JP2003035504A

JP2003035504A - 変位量検出装置

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Publication number: JP2003035504A
Application number: JP2001218976A
Authority: JP
Inventors: Koji Harada; 浩二原田; Tomoyasu Momoki; 友康百木
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】ホール素子を用いた変位量検出装置におい
て、ホール素子の温度補償を行うことによって検出精度
を向上させる。【解決手段】シャフト（変位体）に取りつけられてそ
の回転角度（変位量）を検出するホール素子Ｈ１と、磁
界中に固定されたホール素子Ｈ２とが直列に接続されて
いる。ホール素子Ｈ２の出力電圧Ｖh2が増幅器５２、５
３を介してバイアス電圧にフィードバックされているの
で、温度変化によってホール電圧Ｖh2が変化したとき、
これを打ち消す方向にバイアス電流Ｉが変化してＶh2は
一定に保たれる。こうしてホール素子Ｈ１の温度特性も
温度変化に伴うバイアス電流Ｉの変化によって相殺され
るので、その出力電圧Ｖh1は、シャフトの回転に伴って
変化する磁束密度のみを反映したものとなり、この電圧
Ｖh1の値から算出される回転角度（変位量）が温度の影
響を受けることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁界中に置かれ
たホール素子からの出力電圧の変化に基づいて物体の変
位量を検出する変位量検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ホール素子を用いた変位量検
出装置が各種提案されている。この種の変位量検出装置
では、変位に伴うホール素子と印加磁界との相対位置の
変化によってホール素子に加わる磁界の強さが変化して
ホール電圧が変化することを利用し、このホール電圧の
変化に基づいて変位量を求めている。

【０００３】磁界中に置かれたホール素子に発生するホ
ール電圧Ｖhは加わる磁界の強さに比例し、Ｖh＝Ｋh・Ｂ・Ｉと表される。ここに、Ｋhはホール素子の材質や形状で
決まる比例定数、Ｂはホール素子に加わる磁束密度、Ｉ
はバイアス電流である。

【０００４】しかし、一般にホール素子は温度による特
性の変化が大きく、上式の比例定数Ｋhは温度が上昇す
るにつれて小さくなるという性質を有しているため、温
度上昇に伴ってホール電圧Ｖhは小さくなる。さらに、
温度上昇に伴ってホール素子の内部抵抗が増加するた
め、例えば、ホール素子への印加電圧を一定とすると、
内部抵抗の増加に伴ってバイアス電流Ｉが減少し、さら
にホール電圧Ｖhが低下することとなる。

【０００５】このため、バイアス電流Ｉを定電流源から
供給し、ホール素子を定電流駆動とすることが広く行わ
れている。これは、ホール素子を定電流駆動することに
よって、温度上昇に伴うホール素子の内部抵抗増加の影
響を排除し、温度依存性の改善を図ったものである。

【０００６】一方、さらに積極的にホール電圧Ｖhの温
度依存性を打ち消すために、サーミスタやトランジスタ
の温度特性を利用して温度補償を図った装置が提案され
ている。

【０００７】このような装置の例として、例えば特開平
７−１８１５５７号に記載された駆動制御装置がある。
この駆動制御装置においては、トランジスタを用いた定
電流回路の出力電流が、トランジスタのベース・エミッ
タ間電圧ＶBEの温度依存性のため温度が上昇するにつれ
て増加することを利用し、温度上昇に伴うホール素子の
感度低下を、バイアス電流を増加させることによって補
償している。すなわち、温度が変化しても上式における
Ｋh・Ｉが一定となるように電流Ｉを制御することで、
ホール電圧Ｖhが温度の影響を受けないようにしてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ホール
素子を定電流駆動することによってホール素子の内部抵
抗の温度依存性の影響を排除することはできるが、上記
した比例定数Ｋh自体に温度依存性があるため、これに
よってホール電圧Ｖhの温度依存性を完全になくすこと
ができるわけではない。

【０００９】また、サーミスタまたはトランジスタの温
度特性はホール素子のそれと完全に一致しているわけで
はなく、ある温度範囲において近似した特性を有してい
るにすぎない。したがって、上記の従来技術は、ある限
られた温度範囲での使用（例えば、室温付近で使用され
る家電機器など）には適するが、例えば車載機器のよう
に、さらに広い温度範囲で高い精度が要求される用途に
適用することは難しい。

【００１０】そこで、ホール素子の温度特性を、より広
い温度範囲にわたって精度よく補償する技術が必要とな
る。

【００１１】この発明は上記課題に鑑みなされたもので
あり、ホール素子の温度特性を補償することによって、
広い温度範囲にわたって変位量を精度よく検出可能な変
位量検出装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、所定の範囲内で移動自在に構成された変位
体と、磁界を形成する磁界発生部と、前記磁界中に配設
されて前記変位体に連動して前記磁界中における位置が
変化する第１のホール素子と、前記第１のホール素子と
略同一の特性を有し、前記磁界中に固定して配設された
第２のホール素子と、基準電圧を発生する基準電圧発生
部と、前記第１および第２のホール素子に対して、同じ
大きさのバイアス電流を供給するとともに、前記第２の
ホール素子の出力電圧が前記基準電圧と等しくなるよう
に、前記第１および第２のホール素子へのバイアス電流
を制御するバイアス制御部とを備えることを特徴として
いる（請求項１）。

【００１３】このように構成された発明では、磁界中に
固定された第２のホール素子のホール電圧が、温度によ
らず一定となるように、第１および第２のホール素子に
流れるバイアス電流を制御している。

