(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極とＳ極の磁極が交互に配置された回転移動または直線移動が可能な磁気スケールと、磁界強度に応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子を有し前記磁気スケールに空隙を介して対向配置された磁界感受部とを備え、前記磁気抵抗素子の抵抗変化から前記磁気スケールの位置変化を検出する磁気式位置検出装置であって、
前記磁気抵抗素子は、基板上に設けられ、基板面と平行な面の形状が多角形であり、
前記磁気スケールの１つの前記磁極の移動方向の長さをＴとする時、前記磁界感受部は、１つの前記磁極に対応する前記磁気抵抗素子として、電気的に独立したｎ個（ｎ≧２）の前記磁気抵抗素子を含む素子列をｍ列（ｍ≧２）有し、１つの前記素子列に含まれるｎ個の前記磁気抵抗素子は、等しいピッチλ（λ＝Ｔ／ｎ）で配置され、２列目以降の前記素子列に含まれる前記磁気抵抗素子の各々は、１つ前の前記素子列に含まれる前記磁気抵抗素子の各々に対し、対向する前記磁極の移動方向に任意の距離ずらして配置されると共に、前記磁極の移動方向と直交する方向には間隔を設けずに配置されることを特徴とする磁気式位置検出装置。
【請求項２】
２列目以降の前記素子列に含まれる前記磁気抵抗素子の各々は、１つ前の前記素子列に含まれる前記磁気抵抗素子の各々に対し、対向する前記磁極の移動方向にλ／ｍずらして配置されることを特徴とする請求項１記載の磁気式位置検出装置。
【請求項３】
前記磁気抵抗素子は、前記基板面と平行な面の形状が八角形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気式位置検出装置。
【請求項４】
前記磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁気式位置検出装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサを用いた磁気式位置検出装置に関し、特に小型化及び高精度化に適した磁気センサの配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気式位置検出装置は、電気抵抗が磁界強度により変化する磁気センサを有する磁界感受部と、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された磁気スケールを備えており、磁気スケールと磁気センサの間に相対移動が生じると磁気センサに加わる磁界が変化することを利用して、磁気スケールの位置変化を検出する。
【０００３】
このような磁気式位置検出装置において、位置検出精度を向上させる手法としては、磁気スケールの着磁ピッチの狭ピッチ化、磁界感受部に複数の磁気センサを配置し磁気センサの配置密度を高める、着磁ピッチは一定のまま磁極数を増加する、等が挙げられる。
【０００４】
例えば特許文献１では、磁気スケールと空隙を介して配置される磁気センサとして、等ピッチで配列された４本の磁気抵抗素子からなる２つの感受部を配置し、論理回路における信号処理にて位置精度を向上する提案がなされている。
【０００５】
また、特許文献２では、磁気スケールに高分解能パルス発生用の多極ストラッグ着磁部と、位置検出パルス発生用のインデックス着磁部を２トラックに施した磁気式エンコーダにおいて、多極ストラッグ着磁部に対しインデックス着磁部を１対のＮ極とＳ極の着磁巾λの１／８シフトさせ、位置検出精度を向上する提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６４−４４８１６号公報
【特許文献２】特開平５−８４４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、着磁ピッチの狭ピッチ化に関しては、現在の着磁技術では、実用域にて１００μｍピッチが限界であると言われている。また、磁界感受部における磁気センサの配置密度を高める手法に関しては、磁気センサの微細加工技術の進歩に左右される。特許文献１の場合、複数個の磁気センサを直線的に配置可能な領域は磁極長で決まってしまい、検出精度のさらなる向上のためには高度な微細加工技術が必要である。
【０００８】
また、着磁ピッチを一定としつつ磁極数を増加する手法に関しては、磁気スケールの径の大型化が必要であり、装置が大型化するという問題がある。特許文献２においても、検出精度のさらなる向上のためには、磁気スケールの径を大きくして磁極数を増加する必要がある。