JP2009128344A - 絶対角検出装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車の一体成型が容易な絶対角検出装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】外側メイン歯車２の歯底を結ぶ歯底円の直径Ｄ１よりも内側メイン歯車３の歯先を結ぶ歯先円の直径Ｄ２が小さくなるように形成されると共に、外側メイン歯車２と内側メイン歯車３とが一体的に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、歯車の一体成型が容易な絶対角検出装置とその製造方法に関する。

回転体が複数回転するとき、その複数回転分の回転角である絶対角を知りたい場合がある。例えば、時計回り（ＣＷ）方向に２回転（７２０°）、反時計回り（ＣＣＷ）方向に２回転（７２０°）の絶対角を知りたい回転体の場合、絶対角は、全体で−７２０°から＋７２０°までの１４４０°の幅を変化するので、この幅の中で一意的に読み取ることができる必要がある。

一方、光学式や磁気式など公知の回転角度センサは、半回転の角度（０°から１８０°）又は１回転の角度（０°から３６０°）を検出するように構成されており、この検出範囲を超えて回転しても同じ値が繰り返すだけで、絶対角は検出できない（この繰り返しの角度幅をセンサ周期と呼ぶ）。

そこで、特許文献１，２のように、複数の回転角度センサを組み合わせ、これらの回転角度センサが回転体の回転に対して異なる比率で回転するように構成し、それぞれの回転角度センサが検出する回転角の差異から絶対角を一意的に算出可能な絶対角検出装置が提案されている。これらの先行技術では、各回転角度センサが回転体の回転に対してそれぞれ所定の比率で回転するよう、回転体にメイン歯車を取り付け、各回転角度センサにそれぞれメイン歯車に噛み合うセンサ歯車を取り付け、これらの歯車の歯数比でもって上記比率を形成している。

また、メイン歯車として、所定歯数を有する外側メイン歯車とそれより少ない歯数を有する内側メイン歯車とを同軸に配置することにより、外側メイン歯車に噛み合うセンサ歯車と内側メイン歯車に噛み合うセンサ歯車の歯数を同じにすることが提案されている。

特許第３７９２７１８号公報（特表平１１−５００８２８号公報） 特開２００６−２３４５７３号公報

ところで、メイン歯車として、所定歯数を有する外側メイン歯車とそれより少ない歯数を有する内側メイン歯車とを同軸に配置して用いる場合、個別に形成した外側メイン歯車と内側メイン歯車とをそれぞれ回転体に取り付けるよりも、外側メイン歯車と内側メイン歯車をあらかじめ一体化しておいた方が、生産性がよい。なぜなら、外側メイン歯車と内側メイン歯車からなるメイン歯車を樹脂あるいは金属の一体成型により製造すれば、これを一個の部品として取り扱うことができるからである。

しかしながら、外側メイン歯車と内側メイン歯車を一体成型する場合、内側メイン歯車の歯先が外側メイン歯車の歯底（歯と歯の谷間）に突き出てしまい、金型からの離型が困難になる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、歯車の一体成型が容易な絶対角検出装置とその製造方法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の絶対角検出装置は、所定歯数を有する外側メイン歯車とそれより少ない歯数を有する内側メイン歯車とが同軸に配置されたメイン歯車と、上記外側メイン歯車に噛み合う第１センサ歯車と、該第１センサ歯車の回転角度を検出する第１回転角度センサと、上記内側メイン歯車に噛み合う第２センサ歯車と、該第２センサ歯車の回転角度を検出する第２回転角度センサと、上記第１回転角度センサが検出した回転角信号及び上記第２回転角度センサが検出した回転角信号から上記メイン歯車の回転角を算出する演算装置とを備える絶対角検出装置において、上記外側メイン歯車の歯底を結ぶ歯底円の直径よりも上記内側メイン歯車の歯先を結ぶ歯先円の直径が小さくなるように形成されると共に、上記外側メイン歯車と上記内側メイン歯車とが一体的に形成されたものである。

上記外側メイン歯車と上記内側メイン歯車と上記第１センサ歯車と上記第２センサ歯車のモジュールが同一であり、
上記外側メイン歯車の歯数をＺａ、上記内側メイン歯車の歯数をＺｂ、上記第１センサ歯車の歯数をＺｃａ、上記第２センサ歯車の歯数をＺｃｂ、上記第１第２回転角度センサのセンサ周期をφ、所望の絶対角検出範囲をΨとするとき、これらの自然数Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃａ，Ｚｃｂ，φが、

