JP6472175B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気スケールと磁気検出素子との相対位置を検出する位置検出装置に関する。

従来、直線変位や回転変位等の精密な変位位置を検出する位置検出装置として、磁気スケールと磁気検出素子を備えた位置検出装置が知られている。この位置検出装置は、例えば搬送物の高精度な位置決め制御が必要とされる電子部品の実装装置や部品の寸法を検出（測定）する検出（測定）装置等に広く利用されている。

図１５は、従来の磁気式の位置検出装置の磁気スケールと磁気検出素子の配置例を示す図である。図１５の例は、直線変位を検出する場合であり、磁気媒体で構成された磁気スケール１を備える。磁気スケール１は、Ｓ極とＮ極の磁化方向を一定の距離ごとに反転させている。このＳ極とＮ極が繰り返される１単位が、磁気スケール１の記録信号の１波長となる。
位置検出装置は、磁気スケール１に近接した位置に、磁気検出素子３ａ〜３ｈが配置された検出部２を備える。磁気検出素子３ａ〜３ｈとしては、例えば異方性磁気抵抗効果を利用したＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance）素子が使用されている。この磁気検出装置では、磁気スケール１が固定側に、検出部２が可動側に配置されており、位置検出装置は、磁気スケール１と検出部２との相対位置を検出するようになっている。

図１６は、８個の磁気検出素子３ａ〜３ｈの配置例を示す図である。図１６Ａは磁気スケール１の上面から見た素子配置であり、図１６Ｂは磁気スケール１の断面方向で見た素子配置である。
磁気スケール１は、長手方向に一定間隔でＮ極とＳ極に着磁されている。そして、磁気検出素子２１が検出する磁気信号としては、Ｎ極とＳ極が変化する１つの周期が１波長λになる。検出素子２１が出力する電気信号としては、その１波長λの１／２で、１ピッチＰになる。Ｎ極とＳ極は、１ピッチ間隔で直線状に並んでいる。

磁気スケール１に近接して、４個の磁気検出素子３ａ〜３ｄが近接配置される。これら４個の磁気検出素子３ａ〜３ｄの配置間隔としては、図１６Ａに示すように、２つの磁気検出素子３ａ，３ｂが１ピッチＰの間隔で配置され、別の２つの磁気検出素子３ｃ，３ｄが１ピッチＰの間隔で配置される。そして、磁気検出素子３ａと磁気検出素子３ｃとが、（ｎ＋１／２）Ｐだけ離して配置される。ｎは、整数である。これら４個の磁気検出素子３ａ〜３ｄは直列に接続されている。この４個の磁気検出素子３ａ〜３ｄを直列に接続した直列回路が、所定の電位Ｖの箇所と接地電位部ＧＮＤとの間に接続され、その直列回路の中点（すなわち磁気検出素子３ｂ，３ｃの接続点）から、信号Ｃｈ＋が取り出される。

さらに、これら４個の磁気検出素子３ａ〜３ｄと一定の距離（ｍ＋１／２）Ｐだけ離して、別の４個の磁気検出素子３ｅ〜３ｈが配置される。ｍは、整数である。これら４個の磁気検出素子３ｅ〜３ｈは、磁気検出素子３ａ〜３ｄと同じ配置間隔で直列に接続されている。そして、４個の磁気検出素子３ｅ〜３ｈを直列に接続した直列回路が、所定の電位Ｖの箇所と接地電位部ＧＮＤとの間に接続され、その直列回路の中点（すなわち磁気検出素子３ｆ，３ｇの接続点）から、信号Ｃｈ−が取り出される。

図１７は、これら８個の磁気検出素子３ａ〜３ｈから検出信号を得る接続構成を示す図である。
４個の磁気検出素子３ａ〜３ｄの中点から得た信号Ｃｈ＋と、４個の磁気検出素子３ｅ〜３ｈの中点から得た信号Ｃｈ−とが、演算増幅器４に供給される。この演算増幅器４では、両信号Ｃｈ＋，Ｃｈ−が増幅されて検出信号として取り出される。

この図１６，図１７に示す構成で磁気検出素子３ａ〜３ｈが検出した信号を取り出すことで、磁気スケールとの相対位置を検出するための検出信号が得られる。すなわち、４個の磁気検出素子３ａ〜３ｄの内の素子３ａ，３ｂと、素子３ｃ，３ｄとを、記録信号の１波長の１／４の間隔で配置することにより、それぞれの組で検出される信号変化が逆相になる。すなわち、４個の磁気検出素子３ａ〜３ｄの直列回路の中点から取り出される信号Ｃｈ＋と、４個の磁気検出素子３ｅ〜３ｈの直列回路の中点から取り出される信号Ｃｈ−とが逆位相になる。

さらに、これらの信号Ｃｈ＋，Ｃｈ−は、演算増幅器４に供給され、演算増幅器４から増幅された検出信号が得られる。ここで、図１７に示すようなブリッジ構成で、演算増幅器４により増幅する構成としたことにより、演算増幅器４から安定した検出信号が得られ、位置検出精度の向上に貢献することができる。すなわち、温度変化に対する個々の素子の抵抗値の変動をキャンセルできるので、素子に加わる温度変動に対して強くなる。また、演算増幅器４として差動増幅器を用いることで、信号レベルはほぼ倍になり、かつ同相のノイズが除去できるので外乱ノイズに対して強い、良好な検出信号が得られる。
特許文献１には、上述した磁気式の位置検出装置の例について記載されている。

