JP4978774B2 - 回転角検出装置の実装構造 - Google Patents

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Description

本発明は、ハウジングと、前記ハウジングに枢支されるシャフトと、前記シャフトに支持されるロータと、前記ロータに設けられたロータ磁石と、前記ハウジングの前記ロータ磁石と対向する位置に設けられたバイアス磁石と、を備えた回転角検出装置の実装構造に関する。
この種の回転角検出装置では、ロータの左右の外側付近には一対のバイアス磁石が固定されており、センサレバーが原点位置にある時にホール素子に実質的に磁束が作用しないように、ロータ磁石によって生じる磁束をホール素子の近傍にて相殺する働きをさせている
しかし、従来の実装構造による回転角検出装置では、バイアス磁石を用いた場合、右ハンドル用と左ハンドル用との間で、検出側ハウジングの構成は共通であるが、互いに形状の異なるセンサレバーを用いる必要があった。すなわち、センサレバーの操作角度を高精度で且つ広い範囲で検出可能とするためには、左右いずれのタイプでも、ホール素子に作用する磁束密度はセンサレバーの原点位置においてゼロ化または最小化される必要があるため、右ハンドル用と左ハンドル用とで、センサレバーの原点位置と操作方向が異なっているにも拘らず、センサレバーが原点位置にある時のロータの回転位相は同一にする必要がある。その結果、右ハンドル用と左ハンドル用とで形状の異なったセンサレバーを用意する必要が生じている。
そこで、本発明の目的は、上に例示した従来技術による実装構造の持つ前述した欠点に鑑み、右ハンドル用と左ハンドル用との間で、互いに形状の同じセンサレバーを用いることが可能な実装構造を提供することにある。
本発明の第1の特徴構成は、ハウジングと、前記ハウジングに枢支されるシャフトと、前記シャフトに支持されるロータと、前記ロータに設けられたロータ磁石と、前記ハウジングの前記ロータ磁石と対向する位置に設けられたバイアス磁石と、を備えた回転角検出装置の実装構造であって、
前記回転角検出装置は車両に設けられて運転者によって操作される操作ペダルユニットに用いられるものであり、右ハンドル車両に用いられる前記回転角検出装置と、左ハンドル車両に用いられる前記回転角検出装置とは、前記ロータ磁石及び前記バイアス磁石の何れか一方の磁極の向きが反対向きに設けられる点にある。
本発明の第1の特徴構成による実装構造では、右ハンドル車両に用いられる回転角検出装置と、左ハンドル車両に用いられる回転角検出装置とは、ロータ磁石及びバイアス磁石の何れか一方の磁極の向きが反対向きに設けられているので、右ハンドル用と左ハンドル用とで、互いに形状の同じセンサレバーを用いることができる。
以下に本発明による最良の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1、図2及び図3は車両に設けられたブレーキペダル等の操作ペダルユニット2を示す略図である。図1は操作ペダルユニット2に含まれる回転角検出装置4の正面図であり、図2はその要部の断面図である。また、図3(a)は右ハンドル用の操作ペダルユニット2の側面図であり、図3(b)は左ハンドル用の操作ペダルユニット2の側面図である。図1に示すように、操作ペダルユニット2は、車両ボディに突設されたブラケット1に対して軸芯X周りで回動可能に支持されたペダルアーム3と、運転者によって操作されたペダルアーム3の揺動角を検出する回転角検出装置4とを有する。ペダルアーム3からはペダルレバー3aが延出している。
図2に示すように、回転角検出装置4は、検出側ハウジング5aと、検出側ハウジング5aの開口部を閉じる操作側ハウジング5bとを有する。操作側ハウジング5bには、ペダルアーム3の揺動に応じて回動操作されるシャフト6が枢支されており、シャフト6の一端にはコップ状のロータ7(筒状ヨークとも呼ばれる)が一体回転するように支持されている。他方、検出側ハウジング5aには、ロータ7の回動角を検出するための感磁ユニット11が配置されている。
