JP4487093B2

JP4487093B2 - 磁気センサ

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Publication number: JP4487093B2
Application number: JP2004025300A
Authority: JP
Inventors: 正吾百瀬
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005214920A; CN1906466A

Description

本発明は、可動被検出物の移動量、位置、角度などの変位量の検出を行う磁気センサに関するものであって、特に、磁気抵抗素子の配置によって、検出された実際の出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分をキャンセルすることが可能な磁気センサに関するものである。

従来より、可動被検出物の変位量を検出するセンサとして磁気センサがある。この磁気センサの一態様としては、例えば、可動被検出物に一定のピッチで着磁された多極着磁層を形成し、この多極着磁層に対向して磁気センサを配設し、この磁気センサに多極着磁のピッチよりも狭いピッチで４個の磁気抵抗素子を配置し、可動被検出物の回転に起因して変化する磁気抵抗素子の抵抗値を検知することによって変位量を検出する、というものである。

かかる磁気センサでは、可動被検出物の位置を検出するに際し、可動被検出物の変位に対応して設けられたＡ相センサとＢ相センサから出力される正弦波状の信号（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）を取得して、次式により算出された両信号の逆正接信号を利用することによって変位量を検出している。

従って、Ａ相センサとＢ相センサから出力される正弦波状のＡ相信号とＢ相信号の奇麗さは、磁気スケール（磁気センサ）の精度と密接な関連があり、磁気センサの精度向上のためには、磁気抵抗変化の飽和に起因した歪みなどの影響が少ない滑らかな信号を得ることが求められる。

近年、磁気センサからの出力信号は、一般的に、基本波成分と、その基本波成分に重畳した高調波成分と、から形成されていることを利用し、２組のセンサパターンによって取り除きたい高調波を打ち消そうとする技術がある（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に開示された発明によれば、多極着磁層に対向して配設された磁気センサに磁気抵抗素子を配置するにあたって、互いに所定の間隔を保って平行に並ぶようにすることで、磁気抵抗変化の飽和に起因した少なくとも１つの奇数高調波成分を逆相で打ち消すことができ、ひいては滑らかな正弦波出力信号を得ることが可能になる。

より具体的には、図１０において、ピッチλで着磁された磁気スケール２００と対向して配設された磁気センサ１００に、磁気抵抗素子Ｒ₁₀₁〜Ｒ₁₀₄を、図示する間隔で並べて配置することによって、第３次高調波及び第５次高調波を打ち消すことができる。

特許第２５２９９６０号公報（第１０図）

しかしながら、上記特許文献１記載の発明では、第３次高調波と第５次高調波を打ち消すにあたって、いずれの高調波に対しても、同じ本数（図１０においては２本ずつ）の磁気抵抗素子の配置により行っているが、これでは以下のような問題が生ずる。

まず、熱特性の均一化の問題が生ずる。すなわち、図１０において、第５次高調波を打ち消すためには、Ｒ₁₀₁とＲ₁₀₃との間隔、Ｒ₁₀₂とＲ₁₀₄との間隔、をそれぞれ（λ／２＋λ／１０）空ける必要があるが、この間隔が原因で、磁気抵抗素子Ｒ₁₀₁〜Ｒ₁₀₄の熱特性を均一化することができないという問題が生ずる。これは、例えば図１０において、３本以上の複数本ずつの磁気抵抗素子の配置により、磁気抵抗素子間の間隔を狭くすることで解消する問題であるとも考えられる。しかし、第３次高調波及び第５次高調波を、それぞれ３本以上の同じ本数の磁気抵抗素子で打ち消すとなると、磁気抵抗素子間の間隔が極めて狭くなる場合があり、ひいては製造が困難になって製造コストの上昇に繋がるおそれがある。

一方で、３本以上の複数本の磁気抵抗素子の配置により第３次高調波及び第５次高調波を打ち消した場合には、複数本の磁気抵抗素子から得られる出力信号の相互干渉によって、第７次高調波や第９次高調波などの予期しない高調波が打ち消され、更なる識別精度向上に寄与することができる。しかし、上記特許文献１記載の発明では、各高調波を打ち消す磁気抵抗素子の本数が一定であることから、全体として磁気抵抗素子間の間隔が極めて狭くなり、ひいては製造が困難になって製造コストの上昇に繋がってしまうという問題が生ずる。

このように、熱特性の均一化と識別精度の向上を図る観点から、各高調波を打ち消す磁気抵抗素子の本数は増やした方が望ましいが、上記特許文献１記載の発明では、各高調波を打ち消す磁気抵抗素子の本数が一定であることから、結果として、磁気抵抗素子の本数を増やすと製造が困難になって製造コストが上昇してしまっていた。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気抵抗素子間の間隔を柔軟に調整しつつ、製造困難とならない程度に各高調波を打ち消す磁気抵抗素子の本数を増やすことができ、ひいては熱特性の均一化と識別精度の向上を図ることが可能な磁気センサを提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明は、磁気スケールの磁界を検出する磁気抵抗素子が配置されて形成された磁気抵抗パターンを有する磁気センサにおいて、その磁気抵抗パターンの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を取り除く磁気抵抗素子の本数をＬとしたとき、そのＬ本の磁気抵抗素子は、所定の間隔Ｐで配置されることを特徴とする。

