JP4820182B2 - Magnetic encoder - Google Patents
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Description
本発明は、無接点型の磁気エンコーダに係わり、特に磁気抵抗効果素子を用いた磁気エンコーダに関する。 The present invention relates to a contactless magnetic encoder, and more particularly to a magnetic encoder using a magnetoresistive effect element.
従来の磁気エンコーダは、回転軸とともに回転可能に設けられた円盤状の磁性体と、前記磁性体の外周面の近傍に配置された一対のホール素子とから構成される。前記磁性体の外周側面11Aには、N極とS極とに交互に着磁してなる磁気コードが形成されており、前記一対のホール素子は前記磁気コードから発生される磁場を検出してパルス信号を外部に出力する。一方のホール素子からはA相パルス信号が出力され、他方のホール素子からは前記A相パルス信号に対し90度位相が異なるB相パルス信号が出力されることにより、前記回転軸の回転方向や回転数を検出できるようになっている(例えば、特許文献1)。
しかし、特許文献1の磁気エンコーダでは、ホール素子が垂直方向の磁場を検出したとき、例えば磁気コード上の任意のN極がホール素子に対向したときに、一つのパルス信号を出力するものであるため、パルス信号の周期(あるいは磁性体が1回転する間に出力されるパルス数)は前記磁気コードの磁極間のピッチ寸法(磁性体の外周面に隣接配置された磁極間ピッチ)に依存することになる。
However, the magnetic encoder of
すなわち、従来においては、ホール素子に対し、磁石をN→S→N(又はS→N→S)と電気角360度に相当する角度分回転させなければ一周期分の信号を得ることができなかった。 That is, conventionally, a signal corresponding to one cycle can be obtained unless the magnet is rotated by an angle corresponding to an electrical angle of 360 degrees with respect to the Hall element, N → S → N (or S → N → S). There wasn't.
このため、パルス信号の周期を短くし、あるいは磁性体が1回転する間に出力されるパルス数をより多くするには、前記磁性体の外周面上に並ぶ磁極の前記磁極間ピッチを狭くして磁極数を増加させる必要がある。 For this reason, in order to shorten the period of the pulse signal or increase the number of pulses output during one rotation of the magnetic material, the pitch between the magnetic poles arranged on the outer peripheral surface of the magnetic material is reduced. Therefore, it is necessary to increase the number of magnetic poles.
ところが、磁性体の外周面に形成される磁極の磁極間ピッチを狭くすることは容易なことではなく、特に1mm以下で形成するにはコストの大幅な増大を招くという問題がある。 However, it is not easy to narrow the pitch between the magnetic poles formed on the outer peripheral surface of the magnetic material, and there is a problem that the cost is greatly increased especially when the pitch is 1 mm or less.
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、磁極間ピッチをそれほど狭くしなくても、従来よりも倍周波(1/2の周期)のパルス信号を得ることを可能とした磁気エンコーダを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is possible to obtain a pulse signal having a double frequency (1/2 period) than the conventional one without reducing the pitch between magnetic poles so much. The purpose is to provide an encoder.
本発明は、回転自在に支持された回転体と、前記回転体の外周側面に回転方向に沿ってN極とS極とからなる複数の磁極が交互に着磁された磁性体と、前記磁性体の近傍に前記回転方向に沿って対向配置された複数の磁気抵抗効果素子と、を備えた磁気エンコーダであって、
個々の磁気抵抗効果素子は、少なくともピン層と前記磁性体が発する外部磁界に基づいて内部の磁化方向が変化するフリー層とを有し、前記ピン層の磁化方向が前記外周側面に平行で且つ前記回転方向に対し垂直となる第1の方向又は前記第1の方向に対して逆向きとなる第2の方向に設定され、且つ前記フリー層の初期磁化方向が前記第1の方向又は前記第2の方向に設定されており、
前記回転方向に隣り合うN極とS極間の磁極間ピッチをλとしたときに、各磁気抵抗効果素子間の配列ピッチがλ/2に設定されていることを特徴とするものである。
The present invention relates to a rotating body that is rotatably supported, a magnetic body in which a plurality of magnetic poles composed of N poles and S poles are alternately magnetized along the rotation direction on an outer peripheral side surface of the rotating body, and the magnetic A plurality of magnetoresistive effect elements disposed in the vicinity of the body along the rotational direction, and a magnetic encoder comprising:
Each magnetoresistive element has at least a pinned layer and a free layer whose internal magnetization direction changes based on an external magnetic field generated by the magnetic body, and the magnetization direction of the pinned layer is parallel to the outer peripheral side surface and The first direction perpendicular to the rotation direction or the second direction opposite to the first direction is set, and the initial magnetization direction of the free layer is the first direction or the first direction. Is set in the direction of 2,
The arrangement pitch between the magnetoresistive elements is set to λ / 2, where λ is the pitch between the magnetic poles between the N and S poles adjacent to each other in the rotation direction.
本発明では、磁気エンコーダの出力である検出信号の1周期を、前記磁性体のN極とS極間の磁極間ピッチをλと短くすることができる。このため、周波数を2倍(倍周波)とすることができ、磁性体が1回転する間に出力されるパルス数を従来の2倍とすることができる。 In the present invention, one period of the detection signal that is the output of the magnetic encoder can be shortened to λ as the pitch between the magnetic poles between the N pole and the S pole. For this reason, the frequency can be doubled (double frequency), and the number of pulses output during one rotation of the magnetic material can be doubled.
