JP5128399B2 - 磁気センサデバイス - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサデバイスに関し、特に、ダイアグ機能を有する磁気センサデバイスに関する。

ステアリングシャフトと一体に回転するロータ歯車の回転を遊星歯車機構によって構成された減速機構によって減速し、減速後の回転を減速側検出用ギアに伝達するものとした回転角度検出装置がある（例えば、特許文献１）。この回転角度検出装置は、減速機構を構成する各ギアの軸が同一方向であるため、ステアリングシャフトの回転を少ないガタによって減速側検出用ギアに伝達することができる。したがって、減速機構でのガタつきが少ないのでステアリングシャフトの回転角をより正確に検出することができるとされている。

さらに、故障診断部を有し、減速機構側演算部のステアリング角変換部より出力された概略絶対角と、増速機構側演算部のステアリング角変換部から出力された詳細絶対角とを比較し、絶対角度の差が一定値以上となった場合には、ＭＲセンサに故障が発生したものとして、外部装置へ故障診断結果を出力する。ステアリングの回転角度を検出する上で必要な減速機構、減速側検出用ギア、減速機構側演算部と、増速側検出用ギア、増速機構側演算部のみを利用することによってＭＲセンサに故障が発生しているかどうかを判断するようにしたものであり、故障診断用に別部材を設けていないため、コストアップ、大型化せずに故障診断できるとされている。
特開２００８−５１６６８号公報

しかし、特許文献１の回転角度検出装置によれば、ステアリングシャフトが回転し、ロータ歯車や遊星歯車機構等が回転運動をしているときはＭＲセンサの故障診断ができるが、車両が走行していないとき、例えば、システムスタート時には、ロータ歯車や遊星歯車機構等が回転運動をしていないので、ＭＲセンサの故障診断を行なうことができないという問題がある。

従って、本発明の目的は、検出対象が動作していないシステムスタート時でも確実に故障診断を行なうことができる磁気センサデバイスを提供することにある。

［１］本発明は、前記目的を達成するため、印加される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子（ＭＲ素子）をブリッジ状に接続し、前記抵抗値の変化に応じた検出信号を出力する検出回路と、前記検出信号を増幅して出力するオペアンプで構成された増幅回路と、前記増幅回路の入力端子に外部から所定の電圧を印加し、前記増幅回路の出力を検出することにより故障検出を行なう２つのダイアグ端子を備えたスイッチング回路で構成されたダイアグ回路と、を有し、前記ダイアグ回路の前記２つのダイアグ端子に所定の電圧を順に印加することにより、前記スイッチング回路を動作させて前記オペアンプのプラス入力端子及びマイナス入力端子をそれぞれ所定の電圧レベルにすることで故障診断を行なうことを特徴とする磁気センサデバイスを提供する。

［２］前記検出回路は、位相の異なる検出を行なう２つの検出回路を有し、前記増幅回路は、前記それぞれの検出回路を増幅する２つのオペアンプを有し、前記２つのダイアグ端子はそれぞれ２つのスイッチング回路に接続され、第１のダイアグ端子の第１のスイッチング回路は第１のオペアンプのマイナス入力に接続され、前記第１のダイアグ端子の第２のスイッチング回路は第２のオペアンプのプラス入力に接続され、第２のダイアグ端子の第３のスイッチング回路は第１のオペアンプのプラス入力に接続され、前記第２のダイアグ端子の第４のスイッチング回路は第２のオペアンプのマイナス入力に接続されていることを特徴とする磁気センサデバイスであってもよい。

［３］また、検出対象が動作していないシステムスタート時に、前記２つのダイアグ端子に電圧を印加することで、故障を診断し、その後は、前記スイッチング回路を動作させないレベルの信号を前記ダイアグ回路の前記ダイアグ端子に入力しておくことで、前記増幅回路から検出信号を出力する定常時の動作を行なうことを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の磁気センサデバイスであってもよい。

本発明によれば、検出対象が動作していないシステムスタート時でも確実に故障診断を行なうことができる磁気センサデバイスを提供することができる。

[本発明の実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１の回路図である。図２は、本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１をステアリング回転角センサに適用した例の構成ブロック図である。図３は、本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１のダイアグ機能を車両のステアリング回転角検出に適用した場合における故障診断のフローチャートである。

（磁気センサデバイス１の構成）
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１は、検出回路１０、増幅回路２０、及び、ダイアグ回路３０を有して構成されている。

