JP5066600B2 - 機電一体型シフトコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、自動車の２駆／４駆切り替えまたはトランスミッションのような駆動力の伝達経路を切替えるための広い意味でのシフトコントローラに関し、特に電動アクチュエータによって操作されるシフトコントローラに関する。また、これに類似したモータ駆動式の制御モジュールにも利用できる。更に、このような切替え装置に用いられる回転位置検出センサの技術にも関連する。

従来の技術として、例えば、特許文献１に記載されたシフトコントローラは、出力軸が端座ぐり穴１に受けられた出力軸１に固定された円形プレートを有していることを開示している。また、出力軸は、円形プレートを貫通しており、円形プレートにはグレーコードを発生するための磁石のパターンが形成されている。また、コード化信号が信号情報を提供しない領域では、第二のセンサを用いる必要があった。

特許文献２に記載されたシフトコントローラでは、その図４によると、ウォームホイールの中心にセンサ素子と同サイズの磁石が位置し、回路基板のウォームホイール側にGMRセンサが配置されている。また、ウォームホイールの軸方向の動きを抑える機構に関しては記述がない。

特許文献３に記載されたシフトコントローラでは、歯車にマグネット部材が取り付けられ、マグネット部材は棒状のマグネットを有しており、歯車の軸方向の動きは、軸受用C−リングで抑える機構となっていた。

特許文献４に記載されたシフトコントローラでは、円柱状の磁石を有するマグネットホルダーが第四ギヤに接合されていた。しかし、第四ギヤの軸方向の動きを抑える機構に関しては記述がない。

特許文献５に記載されたシラトコントローラでは、円柱状の磁石を有するマグネットホルダーが第四ギヤに接合されていた。しかし、第四ギヤの軸方向の動きを抑える機構に関しては記述がない。

特許文献６に記載されたシフトコントローラでは、歯車にマグネット部材が取り付けられており、マグネット部材に棒状のマグネットを有する構造となっている。しかし、歯車の軸方向の動きを抑える機構に関しては記述がない。

特開２００１−１５９４６３号公報 特表２００３−５２５５６３号公報 WO２００４−０６８６７９号公報 特許３７９９２７０号公報 特開２００６−０３０２１７号公報 特開２００４−２４５６１４号公報

シフトコントローラにおいて、歯車の軸方向への動きを抑制する具体的な方法と、高精度に歯車の角度を計算する方法およびシフトコントローラの耐環境性向上が望まれていた。さらに、故障が発生しても、故障直前の動作に復帰することが可能なものが望まれていた。

上記の課題を解決するために、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、トランスファーケースのシフトレールを駆動するモータと、前記モータの回転を前記シフトレールに伝えるギヤ機構と、前記シフトレールと共に回転する磁石と、前記磁石の回転角度に応じた出力を提供する磁気センサ素子を有する制御装置であって、前記磁気センサの位置変動量より、前記磁石と前記磁気センサ素子間の距離が長いことを特徴とするものである。

さらに、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、前記磁石と前記磁気センサ素子間距離が、前記磁石の直径より小さいことを特徴とするものである。

さらに、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、前記ギヤ機構の軸方向の動きを前記磁石の外側にて受ける構造であることを特徴とするものである。

また、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、トランスファーケースのシフトレールを駆動するモータと、前記モータの回転を前記シフトレールに伝えるギヤ機構と、前記シフトレールと共に回転する磁石と、前記磁石の回転角度に応じた出力を提供する磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子の出力から前記シフトレールの回転角度を検知する信号処理機能を有する制御装置であって、前記信号処理機能に、前記磁気センサ素子からの信号を正規化したセンサ信号からRatioを求めるRatioメトリック法を用いたことを特徴とするものである。

さらに、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、前記Ratioを表現する関数情報が不揮発性メモリに保存されていることを特徴とするものである。

さらに、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、前記モータを制御する防水構造の回路格納体を備えて、前記回路格納体を封止する接着剤の厚みを、ブッシュにより管理する構造であることを特徴とするものである。

さらに、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、前記ブッシュが前記回路格納体に一体化成形されたブッシュであることを特徴とするものである。

さらに、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、前記信号処理機能を有する回路は、故障時の復帰動作が可能であることを特徴とするものである。

さらに、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、前記復帰動作は不揮発性メモリのデータを更新することにより実現することを特徴とするものである。

さらに、本発明の自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置は、前記復帰動作は、モータの既知の位置にて実行されることを特徴とするものである。

４輪駆動車の駆動トし一ン 機電一休型シフトコントローラの外観図 機電一体型シフトコントローラの分解斜視図 機電一体型シフトコントローラの分解斜視図 ＥＣＵ格納部とギヤ格納部の締結団 出力軸の軸方向の動きを表す図 出力軸の軸方向の動きを表す図 基板ベースの外観図 ＥＣＵ格納部の断面図 ＥＣＵ格納部の断面図の拡大図 出力軸とマグネットホルダーの断面図 ヨークの詳細図 マグネットホルダーの外観図 出力軸の外観図 マグネットホルダーの動きを表す図 センサの出力波形 センサの出力波形 センサの出力波形拡大図 センサの位置すれと角度偏差を示す図 ＥＣＵの内部を示す図 ＥＣＵの内部抗大図 コネクタの端子配置を示す図 シフトコントローラ組み立て図 制御系のブロック線図 故障時の復帰を示す図 故障時のフェールセーフ動作を示す図

