JP2005055256A

JP2005055256A - 舵角センサ

Info

Publication number: JP2005055256A
Application number: JP2003285320A
Authority: JP
Inventors: Setsu Sakabe; 節坂部
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-03-03
Also published as: US20050022613A1; EP1503171A2; US7201069B2

Abstract

【課題】各種の仕様に応じて適切に対応することができ、部品を統一化することのできる舵角センサを提供する。
【解決手段】収納ケース１０と、ステアリングシャフト１と同軸的に配置されて回転する第１のギヤ２と、収納ケース１０内に収納され、第１のギヤ２に対して、第１の加速比で回転駆動する第２のギヤ３と、第２のギヤ３の回転角度を検出する磁気センサ６と、を備え、磁気センサ６は、第２のギヤ３の回転に伴って発生するＡ相パルスと、Ａ相パルスとは９０度位相の異なるＢ相パルスと、第２のギヤ３の１回転に１回出力されるＺ相パルスからなる３相パルス信号を出力し、更に、３相パルスの出力分解能が可変であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両のステアリング等の回転体の舵角を検出する舵角センサに関する。

例えば、車両のステアリングシャフトのように、複数回転する回転体の舵角を検出することが可能な舵角センサとして、絶対舵角センサ、或いは相対舵角センサが用いられている。

従来における絶対舵角センサでは、ステアリングシャフトと連動して回転する第１のギヤと、この第１のギヤと噛合する第２のギヤ、及び第３のギヤを設け、第１のギヤに対する第２のギヤの加速比（歯数の比率）と、第１のギヤに対する第３のギヤの加速比が異なるように設定する。そして、第２のギヤに取り付けられる磁石の回転角度、及び第３のギヤに取り付けられる磁石の回転角度を、それぞれ磁気センサを用いて測定し、これら２つのギヤ（第２，第３のギヤ）の回転角度に基づいて、第１のギヤ、ひいてはステアリングシャフトの複数回転に亘る回転角度を求めることができる。

また、従来における相対舵角センサとして、例えば特開２０００−１８０１１３号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。

該特許文献１に開示された技術では、円周に沿ってＮ極、Ｓ極を交互に配置して形成された多極性の着磁リングを有し、該着磁リングの回転により磁界の変化を磁気抵抗素子にて検出し、磁界変化に伴った２相のパルス信号（Ａ相パルス、Ｂ相パルス）を生成する。更に、円周に沿った１箇所に単極着磁部を備え、この単極着磁部をホールＩＣにて検出し、パルス信号（Ｚ相パルス）を生成する。

そして、上記の３相パルス信号に基づいて、ステアリングシャフトの回転角度、回転方向、及び基準位置を検出することができ、ひいては、ステアリングシャフトの舵角を測定することができる。

即ち、３相パルス信号を受ける上位システムでは、Ａ相パルス及びＢ相パルスに基づいて、回転角度、及び回転方向を検出することができ、更に、Ｚ相パルスに基づいて、中立位置（ステアリングシャフトが直進方向を向いている位置）を検出することができるので、ステアリングシャフトの舵角を求めることができる。
特開２０００−１８０１１３号公報

ところが、従来における相対舵角センサでは、検出舵角の分解能（検出可能な最小舵角）等、各仕様に応じて異なる構成を採っていた。即ち、仕様に応じて、着磁リングの大きさ、着磁極数、磁気センサの取り付け位置等がまちまちで、統一化されていないのが現状であり、このため、部品の共有化を図ることができず、それぞれの仕様に応じて、異なる部品を用意する必要があった。

また、絶対舵角センサと相対舵角センサとは、パッケージ（収納ケース）や検出構造（磁気センサ及び磁石）の共有化が図れず、それぞれ異なるパッケージや検出構造とする必要があるので、部品点数の増大を招くという問題が生じていた。

