(57)【要約】【課題】小型で測定精度の高い回転角度測定装置を提供する。【解決手段】回転盤１に第一、第二案内溝２，３を形成して第一、第二移動体４，５を各案内溝に案内させて移動させる。第一、第二移動体４，５の回転角度を検出して両移動体の回転角度から回転盤１の絶対回転角度を演算部８で演算する。【選択図】図１
2007147325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転盤と、上記回転盤の片面に形成された第一案内溝と、上記回転盤の反対面に形成された第二案内溝と、上記回転盤の回転に応じて第一案内溝に案内されて移動する第一移動体と、上記回転盤の回転に応じて第二案内溝に案内されて移動する第二移動体と、第一移動体から回転角度を検出する第一角度センサと、第二移動体から回転角度を検出する第二角度センサと、第一移動体の回転角度と第二移動体の回転角度から上記回転盤の絶対回転角度を演算する演算部とを備えたことを特徴とする回転角度測定装置。
【請求項２】
第一案内溝の形状は、周方向一方向の位置変化に対して径方向位置が一方向に変化する形状であることを特徴とする請求項１記載の回転角度測定装置。
【請求項３】
第一案内溝の形状は、螺旋状であることを特徴とする請求項１又は２記載の回転角度測定装置。
【請求項４】
上記演算部は、第一移動体の位置から上記回転盤の回転回数を検出することを特徴とする請求項３記載の回転角度測定装置。
【請求項５】
第二案内溝の形状は、周方向一方向の位置変化に対して径方向位置は一方向に変化した後、折り返して反対方向に変化する形状であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の回転角度測定装置。
【請求項６】
第二案内溝の形状は、１周を所定個に等分割した周方向分割区間ごとに同じ部分形状があらわれる繰り返し形状であることを特徴とする請求項５記載の回転角度測定装置。
【請求項７】
上記演算部は、第二移動体の位置から上記回転盤の上記分割区間内回転角度を検出することを特徴とする請求項６記載の回転角度測定装置。
【請求項８】
第一移動体及び第二移動体のいずれか一方又は両方が上記回転盤外に回動軸を有する回動アームに保持され、その回動アームの回動角を回転角度として検知する角度センサが設けられたことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の回転角度測定装置。
【請求項９】
上記角度センサは、磁石と磁気検出素子の組み合わせからなり、これら磁石と磁気検出素子のいずれか一方が上記回動アームに随伴して回動し、他方が固定であることを特徴とする請求項８記載の回転角度測定装置。
【請求項１０】
第一移動体及び第二移動体のいずれか一方又は両方が当該案内溝に交差する固定アームに沿って直線移動自在に該固定アームに保持され、その移動体の直線移動距離を回転角度として検知する角度センサが設けられたことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の回転角度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３６０度以上の絶対回転角度が測定できる回転角度測定装置に係り、小型で測定精度の高い回転角度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転角度測定において、対象の回転体が１回転以上して測定値が３６０度を越えても０度にクリアせず増加し続ける測定値を絶対回転角度と定義する。特に車両のステアリングに関しては、ステアリングシャフト（又はステアリングホイール）のニュートラル位置を基準とした絶対回転角度を操舵角と呼ぶ。
【０００３】
自動車等の車両のステアリングは、車両の直進安定性能や方向変換性能に直結するため、ステアリングシャフトに直結して作動する回転角度測定装置は、車両の性能向上や運転者の安全性確保にとって極めて重要である。そのため、以下のような回転角度測定装置が提案されている。
【０００４】
特許文献１に開示された回転角度測定装置は、回転角度の測定対象である回転体に随伴して回転される２つの回転体の位相差を有する回転角度から対象回転体の回転角度を測定する。
