JP6401955B2 - 絶対角度検出装置及びその磁気エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、絶対角度検出装置及びその磁気エンコーダに関し、より詳細には、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜半導体磁気抵抗素子を用いることで、簡便な構造で小型かつ高分解能を達成する絶対角度検出装置及びその磁気エンコーダに関するものである。

近年、工作機械や産業用ロボットの関節の回転角度の検出に用いられるエンコーダには、高分解能、高耐久性及び高信頼性が求められている。これまで工作機械や産業用ロボットで使用されてきた光学式エンコーダは、高分解能は実現できているが、ＬＥＤやフォトディテクタなど光学部品を使用するため、油、埃、粉塵、熱などに弱いことが問題視されている。

このため、工作機械や産業用ロボットが稼働する過酷な環境で使用されるエンコーダには、高耐久性及び高信頼性を備えた磁気エンコーダが使用され始めている。そして、近年、小型かつ高分解能の磁気式エンコーダの要求が高まってきている。
従来から、磁気式回転角検出器において、円盤状の磁性体をスリット形状に加工した磁性体スリットをモータに取り付け、磁性体スリットの回転に伴う磁界変化を磁気センサによって検出する方法がある。

例えば、特許文献１には、磁気エンコーダにおいて、磁性体スリット板と平板磁石との間に検出体を配置し、検出体において磁性体スリット板とほぼ同一径の円周状に複数の磁気抵抗素子を配置することが記載されている。
また、例えば、特許文献２には、１回転する毎に磁極がｎ回（ｎは１以上の整数）変化するように着磁された円盤状の磁石と、この磁石と一体に回転し１回転する毎に磁束透過率がｍ回（ｍは２以上の整数で、ｍ＞ｎ）変化するように磁束透過率の高い部分と低い部分とが交互に繰り返される磁性体スリット板と、この磁性体スリット板を通った磁石からの磁気を検出する磁気センサと、この磁気センサ第２の補助角度検出センサの出力から磁石の回転角度を求める演算部とを備えた磁気式回転角検出器が開示されている。

また、例えば、特許文献３には、磁性体からなる回転部が回転軸に対して偏心した場合でも磁気センサの出力電圧振幅の変化を小さくし、回転部の回転の検出精度を向上させるようにするために、回転部は、この回転部が回転した際に、磁気センサまでの距離に変化をもたらす形状変化部を回転部の円周方向に沿って複数備え、磁気センサは、回転部の板厚方向において形状変化部に対向するように回転軸の軸心に対して垂直な平面上に配置され、バイアス磁石は、回転軸の軸心に対して平行な方向に着磁されている磁気エンコーダが開示さている。

特開２００３−１２１２００号公報 国際公開第２０１３／１７６１０４号（Ａ１） 特開２０１３−１８５８２６号公報

しかしながら、上述した特許文献１では、絶対的な回転角度を検出するためには磁性体スリット板に同心円状に複数周波数の信号トラックを設ける必要があり、回転円板の面積が大きくなり、回転検出器が大型化するという問題がある。
また、上述した特許文献２では、スリットと多極着磁された磁石が必要となり、構造が複雑になってしまう。また、回転角度の検出の精度も不十分であった。

