JP4737372B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁電変換素子を用いて軟磁性回転体の回転に伴う磁界変化を非接触で検出する検出装置に係り、特に工業用工作機械や、自動車のエンジン等に用いられる回転弁等の回転角度を検出するために、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子等の磁電変換素子を用いた回転角度検出装置に関するものである。

従来、検出すべき移動体が回転体である回転角度検出装置としては、回転角度を検出するために回転軸の端部に永久磁石を設け、その回転軸の回転と同期した磁界変動を磁電変換素子で電気信号に変換し、回転角度を非接触で検出するものがあり、例えば、下記特許文献１に開示されている回転角度検出装置が知られている。

特開２００１−２８９６１０号公報 特許文献１のような回転角度検出装置では、回転軸に回転弁が取り付けられており、その回転弁の回転角度を検出対象とする構成であるが、図８（Ａ）,（Ｂ）のように、永久磁石６０は、回転弁が取り付けられた回転軸６２の端部にある開閉動力伝達用歯車６１の中心部に形成された円柱状凹部６１ａに取り付けられている。磁電変換素子６５は回転軸６２を軸支している本体フレーム側に固定配置されている。

上記特許文献１の装置は、開閉動力伝達用歯車に永久磁石取付用の凹部（溝部）を設け、ここに永久磁石を取り付ける必要があるため、動力伝達用歯車の加工コストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑み、磁電変換素子と磁界発生手段とを一体として検出対象としての軟磁性回転体の凸部又は凹部を検知する構成とすることで、従来装置のように検出対象側歯車に永久磁石を配置する必要性を無くして、永久磁石を配置するための凹部の加工費用を無くし、コストを低減することが可能な回転角度検出装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、磁電変換素子と磁界発生手段とを互いに位置決めした状態で一体としておくことで、取り付け時に磁電変換素子と磁界発生手段の相互位置関係がばらつくことに起因する検出精度低下を防止可能な回転角度検出装置を提供することをもう１つの目的とする。

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、本発明に係る回転角度検出装置は、
少なくとも１つ以上の凸部又は凹部を有する軟磁性回転体と、前記軟磁性回転体の角度情報を得る少なくとも２つ以上のベクトル検知型磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を印加する磁界発生手段とを有し、前記軟磁性回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置において、
前記磁気抵抗効果素子のピン層磁化方向が前記軟磁性回転体の移動方向に対して略順方向又は略逆方向であり、前記磁界発生手段は前記軟磁性回転体が存在しないときに前記ピン層磁化方向に略垂直となる磁束を発生する配置であり、
前記磁界発生手段による前記磁気抵抗効果素子位置での磁界が前記磁気抵抗効果素子の感磁面に平行な磁界成分を主に有し、前記磁気抵抗効果素子のピン層磁化方向に対する前記感磁面に平行な磁界成分の向きが前記軟磁性回転体の回転に伴い変化することで前記磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化し、
前記磁気抵抗効果素子と前記磁界発生手段とを位置決めして、同一ハウジング内に収納したことを特徴としている。

前記回転角度検出装置において、前記軟磁性回転体は、動力伝達用の歯車、又は動力伝達用とは別の歯車である構成としてもよい。この場合、前記歯車の歯の配列ピッチをＰ、前記歯車の移動方向に関する２つの前記磁気抵抗効果素子の配列間隔をＬとしたとき、Ｌ＝ｎＰ±Ｐ／４（ｎは整数）であるとよい。

前記回転角度検出装置において、前記軟磁性回転体の前記凸部又は凹部を有する面に、前記磁気抵抗効果素子が対向配置された構成であるとよい。

前記磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子であるとよい。

本発明に係る回転角度検出装置によれば、検出対象である回転体に、永久磁石を設ける必要性が無く、磁石取付用の凹部又は溝部を設ける加工も不要となるため、加工費用を削減することができる。また、検出対象である回転体が軟磁性体である場合、その凸部又は凹部を検出するので、軟磁性体に永久磁石配置のための凹部又は溝部を形成しなくて済み、薄型化（小型化）を図ることができる。

