专利名称：旋转角度检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具备采用了由自旋阀型巨磁阻效应膜构成的磁阻效应元件的磁 传感器的旋转角度检测装置，特别涉及一种降低由磁传感器制造偏差引起的角度误差的 旋转角度检测装置。
背景技术：
采用了能够以非接触方式检测旋转角度的变化的磁阻效应元件的磁传感器，要 求针对旋转磁场具有良好的检测灵敏度。高灵敏度的磁阻效应元件中采用自旋阀型巨磁 阻效应(SVGMR)膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜包括具有各向异性的磁化固定层(简称 为“固定层”)；非磁性中间层，切断形成在固定层上的磁耦合；以及自由层，通过形 成在非磁性中间层上的外部磁�。呕较蛐寥我夥较�。当以惠斯通电桥形式连接 具有SVGMR膜的元件时，可得到输出电压因外部磁场方向而变化的磁传感器。日本专利特开2001-159542号公开了一种旋转角度传感器，其具备基板，具 有磁阻效应元件；布线基板，连接所述磁阻效应元件从而构成桥式电路；和传感器保持 架，保持所述基板以及布线基板，在所述传感器保持架上具有4的倍数的所述基板，至 少2个基板在布线基板面上倾斜80 100°。在该旋转角度传感器中，尽管桥式连接了 从同一晶片切出的4个元件，但无法吸收晶片面内的偏差。日本专利特表2003-502876号公开了一种制造在同一晶片上具有多个感磁方向 的元件的方法。在该方法中，形成了所希望的元件图案之后，通过一边以加热器对元件 进行局部加热一边施加外部磁�。佣潭ú愦呕椒ㄉ瓒ㄎＭ姆较�。图41 以及图42表示通过该方法得到的元件的配置。如图42放大表示的那样，虽然在箭头方 向100存在具有反平行的固定层磁化方向的元件，但在与箭头方向100垂直的箭头方向 100’不存在具有反平行的固定层磁化方向的元件。因此，即便在这种元件配置中形成桥 式电路，也仅得到同相的输出，无法得到全桥式输出。此外，在元件间的角度为90°的 元件配置中，无法得到角度误差以及畸变较小的输出信号。日本专利特开2005-024287号公开了一种元件，该元件为了消除AMR效应连接 了长边方向90°不同的图案。此外，专利第3587678号提出了降低Hk的半圆形状或螺旋 状的元件图案。但是，这些结构仅仅是消除AMR效应和降低Hk，而不是为了降低角度 误差而进行信号处理。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具备使用了 SVGMR元件的磁传感器的旋转 角度检测装置，特别提供一种降低由磁传感器的制造偏差等引起的角度误差的旋转角度 检测装置。本发明的第一旋转角度检测装置特征在于，具备磁体转子、检测来自所述磁 体转子的磁束的方向的磁传感器、修正电路、以及角度运算电路，所述磁传感器具有连接了 4个磁阻效应元件的桥式电路X以及连接了 4个磁阻效应元件的桥式电路Y，所述 各磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜具有固定层， 所具备的磁化方向被固定在一个方向；自由层，磁化方向以与外部磁场方向一致的方式 可变；以及中间层，被夹在所述固定层和所述自由层之间，所述修正电路根据所述桥 式电路X的输出电压Vx以及所述桥式电路Y的输出电压Vy计算差(Vx-Vy)以及和 (Vx+Vy),并且使二者的振幅一致，所述角度运算电路通过对(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)'进 行逆正切运算求得所述磁体转子的旋转角度，该(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’是根据从所述修 正电路输出的具有相同振幅的(Vx-Vy) ’信号以及(Vx+Vy)’信号而求得的。