JP2003121200A

JP2003121200A - 磁気エンコーダ

Info

Publication number: JP2003121200A
Application number: JP2001313851A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nagase; 喬長瀬
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: JP3922427B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で信頼性が高く取付けが簡単で、かつ高
精度の角度検出ができる磁気エンコーダを得る。【解決手段】本発明磁気エンコーダは、回転体のシャ
フトに固定された円板状の回転部２と、回転部に対向し
て設けられた磁気抵抗素子をもつ検出部３とを備えたも
ので、回転部は磁性体ディスク22と円周方向にスリット
を設けた磁性体スリット板２１とからなり、検出部は磁
性体スリット板に対向する位置に平行に設け基体の表面
に同心円状に磁気抵抗素子を複数配置した検出体31と
し、検出体の背面に単極で着磁した平面磁石32を設けた
構成である。また、検出部の配線を耐摩耗特性を有する
フレキシブル基板にしてもよいし、磁性体スリット板の
スリット部および磁気抵抗素子を半径方向に同心状に複
数配置し、絶対値角度が検出できるようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気検出機能を有
する材料を利用した回転形磁気エンコーダであって、特
に角度検出方法を全周検出方式にした磁気エンコーダに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、モータなどの回転体の回転角度を
検出する磁気エンコーダとして、図１６に示すようなも
のがある。図において、１はシャフト、２はシャフト１
に固定された回転部、３は検出部である。回転部２は磁
性体で構成され、外周は歯車２５の形状になっており、
歯数により１回転以内の検出角度が決定される。検出部
３は、磁気変化を検出する磁気抵抗素子３１２と磁気抵
抗素子３１２にバイアス磁界を与えるためのバイアス用
磁石３４で構成される。シャフト１の回転に伴い歯車２
５が回転すると、磁気抵抗素子３１２がもれ磁束の変化
を検出する。磁気抵抗素子３１２で検出した信号を、図
示しない波形整形回路により正弦波などの信号に変換す
る。そして、変換した検出信号を波形整形回路から送出
し、図示しない信号処理回路により回転角度を検出する
ものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本方式よる検出方式
は、検出部が一カ所のため構造が簡単であるが、検出角
度精度を向上させるには、シャフトのフレや回転部の取
り付け誤差を無くして、回転部の同心度を向上させる必
要があった。この同心度に影響する取り付け誤差は、回
転部の偏心誤差と回転部の直径の比率で角度誤差が決定
されるため、検出器の外径寸法が小さくなると回転部の
直径も小さくなり、モータのシャフトフレや組立誤差が
１ミクロン以下という精度を要求され、組立ができないと言
う問題があった。そこで、本発明は小型で信頼性が高く
取付けが簡単で、しかも高精度の角度検出ができる磁気
エンコーダを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明の磁気エンコーダは、つぎの構成にしてい
る。 (1) 回転体のシャフトに固定された円板状の回転部と、
前記回転部に所定の空隙を介して対向させた磁気検出部
とを備え、前記回転体の回転角度を磁気的に検出する磁
気エンコーダにおいて、前記回転部は磁性体ディスクと
円周方向にスリット部を設けた磁性体スリット板とし、
前記磁気検出部は前記スリット部に対向させて配置した
環状の磁気抵抗素子とそれを固定する基体とからなる検
出体と、前記検出体の背面に単極で着磁した平面磁石部
とからなるものとした構成にしている。本構成により、
磁性体スリット板と平面磁石とを対向して組み合わせる
ことにより、磁性体スリット板は、高精度の多極着磁し
た回転部と同様の機能が得られ、磁極の角度精度を向上
させることができる。また、全周に磁気抵抗素子を配置
することにより、シャフトフレや回転部の取り付け誤差
をキャンセルして検出する。このため、回転部の組み立
てにおいて同心合わせがラフでよく、検出構造が簡単で
高精度の磁気エンコーダが得られる。 (2) 前記磁性体スリット板および前記磁気検出部は、露
光装置、拡散装置、エッチング装置等の半導体製造装置
を用いて形成されたものである。このため、磁極に相当
する部分が、多極でしかも高精度に作製できる。また、
全周に配置した磁気抵抗素子を半導体製造装置を用いて
同時に形成するので、各磁気抵抗素子のバラツキがなく
なり、高精度の磁気エンコーダが得られる。 (3)前記回転部が、一体の磁性体で構成されているの
で、バラツキが少なく、安価で高精度の磁気エンコーダ
を得ることができる。 (4)前記検出部の配線は、耐摩耗特性を有するフレキシ
ブル基板を使用しているので、万一回転部と接触しても
磁気抵抗素子が保護されるため、高信頼性の磁気エンコ
ーダを得ることができる。 (5) 前記スリット部のパターンおよび前記環状の磁気抵
抗素子のパターンを半径方向に同心上に少なくとも２個
配置したので、絶対角度を検出することができる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。（第１実施例）本発明の第１実施例を図１に示す。図１
は第１実施例の磁気エンコーダを示す模式図である。図
において、１はシャフト、２はシャフト１に固定された
回転部、３は磁気検出部、４は磁気検出部３の検出信号
を波形整形して外部に送出する波形整形回路部である。
回転部２は、磁性体ディスク２２に結合された磁性体ス
リット板２１で構成している（図２）。図２は回転部２
の部分拡大図である。磁性体スリット板２１のスリット
は、エッチング手法を用いた半導体製造装置により形成
している。エッチング手法を採用することにより、スリ
ットの各寸法を高精度に形成できる。なお、磁性体スリ
ット板２１を別部品で製作して接合するのではなく、磁
性体ディスク２２に直接スリットをハーフエッチングに
より製作してもよい。

