WO2007086548A1 - 磁気エンコーダ - Google Patents
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- G01D5/2451—Incremental encoders
Definitions
- the present invention relates to a noncontact magnetic encoder, and more particularly to a magnetic encoder using a magnetoresistive effect element.
- the conventional magnetic encoder is composed of a disk-shaped magnetic body provided rotatably with the rotation axis, and a pair of Hall elements arranged in the vicinity of the outer peripheral surface of the magnetic body.
- a magnetic code formed by alternately magnetizing an N pole and an S pole is formed, and the pair of Hall elements detect a magnetic field generated from the magnetic code.
- the A-phase pulse signal is output from one Hall element, and the B-phase pulse signal having a phase difference of 90 degrees with respect to the A-phase pulse signal is output from the other Hall element. And can detect the number of revolutions (eg, Patent Document 1).
- Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-243399
- the output voltage V of the Hall element has a Hall coefficient R, and the thickness of the Hall element d,
- the Hall coefficient R and the thickness d are determined by the selected Hall element.
- the currents I and Z or the magnetic flux density B are set large. There is a need to.
- the method of increasing the current I increases the power consumption of the magnetic encoder.
- the method of increasing the magnetic flux density B it is necessary to use a car for increasing the magnet forming the external magnetic field or a rare earth magnet having a large maximum energy product (for example, a neodymium magnet). There is a problem that the size will increase and the cost will rise in the latter.
- the present invention is intended to solve the above-described conventional problems, and to provide a magnetic encoder which is hard to malfunction due to external noise by obtaining a large output voltage (amplitude amount) even if it is small. It is an object.
- a rotating body rotatably supported, and a magnetic body in which a plurality of magnetic poles consisting of an N pole and an S pole are alternately magnetized on the outer peripheral side surface of the rotating body along the rotational direction.
- a magnetic encoder comprising: a plurality of magnetoresistance effect elements arranged in the vicinity of the magnetic body and facing each other along the rotational direction,
- Each magnetoresistance effect element has at least a pinned layer and a free layer whose internal magnetic direction changes based on an external magnetic field emitted by the magnetic substance, and the magnetization direction of the pinned layer is in the above rotational direction.
- the initial magnetization direction of the free layer is set to a direction parallel to the outer peripheral side surface and perpendicular to the rotation direction,
- the magnetic pole pitch between the N pole and the S pole adjacent to each other in the rotational direction and the arrangement pitch between the magnetoresistance effect elements are set to the same pitch.
- the magnetization direction of the free layer in the magnetoresistance effect element can be rotated approximately 180 degrees, so that the total resistance value is all between the minimum value and the maximum value. You can make a big change to the area.
- the magnetoresistive effect element is an antiferromagnetic layer which pins the magnetic layer direction of the pinned layer in a predetermined direction, and an initial magnetism of the free layer. It is preferable to have a hard bias layer that provides a bias magnetic field set in a direction that is a reference direction to the light direction.
- the resistance value of the magnetoresistance effect element can be prevented from becoming unstable when the magnetic field is zero, and can be set to a fixed value. Therefore, an appropriate detection signal can be always output, and the operation of the magnetic encoder can be stabilized. Further, assuming that the pitch between the magnetic poles is ⁇ , the first to fourth magnetoresistive elements comprising the first to fourth array elements arranged at the ⁇ pitch, and the first and fourth magnetoresistive elements.
- a first connection portion connecting two magnetoresistance effect elements in series, a second connection portion connecting the second and third two magnetoresistance effect elements in series, and the first magnetoresistance A power source for applying a predetermined voltage between one end of the effect element and the second magnetoresistive element and one end of the third magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element; It is preferable that a detection unit including a first detection voltage output from the connection unit and a second detection voltage output from the second connection unit is provided.
- the above means it is possible to fully change the resistance division ratio of the bridge circuit configured by using four magnetoresistance effect elements in the range between the minimum division ratio and the maximum division ratio. Therefore, the amplitude amounts of the first detection voltage VI and the second detection voltage V2 output from the first connection portion T1 and the second connection portion 2 can be maximized (full swing).
- a second detection unit formed of fifth to eighth magnetoresistance effect elements, and the fifth to eighth forces are provided between the first to fourth individual magnetoresistance effect elements. It is preferable that the individual magnetoresistive effect elements are arranged one by one, and the distance between adjacent magnetoresistive effect elements is set to ⁇ / 2 pitch.
- the magnetic effect element can be operated between the substantially maximum resistance value and the substantially minimum resistance value.
- the amplitude of the detection signal can be fully swung between the minimum and maximum, and a magnetic encoder can be provided that is strong against external noise.
- FIG. 1 is a plan view showing a magnetic encoder according to an embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the magnetic encoder shown in FIG. 1
- FIG. 3 conceptually shows the basic structure of the magnetoresistive element.
- FIG. 4 is a partially enlarged plan view of a magnetic cord formed on the outer peripheral side surface of a magnetic body
- FIG. 5 is a plan view showing a sensor substrate on which a magnetoresistive effect element is formed.
- the arrangement of circular magnetic cords is shown as being converted into an equivalent linear arrangement in order to facilitate separation.
- the magnetic encoder 10 shown in FIG. 1 and FIG. 2 is a device that detects, for example, a rotation angle, a rotation direction, or a rotation speed, and mainly rotates the magnetic body 11 and the magnetic body 11 rotatably supporting it.
- a sensor substrate 20 comprising a body 12 and a magnetoresistive element is provided.
- the magnetic body 11 has a substantially ring shape, and the inner surface thereof is fixed to the outer peripheral side surface 12 b of the rotating body 12 formed in a disk shape.
- ⁇ the pitch between the magnetic poles which is the distance between the adjacent N pole and S pole will be described as ⁇ (see FIG. 4 etc.).
- the magnetic body 11 and the rotating body 12 are disposed in a circular recess 9 provided in the housing 9.
- a central hole 9a is formed at the center of the housing 9, and a rotation shaft 12a formed at the center of the rotating body 12 is penetrated.
- the magnetic body 11 is rotatably supported in the recess 9A in the rotation direction ml or the rotation direction ra2 with the rotation shaft 12a of the rotation body 12 as an axial center.
- the casing 9 is formed with a defect portion 9b in which a part of the recess 9A is notched in the outer peripheral direction, and the sensor substrate 20 is formed of the magnetic body 11 in the defect portion 9b. It is fixed so as to face the outer peripheral side surface 11A.
- the sensor substrate 20 is provided with a plurality of magnetoresistance effect elements A (shown individually as Al, A2, A3 and A4).
- the basic structure of the magnetoresistance effect element A includes an antiferromagnetic layer (exchange bias layer) 21 provided in the lowermost layer, and a pin layer (fixed layer) when laminated on top of it. 22) a nonmagnetic layer 23 laminated on top of it, a free layer 24 laminated on the top, node bias layers 25a and 25b provided on both sides of each layer, and the hard bias layer 25 It has the terminal parts 26 and 26 provided in the upper part of a and 25b.
- the antiferromagnetic layer 21 has a magnetization direction a of the pinned layer 22 in a predetermined direction (rotation in FIG. 3). Fix the pin in direction (ml).
- the hard bias layers 25a and 25b are formed of, for example, permanent magnets, and in FIG. 3, the initial magnetization direction
- the initial magnetization direction ⁇ 0 of the free layer 24 means the magnetization direction ⁇ of the entire free layer 24 in the state where the external magnetic field is zero (zero magnetic field).
- the magnetic field direction ⁇ of the free layer 24 is a combination of an external magnetic field acting on the free layer 24 (in the present application, a magnetic field generated by a magnetic cord provided on the magnetic body 11) and the bias magnetic field ⁇ .
- Change according to the composition of The total resistance value of the magnetoresistance effect element ⁇ ⁇ shown in this embodiment is the case where the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 is oriented in the rotation direction m 1 that coincides with the magnetization direction oc of the pin layer 22 ( Of the free layer 24 is directed to the rotation direction ra2 in which the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 is opposite to the magnetization direction ⁇ of the pinned layer 22 (180 °). Relationship (different relationships)).
