JP2011022074A - 多回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトでありながら大きな減速比を得られる多回転角度検出装置の提供。
【解決手段】多回転可能な第１回転体１の外周面に第１歯部１ｂを設け、この第１歯部１ｂに遊星歯車機構４の外輪歯車７の外歯部７ａを噛合する。遊星歯車機構７は太陽歯車８と遊星歯車９および太陽歯車８に同軸配置された第２回転体２とを備えており、第２回転体２に第１磁石１０を取着すると共に、第１磁石１０に対向する第１磁気検出素子１２を回路基板５に実装する。遊星歯車９は互いの歯数を異にする第１ギア部９ａと第２ギア部９ｂを有しており、歯数の小さい方の第２ギア部９ｂを第２回転体２の第２歯部２ａに噛合することにより、第１回転体１の回転に伴って第２回転体２が所定の減速比で低速回転する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車のステアリングホイールのように１回転以上に有限で回転する回転体の回転角度を検出する多回転角度検出装置に関するものである。

従来より、この種の多回転角度検出装置として、ステアリングホイール等に連動して回転する第１回転体と、第１回転体より高速で回転する第２回転体と、第１回転体より低速で回転する第３回転体と、第２回転体の回転角度を検出する第１検出手段と、第３回転体の回転角度を検出する第２検出手段とを備え、第１検出手段と第２検出手段の出力信号に基づいて所定の演算式を実行することで第１回転体の回転角度を求めるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、第１回転体と第２回転体および第３回転体の外周面にはそれぞれ所定の歯数を有する歯車が形成されており、第１回転体の歯車は、第２回転体の歯車に直接連結されると共に、他の歯車（第２回転体の外周の歯車）を介して第３回転体に連結されている。これにより第１回転体が回転すると、第２回転体が各歯車の歯数の比による速比で増速して回転し、第３回転体が他の歯車を含む各歯車の歯数の比による速比で減速して回転する。

特開２００２−３４０６１８号公報

しかしながら、前述した従来の多回転角度検出装置では、第１回転体と第３回転体との間に歯数の異なる他の歯車を介設することにより、第３回転体が第１回転体よりも十分に低速回転できるようにしているため、第１回転体の外方に他の歯車を配置する大きなスペースが必要となり、装置全体の外形寸法が大きくな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、コンパクトでありながら大きな減速比を得られる多回転角度検出装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の多回転角度検出装置は、外周面に第１歯部を有する多回転可能な第１回転体と、この第１回転体に並設されて、外周面に前記第１歯部に噛合する外歯部を有しかつ内周面に内歯部を有するリング状の外輪歯車と、この外輪歯車の中心位置に配設された太陽歯車と、前記外輪歯車の前記内歯部と前記太陽歯車との間に介設された遊星歯車と、前記太陽歯車に同軸上に配設されて外周面に第２歯部を有する第２回転体と、この第２回転体の回転角度を検出する第１検出手段とを備え、前記遊星歯車が、前記外輪歯車および前記太陽歯車に噛合する第１ギア部と、前記第２回転体の前記第２歯部に噛合する第２ギア部とを有すると共に、前記第１ギア部の歯数が前記第２ギア部の歯数と異なるように設定されている構成とした。

このように構成された多回転角度検出装置では、ステアリングホイール等に連動して回転する第１回転体の外周面に設けられた第１歯部に遊星歯車機構をなす外輪歯車の外歯部が噛合しており、この遊星歯車機構の構成部材である遊星歯車が互いの歯数を異にする第１ギア部と第２ギア部を有すると共に、第２ギア部が太陽歯車に同軸配置された第２回転体の第２歯部に噛合しているので、第１ギア部と第２ギア部の歯数や第１歯部と第２歯部の歯数等を適宜設定することにより、第２回転体を大きな減速比で低速回転させることができると共に、他の歯車を介在させずに第１回転体と遊星歯車機構とを直接連結させる構成なので装置全体のコンパクト化が図れる。

上記の構成において、第２回転体の支持手段は特に限定されないが、例えば第２回転体に設けたガイド孔を太陽歯車に突設した軸部に挿入したり、その反対に第２回転体に突設した軸部を太陽歯車に設けたガイド孔に挿入するように、第２回転体は太陽歯車に回転自在に支持されていることが好ましい。

