(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交換バイアス層と、この交換バイアス層により磁化の方向が一方向に固定されたピン止め磁性層と、非磁性層と、外部磁界によって磁化の方向が回転自在にされたフリー磁性層とを少なくとも具備する巨大磁気抵抗効果素子が一対以上備えられ、
前記対になる巨大磁気抵抗効果素子が、各々のピン止め磁性層の磁化の向きを平行かつ同方向にして相互に電気的に接続された状態で基体上に設けられるとともに、
前記基体上の巨大磁気抵抗効果素子に対向状態で回転自在に磁気コード部材が設けられ、前記磁気コード部材にその回転方向に沿って複数の磁極が形成されてなることを特徴とする巨大磁気抵抗効果素子を備えたエンコーダ。
【請求項２】
対になる巨大磁気抵抗効果素子の端部どうしを接続する部分に入力側の端子部が、一方の巨大磁気抵抗効果素子の他端と、他方の巨大磁気抵抗効果素子の他端に入力側の端子部が各々形成されてなることを特徴とする請求項１記載の巨大磁気抵抗効果素子を備えたエンコーダ。
【請求項３】
前記磁気コード部材が円盤状に形成され、磁気コード部材の外周部に所定のピッチで複数の異なる磁極が交互に形成され、前記磁気コード部材がその外周部を前記巨大磁気抵抗効果素子に向けた状態で基体と定間隔離間して周回りに回転自在に支持されてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の巨大磁気抵抗効果素子を備えたエンコーダ。
【請求項４】
前記対になる巨大磁気抵抗効果素子間の間隔が、磁気コード部材のＮ−Ｓ間のピッチをλ、整数をｎとした場合に、
２ｎλ＋λ
の式を満足する関係とされてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の巨大磁気抵抗効果素子を備えたエンコーダ。
【請求項５】
第１と第２と第３と第４の巨大磁気抵抗効果素子が相互に所定間隔離間して相互に平行に基体上に１列に設けられ、巨大磁気抵抗効果素子どうしの間隔が、磁気コード部材の着磁ピッチをλ、整数をｎとした場合に、
２ｎλ＋λ
の式を満足する関係とされてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の巨大磁気抵抗効果素子を備えたエンコーダ。
【請求項６】
前記第１と第２と第３と第４の巨大磁気抵抗効果素子の各接続部分の内、２つに入力側の端子部が、残り２つに出力側の端子部が各々形成されてなることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の巨大磁気抵抗効果素子を備えたエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部磁界の変化に応じて大きな抵抗変化を示す巨大磁気抵抗効果素子を備えたエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、巨大磁気抵抗効果素子を用いた磁界センサとして、特開平８−２２６９６０号公報に開示の如く、４つの巨大磁気抵抗効果素子をブリッジ接続してなる構成のものが知られている。
この公報に開示された磁界センサＡは、図１６に示すように、離間して配置された巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４を備え、巨大磁気抵抗効果素子１、２を導線５で接続し、巨大磁気抵抗効果素子１、３を導線６で接続し、巨大磁気抵抗効果素子３、４を導線７で接続し、巨大磁気抵抗効果素子２、４を導線８で接続し、導線６に入力端子１０を導線８に入力端子１１を各々接続して設け、導線５に出力端子１２を導線７に出力端子１３を接続して構成されている。
【０００３】
また、巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４は、それぞれ非磁性層１５の上下に強磁性層１６、１７を設けたサンドイッチ構造とされ、一方の強磁性層（ピン止め磁性層）１６上に反強磁性体層などの交換バイアス層１８が設けられ、この交換バイアス層１８による交換結合を生じさせて強磁性層１６の磁化の向きを一方向にピン止めして構成されている。また、他方の強磁性層（フリー磁性層）１７の磁化の向きは外部磁界の向きに応じて回転自在、例えば、強磁性層１７を含む水平面に沿って回転自在にされている。
【０００４】
更に、図１６に示す構造の磁界センサＡにあっては、巨大磁気抵抗効果素子１のピン止め磁性層１６の磁化の向きが図１６の矢印２０に示すように手前側向きとされ、巨大磁気抵抗効果素子２のピン止め磁性層１６の磁化の向きが矢印２１に示すように奥向きとされ、巨大磁気抵抗効果素子３のピン止め磁性層１６の磁化の向きが矢印２３に示すように奥向きとされ、巨大磁気抵抗効果素子４のピン止め磁性層１６の磁化の向きが手前側向きとされている。また、巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４のフリー磁性層１７の磁化の向きは外部磁界が作用しない状態においてそれぞれ図１７の矢印２４に示すように右向きとされている。
