JP2013234939A - 磁気検出装置及び磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、従来とは異なる構成で、高分解能特性を得ることができる磁気検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 移動方向に異なる磁極が交互に着磁された磁界発生部材に対して非接触にて配置される磁気検出装置であって、磁気センサ１２ａ〜１２ｄが、複数個、間隔を空けて配置されており、各磁気センサは、前記磁界発生部材からの外部磁界により電気特性が変化する磁気検出素子を有する出力回路を備えており、各磁気センサが、位相差α＝０の位置、（１／２）・[Ｍ／（Ｌ・Ｎ）]・λ（Ｌは、各磁気センサに含まれる出力回路の個数であり、Ｍは、１，・・・，Ｎ−１の変数であり、Ｎは前記磁気センサの個数であり、λは磁極周期である）の位相差α分ずらした位置に、夫々、配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分解能特性を有する磁気検出装置及び磁気エンコーダに関する。

下記特許文献には、高分解能磁気検出装置に関する発明が開示されている。
これらの特許文献では、いずれも磁石の回転方向に沿って複数のＧＭＲ素子を所定間隔で配置している。

そして磁石の回転に伴い、各ＧＭＲ素子と磁石との位置関係が変化することで、磁気検出装置からの出力が変化し、磁石が一回転するまでに多数のパルス信号を得ることができる。

ＷＯ２００９／０５１０６９ 特開２００７−１９９００７号公報

各特許文献においては、各ＧＭＲ素子の配置が、磁極幅によって左右されるため、磁極幅が変れば、その都度、ＧＭＲ素子の配置を変更することが必要になる。また、分解能特性をより高めようとすれば、磁極範囲内に間隔を詰めてより多くのＧＭＲ素子を形成しなければならない。このとき上記のようにＧＭＲ素子の配置数は磁極幅に左右されるため、多数のＧＭＲ素子を配置できないこともある。このため磁気センサを、ある所定の磁極幅を備えるエンコーダの専用品として作らなければならず、磁石の設計変更等に伴う生産コストの上昇等が問題であった。また、分解能を飛躍的に高めることは難しく、あるいは高分解能を得にくい構成の場合もあり、さらに狭い領域に複数のＧＭＲ素子を形成しなければならずＧＭＲ素子の形成が困難化し、より高く且つ高精度な分解能特性を得ることが難しくなっていた。

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、従来とは異なる構成で、高分解能特性を得ることができる磁気検出装置及び磁気エンコーダを提供することを目的とする。

本発明は、移動方向に異なる磁極が交互に着磁された磁界発生部材に対して非接触にて配置される磁気検出装置であって、
磁気センサが、複数個、前記移動方向と平行な方向に間隔を空けて配置されており、各磁気センサは、前記磁界発生部材からの外部磁界により電気特性が変化する磁気検出素子を有する出力回路を備えており、
各磁気センサが、位相差α＝０の位置、（１／２）・[Ｍ／（Ｌ・Ｎ）]・λ（Ｌは、各磁気センサに含まれる出力回路の個数であり、Ｍは、１，・・・，Ｎ−１の変数であり、Ｎは前記磁気センサの個数であり、λは磁極周期である）の位相差α分ずらした位置に夫々、配置されることを特徴とするものである。本発明では、複数の磁気センサを用い、各磁気センサを、磁気センサの個数及び出力回路の種類数に応じて、磁界発生部材の移動方向と平行な方向に位相をずらして配置した。このため磁界発生部材側の構成が変更されても、例えば磁気センサの内部構造自体を変えずに磁気センサの配置を変更するだけで高分解能を得ることができる。また生産コストの上昇を抑制できる。また、従来のように、磁気センサの内部に間隔を詰めて複数の磁気検出素子を配置する構成よりも、簡単な構成により且つ配置の自由度も高い状態で、優れた高分解能特性を有する磁気検出装置にできる。

本発明では、前記出力回路は、複数種類設けられており、前記各磁気センサ内にて、ある一つの前記出力回路からの出力を基準波形としたとき、残りの前記出力回路が、前記基準波形に対して、（１／２）・[（１，・・・，Ｌ−１）／Ｌ]・λの位相差を有する波形を出力するように構成されていることが好ましい。また本発明では、前記出力回路は、複数種類、設けられており、各出力回路を構成する前記磁気検出素子の感度軸方向は異なる方向であるとともに、３６０°を、２・Ｌの領域に分割する方向（ただし、１８０°の角度ずれを有する感度軸方向を備えた前記磁気検出素子については同じ前記出力回路に組み込まれる）を向いていることが好ましい。これにより、磁極周期λの移動範囲内で、２・Ｌ・Ｎのパルス信号を得ることができる。したがって磁界発生部材に、Ｐ回の磁極周期λがあれば、磁気検出装置が磁界発生部材の移動方向に相対的に一周した際、あるいは磁界発生部材の端から端まで相対移動した際、２・Ｌ・Ｎ・Ｐのパルス信号を得ることができる。これにより、より高い分解能特性を得ることができる。

また本発明では、前記磁気検出素子は、前記磁気センサに対して水平面方向からの前記外部磁界を検知可能な磁気抵抗効果素子であることが好ましい。

また本発明では、前記磁気抵抗効果素子は、セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子であることが好ましい。各磁気センサにおいて、同一基板上に複数の磁気抵抗効果素子を形成することができる。

本発明の磁気エンコーダは、前記磁界発生部材と、上記のいずれかに記載された磁気検出装置とを有することを特徴とするものである。これにより高分解能磁気エンコーダにできる。

