JPH0461387A - 磁気センサと磁気ロータリエンコーダ - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は従来の倍の出力電圧が得られると共に回転方向
による中点電圧の変動が無い、ロータリエンコーダのＺ
相検出に用いて好適な磁気センサに関する。

（ロ）従来の技術 磁気ロータリエンコーダは、第５図に示す如く歯車等の
磁性体材料から成る回転体（１）に磁気センサ（２）を
近接配置し、回転体（１）が発生する磁界の変化を磁気
センサ（２）が電気信号に変換することにより、回転体
（１）の回転速度と角度、および位置の割り出しを行う
ものであり、各種情報機器やＮＣ工作機械等に広く応用
されている。

前記磁気センサ（２）は、ＩｎＳｂ　、　Ｉｎ−Ｎ１５
ｈ、またはＩｎＡｓ等の磁気抵抗効果を有する半導体薄
膜から成り、ロータリエンコーダ用の磁気センサ（２）
としては、回転体（１）の回転速度と回転方向を検出す
るための第１の磁気センサ（３）と、回転体（１）の回
転数をカウントする第２の磁気センサ（４）とを組み合
わせた２チツプ構成のものが用いられる。

前記第１の磁気センサ（３）は、回転体（１）のうち全
周に一定間隔λで歯と谷が設けられた部分に近接配置さ
れ、前記歯と谷の周期λに対応して互いに位相が９０度
ずれた信号Ａ相、Ｂ相を出力するように構成されている
（第６図）、また、前記第２の磁気センサ（４）は、回
転体（１）のうち全周に１箇所だけ凹凸が設けられた部
分に近接配置され、回転体（１）が１回転する毎に１回
の信号、２相を出力するように構成されている（第６図
）、そして、前記Ａ、Ｂ、および２相の信号をコンパレ
ータ等で波形整形することにより矩形波出力信男を得、
これらの信号から前述した如く回転体（１）の回転速度
や位置を割り出すようになっている。

ところで、磁気センサ（２）の出力電圧は大きい方がノ
イズ等に強い、そのため、Ａ相とＢ層相の第１の磁気セ
ンサ（３）は差動型で構成され、第６図に示す如く信号
Ａ、Ｂと同時に逆相の信号Ａ。

Ｂを得、これらの差をとることにより倍の出力電圧を得
ている。従って、第１の磁気センサク３）のチップ表面
には第７図に示す如く総計８個の磁気抵抗素子（５）が
設けられ、これらを配線で接続することにより差動接続
を行っている。また、Ａ相、Ｂ相が検出する歯車は一定
ビツチλで連続するので、磁気抵抗素子（５）は位置関
係さえ合致すればどの凹凸を検出しても良く、従って８
個の磁気抵抗素子（５）は全て横一列に並べていた。尚
、１個の磁気抵抗素子（５）は矩形パターンを有するの
では無く、折れ曲った蛇行パターンを有する６一方、２
相に関しては従来は差動型にすること無く、片側のみの
出力で構成していたので、総計２個の磁気抵抗素子（５
）を有していた（第７図）。

しかしながら、装置の高精度化に伴って２相の出力電圧
も大きくしたいというユーザ要求が高まった。そこで本
願発明者は、２相検出にも差動接続を用いることとして
第８図に示すパターンを提案した。

即ち、磁気抵抗素子ＲＡ、ＲＢの中点から２相出力を、
磁気抵抗素子ＲＣ、Ｒゎの中点から２相出力を得、２相
のＶｃｃ側の磁気抵抗素子ＲＡと２相のＧＮＤ側の磁気
抵抗素子Ｒゎを一直線状に配したものである。磁気抵抗
素子ＲＡとＲｎを一直線にするのは、２相用の凹凸が１
個しかないという制約があるからで、断点はＡ相、Ｂ相
のように凹凸が連続してどこの凹凸を検出しても良いの
とは事情が異る。

上記構成によれば、磁気抵抗素子（５）が差動接続され
るので、第９図に示すように互いに逆相の２相と２相出
力が得られこれらの差をとることによって倍の大きさの
出力電圧が得られる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、第８図の構成では回転体（１）の回転方
向の違い（ｃｗ、ｃｃｗ）によって出力波形が異るとい
う不具合が発生した。即ぢ、回転方向ＣＷで第９図の出
力波形が得られたとすると、反対方向ＣＣＷでは第１０
図に示すように波形が歪み、振幅の大きな波と小さな波
とが組み合わさった波形になってしまうのである。この
原因については今だ明確な解答が得られていないが、恐
らくはＶ　ｃｃとＧＮＤのどちらかに接続された磁気抵
抗素子（５）が先に磁界の変化を受けるかによって中点
電位が変動するためと考えられる。即ち、第８図のパタ
ーンは回転方向ＣＣＷの時に、Ｚ層側はＧＮＤに接続さ
れたＲＢが先に磁界変化を受けるのに対して２相側はＶ
　ＣＣに接続されたＲｏが先というように、組み合わせ
が反対になるのである。

