JP2006064381A

JP2006064381A - エンコーダ用磁気センサ、センサアセンブリ及びレンズ鏡筒

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Publication number: JP2006064381A
Application number: JP2004243547A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Shoji; 茂庄司
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: JP3856019B2

Abstract

【課題】取り付け精度及びロール方向の傾きに基づくギャップ変動を低減することができるエンコーダ用磁気センサ、センサアセンブリ及びレンズ鏡筒を提供する。
【解決手段】エンコーダ用磁気センサは、回転筒にその円周方向に沿って取り付けられておりかつ所定の着磁ピッチで着磁されている磁気媒体の表面に摺動面が接触することによって磁界検出を行う。摺動面の着磁ピッチ方向の幅は回転筒の直径の３／５００以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の磁気抵抗効果（ＭＲ）素子を備えた磁気エンコーダ用の磁気センサ、センサアセンブリ及びレンズ鏡筒に関し、特に、カメラ等の回転筒の変位検出に用いられるロータリ式磁気エンコーダに使用される磁気センサ、センサアセンブリ及びレンズ鏡筒に関する。

この種の磁気ロータリエンコーダでは、近年、より高精度の回転角制御を行なう必要性から高分解能化が進んでいる。高分解能化するにつれて、磁気媒体と磁気センサとの間隔（ギャップ）の影響が大きくなり、これを一定に保つことが要求される。

また、高分解能化を図るためには、磁気媒体と磁気センサとを接触させて摺動させる構造が有利であり、この構造は最近の多くの磁気エンコーダで採用されている。しかしながら、接触式の磁気ロータリエンコーダにおいて、一般的な平板形状の磁気センサを取り付けてエンコーダを製造する場合、その取り付け精度を高くすることができないこと及び磁気センサが着磁ピッチ方向に傾く（磁気センサがローリングする）可能性が高いことにより、磁気媒体と磁気センサとのギャップがばらついてしまい、得られるセンサ出力が大きく変動するという不都合がどうしても生じてしまう。

このような接触式の磁気ロータリエンコーダにおいて、磁気媒体（スケール部材）と磁気センサ（検出部材）との着磁ピッチと垂直方向への傾く（磁気センサがピッチングする）ことを防止し、両者が密着するように磁気センサの支持部材を工夫した構成について、いくつかの提案がなされている（例えば、特許文献１、２、３、４、５及び６）。

特開２０００−２０５８０８号公報特開２００２−２５０６３８号公報特開２００３−１３９５６７号公報特開２００３−２４０６０３号公報特開２００３−３１５６５９号公報特開２００３−３４４１０５号公報

しかしながら、これら公知の構造は、いずれも、磁気センサを取り付ける支持部材の構造に関するものであり、磁気センサ自体の構造に係るものではない。また、磁気センサのピッチングを防止するものであり、ローリングについては何等考慮されていなかった。

従って本発明の目的は、取り付け精度及び着磁ピッチ方向への傾き（磁気センサのローリング）に基づくギャップ変動を低減することができるエンコーダ用磁気センサ、センサアセンブリ及びレンズ鏡筒を提供することにある。

本発明によれば、所定の着磁ピッチで着磁がなされておりかつ回転筒にその円周方向に沿って取り付けられている磁気媒体の表面に摺動面が接触することによって磁界検出を行うエンコーダ用磁気センサであって、摺動面の着磁ピッチ方向の幅が回転筒の直径の３／５００以下であるエンコーダ用磁気センサが提供される。

磁気媒体の表面に摺動面が接触する方式であり、しかも摺動面の着磁ピッチ方向の幅が回転筒の直径の３／５００以下とかなり狭いため、この磁気センサを備えたセンサアセンブリに関して、取り付け精度がばらついた場合にも、また、磁気センサのローリングが生じた場合にもギャップ変動を低減することができる。その結果、本発明のエンコーダ用磁気センサを用いれば、高分解能で安定した動作の磁気ロータリエンコーダを得ることが可能となる。

磁気媒体の着磁ピッチ方向に並んで配置された複数のＭＲ素子を備えていることが好ましい。

複数のＭＲ素子にそれぞれ電気的に接続されており、摺動面と同じ面に形成された電極端子をさらに備えていることも好ましい。

直方体形状の基板上に複数のＭＲ素子が形成されており、これら複数のＭＲ素子上に形成された保護膜の表面が摺動面を構成していることが好ましい。

複数のＭＲ素子上に形成された保護膜が、複数の材料による多層膜であることが好ましい。この場合、多層膜が、アルミナ膜、シリコン膜及びダイアモンドライクカーボン膜の少なくとも２つの膜からなることがより好ましい。

