JP5687083B2 - Magnetic sensor and linear encoder - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗パターンが形成されているセンサ基板の基板表面を磁気スケールの磁極面に対して垂直に配置する磁気センサおよびリニアエンコーダに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor and a linear encoder in which a substrate surface of a sensor substrate on which a magnetoresistive pattern is formed is arranged perpendicular to a magnetic pole surface of a magnetic scale.
センサ基板の基板表面に形成した磁気抵抗パターンからの出力信号に基づいてN極とS極とが交互に並ぶ磁気スケールの相対移動を検出する磁気センサは、特許文献1に記載されている。同文献の磁気センサは、互いに90°の位相差で磁気スケールの移動検出を行うA相とB相を検出するための複数の磁気抵抗パターンのそれぞれを、相対移動方向で予め設定された間隔で平行に形成することによって、各磁気抵抗パターンからの出力信号に重畳する高調波成分を打ち消している。同文献では、センサ基板は基板表面が磁気スケールの磁極面に対向する状態に配置されている。
A magnetic sensor that detects relative movement of a magnetic scale in which N poles and S poles are alternately arranged based on an output signal from a magnetoresistive pattern formed on the surface of a sensor substrate is described in
ここで、センサ基板を、基板表面が磁気スケールの磁極面に垂直で相対移動方向と平行な状態に配置すれば、基板表面に形成されている磁気抵抗パターンの垂直方向の長さ分の範囲で磁気スケールの磁極面の前方の磁界を検出できるので、基板表面を磁気スケールの磁極面に対向させた状態に配置する場合と比較して、センサ基板と磁気スケールの間のギャップを大きくすることが可能となる。しかし、特許文献1の磁気センサを基板表面が磁気スケールの磁極面と垂直になる状態に配置すると、各磁気抵抗パターンからの出力信号に重畳する高調波成分が打ち消されなくなり、位置検出精度が低下するという問題がある。
Here, if the sensor substrate is arranged in a state in which the substrate surface is perpendicular to the magnetic pole surface of the magnetic scale and parallel to the relative movement direction, the sensor substrate is within the range of the vertical length of the magnetoresistive pattern formed on the substrate surface. Since the magnetic field in front of the magnetic pole surface of the magnetic scale can be detected, it is possible to increase the gap between the sensor substrate and the magnetic scale as compared with the case where the substrate surface is disposed in opposition to the magnetic pole surface of the magnetic scale. It becomes possible. However, when the magnetic sensor of
本発明の課題は、このような点に鑑みて、センサ基板を基板表面が磁気スケールの磁極面に垂直となる状態に配置した場合に、基板表面に形成された磁気抵抗パターンからの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を低減させることができる磁気センサおよびリニアエンコーダを提供することにある。 In view of these points, the problem of the present invention is that the output signal from the magnetoresistive pattern formed on the substrate surface when the sensor substrate is arranged in a state where the substrate surface is perpendicular to the magnetic pole surface of the magnetic scale. An object of the present invention is to provide a magnetic sensor and a linear encoder that can reduce harmonic components superimposed on a fundamental wave component.
上記の課題を解決するために、本発明は、所定の磁極ピッチでN極とS極とが交互に並ぶ直線状の磁気スケールの相対移動を検出するための磁気センサにおいて、基板表面が前記磁気スケールの磁極面に垂直で相対移動方向と平行なセンサ基板と、前記基板表面に形成されている基本波検出用磁気抵抗パターンと、前記基本波検出用磁気抵抗パターンからの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を取り除くために、前記基板表面において前記基本波検出用磁気抵抗パターンから前記相対移動方向に前記磁極ピッチの1/8よりも短い所定距離だけ離れた位置に形成されて当該基本波検出用磁気抵抗パターンに直列に接続されている高調波成分除去用磁気抵抗パターンと、を有し、前記基本波検出用磁気抵
抗パターンおよび前記高調波成分除去用磁気抵抗パターンは同一形状であり、前記所定距離は、前記磁極ピッチを1としたときに、以下の範囲にあることを特徴とする。
0.06≦D≦0.10
D:所定距離
In order to solve the above problems, the present invention provides a magnetic sensor for detecting a relative movement of a linear magnetic scale in which N poles and S poles are alternately arranged at a predetermined magnetic pole pitch. A sensor substrate perpendicular to the magnetic pole surface of the scale and parallel to the relative movement direction, a fundamental wave detecting magnetoresistive pattern formed on the substrate surface, and a fundamental wave component of an output signal from the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern In order to remove harmonic components superimposed on the substrate, the substrate surface is formed at a position away from the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern by a predetermined distance shorter than 1/8 of the magnetic pole pitch in the relative movement direction. a magnetoresistance pattern harmonic component removing connected in series with the magnetoresistive pattern fundamental wave detection, the said fundamental wave detection magnetoresistance
The anti-pattern and the harmonic component removing magnetoresistive pattern have the same shape, and the predetermined distance is in the following range when the magnetic pole pitch is 1.
0.06 ≦ D ≦ 0.10
D: predetermined distance
また、本発明において、前記所定距離は、前記磁極ピッチを1としたときに、以下の範囲にあることが望ましい。In the present invention, the predetermined distance is preferably in the following range when the magnetic pole pitch is 1.