【０００５】
図５に示されるように、特許文献１の回転角度測定装置１０１は、外周に駆動歯を有する測定対象の回転体１０２と、その駆動歯に噛み合う２つの歯車（両者を一対のペア歯車と呼ぶ）１０３，１０４と、各歯車の回転角度を検出する角度センサ１０５，１０６と、各角度センサ１０５，１０６の出力を組み合わせて絶対回転角度を求める評価回路（図示せず）とを備える。各歯車１０３，１０４の歯数は、それぞれ回転体１０２の歯数より少なく、かつ互いに異なる。ステアリングにおける操舵角を測定する場合、回転体１０２はステアリングシャフトに外嵌して固定される。
【０００６】
ステアリングシャフトが回転すると、ステアリングシャフトに固定された回転体１０２が回転し、回転体１０２が回転することによって２つの歯車１０３，１０４が回転し、各歯車１０３，１０４の角度センサ１０５，１０６がそれぞれ回転角度に比例した信号を出力する。
【０００７】
この回転角度測定装置１０１は、異なる歯数の一対のペア歯車を複数用いてペア歯車間に生じる出力誤差を評価回路において補正することにより、精度を高めている。
【０００８】
特許文献２に開示された回転角度測定装置は、図５の回転角度測定装置を改良したもので、車両のステアリングにおける回転角度測定に応用される。
【０００９】
図６に示されるように、特許文献２の回転角度測定装置２０１は、外周に駆動歯が形成された測定対象の回転体２０２と、その駆動歯に噛合する検出歯車２０３と、この検出歯車２０３の回転に伴って検出歯車２０３の軸部２０４に螺子切りされた螺旋螺子２０５を上下に移動する移動体２０６と、この移動体２０６の移動を磁気的に検出する検出手段２０７とを備え、検出手段２０７が移動体２０６の移動を漸次増加又は減少する検出信号として出力し、回転体２０２の回転角度を測定する。
【００１０】
この回転角度測定装置２０１は、検出誤差が少なく、演算処理が容易で、小型化や薄型化を図ることができる。
【００１１】
特許文献３に開示された回転角度測定装置は、前述の２つの回転角度測定装置１０１，２０１とは機構を異にし、インクリメンタリロータリエンコーダと、螺旋状の溝を利用した基準位置検出機構とを組み合わせたものである。
【００１２】
図７に示されるように、特許文献３の回転角度測定装置３０１は、回転板３０２の表面に設けた螺旋状の溝３０３に沿って揺動アーム３０４の先端３０５のピン（図示せず）が案内されて移動することにより、該ピンが内外周に往復移動して揺動アーム３０４が揺動し、揺動アーム３０４に設けた窓３０６が回転板３０２の基準スリット３０７に対向したとき基準位置を検出することができる。回転角度は、回転板３０２の外周に設けた計数用スリット３０８を計数するインクリメンタリロータリエンコーダの方式で測定する。
【００１３】
この回転角度測定装置３０１は、ステアリングホイールのニュートラル位置を基準位置として検出するので、その基準位置で回転角度の計数をリセットすることにより、操舵角を測定することができる。
【００１４】
【特許文献１】特表２００２−５３１８５８号公報
【特許文献２】特開２００２−２０６９１０号公報
【特許文献３】実開平５−２３０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１の回転角度測定装置は、駆動歯に噛み合う２つの歯車の回転角度を検出しているため、回転動作開始時や逆転時にバックラッシュ等による歯車間のがたつきが発生して回転角度測定に誤差が発生しやすい。ペア歯車の個数が多くなるほどこの誤差は大きくなる。また、図５の回転角度測定装置は、測定しようとする絶対回転角度の範囲が大きくなると、回転体と２つの歯車との周期的関係から、各々の歯車の歯数を多くする必要があり、装置の小型化を図ることが困難となる。
【００１６】
特許文献２の回転角度測定装置は、回転角度に比例した電圧が出力されるが、回転角度を移動体の上下移動に変換し、その移動を磁気的に検出するので、その検出手段には磁界変化を検出する限界があり、測定しようとする絶対回転角度の範囲が大きくなるに従い測定精度が落ち、高精度測定を上記範囲全体にわたって維持することが困難である。検出手段の磁界変化の検出限界を広げ、測定精度を向上させようとすれば、装置の製造コストが高価になる。また、測定しようとする絶対回転角度の範囲が大きくなるに従い移動体の移動距離が長くなるため、装置の小型化を図ることが困難となる。