複数のＭＲ素子の各々が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子又はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子であることも好ましい。

摺動面の着磁ピッチ方向の幅が、着磁ピッチの２〜１５倍であることが好ましい。

摺動面の端縁が、面取りされていることが好ましい。端縁を面取りすることにより、磁気媒体との密着性が良好となる。

摺動面の着磁ピッチ方向と垂直方向の長さが２〜３ｍｍであることも好ましい。磁気センサをこのように細長い形状とすることにより、磁気媒体に対する位置ずれ及び振動等の影響を吸収できると共にセンサ面積をより小さくすることができるので、コストダウンが可能となる。また、充分な強度を確保することができる。

本発明によれば、さらに、上述したエンコーダ用磁気センサと、この磁気センサが固着されたサスペンションと、このサスペンションに固着されており、磁気センサの電極端子に電気的に接続されたリード導体を有する可撓性配線部材とを備えているセンサアセンブリが提供される。

本発明によれば、さらにまた、回転筒と、固定筒と、所定の着磁ピッチで着磁がなされておりかつ回転筒にその円周方向に沿って取り付けられている磁気媒体と、固定筒に装着された上述のセンサアセンブリとを備えているレンズ鏡筒が提供される。

本発明によれば、センサアセンブリに関して、取り付け精度がばらついた場合にも、また、磁気センサのローリングが生じた場合にもギャップ変動を低減することができる。その結果、高分解能で安定した動作の磁気ロータリエンコーダを得ることが可能となる。

図１は本発明の一実施形態として、一眼レフカメラの構成を概略的に示す分解斜視図である。

同図（Ａ）において、１０はカメラ本体、１１はレンズ鏡筒をそれぞれ示している。レンズ鏡筒１１は、同図（Ｂ）に示すように、フォーカスリング１２と、フォーカスレンズ群を有する前部レンズ鏡筒１３と、ズームレンズ群を有する後部レンズ鏡筒１４と、ズームリング１５と、マウントリング１６とを備えている。後部レンズ鏡筒１４には、同図（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、磁気ロータリエンコーダ１７が取り付けられている。

本実施形態において、この磁気ロータリエンコーダ１７は、後部レンズ鏡筒１４の回転筒１４ａの外周に沿って接着剤等で固着されたテープ状の磁気媒体１７ａと、後部レンズ鏡筒１４の固定筒１４ｂにハトメ等で固定されたセンサアセンブリ１７ｂとから構成されている。

図２は本実施形態における磁気ロータリエンコーダ、センサアセンブリ及び磁気センサチップの構造をより詳細に示す斜視図及び分解斜視図である。

同図（Ａ）に示すように、磁気ロータリエンコーダ１７は、テープ状の樹脂フィルム上に磁性層をコーティングし、この磁性層に所定の着磁ピッチλ（本実施形態では、λ＝２０μｍ）で磁気記録がなされた磁気媒体１７ａと、潤滑剤を塗布したこの磁気媒体１７ａに磁気センサチップの摺動面が接触して摺動できるように取り付けられるセンサアセンブリ１７ｂとから構成されている。

センサアセンブリ１７ｂは、同図（Ｂ）に示すように、金属板部材によって形成されたサスペンション２０と、このサスペンション２０の先端部の表面に接着剤等で固着された磁気センサチップ２１と、このサスペンション２０に接着剤等で固着されており、接続導体を備えたフレクシブルプリント回路（ＦＰＣ）部材２２とを備えている。ＦＰＣ部材２２は、樹脂フィルム上に接続導体及び接続パッドをパターニングし、接続導体部分を樹脂層で被覆したものであり、可撓性を有する配線部材である。このＦＰＣ部材２２は、サスペンション２０の裏面に沿って固着されており、サスペンション２０の先端で折り返されてその先端部がサスペンション２０の表面に固着されている。ＦＰＣ部材２２の先端部に設けられた接続パッドと、磁気センサチップ２１に形成された電極端子とはワイヤ２３によるワイヤボンディングによって電気的に接続されている。

本実施形態における磁気センサチップ２１は、同図（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、細長い直方体形状の基板２４と、この基板２４の表面２４ａ上に積層形成された複数の、この場合２つの、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子２５と、表面２４ａ上に形成されており、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子２５と電極端子２６とを電気的に接続するリード導体２７及びビアホール導体２８と、基板２４の表面２４ａ、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子２５及びリード導体２７を覆い、ビアホール導体２８が内部を貫通する保護膜である絶縁被覆膜２９とから主として構成されている。絶縁被覆膜２９の表面が摺動面２９ａを構成しており、その一部が磁気媒体１７ａに接触する領域となる。電極端子２６は絶縁被覆膜２９の表面上に形成されている。