シャフト6の非円形断面を備えた他端には、操作側ハウジング5bから径方向に延出したセンサレバー8の基端側が「かしめ」等によって相対回転不能に固着されている。センサレバー8の折れ曲がった先端付近8aはリターンバネ9によって、ペダルアーム3の操作と無関係に常にペダルアーム3のペダルレバー3aに常に押し付けられている。
図4は、右ハンドル用の回転角検出装置4において、ペダルアーム3が操作されずセンサレバー8が原点位置にある状態での操作側ハウジング5bの内面を軸芯方向から見た背面図である。この図に示すように、ロータ7の内側には永久磁石からなる二対のロータ磁石10が固定されている。他方、図2に示すように、検出側ハウジング5aの感磁ユニット11は、ロータ磁石10と対向し、図の上下方向の磁束を検出し易いように配置された2個のホール素子12(電子部品の一例)、ノイズ除去用のコンデンサ(不図示)、及び、ロータ磁石10によって生じる磁束をホール素子12の近傍で補正するための集磁ヨーク13などを含む。検出側ハウジング5aにはホール素子12からの出力信号を取り出すためのコネクタ部14Pが設けられている。
図4に示すように、ロータ7の左右の外側付近には一対のバイアス磁石15が固定されており、センサレバー8が原点位置にある時にホール素子12に実質的に磁束が作用しないように、ロータ磁石10によって生じる磁束をホール素子12の近傍にて相殺する働きをする。
ロータ磁石10から生じている2組の磁束α1,α1(実線)はホール素子12の近傍で図の下向きの磁束成分を有しているが、S極を上方に持ちN極を下方に持つバイアス磁石15の磁束β1,β1(破線)に含まれる上向きの磁束成分がこれらの磁束の作用を相殺している。
運転者のペダル踏み込みによってペダルアーム3が揺動操作されると、その揺動量に応じてセンサレバー8とシャフト6とが、図3(a)の下方に示す円弧状の矢印の範囲内で、実線で記された原点位置から二点鎖線で記された最大操作位置まで、一体的に回動してロータ7を回動操作する。この回動操作に基づいてホール素子12に作用する磁束密度並びにホール素子12から出力される電圧信号が変化するので、この信号をコネクタ部14Pのコネクタピン14を介して取り出して演算することでセンサレバー8の揺動操作量を判定することができる。
センサレバー8の原点位置におけるホール素子12に作用する磁束密度がバイアス磁石15によってゼロとされているので、センサレバー8の前記原点位置から前記最大操作位置に向かっての揺動操作に基づいて、磁束密度がリニアにプラス側に変化する範囲が増大し、結果として約70°という従来に比して広い範囲でセンサレバー8の揺動操作を精度良く検出できる。
より具体的には、検出側ハウジング5aと操作側ハウジング5bとはプラスチックからなり、両部材は回転角検出装置4の完成時にはレーザ溶着などで互いに固着されている。図2に示すように、検出側ハウジング5aの上面の中央付近には、一端を閉じられた二重円筒状のボス部5cが突出形成されており、2個のホール素子12はこのボス部5c内に収納されている。シャフト6は操作側ハウジング5bの中央付近に形成された円筒状の軸受け5iに枢支されている。
回転角検出装置4は、図3に例示するような、操作側ハウジング5bから互いに対向する方向に延設された一対の取り付けステー16を介して車両ボディ(不図示)にネジ止めで固定されている。
図4に示すように、ロータ7は、鉄やニッケル合金等の磁性体からなるカップ状のヨーク本体7aと、ヨーク本体7aの内周面に固着されたプラスチックなどの非磁性体材料からなる磁石ホルダ7bとを有し、ロータ磁石10はこの磁石ホルダ7bの内部に収納支持されている。このロータ磁石10を備えたヨーク本体7aは一種の磁気回路を形成している。
検出側ハウジング5aには、ホール素子12を実装するためのプリント配線基板18(PCB)が備えられている。検出側ハウジング5aとPCB18との間には、ホール素子12やコネクタピン14のピン状端子14aをPCB18の小さな実装用貫通孔に挿通させ易くするためのアラインメントプレート20(実装補助部材の一例)が介装されている。
