磁気式エンコーダ用磁気スケールおよびその製造方法
【課題】分解能を高く設定でき小型化が可能であり、製造工程が簡略である磁気式エンコーダ用磁気スケールを提供する。
【解決手段】非磁性体基板上に一定の形状の硬磁性体と、一定の形状の軟磁性体を交互に１個ずつ配置し、非磁性体基板の表面と垂直方向に硬磁性体を着磁して、磁気スケールを構成する。ストライプ形状の硬磁性体と軟磁性体を平面上に交互に１個ずつ平行なストライプパターンとして形成し、ストライプと直交する方向のリニアスケールを構成する。また、円盤状非磁性体の円盤面上に硬磁性体と軟磁性体を円盤の中心を通る直線状パターンとし等角度に交互に１個ずつ配して、円盤状の磁気スケールを構成する。硬磁性体部分を非磁性体基板の表面に垂直な同一方向に着磁することによって狭ピッチで磁界分布が急峻な磁気スケールを得る。
【解決手段】非磁性体基板上に一定の形状の硬磁性体と、一定の形状の軟磁性体を交互に１個ずつ配置し、非磁性体基板の表面と垂直方向に硬磁性体を着磁して、磁気スケールを構成する。ストライプ形状の硬磁性体と軟磁性体を平面上に交互に１個ずつ平行なストライプパターンとして形成し、ストライプと直交する方向のリニアスケールを構成する。また、円盤状非磁性体の円盤面上に硬磁性体と軟磁性体を円盤の中心を通る直線状パターンとし等角度に交互に１個ずつ配して、円盤状の磁気スケールを構成する。硬磁性体部分を非磁性体基板の表面に垂直な同一方向に着磁することによって狭ピッチで磁界分布が急峻な磁気スケールを得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の磁極が着磁された直線移動体、あるいは回転体を磁気スケールとし、その変位を磁気センサによって検出する方式の磁気式エンコーダ用の磁気スケールとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気式エンコーダは、従来、磁性体を含む樹脂を成形してなる磁気媒体に着磁して製作した磁極列を備えた磁気媒体を移動させ、磁気媒体の変位を磁気センサ１１により検出する構成とするものであり、その例を図１３および図１４に示す。図１３（ａ）は直線運動する非磁性体基板１００上に形成された磁気媒体１０１の運動方向と平行に磁極を着磁して磁気スケールとし、磁気センサ１１１で直線運動を検出するものである。図１３（ｂ）は、磁気媒体１０１が回転する非磁性体円盤１０３の側面上に形成され、非磁性体円盤１０３円周の接線方向に着磁して磁気スケールとし、磁気センサ１１１で回転を検出するものである。（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
このような磁気式エンコーダは、一般に、磁気媒体の面内方向に着磁して磁気スケールを形成し、磁気スケールが移動することにより磁界の強弱を磁気センサにより電気信号に変換して位置検出を行う。直線運動を検出するものが図１３（ａ）に示すリニアエンコーダであり、回転運動を検出するものが図１３（ｂ）に示すロータリエンコーダである。図１３（ａ）のリニアエンコーダでは、磁気スケール１１０が直線運動することによって磁気センサ１１１の磁界検出面を垂直に通過する磁界強度が変化し、磁界強度の変動する回数を検出することにより、非磁性基板１００が装着された移動体の移動量を検出する。
【０００４】
従来のリニアエンコーダ用磁気スケール１１０について図１４により説明する。樹脂中に磁性粉を含ませて磁気媒体としたいわゆるプラスチックマグネットを材料とした従来の磁気スケール１１０においては、スケールとして使用するプラスチックマグネットの表面にＮ極、Ｓ極の磁極が交番するように着磁する。すなわちN極−S極の磁極方向の磁区に隣接してS極−N極となる磁極方向の磁区が形成され、磁極の向きが交互に逆になるように着磁を行う。着磁ピッチについては、例えばＮ極から隣り合うＮ極までを一組として繰り返されるピッチを1ピッチとしている。現状でのプラスチックマグネットを材料とした磁気スケールの最小ピッチは、ほぼ１００μｍである。磁気センサは１００μｍ程度のピッチの磁界変化を検出する必要があるため、磁気により電気抵抗が変化し、その電気抵抗の変化を電気信号として取り出す磁気抵抗効果センサが主に用いられる。磁気式エンコーダでは、得られる信号を分周して信号とし着磁ピッチ以下の位置信号を得る。
【０００５】
一般的に精度の高いエンコーダについては、直線運動検出、回転検出の両方式とも従来、光学式が多用されているが、近年、機械加工設備や印刷機などの事務機器中で、加工オイル、印刷用インキなど液摘状の液体が飛散している環境で動作する精密位置制御用のエンコーダが必要になっている。光学式エンコーダでは、このような使用環境下では油やごみの付着によって位置検出エラー発生の恐れがあり、光学式に変わって磁気式が必要とされている。
【０００６】
また、印刷機などの事務機器中においては機器の外形について小型化の要求が大きく、エンコーダを設置する容積を小さくすることが要求されている。光学式エンコーダにおいては、すでに外径１０ｍｍ以下のロータリエンコーダが商品化されているが、磁気式エンコーダにおいても光学式と同様に小型のエンコーダが必要とされつつある。
【特許文献１】特開平１０−３００５１４号公報
【特許文献２】特開平１０−1７０２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来磁気式エンコーダにおいての着磁ピッチは、光学式エンコーダのピッチに比較すると着磁方法の制限から１００μｍ以上の大きなものであった。図１４に示す従来の磁気媒体１０１の表面に着磁する磁気スケール１１０の製造方法では、着磁ヘッド１２０を磁気媒体であるプラスチックマグネット１０１に近接して設置し相対的に移動させて、位置出しをしたうえ着磁を行う。プラスチックマグネット１０１に対して磁気ヨーク１２１を近接してプラスチックマグネット１０１の表面に磁気信号を書き込みリニアエンコーダ用磁気スケール１１０とする場合、N極とS極がプラスチックマグネット１０１の表面で交互に逆向きになるよう着磁を行う。このため着磁ピッチが小さい場合には、隣接した信号の着磁に際し重畳して書き込む現象が発生し、記録された磁気強度が著しく低下し分解能が悪くなる問題点がある。このため磁気式エンコーダの着磁ピッチは光学式エンコーダのスケールのピッチに比較すると一般的に大きい。磁気式エンコーダにおいて光学式エンコーダと同様のピッチが実現できれば、光学式と同様に高分解能とすることができるが、このためには磁気スケール自体の着磁方式を変更して従来と比較し分解能の高いものとする必用がある。
【０００８】
精密な位置制御を必要とする機器中で設置に要する容積を小さくするためにも、磁気式エンコーダの小型化が要求されており、エンコーダ小型化のために着磁ピッチが小さな磁気スケールが開発されることが必要である。光学式と同様に直径１０mm以下の外径を持つロータリエンコーダを実現し、１回転２５６パルスあるいは５１２パルスの出力を得るためには、ピッチが１０μｍから５００μｍの寸法の磁気スケールを製作することが必用である。
【０００９】
また、従来の磁気媒体に着磁して製作した磁気スケールにおいては、磁気センサの感度を得るために磁気スケールと磁気センサ間の距離を数１０μｍと非常に小さくする必要がある。磁気スケールとセンサ間は、接触を避ける程度にできるだけ小さな間隔とし、かつこの間隔を一定に保つことが必用である。この距離を大きくできることが実用上必要であり、このため磁気スケールから発生する磁界強度が大きい必要がある。
【００１０】
