JPS63213382A - 磁気抵抗素子 - 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〕 この発明は、磁気エンコーダに好適な磁気抵抗素子に関
する。特に、磁気エンコーダの出力をアナログ的手法を
用いて高分解能化する際に要求される、回転に対して正
弦波状に変化する出力が、センサーの取りつけ位置やロ
ータマグネットの着磁パターンにかかわらず、安定して
得られる磁気抵抗素子に関する。

（従来の技術〕　、 従来用いられていた光学式エンコーダに代って、近年、
磁気エンコーダが多く用いられるようになった。これは
第４図に示すように、外周に多極着磁を施したマグネッ
トを有するロータ１と、固定側に設けられた磁気抵抗素
子２によって構成される。なお、３はケース、４はベア
リング、５はシャフト、６は信号処理回路等が搭載され
た基板を示す。

磁気抵抗素子２は、一般に第５図に示すように、同一基
板に４つの磁気抵抗体ａ　ｌ＋ａ２．ｂ　Ｉｔｂ２を、
ａｌとａ２、およびす、とｂ２が互に逆位相になるよう
に、また、ａ、とす、が９０°位相の異なる位置に設け
、ａｌとＣ２の一端は共通端子Ｃ８に、また、ｂ、とｂ
２は同じく共通端子Ｃ６接続し、各磁気抵抗体ａ＋＋ａ
ｚ、ｂｌ、ｂ２の他端はそれぞれ端子Ｌａｌ＋　Ｌａ２
＋　Ｌｂ＋、　Ｌｂ２に接続される。また、点線で示す
ものは検出対象、例えばロータ１であり、Ｎ極とＳ極が
交互に形成され、矢印方向に８勤するものとする。

第６図は第５図の磁気抵抗素子２を用いて二相の出力Ａ
、Ｂを得る回路である。第６図において、ＯＰＩ、Ｏ１
２は比較器であり、Ｒ１−Ｒ４は抵抗体、Ａ、Ｂは出力
端子を表す。

磁気エンコーダの分解能向上は、ロータ１のマグネット
の着磁ピッチおよび磁気抵抗素子２の磁気抵抗体ａＩ　
＋　Ｃ２ｒ　１）　Ｉ　＊　ｂ　２のピッチをともに微
細化することにより行われるが、着磁ピッチを微細化す
ると、磁界の到達距離が減少し、ロータ１と磁気抵抗素
子を接近させる必要が生じる。これは使用部品や組立て
に高い精度が必要となるためコストの増大を招き、また
、振動や軸に加わる力によりロータ１と磁気抵抗素子２
が接触してエンコーダを破損する危険性を増す。

ところで、シンクロ・レゾルバと呼ばれる位置センサで
は、三角関数の性質を利用して分解能を向上させる方法
が古くから知られている。同様の考え方は磁気エンコー
ダにも応用することが可能である。

第７図はこの手法を磁気エンコーダに応用した例を示す
ものである。この図で、１１は発振器、１２はカウンタ
、１３はｓｉｎ−ＲＯＭ、１４はｃｏｓ−ＲＯＭ、１５
．１６はＤＡコンバータ、１７〜２０は増幅器、２１〜
２４は可変抵抗器、ａ　ｌ　＋　Ｃ２、ｂ　ｌ　＊　ｂ
　２は磁気抵抗体、２５．２６は抵抗体、２７はゼロク
ロス点を検出するための比較器、２８はＤフリップフロ
ップである。