上記において、前記磁気抵抗効果素子が、前記ピン層とフリー層に加え、前記フリー層の初期磁化方向を基準となる方向に設定するバイアス磁界を与えるハードバイアス層と、を有するものが好ましい。 In the above, it is preferable that the magnetoresistive effect element includes a hard bias layer that provides a bias magnetic field that sets an initial magnetization direction of the free layer as a reference direction in addition to the pinned layer and the free layer.
上記手段では、前記フリー層の初期磁化方向が設定されているため、外部磁界が零(零磁界)又は微弱な磁界中であるときに前記磁気抵抗効果素子の抵抗値が不定となることを防止できる。このため、常に正確なパルス信号を出力することができる。 In the above means, since the initial magnetization direction of the free layer is set, the resistance value of the magnetoresistive element is prevented from becoming unstable when the external magnetic field is zero (zero magnetic field) or in a weak magnetic field. it can. For this reason, it is possible to always output an accurate pulse signal.
また前記配列ピッチがλ/2で回転方向に沿って配置された第1ないし第4からなる4ヶの磁気抵抗効果素子と、前記第1と第4の2ヶの磁気抵抗効果素子を直列接続する第1の接続部と、前記第2と第3の2ヶの磁気抵抗効果素子を直列接続する第2の接続部と、前記第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子との一端と、前記第3の磁気抵抗効果素子と第4の磁気抵抗効果素子との一端との間に所定の電圧を印加する電源と、前記第1の接続部から出力される第1の検出電圧と前記第2の接続部から出力される第2の検出電圧とをそれぞれパルス信号に変換する二値化部と、を有してなる検出部が設けられていることが好ましい。 In addition, the first to fourth magnetoresistive elements including the first to fourth elements arranged in the rotation direction at the arrangement pitch of λ / 2 and the first and fourth magnetoresistive elements are connected in series. A first connecting portion, a second connecting portion for connecting the second and third magnetoresistive elements in series, the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element, , A power source for applying a predetermined voltage between one end of the third magnetoresistive effect element and one end of the fourth magnetoresistive effect element, and a first detection output from the first connecting portion It is preferable that a detection unit including a binarization unit that converts each of the voltage and the second detection voltage output from the second connection unit into a pulse signal is provided.
上記手段では、4ヶの磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を構成したため、精度の高いパルス信号を生成することができる。 In the above means, since the bridge circuit is configured by using the four magnetoresistive elements, a highly accurate pulse signal can be generated.
また前記配列ピッチがλ/2ピッチで並ぶ前記第1ないし第4からなる磁気抵抗効果素子より形成される第1の検出部に対し、前記第1ないし第4に対応する配列ピッチλ/2で並ぶ第5ないし第8の磁気抵抗効果素子より形成される第2の検出部が設けられ、
前記第1ないし第4からなる個々の磁気抵抗効果素子の間に、前記第5ないし第8からなる個々の磁気抵抗効果素子がそれぞれ一ヶづつ配置されており、且つ隣り合う磁気抵抗効果素子間の間隔がλ/4ピッチに設定されていることが好ましい。
Further, with respect to the first detection unit formed by the first to fourth magnetoresistive effect elements arranged with the arrangement pitch of λ / 2, the arrangement pitch λ / 2 corresponding to the first to fourth is used. A second detector formed by the arranged fifth to eighth magnetoresistive elements is provided;
Between each of the first to fourth magnetoresistive effect elements, the fifth to eighth individual magnetoresistive effect elements are arranged one by one, and between adjacent magnetoresistive effect elements. Is preferably set to λ / 4 pitch.
上記手段では、位相の異なるA相信号、B相信号、A相バー信号およびB相バー信号からなる4種類の信号を生成することができる。 The above means can generate four types of signals including A phase signals, B phase signals, A phase bar signals, and B phase bar signals having different phases.
本発明の磁気エンコーダでは、磁気コードを形成する磁性体のN極とS極間の磁極間ピッチを短くすることができる。このため、磁気周波数を2倍(倍周波)または磁性体が1回転する間に出力されるパルス数が従来の2倍となる磁気エンコーダを提供することができる。 In the magnetic encoder of the present invention, the pitch between the magnetic poles of the magnetic body forming the magnetic code can be shortened. For this reason, it is possible to provide a magnetic encoder in which the magnetic frequency is doubled (double frequency) or the number of pulses output during one rotation of the magnetic body is twice that of the conventional one.
図1は本発明の実施の形態としての磁気エンコーダを示す平面図、図2は図1に示す磁気エンコーダの断面図、図3は磁気抵抗効果素子の基本構造を概念的に示す積層断面図、図4は磁性体の外周側面に形成された磁気コードの部分拡大平面図、図5は磁気抵抗効果素子が形成されたセンサ基板を示す平面図である。なお、図4では分かり易くするために円状の磁気コードの配列を等価的な直線状の配列に変換したものとして示している。 1 is a plan view showing a magnetic encoder as an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of the magnetic encoder shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a laminated sectional view conceptually showing the basic structure of the magnetoresistive effect element. FIG. 4 is a partially enlarged plan view of a magnetic cord formed on the outer peripheral side surface of the magnetic body, and FIG. 5 is a plan view showing a sensor substrate on which a magnetoresistive effect element is formed. In FIG. 4, for easy understanding, the circular magnetic code array is shown as being converted into an equivalent linear array.
