JP5780744B2 - ロータリエンコーダ - Google Patents

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Description

本発明は、円弧形状の磁気スケールと、センサ面に磁気抵抗パターンを備える磁気センサ基板を有し、磁気スケールと磁気センサ基板の相対回転を検出するロータリエンコーダに関する。
リニアエンコーダとしては、N極とS極が交互に並ぶ直線状のトラックを備える磁気スケールと、互いに90°の位相差で磁気スケールの移動検出を行うA相とB相を検出するための磁気抵抗パターンをセンサ面に備える磁気センサ基板を有しており、磁気スケールと磁気センサ基板のセンサ面を対向させた状態で磁気センサ基板と磁気スケールとを相対移動させるものが知られている。特許文献1に記載のリニアエンコーダでは、A相を検出するための磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって磁気スケールの移動検出を行う+a相の磁気抵抗パターンと−a相の磁気抵抗パターンとを備え、B相を検出するための磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって磁気スケールの移動検出を行う+b相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンを備えている。+a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンは移動方向の異なる位置に配置されており、−a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンも移動方向の異なる位置に配置されている。
特開2007−271608号公報
特許文献1に記載の技術を利用してロータリエンコーダを構成する際には、磁気スケールを予め定めた中心軸回りの周方向に沿って所定角度範囲毎にN極とS極とが交互に並ぶ円弧状のトラックを備えるものとして、この磁気スケールと、特許文献1に記載の各磁気抵抗パターンをセンサ面に備える磁気センサ基板と中心軸回りに相対回転させることが考えられる。このようにすると、トラックに対向配置される各磁気抵抗パターンは、+a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンとがトラックの周方向の異なる位置に配置され、−a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンがトラックの周方向の異なる位置に配置される。図20は、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−のトラック100に対する配置を示す平面図である。
このような構成では、ロータリエンコーダを構成する際に磁気センサ基板と磁気スケールがトラックの半径方向の特定方向に相対的にずれた場合には、+a相の磁気抵抗パターンが+a相を検出する検出位置と、+b相の磁気抵抗パターンが+b相を検出する検出位置が、トラックの半径方向にずれるだけではなく、トラックに対して予め設定した設定検出角度位置からずれてしまう。また、+a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンはトラックの周方向の異なる位置に配置されているので、+a相を検出する検出位置が+a相の設定検出角度位置からずれる変位機械角度と、+b相を検出する検出位置が+b相の設定検出角度位置からずれる変位機械角度との間に機械角度差が発生する。同様に、−a相の磁気抵抗パターンが−a相を検出する検出位置と、−b相の磁気抵抗パターンが−b相を検出する検出位置も、トラックの半径方向にずれるだけではなく、トラックに対して予め設定した設定検出角度位置からずれてしまう。また、−a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンは周方向の異なる位置に配置されているので、−a相を検出する検出位置が−a相の設定検出角度位置からずれる変位機械角度と、−b相を検出する検出位置が−b相の設定検出角度位置からずれる変位機械角度との間に機械角度差が発生する。
より具体的には、図20に示すように、磁気センサ基板と磁気スケールが特定方向(矢印で示す上下方向)に相対的に距離Mだけずれたときに、特定方向に対して小さな機械角度差の位置にある−a相の磁気抵抗パターンSIN−の検出位置が予め定めた−a相の設定検出角度位置からずれる変位機械角度θaよりも、特定方向に対して大きな機械角度差の位置にある−b相の磁気抵抗パターンCOS−の検出位置が予め定めた−b相の設定検出角度位置からずれる変位機械角度θbの方が大きくなる。
ここで、円弧形状のトラックでは、トラックの各S極、各N極の形状のそれぞれが外周から内周側に向けて幅が狭くなる扇型に形成されているので、トラック内の着磁波長は半径方向の外側が長く、内側が短くなっている。従って、磁気センサ基板と磁気スケールが特定方向に相対的にずれることによって、A相(+a相、−a相)を検出するためのA相用の検出位置とB相(+b相、−b相)を得るためのB相用の検出位置がトラックの半径方向にずれ、かつ、A相用の検出位置がA相用の設定検出角度位置に対してずれた変位機械角度と、B相用の検出位置がB相用の設定検出角度位置に対してずれた変位機械角度の間に機械角度差が発生すると、A相とB相との間で波長が変化して大きな波長の長さの相違が発生し、この結果、磁気スケールの相対移動を検出する検出精度が低下するという問題がある。
本発明の課題は、このような点に鑑みて、周方向に沿って所定角度範囲毎にN極とS極とが交互に並ぶ円弧状のトラックを備える磁気スケールと、トラックと対向するセンサ面に磁気抵抗パターンを備える磁気センサ基板に位置ずれが発生した場合でも、磁気センサ基板と磁気スケールの相対移動を精度よく検出できるロータリエンコーダを提案することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、
予め定めた中心軸回りの周方向に沿って所定角度範囲毎にN極とS極とが交互に並ぶトラックを備える磁気スケールと、互いに90°の位相差で前記磁気スケールの移動検出を行うA相およびB相を検出するための磁気抵抗パターンをセンサ面に備える磁気センサ基板とを有し、前記トラックと前記センサ面とを対向させた状態で前記磁気スケールと前記磁気センサ基板とを前記中心軸回りに相対回転させるロータリエンコーダにおいて、
前記A相を検出するための前記磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって前記磁気スケールの移動検出を行う+a相の磁気抵抗パターンと−a相の磁気抵抗パターンとを
備え、
前記B相を検出するための前記磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって前記磁気スケールの移動検出を行う+b相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンとを備え、
前記+a相の磁気抵抗パターン、前記−a相の磁気抵抗パターン、+b相の磁気抵抗パターンおよび前記−b相の磁気抵抗パターンのうちのいずれか2つは積層された第1積層磁気抵抗パターンとして形成されており、残りの2つは積層された第2積層磁気抵抗パターンとして形成されており、
前記+a相の磁気抵抗パターン、前記−a相の磁気抵抗パターン、+b相の磁気抵抗パターンおよび前記−b相の磁気抵抗パターンのそれぞれは、
+a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンが、+a相と+b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置され、かつ、−a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンが、−a相と−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置されているか、
または、
+a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンが、+a相と−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置され、かつ、−a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンが、−a相と+b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、磁気スケールの移動検出を行うためのA相およびB相を検出するための+a相の磁気抵抗パターン、−a相の磁気抵抗パターン、+b相の磁気抵抗パターンおよび−b相の磁気抵抗パターンは、第1積層磁気抵抗パターンおよび第2積層磁気抵抗パターンとして積層状態で磁気センサ基板のセンサ面に形成されている。従って、これら各磁気抵抗パターンのそれぞれを磁気センサ基板上に単相で形成する場合と比較して、各磁気抵抗パターンをトラックの周方向で狭い機械角度範囲内に配置できる。従って、+a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンを、+a相と+b相が最小位相差(同一の波長内の90°の位相差)となる最小角度に配置し、かつ、−a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンを、−a相と−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置することが容易となる。或いは、+a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンを、+a相と−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置し、かつ、−a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンを、−a相と+b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置することが容易となる。最小位相差とは90°の位相差である。
