JP5144373B2 - 磁気検知型エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、回転磁石からの漏れ磁界を磁気抵抗効果素子で検知して、回転磁石の回転角度に対応した検知出力を得る磁気検知型エンコーダに関する。

図７に示すように、磁気検知型エンコーダは、基台１に、回転磁石３が軸２を中心として回転自在に支持され、ホール素子などの検知素子５が回転磁石３の着磁面に対向しており、回転磁石３が回転する際の漏れ磁界の変化が検知素子５で検知される。

従来の磁気検知型エンコーダとしては、回転磁石３の回転軸に直交する面である上面３ａおよび下面３ｂが、回転方向に向けてＮ極とＳ極が交互に配置されるように着磁されており、ホール素子などの検知素子５が、上面３ａに対向する位置（ａ）、または下面３ｂに対向する位置（ｂ）に設置されているのが一般的である。

しかし、上記構造では、検知素子５が、回転磁石３と重なる位置に配置されるため、磁気検知型エンコーダの高さ寸法が大きくなり、薄型のパッケージ内に構成することが困難である。

以下の特許文献１には、回転磁石３の外周面３ｃが、回転方向に向けてＮ極とＳ極が交互に配置されるように着磁され、検知素子５が、前記外周面３ｃに対向する位置（ｃ）に設置された磁気検知型エンコーダが開示されている。

また、特許文献１には、検知素子５としてホール素子や磁気抵抗素子が使用されて、回転磁石３が回転する際に、検知素子５を通過する磁束の密度の変化が検知されることが記載されている。すなわち、検知素子５を（ｃ）の位置に配置し、回転磁石３の外周面３ｃからの漏れ磁界のうちの法線方向へ向くベクトル成分の磁束密度の変化を検知するというものである。

しかし、漏れ磁束の密度変化を検知する方法では、使用環境の変化などによって、漏れ磁界の磁束密度が変動すると、検知出力のレベルが変動してしまうため、この検知出力を波形成形して矩形波を得たときに、その矩形波の周期にジッタ方向の揺らぎが発生することになる。そのために、回転磁石３の回転角度を細かな分解能で検知しようとした場合に、矩形波の周期の揺らぎによる誤差が生じやすくなる。回転角度を細かな分解能で正確に検知できるようにするためには、外周面３ｃにおいてＮ極とＳ極を、さらに細かなピッチで着磁することが必要になり、使用する回転磁石３が高価になるのを避けることができない。

また、検知素子５として磁気抵抗素子を使用して、回転磁石３の外周面３ｃからの漏れ磁界のうちの法線方向に向くベクトル成分の磁束密度の変化を検知するには、図７に示すように（ｃ）の位置に配置する検知素子５の磁性膜の面５ａが外周面３ｃに対向するように、検知素子５を基台１から垂直に取り付けることが必要になる。しかし、このような取付け構造では、検知素子５の基台１の表面からの高さ寸法が大きくなるため、薄型の回転磁石３を使用しても、磁気検知型エンコーダの薄型化に限界が生じる。
特開２００７−３５１４号公報

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、検知素子として磁気抵抗効果素子を使用し、回転磁石からの漏れ磁界の磁束密度の変化を検知するのではなく、漏れ磁界の向きを３６０度の全範囲で検知することで、回転磁石の回転角度に対応した磁界の変化を正確に検知できるようにした磁気検知型エンコーダを提供することを目的としている。

また、本発明は、薄い回転磁石を使用したときに全体を薄型に構成できる磁気検知型エンコーダを提供することを目的としている。

本発明は、回転方向に向けてＮ極とＳ極が交互に着磁された外周面を有する回転磁石と、前記回転磁石の前記外周面に対向する検知素子とを有し、
前記検知素子は、磁化の向きが固定された固定磁性層と、前記回転磁石からの漏れ磁界によって磁化方向が決められる自由磁性層とを有し、前記固定磁性層の磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの関係で電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であり、
前記固定磁性層の磁化のベクトルと、前記自由磁性層の磁化のベクトルのそれぞれが、前記回転磁石の回転中心軸と直交する平面内に位置し、前記自由磁性層は、前記回転磁石の回転中心軸に沿う方向の厚さ寸法内で前記外周面に対向し、前記外周面から漏れ出て前記回転中心軸と直交する面内で向きが変る磁束成分によって前記自由磁性層の磁化が飽和させられており、
前記回転磁石の回転に伴って、前記自由磁性層の磁化のベクトルが回転させられることを特徴とするものである。