本発明の実施例について、以下、図面を参照して説明する。

図１は、４輪駆動車の駆動トレーンを概略的に示す。４輪駆動車の駆動トレーン１は伝動装置すなわちトランスミッション３に接続され、かつ該トランスミッションを直結駆動する電動機２２を有している。トランスミッション３は、オートマチック型またはマニュアル型の何れかとすることができる。伝動装置３の出力は、トランスファーケース組立体４を直結駆動し、該トランスファーケース組立体４は、後推進軸６と後差動装置８と、一対の活車軸すなわち後車軸９、１０と、それぞれ一対の後タイアおよび車輪の組立体１１、１２とを備える後駆動ラインに対して駆動力を提供する。

また、トランスファーケース組立体４は、二次的すなわち前推進軸１５と、二次的すなわち前差動装置組立体１６と、一対の二次的活車軸すなわち前車軸１６、１７と、それぞれの一対の二次的すなわち前タイアおよび車軸の組立体１８、２０とを備える、二次的すなわち前駆動ラインに対し駆動力を選択的に提供する。主駆動ライン６および二次的駆動ライン１５の双方は、適当な且つ適宜に配置された自在継手を備えることができる。該自在継手は、色々な軸と構成要素との間の静的、動的なずれや不整合を許容する。

図１に示された組立体２４は、車の運転者の手が容易に届く範囲内に配置され、トランスファーケース組立体４の複数の運転モードの一つを選択するスイッチ２３を有している。図１に示す組立体に替えて、制御盤の形態としてもよい。

トランスファーケース組立体４に付設してシフトコントローラ２２が設けられる。シフトコントローラ２２は、トランスファーケース組立体４の制御を担う機電一体型コントローラであり、座ぐり穴が開けられた出力軸４０を有し、この出力軸を介して、トランスファーケース組立体４のシフトレール１３と接続されている。

シフトコントローラ２２は、モード切換スイッチ２３の出力信号やエンジン制御ユニットからの車速情報・エンジン回転数情報・スロットルポジション情報を入力とし、出力軸を目標回転角度に追従させる機能を有する。

図２は、本発明の特徴を示す機電一体型シフトコントローラ２２の外観図である。モータ格納部１１８、ギヤ格納部１１９、ＥＣＵ格納部１２０がそれぞれ剛体により電気的および物理的に結合されている。それぞれの結合箇所は、外部から水・塩水等の浸入がないように密封されている。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の特徴を示す機電一体型シフトコントローラ２２の分解斜視図である。回路基板２９は、アルミベース３０に接着剤５７（図３Ａの記載されたアルミベース上の斜線部）より固定されている。回路基板２９は、アルミナ純度約９６％のセラミック基板や、ガラスエポキシ基板が想定される。回路基板２９の選定に際しては、耐熱性を考慮する必要があるが、機電一体型シフトコントローラの場合、熱源は、車速とともに上昇するトランスファーケース内のオイルの温度と回路基板に実装された発熱部品の自己発熱である。ガラスエポキシタイプの回路基板を選定した場合は、基板のガラス遷移点と前記温度を考慮し、基板種別が決定される。本実施例では、熱伝導がより優れたセラミック基板を採用している。

回路基板２９を基板ベース３０に固定する接着剤５７は、熱伝導性の良い物が好ましい。本実施例では、２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導性シリコン接着剤を使用している。本実施例では、回路基板２９にセラミック材料（線膨張係数６〜８×１０^−６）、基板ベース３０にアルミ材料（線膨張係数２０〜３０×１０^−６）をそれぞれ用いており、それぞれの部材の線膨張係数差による熱変位量を吸収するため、比較的柔らかいシリコン接着剤を採用している。回路基板と回路ベースの線膨張係数が近い場合には、エポキシ系の接着剤でも代用できる。また、該接着剤は、センサ素子５８と磁石３２に位置するため、非磁性体が望ましい。

基板ベース３０には、更にコネクタ２８が一体化成形された基板ケース２７が接合される。本実施例では、シリコン系の接着剤を用いているが、基板ベース３０と基板ケース２７の防水性を保つべく結合されていればよく、接合部をゴムパッキンとネジ止めにより封止する方法でもよい。

基板ケース２７にはカバー２６が上方から接着される。基板ベースとの接着と同様に、密封構造が要求されるが、本実施例では、基板ケースとカバーの材料が共にＰＢＴ（グラスファイバー４０％含む）であるので線膨張係数の差が小さく、そのためエポキシ系接着剤を用いている。基板ベース３０の下部の凸部縁端には、Ｏ−リング３１が外嵌される。Ｏ−リング３１は、基板ベース３０とギヤボディ４５の密封を目的としており、材料には耐環境性を考慮して、フッ素ゴムを用いている。

