JP7422051B2 - 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、磁性体で構成された検出体の位置を検出するポジションセンサが、例えば特許文献１で提案されている。検出体は、山部と谷部とが移動方向に設けられている。

ポジションセンサは、山部及び谷部から受ける磁界の変化を検出する検出部を有する。ポジションセンサは、検出部によって取得した検出信号と閾値との比較によってＨｉ／Ｌｏを判定することで、山部の位置と谷部の位置とを特定する。

特開２０１９－２７７８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、谷部の検出時は、検出部の内部の磁石が谷部から影響を受けない、あるいは影響を受けにくい状態になっている。このため、検出部が谷部を検出した場合の検出信号と、検出体が欠落した場合の検出信号と、に差が生じない、あるいは差がわずかになってしまう。よって、検出体の欠落を検出できない可能性がある。

本発明は上記点に鑑み、検出体の欠落を判定する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）及び信号処理部（１０２）を含む。

検出部は、バイアス磁界を発生させる磁石（１０４）と、バイアス磁界が印加される検出素子（１０７）と、を有する。検出部は、磁性体で構成された検出体（２００）の移動に伴って検出素子が検出体から常に受ける磁界の変化に基づいて、検出体の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検出信号を生成する。

信号処理部は、検出部から検出信号を取得し、検出信号と閾値とを比較し、検出信号と閾値との大小関係の組み合わせに基づいて、複数の範囲のいずれかの範囲の位置として検出体の位置を特定する。

検出体は、複数の範囲に対応する複数の領域部（２０１～２０３）を有する。複数の領域部は、検出体のうち検出部が対向する検出面（２０５）の面内で検出体の移動方向に階段状に接続されて構成されている。

信号処理部は、検出体が欠落した場合、検出体から磁界の影響を全く受けないことによる検出信号を取得することにより、検出体の欠落を判定する。

これによると、検出素子は、検出体の各領域部から受ける磁界の影響に基づく検出信号とは異なる検出信号を取得することができる。よって、検出体の欠落時の検出信号に基づいて検出体の欠落を判定することができる。

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。

第１実施形態に係るポジションセンサの分解斜視図である。 第１実施形態に係るポジションセンサの構成図である。 検出体及びポジションセンサを示した図である。 検出体とポジションセンサとの位置関係に基づく検出信号を示した図である。 比較例に係る検出体及びポジションセンサを示した図である。 比較例において、検出体とポジションセンサとの位置関係に基づく検出信号を示した図である。 第２実施形態に係るシフトレンジ切替システムを示す斜視図である。 第３実施形態に係る故障が発生した場合の出力の状態を示した図である。

（第１実施形態）
以下、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、検出体の位置がどの範囲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、検出体として、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。ポジションセンサは、磁気検出方式を採用する。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、図２、及び図３に示されるように、ポジションセンサ１００は、検出部１０１及び信号処理部１０２を備える。また、ポジションセンサ１００は、モールドＩＣ部１０３、磁石１０４、及び保持部１０５を備える。これらは、ケース１０６に収容される。

検出部１０１は、磁性体で構成された検出体２００の移動に伴って、検出体２００から常に受ける磁界の変化に基づいて、検出体２００の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検出信号を生成する。検出体２００の移動方向に沿った複数の範囲は、複数の範囲が検出体２００の移動方向に沿って並列に配置されているのではなく、複数の範囲が検出体２００の移動方向に沿って一方向に直列に並んでいる。

ここで、検出体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、検出体２００のうち検出部１０１が対向する検出面２０５の面内で検出体２００の移動方向に階段状に接続されて構成されている。磁石１０４は、検出面２０５に対して一定距離の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３に示されるように、検出体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との接続部分を第２エッジ２０９とする。また、領域部２０１の位置をＡ、領域部２０２の位置をＢ、領域部２０３の位置をＣとする。

検出体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、検出体２００は、シャフト等の部品に固定される。また、検出体２００は、両端の領域部２０１、２０３がシャフトに固定されても良い。