このように、従来の手法では、磁気式位置検出装置の位置検出精度を向上させるために、磁気スケールの径の大型化や微細加工技術の向上が必要であり、位置検出精度の向上と装置の小型化を両立させることが困難であった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、位置検出精度の向上と装置の小型化を図ることが可能な磁気式位置検出装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る磁気式位置検出装置は、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に配置された回転移動または直線移動が可能な磁気スケールと、磁界強度に応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子を有し磁気スケールに空隙を介して対向配置された磁界感受部とを備え、磁気抵抗素子の抵抗変化から磁気スケールの位置変化を検出する磁気式位置検出装置であって、磁気抵抗素子は、基板上に設けられ、基板面と平行な面の形状が多角形であり、磁気スケールの１つの磁極の移動方向の長さをＴとする時、磁界感受部は、１つの磁極に対応する磁気抵抗素子として、電気的に独立したｎ個（ｎ≧２）の磁気抵抗素子を含む素子列をｍ列（ｍ≧２）有し、１つの素子列に含まれるｎ個の磁気抵抗素子は、等しいピッチλ（λ＝Ｔ／ｎ）で配置され、２列目以降の素子列に含まれる磁気抵抗素子の各々は、１つ前の素子列に含まれる磁気抵抗素子の各々に対し、対向する磁極の移動方向に任意の距離ずらして配置されると共に、前記磁極の移動方向と直交する方向には間隔を設けずに配置されるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る磁気式位置検出装置によれば、限られた配置面積における磁気抵抗素子の配置密度を高めることが可能であり、磁界感受部の容量で決まる磁気抵抗素子の配置面積が従来と同程度の場合には、従来よりも多くの磁気抵抗素子を配置することができ、位置検出精度の向上が図られる。また、従来と同等の位置分解能を得ようとする場合には、従来よりも磁界感受部の容量を小さくすることができ、装置の小型化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る磁気式位置検出装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る磁気式位置検出装置を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る磁気式位置検出装置における磁気センサの配置図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る磁気式位置検出装置における磁気センサの信号出力波形を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る磁気式位置検出装置における磁気センサの配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る磁気式位置検出装置について、図面に基づいて説明する。図１及び図２は、本実施の形態１に係る磁気式位置検出装置を示す斜視図及び平面図、図３は本実施の形態１に係る磁気式位置検出装置における磁気センサの配置図である。なお、各図において、同一または相当部分には、同一符号を付している。
【００１４】
本実施の形態１に係る磁気式位置検出装置１００は、回転体である磁気スケール１と磁界感受部２を備え、磁界感受部２に配置された磁気抵抗素子の抵抗変化から磁気スケール１の位置変化を検出する。磁気スケール１は、その移動方向（図２及び図３中、矢印Ａで示す）に、Ｎ極に着磁された磁極１１とＳ極に着磁された磁極１２が交互に配置されている。磁極１１と磁極１２の移動方向の長さ（以下、磁極長という）は同一であり、本実施の形態１ではＴとする。
【００１５】
磁気スケール１は、磁気スケール軸４及びロータ軸５を介して磁気スケール駆動部３に接続され、磁界感受部２に空隙を介して対向配置された状態で回転移動可能に設けられている。磁気スケール駆動部３は例えば電動機である。
【００１６】
磁界感受部２は、磁界強度に応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子として、磁気センサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、・・２１ｊ（総称して磁気センサ２１と記す）を有している。磁気式位置検出装置１００に用いられる磁気センサ２１は、例えばホール素子、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｅｆｆｅｃｔ）を利用したＧＭＲ素子、またはトンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｅｆｆｅｃｔ）を利用したＴＭＲ素子等である。
【００１７】
トンネル磁気抵抗効果とは、２つの磁性金属層の間に絶縁体層を挟み込んだ構造において、膜面に対して垂直に電圧をかけると絶縁体層にトンネル電流が流れ、抵抗値が変化する現象である。これを利用したＴＭＲ素子は、磁気スケール１からの磁界強度が微弱な場合でも、磁気センサから大きな出力信号を得ることが可能である。
【００１８】
これらの磁気センサ２１は、シリコン基板等の支持基板上に、絶縁膜を介してスパッタリング法等の手法で磁性体を成膜し、所定のパターンにエッチング加工することにより形成される。ホール素子の場合はＮｉＦｅ膜またはＦｅＣｏ膜等、ＧＭＲ素子の場合は非磁性層（Ｃｕ層）を二つの磁性層で挟んだスピンバルブ膜、ＴＭＲ素子の場合は、ＭｇＯトンネル酸化膜等が用いられる。
【００１９】
磁気式位置検出装置１００による位置検出方法について簡単に説明する。磁気スケール１は、磁気スケール駆動部３のロータ軸５の回転により回転され、磁気センサ２１に対して相対的に移動する。磁気センサ２１は、磁気スケール１により磁界印加されており、磁気スケール１との間に相対移動が生じた時の磁界成分（磁界の強さ、方向）の変化を検知して信号を出力する。