特開２００９−３６６３７号公報

ところで、従来から位置検出装置に使用されているＡＭＲ素子は、磁場の変化に対する抵抗変化率が比較的小さいという問題があった。このため、図１５に示すように、それぞれの磁気検出素子３ａ〜３ｈを、磁気スケール１の幅方向に比較的長く配置するようにして、位置検出を行うために必要な感度を確保するようにしていた。
したがって、上述したように安定した検出信号を得るために多数の磁気検出素子３ａ〜３ｈを配置するためには、それぞれの磁気検出素子３ａ〜３ｈを、少なくとも１ピッチＰ以上ずれた異なる位置に配置する必要があった。

磁気スケール１に記録された信号は、１ピッチごとにＮ極とＳ極が変化するため、原理的には、１ピッチ周期でずれた位置から検出された複数の素子の信号を加算又は減算することで、位置検出用の同相又は逆相の検出信号が得られる。
ところが、磁気スケール１上の各位置の記録信号には、ある程度の強度のばらつきがあるために、２つの信号Ｃｈ＋，Ｃｈ−の絶対値が完全に等しいレベルにはならない。このため、演算増幅器４で増幅した信号には、ある程度のノイズが含まれてしまい、磁気スケール１に対するヘッドの相対位置の検出精度がそれだけ低下するという問題があった。

本発明の目的は、精度の高い位置検出が可能な位置検出装置を提供することにある。

本発明の位置検出装置は、磁気信号が磁性媒体に磁気記録されたスケールと、スケールの磁気信号記録面を走査可能に配置され、スケールからの漏洩磁気を検出する少なくとも２個の磁気検出素子と、少なくとも２個の磁気検出素子を接続した中間点から出力される信号に基づいて、スケールに対する位置を検出する位置検出部とを備える。
少なくとも２個の磁気検出素子は、素子に印加された磁気に対して一方の素子の抵抗値が増加する時、他方の素子の抵抗値が減少する磁気抵抗効果素子よりなる。本発明の位置検出装置に用いられる少なくとも２個の磁気検出素子は、スケールを走査する方向と直交した方向に並べて配置され、かつスケールの磁気信号記録面からの距離がほぼ等しい位置に配置されている。

本発明によると、複数の磁気検出素子が、スケールを走査する方向と直交した方向に並べて配置されるため、スケールの同じ位置の記録信号から複数の検出信号が得られる。したがって、それぞれの磁気検出素子で検出される信号として、完全に逆相の信号とすることができ、外乱ノイズの除去性能を向上させることができる。また、スケールに記録された信号強度にばらつきがあった場合にも、そのばらつきが検出信号に悪影響を及ぼすことがなくなり、この点からも良好な検出信号が得られ、位置検出精度が向上する。

本発明の第１の実施の形態による位置検出装置を含む機構全体構成の例を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態による位置検出装置の素子配列例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態による位置検出装置の素子配列例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態による磁気検出素子の構成例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態による磁気検出素子の抵抗値の変化例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態による磁気検出素子の接続例を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態によるバイアス磁場が与える影響を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態による磁気検出素子の検出状態を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態による位置検出装置の素子配列例を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態による磁気検出素子に接続される回路例を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態による磁気検出素子の検出状態を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態による位置検出装置の素子配列例の変形例を示す構成図である。 本発明の実施の形態を原点トラックに適用した例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態をアブソリュートトラックに適用した例を示す斜視図である。 従来の位置検出装置の磁気スケールと磁気検出素子との配置例を示す説明図である。 図１５に示す磁気検出素子の配置状態の詳細を示す平面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。 従来の磁気検出素子の接続例を示す構成図である。

＜１．第１の実施の形態例＞
以下、本発明の第１の実施の形態例を、図１〜図８を参照して説明する。
［１−１．位置検出装置の構成例］
図１は、本例の位置検出装置を駆動機構に組み込んだ際の、位置検出装置を含む機構全体構成の例を示す図である。
図１に示す装置１００は、工作機械に適用した例である。すなわち、装置１００は、固定部１０１の上に移動自在に配置された移動台１０２を備えた工作機械において、固定部１０１上の移動台１０２の移動距離を検出するものである。
移動台１０２には被工作物１０３が固定され、加工具１０５により被工作物１０３の加工が行われる。移動台１０２は、駆動部１０６による駆動で位置が変化する。

移動台１０２には、磁気スケール１１が配置されている。磁気スケール１１は、一定の距離ごとにＮ極とＳ極に交互に着磁させた信号を記録した磁性媒体を、金属板の表面に形成した構成である。この磁気スケール１１は、装置１００で移動を検出する最大の距離以上の長さに形成されている。

また、固定部１０１側には検出部２０が配置され、この検出部２０が磁気スケール１１と近接している。そして、検出部２０内の検出素子（図２に示す磁気検出素子２１）が、磁気スケール１１に記録された信号を検出する。ここでは、検出部２０が複数の磁気検出素子を備えて、それぞれの磁気検出素子で、磁気スケール１の記録信号を正弦波形の信号（ＳＩＮ信号）及び余弦波形の信号（ＣＯＳ信号）として検出する。なお、検出部２０は、ＴＭＲ素子（トンネル磁気接合素子）よりなる磁気検出素子２１を複数個配置して構成される。

