JP5067676B2

JP5067676B2 - センサユニット及び、集磁モジュール

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Publication number: JP5067676B2
Application number: JP2010055499A
Authority: JP
Inventors: 信介大多
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-03-12
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Description

本発明は、トルク検出装置に用いられる集磁モジュールに関し、詳しくは、集磁モジュールを構成するセンサユニットに関する。

近年、電動パワーステアリング（以下「ＥＰＳ」という）システムの搭載された車両が多く見受けられるようになっている。ＥＰＳシステムは、操舵のタイミングで駆動されるため、油圧式のパワーステアリングに比べ、燃費向上等メリットが多い。

このようなＥＰＳシステムでは、運転者のステアリング操作で発生するトルクを検出するため、トルク検出装置が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

例えば、トルク検出装置は、円筒形状の円筒面にＮ極及びＳ極が交互に配置された多極マグネット、多極マグネットの外周に配置されるヨーク、ヨークの外周に配置される集磁リングなどを備えている。

集磁リングは、多極マグネットの外周のヨーク歯部を介して磁束を集める。集磁リングの端部には、上下方向に間隔を空けて径外方向へ突出する突出部が設けられており、この突出部の間に、ホールＩＣが配置される。これにより、トルク検出装置は、発生するトルクの変化を、ホールＩＣを通過する磁束の変化として検出する。

特許第４０４６０４９号公報

従来技術では、ホールＩＣ等がターミナルと呼ばれるバスバーに溶接されている。具体的には、バスバーをプレス加工で「く」字状に折り曲げ、ホールＩＣをプロジェクション溶接し、コンデンサを半田付けしてエポキシ成形した後、さらに、ハーネスを抵抗溶接し、ハーネスの溶接箇所に応力が集中しないようホットメルト成形して、ホールＩＣを含むセンサユニットを作製している。このような工程を経るのは、一つにはホールＩＣによる検出精度を向上させるためである。

しかしながら、加工に要する時間が大きくなるという問題がある。また、「く」字状に折り曲げられたバスバーを用い、さらに、バスバーからホールＩＣを突出させるように溶接しているため、センサユニットの体格が大きくなるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、その目的は、加工に要する時間を短縮可能な体格の小さいセンサユニット、及び、当該センサユニットを備える集磁モジュールを提供することにある。

上述した目的を達成するためになされた請求項１に記載のセンサユニットは、プリント基板と、ホールＩＣと、端子部と、コンデンサとを備えている。
ホールＩＣは、磁束を検知する素子部がプリント基板の導電パターンを避けて実装される。また、素子部がプリント基板に平行となるように実装される。ここで「避けて」は、対向しないように、とも言い換えられる。また、「平行」は、厳密な意味の平行だけでなく、多少の傾きがある場合を含む。

端子部は、外部と電気的に接続されるものであり、プリント基板の端縁部に実装される。端子部は、例えばハーネスとして具現化してもよいし、また例えばコネクタとして具現化してもよい。また、コンデンサも、プリント基板に実装される。

つまり、本発明では、プリント基板への実装という態様で、センサユニットを構成した。これにより、例えばＳＭＤ（Surface Mount Device）を用いれば、各部品をプリント基板に載置したのち、リフロー炉を通すだけで、センサユニットを製作することができる。

その結果、バスバーのプレス加工、ホールＩＣのプロジェクション溶接、及び、ハーネスの抵抗溶接などは必要なくなり、加工に要する時間を短縮することができる。もちろん、ＳＭＤを用いることに限定されず、ＴＨＤ（Through-hole Device ）を用いるようにしてもよい。

また、本発明では、素子部がプリント基板に平行となるようにホールＩＣが実装される。素子部は薄板状であるため、この素子部をプリント基板に平行にすれば、プリント基板の高さを抑えることができる。したがって、プリント基板を中心とする比較的薄型のセンサユニットとなり、従来と比べ、その体格を小さくすることができる。

また、本発明では、精度を向上させるため、複数のホールＩＣを備える。

このとき、２つのホールＩＣからの信号の一方が正値、他方が負値となるように、仮に一方のホールＩＣは素子部の表面を上向きにし、他方のホールＩＣは素子部の裏面を上向きにすると、ホールＩＣのリード部の曲げ加工が、各ホールＩＣで反対になる。ホールＩＣのリード部はプリント基板側へ曲げられるのであるが、片方のホールＩＣを裏返して配置することになるため、リード部の折り曲げ方向が逆になる。したがって、表面が上向きとなるホールＩＣと裏面が上向きとなるホールＩＣとを区別して管理する必要が生じる。

