(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２極から構成される第１の磁気パターンと多極から構成される第２の磁気パターンとを有し、回転軸に固定された永久磁石と、
前記第１の磁気パターンの磁界を検出する第１の磁気センサと、
前記第２の磁気パターンの磁界を検出する第２の磁気センサと、
前記第１の磁気センサの出力信号から、前記回転軸の絶対角度位置を示す絶対角度信号を取得し、前記第２の磁気センサの出力信号から前記回転軸の相対角度位置を示す相対角度信号を取得し、前記絶対角度信号と前記相対角度信号から、前記回転軸の絶対的な回転角度を算出する信号処理回路と、
前記永久磁石に対向して配置され、前記第１及び第２の磁気センサと前記信号処理回路とを固定する単一基板と
を備え、
前記第１の磁気パターンは前記永久磁石の前記基板と対向する面に形成された凹部内側において軸方向と交わる方向に延びる面上に回転方向に沿って異なる極性を着磁して形成され、前記第２の磁気パターンは前記永久磁石の外周面に円周方向に沿って異なる極性を交互に着磁して形成され、
前記第１の磁気センサは、前記第１の磁気パターンからの水平方向の磁界を検出し、
前記第２の磁気センサは、前記第２の磁気パターンからの円周方向の磁界を検出し、
前記単一基板は一方向に延びる面一の平面を有し、前記第１及び第２の磁気センサは、同一の前記平面上に直接実装された表面実装部品である、アブソリュートエンコーダ装置。
【請求項２】
前記第１の磁気センサは、ＮＳ極を判別できる周期で位相の異なる信号を出力するように構成され、前記第２の磁気センサは、ＮＳ極を判別しない周期で位相の異なる信号を出力するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ装置。
【請求項３】
前記第１の磁気センサは、ＮＳ極を判別できる周期で９０度位相の異なる２相の正弦波信号を出力するように構成され、
前記第２の磁気センサは、磁気抵抗効果素子を有するものとして構成され、かつ、ＮＳ極を判別しない周期で９０度位相の異なる２相の正弦波信号を出力するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のアブソリュートエンコーダ装置。
【請求項４】
前記第１の磁気パターンは円形状に形成され、前記第１の磁気センサは前記回転軸の軸線上に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ装置。
【請求項５】
前記第１の磁気パターンはリング状に形成され、前記第１の磁気センサは前記回転軸の軸線上からオフセットされた位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ装置。
【請求項６】
前記永久磁石の内側にリング状の磁性体を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ装置。
【請求項７】
前記回転軸はモータの駆動機構であり、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ装置を備えることを特徴とするモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アブソリュートエンコーダ装置及びモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの回転を制御する装置として、アブソリュートエンコーダ装置が挙げられる。アブソリュートエンコーダ装置は、モータの回転方向、回転数、回転位置の検出等に用いることができる。このアブソリュートエンコーダ装置には、磁気式と光学式がある。磁気式は、光学式に比べて安価であり、耐環境性に優れている。
【０００３】
磁気式アブソリュートエンコーダ装置は、一例として、回転軸に固定した２極の永久磁石に磁気センサを対向設置して構成する。磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子であるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（ＳＶ−ＧＭＲ）を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ＳＶ−ＧＭＲ型磁気センサは、固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が外部磁界方向に応じ変化をする。自由層と固定層からなる抵抗変化で、回転軸が１回転したとき互いに位相の異なる正弦波信号を出力する。しかしながらＳＶ−ＧＭＲ型磁気センサを回転検出に利用した場合、自由層磁化方向は外部磁界に応じて回転するため、参照方向として使用される固定層の磁化の方向や、各層の結合（静磁結合等）に影響を与えることなく、自由層の磁界を完全に飽和させることは、不可能である。したがって、飽和磁界以下の外部磁界での動作となり、抵抗変化率が制限される。
【０００４】
また、他の磁気センサとして、磁気抵抗効果素子である異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ）にバイアス磁石を具備したものがある（例えば、特許文献２参照）。このＡＭＲ型磁気センサは、参照方向の磁化の方向は安定な永久磁石の磁界であり、単層であるため各層の結合に影響を及ぼすことがない。しかしながら、ＳＶ−ＧＭＲ型磁気センサに比べ，抵抗変化率が低い等の問題がある。したがって、２極の永久磁石のみを用いたアブソリュートエンコーダ装置では、磁気センサのタイプに関わらず、高分解能、高精度を得ることが難しい。
【０００５】
