| 【発明の名称】 |
磁気式エンコーダ |
| 【発明者】 |
【氏名】田中 志津枝
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| 【要約】 |
【課題】磁気抵抗素子と磁気スケールの取付時のギャップや取付角度の調整も容易に行え、かつ出力電圧も常に安定したものが得られる磁気式エンコーダを提供することを目的とする。
【解決手段】強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いてパターン形成された磁気抵抗素子２３と、この磁気抵抗素子２３を保持するホルダ２２と、前記磁気抵抗素子２３に近接して配設され、かつ所定ピッチで着磁された磁気スケール２１とにより磁気式エンコーダを構成したものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いてパターン形成された磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子を保持するホルダと、前記磁気抵抗素子に近接して配設され、かつ所定ピッチで着磁された磁気スケールとを備えた磁気式エンコーダ。
【請求項２】 強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いてパターン形成された磁気抵抗素子における人工格子多層膜の検出パターンを、検出する磁界の方向と略平行にパターンの長手方向が配置されるようなつづら折り形状にパターン形成したことを特徴とする請求項１記載の磁気エンコーダ。
【請求項３】 磁気スケールとして、樹脂フィルム上に磁性塗料を２００μｍ以下の微細ピッチに着磁してなるものを用いたことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項４】 磁気スケールを帯状に構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項５】 磁気スケールを円板状に構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項６】 磁気抵抗素子からの出力信号を基準電圧と比較して、磁気スケールの位置を矩形波出力として取り出すことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項７】 磁気抵抗素子からの出力信号を基準電圧を中心として増幅し、磁気スケールの位置を正弦波出力として取り出すことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項８】 ホルダをポリアセタールで構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項９】 磁気スケールをポリエチレンテレフタレート樹脂で構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１０】 磁気スケールに塗布される磁気インクとして、フェライト系の磁性体を用いたことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１１】 磁気スケールに塗布されている磁気インクの保持力を１５００Ｏｅ以上としたことを特徴とする請求項１または１０記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１２】 磁気スケールに塗布される磁気インクの厚みを２０μｍ以下に設定したことを特徴とする請求項１，１０，１１のいずれかに記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１３】 磁気スケールに塗布される磁気インクとして、磁気的な配向を持たないものを用いたことを特徴とする請求項１または５記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１４】 人工格子多層膜における強磁性金属膜をＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏのいずれか２種類以上で構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１５】 人工格子多層膜における非磁性金属膜をＣｕで構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１６】 人工格子多層膜における強磁性金属膜の厚みを１５〜３０Åの範囲に設定したことを特徴とする請求項１，１４，１５のいずれかに記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１７】 人工格子多層膜における非磁性金属膜の厚みを１５〜２５Åの範囲に設定したことを特徴とする請求項１，１４，１５のいずれかに記載の磁気式エンコーダ。
