JP2006208252A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所要回転角度範囲（例えば−４５°〜＋４５°の範囲）における角度検出出力のリニアリティーを改善し、角度検出精度の向上を図った角度検出装置を提供する。
【解決手段】 回転する可動体１と、可動体１と一体となって回転し、かつ可動体１の回転中心軸Ｃから離れた一方の側から回転中心軸Ｃを挟んだ他方の側へ向かう磁界を発生させる磁界発生手段３と、少なくとも一対のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２とを備え、前記少なくとも一対のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２は、それぞれ回転中心軸Ｃから外れた位置において回転中心軸Ｃについて対称となる位置に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁界の方向変化により回転角度を検出する角度検出装置に関し、特に内燃機関のスロットルバルブ開度を検知するスロットル開度センサ等に用いて好適な角度検出装置に関する。

従来のスロットル開度センサは、回転する可動体と、この可動体の回転中心軸と同心で当該可動体と一体となって回転し、前記回転中心軸から離れた一方の側から前記回転中心軸を挟んだ他方の側へ向かう磁界を発生させる中空円筒状の永久磁石と、この中空円筒状永久磁石の略中心部に配置された磁電変換素子（ホール素子）と、からなる構造としている。

特開平５−１５７５０６号公報

ところで、上記特許文献１の場合、磁電変換素子が前記回転中心軸上に位置していることが前提であるが、前記磁電変換素子の前記回転中心軸からの位置ずれを考慮し、なるべく広範囲に一様な磁界を発生させるために、磁界発生手段として中空円筒状永久磁石を用いている。一様な磁界を発生させた場合、センサの出力が正弦波となるため、回転角度範囲９０°（−４５°〜＋４５°）の角度検知ではリニアリティー（直線性）が低く、角度検知の精度が低下する問題がある。

また、磁界発生手段として、２個の半円筒状永久磁石を組み合わせたものを用いる場合には、高精度に配置する必要があるため、上記特許文献１では中空円筒状永久磁石を用いているが、１個の中空円筒状永久磁石はコスト高となる。

また、磁電変換素子としてホール素子を用いているが、ホール素子は、外部磁界の向きだけでなく、大きさによる影響も受けるので、製品毎のセンサ出力のばらつきが発生し、測定精度が低くなる可能性がある。

本発明は、上記の点に鑑み、所要回転角度範囲（例えば−４５°〜＋４５°の範囲）における角度検出出力のリニアリティーを改善し、角度検出精度の向上を図った角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明に係る角度検出装置は、回転する可動体と、前記可動体と一体となって回転し、かつ前記可動体の回転中心軸から離れた一方の側から前記回転中心軸を挟んだ他方の側へ向かう磁界を発生させる磁界発生手段と、少なくとも一対の方向検知型磁電変換素子とを備え、
前記少なくとも一対の方向検知型磁電変換素子は、それぞれ前記回転中心軸から外れた位置において前記回転中心軸について対称となる位置に配置されていることを特徴としている。

前記角度検出装置において、前記磁界発生手段は、前記回転中心軸を含む１つの平面付近では当該平面に対して略平行に通過する磁束を発生させるとともに、前記平面から離れた領域では、前記平面に直交する方向の外側からみて凹状又は凸状に湾曲した経路で通過する磁束を発生させる構成であるとよい。また、前記磁界発生手段は、前記回転中心軸を挟んで相互に対向する略円弧状ヨークと、各ヨークの外側位置に配置された永久磁石とを備える構成であってもよい。

前記角度検出装置において、対をなした前記方向検知型磁電変換素子のピン層磁化方向が互いに反平行で、かつ、電気的に直列接続された構成であるとよい。

前記角度検出装置において、前記方向検知型磁電変換素子は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子であるとよい。

本発明に係る角度検出装置によれば、前記少なくとも一対の方向検知型磁電変換素子は、それぞれ前記回転中心軸から外れた位置において前記回転中心軸について対称となる位置に配置されているので、所要回転角度範囲（例えば−４５°〜＋４５°の範囲）における角度検出出力のリニアリティーが高く、角度検知の精度を向上させることができる。

また、方向検知型磁電変換素子を用いているため、外部磁界の大きさに影響を受けることなく、製品毎のばらつきが少なく、精度の高い回転角度測定をすることが可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、角度検出装置の実施の形態を図面に従って説明する。

