JP2019152640A - リニアポジションセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットの移動量が大きくなったとしても、１つの検出部によってターゲットの位置を検出することができるリニアポジションセンサを提供する。【解決手段】ターゲット４００には、第１磁極４０１と第２磁極４０２とが交互に設けられている。また、第１磁極４０１と第２磁極４０２とが交互に配置される配置方向は、ターゲット４００の移動方向に対して傾斜している。これにより、第１磁極４０１及び第２磁極４０２は移動方向に対して斜めにレイアウトされている検出部１２２は、ターゲット４００の移動に伴って、配置方向に交互に配置される第１磁極４０１及び第２磁極４０２から受ける磁界の変化に基づいて、位相が異なる複数の検出信号を生成する。信号処理部１２３は、検出部１２２から複数の検出信号を取得し、複数の検出信号に基づいてターゲット４００の位置を示す位置信号を取得する。【選択図】図１５

Description

本発明は、リニアポジションセンサに関する。

従来より、光学式の検出素子を用いてターゲットの位置を検出する装置が、例えば特許文献１で提案されている。検出素子は、光源、固定スリット、固定スリットを透過した光を受光する受光部を備えている。ターゲットには、光の反射部と非反射部とが交互に連続したパターンが設けられている。このため、光源から発せられた光の一部は、検出対象の反射部で反射し、固定スリットに達する。

固定スリットには、ターゲットのスリットパターンと同一のピッチ距離で反射部と非反射部とが交互に連続して設けられている。したがって、固定スリットに対してターゲットが相対的に移動すると、受光部において検出される光量は、周期的に変化して明暗が繰り返される。この明暗の繰り返しの回数をカウントすることにより、ターゲットの移動量の測定が可能になっている。

特開２０１６−２０５８５４号公報

ここで、磁気式の検出素子によってターゲットの位置を検出する方式が知られている。この方式では、凹凸形状や磁極の配置方向に移動するターゲットに対し、検出部が凹凸形状や磁極から受ける磁界の変化に基づいてターゲットの位置を検出する。つまり、検出部は、凹凸形状や磁極の配置方向に移動するターゲットのうち、凹凸形状や磁極の配列範囲の位置を検出する。

しかしながら、ターゲットの移動量が大きい場合、ターゲットが検出部の検出可能範囲を逸脱してしまう。言い換えると、検出部がターゲットを検出できる範囲には、限界がある。この場合、検出部はターゲットの位置を検出することができない。

なお、複数の検出部を配置することで検出可能範囲を広げることが考えられる。しかし、複数の検出部を設置するスペースが必要である。また、複数の検出部を備える構成であるので、検出装置のコストが上がってしまう。

本発明は上記点に鑑み、ターゲットの移動量が大きくなったとしても、１つの検出部によってターゲットの位置を検出することができるリニアポジション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、第１磁極（４０１）と第２磁極（４０２）とが交互に設けられたターゲット（４００）の移動方向における位置を検出するリニアポジションセンサであって、以下の構成を含んでいる。

リニアポジションセンサは、ターゲットの移動に伴って、第１磁極及び第２磁極から受ける磁界の変化に基づいて、位相が異なる複数の検出信号を生成する検出部（１２２）を含んでいる。

また、リニアポジションセンサは、検出部から複数の検出信号を取得し、複数の検出信号に基づいてターゲットの位置を示す位置信号を取得する信号処理部（１２３）を含んでいる。

そして、第１磁極と第２磁極とが交互に配置される配置方向が移動方向に対して傾斜していることにより、第１磁極及び第２磁極は移動方向に対して斜めにレイアウトされている。

これによると、第１磁極と第２磁極とが交互に配置される配置方向とターゲットの移動方向とが一致する場合よりも、移動方向における第１磁極から隣の第１磁極までの距離、あるいは第２磁極から第２磁極までの距離を長くすることができる。したがって、ターゲットの移動量が大きくなったとしても、１つの検出部によってターゲットの位置を検出することができる。

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。

第１実施形態に係るリニアポジションセンサの外観図である。 磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式を構成する部品の分解斜視図である。 図２に示された各部品の平面図である。 図３のIV−IV断面図である。 バイアス磁石が設けられた構成の断面図である。 ホール素子を用いた磁気検出方式を構成する部品を示した平面図である。 図６のVII−VII断面図である。 リニアポジションセンサの回路構成を示した図である。 図８に示された回路構成の信号処理の内容を示した図である。 極中心から極中心までの動作範囲の一例を示した図である。 極中心から極中心までの動作範囲の一例を示した図である。 極間中心から極間中心までの動作範囲の一例を示した図である。 極間中心から極間中心までの動作範囲の一例を示した図である。 板部材とゴム磁石で構成されたターゲットを示した斜視図である。 図１４のターゲットの移動に伴って生成される信号を示した図である。 センサチップの一面を配置方向に平行に配置した場合を示した図である。 ターゲットの移動量に対する位置信号を示した図である。 比較例として、配置方向と移動方向とが一致する場合を示した図である。 変形例として、板部材の上にブロック磁石が固定されたターゲットを示した図である。 変形例として、各磁極の中央部を突出させたターゲットの斜視図である。 第２実施形態に係るターゲットを示した図である。 第３実施形態に係るターゲットを示した図である。 回転体の回転角度に対する位置信号を示した図である。 第４実施形態に係るシフトバイワイヤシステムの概略図である。 シフトバイワイヤシステムのブロック図である。 ディテントを示した平面図である。 ディテントの位置を検出する内容を示した図である。 マニュアルバルブの斜視図である。 マニュアルバルブの位置を検出する内容を示した図である。 第５実施形態に係るターゲットの平面図である。 配置方向に対する傾斜角度θ１を説明するための図である。 磁極幅を揃える内容を説明するための図である。 磁極の境界位置を調整する内容を説明するための図である。 ２極分の磁極幅を回転中心の位置を中心として４５°の回転角度範囲で回転させる内容を説明するための図である。 回転中心の位置を中心とした回動方向に対して各磁極が斜めにレイアウトされる内容を説明するための図である。 図３０のターゲットの移動に伴って生成される信号を示した図である。

