JP2008046104A - 磁気エンコーダおよび磁気スケールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転磁界検出方式を採用した場合でも、高い検出精度を得ることのできる磁気エンコーダ、およびこの磁気エンコーダでの使用に適した磁気スケールの製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の磁気エンコーダ１では、磁気スケール２が厚さ２ｍｍの永久磁石２０を有している。永久磁石２０は、移動方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に並ぶトラック２５が複数、幅方向に並列されており、このトラック２５の幅方向の縁部分２５１には面内方向の向きが変化する回転磁界が形成されている。また、磁気センサ３を構成する磁気抵抗素子７５の磁気抵抗変化率Ｒ０は−２．５％であり、磁気抵抗素子７５の磁気抵抗変化率Ｒが−０．５％から−２．５％となった時、これを出力信号として用いる。これらの構成により、磁気抵抗素子７５が、磁気スケール２からの情報をより確実に検出することが可能となるため、検出精度が高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械や実装装置において可動部等の移動位置などを検出するために用いられる磁気エンコーダ、および該磁気エンコーダでの使用に適した磁気スケールの製造方法に関するものである。

磁気エンコーダは、永久磁石を備えた磁気スケールと、この磁気スケールからの磁界を検出する磁気抵抗素子を備えた磁気センサとを有し、永久磁石には、前記磁気センサとの相対移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶトラックが形成されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
特開平５−１７２９２１号公報 特開平５−２６４７０１号公報 特開平６−２０７８３４号公報

磁気エンコーダとしては、従来、一定方向の磁界の強弱により位置検出するタイプと、飽和感度領域（一般的に、例えば、抵抗値変化量ｋが、磁界強度Ｈと近似的に「ｋ∝Ｈ²」の式で表すことができる領域以外の領域をいう）以上の磁界強度で回転磁界（磁界のベクトルの回転）の方向を検出するタイプとがある。これらの検出方法のうち、回転磁界の方向を検出する際の原理は、強磁性金属からなる磁気抵抗パターンに通電した状態で、抵抗値が飽和する磁界強度を印加したとき、磁界と電流方向がなす角度θと、磁気抵抗パターンの抵抗値Ｒとの間には、下式
Ｒ＝Ｒ₀−ｋ×ｓｉｎ²θ
Ｒ₀：無磁界中での抵抗値
ｋ：抵抗値変化量（飽和感度領域以上のときは定数）
で示す関係があることを利用する。すなわち、角度θが変化すると抵抗値Ｒが変化するので、磁気スケールと磁気センサ装置との相対移動速度や移動方向を検出することができる。ここで、磁界の強弱を検出する方式では、Ｓ／Ｎ比を改善することを目的に磁気スケールと磁気センサ装置との隙間寸法を狭くすると波形歪が大きくなるのに対して、回転磁界を検出する方式、すなわち、磁気スケールと磁気センサ装置の相対的な移動に伴い、磁界のベクトルの回転角を検出する方式では、磁気スケールと磁気センサ装置と隙間寸法を狭くしても正弦波成分を安定して得ることができるという利点がある。

しかしながら、回転磁界を検出する方式では、磁界の強弱を検出する方式と同様、永久磁石について、磁化曲線での外部磁界の大きさＨと、磁束密度Ｂとの積で求められるエネルギー積の最大値（Ｂ・Ｈ）ｍａｘを指標にして磁石素材を決定しても、十分な検出精度が得られないという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、回転磁界検出方式を採用した場合でも、高い検出精度を得ることのできる磁気エンコーダ、およびこの磁気エンコーダでの使用に適した磁気スケールの製造方法を提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明では、永久磁石を備えた磁気スケールと、該磁気スケールからの磁界を検出する磁気抵抗素子を備えた磁気センサとを有し、前記永久磁石には、前記磁気センサとの相対移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶトラックが形成されている磁気エンコーダにおいて、前記磁気センサは、前記トラックの幅方向の縁部分で面内方向の向きが変化する回転磁界を検出し、前記永久磁石の厚さは、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明では、回転磁界を検出する方式を採用したため、Ｓ／Ｎ比を改善することを目的に磁気センサと磁気スケールとの隙間寸法を狭くしても正弦波成分を安定して得ることができる。また、本願出願人は、種々の検討から、回転磁界検出方式の場合、エネルギー積の最大値（Ｂ・Ｈ）ｍａｘを指標とするよりも、永久磁石の厚さを指標にすれば、十分な検出精度が得られるという知見を得、この知見に基づいて、永久磁石の厚さを１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上としたため、十分な検出精度を得ることができる。

本発明の別の形態では、永久磁石を備えた磁気スケールと、該磁気スケールからの磁界を検出する磁気抵抗素子を備えた磁気センサとを有し、前記永久磁石には、前記磁気センサとの相対移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶトラックが形成されている磁気エンコーダにおいて、前記磁気センサは、前記トラックの幅方向の縁部分で面内方向の向きが変化する回転磁界を検出するとともに、前記磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線において無磁界中での抵抗値からの最大抵抗変化率に対して２０％以上の抵抗変化を示す領域の磁界を検出し、出力することを特徴とする。

本発明では、回転磁界を検出する方式を採用したため、Ｓ／Ｎ比を改善することを目的に磁気センサと磁気スケールとの隙間寸法を狭くしても正弦波成分を安定して得ることができる。また、本願出願人は、種々の検討から、回転磁界検出方式を採用する場合でも、飽和感度領域に限らず、磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線において無磁界中での抵抗値からの最大抵抗変化率に対して２０％以上の裾野部分に相当する飽和感度領域および準飽和感度領域の磁界を利用したため、十分な検出精度を得ることができる。

