JP3460363B2 - 非接触型位置センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被検出体の回転位置
や移動位置等を非接触にて検出する非接触型位置センサ
に関し、特に、電気的に直列接続された２つの半導体磁
気抵抗体を用いて被検出体の位置を検出する同センサの
温度による出力変動を抑制するためのセンサ構造の具現
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば車載用内燃機関のスロット
ル開度センサとして用いられるロータリポジションセン
サ、或いは同機関のバルブストロークセンサとして用い
られるリニアポジションセンサ等、被検出体の回転角度
や直線移動量を検出するセンサには摺動式抵抗器が用い
られることが多かった。

【０００３】しかし、この摺動式抵抗器は、摺動部の磨
耗や汚損によって、その出力特性が変動したりノイズが
発生するなど、それらセンサとしての精度上、多くの問
題を抱えるものであった。

【０００４】そこで近年は、例えば特公昭６３−６６４
０４号公報記載の位置センサのように、電気的に直列接
続された２つの磁気抵抗体（素子）を用いて、上記被検
出体の回転角度や直線移動量を非接触にて検出するいわ
ゆる非接触型位置センサが用いられるようになってきて
いる。

【０００５】因みにこうした非接触型位置センサでは、
上記磁気抵抗体の配設面に対向する位置に配される磁石
が上記被検出体の回転若しくは移動に伴って変位すると
きの磁界の強度変化に対応した磁気抵抗体の抵抗値変化
としてそれら被検出体の位置が検出される。このため、
センサ素子自身には摺動部が存在せず、したがって、磨
耗や汚損によって出力特性が変動したりノイズが発生す
る等の懸念もない。

【０００６】ただし、この磁気抵抗体を利用した非接触
型位置センサにあっても、その周囲の温度変化による出
力変動は避け難く、上記被検出体の同一角度の回転若し
くは同一量の移動に対しても、高温時と低温時とでは各
異なる位置情報が出力されるようになる。

【０００７】そこで最近は更に、例えば特開昭４８−４
８０８７号公報記載の位置センサのように、 ・１乃至複数のダイオードを上記磁気抵抗体（素子）に
直列若しくは並列に接続して温度補償を行う。或いは、
特公平３−５８４４６号公報記載の位置センサのよう
に、 ・サーミスタを用いて上記磁気抵抗体（素子）の温度補
償を行う。等々の温度補償回路を有する非接触型位置セ
ンサが提案されるに至っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような温度補償回
路を有する非接触型位置センサによれば、同センサとし
ての上述した温度変化による出力変動といったものも確
かに抑制されるようにはなる。

【０００９】しかし、これら従来の非接触型位置センサ
では、上記温度補償回路を付加したことによるコストや
寸法等の増大が避けられない上、その温度補償効果自体
も、例えば上述したスロットル開度センサやバルブスト
ロークセンサとして等の精密な測定用途には尚不十分で
あった。

【００１０】この発明は、こうした実情に鑑みてなされ
たものであり、上記温度補償回路等を用いることなく、
温度変化による出力特性の変動を好適に抑制することの
できる非接触型位置センサを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】こうした目的を達成する
ため、請求項１記載の発明では、電気的に直列接続され
た２つの半導体磁気抵抗体と、前記磁気抵抗体の配設面
に対向する位置に配される磁石手段と、被検出体の変位
に伴い前記磁気抵抗体と前記磁石手段との対向する面の
位相を前記２つの磁気抵抗体の接続方向に相対的に変位
せしめる変位伝達手段と、前記直列接続された磁気抵抗
体の一方端を接地し、他方端に所定の電圧を印加する給
電手段と、該給電された磁気抵抗体と前記磁石手段との
相対的な位置関係による磁界強度に応じて変化するそれ
ら各磁気抵抗体の抵抗値に基づきその接続点からの分圧
値を前記被検出体の変位情報として取り出す出力手段
と、少なくとも前記被検出体が変位している状態におい
て前記２つの磁気抵抗体を互いに磁界強度−抵抗値特性
の異なる磁束密度領域で動作させる磁気回路とを具え、
前記磁気回路を、前記磁気抵抗体自身の磁界強度−抵抗
値特性においてその特性が変化する点の磁界強度に対応
した所定のオフセット磁界を同磁気抵抗体に付与するバ
イアス手段を具えて非接触型位置センサを構成する。

【００１２】

【００１３】また、請求項２記載の発明では、請求項１
記載の発明の構成において、前記バイアス手段を、前記
磁気抵抗体を介して前記磁石手段と対向する位置に配さ
れたバイアス磁石によって構成する。

【００１４】また、請求項３記載の発明では、同請求項
１記載の発明の構成において、前記バイアス手段を、前
記磁石手段の前記磁気抵抗体との対向面積を増大させる
べく同磁石手段に一体に付加された磁性体によって構成
する。

【００１５】また、請求項４記載の発明では、同請求項
１記載の発明の構成において、前記バイアス手段を、前
記磁石手段から発せられる磁界の前記磁気抵抗体への関
与面積を増大させるべく前記磁石手段と前記磁気抵抗体
との間に介在される磁性体によって構成する。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【作用】請求項１記載の発明の構成において、上記２つ
の半導体磁気抵抗体、磁石手段、変位伝達手段、給電手
段、及び出力手段は、通常の基本的な非接触型位置セン
サを構成する。そして、このような位置センサが、その
周囲の温度変化によって出力特性が変動し、被検出体の
同一角度の回転若しくは同一量の移動に対しても、高温
時と低温時とでは各異なる位置情報を出力するようにな
ることは前述した通りである。このことを更に詳述す
る。