このような技術背景を踏まえて、センサの種類ではなく、永久磁石等の構成によって、エンコーダ装置の高分解能化、高精度化を達成しようとする装置も知られている（例えば、特許文献３及び４）。特許文献３のエンコーダ装置では、円板状に形成された回転基板の外周面に回転位置検出用マグネット（ＰＧマグネット）が設けられ、この回転基板の上面には磁極位置検出用マグネット（ポールマグネット）が設けられている。また、特許文献４のエンコーダ装置では、円板状回転体の外周面に多極着磁された第１のトラックが形成され、この円板状回転体の下面には、単極着磁された第２のトラックが形成されている。このように、特許文献３及び４の装置では、２種類の磁気パターンを組み合わせることによって、２極の永久磁石のみを用いたアブソリュートエンコーダ装置よりも、高分解能、高精度を得ることを意図している。
【０００６】
しかしながら、特許文献３の装置では、磁極位置検出用マグネットからの磁界を検出する磁極位置検出素子（ホール素子）を支持する基板とは別に、回転位置検出用マグネットからの磁界を検出する位置検出素子（ＭＲ素子）を支持するための基板又は支持部材が必要である。また、強い磁場を発生する磁極位置検出用マグネットが回転基板の上面に設けられているため、磁極位置検出用マグネットからの磁界が回転位置検出用マグネットの磁界及びこのマグネットからの磁界を検出する位置検出素子に影響を与えてしまう。これに対応するため、特許文献３では、磁極位置検出用マグネットと回転位置検出用マグネットの間に、別部材として磁気シールド板を設置している。
【０００７】
特許文献４のエンコーダ装置でも、強い磁場を発生する第２のトラックが円板状回転体の下面に設けられているため、第２のトラックからの磁界が第１のトラックの磁界及びこの第１のトラックからの磁界を検出する磁気検出素子に影響を与えてしまう構造となっている。加えて、第２のトラックからの磁界を検出する磁気検出素子を支持する基板とは別に、第１のトラックからの磁界を検出する磁気検出素子を支持する支持部材が必要である。
【０００８】
このように、特許文献３及び４の装置では、２個の磁気センサを支持するために、それぞれ別部材が必要であり、磁石との距離及び互いのセンサ間の距離を考慮してこの別部材を組み付けなければならないため、組み付け時の調整が必要になると共に、コストもかかる。さらに、一方の磁気パターンを円板状回転体の外周面に設け、他方の磁気パターンを円板状回転体の上面又は下面に設けているため、磁気パターン同士の漏洩磁界による干渉の問題がある。これを解消するために磁気シールド板を設けた場合、さらに部品点数が増加し、組み付けの困難性及びコストが増加する。
【０００９】
また、特許文献３の装置では、磁極位置検出用マグネットからの磁界から、磁極位置検出素子がモータの駆動用コイルへの通電位置を１回転あたり数パルス程度で検出するように構成され、特許文献４の装置では、第２のトラックからの磁界を検出する磁気検出素子が、１回転に１回のインデックス信号、すなわちＺ相信号を出力するように構成されている。このような出力信号を用いて、特許文献３及び４の装置をアブソリュートエンコーダ装置として機能させるためには、回転位置検出用マグネットからの磁界を検出する位置検出素子（特許文献３）及び第１のトラックからの磁界を検出する磁気検出素子（特許文献４）から取得したインクリメンタルな出力信号に対する複雑な演算処理が必要であり、この演算処理のための構成部材を別途設けなければならない。例えば特許文献４の装置では、アブソリュート仕様において、必要な多回転情報を保持するために、カウンタとバッテリーを設けている。また、特許文献４の装置を一回転以内の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダ装置として機能させるためにも、カウンタとバッテリーが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−７０３２５号公報
【特許文献２】特開２００６−２０８０２５号公報
【特許文献３】特開２００１−４４０５号公報
【特許文献４】特開２００４−１４４４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記に鑑みて、本発明は、高分解能及び高精度を維持しながら、組み付けが容易であり安価に実現可能なアブソリュートエンコーダ装置及びモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様は、２極から構成される第１の磁気パターンと多極から構成される第２の磁気パターンとを有し、回転軸に固定された永久磁石と、前記第１の磁気パターンの磁界を検出する第１の磁気センサと、前記第２の磁気パターンの磁界を検出する第２の磁気センサと、前記第１の磁気センサの出力信号から、前記回転軸の絶対角度位置を示す絶対角度信号を取得し、前記第２の磁気センサの出力信号から前記回転軸の相対角度位置を示す相対角度信号を取得し、前記絶対角度信号と前記相対角度信号から、前記回転軸の絶対的な回転角度を算出する信号処理回路と、前記永久磁石に対向して配置され、前記第１及び第２の磁気センサと前記信号処理回路とを固定する単一基板とを備えるアブソリュートエンコーダ装置であり、前記第１の磁気パターンは前記永久磁石の前記基板と対向する面に形成された凹部内側において軸方向と交わる方向に延びる面上に回転方向に沿って異なる極性を着磁して形成され、前記第２の磁気パターンは前記永久磁石の外周面に円周方向に沿って異なる極性を交互に着磁して形成される。前記第１の磁気センサは、前記第１の磁気パターンからの水平方向の磁界を検出し、前記第２の磁気センサは、前記第２の磁気パターンからの円周方向の磁界を検出する。前記単一基板は一方向に延びる面一の平面を有し、前記第１及び第２のセンサは、同一の前記平面上に直接実装された表面実装部品であり、すなわち、基板と各センサとの間に他の支持部材を介することなく実装される。なお、明細書及び特許請求の範囲の記載において「多極」とは４極以上を意味する。
【００１３】
例えば、前記第１の磁気センサは、ＮＳ極を判別できる周期で位相の異なる信号を出力するように構成され、前記第２の磁気センサは、ＮＳ極を判別しない周期で位相の異なる信号を出力するように構成される。一例として、前記第１及び第２の磁気センサは、複数の磁気抵抗効果素子によって構成されたブリッジ回路を備える。他の例として、前記第１の磁気センサは、複数のホール素子によって構成される。
