(57)【要約】【課題】車両のパワーステアリング等で使用され、簡単な構成で高精度・高分解能なトルク検知および絶対回転角検知を行うことができる絶対回転角およびトルク検出装置を提供する。【解決手段】入力軸４と連結した第一の歯車１と、第一の歯車１と噛み合って回転する歯車部１１の中心部に半径方向に着磁された第一の磁石２０ａを固着し回転自在に保持された第一のロータ１０と、出力軸６と連結した第二の歯車３と、第二の歯車３と噛み合い回転する歯車部１１の中心に半径方向に着磁された第二の磁石２０ｂを固着し回転自在に保持された第二のロータ１６と、第一の磁石２０ａ、第二の磁石２０ｂと対向した位置に配置された第一の磁気検知素子２１ａ、第二の磁気検知素子２１ｂと、第一の歯車１と第二の歯車３の間に設けられ、第一の磁気検知素子２１ａと第二の磁気検知素子２１ｂを両面に配置した回路基板１５とを上ケース７および下ケース８に収納した構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸と連結した第一の歯車と、この第一の歯車と噛み合って回転する歯車部の中心部に半径方向に着磁された第一の磁石を固着して回転自在に保持された第一のロータと、出力軸と連結した第二の歯車と、この第二の歯車と噛み合って回転する歯車部の中心部に半径方向に着磁された第二の磁石を固着して回転自在に保持された第二のロータと、前記第一の磁石および前記第二の磁石と対向した位置に配置された第一の磁気検知素子および第二の磁気検知素子と、前記第一の歯車と前記第二の歯車の間に設けられ前記第一の磁気検知素子と前記第二の磁気検知素子を両面に配置した回路基板とを上ケースおよび下ケースに収納する構成とした回転角度およびトルク検出装置。
【請求項２】
第一のロータおよび第二のロータは、その歯車部を第一の歯車および第二の歯車の回転中心方向に常時加圧するように構成した請求項１に記載の回転角度およびトルク検出装置。
【請求項３】
第一のロータまたは第二のロータは、両側に軸受け部を備えたアームに収納され、このアームの一端は上ケースまたは下ケースに回転自在に支持され、他端に弾性体を備える構成とした請求項２に記載の回転角度およびトルク検出装置。
【請求項４】
アームは、第一のロータまたは第二のロータを支持する軸受け部の周囲を樹脂成形で薄肉に形成し、前記第一のロータまたは前記第二のロータを圧入により設置する構成とした請求項３に記載の回転角度およびトルク検出装置。
【請求項５】
アームはその一部に樹脂成形で一体形成した弾性片を備え、その弾性片の弾性力で第一のロータまたは第二のロータを常時加圧する構成とした請求項３に記載の回転角度およびトルク検出装置。
【請求項６】
第一の歯車と第一のロータおよび第二の歯車と第二のロータのそれぞれの歯車の噛み合い量よりも小さい隙間を形成するように、ストッパを上ケース、下ケース、アームのいずれかに形成する構成とした請求項３に記載の回転角度およびトルク検出装置。
【請求項７】
第一の歯車と第二の歯車の互いに対向する端面部に一対のストッパ機構を設ける構成とした請求項１に記載の回転角度およびトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車のパワーステアリング等に用いられる回転角度およびトルク検出装置に関わるものであり、特にステアリングの回転角度とトルクの検出を同時に可能とする回転角度およびトルク検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、トルクおよび回転角度を検知する方式として図７に示されるような方式が知られている。図７において、歯車部３２は回転角度を検知したい軸（図示せず）に係合バネ３３を介して固定して取り付けられる。歯車部３２は外周の端面に複数個の磁極を着磁したコード板２９が取り付けられた歯車部３０と噛み合っており、検知する軸の回転にしたがってコード板２９に設けられた磁極が移動する。この磁極の数を外周の端面に対向して設けられた検知素子３１でカウントすることにより回転角度を検知する。また、この構成による機構をトーションバーを介して連結された２本の軸にそれぞれ取り付けることにより、２本の軸間にトルクが作用して軸間の捩れが発生した時、それぞれの軸の回転角度を比較することによって作用したトルクの量を検知することも可能である。
【０００３】
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。