図１（Ａ）,（Ｂ）に示されるように、本実施の形態に係る角度検出装置は、回転する可動体１と、可動体１と一体となって回転し、かつ可動体１の回転中心軸Ｃから離れた一方の側から回転中心軸Ｃを挟んだ他方の側へ向かう磁界を発生させる磁界発生手段３と、取付基板２上に固定配置された一対の方向検知型磁電変換素子としてのスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（以下、「ＳＶ−ＧＭＲ素子」という。）Ｒ１，Ｒ２とを有している。

本実施の形態に係る角度検出装置が、内燃機関のスロットルバルブ開度を検知するスロットル開度センサである場合、前記可動体１はスロットルバルブの回転軸に連結される部材であり、前記取付基板２は前記内燃機関のフレーム本体側に固定されるものである。

前記磁界発生手段３は、一対の、直方体型永久磁石５と円弧状ヨーク７との組からなり、直方体型永久磁石５と円弧状ヨーク７との組は、可動体１の回転中心軸Ｃについて対称となるように、それぞれ可動体１上に対向して固定されている。直方体型永久磁石５と円弧状ヨーク７とは、直方体型永久磁石５の磁極面に円弧状ヨーク７の外周面が接した状態で一体となっている。また、一対の直方体型永久磁石５は、互いに対向する面が異なる極となるように着磁されている。

なお、可動体１の回転中心軸Ｃと対をなした円弧状ヨーク７の内周面中心とは一致しており、回転中心軸Ｃからみた円弧状ヨーク７の中心角φは、計測する回転角度範囲にもよるが、測定角度範囲が９０°以内であれば、φ＝１１０°若しくはそれ以下でよい。

一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２は、前記回転する可動体１の回転中心軸Ｃから外れた位置において、前記回転する可動体１の回転中心軸について対称となる位置に配置されている。例えば、一対の円弧状ヨーク７の内周面の半径Ｒ＝７ｍｍのとき、回転中心軸Ｃからの距離Ｄ＝３ｍｍ程度外れた位置が適当である。距離Ｄは概ねＲ／３≦Ｄ≦Ｒ／２の範囲の値である。

また、一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向は、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を結ぶ直線に対して例えば垂直で、かつ向きは互いに逆向きであり、すなわち反平行である。

なお、図１では解りやすくするためにＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を直方体型永久磁石５やヨーク７等の部材に比較して大きく図示したが、実際には微小寸法である。

角度検出出力を得るための回路は図２に示す通りである。すなわち、直流定圧電源Ｖ_ＣＣに前記一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２が直列に接続されており、直流定圧電源Ｖ_ＣＣをＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２で分圧した電圧値（素子Ｒ２両端の電圧値）が、検出出力Ｖ_ＯＵＴとして得られる。

ＳＶ−ＧＭＲ素子の動作原理を図８（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）を用いて以下に説明する。

図８（Ａ）に示すように、ＳＶ−ＧＭＲ素子は、磁化方向が一方向に固定されたピン層と、電流が主として流れる非磁性体層と、磁化方向が外部磁界方向（外部磁束方向）に一致するフリー層とで構成されている。ピン層磁化方向と外部磁界の方向が一致するときは低抵抗値となり、図８（Ｂ）のようにＳＶ−ＧＭＲ素子面内において外部磁界の方向を回転させると、ピン層磁化方向と外部磁界の方向とのなす角度により抵抗値が変化し、反対方向のとき高抵抗値となる。この特性が図８（Ｃ）に示すＳＶ−ＧＭＲ素子の面内回転磁気特性であり、ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行な外部磁界が存在する条件下で、外部磁界を感磁面に垂直な回転中心軸にて回転させ、ピン層磁化方向に対する回転角度と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示したものである。この場合、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は正弦波に近い波形でなだらかに変化し、飽和領域は生じない。本実施の形態に係る角度検出装置では、図８（Ｃ）で示したＳＶ−ＧＭＲ素子の面内回転磁気特性を利用するものである。

本実施の形態の動作説明に先立って、図１と同じ可動体１及び磁界発生手段３（相互に対向する永久磁石５と円弧状ヨーク７の組）等の構成を有するが、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２（ピン層磁化方向は反平行）が共に可動体１の回転中心軸Ｃ上に配置されている図７の比較例を用いて角度検出の基本的な動作について説明する。

