JP2017207319A - 位置センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】検出対象の位置検出の誤差を補正することができる位置センサを提供する。【解決手段】複数の磁気素子31〜35は、支持基板10の裏面12のうち磁束の透過範囲に設けられている。各磁気素子31〜35は、支持基板10裏面12から離れて位置する検出対象100のうちの裏面12の面方向の先端部110が透過範囲に対応する空間部200を当該面方向に基準位置から移動する移動量に応じて変化する磁束の強弱に対応した検出信号を出力する。ギャップ検出素子40は、検出対象100の移動にかかわらず検出対象100とのギャップを検出し、ギャップの大きさに対応したギャップ信号を出力する。信号処理部50は、検出信号及びギャップ信号を入力し、ギャップ信号の初期値と検出対象100の移動に伴うギャップ値との比をギャップ補正係数として求め、ギャップ補正係数を用いて検出信号の感度を補正する。【選択図】図1

Description

本発明は、検出対象の位置を検出する位置センサに関する。
従来より、直線上の位置を検出する位置センサが、例えば特許文献1で提案されている。具体的には、位置センサは、厚さ方向に着磁された磁石の片面に当該磁石の長さ方向に対する幅が当該長さ方向の位置によって異なる磁性板が設けられたセンサ本体を備えている。また、位置センサは、センサ本体の磁性板の上方に一定のギャップを空けて長手方向に沿って移動する磁気変換素子を備えている。
このような構成によると、磁石から出る磁界が幅の異なる磁性板によって遮蔽されるので、磁性板の表面の磁界強さが磁石の長さ方向の位置によって変化する。したがって、移動する磁気変換素子からの出力を検知することで、磁気変換素子の磁石に対する位置を検出することができる。
特開平5−264326号公報
しかしながら、上記従来の技術では、例えばギャップが変化する等の問題が起こった際に磁気変換素子の感度が変化してしまう。このため、検出対象の位置検出の誤差が発生してしまうという問題がある。
本発明は上記点に鑑み、検出対象の位置検出の誤差を補正することができる位置センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、位置センサは、表面(11)及び裏面(12)を有する支持基板(10)と、表面に直交する方向に磁束を発生させると共に、表面に固定された磁束発生部(20)と、を備えている。
また、位置センサは、裏面のうち磁束の透過範囲に設けられており、裏面から離れて位置すると共に磁性体で構成された検出対象(100)のうちの裏面の面方向の先端部(110)が透過範囲に対応する空間部(200)を当該面方向に基準位置から移動する移動量に応じて変化する磁束の強弱に対応した検出信号を出力する磁気素子(31〜35)を備えている。
さらに、位置センサは、検出信号を入力し、磁気素子の感度の変化に基づいて検出信号を補正する補正部(40、50)を備えている。
このように、位置センサは補正部を備えているので、磁気素子の感度に基づいて検出信号を補正することができる。したがって、検出対象の位置検出の誤差を補正することができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第1実施形態に係る位置センサの側面図である。 (a)は検出対象移動量に対する磁気素子の出力を示した図であり、(b)はギャップが大きくなった場合の磁気素子の出力を示した図である。 検出対象移動量に対する信号処理後の出力を示した図である。 第2実施形態において、磁気素子の出力を複数の区間に分割する内容を示した図である。 第2実施形態において、傾き補正係数及びオフセット補正係数の算出を説明するための図である。 第3実施形態に係る位置センサの側面図である。 (a)は飽和補正係数による補正前の磁気素子の出力を示した図であり、(b)は飽和補正係数による補正後の磁気素子の出力を示した図である。 飽和補正係数による信号処理後の出力を示した図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る位置センサは、検出対象の位置を検出するものである。図1に示されるように、位置センサ1は、支持基板10、磁石20、複数の磁気素子31〜35、ギャップ検出素子40、及び信号処理部50を備えて構成されている。
支持基板10は、表面11及び裏面12を有する板状の部品である。支持基板10は、図示しないパッドや配線パターンが形成された回路基板である。支持基板10として、プリント基板等の磁束を透過するものが用いられる。
