KR20010101366A - 자기 저항 물질의 이용 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉식 위치 측정을 위한 위치 센서를 형성하는 장치를 공개한다. 위치 센서는 센서 자석과 센서 동체를 포함한다. 센서 동체는 자기 저항 물질로 형성되고, 바람직한 감지 기능을 얻기 위해 2차원이나 3차원적 기하 형태를 취한다. 따라서, 바람직한 감지 기능은 1차원적 또는 그 이상의 센서 동체 치수 변화에 의해 유발된다. 자기 저항 물질의 센서 동체를 다른 기하학적 형태로 형성함으로서, 바람직한 감지 기능이 얻어진다. 이때 다른 기하학적 형태의 예로는 간단한 V자 형태, 사각뿔 형태, 원형으로 가늘어지는 형태, 임의 형태 등이 있다.

Description

자기 저항 물질의 이용{UTILIZATION OF A MAGNETO-RESISTIVE MATERIAL}

이동하는 물체의 위치는 감시될 물체에 기계적으로 연결되는 포텐쇼미터형의 저항 센서로부터 판독을 이용하여 결정되는 경우가 흔하다.

마모 감소 및 신뢰도 향상을 위해 표준 저항 센서에서의 미끄럼 마찰을 제거할 필요가 있다. 포텐쇼미터 센서에 대한 대용품으로 유동 코일 등을 이용한 비접촉식 방법이 현재 이용되고 있다. 그러나 이는 보다 복잡하고 그래서 더욱 비용이 고가인 단점이 있다.

최근에 자기장의 일반적 변화에 더 높은 감도를 보이는 새로운 종류의 자기-저항 물질이 발견되었다. 거대 자기 저항(GMR, CMR)을 보여주는 이 새 물질은 새로운 종류의 위치 센서를 가능하게 한다.

미국 특허 5,475,304 호에는 한 개 이상의 층상 구조를 가지는 거대 자기 저항 센서가 공개된다. 층상 구조는 고정 자기 상태를 가지는 강자성체층, 이보다 약한 연질자기층, 이 두 층 사이에 접촉하는 금속층을 포함한다. 센서는 연질 자기층의 비정렬 자기장 영역 사이 측정된 위치에 도메인 월을 유도하기 위한 한 개 이상의 인덱싱 자석을 또한 포함한다. 자기 저항 센서간 저항을 측정함으로서, 센서를 운반하는 한 소재의 변위가 유도 수단을 운반하는 다른 소재에 대해 측정될 것이다.

미국 특허 5,627,466 호는 센서를 가지는 위치 측정 장치를 공개한다. 그 출력 신호는 눈금 장치와 주사 장치간 거리의 함수이다. 눈금을 주사하는 자기 저항 요소는 포텐쇼미터 회로의 능동 브랜치에 배치된다. 능동 브랜치 상의 전압은 길이에 따라 좌우되는 신호로 간주되며, 눈금 주사에 의해 발생된 위치-의존 주사 신호의 진폭 제어에 사용된다.

그러나, 특정 응용에 적응되는 감도 기능을 제공하는 위치 측정용 비접촉식 센서 장치에 대한 요구가 여전히 존재한다.

본 발명은 자기-저항 물질의 형태 재단에 관한 것이고, 특히 새로운 종류의 위치 감지 센서를 얻기 위한 자기-저항 물질의 형태 설계에 관한 것이다.

도 1은 자기 저항 물질로 만들어진 위치 감지 센서에서 저항의 변화를 측정하기 위한 기본 회로도.

도 2는 자기 저항 물질로 만들어진 위치 감지 센서를 위한 기본 V자 형태 실시예의 도면.

도 3은 자기 저항 물질로 만들어진 위치 감지 센서를 위한 사각뿔형 실시예의 도면.

도 4는 자기 저항 물질로 만들어진 위치 감지 센서를 위한 원형으로 가늘어지는 형태의 실시예 도면.

도 5는 자기 저항 물질로 만들어진 위치 감지 센서를 위한 임의 형태를 가지는 실시예의 도면.

