JP4900838B2 - Position detection device and linear drive device - Google Patents

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Description

本発明は、固定子に対する可動子の位置を検出する位置検出装置、及び直線駆動装置に関する。   The present invention relates to a position detection device that detects the position of a mover relative to a stator, and a linear drive device.

特許文献1には、N極とS極が交互に配列された磁気部材と、その磁気部材の磁極配列面に対向する複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子とを有する磁気式位置検出装置が開示されている。   Patent Document 1 discloses a magnetic position detection device having a magnetic member in which N poles and S poles are alternately arranged, and a plurality of spin-valve giant magnetoresistive elements facing the magnetic pole arrangement surface of the magnetic member. It is disclosed.

特開2006−023179号公報(図1、図7)JP 2006-023179 A (FIGS. 1 and 7)

特許文献1の図1及び図7に記載のスピンバルブ型GMR素子は、複数個で1つの感磁面を構成している。しかし、磁極配列の為す磁界と感磁面の関係については詳細に記載されておらず、位置検出精度を更に高めるための構成も開示されていない。   A plurality of spin valve type GMR elements described in FIGS. 1 and 7 of Patent Document 1 constitute one magnetosensitive surface. However, the relationship between the magnetic field formed by the magnetic pole array and the magnetosensitive surface is not described in detail, and a configuration for further improving the position detection accuracy is not disclosed.

そこで、本発明の目的は、位置の検出精度が高い位置検出装置及び直線駆動装置を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a position detection device and a linear drive device with high position detection accuracy.

(第1の位置検出装置)
本発明の第1の位置検出装置は、多磁極列を表面に有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知する第1のセンサデバイス及び第2のセンサデバイスとを備えた位置検出装置であって、前記第1のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX01とセンサブリッジY01とを内蔵し、前記第2のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX02とセンサブリッジY02とを内蔵し、前記センサブリッジX01,Y01,X02及びY02は、それぞれがスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のフルブリッジであり、前記フルブリッジ中の隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、前記センサブリッジY01及びセンサブリッジY02は固定層磁化方向が前記固定子の多磁極列の向きに沿うように配置されており、前記センサブリッジX01の固定層磁化方向とセンサブリッジX02の固定層磁化方向とは位置がλ/4又はλ/4±nλ/2(但し、λは多磁極列の同極性の磁極のピッチ、nは整数である。)異なるように配置されており、前記フルブリッジのそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた差動出力を得て、前記差動出力を基にして位置信号を得ることを特徴とする。
(First position detection device)
A first position detection device according to the present invention includes a stator having a multi-pole array on a surface thereof, a first that detects a direction of magnetic flux from the stator while moving parallel to the multi-pole array surface of the stator. The first sensor device includes a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and the first sensor device includes the sensor device and the second sensor device. The sensor device 2 includes a sensor bridge X02 and a sensor bridge Y02 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and each of the sensor bridges X01, Y01, X02 and Y02 is a spin valve type giant magnetoresistive element (fixed). A magnetoresistive element having a layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction being fixed, and the free layer magnetization direction rotating according to the direction of the magnetic field. The pinned layer magnetization directions of the spin-valve giant magnetoresistive elements on adjacent sides in the full bridge are antiparallel, and the sensor bridge Y01 and the sensor bridge Y02 have a fixed layer magnetization direction of many of the stators. The direction of the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge X01 and the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge X02 is λ / 4 or λ / 4 ± nλ / 2 (provided that λ / 4 Is a pitch of magnetic poles of the same polarity of a multi-pole array, and n is an integer.) The magnetic poles are arranged differently, and by applying a voltage to each of the full bridges, the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization A differential output corresponding to an angle made with a direction is obtained, and a position signal is obtained based on the differential output.

固定子の多磁極列の配列方向(多磁極配列方向)に沿って可動子が移動すると、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子自体は機械的に回転しないが、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子に作用する磁界は相対的に回転磁界に相当するので、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の自由層の磁化方向は磁気的に回転する。この自由層の磁化方向の回転角度に応じた出力をスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いたセンサデバイスから得る。得られた出力に逆正接演算を含む処理を行って位置信号を得る。前記自由層における磁化方向の回転の周期は固定子の磁極の周期に対して1/N倍(Nは2以上の整数である。)となり、分解能が高くなる。   When the mover moves along the arrangement direction of the multi-pole array of the stator (multi-pole arrangement direction), the spin-valve giant magnetoresistive element itself does not rotate mechanically, but the spin-valve giant magnetoresistive element Since the magnetic field acting on the magnetic field relatively corresponds to a rotating magnetic field, the magnetization direction of the free layer of the spin-valve giant magnetoresistive element is magnetically rotated. An output corresponding to the rotation angle of the magnetization direction of the free layer is obtained from a sensor device using a spin valve type giant magnetoresistive element. The position signal is obtained by performing processing including arc tangent operation on the obtained output. The rotation period of the magnetization direction in the free layer is 1 / N times (N is an integer of 2 or more) with respect to the period of the magnetic pole of the stator, and the resolution is increased.

センサデバイス中にはセンサブリッジが2つあり、センサブリッジ同士はエレメントの固定層磁化方向が直交する。4個のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は電気的なフルブリッジ回路を構成する4個のエレメント(素子)に相当する。差動出力は、オペアンプを利用してフルブリッジの中点で得られる2つ出力の差動をとったものである。   There are two sensor bridges in the sensor device, and the magnetization directions of the fixed layers of the elements are orthogonal to each other between the sensor bridges. The four spin-valve giant magnetoresistive elements are equivalent to four elements (elements) constituting an electrical full bridge circuit. The differential output is a differential of two outputs obtained at the midpoint of the full bridge using an operational amplifier.

前記センサブリッジX01と前記センサブリッジY02とで独立に検出される角度情報を基に第1の回転角度信号(コサイン信号)を得て、前記センサブリッジY01と前記センサブリッジX02とで独立に検出される角度情報を基に、前記第1の回転角度信号から電気角で90deg.遅れている第2の回転角度信号(サイン信号)を得るのが好ましい。サイン信号とは、1波長が電気角360deg.に相当する波形である。詳しく言い換えると、フーリエ級数展開したときに、理想的正弦波(sin)の基本波と回転角度誤差の原因となる高調波とに分けることができる波形である。コサイン信号とは、フーリエ級数展開したときに、理想的余弦波(cos)の基本波と高調波とに分けることができる波形である。   A first rotation angle signal (cosine signal) is obtained based on angle information detected independently by the sensor bridge X01 and the sensor bridge Y02, and is detected independently by the sensor bridge Y01 and the sensor bridge X02. 90 deg. In electrical angle from the first rotation angle signal. It is preferable to obtain a delayed second rotation angle signal (sine signal). A sine signal means that one wavelength has an electrical angle of 360 deg. Is a waveform corresponding to. In other words, it is a waveform that can be divided into a fundamental wave of an ideal sine wave (sin) and a harmonic that causes a rotation angle error when Fourier series expansion is performed. The cosine signal is a waveform that can be divided into a fundamental wave and a harmonic of an ideal cosine wave (cos) when Fourier series expansion is performed.

固定子と可動子は、固定子に対して可動子が平行移動したときに、エレメントであるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の自由層が回転するという関係を満たすように、固定子とセンサデバイスの距離を設定する。このように、1つのセンサデバイス内のセンサブリッジでエレメント同士が90deg.傾けて配置されているため、センサデバイス同士の位置が90deg.位相差(すなわち、λ/4位相差)になっていなくても、センサデバイスの位置を正確に測定できる。   The stator and sensor device satisfy the relationship that the free layer of the spin-valve giant magnetoresistive element, which is an element, rotates when the mover moves in parallel with the stator. Set the distance. In this way, the elements are 90 deg. Since the sensor devices are inclined, the positions of the sensor devices are 90 deg. Even if the phase difference (ie, λ / 4 phase difference) is not reached, the position of the sensor device can be accurately measured.

前記センサブリッジY01及び前記センサブリッジY02は、それぞれの感磁方向が固定子の磁極が配列される1方向に対して同一の位相を持ち、前記センサブリッジX01で検出される出力信号と、前記センサブリッジY02で検出される出力信号を反転した出力信号とを、差動増幅を行うことにより第1の出力信号(コサイン信号)を得て、前記センサブリッジY01と前記センサブリッジX02とで独立に検出される出力信号を差動増幅して前記第1の出力信号から電気角で90deg.位相の遅れた、第2の出力信号(サイン信号)を得る信号処理部分を有する。   The sensor bridge Y01 and the sensor bridge Y02 have the same phase with respect to one direction in which the magnetic poles of the stator are arranged, the output signal detected by the sensor bridge X01, and the sensor A first output signal (cosine signal) is obtained by performing differential amplification on an output signal obtained by inverting the output signal detected by the bridge Y02, and is detected independently by the sensor bridge Y01 and the sensor bridge X02. Differentially amplifying the output signal to be 90 deg. In electrical angle from the first output signal. It has a signal processing part for obtaining a second output signal (sine signal) with a phase lag.

前記第1のセンサデバイスと第2のセンサデバイスとは互いに固定子の多磁極列の位置においてほぼλ/4±nλ/2離れた位置(但し、λは多磁極列の同極性の磁極のピッチ、nは整数である。)に設置されているこのが好ましい。前記第1のセンサデバイスと第2のセンサデバイスとは互いに固定子の多磁極列の位置においてほぼλ/4離れた位置に設置されているのが好ましい。   The first sensor device and the second sensor device are spaced apart from each other by approximately λ / 4 ± nλ / 2 at the position of the multi-pole array of the stator (where λ is the pitch of the same polarity magnetic poles of the multi-pole array) , N is an integer)). It is preferable that the first sensor device and the second sensor device are installed at a position approximately λ / 4 apart from each other at the position of the multi-pole array of the stator.

固定子の多磁極列面の厚みtは、固定子の磁石の厚さ寸法に相当する。前記センサデバイスの中心とは、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の中心、又はスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子が複数個ある場合にはそれらからほぼ等距離にある中心点とする。スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の厚さは固定子の磁石よりも十分薄いので、前記中心はスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を形成する基板上にあるとして差し支えない。すなわち、前記センサデバイスの中心はセンサ面上にあるといえる。   The thickness t of the multi-pole array surface of the stator corresponds to the thickness of the stator magnet. The center of the sensor device is the center of the spin valve type giant magnetoresistive effect element or the center point that is substantially equidistant from the spin valve type giant magnetoresistive effect element when there are a plurality of spin valve type giant magnetoresistive effect elements. Since the thickness of the spin-valve giant magnetoresistive element is sufficiently thinner than the magnet of the stator, the center may be on the substrate on which the spin-valve giant magnetoresistive element is formed. That is, it can be said that the center of the sensor device is on the sensor surface.

(第2の位置検出装置)
本発明の第2の位置検出装置は、多磁極列を表面に有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスを備えた位置検出装置であって、
前記センサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX01とセンサブリッジY01とを内蔵し、
前記センサブリッジX01及びY01は、それぞれがスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、
前記センサブリッジX01及びY01において、電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記センサブリッジX01及びY01の固定層磁化方向を含む平面が、前記固定子の多磁極列面の厚み中心点を通りかつ多磁極列面に垂直な平面に対して傾いており、
前記センサブリッジX01及びY01のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力を得て、前記出力を基にして位置信号を得ることを特徴とする。
(Second position detection device)
A second position detection apparatus of the present invention includes a stator having a multi-pole array on the surface, and a sensor device that translates with respect to the multi-pole array surface of the stator and detects the direction of magnetic flux from the stator. A position detecting device comprising:
The sensor device includes a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other,
Each of the sensor bridges X01 and Y01 is a spin-valve giant magnetoresistive element (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction rotates according to the direction of the magnetic field. A magnetoresistive element) bridge circuit,
In the sensor bridges X01 and Y01, the pinned layer magnetization directions of the spin valve type giant magnetoresistive effect elements on the electrically adjacent sides are antiparallel,
A plane including the pinned layer magnetization direction of the sensor bridges X01 and Y01 is inclined with respect to a plane passing through the thickness center point of the multi-pole array surface of the stator and perpendicular to the multi-pole array surface,
By applying a voltage to each of the sensor bridges X01 and Y01, an output corresponding to an angle between the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is obtained, and a position signal is obtained based on the output. It is characterized by.

