JP2014044121A - 開度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットル弁の開度が全閉の場合の検出精度の低下が抑制された開度検出装置を提供する。
【解決手段】スロットル弁（６０）に設けられた磁石（１０）と、磁束の変動を電気信号に変換する磁電変換部（２０）と、を有し、磁電変換部の電気信号に基づいて、スロットル弁の開度を検出する開度検出装置であって、磁電変換部は、第１方向と第２方向とによって規定される規定平面に沿う第１検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号若しくは最も強度の低い電気信号を出力する第１磁電変換部（２１）と、第１検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号と最も強度の低い電気信号の中間の強度の電気信号を出力する第２磁電変換部（２２）と、を有し、角度θが０°の場合、第１磁電変換部及び第２磁電変換部それぞれに印加される磁束の方向は、第１検出方向の近傍である。
【選択図】図３

Description

本発明は、スロットル弁に設けられた磁石と、スロットル弁の回転による磁束の変動を電気信号に変換する磁電変換部と、を有する開度検出装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、駆動軸と一緒に回転し、磁石が取り付けられた回転体の回転角度を検出するための磁気抵抗素子を少なくとも２つ以上備えたセンサモジュールが提案されている。磁気抵抗素子は、少なくとも磁化方向が一方向に固定されたピン層と、ピン層に非磁性材料層を介して対向し磁石からの外部磁界を受けて磁化方向が変動するフリー層と、を有する。各ピン層の磁化方向は、基本状態において、駆動軸の軸心と交差する外部磁界の方向に対し４５°傾いている。

上記した基本状態とは、通常、時間的にもっとも長い姿勢状態をいう。このような基本状態で、複数の磁気抵抗効果素子の各ピン層の磁化方向と、磁石からの外部磁界方向とを４５°ずらす。こうすることで、すべてのピン層における外部磁界の影響を一律に弱くし、ピン層の磁化が外部磁界の影響を受けて揺らぐ現象をすべてのピン層にて同じにしている。

特開２００６−３１７２０３号公報

上記したように、従来、磁気抵抗効果素子に印加される磁界の方向について記述された発明はある。しかしながら、そのような発明において、磁石の取り付けられるスロットル弁の開度、特に、スロットル弁の設けられた管の連通量がゼロになる、開度が全閉の場合の検出精度について記述された発明はなかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、スロットル弁の開度が全閉の場合の検出精度の低下が抑制された開度検出装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明は、第１方向から、該第１方向に直交する第２方向へと角度θ回転することで、開度が大きくなるスロットル弁（６０）に設けられた磁石（１０）と、スロットル弁の回転による磁束の変動を電気信号に変換する磁電変換部（２０）と、を有し、磁電変換部の電気信号に基づいて、スロットル弁の開度を検出する開度検出装置であって、磁電変換部は、第１方向と第２方向とによって規定される規定平面に沿う第１検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号若しくは最も強度の低い電気信号を出力する第１磁電変換部（２１）と、第１検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号と最も強度の低い電気信号の中間の強度の電気信号を出力する第２磁電変換部（２２）と、を有し、角度θが０°の場合、第１磁電変換部及び第２磁電変換部それぞれに印加される磁束の方向は、第１検出方向の近傍であることを特徴とする。

詳しくは、後述する実施形態にて説明するが、磁電変換部（２０）に印加される磁束の方向（以下、印加方向と示す）が、第１検出方向の近傍である場合、第１磁電変換部（２１）及び第２磁電変換部（２２）それぞれの電気信号に含まれる誤差が少なくなる。これに対して、本発明では、角度θが０°の場合、印加方向が第１検出方向の近傍となっている。これにより、角度θが０°の場合、すなわち、スロットル弁（６０）の開き具合である開度が全閉の場合、磁電変換部（２０）の電気信号に含まれる誤差が少なくなる。そのため、スロットル弁（６０）の開度が全閉の場合の検出精度の低下が抑制される。

更に、本発明において、第１磁電変換部は、規定平面に沿い、第１検出方向に直交する第２検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号と最も強度の低い電気信号の中間の強度の電気信号を出力し、第２磁電変換部は、第２検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号若しくは最も強度の低い電気信号を出力する構成が好ましい。

