JPH01145520A - アブソリュート磁気エンコーダ - 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、ロボットやマニピユレータ等の装置に用いら
れる駆動用、制御用モータ等の回転体や直線運動体の絶
対位置を検出するアブソリュート磁気エンコーダに関す
る。

〔従来の技術〕

ロボットやマニピュレータに組込まれた回転又は直線運
動を行うアクチュエータを精度高く制御するために、ア
クチユエータの位置を瞬時に正確に測定する検出器が要
求されている。

このような検出器としては、従来より光電式が多用され
てきた。この光電式検出器は、ガラス円板に金属膜を蒸
着しフォトリングラフ法により作られた光学スリット及
び発光ダイオード並びに受光素子であるフォトダイオー
ドより構成されている。ところが、この光電式検出器は
、ガラス円板がｖｉ撃に弱いこと、フォトダイオードを
使っているので高温まで使用できないこと、あるいは発
光素子、受光素子の配置上、薄肉化は不可能である等の
欠点があった。

近年、ロボットやマニピユレータの小型化に伴い、検出
器の耐熱性向上や小型高分解能化の必要性が高まってき
た。このような要求に対し、磁化パターンが書込まれた
ドラムと、磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と略す）
とを組み合せた角度検出器が提案された（特開昭５４−
ｌ、８２５９号公報参照）。

この角度検出器は、回転軸と連動して回転する磁気記録
媒体もしくは複数の永久磁石の配列と、この磁気記録媒
体に書込まれた磁化情報もしくは永久磁石の配列具合を
検出するＭ　Ｒ９子と、このＭＲ素子の抵抗変化を検出
し外部に出力する駆動検出回路とよりなる。そして回転
角の絶対値を読むことができるように、その磁化パター
ンの列もしくは永久磁石の配列、すなわち情報トラック
を多数設け、その各々にＭＲ素子を設けている。

このエンコーダにおい゛ては、ＭＲ素素子ストライ炎長
方向は磁界の方向と直角に、またストライプ幅方向は回
転体円周方向と平行になっている。

このような構成において磁気記録媒体がらの磁界Ｈ６つ
がＭＲ素子に印加されたとき、ＭＲ素子に入る磁界Ｈｅ
　＋は、反磁界をＨｄとするとＨ，、、＝　Ｈ，、−Ｈ
。

となる（特ＤＦＩ昭５７−１９７８８５号公報参照）。

ここで、ＭＲ素子のパターン幅をＷ１膜厚をｔ１ＭＲ素
子の飽和磁界を■５とすると、反磁界Ｉｌ、．は、Ｈ６
−４π１５・ｔ／Ｗ と表されるので、磁界Ｈ＠ｒ　ｒは、 Ｈ−ｔｒ−Ｈ−４πＩ５・ｔ／Ｗ となる。

つまり、パターン幅Ｗが小さくなると、反磁界Ｈｄが大
きくなり、磁界［（−ｒｒが小さくなるので、ＭＲ素子
の出力低下が起こる。通常、パターン幅Ｗの２倍が位置
読取単位と考えてよく、このような構造では、ＭＲ素素
子パター輻幅１０ｗｎが限界である。したがって、２（
ｌｃｃｍが位置読取単位となり、要求されている数−を
達成できない。

そこで本発明者らは、高分解能化、すなわち位置読取単
位を小さくすることはもとより、薄くてしかもＭＲ素子
と磁気媒体との距離の変動に対しても出力変動の少ない
アブソリュート磁気エンコーダを発明した（特願昭６２
−３９１７８号、特願昭６２−３９１７９号、特願昭６
２−３９１８０号）。

このうち、特願昭６２−３９１７９号において提案され
たアブソリュート磁気エンコーダは、第１６図に示すよ
うに、要求される位置読取精度に応じた磁気パターンの
列を少なくとも２列有する基体２１と、この基体２１よ
り漏洩する磁界を検出するために各磁化パターン列に配
置されたストライプ状の磁気抵抗効果素子２２．２３の
組合せにより前記基体２Ｌの絶対位置、すなわち番地を
読出すものである。そして、磁気抵抗効果素子２２．２
３のストライプ長さを！、基体２１と磁気抵抗効果素子
２２．２３の最近接距離をｇ１位置読取単位をｐとした
とき、磁気抵抗効果素子２２．２３のストライプ長さ！
方向と前記最近接部での基体２１表面接線方向とのなす
角度ごが、ｔａｎ−’　（（１十ｇ）／　ｐ　）度から
９０度の範囲にあり、ストライプ幅方向が前記磁化パタ
ーン列方向と平行であり、ストライプ幅方向に磁化パタ
ーンからの磁界が印加されるようにしている。

