JP2010048763A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数の少ない簡単な構造であり、かつ高価な多回転方式のアブソリュート型の回転位置検出手段を必要とせずに、回転体の３６０°を超える回転角を精度良く検出できるようにする。
【解決手段】 ステアリングシャフト１１に設けた駆動ギヤ１２に噛合する従動ギヤ１４が支軸１３まわりに回転すると、ねじ機構１６により、従動ギヤ１４が軸線Ｌ方向に直線移動する。移動位置検出手段２０が検出した従動ギヤ１４の軸線Ｌ方向の位置と、回転位置検出手１７段が検出した従動ギヤ１４の回転位置とに基づいて、回転角算出手段２３がステアリングシャフト１１の回転角を算出するので、従動ギヤ１４が１回転を超えて回転する場合であっても、移動位置検出手段２０により従動ギヤ１４の大まかな回転数を検出し、回転位置検出手段１７で従動ギヤ１４の精密な回転位置を検出することで、ステアリングシャフト１１の絶対回転角を精度良く検出することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体の回転角を検出する回転角検出装置に関する。

回転体の回転角を検出するロータリエンコーダのような回転角検出装置には、インクリメンタル型のものとアブソリュート型のものとがある。インクリメンタル型のものは、回転体の角変位に応じて出力されるパルス信号をカウントすることで回転体の回転量を検出するものであり、３６０°を超える回転量を検出することが可能であるが、正確な回転角を検出するためには、別途測定開始点を認識させる必要があるという問題がある。一方、アブソリュート型のものには、単回転方式および多回転方式の２種類の方式があり、単回転方式のものは回転体の回転位置に応じて出力されるコード信号に基づいて該回転体の絶対回転角を検出することができ、多回転方式のものに比べて安価であるが、回転体が３６０°を超えて回転する場合には、その回転数を識別できないという問題がある。

自動車のステアリングホイールは、中立位置を挟んで右側に２回転強回転し、左側に２回転強回転するため、単回転方式のアブソリュート型の回転角検出装置では、例えば中立位置と、右側に１回転した位置と、右側に２回転した位置と、左側に１回転した位置と、左側に２回転した位置とを識別できない問題がある。インクリメンタル型の回転角検出装置を用いれば、中立位置からの右限界位置までの回転角と、中立位置からの左限界位置までの回転角とを検出可能であるが、上述したようにインクリメンタル型の回転角検出装置では、別途測定開始点をコントロールシステムのＥＣＵに認識させる必要があるという問題がある。

ステアリングシャフトに固定した主動ギヤと、主動ギヤに対して増速される微信号用ギヤと、主動ギヤに対して減速される粗信号用ギヤとをギヤ列を介して連結し、粗信号用ギヤの回転位置と微信号用ギヤの回転位置との組み合わせからステアリングシャフトの回転角を検出する自動車用の舵角センサが、下記特許文献１により公知である。
特開２００８−２６１８０号公報

しかしながら上記特許文献１に記載されたものは、ステアリングシャフトに固定した主動ギヤの回転を微信号用ギヤおよび粗信号用ギヤにそれぞれ増速および減速して伝達する必要があるため、そのギヤ数が増加して部品点数の増加および装置の大型化を招く問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、部品点数の少ない簡単な構造であり、かつ高価な多回転方式のアブソリュート型の回転位置検出手段を必要とせずに、回転体の３６０°を超える回転角を精度良く検出できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転体の回転角を検出する回転角検出装置において、前記回転体の回転に連動して回転する駆動ギヤと、前記駆動ギヤに噛合して軸体まわりに回転する従動ギヤと、前記従動ギヤおよび前記軸体間に配置され、前記従動ギヤの回転を該従動ギヤの軸線方向の直線移動あるいは前記軸体の軸線方向の直線移動に変換するねじ機構と、前記従動ギヤの回転位置を検出する回転位置検出手段と、前記従動ギヤあるいは前記軸体の軸線方向位置を検出する移動位置検出手段と、前記移動位置検出手段で検出した軸線方向位置および前記回転位置検出手段で検出した回転位置から前記回転体の回転角を算出する回転角算出手段とを備えることを特徴とする回転角検出装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記駆動ギヤは前記回転体に設けられていることを特徴とする回転角検出装置が提案される。

