JP4519927B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両のステアリング軸等の検出対象物の回転角を検出するのに好適な回転角検出装置に関する。

この種の回転角検出装置は、例えば車両の姿勢制御技術に関して、運転者によるステアリング操作で回転するステアリング軸の回転角を絶対角として検出する用途に適している。回転角の検出には、一般的にステアリング軸の回転に連動して主動ギヤを一体に回転させつつ、この主動ギヤと噛み合う複数の従動ギヤ同士に生じる回転の位相差から、演算によって絶対角を算出する手法が採用されている。回転角の検出に際して、特に従動ギヤには低トルクで負荷なく回転することが求められるため、従動ギヤとその軸受部分との間には一定のクリアランスが必要である。ただし、このようなクリアランスを設けると、車両の走行時に従動ギヤが軸方向にがたついて検出精度が低下したり、振動による異音が発生したりする問題がある。

このため従来、従動ギヤを軸方向に弾性的に押圧して、走行時のがたつきや振動音の発生を抑える先行技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この先行技術は、中央部に磁石が設けられた従動ギヤをケース部材内に収容するとともに、ケース部材の内面に軸受凹部を形成して、従動ギヤをその一端側で回転可能に支持したものである。またケース部材内には、従動ギヤの他端側で磁石と対向する位置に回路基板が配置されており、この回路基板には磁界の変化を検出する磁気変化検出素子が実装されている。特に先行技術では、従動ギヤの一端側でケース部材と従動ギヤとの間にばね部材を設置し、その弾性力で従動ギヤを回路基板に押し付けている。

上記の先行技術によれば、軸受凹部や回路基板と従動ギヤとの間にそれぞれクリアランスが設けられていても、従動ギヤのがたつきや振動を抑えつつ、低トルクで従動ギヤを回転させることができると考えられる。
特開２００４−２７９２６５号公報（第４−５頁、図１、図４）

しかしながら先行技術は、ケース部材内の同一空間に主動ギヤ、従動ギヤなどの機構部品と回路基板とを配置するので、走行時の振動や長期間の使用によって回路基板から半田ボールや残留フラックスが分離したり、回路基板の破断面から破断片・細粉などの異物が生じたりして、それらの異物が主動ギヤと従動ギヤとの噛み合わせ部分や各ギヤと回路基板などとの摺動部分に付着し、それらのギヤの回転トルクが高くなりスムーズに回転しにくくなったり、それらのギヤの歯に破損が生じて正確な回転角検出ができなくなる虞があるという問題が生じる。

本発明は従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、主動ギヤおよび従動ギヤが低トルクでスムーズに回転可能で、それらの各ギヤの歯に破損を生じにくくすることができる回転角検出装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明は以下の解決手段を採用する。
すなわち本発明の回転角検出装置は、所定の軸線を中心に回転する検出対象物と直接又は間接的に連結されて回転する主動ギヤと、主動ギヤに噛み合って回転する従動ギヤと、従動ギヤの中央部に設けられた磁石と、検出対象物が挿通可能に形成された第１挿通孔を有し、この第１挿通孔によって主動ギヤを回転自在に支持し、従動ギヤを回転自在に支持する支持部を有して、この支持部に磁石と対向する開口が形成されたホルダ部材と、検出対象物が挿通可能に形成された第２挿通孔を有し、ホルダ部材の一側に組み付けられることでホルダ部材との間に主動ギヤ及び従動ギヤを回転可能に挟持し、従動ギヤを収容する第１空間を形成し、第1空間に主動ギヤの一部を臨ませる第１のカバー部材と、開口を介して前記磁石と対向して磁石の回転に伴う磁界の変化を検出する磁気検出素子と、磁気検出素子が実装された回路基板と、検出対象物が挿通可能に形成された第３挿通孔を有し、ホルダ部材の他側に取り付けられることでホルダ部材との間に回路基板を収容する第２空間を形成する第２のカバー部材とを備え、開口が、回路基板によって塞がれている。

