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【発明の名称】 回転角検出装置
【発明者】 【氏名】中村 勉

【氏名】石原 稔久

【氏名】濱岡 孝
【要約】 【課題】磁気検出素子を用いた回転角検出装置において、回転角に対する磁気検出素子の出力変化特性を広い範囲で任意に設定できるようにする。

【解決手段】円筒ヨーク１１の内周部の所定位置に磁石１２を固定する。この磁石１２と円筒ヨーク１１との間に生じる磁界の中に、ロータに固定された磁気検出素子１３を配置し、この磁気検出素子１３の位置をロータの回転中心Ｐから所定寸法ｒずらす。この磁気検出素子１３は、強磁性薄膜磁気抵抗素子を用い、該素子の出力が飽和する強度の磁界を与える。これにより、磁気検出素子１３は、温度変化による磁界強度の変化の影響を受けずに、磁束の検出角度θs のみに依存した出力を発生する。この場合、磁気検出素子１３の回転半径ｒ及び／又は円筒ヨーク１１の半径Ｒを任意に設定することで、磁気検出素子１３の出力変化特性を直線、上に凸の曲線、下に凸の曲線のいずれにも設定できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一方向に着磁された磁石と、この磁石との間に磁界を生じさせるヨークと、前記磁界の中に配置した磁気検出素子とを備え、ロータと非回転部位のいずれか一方に、前記磁石及び前記ヨークを固定し、他方に前記磁気検出素子を固定し、被検出物の回転に連動させて前記ロータを回転させることで、前記磁気検出素子の出力信号に基づいて前記被検出物の回転角を検出する回転角検出装置であって、前記磁気検出素子を前記ロータの回転中心からずらした位置に配置したことを特徴とする回転角検出装置。
【請求項２】 一方向に着磁された磁石と、この磁石との間に磁界を生じさせるヨークと、前記磁界の中に配置した磁気検出素子とを備え、ロータと非回転部位のいずれか一方に、前記磁石を固定し、他方に前記ヨーク及び前記磁気検出素子を固定し、被検出物の回転に連動させて前記ロータを回転させることで、前記磁気検出素子の出力信号に基づいて前記被検出物の回転角を検出する回転角検出装置であって、前記磁気検出素子を前記ロータの回転中心からずらした位置に配置したことを特徴とする回転角検出装置。
【請求項３】 前記ヨークの形状は、円筒又は楕円筒、或はそれらの一部であり、前記磁石の片極が該ヨークの中心方向を向くように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角検出装置。
【請求項４】 前記ヨークには、前記磁石の反対側の極が接していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転角検出装置。
【請求項５】 前記磁気検出素子が検出する磁束の角度θs と前記ロータの回転角θm との関係がθs ＜θm となるように前記磁気検出素子の回転中心からのずれ量及び／又は前記ヨークの曲率半径を設定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転角検出装置。
【請求項６】 前記ロータの回転角θm に対する前記磁気検出素子の出力変化特性が直線になるように前記磁気検出素子の回転中心からのずれ量及び／又は前記ヨークの曲率半径を設定したことを特徴とする請求項５に記載の回転角検出装置。
【請求項７】 前記ロータの回転角θm に対する前記磁気検出素子の出力変化特性が上に凸の曲線になるように前記磁気検出素子の回転中心からのずれ量及び／又は前記ヨークの曲率半径を設定したことを特徴とする請求項５に記載の回転角検出装置。
【請求項８】 前記ロータの回転角θm に対する前記磁気検出素子の出力変化特性が下に凸の曲線になるように前記磁気検出素子の回転中心からのずれ量及び／又は前記ヨークの曲率半径を設定したことを特徴とする請求項５に記載の回転角検出装置。
【請求項９】 前記磁気検出素子は、強磁性薄膜磁気抵抗素子により構成され、該素子の出力が飽和する強度の磁界を前記磁石によって生じさせることで、該素子に鎖交する磁束の角度に応じた出力を発生することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の回転角検出装置。
【請求項１０】 前記ロータの回転中心を中心とする同一の円周上に前記磁気検出素子が複数個配置されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の回転角検出装置。
【請求項１１】 被検出物の回転に伴って磁界又は複数の磁気検出素子を回転させ、その回転によって変化する前記複数の磁気検出素子の出力信号に基づいて前記被検出物の回転角を検出する回転角検出装置であって、前記複数の磁気検出素子は、出力変化特性が直線となる回転角の範囲が各磁気検出素子毎に異なるように配置され、回転角に応じて各磁気検出素子の直線領域の出力を選択して出力する出力切換手段が設けられていることを特徴とする回転角検出装置。
【請求項１２】 前記出力切換手段で切り換えられた各磁気検出素子の出力が一直線につながるように各磁気検出素子の出力に対するオフセット量と増幅率の少なくとも一方を調整する出力調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の回転角検出装置。
【請求項１３】 前記出力切換手段は、前記各磁気検出素子の出力を積算し、その積算値に基づいて各磁気検出素子の出力を切り換える位置を判定することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の回転角検出装置。
