JPH06273108A - 回転角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強磁性磁気抵抗素子を有する無接触型の回転
角度センサにおいて、バイアス磁界を印加する磁石部材
により強磁性磁気抵抗素子に対し適切な平行磁界を形成
し安定した出力特性を確保する。 【構成】 強磁性磁気抵抗素子（１２）を含む磁界を形
成する第１の磁石部材（２０）をシャフト（２）の端部
に装着する。また、強磁性磁気抵抗素子（１２）に対し
バイアス磁界を印加する第２の磁石部材（１３）を、第
１の磁石部材（２０）を囲繞すると共に、シャフト
（２）の所定の回転範囲において第１の磁石部材（２
０）に対し常に所定の回転方向に付勢する磁力が生ずる
位置に配設する。而して、強磁性磁気抵抗素子（１２）
に対するシャフト（２）の回転に伴う磁束変化によりシ
ャフト（２）の回転角度を検出し、シャフト（２）は第
１及び第２の磁石部材間の磁力によって初期位置に戻
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、特に強磁性磁気抵抗素
子を用いた無接触型の回転角度センサに係る。

【０００２】

【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。

【０００３】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６２−２３７３０２号公報に記載のように、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。

【０００４】更に、バイアスマグネットを備えた検出素
子が知られており、強磁性磁気抵抗素子にバイアス磁界
を加えることにより良好なリニアリティを確保すること
ができる。例えば、実開昭６３−１９３８６６号公報に
は、センサ部に作用する被検出体からの磁界に対し所定
の方向にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段
を設け、被検出体からの磁界とバイアス磁界との合成磁
界の方向変化を利用して被検出体の変位方向を検出する
磁気センサが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載の磁気
センサにおいて、強磁性磁気抵抗素子の位置での、バイ
アス磁界印加手段たる永久磁石の磁界と被検出体の永久
磁石の磁界による磁束密度の比が変化すると、両永久磁
石の合成磁界の磁束の方向が変化するため、被検出体の
変位（回転角度）が同じでも強磁性磁気抵抗素子の抵抗
値変化率が変動し、検出結果が異なるものとなる。即
ち、被検出体及びバイアス磁界印加手段として永久磁石
を用いた場合、強磁性磁気抵抗素子の位置での各永久磁
石の磁界による磁束密度が変化すれば、被検出体の変位
が一定であっても、強磁性磁気抵抗素子の抵抗値変化率
が変動する。

【０００６】従って、バイアス磁界を印加する永久磁石
の基板への装着位置が異なれば磁気センサの検出結果が
異なることとなり、バイアス磁界用の永久磁石の強磁性
磁気抵抗素子に対する相対的位置精度は出力特性に大き
く影響する。バイアス磁界用の永久磁石は、例えば上記
実開昭６３−１９３８６６号公報に記載のように、強磁
性磁気抵抗素子等が表面に付着形成された基板の背面
に、接着剤によって固定されている。しかも、基板に対
する永久磁石の装着位置の設定に当っては、一般的に基
板の外形が基準とされているため、基板製造時の外形の
公差（数十μｍ）がそのまま装着位置の誤差となる。こ
のため、永久磁石の装着位置を設定するときの誤差と、
接着剤凝固時の誤差が重畳され、十分な位置精度が得ら
れず強磁性磁気抵抗素子に対して平行磁界を形成するこ
とが困難である。

【０００７】そこで、本発明は強磁性磁気抵抗素子を有
する無接触型の回転角度センサにおいて、バイアス磁界
を印加する磁石部材により強磁性磁気抵抗素子に対し適
切な平行磁界を形成し安定した出力特性を確保すること
を目的とする。

