JPS6034048B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁気抵抗効果を有する強磁性金属を使用した
非接触で変位を検出する変位検出装置に関するものであ
る。

従来、平行な複数の直線部を持つジグザグ状の第１の磁
気抵抗素子と、この第１の磁気抵抗素子の直線部と同じ
長さを有し、この直線部に直角に設けられた第２の磁気
抵抗素子を有する磁電変換装置が知られている（特関昭
５０−２８９８９号公報参照）が、この装置は１つの磁
界を用いているので、磁界と装置との相対的な直線変移
を検出することはできず、この磁界の回転または装置の
回転変位のみを検出していた。

本発明は、上記従釆例の欠点を解消するために、互いに
直交する２つの磁界を設け、この直交磁界の境界部に磁
気抵抗素子の主電流通路が一方の磁界の方向と平行にな
るようにした１つの磁気抵抗素子を設け、この磁気抵抗
素子の抵抗変化を検出することによって、前記磁気抵抗
素子の磁界の境界部に対する変位を検出するようにした
変位検出装置を提供するものである。

本発明の構成は、１つの長方形の強磁性金属磁気抵抗素
子と；この強磁性金属磁気抵抗素子の長手方向に平行な
第１の磁界と、この第１の磁界に近接し前記長手方向に
直交する方向の第２の磁界とを、前記強磁性金属磁気抵
抗素子に加え、かつ、これらの第１の磁界と第２の磁界
との境界部が前記強磁性金属磁気抵抗素子の長手方向の
長さの範囲内において前記強磁性金属磁気抵抗素子と相
対的に変位可能なように配置された磁界発生手段と；前
記強磁性金属磁気抵抗素子の抵抗の大きさを検出して、
これに対応する前記相対的な変位の大きさを表わす電気
的な量を出力する電気的側足手段と：を備えたことを特
徴とするものである。また本発明の他の構成は、長手方
向に平行に配列された第１の王電流通路と、この第１の
主電流通路を継ぐ主電流通路とによりジグザグ状に形成
され、一端に第１の入力様子が接続され、他端に出力端
子が設けられた第１の強磁性金属磁気抵抗素子と；長手
方向に対して直角方向に配列された第２の主電流通路お
よびこの第２の主電流通路を継ぐ電流通路を有し、前記
第２の主電流通路が前記第１の主電流通路に直交して配
置され、前記第１の強磁性金属磁気抵抗素子の長手方向
の長さに等しい長さにわたってジグザグ状部分を有し、
一端は第２の入力端子に接続され、池端が前記出力端子
に接続され、その電気抵抗が前記第１の強磁性金属磁気
抵抗素子の抵抗にほぼ等しく、前記第２の主電流通路の
延長線と前記第１の主電流通路が交差するように、前記
第１の強磁性金属磁気抵抗素子と隣接して配置された第
２の強磁性金属磁気抵抗素子と；前記第１の強磁性金属
磁気抵抗素子の主電流通路に平行な第１の磁界と、前記
第２の強磁性金属磁気抵抗素子の主電流通路に平行な第
２の磁界とからなる磁界を、前記第１および第２の強磁
性金属磁気抵抗素子に加え、かつ、これらの第１の磁界
と第２の磁界との境界部が前記第１の強磁性金属磁気抵
抗素子の長手方向の長さの範囲内において前記第１およ
び第２の強磁性金属磁気抵抗素子と相対的に変位可能な
ように配置された磁界発生手段と；前記第１および第２
の強磁性金属磁気抵抗素子の抵抗の大きさを検出して、
これらに対応する前記相対的な変位の大きさを表わす電
気的な量を出力する電気的測定手段と；を備えたことを
特徴とするものである。また本発明の構成は前記第１、
第２の磁気抵抗素子のジグザグ状部の主電流通路の長さ
が前記出力端子部分から順次変化するようにし、変位に
対して前記２つの磁気抵抗素子の抵抗変化が非線形特性
を示すことを特徴としたものである。以下、図面により
実施例を詳細に説明する。第１図、第２図は、本発明の
第１実施例を示したもので、１は基板ｌａとこの基板ｌ
ａの上に帯状に形成した薄い強磁性金属膜ｌｂと、その
両端の電極ｌｃ，ｌｄからなる磁気抵抗素子、２はこの
磁気抵抗素子１の長手方向に平行な第１の磁界界、３は
磁気抵抗素子１の長手方向に直角な磁界である。