(検出側ハウジングの製作方法)
以下に図6から図10を参照しながら、検出側ハウジング5aの製作方法について、特に、検出側ハウジング5aに配置されたPCB18へのホール素子12及びコネクタピン14の実装構造を中心に解説する。
ここでは詳細を記述しない前工程で準備された検出側ハウジング5aには、既に4本のコネクタピン14が挿通固定されているが、未だPCB18は取り付けられていない。
本発明の最大の特徴は、ホール素子12及びコネクタピン14の実装に際して、PCB18を取り付ける前に前述したアラインメントプレート20を用いる点にある。
図6に示すように、アラインメントプレート20はプラスチックからなる概して板状の部材からなり、その板状の本体には、2個のホール素子12の合計6本のピン状端子12aを挿通可能な6個の第1アラインメント孔20a(貫通孔の一例)と、4本のコネクタピン14のピン状端子14aを挿通可能な4個の第2アラインメント孔20b(第2の貫通孔の一例)とが形成されている。
PCB18は上下に殆ど凹凸のない平板状のガラエポなどからなる部材であるが、少なくとも上面のプリント配線が設けられ、所定の位置には、2個のホール素子12を前記プリント配線の対応位置に実装するための6個の実装用貫通孔18e、及び、4本のコネクタピン14を前記プリント配線の対応位置に実装するための4個の実装用貫通孔18fが形成されている。
後に詳述する図8に示すように、ホール素子12用の第1アラインメント孔20aには、ホール素子12のピン状端子12aの外径よりも僅かに大きな内径の規制喉(のど)部21aが形成されており、第1アラインメント孔20aの下方の半分は、規制喉部21aから下方に向かって次第に滑らかに拡径化した傾斜案内面22aとなっている。
コネクタピン14a用の第2アラインメント孔20bにも、コネクタピン14のピン状端子14aの外径よりも僅かに大きな内径の規制喉部21bが形成されており、第2アラインメント孔20bの下方の半分は、規制喉部21bから下方に向かって次第に滑らかに拡径化した傾斜案内面22bとなっている。
図6に示すように、アラインメントプレート20の両側部には、第2ピン状治具G2の円形の側面と係合可能な半円形の位置決め凹部20cが設けられている。アラインメントプレート20の底面には、集磁ヨーク13とバイアス磁石15を保持するための4本の保持脚部20Lが下向きに立設されている。
(第1工程)
先ず、図6及び図7に示すように、検出側ハウジング5aのボス部5cに形成された素子収納凹部5dに、2個のホール素子12をそのピン状端子12aが上方を向いた姿勢で下方から挿通する。ホール素子12の高さ位置を決定するための1本の第1ピン状治具G1を、予め素子収納凹部5dの内部に下方から挿通しておくと良い。ボス部5cの内部に形成されているヨーク収納溝5eには2個の集磁ヨーク13を、バイアス磁石収納溝5kには2個のバイアス磁石15を上方から挿入する。
(第2工程)
図8に示すように、検出側ハウジング5aの位置決め貫通孔5Hに2本の第2ピン状治具G2を下方から挿通する。次に、検出側ハウジング5aに向けて一枚のアラインメントプレート20を上方から装着する。
具体的には、アラインメントプレート20の位置決め凹部20cを2本の第2ピン状治具G2の先端に係合させた後、アラインメントプレート20を下降させて行けば、先ず、ホール素子12の合計6本のピン状端子12aが、第1アラインメント孔20aの傾斜案内面22aに、また、コネクタピン14の合計4本のピン状端子14aが第2アラインメント孔20bの傾斜案内面22bに自動的に進入する。アラインメントプレート20をさらに下降させると、ホール素子12の合計6本のピン状端子12aが小径の規制喉部21aに挿通され、同時に、コネクタピン14の合計4本のピン状端子14aが小径の規制喉部21bに挿通される。その後、アラインメントプレート20の底面が検出側ハウジング5aの上面に形成された支持領域と接当するまでアラインメントプレート20を下降させる。
