JPS6134606B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、二次元方向の変位量や位置等の検出
する検出装置として最適な磁気スケール装置に関
する。

従来より、互いに方向の相異なる信号磁界を発
生する着磁領域を一方向に順次配列して一次元的
な磁気格子を形成した直線磁気スケールと磁電変
換素子とを用いて一次元の長さや変位量等の測定
が行われている。そして、上記直線磁気スケール
の互いに直交せしめて配置することにより、各磁
気スケールから横軸および縦軸上の各変位量を個
別に検出することができる。しかし、二本の直線
磁気スケールを用いて構成した二次元スケール装
置では、二次元的な変位量を縦軸上の変位量と横
軸上の変位量とに機械的に分解するような機構を
必要とするので構成が複雑になつてしまう。ま
た、多数の検出用電線を二次元的に直交配列した
平面上に発磁体を二次方向に移動自在に配設し、
上記発磁体からの磁界により検出用電線に電磁誘
導される検出信号を該発磁体の変位量に応じて得
るようにした電磁誘導式の二次元スケール装置も
提案されているが、このスケール装置では、検出
用電線の配線が複雑であり、また複雑な構成の外
部附属回路を必要とする。

そこで、本発明は、二次元的な磁気格子の形成
された磁気スケールを用いることによつて、簡単
な構成で二次元的な変位量や位置等を検出し得る
ようにした新規な構成の磁気スケール装置を提供
するものである。

以下、本発明について、一実施例を示す図面に
従い詳細に説明する。

先ず、本発明に係る磁気スケール装置の原理的
な構成および動作について、第１図ないし第４図
に示す第１の実施例により説明する。

第１の実施例の構成を模式的に示す第１図にお
いて、１は離散的な着磁により二次元的な磁気格
子の形成されている磁気スケール、２は上記磁気
スケール１に対して水平相対移動自在に配設され
た磁電変換素子、３は上記磁電変換素子２にバイ
アス電流Ｉを供給する定電流源、４は上記磁電変
換素子２にバイアス磁界Ｈ_Bを与えているバイア
ス用発磁体である。

上記磁気スケール１は、Ｎ極に着磁された第１
の着磁部５とＳ極に着磁された第２の着磁部６と
を二次元平面上の縦軸方向および横軸方向に交互
に順次配列して成る。上記第１の着磁部５と第２
の着磁部６との間には第２図中に実線の矢印で示
すように互いに直交する方向に各々波長λ_X，λ_Y
の信号磁界Ｈ_SX，Ｈ_SYが得られ、これら信号磁界
Ｈ_SX，Ｈ_SYを上記磁電変換素子２に与える磁気格
子が形成されている。

また、上記磁電変換素子２は、NiCo合金、
NiFe合金、NiA合金、NiMn合金あるいはNiZn
合金等の磁気抵抗効果を有する異方性の強磁性体
により平板帯状の電流通路部７が形成された強磁
性金属磁気抵抗素子から成る。上記電流通路部７
は、その両端間に接続された上記定電流源３から
一定電流値のバイアス電流Ｉ_Bが流されていると
ともに、上記バイアス用発磁体４からのバイアス
磁界Ｈ_Bによつて飽和磁化されている。なお、上
記バイアス用発磁体４は、バイアス電流Ｉ_Bに対
して平行若しくは45゜の方向にバイアス磁界Ｈ_B
を上記電流通路７に与えるように、上記磁電変換
素子２に取付けられている。さらに、上記磁電変
換素子２の電流通路部７は、その長手方向の長さ
Ｌ_Yが上記磁気スケール１の縦軸方向の波長λ_Yの
偶数倍に設定されている。

ここで、一般の強磁性金属で形成されている電
流通路部７は、流されているバイアス電流Ｉ_Bと
磁化方向が平行になつたときに最大の抵抗値ρ‖
を呈し、直交したときに最小の抵抗値ρ⊥を呈す
るような磁気抵抗効果特性を有し、その単位長さ
当りの抵抗値Ｐ（θ）を電流と磁化方向とのなす
角度θの関数 Ｐ（θ）＝Ｐ‖sin²θ＋Ｐ⊥cos²θ…第１式 なる第１式のVioght―Thomsonの式にて表わす
ことができる。

