JP3009274B2 - 角度検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角度検出器に関し、更
に詳しくいえば、強磁性体薄膜を備えた磁電変換素子を
用いて、回転体の回転角度を検出する非接触型の角度検
出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７〜図８は、従来例を示した図であ
り、図７は角度検出装置（例１）の説明図、図８は角度
検出装置（例２）の説明図である。

【０００３】図中、１は回転体、２は磁電変換素子、３
−１は第１の磁気抵抗素子、３−２は第２の磁気抵抗素
子、４は直線パターン（強磁性体薄膜のパターン）、５
は折れ曲がり部（強磁性体薄膜のパターン）、６−１〜
６−３は電極を示す。

【０００４】従来、非接触型の角度検出器として、図７
に示したような構造の検出器が知られていた。この検出
器は、磁石を備えた回転体１と、該回転体１の近傍に配
置された磁電変換素子２とで構成される。

【０００５】前記回転体１の外周部には、図示のよう
に、２極のＮ、Ｓ磁極が１８０度分割配置で設けられて
おり、この回転体１が駆動源と共に回転する時、Ｎ、Ｓ
磁極により周期的な磁場を発生するようになっている。

【０００６】また、磁電変換素子２は、基板上に強磁性
体薄膜の細条パターンをジグザグ状に形成した一対の第
１、第２の磁気抵抗素子３−１、３−２で構成する。こ
の細条パターンは、回転体１の直径方向の中心線に対
し、左右対称的に設けられており、第１、第２の磁気抵
抗素子３−１、３−２の細条パターンは直列に接続され
ている。

【０００７】そして、第１、第２の磁気抵抗素子３−
１、３−２の各細条パターンは、長さが全て同じｘ〔m
m] の複数の直線パターン４と、該直線パターン４の間
を接続する折れ曲がり部５とで構成され、各直線パター
ン４は、前記中心線に対する角度がθ（θ≒４５°）
で、一定の間隔をおいて、平行に並べてある。

【０００８】従って、第１の磁気抵抗素子３−１の各直
線パターン４と、第２の磁気抵抗素子３−２の各直線パ
ターン４とは、直交するように配置される。そして、例
えば電極６−１をＧＮＤに接続し、電極６−３を電圧Ｖ
ｃの電源に接続すると共に、電極６−２を出力端子側の
電極として使用する。

【０００９】このような構成の角度検出器では、回転体
１の回転角度に応じて、周期的な磁場を発生させるか
ら、この磁場の変化を磁電変換素子２により検出する。
この場合、出力端子ＯＵＴからは、略正弦波状の出力信
号が得られるので、この出力信号を波形変換処理して、
前記出力信号に応じた矩形波信号として、これをもと
に、回転角度等の検出を行う。

【００１０】また、従来、図８に示した構造の角度検出
器が知られていた。この角度検出器は、２つの磁気抵抗
素子の向きが異なるだけであり、他の構成は図７の検出
器と同じである。

【００１１】図８に示したように、第１の磁気抵抗素子
３−１の各直線パターン４は、図示の中心線に対して９
０°傾けて配置され、第２の磁気抵抗素子３の２の直線
パターン４は、中心線方向に配列されている。従ってこ
の場合にも、第１の磁気抵抗素子３−１の各直線パター
ン４と、第２の磁気抵抗素子３−２の各直線パターン４
とは直交配置されている。

【００１２】また、各直線パターン４の長さは、全て同
じ長さに設定されている。このような構成の角度検出器
を使用する場合には、例えば電極６−１をＧＮＤに接続
し、電極６−３を電源に接続する。そして電源６−２を
出力端子側の電極として使用すれば、この出力端子か
ら、回転体１の回転角度に応じた出力信号が取り出せ
る。

【００１３】図８に示した、角度検出器と、図７に示し
た角度検出器は、強磁性体薄膜の細条パターンが図示の
ように異なっているが、いずれの角度検出器でも、直線
パターン４の長さが同じであり、ほぼ同等の角度検出特
性が得られる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のも
のにおいては、次のような課題があった。 (1) 細条パターンの長さは全て同じ長さに設定されてい
たため、出力信号における正負反転領域のリニアリティ
（直線性）角が狭い（例えば最高で４０度程度）。

