WO2015087725A1 - 磁気センサ装置、および磁気式エンコーダ装置 - Google Patents
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- G01D5/24433—Error prevention by mechanical means
- G01D5/24438—Special design of the sensing element or scale
Definitions
- the present invention relates to a magnetic sensor device and a magnetic encoder device using the magnetic sensor device.
- a magnetic sensor device used for a magnetic encoder device or the like has a magnetic medium and a magnetic sensor facing the magnetic medium, and the magnetic sensor detects a magnetic field change accompanying relative movement with the magnetic medium.
- a magnetoresistive effect is used in which the internal resistance R of the magnetoresistive element provided in the magnetic sensor changes in accordance with the change of the magnetic field H. More specifically, based on the SIN signal output from the A-phase magnetoresistive element and the COS signal output from the B-phase magnetoresistive element in association with the relative movement between the magnetic medium and the magnetic sensor, A relative position between the magnetic medium and the magnetic sensor is detected.
- the SIN signal output from the A-phase magnetoresistive element and the COS signal output from the B-phase magnetoresistive element are preferably a SIN wave and a COS wave, respectively. Specifically, it consists of a fundamental wave component and a harmonic component superimposed on the fundamental wave component.
- Patent Documents 1 and 2 are based on the premise that the internal resistance R of the magnetoresistive element changes symmetrically in response to the change in the magnetic field H, as indicated by the solid line in FIG.
- the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element group Rb are opposed to different magnetic poles.
- the magnetoresistive element is composed of a magnetoresistive film
- the internal resistance R and the magnetic field of the magnetoresistive element are affected by the direction of the easy axis of magnetization at the time of film formation, as indicated by a one-dot chain line in FIG. Since the relationship with H is not symmetric, the techniques described in Patent Documents 1 and 2 have a problem that harmonic components cannot be canceled properly.
- an object of the present invention is to provide a magnetic sensor device and a magnetic encoder device capable of appropriately suppressing the influence of harmonic components even when the magnetoresistive element is formed of a magnetoresistive film. There is to do.
- the present invention includes a magnetic medium, and a magnetic sensor that faces the magnetic medium and detects a magnetic field change accompanying relative movement with the magnetic medium
- the magnetic medium includes: A magnetic sensor device in which S poles and N poles are alternately arranged at intervals of ⁇ along a relative movement direction with respect to the magnetic sensor, wherein the magnetic sensor includes a plurality of magnetoresistive elements made of magnetoresistive films.
- a first magnetoresistive element group including a plurality of magnetoresistive elements made of a magnetoresistive film, and paired with the first magnetoresistive element group, with a distance of ⁇ or more from the first magnetoresistive element group.
- a second magnetoresistive element group opposed to the same pole as the first magnetoresistive element group at a certain position.
- the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group make a pair means that the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group are connected in series, or a signal As a result of processing, it means a relationship for generating a signal similar to that in the case of being connected in series.
- a first magnetoresistive element group including a plurality of magnetoresistive elements made of a magnetoresistive film and a second magnetic element paired with the first magnetoresistive element group including a plurality of magnetoresistive elements made of a magnetoresistive film.
- the resistive element group is opposed to the same pole at a position separated by ⁇ (distance between S pole and N pole: magnetic pole interval) or more. For this reason, even if the relationship between the internal resistance and the magnetic field of the magnetoresistive element is not symmetrical due to the magnetoresistive element being composed of the magnetoresistive film, the difference in the effect is not the first magnetoresistive element group and It is difficult to reach the second magnetoresistive element group. Therefore, even when the influence of the harmonic component is suppressed by the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group, it is hardly affected by the asymmetry of the magnetoresistive effect.
- the present invention in the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group, it is possible to adopt a configuration in which the plurality of magnetoresistive elements are arranged so as to cancel harmonic components.
- the plurality of magnetoresistive elements are arranged so as to cancel third-order harmonic components and fifth-order harmonic components, and the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group include seventh-order harmonics. It is preferably arranged so as to cancel the components. If comprised in this way, even when canceling a 7th harmonic component, a magnetoresistive element is not brought too close.
- the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group have the following distance (n ⁇ m / (2 ⁇ k)) ⁇
- a configuration is adopted in which a magnetoresistive element for canceling even harmonic components that cancels even harmonic components is arranged between the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group. can do. According to such a configuration, it is possible to effectively utilize the empty space between the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group.
- a magnetoresistive element group that outputs a signal that is 90 ° out of phase with the first magnetoresistive element group is disposed between the first magnetoresistive element group and the second magnetoresistive element group.
- an interval between adjacent magnetoresistive elements among the plurality of magnetoresistive elements is not less than a width dimension of the magnetoresistive elements. According to this configuration, it is possible to mitigate magnetic mutual interference between adjacent magnetoresistive elements.
- the thickness of the magnetoresistive element is preferably thinner than the width of the magnetoresistive element. According to this configuration, it is possible to mitigate magnetic mutual interference between adjacent magnetoresistive elements.
- the magnetic sensor has a magnetic film for adjusting a magnetoresistive distribution that is not electrically connected to the magnetoresistive element at a position adjacent to at least some of the magnetoresistive elements. It is preferable. According to such a configuration, it is possible to prevent the magnetic flux collection state from varying in each of the plurality of magnetoresistive elements, and thus the detection accuracy of the magnetic sensor can be increased.
- the magnetic film for adjusting the magnetoresistance distribution has the same material and thickness as the magnetoresistive film. According to this configuration, the magnetic film for adjusting the magnetoresistance distribution and the magnetoresistive film can be formed in the same process.
- the plurality of magnetoresistive elements include a first magnetoresistive element, a second magnetoresistive element adjacent to the first magnetoresistive element, the first magnetoresistive element, and the second magnetoresistive element.
- a third magnetoresistive element adjacent to the second magnetoresistive element on the side opposite to the first magnetoresistive element with respect to the second magnetoresistive element at an interval narrower than A configuration is adopted in which the magnetic film for adjusting the magnetoresistance distribution is provided at a position adjacent to the first magnetoresistive element on the opposite side of the first magnetoresistive element with respect to the first magnetoresistive element. it can.
- the magnetic sensor further includes the magnetic resistance distribution adjusting magnetic film at a position adjacent to the first magnetoresistive element on the second magnetoresistive element side with respect to the first magnetoresistive element. Can be adopted.
- the magnetoresistive film and the magnetoresistive distribution adjusting magnetic film have the same width, and the distance between the first magnetoresistive element and the magnetoresistive distribution adjusting magnetic film is the same as that of the second magnetoresistive element.
- a configuration equal to the distance from the third magnetoresistive element can be employed.
- the magnetic sensor device to which the present invention is applied can be used for a magnetic encoder device.
- the magnetic sensor and the magnetic medium relatively move linearly along the direction in which the S pole and the N pole are arranged.
- the magnetic sensor and the magnetic medium relatively rotate and move along the direction in which the S pole and the N pole are arranged.
- Magnetic sensor device 9 Magnetic medium 20 Magnetic sensor 25 Magnetoresistive element 25 (+ a) Magnetoresistive element 25 in the + a phase (-a) Magnetoresistive element 25 in the a phase (-a) + B). + B phase magnetoresistive element 25 (-b) .- b phase magnetoresistive element Ra..first magnetoresistive element group Rb..second magnetoresistive element groups R1 to R4, R11 to R14. Magnetoresistive element R101, First magnetoresistive element R102, Second magnetoresistive element R103, Third magnetoresistive element R104, Fourth magnetoresistive elements R201 to R204, Magnetic film for adjusting magnetoresistance distribution
- FIG. 1 is an explanatory diagram of a magnetic encoder device to which the present invention is applied.
- FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a magnetic encoder device to which the present invention is applied.
- FIGS. 2A, 2B, and 2C are configurations of main parts of the magnetic sensor device to which the present invention is applied.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view, a schematic perspective view thereof, and a schematic plan view.
- the magnetic sensor device 1 is configured as a magnetic linear encoder device 100 (magnetic encoder device).
- the magnetic sensor device 1 includes a magnetic sensor 20 and a magnetic medium 9 (magnetic scale), and the magnetic sensor 20 and the magnetic medium 9 are opposed to each other.
- the magnetic medium 9 is formed with tracks in which N poles and S poles are alternately arranged along the longitudinal direction (the relative movement direction of the magnetic sensor device 1 and the magnetic medium 9).
- the magnetic sensor 20 detects the amount and position of the magnetic sensor 20 and the magnetic medium 9 when they move relative to each other by detecting the rotating magnetic field formed on the surface of the magnetic medium 9.
- the magnetic sensor device 1 includes a holder 6 made of a nonmagnetic material, a cover 68 made of a nonmagnetic material, and a cable 7 extending from the holder 6, and the magnetic sensor 20 is disposed inside the holder 6. .
- a cable insertion hole 69 is formed on the side surface of the holder 6, and the cable 7 is drawn from the cable insertion hole 69.
- one of the magnetic sensor 20 (holder 6) and the magnetic medium 9 is disposed on the fixed body side, and the other is disposed on the moving body side.
- the magnetic medium 9 is disposed on the moving body side
- the magnetic sensor 20 (holder 6) is disposed on the fixed body side.
- the holder 6 has a reference surface 60 that is a flat surface that protrudes from the bottom surface of the holder 6 through a step on the bottom surface that faces the magnetic medium 9. Is formed.
- An opening 65 is formed in the reference surface 60, and the magnetic sensor 20 including the element substrate 10 such as a silicon substrate or a ceramic grace substrate is disposed with respect to the opening 65, thereby forming a sensor surface 250.
- a flexible wiring board 34 is connected to the element substrate 10.
- the magnetic sensor 20 includes an A-phase magnetoresistive element 25 (A) and a B-phase magnetoresistive element 25 (B) having a phase difference of 90 ° as the magnetoresistive elements 25.
- SIN is attached to the A-phase magnetoresistive element 25 (A)
- COS is attached to the B-phase magnetoresistive element 25 (B).
