(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に沿って所定のピッチ間隔で交互に逆極性の磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段に対して相対移動することにより、該磁界発生手段からの周期的な磁界の変化を感磁性素子によって検出し、磁界の変化に対応した位置情報を送出する磁界検出手段とを備えたエンコーダにおいて、
前記磁界検出手段は、
前記一方向に沿って延ばされて、前記磁界発生手段を挟んで互いに対向して配され、前記磁界発生手段からの磁束を流す第１及び第２のヨーク本体と、
前記第１のヨーク本体のうち前記一方向の複数部位から前記第２のヨーク本体に向けられて、前記磁界発生手段に対して少なくとも一部が重なるように設けられた一対の櫛歯状パターンと、
前記第２のヨーク本体のうち前記一方向の複数部位から前記第１のヨーク本体に向けられて、前記磁界発生手段に対して少なくとも一部が重なるように設けられた一対の櫛歯状パターンと、
前記第１又は第２のヨーク本体の少なくともいずれか一方のうち前記磁束が流れる位置に設けられた前記感磁性素子とを備え、
前記第１のヨーク本体の一の櫛歯状パターンと前記第２のヨーク本体の一の櫛歯状パターンとが前記一方向に隣接して配され、かつ、前記第１のヨーク本体の他の櫛歯状パターンと前記第２のヨーク本体の他の櫛歯状パターンとが前記一方向に隣接して配されることにより、前記第１及び第２のヨーク本体と前記一及び他の櫛歯状パターンとが、全体として環状に配されており、
前記第１のヨーク本体の一の櫛歯状パターンが、前記磁界発生手段の複数の磁極からの磁束を集め、当該磁束を、前記第１のヨーク本体、前記第１のヨーク本体の他の櫛歯状パターン、前記第２のヨーク本体の他の櫛歯状パターン、前記第２のヨーク本体及び前記第２のヨーク本体の一の櫛歯状パターンを順に介して、前記第１のヨーク本体の一の櫛歯状パターンに還流させることにより、前記感磁性素子が磁界の変化に対応した位置情報を送出することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
一方向に沿って所定のピッチ間隔で交互に逆極性の磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段に対して相対移動することにより、該磁界発生手段からの周期的な磁界の変化を感磁性素子によって検出し、磁界の変化に対応した位置情報を送出する磁界検出手段とを備えたエンコーダにおいて、
前記磁界検出手段は、
前記一方向に沿って延ばされて、前記磁界発生手段を挟んで互いに対向して配され、前記磁界発生手段からの磁束を流す第１及び第２のヨーク本体と、
前記第１のヨーク本体から前記第２のヨーク本体に向けられて、前記磁界発生手段に対して少なくとも一部が重なるように設けられた櫛歯状パターンと、
前記第２のヨーク本体から前記第１のヨーク本体に向けられて、前記磁界発生手段に対して少なくとも一部が重なるように設けられた櫛歯状パターンと、
前記第１又は第２のヨーク本体の少なくともいずれか一方のうち前記磁束が流れる位置に設けられた前記感磁性素子とを備え、
前記第１及び第２のヨーク本体が、連続ヨークを介して連続して形成されており、
前記第１のヨーク本体の櫛歯状パターンと前記第２のヨーク本体の櫛歯状パターンとが前記一方向に隣接して配されることにより、前記第１及び第２のヨーク本体と前記連続ヨークと前記第１及び第２のヨーク本体の櫛歯状パターンとが、全体として環状に配されており、
前記第１のヨーク本体の櫛歯状パターンが、前記磁界発生手段の複数の磁極からの磁束を集め、当該磁束を、前記第１のヨーク本体、前記連続ヨーク、前記第２のヨーク本体及び前記第２のヨーク本体の櫛歯状パターンを順に介して、前記第１のヨーク本体の櫛歯状パターンに還流させることにより、前記感磁性素子が磁界の変化に対応した位置情報を送出することを特徴とするエンコーダ。
【請求項３】
前記第１及び第２のヨーク本体から延ばされた櫛歯状パターンの各々の櫛歯が、前記一方向において前記所定のピッチ間隔で交互に配されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記感磁性素子は、磁気インピーダンス効果により磁界の変化を検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項５】
同じ位相の磁界を検出する前記磁界検出手段が複数設けられ、各々の前記磁界検出手段は、複数の前記感磁性素子を直列に備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記磁界検出手段は、１ピッチの歩進角度を３６０°としたとき、磁界の位相が、０°、９０゜、１８０°、２７０°の関係となるように、各位相毎に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記磁界検出手段は、磁界の位相が０°と１８０°の成分、及び９０゜と２７０°の成分を、それぞれ、差動成分として出力することを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記磁界検出手段は、磁界の位相が０°の成分と１８０°の成分の差動成分を、磁界の位相が９０°の成分と２７０°の差動成分で除算して、その逆正接を求めて１ピッチ内の角度情報を出力することを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記磁界検出手段は、前記感磁性素子が検出した磁界のレベルをバイアスするバイアスコイルを備えていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項１０】
