JPH03233317A - 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〕 この発明は、機械的な角度変位を非接触で電気量に変換
する非接触回転角度センサに関し、特に内燃機関のスロ
ットル弁開度等の検出に適した非接触回転角度センサに
関する。

〔従来の技術〕

近年の自動車における各種制御システムにおいては、例
えばスロットル弁の開度を検出する回転角度センサとし
て、機械的な電気接点部をもたず、従って接点の摩耗や
摺動ノイズ発生のない非接触型の回転角度センサが要求
されている。

このような非接触型の回転角度センサとして、回転軸の
回転に従って外部磁界を回転変化させ、外部磁界の回転
角度を強磁性薄膜磁気抵抗素子を用いて検出するものが
、例えば特開平１−１１０２１５号公報、特開平１−１
１９７０１号公報等で公知である。

第８図（ａ）はこのような従来の非接触型回転角度セン
サの断面図であり、第８図（ｂ）はその素子部の構造図
である。

この第８図（ａ）、第８図中）の両図において、１は回
転軸で例えば内燃機関のスロットル弁のスロットル軸に
連結されており、２は回転軸１の軸受け、３は回転軸１
に取り付けられた磁石ホルダ、１６は磁石ホルダ３に取
付けられ回転軸ｌと一体に回転する柱状磁石、５はケー
ス、６は強磁性薄膜磁気抵抗素子部（以下強磁性ＭＲ素
子部と称する。）で強磁性ＭＲ素子６１にバイアス磁石
６２が積層されたものである。

また、第８図（ｂ）の７（７ａ　〜７ｃ）は強磁性ＭＲ
素子部６のリード、１０は強磁性ＭＲ素子部６をその中
心が回転軸１の回転中心と一致するよう支持する素子部
ホルダ、１１は強磁性ＭＲ素子部６の信号を受けて回転
軸１の回転角度に応した電気信号に変換する回路基板、
１２は外部リードである。

第９図（ａ）は強磁性ＭＲ素子部６の回転角度の説明図
であり、第９図（ｂ）はその回転角度に対する出力特性
図であり、第９図（ａ）のＭ、Ｍｌ　は柱状磁石１６に
よるＭＲ素子部６の面上での磁界を、ＭＢはバイアス磁
石６２によるバイアス磁界を、ＭＯＭ　Ｏ＋　　は磁界
Ｍ　、　Ｍ　＋　　とバイアス磁界ＭＳとの合成磁界を
示している。

次に、第８図（ａ）、第８図（ｂ）および第９図（ａ）
、第９図の）を用いて従来の回転角度センサの動作を内
燃機関のスロットル弁開度の検出に用いた場合を例にと
り説明する。

第８図（ａ）、第８図（ｂ）において、スロットル軸（
図示せず）に連結した回転軸ｌはスロットル軸の回転に
伴いケース５に対して軸受け２で支持されつつ最大約９
０°回動するよう権威されている。

したがって、ケース５に回路基板１１．素子部ホルダ１
０を介して固定された強磁性ＭＲ素子部６上を、回転軸
１に磁石ホルダ３を介して固定された柱状磁石１６が最
大約９０°回動する。

強磁性ＭＲ素子部６の強磁性ＭＲ素子６１はＮｆ、Ｃｏ
、Ｆｅ等の強磁性金属を主成分とした合金薄膜を第９図
（ａ）のように互いに直交した一組Ｃすだれ状パターン
とし、その両端にリード７ａ、７ｃを中間部にリード７
ｂをつけたものである。

このすだれ状パターンの強磁性ＭＲ素子部６においては
、その表面に平行に外部磁界が作用すると、素子の磁気
抵抗効果によりすだれ状パターンの方向と外部磁界の方
向により素子の抵抗値が変化し、外部磁界とすだれ状パ
ターンが平行な時抵抗値が最大に、垂直のとき抵抗値が
最小となる。