ここで、第１、第２の磁界２，３は後述のように、前記
第１の磁気抵抗素子を飽和磁化させるに充分な強さの磁
界とする。この磁気抵抗素子１を第２図に示したように
抵抗４に直列に接続して直流電源５に接続し、抵抗４の
両端の電圧の変化を検出すると、第１、第２の磁界の境
界から磁気抵抗素子１がどの程度変位しているかを検出
することができる。即ちＮｉ−ＣｏやＮｉＦｅなどの強
磁性金属で形成された磁気抵抗素子１を飽和磁化させる
に充分な強さの磁界を、磁気抵抗素子１の平面において
、磁気抵抗素子１の主電流通路の方向に対しある角度ａ
をもつて加えると、磁気抵抗素子１はその角度のこ依存
して電気抵抗が変化する。この磁界の方向と主電流通路
の方向とが平行になった時、その抵抗は最大となり、磁
界の方向と主電流通路の方向とが直角になった時、抵抗
は最４・となる。従って、第１図に示したように、磁気
抵抗素子１を直交磁界２，３の境界に魔〈と、磁界によ
って増加した抵抗と減少した抵抗がほぼ等しくなり、こ
の磁気抵抗素子１の抵抗値は、磁界の影響のない所で測
定した抵抗値と等しくなる。またこの磁気抵抗素子１を
第１の磁界２の領域へ移動させると、磁気抵抗素子１の
低抗値は変化に比例して大きくなり、従って第２図に示
した回路の出力端子６から出力される電圧は低くなり、
また磁気抵抗素子１を第２の磁界３の領域へ移動させる
と、この磁気抵抗素子１の抵抗は変位に比例して小さく
なって出力端子６の出力電圧は高くなる。このように、
磁気抵抗素子１を直交磁界２，３の境界に設け、この磁
気抵抗素子１の抵抗変化を検出することにより、磁気抵
抗素子１の直交磁界に対する変位を求めることができる
。なお、以上の点から磁気抵抗素子１の長手方向の長さ
が長い程検出しようとする変位の範囲が大きくできるこ
とは明らかである。次に、第３図は、本発明の第２実施
例を示したもので、第１図と同一符号のものは同一部を
示しているが、本実施例では、長方形の磁気抵抗素子１
の代りに、基板７上に長手方向に平行な複数の直線部８
′を有するジグザグ状の磁気抵抗素子８を設けた点が異
っている。

ただし、ここでジグザグ形状は、長手方向（主電流通路
）の抵抗成分がこれと直角方向の抵抗成分よりも充分大
きくなるようにすることが望ましい（実質的には５倍以
上が適当）。このような磁気抵抗素子をジグザグ状に形
成すれば、前記第１の実施例に比べて、磁気抵抗素子の
電気抵抗を大きくすることができ、変位による抵抗変化
を大きくできる。この磁気抵抗素子８の両端子９は、第
２図の電源５及び抵抗４の一端に接続され、第１実施例
と同様に動作する。第４図、第５図は、本発明の第３実
施例を示したもので、１川ま基板、１１は素子方向に平
行な多数の主電流通路１１′を有し、ジグザグ状に配列
され、一端が入力端子１２に接続され、他端が出力端子
１３に接続された第１の抵抗素子、１４は第１の磁気抵
抗素子１１の主電流通路１１′と垂直な主電流通路１４
′を有し、その電気抵抗は第１の抵抗素子１１の抵抗に
ほぼ等しく、長手方向の長さも第１の抵抗素子１１の長
手方向の長さに等しくなるようにジグザグ状に配列され
、一端が出力端子１３に接続され、他端が入力端子１５
に接続された第２の抵抗素子である。

ここで、前述の磁気抵抗素子のジグザグの形状はいずれ
も主電流通路（第１の磁気抵抗素子１１では長手方向、
第２の磁気抵抗素子１４では長手方向と直角の方向）の
抵抗成分が、これと直角な方向の抵抗成分に比べ充分高
い（実質的には５倍以上）ことがのぞましい。

この第１、第２磁気抵抗素子１１，１４は、その長手方
向が互いに接するように配置され、主電流通路１１′，
１４′が第１図に示した直交磁界２，３と平行または直
交するように、この直交磁界の境界に設けられる。また
これらの２つの磁気抵抗素子１１，１４の入力端子１２
，１５は、第５図に示したように直流電源５に直列に接
続されると共に、直列に接続された固定抵抗１６，１７
に並列に接続される。そして【十’出力端子１３と固定
抵抗１６，１７の接続点の］出力端子１８の間に出力さ
れる電圧を測定することにより、基板１０が直交磁界２
，３の境界からどの程度変位しているかを検出すること
ができる。即ち、基板１０を第１、第２の磁界２，３の
境界に置いた時に、出力端子１３，１８間の出力電圧が
零になるように固定抵抗１６，１７を設定する。このよ
うに設定した後、この基板１０を第１の磁界２の領域へ
移動させると、磁気抵抗素子１１の抵抗は変位に比例し
て大きくなり、かつ磁気抵抗素子１４の抵抗は変位に比
例して小さくなり、従って第５図に示した出力端子１３
，８の間に出力される電圧は、変位に比例して負側に減
少する。また基板１０を第２の磁界３の領域へ移動させ
ると、磁気抵抗素子１１の抵抗は変位に比例して小さく
なり、かつ磁気抵抗素子１４の抵抗は変位に比例して大
きくなり、出力端子１３，１８の間に出力される電圧は
変位に比例して正側に増加する。この結果、出力端子１
３，１８の間の電圧変化を測定することにより、基板１
０が第１、第２の磁界の境界からどの程度変位したかを
直線的に検出することができる。この第３実施例の変位
検出装置では、周囲温度が変化しても、第１，第２の磁
気抵抗素子１１，１４の抵抗が同じように変化するので
、この周囲温度変化による出力変化を除去することがで
きる。

