JPH02298814A - 回転角度センサ - 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］ 本発明はシャフトの回転角度を検出する回転角度センサ
に関し、特に磁気抵抗素子を用いた無接触型の回転角度
センサに係る。

［従来の技術］ 近時、回転角度あるいは回転位置を検出するセンサに関
し、無接触機構を構成し、あるいはシャフトの慣性損失
を小さくする等の要請から磁気センサの利用が注目され
ている。この磁気センサには磁気抵抗素子が用いられ、
素子の板面がシャフトの先端に装着された永久磁石に対
向するように配置されている。

上記磁気抵抗素子としては半導体磁気抵抗素子と強磁性
磁気抵抗素子が知られている。前者は半導体の電気抵抗
が磁界中で変化する性質を利用したものである。後者は
磁界中の強磁性体に関し磁化方向と電流方向のなす角度
によって抵抗が異方的に変化する性質を利用したもので
ある。これは異方性磁気抵抗効果と呼ばれ、磁界の大き
さによる負性磁気抵抗効果と区別される。即ち、通常の
強磁性体にあっては、異方性磁気抵抗効果により電流と
磁化方向が平行になった時に抵抗が最大となり、直交し
た時に最小となる。而して、この効果を利用すべく基板
の板面に薄膜の強磁性金属が折線状に付着されて強磁性
磁気抵抗素子が構成される。

上記のように構成された強磁性磁気抵抗素子を含む磁気
センサは、例えば特開昭６２−２３７３０２号公報に開
示された回転位置検出装置に用いられており、シャフト
の端面と、この端面の対向位置の何れか一方に設けられ
、他方に永久磁石が設けられている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記磁気抵抗素子を定電流電源あるいは定電圧電源によ
りて駆動した場合、出力は温度の上昇と共に略リニアに
減少し、その温度係数は前者によって駆動した場合の方
が小である。従って、温度変化による出力電圧の変動を
回避すべく二個の素子をブリッジ接続する等のｍ埋が行
なわれる。このように、磁気抵抗素子にあフては温度変
化により出力特性が異なり、周囲温度、即ち外部環境温
度が変化する場合には温度補償が必要となる。このため
外部環境の温度変化に応じて出力を補正すべく電気回路
処理が行なわれるのが一般的であり、ある程度の対応が
可能である□が、受動的対応に留まり、また対応できる
温度変化の範囲には限度がある。

そこで、本発明は回転角度センサにおいて、外部環境の
温度変化に影響されることなく安定した検出精度を確保
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明は基板の板面に磁気
抵抗素子を付着した検出素子を備え、該検出素子に対す
るシャフトの回転に伴なう磁束変化により該シャフトの
回転角度を検出する回転角度センサにおいて、前記磁気
抵抗素子に近接して前記基板上に配置した加熱抵抗体を
備え、該加熱抵抗体に通電し前記磁気抵抗素子を一定温
度に加熱制御するようにしたものである。

上記回転角度センサにおいては、前記基板の両側面に夫
々対向する一対の磁極を有し少くとも前記基板の板面を
含む磁界を形成する磁石部材を備え、該磁石部材と前記
検出素子の何れか一方を前記シャフトに装着し他方を前
記シャフトに対し所定の位置に固定するとよい。

［作用］ 上記の構成になる回転角度センサにおいては、例えば永
久磁石がシャフトに装着され、このシャフトに対し所定
位置に検出素子が固定され、永久磁石により検出素子を
含む磁界が形成されている。而して、シャフトの回転に
応じ磁騨が回転し、磁気抵抗効果により基板上の磁気抵
抗素子の抵抗値が変化する。この抵抗値変化に応じシャ
フトの回転角度が検出される。

この場合において、磁気抵抗素子に近接して基板上に設
けられた加熱抵抗体が通電され、磁気抵抗素子が例えば
外部環境温度の上限温度以上の一定温度に加熱制御され
る。これにより、磁気抵抗素子付着部の温度が外部環境
温度に影響されない一定の温度に維持され、磁気抵抗素
子はシャフトの回転角度にのみ対応して所定の信号を出
力する。

［実施例］ 以下、本発明の望ましい実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図乃至第３図は本発明の回転角度センサの一実施例
を示すもので、本発明にいう検出素子たる磁気センサ１
０が回路基板３０に実装され、これらに対向するように
磁石部材２０が配置されている。

