JP2007261508A - Steering angle detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両の舵角を簡素な構成にて精度良く検出可能な舵角検出装置に関する。 The present invention relates to a steering angle detection device capable of accurately detecting a steering angle of a vehicle with a simple configuration.
車両の操舵は、操舵部材であるステアリングホイールの回転操作を、該ステアリングホイールに連結されたステアリング軸を介して舵取機構に伝え、該舵取機構の動作により操舵用の車輪の向きを変えることにより行われる。このステアリングホイールの操作に伴って変化する操舵用の車輪の向きである操舵角度(以下、舵角という)は、車両の各種の制御のために重要な情報であり、左右の最大舵角範囲(以下、全舵角範囲という)に亘って精度良く検出することが切望されている。 Steering of a vehicle transmits a rotation operation of a steering wheel, which is a steering member, to a steering mechanism via a steering shaft connected to the steering wheel, and changes the direction of the steering wheel by the operation of the steering mechanism. Is done. The steering angle (hereinafter referred to as the steering angle), which is the direction of the steering wheel that changes in accordance with the operation of the steering wheel, is important information for various types of control of the vehicle. Hereinafter, it is desired to detect with high accuracy over the entire steering angle range.
車両の舵角は、一般的に、ステアリングホイールの操作に応じて複数回転する回転軸であるステアリング軸の回転角度を全舵角範囲に亘って検出することにより求められる。ステアリングホイールは、全舵角範囲に亘って操舵するために、通常3〜5回転するように構成されており、全舵角範囲に亘るステアリング軸の回転角度を検出するためには、1080°〜1800°の範囲の角度検出が可能な回転角センサが必要となる。この回転角センサは、例えば、複数回転を1回転に変換するための減速機を備え、この変換後の1回転内の回転角度を検出するように構成されており、センサ本体及び周辺部材を含めて構成が複雑になるという問題がある。 The steering angle of a vehicle is generally obtained by detecting the rotation angle of a steering shaft, which is a rotating shaft that rotates a plurality of times according to the operation of the steering wheel, over the entire steering angle range. The steering wheel is normally configured to rotate 3 to 5 in order to steer over the entire steering angle range, and in order to detect the rotation angle of the steering shaft over the entire steering angle range, A rotation angle sensor capable of detecting an angle in the range of 1800 ° is required. The rotation angle sensor includes, for example, a speed reducer for converting a plurality of rotations into one rotation, and is configured to detect a rotation angle within one rotation after the conversion, and includes a sensor main body and peripheral members. There is a problem that the configuration becomes complicated.
この問題を解決すべく、簡素な構成にて全舵角範囲に亘るステアリング軸の回転角度を検出し、舵角の検出を可能とする舵角検出装置が従来から提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の舵角検出装置は、操舵補助用のモータの回転力をウォーム及びウォームホイールを介してステアリング軸に伝える構成とした電動パワーステアリング装置において、ウォームホイールの側面に径方向に一定ピッチを有した渦巻き状の溝を刻設して、回転型ポテンショメータの入力端に基部を取付けた揺動アームの先端部を前記溝に係合させ、ウォームホイールの回転に伴う揺動アームの揺動角度を検出して、全舵角範囲に亘るステアリング軸の回転角度を求め、舵角を検出するように構成してある。
The steering angle detection device of
ところが特許文献1の舵角検出装置においては、渦巻き状の溝の形成範囲にて生じる揺動アームの限られた揺動により、3〜5回転分のステアリング軸の回転角度を検出するように構成されているため、検出精度が十分ではないという問題があった。またウォーム及びウォームホイールを備えるステアリング装置に適用範囲が限定されるという問題があった。
However, the rudder angle detection device of
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、全舵角範囲に亘る回転軸の回転角度を精度良く検出し、車両の舵角を簡素な構成にて精度良く検出可能な舵角検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can detect the rotation angle of the rotating shaft over the entire steering angle range with high accuracy and can detect the steering angle of the vehicle with a simple configuration with high accuracy. An object is to provide an apparatus.
