JP2001091612A - 磁界強度センサとセンサが組込まれた非接触磁気式計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い温度範囲に亘り温度補償可能な（すなわ
ち温度誤差が解消された）磁界強度センサと非接触磁気
式計測装置を提供すること。 【解決手段】 この磁界強度センサ10は、外部磁界Ｈex
に対応した電気信号を出力する磁界検出素子11と、磁界
検出素子の近傍に設けられ検出しようとする外部磁界と
同等の強さの磁界を発生できる磁界発生用コイル12と、
入力側に磁界検出素子が接続され出力側に磁界発生用コ
イルが接続されると共に磁界検出素子からの電気信号を
増幅して磁界発生用コイルに対し外部磁界と逆向きの磁
界が発生する方向に電流を流すアンプ13とでその主要部
が構成されることを特徴とする。また非接触磁気式計測
装置は、上記磁界強度センサが組込まれていることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホール素子、磁気
抵抗素子等の磁界検出素子を用いた磁界強度センサとこ
の磁界強度センサが組込まれた非接触磁気式ポテンショ
メータ、エンコーダ等の非接触磁気式計測装置に係り、
特に、広い温度範囲に亘り温度補償可能な（すなわち、
温度誤差が解消された）磁界強度センサと非接触磁気式
計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁界強度を検出する簡便で安価な方法と
して、従来、ホール素子や磁気抵抗素子を用いる方法が
広く利用されている。この方法は、上記ホール素子が磁
界の強さに応じて電圧を発生させる機能、および、磁気
抵抗素子が磁界の強さに応じてその電気抵抗を変化させ
る機能を用いたものである。

【０００３】また、ホール素子や磁気抵抗素子のこれ等
機能を利用し、永久磁石と組合わせることで、回転角、
距離等の変化量、あるいは、回転速度、移動速度等の変
化速度を非接触で計測する非接触磁気式ポテンショメー
タやエンコーダ等の非接触磁気式計測装置を構成させる
ことができる。

【０００４】図８〜図１１はこれ等非接触磁気式計測装
置の概略構成を示すものである。

【０００５】すなわち、ロータリー型非接触磁気式ポテ
ンショメータは、図８に示すように、ハンドル、アクセ
ル（図示せず）等計測対象における回転軸の角度変位が
伝達される回転棒１と、この回転棒１に装着され一方の
半円部がＮ極、他方の半円部がＳ極である円盤形状の永
久磁石２と、この永久磁石２の近傍に配置されたホール
素子、磁気抵抗素子等の磁界検出素子３とでその主要部
が構成されている。

【０００６】そして、計測対象における回転軸の角度変
位が伝達される回転棒１の回転に伴い上記磁界検出素子
３と永久磁石２との位置関係が変化し、かつ、この位置
関係の変化に起因して磁界検出素子３により検出される
磁界強度も変化するため、上記磁界検出素子３からの出
力信号に基づきハンドル、アクセル等計測対象の変化量
（回転角）、変化速度（回転速度）の計測が可能とな
る。

【０００７】尚、円盤形状の永久磁石２に代えて、図９
に示すようにその厚み寸法が回転方向に亘り連続的に変
化する永久磁石４が組込まれたロータリー型非接触磁気
式ポテンショメータも知られている。

【０００８】また、直線型非接触磁気式ポテンショメー
タは、一点鎖線で示す方向へ直線変位する計測対象（図
示せず）に取付けられたホール素子、磁気抵抗素子等の
磁界検出素子５と、計測対象の変位方向に亘り配置され
かつその厚み寸法が連続的に変化する帯状の永久磁石６
とでその主要部が構成されている（図１０参照）。

【０００９】そして、この直線型非接触磁気式ポテンシ
ョメータにおいても、計測対象の変位に伴い上記磁界検
出素子５と永久磁石６との間の距離（ｄ１、ｄ２）が変
化し、かつ、この変化に起因して磁界検出素子５により
検出される磁界強度も変化するため、上記磁界検出素子
５からの出力信号に基づき計測対象の変化量（距離）、
変化速度（移動速度）の計測が可能となる。

【００１０】尚、帯状の永久磁石６に代えて、図１１に
示すようにその厚み寸法は一定で幅寸法が長さ方向に亘
り連続的に変化する永久磁石７を組込んだ直線型非接触
磁気式ポテンショメータも知られている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これ等非接
触磁気式ポテンショメータ、エンコーダ等の非接触磁気
式計測装置は、接触型の計測装置と比較して、非接触で
あるために動作寿命が長く、回転トルクあるいはフリク
ションも小さく、高速応答性に優れ、摺動アークの発生
がなく防爆性がある等の長所を有しているが、その反
面、以下のような欠点も有していた。