【請求項１８】 人工格子多層膜における強磁性金属膜をＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏの合金で構成し、かつその組成比は、Ｎｉが約８０％、Ｆｅが約１０％、Ｃｏが約１０％となるようにしたことを特徴とする請求項１，１４，１５，１６，１７のいずれかに記載の磁気式エンコーダ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密機器の駆動部分の位置検出や制御に用いられる磁気抵抗素子を備えた磁気式エンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、直線上を移動する部材の位置を検出する磁気式エンコーダの一例として、特開平４−３３９６７０号公報に開示されているような記録装置に用いられる磁気式エンコーダがある。この磁気式エンコーダは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ磁石を細い丸棒材に構成し、かつその表面に位置検出のための磁極パターンを形成してなる磁気スケール（磁気媒体）と、この磁気スケールの磁極パターンを検出する検出素子を保持するとともに、この検出素子と前記磁気スケール間のギャップ（隙間）を一定に保ちながら、磁気スケールの外周面全体を案内部として挿通可能なホルダとを備えた構造となっていた。
【０００３】また、別の構造として、特開平８−１４８１０号公報に開示される磁気式エンコーダのように、磁気スケールとして帯状の薄板材を用い、この磁気スケールを長方形の挿通孔を有するスライダに挿通し、かつ磁気スケールと微小な隙間を介して略平行に対向するように検出素子をスライダに保持した構造を有するものも提案されている。
【０００４】すなわち、図１１は上記別の構造の磁気式エンコーダの斜視図を示したもので、１は平板状の磁気スケール、２は磁気スケール１と微小な隙間を介して略平行に対向するように樹脂製のスライダ３に保持された磁気抵抗素子からなる検出素子である。前記スライダ３は前記磁気スケール１を挿通させる挿通孔４を有している。５は検出素子２の電圧印加と出力検出を行うリード線、６は磁気抵抗素子からなる検出素子２の検出パターンである。７はスライダ３または磁気スケール１の挿通方向を示している。そしてこの図１１に示す構造の磁気式エンコーダは、磁気抵抗素子からなる検出素子２と磁気スケール１とのギャップ（隙間）が小さいときは、出力値としては５０ｍＶ程度しか得られないものであり、従って、前記検出素子２を構成する磁気抵抗素子は強磁性金属膜を使用した磁気抵抗素子と考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記した前者のような磁気式エンコーダの場合、検出素子が平板状で、かつ磁気スケールが丸棒状であるため、検出素子と磁気スケールとのギャップは、両者の最も接近した近接点で最も小さく、そしてこの点から離れるに従い徐々に大きくなるものであり、従って、スペーシング損失も大きくなり、平板状の磁気スケールと平板状の検出素子とを対向させる場合に比べ、出力が半分程度しか得られなかった。
【０００６】また、後者のような磁気式エンコーダにおいては、強磁性金属膜からなる磁気抵抗素子が使用されているため、磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率が磁気飽和状態で２〜３％と小さく、さらに磁気スケールの着磁ピッチが小さくなるほど磁気抵抗素子に印加される磁界が小さくなるため、微細着磁された磁気スケールに取り付けたときの磁気抵抗素子からの出力電圧は小さいものであった。そのため、磁気抵抗素子を磁気スケールに近接させて取り付ける必要があり、その結果、取付ギャップの高精度の調整が必要となっていた。特開平８−１４８１０号公報に開示された磁気式エンコーダにおいて、磁気抵抗素子で磁気スケールの着磁パターンを読み取るためには、着磁体のピッチ７０μｍ以下の検出に対して、着磁体への磁気抵抗素子の取付ギャップを±１０μｍ程度に保つ必要があった。
