JP2010286299A - 回転角センサ - Google Patents

Abstract

【課題】バックラッシを小さくしてロータの絶対角度を精度よく検出することができる回転角センサを提供すること。
【解決手段】回転可能に配設され、回転軸を回転中心とした歯車部２４、２５を有するロータ６と、歯車部２４、２５に歯合し、ロータ６の回転との回転比が互いに異なる第１の従動歯車７および第２の従動歯車８と、第１の従動歯車７および第２の従動歯車８によりロータ６が押圧される方向に、第１の従動歯車７および第２の従動歯車８を付勢する保持板１３とを備え、第１の従動歯車７および第２の従動歯車８の回転角に応じてロータ６の絶対角に応じた信号を出力する構成とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転角センサに関し、特に、ハンドル等の操舵角を検出する回転角センサに関する。

従来、回転角センサにおいて、ハンドル等の操舵角を絶対角で検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この回転角センサは、ハンドルの回転軸に連結され、外周に歯数の異なる２段歯車で構成されたロータと、ロータの各歯車にそれぞれ歯合する第１、第２の従動歯車と、第１、第２の従動歯車のそれぞれの回転角に応じた出力値を検出する第１、第２の回転角検出部とを備え、第１、第２の回転角検出部から出力された第１、第２の従動歯車の回転角の出力値からロータの絶対角を検出するように構成されている。

特開２００４−３４０６７７号公報

しかしながら、上記したような従来の回転角センサにおいては、ロータと第１、第２の従動歯車との間に設けられたバックラッシにより、ロータの絶対角を精度よく検出することが困難であった。すなわち、ロータと第１、第２の従動歯車との間のバックラッシにより、ロータが回転してもバックラッシによるがたつき分だけ第１、第２の従動歯車が回転しないため、回転方向にヒステリシスが生じ、回転角度の検出精度を高めることが困難となっていた。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、バックラッシを小さくしてロータの絶対角度を精度よく検出することができる回転角センサを提供することを目的とする。

本発明の回転角センサは、回転可能に配設され、回転軸を回転中心とした歯車部を有するロータと、前記歯車部に歯合し、前記ロータの回転との回転比が互いに異なる第１の従動歯車および第２の従動歯車と、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車により前記ロータが押圧される方向に、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車を付勢する付勢部材とを備え、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転角に応じて前記ロータの絶対角に応じた信号を出力することを特徴とする。

この構成によれば、付勢部材の付勢力によりロータが第１の従動歯車および第２の従動歯車に押圧されるため、ロータと第１の従動歯車および第２の従動歯車との間に設けられたバックラッシを小さくすることができる。したがって、バックラッシによる回転方向のがたつきが小さくなるため、第１の従動歯車および第２の従動歯車の回転角に応じてロータの絶対角を精度よく検出することができる。

また本発明は、上記回転角センサにおいて、前記付勢部材は、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転中心と前記ロータの回転中心とを結ぶ直線上において、前記ロータに向かう方向に付勢することを特徴とする。

この構成によれば、ロータに対して第１の従動歯車および第２の従動歯車を押圧させることができ、バックラッシをより小さくすることができる。

また本発明は、上記回転角センサにおいて、前記付勢部材は、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車により前記ロータが押圧される方向に加え、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転軸方向に、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車を付勢することを特徴とする。

この構成によれば、ロータと第１の従動歯車および第２の従動歯車との間に設けられたバックラッシを小さくすると共に、付勢部材による回転軸方向の付勢により第１の従動歯車および第２の従動歯車の回転軸方向のがたつきを防止して異音を低減することができる。

また本発明は、上記回転角センサにおいて、前記ロータの歯車部は、互いに歯数の異なる第１の歯車部と第２の歯車部とから構成され、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車は、同一の歯数であり、前記第１の従動歯車は前記第１の歯車部に歯合し、前記第２の従動歯車は前記第２の歯車部に歯合することを特徴とする。

この構成によれば、第１の従動歯車と第２の従動歯車とを同一の歯車で構成して、ロータおよび第１の従動歯車の回転比とロータおよび第２の従動歯車の回転比とを異ならせることができるため、製造コストを低減することができる。

また本発明は、上記回転角センサにおいて、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転角を磁気的に検出することができる。

また本発明は、上記回転角センサにおいて、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転角を光学的に検出または抵抗体とブラシの構成でも検出することができる。

