JPWO2008139930A1 - 磁気抵抗効果素子を用いた位置検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁石とこの磁石に対向して移動する検知器を用いて、位置検知を正確にできるようにした磁気抵抗効果素子を用いた位置検知装置を提供する。【解決手段】 磁石２の円形の表面２ａがＮ極に着磁され、背面２ｂがＳ極に着磁されている。検知器１０は、磁石２の表面２ａから離れた位置でＸ−Ｙ平面内で移動する。検知器１０内にはＸ方向検知素子２０ｘとＹ方向検知素子２０ｙが設けられている。Ｘ方向検知素子２０ｘとＹ方向検知素子２０ｙは、それぞれ磁気抵抗効果素子であり、自由磁性層に与えられているバイアス磁界の方向Ｂが共に磁石２の表面２ａに対して垂直な向きである。よって、Ｘ方向検知素子２０ｘとＹ方向検知素子２０ｙでは、前記バイアス磁界が安定し、検知器１０から、Ｘ方向の位置検知出力とＹ方向の位置検知出力を正確に得ることができる。【選択図】図４

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子と磁石とを使用して、平面内での可動部の位置を知ることができる位置検知装置に関する。

以下の特許文献１ないし３には、磁石と、この磁石から発せられた磁界を検知する検知器を使用した位置検知装置が開示されている。

これら文献に記載の位置検知装置は、いずれも、検知器にホール素子などの磁界の強度を検知できる素子が設けられており、磁石の表面から発せられる磁界のうちの前記表面に直交する向きの磁界の強度を前記検知器で検知することにより、磁石と検知器との対向位置を知ろうとしている。

しかし、前記文献に記載のものは、検知器が、ホール素子などのように、磁石の表面に垂直な磁界強度のみを検知できるものであるため、検知器で位置を識別できる領域が限定される。例えば、磁石の表面がＮ極で裏側がＳ極に着磁され、前記表面に検知器が対向しているものでは、磁石の表面の中心から一方の側へ離れていくときと、前記中心から他方の側へ離れていくときとで、前記表面に垂直な磁界の強度の変化が同じである。そのため、検知器が前記中心を跨いで移動すると、検知器で磁界の強度を検知したとしても、その位置が中心を跨いで一方の領域であるのか他方の領域であるのかを識別できない。

そのため、検知器で位置を検知できる領域が極めて狭くなり、Ｘ−Ｙ座標上での検知器の位置を広い領域で正確に検知するためには、磁石を大型化することが必要である。また、検知器にホール素子を使用した場合には、検知器を構成する回路も複雑になる。

以下の特許文献４には、円形の磁石が移動するときに、この磁石から発せられる磁界を検知する磁気センサが開示されている。この磁気センサには、４個の巨大磁気抵抗効果素子が設けられ、そのうちの２個の巨大磁気抵抗効果素子で磁石から出る磁束のＸ方向の成分が検知され、他の２個の巨大磁気抵抗効果素子で磁石から出る磁束のＹ方向の成分が検知される。そして、磁束のＸ方向の成分を検知する２個の巨大磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化の差などを求め、磁束のＹ方向の成分を検知する２個の巨大抵抗磁気効果素子の抵抗値の変化の差などを求めることで、磁石の位置を認識しようとしている。

しかし、個々の巨大磁気抵抗効果素子は、正方向と負方向の互いに逆向きの磁束の識別ができない構造であるため、磁石の移動位置を正確に知ることは困難である。

また、例えばＸ方向の磁束の成分を検知する２個の巨大抵抗効果素子が、磁石の中心からＹ方向へ離れた位置へ移動すると、巨大抵抗効果素子の自由磁性層にＸ方向の磁界の成分のみならずＹ方向の磁界の成分が作用する。そのため、自由磁性層の磁化が不安定になり、磁石のＸ方向への移動位置に対応した抵抗変化を正確に知ることができなくなる。
特開２００５−３３１４０１号公報 特開２００５−６９７４４号公報 特開２００４−６９６９５号公報 特開２００６−２７６９８３号公報

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、比較的小さな磁石と検知器とを使用して、磁石の表面の中心を含む広い領域内で位置を知ることができる磁気抵抗効果素子を使用した位置検知装置を提供することを目的としている。

また、本発明は、検知器が磁石の中心から離れたときでも、検知器の移動座標に対応した抵抗値変化を正確に検知できる磁気抵抗効果素子を使用した位置検知装置を提供することを目的としている。