【００２０】
磁気センサ２１から出力された信号は、信号処理回路（図示省略）において所定の波形に変換される。この信号出力波形に基づいて磁気スケール１と磁気センサ２１の相対位置が検出され、さらにロータ軸５の位置や軸回転速度等が求められる。
【００２１】
次に、磁界感受部２における磁気センサ２１の配置について、図３を用いて説明する。磁界感受部２は、磁気スケール１の１つの磁極１１に対応する磁気センサ２１として、対向する磁極１１の移動方向（矢印Ａ）にピッチλで配置されたｎ個（ｎ≧２）の磁気センサ２１を含む素子列を、ｍ列（ｍ≧２）有している。
【００２２】
図３に示す例では、ｎ＝５、ｍ＝２であり、Ｎ極の磁極１１に対応する磁気センサ２１として、１０個の磁気センサ２１ａ〜２１ｊを有している。１列目の磁気センサ２１ａ〜２１ｅと、２列目の磁気センサ２１ｆ〜２１ｊは、それぞれピッチλで配置され、二次元アレイ状となっている。なお、図示していないが、Ｎ極の磁極１１に対応する１０個の磁気センサ２１の隣には、Ｓ極の磁極１２に対応する１０個の磁気センサが配置されている。
【００２３】
磁気スケール１の磁極１１、１２それぞれの磁極長をＴとする時、ピッチλは１つの素子列に含まれる磁気センサ２１の個数ｎで決定され、λ＝Ｔ／ｎである。すなわち、図３に示す例では、λ＝Ｔ／５である。また、２列目の素子列に含まれる磁気センサ２１の各々は、１列目の素子列に含まれる磁気センサ２１の各々に対し、移動方向に任意の距離ずらして配置される。
【００２４】
図３に示す例では、２列目の磁気センサ２１ｆ〜２１ｊの各々は、１列目の磁気センサ２１ａ〜２１ｅの各々に対し、移動方向にλ／２ずらして配置されている。すなわち、２列目の素子列の先頭である磁気センサ２１ｆは、１列目の素子列の先頭である磁気センサ２１ａのパターンエッジから移動方向にλ／２ずらして配置されている。
【００２５】
また、１列目の磁気センサ２１ａ〜２１ｅと２列目の磁気センサ２１ｆ〜２１ｊの間には、移動方向と直交する方向に間隔ａが設けられている。図３に示す磁気センサ２１は、基板面と平行な面の形状（以下、平面形状という）が一辺の長さｄの正方形である。この例のように、磁気センサ２１の平面形状が四角形の場合、素子列が互いに接触しないように、移動方向と直交する方向に間隔を設ける必要がある。
【００２６】
なお、本実施の形態１では、５個の磁気センサ２１を含む素子列を２列配置したが、要求される位置分解能と磁界感受部２の容量で決まる配置面積に応じて、個数と列数を変更することができる。その場合も、２列目以降の素子列に含まれる磁気センサ２１の各々は、１つ前の列の素子列に含まれる磁気センサ２１の各々に対し、対向する磁極１１の移動方向に任意の距離ずらして配置される。この距離は限定されるものではないが、例えばλ／ｍを採用することができる。３列のアレイ状とする場合は、移動方向にλ／３ずらして配置すれば良い。
【００２７】
本実施の形態１に係る磁気式位置検出装置１００における磁気センサ２１の信号出力波形の一例を図４に示す。各々の磁気センサ２１の出力信号は、磁気スケール１の回転移動に伴って変化し、図４に示すような１０種類の波形が得られる。図４において、縦軸は各磁気センサ２１の出力信号レベル、横軸は相対的な時間であり、（Ａ）は磁気センサ２１ａの信号出力波形、同様に（Ｂ）、（Ｃ）、・・（Ｊ）は磁気センサ２１ｂ、２１ｃ、・・２１ｊの信号出力波形を示している。
【００２８】
１列目の素子列に含まれる磁気センサ２１ａ〜２１ｅの出力信号は、各々、ピッチλの位相差で出力される。また、２列目の素子列に含まれる磁気センサ２１ｆ〜２１ｊの出力信号は、磁気センサ２１ａ〜２１ｅの出力波形に対し、各々、λ／２の位相差で出力される。これらの正弦波状の信号パルス波は、信号処理回路において例えばＨｉ／Ｌｏの２値化データとして処理され、磁気スケール１の絶対位置座標として出力される。従って、正弦波が位置精度を決める分解能となっている。
【００２９】
なお、本実施の形態１では、磁気スケール１が回転体の場合について説明したが、相対移動の機構は直線移動であっても良い。直線移動の場合には、磁気スケール１は直線移動体とり、磁界感受部２の磁気センサ２１の配置は、図３と同様に設定すれば良い。
【００３０】
本実施の形態１によれば、１つの磁極１１（または磁極１２）に対応する磁気センサ２１として、磁気スケール１の移動方向に平行な直線上に等ピッチλで配置されたｎ個（ｎ≧２）の磁気センサ２１を含む素子列をｍ列（ｍ≧２）有し、２列目以降の素子列に含まれる磁気センサ２１の各々を、１つ前の素子列に含まれる磁気センサ２１の各々に対し、磁気スケール１の移動方向に任意の距離ずらして配置することにより、限られた配置面積における磁気センサ２１の配置密度を高めることが可能である。
【００３１】
これにより、磁界感受部２の容量で決まる磁気センサ２１の配置面積が従来と同程度の場合には、従来よりも多くの磁気センサ２１を配置することができ、位置検出精度の向上が図られる。また、従来と同等の位置分解能を得ようとする場合には、従来よりも磁界感受部２の容量を格段に小さくすることができ、磁気式位置検出装置１００の小型化が図られる。
【００３２】