磁石20は、検出対象100の有無に応じて変化する磁束を各磁気素子31〜35に印加するための部品である。磁石20は、支持基板10の表面11に直交する方向に磁束が向くように当該表面11に固定されている。例えば、磁石20のN極が支持基板10の表面11側に向けられている。これにより、磁束の向きが支持基板10の表面11側から裏面12側となる。
検出対象100は、板状の磁性体によって構成されている。検出対象100は、支持基板10の裏面12から離れて位置している。また、検出対象100は、支持基板10の裏面12の面方向に基準位置から移動する。具体的には、検出対象100のうち支持基板10の裏面12の面方向の先端部110が、当該裏面12の上方の空間のうち磁束の透過範囲に対応する空間部200を当該面方向に移動する。
各磁気素子31〜35は、検出対象100の先端部110の基準位置からの移動量に応じて変化する磁束の強弱に対応した検出信号を出力するものである。検出信号は、例えば磁束の強弱に対応した大きさの電圧である。各磁気素子31〜35として、磁気の強さを検出するホール素子等が用いられる。
また、各磁気素子31〜35は、支持基板10の裏面12のうちの磁束の透過範囲に実装されている。具体的には、各磁気素子31〜35は、検出対象100の移動方向に沿って直線上に配置されていると共に、互いに離間して配置されている。本実施形態では、5個の磁気素子31〜35が支持基板10に設けられている。また、全ての磁気素子31〜35が同じ機能及び構成を有している。
ギャップ検出素子40は、検出対象100とのギャップを検出する素子である。言い換えると、ギャップ検出素子40は、各磁気素子31〜35の感度の変化を検出する素子である。ギャップ検出素子40は、ギャップの大きさに対応したギャップ信号を出力する。ギャップ信号は、例えばギャップに対応した大きさの電圧である。
また、ギャップ検出素子40は、検出対象100の移動にかかわらず検出対象100とのギャップを常に検出するため、支持基板10の裏面12のうちの磁束の透過範囲に実装されている。また、支持基板10の裏面12のうち検出対象100が常に対向する位置に実装されている。ギャップ検出素子40として、磁気の強さを検出するホール素子等が用いられる。つまり、各磁気素子31〜35及びギャップ検出素子40は、同じ構成の素子である。
信号処理部50は、各磁気素子31〜35から検出信号を入力し、各磁気素子31〜35の感度の変化に基づいて検出信号を補正するものである。このため、信号処理部50は、ギャップ検出素子40からギャップ信号を入力し、ギャップ信号を用いて検出信号を補正する補正機能を有している。
信号処理部50は、例えばICチップとして構成されている。信号処理部50は、支持基板10の裏面12のうち磁石20の影響を受けない場所に実装されている。信号処理部50は、支持基板10の表面11に実装されていても良い。
以上が、位置センサ1の構成である。なお、位置センサ1は、上記各構成を収容する筐体や、他の装置と電気的接続を行うための端子等を備えている。
次に、位置センサ1の作動について説明する。まず、図1に示されるように、空間部200での検出対象100の位置に応じて磁束の強弱が異なる。具体的には、支持基板10の表面11に直交する方向に検出対象100が位置する場合、磁石20の磁束は磁性体である検出対象100に引き寄せられるので、磁束が強くなる。一方、支持基板10の表面11に直交する方向に検出対象100が位置しない場合、磁石20の磁束の強さは変化しない。つまり、検出対象100が位置する場合の磁束よりも弱くなる。
このような磁束の強弱は、検出対象100の先端部110の移動に伴って、当該先端部110の移動方向に変化する。したがって、各磁気素子31〜35は、検出対象100の先端部110の位置に応じた検出信号の出力を行う。ここで、磁気素子31の出力をV1、磁気素子32の出力をV2、磁気素子33の出力をV3、磁気素子34の出力をV4、磁気素子35の出力をV5とする。
図2(a)に示されるように、検出対象100の先端部110が磁気素子31に近づくと、磁気素子31の出力V1が変化する。そして、検出対象100の先端部110の移動量の増加に伴って磁気素子31が受ける磁束が強くなるので、出力V1も増加する。磁気素子31が受ける磁束の強さが最大になると、出力V1は一定値となる。他の磁気素子32〜35の各出力V2〜V5も同じ変化をする。
また、各出力V1〜V5には切替閾値が設定されている。これは、各磁気素子31〜35が受ける磁束の強さが最大または最小になると出力が一定値になるためである。したがって、磁束の変化に応じて出力が変化する範囲が切替閾値によって設定されている。
切替閾値は、各出力に対して最大値側と最小値側との2つが設定されている。切替閾値は固定値ではなく、各出力の最大値及び最小値に対応して変動するように設定されている。切替閾値は、信号処理部50に予め記憶されている。
