JP2010145166A - Magnetic encoder - Google Patents

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Kazunari Takita
一成 瀧田
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Alps Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic encoder capable of detecting a moving direction (a rotating direction) by a single bridge circuit. <P>SOLUTION: The magnetic encoder 1 is characterized in constitution that a center-to-center distance T1 between each first magnetic resistance effect element 5a and each second magnetic resistance effect element 5b is different from an integer multiple of a magnetic pole pitch λ and a relative moving distance for maintaining the saturation state of a free magnetic layer differs between when an outer magnetic field H1 is applied and when an outer magnetic field H2 is applied. Accordingly, since an output waveform in a CW and an output waveform in a CCW are different from each other, it is possible to detect a moving direction (a rotating direction) even by a single bridge circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、移動速度(回転速度)や移動方向(回転方向)等を検知可能な磁気エンコーダに関する。   The present invention relates to a magnetic encoder capable of detecting a moving speed (rotational speed), a moving direction (rotating direction), and the like.

図12は、従来の磁気エンコーダ20の構成を示す模式図である。磁気エンコーダ20は磁石21と磁気センサ22とを有して構成される。図12では、磁石21はX1−X2方向に延びる棒状であり、磁気センサ22がX1方向に向けて相対移動する。   FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional magnetic encoder 20. The magnetic encoder 20 includes a magnet 21 and a magnetic sensor 22. In FIG. 12, the magnet 21 has a rod shape extending in the X1-X2 direction, and the magnetic sensor 22 relatively moves in the X1 direction.

磁気センサ22には8つの磁気抵抗効果素子A1,A2,B1,B2が設けられる。このうち2つの磁気抵抗効果素子A1と2つの磁気抵抗効果素子A2とでA相ブリッジ回路が構成され、2つの磁気抵抗効果素子B1と2つの磁気抵抗効果素子B2とでB相ブリッジ回路が構成される(図13参照)。   The magnetic sensor 22 is provided with eight magnetoresistive elements A1, A2, B1, and B2. Of these, two magnetoresistive effect elements A1 and two magnetoresistive effect elements A2 constitute an A phase bridge circuit, and two magnetoresistive effect elements B1 and two magnetoresistive effect elements B2 constitute a B phase bridge circuit. (See FIG. 13).

図12に示すように磁石21の着磁ピッチ(N極とS極の中心間距離)はλであり、一方、磁気センサ22にてブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子A1と磁気抵抗効果素子A2の中心間距離、及び磁気抵抗効果素子B1と磁気抵抗効果素子B2の中心間距離も同じくλとなっている。   As shown in FIG. 12, the magnetized pitch of the magnet 21 (the distance between the centers of the N pole and the S pole) is λ, while the magnetoresistive element A1 and the magnetoresistive element that form a bridge circuit with the magnetic sensor 22 The distance between the centers of A2 and the distance between the centers of the magnetoresistive effect element B1 and the magnetoresistive effect element B2 are also λ.

図1に示すように、磁気センサ22が相対移動すると、前記磁石21の着磁面21aから磁気センサ22に向けて外部磁界H1及び外部磁界H2が作用する。外部磁界H1は、磁気センサ22がS極側からN極側に向けて相対移動したときに磁気センサ22に作用する外部磁界であり、外部磁界H2は、磁気センサ22がN極側からS極側に向けて相対移動したときに磁気センサ22に作用する外部磁界である。   As shown in FIG. 1, when the magnetic sensor 22 relatively moves, an external magnetic field H <b> 1 and an external magnetic field H <b> 2 act from the magnetized surface 21 a of the magnet 21 toward the magnetic sensor 22. The external magnetic field H1 is an external magnetic field that acts on the magnetic sensor 22 when the magnetic sensor 22 relatively moves from the S pole side toward the N pole side. The external magnetic field H2 is the magnetic field of the magnetic sensor 22 from the N pole side to the S pole. This is an external magnetic field that acts on the magnetic sensor 22 when it moves relative to the side.

図13に示すA相のブリッジ回路から得られる出力と、B相のブリッジ回路から得られる出力に基づいて、移動量や移動速度を検知でき、さらには、出力タイミングがずれるA相及びB相の位相関係により移動方向を検知することも出来る。
特開平3−125918号公報
Based on the output obtained from the A-phase bridge circuit shown in FIG. 13 and the output obtained from the B-phase bridge circuit, the movement amount and the movement speed can be detected, and the output timing of the A phase and the B phase are shifted. The moving direction can also be detected by the phase relationship.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-125918

しかしながら、図12に示す従来の磁気エンコーダ20では、移動方向を知るのに2つのブリッジ回路を必要とした。また図12の磁気センサ22は磁気抵抗効果素子と、これら磁気抵抗効果素子を搭載する基板のみが図示されているが、実際には出力を生成するためのASICも搭載されたパッケージ構造である。そして従来の構成では、ASIC側も同じ構成の回路を2つ必要とした。   However, the conventional magnetic encoder 20 shown in FIG. 12 requires two bridge circuits to know the moving direction. 12 shows only a magnetoresistive effect element and a substrate on which these magnetoresistive effect elements are mounted, but actually has a package structure in which an ASIC for generating an output is also mounted. In the conventional configuration, two circuits having the same configuration are required on the ASIC side.

以上から磁気センサ22の製造コストが増大する問題があった。また、磁気センサ22のサイズが大きくなるといった問題もあった。   From the above, there is a problem that the manufacturing cost of the magnetic sensor 22 increases. There is also a problem that the size of the magnetic sensor 22 is increased.

なお、図12は、直線型の磁気エンコーダ20であるが、回転型の磁気エンコーダであっても同様の問題が生じる。   FIG. 12 shows the linear magnetic encoder 20, but the same problem occurs even with a rotary magnetic encoder.

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、1つのブリッジ回路で、移動方向(回転方向)を検知可能とした磁気エンコーダを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention is to solve the above-described conventional problems, and in particular, an object of the present invention is to provide a magnetic encoder that can detect a moving direction (rotational direction) with a single bridge circuit.

本発明は、相対移動方向に交互にN極とS極が着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、前記磁界発生部材の前記着磁面から離れた位置に配置され、基板表面に外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した複数の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサと、を有して構成される磁気エンコーダであって、
複数の前記磁気抵抗効果素子にて1つのブリッジ回路が構成されており、
出力端子を介して直列接続される各磁気抵抗効果素子は、前記相対移動方向に磁極ピッチλの正整数と異なる中心間距離にて配列されており、
前記磁気センサが前記磁界発生部材の前記着磁面におけるS極側からN極側に向けて相対移動し、前記磁気抵抗効果素子に対して外部磁界H1が作用しているときに、前記磁気抵抗効果素子の磁化変動層の飽和状態を維持する相対移動距離L1と、
前記磁気センサが前記磁界発生部材の前記着磁面におけるN極側からS極側に向けて相対移動し、前記磁気抵抗効果素子に対して外部磁界H2が作用しているときに、前記磁気抵抗効果素子の磁化変動層の飽和状態を維持する相対移動距離L2とが、異なっていることを特徴とするものである。
The present invention provides a magnetic field generating member having a magnetized surface in which N and S poles are alternately magnetized in the relative movement direction, and disposed at a position away from the magnetized surface of the magnetic field generating member. A magnetic sensor having a plurality of magnetoresistive elements utilizing a magnetoresistive effect whose electrical resistance value changes with respect to an external magnetic field,
One bridge circuit is configured by the plurality of magnetoresistive elements,
Each magnetoresistive effect element connected in series via the output terminal is arranged at a center-to-center distance different from a positive integer of the magnetic pole pitch λ in the relative movement direction,
When the magnetic sensor relatively moves from the S pole side to the N pole side on the magnetized surface of the magnetic field generating member, and the external magnetic field H1 acts on the magnetoresistive element, the magnetoresistive element A relative movement distance L1 for maintaining the saturation state of the magnetization fluctuation layer of the effect element;
When the magnetic sensor relatively moves from the N-pole side to the S-pole side on the magnetized surface of the magnetic field generating member, and the external magnetic field H2 acts on the magnetoresistive element, the magnetoresistive element The relative movement distance L2 for maintaining the saturation state of the magnetization fluctuation layer of the effect element is different.

