JPS601514A - 変位量検出器 - Google Patents

変位量検出器

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JPS601514A
JPS601514A JP58107828A JP10782883A JPS601514A JP S601514 A JPS601514 A JP S601514A JP 58107828 A JP58107828 A JP 58107828A JP 10782883 A JP10782883 A JP 10782883A JP S601514 A JPS601514 A JP S601514A
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/64Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P3/66Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance using electric or magnetic means

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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】 本発明はリニアエンコーダ、ロータリーエンコーダ等の
エンコーダの磁化パターンを磁気抵抗素子を具える磁気
センサによって検出する変位量検出器に関するものであ
る。
このような磁気抵抗素子を具える磁気センサとして、絶
縁膜を挟んで二層の磁気抵抗素子を上下に設け、相互に
磁気的バイアスを与えるようにしたものが特公昭53’
−37204号公報および同t、a−87205号公報
などに記載されており、公 、−知である。例えば特公
昭53−37204号公報に記載された磁気センサでは
磁気抵抗素子を上下に二層積層し、一方の磁気抵抗素子
に流れる駆動電流により発生する磁界により他方の磁気
抵抗素子にバイアス磁界を印加するものであり、これを
以後、−次バイアス方式と云う。また、特公昭53−3
7205号公報に記載された磁気センサは、一方の磁気
抵抗素子を流れる駆動電流により発生する磁界が他方の
磁気抵抗素子に加えられ、この他方の磁気抵抗素子にお
ける磁化の一成分が逆磁界を生じ、この逆磁界が一方の
磁気抵抗素子にバイアス磁界として印加されるものであ
り、これを以後、二次バイアス方式と云う。
第1図は上述した特公昭53−37204号公報に記載
された磁気センサの回路図である。絶縁膜を介して上下
に積層された第1および第2の磁気抵抗素子MRIおよ
びMR2を定電流源Sと大地電位との間に並列に接続し
、定電流源Sと磁気抵抗素子MHIおよびMR2との接
続点に現われる電圧■、およびv2の差を差動増幅器D
Aでめるようにしたものである。
このような相互磁気バイアス形の磁気センサは、例えば
絶縁基板上に第1の磁気抵抗膜、絶縁膜および第2の磁
気抵抗膜を順次に被着して構成されているが、安定した
検出出力を得るためには、第1および第2の磁気抵抗膜
が同一の磁気特性を有することが必要となる。このよう
な磁気センサを製造する方法としては、基板上に第1磁
気抵抗膜および電$f!、膜を蒸着し、フォトエツチン
グ等によりパターニングした後、絶縁膜な蒸着し、さら
にその上に第2磁気抵抗膜および電極膜を蒸着してパタ
ーニングする方法が一般的に考えられる。しかしながら
、このような製造方法では、第1およ、び第2の磁気抵
抗素子は異なる磁気抵抗膜がら形成されるので、膜厚、
比抵抗、抵抗温度係数等が同一となりに<<、磁気特性
が揃わなくなる欠点がある。また第1および第2の磁気
抵抗素子は別々の工程でパターニングして形成されるた
め、寸法精度が悪く、同一の寸法とならず、このために
磁気特性に差異が現われる欠点もある。したがって、無
磁界における出力電圧である不平衡電圧が発生し、それ
が温度によってドリフトするため、正確な磁気検出な行
うことができない欠点がある。
