JP2014199184A - 磁気センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサに対するスケールの相対的な移動方向を含む、スケールと磁気センサとの相対的位置関係に関連する物理量を精度よく検出する。
【解決手段】磁気センサシステムは、第１の方向Ｄ１に相対的位置関係が変化し得るスケール１および磁気センサ２と、演算部を備えている。磁気センサ２は、それぞれ位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に配置された検出回路１０，２０，３０を有している。検出回路１０，２０，３０の各々は、スピンバルブ型のＭＲ素子を含んでいる。第１の方向Ｄについて、第１ないし第３の位置のうち互いに最も離れた２つの位置の差は、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化における１ピッチ以内である。演算部は、検出回路１０，２０，３０の各検出信号を用いた演算によって、互いに位相が異なる第１および第２の演算後信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スケールと磁気センサとの相対的位置関係に関連する物理量を検出するための磁気センサシステムに関する。

近年、種々の用途で、ロータリエンコーダやリニアエンコーダ等、動作体の回転動作や直線的動作に関連する物理量を検出するセンサシステムが用いられている。このようなセンサシステムは、一般的に、スケールとセンサとを備え、センサによって、スケールとセンサとの相対的位置関係に関連する信号を生成するようになっている。このようなセンサシステムのうち、センサとして磁気センサを用いたものを、本出願において磁気センサシステムと呼ぶ。このような磁気センサシステムは、例えば特許文献１ないし３に記載されている。

動作体が回転動作をするものである場合に用いられる磁気センサシステムのスケールは、一般的には、動作体に連動する回転体である。この回転体は、例えば、円周方向に交互に配列された複数組のＮ極とＳ極を有する多極着磁磁石や、磁性材料によって構成された複数の歯を有する歯車である。この場合、磁気センサシステムは、前記物理量として、回転体の回転位置や回転速度等を検出する。

動作体が直線的動作をするものである場合に用いられる磁気センサシステムのスケールは、例えば、交互に直線状に配列された複数組のＮ極とＳ極を有するリニアスケールである。この場合、リニアスケールと磁気センサの一方が動作体に連動し、磁気センサシステムは、前記物理量として、磁気センサに対するリニアスケールの相対的な位置や速度を検出する。

磁気センサシステムでは、スケールと磁気センサの相対的位置関係が連続的に変化すると、磁気センサ中のある点における磁界の方向が周期的に変化する。ここで、磁気センサ中のある点における磁界の方向が１周期だけ変化するときのスケールと磁気センサの相対的位置関係の変化量を１ピッチと言う。

特開平４−５５７１号公報 特開２００３−２６９９９５号公報 特開２００６−１１３０１５号公報

ところで、ロータリエンコーダやリニアエンコーダでは、センサが、互いに異なる位置に配置された第１および第２の検出部を有し、この２つの検出部によって、互いに位相が異なる第１の信号と第２の信号を生成するものが知られている。この構成では、第１の信号に対して第２の信号の位相が進んでいるか遅れているかによって、センサに対するスケールの相対的な移動方向を検出することが可能になる。

以下、磁気センサが上記の第１および第２の検出部を有するように磁気センサシステムを構成する場合における問題点について説明する。この場合、第１および第２の検出部の各々は感磁素子を含む。従来の磁気センサシステムは、特許文献２，３に示されるように、感磁素子として異方性磁気抵抗効果素子を用いたものが多かった。異方性磁気抵抗効果素子は、比較的広い配置面積を要する。そのため、感磁素子として異方性磁気抵抗効果素子を用いた場合には、第１の検出部と第２の検出部の間の距離をある程度大きくせざるを得ない。この場合には、以下のような種々の要因により、第１の検出部と第２の検出部の検出特性が異なりやすいという問題点がある。要因の１つとしては、第１の検出部と第２の検出部に対して互いに異なるノイズ磁界が印加されることが挙げられる。他の要因としては、第１の検出部とスケールとの間の物理的距離と第２の検出部とスケールとの間の物理的距離が異なることが挙げられる。更に他の要因としては、スケールに磁性金属粉が付着する等により、第１の検出部とスケールとの間の実効的な距離と、第２の検出部とスケールとの間の実効的な距離が異なることが挙げられる。

また、１ピッチの大きさが小さくなると、異方性磁気抵抗効果素子では、スケールと磁気センサの相対的位置関係の変化に伴う磁界の変化を精度よく検出することが困難になる。

特許文献１には、一対のＮ極とＳ極だけを含み回転する磁石と、磁石の回転軸を中心とする同一円周上に１２０°間隔で配置された第１ないし第３の磁気抵抗素子と、第１の磁気抵抗素子の出力と第３の磁気抵抗素子の出力との差を演算する第１の差動演算増幅器と、第２の磁気抵抗素子の出力と第３の磁気抵抗素子の出力との差を演算する第２の差動演算増幅器とを備えた回転検出装置が記載されている。

この回転検出装置では、第１ないし第３の磁気抵抗素子の位置が大きく異なるため、上述の問題点が当てはまる。また、第１ないし第３の磁気抵抗素子が大きいため、特許文献１に開示された技術は、スケールが、円周方向に交互に配列された複数組のＮ極とＳ極を有する多極着磁磁石である磁気センサシステムに適用することは困難である。

このように、従来は、スケールと磁気センサの相対的位置関係が２ピッチ以上変化可能で、磁気センサに対するスケールの相対的な移動方向を含む、スケールと磁気センサとの相対的位置関係に関連する物理量を精度よく検出することが可能な磁気センサシステムが実現されていなかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スケールと磁気センサの相対的位置関係が２ピッチ以上変化可能で、磁気センサに対するスケールの相対的な移動方向を含む、スケールと磁気センサとの相対的位置関係に関連する物理量を精度よく検出することが可能な磁気センサシステムを提供することにある。

本発明の磁気センサシステムは、第１の方向に相対的位置関係が変化し得るスケールと磁気センサとを備え、スケールと磁気センサとの相対的位置関係に関連する物理量を検出するためのものである。本発明の磁気センサシステムにおいて、磁気センサは、第１の位置に配置された第１の検出回路と、第２の位置に配置された第２の検出回路と、第３の位置に配置された第３の検出回路とを有している。第１の検出回路は、第１の検出回路に印加される第１の磁界に応じて変化する第１の検出信号を出力する。第２の検出回路は、第２の検出回路に印加される第２の磁界に応じて変化する第２の検出信号を出力する。第３の検出回路は、第３の検出回路に印加される第３の磁界に応じて変化する第３の検出信号を出力する。第１ないし第３の検出回路の各々は、磁気抵抗効果素子を含んでいる。磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁界に応じて磁化が変化する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。

第１ないし第３の磁界の方向は、いずれも、スケールと磁気センサの相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化する。第１ないし第３の磁界の方向がそれぞれ１周期だけ変化するときのスケールと磁気センサの相対的位置関係の変化量を１ピッチとしたとき、スケールと磁気センサの相対的位置関係は、２ピッチ以上変化可能である。第１の方向について、第１ないし第３の位置のうち互いに最も離れた２つの位置の差は、１ピッチ以内である。第１ないし第３の検出信号は、スケールと磁気センサの相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化し、且つ互いに位相が異なる。磁気センサシステムは、更に、少なくとも第１の検出信号および第３の検出信号を用いた演算によって第１の演算後信号を生成すると共に、少なくとも第２の検出信号および第３の検出信号を用いた演算によって第２の演算後信号を生成する演算部を備えている。第１の演算後信号と第２の演算後信号は、スケールと磁気センサの相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化し、且つ互いに位相が異なる。

