JPH0348721A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はアクチュエータなどの駆動用あるいは制御用モ
ータの速度および位置を検出する磁気エンコーダに関す
る。

［従来の技術］ ロボットやマニピュレータの需要が増大し、これらの機
器に組み込まれて回転あるいは直線運動を行うアクチュ
エータの位置および速度を瞬時的に正確に測定し得る検
出器が要求されている。

このような検出器としては従来、光電式のものが多く用
いられてきた。この光電式検出器はガラス円板に金属膜
を蒸着しフォトリソにより作られた光学スリットと、発
光ダイオードおよび受光素子としてのフォトダイオード
から構成されているため、ガラス円板が衝撃に弱いこと
や、発光素子、受光素子を配置するために薄肉化が不可
能であるうえ、８０℃以上の高温では使えないという欠
点があった。

近年、ロボットやマニピュレータの小形化に伴い、検出
器の耐熱性向上や小形高分解能化の必要性が高まってき
た。このような要求に応じた検出器として、磁化パター
ンが書き込まれた基体と磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ
素子と略す）を組み合わせた磁気エンコーダが提案され
ている。

（特開昭５４−１１５２５７） この磁気エンコーダは、回転軸と連動して回転しピッチ
ｐ’′ｃ−磁化パターンが書き込まれた磁気記録媒体を
有する回転体と、この磁化パターンから漏洩する周期的
磁場分布を検出するＭＲ素子から構成されており、ＭＲ
素子のストライプ長さ方向は磁界の方向と直角に、また
ストライプ幅方向は磁界の方向と平行になっている。こ
のような構成において磁気記録媒体からの磁界ＨＩＩＸ
がＭＲ素子に印加されたときＭＲ素子に入る磁界Ｈ＊　
ｒ　ｔは、反磁界をＨ６とすると Ｈ−ｒ　ｒ　−Ｈ□−Ｈａ となる。（特開昭５７−１９７−８８５）ここで、ＭＲ
素子のストライプ幅をＷ１膜厚さをｔ、ＭＲ素子の飽和
磁界をＩｓとすると、反磁界Ｈ６は Ｈ，＝４πＩ８・ｔ／Ｗ であるから、磁界Ｈ＊　ｒ　ｒは Ｈ−ｔ　ｒ　＝　Ｈ、−４πｌ５−ｔ／ｗとなる。

つまり、ＭＲ素子のストライプ幅Ｗが小さくなると反磁
界Ｈ，が大きくなり、磁界Ｈｍ　ｒ　ｔが小さくなるの
でＭＲ素子の出力低下がおこる。普通、ストライプ幅Ｗ
の２倍が位置読取単位と考えられており、上記のような
構造ではストライプ幅ｌＯμｍが限界なので、２０μｍ
が位置読取単位となる。しかし高分解能化により要求さ
れている分解能は数μｍなので、この構造では不可能で
ある。

また、ＭＲ素子と磁気記録媒体の距離を数十μｍにしな
ければならないので、磁気エンコーダの組み立て時にＭ
Ｒ素子と磁気記録媒体が接触してＭＲ素子を破壊するこ
とがあった。

そこで、本発明者はこの点を解決できる磁気エンコーダ
を発明した（特開昭６２−３９１７８゜特ｉ［６２−３
９１８０）。この磁気エンコーダは第１１図に示すよう
に、要求される位置読取精度に応じて周期的磁場を発生
するように、ピッチｐで少なくとも１つの磁化パターン
列（図では２列）が書き込まれた磁気記録媒体３からの
周期的磁場を、磁気記録媒体３に近接させた磁気ヘッド
４にそなえられ前記磁化パターン列に対向するストライ
プ状のＭＲ素子６により出力変換させ、前記磁気記録媒
体３の磁化の強さが１つのピッチル内で異なり、前記Ｍ
Ｒ素子のストライプ長さをＱ１磁気記録媒体とＭＲ素子
の最近接距離をｇとしたときに、ＭＲ素子の面と磁気記
録媒体表面とのなす角度αがｔａｎ−’　（２（Ｑ＋ｇ
）／　ｐ　）度から９０度の範囲にあり、ストライプ幅
方向に磁化パターンからの磁界が印加されるようにして
いる。

