JP5097800B2

JP5097800B2 - 回転角センサ

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Publication number: JP5097800B2
Application number: JP2010132290A
Authority: JP
Inventors: 博文奥村
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2030-06-09
Also published as: CN102297651A; JP2011257275A; KR20110134825A

Description

本発明は、同軸上に大歯車と小歯車とを備える２段歯車からなるロータと、大歯車及び小歯車に夫々、噛み合う従動歯車とを備える回転角センサに関する。

特許文献１には、ハンドル等の操舵角を検出することが可能な回転角センサが開示されている。特許文献１に示す回転角センサは、大歯車と小歯車とが同軸上に一体に形成されて成るロータと、小歯車に噛み合う第１の従動歯車（回転検出歯車）と大歯車に噛み合う第２の従動歯車（回転検出歯車）とを有して構成される。各従動歯車は、ロータが１回転したときに、夫々、異なる回転数となるように構成されており、回転検出部にて検出された各従動歯車の回転角に基づいて、ロータの多回転角（絶対角）の検出が可能になっている。

特開２００４−３４０６７７号公報実開平６−５６４４号公報実開昭６４−１７０５５号公報

上記した回転角センサの構造では、小歯車に噛み合う第１の従動歯車は、小歯車よりも外方に突出する大歯車と高さ方向で対向した位置関係にあるため、前記第１の従動歯車が大歯車の回転軸方向に圧力等を受けた場合や、第１の従動歯車に対する取付精度の低下やばらつき等により大歯車と干渉する可能性があった。大歯車と小歯車とは歯数が異なる。このため、小歯車に噛み合う第１の従動歯車が大歯車に干渉すると、第１の従動歯車の回転動作が不安定となった。

また小歯車の歯部の裾部分にバリやコーナーR等が生じていると、小歯車に噛み合う第１の従動歯車を安定してスムースに回転させることができない問題があった。更には、小歯車に噛み合う第１の従動歯車が大歯車の突出面上を摺動しながら回転動作する形態では、接触面積が広くなるため第１の従動歯車と大歯車間の摩擦が大きくなる問題があった。

以上のような問題が生じることで、出力信号が乱れたりノイズが生じる等、高精度な回転検出を妨げていた。

特許文献２，３に記載された発明は、歯車の抜け止めを防止する構造に関するものであり、小歯車と大歯車とが同軸上に設けられたロータと、小歯車及び大歯車に夫々噛み合う従動歯車とを有する回転角センサの構造ではなく、したがって、小歯車に噛み合う第１の従動歯車が大歯車に干渉するのを抑制した構成について何も記載されていない。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、小歯車に噛み合う第１の従動歯車が小歯車と同軸上に設けられた大歯車に干渉するのを効果的に抑制できる回転角センサを提供することを目的としている。

本発明における回転角センサは、外周部に第１の歯部を有する小歯車と、前記小歯車と同軸上に設けられ、前記小歯車よりも外方に突出した位置の外周部に第２の歯部を有し前記第２の歯部と前記第１の歯部との間に突出面を有する大歯車とを備えるロータと、前記小歯車の第１の歯部と噛み合う第１の従動歯車と、前記大歯車の第２の歯部と噛み合い前記ロータが所定の角度だけ回転したとき前記第１の従動歯車の回転数と異なる回転数を有する第２の従動歯車と、前記第１の従動歯車及び前記第２の従動歯車の回転角に応じて前記ロータの回転角を検出可能な回転検出部と、を有し、
前記大歯車の前記突出面と、前記第１の従動歯車の前記大歯車との対向面間に凸部が設けられており、
前記凸部は、前記大歯車の前記突出面に、前記ロータの回転軸を中心として形成された環状リブであり、あるいは前記凸部は、前記大歯車の前記突出面と対向する前記第１の従動歯車の前記対向面に、前記第１の従動歯車の回転軸を中心として形成された環状リブであり、
前記回転軸からの半径が異なる複数本の前記環状リブが設けられ、各環状リブ間に凹状の空間が形成されていることを特徴とするものである。