基板ケース２７には、モータ接続用コネクタ４１も一体化成形されており、両端に雌端子が形成された中継端子４２、４３を介して、モータブラシホルダー４９と基板ケース２７の電気的接続を実現している。シフトコントローラ組立て時に、中継端子４２、４３をギヤボディ４５に挿入するが、挿入ガイドおよび中継端子回土のショート防止を目的として、中継端子ホルダー４６を用いている。中継端子ホルダー４６は内部が二部屋に区切られており、中継端子４２、４３が互いに接触しない構造とされている。

モータ接続用コネクタ４１の外周は、ギヤボデイとの間にシールラバー４７を介在させて密閉している。Ｏ−リング３１およびシールラバー４７取付部（シール面）は、機械加工により面粗度を５μｍ以下としている。

モータブラシホルダー４９には、ブラシが取リ付けられており、整流子（コミュテータ）５１に電力を供給する仕組みとなっている。

出力軸４０には、ホイールギア３６が形成されており、トランスファーケース４のシフトレールヘモータ軸に形成されたウォームギヤ５３を介して、モータの回転運動を伝達する仕組みである。

出力軸４０の回転は、磁石３２の回転となって、回路基板２９上のセンサ素子５８に磁界の変化を与える。磁石３２には、センサ素子５８の位置での磁力を高める目的で、金属製ヨーク３３が接着されている。金属製ヨーク３３と接着された磁石３２は、メタルプレート３５と共に、マグネットホルダー３４の成形時に樹脂と一体化される。マグネットホルダー３４の材料は、摺動性、耐磨耗性に優れたＰＰＳ材を使用する。

一体化された磁石３２、金属製ヨーク３３、マグネットホルダー３４、そして、メタルプレ一ト３５は、出力軸４０の上面にネジ３７〜３９により締結される。なお、作業性を考慮し、ネジ３７〜３９は、ホイールギヤ３６の下方、すなわち磁石３２と反対則から締結する構造である。マグネットホルダー３４が固定された出力軸４０は、ギヤボディ４５に、カラー５１とＯ−リング３１を介して嵌合される。カラー５１は、出力軸４０の摺動を助け、Ｏ−リング３１は、機密性を向上する。

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、ＥＣＵ格納部５６とギヤ格納部５４の結合の様子が示されている。図４Ａによると、基板ベース３０より先にモータ接続用コネクタ４１がギヤ格納部と嵌合される（図４ＡのＡ部参照。）仕組みである。このことにより、作業者はモータ接続用コネクタ４１がギヤ格納部５４と嵌合したことを確認した後に、ＥＣＵ格納部５６をギヤ格納部５４に組み付けることが可能である。

また、図４Ｂによれば、ＥＣＵ格納部を取り付ける際に、基板ベース３０より先にモータ接続用コネクタ４１がギヤ格納部５４と嵌合されるため、ＥＣＵ格納部５６の回転方向（図中の矢印方向）の角度ずれを抑制することができる。これは、モータ接続用コネクタ４１の下面と基板ベース３０の下面を比較し、モータ接続用コネクタ４１の下面がより下方に位置することにより実現されている。

本シフトコントローラは、ギヤ機構部にウォームギヤを用いており、ウォームギヤの回転方向により、出力軸４０が軸方向に移動する。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、出力軸４０が回路基板側（上方）に移動したときの、出力軸４０の軸方向の動きと、それを受ける部分が示されている。図５Ｂによると、出力軸が上方に動くが、マグネットホルダー３４が基板ベース３０の下部の凸部にあたって、出力軸の上方への動きを抑止する構造となっている。一方、図５Ｃによると、ホイールギヤ３６の下面がギヤボディ４５に接触していないことがわかる。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、出力軸が回路基板側とは反対側（下方）に移動したときの様子を示す。図６Ｂによると、出力軸が下方に動くので、マグネットホルダー３４と基板ベース３０の下部の凸部との間に間隙が生まれ、互いに接触していないことがわかる。一方、図６Ｃによると、出力軸４０に形成されたホイールギヤ３６の下面がギヤボディ４５に接触し、出力軸４０の下方への動きを抑止する構造となっている。

図７には基板ベース３０の裏面の斜視図を示す。基板ベース３０の裏面には、大きな座ぐり穴が設けられており、座ぐり穴の周囲には環状に円形かつ台状の受け台（図７の斜線部）が形成されている。この受け台は、マグネットホルダー３４の軸方向の動きを抑制し、マグネットホルダーの回転時には、マグネットホルダーに摺動性を確保する接触面を提供する目的がある。また、この受け台は、マグネット３２の外周部に位置しているため、マグネットホルダー３４との接触面積を広くとることが可能で、マグネットホルダー３４との接触により生じる軸方向の応力集中を緩和する仕様である。本実施例では、上記受け台の内径をａ＝24.6±0.1mmと規定しており、磁石直径２０ｍｍより長い構造となっている。

図８は、ＥＣＵ組立て部の断面図を示す。図８によると、基板ベース３０に接着剤５７を介して、回路基板が実装されている。また、基板ベース３０には環状に台状のマグネットホルダー受け部が形成されており、その中心位置でセンサ素子５８が回路基板２９上に半田にて実装されている。センサ素子５８と磁石３２との間に位置する部材は、回路基板２９、接着剤５７、基板ベース３０があるが、いずれ磁力への影響を考慮し、非磁性体を採用している。