本発明は、固定部と、この固定部に対向して平面に沿って移動する可動部とを有し、前記固定部と前記可動部の一方に磁石が、他方に前記磁石から発せられた磁界を検知する検知器が設けられた位置検知装置において、
前記磁石は、前記検知器が対向する表面を有し、前記表面と裏側部分とが互いに異なる磁極に着磁されており、
前記検知器には、磁化方向が固定された固定磁性層と前記磁石から与えられる磁界で磁化される自由磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの相対角度に応じて電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子が設けられ、前記固定磁性層の固定磁化の方向が、前記平面に沿う方向に向けられ、前記自由磁性層に対して前記平面と直交するバイアス磁界が与えられており、
前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化によって、前記平面内での前記可動部の位置の検出が可能とされたことを特徴とするものである。

本発明の位置検知装置では、検知器に設けられた磁気抵抗効果素子の自由磁性層のバイアス磁界の方向が、可動部の移動平面と直交する向きである。よって、磁気抵抗効果素子が、磁石の中心から離れた位置に対向しているときに、磁石から発せられる磁界がバイアス磁界に与える影響を小さくできる。よって、バイアス磁界が安定して状態で、精度の良い位置検出ができる。

例えば、本発明は、前記平面の方向の磁界成分が理論上ゼロとなる磁石の中心を挟んで、一方の側への前記検知器の移動距離と、他方の側への移動距離を検知可能である。

また、前記検知器には、２つの磁気抵抗効果素子が搭載され、２つの前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層の固定磁化の方向が互いに直交し、前記バイアス磁界の向きが共に前記平面と垂直な向きである。
これにより、固定部に対する可動部の移動方向を二次元的に検知できる。

なお、前記磁石の前記表面は、基本的には平坦面であるが、前記表面は、その中心部が***するように突出する形状であってもよいし、前記表面に凹凸が規則的に形成されていてもよい。

本発明では、前記磁石の前記表面は円形であることが好ましい。前記表面が円形であると、表面の中心から放射方向に延びる各向きにおいて、中心から離れるにしたがって変化する移動平面に平行な磁界の強度の変化が均一になる。そのため、検知器が磁石の表面に対向する位置を精度よく検知しやすい。ただし、前記磁石の表面は、楕円形や、角を丸くした四角形などであってもよい。

本発明は、磁石と検知器とが移動平面に沿って相対的に動いたときに、検知器によって、磁石との対向位置を比較的広い領域で知ることができる。そのため、小型の精密機器などにおいて、高精度な位置検知を実現できる。また、検知器が、磁石の中心から離れた位置にあるときに、磁気抵抗効果素子の自由磁性層に与えられるバイアス磁界が、磁石から発せられる磁界の強度に影響を受けにくい。よって、可動部の移動位置を広い範囲で高精度に検知できる。

図１は本発明の実施の形態の位置検知装置１を示す斜視図である。
位置検知装置１は、磁石２とこの磁石２に対向する検知器１０を有している。磁石２は、表面２ａと裏側部分に位置する背面２ｂとが互いに平行となるように均一な厚さ寸法に形成されている。図１および図３などに示すＸ０軸とＹ０軸は直交座標を意味している。Ｘ０軸とＹ軸０を含む面と平行な面が移動平面であり、この移動平面は、磁石２の表面２ａと平行である。検知器１０が固定されて、磁石２が前記移動平面内においてＸ−Ｙ座標内の任意の位置へ移動する。あるいは、磁石２が固定されて、前記検知器１０が、移動平面内においてＸ−Ｙ座標内の任意の位置へ移動する。

例えば、位置検知装置１は小型精密機器の内部に実装される。小型精密機器には、固定部と、可動部とが設けられている。可動部は、Ｘ方向への駆動力を発揮する磁気駆動アクチュエータと、Ｙ方向への駆動力を発揮する磁気駆動アクチュエータとで、Ｘ−Ｙ座標内で移動させられる。固定部と可動部の一方に磁石２が他方に検知器１０が設けられる。前記各磁気駆動アクチュエータによって移動させられる可動部の位置が、位置検知装置１によって検知される。位置検知装置１から得られる位置検知出力を制御部で監視することで、可動部の移動位置を高精度に認識しながら駆動できるようになる。

この実施の形態では、磁石２が固定部に設けられ、検知器１０が可動部に搭載されているものとして説明する。ただし、前述のように、磁石２が可動部に搭載され、検知器１０が固定部に設置されてもよい。

磁石２の表面２ａと背面２ｂは円形であり、図１の斜視図と図３に示す平面図では、円の中心すなわち磁石２の中心を「Ｏ」で示している。直交座標のＸ０軸とＹ０軸の交点は、前記磁石の中心Ｏと、平面において同じ位置にある。図１に示すように、磁石２は表面２ａがＮ極に着磁され、背面２ｂがＳ極に着磁されており、磁力線は、表面２ａの全域から出て背面２ｂの全域に向かう。前記検知器１０は、前記表面２ａから所定の高さＺｈだけ離れた位置で、Ｘ０軸とＹ０軸を含む面と平行な移動平面内を移動する。ただし、検知器１０がＳ極に着磁された背面２ｂに対向し、この背面２ｂから離れた位置で移動するものであってもよい。

