WO2018230244A1 - ポジションセンサ - Google Patents

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WO2018230244A1
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detection
detection target
position sensor
signals
ranges
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PCT/JP2018/019061
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靖寛 北浦
篤史 小林
真宏 巻田
章人 佐々木
徹哉 近江
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株式会社デンソー
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Publication date
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Definitions

  • This disclosure relates to a position sensor that outputs a signal corresponding to a position to be detected.
  • Patent Document 1 has proposed a detection apparatus including a sensor unit capable of sensing the proximity of a detection target.
  • the sensor unit is configured to output a signal of a predetermined level when the detection target is in proximity.
  • the detection target when the amount of movement of the detection target increases, the detection target may deviate from the detectable range of the sensor unit. In other words, there is a limit to the range in which the sensor unit can detect the detection target.
  • This disclosure is intended to provide a position sensor that can detect the movement of a detection target by one detection unit even if the amount of movement of the detection target increases.
  • the position sensor includes a magnet that generates a bias magnetic field and a detection element to which the bias magnetic field is applied, and the detection element is moved along with the movement of the detection target made of a magnetic material.
  • a detection unit that generates a plurality of detection signals corresponding to a plurality of ranges arranged in one direction along the moving direction of the detection target and having different phase differences based on a change in the magnetic field received from the detection target.
  • the position sensor acquires a plurality of detection signals from the detection unit, compares the plurality of detection signals with a threshold value, and selects one of a plurality of ranges based on a combination of magnitude relationships between the plurality of detection signals and the threshold value.
  • a signal processing unit for specifying the position of the detection target as a position in the range.
  • the detection target has a plurality of area portions corresponding to a plurality of ranges. Further, the plurality of region portions are configured to be connected in a stepped manner in the moving direction of the detection target within the detection surface of the detection target facing the detection portion.
  • the sensors are arranged in one direction along the moving direction of the detection target based on the change of the magnetic field received from the detection target with the movement of the detection target including the magnet.
  • the position sensor is different from the position sensor according to the first aspect of the present disclosure in that it includes a detection unit that generates a plurality of detection signals corresponding to a plurality of ranges and having different phase differences.
  • the detection unit can generate a detection signal based on a change in the magnetic field received from the end region when detecting the position of the end region.
  • the detection target since the detection target has a configuration corresponding to the detectable range of the detection unit, even if the movement amount of the detection target increases, the movement of the detection target can be detected by one detection unit. .
  • FIG. 1 is an external view of a position sensor according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of components constituting a magnetic detection method using a magnetoresistive element
  • FIG. 3 is a plan view of each component shown in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a detection signal by the magnetoresistive element
  • FIG. 6 is a plan view showing components constituting a magnetic detection method using a Hall element
  • 7 is a sectional view taken along line VII-VII in FIG.
  • FIG. 1 is an external view of a position sensor according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of components constituting a magnetic detection method using a magnetoresistive element
  • FIG. 3 is a plan view of each component shown in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a detection signal
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a detection signal by the Hall element.
  • FIG. 9 is a diagram showing a circuit configuration of the position sensor
  • FIG. 10 is a diagram showing a relative positional relationship between each detection target region and the detection unit.
  • FIG. 11 is a diagram showing detection signals, state determinations, and position signals when detecting four states.
  • FIG. 12 shows a comparative example.
  • FIG. 13 is a diagram showing a case where three states are determined as a modified example.
  • FIG. 14 is a diagram showing a case where three states are determined as a modification,
  • FIG. 15 is a diagram showing a case where four states of a detection target in which each region portion is configured as a space portion are determined as a modification, FIG.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example in which a transition portion is provided between each region portion as a modification.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example in which the chip surface of the sensor chip is inclined with respect to the moving direction of the detection target as a modification example.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of the detection target of the concavo-convex shape as a modification
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of a fan-shaped detection target as a modification
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of a fan-shaped detection target as a modification
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of a detection object of a rotating body as a modification
  • FIG. 22 is a diagram showing each region provided in the rotating body of FIG. FIG.
  • FIG. 23 is a diagram showing discrete pulse widths in the case of determining four states in the second embodiment.
  • FIG. 24 is a plan view showing components constituting a magnetic detection method using the magnetoresistive element according to the third embodiment.
  • 25 is a cross-sectional view taken along the line XXV-XXV in FIG.
  • FIG. 26 is a plan view showing components constituting the magnetic detection method using the Hall element according to the third embodiment.
  • 27 is a sectional view taken along line XXVII-XXVII in FIG.
  • FIG. 28 is a diagram showing a detection signal when the detection target is a magnet
  • FIG. 29 is a diagram showing detection signals, state determinations, and position signals when detecting the four states of the magnet.
  • FIG. 30 is a diagram showing an example of a detection target in which a magnet is attached to a plate member as a modification
  • FIG. 31 is a diagram showing an example in which a detection target composed of a plate member and a rubber magnet is magnetized as a modification
  • FIG. 32 is a diagram showing an example in which a magnet is provided on a fan-shaped detection target as a modification
  • FIG. 33 is a diagram showing an example in which a magnet is provided on a detection target of a rotating body as a modification
  • FIG. 34 is a view showing each region provided in the rotating body of FIG.
  • the position sensor according to the present embodiment is a sensor that detects which range (state) the position of the detection target is in and outputs a signal corresponding to the range.
  • the position sensor 100 detects the position of a movable part that is linked to the operation of the shift position of the vehicle as a detection target. Specifically, the position sensor 100 acquires the state of the shaft by detecting a signal corresponding to the position of the shaft.
  • the shaft state means the position of the shaft when the shift position is operated by the user. For example, the shaft moves in conjunction with parking at the shift position. When the shift position is operated so as to be positioned at the parking, the shaft moves in the axial direction. As a result, the shaft reflects the parking state.
  • the position sensor 100 detects a position corresponding to parking on the shaft.
  • the shaft when the shift position is operated so as to be located at a position other than parking, the shaft reflects a state other than parking.
  • the position sensor 100 detects a position other than the position corresponding to parking on the shaft.
  • the shaft may move in conjunction with a position other than parking.
  • the shaft is entirely made of a magnetic material, for example.
  • the surface of the shaft facing the position sensor 100 may be formed of a magnetic material, and the other part may be formed of another metal material.
  • the position sensor 100 includes a case 101 formed by resin molding of a resin material such as PPS.
  • the case 101 has a shaft-side tip 102, a flange 103 fixed to the peripheral mechanism, and a connector 104 to which a harness is connected.
  • a sensing portion is provided inside the tip portion 102.
  • the position sensor 100 is fixed to the peripheral mechanism via the flange portion 103 so that the tip portion 102 has a predetermined gap with respect to the detection surface of the shaft. Therefore, the shaft moves with respect to the position sensor 100.
  • the position sensor 100 may be fixed to the peripheral mechanism so as to detect the position of the valve that operates in conjunction with the shaft. Further, the moving direction of the shaft is not limited to linear movement or reciprocation, but may be rotation, reciprocation within a specific angle, or the like. As described above, the position sensor 100 can be applied to state detection such as the position, movement, and rotation of the movable part that moves in conjunction with the operation of the shift position of the vehicle.