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。本実施形態に係るリニアポジションセンサは、第１磁極と第２磁極とが交互に設けられた検出対象の移動方向における位置を検出するセンサである。以下、リニアポジションセンサを単にセンサと言う。

図１に示されるように、センサ１００は、検出対象として、一方向に移動するターゲットの移動量を検出する。すなわち、センサ１００は、ターゲットの現在の位置を検出する。具体的には、センサ１００は、ターゲットの移動量に比例する信号を検出することで、ターゲットの位置を取得する。

センサ１００は、ＰＰＳ等の樹脂材料が樹脂成形されたことによって形成されたケース１０１を備えている。ケース１０１は、ターゲット側の先端部１０２、周辺機構に固定されるフランジ部１０３、ハーネスが接続されるコネクタ部１０４を有している。先端部１０２の内部にセンシング部分が設けられている。

また、先端部１０２がターゲットの検出面に対して所定のギャップを持つように、センサ１００がフランジ部１０３を介して周辺機構に固定される。したがって、ターゲットがセンサ１００に対して移動する。なお、ターゲットの移動方向は直進や往復に限られず、回転や特定の角度内での往復等でも良い。

センサ１００は、磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式、または、ホール素子を用いた磁気検出方式を採用することができる。磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式の場合、図２に示されるように、センサ１００は、モールドＩＣ部１０５及びキャップ部１０６を備えている。モールドＩＣ部１０５は、キャップ部１０６に差し込まれる。これらは、ケース１０１の先端部１０２に収容される。

図３の平面模式図及び図４の断面模式図に示されるように、モールドＩＣ部１０５及びキャップ部１０６は一体化される。モールドＩＣ部１０５の主な部分は、キャップ部１０６の中空部に位置する。キャップ部１０６は、モールドＩＣ部１０５の位置を固定する。

モールドＩＣ部１０５は、リードフレーム１０７、処理回路チップ１０８、センサチップ１０９、及びモールド樹脂部１１０を有している。リードフレーム１０７は、板状のアイランド部１１１及び複数のリード１１２〜１１５を有している。アイランド部１１１の平面部は、ターゲットに対するギャップ方向に平行に配置されている。

複数のリード１１２〜１１５は、電源電圧が印加される電源端子１１２、グランド電圧が印加されるグランド端子１１３、信号を出力するための第１出力端子１１４及び第２出力端子１１５に対応している。つまり、各リード１１２〜１１５は、電源用、グランド用、及び信号用の４本である。各リード１１２〜１１５の先端にはターミナル１１６がそれぞれ接続されている。ターミナル１１６は、ケース１０１のコネクタ部１０４に位置する。また、ターミナル１１６がハーネスに接続される。

なお、本実施形態では、複数のリード１１２〜１１５のうちのグランド用のリード１１３はアイランド部１１１に一体化されている。アイランド部１１１と全てのリード１１２〜１１５とが完全に分離されていても良い。

処理回路チップ１０８及びセンサチップ１０９は、接着剤等によってアイランド部１１１に実装されている。処理回路チップ１０８は、センサチップ１０９の信号を処理する回路部が構成されている。センサチップ１０９は、外部から磁界の影響を受けたときに抵抗値が変化する磁気抵抗素子を含んでいる。磁気抵抗素子は、例えばＡＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲである。各リード１１２〜１１５と処理回路チップ１０８とは、ワイヤ１１７を介して電気的に接続されている。処理回路チップ１０８とセンサチップ１０９とは、ワイヤ１１８を介して電気的に接続されている。

モールド樹脂部１１０は、アイランド部１１１、各リード１１２〜１１５の一部、処理回路チップ１０８、及びセンサチップ１０９を封止している。モールド樹脂部１１０は、キャップ部１０６の中空部に固定される形状に成形されている。

なお、図５に示されるように、アイランド部１１１のうちセンサチップ１０９側とは反対側にバイアス磁石１１９が設けられていても良い。バイアス磁石１１９はセンサチップ１０９にバイアス磁界を印加する。

磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式による検出信号について説明する。キャップ部１０６は、ターゲットに対して所定のギャップを持って配置される。そして、キャップ部１０６に対してターゲットが移動すると、ターゲットの移動方向の中心で検出信号が最大となる。ギャップが大きくなると検出信号の振幅が小さくなり、ギャップが小さくなると検出信号の振幅が大きくなる。この検出信号を利用して、ターゲットの位置を検出することができる。なお、後述するが、検出信号は複数の磁気抵抗素子の出力によって生成される。

ホール素子を用いた磁気検出方式を採用した場合、図６の平面模式図及び図７の断面模式図に示されるように、モールドＩＣ部１０５は、キャップ部１０６に差し込まれて固定される。また、モールドＩＣ部１０５は、リードフレーム１０７、ＩＣチップ１２０、及びモールド樹脂部１１０を有している。