ここで、+a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンと−a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンのそれぞれがトラックの周方向で狭い機械角度範囲内に配置されていれば、磁気センサ基板と磁気スケールが半径方向に相対的にずれた場合に、+a相、−a相を検出するための検出位置が予めトラックに対して設定した設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度と、+b相、−b相を検出する検出位置が予めトラックに対して設定したB相用の設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度との間に発生する機械角度差を抑制できる。また、+a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンおよび−a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンのそれぞれがトラックの周方向で狭い機械角度範囲内に配置されていれば、+a相、−b相を検出するための検出位置が予めトラックに対して設定した設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度と、−a相、+b相を検出する検出位置が予めトラックに対して設定した設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度との間に発生する機械角度差を抑制できる。この結果、A相とB相との間で波長の長さの相違が発生することを低減させることができるので、磁気スケールの相対移動を検出する検出精度が低下してしまうことを抑制できる。
また、本発明では、前記第1積層磁気抵抗パターンと前記第2積層磁気抵抗パターンとは、積層されていることを特徴とする。すなわち、+a相の磁気抵抗パターン、−a相の磁気抵抗パターン、+b相の磁気抵抗パターンおよび−b相の磁気抵抗パターンを磁気センサ基板上で4層に形成すれば、磁気センサ基板を周方向および半径方向で小型化できる。また、このようにすれば、A相およびB相の位相が最小位相差となるだけではなく、+a相と−a相の位相が最小位相差となり、かつ、+b相と−b相の位相が最小位相差となるので、+a相と−a相から差動出力を得る際の出力変動、および、+b相と−b相から差動出力を得る際の出力変動を最小化することができる。
本発明において、前記トラックとして、半径方向に並列して周方向に延びる複数のトラックを備えており、前記複数のトラックでは、隣接するトラック間でN極およびS極の位置が移動方向にずれており、前記第1積層磁気抵抗パターンおよび前記第2積層磁気抵抗パターンのそれぞれは、隣接するトラックの境界部分と対向しており、各磁気抵抗パターンは、各磁気抵抗パターンの抵抗値の飽和感度領域以上の磁界強度で前記トラックの面内方向の向きが変化する回転磁界を検出することが望ましい。磁気スケールに複数のトラックを備えれば、隣接するトラックの境界部分において、各磁気抵抗パターンの抵抗値の飽和感度領域以上の磁界強度でトラックの面内方向の向きが変化する回転磁界を発生させることができる。ここで、飽和感度領域とは、一般的に、抵抗値変化量kが、磁界強度Hと近似的に「k∝H2」の式で表すことができる領域以外の領域をいう。また、飽和感度領域以上の磁界強度で回転磁界(磁気ベクトルの回転)の方向を検出する際の原理は、強磁性金属からなる磁気抵抗パターンに通電した状態で、抵抗値が飽和する磁界強度を印加したとき、磁界と電流方向がなす角度θと、磁気抵抗パターンの抵抗値Rとの間には、下式
R=R0−k×sin2θ
R0:無磁界中での抵抗値
k:抵抗値変化量(飽和感度領域以上のときは定数)
で示す関係があることを利用するものである。このような原理に基づいて回転磁界を検出すれば、角度θが変化すると抵抗値Rが正弦波に沿って変化するので、波形品質の高いA相およびB相を得ることができる。よって、磁気スケールと磁気センサ基板との相対回転速度、角度位置などを精度良く検出できる。
本発明によれば、磁気スケールの移動検出を行うためのA相およびB相を検出するための+a相の磁気抵抗パターン、−a相の磁気抵抗パターン、+b相の磁気抵抗パターンおよび−b相の磁気抵抗パターンは、第1積層磁気抵抗パターンおよび第2積層磁気抵抗パターンとして積層状態で磁気センサ基板のセンサ面に形成されており、それぞれの磁気抵抗パターンがトラックの周方向で狭い機械角度範囲内に配置されている。従って、磁気センサ基板と磁気スケールが半径方向に相対的にずれた場合に、+a相、−a相を検出するための検出位置が予めトラックに対して設定した設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度と、+b相、−b相を検出する検出位置が予めトラックに対して設定したB相用の設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度との間に発生する機械角度差を抑制できる。或いは、+a相、−b相を検出するための検出位置が予めトラックに対して設定した設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度と、−a相、+b相を検出する検出位置が予めトラックに対して設定した設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度との間に発生する機械角度差を抑制できる。この結果、A相とB相との間で波長の長さの相違が発生することを低減させることができるので、磁気スケールの相対移動を検出する検出精度が低下してしまうことを抑制できる。
参考例1のロータリエンコーダの説明図である。 磁気センサ基板上の各磁気抵抗パターンの配置を示す説明図である。 磁気センサ基板上の各磁気抵抗パターンを示す平面図である。 各磁気抵抗パターンの端子部周辺の断面図である。 各磁気抵抗パターンが構成する回路図である。 ロータリエンコーダから出力される波形等を示す説明図である。 比較例1のロータリエンコーダの説明図である。 比較例1のロータリエンコーダから出力される波形等を示す説明図である。 −a相と−b相の磁気抵抗パターンの配置を示す平面図である。 参考例2の磁気センサ基板上の各磁気抵抗パターンの配置を示す説明図である。 参考例3のロータリエンコーダの説明図である。 磁気センサ基板上の各磁気抵抗パターンの配置を示す説明図である。 参考例3のロータリエンコーダから出力される波形等を示す説明図である。 参考例4のロータリエンコーダの説明図である。 参考例4のロータリエンコーダから出力される波形等を示す説明図である。 比較例2のロータリエンコーダの説明図である。 比較例2のロータリエンコーダから出力される波形等を示す説明図である。 本発明を適用した実施例1のロータリエンコーダの説明図である。 参考例5のロータリエンコーダの説明図である。 従来例の−a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンのトラックに対する配置を示す説明図である。
以下に、図面を参照して、本発明を適用したロータリエンコーダの実施の形態を説明する。
参考例1
(全体構成)
図1(a)は参考例1のロータリエンコーダの側面図であり、図1(b)は磁気スケールを検出器の側から見た斜視図であり、図1(c)は磁気スケール上の着磁トラックの説明図であり、図1(d)は検出器の斜視図である。
本例のロータリエンコーダ1は、円環状の磁気スケール2と、磁気スケール2の回転移動を検出するための検出器3を備えている。磁気スケール2は、図1(b)に示すように、SPPC(冷間圧延鋼板)などの金属製の円環状のヨーク21と、このヨーク21の表面に固定した円環状のマグネット22を備えている。図1(c)に示すように、マグネット22の表面には周方向に延びる円環状のトラック23が設けられている。トラック23は半径方向に並列して周方向に延びる外側の第1トラック231と内側の第2トラック232を備えている。これら第1トラック231と第2トラック232は着磁ヘッドによってマグネット22に対する着磁を行うことにより設けられる。
各トラック231、232には、周方向に沿って所定角度範囲毎にN極とS極とが交互に設けられている。また、第1トラック231と第2トラック232の間ではN極およびS極の位置が周方向で1磁極分ずれている。マグネット22の着磁表面には、ステンレスなどの非磁性材料からなる円環状の保護カバー24が取り付けられており、ヨーク21と保護カバー24の間で露出しているマグネット22の内周面部分および外周面部分は、内周側および外周側からこれらヨーク21と保護カバー24の間に充填される接着剤(不図示)によって覆われている。本例では、第1トラック231と第2トラック232は周方向に90分割されてN極とS極が交互に着磁されており、各磁極が着磁されている角度範囲は4°である。また、各S極および各N極の平面形状は外周から内周側に向けて幅が狭くなる扇型となっている。なお、磁気スケール2から保護カバー24を省略することが可
能であり、この場合には、接着剤はマグネット22のヨーク21への固定のみに用いればよい。
検出器3は、図1(d)に示すように、亜鉛ダイカスト品やアルミニウムダイカスト品からなる環状のホルダ31と、このホルダ31の表面の周方向の一部分に取り付けられた磁気センサ基板32と、磁気センサ基板32と不図示の演算回路とを電気的に接続するためのコネクタ33と、環状のホルダ31の裏面側を延びて磁気センサ基板32とコネクタ33を電気的に接続しているフレキシブルプリント基板34を備えている。磁気センサ基板32の表面にはセンサ面32aが設けられており、磁気抵抗素子35が配置されている。センサ面32aには電気ノイズ対策として金属製のシールドテープ36が貼り付けられており、磁気抵抗素子35はシールドテープ36によって覆われている。
