JPH0377015A - 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、
素子の板面が例えばシャフトの先端に装着された永久磁
石じ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８２−２３７３
０２号公報に記載のように、この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。

ところで、上記強磁性磁気抵抗素子を定電流電源あるい
は定電圧電源によって駆動した場合、強磁性磁気抵抗素
子は正の温度係数を有しているので、出力は温度の上昇
と共に略リニアに減少し、出力の温度係数は前者によっ
て駆動した場合の方が小である。従って、温度変化によ
る出力電圧の変動を回避すべく二個あるいは四個の素子
をブリッジ接続する等の処理が行なわれる。

このように、上記強磁性磁気抵抗素子を含む磁気抵抗素
子にあっては、温度変化により出力特性が異なり、周囲
温度、即ち外部環境温度が変化する場合には温度補償が
必要となる。このため外部環境の温度変化に応じて出力
を補償すべく電気回路処理が行なわれるのが一般的であ
り、種々の処理が行なわれる。例えば、特開昭６３−４
２４０３号公報においては、磁気抵抗素子のブリッジに
定電流を供給する定電流回路と、これを駆動する定電圧
回路との間に温度補償用ダイオードと抵抗素子の直列回
路を挿入し、その中間接続点を定電流回路と接続する温
度補償回路が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 然し乍ら、上記公報に記載の温度補償回路においては、
回転検出用の磁気抵抗素子とは異なる素子を温度補償用
として付加することとしており、画素子が各々独自の温
度特性を示すこととなる。

このように、検出用磁気抵抗素子と補償用の素子との間
の温度特性が相違すると、両者間の調整が必要となり、
測定時の全温度範囲Ｃおいて安定した温度補償を行なう
ことは至難である。しかも、種々の状況での外部環境の
温度変化に対し、状況に応じて個々に素子を選択し調整
を行なうことが必要となり、コストアップ要因となる。

そこで、本発明は回転角度センナにおいて、外部環境の
温度変化よる出力変動を容易且つ確実に抑え、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付着
した複数の磁気抵抗素子を接続しブリッジ回路を構成し
て成る検出素子と、該検出素子に接続し定電流を供給す
る定電流回路を備え、前記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、前記検出素子を構成す
る磁気抵抗素子と同一材料の磁気抵抗素子を基板の板面
に付着し前記検出素子に近接して配置すると共に前記定
電流回路に接続して成る温度補償抵抗素子を備え、該温
度補償抵抗素子の周囲温度変化に伴なう抵抗値変化に応
じて前記定電流回路の供給電流を調整するようにしたも
のである。

また、前記定電流回路は演算増幅器を備えたものとし、
該演算増幅器の帰還回路に前記検出素子を接続し当該演
算増幅器に対する基準電圧設定用の接地側分割抵抗とし
て前記温度補償抵抗素子を接続するとよい。

尚、上記定電流回路は、前記検出素子を前記演算増幅器
の出力端子と反転入力端子との間に接続すると共に、一
端を接地した抵抗を前記演算増幅器の反転入力端子に接
続し、前記温度補償抵抗素子の一端を接地し他端を前記
演算増幅器の非反転入力端子に接続すると共に抵抗を介
して電源に接続し、前記温度補償抵抗素子が演算増幅器
に対する基準電圧を設定する分割抵抗となるように構成
することができる。

［作用］ 上記の構成になる回転角度センサにおいては、シャフト
の回転に応じて検出素子に対し磁束変化が生じ、磁気抵
抗効果により、ブリッジ回路を構成する各磁気抵抗素子
の抵抗値が変化する。この検出素子には定電流回路によ
り定電流が供給されているので、上記抵抗値変化に応じ
ブリッジ回路出力としてシャフトの回転角度が検出され
る。

そして、回転角度センサの周囲温度が変化することによ
り検出素子の各磁気抵抗素子の抵抗値が変化すると、検
出素子に近接して配置した温度補償抵抗素子も検出素子
の磁気抵抗素子と同一材料の磁気抵抗素子で構成されて
いるため、これと同様の抵抗値変化を示す。而して、こ
の抵抗値変化に応じ定電流回路の供給電流が調整され、
周囲温度変化に起因する磁気抵抗素子の抵抗値変化に伴
なう出力変動が抑えられる。

［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４図は本発明の回転角度センサの一実施例
を示すもので、第２図に全体構成を示すように磁気セン
サ１０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を備えたシャフト２が配置されている
。