【０００５】
図１６に示す磁界センサＡにおいて外部磁界Ｈが作用すると、外部磁界Ｈに合わせて、例えば第１、第４の巨大磁気抵抗効果素子１、４においてフリー磁性層１７の磁化の向き２４が図１５に示すように所定の角度ｄだけ回転するので、ピン止め磁性層１６の磁化の向き２０との角度関係が変わる結果、抵抗変化が生じる。また、第１と第４の巨大磁気抵抗効果素子１、４のピン止め磁性層１６の磁化の向きと、第２、第３の巨大磁気抵抗効果素子２、３のピン止め磁性層１６の磁化の向きが１８０゜反対であるため、位相の異なる抵抗変化を得ることができる。
【０００６】
図１６に示すブリッジ接続型の磁界センサＡにあって、これらの磁化の向きを各矢印に示すように規定しているのは、外部磁界Ｈに感応してフリー磁性層１７の磁化の向きが変化した場合に、巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４から差動出力を得る必要があるので、図１４の上下左右に位置する巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４において隣り合う隣接するものどうしで１８０゜方向が異なる反平行向きに磁化の向きをピン止めする必要があるためである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１６に示す構造を実現するためには、基板上に巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４を隣接させて形成し、隣接する巨大磁気抵抗効果素子のピン止め磁性層１６の磁化の向きをそれぞれ１８０゜異なる方向に固定しなくてはならない。
【０００８】
また、この種のピン止め磁性層１６の磁化の向きを制御するために交換バイアス層１８の格子磁化を調整するには、強磁性が消失するブロッキング温度と呼ばれる温度以上に加熱した状態で交換バイアス層１８に所定の向きの磁界を印加しておき、この磁界を印加したままで冷却する熱処理を行わなくてはならない。
ところが、図１６に示す構造においては、巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４毎に交換バイアス層１８の磁化の向きを１８０゜変えなくてはならないので、基板上に隣接状態で形成されている巨大磁気抵抗効果素子毎に磁界の向きを制御しなくてはならないことになり、単に外部から電磁石等の磁場発生装置で磁界を印加する方法では、磁界を１方向にしか印加できないので、図１４に示す構造を製造することが困難な問題があった。
【０００９】
このため、特開平８−２２６９６０号公報に開示の技術によれば、基板上に隣接状態で形成される巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４に沿ってそれぞれ導体層を積層し、これらの導体層の各々に異なる向きの電流を流して各導体層から個別に向きの異なる磁界を発生させながら前述の熱処理を行うことによって図１６に示す構造を実現できると記載されている。ところが、交換バイアス層１８の格子磁化を制御するために導体膜に大きな電流を印加して大きな磁界を発生させたくとも、基板上に巨大磁気抵抗効果素子とともに積層した薄膜状の導体膜に大きな電流を流すことは難しく、導体膜から発生できる磁界では強い磁界を印加して効率良く処理することができない問題がある。更に、基板上に隣接状態で設けられている巨大磁気抵抗効果素子１、２、３、４に複数の導体膜から別々の向きの磁界が作用することになるので、個々の巨大磁気抵抗効果素子の交換バイアス層１８に個別に強い磁界を作用させることは困難であった。
【００１０】
以上のごとく図１６に示す磁界センサＡは優れた磁界センサとしての機能を有する反面、実際に基板上に成膜処理を施して磁界センサＡを製造するためには、極めて微妙な磁界印加処理と熱処理とを施す必要があり、製造が難しいので、広い用途に供するには問題を有する構造であった。
【００１１】
更に、図１６に示す構造の磁界センサＡの用途に関し、特公平８−２２６９６０号公報によれば、リニア及びロータリ符号化器、近接検出器あるいは地磁気磁力計等への示唆がなされているのみであり、磁界センサＡの構造を具体的にどのような方面の機器にどのように応用するべきかの示唆は全くなされていない。
【００１２】
