JP2008175533A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースで、操舵アシスト装置の電子制御ユニットにかかる演算負荷を低減でき、安全性の高い角度検出装置を提供する。
【解決手段】ステアリング軸１０の回転角をレゾルバロータ１４及びレゾルバステータ１５からなるレゾルバで検出する。レゾルバロータ１４は、減速機構を介して、ステアリング軸１０の回転角を検出する。そして、減速機構の減速動作と非減速動作とを切り換えることで、レゾルバが検出する回転角を相対角と絶対角との間で切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、角度検出装置に関し、より特定的には、自動車等のステアリングを駆動するモータの回転軸の回転角を検出する角度検出装置に関する。

近年、自動車の搭乗者の操舵力を補助するための操舵アシスト装置が普及している。自動車に搭載される操舵アシスト装置の中には、操舵車輪が地面から受ける反力を再現するために、搭乗者の操舵力に対して、ステアリングホイールの回転軸に反力を与える操舵反力モータを備えるものがある。操舵反力モータの発生するトルクは、ステアリングホイールの回転角や転舵車輪の転舵角などに基づいて制御される。これらの内、ステアリングホイールの回転角は、絶対角および相対角の２種類の角度として検出され、検出されたそれぞれの角度に基づいて操舵反力モータおよびその他の操舵アシスト装置に含まれるモータが制御されるのが一般的である。

ここで、絶対角とは、例えば、回転部材の回転可能な角度が３６０度と設定されているとき、回転部材の回転と共に単調に変化する角度として定義される角度である。また、相対角とは、回転部材がその設定角度だけ回転する間に複数回周期的に変化する角度として定義される角度である。

図３は、絶対角を検出するレゾルバが出力する電気信号と、相対角を検出するレゾルバが出力する電気信号とを示す図である。図３には、前述したように回転部材の回転角と共に単調に増加する絶対角と、回転部材がその設定角度（図３では、３６０°）だけ回転する間に複数回周期的に変化する相対角とが示されている。図３は、回転部材が１回転する間に、回転部材の回転角度と共に単調に増加することを６回だけ周期的に繰り返す鋸波を、相対角の一例として示している。すなわち、図３に示す相対角は、軸倍角が６であるレゾルバによって検出された相対角を一例として示している。

操舵アシスト装置は、図３に示すような絶対角及び相対角に基づいて動作するため、それらの角度を検出するセンサが故障して、操舵アシスト装置が動作不能となることは、自動車の搭乗者にとって絶対に避けなければならない事態である。したがって、一般的に、操舵アシスト装置には、その安全性を高めるために複数のセンサが備えられている。このように、操舵反力モータの回転角度を検出するセンサを複数個備える角度検出装置の一例として、特許文献１に記載の角度検出装置がある。

図４は、特許文献１に記載の角度検出装置の構成を示すブロック図である。図４に示す角度検出装置９００は、ステアリング軸モータ９５０の回転角を検出する３つの相対角センサ９２０、９３０及び９４０を備える。さらに、それぞれの相対角センサは、ロータ９２１、９３１及び９４１と、ステータ９２２、９３２及び９４２と、コイル９２３、９３３及び９４３とからなる。図４に示される相対角センサは、ステータに取り付けられたコイルによって磁気を発生し、ロータの回転によって生ずる磁力の変動を図示しない検出用コイルで検出することで、ステアリング軸の回転角を検出して出力する。このような原理によって回転軸の回転角を磁気的に検出するセンサは、一般的にレゾルバとして知られている。レゾルバが検出した角度は、周期的な電気信号として出力される。

図４に示す角度検出装置９００は、ステアリング軸９１０の絶対角を３つの相対角センサ９２０，９３０および９４０の内のいずれか２つの出力する信号の位相差として検出する。一方、ステアリング軸９１０の相対角は、３つの相対角センサ９２０，９３０および
９４０の内のいずれか一つによって検出される。
特開２００５−２７４４８４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、２つの相対角センサのそれぞれが出力する信号の位相差からステアリング軸９１０の絶対角を演算するため、操舵アシスト装置の電子制御ユニットにかかる演算負荷が大きくなってしまう。また、上記従来の技術は、安全性を高め、相対角と絶対角とを共に検出するために、相対角センサを３つ備えているため、角度検出装置を搭載するために大きなスペースを確保しなければならない。

本発明は、上記従来の課題を解決するために、絶対角を検出する機能と相対角を検出する機能とを機械的に切り換えることのできる新たな角度検出センサを設けることで、省スペースで、操舵アシスト装置の電子制御ユニットにかかる演算負荷を低減でき、安全性の高い角度検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、以下に示すような特徴を有する。

