JP5331505B2 - 回転角度検出装置及びステアリング装置 - Google Patents
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例えば、特許文献1に記載の車両用ステアリングセンサは、以下のように構成されている。すなわち、ステアリングホイールと一体的に回転する第1の回転体の回転に基づき回転量と回転方向を示す信号を出力する第1,第2のフォトインタラプタと、ステアリングホイールの1回転中での回転位置を示す信号を出力する第3のフォトインタラプタとを有する。この第1の回転体には、回転位置を示すための4個の位置信号用切欠部と4個の位置信号用凸部とが非等間隔で形成されている。また、この車両用ステアリングセンサは、ステアリングホイールが1回転されるごとに間欠ギヤ及びギヤ部を介して間欠的に回転し、これに伴い可変抵抗器を回転操作する第2の回転体を有している。この可変抵抗器は、ステアリングホイールの回転回数(何回転目かの回数)を示す信号を出力する。
そこで、本発明は、耐久性が高く、かつより静寂な装置を提供することにある。
ここで、前記第1の磁石及び前記第2の磁石は外周面に周方向に交互に配置されたN極とS極とを有し、当該第1の磁石の外周面と当該第2の磁石の外周面とが対向して配置されていることが好適である。
また、前記センサは、前記第3の磁石に対向して配置され、当該第3の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であることが好適である。
また、前記回転角度検出手段は、前記第2の磁石の外周面の外側に配置され、当該第2の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有することが好適である。
また、前記センサは、検知対象となる歯車の歯又は当該歯車を支持して回転する回転部材に形成されたマークに基づいて、当該歯車の回転角度を検知することが好適である。
ここで、前記第1の磁石の回転と前記第2の磁石の回転とが非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段をさらに有することが好適である。
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態に係る回転角度検出装置1の斜視図である。図2は、第1の実施形態に係る回転角度検出装置1の軸方向の部分断面図である。
回転角度検出装置1は、例えば自動車などの乗り物の本体フレームに回転可能に支持される回転軸110の回転角度を検出する装置である。
回転軸110は、例えばステアリングホイールが連結される回転軸であり、本体フレームに固定される部材であるハウジング(不図示)に固定されたボールベアリングなどの軸受を介してハウジングに回転可能に支持されている。
回転角度検出装置1は、回転軸110に設けられる第1の磁石10と、第1の磁石10と所定のクリアランスを介して配置され、第1の磁石10との間に生じる磁力により第1の磁石10の回転に連動して回転する第2の磁石20と、を有する。また、回転角度検出装置1は、第2の磁石20の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて回転軸110の回転角度を検出する回転角度検出手段を有する。
第2の磁石20は、リング状(ドーナツ状)であり、ハウジングに対して回転可能に支持されている。そして、少なくとも外周面に、N極およびS極が交互に配置されている。第1の磁石10と第2の磁石20とは、接触しないように、所定の隙間を介して配置されている。また、第1の磁石10の外周面と第2の磁石20の外周面とが対向するように配置されている。なお、所定の隙間とは、第1の磁石10と第2の磁石20とが吸引し合い、第1の磁石10が回転軸110の軸心回りに回転した場合に、第2の磁石20が吸引されながら回転する隙間である。
図3は、磁石支持部材40と第3の磁石30との装着態様の他の例を示す図である。
図3に示すように、円柱状の第3の磁石30と、円柱状の凹みを有する磁石支持部材40とをしまりばめで嵌合してもよい。また、磁石支持部材40と第3の磁石30とを、例えばインサート成形により一体的に成形してもよい。第3の磁石30の形状は、円柱状に限定されない。
本実施形態に係る磁気検出素子50は、磁界によって抵抗値が変化することを利用した磁気センサであるMRセンサ(磁気抵抗素子)であることを例示することができる。磁気検出素子50の検出手法については後で詳述する。
本実施形態に係る磁気検出素子50は、磁界によって抵抗値が変化することを利用したMRセンサ(磁気抵抗素子)である。
MRセンサは、Si若しくはガラス基板と、その上に形成されたNi−Feなどの強磁性金属を主成分とする合金の薄膜で構成されており、その薄膜強磁性金属の抵抗値は、特定方向の磁界の強度に応じて変化する。
図4に示すように、基板の上に矩形状に形成した薄膜強磁性金属に、矩形の長手方向、つまり図中Y方向に電流を流す。一方、磁界Hを、電流方向(Y方向)に対して垂直方向(図中X方向)に印加し、その状態で、磁界の強さを変更する。このときに、薄膜強磁性金属の抵抗値がどのように変化するかを示したのが図5である。
以下では、抵抗値変化量(ΔR)が、近似的に「ΔR∝H2」の式で表すことができる領域外を「飽和感度領域」と称す。そして、飽和感度領域においては、ある磁界強度(以下、「規定磁界強度」と称す。)以上になると3%の抵抗値変化は変わらない。