上記の構成により、1つのブリッジ回路であっても、移動方向(回転方向)を検知できる。このように本発明ではブリッジ回路を1つにでき、素子数を従来より減らせることで、磁気センサ、ひいては磁気エンコーダの製造コストの低減及び小型化を図ることができる。   With the above configuration, the moving direction (rotating direction) can be detected even with one bridge circuit. As described above, according to the present invention, a single bridge circuit can be provided and the number of elements can be reduced as compared with the prior art, so that the manufacturing cost and the size of the magnetic sensor and thus the magnetic encoder can be reduced.

本発明では、前記着磁面に形成された各磁極内の磁化の強さが、前記相対移動方向への両側にて異なるように着磁されていることが好ましい。これにより、上記した相対移動距離L1と相対移動距離L2とを容易に異ならせることができる。   In the present invention, it is preferable that the magnetization strength in each magnetic pole formed on the magnetized surface is magnetized so as to be different on both sides in the relative movement direction. Thereby, the above-mentioned relative movement distance L1 and relative movement distance L2 can be easily made different.

また本発明では、前記各磁気抵抗効果素子の中心間距離は、前記磁極ピッチλよりも小さいことが好ましい。これにより、より効果的に、磁気センサ、ひいては磁気エンコーダの小型化を図ることが可能である。   In the present invention, it is preferable that the distance between the centers of the magnetoresistive elements is smaller than the magnetic pole pitch λ. This makes it possible to more effectively reduce the size of the magnetic sensor, and thus the magnetic encoder.

本発明では、前記ブリッジ回路から得られる出力波形は、最小出力ラインと最大出力ライン間の出力の立ち上がり側、あるいは立ち下がり側のどちらか一方が、途中に段差を介した形状となっており、他方が前記段差がない連続形状となっていることが好ましい。これにより、高精度に移動方向(回転方向)を検知できる。   In the present invention, the output waveform obtained from the bridge circuit has either a rising side or a falling side of the output between the minimum output line and the maximum output line, and has a shape with a step in the middle. It is preferable that the other has a continuous shape without the step. Thereby, a moving direction (rotation direction) can be detected with high accuracy.

本発明の磁気センサと磁界発生部材とを有してなる磁気エンコーダによれば、1つのブリッジ回路であっても、移動方向(回転方向)を検知できる。このように本発明ではブリッジ回路を1つにでき、素子数を従来より減らせることで、磁気センサ、ひいては磁気エンコーダの製造コストの低減及び小型化を図ることができる。   According to the magnetic encoder having the magnetic sensor and the magnetic field generating member of the present invention, the moving direction (rotational direction) can be detected even with one bridge circuit. As described above, according to the present invention, a single bridge circuit can be provided and the number of elements can be reduced as compared with the prior art, so that the manufacturing cost and the size of the magnetic sensor and thus the magnetic encoder can be reduced.

図1は、本実施形態の磁気エンコーダの斜視図、図2は、磁気抵抗効果素子の部分断面図、図3は、従来例の構成であり、(a)は、磁石と磁気抵抗効果素子との位置関係を示す模式図、(b)は、ノーマル着磁に対する出力波形図、(c)は、オフセット着磁に対する出力波形図、図4は、第1実施形態の構成であり、(a)は、磁石と磁気抵抗効果素子との位置関係を示す模式図、(b)は、ノーマル着磁に対する出力波形図(比較例)、(c)は、オフセット着磁に対する出力波形図(実施例)、図5は、第2実施形態の構成であり、(a)は、磁石と磁気抵抗効果素子との位置関係を示す模式図、(b)は、ノーマル着磁に対する出力波形図(比較例)、(c)は、オフセット着磁に対する出力波形図(実施例)、図6(a)は、ノーマル着磁したときの相対移動方向に対する磁界強度変化を示すグラフ、(b)は、オフセット着磁したときの相対移動方向に対する磁界強度変化を示すグラフ、である。   1 is a perspective view of a magnetic encoder according to the present embodiment, FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a magnetoresistive effect element, FIG. 3 is a configuration of a conventional example, and FIG. FIG. 4B is an output waveform diagram for normal magnetization, FIG. 4C is an output waveform diagram for offset magnetization, FIG. 4 is the configuration of the first embodiment, and FIG. Is a schematic diagram showing the positional relationship between a magnet and a magnetoresistive effect element, (b) is an output waveform diagram for normal magnetization (comparative example), and (c) is an output waveform diagram for offset magnetization (example). 5A and 5B show the configuration of the second embodiment, wherein FIG. 5A is a schematic diagram showing the positional relationship between a magnet and a magnetoresistive element, and FIG. 5B is an output waveform diagram for normal magnetization (comparative example). , (C) is an output waveform diagram (example) for offset magnetization, and FIG. Graph showing the magnetic field intensity changes with respect to the relative movement direction when the multi magnetized, (b) are graphs, showing the magnetic field intensity changes with respect to the relative movement direction when the offset magnetized.

各図におけるX1−X2方向、Y1−Y2方向、及びZ1−Z2方向の各方向は残り2つの方向に対して直交した関係となっている。X1−X2方向は、磁石2及び磁気センサ3の相対移動方向である。この実施形態において特に断らない限り「相対移動方向」とは磁気センサ3の相対移動方向を指す。そしてこの実施形態では、磁気センサ3の相対移動方向はX1方向である。よって、磁石2が固定で磁気センサ3が移動する場合は、磁気センサ3はX1方向に動き、磁気センサ3が固定で磁石2が移動する場合は、磁石2がX2方向に動いている。なお磁石2及び磁気センサ3の双方が動く形態でもよい。Y1−Y2方向は、基板4の平面内にて相対移動方向に対して直交する磁気センサ3の幅方向である。Z1−Z2方向は磁石2と磁気センサ3とが所定の間隔を空けて対向する高さ方向である。   Each direction of the X1-X2 direction, the Y1-Y2 direction, and the Z1-Z2 direction in each figure has a relationship orthogonal to the remaining two directions. The X1-X2 direction is a relative movement direction of the magnet 2 and the magnetic sensor 3. In this embodiment, unless otherwise specified, the “relative movement direction” refers to the relative movement direction of the magnetic sensor 3. In this embodiment, the relative movement direction of the magnetic sensor 3 is the X1 direction. Therefore, when the magnet 2 is fixed and the magnetic sensor 3 moves, the magnetic sensor 3 moves in the X1 direction, and when the magnet 2 moves while the magnetic sensor 3 is fixed, the magnet 2 moves in the X2 direction. Note that both the magnet 2 and the magnetic sensor 3 may move. The Y1-Y2 direction is the width direction of the magnetic sensor 3 orthogonal to the relative movement direction in the plane of the substrate 4. The Z1-Z2 direction is a height direction in which the magnet 2 and the magnetic sensor 3 face each other with a predetermined interval.

図1に示すように磁気エンコーダ1は、磁石(磁界発生部材)2と磁気センサ3を有して構成される。   As shown in FIG. 1, the magnetic encoder 1 includes a magnet (magnetic field generating member) 2 and a magnetic sensor 3.

例えば磁石2は図示X1−X2方向に延びる棒状であり、磁気センサ3との対向面が図示X1−X2方向に所定幅にてN極とS極とが交互に着磁された着磁面2aである。磁極間ピッチ(N極とS極との中心間距離)はλである。例えば、λは、0.5〜4.0mmである。   For example, the magnet 2 has a rod shape extending in the X1-X2 direction shown in the figure, and the magnetized surface 2a in which the surface facing the magnetic sensor 3 is alternately magnetized with N and S poles with a predetermined width in the X1-X2 direction shown in the figure. It is. The pitch between the magnetic poles (the distance between the centers of the N pole and the S pole) is λ. For example, λ is 0.5 to 4.0 mm.

図1に示すように磁気センサ3は、基板4と、共通の基板4の表面(磁石2との対向面)4aに設けられた複数の磁気抵抗効果素子5a,5bとを有して構成される。   As shown in FIG. 1, the magnetic sensor 3 includes a substrate 4 and a plurality of magnetoresistive elements 5 a and 5 b provided on a surface (a surface facing the magnet 2) 4 a of the common substrate 4. The

磁気抵抗効果素子は、符号5aが第1の磁気抵抗効果素子であり、符号5bが第2の磁気抵抗効果素子である。第1の磁気抵抗効果素子5a及び第2の磁気抵抗効果素子5bは、夫々、2つずつ設けられ、計4つの磁気抵抗効果素子で構成されている。   In the magnetoresistive effect element, reference numeral 5a is a first magnetoresistive effect element, and reference numeral 5b is a second magnetoresistive effect element. Each of the first magnetoresistive effect element 5a and the second magnetoresistive effect element 5b is provided in two, and is composed of a total of four magnetoresistive effect elements.