- the A-phase magnetoresistive element 25 (A) includes a + a-phase magnetoresistive element 25 (+ a) that detects movement of the magnetic medium 9 with a phase difference of 180 °, and a -a-phase magnetoresistive element 25 (-a).
- the + a phase magnetoresistive element 25 (+ a) is denoted by SIN +
- the ⁇ a phase magnetoresistive element 25 ( ⁇ a) is denoted by SIN ⁇ .
- the B-phase magnetoresistive element 25 (B) includes a + b-phase magnetoresistive element 25 (+ b) that detects movement of the magnetic medium 9 with a phase difference of 180 °, and a ⁇ b-phase magnetoresistive element 25 ( ⁇
- the + b phase magnetoresistive element 25 (+ b) is denoted by COS +
- the ⁇ b phase magnetoresistive element 25 ( ⁇ b) is denoted by COS ⁇ . is there.
- the + a phase magnetoresistance element 25 (+ a), the ⁇ a phase magnetoresistance element 25 ( ⁇ a), the + b phase magnetoresistance element 25 (+ b), and the ⁇ b phase magnetoresistance element 25 ( ⁇ b) is formed on the same surface (main surface) of one element substrate 10.
- the magnetoresistive elements 25 (+ a), 25 ( ⁇ a), 25 (+ b), and 25 ( ⁇ b) are arranged in a lattice pattern on the element substrate 10, and the + a phase magnetoresistive elements 25 (+ a) and ⁇
- the a-phase magnetoresistive element 25 (-a) is formed at a diagonal position
- the + b-phase magnetoresistive element 25 (+ b) and the -b-phase magnetoresistive element 25 (-b) are formed at a diagonal position.
- tracks 91 in which N poles and S poles are alternately arranged along the moving direction are formed.
- three rows of tracks 91 (91A, 91B, 91C) are arranged in parallel in the width direction. Yes.
- the positions of the N pole and the S pole are shifted by one magnetic pole in the moving direction. For this reason, in the tracks 91A and 91C on both sides, the positions of the N pole and the S pole coincide with each other in the movement direction.
- boundary portion 912 between the adjacent track 91A and the track 91B and the boundary portion 912 between the track 91B and the track 91C are, for example, the adjacent boundary without interposing a non-magnetized portion or a non-magnetic portion where no magnetic pole exists.
- the N pole and S pole of the portion 912 are formed so as to be in direct contact with each other.
- a strong rotating magnetic field is generated at the boundary portion 912 of the tracks 91A, 91B, and 91C.
- the boundary portion 912 between the adjacent track 91A and the track 91B and the boundary portion 912 between the track 91B and the track 91C are formed so that the N pole and the S pole of the boundary portion 912 are in direct contact with each other. Therefore, a rotating magnetic field having a higher strength is generated at the boundary portion 912 of the tracks 91A, 91B, and 91C. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 2C, the sensor surface 250 of the magnetic sensor device 1 is opposed to the boundary portion 912 of the tracks 91A, 91B, 91C.
- one end 251 in the width direction of the sensor surface 250 is the track 91A among the three tracks 91A, 91B, and 91C.
- the other end 252 is located at the approximate center in the width direction of the track 91C. Accordingly, the region where the + a phase magnetoresistive element 25 (+ a) is formed and the region where the + b phase magnetoresistive element 25 (+ b) is formed are opposed to the boundary portion 912 of the tracks 91A and 91B.
- the region where the -a phase magnetoresistive element 25 (-a) is formed and the region where the -b phase magnetoresistive element 25 (-b) is formed are opposite to the boundary portion 912 of the tracks 91B and 91C. is doing.
- the track 91B includes a region where the + a phase magnetoresistive element 25 (+ a) and the + b phase magnetoresistive element 25 (+ b) are formed, and a ⁇ a phase magnetoresistive element 25 ( ⁇ a) and a ⁇ b phase
- Each of the regions in which the magnetoresistive element 25 (-b) is formed is formed in the center of the magnetic medium 9 as an opposing track, that is, a common track 91B that is also used.
- FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a magnetoresistive element formed in the magnetic sensor 20 of the magnetic linear encoder device 100 to which the present invention is applied.
- FIG. 4 is an explanatory diagram of a bridge circuit of magnetoresistive elements formed in the magnetic sensor 20 of the magnetic linear encoder device 100 to which the present invention is applied.
- FIG. 5 is an explanatory diagram showing a detection principle in the magnetic linear encoder device 100 to which the present invention is applied.
- magnetoresistive elements 25 (+ a), 25 ( ⁇ a), 25 (+ b), 25 are arranged in the central region in the longitudinal direction (movement direction) of the element substrate 10.
- (-B) is formed.
- One end portion 11 of the element substrate 10 is a first terminal portion 21, and the other end portion 12 is a second terminal portion 22.
- the + a phase magnetoresistive element 25 (+ a) and the ⁇ a phase magnetoresistive element 25 ( ⁇ a) are formed at diagonal positions, and the + b phase magnetoresistive element 25 (+ b) and the ⁇ b phase magnetoresistive element 25 ( ⁇ b) is formed at a diagonal position.
- the + a phase magnetoresistive element 25 (+ a) and the ⁇ a phase magnetoresistive element 25 ( ⁇ a) are connected at one end to the power supply terminals 212 (Vcc) and 222 (Vcc) and at the other end to the ground terminal 213. (GND) and 223 (GND).
- the terminal 211 (+ a) for the output SIN + is connected to the midpoint position of the + a phase magnetoresistive element 25 (+ a), and the midpoint position of the ⁇ a phase magnetoresistive element 25 ( ⁇ a) is A terminal 221 (-a) for the output SIN- is connected. Therefore, as shown in FIG.
- one end of the -b phase magnetoresistive element 25 (-b) and the -b phase magnetoresistive element 25 (+ b) are connected to the power supply terminals 224 (Vcc) and 214 (Vcc). .
- the other end of the + b phase magnetoresistive element 25 (+ b) is connected to the ground terminal 213 (GND) in the same manner as the + a phase magnetoresistive element 25 (+ a), and the ⁇ b phase magnetoresistive element 25 ( ⁇
- the other end of b) is connected to a ground terminal 223 (GND) as a second common terminal, similarly to the -a phase magnetoresistive element 25 (-a).
- the terminal 225 ( ⁇ b) for the output COS ⁇ is connected to the midpoint position of the ⁇ b phase magnetoresistive element 25 ( ⁇ b), and the midpoint position of the + b phase magnetoresistive element 25 (+ b) is connected. Is connected to the terminal 215 (+ b) for the output COS +. Therefore, as shown in FIG. 4B, if the power supply potential Vcc is applied to the power supply terminals 224 (Vcc) and 214 (Vcc) and the ground terminals 213 (GND) and 223 (GND) are set to the ground potential GND, An output COS + and an output COS ⁇ can be obtained. Therefore, if the output COS + and the output COS ⁇ are digitized and then input to the subtracter, a differential output COS corresponding to the magnetic field change by the magnetic medium 9 can be obtained as shown in FIG. .
- dummy terminals are formed in the first terminal portion 21 of the element substrate 10 in addition to the above terminals, and the second terminal portion 22 has the above terminals in addition to the above terminals. Dummy terminals are formed.
- a Z-phase magnetoresistive element 25 (Z) for detecting the origin position is formed in a region adjacent to the magnetoresistive element in the central region in the longitudinal direction of the element substrate 10, and the second terminal portion 22, a power terminal 226 (Vcc), a ground terminal 227 (GND), output terminals 228 (Z), and 229 (Z) for the Z-phase magnetoresistive element 25 (Z) are also formed.
- FIG. 6 is an explanatory diagram of a magnetoresistive element for canceling harmonics formed in the magnetic sensor 20 of the magnetic linear encoder device 100 to which the present invention is applied.
- FIGS. 6 (a), 6 (b), and 6 (c) are diagrams.
- FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the magnetic pole and the magnetoresistive element, an explanatory diagram showing a specific configuration example of the magnetoresistive element, and an explanatory diagram showing an enlarged part of the magnetoresistive element.
- the magnetic sensor 20 includes any of the magnetoresistive elements 25 (+ a), 25 ( ⁇ a), 25 (+ b), and 25 ( ⁇ b).
- a second magnetoresistive element group Rb formed.
- each of the magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 extends in a direction intersecting the moving direction (first direction) and is arranged along the moving direction (second direction).
- the magnetoresistive elements R1 to R4 are electrically connected in series, and the magnetoresistive elements R11 to R14 are electrically connected in series.
- the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element group Rb are electrically connected in series to form a pair.
- the plurality of magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 are arranged so as to cancel out the third harmonic component and the fifth harmonic component, and the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element group Rb, Are arranged so as to cancel the seventh harmonic component.
- the second magnetoresistive element group Rb is arranged at a position separated from the first magnetoresistive element group Ra with the same pattern as the basic pattern described above.
- the distance between the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element group Rb is also set based on the above equation.
- the second magnetoresistive element group Rb is opposed to the same pole as the first magnetoresistive element group Ra at a position separated from the first magnetoresistive element group Ra by a distance of ⁇ or more. To do. For example, if the magnetoresistive element R1 faces the N pole in the first magnetoresistive element group Ra, the magnetoresistive element R11 also faces the N pole in the second magnetoresistive element group Rb.
- any of the magnetoresistive elements 25 (+ a), 25 ( ⁇ a), 25 (+ b), and 25 ( ⁇ b) In addition to the magnetoresistive element, a magnetoresistive element group Rd for obtaining a 1/2 order component for obtaining an average value between the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element group Rb, and an even number Magnetoresistive element groups Rc and Re for canceling the next harmonic component are arranged, and at positions separated by a distance corresponding to 2 ⁇ + ⁇ / 14 from the magnetoresistive element groups Rc, Rd, and Re, Resistive element groups Rf, Rg, and Rh are arranged.
