JP6477291B2 - センシングリング - Google Patents

Description

本発明は、車両の軸体に取り付けられるセンシングリングに関する。

従来、車両に搭載されるエンジン，変速機，カム軸などの回転角や回転速度を検出するための構造として、軸体（回転軸）に歯車状のセンシングリングを固定し、歯車の近傍における電磁場の変化を利用して軸体の位相や角速度を取得するものが知られている。例えば、電磁ピックアップ方式の回転速度検出装置では、磁性体で形成された歯車の近傍にコイルが配設され、コイルに生じる誘導起電力のパルス間隔に基づいてセンシングリングの角速度が算出される。

また、渦電流方式の回転速度検出装置では、歯車とその歯車の近傍に配設されたコイルとの距離に対応するインピーダンスが検知され、その変化に基づいてセンシングリングの角速度が算出される。これらの回転速度検出装置で用いられるセンシングリングの外周部には、一定の位相間隔で配置された歯部や、位相の基準点を与えるための欠歯部などが設けられる（特許文献１，２参照）。

特開2009-019691号公報 特開2010-216455号公報

ところで、センシングリングは軸体と一体に固定される部材であることから、機械的起振力による振動を生じやすい性質を持つ。例えば、エンジンのクランクシャフトに固定されるセンシングリングでは、ピストンの慣性力や筒内の爆発圧力などの起振力を受けて、たわみ振動が発生しうる。また、変速機やカム軸に固定されるセンシングリングにおいても、同様のたわみ振動が生じうる。したがって、各センシングリングの固有値（固有振動数，固有周波数）は、そのセンシングリングに入力されうる起振力の周波数よりも十分に高く設定しておくことが望ましい。

センシングリングの固有値を高めるための簡便な手法としては、センシングリングの板厚を大きくして剛性を高めることが挙げられる。一般に、部材の剛性を高めるに連れて固有値が上昇する。したがって、センシングリングの板厚を大きくすることで、共振の発生を抑制することができる。しかしながら、板厚を増大させるほど部品重量が増加し、燃費が悪化する。つまり、センシングリングの固有値を高めることと重量低減とはトレードオフの関係にあり、これらの両方を同時に改善することが難しいという課題がある。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、共振の発生を抑制しつつ軽量化を図ることができるようにしたセンシングリングを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

（１）ここで開示するセンシングリングは、車両の軸体に取り付けられ、前記軸体の回転速度に対応する信号を取得するための歯車が外周に形成された中空円盤状のセンシングリングである。このセンシングリングは、前記センシングリングの中央に穿孔された円形の開口孔と、前記センシングリングを前記軸体に固定する固定具が挿通される複数の取付孔とを有する。また、円周方向に隣接する二つの取付孔の間から前記開口孔を外側に拡大してなる拡大部を備える。前記拡大部の外縁から前記外周までの半径方向の幅（リング幅）は、前記開口孔と前記拡大部との境界で最大値を持ち、前記二つの取付孔の間のスパン中央部のみで最小値を持つ。

（２）前記幅が、前記スパン中央部から円周方向に移動するに連れて、前記最小値から前記最大値へと単調増加する特性を有することが好ましい。ここでいう「単調増加」とは、前記センシングリングの中心を基準とした角度を変化させたときに、前記幅が一定値をとることなく、かつ、減少することもなく、増加することを意味する。例えば、単位角度あたりの増加量（傾き）が常に正の状態で増加し続ける。つまり、前記最小値から前記最大値までの区間において、前記角度の関数で表現された前記幅を前記角度について微分したものが、常に正の値となることが好ましい。

（３）前記幅が、前記センシングリングの中心を基準とした角度の一次関数で与えられることが好ましい。つまり、前記最小値から前記最大値までの区間において、前記角度の関数で表現された前記幅を前記角度について微分したものが一定の値となることが好ましい。あるいは、前記幅が、前記センシングリングの中心を基準とした角度の二次関数で与えられることが好ましい。

開示のセンシングリングによれば、単位質量あたりの固有振動数を大きくすることができ、共振の発生を抑制しつつ軽量化を図ることができる。

実施形態としてのセンシングリングを示す図である。 （Ａ）は図１のセンシングリングにおけるリング幅Ｗと角度θとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）はその比較例〔図３（Ｃ）のセンシングリングにおけるリング幅Ｗと角度θとの関係を示すグラフ〕である。 センシングリングの形状を説明するための図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は比較例、（Ｄ）は図１のセンシングリングである。 質量と固有値との関係を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｅ）は変形例としてのセンシングリングにおけるリング幅Ｗと角度θとの関係を示すグラフである。

