JP2008170273A - 磁気抵抗効果素子を用いた位置検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁石とこの磁石に対向して移動する検知器を用いて、比較的広い領域で位置検知ができるようにした磁気抵抗効果素子を用いた位置検知装置を提供する。
【解決手段】 磁石２の円形の表面２ａがＮ極に着磁され、背面２ｂがＳ極に着磁されている。検知器１０は、磁石２の表面２ａから離れた位置でＸ−Ｙ平面内で移動する。検知器１０内にはＸ方向の磁界の方向とその強度を検知できる磁気抵抗効果素子と、Ｙ方向の磁界の方向とその強度を検知できる磁気抵抗効果素子とが設けられている。中心Ｏを通り半径方向に延びるそれぞれの放射軸上において、放射軸の方向の磁界の強度が一次関数で変化する領域内では、前記検知器１０内の各磁気抵抗効果素子の電気抵抗の変化を検知することで、検知器１０のＸ−Ｙ座標上の位置を知ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界の向きと強度を検知できる磁気抵抗効果素子と磁石とを使用して、平面内での可動部の位置を知ることができる位置検知装置に関する。

以下の特許文献１ないし３には、磁石と、この磁石から発せられた磁界を検知する検知器を使用した位置検知装置が開示されている。

これら文献に記載の位置検知装置は、いずれも、検知器にホール素子などの磁界の強度を検知できる素子が設けられており、磁石の表面から発せられる磁界のうちの前記表面に直交する向きの磁界の強度を前記検知器で検知することにより、磁石と検知器との対向位置を知ろうとしている。

しかし、前記文献に記載のものは、検知器が、ホール素子などのように、磁石の表面に垂直な磁界強度のみを検知できるものであるため、検知器で位置を識別できる領域が限定される。例えば、磁石の表面がＮ極で裏側がＳ極に着磁され、前記表面に検知器が対向しているものでは、磁石の表面の中心から一方の側へ離れていくときと、前記中心から他方の側へ離れていくときとで、前記表面に垂直な磁界の強度の変化が対称である。そのため、検知器が前記中心を跨いで移動すると、検知器で磁界の強度を検知したとしても、その位置が中心を跨いで一方の領域であるのか他方の領域であるのかを識別できない。

そのため、検知器で位置を検知できる領域が極めて狭くなり、Ｘ−Ｙ座標上での検知器の位置を広い領域で正確に検知するためには、磁石を大型化することが必要である。また、検知器にホール素子を使用した場合には、検知器を構成する回路も複雑になる。
特開２００５−３３１４０１号公報 特開２００５−６９７４４号公報 特開２００４−６９６９５号公報

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、比較的小さな磁石と検知器とを使用して、磁石の表面の中心を含む広い領域内で位置を知ることができる磁気抵抗効果素子を使用した位置検知装置を提供することを目的としている。

本発明は、固定部と、この固定部に対向して平面内で移動する可動部とを有し、前記固定部と前記可動部の一方に磁石が他方に前記磁石から発せられた磁界を検知する検知器が設けられた位置検知装置において、
前記磁石は前記可動部が移動する移動平面と平行な表面を有し、前記磁石は前記表面と裏側部分とが互いに異なる磁極に着磁され、
前記検知器は、前記移動平面内で直交するＸ方向とＹ方向のうちのＸ方向での正方向と負方向の磁界の向きおよび強度を検知できる磁気抵抗効果素子、およびＹ方向での正方向と負方向の磁界の向きおよび強度を検知できる磁気抵抗効果素子とを有しており、
それぞれの磁気抵抗効果素子からの検知出力により、前記平面内での前記可動部の位置を知ることができることを特徴とするものである。

本発明の位置検知装置は、固定部に磁石が設けられ、可動部に検知器が設けられる。あるいは固定部に検知器が設けられ、可動部に磁石が設けられる。検知器は、磁気抵抗効果素子を有し、磁気抵抗効果素子で、磁石の表面から発せられる磁界または前記表面に向かう磁界のうちの移動平面と平行な面内でのＸ方向の磁界とＹ方向の磁界を検知できる。磁石の表面ではその中心を挟んで一方の側と他方の側とで、移動平面と平行な面内での磁界の向きが逆である。したがって、前記中心を含む広い領域内において、検知器が磁石の表面に対向する位置を検知することができる。

