KR20040014164A - 자기 검출 장치 - Google Patents

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KR20040014164A
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미츠비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본원 발명은 종래의 다극 착자된(multipole-magnetized) 이동체를 검출하고자 하는 경우에, 자기 저항 소자에 인가되는 자계는 제로 자계를 넘어 버리는 문제점을 해결하여 자기 저항 소자에 인가되는 자계를 제로 자계를 넘지 않도록 할 수가 있는 양호한 검출을 할 수 있는 수단을 제공하기 위한 것으로서, 본원 발명에 따르면, 다극 착차되고, 회전축에 동기하여 회전하는 이동체(10)와, 상기 회전하는 이동체의 자계의 변화를 검출하는 자기 저항 소자(2a 내지 2d)와, 상기 자계 변화에 의한 상기 자기 저항 소자의 저항치의 변화에 의거하여, 상기 이동체의 다극 착자에 대응한 신호를 출력하는 처리 회로부(2)와, 상기 자기 저항 소자에 바이어스 자계를 인가하는 자석(3)을 구비한다.

Description

자기 검출 장치{MAGNETIC DETECTOR}
본 발명은 다극 착자된(multipole-magnetized) 이동체를 자기 저항 소자(MR 소자)로 검출하는 경우, 상기 자기 저항 소자에 바이어스 자계를 인가하는 자기 검출 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 자기 저항 소자를 구성하는 자기 저항 세그먼트의 각 단(end)에 전극을 형성하여 브리지 회로를 구성하고, 상기 브리지 회로가 대향하는 2개의 전극 사이에 정전압, 정전류의 전원을 접속하고, 자기 저항 세그먼트의 저항치 변화를 전압 변화로 변환하고, 상기 자기 저항 소자에 작용하고 있는 자계의 변화를 검출하는 방식이 있다.
종래의 자기 검출 장치에 관해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 4는 종래의 자기 검출 장치의 구성을 도시한 도면이다. 동 도면에 있어서, (a)는 사시도, (b)는 상면도를 도시한다.
도 4에 있어서, 1은 예를 들면 원반의 주위에 돌기를 마련한, 자계를 변화시키는 형상을 구비한 자성 이동체, 2는 기판의 표면에 회로가 프린트된 처리 회로부, 2a 및 2d는 자기 저항 세그먼트, 2b 및 2c는 자기 저항 세그먼트, 3은 자석, 4는 자성 이동체(1)의 회전축이다. 상기 회전축(4)이 회전함으로써 자성 이동체(1)도 동기하여 회전하다. 또한, 예를 들면, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2d)는 하나의 검은 블록으로 도시하고 있는데, 각 세그먼트가 밀집하여 하나의 세그먼트를 독립하여 나타낼 수 없기 때문이다.
도 5는 자기 저항 소자를 이용한 종래의 자기 검출 장치의 처리 회로부의 구성을 도시한 도면이다.
도 5에 있어서, 자기 저항 소자는 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)로 구성되어 있다. 또한, 12는 차동 증폭 회로, 13은 교류 결합 회로, 14는 비교 회로, 15는 출력 회로, 15T는 트랜지스터, 15Z는 출력 단자이다.
도 5에 있어서, 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d) 또는 고정 저항으로 구성된 브리지 회로에 정전압(VCC)을 인가하고, 자계의 변화에 의한 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)의 저항치 변화를 전압 변화로 변환한다. 상기 전압 변화된 신호는 차동 증폭 회로(12)에 의해 증폭하고, 교류 결합 회로(13)를 통하여 비교 회로(14)에 입력된다. 비교 회로(14)에 의해 소정의 전압과 비교된 신호는 출력 회로(15)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 6은 종래의 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트이다. 도 6에 있어서, (a)는 자성 이동체(1), (b)는 자기 저항 세그먼트(2a, 2b, 2c, 2d)에의 인가 자계,(c)는 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)의 저항치, (d)는 차동 증폭 회로(12)의 출력, (e)는 최종 출력을 각각 나타낸다.
도 4에 도시한 자성 이동체(1)가 회전축(4)을 중심으로, 회전함으로써 자기 저항 세그먼트(2a, 2b, 2c, 2d)에의 인가 자계가 변화하고, 도 6(a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 자성 이동체(1)의 형상에 대응하여 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)에 인가된 자계가 변화한다.
또한, 도 6(c) 및(d)에 도시한 바와 같이, 자계의 변화에 의해, 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)의 저항치가 변화하고, 차동 증폭 회로(12)의 출력이 얻어진다. 그리고, 도 6(e)에 도시한 바와 같이, 상기 차동 증폭 회로(12)의 출력을 비교 회로(11)에 의해 파형 정형하고, 자성 이동체(1)의 형상에 대응한 최종 출력 신호 "1" 또는 "0"을 얻을 수 있다.