- the SIN + magnetoresistive element 25 (+ a) and the SIN ⁇ magnetoresistive element 25 ( ⁇ a) are separated by a distance of 5 ⁇ , and the SIN + magnetoresistive element 25 (+ a) and SIN ⁇
- the magnetic sensor device 1 and the magnetic linear encoder device 100 of this embodiment are different from the second magnetoresistive element group Rb paired with the first magnetoresistive element group Ra in the magnetic sensor 20 with the magnetic medium 9.
- the magnetoresistive elements 25 (+ a), 25 ( ⁇ a), 25 (+ b), and 25 ( ⁇ b) are composed of the magnetoresistive films, so that the magnetoresistive elements 25 (+ a), 25 ( Even if the relationship between the internal resistance R and the magnetic field H of -a), 25 (+ b), and 25 (-b) is not symmetric, the difference in the influence is the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element group. It is difficult to reach Rb.
- the influence of the harmonic component is suppressed. It can be suppressed appropriately.
- the plurality of magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 are arranged so as to cancel the third harmonic component and the fifth harmonic component, and the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element The group Rb is arranged so as to cancel the seventh-order harmonic component. For this reason, in canceling the seventh harmonic component, the magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 are not excessively brought close to each other.
- the even-numbered harmonic component canceling magnetoresistive element groups Rc and Re for canceling the even-numbered harmonic components and the average value are obtained between the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element group Rb.
- a magnetoresistive element group Rd for obtaining a 1/2 order component is arranged. For this reason, the empty space between 1st magnetoresistive element group Ra and 2nd magnetoresistive element group Rb can be utilized effectively.
- FIG. 7 is an explanatory diagram showing a specific configuration example 1 of the magnetoresistive element formed in the magnetic sensor 20 of the magnetic linear encoder device 100 to which the present invention is applied.
- FIG. 8 is an explanatory diagram showing the strength of the magnetic field between the magnetoresistive elements.
- the magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 are arranged in parallel, as shown in FIG. 7, a plurality of magnetoresistive elements R1 to R4, R11 to R14 are arranged.
- the distance d between adjacent magnetoresistive elements is preferably not less than the width w of the magnetoresistive elements. According to such a configuration, magnetic mutual interference between adjacent magnetoresistive elements can be mitigated for the reason described below.
- the width w of the magnetoresistive element R is 40 ⁇ m and the distance d between the two magnetoresistive elements R in parallel is less than 40 ⁇ m, for example, 17.1 ⁇ m
- the permeance between the two magnetoresistive elements R as shown by circles in FIG.
- the magnetic flux density is high between the two magnetoresistive elements R. Therefore, in the magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 shown in FIG. 6, if there is a portion where the distance d of the magnetoresistive element R is narrower than the width dimension w of the magnetoresistive element R, a difference occurs between the outputs on both sides. As a result, harmonic components cannot be canceled.
- the magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 have higher sensitivity when the resistance value is smaller. Therefore, when the width dimension w of the magnetoresistive element R is narrowed, it is preferable to increase the thickness of the magnetoresistive film constituting the magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14. However, from the viewpoint of mitigating magnetic mutual interference between adjacent magnetoresistive elements, the film thicknesses of the magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 should be smaller than the width dimension w of the magnetoresistive element R. Is preferred.
- FIG. 9 is an explanatory view showing a specific configuration example 2 of the magnetoresistive element formed in the magnetic sensor 20 of the magnetic linear encoder device 100 to which the present invention is applied.
- FIGS. 9A and 9B are magnetic views. It is explanatory drawing when not providing the magnetic film for resistance distribution adjustment, and explanatory drawing at the time of providing the magnetic film for magnetoresistive distribution adjustment.
- FIG. 10 is an explanatory diagram showing another specific configuration example 2 of the magnetoresistive element formed in the magnetic sensor 20 of the magnetic linear encoder device 100 to which the present invention is applied.
- the magnetoresistive elements R1 to R4 and R11 to R14 described with reference to FIG. 6 and the like are arranged in parallel, there are a region where the magnetoresistive elements are distributed at a high density and a region where the magnetoresistive elements are distributed at a low density. In such a case, as will be described below with reference to FIG. 9 and FIG. 10, at least a portion adjacent to the magnetoresistive element is electrically connected to the magnetoresistive element. It is preferable to provide a magnetic film for adjusting the magnetoresistive distribution that has not been provided.
- any four magnetoresistive elements (first magnetoresistive element R101, first magnetoresistive element R101, R11, R14, R14, R11 to R14) described with reference to FIG.
- the magnetoresistive elements are distributed in a high density region and the magnetoresistive elements. Are generated at low density.
- the second magnetoresistive element R102 is adjacent to the first magnetoresistive element R101
- the third magnetoresistive element R103 is opposite to the first magnetoresistive element R101 with respect to the second magnetoresistive element R102.
- the fourth magnetoresistive element R104 Adjacent to the second magnetoresistive element R102, the fourth magnetoresistive element R104 is adjacent to the third magnetoresistive element R103 on the opposite side of the third magnetoresistive element R103 from the second magnetoresistive element R102.
- the distance d23 is narrower than the distances d12 and d34.
- the first magnetoresistive element R101, the second magnetoresistive element R102, the third magnetoresistive element R103, and the fourth magnetoresistive element R104 are all equal in constituent material, thickness, and width W.
- the width W is 4 ⁇ m to 60 ⁇ m.
- the first magnetoresistive element R101 and the fourth magnetoresistive element R104 are distributed at a low density
- the second magnetoresistive element R102 and the third magnetoresistive element R103 are distributed at a high density.
- the density in the magnetoresistive distribution is low and the magnetic collection density is low.
- the density in the magnetoresistive distribution is high and the magnetic collection density is high.
- the position adjacent to the first magnetoresistive element R101 on the side opposite to the second magnetoresistive element R102 with respect to the first magnetoresistive element R101 Is provided with a magnetic film R201 for adjusting the magnetic resistance distribution, and the magnetic film for adjusting the magnetic resistance distribution is arranged at a position adjacent to the fourth magnetoresistive element R104 on the side opposite to the third magnetoresistive element R103 with respect to the fourth magnetoresistive element R104.
- a film R204 is provided.
- the magnetic films R201 and R204 for adjusting the magnetoresistive distribution are composed of a first magnetoresistive element R101, a second magnetoresistive element R102, a third magnetoresistive element R103, and a fourth magnetoresistive element. Equal to R104. Therefore, the first magnetoresistive element R101 and the fourth magnetoresistive element R104 have substantially the same density in the magnetoresistance distribution as the second magnetoresistive element R102 and the third magnetoresistive element R103, and the magnetic collection density and the permeance are almost equal. Therefore, since the first magnetoresistive element R101 and the fourth magnetoresistive element R104 have the same sensitivity, the detection accuracy of the magnetic sensor 20 is high.
- the magnetic resistance distribution adjusting magnetic films R201 and R204 constitute a magnetoresistive element (first magnetoresistive element R101, second magnetoresistive element R102, third magnetoresistive element R103, and fourth magnetoresistive element R104).
- the magnetoresistive film has the same material and thickness.
- the magnetic films R201 and R204 for adjusting the magnetoresistance distribution and the magnetoresistive elements are the same. They can be formed simultaneously in the process.
- a magnetic film R201 is provided. Therefore, between the first magnetoresistive element R101 and the second magnetoresistive element R102, the magnetoresistive distribution adjusting magnetic film R201 is also adjacent to the second magnetoresistive element R102.
- a magnetic film R204 is provided. Therefore, between the third magnetoresistive element R103 and the fourth magnetoresistive element R104, the magnetoresistive distribution adjusting magnetic film R204 is also adjacent to the third magnetoresistive element R103.
- the distance d1 between the first magnetoresistive element R101 and the magnetic film R201 for adjusting the magnetoresistive distribution the distance d2 between the second magnetoresistive element R102 and the magnetic film for adjusting the magnetoresistive distribution R201, the third magnetoresistive element R103,
- the first magnetoresistive element R101 and the fourth magnetoresistive element R104 have substantially the same density in the magnetoresistance distribution as the second magnetoresistive element R102 and the third magnetoresistive element R103. Therefore, the detection accuracy of the magnetic sensor 20 is high.
- a magnetic film R201 is provided.
- a magnetic film R204 is provided.
- the magnetoresistive distribution adjusting magnetic film R204 is formed between the third magnetoresistive element R103 and the fourth magnetoresistive element R104, between the magnetoresistive distribution adjusting magnetic film R204 and the third magnetoresistive element R103, adjacent to the third magnetoresistive element R103.
- a matching magnetic resistance distribution adjusting magnetic film R203 is formed.
- the magnetic resistance distribution adjusting magnetic films R201, R202, R203, and R204 are composed of the first magnetoresistive element R101, the second magnetoresistive element R102, the third magnetoresistive element R103, and the first magnetoresistive element R101. It is equal to 4 magnetoresistive elements R104. Therefore, the first magnetoresistive element R101 and the fourth magnetoresistive element R104 have substantially the same density in the magnetoresistance distribution as the second magnetoresistive element R102 and the third magnetoresistive element R103. Therefore, the detection accuracy of the magnetic sensor 20 is high.
- the magnetoresistive element is arranged based on the following equation: (nm ⁇ (2 ⁇ k)) ⁇
- a magnetoresistive element may be arranged.
- Each of the above forms is an example in which the magnetic sensor device is configured as a linear encoder device. However, the magnetic sensor 20 and the magnetic medium 9 are relatively arranged along the direction in which the S pole and the N pole are arranged. You may comprise the rotary encoder apparatus which rotates.
- the first magnetoresistive element group Ra and the second magnetoresistive element group Rb may be separated by 2 ⁇ or more as long as they have the same polarity.
- a first magnetoresistive element group including a plurality of magnetoresistive elements made of a magnetoresistive film and a second magnetic element paired with the first magnetoresistive element group including a plurality of magnetoresistive elements made of a magnetoresistive film.
