JP7279660B2 - ポジションセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ポジションセンサに関する。

従来より、電源投入時に比較器の閾値を第１閾値と第２閾値とのいずれか一方に設定するように構成されたヒステリシス付きコンパレータが、例えば特許文献１で提案されている。

特開２０１９－９５２５号公報

ところで、閾値を用いた判定を利用して、検出ターゲットの位置を特定するポジションセンサが知られている。ポジションセンサは、検出ターゲットの移動方向において、検出ターゲットが複数の範囲に分割されていると共に、複数の範囲のいずれかの範囲の位置として検出ターゲットの位置を特定する。

具体的に、検出ターゲットは、磁性体で構成されると共に、複数の範囲に対応する複数の領域部を有する。また、複数の領域部は、検出ターゲットのうち検出部が対向する検出面の面内で検出ターゲットの移動方向に階段状に接続されている。また、ポジションセンサは、磁界の変化を検出する磁電変換素子と、磁電変換素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁石と、を備える。

上記の構成において、検出ターゲットが移動方向に移動すると、各領域部と検出部との相対的な距離が変化する。これにより、検出部が各領域部から受ける磁界が変化する。検出部は、磁界の変化を検出信号として検出する。そして、検出信号と閾値との比較によって各領域部に対応したＨｉ／Ｌｏが判定されることで、検出ターゲットのポジション判定が行われる。ポジション判定により、検出部がどの領域部に位置するのかが特定される。

しかしながら、検出ターゲットが何らかの理由によって欠落する可能性がある。この場合、検出部が検出ターゲットから磁界の影響を受けなくなるので、検出信号が閾値付近の値に収束してしまう。その結果、Ｈｉ／Ｌｏを判定することができず、検出ターゲットのポジション判定を一意的に行うことができなくなってしまう。

本発明は上記点に鑑み、検出ターゲットが欠落した場合でもポジション判定を行う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に記載の発明では、ポジションセンサは、検出部（１０１、１０２、１０３）と信号処理部（１０４、１０５、１０６、１０７）とを含む。

検出部は、バイアス磁界を発生させるバイアス磁石（１０１）と、バイアス磁界が印加される磁電変換素子（１０２）と、を有する。検出部は、磁性体で構成されると共に移動方向に沿って一方向に並んだ複数の範囲に対応する複数の領域部（２０１～２０３）を有する検出ターゲット（２００）の移動に伴って磁電変換素子が検出ターゲットから受ける磁界の変化に基づいて、検出ターゲットの位置に対応した波形のメイン信号と、検出ターゲットの位置に対応すると共にメイン信号とは異なる波形のサブ信号と、をそれぞれ生成する。

信号処理部は、メイン信号に対応したメイン閾値と、サブ信号に対応したサブ閾値と、を有する。信号処理部は、メイン信号とメイン閾値とを比較すると共にサブ信号とサブ閾値とを比較する。信号処理部は、メイン信号とメイン閾値との大小関係及びサブ信号とサブ閾値との大小関係の組み合わせに基づいて、複数の領域部のいずれかの範囲における位置として検出ターゲットの位置を特定する。

複数の領域部は、検出ターゲットのうち検出部が対向する検出面（２０５）に平行な面で検出ターゲットの移動方向に階段状に接続される。

サブ閾値は、磁電変換素子が検出ターゲットから磁界の影響を受けない状態でメイン信号が収束する値に設定される。メイン閾値は、磁電変換素子が検出ターゲットから磁界の影響を受けない状態でサブ信号が収束する値と、サブ閾値と、の間に設定されることでサブ閾値と異なる値である。

これによると、磁電変換素子が検出ターゲットから磁界の影響を受けない状態になると、メイン信号はメイン信号が収束する値とは異なる値に設定されたメイン閾値との比較によってＨｉ／Ｌｏが判定される。また、サブ信号はサブ信号が収束する値とは異なる値に設定されたサブ閾値との比較によってＨｉ／Ｌｏが判定される。このため、磁電変換素子が検出ターゲットから磁界の影響を受けない状態になったとしてもメイン信号とサブ信号のＨｉ／Ｌｏの組み合わせが一意的に決まる。したがって、検出ターゲットが欠落した場合でもポジション判定を行うことができる。

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。

一実施形態に係るポジションセンサの構成図である。 ポジションセンサと検出ターゲットとの位置関係及びポジション判定を示した図である。 比較例として、ポジションセンサと検出ターゲットとの位置関係及びポジション判定を示した図である。

以下、一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、検出ターゲットの位置がどの範囲（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。

