JP2007216959A - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステアリング軸などの回転体の回転角度を検出する回転検出装置を小型に構成して狭いスペース内に配置できるようにする。
【解決手段】 ステアリング出力部１４にはパワーアシストのためのウオームホイール１５が固定されており、このウオームホイール１５に形成された平面歯車１５ｂによって検出ユニット２０の入力歯車２２ａが増速されて回転させられる。検出ユニット２０内には、検出軸２２の回転を減速する減速機構が設けられ、この減速によりケース内に設けられた検出回転部材が、前記ステアリング出力部１４の回転と１：１の角度で回転し、その回転角度が検出素子で検出される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車輌のステアリング軸などの被検出体である回転体の回転角度を検出する回転検出装置に関する。

図８は、従来の電動式パワーステアリング制御装置（以下、ＥＰＳ制御装置という）と、ステアリング軸の回転角度を検出する回転検出装置の構成を示す概略図である。

図８に示すように、ステアリングホイール１の中心に固定されたステアリング軸２は、車内のダッシュボード内に設けられた支持体６に回転自在に支持されている。前記ステアリング軸２は、その先部に検出軸部３が一体にまたは固定されて設けられ、さらにその先部にステアリング出力部４が設けられている。前記ステアリング出力部４の先部に、マニュアルステアリングギヤが連結されており、このマニュアルステアリングギヤの両端に設けられたホイールに、前輪のタイヤが取り付けられている。

前記ステアリング出力部４には、パワーアシスト回転体としてウオームホイール５が固定されている。ウオームホイール５の近傍には、電動式のパワーアシストモータ７が設けられている。前記パワーアシストモータ７の出力軸７ａにウオームギヤ８が固定されており、このウオームギヤ８が、前記ウオームホイール５の外周の歯部５ａに噛み合っている。

前記検出軸部３にはトルク検出装置９と回転検出装置１０が設けられている。前記トルク検出装置９で、検出軸部３に加わるトルクが電圧などに変換され、その出力がマイクロコンピュータなどのトルク検出制御部へ与えられる。前記トルク検出制御部では、前記トルク出力および車速信号やイグニション・オン信号などに基づいてアシスト量が演算される。この演算値に基づいてパワーアシストモータ７が制御されて、パワーアシストモータ７の動力がステアリング軸２に与えられて、ステアリング１の操舵力が設定される。

また前記回転検出装置１０は、前記ステアリング軸２の回転角度を検出するものである。例えば運転中の車にオーバーステアやアンダーステアなどが生じた場合には、前記回転検出装置１０により検出されたステアリング角度と、前記車速信号などから、マイクロコンピュータにより最適な操舵角度などが割り出される。そして、前記パワーアシストモータ７が制御されて、前輪の操舵角度が調整され、またはブレーキ力が調整されるなどして、自動車が最適な状態で操舵されるようになる。
特開２００１−６３５９８号公報

しかし、従来の回転検出装置１０は、その中心部にステアリング軸２の検出軸部３が挿通される構造である。この回転検出装置１０内には、前記検出軸部３の外周部に嵌合して前記検出軸部３と一体に回転する回転部と、この回転部によって動作させられる検出回転部材が設けられ、この検出回転部材の回転角度が検出素子で検出されるものとなっている。このように、前記回転検出装置１０では、前記検出回転部材や検出素子が、前記ステアリング軸２の外周の領域に配置される構造であるため、回転検出装置１０の外径寸法が大きくなる。

また、前記回転検出装置１０では、ステアリング軸２の３６０度未満の回転角度をリニアに検出できることが必要である。したがって、本来はステアリング軸の回転角度に対して１：１に対応して回転する検出回転部材を設けて、この検出回転部材の回転角度を検出することが好ましい。しかし、回転角度を１：１に設定するためには、前記回転検出装置１０内に、検出軸部３の外周部に嵌合している前記回転部と同じ直径の歯車を配置することが必要になる。したがって、前記回転検出装置１０がさらに大型化する。

しかし、ステアリング軸２の周囲に、大型の回転検出装置１０を配置するスペースを確保するのが困難であるため、従来の前記回転検出装置１０では、その内部に直径の小さい歯車を配置している。その結果、ステアリング軸２の回転が増速されて検出回転部材に伝達され、例えばステアリング軸２が１回転する間に、前記検出回転部材が２回転、または３回転することになる。よって、ステアリング軸２の回転角度を正確に検出するためには、例えば前記検出回転部材が１回転するごとにパルスを発生させる検知手段を新たに設けることが必要である。すなわち前記の検知手段が設けられていないと、ステアリング軸２が３６０度回転するまでに、前記検出回転部材の回転角度を検出する検知素子から同じ信号が２回または３回出力されることになってステアリング角度を正確に検出できないことになる。

