JP2022109020A

JP2022109020A - 位置検出機構

Info

Publication number: JP2022109020A
Application number: JP2021004318A
Authority: JP
Inventors: 頼志煌; Chih-Huang Lai; 李佳璋; Chia-Chang Lee; 徐志豪; Zhi-hao XU; 蕭恆昇; Heng-Sheng Hsiao
Original assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Current assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2022-07-27

Abstract

【課題】本発明は位置検出機構を得ることにある。【解決手段】本発明が提供する位置検出機構は、検出信号源となるエンコード素子と、信号源の信号の検出を行うための読取素子と、読取素子が出力する検出信号を受信して解析するための処理ユニットと、を含み、その技術における主な特徴として、読取素子中で信号源の信号の検出を行うための磁気抵抗ユニットはトンネル磁気抵抗（ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＭＲ）であり、且つトンネル磁気抵抗の基準層（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｌａｙｅｒ）と自由層（ｆｒｅｅｌａｙｅｒ）の両層の磁気モーメントは互いに垂直であり、同時に、互いの磁気モーメントが垂直な基準層と自由層のうち、１層の磁気モーメントは膜面に平行であり、もう１層の磁気モーメントは膜面に垂直である。【選択図】図３

Description

本発明は検出技術に関し、特にトンネル磁気抵抗を利用して位置の検出を行う位置検出機構に関するものである。

エンコード素子中、磁気又は光など、特定の信号の位置変動下で発生する変化を検出することにより位置解析を行う検出技術は、従来技術において広く採用されている技術手段である。具体的に、例えば特許文献１は、互いの相対的位相差が９０度である２組のホールＩＣチップを利用することで、移動方向に沿った位置変動を検出する。また、特許文献２では、エンコード素子が提供する、磁気を信号源とした技術中、それが有する２つの磁気トラックをそれぞれ二進法及び十進法とし、複数のディスクリート式ホールセンサ素子が各磁気トラックの磁場変化をそれぞれ検出し、解析することによりその位置情報を知得するものが開示されている。こうしたホール素子を磁気検出素子とする技術手段は、位置検出技術において一般的な技術ではあるが、ホール素子自体が持つ高い消費電力量や低い感度故に、位置検出素子とするには制限があり、特に使用において低消費電力且つ高検出感度が求められる場合、ホール素子では産業におけるニーズを満たすことが困難である。

従来技術中ではさらに、図１に示した特許文献３のように、ホールセンサ（１）を絶対列磁気トラック（２）の検出素子として利用する一方で、相対的列磁気トラック（３）の検出においては、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子（４，Ｓｐｉｎ－ＶａｌｖｅＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＳＶＴＭＲ）又は異方性磁気抵抗素子（ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＡＭＲ）などの比較的に低消費電力且つ高検出感度の磁気抵抗素子を検出素子として採用し、これにより良好な検出感度を得ようとするものが開示されているが、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子（４）又は異方性磁気抵抗素子は、移動トラックの移動時に生じる磁場角度の変化を検出することにより位置解析の情報を取得するものであるため、相対的列磁気トラック中の磁場角度の変化を正確に検出するためには、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子又は異方性磁気抵抗素子の膜面をｘ－ｚ平面に位置させなければならず、ｘ－ｙ平面上に位置する絶対列磁気トラックの検出素子、即ちホールセンサ（１）と異なる平面上の空間に位置する状態となるため、必然的に組立の必要が生じ、絶対列と相対的列の各検出素子を部品として独立に製造した後、個別にアライメントを正確に行ってから基板（図示しない）上に組み立てることになり、これにより、組立工程とコストを不必要に増加させるだけでなく、アライメントの精度が位置判別の正確さに一層影響を与えるようになり、製品の歩留まり率を効果的に向上させることが困難になる。

米国特許第６１００６８１号明細書米国特許出願公開第２００９／０１０２４６１号明細書米国特許第１０４８０９６３号明細書

上述に鑑み、本発明は、トンネル磁気抵抗を利用して位置の検出を行い、且つ検出素子を基板上に直接成型することによって複数の検出素子を備えた一体型センサを得て、これにより検出素子が独立した個別の部品として基板上に組み立てられる組立工程をなくし、位置検出の精度が好ましくない組立工程の影響を受けないことが保証される位置検出機構を提供することを主な目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明が提供する位置検出機構は、検出信号源となるエンコード素子と、信号源の信号の検出を行うための読取素子と、読取素子が出力する検出信号を受信して解析するための処理ユニットと、を含み、その技術における主な特徴として、読取素子中で信号源の信号の検出を行うための磁気抵抗ユニットはトンネル磁気抵抗（ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＭＲ）であり、且つトンネル磁気抵抗の基準層（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｌａｙｅｒ）と自由層（ｆｒｅｅｌａｙｅｒ）の両層の磁気モーメントは互いに垂直であり、同時に、互いの磁気モーメントが垂直な基準層と自由層のうち、１層の磁気モーメントは膜面に平行であり、もう１層の磁気モーメントは膜面に垂直である。

