JP5143714B2 - ポジションセンサ素子およびポジション検出装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態に係るポジション検出装置1の操作部10(ジョイスティック)の概略図である。図2は、MRセンサ30(第1の磁気センサ)とホールセンサ40(第2の磁気センサ)をワンパッケージにしたポジションセンサ素子50の外観斜視図である。図3は、本発明の実施の形態に係るポジション検出装置またはポジションセンサ素子を構成するMRセンサ30の等価回路図である。
カウンター磁石20は、傾倒操作を行う2次元方向に対して垂直方向に磁化されており、一例として、矩形状であって、フェライト磁石、ネオジウム磁石、希土類磁石、アルニコ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20は、例えば、N極側がMRセンサ30およびホールセンサ40に対向して配置されている。なお、カウンター磁石20の形状は、これに限定されず、例えば、円柱形状等であっても良い。また、カウンター磁石20のN極とS極を入れ替えた構成としても良い。
図3は、本発明の実施の形態に係るポジション検出装置またはポジションセンサ素子を構成するMRセンサ30の等価回路図である。
操作部10のレバー12をX方向に操作してカウンター磁石20がX方向に移動されると、第5のハーフブリッジ34aの出力V5とこれに対向する第7のハーフブリッジ35aの出力V7の出力差X1はsin波形となり、また、第6のハーフブリッジ34bの出力V6とこれに対向する第8のハーフブリッジ35bの出力V8の出力差X2はcos波形となる。従って、X1及びX2に基づいて、一例として、角度変換としてArctan(X1/X2)を算出し、X軸方向の角度を算出することができる。尚、上記のsin波形、cos波形は、Y軸方向の動きに対してほとんど影響を受けない。
ホールセンサ40は、図2,3に示すように十字の各頂点に配置された第1〜第4のフルブリッジ回路32、33、34、35、すなわち、MRセンサ30の中心部に配置されている。また、操作部10のXY方向の中立位置で、カウンター磁石20の中心位置の真下に配置されている。ホール素子はインジウム・アンチモン(InSb)あるいはガリウム・砒素(GaAs)等の半導体で作られ、ホール効果(Hall Effect)により磁束密度に比例した電圧を得ることができる良好な直線性を持った小型半導体磁気センサである。
操作部10のノブ11をZ方向に操作してカウンター磁石20がZ方向に移動されると、ホールセンサ40を透過する磁束密度が変化し、この磁束密度に比例した電圧が出力される。ここで、カウンター磁石20の着磁面の面積を大きく設定することによりカウンター磁石20のXまたはY方向への傾倒操作の影響をほとんど受けずにZ方向の検出をリニアに行なうことができる。
上記説明したMRセンサ30およびホールセンサ40は、図2に示したように、一体にモールドされてパッケージ化されたものが好ましい。MRセンサ30は、例えば、シリコン基板上に、公知の半導体プロセス技術により、図3に示すような等価回路をNiCo等の強磁性金属を主成分とした薄膜として形成される。このMRセンサ30上に、ホールセンサ40のベアチップをスタックし、MRセンサ30およびホールセンサ40をワイヤボンディングにより各端子(出力、Vcc、GND等)に接続した後、樹脂またはセラミックで一体にモールドすることにより、パッケージ化される。これにより、体格の低減や、組み付け工数を減少でき、コストダウンが可能となる。
図4(a)は、図1においてZ軸方向から見たカウンター磁石20とポジションセンサ素子50の配置寸法の一例を示す図であり、図4(b)は図1においてY軸方向から見たカウンター磁石20とポジションセンサ素子50の配置寸法の一例を示す図である。基板60上にポジションセンサ素子50を実装し、XYの中立位置の真上にカウンター磁石20が配置される。一例として、基板60からカウンター磁石20の回転中心までの寸法を約9mmに設定し、カウンター磁石20の厚み(Z)方向の中心は下方1mmにある。また、X方向の回転(Y軸回りの回転)は、−10°〜+10°、Y方向の回転(X軸回りの回転)は、−5.5°〜+5.5°、Z方向は、図4(b)で下方へ3mmまで移動可能である。また、カウンター磁石20は、約7mm×7mmであり、MRセンサ30の第1〜第4のフルブリッジ回路32、33、34、35をすべて覆う着磁面を有するように構成されている。すなわち、レバー12の傾倒操作によってもカウンター磁石20の磁界がすべてのフルブリッジ回路を覆う程度にカウンター磁石20の大きさが設定されている。
