JP2010271180A

JP2010271180A - 多回転角度検出装置

Info

Publication number: JP2010271180A
Application number: JP2009123191A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sano; 正佐野
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】小型かつ安価にしてフェールセーフ性に優れた多回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】歯数が異なる第１ギア１１及び第２ギア１２を回転軸Ｙ−Ｙの周囲に同心に形成してなるロータ１と、第２ギア１２と噛み合わされ、その回転軸Ｘ−Ｘがロータ１の回転軸Ｙ−Ｙと交差する方向又は食い違う方向に配置された第２従動ギア１４と、第１ギア１１と噛み合わされ、その回転軸が第２従動ギア１４の回転軸と同心に配置された中継ギア１７と、中継ギア１７と噛み合わされ、その回転軸が第２従動ギア１４の回転軸と平行に配置された第１従動ギア１３と、第１及び第２の従動ギア１３，１４にそれぞれ取り付けられた第１及び第２の磁石１８，１９と、第１及び第２の磁石１８，１９とそれぞれ対向に配置された第１及び第２の磁気検出素子２０，２１とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば自動車のステアリングシャフトのように、３６０°を超える有限の角度範囲内で回転する多回転体の回転角を検出する多回転角度検出装置に関する。

従来、この種の多回転角度検出装置としては、ステアリングなどに連動して回転する回転体の歯車と、この歯車に係合する、歯数の異なる二つの歯車と、これらの二つの歯車のそれぞれに設けたマグネットと、これらのマグネットに対応する角度センサから構成され、これらの角度センサの測定結果に基づき、所定の演算式によって回転体の角度を測定するものがある。

特表平１１−５００８２８号公報

しかしながら、従来の回転角度検出装置は、回転体の歯車と、この歯車に係合する、歯数の異なる二つの歯車とが１つの平面におかれているため、多回転角度検出装置の外形寸法が大きくなるという問題がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、その目的は、外形寸法の小さい多回転角度検出装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、回転体と一体的に回転し、歯数が異なる第１ギア及び第１ギヤの歯数よりも少ない歯数をもつ第２ギアを同一面側で同心に形成してなるロータと、ロータの回転軸を含む平面と交差する方向に回転軸を有し、第２ギヤと噛み合わされて回転する第２従動ギアと、第２従動ギヤと同心に回転するように、第２従動ギヤから延設された延設部と回転可能に係合する係合孔を中央部に有し、第１ギアと噛み合わされて回転する中継ギアと、中継ギアと噛み合わされ、前記第２従動ギアの回転軸と平行な回転軸を有して回転する第１従動ギアと、前記第１従動ギアに取り付けられた第１磁石と、前記第２従動ギアの前記延設部に取り付けられた第２磁石と、前記第１磁石と対向するように配置された第１磁気検出素子と、前記第２磁石と対向するように配置された第２磁気検出素子と、前記第１及び第２の磁気検出素子を実装した回路基板と、前記各部材を収納するハウジングとを備えるという構成にした。

かかる構成によると、ロータの回転軸を含む平面に対して第１従動ギア、中継ギア、及び第２従動ギアの回転軸を交差させたので、側面方向からハウジングを見てＬ字形状とすることができ、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化できる。また、第１磁石及び第２磁石を同一平面上に配置させることができるので、それらの各磁石に対向する第１，第２磁気検出素子を１枚の回路基板に実装でき、構造を簡単化して低コスト化することができる。さらに、第２ギア及び第２従動ギアのいずれか一方の歯、若しくは、第１ギアと中継ギアと第１従動ギアのいずれか１つの歯に破損又は欠けなどが生じた場合、第１従動ギアに対応する第１磁気検出素子からの検出信号と第２従動ギアに対応する第２磁気検出素子からの検出信号とを比較することによって故障を検出することができるので、信頼性及びフェールセーフ性に優れた多回転角度検出装置を提供できる。

また本発明は、延設部が、ギヤが形成された支持部よりも大径に形成され、係合孔が、支持部と回転可能に係合する第１孔部と、延設部と回転可能に係合する第２孔部とが連通されてなり、第１従動ギヤ及び第２従動ギヤが、ハウジングの内壁からロータの回転軸を含む平面と交差する方向に突設された第１支持軸及び第２支持軸にそれぞれ回転可能に支持される構成が好ましい。