ロータリエンコーダ1は、磁気スケール2を可動部材(不図示)に固定し、検出器3を磁気スケール2の中心軸L上に同軸に配置して、検出器3のセンサ面32aと磁気スケール2のトラック23を狭いギャップを開けて対向させた状態として構成される。また、検出器3は、中心軸Lを中心として回転する磁気スケール2のトラック23の面内方向に形成されている回転磁界(磁気ベクトルの方向)を検出することにより、可動部材および磁気スケール2が中心軸L回りを回転した際の回転速度、回転方向、角度位置を検出する。ここで、回転磁界は、隣接するトラックの間でN極およびS極の位置が周方向でずれていることにより、第1トラック231と第2トラック232の境界部分23aに形成されている。回転磁界において、トラック23の面内方向における磁気ベクトルの向きは、境界部分23aを周方向に移動するのに伴って漸次に変化して回転している。
(磁気抵抗素子)
図2(a)は磁気センサ基板32のセンサ面32a上の各磁気抵抗パターンの配置を示す平面図であり、図2(b)は各磁気抵抗パターンの磁気センサ基板32上の積層状態を示す説明図である。図2(a)では、各磁気抵抗パターンと重ねて各磁気抵抗パターンと対向配置されるトラック23を記載している。磁気センサ基板32のセンサ面32aに配置されている磁気抵抗素子35は、互いに90°の位相差で磁気スケール2の面内方向で向きが変化する回転磁界を検出するA相(SIN相)およびB相(COS相)を検出するための磁気抵抗パターンを備えている。なお、図中では、A相(SIN相)の磁気抵抗パターンにはSINを付し、B相(COS相)の磁気抵抗パターンにはCOSを付してある。
A相(SIN相)を検出するための磁気抵抗パターンSINは、180°の位相差をもって磁気スケール2の移動検出を行う+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−a相の磁気抵抗パターンSIN−を備えている。B相(COS相)を検出するための磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって磁気スケール2の移動検出を行う+b相の磁気抵抗パターンCOS+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を備えている。
本例では、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+は積層された第1積層磁気抵抗パターン351として磁気センサ基板32のセンサ面32a上に形成されている。+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+のそれぞれは、トラック23の半径方向においては、その中心が第1トラック231と第2トラック232の境界部分23aに対向して配置されており、トラック23の周方向においては、+a相の磁気抵抗パターンSIN+が検出する+a相と+b相の磁気抵抗パターンCOS+が検出する+b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置されている。すなわち、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+は磁気スケール2から得られる同一の波長を90°の位相差で検出可能な角度位置に配置されている。本例では、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗
パターンCOS+は周方向で1°ずれた位置に配置されている。また、図2(b)に示すように、磁気センサ基板32のセンサ面32a上に+b相の磁気抵抗パターンCOS+が形成され、+a相の磁気抵抗パターンSIN+がその上に積層されている。なお、最小位相差とは90°の位相差であり、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+の上下関係は逆でもよい。
−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−も、積層された第2積層磁気抵抗パターン352として磁気センサ基板32のセンサ面32a上に形成されている。−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−のそれぞれは、トラック23の半径方向においては、その中心が第1トラック231と第2トラック232の境界部分23aに対向して配置されており、トラック23の周方向においては、−a相の磁気抵抗パターンSIN−が検出する−a相と−b相の磁気抵抗パターンCOS−が検出する−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置されている。すなわち、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−は磁気スケール2から得られる同一の波長を90°の位相差で検出可能な角度位置に配置されている。本例では、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−は周方向で1°ずれた位置に配置されている。また、図2(b)に示すように、磁気センサ基板32のセンサ面32a上に−a相の磁気抵抗パターンSIN−が形成され、−b相の磁気抵抗パターンCOS−がその上に積層されている。なお、最小位相差とは90°の位相差であり、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−の積層関係は逆でもよい。
次に、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352は、周方向で重ならない位置に配置されている。より詳細には、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352は、第1積層磁気抵抗パターン351の+a相の磁気抵抗パターンSIN+から検出される+a相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−a相の磁気抵抗パターンSIN−から検出される−a相が180°の位相差となる位置であり、第1積層磁気抵抗パターン351の+b相の磁気抵抗パターンCOS+から検出される+b相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−b相の磁気抵抗パターンCOS−から検出される−b相とが180°の位相差となる位置に配置されている。さらに、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352が電気的或いは磁気的に干渉しない最小距離だけ離れた角度位置に配置されている。本例では、第1積層磁気抵抗パターン351の+a相の磁気抵抗パターンSIN+と、第2積層磁気抵抗パターン352の−a相の磁気抵抗パターンSIN−は周方向に22°ずれた位置に配置されている。第1積層磁気抵抗パターン351の+b相の磁気抵抗パターンCOS+と、第2積層磁気抵抗パターン352の−b相の磁気抵抗パターンCOS−も、同様に、周方向に22°ずれた位置に配置されている。
(磁気抵抗パターン)
次に、図3、図4を参照して磁気抵抗パターンの詳細を説明する。図3(a)は磁気センサ基板32のセンサ面32a上に形成されている+b相の磁気抵抗パターンCOS+および−a相の磁気抵抗パターンSIN−を示す平面図であり、図3(b)は+b相の磁気抵抗パターンCOS+および−a相の磁気抵抗パターンSIN−上に形成されている+a相の磁気抵抗パターンSIN+および−b相の磁気抵抗パターンCOS−を示す平面図である。図4(a)は+b相の磁気抵抗パターンCOS+および−a相の磁気抵抗パターンSIN−と端子部との接続部分の周辺を示す断面図であり、図4(b)は+a相の磁気抵抗パターンSIN+および−b相の磁気抵抗パターンCOS−と端子部との接続部分の周辺を示す断面図である。
磁気センサ基板32は長方形をしており、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、C
OS+、COS−は磁気センサ基板32の中央領域に形成されている。短手方向の一方の端縁部分はフレキシブルプリント基板34が接続される端子部37が形成されている。各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−は、ガラス或いはシリコンからなる磁気センサ基板32上に、半導体プロセスによって強磁性体NiFe等の磁性体膜を積層することによって形成されている。
より詳細には、図3、図4に示すように、磁気センサ基板32の短手方向の端縁部分には、Tiからなる下地層35aを形成した上に、強磁性体NiFeからなる端子部37が形成されている。また、磁気センサ基板32上の中央領域には、強磁性体NiFeの第1の磁性体層35bからなる+b相の磁気抵抗パターンCOS+および−a相の磁気抵抗パターンSIN−が形成されている。図4(a)に示すように、+b相の磁気抵抗パターンCOS+或いは−a相の磁気抵抗パターンSIN−と端子部37の接続部分にはAlからなる第1の導電層35cが積層されている。