本発明によれば、バックラッシを小さくしてロータの絶対角度を精度よく検出することができる。

本発明に係る回転角センサの実施の形態を示す図であり、ケースおよびケースに取り付けられた構成部品の上面模式図である。 本発明に係る回転角センサの実施の形態を示す図であり、カバーおよびカバーに取り付けられた構成部品の上面模式図である。 本発明に係る回転角センサの実施の形態を示す図であり、図１の部分拡大図である。 本発明に係る回転角センサの実施の形態を示す図であり、保持板の斜視図である。 本発明に係る回転角センサの実施の形態を示す図であり、保持板による第１、第２の従動歯車の付勢方向を説明する図面である。 本発明に係る回転角センサの実施の形態を示す図であり、ロータの回転角と出力信号との関係を示す図である。 本発明に係る回転角センサの変形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下においては、本実施の形態に係る回転角センサをハンドル等の操舵角を検出する、いわゆるステアリング舵角センサに適用する場合について説明する。しかしながら、本実施の形態に係る回転角センサの適用対象については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。

図１から図３を参照して、本発明の実施の形態に係る回転角センサについて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る回転角センサのケースおよびケースに取り付けられた構成部品の上面模式図である。図２は、本発明の実施の形態に係る回転角センサのカバーおよびカバーに取り付けられた構成部品の上面模式図である。図３は、図１の部分拡大図である。

図１および図２に示すように、本実施の形態に係る回転角センサ１は、前面が開口されたケース２と、ケース２の開口に装着されて収容部を形成するカバー３とを備え、ケース２およびカバー３が組み合わされて箱状体をなしている。ケース２およびカバー３の底壁には、それぞれ図示上部中央に円形の開口部２ａ、３ａが形成され、この開口部２ａ、３ａの周囲に円環状の軸受部４（カバー３側の軸受部のみ図示）が形成されている。

また、ケース２内には、ケース２およびカバー３の軸受部４に回転可能に支持されたロータ６と、ロータ６にそれぞれ歯合して従動回転する第１、第２の従動歯車７、８と、第１、第２の従動歯車７、８のそれぞれに取り付けられた磁石１１、１２と、第１、第２の従動歯車７、８をケース２に保持する保持板１３とが収納されている。カバー３内には、開口部３ａの下方に取り付けられた基板１５と、基板１５上において磁石１１、１２に対向する位置に設けられた磁気抵抗効果素子１６、１７（ＧＭＲ素子）と、ロータ６の絶対角算出用の算出回路１８とが収納されている。

ロータ６は、図示しないハンドルの駆動軸に連結して一体回転するものであり、駆動軸が挿通される開口部２１を有して円環状に形成されている。ロータ６には、内周面から一対のキー２２が径方向内側に突出して形成され、一対のキー２２は回転中心を挟んだ対向位置に位置している。ロータ６は、この一対のキー２２に駆動軸のキー溝が係合されることで、駆動軸に対して一体回転可能に連結される。

また、ロータ６は、第１の歯車部２４と第１の歯車部２４よりも小径に形成された第２の歯車部２５とを回転軸方向に連ねた２段状の外歯歯車であり、第１の歯車部２４よりも第２の歯車部２５の歯数が少なくなるように構成されている。第１の歯車部２４は、第１の従動歯車７に歯合し、第２の歯車部２５は、第２の従動歯車８に歯合する。すなわち、ロータ６の回転は、第１、第２の歯車部２４、２５を介して第１、第２の従動歯車７、８に伝達される。

図３に示すように、第１、第２の従動歯車７、８は、ケース２の内底面から収納部内に突出した一対のピン２７、２８により回転可能に支持されており、同一の歯数を有して構成されている。第１、第２の従動歯車７、８のカバー３側の側面には、一対のピン２７、２８に挿通される円筒部３１、４１が突出し、この円筒部３１、４１と同心円をなすように環状に段部３２、４２が形成されている。

段部３２、４２の径方向内側を構成する上段部３３、４３は、円筒部３１、４１と共に環状溝３４、４４を形成しており、この環状溝３４、４４に磁石１１、１２が保持される。段部３２、４２の径方向外側を構成する下段部３５、４５は、保持板１３により径方向および回転軸方向に付勢されるように構成されている。磁石１１、１２は、略矩形環状に形成され、第１、第２の従動歯車７、８の回転により、磁気抵抗効果素子１６、１７に作用する磁場方向が回転変位するように着磁されている。