2つの第1の磁気抵抗効果素子5aは、Y1−Y2方向に間隔を空けて配置されている。同様に、2つの第2の磁気抵抗効果素子5bは、Y1−Y2方向に間隔を空けて配置されている。   The two first magnetoresistive elements 5a are arranged at an interval in the Y1-Y2 direction. Similarly, the two second magnetoresistive elements 5b are arranged at an interval in the Y1-Y2 direction.

そして、図1に示すように各第1の磁気抵抗効果素子5aと各第2の磁気抵抗効果素子5bは、X1−X2方向に間隔を空けて対向しており、各第1の磁気抵抗効果素子5aと各第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離は、T1となっている。   As shown in FIG. 1, each first magnetoresistive element 5a and each second magnetoresistive element 5b are opposed to each other with an interval in the X1-X2 direction. The center-to-center distance between the element 5a and each second magnetoresistive element 5b is T1.

本実施形態では、前記中心間距離T1は、磁極ピッチλの正整数倍と異なる大きさである。   In the present embodiment, the center-to-center distance T1 is different from a positive integer multiple of the magnetic pole pitch λ.

これら磁気抵抗効果素子5a,5bは、従来例で示した図13と同様のフルブリッジ回路を構成する。ただし本実施形態では、磁気抵抗効果素子5a,5bが夫々1つずつ設けられ出力端子を介して直列接続されたハーフブリッジ回路の構成であってもよい。   These magnetoresistive elements 5a and 5b constitute a full bridge circuit similar to that shown in FIG. However, in the present embodiment, a configuration of a half bridge circuit in which one magnetoresistive effect element 5a and 5b is provided and connected in series via an output terminal may be employed.

各磁気抵抗効果素子5a,5bは、例えば、Y1−Y2方向に細長形状で形成された複数本の素子部がX1−X2方向に配列され各素子部の端部間が連結されたミアンダ形状で形成されることが好適である。   Each of the magnetoresistive elements 5a and 5b has, for example, a meander shape in which a plurality of element portions formed in an elongated shape in the Y1-Y2 direction are arranged in the X1-X2 direction and ends of each element portion are connected. Preferably it is formed.

各磁気抵抗効果素子5a,5bは、図2に示すように、下から反強磁性層7、固定磁性層8、非磁性層9、フリー磁性層(磁化変動層)10及び保護層11の順で積層された構造で形成される。ただし、図2の積層構造は一例である。例えば固定磁性層8は積層フェリ構造で形成されてもよい。また、例えば反強磁性層7はIrMn、固定磁性層8はCoFe、非磁性層9はCu、フリー磁性層10はNiFe、保護層11はTaで形成される。   As shown in FIG. 2, each magnetoresistive effect element 5a, 5b includes an antiferromagnetic layer 7, a pinned magnetic layer 8, a nonmagnetic layer 9, a free magnetic layer (magnetization varying layer) 10, and a protective layer 11 in this order. It is formed with the structure laminated | stacked by. However, the stacked structure in FIG. 2 is an example. For example, the pinned magnetic layer 8 may be formed with a laminated ferrimagnetic structure. For example, the antiferromagnetic layer 7 is made of IrMn, the pinned magnetic layer 8 is made of CoFe, the nonmagnetic layer 9 is made of Cu, the free magnetic layer 10 is made of NiFe, and the protective layer 11 is made of Ta.

磁気抵抗効果素子5a,5bは、少なくとも固定磁性層8とフリー磁性層10が非磁性層9を介して積層された積層部分を備える。反強磁性層7と固定磁性層8との間には交換結合磁界(Hex)が生じて固定磁性層8の磁化は一方向に固定されている。   The magnetoresistive effect elements 5 a and 5 b include a laminated portion in which at least the pinned magnetic layer 8 and the free magnetic layer 10 are laminated via the nonmagnetic layer 9. An exchange coupling magnetic field (Hex) is generated between the antiferromagnetic layer 7 and the pinned magnetic layer 8, and the magnetization of the pinned magnetic layer 8 is pinned in one direction.

一方、フリー磁性層10の磁化方向は固定されておらず外部磁界Hによって磁化変動する。   On the other hand, the magnetization direction of the free magnetic layer 10 is not fixed and fluctuates due to the external magnetic field H.

本実施形態では、磁気抵抗効果素子5a,5bを構成するフリー磁性層10と非磁性層9との間の界面は、磁石2の着磁面2aと平行な面方向(X−Y面方向)を向いている。   In the present embodiment, the interface between the free magnetic layer 10 and the nonmagnetic layer 9 constituting the magnetoresistive effect elements 5a and 5b is a plane direction (XY plane direction) parallel to the magnetized surface 2a of the magnet 2. Facing.

上記の構成では非磁性層9がCuで形成された巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)の構成であるが、例えば非磁性層9がAl23、MgO等の絶縁材料で形成されるとき、トンネル型磁気抵抗効果素子(TMR素子)として構成される。磁気抵抗効果素子5a,5bは異方性磁気抵抗効果素子(AMR素子)であってもよい。 The above configuration is a configuration of a giant magnetoresistive effect element (GMR element) in which the nonmagnetic layer 9 is formed of Cu. For example, when the nonmagnetic layer 9 is formed of an insulating material such as Al 2 O 3 or MgO. And configured as a tunnel type magnetoresistive effect element (TMR element). The magnetoresistive elements 5a and 5b may be anisotropic magnetoresistive elements (AMR elements).

この実施形態での、各磁気抵抗効果素子5a,5bの固定磁性層8の固定磁化方向(PIN方向)は、X1方向か、X2方向である。   In this embodiment, the fixed magnetization direction (PIN direction) of the fixed magnetic layer 8 of each magnetoresistive element 5a, 5b is the X1 direction or the X2 direction.

磁気センサ3が磁石2に対してX1方向に相対移動すると、各磁気抵抗効果素子5a,5bには、磁石2の着磁面2aから外部磁界H1,H2が進入する。図1に示すように外部磁界H1と外部磁界H2の方向は異なり(反対方向である)、またちょうど磁気抵抗効果素子が磁極上に位置すると、磁気抵抗効果素子に対して磁場成分は垂直磁場が支配的となり、外部磁界がゼロの状態(無磁場状態)となる。   When the magnetic sensor 3 moves relative to the magnet 2 in the X1 direction, the external magnetic fields H1 and H2 enter the magnetoresistive elements 5a and 5b from the magnetized surface 2a of the magnet 2. As shown in FIG. 1, the directions of the external magnetic field H1 and the external magnetic field H2 are different (opposite directions), and when the magnetoresistive element is positioned on the magnetic pole, the magnetic field component is a vertical magnetic field with respect to the magnetoresistive element. It becomes dominant and the external magnetic field becomes zero (no magnetic field).

各磁気抵抗効果素子5a,5bに対して固定磁性層8の磁化方向と同じ方向の外部磁界が進入し、フリー磁性層10が固定磁性層8の磁化方向と同方向を向くと電気抵抗値は最小値になる。一方、固定磁性層8の磁化方向と反対の方向の外部磁界が進入し、フリー磁性層10が固定磁性層8の磁化方向の反対方向を向くと電気抵抗値は最大値になる。   When an external magnetic field in the same direction as the magnetization direction of the pinned magnetic layer 8 enters the magnetoresistive effect elements 5a and 5b, and the free magnetic layer 10 faces the same direction as the magnetization direction of the pinned magnetic layer 8, the electric resistance value is It becomes the minimum value. On the other hand, when an external magnetic field in the direction opposite to the magnetization direction of the pinned magnetic layer 8 enters and the free magnetic layer 10 faces in the direction opposite to the magnetization direction of the pinned magnetic layer 8, the electric resistance value becomes the maximum value.

磁気センサ3が磁石2のN極側からS極側に向けて相対移動したときに、磁気センサ3に作用する外部磁界はH2であり、前記磁気センサ3が磁石2のS極側からN極側に向けて相対移動したときに、磁気センサ3に作用する外部磁界はH1である。   When the magnetic sensor 3 relatively moves from the N pole side of the magnet 2 toward the S pole side, the external magnetic field acting on the magnetic sensor 3 is H2, and the magnetic sensor 3 is N pole from the S pole side of the magnet 2. The external magnetic field that acts on the magnetic sensor 3 when moving relative to the side is H1.