また、磁電変換素子と磁界発生手段とを位置決めし、同一ハウジング内に収納したことで、前記磁電変換素子と磁界発生手段との相対位置調整要素を減らすことができ、両者の位置関係のばらつきに起因する検出精度低下を防止できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、回転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及び図２（Ａ）,（Ｂ）は本発明に係る回転角度検出装置の実施の形態であって、軟磁性材回転体の回転情報を得るための回転角度検出装置を構成した場合を示す。また、ここでは、磁電変換素子として磁気抵抗効果素子、とくにベクトル検知型であるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＳＶ−ＧＭＲ素子）を用いる。

図１及び図２（Ｂ）に示すように、軟磁性材回転体としての動力伝達用歯車１は、円周となっている外周面に一定間隔の配列ピッチＰで所定数の歯（凸部）１ａを設けた構成である。この動力伝達用歯車１は回転軸２の端部に固着されており、自動車のエンジン等に用いられる回転弁の回転角度を検出する用途の場合には、回転軸２に回転弁が取り付けられている。

動力伝達用歯車１の歯１ａを形成した外周面に対向して、これより９０°位相差２信号（Ａ相及びＢ相）を得るための磁気抵抗効果素子として、２つの対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４（つまり、Ｒ１とＲ２の対、及びＲ３とＲ４の対）が配置されている。また、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４にバイアス磁界を印加するバイアス磁界発生手段としてバイアス磁石１５を配置している。これらのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４とバイアス磁石１５とはケース２５（図１の点線部分）内の同一ハウジング内に配置されている。ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４とバイアス磁石１５は相互に位置決めされて基板３０に装着されているが、図１においては、基板３０を省略している。ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４とバイアス磁石１５との配置の詳細については後述する。

なお、図１では解りやすくするためにＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４をバイアス磁石１５に比較して大きく図示したが、実際には微小寸法である。例えば、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４は４個あわせて１ｍｍ角程度、バイアス磁石１５は５ｍｍ角程度の大きさである。

図２及び図３のように、２つの対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４とバイアス磁石１５とは、歯車１の外周面が移動する方向（外周面の接線方向）及び回転軸２に対して平行に対向して配置された基板３０に相互に位置決めして装着されている。前記２つの対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４のうち一方の対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２は、前記基板３０の一方の面（歯車１の外周面と対向する面）上に、回転軸２と平行な方向（歯車厚み方向）に並んで配列されている。ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面は歯車外周面に対向し、かつピン層磁化方向は回転体１の移動方向に対して互いに略順方向と略逆方向を向くように配置されている。

前記２つの対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４のうち他方の対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４も、前記基板３０の一方の面（歯車１と対向する面）上に、回転軸２と平行な方向に並んで配列されている。この場合も、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の感磁面は歯車外周面に対向し、かつピン層磁化方向は歯車１の移動方向に対して互いに略順方向と略逆方向を向くように配置されている。ここで、図４に示すように、前記他方の対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の配列は、前記一方の対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の配列から歯車１の移動方向に配列間隔Ｌだけ離れた位置となっている。但し、配列間隔Ｌは、歯車１の歯１ａの配列ピッチをＰとしたとき、
Ｌ＝ｎＰ±Ｐ／４ （ｎは整数） …(1)
である。

バイアス磁界発生用のバイアス磁石１５は、前記基板３０の他方の面（歯車１と反対側の面）上に、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１からＲ２を見た略延長線上（Ｒ３からＲ４を見た略延長線上でもある）に配置されている。そして、歯車１が存在しないときに、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４位置での磁界が当該ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の感磁面に平行な磁界成分を主に有し、かつ各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４のピン層磁化方向に略垂直な磁束を発生する磁極配置（例えば、磁極面１５ａが前記感磁面に略垂直）となっている。なお、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４を前記基板３０の一方の面（歯車１と対向する面）上に、バイアス磁石１５は前記基板３０の他方の面（歯車１と反対側の面）上に、それぞれ配置してあるので、バイアス磁石１５がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の感磁面と歯車１の外周面間のギャップにはみ出すことはない。