従来例製造工程の磁気スケール着磁工程においては、図１４に示したようにプラスチックマグネット１０１の表面に着磁を行う。このため、プラスチックマグネット１０１を一定のピッチで送り磁気ヘッド１２０の磁気ヨーク１２１で着磁することが必用である。このために着磁装置に精度の高い送り機構が必用であり、また着磁工程に要する時間は、N極−S極、あるいはS極−N極、それぞれ１磁区毎の書き込み時間の累積時間が必要である。磁気ヘッドにより着磁する方式ではなく、一度に着磁可能な構造をあらかじめ製作できれば、着磁精度をあげることとともに、着磁工程に要する時間の短縮が可能となる。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で分解能を充分に向上させることができ、かつ製造工程が簡単な磁気式エンコーダ用磁気スケールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上のような課題を解決するために、本発明では、磁気媒体上に記録された磁気信号列として作用する磁気スケールと、この磁気媒体に対向して配置された磁気センサとを備え、この磁気媒体が磁気センサの感磁部直近を移動するよう配置された構成の磁気式エンコーダ用の磁気スケールにおいて、非磁性体基板上に複数個の一定形状の硬磁性体と、複数個の一定形状の軟磁性体を交互に１個おきに配列して、磁気信号列の記録体としたことを特徴とする。
【００１３】
本願出願人らは、従来のプラスチックマグネット上に形成される磁極を交互に逆にして着磁された磁石の磁界と異なり、着磁されている磁極は一方向のみでありながらスケール表面にはＮ極とＳ極が交互に並べられた磁界が形成されている新たな発想の磁気スケールを発明した。本発明は、硬磁性体と軟磁性体を交互に1個おきに配列した構造において、着磁された硬磁性体に隣接する軟磁性体に逆向きの磁界が形成される現象を利用しており、磁気センサのセンサ面を硬磁性体と軟磁性体表面の平面に対向させて設置することによって、磁界の変化を検出し磁気式エンコーダを構成するものである。
【００１４】
本発明において、前記硬磁性体は、磁気スケールの表面に垂直な同一方向に着磁されて複数個配列されており、前記硬磁性体の間に設置された複数個の軟磁性体においては、隣接する硬磁性体に対してＮ極およびＳ極の位置が反転した磁界が発生する。この結果、Ｎ極およびＳ極の位置が交互に反転した磁性体列の配置が形成される。従って、かかる磁性体の配列に対して磁気センサのセンサ面を磁性体列の表面に対向させて配置して磁気式エンコーダを構成することができる。
【００１５】
また、本発明では、磁気センサのセンサ面を硬磁性体および軟磁性体の磁極面に対して水平に近接して配置することが可能で、磁界強度の大きい部位にセンサ面を置き検出精度を向上することが可能である。
【００１６】
本発明において、前記硬磁性体と前記軟磁性体の形状は、それぞれ幅が１０μｍから５００μｍの範囲の線状形状であることを特徴としている。
【００１７】
本発明において、隣接する前記硬磁性体と前記軟磁性体間は、接触せず磁気的に空隙があることが好ましい。
【００１８】
本発明において、前記硬磁性体は、例えば、Fe−Co系の磁性体、前記軟磁性体は、例えばＦｅ−Ni系の磁性体で構成される。
【００１９】
本発明において、硬磁性体の線状形状、あるいは軟磁性体の線状形状は、磁性体の内部をさらに細かく分割した平行線状パターンあるいは点状パターンの集合として構成された線状形状であってもよい。
【００２０】
本発明の磁気式エンコーダ用磁気スケールの製造法は、めっきにより硬磁性体および軟磁性体を非磁性基板上に形成する工程、および硬磁性体を着磁する工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明では、板状の非磁性体にフォトレジストを塗布、現像し、めっきを行う部位以外をフォトレジストでカバーする。めっき液は、Ｆｅ−Ｃｏ系は硫酸コバルト、硫酸第一鉄を成分とするめっき液を用い、Ｆｅ−Ni系は市販のめっき液を用い電気めっきを行う。要求される磁気特性に応じてめっき液の組成比を調整することが好ましい。第１の磁性材のめっきが終了した時点で水洗しめっき液を除去した後、フォトレジストを除去する。再度フォトレジスト層を設け、めっきを行う部位以外をカバーしたうえ、第２の磁性材のめっきを行い磁性材が配列された構造を形成する。こののち、磁気スケールとして固定するための穴形状、あるいはシャフトを挿入固定する穴形状を形成したうえ、外形状を切り離す。切り離された磁気スケール素材に熱処理を加えたのち、めっきされた硬磁性体の厚み方向に着磁することで、磁気式エンコーダ用磁気スケールを得る。
【発明の効果】
【００２２】
本発明においては、硬磁性体と軟磁性体のパターンをフォトリソグラフィにより作製したレジストの開口部にめっきを行うため、フォトリソグラフィにより製作するマスクパターンの開口部幅の寸法が磁気スケールの磁性体の線状形状の幅となる。硬磁性体及び軟磁性体の線状形状パターンは、それぞれフォトリソグラフィによりパターンを形成したうえ、それぞれの磁性材料をめっきするため、磁気スケールのピッチ寸法は、マスクの開口部のピッチとしてそのまま反映され、マスク露光時に発生するマスク相互間の位置ずれを反映しない。したがって、従来のピッチ送りを行いつつ着磁をする製法に比較して、ピッチのばらつきの少ない磁気スケールを容易に製作することが可能である。フォトリソ用マスクパターンのピッチ寸法ばらつきの精度は、１μｍ以下に抑えることが可能であり１μｍ以下のピッチ精度の磁気スケールを製作することができる。
【００２３】
また本発明では、硬磁性体及び軟磁性体のパターンを形成するのに、フォトリソグラフィによりパターンを形成したうえでそれぞれの磁性材料をめっきするため、パターンの作成可能な寸法が磁気スケールの大きさと等しいことになる。従って、従来のピッチ送りを行って着磁をする製法に比較して寸法が小さい磁気スケールを容易に製作することが可能である。フォトリソパターンにより作成できる開口部の最小幅は数μｍであるため、数μｍ幅の磁性体パターンが可能であり、最小１０μｍピッチの磁気スケールを製作することが容易に可能である。
【００２４】
上記の効果より、例えば直径１０ｍｍの外径を持つロータリエンコーダにおいて、非磁性基板円盤の直径８ｍｍの円周上に２５６ピッチのパターンを作製する場合には、ピッチがほぼ１００μｍとなり、このピッチの磁性体パターンによる磁気スケールを製作することが充分可能である。本発明によれば超小型の磁気式エンコーダ用磁気スケールが製作可能である。
【００２５】
本発明においては硬磁性体の線状形状、あるいは軟磁性体の線状形状を、単一で一様な形状とせず、複雑な形状として形成が可能である。たとえば、磁性体の内部をさらに細かく分割した平行線状パターンあるいは点状パターンの集合として構成された線状形状とすることができる。このパターンの形状を利用して、磁気特性を単一で一様な線状形状と異なる磁気特性を得ることができる。例えば平行線状パターンよりなる軟磁性体線状形状パターンは、一様な軟磁性体線状形状パターンと比較して、見掛け上の比透磁率を大きくできるという利点がある。
【００２６】
本発明による製法は、従来の１個ずつ着磁方向を変えて磁気信号を書き込む工程に比較して、硬磁性体のみを１方向に着磁する工程で磁気スケールを形成できることを特徴とする。硬磁性体の線状形状を、表面にたいして垂直方向に一度着磁するだけで着磁工程とすることができるため、簡単な工程で位置精度の高い磁気スケールを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用したリニアエンコーダ用磁気スケールの構成を模式的に示す斜視図と断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る磁気式エンコーダにおける磁気スケールと磁気センサとの位置関係を示す説明図と、磁気センサの等価回路である。
【００２９】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の磁気スケール１０は、線状形状の硬磁性体２と、線状形状軟磁性体３とからなる磁性体パターンの配列からなる磁気スケールであって、非磁性体基板１上に形成されている線状形状の硬磁性体２は、非磁性体基板１の平面と垂直な方向に着磁されている。図３では、非磁性体基板１側の面がS極になり、非磁性体基板１の反対側の面がN極になるよう着磁されている。
【００３０】