- the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 is in the first direction (
- the total resistance value of the magnetoresistance effect element becomes an intermediate value when it is directed in the ⁇ 2 direction) or the second direction (Z1 direction).
- the total resistance of the magnetoresistance effect element A is Z
- the fixed resistance is R
- the change width of the variable resistance is ⁇
- first to fourth four magnetoresistance effect elements Al, A2, A3 and A4 are arranged along the rotation direction (ml or ra2). Provided
- the magnetization direction ⁇ of each pin layer 22 of the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, A2, A3 and A4 in this embodiment is the rotation direction (ml in FIG. 5).
- the initial magnetization direction ⁇ 0 of each free layer 24 is a first direction (Z 2 direction) perpendicular to the rotation direction (ml-ra 2). Therefore, the first to fourth magnetoresistance effects in the state of zero magnetic field are
- the total resistance Z of the fruit elements Al, A2, A3 and A4 is set to the intermediate value Zmid.
- the magnetization direction ⁇ of each pinned layer 22 may be the rotation direction ra2, and the initial magnetization direction ⁇ 0 of each free layer 24 may be 180 ° opposite to the first direction. (Z1 direction).
- the arrangement pitch which is an interval in the rotational direction of the magnetoresistive effect elements A1, ⁇ 2, A3, ⁇ 4, is set to the same pitch as the pitch between the magnetic poles.
- FIG. 6 is a circuit configuration diagram showing a detection unit of the magnetic encoder.
- the detection unit 30 of the magnetic encoder comprises the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, .crclbar.2, A3, .crclbar.4 and the magnetoresistance effect element A1 positioned at both ends in the rotational direction.
- the resistance effect element A4 is connected in series via the first connection portion T1
- the remaining magnetoresistance effect element A2 and the magnetoresistance effect element A3 are connected in series via the second connection portion T2. ing.
- first magnetoresistance effect element A1 and one end of the second magnetoresistance effect element A2 are connected to the power supply 31 of the voltage Vcc, and one end of the fourth magnetoresistance effect element A4
- One end of the third magnetoresistance effect element A3 is grounded to GND. That is, the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, A2, A3 and A4 form a bridge circuit, and the first magnetoresistance effect element A1 and the fourth magnetoresistance effect connected in series are provided.
- the second magnetoresistance effect element A2 and the third magnetoresistance effect element A3 connected in series are connected to the element A4, respectively. Then, in the detection unit 30, the first detection voltage VI and the second detection voltage V2 are output from the first connection portion T1 and the second connection portion T2.
- binary digit portions 32A and 32B are provided respectively.
- the binary signal units 32A and 32B compare the first detection voltage VI and the second detection voltage V2 and convert them into an A-phase signal Sa and a B-phase signal Sb as pulse signal power.
- FIG. 7A to 7E are plan views showing the relationship between the magnetic cord and the magnetoresistance effect element as an example of the operating state of the magnetic encoder
- FIG. 7A shows the initial state of the magnetic encoder.
- ST1 and 7B are rotated from the initial state ST1 in the initial state ST1 by ⁇ 2 pitch in the rotation direction ml as ST2
- FIG. 7C is rotated from ST2 to ST3 as ST3 and rotated in the rotation direction ml by ⁇ 2 pitch.
- the state in which the rotational direction ml is further rotated by ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 pitch from ST3 and the state in which the rotational direction ml is rotated by ⁇ ⁇ ⁇ 2 pitch by ST4 force through ST5 are shown in FIG. 7E.
- FIG. 8A is a graph showing the relationship between the first detection voltage VI and the A-phase signal Sa
- FIG. 8B is a graph showing the relationship between the second detection voltage V2 and the B-phase signal Sb.
- ST means step. 8A and 8B show the case where the magnetic material is rotated by an angle corresponding to N ⁇ S ⁇ N (or S ⁇ N ⁇ S) and a 2 ⁇ pitch.
- the rotary shaft 12a When the rotary shaft 12a is rotated in the rotation direction ml or ra2 direction, the rotary body 12 having the magnetic body 11 is rotated. At this time, since the sensor substrate 20 is disposed to be opposed to the side of the outer peripheral side surface 11A of the magnetic body 11, the plurality of N poles and S poles forming the magnetic cord rotate in front of the sensor substrate 20. Pass by.
- representative magnetic lines of force are respectively mla, mlb, m2a, Let m2b and m3a.
- mla from N1 pole to magnetic force line toward SI pole mlb from N1 pole to magnetic field line toward S2 pole
- m2a from N2 pole to magnetic field line from S2 pole m2b be the heading line of magnetic force.
- the magnetic force line mla and the magnetic force line m 2 a both turn in the same rotational direction r al and the magnetic force lines mlb and m2 b are the same.
- the magnetic force lines mla and the magnetic force lines mlb are opposite to each other, and the magnetic force lines m2a and m2b are also opposite to each other. That is, magnetic lines of force which are alternately reversely generated are generated between the magnetic poles of the N pole and the S pole which are adjacent to each other in the rotational direction at a position lateral to the outer peripheral surface 11 A of the magnetic body 11.
- the first and fourth magnetoresistance effect elements Al, A2, A3 and A4 are interlinked in order, such as the magnetic lines of force mla, mlb, m2a and m2b generated on the circumferential side.
- the magnetization direction a of the pinned layer 22 of each magnetoresistive effect element is set to the rotation direction ml.
- the magnetic line of force mla is linked to the first magnetoresistance effect element A1, and the magnetic field line mlb is linked to the second magnetoresistance effect element A2,
- the magnetic line of force m2a is linked to the third magnetoresistance effect element A3, and the magnetic line of force m2b is linked to the fourth magnetoresistance effect element A4.
- an external magnetic field in the rotational direction m 1 is applied to the first magnetoresistance effect element A1 and the third magnetoresistance effect element A3, and the second magnetoresistance effect element A2 and the fourth magnetoresistance are provided.
- An external magnetic field in the rotational direction m2 acts on the effect element A4.
- the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 in the first magnetoresistance effect element A1 and the third magnetoresistance effect element A3 is oriented in the rotational direction ml
- the magnetic direction ⁇ of the free layer 24 in the second magnetoresistive element A2 and the fourth magnetoresistive element A4 is oriented in the rotational direction ra2.
- the magnetization directions ⁇ of the free layers 24 of the first magnetoresistance effect element A1 and the third magnetoresistance effect element A3 are the same as the magnetization directions oc of the respective pin layers 22 (0 degrees Of the first magnetoresistance effect element A1 and the third magnetoresistance effect element A3 are set to the minimum value Zmin.
- the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 of the second magnetoresistance effect element A2 and the fourth magnetoresistance effect element A4 is opposite to the magnetization direction oc of each pinned layer 22 ( Since the relationship is set to 180 degrees, the total resistance value ⁇ of the second magnetoresistance effect element A3 and the fourth magnetoresistance effect element ⁇ 4 is set to the maximum value Zmax.
- ST 2 shown in FIG. 7B shows a state in which the magnetic body 11 is rotated in the rotational direction ml by a pitch ⁇ 2 which corresponds to a half of the pitch between magnetic poles (arrangement pitch).
- the first magnetoresistance effect element A1 has only a component in the vertical direction, so that the parallel component applied to A1 is substantially zero (zero magnetic field).
- the parallel component of the external magnetic field acting on the second and fourth magnetoresistance effect elements ⁇ 2, A3 and ⁇ 4 is substantially zero (zero magnetic field) It becomes.
- the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 of the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, A2, A3 and A4 is the initial magnetization direction ⁇ 0, ie, the magnetization direction ex of the pinned layer 22. Since the first direction ( ⁇ 2 direction) to be perpendicular is maintained, all the resistance values of the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, ⁇ 2, A3, ⁇ 4 are all set to the intermediate value Zmid.
- ST3 shown in FIG. 7C shows a state in which the magnetic body 11 is further rotated by a pitch ⁇ 2 (total inter-pole pitch ⁇ ) in the rotational direction ml.