検出部１０１は、検出素子１０７を有する。検出素子１０７は、磁石１０４からバイアス磁界が印加されると共に、検出体２００の移動に伴って検出体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。検出素子１０７は、例えば複数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。

磁気抵抗素子は、例えばＡＭＲ素子（Anisotropic Magneto Resistance；ＡＭＲ）である。検出素子１０７は、ＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance；ＧＭＲ）やＴＭＲ素子（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）でも良い。

検出素子１０７は１つのチップとして構成される。信号処理部１０２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１０３として構成される。モールドＩＣ部１０３及び磁石１０４は、ケース１０６に収容される。

磁石１０４は、バイアス磁界を発生させると共に、検出部１０１の一部を構成する部品である。磁石１０４は、中空部１０９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。磁石１０４の中空部１０９にはモールドＩＣ部１０３の一部が差し込まれる。これにより、検出素子１０７が磁石１０４の中空部１０９に収容される。磁石１０４は、有底筒状の保持部１０５に差し込まれる。

信号処理部１０２は、検出部１０１の検出素子１０７から検出信号を取得し、検出信号と閾値とを比較し、検出信号と閾値との大小関係の組み合わせに基づいて、複数の範囲のいずれかの範囲の位置として検出体２００の位置を特定する。また、信号処理部１０２は、検出体２００が欠落した場合、検出体２００から磁界の影響を全く受けないことによる検出信号を取得することにより、検出体２００の欠落を判定する。

信号処理部１０２は、検出信号に対して各範囲に対応した閾値と、検出体２００の欠落に対応した検出信号を判定するための閾値と、を有する。信号処理部１０２は、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。

次に、検出体２００のポジション判定について説明する。図３及び図４に示されるように、検出部１０１に対して検出体２００が移動方向に沿って移動すると、検出信号は各領域部２０１～２０３に対応した波形となる。

検出体２００の各領域部２０１～２０３は、検出面２０５において移動方向に対してずれた位置に配置されている。このため、検出部１０１が各領域部２０１～２０３から受ける磁界の影響は領域部２０１～２０３毎に異なる。よって、検出信号は領域部２０１～２０３毎に異なる。

そして、検出体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、検出体２００の第１端部２０６から第１エッジ２０８までは、検出信号は最も高い値となる。この場合のポジション判定は「Ａ」となる。

検出体２００の第１エッジ２０８から第２エッジ２０９までは、検出信号は位置Ａよりも低い値となる。この場合のポジション判定は「Ｂ」となる。

検出体２００の第２エッジ２０９から第２端部２０７までは、検出信号は位置Ａ及び位置Ｂに対して最も低い値となる。この場合のポジション判定は「Ｃ」となる。

続いて、検出体２００が何らかの理由で欠落した場合、検出素子１０７は検出体２００から磁界の変化を全く受けなくなる。これは、検出体２００の検出面２０５と磁石１０４とが対向配置されない状態である。これにより、検出信号は、検出部１０１が各領域部２０１～２０３から磁界の影響を受けたときの値とは異なる値に収束する。つまり、検出信号は、磁界の影響を受けない値に収束する。

したがって、検出体２００が欠落した場合、信号処理部１０２は、位置Ｃに対応した領域部２０３の検出信号と検出体２００が欠落した状態の検出信号との差が明らかになるので、欠落の識別が可能になる。図示しないが、信号処理部１０２は、位置Ａに対応した領域部２０１の検出信号と欠落状態の検出信号との差も明らかになるので、欠落の識別が可能になる。

よって、検出体２００に欠落が発生した場合、信号処理部１０２はポジション判定として「欠落」を特定することができる。また、外部装置は、検出体２００に異常が発生していることを把握することができる。

上記のポジション判定に対する比較例として、図５に示されるように、比較対象の検出体２５０は２つの谷部２５１、２５２が山部２５３を挟む形状になっている。一方の谷部２５１の位置をＤ、山部２５３の位置をＥ、他方の谷部２５２の位置をＦとする。

図５及び図６に示されるように、検出部１０１が他方の山部２５３に対向配置されると、検出ギャップが小さくなる。よって、検出信号は大きい値となる。この場合のポジション判定は「Ｅ」となる。

