多回転角度検出装置
【課題】小型の多回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】鍔状のギア形成部１ａに歯数が異なる第１ギア１１及び第２ギア１２が同心に形成されたロータの回転軸Ｙ−Ｙを含む平面に対して、磁石１８を備えた第１従動ギア１３の回転軸Ｘ１−Ｘ１と、磁石１９を備えた第２従動ギア１４の回転軸Ｘ２−Ｘ２とをそれぞれ直交させて配置する。
【解決手段】鍔状のギア形成部１ａに歯数が異なる第１ギア１１及び第２ギア１２が同心に形成されたロータの回転軸Ｙ−Ｙを含む平面に対して、磁石１８を備えた第１従動ギア１３の回転軸Ｘ１−Ｘ１と、磁石１９を備えた第２従動ギア１４の回転軸Ｘ２−Ｘ２とをそれぞれ直交させて配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車のステアリングシャフトのように、３６０°を超える有限の角度範囲内で回転する多回転体の回転角を検出する多回転角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の多回転角度検出装置としては、ステアリングなどに連動して回転する回転体の歯車と、この歯車に係合する、歯数の異なる２つの歯車と、これらの２つの歯車のそれぞれに設けたマグネットと、これらのマグネットに対応する角度センサから構成され、これらの角度センサの測定結果に基づき、所定の演算式によって回転体の角度を測定するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表平１１−５００８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の回転角度検出装置は、回転体の歯車と、この歯車に係合する、歯数の異なる２つの歯車とが１つの平面におかれているため、多回転角度検出装置の外形寸法が大きくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、その目的は、外形寸法が小さい多回転角度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記の課題を解決するため、鍔状のギア形成部に歯数が異なる第１ギア及び第２ギアが同心に形成されたロータと、このロータの回転軸を含む平面と直交する第１回転軸を有し、前記第１ギアと噛み合わされた第１従動ギアと、前記平面と直交する第２回転軸を有し、前記第２ギアと噛み合わされた第２従動ギアと、前記第１従動ギアに取り付けられた第１磁石と、前記第２従動ギアに取り付けられた第２磁石と、前記第１従動ギアの磁石取付面及び前記第２従動ギアの磁石取付面と対向に配置された回路基板と、該回路基板上の前記第１磁石と対向する位置に配置された第１磁気検出素子と、前記回路基板上の前記第２磁石と対向する位置に配置された第２磁気検出素子と、これらの各部材を収納するハウジングとを備えるという構成にした。
【０００７】
かかる構成によると、ロータの回転軸を含む平面に対して第１及び第２の従動ギアの第１及び第２の回転軸を直交させて第１及び第２の従動ギアを配置できるので、ロータの回転軸を含む平面に対して第１及び第２の従動ギアの磁石取付面をそれぞれ平行に配置できるため、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化することができる。また、１枚の回路基板に第１及び第２の磁気検出素子を実装するので、基板数を最小にすることができ、多回転角度検出装置の低コスト化を図ることができる。さらに、第１ギア及び第１従動ギアのいずれか一方の歯、若しくは、第２ギア及び第２従動ギアのいずれか一方の歯に破損や欠けなどが生じた場合にも、第１従動ギアの回転に対応する第１磁気検出素子からの検出信号と第２従動ギアの回転に対応する第２磁気検出素子からの検出信号とを比較することによって故障を検出することができるので、信頼性及びフェールセーフ性に優れた多回転角度検出装置とすることができる。
【０００８】
また本発明は、前記第１ギア及び第２ギアが前記ギア形成部の下面側に形成された構成にした。
【０００９】
かかる構成によると、第１及び第２の従動ギアとロータとを収納するハウジングの側面形状を略Ｌ字形状とすることができ、多回転角度検出装置の平面サイズをさらに小型化できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の多回転角度検出装置は、鍔状のギア形成部に歯数が異なる第１及び第２ギアが同心に形成されたロータの回転軸を含む平面に対して、第１従動ギア及び第２従動ギアの第１及び第２回転軸を直交させ、第１及び第２従動ギアをそれぞれ配置するので、第１及び第２従動ギアの磁石取付面をロータの回転軸を含む平面に対して平行に配置できるため、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例に係る多回転角度検出装置の平面カバーを取り外した状態の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】実施例に係る多回転角度検出装置の側面カバーを取り外した状態の側面図である。
【図４】実施例に係る多回転角度検出装置が採用可能な第１ギアと第１従動ギアの歯数の組合わせ及び第２ギアと第２従動ギアの歯数の組合せを例示する表図である。
【図５】変形例に係る多回転角度検出装置の平面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】変形例に係る多回転角度検出装置の側面カバーを取り外した状態の側面図である。
【図８】他の変形例に係る多回転角度検出装置のロータに対する第１従動ギア及び第２従動ギアの配列を示す模式図である。
【図９】本発明に係る多回転角度検出装置の回転角検出フローを示す図である。
