(57)【要約】【課題】構造を複雑化することなく、耐久性に優れた３６０度超検出可能な回転角検出装置を提供すること。【解決手段】ドリブンギヤ４の歯４１の径方向外端面を連ねてなる歯先円４３上におけるドリブンギヤの一つの歯４１の周方向幅L1を、ドライブギヤ３の各歯３１の径方向外端面を連ねてなる歯先円３３上におけるドライブギヤ３の一つの歯３１の周方向幅L２よりも大きく設定する。好適には円弧歯車が採用される。被検出回転軸２に固定されたドライブギヤ３1は永久磁石５が固定されたドリブンギヤ４を回転させ、永久磁石５の回動による磁界変化を検出して被検出回転軸２の回動角を検出する。【選択図】図４
2010008270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに回動自在に支持される被検出回転軸と、前記被検出回転軸に固定されたドライブギヤに噛合するドリブンギヤと、永久磁石を有するとともに前記ドリブンギヤの内部に固定されて前記ドリブンギヤの軸心位置に磁界を形成する磁界形成部と、前記ハウジングに支持されて前記ドリブンギヤに螺合するねじ受けと、前記ドリブンギヤの軸心上に位置して前記ハウジングに固定される磁気検出部と、前記磁気検出部の出力信号を処理して前記被検出回転軸の回転角を検出する信号処理部とを備え、
前記ドリブンギヤは、前記ドライブギヤにより回動されるとともに前記ねじ受けに付勢されて軸方向に進退し、
前記ドライブギヤの各歯の径方向外端面は、前記ねじ受けの雌ねじ面と螺合する雄ねじ面をそれぞれ有し、
前記信号処理部は、前記磁界形成部の回動による軸直交磁界方向の変化並びに前記ドリブンギヤの軸方向進退による磁界強度の変化に基づいて前記被検出回動軸の３６０度超の回動角を検出する回転角検出装置において、
前記ドリブンギヤの各歯の径方向外端面を連ねてなる歯先円上における前記ドリブンギヤの一つの歯の周方向幅は、前記ドライブギヤの各歯の径方向外端面を連ねてなる歯先円上における前記ドライブギヤの一つの歯の周方向幅よりも大きく設定されていることを特徴とする回転角検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の回転角検出装置において、
前記ドリブンギヤの前記歯の周方向幅は、前記ドライブギヤの前記歯の周方向幅の２倍〜８倍の範囲に設定されていることを特徴とする回転角検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の回転角検出装置において、
前記被検出回動軸は、車両の操舵軸からなる回転角検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の回転による磁界ベクトルの回転を検出することにより、回転軸の回転角を検出する回転角検出装置の改良に関する。本発明はたとえば、車両用操舵角検出装置に採用されることができる。
【背景技術】
【０００２】
磁石（着磁体を含む）の回転角変化を磁気検出素子により検出する回転角検出装置を用いた操舵角検出装置が知られている。この回転角検出装置において、被検出回転軸の３６０度を超える回転角を検出する装置（以下、３６０度超回転角検出装置とも言う）が特許文献１に知られている。この特許文献１の３６０度超回転角検出装置は、回転角を検出すべき一つの被検出回転軸にそれぞれ独立に噛合する二つの磁石軸の回転角をそれぞれ磁気検出部により検出し、これら二つの磁気検出部から互いに位相角が異なる出力を発生させ、信号処理部によりこれら二つの出力の位相角の差から３６０度超の回転角を演算することを提案している。
【０００３】