第１の発明は、回転部材の回転角度を検出する角度検出装置であって、回転部材の回転角度を入力とし、入力される回転角度を所定の減速比で減速して出力する減速動作と、入力される回転角度を出力する非減速動作とを切換可能な減速機構と、減速機構から出力される回転部材の回転角度に減速比の逆数を乗じた数値を出力する角度検出部と、減速機構の減速動作と非減速動作とを切り換える切換手段とを備える。

第２の発明は、第１の発明において、減速機構は、回転部材に設けられた太陽歯車と、太陽歯車と噛み合う遊星歯車と、遊星歯車と噛み合い、当該遊星歯車を回転部材と同軸に公転させる内歯車とからなり、角度検出手段は、遊星歯車の公転を検出し、切換手段は、内歯車を回動不能且つ遊星歯車を公転可能とすることと、内歯車を回動可能且つ遊星歯車を回転不能とすることとを切り換えることで、減速動作と非減速動作とを切り換えることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、遊星歯車を軸支する軸で軸支され、遊星歯車の公転と共に回転部材と同軸に回転する公転部と、公転部と同軸にスプライン嵌合し、内歯車に設けられた第１の噛合部と噛み合う第２の噛合部が設けられ、回転部材の回転軸方向に往復移動される同期切換部とを更に備え、切換手段は、同期切換部を往復移動させて、第１の噛合部と第２の噛合部との噛み合いを切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、絶対角を検出する機能と相対角を検出する機能とを機械的に切り換えることのできる新たな角度検出センサを設けることで、省スペースで、操舵アシスト装置の電子制御ユニットにかかる演算負荷を低減でき、安全性の高い角度検出装置を提供できる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る角度検出装置１００の構成を示す図である。図１に示す角度検出装置１００は、回転するステアリング軸１０の回転角を、減速機構を介して、回転角センサで検出するための装置である。そして、角度検出装置１００は、減速機構の減速動作と非減速動作とを切り換えることができる。

第１の実施形態における減速機構とは、ステアリング軸１０に設けられた太陽歯車１１と、太陽歯車１１と噛み合う遊星歯車１２と、遊星歯車１２と噛み合い遊星歯車１２をステアリング軸１０と同軸に公転させる内歯車１３とから構成される遊星歯車機構である。本実施形態では、遊星歯車１２の数が２つの場合を一例として、説明をする。尚、遊星歯車１２の数は２つに限られるものではなく、２個以上であってもよい。また、本実施形態おける、遊星歯車機構の減速比を決定する方法は、後述する。

また、第１の実施形態における回転角センサとは、遊星歯車１２のそれぞれを回転可能に軸支する軸で、遊星歯車１２のそれぞれと共に軸支され、遊星歯車１２の公転でステアリング軸１０と同軸に回転するレゾルバロータ１４及び角度検出装置１００にステアリング軸１０と同軸に固定されレゾルバロータ１４の回転を磁気的に検出するレゾルバステータ１５とから構成されるレゾルバである。尚、第１の実施形態の説明では、レゾルバの軸倍角が６倍である場合を一例として説明する。つまり、本実施形態において、レゾルバの出力する信号は、図３に示すように、レゾルバロータ１４がレゾルバステータ１５に対して１回転すると、６回だけ周期的に変化する。

次に、本実施形態に係る減速機構が、減速動作と非減速動作とを切り換えるための構成について説明する。本実施形態において、減速動作と非減速動作とを切り換えるための構成とは主に、公転部１６と、同期切換部１７と、内歯車１３に設けられる第１の噛合部１８と、同期切換部１７に設けられる第２の噛合部１９とである。

公転部１６は、レゾルバロータ１４を軸支する軸の他方側に設けられ、遊星歯車１２のそれぞれと共に軸支され、遊星歯車１２の公転でステアリング軸１０と同軸に回転する。そして、公転部１６には、同期切換部１７が、ステアリング軸１０の中心軸方向に往復移動可能、且つ、同軸にスプライン嵌合されている。

同期切換部１７には、内歯車１３に設けられた第１の噛合部１８と噛み合う第２の噛合部１９が設けられている。また、同期切換部１７の外周縁には第２のピン２３が、嵌入可能、且つ、摺動可能な溝部２４が形成されている。第２のピン２３と溝部２４との詳細は後述する。次に、本実施形態において採用している、第１の噛合部１８と第２の噛合部１９とのそれぞれの具体的な形状について説明する。

内歯車１３の歯は、そのレゾルバロータ１４側の端面から他方側の端面へ向かって、内歯車１３の内周面に形成されている。そして、内歯車１３の内周面に形成されている歯は、他方側の端面付近で、内歯車１３の中心軸から外周方向へ向かって傾斜している。内歯車１３は、形成されている歯の内、傾斜して形成されている歯を第１の噛合部１８として有している。また、同期切換部１７の内歯車１３側の端面の外周縁は傾斜しており、そこに第１の噛合部１８と噛み合う歯が第２の噛合部１９として形成されている。