(第3の位置検出装置)
本発明の第3の位置検出装置は、多磁極列を表面に有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスを備えた位置検出装置であって、
前記センサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX01とセンサブリッジY01とを内蔵し、
前記センサブリッジX01及びY01は、それぞれがスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、
前記センサブリッジX01及びY01において、電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記センサデバイスの中心は、前記固定子の多磁極列面の厚み中心点を通りかつ多磁極列面に垂直な平面から、固定子の多磁極列面の厚さ方向に離れており、
前記センサブリッジX01及びY01のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力を得て、前記出力を基にして位置信号を得ることを特徴とする。
(Third position detection device)
A third position detection apparatus according to the present invention includes a stator having a multi-pole array on a surface thereof, and a sensor device that translates with respect to the multi-pole array surface of the stator and detects the direction of magnetic flux from the stator. A position detecting device comprising:
The sensor device includes a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other,
Each of the sensor bridges X01 and Y01 is a spin-valve giant magnetoresistive element (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction rotates according to the direction of the magnetic field. A magnetoresistive element) bridge circuit,
In the sensor bridges X01 and Y01, the pinned layer magnetization directions of the spin valve type giant magnetoresistive effect elements on the electrically adjacent sides are antiparallel,
The center of the sensor device is away from the plane that passes through the thickness center point of the multi-pole array surface of the stator and is perpendicular to the multi-pole array face, in the thickness direction of the multi-pole array face of the stator,
By applying a voltage to each of the sensor bridges X01 and Y01, an output corresponding to an angle between the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is obtained, and a position signal is obtained based on the output. It is characterized by.

(第4の位置検出装置)
本発明の第4の位置検出装置は、多磁極列を表面に有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知する第一のセンサデバイス及び第二のセンサデバイスとを備えた位置検出装置であって、前記第1のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX01とセンサブリッジY01とを内蔵し、前記第2のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX02とセンサブリッジY02とを内蔵し、前記センサブリッジX01、Y01、X02及びY02は、それぞれがスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、前記センサブリッジX01、Y01、X02及びY02において、電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、前記センサブリッジX01、Y01、X02及びY02の固定層磁化方向を含む平面が、前記固定子の多磁極列面の厚み中心点を通りかつ多磁極列面に垂直な平面に対して傾いており、前記センサブリッジX01、Y01、X02及びY02のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力を得て、前記出力を基にして位置信号を得ることを特徴とする。
(Fourth position detection device)
According to a fourth position detection apparatus of the present invention, a stator having a multi-pole array on the surface, a first that detects a direction of magnetic flux from the stator while moving parallel to the multi-pole array surface of the stator. The first sensor device includes a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and the first sensor device includes the sensor device and the second sensor device. The sensor device 2 includes a sensor bridge X02 and a sensor bridge Y02 in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and each of the sensor bridges X01, Y01, X02, and Y02 is a spin valve type giant magnetoresistive element (fixed). Magnetoresistive element having a layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction being fixed, and the free layer magnetization direction rotating according to the direction of the magnetic field) In the sensor bridges X01, Y01, X02 and Y02, the magnetization directions of the pinned layers of the spin-valve giant magnetoresistive elements on the electrically adjacent sides are antiparallel, and the sensor bridges X01, Y01, X02 And a plane including the pinned layer magnetization direction of Y02 is inclined with respect to a plane passing through the center of thickness of the multi-pole array surface of the stator and perpendicular to the multi-pole array surface, and the sensor bridges X01, Y01, X02 And a voltage applied to each of Y02, an output corresponding to an angle between the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is obtained, and a position signal is obtained based on the output. .

センサブリッジX01及びY01の固定層磁化方向を含む平面、及びセンサブリッジX02及びY02の固定層磁化方向を含む平面を、それぞれセンサ面(感磁面)と称する。   The plane including the fixed layer magnetization direction of the sensor bridges X01 and Y01 and the plane including the fixed layer magnetization direction of the sensor bridges X02 and Y02 are referred to as sensor surfaces (magnetic sensitive surfaces), respectively.

(第5の位置検出装置)
本発明の第5の位置検出装置は、多磁極列を表面に有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知する第1のセンサデバイス及び第2のセンサデバイスとを備えた位置検出装置であって、
前記第1のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX01とセンサブリッジY01とを内蔵し、
前記第2のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX02とセンサブリッジY02とを内蔵し、
前記センサブリッジX01、Y01、X02及びY02は、それぞれがスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、
前記センサブリッジX01、Y01、X02及びY02において、電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記第1のセンサデバイス及び前記第2のセンサデバイスの中心は、前記固定子の多磁極列面の厚み中心点を通りかつ多磁極列面に垂直な平面から、固定子の多磁極列面の厚さ方向に離れており、
前記センサブリッジX01、Y01、X02及びY02のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力を得て、前記出力を基にして位置信号を得ることを特徴とする。
(Fifth position detection device)
According to a fifth position detection apparatus of the present invention, a stator having a multi-pole array on the surface, and a first that detects a direction of magnetic flux from the stator while moving parallel to the multi-pole array surface of the stator. A position detection apparatus comprising the sensor device and the second sensor device,
The first sensor device includes a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other,
The second sensor device includes a sensor bridge X02 and a sensor bridge Y02 in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other,
Each of the sensor bridges X01, Y01, X02 and Y02 is a spin valve type giant magnetoresistive element (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is the direction of the magnetic field. A magnetoresistive element that rotates in response to
In the sensor bridges X01, Y01, X02 and Y02, the pinned layer magnetization direction of the spin valve type giant magnetoresistive effect element on the electrically adjacent sides is antiparallel,
The center of the first sensor device and the second sensor device is from a plane that passes through the thickness center point of the multi-pole array surface of the stator and is perpendicular to the multi-pole array surface, and from the plane of the multi-pole array surface of the stator. Apart in the thickness direction,
By applying a voltage to each of the sensor bridges X01, Y01, X02, and Y02, an output corresponding to an angle formed by the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is obtained, and the position is determined based on the output. It is characterized by obtaining a signal.

スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は2個又は4個用いられ、それぞれが電気的なハーブブリッジ回路又はフルブリッジ回路を構成する2個又は4個のエレメント(素子)に相当する。   Two or four spin-valve giant magnetoresistive elements are used, each corresponding to two or four elements (elements) constituting an electric herb bridge circuit or full bridge circuit.

前記第4又は5の位置検出装置において、前記センサブリッジX01と前記センサブリッジY02とで独立に検出される位相情報を基に第1の出力信号(コサイン信号)を得て、前記センサブリッジY01と前記センサブリッジX02とで独立に検出される出力信号を基に、前記第1の出力信号から電気角で90deg.遅れている第2の出力信号(サイン信号)を得るのが好ましい。   In the fourth or fifth position detecting device, a first output signal (cosine signal) is obtained based on phase information detected independently by the sensor bridge X01 and the sensor bridge Y02, and the sensor bridge Y01 Based on an output signal detected independently by the sensor bridge X02, an electrical angle of 90 deg. It is preferable to obtain a delayed second output signal (sine signal).

前記第4又は5の位置検出装置において、前記第1の出力信号(コサイン信号)と前記第2の出力信号(サイン信号)とをデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換部と、変換されたデジタル信号を位置信号に演算する位置演算部とを有するのが好ましい。   In the fourth or fifth position detection apparatus, an analog-digital conversion unit that converts the first output signal (cosine signal) and the second output signal (sine signal) into a digital signal, and the converted digital It is preferable to have a position calculation unit that calculates a signal into a position signal.

前記第1のセンサデバイスと第2のセンサデバイスとは互いに前記固定子の多磁極列の位相においてほぼλ/4±nλ/2離れた位置(λは多磁極列の同極性の磁極のピッチ、nは整数である。)に設置されているのが好ましい。さらに、前記第1のセンサデバイスと第2のセンサデバイスとは互いに前記固定子の多磁極列の位置においてほぼλ/2離れた位置に設置されているのが好ましい。   The first sensor device and the second sensor device are separated from each other by approximately λ / 4 ± nλ / 2 in the phase of the multi-pole array of the stator (λ is the pitch of the same polarity magnetic poles of the multi-pole array, n is an integer). Further, it is preferable that the first sensor device and the second sensor device are installed at a position approximately λ / 2 apart from each other at the position of the multi-pole array of the stator.

前記固定子のN極対に対して、第1のセンサデバイスと第2のセンサデバイスの相対的な位置関係は±λ/4+Nλ/2で表されるのが好ましい。また、前記センサブリッジY01及びセンサブリッジY02は固定層磁化方向が前記固定子の多磁極列の方向に沿うように配置されており、前記センサブリッジX01の固定層磁化方向とセンサブリッジX02の固定層磁化方向とは位置がλ/4又はλ/4±nλ/2(nは整数である。)異なるように配置されていることが望ましい。   The relative positional relationship between the first sensor device and the second sensor device with respect to the north pole pair of the stator is preferably expressed as ± λ / 4 + Nλ / 2. The sensor bridge Y01 and the sensor bridge Y02 are arranged such that the fixed layer magnetization direction is along the direction of the multi-pole array of the stator, and the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge X01 and the fixed layer of the sensor bridge X02 are arranged. It is desirable that the position is different from the magnetization direction by λ / 4 or λ / 4 ± nλ / 2 (n is an integer).

(第6の回転角度検出装置)
本発明の第6の位置検出装置は、多磁極列を有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを備える位置検出装置であって、前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁場の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、磁束を前記感磁面と交差させて、前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大きさが等しくなるように、前記固定子に対して前記センサデバイスが設けられていることを特徴とする。
(Sixth rotation angle detection device)
A sixth position detection apparatus of the present invention includes a stator having a multi-pole array, and a sensor device that translates with respect to the multi-pole array surface of the stator and detects the direction of magnetic flux from the stator. The sensor device includes a plurality of spin-valve giant magnetoresistive elements (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is a magnetic field A magnetoresistive element that rotates according to the direction), and the magnitude of the amplitude of magnetic flux density components orthogonal to each other in the magnetosensitive surface is obtained by intersecting the magnetic flux with the magnetosensitive surface. The sensor device is provided with respect to the stator so as to be equal.

ここで、多磁極列を有する固定子は、少なくとも2つのN極と2つのS極が1方向に並ぶように着磁されているものであればよい。この固定子としては、例えば、1つの磁極を有する磁石を直線上に複数個配列した磁石列、多極に着磁された磁石を直線上に複数個配列した磁石列、ハルバック磁気回路を直線上に複数配列した磁石列などが挙げられる。   Here, the stator having a multi-pole array may be any one that is magnetized so that at least two N poles and two S poles are aligned in one direction. Examples of the stator include a magnet array in which a plurality of magnets having one magnetic pole are arranged on a straight line, a magnet array in which a plurality of magnets magnetized in multiple poles are arranged on a straight line, and a Halbach magnetic circuit on a straight line. And a plurality of magnet arrays arranged in the above.

(第7の位置検出装置)
本発明の第7の位置検出装置は、多磁極列を有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを備える位置検出装置であって、前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁場の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、空間磁束密度の振幅比K0=B⊥0/B//0≠1となる位置で、前記感磁面内で直交する実効磁束密度の振幅比Keff=B⊥eff0/B//eff0が1となるように、前記固定子に対して前記センサデバイスが設けられていることを特徴とする。
(Seventh position detection device)
A seventh position detection apparatus of the present invention includes a stator having a multi-pole array, and a sensor device that translates with respect to the multi-pole array surface of the stator and detects the direction of magnetic flux from the stator. The sensor device includes a plurality of spin-valve giant magnetoresistive elements (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is a magnetic field A magnetoresistive element that rotates in accordance with the direction), and at the position where the amplitude ratio K 0 = B ⊥0 / B // 0 ≠ 1 of the spatial magnetic flux density, The sensor device is provided with respect to the stator so that the amplitude ratio K eff = B ⊥ eff0 / B // eff0 is 1.

(直線駆動装置)
本発明の直線駆動装置は、前記いずれかの位置検出装置と、前記固定子の多磁極列面に対向すると共に前記可動子に設けられたコイルとを備えることを特徴とする。
(Linear drive device)
The linear drive device of the present invention includes any one of the position detection devices and a coil provided on the movable element and facing the multi-pole array surface of the stator.

本発明の位置検出装置は、位置の検出精度が高いため、直線駆動装置に好適である。   Since the position detection device of the present invention has high position detection accuracy, it is suitable for a linear drive device.

