JP2014002120A - 無接点センサ及びシフトレバー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出ばらつきを抑制することができる無接点センサ及びシフトレバー装置を提供する。
【解決手段】基板６に面方向に沿って切り欠き孔７を設け、この切り欠き孔７の幅方向両側に一対のパターンコイル８を設け、シフトレバーと連動する導電性の材料からなる被検出部１４を切り欠き孔７の内部に設ける。そして、シフトレバーの操作に伴い、一対のパターンコイル８の間に被検出部１４が入り込むと、パターンコイル対の間の磁気結合率が変化することを利用して、被検出部１４の位置、つまりシフトレバーの操作位置を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、無接点により変位量を検出する無接点センサ及びシフトレバー装置に関する。

従来から周知のように、種々の装置や機器には、非接触により検出対象を検出することができる無接点センサが搭載されているものが数多くある。この種の無接点センサとしては、例えば特許文献１，２等に示すように、導電性の材料よりなる操作部材（アクチュエータ）と、複数のセンサコイルとを備えたセンサがある。このタイプのセンサは、操作部材がセンサコイルを覆うと、そのセンサコイルのインダクタンスが変化することを利用し、操作部材の位置、つまり検出対象の位置を検出する。

特許第４１４６４９０号公報 特開２００８−２５６６９３号公報

ところで、特許文献１，２の無接点センサのセンサ出力、つまりセンサコイルの出力は、操作部材及びセンサコイルの間の距離に依存することになる。よって、仮にセンサ部材及びセンサコイルの間の距離がばらついてしまうと、センサコイルの出力が所望の値をとらなくなってしまうので、これが検出誤差に繋がる問題があった。

本発明の目的は、検出ばらつきを抑制することができる無接点センサ及びシフトレバー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、検出対象の変位量を無接点により検出する無接点センサにおいて、基材に面方向に沿って形成された凹部と、前記凹部の幅方向両側に対向するように一対設けられた一対のパターンコイルと、前記検出対象に連動して前記凹部内を移動可能であり、前記一対のパターンコイルの間の磁気結合率を変化させる被検出部と、前記パターンコイルの出力値を基に、前記被検出部の変位量を求める信号処理部とを備えたことを要旨とする。

本発明の構成によれば、基材に面方向に沿って凹部を設け、この凹部の幅方向両側に対向するようにパターンコイルを設け、検出対象と連動可能な被検出部を凹部内に設ける。そして、一対のパターンコイルの間に被検出部が入り込むと、パターンコイル対の間の磁気結合率が変化することを利用して、被検出部の位置、つまり検出対象の位置を検出する。ところで、一対のパターンコイルの間の磁気結合率は、仮に被検出部が一方のパターンコイル側に寄っても又は他方のパターンコイル側に寄っても変化しない特性がある。よって、被検出部の凹部内での位置が検出精度に影響を及ぼさないので、検出ばらつきの抑制に効果が高くなる。

本発明では、前記一対のパターンコイルは、前記凹部の長さ方向に沿って複数設けられていることを要旨とする。この構成によれば、パターンコイル対を複数設けたので、検出対象の検出位置を多くとることが可能となる。

本発明では、前記基材は、基板であることを要旨とする。この構成によれば、基板を用いて無接点センサを設けるので、既存部品の配置スペースを利用して、無接点センサを配設することが可能となる。

本発明では、前記パターンコイルは、前記基板の表面に形成された表面側配線パターンと、当該基板の裏面に形成された裏面側配線パターンとを、当該基板のスルーホールにより繋ぎ、この環状部を複数繋ぎ合わせることによりコイル状に形成されていることを要旨とする。この構成によれば、より実現性の高い方法で、基板にパターンコイルを設けることが可能となる。