そこで、本発明では、複数のホールＩＣを、プリント基板の表面と裏面とにそれぞれ実装する。つまり、プリント基板を用いることで、同一のホールＩＣを表面及び裏面に実装すれば、一方のホールＩＣは表面が上向きとなり、他方のホールＩＣは裏面が上向きとなる。このようにすれば、表面が上向きとなるホールＩＣと裏面が上向きとなるホールＩＣとを区別して管理する必要がなくなる。

ところで、ホールＩＣの素子部を磁束が通過するのであるが、磁束の透過性を向上させることで、検出精度が向上する。そこで、ホールＩＣの素子部を、プリント基板の切り欠き部分に対応させて配置するようにするとよい。つまり、プリント基板は、実装された複数のホールＩＣの素子部に対応する部位に、ホールＩＣの幅よりも幅が狭い切り欠きが形成される。これにより、磁束の透過性が向上し、検出精度が向上する。

本発明のセンサユニットは、さらに樹脂部を備える。樹脂部は、ホールＩＣ、端子部の接続部分、及び、コンデンサをモールドし、外郭を形成する。このようにすれば、各種部品を保護することができる。例えば端子部の接続部分への応力の集中が抑制される。

この場合、請求項２に示すように、樹脂部のホールＩＣの素子部に対応する部分の厚みを、他の部分と比べて薄く形成するとよい。このようにすれば、集磁リングの突出部との間のクリアランスを小さくすることができる。

例えば、請求項３に示すように、ホールＩＣの実装される側とは反対側に凹部を設けることで、素子部に対応する部分の厚みを、他の部分と比べて薄く形成することが考えられる。

以上は、センサユニットの発明として説明してきたが、請求項４に示すような集磁モジュールの発明としても実現できる。すなわち、センサユニットと、ホールＩＣの素子部を挟んで配置される突出部を具備する集磁リングと、磁束を遮蔽するシールドと、樹脂材料にて形成される外郭部と、を備えていることを特徴とする集磁モジュールである。

実施形態の集磁モジュールの外観を示す概略斜視図である。外郭部を除く集磁モジュールの構成を示す分解斜視図である。一実施形態のセンサユニットの外観を示す斜視図である。一実施形態のモールド前のセンサユニットを示す説明図である。ホールＩＣのリード部による区別を示す説明図である。一実施形態のモールド後のセンサユニットを示す説明図である。別実施形態のセンサユニットの外観を示す斜視図である。別実施形態のモールド前のセンサユニットを示す説明図である。別実施形態のモールド後のセンサユニットを示す説明図である。センサユニットのプリント基板のバリエーションを示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面に基づいて説明する。本形態の集磁モジュールは、ＥＰＳシステムに用いられるトルク検出装置の一部を構成する。トルク検出装置は、円筒面にＮ極及びＳ極が交互に配置された多極マグネット、多極マグネットの外周に配置されるヨーク、ヨークの外周に配置される集磁リングなどを備えている。

集磁モジュールは、集磁リング及びセンサユニットが一体化されたものである。なお、図１は、集磁モジュールの外観を示す概略斜視図であり、図２は、樹脂部分を省略して示した集磁モジュールの分解斜視図である。

図１に示すように、集磁モジュール１は、外郭部１０と、集磁リング２０と、センサユニット３０と、シールド４０とを備えている。
外郭部１０は、樹脂製であり、直方体形状の外郭基部１１及び、外郭基部１１の側面から突出する外郭突設部１２を有している。外郭突設部１２には、上述した多極マグネット及びヨークが挿入される挿入穴１３が形成されている。これにより、外郭突設部１２の先端部分は挿入穴１３に合わせた円弧状となっている。

外郭突設部１２の円筒状部分に埋設されるのが、集磁リング２０である。集磁リング２０は、図２に示すように、上下２段のリング部２１と、リング部２１から径外方向へ突出する突出部２２とを有している。突出部２２は、１つのリング部２１に２つずつ設けられており、センサユニット３０に対応させて上下方向に並ぶ突出部２２のペアが２組設けられている。

センサユニット３０は、主として外郭基部１１に埋設されており、その一部を外郭突設部１２の反対側へ突出させている。この突出部分には、コネクタ３１が設けられている。

また、シールド４０は、金属製で、外郭基部１１を覆う基部シールド４１と、外郭突設部１２を覆う突設部シールド４２とを有している。基部シールド４１は、図２に示すように、外郭基部１１の側面、上面、及びセンサユニット３０の突出面を覆うようになっている。一方、突設部シールド４２は、外郭突設部１２の外側面を覆うようになっており、Ｕ字形状を呈している。これにより、精度に悪影響を与える外乱要因を排除することができる。なお、シールド４０は、外郭部１０の成形時に一体に取り付けられるものとしてもよいし、外郭部１０の成形後に、外郭部１０に対し嵌め込むようにしてもよい。