(実施形態1)
図1には、固定子11に対するセンサデバイス12aの位置を検出する位置検出装置を示す。図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。固定子11は、焼結磁石のブロックが隣あうように1列に連結されており、N極とS極が交互になるようにλ/2で並び、多磁極列を構成する。太い矢印で表わした磁化の向きに直交する側面(磁束の出入りする側の面)が、多磁極列面である。この構成ではセンサデバイス12aが可動子に相当し、固定子11の磁極の配列方向に沿って平行移動可能に配置されている。センサデバイスを平行移動させると、多磁極列からセンサデバイスが回転磁界を受けるので、自由層が回転し、位置に応じた出力をセンサデバイスから取り出すことができる。センサデバイスに接続する電子回路の詳細は後述する。固定子の厚み中心を通り且つ多磁極列面に直交する平面とセンサデバイス12aの感磁面との距離はh’≠0である。固定子の厚み中心を通り且つ多磁極列面に平行な平面とセンサデバイス12aの中心(感磁面の中心)との距離はrである。センサデバイスの感磁面内において、磁極の配列方向(多磁極列方向)に沿った磁束密度成分の振幅の大きさと磁極の配列方向に直交する磁束密度成分の振幅の大きさとがほぼ等しくなるように、センサデバイス12aをZ軸方向に距離h’ずらして配置している。この位置検出装置を直線駆動装置に適用すると、直線駆動装置の可動子の位置を高精度に検出することができる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a position detection device that detects the position of the sensor device 12 a with respect to the stator 11. FIG.1 (b) is AA sectional drawing of Fig.1 (a). The stators 11 are connected in one row so that the blocks of sintered magnets are adjacent to each other, and are arranged at λ / 2 so that the N poles and the S poles are alternated to constitute a multi-pole row. A side surface (surface on the side where magnetic flux enters and exits) perpendicular to the direction of magnetization represented by a thick arrow is a multi-pole array surface. In this configuration, the sensor device 12a corresponds to a mover, and is arranged so as to be able to translate along the arrangement direction of the magnetic poles of the stator 11. When the sensor device is translated, the sensor device receives a rotating magnetic field from the multi-pole array, so that the free layer rotates and an output corresponding to the position can be taken out from the sensor device. Details of the electronic circuit connected to the sensor device will be described later. The distance between the plane passing through the center of the thickness of the stator and orthogonal to the multi-pole array surface and the magnetosensitive surface of the sensor device 12a is h ′ ≠ 0. Distance between the center (center of the sensitive surface) of the plane parallel to the thickness center as and multi-pole column surface of the stator and the sensor device 12a is r 1. Within the magnetic sensing surface of the sensor device, the magnitude of the magnetic flux density component along the magnetic pole arrangement direction (multi-pole array direction) and the magnitude of the magnetic flux density component orthogonal to the magnetic pole arrangement direction are substantially equal. Further, the sensor device 12a is arranged with a distance h ′ shifted in the Z-axis direction. When this position detection device is applied to a linear drive device, the position of the mover of the linear drive device can be detected with high accuracy.

(比較形態1)
図2には、多磁極列の真横(χ=0、h'=0)にセンサデバイス12aを配置する位置検出装置を示す。図2(b)は図2(a)のA−A断面図である。h'=0以外の構成は図1と同様である。ただし、この配置では、センサデバイスの感磁面内において、磁極の配列方向(多磁極列方向)に沿った磁束密度成分の振幅の大きさと磁極の配列方向に直交する磁束密度成分の振幅の大きさとが等しくないので、センサデバイスを平行移動させてその位置を求めても、直線変位量の誤差が大きい。
(Comparative form 1)
FIG. 2 shows a position detection device in which the sensor device 12a is arranged directly beside the multi-pole array (χ = 0, h ′ = 0). FIG.2 (b) is AA sectional drawing of Fig.2 (a). Configurations other than h ′ = 0 are the same as those in FIG. However, in this arrangement, the magnitude of the magnetic flux density component along the magnetic pole arrangement direction (multi-pole array direction) and the magnitude of the magnetic flux density component orthogonal to the magnetic pole arrangement direction within the magnetic sensing surface of the sensor device. Therefore, even if the sensor device is translated and its position is obtained, the error of the linear displacement amount is large.

(実施形態2)
図3には、多磁極列の横(χ≠0、h'=0)にセンサデバイス12aを配置する位置検出装置を示す。図3(b)は図3(a)のA−A断面図である。固定子の厚み中心点を通り且つ多磁極列面に直交する平面に対してセンサデバイス12aの感磁面をχ傾けている以外の構成は、図1と同様である。ただし、センサデバイスの感磁面内において、磁極の配列方向(多磁極列方向)に沿った磁束密度成分の振幅の大きさと磁極の配列方向に直交する磁束密度成分の振幅の大きさとがほぼ等しいので、直線変位量の誤差は実施形態1と同程度に抑制することができる。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a position detection apparatus in which the sensor device 12a is arranged beside the multi-pole array (χ ≠ 0, h ′ = 0). FIG.3 (b) is AA sectional drawing of Fig.3 (a). The configuration is the same as that of FIG. 1 except that the magnetosensitive surface of the sensor device 12a is tilted by χ with respect to a plane that passes through the thickness center point of the stator and is orthogonal to the multi-pole array surface. However, in the magnetic sensing surface of the sensor device, the magnitude of the magnetic flux density component along the magnetic pole arrangement direction (multi-pole array direction) is almost equal to the magnitude of the magnetic flux density component orthogonal to the magnetic pole arrangement direction. Therefore, the error of the linear displacement amount can be suppressed to the same extent as in the first embodiment.

(実施形態3)
図4には、図2の構成に更にセンサデバイス12bを加入している位置検出装置を示す。第1のセンサデバイス12aに対して感磁面の中心同士がλ/4離隔するように第2のセンサデバイス12bを配置すると2つのセンサデバイスを一体で平行移動させる以外は図2と同様である。2つのセンサデバイスの出力を合成する際に誤差成分が相殺されるので、比較形態よりも直線変位量の誤差を小さくすることができる。
(Embodiment 3)
FIG. 4 shows a position detection apparatus in which a sensor device 12b is added to the configuration of FIG. When the second sensor device 12b is arranged so that the centers of the magnetic sensitive surfaces are spaced apart from each other by λ / 4 with respect to the first sensor device 12a, the two sensor devices are the same as in FIG. . Since the error component is canceled when the outputs of the two sensor devices are combined, the error of the linear displacement amount can be made smaller than that in the comparative form.

(実施形態4)
図5には、固定子11に対するセンサデバイス12aの位置を検出する他の位置検出装置を示す。第1のセンサデバイス12aに対して感磁面の中心同士が3λ/4離隔するように第2のセンサデバイス12bを配置する以外は図4と同様である。直線移動に係る変位量検出の場合は、2つのセンサデバイスの位置関係(感磁面の中心同士の位置関係)は、λ/4±nλ/2で規定される。そのため、図5のように第2のセンサデバイスを3λ/4離れた位置に配置しても同様の効果を得ることができる。
(Embodiment 4)
FIG. 5 shows another position detection apparatus that detects the position of the sensor device 12a with respect to the stator 11. 4 except that the second sensor device 12b is arranged so that the centers of the magnetic sensitive surfaces are separated from each other by 3λ / 4 with respect to the first sensor device 12a. In the case of detecting the amount of displacement related to linear movement, the positional relationship between the two sensor devices (the positional relationship between the centers of the magnetic sensitive surfaces) is defined by λ / 4 ± nλ / 2. Therefore, the same effect can be obtained even if the second sensor device is arranged at a position separated by 3λ / 4 as shown in FIG.

(実施形態5)
図5の構成について、さらに各々のセンサデバイス12a,12bを共にz軸方向にh’平行移動させたところ、図1の直線変位量の誤差を更に抑える変位検出装置を得る。
(Embodiment 5)
With respect to the configuration of FIG. 5, when the sensor devices 12a and 12b are both translated by h ′ in the z-axis direction, a displacement detection device that further suppresses the error of the linear displacement amount of FIG. 1 is obtained.

(実施形態6)
図5の構成について、さらに各々のセンサデバイス12a,12bを共に図3のようにχ傾斜させたところ、図5と同等のレベルに直線変位量の誤差を抑える変位検出装置を得る。
(Embodiment 6)
With respect to the configuration of FIG. 5, when the sensor devices 12a and 12b are both tilted by χ as shown in FIG. 3, a displacement detection device that suppresses the error of the linear displacement amount to the same level as in FIG. 5 is obtained.

(固定子と可動子の位置関係)
図6には、固定子の多磁極列と、可動子のセンサデバイスの位置関係の例を示す。図6(a)は図1〜5の(a)と同様に位置検出装置の上面図であり、図6(b)は(a)のA−A断面図に相当する。(a)において太い矢印は1つのブロック毎の着磁方向を表わし、曲線状の細い矢印は磁力線を表わす。図6(b)は2通りのセンサデバイス12a’’、及びセンサデバイス12a’’の配置を示すものである。センサデバイス12a’は、h’=0のX−Y平面上にセンサデバイスの感磁面の中心を配置し、その感磁面をX−Y平面に対してセンサ傾斜角χだけ傾けている。センサデバイス12a’’は、センサ配置角φ'の位置にあり、X−Y平面に対してχ'傾けている。センサデバイス12a’’の中心は、固定子11の厚み中心点を通りかつ多磁極列方向に垂直な平面(X−Y平面に平行な面)からZ軸方向にh’離れている。センサデバイス12a’’の位置において、磁束の方向はX軸からε'傾いている。固定子の磁石の厚みtはZ軸方向の寸法である。固定子11の厚み中心点は、固定子のX−Y断面中央とZ軸断面の中央が交差する点であり、XYZ軸の原点に相当する。なお、図6の磁石とセンサデバイスの相対的位置関係は、基本的には図9でセンサデバイスをZ軸方向にずらして配置する構成と同様であるが、磁石の回転中心が存在しないため、センサ配置角φの基準は、磁石のX軸の中心とZ方向の中心と見なす。
(Positional relationship between stator and mover)
FIG. 6 shows an example of the positional relationship between the multi-pole array of the stator and the sensor device of the mover. FIG. 6A is a top view of the position detection device as in FIGS. 1A to 5A, and FIG. 6B corresponds to a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In (a), a thick arrow represents the magnetization direction for each block, and a thin curved arrow represents a magnetic field line. FIG. 6B shows the arrangement of two types of sensor devices 12a ″ and sensor devices 12a ″. In the sensor device 12a ′, the center of the magnetic sensitive surface of the sensor device is arranged on the XY plane with h ′ = 0, and the magnetic sensitive surface is inclined by the sensor inclination angle χ with respect to the XY plane. The sensor device 12a ″ is at the position of the sensor arrangement angle φ ′ and is inclined χ ′ with respect to the XY plane. The center of the sensor device 12a ″ is h ′ away in the Z-axis direction from a plane passing through the thickness center point of the stator 11 and perpendicular to the multi-pole array direction (a plane parallel to the XY plane). At the position of the sensor device 12a ″, the direction of the magnetic flux is inclined ε ′ from the X axis. The thickness t of the stator magnet is a dimension in the Z-axis direction. The thickness center point of the stator 11 is a point where the center of the XY cross section of the stator intersects the center of the Z axis cross section, and corresponds to the origin of the XYZ axis. The relative positional relationship between the magnet and the sensor device in FIG. 6 is basically the same as the configuration in which the sensor device is shifted in the Z-axis direction in FIG. 9, but the rotation center of the magnet does not exist. The reference of the sensor arrangement angle φ is regarded as the center of the X axis of the magnet and the center of the Z direction.

(実施形態7)
図7の(a)には、固定子40の多磁極列方向に沿って、可動子49を平行移動させる直線駆動装置を断面図(X−Y断面図)で示す。固定子40は、NdFeB系焼結型永久磁石で構成したリング磁石41を多段に積み重ねて、そのリングの貫通孔に非磁性のシャフト42を装着している。隣り合うリング磁石同士はY方向で着磁方向(太矢印)が逆になるように多磁極列を構成する。個々のリング磁石の着磁方向はリング磁石の軸方向に相当する。可動子49は、磁界を発生する駆動円筒部と、センサデバイスを有する検知円筒部を備える。前記駆動円筒部は、軟磁性のヨーク43に励磁用の巻線のコイル44を設けている。コイルに流す励磁用電流とそれによる磁界を制御することで、可動子49を駆動又は停止させる。
(Embodiment 7)
FIG. 7A is a cross-sectional view (XY cross-sectional view) of a linear drive device that translates the mover 49 along the multi-pole array direction of the stator 40. In the stator 40, ring magnets 41 made of NdFeB-based sintered permanent magnets are stacked in multiple stages, and a nonmagnetic shaft 42 is mounted in the through hole of the ring. Adjacent ring magnets constitute a multi-pole array so that the magnetization direction (thick arrow) is reversed in the Y direction. The magnetization direction of each ring magnet corresponds to the axial direction of the ring magnet. The mover 49 includes a drive cylinder that generates a magnetic field and a detection cylinder having a sensor device. The drive cylinder portion is provided with a coil 44 for exciting winding on a soft magnetic yoke 43. The movable element 49 is driven or stopped by controlling the exciting current flowing through the coil and the magnetic field generated thereby.

検知円筒部は、センサデバイス12a及び12cを支持する円筒状の非磁性部45aと、センサデバイス12b及び12dを支持する円筒状の非磁性部45bと、前記非磁性部45bの外周の設けた矩形の非磁性部46及びセンサデバイス12eとを備える。非磁性部45a及び45bの間には駆動円筒部が固定されており、3つの部材は一体の円筒型を為す。前記センサデバイスは、センサデバイスの感磁面内において、磁極の配列方向(多磁極列方向)に沿った磁束密度成分の振幅の大きさと磁極の配列方向に直交する磁束密度成分の振幅の大きさとがほぼ等しくなるように、非磁性部45a又は45bに固定する。   The detection cylindrical portion includes a cylindrical nonmagnetic portion 45a that supports the sensor devices 12a and 12c, a cylindrical nonmagnetic portion 45b that supports the sensor devices 12b and 12d, and a rectangular shape provided on the outer periphery of the nonmagnetic portion 45b. Nonmagnetic part 46 and sensor device 12e. A driving cylindrical portion is fixed between the nonmagnetic portions 45a and 45b, and the three members form an integral cylindrical shape. In the sensor device, the amplitude of the magnetic flux density component along the magnetic pole arrangement direction (multi-pole array direction) and the amplitude of the magnetic flux density component orthogonal to the magnetic pole arrangement direction within the magnetic sensing surface of the sensor device Are fixed to the non-magnetic part 45a or 45b so that they are substantially equal.

