JP2010038765A - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気検出素子の温度依存性の影響を受けることなく、ロータの回転態様を高い精度で検出することのできる回転検出装置を提供する。
【解決手段】この回転検出装置は、磁気センサ２３と、ロータ２１の回転に伴い軸線ｎ１の周りを回転する磁石２２とを備え、磁石２２が回転するときに磁石２２から発せられる磁界の変化を磁気センサ２３により検出してロータ２１の回転角度を検出する。ここでは、磁石２２を、軸線ｎ１に平行な軸線ｎ２を中心軸とする円柱状に形成するとともに軸線ｎ２の方向に着磁する。また、磁気センサ２３を、磁石２２の中心Ｃｓの描く回転軌跡を含む円周上から軸線ｎ１の方向にギャップｇだけオフセットした位置に配置し、さらに、その検出面を、磁石２２の中心Ｃｓの回転平面と平行となる態様にて配置する。そして、磁気センサ２３から出力される電圧信号から逆正接値を演算し、この逆正接値に基づいてロータ２１の回転角度を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁石から発せられる磁界の変化を磁気検出素子により検出してロータの回転態様を検出する回転検出装置に関する。

この種の回転検出装置としては、例えば特許文献１に記載の回転検出装置が知られている。図１３に、この特許文献１に記載の回転検出装置の斜視構造を示す。同図１３に示されるように、この回転検出装置では、検出対象としてのロータ（図示略）と一体となって回転するインナコア１００と、該インナコア１００の外周に面一となるように組み付けられる円弧状の磁石１０１とを備え、ロータの回転に伴い、インナコア１００及び磁石１０１が回転軸ｆを中心に回転する。また、この回転検出装置では、インナコア１００の外周が環状のアウタコア１１０により囲繞されるとともに、このアウタコア１１０が図中に示す位置で固定されており、インナコア１００がアウタコア１１０に対して相対回転する。ちなみに、この回転検出装置では、インナコア１００及びアウタコア１１０を磁性材料により形成することで磁気回路を構成し、この磁気回路に磁石１０１から発せられる磁界を集磁することで、図中の一点鎖線で示されるような磁界が形成されている。一方、このアウタコア１１０には、２つのエアギャップ１１１が回転軸ｆを中心として１８０°だけずれた位置にそれぞれ形成されるとともに、これらのエアギャップ１１１に、ホール素子と共に信号処理回路等が集積化された２つのセンサチップ１２０がそれぞれ配設されている。ここでホール素子は、印加される磁界の磁束密度の大きさに比例したホール電圧を発生する磁気検出素子であり、センサチップ１２０では、印加される磁界の磁束密度の大きさをホール電圧として検出する。

そして、この回転検出装置では、インナコア１００の回転に伴って磁石１０１が回転した際に、エアギャップ１１１に形成される磁界の磁束密度、すなわちセンサチップ１２０を通じて検出される磁束密度が変化する。ここで、図１４に示すように、この回転検出装置では、先の図１３に示すインナコア１００の位置を基準（φ＝０［°］）としてその回転角度φが−４５［°］〜＋４５［°］の範囲で変化したときに、センサチップ１２０を通じて検出される磁束密度Ｂが−０．１５［Ｔ］〜＋０．１５［Ｔ］の範囲でリニアに変化する。したがって、このセンサチップ１２０を通じて検出される磁束密度Ｂに基づいてインナコア１００の回転角度φを検出するようにすれば、インナコア１００の回転角度φを精度良く検出することができ、ひいてはロータの回転角度の検出精度が向上するようになる。
特開２００１−１３３２１２号公報

このように、回転検出装置として、インナコア１００が回転したときにセンサチップ１２０を通じて検出される磁束密度Ｂがリニアに変化するといった構成を採用することで、確かにロータの回転角度の検出精度が向上するようにはなる。ただし、この回転検出装置では、磁束密度Ｂを検出するための磁気検出素子が、上述のように、ホール素子により構成されているため、同素子の温度特性が問題となる。すなわち、ホール素子は、一般に、自身の有する温度の影響を受けてホール電圧の大きさが変動する温度依存性を有しているため、こうした素子の温度依存性に起因したホール電圧の変動により、センサチップ１２０としての正確な磁束密度の検出が妨げられるおそれがある。このため、例えばセンサチップ１２０の温度変化に伴いロータの回転角度の検出精度が悪化するなど、回転検出装置としての機能に支障をきたすおそれがある。

なお、こうした問題は、磁石から発せられる磁界の変化を感知する磁気検出素子としてホール素子を採用するようにした回転検出装置に限らず、例えば磁気抵抗素子（ＭＲＥ）を採用するようにした回転検出装置でも同様に生じうる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気検出素子の温度依存性の影響を受けることなく、ロータの回転態様を高い精度で検出することのできる回転検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、磁気検出素子からなる磁気センサと、ロータの回転に伴い同ロータの回転軸の周りを回転する磁石とを備え、前記磁石の回転に伴う同磁石から発せられる磁界の変化を前記磁気検出素子により検出して前記ロータの回転態様を検出する回転検出装置において、前記磁石は、前記ロータの回転軸に平行な軸を中心軸とする円柱状に形成されるとともに同中心軸の方向に着磁され、前記磁気センサは、その検出面に平行な成分を有する磁気ベクトルが印加されたとき、同検出面に沿った基準線と印加された磁気ベクトルとのなす角をパラメータとして正弦波状の信号及び余弦波状の信号をそれぞれ出力するものであるとともに、前記磁石の回転に伴い同磁石の中心の描く回転軌跡を含む円周上から前記ロータの回転軸の方向にオフセットした位置に配置され、且つ、前記検出面が前記磁石の中心の描く回転軌跡を含む平面と平行となる態様にて配置されるものであって、前記磁気センサから出力される前記正弦波状の信号の値を前記余弦波状の信号の値で除算して正接値を算出した上で、同正接値から逆正接値を算出し、該算出した逆正接値に基づいて前記ロータの回転態様の検出を行うことを要旨としている。

