JP4992888B2 - 直線移動量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、固定部に対して、所定範囲で直線移動する可動部の移動量を検出する、直線移動量検出装置に関する。

自動車においては、例えばパワーウィンドウ装置や電動シート装置等、所定範囲で直線移動（スライド）する可動部が多くあり、従来から、その移動量を検出する要求があった。例えば、特開２００４−８５５２３号公報（特許文献１）には、直線方向の移動量を機械的に回転角度変位量に変換し、それを回転センサで検出する方法が開示されている。エンジンやトランスミッションの周りにおいても、例えば、給排気バルブリフト量連続可変システムやトロイダル連続可変トランスミッションに上記所定範囲で直線移動する可動部があり、その移動量を検出する要求がある。
特開２００４−８５５２３号公報

特許文献１に開示されている直線移動量検出装置は、前述したように回転角度変位量に機械的に変換してから直線方向の移動量を検出するため、変換機構での誤差があり、高精度な検出は困難である。また、変換機構が増える分だけ、高コストとなる。一方、近年の北米の法規制（ＯＢＤ２）をクリアするためには、自動車で用いられている上記可動部の高精度な移動量の検出が必要であり、機械的な変換機構を用いることなく、直線方向の移動量を直接検出することが望まれる。

そこで本発明は、固定部に対して所定範囲で直線移動する可動部の移動量を検出する直線移動量検出装置であって、直線方向の移動量を直接検出できる高精度で安価な直線移動量検出装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の直線移動量検出装置は、固定部に対して、所定範囲で直線移動する可動部の移動量を検出する直線移動量検出装置であって、前記固定部または可動部のいずれか一方に配置され、所定磁界を発生する磁石と、前記固定部または可動部のもう一方に、前記直線移動する方向で所定間隔を置いて平行に配置される２個のホール素子とを有してなり、前記２個のホール素子の出力が、それぞれ、前記直線移動する所定範囲においてｓｉｎ関数またはｃｏｓ関数で近似され、所定の位相差を持つように、前記所定磁界と前記所定間隔が設定されてなり、前記２個のホール素子の出力と前記位相差を演算して、前記可動部の移動量を検出することを特徴としている。

上記直線移動量検出装置は、固定部および可動部のいずれか一方にそれぞれ配置された磁石と２個のホール素子とからなる、簡単な構成の直線移動量検出装置である。該直線移動量検出装置は、磁石と２個のホール素子の配置関係に特徴がある。すなわち、２個のホール素子の出力が、それぞれ、可動部の直線移動する所定範囲においてｓｉｎ関数またはｃｏｓ関数で近似され、所定の位相差を持つように、磁石の所定磁界と２個のホール素子の所定間隔が設定されている。そして、２個のホール素子の出力と前記位相差を演算して、可動部の移動量を直接検出するようにしている。

以上のように、上記直線移動量検出装置は、従来から直線方向の移動量検出でよく用いられている回転角度変位量に機械的に変換してから回転センサで検出する方法と異なり、直線方向の移動量を直接検出するものである。従って、機械的な変換機構がなく、高精度な検出が可能で、安価な直線移動量検出装置とすることができる。

上記直線移動量検出装置は、請求項２に記載のように、前記２個のホール素子の間隔をＬ、前記２個のホール素子の出力をＶａ，Ｖｂ、前記位相差をα、前記可動部の移動量をＸとしたとき、
（数１） Θ＝ａｒｃｔａｎ［（Ｖｂ／Ｖａ）・１／ｓｉｎα−１／ｔａｎα］
（数２） ｓｉｎα，ｔａｎα ∝ Ｌ
（数３） Ｘ＝ｋ・Θ （ｋは、定数）
を演算して、前記可動部の移動量を検出するように構成することが好ましい。

上記数式１〜３において、Ｌ，α，ｋは、予め測定し、初期設定しておく値である。該直線移動量検出装置の構成によれば、上記数式１〜３の簡単な演算回路を設けるだけで、可動部の移動量をリニアな特性で直接検出することが可能である。