検出部２０が検出したこれらのＳＩＮ信号及びＣＯＳ信号は、位置検出部１０４に供給され、位置検出部１０４で、これらの信号から磁気スケール１１と検出部２０との相対位置が算出される。位置検出部１０４が算出した位置情報は、制御部１０７に供給される。制御部１０７は、目標位置入力部１０８から入力した目標位置情報と、位置検出部１０４から供給された位置情報との差分を算出し、その差分だけ移動台１０２を移動させる駆動信号を生成する。そして、制御部１０７で生成された駆動信号が駆動部１０６に供給される。駆動部１０６は、供給された駆動信号で示された移動量だけ移動台１０２を移動させる。

［１−２．磁気検出素子の配置例］
図２及び図３は、磁気スケール１１に対する検出部２０（図１参照）が備える磁気検出素子の配置例を示す図である。図２及び図３では、ＳＩＮ信号を得るための磁気検出素子の配置例を示す。ＣＯＳ信号を得る磁気検出素子についても、ＳＩＮ信号を得る磁気検出素子群と離れた位置に、同様の配列で配置されている。
磁気スケール１１は、Ｎ極着磁部１１ＮとＳ極着磁部１１Ｓとが一定間隔で連続している。図２に示すように、Ｎ極とＳ極が変化する１つの周期が１波長λになる。その１波長λの１／２が、１ピッチＰになる。ここでは、１波長λを４００μｍとしている。

磁気検出素子を構成するＴＭＲ素子は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果:Tunnel Magneto-Resistance Effect）を利用したものである。ＴＭＲ素子には、磁場変化に対する抵抗値の変化が大きいという利点があり、磁気スケール１１から漏洩する磁場を検出する磁気検出素子２１にＴＭＲ素子を適用した場合、個々の磁気検出素子２１を非常に小さいサイズにすることが可能である。この例では、２個の磁気検出素子２１を使用する。以下の説明では、２個の磁気検出素子を区別して説明する必要がある場合、一方を磁気検出素子２１−１とし、他方を磁気検出素子２１−２とする。

図２の例では、磁気スケール１１の長手方向をｘ方向としたとき、このｘ方向と直交する幅方向であるｙ方向に、２つの磁気検出素子２１−１，２１−２を直線状に並べて配置する。また、図３は図２のｙ方向の断面を示したものであるが、図３に示すように、２つの磁気検出素子２１−１，２１−２は、磁気スケール１１の表面から、同じ高さに配置されている。すなわち、磁気スケール１１の表面から一方の磁気検出素子２１−１までの高さｚ１と、磁気スケール１１の表面から他方の磁気検出素子２１−２までの高さｚ２とは等しいものとする。
このように２つの磁気検出素子２１−１，２１−２を同じ高さとすることは、例えば２つの磁気検出素子２１−１，２１−２を同じ基板上に作成、配置することにより実現することができる。
磁気検出素子２１−１に隣接した位置には、バイアス磁場発生部４１−１，４２−１が配置され、磁気検出素子２１−２に隣接した位置には、バイアス磁場発生部４１−２，４２−２が配置される。これらのバイアス磁場発生部４１−１，４１−２，４２−１，４２−２は、磁気検出素子２１−１，２１−２よりも厚さが薄く形成され、例えば図３に示すように、各磁気検出素子２１−１，２１−２の上側の層（後述する固定層２１ａ）と隣接した位置に配置される。したがって、磁気スケール１１の表面から各バイアス磁場発生部４１−１，４１−２，４２−１，４２−２までの距離は、図３に示す距離ｚ１，ｚ２よりも多少大きい。バイアス磁場発生部４１−１，４１−２，４２−１，４２−２によるバイアス磁場が各磁気検出素子２１−１，２１−２に与える影響については後述する。

［１−３．磁気検出素子の構成］
次に、図４を参照して、検出部２０が備える磁気検出素子２１の構成について説明する。
図４は、ＴＭＲ素子である磁気検出素子２１の構成例を示す図である。
図４に示すように、磁気検出素子２１は、固定層２１ａとバリア層２１ｂとフリー層２１ｃの３層を有する構造になっている。なお、磁気検出素子２１は、これらの層の他にも、信号の引き出しの為の配線層、保護層等、各種の層を備える構造であるが、ここでは説明を省略する。
磁気検出素子２１には、２つのバイアス磁場発生部４１，４２が配置される。この２つのバイアス磁場発生部４１，４２は、ＴＭＲ素子に、バイアス磁場を印加するためのものであり、磁気検出素子２１を挟むように配置される。バイアス磁場発生部４１，４２は、例えば磁気検出素子２１と一体の素子として構成される。図４の例では、それぞれのバイアス磁場発生部４１，４２は、例えば磁気検出素子２１の固定層２１ａとほぼ同じ厚さであり、固定層２１ａと隣接した位置に、バイアス磁場発生部４１，４２が配置される。但し、バイアス磁場発生部４１，４２を固定層２１ａとほぼ同じ厚さとするのは１つの例であり、その他の厚さで形成してもよい。

固定層２１ａは、磁化方向が固定された層である。固定層２１ａの磁化方向は、例えば、磁気スケール１１のＮ極着磁部から漏洩する磁界方向と同じ方向になっている。
フリー層２１ｃは、磁気スケール１１から漏洩する磁気により磁化方向が変化する層である。これら固定層２１ａとフリー層２１ｃは強磁性層であり、バリア層２１ｂは絶縁層である。磁気検出素子２１は、固定層２１ａとフリー層２１ｃの磁化方向が同じとき、素子２１全体の抵抗値が小さくなり、固定層２１ａとフリー層２１ｃの磁化方向が逆のとき、素子２１全体の抵抗値が大きくなる。このようにフリー層２１ｃの磁化方向の変化に応じて磁気検出素子２１の抵抗値が大きく変化する。さらにＴＭＲ素子は１個の磁気検出素子２１の１辺の長さを２μｍ〜１０μｍ程度の非常に小さいサイズとすることができる。