さらに、前記第１の磁気センサを、ＮＳ極を判別できる周期で９０度位相の異なる２相の正弦波信号を出力するように構成し、前記第２の磁気センサを、磁気抵抗効果素子を有するものとして構成するとともに、ＮＳ極を判別しない周期で９０度位相の異なる２相の正弦波信号を出力するように構成することができる。
【００１５】
一例として、前記第１の磁気パターンは円形状に形成され、前記第１の磁気センサは前記回転軸の軸線上に配置されている。他の例として、前記第１の磁気パターンはリング状に形成され、前記第１の磁気センサは前記回転軸の軸線上からオフセットされた位置に配置されている。なお、明細書及び特許請求の範囲の記載において、円形状とは、半円形状のＮ極部分と半円形状のＳ極部分との間に所定の隙間を有する略円形状も含む。同様に、リング形状とは、半リング形状のＮ極部分と半リング形状のＳ極部分との間に所定の隙間を有する略リング形状も含む。
【００１６】
前記永久磁石の内側にリング状の磁性体を備えるように構成してもよい。本発明の他の態様は、前述のアブソリュートエンコーダ装置を備えるモータであり、前記回転軸はモータの駆動機構である。
【発明の効果】
【００１７】
上述の如く、本発明の一態様によれば、２極から構成される第１の磁気パターンからの水平方向の磁界と多極から構成される第２の磁気パターンからの円周方向の磁界を検出して、第１の磁気パターンから得られる絶対角度信号に加えて、第２の磁気パターンから得られる相対角度信号を用いることによって、エンコーダ装置の高分解能化及び高精度化を実現している。また、第１の磁気パターンを永久磁石の凹部内側において軸方向と交わる方向に延びる面上に形成し、第２の磁気パターンを永久磁石の外周面に形成しているため、磁気パターン同士の漏洩磁界による干渉の問題が軽減され、磁気シールドのような別部材を設置する必要がなくなる。したがって、組み付けの容易化及びコスト低減を図ることが可能となっている。加えて、本態様では、第１及び第２の磁気センサと信号処理回路を単一基板に固定している。したがって、第１及び第２の磁気センサと信号処理回路を支持するために複数の基板又は他の支持部材を使用する場合と比較して、組み付けの容易化及びコスト低減にさらに寄与することができる。さらに、第１及び第２の磁気センサを、単一基板の同一平面上に直接実装された表面実装部品としている。したがって、第１及び第２の磁気センサを単一基板に固定する際に、例えば、実装機（マウンタ）による機械的な組み付けが可能であり、組み付けのさらなる容易化を図ることができる。このように、本態様によって、高分解能及び高精度を維持しながら、組み付けが容易であり安価に製造可能なアブソリュートエンコーダ装置を実現することができる。
【００１８】
上述の如く、第１の磁気センサから、ＮＳ極を判別できる周期で位相の異なる信号を出力し、第２の磁気センサから、ＮＳ極を判別しない周期で位相の異なる信号を出力するように構成することができる。さらに、第１の磁気センサから、ＮＳ極を判別できる周期で９０度位相の異なる２相の正弦波信号を出力し、第２の磁気センサから、ＮＳ極を判別しない周期で９０度位相の異なる２相の正弦波信号を出力するように構成することもできる。したがって、第１の磁気センサの位相の異なる信号から絶対角度信号を取得でき、第２の磁気センサの前記位相の異なる信号から相対角度信号を取得できるため、複雑な演算処理を必要とすることなく、回転軸の絶対的な回転角度を得ることができる。また、複雑な演算処理のための構成部材を別途設ける必要がなくなるため、装置全体の小型化及びコストの削減にも寄与する。
【００２１】
第１の磁気パターンが円形状に形成され、第１の磁気センサが回転軸の軸線上に配置される上記態様は、回転軸の先端に永久磁石を固定する構造のアブソリュートエンコーダ装置に適用できる。第１の磁気パターンがリング状に形成され、第１の磁気センサが回転軸の軸線上からオフセットされた位置に配置される態様は、回転軸貫通型構造のアブソリュートエンコーダ装置に適用できる。
【００２２】
永久磁石の内側にリング状の磁性体を備える上記態様では、外部からの浮遊磁界に強い構造を実現することができる。上述の如く、本発明の他の態様によれば、アブソリュートエンコーダ装置付きモータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態に係るアブソリュートエンコーダ装置の断面図である。
【図２】図１に示すアブソリュートエンコーダ装置の平面図である。
【図３】（ａ）第１の実施形態に係る第１の磁気パターンを示すための永久磁石の斜視図である。（ｂ）第１の実施形態に係る第２の磁気パターンを示すための永久磁石の斜視図である。
【図４】磁石内部の反磁界を示すための永久磁石の斜視図である。
【図５】（ａ）第１の実施形態に係る第１の磁気センサの構造図である。（ｂ）（ａ）図に示す構造の等価回路図である。
【図６】（ａ）第１の磁気センサの出力信号を回転角に対して示す波形図である。（ｂ）第１の磁気センサの出力信号のリサージュ波形である。（ｃ）第１の磁気センサの出力信号から逆正接によって得た角度値を示すグラフである。
【図７】（ａ）第２の磁気センサを構成するエレメントの構造図である。（ｂ）（ａ）図に示す構造の等価回路図である。
【図８】第２の磁気センサが検出する磁界を示すための永久磁石の斜視図である。
【図９】（ａ）第２の磁気センサの検出原理を説明するための永久磁石の平面図である。（ｂ）（ａ）図に示す各エレメントの出力信号を示す波形図である。
【図１０】第１の実施形態に係る第２の磁気センサの構造図である。
【図１１】（ａ）第２の磁気パターンからの磁界と第２の磁気センサとの位置関係を示すアブソリュートエンコーダ装置の斜視図である。（ｂ）（ａ）図に示す永久磁石が回転軸の軸方向にずれた場合における、第２の磁気パターンからの磁界と第２の磁気センサとの位置関係を示すアブソリュートエンコーダ装置の斜視図である。