【００１２】すなわち、上記ホール素子、磁気抵抗素子
等の磁界検出素子は大きな温度依存性を有し、これに起
因して磁界検出素子が組込まれた非接触磁気式ポテンシ
ョメータ、エンコーダ等の非接触磁気式計測装置も温度
依存性を有するため、計測精度、すなわち、計測対象の
角度、距離に対する電気信号出力の直線性が劣る問題点
を有していた。

【００１３】尚、非接触磁気式計測装置の温度特性を補
正する方法として、従来、サーミスターを用いる方法、
磁界検出素子を複数用いる方法等が提案されかつ実用化
されているが、これ等の方法では広い温度範囲に亘り温
度補償をすることは困難で、例えば、ハンドル、アクセ
ル等が設置される自動車内の想定される温度範囲（例え
ばマイナス４０℃からプラス１２５℃）に亘り、温度依
存性を含めた直線性の誤差を±１％以内にすることは困
難であった。

【００１４】本発明はこの様な問題点に着目してなされ
たもので、その課題とするところは、広い温度範囲に亘
り温度補償可能な（すなわち、温度誤差が解消された）
磁界強度センサと非接触磁気式計測装置を提供すること
にある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に係
る発明は、磁界検出素子を用いた磁界強度センサを前提
とし、外部磁界に対応した電気信号を出力する磁界検出
素子と、この磁界検出素子の近傍に設けられた磁界発生
用コイルと、入力側に磁界検出素子が接続され出力側に
磁界発生用コイルが接続されると共に上記磁界検出素子
からの電気信号を増幅して磁界発生用コイルに対し上記
外部磁界と逆向きの磁界が発生する方向に電流を流すア
ンプとを備えることを特徴とする。

【００１６】また、請求項２に係る発明は、請求項１記
載の発明に係る磁界強度センサを前提とし、上記磁界発
生用コイルにより発生する磁界の磁界検出素子における
位置での強度Ｈcoil（Ａ／ｍ）と上記外部磁界強度Ｈex
（Ａ／ｍ）との関係を示す下記数式４において、１＜＜
［α（１＋β・ｄＴ）・ｋ・Ａamp］の条件を満たすよ
うに上記アンプの増幅率Ａamp（Ａ／Ｖ）が設定されて
いることを特徴とする。

【００１７】 Ｈex＝｛１＋１／［α（１＋β・ｄＴ）・ｋ・Ａamp］｝・Ｈcoil （４） 但し、磁界検出素子の感度をα（Ｖ・ｍ／Ａ）、その温
度係数をβ（１／℃）、磁界発生用コイルに流れる電流
をｉ（Ａ）、基準温度と磁界強度検出時の温度差をｄ
Ｔ、および、Ｈcoil＝ｋ・ｉ［ｋは定数（１／ｍ）］と
する。

【００１８】尚、本発明において適用できる磁界検出素
子としては、ホール素子（請求項３）、磁気抵抗素子
（請求項４）等が挙げられる。但し、磁気抵抗素子を適
用した場合、この磁気抵抗素子における感度向上を図る
ため、磁気抵抗素子にバイアス磁界を作用するバイアス
磁界形成手段（永久磁石）を設けることを要する。

【００１９】次に、請求項５に係る発明は、互いに相対
変位する永久磁石と磁界強度センサを備え、かつ、その
一方が計測対象に取付けられると共に、磁界強度センサ
により検出された永久磁石の磁界強度に基づく出力信号
により上記計測対象の変化量若しくは変化速度を計測す
る非接触磁気式計測装置を前提とし、上記磁界強度セン
サが請求項１〜４のいずれかに記載の磁界強度センサに
より構成されていることを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】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。

【００２１】図１は本発明に係る磁界強度センサ１０の
概略構成を示す説明図である。

【００２２】すなわち、この磁界強度センサ１０は、外
部磁界（Ｈex）に対応した電気信号を出力する磁界検出
素子１１と、この磁界検出素子１１の近傍（例えば、磁
界検出素子１１に重ねて、あるいは磁界検出素子１１の
隣接部若しくは内部等）に設けられ検出しようとする外
部磁界と同等の強さの磁界を発生させることのできる磁
界発生用コイル１２と、入力側に磁界検出素子１１が接
続され出力側に磁界発生用コイル１２が接続されると共
に上記磁界検出素子１１からの電気信号を増幅して磁界
発生用コイル１２に対し外部磁界と逆向きの磁界が発生
する方向に電流を流すアンプ１３とでその主要部が構成
されている。