この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、各種の仕様に応じて適切に対応することができ、部品を統一化することのできる舵角センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、回転体の舵角を検出する舵角センサにおいて、収納ケースと、前記回転体と共に回転する第１のギヤと、前記収納ケース内に収納され、前記第１のギヤに対して第１の加速比で回転駆動する第２のギヤと、前記第２のギヤの回転角度を検出する第２ギヤ角度検出手段と、を備え、前記第２ギヤ角度検出手段は、前記第２のギヤの回転角度を、所定の分解能となる絶対角度信号として出力すると共に、第２のギヤの回転に伴って発生する第１のパルスと、前記第１のパルスとは位相の異なる第２のパルス、及び第２のギヤの１回転に１回出力される第３のパルスからなる３相パルス信号を出力し、更に、前記３相パルスの出力分解能が可変であることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記収納ケース内に収納され、前記第１のギヤに対して第２の加速比で回転駆動する第３のギヤと、前記第３のギヤの回転角度を検出し、絶対角度信号及び３相パルス信号を出力する第３ギヤ角度検出手段と、前記第２ギヤ角度検出手段による検出データ及び前記第３ギヤ角度検出手段による検出データに基づいて、前記回転体の舵角を演算する制御手段を更に備え、前記制御手段は、前記第２ギヤ角度検出手段により検出された絶対角度信号、及び前記第３ギヤ角度検出手段により検出された前記第３のギヤの回転角度に基づいて、前記回転体の絶対舵角を演算することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記回転体は、車両に搭載されるステアリングシャフトであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記回転体は、車両に搭載されるステアリングシャフトであり、前記第２ギヤ角度検出手段は、車両のイグニッションがオフとされた際には、イグニッションがオンとされているときよりも長いサンプリング周期で、前記３相のパルス信号或いは絶対角度信号を検出し、これらの検出信号の変化量から擬似的な絶対角度を演算することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記第２ギヤ角度検出手段の分解能は、６ビット〜１０ビットの間で変更可能としたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記第２ギヤ角度検出手段の分解能となる角度は、前記第１のギヤと第２のギヤの間の加速比に整数、或いは有限小数を乗じた値となるように設定されることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、前記第１のパルスと前記第２のパルスとの位相差は、９０度であることを特徴とする。

本発明に係る舵角センサでは、回転体と共に回転する第１のギヤと、この第１のギヤに対して第１の加速比で回転する第２のギヤと、第２のギヤの回転角度を検出する第２ギヤ角度検出手段とを備えている。そして、第２ギヤ角度検出手段より出力されるＡ相パルス、Ｂ相パルス、及びＺ相パルスの３相パルスの分解能を適宜変更することができる。

従って、同一のギヤ、或いは収納ケース、検出手段（磁石及び磁気センサ）を用い、ソフト的な変更により各種の分解能を設定することができ、各種部品を共通化することができる。その結果、コストダウン、設計工数の低減化を図ることができる。

また、第２のギヤと第３のギヤを備え、２つのギヤの回転角度に基づいて、回転体の絶対舵角を求める絶対舵角センサ、及び、第２のギヤの回転角度と回転体の舵角が中立位置のときのデータに基づいて、回転体の舵角を求める相対舵角センサ、及び、舵角検出のサンプリング周期を変更することにより、車両のバッテリ上がりを防止する疑似舵角センサの間においても、収納ケース、及び第２のギヤ、検出手段（磁石及び磁気センサ）を共通化することができ、より一層コストダウン、設計工数の低減を図ることができる。

更に、回転体を車両のステアリングシャフトとすることにより、全体で４周以上（１４４０°以上）回転する回転体の舵角を求める際に、極めて有用である。

また、第２のギヤの回転角度を検出する際の分解能を、第１のギヤと第２のギヤとの間の加速比の整数倍、或いは有限小数倍とすることにより、ステアリングシャフトの舵角検出時の検出精度を向上させることができる。

