JP4022146B2 - テーパー形状の双極磁石を使用したペダル位置センサー - Google Patents

Description

本発明は、概ね、ペダル及びペダルセンサーに関するものである。特に、本発明は、ホール効果装置及び可変磁界を利用した非接触式の位置センサーに関するものである。

本出願は、１９９８年１２月９日に出願され、発明の名称が「双極テーパー磁石を使用した非接触式の位置センサー」である、米国特許出願第０９／２０８２９６号の一部継続出願であり、前記特許出願の内容を参照することによって前記特許出願の内容は本願に組み入れられている。

電子デバイスは、毎日の生活の一部に、ますます遍在してきている。電子デバイスとコンポーネントは、現在、沢山の製品において組み合わされ、これには、自動車のように必然的に主に機械的なものとして伝統的に考えられている製品も含まれる。この傾向はほぼ明らかに継続するだろう。電子と機械のコンポーネントとの一体的な組み合わせを成功させるには、二つのテクノロジー間のいくつかのタイプのインターフェイスが要求される。概ねこのインターフェイスは、センサーやアクチュエーターのようなデバイスを使用して完成されている。

位置を感知することは、機械的なコンポーネントの位置や動きを電気的又は電子的に監視するのに使用される。ポジションセンサーは、問題のコンポーネントの位置により変化する電気信号を生ずる。電気的な位置センサーは、無数の製品の重要な部分である。例えば、位置センサーは、様々な自動車部品の状態が、電気的に監視され、制御されることを許容する。

位置センサーは、測定される位置の基礎となる適正な電気信号を与えなければならないという点で、正確でなければならない。もし正確でなければ、位置センサーは、監視されているコンポーネントの位置の適切な評価及び制御を妨げることになる。

位置センサーはまた、その測定において、十分に精確でなければならない。位置の測定で必要とされる精確さは、特定の使用環境により明らかに変化するだろう。いくつかの目的のためには、位置の大まかな表示のみ必要であり、たとえば、バルブは殆ど開いているもしくは殆ど閉じているかの表示である。他の用途においては、位置のより精確な表示が必要となるかもしれない。

位置センサーはまた、それが置かれる環境に対して十分に耐久性がなければならない。例えば、自動車のバルブに使用される位置センサーは、自動車が操作中に、ほとんど不断の動きの状態であろう。そのような位置センサーは、以下のように組み立てられる機械的なコンポーネント及び電気的コンポーネントから構成されねばならない。すなわち、かかる機械的コンポーネント及び電気的コンポーネントは、位置センサーが、計画された寿命の間、かなりの機械的な振動、温度極値及び温度勾配にもかかわらず、十分に正確及び精確であるような方法で組み立てられる。

過去には、位置センサーは典型的に「接触」式であった。接触式の位置センサーは、電気信号を生じるため、物理的な接触が要求される。接触式の位置センサーは、典型的に、ポテンシオメーター（あるいは電位差計）からなっており、これによって、コンポーネントの位置の関数として変化する電気信号を発生させることができる。接触式の位置センサーは、概して正確及び精確である。都合の悪いことに、接触式の位置センサーの動きの間の接触による摩耗が、位置センサーの耐久性を制限してしまう。また、接触の結果としての摩擦が、結果としてセンサーがコンポーネントの操作に影響を与えるようにするかもしれない。さらに、ポテンシオメトリックセンサー（あるいは電位差センサー）への水の侵入は、センサーを機能できなくするかもしれない。

センサーテクノロジーの１つの重要な進歩は、非接触式の位置センサーの発達である。一般的な提案として、非接触式の位置センサー（「ＮＰＳ」）は、信号発生器と感知する要素との間の物理的接触を要求しない。ここで述べるように、ＮＰＳは、位置の関数として変化する磁界を発生する磁石と、監視されるコンポーネントの位置を測定するために磁界の変化を検出するデバイスとを利用する。しばしば、ホール効果デバイスが、デバイスに入る磁束（磁力線）の大きさ及び極性による電気信号を発生させるために使用される。ホール効果デバイスは、監視されるコンポーネントと物理的に取り付けられ、コンポーネントの動きに従って、静止した磁石と関連して又は相対的に動くことができる。その逆に、ホール効果デバイスは、監視されるコンポーネントに取付けられた磁石とともに、静止する構成とすることもできる。いずれのケースにおいても、監視されるコンポーネントの位置は、ホール効果デバイスにより発生する電気信号により決定されることができる。