第９図（ａ）で示せば、磁界方向ＭＯに対しては、リー
ド７ａ、７ｂ間の抵抗Ｒ１が最大に、リード７ｂ　　Ｔ
ｃ間の抵抗ＲｂＣが最小になり、逆に磁界方向Ｍ　Ｏ＋
　に対しては、抵抗Ｒａｍが最小に、抵抗ＲｂＣが最大
となる。

したがって、強磁性ＭＲ素子６１のリード７ａ。

７ｃ間に電圧ｖｃを与え、すだれ状パターンの中間点の
り−ド７ｂの電圧出力■。を測定すると、電圧出力■。

は磁界の回転角θに対し、Ｖ　ｏ　＝　Ｖ　ｃ／２・（
Ｌ　Ｋ−３１＞２θ）となる。

ここで、Ｋは素子により決まる定数で一般には数％程度
である。

第８図（ａ）に示すように、強磁性ＭＲ素子６１には、
バイアス磁石６２が積層されており、このバイアス磁石
６２は、そのバイアス磁界ＭＢが第９図（川のごとく、
回転軸ｌとともに回動する柱状磁石１６の作る磁界Ｍと
の合成磁界ＭＯが回転軸１の回転に対し、最大９０°回
転する方向に磁化されている。

したがって、第９図（ａ）において、回転軸１の回転に
より柱状磁石１６の作る磁界ＭがＭｌ　まで約１８０°
回転すると、その合成磁界ＭＯはＭ　Ｏ＋まで９０°回
転し、リード７ｂの電圧出力ｖ０は柱状磁石１６の作る
磁界の方向がＭの時最小、磁界の方向がＭｌのとき最大
となって、電圧出力ｖＯは回転軸１の回転角度θに対し
、第９図〜）に示すように、約１８０′で最大最小値を
取ることとなり、実使用範囲の回転角度θ＝０〜９０°
においては、直線性のよい電圧出力が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の回転角度センサは以上のように権威されているの
で、スロットル弁開度検出用として使用される回転角度
センサにおいては、連続した回転角度出力とともに、ア
イドル位置やスロットル全開位置といった所定のスロッ
トル開度に対する信号がスロットル制御上で必要な場合
が多く、このような従来の非接触型の回転角度センサで
はこうした要求に答えることができず、センサ外部に別
に所定のスロットル開度で動作するスイッチ等を設けな
ければならないといった問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、回転軸の回転角度に応した直線性の良い電気
出力が得られるとともに、回転軸の所定角度に応した電
気出力をも同時に得ることのできる非接触型の回転角度
センサを得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わる回転角度センサはバイアス磁石を積層
した強磁性ＭＲ素子と、この強磁性ＭＲ素子の素子面の
法線を軸として回動する回転軸と、この回転軸に固定さ
れ上記強磁性ＭＲ素子を挾んで直径方向に異なる磁極と
なるよう磁化されるとともに、少なくともその一部が周
方向に異なる磁極となるように磁化された永久磁石と、
この永久磁石の周面に近接して配置された少なくとも一
つ以上の感磁素子とを設けたものである。

〔作　用〕

この発明においては、強磁性ＭＲ素子部により、回転軸
とともに回転する永久磁石が強磁性ＭＲ素子部の面上に
形成する回転磁界方向を検知して、回転角度に応した電
気出力を得るとともに、一つ以上の感磁素子により永久
磁石の周面の回転による磁界変化を検知して、回転軸の
所定角度に応じた電気出力を同時に得る。

〔実施例〕

以下、この発明の回転角度センサの実施例を図について
説明する。第１図はその一実施例の構成を示す断面図、
第２図はセンサの全体構成図、第３図はセンサの動作説
明図である。

まず、第１図において、第８図（ａ）〜第９図（ロ）と
同一部分には同一符号を付して構成の説明を省略し、第
８図（ａ）〜第９図（ｂ）と異なる部分を主体に述べる
。

第１図における１〜３，５〜７．１０〜１２で示す部分
は第８図（ａ）と同じであり、４．８．９で示す部分が
この第１図により新たに付加され、第１図の実施例の特
徴をなす部分である。