図１では、磁石２のＮ極の表面２ａから出て背面２ｂのＳ極に向かう磁力線のうちのＸ０軸上に位置する磁力線のみを破線で示している。図２は、横軸が、Ｘ０軸上における磁石２の中心Ｏからの距離を示し、縦軸は、Ｘ０軸上の各位置における磁界のＸ方向成分の強度Ｈｘを示している。磁石２の中心Ｏにおいては、理論上は、磁力線の向きはＸ−Ｙ平面と垂直であり、Ｘ−Ｙ平面に向かう磁界の成分の強度はゼロである。そして、前記平面内において、磁石２の中心Ｏから半径方向へ離れるにしたがって、Ｘ−Ｙ平面の垂線に対する磁力線の傾きが徐々に大きくなり、磁石２の表面２ａから発せられる磁界のＸ方向成分の強度Ｈｘは、中心Ｏから離れるにしたがって大きくなる。

実施の形態の磁石２の表面２ａは円形の平面であり、その直径が６ｍｍである。磁石２の厚さは１ｍｍである。図２では、磁石２の表面２ａからの高さＺｈが、１．５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．５ｍｍの位置での、磁界のＸ方向成分の強度Ｈｘをそれぞれ示している。Ｚｈ＝１．５ｍｍでの磁界のＸ方向成分の強度Ｈｘの変化を示しているのが曲線（ｉ）であり、Ｚｈ＝１．０ｍｍのときの強度Ｈｘの変化を示しているのが曲線（ｉｉ）であり、Ｚｈ＝０．５ｍｍのときの強度Ｈｘの変化を示しているのが曲線（ｉｉｉ）である。また、図２では、磁界のＸ（＋）方向の成分の強度Ｈｘを正の符号で示し、Ｘ（−）方向の成分の強度Ｈｘを負の符号で示している。

磁石２の表面２ａにおいて、中心Ｏを挟んでＸ方向での＋Ｈｒと−Ｈｒの範囲では、Ｘ方向に向く磁界の強度Ｈｘがほぼ一次関数で変化する。＋Ｈｒと−Ｈｒの範囲は、磁石の直径や磁界の強度などによって相違するが、直径が５ｍｍ以上または６ｍｍ以上であれば、＋Ｈｒが＋２ｍｍで、−Ｈｒが−２ｍｍの範囲であれば、磁界の強度がほぼ一次関数で変化する。これは、Ｙ０軸上における磁界のＹ方向成分の強度Ｈｙの変化においても同じである。

図３では、Ｘ０軸とＹ０軸以外の任意の軸であり且つ磁石２の中心Ｏを通過する直線である放射軸をαで示している。磁石２の表面２ａは円形であるため、この磁石２の表面２ａから発せられる磁界のうちの放射軸α上においてα方向に向く成分の強度Ｈαの変化は、Ｘ０軸上での磁界のＸ方向成分の強度Ｈｘの変化、およびＹ０軸上での磁界のＹ方向成分の強度Ｈｙの変化と同じ比率で、ほぼ一次関数で変化する。

図３では、磁石２の表面２ａにおいて、Ｘ０軸と平行で、Ｙ０軸上の位置Ｙ１を通過する線をＬで示している。Ｙ０軸上において中心Ｏから位置Ｙ１までの距離は半径ｒｙである。前記放射軸αと前記線Ｌとの交点をＹαとしたときに、中心Ｏから交点Ｙαまでの距離は半径ｒαである。

位置Ｙ１における磁界のＹ方向成分の強度をＨｙ０とし、交点Ｙαにおける磁界のα方向成分の強度をＨαとする。中心Ｏからの半径が図２に示す−Ｈｒから＋Ｈｒの範囲であれば、強度Ｈｙ０は半径ｒｙにほぼ比例し、強度Ｈαも半径ｒαにほぼ比例する。また、Ｙ０軸上において位置が変化したときの前記強度Ｈｙ０の比例定数と、放射軸α上において位置が変化したときの前記強度Ｈαの比例定数とが同じであり、比例定数は一次関数である。この一次関数の比例定数をａとすると、強度Ｈｙ０＝ａ・ｒｙであり、強度Ｈα＝ａ・ｒαである。

Ｙ０軸と放射軸αとの成す角度をθとすると、交点Ｙαでの磁界のＹ方向成分の強度Ｈｙは、Ｈｙ＝Ｈα・ｃｏｓθ＝ａ・ｒα・ｃｏｓθである。ここで、ｒα・ｃｏｓθ＝ｒｙであるから、Ｈｙ＝ａ・ｒｙ＝Ｈｙ０である。

