JP2000213957A - 磁気式エンコ―ダ - Google Patents
磁気式エンコ―ダInfo
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- JP2000213957A JP2000213957A JP11015339A JP1533999A JP2000213957A JP 2000213957 A JP2000213957 A JP 2000213957A JP 11015339 A JP11015339 A JP 11015339A JP 1533999 A JP1533999 A JP 1533999A JP 2000213957 A JP2000213957 A JP 2000213957A
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- Japan
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- magnetic
- thin film
- giant magnetoresistive
- encoder
- magnetoresistive material
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 磁気検出素子の微細・小型化、高磁界中での
磁気測定、高周波対応が可能であり、また、温度変化に
よる出力変化が小さく、しかも汚れなどの影響を受けな
い高感度、高出力、高分解能の安価な磁気式エンコーダ
を提供する。 【解決手段】 等間隔に着磁された複数の磁極を有する
磁気記録媒体１０，１０ａと、該磁気記録媒体の磁気パ
ターンを検出する磁気検出素子１，１ａを有する磁気検
出器とを備えてなる磁気式エンコーダにおいて、上記磁
気検出素子が巨大磁気抵抗材料の薄膜を用いた巨大磁気
抵抗素子からなる。磁気検出素子は、好適には、基板２
上に直接又は絶縁層を介して形成された巨大磁気抵抗材
料の薄膜３及びその一方の端部に接続された第一の電極
薄膜４と、これら巨大磁気抵抗材料の薄膜及び第一の電
極薄膜の上部に絶縁層５を介して形成され、かつ上記巨
大磁気抵抗材料の薄膜の他方の端部に接続された第二の
電極薄膜６とからなる積層膜の構造とする。
磁気測定、高周波対応が可能であり、また、温度変化に
よる出力変化が小さく、しかも汚れなどの影響を受けな
い高感度、高出力、高分解能の安価な磁気式エンコーダ
を提供する。 【解決手段】 等間隔に着磁された複数の磁極を有する
磁気記録媒体１０，１０ａと、該磁気記録媒体の磁気パ
ターンを検出する磁気検出素子１，１ａを有する磁気検
出器とを備えてなる磁気式エンコーダにおいて、上記磁
気検出素子が巨大磁気抵抗材料の薄膜を用いた巨大磁気
抵抗素子からなる。磁気検出素子は、好適には、基板２
上に直接又は絶縁層を介して形成された巨大磁気抵抗材
料の薄膜３及びその一方の端部に接続された第一の電極
薄膜４と、これら巨大磁気抵抗材料の薄膜及び第一の電
極薄膜の上部に絶縁層５を介して形成され、かつ上記巨
大磁気抵抗材料の薄膜の他方の端部に接続された第二の
電極薄膜６とからなる積層膜の構造とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気式エンコーダ
に関し、さらに詳しくは、基板上に巨大磁気抵抗材料の
薄膜を形成した磁気検出素子を用いることによって、小
型かつ高感度、高出力、高分解能を有する磁気式エンコ
ーダに関するものである。
に関し、さらに詳しくは、基板上に巨大磁気抵抗材料の
薄膜を形成した磁気検出素子を用いることによって、小
型かつ高感度、高出力、高分解能を有する磁気式エンコ
ーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のエンコーダは、磁気式と光学式に
大別される。従来、磁気式エンコーダでは、位置信号と
して等間隔に着磁された複数の磁極を有する磁気記録媒
体の移動に伴って周期的に現れる磁気パターンの検出素
子として、磁気抵抗効果センサ（特開昭５９−１４７２
１３号、特開平２−１９５２８４号、特開平７−１３９
９６６号）やホールセンサなどの磁気センサが用いられ
ており、また、磁気抵抗効果素子としては例えばＮｉＦ
ｅ合金（特開平２−１９５２８４号）などが用いられて
いる。
大別される。従来、磁気式エンコーダでは、位置信号と
して等間隔に着磁された複数の磁極を有する磁気記録媒
体の移動に伴って周期的に現れる磁気パターンの検出素
子として、磁気抵抗効果センサ（特開昭５９−１４７２
１３号、特開平２−１９５２８４号、特開平７−１３９
９６６号）やホールセンサなどの磁気センサが用いられ
ており、また、磁気抵抗効果素子としては例えばＮｉＦ
ｅ合金（特開平２−１９５２８４号）などが用いられて
いる。
【０００３】一方、光学式エンコーダでは、レーザー光
を光源とし、検出器として光センサを用いており、光源
と検出器の間に回折格子を設け、回折した光を回折格子
後方に設けた検出器によって観察し、回折光の強度変化
によって精密な位置を検出するものがある。
を光源とし、検出器として光センサを用いており、光源
と検出器の間に回折格子を設け、回折した光を回折格子
後方に設けた検出器によって観察し、回折光の強度変化
によって精密な位置を検出するものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、磁気検
出素子としてホールセンサを使用したエンコーダでは、
ホール素子が４端子構造を持つことから微細・小型化が
困難なため、μｍオーダーでの高分解能が得られないと
いう問題がある。また、半導体を使用しているため、高
周波の磁界変化に対して応答性が得られない、高温下で
使用できないといった問題がある。
