JP4544135B2

JP4544135B2 - 回転角度検出ユニット

Info

Publication number: JP4544135B2
Application number: JP2005326517A
Authority: JP
Inventors: 一幸堀江; 鉄男針生; 康規小林; 政雄加納
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: US7498803B2; JP2007132819A; US20070103149A1

Description

本発明は、支持部材に対して回転自在に支持される検出対象物の回転角度を非接触で検出する回転角度検出ユニットに関する。

支持部材に対して回転自在に支持される検出対象物の回転角度を非接触で検出する回転検出センサを搭載した回転角度検出ユニットの一例として、回転検出センサを搭載したアクセルペダルユニットが知られている。
ここで、回転検出センサ１は、平行磁界を作る永久磁石７と、この永久磁石７の平行磁界の中に固定支持されて磁力線に応じた出力を発生する磁気検出手段８とを備える（符号、各図参照）。

［従来技術１］
アクセルペダルユニットの一例として特許文献１に開示された技術が知られている。
特許文献１の技術は、図４に示すように、アクセルペダル３の回転を支持する部分に、金属製のシャフトＳを用いたものであり、永久磁石７および磁気検出手段８が金属製のシャフトＳから離れた位置に配置されている。
この従来技術１の永久磁石７は、アクセルペダル３の回転方向に沿う略扇形状を呈する特殊なものであるため、永久磁石７の製造コストが上昇してしまう。

［従来技術２］
上記特許文献１とは異なるアクセルペダルユニットの一例として特許文献２に開示された技術が知られている。
特許文献２の技術は、図５に示すように、円柱形状を呈した樹脂製の軸受部Ｊの周囲に、樹脂製のアクセルペダル３（具体的にはペダル根元部３ａ）を回転支持する構造を採用し、軸受部Ｊの隣部の回転軸上に回転検出センサ１を配置したものである。
アクセルペダル３は、車両の乗員の足によって踏まれて操作されるものであるため、ラフで大きな力を受ける。このため、樹脂製のアクセルペダル３が樹脂製の軸受部Ｊで支持される構造では、強度、耐熱性、耐動作性において充分ではなく、長期の使用時に樹脂製の回転摺動部に摩耗が発生する懸念がある。なお、回転摺動部に摩耗が発生するとアクセルペダル３の操作性が低下する可能性がある。

［従来技術３］
アクセルペダルユニットとは異なる回転角度検出ユニットとして、特許文献３に開示されたスロットル開度センサが知られている。
特許文献３の技術は、回転支持される軸の端部に回転検出センサを配置した構造を採用している。この特許文献３の技術をアクセルペダルユニットに適用した場合、図６に示すように、シャフトＳの軸方向の隣部に回転検出センサ１を配置した構造が考えられる。

このように、シャフトＳの軸方向の隣部に回転検出センサ１を配置したものは、図７に示すようシャフトＳが傾くと、シャフトＳの端部にヨーク２を介して取り付けられた永久磁石７の配置位置がズレる。即ち、磁気検出手段８に対する永久磁石７の想定位置がズレる。この結果、磁気検出手段８に与えられる磁束が変化することになり、回転角度の検出精度が劣化する。
また、図８に示すように、シャフトＳに対してヨーク２の取付位置が径方向にズレると、ヨーク２とともに永久磁石７の配置位置がズレる。即ち、磁気検出手段８に対する永久磁石７の想定位置がズレる。この結果、磁気検出手段８に与えられる磁束が変化することになり、回転角度の検出精度が劣化する。
さらに、図９に示すように、シャフトＳに対してヨーク２が傾くと、ヨーク２とともに永久磁石７の配置位置がズレる。即ち、磁気検出手段８に対する永久磁石７の想定位置がズレる。この結果、磁気検出手段８に与えられる磁束が変化することになり、回転角度の検出精度が劣化する。
米国特許出願公開第２００２／０１７５６７６号明細書独国特許出願公開第１９５０３３３５号明細書特許第３２０６２０４号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出対象物の回転を支持する部分（回転支持部）の耐久強度を確保するとともに、検出対象物の回転を支持する部分が傾斜しても回転角度の検出精度の劣化を抑えることができる回転角度検出ユニットの提供にある。