本発明によれば、簡単な構成により且つ配置の自由度も高い状態で、優れた高分解能特性を有する磁気検出装置及び磁気エンコーダにできる。

第１実施形態の磁気エンコーダの平面図、 図１に示す磁気検出装置に組み込まれる磁気センサの平面図、 図１の磁気検出装置に組み込まれるＡ相ブリッジ回路図及びＢ相ブリッジ 回路図、 図１に示す磁石と各磁気センサとの位置関係を示す説明図、 図１に示す磁気検出装置から得られるＡ相パルス信号及びＢ相パルス信号 の波形図、 第２実施形態の磁気エンコーダの平面図、 図６に示す磁気検出装置に組み込まれる磁気センサの平面図、 図６の磁気検出装置に組み込まれるＡ相ブリッジ回路図、Ｂ相ブリッジ回 路図、及び、Ｃ相ブリッジ回路図、 図６に示す磁気検出装置から得られるＡ相パルス信号、Ｂ相パルス信号及 びＣ相パルス信号の波形図、 第３実施形態の磁気エンコーダの平面図、 図１０に示す磁気検出装置に組み込まれる磁気センサの平面図、 図１０に示す磁気検出装置から得られるパルス信号の波形図、 図２に示す磁気センサに組み込まれる磁気検出素子の平面図、 図１３に示すＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た磁気検出素子の部分拡大縦断面図、

図１は、第１実施形態の磁気エンコーダの平面図であり、図２は、図１に示す磁気検出装置に組み込まれる磁気センサの平面図であり、図３は、図１の磁気検出装置に組み込まれるＡ相ブリッジ回路図及びＢ相ブリッジ回路図であり、図４は、図１に示す磁石と各磁気センサとの位置関係を示す説明図であり、図５は、図１に示す磁気検出装置から得られるＡ相パルス信号及びＢ相パルス信号の波形図である。また、図１３に示す磁気センサに組み込まれる磁気検出素子の平面図であり、図１４は、図１３に示すＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た磁気検出素子の部分拡大縦断面図である。

図１に示す磁気エンコーダ１０は、磁石１１と、複数の磁気センサ１２ａ〜１２ｄを備える磁気検出装置１３とを有して構成される。各磁気センサ１２ａ〜１２ｄは支持板１４上に固定支持されており、磁気検出装置１３は、図３に示すＡ相ブリッジ回路１８及びＢ相ブリッジ回路１９を備えている。支持板１４は各磁気センサ１２ａ〜１２ｄに共通の基板であってもよいし、各磁気センサ１２ａ〜１２ｄを載置する支持板は別々にあり、集積回路については共通化した構成にすることもできる。

図１に示す形態では、磁石１１が所定の厚みを有する円板状で形成されている。図１に示すように磁石１１の中心Ｏ１は、回転中心であり、磁石１１は、時計方向ＣＷ及び反時計方向ＣＣＷに回転可能に支持される。なお本明細書において、磁石１１の移動方向とは、図１では磁石１１の回転方向を指す。また図１において磁石１１は、時計方向ＣＷ及び反時計方向ＣＣＷのどちらか一方にのみ回転可能に支持された構成であってもよい。

図１に示すように磁石１１は、回転方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されており、磁石１１の外周面１１ａには１２極が着磁されている。なお磁極数を限定するものではない。また、着磁の極数が同じで着磁方向が回転中心から外側あるいは内側に着磁されるいわゆるラジアル着磁でも良い。

図４は図１に示す磁石１１の外周面１１ａを直線上に図示した説明図である。図４に示すように、Ｎ極とＳ極との一組分の幅（磁石１１の移動方向への長さ寸法）を磁極周期λと定義する。なお図１に示すように磁石１１が回転する構成では、磁極周期λは、各磁気センサ１２ａ〜１２ｄが配置された位置の中心Ｏ２（図２参照）を辿る各磁気センサ１２ａ〜１２ｄの相対回転方向Ｂ上での円弧長さにて規定される。

図１に示すように、各磁気センサ１２ａ〜１２ｄは、磁石１１の外周面１１ａとの間でギャップＧを有しており、各磁気センサ１２ａ〜１２ｄと磁石１１とは非接触となっている。さらに各磁気センサ１２ａ〜１２ｄは、磁石１１の回転方向（時計方向ＣＷ及び反時計方向ＣＣＷ）と平行な方向（相対回転方向Ｂ）に間隔を空けて配置されている。なお、第１磁気センサ１２ａと第２磁気センサ１２ｂとの間の間隔、第２磁気センサ１２ｂと第３磁気センサ１２ｃとの間の間隔、及び、第３磁気センサ１２ｃと第４磁気センサ１２ｄとの間の間隔は夫々、同じであるが、磁石の磁極との相対的位相位置は異なっている。どの程度ずれているのかについては後で詳述する。

図２は、各磁気センサ１２ａ〜１２ｄの平面図を示している。図２に示すように基板１５上に複数の磁気検出素子１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄが形成されている。

図２に示すように、基板１５の中心Ｏ２のＸ１側及びＸ２側に感度軸方向Ｐ１，Ｐ２がＹ１−Ｙ２方向を向いたＡ相磁気検出素子１６ａ〜１６ｄが配置されている。また、基板１５の中心Ｏ２のＹ１側及びＹ２側に感度軸方向Ｐ３，Ｐ４がＸ１−Ｘ２方向を向いたＢ相磁気検出素子１７ａ〜１７ｄが配置されている。

ここでＹ１−Ｙ２方向は、図１に示す第１磁気センサ１２ａの位置にて相対回転方向Ｂに対する接線方向であり、Ｘ１−Ｘ２方向は、Ｙ１−Ｙ２方向とともに平面内に位置し、且つＹ１−Ｙ２方向に対し直交する方向である。

図２に示すように、各磁気検出素子１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄにおいて、同じ感度軸方向を有する磁気検出素子同士は、基板１５の中心Ｏ２を対称点とした点対称配置とされている。ここで「感度軸方向」とは、その方向に磁石１１からの外部磁界が及んだ際、電気特性が最大あるいは最小となる方向を指す。図２に示すように同じ感度軸方向を有する磁気検出素子同士を点対称で配置することで、外部磁界の角度誤差成分をキャンセルすることができ、図３に示す各出力回路から得られる出力（ＯＵＴ Ａ，ＯＵＴ Ｂ）を夫々、安定したものにできる。

