KR100532795B1 - 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치 - Google Patents

물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

위치 검출 장치(2)는 하나 이상의 자기 극(4j, magnetic pole)을 갖는 자기장 형성 장치(3) 및 증강된, 특히 거대-자기 저항 효과(giant-magnetoresistance effect)를 나타내는 하나 이상의 센서(6)를 구비한 센서 장치(5)를 포함한다. 상기 자기장 형성 장치(3)는 센서 장치(5)와 관련하여, 센서(6)가 자기 극(4j)에 대해 측면으로 변위되고, 상기 자기 극의 자극면(Fj) 상에 있는 중앙 법선(Zn)이 적어도 상기 센서(6)의 측정층의 평면(E1) 가까이에 또는 상기 측정층에 평행한 평면 가까이에 놓이도록 배치되어야 한다. 또한 상기 자기장 형성 장치(3)는, 상기 자기 극(4j)의 자기장(h)이 센서(6)의 측정층(9)에 의해 검출되고, 센서 특성 곡선 또는 상기 곡선의 일부분이 연속으로 진행되도록 이동되어야 하며, 이 경우에는 실제로 상기 센서의 자기 저항 효과의 방향 의존성만이 활용된다.

Description

물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치
본 발명은, 미리 정해진 출발 위치와 관련한 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는, 층평면에서 자화가 회전 가능하게 이루어지는 하나 이상의 연자성 측정층을 갖춘 층시스템 및 자화가 전반적으로 변동이 없이 이루어지는 하나 이상의 강자성 바이어스부를 포함하는, 증강된 자기 저항 효과를 가지며 전류가 흐르는 하나 이상의 센서를 구비한 센서 장치 및 자기장 형성 장치를 포함한다. 상응하는 장치는 WO 94/17426호에 공지되어 있다.
Ni, Fe 또는 Co 및 상기 금속의 합금과 같은 강자성 전이 금속으로 이루어진 층에서는, 전기 저항이 재료를 관통하는 자기장의 크기 및 방향에 의존한다. 상기 층에 발생하는 효과는 "이방성 자기 저항(AMR)" 또는 "이방성 자기 저항 효과"로 불리워진다. 상기 효과는 물리적으로, D-밴드의 상이한 스핀 및 스핀 극성을 갖는 전자들의 상이한 산란 단면적에 기초한다. 상기 전자들은 다수 및 소수 전자들로서 불린다. 상응하는 자기 저항 센서를 위해 일반적으로, 층평면에서 자화가 이루어지는 자기 저항 소재로 이루어진 얇은 층이 제공된다. 센서를 통해 도통되는 전류의 방향과 관련하여 자화의 회전시 저항 변화는 정상적인 등방성(= 오옴) 저항의 수 퍼센트일 수 있다.
또한 얼마 전부터는 다수의 강자성 층을 포함하는 다층 자기 저항 시스템이 스택(stack)안에 배열될 수 있는 것으로 알려져 있는데, 상기 강자성 층은 각각 금속 중간층에 의해 상호 분리되고 상기 층의 자화는 각각 상기 층평면에서 이루어진다. 이 경우 개별 층들의 두께는 유도 전자의 평균적인 자유 경로 길이보다 훨씬 더 작도록 선택된다. 상기 다층 시스템에서는 언급된 이방성 자기 저항 효과(AMR)와 더불어 소위 "거대 자기 저항 효과" 또는 "거대 자기 저항(GMR)"이 그러한 다층 시스템 내에 나타날 수 있다(예를 들어 유럽 특허 출원서 0 483 373호 참조). 상기 GMR-효과는 강자성 층과 상기 층에 인접한 층 사이의 경계면에 있는 소수 및 다수 유도 전자의 상이한 강도의 산란 및 특히 합금을 사용할 때 상기 층 내부에서의 산란 효과로부터 기인된다. 이 때 GMR-효과는 등방성 효과이다. 상기 효과는 이방성 효과(AMR) 보다 훨씬 더 클 수 있다. GMR-효과를 갖는 그러한 다층 시스템에서, 인접한 금속 층들은 먼저 반대로 자화되며, 이 경우 바이어스층 또는 바이어스층의 일부분은 측정층 보다 자기적으로 더 단단하게다. 외부 자기장의 영향하에서, 즉 상기 층의 평면에서 형성된 상기 필드 성분의 영향하에서는, 그 후 상기 자화의 초기 역평행 배향이 평행 배향으로 변환될 수 있다. 이와 같은 사실은 상응하는 자기장 센서에서 활용된다.
