JPS63311117A - 位置検出用磁気センサ - 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、磁気的に位置を検出する位置検出用磁気セン
サに係り、さらに詳細には、正弦波出力信号を得るのに
好適な位置検出用磁気センサの改良に関するものである
。

〔従来の技術〕

磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と略称する）を用い
て正弦波出力ｉ号を得る位置検出装置として、本出願人
は、先に、特願昭６１−４６１８５号明細書に記載の特
許出願をし、同明細書に記載の位置検出装置によれば、
複数個のＭＲ素子の配置を、磁気信号のピッチλに対し
てλ／６ずらすことにより、波形歪の少ない正弦波出力
を得ることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、本出願人が先に提案した特願昭６１−４
６１８５号明細書に記載の発明にあっては、磁気センサ
のパターン形状、すなわち電源および出力端子のセンサ
パターンについて検討を加えていないため、ＭＲ素子数
の増加によって端子数が増加すると、磁気センサが大形
化することになり、この問題が解決されると、位置検出
装置全体としての小形化をはかることができる。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであって、
その目的とするところは、ＭＲ素子数が増加しても、そ
の端子数を増やすことなく、最小数の端子数で磁気セン
サを構成することができ、この種検出装置の小形化をは
かることのできる、改良された位置検出用磁気センサを
提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的は、磁気センサ出力の基本波に対する１つの高
調波成分を互いに逆位相で相殺すべく、偶数個の磁気抵
抗効果素子群を九十九折り状に直列接続すると共に、直
列接続された前記磁気抵抗効果素子群の両端部を電源端
子に、中間点を出力端子に接続することによって達成さ
れる。

〔作用〕

しかして、前記構成よりなる本発明によれば、磁気セン
サ出力の基本波に対する１つの高調波成分を互いに逆位
相で相殺すべく、偶数個の磁気抵抗効果素子群を九十九
折り状に直列接続すると共に、直列接続された前記磁気
抵抗効果素子群の両端部を電源端子に、中間点を出力端
子に接続したことにより、それぞれのＭＲ素子から個々
に端子を取る必要がなく、したがってＭＲ素子数が増加
しても、その端子数を増やすことなく、最小数の端子数
で磁気センサを構成することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を、図面にもとづいて説明すると、第２図
は磁気センサ１と磁気記録媒体４との取合い関係を示す
斜視図、第３図は第２図に符号１で示す磁気センサと磁
気記録媒体４との展開図、第４図は第２図および第３図
に示された磁気センサ１の電気結線図である。

また、第５図は磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子
（ＭＲ素子）の磁界−抵抗変化特性線図である。

さらに、第６図は第１図〜第４図に符号Ｒ１□およびＲ
工２で示すＭＲ素子の抵抗変化−波形特性線図、第７図
は同じく第１図〜第４図に符号Ｒ工、〜Ｒ４２で示すＭ
Ｒ素子の抵抗変化−波形特性線図ならびに第４図に符号
ＯＰＡで示す差動増幅器の出力波形図である。

ここで、本発明に係る位置検出用磁気センサの基本的な
構成と動作とを、第２図〜第７図にもとづいて説明する
。

本発明を適用した磁気エンコーダの構成を示す第２図に
おいて位置検出用移動体、例えば回転体２に回転ドラム
３が固定されており、その外周に、ピッチλで磁気信号
を記録した、いわゆる磁極４１を有する磁気媒体４が配
置されている。。磁気媒体４は、通常、磁性粉を樹脂で
固めたものに、磁極４１を着磁したものがあるが、これ
は、永久磁石を複数個並べたものでもよい。この磁気媒
体４に対向して、ＭＲ素子（Ｒ工、〜Ｒ４２）を所定の
間隔で配置した磁気センサーが、磁気媒体４よりスペー
シングＱの間隙で固定されている。

第２図に符号ｌで示す磁気センサと磁気記録媒体４との
展開図である第３図において、磁気記録媒体４には、既
述のごとく、記録ピッチλで磁極４１が記録されている
。磁気センサーは、ＭＲ素子Ｒ工□。