つまり、中心Ｏからの半径が図２に示す−Ｈｒから＋Ｈｒの範囲であれば、Ｘ０軸と平行な線上のどの位置であっても、磁界のＹ方向の成分の強度Ｈｙが同じであり、Ｙ０軸と平行な線上のどの位置であっても、磁界のＸ方向の成分の強度Ｈｘが同じである。

前記検知器１０内には、図４に示すＸ方向検知素子２０ｘとＹ方向検知素子２０ｙとが搭載されている。Ｘ方向検知素子２０ｘとＹ方向検知素子２０ｙは、磁気抵抗効果素子であり、その寸法は図４に示すものよりも十分に小さく、Ｘ方向検知素子２０ｘとＹ方向検知素子２０ｙとの距離も微小である。よって、Ｘ方向検知素子２０ｘとＹ方向検知素子２０ｙとが搭載された検知器１０を、磁石２の表面２ａと平行なＸ−Ｙ平面内で移動させるときに、Ｘ−Ｙ座標上でのＸ方向検知素子２０ｘの座標位置とＹ方向検知素子２０ｙの座標位置は、ほぼ同じ位置として見ることができる。

したがって、前記検知器１０を磁石２の表面２ａと平行な面内で移動させ、Ｘ方向検知素子２０ｘで、磁界のＸ方向の成分の強度Ｈｄｘを検知し、Ｙ方向検知素子２０ｙで、磁界のＹ方向の成分の強度Ｈｄｙを検知することにより、Ｘ−Ｙ座標上での検知器１０と磁石２との対面位置を知ることができる。

また、Ｘ方向検知素子２０ｘは、磁界のＸ方向の成分の正負の方向を判別でき、Ｙ方向検知素子２０ｙは、磁界のＹ方向の成分の正負の方向を判別できる。したがって、検知器１０が磁石２の表面２ａに対向している位置が、磁石２の中心Ｏに対して（＋）Ｘ側の位置であるか、（−）Ｘ側の位置であるかを検知でき、また前記対向位置が、中心Ｏに対して（＋）Ｙ側の位置であるか、（−）Ｙ側の位置であるかを検知できる。

図５（Ａ）は、前記Ｘ方向検知素子２０ｘ、および前記Ｙ方向検知素子２０ｙとして使用される磁気抵抗効果素子２０を示している。

この磁気抵抗効果素子２０は、複数の素子部２１が互いに平行に形成され、個々の素子部２１の前後端部は、接続電極２８，２９によって２個ずつ接続されている。さらに、図示上下両端部に位置する素子部２１には引き出し電極３１，３２が接続されている。よって、各素子部２１は直列に接続され、ミアンダ型パターンが構成されている。図５（Ａ）では、素子部２１の幾何学的な中心をＯａで示している。

図６の断面図に示すように、個々の素子部２１は、基板２２の上に、反強磁性層２３、固定磁性層２４、非磁性導電層２５、および自由磁性層２６の順に積層されて成膜され、自由磁性層２６の表面が保護層２７で覆われている。

反強磁性層２３は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層２４はＣｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性導電層２５はＣｕ（銅）などである。自由磁性層２６は、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層２７はＴａ（タンタル）の層である。

素子部２１では、反強磁性層２３と固定磁性層２４との反強磁性結合により、固定磁性層２４の磁化の方向が固定されている。図５（Ｂ）に示すように、個々の素子部２１では、固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）が、素子部２１の長手方向と直交している。

図５（Ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子２０は、右側にマグネット３３が左側にマグネット３４が設けられて、各素子部２１に対し長手方向と平行な向きにバイアス磁界が与えられており、このバイアス磁界により自由磁性層２６の磁化がＢ方向に向けられて短磁区化されている。図５（Ｂ）に実線で示すように、固定磁性層２４の磁化の固定方向（Ｐ方向）と平行な向きに作用する外部磁界の強度Ｈがゼロのとき、自由磁性層２６内の磁化方向はバイアス磁界の作用方向Ｂに向けられている。つまり、自由磁性層２６の磁化方向と固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）とが直交している。

磁気抵抗効果素子２０は、固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）と、自由磁性層２６の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化する。磁気抵抗効果素子２０の素子部２１に対して、図５（Ｂ）の図示上方（固定方向Ｐと平行な（＋）方向）への外部磁界（＋）Ｈが与えられると、バイアス磁界が作用している自由磁性層２６内の磁化の向きが（＋）方向へ傾く。このとき、自由磁性層２６内の磁化の向きと固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）との相対角度が小さくなるにしたがって、電気抵抗が小さくなる。これとは逆に、図５（Ｂ）の図示下方（固定方向Ｐと平行な（−）方向）へ外部磁界（−）Ｈが与えられると、バイアス磁界が作用している自由磁性層２６内の磁化の向きが（−）方向へ傾く。この傾きが大きくなるにしたがって、自由磁性層２６内の磁化の向きと固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）との相対角度が増大し、電気抵抗が大きくなる。