なお、前記磁石の前記表面は、基本的には平坦面であるが、前記表面に凹凸が規則的に形成されているものであってもよい。

本発明では、前記磁石の前記表面は円形であることが好ましい。
前記表面が円形であると、表面の中心から放射方向に延びる各向きにおいて、中心から離れるにしたがって変化する移動平面に平行な磁界の強度の変化が均一になる。そのため、検知器が磁石の表面に対向する位置を精度よく検知しやすい。ただし、前記磁石の表面は、楕円形や、角を丸くした四角形などであってもよい。

すなわち、本発明は、前記磁石の前記表面の中心を挟んで、Ｘ軸の正方向と負方向での前記可動部の座標位置と、Ｙ軸の正方向と負方向での前記可動部の座標位置とを知ることができる。

さらに本発明では、前記磁気抵抗効果装置は、磁化が固定された磁気固定層と、前記磁石からの磁界によりその磁化の向きが変化する自由磁性層とを有し、前記磁気固定層の磁化の方向と前記自由磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化するものであり、前記自由磁性層にバイアス磁界が与えられているものが好ましい。

自由磁性層にバイアス磁界が与えられた磁気抵抗効果素子を使用すると、磁界の向きが変化したときの電気抵抗の変化にヒステリシスを持たないため、検知器が磁石の表面の中心を跨いで移動したときであっても、磁界の向きおよび強度を精度良く検知できる。

本発明は、磁石と検知器とが移動平面に沿って相対的に動いたときに、検知器により磁石との対向位置を比較的広い領域で知ることができる。そのため、小型の精密機器などにおいて、高精度な位置検知を実現できる。

図１は本発明の実施の形態の位置検知装置１を示す斜視図である。
位置検知装置１は、磁石２とこの磁石２に対向する検知器１０を有している。磁石２は、表面２ａと背面２ｂが互いに平行となるように均一な厚さ寸法を有している。図１に示すＸ軸とＹ軸は直交座標である。Ｘ軸とＹ軸を含む面が移動平面であり、この移動平面は前記表面２ａと平行である。検知器１０は、前記移動片面内においてＸ−Ｙ座標内の任意の位置へ移動できる。

例えば、位置検知装置１は小型精密機器の内部に実装される。小型精密機器には、固定部と、可動部とが設けられている。可動部は、Ｘ方向への駆動力を発揮する磁気駆動アクチュエータと、Ｙ方向への駆動力を発揮する磁気駆動アクチュエータとで、Ｘ−Ｙ座標内で移動させられる。固定部と可動部の一方に磁石２が他方に検知器１０が設けられ、前記各磁気駆動アクチュエータによって移動させられる可動部の位置を検知し、この位置検知出力を制御部で監視することで、可動部の移動位置を高精度に認識しながら駆動できるようになる。この実施の形態では、磁石２が固定部に設けられ、検知器１０が可動部に搭載されているものとして説明する。ただし、磁石２が可動部に搭載され、検知器１０が固定部に設置されてもよい。

磁石２の表面２ａと背面２ｂは円形であり、図１の斜視図と図３の平面図では、円の中心をＯで示している。図１に示すように、磁石２は表面２ａがＮ極に着磁され、背面２ｂがＳ極に着磁されており、磁力線は、表面２ａの全域から出て背面２ｂの全域に向かう。前記検知器１０は、前記表面２ａから所定の高さＺｈだけ離れた位置で、Ｘ軸とＹ軸を含む移動平面内を移動する。ただし、検知器１０がＳ極に着磁された背面２ｂに対向し、この背面２ｂから離れた位置で移動するものであってもよい。

図４の斜視図に示すように、検知器１０では、ケース１１内にＸ方向検知素子２０ＸとＹ方向検知素子２０Ｙが設けられている。Ｘ方向検知素子２０Ｘは、磁石２の表面２ａから発せられる磁界のＸ方向の成分の正方向の強度と負方向の強度を区別して検知できるものであり、Ｙ方向検知素子２０Ｙは、磁石２の表面２ａから発せられる磁界のＹ方向の成分の正方向の強度と負方向の強度を区別して検知できるものである。Ｘ方向検知素子２０ＸとＹ方向検知素子２０Ｙは、その構造が同じあるが、ケース１１内では互いに直交する向きで配置されている。

