JP5102808B2 - センサ素子および磁気式センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子および磁気式センサに関し、特に、高分解能が要求される磁気式エンコーダに好適なセンサ素子および磁気式センサに関する。

従来、小型ロボットやインクジェットプリンタなどで使用される磁気式エンコーダにおいては、磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を用いた磁気式センサを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この磁気式センサにおいては、ピッチｐのＧＭＲ素子で構成される第１ＧＭＲ素子群と第２ＧＭＲ素子群とをｐ／２ずらして配置し、第１ＧＭＲ素子群と第２ＧＭＲ素子群との接続点から中点電位を得るものである。その上で磁気媒体における着磁を均等ピッチではなく、２λ＝λａ＋λｂ＝２ｐ、λａ＞λｂもしくはλａ＜λｂ等とすることで、高分解能の検出精度の実現を図っている。

特開２００７−１２１２５３号公報

しかしながら、上述した従来の磁気式センサにおいては、第１ＧＭＲ素子群における第１ＧＭＲ素子と第２のＧＭＲ素子とを直列に接続する一方、第２ＧＭＲ素子群における第３ＧＭＲ素子と第４のＧＭＲ素子とを直列に接続し、第２ＧＭＲ素子と第３ＧＭＲ素子との接続点から中点電位を得ることから、電気信号の強度が不足することに起因して適切に高分解能の検出精度を実現することができない事態が発生し得る。

本発明は、かかる点に鑑みて為されたものであり、電気信号の不足に起因する不具合を防止して適切に高分解能の検出精度を実現することができるセンサ素子および磁気式センサを提供することを目的とする。

本発明のセンサ素子は、同一方向に磁化されたピン層を有する複数の第１の磁気抵抗素子を直列接続した第１の素子群と、前記第１の素子群の一端に直列接続され、同一方向に磁化されたピン層を有し、前記第１の磁気抵抗素子と同数の第２の磁気抵抗素子を直列接続した第２の素子群とを備え、前記第１の素子群および前記第２の素子群は、磁気スケールの移動方向に沿って一列に、前記磁気スケールの着磁ピッチを等分割した配置間隔で前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子とを交互に配置し、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子のピン層の磁化方向が相互に異なる方向であることを特徴とする。

この構成によれば、相互に逆方向に磁化されたピン層を有する第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子とが等間隔で交互に配置されているため、第１の素子群と第２の素子群との合成抵抗を第１の磁気抵抗素子および第２の磁気抵抗素子の配置ピッチに対応して増減させることができる。よって、配置ピッチに対応した出力信号が得ることができ、この出力信号を２値化することで、高分解能の検出精度を実現することができる。また、例えば、第１の素子群と第２の素子群との合成抵抗に一定電流を流して得られる電圧を出力信号とすれば、電流を大きくすることにより信号強度を向上させることができる。

また本発明は、上記センサ素子において、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子のピン層の磁化方向が相互に逆方向であることを特徴とする。

この構成によれば、第１の素子群と第２の素子群の合成抵抗を、基準となる基準抵抗値、基準抵抗値よりも高い高抵抗値、基準抵抗値よりも低い低抵抗値の３値間で変化させることができる。

また本発明は、上記センサ素子において、前記第１の磁気抵抗素子および前記第２の磁気抵抗素子をＧＭＲ素子で構成することができる。

また本発明の磁気式センサは、一端がグランドに接続された上記のセンサ素子と、前記センサ素子の他端に接続され、前記センサ素子に対し一定電流を流す定電流源と、前記センサ素子と前記定電流源との接続点に接続され、前記接続点と前記グランドとの間の電圧を出力信号として得ると共に、前記出力信号を２値化処理する２値化処理回路とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、簡易な構成で第１の素子群および第２の素子群の抵抗の変化に応じた出力信号を２値化して出力することができる。

本発明によれば、電気信号の不足に起因する不具合を防止して適切に高分解能の検出精度を実現することができる。

本発明に係る磁気式センサの実施の形態を示す図であり、磁気式センサのＧＭＲ素子の配置関係の説明図である。 本発明に係る磁気式センサの実施の形態を示す図であり、磁気式センサに対する磁気スケールの動作状態を示す図である。 本発明に係る磁気式センサの実施の形態を示す図であり、磁気スケールの移動に伴う直列抵抗回路の抵抗値の変化の説明図である。 本発明に係る磁気式センサの実施の形態を示す図であり、信号出力回路の回路構成図である。 本発明に係る磁気式センサの実施の形態を示す図であり、２値化処理回路による２値化処理の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る磁気式センサのＧＭＲ素子の配置関係を説明するための図である。

