JP3855763B2 - 回転角検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転部材と非回転部材との回転角度を検出する回転角検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
回転角検出装置としては、たとえば、自動車のアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセルペダルの支持軸の回動角を検出するためのアクセル位置センサがある。
【0003】
従来のアクセル位置センサ100の概略構造を図9に示し、その作動について図9に基づいて説明する。
【0004】
アクセル位置センサ100は、被検出物としてのアクセルペダルユニット(図示せず)の回転に応じて回転する回転部材である支持軸(図示せず)に設けられ、支持軸の回転軸と直交する方向に回転軸を挟んで対向するように、且つ磁極方向が対向する向きと略直角の向きで略同一方向に配置された2つの磁石23と、2つの磁石23の同じ磁極同士を繋ぐ2つの磁性体製ヨーク21により構成され、回転軸を囲み略筒状に形成された磁気回路20と、磁気回路20の内部空間に配置され、且つ磁気回路20に対して相対的に角度変化する他方である非回転部材、すなわちアクセルペダルユニットを回動自在に保持しているブラケット(図示せず)に設けられ、支持軸の回転軸と直交する方向に2つの分割部であるコア片31に分割され、対向するコア片31によって形成されたギャップ32に磁気検出素子であるホールIC33が配置された略円柱状且つ磁性体製のコア30とを備え、磁気回路20とコア30との相対回転位置によって変化するホールIC33の出力信号に基づいて、アクセルペダルユニットの支持軸とブラケットとの回転角度(すなわち、アクセルペダル踏み込み量)を検出するものである。
【0005】
ここで、図9は、アクセル位置センサ100が初期位置にある、すなわち、運転者がアクセルペダルを踏み込んでいない状態を示している。この時、磁気回路20およびコア30の位置関係は、アクセル位置センサ100の出力信号電圧が最小値となるように設定されている。すなわち、両磁石23により形成される磁束Mは、図9中において矢印で示すように流れており、ホールIC33を横切るような磁束Mは発生していない。これにより、ホールIC33の出力信号は最小値となっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、回転部材であるアクセルペダルユニットおよび非回転部材であるブラケットそれぞれの完成寸法のばらつきにより、アクセル位置センサ100では、その製品間において、磁気回路20とコア30の相対位置の変動、つまり位置ずれが生じる。たとえば、図10に示すように、磁気回路20とコア30の位置ずれが生じた場合、磁気回路20・コア30間の最小隙間が形成される位置が図10中のG部となり、アクセル位置センサ100の初期位置において、磁束Mは図10中の矢印で示すように流れてホールIC33を横切るようになる。そのため、ホールIC33の出力信号は、図9に示すような状態における最小値から所定の値、つまりホールIC33を横切る磁束の磁束密度に対応した値だけ変化する。すなわち、アクセル位置センサ100において、初期位置付近における出力信号電圧が製品毎にばらつくことになる。アクセル位置センサ100の用途によっては上述の初期位置付近における出力信号電圧のばらつきが許容範囲を超えてしまうという問題がある。
【0007】
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、その目的は、磁気回路形状に工夫を凝らして、磁気回路とコアの位置関係の変動に起因する初期位置付近における出力信号電圧の製品間ばらつきを低減できる回転角検出装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成する為以下の技術的手段を採用する。
【0009】
本発明の請求項1に記載の回転角検出装置では、磁気回路の各ヨークは、両磁石を結ぶ軸線に平行な略平面部を有し、各略平面部は、コアを挟んで互いに対向する構成とした。これにより、磁気回路とコアの位置ずれが生じても、磁気回路・コア間の最小隙間形成部におけるコア側の点は常に同一点とすることができるので、コア内を流れる磁束の方向を常に同一、すなわち磁気回路のヨークの平面部に直交する方向とすることができる。したがって、磁気回路とコアの位置ずれが生じても、コア内を流れる磁束の方向とコアの磁気検出ギャップとの位置関係を常に同一に維持できるので、回転角検出装置の初期位置付近における出力特性の製品間ばらつきを低減することができる。この場合、請求項2に記載の回転角検出装置のように、磁気回路のヨークに設けられた平面部の両磁石を結ぶ軸線方向長さはコアの直径とほぼ等しいか、もしくはそれ以上であるような構成とすれば、磁気回路とコアの位置ずれが生じた場合においても、磁気回路・コア間の最小隙間形成部におけるコア側の点を常に確実に同一点とすることができる。
【0011】
本発明の請求項3に記載の回転角検出装置では、磁気検出素子は、コアのギャップの幅方向に流れる磁束密度を検出するように配置されている構成とした。これにより、磁気回路とコアとの回転角度の変化を磁気検出素子により確実に検出できる。