リードフレーム１０７のアイランド部１１１は、平面部がターゲットの移動方向に対して平行になるように配置される。一方、各リード１１２〜１１５は、ターゲットの移動方向に対して垂直になるように配置される。グランド用のリード１１３がアイランド部１１１に直角に一体化されている。各リード１１２〜１１５の先端にはターミナル１１６がそれぞれ接続されている。

ＩＣチップ１２０は、複数のホール素子と信号処理回路部とが形成されている。つまり、ホール素子を用いた磁気検出方式では１チップ構成になっている。各リード１１２〜１１５とＩＣチップ１２０とは、ワイヤ１２１を介して電気的に接続されている。モールド樹脂部１１０は、キャップ部１０６の中空部に固定される形状に成形されている。

ホール素子を用いた磁気検出方式による検出信号について説明する。例えば２つのホール素子がＩＣチップ１２０に設けられている場合、キャップ部１０６に対してターゲットが移動すると、各ホール素子の位置に対応して各検出信号が最大となる。ギャップと検出信号の振幅との関係は磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式と同じである。ターゲットの移動に応じた周期的な信号を利用して、ターゲットの位置を検出することができる。

本実施形態では、上記の磁気検出方式のうち磁気抵抗素子を用いた方式を採用する。磁気ベクトルを検出する磁気抵抗素子は、ギャップのずれによる精度誤差をキャンセルできるメリットがある。また、センサチップ１０９に発生する応力の影響を低減あるいはキャンセルできるメリットがある。よって、高精度な検出が可能である。

次に、センサチップ１０９及び処理回路チップ１０８に構成された回路構成について説明する。図８に示されるように、センサ１００とＥＣＵ２００とがハーネス３００を介して電気的に接続されている。上述のように、モールドＩＣ部１０５は４本のリード１１２〜１１５を有しているので、ハーネス３００は４本の配線によって構成されている。

ＥＣＵ２００は、電源部２０１、制御部２０２、及びグランド部２０３を備えた電子制御装置である。電源部２０１は、センサ１００に電源電圧を供給する回路部である。制御部２０２は、センサ１００から入力する位置信号に応じて予め決められた制御を行う回路部である。なお、制御部２０２は、各出力端子１１４、１１５に対応した回路部として構成されていても良い。グランド部２０３はセンサ１００のグランド電圧を設定する回路部である。

センサ１００は、検出部１２２及び信号処理部１２３を備えている。検出部１２２は、センサチップ１０９に設けられている。信号処理部１２３は、処理回路チップ１０８に設けられている。検出部１２２及び信号処理部１２３は、ＥＣＵ２００から供給される電源電圧及びグランド電圧に基づいて動作する。

検出部１２２は、第１検出部１２４及び第２検出部１２５を有している。第１検出部１２４は、ターゲットの位置に対応した第１検出信号を出力するように構成されている。第２検出部１２５は、ターゲットの位置に対応した第２検出信号を出力するように構成されている。各検出部１２４、１２５は、同じ構成であり、同じ検出信号を出力する。

図９に示されるように、各検出部１２４、１２５は、ターゲットの移動に伴って抵抗値が変化する第１磁気抵抗素子１２６、第２磁気抵抗素子１２７、及び第３磁気抵抗素子１２８の３つの素子を有している。なお、図９では１つの検出部を図示している。

ターゲットの移動方向において、第２磁気抵抗素子１２７が第１磁気抵抗素子１２６と第３磁気抵抗素子１２８との間に位置するように各々が配置されている。つまり、第２磁気抵抗素子１２７が第１磁気抵抗素子１２６と第３磁気抵抗素子１２８とに挟まれるように配置されている。なお、モールドＩＣ部１０５にバイアス磁石１１９が設けられた構成では、各磁気抵抗素子１２６〜１２８にバイアス磁界が印加される。

各磁気抵抗素子１２６〜１２８は、電源とグランドとの間に２つの磁気抵抗が直列接続されたハーフブリッジ回路として構成されている。各磁気抵抗素子１２６〜１２８は、ターゲットの移動に伴って２つの磁気抵抗が磁界の影響を受けたときの抵抗値の変化を検出する。また、各磁気抵抗素子１２６〜１２８は、当該抵抗値の変化に基づいて、２つの磁気抵抗の中点の電圧を波形信号としてそれぞれ出力する。

また、各検出部１２４、１２５は、各磁気抵抗素子１２６〜１２８の他に、第１〜第４オペアンプを備えている。第１磁気抵抗素子１２６の中点電位をＶ１と定義すると共に、第２磁気抵抗素子１２７の中点電位をＶ２と定義すると、第１オペアンプは、Ｖ１−Ｖ２を演算してその結果をＲ１として出力するように構成された差動増幅器である。また、第３磁気抵抗素子１２８の中点電位をＶ３と定義すると、第２オペアンプは、Ｖ２−Ｖ３を演算してその結果をＲ２として出力するように構成された差動増幅器である。

第３オペアンプは、第１オペアンプからＲ１（＝Ｖ１−Ｖ２）を入力すると共に第２オペアンプからＲ２（＝Ｖ２−Ｖ３）を入力し、Ｒ２−Ｒ１を演算してその結果をＳ１（＝（Ｖ２−Ｖ３）−（Ｖ１−Ｖ２））として出力するように構成された差動増幅器である。

第４オペアンプは、第１磁気抵抗素子１２６から中点電位Ｖ１を入力すると共に、第３
磁気抵抗素子１２８から中点電位Ｖ３を入力し、Ｖ１−Ｖ３を演算してその結果をＳ２として出力するように構成された差動増幅器である。

