(57)【要約】【課題】多回転型の回転角検出装置において、検出精度が高いこと。【解決手段】本回転角検出装置１では、被測定軸２と一体回転する第１の歯車３に第２の歯車４が噛み合う。被測定軸２の同軸上に被測定軸２に一体回転する突起１８と、第１の歯車３の所定周期、例えば、１８０°ごとに突起１８と係合して４５°回転する計数歯車１９とを設ける。計数歯車１９は第１の歯車３の所定周期の計数値を得る。第２の歯車４の回転角を検出する第１の回転角検出センサ１３の検出角と、計数歯車１９による計数値とに基づいて、被測定軸２の絶対回転角を検出する。被測定軸２の多回転時に、第１の回転角検出センサ１３により検出される第２の歯車４の回転角出力は、第２の歯車４の回転角に対して一定周期の反復波形となる。計数歯車１９による計数値を用いて、第１の回転角検出センサ１３の出力値がどの周期での値かを判別する。【選択図】　図１
2004101284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な被測定軸の同軸上に軸方向に離隔して配置され、被測定軸に一体回転する突起および第１の歯車と、
上記第１の歯車に噛み合う第２の歯車と、
この第２の歯車の回転角を検出する回転角検出センサと、
第１の歯車の所定周期で上記突起と係合する計数歯車と、
回転角検出センサによる検出角と計数歯車による計数値に基づいて被測定軸の絶対回転角を検出する演算手段とを備えることを特徴とする回転角検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多回転軸の絶対回転角を検出する回転角検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
通例、回転角検出センサの測定範囲は１回転（３６０°）以内である。このような回転角検出センサを用いて、多回転型の回転軸の絶対回転角を検出する回転角検出装置が提供されている。
例えば、従来の回転角検出装置には、多回転体を取り囲む大径歯車に、相異なる歯数を持つ一対の小径歯車を噛み合わせ、各小径歯車の回転角を対応する回転角検出センサにより検出することで、小径歯車間の位相差に基づいて、絶対回転角を検出するものがある（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
しかしながら、この回転角検出装置では、絶対回転角の検出が多回転体の回転角に対して何れも加速される一対の小径歯車の回転角の偏差に基づくので、検出精度を高くするには、２個の回転角検出センサがともに高精度を要求される。
また、回転角検出装置には、多回転体の回転角を第１および第２の速比で加速する第１および第２のセンサによる検出角を組み合わせて、絶対回転角を得るものもある（例えば、特許文献３参照。）。この場合にも、絶対回転角の検出が、多回転体の回転角を何れも加速する一対のセンサの検出角に基づくので、検出精度を高くするには、２個の回転角検出センサがともに高精度を要求される。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、検出精度の高い多回転型の回転角検出装置を提供することである。
【０００５】
【特許文献１】
特表平１１−５００８２８号公報
【特許文献２】
特表２００１−５０５６６７号公報
【特許文献３】
特開２０００−９４１５号公報
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１に記載の発明は、回転可能な被測定軸の同軸上に軸方向に離隔して配置され、被測定軸に一体回転する突起および第１の歯車と、上記第１の歯車に噛み合う第２の歯車と、この第２の歯車の回転角を検出する回転角検出センサと、第１の歯車の所定周期で上記突起と係合する計数歯車と、回転角検出センサによる検出角と計数歯車による計数値に基づいて被測定軸の絶対回転角を検出する演算手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、被測定軸が多回転すると、これに伴って第１および第２の歯車が回転し、第２の歯車の回転を検出する回転角検出センサが高精度ではあるが被測定軸の回転角に応じて周期的に反復する検出信号を出力する。