さらに、磁気センサを用いてモータの回転角を検出する
ような場合には、磁気センサは磁化パターンによる磁界
に曝されるたけでなく、モータの磁界にも曝されること
になるが、信号磁界とノイズ磁界との選択能に乏しいの
で出方信号のS〉Nが低下し、検出精度が悪くなる欠点
もある。
本発明の目的は上述した欠点を除去し、膜厚、比抵抗、
抵抗温度係数等の特性に差異があっても正確な磁気検出
を行なうことができ、しがちノイズ磁界に影響されずに
信号磁界ご正確に検出する・ことができるように構成し
た変位量検出器を提供しようとするものである。
本発明の変位量検出器は、それぞれ絶縁膜を挟んで積層
した少なく共2層の磁気抵抗素子を具え、これら磁気抵
抗素子を互いに反対方向に磁気バイアスした少なく共2
組の磁気センサを共通の基板上に変位方向とほぼ直交す
る方向に配列して装着し、この配列方向と磁化パターン
とを、変位方向と直交する方向において相対的に傾斜さ
せてこれら磁気センサが磁化パターンに対してほぼ18
00の位相差を有するように配置し、前記少なく共2組
の磁気センサをノイズ磁界が相殺されて磁化パターンに
よる出力信号のみが得られるようにブリッジ結合したこ
とを特徴とするものである。
以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第2図は本発明の変位量検出器に用いる磁気センサの一
例の構成を示T線図的斜視図であり、図面を明瞭とする
ために上側の絶縁層は省いである。
本例では4個の磁気抵抗素子Ra工’ Ra2t Rb
□。
Rb2を具えるものであり、素子RalとRbtおよび
・RasとRb2とはそれぞれ同じ磁気抵抗膜をパター
ニングして形成されており、素子Ra□とRa2および
RbxとRb2とは絶縁層INSを介して上下に積層さ
れている。これらの素子は絶縁基板S上に並べて形成さ
れている。
磁気抵抗素子には第3図に示すように、絶縁層にあけた
スルーホールを介して導体が接続されている。すなわち
、基板S上の磁気抵抗素子Ra2には絶縁層INS□お
よび1NS2および磁気抵抗素子Ralにあけたスルー
ホールを介して導体6□を接続し、磁気抵抗素子Ra□
には絶縁層lN52にあけたスルーホールを介して導体
c2を接続する構造となっている。
上述した磁気抵抗素子R、R、Rおよびal a2 b
l Rb2は第4図に示すようにブリッジ接続する。すなわ
ち、磁気抵抗素子Rb□およびRb2の−tIMを電源
Eの正端子に共通に接続し、素子Rb□の他端を素子R
alの一端に接続し、素子Rbgの他端を素子Ra2の
一端に接続し、素子RおよびRa2の他端l を電源Eの負端子に共通に接続する。また、素子Ral
とHb工との接続点を差動増幅器DEFの正側入力端子
に接続し、素子Ra2とRbzの接続点を差動増幅器D
EFの負側入力端子に接続する。したがって磁気抵抗素
子Ral ’ Ra21 Rbl ’ Rb2には第4
図に矢印で示す方向に電流が流れ、−その結果として、
これら素子は磁気的に相互バイアスされる。
本例では二次バイアス効果が大きいため、各素子は 第
4図に示すように磁気バイアスされる。すなわち、素子
Ra1およびRbxは紙面の下から上へ向う磁気バイア
ス+Hbが印加され、素子Ra2およびRb2には紙面
の上から下に向う磁気バイアス−Hbが印加されること
になる。
このような磁気バイアスのため、磁気抵抗素子Rat 
+ Rb−1およびRa2.Rb2の動作特性は第5図
に示すように対称的なものとなる。すなわち、曲線Aは
素子Rax r Rbxの動作特性を示し、工で示す入
力磁界が与えられると、曲線RAで示すような抵抗変化
が得られ、曲線Bは素子Ra2 T Rb2の動作特性
を示し、入力磁界工に対して抵抗値は曲線RBで示すよ
うに変化することになる。
本発明においては、上述したように構成した磁気センサ
の配列方向を第6図に示すように磁化パターンを記録し
た記録媒体Mの変位方向りと直交する方向に対して角度
θだけ傾斜させる。この傾4角度θは2組の磁気抵抗素
子Ra、 、 Ra、およびRb11Rb、が磁化パタ