このように、各検出部１２４、１２５は、各磁気抵抗素子１２６〜１２８の出力から信号Ｓ１（＝（Ｖ２−Ｖ３）−（Ｖ１−Ｖ２））及び信号Ｓ２（＝Ｖ１−Ｖ３）を生成及び取得するように構成されている。信号Ｓ１及び信号Ｓ２が検出信号となる。つまり、各検出部１２４、１２５は、位相が異なる複数の検出信号を生成する。各検出部１２４、１２５は、信号Ｓ１及び信号Ｓ２を複数の検出信号として信号処理部１２３に出力する。

なお、上記の信号の処理は、磁気抵抗素子がセンサチップ１０９に３つ設けられた構成の場合である。磁気抵抗素子がセンサチップ１０９に２つや４つ以上設けられた場合には素子の数に応じた処理が行われる。

図８の信号処理部１２３は、検出部１２２から入力される信号を処理する回路部である。信号処理部１２３は、第１処理部１２９、第２処理部１３０、冗長判定部１３１を備えている。

第１処理部１２９は、第１検出部１２４から第１検出信号を入力し、第１検出信号に基づいてターゲットの位置を取得する。第２処理部１３０は、第２検出部１２５から第２検出信号を入力し、第２検出信号に基づいてターゲットの位置を取得する。

第２処理部１３０は、位置信号を反転させて出力する。よって、検出部１２２や信号処理部１２３に異常が無ければ、第１処理部１２９の位置信号と第２処理部１３０の位置信号とを足し合わせると一定値になる。

ここで、第１検出部１２４及び第１処理部１２９が第１系統を構成する。また、第２検出部１２５及び第２処理部１３０が第２系統を構成する。つまり、各検出部１２４、１２５及び各処理部１２９、１３０によって２重系が構成されている。

冗長判定部１３１は、第１処理部１２９によって取得された位置と第２処理部１３０によって取得された位置とが一致するか否かを判定する回路部である。２系統の信号処理結果が一致する場合、信号処理部１２３は、各位置信号をそのまま出力する。２系統の信号処理結果が一致しない場合、各系統のいずれか一方または両方に異常が発生している可能性がある。この場合、信号処理部１２３は、異常を示す異常信号をＥＣＵ２００に出力する。

信号処理をまとめると、例えば図９の内容となる。アナログ処理は、複数の検出信号を生成する処理である。なお、検出部１２２は温度を検出する機能を有していても良い。温度情報Ｔｅｍｐは温度補正に用いられる。また、「Ｓｉｎ」及び「Ｃｏｓ」は後述する正弦信号及び余弦信号である。

アナログ処理されたアナログ信号はマルチプレクサ（ＭＵＸ）を介してＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）でデジタル信号に変換される。デジタル信号は逆正接信号を生成するために演算処理される。アナログ処理及び演算処理では、メモリに記憶された調整値が適宜利用される。演算処理によって取得された位置信号は、ＤＡＣ、ＳＥＮＴ、ＰＷＭ等の出力形式に従ってＥＣＵ２００に出力される。

なお、演算処理は信号処理部１２３で行われる。よって、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）やメモリは信号処理部１２３に設けられている。アナログ処理は検出部１２２及び信号処理部１２３のどちらで行われても良い。以上が、本実施形態に係るセンサ１００の構成で
ある。

次に、ターゲット及び動作範囲について説明する。図１０〜図１３に示されるように、ターゲット４００は、第１磁極４０１と第２磁極４０２とが移動方向に交互に設けられている。第１磁極４０１はＮ極である。第２磁極４０２はＳ極である。この関係は逆転していても良い。検出部１２２はターゲット４００に対してギャップを持って固定されている。ターゲット４００が検出部１２２に対して移動方向に移動する。

図１０及び図１１に示されるように、検出部１２２は、極中心から隣の極中心までの動作範囲の位置を検出する。動作範囲は、ターゲット４００の移動範囲である。図１０は、検出部１２２が、第２磁極４０２において移動方向の幅中心から隣の第２磁極４０２の幅中心までの位置を検出する場合を示している。図１１は、検出部１２２が、第１磁極４０１の幅中心から隣の第１磁極４０１の幅中心までの位置を検出する場合を示している。

図１２及び図１３に示されるように、検出部１２２は、極間中心から隣の極間中心までの動作範囲の位置を検出する。図１２は、検出部１２２が、第２磁極４０２と第１磁極４０１との極間中心から隣の極間中心までの位置を検出する場合を示している。図１３は、検出部１２２が、第１磁極４０１と第２磁極４０２との極間中心から隣の極間中心までの位置を検出する場合を示している。

続いて、ターゲット４００の具体的な構成について説明する。図１４に示されるように、ターゲット４００は、磁性体の板部材４０３の上に設けられたゴム磁石４０４の一部に第１磁極４０１及び第２磁極４０２が着磁されたものである。ゴム磁石４０４は、第１磁極４０１及び第２磁極４０２がレイアウトされた一面４０５を有する。磁化方向はゴム磁石４０４の板面に垂直な方向である。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、板部材４０３及びゴム磁石４０４が特許請求の範囲の「本体部」に対応する。

ゴム磁石４０４には、第２磁極４０２、第１磁極４０１、及び第２磁極４０２の３つが着磁されている。ここで、第１磁極４０１と第２磁極４０２とが交互に配置される方向を配置方向と定義する。配置方向は、ゴム磁石４０４の一面４０５に平行な方向のうちの一方向である。そして、配置方向が移動方向に対して傾斜していることにより、第１磁極４０１及び第２磁極４０２は移動方向に対して斜めにレイアウトされている。