第４図は、上記バイアス電流Ｉ_Bの方向と磁化
方向とのなる角度θに対する抵抗値Ｐ（θ）の変
化を模式的に示す特性図である。この実施例にお
いて、電流通路部７を飽和磁化させるための磁化
方向とバイアス電流Ｉ_Bとのなす上記角度θは、
バイアス用発磁体４からのバイアス電界Ｈ_Bと磁
気スケール１に形成されている磁気格子からの信
号磁界Ｈ_Sとをベクトル合成磁界の方向によつて
与えられる。

上記磁化方向とバイアス電流とのなす角度θと
抵抗値Ｐ（θ）との関係を第４図に示す。

上述の如く二次元的な磁気格子の形成された磁
気スケール１と磁電変換素子２とを水平方向に相
対移動自在に設けて成る第１の実施例において
は、第２図中に実線で示すように磁電変換素子２
の電流通路部７が、磁気スケール１の第１の着磁
部５および第２の着磁部６上に位置しているとき
に、バイアス電流Ｉ_Bの方向に平行な方向（すな
わち、θ＝０゜）信号磁界Ｈ_SYが上記電流通路部
７に与えられる。また、上記磁気スケール１と磁
電変換素子２とが二次元平面の横軸方向第１図中
矢印Ｘ方向に移動して、上記電流通路部７が第２
図中に一点鎖線で示すように磁気スケール１の第
１の着磁部５と第２の着磁部６との間に位置する
と、バイアス電流Ｉ_Bの方向に直交する方向（す
なわちθ＝90゜）の信号磁界Ｈ_SXが上記電流通路
部７に与えられる。さらに、磁気スケール１と磁
電変換素子２とが横軸方向に相対位動して、第２
図中破線で示すように磁電変換素子２の電流通路
部７が磁気スケール１の第１の着磁部５および第
２の着磁部６上に位置すると、上記電流通路部７
にはバイアス電流Ｉ_Bの方向に平行な方向（すな
わちθ＝０゜）の信号磁界Ｈ_SYが再び上記磁気ス
ケール１から与えられる。

また、上記磁気スケール１と磁電変換素子２と
が、二次元平面の縦軸方向（第１図中矢印Ｙ方
向）に相対移動したときには、磁電変換素子２に
磁気スケール１から与えられる信号磁界の方向は
変化しない。

従つて、上記磁電変換素子２の電流通路部７
は、二次元平面の横軸方向への磁気スケール１と
磁電変換素子２との相対移動により、その相対位
置に応じて抵抗値が変化する。上記電流通路部７
の両端間には、磁気スケール１の波長λ_Xに応じ
た繰返し周期で繰返し変化するような信号レベル
の検出出力信号が得られる。なお、上記検出出力
信号は、電流通路部７に与えられているバイアス
磁界Ｈ_Bの方向がバイアス電流Ｉ_Bに平行な場合に
は１／λ_Ｘに等しい繰返し周期で変化し、また、上記 バイアス磁界Ｈ_Bの方向がバイアス電流Ｉ_Bに対し
て45゜方向に設定されている場合には２・１／λ_Ｘに 等しい繰返し周期で変化する。なお、上述の第１
の実施例では、二次元平面上の横軸方向における
位置検出についてのみ説明したが、上記横軸方向
に平行に配置される電流通路部を有する磁電変換
素子を用いることによつて縦軸方向の位置検出も
同様に行うことができる。