ーンの同期に対してほぼ180°の位相差が得られるよ
うなものとする。
このように構成すると、一方の磁気センサの磁気抵抗素
子R,’Hに加えられる磁化パターンal a2 による磁界と、他方の磁気センサの磁気抵抗素子Rb□
r Rb2に加えられる磁化パターンによる磁界とは常
に反対方向となる。これに対し、一般にノイズ磁界は両
磁気センサの磁気抵抗素子に同じ方向で加えられること
になる。したがって、ノイズ磁界による成分は相殺除去
され、差動増幅器DEF’からは磁化パターンに−よる
信号成分だけが出力されることになり、信号磁界と雑音
磁界との選択能が高くなり、S/Nの高い出力信号が得
られ、変位量の検出精度が著しく高くなる。
次に本例の磁気センサにおける不平衡電圧を考察してみ
る。今、第1および第2の素子Ra1qよびRb□を構
成する第1の磁気抵抗膜の温度係数をもった比抵抗をρ
□(T)、膜厚をt□とし、第3および第4の素子Ra
2およびRb2を構成する第2の磁気抵抗膜の比抵抗を
ρ2(T)、膜厚をt、とし、第1および第3の素子R
a□およびRa2のパターン形状係数(丁なわち長さ7
幅)をに0、第2および第3の素子RbxおよびRbz
のパターン形状係数をに2とすると、第1〜第4の磁気
抵抗素子Ra工yRbx+Raz e Rb2の抵抗値
R0〜R2は次のようになる。
R1=ρ、(T) k□/1゜ R,=ρ、(T)k2/10 R8=ρ2 (T) I’−1/ t 2R4=ρ2.
(T) k、/12 したがって被検出磁界がない場合の不平衡電圧Δ■は、
電源Eの電圧を■8とすると、 ΔV = V、−V2 となる。すなわち、ρ、(T)+ρ2(T) e t□
+t2あるいはに、+に2であっても不平衡電圧ΔVは
常に零となり、オフセットや温度ドリフトもなく、正確
な磁気検出を行なうことができる。
第7図は本発明の変位量検出器に用いる磁気センサの他
の例を示すものであり、それぞれ2個の磁気抵抗素子R
al l Ra2およびRbl l Rb2 ”’積層
した2組の磁気センサを共通基板上に並べて配置し、こ
の共通基板を磁化パターンの変位方向と直交する方向に
対して角度θだけ傾斜させて配置a、する点は上述した
実施例と同じである。本例では磁接続し、これら素子の
他端を素子Ra□およびRb2の一端にそれぞれ接続し
、電源Eの負側端子を素子Ra2およびRb、、の他端
に接続し、素子Ra1の他端と素子Ra2の一端との接
続点を差動増幅器DEFの正入力端子に接続し、素子R
b工の他端と素子Rb2の一端との接続点を差動増幅器
DEFの負入力端子に接続する。本例でも各素子には矢
印で示す方向に電流が流れ、各素子は二次相互ノくイア
ス効果によって第7図に示すように磁気)くイアスされ
る。この磁気バイアスは第4図に示したものと同一であ
り、本例でも各素子に同相で与えられるノイズ磁界によ
る出力は相殺除去され、差動増幅u D E F カら
は磁化パターンによる出力信号だけが出力されることに
なる。また、本例の不平衡電圧Δ■は、 = 0 となり、上述した実施例と全く同じ効果が得られる。
変位量検出器として変位量だけでなく、変位方向も検出
する場合もあるが、このためには互l/A&こ90°の
位相差を有する2相の信号が必要である。
第8図は上述した2組の磁気センサを有するユニットを
2個共通基板S上に並べて配置し、この共通基板を磁化
パターンを記録した記録媒体Mの変位方向りに対して角
度θだけ傾斜させて配置i’i シた本発明の変位量検
出器の一実施例を示す。本例では基板S上に4個の磁気
センサUa−Udが並べて配置され、UaおよびU。が
−組の磁気ユニットを購成し、UbおよびUdが一組の
磁気ユニットを構成している。したがって、傾斜角度θ
は、磁気センサU およびU。がほぼ180°の位相差
を有し、磁気センサUbおよびUdが同じく、はぼ18
0°の位相差を有するような値となっている。これら4
個の磁気センサは互いに等間隔だけ離間されているので
、2個の磁気ユニットは互いGこ90°の位相差を有す
ることになる。
第9図は上述した4個の磁気センサUa−Udの磁気抵