근래, 자기 검출 장치에 있어서도 고성능화를 위한 고분해능화의 요구가 있다. 그러나, 자성 이동체(1)의 요철을 늘려서 고분해능화 하기 위해서는 자기 검출 장치의 최소 검출의 요철 피치나, 자성 이동체(1)의 형상, 가공의 제약 때문에 한계가 있다.
그래서, 고분해능화의 유효한 수단으로서, 도 7에 도시한 바와 같은 다극 착자된 이동체를 검출하는 방법이 있다.
도 7은 다른 종래의 자기 검출 장치의 구성을 도시한 도면이다. 동 도면에 있어서, (a)는 사시도, (b)는 상면도를 도시한다.
도 7에 있어서, 10은 다극 착차된 이동체, 2는 기판의 표면에 회로가 프린트된 처리 회로부, 2a 및 2d는 자기 저항 세그먼트, 2b 및2c는 자기 저항 세그먼트, 3은 자석, 4는 이동체(10)의 회전축이다. 상기 회전축(4)이 회전함으로써 이동체(10)도 동기하여 회전하다. 또한, 예를 들면, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2d)는 하나의 검은 블록으로 도시하고 있는데, 각 세그먼트가 밀짐하여 하나의 세그먼트를 독립하여 나타낼 수 없기 때문이다.
도 9는 도 7의 다른 종래의 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트이다. 도 9에 있어서, (a)는 이동체(10), (b)는 자기 저항 세그먼트(2a, 2b, 2c, 2d)에의 인가 자계, (c)는 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)의 저항치, (d)는 차동 증폭 회로(12)의 출력, (e)는 최종 출력을 각각 나타낸다.
여기서 문제가 되는 것이 자기 저항 소자(자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)의 동작 자계 범위이다. 도 8은 자기 저항 소자의 동작 자계 범위(MR 루프 특성)를 도시한 도면이다. 도 8에 있어서, 횡축은 인가 자계(A/m), 종축은 저항 변화율(%)이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 자기 저항 소자는 무자계(인가 자계가 제로)에서 저항치(저항 변화율)가 최대로 되고, 자계의 방향에 관계없이 자계의 인가로 저항치가 작아지기 때문에, 무자계(제로 자계)를 넘는 일 없이 동작 자계 범위를 설정할 필요가 있다.
최초에 설명한 종래의 자기 검출 장치의 경우, 자기 저항 소자(자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)에 인가되는 자계는 도 6(b)에 도시한 바와 같이 되어 있다. 즉, 자성 이동체(1)의 오목부 대향시는 제로 자계 부근에서, 볼록부 대향시에 자계가 인가되도록 자기 회로가 구성되어 있다.
그 때문에, 2번째에 설명한, 도 7에 도시한 바와 같은 다극 착자된 이동체(10)를 검출하고자 한 경우, 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)에 인가되는 자계는 도 9(b)와 같이 제로 자계를 넘어 버린다. 그 결과, 도 9(c) 내지 (e)에 도시한 바와 같이, 자기 저항 세그먼트(2a, 2d와 2b, 2c)는 같은 저항치의 변화를 하게 되고, 그 결과, 차동 증폭 회로(12)의 출력을 얻을 수 없고, 또한 최종 출력도 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 자기 저항 소자에 바이어스 자계를 인가함에 의해 자기 저항 소자에 인가되는 자계가 제로 자계를 넘지 않도록 할 수 있고, 나아가서는 다극 착자된 이동체를 정밀도 좋게 검출할 수 있는 자기 검출 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 다극 착자되고, 회전축에 동기하여 회전하는 이동체와, 상기 회전하는 이동체의 자계의 변화를 검출하는 자기 저항 소자와, 상기 자계의 변화에 의한 상기 자기 저항 소자의 저항치의 변화에 의거하여, 상기 이동체의 다극 착자에 대응한 신호를 출력하는 처리 회로부와, 상기 자기 저항 소자에 바이어스 자계를 인가하는 자석을 구비한 것이다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 상기 처리 회로부가 상기 자석의 착자 방향의 위에 마련되고, 상기 자기 저항 소자가 상기 자석의 착자 방향의 중심선으로부터 소정의 거리만큼 떨어져 상기 처리 회로부상에 마련되어 있는 것이다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 상기 자기 저항 소자가 마련되어 있는 소정의 거리 방향을 상기 이동체측으로 한 것이다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 상기 자석이 상기 자기 저항 소자에 인가하는 바이어스 자계를 상기 이동체가 상기 자기 저항 소자에 인가하는 자계보다도 크게 한 것이다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 상기 자기 저항 소자를 GMR 소자로 한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시예에 관한 자기 검출 장치의 구성을 도시한 사시도, 및 사시도의 시점(P)에서 본 도면 및 거리(L)와 바이어스 자계의 관계를 도시한 특성도.