これにより、第１の従動歯車を大歯車の突出面から浮かせた状態で小歯車に噛み合わせることができ、第１の従動歯車が小歯車と歯数が異なる大歯車と干渉するのを効果的に抑制することが可能になる。また、小歯車の外周部に設けられる第１の歯部の裾部にバリやコーナーRが形成されること等があっても、第１の従動歯車を大歯車の突出面から浮かせたことで、第１の従動歯車を、第１の歯部の裾部の状態に関わらず、小歯車に確実且つ安定して噛み合わせることができる。したがって本発明では、従来に比べて、回転角度を高精度に検出することができる。

本発明では、前記凸部は、前記大歯車の前記突出面に、前記ロータの回転軸を中心として形成された環状リブである。このように本発明では大歯車の突出面を利用して簡単且つ適切に環状リブを形成することが可能である。

また本発明では、前記回転軸からの半径が異なる複数本の前記環状リブが設けられ、各環状リブ間に凹状の空間が形成されている。このとき、前記環状リブ間の前記間隔内に潤滑剤を充填することができる。これにより、第１の従動歯車とロータの大歯車間での摺動摩擦を効果的に低減でき、第１の従動歯車をより安定してスムースに回転動作させることができる。

本発明の回転角センサによれば、第１の従動歯車を大歯車の突出面から浮かせた状態で小歯車に噛み合わせることができ、第１の従動歯車が小歯車と歯数が異なる大歯車と干渉するのを効果的に抑制することが可能になる。また、小歯車の外周部に設けられる第１の歯部の裾部にバリやコーナーRが形成されること等があっても、第１の従動歯車を大歯車の突出面から浮かせたことで、第１の従動歯車を、第１の歯部の裾部の状態に関わらず、小歯車に確実且つ安定して噛み合わせることができる。したがって本発明では、従来に比べて、回転角度を高精度に検出することができる。

本実施形態の回転角センサの斜視図、本実施形態の回転角センサの分解斜視図、本実施形態の回転角センサからカバーを取り外した状態の基本構成を示す正面図、本実施形態におけるロータの一部を拡大して特徴的構成を示した部分拡大斜視図、本実施形態の特徴的構成を備えたロータと従動歯車とを噛み合わせた状態を示す部分斜視図、本実施形態における特徴的構成を示すロータ及び第１の従動歯車との部分拡大縦断面図、（ａ）〜（ｃ）は、ロータを構成する大歯車と、小歯車と噛み合う第１の従動歯車との間に形成される凸部（環状リブ）の構成を示す側面図であり、（ａ）（ｂ）は実施形態を示し、（ｃ）は参考例を示す。

図１ないし図３は、本実施形態における回転角センサの基本的構成について説明するための図である。図１は回転角センサの斜視図、図２は、回転角センサの分解斜視図、図３は、カバーを取り外した状態の回転角センサの正面図である。なお図３では、後で説明する基板についても除いて図示したが、前記基板に配置される磁気検出素子は、マグネットとの配置関係を説明するために図面に残した。

まず図１ないし図３を用いて、本実施形態における回転角センサの基本的構成を説明する。

本実施形態における回転角センサ１は、前面が開口されたケース２と、ケース２の開口に装着されてケース２との間に収容部を形成するカバー３とを備える。ケース２とカバー３は夫々、主面２ａ，３ａと、主面２ａ，３ａの外周に沿って形成された側壁部２ｂ，３ｂとを有して構成される。

図１ないし図３に示すように、ケース２及びカバー３の主面２ａ，３ａには夫々、円形状（円筒状）の貫通孔２ｃ，３ｃが形成され、貫通孔２ｃ，３ｃの周囲に円環状の軸受部２ｄ，３ｄが設けられている。

ケース２内には、ケース２及びカバー３の軸受部２ｄ，３ｄに回転可能に支持されるロータ６が取り付けられる。ロータ６は、図示しないハンドル等の駆動軸に連結して一体回転するものであり、駆動軸が挿通される開口部２１を有して円環状に形成される。ロータ６には、内周面から一対のキー２２が径方向内側に突出して形成され、一対のキー２２は回転中心を挟んだ対向位置に設けられている。ロータ６は、この一対のキー２２に駆動軸側のキーが係合されることで、駆動軸に対して一体回転可能に連結される。