0.086<D<0.0980.086 <D <0.098
D:所定距離D: predetermined distance
本発明の発明者は、センサ基板を基板表面が磁気スケールの磁極面に垂直で相対移動方向と平行な状態に配置する場合には、基板表面において基本波検出用磁気抵抗パターンから相対移動方向に磁極ピッチの1/8よりも短い所定距離だけ離れた位置に高調波成分除去用磁気抵抗パターンを形成して基本波検出用磁気抵抗パターンに直列に接続することによって、基本波検出用磁気抵抗パターンからの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を低減、或いは、除去することが可能であることを見出した。 In the case where the sensor substrate is arranged in a state in which the substrate surface is perpendicular to the magnetic pole surface of the magnetic scale and parallel to the relative movement direction, the inventor of the present invention moves from the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern to the relative movement direction on the substrate surface. The fundamental wave detecting magnetoresistive pattern is formed by forming a harmonic component removing magnetoresistive pattern at a position separated by a predetermined distance shorter than 1/8 of the magnetic pole pitch and connecting it in series to the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern. It has been found that the harmonic component superimposed on the fundamental component of the output signal from can be reduced or eliminated.
また、本発明者は、基本波検出用磁気抵抗パターンと高調波成分除去用磁気抵抗パターンとの間の所定距離を上記の範囲とすることにより、磁気センサからほとんど歪みのない正弦波の出力信号を得ることができ、磁気スケールの移動位置の検出誤差を僅かなものとすることが可能であることを見出した。 In addition, the inventor makes a predetermined distance between the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern and the harmonic component removing magnetoresistive pattern within the above range, so that a sine wave output signal having almost no distortion from the magnetic sensor. It was found that the detection error of the moving position of the magnetic scale can be made small.
この場合において、前記基本波検出用磁気抵抗パターンは、前記磁極面と直交する方向に平行に延びている一対の矩形の第1帯状部および前記相対移動方向に延びて当該一対の第1帯状部の前記磁極面側の端を連結している第1連結部からなる第1折り返しパターンを備えており、前記高調波成分除去用磁気抵抗パターンは、前記磁極面と直交する方向に平行に延びている一対の矩形の第2帯状部および前記相対移動方向に延びて当該一対の第2帯状部の前記磁極面側の端を連結している第2連結部からなる第2折り返しパターンを備えていることが望ましい。このようにすれば、基本波検出用磁気抵抗パターンの端および高調波成分除去用磁気抵抗パターンの端がいずれもセンサ基板の磁気スケールとは反対側に位置する。従って、これら基本波検出用磁気抵抗パターンおよび高調波成分除去用磁気抵抗パターンに対する配線をセンサ基板の磁気スケールとは反対側の領域で行うことが容易となる。 In this case, the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern includes a pair of rectangular first strips extending parallel to a direction orthogonal to the magnetic pole surface and the pair of first strips extending in the relative movement direction. A first folded pattern composed of a first coupling part that couples the ends on the magnetic pole surface side, wherein the harmonic component removing magnetoresistive pattern extends in a direction perpendicular to the magnetic pole surface. A pair of rectangular second belt-shaped portions and a second folding pattern including a second connection portion extending in the relative movement direction and connecting the ends of the pair of second belt-shaped portions on the magnetic pole surface side. It is desirable. In this way, the end of the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern and the end of the harmonic component removing magnetoresistive pattern are both located on the side opposite to the magnetic scale of the sensor substrate. Therefore, it becomes easy to perform wiring for the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern and the harmonic component removing magnetoresistive pattern in a region opposite to the magnetic scale of the sensor substrate.
また、この場合において、前記基本波検出用磁気抵抗パターンは、前記第1折り返しパターンを複数備えており、前記高調波成分除去用磁気抵抗パターンは、前記第2折り返しパターンを前記第1折り返しパターンと同数備えており、複数の前記第1折り返しパターンは、直列に接続されており、複数の前記第2折り返しパターンは、直列に接続されているものとすることができる。 In this case, the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern includes a plurality of the first folded patterns, and the harmonic component removing magnetoresistive pattern includes the second folded pattern as the first folded pattern. The plurality of first folding patterns may be connected in series, and the plurality of second folding patterns may be connected in series.