本发明的第二旋转角度检测装置特征在于，具备磁体转子、检测来自所述磁 体转子的磁束的方向的磁传感器、运算放大器电路、修正电路、以及角度运算电路，所 述磁传感器具有连接了 4个磁阻效应元件的桥式电路X以及连接了 4个磁阻效应元件的桥 式电路Y，所述各磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜 具有固定层，所具备的磁化方向被固定在一个方向；自由层，磁化方向以与外部磁场 方向一致的方式可变；以及中间层，被夹在所述固定层和所述自由层之间，所述运算放 大器电路根据所述桥式电路X的输出电压Vx以及所述桥式电路Y的输出电压Vy计算差 (Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，所述修正电路使从所述运算放大器电路输出的(Vx-Vy)信号 以及(Vx+Vy)信号的振幅一致，所述角度运算电路通过对(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’进行 逆正切运算求得所述磁体转子的旋转角度，该(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’是根据从所述修正 电路输出的具有相同振幅的(Vx-Vy) ’信号以及(Vx+Vy)’信号而求得的。优选所述磁阻效应元件的至少一个长边方向相对于其固定层磁化方向倾斜锐角 θ ,该锐角θ满足条件36° <45°。优选在所述桥式电路X以及所述桥式电路Y的各自的4个磁阻效应元件之中，2 个磁阻效应元件相对于固定层磁化方向倾斜锐角Θ，剩余的2个磁阻效应元件倾斜-θ。 优选构成桥式电路X以及桥式电路Y的各自半桥的2个磁阻效应元件的固定层磁化方向 是反平行方向。优选桥式电路X的磁阻效应元件的长边方向与桥式电路Y的磁阻效应元件的长
边方向垂直。通过将固定层磁化方向相同的磁阻效应元件配置成不平行，消除AMR效应，抑 制角度误差。优选自旋阀型巨磁阻效应膜中的固定层-自由层间的互换耦合磁场Hmt为 士0.4kA/m 以内。发明的效果本发明的旋转角度检测装置通过使根据桥式电路X的输出电压Vx以及桥式电路 Y的输出电压Vy得到的(Vx-Vy)信号以及(Vx+Vy)信号的振幅一致之后，对(Vx-Vy)/ (Vx+Vy)进行逆正切运算，能够降低因磁传感器的制造偏差等引起的角度误差。
图1是概略表示旋转角度检测装置的侧面图。图2是表示磁阻效应膜的层结构的一例的剖面图。
4
图3是表示磁阻效应膜的层结构的其他例的剖面图。图4是表示磁阻效应元件受到的磁能的概略图。图5(a)是表示直线状的磁阻效应元件的概略图。图5(b)是表示曲折状的线状磁阻效应元件的概略图。图6(a)是表示形状为连接多个圆的磁阻效应元件的一例的概略图。图6(b)是表示形状为连接多个圆的磁阻效应元件的其他例的概略图。图7(a)是表示形状为连接一部分被切去的多个圆的磁阻效应元件的一例的概略 图。图7(b)是表示形状为连接一部分被切去的多个圆的磁阻效应元件的其他例的概 略图。图8(a)是表示形状为连接多个半圆的磁阻效应元件的一例的概略图。图8(b)是表示形状为连接多个半圆的磁阻效应元件的其他例的概略图。图9(a)是表示形状为连接多个半圆的磁阻效应元件的又一例的概略图。图9(b)是表示形状为连接多个半圆的磁阻效应元件的又一例的概略图。图10(a)是表示形状为连接多个多角形的磁阻效应元件的一例的概略图。图10(b)是表示形状为连接多个多角形的磁阻效应元件的其他例的概略图。图11是表示构成磁传感器的磁阻效应元件的桥式电路的图。图12是表示相位偏移为0°时以及相位偏移为1°时的eeiT与eapp之间的关系 的曲线图。图13是表示相位偏移为1°时以及修正了相位偏移时的θ ot与θ app之间的关系 的曲线图。图14是表示本发明的旋转角度检测装置的一例的概略图。图15是表示本发明的旋转角度检测装置的其他例的概略图。图16是表示各桥式电路中的磁阻效应元件的配置的一例的概略图。图17是表示针对磁阻效应元件，形状各向异性方向θ dip与角度误差θ 的变化 幅度Δ θ趴之间的关系的曲线图。图18是表示针对样品1-1以及样品1-4的磁阻效应元件，外部磁场Happ相对于 基准轴的角度9app与角度误差θ皿之间的关系的曲线图。图19是表示针对样品1-4以及样品1-5的磁阻效应元件，θ app与θ err之间的关 系的曲线图。图20是表示针对样品1-1以及样品1-7的磁阻效应元件，θ app与θ err之间的关 系的曲线图。图21是表示样品1-1、样品1-4、样品1_5以及样品1_7的磁阻效应元件的谐波 分量的曲线图。图22是表示样品1-1、样品1-4、样品1_5以及样品1_7的磁阻效应元件的谐波 发生率的曲线图。图23是表示使磁阻效应元件的形状各向异性Hkd固定时每个各向异性磁场Hk中 的磁阻效应元件的Δ 0趴与θ dip之间的关系的曲线图。图24是表示使Hk固定时各Hkd中的磁阻效应元件的Δ θ ot与9dip之间的关系的曲线图。图25是表示存在AMR效应时以及不存在时的磁阻效应元件的Δ θ ot与θ dip之 间的关系的曲线图。