磁式位置檢測裝置製造方法
2023-06-04 18:22:16
磁式位置檢測裝置製造方法
【專利摘要】本發明降低磁式位置檢測裝置的信號失真，得到高精度的準確的位置信息。磁式位置檢測裝置(100)包括磁性移動體(10)、橋接電路(20)、校正電路(30)和檢測電路(40)。磁性移動體(10)以N極和S極交替出現的方式進行磁化，具有N極-S極之間的距離固定的區域。橋接電路(20)由第1、第2、第3、第4磁場檢測部(2R1、2R2、2R3、2R4)構成。校正電路(30)由第5和第6磁場檢測部(2R5、2R6)構成。檢測電路(40)基於橋接電路的差動輸出Vout檢測出磁性移動體(10)的位置。
【專利說明】 磁式位置檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及以磁方式檢測出磁性移動體的移動的磁式位置檢測裝置。
【背景技術】
[0002]作為以磁方式檢測出磁性移動體的移動的裝置，已知的有由磁電轉換元件和磁鐵構成的檢測裝置。此處，所謂磁電轉換元件是指MR(磁阻:Magneto_Resistance)元件等電阻值根據所施加的磁場而改變的元件。隨著磁性移動體的移動，施加於磁電轉換元件的磁場發生變化，因此能以電阻值的變化來檢測出磁性移動體的移動。
[0003]例如，專利文獻I的磁場傳感器揭示了作為磁電轉換元件的自旋閥MR元件。自旋閥MR元件具有由非磁性體薄膜層分隔開的強磁性體第I薄膜層和第2薄膜層。強磁性體第2薄膜層的磁化方向固定(磁化固定層)。作為對磁化進行固定的方法，將反強磁性體薄膜層(釘扎層)與磁化固定層直接接觸。另一方面，強磁性體第I薄膜層的磁化方向根據所施加的磁場而自由變化(磁化自由層)。
[0004]自旋閥MR元件與代表性MR元件即AMR(各向異性磁阻:AnisotropicMagneto-Resistance)元件相比較時,其電阻值的變化(磁阻變化率:MR比)更大，因此,能進行高靈敏度的檢測。自旋閥MR元件中有GMR(巨磁阻:Giant Magneto-Resistance)元件、TMR(隧道磁阻:Tunnelling Magneto-Resistance)元件，尤其TMR元件的MR比較大，近年來受到關注。
[0005]圖20示出了自旋閥MR元件3的電阻值的變化。自旋閥MR元件3的電阻值根據由磁化固定層3b的磁化方向和磁化自由層3a的磁化方向所構成的角度而發生變化。因而，若施加於自旋閥MR元件3的磁場方向發生旋轉，則自旋閥MR元件3的電阻值的變化將成為餘弦波或正弦波。
[0006]接著，圖21是表示現有磁式位置檢測裝置的一個示例的結構圖。對使用圖21所示自旋閥MR元件3的磁式位置檢測裝置的一個示例的動作原理進行說明。磁性移動體10以N極和S極交替出現的方式進行磁化，具有N極-S極之間的距離固定的區域。自旋閥MR元件3配置於與磁性移動體10相距距離d的磁場檢測部2的區域A和區域B。區域A-B之間的距離是磁性移動體10的磁化間距(N極-N極間的距離)λ的1/2。此外，在區域A配置磁場檢測部Ral、Ra2，在區域B配置磁場檢測部Rbl、Rb2。使構成各磁場檢測部Ral、Ra2、RbU Rb2的自旋閥MR元件3的磁化固定層3b的磁化方向全部與磁性移動體10的移動方向相同，如圖22所示，以構成橋接電路20的方式進行連接。
[0007]若施加於自旋閥MR兀件3的磁場方向隨著磁性移動體10的移動(旋轉)而旋轉，則自旋閥MR元件3的電阻值如圖20所示那樣變化，因此，圖22所示該裝置的橋接電路20的差動輸出Vout成為如圖23所示那樣的近似於餘弦波或正弦波的波形。通過假定橋接電路的差動輸出Vout為餘弦波或正弦波，從而計算出磁性移動體10的移動距離s (旋轉角度β )。另外，圖22的標號40是檢測電路，標號41是差動放大電路、標號42是信號處理電路。
現有技術文獻專利文獻
[0008]專利文獻1:日本專利第3017061號公報專利文獻2:國際公開第2009/099054號刊物
【發明內容】
發明所要解決的技術問題
[0009]在上述磁式位置檢測裝置中，為了提高檢測精度，優選為該裝置的橋接電路的差動輸出Vout的振幅較大，且相對於餘弦波或正弦波的失真較小。為了增大橋接電路的差動輸出Vout的振幅，優選使用MR比較大的TMR元件。由於根據自旋閥MR元件3的動作原理，電阻值波形的失真較多依賴於磁化自由層3a的特性，因此，自旋閥MR元件3具有如下優點:通過優化與磁化自由層3a的磁化相關的磁化自由層3a的材料、磁化自由層3a的基底，能得到希望的特性，而TMR元件也具有這一優點。
[0010]另一方面，TMR元件具有特有的問題。TMR元件示出如圖24所示那樣的MR比的電壓依賴性。隨著所施加的電壓增大，TMR元件的MR比減小，因此，若由TMR元件來構成橋接電路20，則MR比會隨著施加於各元件的電壓變化而變化，會呈現為橋接電路的差動輸出Vout的波形失真。
[0011]作為該問題的一個對策，考慮如下方案:將構成橋接電路20的各TMR元件中的多個元件進行連接，從而降低施加於一個元件的電壓。然而，元件連接數量是決定橋接電路20的電阻值的因素，實際上連接數量存在限制。除了該方法的對策之外，還需要其它對策。
[0012]此外，上述磁式位置檢測裝置具有特有的問題。磁性移動體10所產生的磁場的分布對橋接電路的差動輸出Vout的波形帶來影響。圖21所示的該裝置的動作中，將與磁性移動體10相距距離d的點處的磁性移動體10所產生的磁場H的移動方向(圖21的X方向)的強調設為Q，將半徑方向(圖21的y方向)的強調設為P。磁性移動體10移動了距離s時磁性移動體10的磁極和磁場檢測部2的區域A的相位角度Θ、與施加於區域A的磁場的角度α之間存在以下關係。