- the magnetic flux line mlb is linked to the first magnetoresistance effect element A1, and the magnetic flux line m2a is linked to the second magnetoresistance effect element A2, so that the third magnetoresistance effect element is produced.
- the magnetic line of force m2b interlinks with the child A3, and the magnetic line of force m3a interlinks with the fourth magnetoresistance effect element A4. Therefore, an external magnetic field in the rotational direction m2 acts on the first and third magnetoresistance effect elements A1 and A3, and an external magnetic field in the rotational direction ml is applied to the second and fourth magnetoresistance effect elements A2 and A4.
- a magnetic field acts.
- the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 of the first and third magnetoresistance effect elements Al and A 3 is opposite to the magnetization direction a of the pinned layer 22.
- the total resistance value of the first and third magnetoresistance effect elements A1 and A3 is set to the maximum value Zmax.
- the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 of the second and fourth magnetoresistance effect elements A 2 and A 4 is the same as the magnetization direction oc of the pinned layer 22.
- the total resistance value of the fourth magnetoresistance effect element ⁇ 2 and ⁇ 4 is set to the minimum value Zmin.
- ST4 shown in FIG. 7D further shows a state in which the magnetic body 11 is rotated by a pitch ⁇ 2 (total inter-pole pitch 3 ⁇ / 2) in the rotational direction ml.
- ST4 is in substantially the same state as ST2 above.
- the magnetization direction ⁇ of the free layer 24 of the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, ⁇ 2, A3, ⁇ 4 is the initial magnetization direction ⁇ 0, ie, the magnetization of the pinned layer 22 Since the first direction ( ⁇ 2 direction) perpendicular to the direction oc is maintained, all the resistance values of the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, ⁇ 2, A3, ⁇ 4 are all set to the intermediate value Zmid. It is set.
- ST5 shown in FIG. 7E shows a state in which the magnetic body 11 is further rotated by a pitch ⁇ 2 (total inter-pole pitch 2 ⁇ ) in the rotation direction ml.
- ST 5 is substantially in the same state as ST 1 above. That is, the magnetic line of force m2a in the rotational direction ml is linked to the first magnetoresistance effect element A1, and the magnetic line of force m2b in the rotational direction ra2 links to the second magnetoresistance effect element A2, and the third The magnetic lines of force m3a in the rotational direction ra2 interlink with the magnetoresistive element A3, and the magnetic lines of force m3b in the rotational direction ra2 interlink with the fourth magnetoresistive element A4.
- the total resistance value Z of the first magnetoresistance effect element A1 and the third magnetoresistance effect element A3 is set to the minimum value Zmin as in the case of the ST1, and the second magnetoresistance effect element A3 and the third magnetoresistance effect element A3
- the total resistance value Z of the magnetoresistive element A4 of 4 is set to the maximum value Zmax.
- each of the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, ⁇ 2, A3 and ⁇ 4 is produced.
- the resistance value and the first and second detection voltages VI and V2 output from the detection unit 30 of the magnetic encoder change as shown in Table 1 below.
- the first and second detection voltages VI and V2 are as shown in FIGS. 8A and 8B.
- the magnetic body 11 is rotated by a rotation angle (electrical angle 360 degrees) corresponding to twice the pitch ⁇ between the magnetic poles. To Thus, it is possible to output the first and second detection voltages VI and V2 for one cycle.
- the first and second detection voltages are obtained.
- One cycle of VI and V2 can be obtained.
- the first to fourth magnetoresistances In the operations of ST1 to ST5 in which the magnetic body 11 rotates by a pitch 2 ⁇ (electrical angle 360 degrees), the first to fourth magnetoresistances The magnetization direction 13 of the free layer 24 of the effect element Al, ⁇ 2, A3, ⁇ 4 rotates 360 degrees. Then, during this time, the total resistance value ⁇ of the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, ⁇ 2, A3, ⁇ 4 changes in the range of the minimum value Zmin and the maximum value Zmax (see Table 1).
- the resistance voltage division ratio of the bridge circuit constituting the detection unit 30 is in the range between the minimum voltage division ratio (ZminZ (Zmin + Zmax)) and the maximum voltage division ratio (ZmaxZ (Zmin + Zmax)).
- ZminZ Zmin + Zmax
- ZmaxZ Zmin + Zmax
- the first detection voltage at the predetermined threshold voltage Vth (VccZ2 in FIGS. 8A and 8B) even when receiving small external noise in the binary input section 32A, 32B.
- VI and the second detection voltage V2 can be digitized into an A-phase signal and a B-phase signal. Therefore, it is possible to make a magnetic encoder resistant to external noise.
- the A-phase signal Sa and the B-phase signal Sb are 90, assuming that the pitch ⁇ between the magnetic poles between the adjacent N pole and S pole is 180 degrees.
- One is a pulse signal different in phase from one another, depending on whether the rotation direction of the magnetic body 11 is the rotation direction ml or the rotation direction ra2. That is, for example, when the rotation direction of the magnetic body 11 is the rotation direction r al, the A-phase signal Sa is the lead signal, and when the rotation direction is the rotation direction ra2, the B-phase signal Sb is the lead signal. It is output. Therefore, it is possible to detect the rotation direction of the magnetic body 11, that is, the rotation direction given to the rotation shaft 12a, from the A-phase signal Sa and the B-phase signal Sb.
- FIG. 9 is a plan view similar to FIG. 7A conceptually showing a magnetic encoder in the case of outputting four types of signals.
- the four types of signals are the A-phase signal Sa and the B-phase signal Sb, and the phase is 90 degrees with respect to the A-phase signal Sa (when the pitch 2 ⁇ between the magnetic poles is 360 electrical degrees)
- the phase bar signal Sa ⁇ which differs by only 180 degrees
- the phase phase bar which differs from the phase B signal by 90 degrees (180 degrees when the magnetic pole pitch 2 ⁇ is 360 degrees). It is the signal Sb-.
- the fourth to fourth magnetoresistance effect elements Al, A2, A3, A4 that output A-phase signals, and the fifth to eighth magnetic elements that output B-phase signals are provided on one sensor substrate 20 in a line along the rotational direction.
- the fifth magnetoresistance effect element B1 is provided between the first magnetoresistance effect element A1 and the second magnetoresistance effect element A2, and the sixth magnetoresistance effect element B2 is the second magnetoresistance effect element.
- the seventh magnetoresistance effect element B3 is provided between the third magnetoresistance effect element A2 and the third magnetoresistance effect element A3, and the seventh magnetoresistance effect element A3 and the fourth magnetoresistance effect element are provided.
- the eighth magnetoresistance effect is provided between A4, and the fourth magnetoresistance effect element A4 is positioned between the seventh magnetoresistance effect element B3 and the eighth magnetoresistance effect element B4. Element B4 is provided.
- the first to fourth magnetoresistance effect elements Al, A2, A3, A4 for the A phase signal, and the fifth to eighth magnetoresistance effect elements Bl, B2, B3, B4 for the B phase signal As described above, the arrangement pitch between magnetoresistive elements of the same type is set to the same as above. However, between the first magnetoresistance effect element A1 and the fifth magnetoresistance effect element B1, between the fifth magnetoresistance effect element B1 and the second magnetoresistance effect element A2, etc. In addition, the arrangement pitch between different types of magnetoresistive elements adjacent in the rotational direction is set to ⁇ 2.
- the plurality of magnetoresistance effect elements disposed on the sensor substrate 20 have the same structure (magnetic direction oc of the same pinned layer 22 and the same bias). It is possible to use a magnetoresistance effect element having a configuration having the magnetization direction ⁇ of the magnetic field.
- the sensor substrate 20 can be formed by cutting out as a set together. For this reason, in the magnetic encoder 10 of the present invention, it is necessary to fix the sensor substrate 20 after performing alignment work or the like for matching the magnetization directions of the individual magnetoresistive effect elements cut out separately. ! Therefore, the assembly process can be facilitated.
- the magnetization direction a of the pinned layer 22 of each magnetoresistance effect element and the direction of the bias magnetic field ⁇ are both parallel to the outer peripheral side surface 11 A and the rotation direction (ml ⁇ m 2). Is set to the first direction (Z2 direction) perpendicular to the direction.