图26是表示各桥式电路中的磁阻效应元件的配置的其他例的概略图。图27是表示磁阻效应元件平行配置以及不平行配置时，加入了 AMR效应的 Δ 9 ^的θ dip依赖性的曲线图。图28是表示磁阻效应元件平行配置的样品2-1、样品2-5以及样品2_7的谐波分 量的曲线图。图29是表示磁阻效应元件不平行配置的样品3-4以及样品3-5的谐波分量的曲 线图。图30是表示样品2-5以及样品3-5的谐波分量的曲线图。图31是表示各Hmt_R1中的磁阻效应元件的Δ θ皿与！！^心之间的关系的曲线图。图32是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置的一例的概略图。图33是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的 一例的概略图。图34是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的 其它例的概略图。图35是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的 又一例的概略图。图36是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的 又一例的概略图。图37是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的 又一例的概略图。图38是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的 又一例的概略图。图39是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的 又一例的概略图。图40是表示构成桥式电路的磁阻效应元件的配置以及固定层磁化方向的关系的 又一例的概略图。图41是表示特表2003-502876号记载的磁阻效应元件的配置的平面图。图42是表示图41的一部分的放大图。
具体实施例方式以下参照附图对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于此。[1]旋转角度检测装置图1表示旋转角度检测装置的一例。该装置具备磁传感器31，桥式连接了 SVGMR元件；圆盘状永久磁体33，在与磁传感器31对置的直径方向上二极带磁；装配 架34，固定永久磁体33;以及与装配架34—体的转轴34b，当永久磁体33旋转时泄露 磁场发生变化。图1中点划线表示旋转中心轴线，永久磁体33与磁传感器32之间的箭
6头32表示磁力线。由磁传感器31检测SVGMAR元件的面内方向的磁场变化。图1所 示的旋转角度检测装置的其他例是磁传感器从31移动至31’。磁传感器31’的基板面 与永久磁体33的外周面对置，具有与所述旋转中心轴线平行的中心轴线。[2]磁传感器图2概略表示SVGMR膜的层结构的一例，但各层厚度的放大倍率并不是一定 的。SVGMR膜具有在基板10上依次形成的基底膜11、固定层12、中间层13、自由层 14以及保护层15。固定层12从下方依次具有反铁磁性层121、第一铁磁性层122、反平 行耦合层123以及第二铁磁性层124，自由层14具有2层以上的铁磁性层141、142。固 定层12具有固定为单向的磁化方向(单向的磁各向异性)。根据固定层磁化方向、和通 过外部磁场自由旋转的自由层14的磁化方向所成的角度，电阻发生变化。图3表示SVGMR膜的层结构的其他例。由于该SVMGR膜具有从图2所示的 SVGMR膜中除去了反铁磁性层121的层结构，因此固定层12的单向磁各向异性仅由铁 磁性层122、124的反铁磁性的耦合来表现。图3所示的SVGMR膜不仅不需要使反铁磁 性层结构规则从而使固定层带磁的热处理工序，而且能够在成膜过程中将固定层的各向 异性设定为任意方向。具体而言，在固定层中使用的2层铁磁性层成膜时，至少在与中 间层13相接的铁磁性层成膜时施加磁�。佣芄皇构潭ú愦呕较蛴胧┘哟懦〉姆较� 一致。在本发明中，通过将固定层磁化方向不同的SVGMR膜隔着绝缘层层叠4次，在 同一晶片上形成具有4个方向的固定层磁化方向的元件。图4概略表示SVGMR元件(磁阻效应元件)接受的磁能。θ Μ表示元件整体 的磁化方向，θ dip表示形状各向异性方向，表示自由层的单轴磁各向异性方向。当 对SVGMR元件施加外部磁场Happ时，叠加于元件的有效磁场M除了受到因元件形状引 起的形状各向异性Hkd以外，还受到因Hk、Hmt等SVGMR膜引起的磁场的影响，从而朝 向与Happ不同的方向。SVGMR元件接受到的磁能Etotal通过下式⑴求得。
