JP2013185826A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体からなる回転部が回転軸に対して偏心した場合でも磁気センサの出力電圧振幅の変化を小さくし、回転部の回転の検出精度を向上させるようにした磁気エンコーダを提供する。
【解決手段】磁気エンコーダ１は、回転軸２にその平面が回転軸２の軸心に対して垂直となるように固定された、磁性体からなる円板状の回転部４と、回転部４に対して所定の空隙を隔てて配置された少なくとも１つ以上の磁気センサ６Ａ，６Ｂと、磁気センサ６Ａ，６Ｂごとに設けられた少なくとも１つ以上のバイアス磁石１２Ａ，１２Ｂとを備える。回転部４は、回転部４が回転した際に、磁気センサ６Ａ、６Ｂまでの距離に変化をもたらす形状変化部４ａを回転部４の円周方向に沿って複数備える。磁気センサ６Ａ，６Ｂは、回転部４の板厚方向において形状変化部４ａに対向するように回転軸２の軸心に対して垂直な平面上に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械や産業用ロボットの関節などの回転角度の検出に用いられる磁気エンコーダに関する。

近年、工作機械や産業用ロボットの関節の回転角度の検出に用いられるエンコーダには、高分解能、高耐久性及び高信頼性が求められている。これまで工作機械や産業用ロボットで使用されてきた光学式エンコーダは、高分解能は実現できているが、ＬＥＤやフォトディテクタなど光学部品を使用するため、油、埃、粉塵、熱などに弱いことが問題視されている。このため、工作機械や産業用ロボットが稼働する過酷な環境で使用されるエンコーダには、高耐久性及び高信頼性を備えた磁気エンコーダが使用され始めている。

高分解能を実現可能な磁気エンコーダには、例えば、図８に示す特許文献１に記載されているような多極着磁した多数の磁極１１２を有する多極着磁磁石（マグネットスケール）１１１と磁気センサ１１３を用いたエンコーダ１０１と、図９示す特許文献２に記載されているような磁性体歯車２１１と複数の磁気センサ２１２Ａ，２１２Ｂ（Ａ相の磁気センサを２１２Ａ、Ｂ相の磁気センサを２１２Ｂとする）と複数のバイアス磁石（単極着磁磁石）２１３と用いたエンコーダ２０１とがある。

ここで、図８に示す特許文献１に記載されているような多極着磁磁石１１１は、単極磁石よりも熱に弱いため、図９に示す特許文献２に記載されているような、さらに高耐久性や高信頼性を備えた磁性体歯車２１１、複数の磁気センサ２１２Ａ，２１２Ｂ及びバイアス磁石２１３を用いたエンコーダ２０１を、工作機械や産業用ロボットの関節の回転角度の検出に用いることが主流となっている。

図９に示す特許文献２に記載されているような、磁性体歯車、磁気センサ、及びバイアス磁石を用いた磁気エンコーダは、一般的には、図１０に示すような構造をなしている。
即ち、図１０に示す磁気エンコーダ３０１は、回転軸３０２にベアリング３０３を介してその平面が回転軸３０２の軸心に対して垂直となるように固定され、周面に歯部３０５を形成した円板状の磁性体歯車３０４と、磁性体歯車３０４の歯部３０５に対して所定の空隙を隔てて配置された磁気センサ３０７と、磁気センサ３０７に設けられたバイアス磁石３１０とを備えている。そして、磁気センサ３０７は、磁性体歯車３０４の径方向において磁性体歯車３０４の歯部３０５と対向するように配置され、磁性体歯車３０４の回転方向において互いに異なる位相位置に設けられている。そして、磁気センサ３０７は、センサ用回路基板３０６の磁性体歯車３０４側の面に実装されるとともに、バイアス磁石３１０は、センサ用回路基板３０６の反対面に実装されている。

一方、磁気センサ３０７の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路３１２を実装した回路基板３１１が、回転軸３０２の軸心に対して垂直な平面に設置されている。
そして、センサ用回路基板３０６に実装された磁気センサ３０７は、磁気センサ３０７の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路３１２に対して、センサ用回路基板３０６に実装されたコネクタ３１５、接続ケーブル３１４、及び回路基板３１１に実装されたコネクタ３１３を介して接続されている。