本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、小型の構造にでき、しかも被検出体と、検出回転部材との回転角度を１：１などに対応させることも可能な回転検出装置を提供することを目的としている。

また本発明は、ステアリング軸の周囲のスペースを有効利用できるようにした回転検出装置を提供することを目的としている。

本発明は、ケースと、前記ケースの内外に延びて回転自在に支持された検出軸と、前記ケースの外に設けられて前記検出軸に固定された入力歯車と、前記ケース内に設けられて前記検出軸の回転を減速させる減速機構と、前記減速機構によって減速させられて回転する検出回転部材と、前記検出回転部材の回転角度を検出する検出部材と、が設けられていることを特徴とするものである。

例えば、前記減速機構は、前記検出軸によって回転させられるウオームギヤと、このウオームギヤと噛み合うピニオンギヤとを有している。

この回転検出装置は、ケースの外部に入力歯車が突出している構造であるため、全体を薄型化でき、また回転検出装置を任意の位置に配置できる。また検出軸の回転が減速されて検出回転部材に与えられるため、検出回転部材の回転角度を小さくでき、検出精度を高くできる。

また、被検出体である回転体から前記入力歯車に回転が増速して与えられる増速機構が設けられており、前記回転体からの回転力が、前記増速機構および前記減速機構を経て前記検出回転部材に与えられて、前記検出回転部材の回転角度が、前記回転体の回転角度の整数分の１倍に設定されているものとして構成できる。

この構造では、被検出体である回転体の１回転につき検出回転部材の回転角度が１回転以下となるため、前記回転体の回転角度を高精度に検出できる。

また、前記検出回転部材と前記回転体の回転角度が１：１に設定されていると、検出部材からの検出出力の信号処理が容易である。
例えば、被検出体である前記回転体が、自動車のステアリング軸である。

この場合に、被検出体である前記回転体が、自動車のステアリング軸であり、前記ステアリング軸に、パワーアシスト動力が与えられるアシスト回転体が設けられており、このパワーアシスト回転体と共に回転する歯車に前記入力歯車が噛み合って、前記増速機構が構成されているものが好ましい。

パワーアシスト回転体の回転力で検出軸を回転させることができるので、ステアリング軸の周囲において、狭いスペースに回転検出のための機構を配置できる。

また本発明は、自動車のステアリング軸に、パワーアシスト動力が与えられるパワーアシスト回転体が設けられており、前記パワーアシスト回転体よって回転させられる検出軸と、前記検出軸によって回転させられる検出回転部材と、前記検出回転部材の回転角度を検出する検出部材と、が設けられていることを特徴とするものである。

例えば、前記パワーアシスト回転体に歯車が一体に形成されており、前記検出軸に設けられた入力歯車が前記歯車に噛み合っているものである。

この場合も、前記検出回転部材の回転角度が、ステアリング軸の回転角度の整数分の１に設定されていることが好ましく、さらには、前記検出回転部材の回転角度と、ステアリング軸の回転角度とが１：１に設定されていることが好ましい。

また、本発明は、前記検出部材から、位相が相違する複数の波形出力が得られるものが好ましい。

複数の波形出力を処理しアークタンジェントの演算処理などを行うことにより、回転角度をリニアの出力に変換できるようになる。

本発明では、回転検出装置を小型に構成でき、しかも被検出体である回転体の回転角度と、装置内の検出回転部材の回転角度を１：１や整数分の１の関係に設定できるようになる。

またステアリング軸の回転角度を検出するにあたり、パワーアシスト回転体の配置領域を利用することで、回転検出部材をステアリング軸に直接に設けなくても回転検出が可能になり、ステアリング軸の周囲のスペースを有効に使用することができる。

図１は本発明の実施の形態の回転検出装置が設けられるＥＰＳ制御装置（電動式パワーステアリング制御装置）の構成を示す概略図である。

図２ないし図３は、回転検出装置の主要部である検出ユニットの配置状態を示すものであり、図２Ａは第１の実施の形態を示す正面図、図２Ｂはその底面図、図３Ａは第２の実施の形態を示す正面図、図３Ｂはその底面図、図４Ａは第３の実施の形態を示す正面図、図４Ｂはその底面図である。また図５Ａは回転検出装置の主要部となる検出ユニットの平面断面図、ＢはＡのＶ−Ｖ線断面図である。

