JP4562355B2 - 回転角検出装置及び回転角検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗物のハンドル等の回転角を絶対角として検出する回転角検出装置及び回転角検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の乗物の運転操作性を向上させるため、運転中における自動車の姿勢制御が行われるようになってきている。特に、カーブを曲がる際には、路面状況や速度、ハンドル舵角等によって車体にかかる荷重が異なるため、例えば、そのときのハンドル舵角を検出し、その角度に応じたモーメントを車体に与えて車体の姿勢を安定させている。このとき、より細かい制御を行うためにハンドル舵角の絶対角度を検出する必要があり、様々な回転角検出装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
このような回転角検出装置は、例えば、ハンドル等の回転軸に接続された第１の回転体と、この第１の回転体と噛合されて共に回転する複数の他の回転体とを備えている。このような装置によれば、他の回転体から出力されるそれぞれの回転角の値を組み合わせることによって第１の回転体の絶対角を検出することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５０５６６７号公報（第１図）
【特許文献２】
特表２００２−５３１８５８号公報（第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の回転角検出装置にて回転角を検出する場合、第１の回転体及びその他の回転体の歯数が全て異なるので、第１の回転体とその他の回転体とのギア比や回転数に対して歯数の組み合わせの制約が大きく、回転軸の回転数や回転角度の測定精度を変更した場合でも設計自由度が小さいため対応が困難であった。また、異なる歯数の回転体を複数配設するため、部品点数が増大するという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、回転軸の絶対角を精度よく検出するとともに、回転軸及び回転軸の回転数や測定精度の変化に対応できる設計自由度の高い回転角検出装置及び回転角検出方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の回転角検出装置は、回転可能に配設されたロータ部の回転角を絶対角で検出する回転角検出装置であって、前記ロータ部の外周面に、互いに歯数の異なる第１の伝達ギア部と第２の伝達ギア部とが回転軸方向に沿って設けられ、前記第１の伝達ギア部と回転可能に噛合し回転に応じた第１の角度信号を出力する第１の出力ギアと、前記第２の伝達ギア部と回転可能に噛合し回転に応じた第２の角度信号を出力する第２の出力ギアとを備え、前記第１の角度信号と前記第２の角度信号とから前記ロータ部の絶対角を検出する回転角検出装置であり、前記ロータ部の最大回転数をＮ、前記第１の伝達ギア部と前記第１の出力ギアとのギア比をｎとするとき、前記第１の伝達ギア部が、Ｎ×ｎのｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成され、前記第２の伝達ギア部が、Ｎ×ｎ−１のｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成され、前記第１の出力ギア及び前記第２の出力ギアが、前記第１の伝達ギア部と前記第２の伝達ギア部との歯数差のＮ倍の歯数であって同一の歯数で形成され、前記第１の角度信号と前記第２の角度信号とを検出してこれらの差分を計算し、該差分を補正して補正値を算出した後に、前記補正値と、前記第１の角度信号及び前記第２の角度信号の少なくとも一方とから、前記ロータ部の絶対角を算出するマイクロプロセッサを搭載し、前記差分は前記ロータ部の最大回転数の回転により再び０となるようになされたことを特徴とする
【０００６】