例えば、出力V1が最小値側の切替閾値を超えると、信号処理部50は磁気素子31の出力V1を検出信号とする。出力V1が最大値側の切替閾値を超えると、信号処理部50は磁気素子32の出力V2を検出信号とする。信号処理部50はこのような検出信号の切り替えを行う。
さらに、信号処理部50は、ギャップ検出素子40からギャップ信号を入力する。例えば、図2(a)に示されたギャップ信号を初期値とする。初期値は、ギャップの大きさの基準値である。信号処理部50は、例えば、位置センサ1に電源が投入されたとき、位置の検出を開始するとき、ある特定の条件が揃ったとき等のギャップ信号に基づいて初期値を設定する。初期値をいつ取得するかは適宜決めれば良い。
そして、図2(a)に示された初期値に対してギャップが大きくなったとする。この場合、各磁気素子31〜35と検出対象100との間隔が広がるので、各磁気素子31〜35の感度は下がる。したがって、図2(b)に示されるように、各磁気素子31〜35の各出力V1〜V5の最大値は小さくなる。同様に、ギャップ検出素子40の出力も小さくなる。なお、図示しないが、初期値に対してギャップが小さくなった場合、各磁気素子31〜35の感度は上がると共に、ギャップ検出素子40の出力も大きくなる。
このように、位置センサ1と検出対象100とのギャップは常に一定ではない。すなわち、ギャップは位置センサ1や検出対象100の状態に応じて変化するので、信号処理部50は、各磁気素子31〜35の感度を補正する。
したがって、信号処理部50は、ギャップ信号を入力すると共に、ギャップ信号の初期値を取得する。そして、信号処理部50は、ギャップ信号の初期値と検出対象100の移動に伴うギャップ値との比をギャップ補正係数として取得する。これにより、例えば図2(a)に示されたギャップの初期値に対する図2(b)に示されたギャップ値の割合がわかる。
続いて、信号処理部50は、各磁気素子31〜35の出力にギャップ補正係数を掛けることにより、当該出力の感度を補正する。また、信号処理部50は、切替閾値にギャップ補正係数を掛けることにより、切替閾値を補正する。これにより、信号処理部50は、ギャップが大きくなった場合にはギャップ補正係数によって出力の感度を上げると共に、切替閾値も変更する。一方、信号処理部50は、ギャップが小さくなった場合にはギャップ補正係数によって出力の感度を下げると共に、切替閾値も変更する。
そして、図3に示されるように、例えばギャップが大きくなった場合、各出力V1〜V5の最大値側の切替閾値がギャップの変化によって変動するので、各出力A〜Eの終点が実際よりも低くなってしまう。このため、検出対象100の位置の誤差となる。
しかしながら、信号処理部50は上記のギャップ補正係数を用いた補正を行っているので、ギャップの変化にかかわらず、各出力V1〜V5が検出対象100の移動量に対して比例して変化するように信号処理することができる。また、各出力V1〜V5の直線性も確保することができる。したがって、検出対象100の位置検出の誤差を補正することができる。
位置センサ1は、例えば、自動車ドライブシャフト、カムシャフト、ギヤ等の回転体の軸方向の移動位置検出、シフトポジション検出、ピストンやバルブ等の位置検出に適用される。もちろん、位置センサ1は自動車以外の他の用途に適用されても良い。
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、磁石20が特許請求の範囲の「磁束発生部」に対応する。また、ギャップ検出素子40及び信号処理部50が特許請求の範囲の「補正部」に対応し、ギャップ検出素子40が特許請求の範囲の「ギャップ検出用の磁気素子」に対応する。
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、信号処理部50は、各磁気素子31〜35の各出力V1〜V5の直線性を補正する機能を有している。このため、信号処理部50は、予め傾き補正係数及びオフセット補正係数を有している。これらの係数は次のように算出する。
まず、図4に示されるように、検出対象100の移動によって想定される磁気素子31の検出信号の出力値の範囲を分割閾値によって複数に分割する。本実施形態では、上下の切替閾値の間を2つの分割閾値によって3つの区間A〜Cに分割する。
そして、図5に示されるように、例えば区間Aにおける検出信号の出力値の最小値と最大値とを結ぶ直線の傾きを目標出力の傾きに補正する傾き補正係数を取得する。つまり、傾き補正係数は、区間Aの感度を調整するパラメータである。また、区間Aにおいて、傾き補正係数によって補正される出力値の始点と終点とを目標出力に一致させるオフセット補正係数を取得する。区間B、Cにおいても傾き補正係数及びオフセット補正係数を取得する。
さらに、各磁気素子32〜35についても傾き補正係数及びオフセット補正係数を取得する。そして、傾き補正係数及びオフセット補正係数を信号処理部50に記憶する。