図９は、ＥＣＵ組立て部におけるブッシュ５９挿入部の断面図を示す。ブッシュ５９の下面が基板ケース２７の下面より、０．２ｍｍ下方に突き出る構造となっており、基板ベース３０には基板ケース２７ではなく、ブッシュ５９の下面が接する構造となっている。この構造により、基板ケース２７と基板ベース３０間に、０．２ｍｍの間隙が生まれ、シリコン接着剤５７が充填される空間を発生させている。シリコン接着剤５７の接着性は、ＥＣＵ組立て部のシール性に影響を及ぼすが、本実施例によれば、シリコン接着剤５７の厚さを均一に管理することが可能となり、接着の安定性が得られる。
また、図９によれば、該接着剤５７のはみ出し部がＥＣＵの基板側となるように接着剤を塗布しているので、ＥＣＵ外部への接着剤のはみ出し量を抑えて、外観上美しい仕上がりを実現する。この塗布方法に関しては、接着剤５７を基板ベースの外構部６０に塗布する際に、外構部６０の回路側に外側より多くの接着剤５７を塗布することにより実現可能となる。

図１０に出力軸４０およびマグネットホルダー３４の断面図を示す。マグネット３２は金属製ヨーク３３と接着剤にて接合された後、樹脂の成形にてマグネットホルダー３４と一体化されるマグネットホルダー３４において、マグネット３２の直径ｍよりヨーク３３の直径ｌを大きく探っていることが分かる。またヨーク３３のマグネット３２に接する面には、ヨーク３３外周部に土手を設けている。これらの構造による利点としては、下記の点が挙げられる。

１．マグネット３２の抜けを防止すること。
２．マグネット３２のヨーク３３に対する芯だしを容易にすること。
３．接着剤６１のはみ出し量の管理を容易化すること。
４．一体化成形時の樹脂差込を防止できること。

上記４に関しては、磁石とヨークの境界面に接着剤がはみ出し、樹脂と該境界面が接触しないことで実現される。

さらに、出力軸４０とマグネットホルダー３４部との締結にネジを用いているが、ネジ３７〜３９をマグネットホルダー側から挿入する場合には、ネジ締め用治工具がマグネットホルダーの外周部に干渉するが、ネジ３７〜３９を出力軸４０側から挿入する構造にすることで、磁石３２およびマグネットホルダー３４の直径に関係なくネジ締結が可能となる。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、ヨーク３３の側面断面図および正面図を示す。図１１Ａおよび図１１Ｂは、ヨーク３３のマグネット３２に接する側に、３箇所の凸部が設けられていることを示している。この凸部は、高さが０．２ｍｍであり、磁石を凸部に固定させながら接着することにより、接着剤６１厚さを凸部高さに設定することが可能となる。凸部高さは磁石３２の磁力が減少しない範囲にて設定する必要があり、本実施例では、０．２ｍｍと設定されている。

図１２、図１３は、マグネットホルダー組立体６９と出力軸４０のそれぞれの上面図と斜視図を示す。出力軸４０とマグネットホルダー組立体６９のメタルプレート３５が嵌合されるが、その嵌合部は、Ｄ形状をした凹部と凸部がそれぞれ形成されており、出力軸に対する磁石の回転方向の位置決めを実現している。

図１４は、出力軸が正転または反転方向にそれぞれ回転した場合のセンサ５８位置に対する磁石３２の位置ずれを示す。

図１４において、Ｌ１は磁石３２の直径、Ｌ２は、磁石３２中心軸に対するセンサ５８の位置変動量、Ｌ３は、センサ素子５８と磁石３２の距離である。なお、Ｌ２は、シフトコントローラ２２が組み立てられた後の変動量を示す。この変動量が生じる要因としては、出力軸４０の回転運動に伴う軸の傾き、軸の左右への振れ、また、各部材の熱膨張、熱変形等が考えられる。

本実施例では、ギヤ機構にウォームギヤ５３を用いており、ウォームギヤの回転方向により、ホイールギヤ３６がウォームギヤ５３の軸方向へ押される結果として、磁石３２の位置が変動する構造となっている。変動の様子は、ギヤの嵌合や、ウォームギヤの歯角により影響を受ける。例えば、出力軸の正転時には磁石が反時計方向のθ’だけ傾き（図１４Ａ参照）、出力軸の反転時には、磁石が時計方向にθ’だけ傾く（図１４Ｃ参照）。また、図１４Ｂは、出力軸の正転時に磁石が左へ平行移動した場合を示し、図１４Ｄは、出力軸の反転時に磁石が右へ平行移動した場合を示す。これらは、実際の動きを簡略化して図示したものであり、磁石の実際の動きは、図１４Ａ〜図１４Ｄに示した各状態が組み合わさったものとなる。

いずれの場合も、センサと磁石の位置変動（＝Ｌ２）に対して、センサと磁石の距離（＝Ｌ３、以下、これを「エアギャップ」という。）を長くとり、かつ、磁石の直径（＝Ｌ１）をエアギャップより長くとることで、センサと磁石の位置変動の角度偏差に対する影響を抑えることができる。