【０００７】また、強磁性金属膜からなる磁気抵抗素子の磁気抵抗変化は図１２に示すように、磁気抵抗素子の検出パターンの長手方向に対し垂直方向に磁界を印加したときと、磁気抵抗素子の検出パターンの長手方向に対し平行方向に磁界を印加したときとで異方性をもっている。図１２（ａ）は、磁気抵抗素子の検出パターンの長手方向に対し垂直方向に磁界を印加したときの磁気抵抗変化率を示したものであり、また図１２（ｂ）は、磁気抵抗素子の検出パターンの長手方向に対し平行方向に磁界を印加したときの磁気抵抗変化率を示したものである。磁気抵抗素子のパターンと磁気スケールの着磁方向が傾いたとき、すなわち、磁気抵抗素子のパターンに対する磁界の印加方向が傾いたとき、磁気抵抗素子の抵抗値変化率は低下する。図１３に磁気抵抗素子の検出パターンの長手方向に対して３０°の角度で磁界を印加したときの抵抗値変化を示す。このように磁気スケールに対する磁気抵抗素子の取付角度が出力電圧に影響を与えるため、特開平８−１４８１０号公報においては、同一ギャップにおける出力ばらつきが非常に大きく、ギャップが２０μｍ以下でも出力ｍｉｎ値は１０〜２０ｍＶ程度であり、その結果、この取付角度に対しても高精度の調整が必要であった。
【０００８】そのために、使用する磁気スケールとしては、変形し難いワイヤ等の強固な材質を使用したり、磁気抵抗素子に２０μｍ，３０μｍの隙間寸法に調整されたスライダや挿通穴を取り付けて磁気スケールを摺動させたりして、磁気スケールと磁気抵抗素子とのギャップや取付角度等を精度良く調整する等の方法を用いて取付時の調整を高精度に行う必要があった。
【０００９】また、磁気式エンコーダによる回転検出としては、一般的には外周面に着磁されたドラム型の着磁体が使用されるもので、この場合も、磁気抵抗素子との取付ギャップや取付角度を一定状態に保つことが必要であった。
【００１０】さらに、実際に使用する時には磁気抵抗素子から得られる出力波形を矩形波処理したり、正弦波処理する必要がある。
【００１１】磁気抵抗素子から得られる出力を矩形波処理する場合のコンパレータの入力波形と出力波形の関係を図６（ａ）（ｂ）に示す。この図６（ａ）（ｂ）において、１１は磁気抵抗素子の出力電圧、１２は基準電圧、１３はコンパレータからの出力波形である。このように、矩形波処理の場合は、磁気抵抗素子の出力電圧１１の電位と基準電圧１２の電位によって波形のデューティが決まってくるため、波形のデューティ精度を合わせるために基準電圧１２の電位を調整する必要がある。このとき、磁気抵抗素子の出力電圧が小さいと、基準電圧１２の電位調整を高精度に調整する必要があるため、調整が非常に困難であるという課題があった。
【００１２】また、磁気抵抗素子の出力電圧そのものが小さいため、正弦波処理をする場合は出力電圧に対するノイズが大きく良好な正弦波が得にくいという課題があった。そしてまた、取付角度によっても出力電圧が変動するため、磁気スケールのわずかな位置変動によって磁気抵抗素子に対する印加磁界の角度が変化し、その結果、正弦波処理後の出力電圧のばらつきが発生しやすいという課題があった。
【００１３】本発明は上記従来の課題を解決するもので、磁気抵抗素子と磁気スケールの取付時のギャップや取付角度の調整も容易に行え、かつ出力電圧も常に安定したものが得られる磁気式エンコーダを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために本発明の磁気式エンコーダは、強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いてパターン形成された磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子を保持するホルダと、前記磁気抵抗素子に近接して配設され、かつ所定ピッチで着磁された磁気スケールとを備えたもので、この構成によれば、磁気抵抗素子と磁気スケールの取付時のギャップや取付角度の調整も容易に行え、かつ出力電圧も常に安定したものが得られるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明は、強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いてパターン形成された磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子を保持するホルダと、前記磁気抵抗素子に近接して配設され、かつ所定ピッチで着磁された磁気スケールとを備えたもので、この構成によれば、強