JP2004340692A

JP2004340692A - 変位検出装置

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Publication number: JP2004340692A
Application number: JP2003136520A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Noguchi; 直之野口
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】半導体等の回路素子が正常動作する使用上限温度以上の温度環境の下において使用される変位検出装置であって、熱的な悪影響を回避すべく回路素子基板を熱源から離した場合であっても、高コストの定電流源を用いることなく、定電流源を用いた変位検出装置並みの効果、すなわち、電気ノイズ耐性を充分に備え、スイッチングノイズなどの同相ノイズを除去でき、しかも、ＭＲ素子基板の面積を半分にすることでコストダウンに貢献し得る変位検出装置を提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子基板１２と回路素子基板１４を別基板上に備えた変位検出装置において、磁気抵抗素子基板１２上に配置された２つの抵抗体及び回路素子基板上１４に配置された２つの抵抗体、の４つの抵抗体によってブリッジ回路を構成し、磁気抵抗素子基板１２上に配置された抵抗体と回路素子基板１４上に配置された抵抗体の２つの接続点から出力電圧が取り出されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出体の変位を磁気抵抗素子を用いて検出する変位検出装置に関するものであって、特に、半導体等の回路素子のジャンクション温度に制約されることなく変位検出装置の回路を構成することができるとともに、電気ノイズ耐性を充分備え、正常に機能し得る変位検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、産業ロボットやＮＣ工作機械等に使用されるモータ等の回転機器に付設され、回転機器の回転体の回転数や回転方向を正確に検出する装置として、回転体の外周面（スケール）に多極着磁された回転位置検出用マグネット（着磁磁石）を設け、この着磁磁石に近接対向して磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を配置し、このＭＲ素子の抵抗値が、着磁磁石によって回転体のスケールに形成された着磁パターンから受ける周期的な磁界変化に応じて変化することを利用して変位検出を行うものがある（例えば、特許文献１及び特許文献２）。図７は、特許文献１に開示されたエンコーダ用磁気センサーに内蔵されたＭＲ素子基板の回路図である。また、図８は、特許文献２に開示された磁気検出装置の回路図である。
【０００３】
図７において、ＭＲ素子基板上には、ブリッジ回路構成となるように４つの抵抗体Ｒ_２１〜Ｒ_２４が配置されており、抵抗体Ｒ_２２と抵抗体Ｒ_２４の接続点と、抵抗体Ｒ_２１と抵抗体Ｒ_２３の接続点と、の間にバイアス電圧Ｖ_Ｃが印加されることによって、抵抗体Ｒ_２１と抵抗体Ｒ_２２の接続点及び抵抗体Ｒ_２３と抵抗体Ｒ_２４の接続点のそれぞれから出力電圧Ｖ_Ｏが取り出されるようになっている。ここで、抵抗体Ｒ_２１，Ｒ_２２は磁界の影響を受けて抵抗値が変化するＭＲ素子であり、抵抗体Ｒ_２３，Ｒ_２４は磁界の影響に拘わりなくそれらの抵抗値の和が常に一定となるように設定されており、磁界からシールドされている。そして、これらの抵抗体Ｒ_２１〜Ｒ_２４は、ブリッジ回路の平衡条件をくずさずに同一温度となるように、同一基板上に設けられている。
【０００４】
また、図８においては、互いにλ／２の間隔で配置し、かつ、直列に接続した２本の磁気抵抗ストライプ（２１と２２、２３と２４、２５と２６、２７と２８）を単位セグメントとして、この単位セグメントを４組有するＭＲ素子基板を形成すると共に、単位セグメントを個別に定電流源により駆動し、各単位セグメントと各定電流源との各接続点から出力端子を導出し、差動増幅器を用いて差動出力を得ることのできる磁気検出装置を示す。この磁気検出装置は、図７のエンコーダ用磁気センサーのようにＭＲ素子基板中の４つの抵抗体でブリッジ回路を構成するのではなく、ブリッジ回路の構成要素のうち２つの要素を回路素子基板中の２つの電流源で代替して、ＭＲ素子基板中の２つの抵抗体及び回路素子基板中の２つの電流源の４つの要素でブリッジ回路を構成していることから、結果的にＭＲ素子基板の面積を半分にすることができ、モータのスイッチングノイズ等の同相ノイズを効果的にキャンセルでき、安定した出力信号を得ることができるものである。
【０００５】
ここで、一般的な回路素子が正常に動作し得る上限温度は、半導体等の回路素子のジャンクション温度の制約等により１２５〜１５０℃程度であることが知られている。従って、モータや車のエンジン等の熱源近傍など、１２５℃を超えるような高温環境下においては、半導体を含む回路素子基板とＭＲ素子基板とを別個独立の別基板上に配置するなどして、回路素子基板を熱源（及びＭＲ素子基板）から相対的に離して、周辺温度に起因した悪影響から回路素子基板を護る必要性があった。
【０００６】
【特許文献１】
特公平７−１１７４２４号公報（第１図）
【特許文献２】
特許２６６９６３１号公報（第１図（ａ））