図１に示すように、磁気式センサ１は、基板２に形成された３つのＧＭＲ素子Ｒ１（巨大磁気抵抗効果素子）からなる第１の素子群３と３つのＧＭＲ素子Ｒ２からなる第２の素子群４とを備えている。なお、ここでは、第１の素子群３および第２の素子群４が、それぞれ３つのＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２を有する場合について示しているが、これに限定されるものではなく、第１の素子群３および第２の素子群４に含まれるＧＭＲ素子が同数であればよい。

以下においては、第１の素子群３を構成する３つのＧＭＲ素子Ｒ１をＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３とし、第２の素子群４を構成する３つのＧＭＲ素子Ｒ２をＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３とする。これらＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３およびＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３は、基板２に所定の間隔を空けて対向する磁気スケール７の移動方向に沿って一列に配置されている（図２参照）。また、この磁気スケール７は、等ピッチで着磁されており、この着磁ピッチを等分割した配置間隔でＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３およびＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３が交互に配置されている。なお、磁気スケール７は、例えば、外周面に多磁着磁層が形成された磁気ドラム等で構成される。

また、ＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３、ＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３は、全体として直列抵抗回路１２を構成している。すなわち、第１の素子群３は、３つのＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３が直列接続されて構成され、第２の素子群４は、３つのＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３が直列接続されて構成されている。そして、第１の素子群３のＧＭＲ素子Ｒ１−１の一端と第２の素子群４のＧＭＲ素子Ｒ２−１の一端とが接続され、直列抵抗回路１２が構成される。

ここで、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２の構成について簡単に説明する。ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２は、基本的な構成として、反強磁性層、ピン層、中間層およびフリー層を基板２上に積層して形成されている。このＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２は、ピン層が反強磁性層により磁化方向が一方向に固定されると共に、フリー層は外部磁界に反応して磁化方向が変化する。そして、ピン層とフリー層との磁化方向が同一方向の場合には抵抗変化率が最少となり、ピン層とフリー層との磁化方向が逆方向の場合には抵抗変化率が最大となる。

本実施の形態においては、ＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３のピン層はそれぞれ図示右側方向に磁化されると共に、ＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３のピン層はそれぞれ図示左側方向に磁化されている。すなわち、ＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３のピン層およびＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３のピン層の磁化方向は逆方向に磁化されている。この構成により、磁気スケール７を一方向に移動させたときに、第１の素子群３の抵抗値の変化と第２の素子群４の抵抗値の変化が反転される。第１の素子群３の抵抗値の変化と第２の素子群４の抵抗値の変化の詳細については後述する。

なお、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２が巨大磁気抵抗効果を発揮するためには、例えば、反強磁性層がα−Ｆｅ_２Ｏ_３層、ピン層がＮｉＦｅ層、中間層がＣｕ層、フリー層がＮｉＦｅ層から形成されることが好ましいが、これらのものに限定されるものではなく、磁気抵抗効果を発揮するものであれば、いずれのものであってもよい。また、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２は、磁気抵抗効果を発揮するものであれば、上記の積層構造に限定されるものではない。

次に、図２を参照して、磁気スケールの動作状態と磁気式センサとの関係について説明する。図２は、磁気式センサに対する磁気スケールの動作状態を示す図である。

図２（ａ）においては、磁気スケール７によりＮ極からＳ極に向けて磁界Ｆが形成され、着磁ピッチ内にＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３およびＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３が収まっている状態を示している。また、ＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３およびＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３の上方に記載した実線矢印はそれぞれピン層の磁化方向を示し、破線矢印はそれぞれフリー層の磁化方向を示している。

このとき、ＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３のフリー層は、磁界Ｆに反応してピン層の磁化方向に対して同一方向に磁化されている。一方、ＧＭＲ素子Ｒ２−１〜Ｒ２−３のフリー層は、磁界Ｆに反応してピン層の磁化方向に対して逆方向に磁化されている。すなわち、第１の素子群３においては、抵抗値が最少となり、第２の素子群４においては、抵抗値が最大となる。