【請求項１４】 一方向に着磁された磁石とヨークとの間に生じさせた磁界の中に前記複数の磁気検出素子を配置すると共に、ロータと非回転部位のいずれか一方に前記磁石を固定し、他方に前記複数の磁気検出素子を固定し、且つ、前記複数の磁気検出素子を前記ロータの回転中心からずらした位置に配置したことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の回転角検出装置。
【請求項１５】 被検出物の回転に伴って磁石又は磁気検出素子を回転させ、その回転によって変化する前記磁気検出素子の出力信号に基づいて前記被検出物の回転角を検出する回転角検出装置であって、検出精度が最も要求される回転角又はその付近で前記磁気検出素子の出力がゼロとなるように前記磁石と前記磁気検出素子が配置されていることを特徴とする回転角検出装置。
【請求項１６】 回転角検出装置の出力変化特性を要求出力変化特性に一致させるように前記磁気検出素子の出力を増幅し且つオフセットして出力する出力調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１５に記載の回転角検出装置。
【請求項１７】 一方向に着磁された磁石とヨークとの間に生じさせた磁界の中に前記磁気検出素子を配置すると共に、ロータと非回転部位のいずれか一方に前記磁石を固定し、他方に前記磁気検出素子を固定し、且つ、前記磁気検出素子を前記ロータの回転中心からずらした位置に配置したことを特徴とすることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の回転角検出装置。
【請求項１８】 前記被検出物はスロットルバルブであり、前記磁気検出素子の出力信号に基づいてスロットル開度を検出することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の回転角検出装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気検出素子を用いて被検出物の回転角を検出する回転角検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この種の回転角検出装置においては、例えば、特開昭６１−７５２１３号公報（図２２参照）に示すように、円筒形の磁石１を、その内部に平行磁界を作るように着磁すると共に、この磁石１の中心部に磁気検出素子２を配置し、被検出物の回転によって磁石１（平行磁界）を回転させることで、磁気検出素子２に鎖交する磁束量を変化させ、その磁束量に応じて、磁気検出素子２の出力信号が変化することで、磁気検出素子２の出力信号から被検出物の回転角θm を検出するようにしたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このように、磁気検出素子２の出力信号から被検出物の回転角θm を検出する場合、回転角θm の検出範囲を広くするには、回転角θm に対する磁気検出素子２の出力変化特性をできるだけ広い範囲で直線（リニア）にする必要がある。
【０００４】しかし、前記従来構成では、磁気検出素子２に対して平行磁界を回転させるため、回転角θm が大きくなるに従って、磁気検出素子２に鎖交する磁束量が三角関数的に減少し、その結果、回転角θm に対する磁気検出素子２の出力変化特性が直線から外れ、三角関数的に曲がってしまうことになる［図８（ａ）参照］。このため、前記従来構成では、回転角θm の狭い範囲で、疑似直線的な出力が得られるだけであり、回転角θm に対する磁気検出素子２の出力変化特性が悪く、回転角θm の検出可能範囲が狭いという欠点があった。
【０００５】本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、回転角に対する磁気検出素子の出力変化特性を広い範囲で任意に設定でき、回転角の検出特性を向上できる回転角検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の請求項１の回転角検出装置は、磁石とヨークとの間に磁界を発生させ、この磁界の中に配置する磁気検出素子の位置をロータの回転中心からずらした構成としたものである。このように、磁気検出素子の位置をロータの回転中心からずらすと、磁気検出素子に鎖交する磁束の角度とロータの回転角との関係が変化し、この変化を利用することで、回転角に対する磁気検出素子の出力変化特性を広い範囲で任意に設定することが可能となり、回転角の検出特性を向上できる。
【０００７】尚、請求項１では、ヨークを磁石と同じ側（ロータ又は非回転部位）に固定して、ヨークを磁石と一体的に回転又は非回転状態を維持するようにしたが、請求項２のように、ヨークを磁気検出素子と同じ側（ロータ又は非回転部位）に固定して、ヨークを磁気検出素子と一体的に回転又は非回転状態を維持するようにしても良い。例えば、ヨークの形状が円筒形等であれば、ヨークが回転しても回転しなくても、ヨークの内側の磁界の分布に影響を与えない。このため、ロータの回転に伴って磁石と磁気検出素子との相対的位置関係が変化すれば、ヨークの回転・非回転を問わず、回転角に応じて磁気検出素子に対する磁界の向きが変化し、磁気検出素子の出力から回転角を検出することができる。
【０００８】この場合、請求項３のように、ヨークの形状を、円筒又は楕円筒、或はそれらの一部とし、磁石の片極が該ヨークの中心方向を向くように配置しても良い。このようにすれば、磁石とヨークとの間に生じる磁界の分布（方向・強さ）が、磁石とヨークの中心とを結ぶ中心線に関して対称となると共に、磁気検出素子の出力を確保するのに必要な強さの磁界を広い回転角の範囲に分布させることができる。
