KR19980080674A - 물체의 위치를 무접촉 검출하기 위한 장치 및 상기 장치의 용도 - Google Patents

물체의 위치를 무접촉 검출하기 위한 장치 및 상기 장치의 용도 Download PDF

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Abstract

위치 검출 장치(2)는 적어도 하나의 자극(magnetic pole)(4j)을 갖는 자기장 형성 장치(3) 및 상승된, 특히 거대-자기 저항 효과(giant-magnetoresistance effect)를 나타내는 적어도 하나의 센서(6)를 갖는 센서 장치(5)를 포함한다. 상기 자기장 형성 장치(3)는 센서 장치(5)와 관련하여, 센서(6)가 자극(4j)에 대해 측면으로 옮겨지고 상기 자극의 자극면(Fj)상에 있는 중앙 법선이 적어도 상기 센서(6)의 측정층의 평면(E1) 가까이에 또는 그에 평행한 평면 가까이에 놓이도록 배치되어야 한다. 상기 자기장 형성 장치(3)는 또한, 상기 자극(4j)의 자기장(h)이 센서(6)의 측정층에 의해 검출되고, 이 때 상기 장치의 센서 특성 곡선 또는 일부분이 통과되도록 움직일 수 있어야 하며, 이 경우에는 실제로 상기 센서의 자기 저항 효과의 지향성만이 충분히 이용된다.

Description

물체의 위치를 무접촉 검출하기 위한 장치 및 상기 장치의 용도
본 발명은, 미리 정해진 출발 위치를 고려하여 물체의 위치를 무접촉으로 검출하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는, 층평면내에서 회전 가능한 자화를 갖는 적어도 하나의 연자성 측정층을 갖춘 층시스템 및 적어도 광범위하게 변화되지 않는 자화를 갖는 적어도 하나의 강자성 바이어스부를 포함하는, 상승된 자기 저항 효과를 갖고 전류가 흐르는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서 장치 및 자기장 형성 장치를 포함한다. 본 발명은 또한 상기 장치의 사용에 관한 것이다. 상응하는 장치 및 상기 장치의 사용은 WO 94/17426호에 공지되어 있다.
Ni, Fe 또는 Co 및 상기 금속의 합금과 같은 강자성 전이 금속으로 이루어진 층에서는, 재료를 관통시키는 자기장의 크기 및 방향에 의존하는 전기 저항의 지향성이 있을 수 있다. 상기 층에서 나타나는 효과는 이방성 자기 저항(AMR) 또는 이방성 자기 저항 효과로 언급된다. 상기 효과는 물리적으로, 상이한 스핀 및 D-밴드의 스핀 극성을 갖는 전극의 상이한 산란 단면적을 기초로 한다. 상기 전극들은 다수 전극 또는 소수 전극으로서 언급된다. 상응하는 자기 저항 센서를 위해서는 일반적으로, 층평면내에 자화를 갖는 자기 저항 재료로 이루어진 하나의 얇은 층이 제공된다. 센서를 통해 도통되는 전류의 방향과 관련하여 자화가 회전될 때의 저항의 변동은 정상적인 등방성(= 오옴) 저항의 수 퍼센트에 이를 수 있다.
또한 얼마 전부터는 자기 저항 다층 시스템도 공지되어 있는데, 상기 시스템은 하나의 스택으로 배치된 다수의 강자성 층을 포함하며, 상기 층은 각각 금속 중간층에 의해 서로 분리되고 상기 층의 자화는 각각 상기 층평면에 배치된다. 이 경우 개별 층들의 두께는 도전 전극의 평균적인 자유 경로 길이보다 훨씬 더 작게 선택된다. 상기 다층 시스템에서는 언급된 이방성 자기 저항 효과(AMR)에 부가적으로 소위 거대 자기 저항 효과 또는 거대 자기 저항(GMR)이 나타날 수 있다(예를 들어 유럽 특허 출원서 0 483 373호와 비교). 상기 GMR-효과는 강자성 층 및 그에 인접한 층 사이의 경계면에 있는 다수 도전 전극 및 소수 도전 전극의 상이한 크기의 산란 및 특히 합금을 사용할 때 상기 층 내부에서의 산란 효과를 기초로 하고 있다. 이 때 GMR-효과는 등방성 효과이다. 상기 효과는 이방성 효과 AMR 보다 훨씬 더 클 수 있다. GMR-효과를 나타내는 상응하는 다층 시스템에서 인접한 금속 층들은 제일 먼저 반대로 자화되며, 이 경우 바이어스층 또는 바이어스층 섹션은 측정층보다 자기적으로 더 강하다. 그 다음에 외부 자기장의 영향하에서, 즉 상기 층평면에 만들어진 상기 필드 성분의 영향하에서, 상기 자화의 처음의 역평행 정렬이 평행 정렬로 변환될 수 있다. 상응하는 자기장 센서에서는 상기 사실이 충분히 이용된다.