また、第1の磁性体層35bおよび第1の導電層35cの上には、SiO2等の第1の無機絶縁層35dが形成され、この第1の無機絶縁層35dの上に、強磁性体NiFeからなる第2の磁性体層35eからなる+a相の磁気抵抗パターンSIN+および−b相の磁気抵抗パターンCOS−が形成されている。図4(a)、(b)に示すように、+a相の磁気抵抗パターンSIN+或いは−b相の接続部分にはAlからなる第2の導電層35fが積層されている。さらに、第2の磁性体層35eおよび第2の導電層35fの上には、SiO2等の第2の無機絶縁層35gが形成されている。これにより、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+が積層された第1積層磁気抵抗パターン351となっており、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−が積層された第2積層磁気抵抗パターン352となっている。
さらに、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−は、端子部37を除いてエポキシ樹脂など有機質の保護層35hによって覆われている。保護層35hは、例えば、スクリーン印刷によって形成されている。
図5は、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−が構成する回路図である。+a相の磁気抵抗パターンSIN+および−a相の磁気抵抗パターンSIN−は、図5(a)に示すように、ブリッジ回路を構成しており、いずれも一方端が電源端子(Vcc)に接続され、他方端がグランド端子(GND)に接続されている。また、+a相の磁気抵抗パターンSIN+の中点位置には、+a相が出力される端子+aが設けられ、−a相の磁気抵抗パターンSIN−の中点位置には、−a相が出力される端子−aが設けられる。
ここで、第1トラック231および第2トラック232の境界部分23aには、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−の抵抗値の飽和感度領域以上の磁界強度でトラック23の面内方向の向きが変化する回転磁界が発生しており、+a相の磁気抵抗パターンSIN+および−a相の磁気抵抗パターンSIN−は、この回転磁界を180°の位相差で検出する。従って、端子+a、端子−aからの出力を減算器に入力すれば歪の少ない正弦波の差動出力を得ることができる。
同様に、+b相の磁気抵抗パターンCOS+および−b相の磁気抵抗パターンCOS−は、図5(b)に示すように、ブリッジ回路を構成しており、いずれも一方端が電源端子(Vcc)に接続され、他方端がグランド端子(GND)に接続されている。+b相の磁気抵抗パターンCOS+の中点位置には、+b相が出力される端子+bが設けられ、−b相の磁気抵抗パターンCOS−の中点位置には、−b相が出力される端子−bが設けられる。
ここで、第1トラック231および第2トラック232の境界部分23aには、各磁気抵抗パターンCOS+、COS−の抵抗値の飽和感度領域以上の磁界強度でトラック23の面内方向の向きが変化する回転磁界が発生しており、+b相の磁気抵抗パターンCOS+および−b相の磁気抵抗パターンCOS−は、この回転磁界を180°の位相差で検出する。従って、端子+b、端子−bからの出力を減算器に入力すれば歪の少ない正弦波の差動出力を得ることができる。
さらに、端子+aからの+a相および端子−aからの−a相から得られた差動出力と、端子+bからの+b相および端子−bからの−b相から得られた差動出力を、アークタンジェント演算による電気分割を行う事によって、磁気スケール2の回転速度、角度位置を検出する事ができる。
(作用効果)
図6(a)は本例のロータリエンコーダ1により得られるA相(SIN相)およびB相(COS相)のアナログ出力であり、図6(b)はそのリサージュ図形であり、図6(c)は回転角度に対する検出誤差を示すグラフである。本例によれば、図6(a)に示すように、A相(SIN相)として歪の少ない正弦波出力を得ることができ、B相(COS相)として歪の少ない余弦波出力を得ることができる。また、図6(b)に示すように、アナログ出力から得られるリサージュ図形は略円形となっており、A相(SIN相)とB相(COS相)に波長の長さの相違が発生することが抑制されている。さらに、図6(c)に示すように、角度位置を検出する際の誤差が少ない
ここで、比較例1として、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−を磁気センサ基板32上に単層に形成したロータリエンコーダを説明する。図7(a)は比較例1のロータリエンコーダにおける磁気センサ基板32上の各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を示す平面図であり、図7(b)は各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の磁気センサ基板32上の状態を示す説明図である。図8(a)は比較例1のロータリエンコーダ1により得られるA相(SIN相)およびB相(COS相)のアナログ出力であり、図8(b)はそのリサージュ図形であり、図8(c)は回転角度に対する検出誤差を示すグラフである。なお、比較例1のロータリエンコーダ1´は、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を除き、検出器3および磁気スケール2の構成は参考例1のロータリエンコーダ1と同一の構成を備えているので、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を説明して、他の説明を省略する。
比較例1のロータリエンコーダ1´では、+a相の磁気抵抗パターンSIN+、+b相の磁気抵抗パターンCOS+、−a相の磁気抵抗パターンSIN−および−b相の磁気抵抗パターンCOS−のそれぞれは、トラック23の周方向において、この順番で配置されており、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−はいずれも重なっておらず、トラック23の半径方向においては、その中心が第1トラック231と第2トラック232の境界部分23aに対向して配置されている。
また、トラック23の周方向においては、+a相の磁気抵抗パターンSIN+が検出する+a相と+b相の磁気抵抗パターンCOS+が検出する+b相が90°離れた位相差となる所定角度ずれた位置に配置されており、−a相の磁気抵抗パターンSIN−が検出する−a相と−b相の磁気抵抗パターンCOS−が検出する+b相が90°離れた位相差となる所定機械角度ずれた位置に配置されている。比較例1では、これらの所定機械角度は17度となっている。さらに、+a相の磁気抵抗パターンSIN+が検出する+a相と−a相の磁気抵抗パターンSIN−が検出する−a相が180°離れた位相差となる所定機
械角度ずれた位置に配置されており、+b相の磁気抵抗パターンCOS+が検出する+b相と−b相の磁気抵抗パターンCOS−が検出する−b相が180°離れた位相差となる所定機械角度ずれた位置に配置されている。比較例1では、これらの所定角度は38°となっている。
比較例1では、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+、および、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−のそれぞれが、参考例1と比較して、トラック23の周方向で広い機械角度範囲に渡って配置されているので、ロータリエンコーダ1を構成する際に磁気センサ基板32が磁気スケール2に対して半径方向にずれた場合に、図20を参照した説明した場合と同様に、A相(+a相、−a相)を検出するためのA相用の検出位置が予めトラック23に対して設定したA相用の設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度と、B相(+b相、−b相)を検出するB相用の検出位置が予めトラック23に対して設定したB相用の設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度との間で発生する機械角度差が大きくなる。従って、参考例1と比較して、A相(SIN相)とB相(COS相)との間で波長の長さが大きく相違し、磁気スケール2の相対移動を検出する検出精度が低下してしまう。
ここで、図6と図8を対比すれば分かるように、比較例1によればA相(SIN相)およびB相(COS相)のアナログ出力に波長の長さの相違が確認されるのに対して、参考例1によれば、A相(SIN相)およびB相(COS相)のアナログ出力に波長の長さの相違が殆ど確認されなくなっている。また、参考例1によれば、角度位置を検出する際の誤差が比較例2よりも小さくなっている。
次に、本例によれば、トラック23の移動検出を行うA相(SIN相)およびB相(COS相)を検出するための+a相の磁気抵抗パターンSIN+、−a相の磁気抵抗パターンSIN、+b相の磁気抵抗パターンCOS+および−b相の磁気抵抗パターンCOS−は、第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352として積層状態で磁気センサ基板32のセンサ面32aに形成されている。したがって、これら各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−のそれぞれを単相でセンサ面32aに形成する場合と比較して、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−をトラック23に対して狭い機械角度範囲内に配置できる。
また、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+、および、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−のそれぞれが、トラック23の周方向で狭い機械角度範囲内に配置されているので、ロータリエンコーダ1を構成する際に磁気センサ基板32が磁気スケール2に対して半径方向の特定方向にずれた場合に、A相(+a相、−a相)を検出するためのA相用の検出位置が予めトラック23に対して設定した設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度と、B相(+b相、−b相)を検出するB相用の検出位置が予めトラック23に対して設定した設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度との間で発生する機械角度差を抑制できる。この結果、A相とB相との間で波長の長さの相違が発生することを低減させることができるので、磁気スケール2の相対移動を検出する検出精度が低下してしまうことを抑制できる。
