JP2005140557A - 舵角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造にもかかわらず、精度良くシャフトの回転角度を検出する舵角検出装置を提供する。
【解決手段】 ホール素子ＨＥ１，ホール素子ＨＥ２からの検出信号は角度変換回路４２に入力され、０度〜３６０度の範囲のみを表す角度検出信号Ｓ_ＤＥＴが出力される。第３のホール素子ＨＥ３から出力された検出信号は領域判定回路４８に入力され、ステアリングシャフト４が、どちらの方向に何回転したかを表す信号Ｓ_ＲＯＴが出力される。角度出力回路４４では、Ｓ_ＤＥＴとＳ_ＲＯＴに基づいて±Ｎ×３６０°＋Ｓ_ＤＥＴを演算し（Ｎ＝０，１，２，・・・）、出力信号Ｓ_ＯＵＴを出力する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、３６０度以上回転するシャフトの回転角を検出する舵角検出装置に関するものである。

舵角センサは、ステアリングシャフトの回転位置を真のニュートラル位置を基準とした角度（いわゆる、絶対操舵角度）として検出するものである。この舵角センサは、自動車などでの車両制御において用いられるセンサの１つとして重要であることから、従来から各種の提案がなされている。

特許文献１（特開平１１−２６４７２５号公報）では、エンジン停止中におけるステアリングシャフトの回転方向・回転角度の情報を検出し記憶できる回転角度検出装置が開示されている。この回転角度検出装置では、信号のオン・オフの数をカウントするインクリメンタル方式が採用されている。

また、特許文献２（特開平５−３２２５９９号公報）では、主電源遮断時においても高速応答が可能なバックアップ式多回転型絶対位置検出器が開示されている。この多回転型絶対位置検出器では、検出素子により“０”か“１”かのデジタル値が検出できるような情報が付与された回転ディスクを用い、検出素子で検出される“０”と“１”の組み合わせにより角度を検出するグレイコード方式が採用されている。

さらに、特許文献３（特開平１１−２８７６０８号公報）では、イグニッションキーのオン後の早期に正確な絶対操舵角度を検出できる車両用ステアリングセンサが開示されている。この車両用ステアリングセンサでは、ステアリング・ホイールの回転全領域が検出できるようにするため、ギアの減速機構を用いた回転数検出部が設けられている。

換言すると、特許文献１に記載の従来技術では、イグニッションキーオフ時にも舵角を検出し続ける必要があり、このときの電力消費に対する配慮が必要である。また、特許文献２に記載の従来技術では、高分解能に伴い、回転ディスクに付与するコードの緻密化が必要であり、そのため検出素子の数が増える。さらに、これら特許文献１および２に記載の従来技術では、コード化されたデジタル信号を処理することになるので、舵角センサを取り付けるステアリングシャフトの径や、角度分解能の仕様に応じて全体設計を変更する必要が出てくる。

また、特許文献３に記載の従来技術では、回転数検出部の数が増えるので、詳細角度検出部と回転数検出部の基準位置との整合を取る必要があるという問題がある。

そこで、このような特許文献１〜３に記載の問題点を解決するために、特許文献４（特開２００２−２２８４０８号公報）では、イグニッションキーのオフ時に舵角情報を検出し続けることなく、イグニッションキーのオンとほぼ同時に操舵角度を検出することができる舵角センサを提供することを目的とした発明を開示している。

特開平１１−２６４７２５号公報（第１頁、要約） 特開平５−３２２５９９号公報（第１頁、要約） 特開平１１−２８７６０８号公報（第１頁、要約） 特開２００２−２２８４０８号公報（第１頁、要約、図１）

上記の特許文献４に記載の発明では、ステアリングシャフトの回転角度範囲をギア機構により「１回転未満の範囲内」に変換し、この１回転未満の角度範囲を磁気センサで検出している。すなわち、ステアリングシャフトには減速ギア機構が取り付けられており、この減速ギア機構は、ステアリングシャフトの全回転角度範囲（例えば左右２回転の角度範囲：±７２０度）を双方向において「１回転（３６０度）未満の回転角度範囲」に変換している。そして、隣接する２個のギャップ内に設けた位相の異なる２つのホール素子の出力によって、３６０度内の１つの角度情報を得るようにしている。

しかしながら、特許文献４に記載の発明は、ステアリングシャフトに減速ギア機構を取り付けることにより±７２０度範囲の回転を３６０度未満の回転角度に変換しているので、この減速ギア機構が固有的に有しているバックラッシュに起因して、回転角度の測定値に不可避の誤差が生じ得る、という問題があった。