  • the position sensor 100 can employ a magnetic detection method using a magnetoresistive element or a magnetic detection method using a Hall element.
  • the position sensor 100 includes a mold IC unit 105, a magnet 106, and a holding unit 107. These are housed in the tip portion 102 of the case 101.
  • the mold IC part 105 is inserted into the hollow cylindrical magnet 106.
  • the magnet 106 generates a bias magnetic field and is inserted into the bottomed cylindrical holding portion 107.
  • the mold IC part 105, the magnet 106, and the holding part 107 are integrated.
  • the main part of the mold IC part 105 is located in the hollow part of the magnet 106.
  • the holding unit 107 fixes the positions of the mold IC unit 105 and the magnet 106.
  • the mold IC part 105 includes a lead frame 108, a processing circuit chip 109, a sensor chip 110, and a mold resin part 111.
  • the lead frame 108 has a plate-like island portion 112 and a plurality of leads 113 to 115.
  • the island part 112 is arranged so that the plane part is perpendicular to the moving direction of the detection target.
  • the plurality of leads 113 to 115 correspond to a power supply terminal 113 to which a power supply voltage is applied, a ground terminal 114 to which a ground voltage is applied, and an output terminal 115 for outputting a signal. That is, each of the leads 113 to 115 has three wires for power supply, ground, and signal. Terminals 116 are connected to the tips of the leads 113 to 115, respectively. The terminal 116 is located in the connector part 104 of the case 101. A terminal 116 is connected to the harness.
  • the ground lead 114 among the plurality of leads 113 to 115 is integrated with the island portion 112.
  • the island portion 112 and all the leads 113 to 115 may be completely separated.
  • the processing circuit chip 109 and the sensor chip 110 are mounted on the island portion 112 with an adhesive or the like.
  • the processing circuit chip 109 constitutes a circuit unit that processes signals from the sensor chip 110.
  • the sensor chip 110 includes a magnetoresistive element whose resistance value changes when affected by a magnetic field from the outside.
  • the magnetoresistive element is, for example, AMR, GMR, or TMR.
  • Each lead 113 to 115 and the processing circuit chip 109 are electrically connected via a wire 117.
  • the processing circuit chip 109 and the sensor chip 110 are electrically connected via a wire 118.
  • the mold resin part 111 seals the island part 112, a part of each of the leads 113 to 115, the processing circuit chip 109, and the sensor chip 110.
  • the mold resin portion 111 is molded into a shape that is fixed to the hollow portion of the magnet 106.
  • the holding unit 107 is arranged with a predetermined gap with respect to the detection target 200.
  • the detection signal becomes maximum at the center of the movement direction of the detection target 200.
  • the gap increases, the amplitude of the detection signal decreases, and when the gap decreases, the amplitude of the detection signal increases.
  • FIG. 5 shows only the relationship between the movement of the detection target 200 and the detection signal from the magnetic detection element.
  • the detection signal is generated by outputs of a plurality of magnetoresistive elements.
  • the mold IC part 105 When the magnetic detection method using the Hall element is adopted, the mold IC part 105 is inserted into the holding part 107 and fixed as shown in the schematic plan view of FIG. 6 and the schematic sectional view of FIG.
  • the mold IC part 105 includes a lead frame 108, an IC chip 119, a magnet 120, and a mold resin part 111.
  • the island part 112 of the lead frame 108 is arranged so that the plane part is parallel to the moving direction of the detection target 200.
  • the leads 113 to 115 are arranged so as to be perpendicular to the moving direction of the detection target 200.
  • a ground lead 114 is integrated with the island portion 112 at a right angle. Terminals 116 are connected to the tips of the leads 113 to 115, respectively.
  • the IC chip 119 includes a plurality of hall elements and a signal processing circuit unit. That is, the magnetic detection system using the Hall element has a one-chip configuration.
  • the magnet 120 is fixed to the surface of the island part 112 opposite to the IC chip 119.
  • Each lead 113 to 115 and the IC chip 119 are electrically connected via a wire 121.
  • the mold resin part 111 is molded into a shape that is fixed to the hollow part of the holding part 107.
  • a detection signal by a magnetic detection method using a Hall element will be described. As shown in FIG. 8, for example, when two Hall elements (X, Y) are arranged above the magnet 120, when the detection target 200 moves with respect to the holding unit 107, each Hall element (X, Y ), Each detection signal becomes maximum. The relationship between the gap and the amplitude of the detection signal is the same as in the magnetic detection method using the magnetoresistive element. The position of the detection target 200 can be detected by setting a threshold value for each detection signal.
  • a magnetoresistive element that detects a magnetic vector has an advantage that an accuracy error due to a gap shift can be canceled. Further, there is a merit that the influence of the stress generated in the sensor chip 110 can be reduced or canceled. Therefore, highly accurate detection is possible.
  • the circuit configuration configured in the sensor chip 110 and the processing circuit chip 109 will be described.
  • the position sensor 100 and the controller 300 are electrically connected via a harness 400.
  • the harness 400 is constituted by three wires.
  • the controller 300 is, for example, a transmission controller (TCU).
  • the controller 300 includes a power supply unit 301, a control unit 302, and a ground unit 303.
  • the power supply unit 301 is a circuit unit that supplies a power supply voltage to the position sensor 100.
  • the control unit 302 is a circuit unit that performs predetermined control according to an output signal input from the position sensor 100.
  • the ground unit 303 is a circuit unit that sets the ground voltage of the position sensor 100.
  • the controller 300 may be configured as an electronic control unit (ECU).
  • the position sensor 100 includes a detection unit 122 and a signal processing unit 123.
  • the detection unit 122 includes a magnet 106 and a detection element 124 provided on the sensor chip 110.
  • the signal processing unit 123 is provided in the processing circuit chip 109. The detection element 124 and the signal processing unit 123 operate based on the power supply voltage and the ground voltage supplied from the controller 300.
  • the detection unit 122 has a plurality of detection signals corresponding to a plurality of ranges along the moving direction of the detection target 200 and having different phase differences based on a change in the magnetic field received from the detection target 200 as the detection target 200 moves. Is generated.
  • the plurality of ranges along the movement direction of the detection target 200 are not arranged in parallel along the movement direction of the detection target 200, but a plurality of ranges are aligned along the movement direction of the detection target 200. Lined up in series in the direction.
  • the detection target 200 has four area portions 201 to 204 corresponding to a plurality of ranges A to D.
  • Each of the area portions 201 to 204 is composed of a rectangular plate member.
  • each of the area portions 201 to 204 is configured to be connected in a staircase pattern in the moving direction of the detection target 200 within the detection surface 205 of the detection target 200 facing the detection unit 122.
  • “To be connected in a staircase pattern” means that one region 201 and the other region 202 are connected to each other while being shifted in the direction perpendicular to the moving direction in the plane of the detection surface 205. Similarly, one area portion 202 and the other area portion 203 are connected within the detection surface 205 while being shifted in the direction perpendicular to the moving direction. The same applies to one region 203 and the other region 204. Thus, in each of the region portions 201 to 204, both end portions along the moving direction, that is, the two long side portions form a stepped shape.