【００１５】(2) リニアリティ角が狭いため、出力信号
が回転体の回転角度に正確に対応しない。従って良好な
検出特性が得られない。特に回転角が広くなると検出誤
差が大きくなる。

【００１６】本発明は、このような従来の課題を解決
し、回転体の広い回転角度に対して、出力信号の直線性
を改善し、良好な検出特性が得られるようにすることを
目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
あり、図中、図７、図８と同符号は同一のものを示す。

【００１８】本発明は上記の課題を解決するため、次の
ように構成した。即ち、回転源に連動して回転駆動さ
れ、直径方向に着磁された磁極を有する円柱状の回転体
１と、前記回転体１の近傍に配置され、該回転体の磁極
の変位に伴う周期的磁界を基に、回転体の回転に応じた
周期的な信号を出力する磁電変換素子２とから成り、前
記磁電変換素子２を、回転体１の直径方向の中心線に対
し、左右対称に設けた一対の磁気抵抗素子３−１、３−
２を直列に接続した構成とし、かつ、各磁気抵抗素子３
−１、３−２を、強磁性体薄膜から成るジグザグ状の連
続した細条パターンで構成した角度検出器において、前
記細条パターンを、前記中心線に対し、ほぼ４５°の角
度で、一定間隔をあけて、平行して並べた長さの異なる
複数の直線パターン４と、前記直線パターン４間を接続
する折れ曲がり部５とで構成し、該折れ曲がり部５を介
して、短い直線パターンから長い直線パターンへ、更に
長い直線パターンから短い直線パターンへと連続的につ
ながるように構成し、端子電極取り出し用のパッドを、
前記回転体（１）とは反対方向に設けた。

【００１９】

【作用】上記構成に基づく本発明の作用を、図１を参照
しながら説明する。回転体１は、回転源によって回転駆
動されるが、例えば所定の角度の範囲内で、図示矢印方
向（中心線に対し、±φの角度内）に回転する。

【００２０】また、磁電変換素子２の一対の磁気抵抗素
子３−１、３−２は、直列接続されており、その接続点
を出力端子ＯＵＴ側の電極６−２に接続する。そして、
例えば第１の磁気抵抗素子３−１側の電極６−１をＧＮ
Ｄに接続し、第２の磁気抵抗素子３−２側の電極６−３
を電源Ｖｃに接続する。

【００２１】このような接続により、第１、第２の磁気
抵抗素子３−１、３−２には電流が流れるが、磁気抵抗
素子を構成している強磁性体薄膜の細条パターンは、回
転体１で発生した磁界により、その抵抗値が変化する。
即ち、回転体１の変位に応じて細条パターンの抵抗値が
変化する。

【００２２】この細条パターンの抵抗変化は、出力端子
ＯＵＴの電位変化として出力されるから、この出力信号
を取り出して信号処理を行うことにより、回転体１の回
転角度を検出することができる。

【００２３】この場合、本発明では、細条パターンを構
成する直線パターンの長さが異なっていて、上記のよう
に構成されているため、角度検出器から出力される検出
信号は、極めて広範囲にわたって直線性（リニアリテ
ィ）の良好な信号となる。

【００２４】このため、回転体１の回転角度が大きい場
合（変位量が大きい場合）でも、検出誤差が少なく、常
に正確な角度検出が可能となる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図２〜図６は、本発明の実施例を示した図であ
り、図２は角度検出器の構成説明図、図３は磁電変換素
子の平面図、図４は磁電変換素子の一部拡大図、図５
は、実装時の出力波形図、図６は角度−出力特性例を示
す。

【００２６】図中、図１、図７、図８と同符号は同一の
ものを示す。また、７は出力端子を示す。この実施例の
角度検出器は、図２に示したように、回転体１と磁電変
換素子２とで構成されている。この回転体１は、回転源
に連動して回転駆動されるものであり、円柱状に形成さ
れている。

