JP3865200B2 - 磁気式エンコーダー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁気式エンコーダーに関し、小型化の実現と、磁気センサーと磁気ドラムの位置決めを容易にするための改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気式エンコーダーの斜視図を図４に示す。磁気式エンコーダーの磁気記録媒体１０２は回転体のシャフト１０１の端近傍の周囲に固着されている。この磁気記録媒体１０２の回転を磁気センサーで検出する。磁気センサー１０３の表面には、感磁素子である磁気抵抗効果素子のパターンが所定の間隔をおいて配置される。ここではパターンの図示は省略した。磁気センサー１０３は、信号処理回路１０５と、それを結線する為のフレキシブルケーブル１０４を組み合わせて用いられる。磁気記録媒体１０２は、シャフト１０１とほぼ同径の、いわゆる磁気ドラムの形状をしている。この磁気記録媒体１０２を着磁することで形成した磁気信号の並びをトラック１０６という。トラック１０６は、着磁ピッチλで書き込まれた磁気記録媒体である。磁気センサーは各々の磁気信号（磁気記録媒体から発生する磁界）を検出する。
【０００３】
一般に、着磁ピッチλの０．７から０．８倍程度のギャップを設けて、磁気センサーと磁気記録媒体を設置する。ピッチλが狭くなった場合に、磁気センサーと磁気記録媒体の間隔ｇ（ギャップ）を狭く設定しなければならない。そこで、所定の厚さのスペーサー材を挟んで磁気センサーを摺動させる方法も用いられてきた。磁気センサーは、複数の磁気抵抗効果素子のパターンを有する側に、スペーサー材を貼りつけた構成である。ギャップｇに相当する厚さのスペーサー材を回転する磁気記録媒体に接触させる。この様にすることにより、ギャップｇを調整することなく、信号を簡便に得られる磁気式エンコーダーを構成できる。
【０００４】
磁気センサーの表面にスペーサー材を貼り、磁気記録媒体（以下、磁気ドラムと称する）と摺動させる従来の磁気式エンコーダーは、ピッチλ＝１２０μｍ及びドラムの外径φ＝５０ｍｍであり、ドラムの外径が大きい。このため、磁気センサーがドラムの外周に対して、多少の傾きを持っても信号に与える影響は少なかった。また、このときの中央部のパターンとドラム間のギャップｇ１と、端部のパターンとドラム間のギャップｇ２との差（ｇ２−ｇ１）は６μｍと小さく、出力信号に与える影響は少なかった。本発明者等は、従来の磁気ドラムよりも外径が小さいシャフト状の磁気ドラムを磁気センサーと組み合わせる磁気式エンコーダーを検討している。次に、外径の小型化による課題を図３で説明する。
【０００５】
【発明の解決しようとする課題】
図３は平坦な基板上にパターン６３及び６４を配置した磁気センサー６２を、磁気ドラム６１に対向させた小型の磁気式エンコーダーの概略断面図である。ドラム径が小さくなると、中央部のパターン６３と磁気ドラム６１間のギャップｇ１と、端部のパターン６４と磁気ドラム６１間のギャップｇ２の差が大きくなる。各々のパターンが受ける磁界が異なるため、ドラムの外径が小さいほどｇ１とｇ２の差が出力信号に与える影響は大きくなる。即ち、端部のパターン６４では、十分な出力信号が得られないので、各々のパターンの出力信号から得られる磁気センサーの出力信号の精度も低下してしまう。発明者らが検討したドラム径（磁気ドラムの直径）はおよそ１５ｍｍであり、ｇ１とｇ２の差が２１μｍと大きくなり、出力信号に与える影響が大きい。そこで、本発明の目的は、ｇ１とｇ２の差を抑えて高精度な出力信号を得る磁気式エンコーダーを提供することである。
【０００６】