図４に示すように、検知器１０内に設けられたＸ方向検知素子２０ｘは、前記磁気抵抗効果素子２０と同じ構造であり、図５（Ａ）に示す幾何学的中心Ｏａが、磁石２の表面２ａからの高さＺｈ＝０．５〜１．５ｍｍの範囲で対向している。また、Ｙ方向検知素子２０ｙも、前記磁気抵抗効果素子２０と同じであり、その幾何学的中心Ｏａが、磁石２の表面２ａからの高さＺｈ＝０．５〜１．５ｍｍの範囲で対向している。

図４に示すように、Ｘ方向検知素子２０ｘは、素子部２１の固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）が（＋）Ｘ方向へ向けられ、バイアス方向（Ｂ方向）が（＋）Ｚ方向すなわちＸ−Ｙ平面に対して垂直で上方に向けられている。また、Ｙ方向検知素子２０ｙは、素子部２１の固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）が（＋）Ｙ方向へ向けられ、バイアス方向（Ｂ方向）が（＋）Ｚ方向すなわちＸ−Ｙ平面に対して垂直で上方に向けられている。よって、Ｘ方向検知素子２０ｘとＹ方向検知素子２０ｙとでは、固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）がＸ−Ｙ平面内で互いに直交している。

図７は、検知器１０内において、Ｘ方向検知素子２０ｘの抵抗変化を検出する検知回路の一例を示している。この検知回路では、Ｘ方向検知素子２０ｘと固定抵抗素子３５とが直列に接続され、直列に接続されてＸ方向検知素子２０ｘと固定抵抗素子３５とに定電圧の直流である電源電圧Ｖｃｃが与えられている。そして、Ｘ方向検知素子２０ｘと固定抵抗素子３５との中間点３６が、Ｘ方向検知素子２０ｘの抵抗値の変化に基づく検知出力の出力部となっている。外部磁界が与えられていないときのＸ方向検知素子２０ｘの電気抵抗値と、固定抵抗素子３５の抵抗値は同じである。

検知器１０が、磁石２の中心Ｏよりも（＋）Ｘ側に移動すると、Ｘ方向検知素子２０ｘにおいて自由磁性層２６の磁化の向きが（＋）Ｘ方向へ向けて傾くために、Ｘ方向検知素子２０ｘの電気抵抗が徐々に小さくなる。よって、図７に示す中間点３６の電位は、Ｖｃｃ／２よりも高くなる。逆に、検知器１０が、磁石２の中心Ｏよりも（−）Ｘ方向へ移動すると、Ｘ方向検知素子２０ｘにおいて自由磁性層２６の磁化の向きが（−）Ｘ方向へ傾くために、Ｘ方向検知素子２０ｘの電気抵抗が大きくなる。そのため、図７に示す中間点３６の電位は、Ｖｃｃ／２よりも低くなる。このように、中間点３６の電位を検知することにより、検知器１０が、磁石２の中心Ｏよりも（＋）Ｘ側へどの距離だけ移動したか、（−）Ｘ側へどの距離だけ移動したかを検知できる。

検知器１０では、Ｙ方向検知素子２０ｙも、図７に示すのと同様に、固定抵抗素子３５が直列に接続されて、外部磁界が作用していないときに、中間点３６の電位がＶｃｃ／２に設定されている。そして、検知器１０が磁石２の中心Ｏを超えて（＋）Ｙ方向へ移動するにしたがって、中間点３６の電位がＶｃｃ／２よりも高くなり、検知器１０が磁石２の中心Ｏを超えて（−）Ｙ方向へ移動するにしたがって、中間点３６の電位がＶｃｃ／２よりも低くなる。よって、Ｙ方向検知素子２０ｙと固定抵抗素子３５との中間点３６の電位を検出することで、検知器１０が、磁石２の中心Ｏよりも（＋）Ｙ側へどの距離だけ移動したか、（−）Ｙ側へどの距離だけ移動したかを検知できる。

図８ないし図１０は、本実施の形態の位置検知装置１と、比較例の位置検知装置１ｓとの効果の違いを示している。

図８は、本実施の形態の位置検知装置１の検知器１０に設けられたＸ方向検知素子２０ｘと磁石２との位置関係を示しており、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。前述のように、Ｘ方向検知素子２０ｘは、固定磁性層２４の固定磁化の向き（Ｐ方向）が（＋）Ｘ方向であり、自由磁性層２６に与えられているバイアス磁界の向き（Ｂ方向）が（＋）Ｚ方向である。

