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発明の名称 位置検出装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−34390
公開日 平成6年(1994)2月8日
出願番号 特願平4−188364
出願日 平成4年(1992)7月15日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】富田 和子
発明者 川又 昭一 / 高橋 正 / 二瓶 秀樹 / 田島 文男
要約 目的
MR素子等の磁電変換素子を用いた位置検出装置であって、簡単な構成で、高精度に磁極等の位置を検出する装置を提供する。

構成
最小記録単位(NSのピッチ)λを連続配置した磁気信号の長さPおよびこの磁気信号の長さPと同じ長さの無着磁部を有する磁気記憶媒体1と、磁気記録媒体1に対向するMR素子をλ/2の間隔を設け配置した位置決めセンサ素子グループを有して構成される磁気センサ2を有して構成される。
特許請求の範囲
【請求項1】磁気信号を記録した磁気記録媒体と、磁気抵抗効果素子(MR素子)をセンサ素子として含む磁気センサとを有して構成され、前記磁気記録媒体と前記磁気抵抗効果素子が相対移動した状態で、前記磁気記録媒体の位置を前記磁気センサが検出する位置検出装置において、さらに、前記磁気記録媒体には、1トラック中に最小記録単位λで、長さP(P=kλ、但しkは整数)の連続した磁気信号群と、該磁気信号群と同じ長さPを有する無着磁部とを交互に配置して記憶し、さらに、前記磁気センサは、磁気信号群の記憶方向に、間隔λ/2で配置した一対のMR素子を一つの位置決めセンサ素子グループとし、少なくとも1個の位置決めセンサ素子グループを有して構成したことを特徴とする位置検出装置。
【請求項2】請求項1記載において、位置決めセンサ素子グループの間隔を(n+(1/m))×P(但し、nは実数、mは出力信号の相数、Pはモータ磁極の長さ)としたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項3】請求項1記載において、インクリメンタルセンサ素子グループと、該インクリメンタルセンサ素子グループに対応する磁気信号からなる磁気信号群をさらに有しており、前記インクリメンタルセンサ素子グループは、少なくとも一対のMR素子を有して構成され、さらに前記磁気信号群は、前記磁気記録媒体に記憶され、磁気信号が連続して構成され、さらに、前記位置決めセンサ素子グループと前記インクリメンタルセンサ素子グループとを所定の間隔を設けて、一の基板上に配置したことを特徴とする位置検出装置。
【請求項4】請求項1記載において、基準位置検出センサ素子グループと、該基準位置検出センサ素子グループに対応する磁気信号からなる磁気信号群をさらに有しており、 前記基準位置検出センサ素子グループは、移動位置を計測するために設けられた基準位置部を検出するため、少なくとも一対のMR素子を有して構成され、さらに前記磁気信号群は、前記磁気記録媒体に記憶され、少なくとも最小記録単位の磁気信号を有して構成され、さらに、前記位置決めセンサ素子グループと、前記基準位置検出センサ素子グループとを所定の間隔を設けて、一の基板上に配置したことを特徴とする位置検出装置。
【請求項5】請求項4記載において、新たに基準位置検出に使用する磁気信号群を前記磁気記録媒体に設け、該磁気信号群の全長Lrzを変位ストロークより小さくしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項6】請求項4記載において、基準位置検出に使用する磁気信号として、前記位置決めセンサ素子グループに対応して前記磁気記録媒体に設けられた無着磁部を有するトラックを使用することを特徴とする位置検出装置。
【請求項7】請求項1記載において、インクリメンタルセンサ素子グループと、該インクリメンタルセンサ素子グループに対応する磁気信号からなる第一の磁気信号群と、基準位置検出センサ素子グループと、該基準位置検出センサ素子グループに対応する磁気信号からなる第二の磁気信号群をさらに有しており、前記インクリメンタルセンサ素子グループは、少なくとも一対のMR素子を有して構成され、さらに前記第一の磁気信号群は、前記磁気記録媒体に記憶され、磁気信号が連続して構成され、また、前記基準位置検出センサ素子グループは、移動位置を計測するために設けられた基準位置部を検出するため、少なくとも一対のMR素子を有して構成され、さらに前記第二の磁気信号群は、前記磁気記録媒体に記憶され、少なくとも最小記録単位の磁気信号を有して構成され、さらに、前記位置決めセンサ素子グループと前記インクリメンタルセンサ素子グループと前記基準位置検出センサ素子グループとを所定の間隔を設けて、一の基板上に配置したことを特徴とする位置検出装置。
【請求項8】請求項7記載において、前記位置決めセンサ素子グループと、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループの2グループとを、移動方向に所定の間隔Ld1を設けて配置し、該間隔Ld1は、変位ストロークLmより大きくしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項9】請求項3記載において、前記位置決めセンサ素子グループとともに構成されるインクリメンタルセンサ素子グループに対応する磁気信号群を前記磁気記憶媒体に設け、該磁気信号群の全長Lr1を変位ストロークLmより大きくしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項10】請求項3記載において、前記位置決めセンサ素子グループとともに構成されるインクリメンタルセンサ素子グループに対応する磁気信号群を前記磁気記憶媒体に設け、該磁気信号群の全長Lr1は、変位ストロークLmと、インクリメンタルセンサ素子グループの全幅Lw1を加えた長さ以上としたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項11】請求項1記載において、前記位置決めセンサ素子グループに対応し、無着磁部と磁気信号群が交互に配置された記憶部分の全長Lr2を、変位ストロークLmより大きくしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項12】請求項1記載において、前記位置決めセンサ素子グループに対応し、無着磁部と磁気信号群が交互に配置された部分の全長Lr2は、変位ストロークLmと、前記位置決めセンサ素子グループの全幅Lw2を加えた長さ以上としたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項13】請求項3記載において、前記位置決めセンサ素子グループに対応し、無着磁部と磁気信号群が交互に配置された部分の全長Lr2は、前記位置決めセンサ素子グループとともに構成されるインクリメンタルセンサ素子グループに対応して、前記磁気記憶媒体に設けた磁気信号群の全長Lr1以上としたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項14】請求項7記載において、前記位置決めセンサ素子グループに対応し、無着磁部と磁気信号群が交互に配置された部分と、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、基準位置検出センサ素子グループの2つのセンサ素子グループに対応して、前記磁気記憶媒体に設けられた磁気信号群との間に、所定の幅Ld2の無着磁部を設けたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項15】請求項7記載において、前記位置決めセンサ素子グループ、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループの3グループを、移動方向と垂直な方向に配置したことを特徴とする位置検出装置。
【請求項16】モータと該モータの磁極位置を検出する磁極位置検出装置を有して構成される磁極位置検出装置付きモータにおいて、前記磁極位置検出装置として請求項7記載の位置検出装置を用いたことを特徴とする磁極位置検出装置付きモータ。
【請求項17】記憶再生ディスクを駆動する駆動部と、該駆動部に出力トルクを与えるモータと、該モータの位置および磁極位置を検出する位置検出装置を有して構成される記憶再生ディスク装置において、前記位置検出装置として請求項7記載の位置検出装置を用いたことを特徴とする記憶再生ディスク装置。
【請求項18】産業機器であって、該機器内の駆動部を駆動するためモータと、該モータの位置および速度を検出する位置検出装置を備えたものにおいて、位置および速度を検出する前記位置検出装置として、請求項7記載の位置検出装置を用いたことを特徴とする産業機器。
【請求項19】請求項1記載において、MR素子の替わりに、他の磁電変換素子を用いたことを特徴とする位置検出装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気抵抗効果素子(「MR素子」とも称する)等を用いて、被計測対象物の位置を検出する装置、特にリニアモータの磁極等の位置検出の機能を有する位置検出装置ならびにその応用装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の磁極位置検出装置は、例えば、特開昭58−155312号公報に記載のように、モータの相数に応じて、モータの軸方向、あるいは、径方向に磁気信号「NS」を記録した磁気記録媒体と、磁気センサを用いて構成していた。すなわち、エンコーダ部に相当する「インクリメンタルトラック」の磁気信号の記録方向に対し、約90度の方向に磁気信号を記録し、これに対向して配置する磁気抵抗効果素子の方向も、インクリメンタルトラックに対向するMR素子の方向に対し、約90度の方向に配置する構成となっていた。
【0003】このため、MR素子の長さの影響が生じ、モータの磁極(N極あるいはS極)の長さが短いものには、対応しにくく、また、モータの磁極(N極あるいはS極)の長さに対応した、広幅の高精度な磁極信号を得るのが困難であった。
【0004】また、高精度な広幅の信号を得るためには、例えば、特開昭61−17002号公報記載のように、出力信号のビット数に応じた磁気トラックと、磁気センサを用いて信号検出を行なっていた。
【0005】例えば、モータの相数が2相の場合、磁気トラックは2つ以上の磁気トラックおよび磁気センサが、必要であった。
【0006】このため、構成が複雑で位置検出装置の形状が大きく小型化が困難であり、コストの低下も図れなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】前述のように従来技術においては、広幅信号(信号の立上りから、立ち下がりまでの時間が長い信号を、以下この様に称する)の高精度化、および、広幅信号の応用性、さらに構成を簡素化し装置の小型化を図る点等について配慮がされておらず、位置検出装置の高精度化、および、小型化等の課題が存在していた。
【0008】そこで、本発明では、モータの磁極位置信号のような広幅信号を高精度で検出し、さらに小型で応用性に富む磁極位置検出機能を有する位置検出装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するための手段として、以下に示す手段が考えられる。
【0010】磁気信号を記録した磁気記録媒体と、磁気抵抗効果素子(MR素子)をセンサ素子として含む磁気センサとを有して構成され、前記磁気記録媒体と前記磁気抵抗効果素子が相対移動した状態で、前記磁気記録媒体の位置を前記磁気センサが検出する位置検出装置において、さらに、前記磁気記録媒体には、1トラック中に最小記録単位λで、長さP(P=kλ、但しkは整数)の連続した磁気信号群と、該磁気信号群と同じ長さPを有する無着磁部とを交互に配置して記憶し、さらに、前記磁気センサは、磁気信号群の記憶方向に、間隔λ/2で配置した一対のMR素子を一つの位置決めセンサ素子グループとし、少なくとも1個の位置決めセンサ素子グループを有して構成した位置検出装置である。