ロータの回転に伴い同ロータの回転軸の周りを回転する磁石を、ロータの回転軸に平行な軸を中心軸とする円柱状に形成するとともに、同中心軸の方向に着磁することで、磁石の中心の描く回転軌跡を含む平面（回転平面）を除く部分では、ロータの回転軸に直交する方向の成分を有する磁気ベクトルが生じる。このため、磁気センサを、磁石の中心の回転平面からロータの回転軸の方向にオフセットした位置に配置するとともに、同磁気センサの検出面を、磁石の中心の回転平面と平行となるように配置するようにすれば、検出面に平行な成分を有する磁気ベクトルが同検出面に印加されるようになる。ここで、発明者は、上記構成によるように、磁気センサを、その検出面に平行な成分を有する磁気ベクトルが印加されたとき、検出面に沿った基準線と印加された磁気ベクトルとのなす角をパラメータとして正弦波状の信号及び余弦波状の信号をそれぞれ出力するものとして構成するようにした上で、同磁気センサを、特に、磁石の中心の描く回転軌跡を含む円周上から同ロータの回転軸の方向にオフセットした位置に配置することで、ロータの回転角度をパラメータとした正弦波状の信号及び余弦波状の信号を得ることができることを新たに発見した。そして、こうして得られる正弦波状の信号の値を余弦波状の信号の値で除算して正接値を算出するといった演算を行うようにすれば、この正接値は、磁気抵抗素子の温度依存性に起因する正弦波状の信号の変動、及び余弦波状の信号の変動が互いに相殺された値となる。したがって、この正接値から逆正接値を算出し、算出した逆正接値に基づいてロータの回転態様の検出を行うようにすれば、磁気検出素子の温度依存性の影響を受けることなく、高い精度でロータの回転態様を検出することができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転検出装置において、前記磁気検出素子は、印加される磁気ベクトルに応じて抵抗値を変化させる磁気抵抗素子からなり、前記磁気センサは、それぞれ４つの磁気抵抗素子により構成される２つのブリッジ回路を有し、前記正弦波状の信号及び前記余弦波状の信号を、これら２つのブリッジ回路の出力信号としてそれぞれ取得することを要旨としている。

同構成によれば、一つの磁気センサを通じて正弦波状の信号及び余弦波状の信号を取得することができるため、例えば正弦波状の信号を取得するための磁気センサと余弦波状の信号を取得するための磁気センサとを各別に設けるようにした回転検出装置と比較して、装置としての構造の簡素化を図ることができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の回転検出装置において、前記磁石の中心の描く回転軌跡を含む平面に沿って延設される基板を備え、前記磁気センサが、前記基板の互いに反対側の面に該基板を挟んで対向するかたちで実装される２つの磁気センサからなり、これら２つの磁気センサの二重系として前記ロータの回転態様の検出を行うことを要旨としている。

こうした回転検出装置にあっては、ロータの回転態様を検出するためのセンサとして２つの磁気センサを設けるようにする、いわゆるセンサの二重系化を図ることにより、たとえ一方の磁気センサに異常が生じた場合であっても、異常の生じていない他方の磁気センサを通じてロータの回転態様を検出することができるようになる。ここで、このようにセンサの二重系化を図る場合には、互いのセンサ出力を一致させるように２つの磁気センサを配置することが望ましい。一方、ホール素子からなる磁気センサを用いてロータの回転態様を検出するようにした回転検出装置にあっては、センサの二重系化を図る場合、例えば先の図１１に例示した従来の回転検出装置のように、磁石の回転軸を中心として１８０°だけずれた位置に２つの磁気センサを配置するといった構造を採用することで２つの磁気センサの出力がほぼ一致するようになるため、適切なかたちでセンサの二重系化を図ることができるようになる。ただし、このような構造からなる回転検出装置にあっては、磁気センサを実装するための基板を設ける際に、２つの磁気センサに届くように基板を配置する必要があるため、基板の大型化を招くおそれがある。ところで、上記請求項１及び２に記載の回転検出装置によるように、磁石を、ロータの回転軸に平行な軸を中心軸とする円柱状に形成するとともに同中心軸の方向に着磁するようにすれば、磁石の中心の回転平面に対して鏡像対称となる磁界が形成されるようになる。したがって、上記構成によるように、磁石の中心の回転平面に沿って基板を延設するようにした上で、この基板の互いに反対側の面に該基板を挟んで対向するかたちで２つの磁気センサを配置するようにすれば、これらを互いに近接した位置に配置することができるようになる。また、２つの磁気センサに互いに正反対の方向の磁気ベクトルを印加することができるため、例えば２つの磁気センサを互いに反対方向の向きとなるように配置するなど、センサの向きの調整を適宜行うことで、それらの出力がほぼ一致するようにもなる。したがって、センサの二重系化を図りつつも、磁気センサを実装するための基板の小型化を実現することができるようになる。