第１磁極４０１及び第２磁極４０２は、配置方向に直交すると共に一面４０５に平行な方向に直線状にレイアウトされている。配置方向は移動方向に対して傾斜しているが、直交していない。配置方向と移動方向とが一致していないので、ターゲット４００が移動方向に移動したときの移動量は、配置方向に移動したときの移動量よりも大きくなる。つまり、配置方向と移動方向とが一致する場合よりも、実質的に、ターゲット４００の移動量を大きくすることができる。

図１５の上段に示されるように、センサチップ１０９の一面１３２が移動方向に対して垂直に向けられた場合について説明する。磁気抵抗素子１２６〜１２８はセンサチップ１０９の一面１３２に配置される。また、ターゲット４００は、図１０に示された各磁極４０１、４０２を有する。

そして、ターゲット４００が移動方向に移動すると、検出部１２２は第２磁極４０２の一端部から第１磁極４０１の中央部を介して隣の第２磁極４０２の他端部を横切る。これにより、検出部１２２は、ターゲット４００の移動に伴って、第１磁極４０１及び第２磁極４０２から受ける磁界の変化に基づいて、位相が異なる信号Ｓ１及び信号Ｓ２を生成す
る。

信号Ｓ１は、正弦関数を示す正弦信号である。信号Ｓ２は、余弦関数を示す余弦信号である。つまり、信号Ｓ１と信号Ｓ２とは１／４周期の位相差がある。検出部１２２は、正弦信号及び余弦信号を取得し、複数の検出信号として信号処理部１２３に出力する。

信号処理部１２３は、検出部１２２から複数の検出信号を取得し、複数の検出信号に基づいてターゲット４００の位置を示す位置信号を取得する。具体的には、図１５の中段に示されるように、信号処理部１２３は、ターゲット４００の位置に対応した正弦信号及び余弦信号を取得する。また、信号処理部１２３は、（余弦信号の信号値）／（正弦信号の信号値）を演算する。これにより、図１５の下段に示されるように、逆正接関数を示すと共にターゲット４００の移動量に応じて信号値が一定の増加率で増加する逆正接信号が得られる。信号処理部１２３は、この逆正接信号を位置信号として取得する。

図１６の上段に示されるように、センサチップ１０９の一面１３２を各磁極４０１、４０２の配置方向に平行に配置しても良い。この場合、図１５に示された場合よりも、センサチップ１０９が各磁極４０１、４０２から受ける磁界を検出しやすくなる。よって、波形信号、正弦信号、余弦信号、逆正接信号の精度が良くなるので、ターゲット４００の位置の正確度を向上させることができる。

図１７に示されるように、信号処理部１２３は第１位置信号（Ｏ１）と、この第１位置信号（Ｏ１）を反転させた第２位置信号（Ｏ２）をＥＣＵ２００に出力する。

比較例として、図１８に示されるように、各磁極４０１、４０２の配置方向とターゲット４００の移動方向とが一致する場合、第２磁極４０２から隣の第２磁極４０２までの配列距離とターゲット４００の移動量とが一致する。このため、ターゲット４００は配列距離を超えた移動ができないので、ターゲット４００の移動量の検出は当該配列距離の範囲内に限定されてしまう。

すなわち、ターゲット４００の移動量に対してより直線性の高い信号を得ようとすると、磁極４０１、４０２が大きい形状でないときれいな信号が得られない。そのため。ターゲット４００の移動量を大きくしたくても磁極４０１、４０２の大きさが決まってしまう。よって、図１８の比較例では、ターゲット４００の移動量に対して制約を設けなければならない。

これに対し、本実施形態では、各磁極４０１、４０２の配置方向をターゲット４００の移動方向に対して傾斜させている。このため、移動方向における第２磁極４０２から隣の第２磁極４０２までの配列距離よりも、第２磁極４０２から第２磁極４０２までの距離を長くすることができる。図１１の例では、移動方向における第１磁極４０１から隣の第１磁極４０１までの距離を長くすることができる。したがって、ターゲット４００の移動量が大きくなったとしても、ターゲット４００が１つの検出部１２２の検出可能範囲を逸脱することなく、ターゲット４００の位置を検出することができる。

以上のように、ターゲット４００の移動方向に対して各磁極４０１、４０２が斜めに配置されているので、ターゲット４００の移動量の制約を無くすことができる。また、ターゲット４００を斜めに配置した角度と同じように、センサチップ１０９の一面１３２も図１６に示されるように斜めに配置するとなお良い。

また、信号の差動を取る際に各磁気抵抗素子１２６〜１２８の間隔を広く取る必要がある。しかしながら、配置方向を移動方向に対して傾けることにより、ターゲット４００の
各磁極４０１、４０２の極幅を狭めることができる。よって、センサチップ１０９及び検出部１２２の体格を小さくすることができるというメリットもある。

変形例として、各磁極４０１、４０２は３つ以上配置されていても良い。位置の検出範囲は極中心から隣の極中心あるいは極間中心から隣の極間中心であるが、交互に配置される磁極４０１、４０２の数を増やすことで、検出部１２２が端の磁極４０１、４０２から受ける磁界と中央の磁極４０１、４０２から受ける磁界とを均一にすることができる。なお、均一とは完全に均一でなくても、均一に近づいていれば良い。

