JP6382547B2 - 位置検出装置 - Google Patents
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Description
そして、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、例えば異方向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。
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。その1波長λの1/2が、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。
なお、各磁気検出素子3a〜3hは、ほぼ中央にP/6の段差部を有する。このP/6の段差部は、検出信号から3次歪みを除去するためのものである。
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。
もう1つの組の4個の磁気検出素子3e〜3hについても同様に接続されて信号Ch−が取り出されることで、検出信号の偶数次歪みがキャンセルされる。
さらに、これらの信号Ch+,Ch−が供給されることにより、演算増幅器4で増幅された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。
ここで、AMR素子は、低磁場で鋭く抵抗値が変化し、磁場が強い箇所で飽和する特性である。図13は、AMR素子の磁場(横軸)に対する抵抗値の変化率(縦軸)を示す図である。図13では磁場0の時の抵抗値と磁場250の時の抵抗値での変化率を100として相対化した縦軸で表示している。実際の抵抗値の変化としては凡そ3%程度の抵抗変化がこの値に相当する。
この図13に示すように、磁場が強い箇所では飽和した特性になってしまう。この飽和した箇所では、磁場に対する抵抗値の変化率を示すカーブが歪み、それに伴って検出される信号も歪んだものになってしまう。
高次の高調波歪みまで除去するためには、それぞれの次数の歪みをキャンセルする磁気検出素子を配置する必要がある。しかしながら、AMR素子などで構成される磁気検出素子は、1個のサイズが比較的大きく、高次の高調波歪みを除去するために多数配置する必要がある。このため、多くの設置スペースが必要になり、磁気検出素子を配置した検出部が大型化してしまう問題がある。
図11の例の場合には、それぞれの磁気検出素子3a〜3hがP/6ピッチずれた段差部があるのは、3次高調波をキャンセルするためである。3次高調波をキャンセルする場合には、この程度の構成で対処できるが、3次以上の高調波をキャンセルする場合には、シフト量がより細かくなり、それぞれの高調波をキャンセルするための素子が重なってしまうという問題が発生する。このため、それぞれの素子を1ピッチ以上離して配置する必要があり、結果的に磁気検出素子を配置した検出部が非常に大型化してしまうことになる。
例えば、磁気スケールのそれぞれの磁化部の磁化状態が等しければ、1ピッチ以上離れた箇所から検出した2つの信号であっても正しくキャンセルできる。しかしながら、磁気スケール上の磁化状態(媒体の磁気均一性,表面形状等)は、様々な要因で完全には等しくならないことが一般的であり、磁気スケールからの漏洩磁気が不均一となる。このため、高調波の歪みをキャンセルする効果が減少してしまうという問題があった。
したがって、高次の次数の高調波歪みをキャンセルするペアの磁気検出素子は、同一波長内で、かつ同一のトラック位置に配置するのが好ましいが、上述したAMR素子などの従来から使用されている素子では、1個の素子のサイズが大きいため、同一波長内の同一のトラック位置に配置することは困難であった。
磁気検出素子は、スケールに対する磁気信号の検出方向に沿って、位相の異なる4組の信号が出力されるパターンとされ、かつ、磁気信号の単位波長より短い範囲内で、検出方向と直交する方向に配置され、
パターンは、SIN波形が出力される第1のパターン群、COS波形が出力される第2のパターン群、−SIN波形が出力される第3のパターン群、−COS波形が出力される第4のパターン群を含み、
第1,第2,第3及び第4のパターン群は、検出方向に沿って磁気信号の単位波長の1/4ずつずれて、位相が逆相になるパターン群は検出方向と直交する方向で互いに隣に配置され、かつ、磁気信号の単位波長の範囲内で磁気検出素子が配置され、
それぞれのパターン群の磁気検出素子は、スケールに対する磁気信号の検出方向に沿って、磁気信号の信号波長λの1/2n(nは3以上の素数)のピッチとしたパターンで配置され、
m個の奇数次の高調波をキャンセルするパターンとして、検出方向でもっとも離れる前記磁気検出素子のピッチ距離Lが、
L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7+…1/(2m+1))
(mは整数)となる範囲に2のm乗個配置され、
記録信号から奇数次の高調波信号が低減される磁気検出素子の配置とした。
以下、本発明の第1の実施の形態例を、図1〜図5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に示す位置検出装置100は、工作機械に適用した例である。すなわち、位置検出装置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。