この図１０に示す磁気エンコーダ３０１において、磁性体歯車３０４の回転を検出する際には、一般的に、図１１に示すように、磁気センサ３０７として、４個の磁気抵抗素子３０７ａ，３０７ｂ，３０７ｃ，３０７ｄをループ状に接続した４端子の磁気抵抗素子（Ａ相／Ｂ相の２相出力）を使用する。ここで、Ａ相は、磁性体歯車３０４の歯部３０５における山と谷に対向するように２個の磁気抵抗素子３０７ａ，３０７ｂを直列に配置してなる。また、Ｂ相は、Ａ相に対し、磁性体歯車３０４の歯部３０５の１／４ピッチＰだけずれるように２個の磁気抵抗素子３０７ｃ，３０７ｄを直列に配置してなる。そして、Ａ相及びＢ相のそれぞれに直流電源３０９を接続し、Ａ相における出力端子３０８ａの電位及びＢ相における出力端子３０８ｂの電位をそれぞれ出力電圧として取りだすようにしている。ここで、Ａ相における出力端子３０８ａの電位及びＢ相における出力端子３０８ｂの電位は、それぞれ磁気抵抗素子３０７ａ，３０７ｂ、３０７ｃ、３０７ｄの抵抗値に依存し、各磁気抵抗素子３０７ａ，３０７ｂ、３０７ｃ、３０７ｄの抵抗値は、各磁気抵抗素子３０７ａ，３０７ｂ、３０７ｃ、３０７ｄに印加される磁束密度に応じて変化し、当該磁束密度は、磁性体歯車３０４の歯部３０５からの各磁気抵抗素子３０７ａ，３０７ｂ、３０７ｃ、３０７ｄまでの距離に応じて変化するようになっている。従って、図１１に示すように、各磁気抵抗素子３０７ａ，３０７ｂ、３０７ｃ、３０８ｄを配置した場合、図１２に示すように、磁気センサ３０７におけるＡ相の出力電圧及びＢ相の出力電圧は９０度位相がずれた正弦波出力、余弦波出力となる。そして、これら正弦波出力及び余弦波出力を電気内挿（角度演算）して高精度な磁性体歯車３０４の回転検出を行っている。

特開平５−２８８５７１号公報 特開平９−２８０８８７号公報

しかしながら、この従来の図１０に示した磁気エンコーダ３０１にあっては、以下の問題点があった。
即ち、図１０に示す磁気エンコーダ３０１の場合、磁性体歯車３０４の回転軸３０２に対する偏心により、磁性体歯車３０４が回転すると、磁性体歯車３０４の歯部３０５からの磁気センサ３０７までの距離が変化してしまい、磁性体歯車３０４の１回転中におけるＡ相及びＢ相の各出力電圧振幅が大きく変化してしまうという問題があった。

従って、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁性体からなる回転部が回転軸に対して偏心した場合でも磁気センサの出力電圧振幅の変化を小さくし、回転部の回転の検出精度を向上させるようにした磁気エンコーダを提供することにある。

本発明のうち請求項１に係る磁気エンコーダは、回転軸にその平面が前記回転軸の軸心に対して垂直となるように固定された、磁性体からなる円板状の回転部と、該回転部に対して所定の空隙を隔てて配置された少なくとも１つ以上の磁気センサと、該磁気センサごとに設けられた少なくとも１つ以上のバイアス磁石とを備えた磁気エンコーダであって、前記回転部は、該回転部が回転した際に、前記磁気センサまでの距離に変化をもたらす形状変化部を前記回転部の円周方向に沿って複数備え、前記磁気センサは、前記回転部の板厚方向において前記形状変化部に対向するように前記回転軸の軸心に対して垂直な平面上に配置され、前記バイアス磁石は、前記回転軸の軸心に対して平行な方向に着磁されていることを特徴としている。

この請求項１に係る磁気エンコーダによれば、磁気センサは、磁性体からなる回転部の板厚方向において形状変化部に対向するように回転軸の軸心に対して垂直な平面上に配置されているので、磁性体からなる回転部が回転軸に対して偏心した場合でも、回転部の形状変化部から磁気センサまでの距離が変化することはない。このため、回転部の１回転中における磁気センサの出力電圧振幅の変化を小さくし、回転部の回転の検出精度を向上させるようにした磁気エンコーダを提供することができる。