【００１９】半導体磁気抵抗体（素子）にあっては、そ
の磁界強度（Ｂ）−抵抗値（Ｒ）特性が、低磁場では、 Ｒ＝（１＋μ∧(2)Ｂ∧(2)）Ｒｏ …（イ） として近似され、また高磁場では、 Ｒ＝（ａ＋ｂμＢ）Ｒｏ …（ロ） として近似される。ここで、Ｒｏは、磁界「０」のとき
の同半導体磁気抵抗体の抵抗値、μは半導体中の電子移
動度、そしてａ及びｂは、当該磁気抵抗体としての固有
の比例定数である。また上記（イ）式において、「∧
」はべき乗を表し、「∧(2)」は、「２乗」を意味す
る。

【００２０】半導体磁気抵抗体自身はこのように、低磁
場にあっては、上記（イ）式の２乗特性に従って、その
抵抗値が磁界強度に応じて変化し、また高磁場にあって
は、上記（ロ）式の１乗特性に従って、その抵抗値が磁
界強度に応じて変化する。

【００２１】しかし、前記従来の位置センサにあっては
通常、上記磁石手段によって同磁気抵抗体に印加される
磁界強度がそもそも小さいため、これら磁石手段と磁気
抵抗体とが、被検出体の変位に応じて如何なる位相で対
向する場合も、同磁気抵抗体自身は、上記（イ）式の２
乗特性に従ってその抵抗値が変化するようになる。

【００２２】したがってこの場合、後に実施例において
詳述するように、被検出体の変位が「０」以外のとき、
すなわち上記２つの磁気抵抗体に印加される磁界強度Ｂ
が異なるときには、それら各磁気抵抗体において、相殺
され得ない各別の温度変動が生じることとなり、ひいて
はそれら磁気抵抗体の抵抗比も、被検出体の変位内容と
は純粋に対応しないものになる。

【００２３】一方、半導体磁気抵抗体のこうした特性に
より、上記２つの磁気抵抗体がある所定の高い磁場にお
かれる場合には、磁石手段と近接する側の磁気抵抗体
は、高磁場にあって、上記（ロ）式の１乗特性に従って
その抵抗値が変化するようになり、他方の磁石手段と離
間する側の磁気抵抗体は、低磁場にあって、上記（イ）
式の２乗特性に従ってその抵抗値が変化するようにな
る。そして、同２つの磁気抵抗体が、このように同時に
異なる特性に従って動作する場合には、これも後に実施
例において詳述するように、それら各磁気抵抗体の温度
依存性は異なったものとなり、それら磁気抵抗体の抵抗
比（出力）において、その変動分を抑制することができ
るようになる。

【００２４】そこで、同請求項１記載の発明によるよう
に、 ・少なくとも前記被検出体が変位している状態において
前記２つの磁気抵抗体を互いに磁界強度−抵抗値特性の
異なる磁束密度領域で動作させる磁気回路。を併せ具え
る構成とすれば、上記半導体磁気抵抗体においてこうし
た条件が満たされるようになり、何ら特別の温度補償回
路を設けずとも、温度変化による出力特性の変動を抑制
することができるようになる。

【００２５】更に、請求項１記載の発明によるように、
上記磁気回路を、 ・前記磁気抵抗体自身の磁界強度−抵抗値特性において
その特性が変化する点の磁界強度に対応した所定のオフ
セット磁界を同磁気抵抗体に付与するバイアス手段を具
えるもの。 として構成すれば、被検出体が変位している状態におい
ては、上記２つの磁気抵抗体を確実に磁界強度−抵抗値
特性の異なる磁束密度領域で動作させることができるよ
うになる。すなわち、温度変動を抑制するための上記条
件が確実に満たされるようになる。

【００２６】因みに、上記（イ）式の２乗特性として、 Ｒ＝７．８１６×１０∧(4)×Ｂ∧(2)＋１１５０Ω といった特性を持ち、上記（ロ）式の１乗特性として、 Ｒ＝１．４９×１０∧(4)×Ｂ＋８２７Ω といった特性を持つ半導体磁気抵抗体にあっては、上記
特性が変化する点の磁界強度は「０．１６６Ｔ（テス
ラ）」となることが確認されている。

【００２７】なお、上記バイアス手段としては、例えば
請求項２記載の発明によるように、 ・前記磁気抵抗体を介して前記磁石手段と対向する位置
に配されたバイアス磁石を用いる構成。 或いは、請求項３記載の発明によるように、 ・前記磁石手段の前記磁気抵抗体との対向面積を増大さ
せるべく同磁石手段に一体に付加された磁性体を用いる
構成。 更には、請求項４記載の発明によるように、 ・前記磁石手段から発せられる磁界の前記磁気抵抗体へ
の関与面積を増大させるべく前記磁石手段と前記磁気抵
抗体との間に介在される磁性体を用いる構成。 等々、を採用することができる。特に、バイアス磁石を
用いる上記請求項２記載の発明の構成によれば、比較的
簡単に、しかも正確に、上記磁気抵抗体に所定のオフセ
ット磁界を付与することができるようになる。また、上
記磁石手段としての機能を拡張する請求項３或いは請求
項４記載の発明の構成によれば、上記バイアス磁石の配
設を不要とするよりコンパクトな形態にて、上記と同等
の温度補償機能を有する非接触型位置センサを構成する
ことができるようになる。

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【実施例】図１に、この発明にかかる非接触型位置セン
サの一実施例を示す。この実施例の位置センサは、前述
したロータリポジションセンサとして、例えば車載用内
燃機関のスロットル開度等、被検出体の回転角度（変
位）を非接触にて検出する位置センサとして構成されて
いる。

