JP2006292529A

JP2006292529A - 回転角度測定装置

Info

Publication number: JP2006292529A
Application number: JP2005113042A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Komatsuzaki; 和宏小松崎
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】測定精度を向上させ、小型化ができる回転角度測定装置を提供する。
【解決手段】回転する円盤１の面１ａに渦状溝３を形成し、円盤１外の回動軸４から円盤１の面上へ２つの回動アーム５，６を延ばし、一方の回動アーム５は回転軸２と上記回動軸４を結ぶ線の時計回り側に、他方の回動アーム６は回転軸２と回動軸４を結ぶ線の反時計回り側に振り分け、それぞれの回動アーム５，６には渦状溝３に案内されるヘッド７，８を形成し、これら２つの回動アーム５，６の回動角度差を検知する角度差検知センサ９を設け、この回動角度差から円盤１の回転角度を求めるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、多回転する測定対象に適した回転角度測定装置に係り、測定精度を向上させ、小型化ができる回転角度測定装置に関する。

車両のステアリングホイールにおける絶対操舵角の検出のように、３６０°以上回転（複数回転、多回転ともいう）する回転体の回転角度を３６０°以下の回転角度と区別した角度（絶対回転角度という）で測定するためには、３６０°の周期で元に戻らない要素を導入する必要がある。

特許文献１の技術を図５にて説明すると、絶対回転角度の測定対象である主歯車５１と、この主歯車に噛み合う２つの副歯車（第一副歯車、第二副歯車）５２，５３と、各副歯車５２，５３の回転角度を検出する角度センサ５４，５５と、各角度センサ５４，５５の出力を基に絶対回転角度を求める評価回路５６とを備える。第一副歯車５２の歯数及び第二副歯車５３の歯数は、それぞれ主歯車５１の歯数より少なく、互いに異なる。主歯車５１は、ステアリングホイールと一体回転するステアリングシャフトに固定されている。

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主歯車５１が回転し、この主歯車５１の回転角度に比例して各々の副歯車５２，５３も回転する。その結果、各角度センサ５４，５５は副歯車５２，５３の回転角度に比例した信号を出力する。主歯車５１の回転角度と各角度センサ５４，５５の出力信号の関係を図６に示す。

図示のように、２つの副歯車５２，５３の歯数が異なるため、各角度センサ５４，５５の出力信号Ｃ，Ｄは異なる周期で変化し、２つの出力信号Ｃ，Ｄの差は回転角度によって異なる。評価回路５６は、２つの出力信号Ｃ，Ｄの差に基づいて絶対回転角度を演算する。

特許文献２の技術を図７（ａ），図７（ｂ）にて説明すると、回転する円盤７１の面７１ａに回転軸７２を中心に周回しつつ回転軸７２からの距離が漸増（あるいは漸減）する渦状溝７３を形成し、上記円盤７１外の回動軸７４から上記円盤７１の面７１ａ上へ回動アーム７５を延ばし、回動アーム７５には上記渦状溝７３に案内されるヘッド７７を形成し、この回動アーム７５の回動角度を検知する角度差検知センサ（図示せず）を設け、この回動角度から上記円盤７１の回転角度を求めるようになっている。円盤７１は、ステアリングホイールと一体回転するステアリングシャフトに固定されている。角度差検知センサとしては、例えば、回動アーム７５に磁石を取り付け、回動しない場所にホール効果又は磁気抵抗効果で信号を生成する磁気検出素子を設置する。

いま、渦状溝７３の一端が円盤７１の面７１ａの最外周付近にあって、ここを起点にして反時計回りに進むと回転軸７２からの距離が短くなるように渦状溝７３を形成すると、渦状溝７３の反対端は円盤７１の面７１ａの最内周に至る。逆に見れば、最内周を起点にして、時計回りに進むと回転軸７２からの距離が長くなるように渦状溝７３を形成しても、同じものが得られる。