図９は、比較例の位置検知装置１ｓを示している。この位置検知装置１ｓでは、前記実施の形態のＸ方向検知素子２０ｘと同じ構造の磁気抵抗効果素子２０がＸ方向検知素子２０ｓとして使用されている。ただし、比較例のＸ方向検知素子２０ｓでは、固定磁性層２４の固定磁化の向き（Ｐ方向）が、実施の形態と同様の（＋）Ｘ方向であるが、自由磁性層２６に与えられているバイアス磁界の向き（Ｂ方向）が、（＋）Ｙ方向である。

図９に示す位置検知装置１ｓにおいても、Ｘ方向検知素子２０ｓが磁石２の中心Ｏを超えて（＋）Ｘ方向へ移動すると、自由磁性層２６の磁化の向きが（＋）Ｘ方向へ倒れてＸ方向検知素子２０ｓの電気抵抗が下がる。またＸ方向検知素子２０ｓが、磁石２の中心Ｏを超えて（−）Ｘ方向へ移動すると、Ｘ方向検知素子２０ｓの磁気抵抗が大きくなる。よって、比較例のＸ方向検知素子２０ｓに対して、図７に示すように固定抵抗素子３５を直列に接続して電源電圧Ｖｃｃを与える回路を構成し、中間点３６の電位を検知することで、Ｘ方向検知素子２０ｓと磁石２との対向位置のＸ座標上の位置を知ることができる。

しかし、図９に示す位置検知装置１ｓでは、Ｘ方向検知素子２０ｓが、磁石２の中心Ｏよりも（＋）Ｙ方向へ移動すると、自由磁性層２６に与えられているＢ方向のバイアス磁界が、磁石２上での磁界の（＋）Ｙ方向の成分により増強される。逆に、Ｘ方向検知素子２０ｓが、磁石２の中心Ｏよりも（−）Ｙ方向へ移動すると、自由磁性層２６に与えられているＢ方向のバイアス磁界が、磁石２上での磁界の（−）Ｙ方向の成分により低下させられる。

そのため、Ｘ方向検知素子２０ｓが磁石２の中心Ｏよりも（＋）Ｙ側に有るとときと、中心Ｏよりも（−）Ｙ側に有るときとで、Ｘ方向検知素子２０ｓのＸ方向での移動位置の検知出力が変動することになる。

一方、実施の形態の位置検知装置１では、図８に示すように、Ｘ方向検知素子２０ｘの自由磁性層２６に与えられているバイアス磁界の向き（Ｂ方向）が、磁石２の表面２ａに対して垂直な向き（（＋）Ｚ方向）である。したがって、Ｘ方向検知素子２０ｘが、磁石２の中心Ｏよりも（＋）Ｙ側へ移動したときと、中心Ｏよりも（−）Ｙ側へ移動したときとで、自由磁性層２６に与えられるバイアス磁界が、磁石２の表面２ａからの磁界で常に（＋）Ｚ方向へ増強されることになる。すなわち、比較例のように、磁石２の中心Ｏよりも（＋）Ｙ側にあるか、（−）Ｙ側にあるかによって、バイアス磁界に対して磁石からの磁界が逆向きに作用するようなことはない。

よって、Ｘ方向検知素子２０ｘが、中心Ｏよりも（＋）Ｙ側にあるときと、（−）Ｙ側にあるときとで、磁界のＸ方向成分の強度の測定に大きな誤差が発生しなくなる。

図１０は、図８に示す実施の形態のＸ方向検知素子２０ｘと、図９に示す比較例のＸ方向検知素子２０ｓのそれぞれが、その中心Ｏａが、磁石２の表面２ａからＺｈ＝１．５ｍｍだけ離れた位置で、Ｘ方向へ直線的に移動したときの軌跡を示している。それぞれのＸ方向検知素子を、磁石２の中心Ｏを通る位置でＸ方向へ直線的に移動させる軌跡が、図１０で「０ｍｍ」と表示されている。中心Ｏから（＋）Ｙ側へ１ｍｍ離れた位置でＸ方向へ直線的に移動させる軌跡が、図１０で「＋１ｍｍ」と表示され、中心Ｏから（＋）Ｙ側へ２ｍｍ離れた位置でＸ方向へ直線的に移動させる軌跡が、「＋２ｍｍ」と表示されている。また、中心Ｏから（−）Ｙ側へ１ｍｍ離れた位置でＸ方向へ直線的に移動させる軌跡が、図１０で「−１ｍｍ」と表示され、中心Ｏから（−）Ｙ側へ２ｍｍ離れた位置でＸ方向へ直線的に移動させる軌跡が、「−２ｍｍ」と表示されている。

