JP5439773B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に自動車のステアリングの回転角度検出等に用いられる回転角度検出装置に関するものである。

近年、自動車の高機能化が進むなか、様々な回転角度検出装置を用いてステアリングの回転角度を検出し、この回転角度を用いて車両の各種制御を行うものが増えている。

このような従来の回転角度検出装置について、図５〜図７を用いて説明する。

図５は従来の回転角度検出装置の断面図、図６は同分解斜視図であり、同図において、１はポリオキシメチレン（以下、ＰＯＭと記載する）等の絶縁樹脂製の回転体で、側面外周に平歯車部１Ａが形成されると共に、中央部の中空筒部１Ｂの内周には挿通するステアリング（図示せず）の軸と係合する係合部１Ｃが設けられている。

そして、２は側面外周に平歯車部２Ａが形成された第一の検出体、３は側面外周に平歯車部２Ａとは歯数の異なる平歯車部３Ａが形成された第二の検出体で、第一の検出体２の平歯車部２Ａが回転体１の平歯車部１Ａに噛合すると共に、第二の検出体３の平歯車部３Ａが第一の検出体２の平歯車部２Ａに噛合している。

また、４は第一及び第二の検出体２、３の上方にほぼ平行に配置された配線基板で、上下面に複数の配線パターン（図示せず）が形成されると共に、第一の検出体２の中央に装着された磁石５Ａと、第二の検出体３の中央に装着された磁石６Ａとの対向面には、磁気検出素子５Ｂと６Ｂが各々装着されている。

そして、このように対向した磁石５Ａと磁気検出素子５Ｂによって第一の検出手段が、同じく磁石６Ａと磁気検出素子６Ｂによって第二の検出手段が各々形成されると共に、配線基板４にはマイコン等の電子部品によって、磁気検出素子５Ｂや６Ｂに接続された制御手段７が形成されている。

さらに、８は略箱型のポリブチレンテレフタレート（以下、ＰＢＴと記載する）等の絶縁樹脂製のケースで、このケース８の略リング状に突出した保持部８Ａの内側に回転体１下面の中空筒部１Ｂが、軸部８Ｂに第一の検出体２の中央が、軸部８Ｃに第二の検出体３の中央が、各々回転可能に保持されると共に、このケース８上方をカバー（図示せず）が覆って回転角度検出装置１０が構成されている。

そして、このように構成された回転角度検出装置１０が、制御手段７がコネクタやリード線（図示せず）等を介して、自動車の電子回路（図示せず）に接続されると共に、回転体１の係合部１Ｃにはステアリングの軸が挿通されて、自動車に装着される。

以上の構成において、ステアリングが回転すると、回転体１が回転し、これに連動して第一の検出体２が、第一の検出体２に連動して第二の検出体３が各々回転するため、これらの中央に装着された磁石５Ａ、６Ａも回転して、この磁石５Ａ、６Ａの変化する磁力を磁気検出素子５Ｂ、６Ｂが検出信号として検出するが、第一の検出体２と第二の検出体３は歯数が異なり回転速度も異なるため、磁気検出素子５Ｂと６Ｂのデータ波形は、周期が異なり位相のずれた検出信号となる。

そして、この第一の検出体２と第二の検出体３からの二つの異なる検出信号と各々の平歯車部の歯数から、制御手段７が所定の演算を行って、回転体１即ちステアリングの回転角度を検出し、これが自動車の電子回路へ出力されて、車両の様々な制御が行われるように構成されている。

ここで、以上のような回転角度検出装置１０における、回転体１とケース８との回転保持の状態を、図７の断面図を用いて説明する。

なお、図７は回転体１とケース８の各軸心Ａを基準に片側半分の断面をわかり易くするため、上下方向や直径方向等を拡大図示したものである。

まず、回転角度検出装置１０が常温の例えば２０℃の周囲温度で用いられる場合には、図７（ａ）に示すように、ケース８の保持部８Ａの内側に挿通した回転体１の中空筒部１Ｂの外側面と保持部８Ａの内側面との間に例えば０．１ｍｍ程度の隙間Ｃ１が設けられ、中空筒部１Ｂが保持部８Ａに摺接しながら回転するようにして、回転体１がケース８に回転保持されている。