尚、実施の形態のステアリングシャフト１１は本発明の回転体に対応し、実施の形態の支軸１３は本発明の軸体に対応する。

請求項１の構成によれば、回転体が回転すると、回転体の回転に連動して回転する駆動ギヤに噛合する従動ギヤが軸体まわりに回転するとともに、従動ギヤおよび軸体間に配置されたねじ機構により、従動ギヤの回転が該従動ギヤの軸線方向の直線移動あるいは軸体の軸線方向の直線移動に変換される。回転位置検出手段が検出した従動ギヤの回転位置と、移動位置検出手段が検出した従動ギヤあるいは軸体の軸線方向位置とに基づいて、回転角算出手段が回転体の回転角を算出するので、従動ギヤが３６０°を超えて回転する場合であっても、移動位置検出手段により従動ギヤの大まかな回転数を検出し、かつ回転位置検出手段で従動ギヤの精密な回転位置を検出することで、回転体の絶対回転角を精度良く検出することができる。このとき、最小限必要なギヤの数は駆動ギヤおよび従動ギヤの２個で済むため、部品点数の節減、回転角検出装置の小型化およびコストの削減が可能になる。

また請求項２の構成によれば、駆動ギヤが回転体に設けられているので、回転体の回転に駆動ギヤを連動させる連動機構が不要になり、回転角検出装置の部品点数を最小限に抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１は第１の実施の形態に係る操舵角検出装置の構造を示す図であって、ステアリングホイールの回転をステアリングギヤボックスに伝達する回転体としてのステアリングシャフト１１に駆動ギヤ１２が固定されており、軸体としての支軸１３に支持された従動ギヤ１４が前記駆動ギヤ１２に噛合する。支軸１３はケーシング１５のような固定部に固定されており、支軸１３と従動ギヤ１４との間にボールねじのようなねじ機構１６が配置される。駆動ギヤ１２の歯数Ｎ１および従動ギヤ１４の歯数Ｎ２の比率は任意であるが、本実施の形態では駆動ギヤ１２の歯数Ｎ１が従動ギヤ１４の歯数Ｎ２よりも多く設定されており（例えば、Ｎ１＝２×Ｎ２）、駆動ギヤ１２が１回転する間に従動ギヤ１４は２回転する。

支軸１３はケーシング１５に固定されているため、駆動ギヤ１２に噛合して回転駆動される従動ギヤ１４は、支軸１３との相対回転によりねじ機構１６の作用で支軸１３の軸線Ｌ方向に移動する。例えば、ステアリングホイールが中立位置から右方向に回転すると、従動ギヤ１４は支軸１３上の中立位置から上方向に移動し、ステアリングホイールが中立位置から左方向に回転すると、従動ギヤ１４は支軸１３上の中立位置から下方向に移動する。

従動ギヤ１４の回転位置を検出する磁気式のロータリエンコーダで構成される回転位置検出手段１７は、従動ギヤ１４の下面に磁石のＮ極およびＳ極が微小な間隔で円周方向に交互に配置された着磁部１８と、着磁部１８に非接触で対向するホール素子１９とで構成される。回転位置検出手段１７は単回転方式のアブソリュート型のもので、従動ギヤ１４の中立位置を基準とする回転角、つまり回転位置を３６０°の範囲内で精度良く検出することができる。

従動ギヤ１４の軸線Ｌ方向の移動位置を検出する磁気式のリニアエンコーダよりなる移動位置検出手段２０は、従動ギヤ１４の上面から軸線Ｌ方向に突出する円筒部１４ａの外周面に磁石のＮ極およびＳ極が軸線Ｌ方向に微小な間隔で交互に配置された着磁部２１と、着磁部２１に非接触で対向するホール素子２２とで構成される。移動位置検出手段２０は、従動ギヤ１４の中立位置を基準とする軸線方向の移動量、つまり軸線Ｌ方向の移動位置を検出することができる。