【図１２】第１の実施形態に係る信号処理回路の構成図である。
【図１３】（ａ）第２の磁気センサからの出力信号を示す波形図である。（ｂ）（ａ）図に示す出力信号から取得した相対角度信号を示す波形図である。（ｃ）第１の磁気センサからの出力信号を示す波形図である。（ｄ）（ｃ）図に示す出力信号から取得した絶対角度信号を示す波形図である。
【図１４】角度データθ１と角度データθ２との関係を示す波形図である。
【図１５】第１の実施形態に係るアブソリュートエンコーダ装置を取り付けたモータの構成図である。
【図１６】第２の実施形態に係るアブソリュートエンコーダ装置の断面図である。
【図１７】図１６に示すアブソリュートエンコーダ装置の平面図である。
【図１８】第２の実施形態における第１の磁気パターンを示すための永久磁石の斜視図である。
【図１９】（ａ）第１の磁気パターンが円形状の場合の磁界を示す斜視図である。（ｂ）第２の磁気パターンがリング形状の場合の磁界を示す斜視図である。
【図２０】（ａ）他の実施形態に係る第２の磁気センサのエレメントの構造図である。（ｂ）（ａ）図に示す構造の等価回路図である。
【図２１】他の実施形態に係る第２の磁気センサの構造図である。
【図２２】（ａ）さらなる他の実施形態に係る第２の磁気センサの構造図である。（ｂ）（ａ）図に示す構造の等価回路図である。
【図２３】（ａ）他の実施形態に係る第１の磁気センサの構造図である。（ｂ）（ａ）図に示す構造の等価回路図である。
【図２４】（ａ）さらなる他の実施形態に係る第１の磁気センサの構造図である。（ｂ）（ａ）図に示すセンサの回路図である。
【図２５】他の実施形態に係る永久磁石の斜視図である。
【図２６】回転軸と永久磁石との他の固定方法を示すための永久磁石の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［第１の実施形態］
以下、本発明の実施の形態を添付の図により説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るアブソリュートエンコーダ装置の断面図であり、図２は図１に示すエンコーダ装置を上から見た平面図である。エンコーダ装置１は、回転軸２に固定された永久磁石４と、第１の磁気センサ５と第２の磁気センサ６と信号処理回路７とを支持する基板８を備えている。永久磁石４は周縁に沿って下部側に突条部を形成したカップ形状を有する円板状の本体部１１と本体部１１上面中央部から回転軸２の側に段差部を形成して突出する回転軸固定部１２を有している。本実施形態においては、回転軸２の先端を永久磁石４の回転軸固定部１２の中心軸に設けられた凹部に挿入して、圧着又は接着することにより、永久磁石４を回転軸２に固定している。
【００２５】
基板８は単一基板であり、面一に一方向に延びる平面８ａを有する基板である。第１及び第２の磁気センサ５，６は、基板８の同一平面８ａ上に固定されている。図１に示すように、基板８は永久磁石本体部１１のカップ形状の凹部１３を覆うように永久磁石４の下面側に対向して配置される。
【００２６】
永久磁石４の本体部１１の内側上面１１ａには下面側に向けて回転軸の回転方向に沿って第１の磁気パターン１４が形成され、本体部１１の外周面には円周方向に沿って第２の磁気パターン１６が形成されている。第１の磁気センサ５は第１の磁気パターン１４からの磁界を検出するように第１の磁気パターン１４に対向して基板８の一方の面８ａ上に設置され、第２の磁気センサ６は第２の磁気パターン１６からの磁界を検出するように第２の磁気パターン１６に対向し、永久磁石４の外周側に一定間隔を有して、基板８の前記一方の面８ａ上に設置されている。基板８の他方の面には、信号処理回路７が固定されている。
【００２７】
図３は、永久磁石４の斜視図である。説明のため、（ａ）図では第１の磁気パターン１４のみを示し、（ｂ）図では第２の磁気パターン１６のみを示している。永久磁石４の本体部１１は、図１に示す位置関係において、円板の下面内側に凹部１３を形成したカップ形状に構成されている。永久磁石４の内側において軸方向と交わる方向に延びる面１１ａ（図１に示す位置関係においては、基板８に対向する凹部内側上面１１ａ、すなわち、図３（ａ）に示す位置関係においては、カップ形状の内側底面１１ａ）に回転方向に沿って２極から構成される第１の磁気パターン１４が形成され（図３（ａ）参照）、外周面１１ｂに円周方向に沿って交互にＮ極とＳ極を順次着磁した多極から構成される第２の磁気パターン１６が形成されている（図３（ｂ）参照）。この実施形態においては、樹脂磁石から永久磁石４を成形している。よって本体部１１のカップ形状と回転軸固定部１２の構造を容易に形成することができる。第１の磁気パターン１４と第２の磁気パターン１６は面着磁によって形成される。面着磁とは、着磁を施す面にのみヨークを近接し着磁する方法である。
【００２８】
第２の磁気パターン１６は永久磁石４の本体部外周面１１ｂにＳ極、Ｎ極を円周方向に交互に多極着磁して形成する。本実施形態の着磁方法は、表裏に着磁する両面着磁ではなく片面だけを着磁する面着磁によって行う。すなわち、本体部外周面１１ｂにのみ面着磁し、凹部１３の側面を画定する本体部内周面には着磁しない。本体部外周面１１ｂのみへの面着磁によって、本体部外周面１１ｂのみから磁界が発生し、本体部内周面からは磁界は発生しない。また、本体部外周面１１ｂに面着磁した第２の磁気パターン１６からの磁界は、本体部１１の凹部１３へ漏洩しにくい。この点について、本体部外周面１１ｂへの面着磁によって生じる樹脂磁石内部の反磁界を、図４に曲線で示す。第２の磁気パターン１６の反磁界が図４に示すように永久磁石４の内部に発生するため、外周面１１ｂに着磁された第２の磁気パターン１６の磁界が、本体部１１のカップ形状の内側へ漏洩することを軽減できる。また、第１の磁気パターン１４は、永久磁石４の下面又は上面ではなく、永久磁石４に形成された凹部１３の内側において、軸方向と交わる方向に延びる面１１ａ上に面着磁によって形成されている。この面着磁も、第２の磁気パターン１６の面着磁と同様に、片面だけを着磁する面着磁であり、第１の磁気パターン１４は、面１１ａ上にのみ着磁される。したがって、第１の磁気パターン１４から本体部１１の外側への漏洩磁界が軽減される。よって、第１の磁気パターン１４の漏洩磁界が第２の磁気センサ６に干渉せず、第２の磁気パターン１６の漏洩磁界が第１の磁気センサ５に干渉しない構造となっている。
