JP7268510B2 - センサ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、センサ装置に関する。
従来、たとえば特許文献1に記載されるセンサ装置が知られている。このセンサ装置は、ステアリングホイールに付与される操舵トルク、およびステアリングホイールに連結されたステアリングシャフトの回転角である操舵角の双方を検出する。センサ装置は、ステアリングシャフトを構成するピニオンシャフトに設けられている。ピニオンシャフトは、インプットシャフトとアウトプットシャフトとがトーションバーを介して連結されてなる。
センサ装置は、インプットシャフトに固定された永久磁石、およびアウトプットシャフトに固定されたヨークユニットを有している。ヨークユニットは、2つのヨークが樹脂部分を介して一体化されたものである。インプットシャフトにトルクが加えられてトーションバーがねじれ変形すると、永久磁石とヨークとの回転方向における相対位置が変化する。センサ装置は、永久磁石とヨークとの相対位置の変化に伴うヨークの磁束の変化に基づきトーションバーに加わるトルクを検出する。
センサ装置は、ピニオンシャフトのアウトプットシャフトと一体的に回転する外歯歯車、および外歯歯車に歯合する2つの従動歯車を備えている。2つの従動歯車の歯数は異なっているため、外歯歯車の回転に伴う2つの従動歯車の回転角度は互いに異なる。センサ装置は、2つの従動歯車の回転角度をそれぞれ検出し、これら検出される回転角度に基づいてアウトプットシャフトの回転角度を検出する。
特開2019-074364号公報
特許文献1のセンサ装置のセンサハウジングは、第1のハウジング部材および第2のハウジング部材を有している。第1のハウジング部材には、外歯歯車を含むヨークユニットが収容される。第2のハウジング部材には、2つの従動歯車および基板が収容される。基板には、回転角検出用およびトルク検出用の磁気センサなどの電子部品が設けられている。また、第2のハウジング部材には、筒状のコネクタ嵌合部が設けられている。コネクタ嵌合部には、基板に対する給電およびコントローラに対する信号伝達のためのコネクタが嵌合される。
センサ装置には、製品仕様に応じて様々なバリエーションが存在する。たとえばコネクタ嵌合部の形状またはコネクタ嵌合部に対するコネクタの嵌合方向などに対する要求に応じて、複数種類の第2のハウジング部材を用意する必要がある。また、第2のハウジング部材は第1のハウジング部材とともにハウジングの外観を構成するため、センサ装置として要求される外観に応じて第1のハウジング部材及び第2のハウジング部材の双方について複数種のバリエーションを用意する必要があった。
本発明の目的は、構成部品のバリエーションの増加を抑制することができるセンサ装置を提供することにある。
上記目的を達成し得るセンサ装置は、検出対象であるシャフトのねじれに応じた磁束を誘導する集磁部材、および前記シャフトの回転に連動して回転する従動車のうち少なくとも一方の部品が選択的にホルダに装着されてなる部分組立品と、前記部分組立品に含まれず、前記ホルダに装着された部品に応じて前記集磁部材に誘導される磁束および前記従動車の回転角の少なくとも一方を検出する検出器が設けられた基板と、前記シャフトが貫通されるとともに前記部分組立品および前記基板が収容されるセンサハウジングと、を有している。
この構成によれば、センサ装置に要求される検出機能に応じて部分組立品として組み立てる部品を選択的に変更することによって、センサ装置に対する要求にかかわらず同じ部品を使用して部分組立品を構築することができる。このため、部分組立品、ひいてはセンサ装置の構成部品のバリエーションが増加することを抑制することができる。
たとえば、センサ装置としてシャフトに加わるトルクおよびシャフトの回転角の双方を検出することが要求される場合、集磁部材および従動車の双方をホルダに装着すればよい。集磁部材に誘導される磁束はシャフトのねじれに応じたものであるため、当該磁束に基づきシャフトに加わるトルクを求めることが可能である。また、従動車はシャフトの回転に連動して回転するため、従動車の回転角に基づきシャフトの回転角を求めることが可能である。また、センサ装置としてシャフトに加わるトルクのみを検出することが要求される場合、集磁部材のみをホルダに装着すればよい。また、センサ装置としてシャフトの回転角のみを検出することが要求される場合、従動車のみをホルダに装着すればよい。
ちなみに、センサハウジングの形状あるいは材質に対する要求も考えられるところ、それらの要求に対してはセンサハウジングの形状あるいは材質だけを変更すればよい。センサハウジングに収容される部分組立品については、センサハウジングの形状あるいは材質によらず同じものを使用することが可能である。したがって、センサ装置の構成部品のバリエーションの増加を抑制することができる。
上記のセンサ装置において、前記ホルダは、前記センサハウジングの一部分に係合することにより前記部分組立品を前記センサハウジングの内部に保持する係合部を有していることが好ましい。
この構成によれば、部分組立品をセンサハウジングの内部にワンタッチで装着することができる。また、センサ装置を組み立てる際、部分組立品がセンサハウジングから脱落することを抑制することができる。
上記のセンサ装置において、前記部分組立品は、前記ホルダに対して前記従動車を覆うように装着されて前記従動車を前記ホルダに保持する保持部材を有していることが好ましい。
この構成によれば、保持部材によって従動車がホルダに保持される。このため、従動車がホルダから脱落することが抑制される。また、部分組立品としての取り扱いが簡単になる。
上記のセンサ装置において、前記センサハウジングは、前記シャフトの軸線に対して交わる方向へ向けて開口する開口部を介して前記部分組立品および前記基板が収容される収容室を有することを前提として、前記開口部を閉塞するカバーを有していることが好ましい。
この構成によれば、開口部がカバーで閉塞されることにより収容室が密閉される。このため、収容室の内部に粉塵または液体が入ることが抑制される。また、部分組立品はセンサハウジングとしての機能を有さない。このため、たとえば部分組立品のホルダがセンサハウジングの一部を構成する場合と異なり、ホルダのバリエーションの増加を抑えることが可能である。
