JP2005214944A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

【課題】
ステアリングを回転させた際、ステアリングシャフトに追従して回転する抵抗素子基板上に、メッキを表面に施したスリップリングとスリップリング接触部とが摺り合って、ブラシアーム部が振幅し、周波数２５００〜３５００Ｈｚで耳障りな摺動音を発生する欠点があった。
【解決手段】
接触ブラシのアーム部に、その長手軸線の中心に対して対称に所定の質量の振幅抑制部材が一体に取付けられたこと特徴とする。これにより、アーム部の共振周波数をずらして周波数２５００〜３５００Ｈｚでの耳障りな摺動による音圧を、３〜４ｄＢ低減させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転センサに関する。

近年、地球環境問題への関心の高まりに伴い、自動車の排出ガスを低減する対策の１つとして、車体の軽量化に関する研究が進んでいる。例えば、従来の油圧駆動式が主流であったパワーステアリング装置を電動式にすることもその一つである。電動式は、油圧駆動式に較べて、油圧ポンプが不要になることで自動車の一層の軽量化が実現される。

油圧駆動式の場合には、機械部品のみによって適当なパワーアシストを実現することが可能であるのに対して、電動式の場合は、アシスト力をコンピュータで計算するため、ステアリング操作に伴う舵角を計測する舵角センサとトルクを計測するトルクセンサとを備えた回転センサが必要である。
また、この電動式のパワーステアリング装置に用いる回転センサには、磁界などを用いる非接触式のものと、電気抵抗体にブラシ等の接触子を接触させて電圧を検出する接触式のものとがある。（例えば特許文献１）

ここで接触式の回転センサを備えた自動車ステアリング装置の一例を図７に示す。
ハンドル１０にはステアリングシャフト１６が直結している。このステアリングシャフト１６には、トーションバー１４を介してコラムシャフト１２が連結されている。このコラムシャフト１２は、電動式のパワーステアリング機構１８に接続されている。パワーステアリング機構１８は、前輪１９を操舵するためのラック・ピニオンや、操舵をアシストする電動モータ等を内蔵している。

コラムシャフト１２及びステアリングシャフト１６は、ベアリング等を介して車体側の支持部材に保持されており、ハンドル１０の回転に伴って滑らかに回転し、これにより、パワーステアリング機構１８を介して前輪１９が操舵される。この際に、コラムシャフト１２とステアリングシャフト１６との間を連結するトーションバー１４が路面からの反力により捩れる結果、コラムシャフト１２とステアリングシャフト１６との間に回転のずれが生じ、この回転ずれからステアリングシャフト１６、つまり、ハンドル２の反力トルクを求めることができる。

このハンドル１０のハンドル角や反力トルクを検出するための回転センサ２０は、図７に示すようにコラムシャフト１２とステアリングシャフト１６との間に跨って配置されている。
回転センサ２０は、図８に示すように、ハンドル角ロータ２２及びトルクロータ２４を備えている。そして、ハンドル角ロータ２２はステアリングシャフト１６の下端に取り付けられ、トルクロータ２４はコラムシャフト１２の上端に取り付けられている。即ち、ハンドル角ロータ２２及びトルクロータ２４は、ステアリングシャフト１６及びコラムシャフト１２とそれぞれ一体に回転する。

また、ハンドル角ロータ２２の外周には、円盤状の基板２６が取り付けられている。この基板２６もまた、ステアリングシャフト１６、即ち、ハンドル１０と一体に回転する。
基板２６の上側の表面には、ハンドル角を検出するための１乃至複数の電気抵抗体２８が設けられている。この電気抵抗体２８は、例えば導電性金属あるいは導電性樹脂からなり、プリント技術により形成されている。電気抵抗体２８は、図９に示すように、環状をなし、２つの基準点Ａ，Ｂを有し、ステアリングシャフト１６の舵角を検出する。これら基準点Ａ，Ｂは、電気抵抗体２８の周方向に距離Ｘをおいて配置され、基準点Ａ，Ｂ間に所定の基準電圧が印加可能となっている。

