CN101419049B - 位置传感器和偏磁场生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了位置传感器和偏磁场生成装置，其中，该位置传感器包括：磁记录介质，包括两个增量层和一个绝对层，绝对层设置在增量层之间，每层都具有记录在其中的磁信息；以及磁检测部，包括与磁记录介质的各层相对的三个磁阻效应装置，相对于磁记录介质在各层的延伸方向上移动，并用于通过磁阻效应装置检测各层中的磁信息。对于增量层，最大程度地改善了返回误差和内插，并且对于绝对层，可以高精度地执行磁信息检测。

Description

位置传感器和偏磁场生成装置
相关申请的交叉参考
本发明包含于2007年10月22日向日本专利局提交的日本专利申请JP2007-274092的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及应用于机床、工业机械、精密长度/角度测量仪器等的诸如磁栅(magnetic scale)和旋转编码器的位置传感器以及用在该位置传感器中的偏磁场生成装置。
背景技术
迄今为止，作为应用于机床、工业机械、精密长度/角度测量仪器等的诸如磁栅和旋转编码器的位置传感器的检测头，已经使用了利用Fe-Ni、Ni-Co等的薄膜的磁阻效应的磁阻效应装置(MR装置)。
使用基于MR装置的检测头的磁栅和旋转编码器根据其目的用途等而在形状和结构方面有很大的不同。在这些磁栅和旋转编码器中，基本将需要高精度和高分辨率的磁栅和旋转编码器配置为缩短磁记录的间距(记录波长)或者控制MR传感器的输出波形以减少谐波失真并提高信噪比(S/N)，从而减小在一个波长内进行内插时的误差，由此实现高精度和高分辨率。
另外，在上述这种检测头中，众所周知，可以通过对MR传感器设置偏磁体以生成偏磁场来实现更高的精度和更高的分辨率。
同时，上述类型的位置传感器具有在其上与MR传感器相对的位置记录磁信息的磁记录介质，当MR传感器和磁记录介质相对于彼此移动时，通过MR传感器检测磁记录介质上的磁信息来执行位置检测。作为用在这种类型的位置传感器中的磁记录介质，已经提出了包括增量层(incremental layer)和绝对层的磁记录介质。包括增量层和绝对层的磁记录介质通常属于双磁道结构，其中设置有彼此平行的一个增量层和一个绝对层。此外，为了减少绝对层和增量层之间的相位差，已经提出了三磁道结构的磁记录介质，其中设置有彼此平行的两个增量层和夹置在它们之间的一个绝对层。
这里，在包括用于检测记录在具有多个磁道的磁记录介质上的磁信息的检测头的位置传感器设置有上述偏磁场生成部的情况下，只能为分别与绝对层和增量层相对应的MR传感器提供相同的偏磁场。因此，如果根据增量层设计偏磁场，则会降低MR传感器关于绝对层的的灵敏度并且会劣化磁信息检测的精度。另一方面，如果根据绝对层设计偏磁场，则会显著劣化关于增量层的内插精度和返回误差。
[专利文献1]
日本专利公开第Hei8-68661号
发明内容
因此，需要被配置为通过使用基于MR装置的检测头来获得高精度的位置传感器(例如磁栅、编码器等)，它们被改良以实现更高的精度。还需要应用于该位置传感器的偏磁场生成装置。
根据本发明的实施例，提供了一种位置传感器，包括：磁记录介质，包括两个增量层和一个绝对层，绝对层设置在增量层之间，各层都具有记录在其中的磁信息；以及磁检测部，包括与磁记录介质的各层相对的三个磁阻效应装置，相对于磁记录介质在各层的延伸方向上移动，并用于通过磁阻效应装置检测各层中的磁信息，其中，磁检测部具有与磁阻效应装置相对设置并用于生成与磁阻效应装置相对应的偏磁场的偏磁场生成部。
