JP2009236743A - 磁気式位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネットから磁気検出手段にかかる磁界変化を磁気検出手段で見ることにより操作部の操作位置を検出する磁気式位置検出装置において、磁気検出手段の検出出力の直線性をより向上することができる。
【解決手段】磁気式位置検出装置４には、セレクトレバーの操作に応じてスライド移動するカウンタマグネット６と、周囲にバイアス磁界を発生するバイアスマグネット（図示略）と、これら２つのマグネットの合成磁界を検出してカウンタマグネット６のスライド位置を検出するＭＲセンサ８とが設けられる。カウンタマグネット６は、円リング形状のマグネットの一部分を切り出した円弧形状であり、その反り面がＭＲセンサ８に磁界をかける被検知面１１となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、操作部の操作位置を磁気により検出する磁気式位置検出装置に関する。

従来、各種機器や装置を作動させる際に使用する操作系（操作装置）においては、その操作部の操作位置（操作角度）を検出する場合、例えばスイッチやセンサ等により操作部の操作位置を検出可能な位置検出装置が取り付けられる。この種の位置検出装置としては、例えば磁気検出素子により操作部の操作位置を検出する磁気式が広く使用され、この種の磁気式位置検出装置の一例は例えば特許文献１等の種々の文献に開示されている。

図９に特許文献１に開示された磁気式位置検出装置８１を示すと、この種の磁気式位置検出装置８１には、操作部及びそれを支持する支持部の一方に配設されたマグネット８２と、これらの他方に配設されたＭＲセンサ（磁気抵抗センサ）８３とが設けられている。マグネット８２は、ＭＲセンサ８３の側方位置に配置され、操作部が操作された際に、このＭＲセンサ８３に対してスライド方向に往復動可能に取り付けられている。また、マグネット８２は、直方体形状をとるとともに、ＭＲセンサ８３側がＮ極をとりつつ、これと反対側がＳ極をとっている。そして、操作部が操作された際には、マグネット８２がＭＲセンサ８３に対してスライド移動してこれら両者間の相対位置関係が変わり、マグネット８２からＭＲセンサ８３に加えられる磁界（磁界方向）が変化するので、その時々の磁界方向をＭＲセンサ８３で検出してマグネット８２の位置を割り出すことにより、操作部の操作位置を検出する。

ところで、図９に示すように、ＭＲセンサ８３のセンサ信号Ｓsaは、検出する磁界方向に対するセンサ出力変化が正弦波形をとるものである。ここで、ＭＲセンサ８３のセンサ信号Ｓsaからマグネット８２の位置検出を行う場合、センサ信号Ｓsaにおいて出力が直線状（リニア）をとっている略リニア出力部分Ｅｒ（図９の実線矢印範囲）を用いて位置検出を行えば、位置検出が単なる比例の演算式により算出できるので、この位置算出が簡単な演算処理で済むという利点がある。よって、この種のＭＲセンサ８３を用いた位置検出装置においては、ＭＲセンサ８３のセンサ出力の略リニア出力部分Ｅｒで位置検出を行うことが一般的である。
特開平９−２９２２０２号公報

ここで、直方体形のマグネット８２を使用した際のマグネット８２の位置変化に対するＭＲセンサ８３のセンサ出力特性を図１０に示すと、この図からも分かる通り、実際のところはＭＲセンサ８３のセンサ出力の直線性（リニアリティ）がそれほど高くないという現状がある。即ち、ＭＲセンサ８３のセンサ出力が直線波形をとらず、途中で曲がり波形を有するリニアリティの低い出力波をとってしまう。このように、センサ出力のリニアリティがよくないと、リニア出力部分Ｅｒを用いてマグネット８２の位置検出を行った場合に、この位置検出を精度良く実行できない問題が発生する。よって、マグネット８２の位置検出精度を高いものとするためにも、ＭＲセンサ８３のセンサ出力のリニアリティを向上したい要望があった。

