JPH0676893B2 - 磁気エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば、ロボットやマニピュレータ等におけ
る駆動用あるいは制御用の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〕

従来から、ロボットやマニピュレータに組込まれた回転
また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することができる検出器が要求
されている。

このような検出器としては、従来、光電式が多用されて
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、
発光ダイオード，受光素子の配置上、薄肉化は不可能で
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型化に伴ない検出
器の耐熱性向上や小型高分解能化の必要性は高まってき
た。このような要求に対し、磁化パターンの書込まれた
ドラムと磁気抵抗効果素子（以下、MR素子と略す）を組
み合せた磁気エンコーダが開発された（特開昭54−1152
57）。

この検出器は回転軸と連動して回転し、ピッチＰで磁化
パターンが書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れ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回転体
円周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HexがMR素子に印加された
とき、MR素子に入る磁界Heffは反磁界をHdとすると Heff＝Hex−Hd となる（特開昭57−197885）。

ここで、MR素子のパターン幅をW,膜厚をt,MR素子の飽和
磁界をIsとすると、反磁界Hdは なので、磁界Heffは となる。つまり、パターン幅Ｗが小さくなると反磁界Hd
が大きくなり、磁界Heffが小さくなるのでMR素子の出力
低下がおこる。普通、パターン幅Ｗの２倍が位置読取単
位と考えてよいので、このような構造ではMRパターン幅
10μｍが限界なので、20μｍが位置読取単位となる。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μ
ｍにしなければならないので磁気エンコーダの組立て時
にMR素子と磁気記録媒体が接触し、MR素子を破壊するこ
とがあった。

そこで本発明者らはこの点を解決できる磁気エンコーダ
を先に発明した（特願昭62−39180,特願昭62−3917
8）。

この先行する磁気エンコーダは、例えば第３図にその要
部を斜視図で示す。

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の書
込まれた磁気記録媒体７からの、前記周期的磁場を磁気
記録媒体に近接した少なくとも１つのストライプ状のMR
素子１により出力変換する磁気エンコーダにおいて、前
記MR素子ストライプ長さをｌ、磁気記録媒体とMR素子１
の最近接距離をｇとしたときにストライプ長さ方向と前
記最近接部での磁気記録媒体表面接線方向とのなす角度
αが 度から90゜の範囲にあり、ストライプ幅方向が磁化パタ
ーン列方向と平行であり、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。この第３
図では、ストライプ状の４本のMR素子１を３個所の折り
返し部を形成し接続し１つのMR素子１として出力し、磁
気記録媒体７に示した矢印と長さは着磁方向（磁化方向
パターン）と大きさを表わし、曲線状の点線は磁気記録
媒体７から発生する磁束のMR素子１と鎖交する状態を示
す。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、MR素子により磁気記録媒体表面に書き込まれ
た磁化パターンの内容を検出する場合、ノイズ等による
誤検出を避けるためにも、できるだけ大きなMR素子の出
力を得ることが望まれる。

しかし、第３図のような従来のMR素子では、その出力を
一定以上大きくすることができなかった。本願の発明者
は、その原因を究明すべく種々の実験及び調査を行なっ
た結果、MR素子の出力を一定以上大きくすることができ
ない主な理由は、MR素子を形成するストライプ部の端部
における磁区の乱れにあることが判明した。

すなわち、ストライプ部の端部、あるいは折り曲げを行
なった場合のコーナー部などでは、どうしても磁化方向
を均一にすることができず、磁区の乱れが発生する。そ
して、このような磁区の乱れのある部分が、磁束との鎖
交領域内に置かれた場合は、磁区の乱れに起因するヒス
テリシス損のために出力の低下を招くことになる。

しかるに、従来においては、このような磁区の乱れが存
在するストライプ部の端部について格別の注意が払われ
ることはなく、磁束との鎖交領域と同程度の大きさのMR
素子を、この鎖交領域中に配置するだけで足りると考え
られていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、MR素子
の形状及び構造を工夫することにより、充分大きな出力
を得ることのできる磁気エンコーダを提供することを目
的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記問題点を解決するための手段として、磁気
記録媒体の表面に書込まれた磁化パターンが発生する磁
束と鎖交する鎖交領域に磁気抵抗効果素子を配設し、そ
の磁気抵抗の変化に基く電圧又は電流の変化により磁化
パターンの内容を読み取る磁化パターン読取手段を備え
ており、前記磁気抵抗効果素子は、前記表面に対して離
間接近する方向に延びる複数のストライプ部と、前記表
面に接近する側及び離間する側の、相互に隣接する前記
ストライプ部の各端部間を接続するつなぎ部と、により
形成されている、磁気エンコーダにおいて、前記磁気抵
抗効果素子の前記表面と離間する側の各ストライプ部の
端部が、前記鎖交領域外に位置するように、各ストライ
プ部の長さを充分長くすると共に、前記表面と離間する
側のつなぎ部、及び前記電圧又は電流の変化を取り出す
ためのリード端子部を、前記鎖交領域内の最も前記表面
と離間する位置付近に形成したこと、を特徴とするもの
である。

（作用） 上記構成において、磁気記録媒体の表面から遠い方に位
置するつなぎ部や、リード端子部は、鎖交領域内におい
て、この表面からできるだけ離れるように位置してい
る。

そして、ストライプ部の長さは充分長くなっており、磁
区の乱れが存在する一方の端部は鎖交領域外に押しやら
れた状態となっている。したがって、この一方の端部に
おける磁区の乱れに起因するヒステリシス損も発生せ
ず、出力の低下を招くことがない。

ただし、鎖交領域といっても、非鎖交領域との境界のよ
うなものが存在するわけではなく、実際には、その範囲
は漠然としたものである。したがって、この場合の鎖交
領域とは、設計上の観点から設定した一定範囲内のこと
を意味する。

