JPH0719897A

JPH0719897A - 磁気エンコーダ

Info

Publication number: JPH0719897A
Application number: JP5164583A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ono; 博之小野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1993-07-02
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】【目的】被駆動体を駆動するモータの回転軸に設けら
れかつ所定の磁化パターン列で円周方向に沿って着磁さ
れた磁石を有する磁気記録媒体による磁界を検出し、そ
の検出信号に基づいて非駆動体を駆動制御するための速
度及び位置を測定する磁気エンコーダにおいて、上記検
出信号の振幅変動を軽減することにより速度及び位置測
定制度を向上させる。【構成】磁気記録媒体２による磁界を検出する磁気抵
抗効果装置４を、磁気記録媒体２上の磁石３に対向させ
て複数配置する。各磁気抵抗効果装置４の出力の総和を
加算回路により演算し、その出力の平均を演算回路によ
り演算して、求めた平均を上記モータを駆動制御するた
めの信号として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁気記録媒体による
磁界を検出し、その検出値に基づいて例えば写真製版の
ステッパ、ロボットやマニピュレータ等を駆動制御する
ための速度及び位置情報を得る磁気エンコーダに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ロボットやマニピュレータ等に組み込ま
れて回転または直線運動を行うアクチュエータの速度及
び位置は、アクチュエータを駆動するモータの回転軸に
設けられて所定の磁化パターン列で円周方向に沿って着
磁された磁石を有する磁気記録媒体から読み出された磁
界に基づくパルス数が計数されることにより測定され
る。そして、アクチュエータの停止は、駆動回路によ
り、そのパルス数と設定値とが比較され、一致したとき
にモータが停止されることにより行われる。従来から、
アクチュエータを正確な位置で停止するために、磁気記
録媒体から読み出した磁界を正確にパルスに変換してパ
ルス数を計数することによりアクチュエータの速度及び
位置を正確に測定できる検出装置として磁気エンコーダ
がある。

【０００３】図８は、従来の磁気エンコーダの基本的な
構成図である。同図に示すように、アクチュエータを駆
動する図示しないモータの回転軸に設けられたディスク
１の表面上に強磁性体の磁気記録媒体２が無電解メッキ
などにより形成され、その表面外周近傍に全周にわたっ
て着磁ピッチＰの複数の微小磁石３が同じ極を隣接させ
て配置される。

【０００４】微小磁石３の漏れ磁界が及ぶ程のギャップ
Ｇを隔ててＭＲ（magneto-resistive；磁気抵抗効果）
装置４が微小磁石３に対向配置される。磁気抵抗効果装
置４は、磁界の強さに応じて抵抗が変化する複数の磁気
抵抗効果素子で構成される磁気抵抗効果素子群４Ａ及び
４Ｂで成り、それぞれ微小磁石３の着磁ピッチＰを周期
としかつ位相が９０°ずれたＡ相信号（正弦波）及びＢ
相信号（余弦波）を出力する。

【０００５】磁気抵抗効果装置４には直流電源５により
電圧が印加され、磁気抵抗効果素子群４Ａ及び４Ｂの出
力はそれぞれ増幅器６Ａ及び６Ｂで増幅された後、コン
パレータ７Ａ及び７Ｂでパルスに変換されて、図示しな
い計数回路に出力される。

【０００６】図９は、磁気抵抗効果装置４を示す図であ
る。同図（ａ）に示すように、磁気抵抗効果装置４は、
磁気抵抗効果素子群４Ａを構成する例えば４個の磁気抵
抗効果素子ＲＡ１〜ＲＡ４と磁気抵抗効果素子群４Ｂを
構成する４個の磁気抵抗ＲＢ１〜ＲＢ４が１／４Ｐピッ
チずつ離して交互に配列されていて、それぞれブリッジ
接続されて成る。