상응하는 센서는 서문에 언급된 간행물 WO 94/17426호에 공지되어 있다. 상기 센서는 물체의 각위치를 무접촉 방식으로 검출하기 위한 장치의 일부분이다. 이를 위해 상기 물체는 영구 자석과 강성으로 결합되며, 상기 영구 자석은 측정층 평면에 평행한 평면내에 상기 영구 자석의 회전축이 상기 측정층 표면상의 중앙 법선과 일치하도록 측정층 위에 배치된다. 상기 자석은 측정층에서 자기장 성분을 형성하며, 상기 성분은 센서의 바이어스부의 자성 선두축에 대해 회전 가능하기 때문에 연자성 측정층에서 자화의 회전을 상응하게 야기시킨다. 센서의 전기 저항은 측정층의 자화와 상기 바이어스부의 자성 전방 방향 사이의 각도에 의존한다. 상기 의존성은 일반적으로 상기 센서의 층구성의 미리 정해진 형태(구조) 때문에 이방성이다. 그러나, 특히 무접촉 전위차계를 형성할 수 있는 각도 위치를 검출하기 위한 상응하는 장치는 자석 및 센서의 공통 대칭축에 한정되며, 상기 공통축을 중심으로 자석 또는 센서 자체가 회전 가능하게 배치된다.
본 발명의 목적은, 상기 유형의 제한이 더 이상 없도록, 서문에 언급된 장점을 갖는 공지된 장치를 효과적으로 개선하는 것이다.
도 1 및 도 2는 하나의 자기 휠을 갖는 회전 위치 검출 장치의 제 1실시예의 평면도 및 측면도이다.
도 3은 상기 회전 위치 검출 장치의 센서의 단면도이다.
도 4 및 도 5는 상응하는 장치의 제 2실시예 및 3실시예의 측면도이다.
도 6은 자기가 선형으로 배열된 선형 위치 검출 장치의 일실시예의 측면도이다.
도 7은 자기 휠을 갖는 회전 위치 검출 장치의 제 4실시예의 평면도이다.
도 8은 다른 하나의 자기 휠을 갖는 회전 위치 검출 장치의 제 4실시예의 평면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
2, 20, 25, 30, 34, 40 : 위치 검출 장치
3, 41 : 자기 휠 4j, 4k: 자극
5, 21, 28, 35 : 센서 장치
6, 22, 23, 26, 27, 36, 37, 38 : 센서
8 : 다층 시스템
9 : 측정층 10 : 감결합층
11 : 바이어스부 12 : 바이어스층
13 : 결합층 14 : 자기층
29 : 웨이퍼 31 : 자기 밴드
42 : 막대 자석 42a : 자극
a0, a1, a2, a3, a4, a5: 간격 A1, A2, A3:축
E1, E2: 측정층 평면 Fj, Fk: 자극면
G1, G2: 회전축 h, h' :자기 필드선
I : 전류 Maf: 다른 자기층의 자화
Mb: 바이어스부의 자화 Mm: 측정층의 자화
Mb1, Mb2, Mbi: 바이어스부의 자화
N : 양극(북극) S : 음극(남극)
Zn: 중앙 법선 χ : 각도
상기 목적은, 가상의 기준선에서 하나의 자극을 형성하거나 또는 상기 선을 따라 연속으로 배열된, 자기장 방향이 변화되는 다수의 자극을 형성하는 자기장 형성 장치, 층평면내에 회전 가능한 자화를 갖는 적어도 하나의 연자성 측정층을 갖춘 층시스템 및 거의 변동되지 않는 자화를 갖는 적어도 하나의 강자성 바이어스부를 포함하는, 상승된 자기 저항 효과를 갖고 전류가 흐르는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서 장치, 및 센서 장치 또는 자기장 형성 장치와 물체의 강성 결합부를 포함하며, 상기 자기장 형성 장치는 센서 장치와 관련해서, 적어도 하나의 센서가 적어도 하나의 자극의 가상의 기준선에 대해 측면으로 변위되고, 적어도 하나의 자극의 자극면상에 있는 중앙 법선이 적어도 하나의 센서의 측정층의 평면에 또는 그에 평행한 평면에 놓이도록 배치되고, 적어도 하나의 자극의 자기장이 적어도 하나의 센서의 측정층에 의해 검출되고, 검출된 자극의 개수에 상응하게 센서 특성 곡선 또는 자극 섹션이 다중으로 통과하도록 상대적으로 움직일 수 있으며, 이 경우에는 실제로 적어도 하나의 센서의 자기 저항 효과의 지향성만이 충분히 이용되도록 구성된 장치에 의해 달성된다. 이 경우 적어도 하나의 자극의 자극면상에 있는 중앙 법선은 적어도 하나의 센서의 층시스템의 측정층 평면 또는 그에 평행한 평면 가까이에 배치되어야 한다. 즉, 본 발명에 따는 장치에서 중앙 법선에 요구되는 정렬의 오차는 단지 약간의 정도만큼만 허용되어야 한다.