また、上述した特許文献３では、回転のインデックス信号を得ることはできるが、絶対角度を検出することはできないという問題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高い分解能で絶対的な回転角度を検出でき、かつ、小型な絶対角度検出装置及びその磁気エンコーダを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、円盤状の磁性体に、回転方向に沿って環状に複数の主角度検出用スリット（１０ａ）が配置された主角度検出用トラック（１０）、該主角度検出用トラック（１０）の外周に環状に複数の第１の補助角度検出用スリット（１１ａ）が配置された第１の補助角度検出用トラック（１１）、及び前記主角度検出用トラック（１０）の内周に環状に複数の第２の補助角度検出用スリット（１２ａ）が配置された第２の補助角度検出用トラック（１２）が設けられている回転盤（１）と、該回転盤（１）の近傍に配置されたバイアス磁石（２）と、前記バイアス磁石（２）からの磁場を検出するために前記主角度検出用トラック（１０）の領域内に設けられた主角度検出用磁気センサ（３０）、前記バイアス磁石（２）からの磁場を検出するために前記第１の補助角度検出用トラック（１１）の領域内に設けられた第１の補助角度検出用磁気センサ（３１）、及び前記バイアス磁石（２）からの磁場を検出するために前記第２の補助角度検出用トラック（１２）の領域内に設けられた第２の補助角度検出用磁気センサ（３２）を有する角度検出磁気センサ（３）と、を備え、前記回転盤（１）の径方向に沿って内周側から順に、前記第２の補助角度検出用磁気センサ（３２）と前記主角度検出磁気センサ（３０）と前記第１の補助角度検出用磁気センサ（３１）が配置されており、前記複数の各スリット（１０ａ、１１ａ、１２ａ）は、内径側から外径側に向かって幅が広がる台形状であり、前記角度検出磁気センサ（３）に含まれる各磁気センサの感磁部の径方向の長さをｄとし、前記回転盤（１）の前記各スリット（１０ａ、１１ａ、１２ａ）の径方向の長さをＷとしたときに、その比であるＷ／ｄが２以上であり、前記各磁気センサは、前記各スリット（１０ａ、１１ａ、１２ａ）の前記径方向の中心に対して、前記各スリット（１０ａ、１１ａ、１２ａ）に対向する前記各磁気センサの前記径方向の中心が、前記径方向に外側にずらして配置されていることを特徴とする絶対角度検出装置である。（図１、図２、図３、図８）

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記主角度検出用トラック（１０）に、前記回転方向に沿って環状に２^ｍ＋ｎ個の前記複数の主角度検出用スリット（１０ａ）が配置され（ｍ、ｎは１以上の整数）、前記第１の補助角度検出用トラック（１１）に、前記回転方向に沿って環状に２^ｍ＋ｎ−１個の前記複数の第１の補助角度検出用スリット（１１ａ）が配置されていることを特徴とする。（図２）
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第２の補助角度検出用トラック（１２）は、前記回転方向に沿って環状に２^ｍ＋ｎ−２^ｍ個の前記複数の第２の補助角度検出用スリット（１２ａ）が配置されていることを特徴とする。（図２）

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記主角度検出用磁気センサ（３０）は、前記主角度検出用トラック（１０）の円周上の上方又は下方に配置され、前記第１の補助角度検出用磁気センサ（３１）は、前記第１の補助角度検出用トラック（１１）の円周上の上方又は下方に配置され、前記第２の補助角度検出用磁気センサ（３２）は、前記第２の補助角度検出用トラック（１２）の円周上の上方又は下方に配置されていることを特徴とする。（図３）

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記バイアス磁石（２）は、前記主角度検出用磁気センサ（３０）と前記第１の補助角度検出用磁気センサ（３１）及び前記第２の補助角度検出用磁気センサ（３２）を挟んで前記回転盤（１）と反対側に配置されていることを特徴とする。（図３）
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、前記角度検出磁気センサ（３）は、半導体磁気抵抗素子であることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記角度検出磁気センサ（３）は、前記回転盤（１）にシャフト（４）を介して設けられた固定盤（５）上に、第１の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子と主角度検出用半導体磁気抵抗素子と第２の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子の順に並置されている磁気センサであることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記第１の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子と前記主角度検出用半導体磁気抵抗素子と前記第２の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子の順に、前記半導体磁気抵抗素子の感磁部の幅が狭いことを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の発明において、前記半導体磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜半導体磁気抵抗素子であることを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の発明において、前記主角度検出用磁気センサの出力信号と前記第１の補助角度検出用磁気センサの出力信号との第１の差分を演算する第１のノギス演算部と、前記主角度検出用磁気センサの出力信号と前記第２の補助角度検出用磁気センサの出力信号との第２の差分を演算する第２のノギス演算部とを備え、前記第１のノギス演算部の出力信号と、前記第２のノギス演算部の出力信号と、前記主角度検出用磁気センサの出力信号とに基づいて、前記回転盤の絶対角度を演算する絶対角度演算部を有することを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の回転盤の絶対角度検出装置を備えていることを特徴とする磁気エンコーダである。