【０００９】また、請求項４のように、磁石の反対側の極をヨークに接触させるようにすると良い。このようにすれば、磁石の反対側の極がヨークから離れている場合と比較して、磁気回路の磁気抵抗が小さくなり、その分、磁界強度の増加（又は磁石の小型化）が可能となる。
【００１０】また、請求項５のように、磁気検出素子が検出する磁束の角度θs とロータ回転角θm との関係がθs ＜θm となるように、磁気検出素子の回転中心からのずれ量及び／又はヨークの曲率半径を設定することが好ましい。このようにすれば、ロータ回転角θm の変化に対して磁束の検出角度θs の変化を小さくすることができる。その結果、従来では磁気検出素子の出力が非線形領域に達するロータ回転角θm の大きい領域でも、磁束の検出角度θs が線形領域内に収まり、磁気検出素子の出力の直線性（線形性）が広い範囲で確保される。
【００１１】この場合、ロータ回転角θm に対する磁気検出素子の出力変化特性は、ロータ回転角θm と磁束の検出角度θs との関係によって任意に設定でき、ロータ回転角θm と磁束の検出角度θs との関係は、磁気検出素子の回転中心からのずれ量ｒ及び／又はヨークの曲率半径Ｒによって任意に設定できる。この関係から、ロータ回転角θm に対する磁気検出素子の出力変化特性は、磁気検出素子の回転中心からのずれ量ｒ及び／又はヨークの曲率半径Ｒによって任意に設定できる。
【００１２】一般的には、請求項６のように、ロータ回転角θm に対する磁気検出素子の出力変化特性が直線になるように設定することが好ましいが、非線形の出力が要求される場合には、請求項７，８のように、磁気検出素子の出力変化特性が上に凸の曲線又は下に凸の曲線になるように設定しても良い。このように、本発明では、磁気検出素子の回転中心からのずれ量ｒ及び／又はヨークの曲率半径Ｒを任意に設定することで、磁気検出素子の出力変化特性を広い範囲で任意に設定できる利点がある。
【００１３】また、磁気検出素子は、例えばホール素子、半導体磁気抵抗素子等を用いても良いが、請求項９のように、強磁性薄膜磁気抵抗素子を用いて、該素子の出力が飽和する強度の磁界を磁石によって生じさせるようにすると良い。強磁性薄膜磁気抵抗素子は、出力が飽和する飽和磁界以上の磁界強度であれば、磁束の角度θs のみに依存した出力を発生するようになる。この飽和領域では、磁石の温度変化によって磁界強度が変化しても、その磁界強度の変化の影響を受けずに磁束の角度θs を精度良く直接検出することができ、磁石の温度変化による磁界強度の変化を補正する必要がなくなる。
【００１４】また、請求項１０のように、ロータの回転中心を中心とする同一の円周上に磁気検出素子を複数個配置しても良い。このようにすれば、複数の磁気検出素子で検出した磁束の角度θs を互いに比較して異常がないか否かを確認しながらロータ回転角θm を検出することができる。
【００１５】また、請求項１１のように、複数の磁気検出素子を、出力変化特性が直線となる回転角の範囲が各磁気検出素子毎に異なるように配置し、回転角に応じて各磁気検出素子の直線領域の出力を出力切換手段によって選択して出力するようにしても良い。このように、異なる位置に配置された複数の磁気検出素子の直線領域の出力を選択すれば、磁気検出素子が１個の場合と比較して回転角検出装置の出力変化特性が直線となる回転角の範囲（検出角度範囲）を飛躍的に拡大することができる。
【００１６】この場合、請求項１２のように、出力切換手段で切り換えられた各磁気検出素子の出力が一直線につながるように各磁気検出素子の出力に対するオフセット量と増幅率の少なくとも一方を出力調整手段によって調整するようにすると良い。このようにすれば、全検出角度範囲で回転角検出装置の出力と回転角との関係を１つの一次関数で表すことができるため、各磁気検出素子の出力を切り換えても、回転角検出装置の出力を回転角に換算する定数を切り換える必要がなく、回転角検出装置の出力から回転角への換算が容易となる。
【００１７】ところで、各磁気検出素子の出力は回転角に応じて波状に変化するため、請求項１１に係る発明のように、検出角度範囲が広くなると、１つの磁気検出素子の出力が２か所の回転角で同一になる。このため、１つの磁気検出素子の出力のみでは、各磁気検出素子の出力の切換位置を誤判定するおそれがある。
【００１８】この対策として、請求項１３のように、各磁気検出素子の出力を積算し、その積算値に基づいて各磁気検出素子の出力を切り換える位置を判定するようにすると良い。このようにすれば、各磁気検出素子の出力の切換位置を簡単且つ精度良く判定することができる。
【００１９】尚、上記請求項１１〜１３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明と組み合わせて実施するようにしても良い（請求項１４）。これにより、出力変化特性が直線となる回転角の範囲（検出角度範囲）を更に拡大することができる。
【００２０】ところで、磁気検出素子を用いた回転角検出装置は、磁気検出素子の出力がゼロとなる付近で検出精度が最も良くなる。この理由は、磁気検出素子の出力がゼロとなる位置は、出力の直線領域の中心点であり、直線性が最も優れ、しかも、磁気検出素子の出力がゼロであれば、磁気検出素子の温度特性の影響が最も小さくなるためである。
【００２１】この特性に着目し、請求項１５のように、検出精度が最も要求される回転角又はその付近で磁気検出素子の出力がゼロとなるように磁石と磁気検出素子を配置すると良い。このようにすれば、検出精度が最も要求される回転角領域において、磁気検出素子の温度特性の影響を最も小さくすることができ、回転角の検出精度を向上することができる。