前記磁界検出手段は、前記感磁性素子が検出した磁界の情報をフィードバックするフィードバックコイルを備えていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
前記磁界発生手段は、つづら折れ状に形成されたコイルから構成されたことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項１２】
前記磁界発生手段が発生する磁界を、バイアスコイルによる発生磁界で代替させるようにしたことを特徴とする請求項９に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界によって位置情報を検出するエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンコーダには感磁性素子を利用したものが提案されている。例えば、特開平７−１８１２３９公報においては、感磁性素子として磁気インピーダンス効果(Magneto-Impedance効果：ＭＩ効果)を利用した磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）を用いる方法が開示されている。さらに詳しくは、アモルファスワイヤなどの磁性線に高周波電流を流すことによって、低磁界で高いインピーダンス変化が得られ、感度のよい小型の磁気インピーダンス素子を実現する技術が開示されている。このような高感度の磁気インピーダンス素子を用いることによって、高分解能なエンコーダを実現することができる。しかし、この公報の技術では、多極着磁された磁石を利用する場合、磁石の着磁分布の影響を除去するために複数の磁気インピーダンス素子を使う必要がある。したがって、複数の磁気インピーダンス素子に対して、磁石を高精度に設置したり位置決めする必要があるが、このような高精度な位置決め作業は極めて難しい。そこで、このような磁石における着磁分布の影響を解決するために、特開平９−１１３５９１号公報などには、薄膜形の磁気インピーダンス素子を用いた技術が開示されている。この技術によれば、連続した磁性膜上に所定のピッチ間隔で凸部磁性膜をラック状に形成し、これに着磁媒体（磁石）を所定のピッチで対向させて相対移動させている。これによって、磁石の配置のばらつきなどに影響されることなく、平均的な磁界の検出が可能となり、高感度且つ高精度なエンコーダを実現することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、感磁性素子を利用した従来のエンコーダには、次のような問題がある。
一つ目は、感磁性素子の取り付け誤差やギャップの分布の不揃いなどの影響を平均化して低減するために、複数の磁気検出部を配置した方がよいが、これを実現するためには、複数の感磁性素子を同時に成膜する必要がある。しかし、複数の感磁性素子を同時に成膜すると、エンコーダの特性を向上させるために、感磁性素子に磁気異方性を付けるなどの処理も同時に必用になり、また複数層の成膜が必要となるため、結果として、感磁性素子の製造工程が複雑となってしまう。特に、ロータリエンコーダ用の感磁性素子の場合は、製造工程がさらに複雑となる。三つ目は、複数の感磁性素子を同時に製造しないで、一つの感磁性素子を複数個配置する場合には、位置決めを高精度に行う必要が生じ、結果としてエンコーダの製造が難しくなってくる。
更に、感磁性素子として薄膜型の磁気インピーダンス素子を用いた従来のエンコーダにおいては、前述の問題に加え次のような問題がある。
それは、薄型による構造的制約からバイアスコイルを用いていないため、磁気インピーダンス素子の非線形な磁気特性部分を使用することになり、出力信号に歪みが生じ、正弦波状の出力信号が得られない。このため、高分解能な内挿ができず、エンコーダの分解能が低くなり、例えば、精密工作機械などの用途に使用することができないことである。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の感磁性素子を組み込んでも、その着磁分布や取付け誤差やギャップ変動などの影響を低減でき、且つ、磁石を寸法精度よく配置できて簡単な回路構成で実現できるエンコーダを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のエンコーダは、一方向に沿って所定のピッチ間隔で交互に逆極性の磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段に対して相対移動することにより、該磁界発生手段からの周期的な磁界の変化を感磁性素子によって検出し、磁界の変化に対応した位置情報を送出する磁界検出手段とを備えたエンコーダにおいて、前記磁界検出手段は、前記一方向に沿って延ばされて、前記磁界発生手段を挟んで互いに対向して配され、前記磁界発生手段からの磁束を流す第１及び第２のヨーク本体と、前記第１のヨーク本体のうち前記一方向の複数部位から前記第２のヨーク本体に向けられて、前記磁界発生手段に対して少なくとも一部が重なるように設けられた一対の櫛歯状パターンと、前記第２のヨーク本体のうち前記一方向の複数部位から前記第１のヨーク本体に向けられて、前記磁界発生手段に対して少なくとも一部が重なるように設けられた一対の櫛歯状パターンと、前記第１又は第２のヨーク本体の少なくともいずれか一方のうち前記磁束が流れる位置に設けられた前記感磁性素子とを備え、前記第１のヨーク本体の一の櫛歯状パターンと前記第２のヨーク本体の一の櫛歯状パターンとが前記一方向に隣接して配され、かつ、前記第１のヨーク本体の他の櫛歯状パターンと前記第２のヨーク本体の他の櫛歯状パターンとが前記一方向に隣接して配されることにより、前記第１及び第２のヨーク本体と前記一及び他