本発明の磁気センサシステムにおいて、第１の方向について、第１ないし第３の位置のうち互いに最も離れた２つの位置の差は、１／２ピッチ以内であってもよい。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、第１の演算後信号は、第１の検出信号と第３の検出信号の差を求めることを含む演算によって生成され、第２の演算後信号は、第２の検出信号と第３の検出信号の差を求めることを含む演算によって生成されてもよい。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、スケールは、所定の中心軸を中心として回転する回転体であってもよい。この場合、回転体が回転することによって、スケールと磁気センサとの相対的位置関係が変化する。第１の方向は、回転体の回転方向である。また、１ピッチは、回転体の回転方向における角度で表される。

上記回転体は、円周方向に交互に配列された複数組のＮ極とＳ極を有していてもよい。この場合、第１ないし第３の磁界は、回転体によって発生され、且つ第１ないし第３の磁界の方向は、上記回転体の回転に伴って変化する。また、１ピッチは、回転体における隣接する２つのＮ極の中心と中心軸とを結ぶ２つの直線がなす角度である。

上記回転体は、磁性材料によって構成された複数の歯を有する歯車であってもよい。また、磁気センサシステムは、更に、磁気センサに対する位置関係が一定である磁石を備えていてもよい。この場合、第１ないし第３の磁界は、磁石によって発生され、且つ第１ないし第３の磁界の方向は、歯車の回転に伴って変化する。また、１ピッチは、隣接する２つの歯の中心と中心軸とを結ぶ２つの直線がなす角度である。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、スケールは、交互に直線状に配列された複数組のＮ極とＳ極を有していてもよい。この場合、第１の方向は、スケールのＮ極とＳ極が並ぶ方向である。第１ないし第３の磁界は、スケールによって発生される。また、１ピッチは、スケールにおける隣接する２つのＮ極の中心間の距離である。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、磁気抵抗効果素子の非磁性層は、トンネルバリア層であってもよい。

本発明の磁気センサシステムでは、第１ないし第３の検出回路の各々は、磁化固定層、自由層および非磁性層を有する磁気抵抗効果素子いわゆるスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を含んでいる。スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子は、異方性磁気抵抗効果素子に比べて、配置面積を非常に小さくすることができる。そのため、本発明によれば、スケールと磁気センサの相対的位置関係が２ピッチ以上変化可能な磁気センサシステムにおいて、第１の方向について、第１ないし第３の位置のうち互いに最も離れた２つの位置の差が１ピッチ以内になるように第１ないし第３の検出回路を配置することが可能である。そして、本発明によれば、第１の演算後信号と第２の演算後信号によって、磁気センサに対するスケールの相対的な移動方向を含む、スケールと磁気センサとの相対的位置関係に関連する物理量を精度よく検出することが可能である。以上のことから、本発明によれば、スケールと磁気センサの相対的位置関係が２ピッチ以上変化可能な磁気センサシステムにおいて、磁気センサに対するスケールの相対的な移動方向を含む、スケールと磁気センサとの相対的位置関係に関連する物理量を精度よく検出することが可能になるという効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態におけるスケールと第１ないし第３の検出回路を示す側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサシステムの回路構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における第１ないし第３の検出回路の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施の形態における第１の検出回路を示す平面図である。 図６における１つのＭＲ素子を示す側面図である。 本発明の第１の実施の形態における第１の検出信号を示す波形図である。 本発明の第１の実施の形態における正転時の第１および第２の演算後信号を示す波形図である。 本発明の第１の実施の形態における正転時の第１および第２の二値化信号を示す波形図である。 本発明の第１の実施の形態における逆転時の第１および第２の演算後信号を示す波形図である。 本発明の第１の実施の形態における逆転時の第１および第２の二値化信号を示す波形図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサシステムの動作を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態におけるスケールと第１ないし第３の検出回路を示す側面図である。 本発明の第３の実施の形態における正転時の第１および第２の演算後信号を示す波形図である。 本発明の第３の実施の形態における正転時の第１および第２の二値化信号を示す波形図である。 本発明の第３の実施の形態における逆転時の第１および第２の演算後信号を示す波形図である。 本発明の第３の実施の形態における逆転時の第１および第２の二値化信号を示す波形図である。 本発明の第４の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１ないし図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。図２は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す平面図である。図３は、本実施の形態におけるスケールと第１ないし第３の検出回路を示す側面図である。

図１ないし図３に示したように、本実施の形態に係る磁気センサシステムは、第１の方向Ｄ１に相対的位置関係が変化し得るスケール１と磁気センサ２とを備え、スケール１と磁気センサ２との相対的位置関係に関連する物理量を検出するためのものである。本実施の形態では、スケール１は、回転動作をする図示しない動作体に連動し、所定の中心軸Ｃを中心として回転する回転体である。この回転体が回転することによって、スケール１と磁気センサ２との相対的位置関係が変化する。第１の方向Ｄ１は、回転体の回転方向である。磁気センサシステムは、上記物理量として、回転体の回転位置や回転速度等を検出する。

図１および図２に示したように、本実施の形態では、回転体は、円周方向に交互に配列された複数組のＮ極とＳ極を有する多極着磁磁石５である。図１および図２に示した例では、磁石５は、１２組のＮ極とＳ極を有している。磁気センサ２は、磁石５の外周面に対向する位置に配置されている。

ここで、図１および図２を参照して、本実施の形態における方向の定義について説明する。まず、図１に示した中心軸Ｃに平行で、図１における下から上に向かう方向をＺ方向と定義する。図２では、Ｚ方向を図２における奥から手前に向かう方向として表している。次に、Ｚ方向に垂直な２方向であって、互いに直交する２つの方向をＸ方向とＹ方向と定義する。図２では、Ｘ方向を右側に向かう方向として表し、Ｙ方向を上側に向かう方向として表している。また、Ｘ方向とは反対の方向を−Ｘ方向と定義し、Ｙ方向とは反対の方向を−Ｙ方向と定義する。

磁気センサ２は、第１の検出回路１０と第２の検出回路２０と第３の検出回路３０とを有している。なお、図１および図２では、理解を容易にするために、図３に比べて第１ないし第３の検出回路１０〜３０を大きく描いている。また、図１ないし図３では、第１ないし第３の検出回路１０〜３０を別体として描いているが、第１ないし第３の検出回路１０〜３０は一体化されていてもよい。

第１の検出回路１０は、第１の位置Ｐ１に配置され、第１の検出回路１０に印加される第１の磁界ＭＦ１を検出し、第１の磁界ＭＦ１に応じて変化する第１の検出信号Ｓ１を出力する。第２の検出回路２０は、第２の位置Ｐ２に配置され、第２の検出回路２０に印加される第２の磁界ＭＦ２を検出し、第２の磁界ＭＦ２に応じて変化する第２の検出信号Ｓ２を出力する。第３の検出回路３０は、第３の位置Ｐ３に配置され、第３の検出回路３０に印加される第３の磁界ＭＦ３を検出し、第３の磁界ＭＦ３に応じて変化する第３の検出信号Ｓ３を出力する。図１ないし図３では、第１の位置Ｐ１を第１の検出回路１０の中心の位置として表し、第２の位置Ｐ２を第２の検出回路２０の中心の位置として表し、第３の位置Ｐ３を第３の検出回路３０の中心の位置として表している。

第１の方向Ｄ１およびＸ方向について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３は、互いに異なっている。図２および図３に示した例では、第３の位置Ｐ３と中心軸Ｃとを結ぶ直線は、Ｙ方向に平行である。Ｙ方向およびＺ方向については、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３は同じである。図２および図３に示した例では、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３は、位置Ｐ１，Ｐ３，Ｐ２の順に、Ｘ方向に並んでいる。しかし、本発明において、位置Ｐ１〜Ｐ３の配置の順番は、この例に限られない。

