JPH07190801A

JPH07190801A - 磁気式位置センサ

Info

Publication number: JPH07190801A
Application number: JP5330676A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Muraji; 哲朗連
Original assignee: Mikuni Corp
Current assignee: Mikuni Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1995-07-28

Abstract

(57)【要約】【構成】所定距離を隔てて長尺に亘って対向配置され
た一対の磁性部材（２，３）と、一対の磁性部材のうち
少なくとも一方の磁性部材の両端と他方の磁性部材との
間に形成された一対のギャップ（４ａ、４ｂ）と、一対
の磁性部材間に配置されかつ前記磁性部材の長手方向に
おいて平行移動可能な部材に担持され、一方の磁性部材
から他方の磁性部材に向かう磁束流を生起せしめるコイ
ル（７）と、前記一対のギャップに各々配置され、か
つ、前記コイル（７）の位置に対応した磁束密度を検出
する前記一対のホール素子（５ａ、５ｂ）とからなる磁
気式位置センサであって、前記前記一対のホール素子
（５ａ、５ｂ）のホール出力の加算値が常に一定になる
ようコイルに流れる励磁電流を制御する。【効果】ホール素子の温度特性の影響を受けることな
く、高精度に位置の検出を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直線移動あるいは回転
移動の際の変化を検出できる磁気式位置センサに関し、
特に自動車等に搭載されるスロットルポジションセンサ
（ＴＰＳ）等として適用し得る磁気式位置センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、かかる磁気式位置センサとして、
自動車等のスロットル開度を検出するスロットルポジシ
ョンセンサ（Throttle Position Senser）が知られてい
る。一例を示すと、例えば特開平５−２６６１０号公報
に開示されているようなものがある。これは、内燃機関
のスロットルバルブの開度と、アイドル運転状態とを個
々に検出するものである。

【０００３】かかるセンサの構造は、スロットルバルブ
に連動して回転するシャフトと一体的に回動するよう
に、その回転面上に一対の永久磁石を対向配置し、さら
に、この一対の永久磁石間でシャフトの軸線上に一つの
ホール素子を配置したものとなっている。これによれ
ば、一対の永久磁石がシャフトの回転軸を挟んで磁気回
路を形成する。そして、その形成された磁気回路の磁界
方向は、シャフトの回転角度に応じて変化することにな
る。従って、かかる一対の永久磁石間に設けられたホー
ル素子を通過する磁束の変化を検出して、シャフトの回
転角度、延いてはスロットルバルブの開度を検出できる
というものである。

【０００４】また、シャフトの回転軸を中心とする円弧
上に沿って一対の円弧状永久磁石を並設し、これら円弧
状永久磁石から回転軸の軸線方向に離間した位置に一つ
のホール素子を配置して、かかる一対の円弧状永久磁石
によって形成される磁気回路の磁界の方向を検出するこ
とにより、シャフトの回転角度、延いてはアイドル運転
状態を検出できるというものである。

【０００５】しかしながら、これらの磁気式位置センサ
はいずれも、一つの磁気回路内に一つのホール素子を配
置して、かかる磁気回路内の磁界の変化等を検出する構
造となっている。また、磁気式位置センサにホール素子
等を用いる場合には、その温度特性により出力ドリフト
が生じるので温度補償を行う必要がある。これまで、複
数の素子を用いる場合は、個々に温度補償をおこなって
いたため、素子の個数が増えればそれに応じてサーミス
タ等からなる温度補償等をおこなわなければならず、そ
の生産性が低下する。さらに、各素子間の温度特性の差
を考慮しなければならないが何等配慮されていなかっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の問題点
等に鑑み、本願発明の目的とするところは、構造の簡素
化を図りつつ、雰囲気温度あるいはホール素子自体の温
度特性等の影響を受けることなく、回動移動あるいは直
線移動等の変位位置を高精度に検出できる磁気式位置セ
ンサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気式位置セン
サは、所定距離を隔てて長尺に亘って対向配置された一
対の磁性部材と、前記一対の磁性部材のうち少なくとも
一方の磁性部材の両端と他方の磁性部材との間に形成さ
れた一対のギャップと、前記一対の磁性部材間に配置さ
れかつ前記磁性部材の長手方向において平行移動可能な
部材に担持されて、一方の磁性部材から他方の磁性部材
に向かう磁束流を生起せしめる磁力発生源と、前記一対
のギャップ各々に配置されて該ギャップ内の磁束密度を
表す磁束密度信号を発する磁束密度発生手段と、前記磁
束密度信号に応じて前記磁力発生源の位置信号を発生す
る位置信号発生手段、とを有する磁気式位置センサであ
って、前記一対の磁束密度検出手段はホール素子からな
り、かつ、前記磁力発生源はコイルからなり、前記位置
信号発生手段は前記一対のホール素子のホール出力の加
算値に応じて前記コイルに流れる励磁電流を制御し、前
記一対のホール素子の少なくとも一方のホール出力をセ
ンサ出力とすることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】このような特徴を有する本発明によれば、一対
の磁性部材間のギャップに配置された１対のホール素子
が磁力発生源の位置に対応した磁束密度を検出する。そ
の両検出出力の加算値と基準値を比較し差信号を得る。
その差信号に対応したバイアス電流をコイルに印加する
ことにより、一対のホール素子のホール出力の加算値が
常に一定になるようにコイルに流れるバイアス電流を制
御するものである。また、一対のホール素子のホール出
力の加算値が常に一定であるので、磁力発生源の位置
は、一方のホール素子のホール出力に比例することにな
る。従って、１つのホール素子のホール出力により正確
に磁力発生源の位置を検出することが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の磁気式位置センサに係る実施
例について、図面に基づき説明する。図１は、回転移動
における回動角を検出する磁気式位置センサの一実施例
を示すものである。尚、図１（ａ）はセンサの平面図、
図１（ｂ）はセンサの正面図、図１（ｃ）はセンサの右
側面図を各々示す。

