(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気システムと接続されたエレメント（２０、ＩＭ、Ｐｒ）の、設定可能な数の求めるべき回転若しくは個々の部分回転又は移動を一義的に決定するために絶対回転値又は移動値を求めるための磁気センサであって、前記磁気システムはエレメントの回転及び／又は局所的位置に依存して方向が変わる外部磁界を生み出し、更に設定可能な数の磁区（Ｄ）で占められＧＭＲ又はＴＭＲ積層体を備えた軟磁性のループ構造体を使用するものにおいて、互いに菱形状に配置されて延びる概ね直線的なセクション（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４及びＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４）を有する少なくとも２個の別個のループ（Ｓ１、Ｓ２）が設けられており、これらの少なくとも２個のループは共通の交点（Ｋ）を介して互いに接続されており、ループ構造体のこれらのセクションは、磁区（Ｄ）が進入した後で隣接するループに移り得る交差領域のそれぞれ直前で、導電トラックルーティングの通常進む方向と反対の方向に曲げられ、この領域でループ構造体の内側に向かってサイフォン状に湾曲して形成されており、各サイフォン状凹部（ＳＫ１、ＳＫ２）における導電トラックは交点（Ｋ）で直交しており、ループ構造体の全ての前記構成部材は単一の共通平面に位置するように配置されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
導電トラックルーティングの方向の変化を達成するために、直線的な導電トラックセクション（Ｓ１３、Ｓ２４１及びＳ１４、Ｓ２３１）が凹部セクション（ＳＫ１、ＳＫ２）に進入する前に、それぞれ４５°より大きく且つ９０°より小さい曲げ角（α）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
各サイフォン状凹部（ＳＫ１、ＳＫ２）が直交する導電トラックの領域は、導電トラック幅（ｂ）の３倍程度の長さで形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項４】
サイフォン状凹部（ＳＫ１、ＳＫ２）の延長は０．５μｍ〜１０μｍの間で決定されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項５】
導電トラックルーティングの方向の変化を達成するために、直線的な導電トラックセクション（Ｓ１３、Ｓ２４１及びＳ１４、Ｓ２３１）が凹部セクション（ＳＫ１、ＳＫ２）に進入する前に、それぞれ４５°より大きく且つ５５°より小さい曲げ角（α）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項６】
完結したループ構造体の内部に３個以上の別個のループが設けられており、これらのループは互いにそれぞれ隣接するループと、それぞれサイフォン状に湾曲して形成されたループ部分を介して互いに接続されていることを特徴とする、請求項１乃至５の何れかに記載の磁気センサ。
【請求項７】
それぞれサイフォン状に湾曲して形成されたループ部分を介して互いに接続された３個以上のループ構造体が設けられており、互いに分離した磁区案内用の導電トラックを有する、種々の数の完結したループ構造体が一平面に密接して設けられており、前記導電トラックは互いに異なる設定可能な数のループを含むことを特徴とする、請求項１又は６に記載の磁気センサ。
【請求項８】
完結したループ構造体当りの巻線数は、他のループ構造体に対する巻線数と互いに素数の関係となるように決められていることを特徴とする、請求項７に記載の磁気センサ。
【請求項９】
３個以上の交差するループを含んでいる、菱形状に形成されて完結したループ構造体において、交差（Ｋ）は対角線上で対向して配置されていることを特徴とする、請求項１又は６に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多様な技術分野、特に自動車製造及び産業オートメーションにおいて有利に使用できる回転又は直線距離を絶対計数するための磁気センサに関する。特に、本発明のセンサの新規構造は４０００回転以上程度の高い回転数又は２００００ｍｍ程度の長い距離の非接触且つ無電流の計数を可能にするが、これは多くの技術的用途にとって有用である。更にまた、本発明のセンサは極めて単純な構造で低回転数を求めるのにも非常に有利であり、例えば自動車製造において内燃機関のサイクルを正確に決定するために使用でき、例えば角度センサと共にカムシャフトの機能を担い、それによりこの高価な部材に取って代わることができる。
【背景技術】
【０００２】