第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向は、いずれも、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化する。本実施の形態では、第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３は、磁石５によって発生され、且つ第第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向は、回転体である磁石５の回転に伴って変化する。図２において、符号ＭＦ１，ＭＦ２，ＭＦ３を付した白抜きの矢印は、それぞれ、第１ないし第３の磁界ＭＦ１，ＭＦ２，ＭＦ３の磁界の方向を表している。第１の磁界ＭＦ１の方向は、ＸＹ平面内において第１の位置Ｐ１を中心として回転する。第２の磁界ＭＦ２の方向は、ＸＹ平面内において第２の位置Ｐ２を中心として回転する。第３の磁界ＭＦ３の方向は、ＸＹ平面内において第３の位置Ｐ３を中心として回転する。

また、第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向がそれぞれ１周期だけ変化するときのスケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化量を１ピッチと定義する。本実施の形態では、１ピッチは、回転体である磁石５の回転方向における角度で表される。具体的には、１ピッチは、磁石５における隣接する２つのＮ極の中心と中心軸Ｃとを結ぶ２つの直線がなす角度である。図１および図２では、上記２つの直線を破線の直線で表し、上記２つの直線がなす角度を記号αで表している。図１および図２に示した例では、角度αは３０°である。この例では、磁石５が１回転すると、第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向は、それぞれ１２回転すなわち１２周期変化し、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係は、１２ピッチ変化する。このように、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係は、２ピッチ以上変化可能である。

本実施の形態では、第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうち互いに最も離れた２つの位置の差は、１ピッチ以内である。この２つの位置の差は、１／２ピッチ以内であることが好ましい。

本実施の形態では、第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうちの任意の２つの位置の差（以下、位置差とも言う。）は、回転体である磁石５の回転方向における角度であって、任意の２つの位置と中心軸Ｃとを結ぶ２つの直線がなす角度で定義される。図３では、第１の位置Ｐ１と第３の位置Ｐ３の位置差を記号ｄｐ１で示し、第２の位置Ｐ２と第３の位置Ｐ３の位置差を記号ｄｐ２で示している。図３に示した例では、位置差ｄｐ１，ｄｐ２は、いずれも、角度αの１／４、すなわち１／４ピッチである。なお、磁気センサシステムの作製の精度等の観点から、位置差ｄｐ１，ｄｐ２は、１／４ピッチからわずかにずれていてもよい。

図１ないし図３に示した例では、第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうち互いに最も離れた２つの位置は、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２である。この例では、第１の方向Ｄ１について、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の位置差は、角度αの１／２、すなわち１／２ピッチである。

また、第１ないし第３の検出回路１０〜３０の各々は、磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と記す。）を含んでいる。後で詳しく説明するが、本実施の形態では、第１ないし第３の検出回路１０〜３０に含まれる全てのＭＲ素子として、スピンバルブ型のＭＲ素子を用いている。このＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁界に応じて磁化が変化する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。第１ないし第３の検出回路１０〜３０は、そのＭＲ素子を構成する各層の面が、第３の位置Ｐ３と中心軸Ｃとを結ぶ直線に対して垂直になるように配置されている。

磁石５の外周面において隣接する２つのＮ極の中心間の距離を４ｍｍとすると、本実施の形態では、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の位置差が１ピッチ以内となるようにするために、第１の位置Ｐ１と第３の位置Ｐ３の距離である第１の距離を２ｍｍ以下、第２の位置Ｐ２と第３の位置Ｐ３の距離である第２の距離を２ｍｍ以下、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の距離である第３の距離を４ｍｍ以下にする必要がある。本実施の形態では特に、第１および第２の距離をそれぞれ１ｍｍ以下、第３の距離を２ｍｍ以下にする必要がある。スピンバルブ型のＭＲ素子は、異方性磁気抵抗効果素子に比べて、配置面積を非常に小さくすることができる。そのため、本実施の形態によれば、隣接する２つのＮ極の中心間の距離すなわち１ピッチの大きさが実用的な範囲内であれば、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３が上記の条件を満たすように、第１ないし第３の検出回路１０〜３０を配置することが可能である。このように、本実施の形態によれば、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係が２ピッチ以上変化可能な磁気センサシステムにおいて、第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうち互いに最も離れた２つの位置Ｐ１，Ｐ２の位置差が１ピッチ以内となるように第１ないし第３の検出回路１０〜３０を配置することが可能である。

第１ないし第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３は、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化し、且つ互いに位相が異なる。図１および図２に示した例では、第１ないし第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３における１周期すなわち電気角の３６０°は、磁石５の１／１２回転すなわち磁石５の回転角の３０°に相当する。

磁気センサシステムは、更に、少なくとも第１の検出信号Ｓ１および第３の検出信号Ｓ３を用いた演算によって第１の演算後信号を生成すると共に、少なくとも第２の検出信号Ｓ２および第３の検出信号Ｓ３を用いた演算によって第２の演算後信号を生成する演算部４０を備えている。第１の演算後信号と第２の演算後信号は、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化し、且つ互いに位相が異なる。第１の演算後信号を生成する演算は、第１の検出信号Ｓ１と第３の検出信号Ｓ３の差を求めることを含んでいてもよい。第２の演算後信号を生成する演算は、第２の検出信号Ｓ２と第３の検出信号Ｓ３の差を求めることを含んでいてもよい。

次に、図４を参照して、演算部４０の構成について説明する。図４は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの回路構成を示すブロック図である。演算部４０は、２つの演算回路４１，４２と、データ処理回路４３とを有している。演算回路４１，４２は、それぞれ、２つの入力端と出力端とを有している。演算回路４１の２つの入力端は、それぞれ、第１の検出回路１０と第３の検出回路３０に接続されている。演算回路４２は、２つの入力端と出力端とを有している。演算回路４２の２つの入力端は、それぞれ、第２の検出回路２０と第３の検出回路３０に接続されている。演算回路４１は、第１および第３の検出信号Ｓ１，Ｓ３を用いた演算を行うための回路である。演算回路４２は、第２および第３の検出信号Ｓ２，Ｓ３を用いた演算を行うための回路である。

データ処理回路４３は、２つの入力端を有している。データ処理回路４３の２つの入力端は、それぞれ、演算回路４１の出力端と演算回路４２の出力端に接続されている。データ処理回路４３は、演算回路４１，４２の出力信号を用いた演算を行ったり、その演算結果に基づいて、スケール１と磁気センサ２との相対的位置関係の変化量や変化速度、すなわち回転体である磁石５の回転位置や回転速度を算出する処理を行ったりするための回路である。データ処理回路４３は、例えばマイクロコンピュータによって実現することができる。演算回路４１，４２およびデータ処理回路４３における演算と、第１および第２の演算後信号については、後で詳しく説明する。

次に、図５および図６を参照して、第１ないし第３の検出回路１０〜３０の構成について詳しく説明する。図５は、第１ないし第３の検出回路１０〜３０の構成を示す回路図である。図６は、第１の検出回路１０を示す平面図である。第１の検出回路１０は、直列に接続されたＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ１２と、電源ポートＶ１と、グランドポートＧ１と、出力ポートＥ１とを有している。ＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ１２の各々は、直列に接続された複数のＭＲ素子５０を含んでいる。ＭＲ素子列Ｒ１１の一端は、電源ポートＶ１に接続されている。ＭＲ素子列Ｒ１１の他端は、ＭＲ素子列Ｒ１２の一端と出力ポートＥ１に接続されている。ＭＲ素子列Ｒ１２の他端は、グランドポートＧ１に接続されている。出力ポートＥ１は、第１の検出信号Ｓ１を出力する。

第２の検出回路２０の回路構成は、第１の検出回路１０と同様である。すなわち、第２の検出回路２０は、直列に接続されたＭＲ素子列Ｒ２１，Ｒ２２と、電源ポートＶ２と、グランドポートＧ２と、出力ポートＥ２とを有している。ＭＲ素子列Ｒ２１，Ｒ２２の各々は、直列に接続された複数のＭＲ素子５０を含んでいる。ＭＲ素子列Ｒ２１の一端は、電源ポートＶ２に接続されている。ＭＲ素子列Ｒ２１の他端は、ＭＲ素子列Ｒ２２の一端と出力ポートＥ２に接続されている。ＭＲ素子列Ｒ２２の他端は、グランドポートＧ２に接続されている。出力ポートＥ２は、第２の検出信号Ｓ２を出力する。