図２，図３に示すように、ロータ６の外周面には、小歯車２５と大歯車２４とが回転軸Ｏ方向に重ねて一体に形成されており、２段歯車を構成している。小歯車２５の外周部に凹凸形状の第１の歯部２５ａが形成されている。大歯車２４は、小歯車２５よりも外方に突出した位置の外周部に凹凸形状の第２の歯部２４ａを有する。そして、大歯車２４には、第１の歯部２５ａと第２の歯部２４ａとの間に突出面２４ｂが形成されている（図３参照）。第１の歯部２５ａの歯数は、第２の歯部２４ａの歯数よりも少ない。

また図２，図３に示すように、ケース２内には、小歯車２５に噛み合う第１の従動歯車７と、大歯車２４に噛み合う第２の従動歯車８が取り付けられる。第１の従動歯車７及び第２の従動歯車８は、ケース２の主面２ａに形成されたピン２７（図２には一方のピンのみが図示されている）により回転可能に支持されている。

第１の従動歯車７と第２の従動歯車８は外周部に同じ歯数の歯部を有している。本実施形態では、第１の従動歯車７と第２の従動歯車８に同じ形状のものを使用することが可能である。

第１の従動歯車７は、ロータ６の小歯車２５に噛み合う位置に設けられ、第２の従動歯車８は、ロータ６の大歯車２４に噛み合う位置に設けられるから、第１の従動歯車７と第２の従動歯車８は高さ方向（ケース２の主面２ａからカバー３の主面３ａ方向、回転軸Ｏ方向）にずれて配置される。すなわち本実施形態では、第１の従動歯車７は第２の従動歯車８よりもカバー３の主面３ａ側に配置され、第２の従動歯車８は、第１の従動歯車７よりもケース２の主面２ａ側に配置される。

また小歯車２５に噛み合う第１の従動歯車７の少なくとも歯部７ｃの部分は、図３に示すように、大歯車２４の突出面２４ｂと高さ方向にて対向した位置関係となる。

図２に示すように第１の従動歯車７及び第２の従動歯車８には、中央部に、ピン２７を挿入するための貫通孔７ａ，８ａが形成され、その周囲に有底状の凹部７ｂ，８ｂが形成されている。
そして前記凹部７ｂ，８ｂ内にマグネット（磁石）１１，１２が装着される。

また、基板１５が、ケース２の主面２ａに形成されたピン１８（ピンは計４個、図２、図３参照）を介して装着される。また、磁気検出素子（例えばＧＭＲ素子）１６，１７が基板１５のケース２の主面２ａと対向する面側に配置されている。

図３に示すように、磁気検出素子１６，１７は、マグネット１１，１２の中央部と対向する位置に配置される。なお、磁気検出素子１６，１７とマグネット１１，１２とは非接触である。マグネット１１，１２の回転に伴って変化する磁界を磁気検出素子１６，１７にて検出できる。

基板１５には図示しない演算回路が設けられている。演算回路では、磁気検出素子１６，１７の出力に基づいて、ロータ６の多回転角度（絶対角）を演算することが可能である。

また基板１５には、出力回路に接続されるコネクタピン１９が固定されている。各コネクタピン１９は、カバー３の主面３ａに形成されたピン位置に対応した貫通孔を備えるコネクタ部２０から外部に露出した状態で支持されている。

ケース２の側壁部２ｂには掛止穴２ｅが設けられ、カバー３の側壁部３ｂには掛止凸部３ｅが設けられる。またカバー３側には図示しないピンが設けられ、ケース２側には前記ピンに対応する挿入孔２ｆが設けられる。そして、前記ピンを挿入孔２ｆに挿入し、掛止凸部３ｅを掛止穴２ｅに凹凸嵌合させることにより、ケース２とカバー３とを図１のように、組み立てることができる。

上記したように本実施形態では、ロータ６を構成する大歯車２４と小歯車２５の歯数が異なり（大歯車２４の歯数が小歯車２５の歯数より多い）、一方、大歯車２４及び小歯車２５に噛み合う各従動歯車７，８の歯数は一致している。よって、ロータ６の回転に対して第１の従動歯車７と第２の従動歯車８との間に回転差が生じる。このとき、各従動歯車７，８の回転とともにマグネット１１，１２が回転し、その際に変化する各外部磁界を、固定側である各磁気検出素子１６，１７により検出する。そして、各磁気検出素子１６，１７の出力に基づいて、算出回路では、ロータ６の多回転角（絶対角）を算出することができる。