【００３３】はじめに、同図１を参照して、この実施例
にかかる非接触型位置センサとしてのセンサ構造を説明
する。図１に示すこの実施例の位置センサにおいて、ハ
ウジング１は、同位置センサを構成する以下の各部品を
一体に保持し、保護する部分である。ハウジング１に
は、軸受け２を介して、被検出体としての回転軸３が回
転自在に支持される。

【００３４】この回転軸３には、上記ハウジング１の内
部において、その端部にホルダ４が取り付けられてい
る。また、このホルダ４の底部には、上記回転軸３の回
転中心から偏倚した位置に、磁石（永久磁石）５が取り
付けられている。

【００３５】一方、上記ハウジング１の内部底面には、
バイアス磁石（永久磁石）６が配設されている。そし
て、このバイアス磁石６の上面には、集磁体としての軟
鉄製のヨーク７を介して、絶縁基板上に半導体磁気抵抗
体が形成された磁気抵抗素子８が配設されている。この
磁気抵抗素子８の半導体磁気抵抗体形成面と上記磁石５
の底面とは、所定の間隙をもって対向するよう、上記各
部品要素の寸法が決定されている。

【００３６】なお、上記磁気抵抗素子８は、後に詳述す
るように、電気的に直列接続された２つの半導体磁気抵
抗体を有して構成されている。そして、それら磁気抵抗
体の両端並びに接続点に対応した各電極は、上記ハウジ
ング１の底部から導出される電源端子１０、接地端子１
１及び出力端子１２に、それぞれリード線９を介して電
気的に接続されている。

【００３７】図２に、この実施例の位置センサの、上記
磁石５の部分から水平に切り取った場合の断面構造を参
考までに示す。同位置センサとしてのこうした構造によ
り、磁石５は、被検出体である回転軸３の回転に伴い、
図２に矢示する態様で、すなわち磁気抵抗素子８との対
向面の位相が変位するかたちで、同磁気抵抗素子８上を
回動するようになる。

【００３８】一方磁気抵抗素子８では、磁石５とのこう
した位相関係に対応した強度の磁界を上記２つの磁気抵
抗体が各々受けることとなり、それら受けた磁界強度に
応じて、同２つの磁気抵抗体の抵抗値がそれぞれ変化す
るようになる。

【００３９】また、特に同実施例の位置センサにあって
は、バイアス磁石６の配設により、磁気抵抗素子８に対
して所定のオフセット磁界が付与されるようになる。図
３は、こうした構成を有する同実施例の位置センサの等
価回路を示したものである。

【００４０】同図３に示されるように、また上述したよ
うに、磁気抵抗素子８は、電気的に直列接続される２つ
の磁気抵抗体を有して構成されている。そして、それら
磁気抵抗体の一端が接続される電源端子１０に電源電圧
Ｖｃｃが印加され、他端は、接地端子１１を介して接地
される。

【００４１】また、上記磁石５は、このような磁気抵抗
素子８に対し、等価的には、同図３に矢示する態様で、
被検出体（回転軸３）の回転に伴い変位し、バイアス磁
石６は、これも同図３に示される態様で、上記磁気抵抗
素子８にオフセット磁界を付与するようになる。

【００４２】同位置センサとしての出力端子１２は、上
記直列に接続されている２つの磁気抵抗体の接続点から
導出される。そして該出力端子１２からは、磁気抵抗素
子８と磁石５との相対的な位置関係による磁界強度に応
じて変化する上記各磁気抵抗体の抵抗比が、正確にはそ
れら抵抗比による分圧値Ｖｏが、上記被検出体の変位情
報（回転軸３の回転角度情報）として出力されるように
なる。

【００４３】因みに、上記２つの磁気抵抗体の抵抗値
を、同図３に示される如く、それぞれＲ１及びＲ２とす
ると、この変位情報（分圧値）Ｖｏは、 Ｖｏ＝Ｖｃｃ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２） …（１） として表されるようになる。

【００４４】次に、このような実施例の位置センサによ
り、どのように温度補償がなされるかについて、実験の
結果をもとに説明する。同実施例の位置センサの上記構
成において、上記バイアス磁石６により付与するオフセ
ット磁界の強度を種々変更しつつ、上記位置センサの温
度に対する出力変動Δθを測定したところ、図５に示す
結果が得られた。

【００４５】まず、図５（ａ）は、被検出体である上記
回転軸３が５０°（Ｆ．Ｓ．：フルスケール）の位置に
あるときの出力（変位情報（分圧値）Ｖｏ）の温度変動
を示している。

【００４６】この位置において、上記付与するオフセッ
ト磁界Ｂが「０」の場合、すなわちバイアス磁石６のな
い従来の位置センサと同様の条件の場合には、同図５
（ａ）に特性線ＰＡとして示されるように、極めて大き
な出力変動が生じるようになる。「−３０℃」から「＋
１２０℃」までの周囲温度の変化による出力変動幅は、
角度換算した値で「３２°」となった。

【００４７】一方、被検出体（回転軸３）の同５０°
（Ｆ．Ｓ．）の位置において、上記バイアス磁石６によ
りオフセット磁界を加えると、出力変動幅は、その磁界
強度の増加と共に減少した。そして、「０．１８３Ｔ」
のオフセット磁界が付与されたとき、同図５（ａ）に特
性線Ｄ１として示されるように、該出力変動幅は「１
°」にまで減少した。