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円盤７１が回転する。ヘッド７７は、渦状溝７３に案内されることから、円盤７１が時計回りに回転すると、相対的に円盤７１に対して反時計回りに移動することになるので、回転軸７２に近づき、円盤７１が反時計回りに回転すると相対的に円盤７１に対して時計回りに移動することになるので、回転軸７２から遠ざかる。このヘッド７７の動きによって、回動アーム７５が回動軸７４の周りに回動する。角度差検知センサが出力する回動角度の信号を基に図示しない演算回路で絶対回転角度を演算する。

角度差検知センサの出力信号は、図８に示されるように、絶対回転角度が負である領域（例えば、−１０８０°）から絶対回転角度が正である領域（例えば、１０８０°）まで、リニアに増加する。なお、絶対回転角度が０°となるときの回動アームの角度は図７に示した回動範囲の中間あたりとしてある。

特表２００２−５３１８５８号公報特開平１０−３８５５７号公報特開２００４−１２５４４０号公報

操舵角検出に用いる回転角度測定装置は、操縦席に設けるものであるから、運転者の操作性や居住性の点から小型とする必要がある。しかし、図５の回転角度測定装置は、２つの副歯車５２，５３の回転角度が異なる周期で変化することを利用して絶対回転角度を演算しているため、両副歯車５２，５３の歯数の最小公倍数でもって検出可能な回転角度範囲に限界がある。この回転角度範囲を広げるべく、主歯車５１の歯数に対する各副歯車５２，５３の歯数の差を小さくして歯数を増やすと、副歯車５２，５３の径が大きくなって回転角度測定装置が大型化してしまう。

図７の回転角度測定装置は、円盤７１の回転角度に比して回動アーム７５の回動角度が小さいために、角度差検知センサが出力する回動角度の信号に対してノイズが与える影響が大きく、このため回転角度測定精度が低い。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、測定精度を向上させ、小型化ができる回転角度測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、回転する円盤の面に渦状溝を形成し、上記円盤外の回動軸から上記円盤の面上へ２つの回動アームを延ばし、一方の回動アームは上記回転軸と上記回動軸を結ぶ線の時計回り側に、他方の回動アームは上記回転軸と上記回動軸を結ぶ線の反時計回り側に振り分け、それぞれの回動アームには上記渦状溝に案内されるヘッドを形成し、これら２つの回動アームの回動角度差を検知する角度差検知センサを設け、この回動角度差から上記円盤の回転角度を求めるようにしたものである。

上記渦状溝を上記回転軸の周りに複数周回させて形成してもよい。

上記角度差検知センサは、一方の回動アームに随伴して回動する磁石と、他方の回動アームに随伴して回動する磁気検出素子とから構成してもよい。

上記円盤の外周に歯を形成して上記円盤を主歯車とし、この主歯車に副歯車を噛み合わせ、上記副歯車の回転角度を検知する副歯車回転角度センサを設け、この副歯車回転角度と上記２つの回動アームの回動角度差から求めた上記円盤の回転角度とを用い、上記円盤の精密な回転角度を求めるようにしてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）測定精度を向上させることができる。

（２）小型化ができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示されるように、本発明に係る回転角度測定装置は、回転する円盤１の面１ａに回転軸２を中心に周回しつつ回転軸２からの距離が漸増（あるいは漸減）する渦状溝３を形成し、円盤１外の回動軸４から円盤１の面１ａ上へ２つの回動アーム５，６を延ばし、一方の回動アーム５は回転軸２と回動軸４を結ぶ線の時計回り側に、他方の回動アーム６は回転軸２と回動軸４を結ぶ線の反時計回り側に振り分け、それぞれの回動アーム５，６には渦状溝３に案内されるヘッド７，８を形成し、これら２つの回動アーム５，６の回動角度差を検知する角度差検知センサ９を設け、この回動角度差から円盤１の回転角度を求めるようにしたものである。

渦状溝３は、回転軸２の周りに複数周回させて形成してもよい。図示した渦状溝３は、一端が円盤１の面１ａの最外周付近にあって、ここを起点に時計回りに進むと回転軸２からの距離が短くなるように形成されており、渦状溝３の反対端は円盤１の面１ａの最内周に至る。逆に見れば、最内周を起点にして、反時計回りに進むと回転軸２からの距離が長くなるように渦状溝３を形成しても、同じものが得られる。もちろん、従来技術の図７と同様に渦の向きを逆にしても原理は同じである。

