JP2017201326A - 歯車を適正位置に保持する歯車支持機構を用いる回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減するとともに、高速回転可能でかつ歯車を挟持する筐体に対して摺動性の高い歯車の支持機構を提供することを課題とする。
【解決手段】従属歯車１０３は、筐体１０４に固定された歯車軸１０５に挿入され、歯車軸１０５を回転軸として回転する。従属歯車１０３は、筐体１０４と回路基板１１０との間に挟持される。従属歯車１０３が回転すると、従属歯車１０３と歯車軸１０５との間の摩擦熱は金属製の歯車軸１０５を介して放熱される。従属歯車１０３を筐体１０４と異なる材質で作製すると、従属歯車１０３は、筐体１０４の接触面に対して高い摺動性を示すという知見が得られた。その知見に基づき、筐体１０４はポリフェニルサルファイドを基材とした樹脂を、また従属歯車はポリアセタールを基材とした樹脂を採用した。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転角検出装置に使用される歯車を支持する機構に関し、さらに詳しくは、歯車を適正な位置に保持する歯車支持機構を用いる回転角検出装置に関する。

歯車の回転を正確に検出するためには、歯車を取り付ける軸が歯車の回転に対して安定していることが必須である。軸の安定性を確保するために、特開２０１２−１４５３８０号公報（特許文献１）に開示された多回転アブソリュート回転角検出装置は、図２に示されるように、歯車２４ａ，ｂ、２５ａ，ｂ、２６ａ，ｂをそれぞれ固定した第２〜４回転軸２４〜２６を保持するための保持板３２を用いる。この保持板３２により、第２〜４回転軸２４〜２６の中心軸は、歯車２４ａ，ｂ、２５ａ，ｂ、２６ａ，ｂの回転に対して、ぶれないで安定する。

また、特開２００４−３５４０７５号公報（特許文献２）に開示された回転角度検出装置１は、回路基板２と下ケース１０とで樹脂製の第２のギア３を挟持する構造を開示する。

さらに、特開２０１３−１５２０９２号公報（特許文献３）は、歯車３０１に従属する歯車３０２，３０３が軸受３０３，３０４でそれぞれ軸支される多回転モジュールを開示し、この構造によれば、軸受３０３，３０４による１点で歯車を支持、かつ保持する。

特開２０１２−１４５３８０号公報 特開２００４−３５４０７５号公報 特開２０１３−１５２０９２号公報

特許文献１の図２に示される構造の場合、歯車の回転軸を両端で保持する部品はそれぞれ別の部品となるため、組立の際に歯車軸受部の同軸度精度を維持することが難しく、回転軸を保持するための保持板が必要となる。

特許文献２の図１に示される構造は、車両のステアリング舵角を検出する回転角度検出装置に用いられるので、歯車の回転速度が低いため、回転角度の検出精度に問題となることはない。しかしながら、歯車が高速回転する場合は、樹脂歯車を樹脂材料で保持した場合、摺動部の摺動速度が高くなると摩擦熱により樹脂材料の溶融が発生する。このため、高速回転用途にはこの構造は適用できない。それを防ぐために歯車を金属製にする対策が考えられるが、金属で同じ形状の歯車を作製した場合、コストが高くなる。また、金属歯車は導体であるため、摩耗粉により回路基板上で回路短絡が発生する危険性がある。

