(57)【要約】【課題】発電と回転角度検出の機能を兼ね備える回転角度検出システムを提供する。【解決手段】円形の固定部１１は、円周方向に７２分割されてＮ極Ｓ極に交互に着磁された着磁部を盤面に有するリング状のマグネット盤を備え、着磁部は、１箇所のみが他の着磁部よりマグネット盤中心へ延伸されている。ホイールハブ１２は、固定軸１５の回りをマグネット盤と対向して回転し、マグネット盤に着磁されたＮ極Ｓ極による磁界を横切ることにより発電を行うコイルと、磁気を検知する第１、第２、第３のセンサを備える。第１および第２のセンサは、７２分割された着磁部を横切る位置に配置され、第３のセンサは、マグネット盤中心へ延伸された着磁部を横切る位置に配置される。第３のセンサの出力信号位置から、第１および第２のセンサから出力される信号をカウントし、カウント数から回転角度を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周方向に複数個に分割されてＮ極とＳ極に交互に着磁された着磁部を盤面に有するリング状のマグネット盤と、
ホイールハブに取り付けられ、前記マグネット盤と対向して回転し、前記着磁部に着磁されたＮ極とＳ極による磁界を横切ることにより発電を行い、電力供給を行う発電部と、
前記ホイールハブに取り付けられ、前記マグネット盤と対向して回転し、前記着磁部に着磁されたＮ極とＳ極による磁界を横切る数によって回転角度を検出する回転角度検出部とにより構成されたことを特徴とする回転角度検出システム。
【請求項２】
前記発電部は、発電を行うための１個以上のコイルからなることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出システム。
【請求項３】
複数個に分割された前記着磁部は、１箇所のみが他の着磁部よりマグネット盤の中心へ延伸されており、前記回転角検出部は、磁気を検出する第１、第２、第３のセンサを備え、第１および第２のセンサは、複数個に分割された着磁部のＮ極とＳ極による磁界を横切る位置に配置され、第３のセンサは、前記マグネット盤の中心へ延伸された着磁部のＮ極とＳ極による磁界を横切る位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度検出システム。
【請求項４】
前記第１および第２のセンサは、Ｎ極とＳ極による磁界を横切ることによってそれぞれのセンサから出力される信号の位相差が所定の位相差となる位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出システム。
【請求項５】
前記回転角度検出部は、前記第３のセンサから出力される信号位置から、前記第１のセンサまたは第２のセンサから出力される信号をカウントし、カウントの数から回転角度を検出することを特徴とする請求項３または４に記載の回転角度検出システム。
【請求項６】
前記回転角度検出部は、前記第３のセンサから出力される信号位置から、前記第１のセンサまたは第２のセンサから出力される信号をカウントし、カウントの数に比例した電圧に変え、電圧の違いにより回転角度を検出することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の回転角度検出システム。
【請求項７】
前記ホイールハブは蓄電部を備え、蓄電部は、前記発電部が消費電力を上回る電力を発生する場合には、余剰電力を蓄えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の回転角度検出システム。
【請求項８】
前記ホイールハブは無線送信部を備え、無線送信部は、前記回転角度検出部で得られた回転角度情報を外部受信機に出力することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の回転角度検出システム。
【請求項９】
ホイールハブ側に少なくとも歪みセンサ、温度センサ、圧力センサの1つを取り付け、得られたセンサ情報を前記回転角度情報と共に前記無線送信部から外部受信機に送信することを特徴とする請求項８に記載の回転角度検出システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の回転角度検出システムが組み込まれたタイヤ試験機であって、前記マグネット盤を軸受け台に固定し、前記発電部および回転角度検出部をタイヤのホイールハブに取り付け、ホイールハブの回転軸を、軸受け台に固定されたサーボモータで回転することを特徴とするタイヤ試験機。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の回転角度検出システムが組み込まれた車両であって、前記マグネット盤を車輪支持用軸受け部に取り付け、前記発電部および回転角度検出部をタイヤのホイールハブに取り付けたことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤホイールの回転角度を検出する回転角度検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