本発明において、磁気スケールの移動位置を精度よく検出するためには、互いに90°の位相差で磁気スケールの移動検出を行うA相とB相を検出するために前記基板表面に形成されたA相用磁気抵抗パターンおよびB相用磁気抵抗パターンを有しており、前記A相用磁気抵抗パターンとして、180°の位相差をもって磁気スケールの移動検出を行う+a相用磁気抵抗パターンおよび−a相用磁気抵抗パターンとを備えており、前記B相用磁気抵抗パターンとして、180°の位相差をもって磁気スケールの移動検出を行う+b相用磁気抵抗パターンおよび−b相用磁気抵抗パターンとを備えており、前記+a相用磁気抵抗パターンとして、互いに前記相対移動方向で離れた位置に形成されている第1、第2+a相用磁気抵抗パターンを備え、前記−a相用磁気抵抗パターンとして、互いに前記相対移動方向で離れた位置に形成されている第1、第2−a相用磁気抵抗パターンを備え、前記+b相用磁気抵抗パターンとして、互いに前記相対移動方向で離れた位置に形成されている第1、第2+b相用磁気抵抗パターンを備え、前記−b相用磁気抵抗パターンとして、互いに前記相対移動方向で離れた位置に形成されている第1、第2−b相用磁気抵抗パターンを備え、前記第1、第2+a相用磁気抵抗パターン、前記第1、第2−a相用磁気抵抗パターン、前記第1、第2+b相用磁気抵抗パターン、および、前記第1、第2−b相用磁気抵抗パターンのそれぞれは、前記基本波検出用磁気抵抗パターンおよび高調波成分除去用磁気抵抗パターンを備えており、前記第1、第2+a相用磁気抵抗パターン、前記第1、第2−a相用磁気抵抗パターン、前記第1、第2+b相用磁気抵抗パターン、および、前記第1、第2−b相用磁気抵抗パターンは、フルブリッジ回路を構成していることが望ましい。 In the present invention, in order to detect the movement position of the magnetic scale with high accuracy, the A formed on the surface of the substrate for detecting the A phase and the B phase for detecting the movement of the magnetic scale with a phase difference of 90 ° from each other. A magnetoresistive pattern for phase B and a magnetoresistive pattern for phase B, and a magnetoresistive pattern for + a phase that detects movement of a magnetic scale with a phase difference of 180 ° as the magnetoresistive pattern for phase A and -a phase The B phase magnetoresistive pattern includes a + b phase magnetoresistive pattern and a -b phase magnetoresistive pattern that detect the movement of the magnetic scale with a phase difference of 180 °. The + a phase magnetoresistive pattern includes first and second + a phase magnetoresistive patterns formed at positions separated from each other in the relative movement direction. The -a phase magnetoresistive pattern includes first and 2-a phase magnetoresistive patterns formed at positions separated from each other in the relative movement direction. First and second + b phase magnetoresistive patterns formed at positions separated in the relative movement direction, and the -b phase magnetoresistive patterns are formed at positions separated from each other in the relative movement direction. 1, comprising a 2-b phase magnetoresistive pattern, the first, 2 + a phase magnetoresistive pattern, the first, 2-a phase magnetoresistive pattern, and the first, 2 + b phase magnetoresistive pattern. Each of the pattern and the first and second 2-b phase magnetoresistive patterns includes the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern and the harmonic component removing magnetoresistive pattern, and the first and second + The phase magnetoresistive pattern, the first, 2-a phase magnetoresistive pattern, the first, 2 + b phase magnetoresistive pattern, and the first, 2-b phase magnetoresistive pattern are full. It is desirable to constitute a bridge circuit.
次に、本発明は、上記の磁気センサと、前記磁極ピッチでN極とS極とが交互に並ぶ直線状の磁気スケールとを有することを特徴とするリニアエンコーダとすることができる。本発明によれば、磁気センサからの出力信号は、基本波成分に重畳する高調波成分が低減、或いは、除去されたものとなっているので、磁気スケールの移動位置の検出精度が高い。 Next, the present invention can be a linear encoder including the magnetic sensor described above and a linear magnetic scale in which N poles and S poles are alternately arranged at the magnetic pole pitch. According to the present invention, in the output signal from the magnetic sensor, the harmonic component superimposed on the fundamental wave component is reduced or removed, so that the detection accuracy of the moving position of the magnetic scale is high.
本発明によれば、センサ基板を基板表面が磁気スケールの磁極面に垂直で相対移動方向と平行な状態に配置した場合に、磁気センサから歪みのない正弦波の出力信号を得ることができ、磁気スケールの移動位置を精度よく検出できる。従って、センサ基板を、基板表面が磁気スケールの磁極面に垂直で相対移動方向と平行な状態に配置して、磁気センサと磁気スケールの間のギャップを大きくすることができる。 According to the present invention, when the sensor substrate is arranged in a state where the substrate surface is perpendicular to the magnetic pole surface of the magnetic scale and parallel to the relative movement direction, an output signal of a sine wave without distortion can be obtained from the magnetic sensor, The moving position of the magnetic scale can be accurately detected. Therefore, the gap between the magnetic sensor and the magnetic scale can be increased by arranging the sensor substrate so that the substrate surface is perpendicular to the magnetic pole surface of the magnetic scale and parallel to the relative movement direction.
