JPS6153644B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁気記録媒体に記録された磁気目盛
を磁気信号読取りヘツドで読み取つて上記磁気目
盛に対する読取りヘツドの移動量を測定する磁気
スケール装置に関する。

このような磁気スケール装置は、磁気目盛（磁
気格子）が記録形成された磁気記録媒体である磁
気スケールと、この磁気スケールの磁気目盛信号
を検出する磁気スケール信号検出装置とから成
り、この磁気スケール信号検出装置としては、本
件出願人が既に提案した特開昭50−81117号公報
や特願昭53−132810号等のような強磁性合金磁気
抵抗薄膜を用いたものがある。

すなわち、本発明の先行技術である磁気スケー
ル装置について第１図とともに説明すると、まず
磁気目盛（磁気格子）が記録形成された磁気スケ
ール１の磁気格子の固有波長λに対応して、磁気
抵抗の異方性効果を有する複数の強磁性体素片２
を並列配置し（すなわち各素片間隔が上記λとな
る。）、これらの各素片２をそれぞれ電流路３で連
結して成る２個の構成要素４を直列接続して検出
素子単位５を形成する。この検出素子単位５の２
個の構成要素４，４間の間隔はたとえばλ/2と
し、たとえば２相出力（相差λ/4）を得る場合に
は、複数個のこのような検出素子単位５を、たと
えば互いに（ｎ±１／４）・λの間隔をもたせてガラス 基板やシリコン基板等（図示せず）の表面に被着
形成して磁気スケール信号検出素子６を得てい
る。この磁気スケール信号検出素子６の検出素子
単位５，５が被着形成された面を、上記磁気スケ
ール１の磁気格子面７と面対向させ、かつ上記各
素片２の方向、もしくは素片２と所定の角度をな
す方向にバイアス磁場Ｈ_Bを印加している。この
ような磁気スケール装置は、比較的短い格子ピツ
チの信号検出を高い精度で可能にしている。

第２図の磁気スケール装置においては、上記技
術を応用して、磁気格子の電気的分割である内挿
を少なくするために、多相信号出力（この例では
４相出力）を得るような磁気スケール信号検出装
置６′を用いている。すなわち、強磁性体素片２
の間隔λ、および構成要素４の間隔λ/2（これは
一般的には（ｍ±１／２）・λとすればよい。）は上記 第１図の装置と同様であるが、複数の検出素子単
位５，５の間隔を（ｎ±１／８）・λとすることによ り、相差λ/8の４相出力を得ることができる。さ
らに、隣り合う検出素子単位５，５の強磁性体素
片２の配列方向を、互いに逆向きとすることによ
り、外部接続端子８Ｂ，８Ｏ，８Ｅのうちの電源
端子８Ｂおよびアース端子８Ｅを共通化して、端
子数を低減しおよび検出素子基板の寸法を小さく
している。

ところで、このような従来技術では、磁気スケ
ール信号検出素子６，６′の検出素子単位５が被
着形成された面と磁気スケール１，１′の磁気格
子面７とは、所定の短かい間隔（これをクリアラ
ンスという。）を設けて面対向配置させる必要が
あり、検出感度を上げるためにたとえば上記クリ
アランスは50μｍ以下としている。このような極
めて短かいクリアランスを保持しながら磁気スケ
ール１，１′に対して磁気スケール信号検出素子
６，６′を相対的に移動させる場合に、検出素子
単位５のパターンが磁気スケール１，１′の磁気
格子面７に接触摺動すると、上記パターンに傷が
ついたり剥れたりするため、磁気格子面７や上記
相対移動のための機械的構成部分には極めて高い
精度が要求されることになり、磁気スケール装置
の製造困難性の増大、あるいは価格の上昇等の欠
点が避けられない。また、磁気スケール１，１′
の磁気格子面７としては、平坦な平面形状のもの
にせざるを得ない制約が生じ、この制約は磁気ス
ケール装置の構造上の自由度を狭め、したがつて
機能、性能および用途等の製品のバリエーシヨン
を狭くしている。