また、本発明のうち請求項２に係る磁気エンコーダは、請求項１記載の磁気エンコーダにおいて、前記磁気センサの信号処理回路及びエンコーダ出力用回路を実装した回路基板を、前記回転部の板厚方向において前記回転部に対向するように前記回転軸の軸心に対して垂直な平面に設置し、前記磁気センサは、前記回路基板の前記回転部に対向する面上に実装されると共に、前記バイアス磁石は、前記回路基板の前記回転部に対向する面とは反対側の面上に実装されることを特徴としている。

この請求項２に係る磁気エンコーダによれば、磁気センサの信号処理回路及びエンコーダ出力用回路を実装した回路基板に、磁気センサ及びバイアス磁石を実装するようにしているので、磁気センサの信号処理回路及びエンコーダ出力用回路を実装した回路基板と磁気センサ及びバイアス磁石を実装した回路基板と別個に配置することが不要となり、磁気エンコーダの部品点数を減少させることができると共に、磁気エンコーダの製造工程を簡略化することができる。

従来の図１０に示した磁気エンコーダ３０１の場合には、磁気センサ３０７の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路３１２を実装した回路基板３１１と、磁気センサ３０７及びバイアス磁石３１０を実装したセンサ用回路基板３０６とを別々に配置していた。
更に、本発明のうち請求項３に係る磁気エンコーダは、請求項２記載の磁気エンコーダにおいて、前記磁気センサは、前記回路基板上に設けられた、複数の短冊状に加工された化合物半導体膜と、該化合物半導体膜上でその幅方向に平行に配置された複数の短絡電極と、該複数の短絡電極の始点及び終点にそれぞれ接続導体を介して接続された取出し電極とを備えた半導体磁気抵抗素子を備えることを特徴としている。

この請求項３に係る磁気エンコーダによれば、磁気センサとして半導体磁気抵抗素子を用いることにより、回転部の回転の検出を高精度に行うことができる。
また、本発明のうち請求項４に係る磁気エンコーダは、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の磁気エンコーダにおいて、前記回転部の板厚が０．４ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴としている。

回転部の板厚が０．４ｍｍよりも薄いと、磁場変化が小さく、磁気センサに加えられる磁束密度の変化が小さく、磁気センサからの出力電圧の変化が小さすぎて回転部の回転の検出を高精度に行うことができない。一方、前記板厚が２．０ｍｍよりも大きいと、回転部のイナーシャが大きくなりすぎ、回転部の回転の検出を高精度に行うことができない。従って、請求項４に係る磁気エンコーダによれば、回転部の回転の検出を高精度に行うことができる。

また、本発明のうち請求項５に係る磁気エンコーダは、請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の磁気エンコーダにおいて、前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部は、前記回転部の円周方向に沿って等間隔に設けられた、前記回転部の板厚方向に貫通する複数のスリットで形成されることを特徴としている。
また、本発明のうち請求項６に係る磁気エンコーダは、請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の磁気エンコーダにおいて、前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部は、前記回転部の前記磁気センサに対向する面において前記回転部の円周方向に沿って等間隔に設けられた複数の凹部で形成されることを特徴としている。

また、本発明のうち請求項７に係る磁気エンコーダは、請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の磁気エンコーダにおいて、前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部は、前記回転部の前記磁気センサに対向する面において前記回転部の円周方向に沿って等間隔に設けられた複数の凸部で形成されることを特徴としている。
また、本発明のうち請求項８に係る磁気エンコーダは、請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の磁気エンコーダにおいて、前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部は、前記回転部の周面に設けられた複数の歯部で形成されることを特徴としている。

この請求項５乃至８に係る磁気エンコーダによれば、回転部の円周方向に沿って複数備えられた形状変化部を簡単な構成で実現することができる。また、複数の形状変化部が回転部の磁気センサに対向する平面において回転部の円周方向に沿って等間隔に設けられているので、回転部の回転の検出をより高精度に行うことができる。
更に、本発明のうち請求項９に係る磁気エンコーダは、請求項１乃至８のうちいずれか１項に係る磁気エンコーダにおいて、前記回転部に、前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部から内周方向に所定の間隔を隔てた位置に、前記形状変化部とは別個の形状変化部を設け、前記回転部の板厚方向において前記別個の形状変化部に対向するように前記回転軸の軸心に対して垂直な平面上に、前記磁気センサとは別個の磁気センサを設けたことを特徴としている。