なお、アブソリュート磁気エンコーダとして構成した例
を第１２図に、磁化の方向が磁気記録媒体の厚さ方向と
等しい垂直磁化膜を用いた場合を第１３図に示しており
、第ｔｉ図と同じ部分に同一の符号を付しである。

［本発明が解決しようとする課題１ ところが、高分解能が要求され磁化パターン列の着磁ピ
ッチが小さくなると、各着磁部においてパターン列方向
の寸法に対するパターン幅方向の寸法比が低分解能の場
合に比べて大きくなり、着磁部の磁極面間距離が長くな
る。

第１４図に示すように、磁石の磁極面間の距離・　Ｌ［
ｍ］・幅λ［ｍ］、厚さｔ「ｍ］とし、この磁石の中心
からｒ［ｍｌ離れた点ＰにおけるＳ極による磁界をＨｓ
ＳＮ極による磁界をＨｎ、磁極の強さをｍＣＷｂ］とす
ると、 ４πμｏ「３′ ４πμｏ　（ｒ”＋（Ｌ／２）”）　　　［Ａ／ｍ］　
”（１）１（ｎ　　４□□。酉・ ４ｙｒμｏ（ｒ”＋（Ｌ／２）’）　　　［−Ａ／ｍ］
”（２）ただし、μ。は真空の透磁率 であり、点Ｐにおいて磁石の長さ方向に作用する磁界１
−１　ｙは ）−１，ｙ−（Ｈｓ＋Ｈｎ）　ｃｏｓθＬ ４πμ。（ｒ’＋（Ｌ／　２）”）　’　　［Ａ／ｍ］
　”（３）で表される。

（３）式でしに注目すると、Ｌが大きくなると■Ｉｙは
小さくなり、Ｍ　Ｒ素子の領域における磁束密度が小さ
くなる。そのために出力が小さくなるので高分解能化に
限界があった。

Ｃ課題を解決するための手段］ 上記の問題を解決するために、本発明の磁気エンコーダ
は、１つの磁化パターン列の中の各着磁部が磁化パター
ン列の幅方向に分割され、分割されたそれぞれの着磁部
からの漏洩磁界のＭＲ素素子スト９プ１ 隣り合うように形成しである。

［作用］ このように、１つの着磁部を複数に分割することにより
各着磁部における磁極面間距離を短くすることができ、
ＭＲＲ子ストライプに印加される磁束密度が大きくなる
。さらに隣り合う着磁部からの漏洩磁界のＭＲ素素子ス
ト９プ１ 互いに相反する向きに着磁することにより、隣り合う着
磁部の一方の磁石からでた磁束は他方の磁束と反発して
隣りへ流れる磁束がなくなり、磁束通路が上方にふくら
み、ＭＲＲ子ストライプの磁石から遠い部分での磁束密
度が増大して出力が大きくなるという２つの効果によっ
て、着磁ビブチが小さくなっても出力が低下せず、高分
解能化が可能になる。

［実施例］ 実施例！ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明のインクリメンタル磁気エンコーダの一
実施例を示す概略図、第２図は第１図の実施例における
磁化パターンとＭＲ素子の詳細図、第３図、第４図は第
１図の実施例における出力の′波形図である。

この実施例は、回転軸ｌに固定されたドラム状のアルミ
合金製基体２と、その外周部に形成されたｃｏ−Ｐ磁気
記録媒体３と、ガラス屑仮５上に８１Ｎｉ−Ｆｅ膜で形
成したＭＲＲ子６およびＡＵ膜で形成した端子７をそな
えた検出ヘッド４と、この端子７に接続されたリード線
８および駆動検出回路９よりなる。磁気記録媒体３に記
されている矢印は磁化の強さの程度と磁化方向をあられ
し、第５図に示（またようにリングヘッドＩＯを用いコ
イル１１に電流を流して着磁を行った。磁化の強さは第
１図矢印で示すように１つのピッチル内で変化している
。