【００１４】ここで、磁界中に置かれたホール素子の出
力電圧Ｖhは、比例定数Ｋh、磁束密度Ｂ、バイアス電流
Ｉを用いて、Ｖh＝Ｋh・Ｂ・Ｉと表される。磁界中に固定されて上式のＢが変化しない
第２のホール素子においては、上記出力電圧Ｖhを温度
によらず一定に保持することは、すなわち上式における
Ｋh・Ｉの積を一定とすることに他ならない。そして、
このとき、第２のホール素子と略同一の特性を有し、し
かも第２のホール素子と同じ大きさのバイアス電流が流
れる第１のホール素子においても、Ｋh・Ｉの積は温度
によらず一定に保たれる。

【００１５】しかも、２つのホール素子の特性が略同一
であるため、２つの素子の温度が同じである限り、どの
温度においてもこの関係は維持される。こうして、広い
温度範囲にわたって第１のホール素子の温度依存性をキ
ャンセルすることができ、その結果、第１のホール素子
の出力電圧Ｖhは常に磁束密度Ｂに比例した値となる。

【００１６】したがって、第２のホール素子の出力電圧
が温度によらず一定となるようにバイアス電流Ｉを制御
することで、第１のホール電圧の値から変位体の変位量
を、一意的にかつ精度よく導出することが可能となる。

【００１７】さらに、２つのホール素子を同一磁界中に
配置しているので、磁界の強度が変化し、例えば、磁界
発生部を構成する永久磁石の劣化によって磁束密度Ｂが
低下した場合であっても、第２のホール素子の出力電圧
の低下を検知してバイアス電流を増加させることによっ
てその変化分を補償することができる。そのため、第１
のホール素子の出力電圧は常に変位体の変位量のみを反
映した値となり、この値から導出される変位量の値が磁
界の変化によって影響を受けることがない。

【００１８】ここで、第１および第２のホール素子に流
れるバイアス電流を等しくするためには、例えば、２つ
のホール素子の電流入力端子の一方端子どうしを互いに
接続すればよい。そして、前記バイアス制御部が、前記
第２のホール素子の出力電圧と前記基準電圧との差に応
じて、前記第１および第２のホール素子の電流入力端子
の他方端子間に印加する電圧を変化させることによって
バイアス電流の制御を行うことができる（請求項２）。

【００１９】こうすることで、２つのホール素子が直列
に接続され、両者に流れるバイアス電流は常に等しくな
る。また、両素子の各１つの端子同士を直接接続するこ
とができるので、両素子を近接して配置して温度差を少
なくし、温度補償の精度を高めるとともに、各素子への
配線を少なくすることができる。そして、第２のホール
素子の出力電圧が基準電圧より高くなればバイアス電流
を減少させ、その逆の場合はバイアス電流を増加させる
ことで、第２のホール素子の出力電圧を一定に保つこと
ができる。

【００２０】また、このようなバイアス制御回路は、例
えば、第２のホール素子の出力電圧と基準電圧とを比較
し、その差分に対応した電圧を２つのホール素子からな
る直列回路への印加電圧にフィードバックすることで実
現できる。そして、例えば演算増幅器による差動増幅器
を用いてこのフィードバック回路を構成すると、簡単な
回路で高精度な温度補償回路を構成することができる。

【００２１】さらに、この差動増幅器を、演算増幅器の
２つの入力端子のうちの一方の入力端子と前記演算増幅
器の非反転入力端子との間に接続された第１の抵抗器
と、前記演算増幅器の前記非反転入力端子と出力端子と
の間に接続された第２の抵抗器と、前記２つの入力端子
のうちの他方の入力端子と前記演算増幅器の反転入力端
子との間に接続されて、前記第１の抵抗器と抵抗値が等
しい第３の抵抗器と、前記演算増幅器の前記反転入力端
子と前記出力端子との間に接続されて前記第２の抵抗器
と抵抗値が等しい第４の抵抗器とを備えるように構成し
てもよい（請求項３）。

【００２２】こうすることで、差動増幅器の出力電圧は
正確に、第２のホール素子の出力電圧と基準電圧との差
に比例した値となり、その出力電圧を両ホール素子への
印加電圧にフィードバックすることで、より精度よく第
２のホール素子の出力電圧を制御することができる。そ
して、その結果、第１のホール素子の出力電圧がより正
確に変位体の変位量に対応したものとなり、変位量を精
度よく導出することが可能となる。

【００２３】ところで、このような変位量検出装置で検
出可能な物体の変位量としては、所定の角度範囲内にお
いて回転自在に構成された回転体の回転角度（請求項
４）や、１つの軸方向に沿って平行に移動自在な平行移
動体の前記軸方向に沿った移動量などが挙げられる。

【００２４】このうち、回転体の回転角度を検出する装
置としての本発明は、前記回転体の回転に伴って、前記
磁界による磁束の前記第１のホール素子への入射角が変
化することを特徴としている（請求項５）。

【００２５】このように構成された発明では、第１のホ
ール素子の主面への磁束の入射角が回転体の回転に伴っ
て変化することによって、第１のホール素子の主面上に
おける磁束密度が変化する。そのため、回転体の回転角
度の変化に伴って、第１のホール素子の出力電圧も変化
するので、この電圧に基づいて、回転体の回転角度を精
度よく導出することができる。

