JP2009103516A - 位置検出装置、及び、バイアス磁界発生装置 - Google Patents

位置検出装置、及び、バイアス磁界発生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 さらなる高精度を実現することができる位置検出装置を提供する。
【解決手段】 ２つのインクリメンタル層１２、１３とアブソリュート層１４とからなり、アブソリュート層１４がインクリメンタル層１２、１３の間に設けられ、各層に磁気情報が記録された磁気記録媒体１５と、磁気記録媒体１５の各層が延在された方向に対し、相対移動し、各層と対向配置される３つの磁気抵抗効果素子２４、２５、２６からなり、各磁気抵抗効果素子２４、２５、２６により各層の磁気情報をそれぞれ検出する磁気検出手段２２とを備え、磁気検出手段２２には、各磁気抵抗効果素子２４、２５、２６に対向配置され、各磁気抵抗効果素子２４、２５、２６に対応したバイアス磁界を発生させるバイアス磁界発生手段３０が設けられる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、工作期間や産業機械、精密測長・測角装置等に適用される磁気式のスケール、ロータリエンコーダ等の位置検出装置及びこの位置検出装置に用いられるバイアス磁界発生装置に関する。
従来、工作機械や産業機械、精密測長・測角装置等に適用される磁気式のスケール、ロータリエンコーダ等である位置検出装置の検出ヘッドとして、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ等の薄膜による磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）が用いられている。
このＭＲ素子による検出ヘッドを使用したスケール、ロータリエンコーダにおいても、その目的、用途等により様々な形状、構造の物が有るが、その性能として高精度、高分解能を必要とする種類の物については、基本的に磁気記録のピッチ（記録波長）を短くし、又はＭＲセンサの出力波形においてその波形の高調波歪の低減やＳ／Ｎ比の向上を行って一波長内における内挿時の誤差を減らす様にして高精度、高分解能を実現している。
また、このような検出ヘッドにおいて、さらなる高精度、高分解能を実現するために、ＭＲセンサにバイアス磁石を設けることにより、バイアス磁界を発生させ、センサ精度を向上させることが知られている。
ところで、上述の位置検出装置は、ＭＲセンサと対向する位置に磁気情報が記録された磁気記録媒体を有し、ＭＲセンサと磁気記録媒体とが相対移動した際に、ＭＲセンサが、磁気記録媒体の磁気情報を検出することにより、位置を検出している。この位置検出装置に用いられる磁気記録媒体としては、インクリメンタル層とアブソリュート層を備えるものが提案されている。このインクリメンタル層とアブソリュート層とを備える磁気記録媒体においては、インクリメンタル層とアブソリュート層とを各１つずつ備え、互いに平行配置する２トラック構成のものが一般的である。また、アブソリュート層とインクリメンタル層との位相差を少なくする目的で、アブソリュート層を２つのインクリメンタル層とで挟み、３層を平行配置する３トラック構成からなる磁気記録媒体も提案されている。
ここで、複数のトラックを有する磁気記録媒体の磁気情報を検出する検出ヘッドからなる位置検出装置に、上述のバイアス磁界発生手段を設ける場合、アブソリュート層とインクリメンタル層のそれぞれに対応するＭＲセンサに対しては、同じバイアス磁界しかかけられず、インクリメンタル層に合わせると、アブソリュート層におけるＭＲセンサの感度が悪くなり、磁気情報の検出精度が悪くなる。また、当該バイアス磁界をアブソリュート層に合わせると、インクリメンタル層における戻り誤差と内挿精度が大幅に悪化する。
特開平８−６８６６１号公報
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、ＭＲ素子を検出ヘッドに用いて高精度を得られる構成とした磁気式のスケール、エンコーダ等の位置検出装置において、さらなる高精度を実現することができる位置検出装置、及び、この位置検出装置に適用されるバイアス磁界発生装置を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明に係る位置検出装置は、２つのインクリメンタル層とアブソリュート層とからなり、該アブソリュート層が該インクリメンタル層の間に設けられ、上記各層に磁気情報が記録された磁気記録媒体と、上記磁気記録媒体の各層が延在された方向に対し、相対移動し、上記各層と対向配置される３つの磁気抵抗効果素子からなり、該各磁気抵抗効果素子により上記各層の磁気情報をそれぞれ検出する磁気検出手段とを備える。そして、上記磁気検出手段には、上記各磁気抵抗効果素子に対向配置され、該各磁気抵抗効果素子に対応したバイアス磁界を発生させるバイアス磁界発生手段が設けられることを特徴とする。
また、本発明に係るバイアス磁界発生装置は、２つのインクリメンタル層とアブソリュート層とからなり、該アブソリュート層が該インクリメンタル層の間に設けられ、上記各層に磁気情報が記録された磁気記録媒体と、該磁気記録媒体の各層が延在された方向に対し、相対移動し、該各層と対向配置される３つの磁気抵抗効果素子からなり、該磁気抵抗効果素子により該各層の磁気情報をそれぞれ検出する磁気検出手段とを有する位置検出装置に適用されるバイアス磁界発生装置であって、上記磁気検出手段の各磁気抵抗効果素子に対向配置され、該各磁気抵抗効果素子に対応したバイアス磁界を発生させるバイアス磁界発生手段を備えることを特徴とする。