種々の物理的原理に従って角度位置を決定するためのセンサは広く普及しているが、それらに共通しているのはセンサ信号が３６０°周期であり、１０°と３７０°を区別できないことである。従って、この種のセンサは、例えば自動車のステアリングホイールの場合のように３６０°を超える角度を決定しなければならない課題に対しては、回転数を検出できる他のセンサと組み合わせることが必要となる。回転計数器と組み合わせれば１０°と３７０°を区別できる。回転数を決定するために機械的にＮ個の螺旋腕を有する螺旋体の経過から回転数（例えば１〜５）を推定できる解決策が知られている。他の解決策においては２個以上の角度センサと接続した機械的伝動装置を利用する。伝動装置の構造的情報と伝動装置の種々の歯車と接続された磁石の角度位置から、例えば０〜５・３６０°の角度も決定できる。これら全ての解決策に共通しているのは、それらは実現するために機械装置を必要とすることであり、従って非接触型ではなく、ひいては無摩耗ではない。しかしながら特に自動車においては多くの用途のために、非接触型の解決策が必要である。これはいかなる時点でも（恒常的に）角度位置を決定でき、そうして３５９°から３６０°への移行を角度０°から区別できるようにすることによって実現できる。これはセンサ及び付属のメモリ要素に恒常的に電気エネルギーを供給することを前提とする。これは、例えば０°から例えば５・３６０°までの範囲の絶対角度の決定は、例えば車載エレクトロニクスがバッテリーから切り離されている場合にもできなければならないという自動車製造における要求と矛盾する。
【０００３】
この要求を原理的に満たす回転数の非接触計数が、ポジタル社によって開発された（会社技報「エンコーダにおける発電所．．．」ｗｗｗ．ｐｏｓｔａｌ．ｄｅ）。ここでは角度（０〜３６０°）の決定にホールセンサを利用する。回転数の測定は、いわゆるヴィーガントワイヤを用いて行われる。このワイヤは特殊な磁気特性を有しており、１回転する毎に磁区壁が突然長さ数ミリメートルのワイヤを通って動くことにより短いが十分強い電圧パルスが発生する。この電圧パルスはＦｅＲＡＭ（強誘電体ランダムアクセスメモリ）に書き込むことができ、これはＦｅＲＡＭがバッテリーと接続していない場合でも可能である。従ってこの解決策は回転数を無摩耗且つ非接触に決定するという要求を満たし、たとえ電流供給がなくとも使用するＦｅＲＡＭの最大メモリ容量まで回転を計数する。しかしながらこの解決策は自動車業界からは拒否される。これはヴィーガントワイヤがかなり大いため、低コストでの製造や大量生産が不可能であり且つＦｅＲＡＭの高抵抗入力のために電磁的適合性の問題があるからである。
【０００４】
上の要件を満たす他の回転計数用センサエレメントがＥＰ１７４０９０９Ｂ１（ＷＯ２００５／１０６３９５）により知られている。このセンサエレメントは長く延びたＮ巻線の螺旋体の形状をしており、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を有する積層体からなる。このセンサエレメントのＧＭＲ層システムは、基準方向を定義する硬磁性層と軟磁性層とから実質的になり、これらは非磁性中間層によって分離されている。検出すべき回転外部磁界は磁区壁の移動によって軟磁性層の磁化方向を変えるだけの強度を有するが、長く延びた螺旋体の直線区間に対して平行に延びる硬磁性層の磁化方向を変化させるには弱すぎる。そのためセンサエレメントは抵抗変化を伴って回転する磁界に反応し、０〜Ｎ回転の計数可能な範囲の内部で全回転と半回転は２Ｎ＋１抵抗値の形で記録される。その際に全ての抵抗値は一義的に半整数又は整数の回転値に割り当てられている。この場合、磁界が回転しなければ磁気構造は変わらないままである。回転した場合、抵抗値が読み出されるか否かにかかわらず、磁化方向が変化する。このことは、システムは電流又は電力がない状態であっても、回転する磁界の全ての変化を記録し、読み出すために（即ち抵抗を決定するために）のみ電流供給を必要とすることを意味する。
そのような配置構成の問題点は、使用するメモリジオメトリ（各回転は完全な巻線を必要とする）に基づいて大きい回転数を計数する場合、螺旋体を幾何学的に非常に大きくしなければならないことである。従って、螺旋体を製造する際に生じた欠陥が故障を招き、そのため歩留まりの低下につながる可能性が高まる。また、チップ面積（ひいてはこの種のセンサのコスト）が上昇する。ＥＰ１７４０９０９Ｂ１に記載されたコンセプトは螺旋巻線が多いと回転数を自動的に決定する際に問題を招く。ある回転から次の回転に移る際に生じる利用可能な電圧偏移は、１／巻線数でスケーリングされる。この値はＮ＞〜＞＞１０について確実に評価するには明らかに小さすぎる。上述の特許中に挙げられた代替策は、回転数が比較的大きい場合に完全な磁気抵抗偏移を可能とするが、同時に長い螺旋体の問題点もある。大きい偏移の利点は、閉じられていない回路を形成する全ての螺旋部分がそれぞれ２個でなく４個の電気的接点を備え、電気的に読み出されて処理されねばならないことによって失われる。その結果、Ｎ＝１００でも４００個の接点が生じ、多大な回路技術コストを伴う。更に、上述の解決策には、螺旋導電トラック内で最大限移動可能な磁区に達した後に導電トラックは完全に磁区で占められており、更に半回転すると１磁区が導電トラックから離脱し、同時に新しい１磁区が再び送り込まれるという問題がある。それによりｎ巻線、従って２ｎ磁区においては回転計数の一義性がなくなる。回転する外部磁界の回転方向が逆転すると、螺旋体は最終的に磁区を全て使い尽くすので、検出可能な最大回転を越えて逆方向に回転した場合も一義的な計数は不可能となる。
【０００５】