図１に示すＥＰＳ制御装置の基本的な構造は、図８に示した従来のＥＰＳ制御装置と同じである。

すなわち、回転検出装置の被検出体の回転体であるステアリング軸１２の上端にステアリングホイール１１が固定されている。ステアリング軸１２の下部はステアリング出力部１４であり、このステアリング出力部１４は、前記ステアリング軸１２の一部である。そして、このステアリング出力部１４がベアリング軸受１３，１３によって回転自在に支持されている。前述のように、ステアリング軸１２の回転は、前記ステアリング出力部１４からマニュアルステアリングギヤに伝達されて、前輪のタイヤを支持するホイールの操舵角が制御される。

前記ステアリング出力部１４には、パワーアシスト回転体であるウオームホイール１５が固定されている。前記ステアリング出力部１４の近傍には、電動式のパワーアシストモータ１７が設けられ、その出力軸１７ａにはウオームギヤ１８が固定されている。そして、前記ウオームギヤ１８は、前記ウオームホイール１５の外周に形成された歯部１５ａに噛み合っている。

図示省略しているが、前記ステアリング軸１２の一部となる検出軸１６には、トルク検出装置が設けられており、ステアリング軸１２を回転させる際の負荷トルクが前記トルク検出装置により検出される。この検出出力が、マイクロコンピュータに与えられて演算処理が行われ、その演算結果に応じて前記パワーアシストモータ１７の出力が制御される。これにより、パワーアシストモータ１７からウオームホイール１５に与えられる動力が調節されて、ステアリングホイール１１の操舵時の負荷を可変できるようになっている。

この実施の形態では、図１に示すように、前記ウオームホイール１５の回転力が直接に回転検出装置の主要部である検出ユニット２０に与えられ、ステアリング軸１２の回転角度を検出できるようになっている。

図５Ａ，Ｂに示すように、この検出ユニット２０は、箱型形状のケース２１に検出軸２２が回転自在に支持されている。前記検出軸２２の一部はケース２１の外部に突出しており、その先端に入力歯車２２ａが固定されている。

ケース２１の内部では、前記検出軸２２の回転を減速させる減速機構が設けられている。図５に示すものでは、前記減速機構として、ウオームギヤ２２ｂと、このウオームギヤ２２ｂに噛み合うピニオンギヤ（ウオームホイール）２３が設けられている。前記ウオームギヤ２２ｂは、前記検出軸２２に固定されている。また前記ピニオンギヤ２３は、前記検出軸２２と直角に交叉して配置された軸２３ａに回転自在に支持されている。このように、減速機構をウオームギヤ２２ｂとピニオンギヤ２３とで構成することにより、ケース２１を薄型のものとすることができる。

この実施の形態では、前記ピニオンギヤ２３が検出回転部材２３ｂと一体に形成されており、この検出回転部材２３ｂにリング状のマグネットＭが固設されている。図５Ｂに示すように、検出回転部材２３ｂは外周に前記ピニオンギヤ２３の歯が形成され、その内側に前記マグネットＭが埋設されている。このようにピニオンギヤ２３の内側にマグネットＭが埋設されていることにより、前記検出回転部材２３ｂを薄型化できるようになっている。

前記ケース２１内では、前記検出回転部材２３ｂと平面どうしが対向するように基板２４が固定されており、この基板２４に検出部材２５が固定されている。この検出部材２５は、前記検出回転部材２３ｂの回転中心部分に対向している。

図６に示すように、前記マグネットＭは、１８０度の範囲の半リングマグネットＭａとＭｂとが合わされたものであり、一方の半リングマグネットＭａは、前記基板２４に対向する表面がＮ極に着磁され、他方の半リングマグネットＭｂは、前記基板２４に対向する表面がＳ極に着磁されている。

前記検出部材２５には、４つの磁気検出素子が平面的に配列して取り付けられている。この検出部材２５は、基板上に、第１群の２つの磁気検出素子２５ａ，２５ａおよび第２群の２つの磁気検出素子２５ｂ，２５ｂがブリッジ回路を構成するように接続されている。

前記第１群の２つの磁気検出素子２５ａ，２５ａは、磁界の方向が右方向（Ｘ方向）のときに検知出力がプラス側の最大値となり、その逆向きの左方向への磁界が与えられたときにマイナス側の最小値となるように組み合わされている。また、前記第２群の２つの磁気検出素子２５ｂ，２５ｂは、磁界の方向が上方向（Ｙ方向）のときに検知出力がプラス側の最大値となり、その逆向きの下方向への磁界が与えられたときにマイナス側の最小値となるように組み合わされている。