保持板１３は、一対のピン２７、２８間においてケース２の内底面から収納部内に突出した凸部５１にカシメにより固定されており、第１、第２の従動歯車７、８によりロータ６を押圧させるように第１、第２の従動歯車７、８を付勢すると共に第１、第２の従動歯車７、８をケース２の内底面に向けて付勢している。ここで、図４を参照して、保持板１３の詳細について説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る回転角センサの保持板の斜視図である。

図４に示すように、保持板１３は、リン青銅、ステンレス鋼または樹脂等により形成された板バネであり、凸部５１に固定される平板部５３と、平板部５３の長手方向の両端側に連なる環状押圧部５４、５５とを有して構成されている。平板部５３は、長手方向の中間部に一対の孔部５６、５７が短手方向に間隔を空けて形成されており、この一対の孔部５６、５７に凸部５１のカバー３側の面から突出した一対のピンが挿入される。平板部５３は、一対の孔部５６、５７にピンが挿入された後に、ピンがカシメられることにより凸部５１に固定される。

また、平板部５３は、長手方向の中間部において短手方向の両端から立ち上がる一対の位置決片５８を有し、この一対の位置決片５８が凸部５１の側面に接することで凸部５１に対する保持板１３が位置決めされる。環状押圧部５４、５５は、段部３２、４２の上段部３３、４３を開口６３、６７に露出させた状態で下段部３５、４５の端面に接し、第１、第２の従動歯車８をケース２側に付勢している。

また、環状押圧部５４、５５は、それぞれ外周縁部の一部から立ち上がる矩形状の連結片６１、６５と、各連結片６１、６５の両端に連なり、開口６３、６７側に向けて折り曲げられた一対の径方向押圧片６２、６６とを有している。径方向押圧片６２、６６は、段部３２、４２の下段部３５、４５の外周面に接し（図３参照）、第１、第２の従動歯車８をロータ６に向けて付勢している。

図１および図２に戻り、基板１５は、ケース２側の面に磁気抵抗効果素子１６、１７が設けられており、磁気抵抗効果素子１６、１７と磁石１１、１２との間に隙間が生じるようにカバー３に取り付けられている。磁気抵抗効果素子１６、１７は、磁石１１、１２との対向位置に位置し、作用する磁場方向に応じて電気抵抗値が変化するように構成されている。したがって、磁気抵抗効果素子１６、１７の電気抵抗値に基づく出力信号により、第１、第２の従動歯車７、８の回転角をそれぞれ検出することが可能となる。磁気抵抗効果素子１６、１７に検出された第１、第２の従動歯車７、８の回転角に応じた信号は、算出回路１８に出力される。

そして、算出回路１８において磁気抵抗効果素子１６、１７に検出された第１、第２の従動歯車７、８の回転角に応じた信号に基づいてロータ６の絶対角が算出される。上記したように、ロータ６の第１の歯車部２４と第２の歯車部２５との歯数が異なり、第１の従動歯車７と第２の従動歯車８との歯数が一致するため、ロータ６の回転に対して第１の従動歯車７と第２の従動歯車８との間に回転差が生じる。この回転差に応じて絶対角が算出される。

例えば、ロータ６の１回転に対して、第１の従動歯車が２．４回転、第２の従動歯車が２．２回転する場合には、ロータ６が１回転する度に７２°の回転差が生じる。よって、ロータ６が５回転する１８００°で、第１の従動歯車７と第２の従動歯車８との回転差が３６０°（０°）となる。そして、ロータ６の絶対角は、０°から１８００°の間で、第１の従動歯車７と第２の従動歯車８との回転差に比例するため、この回転差に応じて算出される。

算出回路１８において算出されたロータ６の絶対角に応じた信号は、図示しないターミナルを介して外部に出力される。なお、本実施の形態においては、回転角センサ１においてロータ６の絶対角を算出する構成としたが、この構成に限定されるものではない。回転角センサ１においては、第１、第２の従動歯車７、８の回転数だけを検出して、回転角センサ１の外部に算出回路１８を設けるようにしてもよい。

また、ケース２の周壁には外側に突出した複数の爪部２ｂが形成され、カバー３の周壁にはケース２の爪部２ｂに係合する複数の孔部３ｂが形成されている。このように、ケース２およびカバー３は、複数の爪部２ｂと複数の孔部３ｂとが係合することにより組み合わされる。

