JPH0618213A - 位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一つのＡ／Ｄコンバータを用いて、検出範囲
毎に異なる所望の分解能のデジタル値を得ることのでき
る位置センサを提供する。 【構成】 ホール素子２１を用いてスロットル開度を磁
気的に検出するセンサにおいて、ホール素子２１からの
出力電圧を増幅特性の異なる２つの増幅回路５５，５７
により増幅し、各増幅回路５５，５７から出力される電
圧信号Ｖ1，Ｖ2を減算回路５９に入力して、その電圧差
（Ｖ1−Ｖ2）をとることにより、スロットル開度に対し
て非線形な検出信号ＶS が得られるようにする。この回
路では、増幅回路５５，５７の増幅特性によりセンサの
検出特性を任意に設定でき、例えばスロットル低開度領
域のみ高分解能なＡ／Ｄ変換結果が得られるようにす
る、といったことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の直線変位や
回転変位を検出する位置センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、抵抗体の両端に電圧を加え、
その抵抗体の上を被測定物と連結されたブラシ等で摺動
して被測定物の変位を電気的に検出するポテンショメー
タや、例えば特開平２−１２２２０５号公報に開示され
ているように、被測定物に磁石を設け、磁石が発生する
磁界強度や磁界方向から被測定物の変位を検出する磁気
式センサ等、種々の位置センサが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来の位置センサは、検出信号として、被測定物の位
置に対して、直線状或は正弦波状に変化する、線形な検
出信号を出力するようにされていたため、被測定物をデ
ジタル制御するために検出信号をＡ／Ｄ変換すると、そ
のＡ／Ｄ変換結果は、位置センサの全検出範囲において
一律或は線形関数の微分に比例した分解能を持つことと
なる。

【０００４】このため、例えば、特定の検出範囲におい
てのみ高分解能なＡ／Ｄ変換結果が必要な場合であって
も、位置センサの全検出範囲で高分解能なＡ／Ｄ変換結
果を得ることのできるＡ／Ｄコンバータを用いる必要が
あった。また、高分解能なＡ／Ｄ変換結果が必要な検出
範囲とそれ以外の検出範囲とで使用するＡ／Ｄコンバー
タを変更するようにすれば、特定の検出範囲においての
み高分解能なＡ／Ｄ変換結果が得られるようにすること
ができるが、この場合には複数のＡ／Ｄコンバータが必
要となる。

【０００５】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
ので、一つのＡ／Ｄコンバータを用いて、検出範囲毎に
異なる所望の分解能のデジタル値を得ることのできる位
置センサを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項１に記載の位置センサは、被測定物
の位置を検出し、該検出位置に対応した電圧信号を発生
する位置検出手段と、該位置検出手段からの電圧信号
を、検出位置に対して予め設定された非線形な電圧信号
に変換し、該電圧信号を被測定物の位置を表す検出信号
として外部に出力する信号処理回路とを備えたことを特
徴としている。

【０００７】また請求項２に記載の位置センサは、請求
項１に記載の信号処理回路が、入力電圧に対する増幅特
性が異なり、上記位置検出手段からの電圧信号を各々増
幅する複数の増幅回路と、該複数の増幅回路にて増幅さ
れた電圧信号を加算又は減算する演算回路とを備えたこ
とを特徴としている。

【０００８】また次に請求項３に記載の位置センサは、
請求項１又は請求項２に記載の位置センサ位置センサ
に、更に、周囲温度を検出し、該温度に応じた電圧信号
を外部に出力する温度信号出力手段を設けたことを特徴
としている。

【０００９】

【作用及び発明の効果】上記のように構成された請求項
１に記載の位置センサにおいては、信号処理回路が、位
置検出手段から出力される被測定物の位置に対応した電
圧信号を、検出位置に対して予め設定された非線形な電
圧信号に変換し、その電圧信号を被測定物の位置を表す
検出信号として外部に出力する。

