JP2015190882A - 位置検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】TMR素子のような従来とは異なる特性を持つ素子を使用して、精度の高い位置検出を行う。
【解決手段】一定周期の磁気信号が磁気記録されたスケール11からの漏洩磁気を検出し、漏洩磁気を検出した位置の記録信号を出力する磁気検出素子21を備える。磁気検出素子21は、スケールに対する磁気信号の検出方向に沿って、位相の異なる少なくとも一組の信号が出力されるパターンとされ、かつ、検出方向と直交する方向であって、磁気信号の単位波長より短い範囲内に配置される。
【選択図】図2

Description

本発明は、磁気スケールと磁気検出素子との相対位置を検出する位置検出装置に関する。
従来、直線変位や回転変位等の精密な変位位置を検出する位置検出装置として、磁気スケールと磁気検出素子を備えた位置検出装置が知られている。この位置検出装置は、例えば搬送物の高精度な位置決め制御が必要とされる電子部品の実装装置や部品の寸法を検出(測定)する検出(測定)装置等に広く利用されている。
図10は、従来の磁気式の位置検出装置の磁気スケールと磁気検出素子の配置例を示す図である。図10の例は、直線変位を検出する場合であり、磁気媒体で構成された磁気スケール1を備える。磁気スケール1は、S極とN極の磁化方向を一定の距離ごとに反転させている。このS極とN極が繰り返される1単位が、磁気スケール1の記録信号の1波長となる。
そして、位置検出装置は、磁気スケール1に近接した位置に、磁気検出素子3a〜3hが配置された検出部2を備える。磁気検出素子3a〜3hとしては、例えば異方向性磁気抵抗効果を利用したAMR(Anisotropic Magneto-Resistance)素子が使用されている。この磁気検出装置では、磁気スケール1が固定側に、検出部2が可動側に配置されており、位置検出装置は、磁気スケール1と検出部2との相対位置を検出するようになっている。
図11は、8個の磁気検出素子3a〜3hの配置例を示す図である。図11Aは磁気スケール1の上面から見た素子配置であり、図11Bは磁気スケール1の断面方向で見た素子配置である。
磁気スケール1は、長手方向に一定間隔でN極とS極に着磁されている。そして、磁気検出素子21が検出する信号としては、N極とS極が変化する1つの周期が1波長λになる。その1波長λの1/2が、1ピッチPになる。N極とS極は、1ピッチ間隔で直線状に並んでいる。
そして、磁気スケール1に近接して、4個の磁気検出素子3a〜3dが近接して配置される。これら4個の磁気検出素子3a〜3dの配置間隔としては、図11Aに示すように、2つの磁気検出素子3a,3bが1ピッチPの間隔で配置され、別の2つの磁気検出素子3c,3dが1ピッチPの間隔で配置される。そして、磁気検出素子3aと磁気検出素子3cとが、(n+1/2)Pだけ離して配置される。nは、整数である。これら4個の磁気検出素子3a〜3dが、直列に接続される。この4個の磁気検出素子3a〜3dを直列に接続した直列回路が、所定の電位Vの箇所と接地電位部GNDとの間に接続され、その直列回路の中点(すなわち磁気検出素子3b,3cの接続点)から、信号Ch+が取り出される。
さらに、これら4個の磁気検出素子3a〜3dと一定の距離(m+1/2)Pだけ離して、別の4個の磁気検出素子3e〜3hが配置される。mは、整数である。これら4個の磁気検出素子3e〜3hの配置間隔は、磁気検出素子3a〜3dと同じであり、これら4個の磁気検出素子3e〜3hが、直列に接続される。この4個の磁気検出素子3e〜3hを直列に接続した直列回路が、所定の電位Vの箇所と接地電位部GNDとの間に接続され、その直列回路の中点(すなわち磁気検出素子3f,3gの接続点)から、信号Ch−が取り出される。
なお、各磁気検出素子3a〜3hは、ほぼ中央にP/6の段差部を有する。このP/6の段差部は、検出信号から3次歪みを除去するためのものである。
図12は、これら8個の磁気検出素子3a〜3hから検出信号を得る接続構成を示す図である。
4個の磁気検出素子3a〜3dの中点から得た信号Ch+と、4個の磁気検出素子3e〜3hの中点から得た信号Ch−とが、演算増幅器4に供給される。この演算増幅器4では、両信号Ch+,Ch−が増幅されて検出信号として取り出される。
この図11,図12に示す構成で磁気検出素子3a〜3hが検出した信号を取り出すことで、歪みがキャンセルされた検出信号が得られる。すなわち、4個の磁気検出素子3a〜3dの内の素子3a,3bと、素子3c,3dとが、記録信号の1波長の1/4の間隔で配置されていることで、それぞれの組で検出される信号変化が逆相になる。そして、その4個の磁気検出素子3a〜3dが直列に接続されて、その直列回路の中点から信号Ch+が取り出されることで、検出信号の偶数次歪みがキャンセルされる。
もう1つの組の4個の磁気検出素子3e〜3hについても同様に接続されて信号Ch−が取り出されることで、検出信号の偶数次歪みがキャンセルされる。
さらに、これらの信号Ch+,Ch−が供給されることにより、演算増幅器4で増幅された検出信号が得られる。
この図11及び図12に示す構成は、1つの検出信号を得るためのものであり、磁気スケール1から複数の信号を得る際には、図11に示す検出部2が、検出信号の数だけ配置される。例えば、磁気スケール1の記録信号を正弦波形の信号(SIN信号)と余弦波形の信号(COS信号)として検出する必要がある場合には、図11に示す検出部2が2組必要である。−SIN信号と−COS信号を得る場合には、さらに2組の検出部2が必要である。
特許文献1には、上述した磁気式の位置検出装置の例について記載されている。
特開2009−36637号公報
