JP4464249B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、被回転検出部材の回転角を検出する回転角度検出装置に関するものである。

近年、自動車において、ＶＳＣ（Vehicle Stability Control ）システム（Ｒ）、ＥＳＰ（Electronic Stability Program）システム（Ｒ）といった車両安定性制御システムや、電子制御サスペンションシステムなどを搭載する場合には、そのシステム制御のためにステアリングの操舵角を検出する必要がある。このため、従来、こうした車両においては、操舵角を検出するための回転角度検出装置をステアリングコラム内に組み込むことが行われている。

回転角度検出装置としては、例えば特許文献１に示すような構成が知られている。この回転角度検出装置は、外周面にギア部を有する回転板と、前記ギア部に噛合した２つのギア体と、このギア体の中心部に固定された２つの永久磁石と、前記永久磁石に対して対向配設された２つの磁気抵抗素子とを備えている。前記回転板は、ステアリングシャフトに一体的に固定されている。従って、ステアリングシャフトが回転すると、ステアリングシャフトの回転に応じて回転板、及び永久磁石が固定されたギア体も回転する。前記磁気抵抗素子はステアリングシャフトが回転してもその位置が変化しない。このため、ステアリングシャフトが回転することにより永久磁石と磁気抵抗素子との相対位置が変化する。

前記磁気抵抗素子は、永久磁石が発生する磁束を検出してギア体の回転角に応じて連続的に変化する角度検出用の検出信号をマイコン（マイクロコンピュータ）に出力する。マイコンは、前記磁気抵抗素子からの検出信号に基づいて、ステアリングシャフトの回転角度を検出するように構成されている。
特開２００２−２１３９４４号公報（図６）

ところで、上記回転角度検出装置では、２つの磁気抵抗素子に対して２つの永久磁石と２つのギア体を配設している。そのため、部品点数が多く、生産性を悪くするばかりでなく、回転板やギア体等を格納するハウジングを大きくする必要があり、ステアリングシャフトまわりの狭いスペースの中での搭載性も悪いという問題がある。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、本体を小型化することができる回転角度検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被回転検出部材の回転角を検出する回転角度検出装置において、前記被回転検出部材と共に回転する回転体と、前記回転体の回転軸と交わる該回転体の側面に固定され前記回転軸を基準として渦を巻くように設けられた渦巻壁部と、前記渦巻壁部の一部と一部との間に配置され前記回転体が回転することにより該渦巻壁部及び該回転体に対して相対移動可能な磁性体と、前記渦巻壁部の径方向の外方に配置されると共に前記回転軸に対して相対移動不能に設けられかつ前記磁性体を吸引する磁石と、前記磁性体における前記回転軸を基準とした径方向への変位を検出する位置検出手段とを備えた。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁石を、前記磁性体よりも下方に配置した。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記磁性体は、磁性流体である。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の発明において、前記位置検出手段は、前記磁性体の変位を磁気的変化として検出する磁気検出手段である。

（作用）
請求項１に記載の発明によれば以下に示す作用を得る。被回転検出部材が回転すると、回転体及び渦巻壁部も一体に回転する。渦を巻くように設けられた渦巻壁部の一部と一部との間には磁性体が配置されている。この磁性体は、渦巻壁部の径方向の外方に配置された磁石に吸引されている。そのため、回転体及び渦巻壁部が回転すると、磁性体は回転軸を基準とした周方向へ移動するのではなく回転軸を基準とした径方向へ移動する。位置検出手段は、この磁性体の径方向への変位を検出する。そのため、位置検出手段による磁性体の径方向への変位を検出することにより、被回転検出部材の回転角を検出することが可能となる。本発明の回転角度検出装置は、ギア体等を必要とせず、その分、小型化が可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて以下に示す作用を得る。磁石の吸引力と、磁性体に加わっている重力とが互いに相殺しにくく、磁石による磁性体の吸引を好適に行うことが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加えて以下に示す作用を得る。磁性流体は、たとえ回転体における渦巻壁部が固定された側面や渦巻壁部の側面に凸凹があっても、その凸凹に影響されることなく好適に回転体及び渦巻壁部との相対移動を行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の発明の作用に加えて以下に示す作用を得る。埃などに影響されず、磁性体の変位を好適に検出することが可能となる。