【図１０】本発明に係る多回転角度検出装置におけるロータの絶対角と磁気検出素子から出力される角度信号との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、実施形態に係る多回転角度検出装置の機械的構成を、実施例を挙げて説明する。
【００１３】
〈実施例〉
実施例に係る多回転角度検出装置は、図１〜図３に示すように、ロータ１と一体に形成された鍔状のギア形成部１ａの下面側に、第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４を配置したことを特徴とする。
【００１４】
即ち、実施例に係る多回転角度検出装置は、例えばステアリングシャフトなどの回転体に取り付けられ、回転体と一体的に回転する円筒状のロータ１と、このロータ１を回転可能に保持し、回転体の周囲に配置された図示しない固定部に固定されるハウジング（ステータ）２とを有している。ハウジング２は、ケース３と平面カバー４ａと側面カバー４ｂとの組合せにより構成されており、図２に示すように、側面方向から見てＬ字形状に形成されている。ロータ１及びハウジング２は、いずれも合成樹脂材料をもって形成される。このうち、ロータ１は、円滑に回転させるという観点や優れた摺動摩耗性をもたせるという観点などから、例えばポリアセタールなどをもって形成される。第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４も同様であるが、これらはロータ１と異なる材料から構成されるのが好ましい。
【００１５】
ロータ１の外面には、鍔状のギア形成部１ａが一体に形成されており、このギア形成部１ａの下面側には、互いに歯数が異なる第１ギア１１及び第２ギア１２が、回転体の回転軸、即ち、ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙに関して同心に形成されている。第２ギア１２の外周側に形成され、第２ギア１２よりも歯数が多い第１ギヤ１１には、第１従動ギア１３が噛み合わされ、第１ギヤ１１の内周側に形成され、第１ギア１１よりも歯数が少ない第２ギヤ１２には、第２従動ギア１４が噛み合わされる。これら第１及び第２の従動ギア１３，１４は、図１及び図２に示すように、ケース３に回転可能に保持される。
【００１６】
ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面と第１従動ギア１３の回転軸Ｘ１−Ｘ１とは、互いに直交するように配置され、同様に、ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面と第２従動ギア１４の回転軸Ｘ２−Ｘ２とは、互いに直交するように配置されて、その結果、回転軸Ｘ１−Ｘ１と回転軸Ｘ２−Ｘ２とが互いに平行に配置される。したがって、第１ギア１１とこれに噛み合う第１従動ギア１３、及び第２ギア１２とこれに噛み合う第２従動ギア１４としては、直交交差軸用歯車又は直交食い違い軸用歯車が用いられる。直交交差軸用歯車としては、すぐばかさ歯車又はまがりばかさ歯車フェースギヤなどがあり、直交食い違い軸用歯車としては、フェースギアなどが用いられる。ここで、いずれの歯車を用いるかは、求められる装置の外形形状に合わせて適宜選択される。
【００１７】
このように構成すると、第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とは、図１に示すように、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａと、第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａとが同一平面上に並ぶように配置させることができる。したがって、第１及び第２従動ギア１３，１４とロータ１とを収納するハウジング２の側面形状を略Ｌ字形状とすることができ、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化できる。なお、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａには、第１磁石１８が取り付けられ、第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａには、第２磁石１９が取り付けられる。これら第１及び第２の磁石１８，１９は、リング状に形成されており、それぞれ第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａ及び第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａに埋め込まれる。
【００１８】
ハウジング２内の、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａ及び第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａと対向する部分には回路基板２２が配置され、該回路基板２２の第１磁石１８と対向する部分には、第１従動ギア１３の回転に伴う磁場の変化を検出する第１磁気検出素子２０が配置されると共に、第２磁石１９と対向する部分には、第２従動ギア１４の回転に伴う磁場の変化を検出する第２磁気検出素子２１が配置される。これらの磁気検出素子２０，２１としては、磁界の強さの変化の影響をあまり受けず、温度的安定性が高いことから、ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive：巨大磁気抵抗）センサが用いられる。なお、回路基板２２には、第１、第２磁気検出素子２０，２１の検出信号からロータ１の回転角度を算出するマイクロプロセッサ２３も備えられる。
【００１９】