本発明にかかる回転検出装置によれば、磁気検出素子の温度依存性の影響を受けることなく、ロータの回転態様を高い精度で検出することができるようになる。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる回転検出装置を、車両のシフトレバーの位置（シフトポジション）を検出するシフトポジションセンサに具体化した第１の実施形態について図１〜図１０を参照して説明する。図１は、本実施形態のシフトポジションセンサが搭載される車両のシフト装置の概略の構成を示したものであり、はじめに、この図１を参照してこのシフト装置の概要を説明する。ちなみに、このシフト装置は、シフトレバーと変速機との間の機械的な連結が排除された、いわゆるシフトバイワイヤ式のシフト装置を想定している。

同図１に示されるように、このシフト装置は、大きくは、車両の運転者が把持する部分となる把持部１１の設けられたシフトレバー１２と、このシフトレバー１２が挿通される部分として直線状のシフトゲート１３の形成されたシフトパネル１４とを備えている。ここで、シフトレバー１２の基端側の部分には、シフトゲート１３の延伸方向と直交する方向に延びるシャフト１５が設けられており、このシャフト１５とシフトレバー１２の基端部とが連結部材１６を介して互いに連結されている。そして、このシフト装置では、シフトレバー１２が、図示しない支持構造を介してシャフト１５を中心に揺動可能に支持される構造となっている。ちなみに、このシフト装置では、運転者が、例えばシフトレバー１２をシフトゲート１３の図中の奥側の位置から手前側の位置まで操作したとすると、シフトポジションが「Ｐ（パーキングレンジ）」、「Ｒ（リバースレンジ）」、「Ｎ（ニュートラルレンジ）」、「Ｄ（ドライブレンジ）」、「２（セカンドレンジ）」、「１（ロウレンジ）」の順に選択的に切り替えられる。一方、シャフト１５の端部には、同シャフト１５の回転位置に応じた、換言すればシフトポジションに応じた電圧信号を出力するシフトポジションセンサ２０が取り付けられており、このシフトポジションセンサ２０の電圧信号が、マイクロコンピュータを中心に構成されてシフト装置の各種制御を統括的に司る制御部３０に伝達される。この制御部３０は、シフトポジションセンサ２０から伝達される電圧信号に基づいてシフトレバー１２が上記シフトポジションのいずれのポジションであるかを判定するとともに、判定されたシフトポジションに基づいて、車両の変速機４０のギア段を変更する制御を実行する。

次に、図２（ａ），（ｂ）を参照して、シフトポジションセンサ２０の具体的な構造について説明する。ここで、図２（ａ）は、このシフトポジションセンサ２０の側面構造を、また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面構造をそれぞれ示したものである。なお、図２（ｂ）では、軸線Ｐ（Ｐ）を基準として、軸線ｎ１を中心に矢印ａで示す方向に所定角度だけそれぞれ傾いた軸線を、軸線Ｐ（Ｒ），軸線Ｐ（Ｎ），軸線Ｐ（Ｄ），軸線Ｐ（２），軸線Ｐ（１）にてそれぞれ示している。

同図２（ａ），（ｂ）に示されるように、シフトポジションセンサ２０は、大きくは、軸線ｎ１を中心軸として円柱状に形成されるとともに外周面に板状の突出部２１ａの形成されたロータ２１と、突出部２１ａのシフトレバー１２の側の面に固着された磁石２２と、磁石２２により形成される磁界の変化を検出する磁気センサ２３とから構成されている。また、このシフトポジションセンサ２０では、ロータ２１等の各種部品の外側を合成樹脂製のケース２４により覆うことで、これらの各種部品を外部環境から保護する構造となっている。

ここで、ロータ２１の中央部には、軸線ｎ１に沿うかたちで断面矩形状の挿通孔２１ｂが形成されており、この挿通孔２１ｂに、シャフト１５の端面から回転軸ｍに沿って導出された同じく断面矩形状の突出部１５ａが嵌合される。すなわち、このシフトポジションセンサ２０では、ロータ２１の挿通孔２１ｂにシャフト１５の突出部１５ａが嵌合することで、シャフト１５の回転軸ｍとロータ２１の中心軸である軸線ｎ１とが互いに一致するかたちでロータ２１がシャフト１５に組み付けられる。そして、このシフトポジションセンサ２０では、運転者によるシフトレバー１２の操作に伴い、ロータ２１がシャフト１５と一体となって回転軸ｍを中心に回転する構造となっている。

一方、磁石２２は、上記軸線ｎ１と平行な軸線ｎ２を中心軸とする円柱状に形成されるとともに、同軸線ｎ２に沿ってシフトレバー１２の側の部分がＳ極となり、また、その反対側の部分がＮ極となる着磁方向を有している。そして、図２（ｂ）に示されるように、この磁石２２は、運転者によるシフトレバー１２の操作に伴いシャフト１５及びロータ２１が回転軸ｍを中心に回転したとすると、上記突出部２１ａと一体となって回転軸ｍの周りを回転する。具体的には、例えば上記シフトポジションが「Ｐ」に設定されているときには、磁石２２はその中心Ｃｍが軸線Ｐ（Ｐ）と重なる位置に保持された状態であり、この状態からシフトポジションが「Ｒ」に切り替えられたとすると、上記磁石２２はその中心Ｃｍが軸線Ｐ（Ｒ）と重なる位置まで回転する。さらに、シフトポジションが「Ｎ」，「Ｄ」，「２」，「１」の順に切り替えられたとすると、上記磁石２２はその中心Ｃｍが軸線Ｐ（Ｎ），Ｐ（Ｄ），Ｐ（２），Ｐ（１）と重なる位置までそれぞれ回転する。