【００２６】また、回転体の回転角度を検出する他の装
置としての本発明は、前記磁界の強度分布が円弧上に沿
って変化する勾配を有しており、前記回転体の回転に伴
って、前記第１のホール素子の前記磁界中における位置
が前記円弧に沿って変化することを特徴としている（請
求項６）。

【００２７】このように構成された発明では、回転体の
回転に伴って、第１のホール素子が強度勾配を有する磁
界中での位置を変化するように構成しているため、回転
体の回転角度に応じて第１のホール素子に加わる磁束密
度が変化する。そして、このときの第１のホール素子の
出力電圧に基づいて、回転体の回転角度を精度よく導出
することができる。

【００２８】また、１軸方向に沿った移動量を検出する
装置としての本発明は、前記変位体が１つの軸方向に沿
って平行に移動自在な平行移動体であり、しかも前記磁
界の強度分布が、前記軸方向に沿って変化する勾配を有
しており、前記測定対象となる前記変位量が、前記平行
移動体の前記軸方向に沿った移動量であることを特徴と
している（請求項７）。

【００２９】このように構成された発明では、平行移動
体の１軸方向への移動に伴って、第１のホール素子が強
度勾配を有する磁界中での位置を変化するように構成し
ているため、平行移動体の位置の変化に応じて第１のホ
ール素子に加わる磁束密度が変化する。そして、このと
きの第１のホール素子の出力電圧に基づいて、回転体の
回転角度を精度よく導出することができる。

【００３０】さらに、このような１軸方向の検出機構を
組み合わせて、例えば２組の検出機構を直交するＸ、Ｙ
の２軸方向に組み合わせることで、移動体のＸＹ平面内
での変位を検出することも可能となる。

【００３１】

【発明の実施の形態】この発明にかかる変位量検出装置
の第１の実施形態について、図１ないし図４を参照して
説明する。この装置は、回転自在に構成された回転体
（変位体）であるシャフトの回転角度を検出する角度検
出装置であって、例えば自動車に搭載される測距レーダ
ー装置における、アンテナの回転角度を検出するための
装置として使用することができる。

【００３２】図１は、この角度検出装置の構造を示す側
面断面図であり、図２は図１におけるａ−ａ切断面から
みた断面図である。また、図３は図２におけるギャップ
Ｇの拡大図である。

【００３３】この角度検出装置１では、ハウジング２
に、ボールベアリング４１、４２によってシャフト３が
回動自在に取りつけられており、シャフト３は図示しな
い駆動装置に連結されて、図２に示す０°の位置から矢
印の方向に、最大１５°までの角度範囲で回転駆動され
る。

【００３４】また、ハウジング２の内部には、シャフト
３を挟み込むように形成された磁界発生部としての磁気
回路６が設けられている。この磁気回路６は、図２に示
すように、Ｕ字形に形成された強磁性体からなるヨーク
６１と、その両腕の内側にそれぞれＮ極、Ｓ極を内側に
向けて対向配置されたマグネット６２、６３とからなっ
ている。そして、２つのマグネット６２および６３の間
に形成されるギャップＧには、図３に示すように、磁束
密度Ｂなる一様な平行磁界が形成されている。

【００３５】そして、図１に示すように、シャフト３の
うちこのギャップＧ中に位置する部分には平面状の切り
欠き部３ａが設けられており、この切り欠き部３ａには
第１のホール素子Ｈ１が取りつけられている。すなわ
ち、シャフト３が０°から１５°の範囲で回転するのに
伴って、このホール素子Ｈ１が図３に示すギャップＧ中
の磁界と鎖交する角度θが、０°から１５°まで変化す
る。

【００３６】また、ハウジング２の内部には、後述する
検出回路５０を搭載した回路基板５が設けられている。
そして、この回路基板５からギャップＧ内に伸びている
腕部５ａには、第２のホール素子Ｈ２が固定されてい
る。このホール素子Ｈ２は、図２および図３に示すよう
に、その主面がギャップＧ中の磁界に直交するように固
定されている。

【００３７】このように構成された角度検出装置１にお
いて、シャフト３が角度θまで回転したとき、図３に示
すように、ホール素子Ｈ１の主面と磁界のなす角度もθ
となる。このとき、ホール素子Ｈ１の主面における磁束
密度はＢsinθとなるので、このときのホール素子Ｈ１
の出力電圧Ｖh1は、Ｖh1＝Ｋh・Ｂsinθ・Ｉ・・・（１）と表される。ここで、Ｋhはホール素子の材質および形
状で決まる比例定数であり、Ｉはバイアス電流である。

【００３８】一方、ホール素子Ｈ２は磁界と直交するよ
うに固定されているので、その出力電圧Ｖh2は、Ｖh2＝Ｋh・Ｂ・Ｉ・・・（２）である。

【００３９】これらの電圧値に基づいて、この角度検出
装置１はシャフト３の回転角度θの算出およびホール素
子Ｈ１の温度補償を行っているが、以下ではその動作の
概要について説明する。

【００４０】図４はこの角度検出装置１の検出回路５０
の構成を示すブロック図である。本発明のバイアス制御
部として機能するこの検出回路５０では、図４に示すよ
うに、ホール素子Ｈ１およびＨ２の電流入力端子同士が
接続されて直列回路を形成しており、その一方端が、＋
Ｖcなる直流電圧を出力する直流電源（図示省略）に接
続されている。