【００２２】この場合、請求項１６のように、回転角検出装置の出力変化特性を要求出力変化特性に一致させるように磁気検出素子の出力を出力調整手段によって増幅し且つオフセットして出力するようにすると良い。このようにすれば、回転角検出装置の最終的な出力変化特性を、該回転角検出装置を接続する外部の制御回路の仕様に合わせることができ、外部の制御回路の仕様を変更する必要がない。
【００２３】尚、上記請求項１５，１６に係る発明は、請求項１又は２に係る発明と組み合わせて実施するようにしても良い（請求項１７）。これにより、磁気検出素子の温度特性の影響を少なくしながら、出力変化特性が直線となる回転角の範囲（検出角度範囲）を拡大することができる。
【００２４】以上説明した各請求項１〜１７に係る発明は、種々の回転体の回転角検出装置に適用でき、例えば、請求項１８のように、スロットル開度を検出するスロットル開度検出装置に適用しても良い。本発明の回転角検出装置は、スロットル開度の動作範囲を検出範囲として十分にカバーすることができ、スロットル開度の検出精度を向上することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態（１）を図１乃至図１２に基づいて説明する。まず、図１に基づいて回転角検出装置の構造を説明する。ヨーク１１は、パーマロイ、鉄等の磁性材料により円筒状に形成されている。この円筒ヨーク１１の内周部の所定位置には、例えばフェライト磁石等の磁石１２が固定されている。この磁石１２は、円筒ヨーク１１の径方向に着磁され、例えばＳ極が円筒ヨーク１１の中心Ｐの方向を向き、Ｎ極が円筒ヨーク１１に接している。尚、磁石１２のＳ極とＮ極の位置は図１とは反対にしても良い。磁石１２の厚みは、円筒ヨーク１１の内径Ｒよりも薄く形成され、磁石１２と円筒ヨーク１１の中心Ｐとの間には十分な空間が確保されている。磁石１２と円筒ヨーク１１は、ハウジング等の非回転部位（図示せず）に固定され、円筒ヨーク１１は、被検出物に連結されたロータ（図示せず）と同軸状に配置されている。
【００２６】磁石１２と円筒ヨーク１１との間に生じる磁界の中に、ロータに固定された磁気検出素子１３が配置されている。この磁気検出素子１３の位置は、ロータの回転中心Ｐ（円筒ヨーク１１の中心）から所定寸法ｒだけ離れている。この磁気検出素子１３は、例えば図３に示すように強磁性薄膜磁気抵抗素子１３ａのブリッジ回路により構成され、該素子１３ａの出力が飽和する強度の磁界が与えられている。これにより、磁気検出素子１３は、磁界の強度に関係なく、図４に示すように、磁束の検出角度θs のみに依存した出力を発生する。
【００２７】尚、磁気検出素子１３は、強磁性薄膜磁気抵抗素子に限定されず、ホール素子や半導体磁気抵抗素子等、一方向からの磁界の強度に応じた出力を発生する磁気検出素子を用いても良い。これらの素子を使う場合は、強磁性薄膜磁気抵抗素子と違って磁束の角度を直接検出できないので、２つの素子を直角に配置し、各素子の出力の比によって磁束の角度を算出すれば良い。
【００２８】次に、磁石１２と円筒ヨーク１１との間に発生する磁界の分布について説明する。磁石１２の片極（Ｓ極）から出た磁束は円筒ヨーク１１に向かって広がる。磁石１２はロータの回転中心Ｐ（円筒ヨーク１１の中心）から離れた位置に配置されているため、図５に示すように、磁気検出素子１３の回転軌跡上（回転中心Ｐを中心とする半径ｒの円周上）の磁界の角度θj は、ロータ回転角θm よりも小さくなる。このロータ回転角θm と磁界の角度θj との関係をグラフに表すと図６のようになる。以下の説明では、磁石１２の中心と回転中心Ｐとを結ぶ直線上の位置をロータ回転角θm ＝０°として説明する。
【００２９】次に、ロータを回転させて、その回転中心Ｐを中心とする半径ｒの円周上で磁気検出素子１３を回転させた時の磁気検出素子１３の出力変化特性を考察する。磁気検出素子１３が強磁性薄膜磁気抵抗素子の場合は、鎖交する磁束の角度θsに応じて、ｓｉｎ２θs に比例した出力が得られる。この磁気検出素子１３を半径ｒの円周上で回転させると、その回転角θm に応じて磁気検出素子１３の向きも回転角θm だけ回転する。その結果、磁気検出素子１３が実際に検出する磁束の角度θs は、磁気検出素子１３の回転角θm から磁界角度θj を差し引いた値（θm −θj ）となる。これにより、ロータ回転角θm と磁束検出角度θs との関係は、図７に示すグラフのようになり、磁束検出角度θs はロータ回転角θmよりも小さくなる。これが磁気検出素子１３の出力の直線性を向上させるための第１のポイントとなる。尚、図６、図７の例では、ロータ回転角θm 、磁界角度θj 、磁束検出角度θs の大小関係は次のようになっている。
ロータ回転角θm ＞磁界角度θj ＞磁束検出角度θs【００３０】前述したように、磁気検出素子１３の出力は、ｓｉｎ２θs に比例するため、図４に示すように、磁束検出角度θs ＝０°の時に、磁気検出素子１３の出力振幅値が０となり、０°＜θs ＜４５°の範囲では、磁束検出角度θs が大きくなるに従って、磁気検出素子１３の出力振幅値が徐々に大きくなり、磁束検出角度θs ＝４５°の時に、磁気検出素子１３の出力振幅値が最大となる。
【００３１】図２２に示す従来構造のものは、ロータ回転角θm ＝磁束検出角度θs であり、磁気検出素子１３の出力が三角関数（ｓｉｎ２θm ）に比例する曲線となるため、図８（ａ）に示すように、ロータ回転角θm の狭い範囲で、疑似直線的な出力が得られるだけであり、ロータ回転角θm に対する磁気検出素子２の出力変化特性が悪く、ロータ回転角θm の検出可能範囲が狭いという欠点があった。