上述の問題を解決するために、ＷＯ２００９／０２７０４６Ａ１は回転するエレメントの設定可能な数を決定すべき回転を一義的に決定するための磁気回転計数器が提案された。この回転計数器では検出されるエレメントの測定回転数に応じて複数のセンサエレメントが設けられており、エレメントは全ての設けられているセンサエレメントを把捉することを可能にする磁界を備えた磁気システムを有しており、センサエレメントは事前に設定して維持される固定した数の磁区で占められている。この発明によれば磁区は、少なくとも１個の強磁性層若しくは軟磁性層を含んでいる−それぞれ完結した−ループ内で移動し、ループにはループ内側に向けた、尖端になっている折り返し部が割り当てられており、ループ当り設けられた折り返し部の数はループ毎に互いに異なるように決められている。そこで設けられている電気的接点の配置によって、設定されたループセクションにおける磁気システムの回転する外部磁界の作用の結果として磁区の位置変化が行なわれたら、設定可能なループセクションの電気抵抗の変化を把握でき、これらの抵抗値は回転するエレメントの回転数を割り当てる目的で評価装置に送られる。この発明で設けられているそれぞれ完結したループは、互いに入れ込むか、或いは１個の基体上に並置することができる。この解決策により冒頭に記した、必要な電圧偏移、及び設定可能な限界内における計数の一義性と同時に導電トラック全長の縮小の問題が解決された。しかしながら、この発明における尖端になっている必要な折り返し部の作成には高い製造技術が必要である。これは、尖端は非常に精密に１５°未満の角度で製作しなければならないからである。これに対して非常に複雑な故、高価でもある技術、例えばＦＩＢ（集束イオンビーム）を利用しようとしなければ、少なくとも尖端の数が多い場合には標準的なリソグラフィー技術では直ちに達成可能な歩留まりの限界に至る。従ってこの発明は、不良品がほとんどない廉価なセンサの量産にはあまり適していない。
更に、この解決策には磁区導電トラック幅が一貫して等しくないという問題がある。これについては、この種のセンサ全てに該当することであるが、次の事実を指摘しなければならない。即ち、磁界がセンサに作用し、そこにおいてセンサ又はセンサシステムの確実な機能が達成される磁界範囲は上方と下方で制限されている。最小磁界（以下、Ｈｍｉｎと称する）の上方でのみ磁区は１００％構造体を通って移動し、２個の磁区の衝突とそれに伴う磁区の破壊、ひいては磁区の数の望ましくない減少が確実に防止される。しかし同時に磁界は、意図せず磁区が発生するほど大きくてもならない。即ち、超えてはならない磁界Ｈｍａｘが存在する。従ってセンサの磁界範囲は常にＨｍｉｎの上方及びＨｍａｘの下方になければならない。想定されているセンサの用途にとって有利なのは、Ｈｍｉｎが非常に小さく、Ｈｍａｘが非常に大きい、従っていわゆる磁気窓ΔΗ＝Ｈｍｉｎ−Ｈｍａｘができるだけ大きいことである。Ｈｍａｘの大きさは主として使用する積層体の内部で磁区が移動する部分の断面に依存しており、その厚さに比例し、その幅に間接的に比例する。最小磁界は層の粗さに依存しており、絶対粗さが一定であればＨｍｉｎは幅が増すに連れて低下する。
ＷＯ２００９／０２７０４６Ａ１による発明では、尖端の下端部における合流箇所では少なくとも磁区導電トラック幅の２倍に拡幅し、これは上方磁界Ｈｍａｘを顕著に低下させることが認識される。これに対して更に尖端の端部で通常製造可能な最小曲率半径２００ｎｍ（これは標準ＤＵＶウェハステッパで通常達成可能な値である）を仮定すれば、この幅は約６００ｎｍに拡大する。この拡幅によりセンサが作動する磁気窓の上方最大許容磁界は大幅に縮小する。この値は近似的に条片幅（ここでは２００ｎｍ）に間接的に比例し、従って条片幅２００ｎｍによって理論的には本来可能である値の約３３％に低下する。
【０００６】
種々異なる導電トラック幅の影響の最後の問題は、ＤＥ１０２０１００２２６１１Ａ１において設定可能な数の磁区で占められＧＭＲ又はＴＭＲ積層体を備えた軟磁性のループ構造体を使用することによって解決された。この場合、ループ構造体はそれぞれ螺旋状に形成された少なくとも２個の別個のループから構成されており、それぞれ第１の内側のループ端部は、同じループのそれぞれ第２の外側のループ端部と接続されて、各ループの全ての残りのループセクションを各１個の、従ってそれぞれのループを磁気的に閉じる軟磁性ブリッジにより設定可能な間隔で結合しており、完結したループ構造体の各々には少なくとも１個の磁区が書き込まれている。本発明に最も近いこの解決策は、それまで知られていた比較可能な解決策より大きい磁気窓を提供する。なぜなら、それにより少なくとも一貫して等しい導電トラック幅の製造が可能だからである。しかしながらそこで設けられているブリッジの構成、ひいては階段状の移行領域でも導電トラックの厚さが等しいことを保証することは、非常に高い技術的要求を課すので、そのような種類の回転計数器を量産すると、不良率が上がり、経済性を失う。
【０００７】