本発明では、シフトレバーの操作位置を検出するシフトレバー装置において、基材に面方向に沿って形成された凹部と、前記シフトレバーに連動して前記凹部内を移動可能な可動式の被検出部と、前記凹部の幅方向両側に対向するように一対設けられ、間に前記被検出部が位置すると磁気結合率が変化するパターンコイルと、前記パターンコイルの出力値を基に、前記シフトレバーの操作位置を求める信号処理部とを備えたことを要旨とする。

本発明によれば、検出ばらつきを抑制することができる。

一実施形態のシフトレバー装置の外観を示す斜視図。 無接点センサが設けられた基板の断面図。 無接点センサが設けられた基板の外観を示す斜視図。 操作位置検出装置の電気構成図。 パターンコイルに発生する磁気抵抗率がどの箇所で大小となるかを示す説明図。 パターンコイル対が順次切り替えられていく様子を示す説明図。 磁気結合から発生する出力信号の処理の遷移を示す説明図。 （ａ），（ｂ）は被検出部が偏り配置された状態を示す説明図。 別例の無接点センサが設けられた基板の断面図。 他の別例の被検出部の断面図。 他の別例の被検出部の模式図。 （ａ），（ｂ）は他の別例の被検出部の模式図。

以下、本発明を具体化した無接点センサ及びシフトレバー装置の一実施形態を図１〜図８に従って説明する。
図１に示すように、変速機（オートマチックトランスミッション）を有する車両には、変速機の駆動状態を切り替える際に操作するシフトレバー装置１が搭載されている。シフトレバー装置１は、シフトレバー２の操作位置に対応する電気信号を変速機に出力して、変速機の駆動状態を切り替えるシフトバイワイヤ型である。また、シフトレバー装置１は、シフトレバー２がゲート３に沿って操作位置に操作されると、その位置に保持されるステーショナリ型でもある。なお、シフトレバー２が検出対象に相当する。

本例のシフトレバー装置１は、シフトレバー２を直線方向に操作してレンジ位置の切り替えを行うタイプに、シフトレバー２でのシーケンシャル操作も可能な機能が付いたストレート型となっている。レンジ位置には、Ｐ（パーキング）位置、Ｒ（リバース）位置、Ｎ（ニュートラル）位置、Ｄ（ドライブ）位置がある。シフトレバー２は、同図左側のゲート３ａにおいてレンジ位置切り替え操作が可能であり、同図右側のゲート３ｂにおいてシーケンシャル操作が可能である。

シフトレバー装置１には、シフトレバー２の操作位置を検出する操作位置検出装置４が設けられている。操作位置検出装置４は、シフトレバー２がＰ位置、Ｒ位置、Ｎ位置、Ｄ位置、Ｍ位置、＋位置、−位置のいずれにあるのかを検出し、検出した操作位置を操作位置検出信号Ｄpsとして変速機や他のＥＣＵ等に出力する。変速機や他のＥＣＵは、操作位置検出装置４から得た操作位置検出信号Ｄpsを基に、各種動作を実行する。

図３に示すように、操作位置検出装置４には、シフトレバー２のシーケンシャル操作を検出する無接点センサ５が設けられている。無接点センサ５には、シフトレバー装置１用の基板６に貫設された切り欠き孔７が設けられている。切り欠き孔７は、基板６の面方向に細長く延びる孔である。また、基板６は、板厚が１mm以上あることが好ましい。シフトレバー２が回転軸を有する円弧操作式の場合、切り欠き孔７は、図３に示すようなレバー操作に対応した円弧状をとる。なお、基板６が基材に相当し、切り欠き孔７が凹部に相当する。

