JPH09505393A - 磁気抵抗線形変位センサ、角度変位センサおよび可変抵抗器 - Google Patents
磁気抵抗線形変位センサ、角度変位センサおよび可変抵抗器Info
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- JPH09505393A JPH09505393A JP7510872A JP51087295A JPH09505393A JP H09505393 A JPH09505393 A JP H09505393A JP 7510872 A JP7510872 A JP 7510872A JP 51087295 A JP51087295 A JP 51087295A JP H09505393 A JPH09505393 A JP H09505393A
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Abstract
(57)【要約】
強力磁気抵抗変位センサは少なくとも1つの層構造体を含む。この層構造体は一定の磁気状態を有するより硬質の磁性体(強磁性体または反強磁性体)層(34)と、より軟質な第2の磁性体層(32)と、これら2つの層(32、34)の間に挟まれかつこれらに接触して2つの層間の交換結合を防止するための金属層(33)とを含む。また、このセンサはより軟質の磁性体層(32)中の不整合な磁場領域(35、36)の間における計測位置に磁区壁(37)を生じるための手段(56、58)と、構造体におけるそれぞれの反対側における点の間の電気抵抗値を計測するための手段(50)とを備えている。動作においては、磁区壁を生じる手段(56、58)、一般には1つ以上の割出し磁石(56、58)が強力磁気抵抗条片部に対して位置決めされる。この条片部をまたぐ抵抗値が計測され、この抵抗値の計測値から磁区壁の位置が決定される。また、本発明は可変抵抗器に関し、この抵抗器は磁区壁を所定位置に生じるための手段(56、58)を位置決めすることにより動作して条片部をまたぐ抵抗器を所望の値に設定する。
Description
【発明の詳細な説明】
磁気抵抗線形変位センサ、角度変位センサおよび可変抵抗器
発明の背景
発明の分野
本発明は線形および角度変位センサと可変抵抗器に関するものであり、特に強
力な磁気抵抗を使用する線形および角度変位センサと可変抵抗器に関する。
関連技術の説明
線形および角度変位センサは極めて厳しい寸法公差を有する部品の製造および
試験用の高精度加工並びに測定に用いられており、これらの装置は一般に旋盤、
プレス機、ロボットアーム等に連結している。
典型的な変位センサはソレノイドコイルを通過する金属棒のインダクタンスを
計測することによって動作する。しかしながらこのようなセンサにはいくつかの
欠点がある。すなわち、精度が制限されており、全体的な寸法が大きくこれを縮
小することが困難であり、振動に敏感で製造費用が高く、動作に大量の電力を必
要とする。
発明の概要
したがって、本発明の目的は特に線形の高精度で小形軽量な振動の影響を受け
ない変位センサを提供することであり、このセンサは製造費用が安く、小電力に
よって
動作し、不揮発性(オフ動作毎に校正目盛りがずれない)であり、その出力が容
易に電子的な読出に変換できる。
さらに、本発明の目的はこれらの特徴を有する可変抵抗器を提供することであ
る。
上記の本発明の目的並びにその付加的な目的は以下に述べる構造および方法に
よって達成される。
すなわち、本発明は少なくとも1つの層構造体を含む強力な磁気抵抗条片部を
有する変位センサである。この層構造体は、一定の磁気状態を有するより硬質の
磁性体(硬質の強磁性又は反強磁性的にピン処理された)層と、第2のより軟質
の磁性体層と、これら2つの層の間に挟まれかつこれらと接触して2つの層間の
交換結合を防止するための金属層とを含む。また、本発明は、より軟質の磁性体
層において非整合(対向または不整合)な磁場の領域間における一定の計測位置
