KR100658859B1 - 자기 검출 장치 - Google Patents

Abstract

과제

제조상의 편차에 의해 자기 저항 소자와 자석의 상대 위치에 어긋남이 존재하여도, 피검출체인 자성 이동체의 검출 정밀도에 영향을 주지 않는 자기 검출 장치를 얻는다.

해결 수단

적어도 2개의 자기 저항 소자로 이루어진 브리지 회로로 구성된 자계 검출부와, 상기 자계 검출부와 일체로 형성된 상기 자기 저항 소자에 자계를 인가하는 자석과, 상기 자석의 근방에 배치되고 상기 자석에 의해 발생한 자계를 변화시키는 자성 이동체와, 상기 자계의 변화에 의한 상기 자기 저항 소자의 저항치의 변화를 전압 변화로 변환하고, 상기 전압을 처리하는 것에 의해 상기 저항치 변화에 의거하여 신호를 출력하는 처리 회로부를 구비하고, 상기 각각의 자기 저항 소자는 각각의 자기 저항 소자의 중심점에 대해 점대칭인 것을 특징으로 한다.

GMR, 자계 검출

Description

자기 검출 장치{Magnetic Detector}

도 1은 종래의 자기 검출 장치의 구성을 도시한 도면으로서, (a)는 사시도, (b)는 상면도, (c)는 자기 저항 세그먼트의 확대도.

도 2는 종래의 자기 검출 장치의 처리 회로부의 구성을 도시한 도면.

도 3은 종래의 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트.

도 4는 종래의 자기 검출 장치로서, 자기 저항 세그먼트 및 자석의 상대 위치가 정밀도 좋게 배치된 경우 (a) (b)와, 어긋나게 배치된 경우 (c) (d)를 모식적으로 도시한 도면.

도 5는 GMR 소자의 자계의 강도와 저항치의 관계를 도시한 도면.

도 6은 종래의 자기 검출 장치로서 각각의 구성이 어긋난 경우의 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트.

도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 자기 검출 장치의 구성을 도시한 도면으로서, (a)는 사시도, (b)는 상면도, (c)는 자기 저항 세그먼트의 확대도.

도 8은 본 발명의 실시의 형태　１에 관한 자기 검출 장치로서, 자기 저항 세그먼트 및 자석의 상대 위치가 정밀도 좋게 배치된 경우 (a) (b)와, 어긋나게 배치된 경우 (c) (d)를 모식적으로 도시한 도면.

♠도면의　주요부분에　대한　부호의 설명♠

1 : 자성 이동체

2 : 처리 회로부

2a : 자기 저항 세그먼트

2b : 자기 저항 세그먼트

3 : 자석

4 : 회전축

기술 분야

본 발명은, 자전(磁電) 변환 소자인 거대 자기 저항 소자(이하, GMR 소자라고 칭한다)를 이용한 자기 검출 장치에 관한 것이다.

배경 기술

GMR 소자는, 수　옹스트롬으로부터 수십　옹스트롬 두께의 자성층과 비자성층을 교대로 적층시킨 적층체, 이른바 인공 격자막으로서, (Fe/Cr)n, (퍼멀로이/Cu/Co/Cu)n, (Co/Cu)n이 알려져 있다(n은 적층 수).

최근, 상기한 바와 같은 GMR 소자로 이루어지는 자기 저항 세그먼트의 각 단(端)에 전극을 형성하여 브리지 회로를 구성하고, 이 브리지 회로의 대향하는 2개의 전극 사이에 정전압, 정전류의 전원을 접속하고, 자기 저항 세그먼트의 저항치 변화를 전압 변화에 변환하여, 이 자기 저항 소자에 작용하고 있는 자계의 변화를 검출하는 자기 검출 방식이, 차량탑재용 회전 센서 등에 이용되게 되어 있다.

특개2004-69546호 공보(특허 문헌 1 참조)에는, 이와 같은 종래의 자기 검출 장치가 개시되어 있고, 이하 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 특허 문헌 1에 도시한 종래의 자기 검출 장치의 구성을 설명하는 도면으로서, 동 도면에서, (a)는 사시도, (b)는 상면도, (c)는 자기 저항 세그먼트의 확대도이다.

도 1에서, 1은 예를 들면 원반의 주위에 돌기를 가지며, 자계를 변화시키는 형상을 구비한 예를 들면 기어 등의 자성 이동체, 2는 기판의 표면에 회로가 프린트된 처리 회로부, 2a 및 2b는 자기 저항 세그먼트, 3은 자석, 4는 자성 이동체(1)의 회전축이다. 이 회전축(4)이 회전함으로써 자성 이동체(1)도 동기하여 회전한다. 또한, (a) (b)에서는 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)는, 하나의 검은 블록으로 도시하고 있지만, (c)에 자기 저항 세그먼트의 형상(패턴)을 확대하여 나타내고 있다.