変形例として、図１９に示されるように、ターゲット４００は、板部材４０３の上にブロック磁石４０６が貼り付けられたものでも良い。この場合、板部材４０３の表面が、各磁極４０１、４０２がレイアウトされた一面４０５に対応する。磁化方向は板部材４０３の板面に垂直な方向である。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、板部材４０３が特許請求の範囲の「本体部」に対応する。

変形例として、図２０に示されるように、ターゲット４００は、配置方向における第１磁極４０１の中央部分及び第２磁極４０２の中央部分が突出した波形状を有していても良い。ターゲット４００の波形状は、例えば正弦関数の曲面である。これによると、第１磁極４０１の中央部分と第２磁極４０２の中央部分とを繋ぐ磁界の歪みを緩和することができる。このため、理想的な正弦関数を示す正弦信号及び理想的な余弦関数を示す余弦信号が得られる。したがって、正弦信号及び余弦信号から取得される逆正接信号の直線性を得ることができ、ひいてはターゲット４００の位置の検出精度を向上させることができる。

（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。図２１に示されるように、ターゲット４００は、回転軸４０７及び回転板４０８を備えている。回転板４０８は、回転軸４０７の側面４０９に固定されていると共に回転軸４０７の中心軸に直交する一面４１０を有する。回転板４０８は、扇形状の板部材である。

この構成では、移動方向は、回転軸４０７の中心軸を中心とした回動方向である。また、各磁極４０１、４０２の配置方向は、回転軸４０７の中心軸から回転軸４０７の径方向に離れた位置４１１を中心として回転軸４０７の中心軸に直交する方向である。つまり、配置方向は、位置４１１を中心とした径方向である。

そして、各磁極４０１、４０２は、回転軸４０７の中心軸から径方向に離れた位置を中心として回転板４０８の一面４１０に円弧状にレイアウトされている。各磁極４０１、４０２の形態は、図１４に示された着磁でも良いし、図１９に示されたブロック磁石４０６でも良い。

図２１の破線は、検出部１２２の軌跡である。各磁極４０１、４０２が移動方向に沿って配置された場合よりも広い範囲の位置を検出することができる。

（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２２に示されるように、ターゲット４００は、外周面４１２を有する回転体４１３として構成されている。この構成では、移動方向は、回転体４１３の回動方向である。

そして、各磁極４０１、４０２は、回転体４１３の外周面４１２に回転体４１３の回転軸を中心とした螺旋状にレイアウトされている。各磁極４０１、４０２の形態は、着磁やブロック磁石のどちらでも良い。各磁極４０１、４０２が螺旋状にレイアウトされているので、配置方向も螺旋方向に一致している。

例えば、回転体４１３の外周面４１２に８極の磁極４０１、４０２が着磁された構成では、極中心から隣の極中心までが９０°の回転角度に対応する。よって、図２３に示されるように、位置信号は、９０°毎に一定の増加率で信号値が増加する信号となる。つまり、１回転で４回分の信号が出力される。もちろん、１回転を検出するのではなく、９０°の範囲内で位置を検出しても良い。

変形例として、磁極４０１、４０２の数を６極に設定しても良い。この場合、位置信号は、１２０°毎に一定の増加率で信号値が増加する信号となる。このように、極数は適宜設定される。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態に係るターゲット４００は、車両のシフトポジションの動作に連動して移動する可動部品である。具体的には、ターゲット４００は、図２４及び図２５に示された車両のシフトバイワイヤシステム５００に適用される。

シフトバイワイヤシステム５００では、ＳｈＢＷＥＣＵ５０１が車両のシフター５０２の情報を取得してアクチュエータ５０３を制御する。アクチュエータ５０３には扇形状のディテント５０４が固定されている。ディテント５０４にはマニュアルバルブ５０５及びパーキングロッド５０６が固定されている。マニュアルバルブ５０５はトランスミッション５０７に接続されている。パーキングロッド５０６は、パーキング機構部５０８に接続されている。そして、センサ１００は、例えば、ディテント５０４の位置やマニュアルバルブ５０５の位置を検出するために用いられる。

なお、シフトバイワイヤシステム５００では、モータ・エンコーダ５０９、ＴＣＵ５１０、ソレノイド５１１、ポンプ５１２等が備えられている。ＳｈＢＷＥＣＵ５０１は、センサ１００から位置を示すレンジ情報を取得し、モータ・エンコーダ５０９及びＴＣＵ５１０を制御する。ＴＣＵ５１０は、トランスミッションコントローラであり、ソレノイド５１１を制御する。

センサ１００がディテント５０４の位置を検出する場合、図２６に示されるように、ディテント５０４がターゲット４００となる。よって、ディテント５０４には各磁極４０１、４０２がレイアウトされた磁石４１４が固定されている。ディテント５０４にターゲット４００が固定されていても良い。図２７に示されるように、センサ１００はディテント５０４の磁石４１４に対向するようにハウジング５１３に固定されている。これにより、ディテント５０４がアクチュエータ５０３によって回転させられた際に、センサ１００はディテント５０４の回転位置を検出する。

センサ１００がマニュアルバルブ５０５の位置を検出する場合、図２８に示されるように、ターゲット４００はマニュアルバルブ５０５に固定される。ターゲット４００には各磁極４０１、４０２がレイアウトされた磁石４１５が固定されている。また、図２９に示されるように、センサ１００はターゲット４００の磁石４１５に対向するようにハウジング５１３に固定されている。これにより、ディテント５０４を介してマニュアルバルブ５０５が移動した際に、センサ１００はマニュアルバルブ５０５の位置を検出する。図２５は、マニュアルバルブ５０５の位置を検出する構成が示されていると言える。