【０００６】磁気検出部３は、検出体３１と平面磁石３
２とからなり、検出体３１は、図３に示すように基体３
１１と磁気抵抗素子３１２と結線用導体３１４のパター
ンとからなる。図３は、検出体３１の詳細を示す平面図
である。磁気抵抗素子３１２を４個まとめたものを磁気
抵抗素子ユニット３１３としている。磁気抵抗素子ユニ
ットの数は９個としているので、磁気抵抗素子の数は３
６個である。基体３１１は、ガラス基板を使用してお
り、この基体３１１の上に磁気抵抗素子３１２や結線用
導体３１４を形成する。フォトマスクに複数の磁気抵抗
素子３１２のパターンや結線用導体パターン３１４を転
写し、ＣＶＤ技術、スパッタリング技術、エッチング技
術などの半導体製造技術を使用した微細加工技術を駆使
して形成される。磁気抵抗素子３１２は、強磁性体のニ
ッケルコバルト（Ｎｉ−Ｃｏ）やニッケル鉄（Ｎｉ−Ｆ
ｅ）などの強磁性体を使用して製造する。結線用導体
は、アルミニウムや銅や金などを使用する。基体はガラ
スの代わりにシリコンウエファを使用しても良い。ま
た、結線用導体３１４は、多層基板と同じ構造になって
おり、お互いの結線用導体同士は、誤接続しないように
絶縁されている。

【０００７】磁気抵抗素子３１２は、回転部２の磁性体
の回転角度変化量を検出できるように磁性体スリット板
２１とほぼ同一径の円周状に複数を配置している。各磁
気抵抗素子ユニット３１３は、４個の磁気抵抗素子３１
２（＋Ａ１、＋Ｂ１、−Ａ１、−Ｂ１から＋Ａ９、＋Ｂ
９、−Ａ９、−Ｂ９まで）で構成されており、各磁気抵
抗素子は等角度の間隔であり、磁気抵抗素子ユニット同
士も等角度で配置している。磁気抵抗素子ユニット３１
３は、９個のユニットが円周状に配置されている。な
お、本実施例では、奇数個の磁気抵抗素子ユニットを配
置したが、偶数個のユニットを配置しても良い。つま
り、各磁気抵抗素子は、１０度ごとに配置されているこ
とになる。結線方法は、直流電圧の印加するための端子
＋Ｖと０Ｖ、検出信号を出力するための端子、出力ａと
出力ｂが配置されている。結線用導体３１４で結線した
各磁気抵抗素子３１２の結線方法を図４に示す。図４の
結線方法は、各磁気抵抗素子ユニット３１３を並列に結
線するため、全体としての抵抗値が小さくなるので、外
部から直流電圧を加えた場合に大きな電流が流れる。電
流値の大きさが問題になる場合には、図５に示したよう
に、各磁気抵抗素子３１２を直列に配置して、全体の磁
気抵抗値を大きくする結線方法を採用しても良い。ま
た、必要な磁気抵抗値を得るため、各磁気抵抗素子ユニ
ット３１３を直並列に接続してもよい。