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回路素子基板とＭＲ素子基板との相対的位置を離して設置した場合、上記特許文献１記載のエンコーダ用磁気センサーでは信頼性の面で問題が生じる。
【０００８】
すなわち、図７における出力電圧Ｖ_Ｏは、被検出体の変位を検出する回路素子基板上の反転増幅器や差動増幅器等の半導体からなる回路素子に入力されることになるが、一般に、この回路素子基板の入力インピーダンスは極めて高いものである。従って、ＭＲ素子基板と回路素子基板を接続する線路にはほとんど電流が流れないこととなり、両者を離して配置すると耐ノイズ性能が悪化し、電気ノイズに弱く信頼性に欠けるといった問題点がある。
【０００９】
また、この問題を解消する手段として、上述した特許文献２に開示されているように、ＭＲ素子基板と回路素子基板とを離して配置するとともに、回路素子基板中に定電流源を組み込み、ＭＲ素子基板から回路素子基板までの線路に常時一定の電流を流すように構成することによって、耐ノイズ性能の悪化を防ぐことも考えられるが、回路素子基板中に組み込まれた定電流源を構成する回路素子点数は非常に多いことから、回路を複雑化させ、製造コストを引き上げるといった問題点がある。
【００１０】
さらに、特許文献２に開示された磁気検出装置は、ＭＲ素子基板の面積を半分にしてコストダウンに寄与する、同相ノイズを効果的に除去して安定した出力信号を出力する、という極めて優れた効果を奏するものであり、製造コスト削減の観点から高コストの定電流源を組み込まないにしろ、付加価値として、これらの効果を奏する変位検出装置の出現が期待される。
【００１１】
この点、特許文献１に開示された発明に変形を加えることによって、同相ノイズを効果的に除去して安定した出力信号を得ることは可能である。すなわち、図１では、抵抗体Ｒ_２１と抵抗体Ｒ_２２はＭＲ素子、抵抗体Ｒ_２３と抵抗体Ｒ_２４は固定抵抗となっているが、抵抗体Ｒ_２３と抵抗体Ｒ_２４も感磁部（ＭＲ素子）とすることにより（ブリッジ回路の全ての辺をＭＲ素子で構成することにより）、ＭＲ素子基板からの位相差１８０°の２つの差動信号を出力させ、上述の同相ノイズを効果的に除去して安定した出力信号を得ることは可能である。しかしながら、かかる回路構成を採用した場合であっても、以下の問題が依然として残る。すなわち、回路素子基板の入力インピーダンスが極めて高いことに変わりはないことから、回路素子基板とＭＲ素子基板とをつなぐ差動線路にはほとんど電流が流れず、上述した本発明の解決課題である高温環境下での耐ノイズ性能の向上を図ることができない。また、ＭＲ素子基板上でブリッジ回路を構成することに変わりはないことから、ＭＲ素子基板のチップ面積を小さくすることができない。さらに、ＭＲ素子を製造する際のバラツキに起因したブリッジ回路の２出力間のずれが、ＭＲ素子の抵抗変化率に比べて無視できないほど大きくなる場合があり、かかる場合には、ブリッジ回路を平衡状態にするためのオフセット調整回路とは別に、何らかのオフセット調整回路を設ける必要があり、組み立てコストを引き上げる要因となる。
【００１２】
そこで、本発明者は、変位検出装置を半導体等の回路素子が正常動作する使用上限温度以上の温度環境下で使用すること、及び、高コストの定電流源を用いないこと、を前提に、回路素子基板とＭＲ素子基板とを相対的に離した場合であっても、電気ノイズに強く、同相ノイズを除去でき、しかもＭＲ素子基板の面積を従来の半分にすることが可能であるという、低コストかつ高性能な変位検出装置を着想するに至った。
【００１３】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体等の回路素子が正常動作する使用上限温度以上の温度環境の下において使用される変位検出装置であって、熱的な悪影響を回避すべく回路素子基板を熱源から離した場合であっても、高コストの定電流源を用いることなく、定電流源を用いた変位検出装置並みの効果、すなわち、電気ノイズ耐性を充分に備え、スイッチングノイズなどの同相ノイズを除去でき、しかも、ＭＲ素子基板の面積を半分にすることでコストダウンに貢献し得る変位検出装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決するために、本発明は、磁気抵抗素子基板と回路素子基板を別基板上に備えた変位検出装置において、磁気抵抗素子基板上に配置された２つの抵抗体及び回路素子基板上に配置された２つの抵抗体、の４つの抵抗体によってブリッジ回路を構成し、磁気抵抗素子基板上に配置された抵抗体と回路素子基板上に配置された抵抗体の２つの接続点から出力電圧が取り出されることを特徴とする。
【００１５】
より具体的には、本発明は、以下のものを提供する。
【００１６】
（１）被検出体からの周期的な磁界変化を検出する磁気抵抗素子基板と、前記磁気抵抗素子基板からの出力を処理して被検出体の変位を検出する回路素子基板と、が別基板で構成された変位検出装置において、前記磁気抵抗素子基板に第１の抵抗体と第３の抵抗体が設けられるとともに、前記回路素子基板に第２の抵抗体と第４の抵抗体が設けられ、前記磁気抵抗素子基板の前記第１の抵抗体と前記回路素子基板の前記第２の抵抗体、前記磁気抵抗素子基板の前記第３の抵抗体と前記回路素子基板の前記第４の抵抗体、が直列に接続され、前記磁気抵抗素子基板の前記第１の抵抗体と前記第３の抵抗体の接続点と、前記回路素子基板の前記第２の抵抗体と前記第４の抵抗体の接続点と、の間にバイアス電圧が印加されることによって、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体の接続点及び前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体の接続点のそれぞれから出力電圧が取り出されることを特徴とする変位検出装置。