上述の先行技術に加え、更に公報ＤＥ１０２００８０６３２２６Ａ１を参照する。ここでは、磁区を案内する導電トラックの菱形状に構成された螺旋構造体の例で、読み出す接点の明確な取付けをどこで、どのように行うべきか記されている。この種の考察は、ここに新たに提案された本発明にも適用されるので、これ以上詳述しない。ＤＥ１０２０１００２２６１１Ａ１はセンサを読み出すための有利な接点結合についても、導電トラック構造体への磁区の定義された書き込みについても示唆を与えており、これらも同様に本発明においても適用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＥＰ１７４０９０９Ｂ１（ＷＯ２００５／１０６３９５）
【特許文献２】ＷＯ２００９／０２７０４６Ａ１
【特許文献３】ＤＥ１０２０１００２２６１１Ａ１
【特許文献４】ＤＥ１０２００８０６３２２６Ａ１
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ポジタル社  会社技報「エンコーダにおける発電所...」ｗｗｗ．ｐｏｓｔａｌ．ｄｅ
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．４５巻１０号３７９２〜３７９５ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、商業的に利用可能な技術を利用して技術的に容易に製造でき、公知の先行技術の比較すべきセンサよりも磁気窓が広く、基本的な構成を維持しながら、任意に設定可能な、特に高い回転数Ｎ（例えばＮ＞４０００）、即ち長い直線距離（例えば４０００ｍｍ〜２００００ｍｍ）を所望する解像度（例えば５０μｍ〜２５０μｍ）に応じて使用できるセンサを提供することである。
【００１１】
更に、本発明においては、例えばＥＰ１７４０９０９Ｂ１又はＷＯ２００９／０２７０４６Ａ１で開示される自体公知の層構成体が使用される。これらの層構成体は、ＧＭＲ又はＴＭＲスタックにおいて電気抵抗は、硬磁性層によって定義された基準方向と比較して磁区が移動する層の磁化の相対的方向に依存する、という公知の効果を利用して磁区構成の決定を可能にする。
【００１２】
本発明では課題を解決するループ構成が提供される。本発明の構成の本質的な利点は、磁気センサが作動できる磁気窓が明らかに拡大されることと、その製造に要求される要件が大幅に緩和されることにある。
【００１３】
発明の本質は、互いに菱形状に配置されて延びる概ね直線的なセクションを有する少なくとも２個の別個の、磁区を案内するループが設けられており、これらの少なくとも２個のループ構造体は共通の交点を介して互いに接続されており、磁区が進入した後で隣接するループ構造体に移り得る交差領域のそれぞれ直前で、ループ構造体のこれらのセクションは導電トラックルーティングの方向と反対の（entgegen）方向に曲げられ、この領域でループ構造体の内側に向かってサイフォン状に湾曲して形成されており、導電トラックは各サイフォン状凹部において交点で直交しており、上述の全てのループ構造体は単一の共通平面に位置するように配置されている。この場合、磁区を案内する全てのループセクションは交差領域も含めて実質的に等しい幅を有している。この構成で設けられている交差領域は、全ての他の導電トラック構造体と共に一様の構造化プロセスで一平面に作られるので、上述の公知先行技術のセンサの全ての製造問題はなくなる。同時に、本発明の新規な構成では、望ましくない導電トラック拡幅を不可避的に招く鋭角が生じないので、利用可能な磁気窓が著しく拡大される。その結果として磁区を動かす外部磁界に対する要求が目に見えて減少する。
【００１４】
前述の課題は請求項１の特徴部によって解決される。有利な構成が従属請求項に記載されている。
【００１５】
本発明の基礎にある測定課題、従って本発明の磁気センサの使用は、回転を決定する場合には、技術的に２通りの基本構成となる。即ち、側方から接近できるシャフトの回転数を決定するか（分散配置又は中空シャフトセンサ配置）、或いはセンサをシャフトの端部に配置できる（中心配置）。また、本発明の磁気センサは、直線移動又は部分回転を極端な精度で絶対的に決定するためにも使用できる。本発明による解決策の他の本質的な利点は、特に製造技術の観点から、磁区を案内する全てのループ構造体はそれ自体がクリティカルな交差領域も含めて（公知の先行技術と比較して）専ら単一の平面上に構成できることである。
【００１６】
以下、本発明を図示した実施形態に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ａはセンサ分散配置（中空シャフトセンサ）の基本原理を示す。ｂはセンサ中心配置の基本原理を示す。ｃは図の上部に直線的磁気スケールを示し、図の下部にそれに対して本発明に係るセンサがそれぞれ配置可能な磁気輪を示す。
【図２】ＧＭＲ又はＴＭＲ効果を活用するために使用できる積層体の一例を示す。
【図３】図示する２個の螺旋体からなるループ構成を有する、本発明のセンサの第１の実施形態の平面図である。ａは本発明が提供する、図３に示した２個のループを接続している交差領域の拡大図である。
【図４】互いに入れ子にしてパッケージした２ループと３ループを組み合わせて５個のループを有するセンサの基本的配置の一例を示す。
【図５】５ループ構造体に基づく可能な電気的接触。
【００１８】