この請求項９に係る磁気エンコーダによれば、回転部に設けられた別個の形状変化部と、別個の磁気センサとを用いることにより、回転部の回転回数を検出することができるとともに、回転のインデックス信号を得ることができる。

本発明に係る磁気エンコーダによれば、回転部の１回転中における磁気センサの出力電圧振幅の変化を小さくし、回転部の回転の検出精度を向上させるようにした磁気エンコーダを提供することができる。

本発明に係る磁気エンコーダの第１実施形態を説明するための概略構成図である。 図１に示す磁気エンコーダに用いられる回転部を示し、（Ａ）は回転部を裏面側（磁気センサ側）から見た概略図、（Ｂ）は（Ａ）における２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。 図１に示す磁気エンコーダに用いられる磁気センサの構成図である。 図１に示す磁気エンコーダに用いられる磁気センサを構成する半導体磁気抵抗素子と、磁性体を用いる磁気抵抗素子との特性の比較を示し、（Ａ）は磁性体を用いる磁気抵抗素子に印加される磁束密度Ｂと抵抗値Ｒとの関係を示すグラフ、（Ｂ）は半導体磁気抵抗素子に印加される磁束密度Ｂと抵抗値Ｒとの関係を示すグラフである。 形状変化部の変形例を示し、（Ａ）は形状変化部を凹部とした例の部分断面図、（Ｂ）は形状変化部を凸部とした例の部分断面図、（Ｃ）は形状変化部を歯部とした例の部分平面図である。 本発明に係る磁気エンコーダの第２実施形態を説明するための概略構成図である。 図６に示す磁気エンコーダに用いられる回転部の裏面側（磁気センサ側）から見た概略図である。 従来の磁気エンコーダの一例を説明するための概略構成図である。 従来の磁気エンコーダの他の例を説明するための概略構成図である。 図９に示す磁気エンコーダの一般的な構造例を説明するための概略構成図である。 図１０に示す磁気エンコーダにおいて、磁性体歯車と磁気センサ（４端子の磁気抵抗素子）の等価回路を示す図である。 図１１に示した磁気センサの出力電圧を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る磁気エンコーダの第１実施形態を説明するための概略構成図である。図２は、図１に示す磁気エンコーダに用いられる回転部を示し、（Ａ）は回転部を裏面側（磁気センサ側）から見た概略図、（Ｂ）は（Ａ）における２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。

図１に示す磁気エンコーダ１は、工作機械や産業用ロボットの関節などの回転角度の検出に用いられるものであり、回転軸２にその平面が回転軸２の軸心に対して垂直となるように固定された、磁性体からなる円板状の回転部４と、回転部４に対して所定の空隙を隔てて配置された磁気センサ６（Ａ相／Ｂ相の２相出力）と、磁気センサ６に設けられたバイアス磁石１２とを備えている。

ここで、回転部４は、回転軸２に対してベアリング３を介して回転軸２と同期して回転するようになっており、円板状の磁性体で構成される。この回転部４には、図２に示すように、回転部４が回転した際に、磁気センサ６までの距離に変化をもたらす形状変化部４ａを回転部の円周方向に沿って複数備えている。この回転部４の円周方向に沿って複数備えられた形状変化部４ａは、回転部４の円周方向に沿って等間隔に設けられた（図２（Ａ）参照）、回転部４の板厚方向に貫通する複数のスリット（図２（Ｂ）参照）で形成される。また、回転部４の板厚は、０．４ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましい。当該板厚が０．４ｍｍよりも薄いと、磁場変化が小さく、各磁気センサ６Ａ,６Ｂに加えられる磁束密度の変化が小さく、これら各磁気センサ６Ａ,６Ｂからの出力電圧の変化が小さすぎて回転部４の回転の検出を高精度に行うことができない。一方、前記板厚が２．０ｍｍよりも大きいと、回転部４のイナーシャが大きくなりすぎるためである。磁気エンコーダ１の回転部４は、毎分６０００回転程度の高速回転で使用される場合もあるので、回転部４のイナーシャを極力小さくするため、回転部４の板厚は２．０ｍｍ以下であることが望ましい。