【００１７】
本発明によれば、例えばモータ等の回転体のスケールに形成された着磁パターンから受ける周期的な磁界変化を検出する抵抗体を含む磁気抵抗素子基板と、この磁気抵抗素子基板からの出力たる変位検出信号を処理して被検出体の変位を検出する回路素子基板と、を相対的に離して別基板で構成された変位検出装置において、磁気抵抗素子基板に第１・第３の抵抗体が設けられるとともに、回路素子基板に第２・第４の抵抗体が設けられ、磁気抵抗素子基板の第１の抵抗体と回路素子基板の第２の抵抗体、磁気抵抗素子基板の第３の抵抗体と回路素子基板の第４の抵抗体、が直列に接続され、磁気抵抗素子基板の第１・第３の抵抗体の接続点と、回路素子基板の第２・第４の抵抗体の接続点と、の間に直流電源等からのバイアス電圧が印加されることによって、第１・第２の抵抗体の接続点及び第３・第４の抵抗体の接続点、のそれぞれから出力電圧が取り出される、という構成にしたから、出力電圧が取り出されて、この出力電圧を処理して被検出体の変位を検出する回路素子基板を、磁気抵抗素子基板から物理的・相対的に離すとともに、磁気抵抗素子基板から相対的に離した場合であっても、両基板をつなぐ線路上である程度大きな電流を流すことができる。
【００１８】
従って、例えば車のエンジン等の熱源近傍という高温環境下において、半導体を含む回路素子基板を、熱的悪影響から護るため熱源（及びこれに対向配置される磁気抵抗素子基板）から離しても、回路素子基板と磁気抵抗素子基板とをつなぐ線路上には、従来のものよりも大きい電流が流れることとなるので、磁気抵抗素子基板から出力された変位検出信号を電気ノイズから護ることができる。つまり、たとえこの変位検出信号に電気ノイズが印加されたとしても、磁気抵抗素子基板からの変位検出信号の劣化を防ぐことができる。その結果、半導体等の回路素子の使用上限温度以上の高温環境下においても、磁気抵抗素子が正常に動作する温度範囲であれば使用することができ、かつ、変位検出信号の劣化を回避し得る信頼性の高い変位検出装置を提供することができる。
【００１９】
また、磁気抵抗素子基板上に４つの抵抗体からなるブリッジ回路を組んでいないことから、定電流源を組み込んだ磁気検出装置同様、磁気抵抗素子基板のチップ面積を従来の半分程度とすることができ、ひいては、昨今の技術動向に追従して装置の小型化に大きく貢献することができる。
【００２０】
また、磁気抵抗素子基板に設けられた第１・第３の抵抗体は周期的な磁界変化によってその抵抗値が変化するが、回路素子基板に設けられた第２・第４の抵抗体の抵抗値は磁界変化の影響を殆ど受けないため、第２・第４の抵抗体の存在によって、変位検出信号を処理する比較器や差動増幅器等に定電流を流すことが可能となる。よって、製造コスト引き上げの要因となる定電流源を使用することがないので、変位検出装置の回路全体を複雑化することもなく、製造が容易で、かつ安価な変位検出装置を実現することができる。
【００２１】
なお、磁気抵抗素子基板と回路素子基板とが別基板で構成される態様としては、磁気抵抗素子基板と回路素子基板とを物理的に完全に切り離して、それぞれ別個独立の基板上に配置する場合のみならず、例えば、断熱材の境界線を組み込む等して一定のスペース内で断熱効果を奏する基板があって、このスペース内に回路素子基板を配置し、このスペース外に磁気抵抗素子基板を配置する、といったように、熱的悪影響の発生を排除して同一基板内にこれら２つの基板を配置する場合を含む。
【００２２】
（２）前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体の接続点から取り出される第１の出力電圧と、前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体の接続点から取り出される第２の出力電圧と、は略１８０°の位相差を持った出力電圧であり、前記第１の出力電圧と前記第２の出力電圧とに基づいて、被検出体の変位を検出することを特徴とする（１）記載の変位検出装置。
【００２３】
本発明によれば、第１の出力電圧と第２の出力電圧とは、およそ１８０°の位相差を持った出力電圧であり、これら第１の出力電圧と第２の出力電圧とに基づいて、被検出体の変位を検出する、という構成にしたから、磁気抵抗素子基板からは、１８０°の位相差を有する差動信号が出力されることとなるので、磁気抵抗素子基板と回路素子基板とをつなぐ差動線路において、モータのスイッチングノイズ等の同相ノイズが印加された場合であっても、回路素子基板内の差動増幅器等を用いることによってその同相ノイズをキャンセルすることができ、ひいては、安定した出力信号を得ることができる。また、磁気抵抗素子基板から出力される本来の変位検出信号の振幅は、回路素子基板内の差動増幅器等によって増幅されることとなるため、結果としてＳ／Ｎ比を向上することができ、ひいては、信頼性の高い変位検出装置を提供することができる。
【００２４】
（３）前記第１〜第４の抵抗体の各々を一辺とするブリッジ回路を平衡状態にするオフセット調整手段を備えたことを特徴とする（１）又は（２）記載の変位検出装置。
【００２５】