更に、基板２６の裏面にも、図９の電気抵抗体２８と同様に１乃至複数の円弧状の電気抵抗体３０が形成されており、この電気抵抗体３０はステアリングシャフト１６に発生する反力トルクの検出に使用される。
即ち、トルクロータ２４の外側には、環状のブラシ保持部材３４が配置されている。このブラシ保持部材３４は、コンプライアンスディスク３２を介してトルクロータ２４に接続され、ブラシ保持部材３４と基板２６との間には、所定の間隔が確保されている。

コンプライアンスディスク３２の接続剛性は、ブラシ保持部材３４の周方向には高いものの、その径方向には低い。具体的には、コンプライアンスディスク３２は、ステンレス等の金属や、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等のプラスチックから成形され、図１０に示されるような形状を有する。
即ち、コンプライアンスディスク３２は、リング３２ａと、このリング３２ａの外周縁から一体に突出した一対ずつの第１及び第２弾性片３２ｂ，３２ｃとを有する。一対の第１弾性片３２ｂは、リング３２ａの直径方向に互いに離間している。各第１弾性片３２ｂは、リング３２ａから一旦上方に延びる起立部と、この起立部の上端からリング３２ａの径方向外側且つ下方に向けて円弧状に曲成されたばね部と、このばね部の下端からリング３２ａの径方向外側に向けて水平に延びる取付け部とを有しており、この取付け部に一対の貫通孔３２ｄが形成されている。

各第１弾性片３２ｂの取付け部は、ブラシ保持部材３４の上面に重ね合わされた後、取付けねじ（図示しない）が貫通孔３２ｄを通じてブラシ保持部材３４にねじ込まれることで、ブラシ保持部材３４に連結される。
一方、一対の第２弾性片３２ｃは、リング３２ａの直径方向に互いに離間しているが、第２弾性片３ｃ間を結ぶ線分と第１弾性片３ｂ間を結ぶ線分とは、互いに直交する関係にある。つまり、第１及び第２弾性片３２ｂ，３２ｃは、リング３２ａの周方向に等間隔、即ち、９０°の間隔をおいて交互に配置されている。

各第２弾性片３２ｃもまた、リング３２ａから一旦上方に延びる起立部と、この起立部の上端からリング３２ａの径方向内側且つ下方に向けて円弧状に曲成されたばね部と、このばね部の下端からリング３２ａの径方向内側に向けて水平に延びる取付け部とを有しており、この取付け部に一対の貫通孔３２ｅが形成されている。

各第２弾性片３２ｃの取付け部もまた、トルクロータ２４の上面に重ね合わされた後、取付けねじ（図示しない）が貫通孔３２ｅを通じてトルクロータ２４にねじ込まれることで、トルクロータ２４に連結される。
上述したコンプライアンスディスク３２の剛性は、リング３２ａの存在によって、ブラシ保持部材３４及びトルクロータ２４が回転する方向に高く、これに対して、第１及び第２弾性片３２ｂ，３２ｃのばね部の存在によって、それらの径方向には低い。このため、コンプライアンスディスク３２は、コラムシャフト１２、即ち、トルクロータ２４の回転をブラシ保持部材３４に確実に伝達しつつ、コラムシャフト１２とステアリングシャフト１６との間の軸ずれを吸収することができる。

即ち、このコンプライアンスディスク３２は、その径方向でみて、トルクロータ２４とブラシ保持部材３４との間を弾性的に連結する弾性連結部材として機能し、コラムシャフト１２とステアリングシャフト１６との間の軸心のずれが角度検出に影響しないようにしている。但し、このコンプライアンスディスク３２は、回転センサ２０に必須なものではない。

更に、基板２６やブラシ保持部材３４等は、ケーシング３６内に収容され、このケーシング３６は、車体側、即ち、前述した支持部材３８に固定されている。
ケーシング３６の天井壁３６ａと基板２６の表面との間には、一定の間隔が確保されている。そして、この天井壁３６ａには、ハンドル角検出用の１乃至複数対の接触ブラシ４０が下向きに取り付けられている。尚、図８には、一個の接触ブラシ４０のみが示されている。各接触ブラシ４０の一端はケーシング３６の天井壁３６ａに固定され、その他端は電気抵抗体２８に接触している。即ち、ケーシング３６の天井壁３６ａは、接触ブラシ４０のブラシ保持部材として機能している。