また、本発明者の発明になる下記の特許文献２は、被検出回転軸に設けられた第１歯車に対して噛合しつつ磁気検出素子の周囲を回転する第２歯車の刃先に雄ねじ部を設けた回転角検出装置を提案している。この雄ねじ部は、第２歯車の外周に接する部分円筒状のねじ受けに設けられた雌ねじ部に螺合し、第２歯車は回動とともにねじ受けにより付勢されて軸方向に進退する。第２歯車の内部に設けられた着磁体は、第２歯車の軸方向へ連続的に変化する傾斜磁束密度を形成する。第２歯車の軸心上に設けられた磁気検出素子を貫通する磁束密度は、第２歯車の回動角に応じて連続的に変化する。その結果として、磁気検出素子から出力される二つの出力の位相角の差と強度とから３６０度超の回転角を演算することが可能となっている。更なる説明については、下記の特許文献２を参照されたい。
【特許文献１】特開２００５−３６２５号公報
【特許文献２】特開２００７−２５６２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１の回転角検出装置は、３６０度超の回転角を検出できるものの、歯車機構と磁石と磁気検出部とのセットを２組、被検出回転軸の周囲に配置せねばならず、部品点数及び装置体格が増大し、製造コストも増大するという問題があった。
【０００５】
上記特許文献２の回転角検出装置において、第１歯車とねじ受けとは互いに螺合してねじ機構を構成するが、第１歯車側の雄ねじ部は、第１歯車の各歯先面にしか形成されないため、全周にわたって螺旋状に形成される通常の雄ねじ面に対して、接触面積が小さく、接触面圧が高く、摩耗しやすいという問題がある。その結果、上記特許文献１の回転角検出装置に比較して構造が簡素となるが、磁気検出素子の周囲に配置される第１歯車は、操舵軸の第２歯車とねじ受けとの両方に噛合するため摩耗やガタの影響が相対的に大きいという問題、とりわけ、第１歯車の雄ねじ部の雄ねじ面の摩耗が心配された。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、構造を複雑化することなく、耐久性に優れた３６０度超検出可能な回転角検出装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の回転角検出装置は、ハウジングに回動自在に支持される被検出回転軸と、前記被検出回転軸に固定されたドライブギヤに噛合するドリブンギヤと、永久磁石を有するとともに前記ドリブンギヤの内部に固定されて前記ドリブンギヤの軸心位置に磁界を形成する磁界形成部と、前記ハウジングに支持されて前記ドリブンギヤに螺合するねじ受けと、前記ドリブンギヤの軸心上に位置して前記ハウジングに固定される磁気検出部と、前記磁気検出部の出力信号を処理して前記被検出回転軸の回転角を検出する信号処理部とを備え、前記ドリブンギヤは、前記ドライブギヤにより回動されるとともに前記ねじ受けに付勢されて軸方向に進退し、前記ドライブギヤの各歯の径方向外端面は、前記ねじ受けの雌ねじ面と螺合する雄ねじ面をそれぞれ有し、前記信号処理部は、前記磁界形成部の回動による軸直交磁界方向の変化並びに前記ドリブンギヤの軸方向進退による磁界強度の変化に基づいて前記被検出回動軸の３６０度超の回動角を検出する回転角検出装置に適用される。
【０００８】
すなわち、この回転角検出装置は、磁石内蔵の磁界形成部が固定されたドリブンギヤが、被検出回転軸のドライブギヤと噛合し、ねじ受けの雌ねじ面と螺合する。これにより、被検出回転軸が回動すると、ドリブンギヤは回動するとともに軸方向に進退する。磁界形成部は、ドリブンギヤの軸心上に所定の軸直角方向へ磁束を形成しており、ドリブンギヤ及び磁界形成部の回動とともに磁気検出部に作用するこの磁束の方向が変化する。この磁束方向の変化により信号処理部は回動角を検出する。更に、ドリブンギヤの軸方向進退とともに、磁界形成部が磁気検出部に与える磁束密度が連続的に変化する。これにより、被検出回転軸の３６０度超の回動を判定することができる。
【０００９】
上記構成は、既述した特許文献２の装置と本質的に同じである。
【００１０】
