JPH01110215A - 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〉 本発明は外部磁界の回転角度に対して直線的な電気信号
変化を得ることのできる磁気抵抗素子を用いた回転角度
センサに関する。

〈従来例及び問題点〉 従来、リニアな電気出力変化を有する角度センサとして
は、巻線型ポテンショメータ、フィルム抵抗型ポテンシ
ョメータ、半導体薄膜使用の無接触ポテンショメータ、
等がある。

一方、リニアな出力を要求しなければ、強磁性薄膜素子
の用途例も多数ある。

このうち、巻線型ポテンショメータ、フィルム抵抗型ポ
テンショメータによると、出力端子である中点の電位取
出し部分が、巻線抵抗およびフィルム抵抗部分に接触す
る構造であるため、長期間使用する場合の摩耗耐久性に
問題があり、また接触摺動による雑音を発生しやすい欠
点がある。

また、半導体薄膜使用の無接触ポテンショメータは、上
記の巻線抵抗型およびフィルム抵抗型に見られる欠点は
ないが、強磁界の下で使用しなければならないため、極
めて強い磁石を必要とする。また、素子が半導体の薄膜
であるため、高温に弱い等の欠点がある。

更に、従来の強磁性薄膜素子使用によるものでは、外部
磁界の角度をパルスによるデジタル信号として処理する
ものが殆どであり、精密な制御信号として使用すること
かできない。また、アナログ信号としての電圧出力が得
られるものでも、磁石と組合せて角度検出も可能という
程度のものであり、磁束密度が小さい範囲すなわち弱磁
界では出力変化が曲線的であって出力変化が極めて小さ
いので、明確な電圧変化として取出すことが困難なもの
が多い。

〈本発明の目的および構成〉 本発明は、強磁性薄膜を使用した磁気抵抗素子（以下、
ｒＭＲ素子」という。）を採用しつつ、−Ｆ記のような
従来の欠点を除去した回転角度センサとするために提供
されたものであり、 その目的は、外部磁界の回転角度に対応して電圧変化を
リニアに出力することのできる回転角度センサを提供す
ることにある。

本発明の他の目的は、外部磁界の極性を判断しながらそ
の回転角度を検出することのできる回転角度センサを提
供することにある。

本発明の更に他の目的は、高温な使用環境においても作
動に変化の生じない回転角度センサを提供することにあ
る。

本発明の更に他の目的は、安価に大量生産の可能な回転
角度センサを提供することにある。

而して、上記の本発明の目的は、「強磁性体薄膜製の磁
気抵抗パターン層にバイアス磁石を積層してなる磁気抵
抗素子と、該磁気抵抗素子面の略中心直交線上における
回転軸に支持固定されて該磁気抵抗素子の外周を回動可
能に設けられるとともに、該磁気抵抗素子を略等距離で
挟んで異なる極性に対峙せしめられた一対の永久磁石と
、からなり、上記永久磁石の回転角度をリニアな電気信
号変化として出力可能に設けてなる回転角度センサ」に
よって達成される。

〈実施例〉 次に本発明を図面に示された実施例に従って更に詳しく
説明することとする。

第１図には本発明の一実施例に係る回転角度センサ（１
）が示されている。（２）は各種機器の回転部に連結さ
れる回転軸であり、非磁性材料製の中空ケーシング（３
）の一端壁を貫通して回転自在に支持されている。（４
）は該回転軸（２）の内端に固定された非磁性材料製の
アームであり、その両端には永久磁石（５）　（６）が
対向して固定されている。この永久磁石（５）　（６）
は図示のようにそれぞれ縦割り磁極に着磁したものを使
用し、異る磁極を内方に向けて対面し、回転軸（２）の
回転により−個の円を描くように水平回転可能に設けら
れている。

（７）は本発明に係るＭＲ素子であり、永久磁石（５）
　（６）に挟まれてその略回転中心部に位置するように
固定部材（８）を介してケーシング（３）壁面に固定さ
れている（第１図および第２図）。すなわち、永久磁石
（５）（６）はＭＲ素子（７）に対する外部磁界を形成
する。