ポジションセンサは、検出ターゲットとして、車両のシフトポジションの動作に連動する可動部品の位置を検出する。具体的には、ポジションセンサは、シャフトの位置に応じた信号を検出することで、シャフトの状態を取得する。

シャフトの状態とは、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の位置を意味する。例えば、シャフトは、シフトポジションのパーキングに連動して移動する。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、シャフトが軸方向に移動する。これにより、シャフトは、パーキングの状態を反映する。ポジションセンサはシャフトのうちパーキングに対応した位置を検出する。

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、ポジションセンサは、シャフトのうちパーキングに対応した位置以外の位置を検出する。もちろん、シャフト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、シャフトは、ポジションセンサ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。

図１及び図２に示されるように、ポジションセンサ１００は、バイアス磁石１０１、磁電変換素子１０２、信号増幅部１０３、比較部１０４、フィルタ部１０５、状態判定部１０６、及び出力部１０７を備える。

ポジションセンサ１００は、磁電変換素子１０２を用いた磁気検出方式を採用する。磁電変換素子１０２は１つのチップとして構成される。信号増幅部１０３、比較部１０４、フィルタ部１０５、状態判定部１０６、及び出力部１０７は１つの半導体チップとして構成される。これらのチップは、リードフレーム１０８に実装され、リード部分が露出するようにモールド樹脂によってモールドされることで、モールドＩＣ部１０９として構成される。モールドＩＣ部１０９及びバイアス磁石１０１は、図示しないケースに収容される。

バイアス磁石１０１は、バイアス磁界を発生させる部品である。また、バイアス磁石１０１は、中空部１１０を有する扁平筒状である。扁平筒状とは、外周形状が矩形状に形成されると共に、中央部には同じく矩形状の貫通孔が形成された形状を指す。扁平筒状は、扁平角筒状とも言える。バイアス磁石１０１の中空部１１０にはモールドＩＣ部１０９の一部が差し込まれる。これにより、磁電変換素子１０２がバイアス磁石１０１の中空部１１０に収容される。

磁電変換素子１０２は、バイアス磁石１０１からバイアス磁界が印加されると共に、検出ターゲット２００の移動に伴って検出ターゲット２００から受ける磁界の変化に基づいて抵抗値が変化する素子である。磁電変換素子１０２は、例えば５つの磁気抵抗素子対で構成される。磁気抵抗素子対は、２つの磁気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。したがって、磁電変換素子１０２は５つの中点信号を出力する。

磁電変換素子は、例えばＡＭＲ素子（Anisotropic Magneto Resistance；ＡＭＲ）である。磁電変換素子１０２は、ＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance；ＧＭＲ）やＴＭＲ素子（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）でも良い。

ここで、検出ターゲット２００は、移動方向に沿って一方向に並んだ複数の範囲に対応する３つの領域部２０１～２０３を有する。各領域部２０１～２０３は、四角形状の板部材２０４によって構成されている。また、各領域部２０１～２０３は、検出ターゲット２００のうちポジションセンサ１００が対向する検出面２０５に平行な面で検出ターゲット２００の移動方向に階段状に接続されて構成されている。バイアス磁石１０１は、検出面２０５に対して検出ギャップを持って配置される。

「階段状に接続される」とは、各領域部２０１～２０３における一方と他方とが検出面２０５の面内において移動方向に対して垂直方向にずれて接続されることである。これにより、各領域部２０１～２０３において移動方向に沿った両端部すなわち２本の長辺部は、階段状の形状を構成している。

図２に示されるように、検出ターゲット２００において、移動方向における一方の端部を第１端部２０６とし、他方の端部を第２端部２０７とする。領域部２０１と領域部２０２との接続部分において第１端部２０６側の端部を第１エッジ２０８とする。領域部２０２と領域部２０３との接続部分において第２端部２０７側の端部を第２エッジ２０９とする。

検出ターゲット２００は、磁性体によって構成された板部材がプレス加工等によって形成される。各領域部２０１～２０３は、移動方向の長さが同一でも良いし、異なっていても良い。また、各領域部２０１～２０３は、検出面２０５の面内での移動方向に垂直な方向の長さが同一でも良いし、異なっていても良い。なお、検出ターゲット２００は、シャフト等の部品に固定される。また、検出ターゲット２００は、両端の領域部２０１、２０３がシャフトに固定されても良い。

信号増幅部１０３は、磁電変換素子１０２から入力する３つの中点信号に基づいてメイン信号及びサブ信号を生成する。このため、信号増幅部１０３は、複数の差動増幅器を有する。磁電変換素子１０２から入力される３つの中点信号をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｌ、Ｒとすると、各差動増幅器は、例えば２Ｂ－Ａ－Ｃをメイン信号として生成すると共に、例えばＬ－Ｒをサブ信号として生成する。メイン信号は、検出ターゲット２００の位置に対応した波形の信号である。サブ信号は、検出ターゲット２００の位置に対応すると共にメイン信号とは異なる波形の信号である。

