JPH02298815A - 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。

［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間
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。

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
強磁性体にあフては、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る。

上記のように構成された強磁性磁気抵抗素子を含む磁気
センサは、例えば特開昭６２−２３７３０２号公報に記
載の回転位置検出装置のように、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
磁石が設けられる。

従って、磁気抵抗素子の板面と永久ｌ１ｆ１石とが対向
して配置されている。

［発明が解決しようとする課題］ 然し乍ら、上記公報に記載の回転位置検出装置のように
永久磁石と磁気抵抗素子の板面とが対向して配置される
ものにあっては、シャフトの軸方向移動により磁気抵抗
素子上に加えられる磁界が変化する。上記の強磁性磁気
抵抗素子は比較的小さな磁界で機能し得るが、永久磁石
との距離が大となり磁気抵抗素子に対し十分な磁束が加
えられなければ機能せず、従って測定誤差を惹起するこ
ととなる。このため、磁気抵抗素子の板面と永久磁石間
を所定距離に維持する必要がある。上記公報には具体的
に開示されていないが、シャフトを少くとも軸方向移動
が生じないように支持しなければならず、シャフトの支
持構造は精密さが要求され、また正確な組付が必要とな
る。

そこで、本発明は回転角度センサにおける磁気抵抗素子
を常時均一な磁界中に配置し得るようにし、シャフトの
通常の変位に影晋されることなく、常に安定した検出精
度を確保することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明は基板の板面に磁気
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な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、前記基板
の両側面に夫々対向する一対の磁極を有し少くとも前記
基板の板面を含む磁界を形成する磁石部材を備え、該磁
石部材と前記検出素子の何れか一方を前記シャフトに装
着し他方を前記シャフトに対し所定の位置に固定したも
のである。

前記磁石部材は、前記基板の板面に対向して配置する永
久磁石と該永久磁石の両側面に設けた一対の磁性体腕部
により略コ字状断面に形成し、該磁性体腕部間に前記基
板を介装すると共に前記基板の板陥が前記磁性体腕部間
の磁束方向と平行となるように前記基板を配置するとよ
い。

また、前記磁石部材を略コ字状断面を永久磁石で形成し
、該永久磁石の両開放端間に前記基板を介装すると共に
前記基板の板面が前記永久磁石の両開放端間の磁束方向
と平行となるように前記基板を配置することもできる。

［作用］ 上記の構成になる回転角度センサにおいては、磁石部材
と検出素子の何れか一方、例えば磁石部材がシャフトに
装着される。このシャフトに対し所定位置に検出素子が
固定され、磁石部材の対向する一対の磁極間には検出素
子の基板の板面を含む磁界が形成されている。

而して、シャフトの回転に応じ磁界が回転し、磁気抵抗
効果により基板上の磁気抵抗素子の抵抗値が変化する。

そして、この抵抗値変化に応じシャフトの回転角度が検
出される。

［実施例］ 以下、本発明の望ましい実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図乃至第３図は本発明の回転角度センサの一実施例
を示すもので、本発明にいう検出素子たる磁気センサ１
０が回路基板３０に実装され、これらに対向するように
磁石部材２０が配置されている。

磁気センサ１０においては、第１図にその断面が示され
ているように、素子基板１１にＮｉ−Ｃ０合金等の強磁
性合金の薄膜が付着され、磁気抵抗素子１２が構成され
ている。この磁気抵抗素子１２は例えば蒸着とホトエツ
チングといりた集積回路製造技術によって形成され、第
３図に示す複数の端子１３を介して回路基板３０上に形
成された複数のリード３１に接続されている。

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、第２図に示すようなパターンに形成
されている。即ち、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１
２ｄが形成されている。端子１２ａ、１２ｂは所謂電流
端子で、端子１２ａは定電流回路を介して電源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。

端子１２ａ乃至１２ｄは第３図に示す端子１３に接続さ
れ、端子１３が回路基板３０上のり−ド３１に半田接合
される。回路基板３０の磁気センサ１０が実装された面
と反対側の面には後述する検出回路を構成する回路素子
が実装されており、これら回路素子にリード３１及びこ
れに接合された端子３２を介して電気的に接続されてい
る。

一方、磁石部材２０は永久磁石２１とその両側面に接合
された一対の断面略し字状の磁性体腕部２２．２３から
成り、これら磁性体腕部２２゜２３の長手方向に平行に
、シャフト２が永久磁石２１に固着されている。磁性体
腕部２２，２３は各屈曲部の先端部２２ａ、２３ａの端
面が対向するように夫々永久磁石２１側面に接着等によ
り接合されており、先端部２２ａ、２３ａの端面間に空
隙が形成されている。而して、永久磁石２１により磁性
体腕部２２，２３の先端部２２ａ、２３ａに夫々Ｎ極、
Ｓ極が形成され、両者間に磁束密度が均一な平行磁束の
磁界が形成される。

