JP3605526B2 - 回転検出センサの検出回路 - Google Patents

回転検出センサの検出回路 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転検出センサの検出回路に係り、詳しくは磁気検出素子を備えた回転検出センサの検出回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本出願人は、回転検出センサとして、回転板の回転面の周方向に向かって所定間隔毎に磁路形成のための磁路変更片を立設し、同回転板に対して、対向して配置されるとともに所定の向きに配設されたバイアスマグネットと該バイアスマグネットを検出する磁気抵抗素子とを備えた回転検出センサを提案している。この回転検出センサは、回転中の回転板とともに一体に移動する磁路変更片にてバイアスマグネットの磁束の向きが変更されたことを磁気抵抗素子にて検出するようにされている。
【0003】
このような磁束の方向の変化により回転角度を検出する回転検出センサ(回転角度センサ)においては、本来は磁束の変化が90°ある場合に、飽和出力が得られる。
【0004】
しかし、実際には様々な理由により、磁束の方向変化が小さい角度しか得られないため、図6のαに示すような波形カーブを描いたセンサ出力の電圧の波形となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
又、移動(回転)中の磁路変更片を検出するポイント(検出ポイント)は、前記磁路変更片の回転方向又は反回転方向のエッジ部分の前後で磁界の乱れ等が生じるため、上記回転板、バイアスマグネット、磁気抵抗素子等の各部材の配置の合わせ込みによっても、センサ出力の中心とならない場合がある。例えば、図6で示すようなαの出力波形(磁気抵抗素子の出力波形)をもつ回転検出センサの場合、例えば検出ポイントPで検出せざるを得ない場合がある。このような場合、図6に示すように、センサ出力中心A0から離間したA1を図示しない検出回路の閾値(スレッショルド)とすることにより、検出ポイントPを検出する。
【0006】
一方、上記のような様々な理由により、磁束の方向変化が小さい角度しか得られない場合や、さらに磁束の方向変化が飽和出力変化の中心A0よりずれている場合、磁気抵抗素子の感度温度特性により、磁気抵抗素子の出力が小さくなった時には、この出力電圧の小さな変動に起因して磁路変更片が移動(回転)してきた時の検出位置、或いは、磁路変更片が移動して去った時の検出位置である検出ポイントが大きくずれてしまう問題があった。なお、磁気抵抗素子は、雰囲気温度が上昇すると抵抗値が増大する特性(これを感度温度特性という)を有する。
【0007】
この理由を説明すると、図6において、βは回転検出センサの雰囲気温度が上昇して検出電圧が小さくなったときのセンサ出力(磁気抵抗素子の出力)の電圧の波形を示している。このようなβのセンサ出力となった場合、検出回路の閾値A1は、図6に示す通りとなるため、この閾値A1では、検出ポイントP1を検出することになる。すると、温度が上昇する前では、検出ポイントPであったところが、温度上昇のために検出ポイントP1となり、この結果、検出される検出角度がd分だけ相違することになる。
【0008】
本発明の目的は、上記問題を解消するためになされたものであって、磁気抵抗素子の感度温度特性により出力が小さくなった時、検出ポイントが大きくずれてしまうことがない回転検出センサの検出回路を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、雰囲気温度の上昇とともに抵抗値が増大する感度温度特性を備えた複数の磁気検出素子により構成したブリッジ回路と、前記ブリッジ回路を構成する磁気検出素子間の中点電位の入力を行うため、その磁気素子検出間の接続点に対して非反転入力端子及び反転入力端子がそれぞれ接続されたコンパレータとを備えた回転検出センサの検出回路において、前記非反転入力端子及び反転入力端子に接続された磁気検出素子のうち、基準電圧となる側の磁気検出素子には、同磁気検出素子よりも温度抵抗の小さいオフセット補正用抵抗を接続した回転検出センサの検出回路を要旨とするものである。
