JP2006125926A

JP2006125926A - 操舵角検出装置

Info

Publication number: JP2006125926A
Application number: JP2004312355A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Menju; 良一毛受
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】ステアリングシャフトを静止したままで絶対操舵角が検出でき、多回転でも操舵角が検出できる操舵角検出装置を提供する。
【解決手段】外周部１に歯２を有し内周部３には円周角に応じて径方向の開口幅が変化している磁束透過窓４を有する主歯車５を非磁性体で形成し、その主歯車５をステアリングシャフト６に外嵌し、上記磁束透過窓４を挟むように磁石７と主磁気センサ８を配置し、上記主歯車５とギア比が簡単な整数比にならない副歯車９を上記主歯車５に噛合させ、この副歯車９に磁極が互いに副歯車９の径方向反対側に位置するよう磁石１０を取り付け、その副歯車９に対して軸方向より副磁気センサ１１を臨ませた。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数回転されるステアリングシャフトの絶対操舵角を検出する操舵角検出装置に係り、ステアリングシャフトを静止したままで絶対操舵角が検出でき、多回転でも操舵角が検出できる操舵角検出装置に関する。

自動車のステアリングシャフトの操舵角を検出する操舵角検出装置として、インクリメント式の光エンコーダを利用したものが知られている。この種の操舵角検出装置ではパルス信号の数をカウントすることで、もとの操舵角からの増減分を検出し、もとの操舵角に増減分を加えることで絶対操舵角を得ている。しかし、この種の操舵角検出装置は、電源を常に通電しておかないと、もとの操舵角の情報が失われてしまう。このため自動車では、操舵角検出が必要ない状況でもバッテリの電力が消費され、いわゆるバッテリあがりを招くおそれがあった。

特許文献１〜３に開示されている操舵角検出装置は、いずれも、互いに回転比が異なる２つの回転角度センサを使用し、両回転角度センサの出力の組み合わせから操舵角を検出するようになっている。このうち特許文献２，３に記載のものは、ステアリングシャフトを動かさなくても絶対操舵角が検出できる。以下、アブソリュート型光エンコーダと磁気式回転センサを利用した従来の操舵角検出装置の要点を説明する。

図１０に示されるように、主センサ１０１は、ステアリングシャフト６に外嵌された光エンコーダ板１０２と、この光エンコーダ板１０２を挟むように配置された８組の発光器及び受光器（まとめて光センサ群１０３とする）とからなるアブソリュート型の光エンコーダで構成されている。光エンコーダ板１０２には、その円周角をグレイコードまたはビットコードからなるコード値で表すスリットが設けられている。光エンコーダ板１０２がステアリングシャフト６と一体的に回転するのに対し光センサ群１０３は車体に固定されている。光エンコーダ板１０２が回転すると、発光器からの光がスリットを通して受光器で受光され、光が遮られたときには受光されない。発光器及び受光器を８組用いることにより、３６０°を２５６段階で表現することができる。ステアリングシャフト６が複数回転すれば同じ回数だけ光エンコーダ板１０２も回転する。よって、主センサ１０１の読み取り値は、３６０°おきに同じ値が繰り返される。

副センサ１０４は、ステアリングシャフト６に外嵌された主歯車１０５に対して増速の関係となるよう歯数を少なくした副歯車１０６の中に棒磁石１０７を内蔵し、ＮＳの磁極がこの副歯車１０６の径方向外方に向くようにし、この副歯車１０６に対して軸方向より磁気センサ（図示せず）を臨ませたものである。副センサ１０４は、副歯車１０６の１回転ごとに副歯車１０６の回転角に対して正弦波状に変化をする波形を繰り返す。

特許文献３の段落００２０〜００５２に記載された操舵角検出装置もほぼ図１０の構成に従うものである。特許文献３の場合、３６０°をＣ０〜Ｃ１３の１４段階で表現するようになっている。また、特許文献３によれば、増速比は１．７５倍、つまり、主歯車の歯数対副歯車の歯数は７：４であるから、主歯車が４回転（＝ステアリングシャフトが４回転）するごとに副歯車は７回転する。

特許文献３の場合、ステアリングシャフトの操舵角−７２０°〜＋７２０°の間に、主センサから読み取れる回転角と副センサの出力電圧との組み合わせが同一となる操舵角が複数存在するので、主センサから読み取れる回転角の変化状態と副センサの出力電圧の変化状態とを加味することで、操舵角を一つに絞って推定することができる。

