[0001] 本发明涉及一种磁性编码器。

[0002] 磁性编码器具有：周期性地记录磁极的磁记录介质；沿着磁极的记录方向相对于磁记录介质相对移动的磁传感器；以及基于来自磁传感器的输出来计算磁传感器元件相对于磁栅尺的相对位置的信号处理部。在该编码器中，当从磁传感器输出相位错开90°的模拟信号(SIN信号和COS信号)时，如果在信号处理部求出θ＝tan－1(sin/cos)，则可以知道磁传感器和磁记录介质的极坐标上的相对位置θ(参照专利文献1、2)。

[0003] 现有技术文献

[0004] 专利文献

[0005] 专利文献1：日本特开2016－38294号公报

[0006] 专利文献2：日本特开2019－138716号公报

[0028] 以下，参照附图对应用了本发明的编码器的实施方式进行说明。在以下的说明中，将与第一方向X正交的方向设为第二方向Y，将与第一方向X及第二方向Y正交的方向设为第三方向Z。另外，将第一方向X的一侧和另一侧分别设为X1方向、X2方向，将第二方向Y的一侧和另一侧分别设为Y1方向、Y2方向，将第三方向Z的一侧和另一侧分别设为Z1方向、Z2方向。第三方向Z是磁栅尺2a和磁头3对置的方向。Z1方向是配置磁头3的一侧，Z2方向是配置磁栅尺2a的一侧。

[0029] (编码器1的整体结构)

[0030] 图1是表示应用了本发明的磁编码器1的一方式的立体图。如图1所示，编码器1具有周期性地记录磁极的磁记录介质2和沿着磁极的记录方向相对于磁记录介质2相对移动的磁传感器10，磁传感器10设置于磁头3上。

[0031] 磁记录介质2及磁传感器10(磁头3)中的一方配置于固定体侧，另一方配置于移动体侧。当磁头3相对于磁栅尺2a相对移动时，检测在磁栅尺2a的表面形成的磁场的变化，输出磁头3相对于磁栅尺2a的相对位置及绝对位置。

[0032] 在本实施方式中，编码器1是线性编码器1a。因此，磁记录介质2是具备在作为磁传感器10的相对移动方向的第一方向X上呈直线状延伸的磁道4的磁栅尺2a，在磁道4中，N极和S极以规定间距呈直线状交替排列。

[0033] 磁头3具有壳体6，该壳体6具备由非磁性材料构成的第一壳体61及第二壳体62，从第一壳体61延伸出线缆7。第一壳体61是将第一方向X作为长边方向的大致长方体状，第二壳体62为板状。第二壳体62被安装为从Z1方向将形成于第一壳体61的内部的凹部空间封闭。线缆7由安装于第一壳体6的X1方向的侧面的线缆保持部件70保持，并从第一壳体61沿X1方向引出。

[0034] 在第一壳体61中，在与磁栅尺2a在第三方向Z上对置的底部形成有开口部，容纳于壳体6的内部的磁传感器10隔着开口部与磁栅尺2a对置。此外，底部由作为屏蔽部件的铝片13覆盖。磁传感器10具备硅基板或陶瓷釉基板等传感器基板11和在传感器基板11上形成的磁阻元件。

[0035] 另外，在第一壳体61的内部，相对于磁传感器10在与磁栅尺2a相反的一侧配置有电路板18，电路板18经由柔性配线基板等与传感器基板11电连接。另外，线缆7与电路板18电连接。在电路板18上安装有稍后参照图3描述的半导体集成电路80及非易失性存储器9。

[0036] (磁传感器10等的结构)

[0037] 图2是图1所示的磁栅尺2a及磁传感器10的说明图。图3是表示图1所示的编码器1的电气结构的框图。图4是从图2所示的磁传感器10输出的信号的说明图。图5是表示基于图4所示的信号来计算相对位置的原理的说明图。

[0038] 如图2所示，在磁传感器10中，在传感器基板11上形成有强磁体NiFe等的磁性体膜或磁阻元件15。磁阻元件15具有相互具有90°的相位差的A相磁阻图案15(A)和B相磁阻图案15(B)作为检测方向在磁栅尺2a的面内方向上变化的旋转磁场的磁阻图案。此外，在图2中，对A相磁阻图案标注SIN，对B相磁阻图案标注COS。

[0039] 如图3所示，A相磁阻图案15(A)具备具有180°的相位差并进行磁栅尺2a的移动检测的+a相磁阻图案15(+a)和－a相磁阻图案15(－a)，在图2中，对+a相磁阻图案15(+a)标注SIN+，对－a相磁阻图案15(－a)标注SIN－。同样地，B相磁阻图案15(B)具备具有180°的相位差并进行磁栅尺2a的移动检测的+b相磁阻图案15(+b)和－b相磁阻图案15(－b)，在图2中，对+b相磁阻图案15(+b)标注COS+，对－b相磁阻图案15(－b)标注COS－。

