JP2022079089A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゼネバ歯車を用いずとも従動歯車の回転数をカウント可能かつ、間欠回転する歯車の小型化を可能とすることができる構成を備えた回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】主動歯車１１０は、ステアリングシャフト１０１に連動して回転する。従動歯車１２０は、主動歯車１１０に噛み合わされると共に、主動歯車１１０に連動して回転する。副従動歯車１３０は、従動歯車１２０の回転に伴って間欠回転する。第１検出部１４０は、従動歯車１２０の連続的な第１回転角度を検出する。第２検出部１５０は、副従動歯車１３０の断続的な第２回転角度を検出する。演算部１６０は、第２回転角度に基づいて従動歯車１２０が１回転する回転数を取得する。さらに、演算部１６０は、第１回転角度と回転数とに基づいてステアリングシャフト１０１の絶対角度を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転角度検出装置に関する。

従来より、３６０度以上の角度範囲内の絶対角度を検出する多回転絶対角検出装置が、例えば特許文献１で提案されている。多回転絶対角検出装置は、回転体、従動回転部材、間欠回転部材、磁石、磁気センサ、第１及び第２のコードパターン、及び複数の検出素子を備える。

従動回転部材は、回転体の回転に連動して回転体に対して増速回転する。間欠回転部材は、ゼネバ歯車として構成されると共に、従動回転部材に突設される駆動ピンと係合して回転体に対して減速回転する。磁石は、従動回転部材の回転中心に取り付けられる。磁気センサは、磁石に対向配置され、従動回転部材の１回転を１周期とする正弦信号及び余弦信号を出力する。

第１及び第２のコードパターンは、間欠回転部材の回転軸を中心とする円周上に形成される。複数の検出素子は、第１コードパターンや第２コードパターンに対向して配置される。

上記の構成では、各検出素子の出力信号に基づいて、回転体の１回転を等分するセクタが識別される。また、正弦信号及び余弦信号から算出される逆正接値に基づいてセクタ内の絶対角が検出される。

特開２００８－２７５５１７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、減速機構がゼネバ歯車となっており、ゼネバ歯車の角度から従動回転部材のターン数をカウントする。装置の体格の小型化のためにはできるだけ回転体と従動回転部材とのギヤ比を高くする必要があるが、それに合わせてゼネバ歯車のカウント数を大きくするとゼネバ歯車が大型化してしまう。あるいは歯車数が増加してしまう。一方、舵角センサを用いる場合、舵角センサの搭載位置の都合上、小型化が求められる。

本発明は上記点に鑑み、ゼネバ歯車を用いずとも従動歯車の回転数をカウント可能かつ、間欠回転する歯車の小型化を可能とすることができる構成を備えた回転角度検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、回転角度検出装置は、主動歯車（１１０）、従動歯車（１２０）、副従動歯車（１３０、１７０）、第１検出部（１４０）、第２検出部（１５０）、及び演算部（１６０）を含む。

主動歯車は、ステアリングシャフト（１０１）に連動して回転する。従動歯車は、主動歯車に噛み合わされると共に、主動歯車に連動して回転する。副従動歯車は、主動歯車または従動歯車の回転に伴って間欠回転する。第１検出部は、従動歯車の連続的な第１回転角度を検出する。第２検出部は、副従動歯車の断続的な第２回転角度を検出する。

演算部は、第１検出部から第１回転角度を入力すると共に、第２検出部から第２回転角度を入力し、第２回転角度に基づいて従動歯車が１回転する回転数を取得し、さらに、第１回転角度と回転数とに基づいてステアリングシャフトの絶対角度を演算する。

これによると、ゼネバ歯車を用いずとも副従動歯車の第２回転角度に基づいて従動歯車の回転数をカウントすることができる。また、ゼネバ歯車を用いないので、ゼネバ歯車が大型化することもなく、間欠回転する副従動歯車を小型化することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る回転角度検出装置を示した図である。 従動歯車の間欠歯車部及び副従動歯車を示した平面図である。 従動歯車の間欠歯車部及び副従動歯車の回転の様子を示した図である。 第１回転角度と舵角との関係を示した図である。 第２回転角度と舵角との関係を示した図である。 実際に測定される第１回転角度及び第２回転角度と舵角との関係を示した図である。 第１実施形態に係る変形例を示した平面図である。 第１実施形態に係る変形例において、各磁気抵抗素子の出力波形を示した図である。 図７に対応する回転角度を示した図である。 第２実施形態に係る回転角度検出装置を示した図である。 第３実施形態に係る回転角度検出装置を示した図である。 主動歯車及び従動歯車を示した平面図である。 主動歯車及び従動歯車の回転の様子を示した図である。 第３回転角度と舵角との関係を示した図である。 第４回転角度と舵角との関係を示した図である。 第３実施形態に係る変形例を示した平面図である。 第３実施形態に係る変形例を示した平面図である。 第３実施形態に係る変形例を示した平面図である。 第３実施形態に係る変形例を示した一部断面図である。 第３実施形態に係る変形例を示した平面図である。 第４実施形態に係る回転角度検出装置を示した図である。 図２１のXXII－XXII断面図である。 図２１のXXIII－XXIII断面図である。 図２１のXXIV－XXIV断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、回転角度検出装置１００は、主動歯車１１０、従動歯車１２０、副従動歯車１３０、第１検出部１４０、第２検出部１５０、及び演算部１６０を備える。