より具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１）磁気スケールの磁界を検出するため、磁気抵抗体薄膜からなる磁気抵抗素子が所定の間隔で基板上に配置されて形成された磁気抵抗パターンを有する磁気センサにおいて、前記磁気抵抗パターンの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を取り除く前記磁気抵抗素子の本数をＬとしたとき、前記Ｌ本の前記磁気抵抗素子は、下式により算出された間隔Ｐで、その磁気スケールの相対移動方向に順々に配置されることを特徴とする磁気センサ。
Ｐ＝ｎλ／ｍＬ
ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
ｎ：自然数

本発明によれば、磁気抵抗体薄膜からなる磁気抵抗素子が所定の間隔で基板上に配置されて形成された磁気抵抗パターンを有する磁気センサにおいて、その磁気抵抗パターンの出力信号となる変位検出信号の基本波成分に重畳する高調波成分を取り除く磁気抵抗素子の本数をＬとしたとき、そのＬ本の磁気抵抗素子は、Ｐ＝ｎλ／ｍＬ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ：自然数）の計算式によって算出された間隔Ｐで、その磁気スケールの相対移動方向に（磁気抵抗素子の長手方向と略直交する方向に）順々に配置されることとしたから、Ｌ本の磁気抵抗素子から得られる変位検出信号の重ね合わせ（和）によって、第ｍ次高調波を取り除くことができ、ひいては識別精度を向上させることができる。

また、従来技術のように各高調波を打ち消す磁気抵抗素子の本数を一定にする必要はなく、各高調波を打ち消す磁気抵抗素子の本数を柔軟に変更し、磁気抵抗素子間の間隔を柔軟に調整することができるので、製造困難とならない程度に各高調波を打ち消す磁気抵抗素子の本数を増やすことができ、ひいては熱特性の均一化を図ることができる。

（２）磁気スケールの磁界を検出するため、磁気抵抗体薄膜からなる磁気抵抗素子が所定の間隔で基板上に配置されて形成された磁気抵抗パターンを有する磁気センサにおいて、前記磁気抵抗パターンの出力信号の基本波成分に重畳する複数の高調波成分のうち、１の奇数次高調波成分を取り除く前記磁気抵抗素子の本数をＬ_１、その１の奇数次高調波成分以外の１の奇数次高調波成分を取り除く前記磁気抵抗素子の本数をＬ_２（Ｌ１≠Ｌ２）としたとき、前記Ｌ_１本の前記磁気抵抗素子は、下式により算出された間隔Ｐ_１で、その磁気スケールの相対移動方向に順々に配置され、前記磁気抵抗パターンは、前記Ｌ_１本の前記磁気抵抗素子を、相対的に、下式により算出された間隔Ｐ_２で、その磁気スケールの相対移動方向に順々に前記Ｌ_２組配置することによって形成されることを特徴とする磁気センサ。
Ｐ_１＝ｎλ／ｍＬ_１
Ｐ_２＝ｎλ／ｍＬ_２
ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
ｎ：自然数

本発明によれば、磁気スケールの磁界を検出する磁気センサにおいて、磁気抵抗パターンの出力信号の基本波成分に重畳する複数の高調波成分のうち、１の高調波成分を取り除く磁気抵抗素子の本数をＬ_１とし、その１の高調波成分以外の１の高調波成分を取り除く磁気抵抗素子の本数をＬ_２としたとき、Ｌ_１本の磁気抵抗素子は、Ｐ_１＝ｎλ／ｍＬ_１（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ：自然数）の計算式によって算出された間隔Ｐ_１で、その磁気スケールの相対移動方向に（磁気抵抗素子の長手方向と略直交する方向に）順々に配置されるとともに、磁気抵抗パターンは、それらのＬ_１本の磁気抵抗素子を、相対的に、Ｐ_２＝ｎλ／ｍＬ_２（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ：自然数）の計算式によって算出された間隔Ｐ_２で、その磁気スケールの相対移動方向に順々にＬ_２組配置することによって形成されることとしたから、Ｌ_１本の磁気抵抗素子によって１の高調波成分を取り消し、また、それらのＬ_１本の磁気抵抗素子をＬ_２組配置することによって、その１の高調波成分以外の１の高調波成分を取り消すことができる。

従って、合計（Ｌ_１×Ｌ_２）本の磁気抵抗素子から得られる変位検出信号の重ね合わせによって複数の高調波成分を取り除くことができ、ひいては識別精度を向上させることができる。

（３）磁気スケールの磁界を検出するため、磁気抵抗体薄膜からなる磁気抵抗素子が所定の間隔で基板上に配置されて形成された磁気抵抗パターンを備えた磁気センサにおいて、前記磁気抵抗パターンからの出力信号の基本波成分に対する少なくとも２以上の高調波成分を取り除くため、下式のように設定された前記磁気抵抗素子の間隔Ｐが組み合わされて前記磁気抵抗パターンが形成されたことを特徴とする磁気センサ。
Ｐ＝ｎλ／ｍＬ
ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
Ｌ：次数ｍの高調波成分を取り除くための磁気抵抗素子の本数（但し、Ｌ≠２なるＬを少なくとも１つ含む）
ｎ：自然数

本発明によれば、磁気センサにおいて、上述した磁気抵抗パターンの出力信号の基本波成分に対する少なくとも２以上の高調波成分を取り除くため、Ｐ＝ｎλ／ｍＬ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ：自然数）の計算式によって算出された間隔Ｐが組み合わされて磁気抵抗パターンが形成されることとしたから、Ｌ本の磁気抵抗素子の組み合わせによって複数の高調波成分を一度に打ち消すことができ、ひいては識別精度を向上させることができる。