これに対し、検出部１０１が谷部２５１、２５２に対向配置されると、検出ギャップが大きくなる。よって、検出部１０１が谷部２５１、２５２からの磁界の影響を受けなくなるので、検出信号は磁界の影響を受けない値に収束する。この場合のポジション判定は「Ｄ」または「Ｆ」となる。

一方、検出体２００が欠落した場合、検出部１０１と検出体２５０との検出ギャップが大きくなる。つまり、検出部１０１が検出体２５０の山部２５３及び谷部２５１、２５２からの磁界の影響を全く受けなくなる。すなわち、検出部１０１が谷部２５１、２５２に対向配置された状態と同じである。このため、検出信号は磁界の影響を受けない値に収束する。

したがって、検出体２００が欠落したにもかかわらず、ポジション判定は「Ｄ」または「Ｆ」になってしまう。検出体２００の欠落時のポジション判定が「Ｄ」または「Ｆ」となった場合には谷部２５１、２５２の位置であると誤判定される可能性がある。よって、外部装置は、異常状態が発生しているのか否かを把握することはできない。

以上説明したように、検出体２００が欠落することで検出素子１０７が検出体２００から磁界の影響を受けない状態になったとしても、検出体２００から受ける磁界の影響に基づく検出信号とは異なる検出信号を取得することができる。よって、検出体２００の欠落時の検出信号に基づいて検出体２００の欠落を判定することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図７に示されるように、検出体２００は、車両のシフトレンジを切り替えるシフトレンジ切替システム３００に設けられる。シフトレンジ切替システム３００は、モータ３１０、シフトレンジ切替機構３２０、及びパーキングロック機構３３０を備える。

モータ３１０は、図示しない車両に搭載されるバッテリから電力が供給されることで回転する。モータ３１０は、シフトレンジ切替機構３２０の駆動源である。モータ３１０は、スイッチトリラクタンスモータである。モータ３１０は、ＤＣモータ等、どのような種類のものを用いても良い。

モータ３１０のモータ軸と出力軸３１１との間には図示しない減速機が設けられている。減速機は、モータ３１０の回転を減速して出力軸３１１に出力する。これにより、モータ３１０の回転がシフトレンジ切替機構３２０に伝達される。

シフトレンジ切替機構３２０は、ディテントプレート３２１や、付勢部材としてのディテントスプリング３２２等を有する。シフトレンジ切替機構３２０は、減速機から出力された回転駆動力を、マニュアルバルブ３２３及びパーキングロック機構３３０へ伝達する。

ディテントプレート３２１は、出力軸３１１に固定され、モータ３１０により駆動される可動部品である。ディテントプレート３２１がディテントスプリング３２２の基部から離れる方向を正回転方向、基部に近づく方向を逆回転方向とする。

ディテントプレート３２１には、出力軸３１１と平行に突出するピン３２４が設けられる。ピン３２４は、マニュアルバルブ３２３と接続される。ディテントプレート３２１がモータ３１０によって駆動されることで、マニュアルバルブ３２３は軸方向に往復移動する。すなわち、シフトレンジ切替機構３２０は、モータ３１０の回転運動を直線運動に変換してマニュアルバルブ３２３に伝達する。

マニュアルバルブ３２３は、バルブボディ３２５に設けられる。マニュアルバルブ３２３が軸方向に往復移動することで、図示しない油圧クラッチへの油圧供給路が切り替えられ、油圧クラッチの係合状態が切り替わることでシフトレンジが変更される。

ディテントプレート３２１のうちのディテントスプリング３２２の側には、第１谷部３２６、第２谷部３２７、及び２つの谷部３２６、３２７の間に形成される山部３２８が設けられる。ディテントスプリング３２２の基部に近い側を第２谷部３２７、遠い側を第１谷部３２６とする。第１谷部３２６がＰレンジに対応し、第２谷部３２７がＰレンジ以外のｎｏｔＰレンジに対応する。

