JPH05322510A - スロットルポジションセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 無接触型のスロットルポジションセンサにお
いて、簡単な構成で温度変化に影響されることなくアイ
ドル域を適切に検出し得るようにする。 【構成】 隣接するブロックの長手方向成分が相互に直
交する四つのブロックから成りブリッジ回路を構成する
強磁性磁気抵抗素子１２を基板１１に付着して検出素子
１０を形成し、磁気抵抗素子１２の四つのブロックの各
々の長手方向成分に対し初期位置における回転磁界の磁
束の方向が４５°の角度を成すようにロータマグネット
（第１の磁石部材）２０をシャフト２の端部に固定す
る。そして、ロータマグネット２０の初期位置における
回転磁界の磁束の方向とバイアス磁界の磁束の方向が同
一方向となるようにバイアスマグネット（第２の磁石部
材）１３を配置し、磁気抵抗素子１２に対しバイアス磁
界を付与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関に装着される
スロットルポジションセンサに関し、特に強磁性磁気抵
抗素子を用いた無接触型のスロットルポジションセンサ
に係る。

【０００２】

【従来の技術】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。このようなスロットルポジシ
ョンセンサに関し、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が
利用されており、シャフトの先端に装着された永久磁石
に対向するように磁気抵抗素子が配置されている。

【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】そして、特開平２−２９８８０２号公報に
は無接触型回転角度センサを利用し、スロットル開度の
みならずアイドル域も検出し得るようにしたスロットル
ポジションセンサが提案されている。即ち、アイドル域
の検出用として、長手方向成分がスロットルバルブ閉位
置における磁石部材の磁束方向に対し所定角度偏位した
パターン形状の磁気抵抗素子が用いられ、シャフトの停
止位置近傍で磁気抵抗素子の出力信号がシャフトの回転
角度に対しリニアとなるように入出力信号特性が設定さ
れるように構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平２−２９８
８０２号公報において課題とされている、スロットル開
度即ち回転角度が小さいアイドル域でも的確なスレショ
ルドレベルを設定するには、上記実開昭６３−１９３８
６６号公報記載の技術を利用し、強磁性磁気抵抗素子に
バイアス磁界を加えることとすれば、３６０°周期の正
弦波信号が得られ、良好なリニアリティを確保すること
ができるので、スレショルドレベルの設定が容易とな
る。

【０００７】然し乍ら、特開平２−２９８８０２号公報
に記載のスロットルポジションセンサにおいては、アイ
ドル域を検出するための強磁性磁気抵抗素子が、スロッ
トル開度を検出するための所定のパターン形状の強磁性
磁気抵抗素子とは別個に設けられているので、これらに
対し、磁石部材の異なる領域の磁界が加わることにな
る。このため、磁石部材の初期位置をスロットル開度検
出用に設定すると、アイドル域検出用の初期位置の設定
が困難となる。これを解決するためには大型の磁石部材
を設ければよいが、装置全体が大型となり好ましくな
い。

【０００８】また、強磁性体磁気抵抗素子も温度変化に
応じて抵抗値変化率が変動し、温度特性を有しているの
で、上記アイドル域の検出時には周囲温度に応じて補正
する必要がある。このため、別途温度補償抵抗を設ける
等の対策が講じられ、回路構成も複雑となる。

【０００９】そこで、本発明は強磁性磁気抵抗素子を有
する無接触型のスロットルポジションセンサにおいて、
簡単な構成で温度変化に影響されることなくアイドル域
を適切に検出し得るようにすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のスロットルポジションセンサは、スロット
ルバルブに連動して回転するシャフトと、該シャフトを
回動自在に支持するハウジングと、該ハウジング内に収
容し前記シャフトの端部に対向するように配置する検出
素子であって、隣接するブロックの長手方向成分が相互
に直交する四つのブロックから成りブリッジ回路を構成
する強磁性磁気抵抗素子を基板に付着した検出素子と、
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
抗素子を含む回転磁界を形成する第１の磁石部材と、前
記強磁性磁気抵抗素子を介して前記第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てバ
イアス磁界を付与する第２の磁石部材とを備え、前記強
磁性磁気抵抗素子の前記四つのブロックの各々の長手方
向成分に対し初期位置における前記回転磁界の磁束の方
向が４５°の角度を成すように前記第１の磁石部材を前
記シャフトの端部に固定すると共に、前記第１の磁石部
材の初期位置における前記回転磁界の磁束の方向と前記
バイアス磁界の磁束の方向が同一方向となるように前記
第２の磁石部材を配置したものである。