絶縁被覆膜２９は、単層膜であっても良いが、好ましくは、多層膜であり、より好ましくは、基板側からアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜及びダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜の２層構造であり、最も好ましくは、基板側からＡｌ_２Ｏ_３膜、シリコン（Ｓｉ）膜及びＤＬＣ膜の３層構造である。Ｓｉ膜及びＤＬＣ膜の各々の厚さは、Ａｌ_２Ｏ_３膜の厚さの１／１０以下である。このような多層膜構造とすることにより、摩擦抵抗を低減化及び摩耗量の減少化を図ることが可能となる。

２つのＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子２５は、センサアセンブリ１７ｂの磁気媒体１７ａに対する相対的な移動方向、即ち磁気媒体１７ａの着磁ピッチ方向、と同じ方向に所定間隔、例えば２０μｍの間隔で互いに平行に配置されている。ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子２５の各々は、２つの直線部分をＵ字状に折り返した直線ストリップ形状となっている。このように折り返しされているのは、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子２５を高出力化及び高感度化するためである。ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子２５の長さは約１８０μｍ程度であり、その先端は基板２４の先端面２４ｂに露出はしておらず、この先端面から約１００μｍ程度後退した位置に形成されている。

基板２４は例えばアルティック（Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ）から形成されており、各絶縁被覆層２９は例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁非磁性体材料から形成されている。電極端子２６、リード導体２７及びビアホール導体２８は、例えば銅（Ｃｕ）等の導電体材料から形成されている。各ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子２５は、一般的な多層構造のＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子から形成されている。

本実施形態において重要な点は、磁気センサチップ２１の摺動面２９ａの着磁ピッチ方向の幅Ｗが、Ｗ≦０．３ｍｍ、好ましくは０．０４ｍｍ≦Ｗ≦０．３ｍｍ（着磁ピッチが２０μｍの場合、その２〜１５倍）、より好ましくはＷ＝０．１５ｍｍに設定されていることである。０．０４ｍｍ≦Ｗは、磁気センサチップの面取り等の機械的加工の限界から与えられる。Ｗ≦０．３ｍｍということは、磁気媒体１７ａがその外周に沿って固着されている回転筒１４ａの直径が５０ｍｍであるから、幅Ｗは、回転筒１４ａの直径の３／５００以下に設定することとなる。このように幅Ｗを狭く設定することによって、以下に説明するように、センサアセンブリ１７ｂの取り付け精度がばらついた場合にも、また、センサアセンブリ１７ｂの磁気センサチップ２１が着磁ピッチ方向へ傾いた（ローリングした）場合にも、磁気媒体１７ａ及び磁気センサチップ２１間のギャップの変動を低減することができ、その結果、高分解能で安定した動作の磁気ロータリエンコーダが得られる。

図３〜図６は、磁気センサチップ２１の幅Ｗと磁気媒体１７ａ及び磁気センサチップ２１間のギャップΔとの関係を説明する図である。

図３に示すように、幅Ｗの広い磁気センサチップ２１′を用いた場合に、そのエッジ以外の中間部分が円筒に固着された磁気媒体１７ａ′に接触しているとすると、ギャップΔは、Δ＝ｒ−ｒ・ｃｏｓθ_１−Ｘ・ｔａｎθ_３＋ｒ・ｔａｎ（θ_３／２）・ｔａｎθ_３で与えられる。

これに対して、図４に示すように、本実施形態のように幅Ｗの狭い磁気センサチップ２１を用いた場合に、その一方のエッジが円筒に固着された磁気媒体１７ａに接触しているとすると、ギャップΔは、Δ＝ｒ・ｃｏｓθ_２−ｒ・ｃｏｓθ_１−ｄ／２・ｓｉｎθ_３＝√（ｒ^２−（Ｘ−ｄ／２・ｓｉｎθ_３）^２）−√（ｒ^２−Ｘ^２）で与えられる。また、図５に示すように、幅Ｗの狭い磁気センサチップ２１を用いた場合に、そのエッジ以外の中間部分が円筒に固着された磁気媒体１７ａに接触しているとすると、ギャップΔは、Δ＝ｒ・ｃｏｓθ_３−ｒ・ｃｏｓθ_１−Ｘ・ｔａｎθ_３＋ｒ・ｓｉｎθ_３・ｔａｎθ_３＝√（ｒ^２−ｒ^２・ｓｉｎθ_３ ^２）−√（ｒ^２−Ｘ^２）−Ｘ・ｔａｎθ_３＋ｒ・ｓｉｎθ_３・ｔａｎθ_３で与えられる。さらに、図６に示すように、幅Ｗの狭い磁気センサチップ２１を用いた場合に、その他方のエッジが円筒に固着された磁気媒体１７ａに接触しているとすると、ギャップΔは、Δ＝ｒ・ｃｏｓθ_３−ｒ・ｃｏｓθ_１−ｄ／２・ｓｉｎθ_３＝√（ｒ^２−（Ｘ＋ｄ／２・ｓｉｎθ_３）^２）−√（ｒ^２−Ｘ^２）＋ｄ／２・ｓｉｎθ_３で与えられる。

