KR19990087016A

KR19990087016A - 자기검출장치_

Info

Publication number: KR19990087016A
Application number: KR1019980057181A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 요코다니; 이즈루 신죠; 야스요시 하타자와
Original assignee: 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시; 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1998-05-08
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 1999-12-15
Also published as: DE19851323B4; DE19851323A1; KR100363128B1; JP3448209B2; JPH11325814A; US6246234B1

Abstract

GMR소자를 한정된 자계범위에서 동작 시킴으로써 저항치 변화의 온도특성을 최적화 하고 노이즈 내량을 향상 할 수 있는 자기 검출장치를 얻는다. 이에 대해서는 자계를 발생하는 자석(4)과, 이 자석과 소정의 간극을 갖고 배치되고, 자석에 의해 발생된 자계를 변화 시키는 돌기 형상을 구비한 자성회전체(2)와, 이 자성회전체로 변화된 자계에 따라 저항치가 변화하는 거대자기저항소자(3)를 구비하고, 거대자기 저항소자를 이 거대자기 저항소자의 저항 변화율의 온도특성이 작은 소정의 인가자계의 진폭범위 예를 들면 50~150[Oe]내에서 동작 하도록 자석과 소정의 간격을 갖고 배치 하도록 한다.

Description

자기검출장치

본 발명은 인가자계의 변화를 검출하는 자기 검출장치에 관한 것으로 특히,예를들면 내연기관의 회전정보를 검출하는 경우등에 사용해서 호적한 자기 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 GMR 소자는 일본응용자기학 회지 VOL1.15, NO.51991,P813 ~ 821 인격자의 자기 저항효과에 기재되어 있는 수용스롬에서 수십용스트롬의 두께의 자성층과 비자성층을 교호로 적층 시켜서 만든 적층체, 소위 인공격자막이고,(Fe/Cr)n,펌알로이/Cu/Co/Cu)n,(Co.Cu)n 이 알려져 있고 이는 종래의 자기 저항소자(이하,MR소자라함)와 비교해서 각별히 큰 MR효과(MR변화율)을 갖는 동시에 인접한 자성층의 자화의 방향의 상태 각도에만 의존하므로 외부 자계의 향이 전류에 대해 어떤 각도차를 갖고 있어도 같은 저항치 변화가 얻어지는 면내 감자의 소자이다.

그래서, 자계변화를 검출하기 위해 거대 자기 저항소자(이하 GMR 소자라함)로 감자면을 형성하고, 그 감자면의 각단에 전극을 형성해서 브리지 회로를 형성하고, 이 브리지 회로가 대향하는 2개의 전극간에 정전압,정전류의 전원을 접속하고 GMR 소자의 저항치 변화를 전압 변화로 변환해서 이 GMR 소자에 작용하고 있는 자계변화를 검출하는 방식이 있다

도 7은 상기 일반적인 GMR 소자를 사용한 종래의 자기 검출장치를 표시하는 구성도로서 도 7의(a)는 측면도, 도 7의(b)는 평면도이다.

이 자기 검출장치는 회전축(1)과 자계를 변화 시키는 돌기형상을 구비하고 회전축(1)과 동기해서 회전하는 자성회전체(이하, 플레이트라 칭한다)(2)와 이 플레이트(2)와 소정의 간극을 갖고 배치된 GMR 소자(3)와 GMR소자(3)에 자계를 부여하는 자석(4)로 되고, GMR 소자(3)는 감자면의 부분에 자기 저항 패턴(3a),(3b)가 형성 되어 있다.

또, 이 GMR 소자(3)는 비자성체의 고정부재(도시않음)에 의해 자석(4)에 소정의 간극을 두고 교체된다.

그래서 플레이트(2)가 회전하므로써 GMR 소자(3)에 인가되는 자계가 변화되고 자기저항 패턴(3a),(3b)의 저항치가 변화한다.

도 8 은 종래의 자기 검출장치를 표시하는 블록도이다.