根据本发明的另一实施例，提供了一种应用于位置传感器的偏磁场生成装置，该位置传感器包括：磁记录介质，包括两个增量层和一个绝对层，绝对层设置在增量层之间，各层都具有记录在其中的磁信息；以及磁检测部，包括与磁记录介质的各层相对的三个磁阻效应装置，相对于磁记录介质在各层的延伸方向上移动，并用于通过磁阻效应装置检测各层中的磁信息，其中，偏磁场生成装置具有与磁检测部的磁阻效应装置相对并用于生成与磁阻效应装置相对应的偏磁场的偏磁场生成部。
根据本发明的上述实施例，可以生成用于磁阻效应装置的最佳偏磁场，所述磁阻效应装置用于检测在具有绝对层和增量层的磁记录介质中的磁信息。此外，对于增量层，最大程度地改善了返回误差和内插，并且对于绝对层，可以高精度地执行磁信息检测。
附图说明
图1是示出作为本发明第一实施例的位置传感器的安装结构的主要部分的透视图；
图2是示出记录在刻度件(scale member)的磁记录介质中的磁信号图案的示意图；
图3是示出在检测头和刻度件之间的位置关系的主要部分的透视图；
图4A是磁场生成部的平面图，图4B是磁场生成部的前视图，以及图4C是磁场生成部的侧视图；
图5是示出另一形式的磁场生成部的透视图；
图6是通过图4所示磁场生成部生成的磁场的模拟图；以及
图7是示出磁场生成部的另一实施例的透视图。
具体实施方式
下文，将参照附图详细描述本发明的几个具体实施例。如图1所示，根据本发明实施例的用于机床、工业机械、精密长度/角度测量仪器等的位置传感器1包括：刻度件3，安装至设置在例如机床的卡箍侧的安装基座部2；以及传感器单元5，设置在刀架滑台4侧，与刻度件3相对设置并用作磁检测装置。
当刀架滑台4相对于卡箍移动时，位置传感器1立即检测相对位置，即，由安装至刀架滑台4的刀具对机件进行加工的位置，并将检测信号输出至机床的控制单元。
顺便提及，位置传感器1不限于上述结构。例如，传感器单元5和刻度件3可以分别附接至以跟踪刀架滑台4和卡箍的动作的方式所移动的部分。另外，可以这样配置位置传感器1，例如，将刻度件3安装至刀架滑台4侧，并将传感器单元5安装至卡箍侧。当然，位置传感器1不仅可以安装至具有上述结构的机床，而且可以安装至其它结构的机床，也可以安装至各种不同的装置。
如图2和图3所示，连接至机床的安装基座部2的刻度件3包括长刻度基底件11以及具有两个增量层12、13和一个绝对层14的磁记录介质15。刻度件3通过例如以下方法形成：通过无电镀以2μm～3μm的涂覆厚度将磁材料涂覆在包括具有矩形截面形状的玻璃基底件的刻度基底件11的表面，并通过普通的磁记录头沿着长度方向在磁材料层中记录预定的图案，从而形成磁记录介质15的增量层12、13和绝对层14。由穿过设置在刻度基底件11中的安装孔的螺栓等将刻度件3附接至安装基座部2。
构成刻度件3的增量层12、13和绝对层14被配置为绝对层14夹置在增量层12、13之间。增量层12、13和绝对层14具有分别以图2所示的图案记录在其中的磁信号。刻度件3的增量层12、13分别具有通过例如以规则间距交替形成N极和S极的磁极化记录在其中的磁信号。另外，刻度件3的绝对层14被配置为例如具有在与预定的固定点位置相对应的位置记录磁信息的磁记录部以及位于其它位置且没有记录磁信息的非记录部。
如图1所示，例如，在长度方向上相对于刻度件3移动的传感器单元5被配置为具有：壳体21，通过由合成树脂材料形成的连接部将该壳体21附接至刀架滑台4的安装部；检测头22，通过用于以固定的安装姿势支持检测头22的支撑机构(未示出)将该检测头22安装在壳体21上；检测电路(未示出)等。通过行走导轨机构23将传感器单元5设置为与刻度件3相对，并且在执行机件加工期间，传感器单元5在图1所示箭头A的方向上与刀架滑台4一体地往复运动。