かかる構成によると、中継歯車を第２従動歯車で回転可能に支持できるので、部品点数を削減して装置全体を簡単かつコンパクトな構成にすることができ、より一層の小型化・低コスト化を図ることができる。

また本発明は、中継ギヤが、第１ギヤと噛み合う第３ギヤと、第１従動ギヤと噛み合う第４ギヤとを有する構成にした。

かかる構成によると、第１従動ギヤの歯数と第２従動ギヤの歯数の選択自由度を拡大でき、特に第１従動ギヤと第２従動ギヤとの回転速度の差を小さく設定できるので、小型で高範囲な角度検出を可能とする多回転角度検出装置を提供できる。

本発明の多回転角度検出装置は、ロータの回転軸を含む平面に対して第１従動ギア、中継ギア、及び第２従動ギアの回転軸を交差させて、側面から見てハウジングをＬ字形状とすることができ、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化できる。

実施形態に係る多回転角度検出装置の平面図である。実施形態に係る多回転角度検出装置の側断面図である。実施形態に係る多回転角度検出装置に備えられる各ギアの配列を示す正面図である。実施形態に係る多回転角度検出装置の要部分解斜視図である。実施形態に係る多回転角度検出装置が採用可能な第１ギア及び第２ギアの歯数の組合せを例示する表図である。実施形態に係る多回転角度検出装置の回転角検出フローを示すフロー図である。実施形態に係る多回転角度検出装置におけるロータの絶対角と磁気検出素子から出力される角度信号との関係を示すグラフ図である。

まず、実施形態に係る多回転角度検出装置の機械的構成につき、図１乃至図５を用いて説明する。

本例の多回転角度検出装置は、これらの図に示すように、例えばステアリングシャフトなどの回転体に取り付けられ、回転体と一体的に回転するロータ１と、このロータ１を回転可能に保持し、回転体の周囲に配置された固定部に固定されるハウジング（ステータ）２とを有している。ハウジング２は、ケース３とカバー４との組合せにより構成されており、図２に示すように、側面方向から見てＬ字形状に形成されている。ロータ１及びハウジング２は、いずれも合成樹脂材料をもって形成される。このうち、ロータ１は、円滑に回転させるという観点や耐温度特性を向上させるという観点で優れた合成樹脂材料、例えばポリアセタールなどをもって形成される。以下に説明する各従動ギア及び中継ギアも同様である。

ロータ１の下面の外周部には、互いに歯数が異なる第１ギア１１及び第２ギア１２が、回転体の回転軸、即ち、ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙと同心に形成されている。第１ギヤ１１よりもロータ１の内周側に形成され、第１ギア１１よりも歯数が少ない第２ギア１２には、ケース３に形成された第２ギア軸１６に回転可能に取り付けられた第２従動ギア１４が噛み合わされる。第２ギア軸１６の中心軸、即ち、第２従動ギア１４の回転軸Ｘ−Ｘは、ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面に対して交差する方向（図２の例では、回転軸Ｙ−Ｙと直交している。）に形成されている。したがって、第２ギア１２及びこれに噛み合う第２従動ギア１４としては、直交交差軸用歯車としてすぐばかさ歯車、まがりばかさ歯車フェースギヤなどが用いられ、直交食い違い軸用歯車としてフェースギアなどが用いられる。ここで、第２従動ギヤ１４として直交交差軸用歯車を用いるか、あるいは直交食い違い軸用歯車を用いるかは、求められる装置の外形形状に合わせて適宜選択できる。

第２従動ギヤ１４は、図４に示すように、支持部１４ａと支持部１４ａよりも大径に形成された延設部１４ｂとを有し、支持部１４ａにはロータ１の第２ギヤと噛み合うギヤが形成されており、延設部１４ｂの回路基板２２側の面には後述する第２磁石１９が取り付けられる。