図1及び図2に示す磁気エンコーダ10は、例えば回転数、回転方向あるいは回転速度などを検出する装置であり、主として磁性体11と、前記磁性体11を回転自在に支持する回転体12と、磁気抵抗効果素子からなるセンサ基板20が設けられている。
A
前記磁性体11は略リング状をしており、その内面が円板状に形成された回転体12の外周側面12bに固定されている。前記磁性体11の外周側面11A側には、N極とS極とからなる複数の磁極が交互に着磁された磁気コードが形成されている。なお、以下においては前記磁気コードを直線状に変換して示した場合に、隣り合うN極とS極との間隔である磁極間のピッチ(電気角180度に相当)をλとして説明する(図4等参照)。
The
前記磁性体11と回転体12は、筐体9に設けられた円形状の凹部9A内に配置されている。前記筐体9の中心には中心孔9aが形成されており、前記回転体12の中心に形成された回転軸12aが挿通されている。前記磁性体11は,前記回転体12の回転軸12aを軸中心として前記凹部9A内で回転方向ra1又は回転方向ra2に回転自在に支持されている。
The
前記筐体9には、前記凹部9Aの一部を外周方向に切り欠いた欠損部9bが形成されており、前記センサ基板20はこの欠損部9b内に、前記磁性体11の外周側面11Aと対向するように固定されている。前記センサ基板20には複数の磁気抵抗効果素子A(個別にA1,A2,A3,A4として示す)が設けられている。
The
図3に示すように、前記磁気抵抗効果素子Aの基本構造は、最下層に設けられたピン層(固定層)22と、さらにその上部に積層された非磁性層23と、最上部に積層されたフリー層24と、前記各層の両側に設けられたハードバイアス層25a,25bと、前記ハードバイアス層25a、25bの上部に設けられた端子部26,26を有している。
As shown in FIG. 3, the basic structure of the magnetoresistive element A has a pinned layer (fixed layer) 22 provided at the lowermost layer, a
前記ハードバイアス層25a,25bは例えば永久磁石で形成されており、図3では前記フリー層24の初期磁化方向β0を所定の基準方向(図3では前記第1の方向(Z2方向))に向けるバイアス磁界γを与える。このため、前記磁気抵抗効果素子Aに対し外部磁界が作用していない場合には、前記フリー層24の磁化方向βは前記バイアス磁界γと同じ前記第1の方向(図3ではZ2方向)に向くように揃えられている。なお、前記フリー層24の初期磁化方向β0とは、外部磁界が零の状態(零磁界)における前記フリー層24全体の磁化方向βを意味する。
The
前記フリー層24の磁化方向βは、前記フリー層24に作用する外部磁界(本願では磁性体11に設けられた磁気コードが発生する磁界)と前記バイアス磁界γとのベクトル合成に応じて変化する。この実施の形態に示す磁気抵抗効果素子Aの全抵抗値は、フリー層24の磁化方向βが前記ピン層22の磁化方向αと一致する第1の方向(Z2方向)である場合(0度の関係)に最小値となり、これとは逆に前記フリー層24の磁化方向βがピン層22の磁化方向αと互いに逆向きの第2の方向(Z1方向)となる場合(180度異なる関係)に最大値となる。またフリー層24の磁化方向βと前記ピン層22の磁化方向αとの間の角度が垂直(90度)のとき、すなわちフリー層24の磁化方向βが前記回転方向ra1又は回転方向ra2に向くときに、前記磁気抵抗効果素子Aの全抵抗値は中間値となる。
The magnetization direction β of the
なお、前記磁気抵抗効果素子Aの全抵抗値をZ、固定抵抗分をR、可変抵抗分の変化幅をΔrとすると、前記全抵抗値Zの最小値はZmin=R、最大値はZmax=R+Δr、中間値ZmidはZmid=(Zmin+Zmax)/2=R+Δr/2と表すことができる。 When the total resistance value of the magnetoresistive effect element A is Z, the fixed resistance is R, and the change width of the variable resistance is Δr, the minimum value of the total resistance Z is Zmin = R, and the maximum value is Zmax =. R + Δr and the intermediate value Zmid can be expressed as Zmid = (Zmin + Zmax) / 2 = R + Δr / 2.
図5に示すように、前記センサ基板20には、第1ないし第4からなる4ヶの磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4が前記回転方向(ra1又はra2)に沿って設けられている。
As shown in FIG. 5, the
この実施の形態における前記第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4の各ピン層22の磁化方向αと各フリー層24の初期磁化方向β0は、共に前記磁性体11の外周側面11Aに平行で且つ前記回転方向に対し垂直となる第1の方向(Z2方向)である。なお、各ピン層22と各フリー層24の磁化方向は、共に前記第1の方向とは180度逆向きとなる第2の方向(Z1方向)であってもよい。そして、この実施の形態においては、前記磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4の回転方向の間隔である配列ピッチが前記磁極間ピッチλの半分に相当するλ/2に設定されている。
The magnetization direction α of each pinned
図6は磁気エンコーダの検出部を示す回路構成図である。
図6に示すように、磁気エンコーダの検出部30は前記第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4は、回転方向の両端に位置する磁気抵抗効果素子A1と磁気抵抗効果素子A4とが第1の接続部T1を介して直列に接続され、残りの磁気抵抗効果素子A2と磁気抵抗効果素子A3とが第2の接続部T2を介して直列に接続されている。
FIG. 6 is a circuit configuration diagram showing a detection unit of the magnetic encoder.