위치 검출 장치의 상기 정렬과 연관된 장점들은 특히, 한편으로는 360°의 공통 각도 범위내에 있는 물체의 각도 위치 또는 선형 위치를 무접촉으로 검출하는 것이 가능하고, 다른 한편으로는 자기장 형성 장치 및 센서 장치의 설치 위치의 정확성에 대한 요구가 감소된다는 점이다. 왜냐하면, 상승된 자기 저항 효과를 갖는 층시스템을 갖춘 센서 장치를 위한 적어도 하나의 센서의 사용에 의해, 적어도 하나의 자극이 기준선상에 있는 센서 장치를 측면으로 지나칠 때에는 실제로 외부 자기장의 센서 측정 신호의 필드 강도에 대한 의존성이 이용되는 것이 아니라 외부 자기장의 방향에 의존하는 센서 측정 신호의 지향성만이 충분히 이용되기 때문이다.
본 발명에 따른 장치에 의해, 임의의 물체의 선형 위치뿐만 아니라 회전 위치까지도 무접촉 방식으로 검출될 수 있다. 상기 장치는 실제로 자기장 방향에만 의존하는 출력 신호를 형성하기 위해 2가지 중요한 유니트를 포함한다. 즉, 자성 필드 성분을 형성하기 위한 장치 및 상기 자기장 성분을 검출하기 위한 장치를 포함한다. 상기 2개 장치들 중 한 장치가 물체와 강성으로 결합됨으로써, 물체의 위치는 미리 정해진 출발 위치와 관련하여 또는 다른 한 장치의 위치에 대해 상대적으로 검출될 수 있다. 자기장을 형성하는 상기 장치는 센서 장치 또는 검출 장치를 한번 이상 지나치고 상기 장치와 반대로 향해 있는 하나 이상의 자극을 포함하며, 이 경우 상기 센서 장치와 적어도 하나의 자극 사이의 측면 간격은 유지되는 것이 바람직하다. 단 하나의 자극만이 존재하는 경우에는, 상기 자극은 기준선에 배치되는 것으로 간주될 수 있다. 다수의 자극이 존재하는 경우에는, 상기 자극들이 상응하는 기준선을 따라서 볼 때 연속으로 배열되어야 하며, 이 경우 상기 자극들에 의해 형성된 자기장은 센서 장치와 관련하여서 상기 선을 따라 교체되는, 바람직하게는 대체되거나 또는 주기적으로 교체되는 자기장 방향을 가져야만 한다. 이 때 상기 기준선은 직선 또는 곡선일 수 있다. 직선인 경우에는 특히 물체의 선형 위치의 검출이 가능하다. 곡선에 의해서는 특별히, 예를 들어 자기 휠에 의해 형성되는 것과 같은 원의 둘레선이 형성될 수 있다. 따라서, 바람직하게는 0° 내지 360°의 각도 위치가 검출될 수 있다. 센서 장치로서 간주되고 자기장 방향과 관련하여 감지할 수 있는 장치는 전류가 통과하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 이 경우, 상응하는 다수의 센서들은 상기 센서 장치에 전기적으로 접속되어 예컨대 휘트스톤 브리지를 형성할 수 있다. 모든 센서는 증가된 자기 저항 효과, 특별히 소위 GMR-효과를 나타내는 다층 시스템을 포함한다. 하나의 바이어스층 또는 바이어스층 시스템을 갖는 바이어스부가 상기 시스템에 평행하게 배치되며, 이 경우 상기 바이어스부는 자기적으로 더 강하고, 적어도 하나의 자극의 자기장의 영향하에서도 적어도 거의 변동되지 않는 자화를 갖는다. GMR-효과를 나타내는 상응하는 다층 시스템은 예를 들어 유럽 특허 출원서 0 483 373호, 독일 특허 출원서 42 32 244호, 독일 특허 출원서 42 43 357호 또는 독일 특허 출원서 42 43 358호에 공지되어 있다.
