JPH04110610A

JPH04110610A - 磁気式エンコーダ

Info

Publication number: JPH04110610A
Application number: JP2226724A
Authority: JP
Inventors: Yukimasa Moronowaki; 幸昌諸野脇; Takehiko Sagara; 相良　武彦; Katsutoshi Hiratsu; 平津　克俊; Michiyuki Fukushima; 福島　道之
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1992-04-13
Anticipated expiration: 2015-04-24
Also published as: JP3037380B2; US5325056A

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、磁界により電気抵抗が変化する所謂磁気抵抗
効果を有する素子を利用して磁界の変化を電気信号に変
換し、位置検出等を行う磁気式エンコーダに関するもの
であり、特に検出信号のノイズをな（して精度を向上さ
せたものである。

［従来の技術］ＮＣ工作機械、ロボット、ＯＡ機器、ＶＴＲ等広い技術
分野において、高精度の位置センサあるいは回転センサ
が必要とされており、これら産業分野で使用される各種
のサーボモータ、ロータリーエンコーダ等に適用されて
いる。またＯＡ、ＦＡ技術の進展に伴い、これらセンサ
にも高速化、高信頼性化の要請が高まってきている。こ
のような状況下において、例えば回転センサとしては従
来から光学式のものが多く使用されているが、ホトセル
やＬＥＤ等の半導体素子を構成要素としているため、塵
埃に弱く、また温度変化に対する安定性が不十分である
ことが指摘されている。また、光学式センサは、構成部
品が多く、構造が複雑であるという欠点もある。

このため、近年、磁気抵抗効果を利用した磁気式のもの
が開発され、検出精度が高く温度変化に対しても安定で
あり、かつ塵埃にも比較的強いため、次第に各方面に適
用されつつある。

第６図は、従来の磁気式回転センサの一例を模式的に示
す斜視図である。同図において磁気ドラム６１は、回転
軸６２の回りに例えば矢印方向に回転するように構成さ
れている。＆Ｆｉ気ドラドラム６１周部には磁気記録媒
体層が設けられており、ドラムの円周表面にＮＳ磁極が
交互に出現するように着磁が施されている。この磁気記
録媒体層は、例えば、γ鉄等の磁性塗膜あるいは、スト
ロンチウムやバリウム、フェライト等のブラツクで作成
されている。また、着磁磁極数は検出精度に対応させて
、少なくとも２個以上の着磁磁極数が適宜選定される。

従って、着磁磁極数が数百〜数千と多い場合には、磁極
幅が極めて狭小な微小磁石を形成することになる。

磁気センサ６３の表面には、ガラス基板上に形成された
磁気抵抗効果を有する強磁性体薄膜パターンからなる複
数個の感磁パターンを組み合わせた磁気抵抗効果素子部
６４が設けられている。磁気センサ６３は前記磁気ドラ
ム６１の磁極面と対向させ、かつ前記微小磁石の磁界が
作用する範囲内に所定の間隙を介して配置されている。

以上の構成により、磁気ドラム６１が回転すると、対向
配置された磁気抵抗効果素子部６４には磁気ドラムの回
転に伴いドラム表面のもれ磁界が周期的に加わる。そし
て、それに伴って磁気抵抗効果素子部６４の各感磁パタ
ーンが、印加される表面もれ磁界強度をパターンの抵抗
値変化に電磁変換し、電気信号を発するから、回転速度
あるいは位置の検出等を行い得るのである。

［発明が解決しようとする課題１第６図に示した従来使用されている磁気式エンコーダは
、前述した様に磁気センサと繰り返し磁気信号発生手段
である磁気ドラムとを非接触で平行に所定の間隙Ｇを介
して対向配置して使用している。また、磁気センサの磁
気抵抗効果素子部は、複数個の感磁パターンを電気的に
組み合わせて構成されている。そして、上記構成の磁気
式エンコーダによれば、例えばロボット用あるいは数値
側（ｊｆｆｉ（ＮＣ）加工機用等の電動機の回転速度の
検出および／または移動部材の位置検出等を迅速かつ高
精度で行うことができる。

しかしながら、近年、前記装置等に要求される機能およ
び精度は極めて多様かつ高精度となりつつあり、従って
検出機器にも小型、高性能かつ高精度のものが要求され
ている。例えば、高低両様の回転速度および／または位
置検出を同時にかつ高精度で行い得る磁気式エンコーダ
等が要求されているのである。このような要請に応える
ためには、異なるパルス数の電気信号または出力信号を
発生させる必要があるが、従来の磁気式エンコーダは、
前述したように、回転ドラムの外周面に１個の磁極列を
配設したものが殆どであるため、そのままでは前記要請
に応えることができない。また、複数組の磁気式エンコ
ーダを組み合わせることにより、前記要請に応えようと
しても、部品点数が多くなるのみならず装置全体の構造
が複雑となり、小型化の要請に反することになるという
問照点があった。