出素子としてホールセンサを使用したエンコーダでは、
ホール素子が４端子構造を持つことから微細・小型化が
困難なため、μｍオーダーでの高分解能が得られないと
いう問題がある。また、半導体を使用しているため、高
周波の磁界変化に対して応答性が得られない、高温下で
使用できないといった問題がある。
【０００５】一方、磁気抵抗効果センサを用いたもので
は、小型化は可能であるが、数十Ｏｅ以上の高磁界に対
する応答性がなく、外部から磁界を印加された場合、測
定が困難となる問題がある。そのため、数百Ｏｅ以上の
高磁界を有するモータなどの回転センサとしての使用
や、鋼材の側での使用など、高磁界の影響を受けるよう
な環境で使用する場合、磁気シールドが必要となり、装
置が大きくなるという問題がある。
は、小型化は可能であるが、数十Ｏｅ以上の高磁界に対
する応答性がなく、外部から磁界を印加された場合、測
定が困難となる問題がある。そのため、数百Ｏｅ以上の
高磁界を有するモータなどの回転センサとしての使用
や、鋼材の側での使用など、高磁界の影響を受けるよう
な環境で使用する場合、磁気シールドが必要となり、装
置が大きくなるという問題がある。
【０００６】また、光学式エンコーダでは、μｍオーダ
ーでの高分解能は得られるものの、埃、オイルミストな
どの汚れが付着した時に検出感度が低下し、また高温、
放射光などの環境下では測定が困難になるといった問題
がある。さらに、検出にレーザー光源、回折格子といっ
た精密機器を用いており、装置自体が大きくかつ高価な
ものになるといった問題がある。
ーでの高分解能は得られるものの、埃、オイルミストな
どの汚れが付着した時に検出感度が低下し、また高温、
放射光などの環境下では測定が困難になるといった問題
がある。さらに、検出にレーザー光源、回折格子といっ
た精密機器を用いており、装置自体が大きくかつ高価な
ものになるといった問題がある。
【０００７】従って、本発明の目的は、磁気検出素子の
微細・小型化、高磁界中での磁気測定、高周波対応が可
能であり、また、温度変化による出力変化が小さく、し
かも汚れなどの影響を受けない高感度、高出力、高分解
能の安価な磁気式エンコーダを提供することにある。
微細・小型化、高磁界中での磁気測定、高周波対応が可
能であり、また、温度変化による出力変化が小さく、し
かも汚れなどの影響を受けない高感度、高出力、高分解
能の安価な磁気式エンコーダを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明によれば、等間隔に着磁された複数の磁極を
有する磁気記録媒体と、該磁気記録媒体の磁気パターン
を検出する磁気検出素子を有する磁気検出器とを備え、
該磁気検出素子を上記磁気記録媒体の磁界が作用する範
囲内で相対移動自在に対向して配設してなる磁気式エン
コーダであって、上記磁気検出素子が巨大磁気抵抗材料
の薄膜を用いた巨大磁気抵抗素子からなることを特徴と
する磁気式エンコーダが提供される。好適な態様によれ
ば、上記磁気検出器は、基板上に形成された巨大磁気抵
抗材料の薄膜とその両端に接続された２つの電極薄膜と
からなる磁気検出素子と、該磁気検出素子に定電流又は
定電圧を与える手段と、上記磁気検出素子が発生する電
流又は電圧を検出する手段とを有する。
に、本発明によれば、等間隔に着磁された複数の磁極を
有する磁気記録媒体と、該磁気記録媒体の磁気パターン
を検出する磁気検出素子を有する磁気検出器とを備え、
該磁気検出素子を上記磁気記録媒体の磁界が作用する範
囲内で相対移動自在に対向して配設してなる磁気式エン
コーダであって、上記磁気検出素子が巨大磁気抵抗材料
の薄膜を用いた巨大磁気抵抗素子からなることを特徴と
する磁気式エンコーダが提供される。好適な態様によれ
ば、上記磁気検出器は、基板上に形成された巨大磁気抵
抗材料の薄膜とその両端に接続された２つの電極薄膜と
からなる磁気検出素子と、該磁気検出素子に定電流又は
定電圧を与える手段と、上記磁気検出素子が発生する電
流又は電圧を検出する手段とを有する。
【０００９】前記磁気検出素子は、好適には、急激な磁
界の変化によるリード線からの誘導起電力によるノイズ
を低減し、センサ部分の磁界のみを検出する構造とする
ために、巨大磁気抵抗材料の薄膜の両端に接続された２
本のセンサリードを絶縁層を介して積層成膜した配線構
造とする。例えば、基板上に直接又は絶縁層を介して形
成された巨大磁気抵抗材料の薄膜及びその一方の端部に
接続された第一の電極薄膜（センサリード）と、これら
巨大磁気抵抗材料の薄膜及び第一の電極薄膜の上部に絶
縁層を介して形成され、かつ上記巨大磁気抵抗材料の薄
膜の他方の端部に接続された第二の電極薄膜（センサリ
ード）とからなる積層膜、あるいは、基板上に直接又は
絶縁層を介して形成された上記第二の電極薄膜と、該第
二の電極薄膜の上部に絶縁層を介して形成された上記巨
大磁気抵抗材料の薄膜及び第一の電極薄膜とからなる積
層膜の構造とする。
界の変化によるリード線からの誘導起電力によるノイズ
を低減し、センサ部分の磁界のみを検出する構造とする
ために、巨大磁気抵抗材料の薄膜の両端に接続された２
本のセンサリードを絶縁層を介して積層成膜した配線構
造とする。例えば、基板上に直接又は絶縁層を介して形
成された巨大磁気抵抗材料の薄膜及びその一方の端部に
接続された第一の電極薄膜（センサリード）と、これら
巨大磁気抵抗材料の薄膜及び第一の電極薄膜の上部に絶
縁層を介して形成され、かつ上記巨大磁気抵抗材料の薄
膜の他方の端部に接続された第二の電極薄膜（センサリ
ード）とからなる積層膜、あるいは、基板上に直接又は
絶縁層を介して形成された上記第二の電極薄膜と、該第
二の電極薄膜の上部に絶縁層を介して形成された上記巨
大磁気抵抗材料の薄膜及び第一の電極薄膜とからなる積
層膜の構造とする。
【００１０】また、前記のような磁気検出素子が前記磁
