(57)【要約】【課題】小型化及び低消費電力化に有効であり、かつ移動体の移動量及び位置を高精度に検出可能な磁気式位置検出装置を提供する。【解決手段】磁気ドラム１１１の着磁領域１１２の端部１１２ａ付近の対向する位置に、磁電変換素子１０４を非接触で近接して配置する。これにより、磁気ドラムの回転に伴って磁電変換素子に印加される磁界強度の変化は、直流バイアス磁界が重畳された正弦波となる。この直流バイアス磁界を用いて、磁気センサのヒステリシス特性が磁気式位置検出装置の出力信号波形に及ぼす影響を低減させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極及びＳ極が着磁ピッチλにて交互に着磁された着磁領域を有する着磁部材と、上記着磁ピッチλでの磁極の配置方向に沿った上記着磁部材との相対的な移動により、上記着磁領域の磁極にて作用する磁界の角度及び強度によって出力が変化する磁気センサとを備えた磁気式位置検出装置において、
上記磁気センサは、磁極の上記配置方向に対する直角方向において上記着磁領域の中心位置から外れたバイアス印加位置で上記着磁部材に非接触にて配置される磁電変換素子を有することを特徴とする磁気式位置検出装置。
【請求項２】
上記バイアス印加位置は、上記磁電変換素子が有するヒステリシス特性を低減するバイアス磁界を上記磁電変換素子に作用させる、上記直角方向における上記着磁領域の端部に対応した位置である、請求項１記載の磁気式位置検出装置。
【請求項３】
上記磁電変換素子は、２ｍ（ｍ：整数）個が磁極の上記配置方向に沿って互いに距離λ又は（２ｎ＋１）λ（ｎ：整数）離れて配置される、請求項１又は２記載の磁気式位置検出装置。
【請求項４】
上記着磁部材は、円板状であり周方向に沿って全周に上記着磁領域を設け回転軸を中心に回転する磁気ドラムであり、上記磁気センサは上記磁気領域に対向して配置され、上記磁電変換素子は磁気抵抗素子である、請求項１から３のいずれか１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、例えば回転移動体の移動量や位置を検出する磁気式位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気式位置検出装置は、Ｎ極及びＳ極が着磁ピッチλで交互に着磁された回転移動体（磁気ドラム）と、上記回転移動体の磁界強度を検知する磁気センサとを備える。磁気センサとしては、磁界の変化によって素子の抵抗値が変化する磁気抵抗素子（ＭＲ素子）や、磁界の変化によって素子の出力電圧が変化するホール素子が用いられる。又、従来、磁気式位置検出装置におけるＭＲ素子には、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）が用いられている。ＡＭＲ素子では、流す電流方向をＡＭＲ素子の磁化容易軸方向に設定し、磁化容易軸方向に直交した方向（磁化困難軸方向）に磁界を印加した場合のみ抵抗値が変化する。このようなＡＭＲ素子では、ＡＭＲ素子の磁界に対する抵抗変化の特性（以下、「ＭＲカーブ」と記す。）は、磁界の極性によって抵抗変化が異なるヒステリシス特性を有している。
【０００３】
又、近年、ＡＭＲ素子に比べ、より大きな磁界に対してより大きな抵抗変化を生じる巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）や、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）が開発されている。例えば、交換結合型ＧＭＲ素子は、流す電流方向をＧＭＲ素子の磁化容易軸方向に設定し、素子面内に磁界が印加された場合に抵抗値が変化し、又、形状異方性を有する。ＧＭＲ素子が例えば縦長のストライプ形状にてなる場合、電流方向すなわち素子長手方向に対して、磁界が平行の場合と、磁界が直交の場合とでは、それぞれのＭＲカーブは異なる。
【０００４】