制動時や加速時、更には旋回時の車両の運動を制御するために従来から、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、トラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、ビークルスタビリティコントロールシステム（ＶＳＣ）等の車両運動制御システムが使用されている。これらの各車両運動制御システムでは、車体側に各種センサを設け、これらのセンサからの情報によりタイヤ・路面間の力を推定し、これに応じてブレーキ油圧やエンジン出力を制御することにより、車両の安定性を確保するようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した従来の車両運動制御システムは、タイヤ側にセンサを設けることが困難であることから、全て車体側に設けられたセンサからの情報によりタイヤ・路面間の力を測定するものであり、リアルタイムで直接測定するものではなかったので、測定制度もあまり高いものではなかった。
【０００４】
このため、回転するタイヤホイール側に歪みセンサを貼り付け、貼り付け位置および角度情報からタイヤに作用する６分力を演算し、制御情報として無線通信で車体側の制御装置に送信することが提案されており、これらのことが可能になれば、タイヤ・路面間の力をリアルタイムで直接測定することが可能となり、ＡＢＳ、ＴＣＳ、ＶＳＣ等の車両運動制御システムの性能や信頼性は、従来のものよりも格段に向上すると考えられる。
【０００５】
しかしながら、これらのことを実現するためには回転するタイヤホイール側にタイヤの回転角度を検出するための手段と、歪み測定、演算および送信等を行うためのモジュールに電力を供給するための手段が必要となる。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、その目的は、回転する側で回転角度を検出することができると共に、回転する側に備える測定、演算、送信を行うモジュールに電力を供給することができる回転角度検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明の回転角度検出システムは、円周方向に複数個に分割されてＮ極とＳ極に交互に着磁された着磁部を盤面に有するリング状のマグネット盤と、ホイールハブに取り付けられ、マグネット盤と対向して回転し、着磁部に着磁されたＮ極とＳ極による磁界を横切ることにより発電を行い、電力供給を行う発電部と、ホイールハブに取り付けられ、マグネット盤と対向して回転し、着磁部に着磁されたＮ極とＳ極による磁界を横切る数によって回転角度を検出する回転角度検出部とにより構成されたことを特徴とする。
【０００８】
また、発電部は、発電を行うための１個以上のコイルからなることが好ましく、複数個に分割された着磁部は、１箇所のみが他の着磁部よりマグネット盤の中心へ延伸されており、回転角検出部は、磁気を検出する第１、第２、第３のセンサを備え、第１および第２のセンサは、複数個に分割された着磁部のＮ極とＳ極による磁界を横切る位置に配置され、第３のセンサは、マグネット盤の中心へ延伸された着磁部のＮ極とＳ極による磁界を横切る位置に配置されているのが好ましい。
【０００９】
さらに、第１および第２のセンサは、Ｎ極とＳ極による磁界を横切ることによってそれぞれのセンサから出力される信号の位相差が所定の位相差となる位置に配置されているのが好ましい。
【００１０】
また、回転角度検出部は、第３のセンサから出力される信号位置から、第１のセンサまたは第２のセンサから出力される信号をカウントし、カウントの数から回転角度を検出し、または、第３のセンサから出力される信号位置から、第１のセンサまたは第２のセンサから出力される信号をカウントし、カウントの数に比例した電圧に変え、電圧の違いにより回転角度を検出するのが好ましい。
【００１１】
また、ホイールハブは蓄電部を備え、蓄電部は、発電部が消費電力を上回る電力を発生する場合には余剰電力を蓄え、さらに、ホイールハブは無線送信部を備え、無線送信部は、回転角度検出部で得られた回転角度情報を外部受信機に出力し、更には、ホイールハブ側に少なくとも歪みセンサ、温度センサ、圧力センサの1つを取り付け、得られたセンサ情報を回転角度情報と共に無線送信部から外部受信機に送信するのが好ましい。
【００１２】
この発明のタイヤ試験機は、上記の回転角度検出システムが組み込まれたタイヤ試験機であって、上記マグネット盤を軸受け台に固定し、上記発電部および回転角度検出部をタイヤのホイールハブに取り付け、ホイールハブの回転軸を、軸受け台に固定されたサーボモータで回転することを特徴とする。
【００１３】