また、小型の磁気式エンコーダーにおいてドラム径が小さくなった場合、回転方向に平行な方向のズレが生じると、ｇ１とｇ２の差がさらに大きくなり、出力信号に与える影響がより大きくなる。そこで、本発明の他の目的は、容易に回転方向に平行なズレを抑え、磁気センサーと磁気ドラムの位置決めを行うことのできる磁気式エンコーダーを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気式エンコーダーは、磁気ドラムから発生する磁界を磁気センサーに設けた磁気抵抗効果素子で検出する磁気式エンコーダーであって、前記磁気センサーは基板上に複数の磁気抵抗効果素子を配置する階段状の凹部を備え、前記磁気抵抗効果素子が磁気ドラムの曲面に沿って配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、複数の磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と呼ぶ）が基板上に配列されている。磁気ドラムの回転軸に垂直な面で見ると、磁気ドラムの径に相当する円弧に沿うようにＭＲ素子が並んでいる。階段状の凹部に沿った配置がＭＲ素子と磁気ドラム間のギャップのずれを補正するものであれば、本願の言う磁気ドラムの曲面に沿った配置に含まれる。なお、ＭＲ素子はＡＭＲやＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果素子）でも良い。
【０００９】
前記階段状の凹部は、階段状に形成した複数の面を有する凹部、台形状溝等を含む。上記本発明において、前記磁気センサーは基板上に配置する前記階段状の凹部を、階段状の薄膜構造あるいは基板に直接形成した階段状の凹部で構成することが望ましい。階段状の薄膜構造は、フォトリソグラフィー技術で薄膜を階段状に積層していく方法、あるいは薄膜をエッチングや砥石の研削等で削っていく方法で形成することができる。また、基板に直接形成した階段状の凹部は、基板をプレス成形する方法や、基板を回転砥石で切削して削る方法、あるいは基板を直接エッチングする方法等で形成することができる。
【００１０】
ＭＲ素子を形成する方法として次の方法が挙げられる。第１の方法は、薄膜を積層する際に各々の段毎にＭＲ素子を形成していくものである。第２の方法は、第１の方法と同様の配置でＭＲ素子を絶縁層間に埋め込んだ後に凹部を形成するものである。第３の方法は、階段状の凹部を形成した後に各々の段にＭＲ素子を形成するものである。さらに、第３の方法で、階段状の凹部を形成してから、各々の段の面にＭＲ素子を配置し、その媒体対向面側に樹脂等をモールドして曲面の媒体対向面とした構成としてもよい。各々のＭＲ素子を保護膜で覆うことにより、凹部の表面でなく、凹部の内部にＭＲ素子が並んでいるように見える構成も含めて凹部と呼ぶ。
【００１１】
ＭＲ素子を磁気ドラムの曲面に沿って階段状の凹部に配置させることで、対向する磁気ドラムとＭＲ素子の距離（ギャップ）のズレが補正され、径の細い磁気ドラムであってもＭＲ素子並びの中央部と端部で感度を均一化できる。ここで、階段状の凹部を配置する基板には、ガラスあるいはセラミックス等を用いる。また、ＭＲ素子の下地膜には、基板表面がＭＲ素子の電磁気的特性に及ぼす影響（絶縁不良の発生）をなくすため、絶縁性のアルミナ膜または酸化シリコン膜等を用いることが望ましい。フォトリソグラフィー技術ではＭＲ素子をパターニングするために露光工程を用いる。露光の焦点を凹部の面に合せ、ＭＲ素子を正確にパターニングするためには、段ごとに平坦な面を有する階段状の薄膜構造あるいは基板に直接形成した階段状の構造を凹部として用いるとよい。
【００１２】
また、非磁性金属基板のプレスや樹脂の成形（射出成形など）によって予め凹部を形成した基板にＭＲ素子を成膜する方法を用いてもよい。これらの方法によると磁気ドラムの曲面と滑らかに摺動する凹面を形成することができる。
【００１３】
上記本発明において、磁気ドラムの径は３０ｍｍ以下で、かつ着磁ピッチは１００μｍ以下であることを特徴とする。例えば、ピッチ８０μｍで磁気ドラムの径が３０ｍｍより小さくなると、ＭＲ素子の配列において中央部と端部で磁気ドラムとのギャップの差が１１μｍとなる。従来の磁気式エンコーダーのように、着磁ピッチが１００μｍより大きいと、磁気ドラム径３０ｍｍでも出力信号に与える影響は少なかった。一般に、磁気ドラムから発生する磁気信号は、着磁ピッチが小さくなるにつれて弱くなるので、着磁ピッチが１００μｍ以下になると、ギャップの差１１μｍでは出力信号に与える影響が大きくなる。これに対して、本願の構成は基板上でＭＲ素子の配列の位置をドラム曲面に合わせることによって、磁気ドラムの径が３０ｍｍ以下であり、かつ着磁ピッチは１００μｍ以下である磁気式エンコーダーでも、ＭＲ素子並びの中央部と端部で感度の差を抑制することができる。この構成は特にドラム径が小さいプリンター用の磁気式エンコーダーに適している。