本発明の構成によれば、角度θが９０°の場合、印加方向が第２検出方向の近傍となる。これに対して、第２検出方向に磁束が沿う場合、第１磁電変換部（２１）と第２磁電変換部（２２）それぞれから出力される電気信号は、第１検出方向に磁束が沿う場合とは反対の関係になっている。したがって、角度θが９０°の場合、すなわち、スロットル弁（６０）の開度が最大の場合においても、第１磁電変換部（２１）及び第２磁電変換部（２２）それぞれの電気信号に含まれる誤差が少なくなる。そのため、スロットル弁（６０）の開度が最大の場合の検出精度の低下が抑制される。

ちなみに、角度θが０°の場合、印加方向は、第１磁電変換部及び第２磁電変換部それぞれの電気信号に含まれる誤差が、最大誤差の最大値と最小値の中間値以下となる方向に決定される。この条件を満たす方向は、第１検出方向が、規定平面に直交する軸周りに１３°以下回転した方向である。なお、誤差が最も少なくなるのは、印加方向が、第１検出方向の時である。

開度検出装置が吸入弁に取り付けられ、スロットル弁の開度が全閉である状態を示す断面図である。 開度検出装置が吸入弁に取り付けられ、スロットル弁の開度が全開である状態を示す断面図である。 磁電変換部の概略構成を示す上面図である。 磁電変換部の回路図である。 磁電変換部の出力信号を示すグラフである。 誤差εの角度θ依存性を示すグラフである。 最大誤差ε_Ｍの角度θ依存性を示すグラフである。 最大誤差ε_Ｍの最小値と最大値を示すグラフである。

以下、本発明を、エンジンの吸入管内に設けられるスロットル弁の開度を検出するのに適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図８に基づいて、本実施形態に係る開度検出装置を説明する。以下においては、互いに直交の関係にある３方向を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。ｘ方向が、特許請求の範囲に記載の第１方向に相当し、ｙ方向が、特許請求の範囲に記載の第２方向に相当する。また、ｘ方向とｙ方向とによって規定される規定平面が、特許請求の範囲に記載の規定平面に相当し、ｚ方向が、特許請求の範囲に記載の規定平面に直交する軸に沿う方向である。

図１に示すように、開度検出装置１００は、要部として、磁石１０と、磁電変換部２０と、収納部４０と、を有する。磁石１０及び磁電変換部２０それぞれは、収納部４０に収納され、収納部４０は、吸入管５０の外壁に設けられている。吸入管５０の内部には、スロットル弁６０が設けられ、スロットル弁６０は、ｚ方向に軸が沿う回転軸７０によって、規定平面にて９０°回転可能となっている。磁石１０は、上記した回転軸７０を介してスロットル弁６０に固定されており、スロットル弁６０とともに回転可能となっている。したがって、磁石１０から発せられる磁界は、スロットル弁６０の回転によって変動し、磁電変換部２０に印加される磁束の方向も変動する。これにより、磁電変換部２０から出力される電気信号も変動する。この電気信号の変動に基づくことで、スロットル弁６０の開度が検出される。

磁石１０は、永久磁石であり、本実施形態では、円形を成している。そして、磁石１０は、Ｎ極とＳ極とに２分割されており、スロットル弁６０の開度が全閉の場合、図１に示すように、Ｎ極とＳ極とがｙ方向に並び、スロットル弁６０の開度が全開の場合、図２に示すように、Ｎ極とＳ極とがｘ方向に並ぶようになっている。したがって、スロットル弁６０の開度が全閉の場合、磁束はｙ方向に沿い、スロットル弁６０の開度が全開の場合、磁束の方向はｘ方向に沿うこととなる。また、スロットル弁６０がｘ方向からｙ方向へと角度θだけ回転すると、磁石１０もスロットル弁６０とともに回転し、磁電変換部２０に印加される磁束の方向も、角度θだけ回転する。

磁電変換部２０は、規定平面に沿う第１検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号若しくは最も強度の低い電気信号を出力する第１磁電変換部２１と、第１検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号と最も強度の低い電気信号の中間の強度の電気信号を出力する第２磁電変換部２２と、を有する。また、本実施形態に係る第１磁電変換部２１は、規定平面に沿い、第１検出方向に直交する第２検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号と最も強度の低い電気信号の中間の強度の電気信号を出力する性質を有し、第２磁電変換部２２は、第２検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号若しくは最も強度の低い電気信号を出力する性質を有する。

スロットル弁６０の開度が全閉（θ＝０°）の場合、図３に実線矢印で示す、ｙ方向に沿う磁束が磁電変換部２０に印加され、スロットル弁６０の開度が全開（θ＝９０°）の場合、図３に破線矢印で示す、ｘ方向に沿う磁束が磁電変換部２０に印加される。図３に示す２つの矢印の交点Ｐ１のｚ方向に、上記した回転軸７０の軸方向が沿っており、磁石１０の磁束は、交点Ｐ１を中心に回転する。