  • the area part 202 is connected in series in one direction next to the area part 201, and the area part 203 is connected in series in one direction on the opposite side of the area part 202 to which the area part 201 is connected. ing. Similarly, a region portion 204 is connected to the region portion 203 in series in one direction on the side opposite to the side where the region portion 202 is connected.
  • the chip surface of the sensor chip 110 on which the detection element 124 is provided is oriented in a direction perpendicular to the moving direction of the detection unit 122.
  • each of the area units 201 to 204 moves in a direction perpendicular to the movement direction within the plane of the detection surface 205 with respect to the detection unit 122.
  • the positional relationship between the detection unit 122 and each of the region units 201 to 204 is changed by the movement of the detection target 200.
  • FIG. 10 the positional relationship between each of the area units 201 to 204 and the detection unit 122 is shown by arranging the detection unit 122 for each of the area units 201 to 204.
  • the detection target 200 is formed by pressing a plate member made of a magnetic material.
  • the area portions 201 to 204 may have the same or different length in the moving direction.
  • each of the area portions 201 to 204 may have the same or different length in the direction perpendicular to the moving direction within the detection surface 205.
  • the detection target 200 is fixed to a component such as a shaft.
  • region parts 201 and 204 of both ends may be fixed to the shaft.
  • the detection element 124 of FIG. 9 has three element pairs, a first magnetoresistive element pair, a second magnetoresistive element pair, and a third magnetoresistive element pair, whose resistance values change as the detection target 200 moves. ing.
  • each of the second magnetoresistive element pairs is disposed between the first magnetoresistive element pair and the third magnetoresistive element pair in the moving direction of the detection target 200. That is, the second magnetoresistive element pair is disposed so as to be sandwiched between the first magnetoresistive element pair and the third magnetoresistive element pair.
  • a bias magnetic field along the central axis of the magnet 106 is applied to the second magnetoresistive element pair.
  • a bias magnetic field for winding the end of the magnet 106 is applied to the first magnetoresistive element pair and the third magnetoresistive element pair.
  • Each magnetoresistive element pair is configured as a half bridge circuit in which two magnetoresistive elements are connected in series between a power source and a ground. Each magnetoresistive element pair detects a change in resistance value when the two magnetoresistive elements are affected by the magnetic field as the detection target 200 moves. Each magnetoresistive element pair outputs a voltage at the midpoint between the two magnetoresistive elements as a waveform signal based on the change in the resistance value. In a configuration in which each magnetoresistive element pair is driven by a current source, the voltage across each magnetoresistive element pair becomes a waveform signal.
  • the detection unit 122 includes first to fourth operational amplifiers (not shown) in addition to the magnetoresistive element pairs.
  • the first operational amplifier calculates V1-V2.
  • the differential amplifier is configured to output the result as R1. If the midpoint potential of the midpoint of the third magnetoresistive element pair is defined as V3, the second operational amplifier is a differential amplifier configured to calculate V2-V3 and output the result as R2. .
  • the fourth operational amplifier inputs the midpoint potential V1 from the midpoint of the first magnetoresistive element pair and also inputs the midpoint potential V3 from the midpoint of the third magnetoresistive element pair to calculate V1-V3 and calculate A differential amplifier configured to output the result as S2.
  • the signal S2 is a signal having a waveform having a phase difference with respect to the signal S1.
  • the detection unit 122 outputs the signal S1 and the signal S2 to the signal processing unit 123 as detection signals.
  • the signal processing unit 123 acquires each detection signal from the detection unit 122, compares each detection signal with a threshold, and based on a combination of magnitude relationships between each detection signal and the threshold, a plurality of ranges in the detection target 200 are obtained.
  • the position of the detection target 200 is specified as the position of any range.
  • the signal processing unit 123 outputs the position of the detection target 200 to the controller 300.
  • the signal processing unit 123 includes a processing unit 125 and an output circuit unit 126.
  • the processing unit 125 inputs each detection signal from the detection unit 122 and specifies the position of the detection target 200 based on each detection signal. For this reason, the processing unit 125 has a common threshold for each detection signal.
  • the processing unit 125 compares the signals S1 and S2, which are detection signals, with a threshold value. The processing unit 125 determines Hi when the signals S1 and S2 are larger than the threshold, and determines Lo when the signals S1 and S2 are smaller than the threshold. Further, the processing unit 125 determines which range of the detection target 200 the detection unit 122 has detected from the Hi / Lo combination of the signals S1 and S2.
  • the detection unit 122 when the signal S ⁇ b> 1 is Hi and the signal S ⁇ b> 2 is Lo, the detection unit 122 has detected the range of the region portion 201 in the detection target 200. That is, the processing unit 125 has specified the position of the shaft that is the detection target 200. The state of the shaft when the position of the range is specified is “state A”.
  • the detection unit 122 When the signal S1 is Hi and the signal S2 is Hi, the detection unit 122 has detected a range in the region 202 of the detection target 200.
  • the state of the shaft when the position of the range is specified is “state B”.
  • the detection unit 122 When the signal S1 is Lo and the signal S2 is Hi, the detection unit 122 has detected the range of the region part 203 of the detection target 200.
  • the state of the shaft when the position of the range is specified is “state C”.
  • the detection unit 122 has detected the range of the region part 204 in the detection target 200.
  • the state of the shaft when the position of the range is specified is “state D”.
  • the processing unit 125 identifies the position of the detection target 200 as the position of any one of a plurality of ranges along the moving direction of the detection target 200.
  • the output circuit unit 126 is a circuit unit that outputs a position signal indicating one of the states A to D to the controller 300 based on the determination result of the processing unit 125. First, the output circuit unit 126 acquires information on the states A to D determined based on the detection signal from the processing unit 125. Further, the output circuit unit 126 outputs a position signal having a value corresponding to the specified position range among the discrete values respectively set in the plurality of ranges to the controller 300.
  • the discrete position signal is a voltage signal having a different voltage value.
  • state A is V H
  • state B is V M1
  • state C is V M2
  • state D is V L
  • the discrete values may be set as any voltage value within a predetermined voltage range.
  • the predetermined voltage range may be the same in each of the states A to D, for example, within 1V, or may be different, for example, within 1V in the state A but within 2V in the state B.
  • the position signal becomes a stepwise discrete voltage value.
  • the voltage value of the position signal may increase or decrease instantaneously due to noise, thereby reaching a voltage value indicating another state.
  • the control unit 302 of the controller 300 can almost eliminate the influence of noise by reading the voltage value for a predetermined time. That is, the position sensor 100 can output a position signal with high noise resistance.
  • the above is the configuration of the position sensor 100 according to the present embodiment.
  • the controller 302 of the controller 300 inputs a position signal from the position sensor 100 and uses it for desired control. For example, the control of turning on / off the parking lamp of the vehicle meter unit, the control of permitting or disallowing other control depending on whether or not the shift position is in parking, and the position sensor 100 in the case of a failure of the position sensor 100 Control that is not used, lighting control of the failure lamp, and the like.
  • control unit 302 may input a signal other than the position signal.
  • This signal is a signal that cannot originally occur as an output of the position sensor 100. In this case, it is considered that a failure other than the position sensor 100 is the cause. For example, a failure of a communication device such as the harness 400. Therefore, the controller 300 can detect a failure of the communication device.
