JP2009025047A - 磁気センサ及びそれを備えた磁気式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】より高分解能で小型である磁気式エンコーダ用の磁気センサを提供すること。
【解決手段】本発明の磁気センサは、電子素子２３１上に実装されており、磁気抵抗効果素子を一対の軟磁性体で挟持してなる複数の磁気検出部２３２を備えた磁気センサであって、前記磁気検出部２３２は、磁界が通過する方向に沿って並設するＡ相用の磁気検出部２３２ａと、磁界が通過する方向に沿って並設するＢ相用の磁気検出部２３２ｂとを有し、前記磁気検出部２３２ａ及び前記磁気検出部２３２ｂは、隣接する磁気検出部が磁気的に干渉を及ぼさない距離だけ離した状態で、交互に配設される。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を一対の軟磁性体で挟持した磁気検出部を複数備えた磁気センサ及びそれを用いた磁気式エンコーダに関する。

各種分野における自動化装置では、直線あるいは回転移動体の正確な位置を求めるために光学式或いは磁気式のエンコーダが用いられている。この中で磁気式のエンコーダは、構造が簡単であり、耐水性、耐油性などの環境条件に対して有利であることから多用されている。この磁気式エンコーダは、例えば、特許文献１に開示されているように、所定のピッチで着磁した回転ドラムと、これに対向させて配置した磁気センサと、から主に構成されている。

この磁気式エンコーダにおいては、着磁体の磁極の位置のみを極の正負に無関係に検出する場合、磁気センサは、磁気検出にあたって抵抗変化が外部磁界の正負に関して対称に変化する磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサであることが望ましい。
特開平１０−１２２８０８号公報

近年、より高分解能で小型のエンコーダが求められており、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを備えた磁気式エンコーダにおいても、高分解能化、小型化が望まれているが、満足する分解能を得ることができないのが現状である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、より高分解能で小型である磁気式エンコーダ用の磁気センサを提供することを目的とする。

本発明の磁気センサは、基体上に実装されており、磁気抵抗効果素子を一対の軟磁性体で挟持してなる複数の磁気検出部を備えた磁気センサであって、前記磁気検出部は、磁界が通過する方向に沿って並設する第１相用の第１磁気検出部と、磁界が通過する方向に沿って並設する第２相用の第２磁気検出部とを有し、前記第１磁気検出部及び前記第２磁気検出部は、隣接する磁気検出部同士が磁気的に干渉を及ぼさない距離だけ離した状態で、交互に配設されることを特徴とする。

この構成によれば、隣接する磁気検出部を、互いに磁気的に干渉を及ぼさない距離だけ離した状態で、交互に配設するので、磁気検出部の出力が小さくなることを防止できる。また、このような配置によれば、特定の領域に効率良く磁気検出部を配置することができるので、磁気センサの小型化を図ることができる。

本発明の磁気センサにおいては、前記隣接する磁気検出部が磁気的に干渉を及ぼさない距離は、磁気検出部の軟磁性体が磁束を収束させる領域を楕円と推定し、前記第１磁気検出部の長軸半径をａ₁、短軸半径をｂ₁とし、前記第２磁気検出部の長軸半径をａ₂、短軸半径をｂ₂とし、前記第１磁気検出部と前記第２磁気検出部との間の距離をＤとし、前記第１磁気検出部と前記第２磁気検出部とを結ぶ仮想線と前記磁界が通過する方向との間のなす角ｔとすると、下記式（１）を満足することが好ましい。
√｛（ａ₁×cosｔ）²＋（ｂ₁×sinｔ）²｝＋√｛（ａ₂×cosｔ）²＋（ｂ₂×sinｔ）²｝＜Ｄ
…式（１）