磁気センサ3の相対移動に伴い、移動量、移動速度、さらには移動方向を検知することが出来る。   With the relative movement of the magnetic sensor 3, it is possible to detect the movement amount, the movement speed, and the movement direction.

本実施形態の磁気エンコーダ1は、各第1の磁気抵抗効果素子5aと各第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1が、磁極ピッチλの正整数倍と異なる点と、フリー磁性層10の飽和状態を維持する相対移動距離が、外部磁界H1が作用しているときと外部磁界H2が作用しているときとで異なる点に特徴的構成がある。   The magnetic encoder 1 according to the present embodiment is different from the first embodiment in that the center-to-center distance T1 between each first magnetoresistive element 5a and each second magnetoresistive element 5b is different from a positive integer multiple of the magnetic pole pitch λ. There is a characteristic configuration in that the relative movement distance for maintaining the saturation state of 10 is different between when the external magnetic field H1 is applied and when the external magnetic field H2 is applied.

フリー磁性層10の飽和状態を維持する相対移動距離を、外部磁界H1が作用しているときと外部磁界H2が作用しているときとで異なせるには、「オフセット着磁」を施すことで達成できる。   To make the relative movement distance for maintaining the saturated state of the free magnetic layer 10 different between when the external magnetic field H1 is applied and when the external magnetic field H2 is applied, "offset magnetization" is applied. Can be achieved.

図6(a)はノーマル着磁の磁界強度変化を示している。横軸は、磁気センサの着磁面に対する相対移動方向への距離あるいは時間を示している。縦軸は、着磁面から発生する外部磁界の磁界強度を示している。   FIG. 6A shows a change in magnetic field strength of normal magnetization. The horizontal axis indicates the distance or time in the relative movement direction with respect to the magnetized surface of the magnetic sensor. The vertical axis represents the magnetic field strength of the external magnetic field generated from the magnetized surface.

図6(a)に示すように、横軸より上側が例えば外部磁界H2の磁界強度変化を示し、横軸より下側が外部磁界H1の磁界強度変化を示している。   As shown in FIG. 6A, the upper side of the horizontal axis indicates, for example, the change in the magnetic field strength of the external magnetic field H2, and the lower side of the horizontal axis indicates the change in the magnetic field strength of the external magnetic field H1.

図6(a)に示すように、外部磁界H1の最大磁界強度H1aと外部磁界H2の最大磁界強度H2aとはほぼ同じ大きさであり、前記外部磁界H1の磁界強度変化曲線と、外部磁界H2の磁界強度変化曲線とは横軸を対称軸とした対称形状である。   As shown in FIG. 6A, the maximum magnetic field strength H1a of the external magnetic field H1 and the maximum magnetic field strength H2a of the external magnetic field H2 are substantially the same, and the magnetic field strength change curve of the external magnetic field H1 and the external magnetic field H2 The magnetic field strength change curve is a symmetrical shape with the horizontal axis as the axis of symmetry.

図6(a)に示す点線位置の磁界強度H1b,H2bは、磁気抵抗効果素子A1,A2を構成するフリー磁性層10を磁気飽和させるための下限値である。   The magnetic field strengths H1b and H2b at the dotted line positions shown in FIG. 6A are lower limit values for magnetic saturation of the free magnetic layer 10 constituting the magnetoresistive effect elements A1 and A2.

フリー磁性層10にはある一定以上の強い外部磁界が作用することで全体がその外部磁界の方向を向き磁気飽和に達する。このとき、フリー磁性層10の磁化が固定磁性層8の磁化方向を向けば電気抵抗値は徐々に小さくなり、やがて磁気飽和に達すると最小値になる。また、フリー磁性層10の磁化が固定磁性層8の磁化方向を向けば電気抵抗値は徐々に大きくなり、やがて磁気飽和に達すると最大値になる。   When a strong external magnetic field of a certain level or more acts on the free magnetic layer 10, the whole is directed to the external magnetic field and reaches magnetic saturation. At this time, if the magnetization of the free magnetic layer 10 is directed to the magnetization direction of the pinned magnetic layer 8, the electric resistance value gradually decreases, and eventually reaches a minimum value when magnetic saturation is reached. Further, when the magnetization of the free magnetic layer 10 is directed to the magnetization direction of the pinned magnetic layer 8, the electric resistance value gradually increases, and eventually reaches a maximum value when the magnetic saturation is reached.

図6(a)のノーマル着磁では、磁気抵抗効果素子に対して外部磁界H1が作用しているときに磁気抵抗効果素子のフリー磁性層10の飽和状態を維持する相対移動距離L3(飽和時間)と、磁気抵抗効果素子に対して外部磁界H2が作用しているときに磁気抵抗効果素子のフリー磁性層10の飽和状態を維持する相対移動方向距離L4(飽和時間)とがほぼ同じとなっている。   In the normal magnetization of FIG. 6A, the relative movement distance L3 (saturation time) for maintaining the saturation state of the free magnetic layer 10 of the magnetoresistive effect element when the external magnetic field H1 is acting on the magnetoresistive effect element. ) And the relative movement direction distance L4 (saturation time) for maintaining the saturation state of the free magnetic layer 10 of the magnetoresistive element when the external magnetic field H2 is acting on the magnetoresistive element. ing.

図6(b)は、オフセット着磁の磁界強度変化を示している。横軸は、磁気センサの着磁面に対する相対移動方向への距離あるいは時間を示している。縦軸は、着磁面から発生する外部磁界の磁界強度を示している。   FIG. 6B shows a change in magnetic field strength of offset magnetization. The horizontal axis indicates the distance or time in the relative movement direction with respect to the magnetized surface of the magnetic sensor. The vertical axis represents the magnetic field strength of the external magnetic field generated from the magnetized surface.

図6(b)に示すように、横軸より上側が例えば外部磁界H2の磁界強度変化を示し、横軸より下側が外部磁界H1の磁界強度変化を示している。   As shown in FIG. 6B, the upper side of the horizontal axis shows, for example, the change in the magnetic field strength of the external magnetic field H2, and the lower side of the horizontal axis shows the change in the magnetic field strength of the external magnetic field H1.

図6(b)に示すように、外部磁界H1の最大磁界強度H1cと外部磁界H2の最大磁界強度H2cとが異なった大きさであり、前記外部磁界H1の磁界強度変化曲線と、外部磁界H2の磁界強度変化曲線とは、横軸を対称軸としたとき、非対称形状である。図6(b)のオフセット着磁での磁界強度変化曲線は、いわば、図6(a)のノーマル着磁での磁界強度変化曲線を外部磁界H2側へ一定のオフセット量で移動させた波形となっている。   As shown in FIG. 6B, the maximum magnetic field strength H1c of the external magnetic field H1 and the maximum magnetic field strength H2c of the external magnetic field H2 are different in magnitude, and the magnetic field strength change curve of the external magnetic field H1 and the external magnetic field H2 The magnetic field strength change curve is an asymmetric shape when the horizontal axis is the axis of symmetry. The magnetic field strength change curve in the offset magnetization of FIG. 6B is, so to speak, a waveform obtained by moving the magnetic field strength change curve in the normal magnetization of FIG. 6A to the external magnetic field H2 side with a constant offset amount. It has become.

図6(b)に示す点線位置の磁界強度H1d,H2dは、磁気抵抗効果素子A1,A2を構成するフリー磁性層10を磁気飽和させるための下限値である。これら磁界強度H1d,H2dは、図6(a)での磁界強度H1b,H2bと同じ大きさである。   The magnetic field strengths H1d and H2d at the dotted line positions shown in FIG. 6B are lower limit values for magnetic saturation of the free magnetic layer 10 constituting the magnetoresistive elements A1 and A2. These magnetic field strengths H1d and H2d are the same magnitude as the magnetic field strengths H1b and H2b in FIG.

図6(b)のオフセット着磁では、磁気抵抗効果素子に対して外部磁界H1が作用しているときに磁気抵抗効果素子のフリー磁性層10の飽和状態を維持する相対移動距離L1(飽和時間)と、磁気抵抗効果素子に対して外部磁界H2が作用しているときに磁気抵抗効果素子のフリー磁性層10の飽和状態を維持する相対移動方向距離L2(飽和時間)とが異なる。   6B, the relative movement distance L1 (saturation time) that maintains the saturation state of the free magnetic layer 10 of the magnetoresistive effect element when the external magnetic field H1 is acting on the magnetoresistive effect element. ) And the relative movement direction distance L2 (saturation time) for maintaining the saturation state of the free magnetic layer 10 of the magnetoresistive element when the external magnetic field H2 is acting on the magnetoresistive element.