このように第８図の構成は回転方向によって出力波形が
異るので、波形整形等の手段が煩雑になる欠点を有する
。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は上記従来の欠点に鑑み成されたもので、直列接
続した磁気抵抗素子ＲＡ、Ｒ３の中点から２相出力を、
同じく直列接続した磁気抵抗素子ＲＣ、Ｒｒ、の中点か
らＺ相出力を得るようにこれらを差動接続すると共に、 接地電位ＧＮＤに接続される磁気抵抗素子ＲＡと、電源
電位ＶＣｅに接続される磁気抵抗素子Ｒｆ。

とを−直線状に並べ、 ［源電位Ｖ。に接続される磁気抵抗素子ＲＢを前記磁気
抵抗素子ＲＡと平行となるように一方の側へ配置し、 且つ接地電位ＧＮＤに接続される磁気抵抗素子ＲＣを前
記磁気抵抗素子ＲＡが配置された側とは反対の側へ配置
することにより、回転方向による出力波形の変化が無い
磁気センサとこれを用いた磁気ロークリエンコーダを提
供するものである。

（＊）作用 本発明によれば、磁気抵抗素子ＲＢとＲＣが互いに反対
側へ配置されるので、先に磁界変化を受ける磁気抵抗素
子（１７）に印加される電圧がＺ相直列回路、２相直列
回路共に同じ組み合わせとなり、且つ回転方向が逆にな
ってもこの関係は変らない。従って、回転方向による中
点電圧の変動が無く一定した出力波形が得られる。

（へ）実施例 以下に本発明の一実施例を図面を参照しながら詳細に説
明する。

第１図は本発明による磁気センサを示す斜視図である。

この磁気センサは、直列接続された磁気抵抗素子ＲＡ、
Ｒｉと、同じく直列接続された磁気抵抗素子ＲＢ＋ＲＤ
とから成り、前記磁気抵抗素子ＲＡ、ＲＢの接続中点か
ら出力信号２を、前記磁気抵抗素子ＲＣ、ＲＤの接続中
点から出力信号２を取り出し、夫々の直列回路の両端に
電源電位Ｖ　ｃｃと接地電位ＧＮＤを印加したものであ
る。

４個の磁気抵抗素子ＲＡ”’　ＲＤの配置は、先ずＺ層
側の接地電位ＧＮＤに接続される磁気抵抗素子ＲＡに対
し、２相側の反対の電位つまりｔ源電位Ｖｃｃに接続さ
れる磁気抵抗素子ＲＤを一直線状に並べ、次いで２相側
のもう一方の磁気抵抗素子ＲＢを磁気抵抗素子ＲＡとは
検出すべき回転体（１１）の溝（１２）の幅λと同じ距
離だけ離れた位置に磁気抵抗素子ＲＡと平行となるよう
に配置し、さらにＺ層側のもう一方の磁気抵抗素子ＲＣ
を前記磁気抵抗素子ＲＢが配置された側とは反対の側に
前記入だけ離して磁気抵抗素子ＲＤと平行に配設する。

このようにＺ層側とＺ層側とで反対の電位が印加され乙
磁気抵抗素子を一直線に並べることにＪす、回転体（１
１）が発生ずる単発（連続していないということ）の磁
界変化を検知し、且つ２相側の出力電圧が最大のときに
２側の出力電圧を最小に」ることができる。但し、磁気
抵抗素子ＲＢとＲＢを互いに反対側・＼配置したことに
よって、位相は１８０゛ずれる。尚、Ｌ配接地電位ＧＮ
Ｄと電源電位■。との関係を反転しても差支えない。

このように接続した磁気センサの出力波形を第２図Ａに
示す、第１図において回転体〈１１）がＣＣＷ方向に回
転し、溝（１２）が磁気センサに接近したと４−る。溝
（１２）は先ず磁気抵抗素子ＲＣに達して磁界変化をゲ
え、磁気抵抗素子ＲＣの抵抗値を変化させる。対をなす
磁気抵抗素子Ｒゎはまだ溝〈１２）に達していないので
、中点電圧２は減少する。