本発明の磁気式エンコーダは、所定のピッチでＮ極及びＳ極が着磁された多極磁気パターンを有する回転ドラムと、前記回転ドラムに対向して配置された上記磁気センサと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、基体上に実装されており、磁気抵抗効果素子を一対の軟磁性体で挟持してなる複数の磁気検出部を備えた磁気センサであって、前記磁気検出部は、磁界が通過する方向に沿って並設する第１相用の第１磁気検出部と、磁界が通過する方向に沿って並設する第２相用の第２磁気検出部とを有し、前記第１磁気検出部及び前記第２磁気検出部は、隣接する磁気検出部が磁気的に干渉を及ぼさない距離だけ離した状態で、交互に配設されるので、より高分解能で小型である磁気式エンコーダ用の磁気センサを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
エンコーダにおいては、Ａ相、Ｂ相（２相）の位相差（進み、遅れ）を方向別パルスに変換して出力し、この２相パルスを計数することにより回転方向と回転量を求めることができる。磁気式エンコーダにおいては、Ａ相出力及びＢ相出力を得るために、Ａ相用磁気検出部と、Ｂ相用磁気検出部とを有する磁気センサが備えられている。この磁気検出部は、図１（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）１１を一対の軟磁性体１２で挟持してなる構成を有する。この磁気検出部において、軟磁性体１２からＭＲ素子１１を経て軟磁性体１２に向かう方向が磁界の通過する方向である。磁気検出部において、検出感度を高めるためには、軟磁性体の長さを長くすることが望ましい。

図１（ａ）に示すように、Ａ相用磁気検出部Ａ₁，Ａ₂及びＢ相用磁気検出部Ｂ₁，Ｂ₂を磁界が通過する方向に沿って直線状に配置する場合、隣接する磁気検出部、例えば、図１（ａ）において、磁気検出部Ａ₁と磁気検出部Ｂ₁とを接近させると、磁束収束効果が積算されて感度が高くなるが、磁気検出部Ａ₁，Ｂ₁間の磁気的結合が生じて実効的な素子の位置がずれてしまう。

ここで、磁束収束用の軟磁性体１２を持つ磁気検出部の磁束収束効果を磁場解析で確認すると図２に示すようになる。すなわち、磁気検出部の磁界が通過する方向において磁気検出部の両側に、磁束密度が大きくなる領域Ｍ１が形成され、磁気検出部の磁界が通過する方向に略直交する方向において磁気検出部の両側に、磁束密度が小さくなる領域Ｍ２が形成されることが確認された。したがって、磁気検出部の周囲には、磁気検出部による磁束収束効果を発揮する領域が存在し、その領域は、他の磁気検出部との間で干渉が起こる領域（干渉領域）Ｉであると考えられる。すなわち、図１（ａ）において、磁気検出部Ａ₁，Ｂ₁間の磁気的結合が生じて実効的な磁気検出部の位置がずれてしまうのは、磁気検出部の磁束収束効果による磁気検出部Ａ₁，Ｂ₁間の干渉に起因すると考えられる。

本発明者らは上記の点に着目し、互いに隣接する磁気堅検出部の干渉領域同士が重ならない状態で、しかも磁気検出部を近接させて配置することにより、磁気検出部の磁束収束効果を効率良く積算させて高分解能で小型の磁気式エンコーダ用の磁気センサを実現することができることを見出し本発明をするに至った。このように、互いに隣接する磁気検出部の干渉領域同士が重ならない状態で、しかも磁気検出部を近接させて配置する例として、図１（ｂ）に示すような配置（いわゆる千鳥配置）が挙げられる。

すなわち、本発明の骨子は、基体上に実装されており、磁気抵抗効果素子を一対の軟磁性体で挟持してなる複数の磁気検出部を備えた磁気センサであって、前記磁気検出部は、磁界が通過する方向に沿って並設する第１相用の第１磁気検出部と、磁界が通過する方向に沿って並設する第２相用の第２磁気検出部とを有し、前記第１磁気検出部及び前記第２磁気検出部は、隣接する磁気検出部同士が磁気的に干渉を及ぼさない距離だけ離した状態で、交互に配設される磁気センサにより、より高分解能で小型である磁気式エンコーダ用の磁気センサを実現することである。