一方、ロータ１の下面外周部において第２ギヤ１２よりも外周側に形成され、第２ギア１２よりも歯数が多い第１ギア１１には、第２従動ギア１４と同心に配置されたリング状の中継ギア１７が噛み合わされる。中継ギア１７は、第１ギヤ１１に噛み合う第３ギヤ１７ａと、後述する第２従動ギヤ１３に噛み合う、平歯車からなる第４ギヤ１７ｂとを有し、またその中央部には小径の第１係合孔１７ｃと、第１係合孔１７ｃよりも大径の第２係合孔１７ｄとが連通してなる係合孔１７ｅが形成されている。図２に示すように、第２従動ギヤ１４の支持部１４ａが第１係合孔１７ｃと回転可能に係合し、第２従動ギヤ１４の延設部１４ｂが第２係合孔１７ｄと回転可能に係合するので、第２ギヤ軸１６に軸支された第２従動ギア１４に中継ギヤ１７が回転可能に保持される。また、第２従動ギア１４の磁石取付面、即ち延設部１４ｂの回路基板２２側の面は、中継ギア１７の回路基板２２側の面と略同一平面となるように、係合孔１７ｅに露出される。中継ギア１７の第３ギヤ１７ａ及びこれに噛み合う第１ギア１１としては、第２従動ギア１４と同様の直交交差軸用歯車又は直交食い違い軸用歯車が形成され、第４ギヤ１７ｂとしては、平歯車が形成されている。

中継ギア１７の平歯車１７ｂには、第１従動ギア１３が噛み合わされる。この第１従動ギア１３は、平歯車をもって構成されており、ケース３に形成された第１ギア軸１５に回転可能に取り付けられている。

第１従動ギア１３の回路基板２２側の面に第１磁石１８が取り付けられ、第２従動ギア１４の延設部１４ｂに取り付けられた第２磁石１９と略同一平面上に配置される。

このように、第１，第２磁石１８，１９が略同一面上に配置されるので、たった１枚の回路基板２２上に第１磁気検出素子２０及び第２磁気検出素子２１を実装することができる。即ち、回路基板２２の第１磁石１８と対向する部分には、第１従動ギア１３の回転に伴う磁場の変化を検出する第１磁気検出素子２０が配置され、第２磁石１９と対向する部分には、第２従動ギア１４の回転に伴う磁場の変化を検出する第２磁気検出素子２１が配置される。これらの磁気検出素子２０，２１としては、磁界の強さの影響をあまり受けず安定性が高いことから、ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive：巨大磁気抵抗）センサが多用される。なお、回路基板２２には、第１、第２磁気検出素子２０，２１の検出信号からロータ１の回転角度を算出するマイクロプロセッサ２３も備えられる。

第１ギア１１の歯数は、ロータ１の最大回転数をＮ（Ｎは整数）、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比をｎ（ｎは整数）とするとき、Ｎ×ｎのｍ倍（ｍは整数）で構成されている。本実施形態では、例えば、ロータ１が中立位置から左右に２回転ずつ回転する間（最大回転数Ｎ＝４）の絶対角を検出するものとし、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比をｎ＝２、ｍの値を８とすると、歯数が６４（４×２（＝８）の８倍）となる。

これに対して、第２ギア１２の歯数はＮ×ｎ−１のｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成されている。本実施形態では、歯数が５６（４×２−１（＝７）の８倍）で形成されている。

なお、第１ギア１１及び第２ギア１２の歯数の組合せは、前記組合わせに限定されるものではなく、図５に示す他の組合せとすることもできる。

第１従動ギア１３は、第１ギア１１が上述の構成を有するものとするとき、歯数が第１ギア部１１と第２ギア１２とのそれぞれの歯数差のＮ倍で構成されている。本実施形態では、Ｎ＝４であり、歯数差が６４−５６＝８であるから、第１従動ギア１３の歯数は４×８＝３２で構成されている。

第２従動ギア１４の歯数は、第２ギア１１が上述の構成を有するものとするとき、第１従動ギア１３と同様に構成されており、本実施形態では３２となる。

次に、マイクロプロセッサ２３によって行われる回転角の検出処理につき、図６及び図７を用いて説明する。図６は実施形態に係る多回転角度検出装置の回転角検出フローを示すフロー図、図７は実施形態に係る多回転角度検出装置におけるロータの絶対角と磁気検出素子から出力される角度信号との関係を示すグラフ図である。

マイクロプロセッサ２３は、第１磁気検出素子２０及び第２磁気検出素子２１の出力信号に基づいて、図７（ａ）に示すように、第１従動ギア１３が０度から３６０度まで回転する間に出力値が０％から１００％までリニアに変化する第１角度信号Ａ１、及び第２従動ギア１４が０度から３６０度まで回転する間に出力値が０％から１００％までリニアに変化する第２角度信号Ａ２とを算出する。第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４の回転が２回転目となると、それぞれ出力値が０％に不連続的に戻り、各従動ギア１３，１４の回転とともに再びリニアに増加する。

