JP5054586B2

JP5054586B2 - 磁気エンコーダ

Info

Publication number: JP5054586B2
Application number: JP2008074505A
Authority: JP
Inventors: 眞喜人瀧川
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2009229231A

Description

本発明は、磁気エンコーダに関し、特に、磁気センサとしてＧＭＲ素子を用いたＧＭＲセンサを備える磁気エンコーダに関する。

従来、ステッピングモータなどのロータの回転方向や回転角度を検出するためのセンサとして、巨大磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子(ＧＭＲ(giant magneto resistive)素子)を用いた磁気エンコーダが用いられている。この磁気エンコーダにおいては、ＡＢ２相の出力を持たせ、Ａ相―Ｂ相間の位相差により回転方向を検出していた。

例えば、図１３及び図１４に示すように、Ａ相用ＧＭＲ素子２ａ〜２ｄと、Ｂ層用ＧＭＲ素子３ａ〜３ｄを設け、これらＧＭＲ素子に対向する円板状多極磁石体を回転させることで、Ａ相出力及びＢ相出力を得る。これらＡ相出力波形の立ち上がりと、Ｂ相出力波形の立ち上がりとのタイミング差に基づいて、円板状多極磁石体の回転方向を検出するようになされている。
特開２００７−１９９００７号公報

ところで、一般的なエンコーダでは、ＡＢ両相のＧＭＲセンサを一列に配置可能であるが、高密度エンコーダでは、前記円板状多極磁石体の着磁ピッチ当たりのＧＭＲ素子の数が多いことにより、一列に並べることが困難であった。従って、高密度エンコーダでは、ＡＢ２相分のセンサを設ける必要がある分、外形が大きくなる問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、一段と小型の磁気エンコーダを提供することを目的とする。

本発明の磁気エンコーダは、所定方向に移動し、移動方向に沿って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石体と、前記磁石体の近傍に前記移動方向に沿って対向配置された磁気センサとを具備し、前記磁気センサは複数の磁気抵抗効果素子からなり、該複数の磁気抵抗効果素子は直列接続されてその一端を電源端子に接続し、他端をグランド端子に接続する一方、該直列接続された複数の磁気抵抗効果素子を同数ずつに分ける中点を前記磁気センサの出力端子とし、該中点よりも前記電源端子側の磁気抵抗素子と、前記グランド端子側の磁気抵抗素子とが、前記移動方向に沿って交互に配置されてなり、
前記出力端子から出力されるパルス電圧が、前記磁石体の移動とともに増大するか、減少するかを検出して前記磁石体の移動方向を検知する。

上記磁気エンコーダによれば、単相の磁気抵抗効果素子を用いて移動方向の検出を行うことができるので、一段と小型の磁気エンコーダを実現することができる。

また上記磁気エンコーダにおいて、磁石体は、回転体であり、該回転体の外周側面に回転方向に沿って、Ｎ極及びＳ極が着磁されていることが好ましい。この場合には、単相の磁気抵抗効果素子を用いて回転方向の検出を行うことができるので、一段と小型の回転型の磁気エンコーダを実現することができる。

また上記磁気エンコーダにおいて、前記磁気センサの複数の磁気抵抗効果素子は、前記移動方向への並び順に抵抗値が大きく、または小さくなるように配置されていることが好ましい。この場合には、磁石体の移動に伴って、出力端子の出力電圧値の変化が顕著となることにより、一段と容易に移動方向の検出を行うことができる。

また上記磁気エンコーダにおいて、前記磁気センサの複数の磁気抵抗効果素子は、前記磁石体の着磁の１極分の範囲内に配置されていることが好ましい。この場合には、磁石体が１極分移動する間に、磁気抵抗効果素子の数の分だけパルスを得ることができる。このパルスのピーク値の変化に基づいて移動方向を検出することができる。

本発明によれば、一段と小型の磁気エンコーダを提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、磁気エンコーダ１０は、例えば、回転角度、回転方向又は回転速度等を検出する装置であり、主として磁石体１１と、磁石体１１を回転自在に支持する回転体１２と、回転体１２を回転自在に支持する筺体９と、磁気抵抗効果素子からなる磁気センサ２０とを有している。