ここで、図9は、本例における−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−のトラック23に対する配置を拡大して示す平面図である。図9に示すように、本例では、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−の機械角度差が僅か1°となっているので、ロータリエンコーダ1を構成する際に磁気センサ基板32と磁気スケール2が半径方向の特定方向(矢印で示す上下方向)に相対的に距離Mずれた場合に、−a相を検出する検出位置が設定検出角度位置からずれる変位機械角度θaと、−b相を検出する検出位置が設定検出角度位置からずれる変位機械角度
θbがほぼ同じとなり、変位機械角度θaと変位機械角度θbとの間に機械角度差がほとんど発生しない。また、図示は省略するが、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS−の機械角度差が最小位相差となる最小機械角度、すなわち、周方向で僅か1°となっているので、ロータリエンコーダ1を製造する際に磁気センサ基板32と磁気スケール2が半径方向の特定方向に相対的にずれた場合に、+a相を検出する検出位置が設定検出角度位置からずれる変位機械角度と、+b相を検出する検出位置が設定検出角度位置からずれる変位機械角度がほぼ同じとなり、これらの変位機械角度の間に機械角度差がほとんど発生しない。この結果、A相(SIN相)とB相(COS相)の間で波長の長さの相違が発生することを低減させることができるので、磁気スケール2の相対移動を精度良く検出できる。
さらに、本例では、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−が、それらの抵抗値の飽和感度領域以上の磁界強度でトラック23の面内方向の向きが変化する回転磁界を検出するので、波形歪の小さい正弦波のA相(SIN相)および波形歪の小さい余弦派のB相(COS相)を得ることができる。この結果、アークタンジェント演算による電気分割に際して理想的な波形を用いることができるので、磁気スケール2の回転速度、角度位置の検出誤差を低減できる。
また、本例では、磁気センサ基板32上における各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の積層が2層なので、これらを2層よりも多い多層として積層する場合と比較して、歩留まりがよく、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の特性が安定する。また、磁気センサ基板32上において、第1積層磁気抵抗パターン351からの電極配線の引き出し位置と、第2積層磁気抵抗パターン352からの電極配線の引き出し位置をトラック23の周方向で異なる位置とすることができるので、磁気センサ基板32に第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352を形成することが容易となる。
参考例2
図10は参考例2の磁気センサ基板上の各磁気抵抗パターンの配置を示す説明図である。第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352を構成する各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−を図10に示す関係としても、参考例1と同様の作用効果を得ることができる。なお、参考例2は、第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352における各磁気抵抗パターンの配置を除いて参考例1と同一の構成を備えているので、第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352における各磁気抵抗パターンの配置を説明して、他の説明を省略する。
本例では、第1積層磁気抵抗パターン351として、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を積層し、+a相の磁気抵抗パターンSIN+が検出する+a相と−b相の磁気抵抗パターンCOS−が検出する−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置している。すなわち、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を磁気スケール2から得られる同一の波長を90°の位相差で検出可能な角度位置に配置している。この結果、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を周方向で1°ずれた位置に配置されている。ここで、図10(b)では、+a相の磁気抵抗パターンSIN+が上、−b相の磁気抵抗パターンCOS−が下となって積層されているが、これらの上下関係は逆でもよい。
また、第2積層磁気抵抗パターン352として、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と+b相の磁気抵抗パターンCOS+を積層し、−a相の磁気抵抗パターンSIN−が検出する−a相と−b相の磁気抵抗パターンCOS+が検出する+b相が最小位相差となる最
小機械角度ずれた位置に配置している。すなわち、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と+b相の磁気抵抗パターンCOS+を磁気スケール2から得られる同一の波長を90°の位相差で検出可能な角度位置に配置している。この結果、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と+b相の磁気抵抗パターンCOS+を周方向で1°ずれた位置に配置されている。ここで、図10(b)では、−a相の磁気抵抗パターンSIN−が上、+b相の磁気抵抗パターンCOS+が下となって積層されているが、これらの上下関係は逆でもよい。
次に、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352を、周方向で重ならない位置に配置する。より詳細には、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352は、第1積層磁気抵抗パターン351の+a相の磁気抵抗パターンSIN+から検出される+a相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−a相の磁気抵抗パターンSIN−から検出される−a相が180°の位相差となる位置であり、第1積層磁気抵抗パターン351の−b相の磁気抵抗パターンCOS−から検出される−b相と、第2積層磁気抵抗パターン352の+b相の磁気抵抗パターンCOS+から検出される+b相とが180°の位相差となる位置に配置する。さらに、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352が電気的或いは磁気的に干渉しない最小距離だけ離れた角度位置に配置する。より具体的には、第1積層磁気抵抗パターン351の+a相の磁気抵抗パターンSIN+と、第2積層磁気抵抗パターン352の−a相の磁気抵抗パターンSIN−は周方向に22°ずれた位置に配置する。第1積層磁気抵抗パターン351の−b相の磁気抵抗パターンCOS−と、第2積層磁気抵抗パターン352の+b相の磁気抵抗パターンCOS+も、同様に、周方向に22°ずれた位置に配置する。
本例によれば、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−の機械角度差が僅か1°となっているので、ロータリエンコーダ1を構成する際に磁気センサ基板32と磁気スケール2が半径方向の特定方向(矢印で示す上下方向)に相対的にずれた場合に、+a相を検出する検出位置が設定検出角度位置からずれる変位機械角度と、−b相を検出する検出位置が設定検出角度位置からずれる変位機械角度がほぼ同じとなり、変位機械角度と変位機械角度との間に機械角度差がほとんど発生しない。また、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と+b相の磁気抵抗パターンCOS+の機械角度差が最小位相差となる最小機械角度、すなわち、周方向で僅か1°となっているので、ロータリエンコーダ1を製造する際に磁気センサ基板32と磁気スケール2が半径方向の特定方向に相対的にずれた場合に、+a相を検出する検出位置が設定検出角度位置からずれる変位機械角度と、+b相を検出する検出位置が設定検出角度位置からずれる変位機械角度がほぼ同じとなり、これらの変位機械角度の間に機械角度差がほとんど発生しない。この結果、A相(SIN相)とB相(COS相)の間で波長の長さの相違が発生することを低減させることができるので、磁気スケール2の相対移動を精度良く検出できる。
参考例3
図11は参考例3のロータリエンコーダの説明図である。なお、本例のロータリエンコーダ1Aは、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352の配置を除き、検出器3および磁気スケール2の構成は参考例1のロータリエンコーダ1と同一の構成を備えているので、他の構成の説明を省略する。
上記の参考例1、2のロータリエンコーダ1では第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352を周方向で90°以下の機械角度範囲内に配置しているが、図11に示すように、本例では、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中心Oを挟んで対向する位置に配置している。