図面を参照して、実施形態としてのセンシングリングについて説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．構成］
図１は、エンジン回転数センサ用（クランク角センサ用）のセンシングリング１を示す図である。このセンシングリング１は、車両に搭載されるエンジンのクランクシャフト８（軸体）に取り付けられる中空円盤状の部材である。センシングリング１の外周９には、クランクシャフト８の回転速度や回転角に対応する信号を取得するための歯車が形成される。歯車を構成する個々の歯部５は、円周方向に等間隔となるように列設される。

また、外周９の一部には、歯部５が配置されない欠歯部６が設けられる。欠歯部６は、回転角（位相）の基準を与えるための部位となる。なお、歯車の近傍には、電磁場の変化を検出するコイルが配置される。コイルに生じる誘導起電力やインピーダンスの変化を検知することで、クランクシャフト８の回転速度（単位時間あたりのエンジン回転数に対応する値）を算出することが可能となる。

センシングリング１には、取付孔２，開口孔３，拡大部４が設けられる。
取付孔２は、センシングリング１をクランクシャフト８に固定する固定具（ボルト，ナット，圧入固定ピンなど）が挿通される丸孔である。図１に示すように、取付孔２は少なくとも二箇所以上の位置に、好ましくは三箇所以上の位置に設けられる。取付孔２に挿通された固定具は、クランクシャフト８に固定されたプーリーやセンシングリング１の取付け座などに対してボルトで締結固定される。

開口孔３は、取付孔２よりも内側に穿孔された円形の孔であり、図１中に破線で示すように、センシングリング１の中央に穿孔される。開口孔３には、クランクシャフト８（又はこれに固定された取付け座）が挿通される。開口孔３の中心Ｃは、センシングリング１の中心と一致し、かつ、クランクシャフト８の中心と一致するように配置される。また、開口孔３の直径は、取付孔２との間に所定の取付け代Ｍが確保される寸法に設定される。

拡大部４は、開口孔３をセンシングリング１の外側へと部分的に拡大した部分である。拡大部４が設けられる位置は、円周方向に隣接する二つの取付孔２に挟まれた範囲内に設定される。図１に示す例では、三つの取付孔２によって挟まれる位置が三箇所あるため、開口孔３の中心Ｃから三方向に向かって拡大部４が膨出するように設けられている。ここで、開口孔３の外縁のうち、拡大部４が形成されていない部分のことを「嵌合部７」と呼ぶ。嵌合部７は、クランクシャフト８（又はこれに固定された取付け座）が嵌入固定される部位となる。これにより、クランクシャフト８はその周囲を三方向から把持拘束されることになり、固定状態が安定する。

また、拡大部４及び嵌合部７の外縁からセンシングリング１の外周９までの、半径方向の寸法のことを「リング幅Ｗ（幅）」と呼ぶ。センシングリング１の外周９は、歯部５を除くセンシングリング１の外周端に相当する部位とする。本実施形態では、中心Ｃから欠歯部６までの距離を半径とした円盤の外縁部分を、センシングリング１の外周９とする。なお、二つの同心円の間隔は一定値となることから、嵌合部７におけるリング幅Ｗは一定値となる。これに対し、拡大部４におけるリング幅Ｗは、回転角に応じて変化する。

本実施形態のリング幅Ｗは、開口孔３と拡大部４との境界Ｘで最大値Ｗ₂を持ち、スパン中央部Ｙのみで最小値Ｗ₁を持つ。境界Ｘとは、図１に示すように、センシングリング１の正面視で（中心Ｃの延設方向に見て）、開口孔３及び拡大部４の輪郭線が交わる部分（拡大部４と嵌合部７との境界となる部分）である。ここで、中心Ｃから外周９までの距離をＤ₁とおき、開口孔３の半径をＤ₂とおくと、上記の最大値Ｗ₂はＤ₁−Ｄ₂となる。