同様に、ストライプ部の一方の端部を鎖交領域外に位置
させたといっても、実際には、一方の端部に鎖交する磁
束数が全くゼロになるわけではない。したがって、この
場合も、出力に殆ど影響がない程度に鎖交磁束数が減少
している状態を含むものとする。

なお、ストライプ部の他方の端部すなわち磁気記録媒体
の表面に接近する側の端部における磁区の乱れはやむを
得ぬものであり、これについては従来と同様に、その影
響は依然として残っている。

〔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（ａ）は、本発明の一実施例における要部の構成
を表わす斜視図である。

MR素子１をドラム６と組合せて作製した磁気エンコーダ
である。MR素子１は僅かの空隙を介してドラム６に対向
し、そのストライプ部３は長さ方向が回転軸９に固定さ
れたドラム６の外周部に形成され矢印で示す磁化パター
ン８の列が書き込まれた磁気記録媒体７にほぼ直角に配
設され、ストライプ部３の軸方向が磁化パターン８の列
と平行にしてあり、ストライプ部３の幅方向に磁化パタ
ーン８からの磁界が印加され鎖交するように配置されて
いる。

このMR素子１はガラス基板２上にスパッタ法で、81.7％
Ni−Fe合金膜を550Å厚さで一面に作製の後に、ストラ
イプ部３をフォトリソにより形成した。

次に、レジスタによりストライプ部３をマスクして、Cu
を蒸着し、つなぎ部としてのストライプ折り返し部４と
リード端子部５とを形成する。このリード端子部５は、
MR素子１の磁器抵抗変化によって生じる電圧又は電流の
変化を、図示を省略した外部回路に検出信号として取り
出すためのものである。なお、リード端子部５はストラ
イプ部３の上に重ねて形成されているものであり、ここ
でストライプ部３が折断されているわけではない。

また、第１図（ａ）では、ストライプ部３下端からリー
ド端子部５又は上側の折り返し部４までの長さにおける
アスペクト比（ストライプ長さ／ストライプ幅）は８、
ストライプ全体のアスペクト比は15となっている。この
ようなアスペクト比とすることにより、リード端子部５
及び上側折り返し部４を、磁化パターン８が発生する磁
束と鎖交する鎖交領域内において磁化パターン８から最
も離れた位置に置くことができ、また、磁区の乱れが存
在するストライプ部３の上側端部を鎖交領域外に配置す
ることができる。

したがって、従来、ストライプ部の上側端部又はこれに
相当するコーナー部等の磁区の乱れに起因するヒステリ
シス損をなくすことができ、MR素子１の出力信号のレベ
ルを充分大きくすることができる。

また、第１図（ｂ）は、本発明の他の実施例における一
部の構成を示す斜視図である。

ドラム６は２個の磁気記録媒体７は非磁性体10を間挿し
て固着され、MR素子１もそれぞれの磁気記録媒体７の表
面に形成された磁化パターン８に対向するようにストラ
イプ部３が２組配置されている。

この他の実施例では、第１図（ｂ）に図示するように、
おのおののストライプ部３について、折り返し部までの
アスペクト比は8,ストライプ全体のアスペクト比は18で
ある。

さらに、第１図（ｃ）は、本発明の別の実施例における
要部の構成を表わす斜視図である。

この別の実施例では、それぞれのストライプ部３につい
て、折り返し部までのアスペクト比は6,ストライプ全体
のアスペクト比は25としている。

第２図は第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）の各実施例にお
ける磁気エンコーダの出力を、ストライプ部が折り返し
部までしかない従来例と比較して示す出力比特性図であ
る。これら図示された出力比は従来例（アスペクト比
８）を１として表したもので、横軸の１（ａ）,1
（ｂ）,1（ｃ）はそれぞれ第１図の（ａ），（ｂ），
（ｃ）に対応した出力比例である。本発明のMR素子の出
力はいずれも、従来例より約２倍近くまで、大きくなっ
ている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明による構造のMR素子を用い
磁気エンコーダを構成すれば、出力値が大きくノイズに
強い、高信頼性高分解能の磁気エンコーダを提供できる
という、格段の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の要部の構成を表わす
斜視図、第１図（ｂ）および第１図（ｃ）は本発明の他
のおよび別の実施例の一部の構成を示す斜視図、第２図
は本発明の従来例との出力比を表わす特性図、第３図は
従来例の磁気エンコーダを示す図である。 １……磁気抵抗効果素子（MR素子）、２……ガラス基
板、３……ストライプ部、４……ストライプ折り返し
部、５……リード端子部、６……ドラム、７……磁気記
録媒体、８……磁化パターン、９……回転軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁気記録媒体の表面に書き込まれた磁化パ
   ターンが発生する磁束と鎖交する鎖交領域に磁気抵抗効
   果素子を配設し、その磁気抵抗の変化に基く電圧又は電
   流の変化により磁化パターンの内容を読み取る磁化パタ
   ーン読取手段を備えており、 前記磁気抵抗効果素子は、 前記表面に対して離間接近する方向に延びる複数のスト
   ライプ部と、 前記表面に接近する側及び離間する側の、相互に隣接す
   る前記ストライプ部の各端部間を接続するつなぎ部と、 により形成されている、磁気エンコーダにおいて、 前記磁気抵抗効果素子の前記表面と離間する側の各スト
   ライプ部の端部が、前記鎖交領域外に位置するように、
   各ストライプ部の長さを充分長くすると共に、 前記表面と離間する側のつなぎ部、及び前記電圧又は電
   流の変化を取り出すためのリード端子部を、前記鎖交領
   域内の最も前記表面と離間する位置付近に形成したこ
   と、 を特徴とする磁気エンコーダ。