【００４１】そして、ホール素子Ｈ１の２つの電圧出力
端子は、演算増幅器により構成され増幅度Ａ1なる差動
増幅器５１の入力端子に接続されており、こうしてホー
ル素子Ｈ１の出力電圧（ホール電圧）Ｖh1が差動増幅器
５１に入力されている。そして、差動増幅器５１は、ホ
ール素子Ｈ１の両端子間の電位差Ｖh1をＡ1倍に増幅
し、アースを基準とする電圧Ｖo1として出力する。

【００４２】一方、ホール素子Ｈ２の２つの電圧出力端
子間の電位差Ｖh2は、演算増幅器により構成され増幅度
Ａ2なる差動増幅器５２に入力されており、差動増幅器
５２はホール素子Ｈ２の両端子間の電位差Ｖh2をＡ2倍
に増幅し、アースを基準とする電圧Ｖ2として出力す
る。

【００４３】これらの増幅器５１および５２としては種
々の回路を用いることができるが、後段での信号処理を
容易とするために、その回路は、２つの入力端子間に印
加される信号の電位差に比例した電圧を、アースを基準
として出力することが望ましい。このような観点から、
これらを例えば演算増幅器によるインスツルメンテーシ
ョンアンプで構成することが好ましい。

【００４４】さらに、差動増幅器５２の出力電圧Ｖ2
は、演算増幅器により構成され増幅度Ａ3なる差動増幅
器５３の非反転入力端子に入力されている。また、この
差動増幅器５３の反転入力端子には、外部からの操作に
て出力電圧を変更可能な基準電圧発生部５４から出力さ
れる基準電圧Ｖrが入力されている。そして、差動増幅
器５３は、ホール電圧Ｖ2と基準電圧Ｖrとの差に比例し
た電圧Ｖo2を出力している。

【００４５】この差動増幅器５３の出力は、２つのホー
ル素子Ｈ１およびＨ２からなる直列回路の他方端に接続
されており、こうして、２つのホール素子Ｈ１およびＨ
２からなる直列回路には、電源電圧Ｖcと、差動増幅器
５３の出力電圧Ｖo2との差電圧（Ｖc−Ｖo2）が印加さ
れており、この電圧印加によって２つのホール素子Ｈ１
およびＨ２にバイアス電流Ｉが流れている。

【００４６】ここで、温度上昇に伴って（２）式に示す
比例定数Ｋhが低下し、ホール素子Ｈ２の出力電圧Ｖh2
が減少した場合について考えてみる。このとき、Ｖh2の
減少に伴って、これをＡ2倍に増幅したＶ2が減少するの
で、Ｖ2とＶrとの差に比例した電圧Ｖo2も減少する。そ
して、Ｖo2が減少した結果、２つのホール素子Ｈ１およ
びＨ２の直列回路に印加される電圧（Ｖc−Ｖo2）が増
加するため、バイアス電流Ｉが大きくなる。これによっ
てホール電圧Ｖh2は増加する。

【００４７】これとは逆に、温度が低下してホール電圧
Ｖh2が増加した場合には、上記と逆の作用によってＶo2
は増加し、これによりホール素子Ｈ１およびＨ２への印
加電圧が低下してバイアス電流Ｉが減少し、これに伴っ
てＶh2は減少する。

【００４８】このように、温度変化に伴うホール電圧Ｖ
h2の変化を打ち消すようにバイアス電流Ｉが変化するよ
うに構成されているので、ホール素子Ｈ２の出力電圧Ｖ
h2は温度によらず一定に保たれる。

【００４９】また、例えば、マグネット６２および６３
の経時変化等によって磁束密度Ｂが変化した場合にも、
それに伴ってホール電圧Ｖh1およびＶh2は変化するが、
この検出回路５０は、このような場合でもＶh2が一定と
なるようにバイアス電流Ｉを制御している。

【００５０】こうして、ホール素子Ｈ２の出力電圧Ｖh2
が一定に保たれた条件下では、（２）式に示すように、
Ｋh・Ｂ・Ｉの積が一定となる。これは、ホール素子Ｈ
２と同特性で同一磁界中に置かれ、しかも同一のバイア
ス電流の流れるホール素子Ｈ１においても成立し、した
がって、（１）式より、Ｖh1＝Ｖh2・sinθ ・・・（３）となる。この（３）式は、ホール素子Ｈ２の出力電圧Ｖ
h2が一定であれば、ホール素子Ｈ１の出力電圧Ｖh1はシ
ャフト３の回転角度θのみによって決まり、温度や磁束
密度Ｂの変化の影響を受けないことを示している。

【００５１】このように、磁界中に固定したホール素子
Ｈ２の出力電圧Ｖh2が一定となるようバイアス電流Ｉを
制御することにより、ホール素子Ｈ１の出力電圧Ｖh1お
よびそれを増幅した電圧Ｖo1は、温度や磁束密度Ｂによ
らず、シャフト３の回転角度θのみを反映した値とな
る。そのため、この電圧Ｖo1の値から直ちにシャフト３
の回転角度θを高い精度で求めることができる。

【００５２】さらに、θの変化範囲が小さい場合には、
sinθを直線近似することができ、特に本実施形態のよ
うに、θが０付近の小さい範囲で変化する場合には、 sinθ≒θ （ただし、θの単位はrad）・・・（４）と近似することができる。この近似を用いると、上記
（３）式はＶh1≒Ｖh2・θ ・・・（５）と表すことができ、その結果、出力電圧Ｖo1はシャフト
３の回転角度θに比例した値となり、後段での信号処理
に好都合である。本実施形態の場合、回転角度θの変化
範囲は０から１５°（０からπ／１２rad）であり、こ
の場合の上記近似による誤差は１％以下とすることがで
きる。