【００３２】これに対し、本実施形態では、前述したように、磁束検出角度θs がロータ回転角θm よりも小さくなり（第１のポイント）、しかも、後述する理由により、磁気検出素子１３の出力波形自体の直線性を改善できるため（第２のポイント）、従来よりもかなり広い範囲で磁気検出素子１３の出力の直線性を確保できる［図８（ｂ）参照］。
【００３３】次に、磁気検出素子１３の出力の直線性を向上させるための第２のポイントである出力波形自体の直線性の改善について説明する。仮に、磁束検出角度θs とロータ回転角θm との関係がθs ＝θm ／３であるとすると（図９参照）、磁気検出素子１３の出力は、ｓｉｎ（２・θm ／３）に比例する三角関数の波形となる。これでも、ロータ回転角θm の検出可能範囲を拡大する効果は得られるが、疑似直線的な出力が得られるだけであり、厳密には出力の直線性を改善できているとは言えない。
【００３４】その点、本実施形態のような磁気回路の構成によれば、図９に示すように、磁束検出角度θs とロータ回転角θm との関係が単純な比例関係ではなく、非線形の関係となり、ロータ回転角θm が小さいときは、磁束検出角度θs の変換率が大きく、ロータ回転角θm が大きいときに、磁束検出角度θs の変換率が小さくなる。このようになる理由は、図５に示すように、磁石１２と円筒ヨーク１１との間に発生する磁界の広がり方が一定でなく、ロータ回転角θm に応じて変化することによる。磁界の角度θj の変化量は、ロータ回転角θm の変化に対して最初は小さく、θm ＝９０°に近付くに従って徐々に大きくなる傾向を示している。その結果、磁束検出角度θs （＝ロータ回転角θm −磁界角度θj ）は、ロータ回転角θm が小さい時は磁束検出角度θs の変換率が大きく、ロータ回転角θm が大きくなるほど、磁束検出角度θs の変換率が小さくなる。このことが磁気検出素子１３の出力の直線性の向上につながる。
【００３５】つまり、図１０に示すように、従来の出力は三角関数で表されるため、直線領域Ａの傾きが大きく、その両側の非線形領域Ｂ，Ｃの傾きが直線領域Ａから離れるに従って徐々に小さくなるが、本実施形態では、上述した磁束検出角度θs の変化特性により、直線領域Ａ’では、出力の傾きを従来より小さくするように磁束検出角度θs が変化し、この直線領域Ａ’の両側の領域Ｂ’，Ｃ’では、領域Ａ’から離れるに従って徐々に出力の傾きを従来より大きくするように磁束検出角度θs が変化する。これにより、直線領域Ａ’の両側の領域Ｂ’，Ｃ’も直線領域Ａ’と連続する直線領域となり、磁気検出素子１３の出力の直線性を従来よりかなり広い範囲で確保でき、ロータ回転角θm の検出可能範囲を従来より大幅に拡大することができる。
【００３６】ところで、ロータ回転角θm と磁束検出角度θs との関係は、磁気検出素子１３の回転半径ｒ（回転中心Ｐからのずれ量ｒ）によって図１１に示すように変化する。つまり、磁気検出素子１３の回転半径ｒが大きくなるほど、磁束検出角度θs が小さくなり、それに応じて、磁気検出素子１３の出力が大きくなるため、磁気検出素子１３の回転半径ｒが変化すれば、磁気検出素子１３の出力も変化する。従って、図１２に示すように、磁気検出素子１３の回転半径ｒを変化させることで、磁気検出素子１３の出力変化特性を変化させることができる。これにより、出力変化特性を直線状にするのみでなく、場合によっては、出力変化特性が上に凸の曲線又は下に凸の曲線になるように設定することが可能となる。
【００３７】また、ロータ回転角θm と磁束検出角度θs との関係は、磁気検出素子１３の回転半径ｒの他に、円筒ヨーク１１の半径Ｒによっても変化する。従って、磁気検出素子１３の回転半径ｒと円筒ヨーク１１の半径Ｒの少なくとも一方を任意に設定することで、磁気検出素子１３の出力変化特性を直線、上に凸の曲線、下に凸の曲線のいずれにも設定することができる。
【００３８】尚、上記実施形態（１）では、円筒形状のヨーク１１を用いたが、例えば、図１３、図１４に示す実施形態（２），（３）のように、ヨーク１４，１５の内径Ｘ，Ｙの比を変えてその形状を楕円筒にしたり、或は、図１５に示す実施形態（４）のように、ヨーク１６の形状を円弧（円筒の一部）又は楕円弧（楕円筒の一部）としても良い。要は、ロータ回転角θm に応じて磁界の分布が徐々に変化するように、ヨークの内周面が緩やかな曲率の曲面になっていれば良い。尚、図１５の例では、ヨーク１６に立設した磁気回路構成部材１７に磁石１２の片極を固定し、この磁石１２の他極をヨーク１６の中央部に対向させている。
【００３９】また、上記各実施形態では、ヨークの中心と磁気検出素子１３の回転中心（ロータの回転中心）とを一致させたが、両者を必ずしも一致させる必要はない。但し、磁石１２の片極がヨークの中心方向を向くように配置することが望ましい。このようにすれば、磁石１２とヨークとの間に生じる磁界の分布（方向・強さ）が、磁石１２とヨークの中心とを結ぶ中心線に関して対称となる利点がある。
【００４０】また、上記各実施形態において、磁気検出素子１３は、必ずしもヨークの内部空間に配置する必要はなく、図１６に示す実施形態（５）のように、磁気検出素子１３をヨーク１８の前方近傍又は後方近傍に配置しても良く、要は、磁石１２とヨーク１８との間に生じる磁界の中に磁気検出素子１３を配置すれば良い。
【００４１】一般に、磁石１２は、温度が変化すると、磁界強度が変化するが、磁束の角度θs は変化しない。但し、磁気検出素子の出力が温度変化による磁界強度の変化によって変化すると、その影響で磁束の角度θs の検出値に誤差が生じる。この場合は、磁石１２の温度変化による磁界強度の変化を補正する必要があり、面倒である。