第1発明に係る舵角検出装置は、操舵部材の操作に応じた回転軸の回転を操舵用の車輪に伝え、該車輪の向きを変えて舵取りされる車両の操舵角度を、前記回転軸の複数回転に亘る回転角度を求めることにより検出する舵角検出装置において、前記回転軸の1回転内の回転角度を検出する回転角センサと、前記回転軸に先端部を係合させてあり、該回転軸の回転に伴う係合位置の移動に応じて基部に設けた軸の回りに揺動する揺動アームと、該揺動アームの揺動角度を検出する揺動角センサと、該揺動角センサ及び前記回転角センサによる検出角度に基づいて前記操舵角度を算出する算出手段とを備えることを特徴とする。 The steering angle detection device according to the first aspect of the present invention transmits the rotation of the rotating shaft according to the operation of the steering member to the steering wheel and changes the direction of the wheel to determine the steering angle of the vehicle steered. In a rudder angle detection device that detects by detecting a rotation angle over a plurality of rotations, a rotation angle sensor that detects a rotation angle within one rotation of the rotation shaft, and a tip portion are engaged with the rotation shaft, A swing arm that swings around a shaft provided at the base in accordance with the movement of the engagement position accompanying the rotation of the rotary shaft, a swing angle sensor that detects a swing angle of the swing arm, and the swing And a calculation means for calculating the steering angle based on an angle sensor and an angle detected by the rotation angle sensor.
第2発明に係る舵角検出装置は、第1発明において前記揺動アームが、前記回転軸の外周面に刻設された螺旋溝に係合され、前記回転軸の回転に伴い係合位置が軸長方向に移動するように構成してあることを特徴とする。 In the rudder angle detection device according to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the swing arm is engaged with a spiral groove formed on the outer peripheral surface of the rotary shaft, and the engagement position is changed with the rotation of the rotary shaft. It is configured to move in the axial direction.
第1発明によれば、操舵部材の操作に応じて複数回転する回転軸に先端部を係合させ、該回転軸の回転に伴う係合位置の移動に応じて基部に設けた軸の回りに揺動する揺動アームの揺動角度を揺動角センサにより検出し、この揺動角センサの検出結果により全舵角範囲中の大まかな領域、具体的には、回転軸が中立位置から左右の何回転目の領域にあるかを判定する一方、回転軸の1回転内の回転角度を回転角センサにより検出し、該回転角センサの検出結果により判定された領域内での回転角度を高精度に求めて全舵角範囲内での操舵角度を算出する。1回転内の回転角度を検出する回転角センサは、簡素な構成で高精度の検出が可能であり、回転軸が何回転目の領域にあるかの判定に用いる揺動角センサは、高い検出精度は要求されないため、簡素な構成により全舵角範囲に亘って高精度の舵角検出が可能となる。 According to the first aspect of the present invention, the tip portion is engaged with the rotating shaft that rotates a plurality of times according to the operation of the steering member, and around the shaft provided in the base portion according to the movement of the engaging position accompanying the rotation of the rotating shaft. The swing angle of the swinging swing arm is detected by a swing angle sensor, and based on the detection result of the swing angle sensor, a rough region in the entire steering angle range, specifically, the rotating shaft is moved from the neutral position to the left and right. The rotation angle within one rotation of the rotation axis is detected by the rotation angle sensor, and the rotation angle within the region determined by the detection result of the rotation angle sensor is increased. The steering angle within the entire steering angle range is calculated for accuracy. The rotation angle sensor that detects the rotation angle within one rotation can detect the rotation with high accuracy with a simple configuration, and the swing angle sensor used to determine the number of rotations of the rotation axis is high. Since accuracy is not required, it is possible to detect the steering angle with high accuracy over the entire steering angle range with a simple configuration.
第2発明によれば、回転軸の外周面に刻設された螺旋溝に揺動アームが係合され、この係合位置が回転軸の回転に伴い軸長方向に移動するように構成されており、回転軸の回転が揺動アームに直接伝達されるため、揺動アームの揺動が確実に生じ、回転軸が何回転目の領域にあるかを正確に判定することができる。 According to the second invention, the swing arm is engaged with the spiral groove formed on the outer peripheral surface of the rotating shaft, and the engaging position is configured to move in the axial direction along with the rotation of the rotating shaft. In addition, since the rotation of the rotation shaft is directly transmitted to the swing arm, the swing of the swing arm is surely generated, and it is possible to accurately determine the rotation region of the rotation shaft.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図1は、本発明に係る舵角検出装置を備える電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an electric power steering apparatus including a steering angle detection apparatus according to the present invention.
