JP2005180959A - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度な回転角検出を確保しつつ小型化が可能な回転検出装置を提供すること。
【解決手段】 ステアリングシャフトからの回転駆動力が与えられるウォームギア４と、このウォームギア４に噛合して同軸上を回転するメインギア１３およびサブギア１４と、これらメインギア１４とサブギア１５に互いに逆向きの回転力を付与する捩りコイルばね１７と、メインギア１３に固定された回転検出用のマグネット１５とを備え、メインギア１３のサブギア１４との対向面に柱状の係合部１３ｊを突設し、かつサブギア１４の凹部１４ｄの内底面に第１および第２の柱状部１４ｅ，１４ｇを突設し、係合部１３ｊをサブギア１４に設けた長孔１４ｃに移動可能に挿通すると共に、捩りコイルばね１７の巻回部１７ｃを第１の柱状部１４ｅに支持し、該捩りコイルばね１７の両腕部１７ｂ，１７ｃを係合部１３ｊと第２の柱状部１４ｇにそれぞれ係止した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば、自動車のステアリングホイールの操舵角を検出するステアリングアングルセンサとして用いて好適な回転検出装置に関する。

従来より、例えば、ステアリングアングルセンサとして、ステアリングシャフトからの回転駆動力が与えられるスクリュー軸と、このスクリュー軸に嵌合し該スクリュー軸の回転によって軸方向へ移動する半円筒状の雌ねじ部材と、板ばねを介して雌ねじ部材と連結され該雌ねじ部材と一体的に移動するホルダと、ホルダを移動方向にガイドするレールと、このホルダ内に装着された磁石と、ホルダの移動に伴う磁石からの磁界の変化を読み取るホール素子とを備え、直線的に往復動するホルダの位置検出を行うことによりステアリングホイールの操舵角を検出するように構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このように構成されたステアリングアングルセンサでは、雌ねじ部材が板ばねの付勢力によりスクリュー軸に押し付けられるようになっているので、スクリュー軸の歯面に対する雌ねじ部材の歯面のバックラッシュによるがたつきが除去され、これにより、ステアリングホイールの任意の操舵位置において正回転時と逆回転時で検出値の誤差（ヒステリシス差）が生じる現象をなくすことができ、ステアリングホイールの操舵角を高精度に検出することができるようになっている。
特開２００１−１６５２７２号公報（第４−１１頁、第３図）

ところで、前述した従来のステアリングアングルセンサにおいては、ステアリングホイールの操舵角を高精度に検出できるものの、ステアリングシャフトの回転をホルダの直線運動に変換してこのホルダの位置を検出する構成であるため、ステアリングシャフトの回転可能範囲に対応させたホルダの移動スペースを長尺に確保しなければならず、ステアリングアングルセンサの小型化が妨げられるという問題があった。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、高精度な回転角検出を確保しつつ小型化が可能な回転検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による回転検出装置では、検出対象からの回転駆動力が与えられるウォームギアと、このウォームギアに噛合して同軸上を回転する第１および第２のギアと、これら第１および第２のギアに互いに逆向きの回転力を付与する捩りコイルばねと、前記第１のギアに固定された回転検出用の被検出体とを備え、前記第１のギアの前記第２のギアとの対向面に係合部を突設し、この係合部を前記第２のギアに設けた貫通孔に移動可能に挿通すると共に、前記捩りコイルばねの巻回部を前記第２のギアに支持し、該捩りコイルばねの両腕部をそれぞれ該第２のギアと前記係合部とに係止するように構成した。

このように構成された回転検出装置によれば、例えばステアリングシャフト等の検出対象からウォームギアに与えられる回転駆動力により第１および第２のギアを回転させ、第１のギアと一体的に回転する被検出体の回転角を検出することで検出対象の回転角を検出することができるため、回転検出構造のサイズがステアリングシャフトの回転可能範囲の大きさに依存することがなくなり、小型化が可能な回転検出装置を実現できる。しかも、ウォームギアに噛合させた第１および第２のギアに互いに逆向きの回転力を与えるようにしたことで、第１のギアの歯面がウォームギアの歯面に常に押し付けられた状態となるので、ウォームギアに対する第１のギアのバックラッシュによるがたつきが除去され、これにより、検出対象の任意の回転位置において正回転時と逆回転時で検出値の誤差（ヒステリシス差）が生じる現象をなくすことができ、検出対象の回転角を高精度に検出できる。