一方、従来から磁気応用製品の一例として磁気式エンコーダが知られており、この種のエンコーダとして磁界の変化に感応するホール素子を検出素子として用いたものが知られているが、ホール素子は波形処理前の出力波形すなわち生成波は近似ＳＩＮカーブであり、ホール素子の不平衡電圧のドリフト、若しくはアンプの入力オフセット電圧のドリフトによって、得られる矩形波のデューティ（ｌｏｗとｈｉｇｈの割合）、ＡＢ相間の位相差が劣化する問題があり、また、ホール素子は生成波の出力が小さく、それらの影響を受けやすく、よってホール素子を用いたものでは制度の高い信号を得ることは容易ではなかった。従って、大きな出力を得ることができ、生成波で矩形波に近い出力が得られる検出素子を有して精度の高い信号を発するエンコーダが望まれていた。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑み、従来の磁界センサとは異なる発想を基にして巨大磁気抵抗効果素子を利用する試みを種々行うことによりなされたもので、巨大磁気抵抗効果素子を用いた特異な構造を採用することによって磁気コード部材の回転角度を検出することができるようにするとともに、大きな出力を得ることができるエンコーダの提供を目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、交換バイアス層と、この交換バイアス層により磁化の方向が一方向に固定されたピン止め磁性層と、非磁性層と、外部磁界によって磁化の方向が回転自在にされたフリー磁性層とを少なくとも具備する巨大磁気抵抗効果素子が一対以上備えられ、前記対になる巨大磁気抵抗効果素子が、各々のピン止め磁性層の磁化の向きを平行かつ同方向にして相互に電気的に接続された状態で基体上に設けられるとともに、前記基体上の巨大磁気抵抗効果素子に対向状態で回転自在に磁気コード部材が設けられ、前記磁気コード部材にその回転方向に沿って複数の磁極が形成されてなることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、対になる巨大磁気抵抗効果素子の端部どうしを接続する部分に入力側の端子部が、一方の巨大磁気抵抗効果素子の他端と、他方の巨大磁気抵抗効果素子の他端に入力側の端子部が各々形成されてなることを特徴とする構成にすることもできる。
本発明において、前記磁気コード部材が円盤状に形成され、磁気コード部材の外周部に所定のピッチで複数の異なる磁極が交互に形成され、前記磁気コード部材がその外周部を前記巨大磁気抵抗効果素子に向けた状態で基体と定間隔離間して周回りに回転自在に支持されてなる構成にすることもできる。
【００１６】
本発明において、前記対になる巨大磁気抵抗効果素子間の間隔が、磁気コード部材の着磁ピッチをλ、整数をｎとした場合に、２ｎλ＋λの式を満足する関係とされてなることが好ましい。
更に本発明において、１と第２と第３と第４の巨大磁気抵抗効果素子が相互に所定間隔離間して相互に平行に基体上に１列に設けられ、巨大磁気抵抗効果素子どうしの間隔が、磁気コード部材のＮ−Ｓ間の距離（着磁ピッチ）をλ、整数をｎとした場合に、２ｎλ＋λの式を満足する関係とされてなることが好ましい。
【００１７】
更に、前記第１と第２と第３と第４の巨大磁気抵抗効果素子の各接続部分の内、２つに入力側の端子部が、残り２つに出力側の端子部が各々形成されてなること構成とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のエンコーダの第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施形態のエンコーダに備えられる巨大磁気抵抗効果素子の接続状態とそれに対向する磁気コード部材の配置関係を示す回路図、図２は巨大磁気抵抗効果素子の積層構造と接続状態を示す図、図３は第１実施形態のエンコーダの断面構造を示す図である。
図１に示す回路おいて外部磁界に応じて抵抗が変化する巨大磁気抵抗効果素子２６、２７の一端２６ａ、２７ａが導体２８により接続され、接続部分の導体２８に出力側の端子部２８Ａが形成され、巨大磁気抵抗効果素子２６の他端２６ｂにアース側の端子部２６Ａが、巨大磁気抵抗効果素子２７の他端２７ｂに電源側の端子部２７Ａが形成されている。換言すると、図１に示す回路構造においては、直列接続された巨大磁気抵抗効果素子２６、２７の接続中間点と一方の端部に出力側の端子部が、他方の端部に入力側の端子部が各々設けられた構造とされている。
【００１９】
図１に示す回路は、実際には図３に示すエンコーダＭ１に内蔵された基板Ｋの一面に形成されていて、基板Ｋ上において巨大磁気抵抗効果素子２６と巨大磁気抵抗効果素子２７は所定距離離間して互いに平行に隣接して設けられるとともに、巨大磁気抵抗効果素子２６、２７に設けられる後述のピン止め磁性層の磁化の向きｅ、ｈを同一方向に向けて設けられている。
【００２０】
図３に示すエンコーダＭ１は、回転軸８０と、この回転軸８０を軸回りに回転自在に支持する円盤状の軸受部材８１と、この軸受部材８１の裏面側に装着されたキャップ状のカバー部材８２と、このカバー部材８２で覆われた軸受部材８１の裏面側に設けられた磁気コード部材８３と基板（基体）Ｋとを主体として構成されている。前記軸受部材８１は例えば黄銅製の円盤状部材から、前記カバー部材８２は例えば金属板を絞り加工して得られたものから形成される。