【０００８】

【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、強磁性磁気抵抗素子と、該強磁性磁気抵
抗素子に対して相対的に回転するシャフトと、該シャフ
トの端部に装着し前記強磁性磁気抵抗素子を含む磁界を
形成する第１の磁石部材と、前記強磁性磁気抵抗素子に
対してバイアス磁界を印加する第２の磁石部材とを備
え、前記強磁性磁気抵抗素子に対する前記シャフトの回
転に伴う磁束変化により前記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、前記第１の磁石部材を囲
繞するように前記第２の磁石部材を配設すると共に、前
記シャフトの回転方向における前記第１の磁石部材に対
する前記第２の磁石部材の相対位置を、前記シャフトの
所定の回転範囲において前記第１の磁石部材に対し常に
所定の回転方向に付勢する磁力が生ずる位置に配設する
こととしたものである。

【０００９】

【作用】上記の構成になる回転角度センサにおいては、
シャフトが回転すると、第１の磁石部材が強磁性磁気抵
抗素子に対して相対的に回転する。この相対的な回転に
応じ、強磁性磁気抵抗素子に対してこれを含む平行磁束
の磁界が変化するので抵抗値が変化し、シャフトの回転
に応じた信号が出力される。このとき、強磁性磁気抵抗
素子には第２の磁石部材によりバイアス磁界が印加され
ているので、第１の磁石部材の磁界との合成磁界が形成
され、シャフトの回転角度に応じた出力特性は、広範囲
のリニアリティを有するものとなる。

【００１０】この場合において、第２の磁石部材は、第
１の磁石部材を囲繞すると共に、シャフトの所定の回転
範囲（例えば９０°）において、第１の磁石部材に対し
常に所定の回転方向に付勢する磁力が生ずる相対位置に
配設されているので、第２の磁石部材によって強磁性磁
気抵抗素子に対し適切な平行磁界が形成されると共に、
第１の磁石部材に対し常に所定の回転方向に付勢する磁
力が生じている。而して、バイアス磁界の強磁性磁気抵
抗素子に対する相対位置変化に起因する誤差は小さく抑
えられ、所期の出力特性が得られる。また、シャフトの
所定の回転範囲において第１の磁石部材に対して常に所
定の回転方向（例えば初期位置方向）に付勢する磁力が
生ずるので、シャフトに対する回転力が除かれるとこの
磁力によって初期位置に戻される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の回転角度センサを内燃機関の
スロットルポジションセンサに適用した実施例について
図面を参照して説明する。電子制御燃料噴射装置を搭載
した内燃機関においては、スロットルポジションセンサ
が装着され、その出力信号が燃料噴射制御等に供されて
いる。このスロットルポジションセンサはスロットルバ
ルブシャフトに連結され、通常、スロットルバルブ開度
（以下、スロットル開度という）に応じて変化するスロ
ットル開度信号と、アイドル域か出力域かによりオンオ
フするアイドル信号が出力される。このスロットルポジ
ションセンサとして、無接触型の回転角度センサが用い
られている。

【００１２】図１は本発明の一実施例に係るスロットル
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、例えば常磁
性体の軸受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。

【００１３】シャフト２は、回転軸部２ｃと、その一端
部に一体的に形成された鍔部２ａ及び係止部２ｂを有
し、これらの鍔部２ａ及び係止部２ｂに、本発明にいう
第１の磁石部材たるロータマグネット２０が装着され、
ハウジング３の凹部３ｂ内に収容されている。即ち、シ
ャフト２の一端部の先端には溝を介して鍔部２ａに連結
された係止部２ｂが形成されており、この係止部２ｂを
鋳ぐるむようにプラスチックマグネットで形成された円
筒状のロータマグネット２０が設けられている。尚、ロ
ータマグネット２０の平面形状は円形に限らず、正方形
等どのような形状であってもよい。而して、ロータマグ
ネット２０をシャフト２の軸心に適切に取付けることが
でき、ロータマグネット２０回りに磁界が形成される。
この場合において、シャフト２が強磁性体で形成されて
おり、ロータマグネット２０は鍔部２ａ及び係止部２ｂ
に装着されているので、プラスチックマグネット単体を
シャフト端部に接合した場合に比し大型とすることな
く、後述するように所定の磁界を形成することができ
る。