そして、上記磁石部材２０が第１図に示すように磁気セ
ンサ１０及び回路基板３０に対し所定間隙を隔てて配置
される。即ち、磁性体腕部２２゜２３の先端部２２ａ、
２３ａの端面間は磁気センサ１０の平面最長部の長さよ
り大とされており、先端部２２ａ、２３ａと回路基板３
０との間［Ｌは磁気センサ１０の厚さＨ以下の所望の間
隙に設定されている。尚、磁性体腕部２２，２３の先端
部２２ａ、２３ａの巾１は磁気センサ１０の厚さＨ以上
に設定されている。従って、シャフト２の回動に伴ない
、シャフト２の支持構造等に起因し磁石部材２０が磁気
センサ１０に対し軸方向に近接、離隔する場合であって
も、回路基板３０に当接しないように且つ回路基板３０
との間ｊ！ｉｉＬを磁気センサ１０の厚さＨ以下に設定
しておくことにより、磁気センサ１０の板面の磁気抵抗
素子１２は常時先端部２２ａ、２３ａの端面間に位置す
ることとなる。

而して、磁気センサ１０は磁性体腕部２２゜２３の先端
部２２ａ、２３ａ間に形成された均一な平行磁界中にあ
って、素子基板１１の板面はこれに平行に位置し、従っ
て磁気抵抗素子１２には板面に平行な均一磁束が付与さ
れる。そして、シャフト２の回転により永久磁石２１が
磁気センサ１０回りを回転すると、先端部２２ａ、２３
ａ間の磁界が回転し、磁気抵抗素子１２に対する磁化方
向と電流方向のなす角度が変化する。この場合において
、磁気抵抗素子１２に供給される電流と先端部２２ａ、
２３ａ間の磁界による磁化方向が平行になった時に磁気
抵抗素子１２の抵抗値が最大となり、直交した時最小と
なる。これにより、端子１２ｃ、１２ｄの出力は略正弦
波となり最大値と最小値近傍を除く部分でシャフト２の
回転角度に対し略リニアな出力特性が得られる。

上記回転角度センサの作動において、シャフト２の支持
構造等に起因してシャフト２に軸方向の変位が生じある
いは芯ずれにより磁気センサ１０に平行な方向に変位が
生じた場合、磁石部材２０は磁気センサ１０に対して変
位することとなるが、先端部２２ａ、２３ｄ間に形成さ
れた磁界は均一な平行磁束であるので磁気抵抗素子１２
に付与される磁束が変化することはない。従って、端子
１２ｃ、１２ｄからはシャフト２の変位に影響されるこ
となく安定した電圧信号が出力される。

上記のように構成された回転角度センサは種々の装置に
装着し得るが、例えば内燃機関のスロットルポジション
センサに内蔵される。

３４４図及び第５図は上記回転角度センサを内蔵したス
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。

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ない
、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。尚、軸受４としては、本
実施例では焼結含油粕受が用いられているが、もちろん
ボールベアリング等を用いることとしてもよい。

シャフト２の他端には磁石部材２０が固着され、ハウジ
ング３の他方の四部３ｂ内に収容されている。そして、
磁石部材２０を構成する永久磁石２１に対向し、且つそ
の両端の磁性体腕部２２．２３間に位置するように磁気
センサ１ｏが配設される。磁気センサ１０は前述のよう
に素子基板１１とその板面に付着された磁気抵抗素子１
２とを備え、回路基板３０の一方の面に実装される。回
路基板３０の他方の面には検出回路を構成するリード、
オペアンプ等の素子が実装されている。尚、第５図にこ
れらの素子の配列の一例が示されているが、回路構成は
これに限るものではない。回路基板３０の一方の端部に
は表裏面のリード間を接続する複数の端子３２が設けら
れており、他方の端部には複数のリード部材７が接続さ
れている。これらのリード部材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０回路基板３０はハウジング
３の凹部３ｂ内に収容、固定され、この凹部３ｂは合成
樹脂製のカバー９により密閉されている。

第６図はスロットルポジションセンサ１に接続される検
出回路のブロック図を示し、第２図に示した四ブロック
から成る磁気抵抗素子１２によりホイートストンブリッ
ジ４０が形成されており、端子１２ａに定電流回路４１
が接続され、端子１２ｂが接地されている。端子１２ｃ
、１２ｄがホイートストンブリッジ４０の出力端子で夫
々差動増幅回路４２及びレベルシフト回路４３に接続さ
れ、レベルシフト回路４３の出力は差動増幅回路４２に
人力している。そして、差動増幅回路４２の出力が出力
端子４２ａから回転角度信号として出力されると共に、
比較回路４４に供給され出力端子４４ａからアイドル域
信号が出力される。尚、回転角度信号はシャフト２の回
転角度に比例した電圧出力であり、アイドル域信号は図
示しないスロットルバルブが閉位置となったときにオフ
からオン状態となる電圧出力である。

第７図は第６図のブロック図の具体的回路例であり、Ｖ
ｃは定電圧電源端子、ＧＮＤは接地端子を示す。尚、第
７図は第６図の一実施例を示したものであり回路構成は
これに限るものではなく種々の電気回路を構成し得る。

