JPS63235815A - 磁気エンコ−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、ＮＣ工作機等に用いられるサーボモータの回
転軸の回転角あるいは直線運動するりニアモータ応用機
器等の移動体の位置を、回転体あるいは移動体の表面に
形成された磁化パターンによる磁気抵抗効果素子の抵抗
変化から検出する磁気エンコーダに関する。

〔従来の技術〕

工作機等の回転数や回転角を正確に測定する方法の１つ
として磁気エンコーダがある。磁気エンコーダには起動
時の初期位置がわかるアブソリュート形とインクリメン
タル形の２つがある。

アブソリュート形磁気エンコーダとしては、たとえば特
開昭５７−１２３４９４号公報に見られるように、所要
精度に応じて複数個の磁気トラックを形成し、各トラッ
クを円周方向に２・（ｎは１以上の整数）のセグメント
に分割し、各セグメトを１つおきに着磁ゾーンと非着磁
ゾーンとした回転磁性円板と、回転磁性円板面から微小
距離離した同一基板面上にもれ磁束を検出するための複
数の磁気抵抗効果素子を円板の直径方向にならべて配置
した磁気センサとから構成されているものが知られてい
る。この場合、着磁ゾーンは長手（円周）方向に着磁長
さく着磁ピッチ）λで多極着磁されており、これと対向
させる磁気センサは１個の磁気トラックに対して２個で
１組をなす磁気抵抗効果素子パターンが形成され、２個
の磁気抵抗効果素子の間隔は着磁ピッチλのほぼ１／２
とされている。

また、インクリメンタル形磁気エンコーダでは、第９図
（１）に示すように、インクリメンタル信号用磁気トラ
ック２４および基準位置信号用磁気トラン゛り２３を有
する磁性媒体２２と、これに対向させた磁気抵抗効果素
子Ｒ＋　、Ｒ２、Ｒ−（Ｒ＋　。

Ｒ２はインクリメンタル信号検出用、Ｒ２は基準イＩ装
置信号検出用）を備えた磁気センサ２１によって」１し
準位置信号とインクリメンタル信号を読み取っている。

（発明が解決しようとする問題点〕 ところが、従来の例に見られる方式の磁気エンコーダで
は１９８６年発行の雑誌「自動化技術」１８ａｌｔＪ３
６頁で報告されているものを第８図（１）に示すように
磁気トラックＴ。−ＴＪと磁気抵抗効果素子−Ｒｏ、、
　Ｒｏ２．　・・・、　Ｒ３２を含む磁気センサの組み
合せとなり、着磁ゾーンの磁極部分と磁極の中間部分、
あるいは着磁ゾーンと非着磁ゾーンとの境界でもれ磁束
の強さが変化するために磁気抵抗効果素子Ｒ６，＃　Ｒ
３２ｉ個毎の抵抗変化ｅ０〜ｅ３には第８図（２）に示
すような非常に大きな脈動（図中ａの部分）を生じる。

また、磁性媒体と磁気センサのギャップが狭いと、着磁
ゾーンと非着磁ゾーンとの境界（図中ｂ）で出力変動を
生ずる。

第８図（３）に示すように、λ／２離れた１組の磁気抵
抗効果素子と固定抵抗Ｒとでブリッジを構成して出力を
得たとしても、第８図（４）に示すように出力波形には
脈動が残っていた。第８図（２）のｂのような出力の変
動は第９図（＋）のように構成したインクリメンタル形
磁気エンコーダの基準位置を決める信号出力にも第９図
（２）の信号Ｖ１）として現われていた。また、磁性媒
体と磁気センサ２１とのギャップが狭い場合には第９図
（２）の■４のようなインクリメンタル信号用磁気トラ
ック２４からのもれ磁束の干渉による出力変動を生じて
いる。このため、従来方式の磁気センサを使う磁気エン
コーダでは外部からの電磁気ノイズに弱いという問題点
があった。また、アブソリュート形磁気エンコーダのよ
うに１個の磁気トラックの信号を取り出すために２個の
磁気抵抗素子を使用することから、磁気センサのパター
ン配線が複雑になるという問題や出力変動防止のために
磁性媒体と磁気センサとのギャップを最適値に正確に保
持する必要があり、機械加工粒度や温度上昇などの要因
によるギャップ変動対策をとらねばならない問題があっ
た。