本実施例の構造では、部材間の間隙・材料特性を考慮し、軸の傾きは最大２．３２度、左右への振れは最大２．０ｍｍと計算されている。熱による変位分は、最大０．０３度、０．０９ｍｍ、部材の摩耗による変位分は最大０．４２度、０．４６ｍｍであり、これらを含めるとワーストケースでの軸の傾きは最大２．７４度、左右への触れは最大２．４６ｍｍと計算される。一方、キャリブレーション後の初期状態では、軸の傾きは最大０．４２度、左右への振れは、最大０．５１ｍｍであり、ワーストケースでは、それぞれ最大０．８４度、最大０．９７ｍｍと計算されている。

本実施例では、後述するキャリブレーションにより、シフトコントロ一ラ２２を組み立てた直後にセンサ出力を回路基板上の記憶装置に記憶し、組み立て時の誤差をキャンセルする仕組みであるが、上記Ｌ２による影響は角度偏差となって現れる。

Ｌ２の角度偏差に対する影響を抑えるため、本実施例では、Ｌ３がＬ２より長くなる構造とし、更に、磁石の直径Ｌ１がＬ３より長い構造としている。これにより、キャリブレーション後にセンサ位置が変動しても、センサ精度のセンサ位置ずれに対するロバスト性を向上させ、高精度の角度検知が可能となる。ただし、センサ出力には出力軸回転方向に伴うセンサ位置ずれの影響のため、角度に換算して±２°程度のヒステリシスが現れる。

本実施例では、ヒステリシスを軽減しながら更に温度・ギャップ変化の影響を抑制する角度計算方法を示すものであり、以下、角度検知のための角度計算方法を説明する。

図１５Ａには、２５℃の時のセンサ出力を示す。本実施例で採用した磁気センサ５８は、２系統の磁気回路により構成されており、２つの互いに４５度位相がずれた正弦波状の波形（＝V１、V２）を出力する。前述したように、出力軸の正転、反転時に磁石位置が変動し、センサ出力にはヒステリシスが見られる。

図１５Ｂは、V1、V2よリ計算によって求められたRatioである。このRatioは、以下の式によリ導き出される。
（式１） V1n/V2n ＝ (V1_normalized) / (V2_normalized)
ここで、
（式２） V1_normalized ＝ (V1 − V1_offset)
（式３） V1_offset ＝ (V1_max + V1_min) / 2
と計算される。ここで、V1_max、V1_minはそれぞれセンサ出力V1の最大値および最小値である。同様に、
（式４） V2n/V1n ＝ (V2_normalized) / (V1_normalized)
ここで、
（式５） V2_normalized ＝ (V2 - V2_offset)
（式６） V2_offset ＝ (V2_max + V2_min) / 2
と計算される。ここで、V2_max、V2_minはそれぞれセンサ出力V2の最大値および最小値である。

センサ出力V1、V2にヒステリシスが見られるため、同様にV1n、V2nにもヒステリシスが見られる。

図１６は、１２５℃の時のセンサ波形を示す。温度上昇と共に、波形の振幅が減少している。これは、磁気抵抗素子の磁界に対する反応性が低下することと、磁石自体の磁力が下がることに起因する。また、センサと磁石間距離（エアギャップ）が広がった場合でも同様である。

図１５Ｂと図１６Ｂを比較すると、Ratioは変化していないことがわかる。式（１）および式（４）において出力信号の互いの比をとることにより、振幅の増加減の影響をキャンセルしている。

この方法は、振幅の同期性が保証されているＭＲセンサやＧＭＲセンサに有効である。例えば、Philips製KMZ43では、
振幅の同期性は、
Amplitude synchronism 100 +/- 0.5 [%]
と、保証されており、その温度特性は
Temperature coefficient of amplitude synchronism 0 +/- 0.01 [% / K]
と、保証されている。

本実施例では、Ratioをシフトコントローラが組み立てられた後に計測し、その波形を記述する関数情報を回路基板内のＥＥＰＲＯＭに予め記憶しておく。

以下、キャリブレーション手順を示す。
１．シフトコントローラ２２が組み立てられた後、キャリブレーションスタンドに取り付ける。キャリブレーションスタンドには、出力軸４０の絶対角度情報を提供するエンコーダとシフトコントローラ２２との通信および信号処理を実行する計算機が組み込まれている。

２．計算機から、シフトコントローラ２２に正転指令を、ＣＡＮ通信を介して送信する。シフトコントローラ２２は指令に基づき、シフトコントローラ２２内のモータを正転方向に駆動させ、同時にセンサ出力信号（V1、V2）を、ＣＡＮ通信を介して計算機に送信する。
３．出力軸が所定の角度領域を移動した後、計算機からシフトコントロ一ラに反転指令を、CAN通信を介して送信する。シフトコントローラは指令に基づき、シフトコントローラ内のモータを反転方向に駆動させ、同時にセンサ出力信号（V1、V2）を、ＣＡＮ通信を介して計算機に送信する。