また、磁気センサ６は、回転部４の板厚方向において形状変化部４ａに対向するように回転軸４の軸心に対して垂直な平面上に配置される。具体的に述べると、図１に示すように、磁気センサ６の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路１３を実装した回路基板５を、回転部４の板厚方向において回転部４に対向するように回転軸４の軸心に対して垂直な平面に設置し、磁気センサ６を、回路基板５の回転部４に対向する面上に実装する。そして、磁気センサ６におけるＡ相及びＢ相は、図示はしないが、回転部４の回転方向において互いに異なる位相位置に設けられる。また、バイアス磁石１２は、磁気センサ６に対応するように回路基板５の回転部４に対向する面とは反対側の面上に実装される。そして、バイアス磁石１２は、回転軸２の軸心に対して平行な方向に着磁されている。

なお、回路基板５は、磁気エンコーダ１の筐体部分（図示せず）に実装されている。また、磁気センサ６の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路１３を回路基板５に実装するに際しては、回転部４から磁気センサ６までの距離が短いほど磁気センサ６の出力電圧振幅が大きくなるので、磁気センサ６の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路１３を、磁気センサ６が実装される回路基板５の面と反対側の面上に実装し、回転部４から磁気センサ６までの距離を極力小さくする。

次に、磁気センサ６の具体的構成を図３を参照して説明する。図３は、図１に示す磁気エンコーダに用いられる磁気センサの構成図である。
図３に示すように、磁気センサ６は、４個の半導体磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを回路基板５上において接続導体９を介してループ状に接続した４端子の磁気抵抗素子（Ａ相／Ｂ相の２相出力）で構成される。ここで、磁気センサ６におけるＡ相は、２個の半導体磁気抵抗素子６ａ，６ｂを直列に配置してなる。また、磁気センサ６におけるＢ相は、２個の半導体磁気抵抗素子６ｃ，６ｄを直列に配置してなる。そして、各半導体磁気抵抗素子６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、回路基板５上に設けられた、複数の短冊状に加工された化合物半導体膜７_１〜７_ｎー１と、化合物半導体膜７_１〜７_ｎー１上でその幅方向に平行に配置された複数の短絡電極８_１〜８_ｎとを備えている。そして、Ａ相を構成する半導体磁気抵抗素子６ａは、複数の短絡電極８_１〜８_ｎの始点８_１に接続導体９、１０ｃを介して接続された取出し電極１１ｉを、終点８_ｎに接続導体９、１０ａを介して接続された取出し電極１１Ａを備えている。また、半導体磁気抵抗素子６ｂは、複数の短絡電極８_１〜８_ｎの始点８_１に接続導体９、１０ａを介して接続された取出し電極１１Ａを、終点８_ｎに接続導体９、１０ｂを介して接続された取出し電極１１ｇを備えている。また、Ｂ相を構成する半導体磁気抵抗素子６ｃは、複数の短絡電極８_１〜８_ｎの始点８_１に接続導体９、１０ｄを介して接続された取出し電極１１Ｂを、終点８_ｎに接続導体９、１０ｃを介して接続された取出し電極１１ｉを備えている。更に、半導体磁気抵抗素子６ｄは、複数の短絡電極８_１〜８_ｎの始点８_１に接続導体９、１０ｂを介して接続された取出し電極１１ｇを、終点８_ｎに接続導体９、１０ｄを介して接続された取出し電極１１Ｂを備えている。

そして、磁気センサ６におけるＡ相及びＢ相のそれぞれに、取出し電極１１ｇ，１１ｉを介して図示しない直流電源を接続し、Ａ相における取出し電極１１Ａの電位及びＢ相における取出し電極１１Ｂの電位をそれぞれ出力電圧として取りだすようにしている。
そして、回転部４が回転した場合には、回転部４の磁気センサ６側の面から磁気センサ６までの距離と回転部４の形状変化部４ａから磁気センサ６までの距離とが異なることになり、それに応じて磁気センサ６に加えられる磁束密度が変化し、Ａ相の出力電圧及びＢ相の出力電圧は９０度位相がずれた正弦波出力、余弦波出力となる。これら正弦波出力及び余弦波出力を電気内挿（角度演算）して回転部４の回転検出を行う。