  • the detection unit 122 detects two edges in the movement direction of the detection target 500 and determines the movement direction center, if the detection target 500 is long and the distance between the edges is too far away, the movement direction center is not known.
  • the area portions 201 to 204 that are portions detected by the detection unit 122 are provided within the range of the detection target 200 in the moving direction. Accordingly, as shown in FIG. 11, the signals S1 and S2 do not converge to the threshold value, and are clearly Hi or Lo with respect to the threshold value. Of course, by setting the boundary between the central region 202 and the region 203 as the center of the detection target 200, it is possible to detect the center of the detection target 200 in the moving direction.
  • the detection target 200 moves, the relative relationship between the detection target 200 and the detection unit 122 is maintained. That is, the areas 201 and 204 indicating the position of the detection target 200 are also provided in a range located at the end of the plurality of ranges. For this reason, the detection signal based on the change of the magnetic field received from the area units 201 and 204 by the detection unit 122 can be generated.
  • the detectable range of the detection unit 122 is substantially wider than that of the comparative example, even if the amount of movement of the detection target 200 increases, the movement of the detection target 200 is detected by one detection unit 122. can do.
  • by classifying the detection target 200 by the shape divided by the number of positions to be discriminated it is possible to determine each segment and output corresponding to the segment.
  • the detection target 200 can be composed of three area portions 201 to 203.
  • the signal processing unit 123 sets “state A” when the signal S3 is Hi and the signal S4 is Lo, sets “state B” when the signal S4 is Hi, and sets the case where the signal S3 is Lo and the signal S4 is Lo as “ It is determined as “state C”.
  • the three states may be set to three discrete voltage values.
  • signals S5 and S6 having a phase difference different from the signals S3 and S4 shown in FIG. 13 can be generated as detection signals.
  • Each signal S5, S6 can be generated by changing an arithmetic expression using the output of each magnetoresistive element pair.
  • the central region 202 may be formed shorter than the region 202 shown in FIG. 13 in the movement direction.
  • the number of detectable states can be freely changed by appropriately changing the number of the area portions 201 to 204 and a plurality of detection signals having different phase differences. Therefore, the detection is not limited to the detection of three states or four states, and the number of states such as five states or seven states can be detected.
  • each of the area portions 201 to 204 of the detection target 200 may be configured as a space portion in which a part of the plate member is punched out.
  • the signals S7 and S8 having a phase difference are signals obtained by inverting the signals S1 and S2 shown in FIG.
  • the signal processing unit 123 sets “state A” when the signal S7 is Lo and the signal S8 is Hi, sets “state B” when the signal S7 is Lo and the signal S8 is Lo, the signal S7 is Hi, The case where S8 is Lo is determined as “state C”, and the case where the signal S7 is Hi and the signal S8 is Hi is determined as “state D”.
  • the position detected by the detection unit 122 may be configured as a space portion configured in a window shape instead of the material portion of the detection target 200.
  • a transition unit 206 may be provided between the region unit 201 and the region unit 202 and between the region unit 202 and the region unit 203. Regardless of the number of the area parts 201 to 204, the transition part 206 can be provided between adjacent areas.
  • the shape of the transition part 206 is not limited to a linear shape or an R shape.
  • the transition unit 206 can also be applied when each of the area units 201 to 204 is configured as a space portion.
  • the chip surface of the sensor chip 110 on which the detection element 124 is provided may be inclined instead of the direction perpendicular to the moving direction of the detection unit 122.
  • the transition unit 206 is provided in the detection target 200, but the transition unit 206 may not be provided in the detection target 200.
  • each of the area portions 201 to 204 may be configured as an uneven shape in which a block is provided on a plate member.
  • the detection target 200 may be one in which a part of a fan-shaped plate member is punched out.
  • the step-like region portions 201 to 204 shown in FIG. 10 can be provided in the fan-shaped circumferential direction. Thereby, the position of each of the ranges A to D can be detected by rotating or rotating the detection target 200 around the axis.
  • the detection target 200 may be configured as a rotating body such as a rotor, as shown in FIG.
  • the area portions 201 to 204 corresponding to the detection range are provided in the broken line portion in FIG.
  • four region portions 201 to 204 are provided in the ⁇ direction of the rotation angle.
  • the detection unit 122 can detect the rotation or rotation state of the detection target 200.
  • controller 300 of this embodiment corresponds to an external device.
  • the output circuit unit 126 outputs pulse signals having different pulse widths to the controller 300 as discrete value signals. That is, the discrete value signal is a PWM signal.
  • the discrete values are a pulse width value, a signal period, a duty ratio, and the like. Similar to the first embodiment, it is possible to improve resistance to noise.
  • the pulse width of the signal corresponding to the state A is set to be the smallest, and the pulse width of the signal corresponding to the state D is set to be the largest.
  • the pulse width of the signal corresponding to states B and C is set between the pulse widths of the signals corresponding to states A and D.
  • the pulse width may change stepwise from state A to state D, or may be random.
  • the whole or a part of the detection target 200 is configured by a magnet, and the position sensor 100 is not provided with the magnets 106 and 120.
  • the magnet 106 is not provided in the magnetic detection system using the magnetoresistive element.
  • the magnet 120 is not provided in the magnetic detection system using the Hall element. Therefore, the mold IC unit 105 is directly inserted into the holding unit 107 and fixed.
  • the detection target 200 is configured as a magnet 207 having a magnetization direction on the sensor chip 110 side with respect to the movement direction.
  • the detection unit 122 provided in the sensor chip 110 uses the signal processing unit 123 to detect the signal S9 that is maximum or minimum at the center of the magnetic pole and the signal S10 that is maximum or minimum at the boundary of each magnetic pole as detection signals. Output to.
  • the signals S9 and S10 are signals having a phase difference.
  • the detection unit 122 may be configured such that the signal S9 is maximum or minimum at the boundary of each magnetic pole and the signal S10 is maximum or minimum at the center of the magnetic pole. Further, the number of poles of the magnetic poles constituting one region portion 201 to 204 is not limited to three, but may be other pole numbers.
  • each of the area portions 201 to 204 of the detection target 200 is configured such that the N pole of the magnet 207 is sandwiched between two S poles. Thereby, the magnetization direction of the magnet 207 becomes the direction perpendicular to the paper surface.
  • the state determination is the same as in the case of FIG. 11 of the first embodiment.
  • the detection target 200 may be one in which magnets 207 constituting the respective region portions 201 to 204 are attached on a plate member.
  • the magnetization direction is a direction perpendicular to the plate surface of the plate member.
  • the detection target 200 may be magnetized so that a part of the rubber magnet 209 provided on the magnetic plate member 208 becomes the magnet 207.
  • the magnetization direction is a direction perpendicular to the plate surface of the rubber magnet 209.
  • the detection target 200 may be one in which a magnet 207 is pasted or magnetized on a fan-shaped plate member.
  • the detection target 200 may be provided with a magnet 207 on a rotating body such as a rotor.
  • magnets 207 constituting the four region portions 201 to 204 are provided in the broken line portion of FIG. 33 in the ⁇ direction of the rotation angle.
