JP6743770B2 - ポジションセンサ - Google Patents

Description

本発明は、検出対象の位置に対応した信号を出力するポジションセンサに関する。

従来より、検出対象の移動を検出するように構成された検出装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、複数の磁気抵抗素子と、各磁気抵抗素子の出力を処理する処理回路と、を備えた検出装置が提案されている。各磁気抵抗素子は、検出対象に対向する位置に配置されて電気的に各々ハーフブリッジ回路を形成する第１磁気抵抗素子対及び第２磁気抵抗素子対を構成している。

そして、各磁気抵抗素子対の中点電位が検出対象の移動に応じて変化する。したがって、処理回路は、各磁気抵抗素子対の中点電位の差動出力を閾値と比較することによってこの差動出力を２値化した２値化信号を出力する。

特許第４４６６３５５号公報

ここで、装置と検出対象とを２組用意すれば２重系を実現することができる。この場合、サイズとコストが増加するため、検出対象を増やさずに１つの検出装置で２重系を達成することが求められる。そこで、センサチップ内で磁気抵抗素子を２つ横並びさせれば、２系統の信号を作ることはできる。

しかし、センサチップに設けられた磁気抵抗素子が受ける磁界の方向は面内分布を持つため、２系統に信号の位相差が生じる。このため、２系統間で検出位置の系統間誤差が生じてしまう。

本発明は上記点に鑑み、検出部が２重系に構成されていたとしても、検出位置の系統間誤差を無くすことができるポジションセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１、２に記載の発明では、一面（１２９）を有するセンサチップ（１１０）と、センサチップに設けられた第１検出素子（１２１、１４４、１５０）と、センサチップに設けられた第２検出素子（１２２、１４５、１４６）と、を有する検出部（１１９）と、検出部から入力される信号を処理する信号処理部（１２０）と、を備えている。

第１検出素子は、第１ハーフブリッジ回路（１２３）を構成し、検出対象（２００）から受ける磁界の変化に基づいて、検出対象の位置に対応した第１検出信号を出力し、第２検出素子は、第２ハーフブリッジ回路（１２４）を構成し、検出対象から受ける磁界の変化に基づいて、検出対象の位置に対応した第２検出信号を出力する。さらに、一面の面内における第１検出素子のバランスの中心が、一面の面内における第２検出素子のバランスの中心と一致している。
請求項１に記載の発明では、一面において、第１ハーフブリッジ回路の配線パターンと、第２ハーフブリッジ回路の配線パターンと、が同一領域内に混在して形成されている。
請求項２に記載の発明では、第１ハーフブリッジ回路及び第２ハーフブリッジ回路は、センサチップの一面の垂直方向に階層状に配置され、第１ハーフブリッジ回路及び第２ハーフブリッジ回路のうちのいずれか一方の配線パターンがセンサチップの一面側に位置するように各ハーフブリッジ回路の配線パターンが層状に設けられている。

これによると、各検出信号は、各検出素子（１２１、１２２、１４４、１４５、１４６、１５０）のバランスの中心における磁界の変化の平均を反映した信号となる。そして、各検出素子のバランスの中心が互いに一致しているので、各検出素子が検出対象から受ける磁界の変化の平均が一致する。このため、各検出素子は、同一の検出信号を生成することができる。したがって、検出部が２重系に構成されていたとしても、検出位置の系統間誤差を無くすことができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るポジションセンサの外観図である。 磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式を構成する部品の分解斜視図である。 図２に示された各部品の平面図である。 図３のIV−IV断面図である。 磁気抵抗素子による検出信号を説明するための図である。 ポジションセンサの回路構成を示した図である。 第１磁気抵抗素子対の等価回路を示した図である。 各ハーフブリッジ回路の各抵抗部のレイアウトを示した平面図である。 各ハーフブリッジ回路の出力電圧Ｇ１、Ｇ２を示した図である。 ３状態を検出する場合の検出信号及び状態判定を示した図である。 比較例として、各系統が別々のセンサチップに設けられた構成を示した図である。 図１１に示された構成における各ハーフブリッジ回路の出力電圧Ｇ１、Ｇ２を示した図である。 比較例として、各系統が１つのセンサチップに設けられた構成を示した図である。 図１３に示された構成における各ハーフブリッジ回路の出力電圧Ｇ１、Ｇ２を示した図である。 変形例として、全ての抵抗部の配線パターンが同じに形成された場合を示した図である。 変形例として、各ハーフブリッジ回路が電流源によって駆動される場合を示した図である。 変形例として、各ハーフブリッジ回路が４つの抵抗部を有する構成を示した図である。 図１７に示された各抵抗部のレイアウトを示した図である。 変形例として、各抵抗部の配線パターンが不均一に形成された場合を示した図である。 変形例として、各抵抗部の配線パターンが不均一に形成された場合を示した図である。 変形例として、各抵抗部の配線パターンが線対称に形成された場合を示した図である。 変形例として、各抵抗部の配線パターンが混在するように形成された場合を示した図である。 第２実施形態に係るセンサチップの平面図である。 図２３のXXIV−XXIV断面図である。 第３実施形態において、ホール素子を用いた磁気検出方式を構成する部品を示した平面図である。 図２５のXXVI−XXVI断面図である。 ホール素子による検出信号を説明するための図である。 ３つのホール素子のレイアウトを示した平面図である。 各系統の信号Ｇ３、Ｇ４を示した図である。 ホール素子によって３状態を検出する場合の検出信号及び状態判定を示した図である。 変形例として、４つのホール素子のレイアウトを示した平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係るポジションセンサは、検出対象の位置がどの範囲（状態）にあるのかを検出し、その範囲に対応した信号を出力するセンサである。