以下に、図面を参照して、本発明を適用したリニアエンコーダの実施の形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of a linear encoder to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
(全体構成)
図1(a)は本発明を適用したリニアエンコーダの概略構成を示す説明図であり、図1(b)は各磁気抵抗パターンの平面図である。本例のリニアエンコーダ1は、直線状の磁気スケール2と、長手方向に相対移動する磁気スケール2の移動位置を検出する磁気センサ3を有している。
(overall structure)
FIG. 1A is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a linear encoder to which the present invention is applied, and FIG. 1B is a plan view of each magnetoresistive pattern. The
磁気スケール2には、長手方向に所定の磁極ピッチPでN極とS極とが交互に設けられている。本例では磁極ピッチPは10mmである。磁気センサ3は基板表面4aに8つの磁気抵抗パターン(磁気抵抗素子)R1〜R8が形成されたセンサ基板4を備えている。センサ基板4は、基板表面4aが磁気スケール2の磁極面2aに垂直で相対移動方向と平行な状態に配置されている。
The
(磁気抵抗パターン)
センサ基板4はガラス、シリコン、或いはグレーズドセラミックからなる。磁気抵抗パターンR1〜R8はセンサ基板4上に真空蒸着またはスパッタリングにより薄膜形成し、通常のフォトリソグラフィー工程ならびにエッチング工程によってパターン形成されたNiFe等の磁性体膜である。各磁気抵抗パターンR1〜R8の相互のパターン間距離は、磁極ピッチPの1/8となっている。各磁気抵抗パターンR1〜R8は、基本波を検出するための基本波検出用磁気抵抗パターン10と、基本波検出用磁気抵抗パターン10からの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を取り除くための高調波成分除去用磁気抵抗パターン20を有している。
(Magnetic resistance pattern)
The
図1(b)に示すように、基本波検出用磁気抵抗パターン10は、センサ基板4の磁気スケール2側の端縁から磁極面2aと直交する方向に平行に延びている一対の矩形の第1帯状部11、12および相対移動方向に延びて当該一対の第1帯状部11、12の磁極面2a側の端を連結している第1連結部13からなる2組の第1折り返しパターン14(1)、14(2)を備えている。これらの第1折り返しパターン14(1)、14(2)は、磁極面2aとは反対側の端で相対移動方向に延びる接続部15によって直列に接続されている。
As shown in FIG. 1 (b), the fundamental wave detecting
高調波成分除去用磁気抵抗パターン20は、センサ基板4の磁気スケール2側の端縁から磁極面2aと直交する方向に平行に延びている一対の矩形の第2帯状部21、22および相対移動方向に延びて当該一対の第2帯状部21、22の磁極面2a側の端を連結している第2連結部23からなる2組の第2折り返しパターン24(1)、24(2)を備えている。これらの第2折り返しパターン24(1)、24(2)は、磁極面2aとは反対側の端で相対移動方向に延びる接続部25によって直列に接続されている。
The harmonic component removing
基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20とは同一形状であり、高調波成分除去用磁気抵抗パターン20は基本波検出用磁気抵抗パターン10から磁気スケール2の移動方向に所定距離Dだけ離れた位置に形成されている。基本波検出用磁気抵抗パターン10および高調波成分除去用磁気抵抗パターン20は、基本波検出用磁気抵抗パターン10における高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の側の第1折り返しパターン14(2)の磁極面2aと反対側の端と、高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の基本波検出用磁気抵抗パターン10における基本波検出用磁気抵抗パターン10の側の第2折り返しパターン24(1)の磁極面2aと反対側の端が相対移動方向に延びる第3接続部16によって接続されることによって、直列に接続されている。
The fundamental wave detecting
本例では、第1帯状部11、12および第2帯状部21、22のそれぞれの長さ寸法は1.5mmであり、幅寸法は0.015mmである。基本波検出用磁気抵抗パターン10および高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の間の所定距離Dは0.93mmである。基本波検出用磁気抵抗パターン10および高調波成分除去用磁気抵抗パターン20は、誤差1μm以下で形成されている。基本波検出用磁気抵抗パターン10および高調波成分除去用磁気抵抗パターン20と磁気スケール2の磁極面2aとの間のギャップGは2mmに設定されている。
In this example, each of the first belt-
ここで、8つの磁気抵抗パターンR1〜R8は、互いに90°の位相差で磁気スケール2の移動検出を行うA相(SIN相)およびB相(COS相)を検出する。
Here, the eight magnetoresistive patterns R1 to R8 detect the A phase (SIN phase) and the B phase (COS phase) that detect the movement of the
より詳細には、A相を検出するための磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって磁気スケール2の移動検出を行う−a相(−sin相)および+a相(+sin相)を検出するための−a相用磁気抵抗パターンと+a相用磁気抵抗パターンからなり、−a相用磁気抵抗パターンおよび+a相用磁気抵抗パターンのそれぞれは、互いに磁気スケール2の移動方向で離れた位置に形成されている2つの磁気抵抗パターンを備えている。本例では、相対移動方向の一方の端に位置する第1磁気抵抗パターン(第1−a相用磁気抵抗パターン)R1、および、一方の端から3番目の第3磁気抵抗パターン(第2−a相用磁気抵抗パターン)R3が−a相用磁気抵抗パターンであり、第1磁気抵抗パターンR1と第3磁気抵抗パターンR3の間のパターン間距離は磁極ピッチPの1/4となっている。また、一方の端から5番目の第5磁気抵抗パターン(第1+a相用磁気抵抗パターン)R5、および、一方の端から7番目の第7磁気抵抗パターン(第2+a相用磁気抵抗パターン)R7が+a相用磁気抵抗パターンであり、第5磁気抵抗パターンR5と第7磁気抵抗パターンR7の間のパターン間距離は磁極ピッチPの1/4となっている。
More specifically, the magnetoresistive pattern for detecting the A phase detects -a phase (-sin phase) and + a phase (+ sin phase) that detects the movement of the