また、上記の構成において、第１歯部に噛合して第１回転体より高速回転する第３回転体と、この第３回転体の回転角度を検出する第２検出手段とを付加し、第１検出手段と第２検出手段とによって第１回転体の回転角度を検出するようにすると、初期位置からの高分解能の回転角度を検出することができて好ましい。

この場合において、第１回転体にステアリングシャフトを挿通するための貫通孔が設けられており、外輪歯車と第３回転体とが第１回転体の外方に並設されていと、第２回転体と第３回転体をコンパクトに配置することができ、車載用舵角センサとして好適な多回転角度検出装置を実現することができる。

本発明の多回転角度検出装置は、多回転可能な第１回転体の外周面に設けられた第１歯部に遊星歯車機構をなす外輪歯車の外歯部が噛合しており、この遊星歯車機構の構成部材である遊星歯車が互いの歯数を異にする第１ギア部と第２ギア部を有すると共に、第２ギア部が太陽歯車に同軸配置された第２回転体の第２歯部に噛合しているので、第１ギア部と第２ギア部の歯数や第１歯部と第２歯部の歯数等を適宜設定することにより、第１回転体に対して第２回転体を大きな減速比で低速回転させることができると共に、遊星歯車機構を用いて装置全体のコンパクト化が図れる。

本発明の実施形態例に係る多回転角度検出装置の平面図である。 図１の多回転角度検出装置に備えられる第１回転体と遊星歯車機構の斜視図である。 図２に示す第１回転体と遊星歯車機構の断面図である。 図３に示す第１回転体と遊星歯車機構の説明図である。 図１の多回転角度検出装置に備えられる第１検出手段と第２検出手段の出力から得られる角度信号を示す説明図である。

以下、発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態例に係る多回転角度検出装置は、３６０度（１回転）以上に多回転可能な第１回転体１と、第１回転体１よりも低速で回転する第２回転体２と、第１回転体１よりも高速で回転する第３回転体３と、第１回転体１から第２回転体２に至る動力伝達経路に配設された遊星歯車機構４と、第２回転体２および第３回転体３に対向配置された回路基板５等によって主に構成されており、これらは自動車のステアリングコラム等に取り付けられるハウジング６の内部に収納されている。

第１回転体１は中央部に円形の貫通孔１ａを有するリング状に形成されており、第１回転体１の外周面には第１歯部１ｂが設けられている。貫通孔１ａには図示せぬステアリングシャフトが挿通されるようになっており、このステアリングシャフトに設けられたハブ等に第１回転体１を取り付けることにより、第１回転体１はステアリングシャフト（ステアリングホイール）と一体的に回転する。

図２と図３に示すように、遊星歯車機構４は、外周面と内周面にそれぞれ外歯部７ａ，内歯部７ｂを有するリング状の外輪歯車７と、外輪歯車７の中心位置に配設された太陽歯車８と、外輪歯車７の内歯部７ｂと太陽歯車８との間に介設された複数の遊星歯車９と、太陽歯車８に同軸上に配設された前記第２回転体２とで構成されており、この第２回転体２の外周面には第２歯部２ａが設けられている。外輪歯車７の外歯部７ａは第１回転体１の第１歯部１ｂに噛合しており、外輪歯車７は遊星歯車機構４の入力軸となっている。太陽歯車８はハウジング６に直接または適宜部材を介して間接的に固定されており、その外周面には歯部８ａが設けられている。また、太陽歯車８の中央部にはガイド孔８ｂが設けられており、第２回転体２の下面に突設した軸部２ｂをガイド孔８ｂに挿入することにより、第２回転体２は太陽歯車８に回転可能に支持されている。