したがって、本発明の目的は、外来ノイズに対して強く
、磁気センサパターンの配線が簡単で、ギャップ調整が
容易な磁気エンコーダを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の磁気エンコーダは、着磁ゾーンと非着磁ゾーン
とを有し、該磁気ゾーンが少なくとも２個の磁極からな
る磁気トラックを移動体または回転体上に少なくとも１
個有する磁性媒体と、強磁＋１体磁気抵抗効果素子を備
えた磁気センサかうなる電気エンコーダにおいて、該磁
気センサが磁気抵抗効果素子パターンの片側または両側
に高透磁率磁性体を備えている。

〔作用〕

磁気トラックからのもれ磁束を検出する磁気抵抗効果素
子パターンの片側あるいは両側に高透磁率の磁性体膜か
らなるパターンを形成することにより、多極着磁された
着磁ゾーンからのもれ磁束の変動が下向化され、その結
果として出力波形の脈動が解消される。この場合、着磁
ゾーンの着磁ピッチをλとすると磁気抵抗効果素子パタ
ーンと高速６ＩＡ率磁性体パターンの幅を合計した長さ
がλ未満ではもれ磁束の変動が平均化される効果が少な
く出力波形の脈動を押える効果が小さくなる。

このため、これらのパターンの幅の合計はλ以上が適し
ている。

また、インクリメンタル形磁気エンコーダにおいては高
透磁率磁性体パターンと磁気抵抗効果素子パターンとの
間隔が５鱗より大きくなると高透磁率磁性体から磁気抵
抗効果素子の磁束が入りにくくなるため出力変動を抑え
る効果がなくなる。

このため、高透磁率磁性体パターンと磁気抵抗効果素子
パターンとの距離は５μ以下が適している。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図（１）は本発明のアブソリュート磁気エンコーダ
の一実施例で、モータの回転角度検出に使用した場合の
構成図である。

モータ２のシャフト１に同心円状の磁気トラックを４１
−４−る磁性円板５が取付けられ、一方磁気センサ３が
センサ支持台４によりモータ２に取付けられている。

第１図（２）は第１図（１）のアブソリュート形磁気エ
ンコーダにおける磁気トラック６と磁気センサ３の磁気
抵抗効果素子パターンＲ１〜Ｒ５との配置関係を示す図
である。各磁気トラック６に１１磁ゾーンからのもれ磁
界を検出する磁気抵抗効果素子−Ｒ１〜Ｒ５がそれぞれ
磁気トラック６を横切る方向に５０−程度の微小な間隔
を保って保持されている。この例は磁気トラック６が５
個、すなわち磁性円板５０１回転を２″＝３２分割した
粒度で回転角度を検出する場合を示しているが、さらに
高精度で回転角度を検出するには磁気トラックとそれに
対向させる磁気抵抗効果素子の数を増せば良い。

第２図は磁気センサ３のパターン例を示す図である。こ
こでは磁気トラック６の着磁ゾーンにおける着磁とッチ
ｐが約７０鱗の場合の磁気センサ３を示しており、磁気
トラック６からのもれ磁界を検出する磁気抵抗効果素子
のパターンＲ，−Ｒ５は、幅７０ｕ＋、厚さ５００人の
８２Ｎｉ−Ｆｃ膜からなっており、ガラス基板の七に蒸
着された後、フォトリソグラフィーによってパターンが
作られている。