図１ａ及び図１ｂは、以下詳述する本発明に係るセンサを使用できる２通りの基本的配置を示す。ここで図１ａは、分散配置（中空シャフトセンサ配置）による全システムの断面図を示す。全システムは外周に磁気システム２０を取り付けたシャフト０１と、シリコン基体１０（好ましくは評価電子装置も含む）からなり、基体１０上に発明による回転計数器１１が載置されている。回転計数器１１の位置で外から磁界が作用する。ここでは磁界は永久磁石の組合せ２０として構成されており、その通過時に回転計数器１１の場所で磁界の方向の３６０°の回転を生み出す。公知の先行技術に従えば、回転計数器は基本的に角度センサ（ここでは詳述しない）と接続して駆動されるので、角度センサの信号から回転磁界の位置を知ることができる。
【００１９】
前述した第２の原理的な使用可能性において、永久磁石２０はシャフト０１の端面に固定されている。そのような実施形態を中心配置における全システムの断面図として図１ｂに示す。このシステムは、評価電子装置１０を有するシリコン基体からなり、その上に発明による回転計数器１１が載置されることが好ましい。センサ１１の位置でシャフト０１の端部にある永久磁石２０の磁界が外から作用する。センサ１１は、例示的な磁力線が示すように、全回転計数器が上述の磁界によって把捉されるように構成されている。シャフト０１が３６０°回転すると、回転計数器１１も同様に３６０°回転する磁界の作用を受ける。この実施形態でも、書き込まれた磁区構成が正にその位置で変化を受ける角度範囲が存在することは同様であり、その場合磁区構成は回転数に関して無効な情報を供給するであろう。しかしこの範囲が半回転当り９０°より小さい場合は、例えば回転計数器と併せて使用される角度センサを用いて、或いは象限計数器（即ち回転する永久磁石の方向がどの象限にあるかを決定できる角度センサ）を使用することにより、決定可能な角度が知られていれば、回転数の一義的な決定を達成できる。これについてはＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．４５巻１０号３７９２〜３７９５ページで詳しく説明されている。しかしこの追加的方策は公知の先行技術に属するので、本発明においてはこれ以上の説明は必要ない。
【００２０】
例えば構造化プロセスによって形成された、以下詳述する複数のループの配置における本発明に係るセンサ内で磁区壁自体が移動する。これらのループには先行技術に属する初期化プロセスによりそれぞれ定義された数の磁区壁が書き込まれている。この種々異なるループの構成は、任意に設定可能な数の外部回転が常にその一義的な計数を可能ならしめるよう設計又は選択されている。
【００２１】
具体的に存在する磁区構成は、ループ上の所定数の電気的接点を用いて、磁気抵抗効果、例えばＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果又はＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果に基づいて決定でき、それによって閉じたループ内で磁区壁を動かす磁界の回転数を求めることができる。この磁区構成の決定は、ＧＭＲ又はＴＭＲスタック内の抵抗は、硬磁性層によって定義された基準方向と比較して磁区が移動する層の磁化の相対的方向に依存する、という公知の効果を利用する。基準層とセンサ層における磁化の方向が等しければ抵抗は低く、両磁化の方向が逆平行であれば抵抗は６〜１０％（ＧＭＲ効果の場合）若しくは１００〜５００％（ＴＭＲ効果の場合）上昇する。
【００２２】
図１ｃは、直線磁気スケールＩＭ（図１ｃの上部参照）と組み合わせた本発明によるセンサの使用可能性の原理図を示す。ここでもセンサがスケールに対して平行に動けば、図３で詳細に示すセンサ構造体に書き込まれた磁区はこの構造体を通って移動する。スケールの極長さが例えば１ｍｍであるとすれば、センサが１ｍｍ移動する間に磁界は完全に３６０°回転する。このようにして絶対長さの測定が可能となる。センサが例えば４０９６回転まで計数すれば、約４０００ｍｍまでの長さを計測できる。長さ測定システムの解像度は、回転計数器に付属している、ここでは同様に角度計（図示せず）の解像度によって決まる。これが例えば０．５°であるならば、１ｍｍの極長さは０．５°／３６０°の精度（１ｍｍ〜１．４μｍ）で計測できる。図１ｃの下図は、図１ａによる配置において使用できる磁気輪Ｐｒを例示的に示しており、これも（直線スケールと相似）交互に配置され互い違いに配向された磁石セグメントから構成されているが、この図では２個だけ示されている。
【００２３】
図２は、ＧＭＲ若しくはＴＭＲ効果を利用するために使用される積層体の一例を示す。図２では、自体公知の層パッケージの断面図として示されている。ＧＭＲ層システムでは（各層面に）記入した磁化矢印の方向に電流が流れ、電気抵抗は互いに大きく離れて（通常最大２００μｍ）設けられている電気的接点（図示せず）によって決まる。
本発明におけるＴＭＲ積層体の場合は、図２に示した厚さ２．５ｎｍの銅層が厚さ１〜２ｎｍのＡｌ２Ｏ３又はＭｇＯ層に置き換えられる。この場合には電流は積層体を下から上に、或いはその逆に垂直に流れる。ＴＭＲ積層体は一般に数μｍ２、更には数１０〜１００μｍ２の面積を占める。ＧＭＲ又はＴＭＲ積層体は自体公知の先行技術に属しているので、それらの特別の構成可能性について詳述することは不要である。従って、次の説明にとどめる。