本発明は、このような従来の欠点を除去すべく
なされたものであり、磁気スケール信号検出素子
を多重空隙磁気ヨークに接着固定し、この多重空
隙磁気ヨークと磁気スケールとを関連づけて相対
移動させることにより、磁気スケール信号検出素
子の検出素子単位のパターンの保護を完全なもの
とし、しかも磁気スケール形状の多様化を可能と
し、製品の機能、性能、用途等のバリエーシヨン
を広げることを目的としている。

以下、本発明に係る磁気スケール装置の好まし
い実施例について、図面を参照しながら説明す
る。

まず、本発明の基本的な動作原理を第３図ない
し第７図に示す第１の実施例の要部とともに説明
する。これら第３図ないし第７図において、磁気
スケール１１には固有波長λの磁気格子（磁気目
盛）が記録形成されており、この磁気スケール１
１の磁気格子面１２には多重空隙磁気ヨーク１３
が移動自在に対接配置されている。多重空隙磁気
ヨーク１３は、高透磁率部分１４と、空隙とほぼ
等価な低透磁率の部分（これを等価空隙部分とい
う。）１５とを、上記磁気格子に対応して交互に
λ/2周期で配列して形成している。これは、たと
えば、高透磁率の磁性材と低透磁率の非磁性材と
を上記磁気格子パターンに沿つて交互に積層して
形成すればよい。

第３図においては、多重空隙磁気ヨーク１３の
図中上面１６の漏洩磁界Hsが最も強くなるよう
な磁気ヨーク１３と磁気スケール１１との位置関
係を示し、磁束の流れを図中の矢印で表わしてい
る。実際には、磁気ヨーク１３の等価空隙部分１
５での短絡磁束、および磁気ヨーク１３と対接す
る磁気格子面１２とは反対側の磁気スケール１１
の表面（図中下面）での漏洩磁界が存在するわけ
であるが、説明を簡略化するため図示していな
い。ここで、磁気ヨーク１３の所定の等価空隙部
分１５上の中心点Ｐにおける磁界の強さをHsと
する。

次に、多重空隙磁気ヨーク１３を磁気スケール
１１の磁気格子面１２に対接させた状態で、上記
第３図の位置に対して矢印Ｘ方向にλ/8だけ移動
させると、第４図に示す配置となる。この第４図
では、磁気ヨーク１３上面の漏洩磁界が弱まり、
上記点Ｐでは磁界の強さはkHs（０＜ｋ＜１）と
なる。これは等価空隙部分１５での短絡磁束（破
線の矢印参照。）が増加するためである。

さらに、多重空隙磁気ヨーク１３を変位させ
て、第３図の位置に対してλ/4だけ移動させる
と、第５図の配置となる。第５図では磁気ヨーク
１３上面での漏洩磁界は非常に弱く、上記点Ｐで
の磁界の強さはほぼ０となる。

さらにλ/8だけ多重空隙磁気ヨーク１３を変位
させて、第３図に対して３／８λずれた配置は第６図 のようになる。この第６図では、高透磁率部分１
４を通る磁束の向きが第４図と反対になることか
ら、磁気ヨーク１３上面での漏洩磁界は第４図に
対比して大きさが同じで向きが反対になることが
わかる。したがつて、上記点Ｐの磁界の強さは−
kHs（０＜ｋ＜１）である。

さらに磁気ヨーク１３をλ/8だけ変位させて、
第３図に対してλ/2の移動位置を示すと、第７図
のようになる。第７図に示される磁気ヨーク１３
上面の漏洩磁界は、第３図に対比して、大きさが
同じで向きが反対になる。すなわち、上記点Ｐの
磁界の強さは−Hsとなる。

以上のように、磁気スケール１１に対して、磁
気格子の固有波長の1/2の間隔で配列される高透
磁率部分１４を有する多重空隙磁気ヨーク１３を
対接させながら矢印Ｘ方向に移動させると、磁気
ヨーク１３上面での漏洩磁界は、磁気格子の波長
に対応して大きさと方向が変化する。特に、多重
空隙磁気ヨーク１３上面において、各等価空隙部
分１５の中心位置、たとえば上記点Ｐ等の磁界
は、磁気格子面１２と平行で、大きさと向きとが
周期的に変化する。