すなわち本発明は、前記回転磁石が、Ｎ極とＳ極の配列の１ピッチに相当する角度だけ回転するときに、前記自由磁性層の磁化が前記平面内で３６０度回転し、その間に、前記電気抵抗の変化によって、正弦曲線また余弦曲線の１周期分に相当する検出出力を得ることができる。

また、本発明は、正弦曲線また余弦曲線に相当する前記検出出力を波形成形する検出回路が設けられ、前記回転磁石が、Ｎ極とＳ極の配列の１ピッチに相当する角度回転するときに、１周期分の矩形波が得られるものである。

本発明の磁気検知型エンコーダは、検知素子の自由磁性層の膜面すなわち検知面が、回転軸と直交する面内に位置しているため、回転磁石の外周面からの漏れ磁界により、自由磁性層内の磁化のベクトルが回転磁石の回転に伴って３６０度の範囲で回転する。検知素子によって、回転磁石からの漏れ磁界の磁束密度の変化を検知するのではなく、磁化のベクトルの回転を検知するものであるため、外乱や使用環境の変化によって磁束密度に変化が生じたとしても、常に回転磁石の回転角度に対応した正確な検知出力を得ることができる。よって、検知素子からの検知出力を波形成形した矩形波の周期に揺らぎなどが生じにくくなり、回転磁石の回転角度を細かな分解能で正確に検知しやすい。

よって、回転磁石の外周面の着磁ピッチを極めて短ピッチとする必要がなく、比較的大きなピッチで着磁しても、回転角度を細かな精度で検知しやすくなる。よって、微細ピッチで着磁するような高価な磁石を使用する必要がない。

また、本発明は、前記回転磁石は、回転中心軸に沿う厚さ寸法が半径よりも小さい円盤である。

本発明の磁気検知型エンコーダは、磁気抵抗効果素子を、その検知面が基台の表面と平行となるように配置できるので、基台への取付けが容易であり、しかも、自由磁性層を回転磁石の厚さ寸法の範囲内に配置することで、回転磁石の薄型化に伴って全体の薄型化を実現しやすい。

なお、本発明の回転磁石は、着磁面である外周面が、回転中心軸を中心とする円筒面に沿うものである。ただし着磁面である外周面が、必ずしも正確な円筒面上に存在していなくてもよく、磁極ごとに平面となるような、やや多角形の筒面に相当する形状であってもよい。すなわち、本発明での回転磁石は、ラジアル着磁磁石である。

本発明は、回転磁石からの漏れ磁界の磁束密度の変動の影響を受けにくく、回転磁石の回転角度に対応した検知出力を正確に得ることが可能になる。また、薄型の回転磁石を使用することで、全体を薄型に構成しやすくなる。

図１は本発明の実施の形態の磁気検知型エンコーダ１０の構造を示す平面図、図２は前記磁気検知型エンコーダ１０の側面図である。

図２に示すように、磁気検知型エンコーダ１０は、薄い合成樹脂材料などの非磁性材料で形成された基台１１に、非磁性材料で形成された軸受１２が固定されており、この軸受１２に非磁性材料で形成された回転軸１３が回転自在に支持されている。この回転軸１３に回転体１４が固定されている。図示しない回転操作部を操作することによって回転軸１３と回転体１４とが回転させられる。または機構の回転力が回転軸１３に伝達されて、回転軸１３と回転体１４とが回転させられる。回転軸１３の中心軸Ｏは、基台１１の表面に対して垂直である。

回転体１４は、中心軸Ｏに沿う向きの厚さ寸法Ｗが半径よりも十分に小さい薄型の円盤であり、厚さ寸法Ｗは回転体１４の全体において均一である。

回転体１４は、中心部に非磁性材料で形成された支持円盤１５が設けられ、この支持円盤１５が回転軸１３に固定されている。そして、支持円盤１５の外周に回転磁石１６が固定されている。回転磁石１６の外周面１６ａは、前記中心軸Ｏを中心とする円筒面上に位置している。