図３に示すように、第１磁気検出素子１６ａ〜１６ｄによりＡ相ブリッジ回路１８が構成される。また第２磁気検出素子１７ａ〜１７ｄによりＢ相ブリッジ回路１９が構成される。

図１３は、Ａ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂ及びＢ相磁気検出素子１７ａ，１７ｂの部分拡大平面図を示す。

図１３に示すようにＡ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂは、Ｘ１−Ｘ２方向に延出しＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて配列された複数本の延出部２０がミアンダ状となるようにＸ側端部間で接続されて一体化したミアンダ状素子である。

また図１３に示すようにＢ相磁気検出素子１７ａ，１７ｂは、Ｙ１−Ｙ２方向に延出しＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けて配列された複数本の延出部２１がミアンダ状となるようにＹ側端部間で接続されて一体化したミアンダ状素子である。

Ｂ相磁気検出素子１７ａ，１７ｂは、Ａ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂを平面内にて９０°回転させた形状に同一である。よって、Ａ相磁気検出素子及びＢ相磁気検出素子を構成する各延出部２０，２１の幅寸法は同寸法であり、また各延出部間の間隔も同寸法である。

なお残りのＡ相磁気検出素子１６ｃ，１６ｄについては、Ａ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂと感度軸方向が異なるだけでＡ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂと同じミアンダ状素子で形成される。また、残りのＢ相磁気検出素子１７ｃ，１７ｄについては、Ｂ相磁気検出素子１７ａ，１７ｂと感度軸方向が異なるだけでＢ相磁気検出素子１７ａ，１７ｂと同じミアンダ状素子で形成される。

図１４は、Ａ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂを図１４に示すＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た部分拡大縦断面図である。

Ａ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂは、基板１５表面にて、下から、シード層２、固定磁性層３、非磁性材料層４、フリー磁性層５及び保護層６の順に積層されて成膜されたセルフピン止め型のＧＭＲ素子である。磁気検出素子を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。

シード層２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。シード層２と、基板１との間に、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ等からなる下地層が形成されていてもよい。

固定磁性層３は、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃと、第１磁性層３ａ及び第２磁性層３ｃ間に介在する非磁性中間層３ｂとの、人工反強磁性（ＡＡＦ（Artificial-AntiFerro magnetic））構造からなる。

図１４に示すように矢印方向は、第１磁性層３ａ及び第２磁性層３ｃの固定磁化方向を示す。図１４に示すように、第１磁性層３ａの固定磁化方向と、第２磁性層３ｃの固定磁化方向は反平行となっている。各磁性層３ａ，３ｃはＣｏＦｅ合金などの軟磁性材料で形成されている。また非磁性中間層３ｂはＲｕやＲｈ等である。非磁性材料層４はＣｕなどの非磁性材料で形成される。フリー磁性層５は、ＮｉＦｅ合金などの軟磁性材料で形成されている。この実施形態では、フリー磁性層５は、ＣｏＦｅ合金層５ａとＮｉＦｅ合金層５ｂとの積層構造で形成されるが、フリー磁性層５の構造は限定されるものでない。保護層６はＴａなどである。

本実施形態では固定磁性層３をＡＡＦ構造として、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である。すなわち図１４に示すセルフピン止め型では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく単に磁場中成膜することで（アニールなし；常温）、固定磁性層３を構成する各磁性層３ａ，３ｃを磁化固定している。なお、各磁性層３ａ，３ｃの磁化固定力は、外部磁界が作用したときでも磁化揺らぎが生じない程度の大きさであれば足りる。

ただし図１４の磁気検出素子の積層構造は一例である。下からフリー磁性層５、非磁性材料層４、固定磁性層３、及び保護層６の順に積層された積層構造とされてもよい。また固定磁性層３は、第１の磁性層３ａと第２磁性層３ｃとの磁化量の大きさが同じで磁化方向が反平行である構成にできる。

磁気検出素子を構成する第２磁性層３ｃの固定磁化方向（感度軸方向）が固定磁性層３の固定磁化方向である。よってＡ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂの感度軸方向Ｐ１は、Ｙ２方向となっている（図２参照）。

図１４に示すように、各延出部２０間は、絶縁層７により埋められている。
Ａ相磁気検出素子１６ｃ、１６ｄについては、図１４に示す第１磁性層３ａの固定磁化方向がＹ２方向、第２磁性層３ｃの固定磁化方向がＹ１方向となっている。よってＡ相磁気検出素子１６ｃ、１６ｄの感度軸方向Ｐ２は、Ｙ１方向となっている（図２参照）。

Ｂ相磁気検出素子１７ａ〜１７ｂについても、図１４と同じ積層構造を備えている。ただし感度軸方向Ｐ３，Ｐ４が図２に示すようにＡ相磁気検出素子１６ａ〜１６ｄの感度軸方向Ｐ１，Ｐ２に対し直交した方向となっている。

上記したように、セルフピン止め型のＧＭＲ素子で各磁気検出素子１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄを形成することで磁場中熱処理が必要でなく、したがって感度軸方向Ｐ１〜Ｐ４が異なる各磁気検出素子１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄを同じ基板１５上に成膜することができる。

ただし感度軸方向が異なる磁気検出素子については別々の基板への成膜となるが、反強磁性層を用いたＧＭＲ素子で各磁気検出素子１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄを形成することも可能である。

