JP2006090982A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転体の回転角度、特にその絶対角度の検出をコンパクトな機構によって簡単、かつ高精度に計測する。
【解決手段】 第一の歯２ａを有し、上面に螺旋状の溝部２ｂが形成された回転体２と、前記回転体の溝部２ｂに沿って移動する移動体４と、前記回転体２が回転したとき前記移動体４の移動角度を検出する回転体用角度センサ６と、前記回転体４の第一の歯２ａと噛合する第二の歯７ａを有し、前記回転体２の回転に伴って回転する歯車７と、前記歯車７の回転角度を検出する歯車用角度センサ８と、前記回転体用角度センサ６と前記歯車用角度センサ８の両出力信号に基づいて前記回転体２の回転角度を検出する演算部９を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体の回転角度、特に３６０度以上回転するその絶対角度の検出をコンパクトな機構によって簡単、かつ高精度に行うことを可能とする回転角度検出装置に関する。

自動車等の車両のステアリングは、車両の直進性や方向性に直結するため、ステアリングに直結して作動する回転角度検出システムは車両の性能向上や運転ドライバーの安全性確保にとって極めて重要である。そのため、以下のように種々回転角度検出装置が提唱されている。

例えば、少なくとも複数ペアで構成され位相差を有する２つの回転体（歯車）の角度から回転角度を検出する回転角度検出装置（以下、技術例１という。）が提唱されている（特許文献１参照）。
図６は、その実施例の斜視図である。この回転角度検出装置１０は、外周に駆動歯１１ａを有する回転体１１と回転体１１と噛み合う歯１２ａ、１３ａを有する少なくとも２つの歯車１２，１３（１ペアの場合）と、歯車１２，１３の回転角を検出する角度センサ１４、１５と角度センサ１４、１５の出力から絶対角度に変換する評価回路（図示省略）から構成される。回転体１１と噛み合う歯車１２，１３の歯数は回転体１１の歯数より少なく、かつ２つの歯車１２，１３の歯数は相互に異なるものとする。ステアリングホイールの絶対操舵角検出の場合、回転体１１はステアリングシャフトに固定されている（図示省略）。ステアリングシャフトが回転すると、ステアリングシャフトに固定された回転体１１が回転する。回転体１１が回転することによって、２つの歯車１２、１３が回転し、各歯車１２、１３の角度センサ１４、１５から回転角に比例した信号を出力する。この技術例１の特徴は、異なる歯数の一対のペア歯車を複数用いて、ペア歯車間に生じる出力誤差を評価回路において補正することにより、絶対角度の精度を高めることにある。

次に、技術例１の改良に係り、自動車のステアリングの回転角度検出等に用いられる回転角度検出装置であって、検出誤差が少なく、検出回路の演算処理を容易なものとする回転角度検出装置（以下、技術例２という。）が提唱されている（特許文献２参照）。
図７は、その実施例の回転角度検出装置２０の要部斜視図である。外周に駆動歯車２１ａが形成された回転体２１と、この駆動歯車２１ａに噛合する検出歯車２２と、この検出歯車２２の回転に伴って検出歯車２２の軸部２３に螺子切りされた螺旋螺子２３ａを上下に移動する移動体２４と、この移動体２４の移動を検出する検出手段２５とからなり、検出手段２５が移動体２４の移動を漸次増加または減少する検出信号として出力し、回転体２１の回転角度を検出できるようにしたことを特徴とする。この技術例２の利点は、回転角度検出装置１０の小型化や薄型化を図ることができる点にある。

