JPH01301113A

JPH01301113A - 磁気抵抗素子の信号処理回路

Info

Publication number: JPH01301113A
Application number: JP13017388A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Seo; 雄三瀬尾; Shunji Kawashima; 俊二川島; Masaji Fujisawa; 藤沢　正司
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp; Shicoh Engineering Co Ltd; Mitsubishi Chemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Shicoh Engineering Co Ltd
Priority date: 1988-05-30
Filing date: 1988-05-30
Publication date: 1989-12-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の産業上の利用分野］この発明は、多極着磁されている磁気エンコーダ磁極を
有する可動子と磁気抵抗素子を用いた磁気エンコーダに
用いて有用な磁気抵抗素子の信号処理回路に関し、特に
、応答速度が速く、バッテリーバックアップが可能な絶
対値が判明する磁気エンコーダに用いて有用な磁気抵抗
素子の信号処理回路に関するもので、ロータリタイプま
たはりニアタイプの磁気エンコーダ何れにも適用のある
ものである。

［従来の技術］各種自動機器において位置決めを行う際、モータ等の回
転角、移動量を計測し、これを電気信号に変換する手段
が必要とされる。この目的で、工ンコーダと呼ばれる装
置が多用されている。

たとえば、ロータリ形のエンコーダについて説明すると
ロータリエンコーダは１回転にともなって発生ずるパル
ス数を計測するインクリメンタル形のものと、ロータに
記録したコードを読み取るアブンリュート形のものがあ
る。また、検出方式には、光学式のものと磁気式のもの
があるが、最近では、安価で信顆性に優れたインクリメ
ンタル形磁気式エンコーダが多用されるようになってき
た。

第５図は、従来の一般的なロータリ磁気式エンコーダ１
の説明図で、外周にＮ極２Ｎ、Ｓ極２Ｓの磁極を交互等
間隔に微細ピッチで多極着磁した磁気エンコーダ磁極２
を有するマグネットロータ３と径方向の空隙４を介して
対向する位置に磁気抵抗（効果）素子（ＭＲセンサと言
われている）５を対向配設して形成している。なお、マ
グネットロータ３は、マグネットにて形成した一体型の
ものであっても良く、適宜なロータドラムの外周にマグ
ネット層を塗布して形成したちの何れのものであっても
良い。

上記磁気エンコーダ磁極２のＮ極２Ｎ、Ｓ極２Ｓそれぞ
れの磁極幅は、λ（電気角で２πで表される幅に等しい
）幅で着磁されている。

また磁気抵抗素子５は１例えば強磁性体磁気抵抗効果素
子を用いるとして、先ず磁気エンコーダ１の原理を説明
するために、磁気抵抗素子らを構成する強磁性体薄膜で
形成された素線である磁気抵抗エレメント（磁気抵抗体
）６について第６図を用いて説明する。

この磁気抵抗エレメント６は、数千式単位程度の厚みで
Ｎｉ−Ｃｏ系の金属薄膜（強磁性金属薄膜〉をガラス等
の基板に真空蒸着やエツチング等の手段で形成すること
で上記磁気抵抗素子５を形成できる。

磁気抵抗エレメント６は、第６図に示すように、これに
流れる電流Ｉと磁束７どの方向が垂直となるように配設
しておくと、磁束７は、Ｎ極２ＮからＳ極２Ｓに向かう
。

この磁気抵抗エレメント６は、第７図に示すように磁束
７内において横方向の磁束７ｘによって、抵抗値の減少
をきたす。尚、７Ｙは１Ｍ！方向の磁束を示す。

このときの磁気抵抗エレメント６の抵抗の変化率は、数
％で、磁気エンコーダ磁極２の一磁極の幅をλとしたと
き、λ／４及び３λ／４の位置における時の磁気抵抗エ
レメント６の抵抗値をＲ９抵抗の変化値をΔｒとすると
、磁ｆｆ１（２Ｎまたは２Ｓ）と磁気抵抗エレメント６
の位相θ（−磁極幅２Ｎ、２８をそれぞれ電気角で２π
としたときの位相θとする）における抵抗値Ｒ〈θ）は
。

