JP2004170205A

JP2004170205A - 回転角検出装置

Info

Publication number: JP2004170205A
Application number: JP2002335446A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tsuji; 泰明辻; Masaki Arima; 雅規有馬
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】多回転型の回転角検出装置において、長期にわたって高い検出精度を維持できること。
【解決手段】被測定軸２と同軸のメインギヤ３の回転が減速用のギヤトレイン４に伝達される。ギヤトレイン４の第１ギヤ４１の回転量と、ギヤトレイン４の第３ギヤの回転量とを検出し、被測定軸２の絶対回転角を演算する。第１のギヤ４１の円形のハブ３２を、第１のハウジング１１に固定される位置決め部材２０の円形よりも少し偏平な位置決め部２２により、調整方向Ｘに変位可能に支持する。弾性部材３４は第１ギヤ４１をそのハブ３２を介してメインギヤ３側へ弾性付勢し、メインギヤ３と第１ギヤ４１の中心間距離Ｄを調整して、メインギヤ３と第１ギヤ４１との間のバックラッシを除去する。
【選択図】図３

Description

【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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、特許文献１、特許文献２）。
特許文献１や特許文献２の回転角検出装置では、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。
【０００３】
また、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、絶対回転角を得る回転角検出装置が提供されている（例えば特許文献３）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平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
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１や特許文献２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。
特許文献３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個のセンサがともに高精度を要求される。
【０００６】
また、特許文献１，２，３の何れにおいても、歯車を回転可能に支持する回転摺動部分が摩耗すると、歯車間の中心間距離が変動し、バックラッシが増大して、検出精度が低下するという問題がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、長期にわたって高い検出精度を維持することができる多回転型の回転角検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記目的を達成するため、第１の発明は、回転可能な被測定軸と同軸上に一体回転可能に設けられる主回転体と、この主回転体に歯車伝動により従動回転する第１回転体及び最終回転体を含む減速用の回転体列と、上記第１回転体の回転量を検出する第１の回転量センサと、上記最終回転体の回転量を検出する第２の回転量センサと、第１及び第２の回転量センサによる検出回転量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、第１回転体を少なくも主回転体との中心間距離が遠近する方向に変位可能に支持する支持手段と、第１回転体を少なくとも主回転体との中心間距離が近づく方向に付勢する弾性部材とを備えることを特徴とする回転角検出装置を提供する。
【０００８】
本発明では、被測定軸が主回転体と共に多回転すると、これに伴って回転体列の第１回転体および最終回転体が歯車伝動により従動回転する。このとき、１回転検出用の第１の回転量センサが第１回転体の回転に基づいて、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。この第１の回転量センサの検出信号がどの周期のものであるかを、多回転検出用の第２の回転量センサが最終回転体の回転に基づいて検出することを通じて、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。１回転用の第１の回転量センサを被測定軸の同軸上に配置せずに済むので、レイアウトの自由度が高くなる結果、汎用性に優れる。
