JP2007199007A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 大きな出力電圧（振幅量）を得ることで、外部ノイズに強く誤動作しにくくした磁気エンコーダを提供する。
【解決手段】
個々の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、少なくともピン層と磁性体１１が発する外部磁界に基づいて内部の磁化方向が変化するフリー層とを有し、前記ピン層の磁化方向αが外周側面１１Ａに平行で且つ前記回転方向ｒａ１−ｒａ２に対し垂直となる第１の方向（Ｚ２方向）又は前記第１の方向に対して逆向きとなる第２の方向（Ｚ１方向）に設定され、且つ前記フリー層の初期磁化方向βが前記第１の方向（Ｚ２方向）又は前記第２の方向（Ｚ１方向）に設定されており、前記回転方向に隣り合うＮ極とＳ極間のピッチをλとしたときに、各磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４間をλ／２ピッチに設定した。
【選択図】図７Ａ

Description

本発明は、無接点型の磁気エンコーダに係わり、特に磁気抵抗効果素子を用いた磁気エンコーダに関する。

従来の磁気エンコーダは、回転軸とともに回転可能に設けられた円盤状の磁性体と、前記磁性体の外周面の近傍に配置された一対のホール素子とから構成される。前記磁性体の外周側面１１Ａには、Ｎ極とＳ極とに交互に着磁してなる磁気コードが形成されており、前記一対のホール素子は前記磁気コードから発生される磁場を検出してパルス信号を外部に出力する。一方のホール素子からはＡ相パルス信号が出力され、他方のホール素子からは前記Ａ相パルス信号に対し９０度位相が異なるＢ相パルス信号が出力されることにより、前記回転軸の回転方向や回転数を検出できるようになっている（例えば、特許文献１）。
特開平９−２４３３９９号公報

しかし、特許文献１に記載されるようなホール素子を用いた磁気エンコーダでは、前記ホール素子の出力電圧（振幅量）が１０ｍＶ程度と小さく、小さな外部ノイズの混入でも誤動作が発生してしまうという問題があった。

ところで、ホール素子の出力電圧Ｖは、ホール係数をＲ_Ｈ、ホール素子の厚さをｄ、電流をＩ、外部からの磁界密度をＢとすると、Ｖ＝Ｒ_Ｈ・Ｉ・Ｂ／ｄで規定されることが知られているが、前記ホール係数Ｒ_Ｈ及び厚さｄは選択したホール素子によりあらかじめ決定されてしまう固定的な要素である。このため、実際の磁気エンコーダの検出回路において、外部ノイズに強く安定した動作を確保するために前記出力電圧Ｖを大きくするには、前記電流Ｉおよび／または前記磁束密度Ｂを大きくする必要がある。しかし、前記電流Ｉを大きくする方法では磁気エンコーダとしての消費電力が大きくなる。また前記磁束密度Ｂを大きくする方法では、外部磁界を形成するマグネットを大きくするか、または最大エネルギー積の大きな希土類磁石（例えば、ネオジム磁石）を採用する必要があるところ、前者では磁気エンコーダが大型化してしまい、後者においてはコストが高騰するという問題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、小型であっても大きな出力電圧（振幅量）を得ることで、外部ノイズに強く誤動作しにくくした磁気エンコーダを提供することを目的としている。

本発明は、回転自在に支持された回転体と、前記回転体の外周側面に回転方向に沿ってＮ極とＳ極とからなる複数の磁極が交互に着磁された磁性体と、前記磁性体の近傍に前記回転方向に沿って対向配置された複数の磁気抵抗効果素子と、を備えた磁気エンコーダであって、
個々の磁気抵抗効果素子は、少なくともピン層と前記磁性体が発する外部磁界に基づいて内部の磁化方向が変化するフリー層とを有し、前記ピン層の磁化方向が前記回転方向に設定され、且つ前記フリー層の初期磁化方向が前記外周側面に平行で且つ前記回転方向に対し垂直となる方向に設定されており、
前記回転方向に隣り合うＮ極とＳ極間との磁極間ピッチと各磁気抵抗効果素子間の配列ピッチとが同ピッチに設定されていることを特徴とするものである。

本発明では、磁性体を回転させると、磁気抵抗効果素子内のフリー層の磁化方向を略１８０度回転させることができるため、その全抵抗値を最小値と最大値の間の全域において大きく変化させることができる。