【００２４】
磁区がその中で移動する本来のセンサ層として働くのはＮｉ８１Ｆｅ１９（パーマロイ＝Ｐｙ）層であり、厚さが０．５ｎｍのＣｏ層はＧＭＲ又はＴＭＲ効果を拡大するためだけに用いられる。硬磁性層として、いわゆる人工反強磁性体磁石（ＣｏＦｅ／０．８ｎｍＲｕ／ＣｏＦｅ）と反強磁性体磁石（図２ではＩｒＭｎ、それ以外にＮｉＭｎ又はＰｔＭｎも）との組合せが用いられる。厚さ０．８ｎｍのＲｕ層は、両ＣｏＦｅ層の磁気モーメントが逆平行に配向され、理想的には相殺されるように働く。ＣｏＦｅ層と組み合わせたＩｒＭｎは、いわゆる一方向異方性を生み出す。これにより磁気優先方向が規定されている。磁気優先方向は全ウェハにおいて、即ち本発明により形成されたループにおいても均一であることができる。
【００２５】
磁区がセンサ層内を確実に移動するためには、ジオメトリ（センサ層の高さと幅）及び以下説明する本発明に係るループ形態において構造化されている軟磁性層の材料の磁化に依存する最小磁界Ｈｍｉｎが必要である。本発明が更に提供する原理は、回転計数器を利用している間はループ内の磁区の数が変わらないことを必須とする。このことは回転計数器に作用する磁界は常に、磁性領域の核生成、ひいては追加の磁区壁の生成を招く磁界Ｈｎｕｋより小さくなければならないことを意味するが、これは回転計数器に作用する回転永久磁石２０（図１ａ及び図１ｂ参照、又は図１ｃの直線スケールＩＭ又は磁気輪Ｐｒ参照）の磁界を選択することによって問題なく実現できる。しかしながら上で示唆したように、これらの要件は本発明の新規な構成によって著しく緩和されている。本発明により非常に大きい磁気窓が実現可能だからである。
上述の全ての条件及び使用可能性は既に公知の先行技術に属しており、本発明が提供する新規の構成においても同様に適用される。
【００２６】
本発明の基本原理を図３に基づいて詳しく説明する。ここで図３は基本的なループ構造体を２個の螺旋ループＳ１及びＳ２からなる例で示している。両螺旋ループはこの例では回転する外部磁界（ここでは中央に記された太い矢印で示されている）によって等しく把捉されている。構成原理を明瞭にする目的でこの図は縮尺通りに示されておらず、幾つかの細部は発明の本質を見やすくするために著しく誇張する必要があった。実際の構成をイメージすれば、実現された例においては、磁区Ｄ（ここではＤ１及びＤ２）を案内する導電トラックの幅ｂは２００ｎｍであり、それに対するループ相互の間隔ａは５〜１０μｍ程度に決められ、この例で菱形状配置により占められる及び総面積は約２００μｍ・２００μｍである。これだけでも、３個以上のループを含むセンサの配置、又はループ数が異なる複数のセンサの組合せが、際立って小さい基体面積で可能であり、そのため巨視的に明らかに大きい外部磁界により全てのセンサが等しく問題なく把捉可能であることが明らかとなる。図３では内側の太い矢印は、ここでは上部３個の図で時計方向に回転すると想定された外部磁界の方向を示しており、図３の上部左図ではちょうど４５°に位置している。導電トラック内の細い矢印は導電トラックセクションにおける局所的磁化の方向を示しており、これに対してここで書き込まれた２個の磁区Ｄ１及びＤ２は両矢印で示されている。ここにおいて図３は磁区Ｄ１及びＤ２が例示的に４５°で取った位置を示している。磁区Ｄ１及びＤ２が菱形状に配置されて延びる概ね直線的なセクションＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４及びＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２３１、Ｓ２４、Ｓ２４１を移動することは問題ない。問題は一平面上で基体に設けられた本発明に係る交点Ｋを通る磁区の移動経路である。全交点Ｋが専ら直角（ここでは図示せず）に形成されたなら、外部磁界が更に回転するとエネルギー論的な観点から、磁区壁Ｄ１が所望通り右に向ってループＳ２に移動する可能性よりも上に向かって移動する可能性がはるかに高い。それによりループを介した磁区回転の一義的な計数は不可能となり得る。これを避けるために、本発明によれば新規に提供される交差領域Ｋが設けられており、その詳細は図３ａに拡大して示されている。ここで図３ａは、図３の下部左の図において円で囲まれた領域の一部のみ示す。磁区Ｄ１が進入した後で最初のループＳ１から隣接するループＳ２に移り得る交差領域の直前及び直後の交差領域が明らかである。このために交差するＳ１及びＳ２には、それぞれループ構造体の内側に向かってサイフォン状に湾曲して形成された構造体が与えられており、この構造体の内部では各凹部の短い導電トラックセクションのみが互いに直角をなしている。図３及び図３ａでは水平に延びるループ構造体の凹部セクションはＳＫ１及びＳＫ２と表記されており、これと直角をなす凹部セクションにおける同様に形成されたセクションは詳しく表記されていない。本発明による解決策の機能性にとって重要なのは、両凹部湾曲（即ち水平凹部及びこれと直角をなす凹部）がループ内側の方向に向いていることである。更にこの場合に本質的なのは、磁区（Ｄ）が進入した後で隣接するループ構造体に移り得る��差領域の直前で、ループ構造体のこれらのセクションは導電トラックルーティングの方向と反対の方向に曲げられて、本発明のサイフォン状領域を形成することである。この導電トラックルーティングの方向の変化を達成するために、直線的な導電トラックセクション（Ｓ１３、Ｓ２４１及びＳ１４、Ｓ２３１）が凹部セクション（ＳＫ１、ＳＫ２）に進入する前に、それぞれ４５°より大きく且つ９０°より小さく形成された曲げ角αが設けられていることである（図３ａの左図参照）。同じ条件はこれと鏡像対称の凹部セクションにも、第１の凹部と直角をなす第２の凹部にも該当するが、見やすくするためにこれ以上の参照符号は表記しない。