【００２１】
前記回転軸８０は、樹脂あるいは非磁性ステンレス鋼などの非磁性体からなる棒状のもので、回転軸８０の一端部側が軸受部材８１を貫通して裏面側に突出され、その一端部に円盤状の磁気コード部材８３が回転軸８０と直角向きに取り付けられている。この磁気コード部材８３はその外周部に沿って複数の異なる磁極であるＮ極とＳ極が交互に並ぶように着磁された磁石板から構成されている。なお、回転軸８０は軟磁性材の鉄からなるものでも良いし、磁気コード部、巨大磁気抵抗効果素子２６、２７との距離が十分に離れている場合には、強磁性体からなるものでも良い。
従って磁気コード部材８３にはその周方向に沿って複数の磁極が形成されていることになる。
【００２２】
軸受部材８１の裏面側にはホルダ部材８５によって支持された状態で取付基板８６が前記回転軸８０と平行な向きに設けられ、この取付基板８６の磁気コード部材側の面に基板Ｋが取り付けられている。この基板Ｋの一面には、図１に示す回路図の如く巨大磁気抵抗効果素子２６、２７が形成されているが、これらは、前記磁気コード部材８３の外周面に所定のギャップＧを介して対向するように取付基板８６に固定されている。
【００２３】
また、磁気コード部材８３の外周部と基板Ｋの間の距離（ギャップＧ）は、磁気コード部材８３が発生させる磁界が巨大磁気抵抗効果素子２６、２７に満足に作用するための距離とされるので、通常は０．２ｍｍ〜０．７ｍｍ程度の範囲、例えば０．５ｍｍとされ、ギャップＧがλ以下であれば、生成波を矩形波にすることができる。
【００２４】
図２は本実施形態の巨大磁気抵抗効果素子２６、２７の基本的な積層構造と、それら各層の磁化の向きを明らかにするためのもので、巨大磁気抵抗効果素子２６、２７はいずれも同等の構造とされ、基本的には図２に示すように強磁性層（フリー磁性層）ａと非磁性層ｂと強磁性層（ピン止め磁性層）ｃと交換バイアス層（反強磁性体層）ｄを積層して構成されている。また、巨大磁気抵抗効果素子２６、２７は平面視線状に細長く形成されていることが好ましい。従って図１に示す接続回路の場合において巨大磁気抵抗効果素子２６、２７の長さ方向（図１では上下方向）に線状の巨大磁気抵抗効果素子２６、２７を配置することが好ましい。
【００２５】
図２に示す積層構造において、交換バイアス層ｄに隣接しているピン止め磁性層ｃは、交換バイアス層ｄによって磁化の向きがピン止めされている。具体的には、巨大磁気抵抗効果素子２６において交換バイアス層ｄとピン止め層ｃの磁化の向きが矢印ｅに示すように右向きに、巨大磁気抵抗効果素子２７において交換バイアス層ｄとピン止め層ｃの磁化の向きが矢印ｈに示すように右向きに設定されている。従って巨大磁気抵抗効果素子２６、２７のピン止め磁性層ｃの磁化の向きは同一方向に向けられている。
【００２６】
図５は基板Ｋ上に具体的に各層を堆積して巨大磁気抵抗効果素子２６を形成した場合の詳細構造の一例を示す。
この例の巨大磁気抵抗効果素子２６は、基板Ｋ上に下から順に交換バイアス層ｄとピン止め磁性層ｃと副強磁性体層ｍと非磁性層ｂと副強磁性体層ｎとフリー磁性層ａを積層して断面等脚台形状に形成され、これら積層体の側面側に各層に接するように導体Ｅ１、Ｅ２が接続されている。これらの導体Ｅ１、Ｅ２が巨大磁気抵抗効果素子どうしを電気的に接続する導体となる。
【００２７】
この図５の構造において副強磁性層ｍとｎは磁気抵抗効果をより効率良く発揮させるために設けられるＣｏやＣｏ合金等の強磁性体からなる層であるが、これらは省略しても差し支えない層である。また、交換バイアス層ｄとピン止め磁性層ｃと副強磁性体層ｍと非磁性層ｂと副強磁性体層ｎとフリー磁性層ａの積層順序はこの例の逆の順序でも差し支えない。
【００２８】
なお、より具体的な巨大磁気抵抗効果素子の積層構造として、α−Ｆｅ２Ｏ３層（交換バイアス層）／ＮｉＦｅ層（ピン止め磁性層）／Ｃｏ層（副強磁性体層）／Ｃｕ層（非磁性層）／Ｃｏ層（副強磁性体層）／ＮｉＦｅ層（フリー磁性層）を例示することができる。また、必要に応じてα−Ｆｅ２Ｏ３層の下に電流シャント層としてＡｌ２Ｏ３層を設けても良い。更に、以上の構造の外に、α−Ｆｅ２Ｏ３層／Ｃｏ層／Ｃｕ層／Ｃｏ層／ＮｉＦｅ層／Ｃｏ層／Ｃｕ層／Ｃｏ層／α−Ｆｅ２Ｏ３層の積層構造の巨大磁気抵抗効果素子を例示することもできる。更に、交換バイアス層は、それに隣接するピン止め磁性層の磁化の向きをピン止めできるものであれば、公知のもののいずれを用いても良いので、α−Ｆｅ２Ｏ３層の外に、ＦｅＭｎ層、ＮｉＭｎ層、ＮｉＯ層、ＩｒＭｎ層、ＣｒＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＭｎＲｈＲｕ、ＰｔＭｎ等を用いても良い。
【００２９】