また、ブラシ保持部材３４の上面にも、一対の反力トルク検出用の接触ブラシ４２が上向きに取り付けられており、これら接触ブラシ４２の一端はブラシ保持部材３４に固定され、他端は電気抵抗体３０に接触している。尚、ケーシング３６の底壁には、ブラシ保持部材３４の回転を案内する環状の突条３６ｂが形成されている。

接触ブラシ４０，４２は同一の構造を有しているため、ここでは、図１１を参照しながら接触ブラシ４０についてのみ説明し、接触ブラシ４２の具体説明は省略する。
図１１に示されるように、接触ブラシ４０は、薄板状のスプリングアーム４４を備えている。このスプリングアーム４４は、ブラシ保持部材への取付けに使用される固定端部４４ａを有し、この固定端部４４ａから曲がり部を介してアーム部４４ｂが一体に延びている。このアーム部４４ｂの幅及び長さは、例えばそれぞれ、２．５ｍｍ、４ｍｍである。

そして、アーム部４４ｂの先端部にはブラシ部４６が取付けられ、このブラシ部４６は複数本のワイヤ４６ａからなる。具体的には、各ワイヤ４６ａの根元は板状のワイヤホルダ４６ｂに保持され、このワイヤホルダ４６ｂは、アーム部４４ｂの先端部に溶接により固定されている。
更に、各ワイヤ４６ａの先端部は鉤形に湾曲され、これらの湾曲部にて、電気抵抗体２８との電気的接触子４８が形成されている。即ち、電気的接触子４８が接触ブラシ４０の可動端となっている。

そして、アーム部４４ｂの先端部にはブラシ部４６が取付けられ、このブラシ部４６は複数本のワイヤ４６ａからなる。具体的には、各ワイヤ４６ａの根元は板状のワイヤホルダ４６ｂに保持され、このワイヤホルダ４６ｂは、アーム部４４ｂの先端部に溶接により固定されている。
更に、各ワイヤ４６ａの先端部は鉤形に湾曲され、これらの湾曲部にて、電気抵抗体２８との電気的接触子４８が形成されている。即ち、電気的接触子４８が接触ブラシ４０の可動端となっている。

尚、上述したスプリングアーム４４は、例えば厚さ０．０６ｍｍのべリリウム銅からなるシートを打抜き加工した後、固定端部４４ａとアーム部４４ｂとの間を区画すべく折曲げ加工して成形される。また、ブラシ部４６の各ワイヤ４６ａは、７元合金材料が用いられている。
ここで、接触ブラシ４０におけるスプリングアーム４４、即ち、そのアーム部４４ｂのばね係数は、０．１Ｎ／ｍｍ以下、そして、電気抵抗体２８に対する接触ブラシ４０の接触力は、０．０４〜０．２４Ｎの範囲にあるのが好ましい。本実施形態においては、前記ばね係数を０．０５６Ｎ／ｍｍ、そして、前記接触力を０．１４Ｎとした。

また、スプリングアーム４４の長手軸線Ｌは図１１中に１点鎖線で示され、この長手軸線Ｌはブラシ部４６の真中、即ち、電気的接触子４８の中央を通過している。

次に、この回転センサ２０の動作について説明する。
ハンドル１０が回転されると、この回転はステアリングシャフト１６を介してハンドル角ロータ２２、即ち、基板２６に伝達され、基板２６を回転させる。また、ハンドル１０の回転は、ステアリングシャフト１６、トーションバー１４及びコラムシャフト１２を介して、パワーステアリング機構１８及びトルクロータ２４に伝達され、パワーステアリング機構１８により前輪１９が操舵される一方、トルクロータ２４はコンプライアンスディスク３２を介してブラシ保持部材３４を一体的に回転させる。