また、この発明の車両は、上記の回転角度検出システムが組み込まれた車両であって、上記マグネット盤を車輪支持用軸受け部に取り付け、上記発電部および回転角度検出部をタイヤのホイールハブに取り付けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、タイヤホイール側でタイヤの回転角度を検出することができると共に、歪み測定、演算および送信を行うためのモジュールに電力を供給することができる。その結果、ＡＢＳ、ＴＣＳ、ＶＳＣ等の車両運動制御システムに必要な情報がリアルタイムにかつ直接に得られるようになるため、これらの車両運動制御システムの性能や信頼性を、従来のものよりも格段に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の回転角度検出システムを説明する図である。円形の固定部１１には、円周方向（回転角度方向）に複数個に分割されてＮ極とＳ極に交互に着磁された着磁部を盤面に有するリング状のマグネット盤が取り付けられており、ホイールハブ（回転部）１２には、固定部１１の中心に備える固定軸１５の回りをマグネット盤と対向して回転し、マグネット盤に着磁されたＮ極とＳ極による磁界を横切ることにより発電を行い、電力供給を行う発電部と、Ｎ極とＳ極による磁界を横切る数によって回転角度を検出する回転角度検出部が設けられている。
【００１６】
図２は、対向するホイールハブ側から見たときの固定部の平面図である。マグネット盤１３にはフェライトが用いられる。マグネット盤１３は、外径が約２２０ｍｍ、内径が約１１０ｍｍのリング状の円盤であり、ホイールハブ１２と対向する盤面は、円周方向（回転角度方向）に７２分割されて着磁され、Ｎ極とＳ極が円周方向に交互に配列されている。マグネット盤１３は、マグネットケース１４に取り付けられ、マグネットケース１４は、回転するホイールハブのための固定軸１５を中心に備えている。
【００１７】
図３は、マグネット盤の着磁状態を示す図である。７２分割された着磁部のうち１箇所のみ他の着磁部よりマグネット盤中心へ延伸されている。この延伸された着磁部２０は、回転角度の基準点位置検出に用いられる。回転角度の分解能はマグネット盤の着磁部の円周方向の分割数により決定する。図３では、マグネット盤の着磁部を７２分割しているので、回転角度の分解能は、５°（３６０°／７２）となる。現在のＡＢＳ等の車両運動制御システムは、タイヤ回転速度１０００ｒｍｓ（１２０ｋｍ／ｈ相当）において６０°毎のサンプリングを行っているので、５°の分解能は、自動車の運動性能制御に用いられるものとしては十分なスペックである。なお、ここではマグネット盤の着磁部を７２分割しているが、７２分割に限るものではなく、必要とする情報の精度により他の分割数を用いても良い。例えば、３°の分解能が必要であれば１２０分割し、１０°の分解能が必要であれば３６分割する。
【００１８】
図４は、対向するマグネット盤側から見たときのホイールハブの平面図である。マグネット盤１３と対向して回転するホイールハブ１２は、直径が約３００ｍｍであり、マグネット盤１３と対向する面側には、ホイールハブ１２と同心で直径約２５０ｍｍの円形凹部が形成されている。円形凹部内には、基板１８が収められており、基板１８には、発電部であるコイル１６と回転角度検出部である磁気を検出するための３個のセンサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃが実装されている。また、基板１８の裏面側（ホイールハブ面側）には信号処理ユニット、蓄電部、無線送信部等が実装されており、基板１８は、ホイールハブ１２に固定されている。また、ホイールハブ１２の中心には、固定軸１５を通すための軸穴１９が形成されている。
【００１９】
磁気を検出するセンサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃにはホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗効果素子、磁気ダイオードが用いられる。３個のセンサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、マグネット盤面の着磁部に対向して配置されている。センサ１７ａ、１７ｂは、７２分割された着磁部のＮ極とＳ極による磁界を横切る位置に配置され、さらにセンサ１７ａとセンサ１７ｂの位置は、Ｎ極とＳ極による磁界を横切ることによってセンサから出力される２つの信号の位相差が所定の位相差となるように定められている。センサ１７ｃは、マグネット盤１３の中心へ延伸された着磁部２０の磁界を横切る位置に配置されている。
【００２０】
センサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃがホイールハブ１２と共に回転することで、マグネット盤面のＮ極とＳ極による磁界を横切ることにより、センサ１７ａはＡ相信号を出力し、センサ１７ｂはＢ相信号を出力し、センサ１７ｃは回転角度の基準点位置信号となるＺ相信号を出力する。
【００２１】
Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｚ相信号は、信号処理されてそれぞれパルス信号とされる。これらの波形を図５に示す。図５から、Ａ相信号およびＢ相信号が異なる位相差を有していることが分る。
【００２２】