【０００７】次に、上述した構成の動作について説明す
る。磁気抵抗効果素子群４Ａ及び４Ｂの抵抗は、ディス
ク１の回転に伴って変化する磁気抵抗効果素子群４Ａ及
び４Ｂを通る磁界の強さの変化に応じて着磁ピッチＰを
周期とする正弦波状の変化を示す。この磁気抵抗効果素
子群４Ａ及び４Ｂの抵抗変化は、磁気抵抗効果装置４に
直流電源５により電圧が印加されることにより電圧変化
（それぞれＡ相信号及びＢ相信号）として出力される。

【０００８】そして、磁気抵抗効果素子群４Ａ及び４Ｂ
からの微小なＡ相信号及びＢ相信号を増幅器６Ａ及び６
Ｂで増幅し、コンパレータ７Ａ及び７Ｂでパルスに変換
して、そのパルスを図示しない計数回路などで計数す
る。

【０００９】図８の回路では、磁気抵抗効果装置４から
出力されるＡ相及びＢ相信号は、小磁石３の着磁ピッチ
Ｐを周期とする正弦波及び余弦波であり、ディスク１の
１回転で微小磁石３の着磁数のパルスしか得られない。
アクチュエータの速度及び位置測定精度を向上させるた
めにはアクチュエータの速度や位置を細かく制御できる
ようにすることが必要であり、そのためにはディスク１
の１回転に対して検出されるパルス数が多い方が好まし
い。

【００１０】従来、ディスク１の１回転に対して検出さ
れるパルス数を多くするために、着磁ピッチＰを小さく
することが実施されていたが、磁石の寸法が小さくなる
と、漏れ磁界の強度が弱くなり、磁気抵抗効果装置４が
磁界を検出できなくなるため、着磁ピッチＰの縮小によ
る速度及び位置測定制度の向上は限界に近い。そこで、
近年、速度及び位置測定制度を向上させるために、磁気
抵抗効果装置４の出力信号であるＡ相及びＢ相信号の正
弦波及び余弦波１周期を幾つかに分割してＡ相及びＢ相
信号の１周期から複数パルスを得る電気的てい倍法が主
流となっている。

【００１１】次に、電気的てい倍法の１つである位相差
検出方式の信号処理の流れを図１０に従って説明する。
ディスク１の回転に伴って、磁気抵抗効果装置４から互
いに９０°位相のずれた微小なＡ相信号（ｓｉｎθ）及
びＢ相信号（ｃｏｓθ）が出力される。

【００１２】このＡ相及びＢ相信号を増幅して各々の出
力と、搬送波となるオシレータ８からの高周波レファレ
ンス信号（ｓｉｎωｔ，ｃｏｓωｔ）との積（ｓｉｎω
ｔ・ｓｉｎθ，ｃｏｓωｔ・ｃｏｓθ）を乗算器９Ａ及
び９Ｂで求め、これらを減算器１０で減算してｓｉｎω
ｔ・ｓｉｎθ−ｃｏｓωｔ・ｃｏｓθ＝ｓｉｎ（ωｔ−
θ）を得る。ここで、ωｔ＝ａθ（ａ＞１）とした場
合、減算器１０の出力ｓｉｎ（ωｔ−θ）はｓｉｎ（ａ
−１）θとなり、ｓｉｎθ１周期の１／（ａ−１）倍の
周期の波形となる。

【００１３】減算器１０の出力ｓｉｎ（ａ−１）θとオ
シレータ８からの高周波レファレンス信号ｓｉｎωｔ
は、それぞれコンパレータ１１Ａ及び１１Ｂでパルスに
変換された後、計数回路１２に送られる。計数回路１２
では、コンパレータ１１Ａ及び１１Ｂの出力に基づいて
ｓｉｎθ１周期中にａ−１個のパルスを得て（ａ−１て
い倍）これを計数する。