上記のセンサ装置において、前記シャフトはステアリングホイールの操作に連動して回転するものであってもよい。シャフトに加わるトルクをステアリングホイールに加わる操舵トルクとして、またシャフトの回転角をステアリングホイールの回転角である操舵角として検出することが可能となる。
本発明のセンサ装置によれば、構成部品のバリエーションの増加を抑制することができる。
センサ装置の一実施の形態が搭載される操舵装置の構成図。 一実施の形態のセンサ装置を分解した斜視図。 一実施の形態のセンサ装置を軸方向に沿って切断した断面図。 一実施の形態の部分組立品を分解した斜視図。 (a),(b),(c)は、一実施の形態の部分組立品の斜視図。 一実施の形態の部分組立品をギヤストッパと反対側からみた底面図。 一実施の形態のセンサハウジングをその開口部側からみた斜視図。 一実施の形態のセンサハウジングをその開口部側から要部を示す側断面図。 一実施の形態のセンサ装置をセンサハウジングと磁気ヨークとに分解した断面図。 図3のX-X線に沿ってセンサハウジングのみを切断した断面図。 一実施の形態のヨーク、集磁リングおよびコアの位置関係を示す斜視図。
以下、センサを車両の操舵装置に適用した一実施の形態を説明する。
図1に示すように、車両の操舵装置10は、ステアリングホイール11に連結されたステアリングシャフト12を有している。ステアリングシャフト12におけるステアリングホイール11と反対側の端部には、ピニオンシャフト13が設けられている。ピニオンシャフト13のピニオン歯13aは、ピニオンシャフト13に対して交わる方向へ延びる転舵シャフト14のラック歯14aに噛み合わされている。転舵シャフト14の両端には、それぞれタイロッド15,15を介して左右の転舵輪16,16が連結されている。
また、操舵装置10は、操舵補助力(アシスト力)を生成するための構成として、モータ21、減速機構22、ピニオンシャフト23、センサ装置24、および制御装置25を有している。
モータ21は、操舵補助力の発生源であって、たとえば三相のブラシレスモータが採用される。モータ21は、減速機構22を介してピニオンシャフト23に連結されている。ピニオンシャフト23のピニオン歯23aは、転舵シャフト14のラック歯14bに噛み合わされている。モータ21の回転は減速機構22によって減速されるとともに、当該減速された回転力が操舵補助力としてピニオンシャフト23から転舵シャフト14を介してピニオンシャフト13に伝達される。
センサ装置24は、ピニオンシャフト13(具体的には、転舵シャフト14と共にピニオンシャフト13を収容するギヤハウジング)に設けられている。センサ装置24は、トルクセンサと回転角センサとが組み合わせられてなる。センサ装置24は、ステアリングホイール11の回転操作を通じてピニオンシャフト13に加わるトルクを操舵トルクThとして検出する。また、センサ装置24は、ピニオンシャフト13の360°を超える多回転にわたる回転角θpaを操舵角θsとして検出する。
制御装置25は、センサ装置24により検出される操舵トルクThおよび操舵角θsを取り込む。また、制御装置25は、車両に設けられる車速センサ26を通じて検出される車速Vを取り込む。制御装置25は、モータ21に対する通電制御を通じて操舵トルクThおよび車速Vに応じた操舵補助力を発生させるアシスト制御を実行する。制御装置25は、センサ装置24を通じて検出される操舵トルクTh、および車速センサ26を通じて検出される車速Vに基づき、モータ21に対する給電を制御する。
つぎに、ピニオンシャフト13およびセンサ装置24について説明する。
図2に示すように、ピニオンシャフト13は、入力軸31、トーションバー32、および出力軸33を有している。入力軸31と出力軸33とはトーションバー32を介して互いに連結される。入力軸31、トーションバー32、および出力軸33は同一の軸線O上に位置している。
センサ装置24は、永久磁石41、磁気ヨーク42、基板43、部分組立品44、センサハウジング45、およびカバー46を有している。
永久磁石41は、円筒状をなしている。永久磁石41は、その周方向に沿ってS極とN極とが交互に着磁されている。永久磁石41は、入力軸31に固定される。
磁気ヨーク42は、円筒状をなしている。磁気ヨーク42の内部には永久磁石41が挿入される。磁気ヨーク42は、磁性体からなる環状の2つのヨーク51,52が合成樹脂材料によりモールドされてなる。磁気ヨーク42の合成樹脂材料により形成された部分は、2つのヨーク51,52の位置関係を保持するホルダ53として機能する。このホルダ53の端部には主動歯車54が一体成型されている。2つのヨーク51,52は、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向に沿って並んでいる。磁気ヨーク42は出力軸33に固定される。
2つのヨーク51,52には、それぞれ複数の歯部51a,52aが周方向に沿って等間隔で設けられている。これら歯部51a,52aは、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において互いに反対側へ向けて延びている。2つのヨーク51,52は、それらの歯部51a,52aが周方向において交互に位置するように保持されている。2つのヨーク51,52は、トーションバー32にねじれ変形が生じていない状態において、複数の歯部51a,52aの周方向における中心が永久磁石41のN極とS極との境界に一致するように設けられる。
基板43は、矩形状をなしている。基板43の中央付近には、3つの支持孔61が一列に並んで設けられている。また、基板43には、複数の端子接続孔62が設けられている。これら端子接続孔62は、基板43の2つの長側縁のうちいずれか一方に沿って二列に並んでいる。また、基板43の互いに反対側に位置する2つの面のうちいずれか一方の面(図2中の上面)には、角度検出用の検出器である2つの磁気センサ63,64、およびトルク検出用の検出器である2つの磁気センサ65,66が設けられている。これら磁気センサ63,64および磁気センサ65,66は、基板43における端子接続孔62と反対側の長側縁に沿って一列に並んでいる。トルク検出用の2つの磁気センサ65,66は、これらの並び方向において角度検出用の2つの磁気センサ63,64の間に位置している。角度検出用の磁気センサ63,64としては、たとえばMR(磁気抵抗)センサが採用される。トルク検出用の磁気センサ65,66としては、たとえばホールセンサが採用される。