この回転角検出センサの検出信号がどの周期内での検出信号であるかを、計数歯車による計数値に基づいて検出し、被測定軸の絶対回転角を精度良く検出することができる。また、複雑な減速機構等が不要であり、構造を簡素化して製造コストを安くすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の回転角検出装置を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施形態の回転角検出装置の模式的平面図である。図２は、図１に示す回転角検出装置を実際にパッケージングする場合の一例を示す、回転角検出装置の概略断面図である。図１および図２を参照する。
本回転角検出装置１は、回転可能な被測定軸２の周囲に同軸上に配置され被測定軸２と一体回転する第１の歯車３と、この第１の歯車３に噛み合う第２の歯車４とを備える。
【０００９】
本実施形態では、本回転角検出装置１を自動車の電動パワーステアリング装置に適用してステアリングホイール等の操舵部材５（図２に一部を図示。）の回転角を検出する場合に則して説明する。ただし、本発明は一般的な多回転軸の絶対角検出に適用することができる。
被測定軸２は、例えば、操舵部材５に一体回転する軸により構成され、合成樹脂により形成された中空軸からなる。被測定軸２の内周６には、操舵部材５と一体回転可能に連結するための連結部材としてのキー７が設けられている。このキー７は、径方向内方へ向けて突出し、操舵部材５の外周８に形成されるキー溝９に嵌合される。これにより、操舵部材５と被測定軸２とが一体回転可能に連結される。キー７は、周方向に均等に複数箇所、例えば、２箇所に配置され、被測定軸２と一体に形成されている。なお、キー７を、被測定軸２と別体に形成して、被測定軸２の内周６に固定してもよい。被測定軸２は、例えば、操舵部材５を介してこれを支持する部材１０、例えば、ステアリングコラムにより軸線１１の回りに回転自在に支持される。
【００１０】
第１および第２の歯車３，４は、平歯車からなる。第１の歯車３は、被測定軸２と一体に形成されている。第１の歯車３は、第２の歯車４よりも大径であり、例えば、第２の歯車４の径の２倍に設定される。第２の歯車４は、第１の歯車３の軸線１１と平行な軸線１２の回りに回動自在に支持される。
また、回転角検出装置１は、第２の歯車４の回転角を検出するための第１の回転角検出センサ１３を有している。
【００１１】
第１の回転角検出センサ１３は、互いに相対変位する固定部１４と可動部１５とを有する。第１の回転角検出センサ１３は、例えば、磁気式の変位センサであり、固定部１４は、例えば、磁気抵抗素子を含むセンサ本体からなり、可動部１５は、例えば、磁石からなる。固定部１４と可動部１５との相対位置に応じて、センサ本体からの出力信号が異なるようになっている。
第１の回転角検出センサ１３の可動部１５は、第２の歯車４の端面に一体回転可能に固定される。固定部１４は可動部１５の近傍に対向して配置され、例えば支持部材としての回路基板１６に固定される。第１の回転角検出センサ１３の出力信号は、第２の歯車４の所定周期（例えば、３６０°）ごとに周期的に変化する。
【００１２】
被測定軸２の周囲には、被測定軸２に一体回転する突起１８が例えば、１８０°間隔で２個外向きに設けられている。突起１８は、被測定軸２の軸方向（矢印Ｓ参照）に第１の歯車３と離隔して配置される。突起１８は、被測定軸２に一体に形成することもできるし、第１の歯車３と一体に形成することもできる。突起１８は、例えば、被測定軸２の外周に設けられたキーからなる。
また、回転角検出装置１は、第１の歯車３の所定周期（例えば、１８０°）で、上述の突起１８と係合する計数歯車１９を有している。ここで、突起１８のための上述の第１の歯車３の所定周期は、第１の回転角検出センサ１３の出力信号の変化する周期と等しくされている。
【００１３】
計数歯車１９は、第１の歯車３の軸線１１と平行な軸線２０の回りに回動自在に支持される。計数歯車１９は、その外周に均等に配置される複数、例えば、８つの歯２１を有する。歯２１と突起１８とが当接する。