本例の無接点センサ５は、磁気結合式のコイルセンサが使用されている。例えば、切り欠き孔７の幅方向の両側には、互いに対向するように並べられた一対のパターンコイル８、つまりパターンコイル対が、切り欠き孔７の長手方向（図３の矢印Ａ方向）に等間隔に複数設けられている。各パターンコイル８は、配線を環状に複数巻回した形状をなす。例えば、基板６の表面６ａに、例えば金属からなる直線状の表面側配線パターン（プリント配線）９を設け、基板６の裏面６ｂにも、同様に裏面側配線パターン（プリント配線）１０を設け、これらを基板６のスルーホール１１により繋げて環状部１２にする。そして、この環状部１２を基板６の面方向に並べるとともに、これらを順に繋げる形状とすることにより、配線がコイル状をとるパターンコイル８として形成する。なお、裏面側配線パターン１０は、パターンコイル８の巻き始め及び巻き終わりに位置して表側配線パターン９と平行する第１裏面側配線パターン１３ａと、隣の環状部１２同士を繋げる斜め向きの第２裏面側配線パターン１３ｂとからなる。また、パターンコイル８のコイル軸Ｌａは、切り欠き孔７の長手方向に対して交差する向きをとる。

切り欠き孔７の内部には、対向するパターンコイル８の間の磁気結合率を変化させる可動式の被検出部１４が、切り欠き孔７の長手方向に沿って往復動可能に取り付けられている。被検出部１４は、例えば全体が金属製の直方体からなる。被検出部１４の移動方向の長さＬ１は、切り欠き孔７の長手方向に隣り合う２つのパターンコイル８と同時に対向できる長さに形成されている。被検出部１４が対向する一対のパターンコイル８の間に入り込むと、この箇所における磁気結合率が変化する。

シフトレバー２がゲート３ａからゲート３ｂに倒し操作（セレクト操作）されると、シフトレバー２に設けられた係止突（図示略）が被検出部１４の凹部（図示略）に係止し、被検出部１４がシフトレバー２と連動可能となる。このように、被検出部１４は、シーケンシャル操作されるシフトレバー２に連動することにより、切り欠き孔７を長手方向に往復動する。

図２に示すように、本例の基板６は、表面６ａ及び裏面６ｂの２面が実装面として使用できる２層基板である。よって、本例の場合、基板６の表裏の２面において配線パターンを行き来させることで、コイル状のパターンコイル８を形成することになる。

図４に、無接点センサ５を使用した操作位置検出装置４の電気構成を示す。なお、図４では、切り欠き孔７として直線状のものを図示しているが、シフトレバー２がスライド操作式の場合、切り欠き孔７は同図に示すような直線状をとる。操作位置検出装置４には、この操作位置検出装置４の動作を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１５が設けられている。ＥＣＵ１５には、発振回路１６及びセレクタ回路１７を介して入力側パターンコイル８ａが接続されている。ＥＣＵ１５は、ある周期を持った入力信号Ｓin（交流電流）を、発振回路１６からセレクタ回路１７を介して入力側パターンコイル８ａに供給する。セレクタ回路１７は、ＥＣＵ１５からの指令に基づき、入力信号Ｓinを複数の入力側パターンコイル８ａのうちの特定の１つに選択的に供給する。入力側パターンコイル８ａに交流電流が流されると、その入力側パターンコイル８ａから切り欠き孔７内に交流磁場が生成される。なお、ＥＣＵ１５が信号処理部に相当する。

出力側パターンコイル８ｂは、セレクタ回路１８、整流回路１９及び増幅回路２０を介してＥＣＵ１５に接続されている。セレクタ回路１８は、ＥＣＵ１５からの指令に基づき、複数の出力側パターンコイル８ｂのうちの特定の１つを、選択的に整流回路１９に接続する。出力側パターンコイル８ｂは、対向する入力側パターンコイル８ａから受けた磁場を信号（交流電流）に変換し、これを出力信号（出力値）Ｓoutとしてセレクタ回路１８に出力する。対向するパターンコイル８ａ，８ｂの間に被検出部１４があるかないかで、その間の磁気結合率が変化するので、出力側パターンコイル８ｂからは、このときの磁気結合率に応じた交流電流がＥＣＵ１５に出力される。出力側パターンコイル８ｂの出力信号Ｓoutは、整流回路１９で整流され、増幅回路２０で増幅された後、ＥＣＵ１５に入力される。