【0013】
本発明の請求項4に記載の回転角検出装置では、磁気回路を形成するヨークは被検出物の回転に応じて回転する回転部材に固定され、磁気検出素子を保持するコアは非回転部材に固定されている構成とした。これにより、磁気検出素子は非回転部材に固定されるので、磁気検出素子からの出力信号の取出しが容易に行なえる。
【0015】
本発明の請求項5に記載の回転角検出装置では、自動車のアクセル位置センサに適用され、アクセルペダルが踏み込まれていない状態を初期位置とする構成とした。これにより、種々の自動車に容易に適用することができる。
【0016】
本発明の請求項6に記載の回転角検出装置では、初期位置において、コアのギャップはその軸方向にてヨークの平面部と直交するように配置される構成とした。これにより、磁気検出素子の磁気検出方向と、磁気検出素子内を流れる磁束の方向とが直交することになり、磁気検出素子内をその磁気検出方向に流れる磁束をほとんど無くし、回転角検出装置の初期位置における磁気検出素子の出力信号を最小値とすることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態による回転角検出装置を、自動車用アクセルペダルモジュールに組込まれているペダルポジションセンサに適用した場合を例に図に基づいて説明する。
【0018】
図1は、本発明の一実施形態による回転角検出装置であるアクセル位置センサ1の断面図であり、図2のI−I線断面図である。また、図1は、アクセル位置センサ1の初期位置、すなわちアクセルペダルが踏み込まれていない状態を示している。
【0019】
図2は、アクセル位置センサ1が組込まれたアクセルペダルモジュール10の断面図である。なお、各図において、同一構成部分には同一符号を付してある。
【0020】
アクセルペダルモジュール10は、自動車の車室内の運転席付近に搭載されている。運転者が足等によりアクセルペダル11cを踏み込むと、その踏み込み量をアクセル位置センサ1により回転角度として検出している。そして、その検出出力信号に基づき、たとえばアクセルペダルモジュール10の外部に設置されているエンジン制御装置(図示せず)によりエンジンの作動状態が制御される。
【0021】
先ず、アクセルペダルモジュール10の概略構成について説明する。
【0022】
アクセルペダルモジュール10は、回転部材としてのアクセルペダルユニット11と、アクセルペダルユニット11を回動自在に保持すると共に自動車に固定されている非回転部材であるブラケット12とから構成されている。アクセルペダルユニット11は、その支持軸である軸部11aにてブラケット12の孔部12aと回動自在に嵌合している。つまり、アクセルペダルユニット11は、回転軸Cの周りに回転することができる。また、軸部11aには、アーム部11bを介してアクセルペダル11cが一体的に取付けられている。アクセルペダルユニット11には、軸部11aと同軸上に後述する磁気回路20が設けられている。一方、ブラケット12には、磁気回路20の内側且つ孔部12aと同軸上に、後述する略円柱状のコア30が固定されている。このコア30と磁気回路20とによりアクセル位置センサ1が形成されている。また、アクセルペダルユニット11は、付勢部材、たとえばコイルばね等(図示せず)により常時初期位置側(エンジン無負荷状態、いわゆるアイドリング)に付勢されており、運転者がアクセルペダル11cを踏み込んでいない時は、必ず初期位置で停止している。
【0023】
次に、アクセルペダルユニット11のブラケット12に対する回転角を検出すアクセル位置センサ1の構成について説明する。
【0024】
磁気回路20は、図1に示すごとく、アクセルペダルユニット11の軸部11aの回転軸Cと直交する方向に回転軸Cを挟んで対向するように、且つその磁極方向が、対向する向きと略直角の向き、すなわち図1の左右方向に配列されると共に略同一方向に配置された2つの磁石23と、両磁石23の同じ磁極同士を繋ぐ2つの磁性体製ヨーク21により構成され、回転軸Cを囲み略筒状に形成されている。また、磁気回路20の形状は、回転軸Cに対して点対称となっている。本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の両磁石23は、図1の左側がN極、右側がS極となっている。したがって、磁気回路20において、左側のヨーク21がN極の極性を持ち、右側のヨーク21がS極の極性を持つ。
【0025】
各ヨーク21は磁性体、たとえば鉄等から図1に示すような形状に形成されている。また、各ヨーク21は、図1に示すように、コア30を挟んで互いに対向し且つ両磁石23を結ぶ軸線Vに平行な略平面部である平面部21bが形成されている。また、平面部21bの軸線V方向長さ寸法Lは、コア30の直径寸法Dよりも長く設定されている。
【0026】
各ヨーク21と両磁石23を接着等により一体化して磁気回路20を形成した後、磁気回路20は、アクセルペダルユニット11に、その回転軸Cと同軸上に固定されている。
【0027】