また、マイクロプロセッサ２３は、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２に基づいて、ロータ１の絶対回転角を算出するための演算処理を行う。この演算処理は、図６に示すように、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２とを検出してこれらの差分を計算する第１のステップ（Ｓ１）と、この差分を補正する第２のステップ（Ｓ２）と、ロータ１の絶対角を算出する第３のステップ（Ｓ３）とからなる。

ロータ１の回転に対して、第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とが互いに異なる回転速度で回転するので、回転角の値にずれが生じて第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２との間に差が生じてくる。そこで、第１のステップ（Ｓ１）では、図７（ｂ）に示すように、第１角度信号Ａ１の出力値から第２角度信号Ａ２の出力値を差し引いて、差分信号Ａ３を算出する処理を行う。この差分信号Ａ３はロータ１の絶対角によって異なる値となり、ロータ１が４回転すると第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とは、１回転分の回転角度差となって、差分信号Ａ３は再び０となる。

第２のステップ（Ｓ２）では、図７（ｃ）に示すように、差分信号Ａ３が負の値を示しているときにこの差分値に１００を加えて補正値信号Ａ４を算出する処理を行う。この補正値信号Ａ４も、検出すべき絶対角の全範囲と１対１で対応しており、その間０％から１００％までリニアに変化する値となる。

第３のステップ（Ｓ３）は、補正信号Ａ４に基づいて１回転を超えるロータ１、即ち回転体の絶対角を検出する処理を行う。

次に、本実施形態に係る多回転角度検出装置を自動車用ステアリングシャフトの回転角検出に適用した場合の回転角検出方法について説明する。

運転者が自動車のハンドルを回転すると、ハンドルとともにロータ１が回転する。このとき、第１ギア１１及び中継ギア１７を介して第１従動ギア１３が回転し、第２ギア１２を介して第２従動ギア１４が第１従動ギア１３と逆方向に回転する。この際、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比が２なので、ロータ部１が１回転する間に第１従動ギア１３は２回転する。

第１従動ギア１３は、ロータ１が１８０度回転する度に１回転する。そこで、この間の第１角度信号Ａ１は、０％から１００％まで変化する三角波であらわされる。ロータ１が４回転して絶対角が０度から１４４０度の間を変化する間に第１従動ギア１３は８回転するので、この三角波は、図７（ａ）に示すように全体で８周期となる。これに対して、
第２角度信号Ａ２は、ロータ１が４回転する間に第２従動ギア１４が７回転するので、図７（ａ）に示すようにこの三角波の周期は全体で７周期となる。

第１角度信号Ａ１及び第２角度信号Ａ２に対して第１のステップ（Ｓ１）の処理を行うと、図７（ｂ）に示すように、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ１との出力差である差分信号Ａ３を算出する。この差分信号Ａ３は負の範囲を有するので、この値を第２ステップ（Ｓ２）で補正して、図３（ｃ）に示すような補正値信号Ａ４を算出する。続いて、第３ステップ（Ｓ３）において、補正値信号Ａ４に基づいて１回転を超えるロータ１、即ち回転体の絶対角を検出する処理を行う。

実施形態に係る多回転角度検出装置は、ロータ１の回転軸（Ｙ−Ｙ）を含む平面に対して、第１従動ギア１３と第２従動ギア１４と中継ギア１７との回転軸をそれぞれ交差させて配置したので、多回転角度検出装置のハウジングを側面方向から見てＬ字形状とすることができ、平面サイズを小型化することができる。また、ロータ１の同一面側に第１ギヤと第１ギヤよりも少ない歯数の第２ギヤとを形成し、第２ギヤと噛み合う第２従動ギヤには延設部を延設し、第１ギヤと噛み合って第２従動ギヤと同心に回転する中継ギヤの中央には延設部と回転可能に係合する係合孔を形成し、中継ギヤに噛み合って回転するように第１従動ギヤを設け、第１従動ギヤ及び第２従動ギヤに第１磁石及び第２磁石を取り付けると共に、それらの各磁石に対向するように第１，第２磁気検出素子２０，２１を１枚の回路基板２２に実装したので、ハウジング内の構造を簡単化して低コスト化することができる。さらに、第１ギア１１と中継ギア１７と第１従動ギア１３のいずれか１つの歯、若しくは、第２ギア１２及び第２従動ギア１４のいずれか一方の歯に破損又は欠けが生じた場合、第１従動ギア１３に対応する第１磁気検出素子２０からの検出信号と第２従動ギア１４に対応する第２磁気検出素子２１からの検出信号とを比較することによって故障を検出することができるので、信頼性及びフェールセーフ性に優れた多回転角度検出装置を提供できる。