において磁区壁を生じるための手段と、構造体の反対側の点間の電気抵抗を計測
する手段とを含む。
動作において、磁区壁を生じる手段は強力磁気抵抗条片部に対応して位置決め
される。条片部をまたぐ抵抗値が計測され、この抵抗値の計測値から磁区壁の位
置が決められる。1つのワークピースを強力磁気抵抗条片部に固定し、他のワー
クピースを磁区壁を生じる手段に固定することによって、これら2つのワークピ
ース間の線形変位が電気抵抗をモニタすることにより調べられる。
また、本発明は、磁区壁を生じる手段を所定位置に位
置決めすることにより動作して、条片部をまたぐ抵抗値を所望値に設定するため
の可変抵抗器である。
図面の簡単な説明
本発明は以下の好ましい実施態様の説明並びに添付の図面を参照することによ
ってさらに完全に評価することができる。なお、添付の図面において、異なる図
における同一参照符号は同一構造又は要素を示す。
図1は整合した磁場の層から成る層構造体の断面図である。
図2は対向する磁場の層から成る層構造体の断面図である。
図3は磁性体層の一において対向する磁場の領域を分離する磁区壁を有する層
構造体の側面図である。
図3Aは磁性体層の一において対向する磁場の領域を分離する磁区壁と一定の
磁気状態を有する反強磁性的にピン処理された層とを有する層構造体の側面図で
ある。
図4は本発明の好ましい一実施態様の断面図である。
図5は本発明の好ましい一実施態様の上面図である。
図6は本発明による軟質の磁性体層中に磁区壁を生じるべく位置決めされた一
対の割出し磁石の詳細図である。
図7は本発明による多層構造体の断面図である。
図8は軟質の磁性体層の上に硬質の磁性体層を備える本発明による他の層構造
体の断面図である。
図9および図10は本発明の他の実施態様の分解図および上面図をそれぞれ示
している。
図11は層構造体中における電流の方向と平行な磁区壁を有する本発明の他の
実施態様の斜視図である。
好ましい実施態様の詳細な説明
強力磁気抵抗すなわちGMR(Giant Magnetoreslstance)は比較的新しく発
見された現象である。つまり、図1に示す構造体と図2に示す構造体との間にお
ける電気的な抵抗値には有意差(約8%から約20%の間の大きさ)があること
が知られている。
図1は整合する磁場を有する強磁性体層12、14を備える層構造体10を示
しており、この構造体におけるこれらの層は非磁性体導電層13と接触しかつこ
れを介して分離している。上方の強磁性体層12に接触部位16を介してキャリ
ア(一般に電子)が導入されると、このキャリアはスピン分極する。その後、こ
れらのスピン分極したキャリアは強磁性体層および構造体10における他の導電
層13、14内を自由に移動する。したがって、キャリアの流れによる電流によ
って生じる電気的な抵抗値は構造体10の厚さに関係する。
一方、図2は対向する磁場を有する強磁性体層22、24を備える層構造体2
0を示しており、これらの強磁性体層は非磁性体導電層23と接触しかつこれを
介して分離している。上方の強磁性体層22に接触部位16を介してキャリアが
導入されると、このキャリアはスピン分極する。その後、これらのスピン分極し
たキャリアは強磁性体層22および隣接する非磁性体層23内を自由
に移動する。しかしながら、これらのスピン分極したキャリアが不整合磁場を有
する強磁性体層24との境界部に到達すると、キャリアは強力な磁気抵抗(すな
わちスピン−バルブ)作用によってこの層から離れるように散乱して戻る。なお
、このような強力な磁気抵抗は2つの層における磁場間の角度の関数である。ま
た、この場合の散乱はこれらの磁場が平行である時に最小であり、磁場が反平行
(対向)である時に最大になる。これらの磁場が対向している時には構造体20
の厚さ全体におよぶキャリアの流れによる電流が妨げられて、この電流により生
じる電気的な抵抗値が高くなり、この抵抗値は構造体20における上方の二つの