図５（Ａ）のように、対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の直列接続及び対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の直列接続に対して供給電圧Ｖｉｎが供給され、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の接続点とアース（ＧＮＤ）間の電圧が図５（Ｂ）のＡ相の検出出力として得られるとともに、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の接続点とアース間の電圧がＢ相（Ａ相に対して位相が９０°ずれている）の検出出力として得られるようになっている（動作原理については以下の図６で説明する。）。

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ベクトル方向が一致するときは低抵抗値となり、ＳＶ−ＧＭＲ素子面内において外部磁界のベクトル方向を回転させると、ピン層磁化方向と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６（Ｂ）に示すＳＶ−ＧＭＲ素子の面内磁気特性であり、図６（Ａ）のように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。

本実施の形態では、図６（Ｂ）で示したＳＶ−ＧＭＲ素子の面内磁気特性を利用するものである。すなわち、図６（Ａ）のようにＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行なバイアス磁石によるバイアス磁界を印加する条件下で外部磁界を変化させ、同図（Ｂ）の角度９０°近傍において直線的に変化する面内磁気特性を利用して、同図（Ｃ）の略正弦波の（飽和領域の無い）出力波形を得るようにしている。

従って、図１の本実施の形態の配置において、動力伝達用歯車１（移動情報を得るための軟磁性材回転体兼用）の歯１ａがＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の対の真っ正面に対向しているときは、各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面に平行な磁界成分の向きは歯１ａの影響を受けず、ピン層磁化方向に略垂直である。それに対し、歯車１の歯１ａがＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の正面位置から左側にずれた位置では、前記感磁面に平行な磁界成分の向きは歯１ａの影響を受けて左側に曲がる（磁極面１５ａから出た磁束は左側に曲がる）。また、歯車１の歯１ａがＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の正面位置から右側にずれた位置では、前記感磁面に平行な磁界成分の向きは凸部２の影響を受けて右側に曲がる（磁極面１５ａから出た磁束は右側に曲がる）。従って、図６（Ｂ）の実線矢印の動作範囲で歯車１の回転に伴いピン層磁化方向に対する外部磁界方向が周期的に変化し、図６（Ｃ）のような略正弦波の検出出力が得られる。

このことは、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の対についても同様であり、移動情報を得るためのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の対とＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の対との配列間隔Ｌが前記(1)式の関係となっていることで、図５（Ｂ）に示す互いに９０°の位相差を有するＡ相及びＢ相の実質的に正弦波の電圧波形が得られる。

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) 動力伝達用歯車１を検出対象となる軟磁性材回転体として用いることができ、しかもその歯車１に、磁石取付用凹部（溝部）を設ける加工をする必要がないため、構造を簡素化し、加工費用を削減することができ、かつ、前記歯車１の回転軸方向の厚みを減らし、薄くすることができる。また、自動車のエンジン等に用いられる回転弁の回転角度検出装置に適用した場合には、装置形状の小型化を図ることができる。

(2) また、２つの対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４とバイアス磁石１５とを基板３０上に位置決めして取り付け、ケース２５の同一ハウジング内に収納したことで、前記ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４と前記バイアス磁石１５との相対位置を予め正確に規定して、両者間の位置ばらつきを無くして角度検出精度の向上を図ることができる。

(3) ベクトル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、強度検知型の磁気抵抗効果素子を用いている他の装置に比較して、バイアス磁石の発生磁界強弱ばらつきや、軟磁性材回転体である動力伝達用歯車１と磁気抵抗効果素子間ギャップ（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。

(4) 図６（Ａ）のようにＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行なバイアス磁界を印加して素子面内磁気特性を利用し、かつ動作範囲を図６（Ｂ）のようにピン層磁化方向と磁界が略直交する点を中心として両者の角度が変化する部分を利用するため（ＳＶ−ＧＭＲ素子面内磁気特性変化の直線部を活用するため）、Ａ相及びＢ相の検出出力として飽和の無い正弦波にきわめて近い波形が得られる。