（４）前記磁気抵抗パターンは、下式により算出された間隔Ｐ'で、その磁気スケールの相対移動方向に２組配置されて電気的に直列接続されるとともに、２組の前記磁気抵抗パターンの電気的な接点から出力信号を取り出すことを特徴とする磁気センサ。
Ｐ'＝ｎλ／ｍ'
ｍ'：取り除く偶数次高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
ｎ：自然数

本発明によれば、上述した磁気抵抗パターン、すなわち、Ｌ_１本の磁気抵抗素子が間隔Ｐ_１で配置されるとともに、それらのＬ_１本の磁気抵抗素子を、相対的に、間隔Ｐ_２でＬ_２組配置することによって形成された磁気抵抗パターンは、Ｐ'＝ｎλ／ｍ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ：自然数）の式により算出された間隔Ｐ'で、その磁気スケールの相対移動方向に２組配置されて電気的に直列接続されるとともに、２組の磁気抵抗パターンの電気的な接点から出力信号を取り出すこととしたから、合計｛（Ｌ_１×Ｌ_２）×２｝本の磁気抵抗素子から得られる変位検出信号の和及び差によって複数の高調波成分を取り除くことができ、ひいては識別精度を向上させることができる。

また、本発明によれば、数多くの磁気抵抗素子から得られる変位検出信号の和及び差によって高調波成分を取り除くことにしたから、それらの変位検出信号の相互干渉によって高次高調波成分が打ち消され、更なる識別精度向上に寄与することができる。

（５）前記磁気抵抗パターンは、下式により算出された間隔Ｐ'で、その磁気スケールの相対移動方向に２組配置されて、電気的に並列接続されるとともに、２組の前記磁気抵抗パターンのそれぞれの対称点から出力信号を取り出すことを特徴とする磁気センサ。
Ｐ'＝ｎλ／ｍ'
ｍ'：取り除く偶数次高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
ｎ：自然数

本発明によれば、上述した磁気抵抗パターン、すなわち、Ｌ_１本の磁気抵抗素子が間隔Ｐ_１で配置されるとともに、それらのＬ_１本の磁気抵抗素子を、相対的に、間隔Ｐ_２でＬ_２組配置することによって形成された磁気抵抗パターンは、Ｐ'＝ｎλ／ｍ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ：自然数）の式により算出された間隔Ｐ'で、その磁気スケールの相対移動方向に２組配置されて、電気的に並列接続されるとともに、２組の磁気抵抗パターンのそれぞれの対称点から出力信号を取り出すこととしたから、合計｛（Ｌ_１×Ｌ_２）×２｝本の磁気抵抗素子から得られる変位検出信号の和及び差によって複数の高調波成分を取り除くことができ、ひいては識別精度を向上させることができる。

ここで、２組の磁気抵抗パターンの「対称点」とは、合計Ｌ_１本が直列接続された磁気抵抗素子のうち、直列接続された一方の（Ｌ_１／２）本の磁気抵抗素子と、直列接続された他方の（Ｌ_１／２）本の磁気抵抗素子と、の電気的な接続点をいう。

（６）磁気スケールの磁界を検出するため、磁気抵抗体薄膜からなる磁気抵抗素子が所定の間隔で基板上に配置されて形成された磁気抵抗パターンを有する磁気センサにおいて、前記磁気抵抗パターンの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を取り除くため、その磁気スケールの相対移動方向における前記磁気抵抗素子の幅を、下式により算出された幅Ｗとすることを特徴とする磁気センサ。
Ｗ＝ｎλ／ｍ
ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
ｎ：自然数

本発明によれば、磁気スケールの磁界を検出する磁気センサにおいて、磁気抵抗パターンの出力信号の基本波成分に重畳する高調波成分を取り除くため、その磁気スケールの相対移動方向における前記磁気抵抗素子の幅を、Ｗ＝ｎλ／ｍ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ：自然数）の計算式によって算出された幅Ｗとすることとしたから、上述したＬ_１本の磁気抵抗素子を、１本の磁気抵抗素子によって代用することができる。

従って、高調波成分の打ち消しを１本の磁気抵抗素子で実現することによって、高調波を取り除いて識別精度を向上させるとともに、構造を簡略化することができる。

本発明に係る磁気センサは、以上説明したように、磁気抵抗素子間の間隔を柔軟に調整しつつ各高調波成分を打ち消すことが可能なので、製造困難とならない程度に磁気抵抗素子の本数を増やし、識別精度の向上に資することができるのみならず、熱特性の均一化に資することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

［概略構造］
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサ１の概略構造を示す図である。

図１において、まず、磁気センサ１から出力される変位検出信号の波形位相を決定づけることになる磁気センサ１と、被検出体の磁気スケール２と、の対向配置関係について説明する。

図１において、磁気スケール２には、Ｎ極とＳ極がピッチλで交互に配列された着磁磁石が設けられている。すなわち、Ｎ極からＮ極までのピッチ及びＳ極からＳ極までのピッチは共にλとなっている。これに対し、磁気センサ１には、４個の磁気抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４が、この順で、隣の磁気抵抗とのピッチがλ／４，λ／４，λ／４の間隔となるように、互いに並列に配置されている。

そして、磁気抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４のそれぞれの一方の端子には、電源ライン３を介してバイアス電圧源Ｖ_ccが接続されている。一方で、磁気抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４のそれぞれの他方の端子からは、各変位検出信号が出力されることとなる。すなわち、磁気抵抗Ｒ_１からは＋ａ相信号、磁気抵抗Ｒ_２からは＋ｂ相信号、磁気抵抗Ｒ_３からは−ａ相信号、磁気抵抗Ｒ_４からは−ｂ相信号、の変位検出信号が取り出されることとなる。なお、磁気センサ１には、バイアス磁界が加えられている。