ところで、従来から位置検出装置の磁気検出素子として使用されているAMR素子は、磁場の変化に対する抵抗変化率が小さいという問題があった。また、磁気検出素子を磁気スケールに近接した位置に配置する際には、極力小さい磁場で抵抗値が変化するように感度が高くなるような位置関係とするのが一般的である。
ここで、AMR素子は、低磁場で鋭く抵抗値が変化し、磁場が強い箇所で飽和する特性である。図13は、AMR素子の磁場(横軸)に対する抵抗値の変化率(縦軸)を示す図である。図13では磁場0の時の抵抗値と磁場250の時の抵抗値での変化率を100として相対化した縦軸で表示している。実際の抵抗値の変化としては凡そ3%程度の抵抗変化がこの値に相当する。
この図13に示すように、磁場が強い箇所では飽和した特性になってしまう。この飽和した箇所では、磁場に対する抵抗値の変化率を示すカーブが歪み、それに伴って検出される信号も歪んだものになってしまう。
このように検出信号が歪むことは、位置検出精度の劣化につながり好ましくない。すなわち、位置検出装置は、検出部で得た検出波形の内挿処理で、正確な相対位置を検出するため、磁気検出素子で検出される信号波形が歪むことは、極力避ける必要がある。しかしながら、従来の歪み除去構成では十分とは言えない問題があった。
高次の高調波歪みまで除去するためには、それぞれの次数の歪みをキャンセルする磁気検出素子を配置する必要がある。しかしながら、AMR素子などで構成される磁気検出素子は、1個のサイズが比較的大きく、高次の高調波歪みを除去するために多数配置する必要がある。このため、多くの設置スペースが必要になり、磁気検出素子を配置した検出部が大型化してしまう問題がある。
図11の例の場合には、それぞれの磁気検出素子3a〜3hがP/6ピッチずれた段差部があるのは、3次高調波をキャンセルするためである。3次高調波をキャンセルする場合には、この程度の構成で対処できるが、3次以上の高調波をキャンセルする場合には、シフト量がより細かくなり、それぞれの高調波をキャンセルするための素子が重なってしまうという問題が発生する。このため、それぞれの素子を1ピッチ以上離して配置する必要があり、結果的に磁気検出素子を配置した検出部が非常に大型化してしまうことになる。
また、個々の磁気検出素子3a〜3hは、基準となる位置で検出される信号から、例えば、1ピッチの整数倍といった一定の距離離れた位置に配置されることにより、目的とする位相の信号が検出される。しかし、このように離れた箇所に配置した素子から検出される信号は、同じ位置から検出される信号ではないため、完全には歪みのキャンセルができない。
例えば、磁気スケールのそれぞれの磁化部の磁化状態が等しければ、1ピッチ以上離れた箇所から検出した2つの信号であっても正しくキャンセルできる。しかしながら、磁気スケール上の磁化状態(媒体の磁気均一性,表面形状等)は、様々な要因で完全には等しくならないことが一般的であり、磁気スケールからの漏洩磁気が不均一となる。このため、高調波の歪みをキャンセルする効果が減少してしまうという問題があった。
なお、このことは磁気スケールの長手方向と直交する幅方向にも言えることであり、複数の磁気検出素子が、磁気スケールの幅方向にずれて配置されるのは、キャンセル効果が減少するため好ましいことではない。
したがって、高次の次数の高調波歪みをキャンセルするペアの磁気検出素子は、同一波長内で、かつ同一のトラック位置に配置するのが好ましいが、上述したAMR素子などの従来から使用されている素子では、1個の素子のサイズが大きいため、同一波長内の同一のトラック位置に配置することは困難であった。
また、位置検出装置が検出する信号としては、少なくとも位相が90°シフトしたSIN信号とCOS信号の2つの信号を検出する必要がある。ここで、従来のAMR素子を使用した検出部2の場合には、AMR素子のサイズが磁気スケールに対して比較的大きいため、1つの検出部でSIN信号とCOS信号を同時に検出することが困難である。つまり、SIN信号を検出する検出部と、COS信号を検出する検出部が、磁気スケールの長手方向に所定波長分だけずれた位置に配置される。したがって、2つの位相の信号の状態(レベルや位相など)についても、完全に一致した状態とはならず、精度上問題があった。
本発明の目的は、歪みなどの影響を排除した精度の高い位置検出が可能な位置検出装置を提供することにある。
本発明の位置検出装置は、一定周期の磁気信号が磁性媒体に磁気記録されたスケールと、スケールからの漏洩磁気を検出し、漏洩磁気を検出した位置の記録信号を出力する磁気検出素子と、記録信号に基づいて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。
磁気検出素子は、スケールに対する磁気信号の検出方向に沿って、位相の異なる少なくとも一組の信号が出力されるパターンとされ、かつ、検出方向と直交する方向であって、磁気信号の単位波長より短い範囲内に配置される。
この場合、位相の異なる一組の信号の逆相を出力する都合二組の信号を出力し、位相が逆相になる出力の検出部は検出方向と直交する方向で隣どうしに配置される様にしてもよい。
更には、前記位相の異なる少なくとも一組の信号が出力される検出部又は前記二組の信号を検出する合計4つの検出部に於いては、それぞれの検出素子群の配置構造が同一であり、且つそれぞれの検出素子群の長手方向の配置において、それぞれの異なる位相差で長手にずれる量は磁気信号の単位波長より少ない距離での最小位相差としてもよい。
本発明によると、位相の異なる信号が出力される複数のパターン群が、磁気信号の単位波長より短い範囲内で、かつ信号を検出する方向と直交する方向に並べて配置されることで、各位相の検出信号が、スケール上の同じ単位波長内の記録信号から検出されるようになる。このため、それぞれの位相の信号のレベルなどが相違することが極力抑えられ、位相の異なる複数の信号から位置を検出する際の検出精度が向上する効果を有する。