［請求項１の手段］
○請求項１の回転角度検出ユニットにおける検出対象物は、磁性体金属製のヨークと結合され、そのヨークがベアリングを介して支持部材によって支持される。このため、検出対象物または支持部材の少なくとも一方が樹脂製であっても、検出対象物の回転を支持する部分の耐久強度が長期に亘って確保される。
また、ヨークは検出対象物と結合するものであるため、従来技術のように、検出対象物と結合するシャフトが存在しない。このため、シャフトに対してヨークの取付位置がズレることにより生じていた回転角度の検出精度の劣化を無くすことができる。即ち、シャフトに対してヨークの取付位置が径方向にズレたり、シャフトに対してヨークが傾くことにより生じていた永久磁石の想定位置のズレが無くなるため、回転角度の検出精度の劣化を無くすことができる。

○請求項１の回転角度検出ユニットにおける永久磁石は、ヨークの内周面に取り付けられて、ヨークの内側に磁力線を発生させるものであるため、特殊な磁石形状を必要としない。このため、永久磁石にかかるコストを抑えることができる。
○請求項１の回転角度検出ユニットにおけるヨークは、磁性体金属であるため、永久磁石の磁束の磁路（閉磁路形成部品）として作用する。このため、永久磁石の磁力を強めることができる。また、ヨークが磁気シールドの作用を果たすため、外部からの磁束の影響が磁気検出手段に及ぶのを抑えることができる。

［請求項２の手段］
○請求項２の回転角度検出ユニットの検出対象物は、第１、第２ベアリングの軸方向間においてヨークと結合する。このため、検出対象物にコジレの力が加えられても、そのコジレの力がテコの原理で増幅される不具合がない。このため、検出対象物に与えられるコジレの力によって検出対象物の回転を支持する部分が劣化するのを防ぐことができる。
○請求項２の回転角度検出ユニットの永久磁石は、第１、第２ベアリングの軸方向間においてヨークの内周面に固定される。このため、ヨークが製造誤差等により傾いても、磁気検出手段に対する永久磁石の想定位置のズレが抑えられる。これによって、ヨークが製造誤差等により傾いても、回転角度の検出精度の劣化が抑えられる。

［請求項３の手段］
請求項３における回転角度検出ユニットにおける永久磁石は、ヨークの内周面に固定されて、回転軸に対して垂直方向の一方から他方に向かう磁束の放出を行う磁束付与磁石と、ヨークの内周面に磁束付与磁石と対向する位置に固定されて、磁束付与磁石から放出された磁束を吸引する磁束吸引磁石とからなる。

［請求項４の手段］
請求項４における回転角度検出ユニットにおける検出対象物は、車両の乗員によって操作される樹脂製のアクセルペダルである。
このため、アクセルペダルが樹脂製であっても、アクセルペダルの回転を支持する部分の耐久強度を確保できるとともに、アクセルペダルの回転を支持するヨークが例え傾斜したとしても回転角度の検出精度の劣化を抑えることができる。

［請求項５の手段］
請求項５における回転角度検出ユニットにおける支持部材は、アクセルと同様に樹脂製である。
これによって、軽量なアクセルペダルユニットであっても、ベアリングの耐久強度を確保できるとともに、ベアリングに回転支持される部分が例え傾斜したとしても回転角度の検出精度の劣化を抑えることができる。