权利要求
1.一种旋转角度检测装置，具备磁体转子、检测来自所述磁体转子的磁束的方向 的磁传感器、修正电路、以及角度运算电路，其特征在于，所述磁传感器具有连接了 4个磁阻效应元件的桥式电路X以及连接了 4个磁阻效应元 件的桥式电路Y，每个所述磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜具 有固定层，所具备的磁化方向被固定在一个方向；自由层，磁化方向以与外部磁场方 向一致的方式可变；以及中间层，被夹在所述固定层和所述自由层之间，所述修正电路根据所述桥式电路X的输出电压Vx以及所述桥式电路Y的输出电压 Vy计算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，并且使二者的振幅一致，所述角度运算电路通过对(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’进行逆正切运算求得所述磁体转 子的旋转角度，该(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’是根据从所述修正电路输出的具有相同振幅的 (Vx-Vy) ’信号以及(Vx+Vy)’信号而求得的。
2.—种旋转角度检测装置，具备磁体转子、检测来自所述磁体转子的磁束的方向 的磁传感器、运算放大器电路、修正电路、以及角度运算电路，其特征在于，所述磁传感器具有连接了 4个磁阻效应元件的桥式电路X以及连接了 4个磁阻效应元 件的桥式电路Y，每个所述磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，该自旋阀型巨磁阻效应膜具 有固定层，所具备的磁化方向被固定在一个方向；自由层，磁化方向以与外部磁场方 向一致的方式可变；以及中间层，被夹在所述固定层和所述自由层之间，所述运算放大器电路根据所述桥式电路X的输出电压Vx以及所述桥式电路Y的输出 电压Vy计算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，所述修正电路使从所述运算放大器电路输出的(Vx-Vy)信号以及(Vx+Vy)信号的振 幅一致，所述角度运算电路通过对(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’进行逆正切运算求得所述磁体转 子的旋转角度，该(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’是根据从所述修正电路输出的具有相同振幅的 (Vx-Vy) ’信号以及(Vx+Vy)’信号而求得的。
3.根据权利要求1或者2所述的旋转角度检测装置，其特征在于，所述磁阻效应元件的至少一个长边方向相对于其固定层磁化方向倾斜锐角Θ，该锐 角θ满足条件36° <45°。
4.根据权利要求1 3的任意一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，在所述桥式电路X以及所述桥式电路Y的各自的4个磁阻效应元件之中，2个磁阻效 应元件相对于固定层磁化方向倾斜锐角Θ，剩余的2个磁阻效应元件倾斜-θ。
全文摘要
本发明提供一种旋转角度检测装置，具备磁体转子、检测来自磁体转子的磁束的方向的磁传感器、修正电路、以及角度运算电路，磁传感器具有分别连接4个磁阻效应元件的桥式电路X以及桥式电路Y，各磁阻效应元件具有自旋阀型巨磁阻效应膜，修正电路根据桥式电路x的输出电压Vx以及桥式电路Y的输出电压Vy计算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，并且使二者的振幅一致，角度运算电路根据从修正电路输出的具有相同振幅的(Vx-Vy)’信号以及(Vx+Vy)’信号，通过逆正切运算求得转子的旋转角度。
文档编号G01D5/18GK102016513SQ201080001517
公开日2011年4月13日 申请日期2010年3月26日 优先权日2009年3月30日
发明者三俣千春, 冈田泰行, 相牟田京平 申请人:日立金属株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
