JPS63315910A - 磁気エンコ−ダ用磁気ヘッド - 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（、ｆ１気ヘッドに関する
。

〔従来の技術〕

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４と磁気ヘッド３から構成され、スケール４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ｉｆｆ気記録媒体に磁気目盛Ｎ極、Ｓ極を
所定間隔λ　（λはＮ極とＳ極との間隔）で交互に着磁
したものであって、磁気ヘッド３はスケール４に接触又
は近接させて着磁信号を読み取るものである。

るｎ気へノド３は、基本的には非磁性絶縁体（一般には
ガラス）のＷ板ｌ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、？ＩＲ素子という）からなり
、場合により前記費素子からの信号を処理する電気回路
も同一基板１上に形成される。

一般には、ｔｎ電気ッドは、光学研磨又はそれ以下の平
滑性を有するガラスの基板ｌ上に、１膜作製技術（例え
ば真空蒸着）で例えば膜厚０．０１〜１μｍのＮ１Ｉｌ
、Ｆｅ、　（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
バターニングし、次いで同様にＡＮのような金属１の配
線パターン２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９として画素子と同一の金属
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２にすることもある。

ＭＰ素子は、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、磁気へノド３と
スケール４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、ＭＲ素
子はスケール４の繰り返し磁場を受け、磁気目盛りに応
じて抵抗が変化する。そこで、この抵抗変化を電圧変化
（電気信号）として得るために、２本のＭＲ素子を１８
０°の位相差を持つように配置し、これらを電気的に直
列に連結し、一端を定電圧（Ｖｃｃ）電源に接続し、他
端を接地する。そうすると、２本のＩＩＩ？素子の連結
部からは、画素子の抵抗変化に応した電気信号（原信号
という）が得られる。

そして、原信号の波の数はＮ極とＳ極の和に相当するの
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素子を基板上に配置してなる磁気
エンコーダ用磁気へノドがある。例えばｎ個（ｎは正の
整数）のＭＲ素子を１ブロツクとし、４個のブｏｙりＢ
　＋　〜Ｂ−を　第５Ａ図（ｎ−１の例）に示すように
、基板マ」二に所定間隔で並列に配置して、これらのブ
ロックＢ１〜Ｂ４を第６Ａ図に示す如く、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６０−４
７９８８号参照）。

この場合、１個のブロック内に複数（ｎ−２以上）のＭ
Ｒ素子がある場合には、各素子間の間隔ｄ０はｄ６＝ｍ
０λとし、第１ブロツクＢ＋　と第２ブロツクＢ２との
間隔ｄ１．はｄ　ｌｚ　＝　（ｍ　＋　　”　’Ａ　）
λで、第２ブロツクＢ２と第３ブロックＢ、との間隔ａ
ＺＳはｄｔｊ＝　（ｍｔ　＋Ｖ２）　λで、第３プＯツ
クＢ、と第４ブロツクＢ４との間Ｈｄ　３　ａはｄ：ｌ
（−（ｍ＝　十ｚ）　　λである。イ旦し、λは磁気目
盛りのＮ極とＳ極との間隔であり、ｍｏ、ｍ、　、ｍｚ
及びｍ３は整数である。

そして第６図に示す端子ＰＩ　−Ｐ２間に一定の電源電
圧■。を印加しておいて、端子Ｐ７−　Ｐ８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偵
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Ｖｓ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図で一点鎖線で囲ん
だものが矩形波変換回路６の一例である。

〔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。

そのため、従来のヘッドは、電源電圧に変動が生じた場
合、エンコーダからの出力信号である矩形波のデユーテ
ィ比の変動し２、その結果、測定精度が悪くなるという
問題点を内在していたが、この問題点を無視することが
できなくなってきた。

そして、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木発明者らは、鋭意
研究した結果、以下のことが明らかになった。