図示の電動パワーステアリング装置はラックピニオン式の舵取機構を備える。ラックピニオン式の舵取機構は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング10の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸1と、ラックハウジング10の中途に交叉するピニオンハウジング20の内部に回転自在に支持されたピニオン軸2とを備える公知の構成を有している。
The illustrated electric power steering apparatus includes a rack and pinion type steering mechanism. The rack-and-pinion type steering mechanism crosses the
ラックハウジング10の両側から外部に突出するラック軸1の両端は、各別のタイロッド11,11を介して操舵輪としての左右の前輪(車輪)12,12に連結され、またピニオンハウジング20の一側から外部に突出するピニオン軸2の上端は、ステアリング軸3を介して操舵部材としてのステアリングホイール30に連結されている。またピニオンハウジング20の内部に延びるピニオン軸2の中途には、図示しないピニオンが形成されており、該ピニオンは、ラックハウジング10との交叉部において、ラック軸1の外面に適長に亘って形成されたラック歯に噛合させてある。
Both ends of the
ステアリング軸3は、筒形をなすコラムハウジング31の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング31を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って取付けてあり、コラムハウジング31の下方へのステアリング軸3の突出端にピニオン軸2が連結され、同じく上方への突出端にステアリングホイール30が固設されている。
The
以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール30が回転操作された場合、この回転がステアリング軸3を介してピニオン軸2に伝達され、該ピニオン軸2の回転が、ピニオンとラック歯との噛合部においてラック軸1の軸長方向の移動に変換されることとなり、このようなラック軸1の移動により、左右の前輪12,12が各別のタイロッド11,11を介して押し引きされて舵取りがなされる。
With the above configuration, when the
ステアリング軸3を支持するコラムハウジング31の中途には、ステアリングホイール30の回転操作によりステアリング軸3に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサ4が設けてあり、該トルクセンサ4よりも下位置に操舵補助用のモータ5が取付けてある。
In the middle of the
トルクセンサ4は、軸倍角(極数の1/2)が異なる2つのレゾルバを備える公知のツインレゾルバである。ステアリング軸3は、上下の2軸に分割され、該2軸をトーションバーにより同軸上に連結して構成されており、前記2軸には、レゾルバが夫々取付けてある。トルクセンサ4は、これら2つのレゾルバにより前記2軸の回転角度を夫々検出して、トーションバーの捩れに応じて前記2軸間に生じる相対角変位を算出し、操舵トルクを算出する構成となっている。なお、これら2つのレゾルバによる検出信号は、1回転内に軸倍角と同数の波形が夫々現れる信号として得られ、この2つの信号を組み合わせることにより、前述の相対角変位が求められると共に、ステアリング軸3の1回転内の回転角度が得られる。
The torque sensor 4 is a known twin resolver including two resolvers having different shaft angle multipliers (1/2 of the number of poles). The
操舵補助用のモータ5は、コラムハウジング31の外側に軸心を略直交させて取付けてあり、例えば、コラムハウジング31の内部に延びる出力端に固着されたウォームをステアリング軸3に外嵌固定されたウォームホイールに噛合させ、モータ5の回転を、ウォーム及びウォームホイールにより減速してステアリング軸3に伝えるように伝動構成されている。
The steering assisting motor 5 is attached to the outside of the
このような操舵補助用のモータ5を備える電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール30に加えられる操舵トルクをトルクセンサ4により検出し、この検出トルクに基づいて駆動制御される操舵補助用のモータ5の回転力を、ステアリング軸3を介してピニオン軸2に伝え、前述の如く行われる舵取りを補助する構成となっている。