主動歯車１１０は、平歯車である。主動歯車１１０は、ステアリングシャフト１０１に固定されると共に、ステアリングシャフト１０１に連動して回転する。ステアリングシャフト１０１は、運転者によって操作されるステアリングホイールに連動して回転軸を中心に回転する。

従動歯車１２０は、主動歯車１１０に噛み合わされると共に、主動歯車１１０に連動して回転する。従動歯車１２０は、平歯車部１２１及び間欠歯車部１２２を有する。平歯車部１２１は、主動歯車１１０と噛み合わされる。間欠歯車部１２２は、副従動歯車１３０と噛み合わされる。

平歯車部１２１及び間欠歯車部１２２は、サブシャフト１０２に固定されることで同一軸上に配置される。サブシャフト１０２は、図示しない筐体に設けられる。よって、平歯車部１２１及び間欠歯車部１２２は、サブシャフト１０２の回転軸を中心に回転する。

間欠歯車部１２２は、外周部１２３及び間欠歯１２４を有する。外周部１２３は、間欠歯車部１２２の外周面である。間欠歯１２４は、外周部１２３の一部が間欠歯車部１２２の径方向に突出した部分である。すなわち、間欠歯車部１２２の歯は１つである。

図２に示されるように、副従動歯車１３０は、従動歯車１２０の間欠歯車部１２２に噛み合わされる。主動歯車１１０が回転すると、従動歯車１２０の平歯車部１２１が回転する。よって、副従動歯車１３０は、従動歯車１２０の平歯車部１２１が１回転する毎に間欠歯車部１２２の間欠歯１２４に噛み合わされる。つまり、従動歯車１２０が１回転する毎に副従動歯車１３０が１歯分回転する。このように、副従動歯車１３０は、主動歯車１１０または従動歯車１２０の回転に伴って間欠回転する。これにより、副従動歯車１３０の回転角度から容易に従動歯車１２０の回転数を検出することが可能になる。従動歯車１２０の角度変化が階段状となり、角度分解能の粗い低コストのセンサが適用可能となる。

本実施形態では、副従動歯車１３０は、従動歯車１２０が所定角度を回転する間に少なくとも１歯遷移する。例えば、所定角度を３６０°とすると、副従動歯車１３０の回転角度によって従動歯車１２０の回転数を検出することが可能になる。

また、副従動歯車１３０は、従動歯車１２０が所定角度を回転する角度範囲において、１回転未満の角度を回転する。言い換えると、主動歯車１１０あるいは従動歯車１２０の回転角度範囲において、副従動歯車１３０は１回転以上回転しない。例えば、従動歯車１２０が３回転したとしても、副従動歯車１３０は１回転未満である。副従動歯車１３０が１回転以上しないように設定することで、副従動歯車１３０の回転角度から主動歯車１１０あるいは従動歯車１２０の回転数を一意に特定することが可能になる。

副従動歯車１３０の各歯先１３１は、円弧状の摺動部１３２を有する。摺動部１３２は、従動歯車１２０の間欠歯車部１２２が副従動歯車１３０と噛み合わない状態において、間欠歯車部１２２の外周部１２３を摺動する。つまり、摺動部１３２は間欠歯車部１２２の外周部１２３を滑る。このように、間欠歯車部１２２の外周部１２３と副従動歯車１３０の各歯先１３１とを面接触とすることで、副従動歯車１３０が車両の振動等によって勝手に回転することを抑制することができる。したがって、歯車としての信頼性を向上させることができる。

具体的には、副従動歯車１３０の回転軸に垂直な面を垂直面と定義する。また、副従動歯車１３０の回転軸の軸中心から各歯の歯先１３１のうちの周方向の角部１３３、１３４までの第１距離をＬ１と定義し、副従動歯車１３０の回転軸の軸中心から従動歯車１２０の間欠歯車部１２２の外周部１２３までの第２距離をＬ２と定義する。この場合、第１距離Ｌ１は第２距離Ｌ２よりも長い。これによると、間欠歯車部１２２が副従動歯車１３０に噛み合っていない状態において、副従動歯車１３０が勝手に回転してしまい、従動歯車１２０の回転数が誤検知されることを抑制することができる。

第１検出部１４０は、従動歯車１２０の第１回転角度を検出する。第１検出部１４０は、磁石１４１及び磁束検出部１４２を有する。磁石１４１は、ステアリングシャフト１０１の径方向に着磁された一対のＮ極及びＳ極からなる２極磁石である。磁石１４１は、従動歯車１２０に固定される。磁束検出部１４２は、磁石１４１から受ける磁束の変化に基づいてステアリングシャフト１０１の第１回転角度を検出する。