【0011】また、上記位置検出装置において、位置決めセンサ素子グループの間隔を(n+(1/m))×P(但し、nは実数、mは出力信号の相数、Pはモータ磁極の長さ)とした位置検出装置も考えられる。
【0012】さらに、インクリメンタルセンサ素子グループと、該インクリメンタルセンサ素子グループに対応する磁気信号からなる磁気信号群をさらに有しており、前記インクリメンタルセンサ素子グループは、少なくとも一対のMR素子を有して構成され、さらに前記磁気信号群は、前記磁気記録媒体に記憶され、磁気信号が連続して構成され、さらに、前記位置決めセンサ素子グループと前記インクリメンタルセンサ素子グループとを所定の間隔を設けて、一の基板上に配置した位置検出装置も考えられる。
【0013】さらに、基準位置検出センサ素子グループと、該基準位置検出センサ素子グループに対応する磁気信号からなる磁気信号群をさらに有しており、前記基準位置検出センサ素子グループは、移動位置を計測するために設けられた基準位置部を検出するため、少なくとも一対のMR素子を有して構成され、さらに前記磁気信号群は、前記磁気記録媒体に記憶され、少なくとも最小記録単位の磁気信号を有して構成され、さらに、前記位置決めセンサ素子グループと、前記基準位置検出センサ素子グループとを所定の間隔を設けて、一の基板上に配置した位置検出装置も考えられる。
【0014】さらに、新たに基準位置検出に使用する磁気信号群を同一の基板に設け、該磁気信号群の全長Lrzを変位ストロークLmより小さくした構成でもよく、基準位置検出に使用する磁気信号として、前記位置決めセンサ素子グループに対応して設けられた、無着磁部を有するトラックを使用した構成でも良い。
【0015】さらに、インクリメンタルセンサ素子グループと、該インクリメンタルセンサ素子グループに対応する磁気信号からなる第一の磁気信号群と、基準位置検出センサ素子グループと、該基準位置検出センサ素子グループに対応する磁気信号からなる第二の磁気信号群をさらに有しており、前記インクリメンタルセンサ素子グループは、少なくとも一対のMR素子を有して構成され、さらに前記第一の磁気信号群は、前記磁気記録媒体に記憶され、磁気信号が連続して構成され、また、前記基準位置検出センサ素子グループは、移動位置を計測するために設けられた基準位置部を検出するため、少なくとも一対のMR素子を有して構成され、さらに前記第二の磁気信号群は、前記磁気記録媒体に記憶され、少なくとも最小記録単位の磁気信号を有して構成され、さらに、前記位置決めセンサ素子グループと前記インクリメンタルセンサ素子グループと前記基準位置検出センサ素子グループとを所定の間隔を設けて、一の基板上に配置した位置検出装置も考えられる。 この場合、前記位置決めセンサ素子グループと、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループの2グループとを、移動方向に所定の間隔Ld1を設けて配置し、該間隔Ld1は、変位ストロークLmより大きくした位置検出装置も考えられる。
【0016】次に、磁気記憶媒体に特徴を持たせた手段として、以下の手段が考えられる。
【0017】まず、位置決めセンサ素子グループとともに構成されるインクリメンタルセンサ素子グループに対応する磁気信号群を前記磁気記憶媒体に設け、該磁気信号群の全長Lr1を変位ストロークLmより大きくした位置検出装置、さらに、前記位置決めセンサ素子グループとともに構成されるインクリメンタルセンサ素子グループに対応する磁気信号群を前記磁気記憶媒体に設け、該磁気信号群の全長Lr1は、変位ストロークLmとインクリメンタルセンサ素子グループの全幅Lw1を加えた長さ以上とした位置検出装置も考えられる。
【0018】さらに、前記位置決めセンサ素子グループに対応し、無着磁部と磁気信号群が交互に配置された部分の全長Lr2を、移動体の移動距離Lmより大きくした位置検出装置も考えられる。
【0019】さらに、位置決めセンサ素子グループの大きさを考慮し、前記位置決めセンサ素子グループに対応し、無着磁部と磁気信号群が交互に配置された部分の全長Lr2は、変位ストロークLmと、前記位置決めセンサ素子グループの全幅Lw2を加えた長さ以上とした位置検出装置も考えられる。
【0020】さらに、前記位置決めセンサ素子グループに対応し、無着磁部と磁気信号群が交互に配置された部分の全長Lr2は、前記位置決めセンサ素子グループとともに構成されるインクリメンタルセンサ素子グループに対応して、前記磁気記憶媒体に設けた磁気信号群の全長Lr1以上とした位置検出装置も考えられる。
【0021】さらに、相互干渉を回避するため、以下の手段も考えられる。
【0022】さらに、前記位置決めセンサ素子グループに対応し、無着磁部と磁気信号群が交互に配置された部分と、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、基準位置検出センサ素子グループの2つのセンサ素子グループに対応して、前記磁気記憶媒体に設けられた磁気信号群との間に、所定の幅Ld2の無着磁部を設けた位置検出装置も考えられる。
【0023】この場合、前記位置決めセンサ素子グループと他のセンサ素子グループ(インクリメンタルセンサ素子グループ、基準位置検出センサ素子グループ等)との所定間隔Ld1を、前記無着磁部Ld2より大きくした位置検出装置も考えられる。さらに、基準位置検出センサ素子グループに対応して、磁気記憶媒体に磁気信号群を設けた手段として、以下のものが考えられる。
【0024】すなわち、前記位置決めセンサ素子グループと、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループとを所定の間隔を設けて、一の基板上に配置し、該基準位置検出センサ素子グループに対応し、磁気記憶媒体に設けられた磁気信号群の磁気記録(NSあるいはSN)の位相を、インクリメンタルセンサ素子グループに対応し、磁気記憶媒体に設けられた磁気信号である単位磁極(NSあるいはSN)に合わせた位置検出装置である。