本形態では、センサユニット３０の構成に特徴を有している。そこで、センサユニット３０の構成について詳述する。
図３は、センサユニット３０の外観を示す斜視図である。図３に示すように、センサユニット３０は、コネクタ３１、コネクタ３１の実装されたプリント基板３２、プリント基板３２に実装されるホールＩＣ３３等を備えている。センサユニット３０は、二点鎖線で示すように、樹脂部３４にてモールドされてなる。

図４は、樹脂部３４（図３参照）が形成される前のセンサユニット３０を示す説明図である。図４に示すように、プリント基板３２には、銅箔パターン３５が形成されている。この銅箔パターン３５には、２つのホールＩＣ３３、コネクタ３１、及び、複数のコンデンサ３６が半田付けされている。なお、以下では、２つのホールＩＣを区別する場合、図中の記号を用い、「ＡホールＩＣ３３」、「ＢホールＩＣ３３」と記述する。

図５（ａ）に示すように、ホールＩＣ３３は、センシング素子３７が埋設された素子部３３ａ及び、リード部３３ｂを有している。そして、一般的に、素子部３３ａは、センシング素子３７に合わせて、薄板形状となっている。本形態では、この素子部３３ａがプリント基板３２に平行となるように、ホールＩＣ３３を配置した。もちろん、ここでいう「平行」は厳密な意味の平行でなくてもよい。

また、図５（ａ）に示すように、リード部３３ｂは、３つの端子からなっている。電源端子であるＶｓ端子、センサ出力端子であるＳ端子、及び、接地端子であるＧＮＤ端子である。これらの端子は、センシング素子３７の一方の面（記号Ｊで示した面）とは反対側へ折り曲げられている。このような端子の折り曲げ方向は、ＡホールＩＣ３３でも、ＢホールＩＣ３３でも、共通である。

図４に戻り、ＡホールＩＣ３３は、Ｖｓ端子、Ｓ１端子、及び、ＧＮＤ端子を有している。一方、ＢホールＩＣ３３は、Ｖｓ端子、Ｓ２端子、及び、ＧＮＤ端子を有している。ここで、Ｓ１及びＳ２端子が、上述したセンサ出力端子である。このとき、銅箔パターン３５によって、Ｖｓ端子及びＧＮＤ端子は、共通化されている。これにより、コネクタ３１の端子は、Ｖｓ端子、Ｓ１端子、Ｓ２端子、及び、ＧＮＤ端子の４つとなっている。また、本形態では特に、ホールＩＣ３３の素子部３３ａに対応する部分には、銅箔パターン３５が形成されていない。

このようなセンサユニット３０は、図３に二点鎖線で示したように、樹脂によってモールドされる。つまり、図６に示すように、樹脂部３４が形成される。このとき、コネクタ３１が前面及び上面に露出し、その他の実装部品３３，３６は、樹脂部３４に埋没することになる（図６（ａ）及び（ｃ）参照）。なお、図６（ｃ）は、図６（ａ）の矢印Ｙで示す方向に視た側面図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

図６（ｂ）から分かるように、ＡホールＩＣ３３と、ＢホールＩＣ３３とは、プリント基板３２の表面及び裏面にそれぞれ配置されている。そして、本形態では、Ａ及びＢのホールＩＣ３３の素子部３３ａに対応させ、樹脂部３４に断面形状が台形状の凹溝３８が形成されている。これにより、図２に示した集磁リング２０の突出部２２はホールＩＣ３３の素子部３３ａを挟むように配置されるが、凹溝３８が形成されているため、集磁リング２０の突出部２２とホールＩＣ３３との間のクリアランスが小さくなる。

以上詳述したように、本形態では、プリント基板３２へ、コネクタ３１、２つのホールＩＣ３３、及び、コンデンサ３６を半田付けする態様で、センサユニット３０を構成した。これにより、例えばＳＭＤ（Surface Mount Device）を用いれば、各部品３１，３３，３６をプリント基板３２に載置したのち、プリント基板３２をリフロー炉に通すだけで、センサユニット３０を製作することができる。

その結果、従来のようなバスバーのプレス加工、ホールＩＣのプロジェクション溶接、及び、ハーネスの抵抗溶接などは必要なくなり、加工に要する時間を短縮することができる。もちろん、ＳＭＤを用いることに限定されず、ＴＨＤ（Through-hole Device ）を用いるようにしてもよい。ＴＨＤを用いた場合でも、溶接工程がなくなる分、加工に要する時間を短縮することができる。