【００１１】

【作用】上記の構成になるスロットルポジションセンサ
においては、スロットルバルブに連動してシャフトが回
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
磁気抵抗素子を構成する四つのブロックに対してこれら
を含む平行磁束の磁界が回転するので、異方性磁気抵抗
効果により各ブロックの抵抗値が変化し、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。

【００１２】この場合において、強磁性磁気抵抗素子に
は第２の磁石部材により上記回転磁界と同一方向磁束の
バイアス磁界が付与され、第１の磁石部材の回転磁界と
の合成磁界が形成されているので、シャフトの回転角度
に対する検出素子の出力特性は、第１の磁石部材のみの
場合に比し２倍の周期の正弦波信号が得られることとな
り、広範囲のリニアリティが得られ、スロットル開度に
正確に対応する信号が出力される。しかも、第１及び第
２の磁石部材は、両者の磁界の初期位置における磁束の
方向が強磁性磁気抵抗素子の各ブロックの長手方向成分
に対し４５°の角度を成すように配置されているので、
ブリッジ回路を構成する強磁性磁気抵抗素子全体に関
し、初期位置における出力特性が温度変化によって変化
することなくアイドル域を適切に検出することができ
る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図３及び図４は本発明の一実施例に係るスロット
ルポジションセンサ１の全体構成を示すものであり、図
１は強磁性磁気抵抗素子１２、バイアスマグネット１３
及びロータマグネット２０の配置関係を模式的に示すも
のである。スロットルポジションセンサ１は図示しない
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。図３に示すように、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、これらの凹部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。

【００１４】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。

【００１５】シャフト２の他端には本発明にいう第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は正方形の永久磁石であり、図３に示すよ
うにシャフト２の先端部の凹所に嵌着され、シャフト２
と一体となって回転する。尚、ロータマグネット２０の
形状は正方形に限らず、長方形、円形等としてもよい。

【００１６】そして、ロータマグネット２０に対向する
ように、検出素子１０が配設されている。検出素子１０
は、図１に示すように正方形の素子基板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。尚、素子基板１１の形
状は長方形、円形等としてもよい。

【００１７】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１に示すようなパタ
ーン形状に形成されている。即ち、磁気抵抗素子１２は
長手方向成分を有する同一形状の四つのブロックから成
り、各ブロックの長手方向成分が相互に直交するパター
ン形状に形成されている。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１
２ａ，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１２
ｃ，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。

【００１８】検出素子１０は図３及び図４に示すように
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リード部材７の
一端が接続されている。ハウジング３の凹部３ｂ内には
シールドケース１４が嵌着されており、このシールドケ
ース１４内にＩＣ基板３０が収容、固定され、合成樹脂
製のカバー９により密閉されている。リード部材７の本
体はハウジング３内に埋設されており、他端が側方に延
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。尚、ＩＣ基板３０には検出素子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。

【００１９】検出素子１０は、素子基板１１の一方の面
に磁気抵抗素子１２が付着されたもので、この検出素子
１０に第２の磁石部材たるバイアスマグネット１３が付
着されている。従って、磁気抵抗素子１２はロータマグ
ネット２０とバイアスマグネット１３との間に位置し、
両マグネットの合成磁界が加えられる。バイアスマグネ
ット１３はロータマグネット２０と同一材料の正方形の
永久磁石であり、図１に示すようにロータマグネット２
０と共に、磁気抵抗素子１２の各ブロックの長手方向成
分に対し、初期位置における磁束の方向が４５°を成す
ように配置されている。尚、バイアスマグネット１３の
形状は正方形に限らず、長方形、円形等、種々の形状に
形成し得る。

【００２０】図５は検出素子１０に接続される検出回路
の一実施例を示すもので、図１に示した磁気抵抗素子１
２の四つのブロックを代表する抵抗Ｒａ乃至Ｒｄによっ
てブリッジ回路４０が構成されており、端子１２ａ，１
２ｂには電流制御回路４１が接続されている。端子１２
ａは抵抗Ｒ３を介して電源Ｖｃに接続され、更に抵抗Ｒ
１，Ｒ２を介して接地（ＧＮＤ）されている。端子１２
ｃ，１２ｄはブリッジ回路４０の出力端子で、夫々差動
増幅回路４２に接続されている。そして、差動増幅回路
４２の出力が最終出力端子Ｖ_TAからスロットル開度信号
として出力される。また、差動増幅回路４２は比較回路
４３に接続されており、ここで出力電圧が所定の基準電
圧と比較され、比較結果に応じて最終出力端子Ｉ_DLから
アイドル信号が出力される。以下、各回路について詳述
する。