図４に示すように、Ｘ方向検知素子２０ＸとＹ方向検知素子２０Ｙは、Ｘ軸およびＹ軸の双方に直交するＺ軸に沿って互いに重ねられて配置されている。すなわち、Ｘ方向検知素子２０Ｘの中心とＹ方向辺地素子２０Ｙの中心とが、図３に示す中心Ｏを通ってＺ方向に延びる同一線上に位置している。

図５（Ａ）には、Ｙ方向検知素子２０Ｙが示され、その中心がＯｙで示されている。Ｘ方向検知素子２０Ｘは、前記Ｙ方向検知素子２０Ｙと同じ構造で同じ大きさである。Ｘ方向検知素子２０ＸとＹ方向検知素子２０Ｙは、巨大磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子である。

図５（Ａ）に示すように、Ｙ方向検知素子２０Ｙの素子部２１は複数設けられ、互いに平行に形成されている。個々の素子部２１は、その長手方向がＸ方向に延びている。また、複数の素子部２１が並ぶ方向はＹ方向である。

図６の断面図に示すように、個々の素子部２１は、基板２２の上に、反強磁性層２３、固定磁性層２４、非磁性導電層２５、および自由磁性層２６の順に積層されて成膜され、自由磁性層２６の表面が保護層２７で覆われている。

反強磁性層２３は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層２４はＣｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性導電層２５はＣｕ（銅）などである。自由磁性層２６は、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層２７はＴａ（タンタル）の層である。

素子部２１では、反強磁性層２３と固定磁性層２４との反強磁性結合により、固定磁性層２４の磁化の方向が固定されている。図５（Ｂ）に示すように、個々の素子部２１では、固定磁性層２４の磁化の固定方向（Ｐ方向）が、Ｙ（＋）方向に向けられている。

図５（Ａ）に示すように、素子部２１は接続電極２８，２９によって２つずつ接続され、さらに、図示上下両端部に位置する素子部２１には引き出し電極３１，３２が接続されている。よって、各素子部２１は直列に接続され、ミアンダ型パターンが構成されている。

図５（Ａ）に示すように、各素子部２１では、右側にマグネット３３が左側にマグネット３４が設けられて、各素子部２１に対して、その長手方向である図示左方向へバイアス磁界が与えられている。よって、外部から与えられる磁界のＹ方向の成分の強度がゼロとのとき、自由磁性層２６内はバイアス方向（Ｂ方向）に単磁区化されている。また、バイアス方向（Ｂ方向）と固定磁性層２４の磁化の固定方向（Ｐ方向）とは、互いに直交している。

図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｙ方向検知素子２０Ｙは、素子部２１の長手方向と直交する向きであるＹ方向での正方向の磁界の成分の強度と、Ｙ方向での負方向の磁界の成分の強度とを区別して検出することができる。Ｙ方向検知素子２０ＹにＹ（＋）方向の磁界が与えられると、バイアス磁界Ｂが作用している自由磁性層２６内の磁化の方向がＹ（＋）方向、すなわち固定磁性層２４の磁化の固定方向（Ｐ方向）と同じ方向へ向けられる。このときＹ方向検知素子２０の電気抵抗が低くなる。逆にＹ（−）方向の磁界が与えられると、自由磁性層２６内の磁化の方向がＹ（−）方向、すなわち固定磁性層２４の磁化の固定方向（Ｐ方向）と逆の方向へ向けられる。このときＹ方向検知素子２０の電気抵抗が高くなる。

図７に示すように、検知器１０では、前記Ｙ方向検知素子２０Ｙと固定抵抗素子３５とが直列に接続されており、直列に接続されてＹ方向検知素子２０Ｙと固定抵抗素子３５とに直列電圧Ｖｃｃが与えられている。そして、Ｙ方向検知素子２０Ｙと固定抵抗素子３５との中間点３６が、Ｙ方向の磁界の検知出力の出力部となっている。

図８は、Ｙ方向検知素子２０に作用する外部磁界のＹ（＋）方向の成分およびその強度、ならびにＹ（−）方向の成分およびその強度と、前記中間点３６からの出力電圧との関係を示している。固定抵抗素子３５は、例えば図６に示す素子部２１と同じ材料で同じ膜厚で形成され、且つ非磁性導電層２５と自由磁性層２６との積層順番を変えるなどして、外部磁界によって電気抵抗が変化せず、且つ素子部２１と同じ温度特性を有するように構成されている。