- the present invention is not limited to this, but the second direction (Z1 direction) opposite to the first direction is not limited thereto. ) May be.
- the magnetic direction a of the pinned layer 22 and the direction of the bias magnetic field ⁇ are the same as described when the direction is the same.
- the magnetization direction ⁇ of the pinned layer 22 and the direction of the bias magnetic field ⁇ are opposite to each other. It is set to be the direction.
- FIG. 1 A plan view showing a magnetic encoder as an embodiment of the present invention
- FIG. 2 A sectional view of the magnetic encoder shown in FIG.
- FIG. 3 A laminated sectional view conceptually showing the basic structure of the magnetoresistance effect element
- FIG. 4 A partially enlarged plan view of the magnetic cord formed on the outer peripheral side of the magnetic body
- FIG. 5 A plan view showing a sensor substrate on which a magnetoresistive element is formed
- FIG. 6 A circuit configuration diagram showing a detection unit of a magnetic encoder
- FIG. 7B Initial state ST1 showing a state where it is rotated in the rotation direction ml by ⁇ / 2 pitch from ST1
- FIG. 7C ST3 showing a state where the rotation direction is ml from the ST2 by ⁇ 2 pitch
- FIG. 7D showing the state of rotating in the rotational direction ml by ⁇ 2 pitch from ST3
- ST5 showing the state of rotating in the rotational direction ral of ⁇ 2 by 2 pitch from [FIG. 7E] ST4;
- FIG. 8A A graph showing the relationship between the first detection voltage VI and the A-phase signal Sa,
- FIG. 8B A graph showing the relationship between the second detection voltage V2 and the B-phase signal Sb
- FIG. 9 A plan view similar to Fig. 7A schematically showing a magnetic encoder when outputting four types of signals.
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Abstract
【課題】 大きな出力電圧(振幅量)を得ることで、外部ノイズに強く誤動作しにくくした磁気エンコーダを提供する。
【解決手段】
個々の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4は、少なくともピン層と磁性体11が発する外部磁界に基づいて内部の磁化方向が変化するフリー層とを有し、前記ピン層の磁化方向αが外周側面11Aに平行で且つ前記回転方向ra1-ra2に対し垂直となる第1の方向(Z2方向)又は前記第1の方向に対して逆向きとなる第2の方向(Z1方向)に設定され、且つ前記フリー層の初期磁化方向βが前記第1の方向(Z2方向)又は前記第2の方向(Z1方向)に設定されており、前記回転方向に隣り合うN極とS極間のピッチをλとしたときに、各磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4間をλ/2ピッチに設定した。
Description
明 細 書
磁気エンコーダ
技術分野
[0001] 本発明は、無接点型の磁気エンコーダに係わり、特に磁気抵抗効果素子を用いた 磁気エンコーダに関する。 背景技術
[0002] 従来の磁気エンコーダは、回転軸とともに回転可能に設けられた円盤状の磁性体 と、前記磁性体の外周面の近傍に配置された一対のホール素子とから構成される。 前記磁性体の外周側面 11Aには、 N極と S極とに交互に着磁してなる磁気コードが 形成されており、前記一対のホール素子は前記磁気コードから発生される磁場を検 出してパルス信号を外部に出力する。一方のホール素子からは A相パルス信号が出 力され、他方のホール素子からは前記 A相パルス信号に対し 90度位相が異なる B相 パルス信号が出力されることにより、前記回転軸の回転方向や回転数を検出できるよ うになって!/、る(例えば、特許文献 1)。
特許文献 1:特開平 9 - 243399号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] しかし、特許文献 1に記載されるようなホール素子を用いた磁気エンコーダでは、前 記ホール素子の出力電圧 (振幅量)が 10mV程度と小さぐ小さな外部ノイズの混入 でも誤動作が発生してしまうという問題があった。
[0004] ところで、ホール素子の出力電圧 Vは、ホール係数を R 、ホール素子の厚さを d、
H
電流を I、外部からの磁界密度を Bとすると、 V=R 'I'BZdで規定されることが知ら
H
れているが、前記ホール係数 R及び厚さ dは選択したホール素子によりあら力じめ決
H
定されてしまう固定的な要素である。このため、実際の磁気エンコーダの検出回路に ぉ 、て、外部ノイズに強く安定した動作を確保するために前記出力電圧 Vを大きくす るには、前記電流 Iおよび Zまたは前記磁束密度 Bを大きくする必要がある。しかし、 前記電流 Iを大きくする方法では磁気エンコーダとしての消費電力が大きくなる。また
前記磁束密度 Bを大きくする方法では、外部磁界を形成するマグネットを大きくする カゝ、または最大エネルギー積の大きな希土類磁石 (例えば、ネオジム磁石)を採用す る必要があるところ、前者では磁気エンコーダが大型化してしまい、後者においては コストが高騰するという問題がある。
[0005] 本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、小型であっても大きな出力 電圧 (振幅量)を得ることで、外部ノイズに強く誤動作しにくくした磁気エンコーダを提 供することを目的としている。
課題を解決するための手段
[0006] 本発明は、回転自在に支持された回転体と、前記回転体の外周側面に回転方向 に沿って N極と S極とからなる複数の磁極が交互に着磁された磁性体と、前記磁性体 の近傍に前記回転方向に沿って対向配置された複数の磁気抵抗効果素子と、を備 えた磁気エンコーダであって、