次に、本発明に係る磁気スケール装置の第２の
実施例の構成を第５図に模式的に示す。

この実施例において、磁気スケール１１は、互
いに直交する方向の信号磁界Ｈ_SX，Ｈ_SYを発生す
る第１の磁界領域１２と第２の磁界領域１３とが
二次元平面上の縦軸方向および横軸方向に交互に
順次配列されて成る。上記各磁界領域１２，１３
は、Ｎ極に破磁された第１の着磁帯１４とＳ極に
着磁された第２の着磁帯１５とを交互に配設する
ことにより形成されており、各々４波長λ_X，λ_Y
の信号磁界Ｈ_SX，Ｈ_SYを発生するような磁気格子
を形成している。上記各磁界領域１２，１３は横
軸方向の一辺長さXnと縦軸方向の一辺長さYnと
を互いに等しく設定されている。

そして、上記磁気スケール１１の磁気格子から
からの各信号磁界Ｈ_SYを検出するために、１対の
磁電変換素子１６，１７が上記磁気スケール１１
に対して水平方向に相対移動自在に配設されてい
る。

各磁電変換素子１６，１７は、信号磁界Ｈ_SYを
検出して相差が90゜の２相検出出力信号を出力す
るように（m/2＋１／８）λ_Y間隔で横軸に対して平行 に配置されている。

上記各磁電変換素子１６，１７は、上述の第１
の実施例と同様な強磁性金属材料で形成した電流
通路部を有する磁気抵抗素子から成り、この実施
例では第６図に示すように各々信号磁界Ｈ_SYに対
して１／２λ_Yの間隔で平行に配設された各電流通路部 １８ａ，１８ｂと同様に１／２λ_Yの間隔で平行に配設 された各電流通路部１９ａ，１９ｂとを（ｎ＋
１／４）λ_Yだけずらして配置した折線パターン状の各 電流通路部１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂを直
列接続して成る。上記各電流通路部１８ａ，１８
ｂ，１９ａ，１９ｂの長手方向の長さＬ_Xは、上
記磁気スケール１１の磁界領域１２，１３の横軸
向の長さXnの偶数倍（この実施例では２倍）に
設定されている。また、上記各磁電変換素子１
６，１７は、図示しないバイアス磁界用発磁体か
らのバイアス磁界Ｈ_Bがバイアス電流Ｉ_Bの方向と
平行に与えられているとともに、定電圧源２０か
らバイアス電流が供給されている。

上述の如き構成の第２の実施例において、各磁
電変換素子１６，１７の電流通路部１８ａ，１８
ｂ・１９ａ，１９ｂは、その長手方向の半分の領
域にはバイアス電流Ｉ_Bに平行な方向の信号磁界
Ｈ_SYが与えられ他の半分の領域にはバイアス電流
Ｉ_Bに直交する方向の信号磁界Ｈ_SXが常に与えら
れる。そこで、例えば第５図に示すように、上記
電流通路部１８ａが縦軸方向の長さY₁の範囲に
位置している場合には、横軸方向への磁気スケー
ル１１と磁電変換素子１６との相対移動によつ
て、その相対位置に応じて電流通路１８ａの半分
の領域９の抵抗値が上記磁気スケール１１の磁気
格子からの信号磁界Ｈ_SYに対応して変化し、他の
半分の領域の抵抗値は一定値に保持される。さら
に、磁気スケール１１と磁電変換素子１６とが横
軸方向に相対位動して電流通路部１８ａが長さ
Y₂の範囲に位置されると、上記預域ａの抵抗値
が一定となり、他の半分の領域の抵抗値が信号磁
界Ｈ_SYに対応して変化する。なお、上記磁気スケ
ール１１と磁電変換素子１６とが縦軸方向に相対
移動してもバイアス電流Ｉ_Bに平行な信号磁界Ｈ_S
Ｙの与えられる領域ａと直交する信号磁界Ｈ_SXの
与えられる領域との比は、電流通路部１８ａの長
手方向（横軸方向）の長さＬ_Xを磁気スケール１
１の各磁界領域１２，１３の横軸方向の長さXn
の偶数倍に定めてあるので変化しないので、上記
電流通路部１８ａの全抵抗値は変化しない。ま
た、他の電流通路部１８ｂ，１９ａ，１９ｂも同
様に、信号磁界Ｈ_SYに応じて周期的に抵抗値が変
化する。さらに、他の磁電変換素子１７も同様
に、各電流通路部の抵抗値が信号磁界Ｈ_SYに応じ
て周期的に変化する。