本形態の磁気スケール１０について有限要素法による磁気シミュレーションを行った。図5は、磁気シミュレーションの条件を説明する図であり、断面が幅２００μｍ高さ３００μｍの線状形状の硬磁性体の間に１００μｍの間隔を置いて断面が幅２００μｍ高さ３００μｍの線状形状の軟磁性体が置かれている場合の磁性体表面での磁場強度の計算を行った。図６は、シミュレーション結果を示すが、磁性体表面の位置における表面と垂直方向の磁場強度をグラフにしたものである。図６では、硬磁性体が４００ｍTで着磁されており磁界が発生している場合に、硬磁性体の間に置かれた軟磁性体の上面では、磁束密度の絶対値が最も大きい場所で−７７ｍTの磁界が発生している。すなわち硬磁性体パターンの間に置かれた軟磁性体上で磁極が逆転した磁界が発生しており、この磁束密度分布を磁気スケールの磁界信号として使用することが可能である。本形態の磁気リニアエンコーダにおいて、硬磁性体２上では、図３に示すように、磁場が垂直に上向きに、軟磁性体３上では、磁場が下向きになり、隣接する磁性体パターン間で磁界の向きが変化する回転磁界が形成されている。
【００３１】
シミュレーションに使用した軟磁性体は、透磁率が大きいＦｅ−Ｎｉ合金（Ｆｅ２２％、Ｎｉ７８%）とし、初透磁率を３００００とするヒステリシスカーブをもつ磁気特性データを使用した。硬磁性体は、サマリウムコバルト磁石を想定して、４００ｍTの表面磁束となるよう着磁されているとした。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、磁性体パターンの配列からなる本形態の磁気スケール１０は、磁気センサ１１と対向して設置されており、磁気センサ１１と磁気スケール１０とが図の横手方向に相対移動することにより、その相対位置を検出する。例えば、工作機械などのエンコーダが実装される装置において、磁気センサ１１あるいは磁気スケール１０の一方を固定し、他方を装置の移動部分に配置しておけば、固定部に対する移動部の移動速度や移動距離を検出することができる。
【００３３】
磁気センサ１１には、磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３が基板１８上に形成されており、増幅記などの回路素子、磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３と回路素子を接続するリード線などの電気配線が内蔵されており、磁気抵抗素子１２の表面がセンサ面として機能する。基板１８は、ガラス基板や、セラミックグレーズ基板であり、基板１８の表面に形成してある磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３は、強磁性体Ｎｉ−Ｆｅ等の磁性体膜からなる抵抗パターンよりなる。基板１８は、エンコーダの仕様に応じて、シリコン基板、フェライト基板なども使用される。図２に示されるように磁気センサの感磁部である磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３の抵抗値は、ほぼ等しく設定され、その中点電位を電極１６より出力するよう構成されている。また磁気センサ１１においては、基板１８上に磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３が形成されている面の裏側をセンサ面とすることもある。
【００３４】
図３によって磁気センサ１１と磁気スケール１０を組み合わせた場合の動作について説明する。磁気スケール１０上の硬磁性体２と軟磁性体３によって、磁気スケール１０の移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶ線状形状パターンが形成されており、本実施例では、硬磁性体２の間隔すなわちN極とN極間を１ピッチとするとき磁気センサの対応する位置が移動方向で４分の１ピッチ分ずれている。
【００３５】
図３に示すように硬磁性体２の直上に磁気抵抗素子１２があり、軟磁性体３の直上よりずれた場所に磁気抵抗素子１３がある場合には、磁気抵抗素子１２の抵抗が小さくなり、磁気抵抗素子１３の抵抗は磁界が印加されない状態のままで変化せず、相対的に磁気抵抗素子１２の抵抗値より大きい。磁気抵抗素子１２と磁気抵抗素子１３の等価回路が図２（ｂ）のように示されて、磁気抵抗素子１２と磁気抵抗素子１３の電極１６の電位は、図３の状態では、電源電圧の２分の１より大きくなる。
【００３６】
図３に示す状態の硬磁性体２の直上より磁気センサ１１が移動し、硬磁性体２と軟磁性体３の間に磁気抵抗素子１２が移動した場合には、磁気抵抗素子１２の抵抗は磁界がかからない状態の抵抗に戻り、磁気抵抗素子１３は、硬磁性体２の直上になり磁気抵抗素子１３の抵抗が小さくなる。したがって、磁気スケールの移動につれて接続点１６の電位は下がる。磁性体パターンと磁気センサの位置により電圧を測定することによって、磁気センサ１１と磁気スケール１０との移動量を電気信号に変換することができる。
【００３７】
従って、本形態の磁気スケール１０を使用した磁気式エンコーダでは、硬磁性体２と軟磁性体３が形成されているピッチと磁気センサの移動速度に応じて磁気センサ１１より電気信号が出力され、その電気信号より磁気スケール１０と磁気センサ１１との相対移動速度や相対移動距離を検出することができる。
【００３８】
非磁性基板として長さ３０ｍｍ幅１４ｍｍ厚さ０.５ｍｍの銅板を使用し、その上面に長さ１０ｍｍ幅３０μｍの硬磁性体パターンと軟磁性体パターンを交互に６０μｍピッチで、めっきにより形成した。それぞれ同種の磁性体間のピッチは１２０μｍとなる。硬磁性体はＦｅ−Ｃｏ合金のめっき、軟磁性体はＦｅ−Ｎｉ合金のめっきによりそれぞれほぼアスペクト比１の正方形に近い断面を持つストライプ形状とした。Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成比は、Ｆｅ４５%、Ｃｏ５５%であった。Ｆｅ−Ｎｉ合金は、組成比Ｆｅ２０%、Ｎｉ８０%であった。一様に０．７５Tの磁束密度の磁界を印加してＦｅ−Ｃｏ合金の着磁を行った。
【実施例２】
【００３９】
図４（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用したリニアエンコーダ用磁気スケールの構成を模式的に示す斜視図および断面図である。本発明の実施の形態２に係る磁気式エンコーダにおける磁気スケールと磁気センサとの位置関係は、実施例１と同様であり図２および図３によって説明される。
【００４０】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の磁気スケール１０は、硬磁性体のパターン２１と、軟磁性体パターン３１とからなる磁性体パターンの配列からなる磁気スケールであって、非磁性体基板１上に形成されている。硬磁性体のパターン２１は、非磁性体基板１の平面と垂直な方向に着磁されている。図４（ｂ）では、非磁性基板１側の面にS極が、非磁性基板１に対抗する側の面にN極が着磁されている。
【００４１】
図4（ａ）、（ｂ）によって、軟磁性体パターン３１の内部構造について説明する。非磁性基板１上に硬磁性体パターン２１と軟磁性体パターン３１が移動方向に沿って交互に並ぶ構造が形成されていることは実施例１と同様であるが、本実施例では、軟磁性パターン３１が分割され微小なストライプパターンより形成されている。
【００４２】
図２に示すように、磁性体パターンが配列された本形態の磁気スケール１０は、磁気センサ１１と対向して設置されており、磁気センサ１１と磁気スケール１０とが長手方向に相対移動することにより、その相対位置を検出する。
【００４３】
図７および図９により本形態の磁気スケール１０においての有限要素法による磁気シミュレーションの条件を説明する。図７および図９において、硬磁性体および軟磁性体の外形状と配置および、硬磁性体の着磁強度は図5と同一である。図７は、軟磁性体の線状形状が３つの薄い板状に分割されており、図９は軟磁性体の線状形状が６つの板状に分割された場合を示している。図７の磁性体表面に於ける磁場強度をグラフにしたものが図８であり、図９の磁性体表面に於ける磁場強度をグラフにしたものが図１０である。図６の軟磁性体上面では、上下方向の磁束密度の絶対値が最も大きい場所で−７７ｍTの磁界が発生しているのに対して、図８および図１０では、−８３ｍＴ、あるいは−１１０ｍＴの値となっている。すなわち硬磁性体２１の間に置かれた軟磁性体３１上の磁界は、軟磁性体３１内がさらに細かいストライプパターンに分割されることによって、見かけ上の透磁率があがり、軟磁性体線状形状上の磁場強度をあげることができる。