今、第１磁気センサ１２ａが図１の位置にあり、ちょうど、Ｘ１−Ｘ２方向に第１磁気センサ１２ａの中心Ｏ２と、磁石１１のＮ極とＳ極との境界がＸ１−Ｘ２方向にて一致しているとする。このとき第１磁気センサ１２ａにはＹ２方向への外部磁界（水平磁場）が作用する。よって、図２に示す感度軸方向Ｐ１がＹ２方向であるＡ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂの電気抵抗値は最小値となり、一方、感度軸方向Ｐ２がＹ１方向であるＡ相磁気検出素子１６ｃ，１６ｄの電気抵抗値は最大値となる。よって、図３のＡ相ブリッジ回路１８からの出力（ＯＵＴ Ａ）は基準電位から変化する。一方、図２に示すＢ相磁気検出素子１７ａ〜１７ｄについては、外部磁界が感度軸方向Ｐ３，Ｐ４に対して直交方向であるため、各磁気検出素子１７ａ〜１７ｄの電気抵抗値は同じ値となり、図３のＢ相ブリッジ回路１９からの出力（ＯＵＴ Ｂ）は基準電位となる。

図１に示す磁石１１が回転すると、磁石１１から第１磁気センサ１２ａに作用する外部磁界の方向はＹ２方向から徐々に変化し、これにより、図３に示すＡ相ブリッジ回路１８及びＢ相ブリッジ回路１９から夫々、位相がずれた正弦波が得られる。Ａ相ブリッジ回路１８及びＢ相ブリッジ回路１９からの出力は、差動増幅回路（アンプ）等が組み込まれた整形回路にて矩形波に整形される。

なおＢ相ブリッジ回路１９から得られる出力は、Ａ相ブリッジ回路１８から得られる出力に対して、（１／４）λの位相差が生じている。λの長さ（角度）はＳ極とＮ極のペア分である。

図１，図４に示すように、第１磁気センサ１２ａ（の中心Ｏ２）からちょうど磁極周期λだけ離れた位置Ｃ〜Ｅは、位相差αが０となる位相差ゼロ位置である。すなわち磁気センサの中心Ｏ２が、各位相差ゼロ位置Ｃ〜Ｅと対向した位置にあると、第１磁気センサ１２ａと同位相の波形が得られる。

図１，図４に示すように、第２磁気センサ１２ｂ（の中心Ｏ２）は、（１／１６）・λの位相差α分ずらして配置されている。また第３磁気センサ１２ｃ（の中心Ｏ２）は、（１／８）・λ（＝（２／１６）・λ）の位相差α分ずらして配置されている。さらに、第４磁気センサ１２ｄ（の中心Ｏ２）は、（３／１６）・λの位相差α分ずらして配置されている。

また第２磁気センサ１２ｂ、第３磁気センサ１２ｃ及び第４磁気センサ１２ｄは夫々、同じ側（図４では図示右側）にある直近の位相差ゼロ位置Ｃ〜Ｅから上記の位相差分ずれて配置されている。

また図２，図３で示したように各磁気センサ１２ａ〜１２ｄには、Ａ相ブリッジ回路１８及びＢ相ブリッジ回路１９の２つのブリッジ回路が組み込まれている。

上記した各磁気センサ１２ａ〜１２ｄの位相ずれを加味した配置は、以下の式により求めることが出来る。

すなわち本実施形態では、第１磁気センサ１２ａは位相差α＝０の位置にあり、残りの第２磁気センサ１２ｂ、第３磁気センサ１２ｃ及び第４磁気センサ１２ｄが、（１／２）・[Ｍ／（Ｌ・Ｎ）]・λ（Ｌは、各磁気センサに含まれる出力回路の個数であり、Ｍは、１，・・・，Ｎ−１の変数であり、Ｎは前記磁気センサの個数であり、λは磁極周期である）の位相差α分ずらした位置に夫々、配置される。

図１〜図４に示した第１実施形態では、各磁気センサ１２ａ〜１２ｄの夫々に組み込まれる出力回路の種類数ＬはＡ相、Ｂ相の２種類であり、磁気センサ１２ａ〜１２ｄの個数Ｎは４である。よって変数Ｍは、１，２，３である。

したがって、上記の式から得られる位相差は、（１／１６）λ、（１／８）λ、（３／１６）λとなる。このため、各磁気センサ１２ａ〜１２ｄのいずれかを位相差ゼロの位置、（１／１６）λの位相差分ずれた位置、（１／８）λの位相差分ずれた位置、（３／１６）λの位相差分ずれた位置に夫々、配置することができる。図１では、第１磁気センサ１２ａから第４磁気センサ１２ｄにかけて、位相差αが大きくなるように配置したが、どの磁気センサにどの配置を割り当てるかについては任意に決定することができる。

また、各磁気センサ１２ａ〜１２ｄには、Ａ相ブリッジ回路１８及びＢ相ブリッジ回路１９の２つの出力回路が組み込まれている。そして、例えばＡ相ブリッジ回路１８からの出力を基準波形としたとき、Ｂ相ブリッジ回路１９が、基準波形に対して、（１／２）・[（１，・・・，Ｌ−１）／Ｌ]・λの位相差を有する波形を出力するように構成されている。すなわち、出力回路の種類数Ｌは２であるから、Ｂ相ブリッジ回路から得られる出力（ＯＵＴ Ｂ）は、Ａ相ブリッジ回路から得られる出力（ＯＵＴ Ａ）に対し、（１／４）λの位相差を有している。このように各磁気センサ１２ａ〜１２ｄ内にて、Ａ相ブリッジ回路１８からの出力とＢ相ブリッジ回路１９からの出力との間に（１／４）λの位相差ずれが生じている。

図５はＡ相ブリッジ回路及びＢ相ブリッジ回路からの出力に基づく波形図（矩形波）である。

図５に示すようにＡ相出力は磁極周期（波長）λの移動範囲内に立ち上がりのパルス信号（１）〜（４）が計４回あり、立ち下がりのパルス信号（５）〜（８）が計４回ある。よってＡ相出力は磁極周期（波長）λの間に８回のパルス信号を得ることができる。