気記録媒体における磁極間距離の１／２の間隔で２つ以
上形成された磁気検出器を用いることが好ましい。この
ような構成とすることにより、２つ以上の巨大磁気抵抗
素子の差動信号を回転角もしくは移動量として検出する
ことができ、また、回転駆動する励磁コイルなどの外部
磁界の影響を低減することができる。このような２つ以
上の巨大磁気抵抗素子は同一基板に形成することもでき
る。例えば、基板上に平行に離間して成膜された一対の
細長い第一の電極薄膜とこれにそれぞれ接続された巨大
磁気抵抗材料の薄膜を覆うように絶縁層を積層し、該絶
縁層上にさらに平行に離間して一対の細長い第二の電極
薄膜を上記巨大磁気抵抗材料の端部にそれぞれ接続する
ように成膜する。
気記録媒体における磁極間距離の１／２の間隔で２つ以
上形成された磁気検出器を用いることが好ましい。この
ような構成とすることにより、２つ以上の巨大磁気抵抗
素子の差動信号を回転角もしくは移動量として検出する
ことができ、また、回転駆動する励磁コイルなどの外部
磁界の影響を低減することができる。このような２つ以
上の巨大磁気抵抗素子は同一基板に形成することもでき
る。例えば、基板上に平行に離間して成膜された一対の
細長い第一の電極薄膜とこれにそれぞれ接続された巨大
磁気抵抗材料の薄膜を覆うように絶縁層を積層し、該絶
縁層上にさらに平行に離間して一対の細長い第二の電極
薄膜を上記巨大磁気抵抗材料の端部にそれぞれ接続する
ように成膜する。
【００１１】前記巨大磁気抵抗材料としては、電気伝導
性マトリックス中に磁性粒子を分散させた構造、好まし
くはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのうち少なくとも１種の元
素からなる電気伝導性マトリックス中に、Ｆｅ、Ｃｏ、
Ｎｉのうち少なくとも１種の元素からなる磁性粒子を、
好ましくは５〜５５％の原子比率で分散させた構造を有
する磁性粒子分散型（グラニュラー型）巨大磁気抵抗材
料を用いることが好ましい。さらに、前記磁気記録媒体
の等間隔に着磁された複数の磁極は、高保磁力を有する
磁石からなることが好ましい。
性マトリックス中に磁性粒子を分散させた構造、好まし
くはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのうち少なくとも１種の元
素からなる電気伝導性マトリックス中に、Ｆｅ、Ｃｏ、
Ｎｉのうち少なくとも１種の元素からなる磁性粒子を、
好ましくは５〜５５％の原子比率で分散させた構造を有
する磁性粒子分散型（グラニュラー型）巨大磁気抵抗材
料を用いることが好ましい。さらに、前記磁気記録媒体
の等間隔に着磁された複数の磁極は、高保磁力を有する
磁石からなることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】前記のように、本発明の磁気式エ
ンコーダは、磁気検出素子が巨大磁気抵抗材料（巨大磁
気抵抗効果を有する材料をいう）の薄膜を用いた巨大磁
気抵抗素子からなるため、磁気検出素子の微細・小型
化、高磁界中での磁界測定、高周波対応が可能であり、
また、温度変化による出力変化が小さく、しかも汚れな
どの影響を受けない高感度、高出力、高分解能の磁気式
エンコーダを提供することが可能となる。上記巨大磁気
抵抗材料は、磁性粒子分散型巨大磁気抵抗効果材料、人
工格子型巨大磁気抵抗効果材料又は超巨大磁気抵抗効果
材料からなり、少なくとも５ｋＨｚ以上の交流磁界を信
号として読み取ることができる。
ンコーダは、磁気検出素子が巨大磁気抵抗材料（巨大磁
気抵抗効果を有する材料をいう）の薄膜を用いた巨大磁
気抵抗素子からなるため、磁気検出素子の微細・小型
化、高磁界中での磁界測定、高周波対応が可能であり、
また、温度変化による出力変化が小さく、しかも汚れな
どの影響を受けない高感度、高出力、高分解能の磁気式
エンコーダを提供することが可能となる。上記巨大磁気
抵抗材料は、磁性粒子分散型巨大磁気抵抗効果材料、人
工格子型巨大磁気抵抗効果材料又は超巨大磁気抵抗効果
材料からなり、少なくとも５ｋＨｚ以上の交流磁界を信
号として読み取ることができる。
【００１３】ここで巨大磁気抵抗（Giant Magnetoresis
tance,ＧＭＲ）効果とは、エイ．イー．ベルコウィッツ
（A.E. Berkowitz）ら、Phys. Rev. Lett. 68 (1992),
3745頁やジェイ．キュー．ズィエ（J.Q. Xiao ）ら、Ph
ys. Rev. Lett. 68 (1992),3749頁に報告されている磁
性粒子分散型磁気抵抗効果、又はエム．エヌ．バイビッ
チ（M.N. Baibich）ら、Phys. Rev. Lett. 61 (1988),
2473頁やエス．エス．ピィー．パーキン（S.S.P. Parki
n ）ら、Appl. Phys. Lett. 58 (1991), 2710頁に報告
されている人工格子型巨大磁気抵抗効果を指す。これら
の材料の磁気抵抗効果は、潟岡ら「まてりあ」第３３巻
第２号、１９９４年、１６５頁に解説されているよう
に、磁性体（析出粒子もしくは多層膜）の磁化と伝導を
担う電子のスピン依存散乱によるとされている。従っ
て、磁性体としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅやそれらの合金を用
いているので、少なくとも３００℃まで磁化変化が無
く、大きな磁気抵抗効果が得られる。
tance,ＧＭＲ）効果とは、エイ．イー．ベルコウィッツ
（A.E. Berkowitz）ら、Phys. Rev. Lett. 68 (1992),
3745頁やジェイ．キュー．ズィエ（J.Q. Xiao ）ら、Ph
ys. Rev. Lett. 68 (1992),3749頁に報告されている磁