本発明によれば、アブソリュート層とインクリメンタル層とを備える磁気記録媒体の磁気情報を検出する各磁気抵抗効果素子に対して、最適なバイアス磁界を発生させることができ、インクリメンタル層においては、戻り誤差と内挿が最も向上し、アブソリュート層においては磁気情報の検出を高精度に行うことができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明を適用した位置検出装置１は、工作機械や産業機械、精密測長・測角装置等に設けられ、図１に示すように、例えば、各種工作機械の被工作物取付台側に設けられた取付基台部２に取り付けられるスケール部材３と、刃物送り台４に設けられ、スケール部材３と対向して配置される磁気検出手段としてのセンサユニット５とを備える。
位置検出装置１は、被工作物取付台に対して刃物送り台４が相対移動し、その相対位置、すなわち刃物送り台４に取り付けた刃物による被工作物に対する加工位置を刻々と検出して工作機械の制御部に対して検出信号を出力する。
なお、位置検出装置１は、上述した構造に限定されず、例えば刃物送り台４や被工作物取付台の動作に追従する部位にそれぞれセンサユニット５とスケール部材３を取り付けるようにしてもよい。また、位置検出装置１は、例えば刃物送り台４側にスケール部材３を取り付けるとともに、被工作物送り台側にセンサユニット５を取り付けるようにしてもよい。また、位置検出装置１は、上述した構造を有する工作機械ばかりでなく他の構造を有する工作機械にも取り付けられるとともに様々な機器にも取り付けられることはもちろんである。
工作機械の取付基台部２に取り付けられるスケール部材３は、図２及び図３に示すように、長尺状のスケール基材１１と、２つのインクリメンタル層１２、１３とアブソリュート層１４とを備える磁気記録媒体１５とから構成されている。スケール部材３は、例えば、平角断面形状のガラス基材からなるスケール基材１１の表面に磁性体を無電解メッキで２〜３［μｍ］被着したものを用いて通常の磁気記録ヘッドにより長手方向に所定のパターンを記録することにより磁気記録媒体１５のインクリメンタル層１２、１３及びアブソリュート層１４を形成する。スケール部材３は、スケール基材１１に設けられた取付孔を介して取付基台部２にボルト等により螺着される。
スケール部材３を構成するインクリメンタル層１２、１３及びアブソリュート層１４は、アブソリュート層１４がインクリメンタル層１２、１３の間に設けられている。インクリメンタル層１２、１３及びアブソリュート層１４は、それぞれ図２に示すようなパターンの磁気信号が記録されている。スケール部材３のインクリメンタル層１２、１３は、例えば、それぞれＮ極とＳ極とを一定のピッチで交互に着磁して磁気信号が記録されている。また、スケール部材３のアブソリュート層１４は、例えば所定の定点位置に対応した位置に磁気情報が記録された磁気記録部と、それ以外の位置において磁気情報が記録されていない非記録部とから構成されている。
スケール部材３に対して長手方向に相対移動するセンサユニット５は、図１に示すように、例えば、合成樹脂材により形成される取付部を介して刃物送り台４の取付部に取り付けられる筐体２１と、この筐体２１に一定の取付姿勢に保持して取り付けする図示しない支持機構を介して搭載された検出ヘッド２２と、図示しない検出回路等を備えて構成される。センサユニット５は、スケール部材３に対して走行ガイド機構２３を介して対向配置され、被工作物の加工が行われることにより図１中矢印Ａで示す方向に、刃物送り台４と一体的に往復移動する。
センサユニット５の検出ヘッド２２は、第１のインクリメンタル層用センサ２４、第２のインクリメンタル層用センサ２５、アブソリュート層用センサ２６の３つのセンサと、各センサに対向する位置に配置される磁界発生手段３０とから構成されている。各センサは、例えば、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）から構成されている。なお、各センサは、上述に限らず、高精度にスケール部材３の磁気情報を検出することができるものであれば、いかなるものであってもよく、例えば、人工格子膜構造の磁気抵抗効果素子であってもよい。第１のインクリメンタル層用センサ２４は、スケール部材３のインクリメンタル層１２と一定の間隔を保って対向配置される。第２のインクリメンタル層用センサ２５は、スケール部材３のインクリメンタル層１３と一定の間隔を保って対向配置される。アブソリュート層用センサ２６は、スケール部材３のアブソリュート層１４と一定の間隔を保って対向配置される。
磁界発生手段３０は、各センサの磁気記録媒体１５と対向する面とは反対側の面に対向配置され、当該対向配置した各センサにバイアス磁界をかける。具体的には、磁界発生手段３０は、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示すように、第１及び第２のインクリメンタル層用センサ２４、２５及びアブソリュート層用センサ２６を覆うように対向配置されるアブソリュート層用バイアス磁石部材３１と、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１に積層され、第１のインクリメンタル層用センサ２４を覆うように対向配置される第１のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２と、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１に積層され、第２のインクリメンタル層用センサ２５を覆うように対向配置される第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３３とから構成されている。
