JP4917522B2

JP4917522B2 - ポジションセンサ

Info

Publication number: JP4917522B2
Application number: JP2007316632A
Authority: JP
Inventors: 文浩鈴木
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: JP2009140785A

Description

本発明は、回転操作及びプッシュ操作によって指示された任意のポジションを検出するポジションセンサに関する。

従来の技術として、シフトレバーの変位に連動して変位するマグネット板と、対面して配置された板状の磁性体である一対の磁性板を有する第１のヨーク及び第２のヨークと、マグネット板の磁石から生じる磁束密度の変化を計測するための磁気検出素子とを備えた位置センサが知られている（例えば、特許文献１）。

このマグネット板は、非磁性体である非磁性部分と、磁性体である磁石体とが、周方向に交互に配置された略扇状の板状部材からなっている。また、第１及び第２のヨークは、所定の間隙である第１及び第２の隙間を設けた状態で一対の磁性板を保持する第１及び第２のブリッジ部を備えている。

この位置センサによると、シフトレバーの変位によってマグネット板が変位し、第１又は第２のヨークに収容される磁石体の数に応じて磁気検出素子で検出される磁束密度が段階的に変化するので、検出された磁束密度に基づいたシフトレバーのシフトポジションを検出することが可能になる。
特開２００７−４０７２２号公報

しかし、従来の位置センサによると、磁気検出素子で検出される磁束密度の変化の幅が小さく、外部磁場の影響によって誤作動する可能性があった。

従って本発明の目的は、回転操作及びプッシュ操作によって任意のポジションを指示可能で、また、安定して任意のポジションを検出することができるポジションセンサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、回転軸を中心に回転操作、及び前記回転軸の平行方向にプッシュ操作が可能に設置され、前記回転操作に基づく任意の回転ポジション、及び前記プッシュ操作に基づく前記回転軸方向の任意の位置ポジションを指示する操作部と、前記操作部に設けられ、前記回転軸に対して垂直方向に磁化されたカウンター磁石と、基板を有し、２つのハーフブリッジ回路を有する第１〜第４のＭＲセンサ部を十字の各頂点にくるよう前記基板上に配置し、前記回転操作及び前記プッシュ操作に基づいた前記カウンター磁石の磁界の方向の変化を前記ハーフブリッジ回路毎に第１〜第８の出力電圧として出力する磁気センサと、前記磁気センサから出力された前記第１〜第８の出力電圧に基づいて前記操作部の操作によって指示された前記任意の回転ポジション及び前記任意の位置ポジションを検出する検出部と、を備えることを特徴とするポジションセンサを提供する。

上記した構成によれば、回転操作及びプッシュ操作によって任意のポジションを指示可能で、また、安定して任意のポジションを検出することができる。

このような構成によれば、回転操作及びプッシュ操作によって任意のポジションを指示可能で、また、安定して任意のポジションを検出するポジションセンサを提供することができる。

以下に、本発明のポジションセンサの実施の形態を図面を参考にして詳細に説明していく。

[実施の形態]
（回転プッシュスイッチ１の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る回転プッシュスイッチの概略構成図であり、図２は、本発明の実施の形態に係るＭＲセンサの概略図である。本発明におけるポジションセンサを図示しない車両に搭載された回転プッシュスイッチ１として用いた場合について説明する。図２は、回転軸を基板上に投影した座標軸をｘ軸とし、ｘ軸に垂直な座標軸をｙ軸とする。座標原点は、第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４の重心と一致するものとする。また、図２は、回転操作される前の状態を表している。