As shown in FIG. 6, the
前記第1の磁気抵抗効果素子A1の一端と前記第2の磁気抵抗効果素子A2の一端とが電圧Vccの電源31に接続され、前記第4の磁気抵抗効果素子A4の一端と前記第3の磁気抵抗効果素子A3の一端とがGNDに接地されている。すなわち、前記第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4はブリッジ回路を形成しており、直列接続された前記第1の磁気抵抗効果素子A1と前記第4の磁気抵抗効果素子A4との間、および直列接続された前記第2の磁気抵抗効果素子A2と前記第3の磁気抵抗効果素子A3との間にそれぞれ電圧Vccが印加されている。そして、この検出部30では、前記第1の接続部T1と前記第2の接続部T2から第1の検出電圧V1と第2の検出電圧V2が出力されるようになっている。
One end of the first magnetoresistive effect element A1 and one end of the second magnetoresistive effect element A2 are connected to the
前記第1の接続部T1と前記第2の接続部T2の後段には二値化部32A,32Bがそれぞれ設けられている。前記二値化部32A,32Bは、前記第1の検出電圧V1及び第2の検出電圧V2をデジタル処理し、パルス信号からなるA相信号SaおよびB相信号Sbに変換する。なお、前記A相信号SaとB相信号Sbは前記隣り合うN極とS極間の磁極間ピッチλを電気角360度としたときに、互いに位相が90度異なるデジタル信号である。またA相信号SaとB相信号Sb磁極間ピッチλの半分のピッチλ/2を電気角360度としたときには、互いに位相が180度異なる反転信号である(図8A,図8B参照)。
以下、本発明の磁気エンコーダの動作について説明する。
図7Aないし図7Cは、磁気エンコーダの動作状態の一例として磁気コードと磁気抵抗効果素子との関係を示す平面図であり、図7Aは磁気エンコーダの初期状態を示すST1、図7BはST2として初期状態ST1からλ/2ピッチだけ回転方向ra1に回転した状態、図7CはST3としてST2からさらにλ/2ピッチだけ回転方向ra1に回転した状態を示している。また図8Aは第1の検出電圧V1とA相信号Saとの関係を示すグラフ、図8Bは第2の検出電圧V2とB相信号Sbとの関係を示すグラフである。なお、STとはステップ(STEP)を意味している。また図8A及び図8Bは磁性体をN→S(またはS→N)とλピッチに相当する角度だけ回転させた場合を示している。
Hereinafter, the operation of the magnetic encoder of the present invention will be described.
7A to 7C are plan views showing the relationship between the magnetic code and the magnetoresistive effect element as an example of the operation state of the magnetic encoder. FIG. 7A shows the initial state of the magnetic encoder ST1, and FIG. 7B shows the initial state ST2. FIG. 7C shows a state rotated from the state ST1 by the λ / 2 pitch in the rotational direction ra1, and FIG. 7C shows a state further rotated from the ST2 by the λ / 2 pitch in the rotational direction ra1. 8A is a graph showing the relationship between the first detection voltage V1 and the A-phase signal Sa, and FIG. 8B is a graph showing the relationship between the second detection voltage V2 and the B-phase signal Sb. Note that ST means step (STEP). 8A and 8B show a case where the magnetic body is rotated by an angle corresponding to N → S (or S → N) and λ pitch.
前記回転軸12aを回転方向ra1又はra2方向に回転させると、磁性体11を有する回転体12が回転させられる。このとき、磁性体11の外周側面11Aの側方に前記センサ基板20が対向配置されているため、磁気コードを形成する複数のN極とS極が前記センサ基板20の前方を回転方向に通過する。
When the
磁性体11の外周側面11Aでは、図4に示すように隣接するN極とS極との間には、N極からS極に向かう複数の磁力線mがそれぞれ多数発生しており、磁力線mの一部は前記外周側面11Aの側方に達している。
On the outer
ここで、図7Aに示すように、回転方向に隣り合うN極とS極の磁極間に発生する複数の磁力線mのうち、それぞれ代表的な磁力線をそれぞれm1a、m1b、m2aおよびm2bとする。すなわち、N1極からはS1極に向かう磁力線をm1a、N1極からはS2極に向かう磁力線をm1b、N2極からはS2極に向かう磁力線をm2a、N2極からはS3極に向かう磁力線をm2bとする。この場合、磁性体11の外周側面11Aの側方の位置では、前記磁力線m1aと磁力線m2aとは、ともに同一方向となる回転方向ra1を向き、前記磁力線m1bと磁力線m2bとは、ともに同一方向となる回転方向ra2を向く磁力線となるが、前記磁力線m1aと磁力線m1bとは互いに逆向きであり、また前記磁力線m2aと磁力線m2bも互いに逆向きである。すなわち、磁性体11の外周側面11Aの側方の位置で、且つ回転方向に隣り合うN極とS極の磁極間には、交互に逆向きとなる磁力線が発生している。
Here, as shown in FIG. 7A, representative magnetic lines of force among m magnetic lines m generated between the N-pole and S-pole magnetic poles adjacent to each other in the rotation direction are m1a, m1b, m2a, and m2b, respectively. That is, the magnetic field lines from the N1 pole to the S1 pole are m1a, the magnetic field lines from the N1 pole to the S2 pole are m1b, the magnetic field lines from the N2 pole to the S2 pole are m2a, and the magnetic field lines from the N2 pole to the S3 pole are m2b. To do. In this case, at the position on the side of the outer
図7Aないし図7Cに示すように、磁性体11を回転させると、前記磁性体11から外周側方に発生している各磁力線m1a、m1b、m2aおよびm2bが、前記第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4を順に鎖交する。
