JP5394289B2

JP5394289B2 - 磁気検出装置及び磁気エンコーダ

Info

Publication number: JP5394289B2
Application number: JP2010053675A
Authority: JP
Inventors: 徳男中村
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: JP2011185873A

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気検出装置及び磁気エンコーダに関する。

従来、この種の磁気エンコーダとして、シャフト（回転軸）に取り付けられ、Ｎ極とＳ極とが交互に着磁された磁気回転ドラム（回転磁石）と、磁気回転ドラムの磁界を検知する複数のホール素子を有する磁気センサとを備えたものが知られている（特許文献１参照）。この磁気エンコーダにおいて、回転磁石は厚み方向（軸方向）に着磁され、磁気センサは、着磁方向の延長線上にホール素子を近接させた状態で配置されている。

特開２００７−０５１９５３号公報

ところで、図６に示すように、半径方向に着磁された第１の回転磁石と軸方向に着磁された第２の回転磁石とを同軸に取り付けた磁気エンコーダに、従来の磁気センサを適用した場合、各回転磁石の着磁方向の延長線上にホール素子がくるように近接配置するので、２つの磁気センサの基板への実装面は直交する。従って、各磁気センサを同一基板に実装しようとした場合、実装面が基板面と直交する磁気センサを、接続用部材を介して基板に実装する必要があるため、磁気エンコーダが大型化してしまう問題があった。
一方、２つの回転磁石の距離を近づけて磁気エンコーダを小型化しようとすると、非検知対象側の回転磁石からの磁界の干渉を受けてセンサが誤検知してしまうため、磁界の干渉を受けない程度に回転磁石同士の距離を離す必要があり、磁気エンコーダの小型化には限度があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、着磁方向が異なる２つの回転磁石を備えた場合でも、各センサの誤検知を防止すると共に装置全体の小型化を図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。

本発明の磁気検出装置は、回転軸に回動自在に取り付けられると共に半径方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁された第１の回転磁石の磁界を第１の磁気抵抗効果素子を用いて検知する第１の磁気センサと、前記回転軸に回動自在に取り付けられると共に前記回転軸方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁された第２の回転磁石の磁界を第２の磁気抵抗効果素子を用いて検知する第２の磁気センサと、を備え、前記第１の磁気抵抗効果素子の感度軸方向と前記第２の磁気抵抗効果素子の感度軸方向とを直交させて前記第１及び第２の磁気センサを同一基板に設け、前記基板は、前記第１及び第２の回転磁石の径方向に延在する延在面と略平行に設けられ、前記第１の磁気センサは、前記基板の前記第１の回転磁石側となる一方の面に面実装され、前記第２の磁気センサは、前記基板の前記第２の回転磁石側となる他方の面に面実装されたことを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２の磁気抵抗効果素子の各感度軸方向を直交させたので、第１及び第２の回転磁石を近づけた場合でも、非検知対象側の回転磁石からの磁界の干渉を受けることがなく、磁気センサの誤検知を防止することができる。従って、各磁気センサから所望の出力信号を得ることができる。また、第１及び第２の磁気センサを同一基板に設けたので、従来に比べて接続用部材等を削減でき、磁気センサを備える磁気エンコーダの小型化を図ることができる。

また、第１及び第２の磁気センサをそれぞれ検知対象側の基板面に面実装するので、基板の厚み方向において磁気エンコーダを小型化することができる。

上記磁気検出装置において、前記第２の回転磁石は、前記第１の回転磁石に比べて大径に形成されており、前記第１の磁気センサは、前記第１の回転磁石の外周面に近接して配置され、前記第２の磁気センサは、前記基板の他方の面において前記第１の磁気センサと対向する位置からずらして前記第２の回転磁石の延在面の外縁部に対向して配置されたことが好ましい。

この場合には、基板面上で各磁気センサを検知対象となる回転磁石に近接するようにずらして配置したので、各回転磁石からの磁場を確実に検知することができると共に、基板の面内方向において磁気エンコーダを小型化することができる。