４．計算機では、エンコーダの出力信号とセンサ信号（V1、V2）を基に、以下の情報を算出する。
V1の最大電圧(V1_max)
V1の最小電圧(V1_min)
V2の最大電圧(V2_max)
V2の最小電圧(V2_min)

５．計算機では、正規化されたセンサ信号を算出する。計算式は、式（２）および式（５）である。
６．計算機では、正規化された信号より、Ratioを算出する。計算式は、式（１）および式（４）である。
７．計算機では、正規化された信号とRatioより、角度領域を16個に分割する。分割に使用する条件は下表である。

ここで、例えば、エンコーダから得られる角度が２０°かつV1_normalized が、−1[V]かつV2/V1がO.1のとき、角度領域は１に定義される。

本実施例では、MR素子を用いており、出力軸が１回転する間に２周期の正弦波が生成される。例えば、角度領域番号１と９では、センサ出力だけでは領域分けの条件は同じであり、角度領域の見分がつかない。このため、キャリブレーション時にはエンコーダ情報を使用し角度領域を決定している。

８．計算機では、分割された各角度領域に該当するRatioを３次関数にて近似する。具体的には、各角度領域で以下のEを最小とする3次関数の係数（α、β、γ、δ）を求める。例えば、角度領域1ではRatio にV2/V1を代入する。
式（１０） E＝Σ{θ−（α×（Ratio^３）＋β×（Ratio^２）＋γ×（Ratio）＋δ）}
と計算されるが、波形を計測する際は、必ず正転と反転を実行させることとし、図１７に示すように正転・反転によって現れたヒステリシスを半減させるよう、それぞれの信号の中央にて波形を記述する関数を求める。具体的には、式（１０）を式（１１）に置き換えて計算する。
式（１１） E＝Σ{θ_CW−（α×（Ratio_CW ^３）＋β×（Ratio_CW ^２）＋γ×（Ratio_CW）＋δ）}＋Σ{θ_CCW−（α×（Ratio_CCW ^３）＋β×（Ratio_CCW ^２）＋γ×（Ratio_CCW）＋δ）}
ここで、
θ_CW： 出力軸が正転に回転しているときのエンコーダ出力信号、
θ_CCW： 出力軸が反転に回転しているときのエンコーダ出力信号、
Ratio_CW ： 出力軸が正転に回転しているときのRatio
Ratio_CCW ： 出力軸が反転に回転しているときのRatio
正転・反転と個別に波形を記憶させてもよいが、本実施例では、記憶する容量を抑えるため、正転・反転時の信号から１組の（α、β、γ、δ）を算出している。

９．計算機で算出された各角度領域の（α、β、γ、δ）は、CAN通信を介してシフトモジュールに転送され、回路基板上のＥＥＰＲＯＭの所定アドレスに保存される。

上記方法により、組み立て時に起こり得るセンサ位置ずれの個体差による影響をキャンセルすることが可能となり、高精度な角度検知が可能となる。

図１８は、上記計算方法で角度を計算した場合の、組み立て後の位置ずれによる影響を示す。図１８において、横軸数字は位置ずれ量を表す計測点（表１に示す）であり、縦軸は角度偏差を示す。また、それぞれの計測点での位置ずれを表すＸ―Ｙ座標を表１に示す。表１において、Ｘ、Ｙは基板平面上の座標系であり、出力軸中心を原点と定義している。図１８の計算では、磁石径は２０ｍｍで一定であるが、エアギャップを広くしていくとセンサ精度が向上している。すなわち、位置変動に対するロバスト性が向上していることがわかる。

しかし、エアギャップを広くしていくと、センサ素子位置での磁力がセンサ素子の飽和磁界以下に下がり、MRセンサ内の磁気粉の配向性に乱れが生じ、結果として、所望の出力が得られなくなる。エアギャップの設定は、磁力が磁気センサ素子の飽和磁界以上を得られる領域で、かつ最大のギャップを確保できるように設定する。

図１９は、センサ素子が実装された回路基板とＥＣＵ内部結線を示す。回路基板上には、大電流用の素子としてモータドライバ１０１、コイル駆動用ドライバ１０６、バッテリ逆接保護用トランジスタ１０７がベアチップの形態で基板に半田もしくは伝導性接着剤にて実装され、更に、信号系の素子として、マイクロコントローラ１０３、センサ素子５８、不揮発性メモリ１０４、オペアンプ１０５がモールドされたパッケージの状態で基板に半田実装されている。大電流用の素子と信号系の素子の配置を見ると、回路基板２９上のコネクタ締結部１００に近い方に、大電流用の素子が配置されていることが分かる。これにより、大電流が回路パターンに流れることによる電圧降下、大電流のオン／オフ切替え時に発生する電磁ノイズの影響から、精度が要求される信号系の動作を保護することが可能となる。

また、図１９によれば、基板ベースに円形状の突起部１１７が設けられ、回路基板上のパットとアルミワイヤにより電気的接続が成されている。この突起部は、トランスファーケースを介し、車両のケースアースに接地され、耐静電気および耐電磁波ノイズ対策としての機能を果たしている。突起部の表面は、ボンディングの接合性を高めるために、表面粗さ３μm以内と規定している。この突起部の表面は、例えば機械加工またはバニッシングにより鏡面状に仕上げられる。この突起部は、基板ベースとは別部品で、例えばピンを基板ベースに設けた穴に圧入またはカシメにより固定して形成されている。