- the resistive element group is opposed to the same pole at a position separated by ⁇ (distance between S pole and N pole: magnetic pole interval) or more. For this reason, due to the magnetoresistive element being composed of the magnetoresistive film, even if the relationship between the internal resistance and the magnetic field of the magnetoresistive element is not symmetric, the difference in the influence is the first magnetoresistive element group and the first magnetoresistive element group.
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Abstract
磁気抵抗素子を磁気抵抗膜から構成した場合でも、高調波成分の影響を適正に抑制することのできる磁気センサ装置および磁気式エンコーダ装置を提供することを目的に、磁気センサ(20)において、第1磁気抵抗素子群(Ra)と第2磁気抵抗素子群(Rb)とは、磁気媒体9の磁極間隔λ(S極とN極との間隔:磁極間隔)以上の距離を隔てた位置で互いに同一の極に対向している。複数の磁気抵抗素子(R1~R4、R11~R14)は3次高調波成分および5次高調波成分を打ち消すように配置され、第1磁気抵抗素子群(Ra)と第2磁気抵抗素子群(Rb)とは7次高調波成分を打ち消すように配置されている。このため、磁気抵抗素子(25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b))の内部抵抗と磁界との関係が対称でなくても、かかる影響の差が第1磁気抵抗素子群(Ra)および第2磁気抵抗素子群(Rb)に及びにくい。
Description
本発明は、磁気センサ装置、およびこの磁気センサ装置を用いた磁気式エンコーダ装置に関するものである。
磁気式エンコーダ装置等に用いられる磁気センサ装置は、磁気媒体と、磁気媒体に対向する磁気センサとを有しており、磁気センサは、磁気媒体との相対移動に伴う磁界変化を検出する。かかる磁気センサ装置においては、図11(a)に実線で示すように、磁気センサに設けた磁気抵抗素子の内部抵抗Rが磁界Hの変化に対応して変化する磁気抵抗効果を利用する。より具体的には、磁気媒体と磁気センサとの相対移動に伴って、A相の磁気抵抗素子から出力されるSIN信号と、B相の磁気抵抗素子から出力されるCOS信号とに基づいて、磁気媒体と磁気センサとの相対位置を検出する。その際、A相の磁気抵抗素子から出力されるSIN信号、およびB相の磁気抵抗素子から出力されるCOS信号が各々、SIN波およびCOS波であることが好ましいが、かかる出力信号は、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なる。
そこで、図11(b)に示すように、磁極間隔をλとしたとき、第1磁気抵抗素子群Raおよび第2磁気抵抗素子群Rbにλ/6の距離だけ離間する磁気抵抗素子Rや、λ/10の距離だけ離間する磁気抵抗素子Rを設けて3次高調波成分や5次高調波成分をキャンセルするとともに、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとをλ/2+λ/14の距離だけ離間させて7次高調波成分をキャンセルすることが提案されている(特許文献1参照)。また、図11(c)に示すように、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとをλ+λ/14の距離だけ離間させて7次高調波成分をキャンセルすることが提案されている(特許文献2参照)。
特許文献1、2に記載の技術は、図11(a)に実線で示すように、磁気抵抗素子の内部抵抗Rが磁界Hの変化に対応して対称に変化することを前提としているため、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとを異なる磁極に対向させている。
しかしながら、磁気抵抗素子を磁気抵抗膜から構成した場合、成膜時の磁化容易軸の向き等の影響で、図11(a)に一点鎖線で示すように、磁気抵抗素子の内部抵抗Rと磁界Hとの関係が対称でなくなるため、特許文献1、2に記載の技術では、高調波成分を適正にキャンセルすることができないという問題点がある。
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、磁気抵抗素子を磁気抵抗膜から構成した場合でも、高調波成分の影響を適正に抑制することのできる磁気センサ装置および磁気式エンコーダ装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、磁気媒体と、前記磁気媒体に対向し、前記磁気媒体との相対移動に伴う磁界変化を検出する磁気センサと、を有し、前記磁気媒体は、前記磁気センサとの相対移動方向に沿ってS極とN極とがλの間隔をもって交互に配置された磁気センサ装置であって、前記磁気センサは、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子を含む第1磁気抵抗素子群と、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子を含んで前記第1磁気抵抗素子群と対をなし、前記第1磁気抵抗素子群に対してλ以上の距離を隔てた位置で前記第1磁気抵抗素子群と同一の極に対向する第2磁気抵抗素子群と、を有していることを特徴とする。
本発明において、第1磁気抵抗素子群と第2磁気抵抗素子群とが対を成すとは、第1磁気抵抗素子群と第2磁気抵抗素子群とが、直列に接続された形態、あるいは信号処理の結果、直列に接続され場合と同様な信号を生成する関係を意味する。
本発明では、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子を含む第1磁気抵抗素子群と、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子を含んで第1磁気抵抗素子群と対をなす第2磁気抵抗素子群とは、λ(S極とN極との間隔:磁極間隔)以上の距離を隔てた位置で互いに同一の極に対向している。このため、磁気抵抗素子を磁気抵抗膜から構成したことに起因して、磁気抵抗素子の内部抵抗と磁界との関係が対対称でなくても、かかる影響の差が第1磁気抵抗素子群および第2磁気抵抗素子群に及びにくい。従って、第1磁気抵抗素子群および第2磁気抵抗素子群によって高調波成分の影響を抑制する場合でも、磁気抵抗効果の非対称性の影響を受けにくい。
本発明では、前記第1磁気抵抗素子群および前記第2磁気抵抗素子群において、前記複数の磁気抵抗素子は、高調波成分を打ち消すように配置されている構成を採用することができる。
本発明において、前記複数の磁気抵抗素子は3次高調波成分および5次高調波成分を打ち消すように配置され、前記第1磁気抵抗素子群と前記第2磁気抵抗素子群とは7次高調波成分を打ち消すように配置されていることが好ましい。このように構成すれば、7次高調波成分を打ち消す場合でも、磁気抵抗素子を過度に近接させることがない。
本発明において、前記第1磁気抵抗素子群と前記第2磁気抵抗素子群とは、以下の距離
(n±m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
を隔てている構成を採用することができる。
(n±m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
を隔てている構成を採用することができる。
本発明において、前記第1磁気抵抗素子群と前記第2磁気抵抗素子群との間には、偶数の高調波成分を打ち消す偶数高調波成分キャンセル用の磁気抵抗素子が配置されている構成を採用することができる。かかる構成によれば、第1磁気抵抗素子群と第2磁気抵抗素子群との間の空きスペースを有効に活用することができる。
本発明において、前記第1磁気抵抗素子群と前記第2磁気抵抗素子群との間には、前記第1磁気抵抗素子群と位相が90°異なる信号を出力する磁気抵抗素子群が配置されている構成を採用してもよい。かかる構成によれば、第1磁気抵抗素子群と第2磁気抵抗素子群との間の空きスペースを有効に活用することができる。
本発明において、前記複数の磁気抵抗素子のうち、隣り合う磁気抵抗素子との間隔は、前記磁気抵抗素子の幅寸法以上であることが好ましい。かかる構成によれば、隣り合う磁気抵抗素子同士の磁気的な相互干渉を緩和することができる。
本発明において、前記磁気抵抗素子の厚さは、前記磁気抵抗素子の幅より薄いことが好ましい。かかる構成によれば、隣り合う磁気抵抗素子同士の磁気的な相互干渉を緩和することができる。
本発明において、前記磁気センサは、前記複数の磁気抵抗素子の少なくとも一部の磁気抵抗素子と隣り合う位置に、前記磁気抵抗素子と電気的に接続されていない磁気抵抗分布調整用磁性膜を有していることが好ましい。かかる構成によれば、複数の磁気抵抗素子の各々において、集磁状態がばらつくことを防止することができるので、磁気センサの検出精度を高めることができる。
本発明において、前記磁気抵抗分布調整用磁性膜は、前記磁気抵抗膜と材料および厚さが同一であることが好ましい。かかる構成によれば、磁気抵抗分布調整用磁性膜と磁気抵抗膜とを同一の工程で形成することができる。
本発明において、前記複数の磁気抵抗素子には、第1磁気抵抗素子と、該第1磁気抵抗素子と隣り合う第2磁気抵抗素子と、前記第1磁気抵抗素子と前記第2磁気抵抗素子との間隔より狭い間隔で前記第2磁気抵抗素子に対して前記第1磁気抵抗素子とは反対側で前記第2磁気抵抗素子と隣り合う第3磁気抵抗素子と、を含み、前記磁気センサは、前記第1磁気抵抗素子に対して前記第2磁気抵抗素子とは反対側で前記第1磁気抵抗素子と隣り合う位置に前記磁気抵抗分布調整用磁性膜を有している構成を採用することができる。
前記磁気センサは、さらに、前記第1磁気抵抗素子に対して前記第2磁気抵抗素子側で前記第1磁気抵抗素子と隣り合う位置に前記磁気抵抗分布調整用磁性膜を有している構成を採用することができる。
本発明において、前記磁気抵抗膜と前記磁気抵抗分布調整用磁性膜とは幅が等しく、前記第1磁気抵抗素子と前記磁気抵抗分布調整用磁性膜との間隔は、前記第2磁気抵抗素子と前記第3磁気抵抗素子との間隔と等しい構成を採用することができる。
本発明を適用した磁気センサ装置は、磁気式エンコーダ装置に用いることができる。この場合、磁気式のリニアエンコーダ装置では、前記磁気センサと前記磁気媒体とは、S極とN極とが配列している方向に沿って相対的に直線移動する。また、磁気式のロータリエンコーダ装置では、前記磁気センサと前記磁気媒体とは、S極とN極とが配列している方向に沿って相対的に回転移動する。
1・・磁気センサ装置
9・・磁気媒体
20・・磁気センサ
25・・磁気抵抗素子
25(+a)・・+a相の磁気抵抗素子
25(-a)・・-a相の磁気抵抗素子
25(+b)・・+b相の磁気抵抗素子
25(-b)・・-b相の磁気抵抗素子
Ra・・第1磁気抵抗素子群
Rb・・第2磁気抵抗素子群
R1~R4、R11~R14・・磁気抵抗素子
R101・・第1磁気抵抗素子
R102・・第2磁気抵抗素子
R103・・第3磁気抵抗素子
R104・・第4磁気抵抗素子