본 발명에 따른 위치 검출 장치는 거대 자기 저항 센서의 높은 감성 때문에, 예를 들어 홀 센서(예컨대 데이터북 Magnetic Sensors, Siemens AG, 1989, Page 57 참조)에서 요구되는 것과 같은 특별한 장치가 더 이상 필요하지 않다; 따라서, 인접한 자극 사이에 비교적 작은 자기 간격이 형성될 수 있으며, 결과적으로 상응하게 높은 해체 가능성 및/또는 상응하는 축소화를 이룰 수 있다.
상기와 같은 장점을 갖는 위치 검출 장치에서는 본 발명에 따라, 상기 장치의 자기장 형성 장치가 센서 장치와 관련해서 미리 정해진 방식으로 배치될 수 있다:
이를 위해 적어도 하나의 센서의 다층 시스템의 측정층 평면 및 기준선에 있는 자기장을 형성하는 장치의 적어도 하나의 자극의 자극면이 고려된다. 이 경우, 적어도 하나의 상기 자극은 측정층 표면 영역 상부에서 상기 표면상에 수직으로 있는, WO 94/17426호에 따른 선행 기술에서와 같은 원기둥 형태의 부피로 존재해서는 안된다; 오히려 적어도 하나의 자극 및 기준선은 상기 영역 외부에 있거나 또는 단지 상기 영역에만 접해야 한다. 센서를 상기 방식으로 배열하는 것은 측면 변위 배열로 간주된다. 특히, 측정층 또는 센서와 자극 사이에는 측면 간격으로서 간주되는 간격이 유지된다. 동시에 자기장 형성 장치는, 상기 자극면의 중앙에 할당될 중앙 법선이 적어도 거의 측정층 평면에서 뻗거나 또는 그에 평행한 평면에 배치되도록 정렬되어야 한다(법선의 상기 정렬은 약간의 오차만을 허용한다). 상기 방식의 배열에서는, 증가된 자기 저항 효과를 나타내는, 적어도 하나의 센서를 위해 사용되는 다층 시스템의 통상의 측정 영역 또는 측정 윈도우 내부에서는 필드 강도의 의존성이 실제로 아무런 역할을 하지 못하고, 오히려 상기 측정층에서의 자화의 출발 위치와 관련한 자기장의 정렬에 대한 의존성만이 충분히 이용된다.
자기장 형성 장치 및 센서 장치는 또한, 상기 자기장 형성 장치의 적어도 하나의 자극의 자기장이 적어도 하나의 센서의 다층 시스템의 측정층에 의해 검출되고, 적어도 하나의 상기 자극이 센서 장치의 검출 영역을 통해 가이드될 때 이미 존재하는 또는 검출된 자극의 개수에 상응하게 센서 특성 곡선 또는 일부분이 다중으로 통과되도록, 서로에 대해 상대적으로 움직일 수 있다. 이 경우 센서 특성 곡선으로서는 다이아그램으로 표시될 수 있는 저항값이 고려되며, 상기 저항값은 적어도 하나의 자극이 적어도 하나의 측정층을 지나칠 때 상기 센서 장치가 취할 수 있는 값이다.
물론, 자기장 형성 장치의 자극이 상기 센서 장치의 검출 영역을 통해 반복적으로 가이드될 수도 있다(또는 그 역도 가능하다). 그렇게 되면 센서 특성 곡선 또는 일부분이 센서 장치에 의해 전체적으로 차례로 검출된 자극의 개수와 상응하게 통과되는 경우가 많다.
본 발명에 따른 위치 검출 장치는 특히 바람직하게 무접촉 전위차계의 구성을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 위치 검출 장치의 바람직한 실시예는 종속항에서 설명된다.
본 발명은 도면을 참조하여 하기에 자세히 설명된다.
도면에서 상응하는 부분은 동일한 도면 부호로 표기되었다. 자세하게 도시되지 않은 부분들은 일반적으로 공지된 사항이기 때문에 하기에서는 언급하지 않았다.
도 1 및 도 2에 지시된, 회전 위치를 검출하기 위한 장치(2)의 실시예에 따라 상기 장치의 자기장을 형성하는 장치는 자기 휠(3)로서 형성된다. 자기 휠은 기준축(G1)을 중심으로 회전 가능하게 지지되는데, 예를 들어 전동기의 축상에 고정된다. 상기 자기 휠은 그것의 외부 둘레를 따라 뻗는 기준선(L1)상에 둘레 방향으로 볼 때 앞·뒤로 배치되고 극성이 변동되는 자극(4j)을 포함한다. n(이 경우 1≤j≤n) 자극 중에서 도면에는 단지 4개만이 도시되었는데, 2개의 자극은 극성이 N(= 북극)이고, 2개는 극성이 S(= 남극)이다. 서로 상이한 극성을 갖는 인접한 극 사이에서 뻗는 자기장은 전속 라인(h)으로 지시된다.