このように、図１に示す磁気エンコーダ１によれば、磁気センサ６は、磁性体からなる回転部４の板厚方向において形状変化部４ａに対向するように回転軸４の軸心に対して垂直な平面上に配置されているので、磁性体からなる回転部４が回転軸に対して偏心した場合でも、その偏心によって回転部４の形状変化部４ａから磁気センサ６までの距離が変化することはない。このため、回転部４の１回転中における磁気センサ６の出力電圧振幅（Ａ相及びＢ相の出力電圧振幅）の変化を小さくし、回転部４の回転の検出精度を向上させるようにした磁気エンコーダ１を提供することができる。

なお、磁気センサ６は、Ａ相及びＢ相の２相出力で構成されているので、回転部４の回転方向を検出することができる。そして、Ａ相の出力電圧振幅の変化及びＢ相の出力電圧振幅の変化のそれぞれが小さくなるので、Ａ相の出力電圧振幅とＢ相の出力電圧振幅との差が小さくなり、回転部４の回転の検出を高精度に行うことができる。
また、図１に示す磁気エンコーダ１によれば、磁気センサ６の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路１３を実装した回路基板５に、磁気センサ６及びバイアス磁石１２を実装するようにしているので、磁気センサ６の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路１３を実装した回路基板と磁気センサ６及びバイアス磁石１２を実装した回路基板と別個に配置することが不要となり、磁気エンコーダ１の部品点数を減少させることができると共に、磁気エンコーダ１の製造工程を簡略化することができる。

従来の図１０に示した磁気エンコーダ３０１の場合には、磁気センサ３０７の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路３１２を実装した回路基板３１１と、磁気センサ３０７及びバイアス磁石３１０を実装したセンサ用回路基板３０６とを別々に配置する必要があった。
次に、磁気センサ６として、一般的に用いられる磁性体を用いた磁気抵抗素子ではなく、半導体磁気抵抗素子６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを用いている理由について説明する。

一般的に用いられる磁性体を用いた磁気抵抗素子としては、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）及び超巨大磁気抵抗素子（ＥＭＲ素子）が挙げられる。これら磁性体を用いた磁気抵抗素子において、印加される磁束密度Ｂと抵抗値Ｒとの関係は、図４（Ａ）に示すようになる。即ち、磁性体を用いた磁気抵抗素子は、磁束密度Ｂが大きくなると、抵抗値Ｒが飽和してしまう特性がある。このため、磁気抵抗素子に外乱による強い磁場が作用すると、磁束密度Ｂが大きくなりことに伴って抵抗値Ｒが飽和してしまう。磁気抵抗素子における抵抗値Ｒが飽和すると、出力電圧が一定となり、回転部４の回転の検出を高精度に行うことができない。

これに対して、半導体磁気抵抗素子において、印加される磁束密度Ｂと抵抗値Ｒとの関係は、図４（Ｂ）に示すようになる。即ち、半導体磁気抵抗素子は、磁束密度Ｂが大きくなると、抵抗値Ｒが飽和せずに、絶えず変化する。このため、半導体磁気抵抗素子に外乱による強い磁場が作用しても、抵抗値Ｒが飽和せず、常に変化するため、出力電圧が一定にならず、回転部４の回転の検出を高精度に行うことができる。

また、磁性体を用いた磁気抵抗素子の場合、磁気ヒステリシスがあるため、磁束密度Ｂに対して抵抗値Ｒが一義的に定まらない。このため、回転部４の回転検出を繰り返し行った場合に、回転検出を高精度に行うことができない。
これに対して、半導体磁気抵抗素子の場合には、磁気ヒステリシスによる不都合を考慮する必要がない。