[式I]
Θ = (s/ λ ).2 π
Hx = Q.sin θ
Hy = P.cos θ
tan α = (Q/P).tan θ
[0013]Q/P = I的情況下，相位角度Θ與施加磁場角度α相一致。因此，該裝置的橋接電路的差動輸出Vout的波形不發生失真。然而，存在Q/P不為I的情況(大致0.5?0.9)，相位角度Θ和施加磁場角度α不一致。圖25示出例如Q/P = 1,0.7和0.5的情況下的相位角度Θ和施加磁場角度α之間的關係。Q/P = 0.7和0.5的情況下，TMR元件的電阻值的波形產生失真，因此，如圖26所示，橋接電路的差動輸出Vout的波形產生失真。
[0014]例如，專利文獻2示出了應對該問題的對策。所公開的旋轉角度檢測裝置對檢測出的旋轉方向、半徑方向的磁場強調進行模數轉換(A-D轉換)，分別得到Vx信號、Vy信號，對Vx信號乘上校正係數k使得Vx、Vy的振幅相同。若採用該裝置，則失真得到抑制，且得到更準確的旋轉角度，但由於A-D轉換器、係數k的運算電路以及乘法器等，電路規模增大。
[0015]如上所述那樣，上述磁式位置檢測裝置中導致橋接電路的差動輸出Vout的波形產生失真的原因有:TMR元件的MR比的電壓依賴性(MR比降低)、以及磁性移動體10所產生的磁場的分布(Q/P〈l)。
[0016]本發明的目的在於提供能降低信號失真、且得到高精度的準確的位置信息的磁式位置檢測裝置。
解決技術問題的技術方案
[0017]本發明的磁式位置檢測裝置包括磁性移動體、橋接電路、校正電路以及檢測電路。磁性移動體以N極和S極交替出現的方式進行磁化，具有N極-S極之間的距離固定的區域。橋接電路由第1、第2、第3、第4磁場檢測部構成。校正電路由第5和第6磁場檢測部構成。檢測電路基於橋接電路的差動輸出Vout檢測出磁性移動體的位置。磁場檢測部由自旋閥MR元件構成，該自旋閥MR元件的電阻值根據與磁性移動體的移動相伴的磁場變化而變化。使第I至第6磁場檢測部的自旋閥MR元件各自的磁化固定層的磁化方向全部與磁性移動體的移動方向相同，將第I及第3磁場檢測部配置在區域A的檢測位置，將第2及第4磁場檢測部配置在區域B的檢測位置，將第5磁場檢測部配置在區域C的檢測位置，將第6磁場檢測部配置在區域D的檢測位置，對於磁性移動體的N極-N極間或S極-S極間的固定距尚λ ,滿足以下關係:
[式2]
A與B檢測位置之間的距離L(A-B)為L(A-B) =L= λ /n A與C檢測位置之間的距離L(A-C)為L(A-C) = L/m = λ / (mn)
C與D檢測位置之間的距離L(C-D)為L(C-D) = λ/2， η為2以上的自然數，m為自然數。
發明效果
[0018]根據本發明所涉及的磁式位置檢測裝置，將構成橋接電路的磁場檢測部配置成能降低磁性移動體所產生的磁場分布導致的橋接電路的差動輸出Vout的波形失真。此外，將構成校正電路的磁場檢測部配置成能降低因自旋閥MR元件的MR比的電壓依賴性導致的橋接電路的差動輸出Vout的波形失真。因而，能得到更高精度的位置信息。
關於本發明的上述以外的目的、特徵、觀點及效果，通過參照附圖的以下本發明的詳細說明可以進一步了解。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是表示本發明的實施方式的磁式位置檢測裝置、且表示磁性移動體的一個配置示例的結構圖。
圖2是表示本發明的實施方式的另一磁式位置檢測裝置、且表示磁性移動體的另一配置示例的結構圖。
圖3是構成本發明的實施方式的磁式位置檢測裝置中的各磁場檢測部的TMR元件的結構圖。
圖4是表示實施方式I的磁式位置檢測裝置中的磁場檢測部的配置位置(檢測位置)的俯視圖。
圖5是表示實施方式I的磁式位置檢測裝置中的磁場檢測部的布線的布線圖。圖6是表示實施方式I的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出的波形圖。
圖7是表示實施方式I的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出波形的失真的波形圖，針對規定磁場檢測部的配置的參數m的每個值，示出了橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號。
圖8是表示實施方式I及其比較方式的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出波形的失真的波形圖。
圖9是表示實施方式I的磁式位置檢測裝置中的校正電路的電阻值與橋接電路的電阻值之比r、與輸出波形失真之間的關係的特性圖。
圖10是表示實施方式2的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出的波形圖，針對規定磁場檢測部的配置的參數η的每個值，示出了橋接電路的差動輸出Vout。
圖11是表示實施方式2的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出波形的失真的波形圖，針對規定磁場檢測部的配置的參數m和η的每個值，示出了橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號。