また一方、ケース２４の中央部には、上記ロータ２１が摺動可能に挿入される挿入孔２４ａが形成されるとともに、この挿入孔２４ａに連通するかたちで上記磁石２２及び突出部２１ａが動く範囲に対応して扇形状の内部空間２４ｂが形成されている。ちなみに、本実施形態にかかるシフトポジションセンサ２０では、ケース２４が図中に示す位置で固定されているため、ロータ２１が回転した際には、ケース２４はその位置が保持されたまま、ロータ２１のみが回転する。また、ケース２４には、内部空間２４ｂが形成されている部分から上記矢印ａで示す方向にずれた位置であって、且つ、図２（ａ）に併せ示すように、上記軸線ｎ１の方向にずれた位置に、円弧状の内部空間２４ｃが形成されている。そして、この内部空間２４ｃには、上記磁気センサ２３をはじめ、同磁気センサ２３から出力される電圧信号を取り込んで各種演算を行う演算回路などを実装した基板２５が配設されている。ちなみに、図２（ｂ）に示されるように、この基板２５にはコネクタ２５ａが設けられており、上記シフト装置は、シフトポジションセンサ２０への給電、並びに同シフトポジションセンサ２０の出力の取り込みをこのコネクタ２５ａを介して行う。

ここで、本実施形態にかかるシフトポジションセンサ２０では、このようにケース２４の内部空間２４ｃに磁気センサ２３を配設することにより、磁気センサ２３が上記磁石２２に対して以下のような位置関係を有して配設されている。すなわち、図２（ａ）に示されるように、上記磁石２２の回転に伴い同磁石２２の中心Ｃｍの描く回転軌跡の円周上（図中の二点鎖線で示す円周上）から、上記軸線ｎ１の方向にギャップｇだけオフセットした位置に配置されている。また、この磁気センサ２３は、図２（ｂ）に示される面と平行となる態様にて、すなわち軸線ｎ１に直交する態様にて、磁気を検出する検出面が配置されている。

図３は、こうした磁気センサ２３についてその検出面の側から見た平面構造を示したものである。
同図３に示されるように、磁気センサ２３は、センサ中心Ｃｓを中心として各々４５°ずつ傾くかたちで環状に配置される８つの磁気抵抗素子Ｍ１〜Ｍ８を備えるセンサ部２３ａと共に、同センサ部２３ａから出力される電圧信号に対して所定の信号処理を施す回路等が１チップに集積化されて構成される、いわゆる磁気抵抗効果（ＭＲＥ）センサである。ちなみに、磁気抵抗素子Ｍ１〜Ｍ８は、強磁性金属を主成分とする磁気抵抗膜からなり、印加される磁気ベクトルに応じてその抵抗値が変化するといった物性を有している。そして、この磁気センサ２３は、例えばセンサ中心Ｃｓを通り、且つ、図中のｙ軸に平行な軸線をｙｓとしたときに、センサ２３に印加される磁気ベクトルＢｖと軸線ｙｓとがなす角度θの大きさに応じた電圧信号を出力する。

図４は、こうした構造を有する磁気センサ２３の電気的な構成についてその等価回路を示したものである。
同図４に示されるように、この磁気センサ２３では、４つの磁気抵抗素子Ｍ１，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ７により１つのブリッジ回路が、また、４つの磁気抵抗素子Ｍ２，Ｍ４，Ｍ６，Ｍ８によってもう１つのブリッジ回路が構成されている。ここで、各ブリッジ回路では、磁気抵抗素子Ｍ３，Ｍ５の間、並びに磁気抵抗素子Ｍ４，Ｍ６の間に定電圧Ｖｃｃがそれぞれ印加されるとともに、磁気抵抗素子Ｍ１，Ｍ７の間、並びに磁気抵抗素子Ｍ２，Ｍ８の間が各々接地されている。そして、磁気センサ２３では、上記センサ部２３ａの出力として、磁気抵抗素子Ｍ１，Ｍ３の間の中点電位Ｖ１１、磁気抵抗素子Ｍ５，Ｍ７の間の中点電位Ｖ１２、磁気抵抗素子Ｍ２，Ｍ４の間の中点電位Ｖ２１、及び磁気抵抗素子Ｍ６，Ｍ８の間の中点電位Ｖ２２がそれぞれ出力される。そして、磁気センサ２３では、中点電位Ｖ１１，Ｖ１２が差動増幅器５０に取り込まれて、また、中点電位Ｖ２１，Ｖ２２が差動増幅器５１に取り込まれてそれぞれ差動増幅される。すなわち、この磁気センサ２３では、差動増幅器５０，５１による各差動増幅出力として、磁気抵抗素子Ｍ１〜Ｍ８に印加される磁気ベクトルの変化に応じて連続的に変化する電圧信号Ｖ１，Ｖ２が出力される。ちなみに、これらの電圧信号Ｖ１，Ｖ２は、以下の（１）及び（２）式で示されるように、また図５に示すように、先の図３に示した上記磁気ベクトルＢｖの方向が基準線ｙｓとなす角度θをパラメータとして、それぞれ正弦波状及び余弦波状に変化する。