図3(a)は、従来例の磁気エンコーダの構成である。すなわち、図12で示す磁気エンコーダの構成であるが、説明をしやすくするため、磁気センサ22に搭載される磁気抵抗効果素子にはA相の磁気抵抗効果素子A1,A2を一つずつ図示した。磁気抵抗効果素子A1,A2の中心間距離は磁極ピッチλと同じ大きさである。   FIG. 3A shows the configuration of a conventional magnetic encoder. That is, although it is the structure of the magnetic encoder shown in FIG. 12, in order to make it easy to explain, the magnetoresistive effect element mounted on the magnetic sensor 22 includes the A-phase magnetoresistive effect elements A1 and A2 one by one. . The distance between the centers of the magnetoresistive elements A1 and A2 is the same as the magnetic pole pitch λ.

図3(b)は、図6(a)で説明したノーマル着磁に対する磁気抵抗効果素子A1の電気抵抗変化に基づく第1出力波形、磁気抵抗効果素子A2の電気抵抗変化に基づく第2出力波形、及び磁気抵抗効果素子Aと磁気抵抗効果素子A2とを直列に接続して得られた差動出力波形(Total出力)を示している。   FIG. 3B shows a first output waveform based on the electrical resistance change of the magnetoresistive effect element A1 with respect to the normal magnetization described in FIG. 6A, and a second output waveform based on the electrical resistance change of the magnetoresistive effect element A2. , And a differential output waveform (Total output) obtained by connecting the magnetoresistive effect element A and the magnetoresistive effect element A2 in series.

図3(c)は、オフセット着磁に対する磁気抵抗効果素子A1の電気抵抗変化に基づく第1出力波形、磁気抵抗効果素子A2の電気抵抗変化に基づく第2出力波形、及び磁気抵抗効果素子Aと磁気抵抗効果素子A2とを直列に接続して得られた差動出力波形を示している。   FIG. 3C shows a first output waveform based on the electrical resistance change of the magnetoresistive effect element A1 with respect to the offset magnetization, a second output waveform based on the electrical resistance change of the magnetoresistive effect element A2, and the magnetoresistive effect element A. The differential output waveform obtained by connecting the magnetoresistive effect element A2 in series is shown.

図3(b)に示すように、ノーマル着磁では第1出力の立ち上がりタイミングと、第2出力の立ち下がりタイミングとが同じタイミングになり、及び、第1出力の立ち下がりタイミングと、第2出力の立ち上がりタイミングとが同じタイミングになっている。そして図3(b)での出力波形のデューティ比はほぼ50%である。   As shown in FIG. 3B, in normal magnetization, the rise timing of the first output and the fall timing of the second output are the same timing, and the fall timing of the first output and the second output The rise timing is the same timing. The duty ratio of the output waveform in FIG. 3B is approximately 50%.

一方、図3(c)に示すように、オフセット着磁では、第1出力の立ち上がりタイミングと、第2出力の立ち下がりタイミングとが異なるタイミングになり、及び、第1出力の立ち下がりタイミングと、第2出力の立ち上がりタイミングとが異なるタイミングになっている。図3(c)での出力波形のデューティ比は50%より小さくなり、しかも、第1出力の立ち上がりタイミング及び立ち下がりタイミングは、必ず、第2出力が最小出力ラインのときとなっている。   On the other hand, as shown in FIG. 3C, in offset magnetization, the rising timing of the first output is different from the falling timing of the second output, and the falling timing of the first output is The rising timing of the second output is different from the timing. The duty ratio of the output waveform in FIG. 3C is less than 50%, and the rising timing and falling timing of the first output are always when the second output is the minimum output line.

図3(c)のように、オフセット着磁における、磁気抵抗効果素子Aと磁気抵抗効果素子A2とを直列に接続して得られた差動出力波形は、ノーマル着磁における差動出力波形(図3(b))とは異なる。ここで、CWとは、時計方向を指し、CCWは反時計方向を指す。これは、図11の実施形態に示すように回転型の磁気エンコーダを想定したものであり、直線移動する場合、CWは、ある一方向への直線移動を指し、CCWは、CWと反対方向への直線移動を指している。   As shown in FIG. 3C, the differential output waveform obtained by connecting the magnetoresistive effect element A and the magnetoresistive effect element A2 in series in the offset magnetization is the differential output waveform in the normal magnetization ( This is different from FIG. Here, CW indicates the clockwise direction, and CCW indicates the counterclockwise direction. This is based on the assumption of a rotary magnetic encoder as shown in the embodiment of FIG. 11. In the case of linear movement, CW indicates linear movement in one direction, and CCW is in the opposite direction to CW. Indicates a straight line movement.

図3(c)に示すように、差動出力変化は、CW及びCCWで同じ波形となっている。よって、磁気抵抗効果素子A1,A2の中心間距離を磁極ピッチλと同じにすると、オフセット着磁しても、1つのブリッジ回路だけでは、移動方向(回転方向)を検知できない。   As shown in FIG. 3C, the differential output change has the same waveform in CW and CCW. Therefore, if the distance between the centers of the magnetoresistive elements A1 and A2 is the same as the magnetic pole pitch λ, the moving direction (rotating direction) cannot be detected with only one bridge circuit even with offset magnetization.

一方、図4(a)は、第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1を、磁極ピッチλより小さくした実施形態である。   On the other hand, FIG. 4A shows an embodiment in which the center distance T1 between the first magnetoresistive element 5a and the second magnetoresistive element 5b is smaller than the magnetic pole pitch λ.

図4(b)は、ノーマル着磁に対する第1の磁気抵抗効果素子5aの電気抵抗変化に基づく第1出力波形、第2の磁気抵抗効果素子5bの電気抵抗変化に基づく第2出力波形、及び第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bとを直列に接続して得られた差動出力波形(Total出力)を示している。   FIG. 4B shows a first output waveform based on a change in electrical resistance of the first magnetoresistance effect element 5a with respect to normal magnetization, a second output waveform based on a change in electrical resistance of the second magnetoresistance effect element 5b, and The differential output waveform (Total output) obtained by connecting the 1st magnetoresistive effect element 5a and the 2nd magnetoresistive effect element 5b in series is shown.

図4(c)は、オフセット着磁に対する第1の磁気抵抗効果素子5aの電気抵抗変化に基づく第1出力波形、第2の磁気抵抗効果素子5bの電気抵抗変化に基づく第2出力波形、及び第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bとを直列に接続して得られた差動出力波形を示している。   FIG. 4C shows a first output waveform based on a change in electrical resistance of the first magnetoresistance effect element 5a with respect to offset magnetization, a second output waveform based on a change in electrical resistance of the second magnetoresistance effect element 5b, and The differential output waveform obtained by connecting the 1st magnetoresistive effect element 5a and the 2nd magnetoresistive effect element 5b in series is shown.

図4(b)のノーマル着磁では第1の磁気抵抗効果素子5aの電気抵抗変化に基づく第1出力波形、及び、第2の磁気抵抗効果素子5bの電気抵抗変化に基づく第2出力波形は、共にデューティ比がほぼ50%であるが、出力タイミングがずれている。そして、得られた差動出力波形(Total出力)は、対称形状であり、既に説明した図3(c)に示す差動出力波形とほぼ同じ形状である。よって、ノーマル着磁では、第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1を磁極ピッチλより小さくしても、移動方向(回転方向)を検知することが出来ない。   In the normal magnetization of FIG. 4B, the first output waveform based on the electrical resistance change of the first magnetoresistance effect element 5a and the second output waveform based on the electrical resistance change of the second magnetoresistance effect element 5b are In both cases, the duty ratio is approximately 50%, but the output timing is shifted. The obtained differential output waveform (Total output) has a symmetric shape, which is almost the same shape as the differential output waveform shown in FIG. Therefore, in normal magnetization, even if the center distance T1 between the first magnetoresistive element 5a and the second magnetoresistive element 5b is smaller than the magnetic pole pitch λ, the moving direction (rotating direction) can be detected. I can't.