本発明によれば、本体を小型化することができる。

以下、本発明をステアリング機構の回転角度検出装置に具体化した一実施形態を図１〜図７に従って説明する。
図１は、ステアリング機構１１を示している。ステアリング機構１１は、固定部材１２と、固定部材１２に対して一対のベアリング１３を介して回転可能に支持されたステアリングシャフト１４、ステアリングシャフト１４の一端に固定されたステアリングホイール１５を備えている。ステアリングホイール１５は、被回転検出部材に相当する。ステアリングシャフト１４は、その回転軸Ｏが斜状に傾くように配置されている。ステアリングシャフト１４の外周には、ケース１６が固定されている。ステアリングホイール１５、ステアリングシャフト１４、及びケース１６は一体に回転するようになっている。

固定部材１２には、磁石１７及び支持体１８が固定されている。磁石１７は、ケース１６の外周に対向するように配置され、かつ回転軸Ｏの真下に位置するように配置されている。支持体１８は、ケース１６よりもステアリングホイール１５側に配置され、かつ回転軸Ｏの真下に位置するように配置されている。支持体１８のケース１６に対向した側面には、位置検出回路１９が固定されている。位置検出回路１９は、位置検出手段及び磁気検出手段に相当する。

図３及び図４に示すように、回転角度検出装置２０は、前記ケース１６、前記磁石１７、前記位置検出回路１９、及び磁性流体Ｍにより構成されている。ケース１６は、合成樹脂により形成されている。ケース１６は、ケース本体２１と、蓋体２２とを備えている。ケース本体２１は、中央に円形状の貫通孔２３ａを備えた円盤状をなす底部２３と、その底部２３の外周に一体に形成された外周壁部２４と、その底部２３の内周に一体に形成された内周壁部２５とを備えている。底部２３は、回転体に相当する。底部２３の貫通孔２３ａ内には、ステアリングシャフト１４が配置されている。外周壁部２４及び内周壁部２５は、底部２３の内底面２３ｂから突出するように形成されている。内底面２３ｂは、回転軸Ｏと交わる底部２３の側面に相当する。内周壁部２５は、ステアリングシャフト１４に対して固定されている。底部２３の内底面２３ｂには、渦巻き状をなす渦巻壁部２６が一体に形成されている。

図４に示すように（ステアリングホイール１５側から渦巻壁部２６を視て）、渦巻壁部２６は、ステアリングシャフト１４の回転軸Ｏを中心として反時計回り方向へ向けて次第に渦が大きくなるように形成されている。渦巻壁部２６は、外周壁部２４と内周壁部２５との間に位置し、略４．６周の渦となるように形成されている。渦巻壁部２６は、外側端部２６ａが外周壁部２４に対して一体に形成されており、内側端部２６ｂが内周壁部２５に対して一体に形成されている。

図３に示すように、外周壁部２４、内周壁部２５、及び渦巻壁部２６は、底部２３の内底面２３ｂからの突出長さが同じとなるように形成されている。外周壁部２４、内周壁部２５、及び渦巻壁部２６は、それぞれの先端に前記蓋体２２が固定されている。蓋体２２は、中央に円形状の貫通孔２２ａが形成された円盤状をなしている。蓋体２２の貫通孔２２ａ内には、ステアリングシャフト１４が配置されている。