【００４８】また、こうしたオフセット磁界の磁界強度
を更に増し、同図５（ａ）に例えば特性線Ｄ３或いはＤ
４として示されるように、「０．２２３Ｔ」或いは
「０．３６９Ｔ」といったオフセット磁界を付与した場
合には、出力変動Δθは正の温度依存性を示すようにな
り、以降、同オフセット磁界の磁界強度が増加されるに
従って、出力変動幅は増加した。

【００４９】他方、図５（ｂ）は、被検出体（回転軸
３）が０°の位置にあるときの出力の温度変動を、また
図５（ｃ）は、被検出体（回転軸３）が−２５°（−
Ｆ．Ｓ．／２）の位置にあるときの出力の温度変動をそ
れぞれ示している。

【００５０】これらの位置にあっても、上記付与するオ
フセット磁界Ｂが「０」の場合（従来の位置センサの場
合）には、それぞれ特性線ＰＡとして示されるように、
多少の出力変動が生じたが、上記「０．１８３Ｔ」のオ
フセット磁界が付与されたときには、それぞれ特性線Ｄ
１として示されるように、出力変動幅はやはり「１°」
程度にまで減少した。

【００５１】このように適切なオフセット磁界が付与さ
れることによって出力の温度変動が抑制される理由は、
以下のように考察される。 （半導体磁気抵抗体の特性）まず、上記半導体磁気抵抗
体自身の特性について考察する。

【００５２】半導体磁気抵抗体にあっては、磁束密度を
Ｂ、また該磁束密度Ｂの磁界が加わったときの同磁気抵
抗体の抵抗値をＲ（Ｂ）とすると、該抵抗値Ｒ（Ｂ）
は、低磁場では、 Ｒ（Ｂ）＝（１＋μ∧(2)Ｂ∧(2)）Ｒｏ …（２） として近似され、また高磁場では、 Ｒ（Ｂ）＝（ａ＋ｂμＢ）Ｒｏ …（３） として近似される。これらの式において、Ｒｏは、磁界
「０」のときの同半導体磁気抵抗体の抵抗値、μは半導
体中の電子移動度、そしてａ及びｂは、当該磁気抵抗体
としての固有の比例定数である。なお、上記（２）式に
おいて、「∧ 」はべき乗を表し、「∧(2)」は「２乗」
を意味する。

【００５３】半導体磁気抵抗体自身はこのように、低磁
場にあっては、上記（２）式の２乗特性（μＢの２次関
数）に従って、その抵抗値が磁界強度に応じて変化し、
また高磁場にあっては、上記（３）式の１乗特性（μＢ
の１次関数）に従って、その抵抗値が磁界強度に応じて
変化する。

【００５４】ここで、上記移動度μが主に格子散乱によ
って支配されていると仮定すると、該移動度μは絶対温
度（Ｔ）の（−３／２）乗に比例するようになるため、 μ＝ｃＴ∧(-3/2) …（４） として表現できるようになる。

【００５５】したがって、この（４）式を上記（２）
式、及び（３）式にそれぞれ代入すると、上記抵抗値Ｒ
（Ｂ）は、低磁場では、 Ｒ（Ｂ）＝（１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3) Ｂ∧(2)）Ｒｏ …（５） となり、また高磁場では、 Ｒ（Ｂ）＝（ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2) Ｂ）Ｒｏ …（６） となる。

【００５６】図４に、こうした半導体磁気抵抗体の磁界
強度−抵抗値特性を示す。この図４は、磁気抵抗素子８
に形成される半導体磁気抵抗体としてＩｎＳｂを用い、
雰囲気温度２５℃（２９８Ｋ）の常温にて、その磁界強
度−抵抗値特性を測定した結果をグラフ化したものであ
る。なお、図４においては、上記（２）式または（５）
式の特性にかかる特性線を線ＳＬとして、また上記
（３）式または（６）式の特性にかかる特性線を線ＳＨ
としてそれぞれ図示している。この図４の測定結果か
ら、これら各特性線ＳＬ及びＳＨの値を求めたところ、
特性線ＳＬの方は、 Ｒ（Ｂ）＝７．８１６×１０∧(4)×Ｂ∧(2)＋１１５０［Ω］ となり、特性線ＳＨの方は、 Ｒ（Ｂ）＝１．４９×１０∧(4)×Ｂ＋８２７［Ω］ となった。

【００５７】なお、これら特性線ＳＬ及びＳＨの交点、
すなわち半導体磁気抵抗体の抵抗値変化が上記（２）
式、或いは（５）式の特性から、上記（３）式、或いは
（６）式の特性に切り換わる変化点は、約「０．１６６
Ｔ（テスラ）」の磁界強度に対応した点であることが同
図４から明らかである。因みに、そのときの同半導体磁
気抵抗体の抵抗値は約「３．３ｋΩ（キロオーム）」で
ある。

【００５８】また、同特性線ＳＬ及びＳＨによれば、実
験に用いた半導体磁気抵抗体の上記定数は、それぞれ Ｒｏ＝１１５０［Ω］ ａ＝０．７１９ ｂ＝１．５８ ｃ＝４．２４×１０∧(4)［Ｋ∧(3/2)Ｔ∧(-1)］ と推定される。

【００５９】（従来の位置センサの温度特性）次に、上
記バイアス磁石６のない、従来の位置センサの温度特性
について考察する。

【００６０】こうした従来の位置センサでは、そもそも
上記半導体磁気抵抗体に印加される磁界強度が小さいた
め、それら磁気抵抗体の抵抗値Ｒ１及びＲ２は共に上記
μＢの２次関数となり、上記（５）式の関係にて表され
るようになる。すなわち、同磁気抵抗体に加わる磁界強
度をそれぞれＢ１及びＢ２とすると、 Ｒ１＝（１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3) Ｂ１∧(2)）Ｒｏ …（７） Ｒ２＝（１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3) Ｂ２∧(2)）Ｒｏ …（８） となる。