スパン中央部Ｙとは、隣接する二つの取付孔２に挟まれた部分において、それらの二つの取付孔２に対する距離が等しくなる位置のことである。図１に示すように、中心Ｃから各取付孔２の孔芯を通る直線を描いたときに、それらの直線によって分割される各々の外周９のことを「スパン」と呼び、各々の長さをＬとする。スパン中央部Ｙは、上記のスパンにおける中央部分となる。なお、隣接する二つの取付孔２と中心Ｃとのなす角度がθ₁であるとき、角の二等分線が通る位置のことを「スパン中央部Ｙ」と定義してもよい。

図２（Ａ）は、中心Ｃを基準とした角度θ（位相）とリング幅Ｗとの関係を例示するグラフである。ここでは、中心Ｃと一つの取付孔２の孔芯とを通る直線Ｎを基準として、角度θが定義されるものとする。嵌合部７におけるリング幅Ｗは、最大値Ｗ₂である。これに対し、拡大部４におけるリング幅Ｗは、スパン中央部Ｙから円周方向に移動するに連れて、最小値Ｗ₁から最大値Ｗ₂へと単調増加する特性を有する。リング幅Ｗが最小値Ｗ₁となる位置は、三箇所のスパン中央部Ｙのみである。

図２（Ａ）に示すように、例えば区間θ₂〜（θ₁/2）のリング幅Ｗは角度θの一次関数で与えられ、区間（θ₁/2）〜（θ₁-θ₂）のリング幅Ｗも角度θの一次関数で与えられる。何れの区間においても、角度θの増減に対して一定の傾きで、リング幅Ｗが最小値Ｗ₁から最大値Ｗ₂へと増大するように、拡大部４の輪郭形状が設定される。また、三箇所のスパン中央部Ｙにおける最小値Ｗ₁は、全て同一の値に設定される。なお、図１に示すように、センシングリング１の開口孔３及び拡大部４の輪郭形状は、バランスを考慮して、直線Ｎに対する左右対称の形状（又は中心Ｃに対する回転対称形状）とすることが好ましい。

［２．比較例］
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、比較例としてのセンシングリング１１，２１，３１を示す図であり、図３（Ｄ）は上記のセンシングリング１を示す図である。
図３（Ａ）に示すセンシングリング１１では、上記のセンシングリング１よりも拡大部１４のサイズが縮小されている。拡大部１４の形状は、開口孔３から左右二方向に向かってわずかに拡大した形状であり、拡大部１４におけるリング幅Ｗは、嵌合部７におけるリング幅Ｗとほぼ同一（わずかに小さい寸法）である。

図３（Ｂ）に示すセンシングリング２１は、図３（Ａ）に示すセンシングリング１１に複数の丸孔２２を穿孔したものである。拡大部２４の形状は、上記の拡大部１４とほぼ同様である。丸孔２２は、開口孔３の外側全周にわたって、開口孔３を囲むように連設される。隣接する丸孔２２間の距離は、例えば所定の取付け代Ｍが確保される寸法に設定される。また、丸孔２２と取付孔２との間の距離や、丸孔２２から外周９までの距離、丸孔２２から開口孔３（嵌合部７及び拡大部２４）までの距離についても、所定の取付け代Ｍが確保される寸法に設定される。

図３（Ｃ）に示すセンシングリング３１は、拡大部３４におけるリング幅Ｗが最小値Ｗ₁となる部分を、スパン中央部Ｙを中心として円周方向に延長したものである。すなわち、このセンシングリング３１には、リング幅Ｗが最小値Ｗ₁となり、かつ、角度θに対するリング幅Ｗの変化勾配がゼロとなる区間が設けられる。センシングリング３１における角度θとリング幅Ｗとの関係を、図２（Ｂ）に例示する。拡大部３４に対応する区間θ₂〜（θ₁-θ₂）のリング幅Ｗは広範囲にわたって最小値Ｗ₁をとり、嵌合部７に対応する区間（θ₁-θ₂）〜（θ₁+θ₂）のリング幅Ｗは最大値Ｗ₂をとる。つまり、リング幅Ｗが最小値Ｗ₁となる区間は、スパン中央部Ｙだけでなく、スパンＬのほぼ全体にわたって設けられている。

［３．解析結果］
図４は、上記のセンシングリング１，１１，２１，３１について、公知の固有値解析手法を適用し、所定の材質及び板厚における質量と固有振動数との関係を解析した結果を示すグラフである。グラフ中の符号Ａ〜Ｃはセンシングリング１１，２１，３１のそれぞれに対応し、符号Ｄはセンシングリング１に対応する。