而して、このＭＲ素子（７）は、第２図に示すように、
カラス製、セラミック製等の非磁性材料からなる基板（
７１０）の上に、蒸着やスパッタリング等により櫛歯状
パターン要素（７２０ａ）〜（７２０ｄ）からなる磁気
抵抗本体部を形成し、これをリードフレームのアイラン
ド部（７３０）に載置して各端子（７４０）〜（７４３
）をリード端子（７３１）〜（７３４）に結合したのち
、外被用プラスチック等によりモールド（７５０）層を
形成し、更に、バイアス磁石を備えて製品とするもので
ある。

而して、このバイアス磁石の磁界は第２〜３０図に示す
ようにＹ軸方向すなわち上記パターンの櫛歯状要素（７
２０ａ）〜（７２０ｄ）の全ての櫛目方向に対して４５
°に作用するように設定される。このバイアス磁界によ
り、磁気抵抗本体部の磁気ヒステリシスによる不都合、
すなわち外部磁界特に弱磁界において同一磁力でも履歴
により出力電圧（Ｖｏｕｔ）に相違が生じるという欠点
を除去し、第４図に示すような安定した出力電圧特性を
生じさせるための補正機能を持つものである。

なお、このバイアス磁界を発生させるに当り、第３Ｃの
ようにバイアス磁石（７６０）をモールド（７５０）の
外面例えば底面に接着等により外付は固着することとし
てもよいが、磁気抵抗本体部のパターン面との間隔が大
きいので強力な永久磁石を必要とする。

そこで、より効率のよい構成として第３ａ図、３ｂ図に
示すものを提案する。すなわち、基板（７１０）として
硬磁性材料を用い、上記パターン中の全ての櫛歯状要素
（７２０ａ）〜（７２０ｄ）に対して４５°のバイアス
磁界が作用するようにパターン形成前の段階又はパター
ン形成後の適宜な時期に着磁することにより、磁気抵抗
本体部のパターン面との間隔を至近距離とし、これらを
モールド（５）層内に内臓固定する方式とするものであ
る。

この方式の利点は、基板（７１０）が通常正方形または
矩形に成形して使用されるため、いずれか−辺に対して
直角な方向に磁束が生じるように位置決めして正確に着
磁することは容易であるとともに、このような方形の基
板（７１０）の各辺に対して夫々４５°の角度で櫛歯状
要素を正確にパターン形成することが容易である。

また、パターン面に接した至近距離にバイアス磁石（７
１０）が位置することとなるので、非常に弱い磁力を以
てヒステリシス補正のために必要なバイアス磁束量を供
給することができ、外部磁界が弱い場合にも高感度で出
力できるので、磁気センサとしての性能を向上すること
ができる。更に、バイアス磁石をより薄型にすることが
できるものである。

なお、第３ｂ図に示すように、基板（７１０）と磁気抵
抗本体部パターン面（７２０ａ）〜（７２０ｄ）との間
に平滑度の高い薄膜の絶縁層（７７０）を介在させるこ
とにより、素子本体部のパターンを均一厚さの平滑な面
に形成するとともに、バイアス磁石（７１０）が導電性
材料であるときにおけるリードフレームのアイランド部
（７３０）との絶縁性を確保するようにしてもよい。

かかる構成による回転角度センサ（１）によれば、第２
図のＹ軸上に外部磁界を生じる永久磁石（５）（６）が
ある場合の当該外部磁界の角度に対するセンサ（１）か
らの出力電圧は、第４図のグラフにおいて原点（Ｐ）に
ある。

なお、この出力特性グラフはＸ軸を回転角度Ｏ゛として
いるから、Ｙ軸は回転角度９０゜を示す。

而して、永久磁石（５）　（６）が第２図において実線
矢印の方向すなわち反時計方向に回転したときの角度変
化に伴う出力電圧の変化は、第４図実線矢印（ａ）で示
す変化となった。このとき、少なくとも原点（Ｐ）から
＋６０°すなわち９０”から　１５０“までの回転角の
間では、磁石（５）　（８）の回転角度に対して（Ｐ）
から（Ｑ）までの直線的な出力電圧の増加が得られるも
のである。