そこで、かかる問題点を解決するために本発明者らは、
第７図に示すような構成の磁気式エンコーダを作製して
検討した。それは、磁気ドラム７１の外周面に基準点信
号を生起すべきＺ相の他に、それぞれ着磁ピッチの異な
る（換言すれば、磁極配置数の異なる）複数の磁極列か
らなるインクリメント相ＩＩ、Ｉ２．１．を設けるとと
もに、これらのインクリメント相Ｉ＋、　　１２．Ｉｓ
にそれぞれ対句する独立の磁気抵抗効果素子部７２ａ　
、７２ｂ　、７２ｃを備えた磁気センサ７２を設けた。

このような構成とすれば、異なるパルス数の出力信号を
生起させることができ、従って例えば低パルス数のもの
を高速回転用に、高パルス数のものを低速回転用に適用
すれば、各々高精度の検出を行い得ると考えたのである
。また、使い方によっては、低パルスの信号と高パルス
数の信号とを同時に検出し、これにより後の回路処理で
さらに高精度の信号パルスに合成できることも考えられ
る。

しかしながら、上記のように異なる磁極数のインクリメ
ント相■１．１□、工、を同一の磁気ドラム上に配置し
た場合には、次のような問題点がある。すなわち、例え
ば、インクリメント相工と工２のそれぞれの着磁ピッチ
ｌ、と１２２とにΩ、／β、〉１の関係がある場合、そ
れぞれのインクリメント相工、と工、がそれぞれの対応
する磁気抵抗効果素子部７２ａ　、　７２ｂに対するギ
ャップＧと、各抵抗効果素子部での出力とは、第８図に
示す関係となる。

着磁ピッチが大きい場合には磁気ドラム上の信号磁界が
強くギャップが広くなり、またギャップ変化に対する出
力変化がゆるやかとなる。逆に着磁ピッチが小さい場合
、信号磁界が弱くギャップが狭くなり、ギャップ変化に
対して出力が急峻に変化する。このため、着磁ピッチの
小さいセンサにギャップを合わせなければならない。そ
こで発明者らは、特願平１−９４１３５号に提案したよ
うに、大きな着磁ピッチ側の磁気ドラムに段差をつけ、
同一面内での２信号を得る事を検討してきた。

しかしながら、第９図に示すごとく、着磁ピッチが大き
いセンサ側の信号がノイズを含んだ歪んだ波形となって
しまう事が解った。これは、ギャップの小さな信号側に
ギャップを調整する為、ギャップの大きいセンサ側のギ
ャップに必ずしも適正に合わせられない事と、着磁ピッ
チが小さい場合には、センサのパターン幅がある程度の
幅を占めるのに対し、ｉｍピッチが広い場合には、磁界
中に占める割合が少ない為、磁界の乱れ等の影響を受け
やすくなる為ではないかと考えられる。

一般にＩＮＣ（インクリメント）信号は９０″位相差、
２相信号を持つこれらの信号の波形の精度を評価する為
に、リサージュ波形を用いる事が知られている。図１０
（ａ）に示す様に５９０゜位相差を持つ信号Ａ、Ｂをそ
れぞれＸ座標、Ｙ座標として描くと図１０（ｂ）の様な
円形となる。

信号が完全に正弦波である場合には、リサージュ波形は
完全な円となる。しかしながら従来の方法による波形に
は歪が生じ、図１１のように歪が発生してしまう。

そこで本発明は、上記従来技術および先行技術に存在す
る問題点を解決し、磁気式エンコーダから検出される複
数の検出信号にノイズがなく、高精度に検出できるよう
にすることを目的とする。

［課題を解決するための手段〕本発明は、複数の磁気信号発生手段に対向してそれぞれ
磁気抵抗効果素子部が配置され、各磁気抵抗効果素子部
が強磁性体薄膜パターンを複数接続して構成され、各磁
気抵抗効果素子部の出力信号が疑似正弦波となる磁気式
エンコーダであって、上記目的を達成するものである。

すなわち、１つの磁気信号発生手段の着磁ピッチが他の
磁気信号発生手段の着磁ピッチの５倍以上であって、前
記の磁気信号発生手段のうち着磁ピッチの大きなものの
着磁ピッチの１／４の範囲内に５本以上の強磁性体薄膜
パターンを配置させたことを特徴とするものである。

１つの着磁ピッチが他の着磁ピッチの５倍以上としたの
は、着磁ピッチに対するパターン幅が狭（なるため、波
形の歪はそのような場合に大きくなるからでありる。ま
た、磁気抵抗効果素子を５本以上の強磁性体薄膜パター
ンで構成したのは、ノイズ防止の効果を得るためであり
、望ましくは９本以上にするのが良い。