各補正係数の取得は、例えば位置センサ1の製造時に行う。また、信号処理部50に予め目標出力を記憶しておくことで位置センサ1に検出対象100がセッティングされた際に信号処理部50が各補正係数を取得する処理を行うようにしても良い。
そして、位置センサ1の動作時、信号処理部50は、各磁気素子31〜35から入力した検出信号に対応する傾き補正係数を出力値に掛け、当該出力値にオフセット補正係数を足す補正を行う。このようにして、検出信号の感度を補正する。
以上の補正により、各磁気素子31〜35の各出力V1〜V5の非直線性による位置検出の誤差を低減することができる。検出対象100の移動量に対し、磁気素子31〜35の出力変化が小さい区間ほど区間幅を狭くすることで位置検出の誤差の低減効果が大きくなる。
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、信号処理部50が特許請求の範囲の「補正部」に対応する。
(第3実施形態)
本実施形態では、第1、第2実施形態と異なる部分について説明する。図6に示されるように、本実施形態では、位置センサ1が検出対象100の対向面120に対して傾いている場合、信号処理部50は各磁気素子31〜35の感度を補正する機能を有している。
検出対象100の対向面120に対して支持基板10の裏面12が傾いているので、各磁気素子31〜35と検出対象100とのギャップx1〜x5は全て異なる大きさである。例えば、x1>x2>x3>x4>x5である。この場合、図7(a)に示されるように、各磁気素子31〜35の出力V1〜V5の飽和値は、V1<V2<V3<V4<V5となる。したがって、図8に示されるように、検出対象100の移動量に対する各出力V1〜V5は点線で示された非直線性の出力となる。
この非直線性の出力を補正するため、信号処理部50は飽和補正係数を有している。この係数は次のように算出する。まず、検出対象100に対して位置センサ1をセッティングする。また、検出対象100に対して各磁気素子31〜35の上側及び下側の飽和値を取得する。そして、上側の飽和値のうちの1つを基準値とする。例えば、磁気素子33の出力V3の飽和値を基準値とする。各出力V1〜V5において上側の飽和値をVu1〜Vu5とする。したがって、出力V3の上側の飽和値はVu3である。
続いて、各磁気素子31〜35の飽和値Vu1〜Vu5と基準値Vu3との比から磁気素子31〜35毎に飽和補正係数aiを算出する。つまり、飽和補正係数aiは各磁気素子31〜35の感度を調整するパラメータである。各出力V1〜V5のオフセットをVoffとする。Voffは各出力V1〜V5の下側の飽和値に対応している。したがって、飽和補正係数ai(i=1〜5)は、ai=(Vui−Voff)/(Vu3―Voff)となる。このように、飽和補正係数aiは、各出力V1〜V5の上側の飽和値Vf1〜Vf5から算出される。
飽和補正係数aiの取得は、検出対象100の位置検出前に行う。例えば、位置センサ1と検出対象100とが一体化される場合は位置センサ1の製造時に飽和補正係数aiを算出し、信号処理部50に記憶しても良い。
そして、位置センサ1の動作時、信号処理部50は、各磁気素子31〜35入力した検出信号に対応する飽和補正係数aiを用いて各出力V1〜V5の補正を行う。信号処理部50は、出力Vsiの算出時には、飽和値Vu1〜Vu5ではなく変動値である出力V1〜V5を用いる。補正後の出力Vsi(i=1〜5)は、Vsi={(Vi−Voff)/ai}+Voffとなる。
このようにして、各磁気素子31〜35の感度を補正する。これにより、図7(b)に示されるように、各出力V1〜V5の飽和値を一致させることができる。また、図8に示されるように、各出力V1〜V5の直線性も確保することができる。したがって、検出対象100に対する位置センサ1の傾きに起因した位置検出の誤差を補正することができる。
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、信号処理部50が特許請求の範囲の「補正部」に対応する。
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された位置センサ1の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態で示された信号処理を適宜組み合わせることができる。
上記各実施形態では、磁束を発生させるものとして磁石20が用いられていたが、これは構成の一例である。例えば、電磁石等の磁束発生手段が用いられても良い。
上記各実施形態では、検出対象100は板状に構成されていたが、これは形状の一例である。したがって、検出対象100は板状に限られず、他の形状でも良い。