このように、従来の舵角検出技術では、高精度な角度測定ができないという問題があった。

よって本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、簡易な構造で精度良くシャフトの回転角度を検出する舵角検出装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、３６０度以上回転するシャフトの回転角を検出する舵角検出装置において、前記シャフトの周囲に設けられた環状磁石、および、前記環状磁石の回転による磁束を検出する磁気センサを有する第１の角度センサと、前記シャフトの回転角がどの回転角の領域にあるかを検出する第２の角度センサと、前記第１の角度センサの出力と、前記第２の角度センサの出力とに基づいて、前記シャフトの回転角値を演算する演算手段と、を具備したものである。

また、上記の舵角検出装置において、前記第２の角度センサは、前記シャフトが１回転するたびに連動して回動する従属ギヤと、該従属ギヤに固着されている磁石と、該磁石の位置を検知する磁気検出素子と、を有することが可能である。あるいは、上記の舵角検出装置において、前記第２の角度センサは、前記シャフトの回転に連動して該シャフトの回転軸と平行に移動する磁石と、該磁石の位置を検知する磁気検出素子と、を有することも可能である。

本発明によれば、高精度の角度を検出する第１の角度センサには機械部品を用いていないので、長期使用による機械的部品の劣化が生じない。その結果、耐久性が高く、且つ信頼性の高い高精度な第１の角度センサを実現することができる。さらに、多回転したシャフトの回転領域を検出する第２のセンサには正確な測定精度を必要としないので、さまざまな構成を採ることができる。

以上の理由から、本発明に係る舵角検出装置は、従来から知られている舵角センサに比べて小型かつ正確な舵角検出装置を提供することができる。

また、本発明に係る舵角検出装置によれば、搭載位置の自由度が増すのみならず、製造コストの面でも柔軟に対応することが可能となる。

実施の形態１
図１は、本発明を適用した舵角センサの外観構成図である。本図において、２はステアリングホイール、４はステアリングシャフト、６は舵角センサ用ケースである。この舵角センサ用ケース６内に、本実施の形態に係る舵角センサを収納してある。

図２は、舵角センサ用ケース６内の平面構成（Ａ）および側面構成（Ｂ）を示している。本図において、ステアリングシャフト４の外周面上には第１の磁石ＭＧ１が同心円状に取り付けられてある。そして、第１の磁石ＭＧ１が発する磁界を検知するために、第１のホール素子ＨＥ１および第２のホール素子ＨＥ２が、第１の磁石ＭＧ１とは非接触の状態で固定配置されている。これら２つのホール素子ＨＥ１およびＨＥ２は、ステアリングシャフト４の回転中心軸に対して、ほぼ９０度ずれた同心円上に配置されている。後に詳述するように、第１のホール素子ＨＥ１および第２のホール素子ＨＥ２から得られた２つの検出信号に基づいて、ステアリングシャフト４の現在位置を、０度〜３６０度の範囲で測定する。換言すると、ステアリングシャフト４が左もしくは右に何回転したかに拘わりなく、その時の位置を０度〜３６０度の情報として検出する。

また、ステアリングシャフト４には主ギア１０が取り付けられてあり、ステアリングシャフト４の回転に伴なって、突起部１０ａが回転する。すなわち、ステアリングシャフト４が１回転するたびに、突起部１０ａも１回転する。この主ギア１０と噛み合う形態で従属ギア２０が設けられている。従属ギア２０は、突起部１０ａと係合する突起部２０ａ〜２０ｆを持っており、主ギア１０の突起部１０ａが１回転するたびに、従属ギア２０が所定角度ずつ回転する。

従属ギア２０の下面には第２の磁石ＭＧ２が取り付けられており、従属ギア２０の回転に伴なって、第２の磁石ＭＧ２も回転する。この第２の磁石ＭＧ２が発する磁界の強さを検知するために、第２の磁石ＭＧ２が回転する円周上に近接して、第３のホール素子ＨＥ３が固定配置されている。したがって、第３のホール素子ＨＥ３からは、第２の磁石ＭＧ２と第３のホール素子ＨＥ３との間の距離に対応した検出信号が得られる。後に詳述するように、第３のホール素子ＨＥ３から得られる検出信号は、ステアリングシャフト４が、どちらの方向に何回転したかを表す信号である。
３０は信号処理用ＩＣであり、図４を参照して、後に詳述する。

図３は、ステアリングシャフト４の外周面上に取り付けられている第１の磁石ＭＧ１と、第１のホール素子ＨＥ１と、第２のホール素子ＨＥ２との関係を拡大して示している。本図に示すように、第１の磁石ＭＧ１はＳ極とＮ極に別れて着磁されている。そして、２つのホール素子ＨＥ１，ＨＥ２は９０度ずれて配置されているので、第１のホール素子ＨＥ１および第２のホール素子ＨＥ２からは、位相が９０度ずれた検出信号が得られる。