なお「本実施例のように、変位に対して逆方向に抵抗が
変化する２つの抵抗体を用いて第５図の構成にすれば、
第２図の構成に比べて出力を２倍にすることができる。
第３実施例の変形例として、第４図のように２つの磁気
抵抗素子１１，１４を隣り合って配置せず、磁気抵抗素
子１１の上に薄い絶縁膜を形成し、この上に磁気抵抗素
子１４を設け、磁気抵抗素子を重ねた構成も可能である
。またさらに、磁気抵抗素子１１，１４を基板１０の表
裏に別々に配置し、基板の幅を短くするような構成も可
能である。他の変形例としては、第６図のように、第１
の磁気抵抗素子１１、第２の磁気抵抗素子１４の他に、
該素子１４と同形状の第３の磁気抵抗素子１６′と該磁
気抵抗素子１１と同形状の第４の磁気抵抗素子１７′を
基板１０上に配設し、第５図における固定抵抗１６の代
りに、第３の磁気抵抗素子１６′を固定抵抗１７のかわ
りに第４の磁気抵抗素子１７′を用いた磁気抵抗素子４
個によるフルブリッジ構成も可能である。この構成では
第５図の構成に比べて出力をさらに２倍にすることがで
きる。第７図は、第５実施例を示したもので、回転変位
を直線出力として測定するものであり、第４図と同一符
号のものは同一部を示している。

基板１０′は前述の実施例と異なり、図のように基板が
円筒の円周上に接するような形状をしており、その凹面
上に素子１１，１４が配談されている。磁石１８は半リ
ング状磁石であり、円周方向に肴磁されている。また磁
石１９はやはり半リング状磁石であり、縦方向に着磁さ
れている。前記２個の半リング状磁石は合わさって１つ
の円筒形状を形成し、その円筒側面において、その２個
の磁石の接触部を境界として互いに直交する２個の磁界
２′，３′が得られるものとする。基板１０′は２個の
磁石１８，１９で構成する円筒の側面で、磁界２′，３
′の境界部に位置し、磁気抵抗素子１１の主電流通路１
１′、磁気抵抗素子１４の主電流通路１４′はそれぞれ
磁界２′に対して平行、垂直な関係をもち、磁界３′に
対して垂直、平行な関係をもつ。基板１０′と前記２個
の磁石２，３が相対的に回転した時、磁気抵抗素子１１
，１４は前記実施例と同機な効果により抵抗変化を生じ
、第５図の回路構成において、回転角度に対して直線的
出力を得ることができる。なお、基板１０′が充分に薄
ければ、磁気抵抗素子１１，１４は基板１０′の凸面上
に形成しても構わない。本構成において、磁気抵抗素子
１１，１４の長手方向の長さを２個の磁石で形成された
円筒の円周の１／２になるよう横成し、回転に対する出
力を第５図と同様にすると、直交磁界の境界部に置かれ
た素子の回転に対する出力を第８図の様にすることがで
きる。本実施例の変形例として、基板１０′を２個の磁
石１８，１９で構成する円筒の内面に配置する構成もで
きる。

また本実施例の他の変形例として第９図の様に基板１０
′を磁石１８′，１９′で構成する円筒の上面に設けて
も同様の作用効果が得られることは明らかである。第１
０図は本発明の第５実施例を示したもので、変位に対し
非線形な出力を得ようとするものであり、基板２０の一
端中央に出力端子２１が設けられ、他端両端に入力端子
２２，２３が設けられ出力端子２１が接続された一端か
らジグザグ形状の直線部分（主電流通路）２４′の長さ
が順次短くなるように第１の磁気抵抗素子２４が設けら
れ、また同じく直線部分２４′の長さが順次長くなるよ
うに第２の磁気抵抗素子２５が設けられ、これらの他端
は入力端子２２，２３に接続されている。

またこの第５実施例の変位検出装置も、第１図または第
３図に示した第１，第２の磁界の境界に置かれ、第１、
第２の磁気抵抗素子２４，２５は、第５図と同様にブリ
ッジに懐綾することにより、第１１図のような２次特性
の出力が得られる。

