JPS63196817A - 磁気エンコ−ダ用磁気ヘツド - 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、直線又は曲線運動する物体の移動距離や回転
運動する物体の回転角度又は回転数などを計測するのに
使用される磁気エンコーダ用磁気ヘッドに関する。

〔従莱の技術〕

近年、光学式エンコーダに比較し、コスト、耐環境性、
応答性、小型化などのメリットのある磁気式エンコーダ
が注目されている。磁気式エンコーダつまり磁気エンコ
ーダは、第２図に示すように磁気目盛りの刻印さた磁気
スケール６と磁気ヘッド５から構成され、スケール６は
、直線運動の場合には板状、回転運動の場合には円板状
又は円筒状の磁気記録媒体に磁気目盛（Ｎ極、Ｓ掻）を
所定間隔で着磁したものであって、磁気へラド５はスケ
ール６に接触又は近接させて着磁信号を読み取るもので
ある。

磁気ヘンド５は、基本的には基板上に形成された１本又
は複数本の細い磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子とい
う）からなり、場合により前記ＭＲ素子からの信号を処
理する電気回路も同一基板上に形成される。

一般には、磁気ヘッドは、光学研磨又はそれ以下の平滑
性を有するガラス基板上に、薄膜作製技術（例えば真空
蒸着）で例えば膜厚０．０１〜１μｍのＮｉ□Ｆｅｔ、
（数字は原子％）のような強磁性磁気抵抗効果をもつ薄
膜を形成した後、ホトリソエツチングによりパターニン
グし、次いで同様にＡβのような金属０の配線パターン
を形成することにより製造されている。なお、場合によ
り、前記金属０としてＭＲ素子と同一の金属を用い、そ
れを幅広に形成して抵抗を落として配線パターンにする
こともある。

ＭＲ素子２は、目盛であるＮ極、Ｓ極が近づくと第３図
に示すように電気抵抗Ｒが低下するので、゛磁気ヘッド
５とスケール６に接触させた状態又は僅かに離して近接
させた状態で相対的に移動させる（第２図参照）と、Ｍ
Ｒ素子２を流れる電流Ｉを一定にした場合、ＭＲ素子２
の両端間の電圧■は、Ｖ＝ＩＲの公式に従いスケールの
目盛に応じて変化し、第４図に示すような正弦波又はこ
れに類似する電圧信号（以下、原信号という）が得られ
る。

しかし、実際には、この定電流駆動方式はｔａ！の応答
速度が遅いので、定電圧駆動方式が用いられる。後者の
場合には、例えば？ＩＲ素子と固定抵抗とを直列に連結
する。

いずれにせよ、原信号の波の数はＮ極とＳｌｉの和に相
当するので、波の数を数えれば磁気ヘッドとスケールの
相対的な移動量又はこれと相関関係にある物理量例えば
移動距離又は回転角が知れるのである。

ところで、複数のＭＲ素子２を基板１上に配置してなる
磁気エンコーダ用磁気ヘッドがある。例えばｎ個（ｎは
正の整数）のＭＲ素子２を１ブロツクとし、４個のブロ
ック（ｎ＝１の例）を第５図（ｂ）に示すように所定間
隔で幾何学的に並列に基板上に配置して、これらのブロ
ックを第６図に示す如く温度補償と感度を倍に上げるた
めにホイーストン・ブリッジを組むように電気的に連結
した磁気ヘッドがある（例えば、特公昭６０−４７９８
８号参照）、この場合、１個のブロック内に複数（ｎ＝
２以上）のＭＲ素子がある場合には、各素子間の間隔ｄ
０はｄ＠＝ｍ０λとし、第１ブロックＢ、と第２ブロッ
クＢ、との間隔ｄ１．はａ１！−（ｍ、＋２）λで、第
２ブロツクＢ２と第３ブロツクＢ３との間隔ａｙ３はｄ
＊３＝　（ｍｚ　＋％）　λで、第３ブロックＢ、と第
４ブロツクＢ４との間隔ａＳ４はｄ３ａ＝　（ｍｔ　＋
’４）　　λである。但し、λは磁気目盛りのＮ極とＳ
極との間隔であり、ｍｏ、ｍｌ、ｍ２及びｍ３は整数で
ある。

そして第６図に示す端子Ｐ、−ｐｉ間に一定の基準電圧
ＶＣＣを印加しておいて、端子ＰＹ　　Ｐａ間の電圧を
測定すると、第４図に示すような正弦波又はこれに類似
する電圧信号（原信号）が得られる。

一般には後の処理を容易にするために、この信号を通常
増幅した後、シキイ電圧■３を基準にして矩形波変換回
路で矩形波信号に変換される。第７図は矩形波変換回路
の一例であり、一点鎖線で囲んだものが矩形波変換回路
Ｃである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ハイテク（高度先端技術）の波は、かかる磁気エンコー
ダにも及び、最近、より細かい目盛りの高精度磁気エン
コーダが要求されつつある。