【0025】さらに、インクリメンタルセンサ素子グループを備えて、該インクリメンタルセンサ素子グループに対応して磁気記憶媒体に設けられた磁気信号群と、前記位置決めセンサ素子グループに対応して磁気記憶媒体に設けられた無着磁部とを移動方向に配置し、1つのトラック内に構成した位置検出装置も考えられる。
【0026】また、位置決めセンサ素子グループ、インクリメンタルセンサ素子グループ、および、基準位置検出センサ素子グループの配置の仕方により、以下の手段が考えられる。
【0027】まず、前記位置決めセンサ素子グループと、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループとを所定の間隔を設けて一の基板上に配置する際に、前記位置決めセンサ素子グループを、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループとの中間部に配置した位置検出装置である。
【0028】次に、前記位置決めセンサ素子グループと、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループとを所定の間隔を設けて一の基板上に配置する際に、前記位置決めセンサー素子グループを、前記インクリメンタルセンサ素子グループ側に配置した位置検出装置である。
【0029】さらに、前記位置決めセンサ素子グループと、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループとを所定の間隔を設けて一の基板上に配置する際に、前記位置決めセンサ素子グループを、前記基準位置検出センサ素子グループ側に配置した位置検出装置である。
【0030】また、前記位置決めセンサ素子グループ、前記インクリメンタルセンサ素子グループ、および、前記基準位置検出センサ素子グループの3グループを、移動体の移動方向と垂直な方向に配置した位置検出装置も考えられる。
【0031】以下、位置検出装置の応用例として、以下に示す手段が考えられる。
【0032】まず、モータと該モータの磁極位置を検出する磁極位置検出装置を有して構成される磁極位置検出装置付きモータにおいて、前記磁極位置検出装置として、本発明にかかる位置検出装置を用いた磁極位置検出装置付きモータである。
【0033】次に、記憶再生ディスクを駆動する駆動部と、該駆動部に出力トルクを与えるモータと、該モータの位置および磁極位置を検出する位置検出装置を有して構成される記憶再生ディスク装置において、前記位置検出装置として本発明にかかる位置検出装置を用いた記憶再生ディスク装置である。
【0034】さらに、産業機器であって、該機器内の駆動部を駆動するためモータと、該モータの位置および速度を検出する位置検出装置を備えたものにおいて、位置および速度を検出する前記位置検出装置として、本発明にかかる位置検出装置を用いた産業機器も考えられる。
【0035】さらに、以下に示す応用手段も考えられる。
【0036】機器を駆動する制御用モータと、位置を検出する位置検出装置を備え、前記位置検出装置の信号と位置指令信号を比較することにより、位置制御を行うモータ位置制御装置において、前記位置検出装置として、本発明にかかる位置検出装置を用いたモータ位置制御装置、あるいは、機器を駆動する制御用モータと、位置を検出する位置検出装置を備え、前記位置検出装置の信号と速度指令信号を比較することにより、速度制御を行うモータ速度制御装置において、前記位置検出装置として、本発明にかかる位置検出装置を用いたモータ速度制御装置も考えられる。
【0037】また、用いる素子は、MR素子に限られず、上記MR素子の替わりに、他の磁電変換素子を用いた位置検出装置も考えられる。
【0038】
【作用】本発明は、移動体(固定体でもよい)に取り付けた磁気記録媒体には、1トラック上に最小記録単位λ(NSのピッチ)を連続配置し、モータの磁極(N極あるいはS極)の長さに応じて設けられた、磁気信号の長さPと、該磁気信号の長さPと同じ長さの無着磁部を有する磁気信号グループを、移動体の移動距離に相当する数だけ備え、さらに、この磁気記録媒体に対向するMR素子をλ/2の間隔で配置した複数のMR素子の固まり(以後「位置決めセンサ素子グループ」とも称する)を移動体の移動方向に(n+(1/m))・P(但し、nは実数、mはモータの相数、Pはモータの磁極の長さ)の間隔で配置させる。
【0039】これにより、MR素子は、λ/2の配置のグループで最小記録単位λごとのリプルを除去するように動作し、さらに、(n+(1/m))の間隔で設けられた位置決めセンサ素子グループで、最小記録単位λを連続配置した磁気信号Pと、Pと同じ長さの無着磁部の間で、相補的に動作し、高精度な磁極信号を得るものである。
【0040】また、この磁極信号部の検出に用いるセンサ素子グループと、その他のセンサ素子グループ、例えば、いわゆるエンコーダに相当する「インクリメンタルセンサ素子グループ」(例えば、モータ等の移動速度、回転数等を計測し、連続信号を出力する部分である)、あるいは、例えば1ストロークに1個、1回転に1個存在する基準位置検出部を検出するために設けられた「基準位置検出センサ素子グループ」等と、組み合わせ構成することにより、例えば小形(薄型)で、高精度なモータ用位置検出装置が提供できることになる。
【0041】なお、用いる素子はMR素子には限られず、磁気変化に対応して、例えば抵抗値が変化する素子なら何でも良い。
