JP2004093502A

JP2004093502A - 回転角検出装置

Info

Publication number: JP2004093502A
Application number: JP2002258071A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tsuji; 辻　泰明
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: JP4218290B2

Abstract

【課題】コンパクトな構成で多回転体の絶対角を検出する。
【解決手段】一回転よりも多い回転が生じる回転体２０と、当該回転体２０と噛合して回転する第１検出用回転体３０と、前記回転体２０と同心状に配置され、前記第１検出用回転体３０と噛合する内歯部４２を備えて前記回転体２０の回転が前記第１検出用回転体３０を介して減速して伝達される第２検出用回転体４０と、前記第１検出用回転体３０の絶対角を検出する第１検出部５０と、前記第２検出用回転体４０の絶対角を検出する第２検出部６０と、第１検出部５０及び第２検出部６０の出力から前記回転体の絶対角を求める手段７０と、を備えている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転角検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のステアリングホイールは、多回転（ロック・トゥー・ロックで約±２回転＝約４回転）するものであり、近年、このようなステアリング装置において、多回転における絶対角を検出できる舵角検出装置が要求されている。
ところが、一回転内における絶対角を検出するのは容易であるが、多回転となると特別な配慮が必要となる。すなわち、従来は、多回転における絶対角を検出するために、多回転するステアリングシャフトの回転を減速して一回転以内の回転に落とす減速歯車（例えば、ステアリングシャフト±２回転時に±０．５回転する歯車）を有する減速機構を具備させて、前記減速歯車の絶対角を検出することで、多回転するステアリングシャフトの絶対角を求めていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１８９０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような減速機構では歯車の構造が複雑になり、形状も大きくなってしまい、コスト高となる。
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、小型化が可能な新たな回転角検出装置及び当該回転角検出装置を用いたステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転体（例えばステアリングシャフトロータ）と、当該回転体と噛合して回転する第１検出用回転体と、前記回転体と同心状に配置され、前記第１検出用回転体と噛合する内歯部を含み、前記回転体の回転が前記第１検出用回転体を介して減速して伝達される第２検出用回転体と、前記第１検出用回転体の絶対角を検出する第１検出部と、前記第２検出用回転体の絶対角を検出する第２検出部と、第１検出部及び第２検出部の出力から前記回転体の絶対角を求める手段と、を備えていることを特徴とする回転角検出装置である。
【０００６】
本発明によれば、回転体よりも減速して回転する第２検出用回転体の絶対角を検出することによって多回転を検出することができ、第１検出用回転体の絶対角を検出することによって、より細かい絶対角が得られる。よって、回転体の多回転における絶対角を精度良く検出することができる。
そして、本発明では、回転体と同心状に配置された第２検出用回転体と、回転体からの回転を第２検出用回転体に伝達する第１検出用回転体を備えれば足りるため、構成が簡単である。
しかも、本発明では、回転体の回転を直接検出することで細かい絶対角を求めるのではなく、第１検出用回転体の回転によって検出するようにしたため、回転体の回転を検出する場合に比べて、第１検出用回転体の回転を検出する第１検出部の構成の自由度が大きくなり、ひいては回転角検出装置の小型化が可能となる。
【０００７】
