JPH01110210A - 傾斜角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業量の利用分野〉 本発明は被検出面の傾斜角度をケーシング内の永久磁石
の回転角度に変換し、該永久磁石の磁界の回転角度に応
じて、電気信号を出力する磁気抵抗素子を用いた回転角
度センサに関する。

〈従来例及び問題点〉 従来、被検出体の傾斜角度を測定するためのセンサとし
ては、■金属電極板の変位による静電容量検出方式、■
磁石とコイルと振子とを組合せる方式、■半導体磁気抵
抗素子と磁石とを組合せる方式、■更にフォトカプラー
と振子を組合せる方式、等が知られている。

しかるに、上記■のものにあっては、誘電体として空気
を使用する場合と強誘電性液体を使用する場合とがあり
、いずれの場合も被検出体の傾斜が±６０’程度まで測
定可能とされるか、検出時の電気信号としてリニアな電
圧変化として取り出せる範囲は±４５”までか限界であ
り、安定した測定結果が得られない欠点かある。

また、上記■のものにあっては、検出体の傾斜が±９０
”程度まで測定可能とされるが、その検出信号は原理的
に正弦波であるため、リニアな電圧変化として取り出せ
る範囲は±２０“まで傾斜がせいぜいである。

更に、上記■のものは素材が半導体であるため、高温に
弱いものであり、しかもリニアな電圧変化として取り出
せる範囲は±２５°までの傾斜に限られるので現実的で
ない。また、高価であることも欠点である。

更に、上記■のフォトカプラー使用のものは、リニアな
電圧変化として取り出せる範囲はわずかに±５°の傾斜
範囲であるため使用に耐えないものである。

〈本発明の目的および構成〉 本発明は、強磁性薄膜を使用した磁気抵抗素子（以下、
ｌ’　Ｍ　Ｒ素子」という。）を採用しつつ、上記のよ
うな従来の欠点を除去した傾斜角度センサとするために
、提供されたものであり、 その目的は、永久磁石による外部磁界の回転角度に対応
してＭＲ素子からの電圧変化をリニアに出力することの
できる傾斜角度センサな提供することにある。

本発明の他の目的は、外部磁界の極性を判断することに
より被検出体の傾斜方向を検出することのできる傾斜角
度センサを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、高温な使用環境においても作
動に変化の生じない傾斜角′度センサを提供することに
ある。

本発明の更に他の目的は、安価に大量生産の可能な傾斜
角度センサを提供することにある。

而して、上記の本発明の目的は、Ｆ検出面に当接すべき
基準面を有するケーシングと、強磁性体薄膜製の磁気抵
抗パターン層にバイアス磁石を積層してなる磁気抵抗素
子と、該磁気抵抗素子を上記ケーシングの内壁適所に固
定するための固定部材と、該磁気抵抗パターン面の略中
心直交線上であって且つ上記ケーシングの基準面に対し
て平行な回転軸と、該回転軸に支持されてケーシング内
で回動可能に配設された回転フレームと、上記磁負抵抗
素子に対して略等距離であって且つ異なる極性で対峙す
るように上記回転フレームに支持固定され、該磁気抵抗
素子の周囲を回動可能に設けた一対の永久磁石と、該回
転フレームの適所に固定され、上記永久磁石を常態にお
いて一定の回転角度で静止させるための重り部材とから
なり、磁気抵抗素子に対する永久磁石の相対的な回転角
度をリニアな電気信号変化として出力可能に設けてなる
傾斜角度センサ」によって達成される。

〈実施例〉 次に本発明を図面に示された実施例に従って更に詳しく
説明する９ととする。

第１図には本発明の一実施例に係る傾斜角度センサ（１
）が示されている。（２）はプラスチック製等の非磁性
材料又は外界からの磁気雑音を遮蔽可能な高透磁率の材
料（パーマロイ等）からなるケーシングであり、その底
部（２ａ）の外面は平滑面とされ被検出体（図示せず）
に当接すべき基準面（旧を形成している。（３ａ）　（
３ｂ）はケーシング（２）の側壁のうち相対向する側壁
（２ｂ）　（２ｃ）に支持された回転軸であり、その軸
心は上記基準面（に）に対して平行に設けられている。

（４）はプラスチック製等の非磁性材料板体からなる方
形の回転フレームであり、その両端板の中央部において
回転軸（３ａ）　（３ｂ）に支持固定されている。（５
ａ）　（５ｂ）は該回転フレーム（４）の回転面に直角
な側壁（４ａ）　（’４ｂ）の内壁に固定された永久磁
石であり、第２図に示すようにそれぞれの内側が異なる
磁極ＮとＳとなるように相対面して設置されている。