【００１０】本図に示されるように、断面が矩形形状で
外形がその両端に起立部２ａ，２ｂを有する半円状磁性
部材２に対し、所定距離を隔てて同様に半円状を成す磁
性部材３が対向配置されている。そして、この磁性部材
２の起立部２ａ，２ｂの端部と磁性部材３との間に一対
のギャップ４ａ，４ｂが形成され、このギャップ４ａ，
４ｂ内に、かかるギャップ内の磁束密度（磁界）を検出
してこれを表す信号を発する磁束密度検出手段としての
ホール素子５ａ，５ｂが各々配置されている。

【００１１】また、半円状磁性部材２，３の対向する空
間内には、ギャップ６ａ，６ｂが生ずるようにしてコイ
ル７が配置されている。コイル７はフェライトに導線を
巻いたものを用いた。この導線には反時計回りの方向に
電流が流れるようになっており、コイル内部に発生する
磁界は６ａ側がＮ極、６ｂ側がＳ極となる。このコイル
７は非磁性材料からなる連結棒８を介して回動シャフト
９に固着されている。ここで、一対の半円状磁性部材
２，３の曲率半径と連結棒８の長さすなわちコイル７の
回動半径とは同一に設定され、それら曲率の中心と回動
の中心も一致している。

【００１２】従って、回動シャフト９が回動することに
より、コイル７は、一対の磁性部材２，３間をその周方
向に沿って移動することになる。以上のような構成から
なる磁気式位置センサ１によれば、コイル７のＮ極から
でた磁束は、ギャップ６ａを通過して磁性部材３に入
る。そして、この磁性部材３の両端に位置するギャップ
４ａ，４ｂを各々通り、起立部２ａ，２ｂを経由して磁
性部材２を通り、ギャップ６ｂを通過して、再びコイル
７のＳ極に導かれることになる。

【００１３】このように、２分された磁気回路各々の磁
束密度をホール素子５ａ，５ｂにて検出することによ
り、コイル７の位置、すなわち回動シャフト９の回動角
度位置を検出することができる。尚、本実施例のコイル
には、フェライトに導線を巻いたものを用いたが、これ
以外のコイルでも磁力発生源として用いることは可能で
ある。

【００１４】また、本実施例に係る磁気式位置センサの
具体的応用については、回動シャフトを例えば内燃機関
のスロットルバルブに連結することにより、スロットル
ポジションセンサを得ることができる。以上の実施例等
に係る磁気式位置センサは、さらに、自動工作機械、自
動搬送機械等における位置検出手段としても用いること
ができ、工場の自動化（ＦＡ）等においても好ましく適
用できるものである。

【００１５】次に上記した磁気式位置センサの動作原理
を図２の概念図に基づいて説明する。図１と同等部分は
同一の符号を付してある。図２に示されるように、磁力
発生源として用いたコイル７（コイルを構成する導線に
は反時計回りの方向に電流が流れるようになってい
る。）から出た磁束はギャップ６ａを通過して磁性部材
３に入り、かかる磁性部材３の両端に位置する各々のギ
ャップ４ａ，４ｂを通って磁性部材２に入る。そして、
この磁性部材２からギャップ６ｂを通過して再びコイル
７に戻る。