【０００９】
特に、高精度が要求される第１の回転量センサに関連する第１回転体と主回転体との間に予圧を付与でき、仮にこれらの回転体の回転摺動部分に摩耗等が発生したとしても、これらの回転体間の歯車伝動のバックラッシを長期にわたってゼロに維持することができる。その結果、長期にわたって高い検出精度を維持することができる。
なお、最終回転体に関しては、これに関連する第２の回転量センサが高い精度を要求されないので、特に予圧を付与する必要はないが、第１回転体と最終回転体との間にも予圧を付与するようにしても良い。
【００１０】
また、第２の発明は、上記回転角検出装置において、互いに取り付け可能な第１および第２のユニットを備え、第１のユニットは、主回転体と、主回転体を回転可能に支持する第１のハウジングを含み、第２のユニットは、回転体列と、回転体列の複数の回転体をそれぞれ回転可能に支持し第１のハウジングに取り付け可能な第２のハウジングと、上記第１および第２の回転量センサと、上記支持手段と、上記弾性部材とを含み、第２のハウジングを第１のハウジングに取り付けるときに、弾性部材の付勢力が第１回転体を介して主回転体に付与されるようにしてあることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明では、第２のユニットを第１のユニットに組み付けるだけで、第１回転体と主回転体との間に自動的に予圧を付与することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態の回転角検出装置の模式的断面図である。図１を参照して、本回転角検出装置１は、回転可能な被測定軸２の周囲に同心的に配置され被測定軸２と一体回転する主回転体としてのメインギヤ３と、このメインギヤ３に噛み合う第１回転体としての第１ギヤ４１から最終回転体（最終ギヤ）としての第３ギヤ４３に至る回転体列としてのギヤトレイン４と、上記第１ギヤ４１の回転量を検出するための第１の回転量センサ５と、メインギヤ３にギヤトレイン４を介して連結される第２の回転量センサ６と、第１および第２の回転量センサ５，６によって検出される回転量に基づいて被測定軸２の絶対回転角を演算するための絶対角演算部７（図３参照）とを備える。
【００１３】
各ギヤ３，４１〜４３はそれぞれ平歯車からなる。メインギヤ３と第１ギヤ４１は、例えば同径でギヤ比１：１に設定される。第２ギヤ４２の径は第３ギヤ４３の径の例えば１／８に設定される。これにより、被測定軸２（メインギヤ３）の回転を、例えば、１／８に減速することができる。
ただし、上記の減速比は、多回転を検出できる限りにおいて、自在に設定でき、被測定軸２の回転角を例えば、１／４〜１／１０の範囲で縮小すれば良い。
【００１４】
また、第１の回転量センサ５は、第１ギヤ４１の回転量を検出するための１回転検出用であり、第２の回転量センサ６は、最終ギヤとしての第３ギヤ４３の回転量を検出するための多回転検出用である。
本実施の形態では、回転角検出装置１を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（図示せず）の回転角を検出する場合に則して説明する。この場合、被測定軸２は操舵部材に一体回転する軸により構成される。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可能である。
【００１５】
回転角検出装置１は互いに取り付け可能な第１および第２のユニット８，９により構成されている。第１のユニット８は、メインギヤ３と、このメインギヤ３を回転可能に支持する第１のハウジング１０とを含む。第２のユニット９は、ギヤトレイン４と、ギヤトレイン４の各ギヤ４１，４２，４３を回転可能に支持し且つ第１のハウジング１０に例えばねじ止めにより取り付け可能な第２のハウジング１１とを含む。
【００１６】
図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である図２、および図１を参照して、ギヤトレイン４は、中間軸としての第１の軸１２、および最終軸としての第２の軸１３を備える。第１及び第２の軸１２，１３は、被測定軸２に平行である。
図１に示すように、第２のハウジング１１は、第１のハウジング１０への取付け側の面１４に開放部１５を設けており、図５に示すように、第１および第２のユニット８，９を組み付けるときに、この開放部１５を通してメインギヤ３と第１ギヤ４１が噛み合わせられるようになっている。