シフトポジションが操作された場合、センサ１００によってディテント５０４やマニュアルバルブ５０５の位置を検出することで、シフトポジションの位置を検出することができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。図３０に示されるように、ターゲット４００は第１磁極４０１及び第２磁極４０２がレイアウトされた一面４１６を有する板状である。また、ターゲット４００の一面４１６における第１磁極４０１と第２磁極４０２との各境界線４１７は、インボリュート曲線になるようにレイアウトされている。

インボリュート曲線は、円の開放端の軌跡を表現する曲線である。インボリュート曲線は、ｘ＝α（−ｓｉｎθ＋θｃｏｓθ）、ｙ＝α（ｃｏｓθ＋θｓｉｎθ）によって表される。αは、各境界線４１７の半径である。αは、境界線４１７毎に異なる。

各磁極４０１、４０２の配置方向は、回転中心の位置４１８を中心として一面４１６に平行な方向である。各磁極４０１、４０２の境界線４１７がインボリュート曲線によって規定されるので、配置方向は一概に決まらない。回転中心の位置４１８を中心として一面４１６に平行な放射方向をみると、どの放射方向においても各磁極４０１、４０２は交互に配置されている。

ターゲット４００の移動方向は、当該ターゲット４００から離れた回転中心の位置４１８を中心として一面４１６に平行な方向である。つまり、ターゲット４００の移動方向は、回転中心の位置４１８を中心とした回動方向である。センサ１００は予め設定されたターゲット４００の回転角度範囲における回転位置を検出する。

続いて、ターゲット４００の回転位置を各磁極４０１、４０２の境界線４１７をインボリュート曲線とした理由について説明する。

まず、図３１に示されるように、ターゲット４００がセンサチップ１０９に対して各磁極４０１、４０２の配置方向に移動すると、移動量は直線長さＡ１になる。配置方向に対して角度θ１だけ傾斜すると、移動量は直線長さＡ１よりも長い直線長さＢ１になる。これは、回転中心の位置４１８を中心として回転した場合でも同じである。すなわち、円弧長さＢ２が円弧長さＡ２よりも長くなる。

ここで、円弧長さＡ２は、回転中心の位置４１９を中心として回転する。円弧長さＡ２と円弧長さＢ２との回転半径は同じである。したがって、各円弧長さと各直線長さの比は一致する。

具体的に、測定径をφ５０、各磁極４０１、４０２の磁極幅を４．８ｍｍとすると、円弧長さＡ２によって測定可能な回転角度範囲は２２．１３９°である。φ５０の測定径を維持しつつ、回転角度範囲を例えば４５°まで延長させることを考える。つまり、４５°の回転角度で３６０°の電気角となるように設計することを考える。

４．８ｍｍの磁極幅を維持したまま、回転角度範囲を４５°とするためには、４５°÷２２．１３９°＝２．０３の比となる。よって、直線長さＡ１と直線長さＢ１との成す角度θ１は６０．４８８°となる。

続いて、各磁極４０１、４０２の各磁極幅を揃えることを考える。直線長さＢ１は各磁極４０１、４０２の配置方向に対して傾斜している。そこで、図３２に示されるように、直線長さＢ１を直線長さＡ１に揃える。つまり、１極分の磁極幅が４．８ｍｍであるので、２極分の磁極幅は９．６ｍｍである。よって、直線長さＢ１を直線長さＡ１である９．６ｍｍに縮める。

したがって、図３３に示されるように、直線長さＢ１を直線長さＡ１に縮めつつ、直線長さＢ１における各磁極４０１、４０２の長さを縮小する。これにより、各磁極４０１、４０２の配置方向に対して角度θ１傾斜した方向に２極分の磁極幅４２０を割り当てる。

そして、図３４に示されるように、図３３で得られた２極分の磁極幅４２０を、回転中心の位置４１８を中心とした４５°の回転角度範囲で回転させる。また、４５°の回転角度範囲外の余剰磁極を追加してターゲット４００を設計する。余剰磁極とは、位置の検出に必要な磁極以外の磁極である。図３０の例では、３つの余剰磁極が設けられている。これにより、位置の検出に必要な各磁極４０１、４０２によって発生する磁界が均一になる。

図３４に示された各磁極４０１、４０２の境界を繋ぐと、その境界が描く曲線がインボリュート曲線になる。なお、図３１〜図３４を説明するために使用した測定径や回転角度範囲の数値は一例である。

各磁極４０１、４０２の境界線４１７がインボリュート曲線になっていることで、図３５に示されるように、回転中心の位置４１８を中心とした回動方向に対して、各磁極４０１、４０２が斜めにレイアウトされる。また、ターゲット４００が回動方向に移動すると、ターゲット４００は、第２磁極４０２の磁極中心から第１磁極４０１を介して隣の第２磁極４０２の磁極中心まで移動する。

このとき、ターゲット４００の軌跡は、第２磁極４０２の磁極中心から隣の第１磁極４０１までの第１磁極幅４２１と、第１磁極４０１の第２磁極幅４２２と、第１磁極４０１から隣の第２磁極４０２の磁極中心までの第３磁極幅４２３と、に分割される。各磁極４０１、４０２の境界線４１７がインボリュート曲線になっていることで、第１磁極幅４２１と第３磁極幅４２３とが同じ長さになる。また、第１磁極幅４２１と第３磁極幅４２３との和が第２磁極幅４２２と同じになる。