第１ギア１１の歯数は、ロータ１の最大回転数をＮ（Ｎは整数）、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比をｎ（ｎは整数）とするとき、Ｎ×ｎのｍ倍（ｍは整数）で構成されている。本実施例では、例えば、ロータ１が中立位置から左右に２回転ずつ回転する間（最大回転数Ｎ＝４）の絶対角を検出するものとし、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比をｎ＝２、ｍの値を８とすると、歯数が６４（４×２（＝８）の８倍）となる。
【００２０】
これに対して、第２ギア１２の歯数はＮ×ｎ−１のｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成されている。本実施例では、歯数が５６（４×２−１（＝７）の８倍）で形成されている。
【００２１】
なお、第１ギア１１及び第２ギア１２の歯数の組合せは、前記組合わせに限定されるものではなく、図４に示す他の組合せとすることもできる。
【００２２】
第１従動ギア１３は、第１ギア１１が上述の構成を有するものとするとき、歯数が第１ギア部１１と第２ギア１２とのそれぞれの歯数差のＮ倍で構成されている。本実施例では、Ｎ＝４であり、歯数差が６４−５６＝８であるから、第１従動ギア１３の歯数は４×８＝３２で構成されている。
【００２３】
第２従動ギア１４の歯数は、第２ギア１１が上述の構成を有するものとするとき、第１従動ギア１３と同様に構成されており、本実施例では３２となる。
【００２４】
本例の多回転角度検出装置は、ギア形成部１ａの下方に第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４を配置するので、ギア形成部１ａの外周側に第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４を配置する場合に比べて、ハウジング２の平面サイズＬを小型化できる。また、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａと第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａとを同一平面上に並べるので、１枚の回路基板２２に第１及び第２の磁気検出素子２０，２１を実装することができて、多回転角度検出装置の低コスト化を図ることができる。
【００２５】
〈変形例〉
上記実施例の変形例に係る多回転角度検出装置は、図５〜図７に示すように、ロータ１と一体に形成された鍔状のギア形成部１ａの下面側に第１従動ギア１３を配置すると共に、ギア形成部１ａの上面側に第２従動ギア１４を配置したものである。本変形例においては、ギア形成部１ａの下面側に第１ギア１１が形成され、上面側に第２ギア１２が形成される。第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とは、ギア形成部１ａの同一の半径上に配置され、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａと第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａとが同一平面上に並べられる。本例の場合、ハウジング２の側面形状は、図６に示すように、略Ｔ字状になる。その他については、実施例に係る多回転角度検出装置と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
実施例の他の変形例に係る多回転角度検出装置は、図８に模式的に示すように、ロータ１と一体に形成された鍔状のギア形成部１ａの上面側に第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とを配置したものである。本変形例においては、ギア形成部１ａの上面側に第１ギア１１及び第２ギア１２が形成される。本例の場合、ハウジング２の側面形状は、実施例に係る多回転角度検出装置とは反対向きの略Ｌ字状になる。その他については、実施例に係る多回転角度検出装置と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
【００２７】
次に、上述のように構成された多回転角度検出装置によって行われる回転角の検出処理について説明する。
【００２８】
マイクロプロセッサ２３は、第１磁気検出素子２０及び第２磁気検出素子２１の出力信号に基づいて、図１０（ａ）に示すように、第１従動ギア１３が０度から３６０度まで回転する間に出力値が０％から１００％までリニアに変化する第１角度信号Ａ１、及び第２従動ギア１４が０度から３６０度まで回転する間に出力値が０％から１００％までリニアに変化する第２角度信号Ａ２とを算出する。第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４の回転が２回転目となると、それぞれ出力値が０％に不連続的に戻り、各従動ギア１３，１４の回転とともに再びリニアに増加する。
【００２９】
また、マイクロプロセッサ２３は、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２に基づいて、ロータ１の絶対回転角を算出するための演算処理を行う。この演算処理は、図９に示すように、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２とを検出してこれらの差分を計算する第１のステップ（Ｓ１）と、この差分を補正する第２のステップ（Ｓ２）と、ロータ１の絶対角を算出する第３のステップ（Ｓ３）とからなる。
【００３０】
ロータ１の回転に対して、第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とが互いに異なる回転速度で回転するので、回転角の値にずれが生じて第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２との間に差が生じてくる。そこで、第１のステップ（Ｓ１）では、図１０（ｂ）に示すように、第１角度信号Ａ１の出力値から第２角度信号Ａ２の出力値を差し引いて、差分信号Ａ３を算出する処理を行う。この差分信号Ａ３はロータ１の絶対角によって異なる値となり、ロータ１が４回転すると第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とは、１回転分の回転角度差となって、差分信号Ａ３は再び０となる。