Ｒ□２．　Ｒ２１，Ｒ２，、Ｒ，、、Ｒ，□、Ｒ４１お
よびＲ４□を、図示のように、直列状の九十九（つづら
）折り状に配置して構成され、Ｒ１１とＲ１□、Ｒ２１
とＲ２ｚｔ　Ｒ３１とＲ３□およびＲ４１とＲ４□の各
ＭＲ素子λ 群は、それぞれ−離して配置され、またＲ１□とＲ２１
，Ｒ２，とＲ３□およびＲ３１とＲ４１とは、それぞれ
−離して配置されている。

そして、前記したＭＲ素子群を第４図のようにブリッジ
接続し、電源Ｖより電圧を供給する。ブリッジは、Ｒ１
１とＲ１２とからなる第１のＭＲ素子群と、Ｒ２１とＲ
２□とからなる第２のＭＲ素子群とを直列接続し、その
中間点より出力端子０工を設けた３端子接続のものと、
Ｒ４□とＲ４１とからなる第４のＭＲ素子群と、Ｒ３□
とＲ３□とからなる第３のＭＲ素子群とを直列接続し、
その中間点より出力端子０２　を設けた３端子接続のも
のとを、電源■に接続している。すなわち、第３図に示
したＭＲ素子Ｒ１□、Ｒ２□、Ｒ３□およびＲ４２は、
高調波成分を相殺するために新たに設けたもので、九十
九折り状のＭＲ素子群の配置として、両端（Ｔｘ、Ｔｓ
）を正極（負極）とすれば、Ｔ３　が負極（正極）で、
Ｔ２およびＴ４は、それぞれ出方端子ｏ１およびｏ２　
というように、各ＭＲ素子群間を共通にして、出力端子
および電源端子としている。そして、ブリッジの出力端
子０１およびｏ２　がら各々抵抗Ｒｉ　を通して、差動
増幅器ＯＰＡの一側および＋側に入力に加える。なお、
抵抗Ｒｉは帰還抵抗である。したがって、ブリッジの出
力端子０１および０２から得られる出力は、差動増幅器
ＯＰＡによってそれぞれ差動的に動作し、出力ｅａ端子
に位置検出信号を得る。

磁気センサ１の各ＭＲ素子群は、磁界に対して電気抵抗
が変化するもので、磁気センサ１は、ガラス基板等の表
面に対し、強磁性体ＮｉＦｅやＮｉＣｏ等の薄膜を蒸着
等の手法によって作られ、また１枚の基板から数個〜数
十個の磁気センサが作られる。この磁界に対する抵抗変
化は、第５図に示すように、磁界の方向に関係なく、磁
界の大きさに比例して抵抗が変化するが、成る値で飽和
する。いま、回転ドラム３が回転して磁気媒体４が移動
し、磁極の磁界により、磁気センサｌに加えられる磁界
が第５図のように変化したと仮定すると、例えばＭＲ素
子Ｒ１１の抵抗は、第６図のように変化する。すなわち
、磁界の小さな部分では、磁界に比例して抵抗が減少す
るが、大きな磁界が加わると、第５図の特性から明らか
なように、抵抗が飽和して変化が少なくなり、前記した
Ｒ１１のような抵抗変化を示すＭＲ素子によって構成さ
れるエンコーダの出力波形は歪んだものとなる。

しかして、本発明者等の実験によれば、その出力波形は
、基本波と、基本波の３倍の周波数である第３調波とに
大別され、この第３調波を逆位相で差動増幅器によって
差動的に加え合わせると、第３調波成分は互いに相殺さ
れて零となり、基本波成分のみの正弦波出力を得られる
ことが判った。

すなわち、第４図に示すブリッジにおいて、各３端子の
上部ＭＲ素子群Ｒ１１＋　Ｒｘ２とＲ４２＋Ｒ４１、さ
らには下部ＭＲ素子群Ｒ２１＋　Ｒ２２とＲ３２＋　Ｒ
３１のそれぞれをｎ±−入（ｎは整数）に配置すれば、
ＭＲ素子の飽和によって生ずる出力波形の歪を打ち消す
ことができ、この様子を示したのが第６図である。