したがつて、磁気スケール信号検出素子（前述
の第１図や第２図参照。）の複数の強磁性体素片
を上記多重空隙磁気ヨーク１３の上面１６におけ
る各等価磁気空隙部分１５の中心位置（点Ｐ等）
に位置するように固定させた状態で配設すれば、
磁気ヨーク１３（およびこの磁気ヨーク１３上に
対接固定された磁気スケール信号検出素子）が、
磁気スケール１１に対して、たとえば矢印Ｘ方向
（あるいは逆方向）に相対移動したとき、上記点
Ｐ等の各中心位置の磁界の強さおよび方向が磁気
スケール１１の磁気格子に対応して変化するた
め、磁気スケール信号の検出が行なえ、相対移動
量の測定が行なえる。この相対移動に伴つて摺動
接触する部分は、磁気スケール１１の磁気格子面
１２、および多重空隙磁気ヨーク１３の図中下面
であるから、磁気スケール信号検出素子のパター
ンに傷が付いたり強磁性体素片が剥れたりするこ
とはない。

次に、本発明の第２の実施例について、第８図
および第９図を参照しながら説明する。この第２
の実施例には、上記第１の実施例とほぼ同様な構
成を有する多重空隙磁気ヨーク１３に対して、縦
磁界記録の磁気格子が形成された磁気スケール２
１を組み合わせたものが用いられている。

すなわち、磁気スケール２１は、高透磁率材料
で形成されたスケールベース２３上に、磁気記録
媒体に磁気格子を固有波長λで縦磁界記録により
形成した磁気スケール本体２４が接着固定されて
成る。この磁気スケール２１の磁気格子面２２と
対接しかつ矢印Ｘ方向に移動自在に配置される多
重空隙磁気ヨーク１３は、上記磁気格子の固有波
長λに対応して、たとえばλ/2間隔で高透磁率部
分１４が配列され、これら高透磁率部分１４の間
には非磁性材等の等価空隙部分１５が間挿されて
形成されている。次に、磁気スケール信号検出素
子２６は、第９図に示すように、たとえばガラス
基板やシリコン基板等の検出素子基板２７の一主
面、すなわち図中の下方表面２８に、複数の検出
素子単位５のパターンが被着形成されている。こ
の検出素子単位５のパターンは、前述した第１図
や第２図の場合と同様に、磁気抵抗の異方性効果
を有する複数の強磁性体素片２を並列的に上記磁
気スケール２６の磁気格子の固有波長λの間隔で
配列し、各素片２を電流路３で連結して構成要素
４を形成し、このような構成要素４を２個直列接
続して検出素子単位５としている。この第９図の
実施例では、２組の検出素子単位５，５を（ｎ±
１／８）λの間隔をもたせて検出素子基板２７上に配 設して、磁気スケール信号検出素子２６を構成し
ているが、現実には４組の検出素子単位を所定間
隔で配設形成することも行なわれている。この磁
気スケール信号検出素子２６の各検出素子単位５
の隣り合うものについて、素片２を互いに逆向き
に配列して第２図と同様なパターンを形成しても
よい。さらに、この検出素子基板２７の図中上面
には、バイアスマグネツト２９が接着固定され、
たとえば素片２に対してほぼ45゜の方向にバイア
ス磁場Ｈ_Bを与えている。すなわち、バイアスマ
グネツト２９は、具体的には第１９図に示すよう
に、検出素子基板２７の素子部全体に対して上記
45゜の角度のバイアス磁場Ｈ_Bを印加するような
位置関係をもつて配設され、基板２７上に接着固
定されている。このような磁気スケール信号検出
素子２６を、上記多重空隙磁気ヨーク１３の上面
１６に対接させて固定するわけであるが、このと
き、検出素子単位５の各強磁性体素片２が上記各
等価空隙部分１５の中心位置にくるように配設す
る。