本発明の目的は、磁気検出手段の検出出力の直線性をより向上することができる磁気式位置検出装置を提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、操作部及びその支持部の一方に設けられたマグネットと、これらの他方に設けられるとともに前記マグネットが発生する磁界を検出可能すべく前記マグネットに並び配置された磁気検出手段とを備え、前記操作部が操作された際には前記マグネット及び前記磁気検出手段のうち操作部側のものが支持部側のものに対してスライド移動し、当該スライド移動に伴う磁界の変化を前記磁気検出手段で検出することにより、前記操作部の操作位置を検出する磁気式位置検出装置において、前記磁気検出手段に対して磁界をかける被検知面を曲面状に形成したことを要旨とする。

この構成によれば、マグネット及び磁気検出手段のうち例えばマグネットを可動側とすると、操作部が操作された際には、マグネットが磁気検出手段に対してスライド移動し、このスライド移動に伴ってマグネットから磁気検出手段にかかる磁界が変化する。そして、この磁界変化を磁気検出手段で検出し、この時に磁気検出手段から出力される略正弦波形状の検出出力を見ることにより、マグネットの移動位置、即ち操作部の操作位置を割り出す。また、磁気検出手段の検出出力（正弦波出力）のうちそのリニア出力部分でマグネットの位置を検出する場合、この時にとることができるマグネットの移動ストローク範囲は、検出出力がリニア出力をとり得る磁界が磁気検出手段にかかっている時の範囲に限定され、この範囲内に限りマグネットの位置検出が可能である。

ところで、本構成においては、マグネットの被検知面を曲面状に形成しているので、マグネットから発生する磁界は、見かけ上、略放射状に発生する状態となる。このため、例えばマグネットを直方体形状とした場合に比べて、マグネットを磁気検出手段に対して移動させた際、この曲面形状が利いて、磁気検出手段の検出出力がより直線状（リニア）となり得る磁界が磁気検出手段に付与される状態となる。よって、操作部が操作されてこの時のマグネットの磁界変化を磁気検出手段が検出して出力する際、この検出出力を直線性の高い状態で出力させることが可能となる。

本発明では、前記マグネットは、前記磁気検出手段側を向く面とその反対側の面とで磁極が切り換わる着磁パターンに形成されていることを要旨とする。
この構成によれば、マグネットの着磁パターンを、磁気検出手段側を向く面とその反対側の面とで磁極が切り換わるパターンとしたので、マグネットの発生磁界を、磁気検出手段のリニア出力をより広範囲化できる磁界とすることが可能となる。よって、マグネットのストローク量をより広範囲に亘ってとることが可能となる。

本発明では、前記マグネットは、円弧形状をなすとともに、反る側の面が前記磁気検出手段側を向くように配置されていることを要旨とする。
この構成によれば、マグネットを円弧形状としたので、例えばマグネットをその円弧全周に亘り部材が延びるリング形状をとる場合に比べ、マグネットの部品サイズ、ひいては磁気式位置検出装置の小型化を図ることが可能となる。

本発明によれば、マグネットから磁気検出手段にかかる磁界変化を磁気検出手段で見ることにより操作部の操作位置を検出する磁気式位置検出装置において、磁気検出手段の検出出力の直線性をより向上することができる。

以下、本発明を具体化した磁気式位置検出装置の一実施形態を図１〜図６に従って説明する。
図１に示すように、自動変速式の車両１には、自動変速機（オートマチックトランスミッション）を操作する際のレバーとしてセレクトレバー２が車体３に対して移動可能に設けられている。このセレクトレバー２は、例えば複数の操作位置にレバー操作が可能であって、本例においては例えばパーキングレンジ（Ｐレンジ）、リバースレンジ（Ｒレンジ）、ニュートラルレンジ（Ｎレンジ）、ドライブレンジ（Ｄレンジ）、セカンドレンジ（２レンジ）、ファーストレンジ（１レンジ）等の各々のレンジ位置に選択的に操作可能となっている。なお、セレクトレバー２が操作部に相当し、車体３が支持部に相当する。