さらに、B相を検出するための磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって磁気スケール2の移動検出を行う−b相(−cos相)および+b相(+cos相)を検出するための−b相用磁気抵抗パターンおよび+b相用磁気抵抗パターンからなり、−b相用磁気抵抗パターンおよび+b相用磁気抵抗パターンのそれぞれは、互いに磁気スケール2の移動方向で離れた位置に形成されている2つの磁気抵抗パターンを備えている。本例では、一方の端から2番目の第2磁気抵抗パターン(第1−b相用磁気抵抗パターン)R2、および、一方の端から4番目の第4磁気抵抗パターン(第2−b相用磁気抵抗パターン)R4が−b相用磁気抵抗パターンであり、第2磁気抵抗パターンR2と第4磁気抵抗パターンR4の間のパターン間距離は磁極ピッチPの1/4となっている。また、一方の端から6番目の第6磁気抵抗パターン(第1+b相用磁気抵抗パターン)R6、および、他方の端に位置する第8磁気抵抗パターン(第2+b相用磁気抵抗パターン)R8が+b相用磁気抵抗パターンであり、第6磁気抵抗パターンR6と第8磁気抵抗パターンR8の間のパターン間距離は磁極ピッチPの1/4となっている。
Furthermore, the magnetoresistive pattern for detecting the B phase is -b for detecting the -b phase (-cos phase) and the + b phase (+ cos phase) for detecting the movement of the
図2はセンサ基板4の基板表面4aに形成されている磁気抵抗パターンR1〜R8の回路図である。各磁気抵抗パターンR1〜R8はフルブリッジ回路を構成している。より具体的には、−a相用磁気抵抗パターンである第1磁気抵抗パターンR1および第3磁気抵抗パターンR3は直列に接続されており、第3磁気抵抗パターンR3の側の端が電源端子(+V)に接続され、第1磁気抵抗パターンR1の側の端がグランド端子に接続され、第1磁気抵抗パターンR1および第3磁気抵抗パターンR3の中点位置から−a相が出力される。+a相用磁気抵抗パターンである第5磁気抵抗パターンR5および第7磁気抵抗パターンR7は直列に接続されており、第5磁気抵抗パターンR5の側の端が電源端子(+V)に接続され、第7磁気抵抗パターンR7の側の端がグランド端子に接続され、第5磁気抵抗パターンR5および第7磁気抵抗パターンR7の中点位置から+a相が出力される。−b相用磁気抵抗パターンである第2磁気抵抗パターンR2および第4磁気抵抗パターンR4は直列に接続されており、第4磁気抵抗パターンR4の側の端が電源端子(+V)に接続され、第2磁気抵抗パターンR2の側の端がグランド端子に接続され、第2磁気抵抗パターンR2および第4磁気抵抗パターンR4の中点位置から−b相が出力される。+b相用磁気抵抗パターンである第6磁気抵抗パターンR6および第8磁気抵抗パターンR8は直列に接続され、第6磁気抵抗パターンR6の側の端が電源端子(+V)に接続され、第8磁気抵抗パターンR8の側の端がグランド端子に接続され、第6磁気抵抗パターンR6および第8磁気抵抗パターンR8の中点位置から+b相が出力される。
FIG. 2 is a circuit diagram of the magnetoresistive patterns R1 to R8 formed on the
なお、第1〜第8磁気抵抗パターンR1〜R8はいずれも第1折り返しパターン14(1)、14(2)および第2折り返しパターン24(1)、24(2)から形成されているので、各第1〜第8磁気抵抗パターンR1〜R8の端は、いずれも、センサ基板4の磁気スケール2とは反対側に位置している。従って、これら第1〜第8磁気抵抗パターンR1〜R8によってフルブリッジ回路を構成するための配線をセンサ基板4の磁気スケール2とは反対側の領域に形成することが容易となっている。
The first to eighth magnetoresistive patterns R1 to R8 are all formed from the first folded patterns 14 (1) and 14 (2) and the second folded patterns 24 (1) and 24 (2). The ends of the first to eighth magnetoresistive patterns R1 to R8 are all located on the opposite side of the
ここで、第1磁気抵抗パターンR1および第3磁気抵抗パターンR3の中点位置からの−a相(−sin相)の出力信号と、第5磁気抵抗パターンR5および第7磁気抵抗パターンR7の中点位置からの+a相(+sin相)の出力信号を減算器に入力することにより、この減算器から振幅の大きなA相の出力信号を得ることができる。同様に、第2磁気抵抗パターンR2および第4磁気抵抗パターンR4の中点位置からの−b相(−cos相)の出力信号と、第6磁気抵抗パターンR6および第8磁気抵抗パターンR8の中点位置からの+b相(+cos相)の出力信号を減算器に入力することにより、この減算器から振幅の大きなB相の出力信号を得ることができる。また、各減算器を介して得られるA相およびB相の出力信号をアークタンジェント演算することにより、磁気スケール2の移動位置を検出できる。
Here, the -a phase (-sin phase) output signal from the midpoint position of the first magnetoresistive pattern R1 and the third magnetoresistive pattern R3 and the fifth magnetoresistive pattern R5 and the seventh magnetoresistive pattern R7. By inputting the + a phase (+ sin phase) output signal from the point position to the subtracter, an A phase output signal having a large amplitude can be obtained from the subtractor. Similarly, the -b phase (-cos phase) output signal from the midpoint position of the second magnetoresistive pattern R2 and the fourth magnetoresistive pattern R4, and the sixth magnetoresistive pattern R6 and the eighth magnetoresistive pattern R8. By inputting the + b phase (+ cos phase) output signal from the point position to the subtracter, a B-phase output signal having a large amplitude can be obtained from the subtractor. Further, the moving position of the
(作用効果)
本例によれば、A相およびB相を検出するための第1〜第8の磁気抵抗パターンR1〜R8からの各出力信号は、基本波検出用磁気抵抗パターン10からの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分が低減、或いは、除去されたものとなる。
(Function and effect)
According to this example, each output signal from the first to eighth magnetoresistive patterns R1 to R8 for detecting the A phase and the B phase is the fundamental wave of the output signal from the fundamental wave detecting