【００２７】そして、回転体１には磁石が備えてあり、
周期的配列の磁極を設けてある。例えば、この磁石は、
残留磁束密度が８〜１５ＫＧのサマリウム−コバルト磁
石で構成し、その直径方向にＮ極とＳ極とを１８０度分
割配置する。

【００２８】また、回転体１の高さをＨ、直径をＲとし
た場合、Ｈ／Ｒ≦２の関係となるように寸法を決める。
磁電変換素子２の配置としては、回転体１の高さの半分
（Ｈ／２）の面上に、一対の磁気抵抗素子がくるように
する。

【００２９】前記磁電変換素子は、図２、図３のように
構成されている。図示のように、この磁電変換素子２
は、基板上に、第１の磁気抵抗素子３−１と第２の磁気
抵抗素子３−２とを図の中心線に対して左右対称に形成
する。

【００３０】この中心線は、回転体１の直径方向に合わ
せて配置する。前記第１、第２の磁気抵抗素子３−１、
３−２は、前記従来例と同様に、基板上に強磁性体薄膜
の細条パターンをジグザグ状に形成するが、直線パター
ンの長さは異なる。

【００３１】前記強磁性体薄膜から成る細条パターン
は、複数の直線パターン４と、該直線パターン４間を接
続する折れ曲がり部５とで構成し、各直線パターン４
は、中心線に対し、角度θ（θ≒４５°）だけ傾けて形
成する。

【００３２】また、各直線パターン４は長さが異なって
おり、これらの各直線パターン４は、一定の間隔をあけ
て平行に並べてある。従って、第１、第２の磁気抵抗素
子３−１、３−２の各直線パターン４は、ほぼ直交する
ように配置され、中心線に対して左右対称になってい
る。

【００３３】そして、第１、第２の磁気抵抗素子３−
１、３−２は、それぞれ、折れ曲がり部５を介して、短
い直線パターンから長い直線パターンへ、更に長い直線
パターンから短い直線パターンへ連続的につながるよう
に設定され、その折れ曲がり部５の包絡線が各直線パタ
ーン５の方向に対して、ほぼ４５°の角度となるように
設定されている。

【００３４】理想的な寸法は次のとおりである。、今、
強磁性体薄膜の形成された領域を、幅がＡで、奥行きが
Ｂとすると、Ａ＝Ｒ／３〜Ｒ／５（Ｒ：回転体１の直
径）、Ｂ＝Ａ／1.5 〜Ａ／2.5 とする。また、最近接回
転体外周面の接線を０とした時、強磁性体薄膜が全て０
〜６mm以内に入るようにする（例えばＡ＝２mm、Ｂ＝１
mm）。

【００３５】これは、強磁性体薄膜を全ての領域におい
て、飽和磁化させて使用するためである。また各細条パ
ターンの幅をＷ、細条パターン間の間隔をＤ、細条パタ
ーンの長さをＬとした場合、長さと幅の比は、Ｌ／Ｗ＝
１０〜１００の範囲内とする。

【００３６】また、細条パターンの幅は、好ましくはＷ
＝５〜２５μｍとし、Ｄ／Ｗの値はＤ／Ｗ≦１で、好ま
しくはＤ＝５μｍ程度とする。強磁性体薄膜の厚みは、
0.2μｍ以下で、一般的には0.05〜0.1 μｍ程度とす
る。

【００３７】以上の各寸法に設定した場合の出力例を図
５に示す。測定条件としては、磁電変換素子の印加電圧
をＶｃ＝５〔Ｖ〕とし、環境温度Ｔａを、Ｔａ＝４０
℃、Ｔａ＝１０℃、Ｔａ＝−２０℃とした。図の縦軸は
出力電圧〔ｍＶ〕、横軸は角度[deg]を表す。

【００３８】また、出力電圧の温度係数は、0.21 [％／
deg]である。上記の角度検出器の効果を確認するため、
従来例との比較実験を行った。その結果を次に説明す
る。