図５は、磁気検出素子２１内の各層の磁化方向と、抵抗値との関係を示す図である。
図５Ａは、固定層２１ａの磁化方向とフリー層２１ｃの磁化方向とが同じ方向であるとき（例えばＮ極着磁部１１Ｎからの磁場を検出したとき）を示し、図５Ｂは、固定層２１ａの磁化方向とフリー層２１ｃの磁化方向とが逆向きであるとき（例えばＳ極着磁部１１Ｓからの磁場を検出したとき）を示す。
図５Ｃに示すグラフは、フリー層２１ｃの磁化方向の変化による抵抗値の変化を示す。フリー層２１ｃの磁化方向が０°のときが、図５Ａに示す状態であり、フリー層２１ｃの磁化方向が１８０°のときが、図５Ｂに示す状態である。

図５Ｃから分かるように、フリー層２１ｃの磁化方向が０°のとき、磁気検出素子２１の抵抗値が最低になり、フリー層２１ｃの磁化方向が１８０°のとき、磁気検出素子２１の抵抗値が最大になる。そして、図５Ｃに示す特性の曲線から分かるように、フリー層２１ｃの磁化方向が０°から１８０°の間であるとき、それぞれの角度に応じた抵抗値が得られる。

［１−４．磁気検出素子の接続状態］
図６は、図１に示す検出部２０内の２つの磁気検出素子２１−１，２１−２の接続例を示す図である。
磁気スケール１１の幅方向（ｙ方向）に直線状に並んだ２つの磁気検出素子２１−１，２１−２は、所定電圧Ｖが得られる箇所と接地電位部ＧＮＤとの間に直列に接続され、２つの磁気検出素子２１−１，２１−２の接続点から、検出信号が端子３０に取り出される。この端子３０に得られる信号が、磁気スケール１１から検出したＳＩＮ信号である。

２つの磁気検出素子２１−１，２１−２は、固定層２１ａの磁化方向を、相互に逆の方向に設定する。具体的には、図６にそれぞれの磁気検出素子２１−１，２１−２の上に矢印で示すように、磁気スケール１１の長手方向であるｘ方向と平行な方向に、固定層２１ａの磁化方向を決める。そして、一方の磁気検出素子２１−１の固定層２１ａの磁化方向を、ｘ方向と平行な方向としたとき、他方の磁気検出素子２１−１の固定層２１ａの磁化方向を、それとは逆の方向（ここでは反平行の方向）に設定する。

磁気検出素子２１−１の両脇には、バイアス磁場発生部４１−１，４２−１が配置され、磁気検出素子２１−２の両脇には、バイアス磁場発生部４１−２，４２−２が配置される。
個々の磁気検出素子２１−１，２１−２における２つのバイアス磁場発生部４１−１，４２−１，４１−２，４２−２により印加するバイアス磁場は、図６に矢印で示すように、各磁気検出素子２１−１，２１−２の固定層２１ａの磁化方向と直交した方向である、ｙ方向と平行な方向に設定している。

［１−５．バイアス磁場とスケール磁場が与える影響の例］
図７は、バイアス磁場とスケール磁場の影響で、それぞれの磁気検出素子２１−１，２１−２の抵抗値が変化する様子を説明する図である。図７Ａは、バイアス磁場発生部４１，４２からのバイアス磁場だけがフリー層２１ｃに加わった状態を示す。この図７Ａのときのバイアス磁場の方向は、例えば最大の抵抗値と最小の抵抗値のほぼ中間の値となる方向とする。
図７Ｂ及びＣは、このバイアス磁場が加わった状態で、磁気スケール１１からの一方又は他方の磁場が検出された状態を示す。図７Ｂに示す状態では、磁気検出素子２１の固定層２１ａの磁化方向とフリー層２１ｃの磁化方向は同じであり、図７Ｃに示す状態では、磁気検出素子２１の固定層２１ａの磁化方向とフリー層２１ｃの磁化方向は１８０°異なる方向である。
磁気検出素子２１は、図７Ｂに示す状態のとき最小の抵抗値Ｒａとなり、図７Ｃに示す状態のとき最大の抵抗値Ｒｂとなる。

図７Ｄは、磁気検出素子２１の最小の抵抗値Ｒａと最大の抵抗値Ｒｂの関係を示す図である。磁気スケール１１からの漏洩磁場の影響がない場合には、この最小の抵抗値Ｒａと最大の抵抗値Ｒｂの中間付近の抵抗値となる。

［１−６．磁気検出素子の検出信号の例］
図８は、２つの磁気検出素子２１−１，２１−２の接続点から引き出した端子３０（図６）に得られる信号の例を示す図である。
図８Ａは、磁気スケール１１から磁気検出素子２１−１，２１−２に影響を与える漏洩磁場の方向を破線で示す。図８Ａでは、２つの磁気検出素子２１−１，２１−２は重なった位置になる。図８Ｂは、この磁気スケール１１からの漏洩磁場の影響で、２つの磁気検出素子２１−１，２１−２の抵抗値が変化する状態を示す。抵抗値変化特性Ｒ１は、磁気検出素子２１−１の特性を示し、抵抗値変化特性Ｒ２は、磁気検出素子２１−２の特性を示す。ここでは、図８Ｂに示すように、磁気検出素子２１−１の抵抗値変化特性Ｒ１が変化する方向と、磁気検出素子２１−２の抵抗値変化特性Ｒ２が変化する方向とが逆である。