図3(a)は、磁気スケール2と磁気センサ3とを相対移動させたときの、第1磁気抵抗パターンR1における基本波検出用磁気抵抗パターン10の第1折り返しパターン14(1)、14(2)の第1帯状部11、12の抵抗値の変化を示すグラフであり、図3(b)は第1磁気抵抗パターンR1における高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の第2折り返しパターン24(1)、24(2)の第2帯状部21、22の抵抗値の変化を示すグラフであり、図3(c)は図3(a)に示す基本波検出用磁気抵抗パターン10の抵抗値の変化および図3(b)に示す高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の抵抗値の変化を合成した合成波形を示すグラフである。図4は本例のリニアエンコーダ1による位置検出の誤差のグラフである。
FIG. 3A shows first folded patterns 14 (1) and 14 (14) of the fundamental wave detecting
図3(a)に示す基本波検出用磁気抵抗パターン10の抵抗値の変化の波形は、基本波成分と高調波成分を含むものであり、歪んでいる。この波形に対して、図3(b)に示す高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の抵抗値の変化を示す波形を合成すると、図3(c)に示す歪みの少ない正弦波が得られる。すなわち、基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20を直列に接続した状態として、これら基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20からの出力信号を検出すると、歪みの少ない正弦波が得られる。
The change waveform of the resistance value of the fundamental wave detecting
このように、本例によれば、磁気抵抗パターンR1〜R8のそれぞれから、基本波成分に重畳する高調波成分が除去された歪みの少ない正弦波の出力信号を得ることができる。この結果、図4に示すように、リニアエンコーダ1による位置検出の誤差は10μm以下に低下し、磁気スケール2の移動位置を高い精度で検出できる。従って、センサ基板4を、基板表面4aが磁気スケール2の磁極面2aに垂直で相対移動方向と平行な状態に配置して、磁気センサ3と磁気スケール2の間のギャップGを大きくすることが可能となる。
Thus, according to this example, a sine wave output signal with less distortion from which the harmonic component superimposed on the fundamental wave component is removed can be obtained from each of the magnetoresistive patterns R1 to R8. As a result, as shown in FIG. 4, the position detection error by the
(比較例)
図5(a)は比較例のリニアエンコーダの概略構成を説明する説明図であり、図5(b)は比較例のリニアエンコーダの磁気センサ3の各磁気抵抗パターンR1〜R8の回路図である。図6(a)は比較例のリニアエンコーダの磁気抵抗パターンR1の抵抗位置の変化を示すグラフであり、図6(b)は比較例のリニアエンコーダによる位置検出の誤差のグラフである。
(Comparative example)
FIG. 5A is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of the linear encoder of the comparative example, and FIG. 5B is a circuit diagram of each of the magnetoresistive patterns R1 to R8 of the
比較例のリニアエンコーダ1Aは、図5(a)に示すように、磁気センサ3の各磁気抵抗パターンR1〜R8が基本波検出用磁気抵抗パターン10のみから構成されており、各磁気抵抗パターンR1〜R8が高調波成分除去用磁気抵抗パターン20を備えていない。また、比較例のリニアエンコーダ1Aでは、基本波検出用磁気抵抗パターン10は1つの第1折り返しパターン14から形成されている。なお、比較例のリニアエンコーダ1Aは各磁気抵抗パターンR1〜R8の構成を除いて、本例のリニアエンコーダ1と同一の構成を備えているので、対応する構成に同一の符号を付してその説明を省略する。
In the
比較例のリニアエンコーダ1Aの磁気抵抗パターンR1からの出力信号の波形は、図6(a)に示すものであり、以下の近似式で表される。
y=G+Asin((x−xc)π/w)+Bsin2((x−xc)π/w)
+Csin3((x−xc)π/w)+Dsin4((x−xc)π/w)
+Fsin5((x−xc)π/w)
A:4.1199
B:−0.6306
C:0.1564
D:−1.4825
F:0.9754
G:362.2936
xc:3.6997
w:2.5151
The waveform of the output signal from the magnetoresistive pattern R1 of the
y = G + Asin ((x−xc) π / w) + Bsin 2 ((x−xc) π / w)
+ Csin 3 ((x−xc) π / w) + Dsin 4 ((x−xc) π / w)
+ Fsin 5 ((x−xc) π / w)
A: 4.1199
B: -0.6306
C: 0.1564
D: -1.4825
F: 0.9754
G: 362.2936
xc: 3.6969
w: 2.5151
この近似式に基づいて比較例のリニアエンコーダ1Aによる位置検出の誤差をシミュレーションすると、図6(b)に示すように、60μmを超える誤差が発生する。従って、各磁気抵抗パターンR1〜R8のそれぞれに高調波成分除去用磁気抵抗パターン20を備える本発明のリニアエンコーダ1によれば、位置検出精度が著しく向上することが分かる。
When an error in position detection by the
(変形例)
次に、発明者は、基本波検出用磁気抵抗パターン10および高調波成分除去用磁気抵抗パターン20のそれぞれの第1、第2折り返しパターン14、24の組数を1組〜4組の間で変化させるとともに、基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の間の所定距離Dを変化させて、リニアエンコーダによる位置検出の誤差を求めた。図7は第1、第2折り返しパターン14、24の組数を1組〜4組に変化させた各リニアエンコーダにおいて、基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の間の所定距離Dを変化させたときの位置検出の誤差のグラフである。図7(a)は基本波検出用磁気抵抗パターン10の第1折り返しパターン14および高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の第2折り返しパターン24を各1組とした場合であり、図7(b)は各2組とした場合であり、図7(c)は各3組とした場合であり、図7(d)は各4組とした場合である。図7(a)〜(d)の各リニアエンコーダにおいて、基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の間の所定距離Dは、0.6mm〜1.0mmの間で変化させている。図8はリニアエンコーダの位置検出の誤差と、基本波検出用磁気抵抗パターン10および高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の間の所定距離Dとの関係を示すグラフである。なお、図7(b)のD=0.93のグラフは図4と同一のグラフである。