即ち、（１）磁気ヘッドの１′ｌＲ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５Ｂ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。（２）この駆動時の隻（反温度分布は、一般に
第５Ｂ図に示すように左右対象とならない。この原因は
、■配線パターンがブリッジの中心０を基準にして左右
対象に配置されておらず、配線パターンからの放熱速度
が左右対象にならないこと、また、■しばしば基板上に
配置される電気回路（例えば、矩形波変換回路６）がブ
リフジの中心線Ｏ基準にして左右対象に配置されておら
ず、そのため基板からの放熱速度が左右対象にならない
ことにある。

その結果、第５Ｂ図に示すように、基板温度分布が左右
非対象の場合、ブリッジの隣合う２つのブロックＢ１の
温度Ｔ、とブロックＢ４の温度Ｔ４が等しくなく、また
別の隣合う２つのブロックＢ２の温度Ｔ２とブロックＢ
３の温度Ｔ、も等しくない。

この場合であっても、第７図のＲ，、Ｒ２を調整するこ
とにより、エンコーダの最終信号である矩形波のデユー
ティ比を第８図（１）に示すように１：１にすることが
できる。

しかし、この状態で電源電圧ＶＣＣが変動すると、原信
号の出力端子Ｐ７−　Ｂ８間の電位差の変動は、シキイ
電圧Ｖｓの変動よりも絶対値で大きく、そのため第８図
（２）に示すように原信号の中心電位Ｖ０がＶｓからず
れるため、矩形波のデユーティ比がずれる。

そして、このデユーティ比のずれ（変動）が最終的にエ
ンコーダの精度低下をもたらすことが判明した。

そこで、更に研究を進めた結果、本発明者らは、予め駆
動時の基板温度分布を実測又はシュミレートし、該温度
分布を基準にしてブリフジの隣合う２つのブロックを同
一又はほぼ同一の温度を示す位置に配置すれば、両ブロ
ックの温度が等しくなり、測定精度が向上することを見
い出し、本発明を成すに至った。

従って、本発明は、入（板上にｎ個（ｎは正の整数）の
磁気抵抗効果素子からなるプロ、り４個が並列に配置さ
れ、かつブロック４個がホイーストン・ブリフジを組む
ように電気的に連結されてなる磁気エンコーダ用磁気ヘ
ッドに於いて、駆動時の基板温度分布を基準にして、前
記ブリッジの隣合う２個のブロックを同一又はほぼ同一
の温度を示す位置に配置したことを特徴とする磁気ヘッ
ドを提供する。

〔作用〕

第１Ｂ図に示すように、駆動時の基板温度分布が左右対
象の場合には、その中心ｖＡＹとブリフジの中心ｌｘと
を一致させればよい。逆に言えば、第１Ａ図に示すよう
に、基（反〆詰度分布の中心線Ｙを基準にして、ブロッ
クＢ１−８４を左右対象に配置すればよい。

１個のブロックが複数（ｎ−２以上）のＭＲ素子からな
るときは、各ＭＲ素子は並列に配置し、素子の間隔ｄ０
は、ｌλとし、各素子は電気的に直列に連結させる。

本発明では、ブリッジを構成する４個のブロックを仮に
左からＢ、、Ｂ、　、Ｂ３　、Ｂ、とするとき、各ブロ
ックの間隔は前述のように（ｍ＋！４）λから選択しく
但し、ｍは整数）、基板温度分布をＭｌにしてＢ２とＢ
３を、Ｂ、とＢ、をそれぞれ同一又はほぼ同一の温度を
示す位置に配置し、第６Ａ図に示すようにブリッジを組
むか、又は第６Ｂ図に示すようにブリフジを徂む。既述
のようにブリフジを組むための配線パターンが基Ｆｉ温
度分布に影響するので、予めパターンも考慮して決める
。

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１Ａ図は、本実施例にかかる磁気ヘッドの概略平面図
である。

磁気ヘッドは、ガラス基板１とその上に並列に配置され
た４つのブロック８１〜Ｂ４を構成するＭＲ素子と、ブ
リッジを組むための配線パターン２からなる。各ブロッ
クは、いずれも１本のＭＲ素子からなり、１本のＭＲ素
子は、厚さ０．０５μｍ（−１１ｍには０．０１〜１μ
ｍ）、輻２０μｍ（一般には着び１目盛りＮＦｆＡＳ極
との間隔をλとするとき０．１〜０．６λ）、長さ１．
２　ｍｍ　（一般には幅の２〜５倍）を有する。