이러한 형태의 센서는 상기 언급된 간행물 WO 94/17426호에 공지되어 있다. 상기 센서는 물체의 각 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치의 일부이다. 이를 위해 물체는 영구 자석과 강성으로 결합되며, 상기 영구 자석은 상기 영구 자석의 회전축이 상기 측정층 표면에 대한 중앙 법선과 일치하도록 하여 측정층 위에서 회전할 수 있도록 측정층 평면에 평행한 평면에 배치되어 있다. 측정층 내에서 상기 자석은 자기장 성분을 형성하고, 그로 인해 상기 성분이 센서의 바이어스부의 우선 자성축(perferential magnetic axis)에 대해 회전 가능할 수 있고, 그 결과 연자성 측정층에서 자화의 유사한 회전을 야기한다. 센서의 전기 저항은 측정층의 자화와 상기 바이어스부의 우선 자성 방향 사이의 각도에 의존한다. 상기 의존성은 상기 센서의 층구성의 미리 정해진 형태(구조) 때문에 일반적으로 이방성이다. 그러나, 특히 무접촉 방식의 전위차계를 형성할 수 있는, 각 위치를 검출하기 위한 상응하는 장치는 자석 및 센서의 공통 대칭축으로 한정되며, 상기 공통축을 중심으로 자석 또는 센서 자체가 회전 가능하게 배치된다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 제한이 더 이상 존재하지 않도록, 서문에 언급된 형상을 갖는 공지된 장치를 개선하는 것이다.
상기 목적은, 가상의 기준선 위에 하나의 자기 극을 형성하거나 또는 상기 선을 따라 일렬로 배열된, 교차하는 자기장 방향을 생성하는 다수의 자기 극을 형성하는 자기장 형성 장치, 층평면에서 회전 가능한 자화가 이루어지는 하나 이상의 연자성 측정층을 구비한 층 시스템 및 대체로 변화되지 않는 자화를 갖는 하나 이상의 강자성 바이어스부를 포함하며, 증강된 자기 저항 효과를 갖는, 하나 이상의 전류 운반 센서를 포함하는 센서 장치를 구비하고, 그리고 센서 장치 또는 자기장 형성 장치와 물체의 강성 결합부를 포함하며, 상기 자기장 형성 장치는 센서 장치와 관련해서, 하나 이상의 센서가 하나 이상의 자기 극의 가상 기준선에 대해 측방향으로 오픈셋되고, 하나 이상의 자기 극의 자극면 상에 있는 중앙 법선이 하나 이상의 센서의 측정층의 평면 가까이에 또는 상기 측정층에 평행한 평면에 적어도 근접하게 놓이도록 배치되고, 하나 이상의 자기 극의 자기장이 하나 이상의 센서의 측정층에 의해 검출되고, 검출된 자기 극의 개수에 상응하는, 센서 특성 곡선 전부 또는 일부분을 통과하는 다중 흐름들(multiple runs)이 야기되어, 그 결과 실제로 하나 이상의 센서의 자기 저항 효과의 방향 의존성만이 이용되도록 상기 센서 장치에 상대적으로 움직일 수 있도록 구성된 장치에 의해 달성된다. 이 경우 하나 이상의 자기 극의 자극면상에 있는 중앙 법선은 하나 이상의 센서의 층 시스템의 측정층 평면에 적어도 근접하게 배치되거나 또는 상기 측정층에 평행한 평면 가까이에 배치되어야 한다. 즉, 본 발명에 따른 장치에서 중앙 법선에 요구되는 배향의 편차는 단지 약간 정도만큼만 허용되어야 한다.
위치 검출 장치의 상기 형성예와 연관된 장점들은 특히, 한편으로는 360°의 전체 각 범위 내에 있는 물체의 각 위치 또는 선형 위치를 무접촉 방식으로 검출하는 것이 가능하고, 다른 한편으로는 자기장 형성 장치 및 센서 장치의 조립 위치의 정확성에 대한 요구가 감소된다는 점이다. 왜냐하면, 증강된 자기 저항 효과를 갖는 층시스템을 갖춘 센서 장치를 위한 하나 이상의 센서를 사용함으로써, 하나 이상의 자기 극이 기준선 상에서 센서 장치의 측면으로 통과할 때, 실제로 외부 자기장의 방향에 대한 센서 측정 신호의 의존성이 여기에 사용되고, 상기 외부 자기장의 필드 강도에 대한 센서 측정 신호의 의존성은 사용되지 않기 때문이다.