図１１（Ａ）は、実施の形態のＸ方向検知素子２０ｘを使用した検知器の出力を示しており、図１１（Ｂ）は、比較例のＸ方向検知素子２０ｓを使用した検知器の出力を示している。それぞれ、横軸は、磁石２の中心Ｏを通るＹ０軸を起点としたＸ方向への移動距離を示している。Ｘ方向への移動距離は、−２ｍｍから＋２ｍｍの範囲である。縦軸は、検知出力であり、図７に示す中間点３６の電位の変化に相当している。

比較例のＸ方向検知素子２０ｓを使用した検知器では、図１１（Ｂ）に示すように、移動軌跡が磁石２の中心ＯからＹ方向へ離れるにしたがって、Ｘ方向への移動位置の検出値の変化率（比例定数）が相違しており、中心Ｏよりも（＋）Ｙ側と（−）Ｙ側とで、自由磁性層２６に与えられているバイアス磁界が、磁石２の表面２ａの磁界の（＋）Ｙ方向成分と（−）Ｙ方向成分とから大きな影響を受けていることが解る。これに対し、実施の形態のＸ方向検知素子２０ｘを使用した検知器では、図１１（Ａ）に示すように、各軌跡のどの位置でＸ方向へ移動させても、Ｘ方向の移動位置をほぼ同じ変化率で検知できることが解る。

図１２は、実施の形態のＸ方向検知素子２０ｘと、比較例のＸ方向検知素子２０ｓのそれぞれを、その中心Ｏａが、磁石２の表面２ａからＺｈ＝１．５ｍｍだけ離れた位置で、Ｙ方向へ直線的に移動させる軌跡を示している。図１２では、磁石２の中心Ｏを通る位置でＹ方向へ直線的に移動させた軌跡を「０ｍｍ」と表示している。中心Ｏから（＋）Ｘ側へ１ｍｍ離れた位置でＹ方向へ直線的に移動させた軌跡を「＋１ｍｍ」と表示し、中心Ｏから（＋）Ｘ側へ２ｍｍ離れた位置でＹ方向へ直線的に移動させた軌跡を「＋２ｍｍ」と表示している。また、中心Ｏから（−）Ｘ側へ１ｍｍ離れた位置でＹ方向へ直線的に移動させた軌跡を「−１ｍｍ」と表示し、中心Ｏから（−）Ｘ側へ２ｍｍ離れた位置でＹ方向へ直線的に移動させた軌跡を「−２ｍｍ」と表示している。

図１３（Ａ）は、実施の形態のＸ方向検知素子２０ｘを使用した検知器を図１２に示す軌跡に沿ってＹ方向へ移動させたときの検知出力を示しており、図１３（Ｂ）は、比較例のＸ方向検知素子２０ｓを使用した検知器を図１２に示す軌跡に沿ってＹ方向へ移動させたときの検知出力を示している。それぞれ、横軸は、磁石２の中心Ｏを通るＸ０軸からのＹ方向への移動距離を示している。Ｙ方向への移動距離は、−２ｍｍから＋２ｍｍの範囲である。縦軸は、検知出力であり、図７に示す中間点３６の電位の変化に相当している。

図１２に示すどの軌跡に沿って検知器をＹ方向へ移動しても、本来は、Ｘ方向の検知出力が変化しないはずである。しかし、図１３（Ｂ）に示すように、比較例のＸ方向検知素子２０ｓを使用した検知器では、Ｙ方向へ移動させたときに、その移動軌跡によって、Ｘ方向の位置の検出値が変動する。それぞれの軌跡に沿って移動したときのＸ位置の検出値は、（＋）Ｙ方向へ向かうにしたがって、ゼロに集束していく。これは、自由磁性層２６に与えられているバイアス磁界が磁石２の表面２ａの磁界のＹ方向成分から大きな影響を受けていることを意味している。

これに対し、図１３（Ａ）に示すように、実施の形態のＸ方向検知素子２０ｘを使用した検知器では、図１２に示す各軌跡のどの位置でＹ方向へ移動させても、Ｘ方向の移動位置の検出値がほぼ均一であることが解る。

次に、図１４のαは、本発明の実施の形態のＸ方向検知素子２０ｘおよびＹ方向検知素子２０ｙを搭載した検知器１０を使用し、それぞれの検知素子の中心Ｏａを、磁石２の表面２ａからＺｈ＝１．５ｍｍだけ離した状態で、中心Ｏからの半径が１．５ｍｍの真円の軌跡を描くように移動させたときの、検知器１０からのＸ−Ｙ座標上での移動位置の検知出力を示している。図１４のαでは、その検知出力が、ほぼ真円の位置変化に近似している。