(5) ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の対、及びＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の対は、ピン層磁化方向が歯車１の移動方向に対し、互いに略順方向と略逆方向を向くようにしたので、各ＳＶ−ＧＭＲ素子の対を直列接続して供給電圧Ｖｉｎを供給し、ＳＶ−ＧＭＲ素子同士の接続点から検出出力を取り出すことで、１個のＳＶ−ＧＭＲ素子を使用する場合の２倍の検出出力が得られる。

図７（Ａ）,（Ｂ）は本発明の他の実施の形態であって、検出対象の軟磁性材回転体としての回転角度検出用歯車５０を、動力伝達用歯車１と別に構成して回転軸２に固着したものである。この場合、回転角度検出用歯車５０の歯５０ａを形成した外周面に対向して、これより９０°位相差２信号（Ａ相及びＢ相）を得るための磁気抵抗効果素子として、２つの対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４が配置されている。また、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４にバイアス磁界を印加するバイアス磁界発生手段としてバイアス磁石１５を配置している。なお、その他の構成は前述した実施の形態と同様である。

この図７の実施の形態によれは、回転角度検出用歯車５０の歯数を、動力伝達用歯車１の歯数とは関係なく設定することができる。

上記各実施の形態において、軟磁性材回転体としての歯車の代わりに、半円周等の曲面を有する軟磁性材回転体を用いることも可能である。

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。

本発明に係る回転角度検出装置の実施の形態であって、検出対象の動力伝達用歯車、ＳＶ−ＧＭＲ素子及びバイアス磁石の配置を示す全体構成の斜視図である。 実施の形態であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図である。 基板上における、回転情報（Ａ相、Ｂ相）を得るＳＶ−ＧＭＲ素子及びバイアス磁石の配置を示す要部斜視図である。 ＳＶ−ＧＭＲ素子の配列間隔Ｌと歯車の歯１ａの配列ピッチＰとの関係を示す説明図である。 実施の形態において、（Ａ）は互いに位相が９０°ずれたＡ相及びＢ相の出力信号を取り出すための回路図、（Ｂ）はＡ相及びＢ相の出力信号の波形図である。 本発明で用いるＳＶ−ＧＭＲ素子の面内磁気特性を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図である。 従来の回転角度検出装置であって、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は正面図である。

符号の説明

１ 動力伝達用歯車
１ａ，５０ａ 歯
２ 回転軸
１５ バイアス磁石
２５ ケース
３０ 基板
５０ 回転角度検出用歯車
Ｒ１〜Ｒ４ ＳＶ−ＧＭＲ素子

Claims (5)

1. 少なくとも１つ以上の凸部又は凹部を有する軟磁性回転体と、前記軟磁性回転体の角度情報を得る少なくとも２つ以上のベクトル検知型磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を印加する磁界発生手段とを有し、前記軟磁性回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置において、
   前記磁気抵抗効果素子のピン層磁化方向が前記軟磁性回転体の移動方向に対して略順方向又は略逆方向であり、前記磁界発生手段は前記軟磁性回転体が存在しないときに前記ピン層磁化方向に略垂直となる磁束を発生する配置であり、
   前記磁界発生手段による前記磁気抵抗効果素子位置での磁界が前記磁気抵抗効果素子の感磁面に平行な磁界成分を主に有し、前記磁気抵抗効果素子のピン層磁化方向に対する前記感磁面に平行な磁界成分の向きが前記軟磁性回転体の回転に伴い変化することで前記磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化し、
   前記磁気抵抗効果素子と前記磁界発生手段とを位置決めして、同一ハウジング内に収納したことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記軟磁性回転体は、動力伝達用の歯車、又は動力伝達用とは別の歯車である請求項１記載の回転角度検出装置。
3. 前記歯車の歯の配列ピッチをＰ、前記歯車の移動方向に関する２つの前記磁気抵抗効果素子の配列間隔をＬとしたとき、Ｌ＝ｎＰ±Ｐ／４（ｎは整数）である請求項２記載の回転角度検出装置。
4. 前記軟磁性回転体の前記凸部又は凹部を有する面に、前記磁気抵抗効果素子が対向配置されている請求項１から３のいずれか記載の回転角度検出装置。
5. 前記磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子である請求項１から４のいずれか記載の回転角度検出装置。

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