また、磁性体を用いた磁気抵抗素子の場合は、磁気抵抗素子の面内方向に作用する磁場の変化を検出するものであるのに対し、半導体磁気抵抗素子の場合は、半導体磁気抵抗素子の板厚方向に作用する磁場の変化を検出するものであり、回転部４の板厚方向において形状変化部４ａに対向するように回転軸４の軸心に対して垂直な平面上に配置される各磁気センサ６Ａ，６Ｂに適している。

以上の理由により、磁気センサ６として、一般的に用いられる磁性体を用いた磁気抵抗素子ではなく、半導体磁気抵抗素子６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを用いている。
次に、図５を参照して、回転部に形成される形状変化部の変形例について説明する。図５は、形状変化部の変形例を示し、（Ａ）は形状変化部を凹部とした例の部分断面図、（Ｂ）は形状変化部を凸部とした例の部分断面図、（Ｃ）は形状変化部を歯部とした例の部分平面図である。

回転部４の円周方向に沿って複数備えられた形状変化部４ａは、回転部４の円周方向に沿って等間隔に設けられた、回転部４の板厚方向に貫通する複数のスリットで形成される場合に限らず、回転部４が回転した際に、磁気センサ６までの距離に変化をもたらすものであれば、適宜変更することができる。
例えば、図５（Ａ）に示すように、回転部４の円周方向に沿って複数備えられた形状変化部４ａを、回転部４の磁気センサ６に対向する面において回転部４の円周方向に沿って等間隔に設けられた複数の凹部で形成してもよい。

また、図５（Ｂ）に示すように、回転部４の円周方向に沿って複数備えられた形状変化部４ａを、回転部４の磁気センサ６に対向する面において回転部４の円周方向に沿って等間隔に設けられた複数の凸部で形成してもよい。
更に、図５（Ｃ）に示すように、回転部４の円周方向に沿って複数備えられた形状変化部４ａは、回転部４の周面に設けられた複数の歯部４ａで形成さしてもよい。歯部４ａの歯筋は、回転部４の板厚方向に延びるものである。

このように、形状変化部４ａを、スリット、凹部、凸部及び歯部で形成することにより、回転部４の円周方向に沿って複数備えられた形状変化部４ａを簡単な構成で実現することができる。また、複数の形状変化部４ａが回転部４の磁気センサ６に対向する面において回転部４の円周方向に沿って等間隔に設けられているので、回転部４の回転の検出をより高精度に行うことができる。

次に、本発明に係る磁気エンコーダの第２実施形態を図６及び図７を参照して説明する。図６は、本発明に係る磁気エンコーダの第２実施形態を説明するための概略構成図である。図７は、図６に示す磁気エンコーダに用いられる回転部の裏面側（磁気センサ側）から見た概略図である。図６及び図７において、図１及び図２に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。

図６に示す磁気エンコーダ１は、図１に示す磁気エンコーダ１と基本構成は同様であるが、図７に示すように、回転部４の円周方向に沿って複数備えられた形状変化部４ａから内周方向に所定の間隔を隔てた位置に、形状変化部４ａとは別個の形状変化部４ｂを１つ設け、回転部４の板厚方向において別個の形状変化部４ｂに対向するように回転軸２の軸心に対して垂直な平面上に、磁気センサ６とは別個の磁気センサ１４を設けてある。別個の磁気センサ１４は、磁気センサ６の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路１３を実装した回路基板５の、磁気センサ６を実装した面に実装する。回路基板５の回転部４に対向する面とは反対側の面上であって磁気センサ１４に対応する位置には、バイアス磁石１５が実装されている。

ここで、別個の形状変化部４ｂの形状については、形状変化部４ａと同様に、回転部４の板厚方向に貫通するスリットで形成されている。但し、別個の形状変化部４ｂは、形状部変化部４ａと同様に、回転部４が回転した際に、磁気センサ１４までの距離に変化をもたらすものであれば、適宜変更することができる。例えば、形状変化部４ｂは、回転部４の磁気センサ１４に対向する面において設けられた凹部、あるいは当該面において設けられた凸部で形成することができる。

この図６に示す磁気エンコーダ１によれば、回転部４に設けられた別個の形状変化部４ｂと、別個の磁気センサ１４とを用いることにより、回転部４の回転回数を検出することができるとともに、回転のインデックス信号を得ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。