次に、図１に示す例において、磁気コード部材８３の着磁ピッチ（Ｎ極とＳ極との間隔：Ｎ−Ｓ間の間隔：λ）は、巨大磁気抵抗効果素子２６、２７間の間隔とほぼ同等とされている。これらの着磁ピッチと巨大磁気抵抗効果素子２６、２７との間隔Ｄは、以下に説明する（１）式に従って決定されることが好ましい。
Ｄ＝２ｎλ＋λ  （ただし、ｎは０と整数）      ・・・（１）
なおまた、これらの間隔Ｄと着磁ピッチの関係は完全に一致していなくとも、２０％程度以下の範囲でずれていても良い。
【００３０】
図１〜図４に示す構造を有するロータリーエンコーダＭ１において回転軸８０が回転された場合、入力側の端子部２６Ａから回路に電圧を印加しておき、出力側の端子部２８Ａと端子部２７Ａとの間の電圧を測定するならば、一対の巨大磁気抵抗効果素子２６、２７の電気抵抗が磁界の作用によって変化して抵抗変化に応じて生じる中点電圧変化を計測することができる。波形は図１４で示すように矩形波に近い波形であり、これを信号処理によりＡ／Ｄ変換して矩形波とすることで、回転軸８０の回転角度を検出してロータリーエンコーダとして使用することができる。
また、巨大磁気抵抗効果素子２６、２７を用いているので、大きな抵抗変化を検出用として利用できる結果、大きな矩形波出力を得ることができる。
【００３１】
図６Ａは、前記構造のロータリーエンコーダに用いられる巨大磁気抵抗効果素子の形成方向に対して直角方向、即ち、ピン止め磁性層の磁化方向に磁界が加わった場合の、該巨大磁気抵抗効果素子の抵抗値を示したものであり、ピン止め磁性層の磁化方向を磁界のマイナス側とし、逆方向に磁界が加わった場合を磁界のプラス側として表している。
【００３２】
図６Ｂは巨大磁気抵抗効果素子の配置位置における、該巨大磁気抵抗効果素子の形成方向に直角方向のコード板による磁界強度の分布を示す図であり、図６ＡのＨ０、−Ｈ０の磁界強度の値を図に記載している。
図７Ａは位置関係を示すための図であり、図７Ｂ〜Ｄは磁気コード板を回転させた際の巨大磁気抵抗効果素子２６の抵抗値、巨大磁気抵抗効果素子２７の抵抗値、出力を示すものである。
【００３３】
以下に、図７Ｄに示す出力が得られる理由について詳細に説明すると、巨大磁気抵抗効果素子２６、２７は図４で示すように磁気コード部材８３に対向し、かつ、回転方向に対して直角に配置されているから、該巨大磁気抵抗効果素子にかかる磁界は、膜厚方向とピン止め磁性層方向のベクトルの和として考えることができる。ここで、該巨大磁気抵抗効果素子２６、２７の膜厚方向の磁界成分は、出力に影響を与えずにほとんど無視できるので、従って、該巨大磁気抵抗効果素子２６、２７の出力で問題となる磁界は、図６Ｂで示す磁界成分と考えることができる。
【００３４】
これを考慮すると、まず、図７Ａで巨大磁気抵抗効果素子２６と磁気コード部材８３のＡ点が対向する近辺においては、磁界強度は図６Ｂから明らかなように−Ｈ０〜＋Ｈ０に増加する。従って、図６Ａを参照すれば、▲１▼の特性を示すことになるので、Ａ点から僅かに回転した位置でＬからＨの抵抗値になる。
次に磁気コード部材８３が時計方向に回転し、巨大磁気抵抗効果素子１６にＢ点が対向する近辺においては、磁界強度は図６Ｂから明らかなように＋Ｈ０〜−Ｈ０に減少する。従って、図６Ａを参照すれば▲２▼の特性を示すこととなるので、Ｂ点から僅かに回転した位置でＨからＬの抵抗値になる。
【００３５】
同様にして、Ｃ点、Ｄ点の近辺でも同様のこととなり、図７Ｂで示される抵抗値の変化となる。なお、＋Ｈ０、−Ｈ０の値が非常に小さくなるように巨大磁気抵抗効果素子２６、２７は形成されている。
巨大磁気抵抗効果素子２７についても、同様の理由で磁気コード板８３の回転に伴い、図７Ｃの抵抗値となる。
ここで、出力は、電源電圧×巨大磁気抵抗効果素子２６の抵抗値／（巨大磁気抵抗効果素子２６の抵抗値＋巨大磁気抵抗効果素子２７の抵抗値）で表され、巨大磁気抵抗効果素子２６、２７はλの距離をおいて配置されているから、分母の値はほぼ一定とみなすことができるので、図７Ｄの出力が得られる。なお、上記の式で表される値をとるので、一方を固定抵抗にする場合に比べてｈｉｇｈの値を電源電圧に近づけることが可能であり、ｌｏｗの値をアース電位に近づけることが可能となる。
【００３６】
図８は、第２実施形態のロータリーエンコーダに用いる巨大磁気抵抗効果素子の回路構成を示すもので、この形態の回路構成では巨大磁気抵抗効果素子４０、４１が先の実施形態の場合と同様に図３に示す基板Ｋ上に設けられているが、それらの配線構造が一部異なる。
巨大磁気抵抗効果素子４０の一端４０ａに導体４２を介して巨大磁気抵抗効果素子４１の一端４１ａが接続され、導体４２に出力側の端子部４２が形成され、巨大磁気抵抗効果素子４０の他端４０ｂにアース側の端子部４４が巨大磁気抵抗効果素子４１の他端４１ｂに電源側の端子部４５が各々形成されている。
図８に示す回路構造は対になる巨大磁気抵抗効果素子どうしの間の中点から出力を得るという点において図１に示す回路構造と同等であるので、図８に示す回路構造によっても先の第２実施形態の場合と同様にエンコーダとしての効果を得ることができる。