このような前輪１９の操舵時に、トーションバー１４が路面反力により捩れると、コラムシャフト１２とステアリングシャフト１６との間に回転のずれが生じる。このため、ハンドル角ロータ２２に接続された基板２６はステアリングシャフト１６と一体的に回転するが、基板２６とブラシ保持部材３４との間には、それらの回転角に差が発生する。尚、ここでの回転角差は±１２°の範囲にある。

基板２６の回転に伴い、ケーシング３６に固定された接触ブラシの電気的接触子４８は、環状の電気抵抗体２８上を相対的に摺動する。ここで、電気抵抗体２８の２つの基準点Ａ，Ｂ（図９参照）にそれぞれ０ボルト、Ｖccボルトの電圧が印加された状態にある。このため、電気的接触子４８が基準点Ａから電気抵抗体２８の周方向に沿い基準点Ｂに向けて所定の距離だけ相対的に摺動すると、接触ブラシ４０から取り出される電圧信号は、ポテンショメータの原理により、図１２のグラフに示されるように、その摺動距離に正比例し、Ｖccに向けて増加する。そして、接触ブラシ４０の電気的接触子４８が基準点Ｂから基準点Ａに向けて更に相対的に摺動されると、接触ブラシ４０からの出力電圧はＶccから減少する。

接触ブラシ４０からの電圧信号は、信号ケーブル（図示せず）を経て外部の演算処理装置（図示せず）に供給され、この演算処理装置により、ハンドル角ロータ２２、即ち、ハンドル２のハンドル角が演算される。尚、一対の接触ブラシ４０からの電圧信号には、所定の出力位相差が与えられており、この出力位相差に基づき、演算処理装置はハンドル２の回転方向をも同時に検出する。

一方、基板２６及びブラシ保持部材３４との間の回転角差に基づき、ブラシ保持部材３４の一対の接触ブラシ４２の電気的接触子は、基板２６の環状の電気抵抗体３０上を相対的に摺動し、接触ブラシ４２から取り出される電圧信号もまた演算処理装置に供給される。ここで、演算処理装置は一対の接触ブラシ４２からの電圧信号との差に基づき、ハンドル角ロータ２２とトルクロータ２４との間の回転ずれ、即ち、反力トルクを演算する。

接触式の回転センサは、上記のように構成され、舵角やトルクを計測することができる。

特開２００２−３５７４５２号公報（特願２００１−２２４９１２号明細書）

しかしながら、上記した従来の接触式の回転センサにおいては、接触子が電気抵抗体上を摺動するため、その際に摺動音が発生し、人間に不快感を与えるという問題が生じた。
また、製造コストを低減する必要から、回転センサの多くの部品が樹脂成型部品で構成され、各部品間にはクリアランスが設けられるため、部品相互間にある程度のがたが発生する。例えば電気抵抗体が形成されている円盤状の基板の位置も、接触子に対して変動する。この変動値は、設計値により左右されるものの、通常±１ｍｍ程度である。従って、接触子の電気抵抗体に対する接触力が変動する。その結果、接触子と電気抵抗体との接触状態が不安定になり、耐久性が損なわれるという問題が生じた。
ステアリングを回転させた際、ステアリングシャフトに追従して回転する抵抗素子基板上に、メッキを表面に施したスリップリングとスリップリング接触部とが摺り合って、ブラシアーム部が振幅し、周波数２５００〜３５００Ｈｚで耳障りな摺動音を発生する。

本発明者らは、回転センサの接触子が電気抵抗体上を摺動する際に発生する摺動音を実測し、更に計算機等を用いて解析した結果、次のことが判明した。即ち、接触子が電気抵抗体上を摺動すると、その際の摩擦をエネルギー源として、接触子に捻り振動が発生し、この捻り振動が原因となって摺動音が発生する。そして、特に接触子が振動され易い形状の場合、捻り振動が接触子の固有振動を励起し、その固有振動数の音のみが極端に大きくなるため、人間に不快感を与える度合いも大きくなっていた。そこで、本発明者らは、接触子の形状を振動され難いものにすることを考え、鋭意実験を重ねた。
その結果、以下の構成からなる回転センサに至った。

