JPH03103714A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、ビデオカメラのレンズやディスクドライブ装
置のヘッド等のように、直線運動や回転運動等を行なう
各種移動体の位置検出に使用されろ磁気エンコーダに関
する。

「従来の技術」 従来、この種の磁気エンコーダとしては、以下２種のい
ずれかに類似する構成が一般に採用されていた。

■　位置測定すべき移動体の側に、小形の永久磁石を移
動方向に向けて多数固定する一方、これら永久磁石の近
傍にホール素子を配置し、このホール素子によって移動
体の運動に伴う磁界変化を電気信号として検出し、移動
体の移動量を測定する。

■　移動体に、長手方向に等間隔で着磁した磁気テープ
を移動方向に向けて固定する一方、コイルを内蔵した磁
気ヘッドを前記磁気テープの表面を摺動ずるよう配置し
、この磁気ヘッドによって移動体の移動量を検出する。

「発明が解決しようとする課題」 しかし、上記■の磁気エンコーダでは、ホール素子の温
度依存性が高いため、ホール素子が置かれる環境温度の
変化率が大きいと温度補正が困難になり、信頼性が低下
して使用に堪えない問題があった。

また、比較的感度の低いホール素子を非接触で作動させ
るだけの磁力を有する永久磁石を移動体に固定するため
、工場内等では、鉄粉等の強磁性体の粉塵がこれら永久
磁石に付着しやすく、長期使用後には粉塵が堆積して、
正確な位置計測を妨げる場合があった。

一方、前記■の磁気エンコーダでは、磁気ヘッドを磁気
テープに沿って摺動させるため、使用につれてヘッド面
の摩耗が生じることが避けられず、精度は高いものの寿
命が短い欠点があった。

また、磁気ヘッドの出力電圧は磁気テープとの相対移動
速度に応じて変化し、相対移動速度が小さいと出力電圧
が小さくなるため、対応できる移動速度範囲が狭いうえ
、コイルを用いた磁気ヘッドは小形化が困難であるとい
う問題らあった。

「課題を解決する手段」 本発明は上記課題を解決するためになされたもので、可
撓性を有する帯状をなし、強磁性体で形成されｆこ強磁
性部を長手方向等間隔に多数有するスケールと、このス
ケールとの間に一定間隔を空けて対向配置され、スケー
ルの長手方向に相対移動されるエンコーダ本体とを具備
し、 このエンコーダ本体は、前記スケールと平行に配置され
た非磁性体製の基板と、この基板のスケールとの対向面
にスケールの長手方向に間隔を空けて設けられた複数の
磁気抵抗素子と、前記基板の前記磁気抵抗素子の反対面
に固定され基板と直交する磁界を形成する磁石とを備え
ていることを特徴とする。

なお、前記スケールは、強磁性金属の帯状薄板に等間隔
で幅方向に延びるスリットを形威したものでもよい。

また、前記磁気抵抗素子は、基板に蒸着形威された強磁
性薄膜抵抗素子であってもよい。

また、前記磁気抵抗素子は４端子ブリッジ型回路を構成
していてもよい。

また、前記磁気抵抗素子の配列間隔は、前記スケールに
設けられた強磁性部の配列間隔の１／２以下であっても
よい。

さらに、前記磁石の前記基板と反対側の面には、天板部
およびその両端から垂下する一対の例板部からなる断而
コ字状のヨークが固定され、前記各側坂部の端部はスケ
ールの幅方向両０１１１部分と対向して配置されていて
もよい。

「作　用」 この磁気エンコーダでは、エンコーダ本体の磁石が生じ
る磁界が磁石と対向する位置にあるスケールの各強磁性
部を通って収束されるため、この収束した磁束中に位置
する磁気抵抗素子と、収束磁束から外れた位置にある磁
気抵抗素子の抵抗値に差が生じ、この差が電気信号とし
て検出される。