図１に示すように、回転磁石１６は、１６極に区分して着磁されており、外周面１６ａと内周面１６ｂとが相反する磁極である。また、外周面１６ａは回転方向に向けてＮ極とＳ極とが交互に着磁されており、Ｎ極とＳ極のそれぞれの磁極の着磁範囲の開き角度は２２．５度である。

図２に示すように、基台１１の上には支持台１８が設けられ、この支持台１８の上に検知素子１９が実装されている。検知素子１９の上面１９ａは、回転体１４の上面１４ａよりも上方へ突出しないように配置されている。そして、検知素子１９は、回転磁石１６の外周面１６ａに対向している。

検知素子１９は、図３と図４に示す磁気抵抗効果素子２０を有しており、この磁気抵抗効果素子２０が保護層で覆われている。

図３は磁気抵抗効果素子２０を示す平面図であり、図４は図３に示す磁気抵抗効果素子２０をＩＶ線で切断した断面図の拡大図である。

図３に示すように、磁気抵抗効果素子２０は、複数の素子部２１が互いに平行に形成され、個々の素子部２１の前後端部は、接続電極２８ａ，２８ｂによって２個ずつ接続されている。さらに、両側に位置する素子部２１には引き出し電極２９ａ，２９ｂが接続されている。よって、各素子部２１は直列に接続され、ミアンダ型パターンが構成されている。

図３の紙面は、前記中心軸Ｏと直交する面に一致している。図３では、回転磁石１６の半径の方向をＲで示している。それぞれの素子部２１は、長手方向が半径方向Ｒと直交しており、すなわち、素子部２１の長手方向が回転磁石１６の外周面１６ａの接線方向に向けられている。

図４の断面図に示すように、個々の素子部２１は、素子基板２２の上に、反強磁性層２３、固定磁性層２４、非磁性導電層２５、および自由磁性層２６の順に積層されて成膜され、自由磁性層２６の表面が保護層２７で覆われている。

反強磁性層２３は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層２４はＣｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性導電層２５はＣｕ（銅）などである。自由磁性層２６は、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層２７はＴａ（タンタル）の層である。

前記固定磁性層２４と自由磁性層２６の膜面は、それぞれ中心軸Ｏと直交する平面内に位置している。

素子部２１では、反強磁性層２３と固定磁性層２４との反強磁性結合により、固定磁性層２４の磁化の方向が固定されている。図１および図３に示すように、それぞれの素子部２１の固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）は、回転磁石１６の外周面１６ａの接線方向である。また、固定磁化の方向（Ｐ方向）を示すベクトルは、中心軸Ｏと直交する面内に有る。

検知素子１９は回転磁石１６の外周面１６ａと接近して設置されており、それぞれの素子部２１の自由磁性層２６の磁化が、回転磁石１６の外周面１６ａからの漏れ磁界によって常に飽和するように、素子部２１と外周面１６ａとの距離が決められている。

図２に示すように、回転磁石１６は、外周面１６ａと内周面１６ｂとが逆の極性に着磁されているため、外周面１６ａと内周面１６ｂとの間で、回転体１４の上面１４ａの上方と下面１４ｂの下方に磁束φが延びている。さらに、外周面１６ａにおいて隣り合う磁極間にも磁束が延びているが、図１では、外周面１６ａにおいて隣り合う磁極間に延びる磁束のうちの、中心軸Ｏと垂直な面内で延びる磁束成分をφ１とφ２で示している。磁束成分φ１は前記面内で時計周りに延びる磁束の成分を意味し、磁束成分φ２は前記面内で反時計回りに延びる磁束の成分を意味している。

それぞれの素子部２１の自由磁性層２６は、回転磁石１６の厚さ寸法Ｗの範囲内にあり、すなわち、自由磁性層２６は、回転体１４の下面１４ｂよりも上で、上面１４ａよりも下の高さ位置にある。よって、自由磁性層２６の磁化は、中心軸Ｏと直交する面内で向きが変わる前記磁束成分φ１と前記磁束成分φ２とで飽和させられている。図３では、この磁束成分φ１とφ２で飽和させられる自由磁性層２６の磁化のベクトルをＦで示している。