本発明によれば、高い分解能で絶対的な回転角度を検出でき、かつ、小型な絶対角度検出装置及びその磁気エンコーダを実現することができる。

本発明に係る絶対角度検出装置の実施形態を説明するための全体構成図である。 図１に示した回転盤の上面図及びシャフトの断面図である。 図１及び図２に示した各トラックに対応する各磁気センサの位置関係を説明するための図である。 （ａ）及び（ｂ）は、回転盤のスリットとバイアス磁石と磁気センサの位置関係及びバイアス磁石から出る磁束を示す図である。 主角度検出用トラックの２周期における各角度検出用磁気センサの出力電圧信号を示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、回転盤一回転における各磁気センサの出力信号を示す図である。 本発明に係る角度検出用磁気センサにおける信号処理を説明するためのブロック図である。 スリットと半導体磁気抵抗素子の感磁部との位置関係を示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、図８に示したスリットの径方向の長さＷと、半導体磁気抵抗素子の感磁部の径方向の長さｄとの比率Ｗ／ｄに対する、出力電圧振幅変化率、及び、出力電圧振幅の関係を示すグラフと、Ｘ−Ｙに対する出力電圧振幅のグラフを示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、角度検出磁気センサのパッケージング状態を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る絶対角度検出装置の実施形態を説明するための全体構成図である。図中符号１は回転盤、２はバイアス磁石、３は角度検出磁気センサ、４はシャフト、５は固定盤（基板）を示している。
本発明の実施形態は、シャフト４と、このシャフト４に固定されている磁性体の回転盤１と、固定盤５に設けられた角度検出磁気センサ３とバイアス磁石２とを備えている。

また、回転軸となるシャフト４の中心軸に対して垂直となるように回転盤１が固定されている。回転盤１は、回転軸となるシャフト４に対してベアリングを介して回転軸と同期して回転するように構成されている。
また、回転盤１に対して垂直方向に離間して固定盤５が配置されている。なお、固定盤５は、回転盤１に対して回転せずに固定されている。また、固定盤５上であって、回転盤１側に角度検出磁気センサ３が配置され、その反対側にバイアス磁石２が配置されている。
本実施形態では、回転盤１は、円盤状の磁性体にスリットが加工されており、回転盤１の回転に伴う磁界変化を角度検出磁気センサ３によって検出するように構成されている。

図２は、図１に示した回転盤の上面図及びシャフトの断面図である。図中符号１０は主角度検出用トラック、１０ａは主角度検出用スリット、１１は第１の補助角度検出用トラック、１１ａは第１の補助角度検出用スリット、１２は第２の補助角度検出用トラック、１２ａは第２の補助角度検出用スリットを示している。
回転盤１は、円盤状の磁性体に、回転方向に沿って環状に複数の主角度検出用スリット１０ａが配置された主角度検出用トラック１０と、この主角度検出用トラック１０の外周に環状に複数の第１の補助角度検出用スリット１１ａが配置された第１の補助角度検出用トラック１１と、主角度検出用トラック１０の内周に環状に複数の第２の補助角度検出用スリット１２ａが配置された第２の補助角度検出用トラック１２とが設けられている。また、バイアス磁石２は、回転盤１の近傍に配置されている。

主角度検出用トラック１０は、例えば、回転方向に沿って環状に２^ｍ＋ｎ個の主角度検出用スリット１０ａが配置され（ｍ、ｎは１以上の整数）、第１の補助角度検出用トラック１１が、回転方向に沿って環状に２^ｍ＋ｎ−１個の第１の補助角度検出用スリット１１ａが配置されている。それによって、ノギスの原理により精度良く角度を検出することができる。
また、第２の補助角度検出用トラック１２は、回転方向に沿って環状に２^ｍ＋ｎ−２^ｍ個の第２の補助角度検出用スリット１２ａが配置される。それによって、主角度検出用トラック１０と第２の補助角度検出用トラック１２とは、２^ｎと２^ｎ−１のノギスで角度を検出するため、第２の補助角度検出用トラック１２が無いときよりも主角度検出用磁気センサからの出力電圧と第１の補助角度検出用磁気センサからの出力電圧の間の電気的位相ずれに対する許容量が大きくなる。

なお、回転盤１を構成する円盤状の磁性体の板厚は、０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とすることが好ましい。板厚が０．４ｍｍ以上であれば、バイアス磁石２の吸引力により、面ぶれを抑え、出力電圧振幅の包絡線の幅を一様にすることができる。一方、板厚が１．０ｍｍ以下であれば、フォトエッチング加工でスリットを作成する際、コーナーＲが０．５ｍｍ以上となり、コーナーＲによる出力電圧振幅低下を抑制することができる。