また各磁気抵抗効果素子部を構成する強磁性体薄膜パタ
ーンは長方形であって長さが巾の５０倍以上であること
が望ましい。

さらに着磁ピッチの大きな磁性信号発生手段とそれらに
対向して配置される強磁性体薄膜パターンの巾は、配置
の関係から１０〜１５μｍにするのがバルクハウゼンノ
イズの抑制から望ましい。

また、着磁ピッチが広い程、センサパターンの幅の占め
る割合が減り、ノイズ波形等が目立つため、本発明は約
１０００μｍ以上の大きな着磁ピッチのものに対して特
に有効である。

なお、大きな着磁ピッチの磁気信号発生手段に対向して
配置される強磁性体薄膜パターンの巾を、前記大きな着
磁ピッチの１７５０より小さくするだけでもエンコーダ
としての検出波形のノイズを低減させることができる。

［作用］上記の磁気式エンコーダでは２複数の磁気信号発生手段
のうち着磁ピッチに５倍以上の差があるので、着磁ピッ
チの大きな磁気信号発生手段に対向される磁気抵抗効果
素子部は着磁ピッチの小さなものに対応して配置される
。このため、着磁ピッチの大きなものに対向される磁気
抵抗効果素子は、出力特性をある程度犠牲にしたギャッ
プ範囲に設定され、その磁気抵抗効果素子部を構成する
各強磁性体薄膜パターンに生じる抵抗値変化にノイズや
波形歪を生じやすい。

しかし、磁気抵抗効果素子部は５本以上の強磁性体薄膜
パターンで構成されているので２それらの合成値として
検出される磁気抵抗効果素子部での検出波形では、ノイ
ズが相殺されて小さくなり、検出精度は向上する。

［実施例コ本発明の実施例を第１〜５図により説明する。

本実施例の磁気式エンコーダの構成は、第１図に示す模
式的な要部側面のように、回転される円柱形の磁気ドラ
ムｌと、それに対向してギャップＧで配置させる磁気セ
ンサ２とで構成され、磁気センサ２からの検出信号が正
弦波となるようになっている。

磁気ドラムｌは非磁性材で形成され５その外周面に磁気
記録媒体としてＣｏ−γＦｅ２０ｓからなる磁性粉を用
いた磁性塗料で磁性塗膜層を形成し、その磁性塗膜層に
基準点検出用の１パルスを生起する極着磁のＺ信号組１
１．および高速回転時検出用の着磁ピッチ１６００μｍ
の工、信号相１２、低速回転時検出用の着磁ピッチ２０
０ｕｍの工８信号相１３が設けられる。工２信号相１２
と工１信号相１３はインクリメント相であり、それぞれ
１回転当りのパルス数（Ｐ／Ｒ）は着磁数と同数となる
。なお、工、信号相１２の着磁ピッチは、工１信号相１
３の着磁ピッチの５倍以上となっている。

磁気センサ２は、磁気ドラムｌのＺ信号組１１と工、信
号相１２と■１信号相１３とに対向する磁気抵抗効果素
子部２１．２２．２３が設けられ、その構成は、第２図
に示すようになっている。なお本実施例では各磁気抵抗
効果素子部２１．２３とそれぞれの対応信号和とのギャ
ップＧは約２００μｍ２磁気抵抗効果素子部２２のギャ
ップＧ２は約７００μｍとした。

着磁ピッチの大きな工２信号相１２に対向する磁気抵抗
効果素子部２２は、長さが巾の５０倍以上の長方形状の
強磁性体薄膜パターン３を第３図のように５本以上接続
させた構成である。本実施例では、着磁ピッチ（１６０
０μｍ）のｌ／４の長さ内に、パターン巾（μｍ）と本
数が（８Ｘ６）のものと（８Ｘ１２）のものを作成し、
さらに比較のため、（８Ｘ３）の磁気抵抗効果素子部２
２を作成した。なお、着磁ピッチの小さな工、信号相１
３に対向する磁気抵抗効果素子部２３は１本の強磁性体
薄膜パターン３で作成したが、複数本を接続した構成に
しても良い。

磁気抵抗効果素子部２２を前記３種類のパターン巾と本
数とした磁気センサで磁気ドラムの各信号の磁気変化を
検出させ、磁気抵抗効果素子の等価回路（第４区）のＡ
相部とＢ相部の検出信号の合成値を表示させたところ、
第５図（ａ）、（ｂ）（ｃ）となった。

第５図から分かるように強磁性体薄膜パターンの本数が
多いほど円形に近く、高分解能化可能であって、精度が
良いことがわかる。これは検出信号にノイズが生じてい
ないためである。なお、強磁性体薄膜パターンの巾は、
バルクハウゼンノイズを抑制する事から細い方が望まし
いが、一般には１０〜１５μｍが適切である。