性粒子分散型磁気抵抗効果、又はエム．エヌ．バイビッ
チ（M.N. Baibich）ら、Phys. Rev. Lett. 61 (1988),
2473頁やエス．エス．ピィー．パーキン（S.S.P. Parki
n ）ら、Appl. Phys. Lett. 58 (1991), 2710頁に報告
されている人工格子型巨大磁気抵抗効果を指す。これら
の材料の磁気抵抗効果は、潟岡ら「まてりあ」第３３巻
第２号、１９９４年、１６５頁に解説されているよう
に、磁性体（析出粒子もしくは多層膜）の磁化と伝導を
担う電子のスピン依存散乱によるとされている。従っ
て、磁性体としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅやそれらの合金を用
いているので、少なくとも３００℃まで磁化変化が無
く、大きな磁気抵抗効果が得られる。
【００１４】また、超巨大磁気抵抗（Colossal Magneto
resistance，ＣＭＲ）効果を示す材料は、Ｌａ（ＡＥ）
ＭｎＯ3（ＡＥ：アルカリ土類金属Ｃａ、Ｓｒ又はＢ
ａ）で示されるＭｎ系ペロブスカイト構造を持つ酸化物
などで、これは、１９５０年代から研究が行われ（Land
olt-Bornstein New Series III/4a(1970), III/12a(197
8)参照）、近年、低温で磁界により絶縁体から金属に変
わる電気抵抗変化を示す材料として注目されている
（「まてりあ」第３５巻第１１号、１９９６年、１２１
７頁参照）。
resistance，ＣＭＲ）効果を示す材料は、Ｌａ（ＡＥ）
ＭｎＯ3（ＡＥ：アルカリ土類金属Ｃａ、Ｓｒ又はＢ
ａ）で示されるＭｎ系ペロブスカイト構造を持つ酸化物
などで、これは、１９５０年代から研究が行われ（Land
olt-Bornstein New Series III/4a(1970), III/12a(197
8)参照）、近年、低温で磁界により絶縁体から金属に変
わる電気抵抗変化を示す材料として注目されている
（「まてりあ」第３５巻第１１号、１９９６年、１２１
７頁参照）。
【００１５】前記磁性粒子分散型巨大磁気抵抗材料は、
Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の電気伝導性材料もしくは非磁性
（常磁性、反磁性）材料中に最大長径が約５〜５００ｎ
ｍのＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の強磁性粒子が分散した材料か
らなり、また、人工格子型巨大磁気抵抗材料は、非磁性
（常磁性、反磁性）材料と強磁性材料とを周期的に、例
えば約１〜１０ｎｍのものを周期的に積層した材料から
なる。一方、前記超巨大磁気抵抗材料としては、例え
ば、一般式：Ｌｎ1-yＡＥyＭｎＯ3-z（但し、Ｌｎは希
土類元素のうち少なくとも１種の元素、ＡＥはＣａ、Ｓ
ｒ、Ｂａのうち少なくとも１種の元素であり、ｙ、ｚは
それぞれ原子比で０．２≦ｙ≦０．４、−０．１≦ｚ≦
０．３）で示される組成を有する材料を主成分としてい
る（材料の９５ａｔ％以上が上記組成を有する）ものが
挙げられる。特に好ましいのは前記ＡＥ元素がＳｒであ
る材料であり、また、希土類元素としては主にＬａが用
いられる。
Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の電気伝導性材料もしくは非磁性
（常磁性、反磁性）材料中に最大長径が約５〜５００ｎ
ｍのＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の強磁性粒子が分散した材料か
らなり、また、人工格子型巨大磁気抵抗材料は、非磁性
（常磁性、反磁性）材料と強磁性材料とを周期的に、例
えば約１〜１０ｎｍのものを周期的に積層した材料から
なる。一方、前記超巨大磁気抵抗材料としては、例え
ば、一般式：Ｌｎ1-yＡＥyＭｎＯ3-z（但し、Ｌｎは希
土類元素のうち少なくとも１種の元素、ＡＥはＣａ、Ｓ
ｒ、Ｂａのうち少なくとも１種の元素であり、ｙ、ｚは
それぞれ原子比で０．２≦ｙ≦０．４、−０．１≦ｚ≦
０．３）で示される組成を有する材料を主成分としてい
る（材料の９５ａｔ％以上が上記組成を有する）ものが
挙げられる。特に好ましいのは前記ＡＥ元素がＳｒであ
る材料であり、また、希土類元素としては主にＬａが用
いられる。
【００１６】これらの材料の特徴として、数ｋＯｅ以上
の磁界においても、磁気抵抗変化があるため、モータ内
にセンサを配してもロータの回転に伴う磁界変化を測定
することができる。それに加えて、これらの材料は配線
がホール素子の半分の２本で済むために、配線が簡単で
小型化が容易である。つまり、磁気式エンコーダに要求
される「高磁界特性」、「高周波特性」、「耐磁界外
乱」、「小型化」の要件を備えている。
の磁界においても、磁気抵抗変化があるため、モータ内
にセンサを配してもロータの回転に伴う磁界変化を測定
することができる。それに加えて、これらの材料は配線
がホール素子の半分の２本で済むために、配線が簡単で
小型化が容易である。つまり、磁気式エンコーダに要求
される「高磁界特性」、「高周波特性」、「耐磁界外
乱」、「小型化」の要件を備えている。
【００１７】前記３種の材料のうちでも、磁気式エンコ
ーダに利用するためには、磁性粒子分散型巨大磁気抵抗
材料を用いることが好ましい。これは、超巨大磁気抵抗
効果の場合、温度特性をよくするために高温（７００〜
９００℃）で熱処理を必要とするため、作製プロセスが
難しいこと、また電気抵抗が数ｋΩと高いため電気を流
しにくいためである。
ーダに利用するためには、磁性粒子分散型巨大磁気抵抗
材料を用いることが好ましい。これは、超巨大磁気抵抗
効果の場合、温度特性をよくするために高温（７００〜
９００℃）で熱処理を必要とするため、作製プロセスが