比較部１０４は、メイン信号を２値化すると共に、サブ信号と２値化閾値とを比較してサブ信号を２値化する。このため、比較部１０４は、メイン信号に対応したメインコンパレータ１１１及びメイン閾値と、サブ信号に対応したサブコンパレータ１１２及びサブ閾値と、を有する。メイン閾値及びサブ閾値はメモリに記憶されている。

ここで、図２に示されるように、サブ閾値は、磁電変換素子１０２が検出ターゲット２００から磁界の影響を受けない状態でメイン信号が収束する値に設定される。これに対し、メイン閾値は、磁電変換素子１０２が検出ターゲット２００から磁界の影響を受けない状態でサブ信号が収束する値と、サブ閾値と、の間に設定される。したがって、メイン閾値とサブ閾値とは異なる値である。

メインコンパレータ１１１は、メイン信号とメイン閾値とを比較し、検出ターゲット２００の位置に応じたＨｉ／Ｌｏの信号を取得する。サブコンパレータ１１２は、サブ信号とサブ閾値とを比較し、検出ターゲット２００の位置に応じたＨｉ／Ｌｏの信号を取得する。

フィルタ部１０５は、メインフィルタ１１３及びメインフィルタ１１４を有する。メインフィルタ１１３は、メインコンパレータ１１１からＨｉ／Ｌｏの信号を入力してノイズ成分を除去する。メインフィルタ１１４は、サブコンパレータ１１２からＨｉ／Ｌｏの信号を入力してノイズ成分を除去する。

状態判定部１０６は、メイン信号及びサブ信号に基づいて検出ターゲットのポジション判定を行う。具体的には、状態判定部１０６は、メイン信号とメイン閾値との大小関係及びサブ信号とサブ閾値との大小関係の組み合わせに基づいて、複数の領域部２０１～２０３のいずれかの範囲における位置として検出ターゲット２００の位置を特定する。状態判定部１０６は、ポジション判定の結果を出力部１０７に出力する。

出力部１０７は、状態判定部１０６のポジション判定に対応した出力信号を生成し、外部装置に出力信号を出力する。出力部１０７は、例えば出力信号としてＰＷＭ信号を生成及び出力する。

次に、検出ターゲット２００のポジション判定について説明する。図２に示されるように、モールドＩＣ部１０９に対して検出ターゲット２００が移動方向に沿って移動すると、メイン信号及びサブ信号は各領域部２０１～２０３に対応した波形となる。

そして、検出ターゲット２００が正常に移動する場合、以下のようにポジション判定される。まず、検出ターゲット２００の第１端部２０６から第１エッジ２０８までは、メイン信号とメイン閾値との比較結果がＬｏとなり、サブ信号とサブ閾値との比較結果がＬｏとなる。この場合のポジション判定は「Ｐ」となる。

検出ターゲット２００の第１エッジ２０８から第２エッジ２０９までは、メイン信号とメイン閾値との比較結果が位置によって変化するが、サブ信号とサブ閾値との比較結果はＨｉとなる。つまり、この区間では、メイン信号とメイン閾値との比較結果は一意的に定まらない。この場合のポジション判定は「中間」となる。

検出ターゲット２００の第２エッジ２０９から第２端部２０７までは、メイン信号とメイン閾値との比較結果がＨｉとなり、サブ信号とサブ閾値との比較結果はＬｏとなる。この場合のポジション判定は「ＮｏｔＰ」となる。

続いて、検出ターゲット２００に異常が発生した場合、磁電変換素子１０２は検出ターゲット２００から磁界の変化を受けなくなる。これは、検出ターゲット２００の検出面２０５とバイアス磁石１０１とが対向配置されない状態である。これにより、メイン信号及びサブ信号は一定値に収束する。

この場合、メイン信号はメイン信号が収束する値とは異なる値に設定されたメイン閾値との比較によってＨｉ／Ｌｏが判定される。また、サブ信号はサブ信号が収束する値とは異なる値に設定されたサブ閾値との比較によってＨｉ／Ｌｏが判定される。

すなわち、メイン信号とメイン閾値との比較結果がＨｉとなり、サブ信号とサブ閾値との比較結果はＬｏとなる。この場合のポジション判定は「ＮｏｔＰ」となる。すなわち、検出ターゲット２００に異常が発生したとしても、「ＮｏｔＰ」という一意的なポジション判定が確定する。