また、第２の補助角度検出用トラック１２は、回転方向に沿って環状に２^ｍ＋ｎ−２^ｍ個の複数の第２の補助角度検出用スリット１２ａが配置されている。また、上述した複数の各スリット１０ａ，１１ａ，１２ａは、内径側から外径側に向かって円周方向の幅が広がる台形状である。
また、上述した回転盤の絶対角度検出装置は、磁気エンコーダに用いることが可能である。

図３は、図１及び図２に示した各トラックに対応する各磁気センサの位置関係を説明するための図である。図中符号３０は主角度検出用磁気センサ、３１は第１の補助角度検出用磁気センサ、３２は第２の補助角度検出用磁気センサを示している。
角度検出磁気センサ３は、バイアス磁石２からの磁場を検出するために主角度検出用トラック１０の領域内に設けられた主角度検出用磁気センサ３０と、バイアス磁石２からの磁場を検出するために第１の補助角度検出用トラック１１の領域内に設けられた第１の補助角度検出用磁気センサ３１と、バイアス磁石２からの磁場を検出するために第２の補助角度検出用トラック１２の領域内に設けられた第２の補助角度検出用磁気センサ３２とを有している。

また、固定盤５の径方向に沿って内周側から順に、第２の補助角度検出用磁気センサ３２と主角度検出磁気センサ３０と第１の補助角度検出用磁気センサ３１とが配置されている。
また、各トラック１０，１１，１２に対応するように、主角度検出用磁気センサ３０は、主角度検出用トラック１０の上方又は下方に配置され、第１の補助角度検出用磁気センサ３１は、第１の補助角度検出用トラック１１の円周上の上方又は下方に配置され、第２の補助角度検出用磁気センサ３２は、第２の補助角度検出用トラック１２の上方又は下方に配置されている。
また、バイアス磁石２は、固定盤５上に設けられた主角度検出用磁気センサ３０と第１の補助角度検出用磁気センサ３１及び第２の補助角度検出用磁気センサ３２を挟んで回転盤１と反対側に配置されている。

また、角度検出磁気センサ３は、半導体磁気抵抗素子であることが好ましく、回転盤１にシャフト４を介して設けられた固定盤５上に、第１の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子と主角度検出用半導体磁気抵抗素子と第２の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子の順に並置されている。
また、第１の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子と主角度検出用半導体磁気抵抗素子と第２の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子の順に、半導体磁気抵抗素子の感磁部の幅が広くなっている。また、半導体磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜半導体磁気抵抗素子であることが好ましい。

図４（ａ）及び（ｂ）は、回転盤のスリットとバイアス磁石と磁気センサの位置関係及びバイアス磁石から出る磁束を示す図である。
主角度検出用磁気センサ３０は、主角度検出用トラック１０に対応して、回転角の主角度を電気信号として検出する。また、第１の補助角度検出用磁気センサ３１は、第１の補助角度検出用トラック１１に対応して、回転角の第１の補助角度を電気信号として検出する。また、第２の補助角度検出用磁気センサ３２は、第２の補助角度検出用トラック１２に対応して、回転角の第２の補助角度を電気信号として検出する。

図４（ａ）に示すように、角度検出磁気センサ３上にスリット１ａがきた場合、バイアス磁石２から出る磁束は、Ｎ極から出てＳ極に入るものが多くなり、角度検出磁気センサ３に入る磁束は少なくなる。
一方、図４（ｂ）に示すように、角度検出磁気センサ３上に磁性体の金属部１ｂがきた場合（スリット１ａでない場合）、バイアス磁石２から出力される磁場は、磁性体へとひきつけられるため、図４（ａ）のときと比較して磁束密度は大きくなる。
この角度検出磁気センサ３に入力される磁束密度の変化により、角度検出磁気センサ３は、正弦波出力電圧信号を提供する。

図５は、主角度検出用トラックの２周期における各角度検出用磁気センサの出力電圧信号を示す図で、ｍ＝２、ｎ＝３のときにおける回転盤１を回転させたときの、各角度検出用磁気センサ３０，３１，３２の出力信号を示している。横軸の角度は、回転盤１において、主角度検出用トラック１０の主角度検出用スリットから隣接する主角度検出用スリットまでの１周期を３６０度（電気角）としたときの各磁気センサの出力電圧信号を表している。