【００６１】また、このときの同位置センサの出力Ｖｏ
は、これら（７）式及び（８）式を上記（１）式に代入
することによって得られ、 Ｖｏ＝Ｖｃｃ｛１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3)Ｂ２∧(2)｝／ ｛２＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3)（Ｂ１∧(2)＋Ｂ２∧(2)）｝ …
（９） となる。

【００６２】一方、この出力Ｖｏの温度依存性は、同
（９）式を絶対温度Ｔで微分することによって得られ、 ｄＶｏ／ｄＴ＝３Ｖｃｃ・ｃ∧(2)Ｔ∧(-4)（Ｂ１∧(2)−Ｂ２∧(2)）／ ｛２＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3)（Ｂ１∧(2)＋Ｂ２∧(2)）｝∧(2) …（１０） となる。

【００６３】ここで、この（１０）式より、上記被検出
体（回転軸３）の位置をθとして、その温度依存性を検
証すると、 （１）θ＜０の場合には、Ｂ１＞Ｂ２であるため、ｄＶ
ｏ／ｄＴ＞０ （２）θ＝０の場合には、Ｂ１＝Ｂ２であるため、ｄＶ
ｏ／ｄＴ＝０ （３）θ＞０の場合には、Ｂ１＜Ｂ２であるため、ｄＶ
ｏ／ｄＴ＜０ となる。

【００６４】すなわちこの従来の位置センサにあって
は、θ≠０（Ｂ１≠Ｂ２）の場合には必ずｄＶｏ／ｄＴ
≠０となり、その出力Ｖｏの温度による変動は不可避で
あることが判る。

【００６５】上記実験に用いた位置センサでは、被検出
体がθ＝Ｆ．Ｓ．（５０゜）の位置にあるときのＢ１及
びＢ２はそれぞれ、 Ｂ１＝０．０２５［Ｔ］ Ｂ２＝０．１４１［Ｔ］ であるため、電源電圧Ｖｃｃが５［Ｖ（ボルト）］であ
るとしたときの出力Ｖｏの温度による変動は、 ｄＶｏ／ｄＴ＝−５．２０×１０∧(8)Ｔ∧(-4) ／ （２＋３．６９×１０∧(7)Ｔ∧(-3)）∧(2) …（１１） となる。そして、温度が−３０℃、２５℃、及び１２０
℃のときの該温度による出力変動は、同（１１）式か
ら、それぞれ ・−３０℃（Ｔ＝２４３Ｋ）のとき、ｄＶｏ／ｄＴ＝−
７．１４［ｍＶ／Ｋ］ ・ ２５℃（Ｔ＝２９８Ｋ）のとき、ｄＶｏ／ｄＴ＝−
５．７２［ｍＶ／Ｋ］ ・１２０℃（Ｔ＝３９３Ｋ）のとき、ｄＶｏ／ｄＴ＝−
３．２１［ｍＶ／Ｋ］ となる。

【００６６】（実施例の位置センサの温度特性）最後
に、バイアス磁石６を具える上記実施例の位置センサの
温度特性について考察する。

【００６７】同実施例の位置センサにあっては、上述し
た特性線ＳＬ及びＳＨの交点、すなわち半導体磁気抵抗
体の抵抗値変化がμＢの２次関数（上記（２）式参照）
からμＢの１次関数（上記（３）式参照）に切り換わる
変化点にほぼ等しいオフセット磁界を上記バイアス磁石
６を通じて印加する。図４によれば、この磁界強度は約
「０．１６６Ｔ」となる。また上記実験によれば、該
「０．１６６Ｔ」に最も近い「０．１８３Ｔ」のオフセ
ット磁界を付与するとき、同位置センサとしての出力変
動幅が「１°」以内に減少することが判っている。

【００６８】したがってこの場合、上記変化点に対応し
たオフセット磁界の磁界強度をＢｃとするすると、各磁
気抵抗体の抵抗値Ｒ１及びＲ２とμＢとの関係は、被検
出体（回転軸３）の位置θの、それぞれθ≪０の場合、
θ≒０の場合、及びθ≫０の場合に対応して、以下のよ
うになる。

【００６９】（１）θ≪０の場合 この場合、磁界強度Ｂの関係は、Ｂ１＞Ｂｃ＞Ｂ２とな
るため、高磁場におかれる側の磁気抵抗体の抵抗値Ｒ１
は、上記（６）式から Ｒ１＝（ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2) Ｂ１）Ｒｏ …（１２） となり、他方の低磁場におかれる側の磁気抵抗体の抵抗
値Ｒ２は、上記（５）式から Ｒ２＝（１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3) Ｂ２∧(2)）Ｒｏ …（１３） となる。

【００７０】また、このときの同位置センサの出力Ｖｏ
は、これら（１２）式及び（１３）式を上記（１）式に
代入することによって得られ、 Ｖｏ＝Ｖｃｃ（１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3)Ｂ２∧(2)）／ （ａ＋１＋ｂｃＴ∧(-3/2)Ｂ１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3)Ｂ２∧(2)） …（１４） となる。

【００７１】一方、この出力Ｖｏの温度依存性は、同
（１４）式を絶対温度Ｔで微分することによって得ら
れ、 ｄＶｏ／ｄＴ＝１．５ｃＴ∧(-5/2) Ｖｃｃ× （ｂＢ１−２ａｃＴ∧(-3/2)Ｂ２∧(2)−ｂｃ∧(2)Ｔ∧(-3)Ｂ１Ｂ２∧
(2)）／ （ａ＋１＋ｂｃＴ∧(-3/2)Ｂ１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3)Ｂ２∧(2)）∧(2) …（１５） となる。

