(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体のシャフトに固定された円板状の回転部と、前記回転部に所定の空隙を介して対向させた磁気検出部とを備え、前記回転体の回転角度を磁気的に検出する磁気エンコーダにおいて、
前記回転部は磁性体ディスクと円周方向にスリット部を設けた磁性体スリット板とし、前記磁気検出部は前記スリット部に対応した長さの磁気抵抗素子とこの磁気抵抗素子を結線した結線用導体とにより形成した磁気抵抗素子ユニットを環状に配置しこれを基体に固定した検出体と、前記検出体の背面に単極で着磁した平面磁石とからなるものとしたことを特徴とする磁気エンコーダ。
【請求項２】
前記回転部は、一体の磁性体で構成されていることを特徴とする請求項１の磁気エンコーダ。
【請求項３】
前記検出部の磁気抵抗素子を保護するフレキシブル基板の基材は、耐摩耗特性を有する基材を使用したことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気エンコーダ。
【請求項４】
前記スリット部の環状のスリットのパターンおよび前記環状の磁気抵抗素子のパターンを半径方向に同心円状に少なくとも２個配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の磁気エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気検出機能を有する材料を利用した回転形磁気エンコーダであって、特に角度検出方法を全周検出方式にした磁気エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、モータなどの回転体の回転角度を検出する磁気エンコーダとして、図１６に示すようなものがある。図において、１はシャフト、２はシャフト１に固定された回転部、３は検出部である。回転部２は磁性体で構成され、外周は歯車２５の形状になっており、歯数により１回転以内の検出角度が決定される。検出部３は、磁気変化を検出する磁気抵抗素子３１２と磁気抵抗素子３１２にバイアス磁界を与えるためのバイアス用磁石３４で構成される。
シャフト１の回転に伴い歯車２５が回転すると、磁気抵抗素子３１２がもれ磁束の変化を検出する。磁気抵抗素子３１２で検出した信号を、図示しない波形整形回路により正弦波などの信号に変換する。そして、変換した検出信号を波形整形回路から送出し、図示しない信号処理回路により回転角度を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本方式よる検出方式は、検出部が一カ所のため構造が簡単であるが、検出角度精度を向上させるには、シャフトのフレや回転部の取り付け誤差を無くして、回転部の同心度を向上させる必要があった。この同心度に影響する取り付け誤差は、回転部の偏心誤差と回転部の直径の比率で角度誤差が決定されるため、検出器の外径寸法が小さくなると回転部の直径も小さくなり、モータのシャフトフレや組立誤差が１ミクロン以下という精度を要求され、組立ができないと言う問題があった。
そこで、本発明は小型で信頼性が高く取付けが簡単で、しかも高精度の角度検出ができる磁気エンコーダを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の磁気エンコーダは、つぎの構成にしている。(1) 回転体のシャフトに固定された円板状の回転部と、前記回転部に所定の空隙を介して対向させた磁気検出部とを備え、前記回転体の回転角度を磁気的に検出する磁気エンコーダにおいて、前記回転部は磁性体ディスクと円周方向にスリット部を設けた磁性体スリット板とし、前記磁気検出部は前記スリット部に対向させ前記スリット部のスリット長に対応した長さで環状に配置した磁気抵抗素子とそれを固定する基体とからなる検出体と、前記検出体の背面に単極で着磁した平面磁石部とからなるものとした構成にしている。
本構成により、磁性体スリット板と平面磁石とを対向して組み合わせることにより、磁性体スリット板は、高精度の多極着磁した回転部と同様の機能が得られ、磁極の角度精度を向上させることができる。また、全周に磁気抵抗素子を配置することにより、シャフトフレや回転部の取り付け誤差をキャンセルして検出する。このため、回転部の組み立てにおいて同心合わせがラフでよく、検出構造が簡単で高精度の磁気エンコーダが得られる。
(2)前記回転部が、一体の磁性体で構成されているので、バラツキが少なく、安価で高精度の磁気エンコーダを得ることができる。