特許文献３の段落００５４以降に記載された別の形態では、副センサにポテンショメータを用いることにより、副歯車の１回転ごとに副歯車の回転角に対して直線的に変化をする波形を繰り返すようにすることができ、この場合、ステアリングシャフトの操舵角−７２０°〜＋７２０°の間に、主センサから読み取れる回転角と副センサから読み取れる回転角との組み合わせが同一となる２つの操舵角が存在しないので、主センサから読み取れる回転角と副センサから読み取れる回転角との組み合わせで操舵角を特定することができる。

特開２００３−３４４００９号公報特開２００４−４５０８３号公報特開２００２−９８５２２号公報

インクリメント式の光エンコーダを利用した操舵角検出装置は、常時通電の必要があるため、電力が無駄に消費された。

特許文献３の操舵角検出装置は、主センサが光エンコーダ方式であるため、主センサの分解能が２５．７°と粗い。この主センサの分解能によって操舵角の分解能が規定されてしまう。

また、特許文献３の操舵角検出装置は、主センサから読み取れる回転角と副センサの出力電圧との組み合わせが同一となる操舵角が複数存在するので、主センサから読み取れる回転角の変化状態と副センサの出力電圧の変化状態とを加味しなければ、操舵角を一つに絞ることができない。つまり、ステアリングシャフトを静止したままでは操舵角が検出できない。

一方、特許文献３の他の形態の操舵角検出装置において、副センサ及び主センサににポテンショメータを用いるが、ポテンショメータは接触子が抵抗体上を摺動するため、その接触部分の耐久性が問題となる。また、摺動部分が劣化することにより、抵抗値が変動するため、センサ感度の経年変化が大きい。

また、特許文献３の操舵角検出装置は、主歯車と副歯車のギア比が７：４と簡単な整数比であるため主歯車が４回転（前後に２回転）すると副歯車が７回転して両歯車の回転角が共に０°に戻って両センサの出力電圧が元の組み合わせに戻るため、ステアリングシャフトが４回転を越えると操舵角が一つに定まらず、２つのセンサの回転角のみでは操舵角を検出することができない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ステアリングシャフトを静止したままで絶対操舵角が検出でき、多回転でも操舵角が検出できる操舵角検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、外周部に歯を有し内周部には円周角に応じて径方向の開口幅が変化している磁束透過窓を有する主歯車を非磁性体で形成し、その主歯車をステアリングシャフトに外嵌し、上記磁束透過窓を挟むように磁石と主磁気センサを配置し、上記主歯車とギア比が簡単な整数比にならない副歯車を上記主歯車に噛合させ、この副歯車に磁極が互いに該副歯車の径方向反対側に位置するよう磁石を取り付け、その副歯車に対して軸方向より副磁気センサを臨ませたものである。

上記ステアリングシャフトの複数回転分の操舵角に対する主磁気センサの出力変化波形と副磁気センサの出力変化波形とを予め主検量線及び副検量線として記憶しておき、上記主磁気センサの出力を上記主検量線に当てはめて得られる複数の操舵角と、上記副磁気センサの出力を上記副検量線に当てはめて得られる複数の操舵角とを照合して両操舵角が一致する操舵角を操舵角としてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ステアリングシャフトを静止したままで絶対操舵角が検出できる。

（２）多回転でも操舵角が検出できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示されるように、本発明に係る操舵角検出装置は、外周部１に歯２を有し内周部３には円周角に比例して径方向の開口幅が変化している磁束透過窓４を有する主歯車５を非磁性体（磁界の影響を受けてもそれ自身は磁化されない物質）で形成し、その主歯車５をステアリングシャフト６に外嵌し、磁束透過窓４を挟むように磁石７と主磁気センサ８を配置し、主歯車５とギア比が簡単な整数比にならない副歯車９を主歯車５に噛合させ、この副歯車９にＮ，Ｓの磁極が互いに副歯車９の径方向反対側に位置するよう磁石１０を取り付け、その副歯車９に対して軸方向より副磁気センサ１１を臨ませたものである。

主歯車５における磁束透過窓４を図２により、より具体的に説明すると、外周部１には径方向外方に向けて所定の高さ突き出した複数の歯２が円周方向に所定のピッチで配置されている。この外周部１とステアリングシャフト６に外嵌するための軸穴１３との間が内周部３である。磁束透過窓４は角度０°において径方向の開口幅が最小であり、反時計回りに角度９０°、１８０°、２７０°と円周角が大きくなるに従い開口幅が連続的に大きくなり、角度０°（＝３６０°）の直前で開口幅が最大となっている。磁束透過窓４の開口幅を徐々に変化させるために、軸穴１１の外壁が時計回りに徐々に厚みを増してある。この厚み部分は、非磁性体でできているので、磁束が透過しない。