図３及び図４に示すように、渦巻壁部２６の一部と一部との間には、磁性体としての磁性流体Ｍが配置されている。磁性流体Ｍは、通常媒体となるベース液と、高濃度のマグネタイト等からなる磁性超微粒子と、磁性超微粒子の表面に強固に吸着した界面活性剤とを備えている。磁性流体Ｍは、磁性超微粒子の激しい熱運動と、磁性超微粒子表面の界面活性剤の相互反発力によって凝集することなく安定した分散状態を保つ特性を備えている。磁性流体Ｍは、回転軸Ｏと磁石１７との間に常に位置するようになっている。詳述すると、磁性流体Ｍは、重力の影響により、回転軸Ｏと磁石１７との間に位置する渦巻壁部２６の一部に対して接触した状態で位置している。さらには、磁性流体Ｍは、磁石１７の磁界の影響により、該磁石１７に吸引されている。磁性流体Ｍは、磁石１７に吸引されていることにより、磁化されており、この結果、自身も磁界を発している。

ところで、図５に示すように、通常、車両では、ステアリングホイール１５は、左に２回転分、右に２回転分だけ回転可能に構成されている。本実施形態の回転角度検出装置２０は、このようなステアリングホイール１５の回転角を検出する。即ち、回転角度検出装置２０は、ステアリングホイール１５（１回転が３６０度）の回転角を０°〜１４４０°までの範囲において、検出する。

支持体１８に固定された位置検出回路１９は、図２に示すように、ブリッジ回路３１、差動増幅回路３２、及び検出器３３を備えている。
ブリッジ回路３１は、巨大磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４により構成されている。巨大磁気抵抗素子Ｒ１と巨大磁気抵抗素子Ｒ２とが互いに直列接続され、巨大磁気抵抗素子Ｒ３と巨大磁気抵抗素子Ｒ４とが互いに直列接続されている。巨大磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と、巨大磁気抵抗素子Ｒ３，Ｒ４とが互いに並列接続されている。巨大磁気抵抗素子Ｒ１と巨大磁気抵抗素子Ｒ２との間には中点ａが形成され、巨大磁気抵抗素子Ｒ３と巨大磁気抵抗素子Ｒ４との間には中点ｂが形成されている。中点ａ，ｂは、差動増幅回路３２に接続されている。

巨大磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と巨大磁気抵抗素子Ｒ３，Ｒ４とには、所定レベルの電圧が印加されている。巨大磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、外部から磁界が加えられると電気抵抗が低下する特性を備えている。巨大磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、磁界を発している磁性流体Ｍの径方向ｄの位置に応じてその抵抗値がそれぞれ変化する。ここでいう、径方向ｄとは、回転軸Ｏを中心とした径方向である。ちなみに、巨大磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、磁石１７の磁界の影響も受けているが、磁石１７は変位しないため、この磁石１７の影響により抵抗値が変化することはない。よって、ブリッジ回路３１は、磁性流体Ｍの径方向ｄの位置に応じて中点ａと中点ｂとの差動出力が変化する。

差動増幅回路３２は、中点ａ，ｂから入力された差動出力を増幅して検出器３３へ出力する。検出器３３は、入力した差動出力を同期検波し、その電圧を出力する（以下、この電圧を出力電圧という）。

図４に示すように、回転軸Ｏから巨大磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ４までの距離が、回転軸Ｏから巨大磁気抵抗素子Ｒ２，Ｒ３までの距離よりも近くなるように配置されている。
ステアリングホイール１５が左へ２回転している場合には、磁性流体Ｍは、図４に示すように、渦巻壁部２６の内側端部２６ｂの外方に位置するように設定されている。この場合には、磁性流体Ｍの磁界の影響を受けた位置検出回路１９の検出器３３の出力電圧は、図６に示すように最も小さな出力電圧値となる。一方、ステアリングホイール１５が右へ２回転している場合には、磁性流体Ｍは、図７（ｄ）に示すように、外周壁部２４と渦巻壁部２６との間に位置するように設定されている。この場合には、磁性流体Ｍの磁界の影響を受けた位置検出回路１９の検出器３３の出力電圧は、図６に示すように最も大きな出力電圧値となる。

ちなみに、図７（ａ）は、ステアリングホイール１５が左へ１回転している場合におけるケース本体２１と磁性流体Ｍとの位置関係を示し、図７（ｂ）は、ステアリングホイール１５が０回転の場合（直進ポジションの場合）におけるケース本体２１と磁性流体Ｍとの位置関係を示している。図７（ｃ）は、ステアリングホイール１５が右へ１回転している場合におけるケース本体２１と磁性流体Ｍとの位置関係を示している。