遊星歯車９は下端側の第１ギア部９ａと上段側の第２ギア部９ｂとを有し、第１ギア部９ａの歯数は第２ギア部９ｂの歯数よりも大きく設定されている。遊星歯車９の第１ギア部９ａは外輪歯車７の内歯部７ｂと太陽歯車８の歯部８ａに噛合しており、外輪歯車７が回転すると、遊星歯車９は太陽歯車８の周囲を自転しながら公転する。一方、遊星歯車９の第２ギア部９ｂは第２回転体２の第２歯部２ａに噛合しており、遊星歯車９が太陽歯車８の周囲を自転しながら公転すると、それに伴って第２回転体２は軸部２ｂを中心に回転する。すなわち、第２回転体２は一般的に知られている遊星歯車機構のキャリアと類似した回転運動を行い、この第２回転体２が遊星歯車機構４の出力軸となっている。ただし、第１ギア部９ａと第２ギア部９ｂおよび第２歯部２ａの歯数比を適宜設定することにより、第２回転体２は遊星歯車９の公転速度の影響も受けて低速回転することが可能であり、また回転方向自体も変更できる点が一般的なキャリアと大きく相違している。

図１に戻り、第３回転体３の外周面には第３歯部３ａが設けられており、第３歯部３ａは第１回転体１の第１歯部１ｂに噛合している。第３歯部３ａの歯数は第１歯部１ｂの歯数よりも十分に小さく設定されており、第１回転体１が回転すると、第３回転体３は第１歯部１ｂと第３歯部３ａの歯数比による速比で増速して回転する。

第２回転体２の上面には円環状の第１磁石１０が取着されており、第３回転体３の上面には円環状の第２磁石１１が取着されている。これら第１磁石１０と第２磁石１１は略同一平面上に配置されており、回路基板５には第１磁石１０に対向する第１磁気検出素子１２と第２磁石１１に対向する第２磁気検出素子１３が実装されている。第１磁気検出素子１２は第２回転体２の回転に伴う磁場の変化を検出する素子で、第１磁石１０と第１磁気検出素子１２によって第１検出手段が構成されている。第２磁気検出素子１３は第３回転体３の回転に伴う磁場の変化を検出する素子で、第２磁石１１と第２磁気検出素子１３によって第２検出手段が構成されている。これら第１磁気検出素子１２および第２磁気検出素子１３としては、磁界の強さの変化の影響をあまり受けずに安定性が高いことから、本実施形態例ではＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive:巨大磁気抵抗）センサが用いられているが、ＭＲＥセンサ、ホール素子等の他の検出素子を用いることも可能である。また、回路基板５にはマイクロプロセッサ１４が搭載されており、後述するように、このマイクロプロセッサ１４は第１磁気検出素子１２と第２磁気検出素子１３の検出信号に基づいて第１回転体１の回転角度を算出する。

次に、このように構成された本実施形態例に係る多回転角度検出装置の動作について説明する。

運転手がステアリングホイールを回転操作すると、ステアリングシャフトと第１回転体１が一体的に回転し、それに伴って遊星歯車機構４の外輪歯車７と第３回転体３とがそれぞれ回転する。この場合、第３回転体３は第１歯部１ｂと第３歯部３ａの歯数比による速比で増速して回転するが、遊星歯車機構４の構成部材である第２回転体２は、第１およびギア部９ａ，９ｂや第２歯部２ａ等の歯数比によって決定される速比で減速して回転する。具体的に説明すると、遊星歯車機構４は太陽歯車８を固定するソーラ型であり、外輪歯車７を入力軸、第２回転体２を出力軸とした場合、第２回転体２の減速比（入力／出力）は以下のようにして求められる。