図12(a)、(b)は、参考例1の第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中心Oを挟んで対向する位置に配置した場合の、各
磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置例の説明図であり、図12(c)、(d)は、参考例2の第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中心Oを挟んで対向する位置に配置した場合の、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置例の説明図である。図12(a)〜(d)の各図において、上の図は、トラック23の中心Oを挟んだ一方側の第1積層磁気抵抗パターン351における2つの磁気抵抗パターンの配置例を示し、下の図は、トラック23の中心Oを挟んだ他方側の第2積層磁気抵抗パターン352における2つの磁気抵抗パターンの配置例を示している。なお、図中の点線の間隔は、最小位相差となる最小機械角度であり、参考例1、2では機械角度が1°となる間隔である。
図12(a)〜(d)に示すように、本例においても、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352は、第1積層磁気抵抗パターン351の+a相の磁気抵抗パターンSIN+から検出される+a相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−a相の磁気抵抗パターンSIN−から検出される−a相が180°の位相差となる位置であり、第1積層磁気抵抗パターン351の+b相の磁気抵抗パターンCOS+から検出される+b相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−b相の磁気抵抗パターンCOS−から検出される−b相とが180°の位相差となる位置に配置されている。
ここで、第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352は、それぞれがセンサ面32a上で所定の面積を備えており、トラック23の中心Oとしたときに所定の角度範囲に渡って形成されている。このため、参考例1において、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中心Oを挟んで対向する位置に配置した場合には、例えば、図12(a)、(b)に示すように、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−が配置される場合がある。同様に、参考例2において、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中心Oを挟んで対向する位置に配置した場合には、例えば、図12(c)、(d)に示すように、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−が配置される場合がある。
本例によれば、磁気センサ基板32に対して磁気スケール2の回転中心軸Lがずれた場合に発生する検出誤差をキャンセルすることが可能となる。すなわち、磁気スケール2の回転中心軸Lがずれると、所定角度範囲毎に並ぶN極とS極が各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−を横切るときの波長が長くなったり、短くなったりするという問題が発生するが、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中心(磁気スケール2の回転中心軸L)を挟んで対向する位置に配置しておけば、中心を挟んだ一方の側に配置された第1積層磁気抵抗パターン351の側で発生する波長の変化を、他方の側に配置された第2積層磁気抵抗パターン352の側での発生する波長の変化によりキャンセルできる。
詳細には、ロータリエンコーダ1Aを構成する際に磁気センサ基板32が磁気スケール2に対して半径方向にずれた場合に、第1積層磁気抵抗パターン351の+a相の磁気抵抗パターンSIN+から検出される+a相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−a相の磁気抵抗パターンSIN−から検出される−a相によって、磁気センサ基板32が磁気スケール2に対して半径方向にずれたことに起因するA相(SIN相)の波長の変化量をキャンセルできる。同様に、第1積層磁気抵抗パターン351の+b相の磁気抵抗パターンCOS+から検出される+b相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−b相の磁気抵抗パターンCOS−から検出される−b相によって、磁気センサ基板32が磁気スケール2に対して半径方向にずれたことに起因するB相(COS相)の波長の変化量をキャンセルできる。
図13は磁気センサ基板32に対して磁気スケール2の回転中心軸Lがずれた場合に発生する検出誤差を示すグラフであり、図13(a)は、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中心Oの一方側に配置した場合の検出誤差を表しており、図13(b)は、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中心Oを挟んで対向する位置に配置した場合の検出誤差を示している。本例によれば、図13(b)に示すように、磁気センサ基板32に対して磁気スケール2の回転中心軸Lがずることに起因して発生する検出誤差がキャンセルされていることが確認できる。
参考例4
図14(a)は参考例4のロータリエンコーダにおける磁気センサ基板32上の各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を示す平面図であり、図14(b)はその各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の磁気センサ基板32上の積層状態を示す説明図であり、図14(c)は参考例4のロータリエンコーダの磁気スケール2上のトラック23を説明するための説明図である。参考例1のロータリエンコーダ1では、磁気スケール2のトラック23は2本の第1トラック231および第2トラック232を備えているが、本例のロータリエンコーダ1Bでは、磁気スケール2は1本のトラック23Bを備えている。
トラック23Bは周方向に90分割されてN極とS極が交互に着磁されており、各磁極が着磁されている角度範囲は4°である。また、各S極および各N極の平面形状は外周から内周側に向けて幅が狭くなる扇型となっている。各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−は、トラック23Bの半径方向の中央部分に対向して配置されている。なお、トラック23Bを除き、検出器3および磁気スケール2の構成は参考例1のロータリエンコーダ1Bと同一なので、他の構成の説明を省略する。
本例では、ロータリエンコーダ1Bは、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−によってトラック23Bに沿った周方向の磁界の強弱を検出することにより、互いに90°の位相差でトラック23Bの移動検出を行うA相(SIN相)とB相(COS相)を検出する。
図15(a)は本例のロータリエンコーダ1Bにより得られるA相(SIN相)およびB相(COS相)のアナログ出力であり、図15(b)はそのリサージュ図形であり、図15(c)は回転角度に対する検出誤差を示すグラフである。図15に示すように、本例においても、A相(SIN相)とB相(COS相)に波長の長さの相違が発生することが抑制されている。
ここで、比較例2として、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−を磁気センサ基板32上に単層に形成するとともに、磁気スケール2が1本のトラック23Bを備えるロータリエンコーダを説明する。図16(a)は比較例2のロータリエンコーダにおける磁気センサ基板32上の各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を示す平面図であり、図16(b)は各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の磁気センサ基板32上の状態を示す説明図である。図17(a)は比較例2のロータリエンコーダ1B´により得られるA相(SIN相)およびB相(COS相)のアナログ出力であり、図17(b)はそのリサージュ図形であり、図17(c)は回転角度に対する検出誤差を示すグラフである。なお、比較例2のロータリエンコーダ1B´は、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を除き参考例4のロータリエンコーダ1Bと同一の構成を備えているので、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を説明して、他の構成の説明を省略する。
比較例2のロータリエンコーダ1B´では、+a相の磁気抵抗パターンSIN+、+b相の磁気抵抗パターンCOS+、−a相の磁気抵抗パターンSIN−および−b相の磁気抵抗パターンCOS−のそれぞれは、トラック23Bの周方向において、この順番で配置されており、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−はいずれも重なっておらず、トラック23Bの半径方向においては、トラック23Bの中央部分に対向して配置されている。