【００４４】
硬磁性体２１が着磁されて、図面上方向へ向く磁界を持つとき軟磁性体３１には、図面下方向へ向く磁界が発生し、磁気スケール１０の平面に垂直な方向の向きが変化する磁界が形成される。実施例１の磁場解析の結果図６と比較すると、図８あるいは図１０では軟磁性体３１を通過する、図面下方向の磁界が大きいことが分かる。
【００４５】
従って、本形態の磁気スケール１０を使用した磁気式エンコーダでは、磁気センサ１１で検出できる出力を大きくでき、ノイズレベルの低い位置信号を得ることができる。
【実施例３】
【００４６】
上記形態はいずれも、磁気式エンコーダをリニアエンコーダとして構成した例であったが、本発明による磁気スケールによってロータリエンコーダを構成できる。図１１（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用したロータリエンコーダ用磁気スケールの構成を模式的に示す斜視図および断面図である。図１２は、本発明の実施の形態３に係る磁気式ロータリエンコーダにおける磁気スケール１０と磁気センサ１１との平面的な位置関係を示す説明図である。
【００４７】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の磁気スケールは、硬磁性体２と、軟磁性体３とからなる磁性体パターンの配列からなる磁気スケールであって、非磁性体基板１上に形成されている。硬磁性体２は、非磁性体基板１の平面と垂直な方向に着磁されている。図１１では、非磁性体基板１側の面にS極が、非磁性体基板１の反対側の面にN極が着磁されている。
【００４８】
図１２に示すように、円盤状の非磁性基板１上に形成された磁性体パターンの配列からなる本形態の磁気スケール１０は、磁気センサ１１と、対向して設置されており、磁気スケール1０が回転し磁性体パターンが回転方向に移動することにより、その相対位置を検出する。例えば、工作機械などの実装装置において、磁気スケール１０の中心を回転軸に固定し、磁気スケールが回転するよう配置すれば、対向して配置された磁気センサ１１の電気出力により回転角や回転速度を検出することができる。
【００４９】
磁気スケール１０と磁気センサ１１を組み合わせて場合の動作については、実施例１と同様であり説明を省略する。
【００５０】
ロータリエンコーダ用の磁気スケールにおいても、実施例２と同様の軟磁性体の矩形線状パターンを分割して微小なストライプパターンより形成されている構成とすることも可能であるが、動作および効果は同様であり説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
従来の小型で高精度の磁気スケールとしては、プラスチックマグネットに着磁を行ったものが使用されている。本発明の磁気スケールによる磁気式エンコーダは、より小型化と高精度化が可能である。
【００５２】
また、プラスチックマグネットを使用したものと比較して温度に対するスケールの安定性を高くすることが可能であり、非磁性基板の材質を膨張係数の小さい材質を選定することによって温度補正が不要なスケールを構成することが可能となる。温度による磁気スケールの位置ずれが、非磁性基板の熱膨張によって発生する。従来のプラスチックマグネットを材料とする磁気スケールの場合は、熱膨張が大きいため温度補償を行って使用されるが、非磁性基板としてセラミックあるいは石英ガラスを使用することによって、温度補償を必要としない磁気スケールとすることができる。
【００５３】
また放射線損傷に対してもプラスチックスより耐性が高いため、放射線が使用される環境での精度を要求される位置制御に使用可能な磁気スケールとすることができる。従って放射線を使用する医療機器や、宇宙空間においての位置制御を精密に行うための磁気式エンコーダを作製することが可能となる。これらの用途には、光学式エンコーダは内部に半導体を材料とする受光素子が使用されており、放射線を起因とするノイズが大きいため使用できない。精度の高い磁気式エンコーダが要求される産業分野である。
【００５４】
磁気式エンコーダの磁気媒体をめっきによって作成する本方法は、磁気媒体の薄型化、軽量化が図れるうえに、狭ピッチ化も可能である。ロータリエンコーダとして小型、軽量化でき、分解能を高くできる。本発明によれば、従来の光学式エンコーダが使用されなかった環境で使用可能な磁気式エンコーダが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用したリニアエンコーダ用磁気スケールの構成を示す斜視図、および断面図である。（実施例１）
【図２】（ａ）、（ｂ）は各々、本発明に係る磁気スケールと磁気センサとの位置関係を示す説明図と、磁気センサの等価回路である。（実施例１）
【図３】本発明に係る磁気式エンコーダにおいて、磁気スケールと磁気センサの位置関係を示す説明図である。（実施例２）
【図４】（ａ）、（ｂ）は各々、本発明に係る本発明を適用したリニアエンコーダ用磁気スケールの構成を示す斜視図、および断面図である。（実施例２）
【図５】本発明の磁気スケールにおける磁界強度のシミュレーションの説明図である。（実施例１）
【図６】本発明の実施例における磁界強度のシミュレーション結果である。（実施例１）
【図７】本発明の磁気スケールにおける磁界強度のシミュレーション条件の説明図である。（実施例２）
【図８】本発明の実施例における磁界強度のシミュレーション結果である。（実施例２）
【図９】本発明の磁気スケールにおける磁界強度のシミュレーション条件の説明図である。（実施例２）
【図１０】本発明の実施例における磁界強度のシミュレーション結果である。（実施例２）
【図１１】（ａ）、（ｂ）は各々、本発明に係る磁気式ロータリエンコーダ用磁気スケールの構成を示す斜視図、および断面図である。(実施例3)
【図１２】本発明に係る磁気式ロータリエンコーダにおける磁気スケールと磁気センサとの位置関係を示す説明図である。（実施例３）
【図１３】（ａ）、（ｂ）は各々、従来の磁気式エンコーダの説明図である。
【図１４】従来の磁気式エンコーダの製造方法の説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１、１００ 非磁性基板
２、２１ 硬磁性体
３、３１ 軟磁性体
１０、１１０ 磁気スケール
１１、１１１ 磁気センサ
１２、 １３ 磁気抵抗素子
１５、１６、１７ 電極
１８ 基板
１０１ 磁気記録媒体
１０３ 非磁性体円盤
１２０ 磁気ヘッド
１２１ 磁気ヨーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の磁極が着磁された直線移動体、あるいは回転体を磁気スケールとし、その変位を磁気センサによって検出する方式の磁気式エンコーダ用の磁気スケールとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気式エンコーダは、従来、磁性体を含む樹脂を成形してなる磁気媒体に着磁して製作した磁極列を備えた磁気媒体を移動させ、磁気媒体の変位を磁気センサ１１により検出する構成とするものであり、その例を図１３および図１４に示す。図１３（ａ）は直線運動する非磁性体基板１００上に形成された磁気媒体１０１の運動方向と平行に磁極を着磁して磁気スケールとし、磁気センサ１１１で直線運動を検出するものである。図１３（ｂ）は、磁気媒体１０１が回転する非磁性体円盤１０３の側面上に形成され、非磁性体円盤１０３円周の接線方向に着磁して磁気スケールとし、磁気センサ１１１で回転を検出するものである。（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
このような磁気式エンコーダは、一般に、磁気媒体の面内方向に着磁して磁気スケールを形成し、磁気スケールが移動することにより磁界の強弱を磁気センサにより電気信号に変換して位置検出を行う。直線運動を検出するものが図１３（ａ）に示すリニアエンコーダであり、回転運動を検出するものが図１３（ｂ）に示すロータリエンコーダである。図１３（ａ）のリニアエンコーダでは、磁気スケール１１０が直線運動することによって磁気センサ１１１の磁界検出面を垂直に通過する磁界強度が変化し、磁界強度の変動する回数を検出することにより、非磁性基板１００が装着された移動体の移動量を検出する。