又、例えば特許文献１の図４に示されているように、ＧＭＲ素子のＭＲカーブは、ＡＭＲ素子と同様にヒステリシス特性を有している。そのため、特許文献１の図８に示されるように、ＧＭＲ素子にバイアス電流を流して発生したバイアス磁界を用いることによって、磁気ドラムの回転に伴ってＧＭＲ素子に印加される磁界変化領域がＧＭＲ素子のヒステリシス特性を有していない磁界領域となるような処置を施している。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−６８６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＭＲ素子のヒステリシス特性が磁気式位置検出装置の出力信号波形に及ぼす影響を低減するために、上述の磁石や、バイアス電流により発生したバイアス磁界を用いる場合には、磁石等を別途設け、電力供給を必要とすることから、小型化及び低消費電力化の点が課題として挙げられる。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、小型化及び低消費電力化に有効であり、かつ移動体の移動量及び位置を高精度に検出可能な磁気式位置検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における磁気式位置検出装置は、Ｎ極及びＳ極が着磁ピッチλにて交互に着磁された着磁領域を有する着磁部材と、上記着磁ピッチλでの磁極の配置方向に沿った上記着磁部材との相対的な移動により、上記着磁領域の磁極にて作用する磁界の角度及び強度によって出力が変化する磁気センサとを備えた磁気式位置検出装置において、上記磁気センサは、磁極の上記配置方向に対する直角方向において上記着磁領域の中心位置から外れたバイアス印加位置で上記着磁部材に非接触にて配置される磁電変換素子を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様における磁気式位置検出装置によれば、磁気センサに備わる磁電変換素子は、磁極配置方向に対する直角方向において着磁領域の中心位置から外れたバイアス印加位置で、上記着磁部材に非接触にて配置される。この構成によれば、着磁部材と磁気センサとの相対的移動に伴い磁気センサに印加される磁界強度の変化は、直流バイアス磁界が重畳された正弦波となる。すなわち、従来、磁石や、バイアス電流により発生させたバイアス磁界を用いることによって直流バイアスを重畳していたのに対し、磁電変換素子の配置のみによって直流バイアス磁界を重畳することができる。直流バイアス磁界を重畳することで、磁気式位置検出装置の出力信号波形において歪みを低減することができる。さらに、磁石等を別途設けたり、電力供給の必要はないことから、高精度な磁気式位置検出装置を小型及び低消費電力にて実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態である磁気式位置検出装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における磁気式位置検出装置１０１の構成図である。磁気式位置検出装置１０１は、基本構成部分として、着磁部材の一例に相当する磁気ドラム１１１と、磁気センサ１０２を備え、磁気ドラム１１１の回転に伴って磁気センサ１０２から電気信号を出力する。出力された出力信号に基づいて、検出装置１２１にて磁気ドラム１１１の移動量及び位置が検出される。
【００１２】
磁気ドラム１１１は、円板状であり、外周部分には、Ｎ極及びＳ極の磁極が１極あたり着磁ピッチλにて交互に着磁された着磁領域１１２を有し、回転軸１１３を中心に周方向ｙに回転する。このような磁気ドラム１１１は、回転移動量及び位置を検出したい測定対象物に接続されている。回転軸１１３の軸方向であるｚ方向において、着磁領域１１２の長さは、距離ｄにてなる。図示するように本実施形態１の磁気ドラム１１１では、上記距離ｄと磁気ドラム１１１の円板部の厚さとを同寸法にしている。又、回転体である磁気ドラム１１１では、Ｎ極及びＳ極の磁極の配置方向が周方向ｙに対応する。又、磁気ドラム１１１の径方向をｘ方向とする。又、図１に示す「５１」は、ｚ方向において、着磁領域１１２の距離ｄの１／２の位置を示しており、着磁領域１１２の中心位置に相当する。以下、中心位置５１と記す。
【００１３】