また、トラック23Bの周方向においては、+a相の磁気抵抗パターンSIN+が検出する+a相と+b相の磁気抵抗パターンCOS+が検出する+b相が90°離れた位相差となる所定機械角度ずれた位置に配置されており、−a相の磁気抵抗パターンSIN−が検出する−a相と−b相の磁気抵抗パターンCOS−が検出する+b相が90°離れた位相差となる所定機械角度ずれた位置に配置されている。比較例2では、これらの所定機械角度は17°となっている。さらに、+a相の磁気抵抗パターンSIN+が検出する+a相と−a相の磁気抵抗パターンSIN−が検出する−a相が180°離れた位相差となる所定機械角度ずれた位置に配置されており、+b相の磁気抵抗パターンCOS+が検出する+b相と−b相の磁気抵抗パターンCOS−が検出する−b相が180°離れた位相差となる所定機械角度ずれた位置に配置されている。比較例2では、これらの所定機械角度は38°となっている。
比較例2では、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+、および、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−のそれぞれが、参考例4と比較して、トラック23Bの周方向で広い機械角度範囲に渡って配置されているので、磁気センサ基板32が磁気スケール2に対して半径方向にずれた場合に、A相(+a相、−a相)を検出するためのA相用の検出位置が予めトラック23Bに対して設定したA相用の設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度と、B相(+b相、−b相)を検出するB相用の検出位置が予めトラック23Bに対して設定したB相用の設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度との間で発生する機械角度差が大きくなる。従って、参考例4と比較して、A相(SIN相)とB相(COS相)との間で波長の長さが大きく相違し、磁気スケール2の相対移動を検出する検出精度が低下してしまう。
ここで、図15と図17を対比すれば分かるように、比較例2によればA相(SIN相)およびB相(COS相)のアナログ出力に波長の長さの相違が確認されるのに対して、参考例4によれば、A相(SIN相)およびB相(COS相)のアナログ出力に波長の長さの相違が殆ど確認されなくなっている。また、参考例4によれば、角度位置を検出する際の誤差が比較例2よりも小さくなっている。
また、本例においても、トラック23Bの移動検出を行うA相(SIN相)およびB相(COS相)を検出するための+a相の磁気抵抗パターンSIN+、−a相の磁気抵抗パターンSIN、+b相の磁気抵抗パターンCOS+および−b相の磁気抵抗パターンCOS−は、第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352として積層状態で磁気センサ基板32のセンサ面32aに形成されている。したがって、第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352のそれぞれを単相でセンサ面32aに形成する場合と比較して、各磁気抵抗パターンSIN+とCOS+、およびSIN−とCOS−をトラック23Bに対して狭い機械角度範囲内に配置できる。
さらに、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+、および、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−のそれぞれが、トラック23Bの周方向で狭い機械角度範囲内に配置されているので、磁気センサ基板32が磁気スケール2に対して半径方向にずれた場合に、A相(+a相、−a相)を
検出するためのA相用の検出位置が予めトラック23Bに対して設定したA相用の設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度と、B相(+b相、−b相)を検出するB相用の検出位置が予めトラック23Bに対して設定したA相用の設定検出角度位置に対してずれる変位機械角度との間で発生する機械角度差を抑制できる。この結果、A相(SIN相)とB相(COS相)との間に波長の長さの相違が発生することを低減させることができるので、磁気スケール2の相対移動を検出する検出精度が低下してしまうことを抑制できる。
なお、本例においても、第1積層磁気抵抗パターン351として、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を積層し、第2積層磁気抵抗パターン352として、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と+b相の磁気抵抗パターンCOS+を積層するように構成することができる。
実施例1
図18(a)は本発明を適用した実施例1のロータリエンコーダにおける磁気センサ基板32上の各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を示す平面図であり、図18(b)はその各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の磁気センサ基板32上の積層状態を示す説明図である。参考例1のロータリエンコーダ1では、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−は2層に積層された第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352から構成され、重ならない位置に配置されているが、本例では、これら第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352を上下に重ね、4層に構成された積層磁気抵抗パターン353として形成している。
ここで、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352は、第1積層磁気抵抗パターン351の+a相の磁気抵抗パターンSIN+から検出される+a相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−a相の磁気抵抗パターンSIN−から検出される−a相が180°の位相差となる機械角度位置であり、第1積層磁気抵抗パターン351の+b相の磁気抵抗パターンCOS+から検出される+b相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−b相の磁気抵抗パターンCOS−から検出される−b相とが180°の位相差となる機械角度位置に積層されている。
より具体的には、参考例1のロータリエンコーダ1の磁気スケール2を用いている本例では、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+を機械角度が1°ずれた位置に配置し、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を機械角度が1°ずれた位置に配置している。また、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−a相の磁気抵抗パターンSIN−を機械角度が2°ずれた位置に配置し、+b相の磁気抵抗パターンCOS+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を機械角度が2°ずれた位置に配置している。さらに、4層に構成した積層磁気抵抗パターン353を、第1トラック231と第2トラック232の境界部分23aに対向させて配置している。なお、本例のロータリエンコーダ1Cは、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352の配置を除き、参考例1のロータリエンコーダ1と同一なので、他の構成の説明を省略する。
本例のロータリエンコーダ1Cにおいても、参考例1のロータリエンコーダ1と同様の作用効果を得ることができる。また、本例によれば、磁気センサ基板32を周方向および半径方向で小型化することができる。
なお、本例のロータリエンコーダ1Cにおいても、1本のトラック23を備える磁気スケールを用いることが可能である。この場合には、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN
−、COS+、COS−によってトラック23に沿った周方向の磁界の強弱を検出することにより、互いに90°の位相差でトラック23の移動検出を行うA相(SIN相)とB相(COS相)を検出する。
また、本例では、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−を積層する順番は任意であり、これらをどのような上下関係で積層してもよい。
参考例5
図19(a)は参考例5のロータリエンコーダにおける磁気センサ基板32上の各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の配置を示す平面図であり、図19(b)はその各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−の磁気センサ基板32上の積層状態を示す説明図である。本例のロータリエンコーダ1Dでは、磁気スケール2は、トラック23として、半径方向に並列して周方向に延びる3本のトラック231〜233を備えている。各トラック231〜233は周方向で90分割されており、周方向に沿って所定角度範囲毎にN極とS極とが交互に設けられている。外周側で隣接する第1トラック231と第2トラック232の間、および、内周側で隣接する第2トラック232と第3トラック233の間ではN極およびS極の位置が周方向で1磁極分ずれている。
第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352は、周方向で重なり、半径方向で重ならない位置に配置されている。