【００５３】そして、（５）式におけるＶh2の値は、基
準電圧Ｖrを変化させることによって任意に設定するこ
とができるので、この基準電圧Ｖrを調整することによ
ってシャフト３の回転角度θとホール電圧Ｖh1との間の
比例定数を変えることができ、これによって例えばホー
ル素子Ｈ１の特性のバラツキによって生じる検出誤差を
較正することが可能となる。

【００５４】ここで、上記した差動増幅器５３としても
種々の回路を用いることができるが、その一例につい
て、上記した第１実施形態の変形例として、図５を用い
て説明する。この回路においては、図４に示す第１実施
形態の検出回路５０のうち、差動増幅器５３が、図５に
示す回路５３０となっているが、それ以外の構成につい
ては第１実施形態と全く同一である。

【００５５】この差動増幅器５３０では、図５に示すよ
うに、ホール素子Ｈ２の出力電圧Ｖh2を増幅して得た電
圧Ｖ2が抵抗器Ｒ1を介して演算増幅器５３１の非反転入
力端子に入力されており、一方、基準電圧Ｖrが抵抗器
Ｒ3を介して演算増幅器５３１の反転入力端子に入力さ
れている。さらに、演算増幅器５３１の出力端子と、非
反転入力端子および反転入力端子のそれぞれとの間に、
抵抗器Ｒ2およびＲ4が接続されている。そして、この差
動増幅器５３０においては、これらの抵抗値は、Ｒ1＝
Ｒ3、Ｒ2＝Ｒ4となるように選ばれている。ここで、各
抵抗器Ｒ1ないしＲ4が、それぞれ本発明の第１ないし第
４の抵抗器に相当する。

【００５６】このように、差動増幅器５３０の回路構成
を２つの入力電圧に対して対称とすることによって、そ
の出力電圧Ｖo2が２つの入力電圧、すなわちホール電圧
Ｖ2と基準電圧Ｖrとの差に正確に比例したものとなる。
このため、ホール素子Ｈ２の出力電圧Ｖh2を、より精密
に基準電圧Ｖrに一致させることが可能になる。

【００５７】そして、このような構成によって、例えば
−４０℃から＋９０℃という広い温度範囲において±１
％以内の精度を持った角度検出装置１を実現することが
可能である。

【００５８】ところで、上記の実施形態では、シャフト
３の回転に伴って、ホール素子Ｈ１に対する磁束の入射
角θが変化する構成となっているが、シャフトの回転角
度を検出する装置としては、この他にも、例えばシャフ
トの回転に伴って、シャフトから突出したアームに取り
つけられたホール素子が円弧上を移動する構成であって
もよい。

【００５９】このように構成した本発明にかかる変位量
検出装置の第２実施形態について、図６ないし図８を参
照して説明する。なお、この実施形態は、第１実施形態
と比較して、ホール素子および磁界の配置にかかわる構
造が異なるのみで、その他の構造や検出回路は第１実施
形態で述べたものと同一であるため、ここでは同一の構
造については同一符号を付して説明を省略する。

【００６０】図６は、この実施形態の角度検出装置の構
造を示す側面断面図である。また、図７、図８は、それ
ぞれ図６におけるｂ−ｂ、ｃ−ｃ切断面からみた断面図
である。

【００６１】この角度検出装置１０では、ホール素子Ｈ
１１はシャフト３１からその半径方向に突出して設けら
れたアーム３２に取り付けられており、シャフト３１お
よびアーム３２が回転軸の周りに回転すると、それに伴
って、ホール素子Ｈ１１は図７に示す円弧Ｒに沿って移
動する。

【００６２】そして、このホール素子Ｈ１１は、図６お
よび図８に示す磁界発生部としての磁気回路７により形
成される磁界中に配置されている。この磁気回路７は、
図６に示すように、Ｕ字形に形成された強磁性体からな
るヨーク７１と、対向配置されたマグネット７２および
７３と、強磁性体からなる磁極７４とにより構成されて
いる。

【００６３】この磁極７４は、図８に示すように、左方
ほど厚みが大きくなる楔形に形成されており、これによ
りギャップＧ１中には、その磁束密度Ｂが図８に示す左
方ほど大きく、右方ほど小さくなる強度勾配を有する磁
界が形成されている。

【００６４】そして、シャフト３１の回転に伴って、ホ
ール素子Ｈ１１が円弧Ｒに沿って移動すると、ホール素
子Ｈ１１は図８のギャップＧ１中において矢印に示す左
右方向に移動する。このときホール素子Ｈ１１に加わる
磁束密度Ｂはホール素子Ｈ１１の位置によって一意に定
まるので、そのときの出力電圧に基づいて、シャフト３
１の回転角度を求めることができる。

【００６５】また、ギャップＧ１中には、図７に示すよ
うに、検出回路５０を搭載した基板５から腕部５ｂが伸
びており、その先端部にはもう１つのホール素子Ｈ１２
が固定されている。そして、検出回路５０は、上記した
第１実施形態と同様に、２つのホール素子Ｈ１１および
Ｈ１２を直列接続して、ホール素子Ｈ１２の出力電圧が
一定となるようそのバイアス電流Ｉを制御している。

【００６６】このように、この実施形態の角度検出装置
１０においても、第１実施形態と同様に、ホール素子Ｈ
１１の出力電圧に基づいて、温度や磁束密度の変化の影
響を受けず、精度よくシャフト３１の回転角度を求める
ことが可能となっている。

