JP2005201898A

JP2005201898A - 変位検出装置

Info

Publication number: JP2005201898A
Application number: JP2004364920A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kogure; 吉宏木暮; Koichi Kusuyama; 幸一楠山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2005-07-28
Also published as: US7622913B2; US20060202679A1

Abstract

【課題】出力特性の変化を抑制し、信頼性を向上した変位検出装置を提供することを課題とする。
【解決手段】ケーシング内で回動可能に設けられたマグネット２０と、マグネット２０の磁極と径方向で対向し、マグネット２０と共に磁気回路を構成するヨーク２１，２２と、ヨーク２１，２２とマグネット２０との対向面積に応じた磁束密度の変化を検出するホール素子２３とを備え、非磁性導電体の導電パターン２７，２８を介してヨーク２１，２２とホール素子２３とを電気的に接続して構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば回動軸の回転角を検出するのに好適に用いられる変位検出装置に関し、特に自動車用エンジンのスロットルバルブ開度、アクセルペダル開度等を検出するのに用いられる変位検出装置に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。このような文献に記載された回動角検出装置は、スロットルバルブの弁開度に応じて回動する回動軸に設けられたマグネットと、このマグネットの周囲をほぼ全周に亘って取り囲むヨークとで構成される磁気回路と、ヨーク間に配設された例えばホール素子からなる磁電変換素子を含む電気回路とを備えて構成されている。

このような構成において、電気回路を構成するホール素子によって、マグネットとヨークとで構成される磁気回路の、回動角に応じて変化する磁束密度を検出し、ホール素子で得られた信号を電気回路に含まれる信号処理回路で処理することにより、回動軸の回動角を検出するようにしている。
特開平７−２６０４１２号公報

このような、従来の回動角検出装置において、ヨークの磁気回路と磁電変換素子の電気回路とは、主に高分子樹脂等の非磁性体からなる構造保持部材により電気的に絶縁されており、磁気回路は電気回路に対して電位を等価に保つ構成はとられていなかった。

このため、磁気回路に蓄積される電荷によって磁気回路内に電位差が生じ、この電位差により電気回路を構成する磁電変換素子や信号処理回路に電子誘起、もしくは正孔濃度の変化が生じるおそれがあった。この結果、磁電変換素子や信号処理回路の動作が変化し、装置の特性が変化してしまうといった問題を招いていた。

例えばこの電位差によってＮ型の半導体領域の正孔濃度が減少する場合はＮ型の半導体領域の抵抗値が減少し、また、Ｐ型の半導体領域の正孔濃度が減少する場合はＰ型の半導体領域の抵抗値が増加したり、場合によっては反転層が形成されるおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力特性の変化を抑制し、信頼性を向上した変位検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、複数の導電体間に形成された絶縁空間に配置された半導体装置を備え、非磁性導電体を介して前記複数の導電体と前記半導体装置の電源の低電位側電極もしくは高電位側電極とを電気的に接続したことを特徴とする。

上記特徴の請求項１記載の発明によれば、複数の導電体と半導体装置との電位差をなくし、かつ両者を磁気的に分離することができる。これにより、半導体装置の特性変化を防止し、複数の導電体と半導体装置との磁気的な絶縁状態を確保することができる。

請求項２記載の発明は、前記請求項１記載の発明において、前記非磁性導電体は、前記半導体装置が搭載された基板に印刷された導電パターンであることを特徴とする。

上記特徴の請求項２記載の発明によれば、複数の導電体と半導体装置とを容易に電気的に接続することが可能となる。

請求項３記載の発明は、複数の導電体間に配置されたマグネットと、前記マグネットの変位を検出する磁気検出部とを備え、非磁性導電体を介して前記複数の導電体と前記磁気検出部の電源の低電位側電極もしくは高電位側電極とを電気的に接続したことを特徴とする。