しかし、目盛りが微細になるにつれて測定精度が悪いと
いう問題点が無視し得なくなってきた。

この問題点の故に高精度磁気エンコーダは未だ市場に好
意的に受入れられていないという現状がある。

〔問題点を解決するための手段〕

この問題点の原因を追求するために本発明者らは、ａｔ
研究した結果、以下のことが明らかになった・ 即ち、（１）目盛りが微細になるにつれてスケールから
の磁気が弱くなるため、磁気ヘッドで読み取られる信号
も弱くなる。（２）　Ｖｉ気ヘッドのＭＲ素子は一種の
金属薄膜抵抗体のため通電により発熱し、第１０図の実
線のように中央部が高温で端部が低温という温度分布が
基板に生じる。この温度分布は、■電源電圧ｖ０゜の変
動や着磁スケールと磁気ヘッドとのギャップの変動があ
るとき、点線のように変化し、■スケールの磁気ヘッド
との相対速度が変化するとき破線のように変化する。こ
のように温度分布が変化すると、ＭＲ素子自身の抵抗温
度係数に従って、ＭＲ素子の抵抗値が変化するので、ホ
イーストンブリソジのバランスがくずれ、オペアンプで
増幅された信号の中心電位の電源電圧ＶＣＣに対する比
がずれる。一方、最終信号である矩形被信号を作る矩形
波変換回路の参照電位Ｖ２は電源電圧ＶＣＣに対し、 Ｖｚ　＝ＶｃｃＲｚ　／　（Ｒ＋　＋Ｒｔ　）となり電
源電圧ＶＣＣに対する比は変化しない（第７図参照）、
そのため温度分布が変化すると、それによって第８図に
示すように矩形波変換回路からの矩形波のデユーティ−
比がずれていく。そして、このデュＪティー比の変動が
、最終的にエンコーダとしての測定精度の低下をもたら
す。

この原因は、複数のＭＲ素子からなる磁気ヘッドに大な
り小なり共通のものである。

そこで、更に研究を進めた結果、本発明者らは、温度分
布をできるだけ均一化させれば、測定精度が悪いという
問題点が解決されることを着想し、そのためには、基板
として熱伝導率がガラスより高い非磁性′ｉＩＡ縁体を
使用すればよいことを見い出し、本発明を成すに至った
。

従って、本発明は、「複数の磁気抵抗効果素子が基板上
に配置されてなる磁気エンコーダ用磁気ヘッドに於いて
、 前記基板として、熱伝導率の高い非磁性絶縁体を使用し
たことを特徴とする磁気ヘッド」を提供する。

〔作用〕

本発明では、従来の基板材料として用いられていたガラ
スの代りにそれより熱伝導率の高い材料を用いることに
より、淋素子からの発熱を良好に放熱するため、温度上
昇を極力抑えることができる。そのため仮に温度分布が
あったとしても、その変動が小さいため前述したデユー
ティ−比のずれも小さく、そのため磁気エンコーダにお
ける致命的欠点であった低い測定精度が向上する。

なお、当然のことであるがＭＲ素子はスケールの磁気を
検知するものであり、そこには電流が流されるので、基
板は非磁性で電気絶縁性のものであければならない。

このような高い熱伝導率好ましくは金属にほぼ匹敵する
熱伝導率を有する非磁性絶縁性材料としでは、例えば立
方晶系窒化はう素（Ｃ−ＢＮ）　、窒化アルミニウム（
ＡＩＮ　）　、炭化ケイ素（ＳｉＣ）　、りん化はう素
（ＢＰ）　、酸化ベリリウム（Ｂｅｄ）などのセラミッ
ク及びダイヤモンドが挙げられる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発
明はこれに限定されるものではない。

（実施例） 第１図（、？）は、本発明に係る磁気エンコーダ用磁気
ヘッドの一実施例を示す要部断面図で、同（キ）は要部
平面図である。

磁気ヘッドは、基板１としての鏡面研磨されたＣ−ＢＮ
板とその上に幾何学的に並列に配置された４つのブロッ
ク８１〜Ｂ４の淋素子２と、ブリッジを組むための配線
パターン３からなる。各ブロックは、いずれも１本のＭ
Ｒ素子２からなり、１本のＭＲ素子２は、厚さ０．０５
．ｃ＋ｍ　（一般には０．０１〜１μｍ）、輻２０μｍ
（一般には着磁目盛りＮ極Ｓ極との間隔をλとするとき
０．１〜０．６　λ）、長さ１．２＋ｌ＋１１（一般に
は幅の２〜５倍）を有する。

ブロックＢ、とＢ２との間隔ａｄｚはａ＋ｚ−（９＋Ａ
）λで、Ｂ２とＢ、との間隔ｄ０はｄｔ：ｌ”（１７＋
％）　λで、Ｂ、とＢ、との間隔ｄ３４はｄ３４”（９
４％）　　λである。但し、λは磁気目盛りのＮ極とＳ
極との間隔である。