【００６７】なお、この実施形態では、直方体のマグネ
ット７２および７３と、楔形の磁極７４とを用いている
ので、磁束密度Ｂは図８の左方から右方に向かって直線
的に減少する構成となっている。このため、ホール素子
Ｈ１１に加わる磁束密度Ｂは、図８に示すホール素子Ｈ
１１の左右方向の位置と比例関係にあり、したがって、
ホール電圧とシャフト３１の回転角度とが厳密に比例す
るわけではない。しかしながら、上記したように、シャ
フト３１の回転範囲が小さければ直線近似が可能であ
る。

【００６８】また、さらに高い精度や、大きな回転範囲
が必要な場合には、磁気回路７の形状を適宜変更して、
シャフト３１の回転角度とホール電圧とが比例関係にな
るような構成とすることも可能である。

【００６９】さらに、同じ原理に基づいて、物体の直線
的な変位を検出する構成とすることも可能である。図９
は、このように構成された本発明の第３実施形態の変位
量検出装置の原理を示す斜視図である。この装置は、変
位体である可動ピース８１の、図９に示すＹ軸方向の変
位を検出する位置検出装置である。

【００７０】この位置検出装置では、可動ピース８１
は、ベース２２に固定されてＹ軸方向に伸びたレール８
３に沿って移動自在に構成されている。この可動ピース
８１には、磁界発生部である磁気回路９のギャップＧ２
に向かって伸びるアーム８２が取りつけられており、そ
の先端にはホール素子Ｈ２１が固定されている。

【００７１】一方、ベース２２に固定された磁気回路９
は、その断面形状がＵ字形を有する強磁性体からなるヨ
ーク９１と、その両腕の内側にそれぞれＮ極、Ｓ極を内
側に向けて対向配置されたマグネット９２および９３
と、強磁性体からなる磁極９４とにより構成されてい
る。そして、磁極９４が、図９の左方から右方に向かっ
て厚みが増加する楔形をしているため、ギャップＧ２に
おける磁束密度Ｂは、図９に示す左方ほど小さく、右方
ほど大きくなっている。

【００７２】そして、外部からの駆動力の作用によって
可動ピース８１がＹ軸方向に沿って移動すると、これに
伴ってホール素子Ｈ２１が磁界中をＹ軸方向に平行移動
する。一方、磁束密度ＢはＹ軸方向に沿って変化してい
るので、可動ピース８１の移動に伴って、ホール素子Ｈ
２１に加わる磁束密度が変化し、それによってホール素
子Ｈ２１からの出力電圧が変化する。そして、このホー
ル電圧に基づいて、可動ピース８１のＹ軸方向における
位置を求めることができる。

【００７３】この実施形態においても、もう１つのホー
ル素子（図示せず）をギャップＧ２中に固定し、その出
力電圧が一定となるようバイアス電流を制御することに
よって、温度によらず、精度よく可動ピース８１の位置
を検出することができる。そして、この位置検出装置に
おいても、図４の検出回路５０をそのまま適用すること
ができる。

【００７４】さらに、この装置を複数組み合わせて、例
えば図９に示すＹ軸の位置検出装置と、これに直交する
Ｘ軸方向の位置検出装置とを組み合わせることにより、
ＸＹ平面内における２次元の位置検出装置を構成するこ
とも可能である。

【００７５】なお、本発明は上記した実施形態に限定さ
れるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて
上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であ
る。

【００７６】例えば、上記では第１の実施形態の用途と
して車載用レーダー装置を例示したが、本発明が適用で
きる用途はこれに限定されるものではなく、少なくとも
物体の変位を磁界中のホール素子の変位に反映させるこ
とでその物体の変位量を求める変位量検出装置に対して
本発明を適用することが可能であり、特に検出精度の温
度依存性が問題となる場合に有効である。

【００７７】また、上記各実施形態においては、後段で
のアナログ信号処理を容易とするためにホール電圧Ｖh1
が角度や移動量に比例するように構成しているが、ホー
ル電圧と変位量との関係が非直線性を有していてもよ
い。特に、ホール電圧をＡ／Ｄ変換してコンピュータ処
理するような場合には、ホール電圧と変位量との対応を
示すテーブルを参照したり、近似式（関数）を用いるこ
とによって、これらの関係の直線性の程度に関わらず、
精度よく変位量を求めることが可能である。

【００７８】また、ホール電圧Ｖh1を増幅する差動増幅
器５１に、ホール電圧Ｖh1と変位量との非直線性を相殺
する非直線性を持たせることで、その出力電圧Ｖo1が変
位量に比例する構成とすることもできる。

【００７９】また、上記実施形態における検出回路５０
においては、２つのホール素子Ｈ１およびＨ２を直列に
接続することで、両素子へのバイアス電流が等しくなる
ようにしているが、これ以外にも、例えば図１０に示す
ように、２つのホール素子へのバイアス電流Ｉ1、Ｉ2を
カレントミラー回路１００から供給するようにしてもよ
い。

【００８０】このカレントミラー回路１００において
は、トランジスタ１０１および１０２の特性が揃ってお
り、しかも抵抗器１０３および１０４の抵抗値が等しけ
れば、両トランジスタ１０１および１０２に流れる電流
は等しくなる。そして、上記実施形態と同様に、ホール
素子Ｈ２へのバイアス電流Ｉ2を、その出力電圧Ｖh2が
一定となるよう制御することによって、ホール素子Ｈ１
にも同じ大きさのバイアス電流Ｉ1が供給されることと
なり、先に述べた各実施形態と同様に、温度に影響され
ることなく、ホール電圧Ｖh1の値から変位量を求めるこ
とができる。