本発明の第1の実施の形態による位置検出装置を含む機構全体構成の例を示す構成図である。 本発明の第1の実施の形態による位置検出装置の素子配列例を示す構成図である。 本発明の第1の実施の形態による磁気検出素子の構成例を示す斜視図である。 本発明の第1の実施の形態による磁気検出素子の抵抗値の変化例を示す説明図である。 本発明の第1の実施の形態による磁気検出素子の接続例を示す構成図である。 本発明の第2の実施の形態による位置検出装置の素子配列例を示す構成図である。 図6の一部を拡大して示す構成図である。 本発明の第2の実施の形態による磁気検出素子の接続例を示す構成図である。 本発明の第2の実施の形態による素子配列例をさらに高次の高調波歪まで低減するように発展させた例を示す構成図である。 従来の位置検出装置の磁気スケールと磁気検出素子との配置例を示す説明図である。 図10に示す磁気検出素子の配置状態の詳細を示す平面図(A)及び断面図(B)である。 従来の磁気検出素子の接続例を示す構成図である。 従来の磁気検出素子(AMR素子)の磁場−抵抗の検出特性の例を示す特性図である。
<1.第1の実施の形態例>
以下、本発明の第1の実施の形態例を、図1〜図5を参照して説明する。
[1−1.位置検出装置の構成例]
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に示す位置検出装置100は、工作機械に適用した例である。すなわち、位置検出装置100は、固定部101の上に移動自在に配置された移動台102を備えた工作機械において、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。
移動台102には、磁気スケール11が配置されている。磁気スケール11は、一定の距離ごとにN極とS極に交互に着磁させた信号を記録した磁性媒体を、金属板の表面に貼り付けた構成である。この磁気スケール11は、位置検出装置100で移動を検出する最大の距離以上の長さに形成されている。
また、固定部101側には検出部20が配置され、この検出部20が磁気スケール11と近接している。そして、検出部20内の検出素子(図2に示す磁気検出素子21)が、磁気スケール11に記録された信号を検出する。ここでは、検出部20が複数の磁気検出素子を備えて、それぞれの磁気検出素子で、磁気スケール1の記録信号を正弦波形の信号(SIN信号)及び余弦波形の信号(COS信号)として検出する。また、検出部20には、SIN信号とCOS信号の反転信号である、−SIN信号及び−COS信号を検出する磁気検出素子も配置されている。
検出部20が検出したこれらのSIN信号,−SIN信号,COS信号及び−COS信号は、位置検出部104に供給され、位置検出部104の演算処理で、これらの信号から磁気スケール11と検出部20との相対位置が算出される。位置検出部104が算出した位置情報は、制御部107に供給される。制御部107は、目標位置入力部108から入力した目標位置情報と、位置検出部104から供給された位置情報との差分を算出し、その差分だけ移動台102を移動させる駆動信号を生成する。そして、制御部107が生成した駆動信号が駆動部106に供給される。駆動部106は、供給された駆動信号で示された移動量だけ移動台102を移動させる。
[1−2.磁気検出素子の配置例]
図2は、磁気スケール11に対する検出部20の配置例を示す図である。
磁気スケール11は、N極着磁部11NとS極着磁部11Sとが一定間隔で連続している。図2に示すように、N極とS極が変化する1つの周期が1波長λになる。その1波長λの1/2が、1ピッチPになる。ここでは、1波長λを400μmとしている。
検出部20は、TMR素子(トンネル磁気接合素子)よりなる磁気検出素子21を複数個用意して、集密に配置したものである。TMR素子は、トンネル磁気抵抗効果(TMR効果:tunnel Magneto-Resistance Effect)を利用したものである。TMR素子には、磁場変化に対する抵抗値の変化が大きいという利点があり、磁気スケール11から漏洩する磁場を検出する磁気検出素子21にTMR素子を適用した場合、個々の磁気検出素子21を非常に小さいサイズにすることが可能である。
図2の例では、磁気スケール11の長手方向と直交する方向である磁気スケール11の幅Wの方向に、4つの検出部20−1〜20−4が隣接して配置されている。磁気スケール11の幅Wの方向に、この4つの検出部20−1〜20−4を並べる際には、単位波長より短い範囲内で、極力短い間隔で配置している。
検出部20−1a,bは、−COS信号を検出する素子のパターン群として機能する、−COS検出部である。検出部20−2a,bは、COS信号を検出する素子のパターン群として機能する、COS検出部である。検出部20−3a,bは、−SIN信号を検出する素子のパターン群として機能する、−SIN検出部である。検出部20−4a,bは、SIN信号を検出する素子のパターン群として機能する、SIN検出部である。これらの−SIN信号,SIN信号,−COS信号及びCOS信号を検出するために、それぞれの検出部20−1a,b〜20−4a,bは、磁気スケール11の長手方向に順にλ/4ずつシフトした位置に配置されている。具体的には、−COS検出部20−1a,bとCOS検出部20−2a,bとは、1ピッチPの間隔で配置され、−SIN検出部20−3a,bとSIN検出部20−4a,bについても、1ピッチPの間隔で配置されている。−COS検出部20−1と−SIN検出部20−3とは、1ピッチPの半分の間隔(すなわちλ/4)で配置されている。
符号a,bを付けて示す各検出部20−1〜20−4の2つの検出部(例えば検出部20−1aと検出部20−1b)は、電気的に直列に接続され、その直列に接続した2つの検出部(例えば検出部20−1a,20−1b)の接続点から出力信号が取り出される。このようにして、検出部は所謂ブリッジ構成としている。