【００１４】そして、ロータマグネット２０に対向する
ように磁気センサ１０が配設されている。本実施例の磁
気センサ１０は、矩形の素子基板１１を有し、その一方
の面に帯状のＮｉ−Ｃｏ合金等の薄膜強磁性合金から成
る強磁性磁気抵抗素子１２（以下、単に磁気抵抗素子１
２という）が付着されている。尚、素子基板１１の形状
は矩形に限らず、どのような形状であってもよいが、ロ
ータマグネット２０は、磁気抵抗素子１２を含む平行磁
束の磁界を形成するため、図１に示すように、磁気抵抗
素子１２より大きな直径を有するように形成される。

【００１５】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、図３に示すようなパタ
ーン形状に形成されている。即ち、磁気抵抗素子１２の
パターン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、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１２ｄが
形成されている。端子１２ａ，１２ｂは所謂電流端子
で、端子１２ａは電源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。

【００１６】図１に示すように、素子基板１１の他方の
面には本発明にいう第２の磁石部材たるバイアスマグネ
ット１３がロータマグネット２０を囲繞するように配設
され、例えば接着剤によって固定されている。また、磁
気抵抗素子１２はロータマグネット２０より小さく、バ
イアスマグネット１３の中心近傍に配設されているの
で、バイアスマグネット１３による磁界は磁気抵抗素子
１２を含む平行な磁界となる。尚、バイアスマグネット
１３はプラスチックマグネットで形成することとしても
よい。

【００１７】図２はロータマグネット２０とバイアスマ
グネット１３の関係を示す平面図であり、両マグネット
の極性は図示した関係にある。ロータマグネット２０は
レバー５によって初期位置の全閉位置ＦＣから、約９０
°反時計方向に回転した全開位置ＦＯまで、図２に矢印
で示す反時計方向に回転駆動される。一方、ロータマグ
ネット２０が全開位置ＦＯに回転駆動された状態では、
バイアスマグネット１３に対し極性が同じ部分が近接す
ることになり、図中白抜矢印で示したように磁力が働
き、ロータマグネット２０が所定位置のバイアスマグネ
ット１３に対して時計方向に回転するように付勢されて
いる。

【００１８】而して、図示しないスロットルバルブの開
作動に伴い、スロットルシャフトに連動するレバー５が
ロータマグネット２０とバイアスマグネット１３との間
の磁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。レバー５が開放されロータマグネット
２０が自由状態とされると、バイアスマグネット１３と
の間で作用する磁力によって時計方向に回動し全閉位置
ＦＣに戻る。このようにロータマグネット２０（及びシ
ャフト２）は磁力によって初期位置たる全閉位置ＦＣに
復帰し得るので、従前のリターンスプリングが不要であ
り、軽量且つ安価に構成することができる。

【００１９】磁気センサ１０はハイブリッドＩＣ基板３
０（以下、単にＩＣ基板３０という）に実装され、その
端部には複数のターミナル７が接続されている。ターミ
ナル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。ＩＣ基板３０はハウジング３の凹部３ｂ内に収容さ
れ、この凹部３ｂはゴム製のシール部材１９を介して強
磁性体のカバー９により密閉されている。尚、ＩＣ基板
３０には磁気センサ１０の出力信号を処理する検出回路
素子等が実装されているが、周知であるので説明は省略
する。そして、磁気センサ１０は図１に示すように、Ｉ
Ｃ基板３０の一方の面に付着される。尚、この後ＩＣ基
板３０全体を合成樹脂によりモールドすることとしても
よい。而して、磁気抵抗素子１２にはロータマグネット
２０とバイアスマグネット１３の両マグネットの合成磁
界が印加されるところとなる。

【００２０】上記の構成になる本実施例のスロットルポ
ジションセンサ１において、図示しないスロットルバル
ブに連動して図１に示すレバー５が駆動されシャフト２
が軸受４内で回動する。このシャフト２の回動に伴いロ
ータマグネット２０による磁界も回転し、磁気抵抗素子
１２に対してこれを含む平行磁束の磁界の方向が変化す
る。即ち、ロータマグネット２０の磁界とバイアスマグ
ネット１３のバイアス磁界との合成磁界の方向が変化す
る。而して、異方性磁気抵抗効果により磁気抵抗素子１
２の抵抗値Ｒ１乃至Ｒ４が変化し、磁気センサ１０から
シャフト２の回転に応じた信号が出力され、シャフト２
の回転角に対する磁気センサ１０の出力特性は、広範囲
のリニアリティを有する特性となる。