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いてパターン形成された磁気抵抗素子を備えているため、この磁気抵抗素子に所定ピッチで着磁された磁気スケールを近接して配設した場合における磁気抵抗素子からの出力電圧は常に大きいものが得られ、その結果、強磁性金属膜からなる磁気抵抗素子を用いたもののように、磁気抵抗素子と磁気スケールの取付時のギャップを高精度に調整するという必要もなく、またこの構成においては、取付角度による影響も小さいため、磁気抵抗素子と、磁気スケールの取付時のギャップや取付角度の調整も容易に行え、かつ出力電圧も常に安定したものが得られるという作用を有するものである。
【００１６】請求項２に記載の発明は、強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いてパターン形成された磁気抵抗素子における人工格子多層膜の検出パターンを、検出する磁界の方向と略平行にパターンの長手方向が配置されるようなつづら折り形状にパターン形成したもので、この構成によれば、磁気抵抗素子の磁気抵抗変化が略等方性となるため、磁気抵抗素子と磁気スケールとの取付角度の影響がさらに小さくなるという作用を有するものである。
【００１７】請求項３に記載の発明は、磁気スケールとして、樹脂フィルム上に磁性塗料を２００μｍ以下の微細ピッチに着磁してなるものを用いたもので、この構成によれば、磁気スケールをホルダに保持した際に、この磁気スケールがホルダに接触したときのホルダの摩耗を軽減することができるとともに、磁気スケールを安価に製造することができるという作用を有するものである。
【００１８】請求項４に記載の発明は、磁気スケールを帯状に構成したもので、この構成によれば、小型・軽量で安価なリニアエンコーダ用磁気スケールを得ることができるという作用を有するものである。
【００１９】請求項５に記載の発明は、磁気スケールを円板状に構成したもので、この構成によれば、小型・軽量で安価なロータリーエンコーダ用磁気スケールを得ることができるという作用を有するものである。
【００２０】請求項６に記載の発明は、磁気抵抗素子からの出力信号を基準電圧と比較して、磁気スケールの位置を矩形波出力として取り出すようにしたもので、この構成によれば、デューティ精度の良い矩形波が得られるという作用を有するものである。
【００２１】請求項７に記載の発明は、磁気抵抗素子からの出力信号を基準電圧を中心として増幅し、磁気スケールの位置を正弦波出力として取り出すようにしたもので、この構成によれば、出力電圧の安定した良好な正弦波出力波形を得ることができるという作用を有するものである。
【００２２】請求項８に記載の発明は、ホルダをポリアセタールで構成したもので、この構成によれば、ポリアセタールの物性である自己潤滑性により摺動特性に優れたホルダを構成することができ、これにより、摺れあうホルダと磁気スケールの材料同士の摩耗を防ぐことができるため、磁気式エンコーダ自身の長寿命化と高信頼性を確保できるという作用を有するものである。
【００２３】請求項９に記載の発明は、磁気スケールをポリエチレンテレフタレート樹脂で構成したもので、この構成によれば、磁気スケールの動作中のばたつきによる出力変動が少なくなるため、安価な磁気式エンコーダが得られるという作用を有するものである。
【００２４】請求項１０に記載の発明は、磁気スケールに塗布される磁気インクとして、フェライト系の磁性体を用いたもので、この構成によれば、安価な磁気スケールが得られるという作用を有するものである。
【００２５】請求項１１に記載の発明は、磁気スケールに塗布されている磁気インクの保持力を１５００Ｏｅ以上としたもので、この構成によれば、高い出力が得られるという作用を有するものである。
【００２６】請求項１２に記載の発明は、磁気スケールに塗布される磁気インクの厚みを２０μｍ以下に設定したもので、この構成によれば、５０μｍ以下のピッチの着磁が可能になるという作用を有するものである。
【００２７】請求項１３に記載の発明は、磁気スケールに塗布される磁気インクとして、磁気的な配向を持たないものを用いたもので、この構成によれば、円板状の磁気スケールの出力を安定して検出できるという作用を有するものである。
【００２８】請求項１４に記載の発明は、人工格子多層膜における強磁性金属膜をＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏのいずれか２種類以上で構成したもので、この構成によれば、ＧＭＲ特性に及ぼすヒステリシスの影響を除去して、検出信号の出力波形の揺らぎを抑制することができるため、安定した信号出力特性と温度特性が得られるという作用を有するものである。