磁気センサ１と被検出体の磁気スケール２とは上述のような対向配置関係にあることから、磁気センサ１から出力される変位検出信号の波形位相は次のように決定付けられることとなる。すなわち、磁気抵抗Ｒ_１と磁気抵抗Ｒ_３のピッチはλ／２であることから、被検出体の磁気スケール２から受ける磁界によって、両者の抵抗値は１８０°の位相差をもって変化する。従って、磁気抵抗Ｒ_１から取り出される＋ａ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_３から取り出される−ａ相信号の信号波形とは、位相が１８０°ずれたものとなる。また、磁気抵抗Ｒ_２と磁気抵抗Ｒ_４のピッチもλ／２であることから、上記同様、磁気抵抗Ｒ_２から取り出される＋ｂ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_４から取り出される−ｂ相信号の信号波形とは、位相が１８０°ずれたものとなる。

また、磁気抵抗Ｒ_１と磁気抵抗Ｒ_２のピッチはλ／４であることから、被検出体の磁気スケール２から受ける磁界によって、両者の抵抗値は９０°の位相差をもって変化する。従って、磁気抵抗Ｒ_１から取り出される＋ａ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_２から取り出される＋ｂ相信号の信号波形とは、位相が９０°ずれたものとなる。また、磁気抵抗Ｒ_３と磁気抵抗Ｒ_４のピッチもλ／４であることから、上記同様、磁気抵抗Ｒ_３から取り出される−ａ相信号の信号波形と、磁気抵抗Ｒ_４から取り出される−ｂ相信号の信号波形とは、位相が９０°ずれたものとなる。

以上説明した各変位検出信号の信号波形について図示すると、理想的には、図２のようになる。すなわち、＋ａ相信号の波形を基準に考えると（図２（ａ））、＋ｂ相信号は、＋ａ相信号の波形から位相が９０°ずれた図２（ｂ）のような波形になり、−ａ相信号は、＋ａ相信号の波形から位相が１８０°ずれた図２（ｃ）のような波形になり、−ｂ相信号は、＋ａ相信号の波形から位相が２７０°ずれた図２（ｄ）のような波形になる。

ここで、図２では、各変位検出信号とも理想的な（滑らかな）波形を考えたが、一般には、実際の変位検出信号に基本波成分以外の高調波成分が重畳する。より具体的には、図３を用いて説明する。図３は、磁気スケール２からの入力磁界Ｈに対する磁気抵抗素子の抵抗Ｒの変化特性を示すグラフである。

図３において、磁気スケール２からの入力磁界の絶対値が０から次第に大きくなると、通常、磁気抵抗素子の抵抗値は小さくなるが、入力磁界の絶対値がある一定の磁界Ｈ_１を超えると、磁気抵抗素子の抵抗値は飽和する（図３中のＸ部分）。従って、この抵抗値の飽和の影響により、図２で示した理想的な各変位検出信号の波形は、実際は、図４（ａ）に示すような波形となる。なお、図４では、図２における＋ａ相信号の波形のみを抽出・拡大して図示しているが、＋ｂ相信号、−ａ相信号、−ｂ相信号、の各変位検出信号についても、位相が異なるだけで同様のことがいえる。

図４において、図４（ａ）に示す実際に得られた変位検出信号は、図４（ｂ）に示す基本波成分と、図４（ｃ）に示す第２次高調波成分と、図４（ｄ）に示す第３次高調波成分と、図４（ｅ）に示す第４次高調波成分と、図４（ｆ）に示す第５次高調波成分と、その他の高次高調波成分と、の重ね合わせで表される。従って、第２次以降の高調波成分を取り除けば、図４（ｂ）に示す基本波成分のような滑らかな波形をもった変位検出信号が得られることになる。

［磁気抵抗パターンの形成］
図５は、本発明の実施の形態に係る磁気センサ１が有する磁気抵抗パターンの形成態様の一例を示す図である。なお、上述した磁気抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４のそれぞれが、図５（ａ）でいう磁気抵抗パターンに相当する。図５（ａ）に示す磁気抵抗パターンにおいて、６個の磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₆は、３本セットで第５次高調波成分を打ち消し、２本セットで第３次高調波成分を打ち消すために、それぞれＰ＝ｎλ／ｍＬ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、Ｌ：高調波成分を打ち消す本数、ｎ＝１）の式によって算出された間隔で、被検出体の磁気スケール２の相対移動方向に順々に配置されており、導電体によって電気的に直列接続されている。なお、ここではｎ＝１としたが、本発明はｎをこれに限定する趣旨ではなく、例えばｎ＝２であってもｎ＝３であってもよい。具体的には、図５（ｂ）〜図５（ｆ）を用いて説明する。

まず、３本セットで第５次高調波成分を打ち消す原理を説明する。磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₃の３本セットにおいて、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₂の間隔、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₃の間隔は、上式でｍ＝５、Ｌ＝３を代入し、いずれもＰ_５（＝λ／５×３）となる（図５（ｂ））。

磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₃をこの間隔Ｐ_５で配置することによって、磁気抵抗素子Ｒ₁₁の部分から得られる変位検出信号の基本波成分をｓｉｎθとすると、次式で示すように、その磁気抵抗素子Ｒ₁₁の部分から得られる変位検出信号の第５次高調波成分ｓｉｎ５θと、磁気抵抗素子Ｒ₁₁の部分から得られる変位検出信号と位相が２π／（５×３）だけずれた磁気抵抗素子Ｒ₁₂の部分から得られる変位検出信号の第５次高調波成分ｓｉｎ５｛θ＋２π／（５×３）｝と、磁気抵抗素子Ｒ₁₁の部分から得られる変位検出信号と位相が｛２π／（５×３）＋２π／（５×３）｝だけずれた磁気抵抗素子Ｒ₁₃の部分から得られる変位検出信号の第５次高調波成分ｓｉｎ５｛θ＋２π／（５×３）＋２π／（５×３）｝と、の重ね合わせによって、磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₃を直列接続したときの変位検出信号の５次高調波成分は零になる。

また、磁気抵抗素子Ｒ₁₄〜Ｒ₁₆の３本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₄とＲ₁₅の間隔、磁気抵抗素子Ｒ₁₅とＲ₁₆の間隔は、上式でｍ＝５、Ｌ＝３を代入し、いずれもＰ_５（＝λ／５×３）となる（図５（ｃ））。このように、磁気抵抗素子Ｒ₁₄〜Ｒ₁₆をこの間隔Ｐ_５で配置することによって、第５次高調波成分は零になるが、その原理については、上述同様であるため説明を省略する。

磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₃の３本セットだけでなく、磁気抵抗素子Ｒ₁₄〜Ｒ₁₆の３本セットが必要になるのは、次に説明するように、第３次高調波成分を２本セットで打ち消すためである。

２本セットで第３次高調波成分を打ち消す原理を説明する。磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₄の２本セットにおいて、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₄の間隔は、上式でｍ＝３、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_３（＝λ／３×２）となる（図５（ｄ））。

磁気抵抗素子Ｒ₁₁の部分から得られる変位検出信号の基本波成分をｓｉｎθとすると、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₄をこの間隔Ｐ_３で配置することによって、次式で示すように、その磁気抵抗素子Ｒ₁₁の部分から得られる変位検出信号の第３次高調波成分ｓｉｎ３θと、磁気抵抗素子Ｒ₁₁の部分から得られる変位検出信号と位相が２π／（３×２）だけずれた磁気抵抗素子Ｒ₁₄の部分から得られる変位検出信号の第３次高調波成分ｓｉｎ３｛θ＋２π／（３×２）｝と、の重ね合わせによって、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₄を直列接続したときの変位検出信号の３次高調波成分は零になる。

また、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₅の２本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₅の間隔は、上式でｍ＝３、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_３（＝λ／３×２）となる（図５（ｅ））。磁気抵抗素子Ｒ₁₃とＲ₁₆の２本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₃とＲ₁₆の間隔は、上式でｍ＝３、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_３（＝λ／３×２）となる（図５（ｆ））。このように、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₅、磁気抵抗素子Ｒ₁₃とＲ₁₆をこの間隔Ｐ_３で配置することによって、第３次高調波成分は零になるが、その原理については、上述同様であるため説明を省略する。

以上説明したように、６個の磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₆が、図５（ｂ）〜図５（ｆ）に示す間隔の要請を全て満たす図５（ａ）に示す間隔で配置されて形成された磁気抵抗パターンによれば、第３次高調波成分及び第５次高調波成分を打ち消すことができ、ひいては基本波成分のような滑らかな波形をもった変位検出信号を得ることができる。

また、第３次高調波成分及び第５次高調波成分を打ち消すために、何本の磁気抵抗素子を使うかは任意であり、磁気抵抗素子間の間隔を柔軟に調整しつつ、製造困難とならない程度に、第３次高調波成分及び第５次高調波成分を打ち消す磁気抵抗素子の本数を増やすことができ、ひいては熱特性の均一化と識別精度の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態では、２種類の高調波成分を打ち消すこととしたが、上記同様に考えれば、例えば３種類、４種類といった複数種類の高調波成分を一度に打ち消すことも可能である。

図６は、本発明の実施の形態に係る磁気センサ１が有する磁気抵抗パターンの形成態様の他の一例を示す図である。

図６（ａ）に示す磁気抵抗パターンにおいて、６個の磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₆は、３本セットで第３次高調波成分を打ち消し、２本セットで第５次高調波成分を打ち消すために、それぞれＰ＝ｎλ／ｍＬ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ＝１）の式によって算出された間隔で、被検出体の磁気スケール２の相対移動方向に順々に配置されており、導電体によって電気的に直列接続されている。なお、ここではｎ＝１としたが、本発明はｎをこれに限定する趣旨ではなく、例えばｎ＝２であってもｎ＝３であっても、自然数であればなんでもよい。

より具体的には、磁気抵抗素子Ｒ₁₁、Ｒ₁₂、Ｒ₁₄の３本セットにおいて、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₂の間隔、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₄の間隔は、上式でｍ＝３、Ｌ＝３を代入し、いずれもＰ_３（＝λ／３×３）となる（図６（ｂ））。また、磁気抵抗素子Ｒ₁₃、Ｒ₁₅、Ｒ₁₆の３本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₃とＲ₁₅の間隔、磁気抵抗素子Ｒ₁₅とＲ₁₆の間隔は、上式でｍ＝３、Ｌ＝３を代入し、いずれもＰ_３（＝λ／３×３）となる（図６（ｃ））。このように、磁気抵抗素子Ｒ₁₁、Ｒ₁₂、Ｒ₁₄と、磁気抵抗素子Ｒ₁₃、Ｒ₁₅、Ｒ₁₆と、をそれぞれこの間隔Ｐ_３で配置することによって、第３次高調波成分を零にすることができる。なお、その原理については上述同様である。