【００２１】電流制御回路４１はオペアンプＯＰ１を有
し、その帰還回路にブリッジ回路４０が接続されてい
る。即ち、オペアンプＯＰ１の出力端子はブリッジ回路
４０の抵抗Ｒｂ，Ｒｄ間即ち前述の端子１２ｂに接続さ
れ、抵抗Ｒａ，Ｒｃ間即ち端子１２ａがオペアンプＯＰ
１の反転入力端子に接続されると共に抵抗Ｒ３を介して
電源Ｖｃに接続されている。

【００２２】一方、抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路が電源Ｖ
ｃに接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点がオペアン
プＯＰ１の非反転入力端子に接続されている。従って、
印加される定電圧が抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２によって分割さ
れ、基準電圧ＶｓとしてオペアンプＯＰ１に入力され
る。而して、基準電圧Ｖｓによって抵抗Ｒ３の両端の電
圧が決まり、ブリッジ回路４０全体の抵抗値の変化に応
じてオペアンプＯＰ１の出力電圧が変化し、定電流が供
給される。即ち、ブリッジ回路４０を構成する抵抗Ｒａ
乃至Ｒｄの抵抗値が変化してもブリッジ回路４０には一
定の電流が供給される。

【００２３】ブリッジ回路４０の出力端子は差動増幅回
路４２に接続されている。ブリッジ回路４０の抵抗Ｒ
ａ，Ｒｄ間即ち端子１２ｄはオペアンプＯＰ２の非反転
入力端子に接続され、抵抗Ｒｂ，Ｒｃ間即ち端子１２ｃ
はオペアンプＯＰ３の非反転入力端子に接続されてい
る。オペアンプＯＰ２の出力端子は帰還抵抗Ｒ４を介し
て反転入力端子に接続されると共に、抵抗Ｒ７を介して
オペアンプＯＰ４の反転入力端子に接続されている。オ
ペアンプＯＰ３の出力端子は帰還抵抗Ｒ６を介して反転
入力端子に接続されると共に、抵抗Ｒ８を介してオペア
ンプＯＰ４の非反転入力端子に接続されている。また、
オペアンプＯＰ２，ＯＰ３の反転入力端子間は抵抗Ｒ５
を介して接続される。

【００２４】オペアンプＯＰ４の出力端子は抵抗Ｒ９を
介して反転入力端子に接続されると共に、最終出力端子
Ｖ_TAに接続されている。オペアンプＯＰ４の非反転入力
端子と抵抗Ｒ８の接続点は抵抗Ｒ１０を介してオペアン
プＯＰ５の出力端子に接続されている。オペアンプＯＰ
５の非反転入力端子には、電源Ｖｃの定電圧が抵抗Ｒ１
１及び抵抗Ｒ１２により分割されて基準電圧Ｖｔとして
入力するように構成されている。このオペアンプＯＰ５
の反転入力端子はその出力端子に接続されている。

【００２５】また、差動増幅回路４２内のオペアンプＯ
Ｐ４の出力端子が比較回路４３内のコンパレータＣＰ１
の反転入力端子に接続されている。コンパレータＣＰ１
の非反転入力端子には、電源Ｖｃの定電圧が抵抗Ｒ１３
及び抵抗Ｒ１４により分割されて基準電圧Ｖｉとして入
力するように構成されている。そして、コンパレータＣ
Ｐ１の出力端子は最終出力端子Ｉ_DLに接続されている。
尚、電源Ｖｃ、最終出力端子Ｖ_TA及び最終出力端子Ｉ_DL
に対しては、各々の一端が接地されたコンデンサＣ１，
Ｃ２，Ｃ３が夫々接続されている。

【００２６】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
してレバー５が駆動されシャフト２が軸受４内を回動す
る。このシャフト２の回動に応じ磁気抵抗素子１２の各
抵抗Ｒａ乃至Ｒｄの抵抗値が変化する。即ち、シャフト
２の回転に伴い、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
磁界が変化するので、異方性磁気抵抗効果により抵抗Ｒ
ａ乃至Ｒｄの各抵抗値が変化する。

【００２７】一方、磁気抵抗素子１２によって構成され
るブリッジ回路４０には電流制御回路４１を介して定電
流が供給されているので、磁気抵抗素子１２の各抵抗Ｒ
ａ乃至Ｒｄの抵抗値の変化に応じてブリッジ回路４０の
抵抗Ｒａ，Ｒｄの接続点と抵抗Ｒｂ，Ｒｃの接続点との
間に不平衡電位差が生ずる。これが、差動増幅回路４２
に入力し、最終出力端子Ｖ_TAからスロトッル開度信号た
る電圧出力が得られる。即ち、図２に示すようにスロッ
トル開度０°乃至９０°に対応するシャフト２の回転角
度に対しリニアに増加する電圧出力が得られる。