尚、第2ピン状治具G2の長さは、アラインメントプレート20を下降させて行く際、ホール素子12やコネクタピン14のピン状端子12a,14aが傾斜案内面22a,22bに近付く前に、アラインメントプレート20の位置決め凹部20cが既に第2ピン状治具G2の先端に係合されているように、長めに設定されている。
このようにしてアラインメントプレート20の装着が完了すると、6本のピン状端子12aと4本のピン状端子14aとの合計10本のピン状端子の向きと先端の位置とが、対応する各規制喉部21a,21bの位置規制作用によって、正しく且つ互いに平行に整列され、同時に、4本の保持脚部20L(押し付け保持部の一例)が、第1工程で挿入されている2個の集磁ヨーク13と2個のバイアス磁石15との各上面と接当する。
(第3工程)
図9に示すように、PCB18を検出側ハウジング5a上のアラインメントプレート20と重なり合うように上方から装着する。PCB18の両側部にも第2ピン状治具G2の側面と係合可能な半円形の位置決め凹部18bが設けられている。したがって、これらの位置決め凹部18bを2本の第2ピン状治具G2の先端に係合させた後、PCB18を下降させて行けば、アラインメントプレート20によって十分に精度良く整列されている合計10本のピン状端子12a,14aは、自然と合計10本のピン状端子はPCB18の合計10個の実装用貫通孔18e,18fに同時に挿通される。
因みに、PCB18に形成されているホール素子12用の実装用貫通孔18eは、傾斜案内面22aの下端の内径より小さいが、規制喉部21aより大きな内径を有する。同様に、コネクタピン14用の実装用貫通孔18fは、傾斜案内面22bの下端の内径より小さいが、規制喉部21bより大きな内径を有する。
(第4工程)
図10に示すように、PCB18を下向きに押し付けながら、検出側ハウジング5aに形成されている3つの熱カシメ片5f,5gをPCB18の中心側に向けて熔融傾倒させることによって、PCB18とアラインメントプレート20とを検出側ハウジング5aに固定する。検出側ハウジング5aには、コネクタ部14P寄りの2つの熱カシメ片5gの熔融傾倒によって、これら熱カシメ片5gの一部と一体化される一対の被溶着突起5jが立設されている。このPCB18とアラインメントプレート20の固定が完了すると、2個の集磁ヨーク13及び2個のバイアス磁石15は4本の保持脚部20Lによって夫々ヨーク収納溝5e及びバイアス磁石収納溝5kの底面に押し付け固定される。
アラインメントプレート20の外周部の、熱カシメ片5f,5gに対応する3箇所には、PCB18の外周部位が傾倒操作される熱カシメ片5f,5gによって破損されるのを防止するために、PCB18よりも径方向外向きに延びた突設片20pが設けられている。これらの突設片20pをアラインメントプレート20の径方向に延びる垂直平面で切った断面は、アラインメントプレート20の下面外周部位に要(かなめ)を置く扇形を呈している。
図6に示すように、アラインメントプレート20の側面には、第2ピン状治具G2と係合する位置決め凹部20cとは別に、第2工程でのアラインメントプレート20の装着に応じて、アラインメントプレート20を検出側ハウジング5aに対して前後方向(コネクタ部14Pの開口方向)に関して自動的に高精度で位置決めする位置決め手段20dが形成されている。位置決め手段20dは、コネクタ部14P寄りの2つの熱カシメ片5gと係合される係合凹部20e、及び、断面半円形の2つの被溶着突起5jに外嵌係合される係合環状体20fからなる。コネクタ部14P寄りの2つの熱カシメ片5gは、係合環状体20fの一部を閉じ込める形で熔融傾倒され、被溶着突起5jと一体化される。尚、前述した突設片20pは、この係合環状体20fのうちの径方向外側部から更に径方向外向きに延設された部位である。
(第5工程)
図には特に示さないが、実装の最終工程として、6本のピン状端子12aと4本のピン状端子14aとの合計10本のピン状端子をPCB18の対応する各ランドと接合する。ここでは、レーザビームによって半田を熔融する接合方法が用いられる。アラインメントプレート20は、相当量の微細なグラファイト粒子(カーボン)を含有した黒色の樹脂材料からなるので、近似的に黒体(任意の波長の電磁波を吸収する物体)といえる。したがって、もしも接合で用いられるレーザビームがPCB18の貫通孔などを通り抜けても、その下方に位置するアラインメントプレート20によって少なくともビームの波長の大半が吸収されるので、レーザビームによるホール素子12の損傷が生じ難い。