ステアリングホイール１５を左へ２回転している状態から右へ２回転している状態となるように該ステアリングホイール１５を回転させていくと、検出器３３から出力される出力電圧値は、リニアに次第に大きくなる。

従って、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）ステアリングホイール１５が回転すると、ケース１６（底部２３）及び渦巻壁部２６も一体に回転する。渦を巻くように形成された渦巻壁部２６の一部と一部との間には磁性流体Ｍが配置されている。この磁性流体Ｍは、渦巻壁部２６の径方向ｄの外方に配置された磁石１７に吸引されている。そのため、ケース１６（底部２３）及び渦巻壁部２６が回転すると、磁性流体Ｍは回転軸Ｏを基準とした周方向へ移動するのではなく回転軸Ｏを基準とした径方向ｄへ移動する。即ち、磁性流体Ｍは、ケース１６（底部２３）及び渦巻壁部２６に対して相対移動する。位置検出回路１９は、この磁性流体Ｍの径方向ｄへの変位を検出する。そのため、位置検出回路１９による磁性流体Ｍの径方向ｄへの変位を検出することにより、ステアリングホイール１５の回転角を検出することができる。本実施形態の回転角度検出装置２０は、従来技術の回転角度検出装置とは異なり、ギア体等を必要とせず、その分、小型化が可能となる。よって、本実施形態の回転角度検出装置２０は、本体を小型化することができる。

（２）回転角度検出装置２０は、磁石１７を磁性流体Ｍよりも下方に配置した。よって、磁石１７の吸引力と、磁性流体Ｍに加わっている重力とが互いに相殺しにくく、磁石１７による磁性流体Ｍの吸引を好適に行うことができる。

（３）磁性流体Ｍは、たとえ底部２３の内底面２３ｂや渦巻壁部２６の側面に凸凹があっても、その凸凹に影響されることなく好適に底部２３及び渦巻壁部２６との相対移動を行うことができる。底部２３及び渦巻壁部２６に対して磁性流体Ｍが好適に相対移動できることにより、位置検出回路１９による磁性流体Ｍの径方向ｄへの変位を好適に検出することができる。

（４）位置検出回路１９は、磁性流体Ｍの変位を磁気的変化として検出するように構成した。よって、埃などに影響されず、磁性流体Ｍの変位を好適に検出することができる。
（５）底部２３と渦巻壁部２６とを一体に形成したため、底部２３と渦巻壁部２６との間に隙間がなく、磁性流体Ｍが底部２３と渦巻壁部２６との間から漏れることがない。また、底部２３と外周壁部２４とを一体に形成し、底部２３と内周壁部２５とを一体に形成したため、上記の底部２３と渦巻壁部２６との関係と同様に磁性流体Ｍが漏れることがない。よって、位置検出回路１９による磁性流体Ｍの変位の検出を長期に渡り好適に行うことができる。

なお、前記実施形態は、以下の態様に変更してもよい。
・前記実施形態では、底部２３と渦巻壁部２６とを一体に形成していた。これに限らず、底部２３と渦巻壁部２６とを個別に形成し、それらを接着剤や熱溶着などを用いて互いに固定してもよい。また、このような態様の変更を、底部２３と外周壁部２４との固定、及び底部２３と内周壁部２５との固定においても具体化してもよい。

・前記実施形態では、位置検出回路１９は、磁気的手段により磁性流体Ｍの変位を検出するように構成していた。これに限らず、位置検出回路は、複数の発光体と複数のフォトトランジスタとを備えた光学的手段により磁性流体Ｍの変位を検出するように構成してもよい。

・前記実施形態では、ブリッジ回路３１は、巨大磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４から構成されたフルブリッジ回路としていたが、ハーフブリッジ回路によりブリッジ回路を構成してもよい。この場合、差動増幅回路３２を増幅回路に変更する。