본 발명에 따른 장치에 의해, 임의의 물체의 선형 위치뿐만 아니라 회전 위치까지도 무접촉 방식으로 검출될 수 있다. 상기 장치는 실제로 자기장 방향에만 의존하는 출력 신호를 형성하기 위해 2가지 중요한 유닛, 즉, 자성 필드 성분을 형성하기 위한 장치 및 상기 자기장 성분을 감지하기 위한 장치를 포함한다. 상기 2개 장치들 중 하나의 장치가 물체와 강성으로 결합됨으로써, 그 위치가, 미리 정해진 출발 위치와 관련하여 또는 다른 장치의 위치에 대해 상대적으로 검출될 수 있다. 상기 자기장 형성 장치는 센서 장치 또는 검출 장치를 한 번 이상 통과하고 상기 검출 장치 쪽을 향하는 하나 이상의 자기극을 가지며, 이 경우 상기 센서 장치와 하나 이상의 자기극 사이에는 측면 간격이 유지되는 것이 바람직하다. 단 하나의 자기극만이 제공된다면, 상기 자기극은 가상의 기준선에 배치되어 있는 것으로 간주될 수 있다. 다수의 자기 극이 사용되는 경우에는, 상기 자기극들이 유사한 가상 기준선을 따라 일렬로 배열되어야 하며, 이 경우 상기 자기 극들에 의해 형성된 자기장은 센서 장치와 관련하여 상기 선을 따라, 변형가능한 바람직하게는 교체하거나 또는 주기적인 자기장 방향을 가져야 한다. 이 때 상기 기준선은 직선 또는 곡선일 수 있다. 직선인 경우에는 특히 물체의 선형 위치 검출이 가능하다. 곡선인 경우에는, 특별히, 예를 들어 자기 휠에 의해 형성되는 것과 같은 원의 둘레선이 형성될 수 있다. 따라서, 바람직하게는 0°내지 360°의 각 위치가 검출될 수 있다. 센서 장치로 간주될 수 있으며, 자기장 배향에 민감한 장치는 전류가 통과하는 하나 이상의 센서를 포함한다. 이 경우, 다수의 유사한 센서들이 센서 장치를 형성하도록 전기적으로 접속될 수 있고, 예컨대 휘트스톤(Wheatstone) 브리지를 형성할 수 있다. 각각의 센서는 증가된 자기 저항 효과, 특히 GMR-효과를 나타내는 다층 시스템을 포함한다. 이 목적을 위해 상기 다층 시스템은, 자화가 층평면에서 회전될 수 있는 하나 이상의 연자성 측정층을 포함한다. 바이어스층 또는 바이어스층 시스템을 갖는 바이어스부가 상기 층평면에 평행하게 배치되며, 이 경우 상기 바이어스부는 자기적으로 더 단단하게고, 하나 이상의 자기 극의 자기장 영향하에서도 적어도 크게 변하지 않는 자화를 갖는다. GMR-효과를 나타내는 유사한 다층 시스템은, 예를 들어 유럽 특허 출원서 0 483 373호, 독일 특허 출원서 42 32 244호, 독일 특허 출원서 42 43 357호 또는 독일 특허 출원서 42 43 358호에 공지되어 있다.
거대 자기 저항성 센서의 고감도로 인해, 본 발명에 따른 위치 검출 장치에서는, 예를 들어 홀 센서(예컨대 데이터 북 "Magnetic Sensors", Siemens AG, 1989, Page 57 참조)에서 요구되는 것과 같은 차등 배열체가 더 이상 필요치 않다; 그로 인해 인접한 자기 극 사이에서 비교적 작은 극 간격이 형성될 수 있으며, 그 결과 상응하게 더 높은 해상도 및/또는 상응하는 축소화가 이루어질 수 있다.
상기와 같은 형상을 갖는 위치 검출 장치에서는, 본 발명에 따라, 상기 장치의 자기장 형성 장치가 센서 장치와 관련해서 미리 정해진 방식으로 배열되어야 한다:
이를 위해, 하나 이상의 센서의 다층 시스템의 측정층의 평면 및 자기장 형성 장치의 하나 이상의 자기 극의 자극면이 가상의 기준선에 있는 것으로 고려된다. 이 경우, 하나 이상의 자기 극은, 상기에서 언급한 WO 94/17426호에 따른 선행 기술에서와 같이, 상기 표면에 대해 수직한 원기둥 형태의 체적 내에 측정층 표면 영역 상부에 위치해서는 안된다; 오히려 하나 이상의 자기 극 및 그 결과에 따른 가상의 기준선은 상기 영역 외부에 있거나 또는 단지 상기 영역에 인접하여야 한다. 센서를 상기 방식으로 배열하는 것은 "측방향 오프셋" 배열로 간주된다. 특히, 측정층 또는 센서와 자기 극 사이에는 측방향 거리로서 간주되는 거리가 유지된다. 그와 동시에 자기장 형성 장치는, (상기 법선의 정렬에서 약간의 편차만을 허용하면서) 상기 극면의 중앙에 대한 중앙 법선이 적어도 거의 측정층 평면에 또는 상기 측정층에 평행한 평면에 배치되도록 배향되어야 한다. 상기와 같이 배열된 경우에는, 증강된 자기 저항 효과를 나타내고 하나 이상의 센서를 위해 사용되는 다층 시스템을 갖춤으로써, 통상의 측정 영역 또는 측정 창 내부에서 필드 강도에 대한 의존성이 실제로 아무런 역할도 하지 못하고, 오히려 상기 측정층에서의 초기 자화에 대한 출발 위치와 관련한 자기장 배향 의존성만이 이용된다는 사실에 기초한다.