本発明の回転角検出装置によれば、磁気検出素子を実装した回路基板が収容される第２空間と主動ギヤ及び従動ギヤが収容される第１空間とが相互に隔絶されているため、長期間の使用によって回路基板から半田ボールや残留フラックスが分離したり、回路基板の破断面から破断片・細粉等が生じたりしても、それらの異物が主動ギヤと従動ギヤの噛み合わせ部分や各ギヤとホルダとの摺動部分などに付着することがないので、主動ギヤ及び従動ギヤを低トルクでスムーズに回転させることができ、また各ギヤの歯に破損が生じるのを防止できるので、信頼性の高い回転角検出装置を提供することができる。

また、本発明の回転角検出装置は、ホルダ部材、第１のカバー部材、主動ギヤ及び従動ギヤが合成樹脂材料から成形され、第１のカバー部材と主動ギヤ及び従動ギヤとの間に金属板から加工されたシート状部材が介装されている態様であることが好ましい。

上記の態様であれば、主動ギヤ及び従動ギヤの上下の一側では合成樹脂製のホルダ部材に接触し、他側では金属製のシート状部材に接触しながら回転するため、各ギヤの上下両側が合成樹脂製のホルダ部材及び第1のカバー部材に接する場合と比べて小さな摩擦抵抗で回転できるようになる。したがって、従動ギヤのがたつきや振動を防止することができ、また従動ギヤをスムーズに回転させることができる。

また本発明の回転角検出装置は、ホルダ部材、主動ギヤ及び従動ギヤが合成樹脂材料から成形され、少なくとも第１のカバー部材が金属板から加工されている態様であってもよい。この場合、主動ギヤ及び従動ギヤがさらに小さな摩擦抵抗で回転できるようになる。したがって、それらのギヤをさらにスムーズに回転させることができる。また、第１のカバー部材の厚さを小さくできるので、回転角検出装置をコンパクト化することができる。

本発明の回転角検出装置は、磁気検出素子を実装した回路基板が収容される空間内に主動ギヤと従動ギヤを配置しない構成であるため、回路基板から半田ボールや残留フラックスが分離したり、回路基板の破断面から破断片・細粉等が脱落・発生したりしても、それらの異物が主動ギヤと従動ギヤの噛み合わせ部分や各ギヤとホルダとの摺動部分などに付着することがないので、主動ギヤ及び従動ギヤを低トルクでスムーズに回転させることができ、また各ギヤの歯に破損が生じるのを防止できる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の回転角検出装置１０の斜視図、図２は、図１の回転角検出装置の全体分解斜視図、図３は、図２におけるホルダ部材と主動ギヤおよび従動ギヤとの関係を示す分解斜視図、図４は、図３における主動ギヤと従動ギヤの噛合状態を示す斜視図、図５は、図１の回転角検出装置の正面図、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。この回転角検出装置１０は、例えば、検出対象物である車両のステアリング軸の回転角を絶対角として検出するのに用いられる。

図１に示す回転角検出装置１０は、ホルダ部材（ホルダ）３０、第１のカバー部材（ケース）４０及び第２のカバー部材（カバー）２０がスナップ結合によって一体化されており、カバー４０の外面側には図示しない回転コネクタが積層される。回転コネクタは、ハンドル側と車体側との間を電気的に接続するためのものであり、ハンドルに連結される可動ハウジングとステアリング装置などのステータ部材に固定される固定側ハウジングとの間に形成される収納空間内にフラットケーブルが収納・巻回されている。回転角検出装置１０の主動ギヤ１２は、主動ギヤ１２に形成された突起１５が可動ハウジングに形成された凹部に係合されているので、ハンドル操作に伴って、軸線ＣＬを中心に回転するステアリング軸と一体的に回転する。また、回転角検出装置１０の周縁部分のねじ挿通孔１０ａに挿通された図示しないネジで回転角検出装置１０と回転コネクタの固定ハウジングとが螺着される。また、後述するカムロータ５０は、係合溝５０ａに主動ギヤ１２の爪部１２ｇがスナップ結合されて回転角検出装置１０に取り付けられている。