そのうち、磁気モーメントが膜面に垂直であるのは、基準層でも自由層でもよい。

従来技術の立体概念図である。本発明の好ましい実施例の立体概念図である。本発明の好ましい実施例中、磁気抵抗ユニットとなるトンネル磁気抵抗平面概念図である。本発明の好ましい実施例における電気抵抗と磁場の関係図である。本発明の好ましい実施例における相対的列に対する検出信号波形図である。本発明の好ましい実施例における絶対列に対する検出信号波形図である。

実施例
最初に、図２を参照して、本発明の好ましい実施例において提供する位置検出機構（１０）は主に、エンコード素子（２０）、読取素子（３０）及び処理ユニット（図示しない）を含む。

エンコード素子（２０）は、磁場を信号源とする従来の磁気スケール技術であり、その構造には絶対列磁気トラック（２１）及び相対的列磁気トラック（２２）が含まれており、絶対列磁気トラック（２１）と相対的列磁気トラック（２２）は仮想の移動軸に沿って互いに並列に延在させ、且つ図２に示したｘ－ｙ平面において所定のエンコード方式に従い磁極に変更を生じさせるものであり、一般的に、移動軸は通常は直線状であり、且つ磁気スケールの長手方向は一致しているものであるが、絶対列磁気トラック（２１）と相対的列磁気トラック（２２）が含まれている磁気スケール技術に関しては、本発明が属する技術分野における当業者が本発明の出願以前に既知である先行技術内容に属するため、その具体的な磁極配列、製造プロセス又は関連技術についての説明は省略する。

読取素子（３０）は、第１磁気抵抗ユニット（３１）及び第２磁気抵抗ユニット（３２）を含むが、各磁気抵抗ユニットの数量は実際の必要に応じて設定することができ、その数量の多寡が本発明の技術的特徴を達成する妨げになることはないため、その数値について説明は行わないが、読取素子（３０）全体について言えば、それはエンコード素子（２０）と互いに隔たれてエンコード素子（２０）の片側に隣接しており、且つ読取素子（３０）はエンコード素子（２０）の投影範囲に向かって絶対列磁気トラック（２１）と相対的列磁気トラック（２２）を網羅し得るようにさせており、読取素子（３０）とエンコード素子（２０）は互いに、読取素子（３０）をエンコード素子（２０）に対して移動させる場合であれ、エンコード素子（２０）を読取素子（３０）に対して移動させる場合であれ、両者に移動軸上の相対的な変位が生じたときには常に相対的列磁気トラック（２２）と絶対列磁気トラック（２１）の磁場が変化するようにさせて、読取素子（３０）が検出し得るようにしており、具体的には、第１磁気抵抗ユニット（３１）は絶対列磁気トラック（２１）に対応しており、上述の相対的な変位状態下における絶対列磁気トラック（２１）の磁場の変更を検出し、第２磁気抵抗ユニット（３２）は相対的列磁気トラック（２２）に対応しており、上述の相対的な変位状態下における相対的列磁気トラック（２２）の磁場の変更を検出し、これにより、第１磁気抵抗ユニット（３１）及び第２磁気抵抗ユニット（３２）が絶対列磁気トラック（２１）及び相対的列磁気トラック（２２）の磁場信号を検出した後、検出信号を出力し、処理ユニットが検出信号を基に読取素子（３０）とエンコード素子（２０）の相対位置を解析することによって移動位置の情報を取得することができ、リニアモータや回転モータなどの駆動素子の制御に使用することができる。

さらに説明すべき点として、第１磁気抵抗ユニット（３１）及び第１磁気抵抗ユニット（３２）は、従来技術での絶対列と相対的列に異なる検出素子を採用する技術とは異なり、第１磁気抵抗ユニット（３１）及び第１磁気抵抗ユニット（３２）の両者を同じ技術の構造としており、本実施例では、第１磁気抵抗ユニット（３１）及び第１磁気抵抗ユニット（３２）はどちらも図３に示すようなトンネル磁気抵抗（ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＭＲ）構造であるが、そのうち、第１磁気抵抗ユニット（３１）は単一の磁気トンネル接合（ＳｉｎｇｌｅＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌｉｎｇＪｕｎｃｔｉｏｎ，ＳｉｎｇｌｅＭＴＪ）を有するトンネル磁気抵抗でよく、第２磁気抵抗ユニット（３２）はブリッジ型トンネル磁気抵抗（ＢｒｉｄｇｅＴＭＲ）とし、且つトンネル磁気抵抗構成中の基準層（３０１，ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｌａｙｅｒ）と自由層（３０２，ｆｒｅｅｌａｙｅｒ）の両層の磁気モーメント（３０３）を互いに垂直な状態とし、同時に基準層（３０１）の磁気モーメントは膜面に垂直とし、自由層（３０２）の磁気モーメントは膜面に平行とすることで、基準層（３０１）と自由層（３０２）の磁気モーメントに直交異方性を持たせ、且つトンネル磁気抵抗の検出膜面が図２に示すようにｘ－ｙ平面上にあるようにし、これにより、トンネル磁気抵抗の電気抵抗が垂直方向（図３に示す検出軸、即ち図２に示すｚ方向）上の外部磁界変化に対して図４に示すような線形の変化を生じ得るようにしている。