传感器单元5的检测头22包括：三个传感器，由第一增量层传感器24、第二增量层传感器25和绝对层传感器26构成；以及磁场生成部30，设置在与每个传感器都相对的位置。例如，每个传感器都具有磁阻效应装置(MR装置)。顺便提及，各传感器并不限于刚刚所说的传感器，只要能高精度检测记录在刻度件3中的磁信息，就可以是任意一种传感器。例如，每个传感器均可以具有人工栅格膜结构的磁阻效应装置。第一增量层传感器24设置为与刻度件3的增量层12相对，其间保持固定的间隔。第二增量层传感器25设置为与刻度件3的增量层13相对，其间之间保持固定的间隔。绝对层传感器26设置为与刻度件3的绝对层14相对，其间保持固定的间隔。
磁场生成部30设置为与传感器的表面(面向磁记录介质15的表面的相反侧)相对，并用于将偏磁场施加给其相对的传感器。更具体地，如图4A～图4C所示，磁场生成部30包括：绝对层偏磁件31，设置为与第一和第二增量层传感器24、25以及绝对层传感器26相对并覆盖传感器24、25和26；第一增量层偏磁件32，堆叠在绝对层偏磁件31上并设置为与第一增量层传感器24相对并覆盖第一增量层传感器24；以及第二增量层偏磁件33，设置为与第二增量层传感器25相对并覆盖第二增量层传感器25。
绝对层偏磁件31具有薄板状永磁体，具有大小可覆盖三个传感器24、25和26的主表面，并且其长边与刻度件3的长度方向垂直且其短边与刻度件3的长度方向平行。如绝对层偏磁件31，第一增量层偏磁件32也具有薄板状永磁体，并具有仅覆盖第一增量层传感器24的大小，排除与绝对层14相对的位置。如绝对层偏磁件31，第二增量层偏磁件33具有薄板状永磁体，并具有仅覆盖第二增量层传感器25的大小，排除与绝对层14相对的位置。
第一和第二增量层偏磁件32、33的每一个均具有与绝对层偏磁件31基本相同的厚度，并具有比绝对层偏磁件31的短边略短的宽度。磁场生成部30具有以下结构，通过粘合剂等的接合，如图4B所示，将绝对层偏磁件31以及第一和第二增量层偏磁件32、33集成装配，以具有大致角度为U型的整体形状。
对磁场生成部30进行配置，使得在绝对层偏磁件31上设置第一和第二增量层偏磁件32和33的一侧的表面与传感器24、25、26相对，它们之间具有预定的间隔。
另外，如图5所示，磁场生成部30具有这样的结构，第一增量层偏磁件32和第二增量层偏磁件33被配置为具有不同的磁性极化方向。在图5所示的实例中，第一增量层偏磁件32和第二增量层偏磁件33被形成为它们的S极彼此接近。
如上配置的磁场生成部30的磁体厚度根据分别施加给与其相对的传感器24、25、26的偏磁场而变化。具体地，与第一和第二增量层传感器24和25有关的偏磁体的厚度设置为大于与绝对层传感器26有关的偏磁体的厚度。此外，由于磁场生成部30中的第一增量层偏磁件32和第二增量层偏磁件33被配置为具有不同的磁极化方向，所以减小了夹在两者之间的绝对层传感器26的偏磁场。
如图6所示，可以看出，在如上配置的磁场生成部30中，磁场的生成在中心区域被抑制。图6示出了在一个系统中生成的磁场的模拟结果，在该系统中，9×14×0.5mm大小的磁体被用作绝对层偏磁件31，而两个8×6×0.5mm大小的磁体被用作第一和第二增量层偏磁件32、33，以装配出如图4所示的磁场生成部30。从图6可以看出，在与第一和第二增量层偏磁件32和33最接近的区域A中的磁场最强，在位于第一和第二增量层偏磁件32和33之间的区域B、C和D中生成的磁场弱于区域A中的磁场，在区域B、C和D中所生成的磁场在强度上依次逐渐接近在区域A中的磁场，并且在区域B中磁场受到的抑制最大。顺便提及，在磁场的测量中，具有相同磁极化方向的磁体被用作第一和第二增量层偏磁件32、33。该测量结果也证实了所生成的磁场强度根据位置而变化。