【００１０】このため請求項１に記載の位置センサによ
れば、例えば被測定物が所定の検出領域にある状態で
は、被測定物の変位量に対して検出信号が大きく変化
し、被測定物が所定の検出領域から外れるに従い、被測
定物の変位量に対して検出信号の変化が小さくなる、と
いうように、信号処理回路の電圧信号の変換特性によ
り、被測定物の位置に応じて所望の変化特性で非線形に
変化する検出信号を得ることができる。

【００１１】従って、被測定物の特定の検出領域で高分
解能のＡ／Ｄ変換結果が必要な場合には、その検出領域
における被測定物の変位量に対して検出信号が大きく変
化するようにしておくことにより、高分解能のＡ／Ｄコ
ンバータを用いることなく、一つのＡ／Ｄコンバータを
用いて、所望の分解能のＡ／Ｄ変換結果を得ることがで
きるようになる。このため、当該位置センサからの検出
信号を受けて各種制御を行なう制御装置の構成を簡素化
できる。

【００１２】また請求項２に記載の位置センサにおいて
は、入力電圧に対する増幅特性が異なる複数の増幅回路
が、位置検出手段から出力される電圧信号を、夫々増幅
し、演算回路が、その増幅された複数の電圧信号を加算
又は減算することにより、位置検出手段から出力される
電圧信号を、被測定物の検出位置に対して非線形な電圧
信号に変換する。このため、各増幅回路の増幅特性の組
み合せにより、検出信号の検出位置に対する非線形特性
を自由に設定することができ、また使用する増幅回路の
数を多くすればするほど、検出信号の非線形特性を滑ら
かにすることができる。

【００１３】また更に請求項３に記載の位置センサにお
いては、上記請求項１又は請求項２に記載の位置センサ
のように、検出位置に対して非線形な電圧信号を出力す
るだけでなく、温度信号出力手段が、周囲温度に応じた
電圧信号を外部に出力する。このため、当該位置センサ
からの検出信号を受けて各種制御を行なう制御装置側で
は、この温度信号出力手段からの電圧信号により被測定
物の周囲温度を知ることができ、温度検出用のセンサを
新たに設ける必要がなく、これによっても制御装置の構
成を簡素化できる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面と共に説明す
る。まず図３〜図５を用いて、本発明が適用された、自
動車の内燃機関のスロットルバルブの開度（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の構成に
ついて説明する。

【００１５】なお、図３は本実施例のスロットルポジシ
ョンセンサの内部構成を表す断面図、図４は図３におけ
るＡ−Ｂ−Ｃ−Ａ線に沿った断面図、図５はスロットル
ポジションセンサの底面図である。図３〜図５に示す如
く、本実施例のスロットルポジションセンサは、樹脂製
で中空のハウジング１を備えている。ハウジング１の中
心部には、ベアリング３が埋設されており、このベアリ
ング３には、磁性材からなる中空のロータ５が回転自在
に設けられている。またロータ５の図３に示す下端部に
は、スロットルバルブの回転を受けるレバー７が固設さ
れており、このレバー７とハウジング１との間にはコイ
ルバネ９が設けられている。

【００１６】図５に示す如く、このコイルバネ９の両端
にはフック部９ａ、９ｂが形成されており、これら各フ
ック部９ａ，９ｂは、夫々、ハウジング１に形成された
突起部１ａ及びレバー７に形成された溝部７ａに係止さ
れている。この結果、コイルバネ９は、スロットルバル
ブに連動して回動するレバー７とロータ５とをスロット
ルバルブの閉方向（矢印Ｘ方向）に付勢する。

【００１７】一方、ロータ５の図３における上端外周部
にはワッシャ１０が固設されており、このワッシャ１０
とベアリング３の図３における上端外周部との間には、
ウェーブ状の弾性のあるワッシャ１１が設けられてい
る。つまり、このワッシャ１１により、図３に示すＺ方
向のガタが発生しないようにされている。

【００１８】またロータ５の内周部には、円弧形状で、
一方の磁石面から対向する磁石面方向に磁路を形成する
ように着磁された、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の希土類からな
る一対の永久磁石１５，１６が、磁力及び接着により固
定されている。次に永久磁石１５，１６の図３における
上方には、４個の貫通コンデンサ１７がはんだ等により
電気的に接続固定され、中央に穴部２０ａが形成され、
周囲にハウジング１への取付穴が形成された非磁性の導
電材からなるケース２０が配設されている。