본 발명의 목적은 비접촉식 위치 측정을 위한 위치 센서를 형성하는 장치를 공개하는 것이다. 이 장치는 센서 자석과 센서 동체로 구성되고, 센서 동체는 자기 저항 물질로 만들어지며, 이에 의해 자기저항 물질은 원하는 감도 기능을 얻기 위해 2차원이나 3차원 형태를 가지는 동체로 형성된다. 바람직한 감도 기능은 한 개 이상의 센서 동체 치수를 변화시킴으로서 유도된다.

본 발명의 상기 목적에 따라, 상기 동체는 여러 다른 실시예에서, 간단한 V자 형태, 사각뿔 형태, 원형으로 가늘어지는 형태, 또는 원하는 기능을 위한 임의 형태를 취할 수 있다.

본 발명에 따르는 센서 장치는 청구범위 제 1 항에 의해 설명될 것이고, 추가적인 실시예는 청구범위 종속항 2-7항에서 설명될 것이다.

이론

고유저항 ρ, 길이 Δl, 평균면적 A를 가지는 조각의 전기저항은 다음과 같이 주어진다.

ΔR = ρΔl/A

이 조각에 자기장이 가해지면, 저항은 다음 크기만큼 변화한다.

δΔR = δρΔl/A

이 변화의 크기는 물질에 따라 좌우되고, 제한된 온도 범위에서 GMR 물질은몇십 퍼센트, CMR 물질의 경우엔 보다 높은 값을 얻을 수 있다. 일정한 단면을 가지는 전도체의 경우에, 이 변화는 위치에 관계없으나, A가 위치의 함수라면 독자적인 위치 정보를 얻을 수 있다. 앞서 기술된 위치에 대한 감도는, 한 예로, 두 개의 동일한 표준 저항 R과 한 개(또는 두 개)의 자기 저항 요소 R₁및 R_X=R₁-δΔR로 이루어지는 휫스톤(Wheatstone)형 브리지 회로에 사용된다. 자기 저항 때 중 하나가 위치x에서 거리 Δl 상에서 자기장에 노출되면, 이 때의 저항은 다음과 같이 변화한다.

δΔR = δρΔl/A(x)

그 결과, 연결점 A와 B 사이의 전압 V_AB는 초기값 0으로부터 다음과 같이 변화한다.

V_AB= -EδΔR/{4(R-δΔR)}

δΔR이 작은 경우에, 이는 다음과 같이 변화한다.

V_AB= -EδΔR/(4R)

그리고 전압차를 위치에 따라 직접 구할 수 있다.

V_AB= -EδρΔl/{4RA(x)}

실시예

GMR 기반 시스템을 예로한 실시예에서, 자기 저항 물질은 1nm의 층 두께로 글래스나 실리콘 기판에 스퍼터링함으로서 준비된 Co/Cu 복합층으로 이루어지며,일련의 자기층 사이에 반-강자성체 정렬이 얻어지도록 배열된다. 반복 횟수는 몇십번이며, 복합층 구조는 1nm 두께의 탄탈륨 코팅층에 의해 보호된다. 이 물질은 증착 중 마스킹에 의해, 또는 증착 후 절단이나 에칭에 의해 원하는 감도 기능을 얻도록 적절한 형태로 형성된다. 감도 기능은 도 2-5에 나타나는 바와 같이 1차원이나 2차원적 치수 변화의 결과이다.

이렇게 얻은 자기 저항 물질(센서 요소)은 고정 장치에 고정 장착되고, 이동 물체에 견고하게 연결되는 소형 이동 영구 자석은 센서 요소에 가깝게 위치하여, 센서 물질 일부가 자기장에 노출되게 한다. 영국 자석으로부터의 자기장의 크기는 충분히 커서, 센서 요소의 노출부가 강자성 상태로 유도되고 결과적으로 20-50%의 (국부적인) 저항 변화를 보인다. 이 저항 변화는 직접, 또는 휫스톤형 브리지의 결과적 비대칭을 통해 측정된다.