【0010】
請求項2の発明は、請求項1において、ブリッジ回路は4端子ブリッジ回路で構成してもよい。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2において、オフセット補正用抵抗は磁気検出素子の抵抗よりも小さくすることが好ましい。
【0011】
(作用)
請求項1に記載の発明によれば、回転検出センサの雰囲気温度が上昇して、磁気検出素子の抵抗が増大し、一方、オフセット用補正抵抗は、温度抵抗変化が少ない。このため、オフセット用補正抵抗の抵抗値は変わらないため、オフセット用補正抵抗が接続された側の磁気検出素子間の中点電位は相対的に下降する。この下降した中点電位はコンパレータの基準電位とすると、その中点電位が下降した分だけ閾値が下がる。
【0012】
この結果、磁気抵抗素子の感度温度特性により出力が小さくなった時、検出ポイントが大きくずれてしまうことがなくなる。
請求項2の発明によれば、ブリッジ回路は4端子ブリッジ回路に構成することにより、請求項1の作用を実現することができる。
【0013】
請求項3の発明によれば、オフセット補正用抵抗は磁気検出素子の抵抗よりも小さくすることにより、請求項1又は請求項2の作用を実現することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を回転位置センサの検出回路に具体化した一実施形態を図1〜図6に従って説明する。
【0015】
図1は、回転位置センサの要部分解斜視図である。回転検出センサ1は、鉄板よりなる回転板2と磁気検知部材3とから構成されている。回転板2は、ステアリングシャフト4の回転とともに、その軸心Oを回転中心に回転する。
【0016】
図2に示すように、前記回転板2の回転面内の最外周部において、前記軸心Oを中心とする円弧状の3個の磁路変更片6a,6b,6cが同回転板2から延出形成されている。磁路変更片6a,6b,6cは、一端から他端までが前記軸心Oからみて60度の角度をなすように形成されている。又、各磁路変更片6a,6b,6cが互いになす間隔は、前記軸心Oからみて60度の角度をなすように形成されている。
【0017】
従って、回転板2の回転面内の最外周部において、軸心Oからみて60度の角度毎にこれらの磁路変更片6a,6b,6cと、これら磁路変更片6a,6b,6cが形成されていない空間7a,7b,7cが交互に存在することになる。
【0018】
又、回転板2の中心部には円柱状の磁路形成凸部8が前記磁路変更片6a〜6cと同じ方向に同回転板2から延出形成されている。
従って、図3に示すように磁路変更片6a,6b,6cから軸心Oに向かって回転板2を切断した場合の断面形状は、磁路変更片6a,6b,6c、回転板2及び磁路形成凸部8とでコの字状となる。
【0019】
又、磁路形成凸部8には貫通孔9が形成され、前記ステアリングシャフト4が貫挿固着されている。
前記磁気検知部材3は、検知部本体10と支持アーム11とから構成されている。検知部本体10は、回転板2に形成した磁路変更片6a、6b、6cの内側であって、その磁路変更片6a、6b、6cと磁路形成凸部8との間に位置する空間内に配設される。
【0020】
検知部本体10は、3個の第1〜第3の磁気検知体13、14、15が樹脂モールド材12にて封止され、前記支持アーム11の先端部に固設されている。支持アーム11の基端部は図示しない固定部材に固定されている。
【0021】
第1の磁気検知体13は、第1磁気抵抗素子13aと第1バイアスマグネット13bとから構成されている。第1バイアスマグネット13bは軸心O側がS極で外側がN極となるように配設されるとともに、第1磁気抵抗素子13aに対して軸心O側で、且つ図2において時計回り方向にオフセットさせて配置されている。
【0022】