ディテントスプリング３２２は、弾性変形可能な板状部材であり、先端に係合部材としてのディテントローラ３２９が設けられる。ディテントスプリング３２２は、ディテントローラ３２９をディテントプレート３２１の回動中心側に付勢する。ディテントプレート３２１に所定以上の回転力が加わると、ディテントスプリング３２２が弾性変形し、ディテントローラ３２９が第１谷部３２６と第２谷部３２７との間を移動する。

ディテントローラ３２９が各谷部３２６、３２７のいずれかに嵌まり込むことで、ディテントプレート３２１の揺動が規制される。これにより、マニュアルバルブ３２３の軸方向位置及びパーキングロック機構３３０の状態が決定され、図示しない自動変速機のシフトレンジが固定される。ディテントローラ３２９は、シフトレンジがｎｏｔＰレンジのとき、第２谷部３２７に嵌まり込み、Ｐレンジのとき、第１谷部３２６に嵌まり込む。

パーキングロック機構３３０は、パーキングロッド３３１、円錐体３３２、パーキングロックポール３３３、軸部３３４、及びパーキングギア３３５を有する。パーキングロッド３３１は、略Ｌ字形状に形成され、一端３３６の側がディテントプレート３２１に固定される。パーキングロッド３３１の他端３３７の側には、円錐体３３２が設けられる。円錐体３３２は、他端３３７の側に向かうほど縮径するように形成される。ディテントプレート３２１が逆回転方向に揺動すると、円錐体３３２がＰ方向に移動する。

パーキングロックポール３３３は、円錐体３３２の円錐面と当接し、軸部３３４を中心に揺動可能に設けられる。パーキングロックポール３３３ののうちのパーキングギア３３５の側には、パーキングギア３３５と噛み合い可能な凸部３３８が設けられる。ディテントプレート３２１が逆回転方向に回転し、円錐体３３２がＰ方向に移動すると、パーキングロックポール３３３が押し上げられ、凸部３３８とパーキングギア３３５とが噛み合う。一方、ディテントプレート３２１が正回転方向に回転し、円錐体３３２がｎｏｔＰ方向に移動すると、凸部３３８とパーキングギア３３５との噛み合いが解除される。

パーキングギア３３５は、図示しない車軸に設けられ、パーキングロックポール３３３の凸部３３８と噛み合い可能に設けられる。パーキングギア３３５と凸部３３８とが噛み合うと、車軸の回転が規制される。シフトレンジがｎｏｔＰレンジのとき、パーキングギア３３５はパーキングロックポール３３３によりロックされず、車軸の回転は、パーキングロック機構３３０により妨げられない。また、シフトレンジがＰレンジのとき、パーキングギア３３５はパーキングロックポール３３３によってロックされ、車軸の回転が規制される。

上記の構成において、シフトレンジ切替機構３２０のディテントプレート３２１には、出力軸３１１の回転に応じて磁界が変化するように、検出体２００が設けられる。

検出体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。検出体２００は、ディテントプレート３２１と別部材であっても良いし、ディテントプレート３２１が磁性体であれば、例えばディテントプレート３２１にプレス加工等を施すことで形成しても良い。

以上のように、シフトレンジ切替機構３２０のディテントプレート３２１に検出体２００を設置することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、主に上記各実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、信号処理部１０２は、判定機能及び診断機能を有する。

判定機能は、信号処理部１０２が検出部１０１から検出信号を入力し、検出信号と判定基準とを比較することにより、検出体２００の位置を判定し、判定結果を出力周期毎に出力する機能である。判定基準は、各領域部２０１～２０３に対応する位置を判定するための閾値である。第１実施形態と同様に、信号処理部１０２は、検出信号と閾値との大小関係の組み合わせに基づいて、各領域部２０１～２０３の位置を特定する。

診断機能は、各領域部２０１～２０３に対応する位置の判定が正常判定であるかまたは異常判定であるかを診断周期毎に診断する機能である。診断機能は、例えば、ポジションセンサ１００を二重系として構成することで実現できる。すなわち、同じ構成の２つの検出部１０１と、同じ構成の２つの図示しない判定回路部と、をポジションセンサ１００に設ける。信号処理部１０２は、２つの判定回路部の判定結果を比較し、判定結果が一致する場合は正常判定であると判定し、判定結果が異なる場合は異常判定であると判定する。