個々の磁気抵抗効果素子は、少なくともピン層と前記磁性体が発する外部磁界に 基づいて内部の磁ィ匕方向が変化するフリー層とを有し、前記ピン層の磁化方向が前 記回転方向に設定され、且つ前記フリー層の初期磁化方向が前記外周側面に平行 で且つ前記回転方向に対し垂直となる方向に設定されており、
前記回転方向に隣り合う N極と S極間との磁極間ピッチと各磁気抵抗効果素子間の 配列ピッチとが同ピッチに設定されていることを特徴とするものである。
[0007] 本発明では、磁性体を回転させると、磁気抵抗効果素子内のフリー層の磁化方向 を略 180度回転させることができるため、その全抵抗値を最小値と最大値の間の全 域にぉ 、て大きく変化させることができる。
[0008] 上記において、前記磁気抵抗効果素子が、前記ピン層とフリー層に加え、前記ピン 層の磁ィヒ方向を所定の方向にピン止めする反強磁性層と、前記フリー層の初期磁ィ匕 方向を基準となる方向に設定するバイアス磁界を与えるハードバイアス層と、を有す ることが好ましい。
[0009] 上記構成では零磁界のときに、磁気抵抗効果素子の抵抗値が不定となることを防 止し、一定の値に設定することができる。このため、常に適正な検出信号を出力する ことができるようになり、磁気エンコーダの動作を安定させることができる。
[0010] また前記磁極間ピッチを λとしたときに、前記配列ピッチが λで配置された第 1な!ヽ し第 4からなる 4ケの磁気抵抗効果素子と、前記第 1と第 4の 2ケの磁気抵抗効果素子 を直列接続する第 1の接続部と、前記第 2と第 3の 2ケの磁気抵抗効果素子を直列接 続する第 2の接続部と、前記第 1の磁気抵抗効果素子と第 2の磁気抵抗効果素子と の一端と、前記第 3の磁気抵抗効果素子と第 4の磁気抵抗効果素子との一端との間 に所定の電圧を印加する電源と、前記第 1の接続部から出力される第 1の検出電圧 と前記第 2の接続部力 出力される第 2の検出電圧と、を有してなる検出部が設けら れていることが好ましい。
[0011] 上記手段では、 4ケの磁気抵抗効果素子を用いて構成されるブリッジ回路の抵抗分 圧比を、最小の分圧比と最大の分圧比の範囲でフルに変化させることが可能となる。 このため、第 1の接続部 T1第 2の接続部 Τ2から出力される第 1の検出電圧 VIと第 2 の検出電圧 V2の振幅量を最大 (フルスイング)とすることができる。
[0012] また前記配列ピッチが λで並ぶ前記第 1な!、し第 4からなる磁気抵抗効果素子より 形成される第 1の検出部に対し、前記第 1ないし第 4に対応する配列ピッチ λで並ぶ 第 5ないし第 8の磁気抵抗効果素子より形成される第 2の検出部が設けられ、 前記第 1ないし第 4からなる個々の磁気抵抗効果素子の間に、前記第 5ないし第 8 力 なる個々の磁気抵抗効果素子がそれぞれ一ケづっ配置されており、且つ隣り合 う磁気抵抗効果素子間の間隔が λ Ζ2ピッチに設定されていることが好ましい。
[0013] 上記手段では、振幅量が大きく且つ位相の異なる Α相信号、 B相信号、 A相バー信 号および B相バー信号力 なる 4種類の信号を生成することができる。
発明の効果
[0014] 本発明の磁気エンコーダでは、磁気効果効果素子を略最大の抵抗値と略最小の 抵抗値の間で動作させることができる。このため、検出信号の振幅を最小と最大との 間でフルスイングさせることが可能となり、外部ノイズに強 、磁気エンコーダを提供す ることがでさる。
発明を実施するための最良の形態
[0015] 図 1は本発明の実施の形態としての磁気エンコーダを示す平面図、図 2は図 1に示 す磁気エンコーダの断面図、図 3は磁気抵抗効果素子の基本構造を概念的に示す
積層断面図、図 4は磁性体の外周側面に形成された磁気コードの部分拡大平面図、 図 5は磁気抵抗効果素子が形成されたセンサ基板を示す平面図である。なお、図 4 では分力り易くするために円状の磁気コードの配列を等価的な直線状の配列に変換 したものとして示している。
[0016] 図 1及び図 2に示す磁気エンコーダ 10は、例えば回転角度、回転方向あるいは回 転速度などを検出する装置であり、主として磁性体 11と、前記磁性体 11を回転自在 に支持する回転体 12と、磁気抵抗効果素子からなるセンサ基板 20が設けられてい る。
[0017] 前記磁性体 11は略リング状をしており、その内面が円板状に形成された回転体 12 の外周側面 12bに固定されている。前記磁性体 11の外周側面 11A側には、 N極と S 極とからなる複数の磁極が交互に着磁された磁気コードが形成されている。なお、以 下においては前記磁気コードを直線状に変換して示した場合に、隣り合う N極と S極 との間隔である磁極間ピッチを λとして説明する(図 4等参照)。
[0018] 前記磁性体 11と回転体 12は、筐体 9に設けられた円形状の凹部 9Α内に配置され ている。前記筐体 9の中心には中心孔 9aが形成されており、前記回転体 12の中心 に形成された回転軸 12aが揷通されている。前記磁性体 11は,前記回転体 12の回 転軸 12aを軸中心として前記凹部 9A内で回転方向 ml又は回転方向 ra2に回転自 在に支持されている。
[0019] 前記筐体 9には、前記凹部 9Aの一部を外周方向に切り欠いた欠損部 9bが形成さ れており、前記センサ基板 20はこの欠損部 9b内に、前記磁性体 11の外周側面 11A と対向するように固定されている。前記センサ基板 20には複数の磁気抵抗効果素子 A (個別に Al, A2, A3, A4として示す)が設けられている。
[0020] 図 3に示すように、前記磁気抵抗効果素子 Aの基本構造は、最下層に設けられた 反強磁性層(交換バイアス層) 21と、その上部に積層されたとピン層(固定層) 22と、 さらにその上部に積層された非磁性層 23と、最上部に積層されたフリー層 24と、前 記各層の両側に設けられたノヽードバイアス層 25a, 25bと、前記ハードバイアス層 25 a、 25bの上部に設けられた端子部 26, 26を有している。
[0021] 前記反強磁性層 21は、前記ピン層 22の磁化方向 aを所定の方向(図 3では回転
方向 ml)にピン止め固定する。また前記ハードバイアス層 25a, 25bは、例えば永久 磁石で形成されており、図 3では前記フリー層 24の初期磁化方向 |8 0を、前記所定 の方向(回転方向 ml)に対し垂直となる所定の基準方向(図 3では第 1の方向(Z2 方向))に向けるバイアス磁界 γを与える。このため、前記磁気抵抗効果素子 Αに対 し外部磁界が作用していない場合には、前記フリー層 24の磁ィ匕方向 βは前記バイ ァス磁界 γと同じ方向(図 3では前記第 1の方向(Ζ2方向))に揃えられている。なお 、前記フリー層 24の初期磁ィ匕方向 β 0とは、外部磁界が零の状態 (零磁界)における 前記フリー層 24全体の磁化方向 βを意味する。
[0022] 前記フリー層 24の磁ィ匕方向 βは、前記フリー層 24に作用する外部磁界 (本願では 磁性体 11に設けられた磁気コードが発生する磁界)と前記バイアス磁界 γとのべタト ル合成に応じて変化する。この実施の形態に示す磁気抵抗効果素子 Αの全抵抗値 は、フリー層 24の磁ィ匕方向 βが前記ピン層 22の磁ィ匕方向 ocと一致する回転方向 m 1に向けられた場合 (0度の関係)に最小値となり、これとは逆に前記フリー層 24の磁 化方向 βがピン層 22の磁ィ匕方向 αと互いに逆向きとなる回転方向 ra2に向けられた 場合(180度異なる関係)に最大値となる。またフリー層 24の磁ィ匕方向 βと前記ピン 層 22の磁ィ匕方向 aとの間の角度が垂直(90度)になるとき、すなわちフリー層 24の 磁化方向 βが第 1の方向(Ζ2方向)又は第 2の方向(Z1方向)に向くときに、前記磁 気抵抗効果素子 Αの全抵抗値は中間値となる。
[0023] なお、前記磁気抵抗効果素子 Aの全抵抗値を Z、固定抵抗分を R、可変抵抗分の 変化幅を Δ ι:とすると、前記全抵抗値 Ζの最小値は Zmin=R、最大値は Zmax=R+ Δ Γ,中間値 Zmidは Zmid= (Zmin+Zmax) /2=R+ A rZ2と表すことができる。