ＮＰＳの使用は、接触式の位置センサーの使用に対していくつかの明瞭な利点を提供する。ＮＰＳは、信号発生器と感知要素との間の物理的接触を要求せず、操作中の物理的摩耗が少なく、結果として、センサーの大きな耐久性が得られる。ＮＰＳの使用は、監視されるアイテムとセンサー自身との間の物理的接触がなく、センサーによるコンポーネントに対する抵抗を減少させることになるから、また有利である。

ＮＰＳの使用がいくつかの利点を提供する一方、また、ＮＰＳが多くの適用への満足する位置センサーであるために、克服しなければならないいくつかの不利益な点がある。磁石の不規則さや不完全さは、ＮＰＳの正確さ及び精確さに欠陥を生じさせてしまう。ＮＰＳの正確さ及び精確さは、センサーが受けそうな沢山の機械的な振動及び摂動により、影響を受けるであろう。監視されるアイテムとセンサーの間の物理的接触がないため、ＮＰＳはそのような振動や摂動による整合のずれを克服することも可能である。整合不良は、いかなる特定の場所における測定した磁界を、最初の整合におけるものとは異なるものにしてしまう結果となる。測定した磁界が、正しい配置に適切に整合させたときのものとは異なることになるから、感知した位置は不正確である。磁界の線の強さや結果としての信号の線形性もまた、関係する。

ワイヤシステムによる運転（電子スロットルコントロールもしくはＥＴＣとも呼ばれるが）の到来によって、自動車への適用において、加速ペダル（アクセルペダル）のための正確でコスト効果のある位置感知の必要性が高まってきている。特に、まだ対処されていないニーズが存在する。すなわち、寿命が長く、すぐに製造可能の非接触ペダルセンサーが希求されている。

本発明の特徴は、ホール効果デバイス及び可変磁界を利用した非接触式の位置センサーを提供することである。

本発明の他の特徴は、車両に取付けるためのペダル及びセンサーアッセンブリーを提供することである。

ペダルは使用者によって押し下げられる。アッセンブリーは、第１端と第２端を有するペダルアームを包含している。第１端は使用者によって押し下げられる。ペダルアームは軸を中心として回転可能である。磁界発生器は、変化する磁界を発生させるため、第２端と連結される。ハウジングが、車両に取付けられ、その中に包含する第２端及び磁界発生器を有している。第１端は、ハウジングから出ている。磁界センサーは、磁界発生器に隣接して配置され、変化する磁界を検出し、それによって、ペダルアームが回転すると、磁界センサーは、変化する磁界の強さに比例した電気信号を発生し、ペダルアームの位置の表示であり、することができる。

本発明の図面は縮尺通りではない。図面は、本発明の代表的な実施例だけを図示しようとするものであり、従って、本発明の範囲を限定するものと考えられてはならない。本発明は、添付図面によって他の実施例と共に説明されている。