자기장 형성 장치 및 센서 장치는 또한, 상기 자기장 형성 장치의 하나 이상의 자기 극의 자기장이 하나 이상의 센서의 다층 시스템의 측정층에 의해 검출되고, 하나 이상의 상기 자기 극의 경로가 센서 장치의 검출 영역을 통과할 때, 이미 존재하는 또는 검출되는 자기 극의 개수에 상응하며. 센서 특성 곡선 전부 또는 일부분을 통과하는 다중 흐름을 야기도록, 서로 상대적으로 움직일 수 있어야 한다. 이 경우 센서 특성 곡선으로서는 다이아그램 내에서 대표될 수 있는 저항값이 고려되는데, 상기 저항값은 하나 이상의 측정층을 통과하는 하나 이상의 자기 극의 경로에서 상기 센서 장치에 의해 취해지는 값이다.
물론, 자기장 형성 장치의 자기 극이 상기 센서 장치의 검출 영역을 반복적으로 통과할 수도 있다(또는 그 역도 가능하다). 그 경우에는 센서 특성 곡선 또는 상기 특성 곡선의 부분이 센서 장치에 의해 연속적으로 검출되는 자기 극의 전체 개수에 상응하게 진행된다.
본 발명에 따른 위치 검출 장치는 특히 바람직하게 무접촉 방식 전위차계의 구성을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 위치 검출 장치의 바람직한 실시예는 종속항에서 설명된다.
본 발명은 도면을 참조하여 하기에서 자세히 설명된다.
도면에서 상응하는 부분은 동일한 도면 부호로 표기되었다. 자세하게 도시되지 않은 부분들은 일반적으로 공지된 사항이기 때문에 하기에서는 언급하지 않았다.
회전 위치를 검출하기 위하여 도 1 및 도 2에 도시된 장치(2)의 실시예에 따르면, 상기 장치의 자기장 형성 장치는 자성 자기 휠(3)로서 형성된다. 상기 자기 휠은 기준축(G1)을 중심으로 회전 가능하도록, 예를 들어 전동기 축 상에 정착된다. 상기 자기 휠은 그것의 외부 둘레를 따라 뻗는 기준선(L1) 상에, 둘레 방향으로 일렬로 배치되고 극성이 교차하는 자기 극(4j)을 구비한다. n개(이 경우 1≤j≤n)의 자기 극들 중에서 도면에는 단지 4개만이 도시되었는데, 2개의 자기 극은 N극(= 북극)이고, 2개는 S극(= 남극)이다. 서로 상이한 극성을 갖는 인접한 극 사이의 자기장은 자력선(h)으로 표시된다.
자기 휠(3)은 센서 장치(5)의 센서(6)의 면으로부터 기준선(L1)의 간격(a0)을 두고 떨어져 배치된다. 도면에서 자기 휠에 비해 척도에 맞지 않게 도시된 센서를 통해 전류(I)가 흐르며, 상기 센서는 공지된 GMR-다층 시스템을 갖는다. 적합한 다층 시스템의 실시예는 도 3에 도시된다. 도 3에 도시된 상기 다층 시스템은 예를 들어, 본 명세서에 참조된 WO 94/15223호에 공지된 실시예에 기초한다. 도면 부호 (8)로 표기된 다층 시스템은 연자성 측정층(9)을 포함하며, 상기 층의 평면에서 자화(Mm)가 회전될 수 있다. 상기 측정층은 감결합층(10)을 통해 고정된 자화층섹션(11)으로부터 자기적으로 감결합된다. 바이어스부로서 또한 알려진 상기 층섹션(11)은 자기적으로 더 단단하게다. 도시된 실시예에 따르면, 상기 층섹션은 자화(Mb)를 갖는 바이어스층(12)을 포함한다. 상기 층(12)은 결합층(13)을 통해 자화(Mb)와 반대 방향으로 자화(Maf)를 갖는 또다른 자기층(14)에 역-강자성적으로(anti-ferromagnetic) 결합된다. 따라서 이것은 인공적인 역-강자성 자석으로 불린다. 다층 시스템의 상기 실시예는 특히, 측정층(9)의 자화(Mm)의 배향이 실제로 바이어스부(11)의 자화(Mb 및 Maf)에 의해 영향을 받지 않는다는 장점을 갖는다.