さらに、歯車からの出力信号によって回転角度を検出するこれらの技術例１または２とは機構を異にし、回転体３１とアーム３２の組合せ機構によって基準回転数における基準位置からの回転量を確実に検出する回転センサ（以下、技術例３という。）が提唱されている（特許文献３参照）。
図８は、その回転センサ３０のアーム３２との係合状態を示す回転体３１の平面図である。回転体３１の表面に設けた螺旋状の溝部３１ｂに沿ってアーム３２の先端部３２ａをピックアップ方式で溝部３１ｂの内外周に往復移動できるようにし、溝部３１ｂの内外周中央（外周から３周目）をステアリングホイールのニュートラル位置とし、この位置においてアーム３２の他方端であるシャッタ部３２ｂに設けた窓部Ｓと回転体３１の所定位置に設けた基準用スリットＴを一致させ、この状態における出力信号に基づいて回転体３１の回転数を１として検出するものである。この技術例３の特徴は、回転の伝達のために歯車を使用しないので、バックラッシュ等による歯車間のガタを解消できることにある。
特表２００２−５３１８５８号公報 特開２００２−２０６９１０号公報 実開平５−２３０３７号公報

しかし、技術例１の回転角度検出装置１０においては、回転体１１の回転角度の検出を、回転体１１に噛合する第一の検出歯車１２と第二の検出歯車１３による二つの歯車１２、１３の回転を検出して行うため、回転動作開始時や逆回転時に、回転体１１の駆動歯車１１ａと第一の検出歯車１２及び第二の検出歯車１３の二箇所の隙間によるガタツキの発生（バックラッシュの発生を含む）によって角度検出に誤差が生じやすい。特にペア歯車が多くなればなるほどこの誤差が大きくなるおそれがある。また、検出しようとする回転角度の範囲が大きくなると、回転体１１と二つの検出歯車の周期的関係から、各々の歯車の歯数を多くする必要があり、装置全体の小型化を図ることが困難となる課題もある。

技術例２の回転角度検出装置２０においては、回転角度に比例して電圧が出力されるが、磁界変化を検出する回路にも検出限界があり、検出する回転角度が大きくなるに従い検出精度が落ちるため、高精度検出を全域にわたって維持することが困難となる。この場合、検出限界を小さくし、性能的に向上させようとすれば、装置自体の製造コストが高価になるという問題が生じる。また、検出できる回転角度が大きくなるに従い、移動体２４の移動距離が長くなるため、装置の小型化を図ることが困難となる課題もある。

また、技術例３の回転センサ３０においては、歯車を装備していないため技術例１や技術例２のように歯車間に生ずるガタツキ等による角度検出の誤差発生は解消できる。しかしながら、ステアリングホイールのニュートラル位置とアームの窓部、基準スリットを同時に一致させることは、機構上精度を要し、精密加工が要請される。従って量産には適さず装置の製造コストが嵩む。また、技術例３では、アーム３２の先端部３２ａが回転体３１のニュートラル位置に来たときにアーム３２の窓部Ｓと基準スリットＴが合致することによって回転体３１が１回転したとしてリセットすることになっているから、回転体３１に螺旋状の溝部３１ｂを設けた趣旨は、回転体３１の回転角度を直接検出することを目的として設けたものではない（回転角度の検出は回転体３１の外周近傍周囲に多数刻設した計数用スリット３１ａを検出手段によって検出するものである）。

従って、本発明は、これらの技術例の有する課題を解決し、回転体の回転角度、特にその絶対角度の検出をコンパクトな機構によって簡単、かつ高精度に行うことを可能とする回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、第一の歯を有し、上面に螺旋状の溝部が形成された回転体と、前記回転体の溝部に沿って移動する移動体と、前記回転体が回転したとき前記移動体の移動角度を検出する回転体用角度センサと、前記回転体の第一の歯と噛合する第二の歯を有し、前記回転体の回転に伴って回転する歯車と、前記歯車の回転角度を検出する歯車用角度センサと、前記回転体用角度センサと前記歯車用角度センサの両出力信号に基づいて前記回転体の回転角度を検出する演算部を備えたことを特徴とする。従って、回転体用角度センサと歯車用角度センサの両出力信号に基づいて高精度の回転体の回転角度（絶対角度）を検出することができる。

この場合、前記歯車の第二の歯の歯数は、前記回転体の第一の歯の歯数より少ないこと
が好ましい。回転体の歯数に対して歯車の歯数を少なくすればするほど歯車用角度センサの出力信号の波形ピッチが小さくなるから、回転体用角度センサとの関係で解像度の高い回転体の回転角度（絶対角度）を検出することができる。