一方で、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₃の２本セットにおいて、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₃の間隔は、上式でｍ＝５、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_５（＝λ／５×２）となる（図６（ｄ））。また、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₅の２本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₅の間隔は、上式でｍ＝５、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_５（＝λ／５×２）となる（図６（ｅ））。磁気抵抗素子Ｒ₁₄とＲ₁₆の２本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₄とＲ₁₆の間隔は、上式でｍ＝５、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_５（＝λ／５×２）となる（図６（ｆ））。このように、磁気抵抗素子Ｒ₁₁、Ｒ₁₂と、磁気抵抗素子Ｒ₁₂、Ｒ₁₅と、Ｒ₁₄、Ｒ₁₆と、をそれぞれこの間隔Ｐ_５で配置することによって、第５次高調波成分を零にすることができる。なお、その原理については上述同様である。

以上説明したように、６個の磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₆が、図６（ｂ）〜図６（ｆ）に示す間隔の要請を全て満たす図６（ａ）に示す間隔で配置されて形成された磁気抵抗パターンによれば、第３次高調波成分及び第５次高調波成分を打ち消すことができ、ひいては滑らかな波形をもった変位検出信号を得ることができる。

図７は、本発明の実施の形態に係る磁気センサ１が有する磁気抵抗パターンの形成態様の他の一例を示す図である。

図７（ａ）に示す磁気抵抗パターンにおいて、６個の磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₆は、３本セットで第２次高調波成分を打ち消し、２本セットで第３次高調波成分を打ち消しすために、それぞれＰ＝ｎλ／ｍＬ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長、ｎ＝１）の式によって算出された間隔で、被検出体の磁気スケール２の相対移動方向に順々に配置されており、導電体によって電気的に直列接続されている。なお、ここではｎ＝１としたが、本発明はｎをこれに限定する趣旨ではなく、例えばｎ＝２であってもｎ＝３であってもよい。

より具体的には、磁気抵抗素子Ｒ₁₁、Ｒ₁₃、Ｒ₁₅の３本セットにおいて、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₃の間隔、磁気抵抗素子Ｒ₁₃とＲ₁₅の間隔は、上式でｍ＝２、Ｌ＝３を代入し、いずれもＰ_２（＝λ／２×３）となる（図７（ｂ））。また、磁気抵抗素子Ｒ₁₂、Ｒ₁₄、Ｒ₁₆の３本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₄の間隔、磁気抵抗素子Ｒ₁₄とＲ₁₆の間隔は、上式でｍ＝２、Ｌ＝３を代入し、いずれもＰ_２（＝λ／２×３）となる（図７（ｃ））。このように、磁気抵抗素子Ｒ₁₁、Ｒ₁₃、Ｒ₁₅と、磁気抵抗素子Ｒ₁₂、Ｒ₁₄、Ｒ₁₆と、をそれぞれこの間隔Ｐ_２で配置することによって、第３次高調波成分を零にすることができる。なお、その原理については上述同様である。

一方で、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₂の２本セットにおいて、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₂の間隔は、上式でｍ＝３、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_３（＝λ／３×２）となる（図７（ｄ））。また、磁気抵抗素子Ｒ₁₃とＲ₁₄の２本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₃とＲ₁₄の間隔は、上式でｍ＝３、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_３（＝λ／３×２）となる（図７（ｅ））。磁気抵抗素子Ｒ₁₅とＲ₁₆の２本セットにおいても、磁気抵抗素子Ｒ₁₅とＲ₁₆の間隔は、上式でｍ＝３、Ｌ＝２を代入し、Ｐ_３（＝λ／３×２）となる（図７（ｆ））。このように、磁気抵抗素子Ｒ₁₁、Ｒ₁₂と、磁気抵抗素子Ｒ₁₃、Ｒ₁₄と、Ｒ₁₅、Ｒ₁₆と、をそれぞれこの間隔Ｐ_３で配置することによって、第３次高調波成分を零にすることができる。なお、その原理については上述同様である。

以上説明したように、６個の磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₆が、図７（ｂ）〜図７（ｆ）に示す間隔の要請を全て満たす図７（ａ）に示す間隔で配置されて形成された磁気抵抗パターンによれば、第３次高調波成分及び第５次高調波成分を打ち消すことができ、ひいては滑らかな波形をもった変位検出信号を得ることができる。

上述した磁気パターンの形成態様では、磁気抵抗素子の間隔を上式Ｐ＝ｎλ／ｍＬによって調整することで高調波成分を打ち消していたが、本発明は、線幅を上式Ｗ＝ｎλ／ｍによって調整することで、高調波成分を打ち消すこととしてもよい。例えば、図８に示すように、２本セットの磁気抵抗素子で高調波成分を打ち消すことを考えた場合において、これらの磁気抵抗素子を間隔Ｐで配置しなければならないときには（図８（ａ））、間隔Ｐと同じ線幅の磁気抵抗素子１本で代用することができる（図８（ｂ））。より具体的には、図８（ｂ）に示す１本の磁気抵抗素子は、線幅が極めて狭い複数（無数）の磁気抵抗素子を磁気スケールの相対移動方向に重ね合わせたもの、と考えることができるから、上式Ｐ＝ｎλ／ｍＬにＬ＝１を代入したときのＰと同値であり、図８（ａ）に示す２本の磁気抵抗素子と同じ機能(高周波成分を打ち消す機能）を発揮しつつ、磁気センサ自体の更なる小型化を図ることができる。