難しいこと、また電気抵抗が数ｋΩと高いため電気を流
しにくいためである。
【００１８】磁性粒子分散型巨大磁気抵抗材料は、好ま
しくは、一般式：ＮＭ100-XＴＭX（但し、ＮＭはＡｇ、
Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのうち少なくとも１種の元素、ＴＭは
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも１種の元素であり、
ｘは原子％で５≦ｘ≦５５、好ましくは１０≦ｘ≦３
５）で示される組成を有する。上記一般式で示される組
成の磁性粒子分散型巨大磁気抵抗材料において、非磁性
材料ＮＭは最大２０ａｔ％まで、好ましくは１０ａｔ％
以下の範囲内でＡｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｒｈなど他の元素の
１種以上を含むことができる。これらの元素は、磁気抵
抗効果を低下させ、感度を低くするが、反面、Ａｌ、Ｔ
ｉは磁気抵抗効果の温度依存性を小さくし、一方、Ｐ
ｄ、Ｐｔ、Ｒｈは電気抵抗を増大させることで、配線を
含むセンサ全体の磁気抵抗効果を大きくする効果があ
る。また、強磁性材料ＴＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ以外にＣ
ｒ、Ｍｎなどの元素を最大５ａｔ％までの範囲内で含む
ことができる。特にＣｒ、Ｍｎは磁気抵抗効果を減少さ
せるが、磁性粒子の粗大化を防ぎ、耐熱性を上げること
ができる。
しくは、一般式：ＮＭ100-XＴＭX（但し、ＮＭはＡｇ、
Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのうち少なくとも１種の元素、ＴＭは
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも１種の元素であり、
ｘは原子％で５≦ｘ≦５５、好ましくは１０≦ｘ≦３
５）で示される組成を有する。上記一般式で示される組
成の磁性粒子分散型巨大磁気抵抗材料において、非磁性
材料ＮＭは最大２０ａｔ％まで、好ましくは１０ａｔ％
以下の範囲内でＡｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｒｈなど他の元素の
１種以上を含むことができる。これらの元素は、磁気抵
抗効果を低下させ、感度を低くするが、反面、Ａｌ、Ｔ
ｉは磁気抵抗効果の温度依存性を小さくし、一方、Ｐ
ｄ、Ｐｔ、Ｒｈは電気抵抗を増大させることで、配線を
含むセンサ全体の磁気抵抗効果を大きくする効果があ
る。また、強磁性材料ＴＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ以外にＣ
ｒ、Ｍｎなどの元素を最大５ａｔ％までの範囲内で含む
ことができる。特にＣｒ、Ｍｎは磁気抵抗効果を減少さ
せるが、磁性粒子の粗大化を防ぎ、耐熱性を上げること
ができる。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の磁気式エンコーダについて添
付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の磁気
検出器の磁気検出素子１の一実施例を示す平面図、図２
はそのII−II線断面図である。図１及び図２において、
符号３は前記したような磁性粒子分散型巨大磁気抵抗材
料よりなる薄膜（センサ素子）を示している。図１及び
図２に明瞭に示されているように、基板２の上には細長
い銅製の第一電極薄膜４が形成され、該第一電極薄膜４
の先端部に上記巨大磁気抵抗材料の薄膜３が配設されて
いる。上記巨大磁気抵抗材料薄膜３及び第一電極薄膜４
の上には、これらを覆うようにＡｌ2Ｏ3製の絶縁層５が
積層されている。但し、第一電極薄膜４の後端部はリー
ド線接続のために露出している。該絶縁層５の上には、
上記第一電極薄膜４と整合する位置に、上記巨大磁気抵
抗材料薄膜３と接続されるように細長い銅製の第二電極
薄膜６が形成されている。
付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の磁気
検出器の磁気検出素子１の一実施例を示す平面図、図２
はそのII−II線断面図である。図１及び図２において、
符号３は前記したような磁性粒子分散型巨大磁気抵抗材
料よりなる薄膜（センサ素子）を示している。図１及び
図２に明瞭に示されているように、基板２の上には細長
い銅製の第一電極薄膜４が形成され、該第一電極薄膜４
の先端部に上記巨大磁気抵抗材料の薄膜３が配設されて
いる。上記巨大磁気抵抗材料薄膜３及び第一電極薄膜４
の上には、これらを覆うようにＡｌ2Ｏ3製の絶縁層５が
積層されている。但し、第一電極薄膜４の後端部はリー
ド線接続のために露出している。該絶縁層５の上には、
上記第一電極薄膜４と整合する位置に、上記巨大磁気抵
抗材料薄膜３と接続されるように細長い銅製の第二電極
薄膜６が形成されている。
【００２０】前記巨大磁気抵抗材料薄膜３の形状は、長
さ５ｍｍ以下、幅０．５ｍｍ以下の矩形状が適当であ
る。前記電極薄膜４、６は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａも
しくはＭｏ又はそれらの合金等の導電性材料から作製で
きるが、これらの中でもＣｕが好ましい。また、前記絶
縁層５としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ等を用い
ることができる。絶縁層５の厚さは０．５ｎｍ以上、
１，０００ｎｍ以下が適当であり、好ましくは１０ｎｍ
以上、１００ｎｍ以下がよい。別の好適な態様によれ
ば、前記基板２として、又はその裏側にケイ素鋼板やパ