[0040] 再次在图2中，磁阻图案15(+a)、15(－a)、15(+b)、15(－b)在传感器基板11上配置为格子状，+a相磁阻图案15(+a)和－a相磁阻图案15(－a)形成于对角位置，+b相磁阻图案15(+b)和－b相磁阻图案15(－b)形成于对角位置。

[0041] 在磁栅尺2a中，形成有N极和S极沿着移动方向交替排列的磁道21，在本方式中，例如，3列磁道21(21A、21B、21C)在宽度方向(与磁传感器10和磁栅尺2a的相对移动方向交叉的方向)上并列。在此，在相邻的磁道21A、21B、21C之间，N极及S极的位置在移动方向上错开一个磁极的量。因此，在两侧的磁道21A、21C之间，N极及S极的位置在移动方向上一致。

[0042] 在这样构成的磁栅尺2a中，在磁道21A、21B、21C的宽度方向的边缘部分形成有面内方向的朝向变化的旋转磁场，特别是在磁道21A、21B、21C的边界部分112产生强旋转磁场。因此，在本方式中，使磁传感器10面对磁道21A、21B、21C的边界部分112。另外，形成有+a相磁阻图案15(+a)的区域及形成有+b相磁阻图案15(+b)的区域与磁道21A、21B的边界部分112对置，形成有－a相磁阻图案15(－a)的区域及形成有－b相磁阻图案15(－b)的区域与磁道21B、21C的边界部分112对置。磁道21B作为形成有+a相磁阻图案15(+a)及+b相磁阻图案15(+b)的区域和形成有－a相磁阻图案15(－a)及－b相磁阻图案15(－b)的区域中的每个区域对置的共同磁道，形成于磁栅尺2a的中央。

[0043] 如图3所示，在本方式的编码器1中，磁阻图案15(+a)、15(－a)、15(+b)、15(－b)构成电桥电路。

[0044] 更具体来说，如图3所示，+a相磁阻图案15(+a)及－a相磁阻图案15(－a)一端被施加高电位AVDD，另一端被施加低电位GND。另外，在+a相磁阻图案15(+a)的中点位置连接有针对输出SIN+的端子，在－a相磁阻图案15(－a)的中点位置连接有针对输出SIN－的端子。因此，能够基于输出SIN+及输出SIN－获得图4所示的差分输出(正弦波信号SIN)。

[0045] 同样地，+b相磁阻图案15(+b)及－b相磁阻图案15(－b)一端被施加高电位AVDD，另一端被施加低电位GND。另外，在+b相磁阻图案15(+b)的中点位置连接有针对输出COS+的端子，在－b相磁阻图案15(－b)的中点位置连接有针对输出COS－的端子。因此，能够基于输出COS+及输出COS－获得图4所示的差分输出(正弦波信号COS)。

[0046] 因此，在线性编码器1a中，当磁栅尺2a移动磁极的一个周期时，图4所示的正弦波信号SIN、COS被输出两个周期。因此，如图5所示，如果通过内插，从正弦波信号SIN、COS求出θ＝tan-1(SIN/COS)，则可以知道磁传感器10和磁栅尺2a的相对位置θ。

[0047] 在图2及图3中，磁阻图案15(+a)、15(－a)、15(+b)、15(－b)以电阻值的饱和灵敏度区域以上的磁场强度检测旋转磁场。即，在相邻的磁道21的边界部分112，以各磁阻图案15(+a)、15(－a)、15(+b)、15(－b)的电阻值的饱和灵敏度区域以上的磁场强度产生面内方向的朝向在周向上逐渐变化的旋转磁场。饱和灵敏度区域一般是指可以与磁场强度H近似地用“k∝H2”式表示电阻值变化量k的区域以外的区域。另外，以饱和灵敏度区域以上的磁场强度检测旋转磁场(磁矢量的旋转)的方向时的原理利用的是：在对由强磁金属构成的磁阻图案15(+a)、15(－a)、15(+b)、15(－b)通电的状态下，在施加了电阻值饱和的磁场强度时，在磁场和电流方向所成的角度α和磁阻图案15(+a)、15(－a)、15(+b)、15(－b)的电阻值R之间，存在用下式表示的关系：

[0048] R＝R0－k×sin2α

[0049] R0：无磁场中的电阻值

[0050] k：电阻值变化量(在为饱和灵敏度区域以上时是常数)