【００３７】
図９は本発明の第３実施形態のロータリーエンコーダに用いられる巨大磁気抵抗効果素子の回路図、図１０は同回路の基本概念を示す概略構成図、図１１は同回路を実際の基板Ｋ３上に形成してなる構造の一例を示す平面図である。
第３実施形態のエンコーダに備えられる基板Ｋ３には、図１０において左側から順に各々平行に１列に配置された第１の巨大磁気抵抗効果素子３１と、第２の巨大磁気抵抗効果素子３２と、第３の巨大磁気抵抗効果素子３３と、第４の巨大磁気抵抗効果素子３４とを具備して構成されている。
また、これらの巨大磁気抵抗効果素子３１、３２、３３、３４はいずれも後述する如く薄膜の積層体からなり、線状の細長い形状とされている。
【００３８】
図１０は本実施形態の巨大磁気抵抗効果素子３１、３２、３３、３４の積層構造と、それら各層の磁化の向きを明らかにするためのもので、巨大磁気抵抗効果素子３１、３２、３３、３４はいずれも同等の構造とされ、基本的には図１０に示すように強磁性層（フリー磁性層）ａと非磁性層ｂと強磁性層（ピン止め磁性層）ｃと交換バイアス層ｄを積層して構成されている。
図１０に示す積層構造において、第１、第２、第３、第４の巨大磁気抵抗効果素子３１、３２、３３、３４において交換バイアス層ｄとピン止め層ｃの磁化の向きが矢印ｅ、ｆ、ｇ、ｈに示すように右向きに設定されている。
【００３９】
更に、前記の第１と第２と第３と第４の巨大磁気抵抗効果素子３１、３２、３３、３４のフリー磁性層ａの磁化の向きは、外部磁界が作用しない状態においてそれぞれ図１０の奥向き、即ち、各ピン止め磁性層ｃの磁化の向きと直角な矢印ｋ方向に向けられている。
【００４０】
次に、前記第１の巨大磁気抵抗効果素子３１の一側３１ａと第２の巨大磁気抵抗効果素子３２の他側３２ｂとが導体５２で接続され、この導体５２が接続部とされ、導体５２からなる接続部に出力側の端子部５３が接続されるとともに、第２の巨大磁気抵抗効果素子３２の一側３２ａと第４の巨大磁気抵抗効果素子３４の一側３４ａとが導体５５で接続され、この導体５５が接続部とされ、この導体５５に出力側の端子部５６が接続されている。更に、第１の巨大磁気抵抗効果素子３１の他側３１ｂと第３の巨大磁気抵抗効果素子３３の一側３３ａとが導体６０で接続され、この導体６０が接続部とされ、この導体６０に出力側の端子部６１が接続されるとともに、第３の巨大磁気抵抗効果素子３３の他側３３ｂと第４の巨大磁気抵抗効果素子３４の他側３４ｂが導体６２で接続され、この導体６２が接続部とされ、この導体６２に入力側の端子部６３が接続されている。
【００４１】
図１１は、図９と図１０に示す構造の巨大磁気抵抗効果素子３１、３２、３３、３４と、Ｃｒ、Ｃｕ等の導電性金属材料からなる導体５２、５５、６０、６２と端子部５３、５６、６１、６３を実際に基板Ｋ３の上に積層してなる構造の一例を示す。
この例の構造において、前記基板Ｋ３はＳｉ基板等の非磁性の絶縁性の材料からなり、基板上面に平坦化あるいは絶縁性向上等の目的でＡｌ２Ｏ３等からなる下地膜を被覆したものなどが好適に用いられる。
【００４２】
図１１に示すエンコーダは２相の出力を得るものであり、図１の形態で示す一対の巨大磁気抵抗効果素子を１／２離して、もう一対設けた構成であり、一対の基本動作原理は図６と図７を用いて説明したものと同様であるので詳細な説明は省略する。作動状況について説明すると、巨大磁気抵抗効果素子３２上に回転中の磁気コード部材８３のＡ１点（Ｓ極中心点）が位置した場合、巨大磁気抵抗効果素子３１上には右向きの磁界が作用し、巨大磁気抵抗効果素子３３上には左向きの磁界が作用する。
【００４３】
この場合、ピン止め磁性層Ｃの磁化の向きは右向きにされているので、巨大磁気抵抗効果素子３１はピン止め磁性層Ｃの磁化の向きと同方向なので先に説明したように抵抗値は最小値になる。巨大磁気抵抗効果素子３３は左向き磁界が作用するので、先に説明したように抵抗値は最大値を示す。すると、例えば、５Ｖの電圧を印加した場合、巨大磁気抵抗効果素子３１、３３の中点である端子部６１からの出力は、（巨大磁気抵抗効果素子３１の出力）＞（巨大磁気抵抗効果素子３３の出力）の関係になり、２．５Ｖ未満となる。
次に、巨大磁気抵抗効果素子３２上にＣ点がきた場合は、先の関係と逆向きに磁界が作用するので中点の端子部６１からの出力は、（巨大磁気抵抗効果素子３１の出力）＞（巨大磁気抵抗効果素子３３の出力）となり、２．５Ｖよりも大きくなる。
【００４４】
以上のような磁気コード部材の各点と気抵抗効果素子３１、３２、３３、３４の出力状態を以下の表１にまとめて記載する。
0003560821.tif 000002
以上の表１の関係であるならば、直列接続した中点から得られる波形は図７Ｄで示すように矩形波に近似したλ／２位相がずれた２出力を得ることができる。そして、各々の波形を波形整形して矩形波を得て、この両矩形波を比較し、一方の立ち上がりタイミングと他方の矩形波の立ち上がりタイミングとを比較することで磁気コード部材の回転方向も検出することができる。