かつ
Ｚｂ≦Ｚａ−４．５ （２）
を満たしてもよい。

また、本発明の絶対角検出装置の製造方法は、所定歯数を有する外側メイン歯車とそれより少ない歯数を有する内側メイン歯車とが同軸で一体的に形成されたメイン歯車と、上記外側メイン歯車に噛み合う第１センサ歯車と、該第１センサ歯車の回転角度を検出するセンサ周期φの第１回転角度センサと、上記内側メイン歯車に噛み合う第２センサ歯車と、該第２センサ歯車の回転角度を検出するセンサ周期φの第２回転角度センサと、上記第１回転角度センサが検出した回転角信号及び上記第２回転角度センサが検出した回転角信号から上記メイン歯車の回転角を算出する演算装置とを備えた絶対角検出装置の製造方法であって、
条件１：外側メイン歯車と内側メイン歯車と第１センサ歯車と第２センサ歯車のモジュールが同一であって、
条件２：上記外側メイン歯車の歯底を結ぶ歯底円の直径よりも上記内側メイン歯車の歯先を結ぶ歯先円の直径が小さく、
条件３：所望の絶対角検出範囲Ψが得られる、
という３つの条件を満たすように、

かつ
Ｚｂ≦Ｚａ−４．５ （２）
を満たし、かつ自然数である上記外側メイン歯車の歯数Ｚａ、上記内側メイン歯車の歯数Ｚｂ、上記第１センサ歯車の歯数Ｚｃａ、上記第２センサ歯車の歯数Ｚｃｂが決定される工程と、上記外側メイン歯車と上記内側メイン歯車とが一体成形される工程と、上記第１センサ歯車及び上記第２センサ歯車が上記外側メイン歯車及び上記内側メイン歯車に噛合するよう配設される工程と、上記第１回転角度センサ及び第２回転角度センサが上記第１センサ歯車及び上記第２センサ歯車の回転角を検出するよう配設される工程と、上記第１回転角度センサが検出した回転角信号及び上記第２回転角度センサが検出した回転角信号を伝送する信号線を演算装置と上記第１回転角度センサ及び上記第２回転角度センサ間に配線する工程とを有するものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）歯車の一体成型が容易となる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る絶対角検出装置１は、歯数Ｚａの外側メイン歯車２と歯数Ｚｂ（Ｚｂ＜Ｚａ）の内側メイン歯車３とが絶対角検出対象の回転体（図示せず）の回転軸１００の同軸上に該回転体と一体回転するように設けられている。この外側メイン歯車２には、外側メイン歯車２に噛み合う歯数Ｚｃａの第１センサ歯車５が設けられ、この第１センサ歯車５には、第１センサ歯車５の回転角θｃａを検知可能にセンサ周期φの第１回転角度センサ５ａが設けられる。内側メイン歯車３には、内側メイン歯車３に噛み合う歯数Ｚｃｂの第２センサ歯車６が設けられる。この第２センサ歯車６には、第２センサ歯車６の回転角θｃｂを検知可能にセンサ周期φの第２回転角度センサ６ａが設けられる。

絶対角検出装置１は、上記構成に加え、第１回転角度センサ５ａ及び第２回転角度センサ６ａの回転角信号から絶対角検出対象の回転体の絶対角を算出する演算装置（図示せず）を備える。

第１回転角度センサ５ａ及び第２回転角度センサ６ａは、磁石（図示せず）と磁気検知素子（図示せず）を有し、検知した回転角信号をマイコン（図示せず）を備えた演算装置８に信号線を用いて配線される。これにより、第１回転角度センサ５ａ及び第２回転角度センサ６ａが検出した回転角信号は演算装置８に伝送される。なお、演算装置８を配設する場所は特に限定されない。

上記構成による絶対角検出装置１は、第１回転角度センサ５ａと第２回転角度センサ６ａが示す回転角との差異から一意的に算出可能な外側メイン歯車２と内側メイン歯車３の複数回転分の回転角の範囲である絶対角検出可能範囲（絶対角検出装置が検出可能な範囲）Ψ_０は、上記４つの歯車２，３，５，６の歯数及びセンサ周期φと式（３）の関係にある。

ここで、外側メイン歯車２と内側メイン歯車３とからなるメイン歯車４の複数回転分の絶対角θと検出した回転角θｃａ，θｃｂとの関係を説明する。なお、第１センサ歯車歯数及び第２センサ歯車歯数Ｚｃ＝Ｚｃａ＝Ｚｃｂとする。

