KR100363128B1

KR100363128B1 - 자기검출장치

Info

Publication number: KR100363128B1
Application number: KR10-1998-0057181A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 요코다니; 이즈루 시ㄴ죠; 야스요시 하타자와
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1998-05-08
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2003-02-17
Also published as: JP3448209B2; US6246234B1; DE19851323A1; DE19851323B4; KR19990087016A; JPH11325814A

Abstract

GMR소자를 한정된 자계범위에서 동작시킴으로써 저항치 변화의 온도특성을 최적화하고 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 변화시키는 돌기 형상을 구비한 자성회전체(2)와, 이 자성회전체로 변화된 자계에 따라 저항치가 변화하는 거대자기저항소자(3)를 구비하고, 거대자기저항소자를 이 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도특성이 작은 소정의 인가자계의 진폭범위 예를 들면 50~150[Oe]내에서 동작하도록 자석과 소정의 간격을 갖고 배치하도록 한다.

Description

자기 검출장치

본 발명은 인가자계의 변화를 검출하는 자기 검출장치에 관한 것으로 특히,예를들면 내연기관의 회전정보를 검출하는 경우 등에 사용하여 적합한 자기 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 GMR소자는 일본응용자기학회지 VOL1.15, NO.51991,P813 ~ 821 인격자의 자기저항효과에 기재되어 있는 수옹스롬에서 수십옹스트롬의 두께의 자성층과 비자성층을 교대로 적층 시켜서 만든 적층체, 소위 인공격자막이고,(Fe/Cr)n,(퍼멀로이/Cu/Co/Cu)n,(Co.Cu)n 이 알려져 있고 이는 종래의 자기저항소자(이하,MR소자라함)와 비교해서 각별히 큰 MR효과(MR변화율)을 갖는 동시에 인접한 자성층의자화의 방향의 상대각도에만 의존하므로, 외부 자계의 방향이 전류에 대해 어떤 각도차를 갖고 있어도 같은 저항치 변화가 얻어지는 면내 감자의 소자이다.

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

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

이 자기 검출장치는, 회전축(1)과, 자계를 변화시키는 돌기형상을 구비하고, 회전축(1)과 동기해서 회전하는 자성회전체(이하, 플레이트라 칭한다)(2)와 이 플레이트(2)와 소정의 간극을 갖고 배치된 GMR소자(3)와, GMR소자(3)에 자계를 부여하는 자석(4)로 되고, GMR소자(3)는 감자면의 부분에 제 1, 제 2의 자기저항패턴(3a),(3b)이 형성되어 있다.

또, 이 GMR소자(3)는 비자성체의 고정부재(도시않음)에 의해 자석(4)에 소정의 간극을 두고 교환된다.

그래서 플레이트(2)가 회전함으로써 GMR소자(3)에 인가되는 자계가 변화되고 제 1, 제 2의 자기저항 패턴(3a),(3b)의 저항치가 변화한다.

도 8 은 종래의 자기 검출장치를 표시하는 블록도이다.

이 자기 검출장치는 플레이트(2)와 소정의 간극을 갖고 배치되며 자석(4)으로부터 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 일 예를 표시하는 도면이다. 휘트스톤브리지회로(11)는 예를 들면 각 변에 각각 GMR소자저항 (10A),(10B),(10C) 및 (10D)를 갖고 GMR소자 (10A)와(10C)의 각 일단은 공통 접속되며 접속점(16)을 통해서 전원단자 Vcc에 접속되고, GMR소자(10B)와 (10D)의 각 일단은 공통 접속되고 접속점(17)을 통해서 접지되고, GMR소자(10A)와(10B)의 각 단자는 접속점(18)에 접속되며 GMR소자(10C)와(10D)의 각 단자는 접속점(19)에 접속된다.

그리고, 휘트스톤브리지회로(11)의 접속점(18)이 저항기를 통해서 차동증폭회로(12)의 앰프(12a)의 반전입력단자에 접속되고, 접속점(19)이 저항기를 통해서 앰프(12a)의 비반전입력단자에 접속되는 동시에 다시 저항기를 통해서 기준 전원을 구성하는 분압회로에 접속된다.