図５〜図７を用いて磁気抵抗パターンの形成態様は、Ｐ＝ｎλ／ｍＬによって算出された間隔で各々の磁気抵抗素子を配置し、それぞれの部分から得られる「変位検出信号の和」を全体の変位検出信号とすることで、各高調波成分を打ち消す、というものであるが、次に、「変位検出信号の差」を全体の変位検出信号とすることで、各高調波成分を打ち消す、という磁気抵抗パターンの形成態様について説明する。

図９は、本発明の実施の形態に係る磁気センサ１が有する磁気抵抗パターンの形成態様の他の一例を示す図である。

図９（ａ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様は、図５（ａ）に示す磁気抵抗パターンを２組直列に配置し、その接続点から変位検出信号を取り出すことで、各高調波成分を打ち消す、というものである。

より具体的には、図９（ａ）の左側に示す磁気抵抗パターン（６個の磁気抵抗素子Ｒ₁₁〜Ｒ₁₆）は、３本セットで第５次高調波成分を打ち消し、２本セットで第３次高調波成分を打ち消すために、図５（ａ）に示す態様で配置されている。また、図９（ａ）の右側に示す磁気抵抗パターン（６個の磁気抵抗素子Ｒ₁₇〜Ｒ₂₂）も、３本セットで第５次高調波成分を打ち消し、２本セットで第３次高調波成分を打ち消すために、図５（ａ）に示す態様で配置されている。さらに、２組の磁気抵抗パターンは、電気的に接続されており、その接続点から出力（変位検出信号）Ｏｕｔが取り出されるようになっている。

ここで、図９（ａ）に示す２組の磁気抵抗パターンは、相対的に、２本セットで第２次高調波成分及び第４次高調波成分を打ち消すべく、Ｐ'＝ｎλ／ｍ（ｍ：取り除く高調波成分の次数、ｎ＝１）の式によって算出された間隔で配置される。すなわち、例えば第ｍ次高調波成分を打ち消す場合には、相対的に、第ｍ次高調波成分の波長分（＝λ／ｍ）だけずらし、磁気抵抗素子Ｒ₁₁とＲ₁₇、磁気抵抗素子Ｒ₁₂とＲ₁₈、磁気抵抗素子Ｒ₁₃とＲ₁₉、磁気抵抗素子Ｒ₁₄とＲ₂₀、磁気抵抗素子Ｒ₁₅とＲ₂₁、磁気抵抗素子Ｒ₁₆とＲ₂₂は、それぞれ偶次高調波成分を打ち消すことができるようなＰ'＝λ／ｍの間隔で配置される。なお、この際、第ｍ次高調波成分の波長分（＝λ／ｍ）ではなく、第ｍ次高調波成分の波長分（＝λ／ｍ）と基本波の半波長分（＝λ／２）ずらすことで間隔を調整することも可能である。基本波の半波長分（＝λ／２）は、第２次以降の第ｍ次高調波成分（ｍは２以上の偶数）の波長（＝λ／ｍ）の整数倍だからである。

このように、１の磁気抵抗パターンの内部における各磁気抵抗素子間は、Ｐ＝λ／ｍＬの間隔で配置し、他の磁気抵抗パターンの内部の対応する磁気抵抗素子との間は、Ｐ'＝λ／ｍの間隔で配置することによって、一度に複数の高調波成分を打ち消すことができ、ひいては大幅に識別精度を向上させることができる。

以下同様に、「変位検出信号の和」及び「変位検出信号の差」を全体の変位検出信号とすることで一度に複数の高調波成分を打ち消すのみならず、相互干渉に起因して高次高調波成分を打ち消すことができる磁気抵抗パターンの形成態様について説明する。

図９（ｂ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様は、第３次高調波成分を打ち消すための磁気抵抗素子をＰ＝λ／（３×５）の間隔で５本配置して形成された磁気抵抗パターンを、相対的に、間隔Ｐ＝λ／２＋ｎλ（ｎ：自然数）で２組配置し、両磁気抵抗パターンを電気的に直列接続し、その接続点から出力（変位検出信号）Ｏｕｔを取り出すようにしている。

図９（ｃ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様は、第３次高調波成分を打ち消すための磁気抵抗素子をＰ＝λ／３の間隔で２本ずつ、第５次高調波成分を打ち消すための磁気抵抗素子をＰ＝λ／（５×２）の間隔で２本ずつ配置して形成された磁気抵抗パターンを、相対的に、間隔Ｐ＝λ／２＋ｎλ（ｎ：自然数）で２組配置し、両磁気抵抗パターンを電気的に並列接続し、それぞれの磁気抵抗パターンの対称点から出力（変位検出信号）Ｏｕｔ_１及びＯｕｔ_２を取り出すようにしている。従って、この出力（変位検出信号）Ｏｕｔ_１及びＯｕｔ_２を差動増幅器等の外部電子回路に入力することによって、複数の高調波成分を打ち消すことができるようになる。

なお、この図９（ｃ）の結線方法は、外部電子回路に差動増幅器を用いた場合の一例に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、これ以外の結線方法を採用することも可能である。

図９（ｄ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様は、図９（ｃ）に示される２本の磁気抵抗素子を、その間隔と同じ幅をもつ１本の磁気抵抗素子で代用するものである。この形成態様によれば、構造が簡単となるため着磁ピッチを小さくしてもパターン配置が可能となり、結果として高分解能なスケールが可能となる。