上記直線移動量検出装置は、例えば請求項３に記載のように、前記２個のホール素子が、同じ半導体チップに形成された縦型ホール素子であり、前記直線移動する方向が、前記半導体チップの面内方向であるように構成することができる。これによれば、２個のホール素子が同じ半導体チップに形成されているため、２個のホール素子の温度依存性を互いにキャンセルさせることができ、温度特性の良い直線移動量検出装置とすることができる。

上記直線移動量検出装置においては、請求項４に記載のように、前記２個のホール素子を結ぶ直線を対称軸として、前記磁石が、２個、極性を前記直線移動する方向で同じ向きに揃えて、対称的に配置されてなる構成とすることが好ましい。これによれば、磁石を１個用いる場合に較べて、振動等のある環境においても２個のホール素子に対して安定した磁界を印加することができ、直線方向の移動量をより高精度に検出することができる。

また、上記直線移動量検出装置は、請求項５に記載のように、前記２個のホール素子が、同じ半導体チップに形成された横型ホール素子であり、前記半導体チップ面を対称面として、前記磁石が、２個、極性を前記対称面に対して反転するようにして、対称的に配置されてなる構成としてもよい。

以上のように、縦型ホール素子を用いて請求項３に記載の構成とするか、あるいは横型ホール素子を用いて請求項５に記載の構成とするかについては、固定部および可動部への配置関係等によって、適宜決定することができる。

また、上記直線移動量検出装置については、請求項６に記載のように、同じ半導体チップに、４個のホール素子が形成されてなり、前記直線移動量検出装置が、２組、前記直線移動する方向を直交するようにして構成することも可能である。これによれば、２次元のＸ方向とＹ方向で直線方向の移動量を検出することができ、ＸＹポインタのような検出装置を実現することができる。

以上のように、上記直線移動量検出装置は、固定部に対して所定範囲で直線移動する可動部の移動量を検出する直線移動量検出装置であって、直線方向の移動量を直接検出できる高精度で安価な直線移動量検出装置とすることができる。

従って、上記直線移動量検出装置は、請求項７に記載のように、例えばパワーウィンドウ装置や電動シート装置等、所定範囲で直線移動（スライド）する可動部が多くある、車載用として好適である。例えば請求項８に記載のように、前記直線移動量検出装置は、給排気バルブリフト量連続可変システムまたはトロイダル連続可変トランスミッションに適用することが可能である。

特に、上記直線移動量検出装置を用いることによって、機械的な変換機構を用いることなく、可動部の直線方向の移動量を高精度に直接検出することができるため、近年の北米の法規制（ＯＢＤ２）に容易に対応することができるようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る直線移動量検出装置の一例を示す図で、直線移動量検出装置１０１の模式的な上面図である。また、図２は、図１の直線移動量検出装置１０１の主な構成要素を模式的に示した斜視図である。

図１に示す直線移動量検出装置１０１は、固定部１０に対して、所定範囲（図中に示したＸ方向の直線移動の範囲Ｄｘ）で、白抜き矢印で示したように直線移動する可動部２０の移動量を検出する。直線移動量検出装置１０１においては、矢印で示した所定磁界Ｂａ，Ｂｂを発生する２個の磁石２０ａ，２０ｂが、可動部２０に配置されている。また、固定部１０には、２個のホール素子１０ａ，１０ｂが、可動部２０の直線移動する方向で、所定間隔Ｌを置いて配置されている。図２に模式的に示したように、２個のホール素子１０ａ，１０ｂは、ホール素子面が磁石２０ａ，２０ｂの発生する磁界と略垂直となるように、ホール素子面を平行にして、固定部１０に対して縦型に配置されている。

尚、図１の直線移動量検出装置１０１においては、２個のホール素子１０ａ，１０ｂを結ぶ図中に一点鎖線で示した直線Ａ−Ａを対称軸として、２個の磁石２０ａ，２０ｂが、極性を直線移動する方向で同じ向きに揃えて、対称的に配置された構成となっている。これによれば、磁石を１個用いる場合に較べて、振動等のある環境においても２個のホール素子１０ａ，１０ｂに対して安定した磁界を印加することができる。