図８Ｃは、端子３０（図６参照）に得られる電圧信号の変化特性Ｖ１を示す。この電圧の変化特性Ｖ１は、磁気スケール１１の一方の極の漏洩磁場が最大のとき、最も高い電圧になる。そして、磁気スケール１１の漏洩磁場の減少に応じて、電圧が低下する。磁気検出素子２１−１，２１−２と磁気スケール１１との相対位置が変化するとき、この電圧の変化特性が正弦波として検出される。

この端子３０に得られる正弦波であるＳＩＮ信号が、図１に示す位置検出部１０４に供給される。また、不図示の検出部からＣＯＳ信号が位置検出部１０４に供給される。これらのＳＩＮ信号とＣＯＳ信号を使用した演算処理が位置検出部１０４で行われ、磁気スケール１１と検出部２０との相対位置が算出される。

以上説明したように、本実施の形態例の位置検出装置によると、磁気スケール１１からの漏洩磁場を検出する２つの磁気検出素子２１−１，２１−２が、スケールを走査する方向と直交した方向に並べて配置されるため、磁気スケール１１の同じ位置の記録信号から２つの磁気検出素子２１−１，２１−２が信号検出するようになる。このため、２つの磁気検出素子２１−１，２１−２で検出される信号として、同じ位置の記録信号による完全に逆相の信号とすることができ、外乱ノイズの除去性能を向上させることができる。
また、磁気スケール１１に記録された信号強度にばらつきがあった場合にも、２つの磁気検出素子２１−１，２１−２への信号強度の変動が同じタイミングで現れるようになり、変動成分をキャンセルできるようなる。このため、信号強度のばらつきが検出信号に悪影響を及ぼすことがなくなり、この点からも良好な検出信号が得られ、位置検出精度が向上する。

＜２．第２の実施の形態例＞
以下、本発明の２の実施の形態例を、図９〜図１２を参照して説明する。この図９〜図１２において、第１の実施の形態例で説明した図１〜図８に対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
本発明の第２の実施の形態例において、位置検出装置の全体構成については、例えば図１に示す構成が適用される。そして、検出部２０内の磁気検出素子２１の配置状態が、第１の実施の形態例とは異なるものである。

［２−１．磁気検出素子の配置状態及び接続状態］
この例では、図９に示すように、検出部２０が４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４を備える。４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４は、磁気スケール１１の幅方向（ｙ方向）に直線状に配置される。この４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４は、直列に接続され、中央の２つの磁気検出素子２１−１２，２１−２３の接続点に、所定電圧Ｖが印加される。また、４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４よりなる直列回路の一端及び他端は、接地電位部ＧＮＤに接続される。そして、磁気検出素子２１−１１，２１−１２の接続点から、ＳＩＮ信号が端子３１に取り出される。また、磁気検出素子２１−１３，２１−１４の接続点から、−ＳＩＮ信号が端子３２に取り出される。

４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４は、それぞれの固定層２１ａの磁化方向を、１個ずつ順に逆の方向に設定する。具体的には、図９にそれぞれの磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４の上に矢印で示すように、磁気スケール１１の長手方向であるｘ方向と平行な方向に、固定層２１ａの磁化方向を決める。そして、磁気検出素子２１−１１，２１−２３の固定層２１ａの磁化方向を、ｘ方向と平行な方向としたとき、磁気検出素子２１−１２，２１−２４の固定層２１ａの磁化方向を、これとは逆向きの方向（ここでは反平行の方向）に設定する。

磁気検出素子２１−１１の両脇には、バイアス磁場発生部４１−１１，４２−１１が配置され、磁気検出素子２１−１２の両脇には、バイアス磁場発生部４１−１２，４２−１２が配置される。また、磁気検出素子２１−１３の両脇には、バイアス磁場発生部４１−１３，４２−１３が配置され、磁気検出素子２１−１４の両脇には、バイアス磁場発生部４１−１４，４２−１４が配置される。これらのバイアス磁場発生部４１−１１〜４１−１４，４２−１，４２−１１〜４２−１２により印加するバイアス磁場は、図９に矢印で示すように、各磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４の固定層２１ａの磁化方向と直交した方向である、ｙ方向と平行な方向に設定する。
なお、４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４は、磁気スケール１１（図９では不図示）の表面からの距離が等しい位置に配置される。

［２−２．検出信号を処理する回路の例］
図１０は、端子３１，３２（図９）に得られるＳＩＮ信号及び−ＳＩＮ信号が供給される回路構成例を示す図である。
図１０に示すように、端子３１に得られるＳＩＮ信号が、抵抗器Ｒ１１を介して演算増幅器３３の−側の入力端に供給される。また、端子３２に得られる−ＳＩＮ信号が、抵抗器Ｒ１２を介して演算増幅器３３の＋側の入力端に供給される。この演算増幅器３３の−側の入力端と出力端は、抵抗器Ｒ１３により接続される。また、演算増幅器３３の＋側の入力端は、抵抗器Ｒ１４を介して接地電位部ＧＮＤに接続される。

この図１０に示す演算増幅器３３は、端子３１に得られるＳＩＮ信号と、端子３２に得られる−ＳＩＮ信号との差分を増幅する差動増幅回路として機能し、出力端に増幅されたＳＩＮ信号が得られる。この演算増幅器３３の出力端に得られるＳＩＮ信号が、出力端子３４から、位置検出部１０４（図１）に供給される。