したがって、この磁気エンコーダでは、出力信号の強度
がエンコーダ本体とスケールとの相対速度に依存せず、
ごく低速から高速まで幅広い移動速度での位置検出を行
なうことができ、出力信号の強度がほぼ一定であるから
信号処理も容易である。

また、エンコーダ本体の側に設けた磁石を磁場源とし、
スケールには着磁していないため、工場内などにおいて
も強磁性体の粉塵がスケールに着磁して測定を妨害する
といった支障が生じにくく、使用環境の自由度が高い。

また、磁気抵抗素子はホール素子等に比して温度依存性
が低いうえ、これら磁気抵抗素子をブリッジ型に接続す
ることによって温度補正が容易に行なえるから、温度変
化の激しい環境下でも使用できる。

さらに、スケールと磁気エンコーダは非接触で使用され
るため、両者の対向面に摩耗が生じることがなく、寿命
が長い利点も有する。

「実施例」 第１図ないし第３図は、本発明に係わる磁気エンコーダ
の一実施例を示し、第１図は平面図、第２図は正面図、
第３図は要部の正断面図である。

図中符号ｌは測定すべき移動体（図示略）の表面に移動
方向に向けて貼付されたスケール、２はスケール１との
間に一定の空隙を空けて配置されたエンコーダ本体で、
スケールｌは接着剤、粘着テープなど周知の貼付手段に
より移動体に固定されている。

スケールｌは、パーマロイや純鉄等の強磁性金属で成形
された、幅一定の帯状をなず可撓性に富む薄板で、その
中央には幅方向に延びる一定幅のスリット３が長手方向
等間隔に形成され、スリット３の間の架橋部分が強磁性
部４となっている。

スリット３の幅ＷおよびビッチＰは、要求される分解能
に応じて決定され、例えば幅Ｗは５０〜１００μ肩程度
、ピッチＰはｌＯ〜１００μ肩程度とされる。また、ス
ケール１の肉厚は３〜１００μ贋程度であることが望ま
しく、３μ肩より薄いと後述する永久磁石７の磁束が強
磁性部４に収束される傾向が弱まり、エンコーダの出力
電圧が低下する。一方、１００μｌより厚くなるとスケ
ールｉの可撓性が低下し、任意形状の移動体表面に貼付
しにくくなる。

エンコーダ本体２は、非磁性かつ絶縁性を有する材質か
らなる基板５と、この基板５の中央下面に前記スリット
３の１／２のピッチで、スリット３と平行に形成された
計４本の磁気抵抗素子Ｒｌ〜Ｒ４と、基板５の上面に接
着固定された矩形板状の永久磁石７とから構成され、図
示しない支持体に固定されている。

前記磁気抵抗素子Ｒｌ−Ｒ４は、例えばニッケル（８０
％）一鉄（２０％）合金、ニッケル（８０％）コバルト
（２０％）合金等の強磁性合金を基板５に各種蒸着法に
より蒸着してなる薄膜で、磁界の変化につれ固有抵抗が
３〜６％程度変化する。

磁気抵抗素子Ｒｌ−Ｒ４の肉厚は０．１　５〜０，７０
μ次程度が望ましく、０．Ｉ５μ肩未満では磁場に対す
る抵抗変化を得ることができず、０，７０μだより厚い
と薄膜の剥離が生じるおそれがある。

そして磁気抵抗素子Ｒｌ−Ｒ４は、第４図に示すように
４端子ブリッジ型回路を構成するように接続され、この
ブリッジ型回路の出力端子からの電気信号は図示しない
処理回路でパルス信号に変換された後、さらにこのパル
ス信号をカウントして移動距離が算出されるようになっ
ている。

一方、前記基板５としては、ガラス、ＡＩ！０３、Ａｌ
ｔｏｓ−ＴｉＣ，サイアロン、ＡＩＮ等から、磁歪の影
響をなくすために磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４と等しい熱膨
張係数を有する材質が選択され、その肉厚は３００〜１
０００μ肩程度であることが望ましい。３００μｌ未満
では薄さのため取り扱い時に破損するおそれが生じ、！
０００μ次より厚いと磁気抵抗素子に有効な磁場を与え
にくいという問題を生じる。