図１の直線移動量検出装置１０１においては、２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂが、それぞれ、直線移動する所定範囲Ｄｘにおいてｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）で近似され、所定の位相差αを持つように、磁石２０ａ，２０ｂの所定磁界Ｂａ，Ｂｂとホール素子１０ａ，１０ｂの所定間隔Ｌが設定されている。そして、２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂと前記位相差αを演算して、可動部２０の移動量Ｘを検出する。

上記したように、図１の直線移動量検出装置１０１は、固定部１０および可動部２０にそれぞれ配置された２個のホール素子１０ａ，１０ｂと磁石２０ａ，２０ｂとからなる、簡単な構成の直線移動量検出装置である。該直線移動量検出装置１０１は、磁石２０ａ，２０ｂと２個のホール素子１０ａ，１０ｂの配置関係に特徴がある。すなわち、２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力が、それぞれ、可動部２０の直線移動する所定範囲Ｄｘにおいてｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）で近似され、所定の位相差αを持つように、磁石２０ａ，２０ｂの所定磁界Ｂａ，Ｂｂと２個のホール素子１０ａ，１０ｂの所定間隔Ｌが設定されている。そして、２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂと前記位相差αを演算して、可動部２０の移動量Ｘを直接検出するようにしている。

図３は、上記した可動部２０の直線移動する所定範囲Ｄｘにおいて、ｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）で近似される２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂを示す図である。図中に、上記ｃｏｓ関数で近似される２個のホール素子１０ａ，１０ｂの位相差αを示してある。

２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂがｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）でよく近似できる場合には、２個のホール素子１０ａ，１０ｂの間隔をＬ、２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力をＶａ，Ｖｂ、位相差をα、可動部２０の移動量をＸとしたとき、
（数１） Θ＝ａｒｃｔａｎ［（Ｖｂ／Ｖａ）・１／ｓｉｎα−１／ｔａｎα］
（数２） ｓｉｎα，ｔａｎα ∝ Ｌ
（数３） Ｘ＝ｋ・Θ （ｋは、定数）
の関係が成り立つ。

ここで、（数１）〜（数３）の導出について簡単に説明する。

ｃｏｓ関数で近似される２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂは、位相差αで変化するため、図２の任意の位相角Θにおいて、
（数４） Ｖｂ／Ｖａ＝ｃｏｓ（Θ−α）／ｃｏｓΘ
が成り立つ。従って、（数４）を変形すると、
（数５） Ｖｂ／Ｖａ＝ｃｏｓα＋ｔａｎΘ・ｓｉｎα
となる。これより、（数５）を位相角Θに関する式に変形すると、（数１）が得られる。

位相差αは、平行配置したホール素子１０ａ，１０ｂの路理によって生ずる位相差であり、このことから（数２）が成り立つ。また、直線移動する所定範囲Ｄｘが大きくなければ、可動部２０の移動量Ｘは位相角Θに比例することから（数３）が成り立つ。

図４は、図２のｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）で近似される２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂと位相差αから演算される（数３）のリニアな関係を示した図である。

上記（数１）〜（数３）において、Ｌ，α，ｋは、予め測定し、初期設定しておく値であり、これによって、（数１）〜（数３）を演算して、可動部２０の移動量Ｘを検出することができる。以上のようにして、図１の直線移動量検出装置１０１の構成によれば、（数１）〜（数３）の簡単な演算回路を設けるだけで、可動部２０の移動量Ｘをリニアな特性で直接検出することが可能である。

図５は、２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂと位相差αから可動部２０の移動量Ｘを演算する回路構成の一例を示したブロック図である。図５の回路構成におけるＤＳＰ（Digital Signal Processor）ブロックの角度計算の部分で、（数１）〜（数３）の演算を行う。