次に、図５を参照して、保持板による第１、第２の従動歯車の付勢方向について説明する。図５は、保持板による第１、第２の従動歯車の付勢方向を説明する図面である。なお、図５においては、説明の便宜上、保持板の環状押圧部および平板部の外形線を一点鎖線で示している。

図５（ａ）に示すように、環状押圧部５４、５５は、第１、第２の従動歯車７、８の下段部３５の端面に接し、第１、第２の従動歯車７、８をケース２の内底面に向けて付勢している。これにより、第１、第２の従動歯車７、８の回転軸方向のがたつきが防止され、がたつきによる異音の発生が防止される。

また、一対の径方向押圧片６２は、第１の従動歯車７の下段部３５の外周面を矢印ａ、ｂ方向に付勢している。このとき、第１の従動歯車７には、一対の径方向押圧片６２の矢印ａ、ｂに示される付勢力の合力が作用し、矢印Ａ方向に付勢される。この矢印Ａ方向は、ロータ６の法線方向に一致している。すなわち、一対の径方向押圧片６２は、第１の従動歯車７の回転中心とロータ６の回転中心とを結ぶ直線上において、第１の従動歯車７をロータ６に向けて付勢している。これにより、ロータ６に対して第１の従動歯車７を押圧させることが可能となる。

同様に、一対の径方向押圧片６６も、第２の従動歯車８の下段部３５の外周面を矢印ｃ、ｄ方向に付勢して、その合力が第２の従動歯車８の回転中心とロータ６の回転中心とを結ぶ直線上において、第２の従動歯車８をロータ６に向けて押圧する矢印Ｂ方向に付勢している。このように、一対の径方向押圧片６２、６６によりロータ６に対し第１、第２の従動歯車７、８が押し付けられるため、バックラッシによる回転角の検出誤差が低減される。

なお、本実施の形態においては、第１、第２の従動歯車７、８の回転中心とロータ６の回転中心とを結ぶ直線上におけて、第１、第２の従動歯車７、８をロータ６に向けて付勢する構成としたが、これに限定されるものではない。第１、第２の従動歯車７、８によりロータ６が押圧される方向に付勢すればよく、例えば、図５（ｂ）に示すように、第１、第２の従動歯車７、８に作用する合力Ａ、Ｂに、ロータ６の回転中心に向かうＡｒ、Ｂｒ成分が生じる方向であればよい。

次に、図６を参照して、本実施の形態に係る回転角センサの検出精度について説明する。図６は、回転角センサの第１の従動歯車の回転角と出力信号との関係を示す図であり、図６（ａ）は本実施の形態に係る回転角センサとの対比のための保持板を有さない回転角センサを用いたものであり、図６（ｂ）は本実施の形態に係る回転角センサを用いたものである。

図６においては第１の従動歯車の回転角と出力信号との関係について示しているが、第２の従動歯車も同様である。さらに、図６においては、横軸が回転角、縦軸が出力値をそれぞれ示している。

図６（ａ）に示すように、比較例に係る回転角センサにおいては、所定の回転角に対する出力値が幅を有しており、所定の回転角における出力値に誤差が生じている。これは、ロータ６と第１の従動歯車７との間のバックラッシの分だけロータ６の回転が第１の従動歯車７に伝達されるのが遅れるためである。

一方、図６（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る回転角センサにおいては、回転角と出力値が直線の関係を示しているため、所定の回転角における出力値の誤差が小さい。これは、保持板１３の一対の径方向押圧片６２の付勢力により第１の従動歯車７がロータ６に押圧されるため、ロータ６と第１の従動歯車７との間のバックラッシが小さくなるためである。このように、第１の従動歯車７の回転角に応じた出力値が精度よく検出されるため、ロータ６の絶対角を精度よく検出することが可能となる。

以上のように、本実施の形態に係る回転角センサ１によれば、保持板１３の付勢力によりロータ６が第１、第２の従動歯車７、８にそれぞれ押圧されるため、ロータ６と第１、第２の従動歯車７、８との間に設けられたバックラッシを小さくすることができる。したがって、バックラッシによる回転方向のがたつきが小さくなるため、第１、第２の従動歯車７、８の回転角に応じてロータ６の絶対角を精度よく検出することができる。

なお、上記した実施の形態においては、第１、第２の従動歯車７、８に設けられた磁石１１、１２と磁気抵抗効果素子１６、１７とにより磁気的に第１、第２の従動歯車７、８の回転角度を検出する構成としたが、この構成に限定されるものではない。第１、第２の従動歯車７、８の回転角度を検出可能な構成であればどのような構成でもよく、例えば、図７（ａ）に示すように、光学的に第１、第２の従動歯車７、８の回転角度を検出する構成としてもよい。