磁石７としては、厚さ方向２極に着磁されたプラスチッ
ク磁石等が使用され、基板５に対して垂直な磁界を形成
している。磁石７の寸法は、全ての磁気抵抗素子Ｒｌ−
Ｒ４に対向し、さらに周囲に一定幅づつ余りある大きさ
とされている。また磁石７の磁力は５０〜８００ガウス
であることが望ましい。５０ガウスより弱いか、あるい
は８００ガウスより強いと、いずれの場合もスケールｌ
の強磁性部４による磁気抵抗索子Ｒｌ−Ｒ４近傍での磁
束の粗密が生じにくく、検出感度が低下する。

そして以上の各部は、第３図に示すように基仮５の厚さ
ＴＩ，基仮５とスケール１との離間量Ｔ２、スリット３
の幅Ｗ１磁気抵抗素子ＲＩ−Ｒ４の幅ＷＲとした場合に
、スリット３と対向する位置にある磁気抵抗素子（第３
図の状態ではＲ２とＲ４）が、スリット２の上方に形成
される磁束の祖領域に入るように、次式を満たすことが
望ましい。

ＷＲ≦Ｔ　Ｉ　　−Ｗ／（Ｔ　１　　＋Ｔ　２）上式よ
りもＷＲが大きくなると、磁束の祖領域にあるべき磁気
抵抗素子（第３図ではＲ２とＲ４）が磁界の密領域の影
響を受け、検出感度の低下を招く。また、ＷＲは５μ肩
より大であることが望ましく、それよりも小では検出に
おけるＳＮ比が悪化する。

上記構成からなる磁気エンコーダによれば、磁石７から
基板５を通過してスケールｌに向かう磁束が、スケール
Ｉの各強磁性部４に収束するため、強磁性部４と対向す
る位置にある磁気抵抗素子（第３図ではＲｌ，Ｒ３）を
通過する磁束密度は増大する一方、スリット３と対向す
る磁気抵抗素子（同Ｒ　２　．Ｒ　４　）を通過する磁
束密度は減少する。このため、これら各組の抵抗値に差
が生じ、４端子ブリッジ回路の出力端子に直流電圧が発
生ずる。

次いで、この状態から、エンコーダ本体２とスケール１
との相対位置が変化し、ずれ量がスリット３のピッチＰ
の１／２に達すると、前記とは逆にＲ２とＲ４が磁束の
密領域に入る一方、Ｒ１とＲ３が粗領域に入り、ブリッ
ジ回路の出力は正負反転する。このように、この例では
、相対位置か１／２Ｐ毎に第５図に示すようにブリッジ
回路の出力信号が正負反転するため、反転回数を積算す
ることによりエンコーダ本体２とスケール１の泪対移動
量が容易に算出できる。

したがって、このリニアエンコーダでは、出力信号の強
度がエンコーダ本体２とスケール１との相対移動速度に
拘わりなくほぼ一定であるため、極く低速から高速まで
幅広い移動速度での位置検出を行なうことかでき、Ｉ／
２Ｐ毎に正負反転するために出力信号の処理も容易であ
る。

また、エンコーダ本体２の側に設けた磁石７を磁場源と
し、スケール１には着磁していないため、工場内などに
おいて強磁性体の粉塵がスケール１に着磁して測定を妨
害するといった支障が生じず、使用環境の自由度が高い
。

また、磁気抵抗素子Ｒｌ−Ｒ４はホール素子等に比して
温度依存性が低いうえ、これら磁気抵抗素子Ｒｌ−Ｒ４
により４端子ブリッジ型回路を構成し、温度補正をエン
コーダの内部で行なうようにしているため、特別の温度
補正回路なしに温度変化の激しい環境下でも使用できる
。

さらに、スケールｌとエンコーダ本体２は非接触で使用
されるので、両者の対向面に摩耗が生じず、従来の接触
型のエンコーダに比して寿命が大幅に長い１１１点も有
する。