[0024] 図 5に示すように、前記センサ基板 20には、第 1ないし第 4からなる 4ケの磁気抵抗 効果素子 Al , A2, A3, A4が前記回転方向(ml又は ra2)に沿って設けられている
[0025] この実施の形態における前記第 1ないし第 4の磁気抵抗効果素子 Al , A2, A3, A 4の各ピン層 22の磁ィ匕方向 αは回転方向(図 5では ml)であるのに対し、各フリー層 24の初期磁化方向 β 0は前記回転方向(ml— ra2)に対し垂直となる第 1の方向(Z 2方向)である。このため、零磁界の状態における前記第 1ないし第 4の磁気抵抗効
果素子 Al, A2, A3, A4の全抵抗値 Zは、前記中間値 Zmidに設定されている。 なお、各ピン層 22の磁ィ匕方向 αは回転方向 ra2であってもよぐまた各フリー層 24 の初期磁化方向 β 0は、前記第 1の方向とは 180度逆向きとなる第 2の方向(Z1方向 )であってもよい。そして、この実施の形態においては、前記磁気抵抗効果素子 A1, Α2, A3, Α4の回転方向の間隔である配列ピッチは、前記磁極間ピッチえと同ピッ チに設定されている。
[0026] 図 6は磁気エンコーダの検出部を示す回路構成図である。
図 6に示すように、磁気エンコーダの検出部 30は前記第 1ないし第 4の磁気抵抗効 果素子 Al, Α2, A3, Α4は、回転方向の両端に位置する磁気抵抗効果素子 A 1と 磁気抵抗効果素子 A4とが第 1の接続部 T1を介して直列に接続され、残りの磁気抵 抗効果素子 A2と磁気抵抗効果素子 A3とが第 2の接続部 T2を介して直列に接続さ れている。
[0027] 前記第 1の磁気抵抗効果素子 A1の一端と前記第 2の磁気抵抗効果素子 A2の一 端とが電圧 Vccの電源 31に接続され、前記第 4の磁気抵抗効果素子 A4の一端と前 記第 3の磁気抵抗効果素子 A3の一端とが GNDに接地されている。すなわち、前記 第 1ないし第 4の磁気抵抗効果素子 Al, A2, A3, A4はブリッジ回路を形成しており 、直列接続された前記第 1の磁気抵抗効果素子 A1と前記第 4の磁気抵抗効果素子 A4との間、および直列接続された前記第 2の磁気抵抗効果素子 A2と前記第 3の磁 気抵抗効果素子 A3との間がそれぞれ結線されている。そして、この検出部 30では、 前記第 1の接続部 T1と前記第 2の接続部 T2から第 1の検出電圧 VIと第 2の検出電 圧 V2が出力されるようになって 、る。
[0028] 前記第 1の接続部 T1と前記第 2の接続部 T2の後段には二値ィ匕部 32A, 32Bがそ れぞれ設けられている。前記二値ィ匕部 32A, 32Bは、前記第 1の検出電圧 VI及び 第 2の検出電圧 V2を比較処理し、パルス信号力 なる A相信号 Saおよび B相信号 S bに変換する。
[0029] 以下、本発明の磁気エンコーダの動作について説明する。
図 7Aないし図 7Eは、磁気エンコーダの動作状態の一例として磁気コードと磁気抵 抗効果素子との関係を示す平面図であり、図 7Aは磁気エンコーダの初期状態を示
す ST1、図 7Bは ST2として初期状態 ST1から λ Ζ2ピッチだけ回転方向 mlに回転 した状態、図 7Cは ST3として ST2からさらに λ Ζ2ピッチだけ回転方向 mlに回転し た状態、図 7Dは ST4として ST3からさらに λ Ζ2ピッチだけ回転方向 mlに回転した 状態、図 7Eは ST5とおして ST4力 さらに λ Ζ2ピッチだけ回転方向 mlに回転した 状態を示している。なお、 STとはステップ (STEP)を意味している。また図 8Aは第 1 の検出電圧 VIと A相信号 Saとの関係を示すグラフ、図 8Bは第 2の検出電圧 V2と B 相信号 Sbとの関係を示すグラフである。なお、 STとはステップ(STEP)を意味してい る。また図 8A及び図 8Bは磁性体を N→S→N (または S→N→S)と 2 λピッチに相当 する角度だけ回転させた場合を示して 、る。
[0030] 前記回転軸 12aを回転方向 ml又は ra2方向に回転させると、磁性体 11を有する 回転体 12が回転させられる。このとき、磁性体 11の外周側面 11Aの側方に前記セン サ基板 20が対向配置されているため、磁気コードを形成する複数の N極と S極が前 記センサ基板 20の前方を回転方向に通過する。
[0031] 磁性体 11の外周側面 11Aでは、図 4に示すように隣接する N極と S極との間には、 N極から S極に向力う複数の磁力線 mがそれぞれ多数発生しており、磁力線 mの一 部は前記外周側面 11 Aの側方に達して 、る。
[0032] ここで、図 7Aに示すように、回転方向に隣り合う N極と S極の磁極間に発生する複 数の磁力線 mのうち、それぞれ代表的な磁力線をそれぞれ mla、 mlb、 m2a、 m2b および m3aとする。すなわち、 N1極からは SI極に向力 磁力線を mla、 N1極から は S2極に向力う磁力線を mlb、 N2極からは S2極に向力う磁力線を m2a、 N2極か らは S3極に向カゝぅ磁力線を m2bとする。この場合、磁性体 11の外周側面 11 Aの側 方の位置では、前記磁力線 mlaと磁力線 m2aとは、ともに同一方向となる回転方向 r alを向き、前記磁力線 mlbと磁力線 m2bとは、ともに同一方向となる回転方向 ra2を 向く磁力線となるが、前記磁力線 mlaと磁力線 mlbとは互いに逆向きであり、また前 記磁力線 m2aと磁力線 m2bも互いに逆向きである。すなわち、磁性体 11の外周側 面 11 Aの側方の位置で、且つ回転方向に隣り合う N極と S極の磁極間には、交互に 逆向きとなる磁力線が発生して 、る。
[0033] 図 7Aないし図 7Dに示すように、磁性体 11を回転させると、前記磁性体 11から外
周側方に発生している各磁力線 mla、 mlb、 m2aおよび m2bなど力 前記第 1ない し第 4の磁気抵抗効果素子 Al , A2, A3, A4を順に鎖交する。
[0034] なお、図 7Aないし図 7Dにおいては、個々の磁気抵抗効果素子の前記ピン層 22の 磁化方向 aは前記回転方向 mlに設定されている。
[0035] 図 7Aに初期状態として示す ST1では、前記第 1の磁気抵抗効果素子 A1に前記 磁力線 mlaが鎖交し、前記第 2の磁気抵抗効果素子 A2に前記磁力線 mlbが鎖交 し、前記第 3の磁気抵抗効果素子 A3に前記磁力線 m2aが鎖交し、前記第 4の磁気 抵抗効果素子 A4に前記磁力線 m2bが鎖交している。このとき、前記第 1の磁気抵抗 効果素子 A 1と前記第 3の磁気抵抗効果素子 A3には回転方向 m 1の外部磁場が、 前記第 2の磁気抵抗効果素子 A2と前記第 4の磁気抵抗効果素子 A4には回転方向 m2の外部磁場がそれぞれ作用する。
[0036] このため、図 7Aに示すように、前記第 1の磁気抵抗効果素子 A1と前記第 3の磁気 抵抗効果素子 A3内の前記フリー層 24の磁化方向 βは回転方向 mlに向けられ、前 記第 2の磁気抵抗効果素子 A2と前記第 4の磁気抵抗効果素子 A4内の前記フリー 層 24の磁ィ匕方向 βは回転方向 ra2に向けられる。このとき、前記第 1の磁気抵抗効 果素子 A1と前記第 3の磁気抵抗効果素子 A3の前記フリー層 24の磁化方向 βは各 ピン層 22の磁ィ匕方向 ocと同一方向(0度の関係)に設定されるため、第 1の磁気抵抗 効果素子 A1と前記第 3の磁気抵抗効果素子 A3の全抵抗値 Ζは最小値 Zminに設定 されている。
[0037] また前記第 2の磁気抵抗効果素子 A2と前記第 4の磁気抵抗効果素子 A4の前記フ リー層 24の磁化方向 βは、各ピン層 22の磁ィ匕方向 ocに対し反対方向(180度の関 係)に設定されるため、第 2の磁気抵抗効果素子 A3と前記第 4の磁気抵抗効果素子 Α4の全抵抗値 Ζは最大値 Zmaxに設定されて 、る。
