JPH01307615A - 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】 〈産業上の利用分野〉 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傾斜角度
センサに関する。

〈従来の技術） 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み合わせる方式、■半導体磁
気抵抗素子と磁石を組み合わせる方式、■更にフォトカ
プラーと振子を組み合わせる方式、等が知られている。

〈発明が解決しようとする課題〉 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
定可能とされるが、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°までが限界であ
り、安定した測定結果が得られない欠点がある。

また、上記■のものにあっては、検出体の（頃斜が±９
０°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（頃斜がせいぜいである。

さらに、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。

さらに、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僅かに±５＠の傾斜
範囲であるため使用に耐えないものである。

本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、強磁性薄膜
を使用した磁気抵抗素子（以下、ｒＭＲ素子」という、
）を採用し、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が
でき、しかも検出した傾斜角度をディジタル表示して視
認可能にした傾斜角度センサを提供することを目的とす
る。

〈課題を解決するための手段〉 このため本発明の傾斜角度センサは、ｒ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を有する基板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を通る直交線であって且つ上記ケ
ーシングの基準面に対して平行な軸心をもつ回転軸と、
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、を備え、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構成する一方、前記永久磁石の
磁界の回転角度に応じて磁気抵抗素子から出力される電
気信号に基づき、被検出面の傾斜角度をディジタル表示
するディジタル表示装置を備えたことを特徴とする傾斜
角度センサｊとする。

く作用） 係る構成では、バイアス磁界をパターン面に密着配置し
て磁気効率を向上せしめたので、外部磁界の回転角度に
対応して電圧変化がリニアに出力され、高感度な１頃斜
角度センサとなる。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
の回転角度が検出されるので、基準面の傾斜角度及び傾
斜方向が検出される。

また、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なる
。

更に、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またはモ
ールド外面に外付けする必要もないから、素子の製造工
程が簡素化されると共に、小型化が可能となる。

また、バイアス磁石の取付位置合わせが正確且つ容易で
あるので、作業性、大量生産性に優れ、歩留まりが良好
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がで
きるので、小型化に資するものである。

特に、永久磁石の磁界の回転角度に応じて磁気抵抗素子
から出力される電気信号に基づき、被検出面の傾斜角度
がディジタル表示され、被検出部の（頃斜角度を容易に
視認することができる。

〈実施例） 次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る傾斜角度センサ１の外
観形状を示す一部切欠斜視図であり、本体ケーシング２
のうち下部ケーシング２入内に傾斜角度検出機構部Ａを
、上部ケーシング２Ｂ内にアナログ／デジタル変換器（
Ａ／Ｄ変換器）からなる角度表示用電気回路部Ｂを夫々
内蔵して備え、上部ケーシング２Ｂの上面には検出した
傾斜角度をディジタル表示するディジタル表示部Ｃが設
けられている。

Ｄは電源ケーブルである。

かかる構成の詳細を第２図及び第３図に基づいて説明す
る。

即ち、これらの図において、下部ケーシング２Ａは、プ
ラスチック類等の非磁性材料また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）によって
長円筒形状に形成されており、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Ｋ
を形成している。この下部ケーシング２Ａ内にはダンパ
ー油が満たされている。

３ａ、３ｂは下部ケーシング２人の内周壁の相対向する
位置に略水平に固定取付された一対の支持軸であり、そ
の軸心は上記基準面Ｋに対して平行に設けられている。

４はプラスチック類等の非磁性材料板体からなる円筒状
の回転フレームであり、その両端開口部４ａ、４ｂに夫
々前記支持軸３ａ。

３ｂが嵌入されることによって、該支持軸３ａ、３ｂの
軸心を中心として回動可能に支持されている。なお、一
方の支持軸３ａは中空部３Ａを有する筒状に形成されて
おり、先端部には後述するＭＲ素子７を保持する素子ホ
ルダ部３Ｂが形成されている。５ａ、５ｂは該回転フレ
ーム４の内周面の相対向する部位に埋め込み固定された
永久磁石であり、第４図に示すように夫々の内側が異な
るｉｆｆ極ＮとＳとなるように相対面して設置されてい
る。

そして、この永久磁石５ａ、５ｂは回転フレーム４の回
転により、Ｚ軸に直角な回転面即ち、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。

６Ａは回転フレーム４の下部外周面に固定された脚部６
Ｂの先端に固定されて吊り下げら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、前記素
子ホルダ部３Ｂの端壁に嵌合固定されていると共に、そ
の磁気抵抗パターン７２０面が回転フレーム４の回転面
に対して平行となるように配設されている。

そして、永久磁石５ａ、５ｂはＭＲ素子７の磁気抵抗パ
ターン７２０面に対して平行な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７３０に！！置して
各端子７４０〜７４３をリード端子７３１〜７３４にそ
れぞれ結合した後、第４図に示すようにバイアス磁石７
６０を積層し、さら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、または、第５ｃ図
に示すように、バイアス磁石７６０のみをモールド７５
０層外に積層するようにして、夫々ＭＴ？素子製品とす
るものである。

そして、このバイアス磁石７６０の磁界は第４〜５０図
に示すようにＹ軸方向即ち、上記パターン７２０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。即ち、外部ｒａ
ｉ！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６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たり、第５ｃ
図のようにバイアス磁石７６０をモールドＮ７５０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
も良いが、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、より効率の良い構成として第５ａ図、５ｂ図に
示すものを提案する。即ち、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４
５＠のバイアス磁界が作用するようにパターン形成前の
段階また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７２０との間隔
を至近距離とし、これらをモールドＮ７５０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が通常は正方形または矩
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共に、このような方形の基板７
１０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でき、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
。さらに、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５ｂ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７７
０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共に、バイアス磁石７
１０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
良い。