Ｖ１＝Ｖｓ×ｓｉｎ２θ・・・（１）
Ｖ２＝Ｖｓ×ｃｏｓ２θ・・・（２）
ただし、Ｖｓは磁気センサ２３の感度に基づく値である。

次に、図６〜図８を参照して、シフトポジションの切り替えに伴って磁石２２が回転したときの上記電圧信号Ｖ１，Ｖ２の変化態様について説明する。ここで、図６（ａ）は、先の図２（ａ）に対応する図として、磁石２２及び磁気センサ２３といった要素のみを抜き出して、磁石２２の中心Ｃｍが軸線Ｐ（１）上に位置しているときに磁石２２により形成される磁界を模式的に示したものである。また、図６（ｂ）は、上記図２（ｂ）に対応する図として、同じく磁石２２及び磁気センサ２３といった要素のみを抜き出して、磁石２２の中心Ｃｍが軸線Ｐ（１）上に位置しているときに磁気センサ２３に印加される磁気ベクトルを模式的に示したものである。なお、同図６（ｂ）では、上記磁石２２の中心Ｃｍの描く回転軌跡を含む平面（回転平面）をｘｙ平面としている。

このシフトポジションセンサ２０では、前述のように、磁石２２がその中心軸である軸線ｎ２に沿って着磁されているため、同磁石２２により、図６（ａ）中の一点鎖線の矢印にて示されるような磁界が形成される。ここで、このシフトポジションセンサ２０では、同じく上述のように、磁石２２により形成されるこうした磁界に対し、磁気センサ２３を、図中の二点鎖線で示す磁石２２の中心Ｃｍの回転軌跡を含む円周上からロータ２１の回転軸である軸線ｎ１に沿った方向にギャップｇだけオフセットした位置に配置するようにしている。これにより、図６（ｂ）に併せ示されるように、磁石２２の中心Ｃｍが軸線Ｐ（１）上に位置しているときには、上記軸線ｎ１に直交する方向、すなわち同センサ２３の検出面に平行な方向の成分Ｂｖ（１）を有する磁気ベクトルが磁気センサ２３に印加される。そして、このシフトポジションセンサ２０では、磁石２２の中心Ｃｍが軸線Ｐ（１）上に位置している状態から、ロータ２１の回転に伴い、磁石２２が、「軸線Ｐ（２）→軸線Ｐ（Ｄ）→軸線Ｐ（Ｎ）→軸線Ｐ（Ｒ）→軸線Ｐ（Ｐ）」の順をもってそれぞれの軸線上を移動したとすると、磁気センサ２３に印加される磁気ベクトルの方向に変化が生じる。すなわち、図７に示すように、磁気センサ２３に印加される磁気ベクトルの方向は、磁気ベクトルＢｖ（１）を基準として、「磁気ベクトルＢｖ（２）→磁気ベクトルＢｖ（Ｄ）→磁気ベクトルＢｖ（Ｎ）→磁気ベクトルＢｖ（Ｒ）→磁気ベクトルＢｖ（Ｐ）」の順で変化し、磁気センサ２３に印加される磁気ベクトルＢｖと軸線ｙｓとがなす角度θが徐々に大きくなる。そしてこのとき、磁気センサ２３から出力される電圧信号Ｖ１，Ｖ２が、以下の（３）及び（４）式で示されるように、先の図６（ｂ）中に示す磁石２２の中心Ｃｍとセンサ２３の中心Ｃｓとが軸線ｎ１に沿った方向に重なる位置を基準とした磁石２２の回転角度、すなわちロータ２１の回転角度αをパラメータとして、正弦波状及び余弦波状にそれぞれ変化することが発明者によって確認されている。

Ｖ１＝Ｖｓ×ｓｉｎα・・・（３）
Ｖ２＝Ｖｓ×ｃｏｓα・・・（４）
ちなみに、図８は、横軸にロータ２１の回転角度αを、縦軸に電圧信号Ｖ１，Ｖ２をとり、両者の関係をそれぞれ示したグラフである。なお、図８では、シフトポジションが「１」，「２」，「Ｄ」，「Ｎ」，「Ｒ」，「Ｐ」であるときのロータ２１の回転角度をα（１），α（２），α（Ｄ），α（Ｎ），α（Ｒ），α（Ｐ）にてそれぞれ示している。

ところで、ロータ２１の回転角度αに応じて電圧信号Ｖ１，Ｖ２が図８で示す態様にて変化する場合、シフト装置の制御部３０では、例えば電圧信号Ｖ１の値に基づいてシフトポジションを検出することが可能であるとも考えられる。すなわち、シフト装置の制御部３０は、例えば電圧信号Ｖ１の値が図中のＶ１（２）の値である旨を検出することができれば、シフトポジションが「２」である旨を検出することができるとも考えられる。

しかしながら、磁気センサ２３を構成する磁気抵抗素子Ｍ１〜Ｍ８は、一般に、自身の温度等の影響を受けてその抵抗値が変動する温度依存性を有しているため、こうした素子の温度依存性に起因して、電圧信号Ｖ１，Ｖ２の振幅Ｖｓが変動するおそれがある。このため、単に電圧信号Ｖ１、あるいは電圧信号Ｖ２に基づいて、シフトポジションの検出を行おうとすると、こうした振幅Ｖｓの温度依存性の影響により、シフトポジションを適切に検出することができないおそれがある。

そこで、本実施形態にかかるシフトポジションセンサ２０では、図９に示すように、この磁気センサ２３の出力信号である電圧信号Ｖ１，Ｖ２を演算回路６０に取り込んで、まずは、以下の（５）式に基づく演算を演算回路６０を通じて行い、電圧信号Ｖ１，Ｖ２から正接値ｔａｎαを求めるようにしている。