・前記実施形態では、ブリッジ回路３１は、巨大磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４により構成していた。この巨大磁気抵抗素子の換わりに、磁気抵抗素子、ホール素子を用いてブリッジ回路３１を構成してもよい。

・前記実施形態では、回転角度検出装置２０は磁性流体Ｍを用いていたが、これに換えて磁性体としての鉄球を用いてもよい。
・前記実施形態では、磁石１７を、磁性流体Ｍよりも下方に配置していたが、磁性流体Ｍよりも上方に配置してもよい。即ち、前記実施形態では、磁石１７及び支持体１８（位置検出回路１９）を、回転軸Ｏの真下に位置するように配置していたが、それらを回転軸Ｏの真上に位置するように配置してもよい。

・前記実施形態では、磁石１７を、磁性流体Ｍよりも下方に配置していたが、磁性流体Ｍよりも上方に配置してもよい。即ち、この場合、ステアリング機構１１は、支持体１８及び位置検出回路１９を、蓋体２２側ではなく底部２３側に配置し、磁石１７を蓋体２２側に配置する。

・前記実施形態では、ケース本体２１（底部２３）の内底面２３ｂには、図４に示すような渦巻き状をなす渦巻壁部２６を形成していた。これに限らず、ケース本体２１（底部２３）の内底面２３ｂには、図８に示すような渦巻き状をなす渦巻壁部３６を形成してもよい。即ち、渦巻壁部３６は、長尺な四角枠状をなす壁部を渦巻き状に配置したものである。

次に、上記実施形態及びその態様の変更から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記回転体と前記渦巻壁部とを一体に形成したことを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。このように構成すると、回転体と渦巻壁部との間に隙間がなく、磁性流体が回転体と渦巻壁部との間から漏れることがない。

本実施形態におけるステアリング機構の部分側断面図。 本実施形態の位置検出回路の回路図。 図１の部分拡大図。 ステアリングホイールが左へ２回転した状態におけるケース本体と磁性流体との位置関係を示し、図３におけるＡ−Ａ線矢視断面図。 ステアリングホイールの回転角の検出範囲を示す説明図。 ステアリングホイールの回転角と出力電圧との関係を示すグラフ。 （ａ）は、ステアリングホイールが左へ１回転した状態を示す部分拡大説明図。（ｂ）は、ステアリングホイールが０回転の状態を示す部分拡大説明図。（ｃ）は、ステアリングホイールが右へ１回転した状態を示す部分拡大説明図。（ｄ）は、ステアリングホイールが右へ２回転した状態を示す部分拡大説明図。 態様の変更における渦巻壁部が形成されたケース本体を示す正面図。

符号の説明

１５…被回転検出部材としてのステアリングホイール、１７…磁石、１９…位置検出手段及び磁気検出手段としての位置検出回路、２０…回転角度検出装置、２３…回転体としての底部、２３ｂ…回転軸と交わる回転体の側面としての内底面、２６，３６…渦巻壁部、ｄ…径方向、Ｍ…磁性体としての磁性流体、Ｏ…回転軸。

Claims (4)

1. 被回転検出部材の回転角を検出する回転角度検出装置において、
   前記被回転検出部材と共に回転する回転体と、
   前記回転体の回転軸と交わる該回転体の側面に固定され前記回転軸を基準として渦を巻くように設けられた渦巻壁部と、
   前記渦巻壁部の一部と一部との間に配置され前記回転体が回転することにより該渦巻壁部及び該回転体に対して相対移動可能な磁性体と、
   前記渦巻壁部の径方向の外方に配置されると共に前記回転軸に対して相対移動不能に設けられかつ前記磁性体を吸引する磁石と、
   前記磁性体における前記回転軸を基準とした径方向への変位を検出する位置検出手段とを備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記磁石を、前記磁性体よりも下方に配置したことを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記磁性体は、磁性流体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記位置検出手段は、前記磁性体の変位を磁気的変化として検出する磁気検出手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の回転角度検出装置。

Images