回転プッシュスイッチ１は、円柱形を有し、回転軸上に設けられた支持部４を介して矢印Ａ及びＢ方向に回転操作可能で、かつ、矢印Ｃ方向にプッシュ操作可能に設けられたノブ２と、矩形状を有してノブ２に設けられ、操作者が手で掴むことで、ノブ２に対して回転操作及びプッシュ操作を行うことができるハンドル３と、ノブ２の回転軸と中心軸を一致させてノブ２に対して垂直方向に伸び、先端に後述するカウンター磁石５が設けられた支持部４と、によって操作部を形成し、さらに、後述するカウンター磁石５と、仮想の十字の各頂点に後述する第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４を配置されたＭＲセンサ６と、を備えて概略構成されている。また、回転プッシュスイッチ１から出力された後述する出力電圧は、検出部としての判断部８に送信され、判断部８は、受信した出力電圧に基づいてポジションを算出し、算出した結果を表す信号を車両のＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｏｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）９に送信し、ＥＣＵ９は、受信したポジションを示す信号に基づいて回転プッシュスイッチ１に関連付けられた電子機器等の制御を行う。なお、判断部８ではなく、ＥＣＵ９が、送信された信号に基づいてポジションを算出する構成としても良く、これに限定されない。

（カウンター磁石５の構成）
カウンター磁石５は、一例として、円柱形状を有し、円の中心が回転軸と一致するように設けられており、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石等の永久磁石で形成されている。また、カウンター磁石５は、Ｓ極５１側がＭＲセンサ６に対向して配置されており、図２に示すように、後述する４つのＭＲセンサの重心から、０．５ｍｍｘ軸のマイナス側にオフセットして設置されている。カウンター磁石５は、プッシュ操作によってｘ軸に平行に−０．５ｍｍから０．５ｍｍまで移動可能であるとする。なお、カウンター磁石５の形状は、これに限定されず、回転軸に対して垂直方向に磁化された縦に長い磁石を支持部４で支持する構成としても良く、また、Ｎ極５０とＳ極５１を入れ替えた構成としても良い。

また、カウンター磁石５は、ＭＲセンサ６の検出面（後述するＭＲ素子が配置される面）に対して中心に向かう磁界を印加している。磁気ベクトル７は、ＭＲセンサ６の検出面における磁界の磁力線の向きと大きさを可視化したものである。

（ＭＲセンサ６の構成）
図３は、本発明の実施の形態に係るＭＲセンサの等価回路図であり、図４は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＲ素子の概略図である。以下における角度θとは、各第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４の各第１〜第４のＭＲ素子６０ａ〜６０ｄの長さ方向からの角度を示すものとする。

ＭＲセンサ６は、ＮｉＦｅパーマロイ、ＮｉＣｏ及びＦｅＣｏ合金等の強磁性金属を主成分とした薄膜で作成された第１〜第４のＭＲ素子６０ａ〜６０ｄを有する第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４が、基板６０上に、それぞれが向き合って形成されている。

ＭＲ素子は、図４に示す第２のＭＲ素子６０ｂを例に取ると、折返し形状を備えた複数の感磁部６Ａを有している。横軸をｘ軸、縦軸をｙ軸とし、磁気ベクトル７が、感磁部６Ａに対して垂直（θ＝０）に横切るとき、磁気抵抗値は最小となり、磁気ベクトル７が、感磁部６Ａに対して平行（θ＝９０°）に横切るとき、磁気抵抗値は最大となる。第１及び第３〜第４のＭＲ素子６０ａ、６０ｃ、６０ｄは、第２のＭＲ素子６０ｂと同じ構成及び機能を有しているので、説明は省略する。

第１のＭＲセンサ部６１は、図３に示すように、第１のＭＲ素子６０ａと第２のＭＲ素子６０ｂとが直交し、また、カウンター磁石５のプッシュ操作方向（ｘ軸に平行な方向）に対して第２のＭＲ素子６０ｂの長さ方向が平行になるように配置され、また、第１のＭＲ素子６０ａと第２のＭＲ素子６０ｂとによってハーフブリッジ回路が形成されている。第１のＭＲ素子６０ａと第２のＭＲ素子６０ｂの中点電位は、それぞれの磁気抵抗値の比に基づいて第１の出力電圧としての出力電圧Ｖ１として出力される。また、第１のＭＲセンサ部６１は、第３のＭＲ素子６０ｃと第４のＭＲ素子６０ｄとが直交し、それぞれが、プッシュ操作方向（ｘ軸に平行な方向）に対して４５°になるように配置されている。第３のＭＲ素子６０ｃと第４のＭＲ素子６０ｄとによってハーフブリッジ回路が形成され、その中点電位は、それぞれの磁気抵抗値の比に基づいて第２の出力電圧としての出力電圧Ｖ２として出力される。

