JP2013120125A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組付工数及びコストが抑制される絶対角度検出方式の回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】回転角度検出装置１１は、ステアリングシャフト１２と一体的に回転する主動歯車１４ａ，１４ｂに噛合する第１及び第２の従動歯車１５，１６を備える。第１の従動歯車１５には第１の磁石１７が、第２の従動歯車１６には第２の磁石１８が固定される。回転角度検出装置１１は、第１及び第２の磁石１７，１８の間に、これらにより形成される合成磁界を検出する磁気センサ２０を備える。回転角度検出装置１１のＣＰＵ２５は、磁気センサ２０を通じて検出する合成磁界の強さに基づいて、主動歯車１４ａ，１４ｂ、すなわちステアリングシャフト１２の回転角度を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転体の角度を検出する回転角度検出装置に関するものである。

近年では、車両の高機能化に伴い、車両には車両安定性制御システム及び電子制御サスペンションシステム等の走行安定性を向上させるための種々のシステムが搭載されつつある。これらシステムは、ステアリングの操舵角を車両の姿勢情報の一つとして取得し、その姿勢情報に基づいて車両の姿勢が安定的な状態になるように制御する。そのため、ステアリングの操舵角を検出するための回転角度検出装置が例えば車両のステアリングコラム内に組み込まれている。この種の回転角度検出装置としては、操舵角を絶対値で検出する絶対角検出方式及び操舵角を相対値で検出する相対角検出方式がある。いずれの検出方式にするかは製品仕様等に応じて決定される。

そうした２方式のうち絶対角検出方式の回転角度検出装置としては、例えば特許文献１に示される構成が知られている。この回転角度検出装置は、ステアリングシャフトと一体的に回転する主動歯車、及び当該主動歯車に歯合する２つの従動歯車を備えている。両従動歯車には磁石が一体回転可能に設けられている。また、２つの従動歯車の歯数は異なっており、これにより主動歯車の回転に伴う両従動歯車の回転角度を異ならせるようにしている。そして、回転角度検出装置の制御装置は、両従動歯車にそれぞれ対応して設けられた、すなわち２つの磁気センサにより両従動歯車の回転角度を検出し、それら検出した回転角度に基づいてステアリングシャフトの回転角度を求める。

特開２００７−２３２６１７号公報

前記従来の回転角度検出装置は、２つの磁気センサを採用しているため、２つ分の組付工数及びコストがかかるという課題があった。
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、組付工数及びコストが抑制される絶対角度検出方式の回転角度検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、被検出物と一体的に回転する主動歯車と、前記主動歯車に噛合し、当該主動歯車の回転に伴い異なる速度で回転する２つの従動歯車と、前記２つの従動歯車のそれぞれに固定される２つの磁石と、前記２つの磁石の間に設けられて、当該２つの磁石により形成される合成磁界を検出する磁気センサと、前記磁気センサによって検出される合成磁界の強さに基づいて前記被検出物の回転角度を算出する制御手段とを備えたことを要旨とする。

従来の回転角度検出装置では、２つの従動歯車のそれぞれに固定され、当該従動歯車の回転に伴い回転する２つの磁石によりそれぞれ形成される磁界を、２つの磁気センサによって検出することにより、主動歯車（被検出物）の回転角度を求めていた。このため、回転角度検出装置を組立てる際、磁気センサ２つ分の組付工数がかかる。その点、同構成によれば、２つの磁石により形成される合成磁界を１つの磁気センサにより検出する。主動歯車の回転角度と合成磁界の強さとの間には比例関係が存在するので、磁気センサが１つであっても、主動歯車の回転角度、ひいては被検出物の回転角度を求めることができる。このため、従来に比べ、磁気センサ１つ分の組付工数及びコストを抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転角度検出装置において、前記２つの従動歯車は、回転中心軸が一致するように且つ回転中心軸方向に沿って並んで設けられることを要旨とする。