この曲げ角αは原理的に＞４５°〜＜９０°の間で選択することができるが、ここでは詳しく論じないヒステリシスの理由から、本発明においては＞４５°〜＜５５°の間で選択されることが好ましい。
【００２７】
本発明に係るサイフォン状のループ構造体セクションの作動原理は、図３から外部磁界（ここでもループ構造体内の太い矢印で示されている）の磁界角度４５°及び５５°に対して図３の上部に明らかである。ここで分かるのは、外部磁界の方向が４５°を超えると初めて磁区壁（ここではＤ１）がサイフォンを通って移動することである。このとき磁区Ｄ１を動かす磁界方向は両サイフォンの交点Ｋで、磁区Ｄ１が更にまっすぐ進むように位置合わせされている（動かす磁界角度は３５°）。一方、直角に延びる領域では動かす磁界は交差方向に対して５５°回転している。それゆえエネルギー論的には磁区壁Ｄ１にとってサイフォンを水平に貫通し、それからループＳ２に所望の移動を行う方がはるかに好都合である。本発明の枠内で通常は０．５μｍ〜１０μｍの間で選択されているこのサイフォンの横方向延長において、磁区壁は通常の移動速度４００〜１０００ｍ／ｓで最大２５ｎｓ（サイフォンの延長約１０μｍ）を必要とする。この時間内では外部磁界の方向は１０°以上変化していないはずである。従ってこの条件は最大１０°／２５ｎｓ＝１Ｕ／μｓの回転、それゆえ１０６Ｕ／ｓの測定を可能とする。これは本発明に係るセンサを使用する際に考えられる限りの応用例に対して全く十分である。
例えば５５°で（図３の上部右の位置に示すように）磁区壁Ｄ１が完全に交差とサイフォン状領域を通って移動したら、磁区Ｄ１の逆移動が起こり得るのは磁界角度が３１５°を相当下回った後である。このときエネルギー論的な理由から再び強制的に、磁区壁はサイフォンを水平に通過する。
従って本発明による解決策により、交差をループ構造体に書き込むことが可能であり、交差に向って進む直線領域をサイフォン状に変容しその内部に交差を配置することにより、磁区が交差をまっすぐ横断すること、そして誤ってそれまでの移動方向に対して９０°回転した公差領域に進入しないように常に確保される。サイフォン状の構造体の交点Ｋで直交する導電トラックセクションが、導電トラック幅ｂのほぼ３倍程度の領域で互いに直角に位置合わせされていれば十分であることが分かった。図３の下の３個の図は、外部磁界が時計と反対方向に移動した場合に、本発明のセンサが回転方向にかかわりなく外部磁界の両回転方向で同様に作用することを明確にするためにのみ磁区移動を示している。
【００２８】
この図３に示す本発明の最も単純な実施形態によっても、例えば２サイクルエンジンにおける状態が一義的に決定可能である。これは、角度センサと組み合わせれば２まで計数できるカウンタは、０°〜７２０°の角度を絶対的に決定するからである。このセンサは角度７２０°で再び０°位置に達し、このプロセスを周期的に繰り返す。
【００２９】
しかしながら本発明においては、隣接するループの交差の原理を維持しながら、互いに閉じた複数のループ構造体Ｓ１〜Ｓｎを配置することが可能である。このことは図４の左の表現で５個のループを有するループ構造体の例で模式的に示されており、このループ構造によって５回転が一義的に検出可能である。必要な電気的接触の観点から、図４の左部でそれぞれの交差を包含する回路によって示されているように、略示した交差領域をここに示す菱形状配置で対角線上に配置すると有利である。単純化のために図４では交差は略示されているが、実際の構成においては図３に関して具体的に説明されたのと同じ条件に従う。交差領域のループ内側にサイフォン状に向けられた湾曲という条件が守られている限り、交差領域の他の配置を１回のみ完結する複数部分からなるループ構造体に配置する他の構成も明確に本発明の範囲内にある。
【００３０】
しかしながら本発明の他の構成において、本発明は単一の多重に完結したループ構成に限定されない。それぞれ完結した複数のループ構成を、全て同じ基体の平面上に極めて近接して配置するように拡張する場合に基本的に守るべき原理も、同様に図４に示されている。それぞれ２個の磁区を有する完結したループ構成の追求すべき有利な配置において、図４の左には５個のループを有するループ構成、及びその右隣には内側の２ループ構成及びこれを包囲する３ループ構成からなる互いに入れ子にされたループ構成が例示されている。上述の全てのループ構成は、前述のようにそれぞれ２個の磁区で占められているので、図４には示されていない外部磁界が回転すると２・３・５＝３０回転が一義的に計数される。本発明において設定可能な数の測定すべき回転に適合させる場合、又は高い回転数に拡張する場合に本質的なことは、既に上述の３０回転の概観的な例から明らかなように、一義的な計数を保証するために完結したループ当りの数は他のループ構成と互いに素数の関係に決められていることである。