高透磁率磁性体８は磁気抵抗効果素子パターンＲ，−Ｒ
，と同じ８２Ｎｉ　−Ｆｅ膜からなり、磁気抵抗効果膜
と同時に蒸着され４鱗のギャップｇを隔てて磁気抵抗効
果素子パターンＲ９〜Ｒ５の両側に幅３０−のパターン
で形成され、磁気抵抗効果素子パターンＲ１〜Ｒ６の幅
と高速Ｍ！Ｌ率磁性体パターン８の幅の合計長さは着磁
ゾーンの１個の着磁長さより長い。この場合のギャップ
ｇは磁気抵抗効果素子Ｒ３〜Ｒ５と高透磁率磁性体８の
パターンとの短絡を防止するために設けたものであり、
電気絶縁性高透磁率磁性体、たとえば磁性フェライト膜
等を使用する場合にはギャップは不要である。磁気抵抗
効果素子パターンＲ１〜Ｒ５にはＧｕ蒸着膜からなるリ
ード線パターン１１（図中、９は電源端子、１０は信号
線端ｆ）によって電源ラインと信号ラインが接続されて
いる。

第３図＜１）は磁気センサ３と磁気トラック６の対向関
係を示す図、第３図（２）は磁気抵抗効果素ｒ−パター
ン中にもれ磁束が入り込む様子を示−ｊ−図、第３図（
３）は磁気抵抗効果素子Ｒ８〜Ｒ＝、と固定抵抗Ｒの接
続図、第５図は出力ｅｌ　　”　Ｏｒｅ　２　　ｅ　Ｑ
　＋　””、’Ｂ　５　　ｅ　Ｏの波形図である。

磁気センサ３を第３図（１）に示すように磁気トラック
６と対向させると、第３図（２）に示すように磁気抵抗
効果素子パターンＲ，−Ｒ５中には両側の高透磁率磁性
体膜中に入り込んだもれ磁束がギャップｇを介して入り
込むため、もれ磁束の変動がＹ拘止され磁気抵抗効果素
子パターンＲ８〜Ｒ５を単独で使用した場合に比べて着
磁部分におけるもれ磁束の変動の影響を受けにくくなる
。同様な効果は磁気抵抗効果素子パターンＲ，−Ｒ５の
片側にのみ高透磁率磁性体膜パターンを形成した場合に
も認められる。また、磁極近傍での出力変動（第８図（
２）のｂ）は第１０図の磁気トラックと磁気センサの断
面図に示すように磁極近傍の非青磁部分Ｘ２の位置にお
けるもわ磁束の水平方向成分に磁気抵抗効果素子が感応
するために生ずるものである。本実施例のように磁気抵
抗効果素子パターンＲ１〜Ｒ５と高透磁率磁性体パター
ン８の幅との合計が着磁長さよりも艮くなるようにパタ
ーンを配置すると、第４図に示すように磁極近傍の非着
磁部分におけるもれ磁束は距離的に近い高透磁率磁性体
膜８を通りやすいため、磁気抵抗効果素子には磁束が入
らなくなる。このため！ｆｉ極近傍での出力変動はなく
なる。そこで、第３図（３）に示すように、磁気抵抗効
果素子Ｒ，−Ｒ５と固定抵抗Ｒを接続し、その接続点の
電位ｅ、〜ｅ５と基準電圧ｅ。どの差を取れば、第５図
に示ず出力ｅ１−ｅｏ、ｅ２−ｅｏ、ｅ３−ｅｏ。

ｅ　４　”−ｅ　Ｑ　＋　ｅ　５ｅ　Ｏが得られる。こ
れよりわかるように、本実施例のアブソリュート形磁気
エンコーダの出力には従来例で見られたような磁気トラ
ックの着磁ゾーン部分り。−ｈ４での出力の脈動が無い
。

本実施例は着磁トラックが同心固状に形成された磁＋’
１８円板を用いるタイプのエンコーダについてであるが
、他の構成例として第６図に示すように円筒状の磁性ド
ラム１２の側面に多極着磁された着磁ゾーンと非着磁ゾ
ーンを有する磁気トラック１３か形成されたタイプのエ
ンコーダに対しても本発明に係わる磁気センサ１４（セ
ンサ支持台１５によりモータ１６に取り付けられている
。）を組み合わせることにより出力の脈動を抑えること
ができることば面述の動作説明図から明らかである。ま
た、磁気トラックが直線状に形成されている場合も本発
明の磁気センサを用いることにより同様な効果が得られ
る。