また、本発明の回転角検出方法は、回転可能に配設されたロータ部の回転角を絶対角で検出する回転角検出方法であって、前記ロータ部の外周面に、互いに歯数の異なる第１の伝達ギア部と第２の伝達ギア部とを回転軸方向に沿って設け、前記第１の伝達ギア部と回転可能に噛合し回転に応じた第１の角度信号を出力する第１の出力ギアと、前記第２の伝達ギア部と回転可能に噛合し回転に応じた第２の角度信号を出力する第２の出力ギアとを設け、前記第１の角度信号と前記第２の角度信号との差分と、前記第１の角度信号及び前記第２の角度信号の少なくとも一方とから、前記ロータ部の絶対角を検出するとともに、 前記ロータ部の最大回転数をＮ、前記第１の伝達ギア部と前記第１の出力ギアとのギア比をｎとするとき、前記第１の伝達ギア部を、Ｎ×ｎのｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成し、前記第２の伝達ギア部を、Ｎ×ｎ−１のｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成し、前記第１の出力ギア及び前記第２の出力ギアを、前記第１の伝達ギア部と前記第２の伝達ギア部との歯数差のＮ倍の歯数であって同一の歯数で形成し、前記差分は前記ロータ部の最大回転数の回転により再び０となるようになされたことを特徴とする。
【０００７】
これらの回転角検出装置及び回転角検出方法では、ロータ部の回転に対して、第１の出力ギアと第２の出力ギアとが異なる回転数で回転する。そのため、出力される第１の角度信号と第２の角度信号との間に差が生じ、しかも、ロータ部の絶対角によって異なる差分を有する。そこで、ロータ部、第１の出力ギア、及び第２の出力ギアの何れもが複数回転する場合でも、第１の角度信号及び第２の角度信号の少なくとも一方を角度検出の基準値とするとともに上記の差分と対応付けすることによって、ロータ部の絶対角度を高精度に検出することができる。
また、第１の伝達ギア部、第２の伝達ギア部、第１の出力ギア、及び第２の出力ギアの歯数の組み合わせを従来よりも多く設定することができる。
【００１０】
これらの回転角検出装置及び回転角検出方法では、ｍの値にかかわらず、ロータ部がＮ回回転する間に第１の出力ギアがＮ×ｎ回回転し、第２の出力ギアがＮ×ｎ−１回回転する。そのため、ロータ部の回転に伴い第１の出力ギアと第２の出力ギアとの回転角にずれが生じ、ロータ部がＮ回回転すると１回転分の差までになる。この差分は、ロータ部の絶対角によってそれぞれ異なる値となるので、第１の角度信号及び第２の角度信号の少なくとも一方と対応付けすることにより、ロータ部の絶対角を検出することができる。
また、ロータ部の外径及び回転総数に合わせた歯型に調整する際、ｍの値を選択することによって第１の出力ギア部及び第２の出力ギア部の大きさを容易に設定することができる。
さらに、第１の出力ギア及び第２の出力ギアの歯数がｍ×Ｎの同一の値となるので、第１の出力ギアと第２の出力ギアとの間で部品の共通化をすることができる。
【００１１】
本発明の回転角検出装置は、前記回転角検出装置であって、前記ロータ部が、乗物のハンドルの回転軸に連結されることを特徴とする。
この回転角検出装置は、乗物のハンドルの回転軸に連結されているので、自動車等の乗物のハンドル舵角の絶対角を高精度に検出することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係る回転角検出装置１は、自動車等のハンドル回転軸部材２に連結されてハンドル舵角の絶対角を検出するための装置である。この回転角検出装置１は、図１及び図２に示すように、本体３と、ハンドル回転軸部材２に配設されて回転するロータ部４と、ロータ部４の回転に伴い回転する第１の出力ギア５と、ロータ部４の回転に伴い回転する第２の出力ギア６と、ロータ部４の回転角を演算する、例えば、マイクロプロセッサ７とを備えている。
【００１３】
本体３は、図２に示すように、基板部３Ａとそれに被さる形状からなる蓋型のカバー部材３Ｂとからなり、基板部３Ａの中央には孔部３Ｃが形成され、カバー部材３Ｂの中央には孔部３Ｄが形成されている。
孔部３Ｃの内周縁には、円環状の軸受凸部３Ｅが形成され、孔部３Ｄの内周縁には、円環状の軸受凸部３Ｆが形成されている。
ロータ部４は、例えば、ポリアセタール等の樹脂製であり、外周面には、互いに歯数の異なる第１の伝達ギア部４Ａと第２の伝達ギア部４Ｂとが互いに異なるピッチ円を有して、図２に示すように、回転軸Ｃ方向に沿って設けられている。
ロータ部４は、第１の伝達ギア４Ａ側に形成された周溝部４Ｃが軸受凸部３Ｅと嵌合され、第２の伝達ギア４Ｂ側に形成された周溝部４Ｄが軸受凸部３Ｆと嵌合されて、基板部３Ａとカバー部材３Ｂとの間で回転自在に支持されている。
【００１４】
第１の伝達ギア部４Ａの歯数は、ロータ部４の最大回転数をＮ（Ｎは整数）、第１の伝達ギア部４Ａと第１の出力ギア５とのギア比をｎ（ｎは整数）とするとき、Ｎ×ｎのｍ倍（ｍは整数）で構成されている。
本実施形態では、例えば、ロータ部４が左右に２回転ずつ回転する間（最大回転数Ｎ＝４）の絶対角を検出するものとし、第１の伝達ギア部４Ａと第１の出力ギア５とのギア比をｎ＝２としてｍの値を８とすると、歯数が６４（４×２（＝８）の８倍）となる。
