JP2015190880A - 位置検出装置 - Google Patents
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Description
そして、図10の位置検出装置においては、磁気スケール1の磁化方向が反転する長手方向(図中のx方向)に沿って移動する磁気ヘッド2が用意され、その磁気ヘッド2に2つの磁気センサ2a,2bが配置されている。それぞれの磁気センサ2a,2bは、近接した磁気スケール1に記録された磁化方向を検出するセンサであり、再生信号の1波長の1/4周期に相当する距離だけ配置位置がずれている。このため、一方の磁気センサ2aは、磁気スケール1の記録信号を正弦波形の信号(SIN信号)として検出し、他方の磁気センサ2bは、磁気スケール1の記録信号を余弦波形の信号(COS信号)として検出する。
特許文献1には、このような磁気式の位置検出装置の例についての記載がある。
磁気スケールを使用した位置検出装置においても、磁気ヘッドにTMR素子を適用することで、位置検出精度の向上が期待できる。
TMR素子は、従来から位置検出装置に使用されている検出素子とは異なった歪み特性を持つものであり、位置検出装置に適用する場合、新たな歪み除去手法が必要になっていた。例えば、TMR素子は、磁場による抵抗の変化率が大きい効果を有するが、TMR素子に加わる磁場による抵抗値の変化特性の線形性が確保できないと、磁気スケールからの正確な磁場の検出ができないという問題がある。
ここで、磁気検出素子は、バリア層を挟んだ第1及び第2の磁性層を有する素子によって構成される。第1の磁性層の磁化方向は、位置検出を行う方向と平行又は反平行に固定された方向である。第2の磁性層は、スケールからの漏洩磁気の内の位置検出を行う方向と平行又は反平行の方向の磁界の量に応じて磁化方向を変化させて、漏洩磁気を検出した位置に応じた信号を出力する。
バイアス磁場発生部は、磁気検出素子の第2の磁性層にバイアス磁場を印加し、スケールからの漏洩磁気がない状態で第2の磁性層の磁化方向を第1の磁性層の磁化方向とは異なる方向とするものである。
図1は、本例の位置検出装置を駆動機構に組み込んだ際の、位置検出装置を含む機構全体構成の例を示す図である。
図1に示す装置100は、工作機械に適用した例である。すなわち、装置100は、固定部101の上に移動自在に配置された移動台102とを備えた工作機械における、固定部101上の移動台102の移動距離を検出するものである。
移動台102には被工作物103が固定され、加工具105により被工作物103の加工が行われる。移動台102は、駆動部106による駆動で位置が変化する。
次に、図2及び図3を参照して、検出部20が備える磁気検出素子構成とバイアス磁場印加部の配置例について説明する。
磁気スケール11からの信号を検出する検出部20は、図2に示すように、磁気検出素子21を備える。磁気検出素子21は、磁気スケール11の表面に近接した状態に配置される。なお、図2は磁気スケール11と磁気検出素子21との位置関係を示す模式図であり、実際の磁気検出素子21は、この図2に示す形状のものより小さいサイズとしてもよい。また、図2では、1個の磁気検出素子21だけを示すが、実際にはSIN信号とCOS信号のそれぞれを検出するために、複数個の磁気検出素子21を配置する。
図3は、TMR素子である磁気検出素子21の構成例を示す図である。
図3に示すように、磁気検出素子21は、固定層21aとバリア層21bとフリー層21cの3層を有する構造になっている。なお、磁気検出素子21は、これらの層の他、信号の引き出しの為の配線層、保護層等各種の層構造が有るがここでは省略した。
フリー層21cは、磁気スケール11から漏洩する磁気により磁化方向が変化する層である。これら固定層21aとフリー層21cは強磁性層であり、バリア層21bは絶縁層である。磁気検出素子21は、固定層21aとフリー層21cの磁化方向が同じとき、素子21全体の抵抗値が小さくなり、固定層21aとフリー層21cの磁化方向が逆のとき、素子21全体の抵抗値が大きくなる。TMR素子の場合、この磁化方向の変化による抵抗値の変化が非常に大きい特徴がある。磁気検出素子21の抵抗値が変化する状態の詳細は後述する。