なお、回転体１の材質として摩擦係数が小さく耐摩耗性や衝撃強さが良好で歯車に好適なＰＯＭが、ケース８の材質として一般的にＰＯＭに対し材質が異なり摺接時の摺動性が良好で高剛性や耐熱性を有するＰＢＴが各々用いられている。

また、ＰＯＭはＰＢＴに比べ、温度の増減による形状寸法の膨張や収縮度合い、所謂、線熱膨張係数が大きいものである。

そして、この回転角度検出装置１０が使用温度範囲の高温側である例えば８５℃の周囲温度で用いられる場合には、回転体１の材質ＰＯＭはケース８の材質ＰＢＴに比べ線熱膨張係数が大きいため、図７（ｂ）に矢印で示すように、高温による回転体１の中空筒部１Ｂの直径の膨張幅は、ケース８の保持部８Ａの直径の膨張幅に比べ大きくなり、中空筒部１Ｂと保持部８Ａとの隙間は常温での隙間Ｃ１から互いに接近した隙間Ｃ２へと狭まる。

したがって、この時、回転体１の中空筒部１Ｂがケース８の保持部８Ａに摺接しながら回転保持される際に、回転体１はケース８に対し隙間Ｃ２に応じて偏心やがたつきが比較的小さい状態で回転する。

また、回転角度検出装置１０が上記とは反対に使用温度範囲の低温側である例えば−４０℃の周囲温度で用いられる場合には、図７（ｃ）に矢印で示すように、中空筒部１Ｂの直径の収縮幅は、ケース８の保持部８Ａの直径の収縮幅に比べて大きくなり、中空筒部１Ｂと保持部８Ａとの隙間は常温での隙間Ｃ１からさらに拡大した隙間Ｃ３、例えば０．２ｍｍ程度となる。

この時、回転体１がケース８に回転保持される際に、回転体１のケース８に対する回転中心の偏心やがたつきも隙間Ｃ３に応じてやや大きいものとなって、第一の検出手段や第二の検出手段によって検出される回転角度の誤差が大きくなる可能性があった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００６−２５８６２５号公報

しかしながら、上記従来の回転角度検出装置１０においては、回転体１とケース８が異なる材質で互いに線熱膨張係数が異なり、回転体１の中空筒部１Ｂの外側面がケース８の保持部８Ａの内側面に摺接するようにして回転保持されていることにより、回転体１とケース８の膨張幅や収縮幅の違いから、例えば高温では中空筒部１Ｂと保持部８Ａとの隙間は常温での隙間より小さくなるが、低温では常温での隙間よりやや大きい隙間が生じ、回転体１のケース８に対する回転の偏心やがたつきもやや大きくなり、第一の検出手段や第二の検出手段によって検出される回転角度にやや大きな誤差が生じる可能性があるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、簡易な構成で、広範囲の周囲温度で回転体の回転の偏心やがたつきが小さく、高精度な回転角度の検出が可能な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に本発明は、中央に中空筒部を有しステアリングに連動して回転する回転体と、この回転体と異なる線熱膨張係数で異なる材質の前記回転体を回転可能に保持する保持部を設けた略箱状のケースと、前記回転体に連動して回転する検出体と、前記検出体の回転を検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号により上記回転体の回転角度を検出する制御手段からなり、前記回転体の中空筒部または前記ケースの保持部のいずれか一方に対向する略同心円の内規制部と外規制部を設けると共に、他方に前記内規制部と前記外規制部との間に前記各規制部と所定の隙間を有して突出する略リング状の突起部を設け、周囲温度が材質の膨張を伴う高温側において前記内規制部または前記外規制部のいずれか一方が前記突起部に摺接し、周囲温度が材質の収縮を伴う低温側において前記内規制部または前記外規制部の他方が前記突起部に摺接するようにして、前記回転体が前記ケースに回転保持される回転角度検出装置を構成したものであり、例えば、回転体の中空筒部下面に内規制部と外規制部を設けて、ケースの上面に内規制部と外規制部の間に突出する略リング状の突起部からなる保持部を設け、周囲温度が高温や低温で用いられた時に、例えば高温では熱膨張し拡大した内規制部が突起部に摺接し、低温では収縮した外規制部が突起部に摺接して、ケースの突起部に中空筒部の内規制部または外規制部の少なくともいずれか一方が摺接するようにして回転保持されることによって、周囲温度の変化に伴って生じる中空筒部と保持部との隙間を小さくでき、回転体の回転時の偏心やがたつきが小さくなるため、簡易な構成で、広範囲の周囲温度で高精度な回転角度の検出が可能な回転角度検出装置を得ることができるという作用を有するものである。