【００４５】
図１２は本発明に係るロータリーエンコーダの第４実施形態の要部を示すもので、この実施形態のロータリーエンコーダは、ピン止め磁性層の磁化の向きを同一方向で平行に配置した巨大磁気抵抗効果素子７０、７１を磁気コード部材８３の着磁ピッチと同一間隔で配置し、巨大磁気抵抗効果素子７０、７１の一端７０ａ、７１ａに増幅器７２を接続して設け、それらの間に固定抵抗Ｒを備えるアース線７３をそれぞれ接続し、巨大磁気抵抗効果素子７０、７１の他端側に入力側の端子部を設けて構成し、巨大磁気抵抗効果素子７０、７１の差動増幅ができるように構成したものである。
図１２に示す構成においても巨大磁気抵抗効果素子７０、７１の差動出力を得ることができるので、図１あるいは図９のロータリーエンコーダの場合と同様に磁気コード部材８３の回転状態を検知することができる。また、図１２に示す回路構造においては増幅した出力を得ることができるので、大きな出力を得ることができる。
【００４６】
次に、先の第３実施形態で用いた基板Ｋ３上の各巨大磁気抵抗効果素子のピン止め磁性層ｃの磁化の向きをピン止めする方法について説明する。
ピン止め磁性層ｃの磁化の向きをピン止めするには、例えば、Ｆｅ２Ｏ３からなる交換バイアス層ｄを所定の方向に着磁すれば良い。それには、図１２に示すように、基板Ｋを通過自在とする大きさの導電体からなる中空コイル７７を用い、中空コイル７７の中心部に基板Ｋ３を設置するとともに、基板Ｋ３上の巨大磁気抵抗効果素子３１、３２、３３、３４の長さ方向を中空コイル７７の長さ方向と直交する方向に向け、この状態で中空コイル７７に電流を流すと、図１２の矢印Ｙ方向に一様な磁界が発生するので、交換バイアス層ｄを一方向に着磁することができる。
【００４７】
なお、交換バイアス層ｄをα−Ｆｅ２Ｏ３層、ＮｉＯ層、ＩｒＭｎ層、ＣｒＰｔＭｎから構成した場合はこのような磁界印加手段で瞬時に着磁できるが、交換バイアス層ｄの構成材料としてＮｉＭｎ層、ＰｄＰｔＭｎ層、ＭｎＲｈＲｕ層、ＰｔＭｎ層を選択した場合はブロッキング温度以上の温度に加熱後、先に述べたごとく着磁する必要があるので着磁作業が繁雑になるが、着磁可能であるので本発明に適用できるのは勿論である。
【００４８】
【実施例】
縦３．６ｍｍ×横３．６ｍｍのサイズの厚さ０．５ｍｍのＳｉ基板上に、幅０．０５ｍｍ、長さ１．５ｍｍの４つの線状の巨大磁気抵抗効果素子を図８に示す位置に相互に平行位置に形成して基本構造の基板を形成した。
基板上の各巨大磁気抵抗効果素子は、Ａｌ２Ｏ３層（１０００Å厚）／α−Ｆｅ２Ｏ３層（１０００Å厚）／ＮｉＦｅ層（３０Å厚）／Ｃｏ層（１０Å厚）／Ｃｕ層（２２Å厚）／Ｃｏ層（１０Å厚）／ＮｉＦｅ層（７７Å厚）／Ｔａ（３０Å厚）の８層からなる積層構造とした。各巨大磁気抵抗効果素子の端部どうしを接続する導体はＣｒ膜から形成し、図１１に示す導体接続形状とした。
【００４９】
次に、図１２に示す長さ５００ｍｍ、内径５０ｍｍのＣｕ製の中空コイル内部の中央に、各巨大磁気抵抗効果素子の長さ方向を中空コイルの中心軸線方向に直角向きにして基板をセットし、中空コイルに数秒間、３ｋＡの直流電流を流して交換バイアス層の着磁を行なってピン止め磁性層の磁化の向きをピン止めした。なお、該中空コイルは内部に基板を収納でき、一様方向の磁界が加わるとみなせる程度（基板の１０倍程度）の大きさであれば良い。
【００５０】
この基板を図３に示す構造のロータリーエンコーダに組み込み、基板の周面側に０．５ｍｍのギャップを介してドラム状の磁気コード部材を配置し、基板の入力側の端子部に５Ｖの電圧を印加し、出力側の端子部で電圧を測定し、磁気コード部材をその周回りに２回／秒で回転させた。用いたドラム状の磁気コード部材の直径は１２．７ｍｍ、着磁ピッチは０．７１ｍｍ、巨大磁気抵抗効果素子の素子間ピッチは０．７２ｍｍとした。
この結果、図１４に示す矩形波に近い出力を得ることができ、ロータリーエンコーダとして都合の良い波形が得られることを確認することができた。
【００５１】
次に図１５は磁気コード部材の着磁ピッチに対して巨大磁気抵抗効果素子の間隔を２０％増加させた例、換言すると、着磁ピッチλの１．２倍の間隔で巨大磁気抵抗効果素子を基板上に形成して得たロータリーエンコーダから得られた出力波形を示す。巨大磁気抵抗効果素子の間隔以外は先の実施例の構造と同等としたがギャップは１．４ｍｍとした。
図１５に示す矩形波出力から明らかなように、着磁ピッチと巨大磁気抵抗効果素子どうしの間隔を２０％ずらしても矩形波出力を得ることができた。図１５に示す波形は多少歪んでおり、ノイズ成分を含むが、矩形波の形が崩れている訳ではないので、この程度であればロータリーエンコーダの出力波形として満足に使用することができる。
この結果から、磁気コード部材の着磁ピッチと巨大磁気抵抗効果素子間の間隔は、先の（１）式に示した関係であることが好ましいが、先の（１）の範囲から２０％程度ずれていても入力用途等には支障ないことが判明した。