圖12是表示實施方式2和沒有校正電路的方式的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出波形的失真的波形圖，示出了橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號。
圖13是表示實施方式3的磁式位置檢測裝置中的磁場檢測部的配置位置(檢測位置)的俯視圖。
圖14是表示實施方式3的磁式位置檢測裝置中的磁場檢測部的布線的布線圖。
圖15是表示實施方式3的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出的波形圖，針對規定磁場檢測部的配置的參數nl和π2的每個值，示出了橋接電路的差動輸出Vout0
圖16是表示實施方式3的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出波形的失真的波形圖，針對規定磁場檢測部的配置的參數nl、n2、ml、m2的每個值，示出了橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號。
圖17是表示實施方式3及沒有校正電路的方式的磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出波形的失真的波形圖。
圖18是表示實施方式3的磁式位置檢測裝置中的校正電路的電阻值與橋接電路的電阻值之比r、與輸出波形失真之間的關係的特性圖。
圖19是現有方式、實施方式2、實施方式3以及它們各自的沒有校正電路的方式的磁式位置檢測裝置的特性比較圖。
圖20是表示自旋閥MR元件的電阻值變化的圖。
圖21是表示現有磁式位置檢測裝置的一個示例的結構圖。
圖22是表示現有磁式位置檢測裝置中的構成橋接電路的磁場檢測部的布線的布線圖。
圖23是現有磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出波形圖。
圖24是表示TMR元件中MR比的電壓依賴性的特性圖。
圖25是示出本發明所涉及的磁式位置檢測裝置的、表示磁性移動體產生的磁場分布的參數Q/P、與相位角度Θ及施加磁場角度α之間的關係的相關圖。
圖26是表示現有磁式位置檢測裝置中的磁性移動體的移動造成的輸出的波形圖。
【具體實施方式】
[0020]下面，參照附圖，對本發明的實施方式進行詳細說明。
[0021]圖1是表示本發明的磁式位置檢測裝置100的代表例的結構圖。磁式位置檢測裝置100包括磁性移動體10和磁場傳感器I。磁性移動體10以在表面上交替出現N極和S極的方式進行磁化，具有N極-S極之間為固定距離的區域，磁化間距(N極-N極之間的距離)為λ。此外，磁場傳感器I與磁性移動體10相對且隔開規定距離d來進行配置。通過磁性移動體10的移動，在與磁場傳感器I相對的磁性移動體10的表面上交替出現N極和S極。
[0022]圖2表示本發明的磁式位置檢測裝置100的另一代表例，是表示磁性移動體10的結構及磁場傳感器I相對於磁性移動體10的另一配置示例的結構圖。磁性移動體10具有圓筒磁鐵，以在周面上交替出現N極和S極的方式進行磁化，具有N極-S極之間為固定距離的區域，具有磁化間距(N極-N極之間的距離)為λ的2i個極。(本圖中，i = 5。)
[0023]圖1和圖2的磁性移動體10的移動方式不同，但本質上沒有差異。即，圖1中，磁性移動體10在磁場傳感器I的附近在直線上行移動，圖2中，磁性移動體10圍繞磁性移動體10的中心軸進行旋轉，磁性移動體10的磁極與磁場檢測部2的相位角度0、與磁性移動體10的移動距離s之間如[式I]所示，存在Θ = (s/λ) 的關係。因而，下面，利用圖1的結構進行說明。
[0024]圖3是構成本發明的磁式位置檢測裝置100中的各磁場檢測部2的TMR元件3Τ(自旋閥MR元件)的結構圖。TMR元件3Τ是具有由絕緣體薄膜層3i (非磁性層)分隔開的強磁性體第I薄膜層3a和第2薄膜層3b的隧道磁阻元件。強磁性體第2薄膜層3b的磁化方向固定(磁化固定層)。作為對磁化進行固定的方法，將反強磁性體薄膜層3d(釘扎層)與磁化固定層3b直接接觸。另一方面，強磁性體第I薄膜層3a的磁化方向根據所施加的磁場而自由變化(磁化自由層)。TMR元件3T的電阻值根據由磁化固定層3b的磁化方向和磁化自由層3a的磁化方向所構成的角度來發生變化。本發明的磁化固定層3b的磁化方向全部與磁性移動體10的移動方向相同。
[0025]實施方式1.圖4示出實施方式I的磁式位置檢測裝置100中的磁場檢測部2的配置位置(檢測位置)。作為檢測位置，設有區域A、區域B、區域C、區域D這4個區域。區域A和區域B隔開距離L進行配置，區域C配置在區域A和區域B之間且與區域A隔開距離L/m(m為自然數)進行配置，區域D在從區域C到區域B的方向上、與區域C隔開距離λ/2來進行配置。此時，距離L與距離λ之間的關係由下式表示。
[式3]
L= λ /n 因此，
A與B檢測位置之間的距離L(A-B)為L(A-B) =L= λ /n A與C檢測位置之間的距離L (A-C)為L (A-C) = L/m = λ / (mn) η為2以上的自然數、m為自然數
而且，對區域A配置第I和第3磁場檢測部2R1、2R3，對區域B配置第2和第4磁場檢測部2R2、2R4，對區域C配置第5磁場檢測部2R5，對區域D配置第6磁場檢測部2R6。