자기 휠(3)은 기준선(L1)의 간격(a0)을 두고 측면으로 센서 장치(5)의 센서(6)로부터 떨어져 배치된다. 도면에서 자기 휠에 비해 비척도적으로 도시된 센서를 통해 전류(I)가 흐르며, 상기 센서는 공지된 GMR-다층 시스템을 갖는다. 적합한 다층 시스템의 가능한 실시예는 도 3에서 자세하게 얻어진다. 도 3에 도시된 상기 다층 시스템은 예를 들어 WO 94/15223호에 공지된 바와 같은 실시예로부터 출발한다. 도면 부호 (8)로 표기된 다층 시스템은 상기 층평면내에 회전 가능한 자화(Mm)를 갖는 연자성 측정층(9)을 포함한다. 상기 측정층은 감결합층(10)을 통해 그것의 자화내에 고정된 층섹션(11)으로부터 자기적으로 감결합된다. 바이어스부로서도 표기되는 상기 층섹션(11)은 자기적으로 비교적 더 강하다. 도시된 실시예에 따라 상기 층섹션은 자화(Mb)를 갖는 하나의 바이어스층(12)을 포함한다. 상기 층(12)은 결합층(13)을 통해 자화(Mb)와 반대 방향의 자화(Maf)를 갖는 다른 하나의 자기층(14)에 반강자성적으로 연결된다. 따라서 이것은 인공적인 반강자성으로도 불린다. 다층 시스템을 상기 방식으로 형성하는 것은 특히, 측정층(9)의 자화(Mm)의 정렬이 실제로 바이어스부(11)의 자화(Mb및 Maf)에 의해 영향을 받지 않는다는 장점을 갖는다.
상승된 자기 저항 효과를 갖는, 본 발명에 따른 위치 측정 장치에 사용될 수 있는 센서에서는 상기 바이어스부의 구체적인 실시예가 비임계적이기 때문에, 상기 바이어스부에서는 예를 들어 소위 Spin Valve-시스템에 사용되는 것과 같은 자연적인 반강자성이 이용될 수 있다. 물론, 소수의 자기층으로 형성된 바이어스부도 적합하다.
또한 도 1 및 특히 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 센서(6)는 자기 휠(3)과 관련하여 상기 자기 휠(3)의 기준축(G1)(= 회전축)이 법선에 적어도 거의 평행하게 해칭선으로 표시된 센서 평면(E1)상에 뻗는다. 그러면 적어도 하나의 자극(4j)의 자극면(Fj)상에 있는 중앙 법선(Zn)은 상기 센서의 평면(E1) 및 측정층(9) 표면의 평면 또는 그것에 평행한 평면에 배치된다. 평면(E1)에 배치된 센서(6)의 기준축(A1)은 회전축(G1)을 절대로 절단할 필요가 없다. 즉, 도시된 축(A1)에 대해 평행하게 이동되는 상응하는 하나의 축을 갖는 센서(6)의 배열이 가능하다. 상기 기준축(A1)은 특히 외부 자기장 없이 상기 측정층(9)의 자화(Mm)상으로 뻗는 수직선으로 측정층 표면의 중앙을 통과한다.
자기 휠(3)이 기준축(G1)을 중심으로 회전할 때는 자극면(Fj)을 갖는 자극(4j)들은 연속적으로 센서(6) 쪽으로 직접 향하게 된다. 상기 방식의 회전시에는 거대 자기 저항 센서(6)의 저항 특성 곡선이 n배로 통과된다. 거대 자기 저항 센서(6)내에 있는 연자성 측정층(9)의 자화(Mm)의 방향은 넓은 자기 영역내에서 영향을 미치는 자기장을 따르고, 다층 패킷의 저항 변동은 바이어스부내의 자화(Mb)와 관련하여 상기 측정층내에 있는 자화(Mm)의 상대각에만 의존하기 때문에, 센서로부터 빼내진, 마그네틱 자기 휠(3)의 각 위치를 모사하는 신호는 바람직하게 넓은 영역내에서 상기 자기 휠과 센서 사이의 간격(a0)에 의존하지 않는다.