【００１５】
また、第２の伝達ギア部４Ｂの歯数はＮ×ｎ−１のｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成されている。
本実施形態では、歯数が５６（４×２−１（＝７）の８倍）で形成されている。
【００１６】
第１の出力ギア５は、例えば、ポリアセタール等の樹脂製であり、本体３を構成する基板部３Ａの内面の一部に配設された軸受部３Ｇに軸支されたギア軸部材８に、第１の伝達ギア部４Ａと回転自在に噛合するよう配設され、図３（ａ）に示すように回転に応じた第１の角度信号９を出力する。
第１の出力ギア５は、第１の伝達ギア部４Ａが上述の構成を有するものとするとき、歯数が第１の伝達ギア部４Ａと第２の伝達ギア部４Ｂとのそれぞれの歯数差のＮ倍で構成されている。
本実施形態では、Ｎ＝４であり、歯数差が６４−５６＝８であるから、第１の出力ギア５の歯数は４×８＝３２で構成されている。
【００１７】
この第１の出力ギア５には、円環状の磁石１０と、この磁石１０の中央部にあって、磁界の変化を検出する、例えば、ＧＭＲ(Giant Magneto-Resistive)センサ（巨大磁気抵抗センサ）１１とが設けられている。ＧＭＲセンサ１１は、磁界の変化を電圧値の変化に変換して出力するセンサで、磁石１０が第１の出力ギア５の回転とともに回転することによって磁界が周期的に変化する場合には、出力される電圧値も周期的に変化する。ここでは、図３に示すように、第１の出力ギア５が１回転すると、０度から３６０度までの変化を０％から１００％までリニアに変化する角度比に変換した第１の角度信号９を出力する。第１の出力ギア５が２回転目となると、出力値が０％に不連続的に戻り、回転とともに再びリニアに増加する。この角度比を検出することによって、０度から３６０度までの１回転分の絶対角の検出を繰り返し行うことができる。本実施形態では、第１の角度信号９を角度検出の基準値とする。
【００１８】
第２の出力ギア６も第１の出力ギア５と同様の材料で構成されており、本体３を構成する基板部３Ａの内面の一部に配設された軸受部３Ｈに軸支されたギア軸部材８を介して第２の伝達ギア部４Ｂと回転可能に噛合し、回転に応じた第２の角度信号１２を出力する。
第２の出力ギア６の歯数は、第２の伝達ギア部４Ｂが上述の構成を有するものとするとき、第１の出力ギア５と同様の関係式で構成されており、本実施形態では３２とされている。
第２の出力ギア６にも、第１の出力ギア５と同様に、円環状の磁石１０とこの磁石１０の中央部にＧＭＲセンサ１１とが設けられている。そして、このＧＭＲセンサ１１が第１の角度信号９と同様の第２の角度信号１２を出力する。
なお、第１の伝達ギア部４Ａ、第２の伝達ギア部４Ｂ、第１の出力ギア５、及び第２の出力ギア６それぞれの歯数の組み合わせは、表１に示す各歯数パターンであれば、どのパターンであっても構わない。
【００１９】
【表１】

【００２０】
マイクロプロセッサ７は、第１の角度信号９と第２の角度信号１２とを検出して、ロータ部４の絶対回転角を算出するための演算処理を行う。
この演算処理は、図４に示すように、第１の角度信号９と第２の角度信号１２とを検出してこれらの差分を計算する第１のステップ（Ｓ１）と、この差分を補正する第２のステップ（Ｓ２）と、ロータ部４の絶対角を算出する第３のステップ（Ｓ３）とを備えている。
ロータ部４の回転に対して、第１の出力ギア５と第２の出力ギア６とが異なる回転数で回転するので、回転角の値にずれが生じて第１の角度信号９と第２の角度信号１２との間に差が生じてくる。
【００２１】
そこで、第１のステップ（Ｓ１）は、図３（ｂ）に示すように、第１の角度信号９の出力値から第２の角度信号１２の出力値を差し引いて差分１３を算出する処理を行う。この差分１３はロータ部４の絶対角によって異なる値となり、ロータ部４が４回転すると第１の出力ギア５と第２の出力ギア６とは１回転分の回転角度差となって、差分１３は再び０となる。
第２のステップ（Ｓ２）は、図３（ｃ）に示すように、差分１３が負の値を示しているときにこの差分値に１００％分の電圧値を加えて補正値１４を算出する処理を行う。この補正値１４も、検出すべき絶対角の全範囲と１対１で対応しており、その間０％から１００％までリニアに変化する値を示す。
第３のステップ（Ｓ３）は、予め求めたロータ部４の絶対角と補正値との関係に対し、算出した補正値１４を対応付けて実際のロータ部４の絶対角の角度範囲を決定し、そのとき得られた第１の角度信号９とから真の絶対角を算出する処理を行う。
【００２２】
次に、本実施形態に係る回転角検出装置１による回転角検出方法について説明する。