この場合、例えば、第１、第２の従動歯車７、８の基板１５との対向面に反射板７１を設け、基板１５に設けた発光素子７２と受光素子７３とにより回転角を検出するようにする。また、図７（ｂ）に示すように、反射板７１の代わりにスリット７４を設け、第１、第２の従動歯車７、８を回転軸方向において挟むように発光素子７２および受光素子７３を設けるようにして第１、第２の従動歯車７、８の回転角を検出することも可能である。さらに、第１、第２の従動歯車７、８の基板１５との対向面に回転方向に沿って抵抗体を設け、この抵抗体にブラシを摺接させて抵抗値の変化から第１、第２の従動歯車７、８の回転角を検出するようにしてもよいし、イメージセンサを用いた構成やインダクタを用いた構成により第１、第２の従動歯車７、８の回転角を検出するようにしてもよい。

また、上記した実施の形態においては、ロータ６を２段状の歯車、第１の従動歯車７と第２の従動歯車８との歯数を同一の構成としたが、この構成に限定されるものではない。ロータ６の回転に応じて第１の従動歯車７と第２の従動歯車８とに回転差が生じる構成であればどのような構成であってもよく、例えば、ロータ６を１段状の歯車とし、第１の従動歯車７および第２の従動歯車８を異なる歯数とする構成としてもよい。

また、上記した実施の形態においては、ロータ６を外歯歯車で構成したが、ハンドルの駆動軸の回転を伝達する構成であれば、どのような構成であってもよい。例えば、ロータ６を内歯歯車で構成し、第１、第２の従動歯車７、８をロータ６の内側において歯合させるようにしてもよい。この場合、ロータ６の外周面または回転軸方向の端面において駆動軸に一体回転可能に係合するようにする。

また、上記した実施の形態においては、一対の径方向押圧片６２、６６の合力により第１、第２の従動歯車７、８をロータ６に押圧させる構成としたが、この構成に限定されるものではない。第１、第２の従動歯車７、８をロータ６に押圧させる構成であれば、どのような構成であってもよく、例えば、１つの径方向押圧片により第１、第２の従動歯車７、８をロータ６に押圧させる構成としてもよい。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

以上説明したように、本発明は、バックラッシを小さくしてロータの絶対角度を精度よく検出することができるという効果を有し、特に、ハンドル等の操舵角を検出する回転角センサに有用である。

１ 回転角センサ
２ ケース
３ カバー
６ ロータ
７ 第１の従動歯車
８ 第２の従動歯車
１１、１２ 磁石
１３ 保持板（付勢部材）
１５ 基板
１６、１７ 磁気抵抗効果素子
１８ 算出回路
２４ 第１の歯車部
２５ 第２の歯車部
３２、４２ 段部
３３、４３ 上段部
３５、４５ 下段部
５４、５５ 環状押圧部
６２、６６ 径方向押圧片
７１ 反射板
７２ 発光素子
７３ 受光素子
７４ スリット

Claims (6)

1. 回転可能に配設され、回転軸を回転中心とした歯車部を有するロータと、
   前記歯車部に歯合し、前記ロータの回転との回転比が互いに異なる第１の従動歯車および第２の従動歯車と、
   前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車により前記ロータが押圧される方向に、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車を付勢する付勢部材とを備え、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転角に応じて前記ロータの絶対角に応じた信号を出力することを特徴とする回転角センサ。
2. 前記付勢部材は、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転中心と前記ロータの回転中心とを結ぶ直線上において、前記ロータに向かう方向に付勢することを特徴とする請求項１に記載の回転角センサ。
3. 前記付勢部材は、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車により前記ロータが押圧される方向に加え、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転軸方向に、前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車を付勢することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転角センサ。
4. 前記歯車部は、互いに歯数の異なる第１の歯車部と第２の歯車部とから構成され、
   前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車は、同一の歯数であり、前記第１の従動歯車は前記第１の歯車部に歯合し、前記第２の従動歯車は前記第２の歯車部に歯合することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転角センサ。
5. 前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転角を磁気的に検出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転角センサ。
6. 前記第１の従動歯車および前記第２の従動歯車の回転角を光学的に検出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転角センサ。

Images