図２及び図３に示すように、セレクトレバー２と車体３の間には、セレクトレバー２の操作位置を非接触式で検出する非接触式の位置検出装置４が組み付けられている。本例の非接触式の位置検出装置４は、磁気センサによってセレクトレバー２の操作位置を見る磁気式位置検出装置４が採用されている。この磁気式位置検出装置４においては、セレクトレバー２のレバー軸５（図１参照）に、センサの位置検出環境下に主磁界を発生するカウンタマグネット６が一体動作可能に取り付けられている。このカウンタマグネット６は、円リング形状のマグネットにおいてその一部分を切り出した円弧形状をなしている。カウンタマグネット６は、セレクトレバー２が操作されると、このセレクトレバー２と同期してスライド移動する。なお、カウンタマグネット６がマグネットに相当する。

一方、車体３には、図３に示すように、センサの位置検出環境下にバイアス磁界を発生するバイアスマグネット７が固着されている。このバイアスマグネット７は、立方体形状に形成されるとともに、カウンタマグネット６と向き合うように配置されている。バイアスマグネット７は、カウンタマグネット６と協同してセンサの位置検出環境下に合成磁界を生成し、カウンタマグネット６がスライド移動すると、カウンタマグネット６がバイアスマグネット７に対してかける磁界方向が変化し、結果としてカウンタマグネット６とバイアスマグネット７とが協同して生成する合成磁界の磁界方向が変化する。

車体３には、磁気式位置検出装置４の磁気センサとしてＭＲセンサ（磁気抵抗センサ）８が実装されている。このＭＲセンサ８は、図４に示すように、４つの磁気抵抗Ｒ１〜Ｒ４をブリッジ状に組んだ回路からなり、磁気抵抗Ｒ１，Ｒ２の組の中点電位と磁気抵抗Ｒ３，Ｒ４の組の中点電位との電位差をセンサ信号（電圧信号）Ｖoutとして出力する。ＭＲセンサ８は、検知面９で自身に付与される磁界の向きを検出し、その検出した磁界方向に応じた値のセンサ信号Ｖoutを出力する。また、本例のＭＲセンサ８は、カウンタマグネット６とバイアスマグネット７とが生成する合成磁界の磁界方向を検出する。なお、ＭＲセンサ８が磁気検出手段に相当する。

ここで、ＭＲセンサ８のセンサ信号Ｖoutは、図５に示すように、検出磁界の磁界方向変化に対して正弦波形をとる信号値として出力され、１周期が１８０度となっている。ところで、この種のＭＲセンサ８を使用した磁気式位置検出装置４においては、このセンサ信号Ｖoutの略リニア出力部分Ｅｒ（図５の一点矢印領域）で位置検出を行うことが一般的である。これは、センサ出力で操作位置演算を行う際にこの略リニア出力部分Ｅｒを使用すれば、この時に使用する式が単なる比例の演算式で済むので、位置演算処理の簡素化や位置演算時間の短時間化を図ることが可能となるからである。

更に、この操作位置検出を広範囲で行う場合には、カウンタマグネット６をこの広範囲に亘ってスライド移動させた際、ＭＲセンサ８の検知面９に、ＭＲセンサ８のセンサ出力が図５に示す略リニア出力部分Ｅｒの出力変化をとるような磁界が付与されなければならない。即ち、別の言い方をするならば、図５からも分かる通り、磁界方向が約−２２．５度〜約＋２２．５度の値をとる時にＭＲセンサ８のセンサ出力がリニア出力状態になるので、例えば仮にカウンタマグネット６を広範囲に亘ってスライド移動させたとしても、この時にＭＲセンサ８に付与される磁界が、約−２２．５度を向く状態から約＋２２．５度を向く状態に磁界方向が略比例的に変化する磁界変化をとるものでなければならない。また、カウンタマグネット６のスライド位置検出をより高精度とするには、ＭＲセンサ８のセンサ出力がより直線波形をとるように、略リニア出力部分Ｅｒのリニアリティの最適化も図らなければならない。よって、本例においては、カウンタマグネット６を広範囲に亘りスライド移動させても、この時のセンサ出力がリニア出力をとるように、カウンタマグネット６、バイアスマグネット７及びＭＲセンサ８の配置位置、配置間隔、特性値等に特徴を持たせている。