その動作は、発振器１１からパルスをカウンタ１２が例
えば０〜２５５カウントし、そのカウント値に応じてｓ
ｉｎ−ＲＯＭ１３．ｃｏｓ−ＲＯＭ１４のアドレスから
あらかじめ記憶しであるｓｉｎ、ｃｏｓに対応するディ
ジタル値を読み出し、これをＤＡコンバータ１５．１６
に入力してアナログ値に変換し、増幅器１７．１９では
そのまま増幅し、増幅器１６．１８では位相を反転して
増幅し、端子Ｌａ、にはｓｉｎωｔ、端子Ｌａ２には−
ｓ　ｉ　ｎωｔ、端子Ｌｂｌにはｃｏｓωｔ、端子Ｌｂ
２には−ｃｏｓωｔに比例する交流電圧を印加し、中点
Ｃａ、Ｃｂの電位を加算するように構成されている。い
ま、ａｌと８２＋１）ｌ　とｂ２に直流を印加した場合
、回転角θ（磁極１ピツチを２πとする電気角で表示す
る）に対して、中点Ｃ１の電位がｃｏｓθに比例し、中
点Ｃｂの電圧がｓｉｎθに比例するものとすると、交流
電圧を印加した場合の中点電圧を加算して得られた信号
は、次式に示すように、印加電圧とθだけ位相のずれた
交流となる。

Ｖ＝Ｋ（ｓｉｎωを働　ｃｏｓθ＋Ｃ０５（１１ｔ＃ｓ
ｉｎ　　θ）−に番５ｉｎ（ω　を十〇） したがって、加算信号と印加信号の位相差を検出するこ
とで磁極１ピツチ以下の微細な回転角を検出することが
可能である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上に示した式が正確に成り立つのは、磁気抵
抗素子２の抵抗が、回転角に対して、正弦波状に変化す
る場合のみに限られる。実際には、磁気抵抗素子２の両
端に直流を印加して中点の電圧を観察すると、磁気抵抗
素子２とロータ１の距離が接近している場合は、正弦波
から大きく歪み、磁気抵抗素子２とロータ１の距離を遠
ざけると、出力波形は正弦波に近づくが、出力電圧が低
下しノイズの影響を受けやすくなるという問題点がある
。

この発明は上記の点にかんがみなされたもので、ロータ
と磁気抵抗素子の間隔をどのように設定しても、また、
ロータの発生磁界が正弦波から歪んでいても、ロータの
回転に対して正弦波状に抵抗が変化する磁気抵抗素子を
提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る磁気抵抗素子は、周期的に設けられた磁
極の変位を磁気抵抗体により検出する磁気抵抗素子であ
って、Ｊｉｆ１極に対する感度がｇ１極の変位方向に対
し磁極の一極幅の整数間に近似した分布幅を有し、少な
くとも１つのピーク値を有するように磁気抵抗体を配置
したものである。

（作用） この発明においては、磁気抵抗素子の磁気感応部分に、
ロータ磁極の移動方向に関して分布を有しているため、
ロータの磁極と磁気抵抗素子との間隔やロータ磁極の磁
化分布にかかわらず、ロータ回転に伴なう出力電圧変化
が正弦波に近くなる。

〔実施例〕

この発明の詳細な説明する前に、この発明の原理につい
て説明する。

基板上にロータの回転方向にとった座標に関する位置δ
にある磁気抵抗素子の抵抗変化ρは、ロータの回転角θ
とδの和の関数であり、かつ周期を２πとする周期関数
で表される。これは次のようにフーリエ展開される。

ρ　（δ十〇）＝Σ　（ａ　Ｋ−ｃｏｓ　に（δ十〇）
ｋｌ１ ＋　ｂ　Ｋ　　・ｓｉｎ　　ｋ（δ＋θ）　　）−（１
）磁気抵抗素子はδの０〜２πの範囲に亘って、頻度分
布が、式 ％式％（２） で表される形状に置かれているものとする。素子全体の
抵抗変化は、これら第（１）式と第　（２）式の積を積
分することにより次のように与えられる。

１″ｃｐ（δ＋θ）　・ｗｄδ−ａ　・ｋｌ：ｌ　２７
Ｉ（ａｌ・ｃｏｓｋ（δＯｋｉｌＩ　　　Ｏ ＋θ）＋ｂｋ−ｓｉｎｋ（δ＋θ））　（１＋ｃｏｓδ
）ｄδこの積分は三角関数の性質により、ｋ＝１の項部
外は全て０となり、最終的に次式に変形される。