この状態から、図２（ｂ）に示すように、磁気スケール７がＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２の配置間隔の１ピッチだけ図示右方向に移動すると、ＧＭＲ素子Ｒ１−１のフリー層は、ピン層の磁化方向と逆方向の磁界Ｆの向きの影響を受けるため、第１の素子群３の抵抗値が増加する。この状態から磁気スケール７がさらに１ピッチだけ図示右方向に移動すると、図２（ｃ）に示すように、ＧＭＲ素子Ｒ２−１のフリー層は、ピン層の磁化方向と同方向の磁界Ｆの向きの影響を受けるため、第２の素子群４の抵抗値が減少する。

次に、図２（ａ）に示す状態から図２（ｄ）に示すように、磁気スケール７がＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２の配置間隔の１ピッチだけ図示左方向に移動すると、ＧＭＲ素子Ｒ２−３のフリー層は、ピン層の磁化方向と同方向の磁界Ｆの向きの影響を受けるため、第２の素子群４の抵抗値が減少する。この状態から磁気スケール７がさらに１ピッチだけ図示左方向に移動すると、図２（ｅ）に示すように、ＧＭＲ素子Ｒ１−３のフリー層は、ピン層の磁化方向と逆方向の磁界Ｆの向きの影響を受けるため、第１の素子群３の抵抗値が増加する。このように、図２（ａ）に示す状態から磁気スケール７を図示左右側に移動させると、第１の素子群３の合成抵抗値が減少すると共に、第２の素子群４の抵抗値が増加する。

このときの磁気スケール７の移動による第１の素子群３の抵抗値および第２の素子群４の抵抗値との関係を図示すると、図３に示すような波形となる。ここで、図３を参照して磁気スケールの移動に伴う直列抵抗回路における抵抗値の変化について説明する。図３は、磁気スケールの移動に伴う直列抵抗回路の抵抗値の変化の説明図である。なお、図３においては、縦軸が第１の素子群の抵抗値および第２の素子群の抵抗値、横軸が磁気スケールの移動距離を示している。また、横軸の上側には、第１の素子群の抵抗値と第２の素子群の抵抗値との合成抵抗である直列抵抗回路の抵抗値が記載されている。

図３においては、第１の素子群３の抵抗値は、２［Ω］〜８［Ω］間で２［Ω］毎に階段状に変化する山形の実線Ｗ１で示される。このとき、第２の素子群４の抵抗値は、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２間の１ピッチ分だけずらし、２［Ω］〜８［Ω］間で２［Ω］毎に階段状に変化する谷形の破線Ｗ２で示される。第２の素子群４のピン層は、第１の素子群３のピン層の磁化方向と逆方向なため、破線Ｗ２は第１の素子群３の波形である実線Ｗ１を上下反転させた波形となる。

この場合、第１の素子群３の抵抗値と第２の素子群４の抵抗値との合成抵抗である直列抵抗回路１２の抵抗値は、配置ピッチに対応して実線Ｗ１の増加区間においては１２［Ω］と１０［Ω］との２値を交互に３回繰り返し、実線Ｗ１の減少区間においては８［Ω］と１０［Ω］との２値を交互に３回繰り返す。この抵抗値の変化パターンは、実線Ｗ１の増加区間および減少区間を１周期として繰り返される。このように、直列抵抗回路１２の抵抗値は、磁気スケール７の極性が反転するのに合わせて、半周期毎に抵抗値の変化パターンが切り換わる。

次に、この直列抵抗回路から出力信号を得るための信号出力回路の回路構成について説明する。図４は、信号出力回路の回路構成図である。図５は、２値化処理回路による２値化処理の説明図である。

図４に示すように、信号出力回路１１は、直列抵抗回路１２と、定電流源１３と、２値化処理回路１４と、アンプ１５とを有して構成されている。直列抵抗回路１２は、一端が２値化処理回路１４に接続される共に、他端がグランドに接続されている。直列抵抗回路１２の一端と２値化処理回路１４との接続点Ｐには、定電流源１３が接続されている。そして、定電流源１３から一定電流が直列抵抗回路１２に流されることにより、接続点Ｐとグランドとの間に直列抵抗回路１２の抵抗値の変化に応じた電圧が現れる。