磁気センサ１０は、第１図に示すようにガラス等の素子
基板１１にＮｉ−Ｃｏ合金等の強磁性合金の磁気抵抗素
子の薄膜が付着され、検出素子１２及び温度補償抵抗素
子１３の各々のパターンが形威されている。この強磁性
磁気抵抗素子は例えば蒸着とホトエツチングといった集
積回路製造技術によって形成される。

検出素子１ｚ及び温度補償抵抗素子１３を構成する強磁
性磁気抵抗素子（以下、車に磁気抵抗素子という）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連
続したコ字状のパターンに形威されると共に、磁気抵抗
効果に鑑み複数のブロックに分割されている。即ち、検
出素子１２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
互に接続された四つのブロックから成るパターン形状に
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、これらのブロックによ
りブリッジ回路が構成されている。即ち、端子１２ａ、
１２ｂは所謂電流端子で、端子１２ａは定電流回路４１
を介して定電圧電源Ｖｃ（以下、単に電源Ｖｃという〉
に接続され、端子１２ｂは接地されている。＠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。

また、温度補償抵抗素子１３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
るブロックとが相互に直交するように接続されたパター
ン形状に形成されている。

この両端には端子１３ａ、１３ｂが形威されており、端
子１３ａは定電流回路４１を介して電源ＶＣに接続され
、端子１３ｂは接地されている。本実施例においては後
述するように温度補償抵抗素子１３は定電流回路４１の
一部を構成している。

尚、本実施例における温度補償抵抗素子１３は検出素子
１２と共に一つの素子基板１１上に付着されているが、
これらを別体で形威し近接配置することとしてもよい。

上記端子１２ａ乃至１２ｄ、１３ａ及び１３ｂは、第２
図に示す回路基板３０上に形成された複数のり−ド３１
に電気的に接続されている。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、これらの回路素
子に、リード３１及びこれに接合された端子３２を介し
て、検出素子１２及び温度補償抵抗素子１３が電気的に
接続されている。

そして、第２図に示すように磁石部材２０が磁気センサ
１０及び回路基板３０に対し、所定間隙を隔てて配置さ
れる。磁石部材２０は永久磁石２１とその両側面に接合
された一対の断面路り字状の磁性体腕部２２．２３から
戊り、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。これにより、磁気センサ１０は上記
の先端部２２ａ、２３ｄ間に形成された均一な平行磁界
中（あって、素子基板１１の板面ばこれに平行に位置し
、従って検出素子１２及び温度補償抵抗素子１３を構成
する磁気抵抗素子には板面に平行な均一磁束が付与され
る。

而して、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、２３ｄ間の
磁界が回転し、磁気抵抗素子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、磁気抵抗素子に供給される電流と先
端部２２ａ、２３ｄ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の抵抗値が最大となり、直交した
時最小となる。このため、検出素子１２の端子１２ｅ、
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。

一方、温度補償抵抗素子１３においては、直交する二つ
のブロックから成るパターン形状であるためシャフト２
の回転に伴なう抵抗値変化は相殺され、素子全体として
の抵抗値変化は無視し得る程度となる。

第３図は上記磁気センサ１０に接続される検出回路の一
実施例のブロック図を示すもので、ブリッジ回路４０は
、第１図に示した検出素子１２を構成する四ブロックの
磁気抵抗素子から成るブリッジ回路の等価回路であり、
各ブロックの等価抵抗を抵抗Ｒａ乃至Ｒｄで示している
。そして、前述のように端子１２ａには定電流回路４１
が接続され、端子１２ｂは接地（ＧＮＤ）されている。

定電流回路４１は電源Ｖｃに接続されると共に、温度補
償抵抗素子１３の端子１３ａに接続されている。尚、温
度補償抵抗素子１３の端子１３ｂは接地されている。第
３図の抵抗Ｒｅは温度補償抵抗素子１３の等価抵抗を示
し、定電流回路４１の一部を構成している。端子１２ｃ
、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４
２の出力がそのまま出力端子４２ａから回転角度信号と
して出力されると共に、比較回路４３を介し出力端子４
３ａから回転位置信号が出力される。

上記、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、例えば内燃機関のスロットルバルブの
回転角度信号として用いられる。

また、回転位置信号はシャフト２が所定の回転位置とな
ったときに例えばオフからオン状態となる電圧出力であ
り、例えば内燃機関のスロットルバルブが閉位置となっ
たことを示す信号として用いられる。尚、これら両出力
の内、何れか一方のみ出力する構成としてもよい。