特許文献３の図４のような構造の場合、歯車を軸方向に固定するためにベース部品に固定された軸受に歯車を固定する必要がある。そのため、使用する軸受は深溝玉軸受のようにベース部品に固定される部品（外輪）と歯車と固定される部品（内輪）とに分かれた部品を持つ軸受を使用する必要がある。深溝玉軸受等を使用するためコストを抑えることが難しくなる。また、軸受け内部隙間等の影響で歯車軸が傾くことで、歯車のかみ合いが適正に行えない状態となるとか、歯車に設置した磁石の位置が半径方向にずれるため、センサ検出精度に影響することが考えられる。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、主回転軸の回転角を検出するための歯車機構を構成する歯車を、歯車機構を収容する筐体に固定された歯車軸で保持するととともに筐体の２面で挟持する構成とし、また、歯車を面で挟持する部分については、筐体の一部としての回路基板を使用する。また、歯車には樹脂材料を使用し、歯車軸には金属軸を使用する。歯車は回路基板と回転可能に直接接する。さらに、歯車の端面が、内蔵した磁石の端面より適正量だけ突出しており、その突出量で磁石と、磁気検出素子との間隔を適正に保ち、かつ、磁石と回路基板が直接摺動することを防ぐ構造とすることにより、上記の課題を解決することができる。以下、本発明を図面に基づいて説明する。

本発明によれば、歯車と筐体を異種の材料で作製することにより、筐体に対する歯車の摺動性を高めることができるとともに、高速回転に適応させることができる。また、歯車を回路基板および筐体に直接接触させて回転することができることから、部品点数を削減した歯車機構を実現することができ、安価で小型の回転角検出装置を実現することが可能となる。

本発明の歯車支持機構を用いる回転角検出装置の断面図である。 本発明の歯車支持機構を用いる別の回転角検出装置の立体分解図である。

本発明に係る回転角検出装置は、回転軸の回転角度を検出する装置で、相互にかみ合いされた複数の歯車により構成される歯車機構を含む。各歯車の回転角度を検出することにより回転角検出装置に入力される回転軸の多回転のアブソリュート（絶対）回転角を検出することができる。図１は、このような回転角検出装置１００の断面図である。回転角検出装置１００の主回転軸１０１は、図示しないモーターの出力回転軸に結合され、回転角検出装置１００の入力となる。すなわち、回転角検出装置１００は、モーター出力回転軸の多回転アブソリュート回転角を検出することができる。

主回転軸１０１に固定された主軸歯車１０２は、従属歯車１０３にかみ合いされ、主軸歯車１０２の回転を従属歯車１０３に伝達する。従属歯車１０３は、回転角検出装置１００の筐体１０４に固定された歯車軸１０５に挿入され、歯車軸１０５を軸として自由に回転する。主回転軸１０１の先端部に磁石１０６が取り付けられ、磁石１０６は、主軸歯車１０２の回転とともに回転する。磁石１０６は、磁極となるＳ極とＮ極を交互に複数配列した環状の磁石である。また、従属歯車１０３に磁石１０８が組み込まれ、磁石１０８は、従属歯車１０３の回転とともに回転する。図１に示すように、従属歯車１０３に従属歯車１０３と一体整形された円筒状の収納容器１０７を設け、その中に磁石１０８を内蔵させてもよい。

主回転軸１０１の先端部に対向する位置にＭＲセンサ等の磁気検出素子１０９が回路基板１１０上に取り付けられ、磁気検出素子１０９は、磁石１０６の回転によって生じる磁場の変化を検出する。また、磁石１０８に対向する位置にＭＲセンサ等の磁気検出素子１１１が回路基板１１０上に取り付けられ、磁気検出素子１１１は、磁石１０８の回転によって生じる磁場の変化を検出する。磁気検出素子１０９，１１１が検出した磁場の変化は、磁気検出信号として回路基板１１０上に配置された磁気検出回路（図示せず）に出力され、所定の演算により主回転軸１０１の多回転アブソリュート回転角を算出する。主軸歯車１０２、従属歯車１０３、磁石１０６，１０８、および磁気検出素子１０９，１１１は、磁気検出回路とともにアブソリュート磁気エンコーダ１１２を構成する。