本発明の磁気エンコーダは、回転軸に回動自在に取り付けられると共に半径方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁された第１の回転磁石と、前記回転軸に回動自在に取り付けられると共に前記回転軸方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁された第２の回転磁石と、前記第１の回転磁石の磁界を第１の磁気抵抗効果素子を用いて検知する第１の磁気センサと、前記第２の回転磁石の磁界を第２の磁気抵抗効果素子を用いて検知する第２の磁気センサと、を備え、前記第１の磁気抵抗効果素子の感度軸方向と前記第２の磁気抵抗効果素子の感度軸方向とを直交させて前記第１及び第２の磁気センサを同一基板に設け、前記基板は、前記第１及び第２の回転磁石の径方向に延在する延在面と略平行に設けられ、前記第１の磁気センサは、前記基板の前記第１の回転磁石側となる一方の面に面実装され、前記第２の磁気センサは、前記基板の前記第２の回転磁石側となる他方の面に面実装されたことを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２の磁気抵抗効果素子の各感度軸方向を直交させたので、第１及び第２の回転磁石を近づけた場合でも、非検知対象側の回転磁石からの磁界の干渉を受けることがなく、磁気センサの誤検知を防止することができる。従って、各磁気センサから所望の出力信号を得ることができる。また、第１及び第２の磁気センサを同一基板に設けたので、従来に比べて接続用部材等を削減でき、磁気エンコーダの小型化を図ることができる。

なお、第１及び第２の磁気センサをそれぞれ検知対象側の基板面に面実装するので、基板の厚み方向において磁気エンコーダを小型化することができる。

上記磁気エンコーダにおいて、前記第２の回転磁石は、前記第１の回転磁石に比べて大径に形成されており、前記第１の磁気センサは、前記第１の回転磁石の外周面に近接して配置され、前記第２の磁気センサは、前記基板の他方の面において前記第１の磁気センサと対向する位置からずらして前記第２の回転磁石の延在面の外縁部に対向して配置されたことが好ましい。

上記磁気エンコーダにおいて、前記第１の磁気抵抗効果素子は周方向に沿って所定の角度間隔で３つ設けられ、前記第２の磁気抵抗効果素子は周方向に沿って所定の角度間隔で２つ設けられていることが好ましい。

この場合には、第１の磁気センサから所望の位相差を有する３つの出力信号を得ることができ、第２の磁気センサから所望の位相差を有する２つの出力信号を得ることができる。

本発明によれば、着磁方向が異なる２つの回転磁石を備えた場合でも、各センサの誤検知を防止すると共に装置全体の小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る磁気エンコーダを示す図である。本実施の形態に係る第１及び第２の磁気センサの感度軸方向の関係を示す模式図である。本実施の形態に係る第１の回転磁石の回転角度と第１の磁気センサの検出磁界強度の関係を示す図である。本実施の形態に係る第２の回転磁石の回転角度と第２の磁気センサの検出磁界強度の関係を示す図である。本実施の形態に係る第１の磁気センサ及び第２の磁気センサの出力信号を示す図である。本発明の課題を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気検出装置を有する磁気エンコーダについて詳細に説明する。本発明の実施の形態に係る磁気エンコーダは、着磁方向の異なる２つの回転磁石からの磁場をそれぞれ検知して、所望の出力信号を得るものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁気エンコーダを模式的に示す図であり、図１（ａ）は磁気エンコーダの平面図であり、図１（ｂ）は磁気エンコーダの側面図である。図２は、磁気エンコーダの基板近傍を示す部分拡大図である。図１に示すように、磁気エンコーダ１は、回転軸２に回動自在に取り付けられた第１の回転磁石３及び第２の回転磁石４と、第１の回転磁石３及び第２の回転磁石４の磁界をそれぞれ検知する磁気検出装置５と、磁気検出装置５が検知した信号に基づいて第１及び第２の回転磁石３，４の回転を検知するエンコーダ回路６と、を備えている。回転軸２には不図示の駆動モータが接続されており、駆動モータの駆動により第１及び第２の回転磁石３，４が一体的に回動するように構成されている。

第１の回転磁石３は、小径の円盤状に形成され、非磁性材料で形成される内周部７と、磁性材料で形成される外周部８とから構成されている。第１の回転磁石３の外周部８は、半径方向にＮ極とＳ極とが交互に均等ピッチで着磁されると共に、回転方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に均等ピッチで着磁されている。

第２の回転磁石４は、第１の回転磁石３よりも下方位置で回転軸２に取り付けられ、第１の回転磁石３と比べて大径の円盤状に形成されている。第２の回転磁石４は、非磁性材料で形成される内周部９と、磁性材料で形成される外周部１０とから構成されている。第２の回転磁石４の外周部１０は、同軸上において、第１の回転磁石３の外周部８と重ならない位置に形成されている。第２の回転磁石４の外周部１０は、磁石の厚み方向（軸方向）にＮ極とＳ極とが交互に均等ピッチで着磁されると共に、回転方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に均等ピッチで着磁されている。第２の回転磁石４は、第１の回転磁石３に比べて着磁極数が多く形成されている。