これについて説明すると、図２に示すように、本例のカウンタマグネット６は、スライド移動開始位置を基準位置として、一方向の最大スライド操作位置（図２の鎖線状態）と他方向の最大スライド操作位置（図２の二点鎖線状態）との間で、そのスライド移動方向（図２のＹ軸方向）に沿って往復移動が可能となっている。ＭＲセンサ８及びバイアスマグネット７は、カウンタマグネット６がスライド移動開始位置をとるときに、このカウンタマグネット６の頂点（カウンタマグネット６の原点）１０と向き合う位置に配置されている。また、カウンタマグネット６は、ＭＲセンサ８側を向く面が反った形状をとり、この反る側の面（反り面）がＭＲセンサ８の検知面９に主として磁界をかける被検知面１１となっている。カウンタマグネット６は、ＭＲセンサ８側の面全域がＮ極に着磁されるとともに、これと反対側の面全域がＳ極に着磁されている。

ＭＲセンサ８は、カウンタマグネット６に対して、そのスライド移動直交方向（図２のＸ軸方向）において隣位置に配置されている。即ち、例えば図２の紙面左右方向をＸ軸とし、図２の紙面上下方向をＹ軸とし、図３の紙面上下方向をＺ軸とすると、本例のＭＲセンサ８は、Ｘ軸方向（Ｘ−Ｙ平面）においてカウンタマグネット６と並び配置、つまりＹ軸方向においてカウンタマグネット６の真ん中位置に配置されている。ＭＲセンサ８は、正四角形の平板形状をなすとともに、検知面９がカウンタマグネット６のスライド方向平面（Ｘ−Ｙ平面）を向く状態で配置されている。

図３に示すように、本例のバイアスマグネット７は、ＭＲセンサ８の裏面位置に配置されている。即ち、バイアスマグネット７は、Ｙ軸方向においてＭＲセンサ８と並び配置されている。これにより、バイアスマグネット７は、カウンタマグネット６に対してそのスライド移動直交方向（図２のＸ軸方向）において離れる側にオフセットして配置されつつ、カウンタマグネット厚さ方向（図３のＺ軸方向）においても離れる側にオフセットして配置されている。即ち、バイアスマグネット７は、カウンタマグネット６に対して＋Ｘ方向にオフセットされつつ、−Ｚ軸方向にもオフセットして配置されている。また、バイアスマグネット７は、カウンタマグネット６側の面全域がＮ極に着磁されるとともに、これと反対側の面全域がＳ極に着磁されている。

さらに、ＭＲセンサ８の検知面９の一辺長さをＬａとした場合、スライド移動開始位置から各々の最大スライド操作位置までの距離Ｌ１，Ｌ２は、Ｌａの約２倍の値に設定されている。また、円弧形状をとるカウンタマグネット６の円弧中心点をＰ１とした場合、この円弧中心点Ｐ１からＭＲセンサ８の中心点Ｐ２までの距離Ｌ３は、ＭＲセンサ８の検知面９の一辺長さＬａに対して約６倍の値に設定されている。更に、バイアスマグネット７の一辺長さＬ４は、ＭＲセンサ８の検知面９の一辺長さＬａと同じ値に設定されている。また、カウンタマグネット６の厚さＬ５は、バイアスマグネット７の一辺長さＬ４の約１．５倍の値に設定されるとともに、直径Ｌ６が距離Ｌ３の約５／６の値に設定されつつ、幅Ｌ７が距離Ｌ３の約１／４倍の値に設定されている。