  • the configuration of the magnet 207 may be the same as the configuration shown in FIG. 31, or may be a configuration in which the magnet 207 is attached to the plate member.
  • the present disclosure has been described with reference to the embodiments, it is understood that the present disclosure is not limited to the embodiments and structures.
  • the present disclosure includes various modifications and modifications within the equivalent range.
  • various combinations and forms, as well as other combinations and forms including only one element, more or less, are within the scope and spirit of the present disclosure.
  • the use of the position sensor 100 is not limited to a vehicle, and can be widely used for industrial robots, manufacturing facilities, and the like as detecting the position of a movable part.
  • the detection target 200 does not include the magnet 207, but the configuration in which the position sensor 100 includes the magnets 106 and 120, and the detection target 200 includes the magnet 207, the position sensor 100 includes A configuration in which the magnets 106 and 120 are not included is shown, but these combinations are examples. Accordingly, the detection target 200 may include the magnet 207, and the position sensor 100 may include the magnets 106 and 120. In this case, the operation of the position sensor 100 is the same as in the first embodiment.

Abstract

ポジションセンサは、バイアス磁界を発生させる磁石（１０６、１２０）と、前記バイアス磁界が印加される検出素子（１２４）と、を有し、磁性体で構成された検出対象（２００）の移動に伴って前記検出素子が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と共に位相差が異なる複数の検出信号を生成する検出部（１２２）と、前記複数の検出信号を取得し、前記複数の検出信号と閾値とを比較し、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対象の位置を特定する信号処理部（１２３）と、を備える。前記検出対象は、前記複数の範囲に対応する複数の領域部（２０１～２０４）を有する。前記複数の領域部は、前記検出対象のうち前記検出部が対向する検出面（２０５）で前記検出対象の移動方向に階段状に接続されて構成されている。

Description

ポジションセンサ 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１７年６月１６日に出願された日本特許出願番号２０１７－１１８７７７号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、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、検出対象の近接をセンシング可能なセンサ部を備えた検出装置が、例えば特許文献１で提案されている。この検出装置では、センサ部が検出対象の近接時に所定のレベルの信号を出力するように構成されている。
特開２０１５－１７８８７０号公報
　しかしながら、上記関連の技術では、検出対象の移動量が大きくなった場合、検出対象がセンサ部の検出可能範囲を逸脱してしまう可能性がある。言い換えると、センサ部が検出対象を検出できる範囲に限界がある。
　なお、複数のセンサ部を配置することで検出可能範囲を広げることが考えられる。しかし、複数のセンサ部を設置するスペースが必要である。また、複数のセンサ部を備える構成であるので、検出装置のコストが上がってしまう。
　本開示は、検出対象の移動量が大きくなったとしても、１つの検出部によって検出対象の移動を検出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。
　本開示の第一態様に係るポジションセンサでは、バイアス磁界を発生させる磁石と、バイアス磁界が印加される検出素子と、を有し、磁性体で構成された検出対象の移動に伴って検出素子が検出対象から受ける磁界の変化に基づいて、検出対象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と共に位相差が異なる複数の検出信号を生成する検出部を備えている。
　また、ポジションセンサは、検出部から複数の検出信号を取得し、複数の検出信号と閾値とを比較し、複数の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対象の位置を特定する信号処理部を備えている。
　そして、検出対象は、複数の範囲に対応する複数の領域部を有している。さらに、複数の領域部は、検出対象のうち検出部が対向する検出面の面内で検出対象の移動方向に階段状に接続されて構成されている。
　本開示の第二態様に係るポジションセンサでは、磁石を含んで構成された検出対象の移動に伴って検出対象から受ける磁界の変化に基づいて、検出対象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と共に位相差が異なる複数の検出信号を生成する検出部を備えている点で本開示の第一態様に係るポジションセンサと異なる。
　これによると、複数の範囲の端に位置する範囲にも検出対象の位置を示す領域部が存在している。このため、検出部は端の領域部の位置を検出する際には端の領域部から受ける磁界の変化に基づいた検出信号を生成することができる。このように、検出対象が検出部の検出可能範囲に対応した構成となっているので、検出対象の移動量が大きくなったとしても、１つの検出部によって検出対象の移動を検出することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、本開示の第１実施形態に係るポジションセンサの外観図であり、 図２は、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り、 図３は、図２に示された各部品の平面図であり、 図４は、図３のIV－IV断面図であり、 図５は、磁気抵抗素子による検出信号を説明するための図であり、 図６は、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り、 図７は、図６のVII－VII断面図であり、 図８は、ホール素子による検出信号を説明するための図であり、 図９は、ポジションセンサの回路構成を示した図であり、 図１０は、検出対象の各領域部と検出部との相対的な位置関係を示した図であり、 図１１は、４状態を検出する場合の検出信号、状態判定、位置信号を示した図であり、 図１２は、比較例を示した図であり、 図１３は、変形例として、３状態を判定する場合を示した図であり、 図１４は、変形例として、３状態を判定する場合を示した図であり、 図１５は、変形例として、各領域部が空間部分として構成された検出対象の４状態を判定する場合を示した図であり、 図１６は、変形例として、各領域部の間に遷移部が設けられた例を示した図であり、 図１７は、変形例として、検出対象の移動方向に対してセンサチップのチップ面を傾斜させた例を示した図であり、 図１８は、変形例として、凹凸形状の検出対象の例を示した図であり、 図１９は、変形例として、扇形状の検出対象の例を示した図であり、 図２０は、変形例として、扇形状の検出対象の例を示した図であり、 図２１は、変形例として、回転体の検出対象の例を示した図であり、 図２２は、図２１の回転体に設けられた各領域部を示した図であり、 図２３は、第２実施形態において、４状態を判定する場合の離散的なパルス幅を示した図であり、 図２４は、第３実施形態に係る磁気抵抗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り、 図２５は、図２４のXXV－XXV断面図であり、 図２６は、第３実施形態に係る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り、 図２７は、図２６のXXVII－XXVII断面図であり、 図２８は、検出対象が磁石の場合の検出信号を示した図であり、 図２９は、磁石の４状態を検出する場合の検出信号、状態判定、位置信号を示した図であり、 図３０は、変形例として、板部材に磁石が貼り付けられた検出対象の例を示した図であり、 図３１は、変形例として、板部材とゴム磁石で構成された検出対象が着磁された例を示した図であり、 図３２は、変形例として、扇形状の検出対象に磁石が設けられた例を示した図であり、 図３３は、変形例として、回転体の検出対象に磁石が設けられた例を示した図であり、及び、 図３４は、図３３の回転体に設けられた各領域部を示した図である。