図2は、磁気スケール11に対する検出部20の配置例を示す図である。
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。
符号a,bを付けて示す各検出部20−1〜20−4の2つの検出部(例えば検出部20−1aと検出部20−1b)は、電気的に直列に接続され、その直列に接続した2つの検出部(例えば検出部20−1a,20−1b)の接続点から出力信号が取り出される。このようにして、検出部は所謂ブリッジ構成としている。
すなわち、それぞれの磁気検出素子21は、磁気スケール11の長手方向に沿って、記録信号の1波長λの1/2n(nは3以上の素数)のピッチとしたパターンで配置される。そして、m個(mは整数)の奇数次高調波をキャンセルするために、磁気スケール11の長手方向でもっとも離れる磁気検出素子21の距離Lが、
L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7+…1/(2m+1))
となる範囲に、2のm乗個の磁気検出素子21が配置される。
図2の例では、それぞれの集密配置部である検出部20−1a,b〜20−4a,bには、磁気スケール11の長手方向に4個の磁気検出素子21が配置され、その4個の磁気検出素子21が磁気スケール11の幅方向に2列に配置されている。3次と5次と7次の高調波歪をキャンセルするために必要な素子21の配置間隔の具体的な例については、第2の実施の形態例で説明し、ここでは省略する。
次に、図3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3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3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、信号の引き出しの為の配線層、保護層等各種の層構造が有るがここでは省略した。
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4A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4B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4C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4A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4Bに示す状態である。
図5は、検出部20内の4つの検出部20−1〜20−4内の磁気検出素子21の接続例を示す図である。
図5Aは、SIN信号を得る構成を示す。−SIN信号を検出する−SIN検出部20−3内の磁気検出素子21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、その直列回路の中点から、−SIN信号が取り出される。
また、SIN信号を検出するSIN検出部20−4内の磁気検出素子21についても、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、その直列回路の中点から、SIN信号が取り出される。
また、COS信号を得る信号を検出するCOS検出部20−2内の磁気検出素子21についても、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、その直列回路の中点から、COS信号が取り出される。
なお、図5Aの接続構成と図5Bの接続構成のいずれにおいても、それぞれの直列回路の中点よりも電圧V側に接続された素子で検出される信号と、中点よりも設置電位部GND側に接続された素子で検出される信号とは、信号変化が相互に逆相になるようにする。このように信号変化が相互に逆相になる接続とすることで、演算増幅器22,23に得られる信号は、偶数次歪みがキャンセルされている。
特に、図2に示すように、それぞれの検出部20−1〜20−4内に、4個×2列の配置で集密した状態に磁気検出素子21が配置されることで、それぞれの磁気検出素子21は、磁気スケール11のほぼ同じ箇所から漏洩する磁気を検出することになる。このため、例えば磁気スケール11のそれぞれの信号記録箇所の記録状態が均一でない場合でも、十分なキャンセル効果が得られるようになる。
すなわち、SIN信号とCOS信号は、信号周期λの一定周期の信号で90°位相のずれた信号である。このSIN信号とCOS信号でリサージュ曲線を作れば円となる。1周期の信号が出力されたとき、リサージュ上は円が一周回ることになる。
次に、本発明の第2の実施の形態例を、図6〜図8を参照して説明する。この図6〜図8において、第1の実施の形態例で説明した箇所と同一部分については同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