이 자기검출장치는 플레이트(2)와 소정의 간극을 갖고 배치되고 자석(4)로부터 자계가 부여되는 GMR소자를 사용한 휘트스톤 브리지 회로(11)와 이 휘트스톤 브리지 회로(11)의 출력을 증폭하는 차동증폭회로(12)와 이 차동증폭회로(12)의 출력을 기준치와 비교하는 비교회로(13)와 이 비교회로(13)의 출력을 "0" 또는 "1"의 신호를 출력단자(15)에 출력하는 파형정형회로(14)를 구비한다.

도 9 는 도 8의 블록도의 구체적 회로 구성의 일예를 표시하는 도면이다. 휘스톤 브리지 회로(11)는 예를들면 각변에 각각 GMR 소자 저항 10A,10B,10C 및 10D를 갖고 GMR 소자 10A와 10C의 각 일단은 공통 접속되고 접속점(16)을 통해서 전원단자 Vcc에 접속되고, GMR소자(10B)와 (10D)의 각 일단은 공통 접속되고 접속점(17)을 통해서 접지되고, GMR 소자(10A)와(10B)의 각 단자는 접속점(18)에 접속되고 GMR 소자(10C)와(10D)의 각 단자는 접속점(19)에 접속된다.

그리고, 휘르스톤 브리지 회로(11)의 접속점(18)이 저항기를 통해서 차동증폭회로(12)의 앰프(12a)의 반전 입력단자에 접속되고, 접속점(19)이 저항기를 통해서 앰프(12a)의 비반전 입력단자에 접속되는 동시에 다시 저항기를 통해서 기준 전원을 구성하는 분압 회로에 접속된다.

또, 앰프(12a)의 출력단자는 비교회로(13)의 반전 입력단자에 접속되고, 비교회로(13)의 비반전 입력단자는 기준전원을 구성하는 분압회로에 접속되는 동시에 저항기를 통해서 자기의 출력단자에 접속된다. 그리고 비교회로(13)의 출력측이 파형정형회로(14)의 트랜지 스터(14a)의 베이스에 접속되고, 그 콜렉터는 출력단자(15)에 접속되는 동시에 저항기를 통해서 전원단지 Vcc에 접속되고 그 이미터는 접지된다.

다음 동작에 대해 도 10을 참조해서 설명한다.

플레이트(2)가 회전하므로써 도 10의(a)에 표시하는 그 요철에 대응해서 휘르스톤 브리지 회로(11)를 구성하는 GMR 소자(10A)와 (10D)에는 같은 자계변화가 부여되고 GMR 소자(10B)와(10C)에는 GMR 소자(10A),(10D)와는 다른 자계변화가 부여되게 된다.

이 결과 플레이트(2)의 요철에 대응해서 GMR소자 10A,10D와 10B,10C의 저항치가 변화되고, GMR 소자 10A,10D와 10B,10C의 저항치의 최대 최소가 되는 위치가 역이되고, 휘트스톤 브리지 회로(11)의 접속점(18),(19)의 중점전압도 같이 변화한다.

그리고, 이 중점전압의 차가 차동증폭회로(12)에 의해 증폭되고 그 출력측에는 도 10의(b)에 표시하는 바와 같은 도 10의 (a)에 표시하는 플레이트(2)의 요철에 대응한 실선으로 표시한바와 같은 출력 VDo가 얻어진다.

이 차동증폭회로(12)의 출력은 비교회로(13)에 공급 되어서 그 비교레벨인 기준치 VTH와 비교되고, 이 신호는 다시 파형정형회로(14)에서 파형정형되어 이 결과 출력단자(15)에는 도 10의(c)에 실선으로 표시한바와 같은 "0" 또는 "1"의 출력이 얻어진다.

그런데, 종래의 자기 검출장치에서는 GMR 소자가 갖고 있는 저항치 온도 계수에 의해 GMR 소자의 저항변화가 감소되고, 큰 게인이 취할 수 없으므로 노이즈의 영향을 받기 쉽고 노이즈 내량이 저하 한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 된 것으로 GMR 소자를 한정된 자계범위에서 동작시킴으로써 저항치 변화의 온도 특성을 최적화 하고, 노이즈 내량을 향상 시킬수가 있는 자기 검출장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

청구항 1 기재의 발명에 관한 자기 검출장치는 자계를 발생하는 자계 발생수단과 이 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치되고, 이 자계발생 수단에 의해 발생된 자계를 변화 시키는 돌기상을 구비한 자성 회전체로 변화된 자계에 따라 저항치가 변화하는 거대자기 저항소자를 구비하고, 상기 거대자기 저항소자를 이 거대자기 저항 소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 소정의 인가 자계의 진폭 범위내에서 동작 하도록 상기 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치 하도록 한 것이다.