Ｒ（θ）＝Ｒ−Δｒ−ｃｏｓθ　　（１）で表すことが
できる。

横方向の磁束７Ｘは２位相θ、磁気抵抗エレメント６及
び磁気エンコーダ磁極２の距離に関係し、磁気抵抗エレ
メント６も、それに応じた抵抗値Ｒをとる。

尚、磁気抵抗素子５の場合、ホール素子等の池の磁気セ
ンサと異なり、磁界中心（Ｎ極２Ｎ、Ｓ極２Ｓそれぞれ
の中間部のところの磁界状態〉では、横方向の磁束が無
いため無磁界と同様に出力信号が変化しないという特徴
がある。

上記した１本の磁気抵抗エレメント６を有する磁気抵抗
素子５によっては２Ａ相及びＢ相の磁気エコーダ信号を
得る。ことができないので、第８図に示すように４本の
磁気抵抗エレメント６ａ。

６ｂ、６ａ’　、６ｂ’をそれぞれ順次にλ／４だけず
らして形成し、Ａ相及びＢ相の磁気エンコーダ信号を得
るようにしている。

この磁気抵抗素子５は、Ａ相の磁気エンコーダ信号を得
るために２つの磁気抵抗エレメント６ａ、６ａ’　と、
Ｂ相の磁気エンコーダ信号を得るために磁気抵抗エレメ
ント６ｂ、６ｂ’　を形成したものとなっている。

磁気抵抗エメント６ａと６ａ’は、互いに逆位相となる
ように、磁気エンコーダ磁極２の一磁極（Ｎ極２Ｎまた
はＳ極２８）の幅をλ（電気角で２π）とするとき、λ
／２幅ずらせて形成している。

同様に磁気抵抗エレメント６ｂと６ｂ’とは。

互いに逆位相となるように、λ／２幅ずらせて形成して
いる。

また磁気抵抗エレメント６ａと６ｂ、及び６ａ’　と６
ｂ’　とは、互いにλ／４幅ずらして形成されている。

従って、磁気抵抗素子５は、λ／４ピッチずれて順次、
磁気抵抗エレメント６ａ、６ｂ。

６ａ’　、６ｂ″を形成している。

このように形成された磁気抵抗素子５からの磁気エンコ
ーダ信号を処理する回路としては、従来においては、特
公昭５４−４１３３５号に示すような次に示すような第
９図に示す方法が採用されていた。

この第９図に示す磁気抵抗素子５の磁気エンコーダ信号
処理回路８は、抵抗器９−１．・　・。

９−４により、ブリッジを構成して抵抗変化を電圧変化
に変換し、コンパレータ１０−１．１０−２により、第
１０図（ａ＞、（ｂ）に示すような９０′位相が異なる
２つの矩形波のエンコーダ信号１．１−１．１１−２を
得ることができるようにしている。

この矩形波のエンコーダ信号１１−１．１１−２をカウ
ンタによって計数ずれば、磁気エンコーダの回転角を計
測できる。

上記第９図に示した磁気抵抗素子５の磁気エンコーダ信
号処理回路８は、磁気抵抗素子５の磁気抵抗エレメント
６ａと６ａ’　、６ｂと６ｂ’の接続点の中点電位の出
力電圧を磁気エンコーダ信号出力として利用したもので
、従来の磁気エンコーダに多用されている有用なもので
ある。

しかしながら、かかる従来の方法によると、磁気抵抗エ
レメント６ａと６ａ’　、６ｂと６ｂ’それぞれの抵抗
値は、その形状によって決められてしまうため、電源電
圧が決められていると、それに流すための電流２０．２
１も必然的に決定されてしまうため、消費電流を少なく
することができない、即ち、消費電流が磁気抵抗エレメ
ント６ａ、６ａ’　、６ｂ及び６ｂ’による抵抗値に依
存するこにより、消費電流を制御できないという欠点を
備えていた。

この為、インクリメンタル形磁気エンコーダを絶対値が
判明するような磁気エンコーダ（電子アブソリュートエ
ンコーダという）に形成した場合のように７特にバッテ
リーバックアップを行うような磁気エンコーダの場合に
は、消費電流を減少させる必要があるがこのようなもの
に対しては。

従来の磁気抵抗素子５の磁気エンコーダ信号処理回路８
のように消費電流を制御できず且つ消費電流の多いもの
は不適切なものとなっていた。

［発明の課題］インクリメンタル形磁気エンコーダを絶対値が判明する
ような磁気エンコーダ（電子アブソリュートエンコーダ
という）に形成した場合のように、特にバッテリーバッ
クアップを行うような磁気エンコーダの場合においては
、消費電流を制御して消費電流を減少させるように構成
された磁気抵抗素子の磁気エンコーダ信号処理回路を得
ることを本発明の課題としている。