運転者が自動車の図示しないハンドルを回転させると、ハンドルとともにハンドル回転軸部材２及びロータ部４が回転する。このとき、第１の伝達ギア部４Ａを介して第１の出力ギア５がロータ部４とは逆方向に回転し、第２の伝達ギア部４Ｂを介して第２の出力ギア６が第１の出力ギア５と同じ方向に回転する。この際、第１の伝達ギア部４Ａと第１の出力ギア５とのギア比が２なので、ロータ部４が１回転する間に第１の出力ギア５は２回転する。
【００２３】
第１の出力ギア５は、ロータ部４が１８０度回転する度に１回転する。そこで、この間の第１の角度信号９は、０％から１００％まで変化する三角波であらわされる。ロータ部４が４回転して絶対角が０度から１４４０度の間を変化する間に第１の出力ギア５は８回転するので、この三角波は、図３（ａ）に示すように全体で８周期となる。
一方、第２の角度信号１２も同様の三角波となり、ロータ部４が４回転する間に第２の出力ギア６は７回転するので、図３（ａ）に示すようにこの三角波の周期は全体で７周期となる。
【００２４】
第１の角度信号９及び第２の角度信号１２に対して第１のステップ（Ｓ１）の処理を行うと、図３（ｂ）に示すように、第１の角度検出信号８と第２の角度検出信号１１との出力差である差分１３を算出する。この差分１３は負の範囲１３ａを有するので、この値を第２ステップ（Ｓ２）で補正して、図３（ｃ）に示すような補正値１４を算出する。続いて、第３ステップ（Ｓ３）に移り、補正値１４と絶対角との関係式に対応付けて、現在の絶対角の角度範囲を１８０度ずつの範囲で特定する。そして、第１の角度信号９から換算した０度から１８０度の間における絶対角の値を加算して真の絶対角を検出する。
【００２５】
この回転角検出装置１によれば、１８０度毎のロータ部４の回転から絶対角を算出することができるので、高精度な絶対角を得ることができる。
また、第１の伝達ギア部４Ａ、第２の伝達ギア部４Ｂ、第１の出力ギア５、及び第２の出力ギア６の歯数の組み合わせを従来よりも多く設定することができるので、ハンドル回転軸部材２の径や回転角検出装置１の設置スペースに応じて選択することができる。
さらに、ギア比を変更することによって検出精度を任意に変更することができる。
【００２６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態に係る回転角検出装置は自動車用としているが、自動車に限られるものではなく、電車や船等の一般的な乗物に用いても構わない。
また、上記実施形態ではギア比をｎ＝２としているが、ｎ＝３とすると、表２に示す歯数パターンが得られる。この歯数パターンであれば、図５に示すように、０度から１２０度の範囲で周期的に変化する第１の角度信号の出力と第２の角度信号１２の出力を得て、差分１３及び補正値１４からロータ部の絶対角を検出することができる。
さらに、Ｎ、ｎ、ｍの値は上記実施形態の場合に限られることはなく、ハンドルの回転数や要求精度にあわせて変更しても、同様の作用・効果を得ることができる。
また、第１の出力ギア５及び第２の出力ギア６の歯数が同一であるので、両者の部品の共通化を図ることができる。
【００２７】
【表２】

【００２８】
【発明の効果】
以上説明した本発明においては以下の効果を奏する。
本発明の回転角検出装置及び回転角検出方法によれば、ロータ部の外周面に、互いに歯数の異なる第１の伝達ギア部と第２の伝達ギア部とを回転軸方向に沿って設け、これらに噛み合う第１の出力ギア及び第２の出力ギアを、第１の伝達ギア部と第２の伝達ギア部との歯数差のＮ倍の歯数であって同一の歯数で形成し、第１の出力ギアからの角度信号と第２の出力ギアからの角度信号とを検出してこれらの差分を計算し、該差分を補正して補正値を算出した後に、補正値と、第１の角度信号及び第２の角度信号の少なくとも一方とから、ロータ部の絶対角を算出するマイクロプロセッサを搭載し、差分はロータ部の最大回転数の回転により再び０となるようにしたので、ロータ部の絶対角を精度よく検出することができるとともに、ハンドル回転軸部材の径、回転数、及び回転角の検出精度の変更に容易に対応でき、高い設計自由度を有することができる。
従って、本発明の回転角検出装置を用いれば、ハンドル舵角に応じた車体姿勢制御を高精度に行うことが可能である。
また、本発明によれば、出力ギアは１種類のものを２個用意すれば、準備することができ、第１の出力ギアと第２の出力ギアを構成できるので、第１の出力ギアと第２の出力ギアとの間で部品の共通化をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る回転角検出装置を示す平面図である。