図２０は、図１９の一部分の拡大図であり、基板ケースと回路基板、あるいは回路基板に実装されたベアチップと回路基板の接続にワイヤボンディングを使用していることがわかる。ワイヤボンディングの材料としては、アルミニウム、金または銅が考えられるが、本実施例においては、大電流が流れるボンディングワイヤはアルミニウムであり、信号系の接続されているワイヤには金を併用している。また、図２０を参照すると、ボンディングワイヤ用のパットに２種類の形状を併用していることがわかる。大電流用のパットには、1.65mm×2.65mmサイズのパット１１０、１１５を使用し、信号系のパットには、1.65mm×0.85mmサイズのパット１１６を使用している。本実施例では、モータのストール時に約２０Ａの電流が流れることから、大電流用のパットには、直径300μmのアルミワイヤを３本ボンディングする仕様となっている。パットの材料としては、セラミック基板の線膨張係数を勘案して、42Ni-Fからなるニッケルアロイを採用している。

さらに、図２０によると、モータ駆動用のＦＥＴとして、トランジスタＴ５（１１１）、Ｔ４（１１２）、Ｔ２（１１３）、Ｔ３（１１４）が順に実装配置されている。モータの正転時にはＴ５およびＴ２が導通し、モータの反転時には、Ｔ４およびＴ３が導通する。モータを正転または反転させるとき、隣り合う２つのＦＥＴが同時に導通することのないように、モータ駆動用ＦＥＴの配列を決定している。これにより、熱源を分散させ、他のモータ駆動用ＦＥＴからのもらい熱によるモータ駆動用ＦＥＴの発熱を抑える仕組みである。

図２１は、ＥＣＵ組み立て部のコネクタ側から見た側面図を示す。図２１によれば、コネクタには、１０個の端子が形成されている。また、１０個の端子配列においては、回路基板表面と平行方向に５列、回路基板と垂直方向に２列となるように配列されている。１０個の端子を1列に配列した場合、コネクタの長手方向の寸法が大きくなり、銅配線の形状が複雑になることに加えて、ＥＣＵ組み立て部の外形も大きくなってしまう。また、経路基板と垂直方向に３列とした場合は、ＥＣＵ組み立て部の高さが大きくなり、シフトコントローラを車両に取り付けたときに、外部部材との物理的干渉が心配される。

本実施例は、５列×２列の配置を採用することにより、コネクタの外形寸法を最小限かつ最適形状に設計している。また、このコネクタは、外部から水の浸入を防ぐべく、相手側コネクタと嵌合することにより、防水仕様を採用している。ここで言及する防水仕様のコネクタの例としては、Delphi Packard Electric Systems社製ＧＴ１５０シリーズがある。また、コネクタの端子には、モータロック時に電流が約２０Ａ流れるが、これによる発熱を抑えるために、端子間の接触抵抗は２０ｍΩとなるように端子を選定している。本実施例においては、端子の板圧は、０．８ｍｍとしている。

シフトコントロ一ラ２２を更に小型化するためには、図２２に示すようにＥＣＵ組み立て部をギヤ格納部に完全に内包する。図１９に示された基板サイズでは、ＥＣＵ外形サイズがギヤ格納部より大きくなってしまうが、回路基板３０を低温焼成セラミック多層基板（ＬＴＣＣ）等の採用により、基板サイズを小型化することが可能となる。ＬＴＣＣには、印刷による抵抗体や基板内部にコンデンサを形成できるので、従来の方法と比べて、約半分の面積の基板に縮小可能であることが知られている。基板サイズの縮小に伴い、基板ベース３０、基板ケース２７のサイズも縮小可能となる。こうして、ＥＣＵ部５６がギヤボディ５４に内包される仕様となり、モータ部高さＬ７と比べて、ＥＣＵとギヤボディを合せた高さＬ６が低くなる構造を実現することができる。

図２３は、シフトコントローラ２２の制御ブロック線図を示す。マイクロコントローラ内に予めプログラムされたコントローラは、モードセレクトスイッチ２３の信号に基づき、モータ駆動用のモータコマンドを計算する。モータコマンドは、制御対象となるモータの機械的・電気的特性により異なるが、オン・オフをモータの電気的時定数より早い周期で切り替えるＰＷＮ制御や、モータの回転中はオン・オフを切り替えず出力軸が所定の角度に達した時にオフするオン・オフ制御がある。オン・オフ制御では、モータ停止時にモータの慣性によるオーバシュートを抑えるため、Ｔ２とＴ４のみを同時にオンさせるか、Ｔ３とＴ５のみを同時にオンする。また、ＰＷＭ制御では、モータ回転スタート時の機械的ショックを和らげるため、ＰＷＭのDuty比（切り替え周期に対するオン時間の比）を調整することが可能である。モータコマンドに基づいて制御対象であるモータおよび出力軸が回転するが、その回転角度θはマイクロコントローラ内のソフトウエア−アルゴリズムによりセンサ出力電圧に基づいて計算される。