さて、ここで、カウンタマグネット６が一方向の最大スライド操作位置から他方向の最大スライド操作位置に操作された時のＭＲセンサ８のセンサ出力を実際に計測し、このセンサ出力の変化波形を図６に図示する。同図の実線に示すように、この時のＭＲセンサ８のセンサ信号Ｖoutは、センサ出力の変化波形がより直線に近づいた直線性（リニアリティ）の高い出力波形をとることが分かる。よって、本例においては、ＭＲセンサ８の略リニア出力部分Ｅｒでカウンタマグネット６の位置演算を行う場合に、この位置演算をより高精度に行うことが可能となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）セレクトレバー２の操作時においてスライド移動するカウンタマグネット６のそのスライド移動直交方向の脇に、カウンタマグネット厚さ方向に並び配置されたバイアスマグネット７及びＭＲセンサ８を配置しつつ、このカウンタマグネット６を円弧形状に形成した。これにより、ＭＲセンサ８のセンサ出力がリニアリティの高い状態で出力されるので、カウンタマグネット６の位置検出をより高精度に行うことができる。

（２）カウンタマグネット６は、ＭＲセンサ８側の面全域がＮ極で、その反対側の面全域がＳ極となった着磁パターンに形成される。ところで、このようにカウンタマグネット６の着磁を内外で磁極を切り換える着磁パターンは図６に示すセンサ出力を得ることの一条件となっているので、カウンタマグネット６の着磁を本例の着磁パターンにすることはセンサ出力のリニア化に非常に効果が高いと言える。

（３）カウンタマグネット６のマグネット形状を円弧形状としたので、例えばカウンタマグネット６が円リング形状をとる場合に比べて、カウンタマグネット６が小さい部品で済む。よって、カウンタマグネット６の部品サイズ、ひいては磁気式位置検出装置４の装置サイズの小型化を図ることができる。

（４）ＭＲセンサ８は、カウンタマグネット６に対してスライド移動直交方向に並び配置される。よって、例えばＭＲセンサ８をカウンタマグネット６に対してその厚さ方向に重ねて配置しなくて済むので、磁気式位置検出装置４をカウンタマグネット厚さ方向において小さいもので済ますことができる。

（５）ＭＲセンサ８は、検知面９がスライド方向平面を向く状態に配置される。ところで、このようなＭＲセンサ８の配置は図６に示すセンサ出力を得ることの一条件となっているので、ＭＲセンサ８の配置向きを本例の配置状態にすることはセンサ出力のリニア化に非常に効果が高いと言える。

（６）バイアスマグネット７を使用した場合、カウンタマグネット６のみを使用した時に比べて、合成磁界の磁界強度が強くなる。このため、例え仮にレバー操作に合わせてカウンタマグネット６がＭＲセンサ８に対して遠ざかる動きをとったとしても、外乱磁場に影響を受け難くなるので、高い位置検出精度の確保に効果が高くなる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・ 磁気式位置検出装置４は、カウンタマグネット６及びバイアスマグネット７の合成磁界をＭＲセンサ８で検出することで位置検出を行う２マグネット式に限らず、例えばバイアスマグネット７を省略して、カウンタマグネット６の磁界のみから位置検出を行う１マグネット式でもよい。

・ カウンタマグネット６は、必ずしも円弧形状に限定されない。例えば、図７に示すように、マグネットが全周に亘って存在する円リング形状でもよい。
・ カウンタマグネット６は、必ずしも円弧形状や円リング形状に限定されない。例えば、図８に示すように、カウンタマグネット６を円板形状としてもよい。

・ バイアスマグネット７は、必ずしも直方体形状に限らず、例えば平板形状等の他の形状を採用してもよい。
・ カウンタマグネット６、バイアスマグネット７、ＭＲセンサ８の配置条件は、実施形態で述べた配置位置関係に限らず、これは適宜変更可能である。

・ カウンタマグネット６、バイアスマグネット７の着磁パターンは、実施形態で述べた着磁パターンに限らず、これについても適宜変更可能である。
・ ＭＲセンサ８は、必ずしも自身の検知面９がスライド方向平面に沿う配置状態をとることに限らず、この配置向きは適宜変更可能である。