As shown in FIGS. 7A to 7C, when the
なお、図7Aないし図7Cにおいては、個々の磁気抵抗効果素子の前記ピン層22の磁化方向αとバイアス磁界γの方向はともに前記外周側面11Aに平行で且つ前記回転方向(ra1−ra2)に対し垂直となる第1の方向(Z2方向)に設定されている。
7A to 7C, the magnetization direction α of the pinned
図7Aに初期状態として示すST1では、前記第1の磁気抵抗効果素子A1に前記磁力線m1bが鎖交し、前記第3の磁気抵抗効果素子A3に前記磁力線m2aが鎖交している。このとき、前記第1の磁気抵抗効果素子A1には回転方向ra2の外部磁場が作用し、前記第3の磁気抵抗効果素子A3には回転方向ra1の外部磁界が作用する。このため、前記第1の磁気抵抗効果素子A1内の前記フリー層24の磁化方向βは回転方向ra2に向けられ、前記第3の磁気抵抗効果素子A3内の前記フリー層24の磁化方向βは回転方向ra1に向けられる。このとき、前記第1,3の磁気抵抗効果素子A1,A3の前記ピン層22の磁化方向αと前記フリー層24の磁化方向βとの間の角度は共に90度に近づくため、前記第1,3の磁気抵抗効果素子A1,A3の抵抗値はほぼ中間値Zmidに設定される。
In ST1 shown as an initial state in FIG. 7A, the magnetic lines m1b are linked to the first magnetoresistive element A1, and the magnetic lines m2a are linked to the third magnetoresistive element A3. At this time, an external magnetic field in the rotation direction ra2 acts on the first magnetoresistance effect element A1, and an external magnetic field in the rotation direction ra1 acts on the third magnetoresistance effect element A3. Therefore, the magnetization direction β of the
一方、前記第2の磁気抵抗効果素子A2に対しては磁力線m1bと磁力線m2aが作用することになるが、両磁力線m1b,m2aは互いに逆向きであり打ち消し合うため、結局前記第2の磁気抵抗効果素子A2に作用する外部磁界は零(零磁界)となる。同様に、前記第4の磁気抵抗効果素子A4に対しても磁力線m2aと磁力線m2bとが互い打ち消し合うため、結局前記第4の磁気抵抗効果素子A4に作用する外部磁界は零(零磁界)となる。このとき、前記第2,4の磁気抵抗効果素子A2,A4の前記フリー層24の磁化方向βは前記初期磁化方向、すなわち前記ピン層22の磁化方向αと同じ第1の方向(Z2方向)に維持されるため、前記第2,4磁気抵抗効果素子A2,A4の抵抗値は最小値Zminに設定される。
On the other hand, although the magnetic force line m1b and the magnetic force line m2a act on the second magnetoresistive element A2, the magnetic force lines m1b and m2a are opposite to each other and cancel each other. The external magnetic field acting on the effect element A2 is zero (zero magnetic field). Similarly, since the magnetic field lines m2a and m2b cancel each other out with respect to the fourth magnetoresistive element A4, the external magnetic field acting on the fourth magnetoresistive element A4 is zero (zero magnetic field) after all. Become. At this time, the magnetization direction β of the
図7Bに示すST2は、磁性体11が回転方向ra1に配列ピッチλ/2だけ回転した状態を示している。
ST2 shown in FIG. 7B shows a state in which the
ST2では、前記第2の磁気抵抗効果素子A2に前記磁力線m2aが鎖交し、前記第4の磁気抵抗効果素子A4に前記磁力線m2bが鎖交するため、前記第2の磁気抵抗効果素子A2に回転方向ra1の外部磁場が作用し、前記第4の磁気抵抗効果素子A4には回転方向ra2の外部磁界が作用する。このため、前記第2の磁気抵抗効果素子A2内の前記フリー層24の磁化方向βは回転方向ra1に向けられ、前記第4の磁気抵抗効果素子A4内の前記フリー層24の磁化方向βは回転方向ra2に向けられる。よって、前記第2,4の磁気抵抗効果素子A2,A4の前記ピン層22の磁化方向αと前記フリー層24の磁化方向βとの間の角度は共に90度に近づくため、前記第2,4の磁気抵抗効果素子A2,A4の全抵抗値はほぼ中間値Zmidに設定される。
In ST2, since the magnetic lines m2a are linked to the second magnetoresistive element A2 and the magnetic lines m2b are linked to the fourth magnetoresistive element A4, the magnetic lines m2b are linked to the second magnetoresistive element A2. An external magnetic field in the rotation direction ra1 acts, and an external magnetic field in the rotation direction ra2 acts on the fourth magnetoresistive element A4. Therefore, the magnetization direction β of the
一方、前記第1の磁気抵抗効果素子A1については磁力線m1bと磁力線m2aが互いに打ち消し合い、前記第3の磁気抵抗効果素子A3については磁力線m2aと磁力線m2bが互いに打ち消し合うため、前記第1,3の磁気抵抗効果素子A1,A3に作用する外部磁界は零(零磁界)となる。よって、前記第1,3の磁気抵抗効果素子A1,A3の前記フリー層24の磁化方向βは、前記ピン層22の磁化方向αと同じ第1の方向(Z2方向)が維持されるため、前記第1,3の磁気抵抗効果素子A1,A3の全抵抗値は最小値Zminに設定される。
On the other hand, the magnetic field lines m1b and m2a cancel each other for the first magnetoresistive element A1, and the magnetic lines m2a and magnetic lines m2b cancel each other for the third magnetoresistive element A3. The external magnetic field acting on the magnetoresistive effect elements A1 and A3 is zero (zero magnetic field). Therefore, the magnetization direction β of the