도 2에서 또 알 수 있는 바와 같이, 법선(Zn)은 반드시 센서(6)의 평면(E1)내에 배치될 필요는 없고, 오히려 상기 평면에 대해 간격(a1) 만큼 이동될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 회전 위치 검출 장치(2)에서는, 상기 자기 휠(3)과 센서(6) 사이에서 크기(a0)의 간격으로 표시된 공간내로 하나의 분리벽 또는 하우징벽이 삽입될 수 있다. 상기 벽은 비강자성 재료로 이루어져야 한다. 상기 구성은 특히, 예를 들어 자기 휠 또는 센서가 하우징내로 삽입되거나 또는 분리벽에 의해 서로 분리될 수 있는 상이한 주위 매질내에 배치되어야 하는 경우에 제안된다.
(도 1에 따라) n개의 자극(4j)을 갖는 도 4에 도시된 자기 휠(3)의 회전 위치 검출 장치(20)의 실시예는 한 쌍의 자기 저항 센서(22 및 23)를 갖춘 하나의 센서 장치(21)를 포함한다. 도면에서 센서들은 자기 휠에 비해 재차 비척도적으로 - 개관을 명확하게 하기 위해 - 확대 도시되었다. 상기 센서들은 서로 전기적으로 접속되고 전류(I)가 그 내부를 통과한다. 센서의 다층 시스템은 하나의 공통 평면(E1)에 배치된다. 모든 자극(4j)의 중앙 법선(Zn)은 상기 평면에 대해 평행하게 향한다. 도면 부호 ⓧ에 의해 공지된 방식으로 설명되는, 자극면(Fj)의 상기 장소에서 나타나는 자기장 성분도 또한 상기 법선의 방향을 향한다. 상기 도면에서 또 알 수 있는 바와 같이 센서(22 및 23)의 다층 시스템들은, 상기 시스템의 바이어스부의 자화(Mb1및 Mb2)의 방향이 바람직하게 서로 직각으로 뻗도록 정렬된다. 상기 센서들의 평면상에서 법선의 방향으로 그리고 상이하게 간격을 두고 배치된 센서들 사이로 뻗는, 상기 센서들의 공통의 기준축(A2)은 자기 휠(3)의 회전축(G1)의 평면과 90°의 각을 형성한다. 기준축(A2)은 상기 회전축에 대해 간격(a2) 만큼 측면으로 이동될 수 있다. 이 경우 기준축(A2)은 회전축(G1)과 동일한 평면내에 배치될 필요는 없다. 자기 휠(3)이 축(G1)을 중심으로 회전하는 경우에는 거대 자기 저항 센서의 저항 특성 곡선은 (자기 휠 회전 당) n배로 통과되며, 이 경우 2개의 센서들은 각각 90° 위상 이동된 주기적인 신호를 공급한다. 그럼으로써, 미리 정해진 간격을 유지함으로써만 서로 나란히 배치될 수 있는 2개의 홀 센서와 함께 실현되는 것보다 더 우수하게 마그네틱 자기 휠의 자기수에 의해 미리 제공된 기본 분사를 주사할 수 있게 된다. 2개의 GMR-센서(22 및 23)는 바람직하게 직접 인접성으로 인해 예를 들어 공통의 칩상에 서로 나란히 배치될 수 있다. 도시된 실시예는 또한 바람직하게 회전의 방향 인식을 가능케 한다.
도 4에 따른 위치 검출 장치(20)와 달리 도 5에 도시된 회전 위치 검출 장치(25)의 실시예에서는, 센서 장치(28)의 거대 자기 저항 센서(26 및 27)가 공통의 평면에 배치되지 않고, 오히려 평행한 평면(E1 및 E2)에 배치된다. 상기 센서의 다층 시스템의 구성은 혼성 경로상에서 또는 웨이퍼(29)의 적합한 코팅 및 구조화에 의해, 상기 시스템의 서로 마주보는 넓은면상에서 또는 한 측면상에서도 이루어질 수 있다. 센서들은 그것의 표면 법선의 방향으로 공통의 기준축(A3)을 갖는다. 예를 들어 센서의 중앙 영역내에 뻗어 있는 기준축(A3)은 재차 자기 휠(3)의 회전축(G1)에 대해 평행하게 또는 상기 회전축(G1)의 연장부내에 배치된다. 이 때 상기 기준축(A3)은 회전축(G1)과 다른 평면에 배치될 수도 있다. 허용된 간격 공차 때문에 상기 센서들은 진폭이 적어도 거의 동일하지만 90°만큼 위상 이동된 신호를 상기 장치(25)에 전달한다.