[0026]圖5示出實施方式I的磁式位置檢測裝置100中的磁場檢測部2的布線。在電源Vcc與接地GND之間，串聯連接有橋接電路20和校正電路30。在橋接電路20中，第I和第2磁場檢測部2R1、2R2串聯連接，第3和第4磁場檢測部2R3、2R4串聯連接，並將2個串聯迴路並聯連接。在校正電路30中，將第5和第6磁場檢測部2R5、2R6並聯連接。本裝置還包括檢測電路40，該檢測電路40基於將橋接電路20的中點電位之差導入到差動放大電路41而得到的差動放大電路41的輸出Vout，檢測出磁性移動體10的位置，橋接電路20的中點電位之差是指第I和第2磁場檢測部2R1、2R2的中點電位V1、與第3和第4磁場檢測部2R3、2R4的中點電位V2之差。
[0027]實施方式I的磁式位置檢測裝置100中的磁性移動體10所產生的磁場分布為Q/P?I。(換言之，對Q/P ^ I的情形進行分析。)在該情況下，磁性移動體10所產生的磁場分布造成的橋接電路的差動輸出Vout的波形失真極小，[式3]中，η = 2較為適當(即，η = 2表示在2個部位配置元件，彼此之間成為反向相位(180°配置)，因此Vout的振幅成為最大)。在該情況下，TMR元件3Τ的MR比的電壓依賴性呈現為輸出波形的失真。圖6示出伴隨實施方式I的磁性移動體10的移動造成的橋接電路的差動輸出Vout的代表例。[式3]中，m=2。此外,在圖中還示出「餘弦波」,該餘弦波對直流分量、振幅、頻率和相位進行調整使其與橋接電路的差動輸出Vout的差分最小。
[0028]圖7中，對[式3]的m的每個值，例示了橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號AVout。可知，m = 2的差分信號AVout的振幅最小，失真得到抑制，接近「餘弦波」。即，對於構成校正電路30的磁場檢測部2的檢測位置，優選將區域C配置在區域A與區域B之間且與區域A隔開距離L/2來進行配置。
[0029][實施方式I的比較方式]
為了示出實施方式I的效果，對實施方式I的比較方式進行說明。
[0030]實施方式I是清楚地示出校正電路30的效果的方式。因此，將比較方式的磁式位置檢測裝置100設為從實施方式I中去除校正電路30的結構。是從圖4去除區域C和區域D、從圖5去除第5和第6磁場檢測部2R5、2R6的現有方式。另外，比較中，實施方式I的m和η分別為m = 2、η = 2,比較方式的η為η = 2。
[0031]圖8示出實施方式I及其比較方式的橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號AVout。實施方式I的差分信號AVout的振幅小於比較方式的差分信號AVout的振幅，可知由校正電路30消除了相對於「餘弦波」的失真。
[0032]其結果是，由於TMR元件3T的MR比的電壓依賴性，橋接電路20的合成電阻並非固定且具有相位，但校正電路30的合成電阻的相位為反向相位，抵消橋接電路20的合成電阻的相位。
[0033]而且，橋接電路20的合成電阻的波形振幅與校正電路30的合成電阻的波形振幅大致相同，但為了降低輸出波形失真是必要的。對於構成橋接電路20的4個磁場檢測部2R1、2R2、2R3、2R4，當構成磁場檢測部2的TMR元件3T的磁化固定層3b的磁化方向和磁化自由層3a的磁化方向所構成的角相同的情況下，構成為第I和第2磁場檢測部2R1、2R2的電阻值相同，第3和第4磁場檢測部2R3、2R4的電阻值相同。而且，優選將這4個磁場檢測部2R1、2R2、2R3、2R4各自的電阻值構成為相同。對於構成校正電路30的2個磁場檢測部2R5、2R6，當構成磁場檢測部2的TMR元件3T的磁化固定層3b的磁化方向和磁化自由層3a的磁化方向所構成的角相同的情況下，優選構成為各自的電阻值相同。構成第I?第4磁場檢測部的磁阻元件使用上述中間層為絕緣體的隧道磁阻元件，優選對於構成第5和第6磁場檢測部的磁阻元件也使用上述中間層為絕緣體的隧道磁阻元件。而且，對構成上述第5和第6磁場檢測部的磁阻元件使用上述中間層為非磁性金屬體的巨磁阻元件即可。圖9示出構成校正電路30的一個磁場檢測部2的電阻值與構成橋接電路20的一個磁場檢測部2的電阻值之比r (此處，第I磁場檢測部2R1和第5磁場檢測部2R5的電阻值之比)=R5/R1、以及橋接電路的差動輸出Vout的波形失真(與「餘弦波」的差分信號的振幅)之間的關係。r = O是沒有校正電路30的方式、即現有方式(比較方式)。將該方式的橋接電路的差動輸出Vout的波形失真設為1，將實施方式I的輸出波形的失真進行標準化來進行表示。對於0<r<l、即、0< (R5/R1)彡I範圍的r，校正電路30的效果得到確認，實施方式I中，r = 0.3?0.5時效果最佳。
[0034][磁性移動體10產生的磁場分布為Q/P^ I時的特性比較]
圖9示出本發明的磁式位置檢測裝置100相對於現有磁式位置檢測裝置的效果。可知，實施方式I具有降低輸出波形失真的效果。因而，根據本發明，提供磁式位置檢測裝置100，其能有效降低TMR元件3T的MR比的電壓依賴性造成的輸出波形失真，得到高精度的準確的位置信息。