更に、第２のギヤの回転角度を検出する際の分解能を６ビット〜１０ビットの間で設定可能とすることにより、広い範囲のでの分解能の設定が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る舵角センサを示す構成図である。同図に示すように、この舵角センサ５１は、収納ケース１０内に取り付けられ、車両に搭載されるステアリングシャフト（回転体）１の舵角を測定するものであり、ステアリングシャフト１と同軸的に取り付けられる第１のギヤ２と、この第１のギヤ２と噛合する第２のギヤ３を備えている。

第２のギヤ３は、第１のギヤ２よりも小径とされている。即ち、第２のギヤ３は、第１のギヤ２よりも歯数が少なく、例えば、歯数が「４８」とされている。また、第１のギヤ２は、例えば、歯数が「１３５」とされている。

第２のギヤ３の中央部には、２極着磁の磁石５が取り付けられており、更に、図２に示すように、磁石５と対向する固定側には、磁石５により発生する磁界の方向を検出するための磁気センサ６が設けられている。

そして、磁気センサ６は、図３に示す如くの、絶対角度信号、及び３相のパルス信号を出力する。即ち、本実施形態では、磁気センサ６の分解能を６ビット、つまり、２進数で「００００００」〜「１１１１１１」の６４分割としており、この分解能（３６０°／６４＝５．６２５°）で、第２のギヤ３の回転角度を検出することができる。

更に、同図（ａ）〜（ｃ）に示すように、第２のギヤ３の回転に伴って、Ａ相、Ｂ相、Ｚ相の３相からなるパルス信号が出力されるので、舵角センサ５１の後段に設けられる上位システム（図示省略）ではＡ相、及びＢ相のパルス信号から、第２のギヤ３の回転角度を求めることができ、且つ、Ａ相パルスとＢ相パルスが互いに９０度の位相差を有することに基づいて、回転方向、即ち、時計回り（ＣＷ）であるか、或いは反時計回り（ＣＣＷ）であるかを検出することができる。また、Ｚ相パルスに基づいて、中立位置を検出することができる。

従って、上位システム（図示省略）では、上記の３相のパルス信号に基づいて、ステアリングシャフト１の舵角を算出することができる。

次に、磁気センサ６より出力される３相パルス信号の分解能について説明する。通常、分解能は、６ビット〜１０ビットに設定される。例えば、分解能６ビット（２進６桁）の場合には、上述したように、分解能は、５．６２５°となる。同様に、１０ビット（２進１０桁）の場合には、分解能は、０．３５１５６２５°となる。

また、この分解能を、第１のギヤ２との間での加速比を考慮することにより、表１に示す如くの分解能を設定することができる。

表１において、例えば第１のギヤ２と第２のギヤ３との間の加速比が「５．６２５」で、磁気センサ６の分解能が６ビットの場合には、ステアリングシャフト１の舵角を検出する際の分解能が「１°」となる。換言すれば、磁気センサ６の分解能を６ビットに設定すれば、第２のギヤ３の回転角度を「５．６２５°」の単位で測定することができ、これは第１のギヤ２の回転角度「１°」に相当するので、ステアリングシャフト１の舵角検出時の分解能を「１°」とすることができる。

そして、第２のギヤ３、及び第３のギヤ４の大きさを統一し、磁気センサ６，８の分解能を適宜変更することにより、ステアリングシャフト１の舵角を検出する際の分解能を、所望する数値に設定することができる。例えば、上述の例で、磁気センサ６の出力分解能を７ビットとすれば、舵角検出時の分解能を「０．５°」とすることができ、ステアリングシャフト１の舵角検出をより高精度に行うことができる。

つまり、所望の加速比となる第２のギヤ３を予め設定すれば、あとは磁気センサ６の分解能を６〜１０ビットの間で適宜選択することにより、所望する分解能を得ることができるので、同一の部品を用いて各種車両の仕様に応じた分解能の設定が可能となる。

ここで、磁気センサ６の分解能が、第１のギヤ２と第２のギヤ３との間の加速比の整数、或いは有限小数を乗じた値として設定することにより、所望する分解能を設定し易くなる。例えば、表１に示した例のように、第１のギヤ２と第２のギヤ３との間の加速比を２２．５、１１．２５、５．６２５、２．８１２５、１．４０６２５、０．７０３１２５とすることにより、分解能と加速比との間の関係が整数倍となり、ステアリングシャフト１の分解能を「１」、「２」、「０．５」といった割り切れる数値に設定し易くなり、所望する分解能を得易くなる。