図４に示すように、遊星歯車９と第２回転体２を結ぶ黒塗りの部材を形式的にキャリアＥと称し、第１回転体１の第１歯部１ｂの歯数をＺｓ、外輪歯車７の外歯部７ａの歯数をＺｔ、外輪歯車７の内歯部７ｂの歯数をＺｃ、遊星歯車９の第１ギア部９ａの歯数をＺｂ、遊星歯車９の第２ギア部９ｂの歯数をＺｂ′、太陽歯車８の歯部８ａの歯数をＺａ、第２回転体２の第２歯部２ａの歯数をＺｄとすると、入力軸である外輪歯車７に対するキャリアＥの速度比はＺｃ／（Ｚａ＋Ｚｃ）となる。また、キャリアＥが第２回転体２を中心に１回転したときに、遊星歯車９はＺａ／Ｚｂだけ自転し、第２回転体２はＺｂ′／ＺｄだけキャリアＥと逆方向に回転する。そして、第１回転体１に対する外輪歯車７の回転比はＺｓ／Ｚｔであるから、第１回転体１が一方向（例えばＣＣＷ方向）に１回転すると、キャリアＥは他方向（ＣＷ方向）に（Ｚｓ＊Ｚｃ）／｛Ｚｔ＊（Ｚａ＋Ｚｃ）｝回転し、これにより、第２回転体２はＣＣＷ方向に｛Ｚｓ＊Ｚｃ＊（１＋Ｚａ／Ｚｂ）＊Ｚｄ｝／｛Ｚｔ＊（Ｚａ＋Ｚｃ）＊Ｚｂ′｝回転する。したがって、第１回転体１が１回転したとき、第２回転体２の回転は、
（Ｚｓ＊Ｚｃ）／｛Ｚｔ＊（Ｚａ＋Ｚｃ）｝−｛Ｚｓ＊Ｚｃ＊（Ｚａ／Ｚｂ）＊Ｚｂ′｝／｛Ｚｔ＊（Ｚａ＋Ｚｃ）＊Ｚｄ｝…（１）
で与えられる速度まで減速される。

上記（１）式から明らかなように、第２回転体２の減速比を算出するパラメータとして遊星歯車９の第１および第２ギア部９ａ，９ｂと第２回転体２の第２歯部２ａの各歯数を含んでいるため、各歯数の組合せを適宜設定することにより、第２回転体２の減速比を自由に決めることができる。例えば、モジュールを０．５とし、Ｚｓ＝７２、Ｚｔ＝６０、Ｚｃ＝４８、Ｚａ＝３０、Ｚｂ＝９、Ｚｂ′＝７、Ｚｄ＝３２とした場合、これらの値を上記（１）式に代入することで減速比＝０．２、すなわち第１回転体１が１回転した場合の第２回転体２の回転数を０．２回転とすることができる。

回路基板５には、第２回転体２に取着された第１磁石１０に対向する第１磁気検出素子１２と、第３回転体３に取着された第２磁石１１に対向する第２磁気検出素子１３とが実装されているので、第１回転体１の回転に伴って第２回転体２が減速回転すると、第１磁気検出素子１２を貫く磁力の方向が変化して第１磁気検出素子１２の出力が変化する。同様に、第１回転体１の回転に伴って第３回転体３が増速回転すると、第２磁気検出素子１３を貫く磁力の方向が変化して第２磁気検出素子１３の出力が変化する。

ここで、第１回転体１が１回転した場合の第２回転体２の回転数を０．２回転、第３回転体３の回転数を５回転とすると、第１磁気検出素子１２から図５（Ａ）に示すような出力が得られ、第２磁気検出素子１３から図５（Ｂ）に示すような出力が得られる。この場合、第１回転体１はセンター位置を基準にして時計方向と反時計方向へそれぞれ２．５回転、合計で５回転までの回転角度の検出が可能である。この関係から第１回転体１の回転角度は、マイクロプロセッサ１４によって第１磁気検出素子１２の出力から粗く検出し、その付近の精密な角度について第２磁気検出素子１３の出力から検出することで算出される。そして、マイクロプロセッサ１４に第１および第２磁気検出素子１２，１３の出力と第１回転体１の絶対角度とを照合できる情報を用意しておけば、第１回転体１の絶対角度を高分解能にて検出することができる。

以上説明したように、本実施形態例に係る多回転角度検出装置は、ステアリングホイール（ステアリングシャフト）に連動して回転する第１回転体１の外周面に設けられた第１歯部１ｂに遊星歯車機構４の外輪歯車７の外歯部７ａが噛合しており、この遊星歯車機構７の構成部材である遊星歯車９が互いの歯数を異にする第１ギア部９ａと第２ギア部９ｂを有すると共に、歯数の小さい方の第２ギア部９ｂが太陽歯車８に同軸配置された第２回転体２の第２歯部２ａに噛合しているので、第１ギア部９ａと第２ギア部９ｂの歯数や第１歯部１ｂと第２歯部２ａの歯数等を適宜設定することにより、第２回転体２を大きな減速比で低速回転させることができると共に、遊星歯車機構４を用いて装置全体のコンパクト化を図ることができる。