【００１７】
特許文献３の回転角度測定装置は、光ロータリエンコーダ方式で回転角度を測定するので、特許文献１，２に生じる歯車間のがたつきによる回転角度測定誤差は解消できる。しかし、基準位置検出機構がステアリングホイールのニュートラル位置と、揺動アームの窓と、回転板の基準スリットの３者を同時に一致させるには機械的精度を要し、精密加工が要請される。
【００１８】
これら従来技術の課題を解決するものとして、本出願人は先に新規な回転角度測定装置を提案している。図８に示されるように、回転角度測定装置４０１は、第一の歯を有し上面に螺旋状の溝４０２が形成された回転体４０３と、その溝４０２に沿って移動する移動体４０４と、回転体４０３が回転したとき移動体４０４の移動角度を検出する回転体用角度センサ４０５と、第一の歯と噛合する第二の歯を有し回転体４０３の回転に伴って回転する歯車４０６と、歯車４０６の回転角度を検出する歯車用角度センサ４０７と、回転体用角度センサ４０５と歯車用角度センサ４０７の両出力信号に基づいて回転体の回転角度を検出する演算部４０８を備える。
【００１９】
この回転角度測定装置は、高精度で絶対角度を検出することができ、しかも、特許文献１，２に比べて小型化を図ることができ、特許文献３のような精密加工は不要である。
【００２０】
しかしながら、一般に回転角度測定装置は、操舵席内に設けるため、いっそう小型とする必要がある。回転体の外側に歯車を並べる構成では、回転体と歯車を収容する平坦で広い空間が必要であるため、小型化には限界がある。
【００２１】
また、歯車を使用したものは、既に述べたように歯のがたつきによる誤差が避けられないため、測定精度向上にも限界がある。
【００２２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型で測定精度の高い回転角度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために本発明は、回転盤と、上記回転盤の片面に形成された第一案内溝と、上記回転盤の反対面に形成された第二案内溝と、上記回転盤の回転に応じて第一案内溝に案内されて移動する第一移動体と、上記回転盤の回転に応じて第二案内溝に案内されて移動する第二移動体と、第一移動体から回転角度を検出する第一角度センサと、第二移動体から回転角度を検出する第二角度センサと、第一移動体の回転角度と第二移動体の回転角度から上記回転盤の絶対回転角度を演算する演算部とを備えたものである。
【００２４】
第一案内溝の形状は、周方向一方向の位置変化に対して径方向位置が一方向に変化する形状であってもよい。
【００２５】
第一案内溝の形状は、螺旋状であってもよい。
【００２６】
上記演算部は、第一移動体の位置から上記回転盤の回転回数を検出してもよい。
【００２７】
第二案内溝の形状は、周方向一方向の位置変化に対して径方向位置は一方向に変化した後、折り返して反対方向に変化する形状であってもよい。
【００２８】
第二案内溝の形状は、１周を所定個に等分割した周方向分割区間ごとに同じ部分形状があらわれる繰り返し形状であってもよい。
【００２９】
上記演算部は、第二移動体の位置から上記回転盤の上記分割区間内回転角度を検出してもよい。
【００３０】
第一移動体及び第二移動体のいずれか一方又は両方が上記回転盤外に回動軸を有する回動アームに保持され、その回動アームの回動角を回転角度として検知する角度センサが設けられもよい。
【００３１】
上記角度センサは、磁石と磁気検出素子の組み合わせからなり、これら磁石と磁気検出素子のいずれか一方が上記回動アームに随伴して回動し、他方が固定であってもよい。
【００３２】
第一移動体及び第二移動体のいずれか一方又は両方の移動体の位置を検知するために、該移動体が当該案内溝に交差する固定アームに沿って直線移動自在に該固定アームに保持され、その移動体の直線移動距離を移動体の位置として検知する移動距離センサが設けられてもよい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３４】
（１）小型化できる。
【００３５】