R201~R204・・磁気抵抗分布調整用磁性膜
9・・磁気媒体
20・・磁気センサ
25・・磁気抵抗素子
25(+a)・・+a相の磁気抵抗素子
25(-a)・・-a相の磁気抵抗素子
25(+b)・・+b相の磁気抵抗素子
25(-b)・・-b相の磁気抵抗素子
Ra・・第1磁気抵抗素子群
Rb・・第2磁気抵抗素子群
R1~R4、R11~R14・・磁気抵抗素子
R101・・第1磁気抵抗素子
R102・・第2磁気抵抗素子
R103・・第3磁気抵抗素子
R104・・第4磁気抵抗素子
R201~R204・・磁気抵抗分布調整用磁性膜
図面を参照して、本発明を適用した磁気センサ装置および磁気式エンコーダ装置を説明する。
(全体構成)
図1は、本発明を適用した磁気式エンコーダ装置の説明図である。図2は、本発明を適用した磁気式エンコーダ装置の構成を示す説明図であり、図2(a)、(b)、(c)は、本発明を適用した磁気センサ装置の要部の構成を示す概略断面図、その概略斜視図、および概略平面図である。
図1は、本発明を適用した磁気式エンコーダ装置の説明図である。図2は、本発明を適用した磁気式エンコーダ装置の構成を示す説明図であり、図2(a)、(b)、(c)は、本発明を適用した磁気センサ装置の要部の構成を示す概略断面図、その概略斜視図、および概略平面図である。
図1に示すように、本形態における磁気センサ装置1は、磁気式リニアエンコーダ装置100(磁気式エンコーダ装置)として構成されている。磁気センサ装置1は、磁気センサ20と、磁気媒体9(磁気スケール)とを有しており、磁気センサ20と磁気媒体9とは対向している。磁気媒体9には、後述するように、長手方向(磁気センサ装置1と磁気媒体9との相対移動方向)に沿ってN極とS極とが交互に配列されたトラックが形成されており、磁気センサ20は、磁気媒体9の表面に形成された回転磁界を検出することにより、磁気センサ20と磁気媒体9とが相対移動した際の移動量や位置を検出する。磁気センサ装置1は、非磁性材料からなるホルダ6と、非磁性材料からなるカバー68と、ホルダ6から延びたケーブル7とを備えており、ホルダ6の内側に磁気センサ20が配置されている。ホルダ6の側面にはケーブル挿通穴69が形成されており、このケーブル挿通穴69からケーブル7が引き出されている。このように構成した磁気センサ装置1においては、磁気センサ20(ホルダ6)および磁気媒体9のうちの一方が固定体側に配置され、他方が移動体側に配置される。本形態では、磁気媒体9が移動体側に配置され、磁気センサ20(ホルダ6)が固定体側に配置される。
図2(a)、(b)、(c)に示すように、ホルダ6には、磁気媒体9と対向する底面に、段差を介してホルダ6の底面から突出した平坦面からなる基準面60が形成されている。基準面60には開口部65が形成されており、開口部65に対して、シリコン基板やセラミックグレース基板などの素子基板10を備えた磁気センサ20が配置され、センサ面250が構成されている。素子基板10には、フレキシブル配線基板34が接続されている。
磁気センサ20は、磁気抵抗素子25として、互いに90°の位相差を有するA相の磁気抵抗素子25(A)とB相の磁気抵抗素子25(B)とを有している。なお、図面には、A相の磁気抵抗素子25(A)にはSINを付し、B相の磁気抵抗素子25(B)には、COSを付してある。
A相の磁気抵抗素子25(A)は、180°の位相差をもって磁気媒体9の移動検出を行う+a相の磁気抵抗素子25(+a)と-a相の磁気抵抗素子25(-a)とを備えており、図面には、+a相の磁気抵抗素子25(+a)にはSIN+と付し、-a相の磁気抵抗素子25(-a)には、SIN-を付してある。同様に、B相の磁気抵抗素子25(B)は、180°の位相差をもって磁気媒体9の移動検出を行う+b相の磁気抵抗素子25(+b)と-b相の磁気抵抗素子25(-b)とを備えており、図面には、+b相の磁気抵抗素子25(+b)にはCOS+と付し、-b相の磁気抵抗素子25(-b)には、COS-を付してある。
本形態では、+a相の磁気抵抗素子25(+a)、-a相の磁気抵抗素子25(-a)、+b相の磁気抵抗素子25(+b)、および-b相の磁気抵抗素子25(-b)は、1枚の素子基板10の同一の面上(主面上)に形成されている。磁気抵抗素子25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b)は、素子基板10で格子状に配置されており、+a相の磁気抵抗素子25(+a)と-a相の磁気抵抗素子25(-a)とは対角位置に形成され、+b相の磁気抵抗素子25(+b)と-b相の磁気抵抗素子25(-b)とは対角位置に形成されている。
磁気媒体9では、移動方向に沿ってN極とS極が交互に並ぶトラック91が形成されており、本形態では、3列のトラック91(91A、91B、91C)が幅方向で並列している。ここで、隣接するトラック91A、91B、91C間では、N極およびS極の位置が移動方向で1磁極分、ずれている。このため、両側のトラック91A、91Cでは、N極およびS極の位置が移動方向で一致している。さらに、隣接するトラック91Aとトラック91Bの境界部分912、およびトラック91Bとトラック91Cの境界部分912は、例えば、磁極が存在しない無着磁部分や非磁性部分を介在させることなく、隣接する当該境界部分912のN極およびS極が直接、接するように形成されている。
このように構成した磁気媒体9において、トラック91A、91B、91Cの境界部分912では、強度の大きな回転磁界が発生している。さらに、本形態では、隣接するトラック91Aとトラック91Bの境界部分912、およびトラック91Bとトラック91Cの境界部分912は、当該境界部分912のN極およびS極が直接、接するように形成されているので、トラック91A、91B、91Cの境界部分912では、より強度の大きな回転磁界が発生している。従って、本形態では、図2(c)に示すように、トラック91A、91B、91Cの境界部分912に対して磁気センサ装置1のセンサ面250を面対向させている。また、センサ面250は、磁気媒体9の幅方向の中央に位置しているため、センサ面250の幅方向における一方の端部251は、3つのトラック91A、91B、91Cのうち、トラック91Aの幅方向の略中央に位置し、他方の端部252は、トラック91Cの幅方向の略中央に位置している。従って、+a相の磁気抵抗素子25(+a)が形成されている領域、および+b相の磁気抵抗素子25(+b)が形成されている領域は、トラック91A、91Bの境界部分912に対向し、-a相の磁気抵抗素子25(-a)が形成されている領域、および-b相の磁気抵抗素子25(-b)が形成されている領域は、トラック91B、91Cの境界部分912に対向している。トラック91Bは、+a相の磁気抵抗素子25(+a)および+b相の磁気抵抗素子25(+b)が形成されている領域と、-a相の磁気抵抗素子25(-a)および-b相の磁気抵抗素子25(-b)が形成されている領域のそれぞれの領域が対向するトラック、すなわち、兼用する共通のトラック91Bとして磁気媒体9の中央に形成されている。
(磁気抵抗素子の構成)
図3は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子を模式的に示す説明図である。図4は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子のブリッジ回路の説明図である。図5は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100における検出原理を示す説明図である。
図3は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子を模式的に示す説明図である。図4は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子のブリッジ回路の説明図である。図5は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100における検出原理を示す説明図である。
図3に示すように、素子基板10の主面では、素子基板10の長手方向(移動方向)における中央領域に、磁気抵抗素子25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b)が形成されている。素子基板10の一方側端部11は第1端子部21とされ、他方側端部12は第2端子部22とされている。+a相の磁気抵抗素子25(+a)と-a相の磁気抵抗素子25(-a)とは対角位置に形成され、+b相の磁気抵抗素子25(+b)と-b相の磁気抵抗素子25(-b)とは対角位置に形成されている。
+a相の磁気抵抗素子25(+a)および-a相の磁気抵抗素子25(-a)は、一方端が電源端子212(Vcc)、222(Vcc)に接続され、他方端は、グランド端子213(GND)、223(GND)に接続されている。また、+a相の磁気抵抗素子25(+a)の中点位置には、出力SIN+に対する端子211(+a)が接続し、-a相の磁気抵抗素子25(-a)の中点位置には、出力SIN-に対する端子221(-a)が接続している。従って、図4(a)に示すように、電源端子212(Vcc)、222(Vcc)に電源電位Vccを印加し、グランド端子213(GND)、223(GND)をグランド電位GNDとすれば、出力SIN+および出力SIN-を得ることができる。それ故、出力SIN+および出力SIN-をデジタル化した後、減算器に入力すれば、図5(a)に示すように、磁気媒体9による磁界変化に対応する差動出力SINを得ることができる。
再び図3において、-b相の磁気抵抗素子25(-b)および-b相の磁気抵抗素子25(+b)は、一方端が電源端子224(Vcc)、214(Vcc)に接続されている。また、+b相の磁気抵抗素子25(+b)の他方端は、+a相の磁気抵抗素子25(+a)と同様、グランド端子213(GND)に接続し、-b相の磁気抵抗素子25(-b)の他方端は、-a相の磁気抵抗素子25(-a)と同様、第2の共通端子としてのグランド端子223(GND)に接続している。さらに、-b相の磁気抵抗素子25(-b)の中点位置には、出力COS-に対する端子225(-b)が接続し、+b相の磁気抵抗素子25(+b)の中点位置には、出力COS+に対する端子215(+b)が接続している。従って、図4(b)に示すように、電源端子224(Vcc)、214(Vcc)に電源電位Vccを印加し、グランド端子213(GND)、223(GND)をグランド電位GNDとすれば、出力COS+および出力COS-を得ることができる。それ故、出力COS+および出力COS-をデジタル化した後、減算器に入力すれば、図5(a)に示すように、磁気媒体9による磁界変化に対応する差動出力COSを得ることができる。
よって、図5(b)に示すように、得られた差動出力SIN、COSを用いて、以下の式
θ=tan-1(SINθ/COSθ)
から逆正接を求めれば、磁気媒体9と磁気センサ20との相対位置を検出することができる。
θ=tan-1(SINθ/COSθ)
から逆正接を求めれば、磁気媒体9と磁気センサ20との相対位置を検出することができる。
なお、図3に示すように、素子基板10の第1の端子部21には、上記の端子の他にダミーの端子が形成され、第2端子部22にも、上記の端子の他に、ダミーの端子が形成されている。また、素子基板10の長手方向における中央領域には、上記の磁気抵抗素子と隣接する領域に、原点位置を検出するためのZ相の磁気抵抗素子25(Z)が形成され、第2端子部22には、Z相の磁気抵抗素子25(Z)に対する電源端子226(Vcc)、グランド端子227(GND)、出力端子228(Z)、229(Z)も形成されている。
(高調波成分のキャンセル)