上記特徴の請求項３記載の発明によれば、複数の導電体と磁気検出部との電位差をなくし、かつ両者を磁気的に分離することができる。これにより、磁気検出部の特性変化を防止し、複数の導電体と磁気検出部との磁気的な絶縁状態を確保することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る変位検出装置の概略構成を示す図である。図１に示す実施例１の変位検出装置の特徴とするところは、マグネット（図示せず）で発生する磁束を磁電変換素子のホール素子１１に導く一対のヨーク１２，１３と、このヨーク１２，１３間に配設されたホール素子１１に接続された電源の低電位側電極（同図（ａ）参照）又は電源の高電位側電極（同図（ｂ）参照）とを、銅やアルミ等の非磁性導電体１４で接続するようにしたことにある。このような構成を採用することで、ホール素子１１とそれぞれのヨーク１２，１３とを電気的に短絡して両者の電位差をなくし、かつ両者を磁気的に絶縁状態にするようにしている。

ホール素子１１は、リードフレーム１５に載置されてワイヤボンディング１６によりリードフレーム１５に電気的に接続され、樹脂パッケージ１７に収納されている。

次に、図２〜図４を参照して、非磁性導電体によりホール素子の電源の低電位側電極又は電源の高電位側電極とヨークとの具体的な接続構成を説明する。

図２〜図４は本発明の実施例１に係る変位検出装置の要部構成を示す図であり、図２は同装置の斜視図、図３は図２の平面図、図４は図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図２〜図４において、変位検出装置は、マグネット２０、一対のヨーク２１，２２、ホール素子２３ならびにプリント基板２５を備えて構成されている。

マグネット２０は、長さ方向の両側が磁極となった矩形状または小判状に形成され、ホール素子２３で検出する磁束を発生する。

ヨーク２１は、例えば電磁純鉄（ＳＵＹＢ，ＳＵＹＰ）、Ｆｅ−Ｎｉ合金等の磁性材料によって形成され、マグネット２０による磁束を後述するホール素子２３へと導くものである。ヨーク２１は、マグネット２０と一定間隔の径方向隙間を保って対向する湾曲板状の第１の磁極片部２１Ａと、第１の磁極片部２１Ａから径方向内向きに折曲げて形成され、マグネット２０を上側から跨ぐように平板状に延びた第１のオーバハング部２１Ｂとから構成されている。ヨーク２１の第１のオーバハング部２１Ｂは、マグネット２０と軸方向に一定間隔の軸方向隙間をもって対面し、マグネット２０を上側から部分的に覆っている。

ヨーク２２は、ヨーク２１と同様の磁性材料によって形成され、ヨーク２１と径方向に対向するように配置されて磁気回路を形成し、マグネット２０による磁束を後述するホール素子２３へと導くものである。ヨーク２２は、ヨーク２１と同様にマグネット２０と一定間隔の径方向隙間を保って対向する第２の磁極片部２２Ａと、第２の磁極片部２２Ａから径方向内向きに折曲げて形成され、マグネット２０を上側から跨ぐように平板状に延びた第２のオーバハング部２２Ｂとから構成されている。

第２の磁極片部２２Ａは、マグネット２０を挟んで第１の磁極片部２１Ａと径方向に対向し、マグネット２０の回動中心に対して一定の曲率半径をもって円弧状に湾曲して形成されている。また、第２の磁極片部２２Ａは、マグネット２０の回動中心に対して第１の磁極片部２１Ａとほぼ同一の角度をもって延びている。

一方、第２のオーバハング部２２Ｂは、その内周端側がマグネット２０の回動中心を越える位置まで延び、一定の隙間２６をもって第１のオーバハング部２１Ｂと部分的に重なり合っている。そして、第１，第２のオーバハング部２１Ｂ，２２Ｂとの間には、後述のホール素子２３が設けられている。これにより、第１，第２のオーバハング部２１Ｂ，２２Ｂは、ホール素子２３を上，下から挟む構成となっている。

ホール素子２３は、内部電気回路としてのホール素子で、ホール素子２３は、プリント基板２５に取付けられ、第１，第２のオーバハング部２１Ｂ，２２Ｂ間の隙間２６内に配置されている。また、ホール素子２３の磁気検出方向は、回動軸の軸方向に平行で、かつマグネット２０の着磁方向と直交する方向となっている。ホール素子２３は、マグネット２０、ヨーク２１，２２からなる磁気回路内を通る磁束密度に比例した検出信号を出力する。また、ホール素子２３は、出力する検出信号を受けて、ヨーク２１，２２に導かれた磁束密度から回動角を得るために必要となる信号処理を行う信号処理回路（図示せず）に接続されている。