本発明では、上記２つの形態を組み合わせてもよい。すなわち、永久磁石を備えた磁気スケールと、該磁気スケールからの磁界を検出する磁気抵抗素子を備えた磁気センサとを有し、前記永久磁石には、前記磁気センサとの相対移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶトラックが形成されている磁気エンコーダにおいて、前記磁気センサは、前記トラックの幅方向の縁部分で面内方向の向きが変化する回転磁界を検出し、前記永久磁石の厚さは、１ｍｍ以上であり、前記磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線において無磁界中での抵抗値からの最大抵抗変化率に対して２０％以上の抵抗変化を示す領域の磁界を検出し、出力する構成を採用してもよい。

本発明において、前記磁気スケールは、例えば、裏面側にベース層を備え、表面側に保護層を備えている。

本発明において、前記永久磁石を構成する磁石素材は、外部磁界の大きさＨと、磁束密度Ｂとの積で求められるエネルギー積の最大値（Ｂ・Ｈ）ｍａｘが１．２ＭＧＯｅ以上であることが好ましい。

本発明において、前記永久磁石は、前記トラックが幅方向で複数、並列し、前記複数のトラックでは、隣接するトラック間でＮ極およびＳ極の位置が前記相対移動方向でずれている構成を採用することが好ましい。

本発明において、前記複数のトラックでは、隣接するトラック間でＮ極およびＳ極の位置が前記相対移動方向で１磁極分、ずれている構成を採用することができる。

本発明において、前記永久磁石は、前記トラックが幅方向で２列以上、並列している構成を採用することができる。

本発明において、前記永久磁石は、前記トラックが幅方向で３列以上、並列し、前記磁気センサは、前記３列以上のトラックのうち、奇数列分のトラックと対向し、かつ、当該磁気センサの両端部分が対向するトラック間では前記相対移動方向におけるＮ極およびＳ極の位置が一致している構成を採用してもよい。

本発明において、前記永久磁石は、該永久磁石の表裏方向のみに磁極が向く異方性磁石であることが好ましい。このように構成すると、強い磁界を得ることができる。

本発明に係る磁気エンコーダは、リニアエンコーダまたはロータリエンコーダとして構成されている。

本発明では、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶトラックが幅方向で複数、並列し、隣接するトラック間ではＮ極およびＳ極の位置が前記トラックの相対移動方向でずれている永久磁石を備えた磁気スケールの製造方法において、前記永久磁石を構成すべき磁石素材に対して前記トラックの相対移動方向でＮ極とＳ極とが交互に並ぶように着磁する第１の着磁工程と、隣接するトラック間でＮ極およびＳ極の位置が前記トラックの相対移動方向でずれるように、前記第１の着磁工程で前記磁石素材に付した磁極の一部を上書きして着磁する第２の着磁工程とを有することを特徴とする。

本発明では、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶトラックが幅方向で複数、並列し、隣接するトラック間ではＮ極およびＳ極の位置が前記トラックの相対移動方向でずれている永久磁石を備えた磁気スケールの製造方法において、前記永久磁石の幅方向でＮ極の位置とＳ極の位置が相対移動方向にずれるように、前記永久磁石を構成すべき磁石素材に対して着磁ヘッドを配置して多極着磁を行う着磁工程を有することを特徴とする。

本発明において、前記磁石素材に対して着磁を行う際、当該磁石素材の表裏方向のみに磁極が向く異方性着磁を行うことが好ましい。このように構成すると、強い磁界を得ることができる。

本発明において、記磁石素材の裏面にベース層を重ねた後、当該磁石素材に対して前記着磁工程を行って前記永久磁石を形成し、当該着磁工程を行った後、前記永久磁石の表面に保護層を形成することが好ましい。

本発明の磁気エンコーダでは、回転磁界を検出する方式を採用したため、Ｓ／Ｎ比を改善することを目的に磁気センサと磁気スケールとの隙間寸法を狭くしても正弦波成分を安定して得ることができる。また、永久磁石の厚さを１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上としたため、十分な検出精度を得ることができる。また、回転磁界検出方式を採用する場合でも、磁気抵抗変化率が２０％以上の裾野部分に相当する飽和感度領域および準飽和感度領域の磁界を利用したため、十分な検出精度を得ることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した磁気エンコーダ、磁気スケール、および磁気スケールの製造方法を説明する。

［実施の形態１］
（磁気エンコーダの全体構成）
図１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、本発明を適用した磁気エンコーダの構成を示す説明図、および本発明の実施の形態１に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気抵抗素子との位置関係を示す説明図である。

図１（Ａ）に示す磁気エンコーダ１は、リニアエンコーダであり、磁気センサ３の底面（センサ面）に対して、帯状に延びた永久磁石２０を有する磁気スケール２を対向させている。永久磁石２０は、後述するように、長手方向（磁気センサ３と永久磁石２０との相対移動方向）に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶトラックを備えている。磁気センサ３は、例えば、略直方体形状のアルミニウムダイカスト品からなるホルダ３０と、このホルダ３０の開口を覆う矩形のカバー３１と、ホルダ３０から延びたケーブル９とを備えている。ホルダ３０にはその側面にケーブル挿通穴３９が形成されており、このケーブル挿通穴３９からケーブル９が引き出されている。また、ホルダ３０において、磁気スケール２と対向する位置には、磁気抵抗素子７５が配置されている。従って、磁気センサ３と永久磁石２０（磁気スケール２）とが、永久磁石２０の長手方向にて相対移動することにより、その相対位置や相対速度を検出することができる。それ故、例えば、工作機械や実装装置において、磁気スケール２および磁気センサ３のうちの一方を固定体側に配置し、他方を移動体側に配置しておけば、固定体に対する移動体の移動速度や移動距離を検出することができる。なお、本形態において、磁気スケール２または磁気センサ３は長手方向で移動を行うため、磁気スケール２の長手方向を移動方向、磁気スケール２の短手方向を幅方向と呼ぶ。