また、前記回転体用角度センサと前記歯車用角度センサは、ホール素子又は磁気抵抗素子によって角度検出を行うことが好ましい。これらの効果を利用した角度センサによって、回転体しいては歯車の停止状態における動かない磁気でも検出でき（ホール素子利用）、回転方向の検出も容易できるからである（磁気抵抗素子利用）。

また、前記移動体は、支点を中心に円弧状に回動するアームの一端に取り付けられて前記溝内に位置するヘッドであることが好ましい。ヘッドがピックアップ方式で螺旋状の溝部を確実にトレースできる。

また、前記移動体は、前記溝部と直交する固定アームに移動可能に取り付けられたヘッドであって、前記回転体用角度センサは、前記移動体の移動位置を検出する回転体用位置センサとすることが好ましい。ヘッドがリニアトラッキング方式でオーバーハングなく螺旋状の溝部をより一層確実にトレースできる。

本発明の回転角度検出装置によれば、回転角度の検出を回転体の溝部を移動するアームによって回転数検出を行い、歯車によって回転数ごとの角度検出をそれぞれ検出分担させると共に、同時に発せられる信号出力の波形の相互の関係を読み取り、解析することによって精度の高い回転体の回転角度（絶対角度）の検出ができる。また、機構上においても回転体に対し、回転を伝達する歯車は１つのみであるから、極めて簡単な構造を有し、装置全体として小型化を図ることができる。

次に、本発明の実施をするための最良の形態を、図１〜３に基づいて説明する。図１は、本発明の回転角度検出装置の一実施例の要部斜視図、図２は、その平面図、図３は、移動体のヘッドの回転体の溝部への納まり断面図である。

回転角度検出装置１は、回転体２、移動体４、アーム５、歯車７を主要メカニズムとし、回転体用角度センサ６、歯車５に搭載した磁石８ａと半導体ＭＲ素子８ｂからなる磁気抵抗センサの歯車用角度センサ８、回転体用角度センサ６および歯車用角度センサ８からの出力信号を電気的に変換して波形化する演算部９を電気系統として構成されている。

回転体２は、その中心の透孔がステアリングシャフト３に嵌入固定されて、ステアリングシャフト３の回転に従って時計および反時計回りに回転する。ステアリングシャフト３は一般的にステアリングホイールを時計および反時計回りに３〜６回転させると、左右いっぱいに切れてロック・ツー・ロックするようになっているので、回転体２もこの回転数の範囲で回転する。

回転体２の一方のディスク面（図１の上面）には、外周から中心に向けて螺旋状の溝部２ｂが形成されている。この溝部２ｂは回転体２の回転数範囲の数だけあれば足りるから
６周としてある。

回転体２の外周には、第一の歯２ａが刻設されている。

移動体４は、位置が固定されている回転体用角度センサ６、回転体用角度センサ６に支持され回動自在のアーム５およびアーム５の先端に装着された移動体となるヘッド４とで構成されている。ヘッド４は回転体２の溝部２ｂをトレース（図３参照）することによって、回転体２の回転に追随してアーム５が溝部２ｂの内外周間を湾曲状の軌跡を描きながら移動するようになっている。溝部２ｂの円形状の渦巻数は６周に設定してある。

歯車７は、第二の歯７ａを有し、この第二の歯７ａは回転体２の第一の歯２ａと噛合している。第二の歯７ａの歯数は第一の歯２ａの歯数より少ないので歯車７は、回転体２より回転数が大きくなる。歯車７には、歯車用角度センサ８の一方となる磁石８ａが搭載されている。磁石８ａは歯車７の略中心に搭載されて歯車７の回転とともに回転する。また、磁石８ａの磁力の変化を検出する磁気検出素子（例えばＭＲ素子）８ｂが磁石８ａに非接触状態で対向して固定され、これら磁石８ａと磁気検出素子８ｂとで歯車用角度センサ８が構成されている。