図４ないし図６の各図を用いて本実施形態における回転角センサの特徴的構成を説明する。図４は、ロータ６の一部を拡大して示した部分拡大斜視図、図５は、本実施形態の特徴的構成を備えたロータと従動歯車とを噛み合わせた状態を示す部分斜視図、図６は、ロータ及び第１の従動歯車との部分拡大縦断面図を示す。

本実施形態におけるロータ６は、同軸上に小歯車２５と大歯車２４とが重なって一体に形成された２段歯車構造である。そして、大歯車２４は、小歯車２５よりも外方に突出し、大歯車２４には、小歯車２５の第１の歯部２５ａと大歯車２４の第２の歯部２４ａとの間に突出面２４ｂが形成されている。

そして、図４ないし図６に示すように、前記突出面２４ｂ上には凸状の複数本の環状リブ３０，３１が形成されている。

図６に示すように環状リブ３０は、回転軸Ｏから半径ｒ１で形成されている。また環状リブ３１は、回転軸Ｏから半径ｒ２で形成される。各環状リブ３０，３１の幅中心から回転軸Ｏまでの長さ寸法が前記半径である。そして、半径ｒ２＞半径ｒ１となっている。よって、回転軸Ｏからみたときに、環状リブ３０は、小歯車２５の第１の歯部２５ａに近い内側に形成され、環状リブ３１は、大歯車２４の第２の歯部２４ａに近い外側に形成される。

ここで「環状リブ」とは、完全な環状、すなわち円形状であるものに限定されない。各環状リブ３０，３１に直線的な部分や蛇行する部分等があってもよい。また環状リブ３０，３１は連続的に形成されることが好ましいが、間欠的に形成される構成も含まれる。

図６に示すように、環状リブ３０，３１は、上面３０ａ，３１ａと側面３０ｂ，３１ｂとを有して構成される。そして小歯車２５の第１の歯部２５ａに噛み合う歯部７ｃを備える第１の従動歯車７が環状リブ３０，３１の上面３０ａ，３１ａに当接して、あるいは若干の隙間を有して回転可能に支持されている。図６に示すように各環状リブ３０，３１の上面３０ａ，３１ａと側面３０ｂ，３１ｂとの角部３０ｃはＲ形状で形成されることが、摺動面積を小さくでき、また例えば第１の従動歯車７に対し大歯車２４の方向に圧力等が加わっても第１の従動歯車７及び環状リブ３０，３１が損傷等を受けにくく、第１の従動歯車７を安定してスムースに回転動作させることができ好適である。

図４ないし図６に示すように本実施形態では環状リブ３０，３１を複数本設けており、各環状リブ３０，３１の間に凹状の空間３２が形成されている。よって、本実施形態では、潤滑剤３３を空間３２内に充填することが可能である。

このように本実施形態では、大歯車２４の突出面２４ｂと第１の従動歯車７の大歯車２４との対向面（下面）７ｄとの間に凸部（環状リブ３０，３１）が設けられている。

したがって図６に示すように第１の従動歯車７を大歯車２４の突出面２４ｂから浮かせた状態で小歯車２５に噛み合わせることができる。このため、例えば、第１の従動歯車７に大歯車２４の突出面２４ｂ方向への圧力等が加わり、第１の従動歯車７が大歯車２４の第２の歯部２４ａ方向に近づく変位（傾き）を生じた場合でも、第１の従動歯車７が小歯車２５と歯数が異なる大歯車２５と干渉するのを効果的に抑制することができる。

また図６に示すように、小歯車２５の第１の歯部２５ａの裾部にバリ３４が生じていたり、裾部が適切に垂直面で形成されず傾斜面３５等を構成しているような場合でも、第１の従動歯車７を大歯車２４の突出面２４ｂから浮かせたことで、第１の従動歯車７を小歯車２５に障害なく確実且つ安定して噛み合わせることができる。

以上により本実施形態の回転角センサによれば、従来に比べて、回転角度を高精度に検出することが可能である。

また本実施形態では、回転軸Ｏから半径ｒ１，ｒ２の異なる複数本の環状リブ３０，３１（ここでの環状リブは連続的に環状に繋がった形状）を大歯車２４の突出面２４ｂに形成している。そして各環状リブ３０，３１の間には凹状の空間３２が形成されており、空間３２内に潤滑剤３３を充填することが出来る。