　以下、本開示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、本開示の第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１００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１００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１００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がシャフトの検出面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、または、ホール素子を用いた磁気検出方式を採用することができる。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はバイアス磁界を発生させるものであり、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２００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に対して検出対象２００が移動すると、検出対象２００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検出対象２００の位置を検出することができる。
　なお、図５では検出対象２００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。
　ホール素子を用いた磁気検出方式を採用した場合、図６の平面模式図及び図７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１１９、磁石１２０、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２００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２００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１１９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１２０は、アイランド部１１２のうちＩＣチップ１１９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１１９とは、ワイヤ１２１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８に示されるように、例えば２つのホール素子（Ｘ、Ｙ）が磁石１２０の上方に配置されている場合、保持部１０７に対して検出対象２００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検出対象２００の位置を検出することができる。
　本実施形態では、上記の磁気検出方式のうち磁気抵抗素子を用いた方式を採用する。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９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１２２及び信号処理部１２３を備えている。検出部１２２は、磁石１０６とセンサチップ１１０に設けられた検出素子１２４とを有して構成されている。信号処理部１２３は、処理回路チップ１０９に設けられている。検出素子１２４及び信号処理部１２３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１２２は、検出対象２００の移動に伴って、検出対象２００から受ける磁界の変化に基づいて、検出対象２００の移動方向に沿った複数の範囲に対応すると共に位相差が異なる複数の検出信号を生成する。検出対象２００の移動方向に沿った複数の範囲は、複数の範囲が検出対象２００の移動方向に沿って並列に並んでいるのではなく、複数の範囲が検出対象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、検出対象２００は、図１０に示されるように、複数の範囲Ａ～Ｄに対応する４つの領域部２０１～２０４を有している。各領域部２０１～２０４は、長方形の板部材によって構成されている。また、各領域部２０１～２０４は、検出対象２００のうち検出部１２２が対向する検出面２０５の面内で検出対象２００の移動方向に階段状に接続されて構成されている。
　「階段状に接続される」とは、一方の領域部２０１と他方の領域部２０２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。同様に、一方の領域部２０２と他方の領域部２０３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。一方の領域部２０３と他方の領域部２０４についても同じである。これにより、各領域部２０１～２０４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。つまり、領域部２０１の隣には領域部２０２が一方向に直列に接続され、領域部２０２には領域部２０１が接続された側とは反対側に領域部２０３が一方向に直列に接続されている。同様に、領域部２０３には領域部２０２が接続された側とは反対側に領域部２０４が一方向に直列に接続されている。
　センサチップ１１０のうち検出素子１２４が設けられたチップ面は、検出部１２２の移動方向に対して垂直な方向に向けられている。そして、位置が固定された検出部１２２に対して検出対象２００が移動方向に移動すると、各領域部２０１～２０４が検出部１２２に対して検出面２０５の面内で移動方向に垂直な方向に移動する。このように、検出対象２００の移動によって、検出部１２２と各領域部２０１～２０４との位置関係が変化する。図１０では、各領域部２０１～２０４に対してそれぞれ検出部１２２を配置することにより、各領域部２０１～２０４と検出部１２２との位置関係を示している。
　検出対象２００は、磁性体材料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２０１～２０４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２０１～２０４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、検出対象２００は、シャフト等の部品に固定される。また、検出対象２００は、両端の領域部２０１、２０４がシャフトに固定されても良い。
　図９の検出素子１２４は、検出対象２００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。
　図示しないが、検出対象２００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つの磁気抵抗素子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。各磁気抵抗素子対は、検出対象２００の移動に伴って２つの磁気抵抗素子が磁界の影響を受けたときの抵抗値の変化を検出する。また、各磁気抵抗素子対は、当該抵抗値の変化に基づいて、２つの磁気抵抗素子の中点の電圧を波形信号としてそれぞれ出力する。なお、各磁気抵抗素子対が電流源によって駆動される構成では、各磁気抵抗素子対の両端電圧が波形信号となる。
　また、検出部１２２は、各磁気抵抗素子対の他に、図示しない第１～第４オペアンプを備えている。第１磁気抵抗素子対の中点の中点電位をＶ１と定義すると共に、第２磁気抵抗素子対の中点の中点電位をＶ２と定義すると、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３磁気抵抗素子対の中点の中点電位をＶ３と定義すると、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、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Ｓ１（＝（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。
　第４オペアンプは、第１磁気抵抗素子対の中点から中点電位Ｖ１を入力すると共に、第３磁気抵抗素子対の中点から中点電位Ｖ３を入力し、Ｖ１－Ｖ３を演算してその結果をＳ２として出力するように構成された差動増幅器である。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。