の櫛歯状パターンとが、全体として環状に配されており、前記第１のヨーク本体の一の櫛歯状パターンが、前記磁界発生手段の複数の磁極からの磁束を集め、当該磁束を、前記第１のヨーク本体、前記第１のヨーク本体の他の櫛歯状パターン、前記第２のヨーク本体の他の櫛歯状パターン、前記第２のヨーク本体及び前記第２のヨーク本体の一の櫛歯状パターンを順に介して、前記第１のヨーク本体の一の櫛歯状パターンに還流させることにより、前記感磁性素子が磁界の変化に対応した位置情報を送出することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明のエンコーダは、一方向に沿って所定のピッチ間隔で交互に逆極性の磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段に対して相対移動することにより、該磁界発生手段からの周期的な磁界の変化を感磁性素子によって検出し、磁界の変化に対応した位置情報を送出する磁界検出手段とを備えたエンコーダにおいて、前記磁界検出手段は、前記一方向に沿って延ばされて、前記磁界発生手段を挟んで互いに対向して配され、前記磁界発生手段からの磁束を流す第１及び第２のヨーク本体と、前記第１のヨーク本体から前記第２のヨーク本体に向けられて、前記磁界発生手段に対して少なくとも一部が重なるように設けられた櫛歯状パターンと、前記第２のヨーク本体から前記第１のヨーク本体に向けられて、前記磁界発生手段に対して少なくとも一部が重なるように設けられた櫛歯状パターンと、前記第１又は第２のヨーク本体の少なくともいずれか一方のうち前記磁束が流れる位置に設けられた前記感磁性素子とを備え、前記第１及び第２のヨーク本体が、連続ヨークを介して連続して形成されており、前記第１のヨーク本体の櫛歯状パターンと前記第２のヨーク本体の櫛歯状パターンとが前記一方向に隣接して配されることにより、前記第１及び第２のヨーク本体と前記連続ヨークと前記第１及び第２のヨーク本体の櫛歯状パターンとが、全体として環状に配されており、前記第１のヨーク本体の櫛歯状パターンが、前記磁界発生手段の複数の磁極からの磁束を集め、当該磁束を、前記第１のヨーク本体、前記連続ヨーク、前記第２のヨーク本体及び前記第２のヨーク本体の櫛歯状パターンを順に介して、前記第１のヨーク本体の櫛歯状パターンに還流させることにより、前記感磁性素子が磁界の変化に対応した位置情報を送出することを特徴とする。
【０００７】
つまり、本発明のエンコーダによれば、所定のピッチで逆極性の磁界を発生する磁界発生手段（例えば磁石）と、磁界発生手段の各磁極に対向して配置された櫛歯状パターンを有する磁界検出手段（例えば磁気検出部）とを相対移動させると、磁気検出部を構成するヨークの磁路に介在された感磁性素子（つまり、アモルファスワイヤなどの磁気インピーダンス素子）が、磁気インピーダンス効果によって、相対移動により生じる磁界の変化を電圧値として検出する。これによって、エンコーダは相対移動した位置情報を検出することができる。このような構成にすることによって、着磁分布のばらつきや、各構成部品の取付け誤差や、磁気ギャップの変動などの影響を低減することができるので、検出精度の高いエンコーダを実現することができる。
また、本発明のエンコーダは、前記発明において、前記第１及び第２のヨーク本体から延ばされた櫛歯状パターンの各々の櫛歯が、前記一方向において前記所定のピッチ間隔で交互に配されていることを特徴とする。
また、本発明のエンコーダは、前記発明において、前記感磁性素子が、磁気インピーダンス効果により磁界の変化を検出することを特徴とする。また、本発明のエンコーダは、前記発明において、同じ位相の磁界を検出する前記磁界検出手段が複数設けられ、各々の前記磁界検出手段は、複数の前記感磁性素子を直列に備えたことを特徴とする。つまり、このような構成にすることによって、複数の磁界検出手段（磁気検出部）から送出される信号の総和を出力とできるので、大きな磁気検出信号を出力することができると共に、磁束分布のばらつきによる影響を低減することができる。
【０００８】
また、本発明のエンコーダは、前記発明において、磁界検出手段は、１ピッチの歩進角度を３６０°としたとき、磁界の位相が、０°、９０゜、１８０°、２７０°の関係となるように、各位相毎に配置されていることを特徴とする。つまり、この構成によれば、９０°ずつ位相のずれた４つの正弦波状に変化する波形が得られる。
【０００９】
また、本発明のエンコーダは、前記発明において、磁界検出手段は、磁界の位相が０°と１８０°の成分、及び９０゜と２７０°の成分を、それぞれ、差動成分として（ｓｉｎθ，ｃｏｓθとして）出力することを特徴とする。つまり、このような差動成分を検出することにより、外乱磁界の影響を排除することができるので、エンコーダは精度の高い位置検出を行うことができる。
【００１０】
また、本発明のエンコーダは、前記発明において、前記磁界検出手段は、磁界の位相が０°の成分と１８０°の成分の差動成分を、磁界の位相が９０°の成分と２７０°の差動成分で除算して、その逆正接を求めて１ピッチ内の角度情報を出力することを特徴とする。この構成によれば、例えばｓｉｎθをｃｏｓθの成分で除算し、逆正接（θ＝ｔａｎ-1（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ））を求めて１ピッチ内の角度情報を出力する。つまり、相対移動に伴って、正弦波数をカウントし、かつ、この１ピッチ内の角度位置を計算する。これにより、全体の中での位置を求めることができる。
【００１１】