【００２８】また、オペアンプＯＰ４の出力電圧がコン
パレータＣＰ１において基準電圧Ｖｉと比較され、この
基準電圧Ｖｉ以上であるときには、コンパレータＣＰ１
の出力、即ち最終出力端子Ｉ_DLの出力は図２に示すよう
に低（Ｌ）レベルの出力となる。基準電圧Ｖｉを下回る
とコンパレータＣＰ１の出力は高（Ｈ）レベルとなり、
最終出力端子Ｉ_DLからはスロットルバルブがアイドル域
にあることを示すアイドル信号として出力される。換言
すれば、基準電圧Ｖｉとの比較結果に応じてオン（Ｈ）
又はオフ（Ｌ）のアイドルスイッチ出力が得られる。

【００２９】この場合において、周囲温度が−３０℃、
２５℃、１２０℃と変化したときの出力特性を示す図２
に明らかなように、第１及び第２の磁石部材たるロータ
マグネット２０及びバイアスマグネット１３による磁界
の磁束方向が磁気抵抗素子１２の各ブロックの長手方向
成分に対し４５°の角度を成すＰ点においては、抵抗Ｒ
ａ乃至Ｒｄの各抵抗値が等しくなるので最終出力端子Ｖ
_TAの出力は温度変化によって変化しない。従って、本実
施例のようにこのＰ点をスロットル開度０°に設定する
と共に、Ｐ点での出力値をスレショルドレベルとして基
準電圧Ｖｉを設定することにより、磁気抵抗素子１２の
温度特性に影響されることなくアイドル域を峻別するこ
とができる。

【００３０】而して、本実施例の検出素子１０の出力
は、図２に示すように、３６０°周期の正弦波信号とな
り、従来のロータマグネット２０のみの場合の出力特性
（１８０°周期）に比し２倍のリニア範囲が得られるの
みならず、温度変化に伴なう出力変動が生じないＰ点を
アイドル域検出時のスレショルドレベルとしているの
で、周囲温度変化に起因するアイドル域の検出誤差を抑
えることができる。従って、厳しい外部環境においても
安定した検出精度を確保することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で以下に記載の効果を奏する。即ち、本発明のスロット
ルポジションセンサによれば、第２の磁石部材によるバ
イアス磁界と第１の磁石部材の回転磁界が強磁性磁気抵
抗素子に加えられるので、良好なリニアリティを確保す
ることができる。しかも、第１及び第２の磁石部材の磁
界の初期位置における磁束の方向が強磁性磁気抵抗素子
の各ブロックの長手方向成分に対し４５°の角度を成す
ように配置されており、初期位置における出力特性が温
度変化によって変化することはないので、簡単な構成で
周囲の温度変化に影響されることなくアイドル域を適切
に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のスロットルポジションセン
サに収容される磁気抵抗素子、バイアスマグネット及び
ロータマグネットの配置を示す斜視図である。

【図２】本発明の一実施例のスロットルポジションセン
サの出力特性図である。

【図３】本発明の一実施例のスロットルポジションセン
サの縦断面図である。

【図４】本発明の一実施例のスロットルポジションセン
サのカバーを取り除いた状態の平面図である。

【図５】本発明の一実施例のスロットルポジションセン
サに用いられる検出回路の回路図である。

【符号の説明】

１ スロットルポジションセンサ ２ シャフト， ３ ハウジング １０ 検出素子 １１ 素子基板 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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スロットルバルブに連動して回転するシ
   ャフトと、該シャフトを回動自在に支持するハウジング
   と、該ハウジング内に収容し前記シャフトの端部に対向
   するように配置する検出素子であって、隣接するブロッ
   クの長手方向成分が相互に直交する四つのブロックから
   成りブリッジ回路を構成する強磁性磁気抵抗素子を基板
   に付着した検出素子と、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回転磁界を形成す
   る第１の磁石部材と、前記強磁性磁気抵抗素子を介して
   前記第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てバイアス磁界を付与する第２の磁
   石部材とを備え、前記強磁性磁気抵抗素子の前記四つの
   ブロックの各々の長手方向成分に対し初期位置における
   前記回転磁界の磁束の方向が４５°の角度を成すように
   前記第１の磁石部材を前記シャフトの端部に固定すると
   共に、前記第１の磁石部材の初期位置における前記回転
   磁界の磁束の方向と前記バイアス磁界の磁束の方向が同
   一方向となるように前記第２の磁石部材を配置したこと
   を特徴とするスロットルポジションセンサ。