【００３１】
第２のステップ（Ｓ２）では、図１０（ｃ）に示すように、差分信号Ａ３が負の値を示しているときにこの差分値に１００を加えて補正値信号Ａ４を算出する処理を行う。この補正値信号Ａ４も、検出すべき絶対角の全範囲と１対１で対応しており、その間０％から１００％までリニアに変化する値となる。
【００３２】
第３のステップ（Ｓ３）は、補正信号Ａ４に基づいて１回転を超えるロータ１、即ち回転体の絶対角を検出する処理を行う。
【００３３】
次に、本実施形態に係る多回転角度検出装置を自動車用ステアリングシャフトの回転角検出に適用した場合の回転角検出方法について説明する。
【００３４】
運転者が自動車のハンドルを回転すると、ハンドルと一体にロータ１が回転し、第１ギア１１を介して第１従動ギア１３が回転すると共に、第２ギア１２を介して第２従動ギア１４が回転する。
【００３５】
この際、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比が「２」に設定されているとすると、第１従動ギア１３は、ロータ部１が１８０度回転する度に１回転する。そこで、この間の第１角度信号Ａ１は、０％から１００％まで変化する三角波であらわされる。ロータ１が４回転して絶対角が０度から１４４０度の間を変化する間には、第１従動ギア１３が８回転するので、この三角波は、図１０（ａ）に示すように全体で８周期となる。これに対して、第２ギア１２と第２従動ギア１４とのギア比が「１．７５」に設定されているとすると、第２従動ギア１４は、ロータ１が４回転する間に７回転するので、第２角度信号Ａ２は、図１０（ａ）に示すようにこの三角波の周期は全体で７周期となる。
【００３６】
第１角度信号Ａ１及び第２角度信号Ａ２に対して第１のステップ（Ｓ１）の処理では、図１０（ｂ）に示すように、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ１との出力差である差分信号Ａ３を算出する。この差分信号Ａ３は負の範囲を有するので、この値を第２ステップ（Ｓ２）で補正して、図１０（ｃ）に示すような補正値信号Ａ４を算出する。続いて、第３ステップ（Ｓ３）において、補正値信号Ａ４に基づいて１回転を超えるロータ１、即ち回転体の絶対角を検出する処理を行う。
【００３７】
このように、実施例及び変形例に係る多回転角度検出装置は、ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面に対して、第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４の第１及び第２回転軸Ｘ１−Ｘ１，Ｘ２−Ｘ２を直交させて、第１及び第２従動ギア１３，１４をそれぞれ配置するので、第１及び第２従動ギア１３，１４の磁石取付面１３ａ，１４ａをロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面に対して平行に配置できるため、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化できる。また、ロータ１の回転に伴って第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４を回転駆動し、これらの各従動ギア１３，１４の回転を第１及び第２の磁気検出素子２０，２１にて検出するようにしたので、第１ギア１１と第１従動ギア１３のいずれか一方の歯、若しくは、第２ギア１２と第２従動ギア１４のいずれか一方の歯に破損又は欠けが生じた場合にも、第１従動ギア１３に対応する第１磁気検出素子２０からの検出信号と第２従動ギア１４に対応する第２磁気検出素子２１からの検出信号とを比較することによって故障を検出することができるので、信頼性及びフェールセーフ性に優れる。
【００３８】
なお、本発明の要旨は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施例に係る多回転角度検出装置は自動車用としているが、自動車に限られるものではなく、電車や船等の他の乗物にも適用することができる。また、上述の各実施例では、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比が「２」で、第２ギア１２と第２従動ギア１４とのギア比が「１．７５」である場合を例にとって説明したが、その他のギヤ比とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、自動車におけるステアリングシャフトの回転角検出などに利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１ ロータ
１ａ ギア形成部
２ ハウジング（ステータ）
１１ 第１ギア
１２ 第２ギア
１３ 第１従動ギア
１４ 第２従動ギア
１８ 第１磁石
１９ 第２磁石
２０ 第１磁気検出素子
２１ 第２磁気検出素子
２２ 回路基板