上述のように、従属歯車１０３は、主軸歯車１０２の回転により歯車軸１０５を中心として回転するが、回転角検出装置１００が設置された向きに応じて、従属歯車１０３に掛かる重力や、主軸歯車１０２との間のかみ合い反力により歯車軸１０５の軸方向に力が発生する。この力により従属歯車１０３は、歯車軸１０５の軸方向に移動しようとするが、以下説明するように従属歯車１０３は、筐体１０４と回路基板１１０により適正な隙間を維持した状態で支持され、適正な位置を保つことができる。

主軸歯車１０２の回転により従属歯車１０３が回転すると、従属歯車１０３と歯車軸１０５との間、および従属歯車１０３と筐体１０４との間の摺動部１０３ａに摩擦熱が発生する。この摩擦熱は、金属製の歯車軸１０５を使用することで容易に筐体１０４へ伝導させることができるので、従属歯車１０３が摩擦熱により溶融することを防ぐことができる。また、高硬度が得やすい軸受鋼、例えば高炭素クロム軸受鋼により歯車軸１０５を作製することにより、耐摩耗性や高い剛性を確保することができる。

主軸歯車１０２および従属歯車１０３は、吸水性・膨潤性が無く、寸法安定性に優れ、かつ潤滑性に優れたポリアセタールを基材とした樹脂を使用し、歯車間のあそびであるバックラッシが維持される。また、従属歯車１０３と摺動する筐体１０４の材料を選定するにあたり、様々な材料の組み合わせを検討した結果、筐体１０４を従属歯車１０３とは異種の材料とすることが、従属歯車１０３と筐体１０４間の摺動性を高めることができるという知見を得た。そこで、回転角検出装置１００の筐体１０４は、強度および剛性に優れたポリフェニルサルファイドを基材とした樹脂を採用した。しかしながら、強度および剛性に優れた材料であれば、従属歯車１０３と異なる材料である限り、他の樹脂材料を用いることができる。

従属歯車１０３は、回路基板１１０により適正な隙間を維持した状態で支持される。従属歯車１０３の摺動性を高めるために、従属歯車１０３と回路基板１１０との隙間に摺動板１１３が挿入される。摺動性を高めるために、筐体１０４が従属歯車１０３とは異種の材料を用いたのと同様に、摺動板１１３は、従属歯車１０３の材料とは異なる材料が用いられる。摺動板１１３として、摺動性に優れたナイロン基材の樹脂材料が用いられ、例えば、ポリスライダーが用いられてもよい。この摺動板１１３を用いることで、回路基板１１０の製造ロットや製造元の違いにより、回路基板１１０の表面状態に変化が生じたとしても、従属歯車１０３と回路基板１１０との間の潤滑状態に変化が生じず、従属歯車１０３を安定して回転させることができる。また、摺動板１１３の摺動部の面積を出来るだけ小さくすることにより、従属歯車１０３と回路基板１１０との間の摩擦熱の発生を抑制することができる。なお、従属歯車１０３を回路基板１１０の摺動部に直接接しても、回路基板１１０の摺動部の耐久性に問題が無いことが確認できれば、従属歯車１０３と回路基板１１０との間に摺動板１１３を挿入する必要はない。

収納容器１０７の上端面１０７ａが、内蔵した磁石１０８の上端面１０８ａより適正量だけ突出しており、その突出量で磁石１０８と磁気検出素子１１１との間隔が適正に保たれ、かつ、磁石１０８の上端面１０８ａが摺動板１１３と直接摺動することを防ぐことができる。

図２は、図１に示される歯車機構の主回転軸１０１に２つの直列接続した従属歯車をさらに加えた歯車機構を有する別の回転角検出装置２００の立体分解図を示す。図２において、同一の参照番号は、図１の要素と同一または類似の要素を示す。なお、主回転軸１０１に固定された主軸歯車１０２と従属歯車１０３とからなる歯車機構は、図１と同一の構成であるので説明を省略する。