【００１４】
磁気式エンコーダーが小型化してくると、従来よりも小さい着磁ピッチが要求される。着磁ピッチが小さくなると、磁気ドラムから発生する磁気信号が弱くなり、信号出力が小さくなる。本発明者らの測定によると、着磁ピッチ４０μｍの磁気式エンコーダーと、着磁ピッチ８０μｍの磁気式エンコーダーと比較したところ、前者は後者の約半分の信号出力しか得られなかった。そのために、従来からＭＲ素子を折り返し、素子長を長くする方法が取られてきた（つづら折型のＭＲ素子）。この方法では、出力信号を大きくすることはできるが、感磁部の幅が広がってしまい、磁気ドラムの径が小さくなってくると、ＭＲ素子並びの中央と端部で感度の差が大きくなるという欠点があった。本発明の磁気式エンコーダーでは、ＭＲ素子の折り返し数を増やして感磁部の幅が広くなっても、ＭＲ素子並びの中央部と端部で感度の差を抑制することができる。すなわち、着磁ピッチが小さくなった場合でも高い出力信号が得られる。
【００１５】
さらに従来の構造では、磁気ドラムの径が３０ｍｍ以下になると、回転方向に平行な方向のズレが出力信号に及ぼす影響も大きくなる。これに対して、本願の構成は磁気センサーの凹部と磁気ドラムを摺動させたときに、凹部の中心線とドラムの軸が常に平行となるため、着磁ピッチに平行な方向のズレを防ぐことができる。前記磁気センサーを支持する支持部材を備え、前記支持部材の弾性により磁気センサーと磁気ドラムを摺動させ、前記磁気ドラムの回転方向に平行な方向の位置決めを行うことは、位置決めを容易にすると共に、ズレを小さく抑える点で有利である。
【００１６】
前記支持部材は、弾性を持つ非磁性の金属あるいはセラミックスを用いることが望ましい。また、磁気センサーの摺動面には耐摩耗性を持たせるシートあるいはコーティング膜等を設けることが望ましい。
【００１７】
前記磁気センサーにおいて基板はＭＲ素子の他に電極を有する。さらに、前記支持部材により固定され、前記基板の電極にはＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）がリード線として設けられる。ここで、基板は、ＭＲ素子と磁気ドラム間の距離を正確に規定するのに必要な強度を有する材料で構成する。ＦＰＣはリード線であり柔軟な材料で構成する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の一例の磁気式エンコーダーを説明する分解斜視図である。ここで、磁気ドラムは回転軸（シャフト）１と、その周辺に設けた磁性体２を有する。磁性体２には、所定のピッチλで複数の磁極（磁気信号を出す単位）を付与した。磁気ドラムの径は１５ｍｍ、着磁ピッチは１００μｍとし、シャフトはプリンターの紙送りローラーに用いた。磁気センサー３は、その背面側をアーム４で支持した。また、アームは磁気センサーが磁気ドラムから離れないで摺動するように押さえる力を加えるものとした。磁気センサーの感磁面側に凹部３ａが付与されたことにより、ドラム回転方向と平行な方向のズレを抑えて、磁気センサーと磁気ドラムの位置決めを容易にした。この磁気式エンコーダーに適用したＭＲセンサーの詳細を図２で説明する。
【００１９】
図２は、本発明に係る磁気センサーの断面図である。この磁気センサーは、ＭＲ素子の配置を、磁気ドラムの外径に相当する断面形状とするために、階段状に基板を形成しておく。そのため、平坦な基板上にＭＲ素子の下地として用いる絶縁膜を、フォトリソグラフィー技術を用いて所定のパターンに形成することで階段状の下地膜を形成した。
【００２０】
上記断面形状の形成方法について述べる。形成方法は、成膜、エッチングの順に行った。はじめに、成膜について述べる。ガラス基板１１上に、第１のＭＲ素子及び配線膜１２を形成した後、中間絶縁膜としてアルミナ膜１３を１．０μｍ成膜した。クロム膜１３ａを０．０５μｍ成膜した後、さらにアルミナ膜１４を１．４μｍ成膜した。次に、第２のＭＲ素子及び配線膜１５を形成した後、アルミナ膜１６を１．０μｍ、クロム膜１６ａを０．０５μｍ、アルミナ膜１７を３．２μｍの順に成膜した。最後に、第３のＭＲ素子及び配線膜１８を形成した後、アルミナ膜１９を１．０μｍ、クロム膜１９ａを０．０５μｍ、アルミナ膜２０を２．０μｍの順に成膜した。