図１に示されるように、ポジションセンサ１００は、検出対象として、車両のシフトポジションの動作に連動するシャフト２００の位置を検出する。具体的には、ポジションセンサ１００は、シャフト２００に設けられた突起部２０１の位置に応じた信号を検出することで、シャフト２００の状態を取得する。

シャフト２００の状態とは、ユーザによってシフトポジションが操作されたときのシャフト２００の位置を意味する。例えば、シャフト２００は、シフトポジションのパーキングに連動して移動する。図１に示されるように、シフトポジションがパーキングに位置するように操作された場合、シャフト２００が軸方向に移動する。これにより、シャフト２００は、パーキングの状態を反映する。ポジションセンサ１００はシャフト２００のうち突起部２０１よりも手前の位置を検出する。

一方、シフトポジションがパーキング以外のポジションに位置するように操作された場合、シャフト２００はパーキング以外の状態を反映する。この場合、ポジションセンサ１００は、シャフト２００のうち突起部２０１や突起部２０１よりも奥の位置を検出する。もちろん、シャフト２００はパーキング以外のポジションに連動して移動するものでも良い。

シャフト２００は、例えば全体が磁性体材料によって形成されている。なお、シャフト２００は、突起部２０１のうちポジションセンサ１００に対向する面が磁性体材料で形成され、他の部分が別の金属材料によって形成されていても良い。

ポジションセンサ１００は、ＰＰＳ等の樹脂材料が樹脂成形されたことによって形成されたケース１０１を備えている。ケース１０１は、シャフト２００側の先端部１０２、周辺機構に固定されるフランジ部１０３、ハーネスが接続されるコネクタ部１０４を有している。先端部１０２の内部にセンシング部分が設けられている。

また、先端部１０２がシャフト２００の突起部２０１に対して所定のギャップを持つように、ポジションセンサ１００がフランジ部１０３を介して周辺機構に固定されている。したがって、シャフト２００がポジションセンサ１００に対して移動する。

なお、図示しないが、ポジションセンサ１００は、シャフト２００に連動して動作するバルブの位置を検出するように、周辺機構に固定されていても良い。また、シャフト２００の移動方向は直進や往復に限られず、回転や特定の角度内での往復等でも良い。このように、ポジションセンサ１００は、車両のシフトポジションの動作に連動して移動する可動部品の位置や移動、回転等の状態検出に適用できる。

ポジションセンサ１００は、磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式を採用している。磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式の場合、図２に示されるように、ポジションセンサ１００は、モールドＩＣ部１０５、磁石１０６、及び保持部１０７を備えている。これらは、ケース１０１の先端部１０２に収容されている。モールドＩＣ部１０５は、中空筒状の磁石１０６に差し込まれる。磁石１０６は有底筒状の保持部１０７に差し込まれる。

図３の平面模式図及び図４の断面模式図に示されるように、モールドＩＣ部１０５、磁石１０６、及び保持部１０７は一体化される。モールドＩＣ部１０５の主な部分は、磁石１０６の中空部に位置している。保持部１０７は、モールドＩＣ部１０５及び磁石１０６の位置を固定している。

モールドＩＣ部１０５は、リードフレーム１０８、処理回路チップ１０９、センサチップ１１０、及びモールド樹脂部１１１を有している。リードフレーム１０８は、板状のアイランド部１１２及び複数のリード１１３〜１１５を有している。アイランド部１１２は、平面部が検出対象の移動方向に対して垂直になるように配置されている。

複数のリード１１３〜１１５は、電源電圧が印加される電源端子１１３、グランド電圧が印加されるグランド端子１１４、信号を出力するための出力端子１１５に対応している。つまり、各リード１１３〜１１５は、電源用、グランド用、及び信号用の３本である。各リード１１３〜１１５の先端にはターミナル１１６がそれぞれ接続されている。ターミナル１１６は、ケース１０１のコネクタ部１０４に位置する。また、ターミナル１１６がハーネスに接続される。

なお、本実施形態では、複数のリード１１３〜１１５のうちのグランド用のリード１１４はアイランド部１１２に一体化されている。アイランド部１１２と全てのリード１１３〜１１５とが完全に分離されていても良い。