第３の検出回路３０の回路構成も、第１の検出回路１０と同様である。すなわち、第３の検出回路３０は、直列に接続されたＭＲ素子列Ｒ３１，Ｒ３２と、電源ポートＶ３と、グランドポートＧ３と、出力ポートＥ３とを有している。ＭＲ素子列Ｒ３１，Ｒ３２の各々は、直列に接続された複数のＭＲ素子５０を含んでいる。ＭＲ素子列Ｒ３１の一端は、電源ポートＶ３に接続されている。ＭＲ素子列Ｒ３１の他端は、ＭＲ素子列Ｒ３２の一端と出力ポートＥ３に接続されている。ＭＲ素子列Ｒ３２の他端は、グランドポートＧ３に接続されている。出力ポートＥ３は、第３の検出信号Ｓ３を出力する。

磁気センサ２は、更に、所定の大きさの電源電圧が印加される電源ポートＶａと、グランドに接続されるグランドポートＧａとを有している。電源ポートＶ１，Ｖ２，Ｖ３は、電源ポートＶａに接続されている。グランドポートＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、グランドポートＧａに接続されている。

図５に示したように、ＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２は、Ｘ方向に並ぶように配置されている。なお、ＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２の配置は、図５に示した例に限られない。

本実施の形態では、ＭＲ素子５０は、磁化固定層、自由層および非磁性層を有するスピンバルブ型のＭＲ素子である。ＭＲ素子５０は、ＴＭＲ素子でもよいし、ＧＭＲ素子でもよい。ＭＲ素子５０がＴＭＲ素子である場合には、非磁性層はトンネルバリア層である。ＭＲ素子５０がＧＭＲ素子である場合には、非磁性層は非磁性導電層である。ＭＲ素子５０では、自由層に印加される磁界に応じて、自由層の磁化が変化する。より詳しく説明すると、自由層に印加される磁界の方向および大きさに応じて、自由層の磁化の方向および大きさが変化する。そして、ＭＲ素子５０の抵抗値は、自由層の磁化の方向および大きさによって変化する。例えば、自由層の磁化の大きさが一定の場合には、自由層の磁化の方向が磁化固定層の磁化の方向と同じであるときに、ＭＲ素子の抵抗値は最小値となり、自由層の磁化の方向が磁化固定層の磁化の方向とは反対方向であるときに、ＭＲ素子５０の抵抗値は最大値となる。図５において、塗りつぶした矢印は、ＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２の各々におけるＭＲ素子５０の磁化固定層の磁化の方向を表している。図６において、ＭＲ素子５０内に描かれた矢印は、ＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向を表している。

第１の検出回路１０では、ＭＲ素子列Ｒ１１に含まれる複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向は−Ｘ方向であり、ＭＲ素子列Ｒ１２に含まれる複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向はＸ方向である。この場合、Ｘ方向および−Ｘ方向に平行な方向についての第１の磁界ＭＦ１の成分の強度に応じて、出力ポートＥ１の電位が変化する。従って、第１の検出回路１０は、Ｘ方向および−Ｘ方向に平行な方向についての第１の磁界ＭＦ１の成分の強度を検出して、その強度を表す第１の検出信号Ｓ１を出力する。

第２の検出回路２０では、ＭＲ素子列Ｒ２１に含まれる複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向は−Ｘ方向であり、ＭＲ素子列Ｒ２２に含まれる複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向はＸ方向である。この場合、Ｘ方向および−Ｘ方向に平行な方向についての第２の磁界ＭＦ２の成分の強度に応じて、出力ポートＥ２の電位が変化する。従って、第２の検出回路２０は、Ｘ方向および−Ｘ方向に平行な方向についての第２の磁界ＭＦ２の成分の強度を検出して、その強度を表す第２の検出信号Ｓ２を出力する。

第３の検出回路３０では、ＭＲ素子列Ｒ３１に含まれる複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向は−Ｘ方向であり、ＭＲ素子列Ｒ３２に含まれる複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向はＸ方向である。この場合、Ｘ方向および−Ｘ方向に平行な方向についての第３の磁界ＭＦ３の成分の強度に応じて、出力ポートＥ３の電位が変化する。従って、第３の検出回路３０は、Ｘ方向および−Ｘ方向に平行な方向についての第３の磁界ＭＦ３の成分の強度を検出して、その強度を表す第３の検出信号Ｓ３を出力する。

ＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ３１では、それらに含まれる複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向が同じである。また、ＭＲ素子列Ｒ１２，Ｒ２２，Ｒ３２では、それらに含まれる複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向が同じである。前述のように、第１の位置Ｐ１と第３の位置Ｐ３の位置差ｄｐ１は、角度αの１／４、すなわち第１および第３の検出信号Ｓ１，Ｓ３の電気角の９０°に相当する。そのため、第１の検出信号Ｓ１に対する第３の検出信号Ｓ３の位相差は９０°になる。同様に、第２の位置Ｐ２と第３の位置Ｐ３の位置差ｄｐ２は、角度αの１／４、すなわち第２および第３の検出信号Ｓ２，Ｓ３の電気角の９０°に相当する。そのため、第３の検出信号Ｓ３に対する第２の検出信号Ｓ２の位相差は９０°になる。また、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の位置差は、角度αの１／２、すなわち第１および第２の検出信号Ｓ１，Ｓ２の電気角の１８０°に相当する。そのため、第１の検出信号Ｓ１に対する第２の検出信号Ｓ２の位相差は１８０°になる。

なお、第１ないし第３の検出回路１０〜３０内の複数のＭＲ素子５０における磁化固定層の磁化の方向は、ＭＲ素子５０の作製の精度等の観点から、上述の方向からわずかにずれていてもよい。

ＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２の各々は、更に、複数のＭＲ素子５０を電気的に接続する図示しない複数の下部電極および複数の上部電極を含んでいる。ＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２の各々において、複数の下部電極は、全体としてミアンダ形状となるように、図示しない基板上に、互いに間隔を開けて配列されている。個々の下部電極は一方向に長い形状を有している。下部電極の上面上において、長手方向の両端の近傍に、それぞれＭＲ素子５０が配置されている。複数の上部電極は、複数のＭＲ素子５０の上に配置されている。個々の上部電極は一方向に長い形状を有し、下部電極の長手方向に隣接する２つの下部電極上に配置されて隣接する２つのＭＲ素子５０を電気的に接続する。このような構成により、ＭＲ素子列Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２の各々において、複数のＭＲ素子５０は、複数の下部電極と複数の上部電極とによって直列に接続されている。

次に、図７を参照して、ＭＲ素子５０の構成の一例について説明する。図７は、図６における１つのＭＲ素子５０を示している。図７に示したＭＲ素子５０は、下部電極側から順に積層された下地層５１、反強磁性層５２、磁化固定層５３、非磁性層５４、自由層５５および保護層５６を有している。下地層５１と保護層５６は、導電性を有している。下地層５１は、図示しない基板の結晶軸の影響を排除し、下地層５１の上に形成される各層の結晶性や配向性を向上させるために用いられる。下地層５１の材料としては、例えばＴａやＲｕが用いられる。反強磁性層５２は、磁化固定層５３との交換結合により、磁化固定層５３における磁化の方向を固定する層である。反強磁性層５２は、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性材料によって形成されている。