なお、上述した表１以外でも、例えば、以下の表２，表３に示す如くに分解能と加速比との関係を、有限小数倍として設定することができる。

このようにして、本実施形態に係る舵角センサ５１では、収納ケース１０内に、第２のギヤ３を収納し、第２のギヤ３の回転角度を検出する磁気センサ６より出力される３相パルス信号の分解能を適宜変更することにより、ステアリングシャフト１の舵角の分解能を所望する値に設定することができる。

従って、同一の収納ケース１０、及び同一のギヤ（第２のギヤ３）、同一の検出手段（磁石及び磁気センサ）を用いて所望する分解能を得ることができる。

その結果、従来のように、分解能に応じて着磁リングの大きさや着磁極数を変更する等のハードウェア的な設計変更が不要となり、同一サイズの収納ケース１０を用いることができ、部品点数の削減、及び組み付け作業の簡略化を図ることができる。

また、磁気センサ６の分解能と加速比との間の関係を有限小数倍とすることにより、演算の過程で端数を切り捨てるという処理が無くなるため、舵角の検出精度を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態に係る舵角センサを示す構成図である。同図に示すように、この舵角センサ５０は収納ケース１０内に取り付けられ、車両に搭載されるステアリングシャフト（回転体）１の舵角を測定するものであり、ステアリングシャフト１と同軸的に取り付けられる第１のギヤ２と、この第１のギヤ２と噛合する第２のギヤ３，及び第３のギヤ４を備えている。

第２のギヤ３は、第１のギヤ２よりも小径とされ、且つ、第３のギヤ４は、第２のギヤ３よりも小径とされている。即ち、第２のギヤ３は、第１のギヤ２よりも歯数が少なく、例えば、歯数が「４８」とされ、第３のギヤ４は、第２のギヤ３よりも歯数が少なく、例えば、歯数が「３４」とされている。また、第１のギヤ２は、例えば、歯数が「１３５」とされている。

また、第２のギヤ３の中央部には、２極着磁の磁石５が取り付けられ、且つ、第３のギヤ４の中央部にも同様に、２極着磁の磁石７が取り付けられている。更に、前述した図２に示したように、磁石５，７と対向する固定側には、磁石５，７により発生する磁界の方向を検出するための磁気センサ６，８が設けられている。

また、図４に示すステアリングシャフト１の側部近傍には、第２のギヤ３の回転角度、及び第３のギヤ４の回転角度に基づいて、ステアリングシャフト１の絶対舵角を演算するマイコン（制御手段）９が設けられている。

図５は、ステアリングシャフト１の舵角と、各ギヤ（第１〜第３のギヤ）の回転角度との関係を示す特性図であり、以下、各磁気センサ６，８にて測定される第２，第３のギヤ３，４の回転角度に基づいて、ステアリングシャフト１の絶対舵角を求める手順について説明する。

同図に示す折れ線Ｓ１は、第１のギヤ２の回転角度、折れ線Ｓ２は、第２のギヤ３の回転角度、そして、折れ線Ｓ３は、第３のギヤ４の回転角度の変化を示している。

車両に搭載されるステアリングシャフト１は、通常全体で４周程度回転する。つまり、全体の舵角は、およそ０°〜１４４０°程度の範囲となる。そして、上述したように、第１のギヤ２の歯数が「１３５」、第２のギヤ３の歯数が「４８」とされているので、第２のギヤ３の加速比（第１の加速比）は、１３５／４８＝２．８１２５となる。同様に、第３のギヤ４の歯数が「３４」とされているので、第３のギヤ４の加速比（第２の加速比）は、１３５／３４＝３．９７となる。換言すれば、図３に示すＳ１の三角波形の１周期内に、Ｓ２の三角波形が２．８１２５個分存在し、Ｓ３の三角波形が３．９７個分存在する。