抗素子Ra1r Raz ’ Rb1y Rb2’ R
ax +Re1l ’ Rdt r Rdzの結線の一
例を示すものである。
電源Eの正側端子を各磁気センサの第1の素子Raよ、
Rb□+ Rat w Rdiの一端に接続し・この第
1の素子の他端を第2の素子Raz t Rb2t R
021Rd2の一端に接続し、これら第2素子の他端を
電源Eの負側端子に接続する。これによって各素子には
第9図に矢印で示すように同一方向に電流が流れ、素子
Ral t Rbl 、e ROl # Rdlには紙
面の上から下へ向うバイアス磁界中Hbが、素子Ra2
tRb2* Ra2* Rdsには下から上へ向うバイ
アス磁・界−Hbが二次相互バーイアスの作用により印
加されることになる。したがって素子RおよびRa21 の接続点を第1差動増幅器DEFAの正側入力端子に、
素子R8、とR6,との接続点を負側入力部1子にそれ
ぞれ接続することにより第1差動増幅器DEFAからは
ノイズ磁界に影響されない磁気パターンのみによる人相
の出力信号が得られる。同様にz子RbtとRbgとの
接続点および素子Rd□とRa2との接続点をそれぞれ
正および負側入力端子に接続した第2差動増幅器DEF
Bからもノイズ磁界を相殺・除去したB相の出力信号が
得られる。これらA相およびB相の出力信号は900位
相がずれたものとなるので変位量だけでなく、変位方向
をも知ることができる。本例においても8個の磁気抵抗
素子は2層の磁気抵抗膜を同時にパターニングして形成
することができるので、膜厚、温度特性、形状係数にバ
ラツキがあっても不平衡電圧ΔVは牛じない。
第1θ図は第8図に示した実施例の変形例を示すもので
あり、8個の磁気抵抗素子の結線方法が前例とは相違し
ているだけであり、その他の構成は前例と同様である。
本例では、電源Eおよび各素子相互を第1θ図に示すよ
うに接続して各素子には矢印で示す方向に電流が流れる
ようにする。
これによって生ずる二次相互バイアス効果により各素子
は第1O図に示すように磁気バイアスされる。本例の変
位量検出器の動作は前例と同様であり、同相で与えられ
るノイズ磁界による出力成分は相殺除去され、磁化パタ
ーンによる互いに90゜位相がずれた人相およびB相の
出力信号が得られるdまた不平衡電圧ΔVも零となり、
正確な変位量検出を行なうことができる。さらに本例で
は基板上で各素子に対して導体パターンを形成するのが
容易となる。
本発明では上述したように基板を変位方向と直交する方
向に対して傾斜させるが、この傾斜角度についてさらに
考察する。第11[fiは記録媒体)4に記録した磁化
パターンと磁気センサa、bとの関係を線図的に示すも
のであり、2つの磁気センサaおよびbの配列方向のピ
ッチk l s各センサの長さ7z!。、磁化パターン
のピッチをP1傾斜角1度をθとする。このとき、磁気
センサaおよびbに加わる磁界の位相差P(ラジアン)
は、2πノ 。
51+ = −Slnθ ・・・・・・・・・・・・・
・・・・・ (1)となる。以下、角度θの代わりにこ
の位相差Tを使って説明を進める。磁気センサを磁化パ
ターンに対して傾斜させたことによる各磁気センサの出
力の影響をf (r)とすると、これは次式で表わされ
る。
また、位相差Pが差動出力電圧へ及ぼす影響り(51’
)は次式で表わされる。
、T 9 (P ) = (Vl −V2 )p−p = s
ln −i−曲・・−−(a)したがって、綜合的に見
た傾斜角と出力電圧との関係は次式で与えられる。
F=、f(P)・g(LP) 第6図に示したように2つの磁気センサが互いに極く接
近して配置されている場合には1 = l。
と着像すことができるので、上式(4)はさらに次のよ
うに表わされる。
この関係をグラフに表わすと、第12図に示すようにな
る。また、第8図に示すようにl = 2 loの場合
には(4)式は次のようになる。
この関係をグラフに表わすと第13図に示すようになる
。第12図および第13図に示すグラフにおいて、横軸
は位相差Pとこれに対応する傾斜角度θを表わし、縦軸
は相対出力を表わしている。