The electric power steering apparatus including such a steering assist motor 5 detects the steering torque applied to the
以上のような電動パワーステアリング装置に設けられた本発明に係る舵角検出装置は、ステアリング軸3の回転角度を検出する回転角センサと、ステアリング軸3の回転に伴い揺動する揺動アーム6と、この揺動アーム6の揺動角度を検出する揺動角センサ7とを備えている。
The steering angle detection device according to the present invention provided in the electric power steering device as described above includes a rotation angle sensor that detects the rotation angle of the
回転角センサは、ステアリング軸3の回転角度を1回転の範囲内にて検出可能なセンサである。前述したようにトルクセンサ4としてツインレゾルバを採用した場合、トルクセンサ4の出力信号からステアリング軸3の1回転内の回転角度が得られるから、この実施の形態においては、トルクセンサ4が回転角センサを兼ねることができる。
The rotation angle sensor is a sensor that can detect the rotation angle of the
揺動アーム6及び揺動角センサ7は、トルクセンサ4よりも上位置に設けられている。図2は、揺動アーム6及び揺動角センサ7の配設部位周辺を略示する断面図である。この図2に示すように、ステアリング軸3の外周面には、半円形の溝形状を有する螺旋溝3aが一定ピッチを有して刻設されている。
The
コラムハウジング31の中途には、螺旋溝3aの形成域を臨む周壁の一箇所を外向きにアーチ形に張り出すように揺動角センサ7の取付け部32が設けてある。取付け部32は、コラムハウジング31の軸長方向と略直交する開口により外部に連通させてある。
In the middle of the
揺動角センサ7は、例えば、両端に一定の電圧が付加された抵抗素子と、該抵抗素子に沿って接触しつつ回転する摺動片とを円筒形のハウジングの内部に備える公知の回転型ポテンショメータである。以下、回転型ポテンショメータを例に説明する。揺動角センサ7は、入力軸70を備え、入力軸70は前記円筒形のハウジングの内側へ延びる一側を前記摺動片に固定され、他側はハウジングの外側に突出させてある。摺動片の回転に比例して、抵抗素子の一端と摺動片との間の電気抵抗が変化することを利用して、両者間の電圧を検出することにより入力軸70の回転角度を求めるよう構成されている。
The
図1に示すように揺動角センサ7は、取付け部32の開口を縁取る座面に取付けてあり、この取付けによりコラムハウジング31の内側に突出する入力軸70の先端には、平板状をなす揺動アーム6の基部が固定されている。揺動アーム6の先端は、コラムハウジング31の内部に向けて延びており、この先端に突設された係合部60が螺旋溝3aに係合させてある。
As shown in FIG. 1, the
このような構成において、ステアリング軸3が回転すると、係合部60の係合位置は軸長方向に移動し、この移動により係合部60が設けられた揺動アーム6は、図2中に二点鎖線により示すように揺動角センサ7の入力軸70を中心に螺旋溝3aの形成域の略全長に亘って揺動する。揺動角センサ7は、この揺動角度に応じた電圧を検出する。
In such a configuration, when the
揺動角センサ7による検出結果は、図1に示すように算出部8へ与えられている。算出部8には、前述した回転角センサによる検出結果も与えられており、算出部8は、後述するように、これらの検出結果に基づいて全舵角範囲に亘るステアリング軸3の回転角度を求め、車両の舵角を算出する。
The detection result by the
このような舵角検出装置が設けられた電動パワーステアリング装置において、ステアリングホイール30の右方向又は左方向の回転操作に応じて、ステアリング軸3が同方向に回転し、この回転がラック軸1の軸長方向の移動に変換されて、前述したように左右の前輪12,12がステアリングホイール30の操作方向と同方向に舵取りされる。このとき回転角センサは、ステアリング軸3の回転角度に比例して増減し、1回転毎に0になる波形の信号を出力する。また同時に、ステアリング軸3に係合部60にて係合している揺動アーム6が上方又は下方に揺動する。この揺動アーム6の揺動に応じて揺動角センサ7の抵抗素子の電気抵抗が変化するため、揺動角センサ7は、ステアリング軸3の回転角度に応じて増減する信号を出力する。