図１、２、３、４を参照すると、テーパー形状の双極磁石（すなわち、双極テーパー磁石）を使用したペダル位置センサーが示されている。ペダル及びセンサーアッセンブリー１０は、ハウジング２０を含んでいる。ハウジング２０は、キャビティ２１と、コネクター開口部２２と、ペダル開口部２３と、内壁２９とを有する。ロッド孔２４が、ハウジング２０を貫通している。いくつかの隔壁取付穴２５が、後壁３０に配置されている。後壁３０は、車両の隔壁にもたれて置かれ、取付穴２５を貫通するボルト（図示せず）で隔壁に固定されるように構成されている。矩形のコネクタープレート２６が、コネクター開口部２２に取り付けられ、ハウジング２０に超音波で溶接されるか、熱によるかしめ又は熱によるスティッキング（焼き付き）で固定される。コネクターシュラウド２７が、コネクタープレート２６から外に向かって延びている。ワイヤーハーネスコネクター（図示せず）が、コネクターシュラウド２７と嵌合し、これによって、アッセンブリー１０から車両のコンピューターのような外部の電子結合回路までの電気的結合を提供することができるようになっている。コネクタープレート２６は、また、キャビティ２１に延びているサーキットボードリテイナー２８を有している。ハウジング２０は、射出成形プラスティックから形成されることが好ましい。 細長く延びたペダルアーム４０が、第１端４１と第２端４２とを有している。ゴム製のフットレスト４３が、第１端４１に取り付けられているか、若しくは型取られている。ペダルアーム４０は、好ましくは射出成形プラスティックから形成される。フットレスト４３は、車両の使用の間、使用者の足によって押し下げられる。一対のフランジ４５が、第２端の各々の側面で外に向かって延びている。ブシュ５９が、フランジ４５及び端４２を貫通している。ロッド孔４４が、フランジ４５を貫通している。磁石突出部４７及び摩擦プレート突出部５０が、第２端４２から延びている。磁石突出部４７は、その中に凹部４８と、貫通している磁石取付孔４９とを有する。突出部４７は、上に向かって延びている縁４６を有し、磁石の保持を助けることができる。あるいは、摩擦プレート突出部５０は、当該摩擦プレート突出部５０を貫通している摩擦プレート孔５１を有している。スチール（鋼）製の摩擦プレートピン５３が、孔５１に取付けられ、端４２のそれぞれの側面から延びている。摩擦プレート５２が、ピン５３上で摺動する。摩擦プレートは壁２９に対して擦られ、ヒステリシス感触を提供する。それは、ペダルが押し下げられている時は増加する抵抗であり、ペダルが戻るときは力の減少である。一対のスチール（鋼）製のコイルバネ５４が、フランジ４５に取付けられている。バネ５４は、摩擦プレート５２に載置される一端と、キャビティ２１の中に保持されている他の端とを有する。バネ５４は、ペダルが押し下げられていないとき、ペダルアーム４０をスタート位置に戻す。スチール製のロッド５６が、回転軸線５８に沿って孔２４及び４４を貫通し、ペダルアーム４０をハウジング２０に保持することができる。スナップリング５７がロッド５６の端と付着し、ロッド５６の位置を保持する。

磁石アッセンブリー若しくは磁界発生器６０が、一対の磁気透過性の磁極片６４と、一対のテーパー形状の磁石６２とを含んでいる。磁極片６４は、磁石６２と結合されている。磁石及び磁極片は、凹部４８に嵌合する突出部６６を有している。縁４６は、突出部４７から上に向かって延びており、磁石６２を保持するのを補助する。磁石６２及び磁極片６４の各々が、突出部４７をまたがり、孔４９を貫通する締め具（図示せず）により保持されている。あるいは、締め具の必要をなくすため、磁石は、ペダルアームと一体的に射出成形することができる。エアギャップ６８が、磁石６２が距離を隔てて保持されるように形成されている。磁極片は、好ましくはステンレススチールのような磁気透過性の素材のシートから形成される。磁石は、典型的にはポリマーフェライト磁石である。サーキットボード７０は、サーキットボードリテイナー２８に取付けられ、その上に取付けられたホール効果デバイス７２のような、１つ又はそれ以上の磁界センサーを有している。端子７４は、サーキットボード７０に連結され、シュラウド２７の中に延びている。ホール効果デバイス７２は、エアギャップ６８の中に取付けられている。磁界発生器６０の詳細と操作は、１９９８年１２月９日に出願され、発明の名称が「テーパー形状の双極磁石を使用した非接触式の位置センサー」であり、内容を参照することによって全体として本願に組み入れられている、米国特許出願第０９／２０８２９６号で示されている。

ペダル及びセンサーアッセンブリー１０は、使用者の足によりペダルが押し下げられているときのペダルの回転運動を検出する。ホール効果デバイス７２及びサーキットボード７０は、磁石６２が軸線５８について回転する間、静止している。サーキットボード７０は、熱によるかしめや熱によるスティッキング若しくは近似の方法を使用して、リテイナー２８に取付けることができる。サーキットボード７０は、また、ホール効果デバイスからの信号を処理するために、電子回路を担持又は保持している。ホール効果デバイス７２は、端子７４に電気的に連結されている。電気端子７４は、基準接合コネクターとの相互連結できるように構成されている。磁界発生器６０から発生する磁界が、軸線５８を中心とした回転と共に変化するとき、ホール効果デバイス７２から発生した信号は線形的に変化し、監視されるペダルの位置の確認を許容する。換言すれば、磁界センサーは、変化する磁界を検出し、ペダルアームが回転すると、磁界センサーは、ペダルアームの位置を示す変化する磁界の強さに比例した電気信号を発生することができる。