【０００４】
従来のリニアエンコーダ用磁気スケール１１０について図１４により説明する。樹脂中に磁性粉を含ませて磁気媒体としたいわゆるプラスチックマグネットを材料とした従来の磁気スケール１１０においては、スケールとして使用するプラスチックマグネットの表面にＮ極、Ｓ極の磁極が交番するように着磁する。すなわちN極−S極の磁極方向の磁区に隣接してS極−N極となる磁極方向の磁区が形成され、磁極の向きが交互に逆になるように着磁を行う。着磁ピッチについては、例えばＮ極から隣り合うＮ極までを一組として繰り返されるピッチを1ピッチとしている。現状でのプラスチックマグネットを材料とした磁気スケールの最小ピッチは、ほぼ１００μｍである。磁気センサは１００μｍ程度のピッチの磁界変化を検出する必要があるため、磁気により電気抵抗が変化し、その電気抵抗の変化を電気信号として取り出す磁気抵抗効果センサが主に用いられる。磁気式エンコーダでは、得られる信号を分周して信号とし着磁ピッチ以下の位置信号を得る。
【０００５】
一般的に精度の高いエンコーダについては、直線運動検出、回転検出の両方式とも従来、光学式が多用されているが、近年、機械加工設備や印刷機などの事務機器中で、加工オイル、印刷用インキなど液摘状の液体が飛散している環境で動作する精密位置制御用のエンコーダが必要になっている。光学式エンコーダでは、このような使用環境下では油やごみの付着によって位置検出エラー発生の恐れがあり、光学式に変わって磁気式が必要とされている。
【０００６】
また、印刷機などの事務機器中においては機器の外形について小型化の要求が大きく、エンコーダを設置する容積を小さくすることが要求されている。光学式エンコーダにおいては、すでに外径１０ｍｍ以下のロータリエンコーダが商品化されているが、磁気式エンコーダにおいても光学式と同様に小型のエンコーダが必要とされつつある。
【特許文献１】特開平１０−３００５１４号公報
【特許文献２】特開平１０−1７０２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来磁気式エンコーダにおいての着磁ピッチは、光学式エンコーダのピッチに比較すると着磁方法の制限から１００μｍ以上の大きなものであった。図１４に示す従来の磁気媒体１０１の表面に着磁する磁気スケール１１０の製造方法では、着磁ヘッド１２０を磁気媒体であるプラスチックマグネット１０１に近接して設置し相対的に移動させて、位置出しをしたうえ着磁を行う。プラスチックマグネット１０１に対して磁気ヨーク１２１を近接してプラスチックマグネット１０１の表面に磁気信号を書き込みリニアエンコーダ用磁気スケール１１０とする場合、N極とS極がプラスチックマグネット１０１の表面で交互に逆向きになるよう着磁を行う。このため着磁ピッチが小さい場合には、隣接した信号の着磁に際し重畳して書き込む現象が発生し、記録された磁気強度が著しく低下し分解能が悪くなる問題点がある。このため磁気式エンコーダの着磁ピッチは光学式エンコーダのスケールのピッチに比較すると一般的に大きい。磁気式エンコーダにおいて光学式エンコーダと同様のピッチが実現できれば、光学式と同様に高分解能とすることができるが、このためには磁気スケール自体の着磁方式を変更して従来と比較し分解能の高いものとする必用がある。
【０００８】
精密な位置制御を必要とする機器中で設置に要する容積を小さくするためにも、磁気式エンコーダの小型化が要求されており、エンコーダ小型化のために着磁ピッチが小さな磁気スケールが開発されることが必要である。光学式と同様に直径１０mm以下の外径を持つロータリエンコーダを実現し、１回転２５６パルスあるいは５１２パルスの出力を得るためには、ピッチが１０μｍから５００μｍの寸法の磁気スケールを製作することが必用である。
【０００９】
また、従来の磁気媒体に着磁して製作した磁気スケールにおいては、磁気センサの感度を得るために磁気スケールと磁気センサ間の距離を数１０μｍと非常に小さくする必要がある。磁気スケールとセンサ間は、接触を避ける程度にできるだけ小さな間隔とし、かつこの間隔を一定に保つことが必用である。この距離を大きくできることが実用上必要であり、このため磁気スケールから発生する磁界強度が大きい必要がある。
【００１０】
従来例製造工程の磁気スケール着磁工程においては、図１４に示したようにプラスチックマグネット１０１の表面に着磁を行う。このため、プラスチックマグネット１０１を一定のピッチで送り磁気ヘッド１２０の磁気ヨーク１２１で着磁することが必用である。このために着磁装置に精度の高い送り機構が必用であり、また着磁工程に要する時間は、N極−S極、あるいはS極−N極、それぞれ１磁区毎の書き込み時間の累積時間が必要である。磁気ヘッドにより着磁する方式ではなく、一度に着磁可能な構造をあらかじめ製作できれば、着磁精度をあげることとともに、着磁工程に要する時間の短縮が可能となる。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で分解能を充分に向上させることができ、かつ製造工程が簡単な磁気式エンコーダ用磁気スケールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上のような課題を解決するために、本発明では、磁気媒体上に記録された磁気信号列として作用する磁気スケールと、この磁気媒体に対向して配置された磁気センサとを備え、この磁気媒体が磁気センサの感磁部直近を移動するよう配置された構成の磁気式エンコーダ用の磁気スケールにおいて、非磁性体基板上に複数個の一定形状の硬磁性体と、複数個の一定形状の軟磁性体を交互に１個おきに配列して、磁気信号列の記録体としたことを特徴とする。
【００１３】
本願出願人らは、従来のプラスチックマグネット上に形成される磁極を交互に逆にして着磁された磁石の磁界と異なり、着磁されている磁極は一方向のみでありながらスケール表面にはＮ極とＳ極が交互に並べられた磁界が形成されている新たな発想の磁気スケールを発明した。本発明は、硬磁性体と軟磁性体を交互に1個おきに配列した構造において、着磁された硬磁性体に隣接する軟磁性体に逆向きの磁界が形成される現象を利用しており、磁気センサのセンサ面を硬磁性体と軟磁性体表面の平面に対向させて設置することによって、磁界の変化を検出し磁気式エンコーダを構成するものである。
【００１４】
本発明において、前記硬磁性体は、磁気スケールの表面に垂直な同一方向に着磁されて複数個配列されており、前記硬磁性体の間に設置された複数個の軟磁性体においては、隣接する硬磁性体に対してＮ極およびＳ極の位置が反転した磁界が発生する。この結果、Ｎ極およびＳ極の位置が交互に反転した磁性体列の配置が形成される。従って、かかる磁性体の配列に対して磁気センサのセンサ面を磁性体列の表面に対向させて配置して磁気式エンコーダを構成することができる。
【００１５】
また、本発明では、磁気センサのセンサ面を硬磁性体および軟磁性体の磁極面に対して水平に近接して配置することが可能で、磁界強度の大きい部位にセンサ面を置き検出精度を向上することが可能である。
【００１６】
本発明において、前記硬磁性体と前記軟磁性体の形状は、それぞれ幅が１０μｍから５００μｍの範囲の線状形状であることを特徴としている。
【００１７】
本発明において、隣接する前記硬磁性体と前記軟磁性体間は、接触せず磁気的に空隙があることが好ましい。
【００１８】
本発明において、前記硬磁性体は、例えば、Fe−Co系の磁性体、前記軟磁性体は、例えばＦｅ−Ni系の磁性体で構成される。
【００１９】
本発明において、硬磁性体の線状形状、あるいは軟磁性体の線状形状は、磁性体の内部をさらに細かく分割した平行線状パターンあるいは点状パターンの集合として構成された線状形状であってもよい。
【００２０】