また、本発明のエンコーダは、前記各発明において、磁界検出手段が、感磁性素子が検出した磁界のレベルをバイアスするバイアスコイルを備えるものとしてもよい。つまり、バイアスコイルによって感磁性素子（磁気インピーダンス素子）にバイアスをかけることにより、磁気インピーダンス素子は、検出された磁気特性のうちリニアリティのよい部分のみを利用することができる。これによってエンコーダの検出精度が高くなる。
【００１２】
また、本発明のエンコーダは、前記各発明において、磁界検出手段が、感磁性素子が検出した磁界の情報をフィードバックするフィードバックコイルを備えるものとしてもよく、さらに、感磁性素子毎に備えれれた各々のフィードバックコイルは直列に接続してもよい。つまり、フィードバックコイルを設けて帰還系を構成すれば、線形性や温度特性や周波数応答などの諸特性が向上する。したがって、精密工作機械の位置制御などに用いられる高精度なエンコーダを実現することができる。
また、本発明は、前記各発明において、前記磁界発生手段が、つづら折れ状に形成されたコイルから構成されていてもよい。
【００１３】
また、本発明は、前記第１および第２の磁気回路要素を備えた各発明において、前記第２の磁気回路要素のコイルおよび磁石が発生する磁界を、バイアスコイルによる発生磁界で代替させるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明におけるエンコーダの実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態におけるエンコーダの外観図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。つまり、この図は、磁石を使用したエンコーダの一つの磁気検出部を示している。この図を用いて、先ず、第１の実施の形態のエンコーダについて説明する。同図において、固定側には、図に示す極性のように、磁界発生手段を構成する磁石１が、移動極側の部材と対向した配置で、相対移動方向に多極着磁された配列となっている。また、磁界検出手段を構成する移動側の部材は、磁性材の薄膜ヨーク２，３，４，５と、ブロック状ヨーク６，７と、磁気インピーダンス効果を有する材料からなるアモルファスワイヤ８，９と、バイアスコイル１０，１１と、フィードバク用コイル１２，１３とが図のように配置されている。
【００１６】
磁石１は、固定側の図示しない非磁性基板上に配置され、移動側の部材との相対移動方向に多極着磁されている。また、移動側においては、図示しない非磁性基板上に、薄膜ヨーク２と薄膜ヨーク３及び薄膜ヨーク４と薄膜ヨーク５が、それぞれ櫛歯状の形で対向して配置されている。ブロック状ヨーク６，７は、薄膜ヨーク２，４の端部に接するように配置されている。尚、薄膜ヨーク３，５の端部に接するように配置されているブロック状ヨークは図示されていない。尚、磁石を支持する基板や、移動側の薄膜ヨークなどの各部材を支持する基板は、比透磁率が１０以下であり、且つ抵抗率が１０μΩ・ｍ以下の、金属、ガラス、セラミクス、プラスチック材料等で形成することができる。
【００１７】
二つのブロック状ヨーク６，７の間には、磁気インピーダンス効果を有する感磁性素子であるアモルファスワイヤ８が配置されている。同様に、薄膜ヨーク３，５の端部に接するように配置されているブロック状ヨーク（図示せず）の間にもアモルファスワイヤ９が配置されている。尚、アモルファスワイヤ８，９は、磁気インピーダンス効果を有する材料であればこれ以外のものであってもよい。このような感磁性素子のアモルファスワイヤ８，９は、一般的に、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）といわれているので、以下、必要に応じて、アモルファスワイヤを磁気インピーダンス素子、あるいはＭＩ素子と呼ぶことがある。アモルファスワイヤ８，９は、図示しない回路により電流が流されて磁界が検出される。アモルファスワイヤ８，９の周りには、それぞれ、バイアス磁界をかけるためのバイアスコイル１０，１１、及びフィードバックを行うためのフィードバックコイル１２，１３からなる二つのコイルが巻回されている。尚、図１の構成は、リニアタイプのエンコーダに展開して描いたものであるが、これをロータリ型のエンコーダにしても同様の構成である。
【００１８】
図１では、各薄膜ヨーク２，３，４，５から延在している櫛歯の端部と、磁石１の各々の幅方向の端部が一致して描かれている。しかし、櫛歯が長めになるようにするか、逆に磁石１の各々の幅が広くなるようにすることによって、固定側と移動側の各部材の取付け誤差などで位置合わせが多少うまくいかない場合でも、着磁分布や取付け誤差やギャップ変動などの影響を少なくすることができる。
【００１９】
次に、図１に示すエンコーダにおける検出部の動作について説明する。磁石１から流れる磁束は、各薄膜ヨーク２，３，４，５の櫛歯から図中→のように流れ、磁気インピーダンス素子であるアモルファスワイヤ８，９の部分にも到達する。例えば、図１の矢印のように磁束が流れる状態のとき、全体として右回りで最大の磁束が流れている。したがって、図１のような位置関係から、固定側の磁石１と移動側の各部材とが相対的に移動すると、図の矢印のように流れている磁束は正弦波状に変化し、アモルファスワイヤ８，９はその磁束変化を検出する。
【００２０】
図２は、アモルファスワイヤなどの磁気インピーダンス素子の、磁界の変化に対するインピーダンス変化の特性を示す図である。図２において、横軸は磁界の変化を表し、縦軸はインピーダンス（Ｚ）の変化を表している。図２に示すように、磁気インピーダンス素子のインピーダンス特性は曲線部を有しているので、バイアスコイル１０，１１あるいは図示しない磁石によってバイアス磁界を印加して、直線性の良い部分の特性を利用するようにしている。したがって、図２に示すように、磁石１による磁界がゼロのときでも、バイアス磁界の成分によって、検出されるインピーダンスはゼロより高い値にシフトされている。つまり、バイアス磁界成分を中心とした正弦波特性を得ることができる。尚、磁界発生手段と検出部のギャップ長を着磁ピッチ以上の間隙にすると正弦波が得られることが一般に知られている。