同構成によれば、２つの従動歯車の回転中心軸が一致しているので、当該回転中心軸方向に２つの従動歯車が並ぶ。このため、回転角度検出装置を、２つの従動歯車の径方向において小型化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転角度検出装置において、前記磁気センサは、前記２つの従動歯車の前記回転中心軸上に配設されることを要旨とする。
同構成によれば、従動歯車の回転の有無にかかわらず、磁気センサと２つの磁石それぞれとの距離が一定となる。従って、磁気センサにおいて、２つの磁石それぞれから発生する磁界の強さは、磁界の向きによらず一定である。このため、合成磁界の強さは、２つの磁石それぞれから発生する磁界の向きに依存する。このようにしても、制御手段は、合成磁界の強さから被検出物の回転角度を検出することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の回転角度検出装置において、前記２つの磁石は、前記２つの従動歯車の前記回転中心軸上に設けられることを要旨とする。
同構成によれば、磁石と磁気センサとの距離は、磁石が従動歯車の他の位置（例えば、回転中心軸から従動歯車の径方向にずれた位置）に配設されている場合に比べて近くなる。磁石との距離が近いほど、当該磁石から発生する磁界の強さは強い。このため、磁気センサは、２つの磁石それぞれから発生する磁界が互いに打ち消し合って合成磁界の強さが弱くなった場合でも、合成磁界を検出しやすい。従って、制御手段は、合成磁界の強さから被検出物の回転角度を検出することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、前記２つの磁石は、互いに同じ強さの磁界を発生するものであって、前記磁気センサは、前記２つの磁石との距離が等しく配設されることを要旨とする。

同構成によれば、磁気センサにおいて、２つの磁石の磁石から発生する互いの磁界が完全に打ち消し合う状態を生じさせることができる。これを利用すれば、回転角度検出装置が検出する被検出物の回転角度と、実際の被検出物の回転角度とのずれの有無を容易に判断することができる。

本発明では、組付工数及びコストが抑制される絶対角度検出方式の回転角度検出装置を提供することができる。

回転角度検出装置の平断面図。 図１の１−１線断面図。 回転角度検出装置の電気的な構成を示すブロック図。 （ａ）は磁気センサにおける合成磁界の強さが最大となるときの模式図、（ｂ）は磁気センサにおける合成磁界が０（零）となるときの模式図。 ステアリングシャフトの回転角度と、磁気センサにおいて検出されるＸ方向及びＹ方向における合成磁界の強さとの関係を示す関係図。

以下、本発明を、ステアリングの操舵角を検出する回転角度検出装置に具体化した一実施の形態について図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、回転角度検出装置１１は、図示しないステアリングに一体回転可能に連結されたステアリングシャフト１２に装着されている。回転角度検出装置１１は、ステアリングシャフト１２の周囲の図示しないステアリングコラム等の構造体に固定された箱体状のハウジング１３を備えている。図２に示すように、このハウジング１３内には、ステアリングシャフト１２に一体回転可能に外嵌された第１及び第２の主動歯車１４ａ，１４ｂが収容されるとともに、当該第１及び第２の主動歯車１４ａ，１４ｂに噛合する第１及び第２の従動歯車１５，１６が回転可能に支持されている。従って、ステアリングシャフト１２が回転すると、第１及び第２の主動歯車１４ａ，１４ｂは一体的に回転し、それに伴って第１及び第２の従動歯車１５，１６もそれぞれ回転する。なお、第１の主動歯車１４ａは、ピッチ円直径Ｄ１、モジュールＭ１、歯数Ｚとされている。第２の主動歯車１４ｂは、ピッチ円直径Ｄ２、モジュールＭ２、歯数Ｚとされている。第１の従動歯車１５は、ピッチ円直径ｄ１、モジュールＭ１、歯数ｚ１とされている。第２の従動歯車１６は、ピッチ円直径ｄ２、モジュールＭ２、歯数ｚ２とされている。なお、各モジュールと歯数とが、次の（式１）を満たすように設定する。