また、上記の構成において、前記第２のギアにその一端面を開口した凹部を設け、この凹部内に前記捩りコイルばねを収納することが好ましく、このような構成を採用すると、第１のギアと第２のギアを軸線方向に小型化することができ、これらギアの設置スペースを省いてさらに小型化が可能な回転検出装置を実現できる。

また、上記の構成において、前記凹部の内底面に第１および第２の柱状部を設け、この第１の柱状部に前記捩りコイルばねの巻回部を挿入すると共に、該捩りコイルばねの一方の腕部を第２の柱状部に係止することが好ましく、このような構成を採用すると、第１および第２のギアへの捩りコイルばねの組み込みが簡単にでき、組み立て性が向上した回転検出装置を実現できる。

また、上記の構成において、前記係合部と前記第１および第２の柱状部の先端部とにそれぞれ前記捩りコイルばねの抜けを防止する爪部が形成されていることが好ましく、このような構成を採用すると、第１のギアと第２のギアとがある程度の外力では分解しにくくなるので、第１のギアと第２のギアとを予めユニット化しておくことができ、さらに組み立て性が向上した回転検出装置を実現できる。

また、上記の構成において、前記第１のギアの前記第２のギアと反対側の端面に筒状部を設け、この筒状部内に前記被検出体としてのマグネットを収納することが好ましく、このような構成を採用すると、第１のギアと第２のギアを軸線方向にさらに小型化することができる。

本発明による回転検出装置は、例えばステアリングシャフト等の検出対象からウォームギアに与えられる回転駆動力によって第１のギアと第２のギアを回転させ、第１のギアと一体的に回転する被検出体の回転角を検出することで検出対象の回転角を検出することができるため、回転検出構造のサイズがステアリングシャフトの回転可能範囲の大きさに依存することがなくなり、小型化が可能な回転検出装置を実現できる。しかも、ウォームギアに噛合させた第１および第２のギアに互いに逆向きの回転力を与えるようにしたことで、第１のギアの歯面がウォームギアの歯面に常に押し付けられた状態となるので、ウォームギアに対する第１のギアのバックラッシュによるがたつきが除去され、これにより、検出対象の任意の回転位置において正回転時と逆回転時で検出値の誤差（ヒステリシス差）が生じる現象をなくすことができ、検出対象の回転角を高精度に検出できる。

発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１は本発明の実施形態例に係るステアリングアングルセンサの内部を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３および図４は該ステアリングアングルセンサに備えられるギアユニットを説明するための分解斜視図、図５は該ギアユニットの組立て状態を示す斜視図、図６は該ギアユニットとウォームギアとの噛み合い状態の説明図である。

本実施形態例は自動車のステアリングホイールの操舵角を検出するためのステアリングアングルセンサに本発明の回転検出装置を適用したものであり、図１と図２において、符号１はハウジングを示し、このハウジング１は箱状のケース２とこのケース２の開口部を蓋閉するカバー３とからなる。ハウジング１の内部には、合成樹脂製のウォームギア４と、シャフト５と、ギアユニット６と、このギアユニット６を軸支すると共に抜けを防止する止め軸７と、磁気抵抗型センサ８と、プリント基板９とが配設されている。

ケース２の右外壁面と底面には取付部２ａ，２ｂがそれぞれ突設されており、これら取付部２ａ，２ｂを介してステアリングアングルセンサが自動車の所定位置に固定されるようになっている。ケース２はその内部の平面視左側に、図１の上側の外壁面２ｃを開口した円筒状の軸受収納室２ｄと、この軸受収納室２ｄから下方に所定距離だけ離間させ、軸受収納室２ｄと同軸上に形成された円筒状の軸受収納室２ｅとを有しており、これら軸受収納室２ｄ，２ｅには軸受１０，１１が嵌入されている。また、ケース２の軸受収納室２ｄ，２ｅに隣接する位置には支持壁２ｆ，２ｇがそれぞれ形成されており、さらに、外壁面２ｃには軸受収納室２ｄの開口部と連通する中心孔を有する筒状部２ｈが突設されている。