それぞれの検出部20−1a,b〜20−4a,bには、磁気信号の単位波長の範囲内で、複数の磁気検出素子21が所定のパターンで集密に配置されている。以後の説明では、これらの検出部20−1a,b〜20−4a,bは、集密配置部と称する場合がある。ここでは、各検出部20−1a,20−1b〜20−4a,20−4b内の複数の磁気検出素子21は、奇数次の高調波歪みがキャンセルできる位置に配置される。
すなわち、それぞれの磁気検出素子21は、磁気スケール11の長手方向に沿って、記録信号の1波長λの1/2n(nは3以上の素数)のピッチとしたパターンで配置される。そして、m個(mは整数)の奇数次高調波をキャンセルするために、磁気スケール11の長手方向でもっとも離れる磁気検出素子21の距離Lが、
L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7+…1/(2m+1))
となる範囲に、2のm乗個の磁気検出素子21が配置される。
具体的には、例えば検出部20−1a,b〜20−4a,bが、3次と5次と7次の高調波歪をキャンセルする構成のとき、それぞれの検出部20−1a,b〜20−4a,bには、L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7)となる範囲に、8個(2の3乗個)の磁気検出素子21が配置される。
図2の例では、それぞれの集密配置部である検出部20−1a,b〜20−4a,bには、磁気スケール11の長手方向に4個の磁気検出素子21が配置され、その4個の磁気検出素子21が磁気スケール11の幅方向に2列に配置されている。3次と5次と7次の高調波歪をキャンセルするために必要な素子21の配置間隔の具体的な例については、第2の実施の形態例で説明し、ここでは省略する。
[1−3.磁気検出素子の構成]
次に、図3を参照して、検出部20が備える磁気検出素子21の構成について説明する。
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。
固定層21aは、磁化方向が固定された層である。固定層21aの磁化方向H1は、例えば、磁気スケール11のN極着磁部から漏洩する磁界方向と同じ方向になっている。
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。このように磁化方向の変化に応じて磁気検出素子21の抵抗値が大きく変化する。さらにTMR素子は1個の磁気検出素子21の1辺の長さを2μm〜10μm程度の非常に小さいサイズとすることができる。
図4は、磁気検出素子21内の各層の磁化方向と、抵抗値との関係を示す図である。
図4A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(例えばN極着磁部11Nからの磁場を検出したとき)を示し、図4B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であるとき(例えばS極着磁部11Sからの磁場を検出したとき)を示す。
図4C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4A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4Bに示す状態である。
図4Cから分かるように、フリー層21cの磁化方向が0°のとき、磁気検出素子21の抵抗値が最低になり、フリー層21cの磁化方向が180°のとき、磁気検出素子21の抵抗値が最大になる。そして、図4Cに示す特性の曲線から分かるように、フリー層21cの磁化方向が0°から180°の間であるとき、それぞれの角度に応じた抵抗値が得られる。
[1−4.磁気検出素子の接続状態]
図5は、検出部20内の4つの検出部20−1〜20−4内の磁気検出素子21の接続例を示す図である。
図5Aは、SIN信号を得る構成を示す。−SIN信号を検出する−SIN検出部20−3内の磁気検出素子21は、所定電圧Vが得られる箇所と接地電位部GNDとの間に直列に接続され、その直列回路の中点から、−SIN信号が取り出される。
また、SIN信号を検出するSIN検出部20−4内の磁気検出素子21についても、所定電圧Vが得られる箇所と接地電位部GNDとの間に直列に接続され、その直列回路の中点から、SIN信号が取り出される。
磁気検出素子21の直列回路から取り出された−SIN信号及びSIN信号は、演算増幅器22に供給され、演算増幅器22の出力信号としてSIN信号が得られる。この演算増幅器22が出力するSIN信号が、位置検出部104(図1)に供給される。
図5Bは、COS信号を得る構成を示す。−COS信号を検出する−COS検出部20−1内の磁気検出素子21は、所定電圧Vが得られる箇所と接地電位部GNDとの間に直列に接続され、その直列回路の中点から、−COS信号が取り出される。
また、COS信号を得る信号を検出するCOS検出部20−2内の磁気検出素子21についても、所定電圧Vが得られる箇所と接地電位部GNDとの間に直列に接続され、その直列回路の中点から、COS信号が取り出される。
磁気検出素子21の直列回路から取り出された−COS信号及びCOS信号は、演算増幅器23に供給され、演算増幅器23の出力信号としてCOS信号が得られる。この演算増幅器23が出力するCOS信号が、位置検出部104に供給される。
なお、図5Aの接続構成と図5Bの接続構成のいずれにおいても、それぞれの直列回路の中点よりも電圧V側に接続された素子で検出される信号と、中点よりも設置電位部GND側に接続された素子で検出される信号とは、信号変化が相互に逆相になるようにする。このように信号変化が相互に逆相になる接続とすることで、演算増幅器22,23に得られる信号は、偶数次歪みがキャンセルされている。