処理回路チップ１０９及びセンサチップ１１０は、接着剤等によってアイランド部１１２に実装されている。処理回路チップ１０９は、センサチップ１１０の信号を処理する回路部が構成されている。センサチップ１１０は、外部から磁界の影響を受けたときに抵抗値が変化する磁気抵抗素子を含んでいる。磁気抵抗素子は、例えばＡＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲである。各リード１１３〜１１５と処理回路チップ１０９とは、ワイヤ１１７を介して電気的に接続されている。処理回路チップ１０９とセンサチップ１１０とは、ワイヤ１１８を介して電気的に接続されている。

モールド樹脂部１１１は、アイランド部１１２、各リード１１３〜１１５の一部、処理回路チップ１０９、及びセンサチップ１１０を封止している。モールド樹脂部１１１は、磁石１０６の中空部に固定される形状に成形されている。

磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式による検出信号について説明する。図５に示されるように、保持部１０７は、検出対象である突起部２０１に対して所定のギャップを持って配置される。そして、保持部１０７に対して突起部２０１が移動すると、突起部２０１の移動方向の中心で検出信号が最大となる。ギャップが大きくなると検出信号の振幅が小さくなり、ギャップが小さくなると検出信号の振幅が大きくなる。このような検出信号に対して閾値を設定することで突起部２０１の位置を検出することができる。

なお、図５では突起部２０１の移動と磁気検出素子による検出信号との関係のみを示している。後述するが、検出信号は複数の磁気抵抗素子の出力によって生成する。

上記の磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式では、磁気ベクトルを検出する磁気抵抗素子は、ギャップのずれによる精度誤差をキャンセルできるメリットがある。また、センサチップ１１０に発生する応力の影響を低減あるいはキャンセルできるメリットがある。よって、高精度な検出が可能である。

次に、センサチップ１１０及び処理回路チップ１０９に構成された回路構成について説明する。図６に示されるように、ポジションセンサ１００とコントローラ３００とがハーネス４００を介して電気的に接続されている。上述のように、モールドＩＣ部１０５は３本のリード１１３〜１１５を有しているので、ハーネス４００は３本の配線によって構成されている。

コントローラ３００は、例えばトランスミッションコントローラ（ＴＣＵ）である。コントローラ３００は、電源部３０１、制御部３０２、及びグランド部３０３を備えている。電源部３０１は、ポジションセンサ１００に電源電圧を供給する回路部である。制御部３０２は、ポジションセンサ１００から入力する出力信号に応じて予め決められた制御を行う回路部である。グランド部３０３はポジションセンサ１００のグランド電圧を設定する回路部である。なお、コントローラ３００は、電子制御装置（ＥＣＵ）として構成されていても良い。

ポジションセンサ１００は、検出部１１９及び信号処理部１２０を備えている。検出部１１９は、センサチップ１１０に設けられている。信号処理部１２０は、処理回路チップ１０９に設けられている。検出部１１９及び信号処理部１２０は、コントローラ３００から供給される電源電圧及びグランド電圧に基づいて動作する。

検出部１１９は、第１磁気抵抗素子１２１及び第２磁気抵抗素子１２２を有している。第１磁気抵抗素子１２１は、突起部２０１の位置に対応した第１検出信号を出力するように構成されている。第２磁気抵抗素子１２２は、突起部２０１の位置に対応した第２検出信号を出力するように構成されている。

各磁気抵抗素子１２１、１２２は、突起部２０１の移動に伴って抵抗値が変化する第１磁気抵抗素子対、第２磁気抵抗素子対、及び第３磁気抵抗素子対の３つの素子対を有している。

突起部２０１の移動方向において、第２磁気抵抗素子対が第１磁気抵抗素子対と第３磁気抵抗素子対との間に位置するように各々が配置されている。つまり、第２磁気抵抗素子対が第１磁気抵抗素子対と第３磁気抵抗素子対とに挟まれるように配置されている。そして、第２磁気抵抗素子対には磁石１０６の中心軸に沿ったバイアス磁界が印加される。一方、第１磁気抵抗素子対及び第３磁気抵抗素子対には磁石１０６の端部を巻き込むバイアス磁界が印加される。

各磁気抵抗素子対は、電源とグランドとの間に２つの抵抗部が直列接続されたハーフブリッジ回路として構成されている。具体的には、図７に示されるように、第１磁気抵抗素子対は、第１磁気抵抗素子１２１の一部を構成する第１ハーフブリッジ回路１２３と、第２磁気抵抗素子１２２の一部を構成する第２ハーフブリッジ回路１２４と、によって構成されている。

第１ハーフブリッジ回路１２３は、２つの抵抗部１２５、１２６（Ｌ１、Ｌ２）が直列接続されて構成されている。そして、各抵抗部１２５、１２６は、突起部２０１の移動に伴って２つの抵抗部１２５、１２６が磁界の影響を受けたときに抵抗値が変化する。したがって、第１ハーフブリッジ回路１２３は、当該抵抗値の変化に基づいて、２つの抵抗部１２５、１２６の中点の電圧Ｇ１を波形信号として出力する。この電圧Ｇ１は、２重系の第１系統の信号の１つである。