また、本形態では、素子部３３ａがプリント基板３２に平行となるように、ホールＩＣ３３がプリント基板３２に配置されている。素子部３３ａは薄板状であるため、この素子部３３ａをプリント基板３２に平行にすれば、プリント基板３２の高さを抑えることができる。したがって、プリント基板３２を中心とする比較的薄型のセンサユニット３０となり、従来と比べ、その体格を小さくすることができる。

さらにまた、本形態では、Ａ及びＢの２つのホールＩＣ３３を、プリント基板３２の表面と裏面とにそれぞれ１つずつ配置した。これにより、２つのホールＩＣ３３からのセンサ出力を取得可能となるため、検出精度を向上させることができる。

しかも、プリント基板３２の表面と裏面とに１つずつ配置したため、ＡホールＩＣ３３はセンシング素子３７の表面（記号Ｊで示す面）が上向きとなり、ＢホールＩＣ３３はセンシング素子３７の裏面（記号Ｊで示す面の反対側の面）が上向きとなる。これにより、正負の異なる２つのセンサ出力を得ることができる。また、プリント基板３２の表面と裏面に配置することで、ＡホールＩＣ３３及びＢホールＩＣ３３は同一形状の部品となり（図５（ａ）参照）、ＡホールＩＣ３３及びＢホールＩＣ３３を区別して管理する必要がなくなる。

また、本形態では、樹脂部３４にて、プリント基板３２をモールドするようにした。これにより、各種部品３１，３３，３６を保護することができる。例えばコネクタ３１で言えば、端子接続部分への応力の集中が抑制される。

さらにまた、本形態では、ホールＩＣ３３の素子部３３ａに対応する部分の厚みが他の部分と比べて薄くなるよう樹脂部３４が成形されている（図６（ｂ）参照）。詳細には、Ａ及びＢのホールＩＣ３３の素子部３３ａに対応させ、ホールＩＣ３３の反対側に、断面形状が台形状の凹溝３８を形成した。これにより、図２に示した集磁リング２０の突出部２２とホールＩＣ３３との間のクリアランスが小さくなり、ホールＩＣ３３による検出精度を向上させることができる。

なお、本形態における集磁モジュール１が請求項に記載の「集磁モジュール」に相当し、センサユニット３０が「センサユニット」に相当し、集磁リング２０が「集磁リング」に相当し、シールド４０が「シールド」に相当し、外郭部１０が「外郭部」に相当する。

また、センサユニット３０をするプリント基板３２が「プリント基板」に相当し、ホールＩＣ３３が「ホールＩＣ」に相当し、素子部３３ａが「素子部」に相当し、銅箔パターン３５が「導電パターン」に相当し、コネクタ３１が「端子部」に相当し、コンデンサ３６が「コンデンサ」に相当し、樹脂部３４が「樹脂部」に相当し、凹溝３８が「凹部」に相当する。

以上、本発明は、上述した形態に何等限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施することができる。

（イ）図７に示すようなセンサユニット３００を構成することが考えられる。センサユニット３００では、プリント基板３２０の構成が上記形態と異なっている。そこで、プリント基板３２０の構成について説明する。なお、同様の構成部分には、同一の符号を付し、説明を割愛する。

図７に示すように、センサユニット３００では、プリント基板３２０の一端縁部から２つの切り欠き３２０ａが形成されている。切り欠き３２０ａは、２つのホールＩＣ３３に対応するように、ホールＩＣ３３に合わせて形成されている。

図８は、樹脂部３４が形成される前のセンサユニット３００を示す説明図である。上記形態と同様、プリント基板３２には銅箔パターン３５が形成され、銅箔パターン３５には、２つのホールＩＣ３３、コネクタ３１、及び、複数のコンデンサ３６が半田付けされている。

この場合も、Ａ及びＢの２つのホールＩＣ３３が、プリント基板３２０の表面と裏面とに１つずつ配置されている。なお、電気的な接続等は、上記形態と同様である。図８から分かるように、Ａ及びＢの２つのホールＩＣ３３の素子部３３ａに合わせて、切り欠き３２０ａが設けられている。

図９（ｂ）から分かるように、ＡホールＩＣ３３と、ＢホールＩＣ３３とは、プリント基板３２０の表面及び裏面にそれぞれ配置されている。そして、本形態でも、Ａ及びＢのホールＩＣ３３の素子部３３ａに対応させ、樹脂部３４に断面形状が台形状の凹溝３８が形成されている。