第１のピン２０の先端は、内歯車１３の外周縁上に１列に複数備えられている嵌合孔２１と嵌合するように切頭円錐状に形成されている。そして、第１のピン２０は、ソレノイド２５によって嵌合孔２１に嵌合するように駆動されることで、内歯車１３を回動不能にする。また、第１のピン２０は、ソレノイド２５によって嵌合孔２１から抜き取られることで、内歯車１３を回動可能にする。

第２のピン２３の先端は、同期切換部１７の外周縁上に設けられた溝部２４に嵌合するように切頭円錐状に形成されている。そして、第２のピン２３は、ソレノイド２６によって変位させられることで、第１の噛合部１８と第２の噛合部１９との噛み合いを制御する。第２のピン２３が、第１の噛合部１８と第２の噛合部１９との噛み合いを制御する動作
の詳細は、後述する。

尚、図示されていないが、本実施形態では、第１のピン２０及び第２のピン２３のそれぞれは、角度検出装置１００の外周に沿って１２０°毎の等間隔で３つずつ角度検出装置１００に備えられているものとして、説明をする。ただし、第１のピン２０及び第２のピン２３のそれぞれの数は３つに限られるものではなく２つ以下であってもよいし４つ以上であってもよい。さらに、それぞれのピンの間隔は、等間隔でなくてもよい。

次に、角度検出装置１００が、減速動作と非減速動作とを切り換える動作について説明する。内歯車１３には、前述したとおり、第１のピン２０が嵌入される複数の嵌合孔２１が、その外周縁上に１列に設けられている。このため、内歯車１３は、嵌合孔２１に第１のピン２０が嵌入されると、回動不能に固定される。これにより、遊星歯車１２は、太陽歯車１１の回転、すなわち、ステアリング軸１０の回転によって公転する。レゾルバロータ１４は、遊星歯車１２の公転でステアリング軸１０と同軸に回転するため、レゾルバが検出するレゾルバロータ１４の回転角は、遊星歯車１２の公転によって減速された回転角となる。このように、レゾルバロータ１４の回転が、減速機構によって減速される動作を減速動作という。

ここで、減速機構の減速比は、レゾルバの軸倍角に併せて設定されている。より具体的には、本実施形態ではレゾルバの軸倍角が６であるため、減速機構の減速比を６分の１とする。これにより、レゾルバの出力する回転角度は、ステアリング軸１０の１回転と共に単調に変化することとなる。つまり、角度検出装置１００が減速動作しているときに、レゾルバから検出される角度は、絶対角となる。

次に、角度検出装置１００の非減速動作について説明する。同期切換部１７と角度検出装置１００との間には、同期切換部１７を押動する弾性体２２が備えられている。そして、第２のピン２３は、溝部２４に嵌入されることにより、弾性体２２によって押動される同期切換部１７を制止することができる。

ここで、第２のピン２３が、第１の噛合部１８と第２の噛合部１９との噛み合いを制御する動作を説明する。第２のピン２３の先端は、図１に示すように切頭円錐状に形成されている。したがって、同期切換部１７は、図２に示すように、第２のピン２３の変位に応じて、弾性体２２によって前後移動される。そして、第２のピン２３が所定の位置まで移動すると、第１の噛合部１８と第２の噛合部１９とが互いに噛み合うこととなる。そして、第２のピン２３を所定の位置まで変位させると同時に第１のピン２０を嵌合孔２１から抜くと、内歯車１３は回動可能となり、同期切換部１７と共に回転することとなる。図２は、第２のピン２３が所定の位置まで変位して、第１の噛合部１８と第２の噛合部１９とが噛み合う位置まで、同期切換部１７が弾性体２２によって押動されたときの図である。

ここで、公転部１６は、前述したとおり、遊星歯車１２の公転と共に回転する。そして、同期切換部１７は、公転部１６とスプライン嵌合しているため、公転部１６の回転と共に回転する。さらに、第１の噛合部１８と第２の噛合部１９とが噛み合うと、同期切換部１７と内歯車１３とが一体となって回転する。したがって、遊星歯車１２の公転と内歯車１３の回転とが同期することとなる。この結果、太陽歯車１１の回転、すなわち、ステアリング軸１０の回転と遊星歯車１２の公転とが同期する。なぜならば、遊星歯車１２は、内歯車１３と噛み合うことにより、太陽歯車１１の回転によって公転するが、遊星歯車１２の公転と内歯車１３の回転とが同期して、太陽歯車１１と遊星歯車１２と内歯車１３とが一体となって回転するためである。

そして、レゾルバロータ１４は、遊星歯車１２の公転と共に回転するため、ステアリン
グ軸１０の回転角に対して減速されることなく、ステアリング軸１０と一体となって回転する。このように、レゾルバロータ１４が、減速機構によって減速されることなく、ステアリング軸１０と一体となって回転する動作を非減速動作という。