上記のターゲット４００により、図３６の上段及び下段に示されるように、信号処理部１２３は、ターゲット４００の回転位置に対応した正弦信号及び余弦信号を取得する。図３６の上段は正弦信号を示すｓｉｎθの信号波形、図３６の下段は余弦信号を示すｃｏｓθの信号波形を示している。図３６のように、理想に近い正弦関数を示す正弦信号及び理想に近い余弦関数を示す余弦信号が得られる。

したがって、正弦信号及び余弦信号から取得される逆正接信号の直線性を得ることができ、ひいてはターゲット４００の回転位置の検出精度を向上させることができる。また、ターゲット４００の移動量を大きくすることができる。

ここで、ターゲット４００の回転角度範囲は４５°±２０°であることが望ましい。ターゲット４００が搭載されるシステムによっては、２５°の回転角度範囲しか確保できない機構が想定される。また、大きな回転角度範囲である６５°を確保できる機構もある。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示されたセンサ１００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、センサ１００の用途は車両用に限られず、可動部品の位置を検出するものとして産業用ロボットや製造設備等にも広く利用できる。また、センサ１００は冗長機能を備えていなくても良い。この場合、リード１１２〜１１５は３本である。

上記各実施形態では、複数の検出信号は、信号Ｓ１及び信号Ｓ２、すなわち正弦信号及び余弦信号であったが、これは一例である。例えば、各磁気抵抗素子１２６〜１２８のＶ１〜Ｖ３を複数の検出信号としても良い。この場合、信号処理部１２３が正弦信号及び余弦信号を取得する。つまり、正弦信号及び余弦信号は、検出部１２２で取得されても良いし、信号処理部１２３で取得されても良い。

１００ リニアポジションセンサ
１２２ 検出部
１２３ 信号処理部
４００ ターゲット
４０１ 第１磁極
４０２ 第２磁極

Claims (8)

1. 第１磁極（４０１）と第２磁極（４０２）とが交互に設けられたターゲット（４００）の移動方向における位置を検出するリニアポジションセンサであって、
   前記ターゲットの移動に伴って、前記第１磁極及び前記第２磁極から受ける磁界の変化に基づいて、位相が異なる複数の検出信号を生成する検出部（１２２）と、
   前記検出部から前記複数の検出信号を取得し、前記複数の検出信号に基づいて前記ターゲットの位置を示す位置信号を取得する信号処理部（１２３）と、
   を含み、
   前記第１磁極と前記第２磁極とが交互に配置される配置方向が前記移動方向に対して傾斜していることにより、前記第１磁極及び前記第２磁極は前記移動方向に対して斜めにレイアウトされているリニアポジションセンサ。
2. 前記ターゲットは、前記第１磁極及び前記第２磁極がレイアウトされた一面（４１６）を有し、
   前記移動方向は、回転中心の位置（４１８）を中心として前記一面に平行な回動方向であり、
   前記第１磁極及び前記第２磁極は、前記一面における前記第１磁極と前記第２磁極との境界線（４１７）がインボリュート曲線になるようにレイアウトされている請求項１に記載のリニアポジションセンサ。
3. 前記ターゲットは、前記第１磁極及び前記第２磁極がレイアウトされた一面（４０５）を有すると共に前記移動方向に移動する本体部（４０３、４０４）を含み、
   前記配置方向は、前記本体部の前記一面に平行な方向のうちの一方向であり、
   前記第１磁極及び前記第２磁極は、前記配置方向に直交すると共に前記一面に平行な方向に直線状にレイアウトされている請求項１に記載のリニアポジションセンサ。
4. 前記ターゲットは、前記配置方向における前記第１磁極の中央部分及び前記第２磁極の中央部分が突出した波形状を有する請求項３に記載のリニアポジションセンサ。
5. 前記ターゲットは、回転軸（４０７）と、前記回転軸の側面（４０９）に固定されていると共に前記回転軸の中心軸に直交する一面（４１０）を有する回転板（４０８）と、を含み、
   前記移動方向は、前記回転軸の中心軸を中心とした回動方向であり、
   前記配置方向は、前記回転軸の中心軸から前記回転軸の径方向に離れた位置（４１１）を中心として前記回転軸の中心軸に直交する方向であり、
   前記第１磁極及び前記第２磁極は、前記回転軸の中心軸から前記径方向に離れた位置を中心として前記回転板の前記一面に円弧状にレイアウトされている請求項１に記載のリニアポジションセンサ。
6. 前記ターゲットは、外周面（４１２）を有する回転体（４１３）として構成されており、
   前記移動方向は、前記回転体の回動方向であり、
   前記第１磁極及び前記第２磁極は、前記回転体の前記外周面に前記回転体の回転軸を中心とした螺旋状にレイアウトされている請求項１に記載のリニアポジションセンサ。
7. 前記検出部は、前記複数の検出信号として、正弦関数を示す正弦信号及び余弦関数を示す余弦信号を取得し、
   前記信号処理部は、前記検出部から前記正弦信号及び前記余弦信号を取得し、前記正弦信号及び余弦信号に基づいて逆正接関数を示すと共に前記ターゲットの移動量に応じた逆正接信号を生成し、前記逆正接信号を前記位置信号として取得する請求項１ないし６のいずれか１つに記載のリニアポジションセンサ。
8. 前記ターゲットは、車両のシフトポジションの動作に連動して移動する可動部品である請求項１ないし７のいずれか１つに記載のリニアポジションセンサ。

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