【特許文献１】特開平１１−１９４００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このように構成された回転角度センサあるいはトルク検知センサにおいては、軸の回転角度をコード板２９の外周端面に配置した複数の磁極の移動数をカウントすることにより検知するため、検知角度の分解能を向上させるためには着磁させた磁極の寸法を細かくする必要があり、強い磁界が得られにくいことと、検知精度を上げるためには複数の磁極を精度良く着磁する必要があるという課題があった。
【０００５】
更に、コード板２９の外周の磁極を半径方向に配置した検知素子３１で検出しているため、取り付けの際に歯車部３２やコード板２９の軸に直角方向に外力が作用したとき、磁石と検知素子３１の間隙量が変化して、検知精度が低下したり、半径方向の寸法が大きくなって小型化が難しくなるという課題があった。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するもので、一対の着磁を施した磁石を用いた簡単な構成で高精度・高分解能で、なおかつ小型化・薄型化が可能な回転角度およびトルク検出装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【０００８】
本発明の請求項１に記載の発明は、入力軸と連結した第一の歯車と、この第一の歯車と噛み合って回転する歯車部の中心部に半径方向に着磁された第一の磁石を固着して回転自在に保持された第一のロータと、出力軸と連結した第二の歯車と、この第二の歯車と噛み合って回転する歯車部の中心部に半径方向に着磁された第二の磁石を固着して回転自在に保持された第二のロータと、第一の磁石および第二の磁石と対向した位置に配置された第一の磁気検知素子および第二の磁気検知素子と、第一の歯車と第二の歯車の間に設けられ第一の磁気検知素子と第二の磁気検知素子を両面に配置した回路基板とを上ケースおよび下ケースに収納する構成とした回転角度およびトルク検出装置であり、これによって、分解能の向上のために複数の高精度な着磁をする必要がなくなり、一対の着磁を施した磁石で高分解能化が可能となり、また１枚の回路基板に磁気検知素子を実装することができるので、装置全体の薄型・小型化を図ることができる。また、磁気検知素子と磁石が歯車部の軸方向に配置されているため、取り付けの際に軸と直角方向に外力が作用して歯車部が半径方向に変位したとしても、磁気検知素子と磁石の間隙は変化しないので検出精度の低下がなくなるという作用効果が得られる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、第一のロータおよび第二のロータの歯車部を第一の歯車および第二の歯車の回転中心方向に常時加圧するように構成したものであり、軸心間の寸法ばらつき等の誤差による第一の歯車の歯車部と各ロータの歯車部の噛み合い時の隙間とバックラッシュの発生を防止できるという作用効果が得られる。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、第一のロータまたは第二のロータを両側に軸受け部を備えたアームに収納しこのアームの一端は上ケースまたは下ケースに回転自在に支持され、他端に弾性体を備える構成としたものであり、ロータを両側で支持したアームを第一の歯車および第二の歯車に加圧することにより、第一の歯車と第一のロータあるいは第二の歯車と第二のロータの噛み合い部には歯車の半径方向に正確に加圧力が働き、ロータの傾き等に起因する歯の噛み合わせ状態のばらつきによる検知精度の低下を防止することができるという作用効果が得られる。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、アームの第一のロータまたは第二のロータを支持する軸受け部の周囲を樹脂成形で薄肉に形成し、ここに第一のロータまたは第二のロータを圧入して設置するようにしたものであり、第一のロータあるいは第二のロータの軸受け部をアームで支持する場合、これらのロータを挟み込むために上アームと下アームの２部品で構成する必要がなく、ロータの組み込み時には樹脂の弾性を利用してロータを圧入して嵌合させることができるので装置の組み込みが容易になり、また部品点数も少なくてすむので装置全体を簡潔で安価な構成とすることができるという作用効果が得られる。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、アームの一部に樹脂成形で一体形成した弾性片を備え、その弾性片の弾性力で第一のロータまたは第二のロータを常時加圧するようにしたものであり、樹脂成形等で形成されたアームの一部に樹脂材料の弾性を利用して弾性力をもつ弾性片を一体に形成することにより、アームを加圧させるための別の弾性体を追加する必要がなく、部品点数の削減と装置の簡素化が可能となるという作用効果が得られる。
【００１３】