【００２９】
永久磁石４の厚さは、第１及び第２の磁気センサ５，６の特性に応じて、調整することができる。例えば、第１の磁気センサ５がより強い磁力を必要とする場合には、永久磁石４の厚さを薄く形成することによって、第１の磁気センサ５と永久磁石４の凹部内側に形成した第１の磁気パターン１４との距離を近接させることができ、第２の磁気センサ６がより強い磁力を必要とする場合には、永久磁石４の厚さを厚く形成することによって、永久磁石４の第２の磁気パターン１６の着磁面積を増加させることができる。
【００３０】
次に各磁気センサ５，６について説明する。第１の磁気センサ５は、ＮＳ極を判別できる周期で位相の異なる信号を出力する磁気センサである。本実施形態では、一例として、第１の磁気センサ５にＳＶ−ＧＭＲ型磁気センサを用いている。図５（ａ）は第１の磁気センサ５を構成するＳＶ−ＧＭＲの感磁面エリア（ｅ１〜ｅ８）と固定層の磁化方向（ｍ１〜ｍ８）を示す構造図であり、図５（ｂ）はその等価回路を示す図である。感磁面エリアｅ１及びｅ２から構成される群と、感磁面エリアｅ５及びｅ６から構成される群と、感磁面エリアｅ３及びｅ４から構成される群と、感磁面エリアｅ７及びｅ８から構成される群とは、図５（ａ）に示すように、同一円周上に９０度間隔で配置されている。
【００３１】
感磁面エリアの抵抗値変化は、下記（１）式によって求められる。
Ｒ＝Ｒ０−ΔＲｃｏｓ（θ−θｐｉｎ）・・・（１）
Ｒ０：ＳＶ−ＧＭＲに外部磁界が印加されていない時の抵抗値
ΔＲ：抵抗値変化
θ：外部磁界の磁化方向（自由層の磁界方向）
θｐｉｎ：固定層の磁化方向
上記（１）式の抵抗変化を有する感磁エリアを図５（ａ）に示すように配置することで、磁界周期と同じ周期で、ＮＳ極が判別でき且つ位相の異なる信号が得られる。
【００３２】
この第１の磁気センサ５は、第１の磁気パターン１４の磁界を検出し、1回転で、互いに９０度位相の異なる２相の正弦波信号を1周期分出力する。この出力は複雑な演算処理を要することなく絶対角度信号（アブソリュート信号）となる。第１の磁気センサ５は、外部磁界の強度に応じて図６に示す出力特性を有する。図６（ａ）は第１の磁気センサ５の出力を回転角に対して示し、図６（ｂ）は第１の磁気センサ５の出力のリサージュ波形を示し、図６（ｃ）は、第１の磁気センサ５から得た位置情報を逆正接（Ａｒｃｔａｎ）によって角度に変換した絶対角度信号を示している。図６（ａ）及び（ｂ）では、第１の磁気センサ５と第１の磁気パターン１４が互いに近づいた場合の出力信号を点線で示し、第１の磁気センサ５と第１の磁気パターン１４が離れた場合の出力信号を実線で示している。第１の磁気センサ５と永久磁石４が近づくと、第１の磁気センサ５に印加される磁界強度が増加し２相の正弦波信号のピークトゥピーク出力（Ａ１，Ｂ１）が同時に増加する。第１の磁気センサ５と永久磁石４が離れると、２相の正弦波信号のピークトゥピーク出力（Ａ２，Ｂ２）が同時に減少する。したがって、図６（ｃ）に示すように、回転軸２が回転軸方向にずれても、逆正接（Ａｒｃｔａｎ）等の演算処理で得られる絶対角度信号に影響を及ぼさない。  
【００３３】
次いで第２の磁気センサ６について説明する。図７（ａ）は第２の磁気センサ６を構成するエレメントの構造図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す構造の等価回路図である。第２の磁気センサ６は、後述するように、図７（ａ）に示すエレメントを複数個備えている。このエレメントは、縦方向の格子状に形成されてＲ１の抵抗を有する磁気抵抗効果素子２１と、横方向の格子状に形成されてＲ２の抵抗を有する磁気抵抗効果素子２２が直列に結線した形状を有し、磁気抵抗効果素子２２の端部は電極２３に接続している。このように、磁気抵抗効果素子２１の延伸方向に対して、磁気抵抗効果素子２２の延伸方向は略垂直方向となっているため、磁気抵抗効果素子２１に対して最も大きな抵抗値変化を与える垂直方向の磁界は、磁気抵抗効果素子２２に対し最小の抵抗値変化を与える磁界となる。ここで、磁気抵抗効果素子２１，２２の抵抗値Ｒ１，Ｒ２は次式で与えられる。
Ｒ１＝Ｒ０−ΔＲｓｉｎ２  θ          …（２）
Ｒ２＝Ｒ０−ΔＲｃｏｓ２  θ          …（３）
等価回路からの出力Ｖｏｕｔは次式で与えられる
【数１】
0005840374.tif 000002
（４）式に（２）、（３）式を代入し整理すると
【数２】
0005840374.tif 000003
の（５）式が成立する。
【００３４】
第２の磁気センサ６が検出する磁界を図８において矢印で示す。図８では永久磁石４に形成された第２の磁気パターン１６から外部に出る磁界を矢印で示している。図９（ａ）は図８に示す第２の磁気パターン１６と磁界の関係を永久磁石４の上面から見た図であり、第２の磁気センサ６の検出原理を説明するため、永久磁石４と共に図７（ａ）に示すエレメントを５個（エレメント６ａ〜６ｅ）並べて図示している。図９（ａ）において、第２の磁気パターン１６から円弧状に延びる細い矢印は図８に示した第２の磁気パターンから外部へ出る磁界を示し、各エレメント６ａ〜６ｅ上に図示した太い矢印は各エレメント６ａ〜６ｅに印加される磁界を示す。
【００３５】