図７の比較例では、回転する可動体１の回転に伴い磁界発生手段３（相互に対向する永久磁石５と円弧状ヨーク７の組）が一体となって回転し、それにより回転中心軸Ｃ上に配置されたＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の位置における磁界の向きが図８（Ｂ）のように変化すると、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値が同図（Ｃ）のように実質的に正弦波形で変化する（但し、Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向は反平行であるため、出力波形の位相は相互に１８０°ずれている。）。

図２のように、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の直列接続回路の場合、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１の抵抗値：Ｒ_１、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２の抵抗値：Ｒ_２としたとき、直流定圧電源Ｖ_ＣＣと検出出力Ｖ_ＯＵＴとの関係は、下記(1)式で表される。
Ｖ_ＯＵＴ ＝Ｖ_ＣＣ×Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２） …(1)
ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の特性が一致しているき
Ｖ_ＯＵＴ ＝（Ｖ_ＣＣ／２）×｛１＋（ΔＲ_１９０／Ｒ_１０）×sinθ｝ …(2)
但し、Ｒ_１０：ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１のピン層磁化方向に直交する方向を基準とした回転角度θ＝０°のときのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１の抵抗値、ΔＲ_１９０：回転角度θ＝９０°のときのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１のＲ_１０を基準とした抵抗変化量である。

このように、図２の回路の検出出力Ｖ_ＯＵＴは、上記(2)式からわかるように、正弦波形となり、検出出力電圧と回転角度θとの関係は図３（Ａ）で示される。

図７の比較例に示したように、回転中心軸Ｃ上にＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を配置した構成では、検出出力波形は正弦波となるから、このままでは図３（Ｂ）のように回転角度θが−４５°〜＋４５°の範囲でリニアーに出力電圧を変化させることはできない。図４の点線は図７の比較例の場合の検出出力電圧（但し、角度０°のときを電圧基準としている）と回転角度との関係を示す。また、図５の点線は、図７の比較例の場合の検出出力電圧が、−４５°〜＋４５°の範囲で完全にリニアーな出力電圧特性を示す直線（図３（Ａ）の正弦波形の−４５°の電圧値と＋４５°の電圧値とを結ぶ直線）からどれだけ乖離しているか（誤差）を示す。

本実施の形態では、理想的なリニアーな出力電圧を示す直線からの乖離（誤差）が小さい検出出力電圧を得るために、図１のように、一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２は、前記回転する可動体１の回転中心軸Ｃから外れた位置において、回転中心軸Ｃについて対称となる位置に配置されている。以下、図６を用いて本実施の形態の動作説明を行う。

ここでは、図１（Ａ）のように一対の直方体型永久磁石５及びヨーク７の中央と可動体１の回転中心軸Ｃとを結ぶ直線上にＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２が位置する状態を可動体１の回転角度θ＝０°とする（このときＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向と磁界方向とが直交するように設定する）。また、図１、図６において、可動体１の回転中心軸Ｃについて反時計回り方向を回転角度θの正方向とする。

図６は、図１における対をなした円弧状ヨーク７の内周面の半径Ｒを７ｍｍ、可動体の回転中心軸ＣからのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の距離Ｄを３ｍｍとしたときの磁束の方向（磁界の方向）をシミュレーションで示したものである（反時計回り回転時）。この図６から、図１の磁界発生手段３では、回転中心軸Ｃを含む１つの平面α（図６では一対のヨーク中央を通過する紙面に垂直な平面）付近では当該平面αに対して略平行に通過する磁束を発生させるとともに、前記平面αから離れた領域では、前記平面αに直交する方向の外側からみて凹状に湾曲した経路βで通過する磁束を発生させていることがわかる。

図６から、可動体の回転中心軸Ｃ上では、回転角度θが、−４５°≦θ≦４５°の角度範囲において、機械的な回転角度θと磁界の方向とが一致しているから、図７の比較例の場合には正弦波形の検出出力となるが、図１の実施の形態では、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２は共に回転中心軸Ｃから外れた対称位置にあるため、回転角度の絶対値が大きくなると機械的な回転角度と磁界の方向とは一致しなくなる。