なお、バイアス磁界の方向H2を発生させる2つのバイアス磁場発生部31,32は、磁化方向H1と直交する方向から若干シフトした方向に配置することが好ましいが、この点については後述する。また、上述したように磁気検出素子21は複数個配置されるが、バイアス磁場発生部31,32は、全ての磁気検出素子21に個々に配置し、それぞれが個々の磁気検出素子21にバイアス磁界を印加するような配置とする。
次に、磁気検出素子21が磁気スケール11の磁場を検出する原理について説明する。
図4は、固定層21aの磁化方向H1と、バイアス磁界によるフリー層21cの磁化方向H2と、磁気スケール11の磁界方向HN,HSの関係を示す図である。
図4に示すように、固定層21aの磁化方向H1は、磁気スケール11のN極着磁部11Nの磁界方向HNと同じ方向であり、S極着磁部11Sの磁界方向HSと180°反対の方向である。
そして、磁気スケール11の磁界が影響ない状態での、バイアス磁界によるフリー層21cの磁化方向H2は、固定層21aの磁化方向H1と直交する方向である。
すなわち、磁気検出素子21が磁気スケール11のN極着磁部11Nの上に位置するときは、フリー層21cの磁化方向H2と、N極着磁部11Nの磁化方向HNとを合成した磁化方向H2Nが、フリー層21cの磁化方向になる。また、磁気検出素子21が磁気スケール11のS極着磁部11Sの上に位置するときは、フリー層21cの磁化方向H2と、S極着磁部11Sの磁化方向HSとを合成した磁化方向H2Sが、フリー層21cの磁化方向になる。
図5Aは、固定層21aの磁化方向とフリー層21cの磁化方向とが同じ方向であるときを示し、図5Bは、固定層21aの磁化方向とフリー層21cの磁化方向とが逆向きあるときを示す。この図5A,Bに示す磁気検出素子21は、図2に示す磁気検出素子21とは上下が逆である。
図5Cに示すグラフは、フリー層21cの磁化方向の変化による抵抗値の変化を示す。フリー層21cの磁化方向が0°のときが、図5Aに示す状態であり、フリー層21cの磁化方向が180°のときが、図5Bに示す状態である。
このようにバイアス磁場を発生させることで、TMR素子よりなる磁気検出素子21が、線形性のよいところで検出動作を行うようになる。
次に、バイアス磁場が与える影響について説明する。
図4に示すように、バイアス磁場を磁気スケール11の磁界方向と幾何学的に直角方向とした場合に、そのバイアス磁場の強さによっては、磁気検出素子21のフリー層21cの磁化方向が、バイアス磁場と直角になるまで回転できない場合がある。バイアス磁場を大きくすれば、そのバイアス磁場によりフリー層21cの磁化方を確実に回転させることができるが、その場合には、スケール磁場に対してバイアス磁場の量が大きくなるため、同一のスケール磁場に対して磁化方向を変動させる角度が減少する。
図6Aは、バイアス磁場H2−1が弱い場合の例である。このようにバイアス磁場H2−1が弱い場合には、磁気スケール11のN極着磁部11Nの磁化方向HNとバイアス磁場H2−1とを合成した磁化方向が検出される状態と、磁気スケール11のS極着磁部11Sの磁化方向HSとバイアス磁場H2−1とを合成した磁化方向が検出される状態のいずれかになる。したがって、磁気検出素子21で検出される磁化方向の変化範囲は、角度θ1となる。
このようにバイアス磁場H2−2が強い場合の角度範囲θ2が狭いということは、磁気スケール11の磁場の変化による抵抗変化量が減少し、磁気検出素子21の出力信号の振幅が減少することになり、検出精度を確保する上で好ましくない。
すなわち、磁気スケール11からの磁場がない状態で、磁気検出素子21の抵抗値が、ほぼ最大の抵抗値と最小の抵抗値の中間点になるように、バイアス磁場の方向を変えて設定する。