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)操作部10は、X軸方向及びY軸方向のカウンター磁石20の移動をMRセンサ30によりクロストークの少ない状態で検出することができるので、2次元のポジションを安定して検出することができる。また、Z軸方向のカウンター磁石20の移動をホールセンサ40で検出するので、合計3方向のポジションを検出することが可能となる。
(2)MRセンサ30およびホールセンサ40を使用するので、非接触でポジション検出でき、耐久性の高いポジション検出装置が可能となる。
(3)MRセンサ30およびホールセンサ40を一体にモールドしてパッケージ化することにより、体格の低減や、組み付け工数を減少でき、コストダウンが可能となる。
(4)操作部10として、例えば、車両のウインカレバー操作をX軸、ハイビームあるいはパッシング操作をY軸、ライト操作をZ軸に割り当てることで、車両のレバーコンビネーションスイッチ(レバコン)に適用することができる。特に、振動等の影響が大きい車両の操作系に適用できるので、耐久性および信頼性の向上を図ることが可能となる。
Claims (6)
- 傾倒操作を行うことによって2次元のポジション、および、前記2次元のポジションに略直交する軸方向の3方向のポジションを指示する操作部と、
前記操作部に設けられ、前記傾倒操作を行う方向に対して垂直方向に磁化されたカウンター磁石と、
感磁方向が直交する第1及び第2の磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路と前記ハーフブリッジを45°回転させたハーフブリッジを用いて形成したフルブリッジ回路を十字の各頂点に第1〜第4のフルブリッジとしてそれぞれ配置し、前記傾倒操作に基づく前記磁界の方向の変化に基づいて、対向する前記第1及び第2のフルブリッジから第1の出力電圧、及び対向する前記第3及び第4のフルブリッジから第2の出力電圧を出力する第1の磁気センサと、
前記十字に配置されたフルブリッジ回路の略中心に配置され、前記軸方向の操作に基づく前記磁界の磁束密度の変化に基づいて、第3の出力電圧を出力する第2の磁気センサと、を有し、
前記第1及び第2の出力電圧に基づいて前記傾倒操作によって指示された前記2次元のポジション、及び、第3の出力電圧に基づいて前記軸方向の操作によって指示された前記軸方向のポジションを検出することを特徴とするポジション検出装置。 - 前記第1の磁気センサはMRセンサ、前記第2の磁気センサはホールセンサであることを特徴とする請求項1に記載のポジション検出装置。
- 前記カウンター磁石は、前記第1の磁気センサの前記第1乃至第4のフルブリッジをすべて覆う着磁面を有することを特徴とする請求項1または2に記載のポジション検出装置。
- 感磁方向が直交する第1及び第2の磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路と前記ハーフブリッジを45°回転させたハーフブリッジを用いて形成したフルブリッジ回路を十字の各頂点に第1〜第4のフルブリッジとしてそれぞれ配置し、2次元のポジションを指示する傾倒操作に基づく前記磁界の方向の変化に基づいて、対向する前記第1及び第2のフルブリッジから第1の出力電圧、及び対向する前記第3及び第4のフルブリッジから第2の出力電圧を出力するMRセンサと、
前記十字に配置されたフルブリッジ回路の略中心に配置され、前記軸方向の操作に基づく前記磁界の磁束密度の変化に基づいて、第3の出力電圧を出力するホールセンサと、を有し、
前記4つのMRセンサと前記ホールセンサが一体的にモールドされ、ワンパッケージにより形成されていることを特徴とするポジションセンサ素子。 - 前記4つのMRセンサが基板上に半導体プロセスにより形成され、前記基板上に前記ホールセンサがスタックされて一体的にモールドされ、ワンパッケージにより形成されていることを特徴とする請求項4に記載のポジションセンサ素子。
- 前記第1の磁気センサおよび前記第2の磁気センサが、請求項4または5のポジションセンサ素子で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のポジション検出装置。
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