Ｖ１／Ｖ２＝（Ｖｓ×ｓｉｎα）／（Ｖｓ×ｃｏｓα）＝ｔａｎα・・・（５）
すなわち、この（５）式に基づく演算を行うことで、温度依存性を有する振幅Ｖｓをキャンセルすることができるようになる。さらに、このシフトポジションセンサ２０では、演算回路６０を通じて正接値ｔａｎαからその逆正接値β（＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎα））を求める演算を行うとともに、演算された逆正接値βを電圧信号Ｖβとして上記シフト装置の制御部３０に伝達する。

ここで、図１０は、横軸に上記ロータ２１の回転角度αを、縦軸に逆正接値βをとり、両者の関係を示したグラフである。なお、図１０でも、シフトポジションが「１」，「２」，「Ｄ」，「Ｎ」，「Ｒ」，「Ｐ」であるときのロータ２１の回転角度をα（１），α（２），α（Ｄ），α（Ｎ），α（Ｒ），α（Ｐ）にてそれぞれ示している。

同図１０に示されるように、逆正接値βは、ロータ２１の回転角度αの変化に対してリニアに変化するため、この逆正接値βに基づいてロータ２１の回転角度αを検出すれば、その検出処理が簡易な処理で済むようになる。しかも、逆正接値βは、磁気抵抗素子Ｍ１〜Ｍ８の温度依存性の影響を受けることがないため、ロータ２１の回転角度αの検出を、より高い精度で行うことができるようになり、ひいてはシフト装置によるシフトポジションの検出を、より高い精度で行うことができるようになる。

以上説明したように、この第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサによれば、以下のような効果が得られるようにもなる。
（１）ロータ２１の回転に伴いその回転軸である軸線ｎ１の周りを回転する磁石２２を設けた上で、この磁石２２を、軸線ｎ１に平行な軸線ｎ２を中心軸とする円柱状に形成するとともに軸線ｎ２の方向に着磁するようにした。また、検出面に印加される磁気ベクトルに応じて正弦波状の電圧信号Ｖ１と余弦波状の電圧信号Ｖ２とを出力する磁気センサ２３を、磁石２２の中心Ｃｓの描く回転軌跡を含む円周上から軸線ｎ１の方向にギャップｇだけオフセットした位置に配置し、さらに、その検出面を、磁石２２の中心Ｃｓの回転平面と平行となる態様にて配置するようにした。ここで、発明者は、シフトポジションセンサとしてのこうした構成により、ロータ２１が回転した際に、磁気センサ２３から出力される電圧信号Ｖ１，Ｖ２が、ロータ２１の回転角度αをパラメータとしてそれぞれ正弦波状の信号及び余弦波状の信号となることを新たに見出した。そして、正弦波状の電圧信号Ｖ１の値を余弦波状の電圧信号Ｖ２の値で除算して正接値ｔａｎαを演算し、さらに、この正接値ｔａｎαから逆正接値βを演算して、この逆正接値βに基づいてロータ２１の回転角度αを検出するようにした。これにより、磁気抵抗素子Ｍ１〜Ｍ８の温度依存性の影響を受けることなく、ロータ２１の回転角度αの検出を、より高い精度で行うことができるようになり、ひいてはシフト装置によるシフトポジションの検出を、より高い精度で行うことができるようになる。

（２）磁気センサ２３に、４つの磁気抵抗素子Ｍ１，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ７により構成される一つのブリッジ回路と、４つの磁気抵抗素子Ｍ２，Ｍ４，Ｍ６，Ｍ８により構成されるもう一つのブリッジ回路とを設け、正弦波状の電圧信号Ｖ１と余弦波状の電圧信号Ｖ２とを、これらのブリッジ回路の出力信号としてそれぞれ取得するようにした。これにより、例えば正弦波状の電圧信号Ｖ１を取得するための磁気センサと余弦波状の電圧信号Ｖ２を取得するための磁気センサとを各別に設けるようにしたシフトポジションセンサと比較して、センサとしての構造の簡素化を図ることができるようになる。
（第２の実施形態）
続いて、本発明にかかる回転検出装置を、ここでも車両のシフトポジションを検出するシフトポジションセンサに具体化した第２の実施形態について、先の６（ａ）に併せ、図１１及び図１２を参照して説明する。

一般に、上記第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサ２０を含む回転検出装置にあっては、ロータの回転態様を検出するためのセンサとして２つの磁気センサを設けるようにする、いわゆるセンサの二重系化を図ることが望ましい。すなわち、こうしたセンサの二重系化を図ることによって、たとえ２つの磁気センサのうちの一方の磁気センサに異常が生じた場合であっても、異常の生じていない他方の磁気センサを通じてロータの回転態様を検出することができるようになる。ここで、このようにセンサの二重系化を図る場合には、互いのセンサ出力を一致させるように２つの磁気センサを配置することが望ましい。一方、ホール素子からなる磁気センサを用いてロータの回転態様を検出するようにした回転検出装置にあっては、センサの二重系化を図る場合、例えば先の図１３に例示した従来の回転検出装置のような構造を採用することが考えられる。すなわち、磁石の回転軸ｆを中心として１８０°だけずれた位置に２つの磁気センサを配置するといった構造を採用することで２つの磁気センサの出力がほぼ一致するようになるため、適切なかたちでセンサの二重系化を図ることができるようになる。ただし、このような構造からなる回転検出装置にあっては、磁気センサを実装するための基板を設ける際に、２つの磁気センサに届く長さを有する基板、例えば図１１に示すような回転軸ｆを中心とした半円弧状の基板１３０が必要になるなど、基板の大型化を招くおそれがある。