　このように、検出部１２２は、各磁気抵抗素子対の出力から信号Ｓ１（＝Ｖ１－Ｖ３）及び信号Ｓ２（＝２Ｖ２－Ｖ１－Ｖ３）を生成及び取得するように構成されている。検出部１２２は、信号Ｓ１及び信号Ｓ２を検出信号として信号処理部１２３に出力する。
　信号処理部１２３は、検出部１２２から各検出信号を取得し、各検出信号と閾値とを比較し、各検出信号と閾値との大小関係の組み合わせに基づいて、検出対象２００における複数の範囲のいずれかの範囲の位置として検出対象２００の位置を特定する。また、信号処理部１２３は、検出対象２００の位置をコントローラ３００に出力する。信号処理部１２３は、処理部１２５及び出力回路部１２６を有している。
　処理部１２５は、検出部１２２から各検出信号を入力し、各検出信号に基づいて検出対象２００の位置を特定する。このため、処理部１２５は、各検出信号に対して共通の閾値を有している。
　そして、処理部１２５は、検出信号である信号Ｓ１、Ｓ２と閾値とを比較する。処理部１２５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、処理部１２５は、信号Ｓ１、Ｓ２のＨｉ／Ｌｏの組み合わせから、検出部１２２が検出対象２００のどの範囲を検出したのかを判定する。
　具体的には、図１１に示されるように、信号Ｓ１がＨｉ、信号Ｓ２がＬｏの場合、検出部１２２は検出対象２００のうち領域部２０１の範囲を検出したことになる。つまり、処理部１２５は、検出対象２００であるシャフト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の状態を「状態Ａ」とする。
　信号Ｓ１がＨｉの場合、信号Ｓ２がＨｉの場合、検出部１２２は検出対象２００の領域部２０２のうち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の状態を「状態Ｂ」とする。
　信号Ｓ１がＬｏの場合、信号Ｓ２がＨｉの場合、検出部１２２は検出対象２００の領域部２０３のうち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の状態を「状態Ｃ」とする。
　さらに、信号Ｓ１がＬｏ、信号Ｓ２がＬｏの場合、検出部１２２は検出対象２００のうち領域部２０４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の状態を「状態Ｄ」とする。このように、処理部１２５は、検出対象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検出対象２００の位置を特定する。
　出力回路部１２６は、処理部１２５の判定結果に基づいて、上記の状態Ａ～Ｄのいずれかを示す位置信号をコントローラ３００に出力する回路部である。まず、出力回路部１２６は、処理部１２５から検出信号に基づいて判定された状態Ａ～Ｄの情報を取得する。また、出力回路部１２６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位置信号をコントローラ３００に出力する。
　本実施形態では、離散的な値の位置信号は、電圧値が異なる電圧信号である。例えば、状態ＡはＶＨ、状態ＢはＶＭ１、状態ＣはＶＭ２、状態ＤはＶＬというように、各状態Ａ～Ｄを示す電圧値が各状態Ａ～Ｄで重複しないように、離散的な値に設定される。電圧値の大小関係はＶＨ＞ＶＭ１＞ＶＭ２＞ＶＬである。離散的な値が各状態Ａ～Ｄで重複しなければ良いので、離散的な値は所定の電圧範囲内のいずれかの電圧値として設定されていても良い。所定の電圧範囲は、例えば１Ｖ以内というように各状態Ａ～Ｄで同じでも良いし、状態Ａでは１Ｖ以内であるが状態Ｂでは２Ｖ以内であるというように異なっていても良い。
　図１１に示されるように、検出対象２００が移動方向に移動した場合、位置信号は階段状の離散的な電圧値となる。また、ノイズによって位置信号の電圧値が瞬間的に上下することで他の状態を示す電圧値に達する場合がある。しかし、コントローラ３００の制御部３０２は所定時間の電圧値を読み取ることでノイズの影響をほとんど無くすことができる。つまり、ポジションセンサ１００はノイズ耐性が高い位置信号を出力することができる。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。
　コントローラ３００の制御部３０２は、ポジションセンサ１００から位置信号を入力し、所望の制御に利用する。例えば、車両のメータ部のパーキングランプの点消灯制御、シフトポジションがパーキングに入っているか否かに応じて他の制御を許可または不許可する制御、ポジションセンサ１００の故障の場合はポジションセンサ１００を使用しない制御、故障ランプの点灯制御等である。
　また、制御部３０２は、位置信号以外の信号を入力する場合もある。この信号は、ポジションセンサ１００の出力としては本来起こりえない信号である。この場合、ポジションセンサ１００以外の故障が原因であると考えられる。例えば、ハーネス４００等の通信装置の故障等である。したがって、コントローラ３００は、通信装置の故障を検知することができる。
　比較例として、図１２に示されるように、ブロック状の検出対象５００が移動方向に移動する場合について説明する。この場合、検出部１２２から検出対象５００が離れた位置まで移動すると、検出部１２２の磁石１０６が検出対象５００に反応しなくなる。このため、信号Ｓ１が閾値に収束してしまう。これにより、検出対象５００が移動方向のどちらの方向に移動しているのか、判定できなくなってしまう。
　また、検出対象５００が移動方向に長さを持っている形状の場合、検出部１２２が検出対象５００の移動方向中心を検出しにくくなってしまう。検出部１２２は、検出対象５００の移動方向の２つのエッジを検出して移動方向中心と判定するため、検出対象５００が長くなりエッジ間距離が離れすぎると移動方向中心が分からなくなってしまう。
　これに対し、本実施形態では、検出対象２００の移動方向の範囲内に、検出部１２２によって検出される部分である各領域部２０１～２０４が設けられている。これにより、図１１に示されるように、信号Ｓ１、Ｓ２は閾値に収束することがなく、閾値に対して明らかにＨｉまたはＬｏとなる。もちろん、中央の領域部２０２と領域部２０３との境界を検出対象２００の中心に設定しておくことで、検出対象２００の移動方向中心を検出することも可能である。
　また、図１２に示された比較例の情況を起こさないために、検出対象２００が移動したとしても、検出対象２００－検出部１２２の相対関係が維持されている。すなわち、複数の範囲の端に位置する範囲にも検出対象２００の位置を示す領域部２０１、２０４が設けられている。このため、検出部１２２によって領域部２０１、２０４から受ける磁界の変化に基づいた検出信号を生成することができる。
　したがって、比較例に対して検出部１２２の検出可能範囲が実質的に広くなっているので、検出対象２００の移動量が大きくなったとしても、１つの検出部１２２によって検出対象２００の移動を検出することができる。以上のように、検出対象２００を判別したいポジション数で分かれた形状で区分することで、それぞれの区分の判定及び区分に対応した出力をすることができる。
　変形例として、図１３に示されるように、検出対象２００を３つの領域部２０１～２０３で構成することもできる。信号処理部１２３は、信号Ｓ３がＨｉ、信号Ｓ４がＬｏの場合を「状態Ａ」とし、信号Ｓ４がＨｉの場合を「状態Ｂ」とし、信号Ｓ３がＬｏ、信号Ｓ４がＬｏの場合を「状態Ｃ」として判定する。この場合、図１３に示されるように、３状態を３つの離散的な電圧値に設定すれば良い。
　変形例として、図１４に示されるように、検出信号として、図１３に示された各信号Ｓ３、Ｓ４とは異なる位相差を持った信号Ｓ５、Ｓ６を生成することもできる。各信号Ｓ５、Ｓ６は、各磁気抵抗素子対の出力を用いた演算式を変更することで生成可能である。なお、中央の領域部２０２が、移動方向において、図１３に示された領域部２０２よりも短く形成されていても良い。
　なお、領域部２０１～２０４の数や、位相差が異なる複数の検出信号を適宜変更することで、検出可能な状態の数を自由に変更できる。したがって、３状態や４状態の検出に限られず、５状態や７状態等の状態数も検出も可能である。
　変形例として、図１５に示されるように、検出対象２００の各領域部２０１～２０４は、板部材の一部が打ち抜かれた空間部として構成されていても良い。この場合、位相差を持った信号Ｓ７、Ｓ８は、図１１に示された信号Ｓ１、Ｓ２が反転した信号となる。
　したがって、信号処理部１２３は、信号Ｓ７がＬｏ、信号Ｓ８がＨｉの場合を「状態Ａ」とし、信号Ｓ７がＬｏ、信号Ｓ８がＬｏの場合を「状態Ｂ」とし、信号Ｓ７がＨｉ、信号Ｓ８がＬｏの場合を「状態Ｃ」とし、信号Ｓ７がＨｉ、信号Ｓ８がＨｉの場合を「状態Ｄ」として判定する。このように、検出部１２２が検出する位置は、検出対象２００の素材部分ではなく、窓状に構成された空間部分として構成されていても良い。
　変形例として、図１６に示されるように、領域部２０１と領域部２０２との間、及び、領域部２０２と領域部２０３との間に遷移部２０６が設けられていても良い。領域部２０１～２０４の数に関係なく、隣同士の領域間に遷移部２０６を設けることができる。遷移部２０６の形状は、直線状やＲ形状等に限定されない。また、遷移部２０６は各領域部２０１～２０４が空間部分として構成されている場合にも適用できる。