第1実施形態及び第2実施形態では、位置センサ1は複数の磁気素子31〜35を備えていたが、複数備えている必要は無い。1つの磁気素子でも位置センサ1として構成することができる。また、上記各実施形態では、支持基板10に5個の磁気素子31〜35が設けられた例が示されているが、磁気素子31〜35の数は一例である。したがって、磁気素子31〜35の数は5個に限られない。
第1実施形態では、ギャップ検出素子40を用いてギャップを検出する構成が示されているが、各磁気素子31〜35のいずれかがギャップ検出素子40として機能するように構成されていても良い。つまり、第3実施形態の図6で示された構成のように、位置センサ1はギャップ検出素子40を備えていなくても良い。例えば、信号処理部50は、検出対象100に対向する磁気素子31の出力を検出対象100とのギャップの大きさに対応したギャップ信号として取得する。また、信号処理部50は、ギャップ信号の初期値と検出対象の移動に伴うギャップ値との比をギャップ補正係数として求め、ギャップ補正係数を用いて検出信号の感度を補正する。ギャップ信号の初期値は、磁気素子31の出力が最大値になった後の出力となる。したがって、信号処理部50は、磁気素子31の出力を用いて磁気素子32〜35の出力の感度を補正することができる。このように、ギャップ検出素子40を用いずにギャップに応じた感度の補正をすることができる。これにより、ギャップ検出素子40を配置することが難しい構成においても感度の補正が可能になる。また、位置センサ1の小型化にも対応できる。もちろん、当該構成は、第2、第3実施形態と組み合わせても良い。
10 支持基板
11 表面
12 裏面
20 磁石(磁束発生部)
31〜35 磁気素子
40 ギャップ検出素子(補正部)
50 信号処理部(補正部)
100 検出対象
110 先端部

Claims (5)

  1. 表面(11)及び裏面(12)を有する支持基板(10)と、
    前記表面に直交する方向に磁束を発生させると共に、前記表面に固定された磁束発生部(20)と、
    前記裏面のうち前記磁束の透過範囲に設けられており、前記裏面から離れて位置すると共に磁性体で構成された検出対象(100)のうちの前記裏面の面方向の先端部(110)が前記透過範囲に対応する空間部(200)を当該面方向に基準位置から移動する移動量に応じて変化する前記磁束の強弱に対応した検出信号を出力する磁気素子(31〜35)と、
    前記検出信号を入力し、前記磁気素子の感度の変化に基づいて前記検出信号を補正する補正部(40、50)と、
    を備えている位置センサ。
  2. 前記補正部は、
    前記検出対象の移動にかかわらず前記検出対象とのギャップを検出し、前記ギャップの大きさに対応したギャップ信号を出力するギャップ検出用の磁気素子(40)と、
    前記ギャップ信号を入力し、前記ギャップ信号の初期値と前記検出対象の移動に伴うギャップ値との比をギャップ補正係数として求め、前記ギャップ補正係数を用いて前記検出信号の感度を補正する信号処理部(50)と、
    を有している請求項1に記載の位置センサ。
  3. 前記磁気素子は、前記検出対象の移動方向に沿って前記裏面に複数設けられており、
    前記補正部は、前記複数の磁気素子のうち前記検出対象に対向する磁気素子の出力を前記検出対象とのギャップの大きさに対応したギャップ信号として取得し、前記ギャップ信号の初期値と前記検出対象の移動に伴うギャップ値との比をギャップ補正係数として求め、前記ギャップ補正係数を用いて前記検出信号の感度を補正する請求項1に記載の位置センサ。
  4. 前記補正部は、前記検出対象の移動によって想定される前記検出信号の出力値の範囲が複数に分割されると共に分割された区間の出力値の最小値と最大値とを結ぶ直線の傾きを目標出力の傾きに補正する傾き補正係数と、前記分割された区間において前記傾き補正係数によって補正される出力値の始点と終点とを前記目標出力に一致させるオフセット補正係数と、を有し、前記検出対象の移動量に対応した前記検出信号の出力値を前記傾き補正係数によって補正すると共に、当該出力値を前記オフセット補正係数によって補正することにより、前記検出信号の感度を補正する請求項1ないし3のいずれか1つに記載の位置センサ。
  5. 前記磁気素子は、前記検出対象の移動方向に沿って前記裏面に複数設けられており、
    前記補正部は、前記検出対象に対して予め取得された前記複数の磁気素子の飽和値のうちの1つが基準値とされると共に前記複数の磁気素子の飽和値と前記基準値との比から前記複数の磁気素子毎に算出された飽和補正係数を有し、前記複数の磁気素子から前記検出信号をそれぞれ入力し、前記飽和補正係数を用いて前記検出信号の感度を補正する請求項1ないし4に記載の位置センサ。
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