・ カウンタマグネット６がセレクトレバー２側に配置され、ＭＲセンサ８（バイアスマグネット７）が車体３側に配置されることに限定されず、この組み合わせを逆としてもよい。

・ 磁気式位置検出装置４の搭載対象は、必ずしもセレクトレバー２のレンジ位置検出に限らず、例えばニュートラルスタートスイッチでもよい。なお、このニュートラルスタートスイッチは、セレクトレバーがニュートラル位置にあるときのみエンジン始動が可能となるものである。

・ 磁気式位置検出装置４の搭載対象は、必ずしも車両１であることに限定されない。即ち、操作部が操作された際のその操作位置を検出しなければならないものであれば、磁気式位置検出装置４を搭載する機器や装置は特に限定されない。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（１）請求項１〜３のいずれかにおいて、前記磁気検出手段は、前記マグネットの側方に並び配置されている。この構成によれば、例えばマグネットと磁気検出手段とが重ね配置される場合に比べ、磁気式位置検出装置の高さ方向の装置サイズを小さく抑えることが可能となる。

（２）請求項１〜３、前記技術的思想（１）のいずれかにおいて、前記磁気検出手段の磁気検知面は、前記マグネットと前記磁気検出手段が並び配置されたその配置平面方向に沿う向きに配置されている。この構成によれば、マグネットが生成する磁界をより好適な向きで検出することが可能となる。

（３）請求項１〜３、前記技術的思想（１），（２）前記操作部及びその支持部の一方に設けられた第１マグネットと、これらの他方に設けられるとともにバイアス磁界を発生する第２マグネットと、同じく前記他方に設けられるとともに２つの前記マグネットにより生成される合成磁界を検出する磁気検出手段とを備え、前記操作部が操作された際には前記第１マグネット及び前記磁気検出手段のうち操作部側のものが支持部側のものに対してスライド移動し、当該スライド移動に伴う前記合成磁界の変化を前記磁気検出手段で検出することにより、前記操作部の操作位置を検出する。

一実施形態における車内の外観を示す斜視図。 磁気式位置検出装置の概略構成を示す平面図。 同じく磁気式位置検出装置の概略構成を示す側面図。 ＭＲセンサの概略構造を示す回路図。 ＭＲセンサの検出磁界に対する出力変化を示す出力波形図。 ＭＲセンサのカウンタマグネット位置変化に対する出力変化を示す出力波形図。 別例におけるカウンタマグネットの一例を示す平面図。 同じく別例のカウンタマグネットの他の一例を示す平面図。 従来における磁気式位置検出装置の概略構成を示す模式構成図。 ＭＲセンサのマグネット位置変化に対する出力変化を示す出力波形図。

符号の説明

２…操作部としてのセレクトレバー、３…支持部としての車体、４…磁気式位置検出装置、６…マグネットとしてのカウンタマグネット、８…磁気検出手段としてのＭＲセンサ、１１…被検知面。

Claims (3)

1. 操作部及びその支持部の一方に設けられたマグネットと、これらの他方に設けられるとともに前記マグネットが発生する磁界を検出可能すべく前記マグネットに並び配置された磁気検出手段とを備え、前記操作部が操作された際には前記マグネット及び前記磁気検出手段のうち操作部側のものが支持部側のものに対してスライド移動し、当該スライド移動に伴う磁界の変化を前記磁気検出手段で検出することにより、前記操作部の操作位置を検出する磁気式位置検出装置において、
   前記磁気検出手段に対して磁界をかける被検知面を曲面状に形成したことを特徴とする磁気式位置検出装置。
2. 前記マグネットは、前記磁気検出手段側を向く面とその反対側の面とで磁極が切り換わる着磁パターンに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置検出装置。
3. 前記マグネットは、円弧形状をなすとともに、反る側の面が前記磁気検出手段側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に記載の磁気式位置検出装置。

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