本発明によれば、第１の抵抗体〜第４の抵抗体のそれぞれを一辺とするブリッジ回路は、平衡状態を維持するためのオフセット調整手段を備えた、という構成にしたから、第１の抵抗体〜第４の抵抗体によって構成されるブリッジ回路の平衡条件を確実に満足するようになるので、電子ボリューム等の電子回路で構成されたオフセット調整手段が設けられた回路素子基板上においては、被検出体からの磁界の影響を受けてその抵抗値が変化する第１の抵抗体と第２の抵抗体の抵抗値に拘わらず、ブリッジ回路には一定の電流が流れることとなり、抵抗体の温度変化に起因して印加磁界対抵抗特性曲線がシフトするのを防ぐことができ、ひいては、出力電圧の変動を防ぐことも可能となる。
【００２６】
（４）前記第１の抵抗体及び前記第３の抵抗体は磁気抵抗素子であるとともに、前記第２の抵抗体及び前記第４の抵抗体は固定抵抗素子であり、前記磁気抵抗素子の２５℃における抵抗値をＲ_ｍｒ［Ω］、前記固定抵抗素子の抵抗値をＲ［Ω］、前記磁気抵抗素子の抵抗値Ｒ_ｍｒの温度係数の下限をα_１［１／℃］、その上限をα_２［１／℃］、前記磁気抵抗素子の最高使用温度をＴ_ｍａｘ［℃］、としたときに、前記固定抵抗素子の抵抗値Ｒは、以下の条件式を満足することを特徴とする（１）から（３）のいずれか記載の変位検出装置。
Ｒ_ｍｒ（１＋α_１（Ｔ_ｍａｘ−２５））＜Ｒ＜Ｒ_ｍｒ（１＋α_２（Ｔ_ｍａｘ−２５））
【００２７】
本発明によれば、第１・第３の抵抗体は磁気抵抗素子であるとともに、第２・第４の抵抗体は固定抵抗素子であり、固定抵抗素子の抵抗値Ｒが上記の条件式を満足する、という構成にしたから、磁気抵抗素子が使用される環境の上限温度を考慮に入れた上で、本発明に係る変位検出装置に対し最も適当な固定抵抗素子の抵抗値を設計することができる。特に、高温領域（Ｔ_ｍａｘ＞＞２５）になる程、前記所定の条件式の範囲内でＲ＞Ｒ_ｍｒとすることで、固定抵抗素子の抵抗値Ｒに対して磁界変化による磁気抵抗素子の抵抗値Ｒ_ｍｒの影響が少なく、磁気抵抗素子基板より出力される変位検出信号の温度による増減を抑えることができる。従って、Ｎｉ−ＣｏやＮｉ−Ｆｅ等の磁性膜を用いた磁気抵抗素子の出力振幅は、キャリア移動度の温度特性に依存して温度が高くなるにつれて小さくなるが、上記の条件式を満足する抵抗値Ｒを選択することで、高温時の振幅のばらつき（加えて全温度範囲での振幅最低値のばらつき）をある程度抑えることが可能となる。
【００２８】
なお、「磁気抵抗素子」には、Ｎｉ−ＣｏやＮｉ−Ｆｅ等の高透磁率材料や半導体磁気抵抗素子、またはホール素子等のＭＲ素子のみならず、例えば、巨大磁気抵抗効果を奏するＧＭＲ素子が含まれる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００３０】
［変位検出装置の外観構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る変位検出装置の外観構成を示す図である。
【００３１】
図１において、回転体である被検出体１１のスケールには、Ｎ極とＳ極がピッチλで交互に配列された着磁磁石が設けられており、このスケールに対して近接対向するように、所定のギャップをもって磁気抵抗素子基板１２が配置されている。また、磁気抵抗素子基板１２から出力される変位検出信号は、＋ａ相信号，−ａ相信号，＋ｂ相信号，−ｂ相信号、の４つの検出信号であり、４本の差動線路１３を介して回路素子基板１４に設けられた所定の回路素子（図２参照）に伝送される。また、磁気抵抗素子基板１２及び回路素子基板１４に設けられた４つの抵抗体（図２参照）によって構成されるブリッジ回路にバイアス電圧源Ｖ_ｃｃを供給すべく、差動線路１３以外に、磁気抵抗素子基板と回路素子基板との間に１本の電源ライン１５が設けられている。
【００３２】
なお、差動線路１３は、フレキシブルケーブルや電線などの基板以外の配線手段であって、電気伝導性を有する材料であれば如何なるものであっても構わないが、２つの線路をツイストペアとして構成することが好ましい。これにより、一対の差動線路１３によって伝送される正相信号及び逆相信号にノイズが印加された場合に、双方の信号に対するノイズの印加状態が確実に同じものになるので、同相ノイズを効果的に除去することができる。
【００３３】
また、回路素子基板１４には、磁気抵抗素子基板１２からの出力を適正に処理して被検出体の変位を検出するため、例えば、反転増幅器、差動増幅器、Ａ／Ｄ変換器、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの情報処理機器が設けられている。
【００３４】
［変位検出装置の回路構成］
図２は、本発明の実施の形態に係る変位検出装置の回路図である。なお、この回路図においては、図１に示すＡ相信号を出力する回路とＢ相信号を出力する回路は同等の機能を有するものであるため、一方の回路のみを対象とした単相の場合について説明する。
【００３５】
図２において、本発明の実施の形態に係る変位検出装置は、磁気抵抗素子基板１２と、回路素子基板１４と、が別基板で構成されている。
【００３６】
磁気抵抗素子基板１２には磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_３が設けられており、最大約１５０℃（磁気抵抗素子の上限）まで用いることができるものである一方、回路素子基板１４には固定抵抗Ｒ_２，Ｒ_４を含むオフセット調整手段３１や差動増幅器３０が設けられおり、半導体等の回路素子のジャンクション温度の制約によって最大約８５℃まで用いることができる。なお、回路素子基板１４は、磁界からシールドされている。