ここで、パルス信号（１）（５）の波形は、第１磁気センサ１２ａのＡ相ブリッジ回路により得られるものであり、パルス信号（２）（６）は、第２磁気センサ１２ｂのＡ相ブリッジ回路により得られるものであり、パルス信号（３）（７）は、第３磁気センサ１２ｃのＡ相ブリッジ回路により得られるものであり、パルス信号（４）（８）は、第４磁気センサ１２ｄのＡ相ブリッジ回路により得られるものである。

パルス信号（１）（５）と、パルス信号（２）（６）との間には、（１／１６）λの位相ずれが生じており、パルス信号（１）（５）と、パルス信号（３）（７）との間には、（１／８）λの位相ずれが生じており、パルス信号（１）（５）と、パルス信号（４）（８）との間には、（３／１６）λの位相ずれが生じている。

一方、Ｂ相出力は磁極周期（波長）λの範囲内に立ち上がりのパルス信号（９）〜（１２）が計４回あり、立ち下がりのパルス信号（１３）〜（１６）が計４回ある。よってＢ相出力は磁極周期（波長）λの間に８回のパルス信号を得ることができる。

ここで、パルス信号（９）（１３）の波形は、第１磁気センサ１２ａのＢ相ブリッジ回路により得られるものであり、パルス信号（１０）（１４）は、第２磁気センサ１２ｂのＢ相ブリッジ回路により得られるものであり、パルス信号（１１）（１５）は、第３磁気センサ１２ｃのＢ相ブリッジ回路により得られるものであり、パルス信号（１２）（１６）は、第４磁気センサ１２ｄのＢ相ブリッジ回路により得られるものである。

パルス信号（１）（５）と、パルス信号（９）（１３）は、第１磁気センサ１２ａにより得られ、パルス信号（２）（６）と、パルス信号（１０）（１４）は、第２磁気センサ１２ｂにより得られ、パルス信号（３）（７）と、パルス信号（１１）（１５）は、第３磁気センサ１２ｃにより得られ、パルス信号（４）（８）と、パルス信号（１２）（１６）は、第４磁気センサ１２ｄにより得られる。パルス信号（１）（５）と、パルス信号（９）（１３）との間、パルス信号（２）（６）と、パルス信号（１０）（１４）との間、パルス信号（３）（７）と、パルス信号（１１）（１５）との間、及び、パルス信号（４）（８）と、パルス信号（１２）（１６）との間には、夫々、（１／４）λの位相ずれが生じている。

すなわちＢ相出力にて得られた８回のパルス信号は、Ａ相出力にて得られた８回のパルス信号を夫々、（１／４）λだけずらした信号に一致している。

このように第１実施形態では、磁極周期（波長）λの間に１６回のパルス信号を得ることができる。図１に示す磁石１１には、Ｎ極とＳ極とのペアが６組含まれており、すなわち磁極周期λは６回となっている。したがって磁石１１が一回転するまでに得られるパルス信号は、６×１６＝９６パルス（３．７５°の回転角につき１パルス）となっている。

図６は、第２実施形態の磁気エンコーダの平面図であり、図７は、図６に示す磁気検出装置に組み込まれる磁気センサの平面図であり、図８は、図６の磁気検出装置に組み込まれるＡ相ブリッジ回路図、Ｂ相ブリッジ回路図、及び、Ｃ相ブリッジ回路図であり、図９は、図６に示す磁気検出装置から得られるＡ相パルス信号、Ｂ相パルス信号及びＣ相パルス信号の波形図である。

図６に示す磁気エンコーダ３０を構成する磁石１１は図１に示す磁石１１と同じものである。図６に示すように磁気エンコーダ３０を構成する磁気検出装置３１には、３個の磁気センサ３２ａ〜３２ｃが設けられている。各磁気センサ３２ａ〜３２ｃは磁石１１と非接触に配置され、また各磁気センサ３２ａ〜３２ｃは、相対回転方向Ｂ上に間隔を空けて配置されている。

図７に示すように各磁気センサ３２ａ〜３２ｃには、基板１５上に１２個の磁気検出素子３３ａ〜３３ｄ，３４ａ〜３４ｄ，３５ａ〜３５ｄが配置されている。Ａ相磁気検出素子３３ａ〜３３ｄによりＡ相ブリッジ回路３７が構成される。また、Ｂ相磁気検出素子３４ａ〜３４ｄによりＢ相ブリッジ回路３８が構成される。さらに、Ｃ相磁気検出素子３５ａ〜３５ｄによりＣ相ブリッジ回路３９が構成される。

図７、図８に示す実施形態では、平面内にて互いに１２０°ずつ角度差のある３方向を第１の方向、第２の方向及び第３の方向とする。どの方向を第１の方向、第２の方向及び第３の方向と規定するかは任意に決定できるが、本実施形態では、例えば、第１の方向をＹ１方向とし、第１の方向から１２０°時計回りに傾いた方向を第２の方向とし、第１の方向から２４０°時計回りに傾いた方向を第３の方向とした。

よって、Ａ相磁気検出素子３３ａ，３３ｂの感度軸方向Ｐ５は第１の方向を向いており、Ａ相磁気検出素子３３ｃ，３３ｄの感度軸方向Ｐ６は、第１の方向とは反対方向を向いている。また、Ｂ相磁気検出素子３４ａ，３４ｂの感度軸方向Ｐ７は第２の方向を向いており、Ｂ相磁気検出素子３４ｃ，３４ｄの感度軸方向Ｐ８は、第２の方向とは反対方向を向いている。さらに、Ｃ相磁気検出素子３５ａ，３５ｂの感度軸方向Ｐ９は第３の方向を向いており、Ｃ相磁気検出素子３５ｃ，３５ｄの感度軸方向Ｐ１０は、第３の方向とは反対方向を向いている。