(Modification)
Next, the inventor sets the number of sets of the first and second folded
図7に示すように、基本波検出用磁気抵抗パターン10および高調波成分除去用磁気抵抗パターン20における第1、第2折り返しパターン14、24の組数にかかわらず、基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の間の所定距離Dを0.93mmとしたときに、リニアエンコーダによる位置検出の誤差が最も少なくなっている。なお、発明者の検証によれば、第1、第2折り返しパターン14、24の組数を3組として、基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の間の所定距離Dを0.93mmとした場合に、リニアエンコーダによる位置検出の誤差がほぼゼロとなり、位置検出の精度が最も高かった。
As shown in FIG. 7, the fundamental wave detecting
また、図8に示すように、基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20の間の所定距離Dを以下の範囲にすることによって、リニアエンコーダによる位置検出の誤差が10μm以下となり、高精度の位置検出が可能となることが認められた。
0.86mm<D<0.98mm
Further, as shown in FIG. 8, by setting the predetermined distance D between the fundamental wave detecting
0.86mm <D <0.98mm
ここで、所定距離Dを上記の範囲としておけば、基本波検出用磁気抵抗パターン10と高調波成分除去用磁気抵抗パターン20とを相対移動方向で近接した位置となる。従って、各磁気抵抗パターンR1〜R8を磁極ピッチPの1/8のパターン間距離で隣接する位置に形成する場合でも、これら磁気抵抗パターンR1〜R8の相互間で、一方の磁気抵抗パターンの高調波成分除去用磁気抵抗パターン20と、他方の磁気抵抗パターンの基本波検出用磁気抵抗パターン10の位置が重なってしまうことを回避できる。
Here, if the predetermined distance D is set in the above range, the fundamental wave detecting
1・リニアエンコーダ、2・磁気スケール、2a・磁極面、3・磁気センサ、4・センサ基板、4a・基板表面、10・基本波検出用磁気抵抗パターン、11、12・第1帯状部、13・第1連結部、14・第1折り返しパターン、15・第1接続部、16・第3接続部、20・高調波成分除去用磁気抵抗パターン、21、22・第2帯状部、23・第2連結部、24・第2折り返しパターン、25・第2接続部、D・所定距離、G・ギャップ、P・磁極ピッチ、R1〜R8・第1〜第8磁気抵抗パターン
DESCRIPTION OF
Claims (6)
基板表面が前記磁気スケールの磁極面に垂直で相対移動方向と平行なセンサ基板と、
前記基板表面に形成されている基本波検出用磁気抵抗パターンと、
前記基本波検出用磁気抵抗パターンからの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を取り除くために、前記基板表面において前記基本波検出用磁気抵抗パターンから前記相対移動方向に前記磁極ピッチの1/8よりも短い所定距離だけ離れた位置に形成されて当該基本波検出用磁気抵抗パターンに直列に接続されている高調波成分除去用磁気抵抗パターンと、を有し、
前記基本波検出用磁気抵抗パターンおよび前記高調波成分除去用磁気抵抗パターンは同一形状であり、
前記所定距離は、前記磁極ピッチを1としたときに、以下の範囲にあることを特徴とする磁気センサ。
0.06≦D≦0.10
D:所定距離 In a magnetic sensor for detecting relative movement of a linear magnetic scale in which N poles and S poles are alternately arranged at a predetermined magnetic pole pitch,
A sensor substrate whose substrate surface is perpendicular to the magnetic pole surface of the magnetic scale and parallel to the relative movement direction;
A magnetoresistive pattern for detecting a fundamental wave formed on the substrate surface;
In order to remove the harmonic component superimposed on the fundamental wave component of the output signal from the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern, the magnetic pole pitch of 1 in the relative movement direction from the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern on the substrate surface. A harmonic component removing magnetoresistive pattern formed at a position separated by a predetermined distance shorter than / 8 and connected in series to the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern,
The fundamental wave detecting magnetoresistive pattern and the harmonic component removing magnetoresistive pattern have the same shape,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein the predetermined distance is in the following range when the magnetic pole pitch is 1.
0.06 ≦ D ≦ 0.10
D: predetermined distance
前記所定距離は、前記磁極ピッチを1としたときに、以下の範囲にあることを特徴とする磁気センサ。
0.086<D<0.098
D:所定距離 In claim 1 ,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein the predetermined distance is in the following range when the magnetic pole pitch is 1.