도 2는, 상기한 종래의 자기 검출 장치의 처리 회로부(2)의 구성을 도시한 도면이다. 도 2에서, 처리 회로부(2)는 2개의 자기 저항 세그먼트(GMR 소자)(2a 및 2b)에 의해 구성된 휘트스톤 브리지 회로(11)와, 차동 증폭 회로(12)와, 비교 회로(13)와, 출력 회로(14)로 이루어져 있다. 또한, 15T는 트랜지스터, 15Z는 출력 단자, VCC는 정전압, Vref는 기준 전압이다.

도 2에서, 자기 저항 세그먼트(2a, 2b) 또는 고정 저항으로 구성된 브리지 회로에 정전압(VCC)을 인가하고, 자계의 변화에 의한 자기 저항 세그먼트(2a, 2b)의 저항치 변화를 전압 변화로 변환한다. 상기 전압 변화된 신호는 차동 증폭 회로 (12)에 의해 증폭하고, 비교 회로(13)에 입력된다. 비교 회로(13)에 의해 소정의 기준 전압(Vref)과 비교된 신호는, 출력 회로(14)의 트랜지스터(15T)에 의해 "O" 또는 "1"(=VCC)의 최종 출력으로 변환되고, 출력 단자(15Z)로부터 출력된다.

다음에, 종래의 자기 검출 장치의 동작에 관해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 3은, 종래의 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트이다. 도 3에서, (a)는 자성 이동체(1)의 배치, (b)는 자기 저항 세그먼트(2a, 2b)의 저항치, (c)는 차동 증폭 회로(12)의 출력, (d)는 최종 출력을 각각 나타낸다.

도 1에 도시한 자성 이동체(1)가 회전축(4)을 중심으로 회전함으로써, 자기 저항 세그먼트(2a, 2b)에의 인가 자계가 변화하고, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 자성 이동체(1)의 형상에 대응하여 자기 저항 세그먼트(2a, 2b)에 인가되는 자계에 따른 저항 변화가 생긴다.

또한, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 상기 저항치의 변화에 의해 차동 증폭 회로(12)의 출력이 얻어진다. 그리고, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이, 이 차동 증폭 회로(12)의 출력을 비교 회로(13)에 의해 파형 정형하고, 자성 이동체(1)의 형상에 대응한 최종 출력 신호 "1" 또는 "O"을 얻을 수 있다.

[특허 문헌 1]

특개2004-69546호 공보

그러나, 근래, 상기한 바와 같은 자기 검출 장치에 있어서, 검출 정밀도의 더　나아가　고정밀화에의 요구가 있는 한편, 자성 이동체(1)의 요철 위치를 검지 하기 위한 정밀도는, 자기 저항 세그먼트(2a, 2b) 및 자석(3)의 상대 위치의 제조상의 편차 때문에 한계가 있다.

도 4에 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b) 및 자석(3)의 상대 위치가, 정밀도 좋게 배치된 경우와 어긋나 배치된 경우를 모식적으로 도시한다. 도 4의 (a) 및 (b)는 정밀도 좋게 배치된 자기 검출 장치의 일예이며, 자성 이동체(1)가 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 근접한 경우를 (a)도에, 자성 이동체(1)가 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)와　떨어진 경우를 (b)도에 도시하고 있다. 어느 경우도 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 걸리는 면내 자계는 균등하게 된다. 즉 자기 저항 세그먼트에 대한 수직 방향 자계와 수평 방향 자계는 동등하다.

그런데, 도 4의 (c) 및 (d)에 도시한 바와 같이, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)와 자석(3)과의 위치 관계에 어긋남이 생긴 경우에는, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 걸리는 면내 자계는 불균일하게 된다. 즉 자기 저항 세그먼트(2a)는 긴 변에 대해 수평 방향 자계 성분이 강하게 되고, 반대로 자기 저항 세그먼트(2b)는 긴 변에 대해 수직 방향 자계 성분이 강하게 되어, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 대한 수직 방향 자계와 수평 방향 자계는 불균등하게 된다.

