JPH07286808A - 位置検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度に対して特性の変動の少ない、即ち検出
位置の精度の高い位置検出装置の提供を目的とするもの
である。 【構成】 磁気抵抗体１４を備えた絶縁基板１３と、前
記磁気抵抗体と一定距離を於いて付設された永久磁石２
と、前記磁気抵抗体に対してバイアス磁界を与え、しか
も前記永久磁石と対向して付設されたバイアス用磁石４
と、前記永久磁石を取り付けた軸１と、該軸を前記永久
磁石が内部に収納できるように移動可能に取り付けられ
るケース６とから構成され、さらに前記磁気抵抗体が半
導体磁気抵抗体であり、前記磁気抵抗体の抵抗変化を出
力として取り出すために、磁界は前記磁気抵抗体に流れ
る電流に対して垂直に印加され、また永久磁石の磁束密
度に対するバイアス用磁石の磁束密度の比が、約１／２
から約１である位置検出センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軸の回転角度、物体の
直線移動量などの位置の検出に使用される位置検出装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、軸の回転角度、物体の直線移動量
などの位置の検出に摺動式抵抗器が用いられてきたが、
摺動部の磨耗、汚れによって特性変動やノイズ発生等の
問題がある。この問題の解決のために、磁気抵抗素子を
用いた位置検出装置がある（特開平５−２３１８１２号
公報）。このような位置検出装置は、位置検出に関して
非接触機構を採用している。しかしながら、特開平５−
２３１８１２号公報に開示される磁気抵抗素子（強磁性
磁気抵抗素子）は、温度に対して特性の変動が大きいた
めに、検出位置の精度に問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記状況を鑑みて、温度に対して特性の変動の少ない、即
ち検出位置の精度の高い位置検出装置の提供を課題とす
るものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１は、磁気抵抗体を備えた絶縁基板と、前記
抵抗体に電源印加するための電源印加手段と、前記磁気
抵抗体から出力を取り出すための出力取り出し手段と、
前記磁気抵抗体のアースとなるＧＮＤ手段と、前記磁気
抵抗体と対向して付設された永久磁石と、前記磁気抵抗
体に対してバイアス磁界を与え、しかも前記永久磁石と
対向して付設されたバイアス用磁石と、前記永久磁石を
取り付けた軸と、該軸を前記永久磁石が内部に収納でき
るように移動可能に取り付けられるケースとから構成さ
れ、さらに前記磁気抵抗体が半導体磁気抵抗体であり、
前記磁気抵抗体の抵抗変化を出力として取り出すため
に、磁界は前記磁気抵抗体に流れる電流に対して垂直に
印加され、また永久磁石の磁束密度に対するバイアス用
磁石の磁束密度の比が、約１／２から約１であることを
特徴とする位置検出センサを採用するものであり、請求
項２は、また、永久磁石及びバイアス用磁石は、前記永
久磁石を取り付けた軸の中心軸と平行な方向に磁化され
ており、前記永久磁石及び前記バイアス用磁石は互いに
異なる磁極が対向するように配置されていることを特徴
とする請求項１記載の位置検出センサを採用するもので
あり、そしてさらに請求項３は、磁気抵抗体の電子移動
度が１００００cm²/V.S 以上であることを特徴とする請
求項１記載の位置検出センサを採用するものである。

【０００５】

【作用】周囲温度Ｔ（Ｋ）での位置検出センサの位置、
例えば回転角度θと出力電圧Ｖ _OUT （θ、Ｔ）との関係
は次式で表現することが出来る。周囲温度Ｔ（Ｋ）、位
置検出センサの位置、例えば回転角度θの時の前記磁気
抵抗体１４の、前記電源電極１５−前記出力電極１６間
の抵抗をＲ₁ （θ、Ｔ），前記出力電極１６−前記ＧＮ
Ｄ電極１７間の抵抗をＲ₂ （θ、Ｔ）とする。尚、回転
角度θは、前記永久磁石２が、完全に前記ＧＮＤ電極１
７側に有る状態（図１（ｂ）は、この例である）をθ＝
Ｆ．Ｓ（フルスケール、以下Ｆ．Ｓと略す）、完全に前
記電源電極１５側に有る状態をθ＝−Ｆ．Ｓ、そして両
者の中間位置（中点位置）、即ち前記電源電極１５の上
に前記永久磁石２が位置する時をθ＝０とする。