ーマロイ、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス合金等の軟磁性
体を取り付けたものを用いる。このように軟磁性体を利
用して磁束を収束させることにより、さらに感度が向上
し、従って検出器の設置場所の制約が緩和される。
さ５ｍｍ以下、幅０．５ｍｍ以下の矩形状が適当であ
る。前記電極薄膜４、６は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａも
しくはＭｏ又はそれらの合金等の導電性材料から作製で
きるが、これらの中でもＣｕが好ましい。また、前記絶
縁層５としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ等を用い
ることができる。絶縁層５の厚さは０．５ｎｍ以上、
１，０００ｎｍ以下が適当であり、好ましくは１０ｎｍ
以上、１００ｎｍ以下がよい。別の好適な態様によれ
ば、前記基板２として、又はその裏側にケイ素鋼板やパ
ーマロイ、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス合金等の軟磁性
体を取り付けたものを用いる。このように軟磁性体を利
用して磁束を収束させることにより、さらに感度が向上
し、従って検出器の設置場所の制約が緩和される。
【００２１】図３は、本発明の磁気検出素子をロータリ
ーエンコーダに応用した例の概略基本構成を示してい
る。図３において、符号１０はモータ等の回転駆動源１
３の回転軸１２に取り付けられた回転ドラム状の磁気記
録媒体であり、その外周面に永久磁石が、円周方向にＮ
Ｓ極１１が等間隔に出現するように固着されている。磁
極としては強力磁石（ＳｍＣｏ，ＮｄＦｅＢなどの希土
類磁石）を用いることが好ましい。磁気検出素子１ａ
は、上記磁気記録媒体１０と対向するように、かつ、Ｎ
Ｓ極による磁界が作用する範囲内に所定の間隙を介して
配設されており、電源１７からリード線１４を介して定
電流又は定電圧が与えられている。なお、図３に示す磁
気検出素子１ａは、絶縁層を介して基板上に積層された
上下の電極薄膜の下端部が二股状に拡げられた構造を有
するが、その基本的な構造は前記図１及び図２に示すも
のと同様である。
ーエンコーダに応用した例の概略基本構成を示してい
る。図３において、符号１０はモータ等の回転駆動源１
３の回転軸１２に取り付けられた回転ドラム状の磁気記
録媒体であり、その外周面に永久磁石が、円周方向にＮ
Ｓ極１１が等間隔に出現するように固着されている。磁
極としては強力磁石（ＳｍＣｏ，ＮｄＦｅＢなどの希土
類磁石）を用いることが好ましい。磁気検出素子１ａ
は、上記磁気記録媒体１０と対向するように、かつ、Ｎ
Ｓ極による磁界が作用する範囲内に所定の間隙を介して
配設されており、電源１７からリード線１４を介して定
電流又は定電圧が与えられている。なお、図３に示す磁
気検出素子１ａは、絶縁層を介して基板上に積層された
上下の電極薄膜の下端部が二股状に拡げられた構造を有
するが、その基本的な構造は前記図１及び図２に示すも
のと同様である。
【００２２】このような構成において、磁気記録媒体１
０を回転させると、着磁された磁気パターンに対応して
磁気検出素子１ａに加わる磁界が周期的に変化する。こ
の変化は磁気検出素子１ａにより磁気抵抗の変化として
検出され、電流変化又は電圧変化の出力信号が得られる
ことになる。この出力信号は増幅回路１５により増幅し
て制御系１６に送られる。このようにして、磁気記録媒
体１０の回転角もしくは移動量や回転速度を検出するこ
とができる。
０を回転させると、着磁された磁気パターンに対応して
磁気検出素子１ａに加わる磁界が周期的に変化する。こ
の変化は磁気検出素子１ａにより磁気抵抗の変化として
検出され、電流変化又は電圧変化の出力信号が得られる
ことになる。この出力信号は増幅回路１５により増幅し
て制御系１６に送られる。このようにして、磁気記録媒
体１０の回転角もしくは移動量や回転速度を検出するこ
とができる。
【００２３】なお、図３は本発明の磁気検出素子をロー
タリーエンコーダに応用した場合の概略的な基本構成を
示しており、エンコーダの構成自体は従来公知の種々の
形態を採用できることは言うまでもない。例えば、前記
した特開昭５９−１４７２１３号、特開平２−１９５２
８４号、特開平７−１３９９６６号等に記載されている
ような態様で磁気記録媒体の表面にアブソリュート相、
インクリメンタル相を形成することができる。
タリーエンコーダに応用した場合の概略的な基本構成を
示しており、エンコーダの構成自体は従来公知の種々の
形態を採用できることは言うまでもない。例えば、前記
した特開昭５９−１４７２１３号、特開平２−１９５２
８４号、特開平７−１３９９６６号等に記載されている
ような態様で磁気記録媒体の表面にアブソリュート相、
インクリメンタル相を形成することができる。
【００２４】図４は、本発明の磁気検出素子をリニアエ
ンコーダに応用した例の概略基本構成を示している。こ
のリニアエンコーダにおいては、表面に所定のパターン
でＮＳ極１１ａが形成され、移動対象物１８に固定され
た細長いプレート状の磁気記録媒体１０ａが用いられて
いる以外、他の構成は基本的には前記ロータリーエンコ
ーダの場合と同様である。この場合にも、磁気検出素子
１ａは、磁気記録媒体１０ａと対向するようにその近傍
に配置されている。
ンコーダに応用した例の概略基本構成を示している。こ
のリニアエンコーダにおいては、表面に所定のパターン
でＮＳ極１１ａが形成され、移動対象物１８に固定され
た細長いプレート状の磁気記録媒体１０ａが用いられて
いる以外、他の構成は基本的には前記ロータリーエンコ
ーダの場合と同様である。この場合にも、磁気検出素子
１ａは、磁気記録媒体１０ａと対向するようにその近傍
に配置されている。
【００２５】以下、本発明の効果を具体的に確認した実