磁石体１１は、リング状に形成されており、その内面が、円板状に形成された回転体１２の外周側面に固定されている。磁石体１１の外周側面１１Ａには、Ｎ極及びＳ極からなる複数の磁極が交互に着磁された磁気パターンが形成されている。

磁石体１１と回転体１２は、筺体９に設けられた円形状の凹部９Ａ内に配置されている。図２に示すように、筺体９の中心には、中心孔９ａが形成されており、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。磁石体１１は、回転体１２の回転軸１２ａを軸中心として、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。

筺体９には、凹部９Ａの一部を外周方向に切り欠いた切欠き部９ｂが形成されており、磁気センサ２０は、この切欠き部９ｂ内に、磁石体１１の外周面１１Ａと対向するように固定されている。磁気センサ２０には、複数の磁気抵抗効果素子Ａ（個別にＲ１１、Ｒ２１、Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ１３、Ｒ２３として示す）が設けられている。

図３に示すように、磁気センサ２０には、複数の磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３が一列に配置されており、これら一列に配置された磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３のうち、１つ置きに配置された磁気抵抗効果素子Ｒ１１、Ｒ１２及びＲ１３が直列に接続されており、また、１つ置きに配置された磁気抵抗効果素子Ｒ２１、Ｒ２２及びＲ２３が直列に接続されている。

また、直列に接続された磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ１３とＲ２１〜Ｒ２３とは、磁気抵抗効果素子Ｒ１１とＲ２１とが接続されることにより、全体として直列接続されている。磁気抵抗効果素子Ｒ１１とＲ２１との間には、出力端子ＴＯが接続されている。また、磁気抵抗効果素子Ｒ１３には電源端子Ｔ１が接続されると共に、磁気抵抗効果素子Ｒ２３には、グランド端子Ｔ２が接続されている。

なお、磁気センサ２０に設けられたこれら磁気抵抗効果素子Ｒ１３〜Ｒ２３は、磁石体１１のＮ極（又はＳ極）の１極の範囲内に収まるように配置されている。

図４は、図３に示した磁気センサ２０に配置された磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３、出力端子ＴＯ、電源端子Ｔ１及びグランド端子Ｔ２の接続状態を示す図である。図４に示すように、電源端子Ｔ１とグランド端子Ｔ２との間には、抵抗値が同等の６つの磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３が直列接続されており、３つの磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ１３と、３つの磁気抵抗効果素子Ｒ２１〜Ｒ２３とを分ける位置（磁気抵抗効果素子Ｒ１１とＲ２１との間）には、出力端子ＴＯが接続されている。

すなわち、複数の磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３は、電源端子Ｔ１及びグランド端子Ｔ２間に直列接続され、該直列接続された複数の磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３を同数ずつに分ける中点を回転検出用の出力端子ＴＯとし、該中点よりも電源端子Ｔ１側の磁気抵抗素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３と、グランド端子Ｔ２側の磁気抵抗素子Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３とが、磁石体１１の回転方向に沿って交互に配置されている。

これにより、全ての磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３の抵抗値が同じ初期状態（例えば全ての磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３の抵抗値が「Low」）において、第１に、磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が変化すると、出力端子ＴＯの出力電圧は該変化分だけ変化し、第２に、磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が変化した状態でさらに磁気抵抗効果素子Ｒ２１の抵抗値が変化すると、出力端子ＴＯを中心として、磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ１３側の合成抵抗値と、磁気抵抗効果素子Ｒ２１〜Ｒ２３側の合成抵抗値とが同等の抵抗値となることにより、出力端子ＴＯの出力電圧は、初期状態における出力電圧に戻ることになる。

さらに、第３に、この状態から磁気抵抗効果素子Ｒ１２の抵抗値が変化すると、出力端子ＴＯの出力電圧は、該変化分だけ初期状態から変化する。

このようにして、磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３が、その並び順に、Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ１３及びＲ２３の順に変化することにより、出力端子ＴＯの出力電圧は、例えば初期状態とＨレベルとの間を繰り返し変化することになる。すなわち、磁石体１１が回転することで、磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３が、その並び順に、Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ１３及びＲ２３の順に変化し、出力端子ＴＯの出力電圧は、例えば初期状態とＨレベル（又はＬレベル）との間を繰り返し変化することになる。