一方、図4(c)のオフセット着磁では、第1の磁気抵抗効果素子5aの電気抵抗変化に基づく第1出力波形、及び、第2の磁気抵抗効果素子5bの電気抵抗変化に基づく第2出力波形は、共にデューティ比が50%より小さくなる。このとき、図4(c)に示すように、第1出力の出力波形の立ち下がりタイミングaと、第2出力の出力波形の立ち上がりタイミングbはずれている。また、図4(c)のように、第1出力の出力波形の立ち上がりタイミングcと、第2出力の出力波形の立ち下がりタイミングdは同じタイミングとなっている。   On the other hand, in the offset magnetization of FIG. 4C, the first output waveform based on the electrical resistance change of the first magnetoresistance effect element 5a and the second output waveform based on the electrical resistance change of the second magnetoresistance effect element 5b. Both output waveforms have a duty ratio smaller than 50%. At this time, as shown in FIG. 4C, the fall timing a of the output waveform of the first output is shifted from the rise timing b of the output waveform of the second output. As shown in FIG. 4C, the rising timing c of the output waveform of the first output and the falling timing d of the output waveform of the second output are the same timing.

そして、図4(c)の差動出力波形に示すように、CWでの差動出力波形は、立ち上がりタイミングeで最大まで一気に立ち上がり、立ち下がりタイミングf,gは段差を介して2段になっている。このため、CWでの差動出力波形は、非対称形状となっている。CCWでの差動出力波形は、CWでの差動出力波形を反転させた形状である。このように、CWでの差動出力波形と、CCWでの差動出力波形とが異なるため、第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1を磁極ピッチλより小さくし、且つオフセット着磁することにより、1つのブリッジ回路でも、移動方向(回転方向)を検知することが可能になる。   As shown in the differential output waveform of FIG. 4C, the differential output waveform at CW rises up to the maximum at the rising timing e, and the falling timings f and g become two steps through the steps. ing. For this reason, the differential output waveform in CW has an asymmetric shape. The differential output waveform in the CCW has a shape obtained by inverting the differential output waveform in the CW. Thus, since the differential output waveform at CW and the differential output waveform at CCW are different, the center-to-center distance T1 between the first magnetoresistive effect element 5a and the second magnetoresistive effect element 5b is defined as the magnetic pole pitch. By making it smaller than λ and performing offset magnetization, it is possible to detect the moving direction (rotating direction) even with one bridge circuit.

図5(a)は、第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1を、磁極ピッチλより大きくした実施形態である。   FIG. 5A shows an embodiment in which the center distance T1 between the first magnetoresistive element 5a and the second magnetoresistive element 5b is larger than the magnetic pole pitch λ.

図5(b)は、ノーマル着磁に対する第1の磁気抵抗効果素子5aの電気抵抗変化に基づく第1出力波形、第2の磁気抵抗効果素子5bの電気抵抗変化に基づく第2出力波形、及び第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bとを直列に接続して得られた差動出力波形(Total出力)を示している。   FIG. 5B shows a first output waveform based on a change in electrical resistance of the first magnetoresistance effect element 5a with respect to normal magnetization, a second output waveform based on a change in electrical resistance of the second magnetoresistance effect element 5b, and The differential output waveform (Total output) obtained by connecting the 1st magnetoresistive effect element 5a and the 2nd magnetoresistive effect element 5b in series is shown.

図5(c)は、オフセット着磁に対する第1の磁気抵抗効果素子5aの電気抵抗変化に基づく第1出力波形、第2の磁気抵抗効果素子5bの電気抵抗変化に基づく第2出力波形、及び第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bとを直列に接続して得られた差動出力波形を示している。   FIG. 5C shows a first output waveform based on a change in electrical resistance of the first magnetoresistance effect element 5a with respect to offset magnetization, a second output waveform based on a change in electrical resistance of the second magnetoresistance effect element 5b, and The differential output waveform obtained by connecting the 1st magnetoresistive effect element 5a and the 2nd magnetoresistive effect element 5b in series is shown.

図5(b)のノーマル着磁では、図4(b)と同様に、第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1を磁極ピッチλより大きくしても、移動方向(回転方向)を検知することが出来ない。   In the normal magnetization of FIG. 5B, as in FIG. 4B, the center-to-center distance T1 between the first magnetoresistive element 5a and the second magnetoresistive element 5b is made larger than the magnetic pole pitch λ. However, the moving direction (rotational direction) cannot be detected.

これに対して、図5(c)のオフセット着磁では、図5(c)に示すように、CWでの差動出力波形は、段差を介した2段の立ち上がりタイミングh,iで最大まで立ち上がり、立ち下がりタイミングjで一気に最小まで立ち下がる。   On the other hand, in the offset magnetization of FIG. 5 (c), as shown in FIG. 5 (c), the differential output waveform at CW reaches the maximum at the two-stage rise timings h and i through the steps. It falls to the minimum at a stretch at the rising and falling timing j.

このため、CWでの差動出力波形は、非対称形状となっている。CCWでの差動出力波形は、CWでの差動出力波形を180度反転させた形状である。このように、CWでの差動出力波形と、CCWでの差動出力波形とが異なるため、第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1を磁極ピッチλより大きくし、且つオフセット着磁することにより、1つのブリッジ回路でも、移動方向(回転方向)を検知することが可能になる。   For this reason, the differential output waveform in CW has an asymmetric shape. The differential output waveform at the CCW has a shape obtained by inverting the differential output waveform at the CW by 180 degrees. Thus, since the differential output waveform at CW and the differential output waveform at CCW are different, the center-to-center distance T1 between the first magnetoresistive effect element 5a and the second magnetoresistive effect element 5b is defined as the magnetic pole pitch. By making it larger than λ and performing offset magnetization, it is possible to detect the moving direction (rotating direction) even with one bridge circuit.

このように本実施形態では移動方向(回転方向)を検知するのに、1つのブリッジ回路で足りるため、磁気センサ3に搭載する磁気抵抗効果素子5a,5bの素子数を従来より減らすことが出来る。また1つのブリッジ回路で足りるためASICでの回路構成も従来より簡単に出来る。したがって、従来に比べて磁気センサ3、ひいては磁気エンコーダ1の製造コストを低減できる。   As described above, in the present embodiment, one bridge circuit is sufficient to detect the moving direction (rotating direction), so that the number of magnetoresistive elements 5a and 5b mounted on the magnetic sensor 3 can be reduced as compared with the prior art. . In addition, since a single bridge circuit is sufficient, the circuit configuration of the ASIC can be made simpler than before. Therefore, the manufacturing cost of the magnetic sensor 3 and thus the magnetic encoder 1 can be reduced as compared with the prior art.

また、図4のように、第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1を磁極ピッチλより小さくすれば、従来に比べて、効果的に、磁気センサ3、ひいては磁気エンコーダ1の小型化を図ることができる。前記中心間距離T1は、0.5mm以上でλより小さいことが好適である。   As shown in FIG. 4, if the center distance T1 between the first magnetoresistive effect element 5a and the second magnetoresistive effect element 5b is made smaller than the magnetic pole pitch λ, the magnetic sensor is more effective than the conventional one. 3. As a result, the magnetic encoder 1 can be reduced in size. The center distance T1 is preferably 0.5 mm or more and smaller than λ.

また、図5のように、第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1が磁極ピッチλより大きい場合でも、中心間距離T1を3λ/2(3λ/2は図12の従来例に示す両側に配置された磁気抵抗効果素子の中心間距離)より小さく形成することが可能であり、従来に比べて磁気センサ3の小型化を図ることができる。   As shown in FIG. 5, even when the center distance T1 between the first magnetoresistive element 5a and the second magnetoresistive element 5b is larger than the magnetic pole pitch λ, the center distance T1 is 3λ / 2 (3λ / 2 can be formed smaller than the distance between the centers of the magnetoresistive effect elements arranged on both sides shown in the conventional example of FIG. 12, and the magnetic sensor 3 can be made smaller than the conventional one.