【０００８】回転部２と磁気検出部３を拡大したものを
図６に示す。図６は、図１の磁気エンコーダの拡大断面
図である。回転部２の磁性体スリット板２１と磁気検出
部３の磁気抵抗素子３１２と磁気バイアスを加えるため
の平面磁石３２の磁極の関係を示した断面図である。平
面磁石３２は、基体側にＳ極、裏面がＮ極に着磁されて
いる。従って、ギャップＬの間隔で対向する回転部２の
磁性体スリット板２１の磁性体部は、スリット部に比べ
磁気抵抗が小さい状態になっている。つまり、磁性体ス
リット板２１の磁性体部はＮ極、スリット部は磁気抵抗
が大きくなるので、Ｎ極に比べ磁気が弱いのでＳ極（図
６では、（Ｓ）と表示。）となる。従って、回転部２の
回転により磁性のスリット部は、磁気変化が生じる。磁
気抵抗素子３１２の＋Ａ１と−Ａ１は、検出信号は電気
的に１８０度位相差があるように配置されている。ま
た、磁気抵抗素子３１２の＋Ｂ１と−Ｂ１も同一の関係
になるように配置している。さらに、磁気抵抗素子３１
２の＋Ａ１と＋Ｂ１は検出信号が９０度位相差になるよ
うに配置されている。

【０００９】各磁気抵抗素子の検出信号の関係を図７に
示す。図７は磁気抵抗素子＋Ａ１と−Ａ１の結線回路で
ある。磁気スリット板のスリットピッチに対応した出力
信号を、図８に示している。磁気抵抗素子＋Ａ１と−Ａ
１は、位相差が電気的に１８０度異なる信号を検出して
いる。また、図７の結線回路から、入力端子＋Ｖ、０Ｖ
に直流電圧を印加すると出力端子出力（ａ）には、図９
に示す磁気スリット板のスリットピッチに対応した検出
信号を得ることが出来る。１８０度の位相差を持つ磁気
抵抗素子を配置するのは、大きな検出信号を得るためと
温度変動や電源変動などによる検出信号の変動をキャン
セルするためである。回転部の回転方向を検出する方法
を図１０、図１１に示す。図１０は検出原理を示す結線
図、図１１その出力信号波形図である。回転方向を検出
するために、出力（ａ）と電気的に９０度位相差のある
出力（ｂ）の２信号を得るためのである。１個の磁気抵
抗素子ユニット３１２の動作について示したが、この磁
気抵抗素子ユニットは、全ユニット９個が並列に接続さ
れており、各磁気抵抗素子ユニットの出力信号の平均値
が出力される。出力（ａ）の出力信号波形に対し、出力
（ｂ）の出力信号波形の位相が進んでいるのか、遅れて
いるのかを検出することにより回転方向を検出できる。

【００１０】なお、本実施例では、磁気抵抗素子の数を
３６個として述べたが、３６０個のように本数を増加さ
せれば、角度誤差がより平均化され、シャフトのフレや
回転部の取り付け誤差がキャンセルでき、取り付け精度
がラフでも高精度の磁気エンコーダを得ることが出来
る。また、各磁気抵抗素子ユニットをシャフトを中心に
して機械的に１８０度で対向するように配置すれば、さ
らにシャフトのフレや回転部の取り付け誤差をより効果
的にキャンセルすることができる。