ウォームギア４はギア部４ａとこのギア部４ａの両端面から軸方向に突出する軸部４ｂ，４ｃとを有すると共に、軸心に沿って形成された貫通孔４ｄを有しており、軸部４ｂ，４ｃがケース２に形成された支持壁２ｆ，２ｇの内壁間に載置されることで、軸受１０，１１の軸線と同軸状に保持されると共に、軸線方向への移動が規制されている。シャフト５は、中央部よりやや上部に形成された鍔部５ａを境にして、上方にシャフト部５ｂを下方にシャフト部５３を有していると共に、シャフト部５ｂの上端部にギア１２が固着され、シャフト部５ｃの下端部に細径軸５ｄが同軸状に設けられている。このシャフト５は細径軸５ｄ側から筒状部２ｈの中心孔を介してケース２内に挿入される。そして、軸受１０とウォームギア４とを挿通した細径軸５ｄが軸受１１に嵌合されると共に、シャフト部５ｃの上端部が軸受１０に嵌合されることで、シャフト５はケース２内に回転可能に支持される。このとき、シャフト部５ｃはウォームギア４の貫通孔４ｄに圧入等によって嵌着されることでウォームギア４はシャフト５と一体的に回転可能となっていると共に、シャフト５のケース２内からの抜けが防止されている。また、ステアリングシャフトからの回転駆動力がギア１２を介してシャフト５に付与されるようになっている。

また、ケース２の内底面には軸固定部２ｉ（図２参照）が形成されており、この軸固定部２ｉに嵌入された止め軸７によりギアユニット６が回転可能に軸支されている。図２〜図５に示すように、このギアユニット６は、合成樹脂製のメインギア１３およびサブギア１４と、中空円筒状のマグネット１５と、このマグネット１５の外周面に嵌合されるリング状の鉄製ヨーク１６と、捩りコイルばね１７とを有する組立体である。メインギア１３には上述した止め軸７（図２参照）を挿通するための軸受孔１３ａが貫通形成されており、このメインギア１３には一端面（図３における手前側の面）を開口した平面視円環状の凹部１３ｂが軸受孔１３ａと同軸状に設けられていると共に、この凹部１３ｂの内周面１３ｃと連続した内周面を有する筒状部１３ｄが凹部１３ｂの開口方向に向けて突設されている。円筒部１３ｄは先端部から軸線方向へ延びる２つのスリット１３ｅによって均等に２分割されており、各スリット１３ｅ位置におけるメインギア１３の一端面にはこれらスリット１３ｅに沿って延びる弾性片１３ｆが立設されている。各弾性片１３ｆの先端には筒状部１３ｄの内側へ向かう爪状の突起１３ｇがそれぞれ形成されている。また、凹部１３ｂの内底面には裏面側に貫通する２か所の挿通孔１３ｈが各弾性片１３ｆ対応させた位置に穿設されている（図４参照）。