本発明の回転角検出装置は更に、ドリブンギヤの各歯の径方向外端面を連ねてなる歯先円上における前記ドリブンギヤの一つの歯の周方向幅を、前記ドライブギヤの各歯の径方向外端面を連ねてなる歯先円上における前記ドライブギヤの一つの歯の周方向幅よりも大きく設定した点を、そ    このようにすると、ドライブギヤ及びねじ受けの両方と噛合、螺合するため摩耗しやすいドリブンギヤの摩耗を減らし、またがたを減らすことができる。特に、ねじ受けの雌ねじ面と螺合するドリブンギヤの各歯先に形成された雄ねじ面の摩耗を良好に減らすことができる。
【００１１】
更に具体的に説明すると、本発明では、ドリブンギヤの歯の周方向幅をこの種のギヤ装置に用いられる通常の歯車の歯よりも広く形成しているので、ドリブンギヤの各歯の径方向先端面に周方向へ大きく雄ねじ面を形成することができる。このため、ねじ受けと螺合し、ドライブギヤと噛合しているドリブンギヤの歯面にかかる面圧が分散され、摩耗が減る。更に、ねじ受けとの螺合面積が広くできるため、がたが減る。これにより、構造を複雑化することなく、耐久性に優れた３６０度超検出可能な回転角検出装置を実現することができる。
【００１２】
好適な態様において、ドリブンギヤは、後述するような円弧歯形歯車の形状をもつ。
【００１３】
好適な態様において、前記ドリブンギヤの前記歯の周方向幅は、前記ドライブギヤの前記歯の周方向幅の２倍〜８倍の範囲に設定されている。これにより、ドライブギヤとの噛合に支障が生じるのを防止して、ドライブギヤの歯の強度低下を抑止しつつ上記効果を奏することができる。
【００１４】
好適な態様において、前記被検出回動軸は、車両の操舵軸からなる。これにより、車両の操舵角検出を悪環境下においても長期にわたって精度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の回転角検出装置を用いた操舵角検出装置の好適実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は、下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、他の技術を組み合わせて本発明の技術思想を実現してもよい。
【００１６】
（実施形態１）
（基本構造）
実施形態１の操舵角検出装置を、図１を参照して説明する。図１は装置の軸方向模式断面図、図２は装置の要部平面図である。
【００１７】
この操舵角検出装置は、操舵軸（被検出回転軸）の回転角を検出するための装置であって、ハウジング１に回動自在に支持される被検出回転軸２と、被検出回転軸２に固定されたドライブギヤ３と、ドライブギヤ３に噛合するドリブンギヤ４と、ドリブンギヤ４の内周面に固定される永久磁石（磁界形成部）５及びヨーク（磁界形成部）６と、ハウジング１に支持されてドリブンギヤ４に螺合するねじ受け７と、ドリブンギヤ４の軸心上に位置してハウジング１に固定される磁気検出素子（磁気検出部）８と、磁気検出素子８の出力信号を処理して被検出回転軸２の回転角を検出する信号処理部９とを備える。なお、磁気検出素子８は、ハウジング１に固定される基板１０から軸方向へ突設されている。基板１０はプリント基板であって、信号処理部９をなすマイコンなどの回路素子が実装されている。Mはドリブンギヤ４の軸心であり、被検出回転軸２の軸心と平行に配置されている。
【００１８】
永久磁石５は、円筒状に形成されたフェライト磁石であって、ドリブンギヤ４の軸心Mの周囲に回転対称に配置されて円筒状のヨーク６の内周面に固定されている。軟磁性のヨーク６は、ドリブンギヤ４の内周面に嵌入、固定されている。永久磁石５の内周面は、図１に示すように軸方向に変位するにつれて連続的に径小となる円錐面となっている。永久磁石５は図１において、左右方向（すなわちＸ方向）へ着磁されている。ヨーク６は一対の永久磁石５間を流れる磁束の戻り磁路をなすとともに、磁気シールド機能を奏する。
【００１９】