In the electric power steering apparatus provided with such a steering angle detection device, the steering
図3は、このような舵取りがなされる間のステアリング軸3の回転角度と回転角センサ及び揺動角センサ7の出力値との関係図である。図3(a)の横軸はステアリング軸3の回転角度を、縦軸は回転角センサの出力値を夫々示しており、横軸の最小値は、車両の左の最大舵角に対応するステアリング軸3の左の最大回転角度である−720°を、横軸の最大値は、車両の右の最大舵角に対応するステアリング軸3の右の最大回転角度である+720°を夫々示している。なお、横軸の最大値、最小値は、±720°に限定されるものではなく、車両の最大舵角に対応した値であればよく、例えば、±780°又は±900°であってもよい。図3(a)に示すように、回転角センサは、全舵角範囲内で1回転(360°)毎に0になる波形が4つ現れる信号を出力する。図3(a)では、鋸歯形信号を示しているが、この信号波形はセンサの原信号波形を演算することで得られ、鋸歯形に限定されるわけではない。センサの原信号波形は、センサの種類により異なり、例えば、sinカーブ又は単調な勾配の波形となる。図3(a)に示すように、例えば、回転角センサの出力値としてV1 が与えられた場合、ステアリング軸3の回転角度は、θ1 ,θ2 ,θ3 ,θ4 の4通りある。
FIG. 3 is a relationship diagram between the rotation angle of the
図3(b)の横軸は、図3(a)と同様にステアリング軸3の回転角度を、縦軸は揺動角センサ7の出力値を夫々示している。揺動アーム6の揺動は、ステアリング軸3に設けた螺旋溝3aへの係合部60の係合位置の移動により生じるから、揺動アーム6の揺動角度を示す揺動角センサ7の出力は、全舵角範囲に亘って比例的に増減する信号となる。例えば、揺動角センサ7の出力値としてV2 が与えられた場合、図に示すようにステアリング軸3の回転角度は、全舵角範囲中の一点となる。全舵角範囲に亘るステアリング軸3の回転角度を、舵角中点を基準位置として、左右の1回転目、2回転目に夫々対応する4つの領域に区分した場合、得られたステアリング軸3の回転角度は、図に示すように右方向の1回転目の領域にあることがわかる。この結果と回転角センサによるステアリング軸3の回転角度とを用いると、ステアリング軸3の回転角度は、θ3 の1通りとなり、全舵角範囲に亘るステアリング軸3の回転角度を判定することができる。この結果、予め算出部8に記憶させておいた全舵角範囲に亘るステアリング軸3の回転角度と舵角との対応関係のデータにより、車両の舵角を求めることができる。なおステアリング軸3の中立位置は、舵角中点と一致するように設定されている。
The horizontal axis of FIG. 3B shows the rotation angle of the
なお揺動角センサ7の出力値が各領域の境界近傍の場合には、領域の判定の段階で回転角センサの出力値と揺動角センサ7の出力値とを用いることにより、ステアリング軸3が何回転目の領域にあるかを的確に判定できる。もちろん領域の判定の段階において常に回転角センサの出力値と揺動角センサ7の出力値とを用いて、ステアリング軸3が何回転目の領域にあるかを判定するようにしてもよい。
When the output value of the
以上のように本発明に係る舵角検出装置においては、ステアリングホイール30の操作に応じて複数回転するステアリング軸3に先端部を係合させ、ステアリング軸3の回転に伴う係合位置の移動に応じて基部に設けた軸の回りに揺動する揺動アーム6の揺動角度を揺動角センサ7により検出し、この揺動角センサ7の検出結果により全舵角範囲中の大まかな領域、具体的には、回転軸が中立位置から左右の何回転目の領域にあるかを判定する一方、ステアリング軸3の1回転内の回転角度を回転角センサにより検出し、該回転角センサの検出結果により判定された領域内での回転角度を高精度に求めて全舵角範囲内での舵角を算出する。1回転内の回転角度を検出する回転角センサは、簡素な構成で高精度の検出が可能であり、回転軸が何回転目の領域にあるかの判定に用いる揺動角センサ7は、高い検出精度は要求されないため、簡素な構成により全舵角範囲に亘って高精度の舵角検出が可能となる。
As described above, in the steering angle detection device according to the present invention, the tip portion is engaged with the