［２−３．磁気検出素子の検出信号の例］
図１１は、４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４から端子３１，３２に得られる信号の例を示す図である。
図１１Ａは、磁気スケール１１から磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４に影響を与える漏洩磁場の方向を破線で示す。図１１Ａでは、４つの磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４は重なった位置になる。図１１Ｂは、この磁気スケール１１からの漏洩磁場の影響で、各磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４の抵抗値が変化する状態を示す。抵抗値変化特性Ｒ１′は、磁気検出素子２１−１１，２１−１３の特性を示し、抵抗値変化特性Ｒ２′は、磁気検出素子２１−１２，２１−２４の特性を示す。ここでは、図１１Ｂに示すように、磁気検出素子２１−１１，２１−１３の抵抗値変化特性Ｒ１′が変化する方向と、磁気検出素子２１−１２，２１−２４の抵抗値変化特性Ｒ２′が変化する方向とが逆である。

図１１Ｃは、端子３１に得られる電圧信号の変化特性Ｖ１′を示す。この電圧の変化特性Ｖ１′は、磁気スケール１１の一方の極の漏洩磁場が最大のとき、最も高い電圧になる。そして、磁気スケール１１の漏洩磁場の減少に応じて、電圧が低下する。各磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−２３，２１−２４と磁気スケール１１との相対位置が変化するとき、この電圧の変化特性が正弦波として検出される。

図１１Ｄは、端子３２に得られる電圧信号の変化特性Ｖ２′を示す。この電圧の変化特性Ｖ２′は、図１１Ｃに示す変化特性Ｖ１′と電圧変化の方向が逆になる。すなわち、変化特性Ｖ１′で示す電圧値がプラス方向に最大であるとき、変化特性Ｖ２′で示す電圧値がマイナス方向に最大になる。

そして、端子３１に得られる正弦波であるＳＩＮ信号と、端子３２に得られる−ＳＩＮ信号とが、図１０に示す演算増幅器３３で増幅され、増幅されたＳＩＮ信号が得られる。また、不図示の検出部で得られたＣＯＳ信号及び−ＣＯＳ信号についても、演算増幅器で差動増幅されて、増幅されたＣＯＳ信号が得られる。ＣＯＳ信号及び−ＣＯＳ信号を得るための磁気検出素子についても、図９に示す素子配置と同様の４個の磁気検出素子が使用される。これらの増幅されたＳＩＮ信号とＣＯＳ信号を使用した演算処理が位置検出部１０４（図１）で行われ、磁気スケール１１と検出部２０との相対位置が算出される。

以上説明したように、本実施の形態例によると、４個の磁気検出素子２１−１１〜２１−１４でＳＩＮ信号及び−ＳＩＮ信号が得られ、さらに別の４個の磁気検出素子でＣＯＳ信号及び−ＣＯＳ信号が得られ、いわゆるフルブリッジ構成で検出信号が得られるようになる。したがってノイズなどの影響を受けにくい良好な位置検出が可能になる。
さらに、磁気スケール１１からの漏洩磁場を検出する各磁気検出素子２１−１１〜２１−１４が、スケールを走査する方向と直交した方向に直線状に配置されるため、磁気スケール１１の同じ位置の記録信号から各磁気検出素子２１−１１〜２１−１４が信号検出するようになる。このため、外乱ノイズの除去性能を向上させることができると共に、信号強度のばらつきが検出信号に悪影響を及ぼすこともなくなり、位置検出精度が向上する。

［２−４．２つの群に分けて配置した例］
図９の例では、４個の磁気検出素子２１−１１〜２１−１４が、直線状に並ぶようにした。これに対して、磁気スケール１１の幅などの制約から、４個の磁気検出素子２１−１１〜２１−１４を直線状に配置することが困難な場合、ＳＩＮ信号を得る２つの磁気検出素子２１−１１，２１−１２と、−ＳＩＮ信号を得る２つの磁気検出素子２１−１３，２１−１４とを、磁気スケール１１の１波長λの１／２（又は１波長λの１／２整数倍：但し偶数倍の時は電圧を逆に加える）だけ離れた箇所に配置してもよい。

図１２は、この場合の構成例を示す図である。磁気検出素子２１−１１，２１−１２は、磁気スケール１１の長手方向と直交する方向のラインｙ１に沿って直線状に配置される。また、磁気検出素子２１−１３，２１−１４は、磁気スケール１１の長手方向と直交する方向のラインｙ２に沿って直線状に配置される。ここで、ラインｙ１とラインｙ２は、１波長λ（又は１波長λの整数倍）の間隔を有する。
そして、磁気検出素子２１−１１，２１−１２の直列回路に、所定電圧Ｖが供給される。また、磁気検出素子２１−１３，２１−１４の直列回路にも、所定電圧Ｖが供給される。但し、これら２つの群の直列回路に電圧Ｖを印加する方向は、互いに逆になるようにする。
さらに、磁気検出素子２１−１１，２１−１２の接続点に得られる信号（ＳＩＮ信号）が、端子３１に供給される。また、磁気検出素子２１−１３，２１−１４の接続点に得られる信号（−ＳＩＮ信号）が、端子３２に供給される。
端子３１，３２に得られる信号は、図１０に示す演算増幅器３３に供給される。

この図１２に示す構成の場合にも、端子３１，３２に得られるそれぞれの信号ごとに、同じ位置の記録信号から検出した信号になり、ノイズの影響の除去や、信号強度のばらつきなどによる悪影響を排除することができる。なお、４個の磁気検出素子２１−１１〜２１−１４には、図１２に示すように、それぞれ個別にバイアス磁場発生部４１−１１，４２−１１，４１−１２，４２−１２，４１−１３，４２−１３，４１−１４，４２−１４を配置して、バイアス磁場を印加する。