ＭＲ素子２の形成は、例えば■ＮｉＦｅ、　ＮｉＣｏ、
ＮｉＦｅＣｏ、　ＮｉＦｅＭｎなどの強磁性磁気抵抗効
果を有する金属材料を例えば蒸着、スパンタなどの薄膜
形成技術により薄膜に形成し、次いで■ホトトリソエッ
チングによりパターニングすることにより実施される。

その後又は場合によりＭＲ素子２の形成前にブリッジを
組むための金属配線パターン３が形成される。配線パタ
ーン３は、例えば■Ａ１、Ａｕなどの金属薄膜を例えば
蒸着、スパンターなどの薄膜形成技術により形成し、次
いで■ホトトリソエッチングによりパターニングするこ
とにより形成される。

場合により、マスク蒸着で一度に配線パターン３を形成
してもよい。

尚、−ａには、保護のため上に絶縁膜４例えば５ｉＯｚ
、Ａ＋、Ｏ，などを同様に１ｌＰＪ形成技術により形成
される。

ここでは、ブリッジ配線パターン３の原信号の得られる
端子に、第７図に示すものと同じ増幅回路及び矩形波変
換回路を磁気ヘッドに設けた。

この磁気ヘッドに通電して、Ｎ極とＳ極が等間隔λ　（
例えばλ−１０〜２００μｍ）で着磁された磁気スケー
ルの上を相対的に移動させると、ブリッジから先ず正弦
波又はこれに類する信号が得られる。

このとき、基板１として従来の熱伝導率の低い非磁性絶
縁体−例えばガラス−を用いた場合には、基板の表面温
度分布は第９図の点線のように高低の差が大きく、従っ
て、■電源電圧に変動がある、■スケールとの相対速度
が変化する、■ギャップが変動するなどの外因により、
第１０図一点鎖線や点線のように大きく変動し、そのた
めデエーティー比が大きく変化する。

それに対して、本発明では、基板の放熱性が優れている
ことから温度分布は第９図実線のように高低の差が著し
く小さくなり、前述の外因があったとしてもブリッジを
組んでいるブロック毎の温度変化が小さく抑えられるた
め、デユーティ−比の変化が小さく、そのため高精度の
エンコーダが得られる。

基）反１としては他にＡＩＮ　、　ＳｉＣ、ＢＰ、　Ｂ
ｅＯなどを使っても、同様の良好な効果が得られた。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明によれば、基板として熱伝導率の
高い非磁性絶縁体を使用したので、温度分布が均一化し
、そのため測定精度が向上する。

特にブリッジを組んだ場合、■電［電圧変動が生したり
、■スケールとの相対速度が変化したり、■ギャップが
変動したりすることによって基板の温度分布が変動した
りすると、測定精度が低下するが、本発明では温度分布
そのものを均一化して温度差を低（抑えているために、
測定精度が低下することがなく、そのため高い精度が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例（ｎ＝１）に於ける磁気ヘッ
ドを説明するもので、（１）はその概略要部断面図、（
２）は概略要部平面図である。 第２図は、リニア磁気エンコーダのスケールと（Ｒ気ヘ
ッドとの関係を説明する概略斜視図である。 第３図は、磁気目盛の磁場の強さとＭＲ素子の電気抵抗
との関係を示すグラフである。 第４図は、正弦波又はこれに類似する電圧信号の波形図
である。 第５図は、従来の磁気ヘッドの概略図であり、（１）は
その断面図、（２）は平面図である。 第６図は、ブリフジを組んだ様子を示す回路図である。 第７図は、ブリッジを組んだ磁気へノドの回路図である
。 第８図は、（１）が電源電圧がＶ＝■。＋Δ■のときの
本実施例の磁気ヘッドの出力波形と最終信号を示す波形
図であり、（２）は電源電圧が■＝■。＋Δ■のときの
従来の磁気ヘッドの出力波形と最終信号を示す波形図で
ある。 第９図及び第１Ｏ図は、基板上の温度分布を表すグラフ
である。 〔主要部分の符号の説明〕 １−ｍ−一基板 ２　　磁気抵抗効果素子 ３−　配線パターン ４−絶縁膜 ５−　石荘気ヘット′ ６　　スケール ３１〜Ｂ４　二磁気抵抗素子のブロックＰ１〜Ｐ８　：
配線端子 Ｃ１矩形波変換回路 Ｃｆ） 第３図 第１θ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　複数の磁気抵抗効果素子が基板上に配置されてなる
   磁気エンコーダ用磁気ヘッドに於いて、前記基板として
   、熱伝導率の高い非磁性絶縁体を使用したことを特徴と
   する磁気ヘッド。 ２　前記基板が金属にほぼ匹敵する熱伝導率を有する材
   料からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の磁気ヘッド。 ３　前記材料がＣ−ＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＢＰ、Ｂｅ
   Ｏ又はダイヤモンドであることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の磁気ヘッド。