【００２９】請求項１５に記載の発明は、人工格子多層膜における非磁性金属膜をＣｕで構成したもので、この構成によれば、安価でかつ高感度なＧＭＲ特性による高い信号出力特性が得られ、かつＳ／Ｎ比が大きくなり、検出回路が簡略化できるという作用を有するものである。
【００３０】請求項１６に記載の発明は、人工格子多層膜における強磁性金属膜の厚みを１５〜３０Åの範囲に設定したもので、この構成によれば、ＧＭＲ特性に及ぼす強磁性金属膜の厚みの影響を考慮して、強磁性金属膜の厚みを１５〜３０Åにコントロールしているため、磁気抵抗素子の異方性磁界強度をセンサとして最適な２０〜６０Ｏｅにすることができ、これにより、安定した高い信号出力特性が得られるという作用を有するものである。
【００３１】請求項１７に記載の発明は、人工格子多層膜おける非磁性金属膜の厚みを１５〜２５Åの範囲に設定したもので、この構成によれば、ＧＭＲ特性に生じるＲＫＫＹ振動の第２ピークの特性が得られる非磁性金属膜の膜厚の領域１５〜２５Åを用いて、適度な非磁性金属膜の膜厚の人工格子多層膜としているため、１００℃以上の温度領域での各金属層の拡散が生じることはなく、これにより、製造の加熱工程中でもＧＭＲ特性に影響なく生産することができ、また１００℃以上の高温雰囲気中での信号出力検出も可能になるという作用を有するものである。
【００３２】請求項１８に記載の発明は、人工格子多層膜における強磁性金属膜をＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏの合金で構成し、かつその組成比は、Ｎｉが約８０％、Ｆｅが約１０％、Ｃｏが約１０％となるようにしたもので、この構成によれば、人工格子多層膜の強磁性金属膜中にＣｏを含有しているため、強磁性金属膜と非磁性金属膜の層間の拡散が生じることはなくなり、その結果、磁気抵抗素子が１００℃以上の耐熱性を確保できるという作用を有するものである。
【００３３】以下、本発明の一実施の形態における磁気式エンコーダについて、図面を参照しながら説明する。
【００３４】図１は本発明の一実施の形態における磁気式エンコーダの外観斜視図である。
【００３５】図１において、２１は所定ピッチで着磁された帯状の磁気スケールである。２２はポリアセタール等からなる樹脂または真鍮やアルミニウム合金等の非磁性金属で構成されたホルダで、このホルダ２２には前記磁気スケール２１を摺動自在に案内するガイド部２２ａを設けている。そしてこのガイド部２２ａの空間部の高さは磁気スケール２１の厚みより大きく取っているもので、その高さは磁気スケールの厚み＋０．０５ｍｍ以下が好ましい。２３は磁気スケール２１の着磁面に略平行に対向するようにホルダ２２に保持された人工格子膜を用いてなる磁気抵抗素子で、この磁気抵抗素子２３は前記磁気スケール２１上に着磁された磁極パターンを検出するものである。
【００３６】図２は前記磁気抵抗素子２３のチップ部分の外観斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００３７】図２，図３において、３１はアルミナなどの絶縁基板、３２はガラスグレーズなどの材質からなる平滑膜で、この平滑膜３２は絶縁基板３１の表面に平滑面を作るために形成されているものである。３３は図１に示した磁気スケール２１の着磁ピッチを検出できるようにパターン形成された人工格子多層膜、３４は人工格子多層膜３３を保護するための保護膜で、ＳｉＯやＳｉＯ2などの無機材料やエポキシあるいはフェノールなどの有機材料が使用される。３５は人工格子多層膜３３と外部端子（図示せず）とを接続するためのＡｇ−Ｐｄ等からなる電極膜である。また、図２の３６は人工格子多層膜３３の検出パターンの一例を示したものである。
【００３８】前記人工格子多層膜３３は、強磁性金属膜をＮｉ約８０％、Ｆｅ約１０％、Ｃｏ約１０％で構成し、かつその厚みを１５〜３０Åとし、そして非磁性金属膜をＣｕで構成し、かつその厚みを１５〜２５Åとしているもので、前記強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層して構成しているものである。ＧＭＲ特性は強磁性金属膜の交換結合によって生じるが、その交換結合は強磁性金属膜の層間の膜厚と強磁性金属膜自身の膜厚に大きく依存するため、特に各層の金属膜の膜厚管理が重要である。なお、非磁性金属膜はＣｕ以外のＡｇ，Ｒｕ，Ｐｔでもよく、また強磁性金属膜の各金属の組成比も内部応力を除去する割合、例えばＮｉ約８３％、Ｆｅ約１７％であれば磁気抵抗効果は若干劣るが、十分に使用できるものである。