上記磁気スケール１１と各磁電変換素子１６，
１７との横軸方向への相対移動による電流通路部
全抵抗値は、バイアス磁界Ｈ_Bがバイアス電流Ｉ_B
に平行に与えられているので、上記磁気スケール
１１の磁気格子の波長λ_Yに等しい繰返周期で繰
返し変化する。

従つて、磁気スケール１１の磁気格子の信号磁
界Ｈ_SYの波長λ_Yに対して（ｍ／２＋１／８）λ_Yの間隔
を もつて配置されている各磁電変換素子１６，１７
の各出力端子１０Ａ，１０Ｂには、磁気スケール
１１と各磁電変換素子１６，１７との縦軸方向へ
の相対移動に伴つて、相差が90゜の２相の各検出
出力信号が上記磁気スケール１１の磁気格子から
の信号磁界Ｈ_SYの波長λ_Y分の１に等しい繰返し
周期で得られる。上記90゜の相差のある２相の各
検出出力信号は、図示しない多相化回路等による
内挿処理回路を用いることによつて波長λ_Yを１／Ｎ に内挿し得るので、高精度の位置検出を可能にす
る。なお、第２の実施例においても、縦軸方向の
位置検出と同様な原理に基づいて、横軸方向の位
置検出を行うことができる。

さらに、本発明に係る磁気スケール装置の第３
の実施例の構成を第７図に模式的に示す。

この第３の実施例は、上述の第１の実施例にお
ける磁気スケール１を形成したドツト状の各磁部
５，６により、上述の第２の実施例における磁気
スケール１１を形成するようにしたものである。

すなわち、この実施例において、磁気スケール
２１は、Ｎ極に着磁の施された第１の着磁部２５
が上述の第１の着磁帯１４と等価に配列され、Ｓ
極に着磁の施こされた第２の着磁部２６が上述の
第２の着磁部２６が上述の第２の着磁帯１５と等
価に配列されている。そして、上記第１の着磁部
２５と第２の着磁部２６とで形成される第１の磁
界領域２２と第２の磁界領域２３とが二次元平面
上の縦軸方向および横軸方向に交互に順次配列さ
れている。上記第１の磁界領域２２では、上記横
軸方向の信号磁界Ｈ_SXが第１の着磁部２５と第２
の着磁部２６との間に得られる。

また、上記第２の磁界領域２３では、上記縦軸
方向の信号磁界Ｈ_SYが第１の着磁部２５と第２の
着磁部２６との間に得られる。上記各磁界領域２
２，２３から得られる互いに直交する方向の信号
磁界Ｈ_SX，Ｈ_SYを有する磁気格子が形成されてい
る。

そして、上記磁気スケール２１の磁界格子から
の各信号磁界Ｈ_SX，Ｈ_SYを検出するために、二対
の磁電変換素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ
が上記磁気スケール２１に対して水平方向に相対
移動自在に配設されている。上記各磁電変換素子
３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂは、上述の第２
の実施例と同様に強磁性金属材料で形成された折
線パターン状の各電流通路部２８ａ，２８ｂ，２
９ａ，２９ｂを各々有し、各電流通路部２８ａ，
２８ｂ，２９ａ，２９ｂに定電圧源３０からバイ
アス電流Ｉ_Bが供給されている。また、上記各電
流通路部２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂには図
示しないバイアス用発磁体からのバイアス磁界Ｈ
_Bが上記バイアス電流Ｉ_Bの方向に対して45゜方向
に与えられている。さらに、上記二対の磁電変換
素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂのうちの一
対の磁電変換素子３１Ａ，３１Ｂは、上記磁気ス
ケール２１の磁気格子からの信号磁界Ｈ_SXを検出
するために、各電流通路部２８ａ，２８ｂ，２９
ａ，２９ｂが横軸方向に対して平行に位置される
とともに、（m/2＋１／２）λ_Xの間隔をもつて配置さ れている。また、他の一対の磁電変換素子３２
Ａ，３２Ｂは、上記磁名スケール２１の磁気格子
からの信号磁界Ｈ_SYを検出するために各電流通路
部２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂが縦軸方向に
対して平行に位置されるとともに（m/2＋１／２）λ_Y の間隔をもつて配置されている。