【００３７】
図２において、磁気抵抗素子基板１２に設けられた磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_３のそれぞれの一方の端子はバイアス電圧源Ｖ_ｃｃに接続されており、それぞれの他方の端子は、回路素子基板１４上の差動増幅器３０の反転入力端子（−端子），非反転入力端子（＋端子）に接続されている。そして、回路素子基板１４に設けられた固定抵抗Ｒ_２，Ｒ_４の一方の端子は、磁気抵抗Ｒ_１と差動増幅器３０の反転入力端子との接続点１及び磁気抵抗Ｒ_３と差動増幅器３０の非反転入力端子との接続点２、のそれぞれに接続され、他方の端子は、共にオフセット調整手段３１を介してアースに接続されている。さらに、磁気抵抗Ｒ_１から得られた変位検出信号と、磁気抵抗Ｒ_３から得られた変位検出信号と、が差動入力される差動増幅器３０は、帰還抵抗Ｒ_ａを用いて出力電圧を正帰還するとともに、差動入力に対する適切な変位検出信号（矩形波）を出力する。
【００３８】
このように磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_３、固定抵抗Ｒ_２，Ｒ_４を用いてブリッジ回路を構成し、しかも、固定抵抗の抵抗値の方が磁気抵抗の抵抗値よりも若干大きくなるように設定してブリッジ回路を構成することによって、変位検出装置が使用される環境の温度を十分考慮に入れた上で、差動増幅器３０に安定した出力電圧を供給することができる。また、このブリッジ回路を平衡状態にするオフセット調整手段３１は、ブリッジ回路の平衡条件を満足させることができる。固定抵抗Ｒ_２，Ｒ_４の抵抗値に適切な値を選択すれば、抵抗体の温度変化に起因して印加磁界対抵抗特性曲線がシフトしても、出力電圧の変動を小さくすることが可能となる。
【００３９】
［磁気抵抗素子基板と被検出体のスケールとの対向配置関係］
図３は、図１に示すＡ相とＢ相の２相出力を用いる変位検出装置における、磁気抵抗素子基板１２と被検出体１１のスケールとの対向配置関係を示す図であり、以下に、磁気抵抗素子基板１２から出力される変位検出信号の波形位相を決定づける、磁気抵抗素子基板１２と被検出体１１のスケールとの対向配置関係について説明する。
【００４０】
図３において、被検出体１１のスケールには、上述のとおり、Ｎ極とＳ極がピッチλで交互に配列された着磁磁石が設けられている。すなわち、Ｎ極からＮ極までのピッチ及びＳ極からＳ極までのピッチは共にλとなっている。これに対し、磁気抵抗素子基板１２には、４つの磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_５，Ｒ_３，Ｒ_７が、この順で、隣の磁気抵抗とのピッチがλ／４，λ／４，λ／４の間隔となるように、互いに並列に配置されている。
【００４１】
そして、磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_５，Ｒ_３，Ｒ_７のそれぞれの一方の端子には、電源ライン１５を介してバイアス電圧源Ｖ_ｃｃが接続されている。一方で、磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_５，Ｒ_３，Ｒ_７のそれぞれの他方の端子からは、各変位検出信号が出力されることとなる。すなわち、磁気抵抗Ｒ_１からは＋ａ相信号、磁気抵抗Ｒ_５からは＋ｂ相信号、磁気抵抗Ｒ_３からは−ａ相信号、磁気抵抗Ｒ_７からは−ｂ相信号、の変位検出信号が取り出されることとなる。なお、磁気抵抗素子基板１２には、バイアス磁界が加えられている。
【００４２】
従って、磁気抵抗素子基板１２と被検出体１１のスケールとは上述のような対向配置関係にあることから、磁気抵抗素子基板１２から出力される変位検出信号の波形位相は次のように決定付けられることとなる。すなわち、磁気抵抗Ｒ_１と磁気抵抗Ｒ_３のピッチはλ／２であることから、被検出体１１のスケールから受ける磁界によって、両者の抵抗値は１８０°の位相差をもって変化する。従って、磁気抵抗Ｒ_１から取り出される＋ａ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_３から取り出される−ａ相信号の信号波形とは、位相が１８０°ずれたものとなる。また、磁気抵抗Ｒ_５と磁気抵抗Ｒ_７のピッチもλ／２であることから、上記同様、磁気抵抗Ｒ_５から取り出される＋ｂ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_７から取り出される−ｂ相信号の信号波形とは、位相が１８０°ずれたものとなる。
【００４３】
また、磁気抵抗Ｒ_１と磁気抵抗Ｒ_５のピッチはλ／４であることから、被検出体１１のスケールから受ける磁界によって、両者の抵抗値は９０°の位相差をもって変化する。従って、磁気抵抗Ｒ_１から取り出される＋ａ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_５から取り出される＋ｂ相信号の信号波形とは、位相が９０°ずれたものとなる。また、磁気抵抗Ｒ_３と磁気抵抗Ｒ_７のピッチもλ／４であることから、上記同様、磁気抵抗Ｒ_３から取り出される−ａ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_７から取り出される−ｂ相信号の信号波形とは、位相が９０°ずれたものとなる。