合成樹脂製の成形品である主動ギヤ１２は、ステアリング軸を挿通する挿通孔１２ａを有し、歯数の異なる２段のギヤ１２ｂ，１２ｃが形成された大径部１２ｄに小径部１２ｅが連続して形成されている（図４など）。主動ギヤ１２は、ホルダ３０の第１挿通孔３０ａに小径部１２ｅが挿入されると、図６に示すように、大径部１２ｄの下面がホルダ３０の第２挿通孔３０ａの周囲の面に当接され、ホルダ３０に対して回転自在に支持される。また、大径部１２ｄには、環状をなす第１リング部１２ｆがケース４０の内面に向けて突出するように形成されており、第１リング部１２ｆの端面がケース４０の内面に設けたシート状部材８０に当接する。

図１に示すように、主動ギヤ１２とカムロータ５０は、主動ギヤ１２の挿通孔１２ａをなす内壁の爪部１２ｇとカムロータ５０の係合溝５０ａとがスナップ結合されて一体化される。なお、主動ギヤ１２には、突起１５が大径部１２ｄから軸線ＣＬに沿って外方へ突設されており、突起１５がケース４０の外面側に積層される回転コネクタの可動ハウジングの凹部に係合される。したがって、主動ギヤ１２が可動ハウジングと連結され、可動ハウジングがハンドルを介してステアリング軸に連結されるので、主動ギヤ１２は、ステアリング軸と間接的に連結されてハンドルの操作に伴い回転することになる。

合成樹脂製の成形品である従動ギヤ１３，１４は、同じ歯数のギヤ１３ａ，１４ａが形成された保持部１３ｂ，１４ｂを有し、主動ギヤ１２のギヤ１２ｂ，１２ｃと噛み合って異なる回転速度でそれぞれ回転する。保持部１３ｂ，１４ｂの中央部に形成された収納部１３ｃ，１４ｃには磁石１６が収納される。従動ギヤ１３，１４の保持部１３ｂ，１４ｂがホルダ３０の第１支持部３０ｅ，３０ｆ（凹部）に挿入されると、図６に示すように、従動ギヤ１３，１４がホルダ３０にそれぞれ回転自在に支持されて、磁石１６が第１支持部３０ｅ，３０ｆに形成された各開口３０ｇと対向する。また、図６に示すように、保持部１３ｂ，１４ｂには、第２リング部１３ｄ，１４ｄがケース４０内面に向けて突出するように環状に形成されており、第２リング部１３ｄ，１４ｄの端面がケース３０の内面に設けたシート状部材８０に当接している。

従動ギヤ１３，１４の保持部１３ｂ，１４ｂ及び第２リング部１３ｄ，１４ｄの軸線ＣＬに沿う方向の各寸法は、各ギヤ１３ａ，１４ａと主動ギヤ１２のギヤ部１２ａ，１２ｂとが噛み合うように適宜設定されている。なお、収納部１３ｃ、１４ｃのホルダ２０側の端部には、図３に示すように、突設部１３ｅ，１４ｅがそれぞれ形成されている。突設部１３ｅ，１４ｅは、収納部１３ｃ、１４ｃ内の磁石１６を確実に固定するためもので、収納部１３ｃ、１４ｃ内に磁石１６を収納した状態で加熱体によって押圧・変形される。

磁石１６は四角形状のリング体で、対向する一組の辺の一方がＮ極、他方がＳ極に着磁されており、二つの従動ギヤ１３，１４の各収納部１３ｃ、１４ｃ内に取り付けられる。この磁石１６が収納部１３ｃと１４ｃに収納・固定されると、磁力線が磁石１６の表面に沿って平行に生じるので、磁石１６の回転に伴う磁界の変化を磁気検出素子７２によって精度よく検知することができる。