【0042】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。図1は、多極2相モータ用の磁極位置の検出の一例を示したものである。磁気記録媒体1は、例えば、アルミニウムなどの非磁性体の表面に磁性材料等を塗布して製造される。磁気記録媒体1の表面には、1つの磁気トラックTP0を設けている。さらに、磁気トラックTP0は、モータの磁極(N極あるいはS極)の長さに対応して、最小記録単位(NSのピッチ)λの磁気信号11が、連続配置(本実施例では、磁気信号11の最小記録単位が6個分配置されている)された磁気信号郡Pと、前記磁気信号郡Pと同じ長さの無着磁部12(本実施例では、磁気信号11の最小記録単位が6個分配置されている)を有して構成されている。
【0043】また、この磁気記録媒体1に対向して、磁気センサ2を配置している。
【0044】磁気センサ2は、MR素子を2個を1グループとして4グループ配置している。第1のグループは、MR素子R1とR2、第2のグループは、MR素子R3とR4、第3のグループは、MR素子R5とR6、第4のグループは、MR素子R7とR8で構成されており、それぞれ最小記録単位λに対して、λ/2の間隔で配置し、さらに、各グループ間を、nを実数、mをモータの相数として、(n+(1/m)×P)の関係に基づいて配置している(図1では、n=0.0、m=2)。このような配置にし、磁気センサ2を構成することによって、1トラックだけでも、図2に示す従来技術(例えば、特開昭61−17002号公報参照)を適用した場合と同様に、高精度な出力波形を得ることができる。
【0045】この出力波形の出力動作原理について、図2、3、4を参照して説明する。図2は、前述のように、従来技術(例えば、特開昭61−17002号公報記載)を適用した磁極位置の検出センサの一例を示したものである。磁気記録媒体1は、モータの相数(図2においては、2相の例を示している)に対応して、4つの磁気トラックTP0〜TP4(出力信号の高振幅、高精度化のためには、通常、モータ相数1相につき、2つの磁気トラック群が必要となる)で構成されている。無着磁部12を有する磁気トラックTP0〜TP4の、各々の磁気信号の配置構成は、図1で示したものと同様であるが、第1の磁気トラック群の磁気トラックTP0とTP1は、互いに、移動方向にPだけ距離(「位相」に相当する)をずらし、相補的な配置構成としている。また、第2の磁気トラック群を構成する磁気トラックTP2と、TP3の配置構成も、第1の磁気トラック群を構成する磁気トラックTP0と、TP1と同じであるが、第1の磁気トラック群(TP0、TP1)と、第2の磁気トラック群(TP2、TP3)とは、モータの相数、すなわち、本例のように2相のものでは、お互い電気角で90度位相が異なる出力が得られような配置にしている。
【0046】一方、この磁気記録媒体1に対向する磁気センサ2のMR素子R1からR8も、各磁気トラックTP0からTP4に、対応するように配置させている。
【0047】すなわち、磁気トラックTP0に対してMR素子R1とR2、磁気トラックTP1に対してMR素子R3とR4、同様にTP2に対してR5とR6、TP3に対してR7とR8を、最小記録単位をλとしてλ/2の間隔を設け配置し、それぞれをMR素子の素線方向(移動方向に垂直な方向)に一直線状に配置した構成としている(図2参照)。
【0048】図3は、前記MR素子R1からR8の接続回路であり、それぞれR1とR3、R4とR2、R7とR5、R6とR8を電源Eとアース間に、直列に接続し、該直列に接続されたMR素子の接続点ea、ea’、eb、およびeb’より出力信号をとりだし、その出力eaとea’、および、出力ebとeb’でブリッジを構成し出力信号を得る回路構成としている。
【0049】図4では、図2および図3で示した、位置検出装置および回路構成における動作波形を示したものである。例えば、図2に示した磁気記録媒体1が図示矢印の方向に移動したとする。
【0050】本実施例で使用しているMR素子は、その素子の素線方向(移動方向に垂直な方向)に直角に、磁界が印加されると、その抵抗値が下がる特性を有しており、かかる特性を利用している。そのため、MR素子R1の抵抗値は、図のように磁気トラックTP0の最小記録単位λの磁気信号11の部分でのみ、大きくリプル状に抵抗値が変化する。また、MR素子R3の抵抗値は、磁気信号群P、すなわち最小記録単位λの6個分だけずれた位置から、同様の変化を示す。
【0051】さらに、MR素子R2とR4も、MR素子R1とR3の関係と同様の抵抗変化を示し、位相だけが最小記録単位λに対しλ/2ずれている。従って、MR素子R1とR3の接続点から得られる出力ea、および、MR素子R4とR2出力の接続点から得られる出力ea’は、それぞれ図4に示すような電圧波形となり、その差動出力(ea−ea’)は、大きなリプルのない、シャープな立ち上がりを有する波形が得られる。一方、MR素子R5、R6、R7およびR8で得られるブリッジ出力(eb−eb’)は、差動出力(ea−ea’)に対し、P/2だけ位相がずれただけの、同様の波形となる。
【0052】ここで、前述した図1の本発明の実施例に戻って、磁気センサ2を構成するMR素子R1からR8と、磁気記録媒体1の磁気信号との配置関係を見ると、図2の配置関係と全く同じものとなっていることがわかる。
【0053】従って、図1のMR素子を図3に示したように接続すれば、図4に示した波形が得られることになる。このように、本発明によれば、1トラックの磁気記録媒体1と、移動方向にMR素子を配置した磁気センサ2により、小形かつ薄型の装置で、高出力かつ高精度な、幅広の磁極位置信号を得られることになる。また、磁気センサが小形に製造できるので、歩留まり(1枚の基板から取れる磁気センサの数が増えることによる)が向上し、コストの低減が図れる効果も得られることになる。さらには、1トラックの磁気信号を検出するため、出力信号の位相合わせる等の微細な磁気センサの調整が不要であり、量産性が飛躍的に向上することにもなる。
【0054】図5は、本発明の他の実施例であり、3相モータへの適用例を示したものであり、図1と異なるところは、MR素子R9、R10、R11およびR12を新たに追加し、出力信号として3相(電気角で120度の位相差)の出力を得る配置構成としている点にある。