従って、本実施形態のように幅Ｗが円筒の直径２ｒの３／５００以下という狭い磁気センサチップ２１を用いることにより、取り付け位置のずれ及びローリングに対するギャップΔの変化を低減することが可能となる。

図７は、このギャップΔの変化に対する磁気センサ出力の関係を説明する特性図である。同図において、横軸はギャップΔ（μｍ）、縦軸は規格化されたセンサ出力をそれぞれ表しており、パラメータであるａ、ｂ及びｃは磁気媒体の厚さがそれぞれ２０μｍ、１０μｍ及び５μｍの場合のシミュレーション値、ｄは実測値である。磁気媒体の残留磁化を一定にして計算したため、ａ、ｂ、ｃの順に磁気媒体からの磁束が小さくなっている。なお、計算条件は、保磁力Ｈｃが６００Ｏｅ（４７７４６．５Ａ／ｍ）、残留磁化Ｂｒが２２６０ガウス（０．２２６Ｔ）、記録波長が３８μｍ（着磁ピッチが１９μｍ）である。

同図より、磁気センサ出力は、磁気媒体の磁化の量（磁束）にさほど影響を受けないが、ギャップΔが２０μｍを越えると、急激に低下することが分かる。従って、ギャップΔは２０μｍ以下に維持することが要求される。

図８は、磁気センサチップを取り付けした際のずれ量に対するギャップΔの関係を示す特性図である。同図（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は磁気センサチップの幅Ｗが２．１ｍｍ、０．３ｍｍ及び０．１５ｍｍの場合をそれぞれ示している。これらの図において、横軸は取り付けずれ量（ｍｍ）、縦軸はギャップΔ（μｍ）、パラメータであるア、イ、ウ、エ及びオは磁気センサチップのローリングの角度が０°、１°、２°、３°及び４°の場合である。

同図（Ａ）に示すように、磁気媒体の着磁ピッチ方向の幅がＷ＝２．１ｍｍと広い磁気センサチップにおいては、例えばローリングの角度が２°の場合、取り付けずれ量が約０．１ｍｍ以下でないとギャップΔが２０μｍ以下とならない。しかしながら、ずれ量を０．１ｍｍ以下の取り付け精度を実現し維持することは、非常に困難である。これに対して、同図（Ｂ）に示すように、幅がＷ＝０．３ｍｍと狭い磁気センサチップにおいては、例えばローリングの角度が２°の場合、取り付けずれ量が１．５ｍｍを越えてもギャップΔは２０μｍとはならない。さらに、同図（Ｃ）に示すように、本実施形態のごとく幅がＷ＝０．１５ｍｍとさらに狭い磁気センサチップにおいては、ローリングの角度が４°の場合であっても、取り付けずれ量が１．５ｍｍを越えてもギャップΔが１０μｍに達しないことが分かる。

また、本実施形態においては、磁気センサチップ２１の上面である摺動面２９ａにおける端子電極２６の領域を除く部分の端縁が、面取りされている。このように端縁を面取りすることにより、摺動面２９ａと磁気媒体１７ａとの密着性が良好となる。

さらに、本実施形態において、磁気センサチップ２１の着磁ピッチ方向と垂直方向の長さＬは２〜３ｍｍに設定されており、従ってこの磁気センサチップ２１は、かなり細長い直方体形状となっている。これにより、磁気媒体１７ａに対する位置ずれ及び振動等の影響を吸収できると共にセンサ面積をより小さくすることができるので、コストダウンが可能となる。

なお、本実施形態における磁気センサチップ２１は、着磁ピッチ方向へ傾いた（ローリングした）場合には、大きくギャップ変動が生じるが、着磁ピッチ方向と垂直方向へ傾いた（ピッチングした）場合にはギャップはさほど大きく変動しない。