すなわち、４は直径方向に異なる磁極となるよう２極着
磁された円筒状永久磁石で、その内側中心に強磁性ＭＲ
素子部６が配置され、磁石ホルダ３にその中心が回転軸
１の中心に一致するよう保持されている。

８は円筒状永久磁石４の外周面に近接して所定位置に設
けられた感磁素子であり、ここではホール素子を用いた
場合を示しており、９は感磁素子８のリードで、強磁性
ＭＲ素子部６のリード７と同様に回路基板１１に接続さ
れている。

この第１図において、回転軸１が回動すると、円筒状永
久磁石４は強磁性ＭＲ素子部６を中心に回動するととも
に、感磁素子８に対し、その外周面位置を変えながら回
動する。

次に、第２図において強磁性ＭＲ素子６１は回路基板１
１の抵抗ＲＩ＋　Ｒｚ（Ｒ＋”　Ｒｔ＞とでブリッジが
構成されており、電源Ｖ、が抵抗Ｒ＋　、　Ｒ＊　とリ
ード７ａ、７ｃを介してブリッジの磁気抵抗６１側とに
印加されている。

回転軸１とともに円筒状永久磁石４が回動し、強磁性Ｍ
Ｒ素子部６の面上での直径方向磁界が回転すると、強磁
性ＭＲ素子６１のリード？ａ。

７ｂ間の抵抗Ｒ１とリード７ｂ、７ｃ間の抵抗Ｒｂｃの
バランスが変化し、ブリッジバランスが変化する。

このブリッジ出力は増幅器ＯＰＩで差動増幅され、増幅
器ＯＰｔで抵抗Ｒ３により所定回転角度で所定電圧値と
なるようバイアス電圧が与えられ、出力電圧Ｖ。、とし
て出力される。

一方、ホール素子８はその感磁面が円筒状永久磁石４の
外周面と平行と戒るよう、円筒状永久磁石４の外周面に
近接して配置されており、リード９ａ、９ｂを介して電
源ｖｃより一定電流が加えられている。

円筒状永久磁石４が回動し、ホール素子８に加わる円筒
状永久磁石４の外周面に垂直な磁界成分強度が変化する
と、リード９ｃ、９ｄ間で観測されるホール電圧が変化
する。このホール電圧は増幅器ＯＰ　ｘで差動増幅され
た後、比較器ＣＰ、でアース電位と比較されて、比較出
力Ｖ、を発生して円筒状永久磁石４の外周面の磁極変化
位置を検出し、比較出力■、が低レベルの時、トランジ
スタＴｒ＋をオンして出力■。、を低レベルとする。

第３図（ａ）、第３図（ｂ）は強磁性ＭＲ素子部６およ
びホール素子８の位置での円筒状永久磁石４の回転によ
る磁界の変化を示し、第３図（Ｃ）はその時の出力を比
較して示した説明図である。

第３図（ａ）において、位置Ｐ、は円筒状永久磁石４の
磁極境界面がホール素子の近傍（図の水平）に来た場合
を示している。この場合強磁性ＭＲ素子部６の面上の円
筒状永久磁石４による磁界は図の下から上に生し、バイ
アス磁石６２との合成磁界により強磁性ＭＲ素子６１の
抵抗バランスから第２図の回路基板１１の処理回路によ
り、第３図（Ｃ）に示す電圧Ｖ。Ｉを出力する。

一方、ホール素子８のホール素子面には図の上から下へ
の水平な磁界が生しるため、ホール素子面に対し垂直な
磁界成分は略Ｏとなり、ホール電圧は略ＯＶとなって、
比較出力Ｖ、はこの２８点を境界として変化する。

したがって、比較出力Ｖ、をそのまま出力して観測する
か、比較出力Ｖ、でセンサ出力Ｖ　ｏ　ｕ　ｔを第２図
の処理回路により、第３図（Ｃ）に示すように変化させ
て、出力させることにより、回転軸ｌの所定角度位置Ｐ
１を精度よく検出でき、スロットル弁開度の検出におい
てこの点をアイドル（１，Ｄ）位置とすれば、Ｉ−Ｄ位
置を精度よく検出できるとともに、外部取付はスイッチ
等は不要となる。

