JPH0519906U - 回転角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強磁性磁気抵抗素子を有する無接触型の回転
角度センサにおいて、強磁性磁気抵抗素子の位置におけ
る磁束密度の変動を小さく抑えるようにし安定した出力
特性を確保する。 【構成】 シャフト２の端部に装着し少くとも強磁性磁
気抵抗素子１２を含む磁界を形成するロータマグネット
２０と、これと対向する位置に配置し強磁性磁気抵抗素
子１２に対しバイアス磁界を印加するバイアスマグネッ
ト１３を設け、両磁界は、所定の温度範囲で強磁性磁気
抵抗素子１２の抵抗値変化率が飽和するために必要な磁
束密度以上の磁界の大きさを有するものとする。また、
バイアスマグネット１３とロータマグネット２０の、強
磁性磁気抵抗素子１２の位置における磁束密度の比を
２：１乃至３：１とする。而して、強磁性磁気抵抗素子
１２に対するシャフト２の回転に伴う磁束変化によりシ
ャフト２の回転角度を検出する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、シャフトの回転角度を検出する回転角度センサに関し、特に強磁性 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。

【０００２】

【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。

【０００３】 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、 例えば特開昭６２−２３７３０２号公報に記載のように、強磁性磁気抵抗素子が 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 が設けられた回転位置検出装置が知られている。

【０００４】 更に、バイアスマグネットを備えた検出素子が知られており、強磁性磁気抵抗 素子にバイアス磁界を加えることにより良好なリニアリティを確保することがで きる。例えば、実開昭６３−１９３８６６号公報には、センサ部に作用する被検 出体からの磁界に対し所定の方向にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手 段を設け、被検出体からの磁界とバイアス磁界との合成磁界の方向変化を利用し て被検出体の変位方向を検出する磁気センサが提案されている。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上記公報に記載の磁気センサにおいて、強磁性磁気抵抗素子の位置での、バイ アス磁界印加手段たる永久磁石の磁界と被検出体の永久磁石の磁界による磁束密 度の比が変化すると、両永久磁石の合成磁界の磁束の方向が変化するため、被検 出体の変位（回転角度）が同じでも強磁性磁気抵抗素子の抵抗値変化率が変動し 、検出結果が異なるものとなる。即ち、強磁性磁気抵抗素子の位置でのバイアス 磁界印加手段の磁界と被検出体の永久磁石の磁界による磁束密度の比の値が略２ 以下である場合には、両者の合成磁界に対するバイアス磁界印加手段の磁界の強 さの影響が大きくなり、強磁性磁気抵抗素子の位置における磁束密度のバラツキ が大となる。

【０００６】 そこで、本考案は強磁性磁気抵抗素子を有する無接触型の回転角度センサにお いて、シャフトに設ける磁石部材とバイアス磁界を印加する磁石部材による強磁 性磁気抵抗素子の位置における磁束密度の変動を小さく抑えるようにし安定した 出力特性を確保することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記の目的を達成するため、本考案は、基板の板面に強磁性磁気抵抗素子を付 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、前記シャフトの端 部に装着し少くとも前記強磁性磁気抵抗素子を含む磁界を形成する第１の磁石部 材と、該第１の磁石部材と対向する位置に配置し前記強磁性磁気抵抗素子に対し バイアス磁界を印加する第２の磁石部材とを備え、前記第１の磁石部材及び第２ の磁石部材は、前記強磁性磁気抵抗素子の位置において、所定の温度範囲で前記 強磁性磁気抵抗素子の磁束密度による抵抗値変化率が飽和するために必要な磁束 密度以上とし得る磁界の大きさを有すると共に、前記第２の磁石部材と前記第１ の磁石部材の、前記強磁性磁気抵抗素子の位置における磁束密度の比が２：１乃 至３：１となるようにしたものである。

【０００８】

【作用】

上記の構成になる回転角度センサにおいては、シャフトが回転すると、第１の 磁石部材が検出素子に対して相対的に回転する。この相対的な回転に応じ、検出 素子の強磁性磁気抵抗素子に対してこれを含む平行磁束の磁界が変化するので抵 抗値が変化し、検出素子からシャフトの回転に応じた信号が出力される。このと き、強磁性磁気抵抗素子には第２の磁石部材によりバイアス磁界が印加されてい るので、第１の磁石部材の磁界との合成磁界が形成され、シャフトの回転角度に 対する検出素子の出力特性は、広範囲のリニアリティを有するものとなる。