【００２３】尚、上記磁界検出素子１１には上述したホ
ール素子、磁気抵抗素子が一般に適用されるが、ホール
素子、磁気抵抗素子以外にも外部磁界に応じた電気信号
が得られるものであれば適用可能である。また、磁界発
生用コイル１２の形状については、電流に比例した磁界
を発生できるものなら任意である。

【００２４】そして、検出しようとする外部磁界をＨex
（Ａ／ｍ）、上記磁界検出素子１１の感度をα（Ｖ・ｍ
／Ａ）、その温度係数をβ（１／℃）、磁界発生用コイ
ル１２に流れる電流をｉ（Ａ）、磁界発生用コイル１２
により発生する磁界の磁界検出素子１１における位置で
の強度をＨcoil（Ａ／ｍ）＝ｋ・ｉ［ｋは定数（１／
ｍ）］、アンプ１３の増幅率をＡamp（Ａ／Ｖ）、およ
び、基準温度と磁界強度検出時の温度差をｄＴとする
と、上記磁界強度センサ１０において磁界発生用コイル
１２に流れる電流ｉは、以下の数式１により求められ
る。

【００２５】 （Ｈex−Ｈcoil）・α（１＋β・ｄＴ）・Ａamp＝ｉ （１） また、数式１に上記式、Ｈcoil（Ａ／ｍ）＝ｋ・ｉを代
入すると、 （Ｈex−Ｈcoil）・α（１＋β・ｄＴ）・Ａamp・ｋ＝Ｈcoil （２） となる。

【００２６】そして、この数式２から、 Ｈex・α（１＋β・ｄＴ）・Ａamp・ｋ＝ ［１＋α（１＋β・ｄＴ）・ｋ・Ａamp］・Ｈcoil （３） となり、また、この数式３から、 Ｈex＝｛１＋１／［α（１＋β・ｄＴ）・ｋ・Ａamp］｝・Ｈcoil （４） が導かれる。尚、この数式４から、図１に示した磁界検
出素子１１の回路はフィードバックループを構成する。

【００２７】そして、１＜＜［α（１＋β・ｄＴ）・ｋ
・Ａamp］の条件を満たすように上記アンプの増幅率Ａa
mp（Ａ／Ｖ）を十分大きく設定すると、上記数式４か
ら、 Ｈex＝Ｈcoil＝ｋ・ｉ （５） が成り立つ。

【００２８】すなわち、数式５から、図１に示した磁界
検出素子１１においては磁界検出素子１１の感度αや温
度特性（すなわち温度係数β）に依存せず、磁界発生用
コイル１２に流れる電流ｉが検出しようとする外部磁界
（Ｈex）に比例することになる。従って、磁界発生用コ
イル１２に流れる電流ｉを検出しこれに定数ｋを掛ける
（すなわち、ｋ・ｉ）ことにより、精度よく外部磁界を
検出（測定）することが可能となる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００３０】［実施例１］この実施例は、ホール素子を
用いて図２に示すような磁界強度センサを構成してい
る。

【００３１】すなわち、この磁界強度センサ２０は、外
部磁界（Ｈex）に対応した電気信号を出力するホール素
子２１と、このホール素子２１の近傍に設けられ検出し
ようとする外部磁界と同等の強さの磁界を発生させるこ
とのできる磁界発生用コイル２２と、入力側にホール素
子２１が接続され出力側に磁界発生用コイル２２が接続
されると共に上記ホール素子２１からの電気信号を増幅
して磁界発生用コイル２２に対し外部磁界と逆向きの磁
界が発生する方向に電流を流すアンプ２３とでその主要
部が構成されている。尚、図２中、２４は電流検出抵
抗、２５は電圧測定端子（電圧計）を示している。ま
た、電圧測定端子（電圧計）での出力信号をＥとする。

【００３２】そして、２５℃、−４０℃、１２５℃にお
いて、外部磁界（Ｈex）を０〜１６ｋＡ／ｍまで変化さ
せ、外部磁界に対する信号の直線性を測定した。

【００３３】すなわち、２５℃、１６ｋＡ／ｍにおけ
る、Ｅ／Ｈex＝ｋ（上記数式５に基づく）を基準とし、
２５℃（温度条件は２５℃であるが外部磁界が１６ｋＡ
／ｍ以外の場合）、−４０℃、１２５℃におけるｋ値の
誤差の絶対値を％で計算した。