【００２１】本実施例においては、バイアスマグネット
１３によって磁気抵抗素子１２に対し安定した平行磁界
が形成される。図４及び図５は本実施例のバイアスマグ
ネット１３及び従来のバイアスマグネット１３ｐによっ
て形成される磁界の磁束分布を示すもので、本実施例で
は図４に示すように磁気抵抗素子１２はバイアスマグネ
ット１３に対し平面視で中心に位置し、正面視でバイア
スマグネット１３の一方の端面上に位置している。これ
に対し、従来の磁気抵抗素子１２は、これより面積が小
さい矩形のバイアスマグネット１３ｐの下方に平行に位
置している。従って、従来のシャフト２の軸と直交する
方向（Ｙ−Ｙ方向）の磁束分布は図５に示すように磁気
抵抗素子１２の中心部と周縁部との磁束の差が大であ
る。本実施例におけるシャフト２の軸と直交する方向
（Ｙ−Ｙ方向）の磁束分布は図４に示すとおりであり、
同一のΔＹに対する磁束変化幅は従来に比し小さくなっ
ており、従って軸方向の誤差が小さく適切な平行磁界が
形成されている。

【００２２】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で以下に記載の効果を奏する。即ち、本発明の回転角度
センサにおいては、第２の磁石部材は、第１の磁石部材
を囲繞すると共に、シャフトの所定の回転範囲において
第１の磁石部材に対し常に所定の回転方向に付勢する磁
力が生ずる相対位置に配設されているので、第２の磁石
部材により強磁性磁気抵抗素子に対し適切な平行磁界が
形成され、安定した出力特性が得られる。また、第１の
磁石部材に対して所定の回転方向に付勢する磁力が生じ
ており、シャフトに対する回転が除かれるとこの磁力に
よって例えば初期位置に戻されるので、リターンスプリ
ングが不要であり、軽量且つ安価となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転角度センサの一実施例に係るスロ
ットルポジションセンサの縦断面図である。

【図２】本発明の一実施例におけるロータマグネットと
バイアスマグネットとの関係を示す平面図である。

【図３】本発明の一実施例に用いられる磁気センサの平
面図である。

【図４】本発明の一実施例における磁気抵抗素子に対す
るバイアスマグネットによる磁束分布を示す説明図であ
る。

【図５】従来の磁気抵抗素子に対するバイアスマグネッ
トによる磁束分布を示す説明図である。

【符号の説明】

１ スロットルポジションセンサ（回転角度センサ） ２ シャフト １０ 磁気センサ １１ 素子基板 １２ 強磁性磁気抵抗素子 １３ バイアスマグネット（第２の磁石部材） ２０ ロータマグネット（第１の磁石部材） ３０ ハイブリットＩＣ基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強磁性磁気抵抗素子と、該強磁性磁気抵
   抗素子に対して相対的に回転するシャフトと、該シャフ
   トの端部に装着し前記強磁性磁気抵抗素子を含む磁界を
   形成する第１の磁石部材と、前記強磁性磁気抵抗素子に
   対してバイアス磁界を印加する第２の磁石部材とを備
   え、前記強磁性磁気抵抗素子に対する前記シャフトの回
   転に伴う磁束変化により前記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、前記第１の磁石部材を囲
   繞するように前記第２の磁石部材を配設すると共に、前
   記シャフトの回転方向における前記第１の磁石部材に対
   する前記第２の磁石部材の相対位置を、前記シャフトの
   所定の回転範囲において前記第１の磁石部材に対し常に
   所定の回転方向に付勢する磁力が生ずる位置に配設した
   ことを特徴とする回転角度センサ。