図１（ｂ）のように、磁石７と主磁気センサ８は、ギャップを有する閉磁路を形成するためにＣ字型に形成されたコア１２のギャップの両端面にそれぞれ配置されている。磁石７のＮ極から発生する磁束は、コア１２、主磁気センサ８、主歯車５の磁束透過窓４を通過して磁石７のＳ極へ至る。主磁気センサ８は、例えば、磁気抵抗素子である。

図１（ａ）のように、コア１２は、非回転系（図示せず）に固定され、主歯車５の径方向外方より径方向内方へ延びて磁束透過窓４に対し円周角のごく一部の範囲を覆う程度の横幅を有する。主磁気センサ８の出力は磁束透過窓４を透過した磁束に比例するので、主歯車５が回転すると、その回転角における磁束透過窓４の幅に応じて主磁気センサ８の出力が変化する。

主歯車５と磁石７と主磁気センサ８とにより構成される主センサの回転角出力特性を図３に示す。図示のように、主歯車５が１回転（０°から３６０°まで回転）する間に主磁気センサ８の出力は回転角に比例して直線的に増加する。つまり、主歯車５が１回転する間に１周期の鋸歯状波形が得られることになる。

副歯車９は、主歯車５よりも径が小さく、歯数も少ない歯車である。この副歯車９の片面に磁石１０が取り付けられている。磁石１０は直径を境に片側がＮ極、反対側がＳ極となっている円形磁石（環状磁石ともいう）であり、磁石１０の中心が副歯車９の中心に合わせてある。副歯車９の反対面に副磁気センサ１１が配置され、非回転系（図示せず）に固定されている。副磁気センサは、例えば、磁気抵抗素子である。副歯車９が回転すると、磁石１０が回転するので、副磁気センサ１１を通る磁束が回転角に応じて変化する。

副歯車９と磁石１０と副磁気センサ１１とにより構成される副センサは、一般的に知られているＭＲセンサであり、内部に磁気抵抗素子からなるブリッジを２組持っている。磁気抵抗素子には方向性があるものと無いものがある。このブリッジは互いに４５度ずれた方向に配置してあり、磁界の角度に応じてｓｉｎ波形とｃｏｓ波形を出力する。また、磁気抵抗素子は、方向性があるものと無いものがあるため、どちらの素子を使うかにより、出力が異なる。方向性があるものは磁界方向により±の出力を得ることができるため、ブリッジ回路１個でｓｉｎ波形状の出力が得られ、これとｃｏｓ波形とを組み合わせることにより、３６０°での舌対角度を演算することができる。一方、方向性が無い素子を使うと、プラスのみの山型の繰り返し波形となるため、ｃｏｓ波形と組み合わせても１８０°のセンサとしてしか使用できない。

ここで本発明における副センサの回転角出力特性を図４に示す。図示のように、副歯車９が半回転（０°から１８０°まで回転）する間に副磁気センサ１１の出力は回転角に比例して直線的に増加する。さらに半回転（１８０°から３６０°まで回転）するときは、前半の半回転のときと同じ波形が繰り返される。つまり、副歯車９が１回転する間に同じ出力値が２回現れ、２周期の鋸歯状波形が得られることになる。この鋸歯状波形は、ｓｉｎ波形とｃｏｓ波形とからａｒｃｔａｎ波形を求めることにより、得られたものである。

次に、ステアリングシャフト６の操舵角と主副各センサの出力との関係を説明する。なお、既に述べたように、主歯車５の歯数＞副歯車９の歯数である、つまり副歯車９は増速して回転するという条件が満たされ、かつ、主歯車５の歯数は副歯車９の歯数の簡単な整数比倍でないという条件が満たされているものとする。

図５に示されるように、基準の操舵角０°において、主副各センサの出力が共に０であるとする。

ステアリングシャフト６が基準の操舵角０°から一方向に回転すると、主歯車５は一緒に回転するので、操舵角３６０°までは主歯車５の回転角は０°から３６０°までとなり、主センサ出力は図５上に図３と同じ波形をもたらす。操舵角が３６０°になると主歯車５の回転角は再び０°に戻るので、操舵角が３６０°から７２０°までの間も主センサ出力は図３と同じ波形を呈する。操舵角が７２０°、１０８０°を越えるごとに同じことが限りなく繰り返される。ステアリングシャフト６が反対方向に回転される場合も同じ波形が連続する。