（Ｚ＋ｚ１）×Ｍ１＝（Ｚ＋ｚ２）×Ｍ２ ・・・（式１）
このため、第１及び第２の主動歯車１４ａ，１４ｂの回転角度に対する第１及び第２の従動歯車１５，１６の回転角度はそれぞれ異なる。また、（式１）が満足するとき、図２に示すように、第１及び第２の従動歯車１５，１６は、互いの回転中心軸Ｏの軸方向が一致する。

第１及び第２の従動歯車１５，１６には、第１及び第２の磁石（永久磁石）１７，１８が一体回転可能に設けられている。第１の磁石１７は、第１の従動歯車１５の下部開口部を介して下方を臨むように、第２の磁石１８は、第２の従動歯車１６の上部開口部を介して上方を臨むように設けられている。また、ハウジング１３の内部において、第１の従動歯車１５と第２の従動歯車１６との間には、プリント基板１９が第１及び第２の従動歯車１５，１６の回転中心軸Ｏに対して直交するように配設されている。そして、当該プリント基板１９の上面には、磁気センサ２０が第１の磁石１７に対向するように配設されている。ここでは、磁気センサ２０は、第１及び第２の磁石１７，１８からの距離が等しくなるように配設されている。また、プリント基板１９の下面において、第１及び第２の従動歯車１５，１６の回転中心軸Ｏからずれた位置には、マイクロコンピュータ２３が設けられている。なお、マイクロコンピュータ２３は、第２の従動歯車１６に干渉しないように設けられている。また、第１及び第２の磁石１７，１８は、互いに同じ強さの磁界を発生する。

＜電気的構成＞
次に、回転角度検出装置１１の電気的構成を説明する。図３に示すように、回転角度検出装置１１は、前述した磁気センサ２０、並びにマイクロコンピュータ２３に加えて、電源回路２４を備えている。電源回路２４は、図示しない車両のバッテリから入力される電圧を、磁気センサ２０、並びにマイクロコンピュータ２３等の回転角度検出装置１１の各部にそれぞれ応じた所定レベルの電圧に変換し、それら電圧を回転角度検出装置１１の各部に供給する。磁気センサ２０、並びにマイクロコンピュータ２３等はそれぞれ電源回路２４から安定して供給される所定レベルの電圧を動作電源として動作する。

＜磁気センサ＞
磁気センサ２０は、例えばホールＩＣからなる。磁気センサ２０は、第１及び第２の従動歯車１５，１６の径方向に任意に設定されるＸ方向及びＹ方向における磁界（磁束密度）を検出する。ここでは、図２に示すように、右方向をＸ方向、紙面に垂直方向をＹ方向とする。そして、磁気センサ２０は、Ｘ方向の磁束密度に応じた電気信号と、Ｙ方向の磁束密度に応じた電気信号とを生成する。なお、磁気センサ２０は、第１の従動歯車１５と第２の従動歯車１６との間に配設されているので、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、磁気センサ２０の周囲には、第１の磁石１７からの磁界と第２の磁石１８からの磁界とが合成された合成磁界が形成される。従って、磁気センサ２０は、合成磁界のＸ方向成分及びＹ方向成分を検出する。図３に示すように、磁気センサ２０により生成された２つの電気信号は、マイクロコンピュータ２３に送られる。

＜マイクロコンピュータ＞
マイクロコンピュータ２３は、ＣＰＵ（中央演算装置）２５、ＥＥＰＲＯＭ（電気的に書き換えできるＲＯＭ）２６及びＲＡＭ（書き込み読み出し専用メモリ）２７等を備えている。

ＥＥＰＲＯＭ２６には、回転角度検出装置１１の全体を統括的に制御するための各種の制御プログラム及びデータが予め格納されている。ＲＡＭ２７はＥＥＰＲＯＭ２６の制御プログラムを展開してＣＰＵ２５が各種処理を実行するためのデータ記憶領域、即ち作業領域である。

ＥＥＰＲＯＭ２６に格納される制御プログラムとしては、回転角度算出プログラムがある。回転角度算出プログラムは、磁気センサ２０からの電気信号に基づいてステアリングシャフト１２の回転角度θを絶対値で求めるためのプログラムである。