【００１１】（第２実施例）本発明の第２実施例を図１
２に示す。図１２はフレキシブル基板のパターンにより
結線した磁気エンコーダを示す側断面図である。図にお
いて、３３はフレキシブル基板である。各磁気抵抗素子
の結線方法を、第１実施例で述べた半導体方法によら
ず、あらかじめフレキシブル基板３３でパターン化して
おき、フレキシブル基板３３と磁気抵抗素子３１２をハ
ンダによって結線している。実際の結線方法は、磁気抵
抗素子の両端に結線用電極を設け、対向するフレキシブ
ル基板３３の結線用電極にクリームハンダを塗布し、基
体３１１とフレキシブル基板３３を位置決めして張り合
わせる。この状態で、ハンダが溶融する高温の炉の中に
入れて結線する。このように、本実施例では多層結線が
容易なフレキシブル基板を使用したので、安価な結線が
可能になる。また、波形整形回路部４まで延長すれば、
結線がさらに容易になるという効果がある。また、フレ
キシブル基板のベースフィルム（太線表示部）が回転部
とギャップＬの間隔で対向することになるので、フレキ
シブル基板に耐摩耗特性を有する材料（例えば、カプト
ンフィルムなど）を使用すれば、万一回転部と接触して
も磁気抵抗素子が保護されると言う効果も発生し、磁気
エンコーダの信頼性を向上させることができる。

【００１２】（第３実施例）本発明の第３実施例を図１
３、図１４に示す。図１３は回転部を示す平面図、図１
４は検出体を示す平面図である。図において、２３は第
１スリットトラック部、２４は第２スリットトラック
部、３１５は第１磁気抵抗素子パターン、３１６は第２
磁気抵抗素子パターンである。回転部２の磁性体スリッ
ト板２１は、同心状に二つのスリットトラックを有する
第１スリットトラック部２３と第２スリットトラック部
２４をが配置されている。第１スリットトラック部２３
のスリットは３６個、第２スリットトラック部２４のス
リットは３５個である。検出部３の磁気抵抗素子も同じ
く同心状に２つのパターンが、磁性体スリット板２１の
二つのスリットトラックに対向してそれぞれ配置されて
いる。すなわち、第１磁気抵抗素子パターン３１５は第
１スリットトラック部２３と、第２磁気抵抗素子パター
ン３１６は第２スリットトラック部２４と対向してい
る。磁気抵抗素子パターンは、３６個の磁気抵抗素子ユ
ニット３１５ａおよび３５個の磁気抵抗素子ユニット３
１６ａからなっている。いま、磁性体スリット板２１を
回転させると、図１５に検出信号波形を示すように、第
１スリットトラック部２３に対応する磁気抵抗素子ユニ
ット３１５ａからは、１回転に３６サイクルの正弦波信
号の検出信号が、第２スリットトラック部２４に対応す
る磁気抵抗素子ユニット３１６ａからは、１回転に３５
サイクルの検出信号が得られる。得られた信号同士の位
相差であるスリットの差Ｓは、１回転中にすべて異なる
ので、この位相差を検出すれば絶対値角度を検出でき
る。このように、スリット数の異なるトラックを複数配
置する事により、絶対値角度を検出することができる。
また、回転部２の磁性体スリット板も検出部３の磁気抵
抗素子も半導体製造装置を用いて同一製造工程で複数ト
ラックを同時に形成するので、複数のトラックを配置し
ても安価に製造することができる。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によればつぎ
の効果がある。 (1) 磁性体スリット板と平面磁石とを対向して組み合わ
せたので、磁性体スリット板が高精度の多極着磁した回
転部と同様の機能が得られ、磁極の角度精度を向上させ
ることができる。また、全周に磁気抵抗素子を配置した
ので、シャフトフレや回転部の取り付け誤差をキャンセ
ルして検出できる。このため、回転部の組み立てにおい
て同心合わせがラフでよく、検出構造が簡単で高精度の
磁気エンコーダが得られる。 (2) 前記磁性体スリット板および前記磁気検出部は、露
光装置、拡散装置、エッチング装置等の半導体製造装置
を用いて形成したので、磁極に相当する部分が、多極で
しかも高精度に作製できる。また、全周に配置した磁気
抵抗素子を半導体製造装置を用いて同時に形成するの
で、各磁気抵抗素子のバラツキがなくなり、高精度の磁
気エンコーダが得られる。 (3)前記回転部が、一体の磁性体で構成されているの
で、バラツキが少なく、安価で高精度の磁気エンコーダ
を得ることができる。 (4)前記検出部の配線は、耐摩耗特性を有するフレキシ
ブル基板を使用しているので、万一回転部と接触しても
磁気抵抗素子が保護され、高信頼性の磁気エンコーダを
得ることができる。 (5) 前記スリット部のパターンおよび前記環状の磁気抵
抗素子のパターンを半径方向に同心上に少なくとも２個
配置したので、絶対角度を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す磁気エンコーダの模
式図である。