また、第２従動ギヤ１４の延設部１４ｂを、ギヤが形成された支持部１４ｂよりも大径に形成し、中継ギヤの係合孔１７ａを、支持部１４ｂと回転可能に係合する第１孔部１７ｂと、延設部１４ｂと回転可能に係合する第２孔部１７ｃとを連通するように形成し、第１従動ギヤ１３及び第２従動ギヤ１４を、ハウジングの内壁からロータ１の回転軸を含む平面と交差する方向に突設された第１ギヤ軸１５及び第２ギヤ軸１６にそれぞれ回転可能に支持するので、中継ギヤ１７を第２従動ギヤ１４で回転可能に支持でき、部品点数を削減して装置全体を簡単かつコンパクトな構成にすることができるので、より一層の小型化・低コスト化を図ることができる。

さらに、中継ギヤ１７は、第１ギヤ１１と噛み合う第３ギヤ１７ａと、第１従動ギヤ１３と噛み合う第４ギヤ１７ｂとを有するので、第１従動ギヤ１３の歯数と第２従動ギヤ１４の歯数の選択自由度を拡大でき、特に第１従動ギヤ１３と第２従動ギヤ１４との回転速度の差を小さく設定できるので、小型で高範囲な角度検出を可能とする多回転角度検出装置を提供できる。

なお、本発明の要旨は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態に係る多回転角度検出装置は自動車用としているが、自動車に限られるものではなく、電車や船等の他の乗物にも適用することができる。また、上記実施形態ではギア比をｎ＝２としているが、その他のギヤ比とすることもできる。また、中継ギヤ１７として、第１ギヤ１１と噛み合う第３ギヤ１７ａと、第１従動ギヤ１３と噛み合う第４ギヤ１７ｂとを有する構成としたが、第４ギヤ１７ｂのない構成、即ち第３ギヤ１７ａが第１従動ギヤ１３と噛み合う構成としてもよい。

本発明は、自動車におけるステアリングシャフトの回転角検出などに利用できる。

１ロータ
２ハウジング（ステータ）
１１第１ギア
１２第２ギア
１３第１従動ギア
１４第２従動ギア
１５第１ギア軸
１６第２ギア軸
１７中継ギア
１８第１磁石
１９第２磁石
２０第１磁気検出素子
２１第２磁気検出素子
２２回路基板
２３マイクロプロセッサ

Claims

回転体と一体的に回転し、第１ギア及び該第１ギヤの歯数よりも少ない歯数をもつ第２ギアを同一面側で同心に形成してなるロータと、該ロータの回転軸を含む平面と交差する方向に回転軸を有し、前記第２ギアと噛み合わされて回転する第２従動ギアと、該第２従動ギヤと同心に回転するように、該第２従動ギヤから延設された延設部と回転可能に係合する係合孔を中央部に有し、前記第１ギアと噛み合わされて回転する中継ギアと、該中継ギアと噛み合わされ、前記第２従動ギアの回転軸と平行な回転軸を有して回転する第１従動ギアと、前記第１従動ギアに取り付けられた第１磁石と、前記第２従動ギアの前記延設部に取り付けられた第２磁石と、前記第１磁石と対向するように配置された第１磁気検出素子と、前記第２磁石と対向するように配置された第２磁気検出素子と、前記第１及び第２の磁気検出素子を実装した回路基板と、前記各部材を収納するハウジングとを備えたことを特徴とする多回転角度検出装置。
前記延設部は、ギヤが形成された支持部よりも大径に形成され、前記係合孔は、前記支持部と回転可能に係合する第１孔部と、前記延設部と回転可能に係合する第２孔部とが連通されてなり、前記第１従動ギヤ及び第２従動ギヤは、前記ハウジングの内壁から前記ロータの回転軸を含む平面と交差する方向に突設された第１支持軸及び第２支持軸にそれぞれ回転可能に支持されたことを特徴とする請求項１に記載の多回転角度検出装置。
前記中継ギヤは、前記第１ギヤと噛み合う第３ギヤと、前記第１従動ギヤと噛み合う第４ギヤとを有することを特徴とする請求項２に記載の多回転角度検出装置。