最良の形態１の回転角度検出ユニットは、磁気変化を利用した非接触型の回転検出センサと、検出対象物と、第１、第２ベアリングと、支持部材とを備える。
回転検出センサは、磁性体金属製で筒形状を呈するヨークと、このヨークの内周面に固定されて当該ヨークの中心軸に対する垂直方向の一方から他方に向かう磁力線を発生させる永久磁石（例えば、磁束付与磁石と磁束吸引磁石）と、ヨークの中心軸上に配置されて磁気変化に応じた出力を発生する磁気検出手段（例えば、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ素子等）とを備え、この磁気検出手段の出力に基づいてヨークと磁気検出手段の相対回転角度を検出する。

検出対象物は、例えば、乗員の足で操作されるアクセルペダル等であり、ヨークの外周面に固定されて、ヨークと一体に回転する。
第１、第２ベアリングは、例えばスラストベアリング、転がりベアリング等であり、検出対象物の回転軸方向の両側で、且つ永久磁石の回転軸方向の両側においてヨークを回転自在に支持する。
支持部材は、例えば、車両に固定されるハウジング等であり、第１、第２ベアリングを支持して、第１、第２ベアリングを介してヨークに固定された検出対象物を回転自在に支持する。

本発明の回転角度検出ユニットを、アクセルペダルユニットに適用した実施例１として図１〜図３を参照して説明する。なお、図１（ａ）はアクセルペダルユニットの回転軸の軸線方向に沿う断面図であり、図１（ｂ）はアクセルペダルユニットを回転軸方向から見た断面図である。

〔実施例１の構成〕
アクセルペダルユニットは、回転検出センサ１のヨーク２をアクセルペダル３の回転支持部として用いるものであり、回転検出センサ１とアクセルペダル３の他に、ハウジング４、第１、第２ベアリング５、６およびリターンスプリング（図示しない）から構成される。

回転検出センサ１は、ヨーク２、永久磁石７（磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂ）および磁気検出手段８を備える。
ヨーク２は、鉄などの磁性体金属よりなり、第１、第２ベアリング５、６を介してハウジング４に対して回転自在に支持される。この実施例のヨーク２は、軸方向の一方｛図１（ａ）左側｝が閉塞されたカップ形状を呈するものであり、カップの開口部｛図１（ａ）右側｝から磁気検出手段８がモールドされたセンシングスティック１１（後述する）が挿入される。

永久磁石７は、回転軸に対して垂直方向の一方から他方に向かう磁力線を発生させるものであり、ヨーク２の内周面で、且つ第１、第２ベアリング５、６の軸方向間に固定されている。
具体的に、永久磁石７は、回転軸の周囲に同芯的に配置されるものであり、回転中心に配置される磁気検出手段８に向かう磁束の放出を行う磁束付与磁石７ａと、この磁束付与磁石７ａと対向する位置に取り付けられて、磁束付与磁石７ａから放出された磁束を吸引する磁束吸引磁石７ｂとによって構成される。即ち、磁束付与磁石７ａの内周面がＮ極の極性で、磁束吸引磁石７ｂの内周面がＳ極の極性を持つように配置されている。

磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂは、それぞれ半円筒形状を呈するものであり、磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂによって直径方向に分割された略円筒形状を呈する。そして、磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂの円弧端が対向する部分には所定のエアギャップが形成されている。この磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂは、ヨーク２の内周面に固定されることで、磁気検出手段８の径方向に同じ距離を隔てて対向配置される。

磁気検出手段８は、例えばホールＩＣである。ホールＩＣは、ホール素子と信号処理回路等を一体化した周知のＩＣで、ホール素子の磁気検出面に対して直交する方向の磁束密度に応じた電圧信号を出力する。
この磁気検出手段８は、ヨーク２の回転中心に挿入配置される樹脂製（例えば、ポリアセタール、ポリアミド等）のセンシングスティック１１内にモールドされている。このセンシングスティック１１は、ハウジング４の側面に固定される樹脂製のセンサカバー１２と一体のものであり、センサカバー１２をハウジング４に固定することで、センシングスティック１１にモールドされた磁気検出手段８がヨーク２の回転中心に配置されるようになっている。