ペダル及びセンサーアッセンブリー１０は、以下のような方法で組み立てられる。チューブ５９とピン５３が、第２端４２にある対応する孔に押し込まれる。磁石６２及び磁極片６４の各半分は、それぞれ、突出部６６を凹部４８の中に嵌合させた状態で、磁石突出部４７の両側に位置決めされる。締め具（図示せず）を磁石孔４９を貫通させて、磁石及び磁極片を保持する。次に、摩擦プレート５２をピン５３上に摺動させ、バネ５４をフランジ４５の周りに置く。次に、ペダルアーム４０をペダル開口部２３に滑り込ませ、そして、ロッド５６を孔２４及び４４を通して滑り込ませ、ペダルアームをハウジングに保持する。スナップリング５７をはロッド５６に取付け、ロッド５６を保持する。サーキットボード７０を、サーキットボードリテイナー２８に滑り込ませる。サーキットボードリテイナー２８は、サーキットボード７０を保持するタブ（図示せず）を有している。コネクタープレート２６を、コネクター開口部２２の上に置き、ハウジング２０に超音波で溶接若しくは熱によるかしめや熱によるスティッキング（焼き付き）を行い、組み立てが完成する。あるいは、締め具の必要をなくすため、磁石をペダルアームと一体的に射出成形することもできる。

本発明の本質や範囲から離れることなく、変形を行うことは、当業者にとって認識されることである。

図１は、本発明の好適な実施例に従った、ペダルアッセンブリーの分解斜視図である。 図２は、図１の磁石アッセンブリーの拡大図である。 図３は、組み立てた状態のペダルアッセンブリーの側方の断面図である。 図４は、組み立てた状態のペダルアッセンブリーの端面図である。

符号の説明

１０ ペダル及びセンサーアッセンブリー２０ ハウジング
２１ キャビティ ２２ コネクター開口部
２３ ペダル開口部 ２４ ロッド孔
２５ 隔壁取付穴 ２６ 矩形のコネクタープレート
２７ コネクターシュラウド ２８ サーキットボードリテイナー
２９ 内壁 ３０ 後壁
４０ ペダルアーム ４１ 第１端
４２ 第２端 ４３ フットレスト
４４ ロッド開口部 ４５ フランジ
４６ 縁 ４７ 磁石突出部
４８ 凹部 ４９ 磁石取付孔
５０ 摩擦プレート突出部 ５１ 摩擦プレート孔
５２ 摩擦プレート ５３ 摩擦プレートピン
５４ コイルバネ ５６ ロッド
５７ スナップリング ５８ 回転軸
５９ ブシュ ６０ 磁界発生器
６２ テーパー磁石 ６４ 磁極片
６６ 突出部 ６８ エアーギャップ
７０ サーキットボード ７２ ホール効果デバイス
７４ 端子

Claims (13)