【図２】 図１におけるII−II断面を示す図である。
【図３】 本発明の一実施形態に係る回転角検出装置におけるロータ部の絶対角と各角度信号の出力との関係を示すグラフである。
【図４】 本発明の一実施形態に係る回転各検出方法の処理フローを示すフローチャートである。
【図５】 本発明の一実施形態に係るギア比３の場合の回転角検出装置におけるロータ部の絶対角と各角度信号の出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 回転角検出装置
４ ロータ部
４Ａ 第１の伝達ギア部
４Ｂ 第２の伝達ギア部
５ 第１の出力ギア
６ 第２の出力ギア
９ 第１の角度信号
１２ 第２の角度信号

Claims (5)

1. 回転可能に配設されたロータ部の回転角を絶対角で検出する回転角検出装置であって、前記ロータ部の外周面に、互いに歯数の異なる第１の伝達ギア部と第２の伝達ギア部とが回転軸方向に沿って設けられ、前記第１の伝達ギア部と回転可能に噛合し回転に応じた第１の角度信号を出力する第１の出力ギアと、前記第２の伝達ギア部と回転可能に噛合し回転に応じた第２の角度信号を出力する第２の出力ギアとを備え、前記第１の角度信号と前記第２の角度信号とから前記ロータ部の絶対角を検出する回転角検出装置であり、
   前記ロータ部の最大回転数をＮ、前記第１の伝達ギア部と前記第１の出力ギアとのギア比をｎとするとき、前記第１の伝達ギア部が、Ｎ×ｎのｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成され、前記第２の伝達ギア部が、Ｎ×ｎ−１のｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成され、前記第１の出力ギア及び前記第２の出力ギアが、前記第１の伝達ギア部と前記第２の伝達ギア部との歯数差のＮ倍の歯数であって同一の歯数で形成され、
   前記第１の角度信号と前記第２の角度信号とを検出してこれらの差分を計算し、該差分を補正して補正値を算出した後に、前記補正値と、前記第１の角度信号及び前記第２の角度信号の少なくとも一方とから、前記ロータ部の絶対角を算出するマイクロプロセッサを搭載し、前記差分は前記ロータ部の最大回転数の回転により再び０となるようになされたことを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記補正値は、差分が負の値を示しているときにこの差分値に１００％分の電圧値を加えて算出処理した値であることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記ロータ部が、乗物のハンドルの回転軸に連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角検出装置。
4. 回転可能に配設されたロータ部の回転角を絶対角で検出する回転角検出方法であって、前記ロータ部の外周面に、互いに歯数の異なる第１の伝達ギア部と第２の伝達ギア部とを回転軸方向に沿って設け、前記第１の伝達ギア部と回転可能に噛合し回転に応じた第１の角度信号を出力する第１の出力ギアと、前記第２の伝達ギア部と回転可能に噛合し回転に応じた第２の角度信号を出力する第２の出力ギアとを設け、前記第１の角度信号と前記第２の角度信号との差分と、前記第１の角度信号及び前記第２の角度信号の少なくとも一方とから、前記ロータ部の絶対角を検出するとともに、
   前記ロータ部の最大回転数をＮ、前記第１の伝達ギア部と前記第１の出力ギアとのギア比をｎとするとき、前記第１の伝達ギア部を、Ｎ×ｎのｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成し、前記第２の伝達ギア部を、Ｎ×ｎ−１のｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成し、
   前記第１の出力ギア及び前記第２の出力ギアを、前記第１の伝達ギア部と前記第２の伝達ギア部との歯数差のＮ倍の歯数であって同一の歯数で形成し、
   前記差分は前記ロータ部の最大回転数の回転により再び０となるようになされたことを特徴とする回転角検出方法。
5. 前記第１の角度信号と前記第２の角度信号との差分は、該差分が負の値を示しているときにこの差分値に１００％分の電圧値を加えて算出処理した値であることを特徴とする請求項４に記載の回転角検出方法。

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