ここで、回転検出センサ１の基本作動を、図２を参照して説明する。
なお、ここでは回転検出センサ１の基本作動の説明のために、ヨーク２の回転軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交する方向で、且つホール素子の磁気不感方向（磁気検出面に沿う方向）をＸ軸｛図１（ｂ）の左右方向｝とし、Ｚ軸と直交する方向で、且つホール素子の磁気検出方向（磁気検出面に直交する方向）をＹ軸｛図１（ｂ）の上下方向｝として説明する。
また、磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂとの間のエアギャップの中心がＹ軸方向に向くヨーク２の回転角度を０°とし、図１（ｂ）に示すように磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂとの間のエアギャップの中心がＸ軸方向に向くヨーク２の回転角度を９０°とする。

ヨーク２の内部には、磁束付与磁石７ａ→磁気検出手段８（ホールＩＣ）→磁束吸引磁石７ｂという経路で磁束が流れる磁気回路が形成される。そして、ヨーク２が回転すると、ホール素子の磁気検出面と直交する磁束が変化する。
即ち、磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂとの間のエアギャップの中心がＸ軸方向に向く位置（回転角度９０°）の時にホール素子の磁気検出面に直交する磁束密度が最大になり、ヨーク２の回転角度が９０°より増加しても、逆に９０°より減少しても、回転角度に応じてホール素子の磁気検出面に直交する磁束量が減少する。
そして、磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂとの間のエアギャップの中心がＹ軸方向に向く位置（回転角度０°）では、ホール素子の磁気検出面と直交する磁束が０になる。

さらに、回転角度が０°よりもマイナス側に回転すると、回転角度に応じてホール素子の磁気検出面と直交する反対方向の磁束量が増加する。そして、ヨーク２の回転角度が−９０°の時にホール素子の磁気検出面と直交する逆向きの磁束密度が最大になる。
回転角度が−９０°よりもさらにマイナス側に回転すると、回転角度に応じて磁気検出面と直交する反対方向の磁束量が減少を始め、ホール素子を通過する逆向きの磁束密度が減少する。
なお、上記の説明は、回転検出センサ１の基本作動を説明するためのものであり、検出角度の基準位置（検出角度０°：アクセルペダル３の初期位置等）は任意に設定されるものである。

アクセルペダル３は、検出対象物の一例であり、合成樹脂（例えば、ポリアセタール、ポリアミド等）によって形成されている。アクセルペダル３は、ヨーク２の外周面と結合してヨーク２と一体に回転するペダル根元部３ａと、乗員の足に踏まれるペダル３ｂと、ペダル根元部３ａとペダル３ｂを結合するペダルロッド（アーム）３ｃとからなる。ここで、ペダル根元部３ａは、第１、第２ベアリング５、６の軸方向間に配置されるものであり、アクセルペダル３に与えられる踏力（Ｆ）は、第１、第２ベアリング５、６の軸方向間のヨーク２に伝えられるようになっている。即ち、アクセルペダル３の負荷は、第１、第２ベアリング５、６の両方によって受け止められるようになっている。なお、ペダル根元部３ａとペダルロッド３ｃは一体に成形されたものである。また、ペダル３ｂもペダルロッド３ｃと一体に成形されたものであっても良い。

ハウジング４は、支持部材の一例であり、合成樹脂（例えば、ポリアセタール、ポリアミド等）によって形成されている。ハウジング４は、第１、第２ベアリング５、６を同軸上に保持する。ハウジング４は、第１、第２ベアリング５、６の軸方向間においてペダル根元部３ａを覆う形状を呈する。
ハウジング４の一部には、車体取付用のフランジ１３が一体に形成されている。このフランジ１３は、ネジ等の締結部品を用いて車両に固定されるものであり、フランジ１３を車両に固定することにより、アクセルペダルユニットが車両に固定される。