一方、特願昭６２−３９１７８号及び特願昭６２−３９
１８０号において提案されたアブソリュート磁気エンコ
ーダは、第１８図に示すように、要求される位置読取精
度に応じて周期的磁場を発生するように、ピッチｐで少
なくとも一つの磁化パターン列の書込まれた磁気記録媒
体３１からの前記周期的磁場を磁気記録媒体３１に近接
した少なくとも一つのストライプ状の磁気抵抗効果素子
３２．３３により出力変換するものである。そして、磁
気記録媒体３１の磁化の強さが一つのピッチル内で異な
り、磁気抵抗効果素子３２．３３のストライプ長さを！
、磁気記録媒体３１と磁気抵抗効果素子３２．３３の最
近接距離をｇとしたときにストライプ長さｐ方向と前記
最近接部での磁気記録媒体３１表面接線方向とのなす角
度α（これらの定数に関しては第１６図参照）が、ｔａ
ｎ−’（２（ｆ＋ｇ）／ｐ）度から９０度の範囲にあり
、ストライプ幅方向が磁化パターン列方向と平行であり
、ストライプ幅方向に磁化パターンからの磁界が印加さ
れるようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、第１６図に示す従来のものにおいては、一つ
の磁化パターン列における磁化の方向が同じ場合、読取
り単位が小さくなるにつれ、着磁部（ａ）と（ｂ）から
の磁束が非着ｆｉ部（Ｃ）に入り込み、非着磁部（Ｃ）
でも、ＭＲ素子に作用する磁界は（ａ）、　（ｂ）部と
変わらなくなり、（ａ）、（ｂ）と（Ｃ）部の出力差が
無くなり高分解能化に限界があった。また、第１７図に
示すように一つの磁化パターン列における磁化の方向が
交互に代わっている場合、着磁部（ａ）に着磁部（ｂ）
、　（Ｃ）からの磁束が流れ込み着磁部（ａ）の磁界が
弱くなり非着磁部との差が少な（なるという問題を生じ
ていた。

また、第１８図に示す従来のものにおいては、一つの磁
化パターン列における磁化の方向が同じ場合は、ピッチ
ｐが小さくなるにつれピンチの変わり目（Ｃ）部に（ａ
）部と（ｂ）部からの磁束が入り込み、磁化の強さが弱
くてもＭＲ９子に作用する磁界は大きくなり、（８１部
と（Ｃ１部または（ｂ）部と（Ｃ）部の出力差がなくな
り、高分解能化に限界があった。また第１９図に示すよ
うに一つの磁化パターン列における磁化の方向が互い違
いの場合は、（ａ）部には（ｂ）ｌと（ｄ）部から逆方
向の磁界が入り込むため（ａ）部の磁界は弱くなり（ｅ
）部との出力差がなくなり同様に高分解能化に支障をき
たした。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであり、隣接する磁極の磁界による影山を抑制して、
高分解能化を図ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本願の第１の発明は、この問題を解決するため、要求さ
れる位置読取精度に応じた磁化パターンの列を少なくと
も２列有する基体と、この基体から漏洩する磁界を検出
するために前記各磁化パターン列に配置されたストライ
プ状の磁気抵抗効果素子とを備え、前記各列の磁化パタ
ーンの検出信号の組合せにより前記基体の絶対位置を読
出すアブソリニート磁気エンコーダであって、前記磁気
抵抗効果素子のストライプ長さをｌ、前記基体と磁気抵
抗効果素子の最近接距離をｇ、位置読取単位をｐとした
とき、前記磁気抵抗効果素子のストライプ長さ方向と前
記最近接部での基体表面接線方向とのなす角度αをｔａ
ｒｒ’　（（ｊ！　＋　ｇ）　／　ｐ）度から９０度の
範囲とし、ストライプ幅方向を前記磁化パターン列方向
と平行とし、前記ストライプ幅方向に前記磁化パターン
からの磁界を印加するようにしたアブソリュート磁気エ
ンコーダにおいて、前記磁気抵抗効果素子ストライプ厚
さｔ方向の前後をないし３ｐ／４だけ離れた位置の一部
または全部に、検出対象とする磁化パターン以外の磁気
記録媒体による磁気をシールドする磁気シールド効果を
もつ材料を配置したことを特徴とする。