[0035]實施方式2.實施方式2的磁式位置檢測裝置100中的檢測位置的數量及各檢測位置處的磁場檢測部2的配置與實施方式I相同。作為檢測位置，設有區域A、區域B、區域C、區域D這4個區域。區域A和區域B隔開距離L進行配置，區域C配置在區域A和區域B之間且與區域A隔開距離L/m(m為自然數)進行配置，區域D在從區域C到區域B的方向上、與區域C隔開距離λ/2來進行配置。此時，距離L與距離λ之間的關係如[式3]所示，為L= λ/η(η為2以上的自然數)。而且，對區域A配置第I和第3磁場檢測部2R1、2R3，對區域B配置第2和第4磁場檢測部2R2、2R4，對區域C配置第5磁場檢測部2R5，對區域D配置第6磁場檢測部2R6。
[0036]實施方式2的磁式位置檢測裝置100中的磁場檢測部2的布線與實施方式I相同。在電源Vcc與接地GND之間，串聯連接有橋接電路20和校正電路30。在橋接電路20中，第I和第2磁場檢測部2R1、2R2串聯連接，第3和第4磁場檢測部2R3、2R4串聯連接，並將2個串聯迴路並聯連接。在校正電路30中，將第5和第6磁場檢測部2R5、2R6並聯連接。本裝置還包括檢測電路40，該檢測電路40基於橋接電路20的中點電位之差檢測出磁性移動體10的位置，所述橋接電路20的中點電位之差是指第I和第2磁場檢測部2R1、2R2的中點電位V1、以及第3和第4磁場檢測部2R3、2R4的中點電位V2之差Vout。
[0037]實施方式2的磁式位置檢測裝置100中的磁性移動體10所產生的磁場分布為Q/P = 0.7。(換言之，對Q/P = 0.7的情形進行分析。)在該情況下，磁性移動體10產生的磁場分布、以及TMR元件3T的MR比的電壓依賴性呈現為橋接電路的差動輸出Vout的波形失真。為了應對磁性移動體10產生的磁場分布造成的輸出波形失真,實施方式2相對於實施方式I改變檢測位置。圖10對[式3]的η的每個值，例示了伴隨實施方式2的磁性移動體10的移動造成的橋接電路的差動輸出Vout。此處，m = 2。此外,在圖中還示出「餘弦波」，該餘弦波對直流分量、振幅、頻率和相位進行調整使其與橋接電路的差動輸出Vout的差分最小。
[0038]圖11中，對[式3]的m和η的每個值，例示了橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號AVout。可知，m = n = 3的差分信號AVout的振幅最小，失真得到抑制，接近「餘弦波」。Q/P = 0.7的情況下，如圖10所示，橋接電路的差動輸出Vout附加有3次諧波分量，η = 2時波形發生失真。通過使η = 3，即通過將區域A與區域B隔開距離L = λ /3來進行配置，3次諧波分量得到抑制，失真減小。
[0039][實施方式2的沒有校正電路的方式]
實施方式2的沒有校正電路的方式中，從實施方式2去除校正電路30。是從圖4去除區域C和區域D、從圖5去除第5和第6磁場檢測部2R5、2R6的方式。另外，實施方式2中m和η分別為m = 3、η = 3,沒有校正電路的方式中η為η = 3。與現有方式不同之處在於，檢測位置取η = 3的配置，而非η = 2，對橋接電路的差動輸出Vout中的3次諧波分量進行抑制。
[0040]圖12示出實施方式2及沒有校正電路的方式的橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號Λ Vout。從兩個方式的比較可知，通過校正電路30消除相對於「餘弦波」的失真。實施方式2中也確認了校正電路30的效果。然而，磁性移動體10產生的磁場分布造成的輸出波形失真還殘留著。
[0041]實施方式3.圖13示出實施方式3的磁式位置檢測裝置100中的磁場檢測部2的配置位置(檢測位置)。作為檢測位置，設有區域A、區域B、區域C、區域D、區域E、區域F、區域G、區域H這8個區域。區域A與區域B隔開距離LI進行配置，區域C配置在區域A與區域B之間且與區域A隔開距離Ll/ml (ml是自然數)進行配置，區域D在從區域C到區域B的方向上與區域C隔開距離λ /2進行配置，此外，區域E在從區域A到區域B的方向上與區域A隔開距離L2進行配置。區域F在從區域E到區域D的方向上、與區域E隔開距離LI來進行配置，區域G配置在區域E和區域F之間且與區域E隔開距離Ll/m2 (m2是自然數)來進行配置，區域H在從區域G到區域F的方向上、與區域G隔開距離λ/2來進行配置。此時，由下式表示距離LI及L2與距離λ的關係。
[式4]
L= λ /n 因此，
A與B檢測位置之間的距離L(A-B)為L(A-B) = LI = λ /nl A與C檢測位置之間的距離L(A-C)為L(A-C) = Ll/ml = λ/(mini)
A與E檢測位置之間的距離L(A-E)為L(A-E) = L2 = λ /η2 E與F檢測位置之間的距離L(E-F)為L(E-F) = LI = λ /nl E與G檢測位置之間的距離L(E-G)為L(E-G) = LI/m2 = A/(m2nl) nl、n2是2以上的自然數、ml、m2是自然數
此外，對區域A配置第I和第3磁場檢測部2R1、2R3，對區域B配置第2和第4磁場檢測部2R2、2R4，對區域C配置第5磁場檢測部2R5，對區域D配置第6磁場檢測部2R6，此外，對區域E配置第7和第9磁場檢測部2R7、2R9，對區域F配置第8和第10磁場檢測部2R8、2R10，對區域G配置第11磁場檢測部2R11，對區域H配置第12磁場檢測部2R12。另外，構成第I?第6磁場檢測部的磁阻元件的結構與實施方式I中所說明的結構相同，且分別與構成第7?第12磁場檢測部的磁阻元件的結構相對應。構成第I至第12磁場檢測部的磁阻兀件各自的磁化固定層的磁化方向全部與磁性移動體的移動方向相同。