尚、上述のように本実施形態では着磁部材として磁気ドラム１１１の回転体を例に採るが、着磁部材は、この形態に限定されるものではない。例えば、着磁部材が平板状部材であり、その長手方向に沿った直線状の磁極配置方向に磁極が交互に着磁されている形態でもよい。又、本実施形態では、磁気ドラム１１１が回転し磁気センサ１０２は固定されて配置されているが、着磁部材と磁気センサとは、上記磁極配置方向に沿って互いに相対的に移動するように構成することができる。
【００１４】
磁気センサ１０２は、磁界を検出し電気信号を出力する磁電変換素子の一例としての、磁界の変化で素子の抵抗値が変化する磁気抵抗素子１０４を有する。又、本実施の形態では、磁気抵抗素子１０４として、例えばストライプ状の交換結合型巨大磁気抵抗素子（以下、「ＧＭＲ素子」と記す。）を用い、かつ形状異方性を有していないものを用いる。又、ＧＭＲ素子１０４は、素子に印加する磁界の方向に対するＧＭＲ素子のＭＲカーブは、等方性を示すものとする。ここで、ＭＲカーブとは、上述のように、素子の磁界に対する抵抗変化の特性をいう。
【００１５】
又、このようなＧＭＲ素子１０４は、薄膜プロセスにより例えばガラス基板等に形成される。本実施の形態１では、図２に示すように、１本のＧＭＲ素子１０４における一端部１０４ａが磁気センサ１０２の中心点５２から距離ｄ／２離れるように形成される。ここでｄは、上述の、ｚ方向における着磁領域１１２の距離ｄである。
【００１６】
上述のように配置されたＧＭＲ素子１０４を有する磁気センサ１０２は、磁気ドラム１１１に対して、図１及び図３に示すように、磁気センサ１０２のＧＭＲ素子形成面１０２ａをｚ方向に平行にして配置され、かつｚ方向において、磁気センサ１０２の中心点５２と着磁領域１１２の中心位置５１とを一致させて対向させ、かつ非接触で配置される。
【００１７】
以上のように構成される、本実施形態の磁気式位置検出装置１０１の動作について説明する。
磁気ドラム１１１の回転に伴って磁気センサ１０２に印加される磁界強度の変化は、磁気ドラム１１１と磁気センサ１０２との距離、磁気ドラム１１１の着磁ピッチλ、並びに、着磁領域１１２における磁性媒体の材質及び磁気特性というパラメータに依存する。本実施の形態１では、磁気ドラム１１１の回転に伴う、磁気ドラム１１１における着磁領域１１２の中心位置５１に対向した位置、即ち磁気センサ１０２の中心点５２における磁界強度の変化が、理想的な正弦波に近づくように、上述の各パラメータは最適化されているものとする。
【００１８】
磁気ドラム１１１からの発生磁場の一部を模擬したものを図４に示す。磁気ドラム１１１による発生磁場の成分に着目すると、磁気ドラム１１１における着磁領域１１２の中心位置５１では、上記磁場の成分は、ｘ方向及びｙ方向のみに存在する。これに対し、ｚ方向における着磁領域１１２の端部１１２ａ，１１２ｂでは、磁界の回りこみが作用することにより、上記磁場の成分は、ｘ方向及びｙ方向だけではなくｚ方向にも存在する。又、ＧＭＲ素子１０４を磁気ドラム１１１に非接触で近接して配置する場合、ＧＭＲ素子１０４の抵抗変化に影響を及ぼす磁界成分は、ｙ方向及びｚ方向である。即ち、ＧＭＲ素子１０４に印加される磁界強度は、感磁方向であるｙ方向及びｚ方向の各磁界成分の合成を考慮する必要があり、また上記合成磁界がＧＭＲ素子１０４となす角も考慮する必要がある。
【００１９】
ここで、磁気ドラム１１１における着磁領域１１２の中心位置５１に対向した位置に、非接触で、ＧＭＲ素子１０４を配置した場合、ＧＭＲ素子１０４に印加されるｙ方向及びｚ方向の磁界成分の変化を模擬したものを図５に示す。一方、着磁領域１１２の端部１１２ａ又は端部１１２ｂに対向して配置されたＧＭＲ素子１０４に印加されるｙ方向及びｚ方向の磁界成分の変化を模擬したものを図６に示す。ここで、着磁領域１１２の端部１１２ａ又は端部１１２ｂに対向したＧＭＲ素子１０４の配置とは、その配置の一例として図２を参照して説明したように、例えば着磁領域１１２の端部１１２ａに対向してＧＭＲ素子１０４を配置する場合、ＧＭＲ素子１０４の一端部１０４ａを、着磁領域１１２の端部１１２ａの端面１１２ａ−１（図４）に一致させる配置をいう。同様に、着磁領域１１２の端部１１２ｂに対向してＧＭＲ素子１０４を配置する場合には、ＧＭＲ素子１０４の一端部１０４ｂ（図２）を、着磁領域１１２の端部１１２ｂの端面１１２ｂ−１（図４）に一致させる配置をいう。