以上示したように、図１の直線移動量検出装置１０１は、従来から直線方向の移動量検出でよく用いられている回転角度変位量に機械的に変換してから回転センサで検出する方法と異なり、直線方向の移動量を直接検出するものである。従って、機械的な変換機構がなく、高精度な検出が可能で、安価な直線移動量検出装置とすることができる。

尚、図１の直線移動量検出装置１０１では、２個のホール素子１０ａ，１０ｂが固定部１０に配置され、２個の磁石２０ａ，２０ｂが可動部２０に配置されている。しかしながら、逆に、２個のホール素子１０ａ，１０ｂを可動部２０に配置し、２個の磁石２０ａ，２０ｂを固定部１０に配置するようにしてもよい。

また、図１の直線移動量検出装置１０１においては、２個のホール素子１０ａ，１０ｂを結ぶ図中に一点鎖線で示した直線Ａ−Ａを対称軸として、２個の磁石２０ａ，２０ｂが、極性を直線移動する方向で同じ向きに揃えて、対称的に配置されていた。これによれば、磁石を１個用いる場合に較べて、振動等のある環境においても２個のホール素子１０ａ，１０ｂに対して安定した磁界を印加することができ、直線方向の移動量をより高精度に検出することができる。しかしながら、本発明に係る直線移動量検出装置はこれに限らず、２個のホール素子の出力が、それぞれ、直線移動する所定範囲においてｓｉｎ関数またはｃｏｓ関数で近似され、所定の位相差を持つように設定できれば、用いる磁石の個数や配置は任意であってよい。

図１の直線移動量検出装置１０１における２個のホール素子１０ａ，１０ｂについては、それぞれ、別の半導体チップに形成されたホール素子であってよい。

図６は、半導体チップ３０を模式的に示した斜視図で、図１の直線移動量検出装置１０１における２個のホール素子１０ａ，１０ｂについて、より好ましい２個のホール素子３０ａ，３０ｂの構成例を示す図である。

図６の半導体チップ３０には、２個の縦型ホール素子３０ａ，３０ｂが形成されている。尚、破線と符号３１で示した縦型ホール素子３０ａ，３０ｂを取り囲む部分は、半導体チップ３０に前述した演算回路が形成されている部分である。

図１の直線移動量検出装置１０１における２個のホール素子１０ａ，１０ｂとして、図６の同じ半導体チップ３０に形成された２個の縦型ホール素子３０ａ，３０ｂを用いることができる。そして、可動部２０の直線移動する方向が、半導体チップ３０の面内方向であるように半導体チップ３０を固定部１０に配置して、直線移動量検出装置を構成する。この時、可動部２０に配置された２個の磁石２０ａ，２０ｂからの所定磁界Ｂ（＝Ｂａ＋Ｂｂ）は、図中に矢印で示したように、縦型ホール素子３０ａ，３０ｂのホール素子面と略垂直となるのは言うまでもない。

同じ半導体チップ３０に形成された２個の縦型ホール素子３０ａ，３０ｂにおいては、それぞれ別の半導体チップに形成された２個のホール素子を用いる場合に較べて、図６の２個のホール素子３０ａ，３０ｂの間隔Ｌｓが小さくなる。このため、前記（数１）〜（数３）の関係が成立し易くなる。また、２個のホール素子３０ａ，３０ｂが同じ半導体チップ３０に形成されているため、２個のホール素子３０ａ，３０ｂの温度依存性を互いにキャンセルさせることができ、温度特性の良い直線移動量検出装置とすることができる。

図７は、別の直線移動量検出装置の例を示す図で、直線移動量検出装置１０２の主な構成要素を模式的に示した斜視図である。

図７に示す直線移動量検出装置１０２においては、２個の横型ホール素子４０ａ，４０ｂが、同じ半導体チップ４０に形成されている。半導体チップ４０は、図示を省略した固定部に配置されている。また、半導体チップ４０の半導体チップ面を対称面として、２個の磁石５０ａ，５０ｂが、極性を前記対称面に対して反転するようにして、対称的に配置された構成となっている。磁石５０ａ，５０ｂは、図示を省略した可動部に配置され、連動して所定範囲Ｄｘを直線移動する。尚、２個の横型ホール素子をそれぞれ別の半導体チップに形成し、図７と同様に固定部に配置するようにしてもよい。