第２検出部１５０は、副従動歯車１３０の第２回転角度を検出する。第２検出部１５０は、磁石１５１及び磁束検出部１５２を有する。磁石１５１は、副従動歯車１３０に固定される。磁束検出部１５２は、磁石１５１から受ける磁束の変化に基づいて副従動歯車１３０の第２回転角度を検出する。

各磁束検出部１４２、１５２は、各磁石１４１、１５１から離間して配置される。各磁束検出部１４２、１５２は、回転を検出するためのホール素子または磁気抵抗素子を有するモールド体として構成される。磁気抵抗素子は、例えば、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子やＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子である。磁気式の検出方式は、ポテンショメータやロータリエンコーダ等の角度検出手段と比較して、コスト、体格、耐久性等の量産面で優れる。また、磁石１４１、１５１と磁束検出部１４２、１５２との組み合わせによって、安価かつ信頼性高く回転角度を検出できる。

演算部１６０は、第１検出部１４０から第１回転角度を入力すると共に、第２検出部１５０から第２回転角度を入力する。演算部１６０は、第２回転角度に基づいて従動歯車１２０が１回転する回転数を取得する。さらに、演算部１６０は、第１回転角度と回転数とに基づいて、ステアリングシャフト１０１の絶対角度を演算する。

演算部１６０は、例えば、半導体チップを封止したモールド体として構成される。なお、各磁束検出部１４２、１５２及び演算部１６０は、例えばプリント基板に実装される。演算部１６０は、各磁束検出部１４２、１５２が実装された基板とは別の基板に実装されていても良い。

次に、主動歯車１１０、従動歯車１２０、及び副従動歯車１３０の動作について説明する。図３の上段に示されるように、間欠歯車部１２２の間欠歯１２４が副従動歯車１３０に噛み合わない場合、副従動歯車１３０は静止している。

続いて、図３の中段に示されるように、ステアリングシャフト１０１が回転することに伴って従動歯車１２０が回転し、間欠歯車部１２２の間欠歯１２４が副従動歯車１３０に噛み合う場合、副従動歯車１３０が回転させられる。間欠歯車部１２２の間欠歯１２４と副従動歯車１３０との篏合が終了すると、副従動歯車１３０は１歯分状態が遷移する。すなわち、副従動歯車１３０は従動歯車１２０が１回転したことをカウントする。このように、副従動歯車１３０は間欠歯車部１２２の間欠歯１２４と噛み合ったときだけ一定角度回転する。

この後、図３の下段に示されるように、間欠歯車部１２２の間欠歯１２４は副従動歯車１３０に噛み合わず、間欠歯車部１２２は回転する一方、副従動歯車１３０は静止している。

主動歯車１１０、従動歯車１２０、及び副従動歯車１３０は、ステアリングシャフト１０１の時計回りの回転方向あるいは反時計回りの回転方向にも対応する。仮に、従動歯車１２０が１０回転する場合、副従動歯車１３０の歯数を１０歯以上とすることで、従動歯車１２０の回転数を一意に特定することできる。

ステアリングホイールが操作されてステアリングシャフト１０１が回転すると、主動歯車１１０を介して従動歯車１２０が回転する。したがって、図４に示されるように、ステアリングホイールの回転に対して従動歯車１２０の第１回転角度は連続的に変化する。第１回転角度は０°から３６０°まで１回転すると再び０°から３６０°まで連続で変化する。つまり、第１回転角度は０°～３６０°の繰り返し波形である。

これに対し、副従動歯車１３０は従動歯車１２０の１回転毎に一定角度だけ回転する。したがって、図５に示されるように、ステアリングホイールの回転に対して副従動歯車１３０の第２回転角度は断続的に変化する。断続的とは間欠的とも言える。すなわち、第２回転角度は階段状に変化する。

図６に示されるように、ステアリングホイールの実際の測定値である舵角真値に対し、従動歯車１２０の第１回転角度は連続的に変化する繰り返し波形となり、副従動歯車１３０の第２回転角度は断続的に変化する階段状の波形となる。

演算部１６０は、磁束検出部１４２から第１回転角度を入力し、磁束検出部１５２から第２回転角度を入力する。ここで、舵角をθと定義する。第１回転角度をθ_{ａｎｇｌｅ}と定義し、従動歯車１２０が１回転する回転数をＮと定義する。演算部１６０は、第２回転角度に基づいて回転数Ｎを取得する。例えば、演算部１６０は、第２回転角度と回転数Ｎとの関係が予め定義されたマップから回転数Ｎを取得する。そして、演算部１６０は、従動歯車１２０の絶対角度を、（３６０°×Ｎ）＋θ_{ａｎｇｌｅ}を演算することで取得する。

