und ein Ende des Ausgangs des Stromerfassungsmittels mit einem Fehlererfassungsmittel verbunden ist.
Magnetische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das magnetoresistive Element enthält eine magnetisierungsfeste Schicht, deren Magnetisierungsrichtung bezüglich des externen Magnetfelds fest ist, eine magnetisierungsfreie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung ansprechend auf das externe Magnetfeld rotiert, und eine nicht-magnetische Zwischenschicht, die zwischen der magnetisierungsfesten Schicht und der magnetisierungsfreien Schicht eingefügt ist.
Magnetische Erfassungsvorrichtung, wobei ein magnetoresistives Element enthält eine magnetisierungsfeste Schicht, deren Magnetisierungsrichtung hinsichtlich eines externen Magnetfelds fest ist, eine magnetisierungsfreie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung ansprechend auf das externe Magnetfeld rotiert, und eine nicht-magnetische Zwischenschicht, die zwischen der magnetisierungsfesten Schicht und der magnetisierungsfreien Schicht eingefügt ist; ein Ende eines ersten Elements, das das magnetoresistive Element ist, mit einer ersten Stromversorgung verbunden ist; das andere Ende des ersten Elements geerdet ist; ein Ende eines zweiten Elements, das das magnetoresistive Element ist, mit einer zweiten Stromversorgung verbunden ist; das andere Ende des zweiten Elements geerdet ist; Stromerfassungsmittel verbunden sind zwischen erstem Element und der ersten Stromversorgung und zwischen dem zweiten Element und der zweiten Stromversorgung; der Ausgang jedes Stromerfassungsmittels mit einem Verstärkermittel verbunden ist; und ein Ende der Ausgabe jedes Stromerfassungsmittels mit einem Fehlererfassungsmittel verbunden ist.
Magnetische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Verstärkermittel ein Differentialverstärkermittel ist.
Magnetische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Anspruch 5 und Anspruch 6, wobei das magnetoresistive Element ein Tunnel-magnetoresistives (TMR) Element ist.