上述の如き構成の第３の実施例においては、各
磁電変換素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂと
磁気スケール２１とが相対移動されると、一方の
一対の磁電変換素子３１Ａ，３１Ｂの各出力端子
３１ａ，３１ｂから二次元平面上の横軸方向の相
対移動量成分に応じた二相の検出出力信号が得ら
れ、また、他方の一対の磁電変換素子３２Ａ，３
２Ｂの各出力端子３２ａ，３２ｂから二次元平面
上の縦軸方向の相対移動成分に応じた二相の検出
出力信号が得られる。各検出出力信号は、磁気ス
ケール２１の磁気格子からの各信号磁界Ｈ_SY，Ｈ
_SXの波長λ_X，λ_Yの1/2を周期として繰返して変
化する。

上述の各実施例の説明から明らかなように、本
発明によれば、二次元的な磁気格子の形成された
磁気スケールに対して相対移動自在な磁電変換素
子から、二次元平面上の変位量あるいは位置に応
じた検出出力信号を上記磁気格子からの信号磁界
の波長に対応した繰返し周期で得ることができ、
極めて簡単な構成の二次元スケール装置を実現す
ることができ、所期の目的を十分に達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明に係る磁気スケー
ル装置の第１の実施例を示す各図面であり、第１
図は第１の実施例の模式的な外観斜視図、第２図
は第１の実施例における磁気スケールと磁電変換
素子との相対位置関係を示す平面図、第３図は第
１の実施例に適用されている磁電変換素子の構成
を示す模式的な平面図、第４図は同じく磁電変換
素子の磁気抵抗特性図である。第５図および第６
図は本発明に係る磁気スケール装置の第２の実施
例を示す各図面であり、第５図は第２の実施例の
構成を模式的に示す平面図、第６図は第２の実施
例に適用され磁電変換素子の構成を示す模式的な
平面図である。第７図は本発明に係る磁気スケー
ル装置の第３の実施例を示す模式的な平面図であ
る。 １，１１，２１…磁気スケール、２，１６，１
７，３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ…磁電変換
素子、５，６，２５，２６…着磁部、７，１８
ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２８ａ，２８ｂ，
２９ａ，２９ｂ…電流通路部、１２，１３，２
２，２３…磁界領域、１４，１５…着磁帯。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 離散的な着磁により二次元的な磁気格子が形
   成された磁気スケールと、該磁気スケールの磁気
   格子による信号波長の偶数倍の長さに形成した磁
   気抵抗効果を有する強磁性体から成る電流通路部
   を有する磁電変換素子とを、相対移動自在に設け
   て成る磁気スケール装置。 ２ 前記磁気スケールは、Ｎ極に着磁された第１
   の着磁部とＳ極に着磁された第２の着磁部とを二
   次元平面上に交互に順次配列して二次元的な磁気
   格子が形成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の磁気スケール装置。 ３ 前記磁気スケールは、Ｎ極に着磁された第１
   の着磁帯とＳ極に着磁された第２の着磁帯とを二
   次元平面の横軸方向に対して平行に且つ交互に配
   列した第１の磁界領域と、上記第１の着磁帯と第
   ２の着磁帯とを二次元平面の縦軸方向に対して平
   行に且つ交互に配列した第２の磁界領域とを、二
   次元平面上に交互に配列して二次元的な磁気格子
   が形成されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の磁気スケール装置。 ４ 前記磁電変換素子は、磁気スケールの磁気格
   子を形成している各磁界領域の一辺の長さの偶数
   倍の長さに形成された電流通路部を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の磁気ス
   ケール装置。