＜３．別の磁気スケールに適用した例＞
第１及び第２の実施の形態例では、磁気スケール１１として、Ｎ極着磁部１１ＮとＳ極着磁部１１Ｓとが一定間隔で連続している、いわゆるインクリメントトラックに適用した。これに対して、本発明は、その他のトラック構成の磁気スケールに適用してもよい。

図１３は、磁気スケール５０として、インクリメントトラック５１と原点トラック５２とが平行に配置された例である。
インクリメントトラック５１については、Ｎ極着磁部（例えば “０”と示す箇所）とＳ極着磁部（例えば “１”と示す箇所）とが一定間隔で交互に連続する。そして、このインクリメントトラック５１を検出する検出部２０は、例えば図９に示す例と同様に、磁気スケール５０の長手方向と直交する幅方向に、４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−１３，２１−１４を配置する。この４個の磁気検出素子２１−１１，２１−１２，２１−１３，２１−１４の接続状態は、図９の例と同様である。また、図１３では省略するが、図９の例と同様に４個の磁気検出素子２１−１１〜２１−１４に隣接して、バイアス磁場発生部を配置する。

原点トラック５２については、特定の１箇所に原点信号５２ａを磁気記録する。この原点５２ａの記録状態は、一例としては図８Ａに示すように１つの磁石が記録されたような状態でよい。そして、この原点信号５２ａを検出する検出部６０についても、磁気スケール５０の長手方向と直交する幅方向に、４個の磁気検出素子６１−１１，６１−１２，６１−１３，６１−１４を配置する。検出部６０は検出部２０と一体に移動する。
この４個の磁気検出素子６１−１１，６１−１２，６１−１３，６１−１４の接続状態は、検出部２０の４個の磁気検出素子２１−１１〜２１−１４の接続状態と同じ状態（図９に示す状態）である。また、バイアス磁場発生部についても、図１３では省略するが、それぞれの磁気検出素子６１−１１〜６１−１４に隣接して配置する。
この図１３に示す構成とすることで、検出部６０では、原点トラック５２に記録された原点信号５２ａの検出精度が向上する。

図１４は、磁気スケール７０として、インクリメントトラック７１とアブソリュートトラック７２とが平行に配置された例である。
インクリメントトラック７１の構成は、図１３に示したインクリメントトラック５１と同じ構成であり、このインクリメントトラック７１を検出する検出部２０についても、図１３の例と同じ構成である。

アブソリュートトラック７２については、それぞれの記録箇所７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，・・・ごとに予め決められた信号が記録され、検出部８０で検出される。検出部８０は検出部２０と一体に移動する。
アブソリュートトラック７２は、図１４の例では、左端から順に、０００１００１１０・・・と信号が記録される。そして、検出部８０は、例えば連続した４つの記録箇所を同時に検出する。このため、例えば図１４の例では、例えば左端の４つの記録箇所を検出することで、検出部８０が４ビットデータ“０００１”を検出するようになる。また、記録箇所が右に１つシフトすることで、検出部８０が４ビットデータ“００１０”を検出するようになる。このように検出部８０では、位置ごとに異なるデータを検出するようになり、その検出データからアブソリュートトラック７２と検出部８０との相対位置が判断できる。

このような４ビットの検出を行う検出部８０は、それぞれのビットの検出箇所ごとに、磁気スケール７０の長手方向と直交した方向に並んだ４個の磁気検出素子を備える。すなわち、検出部８０は、磁気スケール７０の長手方向と直交した方向に並んだ４個の磁気検出素子８１−１１，８１−１２，８１−１３，８１−１４を備える。さらに検出部８０は、その４個の磁気検出素子８１−１１〜８１−１４と１ビットずつの間隔を開けて、４個ごとの磁気検出素子８２−１１〜８２−１４，８３−１１〜８３−１４，８４−１１〜８４−１４を備える。

これら４個ごとの磁気検出素子８１−１１〜８１−１４，８２−１１〜８２−１４，８３−１１〜８３−１４，８４−１１〜８４−１４のそれぞれの接続状態は、検出部２０の４個の磁気検出素子２１−１１〜２１−１４の接続状態と同じ状態（図９に示す状態）である。また、バイアス磁場発生部についても、図１４では省略するが、それぞれの磁気検出素子８１−１１〜８１−１４，８２−１１〜８２−１４，８３−１１〜８３−１４，８４−１１〜８４−１４に隣接して配置する。
この図１４に示す構成とすることで、検出部８０では、アブソリュートトラック７２に記録された信号の検出精度が向上する。

なお、図１３や図１４の例では、検出部６０，８０は、図９の例と同様の４個の磁気検出素子を直列に配置した例とした。これに対して、検出部６０又は８０として、図２の例のような２個の磁気検出素子をスケールの長手方向と直交した方向に配置した例としてもよい。また、図１３の例と図１４の例は、いずれもインクリメントトラックと原点トラック又はアブソリュートトラックとが並列配置された例としたが、原点トラックやアブソリュートトラックだけが配置された磁気スケールに適用してもよい。