[0038] 図 7Bに示す ST2は、磁性体 11が回転方向 mlに磁極間ピッチ(配列ピッチ)の半 分に相当するピッチ λ Ζ2だけ回転した状態を示している。
[0039] ST2では、例えば前記第 1の磁気抵抗効果素子 A1には垂直方向成分しかかから な!、為、 A1に力かる平行成分は略零 (零磁界)となる。同様に前記第 2な 、し第 4の 磁気抵抗効果素子 Α2, A3, Α4に作用する外部磁界の平行成分は略零 (零磁界)
となる。このとき、前記第 1ないし第 4磁気抵抗効果素子 Al , A2, A3, A4の前記フリ 一層 24の磁化方向 βは前記初期磁化方向 β 0、すなわち前記ピン層 22の磁化方 向 exに対して垂直となる第 1の方向(Ζ2方向)が維持されるため、前記第 1ないし第 4 磁気抵抗効果素子 Al , Α2, A3, Α4の全抵抗値はすべて中間値 Zmidに設定され る。
[0040] 図 7Cに示す ST3は、さらに磁性体 11が回転方向 mlにピッチ λ Ζ2(合計磁極間 ピッチ λ )だけ回転した状態を示して 、る。
[0041] ST3では、前記第 1の磁気抵抗効果素子 A1に前記磁力線 mlbが鎖交し、前記第 2の磁気抵抗効果素子 A2に前記磁力線 m2aが鎖交し、前記第 3の磁気抵抗効果素 子 A3に前記磁力線 m2bが鎖交し、前記第 4の磁気抵抗効果素子 A4に前記磁力線 m3aが鎖交する。このため、前記第 1 ,第 3の磁気抵抗効果素子 A1 , A3に回転方 向 m2の外部磁場が作用し、前記第 2,第 4の磁気抵抗効果素子 A2, A4に回転方 向 mlの外部磁界が作用する。このため、前記第 1 ,第 3の磁気抵抗効果素子 Al , A 3の前記フリー層 24の磁ィ匕方向 βは前記ピン層 22の磁ィ匕方向 aに対し逆向きとな るため、前記第 1 ,第 3の磁気抵抗効果素子 A1 , A3の全抵抗値は最大値 Zmaxに設 定される。
[0042] 一方、前記第 2,第 4の磁気抵抗効果素子 A2, A4の前記フリー層 24の磁化方向 βは前記ピン層 22の磁ィ匕方向 ocと同一方向となるため、前記第 2,第 4の磁気抵抗 効果素子 Α2, Α4の全抵抗値は最小値 Zminに設定される。
[0043] 図 7Dに示す ST4は、さらに磁性体 11が回転方向 mlにピッチ λ Ζ2(合計磁極間 ピッチ 3 λ /2)だけ回転した状態を示して 、る。
[0044] ST4は実質的には上記 ST2と同様の状態にある。このとき、前記第 1ないし第 4磁 気抵抗効果素子 Al , Α2, A3, Α4の前記フリー層 24の磁ィ匕方向 βは前記初期磁 化方向 β 0、すなわち前記ピン層 22の磁ィ匕方向 ocに対して垂直となる第 1の方向(Ζ 2方向)が維持されるため、前記第 1ないし第 4磁気抵抗効果素子 Al , Α2, A3, Α4 の全抵抗値はすべて中間値 Zmidに設定される。
[0045] 図 7Eに示す ST5は、さらに磁性体 11が回転方向 mlにピッチ λ Ζ2(合計磁極間 ピッチ 2 λ )だけ回転した状態を示して 、る。
[0046] ST5は実質的には上記 ST1と同様の状態である。すなわち、前記第 1の磁気抵抗 効果素子 A1に回転方向 mlの前記磁力線 m2aが鎖交し、前記第 2の磁気抵抗効果 素子 A2に回転方向 ra2の前記磁力線 m2bが鎖交し、前記第 3の磁気抵抗効果素子 A3に回転方向 ra2の前記磁力線 m3aが鎖交し、前記第 4の磁気抵抗効果素子 A4 に回転方向 ra2の前記磁力線 m3bが鎖交している。よって、前記 ST1同様に前記第 1の磁気抵抗効果素子 A1と前記第 3の磁気抵抗効果素子 A3の全抵抗値 Zは最小 値 Zminに設定され、前記第 2の磁気抵抗効果素子 A3と前記第 4の磁気抵抗効果素 子 A4の全抵抗値 Zは最大値 Zmaxに設定されて 、る。
[0047] 上記のように磁性体 11を ST1→ST2→ST3→ST4→ST5と磁極間ピッチ λだけ 回転させると、前記第 1ないし第 4の磁気抵抗効果素子 Al, Α2, A3および Α4の各 抵抗値、および前記磁気エンコーダの検出部 30から出力される第 1,第 2の検出電 圧 VI, V2は、以下の表 1のように変化する。
[0049] ここで、横軸にピッチ、縦軸に電圧をとると、第 1,第 2の検出電圧 VI, V2は図 8A, 図 8Bのようになる。
[0050] 図 8A,図 8Bに示すように、本発明の磁気エンコーダ 10では、前記磁性体 11を前 記磁極間ピッチ λの 2倍に相当する回転角度 (電気角 360度)だけ回転させることに
より、一周期分の第 1 ,第 2の検出電圧 VI , V2を出力させることが可能である。
[0051] すなわち、例えば N→S→N (または S→N→S)と磁極間ピッチ 2 λ (電気角では 36 0度)に相当する角度分回転さると、第 1 ,第 2の検出電圧 VI , V2の一周期分を得る ことができる。
[0052] ここで、図 7Αないし図 7Dに示すように、前記磁性体 11がピッチ 2 λ (電気角 360度 )だけ回転する ST1から ST5の動作においては、前記第 1ないし第 4の磁気抵抗効 果素子 Al , Α2, A3, Α4のフリー層 24の磁化方向 13は 360度回転する。そして、こ の間に前記第 1ないし第 4の磁気抵抗効果素子 Al , Α2, A3, Α4の全抵抗値 Ζは、 前記最小値 Zminと最大値 Zmaxの範囲で変化する(表 1参照)。
[0053] このとき、前記検出部 30を構成する前記ブリッジ回路の抵抗分圧比は、最小の分 圧比(ZminZ (Zmin + Zmax) )と最大の分圧比(ZmaxZ (Zmin + Zmax) )の範囲で変 化するため、図 8A及び図 8Bに示すように前記ブリッジ回路の出力部である第 1の接 続部 T1第 2の接続部 T2から出力される第 1の検出電圧 VIと第 2の検出電圧 V2の 振幅量を最大 (フルスイング)とすることができる。
[0054] このため、前記二値ィ匕部 32A, 32Bでは、小さな外部ノイズを受けた場合であって も、所定のスレツショルド電圧 Vth (図 8 A, Bでは VccZ2)で前記第 1の検出電圧 VI 及び第 2の検出電圧 V2を A相信号及び B相信号にデジタル化することができる。こ のため、外部ノイズに強い磁気エンコーダとすることが可能となる。
[0055] 図 8A、図 8Bに示すように、前記 A相信号 Saと B相信号 Sbとは前記隣り合う N極と S 極間の磁極間ピッチ λを電気角 180度としたときに、 90度位相の異なるパルス信号 であり、磁性体 11の回転方向が回転方向 mlか、回転方向 ra2かに応じて、一方が 他方に対して進み信号となる。すなわち、例えば磁性体 11の回転方向が回転方向 r alである場合には A相信号 Saが進み信号となり、回転方向が回転方向 ra2である場 合には B相信号 Sbが進み信号となって出力される。このため、 A相信号 Saと B相信 号 Sbから磁性体 11の回転方向、すなわち回転軸 12aに与えられた回転方向を検出 することが可能である。
[0056] 図 9は 4種類の信号を出力する場合の磁気エンコーダを概念的に示す図 7A同様 の平面図である。
[0057] ここで 4種類の信号とは、前記 A相信号 Saおよび前記 B相信号 Sbと、前記 A相信 号 Saに対し位相が 90度 (磁極間ピッチ 2 λを電気角 360度としたときには 180度)だ け異なる Α相バー信号 Sa—と、同じく前記 B相信号に対 Lf立相が 90度 (磁極間ピッ チ 2 λを電気角 360度としたときには 180度)だけ異なる Β相バー信号 Sb -である。
[0058] 図 9に示す磁気エンコーダでは、 A相信号を出力する 4第 1ないし第 4の磁気抵抗 効果素子 Al, A2, A3, A4と、 B相信号を出力する第 5ないし第 8の磁気抵抗効果 素子 Bl, B2, B3, B4の合計 8ケの磁気抵抗効果素子が 1つのセンサ基板 20上に 回転方向に沿って一列に設けられて 、る。