【０００９】 この場合において、強磁性磁気抵抗素子に印加される第１及び第２の磁石部材 の合成磁界は、強磁性磁気抵抗素子の位置において、所定の温度範囲で強磁性磁 気抵抗素子の抵抗値変化率を飽和させるために必要な磁束密度以上とし得る磁界 の大きさを有するので、強磁性磁気抵抗素子の抵抗値変化率は磁束の方向のみに よって決定される。そして、上述のように第２の磁石部材と第１の磁石部材の、 強磁性磁気抵抗素子の位置における磁束密度の比の値を２以上とすることによっ て、第２の磁石部材からの磁束密度の変動による影響が小さい合成磁界が印加さ れるので、出力特性の直線性が向上する。特に、この出力特性は当該比の値が２ 乃至３、即ち前記第２の磁石部材と第１の磁石部材の、強磁性磁気抵抗素子の位 置における磁束密度の比が２：１乃至３：１において略一定となり、安定した出 力特性が得られる。

【００１０】

【実施例】

以下、本考案の回転角度センサを内燃機関のスロットルポジションセンサに適 用した実施例について図面を参照して説明する。電子制御燃料噴射装置を搭載し た内燃機関においては、スロットルポジションセンサが装着され、その出力信号 が燃料噴射制御等に供されている。このスロットルポジションセンサはスロット ルバルブシャフトに連結され、通常、スロットルバルブ開度（以下、スロットル 開度という）に応じて変化するスロットル開度信号と、アイドル域か出力域かに よりオンオフするアイドル信号が出力される。このスロットルポジションセンサ として、無接触型の回転角度センサが用いられている。

【００１１】 図１は本考案の一実施例に係る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。

【００１２】 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。シャフト２の他端には本考案にいう第１の磁石部材たるロータマグネット 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。ロータマ グネット２０はシャフト２の先端部に固着され、シャフト２と一体となって回転 する。

【００１３】 そして、ロータマグネット２０に対向するように磁気センサ１０が配設されて いる。磁気センサ１０は、矩形の素子基板１１を有し、その板面に帯状のＮｉ− Ｃｏ合金等の薄膜強磁性合金から成る強磁性磁気抵抗素子１２（以下、単に磁気 抵抗素子１２という）が付着されている。この磁気抵抗素子１２は、その抵抗値 変化率が、図５に示すように所定の磁束密度、例えば１０ｍＴで飽和する性質を 有する。尚、素子基板１１の形状は矩形に限らず、どのような形状であってもよ い。

【００１４】 磁気抵抗素子１２は高抵抗化を図るため帯状の薄膜強磁性合金が折曲され、図 ４に示すようなパターン形状に形成されている。磁気抵抗素子１２のパターンは 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。端子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。

【００１５】 磁気センサ１０はハイブリッドＩＣ基板３０（以下、単にＩＣ基板３０という ）に実装され、その端部には複数のターミナル７が接続されている。ターミナル 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。ＩＣ基板３０はハウジング３の凹部３ｂ内に収容さ れ、この凹部３ｂはゴム製のシール部材１９を介して合成樹脂製のカバー９によ り密閉されている。尚、ＩＣ基板３０には磁気センサ１０の出力信号を処理する 検出回路素子等が実装されているが、周知であるので説明は省略する。

【００１６】 磁気センサ１０は図２及び図３に拡大して示したように、ＩＣ基板３０の一方 の面に付着されており、その素子基板１１に本考案にいう第２の磁石部材たるバ イアスマグネット１３が接着等によって固着される。この後、ＩＣ基板３０全体 を合成樹脂によりモールドすることとしてもよい。而して、バイアスマグネット １３は磁気抵抗素子１２に対して所定位置に固定され、磁気抵抗素子１２にはロ ータマグネット２０とバイアスマグネット１３の両マグネットの合成磁界が印加 される。

【００１７】 本実施例においては、上記ロータマグネット２０とバイアスマグネット１３の 合成磁界によって、使用する温度範囲で磁束密度が最も小さくなる温度（これは 一般的使用条件としての最高温度に相当）、例えば１２０℃において、磁気抵抗 素子１２の抵抗値変化率が飽和するのに必要な磁束密度以上、例えば１０ｍＴ以 上の磁束密度を磁気抵抗素子１２に与えることができるように、両マグネット１ ３，２０の寸法及びこれらと磁気抵抗素子１２との間隔が設定されている。同時 に、磁気抵抗素子１２の位置におけるバイアスマグネット１３の磁界による磁束 密度がロータマグネット２０の磁界による磁束密度の２乃至３倍、即ち両者の比 が２：１乃至３：１になるように設定されている。而して、例えば、ロータマグ ネット２０については、一辺１０ｍｍの正方形で厚さが２ｍｍ、そして磁気抵抗 素子１２との間隔は２ｍｍとされ、バイアスマグネット１３については、一辺２ ｍｍの正方形で厚さが２ｍｍ、そして磁気抵抗素子１２との間隔は０．５ｍｍと される。例えば、ロータマグネット２０及びバイアスマグネット１３の何れもフ ェライト磁石で形成される。