도 2는 본 발명의 제1의 실시예에 관한 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트.
도 3은 본 발명의 제3의 실시예에 관한 자기 검출 장치의 GMR 소자의 MR 루프 특성을 도시한 도면.
도 4는 종래의 자기 검출 장치의 구성을 도시한 사시도 및 상면도.
도 5는 종래의 자기 검출 장치의 처리 회로부의 구성을 도시한 도면.
도 6은 종래의 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트.
도 7은 다른 종래의 자기 검출 장치의 구성을 도시한 사시도 및 상면도.
도 8은 종래의 자기 검출 장치의 자기 저항 소자의 동작 자계 범위(MR 루프 특성)를 도시한 도면.
도 9는 다른 종래의 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
2 : 처리 회로부2a : 자기 저항 세그먼트
2b : 자기 저항 세그먼트2c : 자기 저항 세그먼트
2d : 자기 저항 세그먼트3 : 자석
4 : 회전축5 : 자성체 가이드
10 : 이동체
제1의 실시예
본 발명의 제1의 실시예에 관한 자기 검출 장치에 관해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1의 실시예에 관한 자기 검출 장치의 구성 등을 도시한 도면이다. 또한 도 2는 본 발명의 제1의 실시예에 관한 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트이다. 또한 각 도면 중, 동일 부호는 동일 또는 그에 상응하는 부분을 나타낸다.
도 1에 있어서, (a)는 사시도, (b)는 (a)의 시점(P)에서 본 도면, (c)는 (b)의 거리(L)와 자기 저항 세그먼트에 인가되는 바이어스 자계의 관계를 도시한 특성도이다.
도 1(a)에 있어서, 10은 다극 착자된 이동체, 2는 기판의 표면에 회로가 프린트된 처리 회로부, 2a 및 2d는 자기 저항 세그먼트, 2b 및 2c는 자기 저항 세그먼트, 3은 자석, 4는 이동체(10)의 회전축, 5는 자성체 가이드이다. 상기회전축(4)이 회전함으로써 이동체(10)도 동기하여 회전한다. 또한, 예를 들면, 자기 저항 세그먼트(2a 및 2d)는 하나의 검은 블록으로 도시하고 있지만, 각 세그먼트가 밀집하여 하나의 세그먼트를 독립하여 나타낼 수 없기 때문이다.
도 1(b)에 있어서, 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d) (자기 저항 소자)가 자석(3)의 착자 방향의 중심선(회전축(4)에 평행)으로부터 거리(L)만큼 떨어져 이동체(10)측의 처리 회로부(2)상에 마련되어 있다. 또한, 자기 저항 소자는 자석(3)의 중심선으로부터 소정 거리만큼 떨어져 이동체(10) 반대측의 처리 회로부(2)상에 마련하여도 좋다. 화살표를 포함한 점선은 자석(3)의 자계를 나타낸다. 덧붙여서, 도 4 및 도 7에 의한 종래 예에서는 자기 저항 소자가 자석(3)의 중심선상의 처리 회로부(2)상에 마련되어 있다.
도 1(c)에 있어서, 횡축은 거리(L)(mm), 종축은 인가 자계(바이어스 자계)(A/m)이다.
도 1(b) 및(c)에 도시한 바와 같이, 본 제1의 실시예에 관한 자기 검출 장치의 자기 회로에 있어서는 자석(3)의 중심선으로부터 거리(L)에 의해, 자기 저항 세그먼트에의 적절한 바이어스 자계를 조정할 수 있다.
도 2는 본 제1의 실시예에 관한 자기 검출 장치의 동작을 도시한 타이밍 차트이다. 도 2에 있어서, (a)는 이동체(10), (b)는 자기 저항 세그먼트(2a, 2b, 2c, 2d)에의 인가 자계, (c)는 자기 저항 세그먼트(2a 내지 2d)의 저항치, (d)는 차동 증폭 회로(12)의 출력, (e)는 최종 출력을 각각 나타낸다.
도 2 (a) 및 (e)에 도시한 바와 같이, 이동체(10)의 다극 착자와 대응한 신호(최종 출력)를 얻을 수 있다.
제2의 실시예
본 제2의 실시예는 상기 제1의 실시예에 있어서 자기 저항 세그먼트(자기 저항 소자)에 인가되는 바이어스 자계를, 이동체(10)가 자기 저항 세그먼트에 인가하는 자계 강도 이상, 또는 최대 자계 강도 이상으로 하는 것이다.
이로써, 자기 저항 세그먼트에 인가되는 자계의 변화는 반드시 제로 자계를 넘는 일이 없고, 양호한 신호(최종 출력)를 얻을 수 있다.