（磁気センサの構成）
図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、図１に示す磁気センサの底面図、要部の縦断面図、および磁気抵抗素子の周辺を拡大して示す断面図である。図３は、本発明を適用した磁気エンコーダが有する磁気抵抗素子のＭＲ特性を示すグラフである。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、磁気センサ３が有するホルダ３０には、磁気スケール２と対向する底面に、段差を介してホルダ３０の底面から突出した平坦面からなるセンサ面５０が形成されている。このセンサ面５０には開口部５５が形成されており、開口部５５に対して、シリコン基板やセラミックグレース基板などの剛性基板６０上に形成された磁気抵抗素子７５が配置される。

また、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、磁気センサ３では、剛性基板６０の一方側の面からなる主面に、磁気抵抗パターンにより形成された磁気抵抗素子７５が形成されており、磁気抵抗素子７５は、剛性基板６０における走査方向（図１に示す磁気スケール２の移動方向）の略中央領域に形成されている。また、剛性基板６０の主面には、磁気抵抗素子７５を走査方向の両側から挟む両端部のうち、一方側端部６１には、磁気抵抗パターンの一方端が接続された複数の端子を備えた第１の端子部７１が形成され、他方側端部６２には、磁気抵抗パターンの他方端が接続された複数の端子を備えた第２の端子部７２が形成されている。磁気抵抗パターンは、剛性基板６０の主面に半導体プロセスにより形成された強磁性体ＮｉＦｅ等の磁性体膜からなり、ホイートストン・ブリッジなどを構成している。端子は、磁気抵抗パターンと同時形成された導電膜などからなる。

このように構成した剛性基板６０に対しては、その一方側端部６１に可撓性基板８０の一部である第１の可撓性基板８１が接続され、この第１の可撓性基板８１においてベースフィルム８６上に形成された導電パターン８７（信号線）の端部は第１の端子部７１にハンダ接合、合金接合、異方性導電膜などを用いた接合などの方法で接続されている。また、剛性基板６０において、その他方側端部６２には可撓性基板８０の一部である第２の可撓性基板８２が接続され、この第２の可撓性基板８２においてベースフィルム８６上に形成された導電パターン８７（信号線）の端部は第２の端子部７２にハンダ接合、合金接合、異方性導電膜などを用いた接合などの方法で接続されている。ここで、第１の可撓性基板８１および第２の可撓性基板８２においてベースフィルム８６上に形成された導電パターン８７のうち、第１の端子部７１および第２の端子部７２に接合される部分にはＳｎ−Ｃｕ系のメッキなどが施されている。また、剛性基板６０の主面と第１の可撓性基板８１との間、および剛性基板６０の主面と第１の可撓性基板８１との間には、可撓性基板８０において導電性パターンが形成されていない部分、および剛性基板６０において端子が形成されていない部分に起因して隙間８８ａ、８８ｂが発生するため、かかる隙間８８ａ、８８ｂに対しては、エポキシ樹脂などの封止樹脂１１が充填される。

このように構成した磁気センサ３において、磁気抵抗素子７５は、図２（Ｃ）に示すように、表面が絶縁樹脂層１０、導電性粘着材層４１、非磁性の金属層４２、および樹脂保護層４３で覆われ、かつ、金属層４２は、導電性粘着材層４１を介してホルダ３０に接着固定されている。従って、金属層４２は、導電性粘着材層４１を介してホルダ３０に電気的に接続され、かかる金属層４２は、磁気抵抗素子７５の表面を覆う電波シールド用導電層として機能する。ここで、樹脂保護層４３、金属層４２、および導電性粘着材層４１は、アルミニウム箔や銅箔などからなる金属層４２の両面に樹脂保護層４３および導電性粘着材層４１が各々、積層されたフィルム４０を、導電性粘着材層４１を介してホルダ３０に接着固定したものである。また、樹脂保護層４３、金属層４２、および導電性粘着材層４１は、ＰＥＴなどのフィルム基材からなる樹脂保護層４３の表面に、アルミニウム膜や銅膜などからなる金属層４２、および導電性粘着材層４１を積層したフィルム４０を、導電性粘着材層４１を介してホルダ３０に接着固定したものである。導電性粘着材層４１としては、各種粘着材にカーボン粒子、アルミニウム粒子、銀粒子、銅粒子などを分散させたものである。かかるフィルム４０の厚さは約５０μｍであり、極めて薄い。それ故、磁気抵抗素子７５と磁気スケール２とのギャップを０．３ｍｍ以下にまで狭めることができる。また、樹脂保護層４３は、金属層４２を保護するという観点からすればあった方がよいが、金属層４２を構成する金属の種類や使用形態によっては樹脂保護層４３を省略してもよい。