次に第３図（ｂ）に示す位置Ｐ２は位置Ｐ、から回転軸
１を時計方向に９０″回した場合を示しており、この場
合強磁性ＭＲ素子部６の面上の円筒状永久磁石４による
磁界は９０°回転し図の左から右となって、センサ出力
はＶｏｔとなる。

一方ホール素子８のホール素子面にかかる垂直磁界成分
強度は最大となるため、ホール電圧は最大値を示し比較
出力Ｖ、は高レベルを維持する。

このような構造では、強磁性ＭＲ素子部６およびホール
素子８を円筒状永久磁石４の高さ方向の中心付近に位置
させることにより、回転軸１の軸方向のガタによる磁界
変化を極めて小さくできるため、軸方向のガタに対する
センサ出力変化が無視しえるという利点もある。

第１図〜第３図では、ホール素子８を一つだけ用いた場
合を示したが、例えば第３図（ａ）、第３図（ｂ）にお
いて、ホール素子８から約９０″離れた位置にさらに別
の感磁素子を追加することにより、スロットル全開位置
の検出も可能である。

第４図はこの発明の他の実施例の構成図であり、感磁素
子８として、複数の強磁性ＭＲ抵抗素子８１８２を用い
た場合を示している。この強磁性ＭＲ素子８１．８２は
第８図あるいは第９図に示した強磁性ＭＲ素子６１の一
組のすだれ状パターンの内の一方からなるもので、すだ
れ状パターン面が円筒状永久磁石４の外周面に平行と成
るよう配置される。

この強磁性ＭＲ素子８１．８２は外周に平行な磁界成分
強度により抵抗値が変化し、センサ近傍に磁極境界面が
来たとき、すなわち外周に平行な磁界成分強度が最大の
時抵抗値が最小となる。

第４図において、強磁性ＭＲ素子８１．８２のり−ド９
１ａ、９１ｂ間、およびリード９２ａ９２ｂ間の抵抗Ｒ
ａｍは各々強磁性ＭＲ素子８１８２の前面に磁極境界面
が来る回転角度において最小となる。

強磁性ＭＲ素子８１．８２には抵抗を直列として電源Ｖ
、が印加されており、回転軸１の回転角度は各々リード
９１ａ、９１ｂの分圧変化として検出され、各々差動増
幅器○ＰｘＩ、０Ｐｓｔで差動増幅された後、強磁性Ｍ
Ｒ素子部６の処理回路中のゲイン可変増幅器○Ｐ４に人
力され、センサ出力Ｖ　ａｗ＆は差動増幅器ＯＰ　ｓＩ
、　ＯＰ　ｓｚの出力、すなわち強磁性ＭＲ素子部８１
．８２の回転軸ｌに対する角度に応じてゲインが変えら
れて出力される。

第５図は第４図の回転角度センサの出力特性を示すもの
であり、強磁性ＭＲ素子部８１．８２と回転軸１との角
度関係により角度が２１点、Ｐｇ点でゲインを変化させ
、Ｉ−Ｄ位置から比較的小さい角度、すなわちスロット
ル弁開度の小さい領域ではゲインを上げて、分解能を高
めている。

このような構成では、スロントル弁の流量特性に応した
精度の高いスロットル弁開度の検出ができるという利点
がある。

第６図、第７図はこの発明の他の検知部の実施例を示す
図である。第６図（ａ）は直径方向に異なる磁極となる
よう２極着磁された円筒状永久磁石４の周囲に磁性体リ
ング１３を積層した検知部の斜視図であり、第６図（ｂ
）は第６図（ａ）のＡ−Ａｌ線の断面図である。

この第６図（ａ）、第６図（ｂ）の両図における感磁素
子８は円筒状永久磁石４の内周面に近接して設けられて
おり、この第６図（ａ）、第６図（ｂ）の構造において
も、上記実施例と同等の検出が可能であるとともに、セ
ンサ出力に対する外部磁界の影響を除去できるという利
点がある。