以上のように本発明によれば、簡易な構成で、広範囲の周囲温度で回転体の回転の偏心やがたつきが小さく、高精度な回転角度の検出が可能な回転角度検出装置を実現できるという有利な効果が得られる。

以下、本発明の一実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。

なお、背景技術の項で説明した構成と同一構成の部分には同一符号を付して、詳細な説明を簡略化する。

（実施の形態）
図１は本発明の一実施の形態による回転角度検出装置の断面図、図２は分解斜視図であり、同図において、１１はＰＯＭ等の絶縁樹脂製の回転体で、側面外周には平歯車部１１Ａが形成されると共に、中央部の中空筒部１１Ｂの内周には挿通するステアリング（図示せず）の軸と係合する係合部１１Ｃが設けられている。

そして、中空筒部１１Ｂ下面には、略円筒状の内規制部１１Ｄと、その外側に内規制部１１Ｄに対向すると共に、内規制部１１Ｄと略同心円で略円筒状の外規制部１１Ｅが突出形成されている。

また、２は側面外周に平歯車部２Ａが形成された第一の検出体、３は側面外周に平歯車部２Ａとは歯数の異なる平歯車部３Ａが形成された第二の検出体で、第一の検出体２の平歯車部２Ａが回転体１１の平歯車部１１Ａに噛合すると共に、第二の検出体３の平歯車部３Ａが第一の検出体２の平歯車部２Ａに噛合している。

さらに、４は第一及び第二の検出体２、３の上方にほぼ平行に配置された配線基板で、上下面に複数の配線パターン（図示せず）が形成されると共に、第一の検出体２の中央にインサート成形等により装着された磁石５Ａと、第二の検出体３の中央に装着された磁石６Ａとの対向面には、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子等の磁気検出素子５Ｂと６Ｂが各々装着されている。

そして、このように対向した磁石５Ａと磁気検出素子５Ｂによって第一の検出手段が、同じく磁石６Ａと磁気検出素子６Ｂによって第二の検出手段が各々形成されると共に、配線基板４にはマイコン等の電子部品によって制御手段７が形成され、この制御手段７が配線パターンを介して、磁気検出素子５Ｂや６Ｂに接続されている。

また、１８は略箱型のＰＢＴ等の絶縁樹脂製のケースで、このケース１８の中央上面には、回転体１１の内規制部１１Ｄと外規制部１１Ｅとの間に突出すると共に、内規制部１１Ｄと外規制部１１Ｅと各々所定の隙間を有して配置された略リング状の突起部１８Ｂが形成された保持部１８Ａが設けられ、回転体１１がケース１８の保持部１８Ａに回転可能に保持されている。

なお、回転体１１の材質として摩擦係数が小さく耐摩耗性や衝撃強さが良好で歯車に好適なＰＯＭが、ケース１８の材質として、一般的にＰＯＭに対し材質が異なり摺接時の摺動性が良好で高剛性や耐熱性を有するＰＢＴが各々用いられている。

また、ＰＯＭはＰＢＴに比べ、温度の増減による形状寸法の膨張や収縮度合い、所謂、線熱膨張係数が大きいものである。

そして、ケース１８の軸部１８Ｃに第一の検出体２の中央が、軸部１８Ｄに第二の検出体３の中央が各々回転可能に保持されると共に、このケース１８上方をカバー（図示せず）が覆って回転角度検出装置２０が構成されている。

