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

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)

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。