第2の実施の形態例では、検出部20が備える磁気検出素子21の配置状態が、第1の実施の形態例と異なるものであり、位置検出装置全体の構成については、例えば第1の実施の形態例で説明した構成が適用される。
図6は、磁気スケール11に対する検出部20の配置例を示す図である。また、図7は、図6の破線で囲んだA部を拡大して示す図である。
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。この例の場合、1波長λは400μm、1ピッチPは200μmである。
検出部20が備える磁気検出素子21は、TMR素子である。このTMR素子よりなる磁気検出素子21は、例えば図3で説明した構成と同じである。
具体的には、−COS検出部20−1は、10個の集密配置部20−1a〜20−1jを備える。また、COS検出部20−2は、10個の集密配置部20−2a〜20−2jを備える。また、−SIN検出部20−3は、10個の集密配置部20−3a〜20−3jを備える。さらに、SIN検出部20−4は、10個の集密配置部20−4a〜20−4jを備える。
すなわち、m個(ここではmは3)の奇数次高調波をキャンセルするために、磁気スケール11の長手方向でもっとも離れる磁気検出素子21の距離Lが、
L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7)
となる範囲に、2のm乗個(2の3乗個=8個)の磁気検出素子21が配置されることになる。
図7に示す各検出部20−1〜20−4に示す磁気検出素子21のブロック内の数字は、以下の説明で判りやすいように、それぞれの素子がキャンセルする高調波の次数の関係を示したものである「1」と記載された磁気検出素子21を、基準となる信号(1次の信号)としている。また、各集密配置部内の磁気検出素子21は、図7にラインで接続して示すように直列に接続している。但し、4個の素子の組の中の接続ラインは省略している。
3次:66.6μm
5次:40μm
7次:28.57μm
ここで、3次の66.6μmはλ/6であり、5次の40μmはλ/10であり、7次の28.57μmはλ/14である。
このようにして3次,5次,7次の高調波低減用の磁気検出素子21が、1つの集密配置部内に配置される。
なお、図7の例では、3次歪低減用の磁気検出素子21と5次歪低減用の磁気検出素子21が、同一トラック上に配置可能な例を示したが、これらの全ての素子が同一トラックに配置できない場合には、低い次数(3次)の歪低減用の素子から優先的に同一トラックに配置するのが好ましい。
図8は、図6に示すそれぞれの検出部20−1〜20−4が備える10個の集密配置部の接続例を示す図である。
−COS検出部20−1には、10個の集密配置部20−1a〜20−1jが、磁気スケール11の長手方向に1ピッチPの間隔(200μm)で配置されている。ここで、図8に示すように、1つおきに交互に各集密配置部の磁気検出素子21を直列に接続する。
すなわち、5個の集密配置部20−1a,20−1c,・・・,20−1iが直列に接続され、この直列回路に所定電圧Vが印加される。また、別の5個の集密配置部20−1b,20−1d,・・・,20−1jが直列に接続され、この直列回路が接地電位部GNDに接続される。
そして、−COS検出部20−1では、図8に示すように、所定電圧Vが印加される側の5個の集密配置部20−1a〜20−1iによる直列回路と、接地電位部GNDに接続された側の5個の集密配置部20−1b〜20−1jによる直列回路とが直列に接続される。さらに、その接続点に得られる信号が、演算増幅器22の一方の入力端に供給される。
この図8に示す構成により、180°(=1/2λ)の間隔で配置された5個ずつの集密配置部で得られた信号の加算信号が、演算増幅器22及び23に供給されることになり、ブリッジ接続によって偶数次の歪みがキャンセルされる。
また、5次の高調波歪を低減するための2個の磁気検出素子についても、磁気スケール11の長手方向にλ/10離れた位置に配置されるため、磁気スケール11の長手方向(検出方向)と直交する方向には距離が離れていない。このため、5次の高調波歪の低減についても確実に行うことができる。
図6〜図8に示す例では、7次の高調波歪まで除去する構成を説明した。これに対して、より高次の歪除去を行うようにしてもよい。
ここでは、13次の高調波までの歪除去を行う集密配置部の構成を説明する。図9は、この13次の高調波までの歪除去を行う集密配置部20−1a〜20−1j,20−2a〜20−2j,20−3a〜20−3j,20−4a〜20−4jの例を示す図である。
13次の高調波までの歪除去を行うために必要な具体的な磁気検出素子21の配置間隔を説明すると、磁気スケール11の1波長λが400μmのときに、3次から13次までの奇数次の高調波歪をキャンセルするために必要な、磁気検出素子21の間隔は、以下の通りである。
3次:66.6μm
5次:40μm
7次:28.57μm
9次:22.2μm
11次:18.18μm
13次:15.38μm
この様に3次高調波を低減する素子のペアを用いることで、9次高調波歪の大部分がキャンセルされる。このため、9次の高調波低減用素子対は、特に配置する必要がない。