【０００６】

【数１】 ここで、Ｖ_CCは、前記電源電極１５−前記ＧＮＤ電極１
７間に印加された電圧である。

【０００７】上記の如き構成とすることによって、特に
請求項１では、

【０００８】

【数２】α・μ² （Ｔ）・Ｂ₁ ²（θ）≫１

【０００９】

【数３】 α・μ² （Ｔ）・｛Ｂ₁ ²（θ）＋Ｂ₂ ²（θ）｝≫２ が、成立するような構成となり、出力の温度変動量を低
減できる。但し、μ（Ｔ）は、周囲温度Ｔ（Ｋ）におけ
る電子移動度、αは、磁気抵抗体の形状に依存する形状
係数（＞０） Ｂ₁ （θ）、Ｂ₂ （θ）は、永久磁石がθ位置にあると
きの電源印加手段／出力取り出し手段の間の、出力取り
出し手段／ＧＮＤ手段の間の各々の磁束密度である。そ
のため、周囲温度に対する出力変動を低減できる。また
請求項２の採用によって、即ち永久磁石及びバイアス用
磁石は、前記永久磁石を取り付けた軸の中心軸と平行な
方向に磁化されており、前記永久磁石及び前記バイアス
用磁石は互いに異なる磁極が対向するように配置したこ
とで効率的に出力を取り出すことが出来る。更に、請求
項３の採用によって、即ち磁気抵抗体の電子移動度が１
００００cm²/V.S 以上としたことから一層周囲温度に対
する出力変動を低減でき、検出位置の精度の高くするこ
とができる。

【００１０】

【発明の効果】上記の如き作用によって、温度に対して
特性の変動の少ない、即ち検出位置精度の高い位置検出
装置の提供を課題とするものである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の詳細について、図に示した一
例を参照しながら、説明する。図１は、本発明の実施例
である位置検出センサを説明するための図である。図１
（ａ）は、位置検出センサの断面を記した図であり、図
１（ｂ）は、角度検出部の位置関係の概略を記した図で
ある。

【００１２】図において、１は回転軸、２は永久磁石、
３は磁気抵抗素子、４はバイアス用磁石、５は軸取り付
け金具、６はケース、７は電源端子、８は出力端子、９
はＧＮＤ端子、１０，１１，１２はリード線である。こ
こで、前記磁気抵抗素子３は、絶縁体基板１３の表面に
半導体磁気抵抗体１４と電源電極１５と出力電極１６と
ＧＮＤ電極１７とから構成されている。

【００１３】合成樹脂などからなる前記ケース６に、前
記軸取り付け金具５を介して、前記回転軸１が回動自在
に支持されている。前記軸取り付け金具５は軸受けなど
である。そして、前記回転軸１の前記ケース６外部側の
一端が、位置が検出されるべき装置に取り付けられる。
また、前記回転軸１の他端には、半月状の前記永久磁石
２が固着され、前記ケース６の内部に収納されている。
前記永久磁石２は、前記回転軸１の先端部に固着され、
前記回転軸１と一体化されて回転する。そして、前記磁
気抵抗素子３は、前記磁気抵抗体１４を配した側を前記
永久磁石２に対向して付設されている（前記永久磁石２
及び前記バイアス用磁石４は、共に前記回転軸１の回転
の軸と平行な方向に磁化されており、前記永久磁石２及
び前記バイアス用磁石４は、異なる磁極、即ちＮ極とＳ
極が対向するように配置されている。また、前記磁気抵
抗体１４の抵抗変化を出力として取り出すために、磁界
は半導体磁気抵抗体１４に流れる電流に対して垂直に印
加される。）。