これに対し、主歯車５の回転に随伴して副歯車９も回転する。ギア比が介在するので、操舵角の３６０°分の間に、副歯車９は回転角３６０°より多く回転する。従って、副センサ出力を図５に示すと、図４の波形の横軸を縮尺したような波形を呈し、２つめの波形が一部現れる。操舵角が３６０°からさらに増えると、引き続く波形が繰り返し現れることになる。

図５の特性を利用してステアリングシャフト６の操舵角を一意的に判定するためには、２つのセンサ出力の値の組み合わせが同じとなる操舵角が２つ以上存在しないことが必要条件となる。ここで、主センサ出力は操舵角３６０°ごとに繰り返される周期を有しているので、副センサ出力のほうが主センサ出力の３６０°ごとの繰り返しの同じ回転角において重複しない値となれば、この上記必要条件が満たされる。前述した主歯車５と副歯車９の歯数に関する条件は、この必要条件を満たすのに好適である。

さて、本発明に係る操舵角検出装置は、図５に示したようなステアリングシャフト６の複数回転分の操舵角に対する主磁気センサ８の出力変化波形（主センサ出力波形）と副磁気センサ１１の出力変化波形（副センサ出力波形）とを予め主検量線及び副検量線としてメモリに記憶しておき、未知操舵角を測定するときは、主磁気センサ８の出力を主検量線に当てはめて得られる複数の操舵角と、副磁気センサ１１の出力を副検量線に当てはめて得られる複数の操舵角とを照合して両操舵角が一致する操舵角を測定結果の操舵角とする演算用プロセッサを備える。

図６は、図５に基づく検量線に主副各センサの現在出力を重ねたものである。主センサの出力値ａが主検量線上に現れる箇所は６箇所ある。一方、副センサの出力値ｂが副検量線上に現れる箇所は１５箇所ある。しかし、主センサの出力値ａによる６箇所の操舵角と副センサの出力値ｂによる１５箇所の操舵角とを互いに照合すると、同じ操舵角は１０８０°より少しマイナス側の一箇所のみである。よって、主センサの出力値ａと副センサの出力値ｂとをともにもたらす操舵角はひとつに絞られる。このように、操舵角が一つに絞られるのは、前述の必要条件が満たされているからである。

次に、ギア比と操舵角測定限界との関係についてより詳しく説明する。

主歯車５の歯数をＸ１、副歯車９の歯数をＸ２とする。主歯車５の回転周期を操舵角で表すと３６０°ということになる。副歯車９の回転周期を操舵角で表すと（Ｘ１／Ｘ２）×３６０°ということになる。前述した歯数の条件より、０＜Ｘ１／Ｘ２＜１である。

ここで、図５の特性のうち、操舵角０°から３６０°までを取り出して図７（ａ）に示す。図示のように、主センサ出力波形は３６０°を１周期とする鋸歯状波形である。一方、副センサ出力波形は（Ｘ１／Ｘ２）×３６０°を２周期とする鋸歯状波形である。１周期は１８０°よりも短いので、操舵角（Ｘ１／Ｘ２）×３６０°から３６０°までの間に次の鋸歯状波形が一部現れている。

次に、図５の特性のうち、操舵角３６０°から７２０°までを取り出して、図７（ａ）上に畳み重ねたのが図７（ｂ）である。主センサ出力波形は３６０°周期で同じ鋸歯状波形を繰り返すので、図７（ｂ）では全く重なり合って１つの鋸歯状波形に見える。一方、副センサ出力波形は２周期が３６０°でないため、重ならない。

さらにこの畳み重ねの操作を７２０°以上あるいはマイナス側について何度も繰り返すと、主センサ出力波形は必ず１つに重なる。一方の副センサ出力波形は、すぐには重ならないが、そのうちいつか重なるかも知れない。副センサ出力波形が重なるということは、前述した必要条件が不満足になるということである。副センサ出力波形が初めて重なる直前の畳み重ね回数×３６０°が操舵角測定の限界である。

特許文献３の操舵角検出装置は、主歯車と副歯車のギア比が７：４と簡単な整数比であるため、畳み重ねが５回目には副センサ出力波形が重なる。よって、ステアリングシャフトの４回転分、僅か±７２０°が操舵角測定の限界であった。それに比べ、本発明では、主歯車５と副歯車９のギア比を簡単な整数比としないので、畳み重ね回数を多くしてもなかなか副センサ出力波形が重ならない。よって、操舵角測定の限界が大幅に広がる。