図５に示すように、間に被検出部１４が入り込んだパターンコイル対では、磁気結合率が「小さく」なり、間に被検出部１４が存在しないパターンコイル対では、磁気結合率が変化しない。よって、間に被検出部１４があるかないかで、入力側パターンコイル８ａへの入力信号Ｓinと、出力側パターンコイル８ｂからの出力信号Ｓoutとの間には差が発生する。ＥＣＵ１５は、この入出力の差を基に、被検出部１４の位置、つまりシフトレバー２の操作位置を判定する。

次に、本例の無接点センサ５の動作を、図６〜図８を用いて説明する。
図６に示すように、ＥＣＵ１５は、発振回路１６を発振させ、所定の波形（高周波／低周波のどちらでも可）を有する信号（交流電流）を、入力信号Ｓinとしてセレクタ回路１７を介して入力側パターンコイル８ａに入力する。このとき、ＥＣＵ１５は、セレクタ回路１７，１８の切り替えにより、入力側パターンコイル８ａへの信号供給、つまりパターンコイル対の駆動を順番に切り替えていき、これを繰り返す動作を実行する。

シフトレバー２がゲート３ｂに切り替えられた後、シーケンシャル操作されると、この操作に連動して被検出部１４が切り欠き孔７内を動く。このとき、被検出部１４は、対向するパターンコイル８ａ，８ｂの間を、シフトレバー２のシーケンシャル操作に連動して、ある１つのパターンコイル対から隣のパターンコイル対へ、順に通過していく。

図７に示すように、間に被検出部１４が存在するパターンコイル対では、対向するパターンコイル８ａ，８ｂの間に導電率が高い部材が位置するため、入力側パターンコイル８ａから出力された磁場のうち、対向する出力側パターンコイル８ｂで受けとれる量が減る。このとき、２者間の磁気結合率が下がり、入力側パターンコイル８ａに供給した電流量のうち、出力側パターンコイル８ｂで回収できる電流量が少なくなる。一方、間に被検出部１４が存在するパターンコイル対では、対向するパターンコイルの間に、磁界を遮蔽する部材が存在しないため、入力側パターンコイル８ａから出力された磁場のうち、対向する出力側パターンコイル８ｂで受けとれる量は変化しない。よって、２者間の磁気結合率が維持され、入力側パターンコイル８ａに供給した電流量のほとんどを、対向する出力側パターンコイル８ｂで回収できることになる。

出力側パターンコイル８ｂの出力信号Ｓoutは、整流回路１９で半波整流されるとともに平滑化される。平滑後の一定値をとる検出信号（電圧信号）Ｓｖは、増幅回路２０によって増幅され、ＥＣＵ１５に出力される。

ＥＣＵ１５は、セレクタ回路１７，１８の切り替えを管理しているので、いまどのパターンコイル対がアクティブとなっているのかは認識できている。よって、ＥＣＵ１５は、各パターンコイル対から、どのような波形の検出信号Ｓｖを取得しているのか確認する。そして、ＥＣＵ１５は、検出信号Ｓｖが閾値以下となっているパターンコイル対に被検出部１４が存在すると認識し、そこをレバー位置と判定する。ＥＣＵ１５は、レバー位置を通知するために、この位置情報を他のＥＣＵに出力する。

以上により、本例においては、基板６に切り欠き孔７を設け、この切り欠き孔７の幅方向両側に一対のパターンコイル８ａ，８ｂを設け、このパターンコイル対を、切り欠き孔７の長手方向に複数設ける。そして、切り欠き孔７の内部に、シフトレバー２と連動する被検出部１４を配置し、被検出部１４のあるなしで変動するパターンコイル８ａ，８ｂの磁気結合率の変化を検出することにより、シフトレバー２の操作位置を判定する。