また、回転角度θが、θ＝０°の時、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の位置における外部磁界の向きは、回転角度θと一致する。したがって、θ＝０の時のセンサの出力Ｖ_ＯＵＴは、一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２とを回転中心軸の位置からずらさずに配置した場合の検出出力と同じである。これに対し、回転角度θ＝０°以外ではＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２位置での磁界の向きは回転角度θからずれる。本実施の形態では、この磁界の向きと回転角度θとのずれを利用して、図５の点線（比較例の場合）のときのリニアリティ低下を補正して、図５の実線に示すように、よりリニアーな特性に近づけることができる。なお、図５点線の誤差は図７の比較例の回転角度−４５°の出力値と＋４５°の出力値とを結ぶ直線を基準として求めたが、図５実線の誤差は図１の実施の形態の回転角度−４５°の出力値と＋４５°の出力値とを結ぶ直線を基準として求めたものである。

この実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) 磁界発生手段３は、一対の直方体型永久磁石５と円弧状ヨーク７との組から構成されているため、回転中心軸Ｃを含み直方体型永久磁石５及び円弧状ヨーク７中央を通る平面付近では当該平面に対して略平行に通過する磁束を発生させるとともに、前記平面から離れた領域では、前記平面に直交する方向の外側からみて凹状に湾曲した経路で通過する磁束を発生させることができる。そして、方向検知型磁電変換素子としてのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２が、回転中心軸Ｃから外れた位置において当該回転中心軸Ｃについて対称となる位置に配置しているので、−４５°〜＋４５°の範囲における検出出力のリニアリティーを改善して、図３（Ｂ）に示した−４５°〜＋４５°の角度範囲において検出出力電圧が直線的に変化する特性にいっそう近づけることが可能となる。

(2) 磁界発生手段３として、相互に対向する円弧状ヨーク７と、各ヨークの外側位置に配置された永久磁石（直方体型永久磁石）５とを用いるため、特許文献１のように中空円筒状永久磁石を用い場合に比較して、製造容易でコスト低減を図ることができる。

(3) ピン層磁化方向が互いに反平行である一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を直列接続して用いることで、検出出力電圧の増大、検出感度の向上を図ることができる。

(4) 方向検知型磁気抵抗効果素子としてのＳＶ−ＧＭＲ素子を用いており、ホール素子を用いている特許文献１に比較して、磁界発生手段３の永久磁石５の発生磁界強弱ばらつきや、回転する可動体１とＳＶ−ＧＭＲ素子間のギャップ（組付けばらつき）には影響されないので検出出力信号の安定化を図ることができる。

なお、上記実施の形態において、磁界発生手段３は、一対の、直方体型永久磁石と円弧状ヨークとの組からなるものとしたが、ヨークの内周面は円周面に限らず、円周面に変形を加えた略円弧状のヨークを用いることも可能である。

上記実施の形態では、磁界発生手段が、図６のように、回転中心軸Ｃを含む１つの平面α付近では平面αに対して略平行に通過する磁束を発生させるとともに、平面αから離れた領域では、平面αに直交する方向の外側からみて凹状に湾曲した経路で通過する磁束を発生させたが、逆に前記平面αに直交する方向の外側からみて凸状に湾曲した経路で通過する磁束を発生する磁界発生手段を利用することも可能である。この場合を本発明の他の実施の形態として図９及び図１０で説明する。

図９の角度検出装置において、磁界発生手段３Ａは、一対の、直方体型永久磁石５と円弧状ヨーク７との組からなるが、円弧状ヨーク７の向きが図１とは反対向きになっている。つまり、円弧状ヨーク７の凸面同士が対向する配置である。そして、直方体型永久磁石５と円弧状ヨーク７との組は、可動体１の回転中心軸Ｃについて対称となるように、それぞれ可動体１上に対向して固定されている。

一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２は、前記回転する可動体１の回転中心軸Ｃから外れた位置において、前記回転する可動体１の回転中心軸Ｃについて対称となる位置に配置されている。例えば、一対の円弧状ヨーク７間の距離Ｆが１４ｍｍのとき、回転中心軸Ｃからの距離Ｄ＝３ｍｍ程度外れた位置が適当である。距離Ｄは概ねＦ／６≦Ｄ≦Ｆ／４の範囲の値である。

また、一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向は、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を結ぶ直線に対して例えば平行で、かつ向きは互いに逆向きであり、すなわち反平行である。なお、その他の構成は図１の実施の形態と同様である。