【００３１】
この互いに素数の関係にある複数のループ構造体の構成原理を実施するに当たり、本出願人は３４６５回転の一義的な計数を可能にするループ構成を既に実験的に作成した。これに必要なループ構成に要する面積は約５００μｍ・６００μｍに過ぎない。センサ構造体が占める面積がこのように小さいことから、本発明においては、そのようなループ構造体は４０００回転を大きく上回る回転数を決定するために問題なく拡張できることが明らかである。これは外部磁界発生器の寸法は上述の面積を大きく上回るからである。
【００３２】
図５は、例えば図４（左の５ループ）に従って作成されたループ構成において接点結合の方式がいかに有利に行なわれ得るかを単に例示的に示した。設けられている（図示せず）接点は、図５では太く描かれている。そのような接触方式及びホイートストン・ハーフブリッジの構成の利点は、既にＤＥ１０２００８０６３２２６Ａ１で詳細に論じられている。これらの認識及び条件は本発明でも完全に採用でき、それゆえここでは詳述しない。
【００３３】
冒頭に述べたように、本発明のセンサの使用は回転数の計数のみを対象とするものではない。本発明のセンサの利用によってもたらされる更なる利点を次の実施形態に基づいて明らかにする。
他の応用が利用するのは、図１ｃに示されるように隣接する永久磁石が互いに１８０°回転して配置された、永久磁石の直線配置又は回転配置の上方で永久磁石の配置からの間隔が一定であれば同様に値が一定の磁界が形成され、その方向で回転が行われることである。正確に２Ｎの永久磁石を有する磁気輪を、Δφの解像度で角度を測定できる角度センサと組み合わせて使用すると、この角度センサを磁気輪の上方の磁界の方向を測定するために使用した場合にΔφ／２Νの角度解像度、即ち永久磁石の数によって規定可能な顕著な解像度改善が達成される。それと同時に、Ｎ回転後に初期位置に達するように構成された回転計数器を用いて絶対角度位置を決定できる、それゆえ任意の角度値は次式から計算される。
Ω＝（ｎ・３６０°＋φ）／２Ν
ここで、ｎは磁気輪の上方の磁界の計数された回転数（０≦ｎ＜２Ｎ）であり、φは角度センサの測定角度である。これにより信号は２Ｎ周期であり、解像度は係数１／２Ｎで改善されている。
以下、具体例を挙げる。
本発明に従う５ループ構成と４ループ構成の組合せにより、２０個の個々の永久磁石を有する磁気輪は磁気角度センサの解像度を、例えば０．２°から０．０１°に改善でき、それによって光学センサの解像度を達成できる。
【００３４】
増分式磁気センサから絶対センサに移行しようとすれば、類似の解決策が創出される。増分式磁気センサ又はデコーダはｍｍ〜ｍの範囲の距離を計測するために使用される。このために典型的にいわゆる極長さ２ｍｍを使用する磁気スケールが用いられる。極長さ２ｍｍ以内の相対的位置を数μｍまで正確に決定できる磁気角度センサを、角度センサが通過する極対の数を計数する回転計数器と組み合わせることにより、増分式に作動する長さセンサと比較して有するすべての利点を備えた絶対コーダを構成することが可能になる。そこで例えば５００まで計数する発明によるセンサは、増分式に作動する磁気センサと組み合わせて長さ１ｍの距離を１μｍの精度で絶対計測でき、センサシステムに電力が供給されない状態でもすべての変位を記録する（無電流の場合、例えば短絡の場合の運動）。
【００３５】
上の説明、実施形態及び添付の図面から認識可能な全ての特徴は単独でも、任意に組み合わせても本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
０１   シャフト
１０   評価電子装置を備えた基体
１１   回転計数器
２０   磁気システム
Ｄ１、Ｄ２    磁区
ＩＭ   直線スケール
Ｋ     交点
Ｐｒ   磁気輪
Ｓ１、Ｓ２    磁気センサのループ
Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４及びＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２３１、Ｓ２４１        直線的なループセクション
ＳＫ１、ＳＫ２サイフォン状凹部
α     曲げ角
【図１ａ】
0006345795.tif 000002
【図１ｂ】
0006345795.tif 000003
【図１ｃ】
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0006345795.tif 000005
【図３】
0006345795.tif 000006
【図３ａ】
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【図４】
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【図５】
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