第６図において、ＭＲ素子ＲｚｔおよびＲ１２の抵抗変
化は、既述のごとく、飽和の影響を受けているが、互い
の位相差を−（ｎ＝ｏ）としているので、３端子上部抵
抗Ｒ工、＋Ｒ１□、第６図に示すごとく、正弦波状の波
形となり、このことは、第２図〜第４図に示す他のＭＲ
素子Ｒ２１＋Ｒ２□、Ｒ３１＋Ｒ３□およびＲ４１＋Ｒ
４２についても同様のことが云える。

したがって、第４図において、３端子の上部ＭＲ素子群
Ｒ１１＋Ｒ１□とＲ４２＋Ｒ４１、さらには下部ＭＲ素
子群Ｒ２１＋　Ｒ，□とＲ３１＋Ｒ３□は正弦波で動作
することになり、差動増幅器出力ｅａに得られる電圧も
、当然のことながら、正弦波出力となる。この様子を示
したのが第７図である。

なお、以上の説明では、１相出力について述べてきたが
、第１〜第４のＭＲ素子群（Ｒ１１〜Ｒ４゜）と同様に
構成された第５〜第８のＭＲ素子群を、第１〜第４のＭ
Ｒ素子群から位相をずらして配置することにより、２相
出力としてもよい。

ところで、以上のごとく構成された磁気センサにあって
は、ＭＲ素子の数が多く、このように、ＭＲ素子の数が
多い場合、電源および出力端子のセンサパターンについ
て特別の配慮がなされていない場合は、ＭＲ素子数の増
加によって端子も増し、磁気センサ１が大形化すること
になる。

しかして、第１図は本発明に係る位置検出用磁気センサ
の一実施例を示すセンサパターン図であり、第１図にお
いて、第２図〜第４図と同一符号は同一部分を示してお
り、第１図において、第２図〜第４図と異なる点は、エ
ンコーダとして２相出力を得るため、第１〜第４のＭＲ
素子群（Ｒ１□〜Ｒ４２）の他に、新たに、第５〜第８
のＭＲ素子群（Ｒ５１〜Ｒ８□）を配置した点にある。

そして、第１図において、磁気センサ１に配置された、
例えばＡ相出力を得るための第１のＭＲ素子群Ｒ１１，
Ｒ□２と、第２のＭＲ素子群Ｒ２□。

Ｒ２□と、第３のＭＲ素子群Ｒ３１，Ｒ３□および第４
のＭＲ素子群Ｒ４１，Ｒ４□（図のハツチング部分）は
九十九折り状に直列接続されている。一方、前述のＡ相
出力に対して位相のずれた（例えば、電気角で９０°ず
れた）別の出力、例えばＢ相出力を得るための第５のＭ
Ｒ素子群Ｒ５１，Ｒ，□と、第６のＭＲ素子群Ｒ６１，
ＲＧ２と、第７のＭＲ素子群Ｒ７１゜Ｒ７□および第８
のＭＲ素子群Ｒ，１，Ｒ，□は、前記第１〜第４のＭＲ
素子群と同じ間隔で、しかも同じ構成のものを、第１〜
第４のＭＲ素子群の間に、λ それぞれｎ＋−（ｎは整数）位相をずらして逆向きに配
置されている。

第１図中、Ｔ１〜Ｔ８は磁気センサーの一方向に配置さ
れた端子であり、前記端子Ｔ１〜Ｔ８は、ＭＲ素子群に
電圧を供給するための電源端子、さらにはＭＲ素子群か
ら出力を取り出すための出力端子として使われる。