図１０は、図９の角度検出装置における磁束の方向（磁界の方向）と機械的な回転角度との関係を示す。この図１０は、図９における対をなした円弧状ヨーク７の内周面間の距離Ｆを１４ｍｍ、可動体の回転中心軸ＣからのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の距離Ｄを３ｍｍとしたときの磁束の方向（磁界の方向）をシミュレーションで示したものである（反時計回り回転時）。この図１０から、図９の磁界発生手段３Ａでは、回転中心軸Ｃを含む１つの平面α（図１０では一対のヨーク中央を通過する紙面に垂直な平面）付近では当該平面αに対して略平行に通過する磁束を発生させるとともに、前記平面αから離れた領域では、前記平面αに直交する方向の外側からみて凸状に湾曲した経路γで通過する磁束を発生させていることがわかる。

図９の実施の形態においても、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２は共に回転中心軸Ｃから外れた対称位置にあるため、回転角度の絶対値が大きくなると機械的な回転角度と磁界の方向とは一致しなくなり、このことを利用して、図５の点線（比較例の場合）のときのリニアリティ低下を補正して、図５の実線に示すように、よりリニアーな特性に近づけることができる。

なお、各実施の形態において、一対のＳＶ−ＧＭＲ素子をピン層磁化方向が反平行となるように配置したが、故障に配慮して、さらに一対（若しくは複数対）のＳＶ−ＧＭＲ素子をピン層磁化方向が反平行となるように配置（位置はＲ１，Ｒ２と同じ）してもよい。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る角度検出装置の実施の形態であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。 実施の形態において、検出出力を得るためのＳＶ−ＧＭＲ素子の接続回路図である。 角度検出装置における回転角度と検出出力電圧との関係であって、（Ａ）はＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を回転中心軸上に配置した比較例の場合の正弦波形の出力電圧特性図、（Ｂ）は回転角度−４５°〜＋４５°の範囲で出力電圧がリニアーに変化する理想的な出力電圧特性図である。 本実施の形態と比較例の場合の回転角度（−４５°〜＋４５°の範囲）と検出出力電圧との関係を示す出力電圧特性図である。 本実施の形態と比較例の場合に、回転角度−４５°〜＋４５°の範囲において、理想とする直線的な出力電圧変化に対する実際の出力電圧の乖離（誤差）を示す誤差電圧特性図である。 本実施の形態における磁束の向き（磁界の向き）を示すシミュレーション図である。 ＳＶ−ＧＭＲ素子を用いた基本的な角度検出動作を説明するために用いた比較例の正面図である。 ＳＶ−ＧＭＲ素子の動作説明であって、（Ａ）はＳＶ−ＧＭＲ素子の膜構成を示す説明図、（Ｂ）はＳＶ−ＧＭＲ素子の面内回転の様子を示す説明図、（Ｃ）はＳＶ−ＧＭＲ素子の面内回転磁気特性を示す説明図である。 本発明に係る角度検出装置の他の実施の形態を示す正面図である。 図９の実施の形態における磁束の向き（磁界の向き）を示すシミュレーション図である。

符号の説明

１ 可動体
２ 取付基板
３，３Ａ 磁界発生手段
５ 直方体型永久磁石
７ 円弧状ヨーク
Ｒ１，Ｒ２ ＳＶ−ＧＭＲ素子

Claims (5)

1. 回転する可動体と、前記可動体と一体となって回転し、かつ前記可動体の回転中心軸から離れた一方の側から前記回転中心軸を挟んだ他方の側へ向かう磁界を発生させる磁界発生手段と、少なくとも一対の方向検知型磁電変換素子とを備え、
   前記少なくとも一対の方向検知型磁電変換素子は、それぞれ前記回転中心軸から外れた位置において前記回転中心軸について対称となる位置に配置されていることを特徴とする角度検出装置。
2. 前記磁界発生手段は、前記回転中心軸を含む１つの平面付近では当該平面に対して略平行に通過する磁束を発生させるとともに、前記平面から離れた領域では、前記平面に直交する方向の外側からみて凹状又は凸状に湾曲した経路で通過する磁束を発生させるものであることを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
3. 前記磁界発生手段は、前記回転中心軸を挟んで相互に対向する略円弧状ヨークと、各ヨークの外側位置に配置された永久磁石とを備えることを特徴とする請求項１又は２記載の角度検出装置。
4. 対をなした前記方向検知型磁電変換素子のピン層磁化方向が互いに反平行で、かつ、電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の角度検出装置。
5. 前記方向検知型磁電変換素子は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の角度検出装置。

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