２π １ρ（δ十〇）−ｗｄδ−−７−ｓｉｎ（δ＋ε）ただ
し、γとεはａｌおよびｂｌによって定まる定数である
。これより、それぞれの位置δにおける磁気抵抗素子の
抵抗変化が、いかに歪んだ波形を示しても、上記した感
応部分の配置を用いれば、常に正弦波出力を得ることが
できる。そして、一般には第（２）式は Ｗ＝α＋β・ｃｏｓδ　（αは任意の実数、βは０でな
い実数） で表すことができ、この発明は、α≧βの場合に常に成
立する。

次にこの発明の磁気抵抗素子の実施例について述べる。

第１図はこの発明の一実施例を示すもので、Ｃ０は共通
端子、Ｌｌｌｌ＋　Ｌａ２＋　Ｌｌ＋ＩＩ　Ｌｂ２は端
子であり、ａ　ｌ　ｔ　８２　＋　１）　Ｉ　＋　ｔ）
　２は分布をもたせた磁気抵抗体である。この第１図の
パターンは基本形を示している。

磁気抵抗素子２は前述した第５図に示すようにガラス等
の絶縁体基板上に強磁性体または半導体薄膜を設け、エ
ツチング等の手段により所定のパターンを残すことによ
って製造される。パターンとしては、第５図のように、
対向磁極に対応した磁気抵抗体ａ　ｌ　ｔ　８２　＋　
１）　Ｉ　＋　１）　２を位相をずらして２ないし８本
設けるのが一般的である。寸法の一例を示すと、膜厚数
百人、線幅１０μｍ前後、磁極幅百μｍ乃至数百μｍ程
度となる。

従来の磁気抵抗素子は、上記第５図に示したように、Ｎ
極とＳ極の磁極境界線に平行、すなわち、一つの磁気抵
抗体は単一の電気角の部分に置かれる。これに対し、こ
の発明になる磁気抵抗素子２は、第１図に示すように、
磁気境界線に対して傾きをもって、すなわち、電気角に
関して広がりをもって設置される。このように分布幅を
もたせることにより、出力波形の高次成分を抑制し、基
本波成分のみを効率良く取り出すことができる。

次に、目的とする磁気感応部分の分布と、磁気抵抗素子
２の各磁気抵抗体ａ　ｌ　ｔ　８２　＋　’）　１　＊
　１）　２の軌跡（形状）との関係について説明する。

磁気抵抗素子２の面内にロータ回転方向に座標軸δ、お
よびδ、と直交する方向に座標軸Ｚをとる。磁気抵抗素
子２の抵抗変化は飽和しない範囲で電流の方向に直交す
る磁界の大きさに比例し、面に平行な磁界はδ方向のみ
であるため、磁気抵抗体ａＩ　＋　Ｃ２＊　ｂＩ　＋　
ｂ　２の微小経路ｄｊ２とＺ軸のなす角をψとすれば、
微小経路ｄ℃における抵抗変化はｄＪ！−ｃｏｓψに比
例することになる。微小経路をｄλの２方向の長さをｄ
ｚ、δ方向の長さをｄδとすると、ｄ　１　＝　ｄ　ｚ
　／　ｃ　ｏ　ｓψの関係により、ｄδにおける抵抗変
化はｄｚに比例する。

従って、δにおける磁気感応部分の量は、ｄｚ／ｄδに
比例するとみなすことができる。

磁気抵抗体の軌跡を開数ｆ（δ）で表す。位置δにおけ
る磁気感応部分の量の条件により、この関数は次式を満
足する必要がある。

ｄｆ（δ）／ｄδ；γ・（α＋β・ｃｏｓδ）ただし、
γは比例定数である。これは積分により簡単に解けて、
次式を得る。

ｆ（δ）−γ・（α・δ＋β・ｓｉｎδ）十〇ここで、
Ｃは任意の定数である。実際の素子を考える場合、Ｚ方
向のスケールと原点の位置は任意であるから、これらの
自由度を認めて式を簡略化すれば次のようになる。

ｆ（δ）−α・δ＋β・ｓｉｎδ さらに、注目されるのが磁気感応部分のδに対応する「
量」であって「２方向の位置」ではないことから、素線
軌跡は任意の位置で折り返すことができる。また、わず
かに位相の異なる二つの正弦波を合成すると中間の位相
をもつ正弦波となる。