【図２】図１における回転部の部分拡大図である。

【図３】図１における検出体の詳細を示す平面図であ
る。

【図４】本発明の第１実施例における磁気抵抗素子の結
線方法を示す結線図である。

【図５】本発明の第１実施例における磁気抵抗素子の他
の結線方法を示す結線図である。

【図６】本発明の第１実施例における回転部と検出部の
拡大断面図である。

【図７】本発明の第１実施例における磁気エンコーダの
結線図である。

【図８】本発明の第１実施例における磁気エンコーダの
検出原理を示す波形図である。

【図９】本発明の第１実施例における磁気エンコーダの
出力波形図である。

【図１０】本発明の磁気エンコーダの検出原理を示す結
線図である。

【図１１】本発明の磁気エンコーダの出力波形図であ
る。

【図１２】本発明の第２実施例を示す磁気エンコーダの
側断面図である。

【図１３】本発明の第３実施例を示す回転部の平面図で
ある。

【図１４】本発明の第３実施例を示す検出体の平面図で
ある。

【図１５】本発明の第３実施例の検出原理を示す波形図
である。

【図１６】従来の磁気エンコーダを示す模式図である。

【符号の説明】

１シャフト２回転部２１磁性体スリット板２２磁性体ディスク２３第１スリットトラック部２４第２スリットトラック部２５歯車３検出部３１検出体３１１基体３１２磁気抵抗素子３１３，３１５ａ，３１６ａ磁気抵抗素子ユニット３１４結線用導体３１５第１磁気抵抗素子パターン３１６第２磁気抵抗素子パターン３２平面磁石３３フレキシブル基板３４バイアス用磁石４波形整形回路部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転体のシャフトに固定された円板状の
回転部と、前記回転部に所定の空隙を介して対向させた
磁気検出部とを備え、前記回転体の回転角度を磁気的に
検出する磁気エンコーダにおいて、前記回転部は磁性体ディスクと円周方向にスリット部を
設けた磁性体スリット板とし、前記磁気検出部は前記ス
リット部に対向させて配置した環状の磁気抵抗素子とそ
れを固定する基体とからなる検出体と、前記検出体の背
面に単極で着磁した平面磁石とからなるものとしたこと
を特徴とする磁気エンコーダ。
【請求項２】前記磁性体スリット板および前記磁気検
出部は、露光装置、拡散装置、エッチング装置等の半導
体製造装置を用いて形成されたものであることを特徴と
する請求項１記載の磁気エンコーダ。
【請求項３】前記回転部は、一体の磁性体で構成され
ていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気エ
ンコーダ。
【請求項４】前記検出部の配線は、耐摩耗特性を有す
るフレキシブル基板を使用したことを特徴とする請求項
１から３のいずれか1項に記載の磁気エンコーダ。
【請求項５】前記スリット部のパターンおよび前記環
状の磁気抵抗素子のパターンを半径方向に同心円状に少
なくとも２個配置したことを特徴とする請求項１から４
のいずれか1項に記載の磁気エンコーダ。