(左右部品の共通化)
以上の実施形態で解説した回転角検出装置4は、運転席が右側にある車両のための操作ペダルユニット2(以下、右ハンドル用と略称する)に適用されるものである。以下では、回転角検出装置4の構成部品を可及的に左右共通化する(右ハンドル用と左ハンドル用の共通化)ための構成について解説する。
図11に例示するように、従来の回転角検出装置では、バイアス磁石15を用いた場合、右ハンドル用と左ハンドル用との間で、検出側ハウジング5aの構成は共通であるが、互いに形状の異なるセンサレバー8を用いる必要があった。図11では、シャフト6の先端を挿通するためにセンサレバー8に設けられた長孔8Hのセンサレバー8の延出方向に対する向きが、右ハンドル用と左ハンドル用とで異なっているのが判る。
図11(a)に示す右ハンドル用の回転角検出装置では、センサレバー8は、図の右寄りに実線で記された揺動位置が原点(ペダル非操作状態)であり、ペダルの操作によって、二点鎖線で記された最大操作位置まで約70°の範囲で左向きに揺動操作できる。他方、図11(b)に示す左ハンドル用の回転角検出装置では、センサレバー8は、図の左寄りに実線で記された揺動位置が原点(ペダル非操作状態)であり、ペダルの操作によって、二点鎖線で記された最大操作位置まで約70°の範囲で右寄りに揺動操作できる。
センサレバー8の操作角度を高精度で且つ約70°の広い範囲で検出可能とするためには、左右いずれのタイプでも、ホール素子に作用する磁束密度はセンサレバー8の原点位置においてゼロ化または最小化される必要がある。したがって、前述したように、右ハンドル用と左ハンドル用とで、センサレバー8の原点位置と操作方向が異なっているにも拘らず、センサレバー8が原点位置にある時のロータ7の回転位相は同一にする必要がある。その結果、図11(a)及び図11(b)に示すように、右ハンドル用と左ハンドル用とで長孔8Hの向きが異なったセンサレバー8を用意する必要が生じている。
これと対照的に、図3(b)に示す本発明による左ハンドル用の回転角検出装置4′では、用いられているセンサレバー8は、図3(a)に示す右ハンドル用のものと外形が共通で、センサレバー8の延出方向に対する長孔8Hの向きも同じとなっている。勿論、左右いずれのタイプでも、ホール素子に作用する磁束密度はセンサレバー8の原点位置においてゼロ化または最小化される必要がある点は変わらない。したがって、図3(a)と図3(b)、及び、図4と図5を比較して判るように、右ハンドル用と左ハンドル用とで同一のセンサレバー8を共有することは、センサレバー8の原点位置において、長孔8Hの向き及びロータ7の角度位置が、右ハンドル用と左ハンドル用とで互いに異なることを意味する。
本発明では、右ハンドル用と左ハンドル用とで、センサレバー8の原点位置におけるロータ7の回転位相が互いに異なるにも拘らず、左右いずれの場合にも、ホール素子に作用する磁束密度がセンサレバー8の原点位置において最小化されている。そのために、左ハンドル用の回転角検出装置4′に取り付けられたバイアス磁石15及びロータ磁石10のいずれか一方の着磁方向を、右ハンドル用のものと逆にするという方法を用いている。具体的には、以下の2つの方法のいずれかを用いることができる。
図5(a)に示す左ハンドル用の回転角検出装置4′では、ロータ7の回転位相が図4と異なるので、ロータ磁石10から生じている2組の磁束α1,α1はホール素子12の近傍で図の上向きの磁束成分を有している。しかし、バイアス磁石15′の着磁方向が右ハンドル用の回転角検出装置4(図4)と逆にされている、すなわち、N極を上方に持ち、S極を下方に持つので、前記下向きの磁束成分の作用は、バイアス磁石15の磁束β2,β2に含まれる下向きの磁束成分によって相殺されている。