図３に示されるように、ＣＰＵ２５には、角度演算部２８が設けられている。角度演算部２８は、ＥＥＰＲＯＭ２６に格納された回転角度算出プログラムに従って、ステアリングシャフト１２の回転角度θを求める。

次に、ステアリングシャフト１２の回転に伴う合成磁界の変化について説明する。
前述したように、第１及び第２の従動歯車１５，１６の歯数は異なっていることから、第１及び第２の主動歯車１４ａ，１４ｂの回転に伴う第１及び第２の従動歯車１５，１６の回転角度も異なる値となる。このため、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、磁気センサ２０における合成磁界の向き及び強さも変化する。合成磁界は、ベクトルによって表されるので、例えば、図４（ａ）に示すように、第１及び第２の磁石１７，１８が、ともにＸ方向に向かってＮ極、Ｓ極の順とされている場合には、磁気センサ２０における合成磁界を示すベクトルはＸ方向に向かう。合成磁界の大きさは、第１の磁石１７の磁界と第２の磁石１８の磁界とを足し合わせた磁界となる。この状態のとき、合成磁界の大きさは最大となる。図４（ｂ）に示すように、第１の磁石１７がＸ方向に向かってＮ極、Ｓ極の順とされ、第２の磁石１８が、Ｘ方向に向かってＳ極、Ｎ極の順とされている場合には、磁気センサ２０における合成磁界を示すベクトルは０（ゼロ）となる。第１の磁石１７から磁気センサ２０に入る磁界の向きと第２の磁石１８から磁気センサ２０に入る磁界の向きとは、互いに反対方向であって、これら磁界は互いに打ち消し合うからである。この状態のとき、合成磁界の大きさは最小となる。なお、本実施の形態では、磁気センサ２０と第１の磁石１７との距離、及び磁気センサ２０と第２の磁石１８との距離が等しく設定されていることと、第１及び第２の磁石１７，１８は、互いに同じ強さの磁界を発生することにより、図４（ｂ）に示す状態、すなわち、合成磁界の大きさが最小となるとき、磁気センサ２０における合成磁界の大きさは、０（零）となる。このように、磁気センサ２０における合成磁界の向き及び強さは、第１及び第２の主動歯車１４ａ，１４ｂ、すなわち、ステアリングシャフト１２の回転角度θに応じて変化する。このため、ステアリングシャフト１２の回転角度θに対して磁気センサ２０における合成磁界のＸ方向及びＹ方向への強さは、図５に示すように変化する。なお、図５において、横軸の左端はステアリングシャフト１２における反時計方向への回転限度、横軸の右端はステアリングシャフト１２における時計方向への回転限度を示す。

図５に示すように、磁気センサ２０における合成磁界のＸ方向成分及びＹ方向成分の振幅の大きさは、ステアリングシャフト１２が反時計方向へ回転するに従って大きくなり、ステアリングシャフト１２が時計方向へ回転するに従って小さくなる。これは、ステアリングシャフト１２が反時計方向へ回転するに従って、第１及び第２の磁石１７，１８の位置関係が図４（ａ）に示す状態に、ステアリングシャフト１２が時計方向へ回転するに従って、第１及び第２の磁石１７，１８の位置関係が図４（ｂ）に示す状態に近づくためである。合成磁界の強さは、三平方の定理から、Ｘ方向における強さの２乗と、Ｙ方向における強さの２乗とを足し合わせたものの平方根に等しい。従って、図５に示すように、ステアリングシャフト１２の回転角度θに対し、磁気センサ２０における合成磁界の強さは、直線的に変化する。すなわち、合成磁界の強さは主動歯車１４ａ，１４ｂの回転角度θに対して固有の値となる。このため、当該平方根の値に基づいて主動歯車１４ａ，１４ｂ、即ちステアリングシャフト１２の回転角度θ（絶対値）の即時検出が可能となる。