여기서 자기 저항 소자인 GMR 소자의 인가 자계와 저항치 변화에 관한 특징을 설명한다. 이 GMR 소자는, 자기 저항 소자(MR 소자)와 비교하여, 현격하게 큰 MR 효과(MR 변화율)를 가지면서, 서로 이웃한 자성층의 자화 방향의 상대 각도에만 의존하기 때문에, 외부 자계 방향이 전류에 대해 어떤 각도차를 갖고 있어도 같은　한 저항치 변화를 얻을 수 있는 면내 감자(感磁)의 소자이다.

도 5는, GMR 소자의 자계의 강도와 GMR 소자의 저항치의 관계를 도시하고 있다. 도 5의 (a)는 도 4의 (a) 및 (b)와 같이 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b) 및 자석(3)의 상대 위치가 정밀도 좋게 배치되어 있는 경우를 나타내고, 도 5의 (b)는 어긋나게 배치된 경우를 나타내고 있다. GMR 소자는 면내에 걸리는 자계에 대해, GMR 소자의 형상(패턴)에 대해 수직 방향(도 4의 화살표 A)과 수평 방향(도 4의 화살표 B)에 의해 GMR 소자의 저항치에 차가 생긴다. 도 5에서, 굵은선은 GMR 패턴에 걸리는 평행 자계를, 가는선은 GMR 패턴에 걸리는 수직 자계를 나타내고 있다.

도 5의 (a)의 화살표는, 도 4의 면내 자계가 균일하게 되어 있는 경우의 GMR 소자의 저항치와 자계의 범위를 나타내고 있고, 수직 자계와 수평 자계의 중간 지점에 있는 것을 나타내고 있다. 또한 도 5의 (b)의 화살표는 도 4의 (c) 및 (d)의 면내 자계가 불균일하게 되어 있는 경우의 GMR 소자의 자계와 저항의 범위를 나타내고 있고, 자기 저항 세그먼트(2a)는 수평 자계가 크고, 자기 저항 세그먼트(2b)는 수직 자계가 크다. 따라서 도 5의 (b)와 같이 내면 자계가 불균일하게 되어 있는 경우, 자기 저항 세그먼트(2a)와 자기 세그먼트(2b)에서는 저항치 변화의 범위에 차이가 생긴다. 즉 자기 저항 세그먼트(2a)의 저항 변화 범위는 자기 저항 세그먼트(2b)의 저항 변화 범위보다 낮아진다.

도 6에 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)와 자석(3)이 어긋난 경우에 관한 자기 검출 장치의 동작에 관해 기술한다. 도 6에서, (a)는 자성 이동체(1)의 배치, (b)는 자기 저항 세그먼트(2a, 2b)의 저항치, (c)는 차동 증폭 회로(12)의 출력, (d)는 최종 출력을 각각 나타낸다.

도 6의 (c) 및 (d)에 도시한 바와 같이, GMR 소자의 저항치의 변화에 차가 생기고, 차동 증폭 회로(12)의 출력 파형은 한 방향으로 시프트한다. 비교 회로(13)의 전위치는 변하지 않기 때문에, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)와 자석(3)에 어긋남이 없는 경우와 비교하여, 출력 신호의 위치에 어긋남이 생기고, 검출 정밀도를 현저하게 떨어뜨리게 된다.

본 발명은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 제조상의 편차에 의해 자기 저항 소자와 자석의 상대 위치에 어긋남이 존재하여도, 피검출체인 자성 이동체의 검출 정밀도에 영향을 주지 않는 자기 검출 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 자기 검출 장치는, 적어도 2개의 자기 저항 소자로 이루어진 브리지 회로로 구성된 자계 검출부와, 상기 자계 검출부와 일체로 형성된 상기 자기 저항 소자에 자계를 인가하는 자석과, 상기 자석의 근방에 배치되고 상기 자석에 의해 발생한 자계를 변화시키는 자성 이동체와, 상기 자계의 변화에 의한 상기 자기 저항 소자의 저항치의 변화를 전압 변화로 변환하고, 상기 전압을 처리하는 것에 의해 상기 저항치 변화에 의거하여 신호를 출력하는 처리 회로부를 구비하고, 상기 각각의 자기 저항 소자는 각각의 자기 저항 소자의 중심점에 대해 점대칭인 것을 특징으로 하는 것이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

실시의 형태 1

본 발명의 실시의 형태 1에 관한 자기 검출 장치에 관해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 7은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 자기 검출 장치의 구성을 도시한 도면이다. 도 7에서, (a)는 사시도, (b)는 상면도, (c)는 자기 저항 세그먼트의 확대도이다. 도면중, 1은 예를 들면 원반의 주위에 돌기 등의 자계를 변화시키는 형상을 마련한 자성 이동체를 나타내고, 2는 기판의 표면에 회로가 프린트된 처리 회로부, 2a 및 2b는 자기 저항 세그먼트, 3은 자석, 4는 자성 이동체(1)의 회전축이다. 이 회전축(4)이 회전함으로써 자성 이동체(1)도 동기하여 회전한다. 또한, 도 7의 (b)에서는, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)는 하나의 검은 블록으로 도시하고 있지만, 각 세그먼트가 밀집하고 하나의 세그먼트를 독립하여 나타낼 수 없기 때문이고, 도 7의 (c)에 각각의 자기 저항 세그먼트의 확대도를 도시하고 있다.