検出回路１０は、第１〜第４の磁気抵抗素子（以下、ＭＲ素子という）Ｒａ,Ｒｂ,Ｒｃ,Ｒｄがブリッジ状に接続された第１のＭＲブリッジ１１と、第５〜第８のＭＲ素子Ｒｅ,Ｒｆ,Ｒｇ,Ｒｈがブリッジ状に接続された第２のＭＲブリッジ１２から構成されている。上記の第１のＭＲブリッジ１１と第２のＭＲブリッジ１２は互いに４５°傾斜した配置とされており、出力信号の位相がπ／２異なっている。

第１のＭＲブリッジ１１において、第１のＭＲ素子Ｒａ及び第３のＭＲ素子Ｒｃには電源電圧Ｖｃｃが供給され、第２のＭＲ素子Ｒｂ及び第４のＭＲ素子Ｒｄはグランドに接続されている。第１のＭＲ素子Ｒａと第２のＭＲ素子Ｒｂの接続点は第１の中点電圧Ｖ１として出力され、第３のＭＲ素子Ｒｃと第４のＭＲ素子Ｒｄの接続点は第２の中点電圧Ｖ２として出力される。

また、第２のＭＲブリッジ１２においても同様に、第５のＭＲ素子Ｒｅ及び第７のＭＲ素子Ｒｇには電源電圧Ｖｃｃが供給され、第６のＭＲ素子Ｒｆ及び第８のＭＲ素子Ｒｈはグランドに接続されている。第５のＭＲ素子Ｒｅと第６のＭＲ素子Ｒｆの接続点は第３の中点電圧Ｖ３として出力され、第７のＭＲ素子Ｒｇと第８のＭＲ素子Ｒｈの接続点は第４の中点電圧Ｖ４として出力される。

増幅回路２０は、オペアンプ２１，２２を有している。オペアンプ２１のプラス入力端子に接続される抵抗Ｒ_１、マイナス入力端子に接続される抵抗Ｒ_ｉ１、マイナス入力端子と出力端子ＯＵＴ１間に接続される抵抗Ｒ_ｆ１で反転増幅器が構成されている。同様に、オペアンプ２２のプラス入力端子に接続される抵抗Ｒ_２、マイナス入力端子に接続される抵抗Ｒ_ｉ２、マイナス入力端子と出力端子ＯＵＴ２間に接続される抵抗Ｒ_ｆ２で反転増幅器が構成されている。

出力端子ＯＵＴ１での出力信号Ｖout１は、プラス端子の基準電圧にオペアンプ２１の入力（Ｖ１−Ｖ２）がゲイン（−Ｒ_ｆ１／Ｒ_ｉ１）で反転増幅されて重畳された信号となり、Ｖout1＝（Ｖ２−Ｖ１）・Ｒ_ｆ１／Ｒ_ｉ１＋Ｖｃｃ・Ｒ_４／（Ｒ_３＋Ｒ_４）である。同様に、出力端子ＯＵＴ２での出力信号Ｖout２は、プラス端子の基準電圧にオペアンプ２２の入力（Ｖ３−Ｖ４）がゲイン（−Ｒ_ｆ２／Ｒ_ｉ２）で反転増幅されて重畳された信号となり、Ｖout２＝（Ｖ４−Ｖ３）・Ｒ_ｆ２／Ｒ_ｉ２＋Ｖｃｃ・Ｒ_４／（Ｒ_３＋Ｒ_４）である。Ｖout1とＶout２は、π／２の位相差を有する。

ダイアグ回路３０は、オペアンプ２１，２２のマイナス入力端子及びプラス入力端子をそれぞれ独立にＨｉレベル（以下Ｈという）又はＬｏレベル（以下Ｌという）に設定するためのスイッチング回路で構成されている。ＤＩＡＧ１の端子をＨにすることで、ゲートＧ１、Ｇ２がＨとなりＦＥＴが導通し、オペアンプ２１のマイナス入力端子及びオペアンプ２２のプラス入力端子がそれぞれグランドレベルになる。また、ＤＩＡＧ２の端子をＨにすることで、ゲートＧ３、Ｇ４がＨとなりＦＥＴが導通し、オペアンプ２１のプラス入力端子及びオペアンプ２２のマイナス入力端子がそれぞれグランドレベルになる。尚、それぞれのゲートＧ１〜Ｇ４を、スイッチング回路を動作させないレベルの信号としてＬレベルにした場合は、ＦＥＴが導通せず、それぞれのマイナス入力端子及びプラス入力端子には、第１の中点電圧Ｖ１〜第４の中点電圧Ｖ４がそのまま入力される。