マグネット１５の一端部の外周面には鍔部１５ａが形成されると共に、この鍔部１５ａ側の端面２ヶ所には突部１５ｂが形成されてており、鍔部１５ａはマグネット１５にヨーク１６が嵌合される際のストッパーとして機能する。このマグネット１５は中心軸と直交する一方向に磁化されており、ヨーク１６がこのマグネット１５のＮ極から発生した磁束をＳ極に戻すための磁路として機能することで、マグネット１５の中心部における磁束密度の低下を防止している。そして、マグネット１５にヨーク１６を嵌合させた組立体がメインギア１３の筒状部１３ｄの開口から嵌入され、凹部１３ｂ内に挿着される。このとき、ヨーク１６の先端面が弾性片１３ｆの突起１３ｇによってスナップ止めされることで、これらマグネット１５とヨーク１６がメインギア１３に固定されると共に、マグネット１５の突部１５ｂがメインギア１３の挿通孔１３ｈにそれぞれ嵌入されることで、マグネット１５のメインギア１３に対する回り止めが施されている。また、図４に示すように、メインギア１３には他端面を開口した平面視円環状の凹部１３ｉが形成されており、この凹部１３ｉは凹部１３ｂよりも内側の位置において軸受孔１３ａと同軸状で形成されている。さらに、この凹部１３ｉよりも外側の位置において、メインギア１３の他端面には先端に爪部１３ｋを有する柱状の係合部１３ｊが形成されている。

図４に示すように、サブギア１４は、一端面（図４における奥側の面）に軸心方向に突設された円筒部１４ｂ（図２参照）と、軸心に沿って貫通形成された軸孔１４ａを有している。また、このサブギア１４には、メインギア１３の係合部１３ｊが周方向に移動可能に挿通する弧状の長孔１４ｃが形成される他、他端面を開口した平面視円状の凹部１４ｄが軸孔１４ａと同軸状に形成されている。この凹部１４ｄは長孔１４ｃを包囲する直径を有しており、その内底面に長孔１４ｃとほぼ同じ円周上で、かつ略等角度間隔に配置した第１および第２の柱状部１４ｅ，１４ｇがぞれぞれ突設されている。これら柱状部１４ｅ，１４ｇの先端部には爪部１４ｆ，１４ｈがそれぞれ形成されている。図２と図５に示すように、このように構成されたサブギア１４は、メインギア１３の係合部１３ｊを長孔１４ｃに挿通させた状態で、その円筒部１４ｂをメインギア１３の凹部１３ｉに遊嵌させることで、メインギア１３に対して所定角度だけ回転可能に支持される。

捩りコイルばね１７は、巻回部１７ａと、巻回部１７ａの両端から突出する一対の腕部１７ｂ，１７ｃとを有しており、各腕部１７ｂ，１７ｃの先端部はＬ字状に折り曲げ加工されている。この捩りコイルばね１７はサブギア１４の凹部１４ｄ内に収納されており、その巻回部１７ａが第１の柱状部１４ｅに挿入された状態でサブギア１４に支持されると共に、各腕部１７ｂ，１７ｃの先端部が係合部１３ｊと第２の柱状部１４ｇにそれぞれ係止されている。これにより、捩りコイルばね１７はメインギア１３とサブギア１４に互いに逆向きの回転力を付与できるようになっている。なお、各爪部１４ｆ，１３ｋ，１４ｈによって捩りコイルばね１７の巻回部１７ａおよび両腕部１７ｂ，１７ｃの抜けがそれぞれ防止されている。

このように組み立てられたギアユニット６をケース２に組み込む際には、サブギア１４に対してメインギア１３を図５中の矢印Ｂ方向に回転させて捩りコイルばね１７を圧縮させ、メインギア１３とサブギア１４に逆方向の回転力を付与した状態で両ギア１３，１４をウォームギア４に噛合させる。このとき、図２に示すように、ケース２の内底面にサブギア１４の端面が載置されると共に、メインギア１３の端面が上方に露出した状態でギアユニット６が配設される。なお、ウォームギア４とメインギア１３およびサブギア１４は所定のギア比となるように設定されている。また、磁気抵抗型センサ８はマグネット１５と対向した状態で、ケース２の図示しない取付部に固定されたプリント基板９に実装されており、この磁気抵抗型センサ８によりマグネット１５の磁化方向の角度変位を検出することでメインギア１３の回転角を検出するようになっている。この磁気抵抗型センサ８からの検出信号は、プリント基板９を介してステアリングアングルセンサの外部へ出力され所定の信号処理が行われる。