磁気抵抗素子７５は、図３に示すような磁気抵抗曲線（ＭＲ特性）を有し、印加する磁束密度に応じて磁気抵抗変化率が変化する。本形態における磁気抵抗素子７５の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）Ｒ０は−２．５％である。そこで、永久磁石２０が発生する回転磁界により、磁気抵抗素子７５の磁気抵抗変化率Ｒが−０．５％（＝Ｒ０×０．２）から−２．５％となった時、これを出力信号として用いる。すなわち、磁気センサ３は、磁気抵抗素子７５において、無磁界中での抵抗値からの最大抵抗変化率に対して２０％以上の抵抗変化を示す領域（図３に矢印Ｘで示す領域）の磁界を検出し、出力する。従って、本形態では、回転磁界検出方式を採用するといっても、飽和感度領域に限らず、磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線において無磁界中での抵抗値からの最大抵抗変化率に対して抵抗変化率が２０％以上の裾野部分に相当する飽和感度領域および準飽和感度領域の磁界を利用する。なお、本形態において、「準飽和感度領域」とは、磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線において無磁界中での抵抗値からの最大抵抗変化率に対して抵抗変化率が２０％以上で、かつ、飽和感度領域に至るまでの磁界の領域を示す。

（磁気スケールの構成）
図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各々、本発明の実施の形態１に係る磁気スケールにおいて、永久磁石に形成されている磁界の向きを平面的にみたときの説明図、斜めにみたときの説明図、および側方からみたときの説明図である。

図１（Ａ）に示すように、磁気スケール２は、移動方向に沿って延びる帯状の永久磁石２０を有し、永久磁石２０の裏面には平板状のベース板２１（ベース層）が固定され、永久磁石２０の表面には帯状の保護板２２（保護層）が固定されている。ベース板２１は厚さが０．５ｍｍであり、例えば、表面にクロメート処理等の防錆メッキ処理が施されたみがき特殊帯鋼からなる。なお、ベース板２１は非磁性材料から構成されていてもよい。保護板２２は、厚さ５０μｍの薄いＳＵＳ板であり、表面にはエポキシ樹脂などからなる塗料を用いて黒色につや消しコーティングされている。このように、保護板２２の表面をつや消しコーティングすることにより、センサ装置３の誤作動を防ぐことができる。また、永久磁石２０の側面、かつベース板２１と保護板２２との間には、封止剤２４が充填され硬化している。この封止剤２４により永久磁石２０の側面が保護される。封止剤２４としては、シリル基含有特殊ポリマーを主成分とする一液湿気硬化性接着剤を挙げることができる。

図１（Ｂ）に示すように、永久磁石２０は、移動方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に並ぶトラック２５が複数、配列され、本形態では、３列のトラック２５が幅方向で並列している。ここで、隣接する２つのトラック２５Ａ、２５Ｂ間では、Ｎ極およびＳ極の位置が移動方向で１磁極分、ずれており、２つのトラック２５Ｂ、２５Ｃ間では、Ｎ極およびＳ極の位置が移動方向で１磁極分、ずれている。このため、２つのトラック２５Ａ、２５Ｃ間では、Ｎ極およびＳ極の位置が移動方向で一致している。また、隣接するトラック２５Ａとトラック２５Ｂの境界部分２５２、およびトラック２５Ｂとトラック２５Ｃの境界部分２５２は、例えば、磁極が存在しない無着磁部分や非磁性部分を介在させることなく、隣接する当該境界部分２５２のＮ極およびＳ極が直接、接するように形成されていることが好ましいが、磁気センサ３が検出できるような強度の大きな回転磁界を発生させることができれば、隣接するトラック２５Ａとトラック２５Ｂの境界部分２５２、およびトラック２５Ｂとトラック２５Ｃの境界部分２５２に磁極が存在しない無着磁部分や非磁性部分を介在させてあっても良い。

このように構成した磁気スケール２において、永久磁石２０は、表裏方向のみに磁極が向く異方性磁石であり、トラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの幅方向の縁部分２５１では、面内方向の向きが変化する回転磁界が形成されている。特に、隣接するトラック２５Ａ、２５Ｂの境界部分２５２、および隣接するトラック２５Ｂ、２１Ｃの境界部分２５２では、強度の大きな回転磁界が発生している。さらに、本形態では、隣接するトラック２５Ａとトラック２５Ｂの境界部分２５２、およびトラック２５Ｂとトラック２５Ｃの境界部分２５２は、当該境界部分２５２のＮ極およびＳ極が直接、接するように形成されているので、トラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの境界部分２５２では、より強度の大きな回転磁界が発生している。

すなわち、永久磁石２０の磁界の面内方向の向きを、マトリクス状の微小領域毎に磁場解析したところ、図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、トラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの幅方向の縁部分２５１では、円Ｌで囲んだ領域のように、面内方向の向きが変化する回転磁界が形成され、特に、トラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの幅方向における縁部分２５１のうち、隣接するトラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの境界部分２５２では、円Ｌ２で囲んだ領域のように、強度の大きな回転磁界が発生する。

そこで、本形態では、図１（Ｂ）に示すように、かかるトラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの境界部分２５２に対して磁気センサ３のセンサ面５０に配置された磁気抵抗素子７５を面対向させ、トラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの端部（境界部分２５２）で発生した回転磁界を検出する。ここで、１つのトラック２５の幅寸法は、例えば１ｍｍであり、磁気抵抗素子７５の幅寸法は、例えば２ｍｍである。また、磁気抵抗素子７５は、永久磁石２０の幅方向の中央に位置しているため、磁気抵抗素子７５の幅方向における一方の端部７５１は、トラック２５Ａの幅方向の中央に位置し、他方の端部７５２は、トラック２５Ｃの幅方向の中央に位置している。