【００１６】このとき、ギャップ４ａ，４ｂそれぞれを
通る磁束の量は、コイル７の位置に応じて変化する。例
えば、コイル７がギャップ４ａ側（左方向）に移動すれ
ば、ギャップ４ａを通る磁束の量が増加し、その分ギャ
ップ４ｂを通る磁束の量が減少する。一方、コイル７が
ギャップ４ｂ側（右方向）に移動すれば、上記内容と逆
の現象が生ずる。

【００１７】従って、かかるギャップ４ａ，４ｂ各々
に、ホール素子を設けて、各々のギャップ内の磁束（磁
束密度）を検出することにより、磁性部材２，３に対す
るコイル７の位置を下記数式１より求めることができ
る。

【００１８】

【数１】

【００１９】ここで、Ｖ1及びＶ2はギャップ４ａ，４ｂ
に配置されたホール素子の出力電圧を示し、αは磁性部
材３の全長（Ｌa＋Ｌb）に対する一端からの距離（Ｌ
b）の割合を示す。ホール素子の出力電圧は下記数式２
により算出される。

【００２０】

【数２】

【００２１】ここでＫは感度定数であり、素子の種類、
温度などによって定まる。ＩCはホール素子を流れる電
流、Ｂは磁束密度である。以下、この検出原理を図２の
概念図に基づいて詳述する。磁性部材３の透磁率をμ、
磁性部材２の透磁率を∞、空気（ギャップ）の透磁率を
μ₀、コイルＭの内部磁界をＨm、ギャップ４ａ，４ｂ，
６ａ，６ｂの幅をＥ、磁束の通過する断面積を全てＳ、
磁界をそれぞれＨ1、Ｈ2、Ｈ3、Ｈ4で表わすと、アンペ
ア周回積分の定理により、下記数式３が導き出される。

【００２２】

【数３】

【００２３】また、ガウスの定理により、下記数式４が
導き出される。

【００２４】

【数４】

【００２５】ここで、Ｌ＝Ｌa＋Ｌb、α＝Ｌb／Ｌとす
ると上記数式３，４により、下記数式５が導かれる。

【００２６】

【数５】

【００２７】ここで、（Ｅμ／Ｌμ₀）《１とすると、
下記数式６が得られる。

【００２８】

【数６】

【００２９】また、コイル７の内部磁界Ｈmは、下記数
式７により得られる。

【００３０】

【数７】

【００３１】以上の説明から明らかなように、一対のギ
ャップ４ａ，４ｂに配置されたホール素子の出力電圧Ｖ
1，Ｖ2を得て、上記数式６に示すような電圧の比をもっ
てコイル７の位置すなわち回転シャフト９の角度位置を
検出することができる。Ｖ1及びＶ2はそれぞれホール素
子の温度特性により変動する。ここで、（Ｖ1＋Ｖ2）が
温度特性によらず常に一定の値となるように制御できれ
ば、コイル７の位置αは上記数式６より明かな如くＶ1
のみで正確に表わすことが可能となる。

【００３２】次に、第３図に、図１で用いた磁束密度検
出手段としてのホール素子からのホール出力に基づいて
コイルの位置を示す位置信号を発生する位置信号発生手
段としての位置信号発生回路の実施例を示す。図１と同
等部分は同一符号を付してある。図３の位置信号発生回
路は、２つのホール素子５ａ、５ｂ、差動増幅器１０、
１１、１２、抵抗１３、１４、１５、１６から構成され
ている。

【００３３】電源電圧Ｖccがホール素子のバイアス電圧
として印加され、両ホール素子５ａ，５ｂのバイアス端
子５ａ3、５ａ4及び５ｂ3、５ｂ4に流れるバイアス電流
が決まる。ここで、両ホール素子５ａ、５ｂのバイアス
端子は直列に接続されているので、両ホール素子５ａ、
５ｂに流れるバイアス電流は等しい。２つのホール素子
５ａ、５ｂはコイル７（図１参照）の位置に対応した磁
束密度を検出して、前記磁束密度の大きさに比例した微
少電圧をホール出力として出力端子５ａ1、５ａ2及び５
ｂ1、５ｂ2間に出力し、差動増幅器１０、１１により夫
々増幅される。ホール出力電圧をそれぞれＶ1、Ｖ2とす
ると、これらはインピーダンスの等しい抵抗１５、１６
を通じて、結合点での出力Ｖ3となる。ここで、Ｖ3＝
（Ｖ1＋Ｖ2）／２なる関係がある。次にこの出力Ｖ3は
差動増幅器１２の一方の入力となる。尚、差動増幅器１
２の他方の入力は、電源電圧Ｖccを抵抗１３、１４で分
圧した基準電圧Ｖrefである。差動増幅器１２の出力は
コイル７の励磁電流を制御する制御信号１７となる。こ
の制御信号１７に応じた電圧をコイル７に印加して励磁
電流を制御するものである。そして、この励磁電流に比
例した磁界がコイル７から発生する。