エレメント６ａ〜６ｅは、図９（ａ）に示すように、第２の磁気パターン１６に沿って横一列に配置されている。エレメント６ａの位置をａ、エレメント６ｂの位置をｂ、エレメント６ｃの位置をｃ、エレメント６ｄの位置をｄ、エレメント６ｅの位置をｅとし、磁気パターン１ピッチをＰとすると、位置ｂ〜ｅの位置ａからの距離は、それぞれ、位置ｂ＝Ｐ／４、位置ｃ＝Ｐ／２、位置ｄ＝３Ｐ／４、位置ｅ＝４Ｐ／４となっている。永久磁石４が図９（ａ）において左に回転すると仮定すると各エレメント６ａ〜６ｅの出力信号は、磁気パターン１ピッチで１周期の出力となる。図９（ａ）に示すエレメント６ａ〜６ｅと第２の磁気パターン１６との位置関係において、エレメント６ａ〜６ｅから出力される信号波形を図９（ｂ）に示す（なお、説明のため各エレメント６ａ〜６ｅから出力される２相の出力信号のうち、一方の出力信号の波形のみを図示している）。
【００３６】
したがって、図１０に示すように、第２の磁気センサ６を、位置ａ〜位置ｄに配置した４個のエレメント６ａ〜６ｄを備える磁気センサとすることによって、エレメント６ａからはｃｏｓ、エレメント６ｂからは−ｓｉｎ、エレメント６ｃからは−ｃｏｓ、エレメント６ｄからはｓｉｎ波形の信号を得ることができる。各エレメント６ａ〜６ｄは、図７（ａ）を参照して説明したように、互いの延伸方向が約９０度異なる２個の磁気抵抗効果素子から成るため、第２の磁気パターン１６が回転すると、第２の磁気センサ６からは、ＮＳ極を判別しない周期で９０度位相の異なる２相の正弦波信号が出力される。
【００３７】
次に第２の磁気センサ６と第２の磁気パターン１６の位置関係について説明する。図１１は、エンコーダ装置１の側面から見た永久磁石４と第２の磁気センサ６の位置関係を図示している。永久磁石４は回転軸２と共に回転するため、第２のセンサ６を支持する基板８との距離が変化することがある。例えば、図１１（ａ）において基板８との距離ｇ１を有する永久磁石４が、基板８から離れる方向へずれて図１１（ｂ）に示すように、基板８に対して、距離ｇ１より大きい距離ｇ２を有する位置に移動してしまう場合が想定される。この場合、基板８は、磁気センサ６を支持しているため、永久磁石４と磁気センサ６との距離が変動する。しかしながら、第２の磁気パターン１６からの磁界は図１１（ａ），（ｂ）に示すように、垂直以外の下向きに発生しているため、永久磁石４と磁気センサ６との距離の変動は、第２の磁気センサ６の出力にはあまり影響しない。
【００３８】
また、永久磁石４と基板８との間の距離は、第１及び第２の磁気センサ５，６の特性に応じて、調整することができる。例えば、第１の磁気センサ５，６がより強い磁力を必要とする場合には、永久磁石４と基板８との間の距離を短く設定すれば良い。
【００３９】
本実施形態において、第１の磁気センサ５，６は実装機（マウンタ）によって基板８の同一平面８ａ上に機械的に実装される（図１参照）。第１の磁気センサ５，６の取り付けに際して、基板８と第１の磁気センサ５，６の間に他の支持部材は不要である。
【００４０】
次いで信号処理回路７について説明する。１回転内の細かい間隔（角度）を測定するには、磁気センサ５，６から出力される正弦波状信号の位相変化を用いて、その空間周期をさらに細かくする内挿処理が必要である。この内挿処理を実行する信号処理回路７の構成を図１２に示す。信号処理回路７は、一例としてＣＰＵを用いて実現される。信号処理回路７には第１の磁気センサ５の出力と第２の磁気センサ６の出力が入力される。図１３（ａ）に第２の磁気センサ６の出力Ａ２，Ｂ２の波形を示し、図１３（ｃ）に第１の磁気センサ５からの出力Ａ１，Ｂ１を示す。図１３（ａ），（ｃ）に示す９０度位相を有するＡ相、Ｂ相信号を、それぞれ、所定の周期でサンプリングし、信号処理回路７のＡ／Ｄ変換部７ａによってデジタル信号へ変換する。本実施形態では、一例として、１０ビット（２１０）のＡ／Ｄ変換を行なっている。
【００４１】
逆正接演算部７ｂは、得られたデジタル信号から、逆正接（ａｒｃｔａｎ）を求めることによって、第１のセンサ５からの出力に基づく角度データθ１と第２のセンサ６からの出力に基づく角度データθ２を算出する。θ２の出力信号波形を図１３（ｂ）に示し、θ１の出力波形信号を図１３（ｄ）に示す。絶対角度算出部７ｃは、角度データθ１と角度データθ２から、回転軸２の絶対的な回転角度を算出して絶対角度データθを算出する。角度データθ１と角度データθ２の関係を図１４に示す。仮に、第２の磁気パターン１６が３２極（２５極）の場合、図１４に示すように、第１の磁気センサ５からの１周期分の出力に対して、第２の磁気センサ６からは３２周期分の出力が得られる。本実施形態では１０ビットの内挿処理を実行しているため、角度データθ２の１周期は１０２４ビットに対応する。したがって、絶対角度データθは、下記（６）式から求められる。
θ＝１０２４×（ｎ−１）＋θ２・・・（６）
ｎ：第２の磁気センサ６からの出力信号の周期
なお、周期ｎは、第２の磁気センサ６からの出力信号の周期が何番目であるかを示すものであり、本実施形態では、ｎ＝１〜３２の整数値をとる。例えば、図１４に示すように、角度データθ２が２周期目の値８００である場合、１０２４×（２−１）＋８００＝１８２４となり、１８２４の値が得られる。角度データθ２の周期ｎは、第１の磁気センサ角度、すなわち、角度データθ１を３２で割った値に基づいて算出することができる。このように、本実施形態では、３２極（２５極）の第２の磁気パターン１６を用いて、１０ビットの内挿処理を行うことにより、２５×２１０＝２１５の絶対角度信号を得ることが出来る。
【００４２】
前述のように、本実施形態におけるアブソリュートエンコーダ装置１は、２極から構成される第１の磁気パターン１４の磁界と、多極から構成される第２の磁気パターン１６の磁界を検出して、第１の磁気パターン１４から得られる絶対角度信号に加えて、第２の磁気パターン１６から得られる相対角度信号を用いることにより、高分解能を実現し、全体として高精度のエンコーダ装置となっている。
【００４３】