以上の構成において、ＭＲ素子群（Ｒ工、〜Ｒ８□）に
電圧を供給するための正極（負極）電圧は、第１のＭＲ
素子群の一方を構成する外側のＭＲ素子Ｒ１□の一端と
、第５のＭＲ素子群の一方を構成する外側のＭＲ素子Ｒ
５□の一端とを共通にして、配線Ｌ２　により、端子Ｔ
２　に接続することによって印加される。また、第４の
ＭＲ素子群の一方を構成する外側のＭＲ素子Ｒ４２の一
端と、第８のＭＲ素子群の一方を構成する外側のＭＲ素
子Ｒ８□の−。

端とを共通にして、配線Ｌ６　により、端子ＴＳに接続
することによっても、前記と同様にして、正極（負極）
の電圧が印加される。

一方、負極（正極）の電圧は、第１および第２のＭＲ素
子群（Ｒ工、〜Ｒ２□）と、第３および第４のＭＲ素子
群（Ｒ３１〜Ｒ４２）との接続点Ｃ２を介し、配線Ｌ４
により、端子Ｔ４に接続することによって印加される。

また、第５および第６のＭＲ素子群（Ｒ５１〜Ｒｓ　ｘ
　）と、第７および第８のＭＲ素子群（Ｒ５１〜Ｒ８２
）との接続点Ｃ５を介し、配線Ｌ８により、端子Ｔｓ“
に接続することによっても、前記と同様にして、負極（
正極）の電圧が印加される。

第１〜第４図のＭＲ素子群で構成されるＡ相のブリッジ
出力において、一方の３端子出力部の構成は、３端子の
上部（下部）を構成する第１のＭＲ素子群（Ｒ−ｘ　、
Ｒ１２）と、下部（上部）を構成する第２のＭＲ素子（
Ｒｘ□、Ｒ２□）との接続点Ｃ１を介し、配線Ｌ３　に
より、端子Ｔ３に接続されている。また、Ａ相の一方の
３端子出力も、同様に、第３のＭＲ素子群（３端子の下
部または上部）と、第４のＭＲ素子群（３端子の上部ま
たは下部）との接続点Ｃ３を介し、配線Ｌｓ　により、
端子Ｔ５に接続されている。

他方、Ｂ相出力を得るためのブリッジ出力を形成するそ
れぞれの３端子出力部の構成も、前記Ａ相のブリッジ出
力の場合と同様であり、第５のＭＲ素子群（３端子の上
部または下部）と、第６のＭＲ素子群（３端子の下部ま
たは上部）との接続点Ｃ４を介し、配線Ｌ１により、端
子Ｔ１に接続されている。また、Ｂ相の一方の３端子出
力部の構成は、第７のＭＲ素子群（３端子の下部または
上部）と、第８のＭＲ素子群（３端子の上部または下部
）との接続点Ｃ６を介し、配線Ｌ７により、端子Ｔ７接
続されている。

しかして、前記第１図の実施例においては、一方の出力
を得る九十九折り状の第１〜第４のＭＲ素子群と、他方
の出力を得る九十九折り状の第５〜第８のＭＲ素子群と
を、互いに逆向きになるように交互に配置し、外側同士
を共通にして、正極または負極端子とし、各ＭＲ素子群
間の接続点を出力端子あるいは負極または正極端子とし
ており、電源端子および出力、端子を各ＭＲ素子群間で
共通にして取り出す構成としているので、ＭＲ素子数の
増加にも拘らず、端子数を減らすことができる。

第８図は本発明に係る位置検出用磁気センサの他の実施
例を示すセンサパターン図であり、第８図において、第
１図と同一符号は同一部分を示しており、第８図におい
て、第１図と異なる点は、磁気センサ１の端子Ｔ１〜Ｔ
８を２分割して２方向に分けたところにある。

すなわち、第１〜第４のＭＲ素子群（Ｒ１１〜Ｒ４２）
による出力端子Ｔ２．Ｔ４および負極（正極）電源端子
Ｔ８と、一方の外側の正極（負極）電源端子Ｔ１とを同
一方向に配置し、かつ第５〜第８のＭＲ素子群（Ｒ５１
〜Ｒ８２）による出力端子Ｔ５゜Ｔ７および負極（正極
）電源端子Ｔ６と、他方の外側の正極（負極）端子Ｔ８
とを逆方向に配置しく１７） である。