プリント基板２５には、ホール素子２３が上述したように一対のヨーク２１，２２の間に配置されるように搭載され、かつ上記信号処理回路（図示せず）が搭載されている。また、プリント基板２５には、ヨーク２２の湾曲した第２の磁極片部２２Ａが貫通する貫通部が形成され、この貫通部にヨーク２２の湾曲した第２の磁極片部２２Ａが貫通して配設されている。

貫通部周囲のプリント基板２５の表面、ならびに貫通部のプリント基板２５の側面には、導電パターン２７が形成されている。また、プリント基板２５の裏面には、ヨーク２１の第１のオーバハング部２１Ｂの表面に対向して、第１のオーバハング部２１Ｂの表面形状と略同様の形状の導電パターン２８が、導電パターン２７と同様に形成されている。

導電パターン２７，２８は、銅やアルミ等の非磁性導電材で構成されている。導電パターン２７は、プリント基板２５の貫通部を貫通して配設されたヨーク２２の第２の磁極片部２２Ａと、例えば溶接、圧接、ハンダ付け、ワイヤボンディングもしくは非磁性の導電性接着剤で電気的に接続されている。導電パターン２７は、プリント基板２５の表面に形成された配線パターン（図示せず）を介してホール素子２３の電源の低電位側電極又は電源の高電位側電極に接続されている。したがって、ヨーク２２は、非磁性導電体の導電パターン２７ならびにプリント基板２５上に形成された配線パターンを介してホール素子２３の電源の低電位側電極又は電源の高電位側電極に電気的に接続されることになる。

導電パターン２８は、プリント基板２５を貫通するようにプリント基板２５に形成されたスルーホール２９を介してプリント基板２５の表面に形成された配線パターン（図示せず）に例えば溶接、圧接、ハンダ付け、ワイヤボンディングもしくは導電性接着剤で電気的に接続され、この配線パターンはホール素子２３の電源の低電位側電極又は電源の高電位側電極に接続されている。したがって、ヨーク２１は、非磁性導電体の導電パターン２８ならびにプリント基板２５上に形成された配線パターンを介してホール素子２３の電源の低電位側電極又は電源の高電位側電極に電気的に接続されることになる。

なお、両ヨーク２１，２２は、ホール素子２３に接続された同位の電源に接続される。すなわち、ヨーク２１がホール素子２３の電源の低電位側電極に接続される場合には、ヨーク２２もホール素子２３の電源の低電位側電極に接続される一方、ヨーク２１がホール素子２３の電源の高電位側電極に接続される場合には、ヨーク２２もホール素子２３の電源の高電位側電極に接続される。また、信号処理回路は、ホール素子２３が接続された電源の低電位側電極と電源の高電位側電極に接続されている。

このような構成において、マグネット２０で発生された磁束は、ヨーク２１，２２を介してホール素子２３に導かれ、ホール素子２３では導かれた磁束の密度に応じた検出信号が得られる。したがって、ホール素子２３では、ほぼ回動角に比例した検出信号が得られ、この検出信号を処理することでマグネット２０の回動に連動した回動軸の回動角を検出することができる。

以上説明したように、上記実施例１においては、ヨーク２１，２２の磁気回路は、ホール素子２３からなる磁電変換素子を含む電気回路（信号処理回路を含む）の電源の低電位側電極又は電源の高電位側電極に非磁性導電体により接続されているので、磁気回路と電気回路との電位差を解消し、かつ両者の磁気的な絶縁状態を確保することができる。これにより、磁電変換素子の静電破壊を防止することができ、加えて電気回路における正孔濃度の変化に伴う半導体部品の抵抗変化を回避し、特性の変化を防止することができる。