1. 車両に取付けるためのペダル及びセンサーアッセンブリーであって、前記ペダルは使用者によって押し下げられる操作が可能であり、
   ａ）前記ペダル及びセンサーアッセンブリーは、第１端及び第２端を有する長く延びたペダルアームを備え、前記第１端は使用者により押し下げられる操作が可能であり、前記ペダルアームは軸線を中心にして回転可能であり、
   ｂ）前記ペダル及びセンサーアッセンブリーは、また、変化する磁界を発生するための磁界発生器を備え、前記磁界発生器は、前記第２端に連結されており、
   ｃ）前記ペダル及びセンサーアッセンブリーは、さらに、ハウジングを備え、前記ハウジングは、車両に取付けられ、内部に包含される前記第２端及び前記磁界発生器を有し、前記第１端は前記ハウジングから出ており、
   ｄ）前記ペダル及びセンサーアッセンブリーは、さらに、ホール効果デバイスを備え、前記ホール効果デバイスは、前記磁界発生器に隣接して配置され、前記変化する磁界を検出可能であり、前記ペダルアームが回転すると、前記ホール効果デバイスは、前記ペダルアームの位置を示す前記変化する磁界の強さに比例した電気信号を発生することができ、
   ｅ）前記第２端は、摩擦プレートを有し、前記摩擦プレートは、前記ハウジングの壁と係合するように取付けられ、使用者に抵抗力あるフィードバックを提供することができることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
2. 請求項１に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
   前記磁界発生器は、テーパー形状の双極磁石であることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
3. 請求項２に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
   前記磁界発生器は、前記第２端の突出部に取付けられていることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
4. 請求項３に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
   前記突出部は、磁界発生器を保持するための凹部を有していることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
5. 請求項１に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
   前記第２端は、前記第２端の各々の側面に一対のフランジを有し、前記フランジは各々当該フランジに取付けられたコイルバネを有していることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
6. ペダル位置センサーであって、
   ａ）前記ペダル位置センサーは、軸線を中心として回転可能なペダルアームと、
   ｂ）磁界発生器とを備え、前記磁界発生器は、前記ペダルアームの１端に取付けられ、変化する磁界を発生し、
   ｃ）前記ペダル位置センサーは、また、ホール効果デバイスを備え、前記ホール効果デバイスは、前記磁界発生器に隣接して固定的に取付けられ、前記変化する磁界を感知することができ、前記ペダルアームが回転するに従って変化する電気出力を提供し、
   ｄ）前記ペダル位置センサーは、さらに、ハウジングを備え、前記ハウジングは、車両に取付け可能であり、前記磁界発生器と前記ホール効果デバイスを包含しており、
   ｅ）前記ペダル位置センサーは、さらに、前記軸線に沿って前記ペダルの端を貫通して延びているロッドを備え、
   ｆ）前記ペダル位置センサーはさらにフットレストを備え、前記フットレストは、前記ペダルアームの他の端に取付けられ、前記軸線を中心とした回転を生じさせるような圧力を供給することができ、
   ｇ）前記ペダル位置センサーは、さらに、双極磁石を備え、前記双極磁石は、前記ロッドの周りに同心に配置され、前記変化する磁界を提供することができる
   ことを特徴とするペダル位置センサー。
7. 請求項６に記載のペダル位置センサーにおいて、
   前記ペダル位置センサーは、さらに、コネクターを備え、前記コネクターは、前記ハウジングと一体的に形成されており、前記ホール効果デバイスからの電気出力を提供するための、外部の電気的相互連結を提供することを特徴とするペダル位置センサー。
8. 車両に取付けるためのペダル及びセンサーアッセンブリーであって、前記ペダルは使用者によって押し下げられる操作が可能であり、
   ａ）前記ペダル及びセンサーアッセンブリーは、第１端と第２端を有した長く延びたペダルアームを備え、前記第１端は使用者により押し下げられる操作可能であり、前記ペダルアームは軸線を中心として回転可能であり、
   ｂ）前記ペダル及びセンサーアッセンブリーは、また、前記第１端に連結されたフットレストを備え、
   ｃ）前記第２端は磁石突出部を有し、磁界発生器が前記磁石突出部に取付けられており、前記磁界発生器は、ペダルが押し下げられているとき前記軸線を中心として回転し、変化する磁界を発生し、
   ｄ）前記ペダル及びセンサーアッセンブリーは、さらに、ハウジングを備え、前記ハウジングは、車両に取付けられ、当該ハウジングの内部に包含する前記第２端及び前記磁界発生器を有しており、前記第１端は前記ハウジングから延びており、
   ｅ）前記ペダル及びセンサーアッセンブリーは、さらに、ホール効果デバイスを備え、前記ホール効果デバイスは、前記ハウジングに固定され、前記磁界発生器に隣接し、前記変化する磁界を検出する操作が可能であり、前記ペダルアームが回転するとき、前記ホール効果デバイスは、前記変化する磁界の強さと比例し前記ペダルアームの位置を示す電気信号を発生し、
   ｆ）前記第２端は、摩擦プレートを有し、前記摩擦プレートは、前記ハウジングの壁に係合するように取付けられ、使用者に抵抗力あるフィードバックを提供することができることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
9. 請求項８に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
   前記磁界発生器は、エアーギャップを有するテーパー形状の双極磁石であることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
10. 請求項９に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
    前記ホール効果デバイスは、前記エアーギャップに配置されていることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
11. 請求項１０に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
    前記突出部は、前記磁界発生器を保持するための縁及び凹部を有することを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
12. 請求項８に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
    前記第２端は、当該第２端の各々の側面に一対のフランジを有し、前記フランジは、それぞれ、当該フランジに取付けられているコイルバネを有することを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。
13. 請求項９に記載のペダル及びセンサーアッセンブリーにおいて、
    前記磁界発生器は、前記ペダルアームに一体的に成形されていることを特徴とするペダル及びセンサーアッセンブリー。

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