そして、第１及び第２の磁気センサ５，６と信号処理回路７を単一基板８に固定しているので、磁気センサ５，６と信号処理回路７を支持するために複数の基板又は他の支持部材を使用する場合と比較して、組み付けが容易になると共にコストも低減される。加えて、永久磁石４をカップ形状とし、永久磁石４の内側に第１の磁気パターン１４を形成し、永久磁石４の外周面に第２の磁気パターン１６を形成しているため、磁気パターン同士の漏洩磁界による干渉の問題が軽減され、磁気シールドのような別部材を設置する必要がない。したがって、この永久磁石４における２種類の磁気パターン１４，１６の配置関係によっても、組み付けの容易化及びコスト低減を図ることができる。さらに、上記のような永久磁石における２種類の磁気パターン１４，１６の配置関係を採用することによって、例えば、第１の磁気パターン１４及び第２の磁気パターン１６を共に永久磁石４の外周面に形成する場合等と比較して、薄型の永久磁石とすることができ、エンコーダ装置１全体の小型化を実現できる。また、第１の磁気パターン１４と対向して配置された第１の磁気センサ５が、永久磁石４と基板８が近接したときに、永久磁石４の凹部１３に収納される位置関係にあることも、エンコーダ装置１の小型化に寄与している。
【００４４】
また、前述のように、回転軸２に固定された永久磁石４が軸方向にずれても、第１及び第２の磁気センサ５，６の出力に大きな影響はでない。したがって、永久磁石４と第１及び第２の磁気センサ５，６との位置合わせを厳密にする必要がない。加えて、第１及び第２の磁気センサ５，６と永久磁石４との位置関係の調整は、永久磁石４と各センサ５，６を固定した単一基板８ａとの間の距離を調整するか、永久磁石４の厚さを調整するか、又はこの両者を調整することによって、可能である。したがって、前記位置関係の調整のために、第１及び第２の磁気センサ５，６の単一基板８ａにおける固定位置を変更する必要がなく、組み付け作業がさらに容易になる。
【００４５】
さらに、第１及び第２の磁気センサ５，６の単一基板８への取り付けに際して、基板８と磁気センサ５，６の間に他の支持部材を設ける等して各磁気センサの位置を調整する必要はない。第１及び第２の磁気センサ５，６と永久磁石４との位置関係を調整する場合には、前述のように、永久磁石４と単一基板８との間の距離や、永久磁石４の厚さを調整すれば良い。このように、磁気センサ５，６は、他の部材を介することなく直接基板８に固定すれば良いため、ＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ  Ｏｕｔｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）やリードレスパッケージなどの表面実装部品を実装機（マウンタ）によって基板８の同一平面８ａ上に機械的に実装することができる。
このように、エンコーダ装置１は、高分解能及び高精度を維持しながら、組み付けが容易であり安価に製造可能なアブソリュートエンコーダ装置となっている。
【００４６】
上記第１の実施形態における回転軸２がモータの駆動機構である場合のモータ及びエンコーダ装置１の構成を図１５に示す。図１５に示すように、エンコーダ装置１をモータ３０の回転軸２に組み付けることによって、モータの回転速度および回転軸位置を検出可能な小型のアブソリュートエンコーダ装置付モータを実現できる。
【００４７】
［第２の実施形態］
図１６は、本発明の第２の実施形態に係るアブソリュートエンコーダ装置の断面図であり、図１７は図１６に示すエンコーダ装置を上から見た平面図である。図１６及び１７に示すエンコーダ装置３１において、第１の実施形態におけるエンコーダ装置１の構成要素と対応する構成要素には、第１の実施形態における符号と同様の符号を付している。第２の実施形態に係るエンコーダ装置３１は、第１の実施形態に係るエンコーダ装置１と異なり、回転軸２が基板８を貫通する構造を有している。回転軸２の先端は、基板８の中心に形成された貫通孔８ｂを通って永久磁石４の内側から、回転軸固定部１２に形成された貫通孔１２ａに挿入され、ネジ３２によって永久磁石４に固定される。
【００４８】
エンコーダ装置３１における第１の磁気パターン１４の構成を図１８に示す。第１の磁気パターン１４は、回転軸２が挿入される貫通孔１２ａに沿ってリング状に形成されている。第１の磁気センサ５は図１６及び図１７に示すように、貫通孔１２ａを避けて回転軸２の軸線上からオフセットした位置に配置されている。図１９（ａ）に第１の磁気パターンの着磁面が円形状の場合の磁界を示し、図１９（ｂ）に第１の磁気パターンの着磁面がリング形状の場合の磁界を示す。図１９に示すように、第１の磁気センサ５が感磁に必要とする水平磁界は、着磁パターンの外側まで広がっている。したがって、第１の磁気センサ５を回転軸２の軸線上からオフセットした位置に配置しても、第１の磁気センサ５の出力に大きな影響はない。
【００４９】
第２の実施形態に係るエンコーダ装置３１は、回転軸２が基板８及び永久磁石４の内側を貫通する構成以外、第１の実施形態に係るエンコーダ装置１と同様の構成を有している。したがって、第１の実施形態に係るエンコーダ装置１の前述した利点と同様の利点を有している。
【００５０】
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、第２の磁気センサ６を構成するエレメント６ａ〜６ｄ（図１０参照）の各エレメントにおける磁気抵抗効果素子２１，２２（図７参照）の延伸方向を図２０（ａ）に示すように形成しても良い。図２０（ａ）に示すエレメントにおいて、磁気抵抗効果素子４１（抵抗値Ｒ１）と磁気抵抗効果素子４２（抵抗値Ｒ２）は仮想中心線ＣＬに対してそれぞれ、約４５度の角度を有して延伸し、磁気抵抗効果素子４２の端部は電極４３と接続している。図２０（ａ）に示すエレメントの構成に対応する等価回路を図２０（ｂ）に示す。磁気抵抗効果素子４１と磁気抵抗効果素子４２の延伸方向は、約９０度異なっているため、図２０（ａ）に示すエレメントからも図７（ａ）に示すエレメントと同様に、９０度位相の異なる正弦波信号が出力される。図２１に図２０に示すエレメント４個（４６ａ〜４６ｄ）からなる第２の磁気センサ４６の構成を示す。各エレメント４６ａ〜４６ｄの配置位置は図１０に示す各エレメント６ａ〜６ｄの配置位置と同じである。
【００５１】