증강된 자기 저항 효과를 갖는 본 발명에 따른 위치 측정 장치용으로 사용될 수 있는 센서에서는 상기 바이어스부의 구체적인 실시예가 중요하지 않기 때문에, 바이어스부는 예를 들어 소위 "스핀-밸브(Spin Valve)" -시스템에 사용되는 것과 같은 자연적인 역-강자성 자석일 수 있다. 물론, 단일 자기층에 의해 형성된 바이어스부도 적합하다.
또한 도 1 및 특히 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 센서(6)는 자기 휠(3)과 관련하여, 상기 자기 휠(3)의 기준축(G1)(= 회전축)이 해칭선으로 표시된 센서 평면(E1)에 대한 법선에 적어도 거의 평행한 방식으로 배치되어야 한다. 그 경우에는 상기 센서의 평면(E1) 및 측정층(9) 표면의 평면에 또는 상기 측정층과 평행한 평면에서 하나 이상의 자기 극(4j)의 자극면(Fj) 상에 중앙 법선(Zn)이 배치된다. 상기 평면(E1) 내의 센서(6)의 기준축(A1)이 반드시 회전축(G1)과 교차될 필요는 없다. 즉, 도시된 축(A1)에 대해 평행하게 이동된 축을 갖도록 센서(6)를 배열하는 것이 가능하다. 상기 기준축(A1)은 특히 외부 자기장이 없는 측정층(9)의 자화(Mm)에 수직하고, 측정층 표면의 중앙을 통과한다.
자기 휠(3)이 기준축(G1)을 중심으로 회전할 때, 자극면(Fj)을 갖는 자기 극들(4j)은 차례로 센서(6) 쪽을 직접 향하고 있다. 상기와 같은 회전시, 거대 자기 저항성 센서(6)의 저항 특성 곡선이 n배로 진행된다. 거대 자기 저항성 센서(6)내에 있는 연자성 측정층(9)의 자화(Mm)의 방향이 넓은 필드 영역에 걸쳐 작용 자기장을 따르고, 다층 패킷의 저항 변동이 바이어스부 내에서의 자화(Mb)와 관련한 측정층내에서의 자화(Mm)의 상대적인 각도에 의존하기 때문에, 센서로부터 송출되어 자성 자기 휠(3)의 각 위치를 나타내는 신호는 넓은 범위에서 상기 자기 휠과 센서 사이의 간격(a0)과 무관한 것이 바람직하다.
또한 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 법선(Zn)이 반드시 센서(6)의 평면(E1) 내에 배치될 필요는 없으며, 오히려 상기 평면에 비해 간격(a1) 만큼 이동될 수도 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 회전 위치 검출 장치(2)에서는, 자기 휠(3)과 센서(6) 사이에서 a0의 간격 크기로 표시된 공간 내에 하나의 분리벽 또는 하우징벽이 삽입될 수 있다. 상기 벽은 비강자성 재료로 이루어져야 한다. 이와 같은 구성은 특히, 예를 들어 자기 휠 또는 센서가 하우징 내로 삽입되어 있거나 또는 하나의 분리벽에 의해 서로 분리될 수 있는 서로 다른 주변 매개체 내에 배치되어야 하는 경우에 제안될 수 있다.