図7Cに示すST3は、さらに磁性体11が回転方向ra1に配列ピッチλ/2(合計磁極間ピッチλ(電気角180度に相当))だけ回転した状態を示している。
ST3 shown in FIG. 7C shows a state in which the
ST3では、前記第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3およびA4に対し、磁気コードから発生した外部磁界が、上記ST1同様の状態で作用する。このため、前記第1,第3の磁気抵抗効果素子A1,A3の抵抗値はほぼ中間値Zmidに設定され、前記第2,第4の磁気抵抗効果素子A2,A4の抵抗値は最小値Zminに設定される。 In ST3, the external magnetic field generated from the magnetic code acts on the first to fourth magnetoresistive elements A1, A2, A3 and A4 in the same state as ST1. For this reason, the resistance values of the first and third magnetoresistive elements A1 and A3 are set to substantially the intermediate value Zmid, and the resistance values of the second and fourth magnetoresistive elements A2 and A4 are set to the minimum value Zmin. Set to
すなわち、上記のように磁性体11をST1→ST2→ST3と磁極間ピッチλだけ回転させると、前記第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3およびA4の各抵抗値、および前記磁気エンコーダの検出部30から出力される第1,第2の検出電圧V1,V2は、以下の表1のように変化する。
That is, when the
ここで、横軸にピッチ、縦軸に電圧をとると、第1,第2の検出電圧V1,V2は図8A、図8Bのようになる。 Here, when the pitch is plotted on the horizontal axis and the voltage is plotted on the vertical axis, the first and second detection voltages V1 and V2 are as shown in FIGS. 8A and 8B.
図8A、図8Bに示すように、本発明の磁気エンコーダ10では、前記磁性体11を前記磁極間ピッチλに相当する回転角度(電気角180度)だけ回転させることにより、一周期分の第1,第2の検出電圧V1,V2を出力させることが可能である。
As shown in FIG. 8A and FIG. 8B, in the
すなわち、従来においては、ホール素子に対向する磁石を、例えばN→S→N(またはS→N→S)と全ピッチ2λ(電気角360度)に相当する角度分回転させなければ一周期分の信号を得ることができなかったが、本願発明ではN→S(またはS→N)と従来の半分の磁極間ピッチλ(電気角では180度)に相当する角度分回転させるだけで、第1,第2の検出電圧V1,V2の一周期分を得ることができる。 That is, in the prior art, if the magnet facing the Hall element is not rotated by an angle corresponding to, for example, N → S → N (or S → N → S) and the total pitch 2λ (electrical angle 360 degrees), it corresponds to one cycle. However, in the present invention, it is only necessary to rotate N.fwdarw.S (or S.fwdarw.N) and the conventional half of the magnetic pole pitch .lamda. One cycle of the first and second detection voltages V1 and V2 can be obtained.
なお、図8A、図8Bに示すように、前記第1の検出電圧V1及び第2の検出電圧V2は、前記二値化部32A及び32Bにおいて所定のスレッショルド電圧Vthを基準にデジタル処理することにより、前記A相信号Sa及びB相信号Sbからなるパルス信号にそれぞれ変換される。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the first detection voltage V1 and the second detection voltage V2 are digitally processed by the
このため、磁性体11に形成される磁気コードの磁極間ピッチをそれほど狭くしなくても、従来の2倍の周波数(1/2の周期)からなるA相信号SaおよびB相信号Sbを得ることができる。よって、磁性体11の外周面に形成される磁極の磁極間ピッチλの寸法を無理に狭める必要がなく、コストの増大を抑えることが可能となる。
For this reason, even if the pitch between the magnetic poles of the magnetic cord formed on the
図8A、図8Bに示すように、前記A相信号SaとB相信号Sbとは前記隣り合うN極とS極間の磁極間ピッチλを電気角180度としたときに、90度位相の異なるパルス信号であり、磁性体11の回転方向が回転方向ra1か、回転方向ra2かに応じて、一方が他方に対して進み信号となる。すなわち、例えば磁性体11の回転方向が回転方向ra1である場合にはA相信号Saが進み信号となり、回転方向が回転方向ra2である場合にはB相信号Sbが進み信号となって出力される。このため、A相信号SaとB相信号Sbから磁性体11の回転方向、すなわち回転軸12aに与えられた回転方向を検出することが可能である。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the A-phase signal Sa and the B-phase signal Sb have a 90 degree phase when the pitch λ between the adjacent N poles and S poles is set to an electrical angle of 180 degrees. Depending on whether the rotation direction of the
図9は4種類の信号を出力する場合の磁気エンコーダを概念的に示す図7A同様の平面図である。 FIG. 9 is a plan view similar to FIG. 7A, conceptually showing a magnetic encoder when four types of signals are output.