上記実施例ではインクリメント相が２つの磁気式エンコ
ーダであったが、２つ以上のエンコーダにも本発明は同
様に適用できるものである。

次に着磁ピッチの大きなインクリメント相に対向される
磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体薄膜パターンの巾
を種々変化させて、パターン巾がノイズ防止にどのよう
に影響するかを実験した。

実験では、前記実施例のようにインクリメント相は２つ
とし、着磁ピッチの大きなインクリメント相に対向させ
る磁気抵抗効果素子を３本のパターンで作成し、パター
ン巾の寸法を変えることによりパターン巾と着磁ビッチ
トの比を変えて磁気式エンコーダを作成した。作成した
磁気式エンコーダを前記同様に測定し、その結果は、第
１２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すリサージュ波形の
ようになった。パターン巾をＷ、着磁ピッチを丸にした
場合、Ｗ／＾≦１１５０にすれば分解能が良く、ノイズ
が少ないことがわかった。

［発明の効果］本発明の磁気式エンコーダによれば、着磁ピッチの大き
なインクリメント相に対向する磁気抵抗効果素子部を、
５本以上の強磁性体薄膜パターンで作成しているので、
インクリメント相が複数個の磁気ドラムに複数の磁気抵
抗効果素子部を対向させて複数の磁気変化を検出するよ
うにしても、いずれの検出信号もノイズが少なく精度良
く検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁気式エンコーダの要部の概略側面図
、第２図は磁気センサの正面図、第３図は磁気センサの
一部の磁気抵抗効果素子の構成図、第４図は磁気センサ
の等価回路図、第５図は磁気抵抗効果素子のＡ相部とＢ
相部の検出信号の合成値を示す測定結果、第６図は従来
の磁気式エンコーダの斜視図、第７図は従来の磁気式エ
ンコーダであって複数のインクリメント相を有する場合
の部分側面図、第８図は従来の磁気式エンコーダのギャ
ップと出力との関係を示すグラフ、第９図は従来の磁気
式エンコーダでの検出信号の波形図、第１０図は９０°
位相差を持つ信号Ａ、ＢをそれぞれＸ座標とＹ座標とし
てリサージュ波形を描いた説明図、第１１図は従来の方
法による場合のりサージュ波形、第１２図はパターン幅
と着磁ピッチとの比を変更した場合のりサージュ波形で
ある。工；磁気ドラム　　　　　　　２；磁気センサ３；強磁
性体薄膜パターン　１１；　Ｚ信号和１２；Ｉ２信号相
　　　　　　１３；Ｉｔ信号相２１．２２．２３；磁気
抵抗効果素子呂願人　　日　立　金　属　株式会社代理人　　弁理士　　牧　　克　　次第１図第３図第４図第８図第９図第６図第７図第１０図（Ｑ）第１１図手続補正書（自発）平成２年９月２５日平成２年特許願第２２６７２４号２、発明の名称磁気式エンコーダ３、補正をする者事件との関係

Claims

【特許請求の範囲】

（１）着磁ピッチの異なる複数の磁気信号発生手段にそ
れぞれ対向して配置される各磁気抵抗効果素子部が、磁
気抵抗効果を持つ強磁性体薄膜パターンを複数接続して
構成され、各磁気抵抗効果素子部の出力信号が疑似正弦
波となる磁気式エンコーダにおいて、１つの磁気信号発
生手段の着磁ピッチが、他の磁気信号発生手段の着磁ピ
ッチの５倍以上であって、前記の大きな方の着磁ピッチ
の磁気信号発生手段に対向される磁気抵抗効果素子部が
、その着磁ピッチの１／４の範囲内に５本以上の強磁性
体薄膜パターンを配置させてあることを特徴とする磁気
式エンコーダ。
（２）各磁気抵抗効果素子部を構成する強磁性体薄膜パ
ターンは、その長さが巾の５０倍以上であることを特徴
とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ。
（３）着磁ピッチの大きな磁気信号発生手段に対向して
配置される強磁性体薄膜パターンの巾を１０〜１５μｍ
とした請求項１に記載の磁気式エンコーダ。
（４）大きな着磁ピッチの磁気信号発生手段ではその着
磁ピッチが１，０００μｍ以上である請求項１ないし３
に記載の磁気式エンコーダ。
（５）着磁ピッチの異なる複数の磁気信号発生手段にそ
れぞれ対向して配置される各磁気抵抗効果素子部が、そ
れぞれ磁気抵抗効果を持つ強磁性体薄膜パターンを複数
接続して構成され、各磁気抵抗効果素子部の出力信号が
正弦波となる磁気式エンコーダにおいて、大きな着磁ピ
ッチの磁気信号発生手段に対向して配置される磁気抵抗
効果素子部は、それを構成する強磁性体薄膜パターンの
巾が前記大きな着磁ピッチの１／５０より小さいことを
特徴とする磁気式エンコーダ。