つまり、上述した式L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7+…1/(2m+1))で素子の配置数を決める際に、奇数で素数でない数の次数の項は除くようにして、2のq乗個(qは3〜2m+1までの素数の数)の磁気検出素子を配置するようにする。
3次:66.6μm
5次:40μm
7次:28.57μm
11次:18.18μm
13次:15.38μm
1つの集密配置部内には、これらの間隔の位置に、2の5乗=32個の磁気検出素子21が配置される。つまり3次から13次までの3,5,7,9,11,13の中で素数は3,5,7,11,13の5個で有り、この5から2の5乗=32個となる。
1個の磁気検出素子21の大きさが1辺10μm程度であるとすると、同一トラック位置上にはすべての素子を配置することができないので、ここでは図9に示すように、磁気スケール11の長手方向に8個並べた列を、幅方向に4列に配置する。
そして、7次の高調波歪低減用素子と11次の高調波歪低減用素子が、幅方向にシフトした第2,第3,第4トラックに分けて配置される。このときにも、基準となる信号(1次)を検出する素子を配置したトラックに近いトラックから、低次の歪除去用の素子を配置する。このようにして、4列の配置で32個の磁気検出素子21が集密した状態で配置される集密配置部を使って、13次までの高調波歪の低減を行うことができる。
この13次までの高調波歪の低減を行う場合でも、複数の集密配置部の接続状態については、図6や図8に示す構成をそのまま適用することができる。
なお、上述した実施の形態例で説明した1波長や1ピッチなどの各値は、好適な一例を示したものであり、本発明は、これらの数値に限定されるものではない。例えば、1波長としては、400μmを示したが、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ることができる。
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、低減(除去)する高周波歪の次数についても、好適な例を示すものであり、より高い次数(15次以上)の高周波歪を除去するようにしてもよい。
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、その他の構成の素子を使用してもよい。
Claims (7)
- 一定周期の磁気信号が磁性媒体に磁気記録されたスケールと、
前記スケールからの漏洩磁気を検出し、前記漏洩磁気を検出した位置の記録信号を出力する磁気検出素子と、
前記記録信号に基づいて、前記スケールに対する位置を検出する位置検出部と、を備え、
前記磁気検出素子は、前記スケールに対する前記磁気信号の検出方向に沿って、位相の異なる4組の信号が出力されるパターンとされ、かつ、前記磁気信号の単位波長より短い範囲内で、前記検出方向と直交する方向に配置され、
前記パターンは、SIN波形が出力される第1のパターン群、COS波形が出力される第2のパターン群、−SIN波形が出力される第3のパターン群、−COS波形が出力される第4のパターン群を含み、
前記第1,第2,第3及び第4のパターン群は、前記検出方向に沿って前記磁気信号の単位波長の1/4ずつずれて、位相が逆相になるパターン群は前記検出方向と直交する方向で互いに隣に配置され、かつ、前記磁気信号の単位波長の範囲内で前記磁気検出素子が配置され、
それぞれの前記パターン群の前記磁気検出素子は、前記スケールに対する前記磁気信号の検出方向に沿って、前記磁気信号の信号波長λの1/2n(nは3以上の素数)のピッチとしたパターンで配置され、
m個の奇数次の高調波をキャンセルするパターンとして、検出方向でもっとも離れる前記磁気検出素子のピッチ距離Lが、
L=(λ/2)・(1/3+1/5+1/7+…1/(2m+1))
(mは整数)となる範囲に2のm乗個配置され、
前記記録信号から奇数次の高調波信号が低減される前記磁気検出素子の配置とした
位置検出装置。 - 前記ピッチ距離Lを決める条件式の右辺は、2m+1が素数でない項は除くようにし、
2のq乗個(qは3〜2m+1までの素数の数)の前記磁気検出素子が配置される、
請求項1に記載の位置検出装置。 - 3次高調波を低減する検出方向に、λ/6離れた位置に配置される2個の前記磁気検出素子は、前記検出方向に沿った同じライン上に配列され、前記検出方向と直交する方向には距離が離れていない、
請求項1又は2に記載の位置検出装置。 - 5次高調波を低減する検出方向にλ/10離れた位置の2個の前記磁気検出素子どうしは、前記検出方向に沿った同じライン上に配列され、前記検出方向と直交する方向には距離が離れていない、
請求項3に記載の位置検出装置。 - 前記第1乃至第4のパターン群は、それぞれ前記検出方向に沿って交互に配置され、電源電圧に直列接続される第1の素子群と、グランドに直列接続される第2の素子群とを含むブリッジ回路から前記記録信号を出力する、
請求項4に記載の位置検出装置。 - 前記第1及び第2の素子群は、直列接続された一又は複数の前記磁気検出素子によって構成される
請求項5に記載の位置検出装置。 - 前記第1及び第2の素子群は、前記記録信号から偶数次の高調波信号を除くための一又は複数の前記磁気検出素子を有する
請求項6に記載の位置検出装置。
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