層22、23のみの厚さに関係する。
次に、本発明による中間的な場合を図3に示す。この場合、層構造体30は一
定の磁気状態を有する下部層34と、対向する磁場領域35、36を有する(比
較的)軟質の磁性体の上部層32とを備えている。なお、これらの領域35、3
6は磁区壁37によって分離している。また、これらの2つの層32、34の間
には非磁性体の金属導電層33が接触介在して2つの磁性体層32、34の間の
交換結合を防止している。この上方の強磁性体層32に接触部位16を介してキ
ャリアが導入されると、このキャリアはスピン分極する。その後、これらのスピ
ン分極したキャリアは強磁性体層32、非磁性体層33および下方の強磁性体層
34内を自由に移動する。導電
体の有効な厚さは比較的に大きいので、磁区壁37のこの側における電気的な抵
抗値は比較的低い。
スピン分極したキャリアが構造体30内をさらに移動して磁区壁37の遠方に
至ると、強力な磁気抵抗作用によって層構造体30の下方の2つの層33、34
に閉じ込められる。磁区壁のこの側における電気的な抵抗値は比較的高い。層構
造体30における全体的な電気抵抗値は磁区壁37からの位置の線形関数になる
。例えば、磁区壁37をキャリアを導入する接触部位16から離して層構造体の
左側に配置すると、層構造体30において比較的低い電気抵抗値が生じる。一方
、磁区壁37をキャリアを導入する接触部位16に近づけて層構造体30の右側
に配置すると、層構造体30において比較的高い電気抵抗値が生じる。
図3Aは本発明による層構造体の他の実施態様を示しており、この構造体にお
いては、下方の磁性体層が反強磁性ピン処理層81を備えて一定の磁気状態に固
定されている。
この場合は、スピン分極したキャリアは非反復経路を移動する。仮にキャリア
が磁区壁37の左側から導入されると、スピン分極したキャリアは磁区壁37に
近い側においては層構造体30における上方の2つの層32、33内に閉じ込め
られるが、磁区壁37から遠い側においては層構造体30の厚さ全体にわたって
自由に移動する。このような場合、磁区壁37を左側に移動すると電
気抵抗値が減少し、右側に移動すると電気抵抗値が上昇する。
したがって、磁気抵抗変位センサは、第1のワークピースを磁気抵抗性の層構
造体に固定し、第2のワークピースを層構造体における比較的軟質の強磁性体層
内の磁区壁を生じる手段に固定し、かつ、層構造体の電気抵抗値を2つのワーク
ピースの相対位置の関数として計測することによって、2つのワークピースの相
対位置を測定できる。ここで、ワークピースとは本発明のセンサにより計測され
る相対変位を有する要素である。すなわち、ここでの用語としてのワークピース
の例には、精度良く正確に知る必要のある位置を有する機械部分が挙げられる。
図4および図5は本発明の好ましい実施態様40の断面図および上面図をそれ
ぞれ示している。この実施態様においては、層構造体30が図4に基板として示
されている第1のワークピース38に連結している。一定の磁気状態を有する層
34(すなわち、より硬質の磁性体層)は基板上に配置されており、磁場が図紙
面に「向かって」方向づけられている。さらに、層34の上に接して非磁性体の
金属バッファー層33が配されている。このバッファー層33の上に接してより
軟質の磁性体層32が配置されており、好ましくは、その磁区壁37の一方の側
35の磁場線は図紙面に「向かって」方向づけられており、磁区壁37の他方の
側36の磁場線は図紙面から
「出るように」方向づけられている。標準的な4プローブ配線によって層構造体
30がオームメータ50(並列の定常電流源52およびボルトメータ54から成
る)に接続しており、オームメータ50は動作電流を供給しかつ構造体30の電
気抵抗値を計測する。
図6に示すように、好ましくは対向する磁場を有する一対の割出し磁石56、
58がより軟質の磁性体層32内に磁区壁37を生じるべく配置されている。こ