本発明の請求項６に記載の発明は、第一の歯車と第一のロータおよび第二の歯車と第二のロータのそれぞれの歯車の噛み合い量よりも小さい隙間を形成するように、ストッパを上ケース、下ケース、アームのいずれかに形成する構成としたものであり、ロータを第一の歯車あるいは第二の歯車に加圧する弾性体の加圧力以上の外力が衝撃等によって装置に加わった場合、歯車の噛み合いがはずれて検出位置がずれるといった不具合を防止することができるという作用効果が得られる。
【００１４】
本発明の請求項７に記載の発明は、第一の歯車と第二の歯車の互いに対向する端面部に一対のストッパ機構を設けたものであり、入力軸と出力軸の相対回転角度が過大なトルクの入力等により所定の回転角度よりも大きくなって入力軸と出力軸に過大な捩り力が作用しても、この捩れ力をストッパで軽減することができるので装置の信頼性を向上させることができるという作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に関わる回転角度およびトルク検出装置は上記の構成を有し、回転角度とトルクを同時に検出する装置がコンパクトに構成されるとともに、高精度で信頼性の高い装置を廉価に供給することができるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）は本発明の実施の形態１における回転角度およびトルク検出装置の構成平面図、正面断面図および左断面図である。
【００１８】
図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）において、第一の歯車１はトーションバーユニット２を介して第二の歯車３と同心軸上に配置されていて、さらにトーションバーユニット２の入力軸４に対し固定ねじ５などの結合部品で固定されている。また、これと同様に第二の歯車３はトーションバーユニット２の出力軸６に固定ねじ５により固定されている。各歯車１、３はそれぞれ上ケース７と下ケース８の軸受け部９で回転自在に保持され、上下のケース７、８間に収納されている。トーションバーユニット２はトーションバー２ａを介して入力軸４と出力軸６がそれぞれ独立して回転自在に連結されて構成されている。すなわち、トーションバー２ａの一端はスプリングピン２ｂ等の連結部材で入力軸４に固定され、他端は同様な連結部材で出力軸６に固定されているので、入力軸４と出力軸６の間にトルクが作用するとトーションバー２ａの作用により入力軸４と出力軸６の間に相対的に捩れ角変位が生じるように構成されている。
【００１９】
第一の歯車１は第一のロータ１０に設けられた歯車部１１と噛み合っており、この第一のロータ１０は上ケース７に設けられたアーム回転軸１２を中心に回転するアーム１３に設けられた軸受け部１４により回転自在に支持されている。また、回路基板１５をはさんで上記第一のロータ１０と反対側に配置された第二のロータ１６も、同様に下ケース８に設けられたアーム回転軸１２を中心に回転するアーム１３に設けられた軸受け部１４により回転自在に支持されるとともに、外周に設けられた歯車部１１で第二の歯車３と噛み合っている。さらに、これら２つのアーム１３のアーム回転軸１２と反対の端部には引っ掛け部１７が設けられており、この引っ掛け部１７には一端を上ケース７あるいは下ケース８に一体に設けられたバネ軸１８に保持された引っ張りバネよりなる弾性体１９が止められている。
【００２０】
このアーム１３は図２に示したように軸受け部１４が設けられた下アーム１３ａと同様に軸受け部１４が設けられた上アーム１３ｂによって、回転自在に第一のロータ１０または第二のロータ１６を両側から挟んで支持する構造となっている。したがって第一のロータ１０および第二のロータ１６のほぼ中間に設けられた歯車部１１は上下の軸受け部１４により両持ちの状態で支持されて、第一の歯車１あるいは第二の歯車３の歯面に引っ張りバネ１９により加圧された状態になっている。
【００２１】
第一のロータ１０および第二のロータ１６の中心部には、その半径方向に磁界の方向を持つ第一の磁石２０ａおよび第二の磁石２０ｂがインサート成形あるいは接着等の手段により固定されている。また、これらの第一の磁石２０ａ、第二の磁石２０ｂと対向して磁界の方向を検知する第一の磁気検知素子２１ａと第二の磁気検知素子２１ｂを両面に配置した回路基板１５が、下ケース８にねじ等を用いて固定されている。
【００２２】
以上のように構成された回転角度およびトルク検出装置において、その動作を以下に説明する。
【００２３】