即ち、本発明は、回転される基板と、
前記基板の片面に形成され、前記基板の回転方向に延びる電気抵抗体と、
前記基板の近傍に配置された保持部材と、
前記保持部材に一端部が固定されるとともに、他端にアーム部を介して設けられた接触子を有し、この接触子が前記基板の回転に伴い、前記電気抵抗体と電気的に接触した状態で、前記電気抵抗体に対して相対的に摺動する接触ブラシとを備え、
前記接触ブラシの相対的な摺動に基づき、前記基板の回転情報を電気信号として前記接触ブラシから取出す回転センサであって、
前記接触ブラシのアーム部には、その長手軸線の中心に対して対称に所定の質量の振幅抑制部材が一体に取付けられたこと特徴とする。

本発明は、従来の周波数２５００〜３５００Ｈｚでの耳障りな摺動による音圧を、３〜４ｄＢ低減させることができる。。

振幅抑制部材はアーム部の外周を覆うように設けられたことを特徴とする。
振幅抑制部材はアーム部の表又は裏のいずれか一方の面に設けられたことを特徴とする。

アーム部に１乃至複数の孔が形成され、その孔に上記の振幅抑制部材がインサート成形により設けられたことを特徴とする。
アーム部に１乃至複数の凸部を設け、その凸部に上記の振幅抑制部材がインサート成形により設けられたことを特徴とする。
アーム部の側面に１乃至複数の凹部を設け、その凹部に上記振幅抑制部材が設けられたことを特徴とする。
このようにアーム部の１ヶ所又は複数個の孔を開ける事及び１ヶ所又は複数個の凸部あるいは凹部を設けて振幅抑制部材を配置させる事により、振幅抑制部材がアーム部からずれるのを防止させることが出来る。

図１は本発明の一実施例による接触ブラシ５０を示すものであり、図において、４４、４４ａ、４４ｂ、４６、４６ａ、４６ｂ、４８はそれぞれ、図１１と同様に、スプリングアーム、固定端部、アーム部、ブラシ部、ワイヤ、ワイヤホルダ、電気的接触子であり、それぞれは図１１の場合と同様に動作及び機能する。更に、図１において、５２は本発明において特徴とする振幅抑制部材である。振幅抑制部材５２は常温において固定の熱可塑性樹脂、熱効果樹脂等で構成され、スプリングアーム４４の長手軸線Ｌに対して対称の重量配分（回転トルク配分が均等）となるようにアーム部４４ｂに取り付けられている。

この図１に示される実施例は、アーム部４４ｂの中央部に貫通孔５４が形成され、その貫通孔５４を介してアーム部４４ｂの表面に配置された振幅抑制部材５２ａと裏面に配置された振幅抑制部材５２ｂとが連通し、且つアーム部４４ｂの外周を覆うようにインサート成形により配置されている。また、振幅抑制部材５２はアーム部４４ｂの長手方向の略中央位置に配置されている。貫通孔５４は１個のみでなく、スプリングアーム４４の長手軸線Ｌに対して対称となるように複数個設けるようにしても良い。

図１に示される実施例は、上述のように、接触ブラシ５０のアーム部４４ｂに、その長手軸線の中心に対して対称に所定の質量の振幅抑制部材５２が一体に取付けられている。従って、接触ブラシ５０の共振周波数が変化し、周波数２５００〜３５００Ｈｚでの耳障りな摺動による音圧を、３〜４ｄＢ低減させることができる。

図２は本発明の他の実施例を示すものである。本実施例は図１に示す実施例に比較して、貫通孔５４の代わりに振幅抑制部材５２を配置させようとするアーム部４４ｂの裏面を凸部に加工して、その上に振幅抑制部材５２がインサート成形により構成されている。凸部の数は１個のみでなく、複数個設けるようにしても良い。
これにより、振幅抑制部材５２が他の位置に移動することなく、アーム部４４ｂと一体に配置させることができる。これによっても上記ど同様に耳障りな摺動による音圧を、３〜４ｄＢ低減させることができる。