例えば、磁気センサ６は１個に限らず、少なくとも１つ以上備えられていればよく、２つあるいは３つ以上備えられていてもよい。バイアス磁石も同様である。
また、磁気センサ６は、回転部４の板厚方向において形状変化部４ａに対向するように回転軸２の軸心に対して垂直な平面上に配置された基板上に実装されていればよく、必ずしも、磁気センサ６の信号処理回路及びエンコーダ出力用回路１３を実装した回路基板５上に実装されている必要はない。

更に、磁気センサ６は、半導体磁気抵抗素子で構成されている場合に限られず、磁性体を用いた異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）及び超巨大磁気抵抗素子（ＥＭＲ素子）などの磁気抵抗素子であってもよい。
また、回転部４の板厚は、必ずしも、０．４ｍｍ以上２．０ｍｍ以下でなくてもよい。

１ 磁気エンコーダ
２ 回転軸
３ ベアリング
４ 回転部
４ａ 形状変化部
４ｂ 別個の形状変化部
５ 回路基板
６ 磁気センサ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 半導体磁気抵抗素子
７_１〜７_ｎー１ 化合物半導体膜
８_１〜８_ｎ 短絡電極
９，１９ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 接続導体
１１Ａ，１１Ｂ，１１ｇ，１１ｉ 取出し電極
１２ バイアス磁石
１３ 磁気センサの信号処理回路及びエンコーダ出力用回路
１４ 別個の磁気センサ
１５ バイアス磁石

Claims (9)

1. 回転軸にその平面が前記回転軸の軸心に対して垂直となるように固定された、磁性体からなる円板状の回転部と、該回転部に対して所定の空隙を隔てて配置された少なくとも１つ以上の磁気センサと、該磁気センサごとに設けられた少なくとも１つ以上のバイアス磁石とを備えた磁気エンコーダであって、
   前記回転部は、該回転部が回転した際に、前記磁気センサまでの距離に変化をもたらす形状変化部を前記回転部の円周方向に沿って複数備え、前記磁気センサは、前記回転部の板厚方向において前記形状変化部に対向するように前記回転軸の軸心に対して垂直な平面上に配置され、前記バイアス磁石は、前記回転軸の軸心に対して平行な方向に着磁されていることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 前記磁気センサの信号処理回路及びエンコーダ出力用回路を実装した回路基板を、前記回転部の板厚方向において前記回転部に対向するように前記回転軸の軸心に対して垂直な平面に設置し、前記磁気センサは、前記回路基板の前記回転部に対向する面上に実装されると共に、前記バイアス磁石は、前記回路基板の前記回転部に対向する面とは反対側の面上に実装されることを特徴とする請求項１記載の磁気エンコーダ。
3. 前記磁気センサは、前記回路基板上に設けられた、複数の短冊状に加工された化合物半導体膜と、該化合物半導体膜上でその幅方向に平行に配置された複数の短絡電極と、該複数の短絡電極の始点及び終点にそれぞれ接続導体を介して接続された取出し電極とを備えた半導体磁気抵抗素子を備えることを特徴とする請求項２記載の磁気エンコーダ。
4. 前記回転部の板厚が０．４ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の磁気エンコーダ。
5. 前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部は、前記回転部の円周方向に沿って等間隔に設けられた、前記回転部の板厚方向に貫通する複数のスリットで形成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の磁気エンコーダ。
6. 前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部は、前記回転部の前記磁気センサに対向する面において前記回転部の円周方向に沿って等間隔に設けられた複数の凹部で形成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の磁気エンコーダ。
7. 前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部は、前記回転部の前記磁気センサに対向する面において前記回転部の円周方向に沿って等間隔に設けられた複数の凸部で形成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の磁気エンコーダ。
8. 前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部は、前記回転部の周面に設けられた複数の歯部で形成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の磁気エンコーダ。
9. 前記回転部に、前記回転部の円周方向に沿って複数備えられた前記形状変化部から内周方向に所定の間隔を隔てた位置に、前記形状変化部とは別個の形状変化部を設け、前記回転部の板厚方向において前記別個の形状変化部に対向するように前記回転軸の軸心に対して垂直な平面上に、前記磁気センサとは別個の磁気センサを設けたことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載の磁気エンコーダ。

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