図７の直線移動量検出装置１０２も、図１に示した直線移動量検出装置１０１と同様に、２個のホール素子４０ａ，４０ｂの出力が、それぞれ、可動部の直線移動する所定範囲Ｄｘにおいてｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）で近似され、所定の位相差を持つように、磁石５０ａ，５０ｂの所定磁界Ｂｃと２個のホール素子４０ａ，４０ｂの所定間隔が設定されている。そして、２個のホール素子４０ａ，４０ｂの出力と前記位相差を演算して、可動部の移動量を直接検出するようにしている。

従って、図７の直線移動量検出装置１０２についても、図１に示した直線移動量検出装置１０１と同様に、固定部に対して所定範囲で直線移動する可動部の移動量を検出する直線移動量検出装置であって、直線方向の移動量を直接検出できる高精度で安価な直線移動量検出装置とすることができる。

図１と図２に示した直線移動量検出装置１０１のように縦型ホール素子１０ａ，１０ｂ（または３０ａ，３０ｂ）を用いた構成とするか、あるいは図７の直線移動量検出装置１０２のように横型ホール素子４０ａ，４０ｂを用いた構成とするかについては、固定部および可動部への配置関係等によって、適宜決定することができる。

図８は、図１に示した直線移動量検出装置１０１の応用例を示す図で、直線移動量検出装置１０３の主な構成要素を模式的に示した斜視図である。

図８に示す直線移動量検出装置１０３においては、同じ半導体チップ６０に、４個の縦型ホール素子６０ａ〜６０ｄが形成されている。半導体チップ６０は、図示を省略した固定部に配置されている。そして、図８の直線移動量検出装置１０３においては、図１に示した直線移動量検出装置１０１と同様の２組の直線移動量検出装置、すなわち、縦型ホール素子６０ａ，６０ｂと磁石７０ａ，７０ｂとからなる直線移動量検出装置および縦型ホール素子６０ｃ，６０ｄと磁石７０ｃ，７０ｄとからなる直線移動量検出装置が構成されている。磁石７０ａ〜７０ｄは、図示を省略した可動部に配置され、連動してＸＹ面内の所定範囲Ｄｘおよび所定範囲Ｄｙを移動する。

図８の直線移動量検出装置１０３において構成されている上記２組の直線移動量検出装置は、Ｘ方向とＹ方向で直線移動する方向を直交するようにして構成されており、各方向において、２個のホール素子の出力が、それぞれ、ｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）で近似され、所定の位相差を持つように、磁石の所定磁界と２個のホール素子の所定間隔が設定されている。そして、２個のホール素子の出力と前記位相差を演算して、可動部の移動量を直接検出するようにしている。

図８の直線移動量検出装置１０３によれば、２次元のＸ方向とＹ方向で直線方向の移動量を検出することができ、ＸＹポインタのような検出装置を実現することができる。

以上のように、上記した直線移動量検出装置は、いじれも、固定部に対して所定範囲で直線移動する可動部の移動量を検出する直線移動量検出装置であって、直線方向の移動量を直接検出できる高精度で安価な直線移動量検出装置となっている。

従って、上記直線移動量検出装置は、例えばパワーウィンドウ装置や電動シート装置等、所定範囲で直線移動（スライド）する可動部が多くある、車載用として好適である。例えば、上記直線移動量検出装置は、給排気バルブリフト量連続可変システムまたはトロイダル連続可変トランスミッションに適用することが可能である。

特に、上記直線移動量検出装置を用いることによって、機械的な変換機構を用いることなく、可動部の直線方向の移動量を高精度に直接検出することができるため、近年の北米の法規制（ＯＢＤ２）に容易に対応することができるようになる。