回転体１４が回転し、回転磁石１６の外周面１６ａが検知素子１９の側方を移動すると、自由磁性層２６を飽和している磁束成分φ１，φ２の向きが変わるため、自由磁性層２６の磁化のベクトルＦが、中心軸Ｏと直交する面内で回転する。図１において、回転磁石１６が時計方向へ回転すると、前記ベクトルＦが前記面内で反時計方向へ回転し、回転磁石１６が反時計方向へ回転すると、前記ベクトルＦが前記面内で時計方向へ回転する。また、回転磁石１６が時計方向または反時計方向へ向けて着磁の１ピッチ分の角度（４５度）、すなわちＮ−Ｓ−Ｎと繰り返す交互着磁の一周期に相当する角度だけ回転すると、自由磁性層２６の磁化のベクトルＦが３６０度回転する。

磁気抵抗効果素子２０は、固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）と、自由磁性層２６の磁化のベクトルＦの方向との関係で電気抵抗が変化する。自由磁性層２６の磁化のベクトルＦが固定磁化の方向（Ｐ方向）と平行になると電気抵抗が極小になり、ベクトルＦが固定磁化の方向（Ｐ方向）と反平行になると電気抵抗が極大になる。

図５は、前記磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗の変化を検知する検知回路３０を示している。

この検知回路３０では、所定電圧の電源電圧Ｖｄｄがスイッチング回路３１で断続して与えられる。スイッチング回路３１はクロックを含むタイミング回路３２によって一定周期で間欠的に開閉される。電源電圧Ｖｄｄが間欠的に与えられることによって、消費電力が低減できるようにしている。

検知回路３０では、磁気抵抗効果素子２０と分圧抵抗３３とが直列に接続され、直列の分圧抵抗３３と磁気抵抗効果素子２０に電圧Ｖｄｄが印加されている。自由磁性層２６の磁化のベクトルＦの向きが、固定磁化の方向（Ｐ方向）と直交しているときに、磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗値が分圧抵抗３３の抵抗値と同じになり、磁気抵抗効果素子２０と分圧抵抗３３との接続中間点３４の電圧がＶｄｄ／２となる。

また、参照抵抗３５と参照抵抗３６が直列に接続され、この直列に接続された参照抵抗３５と参照抵抗３６に電圧Ｖｄｄが作用している。このとき参照抵抗３５と参照抵抗３６との接続中間点３７の電圧がＶｄｄ／２に設定されている。

前記接続中間点３４の電圧と前記接続中間点３７の電圧は差動アンプ３８に与えられ、差動アンプ３８からは両電圧の差が出力される。すなわち、差動アンプ３８からは、接続中間点３７の電圧を基準とし、これに対する接続中間点３４の電圧の増加分と減少分が出力されてシュミットトリガー回路３９に与えられる。シュミットトリガー回路３９では、差動アンプ３８で検出される電圧差が第１のしきい値Ｌ１を超えるとハイの出力がラッチ回路４０に与えられ、前記電圧差が第２のしきい値Ｌ２よりも下がるとローの出力がラッチ回路４０に与えられる。ラッチ回路４０では、シュミットトリガー回路３９からハイの出力を得られているときに出力スイッチ回路４１をＯＮにし、シュミットトリガー回路３９からの出力がローに切り替わると出力スイッチ回路をＯＦＦにする。

図６（Ａ）に示す余弦曲線（または正弦曲線）の出力波形４５は、回転体１４が回転したときの接続中間点３４の電圧の変化を示している。図６（Ａ）の横軸は、回転体１４の回転角度である。回転体１４が４５度回転する間に、自由磁性層２６の磁化のベクトルＦが３６０度回転するため、この間に、前記出力波形４５は余弦曲線の１周期Ｔだけ変化する。そして、回転体１４が３６０度回転する間に、出力波形４５は８周期分変化する。

図６（Ａ）には、シュミットトリガー回路３９で設定される第１のしきい値Ｌ１と第２のしきい値Ｌ２が示されている。図５に示す検知回路３０からの最終出力は、図６（Ｂ）に示す矩形波出力４６である。矩形波出力４６は、出力波形４５が第１のしきい値Ｌ１を超えると立ち上がり、出力波形４５が第２のしきい値Ｌ２よりも低くなると立ち下がる波形である。この矩形波出力４６の周期Ｔは前記出力波形４５の周期と同じであり、回転体１４が３６０度回転する間に、矩形波出力４６が８周期分得られる。