また、磁気センサ２１としてＴＭＲ素子を用いることにより、磁気スケール１からの磁界強度が微弱な場合であっても、磁気センサ２１から大きな信号出力を得ることが可能となり、磁気スケール１と磁気センサ２１の間隔を小さくすることができるため、磁気式位置検出装置１００のさらなる小型化が可能となる。
【００３３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る磁気式位置検出装置１００の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるため、図１及び図２を流用し、各構成要素の説明を省略する。本実施の形態２では、磁気センサの平面形状を多角形とした例について説明する。
【００３４】
本実施の形態２に係る磁気式位置検出装置１００の磁界感受部２における磁気センサの配置方法について、図５を用いて説明する。磁界感受部２は、磁界強度に応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子として、磁気センサ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、・・２２ｊ（総称して磁気センサ２２と記す）を有している。磁気センサ２２は、例えばホール素子、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等である。
【００３５】
磁界感受部２は、磁気スケール１の１つの磁極１１に対応する磁気センサ２２として、対向する磁極１１の移動方向（矢印Ａ）にピッチλで配置されたｎ個（ｎ≧２）の磁気センサ２１を含む素子列を、ｍ列（ｍ≧２）有している。図５に示す例では、ｎ＝５、ｍ＝２である。なお、図示していないが、Ｎ極の磁極１１に対応する１０個の磁気センサ２２の隣には、Ｓ極の磁極１２に対応する１０個の磁気センサが配置されている。
【００３６】
磁気スケール１の磁極１１、１２それぞれの磁極長をＴとする時、ピッチλは、１つの素子列に含まれる磁気センサ２２の個数ｎで決定され、λ＝Ｔ／ｎである。すなわち、図５に示す例では、λ＝Ｔ／５である。また、２列目以降の素子列に含まれる磁気センサ２２の各々は、１つ前の列の素子列に含まれる磁気センサ２２の各々に対し、対向する磁極１１の移動方向に任意の距離、例えばλ／ｍずらして配置される。ここまでは、上記実施の形態１と同様である。
【００３７】
本実施の形態２では、磁気センサ２２の平面形状を八角形としている。これにより、各磁気センサ２２と信号読出し部を接続するメタル配線を設けるスペースを、基板上に容易に確保することができる。なお、配線材料は特に限定されるものではなく、電気抵抗が小さい材料であれば用いることができる。
【００３８】
また、上記実施の形態１では、磁気センサ２１の平面形状が四角形であるため、素子列が互いに接触しないように、移動方向と直交する方向に間隔ａを設ける必要があったが（図３参照）、磁気センサ２２の平面形状を多角形とすることで、このような間隔を設ける必要がなくなる場合がある。
【００３９】
図５に示す例では、１列目の磁気センサ２２ａ〜２２ｅの八角形の下辺と、２列目の磁気センサ２２ｆ〜２２ｊの八角形の上辺が、ほぼ並んで配置されている。なお、１列目の素子列と２列目の素子列が互いに接触しなければ、２列目の磁気センサ２２ｆ〜２２ｊの上辺をさらに上側へ配置しても良い。これにより、磁気センサ２２の配置密度がさらに高くなる。
【００４０】
なお、磁気センサ２２の平面形状は、八角形に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。上記実施の形態１で説明したように、磁気センサ２２は、基板上にパターン形成されるものであるため、フォトマスクの変更により様々な平面形状を容易に実現することができる。
【００４１】
本実施の形態２における各磁気センサ２２の信号出力波形は、上記実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。本実施の形態２においても、図４に示す１０種類の波形が得られる。図４において、（Ａ）は磁気センサ２２ａの信号出力波形、同様に（Ｂ）、（Ｃ）、・・（Ｊ）は磁気センサ２２ｂ、２２ｃ、・・２２ｊの信号出力波形を示している。
【００４２】
本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、磁気センサ２２の平面形状を多角形とすることにより、磁気センサ２２の配置密度をさらに高めることが可能となり、位置検出精度が向上する。また、従来と同等の位置分解能を得ようとする場合には、上記実施の形態１よりも磁界感受部２を小型化することができ、装置全体としての小型化が図られる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、磁気センサを用いた磁気式位置検出装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  磁気スケール、２  磁界感受部、３  磁気スケール駆動部、４  磁気スケール軸、５  ロータ軸、１１  磁極（Ｎ極）、１２  磁極（Ｓ極）、２１、２２  磁気センサ。
【図１】
0006033270.tif 000002
【図２】
0006033270.tif 000003
【図３】
0006033270.tif 000004
【図４】
0006033270.tif 000005
【図５】
0006033270.tif 000006