또, 앰프(12a)의 출력단자는, 비교회로(13)의 반전입력단자에 접속되고, 비교회로(13)의 비반전입력단자는 기준전원을 구성하는 분압회로에 접속되는 동시에 저항기를 통해서 자기의 출력단자에 접속된다. 그리고 비교회로(13)의 출력측이 파형정형회로(14)의 트랜지스터(14a)의 베이스에 접속되고, 그 콜렉터는 출력단자(15)에 접속되는 동시에 저항기를 통해서 전원단지 Vcc에 접속되며 그 이미터는 접지된다.

다음 동작에 대해 도 10을 참조해서 설명한다.

플레이트(2)가 회전함으로써 도 10의(a)에 표시하는 그 요철에 대응해서 휘트스톤브리지회로(11)를 구성하는 GMR소자(10A)와 (10D)에는 같은 자계변화가 부여되고 GMR소자(10B)와(10C)에는 GMR소자(10A),(10D)와는 다른 자계변화가 부여되게 된다.

이 결과 플레이트(2)의 요철에 대응해서 GMR소자 (10A),(10D)와 (10B),(10C)의 저항치가 변화되고, GMR소자 (10A),(10D)와 (10B),(10C)의 저항치의 최대 최소로 되는 위치가 역으로 되며, 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 표시하는 바와 같은 출력 VDo가 얻어진다.

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

그런데, 종래의 자기 검출장치에서는 GMR소자가 갖고 있는 저항치 온도 계수에 의해 GMR소자의 저항변화가 감소되고, 큰 게인을 취할 수 없으므로 노이즈의 영향을 받기 쉽고 노이즈 내량이 저하한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 하게 된 것으로 GMR소자를 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 변화시키는 돌기형상을 구비한 자성회전체와 이 자성회전체로 변화된 자계에 따라 저항치가 변화하는 거대자기저항소자를 구비하고, 상기 거대자기저항소자를 이 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 소정의 인가자계의 진폭범위 내에서 동작하도록 상기 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치하도록 한 자기 검출장치에 있어서, 거대자기저항소자는 제 1의 자기저항패턴과 제 2의 자기저항패턴을 갖고 제 1의 자기저항패턴을 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도특성이 작은 제 1의 소정의 인가자계인 50 ~ 150[Oe]의 진폭범위내에서 동작하도록 자계발생 수단과 소정의 간극을 갖고 배치하며 제 2의 자기저항 패턴을 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 제2의 소정의 인가자계인 -150 ~ -50[Oe]의 진폭범위내에서 동작하도록 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치해서 브리지회로를 구성하도록 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 구체적 회로구성의 한 예를 표시하는 회로도,

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

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

2 : 자성회전체(플레이트) 3 : GMR소자

3a: 제 1의 자기저항 패턴 3b : 제 2의 자기저항 패턴

4 : 자석, 10A,10B,10C,10D : GMR소자저항

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 GMR소자의 자기저항 패턴의 자석에 대한 배치 방법이 다른 것 이외는 종래와 같으므로 그 상세한 설명을 생략한다.

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

도 1에 GMR소자에 0 ~ 1000[Oe]의 자계를 인가 했을때의 저항변화율(이하 MR비라고 함)의 그래프를 표시한다. 이 도면에서 GMR소자는 소위 히스테리시스 특성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 여기서 MR비라 하는 것은

MR비= {(Rmax-Rmin)/Rmin}×100[%]

로 표시하고, Rmax는 저항 최대치 Rmin는 저항최소치이다.

다음 자성회전체의 요출에 의한 자계변화를 상정하고, 도 2에 GMR소자에 0 ~ 50, 50 ~ 100, 100 ~ 150, 150 ~ 200, 200 ~ 250, 250 ~ 300의 50[0e]스탭의 자계를 인가했을 때의 저항치 변화의 온도특성의 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 온도특성에 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 130˚일 때의 MR비의 온도 특성을 표시하고 있으나 양쪽의 특성이 교차하고 있는 점이 실질적으로 GMR소자의 MR비에 온도특성을 발생하지 않는 포인트이고 도면에서는 대체로 인가자계 110[Oe]정도이다.

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

이와같이 본 실시의 형태에서는 GMR소자를 MR비의 온도특성이 작은 인가자계 50 ~ 150 [Oe]의 진폭범위 내에서 동작 시킴으로써 GMR소자의 온도특성을 최적화 하고 노이즈내량의 향상이 도모된다.

실시의 형태 2.