図１（ｂ）において、トーションバーユニット２に回転トルクが作用しない場合には入力軸４と出力軸６は全く同一に回転し、したがってこれらの軸に連結された第一の歯車１および第二の歯車３は同様に回転する。従って、これらの両歯車と噛み合う歯車部１１を有する第一のロータ１０と第二のロータ１６は各歯車の歯数比に応じた回転変位を生じ、これらのロータ１０、１６に設けられた第一の磁石２０ａと第二の磁石２０ｂの磁界の方向が変化する。したがってこの磁界の変化を回路基板１５上に設けられた第一の磁気検知素子２１ａと第二の磁気検知素子２１ｂによって検出することで軸側の回転角度が検出される。
【００２４】
ここで、各ロータ１０、１６に設けられた第一の磁石２０ａと第二の磁石２０ｂが対向して配置される第一の磁気検知素子２１ａと第二の磁気検知素子２１ｂは回路基板１５の両面に配置されているので、上下ケース７、８間の空間内にコンパクトに収納することが可能であり装置の小型化・薄型化に有効である。
【００２５】
また、第一の歯車１、第二の歯車３、第一のロータ１０および第二のロータ１６の歯車部１１の歯数を適宜設定することで、第一のロータ１０と第二のロータ１６の回転角度に相対変位を生じさせることが可能となるので、ステアリングの回転角度が１回転（３６０度）以上になった場合にでも角度の検知（絶対・多回転角度の検知）が可能となる。
【００２６】
トーションバー２ａが捩られ、入力軸４と出力軸６の間に前記回転角度に重畳する形で相対的な角度変位が生じたときには、この重畳した回転変位量がトーションバー１０に作用しているトルク値と比例しているので、第一の磁気検知素子２１ａと第二の磁気検知素子２１ｂの検知信号から絶対回転角度の検出信号分を取り除く処理を行うことで、入出力軸間に作用するトルクを求めることができる。
【００２７】
一般に捩り力が作用して変化するトーションバー１２ａの回転変位量は３°以下程度と微小である。したがって装置の検出精度を向上するためには、第一の歯車１、第二の歯車３と各ロータ１０、１６の歯車部１１との噛み合い精度が重要となる。本発明にかかわる装置においては、図１（ａ）に示すように第一の歯車１と第二の歯車３の歯面に対して、アーム１３の軸受け部１４に回転自在に支持された第一のロータ１０および第二のロータ１６の歯車部１１が、弾性体１９等の加圧力により第一の歯車１および第二の歯車３に押し付けられるので、歯車の精度あるいは歯車の軸中心間の距離ばらつき等によって発生する歯のバックラッシュの増加にともなう誤差の発生を低減することができる。
【００２８】
また、このアーム１３は前述の図２に示すように、第一のロータ１０または第二のロータ１６を両持ちで支持しているので、弾性体１９による加圧力は第一の歯車１または第二の歯車３の歯面に対し直角に作用し、両歯車の歯面の傾き等による誤差の発生も防止できる。
【００２９】
したがって、このように構成された装置においてはステアリングの操作による回転角度（絶対角度）を検出すると同時に、ステアリング操作により発生したトルクも同時に高精度に検知することが可能となり、また装置自体のサイズもコンパクトに構成することができる。
【００３０】
（実施の形態２）
以下の説明において、上記の説明と同じ構成要素には、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）と同じ番号を用いて説明を省略する。
【００３１】
図３は本発明の実施の形態２における回転角度およびトルク検出装置のアームの構成を示した斜視図である。
【００３２】
図３において、アーム１３は樹脂成形等の手段で一体に成形されている。その中央部にはロータ１０を収める空間２２とロータ１０を回転自在に支持する軸受け部１４が形成されていて、ロータ１０を収納する空間２２の近傍は薄肉部２３に形成されている。したがって、ロータ１０をアーム１３に挿入する際には、この薄肉部２３を樹脂の弾性力に抗して変形させてロータ１０を嵌合させることができる。従って、別体に構成した場合に比べ、部品点数が削減でき組み立ての工数も減らすことができる。
【００３３】
さらに、図４は本発明の実施の形態２における回転角度およびトルク検出装置のアームの他の実施の形態を示すものである。図４において、たとえばポリアセタール等の樹脂材料からなるアーム１３の一部には、樹脂成形時に一体に形成された弾性片２４を有している。
【００３４】
この弾性片２４はアーム１３が上ケース７または下ケース８に組み込まれた状態で、アーム回転軸１２を中心にしてアーム１３を第一の歯車１または第二の歯車３の方向に加圧する形状に形成されている。従って、このように一体構成されたアーム１３を用いれば、前述のような引っ張りバネ等の弾性体１９を別部品として設ける必要はなく、前述の内容と同様の効果を得ることができるので、部品点数および組み立て工数の更なる削減を図ることができ製品のコストを削減することができる。
【００３５】