【００１８】 以上の構成になる本実施例のスロットルポジションセンサ１において、図示し ないスロットルバルブに連動して図１に示すレバー５が駆動されシャフト２が軸 受４内で回動する。このシャフト２の回動に伴いロータマグネット２０による磁 界も回転し、磁気抵抗素子１２に対してこれを含む平行磁束の磁界の方向が変化 する。即ち、ロータマグネット２０の磁界とバイアスマグネット１３のバイアス 磁界との合成磁界の方向が変化する。而して、異方性磁気抵抗効果により磁気抵 抗素子１２の抵抗値Ｒ１乃至Ｒ４が変化し、磁気センサ１０からシャフト２の回 転に応じた信号が出力され、シャフト２の回転角に対する磁気センサ１０の出力 特性は、広範囲のリニアリティを有する特性となる。

【００１９】 この場合において、磁気抵抗素子１２は、その抵抗値変化率が所定の磁束密度 、例えば１０ｍＴで飽和する性質を有するのに対し、前述のようにロータマグネ ット２０及びバイアスマグネット１３により１０ｍＴ以上の合成磁界が印加され るように設定されている。これにより、磁気抵抗素子１２の抵抗値変化率は合成 磁界の磁束の方向のみによって変動するところとなる。磁気抵抗素子１２の各抵 抗値は、上記のように飽和するに十分な磁界が印加されている場合下記の三式に 基づいて求めることができる。 Ｒ１＝Ｒ３＝Ｒｐ・ｃｏｓ² θ＋Ｒｎ・ｓｉｎ² θ …（１） Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒｐ・ｓｉｎ² θ＋Ｒｎ・ｃｏｓ² θ …（２） ここで、Ｒｐは磁界と電流の方向が平行の場合の抵抗値、Ｒｎは磁界と電流の 方向が直交する場合の抵抗値、θは磁界と電流がなす角度を表している。

【００２０】 また、バイアスマグネット１３とロータマグネット２０によって形成される合 成磁界は下記（３）式で求められる。而して、バイアスマグネット１３とロータ マグネット２０の磁気抵抗素子１２の位置での磁束密度の比の値（Ｂ／Ｒ）が１ 乃至５の場合の合成磁界の特性は図６のようになる。 θ＝ｔａｎ^-1〔（Ｒ・ｓｉｎθｒ＋Ｂ・ｓｉｎθｂ）／（Ｒ・ｃｏｓθｒ＋Ｂ・ ｃｏｓθｂ）〕 …（３） ここで、Ｒはロータマグネット２０の磁気抵抗素子１２の位置での磁束密度 、Ｂはバイアスマグネット１３の磁気抵抗素子１２の位置での磁束密度、θｒは ロータマグネット２０の回転角、そしてθｂはバイアスマグネット１３の取付角 を表している。

【００２１】 上記（１）、（２）及び（３）式より各抵抗値Ｒ１乃至Ｒ４の抵抗特性は図７ 及び図８に示すとおりとなり、下記（４）式よりセンサ出力を計算すると図９の 特性が得られる。 即ち、Ｏｐ＝Ｉ・〔Ｒ２（Ｒ３＋Ｒ４）−Ｒ３（Ｒ１＋Ｒ２）〕／（Ｒ１＋Ｒ ２＋Ｒ３＋Ｒ４）であり、Ｒ１＝Ｒ３、Ｒ２＝Ｒ４とすれば下記のようになる。 Ｏｐ＝Ｉ・（Ｒ２−Ｒ３）／２ …（４） 尚、センサ出力Ｏｐは図４の磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂ間に電流を流したと きの磁気抵抗素子１２ｃ，１２ｄ間にあらわれる検出信号である。

【００２２】 そして、図９のセンサ出力Ｏｐを４０ｍＶ／ｄｅｇとなるようにアンプ（図示 せず）にて増幅すると図１０に示すようになり、このときの直線性（バラツキの 大小）は図１１に示すとおりとなる。尚、図１２はスロットルセンサとして使用 するロータマグネット２０の回転角０°乃至９０°の範囲を拡大して示したもの である。特に、図１３に示すように、ロータマグネット２０の回転角が２０°の とき、バイアスマグネット１３とロータマグネット２０の磁束密度の比の値（Ｂ ／Ｒ）に対する出力直線性はＢ／Ｒが２乃至３で最も偏位が小さく（バラツキが 小さく）良好な直線性が得られ、図１０に示すように、このときの（Ｂ／Ｒが２ 乃至３のときの）出力特性は略一致している。