これに対し、比較例の検知器は、図９に示すＸ方向検知素子２０ｓを搭載しており、さらにこのＸ方向検知素子２０ｓの固定磁化の方向（Ｐ方向）をＹ方向へ向け、バイアス磁界の方向（Ｂ方向）を（−）Ｘ方向へ向けたＹ方向検知素子を搭載している。この比較例の検知器を、実施の形態の検知器と同様に半径が１．５ｍｍの真円の軌跡で移動させたときのＸ−Ｙ座標上での検出位置を、図１４においてβで示している。この比較例では、バイアス磁界が磁石２の磁界の影響を大きく受けるため、真円軌跡の出力を得ることができない。

なお、本発明では、Ｘ方向検知素子２０ｘの自由磁性層２６に与えられるバイアス磁界の向きと、Ｙ方向検知素子２０ｙの自由磁性層２６に与えられるバイス磁界の向きとが、一方が（＋）Ｚ方向で他方が−（Ｚ）方向のように、互いに逆向きであってもよい。

また、検知器にＸ方向検知素子２０ｘのみが搭載され、Ｘ方向への移動位置のみを検知するもの、またはＹ方向への移動位置のみを検知するものであってもよい。この場合に、磁石は、Ｘ方向またはＹ方向に細長の長方形であってもよい。この構成では、Ｘ方向への移動位置やＹ方向への移動位置を検知するリニアセンサとして機能できる。

本発明の実施の形態の位置検知装置を示す斜視図、 磁石の表面と平行に延びるＸ０軸上の磁界の強度Ｈｘの変化を示す線図、 磁石の平面図、 本発明の実施の形態の検知器に搭載されているＸ方向検知素子およびＹ方向検知素子と、磁石との位置関係を示す斜視図、 （Ａ）は磁気抵抗効果素子の構造を示す平面図、（Ｂ）は磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向と、バイアス磁界の方向を示す説明図、 磁気抵抗効果素子の素子部の断面図、 検知器の回路構成の一例を示す回路図、 本発明の実施の形態のＸ方向検知素子と磁石との関係を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、 比較例のＸ方向検知素子と磁石との関係を示す平面図、 実施の形態のＸ方向検知素子と比較例のＸ方向検知素子のそれぞれを、Ｘ方向へ直線的に移動させる５通りの軌跡を示す説明図、 （Ａ）は、実施の形態のＸ方向検知素子を図１０に示す軌跡に沿って移動させたときの検知出力線図、（Ｂ）は、比較例のＸ方向検知素子を図１０に示す軌跡に沿って移動させたときの検知出力線図、 実施の形態のＸ方向検知素子と比較例のＸ方向検知素子のそれぞれを、Ｙ方向へ直線的に移動させる５通りの軌跡を示す説明図、 （Ａ）は、実施の形態のＸ方向検知素子を図１２に示す軌跡に沿って移動させたときの検知出力線図、（Ｂ）は、比較例のＸ方向検知素子を図１２に示す軌跡に沿って移動させたときの検知出力線図、 実施の形態の検知器と比較例の検知器を、磁石の表面において真円の軌跡の沿って移動させたときのＸ−Ｙ座標上での検知位置を示す線図、

符号の説明

１ 位置検知装置
２ 磁石
２ａ 表面
１０ 検知器
２０ 磁気抵抗効果素子
２０ｘ Ｘ方向検知素子
２０ｙ Ｙ方向検知素子
２１ 素子部
２２ 基板
２３ 反強磁性層
２４ 固定磁性層
２５ 非磁性導電層
２６ 自由磁性層
Ｂ バイアス磁界の方向
Ｐ 固定磁性層の固定磁化の方向

Claims (4)

1. 固定部と、この固定部に対向して平面に沿って移動する可動部とを有し、前記固定部と前記可動部の一方に磁石が、他方に前記磁石から発せられた磁界を検知する検知器が設けられた位置検知装置において、
   前記磁石は、前記検知器が対向する表面を有し、前記表面と裏側部分とが互いに異なる磁極に着磁されており、
   前記検知器には、磁化方向が固定された固定磁性層と前記磁石から与えられる磁界で磁化される自由磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの相対角度に応じて電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子が設けられ、前記固定磁性層の固定磁化の方向が、前記平面に沿う方向に向けられ、前記自由磁性層に対して前記平面と直交するバイアス磁界が与えられており、
   前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化によって、前記平面内での前記可動部の位置の検出が可能とされたことを特徴とする位置検知装置。
2. 前記平面の方向の磁界成分が理論上ゼロとなる磁石の中心を挟んで、一方の側への前記検知器の移動距離と、他方の側への移動距離を検知可能である請求項１記載の位置検知装置。
3. 前記検知器には、２つの磁気抵抗効果素子が搭載され、２つの前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層の固定磁化の方向が互いに直交し、前記バイアス磁界の向きが共に前記平面と垂直である請求項１記載の位置検知装置。
4. 前記磁石の前記表面は円形である請求項１記載の位置検知装置。

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