【００１９】またこのケース２０の更に上方には、ホー
ル素子２１，各種回路素子２３，及び４個のターミナル
２４が実装され、且つホール素子２１を収納しているホ
ルダ２５が固定されたプリント基板２７が配設されてい
る。そしてこれらケース２０及びプリント基板２７は、
スクリュ２９にてハウジング１に固定されている。な
お、ホルダ２５は、ホール素子２１のプリント基板２７
への固定及び位置決めを行うためのものである。

【００２０】またこのようにホール素子２１は、ホルダ
２５を介してプリント基板２７に位置決め固定されるた
め、ホール素子２１の位置は、上記構成により、ハウジ
ング１，プリント基板２７及びホルダ２５の各々の寸法
・精度によって決定されるが、本実施例では、ホール素
子２１は、ロータ５の回転軸上で永久磁石１５，１６の
中心がホール素子２１のチップ中心となり、ロータ５の
回転軸と直交する磁界を感磁する位置にあるように設計
されている。

【００２１】次にハウジング１のコネクタ部３１には、
ケース２０に固定された４個の貫通コンデンサ１７を介
して、プリント基板２７に実装された４個のターミナル
２４に夫々接続された４個のコネクタターミナル３２が
設けられており、このコネクタターミナル３２により、
プリント基板２７に実装された各種回路素子２３に外部
から電源供給を行ない回路素子２３を動作させると共
に、この動作によって得られる検出信号を外部に取り出
すことが可能となる。

【００２２】また上記プリント基板２７の図３における
上方のハウジング開口部１ｂには、ゴムパッキン３４が
設けられ、更にその上に磁性材のカバー３５を設けて、
ハウジング開口部１ｂの周縁を熱かしめすることによ
り、これら各部が固定されている。またプリント基板２
７の図３における上方には、ヒューミシールのような防
湿剤３６が充てん又は塗布され、ゴムパッキン３４によ
り密閉された内部を湿気から保護するようにされてい
る。また図４に示す如く、ハウジング１の外側の、ロー
タ５の回転軸を中心として対称な２ヶ所には、ブッシュ
３８が埋没された相手取付部１ｃが形成されている。

【００２３】このように構成された本実施例のスロット
ルポジションセンサにおいては、レバー７が、内燃機関
のスロットルバルブの回転軸に連結され、その回転に伴
いロータ５が回転する。するとこの回転に伴い永久磁石
１５，１６が、ホール素子２１の周りを回転するため、
ホール素子２１の感磁面に対する磁界方向が図６（ａ）
に示すように変化する。

【００２４】この結果、ホール素子２１からの出力ＶH
は、次式(1) の如く変化し、 ＶH ＝ＶA ・ｓｉｎθ …(1) 図６（ｂ）に示す如く、ロータ５が−９０°から＋９０
°へ回転する間に、−ＶA から＋ＶA へと正弦波上を連
続的に変化する、線形な電圧信号となる。

【００２５】次にこうした出力特性が得られるホール素
子２１を動作させて、検出信号を取り出すためのセンサ
回路は、プリント基板２７に形成された回路パターンと
プリント基板に実装された回路素子２３とにより、図１
に示す如く構成されている。図１に示す如く、センサ回
路は、上記４個のコネクタターミナル３２の内、外部か
ら電源電圧ＶCCが供給される端子Ｔ1 と接地端子Ｔ4 と
の間に接続されて、周囲温度に応じた図７に示す基準電
圧ＶT を発生する、正の温度特性を有する感温抵抗器を
備えた温度補償回路５１と、温度補償回路５１から出力
される基準電圧ＶT によりホール素子２１を定電流駆動
するための演算増幅器ＯＰ１と抵抗器Ｒ１とからなる駆
動回路５３と、ホール素子２１から出力される電圧信号
ＶH を夫々増幅する２個の増幅回路５５，５７と、増幅
回路５５及び５７から出力される電圧信号Ｖ1 ，Ｖ2 の
差（Ｖ1−Ｖ2）をとり、その差電圧ＶS をロータ５の回
転角度（即ち、スロットル開度）を表す検出信号とし
て、４個のコネクタターミナル３２の一つである端子Ｔ
3 から外部に出力する減算回路５９と、温度補償回路５
１から出力される正の温度特性を有する基準電圧ＶT を
温度検出信号として４個のコネクタターミナル３２の一
つである端子Ｔ2 から外部に出力するバッファ回路６１
とから構成されている。