また、第１回転体１の第１歯部１ｂに第３回転体３の第３歯部３ａを噛合し、第１回転体１より低速回転する第２回転体２の回転角度を検出する第１検出手段（第１磁石１０と第１磁気検出素子１２）の出力と、第１回転体１より高速回転する第３回転体３の回転角度を検出する第２検出手段（第２磁石１１と第２磁気検出素子１３）の出力とに基づいて、第１回転体１の回転角度を検出するようにしたので、初期位置からの高分解能の回転角度を検出することができる。しかも、第１回転体１から第２回転体２に至る動力伝達経路を遊星歯車機構４を用いて小型化できるため、遊星歯車機構４と第３回転体３を第１回転体１の外側の狭いスペース内にコンパクトに配置することができ、車載用舵角センサとして好適な多回転角度検出装置を実現することができる。

なお、上記の実施形態例では、第１回転体１より低速回転する第２回転体２と第１回転体１より高速回転する第３回転体３とを併用した場合について説明したが、第３回転体３を省略し、第２回転体２の回転角度を検出する第１検出手段の出力のみから第１回転体１の回転角度を検出するようにしても良い。

また、上記の実施形態例では、第２回転体２の回転角度を検出する第１検出手段として第１磁石１０と第１磁気検出素子１２を用いると共に、第３回転体３の回転角度を検出する第２検出手段として第２磁石１１と第２磁気検出素子１３を用いた場合について説明したが、これら第１および第２検出手段として磁気式センサ以外の光学式センサや摺動式センサを用いても良く、磁気式センサと光学式センサを併用することも可能である。

１ 第１回転体
１ａ 貫通孔
１ｂ 第１歯部
２ 第２回転体
２ａ 第２歯部
２ｂ 軸部
３ 第３回転体
３ａ 第３歯部
４ 遊星歯車機構
５ 回路基板
６ ハウジング
７ 外輪歯車
７ａ 外歯部
７ｂ 内歯部
８ 太陽歯車
８ａ 歯部
８ｂ ガイド孔
９ 遊星歯車
９ａ 第１ギア部
９ｂ 第２ギア部
１０ 第１磁石
１１ 第２磁石
１２ 第１磁気検出素子
１３ 第２磁気検出素子
１４ マイクロプロセッサ

Claims (4)

1. 外周面に第１歯部を有する多回転可能な第１回転体と、この第１回転体に並設されて、外周面に前記第１歯部に噛合する外歯部を有しかつ内周面に内歯部を有するリング状の外輪歯車と、この外輪歯車の中心位置に配設された太陽歯車と、前記外輪歯車の前記内歯部と前記太陽歯車との間に介設された遊星歯車と、前記太陽歯車に同軸上に配設されて外周面に第２歯部を有する第２回転体と、この第２回転体の回転角度を検出する第１検出手段とを備え、
   前記遊星歯車が、前記外輪歯車および前記太陽歯車に噛合する第１ギア部と、前記第２回転体の前記第２歯部に噛合する第２ギア部とを有すると共に、前記第１ギア部の歯数が前記第２ギア部の歯数と異なるように設定されていることを特徴とする多回転角度検出装置。
2. 請求項１の記載において、前記第２回転体が前記太陽歯車に回転自在に支持されていることを特徴とする多回転角度検出装置。
3. 請求項１または２の記載において、前記第１歯部に噛合して前記第１回転体より高速回転する第３回転体と、この第３回転体の回転角度を検出する第２検出手段とを備え、前記第１検出手段と前記第２検出手段とによって前記第１回転体の回転角度を検出することを特徴とする多回転角度検出装置。
4. 請求項３の記載において、前記第１回転体にステアリングシャフトを挿通するための貫通孔が設けられており、前記外輪歯車と前記第３回転体とが前記第１回転体の外方に並設されていることを特徴とする多回転角度検出装置。

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