また、前記第１検出用回転体は、前記回転体よりも小径であるのが好ましい。この場合、装置の小型化が可能である。しかも、第１検出用回転体の回転は回転体の回転よりも増速されるため、回転体の回転を直接検出して細かい絶対角を求める場合よりも、第１検出部は高精度に絶対角を検出することができる。すなわち、例えば第１検出用回転体が回転体よりも２倍に増速されていれば、第１検出用回転体の回転角１゜を検出することは、回転体の回転角０．５゜を検出することになり、２倍の検出精度が得られる。
【０００８】
さらに、前記第１検出用回転体は、前記回転体に噛合する大歯車部と、前記第２検出用回転体に噛合する小歯車部とをそれぞれ備え、前記小歯車部は、前記大歯車部よりも小径であるのが好ましい。
この場合、第１回転体と回転体との速度比にかかわらず、小歯車部を小さくすることができ、これにより当該小歯車部と噛合する第２回転体の内歯の径を小さくでき、小型化を図ることができる。
【０００９】
そして、前記第１検出用回転体は、当該第１検出用回転体の回転に伴って回転するように設けられた磁石を備え、前記第１検出部は、磁石の回転に応じた信号を出力する角度センサであるのが好ましく、この場合、コンパクトかつ高精度に絶対角を検出することができる。
【００１０】
また、前記第１検出部は、前記回転体の一回転よりも少ない角度範囲に対応する第１検出用回転体角度範囲Ｒ１内で前記第１検出用回転体の絶対角を検出するよう構成され、前記第２検出用回転体は、周方向に少なくともＮ個の範囲に区分けされたパターン部を備え、前記第２検出部は、当該パターン部を検出することで前記第２検出用回転体の絶対角を検出するものであって、前記Ｎは下記式（１）によって求められる値であるのが好ましい。
Ｎ＝Ａ／Ｒ　　　　　　　　・・・（１）
ただし、上記式１において、Ａは、前記回転体の回転可能角度範囲であり、Ｒは、前記第１検出部が前記第１検出用回転体の絶対角を検出可能な角度範囲Ｒ１に対応する前記回転体の回転角である。
【００１１】
かかる構成により、前記回転体の一回転よりも少ない角度範囲に対応する第１検出用回転体角度範囲Ｒ１内で前記第１検出用回転体の絶対角を検出するようにしても、Ｎ個（＝Ａ／Ｒ）に区分けされたパターン部によって、角度範囲Ｒ１対応する回転角の角度範囲が判別できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、本発明の回転角検出装置１をステアリング装置のステアリングシャフト軸（操舵軸）２に取り付けて舵角検出装置１として用いた場合を例として説明する。ここで、ステアリングシャフト軸２は、いわゆるロック・トゥー・ロックで±２回転（＝４回転：最大回転数）するものであり、回転可能角度範囲Ａは１４４０゜（＝３６０゜×４）である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、舵角検出装置１は、回転可能角度範囲Ａ（０゜〜１４４０゜）におけるシャフト軸２の絶対角を検出するものである。この舵角検出装置１は、固定側となるハウジング１０と、このハウジング１０に対して回転自在に設けられた回転体（ロータ）２０とを備えている。
ハウジング１０は、側面部１１と、中央孔をそれぞれ有する軸方向両端面１２，１３とを有している。
【００１４】
回転体２０は、シャフト軸２が挿入される筒状の本体部２１と、当該本体部２１の外周面に形成された歯車部（外歯）２２とを備えている。なお、歯車部２２は本体部２１から直接切出し形成されたものであり、ここでは歯車部２２のピッチ円直径φｄ１は３２ｍｍに設定されている。
【００１５】
前記ハウジング１０内には、回転体２０によって回転する第１検出用回転体３０及び第２検出用回転体４０が備えられている。
第１検出用回転体３０は、前記回転体２０と噛合して回転するものであり、ハウジング１０内において回転体２０の外周側に配置されている。この第１検出用回転体３０は、軸部３１と、この軸部３１の外周側に一体的に設けられた本体部３５とを有している。軸部３１は、ハウジング１０の側面部１１の内側から径内方向に突設された第１回転体支持部１４に対して回転自在に支持されている。なお、第１検出用回転体３０は、ハウジング１０に対して取り付けられているため、ハウジング１０に対する相対位置が変動することなく、ハウジング１０内において位置固定的に回転する。また、第１検出用回転体３０の軸心方向と回転体２０の軸心方向は平行である。
【００１６】
第１検出用回転体３０の本体部３５は、回転体２０に噛合する比較的径の大きい大歯車部３６と、大歯車部３６よりも径の小さい小歯車部３７とを備えている。大歯車部３６と小歯車部３７とは同心状に軸方向に並設され、一体的に回転する。