さらに、それぞれの磁気検出素子21の配置として、長手方向でもっとも離れる磁気検出素子21の距離Lが、L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7+…1/(2m+1))となる範囲に、2のm乗個の配置としたことで、奇数次の高調波についても良好にキャンセルされる。
特に、図2に示すように、それぞれの検出部20−1〜20−4内に、4個×2列の配置で集密した状態に磁気検出素子21が配置されることで、それぞれの磁気検出素子21は、磁気スケール11のほぼ同じ箇所から漏洩する磁気を検出することになる。このため、例えば磁気スケール11のそれぞれの信号記録箇所の記録状態が均一でない場合でも、十分なキャンセル効果が得られるようになる。
このようにして偶数次、奇数次の双方の高調波歪みがキャンセルされたSIN信号及びCOS信号が得られることで、位置検出部104は、それらSIN信号及びCOS信号から、内挿で分解能の高い位置検出ができる。
すなわち、SIN信号とCOS信号は、信号周期λの一定周期の信号で90°位相のずれた信号である。このSIN信号とCOS信号でリサージュ曲線を作れば円となる。1周期の信号が出力されたとき、リサージュ上は円が一周回ることになる。
ここで、ある位置での信号はリサージュ円上のどこかの点になり、その点と原点を結ぶ直線と、基準となる軸との角度を求めれば、その角度は信号のその点でのλ内での一意の角度となる。図1に示す位置検出部104では、この角度を細かく求める演算を行うことで、小さい分解能で磁気スケール11上の検出部20の位置を求めることができる。
リサージュ円上の角度は、SIN信号とCOS信号からTAN角と信号のある象限とから求めることができる。ここで、上述したように偶数次、奇数次の双方の高調波歪みがキャンセルされたSIN信号及びCOS信号が得られることで、歪みのない信号から演算が行え、分解能の高い位置検出が可能になる。しかも、キャンセルするために配置された複数の磁気検出素子21は、図2に示すように集密した状態で配置されているため、ほぼ同じ位置の記録信号から検出した信号どうしでキャンセルすることができ、しかも精度の高い歪み除去を行うことができるので、より位置精度が向上する。
さらに、図2の素子配置から判るように、−SIN信号,SIN信号,−COS信号及びCOS信号を検出するための4つの検出部20−1,20−2,20−3,20−4は、磁気スケール11の長手方向と直交する方向に並んで配置されているため、各位相の検出信号が、スケール上の同じ単位波長内の記録信号から検出される。このため、それぞれの位相の信号のレベルなどが相違することが極力抑えられ、この点からも検出精度が向上する。
<2.第2の実施の形態例>
次に、本発明の第2の実施の形態例を、図6〜図8を参照して説明する。この図6〜図8において、第1の実施の形態例で説明した箇所と同一部分については同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
第2の実施の形態例では、検出部20が備える磁気検出素子21の配置状態が、第1の実施の形態例と異なるものであり、位置検出装置全体の構成については、例えば第1の実施の形態例で説明した構成が適用される。
[2−1.磁気検出素子の配置例]
図6は、磁気スケール11に対する検出部20の配置例を示す図である。また、図7は、図6の破線で囲んだA部を拡大して示す図である。
磁気スケール11は、N極着磁部11NとS極着磁部11Sとが一定間隔で連続している。この例の場合、1波長λは400μm、1ピッチPは200μmである。
検出部20が備える磁気検出素子21は、TMR素子である。このTMR素子よりなる磁気検出素子21は、例えば図3で説明した構成と同じである。
検出部20には、磁気スケール11の幅Wの方向に、4つの検出部20−1〜20−4が隣接して配置されている。すなわち、検出部20は、−COS信号を検出する−COS検出部20−1と、COS信号を検出するCOS検出部20−2と、−SIN信号を検出する−SIN検出部20−3と、SIN信号を検出するSIN検出部20−4とを備える。これらの検出部20−1〜20−4は、90°(1/4λ)ずつシフトした素子配置である。
そして、それぞれの検出部20−1〜20−4は、磁気スケール11の長手方向に連続して配置された10個の集密配置部を備える。
具体的には、−COS検出部20−1は、10個の集密配置部20−1a〜20−1jを備える。また、COS検出部20−2は、10個の集密配置部20−2a〜20−2jを備える。また、−SIN検出部20−3は、10個の集密配置部20−3a〜20−3jを備える。さらに、SIN検出部20−4は、10個の集密配置部20−4a〜20−4jを備える。
それぞれの集密配置部20−1a〜20−1j,20−2a〜20−2j,20−3a〜20−3j,20−4a〜20−4j内には、磁気信号の単位波長の範囲内で複数の磁気検出素子21が配置されている。ここでは、各集密配置部内には、1辺が5μm程度のサイズの磁気検出素子21が、32個ずつ配置されている。この32個の素子は、トラック方向に2個、幅方向に2個の2×2の4個ずつの素子が1組の素子となるように配置されており、それぞれの集密配置部には、8個ずつの磁気検出素子21が配置された状態になっている。以下の図7の説明で1個の素子と述べたときには、この4個の素子の組を1個とする。
複数配置された磁気検出素子21は、目的とする信号を検出する素子であると共に、その目的とする信号に対して、奇数次の高調波をキャンセルするための素子でもある。ここでは、1つの集密配置部に配置した8個の磁気検出素子21により、3次と5次と7次の3個の高調波をキャンセルする。