また、非磁性導電体を用いて、溶接、圧接、ハンダ付け、ワイヤボンディングもしくは非磁性の導電性接着剤により磁気回路と電気回路とを接続することで、両者の間で磁気干渉を招くことなく、磁気回路の保持機能と電気的な接合機能を両立させることができる。

さらに、磁電変換素子を固定電位に接続した磁気回路によって電気的にシールドを施した構造とすることができるため、外乱電気雑音による測定精度の低下を防止することができる。

図５〜図７は本発明の実施例２に係る変位検出装置の要部構成を示す図であり、図５は同装置の斜視図、図６は図５の平面図、図７は図５のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図５〜図７において、実施例１では、プリント基板２５に形成された貫通部の導電パターン２７，２８により、ヨーク２２とプリント基板２５とを電気的に接続しているのに対して、この実施例２の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、ＰＣ基板５１の一方の端部を、ヨーク２２の第２の磁極片部２２Ａと接合するように第２の磁極片部２２Ａの湾曲と同様に湾曲して形成し、その湾曲したＰＣ基板５１の端部の側面に実施例１の導電パターン２７，２８と同様の導電パターン５２を形成し、この導電パターン５２とヨーク２２の第２の磁極片部２２Ａとを、溶接、圧接、ハンダ付け、ワイヤボンディングもしくは非磁性の導電性接着剤により電気的に接続したことにあり、他は先の実施例１と同様である。なお、導電パターン５２は、先の実施例１の導電パターン２７，２８と同様に、ＰＣ基板５１に形成されてホール素子２３に接続された電源の低電位側電極又は電源の高電位側電極に接続された配線パターン（図示せず）に電気的に接続されている。

このような構成を採用した実施例２においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、磁気回路や電気回路の構造部材に直接印刷された非磁性の導電性パターンにより、ヨーク２１，２２と磁電変換素子のホール素子２３とを電気的に接続するようにしてもよい。また、磁電変換素子を含む電気回路は、ヨーク２１，２２に接続された発動機（図示せず）もしくは蓄電池（図示せず）から電源をとる信号処理回路（図示せず）から電源の低電位側電極ならびに電源の高電位側電極をとることで、ヨーク２１，２２と電気回路との電位差を等価にするようにしてもよい。また、ホール素子は、１つに限らず、２つ又は３以上の複数個であってもよい。

図８は本発明の実施例３に係る変位検出装置の要部構成を示す斜視図である。

先の実施例１ならびに実施例２では、マグネット２０の回動に連動した回動軸の回動角を検出する装置に本発明を適用しているが、この実施例３の特徴とするところは、マグネットのリニア変位を検出する装置に本発明を適用したことにある。

図８において、この実施例３の変位検出装置は、ヨーク８１ａ，８１ｂ、マグネット８２、ホール素子８３、コモンヨーク８４を備えて構成されている。なお、マグネット８２、ヨーク８１ａ，８１ｂならびにホール素子８３は、図２に示すマグネット２０、ヨーク２１，２２ならびにホール素子２３と同様に機能するものである。マグネット８２は、対向して配置されたヨーク８１ａ，８１ｂに挟まれて対向するヨーク８１ａ，８１ｂ間に形成された絶縁空間に配置され、かつコの字状のコモンヨーク８４の対向面に挟まれて対向面間に形成された絶縁空間に配置されている。ホール素子８３は、マグネット８２に隣接して配置され、対向して配置されたヨーク８１ａ，８１ｂに挟まれて対向するヨーク８１ａ，８１ｂ間に形成された絶縁空間に配置されている。マグネット８２は、その磁束が対向するヨーク８１ａ，８１ｂ間ならびにコモンヨーク８４の対向面間に発生する。

マグネット８２ならびにホール素子８３を挟む双方のヨーク８１ａ，８１ｂと、ホール素子８３の電源の低電位側電極もしくは高電位側電極とは、図示していないが、先の実施例１又は実施例２と同様に非磁性導電体で電気的に接続されている。