これは磁気抵抗素子２４，２５の抵抗値の分布が一様で
なく、従って磁界２４，２５による抵抗変化量がもはや
変位に対して直線的でなく、非直線的になり、これが第
１０図の実施例では２次特性の変化になる。この結果、
出力電圧も２次特性になる。この構成において、主電流
通路の長さの変化（第１０図における破線の形状）を直
線的でなく適当に変化させてやれば、各種の非線形特性
が得られる変形例を作り出すことができる。基板２０上
にさらに２つの磁気抵抗素子を形成することにより、フ
ルブリッジ構成をとることも可能である。以上説明した
ように、本発明によれば、２つの直交磁界の境界に磁気
抵抗素子を設けた簡単な構成で、微小な変位を非接触で
、精密に測定することができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例の構成図、第２図は、本
発明の変位検出装置の回路図、第３図は、本発明の第２
実施例の構成図、第４図は、本発明の第３実施例の構成
図、第５図は、本発明の変位測定装置の回路図、第６図
は、本発明の第４実施例の構成図、第７図は、本発明の
第４実施例の構成図、第８図は本発明回転測定装置出力
特性図、第９図は本発明の第４実施例の変形例の構成図
、第１０図は本発明の第５実施例の構成図、第１１図は
本発明第５実施例の出力特性図である。 １，８・・・・・・磁気抵抗素子、２・・・・・・第１
の磁界、３・・…・第２の磁界、１０，１９・・・・・
・基板、１１，２４……第１の磁気抵抗素子、１４，２
５・・・・・・第２の磁気抵抗素子。 第１図 第２図 第３図 第４図 第６図 第５図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １つの長方形の強磁性金属磁気抵抗素子と、この強
   磁性金属磁気抵抗素子の長手方向に平行な第１の磁界と
   、この第１の磁界に近接し前記長手方向に直交する方向
   の第２の磁界とを、前記強磁性金属磁気抵抗素子に加え
   、かつ、これらの第１の磁界と第２の磁界との境界部が
   、前記強磁性金属磁気抵抗素子の長手方向の長さの範囲
   内において、前記強磁性金属磁気抵抗素子と相対的に変
   位可能なように配置された磁界発生手段と、前記強磁性
   金属磁気抵抗素子の抵抗の大きさを検出して、これに対
   応する前記相対的な変位の大きさを表わす電気的な量を
   出力する電気的測定手段とを備えたことを特徴とする変
   位検出装置。 ２ 前記強磁性金属磁気抵抗素子が前記第１の磁界に平
   行である複数本の主電流通路と、前記主電流通路を継ぐ
   複数本の電流通路とによりジグザグ状に形成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の変位検出
   装置。 ３ 長手方向に平行に配列された第１の主電流通路と、
   この第１の主電流通路を継ぐ主電流通路とによりジグザ
   グ状に形成され、一端に第１の入力端子が接続され、他
   端に出力端子が設けられた第１の強磁性金属磁気抵抗素
   子と、長手方向に対して直角方向に配列された第２の主
   電流通路およびこの第２の主電流通路を継ぐ電流通路を
   有し、前記第２の主電流通路が前記第１の主電流通路に
   直交して配置され、前記第１の強磁性金属磁気抵抗素子
   の長手方向の長さに等しい長さにわたつてジグザグ状部
   分を有し、一端は第２の入力端子に接続され、他端が前
   記出力端子に接続され、その電気抵抗が前記第１の強磁
   性金属磁気抵抗素子の抵抗にほぼ等しく、前記第２の主
   電流通路の延長線と前記第１の主電流通路が交差するよ
   うに、前記第１の強磁性金属磁気抵抗素子と隣接して配
   置された第２の強磁性金属磁気抵抗素子と、前記第１の
   強磁性金属磁気抵抗素子の主電流通路に平行な第１の磁
   界と、前記第２の強磁性金属磁気抵抗素子の主電流通路
   に平行な第２の磁界とからなる磁界を、前記第１および
   第２の強磁性金属磁気抵抗素子に加え、かつ、これらの
   第１の磁界と第２の磁界との境界部が、前記第１の強磁
   性金属磁気抵抗素子の長手方向の長さの範囲内において
   、前記第１および第２の強磁性金属磁気抵抗素子と相対
   的に変位可能なように配置された磁界発生手段と、前記
   第１および第２の強磁性金属磁気抵抗素子の抵抗の大き
   さを検出して、これらに対応する前記相対的な変位の大
   きさを表わす電気的な量を出力する電気的測定手段と、
   を備えたことを特徴とする変位検出装置。 ４ 前記第１、第２の強磁性金属磁気抵抗素子のジグザ
   グ状部の主電流通路の長さが前記出力端子部分から順次
   変化するようにし、変位に対して前記２つの強磁性金属
   磁気抵抗素子の抵抗変化が非線形特性を示すことを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載の変位検出装置。