図7B及びCは、このバイアス磁場が加わった状態で、磁気スケール11からの一方又は他方の磁場が検出された状態を示す。図7Bに示す状態では、磁気検出素子21の固定層21aの磁化方向とフリー層21cの磁化方向は同じであり、図7Cに示す状態では、磁気検出素子21の固定層21aの磁化方向とフリー層21cの磁化方向は180°異なる方向である。
磁気検出素子21は、図7Bに示す状態のとき最小の抵抗値R1となり、図7Cに示す状態のとき最大の抵抗値R2となる。
図8Aは、磁気検出素子21の固定層21aの磁化方向と直交する方向から、角度θaだけシフトした角度で、バイアス磁場発生部31,32がバイアス磁場を加えた場合を示す。この状態が、上述した図7Dに示す磁気検出素子21の中間の抵抗値R0のときである。角度θaは、磁気検出素子21の配置状態などにより異なるが、例えば10°程度の値である。
バイアス磁場発生部31,32の配置状態として、この図8Aに示す状態に設定することで、磁気検出素子21に加わる磁気量と、磁気検出素子21で検出される抵抗値とが、一定の関係で正確に一致するようになる。したがって、信号歪みの少ない検出が可能で、位置検出装置として検出される位置情報の高精度に貢献する。
図9の横軸は、磁気スケール11の交番磁界の強さ(Oe)を示し、縦軸は抵抗値を示す。なお、抵抗値はHxで外部磁場がゼロの時の抵抗値を100とした相対値である。
この図9から判るように、バイアス磁場発生部31,32を直交位置から角度θaだけシフトして配置した場合の特性Hxは、磁気スケール11の交番磁界の磁場0[Oe]のときが、抵抗値変化の中心になる。すなわち、磁気検出素子21の抵抗変化特性カーブが、外部磁場が0の時の抵抗値を中心にほぼ180°対称になる。
一方、バイアス磁場発生部31,32を直交位置に配置した場合の特性Hyは、磁気スケール11の交番磁界の磁場0[Oe]のときが、抵抗値変化の中心からずれた状態になる。
なお、上述した実施の形態例で説明した角度や1波長などの各値は、好適な一例を示したものであり、本発明は、これらの数値に限定されるものではない。
また、上述した実施の形態例では、磁気検出素子として、トンネル磁気抵抗効果を利用したTMR素子を使用したが、バイアス磁界を加えることで特性が良好になる素子であれば、その他の構成の素子を使用してもよい。
Claims (4)
- 磁性媒体に磁気記録されたスケールと、
バリア層を挟んだ第1及び第2の磁性層を有する素子によって構成され、前記第1の磁性層の磁化方向は、位置検出を行う方向と平行又は反平行に固定された状態とし、前記第2の磁性層は、前記スケールからの漏洩磁気の内の位置検出を行う方向と平行又は反平行の方向の磁界の量に応じて磁化方向を変化させることで抵抗値を変化させて、前記漏洩磁気を検出した位置に応じた記録信号を出力する磁気検出素子と、
前記第2の磁性層にバイアス磁場を印加し、スケールからの漏洩磁気がない状態で前記第2の磁性層の磁化方向を前記第1の磁性層の前記磁化方向とは異なる方向とするバイアス磁場発生部と、
前記記録信号に基づいて、前記スケールに対する位置を検出する位置検出部と、を備える
位置検出装置。 - 前記バイアス磁場発生部は、前記第1の磁性層の前記磁化方向に対して直交方向、又は前記直交方向から所定の角度を有する方向に前記バイアス磁場を印加する
請求項1に記載の位置検出装置。 - 前記直交方向から所定の角度を有する方向に前記バイアス磁場を印加することで、磁気検出素子の抵抗変化特性カーブが、外部磁場が0の時の抵抗値を中心にほぼ180°対称になるようにした
請求項2に記載の位置検出装置。 - 前記バイアス磁場発生部は、個々の磁気検出素子を挟んだ位置から、前記磁気検出素子毎に前記バイアス磁場を印加する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の位置検出装置。
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