非磁性部46に設けるセンサデバイス12eは、固定子と同様に固定されており、非磁性の基準レール48上に1箇所だけ設ける基準磁極47を検知して、位置の基準とし、可動子の制御に用いる。基準レール48は固定子と同様に動かない。センサデバイス12eによりセンサデバイス12a〜12dが検知するのが幾つ目のλであるかを判別することができる。これらセンサデバイスから得られる位置情報を用い、前記駆動円筒部を制御すると、可動子を正確に駆動又は停止させることができ、高精度の直線駆動装置となる。   The sensor device 12e provided in the non-magnetic portion 46 is fixed in the same manner as the stator, detects the reference magnetic pole 47 provided only at one location on the non-magnetic reference rail 48, and controls the mover by using it as a position reference. Used for. The reference rail 48 does not move like the stator. The sensor device 12e can determine the number λ detected by the sensor devices 12a to 12d. When the position information obtained from these sensor devices is used to control the drive cylindrical portion, the mover can be accurately driven or stopped, and a highly accurate linear drive device is obtained.

図7において、センサデバイス12a〜12d及び12eは図12の(a)〜(f)に示すセンサデバイス12a,12bと同様のものを用いる。図7でセンサデバイス12a及び12bは固定子の多磁極列方向において2λ+3λ/4の位置関係を為すように固定している。図示を省略するが、センサデバイスに接続する電子回路は図13の回路を構成している。検知円筒部では、リングに通す貫通孔の内面はシャフトと円滑に摺動するよう処理されているが、リングに通すこと以外には特に位置を保持する部材を設けてはいない。   In FIG. 7, sensor devices 12a to 12d and 12e are the same as the sensor devices 12a and 12b shown in FIGS. In FIG. 7, the sensor devices 12a and 12b are fixed so as to have a positional relationship of 2λ + 3λ / 4 in the multi-pole array direction of the stator. Although not shown, the electronic circuit connected to the sensor device constitutes the circuit of FIG. In the detection cylindrical portion, the inner surface of the through hole that passes through the ring is processed so as to slide smoothly with the shaft, but no member that holds the position is provided except for passing through the ring.

また、図7の(a)の構成において、固定子40を図7(b)に示すように多段に積み重ねた円柱磁石41bに置換えることも可能である。前記円柱磁石41bは非磁性円筒内に積み重ねて固定することが望ましい。また、ヨーク43を同じ形をした非磁性体(すなわちボビン)で置き換える場合もある。リング磁石41と非磁性のシャフトの組合せは、例えば、径方向にラジアル着磁したリング磁石に非磁性のシャフトを通したもの、或いは外周面に着磁したリング磁石に軟磁性のシャフトを通したものに置換えることができる。また、ヨーク等の一部又は全部を非磁性体に置き換える場合もある。これらの変更は、コイルの巻数やそれに流す電流、可動子の重量や必要とする駆動力等との関係を踏まえ、適宜行うことができる。   Further, in the configuration of FIG. 7A, the stator 40 can be replaced with a column magnet 41b stacked in multiple stages as shown in FIG. 7B. The cylindrical magnet 41b is preferably stacked and fixed in a nonmagnetic cylinder. Further, the yoke 43 may be replaced with a nonmagnetic material (that is, a bobbin) having the same shape. The combination of the ring magnet 41 and the non-magnetic shaft is, for example, a non-magnetic shaft passed through a radially magnetized ring magnet or a soft magnetic shaft passed through a ring magnet magnetized on the outer peripheral surface. Can be replaced by something. Further, some or all of the yoke or the like may be replaced with a non-magnetic material. These changes can be made as appropriate based on the relationship between the number of turns of the coil, the current passed through it, the weight of the mover, the required driving force, and the like.

(実施形態8)
図8には、固定子50の多磁極列方向(Y方向)に沿って、可動子59を平行移動させる他の直線駆動装置を断面図(X−Z断面図)で示す。固定子50は、軟磁性の側板ヨーク52a,52b及び基板ヨーク52cで構成されるコの字型のヨークと、側板ヨークの内側に各々固着された磁石列51a及び52bと、前記側板ヨーク及び基板ヨークを固定する強度を高める為の補強部材58a及び58bを備え、ヨークと磁石で磁気回路を為す。可動子59は、励磁用のコイル54とそれを支持する枠体53及びテーブル56と、前記テーブル56を固定子50に対してY方向で移動可能に支持するガイド部57a及び57bと、センサデバイス12a及び12bとを備える。前記センサデバイス12aは枠体53の面に直接固定され、センサデバイス12bは支持基板55を介してテーブル56に支持されている。
(Embodiment 8)
FIG. 8 is a cross-sectional view (XZ cross-sectional view) of another linear drive device that translates the mover 59 along the multi-pole array direction (Y direction) of the stator 50. The stator 50 includes U-shaped yokes composed of soft magnetic side plate yokes 52a and 52b and a substrate yoke 52c, magnet rows 51a and 52b fixed to the inside of the side plate yoke, and the side plate yoke and the substrate. Reinforcing members 58a and 58b are provided to increase the strength for fixing the yoke, and a magnetic circuit is formed by the yoke and the magnet. The mover 59 includes an exciting coil 54, a frame 53 and a table 56 that support the coil 54, guide portions 57a and 57b that support the table 56 movably in the Y direction with respect to the stator 50, and a sensor device. 12a and 12b. The sensor device 12 a is directly fixed to the surface of the frame 53, and the sensor device 12 b is supported on the table 56 through a support substrate 55.

図8において、上述の磁気回路に対して可動子が平行移動する際に、センサデバイスに印加される磁石からの磁界が回転磁界となる位置に、センサデバイスを配置している。
B−B線の左側と右側では、別々の態様を図示している。左側の構成は、磁極よりの領域の磁界を検知し、センサデバイスの感磁面に対して磁力線が傾斜するように配置している。右側の構成は、磁極中間の領域の磁界を検知し、磁力線に対してセンサデバイスの感磁面が傾斜するように配置している。双方の構成について、センサデバイスの感磁面内において、磁極の配列方向(多磁極列方向)に沿った磁束密度成分の振幅の大きさと磁極の配列方向に直交する磁束密度成分の振幅の大きさとが等しくなるように、センサデバイスを配置している。
In FIG. 8, the sensor device is disposed at a position where the magnetic field from the magnet applied to the sensor device becomes a rotating magnetic field when the mover moves in parallel with respect to the magnetic circuit described above.
Separate aspects are illustrated on the left and right sides of the line BB. The configuration on the left side detects the magnetic field in the region from the magnetic pole, and is arranged so that the lines of magnetic force are inclined with respect to the magnetosensitive surface of the sensor device. The configuration on the right side detects the magnetic field in the region in the middle of the magnetic pole, and is arranged so that the magnetic sensitive surface of the sensor device is inclined with respect to the magnetic field lines. For both configurations, the magnitude of the amplitude of the magnetic flux density component along the magnetic pole arrangement direction (multi-pole array direction) and the magnitude of the magnetic flux density component orthogonal to the magnetic pole arrangement direction in the magnetic sensing surface of the sensor device The sensor devices are arranged so as to be equal.

図8において、センサデバイスを設置する箇所の他の形態例として、センサデバイス12c,12d及び12eを点線で表示する。これらのセンサデバイスは、Y軸方向における枠体53の端面に固定する。センサデバイス12cの場合、磁石列51a,51b間に形成される平行磁界(向きが交互に変わる磁界)を受けるので、座標のX−Y平面に対して感磁面を傾けている。センサデバイス12d、12eの場合、磁石列の端近傍で磁力線が曲がるので、センサデバイスの感磁面内において磁極の配列方向(多磁極列方向)に沿った磁束密度成分の振幅の大きさと磁極の配列方向に直交する磁束密度成分の振幅の大きさとがほぼ等しくなる位置のうち、センサデバイスをX−Y平面に対してほぼ平行にできる位置を選択し、配置している。   In FIG. 8, the sensor devices 12c, 12d, and 12e are displayed by dotted lines as another example of the location where the sensor device is installed. These sensor devices are fixed to the end face of the frame 53 in the Y-axis direction. In the case of the sensor device 12c, since it receives a parallel magnetic field (magnetic field whose direction changes alternately) formed between the magnet arrays 51a and 51b, the magnetosensitive surface is inclined with respect to the XY plane of coordinates. In the case of the sensor devices 12d and 12e, the magnetic field lines are bent near the end of the magnet array, and therefore the magnitude of the amplitude of the magnetic flux density component along the magnetic pole array direction (multi-pole array direction) and the magnetic pole Of the positions where the amplitudes of the magnetic flux density components orthogonal to the arrangement direction are substantially equal, a position where the sensor device can be substantially parallel to the XY plane is selected and arranged.

直線上を平行移動する可動子及びセンサデバイスと、多磁極列を有する固定子との位相関係をそのままで数式をもって詳細に説明することは簡単ではない。そこで、変換可能なモデルとして回転する磁石回転子と固定したセンサデバイスからなる回転角度検出装置の角度検出原理を説明する。まず、このリング磁石の外径が限りなく大きく、極数が非常に多い場合を考える。この場合、センサデバイス側から見ると、リング磁石の回転は1列に並んだ多数の磁極が直線移動している状態と等価と考えることができ、直線変位量を検出できる。したがって、直線変位量の説明を回転角度検出の説明で相互に置き換えることができる。   It is not easy to describe the phase relationship between the mover and the sensor device that translates in a straight line and the stator having a multi-pole array in detail with mathematical expressions. Therefore, an angle detection principle of a rotation angle detection apparatus including a rotating magnet rotor and a fixed sensor device will be described as a convertible model. First, consider the case where the outer diameter of the ring magnet is extremely large and the number of poles is very large. In this case, when viewed from the sensor device side, the rotation of the ring magnet can be considered to be equivalent to a state in which a large number of magnetic poles arranged in a line are moving linearly, and the amount of linear displacement can be detected. Therefore, the description of the linear displacement amount can be mutually replaced with the description of the rotation angle detection.

(1)回転角度検出原理
回転方向に2N極(Nは自然数)を有する磁石回転子について、本発明の回転角度検出装置の角度検出原理を説明する。この磁石回転子はN極対の磁石を有していると言い換えることができ、N回の軸対称性を有している。ある基準角の機械角θは電気角θelによって式(1)で表される。特に、2極(N=1)の場合は式(2)で表され、電気角と機械角が等しくなる。
(1) Rotation angle detection principle The angle detection principle of the rotation angle detection device of the present invention will be described for a magnet rotor having 2N poles (N is a natural number) in the rotation direction. In other words, this magnet rotor has N pole pairs of magnets, and has N-fold axial symmetry. Mechanical angle theta m of a reference angle is represented by the formula (1) by an electrical angle theta el. In particular, in the case of two poles (N = 1), it is expressed by Expression (2), and the electrical angle and the mechanical angle are equal.

単純化のために軸方向に無限に長い磁石回転子を仮定する(すなわち、軸方向には磁場は一様に分布していると仮定する)。このとき磁石回転子から発生する磁場を測定位置(r,θ)の関数とした空間ベクトルで表すと、半径方向の磁場成分Hと回転方向の磁場成分Hθとはそれぞれ式(3−1)及び式(3−2)で近似できる。 For simplicity, an infinitely long magnet rotor is assumed (ie, the magnetic field is uniformly distributed in the axial direction). When the magnetic field generated from the magnet rotor at this time is represented by a space vector as a function of the measurement position (r, θ), the radial magnetic field component H r and the rotational magnetic field component H θ are expressed by the following equations (3-1). ) And equation (3-2).

さらに、式(3−1)及び式(3−2)において、基本波成分がゼロでなく(すなわちAがゼロではない)場合、rがある程度大きく3次以上の高調波がAで表される基本波に比して小さいときには、式(4−1)及び式(4−2)のように簡略化可能である。 Further, Table in formula (3-1) and (3-2), the fundamental wave component is not zero (i.e. A 1 is not zero), r is large to some extent third or higher order harmonics by A 1 When it is smaller than the fundamental wave to be made, it can be simplified as shown in equations (4-1) and (4-2).

これは、測定点に対して磁石回転子が角度θだけ動くと磁場の向きがθel変化することを意味する。すなわち、磁場の大きさに関係なく、磁場の方向を検知することにより磁石回転子の回転角度が測定可能であることを意味している。 This means that the direction of the magnetic field changes by θ el when the magnet rotor moves by an angle θ m with respect to the measurement point. That is, it means that the rotation angle of the magnet rotor can be measured by detecting the direction of the magnetic field regardless of the magnitude of the magnetic field.