磁気センサの場合、センサチップの幅は、端子の数で制
限されるので、以上のように、端子数を磁気センサの両
方向に振り分けることにより、センサチップの幅を１／
２に小さくすることができる。そして、このことは、１
枚の基板から取れる磁気センサの個数が増すので、歩留
りが向上するという効果が得られる。

第９図は本発明に係る位置検出用磁気センサのさらに他
の実施例を示すセンサパターン図、第１０図は第９図に
示す磁気センサによって奏される効果を補足説明する磁
気センサ１と磁気記録媒体４との平面的取合い説明図で
あり、第９図において、第１図および第８図と同一符号
は同一部分を示している。

しかして、第９図の実施例においては、第１図に示した
第１〜第４のＭＲ素子群（Ｒ０１〜Ｒ４、）に対し、第
５〜第８のＭＲ素子群（Ｒ５１〜Ｒ１１□）をＭＲ素子
の長手方向に移動させ、第１〜第４のＭＲ素子群の間に
第５〜第８のＭＲ素子群が入らないように構成したもの
である。

そして、第９図の構成によれば、第１〜第４のＭＲ素子
群と、第５〜第８のＭＲ素子群とをそれぞれ単独に製作
することができるので、ＭＲ素子群間の間隔、例えばＲ
ｌｚとＲ２１，Ｒ２１とＲ３１等の間隔を最少寸法に選
定することができ、ひいてはＭＲ素子の全幅（Ｒ１１〜
Ｒ４２およびＲ３１〜Ｒａ２までの距離）を小さくする
ことができる。その結果、第１０図に示すように、回転
ドラム３の周面によるスペーシング誤差へ〇を小さくす
ることができ、出力誤差の少ないエンコーダを得ること
ができる。