すなわち、m個(ここではmは3)の奇数次高調波をキャンセルするために、磁気スケール11の長手方向でもっとも離れる磁気検出素子21の距離Lが、
L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7)
となる範囲に、2のm乗個(2の3乗個=8個)の磁気検出素子21が配置されることになる。
図7に示す各検出部20−1〜20−4に示す磁気検出素子21のブロック内の数字は、以下の説明で判りやすいように、それぞれの素子がキャンセルする高調波の次数の関係を示したものである「1」と記載された磁気検出素子21を、基準となる信号(1次の信号)としている。また、各集密配置部内の磁気検出素子21は、図7にラインで接続して示すように直列に接続している。但し、4個の素子の組の中の接続ラインは省略している。
ここで、1つの集密配置部の内部の磁気検出素子21の配置に関して、7次までの高調波をキャンセルする具体的な構成について説明する。図7では、集密配置部20−4a内の8個の磁気検出素子21の配置間隔の詳細を示すが、他の集密配置部についても同じ配置間隔になっている。但し、一部の集密配置部は、列が反転している。
まず、磁気スケール11の1波長λが400μmのとき、3次から7次までの奇数次の高調波歪をキャンセルするために必要な、磁気検出素子21の間隔を以下に示す。
3次:66.6μm
5次:40μm
7次:28.57μm
ここで、3次の66.6μmはλ/6であり、5次の40μmはλ/10であり、7次の28.57μmはλ/14である。
集密配置部内には、これらの間隔の位置に、2の3乗個の8個の磁気検出素子21が配置される。1個の磁気検出素子21の大きさが1辺10μm程度であるとき、すべての素子を同一トラック位置上には配置できないので、ここでは2列に配置する。ここでの同一トラックとは、磁気スケール11上の幅方向の位置が同一であることを示す。
集密配置部内に磁気検出素子21を配置する際には、まず低次の3次、5次から優先して同一トラック上に磁気検出素子21が配置される。すなわち、基準となる磁気検出素子21(「1」と記載した素子)から、66.6μmシフトした位置に、3次歪低減用の磁気検出素子21(「3」と記載した素子)が配置される。また、基準となる磁気検出素子21から40μmシフトした位置と、3次歪低減用の磁気検出素子21から40μmシフトした位置のそれぞれに、5次歪低減用の磁気検出素子21(「5」と記載した素子)が配置される。
次に、これら4個の素子21を配置したトラックに隣接した別のトラック上には、7次歪低減用の磁気検出素子21(「7」と記載した素子)が配置される。この7次歪低減用の磁気検出素子21は、隣接したトラック上の1次、3次、5次用の4個の磁気検出素子21から、それぞれ28.57μmシフトした位置に配置される。
このようにして3次,5次,7次の高調波低減用の磁気検出素子21が、1つの集密配置部内に配置される。
なお、図7の例では、3次歪低減用の磁気検出素子21と5次歪低減用の磁気検出素子21が、同一トラック上に配置可能な例を示したが、これらの全ての素子が同一トラックに配置できない場合には、低い次数(3次)の歪低減用の素子から優先的に同一トラックに配置するのが好ましい。
[2−2.集密配置部の接続例]
図8は、図6に示すそれぞれの検出部20−1〜20−4が備える10個の集密配置部の接続例を示す図である。
−COS検出部20−1には、10個の集密配置部20−1a〜20−1jが、磁気スケール11の長手方向に1ピッチPの間隔(200μm)で配置されている。ここで、図8に示すように、1つおきに交互に各集密配置部の磁気検出素子21を直列に接続する。
すなわち、5個の集密配置部20−1a,20−1c,・・・,20−1iが直列に接続され、この直列回路に所定電圧Vが印加される。また、別の5個の集密配置部20−1b,20−1d,・・・,20−1jが直列に接続され、この直列回路が接地電位部GNDに接続される。
そして、−COS検出部20−1では、図8に示すように、所定電圧Vが印加される側の5個の集密配置部20−1a〜20−1iによる直列回路と、接地電位部GNDに接続された側の5個の集密配置部20−1b〜20−1jによる直列回路とが直列に接続される。さらに、その接続点に得られる信号が、演算増幅器22の一方の入力端に供給される。
他の検出部(COS検出部20−2,−SIN検出部20−3,SIN検出部20−4)についても、図8に示すように、10個の集密配置部が、1つおきに交互に直列に接続され、一方の直列回路に所定電圧Vが印加され、他方の直列回路が接地電位部GNDに接続される。そして、それぞれの接続点の信号が、演算増幅器22又は23の入力端に供給される。
このようにして、演算増幅器22には、−COS信号の検出信号とCOS信号の検出信号とが供給され、演算増幅器22での増幅で、COS信号が得られる。同様に、演算増幅器23には、−SIN信号の検出信号とSIN信号の検出信号とが供給され、演算増幅器23で増幅されてSIN信号が得られる。
この図8に示す構成により、180°(=1/2λ)の間隔で配置された5個ずつの集密配置部で得られた信号の加算信号が、演算増幅器22及び23に供給されることになり、ブリッジ接続によって偶数次の歪みがキャンセルされる。
このように5個ずつの集密配置部で得られた信号の加算信号を得ることで、磁気スケール11からの漏洩磁界のばらつきがあっても、演算増幅器22,23で得られるCOS信号,SIN信号のレベル変動を極力抑えることができる。
以上説明したように、図6,図7に示す素子配置とした検出部を備える位置検出装置は、7次の高調波歪まで除去された極めて良好な信号検出ができる。特に、1つの集密配置部内に、3次,5次,7次の高調波低減用の磁気検出素子21を集密させて配置したことで、7次までの歪み除去を、同じ波長内の信号から行うことができ、これにより、磁気スケール11のレベル変動などの影響を排除した良好な歪み除去を行うことができる。