２３ マイクロプロセッサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車のステアリングシャフトのように、３６０°を超える有限の角度範囲内で回転する多回転体の回転角を検出する多回転角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の多回転角度検出装置としては、ステアリングなどに連動して回転する回転体の歯車と、この歯車に係合する、歯数の異なる２つの歯車と、これらの２つの歯車のそれぞれに設けたマグネットと、これらのマグネットに対応する角度センサから構成され、これらの角度センサの測定結果に基づき、所定の演算式によって回転体の角度を測定するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表平１１−５００８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の回転角度検出装置は、回転体の歯車と、この歯車に係合する、歯数の異なる２つの歯車とが１つの平面におかれているため、多回転角度検出装置の外形寸法が大きくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、その目的は、外形寸法が小さい多回転角度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記の課題を解決するため、鍔状のギア形成部に歯数が異なる第１ギア及び第２ギアが同心に形成されたロータと、このロータの回転軸を含む平面と直交する第１回転軸を有し、前記第１ギアと噛み合わされた第１従動ギアと、前記平面と直交する第２回転軸を有し、前記第２ギアと噛み合わされた第２従動ギアと、前記第１従動ギアに取り付けられた第１磁石と、前記第２従動ギアに取り付けられた第２磁石と、前記第１従動ギアの磁石取付面及び前記第２従動ギアの磁石取付面と対向に配置された回路基板と、該回路基板上の前記第１磁石と対向する位置に配置された第１磁気検出素子と、前記回路基板上の前記第２磁石と対向する位置に配置された第２磁気検出素子と、これらの各部材を収納するハウジングとを備えるという構成にした。
【０００７】
かかる構成によると、ロータの回転軸を含む平面に対して第１及び第２の従動ギアの第１及び第２の回転軸を直交させて第１及び第２の従動ギアを配置できるので、ロータの回転軸を含む平面に対して第１及び第２の従動ギアの磁石取付面をそれぞれ平行に配置できるため、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化することができる。また、１枚の回路基板に第１及び第２の磁気検出素子を実装するので、基板数を最小にすることができ、多回転角度検出装置の低コスト化を図ることができる。さらに、第１ギア及び第１従動ギアのいずれか一方の歯、若しくは、第２ギア及び第２従動ギアのいずれか一方の歯に破損や欠けなどが生じた場合にも、第１従動ギアの回転に対応する第１磁気検出素子からの検出信号と第２従動ギアの回転に対応する第２磁気検出素子からの検出信号とを比較することによって故障を検出することができるので、信頼性及びフェールセーフ性に優れた多回転角度検出装置とすることができる。
【０００８】
また本発明は、前記第１ギア及び第２ギアが前記ギア形成部の下面側に形成された構成にした。
【０００９】
かかる構成によると、第１及び第２の従動ギアとロータとを収納するハウジングの側面形状を略Ｌ字形状とすることができ、多回転角度検出装置の平面サイズをさらに小型化できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の多回転角度検出装置は、鍔状のギア形成部に歯数が異なる第１及び第２ギアが同心に形成されたロータの回転軸を含む平面に対して、第１従動ギア及び第２従動ギアの第１及び第２回転軸を直交させ、第１及び第２従動ギアをそれぞれ配置するので、第１及び第２従動ギアの磁石取付面をロータの回転軸を含む平面に対して平行に配置できるため、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例に係る多回転角度検出装置の平面カバーを取り外した状態の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】実施例に係る多回転角度検出装置の側面カバーを取り外した状態の側面図である。
【図４】実施例に係る多回転角度検出装置が採用可能な第１ギアと第１従動ギアの歯数の組合わせ及び第２ギアと第２従動ギアの歯数の組合せを例示する表図である。
【図５】変形例に係る多回転角度検出装置の平面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】変形例に係る多回転角度検出装置の側面カバーを取り外した状態の側面図である。
【図８】他の変形例に係る多回転角度検出装置のロータに対する第１従動ギア及び第２従動ギアの配列を示す模式図である。
【図９】本発明に係る多回転角度検出装置の回転角検出フローを示す図である。
【図１０】本発明に係る多回転角度検出装置におけるロータの絶対角と磁気検出素子から出力される角度信号との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、実施形態に係る多回転角度検出装置の機械的構成を、実施例を挙げて説明する。
【００１３】
〈実施例〉
実施例に係る多回転角度検出装置は、図１〜図３に示すように、ロータ１と一体に形成された鍔状のギア形成部１ａの下面側に、第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４を配置したことを特徴とする。
【００１４】
即ち、実施例に係る多回転角度検出装置は、例えばステアリングシャフトなどの回転体に取り付けられ、回転体と一体的に回転する円筒状のロータ１と、このロータ１を回転可能に保持し、回転体の周囲に配置された図示しない固定部に固定されるハウジング（ステータ）２とを有している。ハウジング２は、ケース３と平面カバー４ａと側面カバー４ｂとの組合せにより構成されており、図２に示すように、側面方向から見てＬ字形状に形成されている。ロータ１及びハウジング２は、いずれも合成樹脂材料をもって形成される。このうち、ロータ１は、円滑に回転させるという観点や優れた摺動摩耗性をもたせるという観点などから、例えばポリアセタールなどをもって形成される。第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４も同様であるが、これらはロータ１と異なる材料から構成されるのが好ましい。