180°の位相差ψが得られるように傾斜させた場合、
第6図の実施例に比べて第8図の実施例の方が出力は大
きくなっている。したがって’/l o の値は大きく
した方が良いが、第6図の実施例でも最大出力値の約9
0%の出力が得られている。傾斜角度θは磁気抵抗素子
の長さl。をl 、 4 tnmと山、直径20鰭の磁
気ドラムの外周縁に1ooo個の磁化パターンを記録し
た口〜タリーエンコーダを用いる場合を例に採って計算
した値である。すなゎチ、コの場合には、磁化パターン
のピッチPは、で与えられる。このピッチPを(1)式
に代入してtp = ”−’ sinθ の式によって傾斜角度θを計算した値を第12図および
第18図に示した。
第12図および第13図かられかるように、傾斜角度θ
は、第6図に示す実施例では1.286°、第8図に示
す実施例では00643°ときわめて小さい値である。
実際にこのように小さな傾斜角度θを持つように調整す
ることは非常に困難であり、面倒な調整作業を必要する
と共に精度の高い調整機構を1個1個の変位量検出器に
設けるとコスト高を招くことになる。
このような欠点を除去し、共通基板と磁化パターンとを
所望の角度だけ容易かつ迅速に傾斜させることができ、
しかも各変位が、検出器には高精度で高価な調整機構を
設ける必要がないようにした変位量検出器の製造方法に
ついて以下説明する。
第14図は、磁気記録媒体として磁気ドラムな用い、そ
の回転方向および回転量を検出するようにした本発明の
変位量検出器の一実施例を示す平面図であり、第15図
は断面図である。磁気ドラム4]、はほぼ円筒状の保持
体42に軸受48によって回転自在に支承した軸44・
に固着する。保持体42には、磁気センッを装着した共
通基板4・5を取付板46を介して数句ける。第14図
および第15図においては磁気センサは示していないが
、第15図において上下方向に並べて共通基板45に装
着されており、この共通基板45は取付板46に固着さ
れており、この取付板はねじにより保持体42しこ固着
されている。したがって共1m基板45は保持体42、
したがって磁気ドラム4・1に対して固定的に取付けら
れている。軸44はモータ47に連結され、このモータ
にはロータリエンコーダ48が連結されている。一方、
磁気ドラム41に磁化パターンを記録するために磁気ヘ
ッド4+ 9を設け、この磁気ヘッドをアーム5oを介
して回転ステージ51に連結し、磁気ヘット′4.9を
ff1lll線X−Xf中心として回動できるようにす
る。
ロータリエンコーダ48の出力をパルス発生器52 ニ
供給して軸44、したがって回転ドラム4]の回転に完
全に一対一に対応するパルスを発生させ、このパルスを
磁気ヘッド419に供給して磁化パターンを記録するよ
うにする。ロークリエンコーダ48およびパルス発生器
522適切に構成し、磁気ドラム41の円周面に100
θ個のパルスを等間隔で記録できるようにする。
今、磁気ヘッド49のギャップが軸44と平行になって
いると、磁気ドラム41の表面には変位方向に対して直
交する方向に磁化パターンが記録されることになる。一
方、回転ステージ51を角度αだけ回転させると、磁気
ヘッド49のギャップは軸44に対して角度αだけ傾斜
することになる。したがってこの場合には変位方向と直
交する方向に対して角度αだけ傾いた磁化パターンが記
録されることになる。したがって、第15図に示すよう
に共通基板45に装着した2つの磁気センサからの出力
信号をモニタ53に表示し、これら2つの信号が所望の
位相差Tとなるように回転ステージ51を操作しながら
磁気ドラム41に磁化パターンを記録すれば、共通基板
45と磁化パターンとは変位方向と直交する方向におい
て所望の角度θだけ傾斜することになる。この場合、磁
気ヘッド49により以前に記録した磁化パターンの、上
に新たな磁化パターンを重畳して記録してもよいが、第
14図において鎖線で示すように消去ヘッドを設けたり
、磁気ヘッド49を消去ヘッドとして用いて以前に記録
した磁化パターンを消去するようにしてもよい。
上述した@遣方法によれば、磁気センサを装着気ドラム
