図1は本発明の実施の形態の位置検知装置1� �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� ��る検知器10を有している。磁石2は、表面2a� �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� �な面が移動平面であり、この移動平面は、� �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� �内の任意の位置へ移動する。あるいは、磁� �2が固定されて、前記検知器10が、移動平面� �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� �ュエータと、Y方向への駆動力を発揮する磁� ��駆動アクチュエータとで、X-Y座標内で移動� ��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� ��アクチュエータによって移動させられる可� ��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� �力を制御部で監視することで、可動部の移� �位置を高精度に認識しながら駆動できるよ� �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� ��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� ��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� ��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� ��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� ��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� �検知器10は、前記表面2aから所定の高さZhだ� �離れた位置で、X0軸とY0軸を含む面と平行な� ��動平面内を移動する。ただし、検知器10がS� ��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� �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� ��離を示し、縦軸は、X0軸上の各位置におけ� �磁界のX方向成分の強度Hxを示している。磁� �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� ��離れるにしたがって、X-Y平面の垂線に対す� ��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� ��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� �Zhが、1.5mm、1.0mm、0.5mmの位置での、磁界のX� �向成分の強度Hxをそれぞれ示している。Zh=1.5 mmでの磁界のX方向成分の強度Hxの変化を示し� ��いるのが曲線(i)であり、Zh=1.0mmのときの強� �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� ��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� �向での+Hrと-Hrの範囲では、X方向に向く磁界� ��強度Hxがほぼ一次関数で変化する。+Hrと-Hr� �範囲は、磁石の直径や磁界の強度などによ� �て相違するが、直径が5mm以上または6mm以上� �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� �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� ��るため、この磁石2の表面2aから発せられる� ��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� �のY方向成分の強度Hyの変化と同じ比率で、� �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� ��行で、Y0軸上の位置Y1を通過する線をLで示� �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� �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H y0とし、交点Yαにおける磁界のα方向成分の� �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� ��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� �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、� �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=H α・cosθ=a・rα・cosθである。ここで、rα・cos� �=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� �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� �Hyが同じであり、Y0軸と平行な線上のどの位� ��であっても、磁界のX方向の成分の強度Hxが� ��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� �。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� �ものよりも十分に小さく、X方向検知素子20x� ��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� ��搭載された検知器10を、磁石2の表面2aと平� �なX-Y平面内で移動させるときに、X-Y座標上� �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2 aと平行な面内で移動させ、X方向検知素子20x� ��、磁界のX方向の成分の強度Hdxを検知し、Y� �向検知素子20yで、磁界のY方向の成分の強度H dyを検知することにより、X-Y座標上での検知� ��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� �成分の正負の方向を判別でき、Y方向検知素� ��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� �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� �記Y方向検知素子20yとして使用される磁気抵� ��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� �21が互いに平行に形成され、個々の素子部21� ��前後端部は、接続電極28,29によって2個ずつ� ��続されている。さらに、図示上下両端部に� ��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� ��され、ミアンダ型パターンが構成されてい� ��。図5(A)では、素子部21の幾何学的な中心をO a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� ��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� ��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� �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� ��料で形成されている。保護層27はTa(タンタ� �)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� �化の方向が固定されている。図5(B)に示すよ� ��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� ��直交している。

 図5(A)に示すように、磁気抵抗効果素子20� ��、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� ��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� �がB方向に向けられて短磁区化されている。� ��5(B)に実線で示すように、固定磁性層24の磁� ��の固定方向(P方向)と平行な向きに作用する� ��部磁界の強度Hがゼロのとき、自由磁性層26� ��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� ��向と固定磁性層24の固定磁化の方向(P方向)� �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� ��方向との関係で電気抵抗が変化する。磁気� ��抗効果素子20の素子部21に対して、図5(B)の� �示上方(固定方向Pと平行な(+)方向)への外部� �界(+)Hが与えられると、バイアス磁界が作用� ��ている自由磁性層26内の磁化の向きが(+)方� �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)� ��の相対角度が小さくなるにしたがって、電� ��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� �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2 4の固定磁化の方向(P方向)との相対角度が増� �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� ��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� ��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、� ��の幾何学的中心Oaが、磁石2の表面2aからの� �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、� �子部21の固定磁性層24の固定磁化の方向(P方� �)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� �に向けられている。また、Y方向検知素子20y� ��、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� ��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� �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� �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� �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� �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、� �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� �動すると、X方向検知素子20xにおいて自由磁� ��層26の磁化の向きが(+)X方向へ向けて傾くた� ��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� ��向検知素子20xにおいて自由磁性層26の磁化� �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� �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� �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� �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� ��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� ��へ移動するにしたがって、中間点36の電位� �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、� ��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、� �石2の中心Oよりも(+)Y側へどの距離だけ移動� �たか、(-)Y側へどの距離だけ移動したかを検� ��できる。