第２のＭＲセンサ部６２は、図３に示すように、第１のＭＲセンサ部６１と同じ方向に第１〜第４のＭＲ素子６０ａ〜６０ｄが配置され、第１のＭＲ素子６０ａと第２のＭＲ素子６０ｂの中点電位は、それぞれの磁気抵抗値の比に基づいて第３の出力電圧としての出力電圧Ｖ３として出力される。また、第３のＭＲ素子６０ｃと第４のＭＲ素子６０ｄの中点電位は、それぞれの磁気抵抗値の比に基づいて第４の出力電圧としての出力電圧Ｖ４として出力される。

第３のＭＲセンサ部６３は、図３に示すように、第１のＭＲセンサ部６１の第１のＭＲ素子６０ａと第２のＭＲ素子６０ｂとで形成されたハーフブリッジ回路を時計周りに９０°回転させて配置されている。第３のＭＲセンサ部６３の第２のＭＲ素子６０ｂと第１のＭＲ素子６０ａの中点電位は、それぞれの磁気抵抗値の比に基づいて第５の出力電圧としての出力電圧Ｖ５として出力される。また、第３のＭＲセンサ部６３の第３のＭＲ素子６０ｃと第４のＭＲ素子６０ｄは、第１〜第２のＭＲセンサ部６１、６２と同様の方向に配置されている。第３のＭＲ素子６０ｃと第４のＭＲ素子６０ｄの中点電位は、それぞれの磁気抵抗値の比に基づいて第６の出力電圧としての出力電圧Ｖ６として出力される。

第４のＭＲセンサ部６４は、図３に示すように、第３のＭＲセンサ部６４の第１〜第４のＭＲ素子６０ａ〜６０ｄと同じ方向に配置され、第４のＭＲセンサ部６４の第２のＭＲ素子６０ｂと第１のＭＲ素子６０ａの中点電位は、それぞれの磁気抵抗値の比に基づいて第７の出力電圧としての出力電圧Ｖ７として出力される。また、第４のＭＲセンサ部６４の第３のＭＲ素子６０ｃと第４のＭＲ素子６０ｄの中点電位は、それぞれの磁気抵抗値の比に基づいて第８の出力電圧としての出力電圧Ｖ８として出力される。

第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４は、一例として、図３に示すように、印加電圧Ｖ_ｃｃが入力される入力端子６５と、図示しない接地回路と接続されるアース端子６６と、を共通して有している。

また、回転操作によるポジションの検出には、第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４が用いられ、プッシュ操作によるポジションの検出には、第１及び第３のＭＲセンサ部６１、６３が用いられ、それぞれカウンター磁石５が印加する磁界の方向が相反する基板６０上の位置に配置されている。

なお、本実施の形態において、第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４は、第１〜第４のＭＲ素子６０ａ〜６０ｄを用いたフルブリッジ回路を有して構成されるが、フルブリッジ回路の代わりにハーフブリッジ回路を第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４の位置に配置するようにしても良い。また、同じ構成を有するＭＲセンサを４つの位置に配置しても良い。

（判断部８について）
判断部８は、対向する第１及び第３のＭＲセンサ部６１、６３から出力される出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５及びＶ６のうち、位相が９０°異なる出力電圧Ｖ１、Ｖ５と、位相が等しい出力電圧Ｖ２、Ｖ６と、に基づいて角度変換を行い、また、対向する第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４から出力される第３、第４、第７及び第８の出力電圧Ｖ３、Ｖ４、Ｖ７及びＶ８のうち、位相が９０°異なる出力電圧Ｖ３、Ｖ７と、位相が等しい出力電圧Ｖ４、Ｖ８と、に基づいて角度変換を行うことによって任意のポジションを判断する。