【００１４】このように、位相差検出方式により、磁気
抵抗効果装置４の出力信号であるＡ相及びＢ相信号の１
周期から複数パルスを生成して、微小な位置測定の制御
を行うことによって位置測定制度を向上させている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述した位相差検出方
式は、ディスク１が同一平面で回転し、即ちＡ相信号及
びＢ相信号の変動がない理想的な場合で説明している。
この場合には、Ａ相信号ｓｉｎθ及びＢ相信号ｃｏｓθ
（便宜上、いずいれも振幅を１と仮定している）の振幅
比は１で変動がないので、減算器１０の出力は上述した
ようにｓｉｎ（ωｔ−θ）で、図１１（ａ）に示すよう
な理想的な正弦波となり、このため、計数回路１２で計
数される波形は、図１１（ｂ）のように規則正しいパル
スとなる。

【００１６】実際には、磁気抵抗効果装置４と磁気記録
媒体２とのギャップＧがディスク１全体にわたって僅か
に変動するため、Ａ相信号及びＢ相信号の振幅はそれぞ
れ変動するので、Ａ相信号とＢ相信号との振幅比は変動
する。

【００１７】この振幅比の変動を考慮して、Ａ相信号を
Ａｓｉｎθ、Ｂ相信号Ｂｃｏｓθ（Ａ≠Ｂ）とすると、
乗算器９Ａ及び９Ｂの出力は、それぞれＡｓｉｎωｔ・
ｓｉｎθ及びＢｃｏｓωｔ・ｃｏｓθとなり、減算器１
０の出力はＡｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ−Ｂｃｏｓωｔ・ｃ
ｏｓθ＝Ａｓｉｎ（ωｔ−θ）＋（Ａ−Ｂ）ｃｏｓθ・
ｃｏｓωｔとなって、上述した理想的な場合と比べて
（Ａ−Ｂ）ｃｏｓθ・ｃｏｓωｔの誤差を生じる。

【００１８】このような誤差を含む場合、減算器１０の
出力波形は、図１１（ｃ）のように不規則な正弦波にな
り、このため、計数回路１２で計数されるパルス波形は
図１１（ｄ）に示すように、パルスの立ち上がりのエッ
ジの間隔が一定にならず誤差を生じる。

【００１９】計数回路１２では、パルスを、その立ち上
がりのエッジで計数するので、アクチュエータの速度及
び位置測定精度を上げるには、ディスク１が一定速度で
回転している場合、パルスの立ち上がりのエッジの間隔
が一定であることが好ましい。

【００２０】しかし、Ａ相及びＢ相信号の振幅比変動に
より、図１１（ｄ）の波形のように、計数回路１２で計
数されるパルスの立ち上がりのエッジの間隔が一定でな
いので、計数値に誤差を生じ、そのためアクチュエータ
の速度及び位置測定精度が悪くなるという問題点があっ
た。

【００２１】また、磁気抵抗効果装置４上の複数の磁気
抵抗効果素子は、その長さ方向がディスイク１の直径方
向になるように配置されているが、磁気抵抗効果素子の
配置方向とディスク１の直径方向との僅かな傾きなどに
よりＡ相信号とＢ相信号との位相差が変動することによ
っても速度及び位置検出精度は低下する。

【００２２】ここで、ディスク１を速度一定で回転させ
て、増幅器６Ａの出力のうちディスク１の任意箇所の正
弦波の振幅と、増幅器６Ｂのうちディスク１の上記任意
箇所の正弦波の振幅との比を、データレコーダにより実
測した実験データによれば、図１２に示すように、０．
９８５〜１．０１５とほぼ３．０％の振幅比の変動があ
った。また、デイスク１を速度一定で回転させて、増幅
器６Ａ及び６Ｂの出力のうちディスク１の一周の８カ所
から（回転方向に４５°おきに）検出された正弦波を、
それぞれデータレコーダによって拡大し実測した実験デ
ータによれば、Ａ相信号及びＢ相信号の位相差変動は最
大０．２％であった。このため、位相差検出方式では、
全検出誤差は最大で３．２％であり、そのうちＡ相信号
とＢ相信号との振幅比の変動による誤差が全検出誤差の
９４％にもなる。