자기 저항 세그먼트의 형상은 점대칭으로 n각형이다. 또한 n 값은, 형상의 이방성을 갖지 않는 정도이면 어떤 값이라도 좋다. n=∞이라면 원형으로 된다. 자기 저항 세그먼트가 면내에 대해 점대칭의 형상이면, 자기 저항 세그먼트는 자기 저항 세그먼트의 시단(始端)으로부터 종단(終端)에 걸처, 면내에서는 전방위로부터 자계를 받게 된다. 즉 임의의 어떤 일방향의 자계에 대해 자기 저항 세그먼트가 받는 면내 자계는, 방향성을 갖지 않고, 이방성이 없다.

도 8에 제조의 편차를 모방한 자계 변화를 모식적으로 도시한다. 도 8의 (a) (b)는 정밀도 좋게 제조된 자기 검출 장치의 일예이다. 자성 이동체(1)가 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 근접한 경우와 떨어진 경우에서 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 걸리는 면내 자계는 균등하다. 즉 면내의 수직 자계와 수평 자계는 균일하다. 그런데 도 8의 (c) 및 (d)에 도시한 바와 같이, 제조상의 편차에 의해 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b) 및 자석(3)의 위치 관계에 어긋남이 생긴 경우, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 걸리는 면내 자계는, 자기 저항 세그먼트(2a)는 수평 자 계 성분이 크고, 자기 저항 세그먼트(2b)는 수직 자계 성분이 크다.

그런데 실시의 형태 1의 자기 저항 세그먼트의 형상에서는 형상에 이방성을 갖지 않기 때문에, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)는 시단부터 종단에 걸쳐서 전방위로부터 자계를 받는 것으로 되기 때문에, 자기 저항 세그먼트(2a)의 저항치 변화 범위와 자기 저항 세그먼트(2b)의 저항치 변화 범위에 차가 생기지 않고, 출력 신호의 위치에 어긋남이 생기지 않는다. 따라서 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b) 및 자석(3)과의 위치 관계가 어긋난 경우와 정밀도 좋게 배치된 경우에서 출력 파형의 어긋남이 생기지 않는다.

도 8에 본 발명의 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)를 이용한 경우의 자석(3)과의 상대 위치가 변화한 상태를 모식적으로 도시한다. 도 8의 (a) 및 (b)는 정밀도 좋게 배치된 자기 검출 장치의 일예이고, 자성 이동체(1)가 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 근접한 경우를 (a)도면에, 자성 이동체(1)가 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)와 떨어진 경우를 (b)도에 도시하고, 어느 경우도 자기 저항 세그먼트(2a 및 2b)에 걸리는 면내 자계는 균등하게 된다.

본 발명에 관한 자기 검출 장치는, 자기 저항 소자의 형상을 점대칭으로 구성하였기 때문에, 회전 이동체의 검출 정밀도에 대해 제조상의 편차를 없앨 수 있다.

Claims (5)

1. 적어도 2개의 자기 저항 소자로 이루어진 브리지 회로로 구성된 자계 검출부와, 상기 자계 검출부와 일체로 형성된 상기 자기 저항 소자에 자계를 인가하는 자석과, 상기 자석의 근방에 배치되고 상기 자석에 의해 발생한 자계를 변화시키는 자성 이동체와, 상기 자계의 변화에 의한 상기 자기 저항 소자의 저항치의 변화를 전압 변화로 변환하고, 상기 전압을 처리하는 것에 의해 상기 저항치 변화에 의거하여 신호를 출력하는 처리 회로부를 구비하고, 상기 각각의 자기 저항 소자는 각각의 자기 저항 소자의 중심점에 대해 점대칭인 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 자기 저항 소자는 거대 자기 저항 소자(GMR 소자)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 자기 저항 소자의 형상을 다각형의 소용돌이 형상 패턴으로 한 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 자성 이동체는 회전축에 동기하여 회전하는 기어 형상 자성 이동체인 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 자계 검출부는 적어도 2개의 자기 저항 소자와 다른 저항기에 의해 브리지 회로를 구성한 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.

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