図５に示すように、第１の補助角度検出用磁気センサ３１の出力電圧信号は、第１の補助角度検出用トラック１１に対応して、主角度検出用磁気センサ３０の正弦波出力電圧信号に対して位相がずれた波形となる。また、第２の補助角度検出用磁気センサ３２の出力信号は、第２の補助角度検出用トラック１２に対応して、主角度検出用磁気センサ３０の正弦波出力電圧信号に対して位相がずれた波形となる。

図６（ａ）乃至（ｃ）は、回転盤一回転における各磁気センサの出力電圧信号を示す図で、図６（ａ）は、回転盤の一回転における主角度検出用磁気センサの出力電圧信号、図６（ｂ）は、回転盤の一回転における第１の補助角度検出用磁気センサの出力電圧信号、図６（ｃ）は、回転盤の一回転における第２の補助角度検出用磁気センサの出力電圧信号を示している。

つまり、ｍ＝２、ｎ＝３のときにおける回転盤１を一回転させたときの、各角度検出用磁気センサ３０，３１，３２の出力電圧信号である。横軸の角度は、回転盤１が一回転するのを３６０度（機械角）としたときの各角度検出用磁気センサ３０，３１，３２の出力電圧信号を表している。
主角度検出用磁気センサ３１の出力電圧信号は、回転盤１が一回転する間に３２個（２^５）の正弦波を出力する。また、第１の補助角度検出用磁気センサ３１の出力電圧信号は、回転盤１が一回転する間に３１個（２^５−１）の正弦波を出力する。また、第２の補助角度検出用磁気センサ３２の出力信号は、回転盤１が一回転する間に２８個（２^５−２^２）の正弦波を出力する。

図７は、本発明に係る角度検出用磁気センサにおける信号処理を説明するためのブロック図で、各磁気センサの出力電圧から、回転盤の絶対角度を演算するブロック図の一例を示している。図中符号２０は電気内挿部、２１は第１のノギス演算部、２２は第２のノギス演算部、２３は絶対角度演算部を示している。なお、図１乃至図３と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。

第１のノギス演算部２１では、ノギスの原理により主角度検出用磁気センサ３０の出力電圧信号と第１の補助角度検出用磁気センサ３１の出力電圧信号との第１の差分を取り、２^ｍ＋ｎの精度の演算を行う。
また、第２のノギス演算部２２では、ノギスの原理により主角度検出用磁気センサ３２の出力電圧信号と第２の補助角度検出用磁気センサ３２の出力電圧信号との第２の差分を取り、２^ｎの精度の演算を行う。

また、電気内挿部２０では、主角度検出用磁気センサ３０の出力電圧信号を電気内挿して電気角として出力する。角度出力の総分解能は、主角度検出用磁気センサ３０の出力信号を電気内挿した電気角分解能を２^ｌとしたときに（ｌは１以上の整数）、主角度検出用スリットの個数である２^ｍ＋ｎの乗算、つまり２^{ｌ＋ｍ＋ｎ}となる。
絶対角度演算部２３では、第２のノギスの角度演算結果と第１のノギスの演算処理結果を足し合わせることで、主角度検出用磁気センサ３０の出力電圧信号と第１の補助角度検出用磁気センサ３１の出力電圧信号との間の電気角位相差の許容値を大きくすることが可能となる。

また、本発明に係る角度検出磁気センサ３は、回転盤１の主角度を検出する主角度検出用磁気センサ３０と、回転盤１の第１の補助角度を検出する第１の補助角度検出用磁気センサ３１と、主角度検出用磁気センサ３０を挟んで、第１の補助角度検出用磁気センサ３１とは反対側に配置された、回転盤１の第２の補助角度を検出する第２の補助角度検出用磁気センサ３２と、主角度と前記第１の補助角度及び前記第２の補助角度とに基づいて、ノギスの原理で回転盤１の絶対角度を検出する。
また、角度検出磁気センサ３は、主角度検出用磁気センサ３０と第１の補助角度検出用磁気センサ３１及び第２の補助角度検出用磁気センサ３２の感磁部は、長方形状であり、第１の補助角度検出用磁気センサ３１と主角度検出用磁気センサ３０と第２の補助角度検出用磁気センサ３２の順に、感磁部の長辺が短くなるように構成されている。