図6は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した高調波キャンセル用の磁気抵抗素子の説明図であり、図6(a)、(b)、(c)は、磁極と磁気抵抗素子との関係を示す説明図、磁気抵抗素子の具体的構成例を示す説明図、および磁気抵抗素子の一部を拡大して示す説明図である。
図6は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した高調波キャンセル用の磁気抵抗素子の説明図であり、図6(a)、(b)、(c)は、磁極と磁気抵抗素子との関係を示す説明図、磁気抵抗素子の具体的構成例を示す説明図、および磁気抵抗素子の一部を拡大して示す説明図である。
図11を参照して説明した高調波成分の影響をキャンセルするにあたって、磁気抵抗素子の内部抵抗Rと磁界Hとの関係が対称であることを前提とした特許文献1、2に記載の技術では、高調波成分を適正にキャンセルすることができない。そこで、本形態では、nを2以上の偶数、mを奇数、kを奇数高調波次数、λを磁極間隔(S極とN極との距離/図6(a)参照)としたとき、以下の式で求まる距離
(n±m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
λ=磁極間隔(S極とN極との距離)
に基づいて、磁気抵抗素子の位置を設定してある。なお、以下の構成例では、以下の式で求まる距離
(n+m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
λ=磁極間隔(S極とN極との距離)
に基づいて、磁気抵抗素子の位置を設定してある。
(n±m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
λ=磁極間隔(S極とN極との距離)
に基づいて、磁気抵抗素子の位置を設定してある。なお、以下の構成例では、以下の式で求まる距離
(n+m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
λ=磁極間隔(S極とN極との距離)
に基づいて、磁気抵抗素子の位置を設定してある。
まず、本形態では、図6(a)に示すように、磁気センサ20は、磁気抵抗素子25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b)のいずれにおいても、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子R1~R4を含む第1磁気抵抗素子群Raと、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子R11~R14を含んで第1磁気抵抗素子群Raと対をなす第2磁気抵抗素子群Rbとが設けられている。ここで、磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14は各々、移動方向と交差する方向(第1方向)に延在し、かつ、移動方向(第2方向)に沿って配列されている。磁気抵抗素子R1~R4は直列に電気的に接続され、磁気抵抗素子R11~R14は直列に電気的に接続されている。また、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとは直列に電気的に接続されて対をなしている。
ここで、複数の磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14は3次高調波成分および5次高調波成分を打ち消すように配置され、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとは7次高調波成分を打ち消すように配置されている。
より具体的には、第1磁気抵抗素子群Raでは、磁気抵抗素子R1と磁気抵抗素子R2との距離、および磁気抵抗素子R3と磁気抵抗素子R4との距離は、上式において、n=0、m=1、k=5であり、λ/10である。従って、磁気抵抗素子R1と磁気抵抗素子R2との対、および磁気抵抗素子R3と磁気抵抗素子R4との対によって、5次高調波成分をキャンセルすることができる。
また、第1磁気抵抗素子群Raでは、磁気抵抗素子R1と磁気抵抗素子R3との距離、および磁気抵抗素子R2と磁気抵抗素子R4との距離は、上式において、n=0、m=1、k=3であり、λ/6である。従って、磁気抵抗素子R1と磁気抵抗素子R3との対、および磁気抵抗素子R2と磁気抵抗素子R4との対によって、3次高調波成分をキャンセルすることができる。
本形態では、上記の基本パターンと同一のパターンをもって、第1磁気抵抗素子群Raと離間する位置に第2磁気抵抗素子群Rbが配置されており、第2磁気抵抗素子群Rbにおいて、磁気抵抗素子R11と磁気抵抗素子R12との距離、および磁気抵抗素子R13と磁気抵抗素子R14との距離は、上式において、n=0、m=1、k=5であり、λ/10である。従って、磁気抵抗素子R11と磁気抵抗素子R12との対、および磁気抵抗素子R13と磁気抵抗素子R14との対によって、5次高調波成分をキャンセルすることができる。
また、第2磁気抵抗素子群Rbでは、磁気抵抗素子R11と磁気抵抗素子R13との距離、および磁気抵抗素子R12と磁気抵抗素子R14との距離は、上式において、n=0、m=1、k=3であり、λ/6である。従って、磁気抵抗素子R11と磁気抵抗素子R13との対、および磁気抵抗素子R12と磁気抵抗素子R14との対によって、3次高調波成分をキャンセルすることができる。
ここで、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbの距離も、上式に基づいて設定されている。本形態において、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとの距離は、上式において、n=1、m=1、k=7であり、2λ+λ/14である。従って、磁気抵抗素子R1と磁気抵抗素子R11との距離は、上式において、n=1、m=1、k=7であり、2λ+λ/14である。また、磁気抵抗素子R2と磁気抵抗素子R12との距離、磁気抵抗素子R3と磁気抵抗素子R13との距離、および磁気抵抗素子R4と磁気抵抗素子R14との距離も、上式において、n=1、m=1、k=7であり、2λ+λ/14である。それ故、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとによって、7次高調波成分をキャンセルすることができる。
また、上記の構成によれば、第2磁気抵抗素子群Rbは、第1磁気抵抗素子群Raに対してλ以上の距離を隔てた位置で第1磁気抵抗素子群Raと同一の極に対向する。例えば、第1磁気抵抗素子群Raにおいて磁気抵抗素子R1がN極に対向すれば、第2磁気抵抗素子群Rbにおいて磁気抵抗素子R11もN極に対向する。
なお、図6(b)、(c)に示すように、本形態では、磁気抵抗素子25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b)のいずれにおいても、上記の磁気抵抗素子に加えて、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとの間には、平均値を求めるための1/2次成分を得る磁気抵抗素子群Rdや、偶数次の高調波成分をキャンセルするための磁気抵抗素子群Rc、Reが配置され、かかる磁気抵抗素子群Rc、Rd、Reに対して、2λ+λ/14に相当する距離を隔てた位置には、磁気抵抗素子群Rf、Rg、Rhが配置されている。
また、SIN+用の磁気抵抗素子25(+a)と、SIN-用の磁気抵抗素子25(-a)とは5λの距離を隔てており、SIN+用の磁気抵抗素子25(+a)、およびSIN-用の磁気抵抗素子25(-a)に対してλ/4(=0.25λ)の距離を隔てた位置には、COS+用の磁気抵抗素子25(+b)と、COS-用の磁気抵抗素子25(-b)が配置されている。
(本形態の主な効果)
以上説明したように、本形態の磁気センサ装置1および磁気式リニアエンコーダ装置100は、磁気センサ20において第1磁気抵抗素子群Raと対をなす第2磁気抵抗素子群Rbとは、磁気媒体9の磁極間隔λ(S極とN極との間隔:磁極間隔)以上の距離を隔てた位置で互いに同一の極に対向している。このため、磁気抵抗素子25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b)を磁気抵抗膜から構成したことに起因して、磁気抵抗素子25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b)の内部抵抗Rと磁界Hとの関係が対称でなくても、かかる影響の差が第1磁気抵抗素子群Raおよび第2磁気抵抗素子群Rbに及びにくい。このため、第1磁気抵抗素子群Raおよび第2磁気抵抗素子群Rbにおいて、複数の磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14によって高調波成分の影響を抑制する場合でも、高調波成分の影響を適正に抑制することができる。
以上説明したように、本形態の磁気センサ装置1および磁気式リニアエンコーダ装置100は、磁気センサ20において第1磁気抵抗素子群Raと対をなす第2磁気抵抗素子群Rbとは、磁気媒体9の磁極間隔λ(S極とN極との間隔:磁極間隔)以上の距離を隔てた位置で互いに同一の極に対向している。このため、磁気抵抗素子25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b)を磁気抵抗膜から構成したことに起因して、磁気抵抗素子25(+a)、25(-a)、25(+b)、25(-b)の内部抵抗Rと磁界Hとの関係が対称でなくても、かかる影響の差が第1磁気抵抗素子群Raおよび第2磁気抵抗素子群Rbに及びにくい。このため、第1磁気抵抗素子群Raおよび第2磁気抵抗素子群Rbにおいて、複数の磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14によって高調波成分の影響を抑制する場合でも、高調波成分の影響を適正に抑制することができる。
また、本形態では、複数の磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14は3次高調波成分および5次高調波成分を打ち消すように配置され、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとは7次高調波成分を打ち消すように配置されている。このため、7次高調波成分を打ち消すにあたって、磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14を過度に近接させることがない。
また、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとの間には、偶数の高調波成分を打ち消す偶数高調波成分キャンセル用の磁気抵抗素子群Rc、Reや、平均値を求めるための1/2次成分を得る磁気抵抗素子群Rdが配置されている。このため、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとの間の空きスペースを有効に活用することができる。
(磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14の具体的構成例1)
図7は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子の具体的構成例1を示す説明図である。図8は、磁気抵抗素子との間における磁界の強さを示す説明図である。