具体的には、判断部８は、プッシュ操作を検出する第１及び第３のＭＲセンサ部６１、６３から出力される出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５及びＶ６に基づいて、一例として、Ｘ１（＝Ｖ２―Ｖ６）、Ｘ２（＝Ｖ１−Ｖ５）に角度変換を行う。判断部８は、Ｘ１及びＸ２に基づいて、一例として、[Ａｒｃｔａｎ（Ｘ２／Ｘ１）]／２を算出し、磁気ベクトル７のｙ軸との角度に基づいてプッシュ操作におけるストロークを算出する。

また、判断部８は、回転操作を検出する第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４から出力される出力電圧Ｖ３、Ｖ４、Ｖ７及びＶ８に基づいて、一例として、Ｙ１（＝Ｖ４−Ｖ８）、Ｙ２（＝Ｖ３−Ｖ７）に角度変換を行う。判断部８は、Ｙ１及びＹ２に基づいて、一例として、[Ａｒｃｔａｎ（Ｙ２／Ｙ１）]／２を算出し、回転操作における回転角度を算出する。磁気抵抗値は、磁気ベクトル７と感磁部６Ａの角度θに依存するが、角度θが同じときの向きの正逆には依存しないので、角度変換した値を２で割っている。

上記のように、第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４の出力電圧を組み合わせて角度変換し、また、各ハーフブリッジ回路の設置角度、すなわち出力電圧の位相を変えて設置しているのは、設置位置のばらつきによる検出誤差、温度による磁気抵抗値の変化に起因する誤差、感度の差による誤差、を抑制するためである。判断部８によって角度変換された関数は、円を表す関数となり、それらの誤差は、円の半径の大小に相当しているので、角度に影響しない。よってＭＲセンサ６は、上記の構成を有することで、安定してポジションを検出することができる。

回転プッシュスイッチ１は、回転操作による回転角度によって任意のポジションを割り当て、さらにプッシュ・プル操作によってオン・オフ等を割り当てて使用されても良いが、一例として、ある数値を連続的に変化させる用途に使用しても良い。

（動作）
以下に、本発明の実施の形態に係る回転プッシュスイッチ１の動作について図１〜図４を参照し、図５〜図８に従って詳細に説明する。

（回転操作による回転ポジションの検出動作）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態に係るカウンター磁石の上面図であり、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るＭＲセンサの上面図であり、図６は、本発明の実施の形態に係るカウンター磁石の回転角度と角度変換された角度の関係を表した図である。操作者が、ハンドル３、ノブ２及び支持部４を介してカウンター磁石５を矢印Ａ方向に４５°回転操作した場合について説明する。図６は、横軸がカウンター磁石５の回転角度、縦軸は角度変換された角度を示しており、図中の「ＰＵＳＨ」とは、プッシュ操作を検出する第１及び第３のＭＲセンサ部６１、６３から出力される出力電圧に基づいたグラフを表しており、「回転」とは、回転操作を検出する第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４から出力される出力電圧に基づいたグラフを表している。このとき、図３における印加電圧Ｖ_ｃｃとして５ＶをＭＲセンサ６に印加し、カウンター磁石５の中心点が、ｘ＝−０．５ｍｍの位置にあるとしてシミュレーションした結果に基づいて説明する。第１〜第４のＭＲセンサ部６１〜６４を横切る磁気ベクトル７は、ｘ及びｙ軸から反時計回りを正として表す。