本発明の磁気式エンコーダ用磁気スケールの製造法は、めっきにより硬磁性体および軟磁性体を非磁性基板上に形成する工程、および硬磁性体を着磁する工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明では、板状の非磁性体にフォトレジストを塗布、現像し、めっきを行う部位以外をフォトレジストでカバーする。めっき液は、Ｆｅ−Ｃｏ系は硫酸コバルト、硫酸第一鉄を成分とするめっき液を用い、Ｆｅ−Ni系は市販のめっき液を用い電気めっきを行う。要求される磁気特性に応じてめっき液の組成比を調整することが好ましい。第１の磁性材のめっきが終了した時点で水洗しめっき液を除去した後、フォトレジストを除去する。再度フォトレジスト層を設け、めっきを行う部位以外をカバーしたうえ、第２の磁性材のめっきを行い磁性材が配列された構造を形成する。こののち、磁気スケールとして固定するための穴形状、あるいはシャフトを挿入固定する穴形状を形成したうえ、外形状を切り離す。切り離された磁気スケール素材に熱処理を加えたのち、めっきされた硬磁性体の厚み方向に着磁することで、磁気式エンコーダ用磁気スケールを得る。
【発明の効果】
【００２２】
本発明においては、硬磁性体と軟磁性体のパターンをフォトリソグラフィにより作製したレジストの開口部にめっきを行うため、フォトリソグラフィにより製作するマスクパターンの開口部幅の寸法が磁気スケールの磁性体の線状形状の幅となる。硬磁性体及び軟磁性体の線状形状パターンは、それぞれフォトリソグラフィによりパターンを形成したうえ、それぞれの磁性材料をめっきするため、磁気スケールのピッチ寸法は、マスクの開口部のピッチとしてそのまま反映され、マスク露光時に発生するマスク相互間の位置ずれを反映しない。したがって、従来のピッチ送りを行いつつ着磁をする製法に比較して、ピッチのばらつきの少ない磁気スケールを容易に製作することが可能である。フォトリソ用マスクパターンのピッチ寸法ばらつきの精度は、１μｍ以下に抑えることが可能であり１μｍ以下のピッチ精度の磁気スケールを製作することができる。
【００２３】
また本発明では、硬磁性体及び軟磁性体のパターンを形成するのに、フォトリソグラフィによりパターンを形成したうえでそれぞれの磁性材料をめっきするため、パターンの作成可能な寸法が磁気スケールの大きさと等しいことになる。従って、従来のピッチ送りを行って着磁をする製法に比較して寸法が小さい磁気スケールを容易に製作することが可能である。フォトリソパターンにより作成できる開口部の最小幅は数μｍであるため、数μｍ幅の磁性体パターンが可能であり、最小１０μｍピッチの磁気スケールを製作することが容易に可能である。
【００２４】
上記の効果より、例えば直径１０ｍｍの外径を持つロータリエンコーダにおいて、非磁性基板円盤の直径８ｍｍの円周上に２５６ピッチのパターンを作製する場合には、ピッチがほぼ１００μｍとなり、このピッチの磁性体パターンによる磁気スケールを製作することが充分可能である。本発明によれば超小型の磁気式エンコーダ用磁気スケールが製作可能である。
【００２５】
本発明においては硬磁性体の線状形状、あるいは軟磁性体の線状形状を、単一で一様な形状とせず、複雑な形状として形成が可能である。たとえば、磁性体の内部をさらに細かく分割した平行線状パターンあるいは点状パターンの集合として構成された線状形状とすることができる。このパターンの形状を利用して、磁気特性を単一で一様な線状形状と異なる磁気特性を得ることができる。例えば平行線状パターンよりなる軟磁性体線状形状パターンは、一様な軟磁性体線状形状パターンと比較して、見掛け上の比透磁率を大きくできるという利点がある。
【００２６】
本発明による製法は、従来の１個ずつ着磁方向を変えて磁気信号を書き込む工程に比較して、硬磁性体のみを１方向に着磁する工程で磁気スケールを形成できることを特徴とする。硬磁性体の線状形状を、表面にたいして垂直方向に一度着磁するだけで着磁工程とすることができるため、簡単な工程で位置精度の高い磁気スケールを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用したリニアエンコーダ用磁気スケールの構成を模式的に示す斜視図と断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る磁気式エンコーダにおける磁気スケールと磁気センサとの位置関係を示す説明図と、磁気センサの等価回路である。
【００２９】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の磁気スケール１０は、線状形状の硬磁性体２と、線状形状軟磁性体３とからなる磁性体パターンの配列からなる磁気スケールであって、非磁性体基板１上に形成されている線状形状の硬磁性体２は、非磁性体基板１の平面と垂直な方向に着磁されている。図３では、非磁性体基板１側の面がS極になり、非磁性体基板１の反対側の面がN極になるよう着磁されている。
【００３０】
本形態の磁気スケール１０について有限要素法による磁気シミュレーションを行った。図5は、磁気シミュレーションの条件を説明する図であり、断面が幅２００μｍ高さ３００μｍの線状形状の硬磁性体の間に１００μｍの間隔を置いて断面が幅２００μｍ高さ３００μｍの線状形状の軟磁性体が置かれている場合の磁性体表面での磁場強度の計算を行った。図６は、シミュレーション結果を示すが、磁性体表面の位置における表面と垂直方向の磁場強度をグラフにしたものである。図６では、硬磁性体が４００ｍTで着磁されており磁界が発生している場合に、硬磁性体の間に置かれた軟磁性体の上面では、磁束密度の絶対値が最も大きい場所で−７７ｍTの磁界が発生している。すなわち硬磁性体パターンの間に置かれた軟磁性体上で磁極が逆転した磁界が発生しており、この磁束密度分布を磁気スケールの磁界信号として使用することが可能である。本形態の磁気リニアエンコーダにおいて、硬磁性体２上では、図３に示すように、磁場が垂直に上向きに、軟磁性体３上では、磁場が下向きになり、隣接する磁性体パターン間で磁界の向きが変化する回転磁界が形成されている。
【００３１】
シミュレーションに使用した軟磁性体は、透磁率が大きいＦｅ−Ｎｉ合金（Ｆｅ２２％、Ｎｉ７８%）とし、初透磁率を３００００とするヒステリシスカーブをもつ磁気特性データを使用した。硬磁性体は、サマリウムコバルト磁石を想定して、４００ｍTの表面磁束となるよう着磁されているとした。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、磁性体パターンの配列からなる本形態の磁気スケール１０は、磁気センサ１１と対向して設置されており、磁気センサ１１と磁気スケール１０とが図の横手方向に相対移動することにより、その相対位置を検出する。例えば、工作機械などのエンコーダが実装される装置において、磁気センサ１１あるいは磁気スケール１０の一方を固定し、他方を装置の移動部分に配置しておけば、固定部に対する移動部の移動速度や移動距離を検出することができる。
【００３３】
磁気センサ１１には、磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３が基板１８上に形成されており、増幅記などの回路素子、磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３と回路素子を接続するリード線などの電気配線が内蔵されており、磁気抵抗素子１２の表面がセンサ面として機能する。基板１８は、ガラス基板や、セラミックグレーズ基板であり、基板１８の表面に形成してある磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３は、強磁性体Ｎｉ−Ｆｅ等の磁性体膜からなる抵抗パターンよりなる。基板１８は、エンコーダの仕様に応じて、シリコン基板、フェライト基板なども使用される。図２に示されるように磁気センサの感磁部である磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３の抵抗値は、ほぼ等しく設定され、その中点電位を電極１６より出力するよう構成されている。また磁気センサ１１においては、基板１８上に磁気抵抗素子１２および磁気抵抗素子１３が形成されている面の裏側をセンサ面とすることもある。
【００３４】