【００１７】
図１および図２を参照して、収容部１６は第２のハウジング１１内に形成される収容部であり、ギヤトレイン４等を収容する。
図２を参照して、第２のユニット９の第２のハウジング１１は、内部にギヤトレイン４のための上記収容部１６を設ける態様にて上ハウジング１７と下ハウジング１８とを組み合わせてなる。上ハウジング１７の例えば四隅に設けられるねじ孔付きのボス１７ａとこれに対応する下ハウジング１８の部分１８ａとの間に、回路基板１９および位置決め部材２０を挟持する状態で、上下のハウジング１７，１８が例えば４箇所にて固定ねじ２１を用いて締結される。
【００１８】
図２のＩＩＩ −ＩＩＩ線に沿う断面図である図３、および図４を参照して、位置決め部材２０は、第１ギヤ４１および第３ギヤ４３をそれぞれ位置決めするための筒状突起からなる位置決め部２２，２３（支持手段）と、これら位置決め部２２，２３間を互いに連結する連結部２４と、位置決め部２２から放射状に延びる一対の支持アーム２５，２６と、位置決め部２３から放射状に延びる一対の支持アーム２７，２８とを備える。各支持アーム２５〜２８の先端部にはそれぞれ対応する上記の固定ねじ２１を挿通させるボス２９が形成されている。実際には、図２に示すように、ボス２９および回路基板１９の挿通孔にカラー３０が挿通され、このカラー３０内に固定ねじ２１が挿通される。
【００１９】
図３および図４に示すように、位置決め部２２は概ね円形をなすが後述する調整方向Ｘについて少し偏平になるようにされている。
再び図２を参照して、第１の軸１２の同軸上には、メインギヤ３に噛み合う上記第１ギヤ４１と、これよりも小径で第１ギヤ４１に一体回転する上記第２ギヤ４２が設けられる。具体的には、上記第１の軸１２が第１ギヤ４１の第１の面４１ａから突出しており、この第１の軸１２の軸方向中間部の周囲に第２ギヤ４２が形成され、第１の軸１２の先端部１２ａは、上ハウジング１７の支持孔３１により回転自在に支持されている。
【００２０】
一方、第１のギヤ４１の第２の面４１ｂには、第１の軸１２と同心の円形の環状突起からなるハブ３２が形成されている。このハブ３２は位置決め部材２０の対応する位置決め部２２に回動自在に外嵌されている。第１及び第２ギヤ４１，４２、ハブ３２並びに第１の軸１２は、例えば一体の合成樹脂成形品により形成され、コストダウンが図られる。
図３を参照して、位置決め部２２は、概ね円形をなすが、メインギヤ３の中心Ｃ１と第１ギヤ４１の中心Ｃ２とを結ぶ方向（調整方向Ｘに相当）に関して少し偏平となるようにされ、これにより、ハブ３２の位置決め部２２に対する所定量の移動が許容されている。すなわち、ハブ３２と位置決め部２２との間に上記調整方向Ｘに関して隙間Ｓが設けられ、第１ギヤ４１がメインギヤ３との中心間距離Ｄ（すなわち中心Ｃ１と中心Ｃ２との距離）を遠近する方向に変位可能とされている。
【００２１】
さらに、下ハウジング１８に設けられる受け部３３と、ハブ３２との間には、ハブ３２を介して第１ギヤ４１をメインギヤ３側へ弾性付勢するための弾性部材３４が介在している。弾性部材３４として、一対のばね片３５，３５をハブ３２の周面に摺接させる、くの字形形状の板ばねを用いることができる。弾性部材３４のくの字の中央部分（一対のばね片３５，３５間の連結部分）が受け部３３によって受けられる。弾性部材３４は上記のように調整方向Ｘに変位可能な第１ギヤ４１をそのハブ３２を介してメインギヤ３側へ弾性付勢し、上記の中心間距離Ｄを調整して、メインギヤ３と第１ギヤ４１との間のバックラッシを除去する働きをする。
【００２２】
図２を参照して、最終軸としての第２の軸１３の同軸上には、第２ギヤ４２よりも大径で第２ギヤ４２に噛み合う上記最終ギヤとしての第３ギヤ４３が設けられる。第２の軸１３の一端１３ａは第３ギヤ４３の第１の面４３ａから突出し、上ハウジング１７の対応する支持孔３６により回転自在に支持されている。
また、第２の軸１３の他端１３ｂは一端１３ａよりも大径で、第３ギヤ４３の第２の面４３ｂから突出している。他端１３ｂには第３ギヤ４３の中心Ｃ３と同心の円形の環状突起からなるハブ３７が形成されている。ハブ３７は位置決め部材２０の円形の環状突起からなる位置決め部２３に回動自在に内嵌されている。第３ギヤ４３、第２の軸１３およびハブ３７は、例えば一体の合成樹脂成形品により形成され、コストダウンが図られる。
【００２３】
位置決め部材２０の位置決め部２２の端面が、第１ギヤ４１の第２の面４１ｂを受けると共に、位置決め部２３の端面がハブ３７の基端の環状段部３８を受け、これにより、各位置決め部２２，２３は、第１および第３ギヤ４１，４３をそれぞれ軸方向に受けるためのスラスト軸受としても機能している。