部分組立品44は、ピニオンシャフト13の回転角度を検出するための部品、およびピニオンシャフト13に加わるトルクを検出するための部品をホルダ91に取り付けることによって一体に扱えるようにしたものである。部分組立品44の構成および組み立て手順については、後に詳述する。
センサハウジング45は、合成樹脂材料により一体成型される。センサハウジング45は、ピニオンシャフト13の軸線Oに対して交わる方向へ向けて開口する筒状をなしている。センサハウジング45には、ピニオンシャフト13が貫通される。また、センサハウジング45の内部には、ピニオンシャフト13に設けられる永久磁石41および磁気ヨーク42、ならびに基板43および部分組立品44が収容される。
センサハウジング45は、円形の挿通孔71、筒状の第1の収容室72、第2の収容室73を有している。これら挿通孔71、第1の収容室72、および第2の収容室73は、互いに連通している。挿通孔71の内径は、ピニオンシャフト13の外径よりも若干大きく設定される。第1の収容室72の内径は、磁気ヨーク42の外径よりも若干大きく設定される。挿通孔71および第1の収容室72は、それぞれ同一の軸線O上に位置している。第2の収容室73は、ピニオンシャフト13の軸線Oに対して交わる方向へ向けて開口している。第2の収容室73、ひいてはセンサハウジング45の開口部73aは、カバー46によって閉塞される。
第2の収容室73の内底面には、段付き円柱状の3つの支持突部74が設けられている。3つの支持突部74は、軸線Oに対して直交する方向である第2の収容室73の幅方向に沿って一列に並んでいる。3つの支持突部74は、基板43に設けられた3つの支持孔61に対応する。
また、第2の収容室73の内底面には、複数の端子75が突出して設けられている。複数の端子75は、支持突部74よりも第2の収容室73の開口方向における外側に位置している。複数の端子75は、第2の収容室73の幅方向に沿って二列に並んでいる。複数の端子75は、基板43に設けられた複数の端子接続孔62に対応する。
また、第2の収容室73の外底面には、四角筒状のコネクタ嵌合部76が設けられている。コネクタ嵌合部76は、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿って延びている。コネクタ嵌合部76の内部には、複数の端子75が第2の収容室73の底壁を貫通して露出する。コネクタ嵌合部76には、基板43の端子75と制御装置25との間を電気的に接続する配線のコネクタが嵌合される。
また、センサハウジング45において、第1の収容室72の内周面には、C字状の2つの集磁リング81,82が設けられている。これら集磁リング81,82は、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において並んでいる。集磁リング81はヨーク51に、集磁リング82はヨーク52に対応する。集磁リング82には、2つの集磁突部81a,81bが設けられている。これら集磁突部81a,81bは、第2の収容室73の内部に露出している。
図3に示すように、センサハウジング45は、転舵シャフト14を収容するギヤハウジング17に取り付けられる。第1の収容室72には、ピニオンシャフト13に取り付けられた磁気ヨーク42が収容される。また、第2の収容室73には、基板43および部分組立品44が収容される。センサ装置24の組み立て手順については、後に詳述する。
つぎに、部分組立品44について詳細に説明する。
図4に示すように、部分組立品44は、ホルダ91、集磁部材としてのコア92、2つの磁気シールド93,94、ねじりコイルばね95、従動車としての2つの従動歯車96,97、および保持部材としてのギヤストッパ98を有している。
ホルダ91は、合成樹脂材料により一体成型されている。ホルダ91は、全体として矩形板状をなしている。ホルダ91は、2つの支持孔101,102を有している。これら支持孔101,102は、ホルダ91の長辺方向に沿って並んでいる。支持孔101,102は、いわゆる長孔である。支持孔101,102は、センサ装置24が組み立てられた状態において、磁気ヨーク42に設けられた主動歯車54の半径方向に沿って延びるように、かつ主動歯車54から離れるにつれて互いに離間するように設けられている。
また、ホルダ91には、円柱状の支持部103が設けられている。支持部103は、ホルダ91における支持孔101,102の貫通方向において互いに反対側に位置する2つの面のうちいずれか一方の面(図4中の上面)に設けられている。支持部103は、ホルダ91の長辺方向における2つの支持孔101,102の間に位置している。
また、ホルダ91には、係合部としての2つの係合突部104,105が設けられている。係合突部104,105は、ホルダ91の長辺方向において互いに反対側に位置する2つの短側面に設けられている。係合突部104,105は、ホルダ91における四隅のうち長辺方向において互いに反対側に位置する2つの隅部に対応して設けられている。係合突部104,105は、U字板状をなしている。
また、ホルダ91には、薄肉部106が設けられている。薄肉部106は、ホルダ91の短辺方向において係合突部104,105と反対側の部分に設けられている。薄肉部106は、ホルダ91の長辺方向における中央に位置している。薄肉部106は、ホルダ91の他の部分よりも厚みが薄く設定される部分である。薄肉部106には、3つの固定孔107が設けられている。3つの固定孔107は、ホルダ91の長辺方向に沿って並んでいる。3つの固定孔107は、基板43の3つの支持孔61に対応する。
コア92は、樹脂モールドによりホルダ91と一体的に設けられる。コア92は、単一の金属板材が塑性変形されてなる。コア92は、2つの腕部111a,111b、連結部112、および2つの集磁突部113a,113bを有している。2つの腕部111a,111bは、円弧面状をなしている。2つの腕部111a,111bは、センサ装置24が組み立てられた状態において、集磁リング82の外周面に沿うように湾曲している。連結部112は2つの腕部111a,111bを連結する部分であって、矩形板状をなしている。2つの集磁突部113a,113bは、連結部112に設けられている。2つの集磁突部113a,113bは、2つの腕部111a,111bと反対方向へ向けて延びている。2つの集磁突部113a,113bは、連結部112の延びる方向に沿って並んでいる。