第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bの中心間距離T1は、図6(b)で説明した、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層10の飽和状態を維持する相対移動距離L1,L2(飽和時間)に基づいて調整される。特に、図4(c)に示すように、第1出力の立ち上がりタイミングcと、第2出力の立ち下がりタイミングdとが同じタイミングになるように、あるいは、図5(c)に示すように、第1出力の立ち下がりタイミングkと、第2出力の立ち上がりタイミングlとが同じタイミングになるように、前記中心間距離T1(あるいは相対移動距離L1,L2)を調整することが好ましい。これにより、複数の磁気抵抗効果素子から成るブリッジ回路から得られる差動出力波形は、最小出力ラインと最大出力ライン間の出力の立ち上がり側、あるいは立ち下がり側のどちらか一方が、途中に段差を介した形状となり、他方が前記段差がない連続形状となる(図4(c)、図5(c))。これにより、より高精度に、移動方向(回転方向)を検知できる。   The center distance T1 between the first magnetoresistive element 5a and the second magnetoresistive element 5b is the relative movement that maintains the saturation state of the free magnetic layer 10 of the magnetoresistive element described with reference to FIG. Adjustment is performed based on the distances L1 and L2 (saturation time). In particular, as shown in FIG. 4 (c), the rising timing c of the first output is the same as the falling timing d of the second output, or as shown in FIG. 5 (c). It is preferable to adjust the center-to-center distance T1 (or the relative movement distances L1 and L2) so that the first output fall timing k and the second output rise timing l are the same timing. As a result, the differential output waveform obtained from the bridge circuit consisting of a plurality of magnetoresistive elements has a step in the middle of either the rising or falling side of the output between the minimum output line and the maximum output line. The other is a continuous shape without the step (FIGS. 4C and 5C). Thereby, a moving direction (rotation direction) can be detected with higher accuracy.

図3ないし図5での差動出力波形は、得られたアナログ信号をデジタル化したものであるが、アナログ信号をそのまま、移動方向(回転方向)の検知信号として使用することも出来る。デジタル信号であるとき、例えば図4(c)に示すように中間出力ラインと最大出力ラインの間に第1のスレッショルドレベルLV1を規定し、中間出力ラインと最小出力ラインの間に第2のスレッショルドレベルLV2を規定する。そして、磁気センサ3及び磁石2の停止状態では、必ず、中間出力ライン上に位置するように制御し、磁気センサ3が磁石2に対して相対移動し始めたときに、出力が、第1のスレッショルドレベルLV1を超えるか、あるいは、第2のスレッショルドレベルLV2を下回るかによって、移動方向(回転方向)を検知することが出来る。   The differential output waveforms in FIGS. 3 to 5 are digitized analog signals obtained, but the analog signals can be used as detection signals in the movement direction (rotation direction) as they are. In the case of a digital signal, for example, as shown in FIG. 4C, a first threshold level LV1 is defined between the intermediate output line and the maximum output line, and a second threshold is set between the intermediate output line and the minimum output line. Level LV2 is defined. In the stop state of the magnetic sensor 3 and the magnet 2, the control is always performed so as to be positioned on the intermediate output line, and when the magnetic sensor 3 starts to move relative to the magnet 2, the output is the first value. The moving direction (rotating direction) can be detected depending on whether it exceeds the threshold level LV1 or falls below the second threshold level LV2.

次に、オフセット着磁の方法を説明する。なお、次に挙げる3例はあくまでも例示であって、これ以外のオフセット着磁の方法を除外するものでない。   Next, an offset magnetization method will be described. Note that the following three examples are merely examples and do not exclude other methods of offset magnetization.

図7(a)は、磁石の平面図と側面図、(b)は、ノーマル着磁における回転方向への磁界強度変化、(c)はオフセット着磁における回転方向への磁界強度変化、(d)がオフセット着磁の方法を示す着磁面とヨーク面との模式図である。   7A is a plan view and a side view of the magnet, FIG. 7B is a change in magnetic field strength in the rotation direction in normal magnetization, FIG. 7C is a change in magnetic field strength in the rotation direction in offset magnetization, (d ) Is a schematic diagram of a magnetized surface and a yoke surface showing a method of offset magnetization.

着磁面とヨーク面とを平行にして着磁した場合、図7(b)に示すノーマル着磁になる。一方、図7(d)に示すように着磁面に対してヨーク面を傾斜させて着磁すると、着磁面に形成される各磁極内での磁化の強さは均一でなくなり、各磁極内の回転方向の両側にて磁化の強さが異なる着磁パターンとなる。その結果、図7(c)に示すように、図7(b)のノーマル着磁から所定のオフセット量が生じたオフセット着磁となる。   When the magnetized surface and the yoke surface are magnetized in parallel, normal magnetization shown in FIG. 7B is obtained. On the other hand, if the yoke surface is tilted with respect to the magnetized surface as shown in FIG. 7D, the magnetization intensity in each magnetic pole formed on the magnetized surface is not uniform, and each magnetic pole Magnetization patterns having different magnetization strengths on both sides in the rotation direction are obtained. As a result, as shown in FIG. 7C, offset magnetization is generated in which a predetermined offset amount is generated from the normal magnetization in FIG. 7B.

図8(a)は、磁石の斜視図と側面図、(b)は、傾斜なし磁石(着磁面が平面の磁石)での回転方向への磁界強度変化、(c)は傾斜付き磁石での回転方向への磁界強度変化、である。   8A is a perspective view and a side view of the magnet, FIG. 8B is a change in magnetic field strength in the rotation direction of a magnet without inclination (a magnet with a flat magnetized surface), and FIG. 8C is a magnet with a gradient. The magnetic field strength changes in the rotation direction.

図8(a)に示すように、各磁極の着磁面に回転方向に向って傾斜する傾斜面を形成する。そして、従来と同様に、磁石に対して平行にヨークを対向させて、着磁することで、図8(c)に示すように、図8(b)のノーマル着磁から所定のオフセット量が生じたオフセット着磁となる。   As shown in FIG. 8A, an inclined surface inclined in the rotation direction is formed on the magnetized surface of each magnetic pole. Then, as in the conventional case, the magnet is magnetized with the yoke facing in parallel to the magnet, and as shown in FIG. 8C, a predetermined offset amount is obtained from the normal magnetization in FIG. 8B. The resulting offset magnetization.

図9は、磁石の平面図及び側面図である。図9での磁石は、従来と同様に着磁面とヨーク面とを平行状態にして着磁したものである。図9に示すように、磁石と磁気センサに搭載される磁気抵抗効果素子との間の距離(Airgap)を1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mmと変化させ、また、磁石の内周位置(R0mm)、及び前記内周位置から外周へ向けて1mm、2mm、3mmの各位置にて前記磁気センサを対向させた状態で、前記磁気センサを磁石に対して相対移動させた。磁気センサには図4、図5と同様に第1の磁気抵抗効果素子5aと第2の磁気抵抗効果素子5bが搭載されており、これら磁気抵抗効果素子5a,5bの中心間距離T1は、2.0mmであった。図10は、上記のように、磁気センサと磁石間の距離(Airgap)や、磁気センサの対向位置を変化させたときの各出力変化(アナログ出力)を示す。図10に示すように、磁気センサと磁石間の距離(Airgap)を2.5mmとすれば、出力波形が図4(c)のCCWでの出力波形、あるいは図5(c)のCWでの出力波形とほぼ同様になることがわかった。また、磁気センサの対向位置は、磁石の内周位置(R0mm)か、前記内周位置から1mmの位置であると、中間出力ライン(段差位置)が平行に長く延びるため好適である。   FIG. 9 is a plan view and a side view of the magnet. The magnet in FIG. 9 is magnetized with the magnetized surface and the yoke surface parallel to each other as in the prior art. As shown in FIG. 9, the distance (Airgap) between the magnet and the magnetoresistive effect element mounted on the magnetic sensor is changed to 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm, and 2.5 mm, and the magnet The magnetic sensor was moved relative to the magnet in a state where the magnetic sensor was opposed to each other at an inner peripheral position (R0 mm) of the inner peripheral position and positions of 1 mm, 2 mm, and 3 mm from the inner peripheral position toward the outer periphery. . Similar to FIGS. 4 and 5, the magnetic sensor includes the first magnetoresistive element 5a and the second magnetoresistive element 5b. The center-to-center distance T1 between these magnetoresistive elements 5a and 5b is: It was 2.0 mm. FIG. 10 shows each output change (analog output) when the distance between the magnetic sensor and the magnet (Airgap) and the facing position of the magnetic sensor are changed as described above. As shown in FIG. 10, if the distance (Airgap) between the magnetic sensor and the magnet is 2.5 mm, the output waveform is the CCW output waveform in FIG. 4C or the CW in FIG. 5C. It turned out to be almost the same as the output waveform. Further, if the opposing position of the magnetic sensor is the inner peripheral position (R0 mm) of the magnet or 1 mm from the inner peripheral position, it is preferable because the intermediate output line (step position) extends long in parallel.

上記のように、磁気センサと磁石間の距離(Airgap)を大きくしていくと、磁石から磁気抵抗効果素子に作用する磁界強度が弱くなり、微妙な着磁のオフセットが顕在化して差動出力変化を左右非対称な波形に形成することが出来る。   As described above, when the distance (Airgap) between the magnetic sensor and the magnet is increased, the magnetic field strength acting on the magnetoresistive effect element from the magnet becomes weaker, and a subtle magnetization offset becomes obvious and differential output The change can be formed into an asymmetric waveform.