【００７２】ここで、この（１５）式において、同位置
センサが使用される温度範囲のある温度Ｔｏにおいて ｂＢ１−２ａｃＴｏ∧(-3/2)Ｂ２∧(2)−ｂｃ∧(2)Ｔｏ∧(-3)Ｂ１Ｂ２∧(2)
＝０ …（１６） となるように、上記定数ａ、ｂ、及びｃを設定すれば、 ｄＶｏ／ｄＴ＝０ となる。そしてこの場合、Ｔ＜ＴｏではｄＶｏ／ｄＴ＜
０、また、Ｔ＞ＴｏではｄＶｏ／ｄＴ＞０となり、温度
Ｔｏの前後で、出力変動の温度係数が反転する。このた
め同実施例の位置センサによれば、こうした定数の設定
を通じてその出力変動幅を抑制することができるように
なる。

【００７３】また更に、同実施例の位置センサの場合、
上記オフセット磁界の付与によって磁気抵抗体に加わる
磁場が増加するため、上記（１５）式の分母が大きくな
る。すなわち、上記温度による出力変動率「ｄＶｏ／ｄ
Ｔ」の絶対値が小さくなり、同変動幅の抑制効果が更に
促進されることともなる。

【００７４】（２）θ≒０の場合 この場合、磁界強度Ｂの関係は、Ｂ１、Ｂ２＞Ｂｃとな
るため、上記２つの磁気抵抗体は共に高磁場におかれる
こととなり、その各抵抗値Ｒ１及びＲ２は、上記（６）
式から、それぞれ Ｒ１＝（ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2) Ｂ１）Ｒｏ …（１７） Ｒ２＝（ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2) Ｂ２）Ｒｏ …（１８） となる。

【００７５】また、このときの同位置センサの出力Ｖｏ
は、これら（１７）式及び（１８）式を先の（１）式に
代入することによって得られ、 Ｖｏ＝Ｖｃｃ（ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2)Ｂ２）／ ｛２ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2)（Ｂ１＋Ｂ２）｝ …（１９） となる。

【００７６】一方、この出力Ｖｏの温度依存性も、同
（１９）式を絶対温度Ｔで微分することによって得ら
れ、 ｄＶｏ／ｄＴ＝１．５Ｖｃｃ×ａｂｃＴ∧(-5/2)（Ｂ１−Ｂ２）／ ｛２ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2)（Ｂ１＋Ｂ２）｝∧(2) …（２０） となる。

【００７７】ここで、被検出体（回転軸３）の同位置に
おいては、Ｂ１≒Ｂ２であるため、該出力変動ｄＶｏ／
ｄＴも、 ｄＶｏ／ｄＴ≒０ となり、上記出力Ｖｏの温度による変動は極めて少ない
ものとなる。

【００７８】（３）θ≫０の場合 この場合、磁界強度Ｂの関係は、Ｂ１＜Ｂｃ＜Ｂ２とな
るため、低磁場におかれる側の磁気抵抗体の抵抗値Ｒ１
は、上記（５）式から Ｒ１＝（１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3) Ｂ１∧(2)）Ｒｏ …（２１） となり、他方の高磁場におかれる側の磁気抵抗体の抵抗
値Ｒ２は、上記（６）式から Ｒ２＝（ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2) Ｂ２）Ｒｏ …（２２） となる。

【００７９】また、このときの同位置センサの出力Ｖｏ
も、これら（２１）式及び（２２）式を先の（１）式に
代入することによって得られ、 Ｖｏ＝Ｖｃｃ（ａ＋ｂｃＴ∧(-3/2)Ｂ２）／ （ａ＋１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3)Ｂ１∧(2)＋ｂｃＴ∧(-3/2)Ｂ２） …（２３） となる。

【００８０】一方、この出力Ｖｏの温度依存性も、同
（２３）式を絶対温度Ｔで微分することによって得ら
れ、 ｄＶｏ／ｄＴ＝１．５ｃＴ∧(-5/2) Ｖｃｃ× （ｂＢ２−２ａｃＴ∧(-3/2)Ｂ１∧(2)−ｂｃ∧(2)Ｔ∧(-3)Ｂ１∧(2)Ｂ
２）／ （ａ＋１＋ｃ∧(2)Ｔ∧(-3)Ｂ１∧(2)＋ｂｃ∧(2)Ｔ∧(-3/2)Ｂ２）∧(2) …（２４） となる。

【００８１】この場合も、上記（１）のθ≪０の場合と
同様に、温度による出力変動は抑制されるようになる。
なお、センサ構造の対称性から、θ＝−θ’の位置で上
記（１６）式が成立していれば、θ＝θ’の位置での同
（２４）式における ｂＢ２−２ａｃＴｏ∧(-3/2)Ｂ１∧(2)−ｂｃ∧(2)Ｔｏ∧(-3)Ｂ１∧(2)Ｂ２
＝０ …（２５） なる条件も必ず成立する。

【００８２】上記実験に用いた同実施例の位置センサに
おいて、被検出体（回転軸３）がθ＝Ｆ．Ｓ．（５０
゜）の位置にあるときのＢ１及びＢ２をそれぞれ、 Ｂ１＝０．１１［Ｔ］ Ｂ２＝０．２３［Ｔ］ と仮定し、電源電圧Ｖｃｃが５［Ｖ（ボルト）］である
としたときの出力Ｖｏの温度−３０℃、２５℃、及び１
２０℃のときの出力変動は、それぞれ ・−３０℃（Ｔ＝２４３Ｋ）のとき、ｄＶｏ／ｄＴ＝
２．２３［ｍＶ／Ｋ］ ・ ２５℃（Ｔ＝２９８Ｋ）のとき、ｄＶｏ／ｄＴ＝
０．３８［ｍＶ／Ｋ］ ・１２０℃（Ｔ＝３９３Ｋ）のとき、ｄＶｏ／ｄＴ＝−
０．９６［ｍＶ／Ｋ］ となる。これら値は、先に計算した従来の位置センサの
温度による出力変動の約１／１０である。