ブロックＢ、とＢ、との間隔ｄ１□はｄ＋ｚ＝’Ａλで
、Ｂ２とＢ、との間隔ａＺＳはｄ　ｚｉ＝　（２＋’Ａ
）λで、Ｂ、と８４との間隔ｄ３ａハｄｚａ＝　（１＋
！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。

ブロック（ＭＲ素子）の形成は、例えば■ＮｉＦｅ、Ｎ
ｉＣｏ、　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、スパッタ
などの薄膜形成技術により薄膜に形成し、次いで■ホト
リソエツ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門Ｒ素子の形成前にブリフジを組
むための金属配線パターン２を形成する。

配線パターン２は、例えば■Ａ１、＾Ｕなどの金属薄■
りを例えば薄着、スパッターなどの薄膜形成技術により
形成し、次いで■ホトリソエツ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２を形成してもよい。

尚、一般には、保護のため上に絶縁膜例えば５ｉｎ７、
Ａ１２（ｈなどを同様に薄膜形成技術により形成される
。

その後、配線パターン２の端子を、基板ｌとは別の基板
上に形成された増幅回路及び矩形波変換回路とブリッジ
とを結線しく第７１２Ｊ参照）、磁気ヘッドを完成させ
た。

この磁気ヘッドを駆動さ一已て、Ｎ１１ｉＡ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、ブリフジか
らは正弦波又はこれに頻する原信号が得られ、原信号は
矩形波変換回路で矩形波に変換される。

このとき、基板の表面温度分布は第１１３図のように、
ブリッジの隣合う２つのブロックＢ、の温度Ｔ、とブロ
ックＢ、の温度Ｔ４が等しく、また別の隣合う２つのブ
ロックＢ、の温度′丁′２とブロックＢ、の温度Ｔ、も
等しかった。

そして、出力端子７からの矩形波信号は、電源電圧が変
動しても、デユーティ比の変動が小さかった。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明によれば、駆動時の２．（板温度
分布を基準にしてブリッジの隣合う２つのブロックを同
一又はほぼ同一の温度を示す位置に配置したので、電源
電圧が変動しても、矩形波変換回路からの出力（矩形波
）のデユーティ−比が変動せず、その結果、高精度のエ
ンコーダが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、本発明の実施例（ｎ＝１）にかかる磁気ヘ
ッドの概略平面図である。 第１Ｂ図は、本発明の実施例（ｎ−１）にかがる磁気ヘ
ッドの駆動時の基板温度分布を示すグラフである。 第２図は、リニア磁気エンコーダのスケールと磁気ヘッ
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原信号の波形図で
ある。 第５Ａ図は、従来の磁気ヘッドの概略平面図である。 第５Ｂ図は、従来の磁気ヘッドにおける駆動時の基板温
度分布を示すグラフである。 第６Ａ図は、ブリッジを組む様子を示す回路図である。 第６Ｂ図は、別のブリッジを組む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ヘッドを駆動するため
の回路図である。 第８図は、（１）、（２）井に原信号と変換された矩形
波を示す波形図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １−一一一一ノ、（板 ２−〜−−配線パターン ３　・−磁気ヘッド ４−　スケール ５−　増幅回路 Ｇ　−−一知形波変換回路 ７−−一端子 Ｂ、−Ｂ４　　：侑気砥抗素子のプロ・ツクＰｉ　　−
Ｐ８　　：配線端子 Ｔ、〜′Ｆ４：磁気１氏磁気１氏層素 子願人　日本光学工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板上にｎ個（ｎは正の整数）の磁気抵抗効果素子から
   なるブロック４個が並列に配置され、かつブロック４個
   がホイーストン・ブリッジを組むように電気的に連結さ
   れてなる磁気エンコーダ用磁気ヘッドに於いて、 駆動時の基板温度分布を基準にして、前記ブリッジの隣
   合う２個のブロックを同一又はほぼ同一の温度を示す位
   置に配置したことを特徴とする磁気ヘッド。