１つの磁化パターン列を着磁する際、まずパターン列の
半分の幅を着磁したのち、リングヘッド１０を基体２の
幅方向に平行移動して、残りの半分はコイル電流の極性
を逆にして着磁する。こうすることによって１つの磁化
パターン列において各ピッチ内の着磁部がパターン列の
幅方向に分割され、分割された着磁部は互いに隣り合う
着磁部が相反する方向に磁化される。

このような構成において、磁気記録媒体３から漏れる磁
界の強さに応じてＭＲ素子６の抵抗変化がおこり、第３
図に示すような三角波杉をもつ出力信号が得られた。こ
の信号の中央値をしきい値としてパルス化すると第４図
に示すようになり、位置検出器として使用できる。この
ような構成では反磁界Ｈｄの影響を受けるのはＭＲ素子
６のストライプ幅Ｗ方向であり、ピッチｐによる制限は
ない。

第６図は本実施例におけるピッチｐに対する出力信号ａ
を、磁化パターンが分割されていない従来例の出力信号
すと比較して示す特性図である。

この特性図からも明らかなように、出力電圧も大きくな
り、従来例の限界である１０μｍピッチ以下でも、本発
明による出力電圧はノイズレベルより十分大きく、高分
解能化が可能であることがわかる。

なお、１つのピッチル内の磁化の強さの分布が、従来と
同じように三角波や正弦波状でも同じ効果が得られるこ
とは明らかである。

第７図は１つのピッチル内のパターン幅方向の分割数を
３つにした実施例における磁化パターンを示しており、
前述の実施例と同様に作用するので詳細な説明を省略す
る。分割数を−３つ以上にしても、同様の効果が得られ
る。

また、直線連動をする場合にも適用できることは当然で
ある。

実施例２ 第８図は本発明によるアブソリュート磁気エンコーダの
実施例を示す概略斜視図、第９図は二の実施例における
出力電圧とピッチとの関係を従来例と比較して示す特性
図である。

本実施例は、回転軸１に固定されたドラム状基体２と、
その外周面に形成された磁気記録媒体３と、ガラス基板
５上に形成されたＭＲ素子６および導体端子７よりなる
検出ヘッド４と、導体端子７に接続されたリード線８お
よび外部への出力端子を有する駆動検出回路９とよりな
る。磁気記録媒体３には矢印で示したように、それぞれ
幅方向に２つに分割され反対方向に着磁された５本の磁
化パターン列ｎ、〜ｎ、が書き込まれており、これらの
磁化パターン列ｎ１−ｎ５から漏れる磁界がそれぞれ対
応するＭＲ素子６に作用する。つまり、磁気記録媒体３
からの漏れ磁界は、ＭＲ素子パターンに流れるセンス電
流と直交することにより磁化パターン列ｎ　１　＋　ｎ
　ｔ　ｒ　ｎ　３・・・に対しそれぞれ位置に応じて電
圧の変化を生じる。この変化を組み合わせて基体２の絶
対位置を検出する。

ここでＭＲ素子６のストライプ長さをＱ１磁気記録媒体
３とＭＲ素子５の最近接距離をｇ、位置読取単位をｔと
したとき、ＭＲ素子６のストライプ面と最近接部での基
体２表面とのなす角度αがｔａｎ−１（２（Ｎ＋ｇ）／
　ｐ　）度から９０度の範囲にあるようにし、ストライ
プ幅方向が磁化パターン列０１〜ｎ、の方向と平行にし
ておけば、ストライプ幅方向に磁化パターンｎｌ”ｎｌ
からの磁界が印加される。

第９図はこの実施例におけるピッチｐに対する出力信号
ａを、第１２図に示した従来例の出力信号すと比較して
示す特性図であり、出力電圧が大きくなっているだけで
なく、従来例の限界である２０μｍピッチ以下でも出力
電圧はノイズレベルより十分大きいので高分解能化が可
能であることがわかる。