41に対して傾斜させるようにしたため、共通基板と磁
化パターンを容易がっ迅速に所定の角度だけ相対的に傾
斜させることができる。しかも、磁気ヘッド49を回転
自在に保持する回転ステージ51は多数の変位量検出器
に対して共通に使用することができるので、安価に実施
することができる。第15図に示す例ではモニタ53上
に2つの信号を再生表示し、これを見ながら回転ステー
ジ51を回転させるようにしたが、2つの信号の位相差
が所望の値になるように回転ステージ51を自動的に回
転させるサーボループを設けてもよい。
本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
、幾多の変更を加えることができる。例れば上述した例
では二次相互バイアス効果を利用して磁気バイアスした
が、−次相互バイアス効果を利用してもよく、また、相
互バイアス効果を利用しないで、別個に導電膜を設け、
これに電流を流してバイアス磁界を発生させるようにし
てもよい。
また、磁気抵抗素子は、その膜面が磁化パターンを記録
した記録媒体に対して垂直に配置面シたが、記録媒体と
平行に配置することもできる。また、上述した実施例に
おいて11L源の極性を反対とすることも勿論可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の磁気抵抗素子を具える変位量検出器の一
例の構成を示す線図、 第2図は本発明の変位量検出器の磁気センサの一例の構
成を示す斜視図、 第3図は同じくその断面図、 第4図は同じくその結線方法を示す線図、第5図は同じ
くその動作特性を示す線図、第6図は磁気センサと磁化
パターンとの配列間。 係を示す線図、 第7図は磁気センサの結線方法の他の例を示す線図、 第8図は本発明の変位量検出器C3他の例における磁気
センサと磁化パターンとの配列関係を示す線図、 第9図は同じくその磁気センサの結線方法を示す線図、 第10図は磁気センサの結線方法の他の例を示・す線図
、 第11図は傾斜角度と出力電圧との関係を説明1−るた
めに磁気センサと、磁化パターンとの配列関係を示す線
図、 第12図および第13図は傾斜角度および位相差と出力
電圧との関係を示すグラフ、 第14図は磁気センサと磁化パターンとを相対的に所望
の角度だけ傾斜させながら組立てをイj′なう製造装置
を示す平面図、 第15@tt−1同じくその線図的断面図である。 ・Ra1+ Ras + Rbx v Rbg l R
Cl y R02t Rdlt Rdz ”’磁気抵抗
素子 INS、INS lN52・・・絶縁層1 S・・・共通基板 a、 、 C2・・・導体E・・・
電源 DEF、DEF DEFB・・・差動増幅器I M・・・磁化パターン記録媒体 特許出願人 株式会社コバル 代理人弁理士 杉 村 暁 力 量 弁理士 杉 村 興 作 第3図 第4図 第5図 第9図 Aオ目出力 B才目出力 4才目出力 Bオ目出力 φa塗斗角(θ) 第13図 4カ瓦を目り1(92) 傾塗斗角(θン

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. L それぞれ絶縁膜を挟んで積層した少なくとも2層の
    磁気抵抗素子を具え、これら磁気抵抗素子を互いに反対
    方向に磁気バイアスした少なくとも2組の磁気センサを
    共通の基板上に変位方向とほぼ直交する方向に配列して
    装着し、この配列方向と磁化パターンとを、−変位方向
    と直交する方向において相対的に傾斜させてこれら磁気
    センサが磁化パターンに対してほぼ180°の位相差を
    有するように配置し、前記少なくとも2組の磁気センサ
    をノイズ磁界が相殺されて磁化パターンによる出力信号
    のみが得られるようにブリッジ結合したことを特徴とす
    る変位量検出器。
JP58107828A 1983-06-17 1983-06-17 変位量検出器 Granted JPS601514A (ja)

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