れらの磁石56、58は第2のワークピース(図示せず)に連結している。この
ような磁石の配置構成はより軟質の磁性体層32内に極めて画定的に磁区壁37
を与える点で特に好ましい。しかしながら、当業者においては、磁区壁を生じせ
しめる多くの配置構成が周知であることが認識される。磁区壁を生じる特定の手
段を選択する場合に、当業者は以下のような周知の強磁性の原理に従ってヒステ
リシスを最小にしかつ磁区壁の画定化を最大にすることを検討し得る。なお、磁
区壁内のヒステリシスを最小にすることはセンサにおける2方向精度を改善する
上で好ましい。
上記のより硬質の磁性体層34の好ましい材料としては、硬質の強磁性材料(
例:コバルト、鉄およびこれらの合金)や反強磁性的にピン処理された材料が挙
げられる。ある意味では、反強磁性材料が最も硬質の磁性材料である。その理由
は、材料の正味の磁場が外部の磁場に対して全く影響を受けないからである。し
たがって、反
強磁性体層81を用いて硬質の磁性体層34にピン処理することにより、比較的
硬質の磁性体材料(例えば鉄)を上記のより軟質の磁性体層に用いることができ
る。この場合、ピン処理に好適な反磁性体材料としてはFeMnや希土類合金(
例えばTbFe)等が挙げられる。
多くの強磁性体材料はその散乱効率が低く、このために満足のできる磁気分極
が得られない。好ましくは、図7に示すように、層34に対する中間領域として
鉄等の強い散乱性素材から成る薄い被膜61(1ないし5原子の厚さで充分)を
磁気分極を向上させるために用いることができる。さらに、好ましくは、より硬
質の磁性体層34の厚さは約50オングストロームから約1000オングストロ
ームの間である。なお、他の例示的な硬質の磁性体材料はKoonによる米国特
許第4402770号に記載されている。
より軟質の磁性体層32の好ましい材料としてはニッケル、鉄、パーマロイ、
コバルトおよびこれらの組合せ(合金および多層サンドイッチ構造体)等が挙げ
られる。一般に、磁気的に反対になる環境においては、干渉を避けるためにこの
層32の材料として比較的硬質の磁性材料を使用するのが好ましい。一方、磁気
的に反対にならない環境においては、画定的な磁区壁を形成しやすい磁性材料を
用いるのが好ましい。好ましくは、より軟質の磁性体層32の厚さは約50オン
グストロームから約1000オングストロームの間である。他の例示的な軟質
の磁性材料はKoonによる米国特許第4409043号に記載されている。
図7は本発明による他の層構造体60を示している。このような多層の態様に
おいては、複数のより軟質の磁性体層32と複数のより硬質の磁性体層34が組
み合わさっており、磁性体層32、34は非磁性体バッファ層33により分離さ
れかつこれに接触している。このような多層配列構成により、センサのダイナミ
ックレンジをスピン緩和距離と等しいかこれ以下の厚さTの限界まで高めること
ができる。
非磁性体バッファ層33の好ましい材料としては銅、プラチナ、銀、金および
これらの組合せが挙げられる。好ましくは、非磁性体バッファ層33の厚さは約
50オングストロームから約1000オングストロームの間である。
なお、当業者においては、層構造体30の電気抵抗値の大きさがボルトメータ
54をまたぐ抵抗値よりも数段(一般に大きさで約9オーダー低い)低くなるよ
うにし、これによって定常電流源52からのほとんどすべての電流が層構造体3
0を流れるようにセンサ40を構成するのが好ましいことが認識される。さらに
、当業者においては、センサの利得(△R/R)を最大にするのが好ましいこと
が認識される。
図8は本発明によるさらに別の層構造体70を示している。この実施態様にお
いては、より硬質の磁性体層3
4が最上層になっている。この層34は導入されたキャリアをスピン分極する。
さらに、より軟質の磁性体層32が最下層になっている。また、非磁性体バッフ
ァ層33がこれら2つの磁性体層32、34に接触しながらこれらを分離してい