第１の回転量センサ５は相対向する可動部５ａと固定部５ｂとを有する。可動部５ａは、第１ギヤ４１と同軸上で第１ギヤ４１の第２の面４１ｂに固定され、第１ギヤ４１と一体回転する。固定部５ｂは固定部材としての回路基板１９に固定される。
【００２４】
同様に、第２の回転量センサ６は相対向する可動部６ａと固定部６ｂとを有する。可動部６ａは、最終ギヤとしての第３ギヤ４３と同軸上で第３ギヤ４３の第２の面４３ｂの例えば凹部３９（凹部３９は図２のように、第２の軸１３の他端１３ｂの端面に形成されても良い）に固定され、第３ギヤ４３と一体回転する。固定部６ｂは回路基板１９に固定される。回路基板１９には上記の絶対角演算部７が実装されている。
【００２５】
各回転量センサ５，６の可動部５ａ，６ａとして例えば環状板状の焼結製の永久磁石を用い、固定部５ｂ，６ｂとして例えば磁気センサを用いることが可能である。
永久磁石からなる可動部６ａは樹脂成形体からなる第３ギヤ４３の凹部３９に対して、例えば、圧入や、接着により固定される場合があるが、これらの場合、組み付け工数がかかるという問題や、可動部６ａの位置決め精度をあまり高くできないという問題や、可動部６ａと第３ギヤ４３との温度膨張の相違が原因で温度変化時に可動部６ａが凹部３９に対して滑ったり脱落したりするという問題の発生が懸念される。
【００２６】
そこで、図６（ａ）に示すように、環状板からなる可動部６ａの周面に１乃至複数の回転規制用および抜け止め規制用の突起５０を設け、第３ギヤ４３の成形金型内に可動部６ａをインサートして樹脂成形し、図６（ｂ）に示すように、突起５０を第３ギヤ４３内に埋設することが好ましい。
この場合、インサート成形により、第３ギヤ４３の樹脂成形と同時に可動部６ａを第３ギヤ４３に固定したユニットが得られ、工数を削減することができる。また、樹脂成形時に、可動部６ａの中心孔５１に成形金型の位置決めピンを挿入して位置決めできるので、可動部６ａの第３ギヤ４３に対する位置決め精度を高くできる。また、突起５０が第３ギヤ４３に嵌まり込んでいるので、可動部６ａが滑ったり抜けたりすることを防止することができる。さらに、突起５０は可動部６ａを焼結金型にて成形するときに同時に精度良く成形でき、手間もかからない。
【００２７】
図７を参照して、第１の回転量センサ５および第２の回転量センサ６からの検出信号は演算手段としての絶対角演算部７に入力され、絶対角演算部７では、第１および第２の回転量センサ５，６によって検出された第１ギヤ４１及び第３ギヤ４３の回転量に基づいて上記被測定軸２の絶対回転角を演算する。
次いで、図８は被測定軸２の回転角と各回転量センサ５，６の出力波形との関係を示すグラフ図である。メインギヤ３と第４ギヤ４１とのギヤ比が例えば１：１であると、被測定軸２の回転が等速で第１ギヤ４１に伝達される。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８に示すように、第１ギヤ４１の回転量を検出する第１の回転量センサ５の出力Ｓ１（図８において、実線で示す）は、例えば３６０ｄｅｇ周期の鋸歯状の波形となる。第１の回転量センサ５の出力Ｓ１は検出精度は高いものの３６０ｄｅｇ周期で４回反復されるため、どの周期のものかが判らない。
【００２８】
一方、最終ギヤとしての第３ギヤ４３の回転はメインギヤ３の回転に対して例えば１／８倍に減速されており、第３ギヤ４３の回転量を検出する第２の回転量センサ６の出力Ｓ２（図８において、破線で示す）は、例えば１４４０ｄｅｇまで概ねリニアに上昇する波形となる。第２の回転量センサ６の出力Ｓ２のレベルに基づいて、第１の回転量センサ５の出力値がどの周期での値であるかを判別することができる。したがって、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。
【００２９】
特に、図３に示すように、高精度が要求される第１の回転量センサ５に関連する第１ギヤ４１とメインギヤ３との間に弾性部材３４によって予圧を付与できるので、仮にメインギヤ３や第１ギヤ４１の回転摺動部分に摩耗等が発生したとしても、メインギヤ３と第１ギヤ４１との間の歯車伝動のバックラッシを長期にわたってゼロに維持することができる。その結果、長期にわたって高い検出精度を維持することができる。
【００３０】
また、図３に示すように、弾性部材３４として、くの字形形状の板ばねの一対のばね片３５をハブ３２の周面の接線方向に沿うようにして摺接させるので、第１ギヤ４１の回転抵抗を少なくすることができて好ましい。
また、図５に示すように、第２のユニット９を第１のユニット８に単に組み付けるだけで、メインギヤ３と第１ギヤ４１の間に自動的に予圧を付与することができ、組み立て易い。