청구항 2기재의 발명에 관한 자기 검출장치는 청구항 1의 발명에서 상기 소정의 인가 자계의 진폭범위가 50 ~ 150[Oe]인 것으로 한 것이다.

청구항 3기재의 발명에 관한 자기 검출장치는 청구항 1의 발명에서 상기 거대자기 저항소자가 제 1의 자기저항 패턴과 제 2의 자기 저항패턴을 갖고 있고, 상기 제1의 자기저항 패턴을 상기 거대자기 저항소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 적 1의 소정의 인가자계의 진폭범위내에서 동작 하도록 상기 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치하고, 상기 제 2의 자기 저항패턴을 상기 거대자기 저항소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 제 2의 소정의 인가자계의 진폭범위내에서 동작 하도록 상기 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 브리지 회로를 구성 하도록 한 것이다.

도 1 은 본 발명에 관한 자기 검출장치에 사용되는 GMR소자의 인가자계±1000[Oe]에서의 MR특성을 표시하는 도면,

도 2 는 본 발명에 관한 자기 검출장치에 사용되는 GMR소자와 인가자계 0 ~ 300[Oe]의 50[Oe] 스탭마다의 저항치 변화의 온도 특성을 표시하는 도면

도 3 은 본 발명에 관한 자기 검출장치의 실시의 형태1에서의 GMR소자의 인가자계 0 ~ 300[Oe]의 50[Oe]스탭마다의 MR비의 온도 특성을 표시하는 도면,

도 4 는 본 발명에 관한 자기 검출장치의 실시의 형태 2의 구체예를 표시하는 배치도,

도 5 는 본 발명에 관한 자기 검출장치의 실시의 형태 2에서의 인가자계 벡터방향을 표시하는 도면,

도 6(a),(b),(c)는 본 발명에 관한 자기 검출장치의 실시의 형태 2에서의 동작설명을 제공하기 위한 파형도,

도 7a는 종래의 자기 검출장치를 표시하는 구성의 측면도,

도 7b는 종래의 자기 검출장치를 표시하는 구성의 평면도,

도 8 은 GMR소자를 사용한 종래의 자기 검출장치의 회로구성을 개략적으로 표시하는 블록도,

도 9 는 도 8의 구체적으로 회로구성의 한예를 표시하는 회로도,

도 10(a),(b),(c)는 도 9의 동작설명을 제공하기위한 파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 자성회전체 3 : GMR 소자

3a,3b: 자기저항 패턴

4 : 자석 10A,10B,10C,10D,GMR 소자저항

11 : 휘트스톤 브리지 회로 12 : 차동증폭회로

13 : 비교회로 14 : 파형정형회로

15 : 최종출력

이하 본 발명에 관한 자기 검출장치의 각 실시형태를 도면을 참조해서 설명한다.

실시의 형태 1.

본 발명의 실시의 형태 1을 표시하는 구성도, 회로 블록도, 구체적 회로 구성도 및 동작에 대해서는 후술되는 GMR 소자의 자기 저항 패턴의 자석에 대한 배치 방법이 다른 것 이외는 종래와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시의 형태에서는 GMR 소자에 인가되는 자계를 50 ~ 150[Oe]의 진폭범위내로 하도록 GMR 소자의 감자면의 부분에 형성되어 있는 자기저항패턴을 자석에 대해 배치 하는 것이다.

도 1에 GMR 소자에 0 ~ 1000[Oe]의 자계를 인가 했을때의 저항 변화율(이하 MR비라고 함)의 그래프를 표시한다. 이 도면에서 GMR 소자는 소위 히스테리시스 특성을 갖고 있는 석을 알 수있다. 여기서 MR비라 하는 것은

MR비= {(Rmax-Rmin)/Rmin}×100[%]

로 표시하고, Rmax는 저항 최대치 Rmin는 저항 최소치이다.