主動歯車１１０と従動歯車１２０とのギヤ比は既知である。よって、演算部１６０は、従動歯車１２０の第１回転角度からギヤ比を考慮することで、（３６０°×Ｎ）＋θ_{ａｎｇｌｅ}をギヤ比で割った値を主動歯車１１０の絶対角度、すなわちステアリングシャフト１０１の舵角として推定することができる。

以上説明したように、本実施形態では、従動歯車１２０が１回転する毎に副従動歯車１３０が一定角度だけ間欠回転する。このため、副従動歯車１３０の回転角度の変化が連続的では無く断続的になるので、第２検出部１５０として高い角度分解能を持つものが不要になる。したがって、回転角度検出装置１００において低コスト化を図ることができる。

また、ゼネバ歯車を用いずとも副従動歯車１３０の第２回転角度に基づいて従動歯車１２０の回転数をカウントすることができる。ゼネバ歯車を用いないので、ゼネバ歯車が大型化することもなく、間欠回転する副従動歯車１３０を小型化することができる。

変形例として、磁石１４１及び磁石１５１は、ステアリングシャフト１０１の軸方向に着磁されていても構わない。あるいは、磁石１４１及び磁石１５１は、径方向及び軸方向とは異なる方向に着磁されていても構わない。

変形例として、図７に示されるように、副従動歯車１３０の歯数を奇数としても良い。図８に示されるように、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistance）素子の場合、磁束検出部１５２の出力変化がＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に対して２倍になる。このため、副従動歯車１３０の歯数が２倍必要になる。加えて、磁束検出部１５２自体も１８０°のみの検出しかできないとなると、副従動歯車１３０の歯数が２倍必要になる。すなわち、磁束検出部１５２を３６０°の角度検出が可能な素子から１８０°のみの検出しかできないＡＭＲ素子に置き換える場合、副従動歯車１３０の歯数が４倍になる。体格が大きくなることに加え、ＡＭＲ素子自体もより高精度に角度を検出する必要がある。そこで、副従動歯車１３０の歯数を奇数とすることで、図９に示されるように、１番から１７番までの各歯における検出角度を全て異ならせることができる。特に、１番と１０番との角度が異なるため、ＡＭＲ素子であっても、副従動歯車１３０の歯数が奇数であれば、１８０°以上の角度を検出することが可能になる。また、副従動歯車１３０の大径化を抑制することが可能になる。

変形例として、主動歯車１１０は、従動歯車１２０と噛み合わされる平歯車部と、副従動歯車１３０と噛み合わされる間欠歯車部と、を有していても良い。上記と同様に、平歯車部及び間欠歯車部は、同一軸上に配置される。この場合、主動歯車１１０が１回転する毎に副従動歯車１３０の歯が１歯進む。したがって、副従動歯車１３０の第２回転角度から容易に主動歯車１１０の回転数を検出することができる。

また、上記と同様に、副従動歯車１３０において第１距離が第２距離よりも長い。なお、第２距離は副従動歯車１３０の回転軸の軸中心から主動歯車１１０の間欠歯車部の外周部までの距離となる。さらに、副従動歯車１３０の各歯先の摺動部は、主動歯車１１０の間欠歯車部が副従動歯車１３０と噛み合わない状態において、主動歯車１１０の間欠歯車部の外周部を摺動する。

変形例として、副従動歯車１３０の各歯先１３１は、摺動部１３２を有していなくても良い。すなわち、副従動歯車１３０の各歯先１３１と、間欠歯車部１２２の外周部１２３と、の間に隙間があっても構わない。
（第２実施形態）
本実施形態では、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。第１実施形態では、ステアリングシャフト１０１の角度検出範囲や主動歯車１１０と従動歯車１２０とのギヤ比によっては、カウントすべき回転数が増加し、副従動歯車１３０に多くの歯数を必要とする可能性がある。すなわち、カウントすべき回転数が多いほど副従動歯車１３０が大径化する。

そこで、図１０に示されるように、回転角度検出装置１００は、複数の副従動歯車１３０、１７０を有する。複数の副従動歯車１３０、１７０は、歯数がそれぞれ異なる。複数の副従動歯車１３０、１７０のうちの少なくとも一方の歯数は、奇数である。これにより、歯数が奇数の場合、ＡＭＲ素子を用いることができる。

具体的には、各副従動歯車１３０、１７０は、各歯数の最小公倍数が主動歯車１１０または従動歯車１２０の所定の回転数以上の値である。例えば、一方の副従動歯車１３０の歯数を１３とし、他方の副従動歯車１７０の歯数を１２とすると、両者の組み合わせによって１３×１２＝１５６回転までは主動歯車１１０または従動歯車１２０の回転数を一意に決定することができる。

第２検出部１５０は、副従動歯車１７０の第２回転角度を検出するための磁石１５３及び磁束検出部１５４を有する。磁石１５３は、副従動歯車１７０に固定される。磁束検出部１５４は、磁石１５３から受ける磁束の変化に基づいて副従動歯車１７０の第２回転角度を検出する。