【0055】すなわち、本実施例では、MR素子R1とR2、R5とR6、R9とR10、R3とR4、R7とR8、およびR11とR12をλ/2離して配置した素子グループとし、各素子グループ間を、さらにP/3なる間隔を有した配置としている。
【0056】これらのMR素子R1〜R12を図6に示すように接続を行うと、図7に示すような抵抗変化(図2、3、4で示した動作と、同様な動作が行なわれるので、ここでは詳細な説明を省略する)を示し、結局、これらのMR素子の接続点eaとea’、ebとeb’、および、ecとec’の差動出力は、図7に示すようになる。
【0057】このように、計測対象物、例えばモータ等の出力相数mに応じて、位置決めセンサ素子グループ(λ/2の間隔で配置された一対のMR素子の組)を、合計2m組配置し、さらに、グループごと間隔をP/mとすることにより、高精度かつ広幅の出力信号を得ることが可能となる。なお、グループ間の間隔は、P/mに拘束されることはなく、nを実数として(n+(1/m))×Pなる式を満足する間隔で位置決めセンサ素子グループを配置すればよい。
【0058】したがって、目的用途に応じた配置が選択でき、設計の自由度が大きいと言える。
【0059】一方、モータ等の位置および速度制御では、例えば、1556879号公報、特開昭59−5914号公報等に記載されている、モータ等の移動速度、回転数等を検出する、いわゆるエンコーダ部に相当する「インクリメンタルセンサ素子グループ」や、1ストーローク(例えば1回転)に1個(例えば、直線運動するもので、全ストロークの両端に設けられている等の場合には、複数個設けられることもある)の信号を出力する基準位置を検出するために設けられた「基準位置検出センサ素子グループ」等が、不可欠な構成となっており、これらのセンサ素子グループにも本発明を利用することによって、例えば最適なモータ制御が行えることになる。
【0060】次に、前述したインクリメンタルセンサ素子グループ、および、基準位置検出センサ素子グループを本発明を利用して構成した場合の動作例について、図8から図13を参照して説明する。なお、詳細な動作については図1での説明と重複記載となるため省略する。
【0061】図8、9、10は、インクリメンタルセンサ素子グループの説明図であり、図1等と同符号の部品は同じ動作をするものとする。図8は、磁気記録媒体1と磁気センサ2の関係を示しており、磁気記録媒体1には、無着磁部の存在しない最小記録単位λの磁気信号11が、連続して記録されており、磁気トラックTINCを構成している。この磁気記録媒体1に対向して配置される磁気センサ2は、最小記録単位λの磁気信号11に対して、例えば、λ/4間隔で配置された磁気抵抗効果素子RI1〜RI8を有して構成されている。これらのMR素子RI1〜RI8は、図9に示す接続回路にて接続され、電源Eとアースの間に直列に接続された、磁気抵抗効果素子RI1とRI7、RI3とRI5、RI2とRI8および、RI4とRI6の各々の接続点から得られる、出力eAとeA’、および、eBとeB’の差動出力は、図10(イ)に示すような波形となる。また、用途によっては図10(ロ)に示すような正弦波状の出力を得て、分解能を高める(すなわちアナログ信号を精度良く得られる)構成にすることも可能である。もちろん、その出力波形の形状、MR素子の配置構成等については本例に限られないことはいうまでもない。
【0062】図11から図13は、基準位置検出センサ素子グループの構成および出力波形の一例の説明図であり、図1等と同符号の部品は、同じ動作をする。図11は、磁気記録媒体1と磁気センサ2の関係を示しており、磁気記録媒体1は、図8で示した磁気トラックTINCの他に、磁気トラックTZを有している。磁気トラックTZには、例えば磁気トラックTINCの最小記録単位λである磁気信号11の「SN」と位相を合わせ、磁気信号13が記録されている。しかし、磁気トラックTZと磁気トラックTINCが所定間隔以上(例えば、少なくとも最小記録単位λ以上離すことが考えられる)に離れていたり、お互いの磁気干渉の影響等が無視できる場合には、必ずしもこのように磁気信号を記録する必要はない。 磁気記録媒体1に対向して配置される磁気センサ2は、MR素子RZ1、RZ2、RZ3、およびRZ4を有しており、MR素子RZ1とRZ2は、磁気トラックTZに対向し、また、MR素子RZ3とRZ4は、磁気トラックTINCに対向して配置された構成となっている。これらのMR素子RZ1からRZ4は、図12に示すような接続回路にて接続され、電源Eとアース間に直列に接続された、MR素子RZ1とRZ4、および、RZ3とRZ2の各々の接続点から得られる出力eZとeZ’の差動出力は、図13(イ)に示すような波形となる。そこで、図2、図8および図11の機能を同一基板にまとめ構成した位置検出装置の従来技術の一例を図14に示す。磁気記録媒体1には、磁極位置検出用の磁気トラックTP0、TP1、TP2、TP3と、基準位置検出用の磁気トラックTZ、およびインクリメンタル検出用の磁気トラックTINCが記録されている。この磁気記録媒体1に対向して配置される磁気センサ2は、MR素子R1〜R8、RZ1〜RZ2、および、RI1〜RI8を有して構成され、各々のMR素子は、それぞれ対応する磁気トラックに対向して配置される構成となっている。なお、磁気トラックTZに対向する基準位置検出用の磁気抵抗効果素子RZ3およびRZ4については、図面および説明の分かりやすさのため省略している。このように構成された位置検出装置は、磁気記録媒体1および磁気センサ2の長さ(LX)が高くなり、モータ等に組み込む場合にはレイアウト上の制約を受ける。図15および図16に、実際に位置検出装置等を組み込んだ場合の一例を示す。 図15および図16は、永久磁石型リニアパルスモータM(以下、「PM型LPM」とも称する)の一例であり、移動方向の縦断面図を示したものである。