また、このように構成された回転角度検出装置２０が、制御手段７がコネクタやリード線（図示せず）等を介して、自動車の電子回路（図示せず）に接続されると共に、回転体１１の係合部１１Ｃにはステアリングの軸（図示せず）が挿通されて、自動車に装着される。

以上の構成において、ステアリングが回転すると、回転体１１が回転し、これに連動して第一の検出体２が、第一の検出体２に連動して第二の検出体３が各々回転するため、これらの中央に装着された磁石５Ａ、６Ａも回転して、この磁石５Ａ、６Ａの変化する磁力を、磁気検出素子５Ｂ、６Ｂが検出するが、第一の検出体２と第二の検出体３は歯数が異なり回転速度も異なるため、磁気検出素子５Ｂと６Ｂのデータ波形は、周期が異なり位相のずれた検出信号となる。

そして、この第一の検出体２と第二の検出体３からの二つの異なる検出信号と各々の平歯車部の歯数から、制御手段７が所定の演算を行って、回転体１１即ちステアリングの回転角度を検出し、これが自動車の電子回路へ出力されて、車両の様々な制御が行われるように構成されている。

ここで、以上のような回転角度検出装置２０における、回転体１１とケース１８との回転保持の状態を、図３の断面図を用いて説明する。

なお、図３は回転体１１とケース１８の各軸心Ａを基準に両者の片側半分の断面をわかり易くするため、上下方向や直径方向等を拡大図示したものである。

まず、回転角度検出装置２０が常温の例えば２０℃の周囲温度で用いられる場合においては、図３（ａ）に示すように、ケース１８の保持部１８Ａに設けた突起部１８Ｂが回転体１１の中空筒部１１Ｂ下面に設けた内規制部１１Ｄと外規制部１１Ｅとのほぼ中間に、所定の隙間Ｃ４、Ｃ５、例えば０．１ｍｍ程度を各々設けて配置されている。

なお、隙間Ｃ４、Ｃ５は高温時や低温時における回転体１１の中空筒部１１Ｂとケース１８の保持部１８Ａの膨張または収縮による形状寸法の変化を加味し、適切な隙間間隔に設定されている。

そして、ステアリングの回転に伴って回転体１１は、突起部１８Ｂの内側面に内規制部１１Ｄが摺接しながら回転するか、または突起部１８Ｂの外側面に外規制部１１Ｅが摺接しながら回転して、回転体１１はケース１８に回転保持される。

また、この回転角度検出装置２０が使用温度範囲の高温側である例えば８５℃の周囲温度で用いられる場合には、回転体１１の材質ＰＯＭは、ケース１８の材質ＰＢＴに比べ線熱膨張係数が大きいため、図３（ｂ）に矢印で示すように、回転体１１の中空筒部１１Ｂの直径の膨張幅は、ケース１８の保持部１８Ａの直径の膨張幅に比べ大きくなり、内規制部１１Ｄが突起部１８Ｂの内側面に接近して、これらの常温での隙間がＣ４であったものが隙間Ｃ６、例えば０．０３ｍｍ程度に狭まる。

この時、回転体１１は内規制部１１Ｄが突起部１８Ｂに摺接しながら回転し、回転体１１がケース１８に隙間Ｃ６に応じた小さい偏心やがたつきの範囲で回転保持される。

さらに、回転角度検出装置２０が上記とは反対に使用温度範囲の低温側である例えば−４０℃の周囲温度で用いられる場合には、図３（ｃ）に矢印で示すように、中空筒部１１Ｂの直径の収縮幅は、ケース１８の保持部１８Ａの直径の収縮幅に比べて大きくなり、外規制部１１Ｅが突起部１８Ｂの外側面に接近して、常温での隙間がＣ５であったものが隙間Ｃ７、例えば０．０３ｍｍ程度に狭まる。