【００１４】前記磁気抵抗素子３は、矩形、正方形また
は略正方形、或いは円形状の前記絶縁体基板１３と、該
基板１３上に、一部切り欠き１９のあるリング状（帯
状）に設けられたＩｎＳｂ，またはＩｎＡｓ等の移動度
の高い（１００００cm²/V.S 以上）半導体（或いは１０
０００cm²/V.S 以上の移動度を有したＩｎＳｂ，または
ＩｎＡｓ等をベースとする半導体でもよい）からなる前
記磁気抵抗体１４と、該抵抗体と結合して設けられたＡ
ｕ−Ｇｅ，またはＰｔ−Ｇｅ等の材料からなる前記電源
電極１５と前記出力電極１６と前記ＧＮＤ電極１７とか
ら構成されている。また、前記磁気抵抗体１４の前記切
り欠き１９に対して、前記電源電極１５と前記ＧＮＤ電
極１７とが設けられ、また前記磁気抵抗体１４の適当な
位置に前記出力電極１６が設けられている（例えば、前
記磁気抵抗体１４の中点位置）。前記磁気抵抗体１４
は、単結晶または多結晶から必要形状に切り出され、或
いは蒸着等により薄膜形成され、或いはプリント印刷等
により厚膜形成されている。そして、前記磁気抵抗素子
３は、前記永久磁石２との位置関係で、前記バイアス用
磁石４が前記磁気抵抗素子３に対してバイアス磁場とな
るような極性に配置されて前記バイアス用磁石４に付設
固定されて、前記ケース６に備えられている。そして、
前記電源電極１５と前記出力電極１６と前記ＧＮＤ電極
１７は、それぞれ前記リード線１０、１１、１２を介し
て、前記電源端子７と前記出力端子８と前記ＧＮＤ端子
９に結合され、前記電源端子７と前記出力端子８と前記
ＧＮＤ端子９を前記ケース６に備えることで出力を取り
出すことが出来る。

【００１５】さて、本発明者らは、従来の問題点につい
て鋭意検討して、上記構成を発明したのであるが、その
理由を以下に示す。ここで、まず上記構成から、バイア
ス磁場を発生する構成を取り除いた場合を考える。周囲
温度Ｔ（Ｋ）での位置検出センサの位置、例えば回転角
度θと出力電圧Ｖ _OUT （θ、Ｔ）との関係は次式で表現
することが出来る。

【００１６】周囲温度Ｔ（Ｋ）、位置検出センサの位
置、例えば回転角度θの時の前記磁気抵抗体１４の、前
記電源電極１５−前記出力電極１６間の抵抗値をＲ
₁ （θ、Ｔ）、前記出力電極１６−前記ＧＮＤ電極１７
間の抵抗値をＲ₂ （θ、Ｔ）とする。尚、回転角度θ
は、前記永久磁石２が、完全に前記ＧＮＤ電極１７側に
有る状態（図１（ｂ）は、この例である）をθ＝Ｆ．Ｓ
（フルスケール、以下Ｆ．Ｓと略す）、完全に前記電源
電極１５側に有る状態をθ＝−Ｆ．Ｓ、そして両者の中
間位置（中点位置）、即ち前記出力電極１６の上に前記
永久磁石２が位置する時をθ＝０とする。

【００１７】

【数４】 ここで、Ｖ_CCは、前記電源電極１５−前記ＧＮＤ電極１
７間に印加された電圧である。

【００１８】また、周囲温度Ｔ（Ｋ）において、磁束密
度Ｂの磁場が印加された時の磁気抵抗体の抵抗変化率Ｋ
（Ｂ，Ｔ）は、次式で表される。

【００１９】

【数５】 ここで、Ｒ（Ｂ，Ｔ）は、周囲温度Ｔ（Ｋ）において、
磁束密度Ｂの磁場が印加された時の磁気抵抗体の抵抗
値、Ｒ（０，Ｔ）は、周囲温度Ｔ（Ｋ）において、磁束
密度Ｂ＝０の磁場が印加された時の磁気抵抗体の抵抗
値、μ（Ｔ）は、周囲温度Ｔ（Ｋ）における電子移動
度、αは、磁気抵抗体の形状に依存する形状係数（＞
０）である。

【００２０】また、前記永久磁石２が、完全に前記ＧＮ
Ｄ電極１７側に有る状態（図１（ｂ）は、この例であ
る）をθ＝Ｆ．Ｓ（フルスケール、以下Ｆ．Ｓと略
す）、完全に前記電源電極１５側に有る状態をθ＝−
Ｆ．Ｓ、そして両者の中間位置（中点位置）としたこと
から、前記電源電極１５−前記出力電極１６間及び前記
出力電極１６−前記ＧＮＤ電極１７間のそれぞれの抵抗
温度特性並びに磁気抵抗特性は、等しいとすることが出
来る。従って、