［発明が解決しようとする為の手段］本発明は、上記課題を達成するためになされたもので、
互いに逆位相に抵抗が変化する位置に形成された２つの
磁気抵抗エレメントを有する磁気抵抗素子の上記２つの
磁気抵抗エレメントの一端を共通接続して一方の電源に
接続する。そして上記２つの磁気抵抗エレメントの他端
はそれぞれ磁気抵抗エレメントよりも高い抵抗値の抵抗
を介して他方の電源側に接続する。磁気抵抗エレメント
と抵抗と同士の接続点の電位差を計測する電位差計測信
号処理回路を設けることによって上記問題点を解決して
いる。

［作用］互いに逆位相に抵抗が変化する位置に形成された２つの
磁気抵抗エレメント６ａと６ａ’を有する磁気抵抗素子
５の上記２つの磁気抵抗エレメント６ａと６ａ’の他端
それぞれに接続された磁気抵抗エレメント６ａと６ａ’
よりも高い抵抗値の抵抗１４．１４′の抵抗値を当該磁
気抵抗素子５の感度の許す範囲内で設定することにより
、当該磁気抵抗素子５の磁気エンコーダ信号処理回路８
°における消費電流を調節できるようにしている８この結果、消費電流を充分に小さな値に押さえることが
できる。

［発明の実施例］本発明は、リニア磁気エンコーダについても適用がある
が、説明が重複するため、以下に示す実施例では、ロー
タリ磁気エンコーダについて説明する。

第１図は本発明の磁気抵抗素子の磁気エンコーダ信号処
理回路８′の一実施例を示すもので、特にＡ相用の磁気
エンコーダ信号処理回路のみを描いているが、Ｂ相用の
磁気エンコーダ信号処理回路についても同様に楕、成で
きるため２それについては省略する。

Ａ相用の磁気エンコーダ信号を得るために互いに逆ｑ相
に抵抗が変化するようにλ／２ピッチ位相がずれて形成
された磁気抵抗素子５の２個の磁気抵抗エレメント６ａ
、６ａ’の互いの一端は。

共通接続されて電源電池１２の正側電源側に接続してい
る。電源電池１２の負側電源側は、アース１３に接続し
ている。磁気抵抗エレメント６ａ。

６ａ’の他端は、それぞれ磁気抵抗ニレメン１−６ａ、
６ａ’よりも高い抵抗値を持つ抵抗１４゜１４’を介し
てアース１３側に接続している。

磁気抵抗エレメント６ａと抵抗１４との接続点１８と、
磁気抵抗エレメント６ａ’　と抵抗１４′との接続点１
９との電位差を検出するために、上記接続点１８．１９
は、磁気エンコーダ信号処理回路８′の電位差検出信号
処理回１？８１６内のコンパレータ１７に入力し、λ／
２度の間隔で出力信号が変化するような第１Ｏ図（ａン
に示す磁気エンコーダ信号１１−１を得ている。同様な
方法によってＢ相用の磁気エンコーダ信号を得るために
、磁気抵抗エレメント６ｂと６ｂ’　とにより。

同じくλ／２度の間隔で出力信号が変化するような第１
０図（ｂ）に示す磁気エンコーダ信号１１−２を得るや磁気エンコーダ信号１１−１と１１−２は互いにλ／４
度位相がずれているため、λ／４度位相の異なる２つの
矩形波の磁気エンコーダ信号１１−１．１１−２を電位
差検出信号処理回路１６の出力端子より得ることができ
る。

この矩形波の磁気エンコーダ信号ｔ　ｔ−ｉ。

１１−２を図示しない２逓倍形回転方向弁別回路に加え
ることで、右回転パルス及び左回転パルスを得て、この
アップ信号またはダウン信号を。

アップダウンカウンタに加えることで、現在の回転角を
得る事が出来るようになる。

なお２本発明では、従来のように磁気抵抗エレメント６
ａと６ａ’　、６ｂと６ｂ’の中点電位を磁気エンコー
ダのための出力電圧として利用せず、磁気抵抗エレメン
ト６ａと抵抗１４との接続点１８と、磁気抵抗エレメン
ト６ａ’と抵抗１４°との接続点１９とを利用しく磁気
抵抗エレメント６ｂと６ｂ’の場合も同様）との電位差
を信号処理回路１６によってＡ相用（Ｂ相用の場合も同
様）の磁気エンコーダ信号を得るようにしているため、
上記抵抗１４と１４°を適宜な抵抗値のものに選択する
ことができるので、磁気抵抗エレメント６ａ、６ａ’よ
りも高い適宜な抵抗値の抵抗１４．１４′を選択するこ
とで（尚、抵抗１５．１５’においても磁気抵抗エレメ
ント６ａ、６ａ’よりも高い適宜な抵抗値のものを得る
ようにすることで、磁気抵抗素子５への通電電流値を調
整でき、従って磁気抵抗素子５を用いた磁気エンコーダ
の通電電流の減少を期待できる。