 図8ないし図10は、本実施の形態の位置検� ��装置1と、比較例の位置検知装置1sとの効果� ��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� �知器10に設けられたX方向検知素子20xと磁石2� ��の位置関係を示しており、(A)は平面図、(B)� ��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� �)が(+)X方向であり、自由磁性層26に与えられ� ��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� ��る。この位置検知装置1sでは、前記実施の� �態のX方向検知素子20xと同じ構造の磁気抵抗� ��果素子20がX方向検知素子20sとして使用され� ��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� ��(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� �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� ��うに固定抵抗素子35を直列に接続して電源� �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� ��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� ��るB方向のバイアス磁界が、磁石2上での磁� �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� ��るB方向のバイアス磁界が、磁石2上での磁� �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� �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� �での移動位置の検知出力が変動することに� �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� ��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2 0xが、磁石2の中心Oよりも(+)Y側へ移動したと� ��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� �されることになる。すなわち、比較例のよ� �に、磁石2の中心Oよりも(+)Y側にあるか、(-)Y� ��にあるかによって、バイアス磁界に対して� ��石からの磁界が逆向きに作用するようなこ� ��はない。

 よって、X方向検知素子20xが、中心Oより� �(+)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� �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2 0sのそれぞれが、その中心Oaが、磁石2の表面2 aからZh=1.5mmだけ離れた位置で、X方向へ直線� �に移動したときの軌跡を示している。それ� �れのX方向検知素子を、磁石2の中心Oを通る� �置でX方向へ直線的に移動させる軌跡が、図1 0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� �軌跡が、図10で「+1mm」と表示され、中心Oか� ��(+)Y側へ2mm離れた位置でX方向へ直線的に移� �させる軌跡が、「+2mm」と表示されている。� ��た、中心Oから(-)Y側へ1mm離れた位置でX方向� ��直線的に移動させる軌跡が、図10で「-1mm」� ��表示され、中心Oから(-)Y側へ2mm離れた位置� �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� ��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� ��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� �の移動距離を示している。X方向への移動距� ��は、-2mmから+2mmの範囲である。縦軸は、検� �出力であり、図7に示す中間点36の電位の変� �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� ��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� �)が相違しており、中心Oよりも(+)Y側と(-)Y側� ��で、自由磁性層26に与えられているバイア� �磁界が、磁石2の表面2aの磁界の(+)Y方向成分� ��(-)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� �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� �させても、X方向の移動位置をほぼ同じ変化� ��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� �た位置で、Y方向へ直線的に移動させる軌跡� ��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「0m m」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� �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1 mm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� �「-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� ��使用した検知器を図12に示す軌跡に沿ってY� ��向へ移動させたときの検知出力を示してお� ��、図13(B)は、比較例のX方向検知素子20sを使� ��した検知器を図12に示す軌跡に沿ってY方向� ��移動させたときの検知出力を示している。� ��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� ��の移動距離は、-2mmから+2mmの範囲である。� �軸は、検知出力であり、図7に示す中間点36� �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� ��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� ��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、� �の移動軌跡によって、X方向の位置の検出値� ��変動する。それぞれの軌跡に沿って移動し� ��ときのX位置の検出値は、(+)Y方向へ向かう� �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� �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� �形態のX方向検知素子20xを使用した検知器で� ��、図12に示す各軌跡のどの位置でY方向へ移� ��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� ��した検知器10を使用し、それぞれの検知素� �の中心Oaを、磁石2の表面2aからZh=1.5mmだけ離� ��た状態で、中心Oからの半径が1.5mmの真円の� ��跡を描くように移動させたときの、検知器1 0からのX-Y座標上での移動位置の検知出力を� �している。図14のαでは、その検知出力が、� ��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� �のX方向検知素子20sの固定磁化の方向(P方向)� ��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� ��。この比較例の検知器を、実施の形態の検� ��器と同様に半径が1.5mmの真円の軌跡で移動� �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� ��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� ��、Y方向検知素子20yの自由磁性層26に与えら� ��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� �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� �の、またはY方向への移動位置のみを検知す� ��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� �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。