도 1 내지 도 5에 따라, 자기장을 형성하는 장치의 자극들의 기준선(L1)은 자기 휠(3)의 원주선을 나타낸다. 그러나 상기 기준선은 또한 직선을 형성할 수도 있다. 상기 실시예는 무한히 큰 반경을 갖는 자기 휠을 선택할 때에도 유사하게 얻어진다. 선형 위치 검출 장치의 실시예는 도 6에서 설명된다. 도면 부호 (30)으로 표시된 상기 장치는 자기장을 형성하는 장치로서, 서로 앞·뒤로 배열된 자극(4k, 이 경우 1≤k≤n)을 갖는, 극성이 교환되는, 직선의 기준선(L2)을 따라 뻗는 자기성 밴드를 포함한다. 이 경우 상기 기준선(L2)은 법선 또는 기준축(A1)과 관련하여 수직 방향으로 거대 자기 저항 센서(6)(예를 들어 도 1에 따라)상에서 뻗는다. 상기 자기성 밴드는, 축(A1)이 상기 밴드의 자극면(Fk)의 평면에서 또는 그에 평행한 평면에서 뻗도록 축(A1)에 대해 정렬되어야 한다. 그러면, 모든 자극면(Fk)의 중앙 법선(Zn)은 재차 상기 센서(6)의 다층 시스템의 평면(E1)에 평행한 평면에 배치된다. 상기 센서의 다층 시스템과 자기성 밴드(31) 사이에서는 측면 간격(a3)이 유지될 수 있다. 즉, 센서(6)는 위치 검출 장치의 상기 실시예에서 또한 자극면(Fk) 상부 측면에 배치될 수도 있다. 센서(6)가 간격(a3) 만큼 떨어져서 기준선(L2)에 대해 평행한 선을 따라 또는 상기 기준선(L2)을 따르는 자기 밴드를 따라 움직일 때, 거대 자기 저항 센서(6)의 저항 특성 곡선은 n배 통과된다. 상기 센서(6)의 연자성 측정층(9)의 자화(Mm)의 방향은 넓은 자기 영역내에서 영향을 미치는 자기 밴드(31)의 자기장을 따르고, 상기 센서의 다층 시스템의 저항 변동은 바이어스부 또는 바이어스층(12)내에 있는 상기 측정층 및 Mb내에 있는 자화(Mm)의 각에만 의존하기 때문에, 센서 장치로부터 빼내진, 자기 밴드(31)의 위치를 모사하는 신호는 바람직하게 넓은 영역내에서 상기 자기 밴드(31)와 센서(6) 사이의 간격(a3)에 의존하지 않는다.
도 1 내지 도 6에 도시된 본 발명에 따른 위치 검출 장치의 실시예들로부터, 자기장을 형성하는 소자(자기 휠(3) 또는 자기 밴드(31))에 의해 아직 영향을 받지 않은 각 다층 시스템의 연자성 측정층의 자화(Mm)가 기준선(L1또는 L2)에 대해 평행하게 및 경우에 따라서는 회전축(G1)에 대해 수직으로 배치되도록 상기 센서들은 정렬되며, 이 경우 관련 바이어스부의 자화(Mb)는 Mm에 대해 평행하거나 또는 수직으로 정렬되는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 위치 검출 장치는 상기 방식의 자화(Mm및 Mb)의 정렬에만 한정되지 않는다. 상기 바이어스부의 자화(Mb)가 각 기준선에 대해 비스듬하게 진행되도록 센서들이 배치될 수도 있다. 상응하는 실시예는 도 7에서 알 수 있다.
도 7에 도시된 위치 검출 장치(34)에서는 도 4 및 도 5에 도시된, 2개의 센서를 갖춘 센서 장치의 배열 대신에 2개 이상의, 예를 들어 하나의 평면내에 배치된 3개의 센서(36 내지 38)를 갖춘 장치(35)가 사용된다. 자기 휠(3)로부터 평균 간격(a4) 만큼 떨어진 상기 센서들은 바람직하게 센서 평면내에 배치된 표면축 또는 바이어스부(1≤i≤3)의 자화(Mbi)의 방향으로 χ = 120°의 각도로 배치된다. 따라서, 모든 센서에는 도 4 및 도 5의 실시예에 따른 각각 90°의 각도 대신에 각각 60°부터 360°-검출까지의 2개의 선형 영역만이 필요하다. 상기 실시예에서도 특히 GMR-센서의 대대적인 필드 강도 비의존성이 충분히 이용되는데, 그 이유는 3개의 센서(36 내지 38)는 자기 휠(3)로부터 상이한 폭으로 떨어져 배치되기 때문이다.