上記において、前記磁気抵抗効果素子が、前記ピン層とフリー層に加え、前記ピン層の磁化方向を所定の方向にピン止めする反強磁性層と、前記フリー層の初期磁化方向を基準となる方向に設定するバイアス磁界を与えるハードバイアス層と、を有することが好ましい。

上記構成では零磁界のときに、磁気抵抗効果素子の抵抗値が不定となることを防止し、一定の値に設定することができる。このため、常に適正な検出信号を出力することができるようになり、磁気エンコーダの動作を安定させることができる。

また前記磁極間ピッチをλとしたときに、前記配列ピッチがλで配置された第１ないし第４からなる４ヶの磁気抵抗効果素子と、前記第１と第４の２ヶの磁気抵抗効果素子を直列接続する第１の接続部と、前記第２と第３の２ヶの磁気抵抗効果素子を直列接続する第２の接続部と、前記第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子との一端と、前記第３の磁気抵抗効果素子と第４の磁気抵抗効果素子との一端との間に所定の電圧を印加する電源と、前記第１の接続部から出力される第１の検出電圧と前記第２の接続部から出力される第２の検出電圧と、を有してなる検出部が設けられていることが好ましい。

上記手段では、４ヶの磁気抵抗効果素子を用いて構成されるブリッジ回路の抵抗分圧比を、最小の分圧比と最大の分圧比の範囲でフルに変化させることが可能となる。このため、第１の接続部Ｔ１第２の接続部Ｔ２から出力される第１の検出電圧Ｖ１と第２の検出電圧Ｖ２の振幅量を最大（フルスイング）とすることができる。

また前記配列ピッチがλで並ぶ前記第１ないし第４からなる磁気抵抗効果素子より形成される第１の検出部に対し、前記第１ないし第４に対応する配列ピッチλで並ぶ第５ないし第８の磁気抵抗効果素子より形成される第２の検出部が設けられ、
前記第１ないし第４からなる個々の磁気抵抗効果素子の間に、前記第５ないし第８からなる個々の磁気抵抗効果素子がそれぞれ一ヶづつ配置されており、且つ隣り合う磁気抵抗効果素子間の間隔がλ／２ピッチに設定されていることが好ましい。

上記手段では、振幅量が大きく且つ位相の異なるＡ相信号、Ｂ相信号、Ａ相バー信号およびＢ相バー信号からなる４種類の信号を生成することができる。

本発明の磁気エンコーダでは、磁気効果効果素子を略最大の抵抗値と略最小の抵抗値の間で動作させることができる。このため、検出信号の振幅を最小と最大との間でフルスイングさせることが可能となり、外部ノイズに強い磁気エンコーダを提供することができる。

図１は本発明の実施の形態としての磁気エンコーダを示す平面図、図２は図１に示す磁気エンコーダの断面図、図３は磁気抵抗効果素子の基本構造を概念的に示す積層断面図、図４は磁性体の外周側面に形成された磁気コードの部分拡大平面図、図５は磁気抵抗効果素子が形成されたセンサ基板を示す平面図である。なお、図４では分かり易くするために円状の磁気コードの配列を等価的な直線状の配列に変換したものとして示している。

図１及び図２に示す磁気エンコーダ１０は、例えば回転角度、回転方向あるいは回転速度などを検出する装置であり、主として磁性体１１と、前記磁性体１１を回転自在に支持する回転体１２と、磁気抵抗効果素子からなるセンサ基板２０が設けられている。

前記磁性体１１は略リング状をしており、その内面が円板状に形成された回転体１２の外周側面１２ｂに固定されている。前記磁性体１１の外周側面１１Ａ側には、Ｎ極とＳ極とからなる複数の磁極が交互に着磁された磁気コードが形成されている。なお、以下においては前記磁気コードを直線状に変換して示した場合に、隣り合うＮ極とＳ極との間隔である磁極間ピッチをλとして説明する（図４等参照）。

前記磁性体１１と回転体１２は、筐体９に設けられた円形状の凹部９Ａ内に配置されている。前記筐体９の中心には中心孔９ａが形成されており、前記回転体１２の中心に形成された回転軸１２ａが挿通されている。前記磁性体１１は，前記回転体１２の回転軸１２ａを軸中心として前記凹部９Ａ内で回転方向ｒａ１又は回転方向ｒａ２に回転自在に支持されている。