図４は、本発明を適用した舵角センサの電気的回路構成を示す。本図において、ＤＵ１は第１の角度センサユニットであり、図２に示した第１のホール素子ＨＥ１および第２のホール素子ＨＥ２を含んでいる。ＤＵ２は第２の角度センサユニットであり、図２に示した第３のホール素子ＨＥ３を含んでいる。

まず、第１の角度センサユニットＤＵ１について説明する。第１のホール素子ＨＥ１および第２のホール素子ＨＥ２からは、図５に示すような、９０度だけ位相がずれた同一波形の検出信号が得られる。これら２つの検出信号は、ホール素子駆動＆入力信号増幅回路４０を介して、角度変換回路４２に入力される。この角度変換回路４２において、特に注意すべき点は、上記２つの検出信号に基づいて０度〜３６０度の範囲のみを表す角度検出信号Ｓ_ＤＥＴを出力することである。すなわち、ステアリングシャフト４が何回転しようとも、角度検出信号Ｓ_ＤＥＴは０度〜３６０度の範囲のみを表している。したがって、図５の横軸に示した０度〜３６０度の範囲内におけるホール素子出力のみに基づいて、０度〜３６０度の範囲を表わす角度検出信号Ｓ_ＤＥＴを得ればよいことになるので、周知の技術を用いて、図６に示すような正確な角度検出が可能となる。

次に、第２の角度センサユニットＤＵ２について説明する。第３のホール素子ＨＥ３から出力された検出信号は、ホール素子駆動＆入力信号増幅回路４６を介して、領域判定回路４８に入力される。この領域判定回路４８は、第３のホール素子ＨＥ３から出力された検出信号に基づいて、ステアリングシャフト４が、どちらの方向に、何回転したかを表す信号を出力する。

図７は、領域判定回路４８から出力される回転検出信号Ｓ_ＲＯＴ＝±Ｎ（Ｎ＝０，１，２・・・）を例示したものである。図７の横軸は、ステアリングシャフト４の回転角度を示しており、ステアリングシャフト４が右方向に回転したときの回転角度をプラス符号で表し、他方、ステアリングシャフト４が左方向に回転したときの回転角度をマイナス符号で表してある。すなわち、ステアリングシャフト４が右方向に０度〜３６０度未満だけ回転した場合には、Ｎ＝０を表す回転検出信号Ｓ_ＲＯＴが領域判定回路４８から出力される。また、ステアリングシャフト４が右方向に３６０度〜７２０度未満だけ回転した場合には、Ｎ＝１を表す回転検出信号Ｓ_ＲＯＴが領域判定回路４８から出力される。同様に、ステアリングシャフト４が左方向に０度〜３６０度未満だけ回転した場合には、Ｎ＝−１を表す回転検出信号Ｓ_ＲＯＴが領域判定回路４８から出力される。さらに、ステアリングシャフト４が左方向に３６０度〜７２０度未満だけ回転した場合には、Ｎ＝−１を表す回転検出信号Ｓ_ＲＯＴが領域判定回路４８から出力される。以下、同様である。

このようにして得られた、（１）０度〜３６０度の範囲のみを表す角度検出信号Ｓ_ＤＥＴと、（２）ステアリングシャフト４がどちらの方向に何回転したかを表す回転検出信号Ｓ_ＲＯＴは、角度出力回路４４に入力される。この角度出力回路４４では、これらＳ_ＤＥＴとＳ_ＲＯＴに基づいて、±Ｎ×３６０°＋Ｓ_ＤＥＴを演算し、出力信号Ｓ_ＯＵＴとして出力する。すなわち、Ｓ_ＯＵＴ（回転角度）＝±Ｎ×３６０°＋Ｓ_ＤＥＴなる信号を出力する。図８は、実際の出力信号Ｓ_ＯＵＴを例示したものである。

なお、角度出力回路４４から出力される上記出力信号Ｓ_ＯＵＴの替わりに、（イ）０度〜３６０度の範囲のみを表す角度検出信号Ｓ_ＤＥＴと、ステアリングシャフト４がどちらの方向に何回転したかを表す回転検出信号Ｓ_ＲＯＴとを別々に出力すること、あるいは、（ロ）これら角度検出信号Ｓ_ＤＥＴと回転検出信号Ｓ_ＲＯＴとを組み合わせた複合信号の形態として出力すること、も可能である。また、これら出力信号の用途に応じて、アナログ信号の形態とすることも、あるいはデジタル信号の形態とすることも任意である。本実施の形態では、Ａ／Ｄコンバータ５０を介して、デジタル化された出力信号Ｓ_ＯＵＴを制御コンピュータ５０に入力する構成としてある。