第１回転角度センサ５ａで検出した第１センサ歯車５の回転角と第２回転角度センサ６ａで検出した第２センサ歯車６の回転角との差をΔθＴとする。この差ΔθＴを回転角度センサ５ａ，６ａのセンサ周期φの周期範囲内（−φ／２〜φ／２）に入るように差ΔθＴが−φ／２以下のときは差ΔθＴにセンサ周期φを足し、差ΔθＴがφ／２以上のときは差ΔθＴからセンサ周期φを引き、ΔθＴを補正した検出角ΔΘを得る。この検出角ΔΘとメイン歯車４の絶対角θ（複数回転分の回転角）は式（４）の関係にある。

よって、第１センサ歯車５の回転角と第２センサ歯車６の回転角を検出すれば、計算によりメイン歯車４の絶対角θが得られる。

ここで、メイン歯車４の所望の絶対角検出範囲Ψを−７２０°から＋７２０°の範囲（Ψ＝１４４０°）とし、第１センサ歯車５、第２センサ歯車６に取り付けられる０°から１８０°までが周期的に検出可能なセンサ周期φ＝１８０°の回転角度センサを用いたとすると、両センサ歯車５，６の回転角からメイン歯車４の絶対角を所望の絶対角検出範囲Ψ（＝１４４０°）内で一意的に算出可能とするには、所望の絶対角検出範囲Ψが絶対角検出可能範囲Ψ_０以下であればよいので、式（４）を不等式に変形し、各値を代入した、

の式（５）で表す条件を、自然数Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃが満足する必要がある。

図２は、外側メイン歯車歯数Ｚａ＝６４、内側メイン歯車歯数Ｚｂ＝５６、第１センサ歯車歯数及び第２センサ歯車歯数Ｚｃ＝Ｚｃａ＝Ｚｃｂ＝３２とし、式（５）の条件を満足しない場合（メイン歯車４の絶対角検出可能範囲Ψ_０＝７２０°、所望の絶対角検出範囲Ψ＝１４４０°）の絶対角θと検出角ΔΘの特性を示したものである。この場合、破線丸で囲んだ領域同士、あるいは一点鎖線丸で囲んだ領域同士は、検出角ΔΘが同じであり、検出角ΔΘから一意的に絶対角θを求めることができない。

一方、図３は、外側メイン歯車歯数Ｚａ＝６４、内側メイン歯車歯数Ｚｂ＝６０、第１センサ歯車及び第２センサ歯車歯数Ｚｃ＝Ｚｃａ＝Ｚｃｂ＝３２とし、式（５）の条件を満足する場合（メイン歯車４の絶対角検出可能範囲Ψ_０＝１４４０°、所望の絶対角検出範囲Ψ＝１４４０°）の絶対角θと検出角ΔΘの特性を示したものである。この場合、所望の絶対角検出範囲Ψが−７２０°から＋７２０°までの範囲（Ψ＝１４４０°）で絶対角θが検出角ΔΘに一対一で対応しているので、検出角ΔΘから絶対角θを一意的に算出可能となる。

次に、メイン歯車４を一体成型によって作り込む際の離型の条件を考察する。一体成型用の型をひとつにするためには、内側メイン歯車３の歯先が外側メイン歯車２の歯底（歯と歯の谷間）から突き出さないようにする必要がある。

図４に示されるように、本発明では、歯数が多い外側メイン歯車２が内側メイン歯車３より大きい。そのため、外側メイン歯車２の中で最も直径が小の部分は外側メイン歯車２の歯底であり、内側メイン歯車３の中で最も直径が大の部分は内側メイン歯車３の歯先である。よって、本発明のように、外側メイン歯車２の歯底を結ぶ歯底円の直径Ｄ１が内側メイン歯車３の歯先を結ぶ歯先円の直径Ｄ２以上であるように構成すれば、外側メイン歯車２の歯底（歯と歯の谷間）より内側メイン歯車３の歯先が外に突き出ることがなくなり、メイン歯車４の金型からの離型が容易となる。

上記を実現するために歯車の歯の大きさを表す指標であるモジュールｍを考慮する。ここでは、歯車の設計簡略化のため外側メイン歯車２と内側メイン歯車３のモジュール及び第１センサ歯車５と第２センサ歯車６のモジュールを同一とする。モジュールｍは、歯車のピッチ円直径ｄ及び歯数Ｚとｍ＝ｄ／Ｚの関係にある量である。これにより、歯数Ｚを決定するとそれぞれの歯車のピッチ円直径ｄの関係が決定される。外側メイン歯車２の歯底円の直径Ｄ１が内側メイン歯車３の歯先円の直径Ｄ２以上であるという条件は、
Ｚａ・ｍ−２．５ｍ≧Ｚｂ・ｍ＋２ｍ （６）
と表すことができる。左辺が歯底円、右辺が歯先円を表す。