本形態において、永久磁石２０は、厚さが１ｍｍ以上、好ましくは、２ｍｍ以上であり、最大エネルギー積（Ｂ・Ｈ）ｍａｘは１．２ＭＧＯｅ（１０ｋＪ／ｍ³）以上である。

（永久磁石の厚さによる影響）
図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明を適用した磁気スケールが有する永久磁石の最大エネルギー積および厚さと、内挿精度との関係を示すグラフ、および本発明を適用した磁気スケールが有する永久磁石の最大エネルギー積および厚さとヒステリシスとの関係を示すグラフである。

本発明の実施例では、磁気スケール２を構成する永久磁石２０として、最大エネルギー積（Ｂ・Ｈ）ｍａｘが１．２ＭＧＯｅまたは１．５ＭＧＯｅであって、厚さが１ｍｍまたは２ｍｍの磁石素材を用い、それぞれにおいて、磁気スケールと磁気センサ３が有する磁気抵抗素子７５との間隙（Ｇａｐ）を０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍとした時の内挿精度、およびヒステリシスを測定した。

図５（Ａ）に示すように、永久磁石２０の厚さを１ｍｍまたは２ｍｍとしたため、内挿精度が小さい。また、永久磁石２０の厚さが２ｍｍの磁気スケール２と、永久磁石２０の厚さが１ｍｍの磁気スケール２とを比べると、永久磁石２０の厚さが２ｍｍである磁気スケール３は、永久磁石の厚さが１ｍｍである磁気スケールとを比べ、内挿精度が小さかった。特に、（Ｂ・Ｈ）ｍａｘが１．５ＭＧＯｅ、厚さが２ｍｍである永久磁石２０を有する磁気スケール２が、他のものと比べて内挿精度が一番小さかった。また、磁気スケール２と磁気抵抗素子７５との間隙が広がるにしたがって、永久磁石２０の厚さが１ｍｍである磁気スケール２のほうが、永久磁石２０の厚さが２ｍｍである磁気スケール２よりも内挿精度が大きくなった。

また、図５（Ｂ）に示すように、永久磁石２０の厚さが２ｍｍである磁気スケール２は、永久磁石２０の厚さが１ｍｍである磁気スケール２とを比べ、ヒステリシスが小さかった。特に、（Ｂ・Ｈ）ｍａｘが１．５ＭＧＯｅ、厚さが２ｍｍである永久磁石２０を有する磁気スケール２は、他のものと比べてヒステリシスが一番小さかった。また、永久磁石２０の厚さが２ｍｍである磁気スケール２と、永久磁石２０の厚さが１ｍｍである磁気スケール２とを比べると、磁気スケール２と磁気抵抗素子７５との間隙が広がるにしたがって、永久磁石の厚さが１ｍｍである磁気スケールのほうが、永久磁石の厚さが２ｍｍである磁気スケールよりもヒステリシスが大きくなった。

磁気スケール２においては、内挿精度が小さいほど検出精度が良く、また、ヒステリシスが小さいほど検出精度が良い。従って、永久磁石２０の厚さが２ｍｍである磁気スケール２のほうが、永久磁石２０の厚さが１ｍｍである磁気スケール２よりも検出精度が良いということがいえ、かかる影響は、（Ｂ・Ｈ）ｍａｘの大小の影響よりも大である。

（磁気スケール２の製造方法）
以下、図１および図６を参照して、磁気スケール２の製造方法を説明する。図６（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明を適用した磁気スケールの製造方法を模式的に示す説明図である。なお、着磁を行う際には、磁石素材の一方の面に着磁ヘッドを配置する一方、他方の面にヨークを配置した状態で着磁ヘッドの着磁コイルに通電する方法、あるいは、磁石素材の両面に着磁ヘッドを配置して着磁コイルに通電する方法が採用されるが、図６には、着磁ヘッドの図示を省略してある。

磁気スケール２を製造するには、まず、図６（Ａ）に示すように、磁石素材２００（無着磁状態の永久磁石２０）の裏面にベース板２１を両面テープ等により固定する。次に、図６（Ｂ）に示すように、第１の着磁工程において、磁石素材２００に着磁ヘッドを用いて両面着磁を行うことにより、磁石素材２００の長手方向（移動方向）に沿ってＮ極とＳ極とが交互に並ぶ１列のトラック２５′を形成する。

次に、図６（Ｃ）に示すように、第２の着磁工程において、磁石素材２００の一部に着磁ヘッドを用いて両面着磁を行う。この工程により、磁石素材２００の一部には着磁パターンが上書きされ、３列のトラック２５が形成された永久磁石２０が完成する。ここで、永久磁石２０は、表裏方向のみに磁極が向く異方性磁石である。また、トラック２５は、３列のトラック２５（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ）が幅方向で並列して形成され、さらに、隣接する３列のトラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ間で、Ｎ極およびＳ極の位置が長手方向で１極分ずれるように形成される。

第１の着磁工程および第２の着磁工程の後、図６（Ｄ）に示すように、永久磁石２０の表面に保護板２２を固定する。その後、永久磁石２０の側面、かつベース板２１と保護板２２との間に、封止剤２４を充填させ硬化させることにより、図６（Ｅ）に示す磁気スケール２を得る。

なお、本製造方法では、隣接するトラック２５Ａとトラック２５Ｂの境界部分、およびトラック２５Ｂとトラック２５Ｃの境界部分は、例えば、磁極が存在しない無着磁部分や非磁性部分を介在させることなく、隣接する当該境界部分のＮ極およびＳ極が直接、接するように形成したが、図１（Ａ）の磁気センサ３が検出できるような強度の大きな回転磁界を発生させることができる程度であれば、当該境界部分に磁極が存在しない無着磁部分や非磁性部分を介在させても良い。