(3) 前記検出部の磁気抵抗素子を保護するフレキシブル基板の基材は、耐摩耗特性を有する基材を使用しているので、万一回転部と接触しても磁気抵抗素子が保護されるため、高信頼性の磁気エンコーダを得ることができる。
(4)前記スリット部の環状のスリットのパターンおよび前記環状の磁気抵抗素子のパターンを半径方向に同心上に少なくとも２個配置したので、絶対角度を検出することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例を図１に示す。図１は第１実施例の磁気エンコーダを示す模式図である。図において、１はシャフト、２はシャフト１に固定された回転部、３は磁気検出部、４は磁気検出部３の検出信号を波形整形して外部に送出する波形整形回路部である。
回転部２は、磁性体ディスク２２に結合された磁性体スリット板２１で構成している（図２）。図２は回転部２の部分拡大図である。磁性体スリット板２１のスリットは、エッチング手法を用いた半導体製造装置により形成している。エッチング手法を採用することにより、スリットの各寸法を高精度に形成できる。なお、磁性体スリット板２１を別部品で製作して接合するのではなく、磁性体ディスク２２に直接スリットをハーフエッチングにより製作してもよい。
【０００６】
磁気検出部３は、検出体３１と平面磁石３２とからなり、検出体３１は、図３に示すように基体３１１と磁気抵抗素子３１２と結線用導体３１４のパターンとからなる。図３は、検出体３１の詳細を示す平面図である。磁気抵抗素子３１２を４個まとめたものを磁気抵抗素子ユニット３１３としている。磁気抵抗素子ユニットの数は９個としているので、磁気抵抗素子の数は３６個である。
基体３１１は、ガラス基板を使用しており、この基体３１１の上に磁気抵抗素子３１２や結線用導体３１４を形成する。フォトマスクに複数の磁気抵抗素子３１２のパターンや結線用導体パターン３１４を転写し、ＣＶＤ技術、スパッタリング技術、エッチング技術などの半導体製造技術を使用した微細加工技術を駆使して形成される。磁気抵抗素子３１２は、強磁性体のニッケルコバルト（Ｎｉ−Ｃｏ）やニッケル鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）などの強磁性体を使用して製造する。結線用導体は、アルミニウムや銅や金などを使用する。基体はガラスの代わりにシリコンウエファを使用しても良い。また、結線用導体３１４は、多層基板と同じ構造になっており、お互いの結線用導体同士は、誤接続しないように絶縁されている。
【０００７】
磁気抵抗素子３１２は、回転部２の磁性体の回転角度変化量を検出できるように磁性体スリット板２１のスリットの長さで、ほぼ同一径の円周状に複数を配置している。各磁気抵抗素子ユニット３１３は、４個の磁気抵抗素子３１２（＋Ａ１、＋Ｂ１、−Ａ１、−Ｂ１から＋Ａ９、＋Ｂ９、−Ａ９、−Ｂ９まで）で構成されており、各磁気抵抗素子は等角度の間隔であり、磁気抵抗素子ユニット同士も等角度で配置している。磁気抵抗素子ユニット３１３は、９個のユニットが円周状に配置されている。なお、本実施例では、奇数個の磁気抵抗素子ユニットを配置したが、偶数個のユニットを配置しても良い。つまり、各磁気抵抗素子は、１０度ごとに配置されていることになる。
結線方法は、直流電圧の印加するための端子＋Ｖと０Ｖ、検出信号を出力するための端子、出力ａと出力ｂが配置されている。
結線用導体３１４で結線した各磁気抵抗素子３１２の結線方法を図４に示す。図４の結線方法は、各磁気抵抗素子ユニット３１３を並列に結線するため、全体としての抵抗値が小さくなるので、外部から直流電圧を加えた場合に大きな電流が流れる。電流値の大きさが問題になる場合には、図５に示したように、各磁気抵抗素子３１２を直列に配置して、全体の磁気抵抗値を大きくする結線方法を採用しても良い。また、必要な磁気抵抗値を得るため、各磁気抵抗素子ユニット３１３を直並列に接続してもよい。
【０００８】
回転部２と磁気検出部３を拡大したものを図６に示す。図６は、図１の磁気エンコーダの拡大断面図である。回転部２の磁性体スリット板２１と磁気検出部３の磁気抵抗素子３１２と磁気バイアスを加えるための平面磁石３２の磁極の関係を示した断面図である。平面磁石３２は、基体側にＳ極、裏面がＮ極に着磁されている。従って、ギャップＬの間隔で対向する回転部２の磁性体スリット板２１の磁性体部は、スリット部に比べ磁気抵抗が小さい状態になっている。つまり、磁性体スリット板２１の磁性体部はＮ極、スリット部は磁気抵抗が大きくなるので、Ｎ極に比べ磁気が弱いのでＳ極（図６では、（Ｓ）と表示。）となる。
従って、回転部２の回転により磁性のスリット部は、磁気変化が生じる。