これより、
Ｚａ−２．５≧Ｚｂ＋２
であり、
Ｚｂ≦Ｚａ−４．５ （２）
が導かれる。すなわち、式（２）の条件が満足されていれば、外側メイン歯車２の歯底より内側メイン歯車３の歯先が外に突き出ることがない。

ここで、第１センサ歯車５の歯数Ｚｃａと第２センサ歯車６の歯数ＺｃｂをＺｃａ＝Ｚｃｂ＝Ｚｃとし、外側メイン歯車２と第１センサ歯車５のギア比をＺｃ／Ｚａ＝１／２とする。また、第１回転角度センサ５ａ及び第２回転角度センサ６ａのセンサ周期φ＝１８０°として考察したとき、式（５）の条件と式（２）の条件を図５に表す。横軸を外側メイン歯車２の歯数Ｚａ、縦軸を内側メイン歯車３の歯数Ｚｂとする。

図５に示すように、式（５）の条件は、
７２０×２≦（Ｚｃ／（Ｚａ−Ｚｂ））×１８０
かつＺｃ／Ｚｂ＝１／２より、
Ｚｂ≧（７．５／８）×Ｚａ
となる直線（太線）を境界とする範囲内及び境界上において満足される。式（２）の条件は、Ｚｂ＝Ｚａ−４．５となる直線を境界とする範囲内及び境界上において満足される。両直線に挟まれた領域及び境界上においてのみ２つの条件を共に満足することができる。この領域中及び境界上に、両メイン歯車の歯数が自然数として得られる点が本発明の絶対角検出装置における外側メイン歯車２の歯数Ｚａと内側メイン歯車３の歯数Ｚｂの組を表している。

図５についてまとめると、第１センサ歯車５、第２センサ歯車６が等しい歯数Ｚｃを有し、第１センサ歯車５、第２センサ歯車６に取り付ける回転角度センサとして、０°から１８０°までが周期的に検出可能な回転角度センサ５ａ，６ａ（センサ周期がφ＝１８０°の回転角度センサ）を用い、外側メイン歯車２と第１センサ歯車５のギア比をＺｃ／Ｚｂ＝１／２とした場合に、本発明の式（２）の条件と式（５）の条件を共に満足する歯数Ｚａ，Ｚｂの自然数の組が図５中の▲点で表される。このとき、絶対角検出装置１は、絶対角（−７２０°から７２０°の範囲）の一意的な検出が可能であると共に、歯車の一体成型が容易となる。

図５中の▲点のひとつを採用した絶対角検出装置１の具体例を表１に示す。

センサ周期が３６０°の場合は、式（５）をそのセンサ周期φ＝３６０°に合わせて変形する。

この変形した式（７）の条件と式（２）の条件を共に満足する歯数Ｚａ，Ｚｂの組が、図６のように得られる。この場合、式（７）の条件は、
７２０×２≦（Ｚｃ／（Ｚａ−Ｚｂ））×３６０
かつＺｃ／Ｚｂ＝１／２より、
Ｚｂ≧（７／８）×Ｚａ
となる直線を境界とする範囲内及び境界上において満足される。式（２）の条件は、Ｚｂ＝Ｚａ−４．５となる直線を境界とする範囲内及び境界上において満足される。これらの条件を共に満足する歯数Ｚａ，Ｚｂの自然数の組が図６中の▲点で表される。

第１センサ歯車の歯数Ｚｃａと第２センサ歯車の歯数Ｚｃｂが等しくない場合、絶対角の算出式は、

の式（８）で表される。また、センサ周期φ＝１８０°、メイン歯車４の所望の絶対角検出範囲Ψを−７２０°から＋７２０°までの範囲（Ψ＝１４４０°）を検出するものとし、絶対角が一意的となる条件は、式（１）にΨ，φを代入して、

のように式（９）で表される。この条件と、内側メイン歯車３の歯先が外側メイン歯車２の歯底からが突き出ないための式（２）の条件とにより、前述と同様に歯数Ｚａ，Ｚｂの組を求めることができる。例えば、Ｚａ＝７５、Ｚｂ＝６３、Ｚｃｂ＝３８、Ｚｃａ＝３４の組み合わせで絶対角検出装置１を構成できる。このとき、絶対角検出装置１は、所望の絶対角検出範囲Ψ（−７２０°から＋７２０°の範囲）内で絶対角θを検出角ΔΘから一意的に検出が可能であると共に、歯車の一体成型が容易となる。