第７図（１）は本発明のインクリメンタル形磁気エンコ
ーダの一実施例における磁気トラックと磁気センサの磁
気抵抗効果素子との配置関係を示す図である。磁性媒体
は円筒状磁性ドラムの側面に形成されており、磁性媒体
上のインクリメンタル信号用磁気トラック２０の着磁ピ
ッチλと基準位置イ１；号用磁気トラック１９の着磁長
さλは同じ１５０ｕＩである。磁性ドラムと磁気センサ
１７とのギャップは３０〜１００．に調整した。磁気セ
ンサ１７のパターンは基準位置信号検出用磁気抵抗効果
素子パターンＲ２と互いに（ｎ十％）λ（ｎ：０および
１以」二の整数）はど離れたインクリメンタル信号検出
用磁気抵抗効果素子パターンＲ，、Ｒ２から構成されて
いる。パターンＲ２およびＲ，、Ｒ２は厚さ６００人の
３２Ｎｉ−Ｆｃ　ＩＩＱからなっており、ガラス」、ｔ
−板上に蒸着された後フォトリソグラフィーによってパ
ターンが作られている。高透磁率磁性体１８は磁気抵抗
効果素子パターンＲ２と同じＢ２Ｎｉ−Ｆｅ膜からなり
、磁気抵抗効果膜と同時に蒸着され４ｕｌのギャップを
隔てて、磁気抵抗効果素子パターンＲ２の両側に幅７０
鱗のパターンが形成されている。パターンＲ２およびＲ
，、Ｒ２を第７図（２）に示すように接続し、基準電圧
ｅ。どの差を取って第７図（３）に示すような出力ｅ２
　　ｅｏ　＋　ｅ　ｉ−ｅ、を得た。なお、第７図（３
）は磁気ドラムと磁気センサ１７とのギャップが３０−
の場合を示している。これかられかるように基準位置信
号に関して従来例で見られた基準位置信号出力以外の部
分での脈動や基準位置信号出力の前後における出力変動
が認められない。また、磁性ドラムと磁気センサ１７と
のギャップを３０μからｔｏｏ　ｐまで変化させても、
ｌ、ｔ、準位前出力信号ｅ２−ｅＯにはギャップ３０ｕ
＋の場合と同じく脈動や変動が認められなかった。本実
施例ではインクリメンタル信号の着磁ピッチと基準位置
信号の着磁長さが同じである場合について述べているが
、基準位置の読み取り精度を１−げる［１的で基準位置
信号の着磁幅をインクリメンタル１３号の着磁ピッチよ
りも小さくした場合においても本発明により、基準位置
信号出力の脈動や出力変動を抑える効果が認められる。

また、インクリメンタル信号用磁気トラックと基準位置
信号用磁気トラックが直線状に形成されている場合につ
いても本発明により実施例と同様の効果が得られること
は以上の動作説明から明らかである。

なお、以上の実施例では高透磁率磁性体膜として、磁気
抵抗効果素子１１Ｑと同じ材料を使用した例について述
べているが、高透磁率磁性体として１’ｅ、　Ｇｏ、　
Ｎｉおよびその合金あるいはＧｏ−７，ｒ−Ｎｂ。

Ｇｏ−Ｚｒ−Ｍｏ、　Ｎｉ−Ｚｎフェライト、　Ｍｎ−
Ｚｎフェライト等の膜を磁気抵抗効果素子パターンの片
側あるいは両側に配置しても本実施例と同様な効果が得
られることは明らかである。