【００２０】
さらに、ｙ方向及びｚ方向の各磁界成分を合成し、磁界強度の変化として出力すると、着磁領域１１２の中心位置５１に対向して配置したＧＭＲ素子１０４に印加される磁界強度の変化は、図７に示すようになり、着磁領域１１２の端部１１２ａ又は１１２ｂに対向して配置されたＧＭＲ素子１０４に印加される磁界強度の変化は、図８に示すようになる。又、磁気ドラム１１１の回転に伴って、図９における矢印１１５ａに示すように、ＧＭＲ素子１０４に印加される磁界強度の変化が生じるだけではなく、図９における矢印１１５ｂに示すように、ＧＭＲ素子１０４に印加される磁界の方向も回転する。
【００２１】
図７及び図８に示す磁界強度変化を鑑みると、磁気ドラム１１１における着磁領域１１２の中心位置５１に対向して配置されたＧＭＲ素子１０４に印加される磁界強度の変化に対し、着磁領域１１２の中心位置５１からｚ方向において離れた、着磁領域１１２の端部１１２ａ又は端部１１２ｂに対向して配置されたＧＭＲ素子１０４に印加される磁界強度の変化は、直流バイアス磁界が重畳されている。
【００２２】
尚、本実施形態では、上述のように、磁気センサ１０２は、着磁領域１１２の端部１１２ａ又は１１２ｂに対向するように、一つのＧＭＲ素子１０４を有しているが、これに限定されず、着磁領域１１２の端部１１２ａ及び１１２ｂの両方に対向するように、２つのＧＭＲ素子１０４をｚ方向に沿って配置した構成を採っても良い。
【００２３】
又、本実施形態では、上述のように、ＧＭＲ素子１０４の例えば一端部１０４ａが着磁領域１１２の端部１１２ａの端面１１２ａ−１に一致するように、磁気センサ１０２を配置している。しかしながら、ｚ方向において、着磁領域１１２に対するＧＭＲ素子１０４の位置は、本実施形態の場合に限定されず、上記磁極配置方向（本実施形態ではｙ方向）に対する直角方向（本実施形態ではｚ方向）において着磁領域１１２の中心位置５１から外れたバイアス印加位置であればよい。即ち、上述したように、ＧＭＲ素子１０４に直流バイアスが印加されるような位置であればよく、ｚ方向における位置は特に限定されない。
又、本実施の形態１におけるＧＭＲ素子１０４のＭＲカーブは、印加磁界角度に対して等方性を有しているため、磁界の印加方向は、考慮する必要がない。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態１の磁気式位置検出装置１０１によれば、ＧＭＲ素子１０４を、磁気ドラム１１１における着磁領域１１２の端部１１２ａ，１１２ｂ付近に対向する位置に、非接触で近接して配置することによって、磁気ドラム１１１の回転に伴ってＧＭＲ素子１０４に印加される磁界強度の変化は、直流バイアス磁界が重畳された正弦波となる。即ち、従来、磁石や、バイアス電流によって発生させたバイアス磁界を用いることにより、磁電変換素子の出力信号に直流バイアスを重畳していたのに対し、ＧＭＲ素子１０４の配置位置を規定することのみによって、直流バイアス磁界を重畳することができる。このようにＧＭＲ素子１０４の出力信号に直流バイアスを重畳したことで、磁気式位置検出装置１０１の出力信号波形において歪みを低減させることができる。
したがって、測定対象物の位置検出を高精度にて行うことができる磁気式位置検出装置を提供することができ、さらに、このような磁気式位置検出装置において、磁石等の他の構成部分を設けたり電力供給の必要がない、小型で低消費電力にてなる磁気式位置検出装置１０１を実現することができる。
【００２５】
ここで重畳するバイアス磁界強度は、磁気ドラム１１１と磁気センサ１０２との距離、磁気ドラム１１１における着磁ピッチλ、着磁領域１１２の磁性媒体の材質及び磁気特性を最適化することによって実現可能である。
【００２６】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、磁気センサ１０２は、一つのＧＭＲ素子１０４を有する構成であった。これに対し、以下に説明する実施の形態２では、図１０から図１３に示すように、磁気センサが複数のＧＭＲ素子を有する構成を示している。尚、磁気センサが複数のＧＭＲ素子を有する構成を除いて、実施の形態２におけるその他の構成は、上述の実施の形態１における構成に同じである。よって以下では、相違する構成部分についてのみ説明を行う。