アブソリュート層用バイアス磁石部材３１は、薄板形状を有する永久磁石からなり、長辺がスケール部材３の長手方向と直交し、短辺がスケール部材３の長手方向と平行となるように、主面が３つのセンサ２４、２５、２６を覆う大きさに形成されている。第１のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２は、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１と同様に、薄板形状を有する永久磁石からなり、アブソリュート層１４と対向する位置を除き、第１のインクリメンタル層用センサ２４のみを覆うような大きさに形成されている。第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３３は、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１と同様に、薄板形状を有する永久磁石からなり、アブソリュート層１４と対向する位置を除き、第２のインクリメンタル層用センサ２５を覆うような大きさに形成されている。
第１及び第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２、３３は、それぞれアブソリュート層用バイアス磁石部材３１と略同一の厚みを有し、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１の短辺よりやや短い幅に形成されている。磁界発生手段３０は、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１と第１及び第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２、３３とが、接着剤等により接着されて、図４（Ｂ）に示すように、断面が略コ字状となるように一体に組み合わされている。
磁界発生手段３０は、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１に第１及び第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２、３３が設けられた側の面が、各センサ２４、２５、２６と対向し、所定の間隔を空けて配置される。
また、磁界発生手段３０は、図５に示すように、第１のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２と第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３３とが、着磁方向が異なるように配置される。図５の例においては、第１のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２と第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３３は、Ｓ極同士が近接するように形成されている。
このような構成を有する磁界発生手段３０は、対向するセンサ２４、２５、２６にかけるバイアス磁界に応じて、磁石の厚みを変えるようにする、すなわち、第１及び第２のインクリメンタル層用センサ２４、２５に対するバイアス磁石の厚みと、アブソリュート層用センサ２６に対するバイアス磁石の厚みとでは、アブソリュート層用センサ２６に対するバイアス磁石が薄く形成されている。さらに、磁界発生手段３０では、第１のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２と第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３３とが、その着磁方向が異なるように配置されていることから、これらの間に介在されるアブソリュート層用センサ２６に対するバイアス磁界は減磁されている。
このような構成を有する磁界発生手段３０は、図６に示すように、中央において、磁界の発生が抑えられていることが分かる。図６に示すシミュレーション結果においては、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１として、９×１４×０．５［ｍｍ］の大きさの磁石を用い、第１及び第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２、３３として、８×６×０．５［ｍｍ］の大きさの磁石２つを用いて、図４に示す磁界発生手段３０のように形成し、発生する磁界のシミュレーションを行った。図６においては、第１及び第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２、３３の最近傍にあたる領域Ａでは、最も磁界が強く、第１及び第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２、３３の間の位置にあたる領域Ｂ、Ｃ、Ｄでは、領域Ａと比較して弱い磁界が発生しており、かつ、領域Ｂ、Ｃ、Ｄの順に領域Ａの磁界の強さに近づき、領域Ｂで最も磁界が抑えられていることがわかる。なお、本測定においては、第１及び第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材３２、３３の着磁方向は同一のものを使用した。この測定結果からも、それぞれの位置において発生する磁界の強さが異なることがわかる。