前記筐体９には、前記凹部９Ａの一部を外周方向に切り欠いた欠損部９ｂが形成されており、前記センサ基板２０はこの欠損部９ｂ内に、前記磁性体１１の外周側面１１Ａと対向するように固定されている。前記センサ基板２０には複数の磁気抵抗効果素子Ａ（個別にＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４として示す）が設けられている。

図３に示すように、前記磁気抵抗効果素子Ａの基本構造は、最下層に設けられた反強磁性層（交換バイアス層）２１と、その上部に積層されたとピン層（固定層）２２と、さらにその上部に積層された非磁性層２３と、最上部に積層されたフリー層２４と、前記各層の両側に設けられたハードバイアス層２５ａ，２５ｂと、前記ハードバイアス層２５ａ、２５ｂの上部に設けられた端子部２６，２６を有している。

前記反強磁性層２１は、前記ピン層２２の磁化方向αを所定の方向（図３では回転方向ｒａ１）にピン止め固定する。また前記ハードバイアス層２５ａ，２５ｂは、例えば永久磁石で形成されており、図３では前記フリー層２４の初期磁化方向β０を、前記所定の方向（回転方向ｒａ１）に対し垂直となる所定の基準方向（図３では第１の方向（Ｚ２方向））に向けるバイアス磁界γを与える。このため、前記磁気抵抗効果素子Ａに対し外部磁界が作用していない場合には、前記フリー層２４の磁化方向βは前記バイアス磁界γと同じ方向（図３では前記第１の方向（Ｚ２方向））に揃えられている。なお、前記フリー層２４の初期磁化方向β０とは、外部磁界が零の状態（零磁界）における前記フリー層２４全体の磁化方向βを意味する。

前記フリー層２４の磁化方向βは、前記フリー層２４に作用する外部磁界（本願では磁性体１１に設けられた磁気コードが発生する磁界）と前記バイアス磁界γとのベクトル合成に応じて変化する。この実施の形態に示す磁気抵抗効果素子Ａの全抵抗値は、フリー層２４の磁化方向βが前記ピン層２２の磁化方向αと一致する回転方向ｒａ１に向けられた場合（０度の関係）に最小値となり、これとは逆に前記フリー層２４の磁化方向βがピン層２２の磁化方向αと互いに逆向きとなる回転方向ｒａ２に向けられた場合（１８０度異なる関係）に最大値となる。またフリー層２４の磁化方向βと前記ピン層２２の磁化方向αとの間の角度が垂直（９０度）になるとき、すなわちフリー層２４の磁化方向βが第１の方向（Ｚ２方向）又は第２の方向（Ｚ１方向）に向くときに、前記磁気抵抗効果素子Ａの全抵抗値は中間値となる。

なお、前記磁気抵抗効果素子Ａの全抵抗値をＺ、固定抵抗分をＲ、可変抵抗分の変化幅をΔｒとすると、前記全抵抗値Ｚの最小値はＺmin＝Ｒ、最大値はＺmax＝Ｒ＋Δｒ、中間値ＺmidはＺmid＝（Ｚmin＋Ｚmax）／２＝Ｒ＋Δｒ／２と表すことができる。

図５に示すように、前記センサ基板２０には、第１ないし第４からなる４ヶの磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４が前記回転方向（ｒａ１又はｒａ２）に沿って設けられている。

この実施の形態における前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の各ピン層２２の磁化方向αは回転方向（図５ではｒａ１）であるのに対し、各フリー層２４の初期磁化方向β０は前記回転方向（ｒａ１−ｒａ２）に対し垂直となる第１の方向（Ｚ２方向）である。このため、零磁界の状態における前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の全抵抗値Ｚは、前記中間値Ｚmidに設定されている。なお、各ピン層２２の磁化方向αは回転方向ｒａ２であってもよく、また各フリー層２４の初期磁化方向β０は、前記第１の方向とは１８０度逆向きとなる第２の方向（Ｚ１方向）であってもよい。そして、この実施の形態においては、前記磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の回転方向の間隔である配列ピッチは、前記磁極間ピッチλと同ピッチに設定されている。

図６は磁気エンコーダの検出部を示す回路構成図である。
図６に示すように、磁気エンコーダの検出部３０は前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、回転方向の両端に位置する磁気抵抗効果素子Ａ１と磁気抵抗効果素子Ａ４とが第１の接続部Ｔ１を介して直列に接続され、残りの磁気抵抗効果素子Ａ２と磁気抵抗効果素子Ａ３とが第２の接続部Ｔ２を介して直列に接続されている。