【００３９】人工格子多層膜３３と従来の強磁性金属膜との違いは、その磁気抵抗変化率の大きさと、磁気異方性にある。磁気抵抗変化率は強磁性金属膜では２〜３％程度であるが、人工格子多層膜３３では８％以上の磁気抵抗変化率を得ることができる。また、強磁性金属膜では、パターン形成による形状異方性があるため、磁気抵抗素子の検出パターンの長手方向に対し垂直方向に磁界を印加したときと平行方向に磁界を印加したときとでは磁気抵抗変化に違いが発生することは従来例の図１２（ａ）（ｂ）に記述した通りであるが、人工格子多層膜３３では形状異方性がほとんど発生しない。図４は人工格子多層膜を使用した磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を示したもので、図４（ａ）は、磁気抵抗素子の検出パターンの長手方向に対し垂直方向に磁界を印加したときの磁気抵抗変化、図４（ｂ）は、磁気抵抗素子の検出パターンの長手方向に対し平行方向に磁界を印加したときの磁気抵抗変化であり、それぞれ横軸に磁界強度を、縦軸に磁気抵抗変化率を示している。このように、人工格子多層膜３３を使用した磁気抵抗素子では、磁気飽和点に幾分の違いがあるものの、ほとんど類似の磁気抵抗変化を示すものである。
【００４０】以上のように構成された磁気式エンコーダについて、以下にその動作を図面を参照しながら説明する。
【００４１】図５は磁気抵抗素子の出力波形から、図６（ａ）（ｂ）のような出力波形を得るための矩形波処理回路の一例を示したものである。
【００４２】図５において、２３は磁気抵抗素子、４１は矩形波処理をするためのコンパレータ、４２，４３は矩形波処理時の基準電圧を提供するための抵抗器、４４はプルアップ抵抗である。
【００４３】図６（ａ）（ｂ）は磁気抵抗素子２３から得られる出力波形を矩形波処理する場合のコンパレータ４１の入力波形と出力波形の関係を示したもので、１１は磁気抵抗素子２３の出力電圧、１２は基準電圧、１３はコンパレータ４１からの出力波形である。
【００４４】磁気抵抗素子２３の電源端子に５Ｖの電圧を印加し、対向する磁気スケールを動作させたとき、特開平８−１４８１０号公報に示された従来の磁気抵抗素子では、磁気抵抗素子と磁気スケールとのギャップが３０μｍの時は、出力ｍｉｎ値が３０ｍＶ〜４０ｍＶ程度の出力しか得られず、また取付角度が少しでも傾くとさらに出力は低下し、出力ｍｉｎ値は２０ｍＶ程度の出力しか得ることができなかった。しかしながら、人工格子多層膜３３を用いた磁気抵抗素子２３では１２０〜１６０ｍＶの出力を得ることができ、取付時のわずかな傾きによる出力変動はほとんど発生しないものである。
【００４５】この磁気抵抗素子２３からの出力を図５に示した矩形波処理回路のコンパレータ４１に入力し、抵抗器４２，４３における基準電圧の電位と磁気抵抗素子２３の出力電圧との差を調整して合わせることにより、コンパレータ４１からの矩形波出力のデューディが決まってくる。
【００４６】人工格子多層膜３３からなる磁気抵抗素子２３と従来の強磁性金属膜からなる磁気抵抗素子の矩形波処理条件を試算すると次の通りとなる。磁気抵抗素子と磁気スケールの位置を同一としたとき、すなわち、磁気抵抗素子に同程度の磁界が印加されたとき、強磁性金属膜からなる磁気抵抗素子で出力が２０ｍＶ得られるとすると、人工格子多層膜３３からなる磁気抵抗素子２３では出力は８０ｍＶとなる。デューティ±５％で調整するとき、強磁性金属膜からなる磁気抵抗素子に使用する基準電圧は、磁気抵抗素子の出力の中心電位に対して±１．５５ｍＶ以下で調整する必要があるが、人工格子多層膜３３からなる磁気抵抗素子２３に使用する基準電圧は、磁気抵抗素子２３の出力の中心電位に対して±６．２ｍＶ以下の調整で可能である。
【００４７】また逆に基準電圧を同一の±１．５５ｍＶで調整すると、人工格子多層膜３３からなる磁気抵抗素子２３では、強磁性金属膜からなる磁気抵抗素子に印加される磁界の約１／２の磁界が印加された時に同じデューティを得ることができる。これは、同様の取付を行ったときは発生磁界の小さい狭着磁ピッチの検出が可能となり、さらに磁気式エンコーダの分解能の向上につながるものである。
【００４８】そしてまた強磁性金属膜を使用すると、取付角度の傾きによっても出力電圧の低下が大きいため、磁気スケールの摺動時のわずかな角度ずれがあっても出力低下が発生しやすいが、人工格子多層膜３３では磁気抵抗変化が略等方性であるため、磁気スケールの角度ずれによる出力低下も発生しにくく、安定した特性を得ることができる。