このような構成にすることで、上記した効果に加えて第１の従動歯車７と大歯車２４間での摺動摩擦を長期に渡り効果的に低減できる。以上により、第１の従動歯車７をより安定してスムースに回転動作させることができ、回転検出の信号が乱れたりノイズが生じる等の不具合を抑制することが可能であり、回転角度の検出精度をより効果的に向上させることが可能である。

図７は、本実施形態における回転角センサの部分側面図である。図７（ａ）は、図４ないし図６で説明した大歯車２４の突出面２４ｂに複数本の環状リブ３０，３１を設けた例である。図７（ｂ）は、大歯車２４の突出面２４ｂと対向する第１の従動歯車７の対向面７ｄ側に環状リブ４０，４１を設けた例である。図７（ｂ）に示す環状リブ４０、４１は、第１の従動歯車７の回転軸を中心として異なる半径により形成される。図７（ｂ）の構成でも環状リブ４０，４１間の空間に潤滑剤４２が充填されている。ただし、環状リブ４０，４１を、第１の従動歯車７の外周部に形成される凹凸状の歯部７ｃから内側に離れた部分に形成しないと、潤滑剤４２を充填する空間を形成できないことから（歯部７ｃの部分では凸状の歯の部分にしか環状リブを形成できないから連続的に環状に繋がる環状リブを形成できない）、図７（ａ）に示すようにスペース的な余裕のある大歯車２４の突出面２４ｂ上に環状リブ３０，３１を形成することが好適である。なお、第１の従動歯車７の対向面７ｄ及び大歯車２４の突出面２４ｂの双方に夫々、環状リブを形成する構成としてもよい。

また図７（ｃ）は、大歯車２４の突出面２４ｂ上に１つの環状リブ４５を形成した例である。図７（ｃ）の構成であっても、第１の従動歯車７を大歯車２４の突出面２４ｂから浮かせた状態で小歯車２５に噛み合わせることができ、第１の従動歯車７が小歯車２５と歯数が異なる大歯車２４と干渉するのを効果的に抑制することができる。また、第１の従動歯車７を大歯車２４の突出面２４ｂから浮かせた状態とするには凸部は環状リブ以外の形状であってもよい。例えば多数のドット状の凸部が大歯車２４の突出面２４ｂ上に形成された構成とすることもできる。ただし、第１の従動歯車７を安定してスムースに回転動作させるには環状リブ（連続的に環状に繋がったリブ）を複数本形成し、潤滑剤の充填を施すことが好適である。

また上記では、図４ないし図７（ａ）（ｂ）では環状リブを２本形成したが、３本以上形成することも可能である。

１回転角センサ
２ケース
３カバー
６ロータ
７第１の従動歯車
８第２の従動歯車
１１、１２マグネット
１５基板
１６、１７磁気検出素子
２４大歯車
２４ａ第２の歯部
２４ｂ（大歯車の）突出面
２５小歯車
２５ａ第１の歯部
３０、３１、４０、４１、４５環状リブ
３２空間
３３、４２潤滑剤

Claims

外周部に第１の歯部を有する小歯車と、前記小歯車と同軸上に設けられ、前記小歯車よりも外方に突出した位置の外周部に第２の歯部を有し前記第２の歯部と前記第１の歯部との間に突出面を有する大歯車とを備えるロータと、前記小歯車の第１の歯部と噛み合う第１の従動歯車と、前記大歯車の第２の歯部と噛み合い前記ロータが所定の角度だけ回転したとき前記第１の従動歯車の回転数と異なる回転数を有する第２の従動歯車と、前記第１の従動歯車及び前記第２の従動歯車の回転角に応じて前記ロータの回転角を検出可能な回転検出部と、を有し、
前記大歯車の前記突出面と、前記第１の従動歯車の前記大歯車との対向面間に凸部が設けられており、
前記凸部は、前記大歯車の前記突出面に、前記ロータの回転軸を中心として形成された環状リブであり、あるいは前記凸部は、前記大歯車の前記突出面と対向する前記第１の従動歯車の前記対向面に、前記第１の従動歯車の回転軸を中心として形成された環状リブであり、
前記回転軸からの半径が異なる複数本の前記環状リブが設けられ、各環状リブ間に凹状の空間が形成されていることを特徴とする回転角センサ。
前記環状リブ間に形成された前記空間内に潤滑剤が充填されている請求項１記載の回転角センサ。