（発明の効果〕 以上説明したように本発明は、磁気センサに各磁気トラ
ックからのもれ磁束を検出する磁気抵抗効果素子パター
ンの片側あるいは両側に高透磁率磁性体を備えることに
より、回転角度や移動位置についての磁気センサからの
出力信号に脈動が無くなるので外来ノイズに対して強く
信頼性の高い角度検出器や位置検出器を製造でき、また
、磁気センサは着磁パターンを検出する磁気抵抗効果素
子パターンが１個で良いのでパターン配線が簡単となり
センサ製作の歩留りが向上し、さらに磁性媒体と磁気セ
ンサとのギャップが変動しても基準位置信号に脈動や変
動が生じないので、ギャップ調整が容易となり、生産性
も向上するという効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）は本発明のアブソリュート磁気エンコーダ
の一実施例で、モータの回転角度検出に使用した場合の
構成図、第１図（２）は第１図（＋）のアブソリュート
磁気エンコーダにおける磁気トラック６と磁気センサ３
の磁気抵抗効果素子Ｒ。 〜Ｒ９の配置関係を示す図、第２図は磁気センサ３のパ
ターン例を示す図、第３図（１）は磁気センサ３と磁気
トラック６の対向関係を示す図、第３１ツ１（２）は磁
気抵抗効果素子パターン中にもれ磁束が入り込む様子を
示す図、第３図（３）は磁気抵抗効果Ｒ，−Ｒ６と固定
抵抗Ｒの接続図、第４図は本発明の詳細な説明する図、
第５図は第３図における出力ｅｌ　−〇〇　＋　ｅ２　
”’−ｅ　Ｏ＋　””＋　ｅ５−ｅｏの波形図、第６図
は本発明のアブソリュート磁気エンコーダの他の実施例
の斜視図、第７図は本発明のインクリメンタル磁気エン
コーダの一実施例を示す図、第８図（１）は従来例にお
けるアブソリュート形磁気エンコーダの磁気トラックと
磁気センサの組み合せを示す図、第８図（２）は第８図
（１）における各磁気抵抗効果素子パターンＲＯ，，Ｒ
ｏ２．　・・・、　Ｒ３，に生じる抵抗変化を示す図、
第８図（３）は磁気抵抗効果素子パターンＲ８゜〜Ｒ３
，と固定抵抗Ｒの接続図、第８図（４）は第８図（３）
の接続における各出力ｅ。−ｅ４の波形図、第９図は従
来例におけるインクリメンタル形エンコーダの斜視図お
よび出力信号の例を示す図、第１Ｏ図は従来例における
出力変動の発生原理を示す図である。 １−−−−−−−−・・・・・・・シャフト、２．１６
・・・・・・・・・モータ、 ３．１７・・・・・・・・・磁気センサ、４．１５・・
・・・・・・・センサ支持台、５−−−−−−−−−・
・・・・・磁性円板、６、１９．２０・・・磁気トラッ
ク、 ７・・・・・・・・・・・・・・・リード線、８．１８
−・・・・・・・・高透磁率磁性体、９・・・・・・・
・・・・・・・・電源端子、１０・・・・・・・・・・
・・・・・信号線端子、１１・・・・・・・・・・・・
・・・リード線パターン、１２・・・・・・・・・・・
・・・・磁性ドラム、Ｒ０〜Ｒ５−・・磁気抵抗効果素
子パターン、ＴｏＮＴ４・・・トラック、 Ｒ−−−−−−−−−−−・・・・同定抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、着磁ゾーンと非着磁ゾーンとを有し、該磁気ゾーン
   が少なくとも２個の磁極からなる磁気トラックを移動体
   または回転体上に少なくとも１個有する磁性媒体と、強
   磁性体磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサからなる磁
   気エンコーダにおいて、 該磁気センサが磁気抵抗効果素子パターンの片側または
   両側に高透磁率磁性体を備えていることを特徴とする磁
   気エンコーダ。 ２、該磁気センサの磁気抵抗効果素子パターンの幅と高
   透磁率磁性体パターンの幅との合計長さが、着磁ゾーン
   における１個の着磁長さより大きい特許請求の範囲第１
   項記載の磁気エンコーダ。 ３、該磁気トラックが所要精度に応じて設けられ、絶対
   位置を測定できる特許請求の範囲第１項記載の磁気エン
   コーダ。 ４、該磁気トラックの１つが１回転または１ストローク
   中に１個所基準位置信号を発生させる２個の磁極からな
   る着磁部を備えている特許請求の範囲第１項記載の磁気
   エンコーダ。 ５、該磁気抵抗効果素子のパターンと該高透磁率磁性体
   との間隔が５μｍ以下である特許請求の範囲第４項記載
   の磁気エンコーダ。