(도 1에 따라) n개의 자기 극(4j)을 갖는 도 4에 도시된 자기 휠(3)의 회전 위치 검출 장치(20)의 실시예는 한 쌍의 자기 저항성 센서(22 및 23)를 구비한 센서 장치(21)를 포함한다. 도면에서 센서들은 자기 휠에 비해 척도에 맞지 않게 - 개관을 용이하게 할 목적으로 확대 - 도시되었다. 상기 센서들은 전기적으로 서로 접속되어 전류(I)가 그 내부를 통과한다. 센서의 다층 시스템은 하나의 공통 평면(E1)에 배치된다. 각각의 자기 극(4j)의 중앙 법선(Zn)이 상기 평면에 평행하게 배향되어 있다. 공지된 방식으로 도면 부호 "ⓧ" 에 의해 도시된, 자극면(Fj)의 상기 장소에서 나타나는 자기장 성분도 또한 상기 법선 방향을 향한다. 또한 상기 도면에서 알 수 있는 바와 같이 센서(22 및 23)의 다층 시스템은, 상기 시스템의 바이어스부의 자화(Mb1 및 Mb2) 방향이 바람직하게 서로 직각을 형성하도록 서로 상대적으로 배향된다. 센서 평면상에서 법선 방향을 향하고, 상호 간격을 두고 배치된 센서 사이의 중앙에서 진행하는 상기 센서들의 공통 기준축(A2)은 자기 휠(3)의 회전축(G1)의 평면과 90°의 각을 형성한다. 상기 회전축에 배해 기준축(A2)은 간격(a2) 만큼 측방향으로 이동될 수 있다. 이 경우 기준축(A2)은 회전축(G1)과 동일한 평면에 배치될 필요는 없다. 자기 휠(3)이 축(G1)을 중심으로 회전하는 경우, 거대 자기 저항성 센서의 저항 특성 곡선이 (자기 휠 회전 당) n배로 진행하며, 이 경우 2개의 센서는 각각 90°만큼 위상 이동된 주기적인 신호를 제공한다. 그럼으로써, 예정된 간격을 유지함으로써 서로 나란히 배치될 수 있는 2개의 홀 센서로 구현되는 것보다 더 우수하게, 자성 자기 휠의 자극수에 의해 미리 제공된 기본 해상도를 주사할 수 있게 된다. 2개의 GMR-센서(22 및 23)는, 예를 들어 하나의 공통 칩 상에 나란히 직접 인접하여 바람직하게 배치될 수 있다. 도시된 실시예는 또한 바람직하게 회전 방향의 인식을 가능케 한다.
도 4에 따른 위치 검출 장치(20)와 달리 도 5에 도시된 회전 위치 검출 장치(25)의 실시예에서는, 센서 장치(28)의 거대 자기 저항성 센서(26 및 27)가 하나의 공통 평면에 배치되지 않고, 오히려 평행한 평면(E1 및 E2)에 배치된다. 센서의 다층 시스템 구성은 혼성(hybrid) 경로상에서 또는 웨이퍼(29)의 적합한 코팅 및 구조화에 의해서, 상기 시스템의 서로 마주보는 평탄면 상에서 이루어지거나 또는 한 측면 상에서 이루어질 수 있다. 센서들은 자신 표면의 법선 방향으로 공통 기준축(A3)을 갖는다. 예를 들어 센서의 중앙 영역에서 진행하는 기준축(A3)은 재차 자기 휠(3)의 회전축(G1)에 대해 평행하거나 또는 상기 회전축(G1)의 연장부이다. 이 때 기준축(A3)은 회전축(G1)과 다른 평면에 배치될 수 있다. 허용된 간격 오차 때문에, 상기 장치(25)의 센서들은 진폭이 적어도 거의 동일하지만 90°만큼 위상 이동된 신호를 송출한다.
도 1 내지 도 5에 따라, 자기장 형성 장치의 자기 극들의 기준선(L1)은 자기 휠(3)의 원주선을 형성한다. 그러나 상기 기준선은 또한 직선을 형성할 수도 있다. 이와 같은 실시예는 무한히 큰 반경을 갖는 자기 휠을 선택할 때와 유사하게 얻어진다. 선형 위치 검출 장치의 실시예는 도 6에 도시되어 있다. 도면 부호 (30)으로 표기된 상기 장치는, 서로 앞·뒤로 배열되고 극성이 교차되는 n개의 연속적인 자기 극(4k, 이 경우 1≤k≤n)을 갖는, 직선 기준선(L2)을 따라 뻗는 자성 밴드를 자기장 형성 장치로서 포함한다. 이 경우 상기 기준선(L2)은 거대 자기 저항 센서(6) 상에서 법선 또는 기준축(A1)과 관련하여 (예를 들어 도 1에 따라) 수직 방향으로 뻗는다. 상기 자성 밴드는, 축(A1)이 상기 자성 밴드의 자극면(Fk)의 평면에서 진행하거나 또는 상기 자극면에 평행한 평면에서 진행하도록 축(A1)과 관련하여 배향되어야 한다. 극 경우에는, 각 자극면(Fk)의 중앙 법선(Zn)도 차례로 상기 센서(6)의 다충 시스템의 평면(E1)과 평행한 평면에 배치된다. 