[0042]圖14示出實施方式3的磁式位置檢測裝置100中的磁場檢測部2的布線。存在2個串聯連接在電源Vcc與接地GND之間的橋接電路和校正電路的系統。第I系統由第I橋接電路21和第I校正電路31構成。在第I橋接電路21中，第I和第2磁場檢測部2R1、2R2串聯連接，第3和第4磁場檢測部2R3、2R4串聯連接，並將2個串聯迴路並聯連接。在第I校正電路31中，將第5和第6磁場檢測部2R5、2R6並聯連接。第2系統由第2橋接電路22和第2校正電路32構成。在第2橋接電路22中，第7和第9磁場檢測部2R7、2R9串聯連接，第8和第10磁場檢測部2R8、2R10串聯連接，並將2個串聯迴路並聯連接。在第2校正電路32中，將第11和第12磁場檢測部2R11、2R12並聯連接。本裝置還包括檢測電路40，該檢測電路40基於橋接電路21、22的中點電位之差，檢測出磁性移動體10的位置，橋接電路21、22的中點電位之差是指第I和第2磁場檢測部2R1、2R2的中點電位Vl與第3和第4磁場檢測部2R3、2R4的中點電位V2之差V12相對於第7和第8磁場檢測部2R7、2R8的中點電位V3與第9和第10磁場檢測部2R9、2R10的中點電位V4之差V34的差Vout。
[0043]實施方式3的磁式位置檢測裝置100中的磁性移動體10所產生的磁場分布為Q/P=0.7。(換言之，對Q/P = 0.7的情形進行分析。)在該情況下，磁性移動體10產生的磁場分布、以及TMR元件3T的MR比的電壓依賴性呈現為橋接電路的差動輸出Vout的波形失真。為了應對磁性移動體10產生的磁場分布造成的輸出波形失真,實施方式3相對於實施方式2，具有橋接電路21、22這2個系統，能抑制nl和n2這2種次數的高次諧波分量。圖15對[式4]的nl和n2的每個值，例示了伴隨實施方式3的磁性移動體10的移動而造成的橋接電路的差動輸出Vout。其中，nl = ml、n2 = m2。此外,在圖中還示出「餘弦波」,該餘弦波對直流分量、振幅、頻率和相位進行調整使其與橋接電路的差動輸出Vout的差分最小。
[0044]圖16中，對[式4]的nl、n2、ml和m2的每個值，例示了橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號Λ Vout。實施方式3對nl = 2、n2 = 3即2次和3次兩種次數的高次諧波分量進行抑制，並抑制失真。圖16(a)中nl>n2、m2 = n2。可知,m2 = 3的差分信號AVout的振幅最小，失真得到抑制，接近「餘弦波」。對於構成第2校正電路32的磁場檢測部2的檢測位置，優選與橋接電路21、22這2個系統的距離n2相關、n2 = m2,即區域G配置在區域E與區域F之間且與區域E隔開距離L/3來進行配置。
[0045][實施方式3的沒有校正電路的方式]
實施方式3的沒有校正電路的方式中，從實施方式3去除校正電路31、32。是從圖13去除區域C、區域D、區域G及區域H，從圖14去除第5和第6磁場檢測部2R5、2R6及第11和第12磁場檢測部2R11、2R12的方式。另外，實施方式3中m和η分別為ml = 2、m2 = 3、nl = 2、n2 = 3，沒有校正電路的方式中η為nl = 2、n2 = 3。與實施方式2的沒有校正電路的方式的不同之處在於，追加了橋接電路22，檢測位置取η = 3和η = 2這2種配置，對橋接電路的差動輸出Vout中的2次和3次諧波分量進行抑制。
[0046]圖17示出實施方式3及其沒有校正電路的方式的橋接電路的差動輸出Vout與「餘弦波」之間的差分信號AVout。從兩個方式的比較可知，通過校正電路31、32消除相對於「餘弦波」的失真。
[0047]圖18示出構成校正電路31、32的一個磁場檢測部2的電阻值與構成橋接電路21、22的一個磁場檢測部2的電阻值之比r (此處，第I磁場檢測部2R1和第5磁場檢測部2R5的電阻值之比、以及第?磁場檢測部2R7和第11磁場檢測部2R11的電阻值之比)=R5/Rl及R11/R7、以及橋接電路的差動輸出Vout的波形失真(與「餘弦波」的差分信號的振幅)之間的關係。r = 0是沒有校正電路31、32的方式。將該方式的橋接電路的差動輸出Vout的波形失真設為1，將實施方式3的輸出波形的失真進行標準化來進行表示。對於O<1*彡1、即、0< (R5/R1) ^ 1,0 < (R11/R7)彡I的範圍的r，校正電路31、32的效果得到確認，實施方式3中，r = 0.5?0.8時效果最佳。
[0048][磁性移動體10產生的磁場分布為Q/P〈l時的特性比較]
圖19示出本發明的磁式位置檢測裝置100相對於現有磁式位置檢測裝置的效果。磁性移動體10產生的磁場分布Q/P = 0.7。將現有方式作為實施方式I的比較方式來表示。將該方式的橋接電路的差動輸出Vout的波形失真(與「餘弦波」的差分信號的振幅)設為1，將本發明的各方式的輸出波形的失真進行標準化來進行表示。進行了比較的方式有實施方式2的沒有校正電路的方式、實施方式2、實施方式3的沒有校正電路的方式、實施方式
3。可知本發明的各方式具有降低輸出波形失真的效果。實施方式3與現有方式相比，其輸出波形失真成約為1/10。因而，根據本發明，提供磁式位置檢測裝置100，其能有效降低磁性移動體10產生的磁場分布、TMR元件3T的MR比的電壓依賴性造成的輸出波形失真，得到高精度的準確的位置信息。
[0049](磁性移動體10)