回転体（１１）の移動が進むと、磁気抵抗素子ＲＢが溝
（１２）からはずれ、替って磁気抵抗素子ＲＡとＲＤが
溝（１２）に達する。磁気抵抗素子ＲＩ、はＶ　ＣＣ側
に接続された素子なので、中点電圧Ｚは今度は増大し、
逆に中点電圧２は減少する。そして、磁気抵抗素子ＲＡ
とＲＤが溝（１２）からはずれ、最後の磁気抵抗素Ｔ−
ＲＴ１が溝（１２）に達すると、中点電圧２は中点出力
で安定し、中点電圧２は増大する。このようにして位相
が１８０°ずれた出力信号Ｚ、Ｚが得られる。

前記出力信号２．＝２の差信号を第２図Ｂに示す、２相
と２相とが互いに逆相になった時、つまり磁気抵抗素子
ＲＡとＲＢが共に％１（１２）と対向した時に倍の出力
電圧が得られるようになっている。

そして、前記差信号をコンパレータ等で波形整形するこ
とにより、第２図Ｃに示す矩形波出力信号を得る。

−１：記本願の磁気センサの配置は、磁気抵抗素子Ｒお
とＲＣを互いに反対の側へ配置し、たことによって、磁
界変化が必ず同じ側の磁気抵抗素子に先に加わるように
なっている。即ち、回転方向ＣＣＷの時にＺ層側ではＧ
ＮＤ側に接続された磁気抵抗素子ＲＡが、Ｚ層側でも同
じ＜ＧＮＤ側に接続された磁気抵抗素子ＲＣが先に磁界
変化を受ける。

この関係は反対の回転方向ＣＷにおいても固定電位の関
係が異るだけで変りがなく、今度はＶＣＣ側に接続され
た磁気抵抗素子ＲＢとＲＢが先に変化を受けるという関
係になる。従って、回転方向ＣＷとＣＣＷとで出力波形
が歪むことが無く、安定した出力波形が得られる。

第３図にロータリエンコーダの概略図を示した。回転体
（１１）は鉄等の磁性体材料から成り、全周に一定ビッ
グで連続する歯と谷が設けられた歯車の如き第１の回転
体（１３）と、第１の回転体（１３）に同一軸↓−に設
けられて一体化し、全周に１箇所だり溝（１２）を設け
た第２の回転体〈１４）とから成り、これに近接して磁
気センサ（１５）が固定される。磁気センサ（１５）内
には第１の回転体（１３〉と対向する位置に第１の磁気
センサが、第２の回転体〈１４〉と対向す−る位置に第
２の磁気センサが同一平面となるように収納され、それ
らの後方には両者に磁気バイアスを与える永久磁石が配
置されて全体が一体化モールドされている。

前記第１と第２の磁気センサは、フェライト等の磁性体
基板上にＩｎ−５ｂ等の薄膜パターンがエポキシ系接着
剤にて接着されて成り、前記第１と第２の磁気センサは
２デツプ構成を採る。第４図に示す如く第１の磁気セン
サ＜１６）は、総計８個の磁気抵抗素子（１７）が配置
され、第１の回転体（１３）の歯車と同じピッチだけ離
れた磁気抵抗素子（１７）の中点からＡ相出力を、Ａ相
と位相が９０＠ずれるようにしてＢ相を、Ａ相およびＢ
相の逆相出力Ａ相、Ｂ相が得られるように夫々の磁気抵
抗素子（１７）を接続し、全て並列配置した。このよう
に配置できるのは、第１の回転体（１３〉が一定ピツチ
で連続する凹凸を有し、位置関係さえ合致していればど
の歯を検知してもかまわないからである。

方、第２の磁気センサ（１８）にはみ無抵抗素子（１７
）が第１図の如きパターンで配置される。尚、磁気抵抗
素子（１７）は矩形形状で示しであるが実際には一定線
幅の半導体薄膜が一定間隔で多数回折り曲げられて延在
するパターンを有する。

（ト）発明の効果 以−トに説明した通り、本発明によれば位相が１８０″
ずれた信号Ｚ相、２相の差信号をとることによって従来
の倍の出力振幅が得られる利点を有する。また、磁気抵
抗素子ＲＢとＲｏを反対側にずらして配置したことによ
って、磁界変化が■ｃｃ（Ｉ！ＩとＧＮＤ側のどちらに
先に印加されるかという関係が２相と２相とで同一であ
るので、正方向ＣＷ、反対方向ＣＣＷで出力波形が同し
磁気セン９−を提供できる。