【００２１】
図１のように各部材が配置された場合には、図示していない電気回路により、二つの磁気インピーダンス素子、つまりアモルファスワイヤ８とアモルファスワイヤ９を直列にして有効磁界の成分は足し算されるようにし、外乱磁界の成分は引き算するように構成することができる。一例として、図１において、バイアス磁界が磁気回路ループ上で同一方向に回るようにバイアスコイル１０，１１を印加する。すなわち、図１の上側のアモルファスワイヤ９は右方向（あるいは左方向）に磁界が印加されるように、下側のアモルファスワイヤ８は左方向（右方向）に磁界が印加されるように、それぞれのバイアスコイル１０，１１によってバイアス磁界をかける。これによって、有効磁界の成分は加算され、外乱磁界の成分は相殺される。
【００２２】
図３は、二つの磁気インピーダンス素子に電流を流したときの有効磁界と外乱磁界のベクトル図である。図３において、図示しない２つのバイアスコイルにより、２つの磁気インピーダンス素子にそれぞれバイアス磁界をかけると、２つのバイアス磁界のベクトル成分は同じ方向となり、有効磁界方向のベクトル成分は加算される。一方、２つの磁気インピーダンス素子における外乱磁界のベクトル成分は引き算されて相殺される。これによって、磁気インピーダンス素子は、外乱による磁場の影響を受けることは殆どなくなる。
【００２３】
次に、本発明における第２の実施の形態のエンコーダについて説明する。第２の実施の形態では、図１に示すエンコーダをロータリ形のエンコーダに適用して複数配置した場合について説明する。但し、磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ）が一つの場合についてのべる。図４は、本発明におけるロータリエンコーダの概略断面図である。図４に示すように、モータ回転軸２１に取りつけられた非磁性の回転側円板２２に多極着磁された磁石２３が取り付けられている。このときの磁石２３の着磁方向は回転円板２２の円周方向とする。また、図示しないモータケーシングなどの固定側に取り付けられた非磁性の固定側円板２４には、薄膜ヨーク２５とブロック状ヨーク２６、及び図示しない磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ）が配置されている。
【００２４】
次に、図４に示すロータリエンコーダにおいて、固定側円板２４への磁気検出部（つまり、磁気インピーダンス素子）の配置について説明する。図５は、図４におけるロータリエンコーダの固定側円板への磁気検出部の配置を示す図である。図５に示すように、固定側円板２４上に、位相関係が同じとなるように、例えば、４つの磁気検出部を円周上の等しい角度で配置してこれをＡ相とする。具体的には、多極着磁の数をＮとすると、ピッチ角度θｐ＝３６０／Ｎであり、同相検出部（Ａ相）の配置角度間隔はθｐの整数倍となる。例えば、Ｎ＝５０００とすると、この同相検出部（Ａ相）の配置角度の間隔は例えば９０゜（＝（３６０／５０００）×１２５０（正数倍））とすることができる。配置角度が９０°のとき、円周上に４つの同相検出部を配置することになる。
【００２５】
次に、Ａ相と位相が１８０°ずれた磁気検出部をＡ’相とし、Ａ’相とＡ相の配置角度の間隔が、θａ’＝（ピッチ角度の整数倍＋ピッチ角度×１／２）となるように、Ａ’相の磁気検出部を１周に４等分して配置する。例えば、Ｎ＝５０００とすると、例えばθａ’＝２２．５°（＝（３６０／５０００）×３１２＋（３６０／５０００）×（１／２））とすることができる（３１２で整数倍している）。つまり、Ａ相とＡ’相とのピッチ角度をθａ’＝２２．５°とすることができる。同様にして、Ａ相と位相が９０°および２７０°ずれた磁気検出部を、それぞれ、Ｂ相、Ｂ’相とし、Ａ相との検出部中心の配置角度の間隔が、Ｂ相はθｂ＝（ピッチ角度の整数倍＋ピッチ角度の×１／４）、Ｂ’相はθｂ’＝（ピッチ角度の整数倍＋ピッチ角度の×３／４）となるように、Ｂ相、Ｂ’相の検出部を各々１周に４等分して配置する。例えば、Ｎ＝５０００とすると、θｂ＝４５．０１８゜（＝（３６０／５０００）×６２５＋（３６０／５０００）×（１／４））、θｂ’＝６７．５１８°（＝（３６０／５０００）×９３７＋（３６０／５０００）×（３／４））とすることができる。尚、上記の各配置角度は上記の値に限定されるものではなく、各磁気検出部が凡そ等配分され、且つ各磁気検出部の位相角度が満足されるものであればよい。
【００２６】
各相（Ａ相、Ａ’相、Ｂ相、Ｂ’相）の４つの磁気インピーダンス素子は、それぞれ単独で磁気検出回路を構成し、それらの出力電圧を加算してもよいが、各相毎の磁気インピーダンス素子を直列接続して、これらを一つの磁気インピーダンス素子のように検出回路に接続すれば、さらに回路を簡素化することができる。直列接続した磁気インピーダンス素子を一つの素子の如く扱う検出回路の構成は、例えば、図６に示すような、特開平９−３２９６５５号公報などに開示されているＣＭＯＳ−ＭＩ磁界センサ回路を利用することができる。図６に示すＣＭＯＳ−ＭＩ磁界センサ回路の詳細は同公報に開示されているので、その説明は省略するが、このＣＭＯＳ−ＭＩ磁界センサ回路によれば、ＣＭＯＳマルチバイブレータ３１，３２の過度状態の鋭いパルス電流によって、直列接続されたアモルファスワイヤなどの磁気インピーダンス素子３３，３４が励磁され、定常状態ではＣＭＯＳマルチバイブレータ３１，３２は電流が遮断される特性を利用することによって、磁気インピーダンス素子３３，３４は低消費電力で外部磁界を高精度に検出することができる。
【００２７】