【００２３】このように、Ａ相信号及びＢ相信号の振幅
の変動は、速度及び位置測定精度の向上の大きな妨げに
なっていた。

【００２４】この発明は、このような問題点を解決する
ためになされたもので、磁気記録媒体による磁界の検出
信号の振幅変動を軽減することにより、速度及び位置測
定精度の高い磁気エンコーダを得ることを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る磁気エン
コーダは、所定の磁化パターン列で円周方向に沿って着
磁された磁石を有する磁気記録媒体を被駆動体を駆動す
るモータの回転軸に設けると共に、その磁気記録媒体の
磁石に対向する位置に設けられて、磁気記録媒体による
磁界を検出する磁気検出手段と、この磁気検出手段の出
力に基づいて上記モータを駆動制御するための信号を得
る信号処理回路とを備えた磁気エンコーダにおいて、上
記磁気検出手段を上記磁気記録媒体の円周上の互いに対
称な位置に複数配置すると共に、上記信号処理回路に、
各磁気検出手段の出力の総和を演算する加算回路と、こ
の加算回路の出力に基づいて複数の磁気検出手段の出力
の平均値を演算する演算回路とを備え、上記平均値を上
記モータを駆動制御するための信号として用いるもので
ある。

【００２６】

【作用】この発明においては、非駆動体を駆動するモー
タの回転軸に設けられた磁気記録媒体の磁石に対向させ
て上記磁気記録媒体の円周上の互いに対称な位置に複数
配置された磁気検出手段によって上記磁気記録媒体によ
る磁界を検出し、信号処理回路で、加算回路によって各
磁気検出手段の出力の総和を演算し、演算回路によって
上記加算回路の出力に基づき複数の磁気検出手段の出力
の平均値を演算する。そして、得られた平均値は、上記
モータを駆動制御するための信号として用いられる。

【００２７】

【実施例】以下、この発明の諸実施例を説明する。実施例１．図１は、この発明の実施例１を示す斜視図で
ある。同図に示すように、図８と同様な磁気抵抗効果装
置４が接着層としてのクロム（Ｃｒ）を介して複数配置
されたガラス基板１３を、磁気抵抗効果装置４が磁気記
録媒体２に対向するように配置され、全ての磁気抵抗効
果装置４の、Ａ相及びＢ相の磁気抵抗効果素子群にはリ
ード線が接続される。なお、図１では、例えばＡ相の磁
気抵抗効果素子群に接続されたリード線Ｌ_１〜Ｌ_ｎを示
し、Ｂ相の磁気抵抗効果素子群に接続されたリード線を
省略している。

【００２８】ディスク１の直径φが例えば１５０ｍｍの
場合、ガラス基板１３上に配置される磁気抵抗素子数は
例えばほぼ４０００素子である。この場合、磁気抵抗効
果装置４は、４個の磁気抵抗効果素子でそれぞれ構成さ
れるＡ相の磁気抵抗効果素子群及びＢ相の磁気抵抗効果
素子群で成るので、５００個配置される。

【００２９】磁気抵抗効果装置４は、フォトマスクに複
数の磁気抵抗効果素子のパターンを転写して、ＣＶＤ技
術、スパッタリング技術、写真製版技術、エッチング技
術などの微細加工技術を用いて形成される。また、磁気
抵抗効果素子には、強磁性体であるニッケル鉄（Ｎｉ−
Ｆｅ）またはニッケルコバルト（Ｎｉ−Ｃｏ）などを用
いる。

【００３０】図２は、図１の磁気抵抗効果装置４からリ
ード線Ｌ_１〜Ｌ_ｎを介して出力される信号を処理する回
路図である。同図に示すように、オペアンプなどにより
構成される加算回路群１４によりリード線Ｌ_１〜Ｌ_ｎの
Ａ相信号を順次加算し、最終段加算回路１５によりＡ相
信号の総和をそれぞれ得て、マイコンなどの演算回路１
６により最終段加算回路１５の出力に基づいてＡ相信号
の平均をとり、その平均を図１０の増幅器６Ａに出力す
る。