【００８３】以上のように、上記実施例の非接触型位置
センサによれば、バイアス磁石６により、磁気抵抗素子
８自身の磁界強度−抵抗値特性の変化点に対応する所定
のオフセット磁界を同磁気抵抗素子８に付与する構成と
したことで、何ら特別の温度補償回路を設けずとも、温
度変化による出力特性の変動を好適に抑制することがで
きるようになる。

【００８４】なお、先の図５にかかる測定としては特に
実施しなかったが、上記付与するオフセット磁界を磁気
抵抗素子８の特性の上記変化点に一致する「０．１６６
Ｔ」に設定することで、更に上記出力変動幅が減少され
るようになるであろうことは想像に難くない。

【００８５】また、上記実施例では、バイアス磁石６を
別途に配設する構造としたため、比較的簡単に、しかも
正確に、上記磁気抵抗体に所定のオフセット磁界を付与
することができる。例えば、上記バイアス磁石６の大き
さを調節してその磁界強度を調整する以外にも、同バイ
アス磁石６と上記ヨーク７との間に間隙を持たせ、この
間隙を調節することでも同磁界強度を調整することはで
きる。

【００８６】また、同バイアス磁石６は、いわゆる電磁
石によって構成することもできる。要は、少なくとも磁
気抵抗素子８への給電中、同素子８に所定のオフセット
磁界を付与するものであればよい。特に、バイアス磁石
６を電磁石によって構成する場合には、上述した磁界強
度の調整も、更に容易、且つ正確に行うことができるよ
うになる。

【００８７】ところで、同実施例では、磁気抵抗素子８
にオフセット磁界を付与する手段としてこのバイアス磁
石６を用いるようにしたが、同手段としては他に、例え
ば図６〜図９に例示する構成を採用することもできる。

【００８８】すなわち、図６に例示する構成によれば、
磁石５の、特に付加部分５ａ及び５ｂを通じて、磁気抵
抗素子８に対し上記実施例に準じたオフセット磁界を付
与することができるようになる。

【００８９】また、図７に例示する構成によっても、磁
石５の、同様に付加部分５ａ及び５ｂを通じて、磁気抵
抗素子８に対し上記実施例に準じたオフセット磁界を付
与することができる。

【００９０】また、図８に例示する構成によれば、磁石
５と磁気抵抗素子８との間に設けた磁性体１３によっ
て、磁石５から発せられる磁界の磁気抵抗素子８への関
与面積が増大されるようになる。したがってこの場合
も、磁気抵抗素子８に対し上記実施例に準じたオフセッ
ト磁界を付与することができるようになる。

【００９１】また、図９に例示する構成によれば、磁石
５の、回転軸中心線からオーバーラップする部分５ｃを
通じて、磁気抵抗素子８に対し、やはり上記実施例に準
じたオフセット磁界を付与することができるようにな
る。

【００９２】特にこれら図６〜図９に例示した構成によ
れば、上記バイアス磁石の配設を不要とするよりコンパ
クトな形態にて、上記実施例と同等の温度補償機能を有
する非接触型位置センサを構成することができるように
なる。

【００９３】また同実施例では、前記半導体磁気抵抗体
の材料として、ＩｎＳｂからなる半導体磁気抵抗体を採
用したが、同磁気抵抗体は高移動度の半導体であればよ
く、他にＩｎＡｓ、或いはＧａＡｓ等も適宜採用するこ
とができる。

【００９４】ところでまた、出力Ｖｏの温度変動を抑制
するための前記条件は、上述した各磁気回路のみによっ
て達成されるとは限らない。すなわち、上記半導体磁気
抵抗体自身の特性として、その磁界強度−抵抗値特性が
変化する点の磁界強度が小さければ、すなわちより小さ
い磁界強度において上記２乗特性（μＢの２次関数）と
１乗特性（μＢの１次関数）とが交わる磁界強度−抵抗
値特性を有する半導体磁気抵抗体であれば、必ずしも上
記磁気回路を設けずとも、上記２つの磁気抵抗体が同時
に異なる特性に従って動作する前記条件は満たされる。

【００９５】要は、「少なくとも前記被検出体（回転軸
３）が変位しているとき２つの磁気抵抗体が互いに異な
る磁界強度−抵抗値特性にて動作する」磁気抵抗体を同
半導体磁気抵抗体として用いるようにすることでも前記
条件は満たされるようになり、何ら特別の温度補償回路
を設けずとも、温度変化による出力特性の変動を抑制す
ることができるようになる。

【００９６】また、温度変動を抑制するための同条件
は、上述した磁気回路を別途設けずとも、磁石５自身の
磁力設定を通じて満たすこともできる。すなわち、同磁
石５として、「少なくとも前記被検出体が変位している
状態において前記２つの磁気抵抗体を互いに磁界強度−
抵抗値特性の異なる磁束密度領域で動作させ得る磁力に
設定されたもの」を用いることでも、上記半導体磁気抵
抗体において同条件が満たされるようになり、何ら特別
の温度補償回路を設けずとも、温度変化による出力特性
の変動を抑制することができるようになる。