これにより、永久磁石５内の空間には軸心Mと直交する所定方向への直流磁束が形成される。この直流磁束の方向はドリブンギヤ４の回転とともに回転する。軸心Ｍ上に配置された磁気検出素子８は、互いに直交し、かつ、それぞれ軸心Ｍと直交する磁界成分を別々に検出する２つのホール素子を有する。以下、第１のホール素子の検出磁界方向をX、第２のホール素子の検出磁界方向をYとする。したがって、第１のホール素子は上記直流磁界により軸心Ｍ上に形成される磁束密度BのX方向成分Ｂｘを検出し、第２のホール素子は上記直流磁界により軸心Ｍ上に形成される磁束密度BのY方向成分Ｂｙを検出する。更に、軸心Ｍ上の磁束密度Bは、永久磁石５内の空隙が下方へ向けて連続的に増大しているため、下方へ移動するにつれて連続的に減少する。基板１０上に固定された信号処理部９は、磁気検出素子８から入力されるＸ方向磁束密度成分Ｂｘ及びＹ方向磁束密度成分Ｂｙに比例する信号電圧Ｖｘ、Ｖｙを処理して、被検出回転軸２の回転角を算出する。
【００２０】
（動作）
次に、この装置の動作を以下に説明する。
【００２１】
被検出回転軸２とともにドライブギヤ３が回転すると、ドライブギヤ３と噛合するドリブンギヤ４が回転し、ドリブンギヤ４の回転により、ドリブンギヤ４と螺合するねじ受け７により付勢されてドリブンギヤ４は永久磁石５及びヨーク６とともに軸方向へ（上下に）進退する。その結果、たとえば永久磁石５が図１中、下方へ変位すると、磁気検出素子８が検出する磁束密度が減少し、信号処理部９に入力する信号電圧Ｖｘ、Ｖｙの振幅がそれぞれ減少する。逆に、永久磁石５が図１中、上方へ変位すると、磁気検出素子８が検出する磁束密度が増大し、信号処理部９に入力する信号電圧Ｖｘ、Ｖｙの振幅がそれぞれ増大する。したがって、軸心Ｍ上に固定された永久磁石５のＸ方向を基準として回転角度をθとする時、Ｘ方向磁束密度成分ＢｘとＹ方向磁束密度成分Ｂｙとは、
Ｂｘ ＝ ｆ (θ)・ｃｏｓθ
Ｂｙ ＝ ｆ (θ)・ｓｉｎθ
となる。なお、f (θ)は、永久磁石５の軸方向変位により磁気検出素子８の位置における磁束密度Ｂのベクトル長の変化を示す関数値である。 f (θ ) は磁石やヨークの形状、材質等で決まる値である。ただし、この実施形態では、軸心Ｍの軸方向一方側（この実施形態では図１における上方）への変位において単調増加し、軸心Ｍの軸方向一方側への変位において単調減少するように設定されているが、これに限定されるものではない。信号処理部９は、磁束密度Ｂのベクトル長を示す関数値f (θ)とドリブンギヤ４の回転回数との関係を記憶している。
【００２２】
信号処理部９は、磁気検出素子８から入力されるＸ方向磁束密度成分ＢｘとＹ方向磁束密度成分Ｂｙとを逆正接演算する機能をもつ。この逆正接演算により、
θ ＝ ａｒｃｔａｎ (Ｂｙ／Ｂｘ)
が算出され、磁気検出素子８の回転角θにより永久磁石５の３６０度内の角度情報を得ることができる。更に、信号処理部９は、Ｘ方向磁束密度成分ＢｘとＹ方向磁束密度成分Ｂｙとの二乗和の平方根を演算する機能をもつ。この演算により、f (θ ) としてＢｘの二乗値＋Ｂｙの二乗値の平方根、すなわち磁束密度Ｂのベクトル長が算出され、この磁束密度Ｂのベクトル長を示す関数値 f (θ)と、記憶する上記関係とから、磁石回転軸の回転回数が算出される。
【００２３】
結局、この実施形態では、f (θ)の大きさから所定の軸方向基準位置からの何回転目の回転かを演算し、ａｒｃｔａｎ(Ｂｙ／Ｂｘ)から現在の永久磁石５の回転角θを演算し、これらから３６０度以上の回転角θ’を算出する。たとえば現在２回目の回転であり、θが５５度であれば、最終回転角θ’は４１５度が算出されて出力される。被検出回転軸２の回転角φ及びドリブンギヤ４の回転角θと、Ｘ方向磁束密度成分Ｂｘ及びＹ方向磁束密度成分Ｂｙとの関係を図２に示す。
【００２４】
以上説明したこの実施形態の３６０度超回転角検出方式は、既述した特許文献２のそれと同じである。
【００２５】