(2)スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子
前述の原理による磁気センサを実現するためのエレメント(素子)として、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子がある。磁気抵抗効果素子は磁場を感知してその抵抗値が変化するエレメント(素子)であり、通常はエレメント(素子)の異方性方向の磁場成分を一次元的に検知するように使用される。エレメント(素子)を回転磁場中に入れた場合の抵抗変化に着目している。回転磁場に対してcosα(αは固定層の磁化と自由層の磁化とのなす角)の抵抗変化をするエレメント(素子)、符号が逆の(−COSα)の抵抗変化をするエレメント(素子)、又はそれらを組み合わせた素子対を用いる。直流電圧印加時に、COSαに比例する電圧を出力するエレメント(素子)を適用することにより、式(5)に示すようにRresが出力される。式(5)において、δは抵抗変化率である。
(2) Spin-valve giant magnetoresistive effect element As an element (element) for realizing the magnetic sensor based on the above principle, there is a spin-valve giant magnetoresistive effect element. The magnetoresistive effect element is an element that changes its resistance value by sensing a magnetic field, and is usually used to detect a magnetic field component in the anisotropic direction of the element (element) one-dimensionally. We focus on the resistance change when the element is placed in a rotating magnetic field. An element (element) that changes the resistance of cos α (α is the angle between the magnetization of the fixed layer and the magnetization of the free layer) with respect to the rotating magnetic field, and an element (element) that changes the resistance of the opposite sign (−COS α) Or a combination of elements. By applying an element that outputs a voltage proportional to COSα when a DC voltage is applied, R res is output as shown in Equation (5). In Expression (5), δ is a resistance change rate.

スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を使用した場合、固定層の磁化の向きは製造工程によって決まり、外部磁場の動きによって変化しない。一方、自由層の磁化は、外部磁場の方向と同一であることから、抵抗変化は外部磁場の方向にのみ依存し、磁場の絶対値の大きさにはよらない動作が可能となる。このように、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子では、磁場と感磁方向のなす角度に応じた出力が得られるため、電気角の1周期に対して1周期分の波形出力が得られ、逆正接演算によって絶対角度を求めることができる。また磁石回転子から印加される磁束に応じて自由層の磁化はスムーズに回転する。このため、本発明に使用するエレメント(素子)として適している。なお、逆正接演算とは、第1の正弦波状出力信号x(例えばセンサブリッジX01から得る信号)、及び第2の正弦波状出力信号y(例えばセンサブリッジY01から得る信号)から、tanθ=y/xの関係となるθを求めることである。 When a spin valve type giant magnetoresistive element is used, the magnetization direction of the fixed layer is determined by the manufacturing process and does not change with the movement of the external magnetic field. On the other hand, since the magnetization of the free layer is the same as the direction of the external magnetic field, the resistance change depends only on the direction of the external magnetic field, and an operation that does not depend on the magnitude of the absolute value of the magnetic field is possible. As described above, in the spin valve type giant magnetoresistive effect element, an output corresponding to the angle between the magnetic field and the magnetosensitive direction can be obtained, so that a waveform output for one period can be obtained with respect to one period of the electrical angle. The absolute angle can be obtained by tangent calculation. The magnetization of the free layer rotates smoothly according to the magnetic flux applied from the magnet rotor. For this reason, it is suitable as an element (element) used in the present invention. The arc tangent calculation means that tan θ m = y from the first sinusoidal output signal x (for example, a signal obtained from the sensor bridge X01) and the second sinusoidal output signal y (for example, a signal obtained from the sensor bridge Y01). This is to obtain θ m that is a relationship of / x.

上記において、HとHθの振幅は等しいとして説明を行ったが、磁石回転子の軸方向寸法(すなわち磁石回転子厚み)が有限である場合、振幅は等しくならない。以下に、振幅が等しくないときの角度演算方法を説明する。回転の軸芯を座標の原点とした永久磁石の外周近傍にセンサデバイスを設置する場合、その最適配置は以下のように求まる。磁石回転子の中心を原点とする座標系(X,Y,Z)において、位置(X,Y,Z)に、後述する内部に平行反平行方向の固定層磁化方向を有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されているセンサデバイス12aを配置する。センサブリッジX01の固定層磁化方向をX軸と平行に配置し、センサブリッジY01の固定層磁化方向はY軸と平行(磁石回転の接線方向)に配置した。X−Y平面と、前記磁石の原点とセンサデバイスの中心とを結ぶ線とがなす角をセンサ配置角φとすると、磁石回転子が円周方向にθ回転したときのX,Y及びZ方向の磁束成分B、B及びBはそれぞれ式(6−1)、式(6−2)及び式(6−3)で表される。ただし、磁石回転子を1個の磁気モーメントmに近似して考えた。 In the above has been described as the amplitude of the H r and H theta is equal, when the axial dimension of the magnet rotor (i.e. magnet rotor thickness) is finite, the amplitude is not equal. Hereinafter, an angle calculation method when the amplitudes are not equal will be described. When the sensor device is installed near the outer periphery of the permanent magnet with the axis of rotation as the origin of coordinates, the optimum arrangement is obtained as follows. In a coordinate system (X, Y, Z) with the center of the magnet rotor as the origin, a spin-valve giant magnet having a pinned layer magnetization direction parallel and antiparallel to the interior (described later) at position (X, Y, Z). A sensor device 12a to which a resistance effect element is bridge-connected is disposed. The fixed layer magnetization direction of the sensor bridge X01 is arranged parallel to the X axis, and the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge Y01 is arranged parallel to the Y axis (tangential direction of magnet rotation). Assuming that an angle formed by an XY plane and a line connecting the origin of the magnet and the center of the sensor device is a sensor arrangement angle φ, X, Y, and Z when the magnet rotor is rotated by θ m in the circumferential direction The magnetic flux components B X , B Y and B Z in the direction are expressed by Expression (6-1), Expression (6-2) and Expression (6-3), respectively. However, the magnet rotor was considered to approximate one magnetic moment m.

このとき、BをB//とし、残りのY軸に直交する成分をBと表すと、式(7−1)及び式(7−2)となる。 At this time, when BY is represented by B // and the remaining component orthogonal to the Y axis is represented by B , Equations (7-1) and (7-2) are obtained.

//0はB//の振幅であり、B⊥0はBの振幅である。これらの振幅比である空間磁束密度振幅比K0は、式(8)で表される。 B // 0 is the amplitude of B // and B ⊥0 is the amplitude of B . A spatial magnetic flux density amplitude ratio K 0 that is an amplitude ratio of these is expressed by Expression (8).

=0の場合は、B=0であるため、B//とBはともにX−Y平面内に存在する。Z≠0の場合、すなわちあるセンサ配置角φ(φ=90deg.を除く)の位置にセンサデバイスを設置すると、センサデバイスの中心ではX−Y平面からε傾いた平面(以下、ε面と称する)内で空間磁束密度振幅比K0の回転磁場が得られる。 In the case of Z s = 0, since B z = 0, both B // and B 存在 exist in the XY plane. When Z s ≠ 0, that is, when a sensor device is installed at a certain sensor arrangement angle φ (excluding φ = 90 deg.), A plane inclined ε from the XY plane at the center of the sensor device (hereinafter referred to as ε plane) A rotating magnetic field having a spatial magnetic flux density amplitude ratio K 0 is obtained.

一方、φ=0deg.の場合、空間磁束密度振幅比K0=B⊥0/B//0=2で、90deg.位相の異なる磁束を受けることとなり、センサ出力は正弦波とはならず、センサブリッジX01の出力はほぼ台形波、センサブリッジB01の出力はほぼ三角波となる。その結果、±20deg.という非常に大きな誤差が発生してしまう。このとき、センサブリッジY01の固定層磁化方向を回転軸としてχ傾けたとき、センサデバイス内のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子が実効的に受ける磁束密度のY方向成分B//eff、それに直交する方向の成分B⊥eff、及び実効磁束密度振幅比Keffは、それぞれ式(9−1)、式(9−2)及び式(9−3)で表される。B//eff0はB//effの振幅であり、B⊥eff0はB⊥effの振幅である。 On the other hand, φ = 0 deg. , The spatial magnetic flux density amplitude ratio K 0 = B ⊥0 / B // 0 = 2 and 90 deg . Since the magnetic fluxes having different phases are received, the sensor output does not become a sine wave, the output of the sensor bridge X01 is almost a trapezoidal wave, and the output of the sensor bridge B01 is almost a triangular wave. As a result, ± 20 deg. A very large error will occur. At this time, when the magnetization direction of the fixed layer of the sensor bridge Y01 is tilted by χ, the Y direction component B // eff of the magnetic flux density effectively received by the spin valve type giant magnetoresistive element in the sensor device is orthogonal to it. The component B ⊥eff and the effective magnetic flux density amplitude ratio K eff in the direction to be expressed are expressed by Expression (9-1), Expression (9-2), and Expression (9-3), respectively. B // EFF0 is the amplitude of the B // eff, B ⊥eff0 is the amplitude of B ⊥eff.

直交する実効磁束密度の振幅比Keff=B⊥eff0/B//eff0が1となる状態、つまり振幅の大きさを等しい状態にするのが好ましい。Keffの好ましい範囲はKeff=0.93〜1.08であり、より好ましくはKeff=0.96〜1.04であり、理想的にはKeff=1.0である。 It is preferable that the amplitude ratio K eff = B ⊥eff0 / B // orthogonal effective magnetic flux density is in a state where eff0 is 1, that is, the amplitude is equal. A preferred range of K eff is K eff = 0.93~1.08, more preferably K eff = 0.96~1.04, ideally K eff = 1.0.

χを最適センサ傾斜角χbest[式(9−3)においてKeff=1.0のときのχがχbestである。]にした場合、センサデバイスの固定層磁化方向を感磁面内で回転させても角度誤差は発生しない。これは、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向を直交させて、1対のセンサブリッジが2軸の直交関係になっていれば、感磁面内で固定層磁化方向を回転させてもセンサブリッジの出力の位相がθに対して進むか又は遅れるだけで、出力の振幅及び出力の精度には影響しないためである。以上のようにして、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は、Bx、By及びBzの3軸成分を有する磁束の方向を検知する。 χ is the optimum sensor tilt angle χ best [in equation (9-3), χ is χ best when K eff = 1.0. ], No angular error occurs even if the pinned layer magnetization direction of the sensor device is rotated in the magnetosensitive plane. This is because the pinned layer magnetization direction of the spin valve type giant magnetoresistive effect element is orthogonalized, and if the pair of sensor bridges are in a biaxial orthogonal relationship, the pinned layer magnetization direction is rotated within the magnetosensitive surface. also only the phase of the output of the sensor bridge is advanced or delayed with respect to theta m, the output of the amplitude and the output accuracy is because no effect. As described above, the spin valve giant magnetoresistive element detects the direction of magnetic flux having three-axis components of Bx, By, and Bz.

前述の式(9−1)〜(9−3)は、センサデバイスをχ傾けることで、K0より小さい任意の実効磁束密度振幅比を得られることを示している。例えば、χ=60deg.としたとき、B⊥effとB//effの実効磁束密度振幅比Keffは1.0となる。このとき、センサデバイス内のセンサブリッジX01,Y01の出力は正弦波状となり、逆正接演算を行っても角度誤差は発生しない。 The above-described equations (9-1) to (9-3) indicate that an arbitrary effective magnetic flux density amplitude ratio smaller than K 0 can be obtained by tilting the sensor device by χ. For example, χ = 60 deg. As a result, the effective magnetic flux density amplitude ratio K eff between B ⊥eff and B // eff is 1.0. At this time, the outputs of the sensor bridges X01 and Y01 in the sensor device are sinusoidal, and no angle error occurs even if the arctangent calculation is performed.

ここで、磁石回転子を磁気モーメントmに近似したが、実際には回転軸方向に薄い扁平形状をした円板状磁石が多く用いられるため、磁石回転子の反磁場係数やセンサデバイスの取り付け位置に依存して、空間磁束密度振幅比K0は変化する。しかしながら、センサデバイスの取り付け位置を、磁石回転子表面とのギャップの距離が数mmになるように離した場合、磁気モーメントmで近似可能となる。 Here, the magnet rotor is approximated to the magnetic moment m. However, since a disk-shaped magnet having a thin flat shape in the direction of the rotation axis is actually used, the demagnetizing factor of the magnet rotor and the mounting position of the sensor device Depends on the spatial magnetic flux density amplitude ratio K 0 . However, when the mounting position of the sensor device is separated so that the gap distance from the magnet rotor surface is several mm, it can be approximated by the magnetic moment m.