第２ハーフブリッジ回路１２４は、２つの抵抗部１２７、１２８（Ｌ３、Ｌ４）が直列接続されている。そして、上記と同様に、第２ハーフブリッジ回路１２４は、各抵抗部１２７、１２８の抵抗値の変化に基づいて、２つの抵抗部１２７、１２８の中点の電圧Ｇ２を波形信号として出力する。この電圧Ｇ２は、２重系の第２系統の信号の１つである。

また、図８に示されるように、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４は、配線パターンのバランスの中心が一致するように、センサチップ１１０の一面１２９に配置されている。なお、センサチップ１１０の一面１２９に配置されている場合とは、センサチップ１１０の一面１２９に直接配置されている場合だけでなく、一面１２９に形成された保護膜等の上に配置された場合も含まれる。

本実施形態では、第２ハーフブリッジ回路１２４の配線パターンは、センサチップ１１０の一面１２９において、第１ハーフブリッジ回路１２３の配線パターンを挟んだレイアウトである。具体的には、第１ハーフブリッジ回路１２３の各抵抗部１２５、１２６が隣り合うようにレイアウトされている。また、各抵抗部１２５、１２６の配線パターンは、例えば四角形の領域の中に形成されていると共に、配線の直線部分が図８の斜線に沿うように線対称に形成されている。これにより、第１ハーフブリッジ回路１２３の配線パターンのバランスの中心は、図８のＰ１となる。

一方、第２ハーフブリッジ回路１２４の各抵抗部１２７、１２８は離れて位置するようにレイアウトされている。そして、抵抗部１２７と抵抗部１２８とに第１ハーフブリッジ回路１２３の各抵抗部１２５、１２６が挟まれている。各抵抗部１２７、１２８の配線パターンは、四角形の領域の中に形成されていると共に、配線の直線部分が図８の斜線に沿うように線対称に形成されている。これにより、第２ハーフブリッジ回路１２４の配線パターンのバランスの中心は、図８のＰ２となる。

つまり、センサチップ１１０の一面１２９の面内における第１ハーフブリッジ回路１２３の配線パターンのバランスの中心が、センサチップ１１０の一面１２９の面内における第２ハーフブリッジ回路１２４の配線パターンのバランスの中心と一致している。ここで、バランスの中心とは、レイアウトの中心、面積の重心、あるいは配線パターンの重心等のように、各抵抗部１２５、１２６や各抵抗部１２７、１２８のバランスが釣り合う位置である。したがって、第２ハーフブリッジ回路１２４のように、各抵抗部１２７、１２８が離れていても、各抵抗部１２７、１２８の位置とバランスの中心位置は関連しない。

上記の構成によると、第１ハーフブリッジ回路１２３の各抵抗部１２５、１２６が受ける磁界方向変化の平均が電圧Ｇ１の変化となる。この電圧Ｇ１の変化は、第１ハーフブリッジ回路１２３の配線パターンのバランスの中心の磁界方向変化を反映した信号となる。同様に、第２ハーフブリッジ回路１２４の各抵抗部１２７、１２８が受ける磁界方向変化の平均が電圧Ｇ２の変化となる。この電圧Ｇ２の変化は、第２ハーフブリッジ回路１２４の配線パターンのバランスの中心の磁界方向変化を反映した信号となる。

そして、第１磁気抵抗素子対は、突起部２０１の移動に伴って磁界の影響を受けたときの各抵抗部１２５、１２６及び各抵抗部１２７、１２８の抵抗値の変化を検出する。また、第１磁気抵抗素子対は、当該抵抗値の変化に基づいて、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の中点の電圧Ｇ１、Ｇ２を波形信号としてそれぞれ出力する。図９に示されるように、第１ハーフブリッジ回路１２３が出力する信号Ｇ１と、第２ハーフブリッジ回路１２４が出力する信号Ｇ２と、が全く同じ波形信号となる。すなわち、２重系の第１系統と第２系統との間に信号Ｇ１、Ｇ２のズレが全くない。

第２磁気抵抗素子対及び第３磁気抵抗素子対も上記と同様に２系統のハーフブリッジ回路１２３、１２４によって構成されている。すなわち、第２磁気抵抗素子対も、第１ハーフブリッジ回路１２３及び第２ハーフブリッジ回路１２４によって構成されている。第３磁気抵抗素子対も同じである。つまり、第１磁気抵抗素子１２１は、３つの素子対を有し、各素子対を構成する３つの第１ハーフブリッジ回路１２３を有している。第２磁気抵抗素子１２２についても同様に、３つの素子対を有し、各素子対を構成する３つの第２ハーフブリッジ回路１２４を有している。なお、図９ではセンサチップ１１０に第１磁気抵抗素子対のみが示されているが、実際には３つの素子対がセンサチップ１１０に設けられている。

また、各磁気抵抗素子１２１、１２２は、第１〜第４オペアンプを備えている。各オペアンプは、磁気抵抗素子１２１、１２２毎に設けられている。

第１磁気抵抗素子１２１について、第１磁気抵抗素子対の第１ハーフブリッジ回路１２３の中点電位をＶ１、第２磁気抵抗素子対の第１ハーフブリッジ回路１２３の中点電位をＶ２、第３磁気抵抗素子対の第１ハーフブリッジ回路１２３の中点電位をＶ３と定義する。