센서의 다층 시스템과 자성 밴드(31) 사이에서는 측면 간격(a3)이 유지될 수 있다. 즉, 상기 위치 검출 장치의 실시예에서 센서(6)는 또한 자극면(Fk) 위에 측면에 배치될 수도 있다. 센서(6)가 기준선(L2)과 간격(a3) 만큼 떨어져 평행한 선을 따라서 또는 상기 기준선(L2)을 따라서 자성 밴드로서, 그리고 이를 따라 움직일 때에는, 거대 자기 저항성 센서(6)의 저항 특성 곡선이 n배로 진행한다. 상기 센서(6)의 연자성 측정층(9)의 자화(Mm) 방향이 넓은 자기 영역에서는 자성 밴드(31)의 작용 자기장을 따르고, 상기 센서의 다층 시스템의 저항 변동이 바이어스부 또는 바이어스층(12) 내에 있는 상기 측정층 및 Mb 내에서의 자화(Mm) 각도에 의존하기 때문에, 센서 장치로부터 송출되어 자성 밴드(31)의 위치를 나타내는 신호는 넓은 영역에서는 자성 밴드(31)와 센서(6) 사이의 간격(a3)과 무관한 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 6에 도시된 본 발명에 따른 위치 검출 장치의 실시예들로부터, 자기장 형성 소자(자기 휠(3) 또는 자성 밴드(31))에 의해 아직 영향을 받지 않은 각 다층 시스템의 연자성 측정층의 자화(Mm)가 기준선(L1 또는 L2)에 대해 평행하게 및 경우에 따라서는 회전축(G1)에 대해 수직으로 배치되도록 센서들이 배향되어 있으며, 이 때 해당 바이어스부의 자화(Mb)는 Mm에 대해 평행하게 또는 수직으로 배향되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 위치 검출 장치는 상기와 같은 자화(Mm 및 Mb) 배향 방식에 한정되지 않는다. 상기 장치의 바이어스부의 자화(Mb)가 개별 기준선에 대해 비스듬하게 진행되도록 센서들을 배치할 수도 있다. 그에 상응하는 실시예는 도 7에서 알 수 있다.
도 7에 도시된 위치 검출 장치(34)에서는 도 4 및 도 5에 도시된, 2개의 센서를 구비한 센서 장치의 배열 대신에 2개 이상의, 예를 들어 하나의 평면에 배치된 3개의 센서(36 내지 38)를 구비한 장치(35)가 사용된다. 자기 휠(3)로부터 평균 간격(a4) 만큼 떨어진 상기 센서들은 바람직하게 센서 평면에 배치된 표면축 또는 바이어스부의 자화(Mbi) 방향(1≤i≤3)과 상호 χ = 120°의 각도로 배열되는 것이 바람직하다. 따라서, 360°-검출에 대하여 각각의 센서에는 도 4 및 도 5의 실시예에 따른 각각 90°의 각도 대신에 각각 60°인 2개의 선형 영역만이 필요하게 된다. 상기 실시예에서도 특히 GMR-센서의 필드 강도에 대한 무관성이 활용되는데, 그 이유는 3개의 센서(36 내지 38)가 자기 휠(3)로부터 서로 다른 거리에 떨어져 배열되기 때문이다.
도 8은 하나의 자기 휠(41)을 구비한 회전 위치 검출 장치(40)의 실시예를 자기장 형성 장치로서 보여주며, 상기 장치는 단 하나의 자성 쌍극(42)을 갖는다. 예를 들어 막대 자석에 의해 형성된 쌍극은, 상기 쌍극이 자기 휠(41)의 회전축(G2)에 대해 방사 방향으로 연장되도록 배치된다. 즉, 상기 막대 자석의 단 하나의 자기 극(41a)만이 간격(a5)을 유지하면서 (예를 들어 도 1에 따른) 센서 장치의 거대 자기 저항성 센서(6) 쪽을 향하고 있다. 상기 막대 자석에 의해 야기되는 자기장은 자력선(h')으로 표시된다. 도시된 장치(40)는 특히 트리거링 펄스 또는 계수 펄스를 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 의해, 무접촉 방식의 전위차계를 형성할 수 있는 상응하는 각 위치 검출 장치가 자석 및 센서의 공통 대칭축에 한정되지 않도록, 상기 검출 장치를 효과적으로 개선할 수 있게 되었다.
도 1 및 도 2는 하나의 자기 휠을 갖는 회전 위치 검출 장치의 제 1실시예의 평면도 및 측면도이다.
도 3은 상기 회전 위치 검출 장치의 센서의 단면도이다.
도 4 및 도 5는 상응하는 장치의 제 2 실시예 및 3 실시예의 측면도이다.
도 6은 자기 극이 선형으로 배열된 선형 위치 검출 장치의 한 실시예의 측면도이다.
도 7은 자기 휠을 갖는 회전 위치 검출 장치의 제 4 실시예의 평면도이다.