ところで、図８（ａ），（ｂ）に示すように、対向するパターンコイル８ａ，８ｂの間の磁気結合率は、被検出部１４及び入力側パターンコイル８ａの間の距離Ｗａと、被検出部１４及び出力側パターンコイル８ｂの間の距離Ｗｂとの総和「Ｗａ＋Ｗｂ」により決まる。よって、図８（ａ）のように被検出部１４が入力側パターンコイル８ａ側に寄っても、逆に図８（ｂ）に示すように被検出部１４が出力側パターンコイル８ｂ側によっても、結局のところ「Ｗａ＋Ｗｂ」が同じであるので、磁気結合率は変化せず、一義的に求まる。このため、被検出部１４にきっちりとした位置合わせが不要となるので、被検出部１４の位置が無接点センサ５の検出精度に影響を及ぼさないことになる。従って、本例の無接点センサ５は、検出ばらつきに強いセンサであると言える。

また、本例の場合、固定側である基板６にパターンコイル８ａ，８ｂを設けているので、可動側であるシフトレバー２には、単なる固形片からなる被検出部１４を取り付けるだけでよい。よって、無接点センサ５の構造が簡素で済み、部品コストの抑制にも効果が高くなると言える。

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）基板６に面方向に沿って切り欠き孔７を設け、この切り欠き孔７の幅方向両側に一対のパターンコイル８を設け、シフトレバー２と連動する導電性の材料からなる被検出部１４を切り欠き孔７の内部に設ける。そして、シフトレバー２の操作に伴い、一対のパターンコイル８の間に被検出部１４が入り込むと、パターンコイル対の間の磁気結合率が変化することを利用して、被検出部１４の位置、つまりシフトレバー２の操作位置を検出する。ところで、一対のパターンコイル８の間の磁気結合率は、仮に被検出部１４が入力側パターンコイル８ａ側に寄っても又は出力側パターンコイル８ｂ側に寄っても変化しない特性がある。よって、被検出部１４の切り欠き孔７内での位置が無接点センサ５の検出精度に影響を及ぼさないので、無接点センサ５の検出ばらつきを少なく抑えることができる。

（２）パターンコイル対を基板６に複数設けたので、シフトレバー２の検出位置を１位置ではなく、複数位置（Ｍ位置、＋位置、−位置）で検出することができる。
（３）基板６を用いて無接点センサ５を設けるので、既存部品の配置スペースを利用して、無接点センサ５を配設することができる。よって、装置サイズの大型化を抑制することができる。

（４）基板６の表面６ａにプリント配線等により表面側配線パターン９を設け、基板６の裏面６ｂにもプリント配線等により裏面側配線パターン１０を設け、これらを基板６のスルーホール１１により環状に繋げ、これを複数繋げていくことによりパターンコイル８とする。よって、より実現性の高い方法で、基板６にパターンコイル８を設けることができる。

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。
・図９に示すように、基板６は２層基板に限定されない。例えば、基板６を４層基板とし、基板６の表面６ａの配線パターン３１と基板６の裏面６ｂの配線パターン３２とをスルーホール３３により繋げ、裏面６ｂの配線パターン３２と基板６内の配線パターン３４とをスルーホール３５により繋げ、配線パターン３４と基板６内のもう１つの配線パターン３６とをスルーホール３７により繋げることで、パターンコイル８を形成してもよい。また、図示はしないが、基板６を６層基板として、同様にパターンコイル８を形成することも可能である。

・図１０に示すように、被検出部１４は、表面のみ金属層（金属膜）３８でコーティングされた部材でもよい。
・図１１に示すように、被検出部１４は、発生させる磁気結合率の変化量が異なる素材を複数組み合わせた部材でもよい。

・被検出部１４は、図１２（ａ）に示すように、途中で厚さ（板厚）が変わる形状でもよい。また、被検出部１４は、図１２（ｂ）に示すように、両端が尖った略楕円形状でもよい。さらに、被検出部１４は、球形状にも変更可能である。