在具有上述结构的位置传感器中，设置具有夹置在两个增量层之间的绝对层的刻度件，并且对用于检测记录在磁记录介质上的磁信息的磁阻效应装置可以生成最佳偏磁场。此外，对于增量层，极大地改善了返回误差和内插，并且对于绝对层，可以高精度地执行磁信息检测。
顺便提及，在根据本发明实施例的位置传感器的磁场生成部中，偏磁场的控制并不局限于通过使用上述偏磁体厚度与磁极化方向的组合，还可以通过使用偏磁体厚度和磁极化方向中的任意一个来进行控制。另外，磁场生成部30并不局限于上述多个构件的组合，还可以形成为具有上述类似形状的整体。此外，着眼于如上所述偏磁体的磁极化方向不同的磁场生成部，例如，可以考虑采用如图7所示的结构，其中，省略了上述绝对层偏磁件31，并且将磁极化方向不同的两个薄板状永磁体用于构成磁场生成部40。在这种情况下，也可以获得如上所述的相同效果。
顺便提及，本发明并不局限于上述实施例，当然，可以在不脱离本发明本质范围的情况下进行各种修改。

Claims (6)

1.一种位置传感器，包括：
磁记录介质，包括两个增量层和一个绝对层，所述绝对层设置在所述增量层之间，各层都具有记录在其中的磁信息；以及
磁检测装置，包括与所述磁记录介质的各层相对的三个磁阻效应装置，相对于所述磁记录介质在各层的延伸方向上移动，并用于通过所述磁阻效应装置检测各层中的所述磁信息，
其中，所述磁检测装置具有包括与所述磁阻效应装置相对设置的多个偏磁体、并且用于生成与所述磁阻效应装置相对应的偏磁场的偏磁场生成装置，通过控制所述偏磁体的厚度和/或磁极化方向来产生对于与所述绝对层相对的所述磁检测装置的磁阻效应装置的第一偏磁场、和对于与所述增量层相对的所述磁检测装置的磁阻效应装置的第二偏磁场，并且所述第一偏磁场比所述第二偏磁场弱。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述偏磁场生成装置包括偏磁体，其厚度根据与所述磁记录介质的各层相对的所述磁检测装置的所述磁阻效应装置而不同。
3.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述偏磁场生成装置包括多个偏磁体，其磁极化方向根据与所述磁记录介质的各层相对的所述磁检测装置的所述磁阻效应装置而不同。
4.一种应用于位置传感器的偏磁场生成装置，所述位置传感器包括：磁记录介质，包括两个增量层和一个绝对层，所述绝对层设置在所述增量层之间，各层都具有记录在其中的磁信息；以及磁检测装置，包括与所述磁记录介质的各层相对的三个磁阻效应装置，相对于所述磁记录介质在各层的延伸方向上移动，并用于通过所述磁阻效应装置检测各层中的所述磁信息，
其中，所述偏磁场生成装置具有包括与所述磁检测装置的所述磁阻效应装置相对设置的多个偏磁体并且用于生成与所述磁阻效应装置相对应的偏磁场的偏磁场生成单元，并且
通过控制所述偏磁体的厚度和/或磁极化方向来产生对于与所述绝对层相对的所述磁检测装置的磁阻效应装置的第一偏磁场、和对于与所述增量层相对的所述磁检测装置的磁阻效应装置的第二偏磁场，并且所述第一偏磁场比所述第二偏磁场弱。
5.根据权利要求4所述的偏磁场生成装置，其中，所述偏磁场生成单元包括偏磁体，其厚度根据与所述磁记录介质的各层相对的所述磁检测装置的所述磁阻效应装置而不同。
6.根据权利要求4所述的偏磁场生成装置，其中，所述偏磁场生成单元包括多个偏磁体，其磁极化方向根据与所述磁记录介质的各层相对的所述磁检测装置的所述磁阻效应装置而不同。
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