図6のように、矩形状に形成した薄膜強磁性金属の矩形の長手方向、つまり図中Y方向に電流を流し、磁界の方向として電流方向に対して角度変化θを与える。このとき、磁界の向きに起因する薄膜強磁性金属の抵抗値の変化を知るために、印加する磁界強度は、磁界強度に起因しては抵抗値が変化しない上述した規定磁界強度以上とする。
R=R0−ΔRsin2θ・・・(1)
ここで、R0は、規定磁界強度以上の磁界を電流方向と平行(θ=0度あるいは180度)に印加した場合の抵抗値である。
式(1)により、規定磁界強度以上の磁界の方向は、薄膜強磁性金属の抵抗値を検出することで把握することができる。
図8は、規定磁界強度以上の磁界強度で磁界の方向を検出する原理を利用するMRセンサの一例を示す図である。
図8に示すMRセンサの薄膜強磁性金属は、縦方向が長くなるように形成された第1のエレメントE1と横方向が長くなるように形成された第2のエレメントE2とが直列に配置されている。
R1=R0−ΔRsin2θ・・・(2)
R2=R0−ΔRcos2θ・・・(3)
図8に示すエレメント構成のMRセンサの等価回路は図9に示すようになる。
図8,9に示すように、第1のエレメントE1の、第2のエレメントE2と接続されていない方の端部をグランド(Gnd)とし、第2のエレメントE2の、第1のエレメントE1と接続されていない方の端部の出力電圧をVccとした場合に、第1のエレメントE1と第2のエレメントE2との接続部の出力電圧Voutは式(4)で与えられる。
Vout=(R1/(R1+R2))×Vcc…(4)
Vout=Vcc/2+α×cos2θ…(5)
ここで、αは、α=(ΔR/(2(2×R0−ΔR)))×Vccである。
式(5)により、磁界の方向は、Voutを検出することで把握することができる。
図10は、磁石が回転運動するときの磁界方向の変化とMRセンサの出力との関係を示す図である。
図10(a)に示すように、図8に示したエレメント構成のMRセンサを、半円柱状のN極と半円柱状のS極からなる円柱状の磁石の中心軸方向の一方の面に対向するように配置する。その際、図10(b)に示す磁石とMRセンサとのギャップLは、MRセンサに規定磁界強度以上の磁界強度が印加される距離とする。
かかる場合、第1のエレメントE1と第2のエレメントE2との接続部の出力電圧Voutの波形は、式(5)に示した「Vout=Vcc/2+α×cos2θ」となり、図10(d)に示すように2周期の波形となる。
図11(a)に示すように、N極とS極が交互に配列された磁石に対して、図8に示したMRセンサを、規定磁界強度以上の磁界強度が印加されるギャップ(磁石とMRセンサとの距離)Lで、かつ磁界の方向変化がMRセンサのセンサ面に寄与するように配置する。
図8に示したエレメント構成の代わりに図12(a)に示すようなエレメント構成にすれば、図12(b)に示すように、一般的に知られているホイートストン・ブリッジ(フルブリッジ)の構成にすることができる。ゆえに、図12(a)に示すエレメント構成のMRセンサを用いることにより検出精度を高めることが可能となる。
図7に示した磁界の向きと薄膜強磁性金属の抵抗値との関係および式(1)「R=R0−ΔRsin2θ」からすると、図6で見た場合に、磁界の向きを電流の方向に対して時計回転方向に回転させても反時計回転方向に回転させても薄膜強磁性金属の抵抗値は同じである。ゆえに、薄膜強磁性金属の抵抗値を把握できても磁石の運動の方向は把握できない。
図14は、MRセンサの配置の例を示す図である。図14に示すように2つのMRセンサを重ね、一方のセンサを他方のセンサに対して45度に傾けて配置することも好適である。
このMRセンサの特性に鑑み、本実施形態に係る回転角度検出装置1においては、磁気検出素子50として、図15に示すエレメント構成のMRセンサを用いる。そして、磁気検出素子50を、エレメント(薄膜強磁性金属)と円柱状の第3の磁石30の軸方向の一方の端面とが対向するように配置する。また、第3の磁石30と磁気検出素子50のエレメントとの距離は、エレメントに規定磁界強度以上の磁界強度が印加される距離とする。
そこで、上記事項を基に、磁気検出素子50での検出値と、回転軸110の回転角度との関係のテーブルを予め回転角度テーブルとして作成しておき、例えば、上述した演算手段が有する記憶領域に記憶しておく。そして、演算手段が、磁気検出素子50による第2の磁石20(第3の磁石30)の回転方向を含めた回転角度の検出値と、回転角度テーブルとに基づいて、回転軸110の回転角度を演算できるようにしておく。
すなわち、利用者がステアリングホイールを回転すると、これに伴って回転軸110が回転し、第1の磁石10が回転する。そして、第1の磁石10が回転するのに伴って第2の磁石20が第1の磁石10に吸引され、磁石支持部材40が、第1の磁石10の回転方向とは反対の方向に回転する。つまりは、第1の磁石10の回転に連動して、磁石支持部材40に支持されている第2の磁石20および第3の磁石30も回転する。そして、第2の磁石20(第3の磁石30)の回転方向を含めた回転角度を磁気検出素子50が検出する。
そして、演算手段が、磁気検出素子50の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置1は、回転軸110の回転角度、つまりはステアリングホイールの回転方向を含めた回転角度(舵角)を検出することが可能となる。