前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１の一端と前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２の一端とが電圧Ｖccの電源３１に接続され、前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４の一端と前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３の一端とがＧＮＤに接地されている。すなわち、前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４はブリッジ回路を形成しており、直列接続された前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１と前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４との間、および直列接続された前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２と前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３との間がそれぞれ結線されている。そして、この検出部３０では、前記第１の接続部Ｔ１と前記第２の接続部Ｔ２から第１の検出電圧Ｖ１と第２の検出電圧Ｖ２が出力されるようになっている。

前記第１の接続部Ｔ１と前記第２の接続部Ｔ２の後段には二値化部３２Ａ，３２Ｂがそれぞれ設けられている。前記二値化部３２Ａ，３２Ｂは、前記第１の検出電圧Ｖ１及び第２の検出電圧Ｖ２を比較処理し、パルス信号からなるＡ相信号ＳａおよびＢ相信号Ｓｂに変換する。

以下、本発明の磁気エンコーダの動作について説明する。
図７Ａないし図７Ｅは、磁気エンコーダの動作状態の一例として磁気コードと磁気抵抗効果素子との関係を示す平面図であり、図７Ａは磁気エンコーダの初期状態を示すＳＴ１、図７ＢはＳＴ２として初期状態ＳＴ１からλ／２ピッチだけ回転方向ｒａ１に回転した状態、図７ＣはＳＴ３としてＳＴ２からさらにλ／２ピッチだけ回転方向ｒａ１に回転した状態、図７ＤはＳＴ４としてＳＴ３からさらにλ／２ピッチだけ回転方向ｒａ１に回転した状態、図７ＥはＳＴ５とおしてＳＴ４からさらにλ／２ピッチだけ回転方向ｒａ１に回転した状態を示している。なお、ＳＴとはステップ（ＳＴＥＰ）を意味している。また図８Ａは第１の検出電圧Ｖ１とＡ相信号Ｓａとの関係を示すグラフ、図８Ｂは第２の検出電圧Ｖ２とＢ相信号Ｓｂとの関係を示すグラフである。なお、ＳＴとはステップ（ＳＴＥＰ）を意味している。また図８Ａ及び図８Ｂは磁性体をＮ→Ｓ→Ｎ（またはＳ→Ｎ→Ｓ）と２λピッチに相当する角度だけ回転させた場合を示している。

前記回転軸１２ａを回転方向ｒａ１又はｒａ２方向に回転させると、磁性体１１を有する回転体１２が回転させられる。このとき、磁性体１１の外周側面１１Ａの側方に前記センサ基板２０が対向配置されているため、磁気コードを形成する複数のＮ極とＳ極が前記センサ基板２０の前方を回転方向に通過する。

磁性体１１の外周側面１１Ａでは、図４に示すように隣接するＮ極とＳ極との間には、Ｎ極からＳ極に向かう複数の磁力線ｍがそれぞれ多数発生しており、磁力線ｍの一部は前記外周側面１１Ａの側方に達している。

ここで、図７Ａに示すように、回転方向に隣り合うＮ極とＳ極の磁極間に発生する複数の磁力線ｍのうち、それぞれ代表的な磁力線をそれぞれｍ１ａ、ｍ１ｂ、ｍ２ａ、ｍ２ｂおよびｍ３ａとする。すなわち、Ｎ１極からはＳ１極に向かう磁力線をｍ１ａ、Ｎ１極からはＳ２極に向かう磁力線をｍ１ｂ、Ｎ２極からはＳ２極に向かう磁力線をｍ２ａ、Ｎ２極からはＳ３極に向かう磁力線をｍ２ｂとする。この場合、磁性体１１の外周側面１１Ａの側方の位置では、前記磁力線ｍ１ａと磁力線ｍ２ａとは、ともに同一方向となる回転方向ｒａ１を向き、前記磁力線ｍ１ｂと磁力線ｍ２ｂとは、ともに同一方向となる回転方向ｒａ２を向く磁力線となるが、前記磁力線ｍ１ａと磁力線ｍ１ｂとは互いに逆向きであり、また前記磁力線ｍ２ａと磁力線ｍ２ｂも互いに逆向きである。すなわち、磁性体１１の外周側面１１Ａの側方の位置で、且つ回転方向に隣り合うＮ極とＳ極の磁極間には、交互に逆向きとなる磁力線が発生している。