（２）測定精度が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３７】
図１に示されるように、本発明に係る回転角度測定装置は、回転角度の測定対象である回転盤１と、回転盤１の片面に形成された第一案内溝２（図３（ａ）参照）と、回転盤１の反対面に形成された第二案内溝３（図３（ｂ）参照）と、回転盤１の回転に応じて第一案内溝２に案内されて移動する第一移動体４と、回転盤１の回転に応じて第二案内溝３に案内されて移動する第二移動体５と、第一移動体４から回転角度を検出する第一角度センサ６と、第二移動体５から回転角度を検出する第二角度センサ７と、両移動体の回転角度の組み合わせから回転盤１の絶対回転角度を演算する演算部８とを備えたものである。
【００３８】
図２に示されるように、各案内溝２，３は、回転盤１の端面を断面の輪郭がＵ字状、Ｖ字状、あるいはその他の形状に刻まれたものである。各移動体４，５は、案内溝２，３に嵌り込むピンを有し、そのピンにより溝幅方向への移動が規制され、溝に沿った方向には摺動して移動することが可能である。よって、各移動体４，５は、いわゆるトラッキングの動作、すなわち図３（ａ）、図３（ｂ）の溝形状をなぞるように回転盤１と相対移動する。
【００３９】
図１の実施形態では、第一移動体４が回転盤１外に回動軸を有する回動アーム９に保持され、その回動アーム９の回動角を第一移動体４の回転角度として検知する角度センサ１０が回動アーム９の回動軸部分に設けられる。第一移動体４が第一案内溝２に案内されて径方向に移動すると回動アーム９の回動角が変化するので、回動アーム９の回動角を第一移動体４の回転角度として検知することができる。よって、角度センサ１０は第一角度センサ６の働きをする。同様に、第二移動体５が回転盤１外に回動軸を有する回動アーム１１に保持され、その回動アーム１１の回動角を第二移動体５の回転角度として検知する角度センサ１２が回動アーム１１の回動軸部分に設けられる。角度センサ１２は第二角度センサ７の働きをする。
【００４０】
図２に示されるように、角度センサ１０，１２は、いずれも磁石１３と磁気検出素子１４の組み合わせからなり、磁石１３が回動アーム９，１１に随伴して回動し、磁気検出素子１４が図示しない固定系に固定される。磁気検出素子１４としては、ホール素子、磁気抵抗素子（例えば、半導体ＭＲ素子）などがある。これにより、角度センサの出力が回動アーム９，１１の回動角、すなわち移動体４，５の回転角度として取り出され、演算部８においてその時間変化波形を処理することができる。
【００４１】
回転盤１の中心部は貫通穴１５になっており、例えば、この貫通穴１５にステアリングシャフト（図示せず）を嵌入することにより、回転盤１をステアリングシャフトに固定できる。ステアリングシャフトが時計回り・反時計回りに回転するとき、回転盤１も一体となって回転をする。ステアリングシャフトは一般に時計回り・反時計回りに３〜６回転させると、左右いっぱいに切れてロック・ツー・ロックするようになっているので、回転盤１が回転する回数も同程度である。この実施形態では、ステアリングシャフトのニュートラル位置から時計回り・反時計回りにそれぞれ３回転、合計６回転するものとする。よって、回転盤１の絶対回転角度（ニュートラル位置を０度と定義する）の測定範囲は−１０８０度から＋１０８０度である。
【００４２】
図３（ａ）に示されるように、第一案内溝２の形状は、周方向一方向の位置変化に対して径方向位置が一方向に変化する形状であり、渦巻線あるいは螺旋と呼ばれるものが含まれる。周方向位置の変化に対する径方向位置の変化はリニアであることが望ましい。この実施形態では、上述の測定範囲を実現するために、周方向位置が一方向に６周回する間は径方向位置が一方向に変化し続けるようになっている。
【００４３】
図３（ｂ）に示されるように、第二案内溝３の形状は、例えば起点Ａから見て、時計回りの方向の位置変化に対して径方向位置は内側方向に変化した後、折返点Ｂで折り返して外側方向に変化して終点Ａ’に至る形状である。同時に、第二案内溝３の形状は、１周を４個に等分割した周方向分割区間ごとに同じ部分形状があらわれる繰り返し形状である。すなわち、起点Ａ−折返点Ｂ−終点Ａ’の形状が起点Ａ’から繰り返される。分割個数は４に限らず、多い方が回転角度測定精度が高い。図示上、起点Ａ−折返点Ｂ、折返点Ｂ−終点Ａ’を結ぶ線は、直線に限らず、周方向位置の変化に対する径方向位置の変化がリニアであることが望ましい。