図３は本発明の更に他の実施例を示すものである。本実施例は振幅抑制部材５２がアーム部４４ｂの周りに断面Ｃ字状にインサート成形されて構成されている。即ち、アーム部４４ｂの表面で振幅抑制部材５２の切り欠き５２’が形成されるように構成されている。これによっても上記ど同様に耳障りな摺動による音圧を、３〜４ｄＢ低減させることができる。

図４は本発明の更に他の実施例を示すものである。本実施例は振幅抑制部材５２がアーム部４４ｂの表面のみに接着材などで張り付けられて配置された構成となっている。このような構成であっても上記ど同様に耳障りな摺動による音圧を、３〜４ｄＢ低減させることができる。

図５は本発明の更に他の実施例を示すものである。本実施例はアーム部４４ｂの両側面に凹部５６が形成されて、その表面を覆うようにインサート成形により振幅抑制部材５２が配置された構成となっている。この凹部５６の存在によって振幅抑制部材５２が強固にアーム部４４に固定される。このような構成であっても上記ど同様に耳障りな摺動による音圧を、３〜４ｄＢ低減させることができる。

図６は本発明の更に他の実施例を示すものである。本実施例はアーム部４４ｂに１ヶ所又は複数個の孔を開け、その孔を塞ぐように振幅抑制部材５２を、アウトサートすることにより配置させたものが示されている。このような構成であっても上記ど同様に耳障りな摺動による音圧を、３〜４ｄＢ低減させることができる。

本発明の一実施例を示すものでイは正面図、ロは側面図。 本発明の他の一実施例を示すものでイは正面図、ロは側面図。 本発明の更に他の一実施例を示すものでイは正面図、ロは側面図、ハはＰ−Ｐ線における断面図。 本発明の更に他の一実施例を示すものでイは正面図、ロは側面図。 本発明の更に他の一実施例を示すものでイは正面図、ロは側面図。 本発明の更に他の一実施例を示すものでイは正面図、ロは側面図。 一般的なステアリングシステムを示す説明図。 一般的な回転センサの構成図。 一般的な回転センサの要部構成図。 一般的な回転センサの更に他の要部構成図。 従来の一例の斜視図。 一般的な開園センサーの出力特性図。

符号の説明

２６ 基板
２８ 電気抵抗体
３０ 電気抵抗体
３４ ブラシ保持部材
３８ 支持部材
４４ スプリングアーム
４４ａ 固定端部
４４ｂ アーム部
４６ ブラシ部
４６ａ ワイヤ
４６ｂ ワイヤホルダ
４８ 電気的接触子
５０ 接触ブラシ
５２ 振幅抑制部材
５２ａ 振幅抑制部材
５２ｂ 振幅抑制部材
５２’ 切り欠き
５４ 貫通孔
５６ 凹部

Claims (5)

1. 回転される基板と、
   前記基板の片面に形成され、前記基板の回転方向に延びる電気抵抗体と、
   前記基板の近傍に配置された保持部材と、
   前記保持部材に一端部が固定されるとともに、他端にアーム部を介して設けられた接触子を有し、この接触子が前記基板の回転に伴い、前記電気抵抗体と電気的に接触した状態で、前記電気抵抗体に対して相対的に摺動する接触ブラシとを備え、
   前記接触ブラシの相対的な摺動に基づき、前記基板の回転情報を電気信号として前記接触ブラシから取出す回転センサであって、
   前記接触ブラシのアーム部には、その長手軸線の中心に対して対称に所定の質量の振幅抑制部材が一体に設けられたこと特徴とする回転センサ。
2. 振幅抑制部材はアーム部の外周を覆うように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
3. 振幅抑制部材はアーム部の表又は裏のいずれか一方の面に取付られたことを特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
4. アーム部に１乃至複数の孔が形成され、その孔を埋めるように振幅抑制部材が設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の回転センサ。
5. アーム部に１乃至複数の凸部あるいは凹部を設け、その凸部あるいは凹部に振幅抑制部材がインサート成形により設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１に記載の回転センサ。
   

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