【００２１】

【数６】Ｒ₁ （θ、Ｔ）＝｛１＋α・μ² （Ｔ）・Ｂ₁ ²
（θ）｝・Ｒ（０，Ｔ）

【００２２】

【数７】Ｒ₂ （θ、Ｔ）＝｛１＋α・μ² （Ｔ）・Ｂ₂ ²
（θ）｝・Ｒ（０，Ｔ） よって、Ｖ_OUT （θ、Ｔ）は，

【００２３】

【数８】 ここで、周囲温度Ｔに対する出力変動は、Ｖ_OUT （θ、
Ｔ）をＴに関して微分すれば求めることが出来る。

【００２４】

【数９】 ここで、電子の移動度が格子散乱によって支配されてい
る場合は、

【００２５】

【数１０】 となり、電子の移動度がイオン化不純物散乱によって支
配されている場合には、

【００２６】

【数１１】 となるが、位置検出センサが使用される通常の温度下で
は、電子の移動度が格子散乱によって支配されている。
また、磁束密度の温度依存性は、電子の移動度の影響に
対して小さいことから

【００２７】

【数１２】 としている。

【００２８】また、θ＝０の時、

【００２９】

【数１３】Ｂ₁ （０）＝Ｂ₂ （０） とできる。従って、

【００３０】

【数１４】 即ち、θ＝０の場合のＶ_OUT （０、Ｔ）は、周囲温度に
関係なく一定となる。

【００３１】また、

【００３２】

【数１５】 において、

【００３３】

【数１６】α・μ² （Ｔ）・Ｂ₁ ²（θ）≫１

【００３４】

【数１７】 α・μ² （Ｔ）・｛Ｂ₁ ²（θ）＋Ｂ₂ ²（θ）｝≫２ が、成立するような構成とすれば、

【００３５】

【数１８】 とすることが出来る。これより、出力Ｖ_OUT （θ、Ｔ）
の温度変動は、極めて小さくなるはずである。

【００３６】

【数１９】α・μ² （Ｔ）・Ｂ₁ ²（θ）≫１

【００３７】

【数２０】 α・μ² （Ｔ）・｛Ｂ₁ ²（θ）＋Ｂ₂ ²（θ）｝≫２ が、成立するような構成について、種々検討した結果、
上記の本発明の構成のように、バイアス用磁石４を設
け、かつ電子の移動度の高い（１００００cm²/V.S以
上）半導体磁気抵抗体１４とすることで出力Ｖ
_OUT （θ、Ｔ）の温度変動を大幅に低減させることが出
来る。尚、θ＝Ｆ．Ｓ、Ｔ＝２９８Ｋとすれば、前記永
久磁石２の磁束密度に対する前記バイアス用磁石４の磁
束密度の比が、約１／２から約１であれば

【００３８】

【数２１】 α・μ² （Ｔ）・Ｂ₂ ²（θ）＝４．６６（本発明） 前記永久磁石２の磁束密度に対する前記バイアス用磁石
４の磁束密度の比が、約１／２から約１で無い場合、

【００３９】

【数２２】α・μ² （Ｔ）・Ｂ₂ ²（θ）＝１．１６ であり、本願発明に対して「前記永久磁石２の磁束密度
と前記バイアス用磁石４の磁束密度の比が約１／２から
約１であること」は、必須である。本発明品と従来技術
を対比して、以下に実験結果を記す。

【００４０】図２は、出力温度変動を記したグラフであ
る。図２（ａ）は、θ＝Ｆ．Ｓの場合の出力温度変動で
ある。横軸は、周囲温度、縦軸は、Ｔ＝２７８Ｋにおけ
る出力を基準とした場合の出力電圧の変動量を角度換算
した値である。従来技術における位置検出センサの出力
は、−３０℃〜１２０℃（２４３Ｋ〜３９３Ｋ）の温度
変化による出力変動幅は、角度換算した値で３２°であ
るのに対し、本発明では１°にまで低減されている。ま
た、図２（ｂ）は、θ＝０の場合の出力温度変動であ
る。この場合は、従来技術による出力変動幅は、２°と
小さいが、本発明では、従来技術による出力変動幅の１
／２にまで低減されている。図２（ｃ）は、θ＝−１／
２Ｆ．Ｓの場合の出力温度変動である。従来技術による
出力変動幅は、１２°であるのに対して、本発明では
０．７°にまで低減されている。以上より本発明が従来
技術に対して出力温度変動が小さくなるのは明らかであ
る。