また、検出側のユニットと回転軸110側とは非接触であるため、例えばハウジング内など密閉された空間に配置された回転軸110の回転角度を、その空間の外側に配置された検出側のユニットにて検出することが可能となる。
かかる場合には、磁気検出素子50の出力波形は、図10(d)に示すような波形となる。それゆえ、回転角度検出装置1は、磁気検出素子50にて第2の磁石20(第3の磁石30)の回転角度を、検出することで、回転軸110(ステアリングホイール)の回転角度を検出することが可能となる。
図16は、第2の実施形態に係る回転角度検出装置2の斜視図である。
本実施形態に係る回転角度検出装置2においては、磁気検出素子50を、第2の磁石20の回転半径方向には第2の磁石20の外周面の外側であり、回転軸110の軸方向には第2の磁石20が設けられた領域内となるように配置し、第2の磁石20から発生される磁界の変化に基づいて第2の磁石20の回転角度を検出する点に特徴がある。なお、第2の磁石20と磁気検出素子50のエレメントとの距離は、エレメントに規定磁界強度以上の磁界強度が印加される距離とする。以下では第1の実施形態との差異点についてのみ説明する。
これにより、演算手段が、磁気検出素子50の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置2は、回転軸110の回転角度、つまりはステアリングホイールの回転方向を含めた回転角度(舵角)を検出することが可能となる。
図17は、第3の実施形態に係る回転角度検出装置3の上面図である。図18は、図17のA−A部における断面図である。
第3の実施形態に係る回転角度検出装置3は、第2の磁石20を支持し回転可能に支持される磁石支持部材400と、磁石支持部材400に設けられる第1の歯車410と、を備える。そして、回転角度検出手段は、第1の歯車410により磁石支持部材400の回転力が伝達される複数の歯車と、これら複数の歯車のそれぞれの回転角度を検知する複数のセンサと、を有し、これら複数のセンサの検知結果に基づいて第2の磁石20の回転角度を検出する点に特徴がある。以下では第1の実施形態と異なる点について説明する。
また、回転角度検出装置3は、第3の歯車430の回転角度を検出する第3の回転角度センサ530(図17参照)を有している。第3の回転角度センサ530は、第3の歯車430の回転半径方向の外側に配置されており、第3の歯車430の歯又は回転軸431の周方向に複数形成された角度マークに基づいて第3の歯車430の回転角度を検出する。
すなわち、利用者がステアリングホイールを回転すると、これに伴って回転軸110が回転し、第1の磁石10が回転する。そして、第1の磁石10が回転するのに伴って第2の磁石20が第1の磁石10に吸引され、磁石支持部材40が、第1の磁石10の回転方向とは反対の方向に回転する。つまりは、第1の磁石10の回転に連動して、磁石支持部材40に支持されている第2の磁石20および第1の歯車410も回転する。そして、第2,3の歯車420,430が回転し、これらの回転角度を、第2,第3の回転角度センサ520,530が検出する。
そして、演算手段が、第2,第3の回転角度センサ520,530の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置1は、回転軸110の回転角度、つまりはステアリングホイールの回転角度(舵角)を検出することが可能となる。
例えば、第3の歯車430を、第1の歯車410に噛み合わせるのではなく、第2の歯車420に噛み合わせてもよい。あるいは、第3の歯車430を、第2の歯車420から回転駆動力を得る第4の歯車(不図示)に噛み合わせてもよい。かかる場合においても、第2,第3の回転角度センサ520,530を用いて第2,第3の歯車420,430の回転角度を検出することで回転軸110の回転角度を検出可能であるとともに、センサにて直接的に検知する歯車の歯数及びレイアウトの選択の自由度が増す。また、例えば上述した第4の歯車の回転角度を検出する第4の回転角度センサをも備え、第2,第3の歯車420,430に加えて第4の歯車の回転角度を加味して第2の磁石20の回転角度を検出することでより広範囲の角度を検出することが可能となる。
スリップ防止機構200は、回転軸110に設けられた第1の非同期抑制歯車201と、磁石支持部材40に設けられた第2の非同期抑制歯車202とを有している。
図21は、第1の非同期抑制歯車201に形成された歯と第2の非同期抑制歯車202に形成された歯との配置関係を説明する模式図である。
例えば、ドライバによりステアリングホイールが急に回転させられた場合や、車両が縁石に乗り上げた場合など、第1の磁石10の回転速度が急上昇して第2の磁石20が第1の磁石10の回転に追従できない場合においても、第1の非同期抑制歯車201の歯が第2の非同期抑制歯車202の歯に突き当たるので、両歯車により第1の磁石10の回転力が第2の磁石20の回転力として伝達される。これにより、第1の磁石10の回転と第2の磁石20の回転とが非同期となることが抑制される。それゆえ、回転角度検出装置1〜3による検出精度が向上する。
また、第1の非同期抑制歯車201および第2の非同期抑制歯車202の材質は、磁性材料でも非磁性材料でもよいが、第1の非同期抑制歯車201の歯と第2の非同期抑制歯車202の歯が衝突したとしても破損しないように、想定される両歯車の衝突エネルギー量に応じて選定することが好適である。