【００４２】そこで、上記各実施形態においては、磁気検出素子１３として、強磁性薄膜磁気抵抗素子を用いて、該素子の出力が飽和する強度の磁界を付与することが好ましい。強磁性薄膜磁気抵抗素子は、出力が飽和する強度の磁界を与えると、磁界の強度に関係なく、磁束の角度θs のみに依存した出力を発生するようになるため、磁石１２の温度変化によって磁界強度が変化しても、その磁界強度の変化の影響を受けずに磁束の角度θs を精度良く直接検出することができ、磁石１２の温度変化による磁界強度の変化を補正する必要がなくなる利点がある。
【００４３】しかしながら、本発明は、例えばホール素子、半導体磁気抵抗素子等、一方向からの磁界の強度に応じた出力を発生する磁気検出素子を用いても良い。これらの磁気検出素子を使う場合は、強磁性薄膜磁気抵抗素子と違って磁束の角度を直接検出できないので、２つの磁気検出素子を直交させて配置し、各素子の出力の比によって磁束の角度を算出すれば良い。
【００４４】また、上記各実施形態では、磁気検出素子をロータに固定して回転させるようにしたが、これとは反対に、ヨークと磁石をロータに固定して回転させるようにしても良い。
【００４５】次に、本発明を更に具体化した実施形態（６）を図１７乃至図２０に基づいて説明する。回転角検出装置の本体ハウジング２１には、スロットルバルブ等の被検出物の回転軸２２（ロータ）が軸受２３を介して回動自在に挿通支持されている。この回転軸２２の先端部（右端部）には、カップ状の円筒ヨーク２４がかしめ等により固定され、この円筒ヨーク２４の内周部の所定位置には、例えばフェライト磁石等の磁石２５が樹脂モールド等により固定されている。この磁石２５は、円筒ヨーク２４の径方向に着磁され、例えばＳ極が円筒ヨーク２４の中心の方向を向き、Ｎ極が円筒ヨーク２４に接している。尚、磁石２５のＳ極とＮ極の位置は図１７とは反対にしても良い。
【００４６】また、円筒ヨーク２４の左側面部には、磁束の短絡を防止するための複数の貫通孔２６が回転軸２２を取り巻くように形成されている（図２０参照）。円筒ヨーク２４の外周部は樹脂２７でモールドされている。
【００４７】本体ハウジング２１の右側面部には、円筒ヨーク２４の開口を覆うようにコネクタハウジング２８が組み付けられている。このコネクタハウジング２８の内側には、配線用の基板２９が基板固定部３１（図１８参照）の樹脂成形又はかしめによって固定され、この基板２９には、例えば２個の磁気検出素子３０が実装されている。各磁気検出素子３０は、円筒ヨーク２４の回転中心を中心とする半径ｒの円周上に例えば９０°の角度ピッチで配置され、且つ、磁石２５と円筒ヨーク２４との間に生じる磁界の中に配置されている。各磁気検出素子３０は、前記実施形態と同じく、強磁性薄膜磁気抵抗素子が用いられ、該素子の出力が飽和する強度の磁界が与えられている。これにより、各磁気検出素子３０は、磁界の強度に関係なく、磁束の検出角度θs のみに依存した三角関数状の出力を発生する。このように、２個の磁気検出素子３０を設ければ、２個の磁気検出素子３０で検出した磁束の角度θs を互いに比較して異常がないか否かを確認しながらロータ回転角θm を検出することができる。各磁気検出素子３０の入出力端子は、基板２９の配線パターンを介してコネクタハウジング２８内のターミナル３２に接続されている。
【００４８】尚、図１８は、磁石２５と円筒ヨーク２４を基板２９に対して時計回り方向に回転させる場合の例を示し、図１９は、磁石２５と円筒ヨーク２４を基板２９に対して反時計回り方向に回転させる場合の例を示している。いずれの場合も、磁石２５が基板２９に接触しないように、基板２９は、磁石２５の回転範囲に対応する部分が切り欠かれた形状となっている。
【００４９】以上説明した実施形態（６）では、２個の磁気検出素子３０を半径ｒの円周上に９０°の角度ピッチで配置したが、これ以外の角度ピッチで配置しても良い。また、磁気検出素子３０の数も２個に限定されず、１個又は３個以上であっても良い。
【００５０】次に、図２１に基づいて本発明の他の具体例である実施形態（７）を説明する。但し、上記実施形態（６）と実質的に同じ部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【００５１】本実施形態（７）では、円筒ヨーク２４と磁石２５を樹脂でモールド成形することで、被検出物と連結するための回転レバー４１が形成されている。この回転レバー４１は、コネクタハウジング２８にインサート成形により固定された非磁性材製の回転軸４３に回転自在に挿通支持され、回転軸４３の先端部に固定されたストッパプレート４４によって、回転軸４３から回転レバー４１が抜け止めされている。このストッパプレート４４と回転レバー４１との間には、回転レバー４１のスラスト方向の動きを規制するスプリングワッシャ４５が挟み込まれている。回転レバー４１は、ねじりコイルばね４６によって所定の回転方向に付勢され、その付勢力によって初期位置まで自動的に復帰するようになっている。その他の構成は、前記実施形態（６）と実質的に同じである。
【００５２】前記各実施形態においては、ヨークを磁石と同じ側（ロータ又は非回転部位）に固定して、ヨークを磁石と一体的に回転又は非回転状態を維持するようにしたが、ヨークを磁気検出素子と同じ側（ロータ又は非回転部位）に固定して、ヨークを磁気検出素子と一体的に回転又は非回転状態を維持するようにしても良い。以下、これを具体化した本発明の実施形態（８）を図２３及び図２４に基づいて説明する。但し、前記実施形態（６）の構造（図１７）と実質的に同じ部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５３】本実施形態（８）では、円筒ヨーク２４をコネクタハウジング２８の内側にインサート成形等で固定し、この円筒ヨーク２４を回転軸２２と同軸状に配置している。回転軸２２の先端に非磁性材製のアーム５１を固定し、このアーム５１の先端部側面に磁石２５を接着等により固定し、この磁石２５を円筒ヨーク２４の内周面に小さなギャップを介して対向させている。この磁石２５は、円筒ヨーク２４の径方向に着磁され、例えばＳ極着磁面が円筒ヨーク２４の中心Ｐの方向を向き、Ｎ極着磁面が円筒ヨーク２４の内周面に近接している。磁石２５のＮ極着磁面と円筒ヨーク２４との間のギャップ（磁気抵抗）を小さくするために、磁石２５のＮ極着磁面を円弧面に形成している。尚、磁石２５のＳ極とＮ極の位置は図２３とは反対にしても良い。一方、コネクタハウジング２８の内側に固定された磁気検出素子３０は、磁石２５と円筒ヨーク２４との間に生じる磁界の中に配置され、円筒ヨーク２４の中心Ｐから所定寸法ｒだけ離れている。