磁気検出装置５は、第１の回転磁石３の磁界を検知する第１の磁気センサ１１と、第２の回転磁石４の磁界を検知する第２の磁気センサ１２とから構成され、これらが同一基板１３に配設されている。

基板１３は、平面視略扇形状に形成され、先端側１３ａが第１の回転磁石３の外周面と相補形状に形成されている。この基板１３は、第１及び第２の回転磁石３，４の径方向に延在する延在面と略平行に配設されると共に、先端側１３ａが第１の回転磁石３の外周面に近接して配設されている。

図２に示すように、第１の磁気センサ１１は、第１の回転磁石３の径方向に感度軸方向を持つ第１の磁気抵抗効果素子１４が不図示の基板に実装され、この第１の磁気抵抗効果素子１４がセンサパッケージ１５内に収容されて構成されている。ここで、第１の磁気抵抗効果素子１４の感度軸方向は、第１の回転磁石３からの磁界の方向に最も影響を受ける方向（ラジアル方向）である。

この第１の磁気センサ１１は、基板１３の第１の回転磁石３側となる一方の面（上面）であって、第１の回転磁石３の外周面に近接する位置に面実装されている。本実施の形態では、３つの第１の磁気センサ１１が、周方向に沿って所定の角度Ｒ１（例えば、２４度）を設けて、基板１３上面にそれぞれ面実装されている。このように構成された第１の磁気センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃからの３相出力は、例えば、ブラシレスモータの回転制御用信号として用いられる。なお、以下では、第１の磁気センサ１１ａからの出力をＡ相出力とし、第１の磁気センサ１１ｂからの出力をＢ相出力とし、第１の磁気センサ１１ｃからの出力をＣ相出力として説明する。

なお、磁気抵抗効果素子として、高出力及び高感度特性を有するＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）素子やＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）素子を用いることが好ましい。以下では、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ素子を用いた場合を例に説明する。ＧＭＲ素子は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した磁気抵抗効果素子であり、基板上に下から絶縁層、下地層、反強磁性層、固定磁性層、非磁性中間層、フリー磁性層及び保護層の順に、薄膜プロセスを用いて形成されている。反強磁性層と固定磁性層とが接して形成されているため、磁場中熱処理を施すことにより両磁性層の界面に交換結合磁界が生じ、固定磁性層の磁化方向は一方向に固定される。一方、フリー磁性層の磁化方向は、固定磁性層と違って磁化方向が固定されておらず、外部磁界の侵入方向の変化によって磁化変動するように構成されている。したがって、各ＧＭＲ素子が、回転する回転磁石のＮ極からＳ極へ流れる磁場の影響を受けると、固定磁性層の磁化方向に対するフリー磁性層の磁化方向の角度（磁場角度）が変化し、この磁場角度の変化に基づいて電気抵抗値が変化する。この磁場角度の変化に応じた電気抵抗値に基づく出力信号は、モータの回転制御や高分解能の角度検知等に供される。

一方、第２の磁気センサ１２は、第１の磁気抵抗効果素子１４の感度軸方向と直交する方向に感度軸方向を持つ第２の磁気抵抗効果素子１６が不図示の基板に実装され、第２の磁気抵抗効果素子１６がセンサパッケージ１７内に収容されて構成されている。すなわち、第２の磁気抵抗効果素子１６の感度軸方向は、第２の回転磁石４からの磁界の方向に最も影響を受ける方向（アキシャル方向）である。

この第２の磁気センサ１２は、基板１３の第２の回転磁石４側となる他方の面（下面）であって、第１の磁気センサ１１と対向する位置からずらして、第２の回転磁石４の延在面の外縁部（外周部１０）に対向する位置に面実装されている。すなわち、第１の磁気センサ１１と第２の磁気センサ１２とは、平面視において重ならないように基板１３の上面及び下面にそれぞれ実装されている。本実施の形態では、２つの第２の磁気センサ１２が、周方向に沿って所定の角度Ｒ２（例えば、２２度）を設けて、基板１３下面に面実装されている。このように構成された第２の磁気センサ１２ａ，１２ｂからの２相出力は、例えば、高分解能角度信号や故障検出用信号として用いられる。なお、以下では、磁気検出装置５からの出力をＸ相出力とし、磁気検出装置５からの出力をＹ相出力として説明する。なお、第２の磁気抵抗効果素子１６は、上記第１の磁気抵抗効果素子１４と同様に、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることが好ましい。