構成本發明的磁式位置檢測裝置100的磁性移動體10由磁化的磁性體構成，且對於相對的磁場傳感器I交替呈現出N極和S極即可。可以是2個極。此外，雖然示出了方形(圖1)和環形(圖2)的形狀，但也可以是圓柱形或球形。對於產生的磁場分布Q/P也沒有限制，通常Q/P為0.5?I。
[0050](磁阻元件3)
對於構成本發明的磁式位置檢測裝置100的磁電轉換元件如上所述那樣使用自旋閥MR元件。尤其，對於構成本發明的磁式位置檢測裝置100的橋接電路20、21、22使用自旋閥MR元件中MR比較大的TMR元件3T。此外，對於構成本發明的磁式位置檢測裝置100的校正電路30、31、32，也可以使用TMR元件3T以外的MR元件。例如，還可使用GMR元件。
[0051 ] 如圖2所示，本發明的磁式位置檢測裝置100還用於檢測出旋轉體的旋轉角度。適用於檢測出電動機的旋轉軸的角度等用途。作為車載的用途較廣，例如為轉向角度傳感器等角度檢測裝置。在由於裝置結構而無法靠近旋轉軸端部等的情況下，本發明是有效的，本發明還有能對抗分相器技術的特徵。
[0052]應認為這裡所揭示的實施方式在所有方面都是舉例表示，而不是限制性的。例如，有關距離的上述λ 4等，或對它們進行規定的參數n、m等，能取與例示值相近的同值，只要得到本發明所示效果即可。此外，對於磁性移動體10的移動方向、TMR元件3T的磁化方向等方向、或者磁場檢測部2、TMR元件3T的電阻值等特性值，也能進行相同處理。本發明的範圍由權利要求的範圍來表示，而並非由上述說明來表示，本發明的範圍還包括與權利要求的範圍等同的含義及範圍內的所有變更。
另外，本發明可以在其發明範圍內對各實施方式進行自由組合，或者對各實施方式適當地進行變形、省略。
【權利要求】
1.一種磁式位置檢測裝置，其特徵在於，包括: 磁性移動體，該磁性移動體由磁性體構成，以N極和S極交替出現的方式進行磁化，具有N極-S極之間的距離固定的區域；以及 第I至第6磁場檢測部，該第I至第6磁場檢測部的電阻值根據與所述磁性移動體的移動相伴的磁場變化而發生變化， 所述第I至第6磁場檢測部由具有自旋閥結構的磁阻元件構成，該磁阻元件包括磁化方向對於施加磁場固定的磁化固定層、磁化方向根據施加磁場而變化的磁化自由層、及夾在所述磁化固定層與磁化自由層之間的非磁性體中間層， 構成所述第I至第4磁場檢測部的磁阻元件是所述中間層為絕緣體的隧道磁阻元件，構成所述第I至第6磁場檢測部的磁阻元件各自的所述磁化固定層的磁化方向全部與所述磁性移動體的移動方向相同， 所述第I及第3磁場檢測部配置在區域A的檢測位置， 所述第2及第4磁場檢測部配置在區域B的檢測位置， 所述第5磁場檢測部配置在區域C的檢測位置， 所述第6磁場檢測部配置在區域D的檢測位置， 對於所述磁性移動體的N極-N極間或S極-S極間的固定距離λ，滿足以下關係: 所述區域A與所述區域B的檢測位置之間的距離L(A-B)為L(A-B) = L = λ /n, 所述區域C配置在所述區域A與所述區域B之間，所述區域A與所述區域C的檢測位置之間的距離 L(A-C)為 L(A-C) = L/m = λ /(mn), 所述區域D配置在從所述區域C到所述區域B的方向上，所述區域C與所述區域D的檢測位置之間的距離L(C-D)為L(C-D) = λ/2，η為2以上的自然數，m為自然數， 在第I基準電位和第2基準電位之間串聯連接有第I並聯連接體和第2並聯連接體，所述第I並聯連接體中，串聯連接的所述第I和第2磁場檢測部、以及串聯連接的所述第3和第4磁場檢測部進行並聯連接， 所述第2並聯連接體中，所述第5和第6磁場檢測部進行並聯連接， 基於所述第I和第2磁場檢測部的中點電位Vl與所述第3和第4磁場檢測部的中點電位V2之差Vout，輸出與磁性移動體的移動相對應的信號。
2.如權利要求1所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 滿足m = r1
3.如權利要求1所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 構成所述第5和第6磁場檢測部的磁阻元件是所述中間層為絕緣體的隧道磁阻元件。
4.如權利要求1所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 構成所述第5和第6磁場檢測部的磁阻元件是所述中間層為非磁性金屬體的巨磁阻元件。
5.如權利要求1所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 在構成所述磁場檢測部的磁阻元件的磁化固定層的磁化方向與磁化自由層的磁化方向所構成的角相同的情況下， 將所述第5和第6磁場檢測部構成為各自的電阻值相同。
6.如權利要求5所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 在構成所述磁場檢測部的磁阻元件的磁化固定層的磁化方向與磁化自由層的磁化方向所成構的角相同的情況下， 所述第I至第4磁場檢測部構成為各自的電阻值相同， 所述第5磁場檢測部的電阻值R5與所述第I磁場檢測部的電阻值Rl滿足0〈R5/R1 ( I的關係。