また、第７図（ａ）は円柱の軸方向に２極着磁した円筒
状永久磁石４１の下面にポールピース１５を積層した検
知部の斜視図であり、第７図へ）は第７図（ａ）のＢ−
Ｂ　ｌ線の断面図である。この第７図（ａ）第７図中）
に示す感磁素子８は円筒状永久磁石４１の外周面に近接
して配置され、外周面近傍での周方向磁界変化を検出す
る。

この第７図（ａ）、第７図中）の構造では、強磁性ＭＲ
素子部６の磁界を安定化できるとともに、永久磁石をよ
り安価にできるという利点がある。

なお、上記各実施例では、円筒状永久磁石４を２極着磁
した単一磁石としたが、各々磁化方向の異なる二つの半
円筒磁石を合せて用いてもよく、また感磁素子８はホー
ル素子、強磁性ＭＲ素子の他に半導体磁気抵抗素子、ウ
ィーガンドワイヤ等地の感磁素子を用いてもよい。

さらに、上記各実施例では、内燃機関のスロットル弁開
度の検出を例に取り示したが、一般の回転角度の検出に
用いても良い事は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、２極着磁した永久磁
石の内側に強磁性ＭＲ素子部を配して直径方向磁界によ
り回転角度を検出するとともに、永久磁石の外周面に近
接して一つ以上の感磁素子を配して、周方向磁界により
所定角度を検出するように構成したので、単一磁石によ
り複数の異なる回転角度出力を得ることができ、また回
転軸に軸方向のガタを生しても出力変化のない、小型で
安価な高精度非接触型の回転角度センサが得られるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例による回転角度センサの構
成を示す断面図、第２図は同上回転角度センサの全体構
成図、第３図（ａ）、第３図（ｂ）はそれぞれ同上実施
例の強磁性ＭＲ素子部とホール素子の位置での円筒状永
久磁石の回転による磁界変化の説明図、第３図（Ｃ）は
第３図（菊、第３図（ｂ）の出力特性図、第４図はこの
発明の他の実施例の全体構成図、第５図は第４図の実施
例の回転角度センサの出力特性図、第６図（ａ）はこの
発明のさらに異なる他の実施例の検知部の斜視図、第６
図（ｂ）は第６図（ａ）のＡ−Ａ　１線の断面図、第７
図（ａ）はこの発明の別の実施例の検知部の斜視図、第
７図中）は第７図（ａ）のＢ−Ｂｌ線の断面図、第８図
（ａ）は従来の回転角度センサの断面図、第８図（ｂ）
は第８図（萄における素子部の構成図、第９図（ａ）は
第８図（ｂ）の素子部に対する平行な外部磁界の作用時
の説明図、第９図（ｂ）は第９図（ａ）の素子部の出力
特性図である。 １・・・回転軸、４．４１・・・永久磁石、６・・・強
磁性薄膜磁気抵抗素子部、６１・・・強磁性ｉ膜磁気抵
抗素子、６２　・・・バイアス磁石、７．７ａ　〜７ｃ
、９゜９ａ　〜９ｄ、９１ａ　〜９　ｌｂ、９２ａ　〜
９２ｂ・・・リード、８，８１．８２・・・感磁素子、
１１・・・回路基板、１３・・・磁性体リング、１５・
・・ポールピース。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 有効回転角の半角方向に磁化されたバイアス磁石を積層
   して構成され素子面の法線を軸として回動する回転軸の
   回転に対応する信号を得る強磁性薄膜磁気抵抗素子と、
   この強磁性薄膜磁気抵抗素子の素子面の法線を軸として
   回動する回転軸と、この回転軸に固定され上記強磁性薄
   膜磁気抵抗素子を挟んで直径方向に異なる磁極となるよ
   う磁化されるとともに少なくともその一部が周方向にも
   異なる磁極となるよう磁化された永久磁石と、この永久
   磁石の周面に近接して配置された少なくとも一つ以上を
   有し上記回転軸の所定の回転角度に対応する信号を得る
   感磁素子とを備えた回転角度センサ。