【００２７】
図１０に示す構成では、上述の実施の形態１における磁気センサ１０２に相当する磁気センサ１０３は、２つのＧＭＲ素子１０４−１、１０４−２を有する。尚、ＧＭＲ素子１０４−１、１０４−２は、上述の実施の形態１におけるＧＭＲ素子１０４に相当する。
ＧＭＲ素子１０４−１、１０４−２は、図１０に示すように、磁気センサ１０３の中心点５２に対して、上記磁極配置方向において左右対称になるように距離λにて離れて配置される。ここで、λは、上述の着磁ピッチλに等しい寸法である。又、上述の実施の形態１における構成と同様に、一つの配置例として、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２は、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２における各一端部１０４ａが、ｚ方向において、中心点５２から上に向かって距離ｄ／２離れるように配置される。このような構成にてなる磁気センサ１０３は、磁気センサ１０２と同様にｚ方向に平行に配置され、かつ図１１に示すように、磁気センサ１０３の中心点５２と、磁気ドラム１１１における着磁領域１１２の中心位置５１とをｚ方向において一致させ、かつ着磁領域１１２に対して正面で対向させて、かつ非接触で配置される。
【００２８】
尚、磁気センサ１０３において、左右対称に配置するＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２の間隔は、上記λに限定されず、（２ｎ＋１）λ（ｎ：整数）の距離であっても良い。この場合、着磁領域１１２における磁極の着磁ピッチも対応して変化させる。
【００２９】
上述した磁気センサ１０３を備えた実施の形態２における磁気式位置検出装置では、磁気ドラム１１１の回転に伴って、各ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２に印加される磁界の変化は、ｙ方向において各ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２の配置間隔と着磁ピッチとが距離λで等しいことから、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２において互いに逆相となる。一方、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２のＭＲカーブがほぼ偶関数であるため、磁界の極性に限らず、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２の出力信号波形は、それぞれ同相となる。つまり、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２の各出力信号波形を加算することにより、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２における、磁界の極性によって抵抗変化が異なるといったヒステリシス現象の影響を低減することができる。したがって、実施の形態２における磁気式位置検出装置では、実施の形態１における磁気式位置検出装置１０１に比べて、より高精度な位置検出を行うことが可能となる。尚、実施の形態２では、磁気センサ１０３に接続される検出装置１２１は、各ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２の出力信号波形を加算する加算部が設けられる。
【００３０】
さらに又、図１０では着磁領域１１２の図示上側にＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２を配置した構成を示すが、該構成の変形例として、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２の各一端部１０４ｂを、着磁領域１１２の端面１１２ｂ−１に一致させて、着磁領域１１２の図示下側にＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２を配置することもできる。