一方、かかるセンサ１には、前記永久磁石５ａ、５ｂの
磁界の回転角度に応じてＭＲ素子７から出力される電気
信号に基づき、被検出面の傾斜角度をディジタル表示す
るディジタル表示装置が備えられている。

即ち、下部ケーシング２Ａの上端部に固定される上部ケ
ーシング２Ｂは、略長円形状に形成されており、有底筒
状体２ｂとその開口部を塞ぐように設けられた蓋体２Ｃ
とから構成される。有底筒状体２ｂは、下部ケーシング
２Ａと同様に、プラスチック類等の非磁性材料または外
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）によって形成される。

かかる上部ケーシング２Ｂ内には、ＭＲ素子７から出力
される電気信号即ち、アナログ信号である傾斜角検出信
号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器からなる角
度表示用電気回路部Ｂが内蔵されている。この角度表示
用電気回路部Ｂには、ＭＲ素子７のリード端子７３１〜
７３４に接続されたリード線８が接続される。

なお、このリード線８は、前記支持軸３ａの中空部３Ａ
を通り、更に、該支持軸３ａの周壁に開設された貫通孔
３Ｃ及び有底筒状体２ｂ底壁の貫通孔（図示せず）を介
して上部ケーシング２Ｂ内に導かれる。

上部ケーシング２Ｂの蓋体２Ｃの中央部には、前記角度
表示用電気回路部Ｂから出力されるディジタル信号に基
づいて傾斜角度をディジタル表示する液晶表示部９が設
けられている。

かかる構成の傾斜角度センサ１によれば、基準面Ｋ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及びＭＲ素子７の中心を結ぶ線は第４図
のＹ軸上に位置する。

即ち、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６図のグラフにお
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０°として
いるから、Ｙ軸は回転角度９０＠を示す。

また、基準面Ｋが第３図においてケーシング２が右下が
りに１頃斜すると、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と共に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４図において実線矢印ｇ
の方向即ち、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６図破線矢印ａで示す変化となる
。この場合、少なくとも原点Ｐから＋６０’即ち、９０
”から１５０°までの回転角の間では、永久磁石５ａ、
５ｂの回転角度に応じて点Ｐがら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３図において、左下がりに傾斜する
と、永久磁石５ａ、５ｂが第４図の破線矢印りの方向即
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６図破線矢印すで示す変化となるン
このとき少なくとも原点Ｐから−６０’即ち、９０°か
ら３０″までの回転角の間では、永久磁石５ａ、５ｂの
回転角度に応じて点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６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、
及び正のピーク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７ａ〜７０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、ＨｃｏｍはＨｂ　ｉ
とＨｅｘによる合成磁界を夫々表す。

以上のようにして検出されたＭＲ素子７に対する永久磁
石５ａ、５ｂの相対的な回転角度即ち、傾斜角度は、リ
ニアな電気信号変化として出力され、この電気信号に基
づき被検出面の傾斜角度を表す数値が、ディジタル表示
装置によって表示される。即ち、上部ケーシング２Ｂの
蓋体２ｃの液晶表示部９に傾斜角度がディジタル表示さ
れる。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、バイアス磁界をパ
ターン面に密着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、基準面の傾斜角度及び傾
斜方向を検出することができる。

また、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傾斜角度センサを提供で
きる。

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またはモ
ールド外面に外付けする必要もないから、素子の製造工
程が筒素化されると共に、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位置合わせが正確且つ容易で
あるので、作業性、大量生産性に優れ、歩留まりが良好
である。

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

特に、本発明によると、永久磁石の磁界の回転角度に応
じて磁気抵抗素子から出力される電気信号に基づき、被
検出面の傾斜角度をディジタル表示するディジタル表示
装置を備えたから、被検出部の傾斜角度を容易に視認す
ることができ、センサの用途が拡大できるという利点が
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の外観
を示す一部切欠斜視図、第２図は同上実施例の縦断面図
、第３図は第２図中ＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図、第４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５ａ図はＭＲ素子の実施例を示す図で、第４図中Ｖ−
■矢視断面図、第５ｂ図はＭＲ素子の他の実施例を示す
断面図、第５ｃ図はＭＲ素子の更に他の実施例を示す断
面図、第６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７ａ〜７０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・・・・・・ｆ１斜角度センサ ２・・・・・・本体ケーシング ３ａ、３ｂ・・・・・・支持軸 ４・・・・・・回転フレーム ５ａ、５ｂ・・・・・・永久磁石 ６・・・・・・重り部材 ７・・・・・・ＭＲ素子 ９・・・・・・液晶表示部 ７１０・・・・・・基板 ７２０・・・・・・磁気抵抗パターン ７６０・・・・・・バイアス磁石 Ｂ・・・・・・角度表示用電気回路部 Ｃ・・・・・・ディジタル表示部 ”　　　　　　２ｃ ｒ 第４図 第５０図 第５ｂ図 第５Ｃ図 二 シ シ ｃｏｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　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を有 する基板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を通る直交 線であって且つ上記ケーシングの基準面に対して平行な
   軸心をもつ回転軸と、 該回転軸に支待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、 を備え、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構成する
   一方、 前記永久磁石の磁界の回転角度に応じて磁 気抵抗素子から出力される電気信号に基づき、被検出面
   の傾斜角度をディジタル表示するディジタル表示装置を
   備えたことを特徴とする傾斜角度センサ。