【００２６】また増幅回路５５は、ホール素子２１から
出力される電圧信号ＶH をそのまま増幅して、ロータ５
の回転角度に応じた図２（ａ）に示す電圧信号Ｖ1 を出
力するように構成され、増幅回路５７は、ホール素子２
１から出力される電圧信号ＶH が反転して入力されるこ
とにより、電圧信号ＶH が小さい程大きく、ロータ５の
回転角度が所定開度θ1 以上となって電圧信号ＶH が所
定レベルを越えると飽和して所定の低レベルとなる、図
２（ａ）に示す電圧信号Ｖ2 を出力するように構成され
ている。

【００２７】本実施例のスロットルポジションセンサに
おいては、減算回路５９の動作によって、これら各増幅
回路５５及び５７から出力される電圧信号Ｖ1 ，Ｖ2 の
差（Ｖ1−Ｖ2）をロータ５の回転角度を表す検出信号Ｖ
S として出力するため、その検出信号ＶS は、図２
（ｂ）に示す如く、ロータ５の回転角度がθ1 以下の低
回転角領域では、ロータ５の回転角度に対する変化が大
きく、ロータ５の回転角度がθ1 を越えて最大開度θ2
になるまでの高回転角領域では、ロータ５の回転角度に
対する変化が小さい、非線形な特性となる。

【００２８】このため本実施例のスロットルポジション
センサは、スロットルバルブの低開度領域（０＜θ＜θ
1）では検出感度が大きく、スロットルバルブの高開度
領域（θ1＜θ＜θ2）では検出感度が小さいものとな
り、図１に示す如く、このセンサ出力（検出信号）ＶS
をそのままＡ／Ｄコンバータ７０に入力すれば、スロッ
トルバルブの低開度領域では高分解能で、スロットルバ
ルブの高開度領域では低分解能な、Ａ／Ｄ変換結果を得
ることができるようになる。

【００２９】従って、従来のように、スロットルバルブ
の低開度領域で高分解能なＡ／Ｄ変換結果を得るため
に、高分解能のＡ／Ｄコンバータを用いる必要はなく、
通常のＡ／Ｄコンバータを一つ用いるだけで、スロット
ルバルブの低開度領域のみ高分解能なＡ／Ｄ変換結果を
得ることが可能となる。

【００３０】また、本実施例のスロットルポジションセ
ンサには、検出信号ＶS の温度補償を行なうための温度
補償回路５１が備えられており、この温度補償回路５１
から出力される基準電圧ＶT を温度検出信号として外部
に出力するようにされている。

【００３１】このため、本実施例のスロットルポジショ
ンセンサからの検出信号ＶS を受けてエンジン制御等を
行なう制御装置側では、この温度検出信号ＶT によりセ
ンサ温度を知ることができ、センサ温度或はスロットル
バルブ周囲の温度を検出するために、他の温度センサを
設ける必要がなく、制御装置の構成を簡素化できる。

【００３２】なお、本実施例では、ホール素子２１が本
発明の位置検出手段に相当し、増幅回路５５，５７及び
減算回路５９が本発明の信号処理回路に相当し、温度補
償回路５１及びバッファ回路６１が温度信号出力手段に
相当する。ここで、上記実施例では、スロットルバルブ
の低開度領域（０＜θ＜θ1）での検出感度を大きくす
るために、増幅回路５５を、ホール素子２１から出力さ
れる電圧信号ＶH をそのまま増幅し、増幅回路５７を、
ホール素子２１から出力される電圧信号ＶH を反転増幅
して、電圧信号ＶH が所定レベルを越えると飽和するよ
うに構成したが、例えば、各増幅回路５５，５７の出力
特性を図８（ａ）に示す如く設定すれば、図８（ｂ）に
示す如く、ロータ５の回転角度がθ1 以下の低回転角領
域では、ロータ５の回転角度の増加に伴い検出信号ＶS
が除々に低下し、ロータ５の回転角度がθ1 を越えて最
大開度θ2 になるまでの高回転角領域では、ロータ５の
回転角度の増加に伴い検出信号ＶS が急激に低下するよ
うにすることもできる。