磁気抵抗素子３１２の＋Ａ１と−Ａ１は、検出信号は電気的に１８０度位相差があるように配置されている。また、磁気抵抗素子３１２の＋Ｂ１と−Ｂ１も同一の関係になるように配置している。さらに、磁気抵抗素子３１２の＋Ａ１と＋Ｂ１は検出信号が９０度位相差になるように配置されている。
【０００９】
各磁気抵抗素子の検出信号の関係を図７に示す。図７は磁気抵抗素子＋Ａ１と−Ａ１の結線回路である。磁気スリット板のスリットピッチに対応した出力信号を、図８に示している。磁気抵抗素子＋Ａ１と−Ａ１は、位相差が電気的に１８０度異なる信号を検出している。また、図７の結線回路から、入力端子＋Ｖ、０Ｖに直流電圧を印加すると出力端子出力（ａ）には、図９に示す磁気スリット板のスリットピッチに対応した検出信号を得ることが出来る。１８０度の位相差を持つ磁気抵抗素子を配置するのは、大きな検出信号を得るためと温度変動や電源変動などによる検出信号の変動をキャンセルするためである。
回転部の回転方向を検出する方法を図１０、図１１に示す。図１０は検出原理を示す結線図、図１１その出力信号波形図である。回転方向を検出するために、出力（ａ）と電気的に９０度位相差のある出力（ｂ）の２信号を得るためのである。１個の磁気抵抗素子ユニット３１２の動作について示したが、この磁気抵抗素子ユニットは、全ユニット９個が並列に接続されており、各磁気抵抗素子ユニットの出力信号の平均値が出力される。出力（ａ）の出力信号波形に対し、出力（ｂ）の出力信号波形の位相が進んでいるのか、遅れているのかを検出することにより回転方向を検出できる。
【００１０】
なお、本実施例では、磁気抵抗素子の数を３６個として述べたが、３６０個のように本数を増加させれば、角度誤差がより平均化され、シャフトのフレや回転部の取り付け誤差がキャンセルでき、取り付け精度がラフでも高精度の磁気エンコーダを得ることが出来る。また、各磁気抵抗素子ユニットをシャフトを中心にして機械的に１８０度で対向するように配置すれば、さらにシャフトのフレや回転部の取り付け誤差をより効果的にキャンセルすることができる。
【００１１】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図１２に示す。図１２はフレキシブル基板のパターンにより結線した磁気エンコーダを示す側断面図である。図において、３３はフレキシブル基板である。
各磁気抵抗素子の結線方法を、第１実施例で述べた半導体方法によらず、あらかじめフレキシブル基板３３でパターン化しておき、フレキシブル基板３３と磁気抵抗素子３１２をハンダによって結線している。実際の結線方法は、磁気抵抗素子の両端に結線用電極を設け、対向するフレキシブル基板３３の結線用電極にクリームハンダを塗布し、基体３１１とフレキシブル基板３３を位置決めして張り合わせる。この状態で、ハンダが溶融する高温の炉の中に入れて結線する。
このように、本実施例では多層結線が容易なフレキシブル基板を使用したので、安価な結線が可能になる。また、波形整形回路部４まで延長すれば、結線がさらに容易になるという効果がある。また、フレキシブル基板のベースフィルム（太線表示部）が回転部とギャップＬの間隔で対向することになるので、フレキシブル基板に耐摩耗特性を有する材料（例えば、カプトンフィルムなど）を使用すれば、万一回転部と接触しても磁気抵抗素子が保護されると言う効果も発生し、磁気エンコーダの信頼性を向上させることができる。
【００１２】
（第３実施例）
本発明の第３実施例を図１３、図１４に示す。図１３は回転部を示す平面図、図１４は検出体を示す平面図である。図において、２３は第１スリットトラック部、２４は第２スリットトラック部、３１５は第１磁気抵抗素子パターン、３１６は第２磁気抵抗素子パターンである。
回転部２の磁性体スリット板２１は、同心状に二つのスリットトラックを有する第１スリットトラック部２３と第２スリットトラック部２４をが配置されている。第１スリットトラック部２３のスリットは３６個、第２スリットトラック部２４のスリットは３５個である。
検出部３の磁気抵抗素子も同じく同心状に２つのパターンが、磁性体スリット板２１の二つのスリットトラックに対向してそれぞれ配置されている。すなわち、第１磁気抵抗素子パターン３１５は第１スリットトラック部２３と、第２磁気抵抗素子パターン３１６は第２スリットトラック部２４と対向している。磁気抵抗素子パターンは、３６個の磁気抵抗素子ユニット３１５ａおよび３５個の磁気抵抗素子ユニット３１６ａからなっている。