図３及び図４に示すように、第１磁電変換部２１は、４つの磁電変換素子２３〜２６を有し、第２磁電変換部２２は、４つの磁電変換素子２７〜３０を有する。磁電変換素子２３〜３０は、印加磁界を電気信号に変換するものであり、本実施形態では、印加磁界によって抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子である。磁電変換素子２３〜３０は、図示しないが、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、非磁性の中間層と、磁化方向が固定されたピン層と、ピン層の磁化方向を固定する磁石層と、が順次積層されて成る。本実施形態に係る中間層は、絶縁性を有しており、磁電変換素子２３〜３０は、トンネル磁気抵抗効果素子である。自由層とピン層との間に電圧が印加されると、トンネル効果によって、自由層とピン層との間の中間層に電流（トンネル電流）が流れる。トンネル電流の流れ易さは、自由層とピン層の磁化方向に依存しており、自由層とピン層それぞれの磁化方向が平行の場合に最も流れ易く、反平行の場合に最も流れ難い。したがって、自由層とピン層それぞれの磁化方向が平行の場合に磁電変換素子２３〜３０の抵抗値が最も小さく変化し、反平行の場合に抵抗値が最も大きく変化する。

第１磁電変換部２１が有する磁電変換素子２３〜２６それぞれのピン層の磁化方向が、上記した第１検出方向であり、本実施形態では、ｙ方向である。また、第２磁電変換部２２が有する磁電変換素子２７〜３０それぞれのピン層の磁化方向が、上記した第２検出方向であり、本実施形態では、ｘ方向である。このように、磁電変換素子２３〜２６それぞれの磁化方向と、磁電変換素子２７〜３０それぞれの磁化方向とは、直交している。そのため、磁電変換素子２３〜２６それぞれの抵抗の変化し易さと、磁電変換素子２７〜３０それぞれの抵抗の変化し易さとが、反対の関係になっている。すなわち、磁電変換部２０に印加される磁束の方向（以下、印加方向と示す）がｘ方向に沿う場合、磁電変換素子２３〜２６それぞれの抵抗が最も変化し易く、印加方向がｙ方向に沿う場合、磁電変換素子２７〜３０それぞれの抵抗が最も変化し易くなっている。

図３及び図４に示すように、磁化方向が反平行の関係にある２つの磁電変換素子によって、ハーフブリッジ回路が構成され、２つのハーフブリッジ回路によって、フルブリッジ回路が構成されている。詳しく言えば、磁電変換素子２３，２４、磁電変換素子２５，２６、磁電変換素子２７，２８、及び、磁電変換素子２９，３０それぞれによって、ハーフブリッジ回路が構成され、磁電変換素子２３〜２６によってフルブリッジ回路が構成され、磁電変換素子２７〜３０によってフルブリッジ回路が構成されている。

上記したように、ハーフブリッジ回路を構成する２つの磁電変換素子の磁化方向は反平行となっている。そのため、２つの磁電変換素子の抵抗値の変化は、反対になっている。すなわち、２つの磁電変換素子の内の一方の抵抗値が小さくなる場合、他方の抵抗値が大きくなっている。フルブリッジ回路を構成する、２つのハーフブリッジ回路の中点電位の差分が、電気信号として出力される。

図５に、磁電変換部２１，２２の出力信号の角度θ依存性を示す。スロットル弁６０の開度が全閉（θ＝０°）の場合、図３に実線矢印で示す、ｙ方向に沿う磁束が磁電変換部２０に印加される。これにより、第１磁電変換部２１から、最も強度の高い電気信号が出力され、第２磁電変換部２２から、中間の強度の電気信号が出力される。スロットル弁６０の開度が徐々に大きくなり、角度θが徐々に大きくなると、第１磁電変換部２１の出力信号の強度が低減し、第２磁電変換部２２の出力信号の強度が増加する。そして、スロットル弁６０の開度が全開（θ＝９０°）になると、図３に破線矢印で示す、ｘ方向に沿う磁束が磁電変換部２０に印加される。これにより、第１磁電変換部２１から、中間の強度の電気信号が出力され、第２磁電変換部２２から、最も強度の高い電気信号が出力される。このように、第１磁電変換部２１からは、ｃｏｓθに依存する電気信号が出力され、第２磁電変換部２２からは、ｓｉｎθに依存する電気信号が出力される。