ここで4種類の信号とは、前記A相信号Saおよび前記B相信号Sbと、前記A相信号Saに対し位相が磁極間ピッチλを電気角360度としたときに、45度(磁極間ピッチλ/2を電気角360度としたときには90度)だけ異なるA相バー信号Sa−と、同じく前記B相信号に対し位相が45度(磁極間ピッチλ/2を電気角360度としたときには90度)だけ異なるB相バー信号Sb−である。 Here, the four types of signals are 45 degrees when the phase angle between the A phase signal Sa and the B phase signal Sb and the A phase signal Sa is λ of the magnetic pole pitch λ is 360 degrees (between the magnetic poles). The phase is 45 degrees with respect to the A phase bar signal Sa−, which is different by 90 degrees when the pitch λ / 2 is set to an electrical angle of 360 degrees, and the B phase signal (the pitch between the magnetic poles λ / 2 is set to 360 degrees). This is a B-phase bar signal Sb- that differs by only 90 degrees.
図9に示す磁気エンコーダでは、A相信号SaとB相信号Sbを出力する4第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4と、A相バー信号Sa−とB相バー信号Sb−を出力する第5ないし第8の磁気抵抗効果素子B1,B2,B3,B4の合計8ヶの磁気抵抗効果素子が1つのセンサ基板20上に回転方向に沿って一列に設けられている。
In the magnetic encoder shown in FIG. 9, four first to fourth magnetoresistive elements A1, A2, A3, A4 that output an A phase signal Sa and a B phase signal Sb, an A phase bar signal Sa-, and a B phase bar. A total of eight magnetoresistive effect elements B1, B2, B3, and B4 that output the signal Sb- are provided in a line along the rotational direction on one
前記第5の磁気抵抗効果素子B1は前記第1の磁気抵抗効果素子A1と前記第2の磁気抵抗効果素子A2間に設けられ、前記第6の磁気抵抗効果素子B2は前記第2の磁気抵抗効果素子A2と前記第3の磁気抵抗効果素子A3間に設けられ、前記第7の磁気抵抗効果素子B3は前記第3の磁気抵抗効果素子A3と前記第4の磁気抵抗効果素子A4間に設けられ、前記第4の磁気抵抗効果素子A4が前記第7の磁気抵抗効果素子B3と前記第8の磁気抵抗効果素子B4との間に位置するように前記第8の磁気抵抗効果素子B4は設けられている。 The fifth magnetoresistance effect element B1 is provided between the first magnetoresistance effect element A1 and the second magnetoresistance effect element A2, and the sixth magnetoresistance effect element B2 is the second magnetoresistance effect element B2. An effect element A2 is provided between the third magnetoresistance effect element A3, and the seventh magnetoresistance effect element B3 is provided between the third magnetoresistance effect element A3 and the fourth magnetoresistance effect element A4. The eighth magnetoresistive element B4 is provided so that the fourth magnetoresistive element A4 is positioned between the seventh magnetoresistive element B3 and the eighth magnetoresistive element B4. It has been.
A相信号SaとB相信号Sb用の第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4、およびA相バー信号Sa−とB相バー信号Sb−用の第5ないし第8の磁気抵抗効果素子B1,B2,B3,B4のように同種の磁気抵抗効果素子間の配列ピッチは上記同様にλ/2に設定されている。ただし、前記第1の磁気抵抗効果素子A1と前記第5の磁気抵抗効果素子B1との間、前記第5の磁気抵抗効果素子B1と前記第2の磁気抵抗効果素子A2との間・・・というように、回転方向に隣り合う異種の磁気抵抗効果素子間の配列ピッチはλ/4に設定されている。 First to fourth magnetoresistive elements A1, A2, A3, A4 for the A-phase signal Sa and B-phase signal Sb, and fifth to eighth for the A-phase bar signal Sa- and B-phase bar signal Sb-. Similar to the above, the arrangement pitch between the magnetoresistive effect elements B1, B2, B3, and B4 is set to λ / 2. However, between the first magnetoresistive effect element A1 and the fifth magnetoresistive effect element B1, between the fifth magnetoresistive effect element B1 and the second magnetoresistive effect element A2,... As described above, the arrangement pitch between different types of magnetoresistive elements adjacent to each other in the rotation direction is set to λ / 4.