上記のように、2極着磁の磁石においては、磁気モーメントmに近似可能な解析によって、実効磁束密度振幅比Keffが1となる、最適センサ配置角φbest及び最適センサ傾斜角χbestを求めることができる。しかしながら、多極に着磁されたリング磁石のように、着磁パターンが複雑な場合は、磁気モーメントmでの解析が困難となってくる。このような場合は、有限要素法などの磁場解析によって、任意の点の磁束密度成分から空間磁束密度振幅比K0を求め、実効磁束密度振幅比Keffが1となるように、センサデバイスをX−Y平面からχ傾ければ、角度誤差の少ない回転角度検出装置を構成することができる。同様に、実効磁束密度振幅比Keffが1となるように、センサデバイスをX−Y平面からZ方向に移動させても、角度誤差の少ない回転角度検出装置を構成することができる。 As described above, in the case of a magnet with two poles, the optimum sensor arrangement angle φ best and the optimum sensor inclination angle χ best that the effective magnetic flux density amplitude ratio K eff is 1 are obtained by an analysis that can approximate the magnetic moment m. Can be sought. However, when the magnetizing pattern is complicated, such as a ring magnet magnetized with multiple poles, analysis with the magnetic moment m becomes difficult. In such a case, the spatial magnetic flux density amplitude ratio K 0 is obtained from the magnetic flux density component at an arbitrary point by magnetic field analysis such as a finite element method, and the sensor device is adjusted so that the effective magnetic flux density amplitude ratio K eff becomes 1. By tilting χ from the XY plane, it is possible to configure a rotation angle detection device with little angle error. Similarly, even if the sensor device is moved in the Z direction from the XY plane so that the effective magnetic flux density amplitude ratio K eff becomes 1, it is possible to configure a rotation angle detection device with little angle error.

(2デバイス、4ブリッジの重要性)
逆正接演算により回転角度を表す角度信号を得るには、サイン信号とコサイン信号の2信号が必要である。センサブリッジX01とセンサブリッジY01の出力は、それぞれの信号がコサイン信号とサイン信号に対応しており、この2個のセンサブリッジのみでも回転角度出力を得ることは可能である。しかし、上述の式(3)にあるように、磁石回転子からの磁束密度は必ずしも基本波成分のみではなく、高調波を含んでいる。また、式(9−1)〜(9−2)に示すように、傾き角χや、軸ずらし量hをセンサデバイスに設けない場合は、センサデバイスの設置位置における半径方向と回転方向の磁束密度が異なることから、さらに出力信号は高調波を含むこととなる。すなわち、磁石回転子の近傍でセンサデバイスの出力を測定する場合、磁石回転子の回転角度を横軸に、センサデバイスの出力を縦軸にとった場合、固定層磁化方向が半径方向を向いているセンサブリッジの出力は台形波状(sinカーブが台形的に歪んだ波形)となり、固定層磁化方向が回転方向を向いているセンサブリッジの出力は三角波状(sinカーブが三角形的に歪んだ波形)になる。このため、電気角で90deg.離れた位置に設置した第2のセンサデバイスからの出力X02とY02を加えることで基本波成分を増加させ、かつ高調波成分を相殺して減少させることが可能になる。このような信号処理により、角度信号の誤差をより低減することができる。第1のセンサデバイスと第2のセンサデバイスは必ずしも電気角で90deg.の隣接個所に設置する必要はない。例えば、第1のセンサデバイス12aから、第2のセンサデバイス12bが電気角で90deg.+180deg.離れた位置に設置された場合、センサブリッジX01の出力を基準にして、それぞれのセンサブリッジの出力のを基本波は式(16−1)〜(16−4)で表される。
(Importance of 2 devices and 4 bridges)
In order to obtain an angle signal representing the rotation angle by the inverse tangent calculation, two signals of a sine signal and a cosine signal are required. As for the outputs of the sensor bridge X01 and the sensor bridge Y01, the respective signals correspond to the cosine signal and the sine signal, and it is possible to obtain the rotation angle output only with these two sensor bridges. However, as shown in the above equation (3), the magnetic flux density from the magnet rotor does not necessarily include only the fundamental wave component but also includes harmonics. Further, as shown in equations (9-1) to (9-2), when the sensor device is not provided with the tilt angle χ or the axis shift amount h, the magnetic flux in the radial direction and the rotational direction at the installation position of the sensor device. Since the density is different, the output signal further includes harmonics. That is, when measuring the output of the sensor device in the vicinity of the magnet rotor, when the rotation angle of the magnet rotor is on the horizontal axis and the output of the sensor device is on the vertical axis, the fixed layer magnetization direction is in the radial direction. The output of the sensor bridge has a trapezoidal waveform (a waveform in which the sin curve is trapezoidally distorted), and the output of the sensor bridge in which the fixed layer magnetization direction is in the rotational direction is a triangular waveform (a waveform in which the sin curve is distorted in a triangle) become. For this reason, the electrical angle is 90 deg. By adding the outputs X02 and Y02 from the second sensor device installed at a distant position, it becomes possible to increase the fundamental wave component and cancel and reduce the harmonic component. By such signal processing, the error of the angle signal can be further reduced. The first sensor device and the second sensor device do not necessarily have an electrical angle of 90 deg. It is not necessary to install in the adjacent part. For example, from the first sensor device 12a, the second sensor device 12b has an electrical angle of 90 deg. +180 deg. When installed at a distant position, the fundamental wave of each sensor bridge output is expressed by equations (16-1) to (16-4) with reference to the output of the sensor bridge X01.

ここで、X02を反転して、Y01出力とX02反転出力とを差動処理する必要がある。X01出力とY02出力とは、反転処理のないまま差動増幅器の入力端に入力可能である。なお、位相関係を変えずに配置と結線を変えることで、同様の精度で回転角度を検知することも可能である。よって、上記の第1のセンサデバイスと第2のセンサデバイスの設置位置に関しては、電気角で90deg.及び、電気角90±360deg.に限定されるものではなく、その相対位置は90±180ndeg.(nは整数)の任意の角度を取ることが可能である。ただし、このようにセンサデバイス同士の間隔を広げると、位置検出装置を直線駆動装置に付け合せる際に、組立て精度の影響を受けて位置の検出精度が制約されることがある。従って、センサデバイス同士の間隔を小さくするのがより好ましい。   Here, it is necessary to invert X02 and differentially process the Y01 output and the X02 inverted output. The X01 output and the Y02 output can be input to the input terminal of the differential amplifier without inversion processing. It is also possible to detect the rotation angle with the same accuracy by changing the arrangement and connection without changing the phase relationship. Therefore, regarding the installation positions of the first sensor device and the second sensor device, the electrical angle is 90 deg. And an electrical angle of 90 ± 360 deg. The relative position is not limited to 90 ± 180 ndeg. Any angle (n is an integer) can be taken. However, if the distance between the sensor devices is increased in this way, the position detection accuracy may be limited due to the influence of the assembly accuracy when the position detection device is attached to the linear drive device. Therefore, it is more preferable to reduce the interval between the sensor devices.

以上のように、センサデバイスを傾斜、軸方向に平行移動、センサデバイスを複数個配置することで、リング磁石の回転角度を高精度に測定することができることを述べた。今、このリング磁石の外径が限りなく大きく、極数が非常に多い場合を考える。この場合、センサデバイス側から見ると、リング磁石の回転は多磁極列の直線移動と等価と考えることができ、直線変位量を検出できる。図6に多磁極列の磁石とセンサデバイスの位置関係を示す。直線変位量を検出する場合は、図11のλを求める必要がある。上記までの説明は角度θelもしくはθを検出する手法であるため、λを得る場合は、角度を距離に変換する必要がある。リング磁石の半径をr、極数を2N極(但し、Nは2以上の整数である。)とすると、電気角1周期あたりの距離λは、2rπ/Nで求められる。たとえば、直径100mm、8極の磁石の場合、電気角1周期当たりの距離は、λ=39.27mmとなる。 As described above, it has been described that the rotation angle of the ring magnet can be measured with high accuracy by tilting the sensor device, translating in the axial direction, and arranging a plurality of sensor devices. Consider a case where the outer diameter of the ring magnet is extremely large and the number of poles is very large. In this case, when viewed from the sensor device side, the rotation of the ring magnet can be considered equivalent to the linear movement of the multi-pole array, and the amount of linear displacement can be detected. FIG. 6 shows the positional relationship between the magnets of the multi-pole array and the sensor device. When detecting the amount of linear displacement, it is necessary to obtain λ in FIG. Since the above explanation is a method for detecting the angle θ el or θ m , it is necessary to convert the angle into a distance when obtaining λ. If the radius of the ring magnet is r 0 and the number of poles is 2N poles (where N is an integer equal to or greater than 2), the distance λ per cycle of the electrical angle can be obtained as 2r 0 π / N. For example, in the case of a magnet of 100 mm in diameter and 8 poles, the distance per cycle of electrical angle is λ = 39.27 mm.

(参考形態1、2)
参考形態1として、多極の磁石回転子21と1つのセンサデバイス12aを用いて構成する回転角度検出装置を図9(a)及び図9(b)に示す。図9(b)は図9(a)のA−A断面図である。磁石回転子21の内周面側にはシャフトを通して固定しているが、図示は省略する。センサデバイスはセンサ傾斜角χ=0、h=0で配置する。参考形態2として、図10はセンサ傾斜角χ傾けてセンサデバイスを配置する以外、図9に示す回転角度検出装置と同様に構成する。
(Reference form 1, 2)
9A and 9B show a rotation angle detection device configured using a multipolar magnet rotor 21 and one sensor device 12a as a reference mode 1. FIG. FIG.9 (b) is AA sectional drawing of Fig.9 (a). Although it fixes through the shaft to the inner peripheral surface side of the magnet rotor 21, illustration is abbreviate | omitted. The sensor device is arranged with a sensor tilt angle χ = 0 and h = 0. As a reference mode 2, FIG. 10 is configured in the same manner as the rotation angle detection apparatus shown in FIG. 9 except that the sensor device is arranged with the sensor tilt angle χ tilted.

磁石回転子(4極以上)の磁束とセンサデバイスの位置関係を図11(a)及び図11(b)に示す。図11(a)において、磁石回転子のリング状永久磁石31の各磁極内の磁化の向きは直線状の太矢印で表し、磁極表面から発生する磁束を曲線状の太矢印で表した。センサデバイス32fはX軸の向きの磁束を受けている。λは表面磁束密度分布を測定したときのサイン信号の1波長(電気角で360deg.)に相当し、リング状永久磁石31では1対の磁極表面の周方向長さに相当し、図6の固定子では同極性の磁極間距離に相当する。rは、リング状永久磁石31の径方向に沿ってみたときの、センサデバイス32fの感磁面の中心とリング状永久磁石31の表面との距離である。このとき、センサデバイス32fはX軸の向きの磁束を受けている。リング状永久磁石31を周方向に電気角で90deg.だけ回転させると、センサデバイス32fはY軸の向きの磁束を受けるようになる。Z軸は、リング状永久磁石31の孔の中心oを通り磁石の回転平面と直交する軸で、磁石回転子の回転軸に相当する。θは、磁石回転子の機械的な回転を表す機械角である。 The positional relationship between the magnetic flux of the magnet rotor (four or more poles) and the sensor device is shown in FIGS. In FIG. 11A, the magnetization direction in each magnetic pole of the ring-shaped permanent magnet 31 of the magnet rotor is represented by a straight thick arrow, and the magnetic flux generated from the magnetic pole surface is represented by a curved thick arrow. The sensor device 32f receives a magnetic flux in the X-axis direction. λ corresponds to one wavelength of a sine signal when measuring the surface magnetic flux density distribution (360 deg. in electrical angle), and in the ring-shaped permanent magnet 31, corresponds to the circumferential length of a pair of magnetic pole surfaces, as shown in FIG. In the stator, this corresponds to the distance between magnetic poles of the same polarity. r 1 is the distance between the center of the magnetic sensitive surface of the sensor device 32 f and the surface of the ring-shaped permanent magnet 31 when viewed along the radial direction of the ring-shaped permanent magnet 31. At this time, the sensor device 32f receives the magnetic flux in the X-axis direction. The ring-shaped permanent magnet 31 is 90 deg. The sensor device 32f receives the magnetic flux in the Y-axis direction when it is rotated only by the amount of rotation. The Z axis is an axis that passes through the center o of the hole of the ring-shaped permanent magnet 31 and is orthogonal to the rotation plane of the magnet, and corresponds to the rotation axis of the magnet rotor. θ m is a mechanical angle representing the mechanical rotation of the magnet rotor.

図11(b)は2通りのセンサデバイス32f、及びセンサデバイス32f’の配置を示したものである。センサデバイス32fは、Z=0のX−Y平面上にセンサデバイスの感磁面の中心を配置し、その感磁面をX−Y平面に対してセンサ傾斜角χだけ傾けている。センサデバイス32f’は、センサ配置角φ’の位置にあり、X−Y平面に対してχ'傾けている。センサデバイス32f’の中心は、リング磁石31の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂直な平面からZ軸方向にh’離れている。センサデバイス32f’の位置において、磁束の方向はX軸からε’傾いている。リング磁石の厚みtはZ軸方向の寸法である。リング磁石31の厚み中心点は、リング磁石のX−Y断面中央とZ軸断面の中央が交差する点であり、XYZ軸の原点に相当する。このリング磁石の孔には回転軸となるシャフトを固定することができる。   FIG. 11B shows the arrangement of two types of sensor devices 32f and sensor devices 32f '. In the sensor device 32f, the center of the magnetic sensitive surface of the sensor device is arranged on the XY plane with Z = 0, and the magnetic sensitive surface is inclined by the sensor inclination angle χ with respect to the XY plane. The sensor device 32f 'is at the position of the sensor arrangement angle φ' and is inclined by χ 'with respect to the XY plane. The center of the sensor device 32f 'is h' away from the plane passing through the center point of the thickness of the ring magnet 31 and perpendicular to the rotation axis in the Z-axis direction. At the position of the sensor device 32 f ′, the direction of the magnetic flux is inclined ε ′ from the X axis. The thickness t of the ring magnet is a dimension in the Z-axis direction. The center point of the thickness of the ring magnet 31 is the point where the center of the XY cross section of the ring magnet intersects the center of the Z axis cross section, and corresponds to the origin of the XYZ axis. A shaft serving as a rotating shaft can be fixed to the hole of the ring magnet.