【００１５】
ロータ１の外面には、鍔状のギア形成部１ａが一体に形成されており、このギア形成部１ａの下面側には、互いに歯数が異なる第１ギア１１及び第２ギア１２が、回転体の回転軸、即ち、ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙに関して同心に形成されている。第２ギア１２の外周側に形成され、第２ギア１２よりも歯数が多い第１ギヤ１１には、第１従動ギア１３が噛み合わされ、第１ギヤ１１の内周側に形成され、第１ギア１１よりも歯数が少ない第２ギヤ１２には、第２従動ギア１４が噛み合わされる。これら第１及び第２の従動ギア１３，１４は、図１及び図２に示すように、ケース３に回転可能に保持される。
【００１６】
ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面と第１従動ギア１３の回転軸Ｘ１−Ｘ１とは、互いに直交するように配置され、同様に、ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面と第２従動ギア１４の回転軸Ｘ２−Ｘ２とは、互いに直交するように配置されて、その結果、回転軸Ｘ１−Ｘ１と回転軸Ｘ２−Ｘ２とが互いに平行に配置される。したがって、第１ギア１１とこれに噛み合う第１従動ギア１３、及び第２ギア１２とこれに噛み合う第２従動ギア１４としては、直交交差軸用歯車又は直交食い違い軸用歯車が用いられる。直交交差軸用歯車としては、すぐばかさ歯車又はまがりばかさ歯車フェースギヤなどがあり、直交食い違い軸用歯車としては、フェースギアなどが用いられる。ここで、いずれの歯車を用いるかは、求められる装置の外形形状に合わせて適宜選択される。
【００１７】
このように構成すると、第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とは、図１に示すように、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａと、第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａとが同一平面上に並ぶように配置させることができる。したがって、第１及び第２従動ギア１３，１４とロータ１とを収納するハウジング２の側面形状を略Ｌ字形状とすることができ、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化できる。なお、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａには、第１磁石１８が取り付けられ、第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａには、第２磁石１９が取り付けられる。これら第１及び第２の磁石１８，１９は、リング状に形成されており、それぞれ第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａ及び第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａに埋め込まれる。
【００１８】
ハウジング２内の、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａ及び第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａと対向する部分には回路基板２２が配置され、該回路基板２２の第１磁石１８と対向する部分には、第１従動ギア１３の回転に伴う磁場の変化を検出する第１磁気検出素子２０が配置されると共に、第２磁石１９と対向する部分には、第２従動ギア１４の回転に伴う磁場の変化を検出する第２磁気検出素子２１が配置される。これらの磁気検出素子２０，２１としては、磁界の強さの変化の影響をあまり受けず、温度的安定性が高いことから、ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive：巨大磁気抵抗）センサが用いられる。なお、回路基板２２には、第１、第２磁気検出素子２０，２１の検出信号からロータ１の回転角度を算出するマイクロプロセッサ２３も備えられる。
【００１９】
第１ギア１１の歯数は、ロータ１の最大回転数をＮ（Ｎは整数）、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比をｎ（ｎは整数）とするとき、Ｎ×ｎのｍ倍（ｍは整数）で構成されている。本実施例では、例えば、ロータ１が中立位置から左右に２回転ずつ回転する間（最大回転数Ｎ＝４）の絶対角を検出するものとし、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比をｎ＝２、ｍの値を８とすると、歯数が６４（４×２（＝８）の８倍）となる。
【００２０】
これに対して、第２ギア１２の歯数はＮ×ｎ−１のｍ倍（ｍは整数）の歯数で構成されている。本実施例では、歯数が５６（４×２−１（＝７）の８倍）で形成されている。
【００２１】
なお、第１ギア１１及び第２ギア１２の歯数の組合せは、前記組合わせに限定されるものではなく、図４に示す他の組合せとすることもできる。
【００２２】
第１従動ギア１３は、第１ギア１１が上述の構成を有するものとするとき、歯数が第１ギア部１１と第２ギア１２とのそれぞれの歯数差のＮ倍で構成されている。本実施例では、Ｎ＝４であり、歯数差が６４−５６＝８であるから、第１従動ギア１３の歯数は４×８＝３２で構成されている。
【００２３】
第２従動ギア１４の歯数は、第２ギア１１が上述の構成を有するものとするとき、第１従動ギア１３と同様に構成されており、本実施例では３２となる。
【００２４】