第１オペアンプは、Ｖ１−Ｖ２を演算してその結果をＲ１として出力するように構成された差動増幅器である。また、第２オペアンプは、Ｖ２−Ｖ３を演算してその結果をＲ２として出力するように構成された差動増幅器である。

第３オペアンプは、Ｖ１−Ｖ３を演算してその結果をＳ１として出力するように構成された差動増幅器である。例えば、信号Ｓ１は、シャフト２００の突起部２０１の移動方向中心で振幅が最大となり、突起部２０１から離れた位置で振幅が最小となる波形の信号である。

第４オペアンプは、第１オペアンプからＲ１（＝Ｖ１−Ｖ２）を入力すると共に第２オペアンプからＲ２（＝Ｖ２−Ｖ３）を入力し、Ｒ２−Ｒ１を演算してその結果をＳ２（＝（Ｖ２−Ｖ３）−（Ｖ１−Ｖ２））として出力するように構成された差動増幅器である。このＳ２の信号は、シャフト２００の突起部２０１の凹凸構造に対応した波形の信号である。例えば、信号Ｓ２は、シャフト２００の突起部２０１の凹から凸に切り替わる一方のエッジ部分で振幅が最大となり、凸から凹に切り替わる他方のエッジ部分で振幅が最小となる波形の信号である。この信号Ｓ２は、信号Ｓ１に対して位相差を持った波形の信号である。第１磁気抵抗素子１２１は、信号Ｓ１及び信号Ｓ２を第１検出信号として信号処理部１２０に出力する。

第２磁気抵抗素子１２２についても上記と同様に、信号Ｓ１（＝Ｖ１−Ｖ３）及び信号Ｓ２（＝（Ｖ２−Ｖ３）−（Ｖ１−Ｖ２））をそれぞれ生成及び取得する。第２磁気抵抗素子１２２は、信号Ｓ１及び信号Ｓ２を第２検出信号として信号処理部１２０に出力する。

なお、各オペアンプは信号処理部１２０に設けられていても良い。すなわち、各検出信号は、信号処理部１２０によって取得されるように構成されていても良い。

図６の信号処理部１２０は、検出部１１９から入力される信号を処理する回路部である。信号処理部１２０は、第１処理部１３０、第２処理部１３１、故障判定部１３２、及び出力回路部１３３を備えている。

第１処理部１３０は、第１磁気抵抗素子１２１から第１検出信号を入力し、第１検出信号に基づいて突起部２０１の位置を特定する。第２処理部１３１は、第２磁気抵抗素子１２２から第２検出信号を入力し、第２検出信号に基づいて突起部２０１の位置を特定する。このため、各処理部１３０、１３１は、検出信号に対して閾値を有している。

そして、各処理部１３０、１３１は、検出信号である信号Ｓ１、Ｓ２と閾値とを比較する。各処理部１３０、１３１は、信号Ｓ１、Ｓ２が閾値よりも大きい場合をＨｉと判定し、信号Ｓ１、Ｓ２が閾値よりも小さい場合をＬｏと判定する。また、各処理部１３０、１３１は、信号Ｓ１、Ｓ２のＨｉ／Ｌｏの組み合わせから、各磁気抵抗素子１２１、１２２がシャフト２００のどの範囲を検出したのかを判定する。

具体的には、図１０に示されるように、信号Ｓ１がＬｏ、信号Ｓ２がＨｉの場合、各磁気抵抗素子１２１、１２２はシャフト２００のうち突起部２０１よりも図面左側の範囲を検出したことになる。つまり、各処理部１３０、１３１は、シャフト２００の位置を特定したことになる。当該範囲の位置を特定した場合のシャフト２００の状態を「状態Ａ」とする。

同様に、信号Ｓ１がＨｉの場合、各磁気抵抗素子１２１、１２２はシャフト２００のうち突起部２０１の範囲を検出したことになる。この場合、信号Ｓ２のＨｉ／Ｌｏは問わない。したがって、当該範囲の位置を特定した場合のシャフト２００の状態を「状態Ｂ」とする。

さらに、信号Ｓ１がＬｏ、信号Ｓ２がＬｏの場合、各磁気抵抗素子１２１、１２２はシャフト２００のうち突起部２０１よりも図面右側の範囲を検出したことになる。当該範囲の位置を特定した場合のシャフト２００の状態を「状態Ｃ」とする。このように、各処理部１３０、１３１は、シャフト２００の移動方向に沿った複数の範囲のいずれかの範囲の位置としてシャフト２００の位置を特定する。

ここで、第１磁気抵抗素子１２１及び第１処理部１３０が第１系統を構成する。また、第２磁気抵抗素子１２２及び第２処理部１３１が第２系統を構成する。

なお、各処理部１３０、１３１は、複数の範囲にそれぞれ設定された離散的な値のうち特定した位置の範囲に対応した値の信号を故障判定部１３２に出力しても良い。離散的な値の信号は、例えば、電圧値が異なる電圧信号や、パルス幅が異なるパルス信号である。