図３に示すように、合成樹脂製成形品であるホルダ３０は、ステアリング軸を挿通する第１挿通孔３０ａが形成された底板部３０ｂと、底板部３０ｂの外縁部から軸線ＣＬに沿って逆方向にそれぞれ起立する起立部３０ｃ，３０ｄと、従動ギヤ１３，１４を回転自在に支持する第１支持部３０ｅ，３０ｆとを有する。第１支持部３０ｅ，３０ｆは、従動ギヤ１３，１４の保持部１３ｂ、１４ｂを回転支持可能に挿入する凹部をなしており、各凹部の内底面には各磁石１６と対向する開口３０ｇ，３０ｇが形成されている。図６に示すように、従動ギヤ１３，１４の保持部１３ｂ，１４ｂが第１支持部３０ｅ，３０ｆに挿入されると、従動ギヤ１３，１４は、ホルダ３０に回転自在に支持されて各磁石１６が各開口３０ｇと対向する。第１支持部３０ｅ，３０ｆの深さ寸法は、従動ギヤ１３，１４の各保持部１３ｂ，１４ｂの寸法に応じて適宜設定されている。図１・図３に示すように、ホルダ３０の外側面には、周方向に延びる複数の掛止部３０ｈと爪部３０ｉとが形成されており、ホルダ３０にケース４０とカバー２０を取り付けると、ケース４０及びカバー２０の開口端部が掛止部３０ｈに掛止され、ケース４０の側面に形成した係合孔４０ｄ、およびカバー２０の側面に形成した係合孔２０ｄと爪部３０ｉとがスナップ結合される。また、ホルダ３０には突設部３０ｊが側方に延設されている。

ケース４０も合成樹脂製の成形品であり、ステアリング軸を挿通する第２挿通孔４０ａが形成された底板部４０ｂと、底板部４０ｂの外縁部からホルダ３０に向けて起立する起立部４０ｃが形成されており、ホルダ３０に向けて開口する中空凹部をなしている。したがって、ケース４０をホルダ３０に取り付けると、ケース４０とホルダ３０間に、第１空間としての空間Ｓ１が形成され、空間Ｓ１内に従動ギヤ１３，１４が収容される。主動ギヤ１２及び従動ギヤ１３，１４はケース４０とホルダ３０との間に回転可能に挟持される。なお、図６に示すように空間Ｓ１は、ホルダ３０、回路基板７０、ケース４０、及び主動ギヤ１２で囲まれて形成される。なお、主動ギヤ１２の一部、すなわち大径部１２ｄに形成されたギヤ１２ｂ，１２ｃが空間Ｓ１に臨んでいる。起立部４０ｃの外側面には、ホルダ３０の爪部３０ｉとスナップ結合される係合孔４０ｄが形成されている。また底板部４０ｂには、後述するシート状部材８０を位置決めして配置するための位置決め凹部４０ｅが形成されている。また、ケース４０には、ホルダ３０の突設部３０ｊに対応する形状の突設部４０ｆが側方に延びて形成されている。

磁気検出素子７２は、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）センサが用いられており、ホルダ３０の開口３０ｇを介して磁石１６と対向するように回路基板７０に実装される。

回路基板７０は、図２に示すように、ホルダ２０の突設部３０ｊに対応する形状の突設部７０ａを有し、この突設部７０ａには外部コネクタと接続するための複数の接続端子を有するコネクタ７５が設けられる。また、回路基板７０は各開口３０ｇを塞ぐ状態で、ネジ９０によってホルダ３０に固定されている。

カバー２０も合成樹脂製の成形品であり、ステアリング軸を挿通する第３挿通孔２０ａが形成された底板部２０ｂと、底板部２０ｂの外縁部からホルダ３０に向けて起立する起立部２０ｃとが形成されており、ホルダ２０に向けて開口する中空凹部をなしている。したがって、カバー２０をホルダ２０に取り付けると、カバー２０ホルダ３０間に回路基板７０が収納される空間Ｓ２が形成される。起立部２０ｃの外側面には、ホルダ３０の爪部３０ｃとスナップ結合される係合孔２０ｄが形成されている。また、カバー２０は側方に突出した突設部２０ｅを有しており、突設部２０ｅにはコネクタ９０を設けるコネクタ導出部２０ｆを有する。