ところで、先の図６（ａ）に示されるように、磁石２２を、その回転軸である軸線ｎ１に平行な軸線ｎ２を中心軸とする円柱状に形成するとともに、同軸線ｎ２の方向に着磁するようにした場合には、磁石２２の中心Ｃｓの回転平面（図中の二点鎖線を含む紙面に垂直な平面）に対して鏡像対称となる磁界が形成されるようになる。したがって、図中の破線で示す位置に、すなわち上記磁気センサ２３に対して磁石２２の中心Ｃｓの回転平面を基準として対称となる位置に新たな磁気センサ２６を配置するようにすれば、磁気センサ２３に印加される磁気ベクトルＢｖ（１）と反対方向の磁気ベクトルＢｖ（１）’が磁気センサ２６に印加されるようになる。このため、磁気センサ２３，２６を同一構造のセンサとしてそれぞれ構成し、さらに磁気センサ２３，２６の向きを図中の上下方向に互いに反対方向となるように配置するようにすれば、磁気センサ２３，２６から出力される電圧信号がほぼ一致するようになるため、適切なかたちでセンサの二重系化を図ることができるようになり、しかも、２つの磁気センサ２３，２６を互いに接近した位置に配置することもできるようになる。本実施形態にかかるシフトポジションセンサでは、こうしたセンサの二重系構造を利用して、磁気センサを実装するための基板の小型化を実現するようにしている。

図１２（ａ）は、先の図２（ａ）に対応する図として本実施形態にかかるシフトポジションセンサ７０の側面構造を、また、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面構造をそれぞれ示したものである。なお、この第２の実施形態が適用対象とするシフトポジションセンサもその基本構造は先の図２（ａ），（ｂ）に示した構造に準ずるものであり、図１２（ａ），（ｂ）において先の図２（ａ），（ｂ）に示した要素と同一の要素にはそれぞれ同一の符号を付すことにより重複する説明を割愛し、以下では、両者の相違点を中心に説明する。

同図１２（ａ），（ｂ）に示されるように、このシフトポジションセンサ７０では、磁石２２の中心Ｃｍの回転平面（図中の二点鎖線を含む平面）に沿って上記基板２５が配設されるとともに、この基板２５の互いに反対側の面に該基板２５を挟んで対向するかたちで２つの磁気センサ２３，２６が配設されている。そして、このシフトポジションセンサ７０では、これら磁気センサ２３，２６の二重系としてロータ２１の回転角度αの検出を行うようにしている。ここで、磁気センサ２６は、磁気センサ２３と同一構造のセンサとして構成されるとともに、これら磁気センサ２３，２６の向きが図１２（ａ）の上下方向に互いに反対方向となるように設定されている。すなわち、このシフトポジションセンサ７０では、上述のセンサの二重系化構造を採用するようにしている。このため、２つの磁気センサ２３，２６から出力される電圧信号がほぼ一致するため、適切なかたちでセンサの二重系化を図ることができるようになる。しかも、磁気センサ２３，２６を互いに接近した位置に配置することもできるため、センサの二重系化構造を取りながらも、図１２（ｂ）に示すように、基板２５を、例えば軸線ｎ１を中心とした１／４円弧状に形成することができるようにもなる。したがって、本実施形態にかかるシフトポジションセンサ７０によれば、先の図１１に例示した回転検出装置と比較して、基板の小型化を実現することができるようになる。

以上説明したように、この第２の実施形態にかかるシフトポジションセンサによれば、先の第１の実施形態による前記（１），（２）の効果に加え、さらに以下の効果が得られるようになる。

（３）磁石２２の中心Ｃｍの回転平面に沿って基板２５を延設した上で、同基板２５の互いに反対側の面に基板２５を挟んで対向するかたちで２つの磁気センサ２３，２６を配設し、これら２つの磁気センサ２３，２６の二重系としてロータ２１の回転角度αの検出を行うようにした。これにより、センサの二重系化を図りつつも、磁気センサ２３，２６を実装するための基板２５の小型化が図られるようになる。
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。

・上記各実施形態では、２つのブリッジ回路の設けられた磁気センサ２３を利用して正弦波状の電圧信号及び余弦波状の電圧信号をそれぞれ取得するようにしたが、例えば１つのブリッジ回路の設けられた磁気センサを２つ設けた上で、２つの磁気センサを利用して正弦波状の電圧信号及び余弦波状の電圧信号をそれぞれ取得するようにしてもよい。

・上記各実施形態では、本発明にかかる回転検出装置を、シフトポジションを検出するシフトポジションセンサに適用するようにしたが、例えば、シフトポジションが「Ｎ（ニュートラル）」であるか否かを検出する、いわゆるニュートラルスイッチに適用するようにしてもよい。要は、ロータの回転態様を検出する回転検出装置であればよい。
（付記）
次に、上記各実施形態及びその変形例から把握できる技術的思想について追記する。

（イ）車両のシフトレバーの位置を検出すべく車両のシフト装置に設けられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転検出装置を利用したシフトポジションセンサであって、前記ロータが、車両のシフトレバーの操作に応じて回転するものであり、前記検出されるロータの回転態様に基づき前記シフトレバーの位置の検出を行うことを特徴とするシフトポジションセンサ。具体的には、同構成によるように、上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転検出装置を、車両のシフトレバーの位置を検出するためのシフトポジションセンサに適用し、シフトレバーの操作に応じてロータが回転する構成とした上で、検出されるロータの回転態様に基づきシフトレバーの位置の検出を行うようにしてもよい。