上記の検出回路１０、増幅回路２０、及び、ダイアグ回路３０は、１つの磁気センサデバイス１としてパッケージされた状態で形成されている。磁気センサデバイス１は、外部から電源電圧が供給され、ダイアグ端子（ＤＩＡＧ１、ＤＩＡＧ２）へ電圧が印加されると共に、ダイアグ端子をすべてＬレベルにした場合は、増幅回路２０から検出信号を出力する定常時の動作を行なう。

本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１のダイアグ機能を、車両のステアリング回転角検出に適用した場合で説明する。

図２の構成ブロック図において、Ｓ及びＮ極に着磁されたマグネット１０２が車両のステアリング装置（一部のみ図示）１００の回転部材１０１に装着され、このマグネット１０２に近接して磁気センサデバイス１が載置されている。図示しないステアリングの回転操作により回転部材１０１と共にマグネット１０２が回転し、磁気センサデバイス１に磁界の変化が印加される。

センサＥＣＵ２００は、処理部２０１、判断部２０２、及び、記憶部２０３を有して構成されている。

処理部２０１は、磁気センサデバイス１からの出力信号Ｖout1、Ｖout２を受け、また、回転角出力として制御対象機器へ出力するためのインターフェース部、波形信号処理部、Ａ／ＤあるいはＤ／Ａ変換部等から構成される。位相がπ／２ずれた出力信号Ｖout1、Ｖout２から、Ａｒｃｔａｎ（Ｖout２／Ｖout1）を演算することで、ステアリング装置のステアリングアングル（操舵角）が検出できる。検出されたステアリングアングルは、必要に応じて、アナログ信号またはデジタル信号として各種車載機器ＥＣＵへ出力される。

判断部２０２は、後述するダイアグ機能によるフローチャートに基づいて、故障診断を行なうため、磁気センサデバイス１に対してダイアグ端子（ＤＩＡＧ１、ＤＩＡＧ２）へ電圧印加を行なう。磁気センサデバイス１の出力信号Ｖout1、Ｖout２に基づいて故障しているかどうかの判断を行なう。また、故障と判断された場合は、制御対象機器へ警告等の信号を出力する。

記憶部２０３は、ＲＯＭで構成され、ダイアグ機能を実行するための診断プログラム、及び、磁気センサデバイス１からの出力信号Ｖout1、Ｖout２等が正常範囲内かどうかの判断基準値等のパラメータが記憶されており、必要に応じて判断部２０２から参照される。

本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１のダイアグ機能を車両のステアリング回転角検出に適用した場合における故障診断は、図３のようなフローチャートで示される。

（ステップ０１（Ｓ０１））
車両のイグニッションスイッチがＯＮされてステアリング回転角検出のシステムがスタートすると、ステップ０１において、システムスタート時かどうかがセンサＥＣＵ２００の判断部２０２で判断される。システムスタート時においては、車両が走行していない場合が多くステアリング回転角の変化がないのでダイアグ機能による故障診断を行なう。システムスタート時かどうかは、システムスタート時から所定時間経過したかどうか、又は、磁気センサデバイス１からの出力信号が変化したかどうか、等種々の設定にすることが可能である。システムスタート時と判断された場合は、ステップ０２へ進み、システムスタート時でないと判断された場合は、ステップ１１へ進み定常時の故障診断を行なう。

（ステップ０２（Ｓ０２））
センサＥＣＵ２００の判断部２０２から磁気センサデバイス１のＤＩＡＧ１の端子をＨ、ＤＩＡＧ２の端子をＬにする。このとき、磁気センサデバイス１からの出力信号Ｖout1、Ｖout２がＨ、Ｌになれば正常と判断する。出力信号に異常があれば故障と判断（Ｓ２１）し、必要に応じて警告（Ｓ２２）等を行なう。

（ステップ０３（Ｓ０３））
ステップ０２と逆に、ＤＩＡＧ１の端子をＬ、ＤＩＡＧ２の端子をＨにする。磁気センサデバイス１からの出力信号Ｖout1、Ｖout２がＬ、Ｈになれば正常と判断する。出力信号に異常があれば故障と判断（Ｓ２１）し、必要に応じて警告（Ｓ２２）等を行なう。正常動作と判断された場合は、ステップ０１に戻り、所定の時間間隔で繰り返してダイアグ機能による故障診断が行なわれる。