そして、Ｓ１の周期とＳ２の周期の最小公倍数が、１４４０°よりも大きくなるように設定している。従って、磁気センサ６にて検出される第２のギヤ３の角度（折れ線Ｓ２の値）、及び磁気センサ８により検出されるよる第３のギヤ４の角度（折れ線Ｓ３の値）が求められれば、これらの２つの値の組み合わせは、全体の舵角（０°〜１４４０°の範囲）で、１つのみ存在するので、ステアリングシャフト１の絶対舵角を測定することができる。

そして、マイコン９は、上記の手法で、ステアリングシャフト１の絶対舵角を測定し、この測定結果を上位システムに出力する。

このようにして、第２の実施形態に係る舵角センサ５０では、前述した第１の実施形態にて示した相対舵角センサ５１と同一の収納ケース１０内に収納して構成することができ、また、マイコン９、及び第３のギヤ４を付加することにより、構成することができるので、相対舵角センサとの間の、各種部品の共通化を図ることができる。従って、部品点数を低減することができ、コストダウンを図ることができる。

また、相対舵角センサと絶対舵角センサとを併用する場合にも、容易に適用することができる。即ち、車両に搭載される各種機器は、相対舵角センサより出力される３相パルス信号を用いるもの、及び絶対舵角センサの出力信号を用いるものがあり、本実施形態に係る舵角センサでは、両者の信号を共に出力することができるので、相対舵角センサ出力、及び絶対舵角センサ出力の双方を必要とする場合においても対処することができる。

また、このような構成とした場合には、マイコン９内で３相パルス信号を生成する必要がないので、演算処理時間を短縮化することができ、応答性を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６は、第３の実施形態に係る舵角センサの構成を示す説明図である。同図に示す舵角センサ５２は、収納ケース１０内に第２のギヤ３が設けられており、該第２のギヤ３は、ステアリングシャフト１と共に回転する第１のギヤ２と噛合している。

そして、第２のギヤ３には、２極着磁の磁石５が取り付けられ、この磁石５と対向する固定側には、磁気センサ６が設けられている。そして、磁気センサ６では、磁石５により発生する磁界の発生方向に基づいて、第２のギヤ３の回転角度、及び回転方向を検出し、この検出データを出力する。

また、マイコン（制御手段）９を備えており、該マイコン９では、所定のサンプリング周期でサンプリングされたステアリングシャフト１の舵角を記憶保存する機能を備えている。そして、次のサンプリング時に得られる３相パルス信号ないしは絶対角度信号と、記憶保存されているステアリングシャフト１の舵角データに基づいて、再度ステアリングシャフト１の舵角を算出する。

このような構成によれば、車両が駐車、或いは停車してイグニッションがオフとされた場合において、バッテリ上がり防止のためにサンプリング周期を長く設定した場合でも、確実にステアリングシャフト１の舵角を検出することができるので、次回イグニッションをオンとして走行を開始する場合に、即時にステアリングシャフト１の絶対舵角を求めることができる。

そして、第３の実施形態についても、前述した第１の実施形態と同様に、第１のギヤ２と第２のギヤ３との間の加速比を一定とし、磁気センサ６により検出する磁石５の回転角度の分解能を６〜１０ビットの間で適宜変更することにより、所望する分解能を得ることができる。

従って、同一サイズの収納ケース１０、及び同一サイズの第２のギヤ３を用いて、ステアリングシャフト１の舵角の分解能を所望する数値に設定することができ、ハードウェア的な設計変更が不要となり、部品点数の削減、及び組み付け作業の簡略化を図ることができる。また、前述した第１の実施形態、第２の実施形態で示した舵角センサにて用いるケース、ギヤ、磁気センサ、及び磁石を共通化することができる。

更に、前述した第１の実施形態と同様に、Ａ相、Ｂ相のパルス信号分解能と加速比との関係を、整数或いは有限小数倍として設定することにより、舵角の検出精度を向上させることができる。また、前述した第１の実施形態、第２の実施形態で示した舵角センサと、ケース、ギヤ、磁気センサ、磁石を共通化することができる。