다음 자성 회전체의 요출에 의한 자계변화를 상정하고, 도 2에 GMR 소자에 0 ~ 50, 50 ~ 100, 100 ~ 150, 150 ~ 200, 200 ~ 250, 250 ~ 300의50[0e]스탭의 자계를 인가 했을때의 저항치 변화의 온도 특성의 그래프를 표시한다.

또, 도 2에서 실선과 파선은 각각 주위온도 Ta가 25˚와 130˚일때의 저항치 변화의 온도 특성을 표시하도 있다.

여기서 상기 50[Oe] 스탭의 인가자계에 대한 MR비의 온도 특성에 착안해서 도 3에 그 특성을 그래프에 표시한다.

이 그래프로부터 GMR소자의 MR비에 온도 특성을 발생하지 않는 포인트가 존재하는 것을 알 수 있다.

즉, 도 3에서 실선과 파선은 각각 주위온도 Ta가 25˚와 30˚일때의 MR비의 온도 특성을 표시하고 있으나 양쪽의 특성이 교차하고 있는 점이 실질적으로 GMR 소자의 MR비에 온도특성을 발생하지 않는 포인트이고 도면에서는 대체로 인가자계 110[Oe]정도이다.

그래서 본 실시의 형태에서는 GMR 소자에 인가되는 자계를 상기 인가자계 110[Oe]의 전후의 MR비의 온도 특성이 작은 소정의 인가자계의 진폭범위 예를들면 인가자계 50 ~ 150[Oe]의 진폭범위내로 하도록 GMR 소자의 감자면의 부분에 형성되어 있는 자기저항 패턴을 자계발생수단으로서의 자석에 대해 배치 하도록 한다.

이와같이 본 실시의 형태에서는 GMR 소자를 MR비의 온도특성이 작은 인가자계 50 ~ 150 [Oe]의 진폭범위 내에서 동작 시킴으로써 GMR소자의 온도특성을 최적화 하고 노이즈 내량향상이 도모된다.

실시의 형태 2.

상술한 실시의 형태1에서는 GMR 소자에 인가되는 자계를 50 ~ 150[Oe]로 설정 하였으나 본 실시의 형태에서는 GMR 소자의 복수의 자기저항 패턴을 브리지 회로로 구성하고, 제1의 자기저항 패턴(도 4의 자기저항 패턴 3a상당)에 GMR 소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 제1의 소정의 인가자계의 진폭범위 예를들면 50 ~ 150[Oe] 제 2의 자기저항 패턴(도 4의 자기저항 패턴 3b상당)에 GMR 소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 제 2의 소정의 인가자계의 진폭범위 예를들면 -150 ~ -50[Oe] 의 자계가 인가되는 위치에 GMR 소자를 자석에 대해 배치한다.

도 4는 이 실시의 형태 2의 구체적예를 표시하는 배치도이다.

도면에서 도 7과 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고 그 설명은 생략한다. 여기서 한예로서 도면과 같이 자석(4)의 치수를 5.0 × 5.0 × 30 자석(4)로부터 GMR 소자(3)의 자기저항 패턴(3a),(3b) 감자면 거리를 L=2.0으로 자기저항 패턴(3a),(3b)의 피치를 P = 0.8에 설정한다. 도4의 자석(4)와 GMR 소자(3)의 배치에서 플레이트(2)의 회전에 의한 GMR 소자(3)의 자기저항패턴(3a),(3b)에 감자면 방향으로 인가되는 자계(Ha),(Hb)를 도 5에 표시한다.

다음동작에 대해 도 6을 참조해서 설명한다.

이 경우에 사용하는 처리회로 구성은 도 8과 같은 것을 사용해도 되고, 따라서 여기서는 그 설명을 생략한다.

플레이트(2)가 회전하므로써 도 6의(a)에 표시하는 플레이트(2)의 요철에 대응해서 브리지 회로를 구성하는 GMR 소자(3)의 자기패턴(3a),(3b)에 도 6의(b)에 표시하는 Ha = -50 ~ 150[Oe], Hb = 50 ~ 150[Oe]의 자계가 인가된다.