図7は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子の具体的構成例1を示す説明図である。図8は、磁気抵抗素子との間における磁界の強さを示す説明図である。
図6等を参照して説明したように、磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14を並列して配置するにあたっては、図7に示すように、複数の磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14のうち、隣り合う磁気抵抗素子との間隔dは、磁気抵抗素子の幅寸法w以上であることが好ましい。かかる構成によれば、以下に説明する理由から、隣り合う磁気抵抗素子同士の磁気的な相互干渉を緩和することができる。
例えば、図8(b)に示すように、磁気抵抗素子Rの幅wを40μmとし、並列する2本の磁気抵抗素子Rの間隔dを40μm未満、例えば、17.1μmとした場合、磁気抵抗素子Rに直交する方向の磁界を印加したときの各位置における磁界の強さをシミュレーションすると、図8(b)において円で囲んで示すように、2本の磁気抵抗素子Rの間でのパーミアンスが大きく、2本の磁気抵抗素子Rの間で磁束密度が高い。従って、図6に示す磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14において、磁気抵抗素子Rの間隔dが磁気抵抗素子Rの幅寸法wより狭い箇所が存在すると、その両側での出力に差が発生し、高調波成分をキャンセルできなくなってしまう。
これに対して、図8(a)に示すように、磁気抵抗素子Rの幅寸法wを40μmとし、並列する2本の磁気抵抗素子Rの間隔dを40μm以上、例えば、40μmとした場合、磁気抵抗素子Rに直交する方向の磁界を印加したときの各位置における磁界の強さをシミュレーションすると、2本の磁気抵抗素子Rの間でのパーミアンスが小さく、2本の磁気抵抗素子Rの間で磁束密度が低い。従って、図6に示す磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14において、磁気抵抗素子Rの間隔dが狭い箇所があっても、その間隔dが磁気抵抗素子Rの幅寸法w以上であれば、間隔dが狭い箇所の両側でも、出力に差が発生せず、高調波成分をキャンセルすることができる。
また、磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14は抵抗値が小さい方が感度が高い。従って、磁気抵抗素子Rの幅寸法wを狭くした場合には、磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14を構成する磁気抵抗膜の膜厚を大とすることが好ましい。但し、隣り合う磁気抵抗素子同士の磁気的な相互干渉を緩和するという観点からすれば、磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14の膜厚は、磁気抵抗素子Rの幅寸法wより薄くすることが好ましい。
(磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14の具体的構成例2)
図9は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子の具体的構成例2を示す説明図であり、図9(a)、(b)は、磁気抵抗分布調整用磁性膜を設けない場合の説明図、および磁気抵抗分布調整用磁性膜を設けた場合の説明図である。図10は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子の別の具体的構成例2を示す説明図である。
図9は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子の具体的構成例2を示す説明図であり、図9(a)、(b)は、磁気抵抗分布調整用磁性膜を設けない場合の説明図、および磁気抵抗分布調整用磁性膜を設けた場合の説明図である。図10は、本発明を適用した磁気式リニアエンコーダ装置100の磁気センサ20に形成した磁気抵抗素子の別の具体的構成例2を示す説明図である。
図6等を参照して説明した磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14を並列して配置した際、磁気抵抗素子が高密度に分布する領域と磁気抵抗素子が低密度に分布する領域とが発生する場合があり、このような場合には、図9および図10を参照して以下に説明するように、少なくとも一部の磁気抵抗素子と隣り合う位置に、磁気抵抗素子と電気的に接続されていない磁気抵抗分布調整用磁性膜を設けることが好ましい。
すなわち、図9(a)に示す形態では、図6等を参照して説明した磁気抵抗素子R1~R4、R11~R14のうち、任意の4つの磁気抵抗素子(第1磁気抵抗素子R101、第2磁気抵抗素子R102、第3磁気抵抗素子R103、および第4磁気抵抗素子R104)が順に配列された領域では、磁気抵抗素子の分布において、磁気抵抗素子が高密度に分布する領域と磁気抵抗素子が低密度に分布する領域とが発生している。ここで、第2磁気抵抗素子R102は、第1磁気抵抗素子R101と隣り合い、第3磁気抵抗素子R103は、第2磁気抵抗素子R102に対して第1磁気抵抗素子R101とは反対側で第2磁気抵抗素子R102と隣り合い、第4磁気抵抗素子R104は、第3磁気抵抗素子R103に対して第2磁気抵抗素子R102とは反対側で第3磁気抵抗素子R103と隣り合っている。
また、第1磁気抵抗素子R101と第2磁気抵抗素子R102との間隔d12、第2磁気抵抗素子R102と第3磁気抵抗素子R103との間隔d23、および第3磁気抵抗素子R103と第4磁気抵抗素子R104との間隔d34は、以下の関係
d23<d12=d34
にあり、間隔d23は、間隔d12、d34より狭い。
d23<d12=d34
にあり、間隔d23は、間隔d12、d34より狭い。
また、第1磁気抵抗素子R101、第2磁気抵抗素子R102、第3磁気抵抗素子R103、および第4磁気抵抗素子R104はいずれも、構成材料、厚さ、および幅Wが等しい。本形態において、幅Wは、4μmから60μmである。また、幅Wおよび間隔d12、d23、d34は、以下の関係
d23<W<d12=d34
を満たしている。このような場合、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104は低密度に分布し、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103は高密度に分布している状態にある。このため、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104では、磁気抵抗分布における密度が低く、集磁密度が低い。これに対して、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103では、磁気抵抗分布における密度が高く、集磁密度が高い。
d23<W<d12=d34
を満たしている。このような場合、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104は低密度に分布し、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103は高密度に分布している状態にある。このため、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104では、磁気抵抗分布における密度が低く、集磁密度が低い。これに対して、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103では、磁気抵抗分布における密度が高く、集磁密度が高い。
そこで、本形態の磁気センサ20では、図9(b)に示すように、第1磁気抵抗素子R101に対して第2磁気抵抗素子R102とは反対側で第1磁気抵抗素子R101と隣り合う位置に磁気抵抗分布調整用磁性膜R201が設けられ、第4磁気抵抗素子R104に対して第3磁気抵抗素子R103とは反対側で第4磁気抵抗素子R104と隣り合う位置に磁気抵抗分布調整用磁性膜R204が設けられている。
ここで、第1磁気抵抗素子R101と磁気抵抗分布調整用磁性膜R201との間隔d1、第4磁気抵抗素子R104と磁気抵抗分布調整用磁性膜R204との間隔d4は、以下の関係
d1=d4=d23
にある。
d1=d4=d23
にある。
また、磁気抵抗分布調整用磁性膜R201、R204は、構成材料、厚さ、および幅が第1磁気抵抗素子R101、第2磁気抵抗素子R102、第3磁気抵抗素子R103、および第4磁気抵抗素子R104と等しい。従って、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104は、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103と磁気抵抗分布における密度がほぼ等しく、集磁密度およびパーミアンスがほぼ等しい。それ故、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104が同等の感度を有するので、磁気センサ20の検出精度が高い。また、磁気抵抗分布調整用磁性膜R201、R204は、磁気抵抗素子(第1磁気抵抗素子R101、第2磁気抵抗素子R102、第3磁気抵抗素子R103、および第4磁気抵抗素子R104)を構成する磁気抵抗膜と材料および厚さが同一である。このため、磁気抵抗分布調整用磁性膜R201、R204と、磁気抵抗素子(第1磁気抵抗素子R101、第2磁気抵抗素子R102、第3磁気抵抗素子R103および第4磁気抵抗素子R104)を同一の工程で同時に形成することができる。
なお、第1磁気抵抗素子R101と第2磁気抵抗素子R102との間隔d12、および第3磁気抵抗素子R103と第4磁気抵抗素子R104との間隔d34が幅wより広い場合、図10(a)に示すように構成してもよい。すなわち、第1磁気抵抗素子R101に対して第2磁気抵抗素子R102の側、および第2磁気抵抗素子R102とは反対側の双方で第1磁気抵抗素子R101と隣り合う位置に磁気抵抗分布調整用磁性膜R201が設けられている。このため、第1磁気抵抗素子R101と第2磁気抵抗素子R102との間では、磁気抵抗分布調整用磁性膜R201が第2磁気抵抗素子R102とも隣り合っている。また、第4磁気抵抗素子R104に対して第3磁気抵抗素子R103の側、および第3磁気抵抗素子R103とは反対側の双方で第4磁気抵抗素子R104と隣り合う位置に磁気抵抗分布調整用磁性膜R204が設けられている。このため、第3磁気抵抗素子R103と第4磁気抵抗素子R104との間では、磁気抵抗分布調整用磁性膜R204が第3磁気抵抗素子R103とも隣り合っている。
ここで、第1磁気抵抗素子R101と磁気抵抗分布調整用磁性膜R201との間隔d1、第2磁気抵抗素子R102と磁気抵抗分布調整用磁性膜R201との間隔d2、第3磁気抵抗素子R103と磁気抵抗分布調整用磁性膜R204との間隔d3、および第4磁気抵抗素子R104と磁気抵抗分布調整用磁性膜R204との間隔d4は、以下の関係
d1=d2=d3=d4=d23
にある。従って、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104は、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103と磁気抵抗分布における密度がほぼ等しく、集磁密度がほぼ等しい。それ故、磁気センサ20の検出精度が高い。
d1=d2=d3=d4=d23