一方、永久磁石（５）　（６）が第２図の破線矢印の方
向すなわち時計方向に回転した場合の角度変化に伴う出
力電圧の変化は、第４図破線矢印（ｂ）で示す変化とな
った。このとき、少なくとも原点（Ｐ）から−６０°す
なわち９０”から３０゛までの回転角の間では、磁石（
５１（６）の回転角度に対してＣＰ）から（Ｒ）までの
直線的な出力電圧の減少が得られるものである。

なお、第４図の永久磁石の回転角度に対する出力電圧の
変化グラフにおける負のピーク（Ｓ）、原点（Ｐ）、お
よび正のピーク（Ｔ）の各点に対応する合成磁界の方向
と磁気抵抗パターンの関係を第５ａ〜５０図に示す。

同図において、Ｈｂｉはバイアス磁石による磁界を、Ｈ
ｅｘは永久磁石による外部磁界を、ＨｃｏｍはＨｂｉと
１ｌｅｘによる合成磁界をそれぞれ表わす。

〈効　果〉 上記本発明によれば、バイアス磁界をパターン面に密接
配置して磁気効率を向上せしめたので、外部磁界の回転
角度に対応して電圧変化をリニアに出力することのでき
る高感度な回転角度センサとすることができる。

バイアス磁界の方向に対する外部磁界の作用方向により
、外部磁界の極性を判断しながらその回転角度を検出す
ることができる。

更に、半導体薄膜等を使用しないので高温な使用環境に
おいても作動に変化が生じない回転角度センサとするこ
とができる。

更に、安価に大量生産の可能な回転角度センサを提供す
ることにある。

また、バイアス磁石を基板と共通部材とすれば、別部材
のバイアス磁石を用意してモールド内に積層し又はモー
ルド外面に外付けする必要もないから、素子（１）の製
造工程が簡素化されるとともに、小型化が可能となるも
のである。

更に、バイアス磁石の取付は位置合せが正確且つ容易で
あるので、作業性、大量生産性に優れ、歩留りが良好で
ある。

更に、素子全体の厚みが極く薄手のものにすることので
きるので、小型化に資するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る回転角度センサの一実施例を示す
中央縦断面図、第２図は第１図における■−■線断面図
、第３ａ図はＭＲ素子の実施例を示すｍ−ｍ線断面図、
第３ｂ図はＭＲ素子の他の実施例を示すｍ−ｍ線断面図
、第３ｃ図はＭＲ素子の更に他の実施例を示すｍ−ｍ線
断面図、第４図は外部磁界の回転角度に対する電圧出力
特性グラフ、第５ａ〜５ｃ図はＭＲ素子におけるバイア
ス磁界と外部磁界の合成磁界の関係を示す説明図、であ
る。 （１）　−−−−−−回転角度センサ、（２）・・・・
−回転軸、 （５）　（６）−−−−−−永久磁石、（７）・−−−
−−ＭＲ素子、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．強磁性体薄膜製の磁気抵抗パターン層にバイアス磁
   石を積層してなる磁気抵抗素子 と、 該磁気抵抗素子面の略中心直交線上にお ける回転軸に支持固定されて該磁気抵抗素 子の外周を回動可能に設けられるととも に、該磁気抵抗素子を略等距離で挟んで異 なる極性に対峙せしめられた一対の永久磁 石と、 からなり、上記永久磁石の回転角度をリニ アな電気信号変化として出力可能に設けて なる回転角度センサ。
2. ２．磁気抵抗素子に対する設定方向を中心として、少な
   くとも角度±６０゜以内の回転角の範囲における上記永
   久磁石の回転角度に ついて、リニアな電気信号変化を出力して なる前記特許請求の範囲第１項記載の回転 角度センサ。