[0051] 如果基于这样的原理检测旋转磁场，则当角度α变化时，电阻值R沿着正弦波变化，所以能够获得波形质量高的正弦波信号SIN、COS。

[0052] 此外，在传感器基板11的长边方向上的中央区域，在与上述的磁阻图案相邻的区域形成有图3所示的Z相的磁阻元件15(Z)。Z相的磁阻元件15(Z)是检测原点位置的磁阻元件。在Z相的磁阻元件15(Z)中，两个磁阻图案15(+Z)、15(－Z)构成电桥电路，输出原点信号ZERO+、ZERO－的端子电连接至磁阻图案15(+Z)、15(－Z)的中点。

[0053] (半导体集成电路80的结构)

[0054] 图6是图3所示的半导体集成电路80的数字修正部841等的说明图。如图3所示，本方式的编码器1具有：基于来自磁传感器10的模拟输出来计算并输出磁传感器10相对于磁栅尺2a的相对位置的信号处理部8；以及存储针对模拟输出的偏移、增益及相位中的至少一个的修正数据的非易失性存储器9。在本方式中，非易失性存储器9存储有模拟输出的偏移、增益及相位的各修正数据。

[0055] 在本方式中，信号处理部8由半导体集成电路80构成，半导体集成电路80进行作为信号处理部8的处理所需的信号的输入或作为信号处理部8的计算结果的输出。因此，半导体集成电路80具有：从磁传感器10输入模拟信号的端子T11～端子T16；输出A相、B相、Z相信号的端子T21～端子T23；以及用于通过串行通信输出计算结果的端子T31～端子T35。另外，半导体集成电路80具有输入自动校准开始指令的端子T41、输出状态信号STATUS的端子T51以及输出异常信号FAULT的端子T52。再有，半导体集成电路80具有在与非易失性存储器9之间进行通信的端子T61～端子T63。此外，省略图示，但半导体集成电路80具有用于输入时钟信号的端子及用于输入电源重置信号的端子，在半导体集成电路80中内置有时钟信号生成部和电源重置电路等。

[0056] 半导体集成电路80内置有：在从端子T11～T14到端子T21～T22之间处理A相及B相的信号的第一信号路径810；在从端子T15、T16到端子T23之间处理Z相的信号的第二信号路径830；以及内部存储器86。

[0057] 在第一信号路径810上，分别针对A相(SIN)的信号及B相(COS)的信号设置有：放大磁传感器10的输出信号(模拟信号)的放大器811、821；修正从放大器811、821输出的模拟信号的偏移的加法器812、822；从磁传感器10的输出信号(模拟信号)中去除预先设定的高频分量的低通滤波器813、823；以及将已通过低通滤波器813、823的信号转换成数字信号的转换部814、824。

[0058] 另外，在第一信号路径810上，针对从转换部814、824输出的数字信号设置有数字修正部841、计算部842、查找表843、滤波器部844、磁滞修正部845、插补处理部846以及输出产生部847。

[0059] 如图6所示，放大器811、821是可编程增益放大器(PGA)，基于预先设定的修正値again对模拟信号(SIN、COS)进行增益的修正。加法器812、822基于预先设定的修正値aoffs、aoffc对模拟信号(SIN、COS)进行偏移的修正。

[0060] 数字修正部841对从转换部814、824输出的两个数字信号分别进行数字修正。更具体来说，数字修正部841具有：基于修正数据doffs、doffc进行偏移的修正的数字偏移修正部841a、基于修正数据dgains、dgainc进行增益的修正的数字增益修正部841b；以及基于修正数据dphase进行相位的修正的数字相位修正部841c。该数字修正基于存储于内部存储器86的修正数据doffs、doffc、修正数据dgains、dgainsc及修正数据dphase来执行。

[0061] 再次在图3中，计算部842基于数字修正后的数据求出θ＝tan-1(SIN/COS)，计算磁传感器10和磁栅尺2a的相对位置θ。

[0062] 查找表843用于在检测结果中产生失真时的修正。因此，在失真极小的情况下，可以删除查找表843，或规避查找表843。滤波器部844基于反馈控制中的比例增益及积分增益减少噪音和抖动。磁滞修正部845补偿移动方向翻转时的错位。插补处理部846通过插补处理提高分辨率。输出产生部847从端子T21、T22输出对应于A相及B的脉冲。

[0063] 第二信号路径830在端子T15、T16和输出产生部847之间具备：输入经由端子T15、T16输入的信号ZERO+、ZERO－的放大器831；修正从放大器831输出的模拟信号的偏移的加法器832；比较器833；以及延迟电路834，从延迟电路834输出的信号OUTZ经由输出产生部847与A相及B相的各信号同步地从端子T23输出。