図８は、スリットと半導体磁気抵抗素子の感磁部との位置関係を示す図である。
スリット（回転盤の空隙部分、つまり穴の部分）の径方向の長さをＷとし、各角度検出磁気センサの感磁部の径方向の長さをｄとする。また、スリットの径方向の長さＷのうち、各角度検出磁気センサの長さｄを除いた内径側の長さをＸとし、外径側の長さをＹとする。
つまり、磁気センサの一種である半導体磁気抵抗素子において、感磁部の径方向の幅をｄとし、回転盤１の各スリット１０ａ，１１ａ，１２ａの径方向の長さをＷとしたときに、その比であるＷ／ｄが、１以上であることが好ましい。また、Ｗ／ｄが、２以上であることが好ましい。
また、各スリット１０ａ，１１ａ，１２ａの径方向の中心に対して各スリット１０ａ，１１ａ，１２ａに対向する半導体磁気抵抗素子の径方向の中心を、径方向に外側にずらすように構成されている。

図９（ａ）乃至（ｃ）は、図８に示したスリットの径方向の長さＷと、半導体磁気抵抗素子の感磁部の径方向の長さｄとの比率Ｗ／ｄに対する、出力電圧振幅変化率、及び、出力電圧振幅の関係を示すグラフと、Ｘ−Ｙに対する出力電圧振幅のグラフを示す図である。図９（ａ）は、エンコーダの偏芯±１００μｍ時におけるＷ／ｄに対する出力電圧振幅変化率の関係を示す図で、図９（ｂ）は、Ｗ／ｄに対する出力電圧振幅の関係を示す図で、図９（ｃ）は、図８に示したＸとＹの差分であるＸ−Ｙと出力電圧振幅の関係を示す図である。

図９（ａ）において、エンコーダの偏芯±１００μｍ時における出力電圧振幅変化率とは、回転盤の偏芯（回転の中心軸からずれること）に起因する半導体磁気抵抗素子の回転盤一回転における出力電圧振幅の最大値と最小値の比のことである。偏芯としては、回転盤のスリットの回転中心とシャフト用の穴の中心とのずれ、及び回転盤を、回転軸を構成するシャフトに組み付ける際に生じる中心軸ずれなどが挙げられる。
出力電圧振幅変化率を約１０％以内に収めれば、演算処理回路によって精度良く角度演算可能であり、図９（ａ）に示すように、Ｗ／ｄが１以上であることが好ましい。また、Ｗ／ｄが２以上であれば、角度検出半導体磁気抵抗素子の出力電圧の変化率は５％以内となり、より精度良く角度演算可能となる。

図９（ｂ）において、Ｗ／ｄを大きくしていくと、スリットの位置が上述した図４（ａ）のとき、つまり半導体磁気抵抗素子３上にスリット１ａがきた場合、バイアス磁石２にから出る磁束でＮ極から出てＳ極に入るものがより多くなり、角度検出磁気センサの磁束に入る磁束が少なくなる。そのため、金属部分とスリット（回転盤の空隙部分、つまり穴の部分）での磁束密度差がより大きくなり、出力電圧振幅は大きくなる。

図９（ｂ）に示すように、Ｗ／ｄが３以上であれば、十分な半導体磁気抵抗素子の出力電圧振幅を確保でき、後段の演算処理回路で精度良く演算処理が可能な出力電圧振幅を確保できる。
以上をまとめると、スリット（回転盤の空隙部分、つまり穴の部分）の径方向の長さＷと、半導体磁気抵抗素子の径方向の長さｄとの間に、偏芯による出力変化率及び出力電圧振幅の大きさを鑑みて、Ｗ／ｄが１以上である関係があることが好ましく、より好ましくは２以上であり、さらに好ましくは３以上である。

図９（ｃ）において、出力電圧振幅が最大となるには、半導体磁気抵抗素子の径方向の中心位置は、スリット穴の径方向の中心部（Ｘ−Ｙ＝０）よりも外径側（Ｘ−Ｙ＞０）であることが好ましい。
これは、円盤が曲率を有するため、スリット穴の形状は長方形ではなく、内径側から外径側に向かって幅が広がる台形であるため、内径側よりも外形側の方がスリットの幅が広いため、前述したように金属部分とスリットでの磁束密度変化が大きくなり、出力電圧振幅の最大値が、スリット穴の径方向の中心部（Ｘ−Ｙ＝０）よりも外径側（Ｘ−Ｙ＞０）にずれるのである。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、角度検出磁気センサのパッケージング状態を示す図で、図１０（ａ）は、角度検出磁気センサの一例であり、第１の補助角度検出用磁気センサ３１と主角度検出用磁気センサ３０と第２の補助角度検出用磁気センサ３２とが１つのチップ上に並置し、パッケージングしたもので、図１０（ｂ）は、各々の角度検出用磁気センサを別々にパッケージングしたものを３つ並べて使用する形態を示す図である。なお、図中符号３ａ，３ｂ，３ｃは角度検出磁気センサを配置したチップ、６ａ，６ｂ，６ｃはパッケージを示している。