第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352の位置関係について、より詳細には、トラック23の周方向においては、第1積層磁気抵抗パターン351の+a相の磁気抵抗パターンSIN+から検出される+a相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−a相の磁気抵抗パターンSIN−から検出される−a相が180°の位相差となる機械角度位置であり、第1積層磁気抵抗パターン351の+b相の磁気抵抗パターンCOS+から検出される+b相と、第2積層磁気抵抗パターン352の−b相の磁気抵抗パターンCOS−から検出される−b相とが180°の位相差となる機械角度位置に配置されている。また、+a相の磁気抵抗パターンSIN+が検出する+a相と+b相の磁気抵抗パターンCOS+が検出する+b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置され、−a相の磁気抵抗パターンSIN−が検出する−a相と−b相の磁気抵抗パターンCOS−が検出する−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置されている。
本例では、トラック23の周方向においては、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+を機械角度が1°ずれた位置に配置し、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を機械角度が1°ずれた位置に配置している。また、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−a相の磁気抵抗パターンSIN−を機械角度が2°ずれた位置に配置し、+b相の磁気抵抗パターンCOS+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を機械角度が2°ずれた位置に配置している。
トラック23の半径方向においては、第1積層磁気抵抗パターン351は、その中心を外周側の第1トラック231と中央の第2トラック232の境界部分23aに対向させて配置し、第2積層磁気抵抗パターン352は、その中心を中央の第2トラック232と内周側の第3トラック233の境界部分23bに対向させて配置している。なお、本例のロータリエンコーダ1は、第1積層磁気抵抗パターン351と第2積層磁気抵抗パターン352の配置、およびトラック23の本数を除き、参考例1のロータリエンコーダ1と同一なので、他の構成の説明を省略する。
本例においても、参考例1のロータリエンコーダ1と同様の作用効果を得ることができる。また、本例によれば、磁気センサ基板32を半径方向で小型化することができる。
なお、本例においても、第1積層磁気抵抗パターン351として、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を積層し、第2積層磁気抵抗パターン352として、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と+b相の磁気抵抗パターンCOS+を積層するように構成することができる。
また、本例においても、1本のトラック23を備える磁気スケールを用いることが可能である。この場合には、トラック23Bの半径方向において、第1積層磁気抵抗パターン351は、その中心をトラック23の外側の縁に対向させて配置し、第2積層磁気抵抗パターン352は、その中心をトラック23の内側の縁に対向させて配置すれば、トラック23の面内方向に形成されている回転磁界を検出できる。また、トラック23の半径方向において、第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352をトラック23の中央領域に対向させれば、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−によってトラック23に沿った周方向の磁界の強弱を検出することにより、互いに90°の位相差でトラック23の移動検出を行うA相(SIN相)とB相(COS相)を検出することができる。
また、本例では、積層した第1積層磁気抵抗パターン351として各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−から任意の2つの磁気抵抗パターンを選択し、残りの2つの磁気抵抗パターンを第2積層磁気抵抗パターン352としても、+a相の磁気抵抗パターンSIN+と+b相の磁気抵抗パターンCOS+を+a相と+b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置し、−a相の磁気抵抗パターンSIN−と−b相の磁気抵抗パターンCOS−を、−a相と−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置することができる。また、本例においても、各磁気抵抗パターンSIN+、SIN−、COS+、COS−を積層する順番を任意とすることができる。
(その他の実施の形態)
なお、第1積層磁気抵抗パターン351および第2積層磁気抵抗パターン352からなる対を、トラック23の周方向の異なる位置に複数配置してもよい。また、磁気スケール2のマグネット22に原点信号用の着磁を施し、磁気センサ基板32にZ相を検出するための磁気抵抗パターンを形成してもよい。
また、半径方向に並列するトラックを複数設ける場合には、隣接するトラック間でN極およびS極の位置がずれていればよく、必ずしも周方向で1極分ずらす必要はない。
1・1A・1C・1D・ロータリエンコーダ、2・磁気スケール、3・検出器、21・ヨーク、22・マグネット、23・23B・100・トラック、23a・23b・トラックの境界部分、24・保護カバー、31・ホルダ、32a・センサ面、32・磁気センサ基板、33・コネクタ、34・フレキシブルプリント基板、35・磁気抵抗素子、35a・下地層、35b・第1の磁性体層、35c・第1の導電層、35d・第1の無機絶縁層、35e・第2の磁性体層、35f・第2の導電層、35h・保護層、35g・第1の無機絶縁層、36・シールドテープ、37・端子部、231・第1トラック、232・第2トラック、233・第3トラック、351・第1積層磁気抵抗パターン、352・第2積層磁気抵抗パターン、353・積層磁気抵抗パターン、SIN+・+a相の磁気抵抗パターン、SIN−・−a相の磁気抵抗パターン、COS+・+b相の磁気抵抗パターン、COS−・−b相の磁気抵抗パターン、L・中心軸、M・距離、θa・変位機械角度、θb・変位機械角度

Claims (2)

  1. 予め定めた中心軸回りの周方向に沿って所定角度範囲毎にN極とS極とが交互に並ぶトラックを備える磁気スケールと、互いに90°の位相差で前記磁気スケールの移動検出を行うA相およびB相を検出するための磁気抵抗パターンをセンサ面に備える磁気センサ基板とを有し、前記トラックと前記センサ面とを対向させた状態で前記磁気スケールと前記磁気センサ基板とを前記中心軸回りに相対回転させるロータリエンコーダにおいて、
    前記A相を検出するための前記磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって前記磁気スケールの移動検出を行う+a相の磁気抵抗パターンと−a相の磁気抵抗パターンとを備え、
    前記B相を検出するための前記磁気抵抗パターンは、180°の位相差をもって前記磁気スケールの移動検出を行う+b相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンとを備え、
    前記+a相の磁気抵抗パターン、前記−a相の磁気抵抗パターン、+b相の磁気抵抗パターンおよび前記−b相の磁気抵抗パターンのうちのいずれか2つは積層された第1積層磁気抵抗パターンとして形成されており、残りの2つは積層された第2積層磁気抵抗パターンとして形成されており、
    前記+a相の磁気抵抗パターン、前記−a相の磁気抵抗パターン、+b相の磁気抵抗パターンおよび前記−b相の磁気抵抗パターンのそれぞれは、
    +a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンが、+a相と+b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置され、かつ、−a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンが、−a相と−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置されているか、
    または、
    +a相の磁気抵抗パターンと−b相の磁気抵抗パターンが、+a相と−b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置され、かつ、−a相の磁気抵抗パターンと+b相の磁気抵抗パターンが、−a相と+b相が最小位相差となる最小機械角度ずれた位置に配置されており、
    前記第1積層磁気抵抗パターンと前記第2積層磁気抵抗パターンとは、積層されていることを特徴とするロータリエンコーダ。
  2. 請求項1において、
    前記トラックとして、半径方向に並列して周方向に延びる複数のトラックを備えており、
    前記複数のトラックでは、隣接するトラック間でN極およびS極の位置が移動方向にずれており、
    前記第1積層磁気抵抗パターンおよび前記第2積層磁気抵抗パターンのそれぞれは、隣接するトラックの境界部分と対向しており、
    各磁気抵抗パターンは、各磁気抵抗パターンの抵抗値の飽和感度領域以上の磁界強度で前記トラックの面内方向の向きが変化する回転磁界を検出することを特徴とするロータリエンコーダ。
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