図７Ａないし図７Ｄに示すように、磁性体１１を回転させると、前記磁性体１１から外周側方に発生している各磁力線ｍ１ａ、ｍ１ｂ、ｍ２ａおよびｍ２ｂなどが、前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を順に鎖交する。

なお、図７Ａないし図７Ｄにおいては、個々の磁気抵抗効果素子の前記ピン層２２の磁化方向αは前記回転方向ｒａ１に設定されている。

図７Ａに初期状態として示すＳＴ１では、前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１に前記磁力線ｍ１ａが鎖交し、前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２に前記磁力線ｍ１ｂが鎖交し、前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３に前記磁力線ｍ２ａが鎖交し、前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４に前記磁力線ｍ２ｂが鎖交している。このとき、前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１と前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３には回転方向ｒａ１の外部磁場が、前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２と前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４には回転方向ｒａ２の外部磁場がそれぞれ作用する。

このため、図７Ａに示すように、前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１と前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３内の前記フリー層２４の磁化方向βは回転方向ｒａ１に向けられ、前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２と前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４内の前記フリー層２４の磁化方向βは回転方向ｒａ２に向けられる。このとき、前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１と前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３の前記フリー層２４の磁化方向βは各ピン層２２の磁化方向αと同一方向（０度の関係）に設定されるため、第１の磁気抵抗効果素子Ａ１と前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３の全抵抗値Ｚは最小値Ｚminに設定されている。

また前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２と前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４の前記フリー層２４の磁化方向βは、各ピン層２２の磁化方向αに対し反対方向（１８０度の関係）に設定されるため、第２の磁気抵抗効果素子Ａ３と前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４の全抵抗値Ｚは最大値Ｚmaxに設定されている。

図７Ｂに示すＳＴ２は、磁性体１１が回転方向ｒａ１に磁極間ピッチ（配列ピッチ）の半分に相当するピッチλ／２だけ回転した状態を示している。

ＳＴ２では、例えば前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１には垂直方向成分しかかからない為、Ａ１にかかる平行成分は略零（零磁界）となる。同様に前記第２ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ２，Ａ３，Ａ４に作用する外部磁界の平行成分は略零（零磁界）となる。このとき、前記第１ないし第４磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の前記フリー層２４の磁化方向βは前記初期磁化方向β０、すなわち前記ピン層２２の磁化方向αに対して垂直となる第１の方向（Ｚ２方向）が維持されるため、前記第１ないし第４磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の全抵抗値はすべて中間値Ｚmiｄに設定される。

図７Ｃに示すＳＴ３は、さらに磁性体１１が回転方向ｒａ１にピッチλ／２（合計磁極間ピッチλ）だけ回転した状態を示している。

ＳＴ３では、前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１に前記磁力線ｍ１ｂが鎖交し、前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２に前記磁力線ｍ２ａが鎖交し、前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３に前記磁力線ｍ２ｂが鎖交し、前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４に前記磁力線ｍ３ａが鎖交する。このため、前記第１，第３の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ３に回転方向ｒａ２の外部磁場が作用し、前記第２，第４の磁気抵抗効果素子Ａ２，Ａ４に回転方向ｒａ１の外部磁界が作用する。このため、前記第１，第３の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ３の前記フリー層２４の磁化方向βは前記ピン層２２の磁化方向αに対し逆向きとなるため、前記第１，第３の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ３の全抵抗値は最大値Ｚmaxに設定される。

一方、前記第２，第４の磁気抵抗効果素子Ａ２，Ａ４の前記フリー層２４の磁化方向βは前記ピン層２２の磁化方向αと同一方向となるため、前記第２，第４の磁気抵抗効果素子Ａ２，Ａ４の全抵抗値は最小値Ｚminに設定される。

図７Ｄに示すＳＴ４は、さらに磁性体１１が回転方向ｒａ１にピッチλ／２（合計磁極間ピッチ３λ／２）だけ回転した状態を示している。

ＳＴ４は実質的には上記ＳＴ２と同様の状態にある。このとき、前記第１ないし第４磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の前記フリー層２４の磁化方向βは前記初期磁化方向β０、すなわち前記ピン層２２の磁化方向αに対して垂直となる第１の方向（Ｚ２方向）が維持されるため、前記第１ないし第４磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の全抵抗値はすべて中間値Ｚmiｄに設定される。