このことは、電源電池の著しい消耗を防ぐことになるの
で、バッテリーバックアップを用いた磁気エンコーダの
寿命並びに性能を一段と向上できるものとなる。

更に第２図に示すように、磁気抵抗エレメント６ａ、６
ａ’の他端となる側の接続点１８．１９に磁気抵抗エレ
メント６ａ、６ａ’よりも抵抗値の高い抵抗１４．１４
’を介してアース１３側に接地し、該抵抗１４．１４’
それぞれに並列に上記磁気抵抗エレメント６ａ、６ａ’
とほぼ同程度の抵抗値を示す抵抗１５．１５’　を電気
的な接点をもつ半導体スイッチ２２．２２’　を共に接
続点１８．１９とアース側１３に接続する。

電気的開閉路を形成する半導体スイッチ２２゜２２′は
、能動時は、＃、抗１５，１５°それぞれとアース１３
側とを導通させ、非能動時には抵抗１５．１５°のそれ
ぞれの一端とアース１３側とを切り離す。この半導体ス
イッチ２２．２２°の非能動時には、抵抗１４．１４’
は、磁気抵抗ニレメン）６ａ、６ａ’よりも抵抗値の高
い抵抗１４．１４’　を選択する。

上記した抵抗１４，１４°を使用することにより、バッ
テリーバックアップ時の電源電流の消耗を制御できるこ
とになるので、電源電池１２の消耗を減少できる効果を
期待できる。

いま磁気抵抗エレメント６ａ、６ａ’　、抵抗１４．１
４’及び抵抗１５．１５’の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ
１’、　Ｒ２，Ｒ２°、Ｒ，、Ｒ，’とするとき、抵抗
１４．１４’は磁気抵抗エレメント６ａ、６ａ’の抵抗
値Ｒ、、Ｒ、’の２倍以上、更に望ましくは１０倍以上
になるようにすれば、電源電池１２の消費電流を著しく
減少させることができる。

その抵抗値は、言うまでもなく、磁気抵抗素子５の感度
の許す範囲内であり、外乱的な電気的雑音が影ｇ已ない
範囲に決定される必要がある。

このことを第３図を参照して説明すると、磁気抵抗エレ
メント６ａをＲｓとするとき、磁気抵抗エレメントＲ５
の感度が最大のときには、抵抗Ｒ１と磁気抵抗エレメン
トＲＳの抵抗値が等しくなるようにすることは、バッテ
リーバックアップ時には、その作動中よりノイズが少な
く応答性も要求されないため、不要なことである。

従って、抵抗Ｒ１は磁気抵抗エレメントＲ９よりも高い
抵抗値としておくことで、低消費電力で済むことになる
。

ここに、抵抗Ｒ１と並列に抵抗Ｒ２と半導体スイッチ２
２を入れておき、バックアップ時に半導体スイッチ２２
をオフにすれば、抵抗Ｒ２は非常に抵抗値の小さなもの
を用いても良いことになる。

このため、磁気抵抗エレメントＲｓとＲ２は。

Ｒ，”＝＝Ｒ２で良い。

この結果、Ｒ＋　＞２Ｒ２となり、好ましくは。

Ｒ１＞５Ｒ２となるようにすれば良く、更に好ましくは
、Ｒ１を１０−　Ｒ１−１００・Ｒ１〉２Ｒ２とするように上記抵抗Ｒ１を選択することにより、電源
電池１２の消費電流を著しく減少させることができるこ
とは明白である。

尚、このようにすると、バッテリーバックアップ時は、
一般に磁気エンコーダと機械的に結合されているモータ
等のアクチュエータが休止時になっているため、前述の
感度の許す範囲まで電源電池の消費電流を削減できる効
果が期待できる。