図5(b)に示す左ハンドル用の回転角検出装置4′では、ロータ7の回転位相が図4と異なるが、ロータ磁石10′の着磁方向が右ハンドル用の回転角検出装置4(図4)と逆にされているので、ロータ磁石10から生じている2組の磁束α2,α2はホール素子12の近傍で図の下向きの磁束成分を有している。したがって、前記上向きの磁束成分の作用は、着磁方向が右ハンドル用の回転角検出装置4と同じバイアス磁石15の磁束β1,β1に含まれる上向きの磁束成分によって相殺されている。
〔別実施形態〕
〈1〉第2ピン状治具G2を用いることで、アラインメントプレート20とPCB18のハウジングへの組付け操作が容易となり、さらに、アラインメントプレート20とPCB18のハウジングへの組付け操作を簡単に自動化できる。しかし、第2ピン状治具G2を用いない場合でも、アラインメントプレートの貫通孔へのピン状端子の挿通は容易であり、アラインメントプレートの組付け後はピン状端子が整列されるので、次のPCB18の組付け操作が非常に簡単になり、有利である。
〈2〉アラインメントプレート20とPCB18のハウジングへの固定は熱カシメ片の熔融傾倒によらず、ネジ止めなど他の固定手段によっても良い。
〈3〉アラインメントプレート20を用いて実装される対象には必ずしもコネクタピンが含まれなくても良い。
〈4〉本発明は、バイアス磁石が備えられていない回転角検出装置にも適用可能である。
〈5〉アラインメントプレート20には、PCBを保護するための突設片20L、或いは、補正ヨークを保持するための保持脚部20Lが必ずしも設けられている必要はない。
〈6〉本発明は、回動操作される被操作部材の揺動角を検出するための回転角検出装置として用いることができる。前記被操作部材を回動操作する機構の例として自動車用の操作ペダルユニット2を挙げたが、本発明に係る回転角検出装置を適用可能な機構はこれに限らない。
本発明による回転角検出装置を備えた操作ペダルユニットの略図 図1の回転角検出装置の要部の破断正面図 回転角検出装置の側面図 操作側ハウジング(右ハンドル用)の内部の概略背面図 操作側ハウジング(左ハンドル用)の内部の概略背面図 検出側ハウジングの分解斜視図 検出側ハウジングを製作する際の一工程を示す三面図 検出側ハウジングを製作する際の一工程を示す三面図 検出側ハウジングを製作する際の一工程を示す三面図 検出側ハウジングを製作する際の一工程を示す三面図 従来技術による回転角検出装置の側面図
符号の説明
4 回転角検出装置(右ハンドル用)
4′ 回転角検出装置(左ハンドル用)
5f 熱カシメ片
5g 熱カシメ片
7 ロータ(筒状ヨーク)
10 ロータ磁石
11 感磁ユニット
12 ホール素子(電子部品)
12a ピン状端子
13 集磁ヨーク(ヨーク部材)
14 コネクタピン
14a ピン状端子
18 プリント配線基板(PCB)
18b 位置決め凹部
20 アラインメントプレート(実装補助部材)
20a 第1アラインメント孔(貫通孔)
20b 第2アラインメント孔(第2の貫通孔)
20c 位置決め凹部
20d 位置決め手段
20e 係合凹部(位置決め手段)
20f 係合環状体(位置決め手段)
20L 保持脚部
20p 突設片(突設部)
21a 規制喉部
21b 規制喉部
22a 傾斜案内面
22b 傾斜案内面

Claims (1)

  1. ハウジングと、
    前記ハウジングに枢支されるシャフトと、
    前記シャフトに支持されるロータと、
    前記ロータに設けられたロータ磁石と、
    前記ハウジングの前記ロータ磁石と対向する位置に設けられたバイアス磁石と、を備えた回転角検出装置の実装構造であって、
    前記回転角検出装置は車両に設けられて運転者によって操作される操作ペダルユニットに用いられるものであり、
    右ハンドル車両に用いられる前記回転角検出装置と、左ハンドル車両に用いられる前記回転角検出装置とは、前記ロータ磁石及び前記バイアス磁石の何れか一方の磁極の向きが反対向きに設けられる回転角検出装置の実装構造。
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