渦状溝３は、例えば、断面がＵ字状に窪んだ溝である。ヘッド７，８は、先端の丸い棒が渦状溝３の窪みに嵌ることで、溝のピッチ方向（円盤１の径方向）への移動が規制されている。円盤１がほぼ１回転するとヘッド７，８が１ピッチ分移動することになる。

角度差検知センサ９は、２つの回動アーム５，６の回動角度差を検知できるものであれば何でもよいが、ここでは、一方の回動アーム５に随伴して回動する磁石１０と、他方の回動アーム６に随伴して回動する磁気検出素子（例えば、ホール素子）１１とから構成することにより、磁石１０に対する磁気検出素子１１の角度が変わるようにしてある。

角度差検知センサ９に接続されている演算回路１２は、磁気検出素子１１が検出する回動角度差から円盤１の回転角度を求めるものである。

操舵角検出への応用として図１の回転角度測定装置は、円盤１がステアリングシャフトに取り付けられ、回動軸４は車室内に固定される。

図１の回転角度測定装置の動作を説明する。

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円盤１が回転する。ヘッド７，８は、渦状溝３に案内されることから、円盤１が時計回りに回転すると、相対的に円盤１に対して反時計回りに移動することになるので、回転軸２から遠ざかり、円盤１が反時計回りに回転すると相対的に円盤１に対して時計回りに移動することになるので、回転軸２に近づく。

回動アーム５は回転軸２と回動軸４を結ぶ線の時計回り側に向いているので、ヘッド７が回転軸２から遠ざかる動きによって、回動アーム５が回動軸４の周りに反時計回りに回動する。一方、回動アーム６は回転軸２と回動軸４を結ぶ線の反時計回り側に向いているので、ヘッド８が回転軸２から遠ざかる動きによって、回動アーム６が回動軸４の周りに時計回りに回動する。つまり、２つの回動アーム５，６は互いに逆方向に回動する。このため、円盤１の回転に依存する２つの回動アーム５，６の回動角度差は単独の回動アームの回動角度よりも顕著に変化する。

演算回路１２は、角度差検知センサ９が検出する回動角度差から円盤１の回転角度を求める。このとき、円盤１の回転角度と回動アーム５，６の回動角度差との関係は図２の実線のようになる。右側の縦軸に角度差検知センサ９が出力する信号の大きさをとれば、この実線は、回転角度対信号の大きさのグラフとなる。なお、図２では、絶対回転角度が−１０８０°のとき回動角度差を０°としてある。また、この例では、２つの回動アーム５，６を回転軸２と回動軸４を結ぶ線に対して対称に振り分けている。図示のように、角度差検知センサ９が検出する回動角度差は、絶対回転角度が０°のときθ、絶対回転角度が１０８０°のとき２θとなる。一点鎖線で示した単独の回動アームの回動角度は絶対回転角度が１０８０°のときθにすぎない。すなわち、この実施形態では同じ回転角度に比して従来の２倍の値の信号が得られる。

このように、本発明は、回動アーム５，６の回動角度差から絶対回転角度を求めるようにしたので、角度差検知センサ９の出力信号に対してノイズが与える影響が小さくなり、その結果、回転角度測定精度が向上する。

また、回動アームが１つだった図７の回転角度測定装置に対して回動アームが１つ増えたとはいえ、余分な出っ張りなどが増えないので、回転角度測定装置を大型化させることがなく、図５の回転角度測定装置に比べると顕著に小型化ができることになる。

次に、他の実施形態を説明する。

図３に示した回転角度測定装置は、図１の構成に加え、図１の円盤１の外周１ｂに歯を形成して円盤１を主歯車１’とし、この主歯車１’に副歯車３１を噛み合わせ、副歯車３１の回転角度を検知する副歯車回転角度センサ３２を設け、演算回路１２’は、この副歯車回転角度と前述の２つの回動アーム５，６の回動角度差から求めた円盤１の回転角度とを用い、円盤１の精密な回転角度を求めるようにしたものである。

副歯車３１の歯数は主歯車１’の歯数よりも少なくしてある。副歯車回転角度センサ３２としては、例えば、副歯車３１に磁石３３を取り付け、回転しない場所にホール効果又は磁気抵抗効果で信号を生成する磁気検出素子３４を設置する。