本発明の位置検出装置は、図1、図4等に示すセンサデバイス12a,12bとして、図12の(a)〜(f)に示すように、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子8個で2つのフルブリッジ回路を構成し、非磁性リードフレームを利用して10個の端子23を形成し、樹脂系材料でモールドしたセンサデバイス12a,12bを用いる。   As shown in FIGS. 12A to 12F, the position detection apparatus of the present invention includes two spin valve type giant magnetoresistive effect elements as sensor devices 12a and 12b shown in FIGS. Two full bridge circuits are formed, ten terminals 23 are formed using a nonmagnetic lead frame, and sensor devices 12a and 12b molded with a resin material are used.

図12(a)に示すように、1つのセンサデバイス12a内には、エレメントとしてX,Y,−X,−Y方向のいずれかを固定層磁化方向としたスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子が8個内蔵されている。図中の太い矢印は1個のエレメントにおける固定層磁化方向を表す。1つの基板に固定層磁化方向が同じである2個のエレメントを形成したものを4個用いる。これら8個のエレメントについて、X,−X方向を固定層磁化方向とするエレメントは図12(b)の回路図のように接続し、センサブリッジX01を構成する。同様にY,−Y方向を固定層磁化方向とするエレメントは図12(c)の回路図のように接続し、センサブリッジY01を構成する。X,−X方向は反平行の関係にあり、Y,−Y方向は反平行の関係にあり、X及び−X方向は、Y及び−Y方向と直交するように形成する。   As shown in FIG. 12A, in one sensor device 12a, a spin valve type giant magnetoresistive effect element having any one of the X, Y, -X, and -Y directions as the fixed layer magnetization direction is provided as an element. 8 built-in. The thick arrow in the figure represents the fixed layer magnetization direction in one element. Four substrates in which two elements having the same fixed layer magnetization direction are formed are used. Among these eight elements, the elements having the X and −X directions as the fixed layer magnetization directions are connected as shown in the circuit diagram of FIG. 12B to constitute the sensor bridge X01. Similarly, elements having the Y and −Y directions as the fixed layer magnetization directions are connected as shown in the circuit diagram of FIG. 12C to form a sensor bridge Y01. The X and −X directions are antiparallel, the Y and −Y directions are antiparallel, and the X and −X directions are formed to be orthogonal to the Y and −Y directions.

同様に、図12(d)に示す通り、もう1つのセンサデバイス12b内には、X,Y,−X,−Y方向のいずれかを固定層磁化方向としたスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子が8個内蔵されている。X,−X方向を固定層磁化方向とするエレメントは図12(e)の回路図のように接続されており、センサブリッジX02を構成する。同様にY,−Y方向を固定層磁化方向とするエレメントは図12(f)の回路図のように接続されており、センサブリッジY02を構成した。センサブリッジX01は多磁極列の配列方向と直交する方向に固定層磁化方向を有し、センサブリッジY01は多磁極列の配列方向に固定層磁化方向を有し、センサブリッジX02は多磁極列の配列方向と直交する方向に固定層磁化方向を有し、センサブリッジY02は多磁極列の配列方向に固定層磁化方向を有するようにセンサデバイスを位置検出装置に設ける。   Similarly, as shown in FIG. 12D, in another sensor device 12b, a spin-valve type giant magnetoresistive effect element in which any one of the X, Y, -X, and -Y directions is a fixed layer magnetization direction. Are built-in. Elements whose X and −X directions are fixed layer magnetization directions are connected as shown in the circuit diagram of FIG. 12E, and constitute a sensor bridge X02. Similarly, the elements having the Y and −Y directions as the fixed layer magnetization directions are connected as shown in the circuit diagram of FIG. 12F to form a sensor bridge Y02. The sensor bridge X01 has a fixed layer magnetization direction in a direction perpendicular to the arrangement direction of the multi-pole array, the sensor bridge Y01 has a fixed layer magnetization direction in the arrangement direction of the multi-pole array, and the sensor bridge X02 has a multi-pole array direction. The sensor device is provided in the position detection device so that the fixed layer magnetization direction is in a direction orthogonal to the arrangement direction, and the sensor bridge Y02 has the fixed layer magnetization direction in the arrangement direction of the multi-pole array.

図12(a)では、2個のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子22,22b,22c及び22dを図12(b)および(c)のように結線し、リードフレームによる10本の端子23と接続し、樹脂で一体にモールドしてセンサデバイス12aを形成する。スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子22a及び22dの太矢印は、図1(a)において多磁極列の配列方向(すなわちセンサデバイスの移動方向)と直交するように配置する。図12(b)のブリッジ回路では、一定の直流電圧Vccxを印加して、ブリッジ接続の中点からVx1とVx2とを出力する。Gndx1、Gndx2、Gndy1及びGndy2は接地(アース電位)である。なお、図12(a)では、1つの基板に固定層磁化方向が同じである2個のエレメントを形成したものを4個用いるが、8つのエレメントを1つの基板に形成したものや1つのエレメントを形成した基板8個用いてもよい。固定層磁化方向をすべて同じ向きに形成したウェハから、エレメントを1個ずつ切り出し、図12(a)のように配列し、ブリッジを組むように配線することもできる。なお、図示は省略しているが、図12(a)に示すそれぞれのスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は、非磁性基板上に、下地層(Cr)/固定層(Co/Ru/Co)/Cu層/自由層(Co/NiFe)/キャップ層(Ta)という順に積層してパターニングし、通電用の電極膜を設け、絶縁被覆を施したものである。これに代えて、セルフピン構造のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いて、エレメントの固定層磁化方向を決定することもできる。   In FIG. 12A, two spin-valve giant magnetoresistive elements 22, 22b, 22c and 22d are connected as shown in FIGS. 12B and 12C, and 10 terminals 23 formed by a lead frame are connected to The sensor device 12a is formed by connecting and molding integrally with resin. The thick arrows of the spin-valve giant magnetoresistive elements 22a and 22d are arranged so as to be orthogonal to the arrangement direction of the multi-pole array (that is, the movement direction of the sensor device) in FIG. In the bridge circuit of FIG. 12B, a constant DC voltage Vccx is applied and Vx1 and Vx2 are output from the midpoint of the bridge connection. Gndx1, Gndx2, Gnddy1, and Gndy2 are ground (ground potential). In FIG. 12 (a), four elements in which two elements having the same fixed layer magnetization direction are formed on one substrate are used, but eight elements are formed on one substrate or one element. You may use eight board | substrates in which it was formed. It is also possible to cut out elements one by one from a wafer in which all the fixed layer magnetization directions are formed in the same direction, arrange them as shown in FIG. 12A, and wire them so as to form a bridge. Although not shown, each spin-valve giant magnetoresistive element shown in FIG. 12A is formed on a nonmagnetic substrate with a base layer (Cr) / fixed layer (Co / Ru / Co). / Cu layer / free layer (Co / NiFe) / cap layer (Ta) in this order and patterned, an electrode film for energization is provided, and an insulating coating is applied. Alternatively, the pinned layer magnetization direction of the element can be determined using a self-pinned spin-valve giant magnetoresistive element.

このように、それぞれのセンサデバイスは固定層磁化方向が直交した2個のセンサブリッジを内蔵しており、それぞれのセンサブリッジの固定層磁化方向は、リソグラフィ手法又は超精密な位置決め精度を有する機械による部品配置でエレメントを形成することにより、センサデバイス同士をプリント基板等に実装する場合に比べ、より高精度に位置決めを行う。固定層磁化方向を直交させることで、高い精度で位置検出することが可能になる。また、第1のセンサデバイスと第2のセンサデバイスに同一仕様のものを用いることにより、異なる仕様のセンサデバイスを用いる場合に発生する実装時の誤りを回避することができる。同一仕様のものとは、同じ条件で作製したセンサデバイスのことである。例えば、エレメントをウェハープロセスで作製する際に、ロットの異なるウェハ上に形成されていても製造条件が同一である範囲を同一の仕様と称する。   As described above, each sensor device includes two sensor bridges whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other. The fixed layer magnetization direction of each sensor bridge is determined by a lithography technique or a machine having ultra-precision positioning accuracy. By forming elements by component arrangement, positioning is performed with higher accuracy than when sensor devices are mounted on a printed circuit board or the like. By making the fixed layer magnetization directions orthogonal, position detection can be performed with high accuracy. Further, by using the first sensor device and the second sensor device having the same specifications, it is possible to avoid an error in mounting that occurs when sensor devices having different specifications are used. The thing of the same specification is the sensor device produced on the same conditions. For example, when an element is manufactured by a wafer process, a range in which manufacturing conditions are the same even if formed on wafers of different lots is referred to as the same specification.

図12の(a)〜(f)で示されている通り、各センサデバイスはブリッジ回路を2個有しており、VccとGnd間に直流電圧を印加して、磁石回転子の磁界内にセンサデバイスを置くことにより、Vx1とVx2間と、Vy1とVy2間にそれぞれ差動出力を得ることができる。この4つのセンサブリッジX01,Y01,X02及びY02から出力される差動出力は、図13に示すようにそれぞれ差動増幅器(オペアンプ26a,26b,26c,26d,26e,26f)によって増幅され、増幅されたX01及びY02から出力される第1の出力信号、及び増幅されたY01及びX02から出力される第2の出力信号は、A−D変換部27でデジタル変換され、位置演算部28において演算が行われ、最終的に電気角に対応する信号(位置信号)が出力される。この場合、第1の出力信号と第2の出力信号の位相差は90deg.異なっており、第1の出力信号をコサイン信号とみなしたときに、第2の出力信号をサイン信号とみなすことが可能であり、これらの信号から逆正接演算(tan−1)を行うことで、0からλに対応する位置信号を得る。 As shown in FIGS. 12A to 12F, each sensor device has two bridge circuits, and a DC voltage is applied between Vcc and Gnd so that it is within the magnetic field of the magnet rotor. By placing the sensor device, differential outputs can be obtained between Vx1 and Vx2 and between Vy1 and Vy2. The differential outputs output from the four sensor bridges X01, Y01, X02 and Y02 are amplified and amplified by differential amplifiers (operational amplifiers 26a, 26b, 26c, 26d, 26e and 26f) as shown in FIG. The first output signal output from the X01 and Y02 and the second output signal output from the amplified Y01 and X02 are digitally converted by the AD converter 27 and calculated by the position calculator 28. Finally, a signal (position signal) corresponding to the electrical angle is output. In this case, the phase difference between the first output signal and the second output signal is 90 deg. When the first output signal is regarded as a cosine signal, the second output signal can be regarded as a sine signal, and an arctangent operation (tan −1 ) is performed from these signals. , Position signals corresponding to 0 to λ are obtained.

本明細書において、センサブリッジは4つのエレメント(スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子)を電気回路的なブリッジに組んだものに相当する。さらに2つのセンサブリッジを搭載したものをセンサデバイスと称する。固定子とセンサデバイスを対向させる構成を位置検出装置(ユニット)と称する。なお、位置検出装置に取り付けることができるように複数のセンサデバイスを組み合わせた単位をモジュールと称する。   In this specification, the sensor bridge corresponds to a combination of four elements (spin valve type giant magnetoresistive effect element) in an electric circuit bridge. Further, a device equipped with two sensor bridges is called a sensor device. A configuration in which the stator and the sensor device are opposed to each other is referred to as a position detection device (unit). A unit obtained by combining a plurality of sensor devices so as to be attached to the position detection device is referred to as a module.

本発明を以下の実施例により図面を用いてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples using the drawings, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
図14には、実施形態1の構成において、λ=45mm、r=6mm、h’=6mmとして、センサデバイス12aを平行移動させたときの変位量と変位量誤差の関係を示す。センサデバイスの直線変位量の誤差は後述の比較例に比べて約1/7に低減できた。
Example 1
FIG. 14 shows the relationship between the displacement amount and the displacement amount error when the sensor device 12a is translated in the configuration of the first embodiment with λ = 45 mm, r 1 = 6 mm, and h ′ = 6 mm. The error of the linear displacement amount of the sensor device could be reduced to about 1/7 as compared with a comparative example described later.