【００８１】このような回路構成は、低い電源電圧でバ
イアス電流の調整範囲を広く取る必要があるときに特に
有効である。というのは、２個のホール素子を直列に接
続した場合には、差動増幅器５３の出力電圧が両素子に
分圧されるのに対し、図１０の回路では差動増幅器５３
の出力電圧の変化が全て１つのホール素子Ｈ２に加わる
ため、バイアス電流の変化が大きくなるからである。

【００８２】また、上記した各実施形態においては、磁
気回路をハウジング２に固定し、変位体の回転・移動に
伴ってホール素子が変位する構成としているが、ホール
素子を固定して磁気回路を可動としてもよい。この場合
にも、温度補償のための第２のホール素子は、磁界に対
する相対的位置が変わらず、しかも変位検出のための第
１のホール素子との温度差が生じないよう、両者を近接
して配置することが望ましい。

【００８３】また、上記した各実施形態では、シャフト
３や可動ピース８１などの変位体にホール素子を取りつ
けているが、これ以外にも、ギヤ、ベルト等の機械手段
を用いて変位体の変位をホール素子に伝達する構成とし
てもよい。そして、例えば、微小な変位量を上記機械手
段で拡大することによってその検出精度を高めたり、ま
た逆に変位体の変位の大きさを縮小することによって、
大きな変位を検出するための検出装置を小型に構成する
ことができる。

【００８４】また、上記した実施形態の検出回路５０に
おいては、単一の正電源を使用しており、例えば第１実
施形態におけるシャフト３の回転角度は０から１５°と
しているが、必要に応じて検出回路５０の電源を正負両
電源として回転角度も正負両方向に振れる構成としても
よい。この場合、回路が複雑となるが、回転方向が明確
となるうえに、例えば同じ回転範囲であっても、振幅を
正負両方向に取ることでホール電圧の回転角度に対する
直線性が向上するので、検出精度をより高めることが可
能となる。

【００８５】また、上記した実施形態の検出回路５０に
おいては、ホール素子Ｈ１およびＨ２を電源と差動増幅
器５３の出力との間に接続しているが、差動増幅器５３
の出力とアースの間に接続してもよい。ただし、この場
合には、差動増幅器５３の出力電圧の増減がバイアス電
流に及ぼす作用が反対となるので、差動増幅器５３の２
つの入力を入れ換える必要がある。さらに、上記の正負
両電源を使用する回路であれば、差動増幅器５３とマイ
ナス電源との間にホール素子を接続してもよい。

【００８６】また、基準電圧発生部としては、電源電圧
Ｖcを抵抗器で分圧してもよいし、能動素子による定電
圧回路であってもよいが、少なくとも、温度によってそ
の出力電圧が変化しないことが必要である。

【００８７】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、磁界中に固定された第２のホール素子のホール
電圧が、温度によらず一定となるように、第１および第
２のホール素子に流れるバイアス電流を制御しているの
で、第１のホール素子の出力電圧は、温度の変化によら
ず変位体の変位量のみを反映したものとなる。そのた
め、このホール電圧に基づいて、変位体の変位量を精度
よく求めることができる。

【００８８】そして、検出用のホール素子と温度補償用
のホール素子とが略同一の特性となるように構成してい
るので、広い温度範囲にわたって精度を保つことができ
る。

【００８９】さらに、２つのホール素子を同一磁界中に
配置しているので、磁界の強度が変化し、例えば、磁界
発生部を構成する永久磁石の劣化によって磁束密度Ｂが
低下した場合であっても、第２のホール素子の出力電圧
の低下を検知してバイアス電流を増加させることによっ
てその変化分を補償することができる。そのため、第１
のホール素子の出力電圧は常に変位体の変位量のみを反
映した値となり、この値から導出される変位量の値が磁
界の強度変化によって影響を受けることがない。

【００９０】また、請求項２に記載の発明によれば、２
つのホール素子を直列に接続することで、両者に流れる
バイアス電流は常に等しくなる。また、両素子の各１つ
の端子同士を直接接続することができるので、両素子を
近接して配置して温度差を少なくし、温度補償の精度を
高めるとともに、各素子への配線を少なくして、装置の
構成を簡単にすることができる。

【００９１】また、請求項３に記載の発明によれば、第
２のホール素子の出力電圧と基準電圧との差に比例した
電圧をバイアス電流にフィードバックすることによっ
て、より精度よく第２のホール素子の出力電圧を制御す
ることができる。そして、その結果、第１のホール素子
の出力電圧がより正確に変位体の変位量に対応したもの
となり、変位量を精度よく導出することが可能となる。

【００９２】また、請求項４に記載の発明によれば、回
転体の回転角度を、広い温度範囲で精度よく検出するこ
とが可能となり、例えば車載用機器として好適な回転角
度検出装置を構成することができる。

【００９３】また、請求項５に記載の発明によれば、第
１のホール素子の主面への磁束の入射角が回転体の回転
に伴って変化することによって、第１のホール素子の主
面上における磁束密度が変化する。そのため、回転体の
回転角度の変化に伴って、第１のホール素子の出力電圧
も変化するので、この電圧に基づいて、回転体の回転角
度を精度よく導出することができる。