【００４４】
なお、上述の４つの磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_５，Ｒ_３，Ｒ_７は、いずれも磁気抵抗素子基板１２に対する被検出体１１の相対変位方向とは直交する方向の両端を端子とする細長い形状をしており、一般的には、保護膜で全体が覆われたスパッタ等による薄膜素子によって形成される。
【００４５】
図４は、図１に示すＡ相とＢ相の２相出力を用いる変位検出装置の回路図である。
【００４６】
図４において、本発明の実施の形態に係る変位検出装置は、磁気抵抗素子基板１２と、回路素子基板１４ａ及び１４ｂで構成されており、それぞれが別基板として構成されている。また、磁気抵抗素子１２に設けられた磁気抵抗と被検出体１１とは、図３に示す対向配置関係をなしている。
【００４７】
図４において、まず、磁気抵抗素子基板１２に設けられた磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_３，Ｒ_５，Ｒ_７のそれぞれの一方の端子にはバイアス電圧源Ｖ_ｃｃが接続されており、また、磁気抵抗Ｒ_１の他端には差動増幅器３０ａの非反転入力端子（＋端子）が、磁気抵抗Ｒ_３の他端には差動増幅器３０ａの反転入力端子（−端子）が、磁気抵抗Ｒ_５の他端には差動増幅器３０ｂの非反転入力端子（＋端子）が、磁気抵抗Ｒ_７の他端には差動増幅器３０ｂの反転入力端子（−端子）が、それぞれ接続されている。なお、図３においては、便宜上、磁気抵抗素子基板１２の各磁気抵抗と回路素子基板１４ａ，１４ｂの差動増幅器の各端子をつなぐ差動線路をツイストペアとして構成していないが、同相ノイズを効果的に除去すべくツイストペアにすることが好ましい。
【００４８】
次に、固定抵抗Ｒ_２の一方の端子は、磁気抵抗Ｒ１と差動増幅器３０ａの非反転入力端子との接続点に接続されており、他方の端子は、オフセット調整手段３１ａを介してアースに接続されている。また、固定抵抗Ｒ_４の一方の端子は、磁気抵抗Ｒ_３と差動増幅器３０ａの反転入力端子との接続点に接続されており、他方の端子は、オフセット調整手段３１ａを介してアースに接続されている。
【００４９】
同様に、固定抵抗Ｒ_６の一方の端子は、磁気抵抗Ｒ_５と差動増幅器３０ｂの非反転入力端子との接続点に接続されており、他方の端子は、オフセット調整手段３１ｂを介してアースに接続されている。また、固定抵抗Ｒ_８の一方の端子は、磁気抵抗Ｒ_７と差動増幅器３０ｂの反転入力端子との接続点に接続されており、他方の端子は、オフセット調整手段３１ｂを介してアースに接続されている。
【００５０】
最後に、＋ａ相信号と−ａ相信号が差動入力される差動増幅器３０ａは、帰還抵抗Ｒ_ａを用いて出力電圧を正帰還するとともに、差動入力に対する適切なＡ相信号（矩形波）を出力する。また、＋ｂ相信号，−ｂ相信号が差動入力される差動増幅器３０ｂは、帰還抵抗Ｒ_ｂを用いて出力電圧を正帰還するとともに、差動入力に対する適切なＢ相信号（矩形波）を出力する。
【００５１】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る変位検出装置は、磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_３，Ｒ_５，Ｒ_７が設けられた磁気抵抗素子基板１２と、固定抵抗Ｒ_２，Ｒ_４，Ｒ_６，Ｒ_８を含む差動増幅器３０ａ，３０ｂが設けられた回路素子基板１４ａと１４ｂと、が別基板で構成されており、磁気抵抗素子基板１２上の磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_３、回路素子基板１４ａ上の固定抵抗Ｒ_２，Ｒ_４、の４つの抵抗体によってＡ相信号を出力するためのブリッジ回路が構成され、磁気抵抗素子基板１２上の磁気抵抗Ｒ_５，Ｒ_７、回路素子基板１４ｂ上の固定抵抗Ｒ_６，Ｒ_８、の４つの抵抗体によってＢ相信号を出力するためのブリッジ回路が構成されていることから、被検出体１１の変位検出信号が伝送される差動線路１３にある程度大きな電流を流すことができ、差動線路１３に電気ノイズが印加されたとしても、被検出体１１の変位検出信号の劣化を防ぐことが可能となる。また、別基板で構成したことより、半導体等の回路素子の使用上限温度以上の高温環境下においても、磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_５，Ｒ_３，Ｒ_７が正常に動作する温度範囲であれば使用することができ、かつ、出力信号の劣化を回避できる信頼性の高いものとなる。
【００５２】
また、磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_３と固定抵抗Ｒ_２，Ｒ_４とからなるブリッジ回路には、オフセット調整手段３１ａが設けられ、磁気抵抗Ｒ_５，Ｒ_７と固定抵抗Ｒ_６，Ｒ_８とからなるブリッジ回路には、オフセット調整手段３１ｂが設けられていることから、ブリッジ回路の平衡条件を満足するように双方のオフセット調整手段３１ａ，３１ｂを調整することによって、双方のブリッジ回路に一定の電流を流すことができる。そうすると、抵抗体の温度変化に起因して印加磁界対抵抗特性曲線がシフトするのを防ぐことができ、ひいては、出力電圧の変動を防ぐことも可能となる。
【００５３】
なお、図４における変位検出装置は、便宜上、回路素子基板として１４ａと１４ｂの２つに分けるようにして説明したが、１４ａと１４ｂを一つの基板として回路素子基板を構成すると装置の小型化を図ることができる。