従って斯る磁気センサを一体化することにより、Ａ、Ｂ
、Ｚ相全てにおいて大きな出力振幅を出力できる磁気セ
ンザク１５）を提供でき、ロータリエンコーダとして組
立てることにより、出力信号の波形整形回路を簡単な回
路で構成できるという利点をも有Ｖる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁気センサを示す斜視図、第２図Ａ乃
至第２図Ｃはその出力波形を示す波形図、第３図は本発
明のロークリエンコーダを示す側面図、第４図は本発明
の磁気センサを示す平面図、第５図はロータリュン′−
１−ダを示す側面図、第６図はその出力波形を示す波形
図、第７図は従来の磁気センサを示す平面図、第８図は
思案された磁気センナを示凄平面図、第９図は回転方向
ＣＷ時の出力波形を示す波形図、第１０図は回転方向Ｃ
ＣＷｌ１５の出力波形を示す波形図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）直列接続されて対をなし、その中点から一方の出
   力信号を取り出す磁気抵抗素子Ｒ＿Ａ、Ｒ＿Ｂと、 同じく直列接続されて対をなし、その中点から他方の出
   力信号を取り出す磁気抵抗素子Ｒ＿Ｃ、Ｒ＿Ｄを具備す
   る磁気センサにおいて、 固定電位の一方に接続される磁気抵抗素子Ｒ＿Ａと、前
   記固定電位の他方に接続される磁気抵抗素子Ｒ＿Ｄとを
   実質的に一直線状に配置し、 前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｂを前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ａと実
   質的に平行に且つ一方の側へ配置し、 前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｃを前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｄと実
   質的に平行に且つ前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｂが配置された
   側とは反対の側に配置したことを特徴とする磁気センサ
   。
2. （２）前記磁気抵抗素子はＩｎＳｂ、Ｉｎ−ＮｉＳｂ、
   またはＩｎＡｓであることを特徴とする請求項第１項に
   記載の磁気センサ。
3. （３）前記他方の信号は一方の信号に対して位相が１８
   ０゜ずれていることを特徴とする請求項第１項に記載の
   磁気センサ。
4. （４）角速度検出用の第１の磁気センサと回転数検出用
   の第２の磁気センサを一体化した磁気センサにおいて、 前記第２の磁気センサは、直列接続されて対をなし、そ
   の中点から一方の出力信号を取り出す磁気抵抗素子Ｒ＿
   Ａ、Ｒ＿Ｂと、 同じく直列接続されて対をなし、その中点から他方の出
   力信号を取り出す磁気抵抗素子Ｒ＿Ｃ、Ｒ＿Ｄを備え、 固定電位の一方に接続される磁気抵抗素子Ｒ＿Ａと、前
   記固定電位の他方に接続される磁気抵抗素子Ｒ＿Ｄとを
   実質的に一直線状に配置し、 前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｂを前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ａと実
   質的に平行に且つ一方の側へ配置し、 前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｃを前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｄと実
   質的に平行に且つ前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｂが配置された
   側とは反対の側に配置したパターンを有することを特徴
   とする磁気センサ。
5. （５）その周囲に角速度検出用と回転数検出用の磁界変
   化を発生させる手段を備えた回転体と、前記回転体の角
   速度検出用の磁界変化によって抵抗値が変化する複数の
   磁気抵抗素子から成る第１の磁気センサと、 前記回転体の回転数検出用の磁界変化によって抵抗値が
   変化する複数の磁気抵抗素子から成る第２の磁気センサ
   とを具備する磁気ロータリエンコーダにおいて、 前記第２の磁気センサは、直列接続されて対をなし、そ
   の中点から一方の出力信号を取り出す磁気抵抗素子Ｒ＿
   Ａ、Ｒ＿Ｂと、 同じく直列接続されて対をなし、その中点から他方の出
   力信号を取り出す磁気抵抗素子Ｒ＿Ｃ、Ｒ＿Ｄを備え、 固定電位の一方に接続される磁気抵抗素子Ｒ＿Ａと、前
   記固定電位の他方に接続される磁気抵抗素子Ｒ＿Ｄとを
   実質的に一直線状に配置し、 前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｂを前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ａと実
   質的に平行に且つ一方の側へ配置し、 前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｃを前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｄと実
   質的に平行に且つ前記磁気抵抗素子Ｒ＿Ｂが配置された
   側とは反対の側に配置したパターンを有することを特徴
   とする磁気ロータリエンコーダ。
6. （６）前記磁界変化の発生手段は歯車の歯と谷によるも
   のであることを特徴とする請求項第３項に記載の磁気ロ
   ータリエンコーダ。