第1磁気抵抗素子13aは、第1バイアスマグネット13bの磁束の向きによって、検出電圧が変化する複数の磁気検出素子からなり、すなわち、図4に示すような磁束の向きによってその抵抗値が変化する4個の抵抗体R1,R2,R3,R4を備えている。図5は抵抗体R1〜R4の配置を示す説明図である。同図に示すように2個の抵抗体R1,R4は、同じ方向に向かって配置され、抵抗体R2,R3は前記抵抗体R1,R4の向く方向とは直交する方向に向かって配置されている。図5において、m及びnは抵抗体R1,R4及び抵抗体R2,R3が向かう方向を示すそれぞれの中心軸を示している。なお、各抵抗体R1〜R4はNiCo薄膜を基板に対して折れ線状に成膜されたものであり、同温度雰囲気下において抵抗値が同一となるように設定されている。なお、抵抗体R1〜R4は雰囲気温度が上昇すると、抵抗値が増加する感度温度特性を備えている。この感度温度特性は、感度温度変化率と抵抗温度変化率とが一致しているのが好ましい。
【0023】
そして、本実施形態では、抵抗体R1〜R4の角度中心線と、磁束の変化中心(図5において、A線で示す)とは一致するように配置されている。抵抗体R1〜R4の角度中心線とは、前記m,n線が交わる点を基点とし、その基点を通るmnの成す角の二等分線である。
【0024】
なお、この実施形態での磁束の向きの範囲は、磁束の向きが前記軸心Oから略半径方向に対し略+45°の向きになるときから、前記略半径方向に対して略−45度の向きになるときまでの範囲である。
【0025】
なお、図5は、回転板2の回転面側から磁路変更片6aの突出方向に向けて抵抗体R1〜R4を見た場合の説明図であり、図2は、その逆方向側から見た場合の図となっているため、図2と図5とでは、抵抗体R1,R4と抵抗体R2,R3の位置関係は左右反対となっている。
【0026】
そして、磁束の向きが前記軸心Oから略半径方向に対し略+45°の向きになるときは、抵抗R1,R4の抵抗値が大きくなるとともに、抵抗R2,R3の抵抗値が小さくなる。又、磁束の向きが前記略半径方向に対して略−45度の向きになるとき、抵抗R1,R4の抵抗値が小さくなるとともに、抵抗R2,R3の抵抗値が大きくなる。なお、図5において、角度は時計回り方向を+としている。
【0027】
前記各抵抗R1〜R4は図4に示すようにブリッジ回路としての4端子ブリッジ回路Bを構成するように接続され、抵抗R4側には、オフセット補正用抵抗R0が接続されている。
【0028】
前記抵抗体R1と抵抗体R2との接続点(中点)aは、基板に設けられたコンパレータCPの反転入力端子に接続され、抵抗体R3と抵抗体R4との接続点(中点)bは、同コンパレータCPの非反転入力端子に接続されている。又、常温(この実施形態では、25℃としている。)では、コンパレータCPのオフセットが0となるようにオフセット補正用抵抗R0の抵抗値が設定されており、前記抵抗R4よりも小さい抵抗値とされている。又、オフセット補正用抵抗R0は抵抗体R1〜R4とは異なり、温度抵抗変化の少ない材質で基板に形成されている。
【0029】
前記コンパレータCP、4端子ブリッジ回路(抵抗体R1〜R4、抵抗R0を含む)Bとにより検出回路20が構成されている。
前記検出回路20のブリッジ回路Bを構成する抵抗体R1,R4は、磁束の向きが前記軸心Oから略半径方向に対し略−45°の向きになる場合、中点aの電位は、A0よりも小さいLレベルとなる(図6参照)。なお、図6において、A0は中点aの飽和出力の1/2の電圧レベルを示している。
【0030】
又、磁束の向きが前記略半径方向に対して略+45度の向きになる場合、中点aの電位はA0よりもHレベルとなる(図6参照)。
又、コンパレータCPの基準電圧側となる中点bの電圧は下記のように設定されている。すなわち、常温時の場合、移動(回転)中の磁路変更片6a,6b,6cにより、中点aの電圧の変化(αで示す波形)が図6に示す検出ポイントPとなったときに、中点bの電位に基づいた閾値(スレッショルド)となるように、前記補正用抵抗R0にて調整されている。なお、閾値は、4端子ブリッジ回路Bに印加されている電圧をVccとするとき、