また、3次,5次,7次の高調波歪の内で、比較的レベルが高い低次の歪低減用の素子から優先的に、基準となる素子と同一トラック上に配置することにより、より効果の高い歪み除去を実現することが可能となる。具体的には、3次の高調波歪を低減するための、磁気スケール11の長手方向に、λ/6離れた位置の2個の磁気検出素子を配置する。この2個の磁気検出素子は、磁気スケール11の長手方向(検出方向)と直交する方向には距離が離れていないため、3次の高調波歪の低減を確実に行うことが可能である。
また、5次の高調波歪を低減するための2個の磁気検出素子についても、磁気スケール11の長手方向にλ/10離れた位置に配置されるため、磁気スケール11の長手方向(検出方向)と直交する方向には距離が離れていない。このため、5次の高調波歪の低減についても確実に行うことができる。
[2−3.より高次の歪除去を行う構成の例]
図6〜図8に示す例では、7次の高調波歪まで除去する構成を説明した。これに対して、より高次の歪除去を行うようにしてもよい。
ここでは、13次の高調波までの歪除去を行う集密配置部の構成を説明する。図9は、この13次の高調波までの歪除去を行う集密配置部20−1a〜20−1j,20−2a〜20−2j,20−3a〜20−3j,20−4a〜20−4jの例を示す図である。
13次の高調波までの歪除去を行うために必要な具体的な磁気検出素子21の配置間隔を説明すると、磁気スケール11の1波長λが400μmのときに、3次から13次までの奇数次の高調波歪をキャンセルするために必要な、磁気検出素子21の間隔は、以下の通りである。
3次:66.6μm
5次:40μm
7次:28.57μm
9次:22.2μm
11次:18.18μm
13次:15.38μm
ここで、9次の高調波は、3次の高調波の3倍であり、3次高調波のキャンセルパターンの間隔66.6μmは9次高調波の1.5λの間隔になる為にちょうどこの位置で9次高調波の位相も逆相になるのでキャンセルできる。この様に奇数次高調波で、素数で無いものは、或る、より低い次数の奇数次高調波の奇数倍に必ずなるので、その或るより低い次数の奇数次高調波のキャンセルパターンを用いてキャンセルする事が出来る。
この様に3次高調波を低減する素子のペアを用いることで、9次高調波歪の大部分がキャンセルされる。このため、9次の高調波低減用素子対は、特に配置する必要がない。
つまり、上述した式L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7+…1/(2m+1))で素子の配置数を決める際に、奇数で素数でない数の次数の項は除くようにして、2のq乗個(qは3〜2m+1までの素数の数)の磁気検出素子を配置するようにする。
このため、13次の高調波までの歪除去を行う場合、集密配置部内には、9次の高調波低減用素子対を除いた、3次と5次と7次と11次と13次の高調波低減用素子対を、以下に示す間隔で配置する。
3次:66.6μm
5次:40μm
7次:28.57μm
11次:18.18μm
13次:15.38μm
1つの集密配置部内には、これらの間隔の位置に、2の5乗=32個の磁気検出素子21が配置される。つまり3次から13次までの3,5,7,9,11,13の中で素数は3,5,7,11,13の5個で有り、この5から2の5乗=32個となる。
1個の磁気検出素子21の大きさが1辺10μm程度であるとすると、同一トラック位置上にはすべての素子を配置することができないので、ここでは図9に示すように、磁気スケール11の長手方向に8個並べた列を、幅方向に4列に配置する。
図9に示すようにそれぞれの集密配置部内に32個の磁気検出素子21を配置する際には、まず低次の3次、5次の高調波歪低減用素子が優先的に同一トラック(第1トラック)上に配置される。さらに、第1トラック上に配置可能な13次の高調波歪低減用素子ペアが配置され、合計8個の素子が第1トラック上に配置される。
そして、7次の高調波歪低減用素子と11次の高調波歪低減用素子が、幅方向にシフトした第2,第3,第4トラックに分けて配置される。このときにも、基準となる信号(1次)を検出する素子を配置したトラックに近いトラックから、低次の歪除去用の素子を配置する。このようにして、4列の配置で32個の磁気検出素子21が集密した状態で配置される集密配置部を使って、13次までの高調波歪の低減を行うことができる。
この13次までの高調波歪の低減を行う場合でも、複数の集密配置部の接続状態については、図6や図8に示す構成をそのまま適用することができる。
ここまで説明した本実施の形態例を含むいずれの実施の形態例に於いても、COS検出部、−COS検出部、SIN検出部、−SIN検出部の4つの素子群のパターン配置構成は同一であり、結果的に4つの検出部は同等の検出性能を有している。したがって、COS、−COS、SIN、−SINの信号が同じ品位の信号として検出できる。
そして、これら4つの検出部は磁気信号の単位波長以下の必要最小な位相差の間隔だけ長手方向に配置位置がずれていて、又直交方向にも単位波長より短い範囲内に配置されているので、検出が可能な最良の同一エリアに於いて4つの検出部が信号検出を行える。よって各信号の出力・品位において同質性が良好である。
例えば、磁気スケールの磁気記録で、長手方向の一部(例えば一波長)に、記録が弱い箇所(つまり漏洩磁場が少ない箇所)が有るとする。
従来の検出素子(例えばAMR素子で構成される)では、COS検出部、−COS検出部、SIN検出部、−SIN検出部のそれぞれで、長手方向に於いては検出部同士で前後の入れ子は有るものの、各検出部の素子配置がずれているので、記録の弱い箇所の検出は同時ではなくそれぞれ異なるタイミングで検出される、その結果、例えばSIN検出部では通常の検出を行っているときに、COS検出部で記録の弱いところを通過して検出信号の振幅が減少するという事が発生する。その為、SIN信号とCOS信号のゲインバランスが崩れるので、そこから演算される位置信号も精度が悪化する。