図３は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを備えた磁気式エンコーダを示す図である。図３に示す磁気式エンコーダは、所定のピッチでＮ極及びＳ極が着磁された多極磁気パターン２２を有する回転ドラム２１と、この回転ドラム２１に対向して配置された磁気センサデバイス２３とから主に構成されている。磁気センサデバイス２３は、図４に示すように、基体である支持体２３０上に形成されたリードフレーム２３３と、リードフレーム２３３上に形成されたＡＳＩＣのような電子素子２３１と、電子素子２３１上に実装された磁気検出部２３２とから構成されている。電子素子２３１には、電極パッド２３５が形成されており、この電極パッド２３５とリードフレーム２３３とは、ワイヤボンディングされており、ワイヤ２３４で電気的に接続されている。

電子素子２３１上の磁気検出部２３２は、図５に示すような配置で実装されている。すなわち、複数の磁気検出部２３２は、互いに隣接する磁気検出部２３２の干渉領域同士が重ならない状態で、しかも磁気検出部２３２をできるだけ近接させるように実装されている。この配置においては、磁気検出部２３２は、磁界が通過する方向に沿って並設するＡ相用の磁気検出部２３２ａと、磁界が通過する方向に沿って並設するＢ相用の磁気検出部２３２ｂとを有し、磁気検出部２３２ａ及び磁気検出部２３２ｂは、隣接する磁気検出部が磁気的に干渉を及ぼさない距離だけ離した状態で、交互に配設される。この場合において、各相用の磁気検出部間の間隔は、Ｎ極間又はＳ極間の距離の約半分である。すなわち、Ｎ極間又はＳ極間の距離をλとすると、各相用の磁気検出部子間の間隔はλ／２である。

このように、隣接する磁気検出部を、互いに磁気的に干渉を及ぼさない距離だけ離した状態で、交互に配設することにより、磁気検出部の出力が小さくなることを防止できる。また、このような配置によれば、特定の領域に効率良く磁気検出部を配置することができるので、磁気センサデバイスの小型化を図ることができる。

各相用の磁気検出部は、電気的には図６に示すような回路を構成している。すなわち、磁気検出部の出力とＶdd／２とを、例えばコンパレータ２３６の−端子と＋端子とにそれぞれ接続して、磁気検出部のＯＮ、ＯＦＦの組み合わせを各相（ここではＡ相）の出力としている。これにより、エンコーダとしての機能を発揮することができる。このエンコーダ機能について図５を用いて説明する。磁気検出部２３２ａ₂にはＮ極からＳ極への磁力線が通過するので磁気抵抗効果素子の抵抗が変化してＯＮとなる。一方、磁気検出部２３２ａ₁には磁力線が通過しないので磁気抵抗効果素子の抵抗が変化せずにＯＦＦとなる。したがって、一方の磁気検出部がＯＮとなり、他方の磁気検出部がＯＦＦとなる。図６に示す回路においては、磁気検出部２３２ａ₂がＯＮで磁気検出部２３２ａ₁がＯＦＦであると、コンパレータ２３６でＶddとＶdd／２（しきい値）とが比較される。反対に、磁気検出部２３２ａ₁がＯＮで磁気検出部２３２ａ₂がＯＦＦであると、コンパレータ２３６でＧＮＤとＶdd／２（しきい値）とが比較される。これにより、Ａ相出力としては、しきい値を超えた出力（１又は０）、又はしきい値未満の出力（０又は１）となる。これにより、２つの角度の検出を行うことができる。本実施の形態においては、磁気検出部間の間隔をλ／２としているので、互いに１８０°異なる角度（Ａ相は０°、１８０°）の検出を行うことができる。同様にして、Ｂ相についても互いに１８０°異なる角度（９０°、２７０°）の検出を行うことができる。