磁化固定層５３では、反強磁性層５２との界面における交換結合により、磁化の方向が固定されている。図７に示した例では、磁化固定層５３は、反強磁性層５２の上に順に積層されたアウター層５３１、非磁性中間層５３２およびインナー層５３３を有し、いわゆるシンセティック固定層になっている。アウター層５３１とインナー層５３３は、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅ等の軟磁性材料によって形成されている。アウター層５３１は、反強磁性層５２との交換結合により、磁化の方向が固定されている。アウター層５３１とインナー層５３３は、反強磁性的に結合し、磁化の方向が互いに逆方向に固定されている。非磁性中間層５３２は、アウター層５３１とインナー層５３３の間に反強磁性交換結合を生じさせ、アウター層５３１の磁化の方向とインナー層５３３の磁化の方向を互いに逆方向に固定する。非磁性中間層５３２は、例えばＲｕ等の非磁性材料によって形成されている。磁化固定層５３がアウター層５３１、非磁性中間層５３２およびインナー層５３３を有する場合には、磁化固定層５３の磁化の方向とは、インナー層５３３の磁化の方向を指す。

ＭＲ素子５０がＴＭＲ素子である場合には、非磁性層５４はトンネルバリア層である。トンネルバリア層は、例えば、マグネシウム層の一部または全体を酸化させて形成したものであってもよい。ＭＲ素子５０がＧＭＲ素子である場合には、非磁性層５４は非磁性導電層である。自由層５５は、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ等の軟磁性材料によって形成されている。保護層５６は、その下の各層を保護するための層である。保護層５６の材料としては、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｔｉ等が用いられる。

下地層５１は下部電極に接続され、保護層５６は上部電極に接続されている。ＭＲ素子５０には、これら下部電極および上部電極によって、電流が供給されるようになっている。この電流は、ＭＲ素子５０を構成する各層の面と交差する方向、例えばＭＲ素子５０を構成する各層の面に対して垂直な方向に流れる。

次に、図８を参照して、第１ないし第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３について説明する。図８は、第１の検出信号Ｓ１を示す波形図である。図８において、横軸は第１の検出信号Ｓ１の電気角を示し、縦軸は第１の検出信号Ｓ１の電位を示している。なお、図８では、第１の検出信号Ｓ１の最大値が１になり、最小値が−１になるように規格化している。図８に示したように、第１の検出信号Ｓ１は周期的に変化する。図８に示した例では、第１の検出信号Ｓ１の波形は、正弦曲線から歪んだ波形になっている。

図示しないが、第２および第３の検出信号Ｓ２，Ｓ３の波形は、図８に示した第１の検出信号Ｓ１のような波形になっている。前述のように、第１の検出信号Ｓ１に対する第３の検出信号Ｓ３の位相差は９０°であり、第３の検出信号Ｓ３に対する第２の検出信号Ｓ２の位相差は９０°である。

ここで、回転体である磁石５が、図２における反時計回り方向に回転することを正転と呼び、図２における時計回りに回転することを逆転と呼ぶ。正転時には、第３の検出信号Ｓ３の位相は、第１の検出信号Ｓ１の位相に対して９０°だけ遅れ、第２の検出信号Ｓ２の位相に対して９０°だけ進む。逆転時には、第３の検出信号Ｓ３の位相は、第１の検出信号Ｓ１の位相に対して９０°だけ進み、第２の検出信号Ｓ２の位相に対して９０°だけ遅れる。

次に、演算回路４１，４２およびデータ処理回路４３における演算と、第１および第２の演算後信号について説明する。演算回路４１は、例えば、第１の検出信号Ｓ１と第３の検出信号Ｓ３の差（Ｓ１−Ｓ３）を規格化した値を、第１の演算後信号Ｓａとして生成する。また、演算回路４２は、例えば、第２の検出信号Ｓ２と第３の検出信号Ｓ３の差（Ｓ２−Ｓ３）を規格化した値を、第２の演算後信号Ｓｂとして生成する。

図９は、正転時の第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを示す波形図である。図９において、横軸は第１ないし第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３の電気角に対応する任意の電気角を示し、縦軸は第１および第２の演算後信号の電位を示している。図９の横軸に示した電気角は、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化に対応する。図９に示した例では、第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂのそれぞれの最大値が１になり、最小値が−１になるように規格化している。

本実施の形態では、第１の演算後信号Ｓａを生成するための演算と第２の演算後信号Ｓｂを生成するための演算の両方において、第３の検出信号Ｓ３が用いられる。なお、第３の検出信号Ｓ３の代わりに、第１または第２の検出信号Ｓ１，Ｓ２を、第１の演算後信号Ｓａを生成するための演算と第２の演算後信号Ｓｂを生成するための演算の両方に用いてもよい。

図９に示したように、第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂは、図９の横軸に示した電気角に応じて、すなわちスケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化に応じて、周期的に変化し、且つ互いに位相が異なる。正転時には、第２の演算後信号Ｓｂの位相は、第１の演算後信号Ｓａの位相に対して９０°だけ遅れる。

データ処理回路４３は、演算回路４１，４２の出力信号である第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを二値化する。以下、第１の演算後信号Ｓａを二値化して得られた信号を第１の二値化信号ＤＳａと言い、第２の演算後信号Ｓｂを二値化して得られた信号を第２の二値化信号ＤＳｂと言う。

図１０は、図９に示した正転時の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを二値化して得られた二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂを示す波形図である。図１０において、横軸は時間を示し、縦軸は二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂの値を示している。図９および図１０に示した例では、演算後信号Ｓａ，Ｓｂの電位が０以上のときに二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂの値は１となり、演算後信号Ｓａ，Ｓｂの電位が０よりも小さいときに二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂの値は０となっている。なお、図１０では、理解を容易にするために、二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂの波形を図１０における上下方向に互いにずらして描いている。これ以降の説明で使用する図１０と同様の図においても、図１０と同様の表し方を用いる。正転時には、第２の二値化信号ＤＳｂの位相は、第１の二値化信号ＤＳａの位相に対して９０°だけ遅れる。データ処理回路４３は、二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂを用いて、磁石５の回転方向を検出したり、磁石５の回転位置や回転速度を算出する処理を行ったりする。

次に、図９ないし図１２を参照して、第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂならびに第１および第２の二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂを用いて、磁石５の回転方向を検出する方法について説明する。図１１は、逆転時の第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを示す波形図である。図１２は、逆転時の第１および第２の二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂを示す波形図である。図１１には、図９と同様の横軸および縦軸を示している。図１２には、図１０と同様の横軸および縦軸を示している。図１１に示したように、逆転時には、第２の演算後信号Ｓｂの位相は、第１の演算後信号Ｓａの位相に対して９０°だけ進み、第２の二値化信号ＤＳｂの位相は、第１の二値化信号ＤＳａの位相に対して９０°だけ進む。

データ処理回路４３は、第１の二値化信号ＤＳａに対して第２の二値化信号ＤＳｂの位相が進んでいるか遅れているかによって、磁気センサ２に対するスケール１の相対的な移動方向すなわち磁石５の回転方向を検出する。すなわち、図１０に示したように、磁石５が正転することによって、第１の二値化信号ＤＳａに対して第２の二値化信号ＤＳｂの位相が遅れていると、第１の二値化信号ＤＳａの値が０から１に立ち上がる時の第２の二値化信号ＤＳｂの値は０になる。一方、図１２に示したように、磁石５が逆転することによって、第１の二値化信号ＤＳａに対して第２の二値化信号ＤＳｂの位相が進んでいると、第１の二値化信号ＤＳａの値が０から１に立ち上がる時の第２の二値化信号ＤＳｂの値は１になる。この違いによって、データ処理回路４３は、磁石５が正転しているか逆転しているかを検出することができる。

磁石５の回転位置や回転速度は、例えば、磁石５の回転方向を検出しながら、第１または第２の二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂの値が１になる回数をカウントすることによって算出することができる。