7.一種磁式位置檢測裝置，其特徵在於，包括: 磁性移動體，該磁性移動體由磁性體構成，以N極和S極交替出現的方式進行磁化，具有N極-S極之間的距離固定的區域；以及 第I至第12磁場檢測部，該第I至第12磁場檢測部的電阻值根據與所述磁性移動體的移動相伴的磁場變化而發生變化， 所述第I至第12磁場檢測部由具有自旋閥結構的磁阻元件構成，該磁阻元件包括磁化方向對於施加磁場固定的磁化固定層、磁化方向根據施加磁場而變化的磁化自由層、及夾在所述磁化固定層與磁化自由層之間的非磁性體中間層， 構成所述第I至第4磁場檢測部的磁阻元件、以及構成所述第7至第10磁場檢測部的磁阻元件是所述中間層為絕緣體的隧道磁阻元件， 構成所述第I至第12磁場檢測部的磁阻元件各自的磁化固定層的磁化方向全部與磁性移動體的移動方向相同， 所述第I及第3磁場檢測部配置在區域A的檢測位置， 所述第2及第4磁場檢測部配置在區域B的檢測位置， 所述第5磁場檢測部配置在區域C的檢測位置， 所述第6磁場檢測部配置在區域D的檢測位置， 所述第7及第9磁場檢測部配置在區域E的檢測位置， 所述第8及第10磁場檢測部配置在區域F的檢測位置， 所述第11磁場檢測部配置在區域G的檢測位置， 所述第12磁場檢測部配置在區域H的檢測位置， 對於所述磁性移動體的N極-N極間或S極-S極間的固定距離λ，滿足以下關係: 所述區域A與所述區域B的檢測位置之間的距離L(A-B)為L(A-B) = LI = λ/η?, 所述區域C配置在所述區域A與所述區域B之間，所述區域A與所述區域C的檢測位置之間的距離 L(A-C)為 L(A-C) = Ll/ml = λ / (mini), 所述區域D配置在從所述區域C到所述區域B的方向上，所述區域C與所述區域D的檢測位置之間的距離L(C-D)為L(C-D) = λ/2， 所述區域E配置在所述區域A到所述區域B的方向上，所述區域A與所述區域E的檢測位置之間的距離L(A-E)為L(A-E) = L2 = λ /η2, 所述區域F配置在所述區域E到所述區域D的方向上，所述區域E與所述區域F的檢測位置之間的距離L(E-F)為L(E-F) = LI = λ/η?, 所述區域G配置在所述區域E與所述區域F之間，所述區域E與所述區域G的檢測位置之間的距離 L(E-G)為 L(E-G) = LI/m2 = λ /(m2nl)， 所述區域H配置在從所述區域G到所述區域F的方向上，所述區域G與所述區域H的檢測位置之間的距離L(G-H)為L(G-H) = λ/2，nl、n2是2以上的自然數，ml、m2是自然數， 在第I基準電位和第2基準電位之間串聯連接有第I並聯連接體和第2並聯連接體，所述第I並聯連接體中，串聯連接的所述第I和第2磁場檢測部、以及串聯連接的所述第3和第4磁場檢測部進行並聯連接，所述第2並聯連接體中，所述第5和第6磁場檢測部進行並聯連接， 在第3基準電位和第4基準電位之間串聯連接有第3並聯連接體和第4並聯連接體，所述第3並聯連接體中，串聯連接的所述第7和第8磁場檢測部、以及串聯連接的所述第9和第10磁場檢測部進行並聯連接，所述第4並聯連接體中，所述第11和第12磁場檢測部進行並聯連接， 基於差V12與差V34之差Vout，輸出與磁性移動體的移動相對應的信號，所述差V12是所述第I和第2磁場檢測部的中點電位Vl與所述第3和第4磁場檢測部的中點電位V2之差，所述差V34是所述第7和第8磁場檢測部的中點電位V3與所述第9和第10磁場檢測部的中點電位V4之差。
8.如權利要求7所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 滿足nl幸n2、ml = nl的關係。
9.如權利要求8所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 滿足nl>n2、m2 = n2的關係。
10.如權利要求7所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 構成所述第5和第6磁場檢測部、以及構成所述第11和第12磁場檢測部的磁阻元件是所述中間層為絕緣體的隧道磁阻元件。
11.如權利要求7所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 構成所述第5和第6磁場檢測部、以及構成所述第11和第12磁場檢測部的磁阻元件是所述中間層為非磁性金屬體的巨磁阻元件。
12.如權利要求7所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 在構成所述磁場檢測部的磁阻元件的磁化固定層的磁化方向與磁化自由層的磁化方向所構成的角相同的情況下， 所述第5和第6磁場檢測部構成為各自的電阻值相同， 所述第11和第12磁場檢測部構成為各自的電阻值相同。
13.如權利要求11所述的磁式位置檢測裝置，其特徵在於， 在構成所述磁場檢測部的磁阻元件的磁化固定層的磁化方向與磁化自由層的磁化方向所構成的角相同的情況下， 所述第I至第4磁場檢測部構成為各自的電阻值相同， 所述第7至第10磁場檢測部構成為各自的電阻值相同， 所述第5磁場檢測部的電阻值R5與所述第I磁場檢測部的電阻值Rl滿足0〈R5/R1 ( I的關係， 所述第11磁場檢測部的電阻值Rll與所述第7磁場檢測部的電阻值R7滿足0〈R11/R7 ( I的關係。
【文檔編號】G01D5/245GK104246445SQ201280072672
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年4月26日 優先權日:2012年4月26日
【發明者】川野 裕司, 塚本 學, 小林 浩 申請人:三菱電機株式會社