従って、図５におけるＡ相の４つの磁気インピーダンス素子を直列接続して素子一つに対応させ、図６の回路におけるＣＭＯＳマルチバイブレータ３１，３２の間に接続することができる。このとき、出力段の差動増幅器３５に入力される信号は、バイアス磁界の分だけオフセットレベルを持った正弦波である。同様にして、図５におけるＡ’相の４つの磁気インピーダンス素子を直列接続して素子一つに対応させ、図６と同じ回路構成の磁界センサ回路のＣＭＯＳマルチバイブレータ３１，３２の間に接続することができる。これによって、差動増幅器３５に入力される信号は、Ａ相の信号と位相が１８０゜ずれていてバイアス磁界の分だけオフセットを持った正弦波信号となる。これらのＡ相、Ａ’相の差動出力信号は、オフセットが除去されて振幅が大きくなった正弦波信号ｓｉｎθとなってそれぞれの差動増幅器３５より出力される。また、図５におけるＢ相およびＢ’相についても、図６に示すＣＭＯＳ−ＭＩ磁界センサ回路と同じ回路を用意すれば、余弦波信号ｃｏｓθとして、それぞれの差動増幅器３５より出力される。
【００２８】
そして、ｓｉｎθとｃｏｓθをＡ／Ｄ変換してＣＰＵ等に取込む。さらに、ＣＰＵにおいて、ｃｏｓθでｓｉｎθを除算し、逆正接θ＝ｔａｎ-1（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）を求めることによって、１ピッチを３６０°としたときの角度位置を求めることができる。つまり、回転に伴って、正弦波数をカウントし、この１ピッチ内の角度位置を計算することによって、１円周上での角度位置を求めることができる。尚、ｓｉｎθとｃｏｓθを除算することによって、出力信号の振幅が温度変化によって影響されることを低減することができる。
【００２９】
次に、第１の実施の形態と第２の実施の形態に共通する事項について説明する。したがって、再び、図１を引用して説明する。磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）にバイアス磁界をかけるためのバイアスコイル１０，１１は、それぞれの磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）の特性に応じて、各出力のオフセットができるだけ同じになるように電流値を調整するようにすることが望ましい。尚、それぞれの磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）の特性が比較的そろっている場合には、磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）に同一の電流を相単位あるいは全素子単位で流すようにすれはよい。また、バイアスコイル１０，１１の代わりに、磁石を用いて磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）にバイアス磁界を印加してもよい。
【００３０】
さらに、フィードバックコイル１２，１３は、使用してもしなくてもよいが、使用した方が磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）の特性における線形性や温度特性や周波数応答などの諸特性が向上する。また、磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）をそれぞれ単独でフィードバックするようにしてもよいが、各磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）を直列に接続して各相単位でフィードバックをかけるようにすれは、回路が簡素化できる。
【００３１】
ブロック状ヨーク６，７は、磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）を固定側円板に取りつけたとき、磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）の部分が円板から距離が離れるような場合に使用される。磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）が薄膜の場合などで、薄膜ヨークに接近して配置でき、磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）の部分に十分な磁束が発生する場合は無くてもよい。
【００３２】
次に、エンコーダにおける各部分の製造方法について述べる。磁気インピーダンス素子は、特開平７−１８１２３９号、特開平８−２８５９３０号、特開平９−１４５８０８号、特開２０００−８１４７１号、特開２０００−５５９９５号、特開２０００−１９３７２８号などの各公報に開示されているような、いわゆる磁気インピーダンス効果が得られる素子であればよい。その他にも、例えば特開２０００−３０９２１号公報などに、非結晶金属細線を用いて磁気インピーダンス特性を非対称にした磁気インピーダンス素子が提案されているが、このような特性の磁気インピーダンス素子であっても構わない。
【００３３】
次に、薄膜ヨークは、鉄ニッケル合金や、鉄系アモルファス合金や、フェライト系酸化物などの軟磁性材料を用いて、蒸着や、スパッタリングや、めっきや、箔の接着などの成膜方法により成膜し、フォトエッチングなどによりパターン形成される。
【００３４】
また、ブロック状ヨークは、鉄ニッケル合金、鉄系アモルファス合金、フェライト系ステンレス、フェライトなどの軟磁性（フェリ磁性）のバルク材料を加工したものを使用することができる。尚、高周波特性をよくするために、箔や板を積層したものでもよい。
【００３５】