このような構成を採用しても、上記形態と同様の効果が奏される。本形態では特にプリント基板３２０に切り欠き３２０ａを形成したため、ホールＩＣ３３の素子部３３ａにおける磁束の透過性を向上させることができ、検出精度が向上する。

なお、請求項との基本的な対応関係は上記形態と同様であるが、ここでは特に、プリント基板３２０が「プリント基板」に相当し、切り欠き３２０ａが「切り欠き部分」に相当する。

（ロ）上記（イ）の構成では、図１０（ａ）に示すようなプリント基板３２０を採用していたが、ホールＩＣ３３の素子部３３ａに対応する部分に切り欠きを設ければよく、例えば図１０（ｂ）に示すような窓３２１ａが形成されたプリント基板３２１を採用しても差し支えない。

この場合、プリント基板３２１が「プリント基板」に相当し、窓３２１ａが「切り欠き部」に相当する。

（ハ）上記（イ）及び（ロ）の構成では、プリント基板３２０，３２１に切り欠き３２０ａ，窓３２１ａを形成していた。これに対し、図１０（ｃ）に示すように、ホールＩＣ３３の素子部３３ａを側方へ突出させるようなプリント基板３２２を採用してもよい。

この場合、プリント基板３２２が「プリント基板」に相当する。

（ニ）上記形態では、プリント基板３２の表面と裏面とに１つずつホールＩＣ３３を配置していたが、図２等から分かるように、ホールＩＣ３３が同一平面上に位置しないため、突出部２２のペアを上下方向の異なる位置に設ける必要が生じる。

そこで、図５（ｂ）に示すように、センシング素子３７の一方の面（記号Ｊで示した面）と同一の方向へリード部３３０ｂを折り曲げたホールＩＣ３３０を形成し、プリント基板の同一面に２つのホールＩＣ３３，３３０を配置するようにしてもよい。

このようにすれば、２つのホールＩＣ３３，３３０を区別して管理する必要が生じるものの、ホールＩＣ３３，３３０が同一面に配置されるため、突出部２２の構成等が簡単になるという点で有利である。

（ホ）上記形態ではコネクタ３１でセンサユニット３０，３００が構成されていたが、コネクタ３１に代え、ハーネス等を利用して外部との電気的な接続を図る構成としてもよい。

（ヘ）上記形態では、２つのホールＩＣ３３を備える構成について言及したが、単一のホールＩＣにてセンサユニットを構成してもよい。また、３以上のホールＩＣにてセンサユニットを構成してもよい。

１：集磁モジュール、１０：外郭部、１１：外郭基部、１２：外郭突設部、１３：挿入穴、２０：集磁リング、２１：リング部、２２：突出部、３０，３００：センサユニット、３１：コネクタ、３２，３２０，３２１，３２２：プリント基板、３２０ａ：切り欠き、３２１ａ：窓、３３，３３０：ホールＩＣ、３３ａ，３３０ａ：素子部、３３ｂ，３３０ｂ：リード部、３４：樹脂部、３５：銅箔パターン、３６：コンデンサ、３７：センシング素子、３８：凹溝、４０：シールド、４１：基部シールド、４２：突設部シールド

Claims

プリント基板と、
磁束を検知する素子部が前記プリント基板の導電パターンを避けて前記プリント基板に平行となるように、前記プリント基板の表面と裏面とにそれぞれ実装された複数のホールＩＣと、
前記プリント基板の端縁部に実装され外部と電気的に接続された端子部と、
前記プリント基板に実装されたコンデンサと、
前記ホールＩＣ、前記端子部の接続部分、及び、前記コンデンサを樹脂でモールドして外郭を形成する樹脂部と、
を備え、
前記プリント基板は、実装された複数の前記ホールＩＣの前記素子部に対応する部位に、前記ホールＩＣの幅よりも幅が狭い切り欠きが形成されていること
を特徴とするセンサユニット。
請求項１に記載のセンサユニットにおいて、
前記樹脂部は、前記ホールＩＣの素子部に対応する部分の厚みが他の部分と比べて薄く成形されていること
を特徴とするセンサユニット。
請求項２に記載のセンサユニットにおいて、
前記樹脂部は、前記ホールＩＣの実装される側とは反対側に凹部を設けることで、前記素子部に対応する部分の厚みが他の部分と比べて薄く成形されていること
を特徴とするセンサユニット。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサユニットと、
前記ホールＩＣの素子部を挟んで配置される突出部を具備する集磁リングと、
磁束を遮蔽するシールドと、
樹脂材料にて形成される外郭部と、
を備えていることを特徴とする集磁モジュール。