図３によって磁気センサ１１と磁気スケール１０を組み合わせた場合の動作について説明する。磁気スケール１０上の硬磁性体２と軟磁性体３によって、磁気スケール１０の移動方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶ線状形状パターンが形成されており、本実施例では、硬磁性体２の間隔すなわちN極とN極間を１ピッチとするとき磁気センサの対応する位置が移動方向で４分の１ピッチ分ずれている。
【００３５】
図３に示すように硬磁性体２の直上に磁気抵抗素子１２があり、軟磁性体３の直上よりずれた場所に磁気抵抗素子１３がある場合には、磁気抵抗素子１２の抵抗が小さくなり、磁気抵抗素子１３の抵抗は磁界が印加されない状態のままで変化せず、相対的に磁気抵抗素子１２の抵抗値より大きい。磁気抵抗素子１２と磁気抵抗素子１３の等価回路が図２（ｂ）のように示されて、磁気抵抗素子１２と磁気抵抗素子１３の電極１６の電位は、図３の状態では、電源電圧の２分の１より大きくなる。
【００３６】
図３に示す状態の硬磁性体２の直上より磁気センサ１１が移動し、硬磁性体２と軟磁性体３の間に磁気抵抗素子１２が移動した場合には、磁気抵抗素子１２の抵抗は磁界がかからない状態の抵抗に戻り、磁気抵抗素子１３は、硬磁性体２の直上になり磁気抵抗素子１３の抵抗が小さくなる。したがって、磁気スケールの移動につれて接続点１６の電位は下がる。磁性体パターンと磁気センサの位置により電圧を測定することによって、磁気センサ１１と磁気スケール１０との移動量を電気信号に変換することができる。
【００３７】
従って、本形態の磁気スケール１０を使用した磁気式エンコーダでは、硬磁性体２と軟磁性体３が形成されているピッチと磁気センサの移動速度に応じて磁気センサ１１より電気信号が出力され、その電気信号より磁気スケール１０と磁気センサ１１との相対移動速度や相対移動距離を検出することができる。
【００３８】
非磁性基板として長さ３０ｍｍ幅１４ｍｍ厚さ０.５ｍｍの銅板を使用し、その上面に長さ１０ｍｍ幅３０μｍの硬磁性体パターンと軟磁性体パターンを交互に６０μｍピッチで、めっきにより形成した。それぞれ同種の磁性体間のピッチは１２０μｍとなる。硬磁性体はＦｅ−Ｃｏ合金のめっき、軟磁性体はＦｅ−Ｎｉ合金のめっきによりそれぞれほぼアスペクト比１の正方形に近い断面を持つストライプ形状とした。Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成比は、Ｆｅ４５%、Ｃｏ５５%であった。Ｆｅ−Ｎｉ合金は、組成比Ｆｅ２０%、Ｎｉ８０%であった。一様に０．７５Tの磁束密度の磁界を印加してＦｅ−Ｃｏ合金の着磁を行った。
【実施例２】
【００３９】
図４（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用したリニアエンコーダ用磁気スケールの構成を模式的に示す斜視図および断面図である。本発明の実施の形態２に係る磁気式エンコーダにおける磁気スケールと磁気センサとの位置関係は、実施例１と同様であり図２および図３によって説明される。
【００４０】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の磁気スケール１０は、硬磁性体のパターン２１と、軟磁性体パターン３１とからなる磁性体パターンの配列からなる磁気スケールであって、非磁性体基板１上に形成されている。硬磁性体のパターン２１は、非磁性体基板１の平面と垂直な方向に着磁されている。図４（ｂ）では、非磁性基板１側の面にS極が、非磁性基板１に対抗する側の面にN極が着磁されている。
【００４１】
図4（ａ）、（ｂ）によって、軟磁性体パターン３１の内部構造について説明する。非磁性基板１上に硬磁性体パターン２１と軟磁性体パターン３１が移動方向に沿って交互に並ぶ構造が形成されていることは実施例１と同様であるが、本実施例では、軟磁性パターン３１が分割され微小なストライプパターンより形成されている。
【００４２】
図２に示すように、磁性体パターンが配列された本形態の磁気スケール１０は、磁気センサ１１と対向して設置されており、磁気センサ１１と磁気スケール１０とが長手方向に相対移動することにより、その相対位置を検出する。
【００４３】
図７および図９により本形態の磁気スケール１０においての有限要素法による磁気シミュレーションの条件を説明する。図７および図９において、硬磁性体および軟磁性体の外形状と配置および、硬磁性体の着磁強度は図5と同一である。図７は、軟磁性体の線状形状が３つの薄い板状に分割されており、図９は軟磁性体の線状形状が６つの板状に分割された場合を示している。図７の磁性体表面に於ける磁場強度をグラフにしたものが図８であり、図９の磁性体表面に於ける磁場強度をグラフにしたものが図１０である。図６の軟磁性体上面では、上下方向の磁束密度の絶対値が最も大きい場所で−７７ｍTの磁界が発生しているのに対して、図８および図１０では、−８３ｍＴ、あるいは−１１０ｍＴの値となっている。すなわち硬磁性体２１の間に置かれた軟磁性体３１上の磁界は、軟磁性体３１内がさらに細かいストライプパターンに分割されることによって、見かけ上の透磁率があがり、軟磁性体線状形状上の磁場強度をあげることができる。
【００４４】
硬磁性体２１が着磁されて、図面上方向へ向く磁界を持つとき軟磁性体３１には、図面下方向へ向く磁界が発生し、磁気スケール１０の平面に垂直な方向の向きが変化する磁界が形成される。実施例１の磁場解析の結果図６と比較すると、図８あるいは図１０では軟磁性体３１を通過する、図面下方向の磁界が大きいことが分かる。
【００４５】
従って、本形態の磁気スケール１０を使用した磁気式エンコーダでは、磁気センサ１１で検出できる出力を大きくでき、ノイズレベルの低い位置信号を得ることができる。
【実施例３】
【００４６】
上記形態はいずれも、磁気式エンコーダをリニアエンコーダとして構成した例であったが、本発明による磁気スケールによってロータリエンコーダを構成できる。図１１（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用したロータリエンコーダ用磁気スケールの構成を模式的に示す斜視図および断面図である。図１２は、本発明の実施の形態３に係る磁気式ロータリエンコーダにおける磁気スケール１０と磁気センサ１１との平面的な位置関係を示す説明図である。
【００４７】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の磁気スケールは、硬磁性体２と、軟磁性体３とからなる磁性体パターンの配列からなる磁気スケールであって、非磁性体基板１上に形成されている。硬磁性体２は、非磁性体基板１の平面と垂直な方向に着磁されている。図１１では、非磁性体基板１側の面にS極が、非磁性体基板１の反対側の面にN極が着磁されている。
【００４８】
図１２に示すように、円盤状の非磁性基板１上に形成された磁性体パターンの配列からなる本形態の磁気スケール１０は、磁気センサ１１と、対向して設置されており、磁気スケール1０が回転し磁性体パターンが回転方向に移動することにより、その相対位置を検出する。例えば、工作機械などの実装装置において、磁気スケール１０の中心を回転軸に固定し、磁気スケールが回転するよう配置すれば、対向して配置された磁気センサ１１の電気出力により回転角や回転速度を検出することができる。
【００４９】
磁気スケール１０と磁気センサ１１を組み合わせて場合の動作については、実施例１と同様であり説明を省略する。
【００５０】
ロータリエンコーダ用の磁気スケールにおいても、実施例２と同様の軟磁性体の矩形線状パターンを分割して微小なストライプパターンより形成されている構成とすることも可能であるが、動作および効果は同様であり説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
従来の小型で高精度の磁気スケールとしては、プラスチックマグネットに着磁を行ったものが使用されている。本発明の磁気スケールによる磁気式エンコーダは、より小型化と高精度化が可能である。
【００５２】
また、プラスチックマグネットを使用したものと比較して温度に対するスケールの安定性を高くすることが可能であり、非磁性基板の材質を膨張係数の小さい材質を選定することによって温度補正が不要なスケールを構成することが可能となる。温度による磁気スケールの位置ずれが、非磁性基板の熱膨張によって発生する。従来のプラスチックマグネットを材料とする磁気スケールの場合は、熱膨張が大きいため温度補償を行って使用されるが、非磁性基板としてセラミックあるいは石英ガラスを使用することによって、温度補償を必要としない磁気スケールとすることができる。