回転操作されていない図２の状態のとき、ＭＲセンサ６上におけるカウンター磁石５の磁界は、ｘ軸上のｘ＝−０．５ｍｍ付近が強いので、第１のＭＲセンサ部６１には、ｙ軸から約−４０°に傾いた磁気ベクトル７が、第２のＭＲセンサ部６２には、ｘ軸に平行な磁気ベクトル７が、第３のＭＲセンサ部６３には、ｙ軸から約４０°に傾いた磁気ベクトル７が、第４のＭＲセンサ部６４には、ｘ軸に平行な磁気ベクトル７が、横切っている。

上記の状態から、カウンター磁石５が図５に示す矢印Ａ方向に回転操作されると、ＭＲセンサ６を横切る磁気ベクトル７は、図２における状態から図５（ｂ）のように変化する。これは、カウンター磁石５が回転することによって、磁界の強い場所が、第３のＭＲセンサ部６３側に移動するからである。

このとき、第１及び第３のＭＲセンサ部６１、６３の磁気ベクトル７は、回転操作前後において方向は殆ど変化しないので、図６に示すように、出力電圧に大きな変化は無い。一方、第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４を横切る磁気ベクトル７の方向は、図５（ｂ）に示すように、ｘ軸に平行だった状態から大きく変化する。

判断部８は、第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４から出力された出力電圧Ｙ１及びＹ２に基づいて上記した角度変換を行う。

回転プッシュスイッチ１は、図６に示すように、プッシュ操作の検出に用いる第１及び第３のＭＲセンサ部６１、６３から得られた結果と、回転操作の検出に用いる第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４から得られた結果から、クロストークが少ないので、カウンター磁石５の回転操作による回転ポジションを正確に検出することができる。

判断部８は、得られた結果をＥＣＵ９に送信し、ＥＣＵ９は、送信された信号に基づいて所定の処理を行う。

（プッシュ操作による位置ポジションの検出動作）
図７（ａ）は、本発明の実施の形態に係るプッシュ操作前のＭＲセンサの上面図であり、図７（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るプッシュ操作後のＭＲセンサの上面図であり、図８は、本発明の実施の形態に係るカウンター磁石の回転角度と角度変換された角度の関係を表した図である。カウンター磁石５の中心点が、プッシュ操作によってｘ＝―０．５ｍｍからｘ＝＋０．５ｍｍに移動したとしてシミュレーションした結果に基づいて説明する。

カウンター磁石５が、図１に示す矢印Ｃ方向にプッシュ操作されると、ＭＲセンサ６を横切る磁気ベクトル７は、図７（ａ）の状態から図７（ｂ）のように変化する。これは、カウンター磁石５がｘ軸に平行に移動することによって、磁界の強い場所が、第４のＭＲセンサ部６４から第２のＭＲセンサ部６２側に移動するからである。

このとき、第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４には、ｘ軸に平行な方向の磁気ベクトル７が横切る。この磁気ベクトル７は、プッシュ操作前後において方向は変化しないので、第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４が出力する出力電圧に大きな変化がなく、図８に示すように、ほぼ一定値となる。

一方、第１及び第３のＭＲセンサ部６１、６３を横切る磁気ベクトル７の方向は、第１のＭＲセンサ部６１においては、ｙ軸から約−４０°に傾いていた磁気ベクトル７が約４０°に、第３のＭＲセンサ部６３においては、ｙ軸から約４０°に傾いていた磁気ベクトル７が約−４０°に、と大きく方向が変化する。

判断部８は、第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４から出力された出力電圧Ｘ１（＝Ｖ２−Ｖ６）、Ｘ２（＝Ｖ１−Ｖ５）に基づいて上記した角度変換を行うので、カウンター磁石５のプッシュ操作による位置ポジションを検出することができる。

回転プッシュスイッチ１は、図８に示すように、プッシュ操作の検出に用いる第１及び第３のＭＲセンサ部６１、６３から得られた結果と、回転操作の検出に用いる第２及び第４のＭＲセンサ部６２、６４から得られた結果から、クロストークが少ないので、カウンター磁石５のプッシュ操作によるポジションを正確に検出することができる。