これらの性質を利用して、少ない面積に、位相関係を異
にするいくつかの磁気抵抗素線を配置したり、引出し線
を取りやすい形状にパターンをまとめることができる。

このようにして構成した磁気抵抗素子の他のパターン列
を第２図（ａ）、（ｂ）に示した。

第２図（ａ）は引出し線を一方にまとめた例で、第１図
の基本形における磁気抵抗体ａｌ　＋　ａ２　。

ｂ、、ｂ、を折返した形のものである。

第２図（ｂ）は各磁気抵抗体ａ　Ｉ　＋　ａ　２　、ｂ
　Ｉ　＋　ｂ　２のそれぞれを磁界変化によって発生す
る起電力が打消されるように２個直列に接続したパター
ンの例である。

感度分布は、また、磁気抵抗体ａ１〜ｂ２の長さを調整
することによフて設けることもできる。

第３図はこのようにして得た磁気抵抗素子２の一例で、
磁気抵抗体ａ１〜ｂ２の長さ１が回転角δに対して、ａ
＝α＋βＣＯＳδの関係を満足するよう磁気抵抗体ａ１
〜ｂ２が配設されている。この方法は着磁ピッチが磁気
抵抗体の幅に対して大きい場合には、前述の方法に比べ
て磁気抵抗体を多く設けることができ、感度面で有利で
ある。

この発明による磁気抵抗素子２はロータ（第４図、第５
図参照）の磁化パターンや、磁気抵抗素子２とロータの
間隔によって出力波形が変化することなく常に正弦波が
出力されるので、第６図に示したような高い分解能が得
られる多重てい倍型磁気エンコーダ等に好適である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、この発明によれば、磁気抵
抗体の磁気感応部分にロータ磁極の８動方向の分布を持
たせるようにしたので、磁気抵抗素子とロータとの間隔
や、ロータの磁化パターンによらず、ロータの回転に伴
なって正弦波状に出力信号が変化する磁気抵抗素子を得
ることができる。これはアナログ的手法を利用した分解
能向上を行う際に特に好適であり、少ない費用で、分解
能、精度が良好で堅牢な位置センサーを得ることができ
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す平面図、第２図（ａ
）、（ｂ）はこの発明の他の実施例をそれぞれ示す平面
図、第３図はこの発明のさらに他の実施例を示す平面図
、第４図は従来の磁気エンコーダを示す断面略図、第５
図は従来用いられている磁気抵抗素子の平面図、第６図
は従来の多重てい倍型磁気エンコーダに用いられている
多重てい倍型回路のブロック図、第７図は第６図の回路
を用いて構成した磁気エンコーダの回路図である。 図中、ａ　ｌ　ｔ　８２　＋　１）　＋　＋　１）　２
は磁気抵抗体、Ｌｊ　ａ　Ｉ　＋Ｌａｌ　Ｌ＋ｂ１．　
Ｌｂ２は端子、Ｃｏ　、　Ｃａ　、　Ｃｂは共通端子で
ある。 第１図 第２図 （ａ） Ｃａ、Ｃｂ：　ｎ通簿子 Ｃｏ共通端子 第４図 第５図 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周期的に設けられた磁極の変位を磁気抵抗体によ
   り検出する磁気抵抗素子であって、前記磁極に対する感
   度が磁極の変位方向に対し前記磁極の一極幅の整数倍に
   近似した分布幅を有し、少なくとも１つのピーク値を有
   するように前記磁気抵抗体を配置したことを特徴とする
   磁気抵抗素子。
2. （２）磁気抵抗体は、磁極の変位方向に対して下記の式
   を満足するように設けられていることを特徴とする特許
   請求の範囲第（１）項記載の磁気抵抗素子。 ｗ＝α＋β・ｃｏｓδ ただし、αは任意の実数、βは０でない実数、δは磁極
   の移動方向にとった座標であり、磁場の大きさの一周期
   の変化に対応する変位を２πとする。