符号Ａのセンシングリング１１は、拡大部１４の面積が他よりも小さく、部材の質量が最も増大しやすい形状である。これにより、所定の固有振動数を獲得するためには、他よりも質量を増大させなければならないことが読み取れる。一方、符号Ｂのセンシングリング２１は、複数の丸孔２２が穿孔されていることから、符号Ａのセンシングリング１１よりも質量を小さくすることが可能である。しかし、丸孔２２を穿孔することによって剛性が低下しやすく、固有振動数が全体的に低下することがわかる。

符号Ｃのセンシングリング３１は、開口孔３から外側に向かって拡大部３４が形成された形状である。この場合、符号Ｂのセンシングリング２１と比較して、中心Ｃに近い側の断面が省略された形状となる。つまり、中心Ｃから離れた位置での断面が確保されるため、符号Ｂよりも比較的剛性が低下しにくくなる。しかし、拡大部３４の範囲が広く、リング幅Ｗが最小値Ｗ₁となる区間がスパンＬのほぼ全体にわたって設けられるため、符号Ａのセンシングリング１１と比較すると剛性がやや不足し、固有振動数が全体的に低めとなってしまう。

これらに対して、符号Ｄのセンシングリング１は、符号Ｃのセンシングリング３１よりも拡大部４の形状がやや小さく、スパン中央部Ｙのみで最小値Ｗ₁を持つ形状に形成されている。これにより、符号Ｃのセンシングリング３１のような拡大部３４の形状にした場合と比較して断面二次モーメントが大きくなるため、剛性が高められ、固有振動数が上昇する。これにより、所定の固有振動数を獲得するための質量が小さくなり、部材の軽量化を図ることができる。

また、符号Ｄのセンシングリング１は、他と比較して、単位質量あたりの固有振動数の変化量（グラフの勾配）が大きいという特性を持つ。これは、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すような構造よりも、図３（Ｄ）に示す構造の方が効率的に固有振動数を上昇させることが可能であることを意味する。例えば、センシングリング１の設計段階において固有振動数をあと10Hzだけ上昇させたいようなときに要求される質量増加量を算出すると、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す構造よりも、図３（Ｄ）に示す構造の方が小さくなる。また、許容される質量増加量が与えられたときに上昇させることのできる固有振動数の幅は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すような構造よりも、図３（Ｄ）に示す構造の方が大きくなる。このように、質量変化に対する固有振動数の変動割合が上昇するため、設計自由度や仕様変更への順応性が飛躍的に向上する。

［４．効果］
（１）上記のセンシングリング１では、スパン中央部Ｙのみで最小値Ｗ₁を持ち、拡大部４と開口孔３との境界Ｘで最大値Ｗ₂を持つように、リング幅Ｗが設定される。これにより、質量変化に対する固有振動数の変動割合を上昇させることができる。したがって、固有振動数を上昇させるための質量増加量を減少させることができ、共振の発生を抑制しつつ部材の重量を低減させることができる。

また、上記のセンシングリング１では、リング幅Ｗが最小となる部分が各スパンにつき一点のみとなる。つまり、スパン中央部Ｙのみでリング幅Ｗが最小となる形状であることから、図３（Ｃ）に示すような構造と比較して、断面二次モーメントを大きくすることができ、剛性を高めやすい。これにより、所定の固有振動数を獲得するための質量が小さくなり、部材の軽量化を図ることができる。

一方、リング幅Ｗが最大値Ｗ₂となる嵌合部７は、各スパンの両端において一定の幅をもって設けられるため、クランクシャフト８に対するセンシングリング１の固定状態を安定させることができ、剛性を高めることができる。したがって、固有振動数を上昇させやすくすることができる。
さらに、図３（Ｃ）に示すような構造と比較して、リング幅Ｗが最小となる部分が少ないため、取付孔２の近傍におけるリング幅Ｗを相対的に大きくとることができる。これにより、センシングリング１の固定箇所まわりの剛性を高めることができ、固有振動数を高めやすくすることができる。