이 결과 플레이트(2)의 요철에 대응해서 GMR소자(3)의 차동출력(도 6의(c)의 차동증폭 회로출력), 최종출력(도 6의 (d)의 파형정형 회로출력)을 얻을 수가 있다.

이렇게 해서 GMR 소자를 MR비의 온도특성이 가장 작은 동작영역에서 사용할 수가 있으므로 전온도범위에서 안정된 노이즈 내량을 얻을 수가 있고 특히 고온시의 노이즈 내량의 향상이 도모된다.

이와같이 본 실시의 형태에서는 인가자계 50 ~ 150[Oe]의 진폭범위내에서 동작 하므로 자석과 소정의 간극을 갖고 배치된 GMR소자의 제1의 자기저항 패턴과 인가자계 -150 ~ -50[Oe]의 진폭범위내에서 동작 하도록 자석과 소정의 간극을 갖고 배치된 제 2의 자기저항 패턴으로 브리지 회로를 구성하므로써 GMR 소자를 MR비의 온도특성이 가장 작은 동작영역에서 사용할 수가 있고 전 온도범위에서 안정된 조이즈 내량을 얻을 수가 있고 특히, 고온시의 조이즈 내량의 향상이 도모된다.

이상과 같이 청구항 1과 발명에 의하면 자계를 발생하는 자계발생수단과 이 자계발생수단과 소정의 간극을 두고 배치되어 자계 발생수단에 의해 발생된 자계를 변화 시키는 돌기형상을 구비한 자성 회전체와 이 자성 회전체로 변화 시킨 자계에 따라 저항치가 변화하는 거대자기 저항소자를 구비하고, 거대자기 저항소자를 이 거대자기 저항소자의 전화 변화율의 온도 특성이 작은 소정의 인가자계의 진폭범위내에서 동작 하도록 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치 하도록 하였으므로 거대자기 저항소자의 저항치 온도 변화를 최적화하고 노이즈 내량을 향상 시킬 수 있다는 효과가 있다.

청구항 2의 발명에 의하면 청구항 1의 발명에서 소정의 인가자계의 진폭범위를 50 ~ 150[Oe]로 하였으므로 거대자기 저항소자의 저항치 온도 변화를 최적화 하고 노이즈 내량을 확실하게 향상 시킬 수 있다는 효과가 있다.

청구항 3의 발명에 의하면 청구항 1의 발명에서 거대 자기 저항소자는 제1의 자기저항 패턴과 제2의 자기패턴을 갖고 제 1의 자기저항 패턴을 거대자기 저항소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 제 1의 소정의 인가자계의 진폭범위내에서 동작 하도록 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치하고, 제 2의 자기저항 패턴을 거대자기 저항소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 제 2의 소정의 인가 자계의 진폭범위내에서 동작 하도록 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치해서 브리지 회로를 구성 하도록 하였으므로 전 온도 범위에서 안정된 노이즈 내량을 얻을 수가 있고 특히, 고온시의 노이즈 내량의 향상이 도모 된다는 효과가 있다.

Claims

자계를 발생하는 자계발생 수단과 이 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치되고 이 자계 발생수단에 의해 발생된 자계를 변화 시키는 돌기형상을 구비한 자성회전체와, 이 자성회전체에서 변화된 자계에 따라 저항치가 변화하는 거대자기 저항소자를 구비하고, 상기 거대자기 저항소자를 이 거대자기 저항소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 소정의 인가 자계의 진폭범위 내에서 동작 하도록 상기 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치 하도록 한 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.
제 1항에 있어서,

상기 소정의 인가 자계의 진폭범위는 50 ~ 150[Oe]인 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.
제 1항에 있어서,

상기 거대자기 저항소자는 제 1의 자기저항 패턴과 제 2의 자기저항 패턴을 갖고 상기 제 1의 자기저항 패턴을 상기 거대자기 저항소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 제 1의 소정의 인가 자계의 진폭범위내에서 동작 하도록 상기 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치하고 상기 제 2의 자기저항 패턴을 상기거대 자기저항 소자의 저항 변화율의 온도 특성이 작은 제 2의 소정과 인가 자계의 진폭범위내에서 동작 하도록 상기 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치해서 브리지 회로를 구성 하도록 한 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.