本実施形態において、各角度検出用磁気センサは、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜半導体磁気抵抗素子であることが好ましい。小型の磁気エンコーダを実現するためには上述したＷの値を小さくする方がよい。その場合、Ｗ／ｄの値を一定値以上に保つためには、半導体磁気抵抗素子の感磁部の径方向の長さｄを小さくする必要がある。半導体磁気抵抗素子による発熱量を抑えるためには、抵抗値をある一定値以上にする必要がある。抵抗値を保ちつつ、ｄを小さくするためには、半導体磁気抵抗素子のシート抵抗値を大きくしなければならないが、これは薄膜半導体磁気抵抗素子が好適である。また、回転盤１の絶対角度を高精度に検出するためには、本実施形態のように、磁気センサからの出力電圧を出来るだけ正弦波や余弦波に近づけることが重要であり、つまり出力電圧の歪を出来るだけ少なくするのにも、磁気センサは半導体磁気抵抗素子が好適である。

また、本実施形態では、第１の補助角度用磁気センサ３１と主角度検出用磁気センサ３０と第２の補助角度用磁気センサ３２との順に、１つのチップ上に並置されている。主角度検出用磁気センサ３０を真ん中に配置して、その両側に各補助角度用磁気センサ３１，３２が配置される構成は、チップをリードフレームダイボンディングする際に生じる角度θずれの、主角度検出用磁気センサからの出力電圧と補助角度検出用磁気センサからの出力電圧との電気的位相ずれに対する影響を低減することができる。つまり、後段の演算処理の中心となる主角度検出用磁気センサ３０を、中央に配置することによって、ダイボンンディング時の角度ずれによる出力電圧の位相ずれを小さくでき、後段の演算処理への影響を少なくすることができるのである。

また、図１０（ｂ）のように、各々の角度検出用磁気センサを別々にパッケージングしたものを３つ並べて基板に実装し使用する形態に比べ、図１０（ａ）のように、各々の角度検出用磁気センサを１つのチップ上に並置したものをパッケージングしたものを実装使用する形態が、各角度検出用磁気センサからの出力電圧の電気的位相ずれの観点から好ましい。
複数の角度検出用トラックのスリットに対応する角度検出用磁気センサとして、複数の角度検出用磁気センサを１つのチップ上に配置して実現することで、複数の角度検出用磁気センサからの出力電圧間の電気的位相ずれは、ダイボンディング時の角度θずれのみを考慮すればいいことになる。
また、角度検出用磁気センサ間の距離Ｄ＝Ｗ＋Ｓを最適化することにより（なお、Ｓは、径方向のスリット間の距離）、複数の角度検出用磁気センサからの出力電圧間の電気的位相ずれＤｓｉｎθを最適な値とすることが可能となる。

１ 回転盤
１ａ スリット
１ｂ 金属部
２ バイアス磁石
３，３ａ，３ｂ，３ｃ 角度検出磁気センサ
４ シャフト
５ 固定盤（基板）
６ パッケージ
６ａ，６ｂ，６ｃ パッケージ
１０ 主角度検出用トラック
１０ａ 主角度検出用スリット
１１ 第１の補助角度検出用トラック
１１ａ 第１の補助角度検出用スリット
１２ 第２の補助角度検出用トラック
１２ａ 第２の補助角度検出用スリット
２０ 電気内挿部
２１ 第１のノギス演算部
２２ 第２のノギス演算部
２３ 絶対角度演算部
３０ 主角度検出用磁気センサ
３１ 第１の補助角度検出用磁気センサ
３２ 第２の補助角度検出用磁気センサ

Claims (11)