次に、本実施の形態に係る磁気センサシステムの効果について説明する。本実施の形態では、第１ないし第３の検出回路１０〜３０の各々は、異方性磁気抵抗効果素子に比べて配置面積を非常に小さくすることができるスピンバルブ型のＭＲ素子５０を含んでいる。そのため、本実施の形態によれば、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係が２ピッチ以上変化可能な磁気センサシステムにおいて、第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうち互いに最も離れた２つの位置Ｐ１，Ｐ２の位置差が１ピッチ以内となるように第１ないし第３の検出回路１０〜３０を配置することが可能である。このように狭い範囲内に第１ないし第３の検出回路１０〜３０を配置することにより、第１ないし第３の検出回路１０〜３０に対して互いに異なるノイズ磁界が印加されることを防止したり、第１ないし第３の検出回路１０〜３０の各々とスケール１との間の物理的距離が大きく異なったりすることを防止することができる。また、スケール１に磁性金属粉が付着する等により、第１ないし第３の検出回路１０〜３０の各々とスケール１との間の実効的な距離が大きく異なることを防止したりすることもできる。このようにして、本実施の形態によれば、第１ないし第３の検出回路１０〜３０の検出特性が異なることを防止することができる。

また、本実施の形態では、少なくとも第１の検出信号Ｓ１および第３の検出信号Ｓ３を用いた演算によって第１の演算後信号Ｓａを生成すると共に、少なくとも第２の検出信号Ｓ２および第３の検出信号Ｓ３を用いた演算によって第２の演算後信号Ｓｂを生成する。このように、本実施の形態では、第１の演算後信号Ｓａを生成するための演算と第２の演算後信号Ｓｂを生成するための演算の両方において、第３の検出信号Ｓ３が用いられる。本実施の形態では、狭い範囲内に第１ないし第３の検出回路１０〜３０が配置されていることから、スケール１と磁気センサ２との距離が変動したり、磁気センサ２にノイズ磁界が印加されたりして、第１ないし第３の検出信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に、望まれない変動成分が重畳した場合、第１ないし第３の検出信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３における変動成分はほぼ同じ位相になる。そのため、上述のようにして第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを生成することにより、望まれない変動成分が抑制された第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを得ることが可能になる。従って、本実施の形態によれば、第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂによって、磁気センサ２に対するスケール１の相対的な移動方向を含む、スケール１と磁気センサ２との相対的位置関係に関連する物理量を精度よく検出することが可能になる。本実施の形態では、特に、第１の検出信号Ｓ１と第３の検出信号Ｓ３の差を求めることを含む演算によって第１の演算後信号Ｓａを生成し、第２の検出信号Ｓ２と第３の検出信号Ｓ３の差を求めることを含む演算によって第２の演算後信号Ｓｂを生成している。これにより、本実施の形態によれば、望まれない変動成分を全くあるいはほとんど含まない第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを生成することが可能になる。

以上のことから、本実施の形態によれば、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係が２ピッチ以上変化可能な磁気センサシステムにおいて、磁気センサ２に対するスケール１の相対的な移動方向を含む、スケール１と磁気センサ２との相対的位置関係に関連する物理量を精度よく検出することが可能になる。

［第２の実施の形態］
次に、図１３および図１４を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１３は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。図１４は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの動作を示す説明図である。

本実施の形態に係る磁気センサシステムの構成は、以下の点で第１の実施の形態と異なっている。本実施の形態に係る磁気センサシステムでは、スケール１は、第１の実施の形態と同様に所定の中心軸Ｃを中心として回転する回転体であるが、本実施の形態における回転体は、磁性材料によって構成された複数の歯６ａを有する歯車６である。磁気センサ２は、歯車６の外周面に対向する位置に配置されている。

本実施の形態に係る磁気センサシステムは、磁気センサ２に対する位置関係が一定である磁石７を備えている。図１３および図１４に示した例では、磁石７は、歯車６との間で磁気センサ２を挟む位置に配置されている。また、磁石７のＮ極が、歯車６に向いている。図１４において、符号ＭＦ７を付した矢印は、磁石７より発生される磁束を表している。

磁気センサ２の第１の検出回路１０は、第１の位置Ｐ１に配置され、第１の検出回路１０に印加される第１の磁界ＭＦ１を検出する。磁気センサ２の第２の検出回路２０は、第２の位置Ｐ２に配置され、第２の検出回路２０に印加される第２の磁界ＭＦ２を検出する。磁気センサ２の第３の検出回路３０は、第３の位置Ｐ３に配置され、第３の検出回路３０に印加される第３の磁界ＭＦ３を検出する。

本実施の形態では、第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３は、磁石７によって発生され、且つ第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向は、歯車６の回転に伴って変化する。図１４において、符号ＭＦ１，ＭＦ２，ＭＦ３を付した白抜きの矢印は、それぞれ、第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の磁界の方向を表している。第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向は、第１ないし第３の検出回路１０〜３０を通過する際の磁束ＭＦ７の方向に対応している。

第１の実施の形態で説明したように、１ピッチとは、第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向がそれぞれ１周期だけ変化するときのスケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化量である。本実施の形態では、１ピッチは、回転体である歯車６の回転方向における角度で表される。具体的には、１ピッチは、歯車６における隣接する２つの歯６ａの中心と中心軸Ｃとを結ぶ２つの直線がなす角度である。図１３では、上記２つの直線を破線の直線で表し、上記２つの直線がなす角度を記号βで表している。図１３に示した例では、角度βは１５°である。この例では、歯車６が１回転すると、第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向は、それぞれ２４周期変化し、スケール１と磁気センサ２の相対的位置関係は、２４ピッチ変化する。また、第１ないし第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３における１周期すなわち電気角の３６０°は、歯車６の１／２４回転すなわち歯車６の回転角の１５°に相当する。

図１３に示したように、第１の位置Ｐ１と第３の位置Ｐ３の位置差ｄｐ１と、第２の位置Ｐ２と第３の位置Ｐ３の位置差ｄｐ２は、いずれも、角度βの１／４、すなわち１／４ピッチである。第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうち互いに最も離れた２つの位置は、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２である。第１の方向Ｄ１について、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の位置差は、角度βの１／２、すなわち１／２ピッチである。

図１４における（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、スケール１と磁気センサ２の４つ相対的位置関係を示している。（ａ）は、歯車６の任意の１つの歯６ａの中心が磁石７に最も近い位置にある状態を示している。（ｂ）は、（ａ）に示した状態から歯車６が反時計回り方向に３°だけ回転した状態を示している。（ｃ）は、（ｂ）に示した状態から歯車６が反時計回り方向に４．５°だけ回転した状態を示しており、特に、（ａ）に示した状態から歯車６が反時計回り方向に１／２ピッチ（７．５°）だけ回転した状態を示している。（ｄ）は、（ｃ）に示した状態から歯車６が反時計回り方向に４．５°だけ回転した状態を示している。

第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向は、歯車６の回転に伴って以下のように変化する。ここでは、歯車６における隣接する２つの歯６ａ１，６ａ２に着目する。図１４において、（ａ）、（ｂ）に示した状態では、歯６ａ１と磁石７との距離は、歯６ａ２と磁石７との距離よりも小さく、（ｃ）に示した状態では、歯６ａ１と磁石７との距離と歯６ａ２と磁石７との距離は等しく、（ｄ）に示した状態では、歯６ａ２と磁石７との距離は、歯６ａ１と磁石７との距離よりも小さい。

始めに、第１の磁界ＭＦ１の方向について説明する。まず、（ａ）に示した状態では、第１の磁界ＭＦ１の方向は、第１の位置Ｐ１から歯６ａ１に向く方向、すなわち図１４における左下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｂ）に示した状態になると、第１の磁界ＭＦ１の方向は、第１の位置Ｐ１から歯６ａ１と歯６ａ２との間に向く方向、すなわち図１４におけるほぼ下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｃ）に示した状態になると、第１の磁界ＭＦ１の方向は、第１の位置Ｐ１から歯６ａ２に向く方向、すなわち図１４における右下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｄ）に示した状態になると、第１の磁界ＭＦ１の方向は、第１の位置Ｐ１から歯６ａ２に向く方向、すなわち図１４におけるほぼ下方向に向く。