この時、回転体１１は外規制部１１Ｅが突起部１８Ｂに摺接しながら回転し、回転体１１がケース１８に隙間Ｃ７に応じた小さい偏心やがたつきの範囲で回転保持される。

つまり、常温においては、ケース１８の突起部１８Ｂが回転体１１の内規制部１１Ｄと外規制部１１Ｅとの略中間に配置されて、所定の隙間Ｃ４、Ｃ５の範囲内で回転体１１がケース１８に回転保持されるが、回転体１１とケース１８の材質の違いによる膨張や収縮の差によって、高温では回転体１１の内規制部１１Ｄが突起部１８Ｂ内側面に接近して隙間Ｃ４より小さい隙間Ｃ６に、低温では外規制部１１Ｅが突起部１８Ｂ外側面に接近して隙間Ｃ５より小さい隙間Ｃ７に変化するため、高温から低温までの周囲温度範囲において突起部１８Ｂと内規制部１１Ｄまたは外規制部１１Ｅとの隙間は、常温の隙間Ｃ４、Ｃ５の０．１ｍｍ程度であるものが、高温や低温になるにしたがい隙間Ｃ６やＣ７の０．０３ｍｍ程度に狭まり僅かなものとなる。

したがって、突起部１８Ｂと内規制部１１Ｄまたは外規制部１１Ｅとの隙間に応じて生じる回転体１１の回転時の偏心やがたつきは、高温から低温までの範囲で常温状態より拡大することなく、より小さい状態となるため、第一及び第二の検出手段によって回転体１１の誤差のより少ない高精度の回転角度が検出される。

このように本実施の形態によれば、回転体１１の中空筒部１１Ｂ下面に内規制部１１Ｄと外規制部１１Ｅを設け、ケース１８の上面に内規制部１１Ｄと外規制部１１Ｅの間に突出する略リング状の突起部１８Ｂからなる保持部１８Ａを設けて、周囲温度が高温や低温で用いられた時に、高温では膨張した内規制部１１Ｄが突起部１８Ｂに摺接し、低温では収縮した外規制部１１Ｅが突起部１８Ｂに摺接して、ケース１８の突起部１８Ｂに中空筒部１１Ｂの内規制部１１Ｄまたは外規制部１１Ｅの少なくともいずれか一方が摺接するようにして回転保持されることによって、周囲温度の変化に伴って生じる中空筒部１１Ｂと保持部１８Ａとの隙間をより小さくでき、回転体の回転時の偏心やがたつきが小さくなるため、簡易な構成で、広範囲の周囲温度で高精度な回転角度の検出が可能な回転角度検出装置を得ることができるものである。

また、以上の説明では、回転体１１の中空筒部１１Ｂ下面に内規制部１１Ｄと外規制部１１Ｅを設けて、ケース１８の上面に内規制部１１Ｄと外規制部１１Ｅの間に突出する略リング状の突起部１８Ｂからなる保持部１８Ａを設け、回転体１１がケース１８の保持部１８Ａに回転保持されるものとして説明したが、図４の断面図に示すように、ケース２８の上面に略円筒状の内規制部２８Ｄと、その外側に略同心円で略円筒状の外規制部２８Ｅを対向させた保持部２８Ａを設けると共に、回転体２１の中空筒部２１Ｂ下面にケース２８の内規制部２８Ｄと外規制部２８Ｅとの間に、各規制部２８Ｄ、２８Ｅと所定の間隔を有して突出した略リング状の突起部２１Ｃを設け、回転体２１がケース２８の保持部２８Ａに回転可能に保持される構成としても本発明の実施は可能である。