2つの磁気シールド93,94は、樹脂モールドによりホルダ91と一体的に設けられる。2つの磁気シールド93,94は、ホルダ91の2つの支持孔101,102の内周面に設けられる。磁気シールド93は、金属材料によって支持孔101,102の内周面に沿う筒状に設けられている。
ねじりコイルばね95は、ホルダ91に装着される。ねじりコイルばね95は、コイル部121、第1の腕部122、および第2の腕部123を有している。コイル部121は、ホルダ91の支持部103に挿入される。第1の腕部122および第2の腕部123の長さは、コイル部121をホルダ91の支持部103に挿入した状態において、第1の腕部122および第2の腕部123の先端がホルダ91の2つの支持孔101,102にそれらの軸線方向において臨むかたちで位置する程度の長さに設定される。
従動歯車96は、円板状の歯車部131、円柱状の軸部132および円板状の永久磁石133を有している。歯車部131および軸部132は、合成樹脂材料により一体成型される。軸部132の外径は、歯車部131の外径よりも小さく設定されている。歯車部131および軸部132は同一の軸線上に位置している。軸部132の歯車部131と反対側の端部には、永久磁石136が埋め込まれている。永久磁石133は、樹脂モールドにより歯車部131および軸部132と一体的に設けられる。従動歯車97は、従動歯車96と同様に、歯車部134、軸部135、および永久磁石136を有している。軸部135の歯車部134と反対側の端部には、永久磁石136が埋め込まれている。従動歯車96の軸部132はホルダ91の支持孔101に、従動歯車97の軸部135はホルダ91の支持孔102に挿入される。歯車部131,134は、軸部132,135が支持孔101,102に挿入された状態において、ホルダ91における支持部103が設けられた側の側面(図4中の上面)に対して摺動回転可能に支持される。ちなみに、歯車部131,134の歯数は互いに異なっている。
ギヤストッパ98は、合成樹脂材料により平板状に設けられている。ギヤストッパ98は、ホルダ91に装着される。ギヤストッパ98は、ホルダ91に装着された2つの従動歯車96,97およびねじりコイルばね95を覆う。ギヤストッパ98は、矩形板状の押さえ部141、および4つの係合爪142,143,144,145を有している。4つの係合爪142~145は、押さえ部141の四隅に設けられている。また、4つの係合爪142~145は、押さえ部141に対して直交する方向に沿って延びている。4つの係合爪142~145の先端には、それぞれ係合突部142a,143a,144a,145aが設けられている。4つの係合突部142a~145aは、それぞれホルダ91のギヤストッパ98と反対側の側面における四隅に係合可能である。
<部分組立品の組み立て手順>
つぎに、部分組立品44の組み立て手順を説明する。ただし、コア92および磁気シールド93,94は、樹脂モールドによりホルダ91と一体的に設けられる。
部分組立品44を組み立てる際には、まずホルダ91の支持部103にねじりコイルばね95のコイル部121を挿入することにより、ねじりコイルばね95をホルダ91に取り付ける。つぎに、2つの従動歯車96,96の軸部132,135をホルダ91の2つの支持孔101,102に挿入する。これにより、2つの従動歯車96,96は、ホルダ91に対して相対的に回転可能に支持される。この後、ホルダ91に対してギヤストッパ98を従動歯車96,97側から取り付ける。
図5(a),(b),(c)に示すように、ギヤストッパ98の押さえ部141が従動歯車96,97の歯車部131,134に接触するタイミングで、ギヤストッパ98の4つの係合爪142~145がホルダ91のギヤストッパ98と反対側の側面における四隅に対して、ギヤストッパ98がホルダ91から外れる方向へ向けて移動することを規制するように係合する。これにより、ギヤストッパ98はホルダ91に固定される。また、従動歯車96,97がホルダ91に保持される。
以上で、部分組立品44の組立作業が完了となる。
図5(a),(b),(c)に示すように、部分組立品44が組み立てられた状態において、ねじりコイルばね95および2つの従動歯車96,97は、押さえ部141によって覆われた状態に維持される。2つの従動歯車96,97のホルダ91から離脱する方向(図5中の上方)へ向けた移動は、歯車部131,134がギヤストッパ98の押さえ部141に当接することにより規制される。従動歯車96,97は、歯車部131,134を介してギヤストッパ98の押さえ部141に対して摺動回転可能である。
ちなみに、図5(c)に示すように、2つの従動歯車96,97は、ギヤストッパ98におけるホルダ91の薄肉部106と反対側の側縁部から若干はみ出している。また、図5(a),(b)に示すように、部分組立品44が組み立てられた状態において、コア92は、ホルダ91の2つの長側面のうち薄肉部106と反対側の長側面から露出している。
図6に示すように、部分組立品44が組み立てられた状態において、従動歯車96,97は、支持孔101,102に沿って移動可能である。従動歯車96,97は、支持孔101,102内における第1の位置P1と第2の位置P2との間を移動する。第1の位置P1とは、軸部132,135が支持孔101,102における主動歯車54に近い側の端部である第1の端部に磁気シールド93,94を介して係合する位置をいう。第2の位置とは、軸部132,135が支持孔101,102における主動歯車54から遠い側の端部である第2の端部に磁気シールド93,94を介して係合する位置をいう。
また、部分組立品44が組み立てられた状態において、ねじりコイルばね95の第1の腕部122は、従動歯車96の軸部132における主動歯車54と反対側の部位に係合している。第2の腕部123は、従動歯車97の軸部135における主動歯車54と反対側の部位に係合している。従動歯車96,97は、ねじりコイルばね95の弾性力によって、支持孔101,102における主動歯車54に近い側の端部へ向けて常に付勢される。従動歯車96,97の第1の位置P1側へ向けた移動は、軸部132,135が支持孔101,102における主動歯車54に近い側の端部に磁気シールド93,94を介して係合することにより規制される。ちなみに、ホルダ91のギヤストッパ98と反対側の側面には、コア92の2つの集磁突部113a,113bが露出している。2つの集磁突部113a,113bは、ホルダ91の2つの支持孔101,102の間に位置している。