次に、エンコーダのおける磁気検出部の各種バリエーションについて説明する。尚、エンコーダの相対移動の形態はリニア型であってもロータリ型であってもよい。図１において、磁気検出部には二つの磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ８，９）が描かれているが、何れか一方を取り去り、そこを薄膜ヨークが連続になるようにしてもよい。また、複数の磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ）をブロック状ヨークのギャップに挿入し、複数の磁気インピーダンス素子（アモルファスワイヤ）の出力を直列にして出力信号を大きくしてもよい。
【００３６】
図７は、図１に示す第１の実施の形態のエンコーダの変形例である。つまり、図７のように、一方の薄膜ヨーク４１は、アモルファスワイヤなどを取除いた形に変形し、もう一方の薄膜ヨーク４２は、その磁路内にアモルファスワイヤ４３，４４を挿入するように変形する。このように変形しても、図１と全く同じ特性の磁気検出信号が得られる。磁気検出の動作については図１の場合と同じであるので、その説明は省略する。
【００３７】
また、図１や図７では、各相について２箇所で櫛歯が対向しているが、対向する櫛歯を１箇所として、一方は薄膜ヨークで連続となるように構成してもよい。例えば、図１で説明すると、薄膜ヨーク２，３は櫛歯を取除いた形状にして連続とし、薄膜ヨーク４，５は図１のような櫛歯のある形状にしても、磁石から薄膜ヨーク４，５の各々の櫛歯を通る磁束は図１と同様に連続する。尚、図１や図７における各薄膜ヨークの歯数は任意に定めることができる。
【００３８】
また、図１において、多極着磁された磁石１の着磁方向は、相対移動方向に着磁されるように示したが、これに限ることはなく、紙面に垂直な方向であって磁極の極性は何れの向きであってもよい。この場合には、磁石１を搭載する基板を軟磁性の材料にすることによって、磁気検出部側（つまり、薄膜ヨークの櫛歯側）の磁束をさらに大きくすることができる。尚、着磁方向が紙面に垂直な方向の場合にも、櫛歯形状を若干変更すれば磁気検出部側の磁束を一層大きくすることができる。
【００３９】
次に、二つの相の磁気インピーダンス素子の差動方法について説明する。前述では、図６において、Ａ相及びＡ’相（あるいはＢ相及びＢ’相）の差動を差動増幅器によって行う方法について説明をしたが、二つの相の磁気インピーダンス素子をフルブリッジに接続したり、あるいはハーフブリッジに接続して差動出力を取り出すこともできる。図８は、二つの相の磁気インピーダンス素子をフルブリッジに接続して差動出力を取り出す回路の一例であり、図９は、二つの相の磁気インピーダンス素子をハーフブリッジに接続して差動出力を取り出す回路の一例である。
【００４０】
図８のフルブリッジ回路で説明すると、図５の固定側円板２４に搭載されて４つのＡ相磁気インピーダンス素子のうち、２個ずつを直列にして、それぞれのインピーダンスをＺ１，Ｚ２とし、また、４つのＡ’相磁気インピーダンス素子のうち、２個ずつを直列にして、それぞれのインピーダンスをＺ３，Ｚ４として、図８のようにフルブリッジ回路を構成する。そして、このフルブリッジ回路に、例えば図６のＣＭＯＳマルチバイブレータ３１，３２より相対移動速度によって生じる周期的磁束の変化の周波数より十分に速い（例えば１００倍以上）交流信号を印加する。つまり、図８の回路において交流信号Ｆを印加する。そして、ブリッジ回路のＸ，Ｙ間の電圧を差動出力として取り出し、整流してローパスフィルタ等で印加した交流成分を取り除けば、前述のように差動増幅器３５から増幅された周期的磁束の変化に対応した正弦波信号を取り出すことができる。
【００４１】
図９のハーフブリッジ回路の場合は、図５の固定側円板２４に搭載されて４つのＡ相磁気インピーダンス素子を直列にしてインピーダンスをＺ１とし、また、４つのＡ’相磁気インピーダンス素子を直列にしてインピーダンスをＺ２とし、図のようにハーフブリッジ回路を構成する。そして、インピーダンスＺ１とインピーダンスＺ２が接続されたＸ点の電圧を取り出し、差動、整流、フィルタリングして使用すればよい。尚、図８及び図９で、フルブリッジ回路及びハーフブリッジ回路に印加する交流信号Ｆは、正弦波信号であってもよいが、正弦波信号でなくてもよい。
【００４２】
次に、図１に示す多極着磁された磁石１（磁界発生手段）の変形例について説明する。図１に示す多極着磁された磁石１の替わりに、つづら折れコイルを磁界発生手段として用いることもできる。図１０は、エンコーダの磁気検出部に使用されるつづら折れコイルを示す概念図である。すなわち、図１のように多極着磁された磁石のような周期的な磁束は、図１０のようなつづら折れコイルに直流電流を印加しても作ることができる。図１０において、つづら折れコイルの各折り返し毎に磁束の極性が変わるので、図１の磁石１のような交互に極性の異なる磁束を作ることができる。尚、つづら折れコイルを用いた場合、固定側の構成は、磁気インピーダンス素子への電力供給を除いては、前述の第１の実施の形態の場合と同じである。磁気インピーダンス素子への電力供給は、ロータリエンコーダの場合は非接触で行なうのが望ましく、一般に回転トランスと呼はれているトランスにより正弦波を伝達し、これを整流して直流に変換してから磁気インピーダンス素子へ電力供給を行うことができる。
【００４３】
次に、磁石（磁界発生手段）を軟磁性膜パターンとした場合について説明する。図１１は、磁石を軟磁性膜パターンにした場合のエンコーダにおける磁気検出部の斜視図である。図１１のように、移動側の磁石を軟磁性薄膜パターン５１としても、磁気インピーダンス素子５２の磁界を周期的に変化させることができる。尚、固定側の構成は、前述の図１の構成と同じである。バイアスコイル５３によって磁気インピーダンス素子５２にバイアス磁界を印加すると、固定側の薄膜ヨーク５４及び移動側の軟磁性薄膜パターン５１を通じて還流磁束が流れ、固定側と移動側の相対移動に伴って磁気抵抗が変化することにより、磁気インピーダンス素子５２の磁界が変化する。