第４図は、第１図に示した磁気抵抗素子の磁気エンコー
ダの信号処理回路８′の電位差計測回路１６の具体的回
路例を示すもので、上記接続点１８、］、９は、それぞ
れ抵抗２３．２４を介して電位差計測回路１６内のアン
プ２５の入力端子に接続しており、そのアンプ２５には
コンパレータ１７の正側入力に接続している。アンプ２
５の負側入力端子と出力端子間には抵抗２６を介して負
帰還を行いゲインの決定を行っている。抵抗２４とアン
プ２５の正側入力端子との接続点２７は抵抗２８を介し
て抵抗３１．２９の接続点３０に接続している。抵抗３
１の一端は電源電池１２の正端子側に接続している。抵
抗２９の一端は、電源電池１２の負端子側に接続してい
るコンパレータ１７の正側入力端子とコンパレータ１７
の出力端子間にはフィードバック抵抗３２を接続し、コ
ンパレータ１７の負側入力端子には、電源電池１２の正
側に接続された抵抗３５とアース１３側に接続された抵
抗３６間に介在された可変抵抗３３の可変タップ３４を
接続している。

［発明の効果］本発明の磁気抵抗素子の磁気エンコーダ信号処理回路に
よれば、磁気抵抗エレメントの抵抗値が決定されている
としても、これに接続される磁気抵抗エレメントよりも
高い抵抗値の抵抗を適宜なものに選択するだけでよいの
で１特に構成部品を増やすことなく、消費電流を低減化
できる効果があり、特にバッテリーバックアップを用い
た磁気エンコーダに採用するとその製品電池の寿命を長
くすることが可能で、当該磁気エンコーダの信頼性をよ
り高めることが出来るものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の磁気抵抗素子の磁気エンコ
ーダ信号処理回路、第３図は同部分的な説明図、第４図
は同具体的な磁気エンコーダ信号処理回路、第５図は従
来公知のインクリメンタル形ロータリ磁気エンコーダの
概略説明図、第６図乃至第８図は磁気エンコーダの磁気
エンコータ磁極と磁気抵抗素子との関係の説明図、第９
図は従来の磁気抵抗素子の磁気エンコーダ処理回路の説
明図、第１０図（ａ＞、（ｂ）は同磁気エンコーダから
得られるエンコーダ信号波形図である。［符号の説明コト・・ロータリ磁気エンコーダ。２・・・磁気エンコーダ磁極。３・・・マグネットロータ、４・・・空隙。５・・・磁気抵抗素子。６．６ａ、６ａ’　、６ｂ、６ｂ’　　−−・磁気抵抗
エレメント、７・・・磁束。８．８°、８″′　・・・磁気エンコーダ信号処理回路
、９−１．　　・・・、９−４・・・抵抗器。１０−１．１０−２・・・コンパレータ。１１−１．１１−２・・・磁気エンコーダ信号。１２・・・電源電池、１３・・・アース。１４．１４”、１５．１５’　　・・・抵抗。１６・・・磁気抵抗素子の電位差計測処理回路。１７・・・コンパレータ。１８．１９・・・接続点。２０．２１・・・電流（磁気抵抗エレメントに流れる電
流）。２２．２２’　　・・・半導体スイッチ。２３．２４・・・抵抗、２５・・・アンプ。２６・・・抵抗、２７・・・接続点。２８．２９・・・抵抗、３０・・・接続点。３１・・・抵抗。３２・・・フィードバック抵抗。３３・・・可変抵抗、３４・・・可変タップ。３５．３６・・・抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）互いに逆位相に抵抗が変化する位置に形成された
２つの磁気抵抗エレメントを有する磁気抵抗素子の上記
２つの磁気抵抗エレメントの一端を共通接続して一方の
電源に接続し、上記２つの磁気抵抗エレメントの他端は
それぞれ磁気抵抗エレメントより高い抵抗値の抵抗を介
して他方の電源側に接続すると共に磁気抵抗エレメント
と抵抗との接続点における電位差を計測する電位差計測
信号処理回路を設けてなるこを特徴とする磁気抵抗素子
の信号処理回路。
（２）特許請求の範囲第（１）項において、磁気抵抗エ
レメントの電源接続側に対する他端が電気的な切り換え
により抵抗値が異なる少なくとも２値以上の状態の抵抗
に接続され、磁気抵抗エレメントと抵抗との接続点にお
ける電位差を計測する電位差計測信号処理回路を設けて
なることを特徴とする磁気抵抗素子の信号処理回路。