제3의 실시예
본 제3의 실시예는 자기 저항 소자에 거대 자기 저항 소자(이하, GMR 소자라고 칭한다)를 이용한 것이다.
상기 GMR 소자는 수 옹스트롬으로부터 수십 옹스트롬의 두께의 자성층과 비자성층을 교대로 적층한 적층체, 소위 인공 격자막으로서, (Fe/Cr)n, (파마로이(permalloy)/Cu/Co/Cu)n, (Co/Cu)n이 알려져 있다. 또한, n은 적층 수이다.
상기 GMR 소자는 자기 저항 소자(MR 소자)와 비교하여, 현격하게 큰 MR 효과(MR 변화율)를 가짐과 함께, 서로 이웃한 자성층의 자화 방향의 상대 각도에만 의존하기 때문에, 외부 자계 방향이 전류에 대해 어떠한 각도차를 갖고 있더라도 동일한 저항치 변화를 얻을 수 있는 면내 감자 소자(in-plane magnetic sensitive element) 소자이다.
단, 자기 저항 패턴의 폭을 좁게 함으로써 이방성을 부여할 수 있는 소자도있다.
또한, 인가 자계의 변화에 의한 저항치 변화에 히스테리시스가 존재함과 함께, 온도 특성, 특히 온도 계수가 크다는 특징을 구비한 소자이다.
도 3은 본 발명의 제3의 실시예에 관한 자기 검출 장치의 GMR 소자의 MR 루프 특성을 도시한 도면이다.
도 3에 있어서, 횡축은 인가 자계(A/m), 종축은 저항 변화율(%)이다.
이와 같이, 자기 저항 소자에 GMR 소자를 사용함으로써 SN비를 향상할 수 있고, 노이즈 내량(耐量)을 올릴 수 있다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 이상 설명한 바와 같이, 다극 착자되고, 회전축에 동기하여 회전하는 이동체와, 상기 회전하는 이동체의 자계 변화를 검출하는 자기 저항 소자와, 상기 자계의 변화에 의한 상기 자기 저항 소자의 저항치의 변화에 의거하여, 상기 이동체의 다극 착자에 대응한 신호를 출력하는 처리 회로부와, 상기 자기 저항 소자에 바이어스 자계를 인가하는 자석을 구비하였기 때문에, 자기 저항 소자에 인가되는 자계를 제로 자계를 넘지 않도록 할 수 있고, 양호한 검출을 할 수 있다는 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 이상 설명한 바와 같이, 상기 처리 회로부가 상기 자석의 착자 방향의 위에 마련되고, 상기 자기 저항 소자가 상기 자석의 착자 방향의 중심선으로부터 소정의 거리만큼 떨어져 상기 처리 회로부상에 마련되어 있기 때문에, 자기 저항 소자에 인가된 자계를 제로 자계를 넘지 않도록 할 수있고, 양호한 검출을 할 수 있다는 효과를 이룬다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 이상 설명한 바와 같이, 상기 자기 저항 소자가 마련되어 있는 소정의 거리 방향을 상기 이동체측으로 하였기 때문에, 자기 저항 소자에 인가되는 자계를 제로 자계를 넘지 않도록 할 수 있고, 양호한 검출을 할 수 있다는 효과를 이룬다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 이상 설명한 바와 같이, 상기 자석이 상기 자기 저항 소자에 인가하는 바이어스 자계를 상기 이동체가 상기 자기 저항 소자에 인가하는 자계보다도 크게 하였기 때문에, 자기 저항 소자에 인가되는 자계를 제로 자계를 넘지 않는 적절한 자계 범위로 할 수 있어, 보다 양호한 검출을 할 수 있다는 효과를 이룬다.
본 발명에 관한 자기 검출 장치는 상기 자기 저항 소자를 GMR 소자로 하였기 때문에, 신호 진폭이 증대하여 검출 성능의 향상과 노이즈 내량의 향상을 도모할 수 있다는 효과를 이룬다.

Claims (3)

  1. 다극 착자되고, 회전축에 동기하여 회전하는 이동체와,
    상기 회전하는 이동체의 자계의 변화를 검출하는 자기 저항 소자와,
    상기 자계의 변화에 의한 상기 자기 저항 소자의 저항치의 변화에 의거하여, 상기 이동체의 다극 착자에 대응한 신호를 출력하는 처리 회로부와,
    상기 자기 저항 소자에 바이어스 자계를 인가하는 자석을 구비한 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 처리 회로부는 상기 자석의 착자 방향의 위에 마련되고,
    상기 자기 저항 소자는 상기 자석의 착자 방향의 중심선으로부터 소정의 거리만큼 떨어져 상기 처리 회로부상에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 자기 저항 소자가 마련되어 있는 소정의 거리 방향은 상기 이동체측인 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.
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