施例を示す。磁性粒子分散型巨大磁気抵抗材料は、Ａｇ
ターゲットもしくはＣｕターゲット上にＣｏチップもし
くはＮｉ0.66Ｃｏ0.18Ｆｅ0.16合金チップを均等に配し
た複合ターゲットを用いて作製した。成膜条件及び熱処
理条件は以下のとおりである。 成膜方法：ＲＦマグネトロンスパッタ 基板：Ｓｉウェーハ 基板温度：１００℃ 雰囲気：Ａｒ０．６Ｐａ スパッタ電力：１００Ｗ 薄膜組成：Ａｇ70Ｃｏ30、Ａｇ75（Ｎｉ0.66Ｃｏ0.18Ｆ
ｅ0.16）25の２種 膜厚：１０〜５００ｎｍ 熱処理： 温度：２００℃ 時間：０．５時間 雰囲気：真空中 膜厚１０ｎｍでの磁気抵抗効果：１０ｋＯｅの磁界で約
１０％の磁気抵抗比（ＭＲ比）が得られた。なお、この
磁気抵抗比は、下記式により求めた値である。 ＭＲ比（％）＝（Ｒ（０）−Ｒ（Ｈ））／Ｒ（０）×１
００ Ｒ（０）：磁界がないときの電気抵抗 Ｒ（Ｈ）：磁界が印加されたときの電気抵抗
施例を示す。磁性粒子分散型巨大磁気抵抗材料は、Ａｇ
ターゲットもしくはＣｕターゲット上にＣｏチップもし
くはＮｉ0.66Ｃｏ0.18Ｆｅ0.16合金チップを均等に配し
た複合ターゲットを用いて作製した。成膜条件及び熱処
理条件は以下のとおりである。 成膜方法：ＲＦマグネトロンスパッタ 基板：Ｓｉウェーハ 基板温度：１００℃ 雰囲気：Ａｒ０．６Ｐａ スパッタ電力：１００Ｗ 薄膜組成：Ａｇ70Ｃｏ30、Ａｇ75（Ｎｉ0.66Ｃｏ0.18Ｆ
ｅ0.16）25の２種 膜厚：１０〜５００ｎｍ 熱処理： 温度：２００℃ 時間：０．５時間 雰囲気：真空中 膜厚１０ｎｍでの磁気抵抗効果：１０ｋＯｅの磁界で約
１０％の磁気抵抗比（ＭＲ比）が得られた。なお、この
磁気抵抗比は、下記式により求めた値である。 ＭＲ比（％）＝（Ｒ（０）−Ｒ（Ｈ））／Ｒ（０）×１
００ Ｒ（０）：磁界がないときの電気抵抗 Ｒ（Ｈ）：磁界が印加されたときの電気抵抗
【００２６】上記の方法により、ガラス基板上に巨大磁
気抵抗材料の薄膜を長さ０．５ｍｍ、幅０．１ｍｍの矩
形状に成膜し、厚さを１０ｎｍ〜５００ｎｍまで調整
し、センサの抵抗として２Ωから５０Ωまで変え、また
Ｃｕ電極もしくは銀ペーストにより電極を作製し、磁気
検出素子を作製した。約１ｍｍ厚さの磁石板（表面磁界
５００Ｏｅ）をＮＳ極が交互になるように積み重ね、１
０枚おきに１ｋΩの磁石を挟んだものを磁気記録媒体と
し、これを上記磁気検出素子と対向させて移動させるこ
とにより、磁気記録媒体の位置変化だけでなく、絶対位
置が検出でき、また１５０℃の温度条件下でも検出可能
であることを確認した。
気抵抗材料の薄膜を長さ０．５ｍｍ、幅０．１ｍｍの矩
形状に成膜し、厚さを１０ｎｍ〜５００ｎｍまで調整
し、センサの抵抗として２Ωから５０Ωまで変え、また
Ｃｕ電極もしくは銀ペーストにより電極を作製し、磁気
検出素子を作製した。約１ｍｍ厚さの磁石板（表面磁界
５００Ｏｅ）をＮＳ極が交互になるように積み重ね、１
０枚おきに１ｋΩの磁石を挟んだものを磁気記録媒体と
し、これを上記磁気検出素子と対向させて移動させるこ
とにより、磁気記録媒体の位置変化だけでなく、絶対位
置が検出でき、また１５０℃の温度条件下でも検出可能
であることを確認した。
【００２７】
【発明の効果】以上のように、本発明の磁気式エンコー
ダは、磁気検出素子として巨大磁気抵抗材料、特に磁性
粒子分散型巨大磁気抵抗材料を用いているため、高温下
や粉塵環境下においても使用でき、かつ小型で分解能の
高い磁気式エンコーダを安価に作製することが可能とな
った。また、高磁界環境下でも磁気検出が可能であり、
また検出磁界の発生源に強力磁石を用いることによっ
て、外部磁界（ノイズ）の影響を受け難くなり、磁気シ
ールドの必要がなく、高い信頼性が得られる。さらに、
高周波磁界の測定ができ、また埃等の汚れが付着しても
感度低下がない。従って、ヒーター用、エンジン用等の
各種ロータリーエンコーダ、リニアエンコーダとして有
利に使用することができる。
ダは、磁気検出素子として巨大磁気抵抗材料、特に磁性
粒子分散型巨大磁気抵抗材料を用いているため、高温下
や粉塵環境下においても使用でき、かつ小型で分解能の
高い磁気式エンコーダを安価に作製することが可能とな
った。また、高磁界環境下でも磁気検出が可能であり、
また検出磁界の発生源に強力磁石を用いることによっ
て、外部磁界（ノイズ）の影響を受け難くなり、磁気シ
ールドの必要がなく、高い信頼性が得られる。さらに、
高周波磁界の測定ができ、また埃等の汚れが付着しても
感度低下がない。従って、ヒーター用、エンジン用等の
各種ロータリーエンコーダ、リニアエンコーダとして有
利に使用することができる。
【図１】本発明の磁気検出素子の一実施例を示す平面図
である。
である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】本発明の磁気検出素子をロータリーエンコーダ
に応用した実施例を示す概略基本構成図である。
に応用した実施例を示す概略基本構成図である。
【図４】本発明の磁気検出素子をリニアエンコーダに応
用した実施例を示す概略基本構成図である。
用した実施例を示す概略基本構成図である。
１，１ａ 磁気検出素子 ２ 基板 ３ 巨大磁気抵抗材料薄膜 ４ 第一電極薄膜 ５ 絶縁層 ６ 第二電極薄膜 １０，１０ａ 磁気記録媒体 １１，１１ａ ＮＳ極 １２ 回転軸 １３ 回転駆動源（モータ） １５ 増幅回路 １６ 制御系 １７ 電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 由則 宮城県仙台市太白区茂庭台４丁目26番３号 Ｆターム(参考） 2F063 AA01 AA35 AA50 BC02 BC05 BD11 BD16 CA09 CA34 CA40 DA19 EA02 EA03 GA55 LA11 LA30 2F077 AA25 AA41 NN04 NN05 NN17 NN24 PP14 TT87 2G017 AA01 AB01 AB05 AD21 AD53 AD55 AD63 AD65