第１、第２ベアリング５、６は、金属製よりなる周知のスラストベアリングであり、上述したようにハウジング４によって同軸上に保持されて、ヨーク２を回転自在に支持する。

リターンスプリングは、アクセルペダル３を初期位置へ戻す捩じりコイルバネであり、リターンスプリングの一端がハウジング４に支持され、リターンスプリングの他端がアクセルペダル３に支持され、捩じり力が与えられた状態で組み付けられている。なお、アクセルペダル３は、図示しないストッパによって、リターンスプリングに与えられた捩じりが戻る方向（復元方向）で停止するようになっており、アクセルペダル３が操作されていない状態では、アクセルペダル３は停止位置（アクセルペダル３の初期位置）に戻るようになっている。

〔実施例１の効果〕
上記の構成を採用するアクセルペダルユニットは、次の効果を備える。
○アクセルペダルユニットは、アクセルペダル３、ハウジング４、センシングスティック１１を含むセンサカバー１２が樹脂によって形成されているため重量が軽い。
○アクセルペダル３は、磁性体金属製のヨーク２と結合され、そのヨーク２が第１、第２ベアリング５、６を介してハウジング４によって支持される。このため、アクセルペダル３とハウジング４の両方が樹脂製であっても、アクセルペダル３の回転を支持する部分の耐久強度が長期に亘って確保される。
○アクセルペダル３は、第１、第２ベアリング５、６の軸方向間においてヨーク２と結合する。このため、アクセルペダル３のラフな操作等により、アクセルペダル３にコジレの力が加えられても、そのコジレの力がテコの原理で増幅される不具合がない。このため、アクセルペダル３に与えられるコジレの力によってアクセルペダル３の回転を支持する部分が劣化するのを防ぐことができる。

○永久磁石７（磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂ）は、第１、第２ベアリング５、６の軸方向間においてヨーク２の内周面に固定される。このため、図３に示すように、ヨーク２が製造誤差等により傾いたとしても、磁気検出手段８に対する永久磁石７（磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂ）の想定位置のズレが抑えられる。これによって、ヨーク２が製造誤差等により傾いても、アクセルペダル３の回転角度の検出精度の劣化が抑えられる。
また、ヨーク２はアクセルペダル３と結合するものであるため、従来技術のように、アクセルペダル３と結合するシャフトが存在しない。このため、シャフトに対してヨーク２の取付位置がズレることにより生じていた回転角度の検出精度の劣化を無くすことができる。即ち、シャフトに対してヨーク２の取付位置が径方向にズレたり、シャフトに対してヨーク２が傾くことにより生じていた永久磁石７（磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂ）の想定位置のズレが無くなるため、回転角度の検出精度の劣化を無くすことができる。

○永久磁石７（磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂ）は、ヨーク２の内周面に取り付けられて、ヨーク２の内側に磁力線を発生させるものであるため、特殊な磁石形状を必要としない。即ち、スロットルバルブの開度を検出する回転センサなど、他の回転角度センサに用いられる磁石と共用にすることができる。このため、永久磁石７（磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂ）に要するコストを抑えることができる。
○ヨーク２は、磁性体金属であるため、永久磁石７（磁束付与磁石７ａと磁束吸引磁石７ｂ）の磁束の磁路（閉磁路形成部品）としても作用する。このため、永久磁石７の磁力を強めることができる。また、ヨーク２が磁気シールドの作用を果たすため、外部からの磁束の影響が磁気検出手段８に及ぶのを抑えることができる。

〔変形例〕
上記の実施例では、ヨーク２の内部に配置される磁気検出手段８の一例としてホールＩＣを用いる例を示したが、ヨーク２の内部にはホール素子のみを配置して、磁気検出手段８における信号処理回路をヨーク２から離れた制御装置内に配置しても良い。また、ホールＩＣやホール素子に代えて、ＭＲ（磁気抵抗）素子など、他の磁気検出素子を用いても良い。
上記の実施例では、第１、第２ベアリング５、６の一例としてスラストベアリングを用いたが、転がりベアリング（ボールベアリング、ローラベアリング等）など、他のベアリングを用いても良い。
上記の実施例では、検出対象物の一例としてアクセルペダル３を用いたが、回転角度を検出する対象物であれば、他の回転体を検出対象にしても良い。