接続点Ｐとグランドとの間に現れる電圧は、２値化処理回路１４において２値化処理される。具体的には、図５（ａ）に示すように、２値化処理回路１４に第１の閾値Ｔ１と第２の閾値Ｔ２とを設け、接続点Ｐとグランドとの間の電圧と第１の閾値Ｔ１および第２の閾値Ｔ２とを比較することにより２値化する。接続点Ｐとグランドとの間の電圧が第１の閾値Ｔ１より小さい、または第２の閾値Ｔ２より大きい場合にはｈｉｇｈ信号として処理し、第１の閾値Ｔ１以上かつ第２の閾値Ｔ２以下の場合にはｌｏｗ信号として処理する。

このような処理により、図５（ｂ）に示すように、接続点Ｐとグランドとの間に現れる電圧がｈｉｇｈ信号とｌｏｗ信号とに２値化される。２値化された出力信号は、アンプ１５において増幅され、波形成形されたパルス信号として出力される。

以上のように、本実施の形態に係る磁気式センサ１によれば、相互に逆方向に磁化されたピン層を有する第１の素子群３のＧＭＲ素子Ｒ１と第２の素子群４のＧＭＲ素子Ｒ２とが等間隔で交互に配置されているため、直列抵抗回路１２の抵抗値をＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２の配置ピッチに対応して増減させることが可能となる。よって、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２の配置ピッチに対応した信号出力を得ることができ、高分解能の検出精度を実現することが可能となる。また、定電流源１３の電流を大きくすることで、信号強度を向上させることも可能となる。

なお、本実施の形態においては、ＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３のピン層の磁化方向とＧＭＲ素子Ｒ２−１からＲ２−３のピン層の磁化方向とを逆方向として説明したが、ＧＭＲ素子Ｒ１−１〜Ｒ１−３のピン層の磁化方向とＧＭＲ素子Ｒ２−１からＲ２−３のピン層の磁化方向とが異なる方向であればよく、この構成に限定されるものではない。ただし、その際には第１の素子群３の抵抗値の変化量と第２の素子群４の抵抗値の変化量を揃えるなどの処理が必要となる場合がある。

なお、本実施の形態においては、信号出力回路１１に定電流源１３を設けて接続点Ｐとグランドとの間に現れる電圧からＧＭＲ素子の配置ピッチに応じた出力信号を得る構成としたが、ＧＭＲ素子の配置ピッチに応じた出力信号を得られる回路構成であれば、この構成に限定されるものではない。

また、上記した実施の形態においては、２値化処理回路１４に閾値Ｔ１、Ｔ２を設けて、接続点Ｐとグランドとの間に現れる電圧と比較することにより２値化処理する構成としたが、この構成に限定されるものではない。接続点Ｐとグランドとの間に現れる電圧を２値化する構成であればよく、例えば、絶対値回路により２値化処理する構成としてもよい。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

以上説明したように、本発明は、電気信号の不足に起因する不具合を防止して適切に高分解能の検出精度を実現することができるという効果を有し、特に高分解能が要求される磁気式エンコーダに好適なセンサ素子および磁気式センサに有用である。

１ 磁気式センサ
２ 基板
３ 第１の素子群
４ 第２の素子群
７ 磁気スケール
１１ 信号出力回路
１２ 直列抵抗回路
１３ 定電流源
１４ ２値化処理回路
１５ アンプ
Ｒ１、Ｒ２ ＧＭＲ素子

Claims (4)

1. 同一方向に磁化されたピン層を有する複数の第１の磁気抵抗素子を直列接続した第１の素子群と、
   前記第１の素子群の一端に直列接続され、同一方向に磁化されたピン層を有し、前記第１の磁気抵抗素子と同数の第２の磁気抵抗素子を直列接続した第２の素子群とを備え、
   前記第１の素子群および前記第２の素子群は、磁気スケールの移動方向に沿って一列に、前記磁気スケールの着磁ピッチを等分割した配置間隔で前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子とを交互に配置し、
   前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子のピン層の磁化方向が相互に異なる方向であることを特徴とするセンサ素子。
2. 前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子のピン層の磁化方向が相互に逆方向であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記第１の磁気抵抗素子および前記第２の磁気抵抗素子はＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ素子。
4. 一端がグランドに接続された請求項１から請求項３のいずれかに記載のセンサ素子と、
   前記センサ素子の他端に接続され、前記センサ素子に対し一定電流を流す定電流源と、
   前記センサ素子と前記定電流源との接続点に接続され、前記接続点と前記グランドとの間の電圧を出力信号として得ると共に、前記出力信号を２値化処理する２値化処理回路とを備えたことを特徴とする磁気式センサ。

Images