また、本願の第２の発明は、要求される位置読取精度に
応じて周期的磁場を発生するようにピッチｐで少なくと
も一つの磁化パターン列が書込まれた磁気記録媒体から
の周期的磁場を磁気記録媒体に近接した少なくとも一つ
のストライプ状の磁気抵抗効果素子により出力変換する
磁気エンコーダであって、前記磁気記録媒体の磁化の強
さが一つのピッチル内で異なり、前記磁気抵抗効果素子
ストライプ長さを１、磁気記録媒体と磁気抵抗効果素子
の最近接距離をｇとしたときに、ストライプ長さ方向と
前記最近接部での磁気記録媒体表面接線方向トノナス角
αがｔａｎ−’　（２（Ｒ＋　ｇ）／　ｐ　）度から９
０度の範囲にあり、ストライプ幅方向に磁化パターンか
らの磁界が印加される磁気エンコーダにおいて、前記磁
気抵抗効果素子ストライプ厚さｔ方向の前後をないしＰ
／２だけ離れた位置の一部又は全部に、検出対象とする
磁化パターン以外の磁気記録媒体による磁気をシールド
する磁気シールド効果をもつ材料を配置したことを特徴
とする。

この第２の発明において、一つのピッチ内の磁化の強さ
の分布を、正弦波状又は三角波状とすることができる。

また、第１及び第２の発明のいずれにおいても、前記の
磁気シールド効果をもつ材料に超電導材料を用い、その
マイスナー効果を利用して磁気シールドを行うようにす
ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の特徴及び作用を、各実施例に基づいて具
体的に説明する。

第１図は本願の第１の発明に対応するアブソリュート磁
気エンコーダの一実施例の斜視図、第２図はＭＲ素子部
の詳細を示す図、第３図は本実施例における出力電圧と
ビット長の関係を従来例と比較して示す図、第４図は本
実施例における出力電圧とシールド材の位置関係を示す
図である。

本実施例は、第１図に示すように、回転軸ｌに固定され
たドラム２とその側面に形成された磁気記録媒体３と、
基板４上に形成されたＭＲ素子５及び導体端子６よりな
る検出ヘッドと、導体端子６に接続されたリード線７及
び外部への出力端子を有する駆動検出回路８とよりなる
。磁気記録媒体３には第１図に矢印で示したように５木
の磁化パターン列ｎ１〜ｎｓが書込まれており、これら
の磁化パターンｎ　＋　−ｎ　ｓから漏れる磁界が対応
するＭＲ素子５に作用する。

このＭＲ素子は、第２図に示したようにストライプ状の
ＭＲ膜９及びシールド膜１０を有しており、両者の間に
は電気絶縁性の高いＳＩＯ□層ｌ、層設１られている。

本実施例においては、磁気記録媒体は、直径２０印、厚
さ８印のアルミ製ドラムの外周部にバリウムフェライト
膜を厚さ１００虜に塗布したドラムを制作し、種々のビ
ット長Ｐをもつ磁化パターンを着磁ヘッドで形成した。

磁化パターン１列の幅は３００−どした。また、ＭＲ素
子は、第２図に示すように、幅２０−１長さ２５０虜の
パターンを４回繰返して全長１．２ｍｍとしたＭＲ膜９
と、ＭＲ膜９の厚さ方向前後に１ｐの５１０２膜ｌ、を
挟んで、厚さｌＯｐの５０％Ｎｉ−Ｆｅ　シールド膜を
有する構成とした。このＭＲ素子と、前記ドラムとを組
合せて、出力電圧とビット長Ｐの関係を調べた。その結
果を第３図に示す。ただし、ＭＲ膜の厚さを５５０　人
とした。この第３図に示すように、本実施例では従来例
の限界であるビット長６−以下でも出力電圧は大きいこ
とが分かる。

次に、膜の位置の影響を調べた。ＭＲ膜とシールド膜の
距離はＳｌＯ□膜７で調整した。第４図にその結果を示
す。ＭＲ膜厚と同じ距離からビット長の３７４の間で従
来より大きい出力が得られた。これは、シールド膜がＭ
Ｒ膜に近ずぎるとＭＲ膜に入るべき磁束をもシールド膜
がシールドしてしまい、また、ＭＲ膜から離れ過ぎると
シールドの効果が無くなるためと考えられる。