故障判定部１３２は、第１処理部１３０によって特定された位置と第２処理部１３１によって特定された位置とが一致するか否かを判定する回路部である。各処理部１３０、１３１によって特定された位置は、上記の状態Ａ〜Ｃの種類である。したがって、故障判定部１３２は、各処理部１３０、１３１で特定された状態が一致するか否かを判定する。故障判定部１３２は、故障判定の結果を出力回路部１３３に出力する。

出力回路部１３３は、故障判定部１３２の判定結果に基づいて、コントローラ３００に出力する信号を制御する回路部である。出力回路部１３３は、故障判定部１３２による判定が一致する場合は当該一致する位置に対応した位置信号を出力端子１１５に出力する。一方、出力回路部１３３は、故障判定部１３２による判定が不一致の場合は故障に対応した故障信号を出力端子１１５に出力する。以上が、本実施形態に係るポジションセンサ１００の構成である。

ここで、比較例として、図１１に示されるように、各系統が別々のセンサチップ１１０に設けられる構成がある。この構成では、一方のセンサチップ１１０に第１系統の第１ハーフブリッジ回路１２３が設けられる。第１ハーフブリッジ回路１２３の配線パターンのバランスの中心は、図１１のＰ１となる。また、他方のセンサチップ１１０に第２系統の第２ハーフブリッジ回路１２４が設けられる。第２ハーフブリッジ回路１２４の配線パターンのバランスの中心は、図１１のＰ２となる。なお、等価回路は図７と同じである。

このように、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンのバランスの中心が一致していない場合、図１２に示されるように、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の電圧Ｇ１、Ｇ２に位相差が生じてしまう。

別の比較例として、図１３に示されるように、１つのセンサチップ１１０に各ハーフブリッジ回路１２３、１２４が設けられる場合もある。しかし、第１ハーフブリッジ回路１２３の各抵抗部１２５、１２６が隣同士にレイアウトされ、第２ハーフブリッジ回路１２４の各抵抗部１２７、１２８が隣同士にレイアウトされているので、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンのバランスの中心が一致しない。したがって、この場合も、図１４に示されるように、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の電圧Ｇ１、Ｇ２に位相差が生じてしまう。

図１１〜図１４に示された比較例では、信号の系統間誤差が発生し、系統間で位置検出誤差が発生する。このため、２重系でありながら、同じ位置を検出できない。

このような比較例に対し、本実施形態では各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンのバランスの中心が互いに一致しているので、各磁気抵抗素子１２１、１２２がシャフト２００から受ける磁界の変化の平均が一致する。このため、各系統で同一の検出信号を生成することができる。したがって、検出部１１９が２重系に構成されていたとしても、検出位置の系統間誤差を無くすことができる。このように、検出信号の系統間誤差は発生せず、系統間で位置検出誤差は発生しないので、２重系の各系統で同じ位置を検出することができる。

変形例として、図１５に示されるように、第１ハーフブリッジ回路１２３の各抵抗部１２５、１２６は、配線の直線部分が図１５の斜線に沿うように同じ向きに形成されていても良い。第２ハーフブリッジ回路１２４の各抵抗部１２７、１２８についても同様である。

変形例として、図１６に示されるように、第１ハーフブリッジ回路１２３は電流源１３４によって動作する構成でも良い。この場合、第１ハーフブリッジ回路１２３の両端電圧Ｇ１が出力される。第２ハーフブリッジ回路１２４についても同様である。

変形例として、図１７に示されるように、第１ハーフブリッジ回路１２３は４つの抵抗部１２５、１２６、１３５、１３６（Ｌ１〜Ｌ４）の直列接続として構成され、第２ハーフブリッジ回路１２４は４つの抵抗部１２７、１２８、１３７、１３８（Ｌ５〜Ｌ８）の直列接続として構成されていても良い。この場合、第１ハーフブリッジ回路１２３は、抵抗部１２６と抵抗部１３５との接続部の電圧Ｇ１を出力する。第２ハーフブリッジ回路１２４は、抵抗部１２８と抵抗部１３７との接続部の電圧Ｇ２を出力する。

この場合、図１８に示されるように、第１ハーフブリッジ回路１２３の各抵抗部１２５、１２６、１３５、１３６は、十字状に配置される。例えば、抵抗部１２５（Ｌ１）の対角位置に抵抗部１２６（Ｌ２）が配置される。同様に、抵抗部１３５（Ｌ３）の対角位置に抵抗部１３６（Ｌ４）が配置される。これにより、抵抗部１２５、１２６の隣に抵抗部１３５、１３６が位置する。また、配線パターンの向きも十字状になっている。そして、４つの抵抗部１２５、１２６、１３５、１３６の配線パターンのバランスの中心は、図１８のＰ１となる。