図１に示すように、カバー２０の底板２０ｂには複数のピン挿入孔２０ｇが形成されている。これらのピン挿入孔２０ｇには、回転角検出装置１０の組立後において、電気的特性の検査を行ったり、内蔵されたデバイスにソフトウェアを書き込んだりする際にコンタクトプローブが挿通されるものとなっている。なお検査等の終了後は、例えば図示のようにラベル２５を貼付することによりピン挿入孔２０ｇが塞がれる。

シート状部材８０は、ステンレス鋼板などからなる金属板を所定形状に加工されたものであり、ステアリング軸を挿通可能な開口８０ａを有するとともに、第２リング部１３ｄ，１４ｄの端部を位置決め可能な凸状リングなど（図示省略）を有する。

図１に示すように、カムロータ５０は、主動ギヤ１２の挿通孔１２ａ内に挿入可能な円筒体５０ｂと、円筒体５０ｂの端部から径方向で外方に延設された鍔部５０ｃとを有する。円筒体５０ｂには複数の係合溝５０ａが形成されている。カムロータ５０は、円筒体５０ｂが主動ギヤ１２の第１挿通孔１２ａに挿入されると、係合溝５０ａと爪部１２ｇとがスナップ結合されるので、主動ギヤ１２と一体的に回転できるようになる。また、カムロータ５０の鍔部５０ｃにはキャンセル突起５０ｄが軸線ＣＬに沿って外方に突設されている。キャンセル突起５０ｄは、図示しないターンシグナルスイッチの操作レバーを左右いずれかの操作（ＯＮ）時に、操作レバーを中立（ＯＦＦ）位置に復帰させるためのものである。

このように構成された回転角検出装置１０は、磁気検出素子７２を実装した回路基板７０がホルダ３０の各開口３０ｇを塞ぐように取り付けられるため、回路基板７２が収容される空間Ｓ２と、主動ギヤ１２及び従動ギヤ１３，１４が収容される空間Ｓ１とが互いに隔絶されるので、長期間の使用によって回路基板７０から半田ボールや残留フラックスが分離したり、回路基板７０の破断面から破断片・細粉等が脱落・発生しても、それらの異物が主動ギヤ１２と従動ギヤ１３，１４の噛み合わせ部分やそれらの各ギヤとホルダ３０との摺動部分などに付着・介在することがない。したがって、主動ギヤ１２及び従動ギヤ１３，１４を低トルクでスムーズに回転させることができ、また各ギヤの歯に破損が生じるのを防止でき、信頼性の高いものとすることができる。

また、ケース４０、ホルダ３０、主動ギヤ１２及び従動ギヤ１３，１４が合成樹脂製の成形品であり、ケース４０と主動ギヤ１２及び従動ギヤ１３，１４との間に、金属板から加工されたシート状部材８０が介装されているので、それらの各ギヤは、各ギヤの両端面が合成樹脂製の部材に接する構成と比較して小さな摩擦抵抗で回転できる。したがって、従動ギヤ１３，１４のがたつきや振動を防止することができ、また従動ギヤ１３，１４をスムーズに回転させることができる。さらに本発明の回転角検出装置は、少なくともケース４０が金属板から加工されている態様であってもよい。この場合、主動ギヤ１２及び従動ギヤ１３，１４がさらに小さな摩擦抵抗で回転できるようになるので、それらのギヤをさらにスムーズに回転させることができる。また、ケース４０の厚さを小さくできるので、回転角検出装置をコンパクト化することができる。もしカバー２０も金属板から加工された構成であればその効果はさらに大きい。