（ロ）車両のシフトレバーのニュートラルポジションの位置を検出すべく車両のシフト装置に設けられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転検出装置を利用したニュートラルスイッチであって、前記ロータが、車両のシフトレバーの操作に応じて回転するものであり、前記検出されるロータの回転態様に基づき前記シフトレバーのニュートラルポジションの位置の検出を行うことを特徴とするニュートラルスイッチ。具体的には、同構成によるように、上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転検出装置を、車両のシフトレバーのニュートラルポジションの位置を検出するためのニュートラルスイッチに適用し、シフトレバーの操作に応じてロータが回転する構成とした上で、検出されるロータの回転態様に基づきシフトレバーのニュートラルポジションの位置の検出を行うようにしてもよい。

本発明にかかる回転検出装置を車両のシフトポジションセンサに具体化した第１の実施形態について同センサが搭載されるシフト装置の概略の構成を模式的に示すブロック図。 （ａ），（ｂ）は、同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサについてその側面構造及び断面構造をそれぞれ示す側面図及び断面図。 同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサに搭載される磁気センサについてその平面構造を示す平面図。 同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサに搭載される磁気センサについてその等価回路を示す回路図。 同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサにおいて、磁気センサに印加される磁気ベクトルの方向が軸線ｙｓとなす角度θと同磁気センサから出力される電圧信号Ｖ１，Ｖ２との関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は、同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサの磁石により形成される形成される磁界の様子を模式的に示す側面図、及び同磁界により磁気センサに印加される磁気ベクトルの様子を模式的に示す平面図。 同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサについて磁石の回転位置が変化したときに磁気センサに印加される磁気ベクトルの変化を模式的に示す平面図。 同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサにおいて、ロータの回転角度αと磁気センサから出力される電圧信号Ｖ１，Ｖ２との関係をそれぞれ示すグラフ。 同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサの主に演算処理系についてそのシステム構成を示すブロック図。 同第１の実施形態にかかるシフトポジションセンサにおいて、ロータの回転角度αと演算回路を通じて演算される逆正接値βとの関係を示すグラフ。 従来の回転検出装置の一例についてその平面構造を示す平面図。 （ａ），（ｂ）は、本発明にかかる回転検出装置を車両のシフトポジションセンサに具体化した第２の実施形態についてその側面構造及び断面構造をそれぞれ示す側面図及び断面図。 従来の回転検出装置の一例についてその斜視構造を示す斜視図。 同従来の回転検出装置の一例において、ロータの回転角度θとセンサチップに印加される磁束密度Ｂとの関係を示すグラフ。

符号の説明

１１…把持部、１２…シフトレバー、１３…シフトゲート、１４…シフトパネル、１５…シャフト、１５ａ…突出部、１６…連結部材、２０，７０…シフトポジションセンサ、２１…ロータ、２１ａ…突出部、２１ｂ…挿通孔、２２，１０１…磁石、２３…磁気センサ、２３ａ…センサ部、２４…ケース、２４ａ…挿入孔、２４ｂ，２４ｃ…内部空間、２５，１３０…基板、２５ａ…コネクタ、２６…磁気センサ、３０…制御部、４０…変速機、５０，５１…差動増幅器、６０…演算回路、１００…インナコア、１１０…アウタコア、１１１…エアギャップ、１２０…センサチップ。

Claims (3)

1. 磁気検出素子からなる磁気センサと、ロータの回転に伴い同ロータの回転軸の周りを回転する磁石とを備え、前記磁石の回転に伴う同磁石から発せられる磁界の変化を前記磁気検出素子により検出して前記ロータの回転態様を検出する回転検出装置において、
   前記磁石は、前記ロータの回転軸に平行な軸を中心軸とする円柱状に形成されるとともに同中心軸の方向に着磁され、
   前記磁気センサは、その検出面に平行な成分を有する磁気ベクトルが印加されたとき、同検出面に沿った基準線と印加された磁気ベクトルとのなす角をパラメータとして正弦波状の信号及び余弦波状の信号をそれぞれ出力するものであるとともに、前記磁石の回転に伴い同磁石の中心の描く回転軌跡を含む円周上から前記ロータの回転軸の方向にオフセットした位置に配置され、且つ、前記検出面が前記磁石の中心の描く回転軌跡を含む平面と平行となる態様にて配置されるものであって、
   前記磁気センサから出力される前記正弦波状の信号の値を前記余弦波状の信号の値で除算して正接値を算出した上で、同正接値から逆正接値を算出し、該算出した逆正接値に基づいて前記ロータの回転態様の検出を行う
   ことを特徴とする回転検出装置。
2. 前記磁気検出素子は、印加される磁気ベクトルに応じて抵抗値を変化させる磁気抵抗素子からなり、前記磁気センサは、それぞれ４つの磁気抵抗素子により構成される２つのブリッジ回路を有し、前記正弦波状の信号及び前記余弦波状の信号を、これら２つのブリッジ回路の出力信号としてそれぞれ取得する
   請求項１に記載の回転検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の回転検出装置において、
   前記磁石の中心の描く回転軌跡を含む平面に沿って延設される基板を備え、前記磁気センサが、前記基板の互いに反対側の面に該基板を挟んで対向するかたちで実装される２つの磁気センサからなり、これら２つの磁気センサの二重系として前記ロータの回転態様の検出を行う
   ことを特徴とする回転検出装置。

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