図7ないし図9はリング状の磁石に対してアキシャル着磁を施した形態であったがラジアル着磁にも応用できる。   Although FIGS. 7 to 9 are forms in which a ring-shaped magnet is axially magnetized, it can also be applied to radial magnetization.

本実施形態の磁気エンコーダの斜視図、The perspective view of the magnetic encoder of this embodiment, 磁気抵抗効果素子の部分断面図、Partial sectional view of magnetoresistive effect element, 従来例の構成であり、(a)は、磁石と磁気抵抗効果素子との位置関係を示す模式図、(b)は、ノーマル着磁に対する出力波形図、(c)は、オフセット着磁に対する出力波形図、It is a structure of a prior art example, (a) is a schematic diagram which shows the positional relationship of a magnet and a magnetoresistive effect element, (b) is an output waveform figure with respect to normal magnetization, (c) is an output with respect to offset magnetization. Waveform diagram, 第1実施形態の構成であり、(a)は、磁石と磁気抵抗効果素子との位置関係を示す模式図、(b)は、ノーマル着磁に対する出力波形図(比較例)、(c)は、オフセット着磁に対する出力波形図(実施例)、It is a structure of 1st Embodiment, (a) is a schematic diagram which shows the positional relationship of a magnet and a magnetoresistive effect element, (b) is an output waveform figure (comparative example) with respect to normal magnetization, (c) is , Output waveform diagram for offset magnetization (Example), 第2実施形態の構成であり、(a)は、磁石と磁気抵抗効果素子との位置関係を示す模式図、(b)は、ノーマル着磁に対する出力波形図(比較例)、(c)は、オフセット着磁に対する出力波形図(実施例)、It is a structure of 2nd Embodiment, (a) is a schematic diagram which shows the positional relationship of a magnet and a magnetoresistive effect element, (b) is an output waveform figure (comparative example) with respect to normal magnetization, (c) is , Output waveform diagram for offset magnetization (Example), (a)は、ノーマル着磁したときの相対移動方向に対する磁界強度変化を示すグラフ、(b)は、オフセット着磁したときの相対移動方向に対する磁界強度変化を示すグラフ、(A) is a graph showing a change in magnetic field strength relative to the relative movement direction when normal magnetization is performed, (b) is a graph showing a change in magnetic field strength relative to the relative movement direction when offset magnetization is performed, オフセット着磁の一例であり、(a)は、磁石の平面図と側面図、(b)は、ノーマル着磁における回転方向への磁界強度変化、(c)はオフセット着磁における回転方向への磁界強度変化、(d)がオフセット着磁の方法を示す着磁面とヨーク面との模式図、It is an example of offset magnetization, (a) is a plan view and a side view of a magnet, (b) is a change in magnetic field strength in the rotation direction in normal magnetization, (c) is a rotation direction in offset magnetization. Magnetic field strength change, (d) is a schematic diagram of a magnetized surface and a yoke surface showing a method of offset magnetization, オフセット着磁の一例であり、(a)は、磁石の斜視図と側面図、(b)は、傾斜なし磁石(着磁面が平面の磁石)での回転方向への磁界強度変化、(c)は傾斜付き磁石での回転方向への磁界強度変化、It is an example of offset magnetization, (a) is a perspective view and a side view of a magnet, (b) is a magnetic field strength change in the rotation direction in a non-tilt magnet (magnet with a flat magnetized surface), (c ) Is the change in magnetic field strength in the direction of rotation with a tilted magnet, オフセット着磁の一例であり、磁石の平面図及び側面図、An example of offset magnetization, a plan view and a side view of a magnet, 図9のように、磁気センサと磁石間の距離(Airgap)や、磁気センサの対向位置を変化させたときの各出力変化(アナログ出力)を示すグラフ、As shown in FIG. 9, a graph showing each output change (analog output) when the distance between the magnetic sensor and the magnet (Airgap) and the facing position of the magnetic sensor are changed, 本実施形態における回転型の磁気エンコーダの斜視図、A perspective view of a rotary magnetic encoder in the present embodiment, 従来の磁気エンコーダの構成を示す模式図(斜視図)、Schematic diagram (perspective view) showing the configuration of a conventional magnetic encoder, A相及びB相のブリッジ回路の構成図、A block diagram of the A-phase and B-phase bridge circuit,

符号の説明Explanation of symbols

1 磁気エンコーダ
2 磁石
3 磁気センサ
5a、5b 磁気抵抗効果素子
7 反強磁性層
8 固定磁性層
9 非磁性層
10 フリー磁性層(磁化変動層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic encoder 2 Magnet 3 Magnetic sensor 5a, 5b Magnetoresistive effect element 7 Antiferromagnetic layer 8 Fixed magnetic layer 9 Nonmagnetic layer 10 Free magnetic layer (magnetization fluctuation layer)

Claims (4)

相対移動方向に交互にN極とS極が着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、前記磁界発生部材の前記着磁面から離れた位置に配置され、基板表面に外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した複数の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサと、を有して構成される磁気エンコーダであって、
複数の前記磁気抵抗効果素子にて1つのブリッジ回路が構成されており、
出力端子を介して直列接続される各磁気抵抗効果素子は、前記相対移動方向に磁極ピッチλの正整数と異なる中心間距離にて配列されており、
前記磁気センサが前記磁界発生部材の前記着磁面におけるS極側からN極側に向けて相対移動し、前記磁気抵抗効果素子に対して外部磁界H1が作用しているときに、前記磁気抵抗効果素子の磁化変動層の飽和状態を維持する相対移動距離L1と、
前記磁気センサが前記磁界発生部材の前記着磁面におけるN極側からS極側に向けて相対移動し、前記磁気抵抗効果素子に対して外部磁界H2が作用しているときに、前記磁気抵抗効果素子の磁化変動層の飽和状態を維持する相対移動距離L2とが、異なっていることを特徴とする磁気エンコーダ。
A magnetic field generating member having a magnetized surface in which N and S poles are alternately magnetized in the relative movement direction, and a position away from the magnetized surface of the magnetic field generating member, and disposed on the substrate surface against an external magnetic field A magnetic sensor having a plurality of magnetoresistive elements utilizing a magnetoresistive effect that changes in electrical resistance value,
One bridge circuit is configured by the plurality of magnetoresistive elements,
Each magnetoresistive effect element connected in series via the output terminal is arranged at a center-to-center distance different from a positive integer of the magnetic pole pitch λ in the relative movement direction,
When the magnetic sensor relatively moves from the S pole side to the N pole side on the magnetized surface of the magnetic field generating member, and the external magnetic field H1 acts on the magnetoresistive element, the magnetoresistive element A relative movement distance L1 for maintaining the saturation state of the magnetization fluctuation layer of the effect element;
When the magnetic sensor relatively moves from the N-pole side to the S-pole side on the magnetized surface of the magnetic field generating member, and the external magnetic field H2 acts on the magnetoresistive element, the magnetoresistive element A magnetic encoder characterized in that the relative movement distance L2 for maintaining the saturation state of the magnetization fluctuation layer of the effect element is different.
前記着磁面に形成された各磁極内の磁化の強さが、前記相対移動方向への両側にて異なるように着磁されている請求項1記載の磁気エンコーダ。   The magnetic encoder according to claim 1, wherein the magnetic strength in each magnetic pole formed on the magnetized surface is magnetized so as to be different on both sides in the relative movement direction. 前記各磁気抵抗効果素子の中心間距離は、前記磁極ピッチλよりも小さい請求項1又は2に記載の磁気エンコーダ。   The magnetic encoder according to claim 1 or 2, wherein a distance between centers of the magnetoresistive elements is smaller than the magnetic pole pitch λ. 前記ブリッジ回路から得られる出力波形は、最小出力ラインと最大出力ライン間の出力の立ち上がり側、あるいは立ち下がり側のどちらか一方が、途中に段差を介した形状となっており、他方が前記段差がない連続形状となっている請求項1ないし3のいずれかに記載の磁気エンコーダ。   The output waveform obtained from the bridge circuit is such that either the rising or falling side of the output between the minimum output line and the maximum output line has a shape with a step in the middle, and the other is the step. The magnetic encoder according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic encoder has a continuous shape.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015232473A (en) * 2014-06-09 2015-12-24 Dmg森精機株式会社 Position detector

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