また、第２の磁気センサとして図２２に示す第２の磁気センサ５６を採用しても良い。第２の磁気センサ５６の構造を図２２（ａ）に示し、その等価回路を２２（ｂ）に示す。第２の磁気センサ５６は、図２２（ａ）に示すように、位相の異なる出力をする磁気抵抗効果素子８個を互いに４５度回転して配置し、図２２（ｂ）に示すように、それぞれ４個の磁気抵抗効果素子を有する２個のフルブリッジ回路を有している。図２２（ａ）に示す奇数番号によって特定したエレメントにおいて、その延伸方向が互いに９０度異なる３番と５番のエレメントからはｃｏｓの出力が得られ、同様に延伸方向が互いに９０度異なる１番と７番のエレメントからは−ｃｏｓの出力が得られる。偶数番のエレメント４個のセンサ群は、奇数番のエレメント４個のセンサ群に対して全体を４５度回転させた位置にある。したがって、その延伸方向が互いに９０度異なる６番と８番のエレメントからｓｉｎの出力を得られ、同様に延伸方向が互いに９０度異なる２番と４番のエレメントから−ｓｉｎの出力を得ることができる。よって、図２２（ｂ）に示す２番，４番，６番，８番の偶数番号を付して特定したエレメントから構成される第１のフルブリッジ回路の出力と、１番，３番，５番，７番の奇数番号のエレメントから構成される第２のフルブリッジ回路の出力は９０度位相が異なるため、第２の磁気パターン１６が回転すると、第２の磁気センサ５６からは、第２の磁気センサ６と同様に、互いに９０度位相の異なる２相の正弦波信号が出力されることになる。
【００５２】
第２の磁気センサ５６では、第２の磁気パターン１６のピッチ（Ｐ）とは無関係に各磁気抵抗効果素子を配置するため、ピッチ（Ｐ）の異なる第２の磁気パターン１６に対しても適用できるという利点を有している。
【００５３】
次に、第１の磁気センサ５の他の実施形態について説明する。第１の磁気センサ５は、図５（ａ）に示す磁化方向ｍ５〜ｍ８が、図５（ａ）に示す方向と１８０度異なるものであっても良く、磁化方向ｍ１〜ｍ４が図５（ａ）に示す方向と１８０度異なるものであっても良く、すべての磁化方向ｍ１〜ｍ８が図５（ａ）に示す方向と１８０度異なるものであっても良い。
【００５４】
また、第１の磁気センサとしてバイアス磁石付きＡＭＲ型磁気センサ２５を用いても良い。図２３（ａ）はＡＭＲの感磁面エリア（ｅ１〜ｅ８）とバイアス磁石の磁化方向（ｍ１〜ｍ４）を示すＡＭＲ型磁気センサ２５の構造図であり、図２３（ｂ）はその等価回路を示す図である。感磁面エリアｅ１及びｅ２から構成される群と、感磁面エリアｅ５及びｅ６から構成される群と、感磁面エリアｅ３及びｅ４から構成される群と、感磁面エリアｅ７及びｅ８から構成される群とは、図２３（ａ）に示すように、同一円周上に９０度間隔で配置されている。このＡＭＲ型磁気センサ２５は、１個のバイアス磁石の磁極面の中心から放射状に出ている異なる磁化方向を利用したものである。第１の磁気センサ５と同様に、第１の磁気センサ２５からも磁界周期と同じ周期で、ＮＳ極が判別でき且つ位相の異なる信号が得られる。
【００５５】
前述した第１の磁気センサ５，２５は磁気抵抗効果素子によって構成したものであるが、第１の磁気センサをホール素子によって構成しても良い。例えば、図２４（ａ）に示すように、４個のホール素子ｈ１〜ｈ４を同一円周上に９０度間隔で配置することによって第１の磁気センサ３５を構成する。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）に示す第１の磁気センサ３５の回路図である。第１の磁気センサ３５からも磁界周期と同じ周期で、ＮＳ極が判別でき且つ位相の異なる信号が得られる。
【００５６】
次に、永久磁石４の他の実施形態を図２５に示す。図２５に示す永久磁石４は、そのカップ形状の内側面に固定されたリング状の磁性体５０を備えている。この磁性体５０を備えることによって、永久磁石４は外部からの浮遊磁界に強い構造となっている。
【００５７】
また、永久磁石４と回転軸２の他の固定方法を図２６に示す。図２６に示すように、第１の実施形態に係る永久磁石４において、その中心にネジ穴を形成し、永久磁石４のカップ形状の内側からネジ５２によって回転軸２を固定しても良い。
【符号の説明】
【００５８】
１，３１  アブソリュートエンコーダ装置
２  回転軸
４  永久磁石
５，２５，３５  第１の磁気センサ
６，４６，５６  第２の磁気センサ
７  信号処理回路
８  基板
１１  永久磁石の本体部
１１ａ  本体部の内側底面
１１ｂ  本体部の外周面
１２  永久磁石の回転軸固定部
１４  第１の磁気パターン
１６  第２の磁気パターン    
【図１】
0005840374.tif 000004
【図２】
0005840374.tif 000005
【図３】
0005840374.tif 000006
【図４】
0005840374.tif 000007
【図５】
0005840374.tif 000008
【図６】
0005840374.tif 000009
【図７】
0005840374.tif 000010
【図８】
0005840374.tif 000011
【図９】
0005840374.tif 000012
【図１０】
0005840374.tif 000013
【図１１】
0005840374.tif 000014
【図１２】
0005840374.tif 000015
【図１３】
0005840374.tif 000016
【図１４】
0005840374.tif 000017
【図１５】
0005840374.tif 000018
【図１６】
0005840374.tif 000019
【図１７】
0005840374.tif 000020
【図１８】
0005840374.tif 000021
【図１９】
0005840374.tif 000022
【図２０】
0005840374.tif 000023
【図２１】
0005840374.tif 000024
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0005840374.tif 000029