【００９４】また、請求項６に記載の発明によれば、回
転体の回転に伴って、第１のホール素子が強度勾配を有
する磁界中での位置を変化するように構成しているた
め、回転体の回転角度に応じて第１のホール素子に加わ
る磁束密度が変化する。そして、このときの第１のホー
ル素子の出力電圧に基づいて、回転体の回転角度を精度
よく導出することができる。

【００９５】また、請求項７に記載の発明によれば、平
行移動体の１軸方向への移動に伴って、第１のホール素
子が強度勾配を有する磁界中での位置を変化するように
構成しているため、平行移動体の位置の変化に応じて第
１のホール素子に加わる磁束密度が変化する。そして、
このときの第１のホール素子の出力電圧に基づいて、回
転体の回転角度を精度よく導出することができる。

【００９６】さらに、このような１軸方向の検出機構を
複数組み合わせて、例えば２組の検出機構を直交する
Ｘ、Ｙの２軸方向に組み合わせることで、移動体のＸＹ
平面内での変位を検出することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる第１実施形態の角度検出装置の
断面図である。

【図２】図１におけるａ−ａ切断面からみた断面図であ
る。

【図３】この角度検出装置のギャップＧの拡大図であ
る。

【図４】この角度検出装置の検出回路の構成を示すブロ
ック図である。

【図５】差動増幅器の一例を示す回路図である。

【図６】本発明にかかる第２実施形態の角度検出装置の
断面図である。

【図７】図６におけるｂ−ｂ切断面からみた断面図であ
る。

【図８】図６におけるｃ−ｃ切断面からみた断面図であ
る。

【図９】本発明にかかる第３実施形態の位置検出装置の
斜視図である。

【図１０】ホール素子へのバイアス供給の他の例を示す
回路図である。

【符号の説明】

３、３１シャフト（変位体）６、７、９磁気回路（磁界発生部）５０検出回路（バイアス制御部）５３差動増幅器５４基準電圧発生部６１、７１、９１ヨーク６２、６３、７２、７３、９２、９３マグネット７４、９４磁極８１可動ピース（変位体）Ｈ１、Ｈ１１、Ｈ２１ホール素子（第１のホール素
子）Ｈ２、Ｈ１２ホール素子（第２のホール素子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F063 AA35 BA30 BC04 CA40 CB01 CC05 DA01 DC08 DD03 GA52 KA01 2F077 AA13 CC02 JJ01 JJ03 JJ08 JJ24 UU10 UU13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の範囲内で移動自在に構成された変
位体と、磁界を形成する磁界発生部と、前記磁界中に配
設されて、前記変位体に連動して前記磁界中における位
置が変化する第１のホール素子とを備え、前記変位体の
変位に伴う前記第１のホール素子からの出力電圧の変化
に基づいて前記変位体の変位量を検出する変位量検出装
置において、前記第１のホール素子と略同一の特性を有し、前記磁界
中に固定して配設された第２のホール素子と、基準電圧を発生する基準電圧発生部と、前記第１および第２のホール素子に対して、同じ大きさ
のバイアス電流を供給するとともに、前記第２のホール
素子の出力電圧が前記基準電圧と等しくなるように、前
記第１および第２のホール素子へのバイアス電流を制御
するバイアス制御部とを備えることを特徴とする変位量
検出装置。
【請求項２】前記第１および第２のホール素子の電流
入力端子の一方端子どうしが互いに接続されており、前記バイアス制御部が、前記第２のホール素子の出力電
圧と前記基準電圧との差に応じて、前記第１および第２
のホール素子の電流入力端子の他方端子間に印加する電
圧を変化させることによって、前記第１および第２のホ
ール素子へのバイアス電流を制御することを特徴とする
請求項１に記載の変位量検出装置。
【請求項３】前記バイアス制御部が、前記基準電圧および前記第２のホール素子の出力電圧を
入力するための２つの入力端子と、演算増幅器と、前記２つの入力端子のうちの一方の入力端子と、前記演
算増幅器の非反転入力端子との間に接続された第１の抵
抗器と、前記演算増幅器の前記非反転入力端子と出力端子との間
に接続された第２の抵抗器と、前記２つの入力端子のうちの他方の入力端子と、前記演
算増幅器の反転入力端子との間に接続されて、前記第２
の抵抗器と抵抗値が等しい第３の抵抗器と、前記演算増幅器の前記反転入力端子と前記出力端子との
間に接続されて前記第３の抵抗器と抵抗値が等しい第４
の抵抗器とを備え、前記演算増幅器の前記出力端子からの出力電圧を、前記
第１および第２のホール素子からなる直列回路に印加す
ることを特徴とする請求項２に記載の変位量検出装置。
【請求項４】前記変位体が、所定の角度範囲内におい
て回転自在に構成された回転体であって、前記測定対象
となる前記変位量が、前記回転体の回転角度であること
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の変位
量検出装置。
【請求項５】前記回転体の回転に伴って、前記磁界に
よる磁束の前記第１のホール素子への入射角が変化する
ことを特徴とする請求項４に記載の変位量検出装置。
【請求項６】前記磁界の強度分布が円弧上に沿って変
化する勾配を有しており、前記回転体の回転に伴って、前記第１のホール素子の前
記磁界中における位置が前記円弧に沿って変化すること
を特徴とする請求項４に記載の変位量検出装置。
【請求項７】前記変位体が、１つの軸方向に沿って平
行に移動自在な平行移動体であり、しかも、前記磁界の強度分布が、前記軸方向に沿って変化する勾
配を有しており、前記測定対象となる前記変位量が、前記平行移動体の前
記軸方向に沿った移動量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変位量検出装置。