　変形例として、図１７に示されるように、センサチップ１１０のうち検出素子１２４が設けられたチップ面は、検出部１２２の移動方向に対して垂直な方向ではなく、傾斜していても良い。なお、図１７では、検出対象２００に遷移部２０６が設けられているが、遷移部２０６は検出対象２００に設けられていなくても良い。
　変形例として、図１８に示されるように、各領域部２０１～２０４は、板部材にブロックが設けられた凹凸形状として構成されていても良い。
　変形例として、図１９及び図２０に示されるように、検出対象２００は、扇形状の板部材の一部が打ち抜かれたものでも良い。打ち抜きの形状を考慮することにより、例えば図１０に示された階段状の各領域部２０１～２０４を扇形状の周方向に設けることができる。これにより、検出対象２００が軸を中心に回転あるいは回動することで各範囲Ａ～Ｄの位置の検出が可能になる。
　変形例として、図２１に示されるように、検出対象２００はロータ等の回転体として構成されていても良い。この場合、図２１の破線部に検出範囲に対応した各領域部２０１～２０４が設けられる。具体的には、図２２に示されるように、回転角のθ方向に４つの領域部２０１～２０４が設けられている。これにより、検出部１２２は検出対象２００の回転あるいは回動の状態を検出することができる。
　なお、本実施形態のコントローラ３００が外部装置に対応する。
　（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。本実施形態では、出力回路部１２６は、離散的な値の信号として、パルス幅が異なるパルス信号をコントローラ３００に出力する。つまり、離散的な値の信号は、ＰＷＭ方式の信号である。離散的な値は、パルス幅の値、信号の周期、Ｄｕｔｙ比等である。第１実施形態と同様に、ノイズに対する耐性を向上させることができる。
　図２３に示されるように、例えば、状態Ａに対応した信号のパルス幅が最も小さく、状態Ｄに対応した信号のパルス幅が最も大きく設定されている。状態Ｂ、Ｃに対応した信号のパルス幅は、状態Ａ、Ｄに対応した信号のパルス幅の間に設定されている。パルス幅は状態Ａから状態Ｄまで段階的に変化していても良いし、ランダムになっていても良い。
　（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。本実施形態では、検出対象２００の全体あるいは一部を磁石で構成し、ポジションセンサ１００に磁石１０６、１２０を備えない構成としている。
　図２４及び図２５に示されるように、磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式では磁石１０６が設けられていない。同様に、図２６及び図２７に示されるように、ホール素子を用いた磁気検出方式では磁石１２０が設けられていない。したがって、モールドＩＣ部１０５は保持部１０７に直接差し込まれて固定される。
　図２８に示されるように、検出対象２００が移動方向に対してセンサチップ１１０側に磁化方向を持つ磁石２０７として構成されている。この場合、センサチップ１１０に設けられた検出部１２２は、磁極の中心で最大または最小となる信号Ｓ９と、各磁極の境界で最大または最小となる信号Ｓ１０と、を検出信号として信号処理部１２３に出力する。このように、検出対象２００が磁石２０７で構成されていても、信号Ｓ９、Ｓ１０は、位相差を持った信号となる。
　なお、図２８に示された磁石２０７のＮ極／Ｓ極は逆の配置でも良い。また、検出部１２２は、信号Ｓ９が各磁極の境界で最大または最小となり、信号Ｓ１０が磁極の中心で最大または最小となるように構成されていても良い。また、１つの領域部２０１～２０４を構成する磁極の極数は３極に限られず、他の極数でも良い。
　そして、図２９に示されるように、検出対象２００の各領域部２０１～２０４は、磁石２０７のＮ極が２つのＳ極に挟まれるように構成されている。これにより、磁石２０７の磁化方向は紙面垂直方向となる。状態判定は、第１実施形態の図１１の場合と同じである。
　変形例として、図３０に示されるように、検出対象２００は板部材の上に各領域部２０１～２０４を構成する磁石２０７が貼り付けられたものでも良い。磁化方向は板部材の板面に垂直な方向である。
　変形例として、図３１に示されるように、検出対象２００は磁性体の板部材２０８の上に設けられたゴム磁石２０９の一部が磁石２０７となるように着磁されたものでも良い。磁化方向はゴム磁石２０９の板面に垂直な方向である。
　変形例として、図３２に示されるように、検出対象２００は扇形状の板部材に磁石２０７が貼り付けあるいは着磁されたものでも良い。
　変形例として、図３３に示されるように、検出対象２００はロータ等の回転体に磁石２０７が設けられたのでも良い。この場合、図３４に示されるように、回転角のθ方向に４つの領域部２０１～２０４を構成する磁石２０７が図３３の破線部に設けられている。磁石２０７の構成は図３１に示された構成と同じでも良いし、板部材に磁石２０７が貼り付けられる構成でも良い。
　（他の実施形態）
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。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。
　また、上記各実施形態では、検出対象２００に磁石２０７が含まれていないが、ポジションセンサ１００に磁石１０６、１２０が含まれる構成と、検出対象２００に磁石２０７が含まれるが、ポジションセンサ１００に磁石１０６、１２０が含まれない構成と、が示されているが、これらの組み合わせは一例である。したがって、検出対象２００に磁石２０７が含まれており、ポジションセンサ１００に磁石１０６、１２０が含まれる構成となっていても良い。この場合、ポジションセンサ１００の作動は第１実施形態と同じである。

Claims (12)

  1. 　バイアス磁界を発生させる磁石（１０６、１２０）と、前記バイアス磁界が印加される検出素子（１２４）と、を有し、磁性体で構成された検出対象（２００）の移動に伴って前記検出素子が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と共に位相差が異なる複数の検出信号を生成する検出部（１２２）と、
    　前記検出部から前記複数の検出信号を取得し、前記複数の検出信号と閾値とを比較し、前記複数の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対象の位置を特定する信号処理部（１２３）と、
    　を備え、
    　前記検出対象は、前記複数の範囲に対応する複数の領域部（２０１～２０４）を有し、
    　前記複数の領域部は、前記検出対象のうち前記検出部が対向する検出面（２０５）の面内で前記検出対象の移動方向に階段状に接続されて構成されているポジションセンサ。
  2. 　磁石（２０７）を含んで構成された検出対象（２００）の移動に伴って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と共に位相差が異なる複数の検出信号を生成する検出部（１２２）と、
    　前記検出部から前記複数の検出信号を取得し、前記複数の検出信号と閾値とを比較し、前記複数の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対象の位置を特定する信号処理部（１２３）と、
    　を備え、
    　前記検出対象は、前記複数の範囲に対応する複数の領域部（２０１～２０４）を有し、
    　前記複数の領域部は、前記検出対象のうち前記検出部が対向する検出面（２０５）の面内で前記検出対象の移動方向に階段状に接続されて構成されているポジションセンサ。
  3. 　前記複数の領域部は、長方形の板部材によって構成されている請求項１または２に記載のポジションセンサ。
  4. 　前記検出部に対向する前記検出面の端部は、前記階段状に構成されている請求項１または２に記載のポジションセンサ。
  5. 　前記検出素子は、前記検出対象の移動に伴って、抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子対を有している請求項１に記載のポジションセンサ。
  6. 　前記検出素子は、前記複数の磁気抵抗素子対の出力に基づいて、前記複数の検出信号として、生成する請求項５に記載のポジションセンサ。
  7. 　前記検出対象は、前記検出部に対して、磁化方向を持つ前記磁石として構成されている請求項２に記載のポジションセンサ。
  8. 　前記信号処理部は、前記複数の範囲にそれぞれ設定された離散的な値のうち前記信号処理部より特定された前記検出対象の位置の範囲に対応した値の位置信号を外部装置（３００）に出力する請求項１または２に記載のポジションセンサ。
  9. 　前記複数の範囲は、前記検出対象の移動方向に沿って一方向に直列に並んだ複数の検出可能範囲である請求項１ないし３のいずれか１つに記載のポジションセンサ。
  10. 　前記離散的な値の位置信号は、電圧値が異なる電圧信号である請求項８に記載のポジションセンサ。
  11. 　前記離散的な値の位置信号は、パルス幅が異なるパルス信号である請求項８に記載のポジションセンサ。
  12. 　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ないし１１のいずれか１つに記載のポジションセンサ。
     
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