而して、第２図のシャフト２の回動に応じ、前述のよう
に磁気センサ１０の検出素子１２の抵抗値が変化する。

この検出素子１２により第３図に示すようにブリッジ回
路４０が構成されており、これ（定電流回路４１を介し
て定電流が供給されている。従って、検出素子１２の各
ブロックの抵抗値の変化に応じてブリッジ回路４０の抵
抗Ｒａ、Ｒｃの接続点と抵抗Ｒｂ、Ｒｄ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、出力端子４２ａから回転角度信号たる電圧出力
が得られる。即ち、最大値と最小値近傍を除き回転角度
に対しリニアに増加する電圧出力が得られる。また、差
動増幅回路４２の出力は比較回路４３にて所定の電圧値
と比較され、所定の回転位置を示す電圧出力が得られる
。

そして、検出素子１２の周囲温度が変化し抵抗Ｒａ乃至
Ｒｄの抵抗値が変化するとき、温度補償抵抗素子１３の
抵抗Ｒｅの抵抗値も同様に変化する。従って、例えば抵
抗Ｒａ乃至Ｒｄの抵抗値が上昇し出力が減少傾向を示す
と、抵抗Ｒｅの抵抗値の上昇に応じ、定電流回路４１の
ブリッジ回路４０に対する供給電流が増加するように制
御される。而して、ブリッジ回路４０の出力は周囲温度
の変化に影響されることなく、回転角度にのみ対応した
出力となる。

第４図は第３図のブロック図の具体的回路例であり、検
出素子１２用の磁気抵抗素子により前述のようにブリッ
ジ回路４０が構成されている。抵抗Ｒａ乃至Ｒｄは第３
図同様この磁気抵抗素子の等価抵抗を示している。

定電流回路４１は演算増幅器（以下、オペアンプという
）ＯＰｌ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Ｒａ、Ｒｂ間即ち前述の端子１２
ａに接続され、抵抗Ｒｃ、Ｒｄ間即ち端子１２ｂがオペ
アンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。また、
一端が接地された抵抗Ｒ１の他端が、オペアンプＯＰ１
の反転入力端子に接続されている。

一方、抵抗Ｒ２と温度補償抵抗素子１３用の磁気抵抗素
子の等価抵抗Ｒｅとの直列回路が電源ＶＣに接続され、
抵抗Ｒ２と抵抗Ｒｅの接続点がオペアンプＯＰＩ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Ｒ２と抵抗Ｒｅによって分割され、基準電圧Ｖ
ｓとし・〔オペアンプＯＰＩに人力される。即ち、温度
補償抵抗素子１３は接地側分割抵抗を構成している。而
して、基準電圧ｖ３によって抵抗Ｒ１の両端の電圧が決
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。

そして、ブリッジ回路４０の出力端子は差動増幅回路４
２に接続されている。即ち、ブリッジ回路４０の抵抗Ｒ
ａ、Ｒｃ間即ち端子１２ｃはオペアンプＯＰ２の非反転
入力端子に接続され、抵抗Ｒｂ、Ｒｄ間即ち端子１２ｄ
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の出力端子は反転入力端子に帰還す
ると共に、抵抗Ｒ３を介してオペアンプＯＰ３の反転入
力端子に接続されており、バッファとして機能する。ま
た、オペアンプＯＰ３用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、出力端子４２ａ及
びオペアンプＯＰ４の反転入力端子に接続されている。

比較回路４３を構成するオペアンプＯＰ４の非反転入力
嫡子には抵抗Ｒ５及び抵抗Ｒ６の接続点が接続されてお
り、電源ｖｃの定電圧が抵抗Ｒ５及び抵抗Ｒ６により分
割されて基準電圧Ｖｃとして入力される。而して、オペ
アンプＯＰ４により基準電圧ＶｃとオペアンプＯＰ３の
出力とが比較され、その比較結果が出力端子４３ａから
出力される。