一方、第２ハーフブリッジ回路１２４の各抵抗部１２７、１２８、１３７、１３８は、上記と同様に十字状に配置されるが、抵抗部１２７及び抵抗部１３８と抵抗部１３７と抵抗部１２８とが離れて位置するようにレイアウトされている。そして、４つの抵抗部１２７、１２８、１３７、１３８の配線パターンのバランスの中心は、図１８のＰ２となり、第１ハーフブリッジ回路１２３の配線パターンのバランスの中心と一致する。このように、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンを多数の分割することで、各抵抗部１２５〜１２８、１３５〜１３８がセンサチップ１１０から受ける応力を緩和あるいはキャンセルすることができる。なお、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４をいくつの抵抗部で構成するかは適宜設計すれば良い。

変形例として、図１９及び図２０に示されるように、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンは不均一に形成されていても良い。このような場合でも、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンのバランスの中心が一致している。配線パターンが不均一の場合、配線パターンの面積重心を一致させるように設計すれば良い。また、図２０に示されるように、一定の領域が設けられるように配線パターンが設計されることで、配線パターンの中にトランジスタ等の素子を配置することが可能になる。

変形例として、図２１に示されるように、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンは線対称に形成されていても良い。例えば、第１ハーフブリッジ回路１２３の各抵抗部１２５、１２６は広い領域に形成され、第２ハーフブリッジ回路１２４の各抵抗部１２７、１２８は狭い領域に形成されている。

変形例として、図２２に示されるように、センサチップ１１０の一面１２９において、第１ハーフブリッジ回路１２３の配線パターンと、第２ハーフブリッジ回路１２４の配線パターンと、が混在して形成されていても良い。このような場合でも、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンのバランスの中心が一致させることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、シャフト２００が特許請求の範囲の「検出対象」に対応する。また、各磁気抵抗素子１２１、１２２が特許請求の範囲の「検出素子」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図２３及び図２４に示されるように、第１ハーフブリッジ回路１２３及び第２ハーフブリッジ回路１２４は、センサチップ１１０の一面１２９に階層状に配置されている。本実施形態では、第１ハーフブリッジ回路１２３の配線パターンがセンサチップ１１０の一面１２９側に位置するように各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンが層状に設けられている。

具体的には、センサチップ１１０の一面１２９に第１ハーフブリッジ回路１２３の各抵抗部１２５、１２６が形成されている。センサチップ１１０の一面１２９には各抵抗部１２５、１２６を覆うように層間絶縁膜１３９が形成されている。また、層間絶縁膜１３９の上には、第２ハーフブリッジ回路１２４の各抵抗部１２７、１２８が形成されている。さらに、層間絶縁膜１３９の上には各抵抗部１２７、１２８を覆う保護膜１４０が形成されている。

そして、抵抗部１２５の上に抵抗部１２７が位置し、抵抗部１２６の上に抵抗部１２８が位置している。このように、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンが２層構造に形成されていたとしても、各ハーフブリッジ回路１２３、１２４の配線パターンのバランスの中心はセンサチップ１１０の一面１２９の面内で一致している。したがって、第１実施形態と同様の効果が得られる。

変形例として、第２ハーフブリッジ回路１２４の配線パターンがセンサチップ１１０の一面１２９側に位置するように、配線パターンが層状に設けられていても良い。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。ホール素子を用いた磁気検出方式を採用した場合、図２５の平面模式図及び図２６の断面模式図に示されるように、モールドＩＣ部１０５は、保持部１０７に差し込まれて固定される。また、モールドＩＣ部１０５は、リードフレーム１０８、ＩＣチップ１４１、磁石１４２、及びモールド樹脂部１１１を有している。

リードフレーム１０８のアイランド部１１２は、平面部が検出対象の移動方向に対して平行になるように配置されている。一方、各リード１１３〜１１５は、検出対象の移動方向に対して垂直になるように配置されている。グランド用のリード１１４がアイランド部１１２に直角に一体化されている。各リード１１３〜１１５の先端にはターミナル１１６がそれぞれ接続されている。

ＩＣチップ１４１は、複数のホール素子と信号処理回路部とが形成されている。つまり、ホール素子を用いた磁気検出方式では１チップ構成になっている。磁石１４２は、アイランド部１１２のうちＩＣチップ１４１とは反対側の面に固定されている。各リード１１３〜１１５とＩＣチップ１４１とは、ワイヤ１４３を介して電気的に接続されている。モールド樹脂部１１１は、保持部１０７の中空部に固定される形状に成形されている。

ホール素子を用いた磁気検出方式による検出信号について説明する。図２７に示されるように、例えば２つのホール素子（Ｘ、Ｙ）が磁石１４２の上方に配置されている場合、保持部１０７に対して突起部２０１が移動すると、各ホール素子（Ｘ、Ｙ）の位置に対応して各検出信号が最大となる。ギャップと検出信号の振幅との関係は磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式と同じである。各検出信号に対して閾値を設定することで突起部２０１の位置を検出することができる。

検出素子としてホール素子を採用した場合、図２８に示されるように、３つのホール素子１４４〜１４６（Ｈ１〜Ｈ３）で２重系を構成することができる。ホール素子１４４が第１系統の信号を出力する。また、ホール素子１４４は、例えば四角形の領域の中に形成されている。これにより、ホール素子１４４のバランスの中心は、図２８のＰ１となる。ホール素子１４４の出力ｈ１を第１系統の信号Ｇ３とする。