次に、第２の磁界ＭＦ２の方向について説明する。まず、（ａ）に示した状態では、第２の磁界ＭＦ２の方向は、第２の位置Ｐ２から歯６ａ１に向く方向、すなわち図１４における右下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｂ）に示した状態になると、第２の磁界ＭＦ２の方向は、第２の位置Ｐ２から歯６ａ１に向く方向、すなわち図１４におけるほぼ下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｃ）に示した状態になると、第２の磁界ＭＦ２の方向は、第２の位置Ｐ２から歯６ａ１に向く方向、すなわち図１４における左下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｄ）に示した状態になると、第２の磁界ＭＦ２の方向は、第２の位置Ｐ２から歯６ａ１と歯６ａ２との間に向く方向、すなわち図１４におけるほぼ下方向に向く。

次に、第３の磁界ＭＦ３の方向について説明する。まず、（ａ）に示した状態では、第３の磁界ＭＦ３の方向は、第３の位置Ｐ３から歯６ａ１に向く方向、すなわち図１４における下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｂ）に示した状態になると、第３の磁界ＭＦ３の方向は、第３の位置Ｐ３から歯６ａ１に向く方向、すなわち図１４における左下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｃ）に示した状態になると、第３の磁界ＭＦ３の方向は、第３の位置Ｐ３から歯６ａ１と歯６ａ２との間に向く方向、すなわち図１４における下方向に向く。次に、歯車６が回転して、（ｄ）に示した状態になると、第３の磁界ＭＦ３の方向は、第３の位置Ｐ３から歯６ａ２に向く方向、すなわち図１４における右下方向に向く。

このように、第１ないし第３の磁界ＭＦ１〜ＭＦ３の方向は、歯車６の回転に伴って変化する。図１４に示した例では、第１の磁界ＭＦ１の方向は、左下方向、下方向、右下方向、下方向の順に、周期的に変化する。また、第２の磁界ＭＦ２の方向は、右下方向、下方向、左下方向、下方向の順に、周期的に変化する。また、第３の磁界ＭＦ３の方向は、下方向、左下方向、下方向、右下方向の順に、周期的に変化する。

第１の検出回路１０は、例えば、第１の磁界ＭＦ１の、図１４における左右方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第１の検出信号を出力する。第２の検出回路２０は、例えば、第２の磁界ＭＦ２の、図１４における左右方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第２の検出信号を出力する。第３の検出回路３０は、例えば、第３の磁界ＭＦ３の、図１４における左右方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第３の検出信号を出力する。第１の検出信号に対する第３の検出信号の位相差は９０°である。第３の検出信号に対する第２の検出信号の位相差は９０°である。第１の検出信号に対する第２の検出信号の位相差は１８０°である。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。始めに、図１５ないし図１７を参照して、本実施の形態に係る磁気センサシステムの構成について説明する。図１５は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。図１６は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す平面図である。図１７は、本実施の形態におけるスケールと第１ないし第３の検出回路を示す側面図である。

本実施の形態に係る磁気センサシステムの構成は、以下の点で第１の実施の形態と異なっている。図１５ないし図１７に示したように、本実施の形態では、第１の位置Ｐ１と第３の位置Ｐ３の位置差ｄｐ１、第２の位置Ｐ２と第３の位置Ｐ３の位置差ｄｐ２、および第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の位置差が、第１の実施の形態と異なっている。本実施の形態では、位置差ｄｐ１，ｄｐ２は、いずれも、角度αの１／８、すなわち１／８ピッチである。第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうち互いに最も離れた２つの位置は、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２である。第１の方向Ｄ１について、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の位置差は、角度αの１／４、すなわち１／４ピッチである。

第１の検出信号Ｓ１に対する第３の検出信号Ｓ３の位相差は４５°である。第３の検出信号Ｓ３に対する第２の検出信号Ｓ２の位相差は４５°である。第１の検出信号Ｓ１に対する第２の検出信号Ｓ２の位相差は９０°である。

次に、図１８ないし図２１を参照して、本実施の形態における第１および第２の演算後信号について説明する。図１８は、正転時の第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを示す波形図である。図１９は、正転時の第１および第２の二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂを示す波形図である。図２０は、逆転時の第１および第２の演算後信号Ｓａ，Ｓｂを示す波形図である。図２１は、逆転時の第１および第２の二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂを示す波形図である。図１８ないし図２１における横軸と縦軸は、図９ないし図１２におけるそれらと同じである。演算後信号Ｓａ，Ｓｂおよび二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂの生成方法は、第１の実施の形態と同じである。

図１８および図１９に示したように、正転時には、第２の演算後信号Ｓｂの位相は、第１の演算後信号Ｓａの位相に対して４５°だけ遅れ、第２の二値化信号ＤＳｂの位相は、第１の二値化信号ＤＳａの位相に対して４５°だけ遅れる。また、図２０および図２１に示したように、逆転時には、第２の演算後信号Ｓｂの位相は第１の演算後信号Ｓａの位相に対して４５°だけ進み、第２の二値化信号ＤＳｂの位相は、第１の二値化信号ＤＳａの位相に対して４５°だけ進む。本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、第１および第２の二値化信号ＤＳａ，ＤＳｂを用いて、磁石５の回転方向を検出したり、磁石５の回転位置や回転速度を算出したりすることが可能である。

本実施の形態では、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３は、第１の実施の形態よりも狭い範囲内に存在する。従って、本実施の形態によれば、第１の実施の形態で説明した効果が、より顕著に発揮される。

なお、本実施の形態における回転体は、第２の実施の形態で説明した歯車６であってもよい。本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１または第２の実施の形態と同様である。

［第４の実施の形態］
次に、図２２を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。図２２は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る磁気センサシステムは、以下の点で第１の実施の形態と異なっている。本実施の形態に係る磁気センサシステムでは、スケール１は、交互に直線状に配列された複数組のＮ極とＳ極を有するリニアスケール８である。図２２に示した例では、リニアスケール８は、Ｎ極とＳ極とが並ぶ方向に平行な側面８ａを有している。磁気センサ２は、リニアスケール８の側面８ａに対向する位置に配置されている。

リニアスケール８と磁気センサ２の一方は、図示しない動作体に連動して、直線的に移動する。これにより、スケール１と磁気センサ２との相対的位置関係が変化する。磁気センサシステムは、スケール１と磁気センサ２との相対的位置関係に関連する物理量として、磁気センサ２に対するリニアスケール８の相対的な位置や速度を検出する。スケール１と磁気センサ２との相対的位置関係が変化する方向である第１の方向Ｄ１は、リニアスケール８のＮ極とＳ極が並ぶ方向である。

磁気センサ２の第１の検出回路１０は、第１の位置Ｐ１に配置され、第１の検出回路１０に印加される第１の磁界を検出する。磁気センサ２の第２の検出回路２０は、第２の位置Ｐ２に配置され、第２の検出回路２０に印加される第２の磁界を検出する。磁気センサ２の第３の検出回路３０は、第３の位置Ｐ３に配置され、第３の検出回路３０に印加される第３の磁界を検出する。第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３は、互いに異なっている。図２２に示した例では、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３は、図２２における左側から、位置Ｐ１，Ｐ３，Ｐ２の順に並んでいる。しかし、本発明において、位置Ｐ１〜Ｐ３の配置の順番は、この例に限られない。側面８ａに直交する方向と、図２２における上下方向については、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３は同じである。