回転角算出手段２３は、回転位置検出手段１７および移動位置検出手段２０の出力に基づいてステアリングシャフト１１の回転角を検出する。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用について説明する。

一般的に、ステアリングホイールの回転角は中立位置を基準として左右方向にそれぞれ２回転強であり、従動ギヤ１４の回転角は中立位置を基準として左右方向にそれぞれ４回転以上となる。従動ギヤ１４の回転位置を検出する回転位置検出手段１７は３６０°以内の回転角しか検出することができず、中立位置を基準とする０回転目、±１回転目、±２回転目、±３回転目、±４回転目で同じ回転位置信号を出力してしまう。例えば、回転位置検出手段１７が右方向に３０°の回転位置信号を出力しているとき、その回転位置信号が０回転＋３０°、±１回転＋３０°、±２回転＋３０°、±３回転＋３０°、±４回転＋３０°の何れであるかを識別することができない。

このように回転位置検出手段１７だけでは左右方向に１回転以上回転する従動ギヤ１４の回転角を検出することができないため、本実施の形態では、従動ギヤ１４の移動位置を検出する移動位置検出手段２０と前記回転位置検出手段１７の協働によって、従動ギヤ１４の回転位置を検出する。

即ち、従動ギヤ１４が回転すると、ねじ機構１６によって従動ギヤ１４が支軸１３の軸線Ｌ方向に移動するため、その移動位置を移動位置検出手段２０によって検出することで、従動ギヤ１４が中立位置を基準とする０回転目、±１回転目、±２回転目、±３回転目、±４回転目の何れの位置にあるかを判定する。移動位置検出手段２０は、例えば従動ギヤ１４の回転位置が０回転＋３０°の位置にあるか、＋１回転＋３０°の位置にあるかを判定すれば良いため、移動位置検出手段２０の検出精度は比較的に低いもので充分である。

以上のように、移動位置検出手段２０で検出した従動ギヤ１４の１回転単位のおおまかな回転位置と、回転位置検出手段１７で検出した１回転以内の高精度の回転位置とを組み合わせることで、従動ギヤ１４の中立位置を基準とする左右方向への１回転を超える回転位置を精度良く検出することができる。このようにして従動ギヤ１４の回転位置が検出されると、駆動ギヤ１２の歯数Ｎ１と従動ギヤ１４の歯数Ｎ２との比率（実施の形態ではＮ１／Ｎ２＝２）から、中立位置を基準とする従動ギヤ１４の回転角の２分の１が駆動ギヤ１２（つまり、ステアリングホイールの）中立位置を基準とする回転角となる。

本実施の形態によれば、ギヤの数が駆動ギヤ１２および従動ギヤ１４の２個で済むために部品点数の削減および小型化が可能になるだけでなく、ロータリエンコーダとして高価な多回転方式のアブソリュート型のものを必要としないのでコストダウンが可能になる。また従動ギヤ１４の回転数を駆動ギヤ１２の回転数に対して増速しているので、同じ分解能を有する回転位置検出手段１７を用いても、回転数の増速分だけ従動ギヤ１４の回転角の検出精度を高めることができる。特に、ステアリングシャフト１１に直接駆動ギヤ１２を設けているので、ステアリングシャフト１１および駆動ギヤ１２間のギヤ列が不要になり、部品点数を最小限に抑えることができる。

図２は第２の実施の形態に係る操舵角検出装置の構造を示すものである。

第１の実施の形態では、ケーシング１５に固定した支軸１３に対してねじ機構１６を介して従動ギヤ１４を相対回転自在に支持しているが、第２の実施の形態では、従動ギヤ１４の上面と、従動ギヤ１４の下面に設けた円板部２４の下面とを、それぞれボールベアリング２５，２５でケーシング１５に回転自在かつ軸線Ｌ方向移動不能に支持し、従動ギヤ１４にねじ機構１６を介して係合する支軸１３の上下端のうち、上端の角軸部１３ａをケーシング１５の角孔１５ａに相対回転不能かつ軸線Ｌ方向摺動自在に嵌合するとともに、下端をケーシング１５のガイド孔１５ｂに軸線Ｌ方向摺動自在に嵌合する。