図２において、モーター本体２０１の出力回転軸に主回転軸１０１が結合される。主回転軸１０１に固定された主軸歯車１０２は、筐体１０４に固定された歯車軸２０２に挿入された第１従属歯車２０３ａとかみ合いし、第１従属歯車２０３ａは、第１歯車軸２０２を軸中心として自由に回転する。第１従属歯車２０３ａは、第１従属歯車２０３ａの歯数と異なる歯数を有する第２従属歯車２０３ｂと一体整形される。第２従属歯車２０３ｂの上部には、円筒状の収納容器２０４が第１，２従属歯車２０３ａ，ｂと共に一体整形され、その収納容器２０４内に磁石２０５が内蔵される。主回転軸１０１、磁石１０６、および、回路基板１１０の中心は、中心軸Ｘ１に沿って配置される。また、歯車軸１０５、従属歯車１０３、および、磁石１０８の中心は、中心軸Ｘ２に沿って配置される。さらに、歯車軸２０２、第１従属歯車２０３ａ、第２従属歯車２０３ｂ、および、磁石２０５の中心は、中心軸Ｘ３に沿って配置される。

第２従属歯車２０３ｂは、さらに筐体１０４に固定された第２歯車軸２０６に挿入された第３従属歯車２０７とかみ合いし、第３従属歯車２０７は、第２歯車軸２０６を軸中心として自由に回転する。第３従属歯車２０７の上部には、円筒状の収納容器２０８が第３従属歯車２０７と共に一体整形され、その収納容器２０８内に磁石２０９が内蔵される。このような歯車機構により、主回転軸１０１の回転は、主軸歯車１０２から第１従属歯車２０３ａへ伝達され、第１従属歯車２０３ａと一体整形された第２従属歯車２０３ｂからさらに第３従属歯車２０７へ伝達される。歯車軸２０６、第３従属歯車２０７、および、磁石１０９の中心は、中心軸Ｘ４に沿って配置される。

第１，３従属歯車２０３ａ，２０７の回転は、第１，２歯車軸２０２，２０６に摩擦熱を生じさせるが、この摩擦熱は、第１，２歯車軸２０２，２０６が金属であるので容易に筐体１０４へ伝導させることができ、歯車軸１０５と同様に、摩擦熱による第１，２，３従属歯車２０３ａ，２０３ｂ，２０７の溶融を防止することができる。また、高硬度が得やすい軸受鋼、例えば高炭素クロム軸受鋼により第１，２歯車軸２０２，２０６を作製することにより、耐摩耗性や高い剛性を確保することができることは、歯車軸１０５と同様である。

図１に示される磁石１０８と磁石１０８に対向する位置に配置された磁気検出素子１１１との間の位置関係と同様に、磁石２０５，２０９に対向する回路基板１１０上の位置に磁気検出素子（図示せず）がそれぞれ配置される。これらの磁気検出素子から出力される磁気検出信号に基づいて、回路基板１１０上に配置された磁気検出回路（図示せず）は、所定の演算を実行して、主回転軸１０１の多回転アブソリュート回転角を算出する。

筐体１０４の材料に関して上述したように、従属歯車１０３および筐体１０４を相互に異なる材料とすることが、従属歯車１０３の摺動性を高めることができるという知見に基づき、第１，２，３従属歯車２０３ａ，２０３ｂ，２０７は、筐体１０４の材料と異なる材料が用いられる。第１，２，３従属歯車２０３ａ，２０３ｂ，２０７の材料は、従属歯車１０３と同様に、ポリアセタールを基材とした樹脂を使用する。なお、第１，２，３従属歯車２０３ａ，２０３ｂ，２０７は、筐体１０４の材料と異なる材料である限り、他の樹脂材料を用いてもよい。