スロットル弁６０の開度（角度θ）は、これら、磁電変換部２１，２２の電気信号に基づいて、検出される。具体的に言えば、第１磁電変換部２１のｃｏｓθに依存する電気信号と、第２磁電変換部２２のｓｉｎθに依存する電気信号との比からｔａｎθを求めることで、角度θが求められる。この結果、開度が求められる。

次に、本実施形態に係る開度検出装置１００の作用効果を説明する。磁電変換部２１，２２の出力信号Ｉ１，Ｉ２の振幅をＡ１，Ａ２、出力信号Ｉ１，Ｉ２に乗るノイズをα１、α２とすると、Ｉ１＝Ａ１ｃｏｓθ＋α１、Ｉ２＝Ａ２ｓｉｎθ＋α２とあらわされる。ここで、磁電変換部２１，２２の出力信号の強度をあわせるために、振幅によって出力信号を割ると、第１磁電変換部２１の出力信号は、Ｉ３＝ｃｏｓθ＋α３、第２磁電変換部２２の出力信号は、Ｉ４＝ｓｉｎθ＋α４とあらわされる。この規格化により、ノイズα１、α２は、ノイズα３、α４となるわけだが、ノイズα３、α４の強度は、０．０１ほどになる。ちなみに、ノイズα１、α２は、全周波数領域で同一の強度を有するホワイトノイズである。そのため、ノイズα３、α４の強度は、全周波数領域で０．０１ほどになる。

磁電変換部２１，２２それぞれの出力信号にノイズが含まれない場合に検出される角度θをθ１とすると、θ１＝ａｒｃｔａｎ（Ｉ３／Ｉ４）＝ａｒｃｔａｎ（ｓｉｎθ１／ｃｏｓθ１）とあらわされる。しかしながら、磁電変換部２１，２２それぞれの出力信号にノイズが含まる場合に検出される角度θをθ２とすると、θ２＝ａｒｃｔａｎ（Ｉ４／Ｉ３）＝ａｒｃｔａｎ{（ｓｉｎθ１＋α３）／（ｃｏｓθ１＋α４）}とあらわされる。

このθ２−θ１＝εが、角度の検出誤差に相当し、この値εが小さくなればなるほど、角度の検出精度が高い、ということになる。図６に、誤差εの角度θ依存性を示す。上記したように、ノイズα３、α４の強度は、全周波数領域で０．０１ほどである。図６に示す実線は、α３＝０．０１，α４＝−０．０１の時の誤差εを示し、破線は、α３＝０．０１，α４＝０．０１の時の誤差εを示している。また、一点差線は、α３＝−０．０１，α４＝０．０１の時の誤差εを示し、二点差線は、α３＝−０．０１，α４＝−０．０１の時の誤差εを示している。

ここで、誤差εが最大値及び最小値をとる場合のグラフ（最大誤差ε_Ｍの角度θ依存性）を、図７に示す。これによれば、ｎを０以上の整数とすると、角度θ＝９０°×ｎの時に、最大誤差ε_Ｍが最小になることがわかる。図５に基づいて換言すれば、磁電変換部２１，２２の一方が、最も強度の高い電気信号若しくは最も強度の低い電気信号を出力し、他方が、最も強度の高い電気信号と最も強度の低い電気信号の中間の強度の電気信号を出力する時に、最大誤差ε_Ｍが最小になることがわかる。

これに対して、本実施形態では、第１磁電変換部２１が有する磁電変換素子２３〜２６それぞれのピン層の磁化方向が第１検出方向であり、ｙ方向である。また、第２磁電変換部２２が有する磁電変換素子２７〜３０それぞれのピン層の磁化方向が第２検出方向であり、ｘ方向である。これにより、スロットル弁６０の開度が全閉（θ＝０°）の場合、第１磁電変換部２１から、最も強度の高い電気信号が出力され、第２磁電変換部２２から、中間の強度の電気信号が出力される。そのため、スロットル弁６０の開度が全閉（θ＝０°）の場合、最大誤差ε_Ｍが最小になっている。これにより、角度θが０°の場合、すなわち、スロットル弁６０の開き具合である開度が全閉の場合、磁電変換部２０の電気信号に含まれる誤差が最も少なくなる。そのため、スロットル弁６０の開度が全閉の場合の検出精度の低下が抑制される。