大歯車部３６は、回転体２０の歯車部２２と噛み合い、回転体２０の回転によって第１検出用回転体３０を回転させるものである。ここで、第１検出用回転体３０の大歯車部３６は回転体歯車部２２よりも小径である。
回転体歯車部２２の歯数と大歯車部３６の歯数との比は、２：１に設定されており、大歯車部３６は歯車部２２よりも増速して回転する高速歯車となっている。つまり、回転体２０が１回転すると第１検出用回転体３０は２回転する。
【００１７】
小歯車部３７は、前記第２検出用回転体４０と噛合し、当該第２検出用回転体４０を回転させる。小歯車部３７と噛合する第２検出用回転体４０は、本体部４１と、本体部４１に設けられた内歯部４２とを備えている。本体部４１は、ハウジング１０内において回転体２０に対して同心状に回転自在に外嵌配置された円盤状体である。内歯部４２は、本体部４１の外周寄りの部分から径内方向に歯車が突設され、前記小歯車部３７と噛み合う。なお、第１回転体３０に径の比較的小さい小歯車部３７を設けて内歯部４２と噛合させるようにしているため、これと噛合する第２検出用回転体４０の径を小さくでき、コンパクト化が図れ、第２検出用回転体４０を大きく減速させることができる。
【００１８】
ここで、小歯車部３７のピッチ円直径φｄ２は８ｍｍに設定され、内歯部４２のピッチ円直径φｄ３は、６４ｍｍに設定されている。したがって、第１検出用回転体が８回転すると、第２検出用回転体４０が１回転する。
そして、第１検出用回転体の８回転は回転体２０の４回転に対応するから、回転体２０（シャフト軸２）の４回転で、第２検出用回転体４０が１回転する。つまり、回転体２０における多回転（＝最大４回転）が、第２検出用回転体４０では１回転以内の回転に減速されたことになる。
【００１９】
ハウジング１０内には、第１検出用回転体３０の回転角を検出する第１検出部５０と、前記第２検出用回転体４０の回転角を検出する第２検出部６０とが設けられている。また、第１検出用回転体３０と第２検出用回転体４０には、第１検出部５０・第２検出部６０によって検出される被検出部３２，４３がそれぞれ設けられている。
第１検出用回転体３０の被検出部３２は磁石であり、この磁石３２は、軸部３１の軸方向端部に設けられており、第１検出用回転体３０の回転とともに回転する。
【００２０】
第１検出部５０は、軸部３１の軸方向端部の磁石３２と対向するように配置されており、コンパクトな配置となっている。なお、第１検出部５０はハウジング１０に取り付けられた回路基板１５上に設けられている。この第１検出部５０は、磁界に応じた信号を出力する磁電変換型の磁気センサであり、より具体的にはＭＲセンサ（磁気抵抗センサ）である。なお、回転体２０の回転角を直接検出せずに、第１検出用回転体３０の回転角を検出するようにしているため、第１検出部５０の配置の自由度が高く、本実施形態のように第１検出部５０を第１検出用回転体３０の軸方向に配置することも可能である。また、第１検出部５０としてＭＲセンサを用いたことにより、第１検出部５０が小型になり、ひいては装置１の軸方向の薄型化が可能となる。
【００２１】
図３に示すように、被検出部である磁石３２は、第１検出部５０と対向する対向面においてＮ極とＳ極が面着磁されたものであり、第１検出用回転体３０の回転に伴って磁界の向きが回転する。なお、磁石３２は第１検出部５０と対向する面において面着磁されているため、効率的に磁界を第１検出部５０に与えることができる。
【００２２】
第１検出部５０は、磁石３２の回転に伴って出力信号値が変化する角度センサとして構成されており、第１検出用回転体３０の１８０゜回転（半回転）を１周期として変化する信号を出力する。つまり、第１検出部５０の検出角度範囲Ｒ１は１８０゜である。
第１検出部５０の１周期内の信号値は、第１検出用回転体の１８０゜回転（半回転）内における絶対角に対応しており、第１検出部５０の出力によって、第１検出用回転体３０の１８０゜回転（検出角度範囲Ｒ１）内における絶対角を検出することができる。
【００２３】
そして、第１検出用回転体３０の１８０゜回転は、回転体２０の９０゜回転に対応するから、第１検出部５０によって、回転体２０の９０゜回転内における絶対角を検出できるのである。つまり、第１検出部５０の検出角度範囲Ｒ１に対応する回転体２０の回転角Ｒは９０゜である。