【００３１】
さらに又、図１０及び図１１に示す構成の変形例として、図１２に示すように、ＧＭＲ素子１０４−１，１０４−２を、磁気センサ１０３−１の中心点５２を中心として対角位置に配置してもよいし、図１３に示す磁気センサ１０３−２のように、さらにＧＭＲ素子１０４−３，１０４−４を加えて計４つのＧＭＲ素子１０４を配置してもよい。
【００３２】
図１２及び図１３に示すように各ＧＭＲ素子１０４を配置した構成においても、各ＧＭＲ素子１０４の出力信号波形をそれぞれ加算することによって、ヒステリシス現象を低減することができ、同様に高精度化を実現することができる。
【００３３】
又、図１０から図１３に示す構成において、ＧＭＲ素子１０４を４以上の偶数個とすることもできる。
【００３４】
又、上述した、ＧＭＲ素子１０４の間隔が上記λに限定されず（２ｎ＋１）λ（ｎ：整数）の距離であっても良い点、及び各ＧＭＲ素子１０４の配置位置が上記バイアス印加位置であればよい点は、図１０から図１３に示す構成にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１による磁気式位置検出装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す磁気センサの正面図である。
【図３】図１に示す着磁領域と磁気センサとの配置関係を説明するための図である。
【図４】図１に示す磁気ドラムにおける着磁領域の磁極からの発生磁場を説明するための図である。
【図５】着磁領域の中心位置に対向した位置に非接触でＧＭＲ素子を配置した場合において、ＧＭＲ素子に印加されるｙ方向及びｚ方向の磁界成分の変化を説明するための図である。
【図６】着磁領域の端部に対向した位置に非接触でＧＭＲ素子を配置した場合において、ＧＭＲ素子に印加されるｙ方向及びｚ方向の磁界成分の変化を説明するための図である。
【図７】着磁領域の中心位置に対向した位置に非接触でＧＭＲ素子を配置した場合において、ＧＭＲ素子に印加される磁界強度の変化を説明するための図である。
【図８】着磁領域の端部に対向した位置に非接触でＧＭＲ素子を配置した場合において、ＧＭＲ素子に印加される磁界強度の変化を説明するための図である。
【図９】着磁領域の端部に対向した位置に非接触でＧＭＲ素子を配置した場合において、ＧＭＲ素子に印加される磁界の方向変化を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２における磁気式位置検出装置に備わる磁気センサの正面図である。
【図１１】図１０に示す磁気式位置検出装置における磁気ドラムと磁気センサとの配置関係を説明するための図である。
【図１２】図１０に示す磁気式位置検出装置における磁気センサの変形例の一例を示す正面図である。
【図１３】図１０に示す磁気式位置検出装置における磁気センサの変形例の他の例を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３６】
５１  中心位置、５２  中心点、
１０１  磁気式位置検出装置、１０２,１０３,１０３−１,１０３−２  磁気センサ、
１０４,１０４−１,１０４−２  ＧＭＲ素子、
１１１  磁気ドラム、１１２  着磁領域、１１２ａ，１１２ｂ  端部。
【図１】
2009300143.tif 000003
【図２】
2009300143.tif 000004
【図３】
2009300143.tif 000005
【図４】
2009300143.tif 000006
【図５】
2009300143.tif 000007
【図６】
2009300143.tif 000008
【図７】
2009300143.tif 000009
【図８】
2009300143.tif 000010
【図９】
2009300143.tif 000011
【図１０】
2009300143.tif 000012
【図１１】
2009300143.tif 000013
【図１２】
2009300143.tif 000014
【図１３】
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