また、スケールｌは柔軟な金属仮にスリット３を加工し
た乙のであるから、強磁性部４の寸法精度を高めること
が容易で、任意の曲率を有する曲面にも容易に貼付でき
るうえ、適当な長さに容易に切断でき、使用方法が簡単
で、伸びなどによる計測誤差も生じにくい。

なお、上記実施例では、金属薄板にスリット３を形成し
てなるスケールｌを用いたが、その代わりにプラスチッ
クフィルム等の非磁性体に、強磁性体を一定厚に蒸着し
て縞状に薄膜を形成したしのや、強磁性体の微粉末を塗
料とともに縞状に塗布したもの、全面に強磁性体薄膜を
形成したフィルムをエッチングして形成したものなども
使用可能である。

また、上記実施例では、エンコーダ本体２に４つの磁気
抵抗素子Ｒｌ−Ｒ４を形成して４端子ブリッジを構戊し
ていたか、その代わりに第６図に示すように、磁気抵抗
素子の個数を２とし、第７図に示す回路を構威してもよ
い。この場合は、相対位置の変化により出力電圧が変動
する。

さらに、磁気抵抗素子の個数は、必要に応じて３ｇまた
は５個以上としてもよいし、これらが構成するブリッジ
回路も適宜変更してよい。また、磁気抵抗素子の配置ピ
ッチも１／２Ｐに限らず、必要に応じて適宜変更してよ
い。

さらに、第８図および第９図は、本発明の他の実施例を
示すもので、この例では、エンコーダ本体２に磁石の上
面を覆うヨークＩＯを設けたことを特徴としている。こ
のヨークｌＯは天板部ＩＯＡおよび一対の側坂部ＳＯＢ
からなるコ字状をなし、側坂部１０Ｂの端部は、スケー
ルｌの幅方向両側部分との間に僅かな間隔を空けるか、
あるいは軽く当接状態で摺動するように配置されている
。

そしてこの構成によれば、第９図に示すように、ヨーク
ＩＯによって磁石７の上面側からスケールｌに至る閉じ
た磁気回路が形成されるので、磁石７の下面からの磁束
が強磁性部４へ収束する傾向が一層強まり、各磁気抵抗
素子Ｒ１〜Ｒ４の検出感度が高められる。

また、ヨークＩＯで磁気回路を閉じたことにより、磁石
７の減磁率が低下するため、出力信号の経時変化が少な
い利点も有するとともに、エンコ一ダ本体２からの漏れ
磁束が減少するため、強磁性体の粉塵等がエンコーダ本
体２に付着することが防止できる。

次に、第１０図に示す例では、スケールｌに形成するス
リット３を、スケールｌの長手方向に対し一定角度α傾
斜させたことを特徴とする。エンコーダ本体２は先の実
施例と同様である。

この例では、軸線に対して傾斜した方向に移動する移動
体の前記軸線方向への移動量Ｌｌを、実際の移動量Ｌ２
を測定せずとも直接計測できる利点を有する。

このため例えば、螺旋回転するカメラのレンズの裸出量
等の計測に有効であり、また、移動体の軸線に対する移
動角度が変更された場合にも、前記角度αが異なるスケ
ールと交換することにより、エンコーダ本体２および信
号処理回路を全く変更することなしに、軸線方向の移動
量を正確に計測できる利点も有する。

次に、第１１図はスケール１の幅を拡大して矩形状とし
たもので、エンコーダ本体２がこのスケールＩ上でいか
なる軌跡をなす運動をした場合にも、スリット３と直交
する方向のみの移動量を正確に測定できる。また、この
ようなエンコーダを２基、互いに直交する方向に向けて
同一移動体に固定することにより、そのＸ−Ｙ方向への
移動量を同時かつ正確に計測できる。