第５図と第６図に変形例を示す。第５図は基板（例えば
軟質フェライ）１２）がシールド材でできている場合、
第６図は基板端面にシールド材を配置した例である。

なお、シールド材として超電導材料を用いることができ
ることは明らかである。すなわち、超電導材料には、マ
イスナー効果があるため、完全磁気シールドを図ること
が可能である。この場合、ＭＲ膜とシールド材との距離
がｔ〜３／４Ｐ内にあれば、前記の実施例と同じ効果が
得られる。

第７図は、本願の第２の発明に、対応する磁気エンコー
ダの一実施例の斜視図、第９図はＭＲ素子部の詳細を示
す図、第１２図は本実施例における出力電圧とピッチの
関係を従来例と比較して示す図、第１３図は出力電圧と
シールド材の位置関係を示す図である。

本実施例においては、回転軸１に固定されたアルミ合金
製ドラム２と、その外周部に形成されたＣＯ−γＦｅ、
Ｌ磁気記録媒体３と、ガラス基板４上に８１％Ｎｉ−Ｆ
ｅ膜で形成したＭＲ素子５及びＣｕ膜で形成した端子６
よりなる検出ヘッドと、この端子に接続されたリード線
７及び駆動検出回路８とよりなる。磁気記録媒体３に記
されている矢印は磁化の強さの程度を表し、第８図に示
したようなリンクへラド１３を用いてコイル１４に電流
を流し着磁を行った。磁化の強さは一つのピッチル内で
変化している。第９図にＭＲ素子５の詳細図を示す。

基板４上にシールド膜（５０％Ｎ１−Ｆｅ）１５．５Ｉ
０２膜１６、ＭＲ膜１７．５１０２膜１８、シールド膜
１９の順で構成されている。このような構成において出
力信号を調べた結果、第１０図及び第ｌ、図に示すよう
な三角波形と正弦波形をもつ信号が得られた。第１０図
はピッチ内の磁化の強さの分布が三角形状で、第ｌ、図
は正弦波状の場合である。

第１２図は本実施例におけるピッチｐに対する出力信号
を従来例と比較して示す図である。実施例の限界である
６虜以下でも出力電圧は大きいのでノイズに対して強く
高分解能化が可能であることがわかる。

次にピッチ６ＪＪ！ｎのドラムを使いＭＲ素子における
磁気シールド膜の位置の影響を調べた。ＭＲ膜（１′Ｊ
さ０．０５−）とシールド膜の距離は５１０２膜で調整
した。第１３図にその結果を示す。ＭＲ膜厚と同じ距離
からピッチの４の間で従来より大きい出力が得られた。

これはシールド膜がＭＲ膜に近すぎるとＭＲ膜に入るべ
き磁束をもシールド膜がシールドしてしまい、またＭＲ
膜から離れすぎるとシールド効果がなくなるためと考え
られる。