前記各磁気検出素子２５ａ，２５ｂは、磁気抵抗効果素子、または巨大磁気抵抗効果素子などの小型の磁気センサーである。

前記基板２４には、前記制御部２６が搭載されており、この制御部２６に接続された配線ケーブル２７が、ケース２１の外部に延びている。

図６に示す構成により、前記検出部材２５からは、マグネットＭが３６０度回転するときに１周期となる三角関数曲線に近似した波形出力Ｓ１と、この波形出力Ｓ１と位相が９０度ずれた同じく三角関数曲線に近似した波形出力Ｓ２とが得られる。この２つの波形出力Ｓ１，Ｓ２が前記制御部２６に与えられることにより、マグネットＭの３６０度の回転角度を知ることができる。

例えば、波形出力Ｓ１，Ｓ２の値の絶対値を用い、｜Ｓ１｜＞｜Ｓ２｜のときにはｔａｎ⁻¹（｜Ｓ１｜／｜Ｓ２｜）を演算し、｜Ｓ１｜＜｜Ｓ２｜のときにはｔａｎ⁻¹（｜Ｓ２｜／｜Ｓ１｜）を演算することにより、マグネットＭの回転角度を知ることができる。

前記延出ユニット２０の取付けとして、図２Ａ，Ｂに示す第１の実施の形態では、前記ウオームホイール１５の下面に、リング状の平面歯車１５ｂが一体に形成されており、この平面歯車１５ｂに前記検出ユニット２０の入力歯車２２ａが噛み合っている。そして、この平面歯車１５ｂから入力歯車２２ａへの動力伝達経路が増速機構を構成している。

図３Ａ，Ｂに示す第２の実施の形態では、前記ウオームホイール１５に、その歯部１５ａよりも径の小さい歯車１５ｃが一体に形成されて、２段歯車となっている。そして、前記歯車１５ｃに前記検出ユニット２０の入力歯車２２ａが噛み合って、増速機構が構成されている。

図４Ａ，Ｂに示す第３の実施の形態では、前記ウオームホイール１５の下面に凹部１５ｄがリング状に形成され、この凹部１５ｄ内において、前記歯部１５ａの内側に内歯歯車１５ｄ１が一体に形成されている。そして、前記内歯歯車１５ｄ１に前記入力歯車２２ａが噛み合って、増速機構が構成されている。

この回転検出装置では、ステアリング出力部１４が回転すると、ウオームホイール１５が一緒に回転するが、このときの回転が前記平面歯車１５ｂ、歯車１５ｃ、内歯歯車１５ｄ１のいずれかから入力歯車２２ａおよび検出軸２２に増速して伝達される。さらにケース２１内において、検出軸２２の回転が、ウオームギヤ２２ｂとピニオンギヤ２３との減速機構により減速されて、ピニオンギヤ２３と一体の検出回転部材２３ｂが回転させられる。

この実施の形態では、前記増速機構の増速比に対して、前記減速機構の減速比が逆数となるように設定されており、ステアリング出力部１４の回転角度と、検出回転部材２３ｂの回転角度とが１：１に対応している。

したがって、図７に示す波形出力Ｓ１，Ｓ２からマグネットＭの回転角度が演算されると、それがステアリング軸１２の回転角度と一致するようになる。したがって、従来のように、検出出力の他に検出回転部材の回転数を知るための検知手段を別個に設けることが不要になる。

なお、前記増速機構の増速比と前記減速機構の減速比の設定により、検出回転部材２３ｂの回転角度が、ステアリング軸１２の回転角度の１／Ｎ（Ｎは整数）としてもよい。例えば前記Ｎが「２」の場合、図７に示す波形出力Ｓ１，Ｓ２の１周期をステアリング軸１２の回転の７２０度分として検知すればよいことになる。

このように、増速機構と減速機構とを組み合わせることにより、検出回転部材２３ｂと一体のピニオンギヤ２３のピッチ円直径が、ウオームホイール１５のピッチ円直径よりも充分に小さいものであっても、検出回転部材２３ｂを、ウオームホイール１５と同じ回転角度、またはそれよりも小さい回転角度で回転させることができ、検出出力の演算制御を簡単にできるとともに、検出ユニット２０を小型のものとして構成できる。

なお、前記増速機構として、前記平面歯車１５ｂ、歯車１５ｃ、内歯歯車１５ｄ１のいずれかと、入力歯車２２ａとの間にさらに他の歯車を介在させ、またケース２１内においても、前記ウオームギヤ２２ｂとピニオンギヤ２３との間にさらに他の歯車を介在させてもよい。いずれにせよ、前記のように増速比と減速比を設定することにより前記と同様の検知を行うことが可能である。