本例の多回転角度検出装置は、ギア形成部１ａの下方に第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４を配置するので、ギア形成部１ａの外周側に第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４を配置する場合に比べて、ハウジング２の平面サイズＬを小型化できる。また、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａと第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａとを同一平面上に並べるので、１枚の回路基板２２に第１及び第２の磁気検出素子２０，２１を実装することができて、多回転角度検出装置の低コスト化を図ることができる。
【００２５】
〈変形例〉
上記実施例の変形例に係る多回転角度検出装置は、図５〜図７に示すように、ロータ１と一体に形成された鍔状のギア形成部１ａの下面側に第１従動ギア１３を配置すると共に、ギア形成部１ａの上面側に第２従動ギア１４を配置したものである。本変形例においては、ギア形成部１ａの下面側に第１ギア１１が形成され、上面側に第２ギア１２が形成される。第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とは、ギア形成部１ａの同一の半径上に配置され、第１従動ギア１３の磁石取付面１３ａと第２従動ギア１４の磁石取付面１４ａとが同一平面上に並べられる。本例の場合、ハウジング２の側面形状は、図６に示すように、略Ｔ字状になる。その他については、実施例に係る多回転角度検出装置と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
実施例の他の変形例に係る多回転角度検出装置は、図８に模式的に示すように、ロータ１と一体に形成された鍔状のギア形成部１ａの上面側に第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とを配置したものである。本変形例においては、ギア形成部１ａの上面側に第１ギア１１及び第２ギア１２が形成される。本例の場合、ハウジング２の側面形状は、実施例に係る多回転角度検出装置とは反対向きの略Ｌ字状になる。その他については、実施例に係る多回転角度検出装置と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
【００２７】
次に、上述のように構成された多回転角度検出装置によって行われる回転角の検出処理について説明する。
【００２８】
マイクロプロセッサ２３は、第１磁気検出素子２０及び第２磁気検出素子２１の出力信号に基づいて、図１０（ａ）に示すように、第１従動ギア１３が０度から３６０度まで回転する間に出力値が０％から１００％までリニアに変化する第１角度信号Ａ１、及び第２従動ギア１４が０度から３６０度まで回転する間に出力値が０％から１００％までリニアに変化する第２角度信号Ａ２とを算出する。第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４の回転が２回転目となると、それぞれ出力値が０％に不連続的に戻り、各従動ギア１３，１４の回転とともに再びリニアに増加する。
【００２９】
また、マイクロプロセッサ２３は、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２に基づいて、ロータ１の絶対回転角を算出するための演算処理を行う。この演算処理は、図９に示すように、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２とを検出してこれらの差分を計算する第１のステップ（Ｓ１）と、この差分を補正する第２のステップ（Ｓ２）と、ロータ１の絶対角を算出する第３のステップ（Ｓ３）とからなる。
【００３０】
ロータ１の回転に対して、第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とが互いに異なる回転速度で回転するので、回転角の値にずれが生じて第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ２との間に差が生じてくる。そこで、第１のステップ（Ｓ１）では、図１０（ｂ）に示すように、第１角度信号Ａ１の出力値から第２角度信号Ａ２の出力値を差し引いて、差分信号Ａ３を算出する処理を行う。この差分信号Ａ３はロータ１の絶対角によって異なる値となり、ロータ１が４回転すると第１従動ギア１３と第２従動ギア１４とは、１回転分の回転角度差となって、差分信号Ａ３は再び０となる。
【００３１】
第２のステップ（Ｓ２）では、図１０（ｃ）に示すように、差分信号Ａ３が負の値を示しているときにこの差分値に１００を加えて補正値信号Ａ４を算出する処理を行う。この補正値信号Ａ４も、検出すべき絶対角の全範囲と１対１で対応しており、その間０％から１００％までリニアに変化する値となる。
【００３２】
第３のステップ（Ｓ３）は、補正信号Ａ４に基づいて１回転を超えるロータ１、即ち回転体の絶対角を検出する処理を行う。
【００３３】
次に、本実施形態に係る多回転角度検出装置を自動車用ステアリングシャフトの回転角検出に適用した場合の回転角検出方法について説明する。
【００３４】
運転者が自動車のハンドルを回転すると、ハンドルと一体にロータ１が回転し、第１ギア１１を介して第１従動ギア１３が回転すると共に、第２ギア１２を介して第２従動ギア１４が回転する。
【００３５】
この際、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比が「２」に設定されているとすると、第１従動ギア１３は、ロータ部１が１８０度回転する度に１回転する。そこで、この間の第１角度信号Ａ１は、０％から１００％まで変化する三角波であらわされる。ロータ１が４回転して絶対角が０度から１４４０度の間を変化する間には、第１従動ギア１３が８回転するので、この三角波は、図１０（ａ）に示すように全体で８周期となる。これに対して、第２ギア１２と第２従動ギア１４とのギア比が「１．７５」に設定されているとすると、第２従動ギア１４は、ロータ１が４回転する間に７回転するので、第２角度信号Ａ２は、図１０（ａ）に示すようにこの三角波の周期は全体で７周期となる。