この利点からすると、本発明は、ステアリングシャフトの回転数が４回転を越えるような車種、例えば大型車に特に有利である。

次に、本発明の操舵角検出装置を車両に搭載した実施形態を説明する。

図８に示されるように、車両にはラック８１とピニオン８２が組み合わせて設けられ、ラック８１の両端にはそれぞれ継ぎ手８３を介してタイヤ８４が水平方向に回動可能に取り付けられている。一方、ピニオン８２には継ぎ手８５を介してステアリングシャフト６が連結されている。ステアリングハンドル８８によりステアリングシャフト６を回転させるとラック８１が直線運動して両タイヤ８４の向きを変える仕組みになっている。

このステアリングシャフト６に本発明の操舵角検出装置が設置されている。この操舵角検出装置内の主磁気センサ８及び副磁気センサ１１の出力は、既に説明した操舵角検出の演算を行う演算用プロセッサ８６に入力され、演算用プロセッサ８６が出力する操舵角情報は上位の運動制御コントローラ８７へ伝送されるようになっている。

運動制御コントローラ８７が例えば自動操縦機能を有する場合、演算用プロセッサ８６が出力する操舵角情報を利用することができる。さらに、運動制御コントローラ８７がカーナビゲーションシステムからの地図情報に従って自立航法を実施する場合も演算用プロセッサ８６が出力する操舵角情報を利用することができる。

図９に示されるように、本発明の操舵角検出装置は、ステアリングシャフト６を囲むように設けられて車体に固定された筐体９１を有し、その筐体９１内に既に述べた主歯車５、副歯車９等の構成部材が収容されている。主歯車５はステアリングシャフト６に固定されてステアリングシャフト６と一体的に回転するようになっている。また、副歯車９は図示しない副歯車軸が筐体９１に軸承され、主歯車５に随伴して回転するようになっている。

さらに、この実施形態では、筐体９１内に基板９２が設けられ、その基板９２上に、主磁気センサ８を取り付けたコア１２と、副歯車９の下に位置する副磁気センサ１１と、演算用プロセッサ８６が実装されている。このように、磁気センサ８，１１や演算用プロセッサ８６の電気系部材を同一の基板９２に実装したので、操舵角検出装置が占有するスペースを小さくすることができる。

本発明の一実施形態を示す操舵角検出装置の構成図であり、（ａ）はステアリングシャフトに直角な断面図、（ｂ）は側面図である。本発明の操舵角検出装置に用いる主歯車の平面図である。本発明における主センサの回転角出力特性図である。本発明における副センサの回転角出力特性図である。本発明における主副センサの操舵角出力特性図である。本発明において検量線とセンサ出力から操舵角を検出する手順を説明するための操舵角出力特性図である。ギア比と操舵角測定限界との関係を説明するための図であり、（ａ）は操舵角０°〜３６０分°の特性図、（ｂ）は操舵角０°〜７２０°分を畳み重ねた特性図である。本発明の操舵角検出装置を搭載した車両のステアリング構造図である。図８の操舵角検出装置の内部構造断面図である。従来の操舵角検出装置の平面図である。

符号の説明

１外周部
２歯
３内周部
４磁束透過窓
５主歯車
６ステアリングシャフト
７磁石
８主磁気センサ
９副歯車
１０磁石
１１副磁気センサ
１２コア
１３軸穴

Claims

外周部に歯を有し内周部には円周角に応じて径方向の開口幅が変化している磁束透過窓を有する主歯車を非磁性体で形成し、その主歯車をステアリングシャフトに外嵌し、上記磁束透過窓を挟むように磁石と主磁気センサを配置し、上記主歯車とギア比が簡単な整数比にならない副歯車を上記主歯車に噛合させ、この副歯車に磁極が互いに該副歯車の径方向反対側に位置するよう磁石を取り付け、その副歯車に対して軸方向より副磁気センサを臨ませたことを特徴とする操舵角検出装置。
上記ステアリングシャフトの複数回転分の操舵角に対する主磁気センサの出力変化波形と副磁気センサの出力変化波形とを予め主検量線及び副検量線として記憶しておき、上記主磁気センサの出力を上記主検量線に当てはめて得られる複数の操舵角と、上記副磁気センサの出力を上記副検量線に当てはめて得られる複数の操舵角とを照合して両操舵角が一致する操舵角を操舵角とすることを特徴とする請求項１記載の操舵角検出装置。