0.086 <D <0.098
D: predetermined distance
前記基本波検出用磁気抵抗パターンは、前記磁極面と直交する方向に平行に延びている一対の矩形の第1帯状部および前記相対移動方向に延びて当該一対の第1帯状部の前記磁極面側の端を連結している第1連結部からなる第1折り返しパターンを備えており、
前記高調波成分除去用磁気抵抗パターンは、前記磁極面と直交する方向に平行に延びている一対の矩形の第2帯状部および前記相対移動方向に延びて当該一対の第2帯状部の前記磁極面側の端を連結している第2連結部からなる第2折り返しパターンを備えていることを特徴とする磁気センサ。 In claim 2,
The fundamental wave detecting magnetoresistive pattern includes a pair of rectangular first strips extending in parallel to a direction orthogonal to the magnetic pole surface and the magnetic pole surfaces of the pair of first strips extending in the relative movement direction. Comprising a first folded pattern comprising a first connecting portion connecting the ends on the side,
The harmonic component removing magnetoresistive pattern includes a pair of rectangular second strips extending in a direction perpendicular to the magnetic pole surface and the magnetic poles of the pair of second strips extending in the relative movement direction. A magnetic sensor comprising a second folded pattern comprising a second connecting portion connecting ends on the surface side.
前記基本波検出用磁気抵抗パターンは、前記第1折り返しパターンを複数備えており、前記高調波成分除去用磁気抵抗パターンは、前記第2折り返しパターンを前記第1折り返しパターンと同数備えており、
複数の前記第1折り返しパターンは、直列に接続されており、
複数の前記第2折り返しパターンは、直列に接続されていることを特徴とする磁気センサ。 In claim 3,
The fundamental wave detecting magnetoresistive pattern includes a plurality of the first folded patterns, and the harmonic component removing magnetoresistive pattern includes the same number of the second folded patterns as the first folded patterns,
The plurality of first folded patterns are connected in series,
The plurality of second folded patterns are connected in series.
互いに90°の位相差で磁気スケールの移動検出を行うA相とB相を検出するために前記基板表面に形成されたA相用磁気抵抗パターンおよびB相用磁気抵抗パターンを有しており、
前記A相用磁気抵抗パターンとして、180°の位相差をもって磁気スケールの移動検出を行う+a相用磁気抵抗パターンおよび−a相用磁気抵抗パターンとを備えており、
前記B相用磁気抵抗パターンとして、180°の位相差をもって磁気スケールの移動検出を行う+b相用磁気抵抗パターンおよび−b相用磁気抵抗パターンとを備えており、
前記+a相用磁気抵抗パターンとして、互いに前記相対移動方向で離れた位置に形成されている第1、第2+a相用磁気抵抗パターンを備え、
前記−a相用磁気抵抗パターンとして、互いに前記相対移動方向で離れた位置に形成されている第1、第2−a相用磁気抵抗パターンを備え、
前記+b相用磁気抵抗パターンとして、互いに前記相対移動方向で離れた位置に形成されている第1、第2+b相用磁気抵抗パターンを備え、
前記−b相用磁気抵抗パターンとして、互いに前記相対移動方向で離れた位置に形成されている第1、第2−b相用磁気抵抗パターンを備え、
前記第1、第2+a相用磁気抵抗パターン、前記第1、第2−a相用磁気抵抗パターン、前記第1、第2+b相用磁気抵抗パターン、および、前記第1、第2−b相用磁気抵抗パターンのそれぞれは、前記基本波検出用磁気抵抗パターンおよび高調波成分除去用磁気抵抗パターンを備えており、
前記第1、第2+a相用磁気抵抗パターン、前記第1、第2−a相用磁気抵抗パターン、前記第1、第2+b相用磁気抵抗パターン、および、前記第1、第2−b相用磁気抵抗パターンは、フルブリッジ回路を構成していることを特徴とする磁気センサ。 In any one of claims 1 to 4,
A magnetic resistance pattern for A phase and a magnetic resistance pattern for B phase formed on the surface of the substrate to detect A phase and B phase, which detect the movement of the magnetic scale with a phase difference of 90 ° from each other;
The A-phase magnetoresistive pattern includes a + a-phase magnetoresistive pattern and a -a-phase magnetoresistive pattern for detecting movement of a magnetic scale with a phase difference of 180 °,
The B phase magnetoresistive pattern includes a + b phase magnetoresistive pattern and a -b phase magnetoresistive pattern for detecting movement of a magnetic scale with a phase difference of 180 °,
The + a phase magnetoresistive pattern includes first and second + a phase magnetoresistive patterns formed at positions separated from each other in the relative movement direction,
As the -a phase magnetoresistive pattern, provided with a first and a 2-a phase magnetoresistive pattern formed at positions separated from each other in the relative movement direction,
The + b phase magnetoresistive pattern includes first and second + b phase magnetoresistive patterns formed at positions separated from each other in the relative movement direction,
As the -b phase magnetoresistive pattern, provided with first and second b phase magnetoresistive patterns formed at positions separated from each other in the relative movement direction,
The first and second + a phase magnetoresistive patterns, the first and second 2-a phase magnetoresistive patterns, the first and second + b phase magnetoresistive patterns, and the first and second b phases Each of the magnetoresistive patterns comprises the fundamental wave detecting magnetoresistive pattern and the harmonic component removing magnetoresistive pattern,
The first and second + a phase magnetoresistive patterns, the first and second 2-a phase magnetoresistive patterns, the first and second + b phase magnetoresistive patterns, and the first and second b phases The magnetic sensor, wherein the magnetoresistive pattern forms a full bridge circuit.
前記磁極ピッチでN極とS極とが交互に並ぶ直線状の磁気スケールとを有することを特徴とするリニアエンコーダ。 A magnetic sensor according to any one of claims 1 to 5;
A linear encoder having a linear magnetic scale in which N poles and S poles are alternately arranged at the magnetic pole pitch.
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