演算部１６０は、磁束検出部１４２から第１回転角度を入力し、各磁束検出部１５２、１５４から第１の第２回転角度及び第２の第２回転角度を入力する。そして、演算部１６０は、２つの第２回転角度に基づいて回転数Ｎを取得する。例えば、演算部１６０は、一方の副従動歯車１３０の第１の第２回転角度と他方の副従動歯車１７０の第２の第２回転角度とによって設定された回転数Ｎのマップを有する。演算部１６０は、マップの中から各第２回転角度に応じた回転数Ｎを選択する。この後、第１実施形態と同様に、舵角θを取得する。

以上により、主動歯車１１０または従動歯車１２０が各副従動歯車１３０、１７０の歯数以上の回転数を回転したとしても、各副従動歯車１３０、１７０の角度の組み合わせによって、主動歯車１１０または従動歯車１２０の回転数を一意に特定することができる。

変形例として、複数の副従動歯車１３０、１７０の歯数は、両方とも奇数あるいは偶数であっても構わない。例えば、複数の副従動歯車１３０、１７０の一方が１２歯であり、他方が１４歯の場合、８４回転までカウントすることが可能である。

（第３実施形態）
本実施形態では、主に第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図１１に示されるように、回転角度検出装置１００は、主動歯車１１５、従動歯車１２５、第３検出部１４５、第４検出部１５５、演算部１６５、及び基板１６６を備える。

主動歯車１１５は、ステアリングシャフト１０１に固定されると共に、ステアリングシャフト１０１に連動して回転する。従動歯車１２５は、主動歯車１１５に噛み合わされると共に、主動歯車１１５に連動して回転する。従動歯車１２５は、サブシャフト１０３に固定されると共に、サブシャフト１０３の回転軸を中心に回転する。サブシャフト１０３は、図示しない筐体に設けられる。

図１２に示されるように、主動歯車１１５は、外周部１１６及び間欠歯１１７を有する。外周部１１６は、主動歯車１１５の外周面である。間欠歯１１７は、外周部１１６の一部が主動歯車１１５の径方向に突出した部分である。すなわち、主動歯車１１５の歯は１つである。よって、間欠歯１１７は、主動歯車１１５が１回転する毎に従動歯車１２５に噛み合わされる。

本実施形態では、従動歯車１２５は、主動歯車１１５が所定角度を回転する間に少なくとも１歯遷移する。従動歯車１２５の断続的な回転角度によって、主動歯車１１５の回転数を特定することが可能になる。

また、従動歯車１２５は、主動歯車１１５が所定角度を回転する角度範囲において、１回転未満の角度を回転する。言い換えると、主動歯車１１５の回転角度範囲において、従動歯車１２５は１回転以上回転しない。例えば、主動歯車１１５が３回転したとしても、従動歯車１２５は１回転未満である。これにより、従動歯車１２５の回転角度によって、主動歯車１１５の回転数を一意に特定することが可能になる。

従動歯車１２５は、複数の歯が外周に一周設けられている。従動歯車１２５の各歯先１２６は、円弧状の摺動部１２７を有する。摺動部１２７は、主動歯車１１５の間欠歯１１７が従動歯車１２５と噛み合わない非篏合状態において、主動歯車１１５の外周部１１６を摺動する。つまり、摺動部１２７は主動歯車１１５の外周部１１６を滑る。このように、主動歯車１１５の外周部１１６と従動歯車１２５の各歯先１２６とを面接触とすることで、従動歯車１２５が車両の振動等によって勝手に回転することを抑制することができる。したがって、歯車としての信頼性を向上させることができる。従動歯車１２５の各歯先１２６の側面の曲率と、主動歯車１１５の外周部１１６の曲率とを同じとすることで、信頼性をさらに高めることができる。

具体的には、従動歯車１２５の回転軸に垂直な面を垂直面と定義する。また、従動歯車１２５の回転軸の軸中心から各歯の歯先１２６のうちの周方向の角部１２８、１２９までの第３距離をＬ３と定義し、従動歯車１２５の回転軸の軸中心から主動歯車１１５の外周部１１６までの第４距離をＬ４と定義する。この場合、第３距離Ｌ３は第４距離Ｌ４よりも長い。これによると、主動歯車１１５が従動歯車１２５に噛み合っていない状態において、従動歯車１２５が勝手に回転してしまい、主動歯車１１５の回転数が誤検知されることを抑制することができる。

第３検出部１４５は、主動歯車１１５の第３回転角度を検出する。第３検出部１４５は、磁石１４６及び磁束検出部１４７を有する。磁石１４６は、ステアリングシャフト１０１の径方向に着磁された一対のＮ極及びＳ極からなる２極磁石である。磁石１４６は、主動歯車１１５に固定される。磁束検出部１４７は、磁石１４６から受ける磁束の変化に基づいてステアリングシャフト１０１の第３回転角度を検出する。

第４検出部１５５は、従動歯車１２５の第４回転角度を検出する。第４検出部１５５は、磁石１５６及び磁束検出部１５７を有する。磁石１５６は、従動歯車１２５に固定される。磁束検出部１５７は、磁石１５６から受ける磁束の変化に基づいて従動歯車１２５の第４回転角度を検出する。