Claims (11)
- 回転可能に支持される回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記回転軸に設けられる第1の磁石と、
前記第1の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第1の磁石との間に生じる磁力により当該第1の磁石の回転に連動して回転する第2の磁石と、
前記第2の磁石の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
前記第2の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材と、当該磁石支持部材に設けられる第1の歯車と、を備え、
前記回転角度検出手段は、前記第1の歯車により前記磁石支持部材の回転力が伝達される複数の歯車と、当該複数の歯車のそれぞれの回転角度を検知する複数のセンサと、を有し、当該複数のセンサの検知結果に基づいて前記第2の磁石の回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。 - 前記第1の磁石及び前記第2の磁石は外周面に周方向に交互に配置されたN極とS極とを有し、当該第1の磁石の外周面と当該第2の磁石の外周面とが対向して配置されていることを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置。
- 前記センサは、検知対象となる歯車の歯又は当該歯車を支持して回転する回転部材に形成されたマークに基づいて、当該歯車の回転角度を検知することを特徴とする請求項1又は2に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1の磁石の回転と前記第2の磁石の回転とが非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段をさらに有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
- 回転可能に支持される回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記回転軸に設けられる第1の磁石と、
前記第1の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第1の磁石との間に生じる磁力により当該第1の磁石の回転に連動して回転する第2の磁石と、
前記第2の磁石の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
前記第1の磁石の回転と前記第2の磁石の回転とが非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段と、を備えることを特徴とする回転角度検出装置。 - 前記第1の磁石及び前記第2の磁石は外周面に周方向に交互に配置されたN極とS極とを有し、当該第1の磁石の外周面と当該第2の磁石の外周面とが対向して配置されていることを特徴とする請求項5に記載の回転角度検出装置。
- 前記第2の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材をさらに備え、
前記回転角度検出手段は、前記磁石支持部材の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第3の磁石と、当該第3の磁石から発生される磁界に基づいて当該第3の磁石の回転角度を検知するセンサとを有し、当該センサの検知結果に基づいて前記第2の磁石の回転角度を検出することを特徴とする請求項5又は6に記載の回転角度検出装置。 - 前記センサは、前記第3の磁石に対向して配置され、当該第3の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項7に記載の回転角度検出装置。
- 前記回転角度検出手段は、前記第2の磁石の外周面の外側に配置され、当該第2の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有することを特徴とする請求項5又は6に記載の回転角度検出装置。
- 前記非同期回転抑制手段は、前記回転軸に設けられる第1の非同期回転抑制歯車と、前記第2の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材に設けられる第2の非同期回転抑止歯車とを有し、
前記第1の非同期回転抑制歯車は、前記第1の磁石の極数と同数の歯を有し、
前記第2の非同期回転抑制歯車は、前記第2の磁石の極数と同数の歯を有し、
前記第1の非同期回転抑制歯車及び前記第2の非同期回転抑制歯車の歯の大きさは、前記第1の磁石と前記第2の磁石とが同期して回転する場合には両歯車の歯は干渉しない大きさに形成されていることを特徴とする請求項4から9のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載の回転角度検出装置を備え、
前記回転軸がステアリングホイールに連結されることを特徴とするステアリング装置。
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