【００４９】以上のように本発明の一実施の形態における磁気式エンコーダは、ホルダ２２に設けられ、かつ磁気スケール２１を摺動自在に案内するガイド部２２ａの空間部の高さを磁気スケール２１の厚みより大きくとっているため、取付時は磁気スケール２１を容易にガイド部２２ａに挿入することができ、また前述したように、取付角度のばらつきにも強いため、概略の位置合わせで安定した出力を得ることができる。さらに矩形波処理を行ったときのデューティも安定しているという効果を有するものである。
【００５０】なお、上記本発明の一実施の形態においては、磁気抵抗素子２３を構成する人工格子多層膜３３の検出パターンを図２の３６のように直線状としたものについて説明したが、図７に示すように、人工格子多層膜３３の検出パターン３７をつづら折り形状にパターン形成しても良いもので、この方がより効果的である。図８につづら折り形状のパターン形成時の磁気抵抗変化を示す。図８（ａ）は、磁気抵抗素子の検出パターン３７の上下方向（図２における長手方向）に対し垂直方向に磁界を印加したときの磁気抵抗変化、図８（ｂ）は、磁気抵抗素子の検出パターン３７の上下方向（図２における長手方向）に対し平行方向に磁界を印加したときの磁気抵抗変化である。このように、人工格子多層膜３３の検出パターン形状をつづら折り形状にすることによって、磁気抵抗変化がさらに等方性に近くなるため、磁気抵抗素子２３と磁気スケール２１との取付角度の影響がさらに小さくなるものである。
【００５１】また本発明の一実施の形態においては、人口格子多層膜３３における強磁性金属膜をＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏのいずれか２種類以上で構成しているため、ＧＭＲ特性に及ぼすヒステリシスの影響を除去して、検出信号の出力波形の揺らぎを抑制することができ、これにより、安定した信号出力特性と温度特性が得られるものである。
【００５２】さらに前記人工格子多層膜３３における非磁性金属膜はＣｕで構成しているため、安価でかつ高感度なＧＭＲ特性による高い信号出力特性が得られ、かつＳ／Ｎ比が大きくなり、その結果、検出回路が簡略化できるものである。
【００５３】さらにまた前記人工格子多層膜３３における強磁性金属膜の厚みは１５〜３０Åの範囲に設定しているため、磁気抵抗素子２３の異方性磁界強度をセンサとして最適な２０〜６０Ｏｅにすることができ、これにより、安定した高い信号出力特性が得られるものである。
【００５４】また前記人工格子多層膜３３における非磁性金属膜の厚みを１５〜２５Åの範囲に設定しているため、ＧＭＲ特性に生じるＲＫＫＹ振動の第２ピークの特性が得られ、これにより、１００℃以上の温度領域での各金属層の拡散が生じることはないため、製造の加熱工程中でもＧＭＲ特性に影響なく生産することができ、また１００℃以上の高温雰囲気中での信号出力検出も可能になるものである。
【００５５】そしてまた前記人工格子多層膜３３における強磁性金属膜はＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏの合金で構成し、かつその組成比は、Ｎｉが約８０％、Ｆｅが約１０％、Ｃｏが約１０％となるようにしているもので、人工格子多層膜３３を構成する強磁性金属膜中にＣｏを含有しているため、強磁性金属膜と非磁性金属膜の層間の拡散が生じることはなくなり、その結果、磁気抵抗素子２３が１００℃以上の耐熱性を確保できるものである。
【００５６】また帯状の磁気スケール２１を構成する方法としては、Ｎｉ合金などの金属板に直接着磁する方法や、樹脂フィルムや非磁性金属等の帯状基材上に保持力１２００Ｏｅ以上の磁気インクを印刷、硬化させて磁性層を形成し、その上に一定間隔に着磁を行う方法などがあるが、ポリエチレンテレフタレート樹脂のフィルム上に磁性塗料である磁気インクを塗布し、そしてこの磁性塗料上に保護膜を塗布し、さらにこの保護膜の上に前記磁気インクを微細ピッチに着磁したものを使用した場合は、磁気スケール２１が変形しにくく、そしてこの磁気スケール２１をホルダ２２に保持した際に、この磁気スケール２１がホルダ２２に接触したときのホルダ２２の摩耗を軽減することができるとともに、磁気スケール２１を安価に製造することができるという効果を有するものである。この場合の磁気インクとしては、安価で加工が容易なフェライト系の磁性体により構成したものを用いるが、より強い信号磁界が必要な場合は希土類金属を添加してもよく、また磁気インクの保持力が１５００Ｏｅ以上のものであれば、磁気抵抗素子２３から高出力を得ることができるため、波形処理後の安定した出力を得ることができるものである。