【００５４】本実施形態（８）のように、ヨーク２４が円筒形であれば、ヨーク２４が回転しても回転しなくても、ヨーク２４の内側の磁界の分布に影響を与えない。従って、磁石２５を円筒ヨーク２４の内周面に近接させて、磁石２５と円筒ヨーク２４との間の磁気抵抗を小さくすれば、円筒ヨーク２４に磁石２５を固定した場合とほぼ同じ分布の磁界を作ることができる。これにより、回転角に応じて磁気検出素子３０に対する磁界の向きが変化し、磁気検出素子３０の出力から回転角を検出することができ、前記実施形態（１）と同じ効果を得ることができる。
【００５５】尚、本実施形態（８）において、ヨークの形状は円筒形に限定されず、例えば、円筒の一部であっても良く、要は、検出角度範囲で回転角に応じて磁界の向きを変化させるような形状であれば良い。また、ヨークと磁気検出素子をロータに固定し、磁石をハウジング等の非回転部位に固定するようにしても良い。
【００５６】次に、図２５乃至図３１に基づいて本発明の実施形態（９）を説明する。本実施形態（９）では、図２５及び図２６に示すように、磁石５２が固定された円筒ヨーク５３は、被検出物に連結されたロータ（図示せず）に同軸状に固定されている。一方、ハウジング等の非回転部位（図示せず）に固定された２個の磁気検出素子５４，５５は、円筒ヨーク５３の回転中心Ｐを中心とする半径ｒの円周上に例えば９０°の角度ピッチで配置され、且つ、磁石５２と円筒ヨーク５３との間に生じる磁界の中に配置されている。これにより、２個の磁気検出素子５４，５５は、出力変化特性が直線となる回転角の範囲（直線領域）が各磁気検出素子５４，５５毎に異なるように配置されている。
【００５７】図２５に示すように、一方の磁気検出素子５４が中心線Ｇ−Ｇ上に位置する時の回転角を０°とし、反時計回り方向を正の回転角の方向とすると、図２８に示すように、一方の磁気検出素子５４の出力は、−９０°で極小、０°で０、＋９０°で極大となる。これに対して、他方の磁気検出素子５５の出力は、０°で極小、９０°で０、＋１８０°で極大となる。従って、２個の磁気検出素子５４，５５の出力は、位相が９０°ずれた同一の波形となっており、一方の磁気検出素子５４の出力の直線領域Ａと他方の磁気検出素子５５の出力の直線領域Ｂとは位相が９０°ずれている。
【００５８】図２７に示すように、２個の磁気検出素子５４，５５の出力は、それぞれ増幅回路５６，５７で増幅される（図２９参照）。各増幅回路５６，５７の増幅率（ゲイン）は同一に設定されている。各増幅回路５６，５７の出力（各磁気検出素子５４，５５の増幅出力）は、それぞれオフセット回路５８，５９でオフセット量ａ，ｂが加えられ、プラス電圧側にオフセットされる（図３０参照）。各オフセット回路５８，５９の出力（各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力）は、出力切換回路６０（出力切換手段）でいずれか一方の出力が選択され、最終的なセンサ出力として出力される（図３１参照）。各オフセット回路５８，５９のオフセット量ａ，ｂは、各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力を出力切換回路６０で切り換えた時に各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力が一直線につながるように設定されている。出力切換位置は、２個の磁気検出素子５４，５５の直線領域Ａ，Ｂの中間位置（＋４５°）である。従って、＋４５°以下の範囲では、一方の磁気検出素子５４のオフセット後の出力が選択され、＋４５°以上の範囲では、他方の磁気検出素子５５のオフセット後の出力が選択される。
【００５９】ところで、各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力は回転角に応じて波状に変化するため、本実施形態（９）のように、検出角度範囲が広くなると、１つの磁気検出素子のオフセット後の出力が２か所の回転角で同一になる。このため、１つの磁気検出素子のオフセット後の出力のみでは、各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力の切換位置を誤判定するおそれがある。
【００６０】そこで、本実施形態（９）では、出力切換回路６０は、各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力を積算し、その積算値を判定値Ｓ３と比較することで各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力の切換位置を判定し、各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力を切り換える。この場合、出力切換の判定値Ｓ３は、磁気検出素子５５のオフセット後の出力の最大値に設定されている。従って、各磁気検出素子５４，５５のオフセット後の出力の積算値が判定値Ｓ３以下の場合は、一方の磁気検出素子５４のオフセット後の出力を選択し、出力の積算値が判定値Ｓ３より大きい場合は、他方の磁気検出素子５５のオフセット後の出力を選択する。尚、判定値Ｓ３は磁気検出素子５５のオフセット後の出力の最大値に限定されず、例えば、出力切換位置（＋４５°）のセンサ出力を学習し、その学習値の２倍の値を判定値Ｓ３としても良い。以上説明した各磁気検出素子５４，５５の出力の増幅・オフセット・切換は、ハードウエアで実現しても良いし、マイクロコンピュータを搭載してソフトウエアで実現しても良い。