【００３１】また、Ｂ相信号についてもＡ相信号と同じ
く他の加算回路群により総和を得て、演算回路１６によ
り平均をとり、その平均を図１０の増幅器６Ｂに出力す
る。

【００３２】次に、上述した構成の動作を図３の波形図
に基づいて説明する。リード線Ｌ_１〜Ｌ_ｎから出力され
るＡ相信号（Ｂ相信号）は、図３（ａ）のような振幅が
αの正弦波（余弦波）であり、これらが加算回路群１４
により順次加算されていく。最終段加算回路１５の出力
は、リード線Ｌ_１〜Ｌ_ｎの信号の総和であり、図３
（ｂ）に示すように、振幅がｎαの正弦波（余弦波）と
なる。そして、演算回路１６で最終段加算回路１５の出
力の平均をとることにより、元のリード線Ｌ_１〜Ｌ_ｎの
波形レベルの信号を得る。

【００３３】このようにすることにより、ディスク１の
回転が同一平面でないために磁気記記録媒体２と磁気抵
抗効果装置４とのギャップＧが変動して、例えばリード
線Ｌ_１の信号の振幅に誤差を生じてα−εとなっても、
リード線Ｌ_１が接続されている磁気抵抗効果装置４と回
転軸に対して対称な位置にある磁気記録抵抗効果装置４
に接続されたリード線の信号の振幅はα＋εとなるの
で、リード線Ｌ_１〜Ｌ_ｎの信号の平均をとることにより
振幅の変動分εは打ち消される。よって、演算回路１６
で算出されたＡ相信号及びＢ相信号の平均に含まれる振
幅変動による検出誤差は極めて小さくなる。

【００３４】ここで、一般に、磁気抵抗効果装置４を成
すＡ相及びＢ相を構成する磁気抵抗効果素子群の数をそ
れぞれｎ個とし、各磁気抵抗効果素子群で検出されるＡ
相信号とＢ相信号との振幅比の変動をそれぞれε_１，ε
_２，…，ε_ｎとすると、Ａ相信号またはＢ相信号の総和
の標準偏差は、Σε_ｎ／√ｎで表され、図８のように磁
気抵抗効果装置が１つしかない場合の検出誤差の１／√
ｎとなる。

【００３５】よって、この実施例のようにＡ相及びＢ相
を構成する磁気抵抗効果素子群の数がそれぞれ５００個
の場合には、Ａ相信号及びＢ相信号のディスク１の１周
にわたる振幅変動は、ディスク１のある所を１として示
すと、図４のように、０．１３％（Σε_ｎ／√ｎ＝３／
√５００、ただし、３は従来装置による実験データ）と
なる。これと位相差の変動０．２％とを合わせても、位
相差検出方式での全検出誤差は０．３３（＝０．１３＋
０．２）であり、図５に示すように、従来の３．０％
（図１２）に比べて大幅に低減される。このため、この
実施例によれば、速度及び位置測定精度は従来の√５０
０倍になる。

【００３６】ディスク１の直径φを１５０ｍｍ、微小磁
石３の着磁ピッチＰを１２０μｍとして、例えば着磁ピ
ッチＰ＝１２０μｍを３０てい倍した場合、分解能は、
｛［（φ１５０×π×１０００）／１２０］×１００
％｝／０．１３％＝３００万pulse／revolution、また
は３６０°×６０´×６０´´）／３００万≒０．４３
／pulseとなる。

【００３７】なお、この実施例１では、演算回路１６の
出力を図１０の電気的てい倍を行う回路に入力させてい
るが、電気的てい倍を行わない図８の回路にも適用でき
ることはいうまでもない。また、ディスク上に着磁部と
非着磁部とを有して、例えば着磁部を１、非着磁部を０
というように２進法で絶対位置を検出するアブソリュー
トエンコーダにも適用できる。