ステアリングホイールおよびステアリングシャフト１１と一体に回転する駆動ギヤ１２に噛合する従動ギヤ１４が回転すると、従動ギヤ１４はボールベアリング２５，２５でケーシング１５に拘束されて軸線Ｌ方向に移動できないため、従動ギヤ１４にねじ機構１６を介して係合する支軸１３が、その回転を角軸部１３ａおよび角孔１５ａで規制された状態で軸線Ｌ方向に移動する。

従動ギヤ１４の回転位置を検出する磁気式のロータリエンコーダで構成される回転位置検出手段１７は、従動ギヤ１４の円板部２４の外周面に磁石のＮ極およびＳ極が微小な間隔で円周方向に交互に配置に配置された着磁部１８と、着磁部１８に非接触で対向するホール素子１９とで構成される。回転位置検出手段１７は単回転方式のアブソリュート型のもので、従動ギヤ１４の中立位置を基準とする回転角、つまり回転位置を３６０°の範囲内で精度良く検出することができる。

移動位置検出手段２０は、支軸１３の外表面に磁石のＮ極およびＳ極が軸線Ｌ方向に微小な間隔で交互に配置に配置された着磁部２１と、着磁部２１に非接触で対向するホール素子２２とで構成される。移動位置検出手段２０は、支軸１３の中立位置を基準とする軸線Ｌ方向の移動量位置を検出することができる。

しかして、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の従動ギヤ１４の軸線Ｌ方向の移動を支軸１３の軸線Ｌ方向の移動と読み替えることで、第１の実施の形態と同様の作用効果を達成することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では回転位置検出手段１７および移動位置検出手段２０として磁気式のものを使用しているが、その他に光電式のものや静電容量式のものを使用することができる。

また実施の形態では従動ギヤ１４の回転数を駆動ギヤ１２の回転数に対して増速しているが、同速にしても減速しても良い。

また実施の形態では回転体としてステアリングシャフト１１を例示したが、回転体はステアリングシャフト１１に限定されるものではない。

第１の実施の形態に係る操舵角検出装置の構造を示す図 第２の実施の形態に係る操舵角検出装置の構造を示す図

符号の説明

１１ ステアリングシャフト（回転体）
１２ 駆動ギヤ
１３ 支軸（軸体）
１４ 従動ギヤ
１６ ねじ機構
１７ 回転位置検出手段
２０ 移動位置検出手段
２３ 回転角算出手段
Ｌ 軸線

Claims (2)

1. 回転体（１１）の回転角を検出する回転角検出装置において、
   前記回転体（１１）の回転に連動して回転する駆動ギヤ（１２）と、
   前記駆動ギヤ（１２）に噛合して軸体（１３）まわりに回転する従動ギヤ（１４）と、 前記従動ギヤ（１４）および前記軸体（１３）間に配置され、前記従動ギヤ（１４）の回転を該従動ギヤ（１４）の軸線（Ｌ）方向の直線移動あるいは前記軸体（１３）の軸線（Ｌ）方向の直線移動に変換するねじ機構（１６）と、
   前記従動ギヤ（１４）の回転位置を検出する回転位置検出手段（１７）と、
   前記従動ギヤ（１４）あるいは前記軸体（１３）の軸線（Ｌ）方向位置を検出する移動位置検出手段（２０）と、
   前記移動位置検出手段（２０）で検出した軸線（Ｌ）方向位置および前記回転位置検出手段（１７）で検出した回転位置から前記回転体（１１）の回転角を算出する回転角算出手段（２３）と、
   を備えることを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記駆動ギヤ（１２）は前記回転体（１１）に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の回転角検出装置。

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