なお、図示実施例においては、位置検出用移動体として
回転体２を例示したが、位置検出用移動体としは、回転
体以外に、リニヤ的に位動する直線運動体を挙げること
ができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上のごときであり、図示実施例の説明からも
明らかなように、本発明によれば、ＭＲ素子数が増加し
ても、その端子数を増やすことなく、最小数の端子数で
磁気センサを構成すること（Ｉ９） ができ、この種検出装置の小形化をはかることのできる
、改良された位置検出用磁気センサを得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位置検出用磁気センサの一実施例
を示すセンサパターン図、第２図は磁気センサ１と磁気
記録媒体４との取合い関係を示す斜視図、第３図は第２
図に符号１で示す磁気センサと磁気記録媒体４との展開
図、第４図は第２図および第３図に示された磁気センサ
１の電気結線図、第５図は磁気センサを構成する磁気抵
抗効果素子（ＭＲ素子）の磁界−抵抗変化特性線図、第
６図は第１図〜第４図に符号ＲｚｚおよびＲ１２で示す
ＭＲ素子の抵抗変化−波形特性線図、第７図は同じく第
１図〜第４図に符号Ｒ１１〜Ｒ４２で示すＭＲ素子の抵
抗変化−波形特性線図ならびに第４図に符号ＯＰＡで示
す差動増幅器の出力波形図、第８図は本発明に係る位置
検出用磁気センサの他の実施例を示すセンサパターン図
、第９図は本発明磁気センサのさらに他の実施例を示す
センサバターン図、第１０図は第９図に示す磁気センサ
によって奏される効果を補足説明する磁気センサ１と磁
気記録媒体４との平面的取合い説明図である。 １・・・磁気センサ、３・・・回転ドラム、４・・・磁
気記録媒体、Ｒ１１およびＲ１２・・・第１の磁気抵抗
効果素子群（ＭＲ素子群）、Ｒ２工およびＲｚｚ・・・
第２のＭＲ素子群、Ｒ３１およびＲ３２・・・第３のＭ
Ｒ素子群、Ｒａ　１およびＲａ　２・・・第４のＭＲ素
子群、ＲｓｔおよびＲ５２・・・第５のＭＲ素子群、１
ＲｅｔおよびＲｅ２・・・第６のＭＲ素子群、Ｒ７１お
よびＲ７２・・・第７のＭＲ素子群、Ｒａ１およびＲ８
２・・・第８のＭＲ素子群、Ｔ１〜Ｔ８・・・磁気セン
サ端子、Ｌ１〜Ｌ８・・・配線、Ｃ１〜Ｃ６・・・接続
点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移動体あるいは固定体のいずれか一方に担持された
   磁気記録媒体と、この磁気記録媒体上にあつて所定の信
   号磁界を生成し、所定のピッチで配された複数の磁極と
   、前記磁気記録媒体に対向して固定体あるいは移動体の
   いずれか一方に配され、かつ磁気記録媒体の磁気信号に
   感応してその内部抵抗が変化する複数の磁気抵抗効果素
   子とを有し、前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化を電気信
   号に変えて、移動体あるいは固定体の位置を検出する位
   置検出用磁気センサにおいて、磁気センサ出力の基本波
   に対する１つの高調波成分を互いに逆位相で相殺すべく
   、偶数個の磁気抵抗効果素子群を九十九折り状に直列接
   続すると共に、直列接続された前記磁気抵抗効果素子群
   の両端部を電源端子に、中間点を出力端子に接続したこ
   とを特徴とする位置検出用磁気センサ。 ２、特許請求の範囲第１項記載の発明において、磁気セ
   ンサ出力の基本波に対する１つの高調波成分を互いに逆
   位相で相殺すべく接続した第１の磁気抵抗効果素子群に
   対し、磁気信号の記録ピッチをλとした場合に、前記第
   １の磁気抵抗効果素子群と同様に構成された第２の磁気
   抵抗効果素子群をλ／２＋ｎ（ただし、ｎは整数）離し
   て直列接続すると共に、直列接続された前記磁気抵抗効
   果素子群の両端部を電源端子に、中間点を出力端子に接
   続した位置検出用磁気センサ。 ３、特許請求の範囲第２項記載の発明において、第１お
   よび第２の磁気抵抗効果素子群と同様に構成された第３
   および第４の磁気抵抗効果素子群を、前記第１および第
   ２の磁気抵抗効果素子群に対し、λ／２＋ｎ離して配置
   し、一方の電源端子を共通にした位置検出用磁気センサ
   。 ４、特許請求の範囲第２項記載の発明において、第１お
   よび第２の磁気抵抗効果素子群と同間隔に配置した第５
   および第６の磁気抵抗効果素子群を、前記第１および第
   ２の磁気抵抗効果素子群から移動体の移動方向に対し、
   直角方向の位置にｎ±（λ／４）λ離して逆向きに配置
   すると共に、両端の端子を共通にした位置検出用磁気セ
   ンサ。 ５、特許請求の範囲第３項記載の発明において、第１〜
   第４の磁気抵抗効果素子群と同間隔に配置した第５〜第
   ８の磁気抵抗効果素子群を、前記第１〜第４の磁気抵抗
   効果素子群から移動体の移動方向に対し、直角方向の位
   置にｎ±（１／４）λ離して逆向きに配置すると共に、
   外側の端子を共通にした位置検出用磁気センサ。 ６、特許請求の範囲第４項記載の発明において、第１お
   よび第２の磁気抵抗効果素子群による出力端子と電源の
   一方の端子とを同一方向に配置し、かつ第５および第６
   の磁気抵抗効果素子群による出力端子と電源の他方の端
   子とを逆方向に配置した位置検出用磁気センサ。 ７、特許請求の範囲第５項記載の発明において、第１〜
   第４の磁気抵抗効果素子群による出力端子と電源の一方
   の外側端子とを同一方向に配置し、かつ第５〜第８の磁
   気抵抗効果素子群による出力端子と電源の他方の外側端
   子とを逆方向に配置した位置検出用磁気センサ。 ８、特許請求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載の
   発明において、高調波成分が第３次高調波成分である位
   置検出用磁気センサ。