【0063】PM型LPMは、例えば磁気記録媒体1、磁気センサ2、移動台3、永久磁石4、固定子5、固定子に巻かれたコイル6、ガイドローラ7、ガイドレール8、ベース9、磁気センサ取付台10を有して構成される。一般に、この種のモ−タは、きわめて高い「推力/体格比」(すなわち、モータの体積容量に対する推進力の比)が得られるものの、位置検出用のセンサ等を無装着で駆動すると、単なるパルスモータとしての動作しかせず、例えば、光ディスク、磁気ディスク装置のような高精度位置決めサーボ等の機能が実現できない。そのため、図15に示すように位置検出のための装置が必要となる。しかしながら、図14に示すように位置検出装置を装着すると、PM型LPMの表面積が大きくなり、小型化が図れない。また、図16に示すように位置検出装置を縦置きにし装着すると、表面積は小さく抑えられるが、PM型LPMの高さが高くなり、薄型化が図れない。そこで、磁極位置検出部と他のセンサ素子グループとを、移動体の移動方向に配置する構成を創作したので以下説明する。図17に、基準位置検出部と、インクリメンタル検出部と、磁極位置検出部とを、移動体の移動方向に配置した一実施例を示す。すなわち、磁気センサ2には、基準位置検出部およびインクリメンタル検出部の各々に対応するセンサー素子グループRZ1、RZ2、および、RI1〜RI8と、磁極位置検出部に対応するセンサ素子グループR1〜R8を、所定の間隔Ld1だけ離して配置している。この間隔Ld1は、インクリメンタルセンサ素子グループの幅LW1を考慮し、インクリメンタルセンサ素子グループと、磁極位置検出部に対応するセンサ素子グループ間の最小距離となっている。また、間隔Ld1は、移動体の移動距離Lmより長くとっており、インクリメンタルセンサ素子グループで磁極位置検出部の磁気トラックTP0を検出しないよう、また、磁極位置検出センサ素子グループでインクリメンタル検出部の磁気トラックTINCを検出しないようにしている。一方、この磁気センサ2と対向する磁気記録媒体1には、前記基準位置検出部と、インクリメンタル検出部のグループと、磁極位置検出部の各々に対応するように、図17に示すように磁気トラックTZ、TINCおよびTP0を配置しており、磁気トラックTINCとTP0とは所定の間隔Ld2だけ離し、磁気トラックTP0を磁気トラックTZとTINCのほぼ中間に配置する構成としている。なお、磁気トラックTZ、TINCおよびTP0の配置関係には、これらに限られたものではない。また、磁気トラックTINCおよびTP0の磁気記録の長さLr1およびLr2は、移動体の移動距離Lmより長く、移動体の移動距離Lmに、各々の磁気センサの幅LW1およびLW2を加えたものと等しいか、それ以上の長さに設定している。すなわち、インクリメンタル部の磁気記録の長さLr1は、Lr1≧Lm+LW1となり、磁極位置検出部の磁気記録の長さLr2は、Lr2≧Lm+LW2と設定される。 また、本実施例では、磁気トラックTP0を、磁気トラックTZとTINCのほぼ中間に配置する構成としたが、図18に示すように、磁気トラックTINCと、同一トラック方向に並ぶ配置にしても良い。このような配置にすることにより、磁気信号の記録時に記録ヘッドをトラックにあわせて移動しなくても良く、記録信号の切り替えだけで良い。このため、記録に要する時間を短縮できる効果が得られる。さらに、図19に示すように、磁気トラックTP0を磁気トラックTZと同一トラック方向に並ぶ配置にしても良い。このような配置にすれば、上記効果の他に、磁気トラックTZとTP0との間の磁気干渉がないため、間隔Ld2を小さくでき位置検出装置の一層の小型化が図れることになる。
【0064】従って、図17から図19の位置検出装置PSを使用すれば、図20から図29に示すような小形、薄型のPM型LPMを提供できることになる。図20に、図15、16と同様に、PM型LPMの移動方向の縦断面図を示す。 本実施例は、位置検出装置PS(「磁気記録媒体1および磁気センサ2」のことを称する)を、PM型LPMの端部(「外側配置」と称する)に、移動方向とほぼ直角方向に取り付けて、位置検出を行なうものであり、図16に示す構成に比べ、PM型LPMの高さを低くでき、装置の薄型化が可能となる。また、位置検出装置PSは、図21に示すように、ガイドローラ7およびガイドレール8と、永久磁石4および固定子5との間に配置(「内側配置」と称する)しても良い。このような構成にすれば、外部からの塵などの進入を防止でき、位置検出装置PSの耐久性、耐環境性を向上できる効果が得られる。
【0065】さらに、位置検出装置PSは、図22および図23に示すように、移動方向と平行に配置しても良く、この場合PM型LPMの、より一層の薄型化が図れることになる。また、位置検出装置PSの配置は、図20および図21と同様に、外側配置あるいは内側配置のいずれでも良く、いずれの配置によっても同様の効果が得られる。図24に、インクリメンタル検出部と磁極位置検出部とを移動体の移動方向に配置した一実施例を示す。本実施例では、基準位置検出のみを他の方式、例えば、ギャプセンサ(磁気式ピックアップセンサ等のギャップを計測できるセンサ等)やホール素子等により行ない、かかる基準位置検出手段を別置で行う場合等に適しており、位置検出装置PSの一層の薄型化が図れる。そのため、磁気センサ2の製造歩留まりが向上し、磁気センサ2の製造コストの低減が図れる効果も得られる。
【0066】図25は、基準位置検出部と磁極位置検出部とを移動体の移動方向に配置した一実施例を示したものである。
【0067】なお、図25にて若干インクリメンタル検出用の磁気信号部を設けているが、これは基準位置の検出を精度良く行なうものであり、前述のインクリメンタル検出用のトラックとは、その性質を異にし、通常このような構成により基準位置の検出が精度良く行なわれる。
【0068】本実施例では、インクリメンタル検出部のみを他の方式、例えば、光学式エンコーダ、ホール素子等の別の手段により行う場合等、あるいは、PM型LPMを単なるパルスモータとして使用する場合等に適した構成であり、前述のように基準位置検出用の磁気トラックTINCの記録長さLrzも最小記録単位λの数個分で良く、間隔Ld2を充分に確保できる。このため、磁気トラックTINCとTP0の間における磁気干渉もなく、高精度な位置検出が可能となる。