以上のことから、本発明に係るエンコーダを用いることで、磁気コード部材の回転方向や角度を精密に検出できるので、本発明のエンコーダは無接点式の回転つまみ、例えばボリューム等に応用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のロータリーエンコーダは、ピン止め磁性層の磁化の向きを平行同一向きとした少なくとも一対の巨大磁気抵抗効果素子を基板上に設け、これら巨大磁気抵抗効果素子に対向させて磁極を有する磁気コード部材を回転自在に配置したので、磁気コード部材の回転角に応じて一対の巨大磁気抵抗効果素子の中点の電圧変化を測定することで矩形波を得ることで磁気コード部材の回転状態を検出することができ、ロータリーエンコーダとして使用することができる。
そして、巨大磁気抵抗効果素子を用いた構造であるので、大きな抵抗変化を得ることができる。
【００５３】
第１と第２と第３と第４の巨大磁気抵抗効果素子の交換バイアス層の着磁を同一方向にまとめて同一磁界で着磁することができるので、例えば、中空コイル内部に基板を設置して中空コイルに電流を流して４つ同時に着磁してピン止め磁性層の磁化の向きを４つ同時に固定できる。
このため、４つ別々な方向に着磁する必要のあった従来構造よりも格段に着磁作業を容易にすることができる効果がある。従って巨大磁気抵抗効果素子を４つ接続した構造を具備するロータリーエンコーダであっても、生産性の良好なものを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るロータリーエンコーダに備えられる巨大磁気抵抗効果素子の接続構造を示す回路図。
【図２】図１に示す巨大磁気抵抗効果素子の基本構造と接続状態を示す構成図。
【図３】図１に示す巨大磁気抵抗効果素子が形成された基板を備えた第１実施形態のロータリーエンコーダの断面図。
【図４】磁気コード部材と基板の配置関係を示す図。
【図５】図３に基本構造を示すロータリーエンコーダに適用された巨大磁気抵抗効果素子の積層構造と導体の接続部分を示す断面図。
【図６】図６Ａは巨大磁気抵抗効果素子の抵抗変化を示す説明図、図６Ｂは磁気コード部材上のＮ−Ｓ点と出力波の関係を示す図。
【図７】図７Ａは磁気コード部材と巨大磁気抵抗効果素子との位置関係を示す図、図７Ｂは一方の巨大磁気抵抗効果素子の抵抗変化を示す図、図７Ｃは他方の巨大磁気抵抗効果素子の抵抗変化を示す図、図７Ｄは出力波形を示す図。
【図８】本発明に係るロータリーエンコーダに備えられる巨大磁気抵抗効果素子の接続構造の第２実施形態を示す回路図。
【図９】本発明に係るロータリーエンコーダに備えられる巨大磁気抵抗効果素子の接続構造の第３の実施形態を示す回路図。
【図１０】同第３実施形態の巨大磁気抵抗効果素子の基本積層構造と回路構成を示すための図。
【図１１】第３の実施形態のロータリーエンコーダに備えられる基板と磁気コード部材の配置関係を説明するための図。
【図１２】本発明に係るロータリーエンコーダに備えられる巨大磁気抵抗効果素子の回路構造の第４の実施形態を示す回路図。
【図１３】図１１に示す巨大磁気抵抗効果素子の交換バイアス層を着磁している状態を示す図。
【図１４】実施例のエンコーダで得られた出力波形の第１の例を示す図。
【図１５】実施例のエンコーダで得られた出力波形の他の例を示す図。
【図１６】従来の磁界センサの一例を示す概略構成図。
【図１７】図１７に示す磁界センサに備えられている巨大磁気抵抗効果素子のピン止め磁性層の磁化の向きとフリー磁性層の磁化の向きの関係を示す図。
【符号の説明】
ａ・・・強磁性層（フリー磁性層）、ｂ・・・非磁性層、ｃ・・・強磁性層（ピン止め磁性層）、ｄ・・・交換バイアス層（反強磁性体層）、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ・・・磁化の向き、Ｋ、Ｋ３・・・基体（基板）、２６、２７、４０、４１・・・巨大磁気抵抗効果素子、Ｍ１・・・ロータリーエンコーダ、３１・・・第１の巨大磁気抵抗効果素子、３１ａ・・・一端、３１ｂ・・・他端、３２・・・第２の巨大磁気抵抗効果素子、３２ａ・・・一端、３２ｂ・・・他端、３３・・・第３の巨大磁気抵抗効果素子、３３ａ・・・一端、３３ｂ・・・他端、３４・・・第４の巨大磁気抵抗効果素子、３４ａ・・・一端、３４ｂ・・・他端、２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、４３、４４、４５、５３、５６、６１、６３・・・端子部、８３・・・磁気コード部材。
【図１】
0003560821.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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