Vcc*(R4+R0)/(R3+R4+R0)となる。
【0031】
なお、本実施形態での検出ポイントPは移動(回転)中の磁路変更片6a,6b,6cの回転方向のエッジ部分である。
又、雰囲気温度が常温よりも高くなったときは、前記補正用抵抗R0の温度抵抗変化が、抵抗体R1〜R4よりも小さいため、結果として、中点bの電位が図6に示すように下がり、すなわち、閾値電圧(基準電圧)がA1レベルからA2レベルまで下がるようにされている。この場合、中点aの電位(出力波形)は図6のβに示すように、抵抗体R1,R4の感度温度特性により、常温時の出力波形よりも小さな波形となる。このβの出力波形に対して、前記A2で示す閾値(スレッショルド)となるため、検出ポイントP2は、常温時の検出ポイントPと同じタイミングで検出できるようになっている。
【0032】
第2の磁気検知体14は、第2磁気抵抗素子14aと第2バイアスマグネット14bとから構成されている。第2磁気抵抗素子14aと第2バイアスマグネット14bとの間の配置関係は前記第1磁気抵抗素子13aと第1バイアスマグネット13bとの間の配置関係と同じである。そして、第2磁気抵抗素子14aと第2バイアスマグネット14bは、それぞれ前記第1磁気抵抗素子13aと第1バイアスマグネット13bに対して、図2において、前記軸心Oを中心に時計回り方向に40度の位置に配設される。
【0033】
第2磁気抵抗素子14aは、前記第1磁気抵抗素子13aの4個の抵抗体R1,R2,R3,R4と同一構成及び同様に電気的に接続された抵抗体を4個備えている。これらの抵抗体には、そのため第1磁気抵抗素子13aの4個の抵抗体R1〜R4と同符号を付してその説明を省略する。
【0034】
又、第2磁気抵抗素子14aの抵抗体R1〜R4は、第1の磁気抵抗素子13aに設けられた抵抗R0と同様に設けられた抵抗R0とともに、第1磁気抵抗素子13aの場合と同様の4端子ブリッジ回路を構成する。さらに、第2磁気抵抗素子14aの抵抗体R1〜R4は、抵抗R0、及びコンパレータCPとともに、検出回路20を構成している。この検出回路20及びブリッジ回路Bの作用は前記第1磁気抵抗素子13aの場合の検出回路20と同様に機能(作用)する。
【0035】
第3の磁気検知体15は、第3磁気抵抗素子15aと第3バイアスマグネット15bとから構成されている。第3磁気抵抗素子15aと第3バイアスマグネット15bとの間の配置関係は前記第1磁気抵抗素子13aと第1バイアスマグネット13bとの間の配置関係と同じである。そして、第3磁気抵抗素子15aと第3バイアスマグネット15bは、それぞれ前記第1磁気抵抗素子13aと第1バイアスマグネット13bに対して、図2において、前記軸心Oを中心に反時計回り方向に40度の位置に配設される。
【0036】
第3磁気抵抗素子15aは、前記第1磁気抵抗素子13aの4個の抵抗体R1,R2,R3,R4と同一構成及び同様に配置された抵抗体を4個備えている。これらの抵抗体には、そのため第1磁気抵抗素子13aの4個の抵抗体R1〜R4と同符号を付してその説明を省略する。
【0037】
又、第3磁気抵抗素子15aの抵抗体R1〜R4は、第1の磁気抵抗素子13aに設けられた抵抗R0と同様に設けられた抵抗R0とともに、第1磁気抵抗素子13aの場合と同様に4端子ブリッジ回路を構成する。さらに、第3磁気抵抗素子15aの抵抗体R1〜R4は、抵抗R0、及びコンパレータCPとともに、検出回路20を構成している。この検出回路20の作用は前記第1磁気抵抗素子13aの場合の検出回路20と同様に機能(作用)する。
【0038】