また、第１２図は本発明をロータリーエンコーダに適用
した例であり、回転する円盤状物品の外周面にスケール
ｌを貼付している。

さらに、第１３図は別のロータリーエンコーダを示す。

この例ではスケールｌを平板な円環状とし、このスケー
ルＩにスリット３を放射状に形成している。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係わる磁気エンコーダで
は、エンコーダ本体の磁石が生じる磁界が、磁石と対向
する位置にあるスケールの各強磁性部を通って収束され
るため、この収束磁束の中に位置する磁気抵抗素子と、
収束磁束から外れた位置にある磁気抵抗素子の抵抗値に
差が生じ、この差が電気信号として検出される。

したがって、この磁気エンコーダが出力する電気信号は
、エンコーダ本体とスケールとの相対速度には殆ど依存
せず、ごく低速から高速まで幅広い移動速度に対応する
ことができ、出力信号の処理も容易である。

また、エンコーダ本体の側に設けた磁石を磁場源とし、
スケールは全く着磁していないため、工場内などにおい
ても強磁性体の粉塵がスケールに着磁して測定を妨害す
るといった支障が生じず、使用環境の自由度が高い。

また、磁気抵抗素子はホール素子等に比して温度依存性
が低いうえ、ブリッジ接続することにより恩度補正が容
易であるから、温度変化の激しい環境下でも使用できる
。

さらに、スケールと磁気エンコーダは非接触で使用され
るため両者の対向面に摩耗が生じず、寿命が長い利点も
有する。

【図面の簡単な説明】

第Ｉ図および第２図は本発明に係わる磁気エンコーダの
一実施例を示す平面図および正面図、第３図は同実施例
の正断面図、第４図は同実施例の回路図、第５図は同実
施例の出力信号のグラフである。 また、第６図は本発明の第２実施例の正断面図、第７図
はその回路図、第８図および第９図は第３実施例を示す
平面図および左側断面図、第１０図ないし第１３図は本
発明の第４ないし第７実施例を示す図である。 ｌ・・・スケール、　　　２・・・エンコーダ本体、３
　・スリット、　　４・・・強磁性部、５・・・基板、
　　　　　７・・・磁石、Ｒ１−Ｒ４・・・磁気抵抗素
子、 １０・・・ヨーク、　　　ＩＯＡ・・・天板部、１０Ｂ
・・側板部。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）可撓性を有する帯状をなし、強磁性体で形成され
   た強磁性部を長手方向等間隔に多数有するスケールと、 このスケールとの間に一定間隔を空けて対向配置され、
   スケールの長手方向に相対移動されるエンコーダ本体と
   を具備し、 このエンコーダ本体は、前記スケールと平行に配置され
   た非磁性体製の基板と、この基板のスケールとの対向面
   にスケールの長手方向に間隔を空けて設けられた複数の
   磁気抵抗素子と、前記基板の前記磁気抵抗素子の反対面
   に固定され基板と直交する磁界を形成する磁石とを備え
   ていることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. （２）前記スケールは、強磁性金属の帯状薄板に、等間
   隔で幅方向に延びるスリットを形成したものであること
   を特徴とする第１項記載の磁気エンコーダ。
3. （３）前記磁気抵抗素子は、基板に蒸着された強磁性薄
   膜抵抗素子であることを特徴とする第１項または第２項
   記載の磁気エンコーダ。
4. （４）前記磁気抵抗素子は４端子ブリッジ型回路を構成
   していることを特徴とする第１項または第２項または第
   ３項記載の磁気エンコーダ。
5. （５）前記磁気抵抗素子の配列間隔は、前記スケールに
   設けられた強磁性部の配列間隔の１／２以下であること
   を特徴とする第１項または第２項または第３項または第
   ４項記載の磁気エンコーダ。
6. （６）前記磁石の前記基板と反対側の面には、天板部お
   よびその両端から垂下する一対の側板部からなる断面コ
   字状のヨークが固定され、前記各側板部の端部はスケー
   ルの幅方向両側部分と対向して配置されていることを特
   徴とする第１項または第２項または第３項または第４項
   または第５項記載の磁気エンコーダ。