このように構成された磁気エンコーダ１は、駆動モータの駆動により回転軸２が回転すると、第１の回転磁石３及び第２の回転磁石４が一体的に回転する。この回転に伴い、第１の磁気センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、それぞれ第１の回転磁石３からの磁界の方向に強く影響を受けて、強磁性固定層の磁化方向に対するフリー磁性層の磁化方向の角度（磁場角度）が変化する。この磁場角度の変化に基づいて電気抵抗値が変化し、この変化に応じた電気抵抗値に基づく出力信号がエンコーダ回路６にそれぞれ出力される。このとき、第１の磁気センサ１１の第１の磁気抵抗効果素子１４の感度軸方向は、第２の磁気センサ１２の第２の磁気抵抗効果素子１６の感度軸方向と直交しているため、検知対象ではない第２の回転磁石４からの磁界の影響（干渉）を受けることがないので、第１の磁気センサ１１では誤検知が生じない。従って、第１の磁気センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃから、所望の位相差を持つ出力信号が得られる。

一方、第２の回転磁石４の回転に伴い、第２の磁気センサ１２は、それぞれ第２の回転磁石４からの磁界の方向に強く影響を受けて、強磁性固定層の磁化方向に対するフリー磁性層の磁化方向の角度が変化する。この磁場角度の変化に基づいて電気抵抗値が変化し、この変化に応じた電気抵抗値に基づく出力信号がエンコーダ回路６にそれぞれ出力される。上記第１の磁気センサ１１と同様に、第２の磁気センサ１２の第２の磁気抵抗効果素子１６の感度軸方向は、第１の磁気センサ１１の第１の磁気抵抗効果素子１４の感度軸方向と直交しているため、検知対象ではない第１の回転磁石３からの磁界の影響（干渉）を受けることがないので、第２の磁気センサ１２では誤検知が生じない。従って、第２の磁気センサ１２ａ，１２ｂから、所望の位相差を持つ出力信号が得られる。

図３は、第１の回転磁石３の回転角度と３相出力する第１の磁気センサ１１の検出磁界強度の関係を示す図である。図４は、第２の回転磁石４の回転角度と２相出力する第２の磁気センサ１２の検出磁場強度の関係を示す図である。図５は、図３及び図４のセンサ出力をコンパレータ回路で２値化したパルス信号を示す図であり、図５（ａ）は第１の磁気センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの３相出力のパルス信号を示し、図５（ｂ）は第２の磁気センサ１２ａ，１２ｂの２相出力パルス信号を示している。図３及び図４において、縦軸は磁束密度を示し、横軸は磁石の回転角度を示している。

図３から、第１の磁気センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃからのＡ相出力（実線）、Ｂ相出力（点線）、Ｃ相出力（一点鎖線）は、第２の回転磁石４からの磁界の干渉を受けることなく、一定の振幅で所定の位相差を持つ信号が得られていることがわかる。同様に、図４から、第２の磁気センサ１２ａ，１２ｂからのＸ相出力（点線）、Ｙ相出力（実線）は、第１の回転磁石３からの磁界の干渉を受けることなく、一定の振幅で所定の位相差を持つ信号が得られていることがわかる。従って、第１の磁気センサ１１の各センサ出力を２値化した場合には、図５（ａ）に示すように、Ａ相出力、Ｂ相出力及びＣ相出力は、所定の位相関係を保つパルス信号となる。同様に、第２の磁気センサ１２の各センサ出力を２値化した場合には、図５（ｂ）に示すように、第２の磁気センサ１２のＸ相出力及びＹ相出力は、所定の位相関係を保つパルス信号となる。

このように、本実施の形態では、第１及び第２の磁気抵抗効果素子１４，１６の各感度軸方向を直交させたので、第１及び第２の回転磁石３，４を近づけた場合でも、非検知対象側の回転磁石からの磁界の干渉を受けることがなく、各磁気センサ１１，１２の誤検知を防止することができる。従って、各磁気センサ１１，１２から所望の出力信号を得ることができる。また、第１及び第２の磁気センサ１１，１２を同一基板１３に設けたので、従来に比べて接続用部材等を削減でき、磁気エンコーダ１の小型化を図ることができる。