（ａ）はアクセルペダルユニットの回転軸の軸線方向に沿う断面図で、（ｂ）はアクセルペダルユニットを回転軸方向から見た断面図である（実施例１）。磁束密度と回転角度の関係を示すグラフである（実施例１）。アクセルペダルの回転を支持する部分（ヨーク）が傾いた場合におけるアクセルペダルユニットの回転軸の軸線方向に沿う断面図である（実施例１）。アクセルペダルユニットの分解斜視図である（従来技術１）。アクセルペダルユニットの回転軸の軸線方向に沿う断面図である（従来技術２）。アクセルペダルユニットの回転軸の軸線方向に沿う断面図である（従来技術３）。アクセルペダルの回転を支持する部分（シャフト）が傾いた場合におけるアクセルペダルユニットの回転軸の軸線方向に沿う断面図である（従来技術３）。アクセルペダルの回転を支持する部分（シャフト）に対してヨークの取り付け位置が径方向にズレた場合におけるアクセルペダルユニットの回転軸の軸線方向に沿う断面図である（従来技術３）。アクセルペダルの回転を支持する部分（シャフト）に対してヨークが傾いて取り付けられた場合におけるアクセルペダルユニットの回転軸の軸線方向に沿う断面図である（従来技術３）。

符号の説明

１回転検出センサ
２ヨーク
３アクセルペダル（検出対象物）
４ハウジング（支持部材）
５第１ベアリング
６第２ベアリング
７永久磁石
７ａ磁束付与磁石
７ｂ磁束吸引磁石
８磁気検出手段

Claims

（ａ）磁性体金属製で筒形状を呈するヨーク、このヨークの内周面に固定されて当該ヨークの中心軸に対する垂直方向の一方から他方に向かう磁力線を発生させる永久磁石、前記ヨークの中心軸上に配置されて磁気変化に応じた出力を発生する磁気検出手段を備え、
この磁気検出手段の出力に基づいて前記ヨークと前記磁気検出手段の相対回転角度を検出する回転検出センサと、
（ｂ）前記ヨークに固定されて、当該ヨークと一体に回転する検出対象物と、
（ｃ）前記ヨークを回転自在に支持するベアリングと、
（ｄ）このベアリングを支持して、当該ベアリングを介して前記ヨークに固定された前記検出対象物を回転自在に支持する支持部材と、
を具備する回転角度検出ユニット。
請求項１に記載の回転角度検出ユニットにおいて、
前記検出対象物は、前記ヨークの外周面に固定され、
前記ベアリングは、前記検出対象物の回転軸方向の両側で、且つ前記永久磁石の回転軸方向の両側において前記ヨークを回転自在に支持する第１、第２ベアリングからなることを特徴とする回転角度検出ユニット。
請求項１または請求項２に記載の回転角度検出ユニットにおいて、
前記永久磁石は、前記ヨークの内周面に固定されて、回転軸に対して垂直方向の一方から他方に向かう磁束の放出を行う磁束付与磁石と、前記ヨークの内周面に前記磁束付与磁石と対向する位置に固定されて、前記磁束付与磁石から放出された磁束を吸引する磁束吸引磁石とからなることを特徴とする回転角度検出ユニット。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の回転角度検出ユニットにおいて、
前記検出対象物は、車両の乗員によって操作される樹脂製のアクセルペダルであることを特徴とする回転角度検出ユニット。
請求項４に記載の回転角度検出ユニットにおいて、
前記支持部材は、前記アクセルペダルと同様に樹脂製であることを特徴とする回転角度検出ユニット。