【００２１】
次に、エッチングについて述べる。はじめに、センサー中心から３７０μｍより外側に、フォトリソグラフィーによりレジストを形成し、反応ガスとしてＢＣｌ_３及びＣｌ_２を用いるドライエッチングを行った。ここでクロム膜１９ａは、アルミナ膜１９及び２０のうち、表層の１．４μｍのアルミナ膜２０のみを除去し、第２層目のアルミナ膜１９をエッチングさせないためのエッチングストッパーとして働く。また、クロム膜は非磁性であるため、磁気ドラムから出る磁気信号を損ねることがない。イオンミリングで露出した部分のクロム膜１９ａを除去した後、センサー中心から２７０μｍより外側にレジストを形成し、同様のドライエッチング及びイオンミリングを行って、アルミナ膜１９及び１７と、クロム膜１６ａを、レジストパターンに合わせて除去した。最後に、センサー中心から１２０μｍより外側にレジストを形成し、同様のドライエッチング及びイオンミリングを行って、アルミナ膜１６及び１４と、クロム膜１３ａを、レジストパターンに合わせて除去した。以上の工程により、磁気センサー３の感磁面側に凹部３ａを形成した。また、ＭＲ素子の配置も凹部に沿ったものとなった。ＭＲ素子及び配線膜１２、１５及び１８の各層を接続する結線は、アルミナ膜１３、１４と、１６、１７の各層に貫通孔（スルーホール）を設け、ここに銅をスパッタすることで形成した。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、基板上に複数のＭＲ素子を配置する凹部を備え、前記ＭＲ素子が磁気ドラムの曲面に沿って配置されている本発明の磁気式エンコーダーを用いることにより、磁気ドラムの径が小さくなっても、高精度の出力信号が得られ、位置ズレを生じない磁気式エンコーダーを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の磁気式エンコーダーの分解斜視図である。
【図２】 本発明に係る磁気センサーの断面図である。
【図３】 従来の磁気センサーの位置ズレを説明する概略断面図である。
【図４】 従来の磁気式エンコーダーの斜視図である。
【符号の説明】
１ 回転軸、２ 磁性体、
３ 磁気センサー、３ａ 凹部、
４ アーム、１１ 基板、
１２ 第１のＭＲ素子及び配線膜、１３ アルミナ膜、
１３ａ クロム膜、１４ アルミナ膜、
１５ 第２のＭＲ素子及び配線膜、１６ アルミナ膜、
１６ａ クロム膜、１７ アルミナ膜、
１８ 第３のＭＲ素子及び配線膜、１９ アルミナ膜、
１９ａ クロム膜、２０ アルミナ、
６１ 磁気ドラム、６２ 磁気センサー、
６３ パターン、６４ パターン、
１０１ シャフト、１０２ 磁気記録媒体、
１０３ 磁気センサー、１０４ フレキシブルケーブル、
１０５ 信号処理回路、１０６ トラック。

Claims (5)

1. 磁気ドラムから発生する磁界を磁気センサーに設けた磁気抵抗効果素子で検出する磁気式エンコーダーであって、前記磁気センサーは基板上に複数の磁気抵抗効果素子を配置する階段状の凹部を備え、前記磁気抵抗効果素子が磁気ドラムの曲面に沿って配置されていることを特徴とする磁気式エンコーダー。
2. 前記磁気ドラムの径は３０ｍｍ以下で、かつ着磁ピッチは１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダー。
3. 請求項１に記載の磁気式エンコーダーにおいて、前記磁気センサーの基板は前記階段状の凹部を、階段状の薄膜構造あるいは基板に直接形成した階段状の凹部で構成することを特徴とする磁気式エンコーダー。
4. 請求項１に記載の磁気式エンコーダーにおいて、前記磁気センサーの基板は非磁性金属基板のプレスあるいは樹脂の成形により前記凹部を形成することを特徴とする磁気式エンコーダー。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気式エンコーダーにおいて、前記磁気センサーを支持する支持部材を備え、前記支持部材に弾性を持たせて磁気センサーと磁気ドラムを摺動させることにより、前記磁気ドラムの回転方向に平行な方向の位置決めを行うことを特徴とする磁気式エンコーダー。

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