そしてこの現象は各検出素子が記録の弱いところを通過するたびに発生し、複数回精度悪化を招く事となる。
一方、上述した各実施の形態例の構成に於いては、COS検出部、−COS検出部、SIN検出部、−SIN検出部は、それぞれの検出素子群の配置構造が同一であり、且つそれぞれの検出素子群の長手方向の配置において、それぞれの異なる位相差は磁気信号の単位波長のより少ない距離の最小位相差となっている。
したがって、SIN信号とCOS信号は同一波長内で記録の弱いところを検出し、依って同一波長の信号で振幅が減少する事になる。すなわち、SIN信号とCOS信号が最小位相差で同じように信号減少をする。この場合、SIN信号とCOS信号がほぼ同時に同一に減少する事で、そのゲインバランスの悪化は従来に比べて著しく改善される。
この様に、スケールの長手の変動や直行方向の変動に対しては、検出部がほぼ同時に同一の影響を受けて全ての信号が同様の変化をする。その結果ゲインの変動は有るもののSIN信号とCOS信号のゲインバランスの変動は少なくなり、その結果より高精度な位置検出が可能となる。
<変形例>
なお、上述した実施の形態例で説明した1波長や1ピッチなどの各値は、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。例えば、1波長としては、400μmを示したが、位置検出装置として必要な測位分解能に応じて、数十μmから数百μm程度の範囲内で適切な値を選定することができる。
個々の磁気検出素子のサイズについても、1辺の長さが2μm〜10μm程度とするのは1つの例であり、それより大きなサイズや小さなサイズの磁気検出素子を使用してもよい。
また、図2,図6,図7,図9に示す磁気検出素子の配置例についても、それぞれ好適な例を示したものであり、磁気検出素子がこれらの例とは異なる配置状態で配置されていてもよい。
また、低減(除去)する高周波歪の次数についても、好適な例を示すものであり、より高い次数(15次以上)の高周波歪を除去するようにしてもよい。
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、その他の構成の素子を使用してもよい。
また、上述した実施の形態例では、スケールを直線状の位置検出装置に適用した例を説明した。これに対して、磁気スケールを円形に配置することで、スケールとヘッドとの相対回転角度を検出する位置検出装置に本発明を適用してもよい。直線状の位置検出装置の例としてスケールを示した図1の構成も、一例にすぎないものであり、本発明は、その他の各種機器用の位置検出装置に適用することが可能である。
1…磁気スケール、2…検出部、3a〜3h…磁気検出素子、4…演算増幅器、11…磁気スケール、11N…N極着磁部、11S…S極着磁部、20…検出部、20−1…−COS検出部、20−2…COS検出部、20−3…−SIN検出部、20−4…SIN検出部、20−1a〜20−1j,20−2a〜20−2j,20−3a〜20−3j,20−4a〜20−4j…集密配置部、21…磁気検出素子、21a…固定層、21b…バリア層、21c…フリー層、22,23…演算増幅器、100…装置、101…固定部、102…移動台、103…被工作物、104…位置検出部、105…加工具、106…駆動部、107…制御部、108…目標位置入力部

Claims (6)

  1. 一定周期の磁気信号が磁性媒体に磁気記録されたスケールと、
    前記スケールからの漏洩磁気を検出し、前記漏洩磁気を検出した位置の記録信号を出力する磁気検出素子と、
    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、
    前記磁気検出素子は、前記スケールに対する前記磁気信号の検出方向に沿って、位相の異なる少なくとも一組の信号が出力されるパターンとされ、かつ、前記磁気信号の単位波長より短い範囲内で、前記検出方向と直交する方向に配置される
    位置検出装置。
  2. 前記パターンは、SIN波形が出力される第1のパターン群、COS波形が出力される第2のパターン群、−SIN波形が出力される第3のパターン群、−COS波形が出力される第4のパターン群を含み、
    前記第1,第2,第3及び第4のパターン群は、前記検出方向に沿って前記磁気信号の単位波長の1/4ずつずれて、位相が逆相になるパターン群は前記検出方向と直交する方向で互いに隣に配置され、かつ、前記磁気信号の単位波長の範囲内で前記磁気検出素子が配置される
    請求項1に記載の位置検出装置。
  3. 前記第1,第2,第3及び第4のパターン群は、それぞれを構成する素子の配置において各パターン群で全く同一の配置構成をしており、各パターン群の長手方向の配置は前記記録信号の単位波長より短い範囲内で所定の位相差になる様にずれている
    請求項2に記載の位置検出装置。
  4. 前記第1,第2,第3及び第4のパターン群は、それぞれ前記検出方向に沿って交互に配置され、電源電圧に直列接続される第1の素子群と、グランドに直列接続される第2の素子群とを含むブリッジ回路から前記記録信号を出力する
    請求項2に記載の位置検出装置。
  5. 前記第1及び第2の素子群は、直列接続された一又は複数の前記磁気検出素子によって構成される
    請求項4に記載の位置検出装置。
  6. 前記第1及び第2の素子群は、前記記録信号から偶数次の高調波信号を除くための一又は複数の前記磁気検出素子を有する
    請求項5に記載の位置検出装置。
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