ここで、図６（Ａ）に示す出力波形４５は、回転磁石１６の回転に伴う自由磁性層２６の磁化のベクトルＦの回転角度によって決まるものであり、回転磁石１６の外周面１６ａからの漏れ磁界の磁束密度が変化しても、これに依存することなく出力波形４５のレベルは変動しない。すなわち、温度変化やその他の環境の変化によって漏れ磁界の磁束密度が変動しても、ベクトルＦの向きが変動することがなく、よって、前記出力波形４５のレベルが上下に変動することがなく安定したものとなる。図６（Ａ）に示す出力波形４５を、一定のしきい値Ｌ１，Ｌ２を用いて波形成形する際に、出力波形４５が変動しないために、矩形波出力４６の立ち上がりのタイミングと立下りのタイミングにずれが生じにくくなり、矩形波出力４６は、回転磁石１６の回転角度に正確に追従できるものとなる。

よって、図６（Ｂ）に示す矩形波出力４６をカウントすることで、回転体１４の回転角度を２２．５度単位で正確に測定することができ、また回転体１４が回転しているときの回転速度の変動も精度よく検知できる。

また、図２に示すように、検知素子１９を構成する磁気抵抗効果素子２０の各膜の面が中心軸Ｏと直交する平面内に位置しているため、検知素子１９の取付け作業が容易であり、また、検知素子１９を回転磁石１６の厚さ寸法Ｗの範囲内の高さ寸法に配置できるので、磁気検知型エンコーダ１０を薄型に構成できる。

なお、図１に示す実施の形態では、磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層２４の固定磁化の方向（Ｐ方向）が回転磁石１６の外周面１６ａの接線方向に向けられているが、固定磁化の方向（Ｐ方向）のベクトルの向きは、中心軸Ｏと直交する面内であれば、どの向きであってもよい。

本発明の実施の形態の磁気検知型エンコーダを示す平面図、 図１に示す磁気検知型エンコーダの側面図、 検知素子に使用されている磁気抵抗効果素子の平面図、 図３に示す磁気抵抗効果素子をＩＶ線で切断した拡大断面図、 本発明の実施の形態の磁気検知型エンコーダに設けられる検知回路の回路図、 前記検知回路の波形図、 従来技術の説明図

符号の説明

１０ 磁気検知型エンコーダ
１１ 基台
１２ 軸受
１３ 回転軸
１４ 回転体
１６ 回転磁石
１６ａ 外周面
１９ 検知素子
２０ 磁気抵抗効果素子
２１ 素子部
２４ 固定磁性層
２６ 自由磁性層
Ｐ 固定磁性層の固定磁化の方向
Ｆ 自由磁性層の磁化のベクトル

Claims (4)

1. 回転方向に向けてＮ極とＳ極が交互に着磁された外周面を有する回転磁石と、前記回転磁石の前記外周面に対向する検知素子とを有し、
   前記検知素子は、磁化の向きが固定された固定磁性層と、前記回転磁石からの漏れ磁界によって磁化方向が決められる自由磁性層とを有し、前記固定磁性層の磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの関係で電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であり、
   前記固定磁性層の磁化のベクトルと、前記自由磁性層の磁化のベクトルのそれぞれが、前記回転磁石の回転中心軸と直交する平面内に位置し、前記自由磁性層は、前記回転磁石の回転中心軸に沿う方向の厚さ寸法内で前記外周面に対向し、前記外周面から漏れ出て前記回転中心軸と直交する面内で向きが変る磁束成分によって前記自由磁性層の磁化が飽和させられており、
   前記回転磁石の回転に伴って、前記自由磁性層の磁化のベクトルが回転させられることを特徴とする磁気検知型エンコーダ。
2. 前記回転磁石が、Ｎ極とＳ極の配列の１ピッチに相当する角度だけ回転するときに、前記自由磁性層の磁化が前記平面内で３６０度回転し、その間に、前記電気抵抗の変化によって、正弦曲線また余弦曲線の１周期分に相当する検出出力を得る請求項１記載の磁気検知型エンコーダ。
3. 正弦曲線また余弦曲線に相当する前記検出出力を波形成形する検出回路が設けられ、前記回転磁石が、Ｎ極とＳ極の配列の１ピッチに相当する角度回転するときに、１周期分の矩形波が得られる請求項２記載の磁気検知型エンコーダ。
4. 前記回転磁石は、回転中心軸に沿う厚さ寸法が半径よりも小さい円盤である請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気検知型エンコーダ。

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