＜４．その他の変形例＞
なお、上述した実施の形態例では、磁気スケールの記録信号の１波長として、４００μｍを示したが、１波長の値は、位置検出装置として必要な測位分解能に応じて、数十μｍから数百μｍ程度の範囲内で適切な値を選定すればよい。
個々の磁気検出素子のサイズについても、１辺の長さが２μｍ〜１０μｍ程度とするのは１つの例であり、それより大きなサイズや小さなサイズの磁気検出素子を使用してもよい。
また、上述した実施の形態例では、個々の磁気検出素子２１の両脇にバイアス磁場発生部４１，４２を配置した例とした。これに対して、複数個の磁気検出素子（例えば図２に示す磁気検出素子２１−１，２１−２）にバイアス磁場を与えるバイアス磁場発生部を配置して、バイアス磁場発生部の数を削減してもよい。
また、上述した実施の形態例では、磁気検出素子として、トンネル磁気抵抗効果を利用したＴＭＲ素子を使用したが、素子に印加された磁気に対して同様の抵抗などの特性が変化する素子であれば、その他の構成の素子を使用してもよい。

また、上述した実施の形態例では、スケールを直線状の位置検出装置に適用した例を説明した。これに対して、磁気スケールを円形に配置することで、スケールとヘッドとの相対回転角度を検出する位置検出装置に本発明を適用してもよい。直線状の位置検出装置の例としてスケールを示した図１の構成も、一例にすぎないものであり、本発明は、その他の各種機器用の位置検出装置に適用することが可能である。

１…磁気スケール、２…検出部、３ａ〜３ｈ…磁気検出素子、４…演算増幅器、１１…磁気スケール、１１Ｎ…Ｎ極着磁部、１１Ｓ…Ｓ極着磁部、２０…検出部、２１，２１−１〜２１−２，２１−１１〜２１−１４…磁気検出素子、２１ａ…固定層、２１ｂ…バリア層、２１ｃ…フリー層、３３…演算増幅器、４１，４２，４１−１，４１−２，４２−１，４２−２，４１−１１〜４１−１４，４２−１，４２−２，４２−１１〜４２−１４…バイアス磁場発生部、５０…磁気スケール、５１…インクリメントトラック、５２…原点トラック、５２ａ…原点信号、６０…検出部、６１−１１〜６１−１４…磁気検出素子、７０…磁気スケール、７１…インクリメントトラック、７２…アブソリュートトラック、８０…検出部、８１−１１〜８１−１４，８２−１１〜８２−１４，８３−１１〜８３−１４，８４−１１〜８４−１４…磁気検出素子、１００…装置、１０１…固定部、１０２…移動台、１０３…被工作物、１０４…位置検出部、１０５…加工具、１０６…駆動部、１０７…制御部、１０８…目標位置入力部

Claims (3)

1. 磁気信号が磁性媒体に磁気記録されたスケールと、
   前記スケールの磁気信号記録面を走査可能に配置され、前記スケールからの漏洩磁気を検出する少なくとも２個の磁気検出素子と、
   前記少なくとも２個の磁気検出素子を接続した中間点から出力される信号に基づいて、前記スケールに対する位置を検出する位置検出部と、
   前記磁気検出素子のそれぞれに隣接して配置されたバイアス磁場発生部とを備え、
   前記少なくとも２個の磁気検出素子は、素子に印加された磁気に対して一方の素子の抵抗値が増加する時、他方の抵抗値は減少するトンネル磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子よりなり、前記スケールを走査する方向と直交した方向に並べて配置されると共に、前記スケールの磁気信号記録面からの距離がほぼ等しい位置に配置され、
   さらに、前記少なくとも２個の磁気検出素子のそれぞれは、バリア層を挟んだ第１及び第２の磁性層を有する素子によって構成され、前記第１の磁性層の磁化方向は、位置検出を行う方向と平行又は反平行に固定された状態とし、前記第２の磁性層は、前記スケールからの漏洩磁気により磁化方向が決まる状態とし、前記第１の磁性層の磁化方向として、平行又は反平行の第１の方向に設定した磁気検出素子と、前記第１の方向と逆の平行又は反平行の第２の方向に設定した磁気検出素子とを設け、
   前記磁気検出素子ごとに隣接して配置された前記バイアス磁場発生部は、前記第２の磁性層にバイアス磁場を印加し、前記スケールからの漏洩磁気がない状態で前記第２の磁性層の磁化方向を前記第１の磁性層の前記磁化方向とは異なる方向とし、
   前記バイアス磁場発生部が印加するバイアス磁場により、前記スケールからの漏洩磁場の影響がない場合におけるそれぞれの前記磁気検出素子の抵抗値が、最小の抵抗値と最大の抵抗値の中間付近の抵抗値となるようにした
   位置検出装置。
2. それぞれの前記磁気検出素子に隣接して配置された前記バイアス磁場発生部は、個々の磁気検出素子を挟んだ位置から、前記磁気検出素子毎に前記バイアス磁場を印加するものであり、
   前記第１の磁性層と前記バリア層と前記第２の磁性層とを積層した方向とは直交する位置で、前記バイアス磁場発生部が前記磁気検出素子を挟むように配置した
   請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記磁気検出素子として、前記スケールを走査する方向と直交した方向に並べて配置される第１、第２、第３及び第４の磁気検出素子を備え、
   前記第１及び第２の磁気検出素子の前記第１の磁性層の磁化方向を、前記第１の方向と前記第２の方向に設定すると共に、前記第３及び第４の磁気検出素子の前記第１の磁性層の磁化方向を、前記第１の方向と前記第２の方向に設定し、
   前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子を接続して出力される信号と、前記第３の磁気検出素子と前記第４の磁気検出素子を接続して出力される信号とが、相互に反転した信号になるようにした
   請求項１又は２に記載の位置検出装置。

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