ここで、複数の磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサの特性として、複数の磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３が配列されている状態において、そのうちの１つずつが順次「High」（抵抗値が高い状態）に変化して行く場合、既に「High」に変化している磁気抵抗効果素子の素子数が多いほど、次の磁気抵抗効果素子が「High」になった場合の出力端子ＴＯにおける電圧変化（初期状態に対する電圧変化）が小さくなる。

本実施の形態においては、このような磁気抵抗効果素子の特性を利用するために、磁石体１１のＮ極（Ｓ極）の１極分に相当する長さＬ１（図３）の範囲内に、出力端子ＴＯを境とした電源側の磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ１３及びグランド側の磁気抵抗効果素子Ｒ２１〜Ｒ２３を交互に配置し、磁石体１１の回転に伴って、順次１つずつの磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化するように構成することで、出力端子ＴＯの出力電圧としては、初期状態と「High」レベル（又は「Low」レベル）との間を繰り返し変化することとなる。そして、この場合、全ての磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３が、磁石体１１の磁極（Ｎ極又はＳ極）の１極分に収まる範囲内に配置されていることにより、一旦抵抗値が「High」（又は「Low」）に変化した磁気抵抗効果素子の該抵抗値は、全ての磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３が磁石体１１の該１つの磁極に対向する位置に到来してこれらの抵抗値が「High」（又は「Low」）になるまで、維持されることになる。

これにより、上記磁気抵抗効果素子の特性を利用することができ、出力端子ＴＯの出力電圧は、磁石体１１のＮ極（Ｓ極）の１極分が磁気センサ２０の前を横切る間に、順次発生するパルス波形のピーク電圧の初期状態に対する電圧変化が順次小さくなる（又は大きくなる）ことにより、この変化を検出器３０により検出して、回転方向を判断するようになされている。

図５は、図１乃至図４に示した構成により、磁石体１１を矢印ｒａ１（図３）方向へ回転させた場合の、磁気センサ２０の出力端子ＴＯから出力される出力電圧Out[V]を示す図であり、図６は、その信号波形図である。

図５に示すように、磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３の抵抗値が全て「Low」である場合において、磁石体１１が矢印ｒａ１（図３）で示す方向に回転することによって該磁石体１１の例えばＮ極（Ｓ極）がこれら磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３の前を横切る位置にさしかかると、まず、回転方向ｒａ１の上流側にある磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が「Low」から「High」に変化する。これにより、出力端子ＴＯの出力電圧Out[V]は、2.500[V]から2.582[V]に変化する。そして、磁気抵抗効果素子Ｒ１１に続いて磁気抵抗効果素子Ｒ２１の抵抗値が「Low」から「High」に変化すると、磁気抵抗効果素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３とＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３との中点電圧である出力端子ＴＯの出力電圧は、初期状態である2.500[V]に戻る。

さらに、磁気抵抗効果素子Ｒ１２の抵抗値が「Low」から「High」に変化すると、出力端子ＴＯの出力電圧Out[V]は、2.500[V]から2.579[V]に変化する。この場合、１つの磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が既に「High」に変化して該「High」を維持していることにより、磁気抵抗効果素子の特性により、１つめの磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が「High」となった場合の出力電圧2.582[V]よりも低い値（初期状態からの電圧変化が小さい値）となる。そして、磁気抵抗効果素子Ｒ１２に続いて磁気抵抗効果素子Ｒ２２の抵抗値が「Low」から「High」に変化すると、磁気抵抗効果素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３とＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３との中点電圧である出力端子ＴＯの出力電圧は、初期状態である2.500[V]に戻る。