【００４４】
第一案内溝２が周方向一方向の位置変化に対して径方向位置が一方向に変化する形状であるため、回転盤１が一方向に回転し続けると第一移動体４は径方向一方向に移動し続ける。１回転目と２回転目とでは第一移動体４の径方向位置が大きく異なる。よって、演算部８は、あらかじめ記憶している第一移動体４の径方向位置と回転回数の関係に基づき、第一移動体４の位置から回転盤１の回転回数を検出することができる。回転盤１の片面に設けられる第一案内溝２その他の部材は、回転盤１の回転回数検出用センサと呼べる。
【００４５】
第二案内溝３は、周方向一方向の位置変化に対して、径方向位置が内側方向に変化してから外側方向に変化するという変化を４個の周方向分割区間ごとに繰り返す形状であるため、回転盤１が１回転する間に、第二移動体５は径方向に４往復の移動をする。回転盤１の２回転以降も同じ移動が繰り返される。周方向分割区間の１個分である１／４回転の間に、同じ径方向位置が２回現れる（反転する位置を除く）が変化方向が内側方向か外側方向かで区別できる。よって、演算部８は、あらかじめ記憶している第二移動体５の径方向位置と周方向分割区間内回転角度の関係に基づき、第二移動体５の位置から回転盤１の分割区間内回転角度を検出することができる。回転盤１の第二案内溝３その他の部材は、回転盤１の分割区間内回転角度検出用センサと呼べる。
【００４６】
以下、本発明に係る回転角度測定装置の動作を図４を参照しつつ説明する。
【００４７】
いま、絶対回転角度で表されるステアリングシャフトの操舵角が０度であるとする。このとき第一移動体４が第一案内溝２の径方向内外の中途に位置しているものとし、角度センサ１０（第一角度センサ６）が検出する回動アーム９の回動角（第一移動体４の回転角度）は、これから述べる値の変化範囲の中央にあるものとする。第二移動体５も第二案内溝３の最も径方向内側に位置しているものとし、角度センサ１２（第二角度センサ７）が検出する回動アーム１１の回動角（第二移動体５の回転角度）が最も小さいとする。この状態は、図４の左右中央に相当する。以上を開始状態とする。
【００４８】
この開始状態より、ステアリングシャフトをある方向に操作した時、操舵角が増えていくと、第一移動体４が第一案内溝２に案内されて外側に移動していく。これに伴い回動アーム９の回動角が増えていくので、実線で示した回転回数検出用センサ波形は右肩上がりの単調増加線となり、ステアリングシャフトが３回転された１０８０度で最大となる。一方、第二移動体５は第二案内溝３に案内されていったん外側へ、その後内側へと規則的に繰り返し移動する。これに伴い回動アーム１１の回動角が周期的に増減し、破線で示した分割区間内回転角度検出用センサ波形は、ステアリングシャフトが１／４回転、すなわち９０度の区間に１回ずつ、３回転で１２回繰り返す連続三角波となる。
【００４９】
上記開始状態より、ステアリングシャフトを反対方向に操作した時、操舵角が増えていくと、第一移動体４が第一案内溝２に案内されて内側に移動していく。これに伴い回動アーム９の回動角が減っていくので、実線で示した回転回数検出用センサ波形は左肩下がりの単調減少線となり、ステアリングシャフトが３回転された−１０８０度で最大となる。一方、第二移動体５は第二案内溝３に案内されていったん外側へ、その後内側へと規則的に繰り返し移動する。これに伴い回動アーム１１の回動角が周期的に増減し、破線で示した分割区間内回転角度検出用センサ波形は、ステアリングシャフトが１／４回転、すなわち９０度の区間に１回ずつ、３回転で１２回繰り返す連続三角波となる。
【００５０】
以上の動作をまとめると、ステアリングシャフトを右回りに３回転、左回りに３回転させて、±１０８０度の回転角度で操舵した時、図４の波形が得られる。
【００５１】
演算部８は、第一移動体４の径方向位置と回転回数の関係と、第二移動体５の径方向位置と周方向分割区間内回転角度の関係とを組み合わせることにより、絶対回転角度を演算することができる。
【００５２】