<センサハウジングについての補足>
ここで、センサハウジング45について若干の補足をする。
図7に示すように、センサハウジング45の内部には、矩形板状の補強部材151が設けられている。補強部材151は、センサハウジング45の内部における第1の収容室72と第2の収容室73との境界部分に位置している。また、補強部材151は、センサハウジング45をその開口部73a側からみて、第2の収容室73の幅方向における中央に位置している。幅方向とは、開口部73aの間口の方向であり、ピニオンシャフト13の軸線Oに直交する方向である。補強部材151は、第2の収容室73におけるピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において互いに対向する2つの内壁面を連結するかたちで設けられている。
また、センサハウジング45における第2の収容室73の内部には、2つの係合突部152,153が設けられている。これら係合突部152,153は、第2の収容室73におけるピニオンシャフト13の軸線Oに直交する方向において互いに対向する2つの内側面にそれぞれ設けられている。これら係合突部152,153は、開口部73aを介して第2の収容室73に挿入される部分組立品44を第2の収容室73の内部に保持するためのものであって、部分組立品44のホルダ91に設けられた係合突部104,105に対応する。
<センサ装置の組み立て手順>
つぎに、センサ装置24の組み立て手順を説明する。ただし、部分組立品44は既に組み立てられている。また、ピニオンシャフト13には磁気ヨーク42が取り付けられている。
さて、先の図2に示すように、センサ装置24を組み立てる際には、まずセンサハウジング45の開口部73aを介して基板43を第2の収容室73の内部に取り付ける。ただし、基板43は、角度検出用の2つの磁気センサ63,64およびトルク検出用の2つの磁気センサ65,66を第2の収容室73の内底面と反対側(図2中の上側)を向けた姿勢で第2の収容室73の内底面に取り付ける。
このとき、基板43の各支持孔61には、第2の収容室73の内底面に設けられた各支持突部74が貫通される。またこのとき、基板43の各端子接続孔62には、第2の収容室73の内底面から突出する各端子75が貫通される。そして、基板43の各端子接続孔62に各端子75が挿入された状態で半田付けなどを行う。これにより、基板43の図示しない配線パターンと各端子75とが電気的に接続される。
つぎに、部分組立品44をセンサハウジング45の開口部73aを介して第2の収容室73の内部に装着する。このとき、部分組立品44を、従動歯車96,97がセンサハウジング45の第1の収容室72側へ向く姿勢に維持しつつ、基板43に重ねるかたちで第2の収容室73の内部に取り付ける。
図8に示すように、部分組立品44を第2の収容室73の内部に装着する際、部分組立品44のホルダ91に設けられた2つの係合突部104,105が、第2の収容室73の内部に設けられた2つの係合突部152,153に対して、部分組立品44が基板43から離れる方向(図8中の上方向)へ向けて移動することを規制するように係合する。これにより、部分組立品44が基板43から離れる方向へ向けて移動することが規制される。また、部分組立品44の薄肉部106に設けられた各固定孔107には、基板43の各支持孔61を貫通した各支持突部74の先端部が挿入される。これにより、第2の収容室73の内部において部分組立品44が位置決めされる。
このように2つの係合突部104,105および各支持突部74を介して部分組立品44が第2の収容室73の内部に保持された状態で、部分組立品44の各固定孔107を貫通した各支持突部74の先端部分に熱カシメを施す。すなわち、たとえばヒータで加熱した金型を使用して、部分組立品44の各固定孔107を貫通した各支持突部74の先端部分を加熱すると同時に加圧することにより塑性変形させて潰す。これにより、部分組立品44は第2の収容室73の内部に固定される。
図9に示すように、つぎに、センサハウジング45の開口部73aをカバー46によって閉塞する。カバー46は、たとえばレーザ溶着などによりセンサハウジング45に固定される。この後、基板43、部分組立品44およびカバー46が取り付けられたセンサハウジング45を、磁気ヨーク42が取り付けられたピニオンシャフト13に取り付ける。ただし、センサハウジング45は、第1の収容室72側からピニオンシャフト13に挿入する。これに伴い、従動歯車96,97は磁気ヨーク42に設けられた主動歯車54に対してピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において徐々に近接する。やがて、先の図3に示すように、センサハウジング45の底部45aがギヤハウジング17の取付孔17aに嵌合するとともに、センサハウジング45における底部45aの周縁部分に設けられた段差部45bがギヤハウジング17の取付孔17aの周縁部分に当接する。また、このタイミングで、従動歯車96,97の歯と主動歯車54の歯とが噛み合う。この状態でセンサハウジング45の締付部にボルトを挿入してギヤハウジング17に締め付けることにより、センサハウジング45がギヤハウジング17に固定される。
以上で、センサ装置24の組み立て作業が完了となる。
<従動歯車と主動歯車との位置関係>
つぎに、センサ装置24が組み立てられた状態における従動歯車96,97と主動歯車54との位置関係を説明する。
図10に示すように、センサ装置24が組み立てられた状態において、2つの従動歯車96,97は、主動歯車54に噛合している。このため、ピニオンシャフト13が回転すると、主動歯車54も一体的に回転し、これに伴って2つの従動歯車96,97もそれぞれ回転する。また、2つの従動歯車96,97の歯数は互いに異なっている。このため、ピニオンシャフト13の回転に連動して主動歯車54が回転した場合、主動歯車54の回転角度に対する2つの従動歯車96,97の回転角度は、それぞれ異なった値となる。
<従動歯車と磁気センサとの位置関係>
つぎに、センサ装置24が組み立てられた状態における従動歯車96,97の永久磁石133,136と角度検出用の磁気センサ63,64との位置関係を説明する。