磁気センサ１０においては、第１図にその断面が示され
ているように、熱伝導率が低いガラス等の素子基板１１
にＮｉ−Ｃｏ合金等の強磁性合金の薄膜が付着され、強
磁性磁気抵抗素子１２（以下、車に磁気抵抗素子１２と
いう）が構成されている。この磁気抵抗素子１２は例え
ば蒸着とホトエツチングといつた集積回路製造技術によ
って形成され、高抵抗化を図るため帯状の薄膜強磁性合
金が折曲され、第２図に示すようなパターンに形成され
ている。即ち、長手方向が水平な素子を中心とするブロ
ックと長手方向が垂直な素子を中心とするブロックとが
交互に接続され、四つのブロックが構成されている。そ
して、各ブロック間の接続点には端子１２ａ乃至１２ｄ
が形成されている。端子１２ａ、１２ｂは所謂電流端子
で、端子１２ａは電源Ｖｃに接続され、端子１２ｂは接
地されている。＠子１２ｃ、１２ｄは所謂電圧端子であ
り、これらから検出信号が出力される。

端子１２ａ乃至１２ｄは端子１３に接続され、端子１３
が回路基板３０上のり−ド３１に半田接合される。回路
基板３０の磁気センサ１０が実装された面と反対側の面
には図示しない検出回路を構成する回路素子が実装され
ており、これらの回路素子にリード３１及びこれに接合
された端子３２を介して電気的に接続されている。

そして、磁気抵抗素子１２の上面に絶縁層１４を介して
本発明にいう加熱抵抗体たるＰＴＣヒータ１５が配置さ
れている。ＰＴＣヒータ１５は周知のように正特性サー
ミスタから成り、所定温度以上になると抵抗値が急激に
上昇し自動的に発熱量が制御され、一定の温度に制御さ
れるという所謂自己温度制御作用を有している。このＰ
ＴＣヒータ１５がその両端に接続された電極１５ａ。

１５ｂ及び一対の端子１９を介して通電され、所定の熱
量を発生するように構成されている。

磁石部材２０は、第３図に示すように永久磁石２１とそ
の両側面に接合された一対の断面略し字状の磁性体腕部
２２，２３から成り、これら磁性体腕部２２，２３の長
手方向に平行に、シャフト２が永久磁石２１に固着され
ている。磁性体腕部２２．２３は各屈曲部の先端部２２
ａ、２３ａの端面が対向するように夫々永久磁石２１側
面に接着等により接合されており、先端部２２ａ、２３
ａの端面間に空隙が形成されている。而して、永久磁石
２１により磁性体腕部２２，２３の先端部２２ａ、２３
ａに夫々Ｎ極、Ｓ極が形成され、両者間に磁束密度が均
一な平行磁束の磁界が形成される。

以上の構成になる磁気センサ１０は磁性体腕部２２．２
３の先端部２２ａ、２３ａ間に形成された均一な平行磁
界中にあって、素子基板１１の板面はこれに平行に位置
し、従って磁気抵抗素子１２には板面に平行な均一磁束
が付与される。そして、シャフト２の回転により永久磁
石２１が磁気センサ１０回りを回転すると、先端部２２
ａ。

２３ａ間の磁界が回転し、磁気抵抗素子１２に対する磁
化方向と電流方向のなす角度が変化する。

この場合において、磁気抵抗素子１２に供給される電流
と先端部２２ａ、２３ａ間の磁界による磁化方向が平行
になった時に磁気抵抗素子１２の抵抗値が最大となり、
直交した時最小となる。これにより、端子１２ｃ、１２
ｄの出力は略正弦波となり最大値と最小値近傍を除く部
分でシャフト２の回転角度に対し略リニアな出力特性が
得られる。

上記回転角度センナの作動において、シャフト２の支持
構造等に起因してシャフト２に対し軸方向の変位が生じ
あるいは芯ずれにより磁気センサ１０に平行な方向に変
位が生じた場合、磁石部材２０は磁気センサ１０に対し
て変位することとなるが、先端部２”２ａ、２３ａ間に
形成された磁界は均一な平行磁束で、あるので磁気抵抗
素子１２に付与される磁束が変化することはない。従っ
て、端子１２ｃ、１２ｄからはシャフト２の変位に影響
されることなく安定した電圧信号が出力される。