次に、このように構成されたステアリングアングルセンサの動作について説明する。まず、ギアユニット６をウォームギア４に噛合させた静止状態について説明すると、例えば、図６に示すように、ウォームギア４の歯Ｗ１と歯Ｗ２との間にメインギア１３の歯Ｍ１とサブギア１４の歯Ｓ１が噛み合った状態であるとすると、歯Ｍ１および歯Ｓ１はそれぞれ歯Ｗ１と歯Ｗ２との間にバックラッシュを有しており、このバックラッシュによるがたつきが発生する構造となっている。このような構造に対して本実施形態例では、捩りコイルばね１７からメインギア１３とサブギア１４にそれぞれ図中の矢印Ｃ，Ｂ方向の回転力が付与されており、この回転力によって歯Ｍ１の左側歯面Ｍ１ａが歯Ｗ２の右側歯面Ｗ２ａに常に押圧されると共に、歯Ｓ１の右側歯面Ｓ１ａが歯Ｗ１の左側歯面Ｗ１ａに常に押圧されるため、歯Ｍ１および歯Ｓ１はバックラッシュによる歯Ｗ１と歯Ｗ２間でのがたつきが除去される。したがって、ギアユニット６をウォームギア４に噛み合わせた状態では、ウォームギア４に対してメインギア１３のがたつきが発生しないようになっている。

かかる静止状態からステアリングホイールが一方向に操舵され始めたとすると、この操舵によって回転するステアリングシャフトからの回転駆動力がステアリングアングルセンサのギア１２（図１参照）に伝達される。これにより、シャフト５と共にウォームギア４が回転することで、このウォームギア４に噛合するギアユニット６が一方向、例えば、図６中の矢印Ｂ方向に回転し始める。これに伴ってマグネット１５の磁化方向が変位し始め、磁気抵抗型センサ８でこの角度変位を検出して所定の演算処理を行うことで、ステアリングホイールの操舵角が検出される。同様に、メインギア１３が矢印Ｂ方向と逆回転となる図６中のＣ方向に回転するようにステアリングホイールが操舵された場合においても、磁気抵抗型センサ８からの検出信号が演算処理されてステアリングホイールの反対方向への操舵角が検出される。この過程において、ステアリングホイールが一方向に操舵された場合には、図６に示すように、ウォームギア４の歯Ｗ２の右側歯面Ｗ２ａがメインギア１３の歯Ｍ１の左側歯面Ｍ１ａに噛み合ってメインギア１３を矢印Ｂ方向に回転させるように動作を開始するが、歯Ｍ１は捩りコイルばね１７による回転力によって歯Ｗ２に常に付勢されたままである。このように、静止時から回転を開始した以降のウォームギア４とメインギア１３の噛み合いにおいても、ウォームギア４に対するメインギア１３のがたつきは発生することがない。また、ステアリングホイールが一方向への操舵から逆方向への操舵に切り換えられた場合は、ウォームギア４の歯Ｗ１の左側歯面Ｗ１ａがサブギア１４の歯Ｓ１の右側歯面Ｓ１ａに噛み合ってサブギア１４を矢印Ｃ方向に回転させるように動作を開始するが、このとき、捩りコイルばね１７による回転力によって、サブギア１４の歯Ｓ１はウォームギア４の歯Ｗ１に押圧されていると共に、メインギア１３の歯Ｍ１もウォームギア４の歯Ｗ２に押圧されたままである。このように、操舵方向の切り換え時以降のウォームギア４とメインギア１３の噛み合いにおいても、ウォームギア４に対するメインギア１３のバックラッシュによるがたつきが発生することはない。これにより、ステアリングホイールの任意の操舵位置において、正回転時と逆回転時で検出値の誤差（ヒステリシス差）が生じる現象をなくすことができ、ステアリングホイールの操舵角を高精度に検
出することができる。

このように本実施形態例に係るステアリングアングルセンサにあっては、ステアリングシャフトからウォームギア４に与えられる回転駆動力によりギアユニット６を回転させ、メインギア１３と一体的に回転するマグネット１５の磁化方向の角度変位を磁気抵抗型センサ８により検出することで、ステアリングホイールの操舵角を検出することができるので、操舵角検出構造のサイズがステアリングシャフトの回転可能範囲の大きさに依存することがなくなり、小型化に適したステアリングアングルセンサを実現できる。しかも、上述したように、ステアリングホイールの操舵角を高精度に検出できる。