このため、前記第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4及び前記第5ないし第8の磁気抵抗効果素子B1,B2,B3,B4について図6に示す検出部30をそれぞれ適用することにより、すなわち前記第1ないし第4の磁気抵抗効果素子A1,A2,A3,A4について第1の検出部を形成することによりA相信号とB相信号Sbを得ることができ、同じく前記第5ないし第8の磁気抵抗効果素子B1,B2,B3,B4について第2の検出部を形成することによりA相バー信号Sa−とB相バー信号Sb−を得ることができる。
For this reason, the first to fourth magnetoresistive elements A1, A2, A3, A4 and the fifth to eighth magnetoresistive elements B1, B2, B3, B4 are respectively provided with the
上記実施の形態においては、センサ基板20上に配置されている複数の磁気抵抗効果素子は、すべて同じ構造(同じピン層22の磁化方向α、及び同じバイアス磁界の磁化方向γを有する構成)からなる磁気抵抗効果素子を用いることができる。
In the above embodiment, the plurality of magnetoresistive elements arranged on the
特に、同じウェハ上に形成される多数の磁気抵抗効果素子は全て同じ構造を有するため、これら多数の磁気抵抗効果素子の中から4ヶ又は8ヶの磁気抵抗効果素子を1組として一緒に切り出すことにより、前記センサ基板20とすることができる。このため、本願発明の磁気エンコーダ10では、ばらばらに切り出した個々の磁気抵抗効果素子について、その磁化方向を一致させる位置合わせ作業等を行った上で前記センサ基板20に固定する必要がないため、組立て工程を容易とすることができる。
In particular, since many magnetoresistive effect elements formed on the same wafer all have the same structure, four or eight magnetoresistive effect elements are cut out as a set from these many magnetoresistive effect elements. Thus, the
なお、上記実施の形態においては、個々の磁気抵抗効果素子の前記ピン層22の磁化方向αとバイアス磁界γの方向はともに前記外周側面11Aに平行で且つ前記回転方向(ra1−ra2)に対し垂直となる第1の方向(Z2方向)に設定した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、第1の方向と逆向きとなる第2の方向(Z1方向)であってもよい。
In the above embodiment, the magnetization direction α of the pinned
また前記ピン層22の磁化方向αとバイアス磁界γの方向とは同一方向である場合について説明したが、前記ピン層22の磁化方向αとバイアス磁界γの方向とは互いに逆向きとなるように設定されていてもよい。
Further, although the case where the magnetization direction α of the pinned
9 筐体
9b 欠損部
9A 凹部
10 磁気エンコーダ
11 磁性体
11A 外周側面
12 回転体
12a 回転軸
20 センサ基板
22 ピン層(固定層)
23 非磁性層
24 フリー層
25a,25b ハードバイアス層
26 端子部
30 検出部
31 電源
32A,32B 二値化部
A 磁気抵抗効果素子
A1,A2,A3,A4 第1ないし第4の磁気抵抗効果素子
B1,B2,B3,B4 第5ないし第8の磁気抵抗効果素子
N,S 磁性体の外周側面に着磁された磁極(磁気コード)
V1 第1の検出電圧
V2 第2の検出電圧
ra1,ra2 回転方向
m1a,m1b,m2a,m2b 代表的な磁力線
α ピン層の磁化方向
β フリー層の磁化方向
γ バイアス磁界
DESCRIPTION OF
23
V1 First detection voltage V2 Second detection voltage ra1, ra2 Rotation directions m1a, m1b, m2a, m2b Typical magnetic field lines α Magnetization direction of pinned layer β Magnetization direction of free layer γ Bias magnetic field
Claims (4)
個々の磁気抵抗効果素子は、少なくともピン層と前記磁性体が発する外部磁界に基づいて内部の磁化方向が変化するフリー層とを有し、前記ピン層の磁化方向が前記外周側面に平行で且つ前記回転方向に対し垂直となる第1の方向又は前記第1の方向に対して逆向きとなる第2の方向に設定され、且つ前記フリー層の初期磁化方向が前記第1の方向又は前記第2の方向に設定されており、
前記回転方向に隣り合うN極とS極間の磁極間ピッチをλとしたときに、各磁気抵抗効果素子間の配列ピッチがλ/2に設定されていることを特徴とする磁気エンコーダ。 A rotating body supported rotatably, a magnetic body in which a plurality of magnetic poles composed of N and S poles are alternately magnetized along the rotation direction on the outer peripheral side surface of the rotating body, and in the vicinity of the magnetic body A plurality of magnetoresistive elements disposed opposite to each other along the rotation direction, and a magnetic encoder comprising:
Each magnetoresistive element has at least a pinned layer and a free layer whose internal magnetization direction changes based on an external magnetic field generated by the magnetic body, and the magnetization direction of the pinned layer is parallel to the outer peripheral side surface and The first direction perpendicular to the rotation direction or the second direction opposite to the first direction is set, and the initial magnetization direction of the free layer is the first direction or the first direction. Is set in the direction of 2,
A magnetic encoder, wherein an arrangement pitch between magnetoresistive elements is set to λ / 2, where λ is a pitch between magnetic poles between N and S poles adjacent to each other in the rotation direction.
前記第1ないし第4からなる個々の磁気抵抗効果素子の間に、前記第5ないし第8からなる個々の磁気抵抗効果素子がそれぞれ一ヶづつ配置されており、且つ隣り合う磁気抵抗効果素子間の間隔がλ/4ピッチに設定されていることを特徴とする請求項3記載の磁気エンコーダ。 With respect to the first detectors formed by the first to fourth magnetoresistive elements arranged with the arrangement pitch of λ / 2, they are arranged with the arrangement pitch λ / 2 corresponding to the first to fourth. A second detector formed of fifth to eighth magnetoresistive elements is provided;
Between each of the first to fourth magnetoresistive effect elements, the fifth to eighth individual magnetoresistive effect elements are arranged one by one, and between adjacent magnetoresistive effect elements. 4. The magnetic encoder according to claim 3, wherein the interval is set to λ / 4 pitch.
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