また、ＰＴＣヒータ１５によって、磁気抵抗素子１２は
使用状態における外部環境温度の上限温度より高温の一
定の温度に加熱制御される。従って、外部環境の温度変
化に影響されることなく端子１２ｃ、１２ｄから安定し
た電圧信号が出力される。例えば、第４図に示すように
、従来の回転角度センサの入出力特性は磁気抵抗素子１
２の温度が２５℃のときには実線の特性であフたのが、
１００℃に上昇すると破線の特性に変化する。これに対
し、本実施例の回転角度センサにあってはＰＴＣヒータ
１５により磁気抵抗素子１２が常時１００℃近傍に加熱
制御されているので、磁気抵抗素子１２が２５℃の場合
、１００℃の場合の何れも実線で示した入出力特性とな
る。

上記のように構成された回転角度センサは種々の装置に
装着し得るが、例えば内燃機関のスロットルポジション
センサに内蔵される。

第５図は上記回転角度センサを内蔵したスロットルポジ
ションセンサ１を示すもので、図示しないスロットルボ
デーに装着され、シャフト２が図示しないスロットルシ
ャフトに連動して回動するように支持されている。即ち
、スロットルポジションセンサ１は隣接する二つの凹部
３ａ、３ｂを有する合成樹脂製のハウジング３を備え、
これら凹部３ａ、３ｂ間の隔壁３ｃに、軸受４を介して
シャフト２が回動自在に支持されている。

シャフト２の一端にはハウジング３の一方の凹部３ａ内
に収容されたレバー５が固着されており、レバー５は図
示しないスロットルシャフトに連結されている。ハウジ
ング３とレバー５との間にはリターンスプリング６が介
装されており、レバー５が所定の初期位置方向に付勢さ
れている。従って、図示しないスロットルバルブの開作
動に伴ない、スロットルシャフトに連動するレバー５が
リターンスプリング６の付勢力に抗して駆動され、シャ
フト２が回動するように構成されている。尚、軸受４と
しては、本実施例では焼結含油軸受が用いられているが
、もちろんボールベアリング等を用いることとしてもよ
い。

シャフト２の他端には磁石部材２０が固着され、ハウジ
ング３の他方の凹部３ｂ内に収容されている。そして、
磁石部材２０を構成する永久磁石２１に対向し、且つそ
の両端の磁性体腕部２２．２３間に位置するように磁気
センサ１０が配設される。磁気センサ１０は前述のよう
に素子基板１１とその板面に付着された磁気抵抗素子１
２等を備え、回路基板３０に実装される。回路基板３０
の一方の端部には複数の端子３２が設けられており、他
方の端部には複数のリード部材７が接続されている。こ
れらのリード部材７はハウジング３内に埋設されており
、側方に延出してハウジング３と一体にコネクタ８が形
成されている。回路基板３０はハウジング３の凹部３ｂ
内に収容、固定され、この凹部３ｂは合成樹脂製のカバ
ー９により密閉されている。

而して、本実施例のスロットルポジションセンサ１によ
れば、図示しないスロットルバルブに連動して第５図に
示すレバー５が駆動されシャフト２が軸受４回りを回動
する。このシャフト２の回動に応じ、前述のように磁気
センサ１０の磁気抵抗素子１２の抵抗値が変化する。こ
の磁気抵抗素子１２はホイートストンブリッジが構成さ
れており、これに定電流が供給されている。従フて、磁
気抵抗素子１２の各ブロックの抵抗値の変化に応じて端
子１２ｃ、１２ｄの出力電圧が変化し、この端子１２ｃ
の出力が図示しない差動増幅回路を経て回転角度信号た
る電圧出力が得られる。即ち、最大値と最小値近傍を除
き回転角度に対し出力電圧がリニアに増加する。

第６図は本発明の回転角度検出センサの他の実施例を示
すもので、第１図の実施例においては加熱抵抗体として
ＰＴＣヒータ１５が用いられているのに対し、本実施例
では素子基板１１上に金属薄膜抵抗体゛が蒸着され、正
の抵抗温度係数を有する加熱抵抗パターン１６が第７図
に示すように形成されたものである。磁気抵抗素子１２
は加熱抵抗パターン１６上に形成された絶縁層１７を介
して付着され表面に保護＠ｔａが形成されている。