にある。従って、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104は、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103と磁気抵抗分布における密度がほぼ等しく、集磁密度がほぼ等しい。それ故、磁気センサ20の検出精度が高い。
また、第1磁気抵抗素子R101と第2磁気抵抗素子R102との間隔d12、および第3磁気抵抗素子R103と第4磁気抵抗素子R104との間隔d34が幅wの2倍より広い場合、図10(b)に示すように構成してもよい。すなわち、第1磁気抵抗素子R101に対して第2磁気抵抗素子R102の側、および第2磁気抵抗素子R102とは反対側の双方で第1磁気抵抗素子R101と隣り合う位置に磁気抵抗分布調整用磁性膜R201が設けられている。また、第1磁気抵抗素子R101と第2磁気抵抗素子R102との間のうち、磁気抵抗分布調整用磁性膜R201と第2磁気抵抗素子R102との間には、第2磁気抵抗素子R102と隣り合う磁気抵抗分布調整用磁性膜R202が形成されている。
また、第4磁気抵抗素子R104に対して第3磁気抵抗素子R103の側、および第3磁気抵抗素子R103とは反対側の双方で第4磁気抵抗素子R104と隣り合う位置に磁気抵抗分布調整用磁性膜R204が設けられている。また、第3磁気抵抗素子R103と第4磁気抵抗素子R104との間のうち、磁気抵抗分布調整用磁性膜R204と第3磁気抵抗素子R103との間には、第3磁気抵抗素子R103と隣り合う磁気抵抗分布調整用磁性膜R203が形成されている。
ここで、第1磁気抵抗素子R101と磁気抵抗分布調整用磁性膜R201との間隔d1、第2磁気抵抗素子R102と磁気抵抗分布調整用磁性膜R202との間隔d2、第3磁気抵抗素子R103と磁気抵抗分布調整用磁性膜R203との間隔d3、および第4磁気抵抗素子R104と磁気抵抗分布調整用磁性膜R204との間隔d4は、以下の関係
d1=d2=d3=d4=d23
にある。また、磁気抵抗分布調整用磁性膜R201、R202、R203、R204は、構成材料、厚さ、および幅が第1磁気抵抗素子R101、第2磁気抵抗素子R102、第3磁気抵抗素子R103、および第4磁気抵抗素子R104と等しい。従って、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104は、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103と磁気抵抗分布における密度がほぼ等しく、集磁密度がほぼ等しい。それ故、磁気センサ20の検出精度が高い。
d1=d2=d3=d4=d23
にある。また、磁気抵抗分布調整用磁性膜R201、R202、R203、R204は、構成材料、厚さ、および幅が第1磁気抵抗素子R101、第2磁気抵抗素子R102、第3磁気抵抗素子R103、および第4磁気抵抗素子R104と等しい。従って、第1磁気抵抗素子R101および第4磁気抵抗素子R104は、第2磁気抵抗素子R102および第3磁気抵抗素子R103と磁気抵抗分布における密度がほぼ等しく、集磁密度がほぼ等しい。それ故、磁気センサ20の検出精度が高い。
(他の実施の形態)
上記実施の形態では、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとの間には、偶数の高調波成分を打ち消す偶数高調波成分キャンセル用の磁気抵抗素子群Rc、Reや、平均値を求めるための1/2次成分を得る抵抗素子群Rdを配置したが、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとの間に、第1磁気抵抗素子群Raと位相が90°異なる信号を出力するCOS+用の磁気抵抗素子群やCOS-用の磁気抵抗素子群を配置してもよい。
上記実施の形態では、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとの間には、偶数の高調波成分を打ち消す偶数高調波成分キャンセル用の磁気抵抗素子群Rc、Reや、平均値を求めるための1/2次成分を得る抵抗素子群Rdを配置したが、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbとの間に、第1磁気抵抗素子群Raと位相が90°異なる信号を出力するCOS+用の磁気抵抗素子群やCOS-用の磁気抵抗素子群を配置してもよい。
図6に示す構成例では、以下の式
(n+m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
λ=磁極間隔(S極とN極との距離)
に基づいて、磁気抵抗素子を配置したが、以下の式
(n-m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
λ=磁極間隔(S極とN極との距離)
に基づいて、磁気抵抗素子を配置してもよい。
(n+m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
λ=磁極間隔(S極とN極との距離)
に基づいて、磁気抵抗素子を配置したが、以下の式
(n-m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
λ=磁極間隔(S極とN極との距離)
に基づいて、磁気抵抗素子を配置してもよい。
[その他の磁気式エンコーダ装置の構成]
上記形態はいずれも、磁気センサ装置をリニアエンコーダ装置として構成した例であったが、磁気センサ20と磁気媒体9とが、S極とN極とが配列している方向に沿って相対的に回転移動するロータリエンコーダ装置を構成してもよい。なお、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbは、同極であれば、2λ以上離してもよい。
上記形態はいずれも、磁気センサ装置をリニアエンコーダ装置として構成した例であったが、磁気センサ20と磁気媒体9とが、S極とN極とが配列している方向に沿って相対的に回転移動するロータリエンコーダ装置を構成してもよい。なお、第1磁気抵抗素子群Raと第2磁気抵抗素子群Rbは、同極であれば、2λ以上離してもよい。
本発明では、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子を含む第1磁気抵抗素子群と、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子を含んで第1磁気抵抗素子群と対をなす第2磁気抵抗素子群とは、λ(S極とN極との間隔:磁極間隔)以上の距離を隔てた位置で互いに同一の極に対向している。このため、磁気抵抗素子を磁気抵抗膜から構成したことに起因して、磁気抵抗素子の内部抵抗と磁界との関係が対称でなくても、かかる影響の差が第1磁気抵抗素子群および第2磁気抵抗素子群に及びにくい。従って、第1磁気抵抗素子群および第2磁気抵抗素子群によって高調波成分の影響を抑制する場合でも、磁気抵抗効果の非対称性の影響を受けにくい。
Claims (15)
- 磁気媒体と、
前記磁気媒体に対向し、前記磁気媒体との相対移動に伴う磁界変化を検出する磁気センサと、
を有し、
前記磁気媒体には、前記磁気センサとの相対移動方向に沿ってS極とN極とがλの間隔をもって交互に配置された磁気センサ装置であって、
前記磁気センサは、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子を含む第1磁気抵抗素子群と、磁気抵抗膜からなる複数の磁気抵抗素子を含んで前記第1磁気抵抗素子群と対をなし、前記第1磁気抵抗素子群に対してλ以上の距離を隔てた位置で前記第1磁気抵抗素子群と同一の極に対向する第2磁気抵抗素子群と、を有していることを特徴とする磁気センサ装置。 - 前記第1磁気抵抗素子群および前記第2磁気抵抗素子群において、前記複数の磁気抵抗素子は、高調波成分を打ち消すように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ装置。
- 前記複数の磁気抵抗素子は3次高調波成分および5次高調波成分を打ち消すように配置され、
前記第1磁気抵抗素子群と前記第2磁気抵抗素子群とは7次高調波成分を打ち消すように配置されていることを特徴とする請求項2に記載の磁気センサ装置。 - 前記第1磁気抵抗素子群と前記第2磁気抵抗素子群とは、以下の距離
(n±m/(2×k))λ
上式において、n=2以上の偶数
m=奇数
k=奇数高調波次数
を隔てていることを特徴とする請求項2に記載の磁気センサ装置。 - 前記第1磁気抵抗素子群と前記第2磁気抵抗素子群との間には、偶数の高調波成分を打ち消す偶数高調波成分キャンセル用の磁気抵抗素子が配置されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の磁気センサ装置。
- 前記第1磁気抵抗素子群と前記第2磁気抵抗素子群との間には、前記第1磁気抵抗素子群および前記第2磁気抵抗素子群と位相が90°異なる信号を出力する磁気抵抗素子群が配置されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の磁気センサ装置。
- 前記複数の磁気抵抗素子のうち、隣り合う磁気抵抗素子との間隔は、前記磁気抵抗素子の幅寸法以上であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の磁気センサ装置。
- 前記磁気抵抗素子の厚さは、前記磁気抵抗素子の幅より薄いことを特徴とする請求項7に記載の磁気センサ装置。
- 前記磁気センサは、前記複数の磁気抵抗素子の少なくとも一部の磁気抵抗素子と隣り合う位置に、前記磁気抵抗素子と電気的に接続されていない磁気抵抗分布調整用磁性膜を有していることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の磁気センサ装置。
- 前記磁気抵抗分布調整用磁性膜は、前記磁気抵抗膜と材料および厚さが同一であることを特徴とする請求項9に記載の磁気センサ装置。
- 前記複数の磁気抵抗素子には、第1磁気抵抗素子と、該第1磁気抵抗素子と隣り合う第2磁気抵抗素子と、前記第1磁気抵抗素子と前記第2磁気抵抗素子との間隔より狭い間隔で前記第2磁気抵抗素子に対して前記第1磁気抵抗素子とは反対側で前記第2磁気抵抗素子と隣り合う第3磁気抵抗素子と、を含み、
前記磁気センサは、前記第1磁気抵抗素子に対して前記第2磁気抵抗素子とは反対側で前記第1磁気抵抗素子と隣り合う位置に前記磁気抵抗分布調整用磁性膜を有していることを特徴とする請求項9または10に記載の磁気センサ装置。 - 前記磁気センサは、さらに、前記第1磁気抵抗素子に対して前記第2磁気抵抗素子側で前記第1磁気抵抗素子と隣り合う位置に前記磁気抵抗分布調整用磁性膜を有していることを特徴とする請求項11に記載の磁気センサ装置。
- 前記磁気抵抗膜と前記磁気抵抗分布調整用磁性膜とは幅が等しく、
前記第1磁気抵抗素子と前記磁気抵抗分布調整用磁性膜との間隔は、前記第2磁気抵抗素子と前記第3磁気抵抗素子との間隔と等しいことを特徴とする請求項11または12に記載の磁気センサ装置。 - 請求項1乃至13の何れか一項に記載の磁気センサ装置を備えた磁気式エンコーダ装置であって、
前記磁気センサと前記磁気媒体とは、S極とN極とが配列している方向に沿って相対的に直線移動することを特徴とする磁気式エンコーダ装置。 - 請求項1乃至13の何れか一項に記載の磁気センサ装置を備えた磁気式エンコーダ装置であって、
前記磁気センサと前記磁気媒体とは、S極とN極とが配列している方向に沿って相対的に回転移動することを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
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