該アプリケーションは、自動車の駆動状態を切り替えるユニットを対象としており、故障発生時のフェールセーフが重要となる。図２４にセンサアルゴリズムでエラーが検知された場合のシフトコントローラ２２の動作を示す。図２４−Ａに示すように動作の途中もしくは停止中にエラーが発生した場合、例えば角度領域情報を失った場合やキャリブレーションデータの消去・誤った上書き等が発生した場合を考える。シフトコントローラ２２は、トランスファーケースを保護する目的で出力軸の回転を制限するストッパーを有する。ソフトウエアによりエラーが検知されると、モータを所定の時間、所定の方向（図２４−Ａの矢印方向）に回転させ、モータをストッパーに当てて停止させる。この時点で出力軸はストッパーによって一意に定まる角度に停止しており、角度は既知の角度となる。このため、エリア情報を既知の値や初期値に更新することにより、エラー状態からの復帰が可能となる。また、ＥＥＰＲＯＭの別のエリアに保存されたキャリブレーションデータのバックアップデータをコピーすることも可能であり、エラー状態からの復帰を可能とする。

また、図２５に示すようにエラーが検知されない通常動作時に、出力軸の目的角度までの到達時間を学習しておき、センサ出力にエラーが検知された場合は、この学習値を基にしてモータを制御することも可能である。

本発明は、自動車のシフトコントローラに適用したものであるが、その他各種の回転位置センサにも利用可能である。

１ ：駆動トレーン
２ ：エンジン
３ ：トランスミッション
４ ：トランスファーケース
２２：シフトコントロ一ラ
２３：モードセレクトスイッチ
２４：運転者の制御盤または組立体
２５：ネジ
２６：基板カバー
２７：基板ケース
２８：コネクタ
２９：基板
３０：基板ベース
３１：Ｏ−リング
３２：磁石
３３：ヨーク
３４：マグネットホルダー
３５：メタルプレート
３６：ホイールギヤ
３７〜３９：ネジ
４０：出力軸
４２、４３：中継端子
４４：Ｏ−リング
４５：ギヤボディ
４６：中継端子ホルダー
４７：ラバーリング
４８：Ｏ−リング
４９：ブラシホルダー
５０：ベアリング
５１：モータ整流子
５２：モータヨーク
５３：ウォームギヤ
５４：ギヤ格納部
５５：モータ組み立て体
５６：ＥＣＵ格納部
５７：接着剤
５８：センサ素子
５９：ブッシュ
６０：接着剤用溝
１００：コネクタ接続用端子
１０１：モータ駆動用ドライバ
１０３：マイクロコントロ一ラ
１０４：ＥＥＰＲＯＭ
１０５：オペアンプ
１０６：コイル駆動用ドライバ
１０７：バッテリ逆接保護用素子
１０８：ボンディング用パット
１１０：大電流用パット
１１１：Ｔ５（トランジスタ）
１１２：Ｔ４（トランジスタ）
１１３：Ｔ２（トランジスタ）
１１４：Ｔ３（トランジスタ）
１１５：大電流用パット
１１６：信号線用パット

Claims (8)

1. トランスファーケースのシフトレールを駆動するモータと、
   前記モータの回転を前記シフトレールに伝えるギヤ機構と、
   前記シフトレールと共に回転する磁石と、
   前記磁石の回転角度に応じた出力を提供する磁気センサ素子と、
   前記磁気センサ素子の出力から前記シフトレールの回転角度を検知する信号処理機能を有する制御装置であって、
   前記磁気センサのキャリブレーション後の位置変動量より、前記磁石と前記磁気センサ素子間の距離が長いこと、及び
   前記ギヤ機構の軸方向の動きを前記磁石の外側にて受ける構造であること、を特徴とする自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置。
2. 請求項１に記載された制御装置において、
   前記信号処理機能に、前記磁気センサ素子からのキャリブレーション後の信号を正規化したセンサ信号からレシオ（Ratio）を求めるレシオ（Ratio）メトリック法を用いたことを特徴とする自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置。
3. 請求項２に記載された制御装置において、前記レシオ（Ratio）を表現する関数情報が不揮発性メモリに保存されていることを特徴とする自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置。
4. 請求項１から３のいずれかの請求項に記載された制御装置において、
   前記モータを制御する防水構造の回路格納体を備えて、
   前記回路格納体を封止する接着剤の厚みを、ブッシュにより管理する構造であることを特徴とする自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置。
5. 請求項４に記載された制御装置において、前記ブッシュが前記回路格納体に一体化成形されたブッシュであることを特徴とする自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置。
6. 請求項２又は３に記載された制御装置において、
   前記信号処理機能を有する回路は、故障時の復帰動作が可能であることを特徴とする自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置。
7. 請求項６において、前記復帰動作は不揮発性メモリのデータを更新することにより実現することを特徴とする自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置。
8. 請求項６において、前記復帰動作は、モータの既知の位置にて実行されることを特徴とする自動車の駆動状態を切り替えるための制御装置。