以上のような構成において、磁気スケール２１
に対して多重空隙磁気ヨーク１３（およびこの磁
気ヨーク１３に固着された磁気スケール信号検出
素子２６）を矢印Ｘ方向（逆方向も含む）に移動
させれば、前述の第１の実施例と同様に、磁気ス
ケール１３の上面１６の点Ｐのような等価空隙部
分１５の中心位置における磁界の強さおよび向き
が、上記磁気格子に応じて変化する。したがつ
て、この磁界の変化を磁気スケール信号検出素子
２６が検出して、後述するような信号処理を行な
い、磁気スケール２１に対する磁気スケール信号
検出素子２６の相対移動量を検知することができ
る。

次に、本発明の第３の実施例の要部を第１０図
とともに説明する。この第３の実施例に用いられ
る多重空隙磁気ヨーク３１は、磁気ヨーク本体３
２と表面プレート３３との２層構造を有してお
り、磁気ヨーク本体３２の高透磁率部分３４と等
価空隙部分３５とは、上記第１、第２の実施例と
同様に構成されているのに対し、表面プレート３
３は、高透磁率部分３６よりも等価空隙部分３７
の巾が狭く形成されている。したがつて、この等
価空隙部分３７の表面（図中上面）における漏洩
磁界の強度が大となり、高感度の磁気スケール信
号の検出が行なえる。磁気スケール１１は上記第
１の実施例の磁気スケール１１と同様であるた
め、同じ部分に同一の参照番号を付して説明を省
略する。

このように、少なくとも多重空隙磁気ヨークの
上面の等価空隙部分の間隔を狭くして漏洩磁界を
強くするには、第１１図に示す第４の実施例のよ
うに、断面台形状の等価空隙部分３８と、上下を
逆にした断面台形状の高透磁率部分３９とを交互
に積層配置して、多重空隙磁気ヨーク４０を構成
してもよい。

次に、本発明の第５の実施例について、第１２
図を参照しながら説明する。この第１２図におい
て、多重空隙磁気ヨーク１３は上述した第１ある
いは第２の実施例と同様に、高透磁率部分１４と
等価空隙部分１５とが交互に積層配置されて構成
されている。この磁気ヨーク１３の上面１６に
は、第９図（あるいは第１図や第２図）とともに
説明したような磁気スケール信号検出素子２６が
接着固定されている。多重空隙磁気ヨーク１３の
高透磁率部分１４と等価空隙部分１５との配列方
向に沿つて、すなわち各部分１４，１５の境界面
に対して垂直な方向に、溝部４１が形成されてお
り、この溝部４１には矢印Ａ方向に移動可能に、
ほぼ溝部４１の形状に一致した外形に形成された
磁気スケール２１が配置されている。この磁気ス
ケール２１は、第２の実施例（第８図参照）に用
いられた磁気スケール２１と同様に縦磁界記録さ
れた磁気格子が形成されている。

次に、本発明の第６の実施例について第１３図
とともに説明する。この第６の実施例に用いられ
ている多重空隙磁気ヨーク３１は、第１０図の第
３の実施例と同様に、磁気ヨーク本体３２と表面
プレート３３とを積層配置して構成されており、
この表面プレート３３の上面に、磁気スケール信
号検出素子２６が接着固定されている。また、多
重空隙磁気ヨーク３３の磁気ヨーク本体３１に
は、高透磁率部分３４と等価空隙部分３５との配
列方向に沿つて貫通孔４２が形成されており、こ
の貫通孔４２内に矢印Ｘ方向に移動可能に、棒状
の磁気スケール４３が配置されている。

以上の各実施例は、すべて直線移動型の磁気ス
ケール装置に関するものであり、直線距離や寸法
等を測定する場合に好適なものであるが、この他
回転運動の回転角度や回転数等を検出する磁気ス
ケール装置にも、容易に適用し得る。

すなわち、第１４図に示す第７の実施例におい
て、上記磁気スケールに対応する磁気デイスク４
５は、軸４６を中心として回転自在な円盤状の回
転体の外周に沿つて、前述したような磁気格子
（磁気目盛）が記録形成されている。この磁気デ
イスク４５の端部を挾むような断面Ｕ字状の多重
空隙磁気ヨーク４７の一主面４８には、磁気スケ
ール信号検出素子２６が接着固定されている。