さらに、ホルダ３０の凹部からなる支持部３０ｅ，３０ｆに従動ギヤ１３，１４の保持部１３ｂ，１４ｂを挿入し、また、ホルダ３０の第１挿通孔３０ａに主動ギヤ１２の小径部１２ｅを挿入するだけで、従動ギヤ１３，１４及び主動ギヤ１２がホルダ３０に回転自在に支持された状態となるので、簡単な取付け作業で主動ギヤ・従動ギヤを高精度に位置決めすることができる。

また、本実施形態例では、歯数の異なる２段のギヤ１２ｂ，１２ｃをもつ主動ギヤ１２に同一の歯数の２つの従動ギヤ１３，１４を噛み合わせた構成を示したが、１段の主動ギヤに歯数の異なる従動ギヤが複数配置されていてもよいし、１段の主動ギヤに従動ギヤが１つだけ配置されたものでもよく、目的に応じて様々なギヤの構成にも適用できることは言うまでもない。

さらに、本実施形態例では、主動ギヤ１２が、ステアリング軸と間接的に連結された構成例を説明したが、回転角検出装置１０の主動ギヤ１２がステアリングシャフトと直接連結されたものであってもよく、また、回転角検出装置１０にカムロータ５０が取り付けられていないものであってもよいのは勿論である。

一実施形態の回転角検出装置の斜視図である。 回転角検出装置を主な構成要素に分解して示した斜視図である。 ホルダに対する機構部品要素の組み付け関係を示す分解斜視図である。 主動ギヤと従動ギヤとの噛み合い状態を拡大して示す斜視図である。 回転角検出装置の完成状態を示す正面図である。 回転角検出装置１０の完成状態でその内部構造を示す断面図（図５中のＶＩ−ＶＩ断面）である。

符号の説明

１０ 回転角検出装置
１２ 主動ギヤ
１４ 従動ギヤ
１６ 磁石
２０ カバー
３０ ホルダ
３０ｇ 開口
３０ｅ，３０ｆ 支持部
４０ ケース
７０ 回路基板
７２ 磁気センサ
８０ シート状部材

Claims (3)

1. 所定の軸線を中心に回転する検出対象物と直接又は間接的に連結されて回転する主動ギヤと、
   この主動ギヤに噛み合って回転する従動ギヤと、
   この従動ギヤの中央部に設けられた磁石と、
   前記検出対象物が挿通可能に形成された第１挿通孔を有し、この第１挿通孔によって前記主動ギヤを回転自在に支持し、前記従動ギヤを回転自在に支持する支持部を有して、この支持部に前記磁石と対向する開口が形成されたホルダ部材と、
   前記検出対象物が挿通可能に形成された第２挿通孔を有し、前記ホルダ部材の一側に組み付けられることで前記ホルダ部材との間に前記主動ギヤ及び前記従動ギヤを回転可能に挟持し、この従動ギヤを収容する第1空間を形成して、この第1空間に前記主動ギヤの一部を臨ませる第１のカバー部材と、
   前記開口を介して前記磁石と対向して前記磁石の回転に伴う磁界の変化を検出する磁気検出素子と、
   この磁気検出素子が実装された回路基板と、
   前記検出対象物が挿通可能に形成された第３挿通孔を有し、前記ホルダ部材の他側に取り付けられることで前記ホルダ部材との間に前記回路基板を収容する第２空間を形成する第２のカバー部材とを備え、
   前記開口が、前記回路基板によって塞がれることを特徴とする回転角検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角検出装置において、
   前記ホルダ部材、前記第１のカバー部材、前記主動ギヤ及び前記従動ギヤが合成樹脂材料から成形され、前記主動ギヤ及び前記従動ギヤと前記第１のカバー部材との間に金属板から加工されたシート状部材が介装されていることを特徴とする回転角検出装置。
3. 請求項１に記載の回転角検出装置において、
   前記ホルダ部材、前記主動ギヤ及び前記従動ギヤが合成樹脂材料から成形され、少なくとも前記第１のカバー部材が金属板から加工されていることを特徴とする回転角検出装置。

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