以上、本発明の舵角センサを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した各実施形態では、回転体として車両に搭載されるステアリングシャフト１を例に挙げて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、その他の回転体についても適用することができる。

また、上述したＡ相パルスとＢ相パルスは位相が９０度ずれる信号としたが、本発明はこれに限定されるものではない。

車両のステアリングシャフトなどの、高精度な舵角検出を必要とする分野で極めて有用である。

本発明の第１の実施形態に係る舵角センサを示す構成図である。第２のギヤに搭載される２極着磁の磁石と、これに対向して配置される磁気センサの構成を示す説明図である。磁気センサ（第２ギヤ角度検出手段）より出力される絶対角度信号、及び３相パルス信号を示す説明図である。本発明の第２の実施形態に係る舵角センサを示す構成図である。第２のギヤの回転角度と第３のギヤの回転角度に基づいて、ステアリングシャフトの絶対舵角を算出する手順を示す特性図である。本発明の第３の実施形態に係る舵角センサを示す構成図である。

符号の説明

１ステアリングシャフト（回転体）
２第１のギヤ
３第２のギヤ
４第３のギヤ
５磁石（第２のギヤ側）
６磁気センサ（第２ギヤ角度検出手段）
７磁石（第３のギヤ側）
８磁気センサ（第３ギヤ角度検出手段）
９マイコン（制御手段）
１０収納ケース
５０，５１，５２舵角センサ

Claims

回転体の舵角を検出する舵角センサにおいて、
収納ケースと、
前記回転体と共に回転する第１のギヤと、
前記収納ケース内に収納され、前記第１のギヤに対して第１の加速比で回転駆動する第２のギヤと、
前記第２のギヤの回転角度を検出する第２ギヤ角度検出手段と、を備え、
前記第２ギヤ角度検出手段は、
前記第２のギヤの回転角度を、所定の分解能となる絶対角度信号として出力すると共に、
第２のギヤの回転に伴って発生する第１のパルスと、前記第１のパルスとは位相の異なる第２のパルス、及び第２のギヤの１回転に１回出力される第３のパルスからなる３相パルス信号を出力し、更に、前記３相パルスの出力分解能が可変であることを特徴とする舵角センサ。
前記収納ケース内に収納され、前記第１のギヤに対して第２の加速比で回転駆動する第３のギヤと、前記第３のギヤの回転角度を検出し、絶対角度信号及び３相パルス信号を出力する第３ギヤ角度検出手段と、前記第２ギヤ角度検出手段による検出データ及び前記第３ギヤ角度検出手段による検出データに基づいて、前記回転体の舵角を演算する制御手段を更に備え、
前記制御手段は、前記第２ギヤ角度検出手段により検出された絶対角度信号、及び前記第３ギヤ角度検出手段により検出された前記第３のギヤの回転角度に基づいて、前記回転体の絶対舵角を演算することを特徴とする請求項１に記載の舵角センサ。
前記回転体は、車両に搭載されるステアリングシャフトであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の舵角センサ。
前記回転体は、車両に搭載されるステアリングシャフトであり、前記第２ギヤ角度検出手段は、車両のイグニッションがオフとされた際には、イグニッションがオンとされているときよりも長いサンプリング周期で、前記３相のパルス信号或いは絶対角度信号を検出し、これらの検出信号の変化量から擬似的な絶対角度を演算することを特徴とする請求項１に記載の舵角センサ。
前記第２ギヤ角度検出手段の分解能は、６ビット〜１０ビットの間で変更可能としたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の舵角センサ。
前記第２ギヤ角度検出手段の分解能となる角度は、前記第１のギヤと第２のギヤの間の加速比に整数、或いは有限小数を乗じた値となるように設定されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の舵角センサ。
前記第１のパルスと前記第２のパルスとの位相差は、９０度であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の舵角センサ。