JP5780744B2 - ロータリエンコーダ - Google Patents
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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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
−、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。
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。
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。
Claims (2)
- 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。 - 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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