図８に示すように、検知器１０では、Ｙ方向の外部磁界の強度がゼロのときに、前記中間点３６からの検知出力がＶｃｃ／２となるように、固定抵抗素子３５の抵抗値が調整されている。よって、中間点３６からの出力電圧は、Ｙ方向の外部磁界の強度がゼロのときにＶｃｃ／２であり、Ｙ方向検知素子２０ＹにＹ（＋）方向の外部磁界が作用すると、中間点３６からの出力電圧が高くなり、Ｙ方向検知素子２０ＹにＹ（−）方向の外部磁界が作用すると、中間点３６からの出力電圧が低くなる。

なお、Ｙ方向の外部磁界の強度がゼロのときに、前記中間点３６からの検知出力がＶｃｃ／２からずれていても、位置検知装置１の使用を開始するときに、検知器１０の中心（Ｙ方向検知素子２０Ｙの中心Ｏｙ）を磁石２の表面２ａの中心Ｏに一致させる初期設定動作を行い、そのときに中間点３６から得られる出力電圧を記憶し、この電圧が得られたときにＹ方向の座標位置がゼロであると認識してもよい。

なお、検知器１０内では、図７と同様に、Ｘ方向検知素子２０Ｘと固定抵抗素子とが直列に接続されており、Ｘ方向検知素子２０Ｘと固定抵抗素子との中間点からの出力電圧によって、Ｘ（＋）方向とＸ（−）のそれぞれの方向の磁界と向きとその強度を検知できる。

次に、位置検知装置１の動作原理を説明する。
図１には、Ｘ軸上において磁石２の表面から発せられる磁力線を破線で示しており、それぞれの磁力線のＸ方向の強度成分をＢｘで示している。図２は、検知器１０がＸ軸に沿って移動するときの、Ｘ方向検知素子２０Ｘの中心と磁石２の中心Ｏとの距離と、前記Ｘ方向検知素子２０Ｘが検知するＸ方向の磁界の強度Ｂｘの変化との関係を示している。図２の結果を得たときの磁石２は直径４ｍｍの円形で、磁石２の厚さは０．５ｍｍである。図２では、磁石２の表面２ａからＸ方向検知素子２０Ｘまでの高さＺｈを、１．５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．５ｍｍに設定したときのＸ方向の磁界の強度Ｂｘの変化をそれぞれ示しており、Ｚｈ＝１．５ｍｍで検知器１０をＸ軸に沿って移動させたときのＸ方向の磁界の強度Ｂｘの変化を曲線（ｉ）で示している。同様にして、Ｚｈ＝１．０ｍｍのときの強度Ｂｘの変化を曲線（ｉｉ）で示し、Ｚｈ＝０．５ｍｍのときの強度Ｂｘの変化を曲線（ｉｉｉ）で示している。

Ｘ方向検知素子２０Ｘを有する検知器１０では、図５ないし図８において説明したように、Ｘ方向において相反する向きの磁界の方向およびその強度を区別して検知できる。図１と図２では、Ｘ（＋）方向に向く磁界の強度Ｂｘを正の符号で示し、Ｘ（−）方向に向く磁界の強度Ｂｘを負の符号で示している。

図２に示すように、磁石２の表面２ａにおいて、中心Ｏを挟んで＋１ｍｍと−１ｍｍの範囲内では、Ｘ方向に向く磁界の強度Ｂｘがほぼ一次関数で変化する。これは、検知器１０をＹ軸に沿って移動させたときに、検知器１０が検知するＹ方向の磁界強度Ｂｘの変化においても同じである。また、図３に示すように、Ｘ軸とＹ軸以外の任意の軸で且つ中心Ｏを通過する放射軸αを想定したときに、この放射軸αに沿う向きの磁界の強度Ｂαの変化は、Ｘ軸上での磁界の強度Ｂｘの変化、およびＹ軸上での磁界の強度Ｂｙの変化と同じ比率で、ほぼ一次関数で変化する。

図３では、磁石２の表面２ａにおいて、Ｘ軸と平行で、Ｙ軸上の位置Ｙ１を通過する線をＬで示している。中心ＯからＹ軸上の位置Ｙ１までの半径はｒｙであり、放射軸αと線Ｌとの交点をＹαとしたときに、中心Ｏから交点Ｙαまでの半径はｒαである。