また第１０図に示すように、磁化の方向が磁気記録媒体
の厚さ方向と等しい垂直磁化膜を用いた場合にも同様の
効果が得られることは明らかである。

［本発明の効果］ 以上説明したように１つの磁化パターン列をバターン列
の幅方向に分割し、分割されたそれぞれの着磁部からの
漏洩磁界のストライプ幅方向成分の磁界の向きが互いに
相反するように隣り合わせることにより、着磁ピッチを
小さくしても出力変化を大きくすることができ、高分解
能の磁気エンコーダを得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略斜視図、第２図は磁
化パターンとＭＲ素子の関係を示す詳細図、第３図およ
び第４図は第１図の実施例にお６ノる出力の波形図、第
５図は磁化パターンを形成する方法を示Ｖ説明図、第６
図は第１図の実施例におけるピッチｐに対する出力電圧
の関係を従来例と比較して示す特性図、第７図は他の実
施例を示す概略斜視図、第８図は本発明によるアブソリ
ュート磁気エンコーダの例を示す概略斜視図、第９図は
第８図の実施例におけるピッチｐに対する出力電圧の関
係を従来例と比較して示す特性図、第１Ｏ図は垂直磁化
膜を用いた実施例を示す概略斜視図、第１１図、第１２
図、第１３図は従来の磁気エンコーダを示す概略斜視図
である。 １は回転軸、２は基体、３は磁気記録媒体、４は磁気ヘ
ッド、５はガラス基板、６は磁気抵抗効果素子（Ｍ　Ｒ
素子）、７は端子、８はリード線、９は駆動検出回路、
ｌＯはリングヘッド、１１はコイルである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　要求される位置読取精度に応じて周期的磁場を発生
   する磁化パターンがピッチｐで書き込まれた少なくとも
   １つの磁化パターン列を有する磁気記録媒体をそなえた
   基体と、この磁気記録媒体に近接して設け、磁化パター
   ン列からの周期的磁場を検出して出力変換する少なくと
   も１つのストライプ状の磁気抵抗効果素子を設けた磁気
   ヘッドとをそなえ、前記磁気記録媒体の磁場の強さが１
   つのピッチｐ内で列方向に異なり、磁気抵抗効果素子の
   ストライプ長さをｌ、磁気記録媒体と磁気抵抗効果素子
   の最も近接した距離をｇとしたときに、磁気抵抗効果素
   子の面と磁気記録媒体表面とのなす角度αがｔａｎ＾−
   ＾１｛２（ｌ＋ｇ）／ｐ｝度から９０度の範囲であって
   、ストライプ幅方向に磁化パターンからの磁界が印加さ
   れるようにした磁気エンコーダにおいて、 １つの磁化パターン列内の着磁部が、磁化パターン列の
   幅方向に分割され、前記分割されたそれぞれの着磁部か
   らの漏洩磁界の磁気抵抗効果素子ストライプ幅方向成分
   が、互いに相反する方向に隣り合うようにしたことを特
   徴とする磁気エンコーダ。 ２　前記１つのピッチ内の磁化の強さの分布が正弦波状
   である特許請求の範囲第１項記載の磁気エンコーダ。 ３　前記１つのピッチ内の磁化の強さの分布が三角波状
   である特許請求の範囲第１項記載の磁気エンコーダ。 ４　要求される位置読取精度に応じた磁化パターン列を
   少なくとも２列有する磁気記録媒体をそなえた基体と、
   前記基体の磁気記録媒体に近接して磁気記録媒体から漏
   洩する磁界を検出するため各磁化パターン列ごとに配置
   されたストライプ状の磁気抵抗効果素子をそなえた磁気
   ヘッドとを設け、前記磁気抵抗効果素子の出力信号の組
   み合わせにより前記基体の絶対位置を読み出すようにし
   、前記磁気抵抗効果素子のストライプ長さをｌ、磁気記
   録媒体と磁気抵抗効果素子の最近接距離をｇ、位置読取
   単位をｐとしたとき、磁気抵抗効果素子のストライプ面
   と磁気記録媒体表面とのなす角度αがｔａｎ＾−＾１｛
   ２（ｌ＋ｇ）／ｐ｝度から９０度の範囲であって、スト
   ライプ幅方向に磁化パターンからの磁界が印加されるよ
   うにした磁気エンコーダにおいて、 各磁化パターン列の着磁部が、磁化パターン列の幅方向
   に分割され、分割されたそれぞれの着磁部からの漏洩磁
   界の磁気抵抗効果素子ストライプ幅方向成分が、互いに
   相反する方向に隣り合うようにしたことを特徴とする磁
   気エンコーダ。