各磁束検出部１４７、１５７は、回転を検出するためのホール素子または磁気抵抗素子を有するモールド体として構成される。磁気式の検出方式は、ポテンショメータやロータリエンコーダ等の角度検出手段と比較して、コスト、体格、耐久性等の量産面で優れる。

演算部１６５は、第３検出部１４５から第３回転角度を入力すると共に、第４検出部１５５から第４回転角度を入力する。演算部１６５は、第４回転角度に基づいて主動歯車１１５すなわちステアリングシャフト１０１が１回転する回転数を取得する。さらに、演算部１６５は、第３回転角度と回転数とに基づいて、ステアリングシャフト１０１の絶対角度を演算する。

基板１６６は、例えばプリント基板である。基板１６６には、磁束検出部１４７、１５７、演算部１６５、図示しない電子部品が実装されている。なお、演算部１６０は基板１６６ではなく別の基板に実装されていても良い。

次に、主動歯車１１５及び従動歯車１２５の動作について説明する。図１３の上段に示されるように、間欠歯車である主動歯車１１５の間欠歯１１７が従動歯車１２５に噛み合わない場合、従動歯車１２５は静止している。

続いて、図１３の中段に示されるように、ステアリングシャフト１０１が回転し、主動歯車１１５の間欠歯１１７が従動歯車１２５に噛み合う場合、従動歯車１２５が回転させられる。主動歯車１１５の間欠歯１１７と従動歯車１２５との篏合が終了すると、従動歯車１２５は１歯分状態が遷移する。すなわち、従動歯車１２５はステアリングシャフト１０１または主動歯車１１５が１回転したことをカウントする。このように、従動歯車１２５は主動歯車１１５と噛み合ったときだけ一定角度回転する。

この後、図１３の下段に示されるように、主動歯車１１５の間欠歯１１７は従動歯車１２５に噛み合わず、主動歯車１１５は回転する一方、従動歯車１２５は静止している。

主動歯車１１５及び従動歯車１２５は、ステアリングシャフト１０１の時計回りの回転方向あるいは反時計回りの回転方向にも対応する。仮に、ステアリングシャフト１０１が１０回転する場合、従動歯車１２５の歯数を１０歯以上とすることで、ステアリングシャフト１０１の回転数を一意に特定することできる。

そして、ステアリングホイールが操作されると、ステアリングシャフト１０１が回転する。したがって、図１４に示されるように、ステアリングホイールの舵角に対してステアリングシャフト１０１の回転角度である主動歯車１１５の第３回転角度は連続的に変化する。第３回転角度は０°から３６０°まで１回転すると再び０°から３６０°まで連続で変化する。つまり、第３回転角度は０°～３６０°の繰り返し波形である。

これに対し、従動歯車１２５は主動歯車１１５の１回転毎に一定角度だけ回転する。したがって、図１５に示されるように、ステアリングホイールの舵角に対して従動歯車１２５の第４回転角度は断続的に変化する。

演算部１６５は、磁束検出部１４７から第３回転角度を入力し、磁束検出部１５７から第４回転角度を入力する。ここで、舵角をθと定義する。第３回転角度をθ_{ａｎｇｌｅ}と定義し、主動歯車１１５が１回転する回転数をＮと定義する。演算部１６５は、第４回転角度に基づいて回転数Ｎを取得する。そして、演算部１６５は、舵角θを、θ＝（３６０°×Ｎ）＋θ_{ａｎｇｌｅ}を演算することで取得する。

以上説明したように、本実施形態では、従動歯車１２５の第４回転角度の変化が連続的では無く断続的になるので、第４検出部１５５として高い角度分解能を持つものが不要になる。すなわち、粗い分解能の磁束検出部１５７及びそれに対応した電気回路を適用することが可能になる。したがって、回転角度検出装置１００において低コスト化を図ることができる。

変形例として、図１６に示されるように、主動歯車１１５の外周部１１６と従動歯車１２５の各歯先１２６との摩擦を低減する目的で、従動歯車１２５の歯先１２６は中央部が削られた形状になっていても良い。この場合、角部１２８、１２９が摺動部１２７となる。なお、第４距離Ｌ４は、サブシャフト１０３の回転軸の軸中心から歯先１２６までのうちの最も短い距離になる。また、第１、第２実施形態に係る副従動歯車１３０、１７０に適用しても良い。

変形例として、図１７に示されるように、１つの磁束検出部１４７によって主動歯車１１５の回転及び従動歯車１２５の回転を検出しても良い。磁束検出部１４７は、各磁石１４６、１５６の合成磁界を検出できるように、例えばステアリングシャフト１とサブシャフト１０３との間に配置される。磁束検出部１４７は、磁石１４６から受ける周期的な磁界の変化と、磁石１５６から受ける階段状に減少する磁界の変化と、を含む合成磁界を検出する。ここで、磁石１４６が１回転するときの磁束変化量は磁石１５６が１ステップ遷移するときの磁束変化量より小さいことが好ましい。以上により、図１８に示されるように、舵角に対して検出される磁束の波形は、一定の減少率で減少する波形に対して規則的な段差が設けられた波形となる。したがって、１つの磁束検出部１４２によって舵角が得られる。