【００３４】その結果、ｋ値の誤差は、２５℃で最大
０．２５％、−４０℃で最大０．５％、１２５℃で最大
０．４％となった。

【００３５】［実施例２］この実施例に係る磁界強度セ
ンサ３０は、図３に示すようにホール素子に代えて２つ
の磁気抵抗素子３１、３２が適用されている点を除き、
実施例１に係る磁界強度センサ２０と略同一である。

【００３６】尚、図３中、３３は磁界発生用コイル、３
４はアンプ、３５は電流検出抵抗、３６は電圧測定端子
（電圧計）、３７はバイアス磁界形成手段としての永久
磁石を示している。

【００３７】また、この磁界強度センサ３０においてバ
イアス磁界形成手段としての永久磁石３７が設けられて
いるのは以下の理由による。すなわち、磁気抵抗素子の
磁界検出素子が適用された場合、図４に示すように外部
磁界の強度は求められるもののその磁界の方向が求めら
れないため（磁気抵抗素子は磁界の強さに応じて電気抵
抗が変化する性質を備えているに過ぎないため）、磁気
抵抗素子３１、３２にバイアス磁界（ＨB）を作用する
永久磁石３７を設けて磁界の向きについても検出可能に
する（すなわち、磁気抵抗素子３１、３２の感度向上を
図る）ためである。

【００３８】そして、この磁界強度センサ３０におい
て、上記ｋ値の誤差は、２５℃で最大０．１２％、−４
０℃で最大０．２％、１２５℃で最大０．１５％となっ
た。

【００３９】尚、この実施例においては２つの磁気抵抗
素子３１、３２が適用されているが、一方の磁気抵抗素
子（すなわち磁気抵抗素子３１）については普通の抵抗
素子に代えてもよい。

【００４０】［実施例３］この実施例は、実施例２の磁
界強度センサ３０を組込んで図５（Ａ）に示すようなロ
ータリー型非接触磁気式ポテンショメータ４０を構成し
ている。

【００４１】すなわち、このロータリー型非接触磁気式
ポテンショメータ４０は、計測対象（図示せず）におけ
る回転軸の角度変位が伝達される回転棒１と、この回転
棒１に装着され一方の半円部がＮ極、他方の半円部がＳ
極である円盤形状の永久磁石４１と、この永久磁石４１
の近傍に配置された磁界強度センサ３０とでその主要部
が構成されいる。

【００４２】尚、図５（Ｂ）は、このロータリー型非接
触磁気式ポテンショメータ４０における角度変位（θ）
と信号出力（Ｅ）との関係を示すグラフ図である。

【００４３】また、上記永久磁石４１の材料としては温
度係数の小さなアルニコ磁石が適用され、更に整磁材料
を用いることで永久磁石４１における発生磁界の温度係
数を０．００７％／℃としている。

【００４４】そして、−４０℃、１２５℃における角度
変位（θ）に対する信号出力（Ｅ）の誤差を、２５℃に
おける信号出力（Ｅ）を基準として測定したところ、−
４０℃で＋０．６５％、１２５℃で−０．８９％の僅か
な誤差が確認された。

【００４５】［比較例１］磁界検出素子としてホール素
子２１を適用し、このホール素子２１に直列に抵抗２９
を入れて温度補正を行なう図６に示すような比較例１に
係る磁界強度センサ２０’を作製した。

【００４６】そして、実施例１と同様な測定を行なった
結果、ｋ値の誤差は、２５℃で最大１．３％、−４０℃
で最大１．９％、１２５℃で最大３．４％となった。

【００４７】この結果、比較例１に係る磁界強度センサ
２０’に較べて実施例１に係る磁界強度センサ２０の優
位性が確認された。

【００４８】［比較例２］磁界検出素子として２つの磁
気抵抗素子３１、３２を適用し、図７に示すような比較
例２に係る磁界強度センサ３０’を作製した。

【００４９】そして、実施例１と同様な測定を行なった
結果、ｋ値の誤差は、２５℃で最大２．３％、−４０℃
で最大２．６％、１２５℃で最大６．７％となった。

【００５０】この結果、比較例２に係る磁界強度センサ
３０’に較べて実施例２に係る磁界強度センサ３０の優
位性が確認された。

【００５１】

【発明の効果】請求項１〜４記載の発明に係る磁界強度
センサによれば、構成部品であるホール素子、磁気抵抗
素子等磁界検出素子の感度や温度特性に依存することな
く外部磁界を検出（測定）できるため、広い温度範囲に
亘り外部磁界強度を高精度で検出（測定）できる効果を
有する。