求められたＡ相およびＢ相のパルス列信号はカウンタ回路でカウントされる。Ｚ相のパルス信号は、１回転毎にカウント回路をリセットし、カウンタ回路は、ＣＷ方向（またはＣＣＷ方向）のときはリセット位置からＡ相のパルス列信号をカウントし、ＣＷＷ方向（またはＣＷ方向）のときはリセット位置からＢ相のパルス列信号をカウントする。このカウント数から回転角度を求めることができる。例えばＡ相またはＢ相のパルス列信号をカウントし、リセット位置から数えて１０パルス目であれば、マグネット盤が７２分割されており、１パルスが５°（３６０°／７２）に相当するので、基準点位置からの回転角度は５０°となる。
【００２３】
回転方向は、ホイールハブがＣＷ方向に回転している場合とＣＣＷ方向に回転している場合とでは、Ｚ相信号に対するＡ相信号とＢ相信号の位相のずれが異なり、この位相のずれにより検知することができる。
【００２４】
また、基板１８に実装されるコイル１６は、１つ以上のコイルからなり、マグネット盤面の着磁部に対向して配置され、マグネット盤１３とは一定のクリアランス（０．５ｍｍ）を保って配置される。マグネット盤１３に着磁されたＮ極とＳ極により生成される磁界を発電用のコイル１６が横切ることにより、コイル１６に起電力が発生する。図４では３個のコイルが用いられており、３個のコイルは、直列に接続され、それぞれのコイルが発生する起電力が同位相となるように配置されている。コイル数は必要に応じて増やすことができる。
【００２５】
図６は、ホイールハブの回転数が１０ｒｐｍと１００ｒｐｍと４００ｒｐｍのときにコイルが発生する起電力の一例を示す図である。回転数の増加と共に、起電力も増加することが分る。
【００２６】
発生した起電力は、正弦波形を有しているので、その後整流される。発生した起電力は、整流された後、信号処理ユニット等のモジュールへ供給される。
【００２７】
また、基板１８には蓄電部が実装されている。蓄電部は、高速回転時にコイルが信号処理ユニット等の消費電力を上回る電力を発生する場合には、その余剰電力を蓄電する。コイルの発生電力が各モジュールの消費電力を下回るような低速回転時には、蓄電部に蓄えられた電力が使用される。
【００２８】
本発明の回転角度検出システムは、上述のように、ホイールハブが回転している際に、自ら発電を行い、回転側のセンサ、信号処理ユニット等へ電力を供給することができる。
【００２９】
また、基板１８には、無線送信部が実装されている。無線送信部からは、回転角度の制御情報信号を無線通信により外部受信機に送信できる。また、ホイールハブ側に必要に応じて歪みセンサ、温度センサ、圧力センサ等を取り付け、得られたセンサ情報信号を回転角度の制御情報信号と共に外部受信機に送信するようにしても良い。
【００３０】
なお、以上の説明では、カウンタ回路のカウント数から回転角度を求めたが、カウンタ回路のカウント数をＤＡコンバータでアナログ電圧に変えてカウント数に比例した電圧を出力し、出力電圧の違いにより回転角度を検出するようにしても良い。ＤＡコンバータの出力電圧の一例を図７に示す。図７（ａ）は、ホイールハブの回転数が１０ｒｐｍのときの出力電圧を示しており、図７（ｂ）は、ホイールハブの回転数が５００ｒｐｍのときの出力電圧を示している。この例では、ＣＷ方向に回転しているときに０Ｖ〜＋２Ｖの出力電圧が得られるようにしている。
【００３１】
次に、本発明の回転角度検出システムの実施例について説明する。図８は、本発明の回転角度検出システムを実際にタイヤ試験装置に組み込んでタイヤを試験するときの状態を示す図である。
【００３２】
所定の内圧を充填したタイヤ３１のホイールハブ３２には、磁気を検出するための３個のセンサと信号処理ユニットとからなるロータリーエンコーダ３３と、発電用コイル３４を実装して、ホイールハブ３２と一体となって回転する基板（図示せず）が取り付けられている。さらに、図示しないが、基板には蓄電部、無線送信部が実装されている。また、タイヤホイールには、タイヤの歪み変形を感知する歪みセンサ（図示せず）が貼り付けられている。軸受け台３７にはサーボモータ３６が固定されており、ホイールハブ３２の回転軸３５は、軸受け台３７で支持されてサーボモータ３６に連結され、タイヤを所定の方向に所定の速度で回転できるように構成されている。マグネット盤３０は、軸受け台３７に固定されている。所定の内圧が充填されたタイヤ３１は、擬似路面を有する回転ドラム３８に圧接している。また、基板に実装された無線送信部からは、制御情報信号を無線通信により外部受信機である検知機構３９に送信できる構成となっている。
【００３３】
タイヤ試験機においては、先ず試験すべき所望のタイヤ３１をタイヤホイールに組み付けて所望の内圧を充填し、これを試験機にセットする。試験を行うときは、サーボモータ３６によってタイヤ３１を回転駆動する。ホイールハブ３２に取り付けられた磁気を検出するための３個のセンサは、マグネット盤に着磁されたＮ極とＳ極により生成される磁界を横切ることによりＡ相信号、Ｂ相信号、Ｚ相信号を出力する。出力されたＡ相信号、Ｂ相信号の数を、信号処理ユニット内のカウンタ回路において、タイヤの回転角度の基準点位置信号であるＺ相信号によるリセット位置からカウントし、カウント値から基準点位置からのタイヤの回転角度を演算する。得られた回転角度情報は、歪みセンサからの歪み情報、歪みセンサの取り付け位置情報等と共に、基板上の無線送信部から無線通信により検知機構３９に送信される。検知機構３９は、これらの情報信号等を受信し、例えば、取り付け位置および回転角度の情報からタイヤに作用する６分力等を演算する。