1. 円盤状の磁性体に、回転方向に沿って環状に複数の主角度検出用スリットが配置された主角度検出用トラック、該主角度検出用トラックの外周に環状に複数の第１の補助角度検出用スリットが配置された第１の補助角度検出用トラック、及び前記主角度検出用トラックの内周に環状に複数の第２の補助角度検出用スリットが配置された第２の補助角度検出用トラックが設けられている回転盤と、
   該回転盤の近傍に配置されたバイアス磁石と、
   前記バイアス磁石からの磁場を検出するために前記主角度検出用トラックの領域内に設けられた主角度検出用磁気センサ、前記バイアス磁石からの磁場を検出するために前記第１の補助角度検出用トラックの領域内に設けられた第１の補助角度検出用磁気センサ、及び前記バイアス磁石からの磁場を検出するために前記第２の補助角度検出用トラックの領域内に設けられた第２の補助角度検出用磁気センサを有する角度検出磁気センサと、
   を備え、
   前記回転盤の径方向に沿って内周側から順に、前記第２の補助角度検出用磁気センサと前記主角度検出用磁気センサと前記第１の補助角度検出用磁気センサが配置されており、
   前記複数の各スリットは、内径側から外径側に向かって幅が広がる台形状であり、
   前記角度検出磁気センサに含まれる各磁気センサの感磁部の径方向の長さをｄとし、前記回転盤の前記各スリットの径方向の長さをＷとしたときに、その比であるＷ／ｄが２以上であり、
   前記各磁気センサは、前記各スリットの前記径方向の中心に対して、前記各スリットに対向する前記各磁気センサの前記径方向の中心が、前記径方向に外側にずらして配置されている絶対角度検出装置。
2. 前記主角度検出用トラックに、前記回転方向に沿って環状に２^m+n個の前記複数の主角度検出用スリットが配置され（ｍ、ｎは１以上の整数）、前記第１の補助角度検出用トラックに、前記回転方向に沿って環状に２^m+n−１個の前記複数の第１の補助角度検出用スリットが配置されている請求項１に記載の絶対角度検出装置。
3. 前記第２の補助角度検出用トラックは、前記回転方向に沿って環状に２^m+n−２^m個の前記複数の第２の補助角度検出用スリットが配置されている請求項２に記載の絶対角度検出装置。
4. 前記主角度検出用磁気センサは、前記主角度検出用トラックの円周上の上方又は下方に配置され、
   前記第１の補助角度検出用磁気センサは、前記第１の補助角度検出用トラックの円周上の上方又は下方に配置され、
   前記第２の補助角度検出用磁気センサは、前記第２の補助角度検出用トラックの円周上の上方又は下方に配置されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の絶対角度検出装置。
5. 前記バイアス磁石は、前記主角度検出用磁気センサと前記第１の補助角度検出用磁気センサ及び前記第２の補助角度検出用磁気センサを挟んで前記回転盤と反対側に配置されている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の絶対角度検出装置。
6. 前記角度検出磁気センサは、半導体磁気抵抗素子である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の絶対角度検出装置。
7. 前記角度検出磁気センサは、前記回転盤にシャフトを介して設けられた固定盤上に、第１の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子と主角度検出用半導体磁気抵抗素子と第２の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子の順に並置されている磁気センサである請求項６に記載の絶対角度検出装置。
8. 前記第１の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子と前記主角度検出用半導体磁気抵抗素子と前記第２の補助角度検出用半導体磁気抵抗素子の順に、前記半導体磁気抵抗素子の感磁部の幅が狭い請求項７に記載の絶対角度検出装置。
9. 前記半導体磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜半導体磁気抵抗素子である請求項６乃至８のいずれか一項に記載の絶対角度検出装置。
10. 前記主角度検出用磁気センサの出力信号と前記第１の補助角度検出用磁気センサの出力信号との第１の差分を演算する第１のノギス演算部と、
    前記主角度検出用磁気センサの出力信号と前記第２の補助角度検出用磁気センサの出力信号との第２の差分を演算する第２のノギス演算部とを備え、
    前記第１のノギス演算部の出力信号と、前記第２のノギス演算部の出力信号と、前記主角度検出用磁気センサの出力信号とに基づいて、前記回転盤の絶対角度を演算する絶対角度演算部を有する請求項１乃至９のいずれか一項に記載の絶対角度検出装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の絶対角度検出装置を備えている磁気エンコーダ。

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