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第４図に
示すレバー５が駆動されシャフト２が軸受４回りを回動
する。このシャフト２の回動に応じ、前述のように磁気
センサ１０の磁気抵抗素子１２の抵抗値が変化する。こ
の磁気抵抗素子１２は第６図に示すようにホイートスト
ンブリッジ４０が構成されており、これに定電流回路４
１を介して定電流が供給されている。従って、磁気抵抗
素子１２の各ブロックの抵抗値の変化に応じて端子１２
ｃ、１２ｄの出力電圧が変化し、この端子１２ｃの出力
が差動増幅回路４２に入力すると共に、端子１２ｄの出
力がレベルシフト回路４３を介して差動増幅回路４２に
入力する。ここでシャフト２の回転角度に応じて両人力
の差が変化し出力端子４２ａから回転角度信号たる電圧
出力が得られ、第８図の出力特性を示すところとなる。

即ち、最大値と最小値近傍を除き回転角度に対し出力電
圧がリニアに増加している。

また、差動増幅回路４２の出力は比較回路４４にて所定
の電圧値と比較され、図示しないスロットルバルブが実
質的に閉位置となったときに出力端子４４ａからアイド
ル域信号として電圧出力が得られる。このように本実施
例のスロットルポジションセンサ１によれば、無接触に
てスロットルバルブの回転角度信号のみならずアイドル
域信号も同時に得ることができる。

第９図は本発明の回転角度センサの他の実施例を示すも
ので、第１図乃至第３図に記載の実施例ニ比シ磁石部材
２０の構成を異にしている。即ち、本実施例においては
永久磁石２１に磁性体腕部２２，２３を接合した後両者
及びシャフト２を樹脂モールドにより固定することとし
たもので、磁性体腕部２２，２３及びシャフト２の外周
に環状溝が形成されており、これらの環状溝を包含する
樹脂部２ａが形成されている。

第１０図は本発明の回転角度センサの更に他の実施例を
示すもので、先の実施例の永久磁石２１及び磁性体腕部
２２，２３に替え、プラスチックマグネット２１ａによ
ってシャフト２の先端部を含み一体に成形し磁石部材２
ｏを構成したものである。これにより部品点数が削減さ
れ、容易に製造することができる。

［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
する効果を奏する。

即ち、本発明の回転角度センサにおいては検出素子の基
板の両側面に対向して磁極が配置され、基板の板面を含
む磁界が形成されるので、基板に付着された磁気抵抗素
子は常時均一な磁界中に配置されることとなる。従って
、シャフトの軸方向変位あるいは基板に平行な方向の変
位が生じても検出素子の出力が変化することはなく安定
した検出精度を確保することができる。

上記磁石部材を永久磁石とその両側面に設けた一対の磁
性体腕部によって略コ字状断面に構成すれば、両腕部の
端面間に均一な平行磁束を形成することができ、しかも
この端面間に磁気抵抗素子を配置すればよいので特段の
組付精度を要求されることなく容易に製造することがで
きる。

更に、上記磁石部材をプラスチックマグネットにて一体
に形成すれば製造が一層容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回転角度センサの部分断面
図、第２図は同、回転角度センサに供される磁気抵抗素
子の平面図、第３図は同、回転角度センサの斜視図、第
４図は本発明の一実施例に係る回転角度センサを装着し
たスロットルポジションセンサの縦断面図、第５図は同
、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、第６図は同、スロットルポジションセンサ
に接続される検出回路のブロック図、第７図は同、検出
回路の具体的電気回路図、第８図は同、スロットルポジ
ションセンサの入出力特性図、第９図は本発明の他の実
施例に係る回転角度センサの部分断面図、第１０図は本
発明の更に他の実施例に係る回転角度センサの部分断面
図である。 １・・・スロットルポジションセンサ。 ２・・・シャフト、１０・・・磁気センサ（検出素子）
。 １１・・・素子基板、　　１２・・・磁気抵抗素子。 ２０・・・磁石部材、　２１・・・永久磁石。 ２２．２３・・・磁性体腕部。 ２２ａ、２３ａ＝・先端部、　３０・・・回路基板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の板面に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なう磁束
   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、前記基板の両側面に夫々対向する一対の
   磁極を有し少くとも前記基板の板面を含む磁界を形成す
   る磁石部材を備え、該磁石部材と前記検出素子の何れか
   一方を前記シャフトに装着し他方を前記シャフトに対し
   所定の位置に固定したことを特徴とする回転角度センサ
   。
2. （２）前記磁石部材を、前記基板の板面に対向して配置
   する永久磁石と該永久磁石の両側面に設けた一対の磁性
   体腕部により略コ字状断面に形成し、該磁性体腕部間に
   前記基板を介装すると共に前記基板の板面が前記磁性体
   腕部間の磁束方向と平行となるように前記基板を配置し
   たことを特徴とする請求項１記載の回転角度センサ。
3. （３）前記磁石部材を略コ字状断面の永久磁石で形成し
   、該永久磁石の両開放端間に前記基板を介装すると共に
   前記基板の板面が前記永久磁石の両開放端間の磁束方向
   と平行となるように前記基板を配置したことを特徴とす
   る請求項１記載の回転角度センサ。