（磁気スケールの別の製造方法）
図７（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明で用いる磁気スケールの別の製造方法を模式的に示す説明図であり、図６でも着磁ヘッドの図示を省略してある。本形態においては、磁気スケール２を製造するにあたっては、まず、図７（Ａ）に示すように、磁石素材２００（無着磁状態の永久磁石２０）の裏面にベース板２１を両面テープ等により固定する。次に、図７（Ｂ）に示すように、着磁工程で、磁石素材２００に着磁ヘッドを用いて両面に多極着磁を行うことにより、３本のトラック２５を備えた永久磁石２０が完成する。ここで、永久磁石２０は、表裏方向のみに磁極が向く異方性磁石である。トラック２５は、３列のトラック２５（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ）が幅方向で並列して形成され、さらに、隣接する３列のトラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ間で、Ｎ極およびＳ極の位置が長手方向で１極分ずれるように形成される。

着磁工程後、図７（Ｃ）に示すように、永久磁石２０の表面に保護板２２を固定する。その後、永久磁石２０の側面、かつベース板２１と保護板２２との間に封止剤２４を充填し、硬化させることにより、図７（Ｄ）に示す磁気スケール２を得る。

なお、本製造方法でも、隣接するトラック２５Ａとトラック２５Ｂの境界部分、およびトラック２５Ｂとトラック２５Ｃの境界部分に、図１（Ａ）の磁気センサ３が検出できるような強度の大きな回転磁界を発生させることができる程度であれば、当該境界部分に磁極が存在しない無着磁部分や非磁性部分を介在させても良い。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の磁気エンコーダ１では、磁気スケール２に形成された回転磁界を検出しているため、Ｓ／Ｎ比を改善することを目的に磁気センサ３と磁気スケール２との隙間寸法を狭くしても正弦波成分を安定して得ることができる。

また、本発明では、永久磁石２０の厚さを１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍに設定しているため、このような永久磁石２０に用いると、回転磁界検出を高い精度で行うことのできる磁界を得ることができる。これにより、磁気抵抗素子７５が、磁気スケール２からの情報をより確実に検出することが可能となるため、検出精度が高い。

また、本形態の磁気エンコーダ１では、磁気センサ３を構成する磁気抵抗素子７５の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）Ｒ０が−２．５％であり、磁気抵抗素子７５の磁気抵抗変化率Ｒが−０．５％（＝Ｒ０×０．２）から−２．５％となった時、これを出力信号として用いる。この構成により、磁気抵抗素子７５が、磁気スケール２からの情報をより確実に検出することが可能となるため、検出精度が高い。

さらに、本形態では、磁気抵抗素子７５をトラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの境界部分２５２に面対向させて回転磁界を検出しているので、永久磁石２０に対してセンサ面を垂直に向けた場合と違って、永久磁石２０から離れた位置で磁界が準飽和感度領域あるいは飽和感度領域に達しないということを回避できるので、磁気エンコーダ１の検出精度を向上することができる。

さらにまた、本形態では、磁気抵抗素子７５が幅方向において３列のトラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃと対向し、かつ、磁気抵抗素子７５の両端部分が対向するトラック２５Ａ、２５Ｃ間では移動方向におけるＮ極およびＳ極の位置が一致している。このため、永久磁石２０と磁気抵抗素子７５との幅方向における相対位置がずれても、検出感度が変化しないという利点がある。

なお、本形態では、磁気抵抗素子７５の幅方向における端部７５１、７５２は各々、トラック２５Ａ、２５Ｂの幅方向の中央に位置している構成であったが、磁気抵抗素子７５の幅寸法が永久磁石２０の幅寸法よりも広く、磁気抵抗素子７５の端部７５１、７５２が永久磁石２０の幅方向外側にはみ出している構成を採用してもよい。

［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気抵抗素子との平面的な位置関係を示す説明図である。図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各々、本発明の実施の形態２に係る磁気エンコーダにおいて、永久磁石に形成されている磁界の向きを平面的にみたときの説明図、斜めにみたときの説明図、および側方からみたときの説明図である。

実施の形態１では、トラック数が３であったが、図８に示すように、本形態では、トラック数を２とし、隣接する２つのトラック２５Ａ、２５Ｂ間では、Ｎ極およびＳ極の位置が移動方向で１磁極分、ずれるように磁気スケール２を構成し、かかるトラック２５Ａ、２５Ｂの境界部分２５２に対して、磁気センサ３のセンサ面に配置された磁気抵抗素子７５を面対向させる構成を採用してもよい。ここで、磁気抵抗素子７５は、永久磁石２０の幅方向の中央に位置しているため、磁気抵抗素子７５の幅方向における一方の端部７５１は、２つのトラック２５Ａ、２５Ｂのうち、一方のトラック２５Ａの幅方向の中央に位置し、他方の端部７５２は、他方のトラック２５Ｂの幅方向の中央に位置している。

このように構成した磁気エンコーダ１において、永久磁石２０の磁界の面内方向の向きをマトリクス状の微小領域毎に磁場解析したところ、図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に矢印で示すように、トラック２５Ａ、２５Ｂの幅方向の縁部分２５１では、円Ｌで囲んだ領域のように、面内方向の向きが変化する回転磁界が形成され、特に、トラック２５Ａ、２５Ｂの幅方向における縁部分２５１のうち、隣接するトラック２５Ａ、２５Ｂ同士の境界部分２５２では、円Ｌ２で囲んだ領域のように、強度の大きな回転磁界が発生する。このように構成した場合も、隣接する２つのトラック２５Ａ、２５Ｂの境界部分に発生する回転磁界を磁気センサ３で検出することができる。