具体的には、ステアリングシャフト１２の回転角度θは、磁気センサ２０における合成磁界のＸ方向成分の強さＸ（式中では、Ｘの上に→を付したものの絶対値）の２乗と、Ｙ方向成分の強さＹ（式中では、Ｙの上に→を付したものの絶対値）の２乗とを足し合わせたものの平方根の関数であり、（式２）のように表される。

ＣＰＵ２５の角度演算部２８は、（式２）に基づいて主動歯車１４ａ，１４ｂ、即ちステアリングシャフト１２の回転角度θを算出する。そして、（式２）に基づいて算出した回転角度θを、車両安定性制御システム及び電子制御サスペンションシステム等の走行安定性を向上させるための種々のシステム（正確には、それらの制御装置）に送る。

＜回転角度θの演算処理＞
次に、回転角度検出装置１１によるステアリングシャフト１２の回転角度θの演算処理について説明する。当該処理は、ＥＥＰＲＯＭ２６に格納された回転角度算出プログラムに沿って実行される。

ＣＰＵ２５の角度演算部２８は、磁気センサ２０からの電気信号に基づいて、合成磁界のＸ方向の強さＸ及びＹ方向の強さＹを得る。次に、得られた合成磁界のＸ方向の強さＸ及びＹ方向の強さＹを、ＥＥＰＲＯＭ２６に記憶されている（式２）に代入することにより、ステアリングシャフト１２の回転角度θを絶対値で求める。

以上の処理により、一つの磁気センサ２０を使用してステアリングシャフト１２の回転角度θを求めることができる。そして、ＣＰＵ２５は、角度演算部２８において算出された精度の確保された回転角度θを、車両安定性制御システム及び電子制御サスペンションシステム等の走行安定性を向上させるための種々のシステム（正確には、それらの制御装置）に送る。

＜実施の形態の効果＞
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）第１及び第２の従動歯車１５，１６の回転中心軸Ｏの径方向に任意に設定されるＸ軸方向及びＹ軸方向における磁界の強さを検出する１つの磁気センサ２０を設けた。磁気センサ２０は、第１及び第２の従動歯車１５，１６に固定される第１及び第２の磁石１７，１８のそれぞれから発生する磁界による合成磁界の強さを検出する。ＣＰＵ２５は、合成磁界の強さに基づいて、第１及び第２の従動歯車１５，１６が噛合する第１及び第２の主動歯車１４ａ，１４ｂ、ひいてはステアリングシャフト１２の回転角度を算出する。このように、本例の回転角度検出装置１１では、１つの磁気センサ２０を採用するのみで、ステアリングシャフト１２の回転角度を検出することができる。従って、第１及び第２の磁石１７，１８に対して２つの磁気センサを使用する従来の回転角度検出装置に比べ、磁気センサ１つ分の組付工数及び製品コストを抑制することができる。

（２）第１及び第２の従動歯車１５，１６は、回転中心軸（ここでは回転中心軸Ｏ）が一致するように設けた。これにより、回転角度検出装置１１を、第１及び第２の従動歯車１５，１６の回転中心軸Ｏの径方向において、小型化することができる。

（３）第１及び第２の磁石１７，１８は、その回転中心軸が回転中心軸Ｏと一致するように第１及び第２の従動歯車１５，１６に固定した。これにより、磁気センサ２０と第１の磁石１７との距離、及び磁気センサ２０と第２の磁石１８との距離は一定となる。従って、磁気センサ２０における第１及び第２の磁石１７，１８のそれぞれから発生する磁界の強さは、磁界の向きによらず一定である。このため、合成磁界の強さは、２つの磁石それぞれから発生する磁界の向きに依存する。これにより、ＣＰＵ２５は、合成磁界の強さから被検出物の回転角度を検出することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、第１及び第２の従動歯車１５，１６の回転中心軸は、一致していなくてもよい。このように構成した場合であれ、上記実施形態の（１）の効果と同様の効果を得ることができる。