図９は、磁気センサチップのピッチングの角度に対するギャップΔの関係を示す特性図である。同図において、横軸はＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の先端の基板の先端面からの後退量（μｍ）、縦軸はギャップΔ（μｍ）、パラメータであるＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは磁気センサチップのピッチングの角度が１°、２°、３°及び４°の場合である。

同図より、本実施形態の磁気センサチップにおいては、ピッチングの角度が４°の場合であっても、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の後退量が２００μｍ程度であれば、ギャップΔが１５μｍに達しないことが分かる。

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

本発明の一実施形態として、一眼レフカメラの構成を概略的に示す分解斜視図である。図１の実施形態における磁気ロータリエンコーダ、センサアセンブリ及び磁気センサチップの構造をより詳細に示す斜視図及び分解斜視図である。磁気センサチップの幅Ｗと磁気媒体及び磁気センサチップ間のギャップΔとの関係を説明する図である。磁気センサチップの幅Ｗと磁気媒体及び磁気センサチップ間のギャップΔとの関係を説明する図である。磁気センサチップの幅Ｗと磁気媒体及び磁気センサチップ間のギャップΔとの関係を説明する図である。磁気センサチップの幅Ｗと磁気媒体及び磁気センサチップ間のギャップΔとの関係を説明する図である。ギャップΔの変化に対する磁気センサ出力の関係を説明する特性図である。磁気センサチップを取り付けした際のずれ量に対するギャップΔの関係を示す特性図である。磁気センサチップのピッチングの角度に対するギャップΔの関係を示す特性図である。

符号の説明

１０カメラ本体
１１レンズ鏡筒
１２フォーカスリング
１３前部レンズ鏡筒
１４後部レンズ鏡筒
１４ａ回転筒
１４ｂ固定筒
１５ズームリング
１６マウントリング
１７磁気ロータリエンコーダ
１７ａ磁気媒体
１７ｂセンサアセンブリ
２０サスペンション
２１磁気センサチップ
２２ＦＰＣ部材
２３ワイヤ
２４基板
２４ａ表面
２４ｂ先端面
２５ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子
２６電極端子
２７リード導体
２８ビアホール導体
２９絶縁被覆膜
２９ａ摺動面

Claims

所定の着磁ピッチで着磁がなされておりかつ回転筒にその円周方向に沿って取り付けられている磁気媒体の表面にその摺動面が接触することによって磁界検出を行うエンコーダ用磁気センサであって、前記摺動面の前記着磁ピッチ方向の幅が前記回転筒の直径の３／５００以下であることを特徴とするエンコーダ用磁気センサ。
前記磁気媒体の前記着磁ピッチ方向に並んで配置された複数の磁気抵抗効果素子を備えていることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ用磁気センサ。
前記複数の磁気抵抗効果素子にそれぞれ電気的に接続されており、前記摺動面と同じ面に形成された電極端子をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ用磁気センサ。
直方体形状の基板上に前記複数の磁気抵抗効果素子が形成されており、該複数の磁気抵抗効果素子上に形成された保護膜の表面が前記摺動面を構成していることを特徴とする請求項２又は３に記載のエンコーダ用磁気センサ。
前記複数の磁気抵抗効果素子上に形成された保護膜が、複数の材料による多層膜であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のエンコーダ用磁気センサ。
前記多層膜が、アルミナ膜、シリコン膜及びダイアモンドライクカーボン膜の少なくとも２つの膜からなることを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ用磁気センサ。
前記複数の磁気抵抗効果素子の各々が、巨大磁気抵抗効果素子又はトンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載のエンコーダ用磁気センサ。
前記摺動面の前記着磁ピッチ方向の幅が、前記着磁ピッチの２〜１５倍であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のエンコーダ用磁気センサ。
前記摺動面の端縁が、面取りされていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のエンコーダ用磁気センサ。
前記摺動面の前記着磁ピッチ方向と垂直方向の長さが２〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のエンコーダ用磁気センサ。
請求項１から１０のいずれか１項に記載のエンコーダ用磁気センサと、該磁気センサが固着されたサスペンションと、該サスペンションに固着されており、前記磁気センサの電極端子に電気的に接続されたリード導体を有する可撓性配線部材とを備えていることを特徴とするセンサアセンブリ。
回転筒と、固定筒と、所定の着磁ピッチで着磁がなされておりかつ前記回転筒にその円周方向に沿って取り付けられている磁気媒体と、前記固定筒に装着された請求項１１に記載のセンサアセンブリとを備えていることを特徴とするレンズ鏡筒。