【００５７】また磁気スケール２１に塗布される磁気インクが厚過ぎた場合、微小なピッチを着磁すると、磁気インク自身の中で磁気ループを構成し、十分な信号磁界を得ることができないため、５０μｍ以下の着磁ピッチをする場合は、磁気インクの厚みは２０μｍ以下の厚みでなければならないものである。
【００５８】なお、磁気スケールとして、帯状の磁気スケール２１を使用した場合は、リニアエンコーダとして使用することができる。
【００５９】また、磁気スケールとして、円板状の磁気スケールを使用した場合は、ロータリーエンコーダとして使用することができる。このような円板状の磁気スケールを用いて回転体の位置検出を行う場合は、円板状の磁気スケールの縁側の部分に回転方向に着磁を行うため、磁気インクは３６０°のどの方向への着磁に対しても同じ強度の信号磁界になっていることが必要である。従って、磁気インクとして、どの方向に対しても磁気的な配向を持たないものを用いることによって、円板状の磁気スケールの円周上のどの位置も安定した信号出力を得ることが可能となるものである。
【００６０】そしてまた本発明の一実施の形態においては、処理回路として矩形波処理回路を用いたものについて説明したが、正弦波処理を行う場合について、以下に説明する。
【００６１】図９は磁気抵抗素子の出力波形から、図１０（ａ）（ｂ）のような出力波形を得るための正弦波処理回路の一例を示したものである。
【００６２】図９において、２３は磁気抵抗素子、５１は正弦波処理をするためのオペアンプ、５２，５３は正弦波処理時の基準電圧を提供するための抵抗器、５４は増幅率を決めるための抵抗である。
【００６３】図１０（ａ）（ｂ）は磁気抵抗素子２３から得られる出力波形を正弦波処理する場合のオペアンプ５１の入力波形と出力波形の関係を示したもので、図１０（ａ）（ｂ）において、６１は磁気抵抗素子２３の出力電圧、６２は基準電圧、６３はオペアンプ５１からの出力波形である。
【００６４】このような正弦波処理をする場合は、従来の磁気抵抗素子のように出力電圧が小さいと、出力電圧に対するノイズ成分が大きくなり、そして増幅時には出力と共にノイズも増幅されるため、良好な正弦波が得られにくい。しかるに、本発明の一実施の形態のように人工格子多層膜３３からなる磁気抵抗素子２３を使用した場合は、３〜４倍の出力電圧を得ることができるため、ノイズ成分の影響も１／３〜１／４に軽減することができるものである。
【００６５】
【発明の効果】以上のように本発明の磁気式エンコーダは、強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いたパターン形成された磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子を保持するホルダと、前記磁気抵抗素子に近接して配設され、かつ所定ピッチで着磁された磁気スケールとを備えたもので、この構成によれば、強磁性金属膜と非磁性金属膜とを交互に積層した人工格子多層膜を用いてパターン形成された磁気抵抗素子を備えているため、この磁気抵抗素子に所定ピッチで着磁された磁気スケールを近接して配設した場合における磁気抵抗素子からの出力電圧は常に大きいものが得られ、その結果、強磁性金属膜からなる磁気抵抗素子を用いたもののように、磁気抵抗素子と磁気スケールの取付時のギャップを高精度に調整するという必要もなく、またこの構成においては、取付角度による影響も小さいため、磁気抵抗素子と、磁気スケールの取付時のギャップや取付角度の調整も容易に行え、かつ出力電圧も常に安定したものが得られるという効果を有するものである。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年６月２２日（１９９９．６．２２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−４４０４（Ｐ２００１−４４０４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月１２日（２００１．１．１２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１７４９９７ |
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