【００３４】
なお、この場合、信号処理ユニット内において取り付け位置および回転角度の情報から６分力等を演算し、この６分力情報信号を無線送信機部から検知機構３９に送信するようにしても良い。
【００３５】
また、ホイールハブ３２と一体となって回転する基板に実装された発電用コイル３４は、マグネット盤３０に着磁されたＮ極とＳ極により生成される磁界を横切ることにより起電力を発生する。図９は、発電と蓄電と電力消費の関係を示す図である。発電用コイル３４で発生した起電力は整流器４０により整流され、整流された起電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１を介して電力消費部４２に所定電圧で供給される。電力消費部とは、磁気センサ、信号処理ユニット、歪みセンサ、無線送信部等のモジュールである。高速回転時に発電用コイル３４から各モジュールの消費電力を上回る電力が発生する場合には、その余剰電力は蓄電部４３に蓄えられる。各モジュールの消費電力を下回るような低速回転時には、蓄電部４３に蓄えられた電力が使用される。ここでは蓄電部４３には、電気二重層コンデンサとニッケル水素電池を用いた。
【００３６】
図１０は、負荷がそれぞれ４０Ω、６０Ω、１２０Ωのときのタイヤの回転数と発電量との関係を示す図である。電力消費部４２で消費する電力は、システム構成、環境により変化するが、４００ｍＷ強である。図１０より４００ｍＷ強の電力を発生させるためにはタイヤ回転速度５００ｒｐｍが必要となる。これは車速に換算すると６０ｋｍ／ｈとなる。ＡＢＳ等の車両姿勢制御が必要とされる車の速度は、低μ路などでは、これよりも低く、２０ｋｍ／ｈ程度となるので、コイル数を増やすなどの変更が必要となる。
【００３７】
なお、この実施例では、基板上に無線送信部を備えて、無線通信で検知機構に制御情報信号を送信するようにしたが、スリップリングを介して外部に制御情報信号を取り出すようにしても良い。
【００３８】
また、この実施例では、ホイールハブ側で、カウンタ回路のカウント値からホイールの回転角度を演算し、この回転角度情報を無線通信で検知機構に送信しているが、センサから出力されたＡ相信号、Ｂ相信号、Ｚ相信号を無線通信で検知機構に送信し、検知機構側でＡ相信号、Ｂ相信号、Ｚ相信号から回転角度を演算するようにしても良い。
【００３９】
また、本発明の回転角度検出システムをタイヤ試験機に組み込んでタイヤを試験する場合について説明したが、一般車両のアクスルケース（車輪支持用軸受け部）にマグネット盤を取り付け、タイヤホイールハブに磁気センサおよび発電用コイルを取り付けることによって、回転角度検出システムを一般車両に組み込むようにしても良い。
【００４０】
本発明の回転角度検出システムをタイヤ試験機や一般車両に組み込むことができれば、ＡＢＳ、ＴＣＳ、ＶＳＣ等の車両運動制御システムに必要な情報を、リアルタイムに得ることができるようになるので、一般車両等の車両運動制御システムの性能や信頼性を格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の回転角度検出システムを説明する図である。
【図２】対向するホイールハブ側から見たときのマグネット盤の平面図である。
【図３】マグネット盤の着磁状態を示す図である。
【図４】対向するマグネット盤側から見たときのホイールハブの平面図である。
【図５】Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｚ相信号を説明する図である。
【図６】コイルが発生する起電力の一例を示す図である。
【図７】ＤＡコンバータの出力電圧の一例を示す図である。
【図８】本発明の回転角度検出システムをタイヤ試験装置のホイールハブに取り付けてタイヤを試験するときの状態を示す図である。
【図９】発電と蓄電と電力消費の関係を示す図である。
【図１０】タイヤの回転数と発電量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１  固定部
１２，３２  ホイールハブ
１３，３０  マグネット盤
１４  マグネットケース
１５  固定軸
１６  コイル
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ  センサ
１８  基板
１９  軸穴
３１  タイヤ
３３  ロータリーエンコーダ
３４  発電用コイル
３５  回転軸
３６  サーボモータ
３７  軸受け台
３８  回転ドラム
３９  検知機構
４０  整流器
４１  ＤＣ−ＤＣコンバータ
４２  電力消費部
４３  蓄電部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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