（ドリブンギヤ４の歯形状）
次に、この実施形態の特徴をなすドリブンギヤ４の歯形状について図３、図４を参照して具体的に説明する。図３は、ドライブギヤ３、ドリブンギヤ４及びねじ受け７の軸直交方向断面を示す模式断面図、図４は図３の要部を拡大図示する模式部分断面図である。ただし、図面理解を容易とするため、図３、図４における断面ハッチングは省略される。
【００２６】
ドライブギヤ３は所定歯数の歯３１を有し、ドリブンギヤ４も所定歯数の歯４１を有している。図４に示すように、ドリブンギヤ４の一つの歯４１の径方向外端面には雄ねじ面４２が形成されている。
【００２７】
また、ドリブンギヤ４の各歯４１の径方向外端面を連ねてなる歯先円４３上における一つの歯４１の周方向幅L1は、ドライブギヤ３の各歯３１の径方向外端面を連ねてなる歯先円３３上におけるドライブギヤ２の一つの歯３１の周方向幅L２の２〜３倍に形成されている。すなわち、ドリブンギヤ４の歯４１の周方向幅はドライブギヤ３の歯３１の周方向幅よりも大幅に大きく形成されている。
【００２８】
このようにすると、ドライブギヤ３及びねじ受け７の両方と噛合、螺合するため摩耗しやすいドリブンギヤ４の摩耗を減らし、またがたを減らすことができる。特に、ねじ受け７の雌ねじ面と螺合するドリブンギヤ４の各歯４１の先端部に形成された雄ねじ面４２の摩耗を良好に減らすことができる。
【００２９】
（変形態様）
なお、実施形態１で採用した円弧系歯車は平歯車としては、等速伝達が不能である。ただし、はすば歯車構造を採用すれば、等速で伝達することができる。上記回転角検出装置では、等速伝達しないと装置の出力角度精度が低下する可能性があるため、上記回転角検出装置としては、平歯車構造よりもはすば歯車構造の採用が一層好適である。
【００３０】
（実施例効果）
上記説明したように、この実施形態では、ドリブンギヤ４の歯４１の周方向幅をこの種のギヤ装置に用いられる通常の歯車の歯よりも大幅に広く形成しているので、ドリブンギヤ４の各歯４１の径方向先端面に周方向へ大きく雄ねじ面４２を形成することができる。このため、ねじ受け７と螺合し、ドライブギヤ３と噛合しているドリブンギヤ４の歯面にかかる面圧が分散され、摩耗が減る。更に、ねじ受け７との螺合面積が広くできるため、がたが減る。これにより、構造を複雑化することなく、耐久性に優れた３６０度超検出可能な回転角検出装置を実現することができる。
【００３１】
つまり、ドリブンギヤ４は、通常の歯車機構に多用されるインボリュート歯車ではなく、図４に示す形状の円弧歯形歯車を採用している。これにより、ドリブンギヤ４を大型化することなく、ドリブンギヤ４の歯４１の摩耗を低減し、がたを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施形態１の回転角検出装置を示す模式軸方向断面図である。
【図２】回転角φ及びθと、Ｘ方向磁束密度成分Ｂｘ及びＹ方向磁束密度成分Ｂｙとの関係を示す図である。
【図３】図１のドリブンギヤとドライブギヤとねじ受けとを示す模式径方向断面図である。
【図４】図３のドリブンギヤとドライブギヤの噛合領域を拡大図示する模式径方向断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      ハウジング
２      ドライブギヤ
３      ドライブギヤ
４      ドリブンギヤ
５      永久磁石
６      ヨーク
７      ねじ受け
８      磁気検出素子
９      信号処理部
１０      基板
３１      歯
３３      歯先円
４１      歯
４３      歯先円
【図１】
2010008270.tif 000003
【図２】
2010008270.tif 000004
【図３】
2010008270.tif 000005
【図４】
2010008270.tif 000006