(比較例)
図15には、比較形態の構成において、h’=0mmとした以外は、実施例1と同様の条件として、センサデバイス12aを平行移動させたときの変位量と変位量誤差の関係を示す。直線変位量の誤差は±1.5mmを超えており、高い精度で変位量を測定することは難しかった。
(Comparative example)
FIG. 15 shows the relationship between the displacement amount and the displacement amount error when the sensor device 12a is translated as the same conditions as in Example 1 except that h ′ = 0 mm in the configuration of the comparative form. The error of the linear displacement amount exceeds ± 1.5 mm, and it is difficult to measure the displacement amount with high accuracy.

(実施例2)
図16には、実施形態3の構成において、λ=45mm(即ち、感磁面の中心同士の距離λ/4は11.25mmである。)、r=6mm、h’=0mm、χ=0mmとして、センサデバイス12a及び12bを一体として平行移動させたときの変位量と変位量誤差の関係を示す。センサデバイスの直線変位量の誤差は、比較例が±1.7mm程度であるのに比べて、実施例2は±0.3mm以下に低減できた。2個のセンサデバイスを用いることによる精度改善できることがわかる。
(Example 2)
In FIG. 16, in the configuration of the third embodiment, λ = 45 mm (that is, the distance λ / 4 between the centers of the magnetic sensitive surfaces is 11.25 mm), r 1 = 6 mm, h ′ = 0 mm, χ = The relationship between the displacement amount and the displacement amount error when the sensor devices 12a and 12b are translated together as 0 mm is shown. The error of the linear displacement amount of the sensor device was able to be reduced to ± 0.3 mm or less in Example 2 compared to ± 1.7 mm in the comparative example. It can be seen that the accuracy can be improved by using two sensor devices.

(実施例3)
実施形態3の2つのセンサデバイスの相対的位置関係は変更せず、両方ともh'=6mmとして同様の実験を行ったところ、更なる精度改善が確認された。
Example 3
The relative positional relationship between the two sensor devices of the third embodiment was not changed, and a similar experiment was performed with both h ′ = 6 mm. As a result, further improvement in accuracy was confirmed.

(参考例1、2)
参考形態1において磁石回転子外周からセンサデバイス中心までの距離を約3mmとし、参考形態2においてセンサ傾斜角χ=55deg.とした。磁石回転子21は12極着磁とした為に、機械角で360deg.回転すると6周期の出力が得られた。この場合、機械角が60deg.で電気角の1周期となる。得られたデータを、図17に(a)機械角とセンサ出力のグラフ、(b)機械角に対する検出角度と電気角誤差のグラフ、及び(c)前記(b)を一部拡大したグラフとして示す。歪み具合に差はあるが、センサブリッジX01が台形波、センサブリッジY01が三角波となっており、電気角1周期あたりの角度誤差は±10deg.以上と非常に大きな値をであった。一方、参考形態2を実施して得られたデータを、図18のグラフ(a)〜(c)に示す。各センサブリッジからの出力はほぼ正弦波及びほぼ余弦波となり、電気角の角度誤差は±3deg.程度となり、大きな角度誤差の改善が見られた。この回転角度検出装置をモータに適用し回転角度を高精度に検出することができた。
(Reference Examples 1 and 2)
In Reference Embodiment 1, the distance from the outer circumference of the magnet rotor to the center of the sensor device is about 3 mm. In Reference Embodiment 2, the sensor inclination angle χ = 55 deg. It was. Since the magnet rotor 21 is 12-pole magnetized, the mechanical angle is 360 deg. When rotated, an output of 6 cycles was obtained. In this case, the mechanical angle is 60 deg. Thus, one cycle of the electrical angle is obtained. The obtained data are shown in FIG. 17 as (a) a graph of mechanical angle and sensor output, (b) a graph of detected angle and electrical angle error with respect to the mechanical angle, and (c) a graph in which (b) is partially enlarged. Show. Although there is a difference in the degree of distortion, the sensor bridge X01 is a trapezoidal wave and the sensor bridge Y01 is a triangular wave, and the angle error per electrical angle cycle is ± 10 deg. That was a very big value. On the other hand, the data obtained by implementing Reference Form 2 are shown in graphs (a) to (c) of FIG. The output from each sensor bridge is a sine wave and a cosine wave, and the angle error of the electrical angle is ± 3 deg. As a result, a large improvement in angular error was observed. This rotation angle detection device can be applied to a motor to detect the rotation angle with high accuracy.

本発明の位置検出装置の概略図を示す。The schematic of the position detection apparatus of this invention is shown. 比較形態の位置検出装置の概略図を示す。The schematic of the position detection apparatus of a comparison form is shown. 本発明の他の位置検出装置の概略図を示す。The schematic of the other position detection apparatus of this invention is shown. 本発明の他の位置検出装置の概略図を示す。The schematic of the other position detection apparatus of this invention is shown. 本発明の他の位置検出装置の概略図を示す。The schematic of the other position detection apparatus of this invention is shown. 位置検出装置の座標等を説明する概略図である。It is the schematic explaining the coordinate etc. of a position detection apparatus. 本発明の直線駆動装置の概略図を示す。The schematic of the linear drive device of this invention is shown. 本発明の他の直線駆動装置の概略図を示す。The schematic of the other linear drive device of this invention is shown. 参考形態の回転角度検出装置の概略図を示す。The schematic of the rotation angle detection apparatus of a reference form is shown. 他の参考形態の回転角度検出装置の概略図を示す。The schematic of the rotation angle detection apparatus of another reference form is shown. 参考形態の回転角度検出装置の座標等を説明する概略図である。It is the schematic explaining the coordinate etc. of the rotation angle detection apparatus of a reference form. センサデバイスにおけるエレメント(素子)の配置及びブリッジ回路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows arrangement | positioning and the bridge circuit of the element (element) in a sensor device. 本発明に用いる回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit used for this invention. 実施例の変位量と変位量誤差を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement amount and displacement amount error of an Example. 比較例の変位量と変位量誤差を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement amount and displacement amount error of a comparative example. 他の実施例の変位量と変位量誤差を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement amount and displacement amount error of another Example. 参考例の機械角とセンサ出力の関係、機械角に対する検出角度と電気角誤差の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mechanical angle and sensor output of a reference example, and the relationship between the detection angle with respect to a mechanical angle, and an electrical angle error. 他の参考例の機械角とセンサ出力の関係、機械角に対する検出角度と電気角誤差の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mechanical angle of another reference example, and a sensor output, and the relationship between the detection angle with respect to a mechanical angle, and an electrical angle error.

符号の説明Explanation of symbols

11:固定子、 12a,12b,12c,12d,12e:センサデバイス、
12a’:センサデバイス、 12a’’:センサデバイス、
22a,22b,22c,22d:スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子、
23:端子、 26a,26b,26c,26d,26e,26f:オペアンプ、
27:A−D変換部、 28:位置演算部、
40:固定子、 41:リング磁石、 41b:円柱磁石、 42:シャフト、
43:ヨーク、44:コイル、 45a,45b:非磁性部、
46:非磁性部、 47:基準磁極、 48:基準レール 49:可動子、
50:固定子、 51:磁石列、
52a,52b:側板ヨーク、 52c:基板ヨーク、 53:枠体、 54:コイル、
55:支持基板、 56:テーブル、 57a,57b:ガイド部、
58a,58b:補強部材、 59:可動子
11: Stator, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e: Sensor device,
12a ′: sensor device, 12a ″: sensor device,
22a, 22b, 22c, 22d: spin valve type giant magnetoresistive effect element,
23: terminal, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f: operational amplifier,
27: AD conversion unit, 28: position calculation unit,
40: Stator, 41: Ring magnet, 41b: Cylindrical magnet, 42: Shaft,
43: York, 44: Coil, 45a, 45b: Non-magnetic part,
46: nonmagnetic part, 47: reference magnetic pole, 48: reference rail 49: mover,
50: Stator, 51: Magnet array,
52a, 52b: side plate yoke, 52c: substrate yoke, 53: frame, 54: coil,
55: Support substrate, 56: Table, 57a, 57b: Guide part,
58a, 58b: reinforcement member, 59: mover

Claims (5)

多磁極列を表面に有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスを備えた位置検出装置であって、
前記センサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX01とセンサブリッジY01とを内蔵し、
前記センサブリッジX01及びY01は、それぞれがスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、
前記センサブリッジX01及びY01において、電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記センサブリッジX01及びY01の固定層磁化方向を含む平面が、前記固定子の多磁極列面の厚み中心点を通りかつ多磁極列面に垂直な平面に対して傾いており、
前記センサブリッジX01及びY01のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力を得て、前記出力を基にして位置信号を得ることを特徴とする位置検出装置。
A position detection device comprising a stator having a multi-pole array on the surface, and a sensor device that detects the direction of magnetic flux from the stator while moving parallel to the multi-pole array surface of the stator,
The sensor device includes a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other,
Each of the sensor bridges X01 and Y01 is a spin-valve giant magnetoresistive element (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction rotates according to the direction of the magnetic field. A magnetoresistive element) bridge circuit,
In the sensor bridges X01 and Y01, the pinned layer magnetization directions of the spin valve type giant magnetoresistive effect elements on the electrically adjacent sides are antiparallel,
A plane including the pinned layer magnetization direction of the sensor bridges X01 and Y01 is inclined with respect to a plane passing through the thickness center point of the multi-pole array surface of the stator and perpendicular to the multi-pole array surface,
By applying a voltage to each of the sensor bridges X01 and Y01, an output corresponding to an angle between the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is obtained, and a position signal is obtained based on the output. A position detection device characterized by the above.
多磁極列を表面に有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスを備えた位置検出装置であって、
前記センサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジX01とセンサブリッジY01とを内蔵し、
前記センサブリッジX01及びY01は、それぞれがスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、
前記センサブリッジX01及びY01において、電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記センサデバイスの中心は、前記固定子の多磁極列面の厚み中心点を通りかつ多磁極列面に垂直な平面から、固定子の多磁極列面の厚さ方向に離れており、
前記センサブリッジX01及びY01のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力を得て、前記出力を基にして位置信号を得ることを特徴とする位置検出装置。
A position detection device comprising a stator having a multi-pole array on the surface, and a sensor device that detects the direction of magnetic flux from the stator while moving parallel to the multi-pole array surface of the stator,
The sensor device includes a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other,
Each of the sensor bridges X01 and Y01 is a spin-valve giant magnetoresistive element (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction rotates according to the direction of the magnetic field. A magnetoresistive element) bridge circuit,
In the sensor bridges X01 and Y01, the pinned layer magnetization directions of the spin valve type giant magnetoresistive effect elements on the electrically adjacent sides are antiparallel,
The center of the sensor device is away from the plane that passes through the thickness center point of the multi-pole array surface of the stator and is perpendicular to the multi-pole array face, in the thickness direction of the multi-pole array face of the stator,
By applying a voltage to each of the sensor bridges X01 and Y01, an output corresponding to an angle between the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is obtained, and a position signal is obtained based on the output. A position detection device characterized by the above.
多磁極列を有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを備える位置検出装置であって、
前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁場の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、
磁束を前記感磁面と交差させて、前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大きさが等しくなるように、前記固定子に対して前記センサデバイスが設けられていることを特徴とする位置検出装置。
A position detection apparatus comprising: a stator having a multi-pole array; and a sensor device that translates with respect to the multi-pole array surface of the stator and detects the direction of magnetic flux from the stator,
The sensor device includes a plurality of spin-valve giant magnetoresistive elements (a magnetoresistive element having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction being fixed, and the free layer magnetization direction rotating according to the direction of the magnetic field. Element) having a magnetosensitive surface,
The sensor device is provided with respect to the stator so that the amplitude of magnetic flux density components orthogonal to each other in the magnetosensitive surface is equal by crossing the magnetic flux with the magnetosensitive surface. A position detection device.
多磁極列を有する固定子と、前記固定子の多磁極列面に対して平行移動すると共に前記固定子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを備える位置検出装置であって、
前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁場の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、
空間磁束密度の振幅比K0=B⊥0/B//0≠1となる位置で、前記感磁面内で直交する実効磁束密度の振幅比Keff=B⊥eff0/B//eff0が1となるように、前記固定子に対して前記センサデバイスが設けられていることを特徴とする位置検出装置。
A position detection apparatus comprising: a stator having a multi-pole array; and a sensor device that translates with respect to the multi-pole array surface of the stator and detects the direction of magnetic flux from the stator,
The sensor device includes a plurality of spin-valve giant magnetoresistive elements (a magnetoresistive element having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction being fixed, and the free layer magnetization direction rotating according to the direction of the magnetic field. Element) having a magnetosensitive surface,
The amplitude ratio K eff = B ⊥eff0 / B // eff0 of the effective magnetic flux density orthogonal in the magnetosensitive surface at the position where the amplitude ratio K 0 = B ⊥0 / B // 0 ≠ 1 1. The position detection apparatus according to claim 1, wherein the sensor device is provided for the stator.
請求項1ないし4のいずれかに記載の位置検出装置、前記固定子の多磁極列面に対向する可動コイルを設けることを特徴とする直線駆動装置。
A position detecting device according to any of claims 1 to 4, the linear drive unit and providing a moving coil facing the multi-pole column surface of the stator.
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