本実施の形態では、第１ないし第３の磁界は、リニアスケール８によって発生され、且つ第１ないし第３の磁界の方向は、リニアスケール８と磁気センサ２の相対的位置関係の変化に伴って変化する。図示しないが、第１の磁界の方向は、側面８ａに垂直で第１の方向Ｄ１に平行な平面内において第１の位置Ｐ１を中心として回転する。また、第２の磁界の方向は、側面８ａに垂直で第１の方向Ｄ１に平行な平面内において第２の位置Ｐ２を中心として回転する。また、第３の磁界の方向は、側面８ａに垂直で第１の方向Ｄ１に平行な平面内において第３の位置Ｐ３を中心として回転する。

第１の実施の形態で説明したように、１ピッチとは、第１ないし第３の磁界の方向がそれぞれ１周期だけ変化するときのスケール１と磁気センサ２の相対的位置関係の変化量である。本実施の形態では、１ピッチは、リニアスケール８おける隣接する２つのＮ極の中心間の距離Ｌである。

本実施の形態では、第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうちの任意の２つの位置の位置差は、任意の２つの位置の間の距離で定義される。第１の位置Ｐ１と第３の位置Ｐ３の位置差ｄｐ１と、第２の位置Ｐ２と第３の位置Ｐ３の位置差ｄｐ２は、いずれも、距離Ｌの１／４、すなわち１／４ピッチである。第１の方向Ｄ１について、第１ないし第３の位置Ｐ１〜Ｐ３のうち互いに最も離れた２つの位置は、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２である。第１の方向Ｄ１について、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の位置差は、距離Ｌの１／２、すなわち１／２ピッチである。

第１ないし第３の検出回路１０〜３０の各々は、第１の実施の形態で説明したＭＲ素子５０（図７参照）を含んでいる。第１ないし第３の検出回路１０〜３０は、そのＭＲ素子５０を構成する各層の面が、リニアスケール８の側面８ａに対して平行になるように配置されている。

本実施の形態における第１ないし第３の検出回路１０〜３０の構成は、第１の実施の形態における図５に示した例と同じであってもよい。この場合、図５に示したＸ方向と、本実施の形態における第１の方向Ｄ１とが平行になり、図５に示したＹ方向と、リニアスケール８の側面８ａに直交する方向とが平行になるように、第１ないし第３の検出回路１０〜３０を配置してもよい。

なお、第３の実施の形態と同様に、位置差ｄｐ１，ｄｐ２は、いずれも、距離Ｌの１／８、すなわち１／８ピッチであってもよい。この場合、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の位置差は、距離Ｌの１／４、すなわち１／４ピッチである。本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１または第３の実施の形態と同様である。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、第１の演算後信号Ｓａを生成するための演算と第２の演算後信号Ｓｂを生成するための演算の内容は、各実施の形態に示した例に限られず、請求の範囲の要件を満たすものであればよい。第１の演算後信号Ｓａと第２の演算後信号Ｓｂの少なくとも一方は、第１ないし第３の検出信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を用いた演算によって生成してもよい。例えば、Ｓ１−（Ｓ２＋Ｓ３）／√２を含む演算によって第１の演算後信号Ｓａを生成し、Ｓ２−（Ｓ１＋Ｓ３）／√２を含む演算によって第２の演算後信号Ｓｂを生成してもよい。

１…スケール、２…磁気センサ、５，７…磁石、６…歯車、８…リニアスケール、１０…第１の検出回路、２０…第２の検出回路、３０…第３の検出回路、４０…演算部、４１，４２…演算回路、４３…データ処理回路、５０…ＭＲ素子、５３…磁化固定層、５４…非磁性層、５５…自由層。

Claims (8)

1. 第１の方向に相対的位置関係が変化し得るスケールと磁気センサとを備え、前記スケールと前記磁気センサとの相対的位置関係に関連する物理量を検出するための磁気センサシステムであって、
   前記磁気センサは、第１の位置に配置された第１の検出回路と、第２の位置に配置された第２の検出回路と、第３の位置に配置された第３の検出回路とを有し、
   前記第１の検出回路は、第１の検出回路に印加される第１の磁界に応じて変化する第１の検出信号を出力し、
   前記第２の検出回路は、第２の検出回路に印加される第２の磁界に応じて変化する第２の検出信号を出力し、
   前記第３の検出回路は、第３の検出回路に印加される第３の磁界に応じて変化する第３の検出信号を出力し、
   前記第１ないし第３の検出回路の各々は、磁気抵抗効果素子を含み、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁界に応じて磁化が変化する自由層と、前記磁化固定層と前記自由層の間に配置された非磁性層とを有し、
   前記第１ないし第３の磁界の方向は、いずれも、前記スケールと前記磁気センサの相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化し、
   前記第１ないし第３の磁界の方向がそれぞれ１周期だけ変化するときの前記スケールと前記磁気センサの相対的位置関係の変化量を１ピッチとしたとき、前記スケールと前記磁気センサの相対的位置関係は、２ピッチ以上変化可能であり、
   前記第１の方向について、前記第１ないし第３の位置のうち互いに最も離れた２つの位置の差は、１ピッチ以内であり、
   前記第１ないし第３の検出信号は、前記スケールと前記磁気センサの相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化し、且つ互いに位相が異なり、
   前記磁気センサシステムは、更に、少なくとも前記第１の検出信号および前記第３の検出信号を用いた演算によって第１の演算後信号を生成すると共に、少なくとも前記第２の検出信号および前記第３の検出信号を用いた演算によって第２の演算後信号を生成する演算部を備え、
   前記第１の演算後信号と前記第２の演算後信号は、前記スケールと前記磁気センサの相対的位置関係の変化に応じて周期的に変化し、且つ互いに位相が異なることを特徴とする磁気センサシステム。
2. 前記第１の方向について、前記第１ないし第３の位置のうち互いに最も離れた２つの位置の差は、１／２ピッチ以内であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサシステム。
3. 前記第１の演算後信号は、前記第１の検出信号と前記第３の検出信号の差を求めることを含む演算によって生成され、前記第２の演算後信号は、前記第２の検出信号と前記第３の検出信号の差を求めることを含む演算によって生成されることを特徴とする請求項１記載の磁気センサシステム。
4. 前記スケールは、所定の中心軸を中心として回転する回転体であり、
   前記回転体が回転することによって、前記スケールと前記磁気センサとの相対的位置関係が変化し、
   前記第１の方向は、前記回転体の回転方向であり、
   前記１ピッチは、前記回転体の回転方向における角度で表されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサシステム。
5. 前記回転体は、円周方向に交互に配列された複数組のＮ極とＳ極を有し、
   前記第１ないし第３の磁界は、前記回転体によって発生され、且つ前記第１ないし第３の磁界の方向は、前記回転体の回転に伴って変化し、
   前記１ピッチは、前記回転体における隣接する２つのＮ極の中心と前記中心軸とを結ぶ２つの直線がなす角度であることを特徴とする請求項４記載の磁気センサシステム。
6. 前記回転体は、磁性材料によって構成された複数の歯を有する歯車であり、
   前記磁気センサシステムは、更に、前記磁気センサに対する位置関係が一定である磁石を備え、
   前記第１ないし第３の磁界は、前記磁石によって発生され、且つ前記第１ないし第３の磁界の方向は、前記歯車の回転に伴って変化し、
   前記１ピッチは、隣接する２つの歯の中心と前記中心軸とを結ぶ２つの直線がなす角度であることを特徴とする請求項４記載の磁気センサシステム。
7. 前記スケールは、交互に直線状に配列された複数組のＮ極とＳ極を有し、
   前記第１の方向は、前記スケールのＮ極とＳ極が並ぶ方向であり、
   前記第１ないし第３の磁界は、前記スケールによって発生され、
   前記１ピッチは、前記スケールにおける隣接する２つのＮ極の中心間の距離であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサシステム。
8. 前記非磁性層は、トンネルバリア層であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気センサシステム。

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