そして、第８図に示すように、正の抵抗温度係数の加熱
抵抗パターン１６を含み抵抗Ｒ１，Ｒ２及びＲ３により
ホイートストンブリッジが構成され、オペアンプＯＰ及
びトランジスタＴｒと共に加熱制御回路が構成され、適
宜通電されて所定の熱量を発生するように構成されてい
る。

この加熱制御回路においては、電源ＶＢからトランジス
タＴｒを介して加熱抵抗パターン１６に電流が供給され
て発熱し、近傍の磁気抵抗素子１２を加熱する。加熱抵
抗パターン１６は温度上昇と共に抵抗値が増大し、所定
の加熱温度に達してホイートストンブリッジの平衡条件
が成立すると、オペアンプｏＰの出力が低レベルとなり
トランジスタＴｒが遮断され、加熱抵抗パターン１６の
発熱作用が停止する。これに対し、磁気抵抗素子１２を
含む素子基板１１の温度が低下し、従って加熱抵抗パタ
ーン１６の温度が低下して抵抗値が減少すると、ホイー
トストンブリッジの平衡条件がくずれ、オペアンプＯＰ
の出力が高レベルとなり、トランジスタＴｒが駆動され
、前述と同様に所定の加熱温度となるまで電源電流が供
給される。而して、磁気抵抗素子１２は加熱抵抗パター
ン１６により外部環境の温度変化に影響されない一定の
温度に加熱制御される。

［発明の効果］ 本発明は上述のように構成されているので、以下に記載
する効果を奏する。

即ち、本発明の回転角度センサにおいては加熱抵抗体に
よって、基板に付着された磁気抵抗素子が使用状態にお
ける外部環境温度の上限温度より高温の一定の温度に加
熱制御されるので、外部環境の温度変化によって出力変
動が生ずることはなく安定した検出精度を確保すること
ができる。

また、検出素子の基板の両側面に対向して磁極が配置さ
れ基板の板面を含む磁界が形成されるので、基板に付着
された磁気抵抗素子は常時均一な磁界中に配置されるこ
ととなる。従って、シャフトの軸方向変位あるいは基板
に平行な方向の変位が生じても検出素子の出力が変化す
ることはなく安定した検出精度を確保することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回転角度センサの部分断面
図、第２図は同、回転角度センサに供される磁気抵抗素
子の平面図、第３図は同、回転角度センサの斜視図、第
４図は同、回転角度センサの入出力特性図、第５図は本
発明の一実施例に係る回転角度センサを装着したスロッ
トルポジションセンサの縦断面図、第６図は本発明の他
の実施例に係る回転角度センサの部分断面図、第７図は
同、加熱抵抗パターンの平面図、第８図は同、加熱制御
回路の回路図である。 １・・・スロットルポジションセンサ。 ２・・・シャフト、１０・・・磁気センサ（検出素子）
。 １１・・・素子基板、　　１２・・・磁気抵抗素子。 １４．１７・・・絶縁層。 １５・・・ＰＴＣヒータ（加熱抵抗体）。 １６・・・加熱抵抗パターン（加熱抵抗体）。 ２０・・・磁石部材、　　２１・・・永久磁石。 ２２．２３・・・磁性体腕部。 ２２ａ、２３ａ・・・先端部、　　３０・・・回路基板
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の板面に磁気抵抗素子を付着した検出素子を
   備え、該検出素子に対するシャフトの回転に伴なう磁束
   変化により該シャフトの回転角度を検出する回転角度セ
   ンサにおいて、前記磁気抵抗素子に近接して前記基板上
   に配置した加熱抵抗体を備え、該加熱抵抗体に通電し前
   記磁気抵抗素子を一定温度に加熱制御することを特徴と
   する回転角度センサ。
2. （２）前記基板の両側面に夫々対向する一対の磁極を有
   し少くとも前記基板の板面を含む磁界を形成する磁石部
   材を備え、該磁石部材と前記検出素子の何れか一方を前
   記シャフトに装着し他方を前記シャフトに対し所定の位
   置に固定したことを特徴とする請求項１記載の回転角度
   センサ。