상술한 실시의 형태1에서는 GMR소자에 인가되는 자계를 50 ~ 150[Oe]로 설정하였으나 본 실시의 형태에서는 GMR소자의 복수의 자기저항 패턴을 브리지 회로로 구성하고, 제1의 자기저항 패턴(도 4의 자기저항 패턴 (3a)상당)에 GMR소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 제1의 소정의 인가자계의 진폭범위 예를들면 50 ~ 150[Oe], 제 2의 자기저항 패턴(도 4의 자기저항 패턴 (3b)상당)에 GMR소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 제 1의 소정의 인가자계의 진폭범위 예를들면 -150 ~ -50[Oe] 의 자계가 인가되는 위치에 GMR소자를 자석에 대해 배치한다.

도 4는 이 실시의 형태 2의 구체적인 예를 표시하는 배치도이다.

도면에서 도 7과 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 여기서 한 예로서 도면과 같이 자석(4)의 치수를 5.0 × 5.0 × 3.0 자석(4)로부터 GMR소자(3)의 제 1, 제 2의 자기저항 패턴(3a),(3b), 감자면 거리를 L=2.0으로 제 1, 제 2의 자기저항 패턴(3a),(3b)의 피치를 P = 0.8에 설정한다. 도4의 자석(4)와 GMR소자(3)의 배치에서 플레이트(2)의 회전에 의한 GMR소자(3)의 제 1, 제 2의 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 회전함으로써 도 6의(a)에 표시하는 플레이트(2)의 요철에 대응해서 브리지 회로를 구성하는 GMR소자(3)의 제 1, 제 2의 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 GMR소자를 MR비의 온도특성이 가장 작은 동작영역에서 사용할 수가 있으므로 모든 온도범위에서 안정된 노이즈 내량을 얻을 수가 있고 특히 고온시의 노이즈 내량의 향상이 도모된다.

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

이상과 같이 청구항 1과 발명에 의하면 자계를 발생하는 자계발생수단과 이 자계발생수단과 소정의 간극을 두고 배치되어 자계 발생수단에 의해 발생된 자계를 변화시키는 돌기형상을 구비한 자성회전체와 이 자성회전체로 변화시킨 자계에 따라 저항치가 변화하는 거대자기저항소자를 구비하고, 거대자기저항소자를 이 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 소정의 인가자계의 진폭범위내에서 동작하도록 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치 하도록 하였으므로 거대자기저항소자의 저항치 온도 변화를 최적화하고 노이즈 내량을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

또, 거대자기저항소자는 제 1의 자기저항 패턴과 제 2의 자기저항패턴을 갖고 제 1의 자기저항 패턴을 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 제 1의 소정의 인가자계 50 ~ 150[Oe]의 진폭범위내에서 동작 하도록 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치하며, 제 2의 자기저항 패턴을 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 제 2의 소정의 인가자계 -150 ~ -50[Oe]의 진폭범위내에서 동작하도록 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치해서 브리지회로를 구성하도록 하였으므로, 거대자기저항소자의 저항치온도변화를 최적화하고, 모든 온도 범위에서 안정된 노이즈 내량을 얻을 수가 있고 특히, 고온시의 노이즈 내량의 향상이 도모된다는 효과가 있다.

Claims

자계를 발생하는 자계발생 수단과, 이 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치되며 이 자계 발생수단에 의해 발생된 자계를 변화시키는 돌기형상을 구비한 자성회전체와, 이 자성회전체에서 변화된 자계에 따라 저항치가 변화하는 거대자기저항소자를 구비하고, 상기 거대자기저항소자를 이 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 소정의 인가자계의 진폭범위 내에서 동작하도록 상기 자계 발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치 하도록 한 자기 검출장치에 있어서,

상기 거대자기저항소자는 제 1의 자기저항 패턴과 제 2의 자기저항패턴을 갖고 상기 제 1의 자기저항 패턴을 상기 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도특성이 작은 제 1의 소정의 인가자계 50 ~ 150[Oe]의 진폭범위내에서 동작하도록 상기 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치하며 상기 제 2의 자기저항 패턴을 상기 거대자기저항소자의 저항변화율의 온도 특성이 작은 제 2의 소정의 인가자계 -150 ~ -50[Oe]의 진폭범위 내에서 동작하도록 상기 자계발생수단과 소정의 간극을 갖고 배치해서 브리지회로를 구성하도록 한 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.