そして、第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bと磁路変更片6a〜6cとの相対位置関係において、第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bが、図2に示す第3バイアスマグネット15bの位置にあるとき、即ち、軸心OからN極を通る放射線上(以下、外側方という)に磁路変更片6a〜6cがある場合には、それらの磁束は略半径方向に対し略−45°の向きになる。これは、磁路変更片6a〜6c、回転板2及び磁路形成凸部8とからなるコ字状の磁路が形成され、第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bのN極から磁束が磁路変更片6a〜6cに引き寄せられるからである。その結果、磁束の向きは、磁路変更片6a〜6c側、即ち略半径方向に対し略−45°の向きになる。つまり、磁路変更片6a〜6cは磁路形成片となる。
【0039】
従って、この場合には、4端子ブリッジ回路Bの中点aの電圧はLレベルとなとなる。
又、第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bと磁路変更片6a〜6cとの相対位置関係において、第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bが、図2に示す第2バイアスマグネット14bの位置にあるとき、即ち、N極の外側方に磁路変更片6a〜6cがない場合には、それら磁束は略半径方向に対して略+45度の向きとなる。これは、磁路を形成する磁路変更片6a〜6cがないため、磁束は引き込まれるものがないからである。その結果、磁束は放射状にのび、磁束の向きは略半径方向に対して略+45度の向きとなる。
【0040】
従って、この場合には4端子ブリッジ回路Bの中点aの電圧はHレベルの電圧を出力する。
さらに、第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bと磁路変更片6a〜6cとの相対位置関係において、第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bが、図2に示す第1バイアスマグネット13bの位置にあって、磁路変更片6a〜6cがない位置から磁路変更片6a〜6cの端を通過する時には、それら磁束の向きは略半径方向に対して略+45度の向きから略半径方向に対して−45度の向きに変わる。
【0041】
従って、この場合には、4端子ブリッジ回路Bの中点aの電圧はHレベルからLレベルに立ち下がる電圧を出力する。
さらに、磁路変更片6a〜6cある位置からその端を通過する時には、それら磁束の向きは略半径方向から略+45度の向きに変わる。
【0042】
従って、この場合には、4端子ブリッジ回路Bの中点aの電圧はLレベルからHレベルに立ち上がる電圧を出力する。
このようにして、4端子ブリッジ回路Bの中点aの電位は、Hレベル、Lレベルとなり、検出回路20のコンパレータCPによって基準電圧(閾値電圧)となる側の中点bに基づいて立ち下がりが急峻となる検出信号に波形整形される。
【0043】
次に、上記のように構成した回転位置センサ1の特徴について説明する。
(1)本実施形態では、雰囲気温度の上昇とともに抵抗値が増大する感度温度特性を備えた複数の抵抗体R1〜R4(磁気検出素子)により、4端子ブリッジ回路Bを構成し、ブリッジ回路Bを構成する抵抗体R1〜R4間の中点aの電位の入力を行うため、抵抗体R1,R2及びR3,R4間の中点a,及び中点bにコンパレータCPの反転入力端子及び非反転入力端子をそれぞれ接続した。そして、反転入力端子に接続された抵抗体R1,R2の中点aの電位を基準電圧とし、抵抗体R3,R4には、同抵抗体R1〜R4よりも温度抵抗の小さいオフセット補正用抵抗R0を接続した。
【0044】
この結果、回転検出センサ1の雰囲気温度が常温より上昇して、抵抗体R1〜R4の抵抗が増大し、一方、オフセット用補正抵抗R0は、温度抵抗変化が少ない。このため、オフセット用補正抵抗R0の抵抗値は変わらないことから、オフセット用補正抵抗R0が接続された側の抵抗体R3,R4間の中点bの電位は相対的に下降する。この下降した中点電位はコンパレータの基準電位としており、その中点電位が下降した分だけ閾値が下がる。
【0045】
この結果、抵抗体R1〜R4の感度温度特性により出力が小さくなった時、検出ポイントが大きくずれてしまうことがない。