ここで、診断周期と出力周期とは一致した周期に設定されている。このため、信号処理部１０２は、診断結果を、当該診断を行った周期の次の周期に対応する出力周期で、外部装置に出力する。

次に、ポジションセンサ１００の作動について説明する。まず、ポジションセンサ１００は、起動すると、診断を開始する。その後、ポジションセンサ１００は起動時の状態から位置（ポジション）を出力する状態に移行する。

すなわち、検出部１０１は、検出体２００から受ける磁界の変化に基づいて、検出体２００の現在の位置に対応する検出信号を生成する。検出部１０１は、検出信号を信号処理部１０２に出力する。

信号処理部１０２は、判定基準に基づいて、検出部１０１から入力した検出信号から検出体２００の現在の位置を判定する。また、図８に示されるように、信号処理部１０２は、二重系による回路に基づいて判定結果の診断を行う。

そして、信号処理部１０２は、位置の判定結果が正常判定であると診断した場合、診断周期において正常判定であると診断した周期の次の周期に対応する出力周期で、正常判定であることを示す情報を位置の判定結果に含ませて出力する。あるいは、信号処理部１０２は、位置の判定結果のみを出力する。

一方、故障等が発生した場合、信号処理部１０２は、位置の判定結果が異常判定であると診断する。この場合、信号処理部１０２は、診断周期において異常判定であると診断した周期の次の周期に対応する出力周期で、異常判定が発生したことを示すダイアグ出力を行う。信号処理部１０２は、ダイアグ出力の状態に移行した場合、位置の判定結果を出力しない。

以上説明したように、診断周期と出力周期とが一致した周期に設定されているので、診断結果を診断の次の周期で出力することができる。このため、一定の時間を待たずに、わずか一周期後に診断結果を出力することができる。したがって、異常判定であると診断された場合に異常の発生を早期に通知することができる。

また、故障検知を毎周期行うことで、検出体２００の欠落についての判定を早く正確に行うことができる。すなわち、より正確な異常判定を早期に行うことができる。

（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。

１０１ 検出部
１０２ 信号処理部
１０４ 磁石
１０７ 検出素子
２００ 検出体
２０１～２０３ 領域部
２０５ 検出面

Claims (3)

1. バイアス磁界を発生させる磁石（１０４）と、前記バイアス磁界が印加される検出素子（１０７）と、を有し、磁性体で構成された検出体（２００）の移動に伴って前記検出素子が前記検出体から常に受ける磁界の変化に基づいて、前記検出体の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検出信号を生成する検出部（１０１）と、
   前記検出部から前記検出信号を取得し、前記検出信号と閾値とを比較し、前記検出信号と前記閾値との大小関係の組み合わせに基づいて、前記複数の範囲のいずれかの範囲の位置として前記検出体の位置を特定する信号処理部（１０２）と、
   を含み、
   前記検出体は、前記複数の範囲に対応する複数の領域部（２０１～２０３）を有し、
   前記複数の領域部は、前記検出体のうち前記検出部が対向する検出面（２０５）の面内で前記検出体の移動方向に階段状に接続されて構成されており、
   前記信号処理部は、前記検出体が欠落した場合、前記検出体から前記磁界の影響を全く受けないことによる検出信号を取得することにより、前記検出体の欠落を判定するポジションセンサ。
2. 前記信号処理部は、前記検出部から前記検出信号を入力して前記検出信号と判定基準とを比較することにより前記検出体の位置を判定して判定結果を出力周期毎に出力する判定機能と、前記検出体の位置の判定が正常判定であるかまたは異常判定であるかを診断周期毎に診断する診断機能と、を有し、
   前記診断周期と前記出力周期とは一致した周期であり、
   前記信号処理部は、前記異常判定であると診断した場合、前記診断周期において前記異常判定であると診断した周期の次の周期に対応する出力周期で、前記異常判定であると診断したことを示すダイアグ出力を行う請求項１に記載のポジションセンサ。
3. 前記検出体は、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