・セレクタ回路１７，１８は、入力側及び出力側の両方に設けることに限定されず、一方を省略してもよい。
・セレクタ回路１７，１８を省略し、発振回路１６、整流回路１９及び増幅回路２０の組を、パターンコイル対ごとに設ける回路構成をとることも可能である。

・凹部は、貫通する孔に限定されず、底を有する穴でもよい。
・基板６は、シフトレバー装置１に予め搭載された基板であることに限定されず、無接点センサ５専用に設けた基板でもよい。

・基材は、基板６に限定されず、基板以外の他の部材を使用してもよい。
・無接点センサ５を複数設けて、多重系としてもよい。
・シフトレバー装置１は、ステーショナリ型に限定されず、モーメンタリ型に変更してもよい。また、ゲート３の形状は、必要なレンジ位置に合わせて、適宜変更することが可能である。

・パターンコイル８は、入力側と出力側とで巻数が異なってもよい。
・パターンコイル８の基板６への形成は、基板６にコイル状のパターンを形成することができれば、種々の配線構造を採用可能である。

・パターンコイル対は、少なくとも１つあればよい。
・無接点センサ５は、シーケンシャル操作を検出するためのセンサに限定されず、レンジ位置切り替え操作（Ｐ位置、Ｒ位置、Ｎ位置、Ｄ位置）を検出するためのセンサとして使用してもよい。

・無接点センサ５は、シーケンシャル操作側のみに設けることに限定されない。例えば、無接点センサ５をゲート３ａ，３ｂの両方に設けて、シーケンシャル操作及びレンジ位置切り替え操作の両方を検出するようにしてもよい。

・無接点センサ５は、シフトレバー装置１に搭載されることに限定されず、例えばレバーコンビネーションスイッチ等の他の機器や装置に変更可能である。よって、検出対象もシフトレバー２に限定されず、他の物品に変更可能である。

１…シフトレバー装置、２…検出対象としてのシフトレバー、５…無接点センサ、６…基材としての基板、６ａ…表面、６ｂ…裏面、７…凹部としての切り欠き孔、８（８ａ，８ｂ）…パターンコイル、９…表面側配線パターン、１０…裏面側配線パターン、１１，３３，３５，３７…スルーホール、１２…環状部、１４…被検出部、１５…信号処理部としてのＥＣＵ、３１，３２，３６…配線パターン、Ｓout…出力値としての出力信号。

Claims (5)

1. 検出対象の変位量を無接点により検出する無接点センサにおいて、
   基材に面方向に沿って形成された凹部と、
   前記凹部の幅方向両側に対向するように一対設けられた一対のパターンコイルと、
   前記検出対象に連動して前記凹部内を移動可能であり、前記一対のパターンコイルの間の磁気結合率を変化させる被検出部と、
   前記パターンコイルの出力値を基に、前記被検出部の変位量を求める信号処理部と
   を備えたことを特徴とする無接点センサ。
2. 前記一対のパターンコイルは、前記凹部の長さ方向に沿って複数設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の無接点センサ。
3. 前記基材は、基板である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の無接点センサ。
4. 前記パターンコイルは、前記基板の表面に形成された表面側配線パターンと、当該基板の裏面に形成された裏面側配線パターンとを、当該基板のスルーホールにより繋ぎ、この環状部を複数繋ぎ合わせることによりコイル状に形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の無接点センサ。
5. シフトレバーの操作位置を検出するシフトレバー装置において、
   基材に面方向に沿って形成された凹部と、
   前記シフトレバーに連動して前記凹部内を移動可能な可動式の被検出部と、
   前記凹部の幅方向両側に対向するように一対設けられ、間に前記被検出部が位置すると磁気結合率が変化するパターンコイルと、
   前記パターンコイルの出力値を基に、前記シフトレバーの操作位置を求める信号処理部と
   を備えたことを特徴とするシフトレバー装置。