また、この回転型の磁気スケールとしては、第
１５図に示す第８の実施例のように、円筒形状の
磁気ドラム５１を用いてもよい。この磁気ドラム
５１は、軸５２を中心として回転可能であり、外
周面が上述と同様な磁気格子面５３となつてい
る。多重空隙磁気ヨーク５４は、この磁気格子面
５３の円筒面に対応する曲面５５を対接面とし、
この対接面の反対側の面（平面形状）５６に磁気
スケール信号検出素子２６を接着固定すればよ
い。

以上のような構成の各磁気スケール装置におけ
る磁気スケール信号の検出、および移動量の算出
等の信号処理は、本件出願人が既に特願昭53−
132810号に説明したとおりである。この動作原理
を１／８内挿法の場合について簡単に説明すると、た とえば第１図に示す磁気スケール信号検出素子６
のように、２個の検出素子単位５，５を（ｍ±
１／４）λの間隔で配置すれば、これらの検出素子単 位５，５のそれぞれの出力端子８_0A，８_0Bからは
相差90゜の２相出力（第１６図ａの信号出力Ａ，
Ｂ参照。）が得られる。なお説明を簡単にするた
め出力Ａ，Ｂの波形は三角波で示した。

この信号出力を第１７図に示す如く加算器６１
及び減算器６２に与えて加減算して第１６図ｂに
示すように上記信号出力とは45゜の相差を有し、
かつ互いに90゜の相差を有する加減算信号Ａ＋
Ｂ，Ａ−Ｂを作る。

これら４つの信号出力は45゜の相差を伴なつて
現われることになり、これらをシユミツト回路６
３を通すと、第１６図ｃ〜ｆの矩形波信号とな
る。更にこの矩形波信号を微分回路６４に通す
と、同図ｇ〜ｊで示すような検出方向によつて正
負に反転するパルス列が得られる。

各シユミツト回路の２つの出力端子６５には、
互いに逆位相の出力が生ずる。この各出力信号を
微分回路の次段の各アンドゲート回路６６，６７
のゲート開閉信号を利用すると、前記微分出力か
ら、＋Ｘ方向に移動する場合には第１６図ｋに示
すパルス列信号を、また−Ｘ方向に移動する場合
には同図ｌに示すパルス列信号を、各アンドゲー
ト回路の出力に得ることができる。

従つて上記パルス列信号を可逆カウンタ６８で
カウントさせることにより移動量を検知すること
ができる。

以上のように、検出出力信号Ａ，Ｂを互いに加
減算して多相信号を得て内挿を高める内挿弁別方
法に対し、検出素子単位を多相に構成して直接的
に多相信号を得て内挿を高める方法も容易に実現
できる。

この場合には、相差が45゜（（ｎ±１／８）・λ間 隔）の４つの検出素子単位を用い、これらの検出
素子単位から、次に示すような信号出力Ｖ_A，Ｖ
_B，Ｖ_C，Ｖ_Dを得る。

Ｖ_A＝Esin（ｎλ＋θ） Ｖ_B＝Esin（ｎλ＋θ−π／４） Ｖ_C＝Esin（ｎλ＋θ−π／２） Ｖ_D＝Esin（ｎλ＋θ−３π／４） この４つの信号出力の説明を簡単にするため三
角波で示すと第１８図ａのＡ〜Ｄで表わされ、こ
れらをシユミツト回路に通すと同図ｂ〜ｅで示す
矩形波信号となる。これは第１６図の矩形波信号
ｃ〜ｆに対応するもので、以後の処理は第１６図
及び第１７図で示した方法をそのまま適用でき
る。