【００５４】
［タイミングチャート］
図５は、本発明の実施の形態に係る変位検出装置のタイミングチャートを示す図であり、図４の中の６箇所における電圧信号波形を示しており、図５（ａ）は＋ａ相信号波形、図５（ｂ）は−ａ相信号波形、図５（ｃ）は＋ａ相信号波形から−ａ相信号波形を減算した信号波形、図５（ｄ）は差動増幅器３１の出力信号であるＡ相信号の波形、図５（ｅ）は＋ｂ相信号波形、図５（ｆ）は−ｂ相信号波形、図５（ｇ）は＋ｂ相信号波形から−ｂ相信号波形を減算した信号波形、図５（ｈ）は差動増幅器３２の出力信号であるＢ相信号の波形である。
【００５５】
まず、被検出体１１のスケールが変位することによって、磁気抵抗Ｒ_１と磁気抵抗Ｒ_３は、位相差が１８０°の磁界変化を受ける。これより、磁気抵抗Ｒ_１，Ｒ_３の磁気抵抗効果に基づき、これらの抵抗値が１８０°の位相差をもって正弦波状に変化することから、差動増幅器３１の非反転端子に入力される＋ａ相信号波形と、差動増幅器３１の反転入力端子に入力される−ａ相信号波形とは、それぞれ図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように１８０°の位相差を持った正弦波状の波形となる。
【００５６】
ここで、＋ａ相信号波形と−ａ相信号波形の双方に、モータからのスイッチングノイズ等の同相ノイズが印加され、波形の一部にパルス状の歪みが生じているものとする（図５（ａ），（ｂ）参照）
【００５７】
次に、＋ａ相信号と−ａ相信号が差動増幅器３０ａに入力されると、差動増幅器３０ａ内で等価的に減算処理が施され、＋ａ相信号波形から−ａ相信号波形を減算した信号波形が等価的に生成される（図５（ｃ）参照）。
【００５８】
ここで、図５（ｃ）に示すように、上述の等価的な減算処理によって同相ノイズが効果的にキャンセルされる。そうすると同時に、被検出体１１の変位検出信号の振幅も、上述の減算処理によって増幅されており、結果としてＳ／Ｎが向上し、電気ノイズ耐性を備えた信頼性の高い変位検出装置を実現できる。
【００５９】
次に、差動増幅器３０ａは、上述の減算処理によって等価的に生成された信号波形（図５（ｃ））に基づき、一定の基準値と比較することによって矩形波状のａ相信号を出力する（図５（ｄ））。すなわち、図５（ｃ）の信号波形が一定基準値よりも大きい場合にはＨレベルの信号を出力し、図５（ｃ）の信号波形が一定基準値よりも小さい場合にはＬレベルの信号を出力する。
【００６０】
一方で、被検出体１１のスケールが変位することによって、磁気抵抗Ｒ_５と磁気抵抗Ｒ_７は、位相差が１８０°の磁界変化を受ける。これより、磁気抵抗Ｒ_５，Ｒ_７の磁気抵抗効果に基づき、これらの抵抗値が１８０°の位相差をもって正弦波状に変化することから、差動増幅器３０ｂの非反転端子に入力される＋ｂ相信号波形と、差動増幅器３０ｂの反転入力端子に入力される−ｂ相信号波形とは、それぞれ図５（ｅ）、図５（ｆ）に示すように１８０°の位相差を持った正弦波状の波形となる。
【００６１】
次に、＋ｂ相信号と−ｂ相信号が差動増幅器３０ｂに入力されると、差動増幅器３０ｂ内で等価的に減算処理が施され、＋ｂ相信号波形から−ｂ相信号波形を減算した信号波形が等価的に生成される（図５（ｇ）参照）。なお、差動増幅器３０ｂによって実現される、同相ノイズのキャンセル機能及び変位検出信号の振幅増大機能については、差動増幅器３０ａの場合と同様であるため省略する。
【００６２】
次に、差動増幅器３０ｂは、上述の減算処理によって等価的に生成された信号波形（図５（ｇ））に基づき、一定の基準値と比較することによって矩形波状のＢ相信号を出力する（図５（ｈ））。すなわち、図５（ｇ）の信号波形が一定基準値よりも大きい場合にはＨレベルの信号を出力し、図５（ｇ）の信号波形が一定基準値よりも小さい場合にはＬレベルの信号を出力する。
【００６３】
ここで、磁気抵抗素子基板１２と被検出体１１のスケールとの対向配置関係において説明したとおり、磁気抵抗Ｒ_１から取り出される＋ａ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_５から取り出される＋ｂ相信号の信号波形とは、位相が９０°ずれたものとなり、また、磁気抵抗Ｒ_３から取り出される−ａ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_７から取り出される−ｂ相信号の信号波形とは、位相が９０°ずれたものとなることから、ａ相信号とｂ相信号も位相が９０°ずれた信号波形となる。その結果、各々の信号の立ち上がりのタイミングを検出することによって、被検出体１１の回転数のみならず、被検出体１１の回転方向をも検出することができようになる。
【００６４】
［変形例］
図６は、図２に示す回路図の変形例であり、磁気抵抗Ｒ_９，Ｒ_１１が設けられた磁気抵抗素子基板１２において、磁気抵抗Ｒ_９，Ｒ_１１の一端をアースに接続する一方、固定抵抗Ｒ_１０，Ｒ_１２が設けられた回路素子基板１４において、固定抵抗Ｒ_１０，Ｒ_１２の一端をオフセット調整手段５３を介してバイアス電圧源Ｖ_ｃｃに接続する。
【００６５】
このような回路構成においては、例えば、回路素子基板内の変位検出を担う回路（例えば差動増幅器５１及び帰還抵抗Ｒ_Ｃ）の入力電圧の許容範囲によっては、変形例の方が適当であることも考えられる。
【００６６】
［抵抗値Ｒの最適値］