上記構成において、マグネット８２が図８の矢印Ａで示す方向に変位した場合には、マグネット８２とヨーク８１ａ，８１ｂとが対向する面積が変化し、これに応じてホール素子８３に印加される磁束密度が変化する。この磁束密度の変化をホール素子８３で検出することで、マグネット８２のリニア変位が検出される。同様に、マグネット８２が図８の矢印Ｂで示す方向に変位した場合には、マグネット８２とヨーク８１ａ，８１ｂとが対向する面積が変化し、これに応じてホール素子８３に印加される磁束密度が変化する。この磁束密度の変化をホール素子８３で検出することで、マグネット８２のリニア変位が検出される。なお、この実施例３ではコモンヨーク８４を設けているが、コモンヨーク８４を設けない場合でも同様に機能する。

このように、上記実施例３においても、ヨーク８１ａ，８１ｂとホール素子８３の電源の低電位側電極もしくは高電位側電極とを非磁性導電体で電気的に接続することで、磁気干渉とヨーク８１ａ，８１ｂ間の電位差の発生を防止することが可能になるとともに、静電気による特性変化を防止することができ、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

さらに、上記実施例から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。

（イ）前記非磁性導電体は、前記半導体装置が搭載された基板に印刷された導電パターンであり、
前記導電パターンは、前記導電体の周囲に対応して前記基板の表面に形成された第１の導電パターンと、前記導電体に対応して前記基板の側面に形成された第２の導電パターンとからなる
ことを特徴とする請求項３記載の変位検出装置。

上記特徴の変位検出装置によれば、導電体と半導体装置とを容易に電気的に接続することが可能となる。

（ロ）前記磁気検出部は、磁気抵抗素子で構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の変位検出装置。

上記特徴の変位検出装置によれば、磁気検出部を容易かつ小型に構成することが可能となる。

（ハ）前記磁気検出部は、ホール素子もしくはホールＩＣで構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の変位検出装置。

（ニ）前記非磁性導電体は、前記導電体、前記半導体装置又は前記磁気検出部に、溶接、圧接、ハンダ付け、ワイヤボンディングもしくは導電性接着剤により電気的に接合されていることを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の変位検出装置。

上記特徴の変位検出装置によれば、前記非磁性導電体と前記導電体、前記半導体装置又は前記磁気検出部とを容易に接合することができる。

（ホ）前記非磁性導電体は、前記導電体、前記半導体装置又は前記磁気検出部に直接印刷されてなる
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の変位検出装置。

上記特徴の変位検出装置によれば、導電体と半導体装置又は磁気検出部とを容易に電気的に接続することが可能となる。

（ヘ）前記磁気検出部は、半導体装置からなることを特徴とする請求項３記載の変位検出装置。

上記特徴の変位検出装置によれば、装置を容易かつ小型に構成することが可能となる。

本発明の実施例１に係る変位検出装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例１に係る変位検出装置の要部構成を示す斜視図である。図２に示す装置の平面図である。図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。本発明の実施例２に係る変位検出装置の要部構成を示す斜視図である。図５に示す装置の平面図である。図５のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。本発明の実施例３に係る変位検出装置の要部構成を示す斜視図である。

符号の説明

１１，２３，８３…ホール素子
１２，１３，２１，２２，８１ａ，８１ｂ…ヨーク
１４…非磁性導電体
２０，８２…マグネット
２１Ａ…第１の磁極片部
２１Ｂ…第１のオーバハング部
２２Ａ…第２の磁極片部
２２Ｂ…第２のオーバハング部
２５，５１…プリント基板
２６…隙間
２７，２８，５２…導電パターン
２９…スルーホール
８４…コモンヨーク

Claims

複数の導電体間に形成された絶縁空間に配置された半導体装置を備え、
非磁性導電体を介して前記複数の導電体と前記半導体装置の電源の低電位側電極もしくは高電位側電極とを電気的に接続した
ことを特徴とする変位検出装置。
前記非磁性導電体は、前記半導体装置が搭載された基板に印刷された導電パターンである
ことを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
複数の導電体間に配置されたマグネットと、
前記マグネットの変位を検出する磁気検出部とを備え、
非磁性導電体を介して前記複数の導電体と前記磁気検出部の電源の低電位側電極もしくは高電位側電極とを電気的に接続した
ことを特徴とする変位検出装置。