まず、図９（ａ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様において、信号周期λを０．８ｍｍとし、出力（変位検出信号）Ｏｕｔを測定した。その結果、図９（ａ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様によれば、第３次及び第５次並びに第２次及び第４次の高調波成分が全てキャンセルされるのみならず、磁気抵抗素子が１２本あることに起因した変位検出信号の相互干渉により、第９次高調波成分が全てキャンセルされ、第７次高調波成分が７２％低減した。このように、図９（ａ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様によれば、第９次高調波成分までのトータル歪みを同時に低減できることが分かる。

次に、図９（ｂ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様において、信号周期λを０．８ｍｍとし、出力（変位検出信号）Ｏｕｔを測定した。その結果、図９（ｂ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様によれば、第３次並びに第２次及び第４次の高調波成分が全てキャンセルされ、第５次高調波成分は８０％低減された。また、磁気抵抗素子が１０本あることに起因した変位検出信号の相互干渉により、第７次高調波成分が８２％低減した。このように、図９（ｂ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様によれば、図９（ａ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様よりも第７次高調波成分を大幅に低減することができるのが分かる。

次に、図９（ｃ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様において、信号周期λを０．８ｍｍとし、出力（変位検出信号）Ｏｕｔ_１とＯｕｔ_２の差動出力を測定した。その結果、図９（ｃ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様によれば、第３次及び第５次並びに第２次及び第４次の高調波成分が全てキャンセルされるのみならず、磁気抵抗素子が８本あることに起因した変位検出信号の相互干渉により、第９次高調波成分が全てキャンセルされ、第７次高調波成分が４９％低減した。このように、図９（ｃ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様によれば、第９次高調波成分までのトータル歪みを同時に低減できることが分かる。

次に、図９（ｄ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様において、信号周期λを０．８ｍｍとし、出力（変位検出信号）Ｏｕｔ_１とＯｕｔ_２の差動出力を測定した。その結果、図９（ｄ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様によれば、第３次及び第５次並びに第２次及び第４次の高調波成分が全てキャンセルされた。また、磁気抵抗素子が４本あることに起因した変位検出信号の相互干渉により、第７次高調波成分が６３％低減し、第９次高調波成分が４１％低減した。このように、図９（ｄ）に示す磁気抵抗パターンの形成態様によれば、第９次高調波成分までのトータル歪みを同時に低減できることが分かる。

本発明に係る磁気センサは、複数の磁気抵抗素子の間隔を柔軟に調整しながら、その本数を増加させることができ、ひいては識別精度の向上及び熱特性の均一化を図ることが可能なものとして有用である。

本発明の実施の形態に係る磁気センサの概略構造を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサから得られる変位検出信号の信号波形を示す波形図である。磁気スケール２からの入力磁界Ｈに対する磁気抵抗素子の抵抗Ｒ変化特性を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る磁気センサから得られる変位検出信号を各成分に分解する様子を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサが有する磁気抵抗パターンの形成態様の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサが有する磁気抵抗パターンの形成態様の他の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサが有する磁気抵抗パターンの形成態様の他の一例を示す図である。複数の磁気抵抗素子を、１本の磁気抵抗素子によって代用する様子を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサが有する磁気抵抗パターンの形成態様の他の一例を示す図である。従来の磁気センサの概略構造を示す図である。

符号の説明

１磁気センサ
２磁気スケール

Claims

磁気スケールの磁界を検出するため、磁気抵抗体薄膜からなる磁気抵抗素子が所定の間隔で基板上に配置されて形成された磁気抵抗パターンを有する磁気センサにおいて、
前記磁気抵抗パターンの出力信号の基本波成分に重畳する複数の高調波成分のうち、１の奇数次高調波成分を取り除く前記磁気抵抗素子の本数をＬ_１、その１の奇数次高調波成分以外の１の奇数次高調波成分を取り除く前記磁気抵抗素子の本数をＬ_２（Ｌ１≠Ｌ２）としたとき、
前記Ｌ_１本の前記磁気抵抗素子は、下式により算出された間隔Ｐ_１で、その磁気スケールの相対移動方向に順々に配置され、
前記磁気抵抗パターンは、前記Ｌ_１本の前記磁気抵抗素子を、相対的に、下式により算出された間隔Ｐ_２で、その磁気スケールの相対移動方向に順々に前記Ｌ_２組配置することによって形成されることを特徴とする磁気センサ。
Ｐ_１＝ｎλ／ｍＬ_１
Ｐ_２＝ｎλ／ｍＬ_２
ｍ：取り除く高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
ｎ：自然数
前記磁気抵抗パターンは、下式により算出された間隔Ｐ'で、その磁気スケールの相対移動方向に２組配置されて電気的に直列接続されるとともに、
２組の前記磁気抵抗パターンの電気的な接点から出力信号を取り出すことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
Ｐ'＝ｎλ／ｍ'
ｍ'：取り除く偶数次高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
ｎ：自然数
前記磁気抵抗パターンは、下式により算出された間隔Ｐ'で、その磁気スケールの相対移動方向に２組配置されて電気的に並列接続されるとともに、
２組の前記磁気抵抗パターンのそれぞれの対称点から出力信号を取り出すことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
Ｐ'＝ｎλ／ｍ'
ｍ'：取り除く偶数次高調波成分の次数、λ：出力信号の基本波成分の波長
ｎ：自然数