【００３９】本実施例の角度検出器は、図３、図４に示
したように、強磁性体薄膜から成る細条パターンの直線
パターンが電源側とＧＮＤ側とで直交するようにパター
ニングされている。即ち、各直線パターン４は、回転体
１の直径方向に合わせた中心線に対してほぼ４５°傾け
て形成されている。

【００４０】そして、各直線パターン４の長さは異なっ
ており、長い直線パターンや短い直線パターンが存在す
る。このような本実施例の角度検出器に対して、比較対
称の従来例は、図８に示した角度検出器である。

【００４１】この従来例では、各直線パターンの長さが
全て同じであり、この点が本実施例のものと異なる。こ
の実験では、コイルにより静磁界を発生させておき、そ
の中に磁電変換素子を入れ、該磁電変換素子を回転させ
ながら、出力端電位〔ｍｖ〕と出力電圧〔ｍＶ〕とを計
測した。

【００４２】この場合、角度を、ある基準位置に対し
て、０°〜１７５°まで回転した時の計測データ例を表
１に示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】前記表１から明らかなように、従来例の角
度検出器では、角度が４５°〜１３５°の範囲でほぼリ
ニアリティが良好である。これに対して本実施例の角度
検出器では、角度が３５°〜１４０°の範囲でリニアリ
ティが良好である。

【００４５】この例からも明らかなように、本実施の角
度検出器は、従来例に比べて、広い範囲でリニアリティ
が優れていることがわかる。なお、前記表１のデータを
もとに、座標軸を設定してグラフ化すると図６のように
なる。

【００４６】図６では、横軸が角度[deg] で縦軸が出力
電位〔ｍＶ〕を表す。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。 (1) 強磁性体薄膜から成るジクザグ状の細条パターンを
構成する複数の直線パターンを、長さの異なるパターン
で構成し、長い直線パターンと短い直線パターンとを所
定の配列としたので、回転体の広い回転角度に対して、
直線性の優れた出力特性となる。

【００４８】(2) 角度検出器の出力信号が、広い回転角
度で良好な直線性（リニアリティ）を有するので、検出
誤差が少なくなり、良好な検出特性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明の実施例における角度検出器の構成説明
図である。

【図３】磁電変換素子の平面図である。

【図４】磁電変換素子の一部拡大図である。

【図５】実装時の出力波形図である。

【図６】角度−出力特性例である。

【図７】従来の角度検出装置（例１）の説明図である。

【図８】従来の角度検出装置（例２）の説明図である。

【符号の説明】

１ 回転体 ２ 磁電変換素子 ３−１ 第１の磁気抵抗素子 ３−２ 第２の磁気抵抗素子 ４ 直線パターン ５ 折れ曲がり部 ６−１〜６−３ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−168018（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−16413（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−142320（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−47710（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34 G01D 5/245

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転源に連動して回転駆動され、直径方
   向に着磁された磁極を有する円柱状の回転体（１）と、 前記回転体（１）の近傍に配置され、該回転体の磁極の
   変位に伴う周期的磁界を基に、回転体の回転に応じた周
   期的な信号を出力する磁電変換素子（２）とから成り、 前記磁電変換素子（２）を、回転体（１）の直径方向の
   中心線に対し、左右対称に設けた一対の磁気抵抗素子
   （３−１、３−２）を直列に接続した構成とし、かつ、 各磁気抵抗素子（３−１、３−２）を、強磁性体薄膜か
   ら成るジグザグ状の連続した細条パターンで構成した角
   度検出器において、 前記細条パターンを、 前記中心線に対し、ほぼ４５°の角度で、一定間隔をあ
   けて、平行して並べた長さの異なる複数の直線パターン
   （４）と、 前記直線パターン（４）間を接続する折り曲がり部
   （５）とで構成し、 該折り曲がり部（５）を介して、短い直線パターンから
   長い直線パターンへ、更に長い直線パターンから短い直
   線パターンへと連続的につながるように構成し、端子電
   極取り出し用のパッドを、前記回転体（１）とは反対方
   向に設けたことを特徴とする角度検出器。