【００３３】また、上記実施例では、異なる増幅特性を
有する２個の増幅回路５５，５７を用いて、ロータ５の
回転角度（即ちスロットル開度）に対して非線形な検出
信号ＶS を得るようにしたが、例えば、図９に示す如
く、センサ回路内に、図１０（ａ）に示す如き増幅特性
を有するｎ個の増幅回路Ａ1 〜Ａn を設け、これら各増
幅回路Ａ1 〜Ａn から出力される電圧信号Ｖ1 〜Ｖn
を、(n-1) 個の減算回路Ｂ1〜Ｂn-1を用いて、図１０
（ｂ），（ｃ）に示す如く、順次減算するようにすれ
ば、ロータ５の回転角度，即ちスロットル開度に対して
滑らかに変化する、図１０（ｄ）に示す如き検出信号Ｖ
S が得られるようにすることができる。

【００３４】また更に、上記実施例では、増幅回路５
５，５７から出力される電圧信号Ｖ1，Ｖ2 を、減算回
路５９を用いて減算することにより、ロータ５の回転角
度（即ちスロットル開度）に対して非線形な検出信号Ｖ
S を得るようにしたが、減算回路５９の代わりに、加算
回路を用いて、ロータ５の回転角度（即ちスロットル開
度）に対して非線形な検出信号ＶS が得られるようにす
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のセンサ回路の構成を表す回路構成図で
ある。

【図２】センサ回路内の増幅回路の増幅特性及びセンサ
回路からの検出信号の出力特性を表す線図である。

【図３】実施例のスロットルポジションセンサの全体構
成を表す断面図である。

【図４】図３におけるＡ−Ｂ−Ｃ−Ａ線に沿った断面図
である。

【図５】実施例のスロットルポジションセンサの底面図
である。

【図６】ホール素子２１と永久磁石１５，１６との配置
及びホール素子の出力特性を表す説明図である。

【図７】センサ回路内の温度補償回路から出力される基
準電圧ＶT を表す線図である。

【図８】センサ回路内の増幅回路の増幅特性及びセンサ
回路からの検出信号の出力特性の他の例を表す線図であ
る。

【図９】ｎ個の増幅回路を備えたセンサ回路の構成を表
す回路構成図である。

【図１０】図９に示したセンサ回路の動作及びセンサ回
路から出力される検出信号の特性を説明する説明図であ
る。

【符号の説明】

５…ロータ １５，１６…永久磁石 ２１…ホール
素子 ２７…プリント基板 ５１…温度補償回路 ５３…
駆動回路 ５５，５７…増幅回路 ５９…減算回路 ６１…バ
ッファ回路 ７０…Ａ／Ｄコンバータ Ａ1〜Ａn…増幅回路 Ｂ
1〜Ｂn…減算回路

フロントページの続き (72)発明者 田坂 仁志 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の位置を検出し、該検出位置に
   対応した電圧信号を発生する位置検出手段と、 該位置検出手段からの電圧信号を、検出位置に対して予
   め設定された非線形な電圧信号に変換し、該電圧信号を
   被測定物の位置を表す検出信号として外部に出力する信
   号処理回路と、 を備えたことを特徴とする位置センサ。
2. 【請求項２】 信号処理回路が、入力電圧に対する増幅
   特性が異なり、上記位置検出手段からの電圧信号を各々
   増幅する複数の増幅回路と、 該複数の増幅回路にて増幅された電圧信号を加算又は減
   算する演算回路と、 を備えたことを特徴とする請求項１に記載の位置セン
   サ。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の位置セン
   サに、更に、周囲温度を検出し、該温度に応じた電圧信
   号を外部に出力する温度信号出力手段を設けたことを特
   徴とする位置センサ。