図3に示すように、センサ装置24が組み立てられた状態において、従動歯車96,97に設けられた永久磁石133,136は、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において、基板43に設けられた角度検出用の磁気センサ63,64に対向している。磁気センサ63,64は、従動歯車96,97の回転に伴う磁界の変化に応じた電気信号を生成する。制御装置25は、磁気センサ63,64により生成される電気信号に基づき、ピニオンシャフト13の回転角θpaを操舵角θsとして検出する。
<ヨーク、集磁リングおよびコアの位置関係>
つぎに、センサ装置24が組み立てられた状態における2つのヨーク51,52、2つの集磁リング81,82およびコア92の位置関係を説明する。
図11に示すように、センサ装置24が組み立てられた状態において、2つのヨーク51,52の内部には永久磁石41が位置している。2つのヨーク51,52の内周面と永久磁石41の外周面との間には、その全周にわたって隙間が形成されている。また、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において、集磁リング81はヨーク51に、集磁リング82はヨーク52に対応した位置に保持されている。集磁リング81は、ヨーク51の周囲を囲んでいる。集磁リング82は、ヨーク52の周囲を囲んでいる。集磁リング81とヨーク51との間、および集磁リング82とヨーク52との間には、それらの全周にわたって隙間が形成されている。集磁リング81は、ヨーク51からの磁束を誘導する。集磁リング82は、ヨーク52からの磁束を誘導する。
また、センサ装置24が組み立てられた状態において、コア92は、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において、集磁リング82に対応した位置に保持されている。コア92の2つの腕部111a,111bは集磁リング82の外周面に対して近接した状態に保持されている。コア92は、集磁リング82からの磁束を誘導する。
また、コア92の連結部112の内面と集磁リング82の外周面との間には隙間δが形成されている。この隙間δのサイズを補強部材151のサイズに合わせて設定することにより、センサハウジング45の内部における第1の収容室72と第2の収容室73との間に補強部材151が存在する場合であれ、コア92が設けられた部分組立品44をセンサハウジング45の開口部73aを介して第2の収容室73の内部に装着することが可能となる。コア92が補強部材151を迂回するかたちで設けられることにより、コア92の2つの腕部111a,111bを集磁リング82の外周面に近接させることができる。
また、コア92の2つの集磁突部113a,113bと集磁リング81の2つの集磁突部81a,81bとは、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において互いに対向している。これら集磁突部113a,113bと集磁突部81a,81bとの間には、基板43に設けられたトルク検出用の磁気センサ65,66が介在されている。磁気センサ65,66は、集磁リング81,82およびコア92に誘導される磁束を検出する。
ステアリングホイール11の操作を通じてピニオンシャフト13のトーションバー32がねじれ変形すると、永久磁石41と2つのヨーク51,52との回転方向における相対位置が変化する。これに伴い、永久磁石41からヨーク51,52を通じて集磁リング81,82に導かれる磁束密度が変化する。また、集磁リング82からコア92に導かれる磁束密度も変化する。
磁気センサ65は、集磁リング81の集磁突部81aとコア92の集磁突部113aとの間に漏出する磁束に応じた電気信号を生成する。磁気センサ66は、集磁リング81の集磁突部81bとコア92の集磁突部113bとの間に漏出する磁束に応じた電気信号を生成する。すなわち、磁気センサ65,66により生成される電気信号は、トーションバー32のねじれ変形、ひいてはねじれ角に応じて変化する。制御装置25は、磁気センサ65,66により生成される電気信号に基づき、トーションバー32に作用するトルクを操舵トルクとして検出する。
<実施の形態の作用>
つぎに、前述のように構成したセンサ装置24の作用を説明する。
センサ装置24においては、製品仕様に応じて様々な要求に応える必要がある。センサ装置24に対して要求される項目の一例としては、たとえば環境要求、出力要求およびコネクタ方向が挙げられる。
環境要求とは、センサ装置24が設置される環境に基づく要求であって、大きくつぎの2つの要求(A1),(A2)が挙げられる。ただし、センサ装置24の設置環境には、たとえばセンサ装置24の周囲の雰囲気温度、湿度あるいは振動などの条件が含まれる。
(A1)通常の設置環境にセンサ装置24が対応していること。
(A2)通常の設置環境よりも厳しい環境にセンサ装置24が対応していること。
出力要求とは、センサ装置24に対して要求される検出機能であって、つぎの要求(B1)~(B3)が挙げられる。
(B1)センサ装置24は、トルク検出機能および角度検出機能の双方を有すること。
(B2)センサ装置24は、トルク検出機能のみ有すること。
(B3)センサ装置24は、角度検出機能のみ有すること。
コネクタ方向とは、センサハウジング45のコネクタ嵌合部76の延設方向に対する要求であって、つぎの要求(C1),(C2)が挙げられる。
(C1)コネクタ嵌合部76は、ピニオンシャフト13の軸線Oに沿った第1の方向に沿って延設すること。
(C2)コネクタ嵌合部76は、ピニオンシャフト13の軸線Oに直交する第2の方向に沿って延設すること。
本実施の形態のセンサ装置24は、環境要求(A1)、出力要求(B1)およびコネクタ方向に対する要求(C1)を満たす。
このように、センサ装置24に対する様々な要求の組み合わせが存在する。このため、要求に応じてセンサ装置24の設計の見直しが必要となることにより、センサ装置24の製品コストあるいは製造コストが増大するおそれがある。また、センサ装置24の構成部品についても製品仕様に応じて様々なバリエーションを用意する必要がある。