以上のような構成を備える位置検出装置では、アブソリュート層が２つのインクリメンタル層により挟まれるスケール部材を備え、磁気記録媒体の磁気情報を検出する各磁気抵抗効果素子に対して、最適なバイアス磁界を発生させることができ、インクリメンタル層においては、戻り誤差と内挿が最も向上し、アブソリュート層においては磁気情報の検出を高精度に行うことができる。
なお、本発明に係る位置検出装置の磁界発生手段は、上述のように、バイアス磁石の厚みと着磁方向との組み合わせに限らず、いずれか一方のみを用いて、バイアス磁界の調整を図るようにしてもよい。また、磁界発生手段３０のように、複数の部材の組み合わせに限らず、同様の形状を有する一体ものを形成するものであってもよい。さらに、磁界発生手段は、バイアス磁石の着磁方向を異なるようにすることに着目すると、例えば、図７に示すように、アブソリュート層用バイアス磁石部材３１をなくし、着磁方向が異なる２枚の薄板状の永久磁石からなる磁界発生手段４０を用いるようにしても同様の目的を達成することができる。
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
本発明の第１の実施の形態として示す位置検出装置の取付構造を示す要部斜視図である。 スケール部材の磁気記録媒体に記録されている磁気信号パターンを示す模式図である。 検出ヘッドとスケール部材との位置関係を示すための要部斜視図である。 （Ａ）は、磁界発生手段の平面図であり、（Ｂ）は、正面図であり、（Ｃ）は、側面図である。 磁界発生手段の他の実施の形態を示す斜視図である。 図４の磁界発生手段における発生する磁界のシミュレーション図である。 磁界発生手段の他の実施の形態を示す斜視図である。
符号の説明
１ 位置検出装置、２ 取付基台部、３ スケール部材、４ 刃物送り台、５ センサユニット、１１ スケール基材、１２、１３ インクリメンタル層、１４ アブソリュート層、１５ 磁気記録媒体、２１ 筐体、２２ 検出ヘッド、２３ 走行ガイド機構、２４ 第１のインクリメンタル層用センサ、２５ 第２のインクリメンタル層用センサ、２６ アブソリュート層用センサ、３０ 磁界発生手段、３１ アブソリュート層用バイアス磁石部材、３２ 第１のインクリメンタル層用バイアス磁石部材、３３ 第２のインクリメンタル層用バイアス磁石部材

Claims (6)

  1. ２つのインクリメンタル層とアブソリュート層とからなり、該アブソリュート層が該インクリメンタル層の間に設けられ、上記各層に磁気情報が記録された磁気記録媒体と、
    上記磁気記録媒体の各層が延在された方向に対し、相対移動し、上記各層と対向配置される３つの磁気抵抗効果素子からなり、該各磁気抵抗効果素子により該各層の磁気情報をそれぞれ検出する磁気検出手段とを備え、
    上記磁気検出手段には、上記各磁気抵抗効果素子に対向配置され、該各磁気抵抗効果素子に対応したバイアス磁界を発生させるバイアス磁界発生手段が設けられることを特徴とする位置検出装置。
  2. 上記バイアス磁界発生手段は、上記磁気記録媒体の各層に対向する上記磁気検出手段の磁気抵抗効果素子に応じて厚みが異なるバイアス磁石からなることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
  3. 上記バイアス磁界発生手段は、上記磁気記録媒体の各層に対向する上記磁気検出手段の磁気抵抗効果素子に応じて、着磁方向が異なる複数のバイアス磁石からなることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
  4. ２つのインクリメンタル層とアブソリュート層とからなり、該アブソリュート層が該インクリメンタル層の間に設けられ、上記各層に磁気情報が記録された磁気記録媒体と、該磁気記録媒体の各層が延在された方向に対し、相対移動し、該各層と対向配置される３つの磁気抵抗効果素子からなり、該磁気抵抗効果素子により該各層の磁気情報をそれぞれ検出する磁気検出手段とを有する位置検出装置に適用されるバイアス磁界発生装置において、
    上記磁気検出手段の各磁気抵抗効果素子に対向配置され、該各磁気抵抗効果素子に対応したバイアス磁界を発生させるバイアス磁界発生手段を備えることを特徴とするバイアス磁界発生装置。
  5. 上記バイアス磁界発生手段は、上記磁気記録媒体の各層に対向する上記磁気検出手段の磁気抵抗効果素子に応じて厚みが異なるバイアス磁石からなることを特徴とする請求項４記載のバイアス磁界発生装置。
  6. 上記バイアス磁界発生手段は、上記磁気記録媒体の各層に対向する上記磁気検出手段の磁気抵抗効果素子に応じて、着磁方向が異なる複数のバイアス磁石からなることを特徴とする請求項４記載のバイアス磁界発生装置。
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