【0069】また、図26は、図25における他の実施例を示したものであり、基準位置検出用に用いるインクリメンタル部の磁気トラック(図25のTINC)として磁極位置トラックTP0の一部を使用したものであり、磁気センサ2および磁気記録媒体1の移動方向の長さを短くできる効果が得られる。また、磁気センサ2も小型化できるため、磁気センサ2の製造歩留まりが向上し、磁気センサ2の製造コストの低減が図れる効果も得られる。この実施例における出力波形例を図13(ロ)に示す。この出力波形は、磁極位置検出部の磁気トラックTP0の磁気信号群Pでのみ最小記録単位λに対応した変化を示し、無着磁部12では変化しない波形となるが、基準位置検出部のみに着目すれば、図11〜図13に示した動作波形と全く同じであり、何等問題は生じない。
【0070】図27は、図5にて示した3相出力の磁極位置検出センサと他のセンサ素子グループとを組み合わせた実施例を示したものであり、前述した2相出力のものに対し、磁極位置検出の相数が異なるだけで、その他の組み合わせおよび効果については、全く同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0071】図28は、磁気センサ2内において磁極位置検出部をMR素子の素線方向(移動方向に対して垂直方向)に配置した実施例を示したものであり、このような構成としても図14にて示した位置検出装置に比べ、磁気トラックを3トラック分減らすことができる。また、磁極位置検出部を素線方向に配置したため、磁気センサ2および磁気記録媒体1の移動方向の長さを短くできるとともに、それぞれの磁気トラックTP0、TZ、およびTINCが、単独で構成されるため、磁気記録信号の切り替え無しに磁気記録が行え、磁気記録ミスを低減できる効果が得られる。また、この位置検出装置PSを使用したPM型LPMも、図29および図30に示すように、図16で示したPM型LPMに比べ、その高さを低くして、小型化を図ることができる。
【0072】図31に、PM型LPMの制御回路図の一例を示す。本制御回路は、カウンタ101、ROM102、103、D/A変換器104、105、アンプ106、107、信号処理回路110、位置検出装置PS、PM型LPMを有して構成される。
【0073】また、カウンタ101、ROM102、103、D/A変換器104、105、アンプ106、107等は、例えばC−MOS、抵抗、オペレーションアンプ、半導体素子等の電子デバイスによって実現される。
【0074】また、PM型LPMには、位置検出装置PSが装着されており、その出力信号として、例えば、磁極位置信号P、インクリメンタル信号INC:AおよびINC:B、基準位置信号Zがある。
【0075】P信号は、カウンタ101に、INC:AおよびINC:B信号は、信号処理回路110を介してカウンタ101に入力される。また、Z信号は、外部回路に入力される。
【0076】ここに外部回路としては、例えばオーバラン防止等のため、モータ電源を切断するための回路等が考えられる。
【0077】信号処理回路110は、PM型LPMの移動方向、すなわち位置検出装置PSの移動方向をINC:AおよびINC:B信号により判別し、UP信号、DOWN信号を出力し、該信号はカウンタ101に入力される。さらにカウンタ101の出力信号は、A相用のROM102およびB相用ROM103のアドレス信号として用いられる。また、磁極位置信号Pは、カウンタ101のリセット信号として用いており、PM型LPMの磁極位置(NおよびS)ごとに、カウンタ101をリセットし、ROM102およびROM103に格納されている、磁極位置に対応した1サイクルのデータを繰り返し使う構成としている。
【0078】A相用のROM102およびB相用ROM103の正弦波データは、それぞれD/A変換器104およびD/A変換器105に入力される。D/A変換器104およびD/A変換器105は、電流指令に応じた出力振幅(例えば、電流指令が零の時は、出力振幅を零とする)を出力し、アンプ106および107を介してPM型LPMのコイル108および109に接続され、モータ電流を通電し、PM型LPMを精度良く制御している。
【0079】以上の説明では、リニアモータを例にとり説明したが、図32に示す回転型の制御モータに適用しても良い。制御モータ202は固定されており、モータ軸203には磁気ドラム201を装着している。磁気ドラム201は、3つのトラックTP0、TZおよびTINCを有し、トラックに対向するように磁気センサ2を、支持台204を用いて固定している。磁気センサ2には、MR素子(図中「R」で示した部分)が、各々の磁気トラックに対向して配置されている。上記構成により、図28に示す位置検出装置と全く同じ動作が行なわれ、制御モータ202を高精度で制御できることとなる。なお、以上の説明に用いた磁気記録媒体は、非磁性体に磁性塗料を塗布したものであったが、樹脂等と磁性材をバインドした、プラスチックマグネット等を使用しても良い。この場合、磁気記録媒体表面の研磨、切削加工等が容易になり、作業効率が向上する効果が得られる。さらに、MR素子は、強磁性体磁気抵抗効果素子あるいは半導体磁気抵抗効果素子のいずれでも同様の動作をするので、いずれを使用しても同じ効果が得られることになる。また、前記MR素子と同様な動作をする磁電変換素子を使用しても、同じ効果が得られる。
【0080】すなわち、磁気信号の変化に対応して、例えば抵抗変化を生ずる素子であれば、MR素子に限られない。本発明では、将来のデバイス技術の成熟に対応して、MR素子より低価格、高精度の素子が発明された場合、その素子を用いても実現できる構成となっている。
【0081】
【発明の効果】本発明によれば、簡単な構成で、磁気記録媒体の磁気トラックの磁極位置等の検出が可能となる。また、検出誤差の少ない小型の位置検出装置を提供できる。




 

 


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