（ステップ１１（Ｓ１１））
定常時においては、センサＥＣＵ２００の判断部２０２から磁気センサデバイス１のＤＩＡＧ１の端子をＬ、ＤＩＡＧ２の端子をＬに設定しておく。このように設定すれば、ステアリング回転角検出信号がそのまま出力信号Ｖout1、Ｖout２としてセンサＥＣＵ２００の処理部２０１へ出力される。

（ステップ１２（Ｓ１２））
出力信号Ｖout1、Ｖout２は、記憶部２０３のパラメータを参照して正常範囲内かどうか判断される。正常範囲内の場合は、再びステップ１２へ戻り、所定の時間間隔で繰り返して定常時の故障診断が行なわれる。故障と判断（Ｓ２１）された場合は、必要に応じて警告（Ｓ２２）等を行なう。尚、出力信号Ｖout1、Ｖout２に基づいて、処理部２０１においてステアリングアングルとして算出され、必要とする車載機器へアナログ信号またはデジタル信号として出力される。

車両のイグニッションスイッチがＯＦＦされた場合や、ステップ２１で故障とされた場合は、上記示したフローは終了する。

[本発明の実施の形態の効果]
上記示した本発明の実施の形態によれば以下のような効果を有する。
（１）オペアンプ２１，２２のマイナス入力端子及びプラス入力端子をそれぞれ独立にＨ、又は、Ｌレベルに設定するためのスイッチング回路、及び、このスイッチング回路を動作させるためのダイアグ端子（ＤＩＡＧ１、ＤＩＡＧ２）を備えたダイアグ回路３０を有しているので、検出対象が動作していないシステムスタート時でも確実に故障診断、故障検出を行なうことができる。
（２）上記示したように、磁気センサデバイス１内にダイアグ回路３０を有しているので、外付け部品の追加をすることなく、故障検出ができ、磁気センサデバイスの品質向上に繋がる。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１の回路図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１をステアリング回転角センサに適用した例の構成ブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１のダイアグ機能を車両のステアリング回転角検出に適用した場合における故障診断のフローチャートである。

符号の説明

１…磁気センサデバイス、１０…検出回路、１１…第１のＭＲブリッジ、１２…第２のＭＲブリッジ、２０…増幅回路、２１，２２…オペアンプ、３０…ダイアグ回路、１００…ステアリング装置、１０１…回転部材、１０２…マグネット、２００…センサＥＣＵ、２０１…処理部、２０２…判断部、２０３…記憶部

Claims (3)

1. 印加される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子（ＭＲ素子）をブリッジ状に接続し、前記抵抗値の変化に応じた検出信号を出力する検出回路と、
   前記検出信号を増幅して出力するオペアンプで構成された増幅回路と、
   前記増幅回路の入力端子に外部から所定の電圧を印加し、前記増幅回路の出力を検出することにより故障検出を行なう２つのダイアグ端子を備えたスイッチング回路で構成されたダイアグ回路と、を有し、
   前記ダイアグ回路の前記２つのダイアグ端子に所定の電圧を順に印加することにより、前記スイッチング回路を動作させて前記オペアンプのプラス入力端子及びマイナス入力端子をそれぞれ所定の電圧レベルにすることで故障診断を行なうことを特徴とする磁気センサデバイス。
2. 前記検出回路は、位相の異なる検出を行なう２つの検出回路を有し、前記増幅回路は、前記それぞれの検出回路を増幅する２つのオペアンプを有し、
   前記２つのダイアグ端子はそれぞれ２つのスイッチング回路に接続され、第１のダイアグ端子の第１のスイッチング回路は第１のオペアンプのマイナス入力に接続され、前記第１のダイアグ端子の第２のスイッチング回路は第２のオペアンプのプラス入力に接続され、第２のダイアグ端子の第３のスイッチング回路は第１のオペアンプのプラス入力に接続され、前記第２のダイアグ端子の第４のスイッチング回路は第２のオペアンプのマイナス入力に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサデバイス。
3. 検出対象が動作していないシステムスタート時に、前記２つのダイアグ端子に電圧を印加することで、故障を診断し、その後は、前記スイッチング回路を動作させないレベルの信号を前記ダイアグ回路の前記ダイアグ端子に入力しておくことで、前記増幅回路から検出信号を出力する定常時の動作を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサデバイス。

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