このように、第１検出部５０は、回転体２０の一回転（３６０゜）よりも少ない角度範囲（９０゜＝１／４回転）に対応する第１検出用回転体角度範囲Ｒ１（＝１８０゜）内で第１検出用回転体３０の絶対角を検出するよう構成されている。
なお、第１検出部５０は、第１検出用回転体３０の３６０゜回転（１回転）を１周期として変化する信号を出力するものであってもよく、この場合、第１検出部５０によって、回転体２０の１８０゜回転（半回転）内の絶対角を検出することができる。
【００２４】
第２検出用回転体４０の被検出部４３は、本体部４１の外周側に設けられた検出用パターン部によって構成されている（図１の網掛範囲）。図４に示すように、検出用パターン部４３は、複数本のトラック４５，４６，４７，４８によって構成されており、具体的には４本のトラックが備わっている。なお、最内側のトラックが第１トラック４５であり、外側に向けて順番に、第２トラック４６、第３トラック４７、第４トラック４８である。
検出用パターン部４３は、第２検出用回転体４０の周方向にＮ個（＝１６個；複数個）の角度範囲に区分けされ、これらの区分け範囲を第２検出部６０によって区別して検出できるように、４本のトラックによって４ビット符号化したものである。各トラック４５，４６，４７，４８には、符号化に応じて、磁石が設けられている範囲（図４の網掛範囲）と、磁石が設けられていない範囲（図４の白抜範囲）とが設けられている。
【００２５】
第２検出部６０は、回路基板１５上に設けられており、前記被検出部４３に対向するように配置されている。また、第２検出部６０は、それぞれのトラック４５，４６，４７，４８に対応する複数（４個）の磁気センサ（ホール素子）を具備している。第２検出部６０は、符号化された磁石パターンに基づいて区分け範囲を区別して検出することで、第２検出用回転体４０の絶対角がいずれの角度範囲にあるかを検知できる。
なお、第２検出部６０を光センサとし、トラックを光が通過可能な孔によって符号化してもよい。
【００２６】
第２検出用回転体４０の検出用パターン部４３における区分けされた角度範囲は、回転体２０が何回転目（−２回転目、−１回転面、＋１回転目、＋２回転目）であるかを検出する多回転検出用である。ここで、回転体２０の検出に必要な回転数は４回転であるから、多回転だけを検出するには、角度範囲は４つに区分けされていれば足りるが、第１検出部５０は、回転体２０の１／４回転内における絶対角しか検出できないことから、第２検出部では、多回転に加えて、回転体２０の１回転内のいずれの１／４回転であるかを判別する必要がある。このため、回転体２０の回転数に対応するそれぞれの角度範囲はさらに４つに区分けされている必要があり、この結果、検出用パターン部４３は１６個に区分けされているのである。
【００２７】
より詳細には、検出用パターン部４３の区分け範囲数Ｎは、回転体２０の回転可能範囲Ａ（＝１４４０゜）と、第１検出部５０が前記第１検出用回転体３０の絶対角を検出可能な角度範囲Ｒ１（＝１８０゜）に対応する前記回転体２０の回転角Ｒ（＝９０゜）とから、［Ｎ＝Ａ／Ｒ（＝１６）］の式によって決定できる。なお、トラック数は、区分け範囲数Ｎに応じて決定でき、Ｎが決定されれば２進符号化理論によってトラック数は自ずと求められる。すなわち、トラック数Ｘは、２^Ｘ−１＜Ｎ≦２^Ｘを満たす値（この場合、Ｘ＝４）となる。
【００２８】
図５に示すように、第２検出部６０によって、回転体２０が回転可能角度範囲Ａ（＝１４４０゜；４回転）において、９０゜を単位とするいずれの角度範囲にあるかを検知できる。そして、回転体２０の９０゜（＝Ｒ）内の回転における絶対角は第１検出部５０によって高精度に検知できるから、これらを用いて回転体２０の絶対角が求められる。
すなわち、図６に示すように、第１検出部５０の出力と第２検出部６０の出力とはそれぞれ演算部７０に与えられ、この演算部７０によって回転体２０の回転可能角度範囲Ａの全範囲における絶対角（舵角）が演算される。例えば、第２検出部６０によって回転体２０の回転角が４５０゜〜５４０゜の範囲にあることが検出された場合、４５０゜に第１検出部５０によって検出された絶対角を加えることで、回転体２０の絶対角を算出することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、第１検出部５０では、回転体２０の１回転よりも少ない角度範囲において絶対角を検出しているので、１回転すべての絶対角を検出する場合に比べて、第１検出部５０への負担が少なく、その分を第２検出用回転体４０及び第２検出部６０によって補っている。また、第１検出部５０は、回転体２０ではなく、第１検出用回転体３０の回転を検出しているため、高精度に検出できる。