また、本実施形態では、スロットル弁６０の開度が全開（θ＝９０°）の場合、第１磁電変換部２１から、中間の強度の電気信号が出力され、第２磁電変換部２２から、最も強度の高い電気信号が出力される。そのため、スロットル弁６０の開度が全開（θ＝９０°）の場合、最大誤差ε_Ｍが最小になっている。これにより、角度θが９０°の場合、すなわち、スロットル弁６０の開度が最大の場合においても、磁電変換部２０の電気信号に含まれる誤差が少なくなる。そのため、スロットル弁６０の開度が最大の場合の検出精度の低下が抑制される。

本実施形態では、第１検出方向がｙ方向であり、第２検出方向がｘ方向である例を示した。しかしながら、検出方向としては、上記例に限定されず、第１検出方向がｙ方向の近傍であり、第２検出方向がｘ方向の近傍であれば良い。この近傍とは、具体的に言えば、最大誤差ε_Ｍの最大値と最小値の中間値以下となる範囲である。図８に示すように、最大誤差ε_Ｍは、だいたい、０．５８〜０．８１の値をとる。したがって、最大誤差ε_Ｍの中間値は、０．６９５であり、最大誤差ε_Ｍが０．６９５以下の値をとるのは、９０°×ｎ±１３°以下の時である。したがって、第１検出方向がｙ方向からｚ軸周りで１３°以下回転した方向であり、第２検出方向がｘ方向からｚ軸周りで１３°以下回転した方向であれば良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、磁電変換素子２３〜３０は、トンネル磁気抵抗効果素子である例を示した。しかしながら、磁電変換素子２３〜３０としては、上記例に限定されず、例えば、中間層が絶縁性を有する巨大磁気抵抗効果素子を採用することもできる。更には、磁電変換素子２３〜３０としては、ＡＭＲやホール素子を採用することもできる。

１０・・・磁石
２０・・・磁電変換素部
２１・・・第１磁電変換部
２２・・・第２磁電変換部
１００・・・開度検出装置

Claims (7)

1. 第１方向から、該第１方向に直交する第２方向へと角度θ回転することで、開度が大きくなるスロットル弁（６０）に設けられた磁石（１０）と、
   前記スロットル弁の回転による前記磁束の変動を電気信号に変換する磁電変換部（２０）と、を有し、前記磁電変換部の電気信号に基づいて、前記スロットル弁の開度を検出する開度検出装置であって、
   前記磁電変換部は、前記第１方向と前記第２方向とによって規定される規定平面に沿う第１検出方向に前記磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号若しくは最も強度の低い電気信号を出力する第１磁電変換部（２１）と、前記第１検出方向に前記磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号と最も強度の低い電気信号の中間の強度の電気信号を出力する第２磁電変換部（２２）と、を有し、
   前記角度θが０°の場合、前記第１磁電変換部及び前記第２磁電変換部それぞれに印加される磁束の方向は、前記第１検出方向の近傍であることを特徴とする開度検出装置。
2. 前記第１磁電変換部は、前記規定平面に沿い、前記第１検出方向に直交する第２検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号と最も強度の低い電気信号の中間の強度の電気信号を出力し、
   前記第２磁電変換部は、前記第２検出方向に磁束が沿う場合、最も強度の高い電気信号若しくは最も強度の低い電気信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の開度検出装置。
3. 前記角度θが０°の場合、前記磁電変換部に印加される磁束の方向は、前記第１磁電変換部及び前記第２磁電変換部それぞれの電気信号に含まれる誤差が、最大誤差の最大値と最小値の中間値以下となる方向であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の開度検出装置。
4. 前記角度θが０°の場合、前記磁電変換部に印加される磁束の方向は、前記第１検出方向が、前記規定平面に直交する軸周りに１３°以下回転した方向であることを特徴とする請求項３に記載の開度検出装置。
5. 前記角度θが０°の場合、前記磁電変換部に印加される磁束の方向は、前記第１検出方向であることを特徴とする請求項３に記載の開度検出装置。
6. 前記第１磁電変換部、及び、前記第２磁電変換部それぞれは、複数の磁電変換素子を有し、
   該磁電変換素子は、磁化方向が固定されたピン層と、印加される磁束に応じて磁化方向が変化する自由層と、該自由層と前記ピン層との間に設けられた非磁性の中間層と、を有することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の開度検出装置。
7. 前記第１磁電変換部の磁電変換素子が有するピン層の磁化方向は、前記第１検出方向の近傍であり、
   前記第２磁電変換部の磁電変換素子が有するピン層の磁化方向は、前記規定平面に沿い、前記第１検出方向に直交する第２検出方向の近傍であることを特徴とする請求項６に記載の開度検出装置。

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