たとえばセンサ装置24を通常の設置環境よりも厳しい環境に対応させる場合、センサ装置24として、つぎの構成を採用することが考えられる。すなわち、センサハウジング45をアルミニウムにより形成するとともに、センサ装置24に要求される検出機能を発揮するうえで必要とされる合成樹脂製の中核部品をセンサハウジング45とは別個に設計し、その中核部品をアルミニウム製のセンサハウジング45に設置する。これに対し、センサ装置24を通常の設置環境に対応させる場合、たとえばセンサハウジング45を合成樹脂材料により形成するとともに、合成樹脂製の中核部品の一部をセンサハウジング45と一体化して設けることが考えられる。このように、センサ装置24が設置される環境によって、センサ装置24の構成が異なることがある。
この点、本実施の形態のセンサ装置24では、センサ装置24に要求される検出機能を発揮するうえで必要とされる中核部品を部分組立品44として設け、この部分組立品44をセンサハウジング45に取り付ける構成を採用している。ちなみに、中核部品には、ホルダ91、コア92、磁気シールド93,94、ねじりコイルばね95、従動歯車96,97およびギヤストッパ98が含まれる。
このため、たとえばセンサ装置24に対する出力要求については、つぎのように対応することが可能である。
たとえば先の要求(B2)を満足する必要がある場合、すなわちセンサ装置24にトルク検出機能のみを持たせることが要求される場合、ホルダ91、コア92およびギヤストッパ98のみを部分組立品44として組み立てる。ただし、コア92は樹脂モールドによりホルダ91と一体成型される。この場合、磁気シールド93,94、ねじりコイルばね95、および従動歯車96,97は使用されない。
また、先の要求(B3)を満足する必要がある場合、すなわちセンサ装置24に角度検出機能のみを持たせることが要求される場合、ホルダ91、磁気シールド93,94、ねじりコイルばね95、従動歯車96,97、およびギヤストッパ98のみを部分組立品44として組み立てる。この場合、コア92は使用されない。
このように、センサ装置24に対する出力要求に応じてセンサ装置24の部分組立品44として組み立てる中核部品を選択的に変更することにより、センサ装置24に対する出力要求にかかわらず中核部品として同じ部品を使うことができる。また、センサ装置24に対する環境要求あるいはコネクタ方向に対する要求についても、それらの要求に応じてセンサハウジング45の材質あるいは形状を変更するだけで対応することができる。
ただし、センサハウジング45と部分組立品44との取り付け部分の仕様は、センサハウジング45の材質あるいは形状にかかわらず同じ仕様に統一することが好ましい。このようにすれば、中核部品が組み替えられた場合であれ、センサハウジング45の外観形状あるいは材質が変更された場合であれ、部分組立品44をセンサハウジング45に取り付けることが可能である。ちなみに、センサハウジング45と部分組立品44との取り付け部分の仕様とは、たとえばホルダ91のU字状の係合突部104,105とセンサハウジング45の一部分である係合突部152,153との係合構成などをいう。
<実施の形態の効果>
したがって、本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)センサ装置24の検出機能を発揮するうえで必要とされる中核部品として、ホルダ91、コア92、磁気シールド93,94、ねじりコイルばね95、従動歯車96,97およびギヤストッパ98を用意しておき、センサ装置24に要求される検出機能に応じて部分組立品44として組み立てる中核部品を選択的に変更する。このため、センサ装置24に要求される検出機能にかかわらず、中核部品として同じ部品を使うことができる。このため、部分組立品44、ひいてはセンサ装置24の構成部品のバリエーションが増加することを抑制することができる。また、部分組立品44の構成部品を共通化した分だけ、センサ装置24としての開発コストあるいは設計コストを低減することができる。
(2)環境要求あるいはコネクタ方向に対する要求に対しては、センサハウジング45の材質あるいは形状を変更するだけでよい。センサハウジング45の内部に収容される部分組立品44については何ら変更する必要がない。このため、センサハウジング45の材質あるいは形状に対するバリエーションに対して柔軟かつ安価に対応することができる。
(3)部分組立品44をセンサハウジング45に取り付ける際、部分組立品44のU字板状の係合突部104,105が第2の収容室73の内部に設けられた2つの係合突部152,153に係合する。このため、部分組立品44が第2の収容室73から脱落することが抑制される。また、部分組立品44を第2の収容室73の内部に差し込むかたちで簡単に装着することが可能である。
(4)部分組立品44がセンサハウジング45の開口部73aを介して第2の収容室73の内部に取り付けられた後、開口部73aはカバー46によって閉塞される。このため、センサハウジング45の内部に粉塵あるいは液体が入ることが抑制される。また、カバー46によって第2の収容室73が密閉されるため、部分組立品44に防液機能を持たせる必要がない。したがって、部分組立品44の構成が複雑になること、あるいは部分組立品44の部品点数が増加することを抑制することができる。
(5)また、部分組立品44はセンサハウジング45としての機能を有さない。このため、たとえば部分組立品44のホルダ91がセンサハウジング45の一部を構成する場合と異なり、ホルダ91のバリエーションの増加を抑えることが可能である。
(6)第2の収容室73の内部には、基板43と部分組立品44とがピニオンシャフト13の軸線Oに沿った方向において互いに重ねられた状態で設けられる。このため、たとえば基板43と部分組立品44とを同一の平面上に並べて設ける場合と異なり、ピニオンシャフト13の軸線Oに直交する方向におけるセンサハウジング45の体格の大型化が抑制される。
(7)開口部73aを介して開口する第2の収容室73の内部には補強部材151が設けられている。このため、開口部73aの開口面積を確保しつつ、センサハウジング45の剛性を確保することができる。開口部73aの開口面積が広いほど、第2の収容室73に対する基板43および部分組立品44の取り付け作業が簡単になる。