図５（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態２における回転角度およびトルク検出装置のアームのもう１つの実施の形態を示すものである。図５において、アーム１３のアーム回転軸１２と反対側の上ケース７に対向する面にはストッパ２５が一体に形成されている。このストッパ２５と上ケース７の間の隙間寸法は、ロータ１０の歯車部１１と第一の歯車１または第二の歯車３の噛み合い量よりも小さい寸法になるように形成されている。したがって、装置に振動や落下衝撃等の力が働いてアーム１３を加圧する弾性力に逆らってアーム１３が移動しようとしても、ストッパ２５にアーム１３が当接するので噛み合いが外れてロータ１０が回転することはない。したがって、ロータ１０の磁石の回転位置が初期の設定からずれるといった不具合を防止することができるので装置の信頼性が向上する。
【００３６】
本実施の形態では、ストッパ２５は上ケース７に一体に設けたが、アーム１３あるいは下ケース８、または上ケース７あるいは下ケース８とアーム１３の両方に設けても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００３７】
（実施の形態３）
図６（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態３における回転角度およびトルク検出装置の第一の歯車と第二の歯車の軸方向の断面図と軸と直角方向の断面図を示す。
【００３８】
ここで図６（ａ）に示すように、第一の歯車１と第二の歯車３の対向する端面部２６は、軸と直角方向の断面図の図６（ｂ）に示すように、軸と直角の断面にカット部２７と平坦部２８を設けた略Ｕ字形状で構成されていて、互いに所定の隙間を持って嵌合したストッパ機構を構成している。入力軸４と出力軸６に働くトルクが所定の量を超え両者の捩れ変位が大きくなったときには、図６（ｃ）に示すように第一の歯車１と第二の歯車３のカット部２７と平坦部２８が当接することによりそれ以上の回転変位を規制する。したがって、トーションバー２ａに過大な負荷が作用した時これを軽減するので、装置が取り付けられたシステムの信頼性を向上させるという効果を有するものである。ストッパ機構は上記のようにＵ字部による構成だけでなく、端面部２６に互いに嵌合する凹凸部で形成してもよく入力軸４と出力軸６の相対回転を規制する形状であれば同様の効果が得られることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明にかかる回転角度およびトルク検出装置は、回転角度とトルクを同時に検出する装置がコンパクトに構成されるとともに、高精度で信頼性の高い装置を廉価に供給できるという作用効果を有しており、車両のパワーステアリング等で使用されるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における回転角度およびトルク検出装置の構成平面図、（ｂ）図１（ａ）のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）図１（ａ）のＹ−Ｙ断面図
【図２】同実施の形態におけるアームの構成を示す分解斜視図
【図３】本発明の実施の形態２におけるアームの構成を示す分解斜視図
【図４】同実施の形態におけるアームの組み込み平面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２におけるアームのもう１つの実施の形態を示す平面図（通常状態）、（ｂ）同実施の形態におけるアームの平面図（ストップ状態）
【図６】（ａ）本発明の実施の形態３における歯車の断面図、（ｂ）同実施の形態のＸ−Ｘ断面図（通常状態）、（ｃ）同実施の形態のＸ−Ｘ断面図（ストップ状態）
【図７】従来例の回転角度およびトルク検出装置の説明図
【符号の説明】
【００４１】
１  第一の歯車
２  トーションバーユニット
２ａ  トーションバー
２ｂ  スプリングピン
３  第二の歯車
４  入力軸
５  固定ねじ
６  出力軸
７  上ケース
８  下ケース
９  軸受け部
１０  第一のロータ
１１  歯車部
１２  アーム回転軸
１３  アーム
１３ａ  下アーム
１３ｂ  上アーム
１４  軸受け部
１５  回路基板
１６  第二のロータ
１７  引っ掛け部
１８  バネ軸
１９  弾性体
２０ａ  第一の磁石
２０ｂ  第二の磁石
２１ａ  第一の磁気検知素子
２１ｂ  第二の磁気検知素子
２２  空間
２３  薄肉部
２４  弾性片
２５  ストッパ
２６  端面部
２７  カット部
２８  平坦部
【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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