位置Ｙ１における磁界のＹ方向の強度をＢｙ０とし、交点Ｙαにおける磁界の放射軸αに沿う方向の強度をＢαとする。強度Ｂｙ０と強度Ｂαは、共に半径ｒｙ、ｒαに比例し、しかもＹ軸に沿う向きの磁界強度の変化率と、放射軸αに沿う向きの磁界強度の変化率は同じである。この変化率を比例定数ａで表すと、強度Ｂｙ０＝ａ・ｒｙであり、強度Ｂα＝ａ・ｒαである。

Ｙ軸と放射軸αとの角度をθとすると、交点Ｙαでの磁界のＹ方向へ成分の強度Ｂｙは、Ｂｙ＝Ｂα・ｃｏｓθ＝ａ・ｒα・ｃｏｓθである。ここで、ｒα・ｃｏｓθ＝ｒｙであるから、Ｂｙ＝ａ・ｒｙ＝Ｂｙ０である。

つまり、中心Ｏを含む領域で、且つ中心Ｏを通過するそれぞれの放射軸上において、磁界の放射軸に沿う向きの強度が、図２に示すように一次関数で変化する領域であれば、Ｘ軸と平行な線上のどの位置であっても、磁界のＹ方向の成分の強度が同じであり、Ｙ軸と平行な線上のどの位置であっても、磁界のＸ方向の成分の強度が同じである。したがって、前記領域内で検知器１０を移動させると、Ｘ方向検知素子２０Ｘを含む回路でＸ方向での座標位置を検知でき、Ｙ方向検知素子２０Ｙを含む回路でＹ方向での座標位置を検知できる。

また、Ｘ方向検知素子２０ＸとＹ方向検知素子２０Ｙは、共に正方向と負方向の磁界強度を検知できるため、磁石２の表面２ａの中心Ｏを含む広い範囲内でＸ−Ｙ座標上の移動位置を検知できる。また、検知器１０のＸ方向とＹ方向への移動時間を測定すると、移動時間と移動距離とから可動部の移動速度を知ることもえきる。

本発明の実施の形態の位置検知装置を示す斜視図、 磁石の表面と平行に延びるＸ軸上の磁界の強度Ｂｘの変化を示す線図、 磁石の平面図、 検知器の内部構造を説明する斜視図、 （Ａ）はＹ方向検知素子（磁気抵抗効果素子）の構造を示す平面図、（Ｂ）はＹ方向検知素子（磁気抵抗効果素子）の固定磁性層の磁化方向と、バイアス磁界の方向を示す説明図、 磁気抵抗効果素子の素子部の断面図、 検知器の回路図、 検知器から得られる出力特性を示す線図、

符号の説明

１ 位置検知装置
２ 磁石
２ａ 表面
１０ 検知器
２０Ｘ Ｘ方向検知素子
２０Ｙ Ｙ方向検知素子
２１ 素子部
２２ 基板
２３ 反強磁性層
２４ 固定磁性層
２５ 非磁性導電層
２６ 自由磁性層

Claims (4)

1. 固定部と、この固定部に対向して平面内で移動する可動部とを有し、前記固定部と前記可動部の一方に磁石が他方に前記磁石から発せられた磁界を検知する検知器が設けられた位置検知装置において、
   前記磁石は前記可動部が移動する移動平面と平行な表面を有し、前記磁石は前記表面と裏側部分とが互いに異なる磁極に着磁され、
   前記検知器は、前記移動平面内で直交するＸ方向とＹ方向のうちのＸ方向での正方向と負方向の磁界の向きおよび強度を検知できる磁気抵抗効果素子、およびＹ方向での正方向と負方向の磁界の向きおよび強度を検知できる磁気抵抗効果素子とを有しており、
   それぞれの磁気抵抗効果素子からの検知出力により、前記平面内での前記可動部の位置を知ることができることを特徴とする位置検知装置。
2. 前記磁石の前記表面は円形である請求項１記載の位置検知装置。
3. 前記磁石の前記表面の中心を挟んで、Ｘ軸の正方向と負方向での前記可動部の座標位置と、Ｙ軸の正方向と負方向での前記可動部の座標位置とを知ることができる請求項１または２記載の位置検知装置。
4. 前記磁気抵抗効果装置は、磁化が固定された磁気固定層と、前記磁石からの磁界によりその磁化の向きが変化する自由磁性層とを有し、前記磁気固定層の磁化の方向と前記自由磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化するものであり、前記自由磁性層にバイアス磁界が与えられている請求項１ないし３のいずれかに記載の位置検知装置。

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