変形例として、図１９に示されるように、主動歯車１１５の間欠歯１１７は、１歯ではなく、平歯車の一部によって構成されていても良い。この場合、サブシャフト１０３側の非篏合状態における回転の抑制（固定）には、ボールプランジャ１０４を用いることができる。具体的には、ボールプランジャ１０４は、サブシャフト保持部１０５に固定される。サブシャフト１０３は、回転しないように固定されると共に、ボールプランジャ１０４が嵌まる複数の穴部１０６を有する。各穴部１０６は、一定角度間隔で設けられる。磁石１５６、サブシャフト保持部１０５、及びボールプランジャ１０４は、従動歯車１２５と共にサブシャフト１０３に対して回転する。このような構成により、主動歯車１１５が１回転するに伴って従動歯車１２５が一定角度回転すると、ボールプランジャ１０４が隣の穴部１０６に嵌まる。

変形例として、図２０に示されるように、回転角度検出装置１００は、複数の従動歯車１２５、１３５を有していても良い。各従動歯車１２５、１３５は、歯数がそれぞれ異なる。

図２０の１段目に示されるように、主動歯車１１５の各間欠歯１１７、１１８が各従動歯車１２５、１３５に噛み合わない場合、各従動歯車１２５、１３５は静止している。続いて、図２０の２段目に示されるように、ステアリングシャフト１０１の回転に伴って主動歯車１１５の各間欠歯１１７、１１８が各従動歯車１２５、１３５に噛み合う場合、各従動歯車１２５、１３５が回転させられる。主動歯車１１５の各間欠歯１１７、１１８と各従動歯車１２５、１３５との篏合が終了すると、各従動歯車１２５、１３５は１歯分状態が遷移する。

この後、図２０の３段目に示されるように、主動歯車１１５は回転するが、従動歯車１２５、１３５は主動歯車１１５に対して摺動し、回転しない。したがって、各従動歯車１２５、１３５の回転角度情報は維持される。なお、図２０の４段目は、主動歯車１１５及び各従動歯車１２５、１３５の側面を見ている。

例えば、主動歯車１１５の５０回転の舵角を検出したい場合、１個の従動歯車１２５では少なくとも５０歯以上の歯が必要になり、従動歯車１２５が大径化する。しかし、上記の構成によると、従動歯車１２５を８歯とし、従動歯車１３５を７歯とすることで、両者の組み合わせによって５６回転までは主動歯車１１５の回転角度を一意に特定することができる。

変形例として、光学式のエンコーダ、ポテンショメータ等によって、主動歯車１１５及び従動歯車１２５の回転角度を検出しても良い。ポテンショメータとしては、磁気抵抗を使用した磁気式のものや、巻線抵抗や可変抵抗を使用した電気式のものを使用することができる。あるいは、主動歯車１１５と従動歯車１２５とで回転角度の検出方式を異ならせても良い。これにより、互いの磁気干渉によって生じる誤差等の悪影響を排除することができる。

変形例として、従動歯車１２５の各歯先１２６は、摺動部１２７を有していなくても良い。すなわち、従動歯車１２５の各歯先１２６と、主動歯車１１５の外周部１１６と、の間に隙間があっても構わない。

（第４実施形態）
本実施形態では、主に第３実施形態と異なる部分について説明する。磁石１４６の径や主動歯車１１５の径はステアリングシャフト１０１の径に依存する。一方、車室内空間の拡大のために回転角度検出装置１００の小型化が望まれる。そこで、本実施形態では、従動歯車１２５を主動歯車１１５と同軸に配置する構造を提供する。

図２１に示されるように、回転角度検出装置１００は、主動歯車１１５、従動歯車１２５、各検出部１４５、１５５、演算部１６５、基板１６６の他に、シャフトカバー１８０、中間ギヤ１８１、１８２、及びサブシャフト１８３を備える。なお、各磁束検出部１４７、１５７、演算部１６５、及び基板１６６は、モールド樹脂１６７で封止されている。

シャフトカバー１８０は、従動歯車１２５及び磁石１５６の各貫通孔に固定される。また、従動歯車１２５、磁石１５６及びシャフトカバー１８０は、主動歯車１１５の下方に配置される。すなわち、従動歯車１２５は、主動歯車１１５と同軸に配置される。シャフトカバー１８０の貫通孔の径はステアリングシャフト１０１よりも大きいので、従動歯車１２５がステアリングシャフト１０１と共に回転することはない。

中間ギヤ１８１、１８２はサブシャフト１８３に固定される。図２２及び図２３に示されるように、中間ギヤ１８１は、主動歯車１１５に噛み合わされる。図２４に示されるように、中間ギヤ１８２は、従動歯車１２５に噛み合わされる。サブシャフト１８３は図示しない筐体に回転可能に設けられる。