さらに、磁気抵抗効果素子Ｒ１３の抵抗値が「Low」から「High」に変化すると、出力端子ＴＯの出力電圧Out[V]は、2.500[V]から2.577[V]に変化する。この場合、２つの磁気抵抗効果素子Ｒ１１、Ｒ１２の抵抗値が既に「High」に変化して該「High」を維持していることにより、磁気抵抗効果素子の特性により、１つめの磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が「High」となった場合の出力電圧2.582[V]及び３つめの磁気抵抗効果素子Ｒ１２の抵抗値が「High」となった場合の出力電圧2.579[V]よりも低い値（初期状態からの電圧変化が小さい値）となる。そして、磁気抵抗効果素子Ｒ１３に続いて磁気抵抗効果素子Ｒ２３の抵抗値が「Low」から「High」に変化すると、磁気抵抗効果素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３とＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３との中点電圧である出力端子ＴＯの出力電圧は、初期状態である2.500[V]に戻る。

このようにして、磁石体１１の回転により、該磁石体１１のＮ極（Ｓ極）の１極分の長さに全ての磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３が対向する状態となって、全ての磁気抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ２３の抵抗値が「High」に変化した状態において、さらに磁石体１１が矢印ｒａ１方向に回転して、該磁石体１１のＳ極（Ｎ極）が磁気センサ２０を横切る位置にさしかかると、まず、回転方向ｒａ１の上流側にある磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が「High」から「Low」に変化する。これにより、出力端子ＴＯの出力電圧Out[V]は、2.500[V]から2.423[V]に変化する。そして、磁気抵抗効果素子Ｒ１１に続いて磁気抵抗効果素子Ｒ２１の抵抗値が「High」から「Low」に変化すると、磁気抵抗効果素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３とＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３との中点電圧である出力端子ＴＯの出力電圧は、初期状態である2.500[V]に戻る。

さらに、磁気抵抗効果素子Ｒ１２の抵抗値が「High」から「Low」に変化すると、出力端子ＴＯの出力電圧Out[V]は、2.500[V]から2.421[V]に変化する。この場合には、磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が「High」から「Low」に変化した上述の場合に比べて、「High」になっている素子数が少なくなっていることにより、出力電圧は低い値（初期状態からの変化が大きい値）となる。そして、磁気抵抗効果素子Ｒ１２に続いて磁気抵抗効果素子Ｒ２２の抵抗値が「High」から「Low」に変化すると、磁気抵抗効果素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３とＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３との中点電圧である出力端子ＴＯの出力電圧は、初期状態である2.500[V]に戻る。

さらに、磁気抵抗効果素子Ｒ１３の抵抗値が「High」から「Low」に変化すると、出力端子ＴＯの出力電圧Out[V]は、2.500から2.418[V]に変化する。この場合には、磁気抵抗効果素子Ｒ１１の抵抗値が「High」から「Low」に変化した上述の場合に比べて、「High」になっている素子数がさらに少なくなっていることにより、出力電圧は低い値（初期状態からの変化が大きい値）となる。

これに対して、図７及び図８は、磁石体１１を逆方向（矢印ｒａ２方向（図３））へ回転させた際の磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３の抵抗値の変化と、出力端子ＴＯにおける出力電圧を示す図である。

この場合には、磁石体１１の回転に伴って、磁気抵抗効果素子Ｒ２３、Ｒ１３、Ｒ２２、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ１１の順に抵抗値が変化することにより、図８に示すように、出力電圧のピーク値は、2.418[V]、 2.421[V]、2.423[V]、2.577[V]、2.579[V]、2.582[V]の順に変化する。

このようにして、出力端子ＴＯの電圧値に基づいて、磁気抵抗効果素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３の抵抗値が変化した際の出力電圧（３個ずつのパルスのピーク値の変化）を検出することにより、この変化として、初期状態（2.500[V]）との差が小さくなる変化である場合（図５、図６）又は大きくなる変化である場合（図７、図８）によって磁石体１１の回転方向（ｒａ１又はｒａ２）を判断することができる。

なお、上述の実施の形態においては、全ての磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３を同じ初期抵抗値としてそれを磁石体１１の回転に伴って変化させる場合について述べたが、これに限られるものではなく、各磁気抵抗効果素子Ｒ１１〜Ｒ２３ごとに初期抵抗値に差を持たせるようにしてもよい。このようにすれば、磁石体１１の回転に伴う出力端子ＴＯの電圧変化が一段と顕著になることにより、電圧変化の検出を一段と容易に行うことができる。