도 8은 자기장을 형성하는 장치로서 하나의 자기 휠(41)을 갖춘 회전 위치 검출 장치(40)의 실시예를 보여주는데, 상기 장치는 단지 하나의 자기 복자극(42)을 갖는다. 예를 들어 막대 자석에 의해 형성된 상기 복자극은, 상기 복자극이 자기 휠(41)의 회전축(G2)에 대해 방사 방향으로 연장되도록 배치된다. 즉, 상기 막대 자석의 단 하나의 자극(41a)만이 간격(a5)의 유지하에서 (예를 들어 도 1에 따른) 센서 장치의 거대 자기 저항 센서(6) 쪽을 향한다. 상기 막대 자석에 의해 야기된 자기장은 필드선(h')에 의해 지시된다. 도시된 장치(40)는 특히 트리거링 펄스 또는 계수 펄스를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 의해, 무접촉 전위차계를 형성할 수 있는 각도 위치를 검출하기 위한 상응하는 장치가 자석 및 센서의 공통 대칭축에 한정되지 않도록 위치 검출 장치를 효과적으로 개선할 수 있게 되었다.

Claims (12)

  1. - 가상의 기준선(L1, L2)에서 하나의 자극(42a)을 형성하거나 또는 상기 선을 따라 연속으로 배열된, 자기장 방향이 변화되는 다수의 자극(4j, 4k)을 형성하는 자기장 형성 장치(3, 31, 41),
    - 층평면내에 회전 가능한 자화(Mm)를 갖는 적어도 하나의 연자성 측정층(9)을 갖춘 층시스템(8) 및 거의 변동되지 않는 자화(Mb, Mb1, Mb2, Mbi)를 갖는 적어도 하나의 강자성 바이어스부(11)를 포함하는, 상승된 자기 저항 효과를 갖고 전류가 흐르는 적어도 하나의 센서(6, 22, 23, 26, 27, 36-38)를 포함하는 센서 장치(5, 21, 28, 35), 및
    - 센서 장치 또는 자기장 형성 장치와 물체의 강성 결합부를 포함하며,
    상기 자기장 형성 장치는 센서 장치와 관련해서,
    a) 적어도 하나의 센서가 적어도 하나의 자극의 가상의 기준선에 대해 측면으로 변위되고, 적어도 하나의 자극의 자극면(Fj, Fk, 42a)상에 있는 중앙 법선(Zn)이 적어도 하나의 센서의 측정층(9)의 평면(E1)에 또는 그에 평행한 평면에 놓이도록 배치되고,
    b) 적어도 하나의 자극의 자기장(h, h')이 적어도 하나의 센서의 측정층에 의해 검출되고, 검출된 자극의 개수(n)에 상응하게 센서 특성 곡선 또는 자극 섹션이 다중으로 통과하도록 상대적으로 움직일 수 있으며, 이 경우에는 실제로 적어도 하나의 센서의 자기 저항 효과의 지향성만이 충분히 이용되도록 구성된, 미리 정해진 출발 위치와 관련하여 물체의 위치를 무접촉으로 검출하기 위한 장치(2, 20, 25, 30, 35, 40).
  2. 제 1항에 있어서, 적어도 하나의 센서(6, 22, 23, 26, 27, 36-38)는 적어도 하나의 자극(4j, 4k, 42a)의 가상 기준선(L1, L2)에 의해 예정된 간격(a0, a3, a5) 만큼 측면으로 변위되어 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 기준선(L2)은 거의 직선인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 기준선(L1)은 거의 하나의 자기 휠(3, 41)의 둘레선인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 센서 장치(21, 28, 35)는 전기적으로 서로 접속된 다수의 센서(22, 23; 26, 27; 36-38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 센서 장치(21, 28, 35)는 전기적으로 서로 접속된 다수의 센서(22, 23; 26, 27; 36-38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 센서 장치(21, 28, 35)는 전기적으로 서로 접속된 다수의 센서(22, 23; 26, 27; 36-38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 5항에 있어서, 층시스템의 바이어스부가 서로 거의 직각으로 뻗는 자화 방향(Mb1, Mb2)을 갖는 2개의 센서(21, 22)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 5항에 있어서, 층시스템의 바이어스부가 서로 거의 120°의 각(χ)을 형성하는 자화 방향(Mbi)을 갖는 3개의 센서(36-38)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 센서(22, 23; 36-38)는 하나의 공통 평면(E1)에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 센서(26, 27)는 평행한 평면(E1, E2)에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 장치를 비접촉 전위차계의 일부분으로서 사용하기 위한 용도.
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