被測定軸２の回転角において、計数歯車１９の歯２１と突起１８とは、上述の第１の歯車３の所定周期に比べてごく短い回転角範囲でのみ当接する。計数歯車１９と突起１８とが係合する回転角範囲の間には、この回転角範囲よりも大きく計数歯車１９と突起１８とが係合しない回転角範囲が設けられている。
【００１４】
計数歯車１９と突起１８とが係合する間だけ、計数歯車１９は回動する。例えば、被測定軸２が１８０°回転するごとに、その近傍となる角度範囲で、２つのうちのいずれか一方の突起１８が計数歯車１９のどれか一つの歯２１と当接して係合し、そのたびごとに、計数歯車１９が所定角度例えば４５°回転するようになっている。このように、リニアに変化する被測定軸２の回転角の変化から段階的に変化する計数歯車１９の回転角の変化を得られ、この段階的な変化から、計数歯車１９と突起１８との係合回数や、第１の歯車３の所定周期への到達回数に相当する計数値を得ることができる。
【００１５】
また、本回転角検出装置１では、計数歯車１９および第２の歯車４を、これらに形成される支軸２２，２３を介して回動自在に支持する支持部材２４を有している。支持部材２４は、例えば、上述の部材１０を介して、被測定軸２に対して位置決めされる。
また、回転角検出装置１は、計数歯車１９による計数値を得る計数手段としての計数歯車１９の回転角を検出するための第２の回転角検出センサ２５と、第１の回転角検出センサ１３による検出角と計数歯車１９による計数値に基づいて被測定軸２の絶対回転角を演算により検出する演算手段としての絶対角演算部２６とを有している。
【００１６】
第２の回転角検出センサ２５は、例えば、第１の回転角検出センサ１３とほぼ同様の構造を有し、これと同様の固定部２７と可動部２８とを有する。第２の回転角検出センサ２５の可動部２８は、計数歯車１９の端面に固定され、計数歯車１９と一体回転する。固定部２７は、可動部２８の近傍に対向して配置され、例えば支持部材としての回路基板１６に固定される。第２の回転角検出センサ２５により出力される回転角は、計数歯車１９の計数値に対応し、すなわち、出力される回転角が、予め定める所定範囲内にあれば、この所定範囲に対応する計数値であると判断できる。このような判断は、絶対角演算部２６により一体的に処理される。
【００１７】
絶対角演算部２６は、例えば、マイクロコンピュータ等を含む信号処理用の電気回路により構成され、例えば、回路基板１６に実装される。絶対角演算部２６には、第１および第２の回転角検出センサ１３，２５からの検出信号が入力される。絶対角演算部２６では、第１および第２の回転角検出センサ１３，２５によって検出された第２の歯車４の回転角および計数歯車１９の回転角に基づいて被測定軸２の絶対回転角を演算する。
【００１８】
被測定軸２が回動、例えば、図１で時計回り方向に回動すると（矢印Ｍ１参照）、第１の歯車３と噛み合う第２の歯車４は逆向き、例えば、図１で反時計回りに回動する（矢印Ｍ２参照）。このときの第２の歯車４の回動角は第１の歯車３の回動角よりも大きくなる。また、例えば、図１に示す状態から被測定軸２が９０°回転すると、計数歯車１９が４５°回動する（矢印Ｍ３参照）。そして、被測定軸２が１８０°回転するごとに、計数歯車１９が４５°回動する。
【００１９】
図３は、被測定軸２の回転角と第１および第２の回転角検出センサ１３，２５の出力波形との関係を示すグラフ図である。被測定軸２としての、例えばステアリングシャフトを４回転させると、図３に示すように、第２の歯車４の回転角を検出する第１の回転角検出センサ１３の出力Ｓ１（図３において実線で示す。）は、例えば、１８０ｄｅｇ周期の鋸歯状の波形となる。第１の回転角検出センサ１３の出力Ｓ１は検出精度は高いものの１８０ｄｅｇ周期で８回反復されるため、どの周期のものかが判らない。
【００２０】
一方、第２の回転角検出センサ２５の出力Ｓ２（図３において破線で示す。）は、突起１８と計数歯車１９の歯とが係合するごとに段階的に階段状に変化する波形となる。それぞれの段階が計数歯車１９の計数値に対応する。第２の回転角検出センサ２５の出力Ｓ２のレベルに基づいて、計数値を求め、この計数値に基づいて、第１の回転角検出センサ１３の出力値がどの周期の値であるかを判別できる。従って、被測定軸２の絶対回転角を精度良く検出することができる。
【００２１】
また、複雑な減速機構等が不要であり、構造を簡素化して製造コストを安くすることができる。例えば、突起１８は、歯車に比べて構造が簡素で済む。