コア30は、図1および図2に示すように、磁気回路20の内部空間に配置され、且つ磁気回路20に対して相対的に角度変化する非回転部材、すなわちアクセルペダルユニット11を回動自在に保持しているブラケット12に設けられている。磁性体からなるコア30は、軸部11aの回転軸Cと直交する方向、すなわち図1における上下方向に2つの分割部である2つのコア片31に分割され、対向するコア片31によって形成されたギャップ32に磁気検出素子であるホールIC33が配置されて略円柱状に形成されている。ここで、ホールIC33は、磁気検出ギャップ32における幅方向(図1における上下方向)の磁束密度を検出可能なように磁気検出ギャップ32内に取付けられている。すなわち、磁気検出ギャップ32における幅方向(図1における上下方向)が、ホールIC33の磁気検出方向である。
【0028】
ホールIC33は、磁気検出素子であるホール素子と信号増幅回路とを一体化したICであり、ホールIC33を通過する磁束密度、すなわち磁気検出ギャップ32における幅方向の磁束密度に応じた電圧信号を出力する。
【0029】
次に、以上説明したように構成されたアクセル位置センサ1の作動について説明する。
【0030】
(1)アクセルペダルユニット11が初期位置にある場合。
【0031】
アクセルペダルユニット11が初期位置(アクセルペダル11cが踏み込まれていない状態)にある時には、磁気回路20とコア30の位置関係は、図1に示すように、コア30の磁気検出ギャップ32の軸方向である軸線Hが磁気回路20の平面部21と直交するように設定されている。このため、磁束Mは、コア30内を磁気検出ギャップ32とがほぼ平行に流れる。したがって、ホールIC33を横切るような磁束Mはほとんど発生せず、ホールIC33の出力電圧、つまりアクセル位置センサ1の出力電圧は最小値となる。すなわち、アクセルペダルユニット11の初期位置においてはアクセル位置センサ1の出力電圧は最小値となっている。
【0032】
(2)アクセルペダルユニット11が回動途中の場合。
【0033】
図4に、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の、アクセルペダルユニット11の回動角度θと出力電圧Eとの関係を表すグラフを示す。図4において、縦軸はアクセル位置センサ1の出力電圧Eを、横軸はアクセルペダルユニット11の回動角度θ(踏み込み量)をそれぞれ示している。また、図4中において従来のアクセル位置センサ100の出力電圧Eの特性を破線で示す。
【0034】
運転手によりアクセルペダル11cが踏み込まれてアクセルペダルユニット11が角度θだけ回動すると、それにより磁気回路20とコア30の相対角度も、図3に示すように、初期位置から角度θだけ変化する。一方、コア30内を流れる両磁石23からの磁束Mの方向は常に一定、つまり、磁気回路20の回動角度に依らず一定である。したがって、磁気回路20がアクセルペダルユニット11の初期位置から回動するにつれて磁束MがホールIC33を横切るようになる。したがって、ホールIC33の出力電圧はホールIC33を横切る磁束密度に対応した値となる。アクセルペダルユニット11が初期位置、すなわちθ=0から回動していくと、出力電圧Eは、図4に示すように、最小値(本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1においては0.8V)から直線的に増加していく。
【0035】
ところで、アクセルペダルユニット11とブラケット12の嵌合部、すなわち軸部11aと孔部12aの嵌合部には、アクセルペダルユニット11の滑らかな回動を維持するために必要な隙間が形成されている。また、アクセルペダルユニット11の軸部11aと磁気回路20の位置関係、および、ブラケット12の孔部12aとコア30の位置関係は所定の範囲内、すなわち各部品の寸法公差の範囲内でばらついている。上述の隙間および寸法ばらつきにより、磁気回路20とコア30との位置関係が所定の範囲内で変動し得ることになる。本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1においては、磁気回路20に平面部21bを設けているので、磁気回路20に対してコア30の位置が変動した場合、平面状の平面部21bに対して円柱状のコア30の位置が変動することになる。図5には、磁気回路20に対してコア30の位置が変動した場合の一例を、アクセルペダルユニット11の初期位置において示す。図5において、コア30は、磁気回路20の回転軸Cに対して、図5の上方にhだけ、左方にvだけそれぞれずれている。この場合、磁気回路20から磁束Mがコア30に流入(あるいは流出)する点、言換えると平面部21bとコア30間の最小隙間形成部におけるコア30上の点は常に同一点となる。そのため、磁束Mは、図1に示す磁気回路20とコア30の相対位置ずれの無い場合と同様に、コア30を磁気検出ギャップ32とほぼ平行に、つまり図5中に矢印で示すように流れ、ホールIC33を横切るような磁束はほとんど発生しない。したがって、ホールIC33の出力電圧Eは図1に示すような磁気回路20とコア30の相対位置ずれの無い場合と同様に最小値となる。
【0036】
一方、従来のアクセル位置センサ100において、図10に示すように磁気回路20とコア30の相対位置ずれが生ずると、磁気回路20とコア30間の最小隙間形成部は、図9中におけるK部から図10中におけるG部に変化する。そのため、磁束Mは、図10中において矢印で示すように流れ、ホールIC33を横切るようになる。これにより、ホールIC33の出力電圧Eは、最小値ではなくホールIC33を横切る磁束Mの磁束密度に対応した値となる。このため、従来のアクセル位置センサ100においては、その初期位置、つまりアクセルペダルユニット11の回動角度θ=0付近において、出力電圧Eが図4中の破線のようにばらついてしまう。