【００９７】また、以上は何れも、ロータリポジション
センサとして、例えば車載用内燃機関のスロットル開度
等、被検出体の回転角度を非接触にて検出する位置セン
サにこの発明を適用する場合について述べたが、他にリ
ニアポジションセンサとして、例えば同機関のバルブス
トローク等、被検出体の直線移動量を非接触にて検出す
る位置センサについても、この発明は同様に適用され
る。

【００９８】図１０に、この発明にかかる非接触型位置
センサの更に他の実施例として、該リニアポジションセ
ンサにこの発明を適用した場合の構成について、その概
要を示す。なお、同図１０においても、上述した要素と
同一の要素にはそれぞれ同一の符号付して示しており、
それら要素についての重複する説明は割愛する。

【００９９】さて、この位置センサ（リニアポジション
センサ）の場合、磁気抵抗素子８に対向する磁石５は、
同図に矢示する態様で直線的に変位するシャフト１４
（これが被検出体となる）に取り付けられる。

【０１００】ただし、磁気抵抗素子８において、磁石５
との相対的な位置関係による磁界強度に応じて変化する
２つの磁気抵抗体の抵抗値に基づきその接続点からの分
圧値が上記被検出体の変位情報として取り出されること
は、先の実施例の場合と同様である。

【０１０１】したがって、このような位置センサにあっ
ても、例えばバイアス磁石６を通じて、磁気抵抗素子８
に上記所定のオフセット磁界を付与するようにすれば、
何ら特別の温度補償回路を設けずとも、温度変化による
出力特性の変動を好適に抑制することができるようにな
る。

【０１０２】なお、この図１０に示すリニアポジション
センサであれ、或いは上述したロータリポジションセン
サであれ、磁石５と磁気抵抗素子８（若しくはバイアス
磁石６を含む）とは、被検出体の変位に伴い、それら対
向する面の位相が前記２つの磁気抵抗体の接続方向に相
対的に変位される構成であればよく、必ずしも磁石５の
側が被検出体の変位に伴って移動する構成である必要は
ない。すなわち、他方の磁気抵抗素子８（若しくはバイ
アス磁石６を含む）の側が、被検出体の変位に伴って移
動する構成であってもよい。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明にかかる
非接触型位置センサによれば、何等の温度補償回路も必
要とせずに、温度変化による出力特性の変動を好適に抑
制することができるようになる。

【０１０４】そしてこのため、その周囲温度が如何なる
温度にあっても、被検出体の変位量（位置）に関する精
度の高い情報を出力することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる非接触型位置センサの一実施
例を示す断面図。

【図２】同実施例の位置センサの水平断面構造を示す断
面図。

【図３】実施例の位置センサの等価回路を示す回路図。

【図４】半導体磁気抵抗素子の磁界強度−抵抗値特性を
示すグラフ。

【図５】従来及び実施例の位置センサの温度−出力特性
を示すグラフ。

【図６】この発明の非接触型位置センサの他の実施例を
示す正面略図。

【図７】この発明の非接触型位置センサの他の実施例を
示す正面略図。

【図８】この発明の非接触型位置センサの他の実施例を
示す正面略図。

【図９】この発明の非接触型位置センサの他の実施例を
示す正面略図。

【図１０】この発明の非接触型位置センサの他の実施例
を示す正面略図。

【符号の説明】

１…ハウジング、２…軸受け、３…回転軸、４…ホル
ダ、５…磁石、６…バイアス磁石、７…ヨーク、８…磁
気抵抗素子、９…リード線、１０…電源端子、１１…接
地端子、１２…出力端子、１３…磁性体、１４…シャフ
ト。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−347488（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−286808（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−192302（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−28975（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/30 G01D 5/18

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気的に直列接続された２つの半導体磁
   気抵抗体と、 前記磁気抵抗体の配設面に対向する位置に配される磁石
   手段と、 被検出体の変位に伴い前記磁気抵抗体と前記磁石手段と
   の対向する面の位相を前記２つの磁気抵抗体の接続方向
   に相対的に変位せしめる変位伝達手段と、 前記直列接続された磁気抵抗体の一方端を接地し、他方
   端に所定の電圧を印加する給電手段と、 該給電された磁気抵抗体と前記磁石手段との相対的な位
   置関係による磁界強度に応じて変化するそれら各磁気抵
   抗体の抵抗値に基づきその接続点からの分圧値を前記被
   検出体の変位情報として取り出す出力手段と、 少なくとも前記被検出体が変位している状態において前
   記２つの磁気抵抗体を互いに磁界強度−抵抗値特性の異
   なる磁束密度領域で動作させる磁気回路とを具え、 前記磁気回路は、前記磁気抵抗体自身の磁界強度−抵抗
   値特性においてその特性が変化する点の磁界強度に対応
   した所定のオフセット磁界を同磁気抵抗体に付与するバ
   イアス手段を具えて構成される ことを特徴とする非接触
   型位置センサ。
2. 【請求項２】 前記バイアス手段は、前記磁気抵抗体を
   介して前記磁石手段と対向する位置に配されたバイアス
   磁石である請求項１記載の非接触型位置センサ。
3. 【請求項３】 前記バイアス手段は、前記磁石手段の前
   記磁気抵抗体との対向面積を増大させるべく同磁石手段
   に一体に付加された磁性体である請求項１記載の非接触
   型位置センサ。
4. 【請求項４】 前記バイアス手段は、前記磁石手段から
   発せられる磁界の前記磁気抵抗体への関与面積を増大さ
   せるべく前記磁石手段と前記磁気抵抗体との間に介在さ
   れる磁性体である請求項１記載の非接触型位置センサ。