２５℃における磁気抵抗素子の抵抗値をＲ_ｍｒ［Ω］、この磁気抵抗素子の抵抗値の温度係数をα［１／℃］とすると、温度Ｔ［℃］における磁気抵抗素子の抵抗値Ｒ_ｍｒ（Ｔ）は、
Ｒ_ｍｒ（Ｔ）＝Ｒ_ｍｒ（１＋α（Ｔ−２５））
で表すことができる。
ここで、図２における磁気抵抗素子Ｒ_１の抵抗値の温度係数をα_１［１／℃］、磁気抵抗素子Ｒ_３の抵抗値の温度係数をα_２［１／℃］としたときの、最高使用温度（Ｔ＝Ｔ_ｍａｘ）におけるそれぞれの抵抗値Ｒ_ｍｒ１，Ｒ_ｍｒ３は、
Ｒ_ｍｒ１＝Ｒ_ｍｒ（１＋α_１（Ｔ_ｍａｘ−２５））、
Ｒ_ｍｒ３＝Ｒ_ｍｒ（１＋α_２（Ｔ_ｍａｘ−２５））、
と表せる。
【００６７】
すると、α_１＜α_２であるときの出力電圧の振幅のバラツキを抑えるための固定抵抗素子Ｒ_２，Ｒ_４の抵抗値Ｒは、
Ｒ_ｍｒ（１＋α_１（Ｔ_ｍａｘ−２５））＜Ｒ＜Ｒ_ｍｒ（１＋α_２（Ｔ_ｍａｘ−２５））
とすることができる。
【００６８】
なお、抵抗値Ｒの最適値は、
Ｒ≒Ｒ_ｍｒ（１＋α（Ｔ_ｍａｘ−２５））、α＝（α_１＋α_２）／２
とすることができる。このような抵抗値Ｒをもつ固定抵抗を用いることによって、出力電圧温度特性の振幅バラツキを最小限に抑えることができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体の動作許容温度範囲を超える高温環境下であっても磁気抵抗素子の動作許容温度範囲であれば使用可能な変位検出装置であって、定電流源を組み込んでいないにも拘らず、これを用いた変位検出装置並みの電気ノイズ耐性、出力振幅、磁気抵抗素子基板面積、同相ノイズ除去、を期待することができる、信頼性が高く、安価で小型な変位検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る変位検出装置の外観構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る変位検出装置の回路図である。
【図３】磁気抵抗素子基板と被検出体のスケールとの対向配置関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る変位検出装置の回路図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る変位検出装置のタイミングチャートを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る変位検出装置の変形例を示す回路図である。
【図７】従来のエンコーダ用磁気センサーに内蔵されたＭＲ素子基板の回路図である。
【図８】従来の磁気検出装置の回路図である。
【符号の説明】
１１被検出体
１２磁気抵抗素子基板
１３差動線路
１４回路素子基板
１５電源ライン
３１オフセット調整手段

Claims

被検出体からの周期的な磁界変化を検出する磁気抵抗素子基板と、前記磁気抵抗素子基板からの出力を処理して被検出体の変位を検出する回路素子基板と、が別基板で構成された変位検出装置において、
前記磁気抵抗素子基板に第１の抵抗体と第３の抵抗体が設けられるとともに、前記回路素子基板に第２の抵抗体と第４の抵抗体が設けられ、
前記磁気抵抗素子基板の前記第１の抵抗体と前記回路素子基板の前記第２の抵抗体、前記磁気抵抗素子基板の前記第３の抵抗体と前記回路素子基板の前記第４の抵抗体、が直列に接続され、
前記磁気抵抗素子基板の前記第１の抵抗体と前記第３の抵抗体の接続点と、前記回路素子基板の前記第２の抵抗体と前記第４の抵抗体の接続点と、の間にバイアス電圧が印加されることによって、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体の接続点及び前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体の接続点のそれぞれから出力電圧が取り出されることを特徴とする変位検出装置。
前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体の接続点から取り出される第１の出力電圧と、前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体の接続点から取り出される第２の出力電圧と、は略１８０°の位相差を持った出力電圧であり、前記第１の出力電圧と前記第２の出力電圧とに基づいて、被検出体の変位を検出することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
前記第１〜第４の抵抗体の各々を一辺とするブリッジ回路を平衡状態にするオフセット調整手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の変位検出装置。
前記第１の抵抗体及び前記第３の抵抗体は磁気抵抗素子であるとともに、前記第２の抵抗体及び前記第４の抵抗体は固定抵抗素子であり、
前記磁気抵抗素子の２５℃における抵抗値をＲ_ｍｒ［Ω］、前記固定抵抗素子の抵抗値をＲ［Ω］、前記磁気抵抗素子の抵抗値Ｒ_ｍｒの温度係数の下限をα_１［１／℃］、その上限をα_２［１／℃］、前記磁気抵抗素子の最高使用温度をＴ_ｍａｘ［℃］、としたときに、前記固定抵抗素子の抵抗値Ｒは、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の変位検出装置。
Ｒ_ｍｒ（１＋α_１（Ｔ_ｍａｘ−２５））＜Ｒ＜Ｒ_ｍｒ（１＋α_２（Ｔ_ｍａｘ−２５））