【0037】
以上説明した、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1においては、磁気回路20の各ヨーク21に、両磁石23を結ぶ軸線Vに平行且つコア30を挟んで対向するような平面部21bを設けた。これにより、磁気回路20とコア30の位置ずれが生じても、磁気回路20とコア30間の最小隙間形成部におけるコア30側の点は常に同一点として、コア内を流れる磁束Mの方向を常に同一、すなわち磁気回路20の平面部21bに直交する方向とすることができる。したがって、磁気回路20とコア30の位置ずれが生じても、コア30内を流れる磁束Mの方向とコア30の磁気検出ギャップ32との位置関係を常に同一に維持できるので、アクセル位置センサ1の初期位置付近における出力特性の製品間ばらつきを低減することができる。
【0038】
また、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1においては、ヨーク21を回転部材であるアクセルペダルユニット11に固定し、コア30を非回転部材であるブラケット12に固定した。これにより、ホールIC33は非回転部材に固定されることになり、ホールIC33からの出力信号の取出しを容易に行なうことができる。
【0039】
また、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1においては、アクセルペダル11cが踏み込まれていない状態を初期位置とし、この初期位置において、コア30の磁気検出ギャップ32の軸方向である軸線Hが磁気回路20の平面部21bと直交するように配置される構成とした。これにより、磁気検出ギャップ32の軸方向である軸線Hと、コア30内を流れる磁束Mの方向とを平行として、磁気検出ギャップ32内に配置されたホールIC33を横切る磁束Mをほとんど無くし、アクセル位置センサ1の初期位置におけるホールIC33の出力信号を最小値とすることができる。したがって、アクセル位置センサ1の出力信号を制御に用いている各種制御装置、例えばエンジン制御装置における信号処理を容易にできる。
【0040】
なお、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1において、磁気回路20の各ヨーク21に設けた平面部21bは、略平面状であってもよい。すなわち、成形時のばらつき等により完全な平面ではない面、あるいは曲率半径の大きな滑らかな曲面等であっても、磁気回路20とコア30の位置ずれが生じた場合に、磁気回路20とコア30間の最小隙間形成部におけるコア30側の点は常に同一点として、コア内を流れる磁束Mの方向を常に同一、すなわち磁気回路20の平面部21bに直交する方向とすることができるような略平面であれば、上述の一実施形態によるアクセル位置センサ1の場合と同様の効果が得られる。
【0041】
また、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1においては、アクセル位置センサ1の初期位置において、コア30の磁気検出ギャップ32の軸方向である軸線Hが磁気回路20の平面部21bと直交するように配置したが、軸線Hと磁気回路20の平面部21bとの成す角度を90度以外の角度としてもよい。この場合も、アクセル位置センサ1の初期位置付近における出力特性の製品間ばらつきを低減することができる。
【0042】
また、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1においては、コア30の磁気検出ギャップ32に、磁気検出素子であるホール素子と信号増幅回路とを一体化したICであるホールIC33を装着しているが、このホールIC33の代わりにホール素子を装着すると共に、コア30の外部にホール素子用の信号増幅回路を設置した構成としてもよい。
【0043】
また、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1においては、磁気検出素子としてホール素子を用いているが、磁気検出可能な素子であれば他の素子、たとえば磁気抵抗素子(MRE素子)等を用いてもよい。
【0044】
また、本発明の一実施形態による回転角検出装置をアクセル位置センサ1に適用した場合を例に説明したが、アクセル位置センサ1以外のセンサに適用してもよい。その場合も、上述の一実施形態によるアクセル位置センサ1の場合と同様に、回転部材と非回転部材の相対位置ばらつきに起因する、回転部材の初期位置付近における回転角検出装置の出力特性の製品間ばらつきを低減することができる。
【0045】
また、アクセル位置センサ1以外のセンサとして、回転部材の回転範囲の両端位置のみを検出するセンサ、たとえば、スロットルバルブの全閉状態を検出するいわゆる全閉スイッチに適用してもよい。
【0046】