回路基板１１０と収納容器２０４，２０８の上端面２０４ａ，２０８ａとの間に摺動性を高めるための摺動板２１０が挿入される。摺動性を高めるために、摺動板２１０は、第１，２，３従属歯車２０３ａ，２０３ｂ，２０７の材料とは異なる材料が用いられる。摺動板２１０として、摺動板１１３と同様に、摺動性に優れたナイロン基材の樹脂材料が用いられ、例えば、ポリスライダーが用いられてもよい。この摺動板２１０により、回路基板１１０の表面状態に変化が生じたとしても、第１，２，３従属歯車２０３ａ，２０３ｂ，２０７を安定して回転させることができる。また、摺動板２１０における摺動部の面積を出来るだけ小さくすることにより、上端面２０４ａ，２０８ａと摺動板２１０との間の摩擦熱の発生を抑制することができる。なお、上端面２０４ａ，２０８ａを回路基板１１０に直接接触させても、回路基板１１０上の摺動部の耐久性に問題が無いことが確認できれば、上端面２０４ａ，２０８ａと回路基板１１０との間に摺動板２１０を挿入する必要はない。

なお、収納容器２０４，２０８の上端面２０４ａ，２０８ａを、内蔵した磁石２０５，２０９の上端面２０５ａ，２０９ａより１ミリメートル未満の適正量だけ突出させることにより、その突出量で磁石２０５，２０９と磁石２０５，２０９に対向する磁気検出素子との間隔を適正に保つことができ、かつ、磁石２０５，２０９の上端面２０５ａ，２０９ａが摺動板２１０と直接摺動することを防ぐことができる。

以上のように、歯車が筐体に接触して回転する場合、歯車と筐体を異種の材料で作製することにより、歯車をスムーズに回転させることができるので、筐体に対する歯車の摺動性を高めることができるとともに、高速回転に適応させることができる。歯車を筐体に直接接触させて回転することができることから、部品点数を削減した歯車機構を実現することができ、安価で小型の回転角検出装置を実現することが可能となる。

１００，２００ 回転角検出装置
１０１ 主回転軸
１０２ 主軸歯車
１０３ 従属歯車
１０４ 筐体
１０５ 歯車軸
１０６ 磁石
１０７ 収納容器
１０７ａ 上端面
１０８ 磁石
１０８ａ 上端面
１０９，１１１ 磁気検出素子
１１０ 回路基板
１１２ アブソリュート磁気エンコーダ
１１３ 摺動板
２０１ モーター本体
２０２ 歯車軸
２０３ａ 第１従属歯車
２０３ｂ 第２従属歯車
２０４，２０８ 収納容器
２０４ａ，２０８ａ 上端面
２０５ 磁石
２０５ａ，２０９ａ 上端面
２０６ 第２歯車軸
２０７ 第３従属歯車
２０９ 磁石
２１０ 摺動板

Claims (4)

1. 主回転軸に結合された主軸歯車および前記主軸歯車の回転に従属して回転する少なくとも１つの従属歯車からなる歯車機構の、前記主軸歯車および前記従属歯車の回転角から前記主回転軸の回転角を求める多回転回転角検出装置において、
   前記歯車機構を収容する筐体と、
   前記筐体および回路基板の間に位置する従属歯車であって、前記従属歯車は前記回路基板および前記筐体と回転可能に直接接しており、前記筐体とは異なる材料で形成された前記従属歯車と、を含み、
   前記従属歯車は、前記筐体に固定された金属製の歯車軸に挿入され、前記歯車軸を中心に回転することを特徴とする多回転回転角検出装置。
2. 前記筐体および前記従属歯車は、異種の樹脂から形成されることを特徴とする請求項１記載の多回転回転角検出装置。
3. 前記筐体は、ポリフェニルサルファイドを基材とした樹脂により形成され、また前記従属歯車は、ポリアセタールを基材とした樹脂により形成されることを特徴とする請求項１記載の多回転回転角検出装置。
4. 前記従属歯車は前記従属歯車の回転角を検出するために用いられる磁石を内蔵し、前記従属歯車の前記回路基板側の端面は前記磁石より予め定める量だけ突出していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の多回転回転角検出装置。

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