図７Ｅに示すＳＴ５は、さらに磁性体１１が回転方向ｒａ１にピッチλ／２（合計磁極間ピッチ２λ）だけ回転した状態を示している。

ＳＴ５は実質的には上記ＳＴ１と同様の状態である。すなわち、前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１に回転方向ｒａ１の前記磁力線ｍ２ａが鎖交し、前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２に回転方向ｒａ２の前記磁力線ｍ２ｂが鎖交し、前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３に回転方向ｒａ２の前記磁力線ｍ３ａが鎖交し、前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４に回転方向ｒａ２の前記磁力線ｍ３ｂが鎖交している。よって、前記ＳＴ１同様に前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１と前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３の全抵抗値Ｚは最小値Ｚminに設定され、前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ３と前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４の全抵抗値Ｚは最大値Ｚmaxに設定されている。

上記のように磁性体１１をＳＴ１→ＳＴ２→ＳＴ３→ＳＴ４→ＳＴ５と磁極間ピッチλだけ回転させると、前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３およびＡ４の各抵抗値、および前記磁気エンコーダの検出部３０から出力される第１，第２の検出電圧Ｖ１，Ｖ２は、以下の表１のように変化する。

ここで、横軸にピッチ、縦軸に電圧をとると、第１，第２の検出電圧Ｖ１，Ｖ２は図８Ａ，図８Ｂのようになる。

図８Ａ，図８Ｂに示すように、本発明の磁気エンコーダ１０では、前記磁性体１１を前記磁極間ピッチλの２倍に相当する回転角度（電気角３６０度）だけ回転させることにより、一周期分の第１，第２の検出電圧Ｖ１，Ｖ２を出力させることが可能である。

すなわち、例えばＮ→Ｓ→Ｎ（またはＳ→Ｎ→Ｓ）と磁極間ピッチ２λ（電気角では３６０度）に相当する角度分回転さると、第１，第２の検出電圧Ｖ１，Ｖ２の一周期分を得ることができる。

ここで、図７Ａないし図７Ｄに示すように、前記磁性体１１がピッチ２λ（電気角３６０度）だけ回転するＳＴ１からＳＴ５の動作においては、前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４のフリー層２４の磁化方向βは３６０度回転する。そして、この間に前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の全抵抗値Ｚは、前記最小値Ｚminと最大値Ｚmaxの範囲で変化する（表１参照）。

このとき、前記検出部３０を構成する前記ブリッジ回路の抵抗分圧比は、最小の分圧比（Ｚmin／（Ｚmin＋Ｚmax））と最大の分圧比（Ｚmax／（Ｚmin＋Ｚmax））の範囲で変化するため、図８Ａ及び図８Ｂに示すように前記ブリッジ回路の出力部である第１の接続部Ｔ１第２の接続部Ｔ２から出力される第１の検出電圧Ｖ１と第２の検出電圧Ｖ２の振幅量を最大（フルスイング）とすることができる。

このため、前記二値化部３２Ａ，３２Ｂでは、小さな外部ノイズを受けた場合であっても、所定のスレッショルド電圧Ｖｔｈ（図８Ａ，ＢではＶcc／２）で前記第１の検出電圧Ｖ１及び第２の検出電圧Ｖ２をＡ相信号及びＢ相信号にデジタル化することができる。このため、外部ノイズに強い磁気エンコーダとすることが可能となる。

図８Ａ、図８Ｂに示すように、前記Ａ相信号ＳａとＢ相信号Ｓｂとは前記隣り合うＮ極とＳ極間の磁極間ピッチλを電気角１８０度としたときに、９０度位相の異なるパルス信号であり、磁性体１１の回転方向が回転方向ｒａ１か、回転方向ｒａ２かに応じて、一方が他方に対して進み信号となる。すなわち、例えば磁性体１１の回転方向が回転方向ｒａ１である場合にはＡ相信号Ｓａが進み信号となり、回転方向が回転方向ｒａ２である場合にはＢ相信号Ｓｂが進み信号となって出力される。このため、Ａ相信号ＳａとＢ相信号Ｓｂから磁性体１１の回転方向、すなわち回転軸１２ａに与えられた回転方向を検出することが可能である。