る。この実施態様においてはより軟質の磁性体層32との境界領域が散乱面にな
るので、高効率な散乱素材から成る薄膜61を用いてその散乱効率を高めること
ができる。
図9および図10は本発明の一実施態様を示しており、この実施態様は角度変
位センサ80として動作する。この実施態様においては、ワークピース38の1
つが第2のワークピース39に対する回転軸を有している。図9に示すように、
この実施態様においては、磁気抵抗条片部分90が回転軸上に中心を有する円弧
状部材を形成している。より硬質の磁性体層は一定の磁気状態を有する開放リン
グ34である。また、より軟質の磁性体層は1個以上の割出し磁石(図示せず)
により誘発され不整合の好ましくは対向する磁場の領域35、36を分離する磁
区壁37を有する開放リング32である。これら2つの磁性体層はここでも非磁
性体金属バッファ層33によって分離されかつこれに接触している。
好ましくは、図10に示すように、一対の割出し磁石56、58が対向する磁
極領域35、36を分離する磁区壁37を誘発するために配置されている。これ
らの割出し磁石は第2のワークピース39に連結しており、こ
のワークピースは回転軸に対して矢印で示されるように回転可能に取り付けられ
ている。それゆえ、磁区壁37の角度変位は第2のワークピース39の角度変位
にしたがう。より軟質の磁性体リング33の両端部は標準的な4プローブ配線を
介して並列接続のボルトメータ54および定常電流源52に連結している。
図11は本発明のさらに別の好ましい実施態様を示しており、この実施態様に
おいては磁区壁37が電流方向に平行に生じる。この実施態様においては、割出
し磁石(図示せず)が層構造体中の電流方向に平行に磁区壁を発生するために移
動可能に配置されている。また、この実施態様においては、磁区壁の位置がコン
ダクタの有効断面積を決定するので、層構造体をまたぐ抵抗値が決定できる。
上記本発明の実施態様はいずれも可変抵抗器として動作可能である。本発明を
可変抵抗器として動作することは割出し磁石の位置決めを必然に伴う。それゆえ
、より軟質の磁性体層における磁区壁の位置決めによって層構造体をまたぐ所望
の抵抗値が得られる。
上述の教示により本発明の多くの変形および変更が明らかに可能となる。した
がって、他に特に記載のない限りにおいて、本発明は以下の請求の範囲において
実施可能である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 パーソンズ、フレデリック ジー.
アメリカ合衆国 02921 ロード アイラ
ンド州 クランストン ハインズ ファー
ム ロード 11
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.第1のワークピースと第2のワークピースとの間の変位を計測するためのセ ンサであって、 第1のワークピースに固定した強力磁気抵抗条片部から成り、前記磁気抵抗条 片部がさらに少なくとも1つの層構造体を含み、前記層構造体が第1の硬質強磁 性体層または反強磁性的にピン処理された層と前記第1の硬質強磁性体層または 反強磁性体層上の第2の磁性体層とから成り、前記第2の磁性体層が前記第1の 層よりもより軟質の磁性体材料から成り、さらに、前記層構造体が前記第1およ び第2の層の間に接触して挟まれて前記第1および第2の層の間の交換結合を防 ぐための導電層から成り、 さらに、前記第2の磁性体層中の磁場の領域間における測定位置において磁区 壁を生じるための誘導手段から成り、前記磁場が互いに不整合であり、前記誘導 手段が前記第2のワークピースに固定されており、 さらに、前記磁気抵抗条片部上の点の間の電気抵抗値を計測するための計測手 段から成り、これによって前記磁区壁の位置を計測し、かつ、前記第1のワーク ピースに対する前記第2のワークピースの位置を計測するセンサ。 2.前記誘導手段が1つ以上の割出し磁石から成る請求項1に記載のセンサ。 3.