かくして得られた出力信号は磁気スケールに対
する検出素子の移動方向を弁別し、かつ磁気格子
の一波長を８分割したデイジタル信号となつてい
る。

さらに、１／１６内挿もほぼ同様な信号処理方法によ り行なえる。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係
る磁気スケール装置によれば、多重空隙磁気ヨー
クを用いることにより、信号磁束の集束効果に伴
う磁気格子の短波長化、高密度化を促進し、高分
解能の磁気スケール装置を容易に実現できる。ま
た、磁気スケールの磁気格子形成のバリエーシヨ
ンを拡大し、磁気スケール構成の自由度が大とな
るため、製品の性能、機能、および用途等が大巾
に拡大される。さらに、磁気スケールと磁気スケ
ール信号検出素子とのクリアランスを一定に保持
しやすく、良質な信号検出を可能にし、高精度の
磁気スケール装置を具現する。また、磁気スケー
ル信号検出素子の検出素子単位パターンが、多重
空隙磁気ヨークの上面に接した状態で固定され、
従来のように磁気格子面との摺接等が回避される
ため、素子損耗を完全に防止でき、しかも設計上
の機械的移動部分の寸法、精度等に余裕が生じ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す斜視図、第２図は他の従
来例を示す斜視図、第３図ないし第７図は本発明
の第１の実施例の要部を示すものであり、第３図
は多重空隙磁気ヨークが基準位置にある状態を示
す正面図、第４図は多重空隙磁気ヨークが第３図
の位置からλ/8だけ移動した状態を示す正面図、
第５図は同様にλ/4の移動状態を示す正面図、第
６図は同３／８λの移動状態を示す正面図、第７図は 同λ/2の移動状態を示す正面図、第８図および第
９図は本発明の第２の実施例を示し、第８図は正
面図、第９図は斜視図、第１０図は本発明の第３
の実施例を示す正面図、第１１図は本発明の第４
の実施例を示す正面図、第１２図は本発明の第５
の実施例を示す斜視図、第１３図は本発明の第６
の実施例を示す斜視図、第１４図は本発明の第７
の実施例を示す斜視図、第１５図は本発明の第８
の実施例を示す斜視図、第１６図ａ〜ｌは磁気ス
ケール装置の１／８内挿法の一例を説明するためのタ イムチヤート、第１７図は１／８内挿回路を示すブロ ツク図、第１８図ａ〜ｅは１／８内挿の他の方朋を示 すタイムチヤートであり、第１９図は検出素子基
板に対するバイアスマグネツトの配設位置を概略
的に示す斜視図である。 １１，２１……磁気スケール、１２，２２……
磁気格子面、１３，３１，４７，５４……多重空
隙磁気ヨーク、１４，３４，３６……高透磁率部
分、１５，３５，３７……等価空隙部分、２６…
…磁気スケール信号検出素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固有波長λの磁気格子が等間隔に記録形成さ
   れた磁気スケールと、この磁気スケールに対して
   相対的に移動可能な磁気スケール信号検出素子
   と、これら磁気スケールと磁気スケール信号検出
   素子との間に配設され、かつ上記磁気格子の固有
   波長λに対応して、高透磁率部分がλ/2の整数倍
   の間隔で等価空隙部分を間挿しながら配列して成
   る多重空隙磁気ヨークとを備えて成ることを特徴
   とする磁気スケール装置。 ２ 上記多重空隙磁気ヨークの表面上の上孔等価
   空隙部分の中心位置に、上記磁気スケール信号検
   出素子の強磁性体素片が配設されるように上記多
   重空隙磁気ヨークと上記磁気スケール信号検出素
   子とを対接固定して成ることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の磁気スケール装置。 ３ 上記多重空隙磁気ヨークは、上記磁気スケー
   ルとの対向面に比べて上記磁気スケール信号検出
   素子との対接面側の等価空隙部分の巾が狭くなる
   ように形成されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の磁気スケール装置。 ４ 上記多重空隙磁気ヨークに溝部または貫通孔
   を設け、この溝部または貫通孔内で移動自在の磁
   気スケールを配設するようにして成る特許請求の
   範囲第１項記載の磁気スケール装置。 ５ 上記磁気スケールは、回転体の回転方向に沿
   つて磁気格子が着磁形成されて成り、上記多重空
   隙磁気ヨークはこの磁気スケールの磁気格子面に
   応じた曲面の対向面が形成されて成ることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の磁気スケール
   装置。