Claims (8)
- 【請求項１】 等間隔に着磁された複数の磁極を有する
磁気記録媒体と、該磁気記録媒体の磁気パターンを検出
する磁気検出素子を有する磁気検出器とを備え、該磁気
検出素子を上記磁気記録媒体の磁界が作用する範囲内で
相対移動自在に対向して配設してなる磁気式エンコーダ
であって、上記磁気検出素子が巨大磁気抵抗材料の簿膜
を用いた巨大磁気抵抗素子からなることを特徴とする磁
気式エンコーダ。 - 【請求項２】 前記磁気検出器が、基板上に形成された
巨大磁気抵抗材料の薄膜とその両端に接続された２つの
電極薄膜とからなる磁気検出素子と、該磁気検出素子に
定電流又は定電圧を与える手段と、上記磁気検出素子が
発生する電流又は電圧を検出する手段とを有する請求項
１に記載の磁気式エンコーダ。 - 【請求項３】 前記磁気検出素子が、基板上に直接又は
絶縁層を介して形成された巨大磁気抵抗材料の薄膜及び
その一方の端部に接続された第一の電極薄膜と、これら
巨大磁気抵抗材料の薄膜及び第一の電極薄膜の上部に絶
縁層を介して形成され、かつ上記巨大磁気抵抗材料の薄
膜の他方の端部に接続された第二の電極薄膜とからなる
積層膜、あるいは、基板上に直接又は絶縁層を介して形
成された上記第二の電極薄膜と、該第二の電極薄膜の上
部に絶縁層を介して形成された上記巨大磁気抵抗材料の
薄膜及び第一の電極薄膜とからなる積層膜である請求項
２に記載の磁気式エンコーダ。 - 【請求項４】 前記磁気検出素子が前記磁気記録媒体に
おける磁極間距離の１／２の間隔で２つ以上形成された
磁気検出器を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記
載の磁気式エンコーダ。 - 【請求項５】 前記巨大磁気抵抗材料が、電気伝導性マ
トリックス中に磁性粒子を分散させた構造を有する請求
項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気式エンコーダ。 - 【請求項６】 前記巨大磁気抵抗材料が、Ａｇ、Ｃｕ、
Ａｕ、Ｐｔのうち少なくとも１種の元素からなる電気伝
導性マトリックス中に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なく
とも１種の元素からなる磁性粒子を分散させた構造を有
する請求項５に記載の磁気式エンコーダ。 - 【請求項７】 前記磁性粒子の巨大磁気抵抗材料中にお
ける含有割合が原子比率で５〜５５％である請求項６に
記載の磁気式エンコーダ。 - 【請求項８】 前記磁気記録媒体の等間隔に着磁された
複数の磁極が、高保磁力を有する磁石からなる請求項１
乃至７のいずれか一項に記載の磁気式エンコーダ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01533999A JP3523797B2 (ja) | 1999-01-25 | 1999-01-25 | 磁気式エンコーダ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01533999A JP3523797B2 (ja) | 1999-01-25 | 1999-01-25 | 磁気式エンコーダ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000213957A true JP2000213957A (ja) | 2000-08-04 |
| JP3523797B2 JP3523797B2 (ja) | 2004-04-26 |
Family
ID=11886041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01533999A Expired - Fee Related JP3523797B2 (ja) | 1999-01-25 | 1999-01-25 | 磁気式エンコーダ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3523797B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006292534A (ja) * | 2005-04-11 | 2006-10-26 | Daido Steel Co Ltd | ブラシレスモータのロータ位置検出センサ |
| US7405560B2 (en) | 2006-01-18 | 2008-07-29 | Alps Electric Co., Ltd | GMR angle sensor for vehicles |
-
1999
- 1999-01-25 JP JP01533999A patent/JP3523797B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006292534A (ja) * | 2005-04-11 | 2006-10-26 | Daido Steel Co Ltd | ブラシレスモータのロータ位置検出センサ |
| US7405560B2 (en) | 2006-01-18 | 2008-07-29 | Alps Electric Co., Ltd | GMR angle sensor for vehicles |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3523797B2 (ja) | 2004-04-26 |
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