【００３６】
第１角度信号Ａ１及び第２角度信号Ａ２に対して第１のステップ（Ｓ１）の処理では、図１０（ｂ）に示すように、第１角度信号Ａ１と第２角度信号Ａ１との出力差である差分信号Ａ３を算出する。この差分信号Ａ３は負の範囲を有するので、この値を第２ステップ（Ｓ２）で補正して、図１０（ｃ）に示すような補正値信号Ａ４を算出する。続いて、第３ステップ（Ｓ３）において、補正値信号Ａ４に基づいて１回転を超えるロータ１、即ち回転体の絶対角を検出する処理を行う。
【００３７】
このように、実施例及び変形例に係る多回転角度検出装置は、ロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面に対して、第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４の第１及び第２回転軸Ｘ１−Ｘ１，Ｘ２−Ｘ２を直交させて、第１及び第２従動ギア１３，１４をそれぞれ配置するので、第１及び第２従動ギア１３，１４の磁石取付面１３ａ，１４ａをロータ１の回転軸Ｙ−Ｙを含む平面に対して平行に配置できるため、多回転角度検出装置の平面サイズを小型化できる。また、ロータ１の回転に伴って第１従動ギア１３及び第２従動ギア１４を回転駆動し、これらの各従動ギア１３，１４の回転を第１及び第２の磁気検出素子２０，２１にて検出するようにしたので、第１ギア１１と第１従動ギア１３のいずれか一方の歯、若しくは、第２ギア１２と第２従動ギア１４のいずれか一方の歯に破損又は欠けが生じた場合にも、第１従動ギア１３に対応する第１磁気検出素子２０からの検出信号と第２従動ギア１４に対応する第２磁気検出素子２１からの検出信号とを比較することによって故障を検出することができるので、信頼性及びフェールセーフ性に優れる。
【００３８】
なお、本発明の要旨は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施例に係る多回転角度検出装置は自動車用としているが、自動車に限られるものではなく、電車や船等の他の乗物にも適用することができる。また、上述の各実施例では、第１ギア１１と第１従動ギア１３とのギア比が「２」で、第２ギア１２と第２従動ギア１４とのギア比が「１．７５」である場合を例にとって説明したが、その他のギヤ比とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、自動車におけるステアリングシャフトの回転角検出などに利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１ ロータ
１ａ ギア形成部
２ ハウジング（ステータ）
１１ 第１ギア
１２ 第２ギア
１３ 第１従動ギア
１４ 第２従動ギア
１８ 第１磁石
１９ 第２磁石
２０ 第１磁気検出素子
２１ 第２磁気検出素子
２２ 回路基板
２３ マイクロプロセッサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍔状のギア形成部に歯数が異なる第１ギア及び第２ギアが同心に形成されたロータと、このロータの回転軸を含む平面と直交する第１回転軸を有し、前記第１ギアと噛み合わされた第１従動ギアと、前記平面と直交する第２回転軸を有し、前記第２ギアと噛み合わされた第２従動ギアと、前記第１従動ギアに取り付けられた第１磁石と、前記第２従動ギアに取り付けられた第２磁石と、前記第１従動ギアの磁石取付面及び前記第２従動ギアの磁石取付面と対向すり位置に配置された回路基板と、該回路基板上の前記第１磁石と対向する位置に配置された第１磁気検出素子と、前記回路基板上の前記第２磁石と対向する位置に配置された第２磁気検出素子と、これらの各部材を収納するハウジングとを備えたことを特徴とする多回転角度検出装置。
【請求項２】
前記第１ギア及び前記第２ギアが前記ギア形成部の下面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の多回転角度検出装置。
【請求項１】
鍔状のギア形成部に歯数が異なる第１ギア及び第２ギアが同心に形成されたロータと、このロータの回転軸を含む平面と直交する第１回転軸を有し、前記第１ギアと噛み合わされた第１従動ギアと、前記平面と直交する第２回転軸を有し、前記第２ギアと噛み合わされた第２従動ギアと、前記第１従動ギアに取り付けられた第１磁石と、前記第２従動ギアに取り付けられた第２磁石と、前記第１従動ギアの磁石取付面及び前記第２従動ギアの磁石取付面と対向すり位置に配置された回路基板と、該回路基板上の前記第１磁石と対向する位置に配置された第１磁気検出素子と、前記回路基板上の前記第２磁石と対向する位置に配置された第２磁気検出素子と、これらの各部材を収納するハウジングとを備えたことを特徴とする多回転角度検出装置。
【請求項２】
前記第１ギア及び前記第２ギアが前記ギア形成部の下面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の多回転角度検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２６９６６７（Ｐ２０１０−２６９６６７Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２２３８２（Ｐ２００９−１２２３８２）
【出願日】平成２１年５月２０日（２００９．５．２０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２０日（２００９．５．２０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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