【００３１】
また、第１及び第２ギヤ４１，４２を第１の軸１２上に２段ギヤとして設け、小径の第２ギヤ４２に大径の第３ギヤ４３を噛み合わせるので、図１に示すように軸方向からみて、第３ギヤ４３の一部が第１ギヤ４１の一部に重なるようにレイアウトすることができ、小型化を図ることができる。
また、第１及び第２の回転量センサ５，６の固定部５ｂ，６ｂを共通の基板に実装でき、コストダウンを図ることができる。
【００３２】
なお、本発明の上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば最終回転体としての第３ギヤ４３に関しては、これに関連する第２の回転量センサ６がそれほど高い精度を要求されないので、特に予圧を付与する必要はないが、第１ギヤ４１と第３ギヤ４３の間にも予圧を付与するようにしても良い。例えば、図９に示すように、位置決め部２２とハブ３２との嵌合の隙間Ｓ１が、メインギヤ３と第１ギヤ４１との中心間距離Ｄの増減の他、第１ギヤ４１と第３ギヤ４３との中心間距離ｄ（中心Ｃ１と中心Ｃ３との距離）の増減も許容するようにし、例えば、く字状の弾性部材３４が調整方向Ｘ，Ｙの双方へ付勢可能なように調整方向Ｘ，Ｙに対して斜めから付勢力Ｆを働かせるようにすることができる。
【００３３】
また、第１の回転量センサとして公知のレゾルバを用いることもでき、その他、弾性部材として圧縮コイルばねを用いること等、本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の回転角検出装置の概略構成を示す模式的断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ −ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】位置決め部材の概略平面図である。
【図５】回転角検出装置をユニット化して組み立てるときの一過程を示す一部欠載分解図である。
【図６】（ａ）は第２の回転量センサの可動部の平面図であり、（ｂ）は可動部をインサート成形した第３ギヤの要部の断面図である。
【図７】回転角検出装置の電気的構成の要部を示すブロック図である。
【図８】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９】本発明の別の実施の形態の回転角検出装置の模式図である。
【符号の説明】
１回転角検出装置
２被測定軸
３メインギヤ（主回転体）
４ギヤトレイン（回転体列）
５第１の回転量センサ
６第２の回転量センサ
５ａ，６ａ可動部
５ｂ，６ｂ固定部
７絶対角演算部（演算手段）
８第１のユニット
９第２のユニット
１０第１のハウジング
１１第２のハウジング
１２第１の軸
１３第２の軸（最終軸）
１５開放部
１７上ハウジング
１８下ハウジング
１９回路基板
２０位置決め部材
２２，２３位置決め部（支持手段）
３２ハブ
３３受け部
３４弾性部材
３５ばね片
３７ハブ
４１第１ギヤ（第１回転体）
４２第２ギヤ
４３第３ギヤ（最終回転体）
５０突起
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３中心
Ｄ，ｄ中心間距離
Ｘ，Ｙ調整方向

Claims

回転可能な被測定軸と同軸上に一体回転可能に設けられる主回転体と、
この主回転体に歯車伝動により従動回転する第１回転体及び最終回転体を含む減速用の回転体列と、
上記第１回転体の回転量を検出する第１の回転量センサと、
上記最終回転体の回転量を検出する第２の回転量センサと、
第１及び第２の回転量センサによる検出回転量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、
第１回転体を少なくとも主回転体との中心間距離が遠近する方向に変位可能に支持する支持手段と、
第１回転体を少なくとも主回転体との中心間距離が近づく方向に付勢する弾性部材とを備えることを特徴とする回転角検出装置。
請求項１において、
互いに取り付け可能な第１および第２のユニットを備え、
第１のユニットは、主回転体と、主回転体を回転可能に支持する第１のハウジングを含み、
第２のユニットは、回転体列と、回転体列の複数の回転体をそれぞれ回転可能に支持し第１のハウジングに取り付け可能な第２のハウジングと、上記第１および第２の回転量センサと、上記支持手段と、上記弾性部材とを含み、
第２のハウジングを第１のハウジングに取り付けるときに、弾性部材の付勢力が第１回転体を介して主回転体に付与されるようにしてあることを特徴とする回転角検出装置。