（２）上記のセンシングリング１では、図２（Ａ）に示すように、スパン中央部Ｙから円周方向に移動するに連れて、リング幅Ｗが最小値Ｗ₁から最大値Ｗ₂へと単調増加する特性を持っている。つまり、スパン中央部Ｙから取付孔２の近傍に向かってリング幅Ｗが徐々に増加するように（減少しないように）、拡大部４の輪郭形状が設定される。これにより、取付孔２までの距離が近い位置ほどリング幅Ｗを大きくすることができ、剛性低下を抑制しつつ、断面積を小さくすることができる。したがって、軽量でありながら共振が発生しにくいセンシングリング１を提供することができる。

（３）上記のセンシングリング１では、図２（Ａ）に示すように、リング幅Ｗが角度θの一次関数で与えられる。これにより、シンプルな形状の螺旋弧を用いて拡大部４の輪郭形状を特性することができる。したがって、共振抑制効果や重量低減効果を得られるだけでなく、センシングリング１の生産性を向上させることができる。

（４）上記のセンシングリング１では、三箇所のスパン中央部Ｙにおけるリング幅Ｗが全て最小値Ｗ₁となっており、同一の値である。これにより、センシングリング１の全周にわたって最小値Ｗ₁以上のリング幅Ｗを確保することができ、外周９近傍の剛性を確保することができる。これにより、センシングリング１の共振の発生を抑制しつつ重量を低減させることができる。

［５．変形例］
上述の実施形態では、図２（Ａ）に示すように、リング幅Ｗが角度θの一次関数で与えられるセンシングリング１を例示したが、リング幅Ｗと角度θとの関係はこれに限定されない。例えば、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、リング幅Ｗと角度θとの関係を表すグラフの形状が曲線状となるように、拡大部４の輪郭形状を設定してもよい。また、図５（Ｃ）に示すように、拡大部４のリング幅Ｗが角度θの二次関数で与えられる形状としてもよい。少なくとも、スパン中央部Ｙのみで最小値Ｗ₁を持つようにリング幅Ｗを設定し、そのリング幅Ｗをスパン中央部Ｙから取付孔２の周辺部に向かって単調増加させることで、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。

また、図１には取付孔２が三箇所に設けられたセンシングリング１を示したが、取付孔２の数は任意に設定することができる。取付孔２が二箇所に設けられている場合には、これらの間に二つのスパンが存在するため、拡大部４も二箇所に設けられることになる。取付孔２の数が四個であれば、拡大部４も四箇所に設ければよい。

なお、上述の実施形態における嵌合部７は、図２（Ａ）に示すように、区間（θ₁-θ₂）〜（θ₁+θ₂）の範囲に設けられているが、各スパンの端部のみで最大値Ｗ₂をとるようにしてもよい。つまり、図５（Ｄ）に示すように、嵌合部７の幅を狭めてもよい。また、図５（Ｅ）に示すように、スパン毎にリング幅Ｗと角度θとの関係を相違させてもよい。少なくとも、クランクシャフト８（又はこれに固定された取付け座）が嵌入固定される部位を取付孔２の近傍に設けることで、クランクシャフト８をその周囲から把持拘束することができ、センシングリング１の固定状態をより安定化することができる。

１ センシングリング
２ 取付孔
３ 開口孔
４ 拡大部
５ 歯部
６ 欠歯部
７ 嵌合部
８ クランクシャフト
９ 外周
Ｗ₁ 最小値
Ｗ₂ 最大値
Ｘ 境界
Ｙ スパン中央部

Claims (3)

1. 車両の軸体に取り付けられ、前記軸体の回転速度に対応する信号を取得するための歯車が外周に形成された中空円盤状のセンシングリングであって、
   前記センシングリングの中央に穿孔された円形の開口孔と、
   前記センシングリングを前記軸体に固定する固定具が挿通される複数の取付孔と、
   円周方向に隣接する二つの取付孔の間から前記開口孔を外側に拡大してなる拡大部と、を備え、
   前記拡大部の外縁から前記外周までの半径方向の幅が、前記開口孔と前記拡大部との境界で最大値を持ち、前記二つの取付孔の間のスパン中央部のみで最小値を持つ
   ことを特徴とする、センシングリング。
2. 前記幅が、前記スパン中央部から円周方向に移動するに連れて、前記最小値から前記最大値へと単調増加する特性を有する
   ことを特徴とする、請求項１記載のセンシングリング。
3. 前記幅が、前記センシングリングの中心を基準とした角度の一次関数又は二次関数で与えられる
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のセンシングリング。

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