【００４１】図３は、本願発明の他の実施例である。上
記例との構成上の違いは、バイアス用磁石に対向して配
置された永久磁石の運動が回転でなく、並進運動である
点にある。そのため、ケース６に設けられた溝６’に沿
って、軸取り付け金具５によってケース６に固定された
軸１８の先端に付設された永久磁石２が移動できるよう
になっている（尚、図３には、電源印加手段は、電源端
子、出力端子、リード線、電源電極、出力電極であり、
電源電極、出力電極、ＧＮＤ電極は省略され、記載され
ていない）。このような例においても、上記例と同様の
効果を有していることは、言うまでもないことである。

【００４２】尚、上記実施例中、電源印加手段は、電源
端子、出力端子、リード線、電源電極、出力電極であ
り、出力取り出し手段は、出力端子、ＧＮＤ端子リード
線、出力電極、ＧＮＤ電極である。又、以上において、
数式表現、例えば、Ｂ₁ ²（θ）は、

【００４３】

【数２３】Ｂ₁ ²（θ）＝｛Ｂ₁ （θ）｝² である。他の数式表現においても同様である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本実施例の一例である位置検出セン
サの断面を記した図である。（ｂ）は、本実施例の一例
である位置検出センサの角度検出部の位置関係の概略を
上から見て記した図である。

【図２】（ａ）は、θ＝Ｆ．Ｓの場合の位置検出センサ
の出力温度変動を記したグラフである。（ｂ）は、θ＝
０の場合の位置検出センサの出力温度変動を記したグラ
フである。（ｃ）は、θ＝−１／２Ｆ．Ｓの場合の位置
検出センサの出力温度変動を記したグラフである。

【図３】本実施例の他の実施例である位置検出センサの
断面を記した図である。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ 永久磁石 ３ 磁気抵抗素子 ４ バイアス用磁石 ５ 軸取り付け金具 ６ ケース ６’溝 ７ 電源端子 ８ 出力端子 ９ ＧＮＤ端子 １０ リード線 １１ リード線 １２ リード線 １３ 絶縁体基板 １４ 磁気抵抗体 １５ 電源電極 １６ 出力電極 １７ ＧＮＤ電極 １８ 軸 １９ 切り欠き

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気抵抗体を備えた絶縁基板と、前記抵
   抗体に電源印加するための電源印加手段と、前記磁気抵
   抗体から出力を取り出すための出力取り出し手段と、前
   記磁気抵抗体のアースとなるＧＮＤ手段と、前記磁気抵
   抗体と対向して付設された永久磁石と、前記磁気抵抗体
   に対してバイアス磁界を与え、しかも前記永久磁石と対
   向して付設されたバイアス用磁石と、前記永久磁石を取
   り付けた軸と、該軸を前記永久磁石が内部に収納できる
   ように移動可能に取り付けられるケースとから構成さ
   れ、さらに前記磁気抵抗体が半導体磁気抵抗体であり、
   前記磁気抵抗体の抵抗変化を出力として取り出すため
   に、磁界は前記磁気抵抗体に流れる電流に対して垂直に
   印加され、また永久磁石の磁束密度に対するバイアス用
   磁石の磁束密度の比が、約１／２から約１であることを
   特徴とする位置検出センサ。
2. 【請求項２】 永久磁石及びバイアス用磁石は、前記永
   久磁石を取り付けた軸の中心軸と平行な方向に磁化され
   ており、前記永久磁石及び前記バイアス用磁石は互いに
   異なる磁極が対向するように配置されていることを特徴
   とする請求項１記載の位置検出センサ。
3. 【請求項３】 磁気抵抗体の電子移動度が１００００cm
   ²/V.S 以上であることを特徴とする請求項１記載の位置
   検出センサ。