図６ないし図８の実施形態における各磁気センサ３２ａ〜３２ｃの位相ずれを加味した配置は、上記した式により求めることが出来る。

例えば第１磁気センサ３２ａが、位相差ゼロの位置にあり、残りの第２磁気センサ３２ｂ及び第３磁気センサ３２ｃが、（１／２）・[Ｍ／（Ｌ・Ｎ）]・λ（Ｌは、各磁気センサに含まれる出力回路の個数であり、Ｍは、１，・・・，ｎ−１の変数であり、Ｎは前記磁気センサの個数であり、λは磁極周期である）の位相差α分ずらして配置される。

図６〜図８に示した第２実施形態では、各磁気センサ３２ａ〜３２ｃの夫々に組み込まれる出力回路の種類数Ｌは３であり、磁気センサ３２ａ〜３２ｄの個数Ｎは３である。よって変数Ｍは、１，２である。

したがって、上記の式から得られる位相差αは、（１／１８）λ、（１／９）λとなる。このため、例えば図６に示すように第１磁気センサ３２ａを位相差ゼロの位置、第２磁気センサ３２ｂを（１／１８）λの位相差α分ずれた位置、第３磁気センサ３２ｃを（１／９）λの位相差α分ずれた位置に夫々、配置することができる。

また、各磁気センサ３２ａ〜３２ｃには、Ａ相ブリッジ回路３７、Ｂ相ブリッジ回路３８及びＣ相ブリッジ回路３９の３つの出力回路が組み込まれている。そして、各磁気センサ３２ａ〜３２ｃ内にて、Ａ相ブリッジ回路３７から得られる出力を基準波形とすると、残りのブリッジ回路３８，３９が、前記基準波形に対して、（１／２）・[（１，・・・，Ｌ−１）／Ｌ]・λの位相差を有する波形を出力するように構成されている。すなわち、出力回路の種類数Ｌは３であるから、各磁気センサ３２ａ〜３２ｃ内にて、Ａ相ブリッジ回路３７、Ｂ相ブリッジ回路３８及Ｃ相ブリッジ回路３９を比較すると、Ａ相ブリッジ回路３７から得られる出力（ＯＵＴ Ａ）を基準波形とすれば、例えばＢ相ブリッジ回路３８から得られる出力（ＯＵＴ Ｂ）は、Ａ相ブリッジ回路から得られる出力（ＯＵＴ Ａ）に対し、（１／６）λの位相差を有し、Ｃ相ブリッジ回路から得られる出力（ＯＵＴ Ｃ）は、Ａ相ブリッジ回路から得られる出力（ＯＵＴ Ａ）に対し、（１／３）λの位相差を有する。

図９に示すようにＡ相出力は磁極周期（波長）λの移動範囲内に立ち上がりのパルス信号（１）〜（３）が計３回あり、立ち下がりのパルス信号（４）〜（６）が計３回ある。よってＡ相出力は磁極周期（波長）λの間に６回のパルス信号を得ることができる。

ここで、パルス信号（１）（４）の波形は、第１磁気センサ３２ａのＡ相ブリッジ回路３７により得られるものであり、パルス信号（２）（５）は、第２磁気センサ３２ｂのＡ相ブリッジ回路３７により得られるものであり、パルス信号（３）（６）は、第３磁気センサ３２ｃのＡ相ブリッジ回路３７により得られるものである。

パルス信号（１）（４）と、パルス信号（２）（５）との間には、（１／１８）λの位相ずれが生じており、パルス信号（１）（５）と、パルス信号（３）（６）との間には、（１／９）λの位相ずれが生じている。

一方、Ｂ相出力は磁極周期（波長）λの移動範囲内に立ち上がりのパルス信号（７）〜（９）が計３回あり、立ち下がりのパルス信号（１０）〜（１２）が計３回ある。よってＢ相出力は磁極周期（波長）λの間に６回のパルス信号を得ることができる。

ここで、パルス信号（７）（１０）の波形は、第１磁気センサ３２ａのＢ相ブリッジ回路３８により得られるものであり、パルス信号（８）（１１）は、第２磁気センサ３２ｂのＢ相ブリッジ回路３８により得られるものであり、パルス信号（９）（１２）は、第３磁気センサ３２ｃのＢ相ブリッジ回路３８により得られるものである。

一方、Ｃ相出力は磁極周期（波長）λの範囲内に立ち上がりのパルス信号（１３）〜（１５）が計３回あり、立ち下がりのパルス信号（１６）〜（１８）が計３回ある。よってＢ相出力は波長λの間に６回のパルス信号を得ることができる。

ここで、パルス信号（１３）（１６）の波形は、第１磁気センサ３２ａのＣ相ブリッジ回路３９により得られるものであり、パルス信号（１４）（１７）は、第２磁気センサ３２ｂのＣ相ブリッジ回路３９により得られるものであり、パルス信号（１５）（１８）は、第３磁気センサ３２ｃのＣ相ブリッジ回路３９により得られるものである。

このように第２実施形態では、磁極周期（波長）λの間に１８回のパルス信号を得ることができる。図６に示す磁石１１には、Ｎ極とＳ極とのペアが６組含まれており、すなわち磁極周期λは６回となっている。したがって磁石１１が一回転するまでに得られるパルス信号は、６×１８＝１０８パルス（約３．３°の回転角につき１パルス）となっている。

図１０は、第３実施形態の磁気エンコーダの平面図であり、図１１は、図１０に示す磁気検出装置に組み込まれる磁気センサの平面図であり、図１２は、図１０に示す磁気検出装置から得られるパルス信号の波形図である。

図１０に示す磁気エンコーダ４０を構成する磁石１１は図１に示す磁石１１と同じものである。図１０に示すように磁気エンコーダ４０を構成する磁気検出装置４１には、４個の磁気センサ４２ａ〜４２ｄが設けられている。各磁気センサ４２ａ〜４２ｄは磁石１１と非接触に配置され、また各磁気センサ４２ａ〜４２ｄは、相対回転方向Ｂ上に間隔を空けて配置されている。