而して、この永久磁石（５ａ）　（５ｔ＋）は回転フレ
ーム（４）の回転により、Ｚ軸に直角な回転面すなわち
基準面（Ｋ）に対して垂直な回転面の一個の円を描くよ
うに回転可能に設けられている。

（６）は回転フレームの側壁（４ｂ）の外面に固定され
た重り部材であり、一対の永久磁石（５ａ）　（５ｂ）
を常態において重力方向の直線上に静止させるように、
回転フレーム（４）　に回転力を付与している。

（７）は本発明に係るＭＲ素子であり、永久磁石（５ａ
）　（５ｂ）に挟まれてその略回転中心部に位置するよ
うに固定部材（８）を介してケーシング（２）の（ｍ壁
（２ｄ）に固定されているとともに、その磁気抵抗パタ
ーン（７２０）面を回転フレーム（４）の回転面に対し
て平行に配設している。而して、永久磁石（５ａ）　（
５ｂ）はＭＲ素子（７）の磁気抵抗パターン（７２０）
面に対して直交する回転面上にあって外部磁界を付与し
ている。

このＭＲ素子（７）は、ガラス製、セラミック製等の非
磁性材料からなる基板（７１０）の上に、蒸着やスパッ
タリング等により櫛歯状の磁気抵抗パターン（７２０）
を形成し、これをリードフレームのアイランド部（７３
０）に載置して各端子（７４０・）〜（７４３）をリー
ド端子（７３１）〜（７３４）に結合したのち、第２図
に示すようにバイアス磁石（７６０）を積層し、更に外
被用プラスチック等のモールド（７５０）層により全体
を密封したもの、又は、第３Ｃ図に示すように、バイア
ス磁石（７６０）のみモールド（７５０）層外に積層す
るようにして、それぞれＭＲ素子製品とするものである
。

而して、このバイアス磁石（７６０）の磁界は第２〜３
０図に示すようにＹ軸方向すなわち上記パターン（７２
０）の全ての櫛目方向に対して４５°に作用するように
設定される。このバイアス磁界により、磁気抵抗パター
ンの磁気ヒステリシスによる不都合が解消される。すな
わち、外部磁界特に弱磁界において同一磁力でも履歴に
より出力電圧（Ｖｏｕｔ）に相違が生じるという欠点を
除去し、第４図に示すような安定したリニアな出力電圧
特性を生じさせるための補正機能を持つものである。

なお、このバイアス磁界を発生させるに当り、第３０の
ようにバイアス磁石（７６０）をモールド層（７５０）
の外面例えば底面に接着等により外付は固着することと
してもよいが、磁気抵抗パターンのパターン面との間隔
が大きいので強力な永久磁石を必要とする。

そこで、より効率のよい構成として第３ａ図、３ｂ図に
示すものを提案する。すなわち、基板（７１０）として
硬磁性材料を用い、上記パターン中の全ての櫛目方向に
対して４５”のバイアス磁界が作用するようにパターン
形成前の段階又はパターン形成後の適宜な時期に着磁す
ることにより、磁気抵抗パターンのパターン面との間隔
を至近距離とし、これらをモールド（５）層内に密封固
定した素子とするものである。

この方式の利点は、基板（７１０）が通常正方形または
矩形に成形して使用されるため、いずれか−辺に対して
直角な方向に磁束が生じるように位置決めして正確に着
磁することは容易であるとともに、このような方形の基
板（７１０）の各辺に対して夫々４５”の角度の櫛目に
よるパターンを正確に形成することが容易である。

また、パターン面に接した至近距離に基板（７１０）と
共通のバイアス磁石（７６０）が位置す１す ることとなるので、非常に弱い磁力を以てヒステリシス
補正のために必要なバイアス磁束量を供給することがて
き、永久磁石（５ａ）　（５ｂ）による外部磁界が弱い
場合にも高感度で出力できるので、磁気センサとしての
性能を向上することができる。更に、バイアス磁石をよ
り薄型にすることができるものである。

なお、第３ｂ図に示すように、基板（７１０）と磁気抵
抗パターン（７２０）面との間に平滑度の高い薄膜の絶
縁層（７７０）を介在させることにより、磁気抵抗パタ
ーン（７２０）を均一厚さの平滑な面に形成するととも
に、バイアス磁石（７１０）が導電性材料であるときに
おけるリードフレームのアイランド部（７３０）との絶
縁性を確保するようにしてもよい。