また、例えば、被測定軸２の内径が２５ｍｍとしたときに、外径寸法が約７０ｍｍ、高さ１０ｍｍ程度の環状の外形に、回転角検出装置１を小型化できる。
また、上述のキー７は、公知の構造を利用できるが、以下のように構成するのが、より好ましい。図４および図５を参照する。
【００２２】
キー７の幅（寸法Ｌ１）は、キー溝９の幅（寸法Ｌ２）よりも所定長さで大きく（Ｌ１＞Ｌ２）設定される。これにより、キー７をキー溝９に嵌合したときに、がたつきを防止でき、がたつきに伴う異音の発生を防止でき、また、例えば、操舵部材５の回転角を高精度に検知するのに好ましい。
また、キー７は、軸方向に直線状に延びる溝状のスリット３１を有している。このスリット３１は、軸方向の両端部および径方向の内方に開放されている。キー７は、所定の隙間量をスリット３１により開けて被測定軸２の内周６の周方向に並ぶ片持ち状の一対の弾性凸部３２により構成される。一対の弾性凸部３２により、キー７はキー溝９に弾性嵌合される。キー７をこれよりも狭いキー溝９に嵌合する際に、弾性凸部３２同士が撓み、スリット３１により嵌め合いの寸法誤差や組立誤差が吸収される。また、キー７やキー溝９の周縁部に過大な負荷がかかることを防止できる。
【００２３】
キー７の側部は、テーパー形状の傾斜部３３を有している。この傾斜部３３は、被測定軸２の内周６の周方向の両側の側部にともに形成され、軸方向の端部寄り部分が互いに近づいて、キー７の端部が周方向の幅狭になるようになっている。キー７をキー溝９に嵌合させるときに、傾斜部３３がキー溝９の端縁３５に沿うことにより、キー７をそれよりも狭いキー溝９に心合わせした位置に案内する。傾斜部３３は、軸方向の両側に形成され、キー７とキー溝９との嵌合方向がどらら向きの場合にもキー７をキー溝９に容易に嵌合できるようになっている。
【００２４】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、以下のようにすることも考えられる。以下の説明では、上述の実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略し同じ符号を付すこととする。
上述の実施形態では、計数歯車１９の計数値を得るための構成としては、一回転当たりに計数値程度の分解能を得られるセンサであればよく、例えば、第１の回転角検出センサ１３よりも構造の簡素なものを利用することもできる。
【００２５】
また、第１の回転角検出センサ１３としては、例えば、磁気式の変位センサ、ポテンショメータ、光電式の変位センサ等の公知の構成を利用できる。また、このような変位センサとしては、可動部と固定部との相対変位量を検出するインクリメンタルタイプでもよいし、可動部と固定部との絶対位置変化を検出するアブソリュートタイプでもよいが、後者が好ましい。その他、本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の回転角検出装置の模式的平面図。
【図２】図１の回転角検出装置を実際にパッケージングする場合の一例を示す、回転角検出装置の概略断面図である。
【図３】図１の実施形態において、被測定軸の回転角と各回転角検出センサの出力との関係を示すグラフ図である。
【図４】図１に示すキーおよびキー溝の変形例を示す断面図であり、図４Ａおよび図４Ｂに、嵌合前のキーおよびキー溝の近傍となる被測定軸をそれぞれ図示し、図４Ｃに嵌合された状態のキーおよびキー溝の近傍となる被測定軸を図示した。
【図５】図４に示すキーおよびキー溝を回転中心から見た図であり、図５Ａに嵌合前の状態を、図５Ｂに嵌合途中の状態を、図５Ｃに嵌合が完了した状態を示す。
【符号の説明】
１　回転角検出装置
２　被測定軸
３　第１の歯車
４　第２の歯車
１３　第１の回転角検出センサ（回転角検出センサ）
１８　突起
１９　計数歯車
２６　絶対角演算部（演算手段）
Ｓ　軸方向
【図１】
2004101284.tif 000003
【図２】
2004101284.tif 000004
【図３】
2004101284.tif 000005
【図４】
2004101284.tif 000006
【図５】
2004101284.tif 000007