도 8은 다른 하나의 자기 휠을 갖는 본 발명에 따른 회전 위치 검출 장치의 제 5 실시예의 평면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
2, 20, 25, 30, 34, 40 : 위치 검출 장치
3, 41 : 자기 휠 4j, 4k : 자기 극
5, 21, 28, 35 : 센서 장치
6, 22, 23, 26, 27, 36, 37, 38 : 센서
8 : 다층 시스템
9 : 측정층 10 : 감결합층
11 : 바이어스부 12 : 바이어스층
13 : 결합층 14 : 자기층
29 : 웨이퍼 31 : 자성 밴드
42 : 막대 자석 42a : 자기 극
a0, a1, a2, a3, a4, a5 : 간격 A1, A2, A3 :축
E1, E2 : 측정층 평면 Fj, Fk : 자극면
G1, G2 : 회전축 h, h' : 자성 자력선
I : 전류 Maf : 추가 자기층의 자화
Mb1 : 바이어스부의 자화 Mm : 측정층의 자화
Mb1, Mb2, Mbi : 바이어스부의 자화
N : 북극 S : 남극
Zn : 중앙 법선 χ : 각도

Claims (12)

  1. 미리 정해진 출발 위치와 관력하여 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치(2, 20, 25, 30, 35, 40)로서,
    - 가상의 기준선(L1, L2)에 하나의 자기 극(42a)을 형성하거나 또는 상기 선을 따라 일렬로 배열되고 교차하는 자기장 방향을 생성하는 다수의 자기 극(4j, 4k)을 형성하는 자기장 형성 장치(3, 31, 41),
    - 층평면에서 회전 가능한 자화(Mm)가 이루어지는 하나 이상의 연자성 측정층(9)을 구비한 층시스템(8) 및 대체로 변동되지 않는 자화(Mb, Mb1, Mb2, Mbi)를 갖는 하나 이상의 강자성 바이어스부(11)를 포함하며, 증강된 자기 저항 효과를 가지며 하나 이상의 전류 운반 센서(6, 22, 23, 26, 27, 36-38)를 포함하는 센서 장치(5, 21, 28, 35), 및
    - 상기 센서 장치 또는 상기 자기장 형성 장치에 상기 물체를 단단하게 결합하기 위한 연결부를 포함하며,
    상기 자기장 형성 장치는 상기 센서 장치와 관련해서,
    a) 상기 하나 이상의 센서가 상기 하나 이상의 자기 극의 상기 가상 기준선에 대해 측방향으로 오픈셋되고, 상기 하나 이상의 자기 극의 자극면(Fj, Fk, 42a)상에 있는 중앙 법선(Zn)이 상기 하나 이상의 센서의 측정층(9)의 평면(E1) 가까이에 또는 상기 측정층에 평행한 평면에 놓이도록 배치되고,
    b) 상기 하나 이상의 자기 극의 자기장(h, h')이 상기 하나 이상의 센서의 측정층에 의해 검출되고, 검출된 자기 극의 개수(n)에 상응하게 센서 특성 곡선의 전부 또는 일부를 통과하는 다중 흐름들이 야기되어 실제로 상기 하나 이상의 센서의 자기 저항 효과의 방향 의존성만이 이용되도록, 상기 센서 장치에 상대적으로 움직일 수 있도록 구성된, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 검출 장 치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서(6, 22, 23, 26, 27, 36-38)는 상기 하나 이상의 자기 극(4j, 4k, 42a)의 가상 기준선(L1, L2)으로부터 예정된 간격(a0, a3, a5) 만큼 측방향으로 오픈셋되는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 기준선(L2)이 거의 직선인 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 기준선(L1)이 거의 자기 휠(3, 41)의 둘레선인 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 센서 장치(21, 28, 35)가 전기적으로 서로 접속된 다수의 센서(22, 23; 26, 27; 36-38)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 센서 장치(21, 28, 35)가 전기적으로 서로 접속된 다수의 센서(22, 23; 26, 27; 36-38)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 센서 장치(21, 28, 35)가 전기적으로 서로 접속된 다수의 센서(22, 23; 26, 27; 36-38)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 층시스템의 바이어스부에는 적어도 대체로 서로 직각으로 뻗는 자화 방향(Mb1, Mb2)을 갖는 2개의 센서(21, 22)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 층시스템의 바이어스부에는 서로 적어도 거의 120°의 각(χ)을 형성하는 자화 방향(Mbi)을 갖는 3개의 센서(36-38)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 센서(22, 23; 36-38)가 하나의 공통 평면(E1)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 센서(26, 27)가 평행한 평면(E1, E2)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서, 상기 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치를 비접촉 전위차계의 부분으로서 사용하는 것을 특징으로 하는, 물체의 위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치.
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