【００２３】 而して、バイアスマグネット１３とロータマグネット２０の磁気抵抗素子１２ の位置での磁束密度の比の値（Ｂ／Ｒ）を２乃至３にすることにより、ロータマ グネット２０及びバイアスマグネット１３の磁束密度が取付位置、形状等によっ て多少変化しても、センサ出力Ｏｐが変動することはなく、安定した出力特性が 得られる。

【００２４】 以上のように、バイアスマグネット１３とロータマグネット２０の合成磁界に よって、使用する温度範囲で磁束密度が最も小さくなる温度（例えば１２０℃） において磁気抵抗素子１２の抵抗値変化率が飽和するために必要な磁束密度（例 えば１０ｍＴ）以上の磁束密度を磁気抵抗素子１２に与えることができ、バイア スマグネット１３とロータマグネット２０の合成磁界による磁気抵抗素子１２に おける磁束密度の変動が小さく抑えられ、安定した出力特性を確保することがで きる。従って、スロットルポジションセンサ１の出力信号を入力するコントロー ラ（図示せず）においては、容易に信号処理を行なうことができる。

【００２５】

【考案の効果】

本考案は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。 即ち、本考案の回転角度センサにおいては、第１及び第２の磁石部材が、強磁 性磁気抵抗素子の位置において所定の温度範囲で強磁性磁気抵抗素子の抵抗値変 化率を飽和させるために必要な磁束密度以上とし得る磁界の大きさを有するよう に形成されているので、強磁性磁気抵抗素子の抵抗値変化率は磁束の方向のみに よって決定されると共に、第２の磁石部材と第１の磁石部材の、強磁性磁気抵抗 素子の位置における磁束密度の比が２：１乃至３：１となるように形成されてい るので、強磁性磁気抵抗素子の位置での磁束密度の変動が小さく抑えられ、安定 した出力特性が得られる。従って、回転角度センサの出力信号を入力する後段の 信号処理装置においても処理が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の回転角度センサの一実施例に係るスロ
ットルポジションセンサの縦断面図である。

【図２】本考案の一実施例におけるＩＣ基板に実装され
た磁気センサ及びバイアスマグネットの拡大横断面図で
ある。

【図３】本考案の一実施例におけるＩＣ基板に実装され
た磁気センサ及びバイアスマグネットの平面図である。

【図４】本考案の一実施例に係るスロットルポジション
センサに用いられる磁気センサの平面図である。

【図５】本考案の一実施例における強磁性磁気抵抗素子
の抵抗値変化率の特性を示すグラフである。

【図６】本考案の一実施例におけるロータマグネットと
バイアスマグネットの合成磁界の特性を示すグラフであ
る。

【図７】図４に示す抵抗Ｒ１，Ｒ３のロータマグネット
回転角に対する特性を示すグラフである。

【図８】図４に示す抵抗Ｒ２，Ｒ４のロータマグネット
回転角に対する特性を示すグラフである。

【図９】本考案の一実施例におけるセンサ出力特性を示
すグラフである。

【図１０】図９に示すセンサ出力を増幅したスロットル
ポジションセンサの出力特性を示すグラフである。

【図１１】図１０の出力特性の直線性を表すグラフであ
る。

【図１２】本考案の一実施例におけるロータマグネット
の回転角０°乃至９０°の範囲の直線性を拡大して示し
たグラフである。

【図１３】本考案の一実施例におけるロータマグネット
の回転角が２０°の場合の、バイアスマグネットとロー
タマグネットの磁束密度の比の値（Ｂ／Ｒ）に対する出
力直線性の特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ スロットルポジションセンサ（回転角度センサ） ２ シャフト １０ 磁気センサ（検出素子） １１ 素子基板（基板） １２ 強磁性磁気抵抗素子 １３ バイアスマグネット（第２の磁石部材） ２０ ロータマグネット（第１の磁石部材） ３０ ハイブリットＩＣ基板

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の板面に強磁性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、前記シャフトの端部に装着
   し少くとも前記強磁性磁気抵抗素子を含む磁界を形成す
   る第１の磁石部材と、該第１の磁石部材と対向する位置
   に配置し前記強磁性磁気抵抗素子に対しバイアス磁界を
   印加する第２の磁石部材とを備え、前記第１の磁石部材
   及び第２の磁石部材は、前記強磁性磁気抵抗素子の位置
   において、所定の温度範囲で前記強磁性磁気抵抗素子の
   磁束密度による抵抗値変化率が飽和するために必要な磁
   束密度以上とし得る磁界の大きさを有すると共に、前記
   第２の磁石部材と前記第１の磁石部材の、前記強磁性磁
   気抵抗素子の位置における磁束密度の比が２：１乃至
   ３：１となるように構成したことを特徴とする回転角度
   センサ。