かかる構成の傾斜角度センサ（１）によれば、基準面（
に）が重力方向に対して直角であるとき、外部磁界を生
じる永久磁石（５ａ）　（５ｂ）およびＭＲ素子（７）
の中心は第２図のＹ軸上に位置する。すなわち、ＭＲ素
子（７）に対する外部磁界の相対的角度に応じてセンサ
（１）から出力される電圧は、第４図のグラフに右ける
原点（Ｐ）にある。

なお、この出力特性グラフはＸ軸を回転角度Ｏ°として
いるから、Ｙ軸は回転角度９０゜を示す。

また、基準面（に）が第１図においてケーシング（２）
の右下りに傾斜すると、重り部材（６）が作用している
ので回転フレーム（４）は回転せずに、ケーシング（２
）とともにＭＲ素子（７）が永久磁石（５ａ）　（５ｂ
）に対して回転することとなるが、相対的には回転フレ
ーム（４）がＭＲ素子（７）の外方を回転していると見
ることができる。

このとき、回転フレーム（４）は第２図において実線矢
印（ｇ）の方向すなわち反時計方向に回転し、その角度
変化に伴う出力電圧の変化は、第４図実線矢印（ａ）で
示す変化となる。この場合、少なくとも原点（Ｐ）から
＋６０”すなわち９０”から　１５０°までの回転角の
間では、永久磁石（５ａ）　（５ｂ）の回転角度に対し
て（Ｐ）から（Ｑ）までの直線的な出力電圧の増加が得
られるものである。

一方、基準面（Ｋ）が第１図において左下りに傾斜する
と、永久磁石（５ａ）　（５ｂ）が第２図の破線矢印（
ｈ）の方向すなわち時計方向に回転する。この場合の角
度変化に伴う出力電圧の変化は、第４図破線矢印（ｂ）
で示す変化となる。このとき、少なくとも原点（Ｐ）か
ら−６０゛すなわち９０°から３０“までの回転角の間
では、永久磁石（５ａ）　（５ｂ）の回転角度に対して
（Ｐ）から（Ｒ）までの直線的な出力電圧の減少が得ら
れるものである。

なお、第４図の永久磁石（５ａ）　（５ｂ）の回転角度
に対する出力電圧の変化グラフにおける負のピーク（Ｓ
）、原点（Ｐ）、および正のピーク（Ｔ）の各点に対応
する合成磁界の方向と磁気抵抗パターン（７２０）との
関係を第５ａ〜５０図に示す。

同図において、Ｈｂｉはバイアス磁石による磁界を、Ｈ
ｅｘは永久磁石による外部磁界を、ＨＣＯ［ＱはＨｂｉ
とＨｅｘによる合成磁界をそれぞれ表わす。

而して、上記の構成により内部ユニット（Ａ）が形成さ
れ、第１図における基準面（に）の左右の傾斜角度およ
び傾斜方向を検出するとかでき本発明の目的が達成され
るが、実施例では第１図における基準面（に）の前後傾
斜をも検出するための内部ユニット（Ｂ）を併設したも
のを示している。

この該内部ユニット（Ｂ）は前記内部ユニット（Ａ）　
と同一の構造・作用を存するもので、その配設方向のみ
を異ならしめたものである。

すなわち、回転軸（３１ａ）をケーシングの側。

壁（２ｅ）に回動可能に支持するとともに、対となる回
転軸（３１ｂ）を適宜の内部支持板（図示せず）を介し
てケーシングの側壁（２Ｃ）又は底部（２ａ）に支持す
る。また、ＭＲ素子（７“）を載置固定した固定部材（
８°）はケーシングの側壁（２ｃ）に固定している。

これにより、回転フレーム（４′）の回転面を前記内部
ユニット（Ａ）の回転フレーム（４）の回転面に対して
直角にしている。また、ＭＲ素子（７゛）中の磁気抵抗
パターン（７２０）も前記内部ユニット（Ａ）の磁気抵
抗パターン（７２０）に対して直角のパターン面として
いる。