前記検出ユニット２０から、ステアリング軸１２の回転角度に応じた出力が得られるが、この回転角度を自動車に搭載したマイクロコンピュータで処理することにより、急カーブや急ハンドル操作のときのパワーアシストモータ１７の制御やブレーキ制御が行われるようになる。

なお、本発明では、パワーアシスト回転体である前記ウオームホイール１５の回転を取り出して検出回転部材を回転させる構造であれば、図５に示す検出ユニット２０以外の構造のものを使用してもよい。

また図５に示す検出ユニット２０は、小型であるため、ステアリング軸１２の回転角度の検出以外の回転検出を必要とする箇所、例えば回転自在に支持されたロボットアームなどの回転角度を検出するために用いてもよい。

本発明の回転検出装置の実装例として電動式パワーステアリング制御装置の構成を示す概略正面図、 回転検出装置の配置例の第１の実施の形態を示すものであり、Ａは正面図、Ｂはその底面図、 回転検出装置の配置例の第２の実施の形態を示すものであり、Ａは正面図、Ｂはその底面図、 回転検出装置の配置例の第３の実施の形態を示すものであり、Ａは正面図、Ｂはその底面図、 回転検出装置の主要部となる検出ユニットを示すものであり、Ａは平面断面図、ＢはＡのＶ−Ｖ線断面図、 検出ユニット内のマグネットと検出部材との配置例を示す平面図、 回転検出出力の波形図、 従来の回転検出装置が設けられたステアリング部の正面図、

符号の説明

１１ ステアリングホイール
１２ ステアリング軸（被検出体となる回転体）
１４ ステアリング出力部
１５ ウオームホイール（パワーアシスト回転体）
１５ｂ 平面歯車
１５ｃ 小径の歯車
１５ｄ１ 内歯歯車
２０ 検出ユニット
２１ ケース
２２ 検出軸
２２ａ 入力歯車
２２ｂ ウオームギヤ
２３ ピニオンギヤ
２３ｂ 検出回転部材
２５ 検出部材
２６ 制御部
Ｍ マグネット

Claims (11)

1. ケースと、前記ケースの内外に延びて回転自在に支持された検出軸と、前記ケースの外に設けられて前記検出軸に固定された入力歯車と、前記ケース内に設けられて前記検出軸の回転を減速させる減速機構と、前記減速機構によって減速させられて回転する検出回転部材と、前記検出回転部材の回転角度を検出する検出部材と、が設けられていることを特徴とする回転検出装置。
2. 前記減速機構は、前記検出軸によって回転させられるウオームギヤと、このウオームギヤと噛み合うピニオンギヤとを有している請求項１記載の回転検出装置。
3. 被検出体である回転体から前記入力歯車に回転が増速して与えられる増速機構が設けられており、前記回転体からの回転力が、前記増速機構および前記減速機構を経て前記検出回転部材に与えられて、前記検出回転部材の回転角度が、前記回転体の回転角度の整数分の１倍に設定されている請求項１または２記載の回転検出装置。
4. 前記検出回転部材と前記回転体の回転角度が１：１に設定されている請求項３記載の回転検出装置。
5. 被検出体である前記回転体が、自動車のステアリング軸である請求項１ないし４のいずれかに記載の回転検出装置。
6. 被検出体である前記回転体が、自動車のステアリング軸であり、前記ステアリング軸に、パワーアシスト動力が与えられるアシスト回転体が設けられており、このパワーアシスト回転体と共に回転する歯車に前記入力歯車が噛み合って、前記増速機構が構成されている請求項３または４記載の回転検出装置。
7. 自動車のステアリング軸に、パワーアシスト動力が与えられるパワーアシスト回転体が設けられており、前記パワーアシスト回転体よって回転させられる検出軸と、前記検出軸によって回転させられる検出回転部材と、前記検出回転部材の回転角度を検出する検出部材と、が設けられていることを特徴とする回転検出装置。
8. 前記パワーアシスト回転体に歯車が一体に形成されており、前記検出軸に設けられた入力歯車が前記歯車に噛み合っている請求項７記載の回転検出装置。
9. 前記検出回転部材の回転角度が、ステアリング軸の回転角度の整数分の１に設定されている請求項７または８記載の回転検出装置。
10. 前記検出回転部材の回転角度と、ステアリング軸の回転角度とが１：１に設定されている請求項９記載の回転検出装置。
11. 前記検出部材から、位相が相違する複数の波形出力が得られる請求項１ないし１０のいずれかに記載の回転検出装置。

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