また、第１及び第２の磁気センサ１１，１２をそれぞれ検知対象側の基板面に面実装するので、基板１３の厚み方向における磁気エンコーダ１の小型化が可能である。さらに、基板１３面上で各磁気センサ１１，１２を検知対象となる回転磁石３，４に近接するようにずらして配置したので、各回転磁石３，４からの磁場を確実に検知することができると共に、基板１３の面内方向においても磁気エンコーダの小型化が可能である。

なお、上記実施の形態では、第１の回転磁石３を第２の回転磁石４の上方に配置した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、同軸上であれば第１の回転磁石３を第２の回転磁石４の下方に配置してもよい。この場合には、基板１３の上面に第２の磁気センサ１２を面実装し、基板１３の下面に第１の磁気センサ１１を面実装する。

また、上記実施の形態では、基板１３に、３個の第１の磁気センサ１１及び２個の第２の磁気センサ１２を実装した場合を例に挙げたが、各磁気センサ１１，１２の実装数はこれに限定されるものではなく、使用用途等及び回転磁石の着磁極数に応じて任意の数の磁気センサ１１，１２を実装することが可能である。

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。

１磁気エンコーダ
２回転軸
３第１の回転磁石
４第２の回転磁石
５磁気検出装置
６エンコーダ回路
７内周部
８外周部
９内周部
１０外周部
１１第１の磁気センサ
１２第２の磁気センサ
１３基板
１３ａ先端側
１４第１の磁気抵抗効果素子
１５センサパッケージ
１６第２の磁気抵抗効果素子
１７センサパッケージ

Claims

回転軸に回動自在に取り付けられると共に半径方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁された第１の回転磁石の磁界を第１の磁気抵抗効果素子を用いて検知する第１の磁気センサと、
前記回転軸に回動自在に取り付けられると共に前記回転軸方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁された第２の回転磁石の磁界を第２の磁気抵抗効果素子を用いて検知する第２の磁気センサと、を備え、
前記第１の磁気抵抗効果素子の感度軸方向と前記第２の磁気抵抗効果素子の感度軸方向とを直交させて前記第１及び第２の磁気センサを同一基板に設け、前記基板は、前記第１及び第２の回転磁石の径方向に延在する延在面と略平行に設けられ、前記第１の磁気センサは、前記基板の前記第１の回転磁石側となる一方の面に面実装され、前記第２の磁気センサは、前記基板の前記第２の回転磁石側となる他方の面に面実装されたことを特徴とする磁気検出装置。
前記第２の回転磁石は、前記第１の回転磁石に比べて大径に形成されており、前記第１の磁気センサは、前記第１の回転磁石の外周面に近接して配置され、前記第２の磁気センサは、前記基板の他方の面において前記第１の磁気センサと対向する位置からずらして前記第２の回転磁石の延在面の外縁部に対向して配置されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
回転軸に回動自在に取り付けられると共に半径方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁された第１の回転磁石と、
前記回転軸に回動自在に取り付けられると共に前記回転軸方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁された第２の回転磁石と、
前記第１の回転磁石の磁界を第１の磁気抵抗効果素子を用いて検知する第１の磁気センサと、
前記第２の回転磁石の磁界を第２の磁気抵抗効果素子を用いて検知する第２の磁気センサと、を備え、
前記第１の磁気抵抗効果素子の感度軸方向と前記第２の磁気抵抗効果素子の感度軸方向とを直交させて前記第１及び第２の磁気センサを同一基板に設け、前記基板は、前記第１及び第２の回転磁石の径方向に延在する延在面と略平行に設けられ、前記第１の磁気センサは、前記基板の前記第１の回転磁石側となる一方の面に面実装され、前記第２の磁気センサは、前記基板の前記第２の回転磁石側となる他方の面に面実装されたことを特徴とする磁気エンコーダ。
前記第２の回転磁石は、前記第１の回転磁石に比べて大径に形成されており、前記第１の磁気センサは、前記第１の回転磁石の外周面に近接して配置され、前記第２の磁気センサは、前記基板の他方の面において前記第１の磁気センサと対向する位置からずらして前記第２の回転磁石の延在面の外縁部に対向して配置されたことを特徴とする請求項３に記載の磁気エンコーダ。
前記第１の磁気抵抗効果素子は周方向に沿って所定の角度間隔で３つ設けられ、前記第２の磁気抵抗効果素子は周方向に沿って所定の角度間隔で２つ設けられていることを特徴とする請求項４に記載の磁気エンコーダ。