回転体用角度センサ６および歯車用角度センサ８からの出力された信号は演算部９に送信され、演算部９にて処理されて電気的に電圧変換され、それぞれ波形化される（図４参照）。

さて、以上の構成において、ステアリングを回転させると、回転体２が同時に回転し、これに伴ってアーム５は溝部２ｂの外周側（または最外周と最内周の中間である最外周から３周目の位置でもよい。）を起点として内周方向に円弧状の軌跡を描きながら移動する。ここでステアリングの回転は６回転でロック・ツー・ロックされるので、回転体２も最大６回転する。前記した技術例３のようにアーム５が溝部２ｂを１周するごとに回転体用角度センサ６が出力信号をリセット信号として出力することはなく、回転体用角度センサ６からの出力信号は電圧変換される。図４（ａ）は、このことを示す回転体用角度センサ６からの出力信号を処理変換した波形図である。波形は直線状となる。この波形は起点の１Ｖ電圧から次第に電圧が上昇し、例えば回転体２が時計回りに６回転したときに４Ｖに達するようになっている。また、電圧が４Ｖに達して回転体２が回転を停止したときに電圧を１Ｖにリセットし、反時計回りにステアリングを回転させると図４（ａ）とは反対形相の波形が形成される。

歯車７は回転体２の第一の歯２ａと噛合しているので、回転体２が回転すると歯車７も同時に回転する。歯車７の回転に伴って歯車７に装着した磁石８ａの磁力が漸次変化する。この変化の強弱を磁気検出素子８ｂが検知し、その検知信号を演算部９に送信する。

演算部９では、受信した検知信号を演算処理して電圧に変換した波形図を生成する。図４（ｂ）は、この波形を示す波形図である。

ここで例えば、歯車７の回転数を回転体２の４倍に設定したとする。すると回転体２が６回転すると歯車７は２４回転する。磁気検出素子８ｂは磁石８ａが１８０度回転するたびに１周期の信号を出力する。したがって、回転体２が一定の角速度で回転すると、磁気検出素子８ｂから回転体２が４５度回転する毎に１Ｖ〜４Ｖの鋸歯状の信号Ｑ_１、Ｑ_２、Ｑ_３、・・・を２４回発する。そこで例えば、溝部２ａの内外周の中央（６巻きの螺旋溝部の外周又は内周から３巻き目の位置）をステアリングのニュートラル位置に設定すれば、鋸歯状の信号Ｑ_１、Ｑ_２、Ｑ_３、・・・は、ニュートラル位置の左右（図４）方向に１２回ずつ振り分けられて発生することになる。ただし、ステアリングはニュートラル位置から時計周りおよび反時計回りに３回転したときにロック・ツー・ロックするようになる。

以上のように，演算部９によって回転体用角度センサ６からは図４（ａ）に示すような直線状の電圧波形が、また歯車用角度センサ８からは図４（ｂ）に示すような鋸歯状の電圧波形が得られる。そこで例えば回転体用角度センサ６からの波形をメインとし、歯車用角度センサ８からの波形をサブと捉え、この２つの波形から回転体２の回転角度（絶対角度）を計測する演算処理回路を演算回路７に組み入れることにより、回転体２の回転角度（絶対角度）の解像度を一層高めることができる。例えば図４（ａ）の波形上のある点Ｐ１を図４（ｂ）の波形上に投影してＰ２を求めるようにする。

また、図４（ａ）、（ｂ）の波形を別個に処理することにより、図４（ａ）の波形から若干ラフではあるが回転体２の回転数を検出することができ、図４（ｂ）の波形から回転体２のその回転数における回転角度（絶対角度）を計測することができる。

つまり図４（ａ）、（ｂ）の電圧波形を個別に処理して回転体２の回転角度（絶対角度）の精度を高めることができるばかりでなく、両電圧波形を合成等して回転体２の回転角度（絶対角度）の精度を一層高めることもできる。