【００３０】
本実施形態によれば、部品点数を削減できコンパクト化が可能であり、ハウジング１０の外径を約φ７０ｍｍ、幅１２ｍｍ程度と小型化することができる。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、第２検出用回転体４０の絶対角を検出するには、図７に示すように、第２検出用回転体４０の外周面に被検出部として、歯数の異なる磁性体製の歯車状ターゲット８１，８２を軸方向に２つ（複数）並設しておき、第２検出部６５として、ＭＲセンサなどの磁気センサをターゲット８１，８２外側方に配置し、第２検出部６５では、各ターゲット８１，８２の歯数に応じた数の波をそれぞれ出力するセンサ回路を構成しておいてもよい。この場合、例えば、一方のターゲット８１の歯数を３６とし、他方のターゲットの歯数を３５としておき、ターゲット８１に対応する出力波形と、ターゲット８２に対応する出力波形の位相のずれ方が第２検出用回転体４０の絶対角に応じて異なるようにしておくことで、第２検出用回転体４０の絶対角を検出することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、コンパクトな構成で多回転体の絶対角を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転角検出装置の構成概念図である。
【図２】回転角検出装置の断面図である。
【図３】磁石と第１検出部の詳細配置図である。
【図４】図１の網掛範囲に対応する検出用パターン部の詳細図である。
【図５】第１検出部と第２検出部の出力波形図である。
【図６】ブロック構成図である。
【図７】変形例に係る第２検出用回転体の断面図である。
【符号の説明】
１　回転角検出装置
２０　回転体
３０　第１検出用回転体
３２　磁石
３６　大歯車部
３７　小歯車部
４０　第２検出用回転体
４２　内歯部
４３　検出用パターン部
５０　第１検出部
６０　第２検出部
７０　演算部（回転体の絶対角を求める手段）
Ａ　　回転可能角度範囲
Ｒ１　第１検出部の検出角度範囲
Ｒ　　Ｒ１に対応する回転体の回転角

Claims

回転体と、
当該回転体と噛合して回転する第１検出用回転体と、
前記回転体と同心状に配置され、前記第１検出用回転体と噛合する内歯部を含み、前記回転体の回転が前記第１検出用回転体を介して減速して伝達される第２検出用回転体と、
前記第１検出用回転体の絶対角を検出する第１検出部と、
前記第２検出用回転体の絶対角を検出する第２検出部と、
第１検出部及び第２検出部の出力から前記回転体の絶対角を求める手段と、
を備えていることを特徴とする回転角検出装置。
前記第１検出用回転体は、前記回転体よりも小径であることを特徴とする請求項１記載の回転角検出装置。
前記第１検出用回転体は、前記回転体に噛合する大歯車部と、前記第２検出用回転体に噛合する小歯車部とをそれぞれ備え、
前記小歯車部は、前記大歯車部よりも小径であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角検出装置。
前記第１検出用回転体は、当該第１検出用回転体の回転に伴って回転するように設けられた磁石を備え、
前記第１検出部は、前記磁石の回転に応じた信号を出力する角度センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転角検出装置。
前記第１検出部は、前記回転体の一回転よりも少ない角度範囲に対応する第１検出用回転体角度範囲Ｒ１内で前記第１検出用回転体の絶対角を検出するよう構成され、
前記第２検出用回転体は、周方向に少なくともＮ個の範囲に区分けされたパターン部を備え、
前記第２検出部は、当該パターン部を検出することで前記第２検出用回転体の絶対角を検出するものであって、
前記Ｎは下記式（１）によって求められる値であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転角検出装置。
Ｎ＝Ａ／Ｒ　　　　　　　　・・・（１）
ただし、上記式１において、Ａは、前記回転体の回転可能角度範囲であり、Ｒは、前記第１検出部が前記第１検出用回転体の絶対角を検出可能な角度範囲Ｒ１に対応する前記回転体の回転角である。