上記のポジション判定に対する比較例として、メイン閾値とサブ閾値とが同じ値の場合について説明する。メイン閾値及びサブ閾値は、磁電変換素子１０２が検出ターゲット２００から磁界の影響を受けない状態でメイン信号が収束する値に設定される。

図３に示されるように、第１端部２０６から第２端部２０７までの各領域部２０１～２０３についてのポジション判定は図２の場合と同じである。しかし、検出ターゲット２００に異常が発生した場合、メイン信号はメイン閾値に収束する。このため、メイン信号とメイン閾値との比較結果は一意的に定まらないので、ＨｉまたはＬｏのいずれか一方となる。サブ信号とサブ閾値との比較結果はＬｏとなる。

したがって、検出ターゲット２００に異常が発生した場合、比較結果はＨｉ／ＬｏとＬｏとの組み合わせになる。Ｈｉ及びＬｏの場合のポジション判定は「Ｐ」となるが、Ｌｏ及びＬｏの場合のポジション判定は「ＮｏｔＰ」となり、一意的なポジション判定が得られない。ポジション判定が「Ｐ」となった場合には領域部２０１の位置であると誤判定される可能性があり、ポジション判定が「中間」となった場合には領域部２０２の位置であると誤判定される可能性がある。

以上説明したように、磁電変換素子１０２が検出ターゲット２００から磁界の影響を受けない状態になったとしても、メイン閾値とサブ閾値とが異なる値に設定されているので、メイン信号とサブ信号のＨｉ／Ｌｏの組み合わせが一意的に決まる。したがって、検出ターゲット２００が欠落した場合でもその状態についてポジション判定を行うことができる。

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、バイアス磁石１０１、磁電変換素子１０２、及び信号増幅部１０３が特許請求の範囲の「検出部」に対応する。また、比較部１０４、フィルタ部１０５、状態判定部１０６、及び出力部１０７が特許請求の範囲の「信号処理部」に対応する。

変形例として、検出ターゲット２００は図２及び図３に示されたものに限られず、各領域部２０１～２０３が直方体状のブロック材によって構成されたものや、板部材の一部が打ち抜かれた空間部として構成されたものでも良い。あるいは、各領域部２０１～２０３は、回転軸の側面に固定された回転板に設けられたものや、扇形状の回転板の一部が打ち抜かれたものでも良い。

変形例として、メイン信号及びサブ信号は５つの素子から生成される場合に限られず、３つの素子から生成されても良いし、４つの素子から生成されても良い。信号増幅部１０３は、メイン信号及びサブ信号を生成できる構成であれば良い。

（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。

１０１ バイアス磁石
１０２ 磁電変換素子
１０３ 信号増幅部
１０４ 比較部
１０５ フィルタ部
１０６ 状態判定部
１０７ 出力部
２００ 検出ターゲット
２０１～２０３ 領域部
２０５ 検出面

Claims (1)

1. バイアス磁界を発生させるバイアス磁石（１０１）と、前記バイアス磁界が印加される磁電変換素子（１０２）と、を有し、磁性体で構成されると共に移動方向に沿って一方向に並んだ複数の範囲に対応する複数の領域部（２０１～２０３）を有する検出ターゲット（２００）の移動に伴って前記磁電変換素子が前記検出ターゲットから受ける磁界の変化に基づいて、前記検出ターゲットの位置に対応した波形のメイン信号と、前記検出ターゲットの位置に対応すると共に前記メイン信号とは異なる波形のサブ信号と、をそれぞれ生成する検出部（１０１、１０２、１０３）と、
   前記メイン信号に対応したメイン閾値と、前記サブ信号に対応したサブ閾値と、を有し、
   前記メイン信号と前記メイン閾値とを比較すると共に前記サブ信号と前記サブ閾値とを比較し、前記メイン信号と前記メイン閾値との大小関係及び前記サブ信号と前記サブ閾値との大小関係の組み合わせに基づいて、前記複数の領域部のいずれかの範囲における位置として前記検出ターゲットの位置を特定する信号処理部（１０４、１０５、１０６、１０７）と、
   を含み、
   前記複数の領域部は、前記検出ターゲットのうち前記検出部が対向する検出面（２０５）に平行な面で前記検出ターゲットの移動方向に階段状に接続され、
   前記サブ閾値は、前記磁電変換素子が前記検出ターゲットから前記磁界の影響を受けない状態で前記メイン信号が収束する値に設定され、
   前記メイン閾値は、前記磁電変換素子が前記検出ターゲットから前記磁界の影響を受けない状態で前記サブ信号が収束する値と、前記サブ閾値と、の間に設定されることで前記サブ閾値と異なる値であるポジションセンサ。

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