而して、ケーシングの基準面（Ｋ）が第１図の前後方向
に傾斜したときに、前記内部ユニット（Ａ）におけると
同様の作用が生じる。

従って、この実施例によれば、基準面（Ｋ）における左
右および前後の複合傾斜の場合に　　□も、内部ユニッ
ト（Ａ）と内部ユニット（Ｂ）とが同時作動するので、
双方の出力電圧値を演算すれば、複合傾斜の角度および
その傾斜方向を検出することができるものである。

〈効　果〉 上記本発明によれば、バイアス磁界をパターン面に密接
配置して磁気効率を向上せしめたので、外部磁界の回転
角度に対応して電圧変化をリニアに出力することのでき
る高感度な傾斜角度センサとすることができる。

バイアス磁界の方向に対する外部磁界の作用方向により
、外部磁界の極性を判断しながらその回転角度を検出す
ることができるので、基準面の傾斜角度および傾斜方向
を検出することができる。

更に、半導体薄膜等を使用しないので高温な使用環境に
おいても作動に変化が生じない傾斜角度センサとするこ
とができる。

更に、安価に大量生産の可能な回転角度センサを提供す
ることにある。

また、バイアス磁石を基板と共通部材とすれば、別部材
のバイアス磁石を用意してモールド内に積層し又はモー
ルド外面に外付けする必要もないから、素子（１）の製
造工程が簡素化されるとともに、小型化が可能となるも
のである。

更に、バイアス磁石の取付は位置合せが正確且つ容易で
あるので、作業性、大量生産性に優れ、歩留りが良好で
ある。

更に、素子全体の厚みが極く薄手のものにすることので
きるので、小型化に資するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る傾斜角度センサの一実施例を示す
一部切欠斜視図、第２図はＭＲ素子と外部磁界との関係
を示す概略構成斜視図、第３ａ図はＭＲ素子の実施例を
示すｍ−ｍ線断面図、第３”５図はＭＲ素子の他の実施
例を示すｍ−Ｉ［［線断面図、第３ｃ図はＭＲ素子の更
に他の実施例を示すｍ−ｍ線断面図、第４図は外部磁界
の回転角度に対する電圧出力特性グラフ、第５ａ〜５０
図はＭＲ素子におけるバイアス磁界と外部磁界の合成磁
界の関係を示す説明図、である。 （１）　−−−−−−傾斜角□度センサ、（２）−−−
−−ケーシング、 （３ａ）　（３ｂ）　−−−−−回転軸、（３１ａ）　
（３１ｂ）−−−−−−回転軸、（４）（４°）−−−
−−一回転フレーム、　　・（５ａ）　（５ｂ）　−−
−−−−永久磁石、（５ａ　’　）　（５ｂ　”）　−
−永久磁石、（６）　（６°）　−−−−−−重り部材
、（７）　（７°）−−−−−ＭＲ素子、（７１’０）
　−−−−−−−−一基板、（７２０）　−−−−−−
−−−磁気抵抗パターン、（７６０）・・・・・・・・
・バイアス磁石。 特許出願人　　株式会社゛日本オートメーション代理人
・弁理士　　　千　　　１）　　　　　稔−５５＝ ｈへ゛　ご−ＲＲ々背 ｒ：Ｌ−闇　　　　　　　句Ｖ　　ご−閤ン１ＦＪｕ　
　　ｋ＼　　　　珂う

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．被検出面に当接すべき基準面を有する ケーシングと、 強磁性体薄膜製の磁気抵抗パターン層に バイアス磁石を積層してなる磁気抵抗素子 と、 該磁気抵抗素子を上記ケーシングの内壁 適所に固定するための固定部材と、 該磁気抵抗パターン面の略中心直交線上 であって且つ上記ケーシングの基準面に対 して平行な回転軸と、 該回転軸に支持されてケーシング内で回 動可能に配設された回転フレームと、 上記磁気抵抗素子に対して略等距離で あって且つ異なる極性で対峙するように上 記回転フレームに支持固定され、該磁気抵 抗素子の周囲を回動可能に設けた一対の永 久磁石と、 該回転フレームの適所に固定され、上記 永久磁石を常態において一定の回転角度で 静止させるための重り部材と、 からなり、磁気抵抗素子に対する永久磁石 の相対的な回転角度をリニアな電気信号変 化として出力可能に設けてなる傾斜角度 センサ。
2. ２．磁気抵抗素子に対する設定方向を中心として、少な
   くとも角度±６０゜以内の回転角の範囲における上記永
   久磁石の回転角度に ついて、リニアな電気信号変化を出力して なる前記特許請求の範囲第１項記載の傾斜 角度センサ。