前記1つ以上の割出し磁石が対向する磁気モーメントを有し、かつ、前記磁 気抵抗条片部のそれぞれ反対側に配置された少なくとも2つの割出し磁石から成 り、対向する割出し磁石の中の対向磁気モーメントが前記磁区壁に対して垂直で ある請求項2に記載のセンサ。 4.前記計測手段が前記磁気抵抗条片部内に電流を流す手段と前記磁気抵抗条片 部をまたぐ電圧を計測する手段とから成る請求項1に記載のセンサ。 5.一定の磁気状態を有する前記強磁性体層または反強磁性体層がクロム、コバ ルト、鉄、ニッケル、マンガンおよびそれらの合金から成る群から選ばれた金属 から成る請求項1に記載のセンサ。 6.一定の磁気状態を有する前記強磁性体層または反強磁性体層が強磁性体金属 の薄膜で被覆した反強磁性体金属から成る請求項1に記載のセンサ。 7.より軟質の磁性体材料から成る層が鉄、コバルト、マンガン、ニッケルおよ びそれらの合金から成る群から選ばれた金属から成る請求項1に記載のセンサ。 8.前記センサが線形変位センサであり、前記磁気抵抗条片部が前記磁区壁に対 して垂直な直線状の部材を形成する請求項1に記載のセンサ。 9.前記センサが線形変位センサであり、前記磁気抵抗条片部が前記磁区壁に対 して平行な直線状の部材を形成する請求項1に記載のセンサ。 10.前記センサが前記第1のワークピースに対する前 記第2のワークピースの回転を計測するための角度変位センサであり、前記第2 のワークピースが前記第1のワークピースに対する回転軸の回りに回転するよう に取り付けられており、前記磁気抵抗条片部が前記回転軸上に中心を有する円弧 状の部材を形成し、前記磁区壁を生じる手段が前記円弧状部材の半径方向に磁区 壁を生じる手段から成る請求項1に記載のセンサ。 11.第1のワークピースと第2のワークピースとの間の変位を計測するための センサであって、 前記第1のワークピースに固定した磁気抵抗条片部から成り、前記磁気抵抗条 片部がより軟質の磁性体材料から成る複数の磁性体層と交互に配置される複数の 硬質の強磁性体層または反強磁性体層から成り、前記強磁性体層または反強磁性 体層およびより軟質の磁性体材料から成る層の各々がこれらの磁性体層の間に挟 まれる非磁性体の導電層と接触してこれにより分離されて前記磁性体層間の交換 結合が防止されており、 さらに、より軟質の磁性体層中の磁場の領域間における測定位置において磁区 壁を生じるための手段から成り、前記磁場が互いに不整合であり、前記誘導手段 が前記第2のワークピースに固定されており、 さらに、前記磁気抵抗条片部上の点の間の電気抵抗値を計測するための手段か ら成り、これによって前記磁区壁の位置を計測し、かつ、前記第1のワークピー スに対する前記第2のワークピースの位置を計測するセンサ。 12.少なくとも1つの層構造体から成る磁気抵抗条片部から成り、前記層構造 体が一定の磁気状態を有する第1の強磁性体層または反強磁性的にピン処理され た層と前記第1の磁性体層上の第2の磁性体層とこれらの磁性体層の間に挟まれ てこれらに接触する非磁性体の導電層とから成り、前記第2の磁性体層が前記第 1の磁性体層よりも軟質の磁性体材料から成り、 さらに、前記第2の磁性体層中の不整合な磁場の領域間における所定点におい て磁区壁を生じるための手段から成り、これによって前記磁気抵抗条片部をまた ぐ抵抗値を所望の値に設定する可変抵抗器。
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
US08/130,480 US5475304A (en) | 1993-10-01 | 1993-10-01 | Magnetoresistive linear displacement sensor, angular displacement sensor, and variable resistor using a moving domain wall |
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