【００５３】
また放射線損傷に対してもプラスチックスより耐性が高いため、放射線が使用される環境での精度を要求される位置制御に使用可能な磁気スケールとすることができる。従って放射線を使用する医療機器や、宇宙空間においての位置制御を精密に行うための磁気式エンコーダを作製することが可能となる。これらの用途には、光学式エンコーダは内部に半導体を材料とする受光素子が使用されており、放射線を起因とするノイズが大きいため使用できない。精度の高い磁気式エンコーダが要求される産業分野である。
【００５４】
磁気式エンコーダの磁気媒体をめっきによって作成する本方法は、磁気媒体の薄型化、軽量化が図れるうえに、狭ピッチ化も可能である。ロータリエンコーダとして小型、軽量化でき、分解能を高くできる。本発明によれば、従来の光学式エンコーダが使用されなかった環境で使用可能な磁気式エンコーダが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用したリニアエンコーダ用磁気スケールの構成を示す斜視図、および断面図である。（実施例１）
【図２】（ａ）、（ｂ）は各々、本発明に係る磁気スケールと磁気センサとの位置関係を示す説明図と、磁気センサの等価回路である。（実施例１）
【図３】本発明に係る磁気式エンコーダにおいて、磁気スケールと磁気センサの位置関係を示す説明図である。（実施例２）
【図４】（ａ）、（ｂ）は各々、本発明に係る本発明を適用したリニアエンコーダ用磁気スケールの構成を示す斜視図、および断面図である。（実施例２）
【図５】本発明の磁気スケールにおける磁界強度のシミュレーションの説明図である。（実施例１）
【図６】本発明の実施例における磁界強度のシミュレーション結果である。（実施例１）
【図７】本発明の磁気スケールにおける磁界強度のシミュレーション条件の説明図である。（実施例２）
【図８】本発明の実施例における磁界強度のシミュレーション結果である。（実施例２）
【図９】本発明の磁気スケールにおける磁界強度のシミュレーション条件の説明図である。（実施例２）
【図１０】本発明の実施例における磁界強度のシミュレーション結果である。（実施例２）
【図１１】（ａ）、（ｂ）は各々、本発明に係る磁気式ロータリエンコーダ用磁気スケールの構成を示す斜視図、および断面図である。(実施例3)
【図１２】本発明に係る磁気式ロータリエンコーダにおける磁気スケールと磁気センサとの位置関係を示す説明図である。（実施例３）
【図１３】（ａ）、（ｂ）は各々、従来の磁気式エンコーダの説明図である。
【図１４】従来の磁気式エンコーダの製造方法の説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１、１００ 非磁性基板
２、２１ 硬磁性体
３、３１ 軟磁性体
１０、１１０ 磁気スケール
１１、１１１ 磁気センサ
１２、 １３ 磁気抵抗素子
１５、１６、１７ 電極
１８ 基板
１０１ 磁気記録媒体
１０３ 非磁性体円盤
１２０ 磁気ヘッド
１２１ 磁気ヨーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気媒体上に記録された磁気信号列として作用する磁気スケールと、この磁気媒体と対向して配置された磁気センサとを備え、この磁気媒体が磁気センサの感磁部直近を移動するよう配置された構成の磁気式エンコーダ用の磁気スケールであって、非磁性体基板上に複数個の一定形状の硬磁性体と、複数個の一定形状の軟磁性体を交互に1個おきに配列して、磁気信号列の記録体としたことを特徴とする磁気式エンコーダ用磁気スケール。
【請求項２】
請求項１に記載された磁気式エンコーダ用磁気スケールにおいて、硬磁性体および軟磁性体の形状として、それぞれ１０μｍから５００μｍの幅の線状形状であることを特徴とする磁気式エンコーダ用磁気スケール。
【請求項３】
請求項１に記載された磁気式エンコーダ用磁気スケールにおいて、硬磁性体としてＦｅ−Ｃｏ系の磁性体、軟磁性体としてＦｅ−Ｎｉ系の磁性体で構成されたことを特徴とする磁気式エンコーダ用磁気スケール。
【請求項４】
請求項１および請求項２に記載された磁気式エンコーダ用磁気スケールであって、硬磁性体の線状形状、あるいは軟磁性体の線状形状が、磁性体の内部をさらに細かく分割した平行線状パターンあるいは点状パターンの集合として構成された線状形状であることを特徴とする磁気式エンコーダ用磁気スケール。
【請求項５】
請求項１から３に記載された磁気式エンコーダ用磁気スケールの製造法において、めっきにより磁性体を非磁性基板上に形成する工程、および硬磁性体を着磁する工程を含むことを特徴とする請求項１から３に記載の磁気式エンコーダ用磁気スケールの製造方法。
【請求項１】
磁気媒体上に記録された磁気信号列として作用する磁気スケールと、この磁気媒体と対向して配置された磁気センサとを備え、この磁気媒体が磁気センサの感磁部直近を移動するよう配置された構成の磁気式エンコーダ用の磁気スケールであって、非磁性体基板上に複数個の一定形状の硬磁性体と、複数個の一定形状の軟磁性体を交互に1個おきに配列して、磁気信号列の記録体としたことを特徴とする磁気式エンコーダ用磁気スケール。
【請求項２】
請求項１に記載された磁気式エンコーダ用磁気スケールにおいて、硬磁性体および軟磁性体の形状として、それぞれ１０μｍから５００μｍの幅の線状形状であることを特徴とする磁気式エンコーダ用磁気スケール。
【請求項３】
請求項１に記載された磁気式エンコーダ用磁気スケールにおいて、硬磁性体としてＦｅ−Ｃｏ系の磁性体、軟磁性体としてＦｅ−Ｎｉ系の磁性体で構成されたことを特徴とする磁気式エンコーダ用磁気スケール。
【請求項４】
請求項１および請求項２に記載された磁気式エンコーダ用磁気スケールであって、硬磁性体の線状形状、あるいは軟磁性体の線状形状が、磁性体の内部をさらに細かく分割した平行線状パターンあるいは点状パターンの集合として構成された線状形状であることを特徴とする磁気式エンコーダ用磁気スケール。
【請求項５】
請求項１から３に記載された磁気式エンコーダ用磁気スケールの製造法において、めっきにより磁性体を非磁性基板上に形成する工程、および硬磁性体を着磁する工程を含むことを特徴とする請求項１から３に記載の磁気式エンコーダ用磁気スケールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−２９８７２９（Ｐ２００８−２９８７２９Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４８０９０（Ｐ２００７−１４８０９０）
【出願日】平成１９年６月４日（２００７．６．４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度 独立行政法人科学技術振興機構 「ＵＶ−ＬＩＧＡを用いた微細磁気構造をもつ磁性体めっきパターン形成による磁気スケールの開発」委託研究、産業活力再生特別措置法 第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１１０９８５）ニッコーシ株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月４日（２００７．６．４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度 独立行政法人科学技術振興機構 「ＵＶ−ＬＩＧＡを用いた微細磁気構造をもつ磁性体めっきパターン形成による磁気スケールの開発」委託研究、産業活力再生特別措置法 第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１１０９８５）ニッコーシ株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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