図１０に示すように各磁気センサ４２ａ〜４２ｄには、基板１５上に４個のＡ相磁気検出素子４３ａ〜４３ｄが配置されている。これらＡ相磁気検出素子４３ａ〜４３ｄの感度軸方向及びブリッジ回路は、図２、図３に示すＡ相と同じ構成である。

図１０，図１１の実施形態における各磁気センサ４２ａ〜４２ｄの位相ずれを加味した配置は、上記した式により求めることが出来る。

すなわち、第１磁気センサ４２ａが位相差ゼロの位置にあるとき、残りの磁気センサ４２ｂ〜４２ｄは、（１／２）・[Ｍ／（Ｌ・Ｎ）]・λ（Ｌは、各磁気センサに含まれる出力回路の個数であり、Ｍは、１，・・・，ｎ−１の変数であり、Ｎは前記磁気センサの個数であり、λは磁極周期である）の位相差α分ずらした位置に夫々、配置される。

図１０，図１１に示した第３実施形態では、各磁気センサ４２ａ〜４２ｄの夫々に組み込まれる出力回路の種類数Ｌは１であり、磁気センサ４２ａ〜４２ｄの個数Ｎは４である。よって変数Ｍは、１，２，３である。

したがって、上記の式から得られる位相差は、（１／８）λ、（１／４）λ、（３／８）λとなる。このため、例えば図１０に示すように第１磁気センサ４２ａを位相差ゼロの位置、第２磁気センサ４２ｂを（１／８）λの位相差α分ずれた位置、第３磁気センサ４２ｃを（１／４）λの位相差α分ずれた位置、第４磁気センサ４２ｄを（３／８）λの位相差α分ずれた位置に夫々、配置することができる。

図１２に示すようにＡ相出力は波長λの範囲内に立ち上がりのパルス信号（１）〜（４）が計４回あり、立ち下がりのパルス信号（５）〜（８）が計４回ある。よってＡ相出力は磁極周期（波長）λの間に８回のパルス信号を得ることができる。そして図１０に示す磁石１１には、Ｎ極とＳ極とのペアが６組含まれており、すなわち磁極周期λは６回となっている。したがって磁石１１が一回転するまでに得られるパルス信号は、６×８＝４８パルス（７．５°の回転角につき１パルス）となっている。

図１０，図１１に示す形態のように、各磁気センサに組み込まれる出力回路の種類を一つだけとしてもよいが、図１〜図９に示す形態のように、各磁気センサに組み込まれる出力回路の種類を複数とすることで、パルス信号数を増やすことができ、より高い分解能を得ることができる。

本実施形態では、複数の磁気センサを用い、磁気センサの個数及び出力回路の種類数に応じて、磁石１１の回転方向（移動方向）と平行な方向に位相をずらして各磁気センサを配置した。このため磁石１１の構成が変更されても、例えば磁気センサの内部構造を変えずに上記の式に基づいて磁気センサの配置を変更するだけで高分解能を得ることができ、磁石１１の設計変更等に伴う生産コストの上昇を抑制できる。すなわち磁気センサとしては図２の内部構成のものを変更しなくてもよく、あるいは例えば後述する図７に示す構成の磁気センサも用意して、必要なパルス信号に応じて、磁気センサを使い分けることも可能である。このように磁石１１の構成が変更されても、それに伴って磁気センサ内の磁気検出素子の構成を変更せずに分解能を高めることができる。また、従来のように、磁気センサ内に設けられた複数の磁気検出素子を、磁石１１の移動方向と平行な方向に間隔を詰めて配置するよりも、簡単な構成により、優れた高分解能特性を有する磁気検出装置にできる。また磁気センサの配置は上記式によって決まるが、例えば第２磁気センサ１２ｂの位置は図１に示す位置でなくてもよく、第１磁気センサ１２ａが配置された位相差ゼロの位置から（１／１６）λずらしてもよいし、位相差ゼロ位置Ｄや位相差ゼロ位置Ｅの位置から位相をずらすことも可能である。このように磁気センサの配置の自由度を高くできる。また、各磁気センサ内に形成される磁気検出素子の配置の自由度も高い。また出力回路の種類数を増やすことで、より高い分解能を得ることができる。

本実施形態では、出力回路の種類を複数とし、このとき、各出力回路を構成する磁気検出素子の感度軸方向は異なる方向であるとともに、３６０°を、２・Ｌの領域に分割する方向（ただし、１８０°の角度ずれを有する感度軸方向Ｐを備えた磁気検出素子については同じ出力回路に組み込まれる）を向くように制御している。

Ｌは、出力回路の種類数である。図１〜図５に示す形態では、出力回路はＡ相、Ｂ相の２種類である。よって、Ａ相磁気検出素子１６ａ〜１６ｄの感度軸方向Ｐ１，Ｐ２と、Ｂ相磁気検出素子１７ａ〜１７ｄの感度軸方向Ｐ３、Ｐ４は、３６０°を４分割する方向、すなわち０°、９０°、１８０°、２７０°の方向を向くように制御される。このうち、０°と１８０°、及び、９０°と２７０°は夫々、１８０°の角度ずれを有するため、１８０°の角度ずれを有する感度軸方向を備えた磁気検出素子は同じ出力回路に組み込まれる。よって、Ａ相磁気検出素子１６ａ，１６ｂの感度軸方向Ｐ１を０°の方向とすれば、Ａ相磁気検出素子１６ｃ，１６ｄの感度軸方向Ｐ２は１８０°の方向であり、またＢ相磁気検出素子１７ａ，１７ｂの感度軸方向Ｐ３を９０°の方向とすれば、Ｂ相磁気検出素子１７ｃ，１７ｄの感度軸方向Ｐ４は２７０°の方向である。