さらに、第２磁気抵抗ユニット（３２）のトンネル磁気抵抗は、図２に示すようなｘ－ｙ平面上の検出膜面に位置しており、相対的列磁気トラック（２２）が生成する図２に示すようなｚ方向の正弦波場を受けることによって図５のような検出信号を生成することができ、同時に、第１磁気抵抗ユニット（３１）のトンネル磁気抵抗は、図２に示すようなｘ－ｙ平面上の検出膜面に位置しており、絶対列磁気トラック（２１）の図２に示すようなｚ方向上の磁場における正負を判別するだけでよいため、上述の相対的な変位下において、第１磁気抵抗ユニット（３１）のトンネル磁気抵抗中の自由層（３０２）が磁極の変化に伴い方向を変え、基準層（３０１）が同じ方向を保持することで高低の電気抵抗差が生じ、これにより図６に示すような検出信号が生成されて、磁極極性が判別される。

トンネル磁気抵抗の基準層（３０１）と自由層（３０２）間の磁気モーメントの直交異方性により、同じ構造を有するトンネル磁気抵抗を通して磁気スケール中の絶対列磁気トラックと相対的列磁気トラックにおける磁場の変更を検出することができ、これを基に正確な位置情報を知得する。

さらに重要な点として、第１磁気抵抗ユニット（３１）及び第２磁気抵抗ユニット（３２）は、同じ構造を有するだけでなく、エンコード素子（２０）との相対位置についても同一平面、即ち図２に示すようなｘ－ｙ平面を基準として第１磁気抵抗ユニット（３１）及び第２磁気抵抗ユニット（３２）のトンネル磁気抵抗が構成されており、公知の半導体製造プロセスを通して、同じ薄膜堆積、イエローライトフォトリソグラフィ及びエッチングプロセスにおいて、所定の数量及び相対位置が定義された第１磁気抵抗ユニット（３１）及び第２磁気抵抗ユニット（３２）を基板（３３、図２中の点線で示されたもの）上に一回成形することができるため、従来技術のような個別の異なる検出素子の組立を行うことに由来する欠点がなくなり、検出素子の組立を必要とせず、検出精度が確保された位置検出機構が得られる。

１ホールセンサ
２絶対列磁気トラック
３相対的列磁気トラック
４スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子
１０位置検出機構
２０エンコード素子
２１絶対列磁気トラック
２２相対的列磁気トラック
３０読取素子
３０１基準層
３０２自由層
３１第１磁気抵抗ユニット
３２第２磁気抵抗ユニット
３３基板

Claims

仮想の移動軸に沿って互いに並列に延在させた絶対列磁気トラック及び相対的列磁気トラックを有する、エンコード素子と、
前記絶対列磁気トラックの作用を受ける第１磁気抵抗ユニット、及び前記相対的列磁気トラックの作用を受ける第２磁気抵抗ユニットを有し、前記エンコード素子に隣接し且つ互いに隔たれており、且つ前記移動軸上において前記エンコード素子との間の相対位置の変化を有する、読取素子と、
前記読取素子と電気的に接続され、前記第１磁気抵抗ユニット及び前記第２磁気抵抗ユニットがそれぞれ前記絶対列磁気トラック及び前記相対的列磁気トラックの作用を受けて各々生成する信号を受信し、それを基に位置の解析を行うのに用いられる、処理ユニットと、を含み、
前記第１磁気抵抗ユニット及び前記第２磁気抵抗ユニットは、それぞれトンネル磁気抵抗（ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＭＲ）であり、且つ基準層（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｌａｙｅｒ）と自由層（ｆｒｅｅｌａｙｅｒ）の磁気モーメントは互いに垂直であり、同時に、前記基準層と前記自由層のうち、１層の磁気モーメントは膜面に平行であり、もう１層の磁気モーメントは膜面に垂直であることを特徴とする、位置検出機構。
前記エンコード素子は、前記読取素子に対して移動軸に沿って移動する、請求項１に記載の位置検出機構。
前記読取素子は、前記エンコード素子に対して移動軸に沿って移動する、請求項１に記載の位置検出機構。
前記エンコード素子は直棒形状を呈する、請求項１に記載の位置検出機構。
前記エンコード素子は円環形状を呈する、請求項１に記載の位置検出機構。
磁気モーメントが膜面に垂直であるのは基準層である、請求項１に記載の位置検出機構。
磁気モーメントが膜面に垂直であるのは自由層である、請求項１に記載の位置検出機構。
前記読取素子はさらにチップを含み、且つ前記第１磁気抵抗ユニット及び前記第２磁気抵抗ユニットはそれぞれ前記チップ上に成形される、請求項１に記載の位置検出機構。
前記第２磁気抵抗ユニットはブリッジ型トンネル磁気抵抗（ＢｒｉｄｇｅＴＭＲ）である、請求項１に記載の位置検出機構。
前記第１磁気抵抗ユニットは単一の磁気トンネル接合（ＳｉｎｇｌｅＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌｉｎｇＪｕｎｃｔｉｏｎ，ＳｉｎｇｌｅＭＴＪ）を有する、請求項１に記載の位置検出機構。