そして揺動アーム6は、ステアリング軸3の外周面に刻設された螺旋溝3aに係合され、ステアリング軸3の回転に伴う係合位置の移動に応じて揺動するように構成されており、ステアリング軸3の回転が揺動アーム6に直接伝達されるため、揺動アーム6の揺動が確実に生じ、この揺動角度を検出する揺動角センサ7の出力に基づいてステアリング軸3が何回転目の領域にあるかを正確に判定することができる。
The
なお以上の実施の形態では、トルクセンサ4よりも上位置に揺動アーム6及び揺動角センサ7を設けているが、揺動アーム6及び揺動角センサ7は、ステアリングホイール30の操作に応じて複数回転する回転軸の適宜部位に配設することができる。例えば、ステアリング軸3を下方に延出し、この延出部に揺動アーム6及び揺動角センサ7を設けてもよいし、ピニオン軸2又はピニオン軸2を下方に延出した延出部に揺動アーム6及び揺動角センサ7を設けてもよい。
In the above embodiment, the
更に本実施の形態では、トルクセンサ4が回転角センサを兼ねているが、トルクセンサ4とは別に回転角センサを設けてもよい。 Furthermore, in the present embodiment, the torque sensor 4 also serves as a rotation angle sensor, but a rotation angle sensor may be provided separately from the torque sensor 4.
図4は、他の実施の形態における揺動アーム6及び揺動角センサ7の配設部位周辺を略示する断面図である。図4に示すように、夫々異なる方向のばね力を加えるように、揺動アーム6と揺動角センサ7のハウジングとの間に夫々つる巻ばね61,62が介装されている。揺動アーム6は、これらのつる巻ばね61,62により図において実線で示している中立位置の方向に付勢されている。このためステアリング軸3の回転に伴い、揺動アーム6の係合部60の係合位置が中立位置より上方又は下方に移動すると、揺動アーム6に下方向又は上方向へのばね力が作用する。その他の構成は、図2に示す実施の形態と同様であるため、対応する構成部材に図2と同一の参照符号を付して、その構成及び動作の詳細な説明を省略する。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the vicinity of the portion where the
この実施の形態においては、例えば組み付け途中において、係合部60の係合位置が上方又は下方に移動して螺旋溝3aの形成域を外れた場合、前述のように、つる巻ばね61,62のばね力が中立位置の方向に作用するため、係合部60が螺旋溝3aに係合可能な位置に復帰することができる。
In this embodiment, for example, when the engagement position of the
なお前述の実施の形態では、コラムハウジング31の外側にモータ5を取付け、ステアリング軸3に伝動構成してなるコラムアシストタイプの電動パワーステアリング装置への適用例について述べたが、本発明に係る舵角検出装置は、ラックハウジング10にモータを取付け、ラック軸1に伝動構成してなるラックアシスト式の電動パワーステアリング装置にも適用可能である。さらに本発明に係る舵角検出装置は、ステアリングホイールと機械的に分離された舵取機構に付設された操舵用モータを駆動することにより舵取りを行わせるステアバイワイヤ式のステアリング装置にも適用可能であり、また運転者によりステアリングホイールに加えられる操舵トルクのみによって操舵を行わせるマニュアル式のステアリング装置にも適用可能である。
In the above-described embodiment, the application example to the column assist type electric power steering apparatus in which the motor 5 is attached to the outside of the
3 ステアリング軸(回転軸)、3a 螺旋溝、4 トルクセンサ(回転角センサ)、6 揺動アーム、60 係合部、7 揺動角センサ、8 算出部(算出手段)、12 前輪(車輪)、30 ステアリングホイール(操舵部材) 3 Steering shaft (rotating shaft), 3a Spiral groove, 4 Torque sensor (rotation angle sensor), 6 Swing arm, 60 Engagement section, 7 Swing angle sensor, 8 Calculation section (Calculation means), 12 Front wheel (wheel) , 30 Steering wheel (steering member)
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