【００３８】実施例２．上記実施例１では磁気抵抗効果
装置４からの信号を加算する際にオペアンプなどの加算
回路群１４及び最終段加算回路１５を使用したが、図６
に示すように、シリコン基板１３Ａ上に、磁気抵抗効果
装置４の磁気抵抗効果素子そのものを形成すると共に、
デバイスプロセス及びデバイス構造が確立している加算
器群１７を形成して、シリコン基板１３Ａ上の内部配線
で磁気抵抗効果装置４と加算器群１７とを直結して、リ
ード線Ｌ_１〜Ｌ_ｎをなくしても、同様の効果が得られ
る。

【００３９】実施例３．シリコン基板１３Ｂ上に、磁気
抵抗効果装置４及び加算器群１７を形成すると共に、加
算器群１７の最終出力の平均をとる演算回路１８を形成
しても、同様な効果が得られる。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、この発明は、被駆動体を
駆動するモータの回転軸に設けられかつ所定の磁化パタ
ーン列で円周方向に沿って着磁された磁石を有する磁気
記録媒体による磁界を検出する磁気検出手段を、上記磁
気記録媒体の磁石に対向させかつ上記磁気記録媒体の円
周上の互いに対称な位置に複数配置すると共に、各磁気
検出手段の出力の総和を演算する加算回路と、この加算
回路の出力に基づいて複数の磁気検出手段の出力の平均
値を演算する演算回路とで成る信号処理回路を備え、上
記平均値を上記モータを駆動制御するための信号として
用いるよう構成したことによって、上記磁気記録媒体と
上記磁気検出手段とのギャップが変動しても、その変動
による上記磁気検出手段の検出誤差は上記信号処理回路
での処理により打ち消されるので、上記モータの駆動制
御の精度が向上し、そのため非駆動体の速度及び位置測
定精度が向上するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す斜視図である。

【図２】この発明の実施例１の信号処理回路を示す回路
図である。

【図３】この発明の実施例１の動作を説明するための波
形図である。

【図４】この発明の実施例１による検出誤差を示す特性
図である。

【図５】この発明の実施例１と従来装置との全検出誤差
を比較するための比較図である。

【図６】この発明の実施例２を示す斜視図である。

【図７】この発明の実施例３を示す斜視図である。

【図８】従来の磁気エンコーダを示す構成図である。

【図９】従来の磁気エンコーダの磁気抵抗効果装置を示
す構成図である。

【図１０】電気的てい倍法による信号処理のブロック図
である。

【図１１】従来の磁気エンコーダの動作を説明するため
の波形図である。

【図１２】従来の磁気エンコーダによる検出誤差を示す
特性図である。

【符号の説明】

２磁気記録媒体３微小磁石４磁気抵抗効果装置１３ガラス基板１３Ａシリコン基板１３Ｂシリコン基板１４加算回路群１５最終段加算回路１６演算回路１７加算器群１８演算回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の磁化パターン列で円周方向に沿っ
て着磁された磁石を有する磁気記録媒体を被駆動体を駆
動するモータの回転軸に設けると共に、その磁気記録媒
体の磁石に対向する位置に設けられて、磁気記録媒体に
よる磁界を検出する磁気検出手段と、この磁気検出手段
の出力に基づいて上記モータを駆動制御するための信号
を得る信号処理回路とを備えた磁気エンコーダにおい
て、上記磁気検出手段を上記磁気記録媒体の円周上の互
いに対称な位置に複数配置すると共に、上記信号処理回
路に、各磁気検出手段の出力の総和を演算する加算回路
と、この加算回路の出力に基づいて複数の磁気検出手段
の出力の平均値を演算する演算回路とを備え、上記平均
値を上記モータを駆動制御するための信号として用いる
ことを特徴とする磁気エンコーダ。