図９は４種類の信号を出力する場合の磁気エンコーダを概念的に示す図７Ａ同様の平面図である。

ここで４種類の信号とは、前記Ａ相信号Ｓａおよび前記Ｂ相信号Ｓｂと、前記Ａ相信号Ｓａに対し位相が９０度（磁極間ピッチ２λを電気角３６０度としたときには１８０度）だけ異なるＡ相バー信号Ｓａ−と、同じく前記Ｂ相信号に対し位相が９０度（磁極間ピッチ２λを電気角３６０度としたときには１８０度）だけ異なるＢ相バー信号Ｓｂ−である。

図９に示す磁気エンコーダでは、Ａ相信号を出力する４第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と、Ｂ相信号を出力する第５ないし第８の磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の合計８ヶの磁気抵抗効果素子が１つのセンサ基板２０上に回転方向に沿って一列に設けられている。

前記第５の磁気抵抗効果素子Ｂ１は前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１と前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２間に設けられ、前記第６の磁気抵抗効果素子Ｂ２は前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２と前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３間に設けられ、前記第７の磁気抵抗効果素子Ｂ３は前記第３の磁気抵抗効果素子Ａ３と前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４間に設けられ、前記第４の磁気抵抗効果素子Ａ４が前記第７の磁気抵抗効果素子Ｂ３と前記第８の磁気抵抗効果素子Ｂ４との間に位置するように前記第８の磁気抵抗効果素子Ｂ４は設けられている。

Ａ相信号用の第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４、およびＢ相信号用の第５ないし第８の磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４のように同種の磁気抵抗効果素子間の配列ピッチは上記同様にλに設定されている。ただし、前記第１の磁気抵抗効果素子Ａ１と前記第５の磁気抵抗効果素子Ｂ１との間、前記第５の磁気抵抗効果素子Ｂ１と前記第２の磁気抵抗効果素子Ａ２との間・・・というように、回転方向に隣り合う異種の磁気抵抗効果素子間の配列ピッチはλ／２に設定されている。

このため、前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４及び前記第５ないし第８の磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４について図６に示す検出部３０をそれぞれ適用することにより、すなわち前記第１ないし第４の磁気抵抗効果素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４について第１の検出部を形成することによりＡ相信号とＢ相信号Ｓｂを得ることができ、同じく前記第５ないし第８の磁気抵抗効果素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４について第２の検出部を形成することによりＡ相バー信号Ｓａ−とＢ相バー信号Ｓｂ−を得ることができる。

上記実施の形態においては、センサ基板２０上に配置されている複数の磁気抵抗効果素子は、すべて同じ構造（同じピン層２２の磁化方向α、及び同じバイアス磁界の磁化方向γを有する構成）からなる磁気抵抗効果素子を用いることができる。

特に、同じウェハ上に形成される多数の磁気抵抗効果素子は全て同じ構造を有するため、これら多数の磁気抵抗効果素子の中から４ヶ又は８ヶの磁気抵抗効果素子を１組として一緒に切り出すことにより、前記センサ基板２０とすることができる。このため、本願発明の磁気エンコーダ１０では、ばらばらに切り出した個々の磁気抵抗効果素子について、その磁化方向を一致させる位置合わせ作業等を行った上で前記センサ基板２０に固定する必要がないため、組立て工程を容易とすることができる。

なお、上記実施の形態においては、個々の磁気抵抗効果素子の前記ピン層２２の磁化方向αとバイアス磁界γの方向はともに前記外周側面１１Ａに平行で且つ前記回転方向（ｒａ１−ｒａ２）に対し垂直となる第１の方向（Ｚ２方向）に設定した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、第１の方向と逆向きとなる第２の方向（Ｚ１方向）であってもよい。

また前記ピン層２２の磁化方向αとバイアス磁界γの方向とは同一方向である場合について説明したが、前記ピン層２２の磁化方向αとバイアス磁界γの方向とは互いに逆向きとなるように設定されていてもよい。

本発明の実施の形態としての磁気エンコーダを示す平面図、 図１に示す磁気エンコーダの断面図、 磁気抵抗効果素子の基本構造を概念的に示す積層断面図、 磁性体の外周側面に形成された磁気コードの部分拡大平面図、 磁気抵抗効果素子が形成されたセンサ基板を示す平面図、 磁気エンコーダの検出部を示す回路構成図、 磁気エンコーダの初期状態を示すＳＴ１、 初期状態ＳＴ１からλ／２ピッチだけ回転方向ｒａ１に回転した状態を示すＳＴ２、 ＳＴ２からλ／２ピッチだけ回転方向ｒａ１に回転した状態を示すＳＴ３、 ＳＴ３からλ／２ピッチだけ回転方向ｒａ１に回転した状態を示すＳＴ４、 ＳＴ４からλ／２ピッチだけ回転方向ｒａ１に回転した状態を示すＳＴ５、 第１の検出電圧Ｖ１とＡ相信号Ｓａとの関係を示すグラフ、 第２の検出電圧Ｖ２とＢ相信号Ｓｂとの関係を示すグラフ、 ４種類の信号を出力する場合の磁気エンコーダを概念的に示す図７Ａ同様の平面図、