また、本実施形態例では、サブギア１４の端面に凹部１４ｄを設け、この凹部１４ｄ内に捩りコイルばね１７を収納したので、ギアユニット６を軸線方向に小型化することができ、ギアユニット６の設置スペースを省いて小型化が可能なステアリングアングルセンサを実現できる。

また、本実施形態例では、サブギア１４の凹部１４ｄの内底面に第１および第２の柱状部１４ｅ，１４ｇをそれぞれ設け、この第１の柱状部１４ｅに捩りコイルばね１７の巻回部１７ａを挿入・支持する共に、捩りコイルばね１７の各腕部１７ｂ，１７ｃの先端部を係合部１３ｊと第２の柱状部１４ｇにそれぞれ係止させ、かつ、係合部１３ｊと第１および第２の柱状部１４ｅ，１４ｇの各先端に爪部１３ｋ，１４ｆ，１４ｈを形成して捩りコイルばね１７の抜けが防止されるようにしたので、メインギア１３とサブギア１４への捩りコイルばね１７の組み込みが簡単になるばかりでなく、ある程度の外力が加わってもメインギア１３とサブギア１４とが分解してしまうことを防止でき、ケース２に組み込む際の組み立て性を向上させることができる。

本発明の実施形態例に係るステアリングアングルセンサの内部を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 該ステアリングアングルセンサに備えられるギアユニットを説明するための分解斜視図である。 該ステアリングアングルセンサに備えられるギアユニットを説明するための分解斜視図である。 該ギアユニットの組立て状態を示す斜視図である。 該ギアユニットとウォームギアとの噛み合い状態の説明図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ ケース
３ カバー
４ ウォームギア
５ シャフト
６ ギアユニット
８ 磁気抵抗型センサ
９ プリント基板
１３ メインギア（第１のギア）
１３ｊ 係合部
１３ｋ、１４ｆ、１４ｈ 爪部
１４ サブギア（第２のギア）
１４ｃ 長孔（貫通孔）
１４ｄ 凹部
１４ｅ 第１の柱状部
１４ｇ 第２の柱状部
１５ マグネット（被検出体）
１７ 捩りコイルばね
１７ａ 巻回部
１７ｂ，１７ｃ 腕部

Claims (5)

1. 検出対象からの回転駆動力が与えられるウォームギアと、このウォームギアに噛合して同軸上を回転する第１および第２のギアと、これら第１および第２のギアに互いに逆向きの回転力を付与する捩りコイルばねと、前記第１のギアに固定された回転検出用の被検出体とを備え、
   前記第１のギアの前記第２のギアとの対向面に係合部を突設し、この係合部を前記第２のギアに設けた貫通孔に移動可能に挿通すると共に、前記捩りコイルばねの巻回部を前記第２のギアに支持し、該捩りコイルばねの両腕部をそれぞれ該第２のギアと前記係合部とに係止したことを特徴とする回転検出装置。
2. 請求項１の記載において、前記第２のギアに一端面を開口した凹部を設け、この凹部内に前記捩りコイルばねを収納したことを特徴とする回転検出装置。
3. 請求項２の記載において、前記凹部の内底面に第１および第２の柱状部を設け、この第１の柱状部に前記捩りコイルばねの巻回部を挿入すると共に、該捩りコイルばねの一方の腕部を前記第２の柱状部に係止したことを特徴とする回転検出装置。
4. 請求項３の記載において、前記係合部と前記第１および第２の柱状部の先端部とにそれぞれ前記捩りコイルばねの抜けを防止する爪部が形成されていることを特徴とする回転検出装置。
5. 請求項２〜４のいずれか１項の記載において、前記第１のギアの前記第２のギアと反対側の端面に筒状部を設け、この筒状部内に前記被検出体としてのマグネットを収納したことを特徴とする回転検出装置。
   

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