【００６１】本実施形態（９）のように、異なる位置に配置された２個の磁気検出素子５４，５５の直線領域Ａ，Ｂの出力を選択すれば、磁気検出素子が１個の場合と比較して回転角検出装置の出力変化特性が直線となる回転角の範囲（検出角度範囲）を飛躍的に拡大することができる。尚、異なる位置に配置された３個以上の磁気検出素子の直線領域の出力を選択するようにすれば、検出角度範囲を更に拡大することができる。
【００６２】ところで、磁気検出素子を用いた回転角検出装置は、磁気検出素子の出力がゼロとなる付近で検出精度が最も良くなる。この理由は、磁気検出素子の出力がゼロとなる位置は、出力の直線領域の中心点であり、直線性が最も優れ、しかも、磁気検出素子の出力がゼロであれば、磁気検出素子の温度特性の影響が最も小さくなるためである。従来より、磁気検出素子の温度特性による出力誤差を温度補償素子により補償するようにしたものがあるが、磁気検出素子のばらつきや温度補償素子のばらつきによって温度特性による出力誤差を完全には０にすることは非常に困難である。従って、磁気検出素子の出力がゼロとなる位置が全検出角度範囲の中で最も検出精度が良い位置である。
【００６３】この特性に着目し、図３２乃至図３６に示す本発明の実施形態（１０）では、検出精度が最も要求される回転角（以下「精度要求点」という）で磁気検出素子５４の出力がゼロとなるように磁石５２と磁気検出素子５４を配置している。更に、本実施形態（１０）では、回転角検出装置（以下「センサ」という）の出力変化特性を要求出力変化特性に一致させるために、磁気検出素子５４の出力を増幅回路６１で増幅し（図３５参照）、更に、増幅回路６１の出力をオフセット回路６２でオフセットし（図３６参照）、このオフセット回路６２の出力をセンサ出力としている。これら増幅回路６１とオフセット回路６２は、特許請求の範囲でいう出力調整手段として機能する。その他の構成は、前記実施形態（９）と同じである。
【００６４】この場合、増幅回路６１の増幅率は、次式で設定される。
増幅率＝｛Ｓ（θmax)−Ｓ（θmin)｝／｛Ｖ（θmax)−Ｖ（θmin)｝
Ｓ（θ）：回転角θにおけるセンサの要求出力Ｖ（θ）：回転角θにおける磁気検出素子５４の出力θmax ：最大検出回転角θmin ：最小検出回転角従って、図３５に示すように、増幅回路６１の出力（磁気検出素子５４の増幅出力）の変化特性の傾きは、センサの要求出力変化特性の傾きと同じになる。
【００６５】更に、オフセット回路６２のオフセット量ｃは、センサの要求出力と磁気検出素子５４の増幅出力との差であり、このオフセット量ｃを磁気検出素子５４の増幅出力に加算してプラス電圧側にオフセットさせることで、最終的なセンサ出力を要求出力に合わせる。このようにすれば、センサの最終的な出力変化特性を、該センサを接続する外部の制御回路の仕様に合わせることができ、外部の制御回路の仕様を変更する必要がない。
【００６６】以上説明した本実施形態（１０）の構成は、種々の回転体の回転角検出装置に適用でき、例えば、スロットル開度（スロットルバルブの回転角）を検出するスロットル開度検出装置に適用しても良い。スロットル開度検出装置は、検出範囲が全閉から全開まで１００°程度であり、且つ、全閉位置である５°付近にアイドル運転時のスロットル開度が設定されており、このアイドル運転時のスロットル開度付近の検出精度が最も要求されている。従って、スロットル開度検出装置に適用する場合は、アイドル運転時のスロットル開度付近で、磁気検出素子５４の出力がゼロとなるように磁石５２と磁気検出素子５４を配置すれば良い。このようにすれば、検出精度が最も要求されるアイドル運転時のスロットル開度付近において、磁気検出素子５４の温度特性の影響を最も小さくすることができ、回転角の検出精度を向上することができる。
【００６７】尚、図３４の例では、５°付近を精度要求点としているが、利用範囲内であれば、任意の位置に設定できる。いずれの場合も、精度要求点は常に出力ゼロ点であり、利用範囲の位置が相対的に移動することになる。
【００６８】また、前記各実施形態において、磁気検出素子に対する外来磁界の影響を排除するために、磁気遮蔽部材をヨークの開口部を覆うように配置しても良い。但し、磁気遮蔽部材をヨークに近付け過ぎると、磁気遮蔽部材とヨークとの間で磁気回路が形成されてヨーク内側の磁界の分布が変化してしまうため、磁気遮蔽部材とヨークとの間の間隔を磁気回路が形成されないように設定する必要がある。
【００６９】その他、本発明は、スロットル開度検出装置に限定されず、種々の回転体の回転角検出装置に適用することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【識別番号】０００００４６９５
【氏名又は名称】株式会社日本自動車部品総合研究所
【出願日】 平成１１年１２月１７日（１９９９．１２．１７）
【代理人】 【識別番号】１０００９８４２０
【弁理士】
【氏名又は名称】加古 宗男
【公開番号】 特開２００１−９１２０８（Ｐ２００１−９１２０８Ａ）
【公開日】 平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【出願番号】 特願平１１−３５８３２９