図３の回転角度測定装置の動作を説明する。

円盤１の回転角度に対する回動角度差の変化は既に説明したとおりであり、図４に示されるように、角度差検知センサ９の出力信号Ａは回転角度の増加に対してリニアに増加し続ける。一方、副歯車回転角度センサ３２の出力信号Ｂは回転角度によって直線的な増大とその増大分のリセットとを繰り返す鋸波形となる。副歯車３１の歯数が主歯車１’の歯数よりも少ないので、出力信号Ｂは３６０°より短い周期を持つことになる。

ステアリングシャフトに伴って円盤１が回転が回転したときの諸部材の回動角度あるいは回転角度を比較すると、回動アーム５，６の回動角度より副歯車３１の回転角度が大きい。従って、副歯車３１の回転角度は、回動アーム５，６の回動角度よりも円盤１の回動角度を精密に表している。そこで、副歯車３１の回転角度を回動アーム５，６の回動角度から求まる円盤１の回転角度の計測精度を高める補助に用いる。

そこで、演算回路１２’は、出力信号Ｂが示す副歯車回転角度と角度差検知センサ９の出力信号Ａが示す円盤１の回転角度とを用い、円盤１の精密な回転角度を求める。具体的には、あらかじめ精密な回転角度が計測可能な精密計測機器を用いて、回転する円盤１もしくは回転軸２の回転角度を計測しつつ、出力信号Ａの値と出力信号Ｂの値とを読み取ることで、出力信号Ａの値と出力信号Ｂの値と精密な回転角度とを相互に関係付けてメモリに記憶しておき、その後、本発明の回転角度測定装置で回転角度を測定するとき、検出された出力信号Ａの値と出力信号Ｂの値とを用いてメモリから精密な回転角度を読み出す。

この形態によれば、副歯車回転角度センサ３２は、角度差検知センサ９より高感度に回転角度を検出することができるため、さらに高精度に回転角度を計測することが可能となる。また、従来構成より歯車の数が少なくなるため小型化が可能になる。

本発明の一実施形態を示す回転角度測定装置の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は平面図である。図１の回転角度測定装置における回転角度対回動角度差特性図である。本発明の一実施形態を示す回転角度測定装置の構成図（斜視図）である。図３の回転角度測定装置における回転角度対回動角度差及び副歯車回転角度センサ出力特性図である。従来の回転角度測定装置の構成図である。図５の回転角度測定装置における回転角度対各角度センサ出力特性図である。従来の回転角度測定装置の構成図である。図７の回転角度測定装置における回転角度対回動角度特性図である。

符号の説明

１円盤
１ａ（円盤の）面
２回転軸
３渦状溝
４回動軸
５，６回動アーム
７，８ヘッド
９角度差検知センサ

Claims

回転する円盤の面に渦状溝を形成し、上記円盤外の回動軸から上記円盤の面上へ２つの回動アームを延ばし、一方の回動アームは上記回転軸と上記回動軸を結ぶ線の時計回り側に、他方の回動アームは上記回転軸と上記回動軸を結ぶ線の反時計回り側に振り分け、それぞれの回動アームには上記渦状溝に案内されるヘッドを形成し、これら２つの回動アームの回動角度差を検知する角度差検知センサを設け、この回動角度差から上記円盤の回転角度を求めるようにしたことを特徴とする回転角度測定装置。
上記渦状溝を上記回転軸の周りに複数周回させて形成したことを特徴とする請求項１記載の回転角度測定装置。
上記角度差検知センサは、一方の回動アームに随伴して回動する磁石と、他方の回動アームに随伴して回動する磁気検出素子とから構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の回転角度測定装置。
上記円盤の外周に歯を形成して上記円盤を主歯車とし、この主歯車に副歯車を噛み合わせ、上記副歯車の回転角度を検知する副歯車回転角度センサを設け、この副歯車回転角度と上記２つの回動アームの回動角度差から求めた上記円盤の回転角度とを用い、上記円盤の精密な回転角度を求めるようにしたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の回転角度測定装置。