例えば、図９及び図１０は、磁気抵抗効果素子Ｒ１２及びＲ２２を1000Ω、Ｒ１１及びＲ２１を1200Ω、Ｒ１３及びＲ２３を833Ωとし、磁石体１１が矢印ｒａ１方向（順転方向）に回転させた場合の出力端子ＴＯの変化を示す図であり、図１１及び図１２は、同条件で磁石体１１を矢印ｒａ２方向（逆転方向）に回転させた場合の出力端子ＴＯの変化を示す図である。

このように、中間電圧（2.5[V]）よりも高電圧側と低電圧側とでピーク電圧値は異なるが、中間電圧よりも高電圧側では、最大のピーク電圧値に比べて他のピーク値は、各々19.5％、34.8％の電圧になり、また、中間電圧よりも低電圧側では、13.8％、26.0％の電圧値になる。この程度の電圧差が発生すると、電気的にピーク電圧の大小を判定することは容易となる。

また、上述の実施の形態においては、本発明を回転方向や回転角度を検出するためのセンサとして用いられるエンコーダに適用する場合について述べたが、適用対象はこれに限られるものではなく、リニアエンコーダに適用することもできる。

本発明の磁気エンコーダの一実施の形態を示す平面図である。図１の磁気エンコーダの断面図である。図１の磁気エンコーダの磁気センサの構成を示す図である。図３の磁気センサの磁気抵抗効果素子の接続状態を示す図である。全ての磁気抵抗効果素子の抵抗値が同じである場合における順転時の出力電圧を示す図である。全ての磁気抵抗効果素子の抵抗値が同じである場合における順転時の出力電圧を示す信号波形図である。全ての磁気抵抗効果素子の抵抗値が同じである場合における逆転時の出力電圧を示す図である。全ての磁気抵抗効果素子の抵抗値が同じである場合における逆転時の出力電圧を示す信号波形図である。磁気抵抗効果素子の抵抗値を配置順に変えた場合における順転時の出力電圧を示す図である。磁気抵抗効果素子の抵抗値を配置順に変えた場合における順転時の出力電圧を示す信号波形図である。磁気抵抗効果素子の抵抗値を配置順に変えた場合における逆転時の出力電圧を示す図である。磁気抵抗効果素子の抵抗値を配置順に変えた場合における逆転時の出力電圧を示す信号波形図である。従来の磁気エンコーダを説明するための図である。従来の磁気エンコーダを説明するための図である。

符号の説明

１０磁気エンコーダ
１１磁石体
１２回転体
Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ１３、Ｒ２３磁気抵抗効果素子
ＴＯ出力端子
Ｔ１電源端子
Ｔ２グランド端子

Claims

所定方向に移動し、移動方向に沿って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石体と、
前記磁石体の近傍に前記移動方向に沿って対向配置された磁気センサとを具備し、
前記磁気センサは複数の磁気抵抗効果素子からなり、該複数の磁気抵抗効果素子は直列接続されてその一端を電源端子に接続し、他端をグランド端子に接続する一方、該直列接続された複数の磁気抵抗効果素子を同数ずつに分ける中点を前記磁気センサの出力端子とし、該中点よりも前記電源端子側の磁気抵抗素子と、前記グランド端子側の磁気抵抗素子とが、前記移動方向に沿って交互に配置されてなり、
前記出力端子から出力されるパルス電圧が、前記磁石体の移動とともに増大するか、減少するかを検出して前記磁石体の移動方向を検知する磁気エンコーダ。
前記磁石体は、回転体であり、該回転体の外周側面に回転方向に沿って、前記Ｎ極及びＳ極が着磁されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ。
前記磁気センサの複数の磁気抵抗効果素子は、前記移動方向への並び順に抵抗値が大きく、または小さくなるように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気エンコーダ。
前記磁気センサの複数の磁気抵抗効果素子は、前記磁石体の着磁の１極分の範囲内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気エンコーダ。