符号の説明

９ 筐体
９ｂ 欠損部
９Ａ 凹部
１０ 磁気エンコーダ
１１ 磁性体
１１Ａ 外周側面
１２ 回転体
１２ａ 回転軸
２０ センサ基板
２１ 反強磁性層（交換バイアス層）
２２ ピン層（固定層）
２３ 非磁性層
２４ フリー層
２５ａ，２５ｂ ハードバイアス層
２６，２６ 端子部
３０ 検出部
３１ 電源
３２Ａ，３２Ｂ 二値化部
Ａ 磁気抵抗効果素子
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ 第１ないし第４の磁気抵抗効果素子
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４ 第５ないし第８の磁気抵抗効果素子
Ｎ，Ｓ 磁性体の外周側面に着磁された磁極（磁気コード）
Ｓａ Ａ相信号
Ｓｂ Ｂ相信号
Ｖ１ 第１の検出電圧
Ｖ２ 第２の検出電圧
ｍ１ａ，ｍ１ｂ，ｍ２ａ，ｍ２ｂ 代表的な磁力線
ｒａ１，ｒａ２ 回転方向
α ピン層の磁化方向
β フリー層の磁化方向
γ バイアス磁界

Claims (4)

1. 回転自在に支持された回転体と、前記回転体の外周側面に回転方向に沿ってＮ極とＳ極とからなる複数の磁極が交互に着磁された磁性体と、前記磁性体の近傍に前記回転方向に沿って対向配置された複数の磁気抵抗効果素子と、を備えた磁気エンコーダであって、
   個々の磁気抵抗効果素子は、少なくともピン層と前記磁性体が発する外部磁界に基づいて内部の磁化方向が変化するフリー層とを有し、前記ピン層の磁化方向が前記回転方向に設定され、且つ前記フリー層の初期磁化方向が前記外周側面に平行で且つ前記回転方向に対し垂直となる方向に設定されており、
   前記回転方向に隣り合うＮ極とＳ極間との磁極間ピッチと各磁気抵抗効果素子間の配列ピッチとが同ピッチに設定されていることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 前記磁気抵抗効果素子が、前記ピン層とフリー層に加え、前記ピン層の磁化方向を所定の方向にピン止めする反強磁性層と、前記フリー層の初期磁化方向を基準となる方向に設定するバイアス磁界を与えるハードバイアス層と、を有することを特徴とする請求項１記載の磁気エンコーダ。
3. 前記磁極間ピッチをλとしたときに、前記配列ピッチがλで配置された第１ないし第４からなる４ヶの磁気抵抗効果素子と、前記第１と第４の２ヶの磁気抵抗効果素子を直列接続する第１の接続部と、前記第２と第３の２ヶの磁気抵抗効果素子を直列接続する第２の接続部と、前記第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子との一端と、前記第３の磁気抵抗効果素子と第４の磁気抵抗効果素子との一端との間に所定の電圧を印加する電源と、前記第１の接続部から出力される第１の検出電圧と前記第２の接続部から出力される第２の検出電圧と、を有してなる検出部が設けられていること特徴とする請求項１または２記載の磁気エンコーダ。
4. 前記配列ピッチがλで並ぶ前記第１ないし第４からなる磁気抵抗効果素子より形成される第１の検出部に対し、前記第１ないし第４に対応する配列ピッチλで並ぶ第５ないし第８の磁気抵抗効果素子より形成される第２の検出部が設けられ、
   前記第１ないし第４からなる個々の磁気抵抗効果素子の間に、前記第５ないし第８からなる個々の磁気抵抗効果素子がそれぞれ一ヶづつ配置されており、且つ隣り合う磁気抵抗効果素子間の間隔がλ／２ピッチに設定されていることを特徴とする請求項３記載の磁気エンコーダ。

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