【００３４】この位置信号発生回路によれば、２つのホ
ール素子の出力の加算値（Ｖ1＋Ｖ2）を常に一定にする
ことが可能となる。また、上記数式６よりコイル７の位
置は、（Ｖ1＋Ｖ2）が常に一定であるから一方のホール
素子の出力Ｖ1に比例する。すなわち本願の位置信号発
生回路によれば、二つのホール素子のホール出力の加算
値が一定になるようにコイル７に流れる励磁電流を制御
しているので、各素子の温度特性によらず、常に高精度
なセンサ出力が得られる。また、コイル７の位置を一つ
のホール素子の検出出力で正確に検出することが可能と
なる。

【００３５】尚、上記実施例ではＶ1をセンサ位置出力
としたがＶ2をセンサ位置出力としても良いことは言う
までもない。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の磁気式位置
センサによれば、コイルから発せられる磁束を２分する
磁気回路を形成して、コイルの変位に応じた各々の磁気
回路内の磁束密度を各々のホール素子により検出できる
ように構成している故、構造の簡素化を図りつつも、コ
イルの磁力の影響等を受けることなく、高精度に変動位
置等の検出を行うことができるとともに、複数のホール
素子の出力電圧の加算値が常に一定になるように回路構
成されているため、各ホール素子の温度特性の影響を受
けない高精度な磁気式位置センサ出力を得ることができ
る。

【００３７】また、一対のホール素子の出力電圧の加算
値が常に一定であるのでコイルの位置すなわちこれを担
持する部材の位置を１つのホール素子のホール出力によ
り正確に検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気式位置センサの実施例を示
す構成図であり、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）
はその正面図、図１（ｃ）はその右側面図を各々示す。

【図２】本発明に係る磁気式位置センサの原理を示す
概念図である。

【図３】本発明に係る磁気式位置センサの位置信号発
生回路の構成を示す電気回路図である。

【主要部分の符号の説明】

２，３磁性部材４ａ，４ｂギャップ５ａ，５ｂホール素子７コイル（磁力発生源）８連結部材９回動シャフト１０，１１，１２差動増幅器１３，１４，１５，１６電気抵抗１７制御信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 43/06 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定距離を隔てて長尺に亘って対向配置
された一対の磁性部材と、前記一対の磁性部材のうち少
なくとも一方の磁性部材の両端と他方の磁性部材との間
に形成された一対のギャップと、前記一対の磁性部材間
に配置されかつ前記磁性部材の長手方向において平行移
動可能な部材に担持されて、一方の磁性部材から他方の
磁性部材に向かう磁束流を生起せしめる磁力発生源と、
前記一対のギャップ各々に配置されて該ギャップ内の磁
束密度を表す磁束密度信号を発する磁束密度発生手段
と、前記磁束密度信号に応じて前記磁力発生源の位置信
号を発生する位置信号発生手段、とを有する磁気式位置
センサであって、前記一対の磁束密度検出手段はホール
素子からなり、かつ、前記磁力発生源はコイルからな
り、前記位置信号発生手段は前記一対のホール素子のホ
ール出力の加算値に応じて前記コイルに流れる励磁電流
を制御することを特徴とする磁気式位置センサ。
【請求項２】請求項１記載の磁気式位置センサであっ
て、前記位置信号発生手段は前記一対のホール素子のホ
ール出力を加算する手段と、前記加算値と基準値を比較
して差信号を生成する比較手段と、前記差信号に応じて
前記励磁電流を調整する調整手段と、前記一対のホール
素子の少なくとも１つのホール出力をコイルの位置を表
す検出出力とする出力手段と、からなることを特徴とす
る磁気式位置センサ。
【請求項３】請求項２記載の磁気式位置センサであっ
て、前記ホール素子の各々のバイアス端子の一方は互い
に直列に接続されており、前記ホール素子のバイアス端
子の他方の間に定電圧を印加する電圧印加手段を含むこ
とを特徴とする磁気式位置センサ。