上記の構成によると、主動歯車１１５の回転は中間ギヤ１８１に伝わり、中間ギヤ１８１の回転はサブシャフト１８３を経由して中間ギヤ１８２に伝わり、中間ギヤ１８２の回転は従動歯車１２５に伝わる。サブシャフト１８３に固定された各中間ギヤ１８１、１８２の各歯数は、主動歯車１１５と従動歯車１２５とのギヤ比に関係しない。このため、最小限の歯数で各中間ギヤ１８１、１８２を構成することができ、ひいてはステアリングシャフト１０１の径方向のサイズを小型化することができる。

以上のように、従動歯車１２５は主動歯車１１５と同一軸上に配置されるので、ステアリングシャフト１０１の径方向における回転角度検出装置１００のサイズを小型化することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された回転角度検出装置１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、各歯車の歯数は一例であり、舵角を検出したい範囲や素子の種類によって適宜、変更することができる。

１０１ ステアリングシャフト
１１０ 主動歯車
１２０ 従動歯車
１２１ 平歯車部
１２２ 間欠歯車部
１３０、１７０ 副従動歯車
１４０、１５０ 検出部
１６０ 演算部

Claims (14)

1. ステアリングシャフト（１０１）に連動して回転する主動歯車（１１０）と、
   前記主動歯車に噛み合わされると共に、前記主動歯車に連動して回転する従動歯車（１２０）と、
   前記主動歯車または前記従動歯車の回転に伴って間欠回転する副従動歯車（１３０、１７０）と、
   前記従動歯車の連続的な第１回転角度を検出する第１検出部（１４０）と、
   前記副従動歯車の断続的な第２回転角度を検出する第２検出部（１５０）と、
   前記第１検出部から前記第１回転角度を入力すると共に、前記第２検出部から前記第２回転角度を入力し、前記第２回転角度に基づいて前記従動歯車が１回転する回転数を取得し、さらに、前記第１回転角度と前記回転数とに基づいて前記ステアリングシャフトの絶対角度を演算する演算部（１６０）と、
   を含む、回転角度検出装置。
2. 前記従動歯車は、前記主動歯車と噛み合わされる平歯車部（１２１）と、前記副従動歯車と噛み合わされる間欠歯車部（１２２）と、を有し、
   前記平歯車部及び前記間欠歯車部は、同一軸上に配置される、請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記副従動歯車の回転軸に垂直な垂直面において、前記副従動歯車の回転軸の軸中心から各歯の歯先（１３１）のうちの周方向の角部（１３３、１３４）までの第１距離が、前記副従動歯車の回転軸の軸中心から前記従動歯車の前記間欠歯車部の外周部（１２３）までの第２距離よりも長い、請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記副従動歯車の歯先（１３１）は、前記従動歯車の前記間欠歯車部が前記副従動歯車と噛み合わない状態において、前記間欠歯車部の外周部（１２３）を摺動する摺動部（１３２）を有する、請求項２または３に記載の回転角度検出装置。
5. 前記主動歯車は、前記従動歯車と噛み合わされる平歯車部と、前記副従動歯車と噛み合わされる間欠歯車部と、を有し、
   前記平歯車部及び前記間欠歯車部は、同一軸上に配置される、請求項１に記載の回転角度検出装置。
6. 前記副従動歯車の回転軸に垂直な垂直面において、前記副従動歯車の回転軸の軸中心から各歯の歯先のうちの周方向の角部（１３３、１３４）までの第１距離が、前記副従動歯車の回転軸の軸中心から前記主動歯車の前記間欠歯車部の外周部までの第２距離よりも長い、請求項５に記載の回転角度検出装置。
7. 前記副従動歯車の歯先は、前記主動歯車の前記間欠歯車部が前記副従動歯車と噛み合わない状態において、前記間欠歯車部の外周部を摺動する摺動部を有する、請求項５または６に記載の回転角度検出装置。
8. 前記副従動歯車は、前記従動歯車が所定角度を回転する間に少なくとも１歯遷移する、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。
9. 前記副従動歯車は、前記従動歯車が前記所定角度を回転する角度範囲において、１回転未満の角度を回転する、請求項８に記載の回転角度検出装置。
10. 前記副従動歯車の歯数は、奇数である、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。
11. 前記副従動歯車は、複数備えられ、
    前記複数の副従動歯車は、歯数がそれぞれ異なる、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。
12. 前記複数の副従動歯車は、各歯数の最小公倍数が前記主動歯車または前記従動歯車の所定の回転数以上の値である、請求項１１に記載の回転角度検出装置。
13. 前記複数の副従動歯車のうちの少なくとも一方の歯数は、奇数である、請求項１１または１２のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。
14. 前記第１検出部（１４０）及び前記第２検出部（１５０）は、回転を検出するためのホール素子または磁気抵抗素子を有する、請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。

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