その組み合わせの演算の方法として、例えば、角度センサ１０（第一角度センサ６）の出力値Ｖ１でもって点Ｐ１を求め、２４個の三角波の中からこの点Ｐ１が投影される三角波を選抜し、この三角波について角度センサ１２（第二角度センサ７）の出力値Ｖ２でもって点Ｐ２を求める。点Ｐ１のみでも絶対回転角度を粗く表しているが、点Ｐ２を求めることにより、絶対回転角度の精度（解像度）を高めることができる。
【００５３】
あるいは、図４の２つの波形を別個に処理し、まず、角度センサ１０の出力値Ｖ１から１／４回転刻みで表す回転回数を求め、角度センサ１２出力値Ｖ２からその１／４回転刻みの回転回数における回転角度を求めて絶対回転角度としてもよい。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態の回転角度測定装置は、回転の伝達のために歯車を使用せず、回転盤の案内溝を移動体でトラッキングさせるようにしたので、歯車間のがたつきによる精度低下を解消できる。
【００５５】
また、回転盤の両面に異なる形状の溝を設けたので、２つの移動体の振る舞いを異ならせることができ、長いスパンで変化することにより広い測定角度範囲をカバーするセンサ出力と、短いスパンで急峻に変化することにより高い解像度をもたらすセンサ出力とを得て組み合わせることができる。この結果、測定精度の高い回転角度測定装置を実現できる。
【００５６】
また、特許文献１，２の回転角度測定装置や先願の回転角度測定装置は、回転体の外側に歯車を並べるので広い空間を必要としたが、本発明では歯車がなくなったので、回転角度測定装置をより小型化することができる。
【００５７】
また、移動体を回動アームに保持させたので、移動体は確実に案内溝をトラッキングすることができると共に、案内溝をトラッキングする移動体の軌跡は円弧を描き、回動アームの回動角でもって回転角度を知ることができる。
【００５８】
また、角度センサに、磁石と磁気検出素子との相対角度による磁気変化を検出する方式を採用することにより、回転が停止していても回転角度が検出でき、回転方向の検出も可能である。
【００５９】
本発明の他の実施形態を説明する。
【００６０】
前述の実施形態では、移動体を回動アームに保持させ、回動アームの回動角を移動体の回転角度としたが、移動体が直線移動する構成をとることもできる。すなわち、案内溝に交差する固定アームを設けておき、移動体は固定アームに沿って直線移動自在に該固定アームに保持させる。
【００６１】
この回転角度測定装置によれば、移動体の直線移動距離から回転角度を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施形態による回転角度測定装置の基本構成を示す斜視図である。
【図２】図１の回転角度測定装置における案内溝と移動体の係わり合い及び角度センサの構成を示す断面図である。
【図３】図１の回転角度測定装置における案内溝の形状を示す図であり、（ａ）は第一案内溝がある面の平面図、（ｂ）は第二案内溝がある面の平面図である。
【図４】図１の回転角度測定装置による絶対回転角度と各移動体位置センサの出力との関係を示した特性図である。
【図５】特許文献１の回転角度測定装置の要部斜視図である。
【図６】特許文献２の回転角度測定装置の要部斜視図である。
【図７】特許文献３の回転角度測定装置の要部平面図である。
【図８】本出願人が提案中の回転角度測定装置の基本構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  回転盤
２  第一案内溝
３  第二案内溝
４  第一移動体
５  第二移動体
６  第一角度センサ
７  第二角度センサ
８  演算部
９  回動アーム
１０  角度センサ
１１  回動アーム
１２  角度センサ
１３  磁石
１４  磁気検出素子
【図１】
2007147325.tif 000003
【図２】
2007147325.tif 000004
【図３】
2007147325.tif 000005
【図４】
2007147325.tif 000006
【図５】
2007147325.tif 000007
【図６】
2007147325.tif 000008
【図７】
2007147325.tif 000009
【図８】
2007147325.tif 000010