(2) 本実施形態では、4端子ブリッジ回路Bにて構成することにより、上記(1)の作用を実現することができる。
【0046】
(3) 又、本実施形態では、第1〜第3磁気抵抗素子13a〜15aと第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bからなる検知部本体10を磁路変更片6a〜6cと磁路形成凸部8との間に位置する空間内に配設した。
【0047】
従って、第1〜第3バイアスマグネット13b〜15bが出す磁束に悪影響を与える外側からのノイズをその磁路変更片6a〜6cにより低減させることができる。さらに、第1〜第3磁気抵抗素子13a〜15aは、その外側方を通過する磁路変更片6a〜6cを正確に検知することができる。
【0048】
(4) 本実施形態では外部からのノイズを低減させる磁路変更片6a〜6cは、回転板2と一体に形成されているため、部品点数の増加はなく、組み付け工数も増加することはない。
【0049】
(5) 又、本実施形態では検知部本体10を磁路変更片6a〜6cと磁路形成凸部8との間に位置する空間内に配設したので、回転位置センサが大型化することはない。
【0050】
尚、実施形態は上記に各実施形態に限定されるものではなく、次のように変更してもよい。
○ 前記各実施形態では、中点b側の抵抗体R4にオフセット補正用抵抗体R0を電気的に接続したが、中点a側の抵抗体R2側にオフセット補正用抵抗体R0を電気的に接続し、反転入力端子側の中点aの電位を基準電圧としてもよい。
【0051】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1〜3に記載の発明によれば、磁気抵抗素子の感度温度特性により出力が小さくなった時、検出ポイントが大きくずれてしまうことがない効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の回転位置センサの要部分解斜視図。
【図2】同じく回転板と磁気検知部材の配置関係を示す平面図。
【図3】同じく回転位置センサの要部断面図。
【図4】同じく検出回路の電気回路図。
【図5】同じく抵抗体の配置関係を示す説明図。
【図6】中点の電圧の出力波形図。
【符号の説明】
1…回転位置センサ、2…回転板、3…磁気検知部材、
4…ステアリングシャフト、6a,6b,6c…磁路変更片、
7a,7b,7c…空間、8…磁路形成凸部、9…貫通孔、
10…検知部本体、13…第1の磁気検知体,14…第2の磁気検知体,
15…第3の磁気検知体、13a…第1磁気抵抗素子、
13b…第1バイアスマグネット、14a…第2磁気抵抗素子、
14b…第2バイアスマグネット、15a…第3磁気抵抗素子、
15b…第3バイアスマグネット、20…検出回路、
R1,R2,R3,R4…抵抗体、RO…オフセット補正用抵抗、
B…ブリッジ回路、a,b…中点、

Claims (3)

  1. 雰囲気温度の上昇とともに抵抗値が増大する感度温度特性を備えた複数の磁気検出素子により構成したブリッジ回路と、
    前記ブリッジ回路を構成する磁気検出素子間の中点電位の入力を行うため、その磁気素子検出間の接続点に対して非反転入力端子及び反転入力端子がそれぞれ接続されたコンパレータとを備えた回転検出センサの検出回路において、
    前記非反転入力端子及び反転入力端子に接続された磁気検出素子のうち、基準電圧となる側の磁気検出素子には、同磁気検出素子よりも温度抵抗の小さいオフセット補正用抵抗を接続したことを特徴とする回転検出センサの検出回路。
  2. ブリッジ回路は4端子ブリッジ回路である請求項1に記載の回転検出センサの検出回路。
  3. 前記オフセット補正用抵抗は磁気検出素子の抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の回転検出センサの検出回路。
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