[0064] 半导体集成电路80具有串行口87，该串行口87基于经由端子T31～T33输入的信号SPI－xss、SPI－xSS、SPI－SCLK、SPI－SI，输出磁传感器10相对于磁栅尺2a相对移动时的速度的计算结果及相对位置的计算结果。另外，串行口87能够经由端子T35利用1－Wire(Maxim Integrated Products，Inc.的注册商标)进行数据输出。

[0065] 半导体集成电路80具有接口88，该接口88基于经由端子T61～T63输入输出的信号WP、SCL、SDA与非易失性存储器9进行数据的输入输出。在本方式中，非易失性存储器9是EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory：电可擦可编程只读存储器)。非易失性存储器9存储针对偏移的修正数据doffs、doffc、针对增益的修正数据dgains、dgainsc及针对相位的修正数据dphase，存储于非易失性存储器9的修正数据doffs、doffc、修正数据dgains、dgainsc及修正数据dphase经由接口88从非易失性存储器9移到内部存储器86。

[0066] 半导体集成电路80设置有基于经由端子T41输入的信号CALIB进行自动校准的自动校准部85。在本方式中，自动校准部85在信号CALIB处于低电位(GRD)时自动执行校准。在执行该自动校准时，自动校准部85基于来自数字修正部841的输出，计算修正数据doffs、doffc、修正数据dgains、dgainsc及修正数据dphase，经由内部存储器86及接口88输出到非易失性存储器9，并将修正数据存储于非易失性存储器9。

[0067] 此外，半导体集成电路80设置有从端子T51输出表示各部位的状态的信号STATUS的监视部891及在发生异常时从端子T52输出信号FAULT的监视部892。

[0068] (本方式的作用及效果)

[0069] 在本方式的编码器1中，在出厂前进行编码器1的通电，以进行校准作业。在进行该校准作业的时刻，在非易失性存储器9中尚未记录针对偏移的修正数据doffs、doffc、针对增益的修正数据dgains、dgainsc及针对相位的修正数据dphase。另外，在进行校准作业时，将经由端子T41输入的信号CALIB设为低电位(GRD)，使内置有磁传感器10的磁头3相对于成为磁栅尺2a的基准的标准栅尺相对移动。其结果是，自动校准部85基于从数字修正部841输出的信号，获得针对来自磁传感器10的输出信号(数字信号)的偏移的修正数据doffs、doffc、针对增益的修正数据dgains、dgainsc及针对相位的修正数据dphase。另外，自动校准部85经由内部存储器86及接口88将修正数据doffs、doffc、修正数据dgains、dgainsc及修正数据dphase输出到非易失性存储器9，且将修正数据存储于非易失性存储器9。通过以上的动作，在编码器1出厂前结束校准作业。因此，编码器1以针对磁传感器10的模拟输出的偏移的修正数据doffs、doffc、针对增益的修正数据dgains、dgainsc及针对相位的修正数据dphase被存储于非易失性存储器9的状态出厂。因此，将编码器1出厂给客户后，在客户(出厂目的地)处，当最初使编码器1动作时，偏移等的修正数据从非易失性存储器9写入内部存储器86。因此，在客户处，在最初使编码器1动作时，自动执行偏移等的修正。因此，出厂后，在编码器1最初动作时也可以不求出偏移等的修正数据。

[0070] 此外，在本方式的编码器1中，半导体集成电路80内置有自动检测修正数据的自动校准部85，但偏移等的修正数据已经在出厂前存储于非易失性存储器9中。因此，将编码器1出厂给客户后，在客户处，当最初使编码器1动作时，使信号CALIB处于正电位或浮动状态，停止自动校准部的动作。因此，可以利用存储于非易失性存储器9中的修正数据继续执行编码器1中的数字修正。因此，在编码器1中，不易受到通过自动校准部85频繁地执行数字修正时的修正数据的变动的影响。

[0071] 另外，信号处理部8构成为将低通滤波器813、823、转换部814、824、数字修正部841以及计算部842全部内置的半导体集成电路80，该低通滤波器813、823从自磁传感器10输出的模拟信号中去除预先设定的高频分量，该转换部814、824将通过低通滤波器813、823的信号转换成由数字信号构成的输出信号，该数字修正部841基于修正数据对输出信号进行数字修正，该计算部842基于数字修正后的输出信号计算相对位置。因此，能够简化信号处理部8的结构。

[0072] [其他实施方式]

[0073] 在上述实施方式中，对编码器1是线性编码器1a的情况进行了说明，但也可以将本发明应用于编码器1是旋转编码器的情况。