第１４．１５図に変形例を示す。第１４図はＦｅ基板が
シールド効果を果たしている例で第１５図は基板端面に
シールド材を配置した例である。この場合においても、
シールド材を超電導材料で構成することが可能である。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、ＭＲセンサ
に、隣接する磁極からの磁界を遮蔽するシールド材を設
けるようにしている。このため、検出しようとしている
ビットパターン以外のビットパターンからの磁界を有効
にシールドすることが可能となる。したがって、本発明
によるとき、出力信号が大きく、高分解能の磁気エンコ
ーダを提供することができる。また、シールド材として
超電導材料を用いることにより、そのマイスナー効果に
より、完全磁気シールドを行うことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に用いた磁気エンコーダの斜視図
、第２図はそのＭＲ累子の詳細図、第３゜４図は本発明
の効果を示す図、第５，６図は本発明の変形例、第７図
は本発明の実施例に用いた磁気エンコーダ、第８図は磁
気ドラムの着磁方法を示す図、第９図は本発明の実施に
使用したＭＲセンサの詳細図、第１ｏ、　ｔｔ図はその
出力例、第１２゜１３図は本発明の効果を示す図、第１
４．１５図は本発明の変形例、第１６図は従来例、第１
７図は磁化パターンを示す図、第１８図は従来の磁気エ
ンコーダ、第１９図は磁化パターン例を示す図である。 １：回転軸　　　　　　２ニドラム ３：磁気記録媒体　　　４：基板 ５：ＭＲ素子　　　　　６：導体端子 ７：リード線　　　　　８：駆動検出回路９：ＭＲ膜　
　　　　ｌＯ：シールド膜ｌ、　：　Ｓ＋０２層　　　
　　　１２：軟質フェライト１３：リングヘッド　　　
１４：コイル１５：シールド膜　　　　１６　：ＳｉＯ
，膜１７：ＭＲ膜　　　　　　１８：Ｓ＋０２膜１９：
シールド膜 特許出願人　　　　株式会社　安用電機製作所代　理　
人　　　　小　堀　　益（ばか２名）第旧図 第１９図 第１図 第２図 従 第３図 ビット長（／’ｍ） 第４図 Ｑ− 第７図 第　９　図 第１ｏ図 丁ｌ、図 時間 第１２図 ピッチＩ）　（／’ｍ） 第１３図 ピッチ（μｍ） 第１４図　　　第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、要求される位置読取精度に応じた磁化パターンの列
   を少なくとも２列有する基体と、この基体から漏洩する
   磁界を検出するために前記各磁化パターン列に配置され
   たストライプ状の磁気抵抗効果素子とを備え、前記各列
   の磁化パターンの検出信号の組合せにより前記基体の絶
   対位置を読出すアブソリュート磁気エンコーダであって
   、前記磁気抵抗効果素子のストライプ長さをｌ、前記基
   体と磁気抵抗効果素子の最近接距離をｇ、位置読取単位
   をｐとしたとき、前記磁気抵抗効果素子のストライプ長
   さ方向と前記最近接部での基体表面接線方向とのなす角
   度αをｔａｎ＾−＾１｛（ｌ＋ｇ）／ｐ｝度から９０度
   の範囲とし、ストライプ幅方向を前記磁化パターン列方
   向と平行とし、前記ストライプ幅方向に前記磁化パター
   ンからの磁界を印加するようにしたアブソリュート磁気
   エンコーダにおいて、 前記磁気抵抗効果素子ストライプ厚さを方向の前後をな
   いし３ｐ／４だけ離れた位置の一部または全部に、検出
   対象とする磁化パターン以外の磁気記録媒体による磁気
   をシールドする磁気シールド効果をもつ材料を配置した
   ことを特徴とするアブソリュート磁気エンコーダ。 ２、磁気シールド効果をもつ材料は超電導材料である特
   許請求の範囲第１項記載のアブソリュート磁気エンコー
   ダ。 ３、要求される位置読取精度に応じて周期的磁場を発生
   するようにピッチｐで少なくとも一つの磁化パターン列
   が書込まれた磁気記録媒体からの周期的磁場を磁気記録
   媒体に近接した少なくとも一つのストライプ状の磁気抵
   抗効果素子により出力変換する磁気エンコーダであって
   、前記磁気記録媒体の磁化の強さが一つのピッチｐ内で
   異なり、前記磁気抵抗効果素子ストライプ長さをｌ、磁
   気記録媒体と磁気抵抗効果素子の最近接距離をｇとした
   ときに、ストライプ長さ方向と前記最近接部での磁気記
   録媒体表面接線方向とのなす角αがｔａｎ＾−＾１｛２
   （ｌ＋ｇ）／ｐ｝度から９０度の範囲にあり、ストライ
   プ幅方向に磁化パターンからの磁界が印加される磁気エ
   ンコーダにおいて、 前記磁気抵抗効果素子ストライプ厚さｔ方向の前後ｔな
   いしＰ／２だけ離れた位置の一部又は全部に、検出対象
   とする磁化パターン以外の磁気記録媒体による磁気をシ
   ールドする磁気シールド効果をもつ材料を配置したこと
   を特徴とするアブソリュート磁気エンコーダ。 ４、一つのピッチ内の磁化の強さの分布が正弦波状であ
   る特許請求の範囲第３項記載のアブソリュート磁気エン
   コーダ。 ５、一つのピッチ内の磁化の強さの分布が三角波状であ
   る特許請求の範囲第３項記載のアブソリュート磁気エン
   コーダ。 ６、磁気シールド効果をもつ材料は超電導材料である特
   許請求の範囲第３項記載のアブソリュート磁気エンコー
   ダ。