［実施の形態３］
図１０は、本発明の実施の形態３に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気抵抗素子との平面的な位置関係を示す説明図である。

図１を参照して説明した形態では、トラック数が３であったが、図１０に示すように、磁気抵抗素子７５が幅方向において５列のトラック２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅと対向し、かつ、磁気抵抗素子７５の両端部分が対向するトラック２５Ａ、２５Ｅ間では移動方向におけるＮ極およびＳ極の位置が一致している構成を採用してもよい。このように構成した場合も、実施の形態１と同様、永久磁石２０と磁気センサ３との幅方向における相対位置がずれても、検出感度が変化しないという利点がある。

［実施の形態４］
図１１は、本発明の実施の形態４に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気センサとの平面的な位置関係を示す説明図である。

実施の形態１〜３では、隣接する２つのトラック２５Ａ、２５Ｂ間では、Ｎ極およびＳ極の位置が移動方向で１磁極分、ずれていたが、図１１に示すように、隣接する２つのトラック２５Ａ、２５Ｂ間では、Ｎ極およびＳ極の位置が移動方向で１／２磁極分のみ、ずれている構成であってもよい。このように構成した場合も、隣接する２つのトラック２５Ａ、２５Ｂの境界部分に発生する回転磁界を磁気センサ３で検出することができる。

［実施の形態５］
図１２は、本発明の実施の形態５に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気抵抗素子との平面的な位置関係を示す説明図である。図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各々、本発明の実施の形態３に係る磁気エンコーダにおいて、永久磁石に形成されている磁界の向きを平面的にみたときの説明図、斜めにみたときの説明図、および側方からみたときの説明図である。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態１と共通するので、共通する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

図１２に示すように、本形態の磁気エンコーダ１も、実施の形態１と同様、磁気センサ３と永久磁石２０を備えた磁気スケール２とを有しており、永久磁石２０では、移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶトラック２５が形成されている。本形態では、１列のトラック２５が形成されている。また、永久磁石２０では、図１３を参照して後述するように、トラック２５の幅方向の縁部分２５１では、面内方向の向きが変化する回転磁界が形成されている。

そこで、本形態では、かかるトラック２５の縁部分２５１に対して磁気センサ３のセンサ面に配置された磁気抵抗素子７５を面対向させる。ここで、トラック２５の幅寸法は、例えば１ｍｍであり、磁気抵抗素子７５の幅寸法は、例えば２ｍｍである。また、トラック２５は、磁気抵抗素子７５の幅方向の中央に位置しているため、磁気抵抗素子７５の幅方向における端部７５１、７５２は、トラック２５の幅方向外側にはみ出している。

このように構成した磁気エンコーダ１において、永久磁石２０の磁界の面内方向の向きを、マトリクス状の微小領域毎に磁場解析したところ、図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、トラック２５の幅方向の縁部分２５１では、円Ｌで囲んだ領域のように、面内方向の向きが変化する回転磁界が形成されている。

従って、本形態の磁気エンコーダ１では、トラック２５の縁部分２５１に形成されている回転磁界を磁気センサ３で検出でき、その結果に基づいて、磁気センサ３と永久磁石２０との相対移動速度や相対移動距離を検出することができる。

［その他の実施の形態］
図１４（Ａ）〜（Ｄ）は各々、本発明を適用した磁気エンコーダによってロータリエンコーダを構成したときの説明図である。

上記形態１〜５はいずれも、磁気エンコーダをリニアエンコーダとして構成した例であったが、図１４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、磁気エンコーダ１によってロータリエンコーダを構成してもよい。この場合、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、回転体１００の端面１０１において、周方向にトラック２５が延びるように永久磁石２０を構成し、このように構成したトラック２５に対して、磁気センサ３のセンサ面に配置された磁気抵抗素子７５を対向させればよい。また、図１４（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、回転体１００の外周面１０２において、周方向にトラック２５が延びるように永久磁石２０を構成し、このように構成したトラック２５に対して、磁気センサ３のセンサ面に配置された磁気抵抗素子７５を対向させてもよい。

（Ａ）、（Ｂ）は各々、本発明を適用した磁気エンコーダの構成を示す説明図、および本発明の実施の形態１に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気抵抗素子との位置関係を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各々、図１に示す磁気センサの底面図、要部の縦断面図、および磁気抵抗素子の周辺を拡大して示す断面図である。 本発明を適用した磁気エンコーダが有する磁気抵抗素子のＭＲ特性を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各々、本発明の実施の形態１に係る磁気スケールにおいて、永久磁石に形成されている磁界の向きを平面的にみたときの説明図、斜めにみたときの説明図、および側方からみたときの説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は各々、本発明を適用した磁気スケールが有する永久磁石の最大エネルギー積および厚さと内挿精度との関係を示すグラフ、および本発明を適用した磁気スケールが有する永久磁石の最大エネルギー積および厚さとヒステリシスとの関係を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｅ）は、本発明を適用した磁気スケールの製造方法を示す説明図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明を適用した磁気スケールの別の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気抵抗素子との平面的な位置関係を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各々、本発明の実施の形態２に係る磁気エンコーダにおいて、永久磁石に形成されている磁界の向きを平面的にみたときの説明図、斜めにみたときの説明図、および側方からみたときの説明図である。 本発明の実施の形態３に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気抵抗素子との平面的な位置関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態４に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気センサとの平面的な位置関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態５に係る磁気エンコーダにおける永久磁石と磁気抵抗素子との平面的な位置関係を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各々、本発明の実施の形態５に係る磁気エンコーダにおいて、永久磁石に形成されている磁界の向きを平面的にみたときの説明図、斜めにみたときの説明図、および側方からみたときの説明図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明を適用した磁気式エンコーダ装置によってロータリエンコーダを構成したときの説明図である。