(8)センサ装置24は、主動歯車54に噛み合う2つの従動歯車96,97の回転角に基づき主動歯車54の回転角を検出する。このため、とくに主動歯車54が回転動作を開始する場合、あるいは回転方向が反転する場合、主動歯車54と従動歯車96との間、および主動歯車54と従動歯車97との間の二箇所の隙間であるバックラッシに起因するがたつきが、主動歯車54の回転角の演算精度に影響を及ぼすおそれがある。この点、本実施の形態によれば、センサ装置24の組み立てが完了した状態において、従動歯車96,97は、ねじりコイルばね95の弾性力によって、主動歯車54に対して押し付けられた状態に維持される。このため、従動歯車96,97の歯と主動歯車54の歯との間の隙間を、より小さくすることが可能である。また、バックラッシに起因するがたつきが抑制される分だけ、主動歯車54の回転角の演算精度が向上する。
(9)ホルダ91の2つの支持孔101,102は、主動歯車54の半径方向に沿って延びる長孔である。このため、たとえばセンサ装置24を組み立てる際、従動歯車96,97に対して支持孔101,102の延設方向に沿った方向の外力が主動歯車54から離れる方向へ向けて作用した場合、従動歯車96,97は、ねじりコイルばね95の弾性力に抗して、主動歯車54から離れる方向へ向けて移動することができる。したがって、ホルダ91に支持された従動歯車96,97が保護される。
<他の実施の形態>
なお、本実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・ホルダ91に設けられた2つの支持孔101,102は、長孔でなく従動歯車96,97の軸部132,135の外径に応じた内径を有する丸孔であってもよい。このようにしても、前記実施の形態の(1)~(8)と同様の効果を得ることができる。
・本実施の形態では、磁気シールド93,94をホルダ91に設けたが、従動歯車96,97の軸部132,135に設けてもよい。
・部分組立品44として、ねじりコイルばね95を割愛した構成を採用してもよい。また、部分組立品44として磁気シールド93,94を割愛した構成を採用してもよい。
・部分組立品44としてギヤストッパ98を割愛した構成を採用してもよい。この場合、ギヤストッパ98以外の他の保持手段によって従動歯車96,97をホルダ91に保持するようにしてもよい。たとえばホルダ91に従動歯車96,97を保持するための部分を設けてもよいし、従動歯車96,97の軸部132,135の先端に止め輪を装着するようにしてもよい。このようにしても、従動歯車96,97がホルダ91から脱落することを抑制できる。
・本実施の形態では、集磁リング81には2つの集磁突部81a,81bを、コア92には2つの集磁突部113a,113bを設けたが、これら集磁リング81およびコア92にはそれぞれ1つの集磁突部を設けるようにしてもよい。この場合、集磁リング81の1つの集磁突部とコア92の1つの集磁突部との間に1つの磁気センサ(65または66)を介在させればよい。
・本実施の形態では、磁気ヨーク42のホルダ53に主動歯車54を一体形成したが、主動歯車54と磁気ヨーク42とをそれぞれ別部品として設けてもよい。この構成を採用する場合、たとえば先の要求(B2)を満足する必要があるとき、すなわちセンサ装置24にトルク検出機能のみを持たせることが要求されるとき、主動歯車54が割愛された別部品としての磁気ヨーク42のみをピニオンシャフト13に設けるようにしてもよい。また、先の要求(B3)を満足する必要があるとき、すなわちセンサ装置24に角度検出機能のみを持たせることが要求されるとき、別部品としての主動歯車54のみをピニオンシャフト13に設けるようにしてもよい。
・本実施の形態では、ピニオンシャフト13の回転角θpaを検出するための構成として主動歯車54に噛み合う2つの従動歯車96,97を設けたが、センサ装置24として単一の従動歯車96または従動歯車97を有する構成を採用してもよい。このようにしても、ピニオンシャフト13の360°以内の回転角θpaを検出することができる。また、センサ装置24として、3つあるいはそれ以上の従動歯車を有する構成を採用してもよい。このようにしても、ピニオンシャフト13の360°を超える多回転にわたる回転角θpaを検出することができる。
・本実施の形態では、センサ装置24を車両の操舵装置の一例として電動パワーステアリング装置(EPS)に適用する例を挙げたが、ステアバイワイヤ方式の操舵装置にセンサ装置24を適用することも可能である。また、センサ装置24は、車載用途に限らない。
24…センサ装置、13…ピニオンシャフト(シャフト)、43…基板、44…部分組立品、45…センサハウジング、63,64…角度検出用の磁気センサ(検出器)、65,66…トルク検出用の磁気センサ(検出器)、91…ホルダ、92…コア(集磁部材)、96,97…従動歯車(従動車)、104,105…係合突部(係合部)、98…ギヤストッパ(保持部材)、73…第2の収容室、73a…開口部、46…カバー。

Claims (5)

  1. 検出対象であるシャフトのねじれに応じた磁束を誘導する集磁部材、および前記シャフトの回転に連動して回転する従動車のうち少なくとも一方の部品が選択的にホルダに装着されてなる部分組立品と、
    前記部分組立品に含まれず、前記ホルダに装着された部品に応じて前記集磁部材に誘導される磁束および前記従動車の回転角の少なくとも一方を検出する検出器が設けられた基板と、
    前記シャフトが貫通されるとともに前記部分組立品および前記基板が収容されるセンサハウジングと、を有しているセンサ装置。
  2. 前記ホルダは、前記センサハウジングの一部分に係合することにより前記部分組立品を前記センサハウジングの内部に保持する係合部を有している請求項1に記載のセンサ装置。
  3. 前記部分組立品は、前記ホルダに対して前記従動車を覆うように装着されて前記従動車を前記ホルダに保持する保持部材を有している請求項1または請求項2に記載のセンサ装置。
  4. 前記センサハウジングは、前記シャフトの軸線に対して交わる方向へ向けて開口する開口部を介して前記部分組立品および前記基板が収容される収容室を有することを前提として、
    前記開口部を閉塞するカバーを有している請求項1~請求項3のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
  5. 前記シャフトはステアリングホイールの操作に連動して回転するものである請求項1~請求項4のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
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