図6には、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の変形例の断面図を示す。この変形例においては、磁気回路20のヨーク21の形状を変更している。すなわち、図6に示すように、平面部21bの両端に曲面部21cを設けている。曲面部21cの極率半径は、コア30の半径に比べてかなり大きく設定されている。これにより、上述の一実施形態と同様の効果が得られると共に、磁気回路20の外形を小型化することができる。
【0047】
図7には、本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の他の変形例の断面図を示す。他の変形例においては、磁気回路20のヨーク21の形状を変更している。すなわち、図7に示すように、平面部21bの両端に反転部21dを設けている。反転部21dは、平面状あるいは曲面状に形成されている。この場合も、上述の一実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の断面図で、図2中のI−I線断面図である。
【図2】本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1が組込まれたアクセルペダルモジュール10の断面図である。
【図3】本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の断面図であり、アクセルペダルユニット11が角度θだけ回動した状態を示す。
【図4】本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1における、アクセルペダルユニット11の回動角度θと出力電圧Eとの関係を示すグラフである。
【図5】本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の断面図であり、磁気回路20とコア30の位置ずれが生じた場合の例を示す。
【図6】本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の変形例の断面図である。
【図7】本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の他の変形例の断面図である。
【図8】本発明の一実施形態によるアクセル位置センサ1の他の変形例の断面図である。
【図9】従来のアクセル位置センサ100の断面図である。
【図10】従来のアクセル位置センサ100の断面図であり、磁気回路20とコア30の位置ずれが生じた場合の例を示す。
【符号の説明】
1 アクセル位置センサ(回転角検出装置)
10 アクセルペダルモジュール
11 アクセルペダルユニット(回転部材)
12 ブラケット(非回転部材)
20 磁気回路
21 ヨーク
21b 平面部
23 磁石
30 コア
31 コア片
32 磁気検出ギャップ
33 ホールIC(磁気検出素子)
C 回転軸
G、K 最小隙間形成部
H 軸線
h ずれ長さ
M 磁束
V 軸線
W 軸線
v ずれ長さ
θ 角度
Claims (6)
- 被検出物の回転に応じて回転する回転部材あるいは非回転部材の一方に設けられ、前記回転部材の回転軸と直交する方向に前記回転軸を挟んで対向するように、且つ磁極方向が対向する向きと略直角の向きで略同一方向に配置された2つの磁石と、
2つの前記磁石の同じ磁極同士を繋ぐ2つの磁性体製ヨークにより構成され、前記回転軸を囲み略筒状に形成された磁気回路と、
前記磁気回路の内部空間に配置され、且つ前記磁気回路に対し相対的に角度変化する他方に設けられ、前記回転部材の回転軸と直交する方向に2つ以上の分割部に分割され、対向する前記分割部によって形成されたギャップに磁気検出素子が配置された略円柱状且つ磁性体製のコアと、を備え、
前記磁気回路と前記コアとの相対回転位置によって変化する前記磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記回転部材と前記非回転部材との回転角度を検出する回転角検出装置において、
前記磁気回路の前記各ヨークは、前記両磁石を結ぶ軸線に平行な略平面部を有し、
前記各略平面部は、前記コアを挟んで互いに対向することを特徴とする回転角検出装置。 - 前記平面部の前記両磁石を結ぶ軸線方向長さは前記コアの直径とほぼ等しいか、もしくはそれ以上であることを特徴とする請求項1に記載の回転角検出装置。
- 前記磁気検出素子は、前記コアのギャップの幅方向に流れる磁束密度を検出するように配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転角検出装置。
- 前記ヨークは被検出物の回転に応じて回転する前記回転部材に固定され、前記コアは前記非回転部材に固定されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の回転角検出装置。
- 自動車のアクセル位置センサに適用され、アクセルペダルが踏み込まれていない状態を初期位置としたことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の回転角検出装置。
- 前記初期位置において、前記コアのギャップはその軸方向にて前記平面部と直交するように配置されることを特徴とする請求項5に記載の回転角検出装置。
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