上述した、隣接する磁気検出部が磁気的に干渉を及ぼさない距離は、磁気検出部が磁束を収束させる領域を楕円と推定し、Ａ相用の磁気検出部の長軸半径をａ₁、短軸半径をｂ₁とし、Ｂ相用の磁気検出部の長軸半径をａ₂、短軸半径をｂ₂とし、Ａ相用の磁気検出部とＢ相用の磁気検出部との間の距離をＤとし、Ａ相用の磁気検出部とＢ相用の薄膜磁気抵抗効果素子とを結ぶ仮想線と磁界が通過する方向との間のなす角ｔとすると、下記式（１）を満足するように設定することが望ましい。
√｛（ａ₁×cosｔ）²＋（ｂ₁×sinｔ）²｝＋√｛（ａ₂×cosｔ）²＋（ｂ₂×sinｔ）²｝＜Ｄ
…式（１）

ここで、上記式（１）について説明する。まず、説明を簡単にするために、磁気検出部が磁束を曲げて収束させる干渉領域を磁気検出部の中心から半径ｒの円とし、このときのＡ相用の一つの磁気検出部Ａ₂と、Ｂ相用の一つの磁気検出部Ｂ₁との関係について考える。

磁気検出部Ａ₂と磁気検出部Ｂ₁とが互いに影響を及ぼすのは、両磁気検出部の干渉領域が重なったときであり、磁気検出部Ａ₂の中心と磁気検出部Ｂ₁の中心との間の距離をＤとすると、図７（ｂ）に示すように、Ｄ＜２ｒとなったときである。このとき、磁気検出部の出力は、干渉領域が重なる面積に比例して小さくなる。なお、図７（ａ）に示すように、Ｄ＞２ｒの状態では磁気検出部Ａ₂と磁気検出部Ｂ₁とが互いに影響を及ぼさない。

磁気検出部が磁束を収束させる領域は、実際には、磁気検出部の磁束の収束率に応じて変化する。すなわち、この干渉領域は、図８に示すように、楕円と推定することが望ましい。図８に示す楕円の長軸半径をａとし、短軸半径をｂとすると、この長軸半径ａ及び短軸半径ｂは、以下のように表わされる。
ａ＝ｋ×Ｎ₁×Ｓ ｂ＝ｋ×Ｎ₂×Ｓ
ここで、Ｓは磁気検出部の面積であり、Ｎ₁はＸ方向の磁束の収束率であり、Ｎ₂はＹ方向の磁束の収束率であり、ｋは磁気検出部の材料特性及び形状で決まる定数である。

ここで、磁気検出部Ａ₂の干渉領域Ｅと磁気検出部Ｂ₁の干渉領域Ｆが図９に示すような大きさである場合の磁気検出部間の距離（磁気的に干渉を及ぼさない距離）について説明する。なお、干渉領域Ｅ及び干渉領域Ｆは楕円であると推定する。

干渉領域Ｅの長軸半径をａ₁、短軸半径をｂ₁とし、干渉領域Ｆの長軸半径をａ₂、短軸半径をｂ₂とし、磁気検出部Ａ₂と磁気検出部Ｂ₁とを結ぶ仮想線と磁界が通過する方向との間のなす角ｔとする。このとき、磁気検出部Ａ₂の干渉領域の半径Ｒ_Eと、磁気検出部Ｂ₁の干渉領域の半径Ｒ_Fとは以下のように表わされる。
Ｒ_E＝√｛（ａ₁×cosｔ）²＋（ｂ₁×sinｔ）²｝
Ｒ_F＝√｛（ａ₂×cosｔ）²＋（ｂ₂×sinｔ）²｝
したがって、磁気検出部間で磁気的に干渉を起こさない磁気検出部間の最短距離Ｘは、この両干渉領域の半径の和であり、以下のように表わすことができる。
Ｘ＝Ｒ_E＋Ｒ_F
＝√｛（ａ₁×cosｔ）²＋（ｂ₁×sinｔ）²｝＋√｛（ａ₂×cosｔ）²＋（ｂ₂×sinｔ）²｝