なお上記の結果より、回転操作とプッシュ操作を組み合わせることも可能である。また、同様に、一例として、カウンター磁石５の中心を座標原点に一致させ、プッシュ及びプル操作に基づく位置ポジションを検出するようにしても良く、これに限定されない。

（効果）
上記した実施の形態によると、回転プッシュスイッチ１は、回転操作及びプッシュ操作に基づく回転ポジション及び位置ポジションをクロストークが少ない状態で検出することができるので、任意のポジションを安定して検出することができる。また、回転プッシュスイッチ１は、非接触でポジションの指示等を行うことができるので、耐久性が高い。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の実施の形態に係る回転プッシュスイッチの概略構成図である。本発明の実施の形態に係るＭＲセンサの概略図である。本発明の実施の形態に係るＭＲセンサの等価回路図である。本発明の第１の実施の形態に係るＭＲ素子の概略図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係るカウンター磁石の上面図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るＭＲセンサの上面図である。本発明の実施の形態に係るカウンター磁石の回転角度と角度変換された角度の関係を表した図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係るプッシュ操作前のＭＲセンサの上面図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るプッシュ操作後のＭＲセンサの上面図である。本発明の実施の形態に係るカウンター磁石の回転角度と角度変換された角度の関係を表した図である。

符号の説明

１…回転プッシュスイッチ、２…ノブ、３…ハンドル、４…支持部、５…カウンター磁石、６…ＭＲセンサ、６Ａ…感磁部、７…磁気ベクトル、８…判断部、９…ＥＣＵ、５０…Ｎ極、５１…Ｓ極、６０…基板、６０ａ〜６０ｄ…第１〜第４のＭＲ素子、６１〜６４…第１〜第４のＭＲセンサ部、６５…入力端子、６６…アース端子、Ｖ１〜Ｖ８…出力電圧、Ｖ_ｃｃ…印加電圧、θ…角度

Claims

回転軸を中心に回転操作、及び前記回転軸の平行方向にプッシュ操作が可能に設置され、前記回転操作に基づく任意の回転ポジション、及び前記プッシュ操作に基づく前記回転軸方向の任意の位置ポジションを指示する操作部と、
前記操作部に設けられ、前記回転軸に対して垂直方向に磁化されたカウンター磁石と、
基板を有し、２つのハーフブリッジ回路を有する第１〜第４のＭＲセンサ部を十字の各頂点にくるよう前記基板上に配置し、前記回転操作及び前記プッシュ操作に基づいた前記カウンター磁石の磁界の方向の変化を前記ハーフブリッジ回路毎に第１〜第８の出力電圧として出力する磁気センサと、
前記磁気センサから出力された前記第１〜第８の出力電圧に基づいて前記操作部の操作によって指示された前記任意の位置ポジション及び前記任意の回転ポジションを検出する検出部と、
を備えることを特徴とするポジションセンサ。
前記磁気センサは、前記第１及び第３のＭＲセンサ部、及び前記第２及び第４のＭＲセンサ部が対向し、前記プッシュ操作に基づく前記磁界の方向の変化を前記第１及び第３のＭＲセンサ部、前記回転操作に基づく前記磁界の方向の変化を前記第２及び第４のＭＲセンサ部、によって検出することを特徴とする請求項１に記載のポジションセンサ。
前記検出部は、対向する前記第１及び第３のＭＲセンサ部から出力される第１、第２、第５及び第６の出力電圧のうち、位相が９０°異なる前記第１及び第５の出力電圧と、位相が等しい前記第２及び第６の出力電圧と、に基づいて角度変換を行い、また、対向する前記第２及び第４のＭＲセンサ部から出力される第３、第４、第７及び第８の出力電圧のうち、位相が９０°異なる前記第３及び第７の出力電圧と、位相が等しい前記第４及び第８の出力電圧と、に基づいて角度変換を行うことによって前記任意の位置ポジション及び前記任意の回転ポジションを検出することを特徴とする請求項１に記載のポジションセンサ。