いま、磁性体スリット板２１を回転させると、図１５に検出信号波形を示すように、第１スリットトラック部２３に対応する磁気抵抗素子ユニット３１５ａからは、１回転に３６サイクルの正弦波信号の検出信号が、第２スリットトラック部２４に対応する磁気抵抗素子ユニット３１６ａからは、１回転に３５サイクルの検出信号が得られる。得られた信号同士の位相差であるスリットの差Ｓは、１回転中にすべて異なるので、この位相差を検出すれば絶対値角度を検出できる。このように、スリット数の異なるトラックを複数配置する事により、絶対値角度を検出することができる。また、回転部２の磁性体スリット板も検出部３の磁気抵抗素子も半導体製造装置を用いて同一製造工程で複数トラックを同時に形成するので、複数のトラックを配置しても安価に製造することができる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればつぎの効果がある。
(1) 磁性体スリット板と平面磁石とを対向して組み合わせたので、磁性体スリット板が高精度の多極着磁した回転部と同様の機能が得られ、磁極の角度精度を向上させることができる。また、前記スリット板のスリット長に対応した長さで環状に配置した磁気抵抗素子を配置したので、シャフトフレや回転部の取り付け誤差をキャンセルして検出できる。このため、回転部の組み立てにおいて同心合わせがラフでよく、検出構造が簡単で高精度の磁気エンコーダが得られる。
(2)前記回転部が、一体の磁性体で構成されているので、バラツキが少なく、安価で高精度の磁気エンコーダを得ることができる。
(3)前記検出部の磁気抵抗素子を保護するフレキシブル基板の基材は、耐摩耗特性を有する基材を使用しているので、万一回転部と接触しても磁気抵抗素子が保護され、高信頼性の磁気エンコーダを得ることができる。
(4)前記スリット部の環状のスリットのパターンおよび前記環状の磁気抵抗素子のパターンを半径方向に同心上に少なくとも２個配置したので、絶対角度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す磁気エンコーダの模式図である。
【図２】図１における回転部の部分拡大図である。
【図３】図１における検出体の詳細を示す平面図である。
【図４】本発明の第１実施例における磁気抵抗素子の結線方法を示す結線図である。
【図５】本発明の第１実施例における磁気抵抗素子の他の結線方法を示す結線図である。
【図６】本発明の第１実施例における回転部と検出部の拡大断面図である。
【図７】本発明の第１実施例における磁気エンコーダの結線図である。
【図８】本発明の第１実施例における磁気エンコーダの検出原理を示す波形図である。
【図９】本発明の第１実施例における磁気エンコーダの出力波形図である。
【図１０】本発明の磁気エンコーダの検出原理を示す結線図である。
【図１１】本発明の磁気エンコーダの出力波形図である。
【図１２】本発明の第２実施例を示す磁気エンコーダの側断面図である。
【図１３】本発明の第３実施例を示す回転部の平面図である。
【図１４】本発明の第３実施例を示す検出体の平面図である。
【図１５】本発明の第３実施例の検出原理を示す波形図である。
【図１６】従来の磁気エンコーダを示す模式図である。
【符号の説明】
１  シャフト
２  回転部
２１  磁性体スリット板
２２  磁性体ディスク
２３  第１スリットトラック部
２４  第２スリットトラック部
２５  歯車
３  検出部
３１  検出体
３１１  基体
３１２  磁気抵抗素子
３１３，３１５ａ，３１６ａ  磁気抵抗素子ユニット
３１４  結線用導体
３１５  第１磁気抵抗素子パターン
３１６  第２磁気抵抗素子パターン
３２  平面磁石
３３  フレキシブル基板
３４  バイアス用磁石
４  波形整形回路部
【図１】
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【図２】
0003922427.tif 000003
【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】
0003922427.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003922427.tif 000011
【図１１】
0003922427.tif 000012
【図１２】
0003922427.tif 000013
【図１３】
0003922427.tif 000014
【図１４】
0003922427.tif 000015
【図１５】
0003922427.tif 000016
【図１６】
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