つまり、図４（ａ）に示すように、常温では回転体２１の突起部２１Ｃは内規制部２８Ｄや外規制部２８Ｅとほぼ同様の所定の隙間で、回転体２１がケース２８の保持部２８Ａに回転保持された状態から、図４（ｂ）に示すように、高温側では、回転体２１とケース２８の膨張差により回転体２１の突起部２１Ｃが外規制部２８Ｅに接近して、突起部２１Ｃと外規制部２８Ｅとの隙間が常温状態の隙間より小さくなる一方、図４（ｃ）に示すように、低温側では、回転体２１とケース２８の収縮差により回転体２１の突起部２１Ｃが内規制部２８Ｄに接近して、突起部２１Ｃと内規制部２８Ｄとの隙間が常温状態の隙間より小さくなるため、回転体２１の回転時の偏心やがたつきを上述と同様に小さくすることができる。

さらに、以上の説明では、ケース１８、２８の材質としてＰＢＴを、回転体１１、２１の材質としてＰＢＴに比べ線熱膨張係数が大きいＰＯＭを用いたものについて説明したが、これとは逆にケースの材質をＰＯＭとすると共に回転体の材質をＰＢＴとしたものや、またはＰＯＭやＰＢＴ以外の他の互いに材質の異なる絶縁樹脂、あるいは、鉄鋼、アルミニウムまたは銅合金などの金属と絶縁樹脂を各々用いるなど、回転体やケースの材質が異なり、周囲温度により互いに形状寸法変化の異なるものを用いる場合であれば本発明の実施は可能である。

そして、以上の説明では、略リング状の突起部１８Ｂや２１Ｃ、略円筒状の内規制部１１Ｄ、２８Ｄ及び外側の略円筒状の外規制部１１Ｅ、２８Ｅを各々略円状に連なった形状のものとして説明したが、いずれか一方を略円状に凹凸が連続した形状にすると共に、他方を略円状に連なった形状のものとするなど、回転体の中空筒部がケースの保持体に対し回転可能に保持される形状であれば良い。

また、以上の説明では、回転体１や各検出体の平歯車部を噛合させ、互いに連動して回転する構成として説明したが、歯車部以外にも、回転を伝達できる凹凸部や高摩擦部などを回転体や検出体の外周に形成し、これによって互いに連動して回転する構成としても、本発明の実施は可能である。

本発明による回転角度検出装置は、簡易な構成で、広範囲の周囲温度で回転体の回転の偏心やがたつきが小さく、高精度な回転角度の検出が可能なものが得られ、主に自動車のステアリングの回転角度検出等に有用である。

本発明の一実施の形態による回転角度検出装置の断面図 同分解斜視図 同回転保持状態を示す断面図 同他の実施の形態による回転保持状態を示す断面図 従来の回転角度検出装置の断面図 同分解斜視図 同回転保持状態を示す断面図

符号の説明

２ 第一の検出体
２Ａ、３Ａ、１１Ａ 平歯車部
３ 第二の検出体
４ 配線基板
５Ａ、６Ａ 磁石
５Ｂ、６Ｂ 磁気検出素子
７ 制御手段
１１、２１ 回転体
１１Ｂ、２１Ｂ 中空筒部
１１Ｃ 係合部
１１Ｄ、２８Ｄ 内規制部
１１Ｅ、２８Ｅ 外規制部
１８、２８ ケース
１８Ａ、２８Ａ 保持部
１８Ｂ、２１Ｃ 突起部
１８Ｃ、１８Ｄ 軸部

Claims (1)

1. 中央に中空筒部を有しステアリングに連動して回転する回転体と、この回転体と異なる線熱膨張係数で異なる材質の前記回転体を回転可能に保持する保持部を設けた略箱状のケースと、前記回転体に連動して回転する検出体と、前記検出体の回転を検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号により上記回転体の回転角度を検出する制御手段からなり、前記回転体の中空筒部または前記ケースの保持部のいずれか一方に対向する略同心円の内規制部と外規制部を設けると共に、他方に前記内規制部と前記外規制部との間に前記各規制部と所定の隙間を有して突出する略リング状の突起部を設け、周囲温度が材質の膨張を伴う高温側において前記内規制部または前記外規制部のいずれか一方が前記突起部に摺接し、周囲温度が材質の収縮を伴う低温側において前記内規制部または前記外規制部の他方が前記突起部に摺接するようにして、前記回転体が前記ケースに回転保持される回転角度検出装置。

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