【００５２】また、請求項５記載の発明に係る非接触磁
気式計測装置によれば、非接触磁気式計測装置に組込ま
れる磁界強度センサが、請求項１〜４に係る磁界強度セ
ンサにより構成されているため、計測対象の変化量若し
くは変化速度について広い温度範囲に亘り高い精度で計
測できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁界強度センサの概略構成を示す
説明図。

【図２】実施例１に係る磁界強度センサの概略構成を示
す回路説明図。

【図３】実施例２に係る磁界強度センサの概略構成を示
す回路説明図。

【図４】実施例２において適用した磁気抵抗素子におけ
る外部磁界Ｈexと電気抵抗Ｒとの関係を示すグラフ図。

【図５】図５（Ａ）は実施例３に係るロータリー型非接
触磁気式ポテンショメータの概略構成を示す説明図、図
５（Ｂ）はこのロータリー型非接触磁気式ポテンショメ
ータにおける角度変位θと信号出力Ｅとの関係を示すグ
ラフ図。

【図６】比較例１に係る磁界強度センサの概略構成を示
す回路説明図。

【図７】比較例２に係る磁界強度センサの概略構成を示
す回路説明図。

【図８】従来例に係るロータリー型非接触磁気式ポテン
ショメータの概略構成を示す説明図。

【図９】他の従来例に係るロータリー型非接触磁気式ポ
テンショメータの概略構成を示す説明図。

【図１０】従来例に係る直線型非接触磁気式ポテンショ
メータの概略構成を示す説明図。

【図１１】他の従来例に係る直線型非接触磁気式ポテン
ショメータの概略構成を示す説明図。

【符号の説明】

１０ 磁界強度センサ １１ 磁界検出素子 １２ 磁界発生用コイル １３ アンプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁界検出素子を用いた磁界強度センサにお
   いて、 外部磁界に対応した電気信号を出力する磁界検出素子
   と、この磁界検出素子の近傍に設けられた磁界発生用コ
   イルと、入力側に磁界検出素子が接続され出力側に磁界
   発生用コイルが接続されると共に上記磁界検出素子から
   の電気信号を増幅して磁界発生用コイルに対し上記外部
   磁界と逆向きの磁界が発生する方向に電流を流すアンプ
   とを備えることを特徴とする磁界強度センサ。
2. 【請求項２】上記磁界発生用コイルにより発生する磁界
   の磁界検出素子における位置での強度Ｈcoil（Ａ／ｍ）
   と上記外部磁界強度Ｈex（Ａ／ｍ）との関係を示す下記
   数式４において、１＜＜［α（１＋β・ｄＴ）・ｋ・Ａ
   amp］の条件を満たすように上記アンプの増幅率Ａamp
   （Ａ／Ｖ）が設定されていることを特徴とする請求項１
   記載の磁界強度センサ。 Ｈex＝｛１＋１／［α（１＋β・ｄＴ）・ｋ・Ａamp］｝・Ｈcoil （４） 但し、磁界検出素子の感度をα（Ｖ・ｍ／Ａ）、その温
   度係数をβ（１／℃）、磁界発生用コイルに流れる電流
   をｉ（Ａ）、基準温度と磁界強度検出時の温度差をｄ
   Ｔ、および、Ｈcoil＝ｋ・ｉ［ｋは定数（１／ｍ）］と
   する。
3. 【請求項３】上記磁界検出素子がホール素子で構成され
   ていることを特徴とする請求項１または２記載の磁界強
   度センサ。
4. 【請求項４】上記磁界検出素子が磁気抵抗素子で構成さ
   れかつこの磁界検出素子にバイアス磁界を作用するバイ
   アス磁界形成手段が設けられていることを特徴とする請
   求項１または２記載の磁界強度センサ。
5. 【請求項５】互いに相対変位する永久磁石と磁界強度セ
   ンサを備え、かつ、その一方が計測対象に取付けられる
   と共に、磁界強度センサにより検出された永久磁石の磁
   界強度に基づく出力信号により上記計測対象の変化量若
   しくは変化速度を計測する非接触磁気式計測装置におい
   て、 上記磁界強度センサが請求項１〜４のいずれかに記載の
   磁界強度センサにより構成されていることを特徴とする
   非接触磁気式計測装置。