一方、ホール素子１４５、１４６が第２系統の信号を出力する。各ホール素子１４５、１４６は離れて位置するようにレイアウトされている。そして、各ホール素子１４５、１４６に第１系統のホール素子１４４が挟まれている。各ホール素子１４５、１４６は、四角形の領域の中に形成されている。これにより、各ホール素子１４５、１４６のバランスの中心は、図２８のＰ２となる。ホール素子１４５の出力ｈ２とホール素子１４６の出力ｈ３との和（ｈ２＋ｈ３）を第２系統の信号Ｇ４とする。

上記の構成によると、第１実施形態と同様に、図２９に示されるように、第１系統の信号Ｇ３と第２系統の信号Ｇ４とが全く同じ波形信号となる。このように、ホール素子１４４〜１４６を用いても、２重系の第１系統と第２系統との間に信号Ｇ３、Ｇ４のズレが全くない。

そして、図２８に示されたホール素子１４４〜１４６を１つの検出素子とすると、図３０に示されるように、３つの検出素子１４７〜１４９がそれぞれ２重系を構成している。この場合、検出素子１４７の出力をＶ４、検出素子１４８の出力をＶ５、検出素子１４９の出力をＶ６とすると、検出部１１９は、信号Ｓ３（＝Ｖ５）と、信号Ｓ４（＝Ｖ４−Ｖ６）と、を生成し、検出信号として信号処理部１２０に出力する。２重系であるので、検出部１１９は、第１系統の信号Ｓ３、Ｓ４を第１検出信号とし、第２系統の信号Ｓ３、Ｓ４を第２検出信号として信号処理部１２０に出力する。図３０では１つの系統を示している。そして、第１実施形態の図１０の場合と同様に、状態判定が行われる。

変形例として、図３１に示されるように、４つのホール素子１４４〜１４６、１５０（Ｈ１〜Ｈ４）で２重系が構成されても良い。この場合の各ホール素子１４４〜１４６、１５０の配置は図８と同じである。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第１系統を構成するホール素子１４４、１５０が特許請求の範囲の「第１検出素子」に対応し、第２系統を構成するホール素子１４５、１４６が特許請求の範囲の「第２検出素子」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示されたポジションセンサ１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、ポジションセンサ１００の用途は車両用に限られず、可動部品の位置を検出するものとして産業用ロボットや製造設備等にも広く利用できる。

１１０ センサチップ
１１９ 検出部
１２１、１２２ 磁気抵抗素子
１２３、１２４ ハーフブリッジ回路
１２９ 一面
１４４〜１４６、１５０ ホール素子

Claims (3)

1. 一面（１２９）を有するセンサチップ（１１０）と、前記センサチップに設けられた第１検出素子（１２１、１４４、１５０）と、前記センサチップに設けられた第２検出素子（１２２、１４５、１４６）と、を有する検出部（１１９）と、
   前記検出部から入力される信号を処理する信号処理部（１２０）と、
   を備え、
   前記第１検出素子は、第１ハーフブリッジ回路（１２３）を構成し、検出対象（２００）から受ける磁界の変化に基づいて、前記検出対象の位置に対応した第１検出信号を出力し、
   前記第２検出素子は、第２ハーフブリッジ回路（１２４）を構成し、前記検出対象から受ける磁界の変化に基づいて、前記検出対象の位置に対応した第２検出信号を出力し、
   さらに、前記一面の面内における前記第１検出素子のバランスの中心が、前記一面の面内における前記第２検出素子のバランスの中心と一致しており、
   前記一面において、前記第１ハーフブリッジ回路の配線パターンと、前記第２ハーフブリッジ回路の配線パターンと、が同一領域内に混在して形成されているポジションセンサ。
2. 一面（１２９）を有するセンサチップ（１１０）と、前記センサチップに設けられた第１検出素子（１２１、１４４、１５０）と、前記センサチップに設けられた第２検出素子（１２２、１４５、１４６）と、を有する検出部（１１９）と、
   前記検出部から入力される信号を処理する信号処理部（１２０）と、
   を備え、
   前記第１検出素子は、第１ハーフブリッジ回路（１２３）を構成し、検出対象（２００）から受ける磁界の変化に基づいて、前記検出対象の位置に対応した第１検出信号を出力し、
   前記第２検出素子は、第２ハーフブリッジ回路（１２４）を構成し、前記検出対象から受ける磁界の変化に基づいて、前記検出対象の位置に対応した第２検出信号を出力し、
   さらに、前記一面の面内における前記第１検出素子のバランスの中心が、前記一面の面内における前記第２検出素子のバランスの中心と一致しており、
   前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路は、前記センサチップの前記一面の垂直方向に階層状に配置され、前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路のうちのいずれか一方の配線パターンが前記センサチップの前記一面側に位置するように前記各ハーフブリッジ回路の配線パターンが層状に設けられているポジションセンサ。
3. 前記検出対象は、車両のシフトポジションの動作に連動して移動する可動部品である請求項１または２に記載のポジションセンサ。

Images