【００４４】
次に、外乱磁界の補償および磁気シールドについて説明する。前述の図３で述べたように、磁気インピーダンス素子を直列接続したり差動を取るようにすることにより、外乱磁界の影響を低減することが可能となるが、磁気インピーダンス素子は、その直線性のよい部分をはみ出してしまうような、大きい外乱磁界が加わった場合には、前述のような方法では外乱磁界による影響の低減効果を期待することはできない。このような場合の対策としては、例えは、図３で直列接続した二つの磁気インピーダンス素子全体の電圧に対するその中間位置の電圧の割合をモニタすれば、外乱磁界の大きさを検出することができるので、外乱磁界補償用のコイルを別途設けて外乱磁界を打ち消すようにすることもできる。また、磁気シールドを行なう場合は、外来磁場の周波数や強度に応じて、非磁性で導電性のある材料や、磁性で導電性のある材料や、磁性で非導電性のある材料などを、単独あるいは組合わせて使用すれば、相応の磁気シールド効果が得られる。
【００４５】
磁気シールド効果が得られる具体的な例を挙げると、比透磁率が１０以下で抵抗率が１０μΩ・ｍ以下の材料や、比透磁率が１００以上で抵抗率が１０μΩ・ｍ以下の材料や、比透磁率が１００以上で抵抗率が１０μΩ・ｍ以上の材料などによって、エンコーダを構成する部品全体の磁気回路が覆うことが好ましい。あるいは、これらを組合わせた材料によって、構成部品全体の磁気回路が覆ってもよい。
今回、感磁性素子として磁気インピーダンス素子を用いた例を開示したが、感磁性素子としては、磁気抵抗素子、ホール素子等の素子を用いてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の感磁性素子を使用したエンコーダによれば、次にような種々の効果が得られる。第１に、磁気検出部は、複数の磁極の平均化した出力信号を得ることができるので、エンコーダの各部品の取付け誤差や、磁気ギャップのばらつきなどによる影響を低減することができる。第２に、各相の感磁性素子の出力信号としては、複数の磁気検出部の和の出力信号が得られ、更に複数磁極の平均化や、磁気検出場所による平均化ができるので、ロータリエンコーダの偏心や、取りつけ場所による磁気ギャップの違いや、磁気変動など、取り付け誤差や加工誤差の影響を低減することができる。
【００４７】
第３に、感磁性素子を別途製造して取付けることができるので、感磁性素子単独で特性向上を図ることができ、エンコーダ専用の感磁性素子を使わなくてもよいので、エンコーダの製造工程の単純化ができて低コスト化を図ることができる。また、複数の相の感磁性素子を製造する場合でも、一つの基板上に薄膜ヨークを複数成膜して形成し、後から感磁性素子を取付けるようにすれはよいので、偏心などの取り付け誤差の影響を低減することができる。
【００４８】
さらには、エンコーダの各部品について高い寸法精を維持したまま、温度変化による影響を低減するための対策を施すことができる。また、感磁性素子あるいは感磁性素子とフィードバックコイルとを直列接続して使用すれは、一つの相に複数の感磁性素子を配置しても、あるいは複数の相に磁気インピーダンスを配置しても、比較的簡単な回路構成で磁気検出回路を実現することができる。このような種々の効果が相乗して、感磁性素子を用いたエンコーダにおいて、高分解能化や小型化や低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態におけるエンコーダの外観図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】  アモルファスワイヤなどの磁気インピーダンス素子の、磁界の変化に対するインピーダンス変化の特性を示す図である。
【図３】  二つの磁気インピーダンス素子に電流を流したときの有効磁界と外乱磁界のベクトル図である。
【図４】本発明におけるロータリエンコーダの概略断面図である。
【図５】図４におけるロータリエンコーダの固定側円板への磁気検出部の配置を示す図である。
【図６】特開平９−３２９６５５号公報に開示されているＣＭＯＳ−ＭＩ磁界センサ回路図である。
【図７】図１に示す第１の実施の形態のエンコーダの変形例である。
【図８】二つの相の磁気インピーダンス素子をフルブリッジに接続して差動出力を取り出す回路の一例である。
【図９】二つの相の磁気インピーダンス素子をハーフブリッジに接続して差動出力を取り出す回路の一例である。
【図１０】エンコーダの磁気検出部に使用されるつつら折れコイルを示す概念図である。
【図１１】磁石を軟磁性膜パターンにした場合のエンコーダにおける磁気検出部の斜視図である。
【符号の説明】
１…磁石、２，３，４，５…薄膜ヨーク、６，７…ブロック状ヨーク、８，９…アモルファスワイヤ（磁気インピーダンス素子）、１０，１１…バイアスコイル、１２，１３…フィードバクコイル、２１…モータ回転軸、２２…回転側円板、２３…磁石、２４…固定側円板、２５…薄膜ヨーク、２６…ブロック状ヨーク、３１，３２…ＣＭＯＳマルチバイブレータ、３３，３４…磁気インピーダンス素子、３５…差動増幅器、４１，４２…薄膜ヨーク、４３，４４…アモルファスワイヤ、５１…軟磁性薄膜パターン、５２…磁気インピーダンス素子、５３…バイアスコイル、５４…薄膜ヨーク。
【図１】
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【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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