・上記実施形態において、第１及び第２の磁石１７，１８は、第１及び第２の従動歯車１５，１６において、回転中心軸Ｏからずれた位置に固定してもよい。このように構成した場合であれ、上記実施形態の（１）の効果と同様の効果を得ることができる。

・上記実施形態において、磁気センサ２０は、第１及び第２の従動歯車１５，１６の回転中心軸からずれた位置に配設されてもよい。このように構成した場合、磁気センサにおける合成磁界の強さは、第１及び第２の磁石１７，１８の回転角度に加え、磁気センサと第１及び第２の磁石１７，１８との距離にも依存する。従って、ＣＰＵ２５は、磁気センサと第１及び第２の磁石１７，１８との距離を考慮すれば、磁気センサにおける合成磁界の強さから、ステアリングシャフト１２の回転角度θを検出することができる。

・上記実施形態において、磁気センサ２０は、同じ強さの磁界を発生させる第１及び第２の磁石１７，１８との距離が等しくなる位置に配設した。このため、図５の右端に示すように、第１及び第２の磁石１７，１８の回転角度によっては、磁気センサ２０において、合成磁界を検出できない角度（（本例では、図４（ｂ）に示す状態））が存在する。従って、これを利用すれば、回転角度検出装置１１が検出するステアリングシャフト１２の回転角度と、実際のステアリングシャフト１２の回転角度とのずれの有無、例えば、上記実施形態においては、合成磁界を検出できない角度が、実際のステアリングシャフト１２における時計方向への回転限度であるか否かを容易に判断することができる。

・上記実施形態において、第１及び第２の磁石１７，１８を永久磁石としたが、通電することにより磁力（磁界）を発生する電磁石としてもよい。
・上記実施形態において、各種のデータの記憶手段として、ＥＥＰＲＯＭ２６を使用するようにしたが、他の種類の不揮発メモリ（ＲＯＭ）を使用するようにしてもよい。例えば、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（消去及び書き込み可能なＲＯＭ）等が記憶手段として採用可能である。

・上記実施形態において、回転角度検出装置１１をステアリングシャフト１２の回転角度θを検出するために使用したが、例えばエンジンのクランクシャフト、産業用ロボットのアーム部等の他の回転体（被検出物）の回転角度を求めるために使用してもよい。

１１…回転角度検出装置、１２…ステアリングシャフト、１３…ハウジング、１４ａ…第１の主動歯車，１４ｂ…第２の主動歯車、１５…第１の従動歯車、１６…第２の従動歯車、１７…第１の磁石、１８…第２の磁石、１９…プリント基板、２０…磁気センサ、２３…マイクロコンピュータ、２４…電源回路、２５…制御手段及び回転方向検出手段としてのＣＰＵ、２６…ＥＥＰＲＯＭ、２７…ＲＡＭ、２８…角度演算部。

Claims (5)

1. 被検出物と一体的に回転する主動歯車と、
   前記主動歯車に噛合し、当該主動歯車の回転に伴い異なる速度で回転する２つの従動歯車と、
   前記２つの従動歯車のそれぞれに固定される２つの磁石と、
   前記２つの磁石の間に設けられて、当該２つの磁石により形成される合成磁界を検出する磁気センサと、
   前記磁気センサによって検出される合成磁界の強さに基づいて前記被検出物の回転角度を算出する制御手段とを備えた回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記２つの従動歯車は、回転中心軸が一致するように且つ回転中心軸方向に沿って並んで設けられる回転角度検出装置。
3. 請求項２に記載の回転角度検出装置において、
   前記磁気センサは、前記２つの従動歯車の前記回転中心軸上に配設される回転角度検出装置。
4. 請求項２又は３に記載の回転角度検出装置において、
   前記２つの磁石は、前記２つの従動歯車の前記回転中心軸上に設けられる回転角度検出装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、
   前記２つの磁石は、互いに同じ強さの磁界を発生するものであって、
   前記磁気センサは、前記２つの磁石との距離が等しく配設される回転角度検出装置。