ここで、レゾルバロータ１４は、減速されることなく回転するため、レゾルバが検出する回転角は、ステアリング軸１０の１回転に対してレゾルバの軸倍角の値だけ周期的に変化する角度となる。このため、角度検出装置１００が、非減速動作において検出する回転角は、ステアリング軸１０の相対角となる。尚、減速機構が減速動作をしているときにおいて、第２のピン２３は、第１の噛合部１８及び第２の噛合部１９が噛み合わない位置まで変位させられているのは言うまでもない。

本実施形態に係る角度検出装置１００において、その減速動作と非減速動作とが切り換えられる時、すなわち、絶対角センサとしての機能と相対角センサとしての機能とが切り換えられる時は、角度検出装置１００を含む操舵アシスト装置に含まれる他の相対角センサが、何らかの理由で動作不能となった時が、一例として挙げられる。つまり、操舵アシスト装置に含まれる相対角センサが動作不能になったことを、電子制御ユニットが検出したときに、角度検出装置１００を非減速動作に切り換えることで、動作不能となった相対角センサの代わりに角度検出装置１００が相対角を検出することができる。これにより、操舵アシスト装置の信頼性を高めることができる。

以上より、本発明に係る角度検出装置１００によれば、減速動作と非減速動作とを機械的に切り換えることにより、回転角センサが検出する角度を絶対角と相対角との間で切り換えることができ、省スペースで、操舵アシスト装置の電子制御ユニットにかかる演算負荷を高めることなく、信頼性の高い角度検出装置を提供することができる。

尚、本実施形態の説明では、第１のピン２０及び第２のピン２３のそれぞれを駆動する動力源が、ソレノイドである場合を一例として説明したが、第１のピン２０及び第２のピン２３のそれぞれを所望の位置に変位させることができるものであれば、ソレノイドに限られるものではない。

また、本実施形態の説明においては、減速機構が遊星歯車機構である場合を説明したが、本発明における角度検出装置に用いることのできる減速機構はこれに限られない。例えば、ハーモニックドライブや波動歯車などを用いて、用いた減速機構に応じた切換手段を用いても良い。

本発明によれば、省スペースで、電子制御ユニットにかかる演算負荷を高めることなく、信頼性の高い角度検出装置を提供することができ、例えば、自動車等の移動体に搭載される操舵アシスト装置のための角度検出装置などに利用することができる。

本発明に係る角度検出装置の構成を示す図 本発明に係る角度検出装置の構成を示す図 相対角と絶対角とを説明する図 従来の角度検出装置の構成を示す図

符号の説明

１０ ステアリング軸
１１ 太陽歯車
１２ 遊星歯車
１３ 内歯車
１４ レゾルバロータ
１５ レゾルバステータ
１６ 公転部
１７ 同期切換部
１８ 第１の噛合部
１９ 第２の噛合部
２０ 第１のピン
２１ 嵌合孔
２２ 弾性体
２３ 第２のピン
２４ 溝部
２５，２６ ソレノイド
２７ 軸

Claims (3)

1. 回転部材の回転角度を検出する角度検出装置であって、
   前記回転部材の回転角度を入力とし、入力される回転角度を所定の減速比で減速して出力する減速動作と、入力される回転角度を出力する非減速動作とを切換可能な減速機構と、
   前記減速機構から出力される前記回転部材の回転角度に前記減速比の逆数を乗じた数値を出力する角度検出部と、
   前記減速機構の減速動作と非減速動作とを切り換える切換手段とを備える、角度検出装置。
2. 前記減速機構は、
   前記回転部材に設けられた太陽歯車と、
   前記太陽歯車と噛み合う遊星歯車と、
   前記遊星歯車と噛み合い、当該遊星歯車を前記回転部材と同軸に公転させる内歯車とからなり、
   前記角度検出手段は、前記遊星歯車の公転を検出し、
   前記切換手段は、前記内歯車を回動不能且つ前記遊星歯車を公転可能とすることと、前記内歯車を回動可能且つ前記遊星歯車を回転不能とすることとを切り換えることで、前記減速動作と前記非減速動作とを切り換えることを特徴とする、請求項１に記載の角度検出装置。
3. 前記遊星歯車を軸支する軸で軸支され、前記遊星歯車の公転と共に前記回転部材と同軸に回転する公転部と、
   前記公転部と同軸にスプライン嵌合し、前記内歯車に設けられた第１の噛合部と噛み合う第２の噛合部が設けられ、前記回転部材の回転軸方向に往復移動される同期切換部とを更に備え、
   前記切換手段は、前記同期切換部を往復移動させて、前記第１の噛合部と前記第２の噛合部との噛み合いを切り換えることを特徴とする、請求項２に記載の角度検出装置。

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