ここで、図９に示す配置において、磁気検出部Ｂ₁の位置を固定し、角度ｔを保ったまま磁気検出部Ａ₂を遠ざけたときの磁気検出部Ａ₂の出力を調べた。その結果を図１０に示す。図１０から分かるように、互いの干渉領域が重なる状態での磁気検出部間の距離Ｄでは磁気検出部Ａ₂の出力は小さいが、距離Ｄが上記両干渉領域の半径の和Ｘ以上になると磁気検出部Ａ₂の出力は安定して高くなる。したがって、磁気検出部間に磁気的な干渉を起こさせずにするための磁気検出部間の距離Ｄは上記Ｘ以上にすることが望ましいことが分かる。すなわち、以下の式（１）を満足することが望ましい。
√｛（ａ₁×cosｔ）²＋（ｂ₁×sinｔ）²｝＋√｛（ａ₂×cosｔ）²＋（ｂ₂×sinｔ）²｝＜Ｄ
…式（１）

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。また、本実施の形態においては、磁気検出部が４つである場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、角度の分解能に応じて磁気検出部が４つ以外の数である場合にも同様に適用することができる。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

（ａ），（ｂ）は、磁気センサにおける磁気検出部の配置を説明するための図である。 磁気検出部の磁束収束を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る磁気式エンコーダを示す図である。 図３に示す磁気式エンコーダにおける磁気センサデバイスを示す図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサの磁気検出部の配置を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサの磁気検出部の回路構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサの磁気検出部の配置における磁気検出部間の距離を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサの磁気検出部子の配置における磁気検出部間の距離を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサの磁気検出部の配置における磁気検出部間の距離を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサの磁気検出部間の距離と出力との間の関係を示す図である。

符号の説明

１１ 磁気抵抗効果素子
１２ 軟磁性体
２１ 回転ドラム
２２ 多極磁気パターン
２３ 磁気センサデバイス
２３０ 支持体
２３１ 電子素子
２３２ 磁気検出部
２３３ リードフレーム
２３４ ワイヤ
２３５ 電極パッド
２３６ コンパレータ

Claims (3)

1. 基体上に実装されており、磁気抵抗効果素子を一対の軟磁性体で挟持してなる複数の磁気検出部を備えた磁気センサであって、前記磁気検出部は、磁界が通過する方向に沿って並設する第１相用の第１磁気検出部と、磁界が通過する方向に沿って並設する第２相用の第２磁気検出部とを有し、前記第１磁気検出部及び前記第２磁気検出部は、隣接する磁気検出部同士が磁気的に干渉を及ぼさない距離だけ離した状態で、交互に配設されることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記隣接する磁気検出部が磁気的に干渉を及ぼさない距離は、前記磁気検出部の軟磁性体が磁束を収束させる領域を楕円と推定し、前記第１磁気検出部の長軸半径をａ₁、短軸半径をｂ₁とし、前記第２磁気検出部の長軸半径をａ₂、短軸半径をｂ₂とし、前記第１磁気検出部と前記第２磁気検出部との間の距離をＤとし、前記第１磁気検出部と前記第２磁気検出部とを結ぶ仮想線と前記磁界が通過する方向との間のなす角ｔとすると、下記式（１）を満足することを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
   √｛（ａ₁×cosｔ）²＋（ｂ₁×sinｔ）²｝＋√｛（ａ₂×cosｔ）²＋（ｂ₂×sinｔ）²｝＜Ｄ
   …式（１）
3. 所定のピッチでＮ極及びＳ極が着磁された多極磁気パターンを有する回転ドラムと、前記回転ドラムに対向して配置された請求項１又は請求項２記載の磁気センサと、を具備することを特徴とする磁気式エンコーダ。

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