[0059] 前記第 5の磁気抵抗効果素子 B1は前記第 1の磁気抵抗効果素子 A1と前記第 2の 磁気抵抗効果素子 A2間に設けられ、前記第 6の磁気抵抗効果素子 B2は前記第 2 の磁気抵抗効果素子 A2と前記第 3の磁気抵抗効果素子 A3間に設けられ、前記第 7の磁気抵抗効果素子 B3は前記第 3の磁気抵抗効果素子 A3と前記第 4の磁気抵 抗効果素子 A4間に設けられ、前記第 4の磁気抵抗効果素子 A4が前記第 7の磁気 抵抗効果素子 B3と前記第 8の磁気抵抗効果素子 B4との間に位置するように前記第 8の磁気抵抗効果素子 B4は設けられて 、る。
[0060] A相信号用の第 1ないし第 4の磁気抵抗効果素子 Al, A2, A3, A4、および B相 信号用の第 5ないし第 8の磁気抵抗効果素子 Bl, B2, B3, B4のように同種の磁気 抵抗効果素子間の配列ピッチは上記同様にえに設定されている。ただし、前記第 1 の磁気抵抗効果素子 A1と前記第 5の磁気抵抗効果素子 B1との間、前記第 5の磁気 抵抗効果素子 B1と前記第 2の磁気抵抗効果素子 A2との間…というように、回転方 向に隣り合う異種の磁気抵抗効果素子間の配列ピッチは λ Ζ2に設定されている。
[0061] このため、前記第 1ないし第 4の磁気抵抗効果素子 Al, Α2, A3, Α4及び前記第 5ないし第 8の磁気抵抗効果素子 B1, Β2, Β3, Β4について図 6に示す検出部 30を それぞれ適用することにより、すなわち前記第 1ないし第 4の磁気抵抗効果素子 A1, Α2, A3, Α4について第 1の検出部を形成することにより Α相信号と Β相信号 Sbを得 ることができ、同じく前記第 5ないし第 8の磁気抵抗効果素子 Bl, B2, B3, B4につ いて第 2の検出部を形成することにより A相バー信号 Sa—と B相バー信号 Sb—を得 ることがでさる。
[0062] 上記実施の形態にお!ヽては、センサ基板 20上に配置されて ヽる複数の磁気抵抗 効果素子は、すべて同じ構造(同じピン層 22の磁ィ匕方向 oc、及び同じバイアス磁界 の磁化方向 γを有する構成)からなる磁気抵抗効果素子を用いることができる。
[0063] 特に、同じウェハ上に形成される多数の磁気抵抗効果素子は全て同じ構造を有す るため、これら多数の磁気抵抗効果素子の中から 4ケ又は 8ケの磁気抵抗効果素子 を 1組として一緒に切り出すことにより、前記センサ基板 20とすることができる。このた め、本願発明の磁気エンコーダ 10では、ばらばらに切り出した個々の磁気抵抗効果 素子について、その磁化方向を一致させる位置合わせ作業等を行った上で前記セ ンサ基板 20に固定する必要がな!、ため、組立て工程を容易とすることができる。
[0064] なお、上記実施の形態においては、個々の磁気抵抗効果素子の前記ピン層 22の 磁化方向 aとバイアス磁界 γの方向はともに前記外周側面 11Aに平行で且つ前記 回転方向(ml— m2)に対し垂直となる第 1の方向(Z2方向)に設定した場合につい て説明したが、本発明はこれに限られるものではなぐ第 1の方向と逆向きとなる第 2 の方向(Z1方向)であってもよい。
[0065] また前記ピン層 22の磁ィ匕方向 aとバイアス磁界 γの方向とは同一方向である場合 について説明した力 前記ピン層 22の磁化方向 αとバイアス磁界 γの方向とは互い に逆向きとなるように設定されて 、てもよ 、。
図面の簡単な説明
[0066] [図 1]本発明の実施の形態としての磁気エンコーダを示す平面図、
[図 2]図 1に示す磁気エンコーダの断面図、
[図 3]磁気抵抗効果素子の基本構造を概念的に示す積層断面図、
[図 4]磁性体の外周側面に形成された磁気コードの部分拡大平面図、
[図 5]磁気抵抗効果素子が形成されたセンサ基板を示す平面図、
[図 6]磁気エンコーダの検出部を示す回路構成図、
[図 7Α]磁気エンコーダの初期状態を示す ST1、
[図 7B]初期状態 ST1から λ Ζ2ピッチだけ回転方向 mlに回転した状態を示す ST2
[図 7C]ST2から λ Ζ2ピッチだけ回転方向 mlに回転した状態を示す ST3、
[図 7D]ST3から λ 2ピッチだけ回転方向 mlに回転した状態を示す ST4、 [図 7E]ST4から λ Ζ2ピッチだけ回転方向 ralに回転した状態を示す ST5、
[図 8A]第 1の検出電圧 VIと A相信号 Saとの関係を示すグラフ、
[図 8B]第 2の検出電圧 V2と B相信号 Sbとの関係を示すグラフ、
[図 9]4種類の信号を出力する場合の磁気エンコーダを概念的に示す図 7A同様の 平面図、
符号の説明
9 筐体
9b 欠損部
9A 凹部
10 磁気エンコーダ
11 磁性体
11A 外周側面
12 回転体
12a 回転軸
20 センサ基板
21 反強磁性層(交換バイアス層)
22 ピン層(固定層)
23 非磁性層
24 フリー層
25a, 25b ハードバイアス層
26, 26 端子部
30 検出部
31 電源
32A, 32B 二値ィ匕部
A 磁気抵抗効果素子
Al, A2, A3, A4 第 1ないし第 4の磁気抵抗効果素子
Bl, B2, B3, B4 第 5ないし第 8の磁気抵抗効果素子
N, S 磁性体の外周側面に着磁された磁極 (磁気コ
Sa A相信号
Sb B相信号
VI 第 1の検出電圧
V2 第 2の検出電圧
mla, mlb, m2a, m2b 代表的な磁力線 ml, ra2 回転方向
a ピン層の磁化方向
β フリー層の磁化方向
Ύ ノ ィァス磁界
Claims
[1] 回転自在に支持された回転体と、前記回転体の外周側面に回転方向に沿って N 極と S極とからなる複数の磁極が交互に着磁された磁性体と、前記磁性体の近傍に 前記回転方向に沿って対向配置された複数の磁気抵抗効果素子と、を備えた磁気 エンコーダであって、
個々の磁気抵抗効果素子は、少なくともピン層と前記磁性体が発する外部磁界に 基づいて内部の磁ィ匕方向が変化するフリー層とを有し、前記ピン層の磁化方向が前 記回転方向に設定され、且つ前記フリー層の初期磁化方向が前記外周側面に平行 で且つ前記回転方向に対し垂直となる方向に設定されており、
前記回転方向に隣り合う N極と S極間との磁極間ピッチと各磁気抵抗効果素子間の 配列ピッチとが同ピッチに設定されていることを特徴とする磁気エンコーダ。
[2] 前記磁気抵抗効果素子が、前記ピン層とフリー層に加え、前記ピン層の磁化方向 を所定の方向にピン止めする反強磁性層と、前記フリー層の初期磁化方向を基準と なる方向に設定するバイアス磁界を与えるハードバイアス層と、を有することを特徴と する請求項 1記載の磁気エンコーダ。
[3] 前記磁極間ピッチを λとしたときに、前記配列ピッチが λで配置された第 1な 、し第 4からなる 4ケの磁気抵抗効果素子と、前記第 1と第 4の 2ケの磁気抵抗効果素子を直 列接続する第 1の接続部と、前記第 2と第 3の 2ケの磁気抵抗効果素子を直列接続す る第 2の接続部と、前記第 1の磁気抵抗効果素子と第 2の磁気抵抗効果素子との一 端と、前記第 3の磁気抵抗効果素子と第 4の磁気抵抗効果素子との一端との間に所 定の電圧を印加する電源と、前記第 1の接続部から出力される第 1の検出電圧と前 記第 2の接続部から出力される第 2の検出電圧と、を有してなる検出部が設けられて いること特徴とする請求項 1または 2記載の磁気エンコーダ。
[4] 前記配列ピッチが λで並ぶ前記第 1な!、し第 4からなる磁気抵抗効果素子より形成 される第 1の検出部に対し、前記第 1ないし第 4に対応する配列ピッチえで並ぶ第 5 ないし第 8の磁気抵抗効果素子より形成される第 2の検出部が設けられ、
前記第 1ないし第 4からなる個々の磁気抵抗効果素子の間に、前記第 5ないし第 8 力 なる個々の磁気抵抗効果素子がそれぞれ一ケづっ配置されており、且つ隣り合
う磁気抵抗効果素子間の間隔が λ Ζ2ピッチに設定されていることを特徴とする請求 項 3記載の磁気ェンコーダ。
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