도 1은 자기 저항 물질을 이용한 위치 센서 요소(1)의 저항 변화를 측정하기 위해 브리지를 형성하는 전형적인 회로도이다. 센서 요소(1)는 저항 R_X의 센서 요소(1)와 고정값 R을 가지는 저항(4)이 브리지의 제 1 브랜치를 형성하고, 고정값 R₁을 가지는 저항(2)과 고정값 R을 가지는 저항(3)이 브리지의 제 2 브랜치를 형성한다. 저항 R₁은 센서 요소(1)의 통상적 저항에 상응하고, 센서 요소(1)의 온도 의존도에 상응하는 온도 의존도를 가지는 것이 선호된다. 전형적인 실시예에서, 센서 요소(1)에 가깝게 영구 자석(5)이 위치하여, 영구 자석과 센서 요소(1)가 이중 화살표로 나타나는 x-방향으로 서로에 대해 변위될 수 있다. 전압계(6)의 한 단자가R_X및 R₁사이의 연결점에 연결된다. 전압계는 두 브랜치에 의해 형성되는 두 전압 분할기에 의해 얻어지는 전압차를 측정하고, 이 두 브랜치에는 전압 E가 공급된다. 따라서, 전압계(6)에 의해 디스플레이되는 전압차의 변화는 저항(1) 변화의 함수일 것이고, 이는 자석(5)의 위치 x의 함수일 것이다.

Rx = R₁-∂R; ∂R = F(x) => V=V(x)

자기장이 작용하는 면적은 도 1에서 (5)로 표시된다. 요소 R₁과 R_X는 도일한 요소로 만들어질 수도 있다. 그러나 대부분의 경우에 R₁은 적절한 표준 금속막 저항으로 대체될 것이다. 더욱이, 센서 물질의 형태는 원하는 바의 특정 감도 기능을 수용하도록 변한다.

결과적으로, 자기 저항 물질은 바람직한 감도 기능을 얻기 위해 임의 형태로 형성된다. 감도 기능은 도 1의 Rx 형태로 나타나는 바와 같이, 주로 물질 띠의 폭과 같은 1차원적 변화의 결과이다. 이는 어떤 종류의 자기 저항 물질을 이용하여도 달성된다. 이때 일정한 두께는 일련의 자기층 사이에 반-강자성체 정렬이 이루어지도록 선택되는 층 두께를 가지는 복합층 구조를 나타낸다.

본 개선점에 따라, 도 2와 3에 도시되는 바와 같이 2차원적으로 변화한다. 이때 반복층의 횟수는 변화하고, 반-강자성체 정렬이 보존되어, 도 2에 도시되는 간단한 V자 형태에 상응하는 신호에 단계적 변화가 부여된다.

도 4와 5에 위치 감지 센서의 추가적인 실시예가 디스플레이된다. 이동하는 물체에 견고하게 연결되는 소형 이동 자석은 자기저항 물질에 가깝게 위치하여, 자기 저항 물질 일부가 자기장에 노출되고 강자성체 상태로 유도되어 저항 변화를 나타낸다.

Claims (7)

1. 자기 저항 물질로 만들어진 센서 동체와 센서 자석을 포함하는 비접촉식 위치 측정을 위한 위치 센서 형성 장치로서,

   상기 자기 저항 물질은 바람직한 감지 기능을 얻기 위해 2차원이나 3차원적 형태로 형성되고, 이에 의해 감지 기능이 한 개 이상 차원의 센서 동체 치수 변화로 나타나는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 이동하는 물체에 견고하게 연결된 소형 이동 자석이 자기 저항 센서 동체에 가깝게 위치하여, 자기 저항 물질의 정해진 부분만이 자기장에 노출되고 강자성체 상태로 유도되어 저항 변화가 측정되게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 센서 동체 물질은 자기 저항 물질로서, GMR 물질을 이용할 때, 일정한 두께는 일련의 자기층 사이에 반-강자성체 정렬을 얻도록 선택되는 층의 두께를 가지는 복합층을 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 센서 동체의 물질은 간단한 V자 형태이고, GMR 물질의 경우에 적층 방향에 수직인, 한 방향으로 치수가 변화하는 자기저항 물질인 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 센서 동체 물질은 사각뿔형이고, GMR 물질의 경우에, 간단한 V자 형태에 상응하는 신호에 단계적 변화가 부과되도록 반복 횟수가 변화하는 자기 저항 물질인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 2 항에 있어서, 센서 동체 물질은 원형으로 가늘어지는 형태로 형성되는 자기 저항 물질인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 2 항에 있어서, 센서 동체 물질은 임의 형태를 취하고, 센서 동체 형태에 상응하는 신소를 부여하는 자기 저항 물질인 것을 특징으로 하는 장치.