符号の説明

１ 磁気エンコーダ
２ 磁気スケール
３ 磁気センサ
２０ 永久磁石
２５ トラック
２５１ 縁部分
７５ 磁気抵抗素子

Claims (16)

1. 永久磁石を備えた磁気スケールと、該磁気スケールからの磁界を検出する磁気抵抗素子を備えた磁気センサとを有し、前記永久磁石には、前記磁気センサとの相対移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶトラックが形成されている磁気エンコーダにおいて、
   前記磁気センサは、前記トラックの幅方向の縁部分で面内方向の向きが変化する回転磁界を検出し、
   前記永久磁石の厚さは、１ｍｍ以上であることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 請求項１において、
   前記永久磁石の厚さは、２ｍｍ以上であることを特徴とする磁気エンコーダ。
3. 永久磁石を備えた磁気スケールと、該磁気スケールからの磁界を検出する磁気抵抗素子を備えた磁気センサとを有し、前記永久磁石には、前記磁気センサとの相対移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶトラックが形成されている磁気エンコーダにおいて、
   前記磁気センサは、前記トラックの幅方向の縁部分で面内方向の向きが変化する回転磁界を検出するとともに、前記磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線において、無磁界中での抵抗値からの最大抵抗変化率に対して２０％以上の抵抗変化を示す領域の磁界を検出し、出力することを特徴とする磁気エンコーダ。
4. 請求項１または２において、
   前記磁気センサは、前記磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線において、無磁界中での抵抗値からの最大抵抗変化率に対して２０％以上の抵抗変化を示す領域の磁界を検出し、出力することを特徴とする磁気エンコーダ。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記磁気スケールは、裏面側にベース層を備え、表面側に保護層を備えていることを特徴とする磁気エンコーダ。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記永久磁石を構成する磁石素材は、外部磁界の大きさＨと磁束密度Ｂとの積で求められるエネルギー積の最大値（Ｂ・Ｈ）ｍａｘが１．２ＭＧＯｅ以上であることを特徴とする磁気エンコーダ。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記永久磁石は、前記トラックが幅方向で複数、並列し、
   前記複数のトラックでは、隣接するトラック間でＮ極およびＳ極の位置が前記相対移動方向でずれていることを特徴とする磁気エンコーダ。
8. 請求項７において、
   前記複数のトラックでは、隣接するトラック間でＮ極およびＳ極の位置が前記相対移動方向で１磁極分、ずれていることを特徴とする磁気エンコーダ。
9. 請求項７または８において、
   前記永久磁石は、前記トラックが幅方向で２列以上、並列していることを特徴とする磁気エンコーダ。
10. 請求項９において、
    前記永久磁石は、前記トラックが幅方向で３列以上、並列し、
    前記磁気センサは、前記３列以上のトラックのうち、奇数列分のトラックと対向し、かつ、当該磁気センサの両端部分が対向するトラック間では前記相対移動方向におけるＮ極およびＳ極の位置が一致していることを特徴とする磁気エンコーダ。
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
    前記永久磁石は、該永久磁石の表裏方向のみに磁極が向く異方性磁石であることを特徴とする磁気エンコーダ。
12. 請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
    リニアエンコーダまたはロータリエンコーダとして構成されていることを特徴とする磁気エンコーダ。
13. Ｎ極とＳ極が交互に並ぶトラックが幅方向で複数、並列し、隣接するトラック間ではＮ極およびＳ極の位置が前記トラックの相対移動方向でずれている永久磁石を備えた磁気スケールの製造方法において、
    前記永久磁石を構成すべき磁石素材に対して前記トラックの相対移動方向でＮ極とＳ極とが交互に並ぶように着磁する第１の着磁工程と、
    隣接するトラック間でＮ極およびＳ極の位置が前記トラックの相対移動方向でずれるように、前記第１の着磁工程で前記磁石素材に付した磁極の一部を上書きして着磁する第２の着磁工程と、
    を有することを特徴とする磁気スケールの製造方法。
14. Ｎ極とＳ極が交互に並ぶトラックが幅方向で複数、並列し、隣接するトラック間ではＮ極およびＳ極の位置が前記トラックの相対移動方向でずれている永久磁石を備えた磁気スケールの製造方法において、
    前記永久磁石の幅方向でＮ極の位置とＳ極の位置が相対移動方向にずれるように、前記永久磁石を構成すべき磁石素材に対して着磁ヘッドを配置して多極着磁を行う着磁工程を有することを特徴とする磁気スケールの製造方法。
15. 請求項１３または１４において、
    前記磁石素材に対して着磁を行う際、当該磁石素材の表裏方向のみに磁極が向く異方性着磁を行うことを特徴とする磁気スケールの製造方法。
16. 請求項１３ないし１５のいずれかにおいて、
    前記磁石素材の裏面にベース層を重ねた後、当該磁石素材に対して前記着磁工程を行って前記永久磁石を形成し、
    当該着磁工程を行った後、前記永久磁石の表面に保護層を形成することを特徴とする磁気スケールの製造方法。

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