磁気検出素子８ｂをＭＲ素子とすれば、磁石８ａが不動の状態（回転体２、歯車７が回転していない状態）においても磁力の方向となる回転体２の角度位置を絶対値として検出することができるから、本回転角度検出装置１のシステムに電源投入を遮断している状態において、ステアリングを回転させたとしても回転体２の回転角度（絶対角度）が狂ってしまうことはない。

また、回転体用角度センサ６の出力信号から得られる図４（ａ）の直線状の波形は、傾斜角θが大きいほど回転体２の回転角度（絶対角度）を高精度に検出するためには有利であると考えられる。回転体２のわずかな回転によって電圧の変化が大きくなれば、傾斜角θも比例的に大きくなるから、微妙な電圧変化をアナログ検出することができるからである。この傾斜角θは、溝部２ａの溝幅や溝間の間隔に影響される。例えば、溝間の寸法を大きくすればアーム４ｂの移動軌跡が大きくなるから傾斜角θも大きくなる。ただし、このようにするには回転体２の径を必然的に大きくせざるを得なくなって装置の小型化に反する。この点本発明では、たとえ傾斜角θを小さくして傾斜勾配が緩やかな波形であったとしても、図４（ａ）のある波形点における同図（ｂ）の波形を読み取ることができる演算回路も組み入れられているので、回転体２の転角度（絶対角度）の高解像度を求めることができる。

なお、図５は、アーム５を回転体用位置センサ６ａに固定し、移動体であるヘッド４をそのアーム５に沿って図示する矢印方向に移動できるようにしたリニアトラッキング方式としたものである。この方式によれば、ヘッド４がピックアップ方式で発生するオーバーハングがなくなり螺旋状の溝部をより一層確実にトレースできる。

以上、本発明による回転角度検出装置によれば、（１）回転体とシンプルな移動体及び一つの歯車によって駆動主体が構成されているので、装置をコンパクトなものとすることができる。（２）回転体用角度センサおよび歯車用角度センサから得られる波形を相互に関連付けることによって解像度の高い回転体の回転角度（絶対角度）を計測することができる。

本発明の回転角度検出装置の一実施例の要部斜視図である。 図１の平面図である。 移動体のヘッドと回転体の溝部の納まり断面図である。 演算回路における波形出力図であって（ａ）は、回転体用角度センサから得られた波形図、（ｂ）は、歯車用角度センサから得られた波形図である。 アームに対する移動体の他の取付け例である。 技術例１の回転角度検出装置の斜視図である。 技術例２の回転角度検出装置の斜視図である。 技術例３の回転角度検出装置の平面図である。

符号の説明

１、１０、２０ 回転角度検出装置
３０ 回転センサ
２ 回転体
２ｂ 溝部
３ ステアリングシャフト
４ 移動体
６ 回転体用角度センサ
７ 歯車
８ 歯車用角度センサ
９ 演算部

Claims (5)

1. 第一の歯を有し、上面に螺旋状の溝部が形成された回転体と、
   前記回転体の溝部に沿って移動する移動体と、
   前記回転体が回転したとき前記移動体の移動角度を検出する回転体用角度センサと、
   前記回転体の第一の歯と噛合する第二の歯を有し、前記回転体の回転に伴って回転する歯車と、
   前記歯車の回転角度を検出する歯車用角度センサと、
   前記回転体用角度センサと前記歯車用角度センサの両出力信号に基づいて前記回転体の回転角度を検出する演算部を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記歯車の第二の歯の歯数は、前記回転体の第一の歯の歯数より少ないことを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
3. 前記回転体用角度センサと前記歯車用角度センサは、ホール素子又は磁気抵抗素子によって角度検出を行うことを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
4. 前記移動体は、支点を中心に円弧状に回動するアームの一端に取り付けられて前記溝内に位置するヘッドであることを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
5. 前記移動体は、前記溝部と直交する固定アームに移動可能に取り付けられたヘッドであって、前記回転体用角度センサは、前記移動体の移動位置を検出する回転体用位置センサとすることを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。

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