上記実施例の作動は第３図と実質的に同じであるので、
周囲温度上昇時の作動を以下に説明し、その余の作動説
明は省略する。磁気センサ１０の周囲温度が上昇し正の
温度係数を有する温度補償抵抗素子１３の抵抗Ｒｅの抵
抗値が増加すると、オペアンプＯＰＩの非反転入力端子
の入力電圧が増加する。従って、オペアンプＯＰ１の出
力電圧が増加しブリッジ回路４０に供給される電流が増
加する。このとき、抵抗Ｒｅと略同環境にあるブリッジ
回路４０を構成する抵抗Ｒａ乃至Ｒｄの各々は抵抗Ｒｅ
と同様抵抗値が増加しているが、上述のようにオペアン
プＯＰ１から供給される電流が増加するので周囲温度の
上昇に伴なう出力低下を惹起することなく、回転角度に
対応した出力が確保される。

第５図は定電流回路４１の基準電圧設定用の分割抵抗の
他の実施例を示すものである。（ａ）は温度補償抵抗素
子１３たる抵抗Ｒｅに並列に抵抗Ｒ７を接続し、これら
の合成抵抗１３１により分割抵抗を構成したものである
。また、（ｂ）は抵抗Ｒｅｅ直列に抵抗Ｒ８を接続し、
これらの合成抵抗１３２により分割抵抗を構成したもの
である。何れも、抵抗Ｒｅは抵抗Ｒ７あるいはＲ８と共
にオペアンプＯＰＩに対する基準電圧を設定することが
できるので、調整状況に応じて（ａ）あるいは（ｂ）を
適宜選択し得る。而して、例えば第１図及び第２図の磁
気センサ１０定設けられる温度補償抵抗素子１３は所定
のものとし、定電流回路４１内の抵抗Ｒ７あるいはＲ８
をトリ尖ング等によって微調整することとすれば、ブリ
ッジ回路４０とのマツチングを容易に行なうことができ
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。第６図及び第７図は上記第１図乃
至第４図に示した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軸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の他方の凹部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１０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検出素子１２及
び温度補償抵抗素子１３を備え、回路基板３０の一方の
面に実装される。回路基板３０の他方の面には前述の検
出回路を構成するオペアンプＯＰＩ等の素子が実装され
ている。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。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。

而して、第１図乃至第４図に示した回転角度センサを備
えた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６図に示すレバー５が
駆動されシャフト２が軸受４回りを回動し、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。しかも、本実施例に用
いられる回転角度センサは上述のように周囲温度による
誤差を抑えることができるので、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。

［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、検出素子を
構成する磁気抵抗素子と同一材料の磁気抵抗素子を基板
に付着し検出素子に近接して配置すると共に定電流回路
に接続した温度補償抵抗素子を設けることとしたので、
特段の調整を要することなく周囲の温度変化による出力
変動を確実に抑え、安定した検出精度を確保することが
できる。しかも、温度補償抵抗素子は回転角度検出用磁
気抵抗素子と同時に形成することができるので、製造が
容易であり安価な回転角度センサを提供することができ
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構成図、
第２図は同、回転角度センサの斜視図、第３図は同、検
出回路のブロック図、第４図は同、検出回路の電気回路
図、第５図の（ａ）及び（ｂ）は同、定電流回路用の分
割抵抗の他の実施例を示す回路図、第６図は本発明の一
実施例に係る回転角度センサを内蔵したスロットルボジ
ションセンサの縦断面図、第７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である
。 ２・・・シャフト、　　　１０・・・磁気センサ。 １１・・・素子基板、　　　　　１２・・・検出素子。 １３・・・温度補償抵抗素子、２０・・・磁石部材。 ２１・・・永久磁石、　　　　　３０・・・回路基板。 ４０・・・ブリッジ回路、　　　４１・・・定電流回路
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の板面に付着した複数の磁気抵抗素子を接続
   しブリッジ回路を構成して成る検出素子と、該検出素子
   に接続し定電流を供給する定電流回路を備え、前記検出
   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
   、前記検出素子を構成する磁気抵抗素子と同一材料の磁
   気抵抗素子を基板の板面に付着し前記検出素子に近接し
   て配置すると共に前記定電流回路に接続して成る温度補
   償抵抗素子を備え、該温度補償抵抗素子の周囲温度変化
   に伴なう抵抗値変化に応じて前記定電流回路の供給電流
   を調整するようにしたことを特徴とする回転角度センサ
   。
2. （２）前記定電流回路が演算増幅器を備え、該演算増幅
   器の帰還回路に前記検出素子を接続し、当該演算増幅器
   に対する基準電圧設定用の接地側分割抵抗として前記温
   度補償抵抗素子を接続したことを特徴とする請求項１記
   載の回転角度センサ。