実施の形態２
図９は、実施の形態２を示す図である。本図は、既に説明した図２に相当する図である。
この実施の形態２では、ステアリングシャフト４がどちらの方向に何回転したかを表す回転検出信号Ｓ_ＲＯＴを得るために、先に述べた実施の形態１と異なる構成を有している。すなわち、ステアリングシャフト４にボールネジ６０を形成し、このボールネジ６０に係合するボールナット６２、および、図示しないナット回り止め部材を設けてある。そして、ボールナット６２の一端に第２の角度センサ用磁石ＭＧ２’を固着してある。したがって、ボールネジ６０と、ボールナット６２と、図示しないナット回り止め部材と、からなる磁石送り機構により、第２の角度センサ用磁石ＭＧ２’は、ステアリングシャフト４の回転中心軸に沿って（すなわち、図９の上下方向）に移動する。

他方、第２の角度センサ用ホール素子ＨＥ３’は、基板８’の裏面に固定配置されている。この構成により、第２の角度センサ用ホール素子ＨＥ３’からは、図１０に示すような信号が得られる。
その他の構成については、実施の形態１と同じであるので、説明は省略する。

実施の形態３
図４に示した信号処理用ＩＣは領域判定回路４８を含んでいるが、この領域判定回路４８を用いることなく、第２の角度センサユニットＤＵ２から得られたセンサ出力を回転領域指示信号として直接出力することも可能である。例えば、図１０に示したアナログ信号を回転領域指示信号としてそのまま出力し、後段の図示しない信号処理回路において、最終的な回転角度を演算することも可能である。

本発明を実施することにより、以下に列挙する用途に供することができる。
（１）電動パワーステアリングのハンドル切り角（±２回転）を検出する舵角センサ。
（２）スロットルポジションセンサ。
（３）モータあるいは手動操作によってギア位置を切り替える２ＷＤ−４ＷＤ切替器、オートマチックシフト切替器などにおける回転位置センサ。

本発明を適用した舵角センサの外観構成図である。 実施の形態１における、舵角センサ用ケース６内の平面構成および側面構成を示す図である。 ステアリングシャフト４の外周面上に取り付けられている第１の磁石ＭＧ１と、第１のホール素子ＨＥ１と、第２のホール素子ＨＥ２との関係を拡大して示した図である。 本発明を適用した舵角センサの電気的回路構成を示すブロック図である。 第１のホール素子ＨＥ１および第２のホール素子ＨＥ２から出力される検出信号を示す波形図である。 図４における角度検出信号Ｓ_ＤＥＴを例示した波形図である。 図４の領域判定回路４８から出力される回転検出信号Ｓ_ＲＯＴ＝±Ｎ（Ｎ＝０，１，２・・・）を例示した波形図である。 図４の角度出力回路４４から得られる出力信号Ｓ_ＯＵＴを例示した波形図である。 実施の形態２における、舵角センサ用ケース６内の平面構成および側面構成を示す図である。 実施の形態２において、第２の角度センサ用ホール素子ＨＥ３’から得られた信号を例示した波形図である。

符号の説明

２ ステアリングホイール
４ ステアリングシャフト
６ 舵角センサ用ケース
１０ 主ギア
２０ 従属ギア
３０ 信号処理用ＩＣ
４０ ホール素子駆動＆入力信号増幅回路
４２ 角度変換回路
４６ ホール素子駆動＆入力信号増幅回路
４８ 領域判定回路
５０ Ａ／Ｄコンバータ
５２ 制御コンピュータ
ＭＧ１ 第１の磁石
ＭＧ２ 第２の磁石
ＨＥ１ 第１のホール素子
ＨＥ２ 第２のホール素子
ＨＥ３ 第３のホール素子
ＤＵ１ 第１の角度センサユニット
ＤＵ２ 第２の角度センサユニット

Claims (3)

1. ３６０度以上回転するシャフトの回転角を検出する舵角検出装置において、
   前記シャフトの周囲に設けられた環状磁石、および、前記環状磁石の回転による磁束を検出する磁気センサを有する第１の角度センサと、
   前記シャフトの回転角がどの回転角の領域にあるかを検出する第２の角度センサと、
   前記第１の角度センサの出力と、前記第２の角度センサの出力とに基づいて、前記シャフトの回転角値を演算する演算手段と、
   を具備したことを特徴とする舵角検出装置。
2. 請求項１に記載の舵角検出装置において、
   前記第２の角度センサは、前記シャフトが１回転するたびに連動して回動する従属ギヤと、該従属ギヤに固着されている磁石と、該磁石の位置を検知する磁気検出素子と、を有することを特徴とする舵角検出装置。
3. 請求項１に記載の舵角検出装置において、
   前記第２の角度センサは、前記シャフトの回転に連動して該シャフトの回転軸と平行に移動する磁石と、該磁石の位置を検知する磁気検出素子と、を有することを特徴とする舵角検出装置。
   

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