本発明に係る直線移動量検出装置の一例を示す図で、直線移動量検出装置１０１の模式的な上面図である。 図１の直線移動量検出装置１０１の主な構成要素を模式的に示した斜視図である。 可動部２０の直線移動する所定範囲Ｄｘにおいて、ｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）で近似される２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂを示す図である。 図２のｃｏｓ関数（またはｓｉｎ関数）で近似される２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂと位相差αから演算される（数３）のリニアな関係を示した図である。 ２個のホール素子１０ａ，１０ｂの出力Ｖａ，Ｖｂと位相差αから可動部２０の移動量Ｘを演算する回路構成の一例を示したブロック図である。 半導体チップ３０を模式的に示した斜視図で、図１の直線移動量検出装置１０１における２個のホール素子１０ａ，１０ｂについて、より好ましい２個のホール素子３０ａ，３０ｂの構成例を示す図である。 別の直線移動量検出装置の例を示す図で、直線移動量検出装置１０２の主な構成要素を模式的に示した斜視図である。 図１に示した直線移動量検出装置１０１の応用例を示す図で、直線移動量検出装置１０３の主な構成要素を模式的に示した斜視図である。

符号の説明

１０１〜１０３ 直線移動量検出装置
１０ 固定部
２０ 可動部
１０ａ，１０ｂ，３０ａ，３０ｂ，４０ａ，４０ｂ，６０ａ〜６０ｄ ホール素子
２０ａ，２０ｂ，５０ａ，５０ｂ，７０ａ〜７０ｄ 磁石
３０，４０，６０ 半導体チップ

Claims (8)

1. 固定部に対して、所定範囲で直線移動する可動部の移動量を検出する直線移動量検出装置であって、
   前記固定部または可動部のいずれか一方に配置され、所定磁界を発生する磁石と、
   前記固定部または可動部のもう一方に、前記直線移動する方向で所定間隔を置いて平行に配置される２個のホール素子とを有してなり、
   前記２個のホール素子の出力が、それぞれ、前記直線移動する所定範囲においてｓｉｎ関数またはｃｏｓ関数で近似され、所定の位相差を持つように、前記所定磁界と前記所定間隔が設定されてなり、
   前記２個のホール素子の出力と前記位相差を演算して、前記可動部の移動量を検出することを特徴とする直線移動量検出装置。
2. 前記２個のホール素子の間隔をＬ、前記２個のホール素子の出力をＶａ，Ｖｂ、前記位相差をα、前記可動部の移動量をＸとしたとき、
   （数１） Θ＝ａｒｃｔａｎ［（Ｖｂ／Ｖａ）・１／ｓｉｎα−１／ｔａｎα］
   （数２） ｓｉｎα，ｔａｎα ∝ Ｌ
   （数３） Ｘ＝ｋ・Θ （ｋは、定数）
   を演算して、前記可動部の移動量を検出することを特徴とする請求項１に記載の直線移動量検出装置。
3. 前記２個のホール素子が、同じ半導体チップに形成された縦型ホール素子であり、
   前記直線移動する方向が、前記半導体チップの面内方向であることを特徴とする請求項１または２に記載の直線移動量検出装置。
4. 前記２個のホール素子を結ぶ直線を対称軸として、
   前記磁石が、２個、極性を前記直線移動する方向で同じ向きに揃えて、対称的に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の直線移動量検出装置。
5. 前記２個のホール素子が、同じ半導体チップに形成された横型ホール素子であり、
   前記半導体チップ面を対称面として、
   前記磁石が、２個、極性を前記対称面に対して反転するようにして、対称的に配置されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の直線移動量検出装置。
6. 同じ半導体チップに、４個のホール素子が形成されてなり、
   前記直線移動量検出装置が、２組、前記直線移動する方向を直交するようにして構成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の直線移動量検出装置。
7. 前記直線移動量検出装置が、車載用であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の直線移動量検出装置。
8. 前記直線移動量検出装置が、給排気バルブリフト量連続可変システムまたはトロイダル連続可変トランスミッションに適用されることを特徴とする請求項７に記載の直線移動量検出装置。

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