また図６〜図９に示す形態では、出力回路はＡ相、Ｂ相，Ｃ相の３種類である。よって、Ａ相磁気検出素子３３ａ〜３３ｄの感度軸方向Ｐ５，Ｐ６と、Ｂ相磁気検出素子３４ａ〜３４ｄの感度軸方向Ｐ７、Ｐ８と、Ｃ相磁気検出素子３５ａ〜３５ｄの感度軸方向Ｐ９、Ｐ１０とは、３６０°を６分割する方向、すなわち０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°の方向を向くように制御される。このうち、０°と１８０°、６０°と２４０°、１２０°と３００°は夫々、１８０°の角度ずれを有するため、１８０°の角度ずれを有する感度軸方向を備えた磁気検出素子は同じ出力回路に組み込まれる。よって、Ａ相磁気検出素子３３ａ，３３ｂの感度軸方向Ｐ５を０°の方向とすれば、Ａ相磁気検出素子３３ｃ，３３ｄの感度軸方向Ｐ６は１８０°の方向であり、またＢ相磁気検出素子３４ａ，３４ｂの感度軸方向Ｐ７を１２０°の方向とすれば、Ｂ相磁気検出素子３４ｃ，３４ｄの感度軸方向Ｐ８は３００°の方向であり、またＣ相磁気検出素子３５ａ，３５ｂの感度軸方向Ｐ９を２４０°の方向とすれば、Ｃ相磁気検出素子３５ｃ，３５ｄの感度軸方向Ｐ８は６０°の方向である。

なお図１，図２，図７では、０°の方向をＹ１方向としたが、どの方向を０°に規定するかは任意に決定できる。ただし、基本的には、図１に示す相対回転方向Ｂの接線方向か、法線方向とすることが好ましい。

上記のように感度軸方向を規制した磁気検出素子を備えた複数種類の出力回路を有することで、磁極周期λの移動範囲内で、２・Ｌ・Ｎのパルス信号を出力できる。そして、図１，図６では、磁石１１に磁極周期λが、６回あるため、磁石１１が一回転するまでに、１２・Ｌ・Ｎのパルス信号を得ることが可能である。これにより、より高い分解能特性を得ることができる。

本実施形態に使用される磁気検出素子は、ホール素子等であってもよいが、磁気センサに対して水平面方向からの外部磁界を検知可能な磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子）であることが好適である。ここで水平面方向とは、図１４に示す積層された各層の境界面と平行な面方向を指し、図１等に示すＸ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向とを含む平面内の方向である。また磁気抵抗効果素子は、図１４で説明したセルフピン止め型であることが好適である。これにより複数の磁気抵抗効果素子を同じ基板１５上に形成することができる。

本実施形態における磁気エンコーダは、例えば、モータ角度制御システムに組み込まれる。また磁気エンコーダとともに光学エンコーダ等の別のエンコーダを組み込んだ制御システムを構成することもできる。

また上記した形態では磁石１１が回転型であるが、例えば磁石１１が棒状で直線移動する形態のエンコーダとしてもよい。また、磁石が固定側で、磁気検出装置が移動する形態にしてもよい。

また磁気センサの個数や出力回路の種類数については、任意に決定できる。また磁石はラジアルタイプでもアキシャルタイプでもどちらでもよい。

また、同じ出力回路には、感度軸方向が１８０°異なる磁気検出素子を組み合わせた構成でなくてもよく、感度軸方向が一方向の磁気検出素子と固定抵抗素子との組み合わせとすることもできる。

Ｐ１〜Ｐ１０ 感度軸方向
３ 固定磁性層
４ 非磁性材料層
５ フリー磁性層
１０、３０、４０ 磁気エンコーダ
１１ 磁石
１２ａ〜１２ｄ、３２ａ〜３２ｃ、４２ａ〜４２ｄ 磁気センサ
１３ 磁気検出装置
１５ 基板
１６ａ〜１６ｄ、１７ａ〜１７ｄ、３３ａ〜３３ｄ、３４ａ〜３４ｄ、３５ａ〜３５ｄ、４３ａ〜４３ｄ 磁気検出素子
１８、３７ Ａ相ブリッジ回路
１９、３８ Ｂ相ブリッジ回路
３９ Ｃ相ブリッジ回路
２０、２１ 延出部

Claims (6)

1. 移動方向に異なる磁極が交互に着磁された磁界発生部材に対して非接触にて配置される磁気検出装置であって、
   磁気センサが、複数個、前記移動方向と平行な方向に間隔を空けて配置されており、各磁気センサは、前記磁界発生部材からの外部磁界により電気特性が変化する磁気検出素子を有する出力回路を備えており、
   各磁気センサが、位相差α＝０の位置、（１／２）・[Ｍ／（Ｌ・Ｎ）]・λ（Ｌは、各磁気センサに含まれる出力回路の個数であり、Ｍは、１，・・・，Ｎ−１の変数であり、Ｎは前記磁気センサの個数であり、λは磁極周期である）の位相差α分ずらした位置に、夫々、配置されることを特徴とする磁気検出装置。
2. 前記出力回路は、複数種類設けられており、前記各磁気センサ内にて、ある一つの前記出力回路からの出力を基準波形としたとき、残りの前記出力回路が、前記基準波形に対して、（１／２）・[（１，・・・，Ｌ−１）／Ｌ]・λの位相差を有する波形を出力するように構成されている請求項１記載の磁気検出装置。
3. 前記出力回路は、複数種類設けられており、各出力回路を構成する前記磁気検出素子の感度軸方向は異なる方向であるとともに、３６０°を、２・Ｌの領域に分割する方向（ただし、１８０°の角度ずれを有する感度軸方向を備えた前記磁気検出素子については同じ前記出力回路に組み込まれる）を向いている請求項１又は２に記載の磁気検出装置。
4. 前記磁気検出素子は、前記磁気センサに対して水平面方向からの前記外部磁界を検知可能な磁気抵抗効果素子である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
5. 前記磁気抵抗効果素子は、セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子である請求項４記載の磁気検出装置。
6. 前記磁界発生部材と、請求項１ないし５のいずれか１項に記載された磁気検出装置とを有することを特徴とする磁気エンコーダ。