以上の実施形態の他にも、センサ周期、外側メイン歯車２と第１センサ歯車５のギア比、所望の絶対角検出範囲Ψなどを変えて本発明の絶対角検出装置１を構成することができる。これらの変更に応じて各条件の数値を適宜変更することにより、本発明の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態を示す絶対角検出装置の要部概略図である。 式（５）の条件を満足しないときの絶対角と検出角の特性図である。 式（５）の条件を満足するときの絶対角と検出角の特性図である。 メイン歯車の部分拡大図である。 外側メイン歯車の歯数と内側メイン歯車の歯数の組み合わせが式（２）の条件及び式（５）の条件を満足するか否かを示す図である。 外側メイン歯車の歯数と内側メイン歯車の歯数の組み合わせが式（２）の条件及び式（５）の条件を満足するか否かを示す図である。

符号の説明

１ 絶対角検出装置
２ 外側メイン歯車
３ 内側メイン歯車
４ メイン歯車
５ 第１センサ歯車
５ａ 第１回転角度センサ
６ 第２センサ歯車
６ａ 第２回転角度センサ
１００ 回転軸

Claims (3)

1. 所定歯数を有する外側メイン歯車とそれより少ない歯数を有する内側メイン歯車とが同軸に配置されたメイン歯車と、上記外側メイン歯車に噛み合う第１センサ歯車と、該第１センサ歯車の回転角度を検出する第１回転角度センサと、上記内側メイン歯車に噛み合う第２センサ歯車と、該第２センサ歯車の回転角度を検出する第２回転角度センサと、上記第１回転角度センサが検出した回転角信号及び上記第２回転角度センサが検出した回転角信号から上記メイン歯車の回転角を算出する演算装置とを備える絶対角検出装置において、
   上記外側メイン歯車の歯底を結ぶ歯底円の直径よりも上記内側メイン歯車の歯先を結ぶ歯先円の直径が小さくなるように形成されると共に、上記外側メイン歯車と上記内側メイン歯車とが一体的に形成されたことを特徴とする絶対角検出装置。
2. 上記外側メイン歯車と上記内側メイン歯車と上記第１センサ歯車と上記第２センサ歯車のモジュールが同一であり、
   上記外側メイン歯車の歯数をＺａ、上記内側メイン歯車の歯数をＺｂ、上記第１センサ歯車の歯数をＺｃａ、上記第２センサ歯車の歯数をＺｃｂ、上記第１第２回転角度センサのセンサ周期をφ、所望の絶対角検出範囲をΨとするとき、これらの自然数Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃａ，Ｚｃｂ，φが、
   

   

   かつ
   Ｚｂ≦Ｚａ−４．５ （２）
   を満たすことを特徴とする請求項１記載の絶対角検出装置。
3. 所定歯数を有する外側メイン歯車とそれより少ない歯数を有する内側メイン歯車とが同軸で一体的に形成されたメイン歯車と、上記外側メイン歯車に噛み合う第１センサ歯車と、該第１センサ歯車の回転角度を検出するセンサ周期φの第１回転角度センサと、上記内側メイン歯車に噛み合う第２センサ歯車と、該第２センサ歯車の回転角度を検出するセンサ周期φの第２回転角度センサと、上記第１回転角度センサが検出した回転角信号及び上記第２回転角度センサが検出した回転角信号から上記メイン歯車の回転角を算出する演算装置とを備えた絶対角検出装置の製造方法であって、
   条件１：外側メイン歯車と内側メイン歯車と第１センサ歯車と第２センサ歯車のモジュールが同一であって、
   条件２：上記外側メイン歯車の歯底を結ぶ歯底円の直径よりも上記内側メイン歯車の歯先を結ぶ歯先円の直径が小さく、
   条件３：所望の絶対角検出範囲Ψが得られる、
   という３つの条件を満たすように、
   

   

   かつ
   Ｚｂ≦Ｚａ−４．５ （２）
   を満たし、かつ自然数である上記外側メイン歯車の歯数Ｚａ、上記内側メイン歯車の歯数Ｚｂ、上記第１センサ歯車の歯数Ｚｃａ、上記第２センサ歯車の歯数Ｚｃｂが決定される工程と、
   上記外側メイン歯車と上記内側メイン歯車とが一体成形される工程と、
   上記第１センサ歯車及び上記第２センサ歯車が上記外側メイン歯車及び上記内側メイン歯車に噛合するよう配設される工程と、
   上記第１回転角度センサ及び第２回転角度センサが上記第１センサ歯車及び上記第２センサ歯車の回転角を検出するよう配設される工程と、
   上記第１回転角度センサが検出した回転角信号及び上記第２回転角度センサが検出した回転角信号を伝送する信号線を演算装置と上記第１回転角度センサ及び上記第２回転角度センサ間に配線する工程と、
   を有することを特徴とする絶対角検出装置の製造方法。

Images