JP2007271458A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のサイズで絶対舵角と相対舵角信号の両方を出力することができる操舵角検出装置を提供する。
【解決手段】ステアリングシャフトの周期数を含めた絶対舵角αを出力する操舵角検出装置において、サンプリング期間ごとに絶対舵角の変化量を算出し、サンプリング期間と絶対舵角の変化量に基づいて変化間隔を設定し、予め設定されたパルスパターンに基づいて上記の変化間隔で変化するＡ相、Ｂ相およびＺ相のパルスを生成する。例えばサンプリング期間１０ｍｓにおいて絶対舵角の変化量が２°のとき、絶対舵角範囲の所定単位０．５°で変換した変化幅４単位でサンプリング期間１０ｍｓを除して得た２．５ｍｓをパルスの変化間隔として、これらのパルスを相対舵角信号として出力する。多数のスリットを備える大径の円板を必要としないから、装置全体を小型にして形状の自由度を拡大できる。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両のステアリングの操舵角検出などに用いる回転角検出装置に関する。

車両のヘッドライト制御システムは、相対舵角センサからの相対舵角信号をもとにステアリングハンドルの回転角を検出し、検出回転角度に対応してヘッドライトの照射方向を左右に可変に自動制御するものとして既に実用化されている。
また、車両の横滑り防止システムは、絶対舵角センサからの絶対舵角信号をもとにステアリングハンドルの回転角を検出し、検出回転角度等をもとに横滑り防止するものとして既に実用化されている。
上記ヘッドライト制御システムと車両のヘッドライト制御システムを混載した新たな車両を開発しようとする場合、開発期間の関係上両システムを変更せずにそのまま利用することが考えられる。
この場合には、車両にヘッドライト制御システム用の相対舵角センサ及び横滑り防止システム用の絶対舵角センサを搭載しなければならなくなる。そうすると、センサが大型化し高価となってしまう。
したがって、回転角検出装置としては絶対舵角と相対舵角の両方を得られる構成としたものが好ましい。

このように絶対舵角と相対舵角の両方を得られる回転角検出装置として、特公平３−６１８８６号公報に開示された操舵角検出装置がある。
この操舵角検出装置では、図７に示すように、周縁にそって等角度間隔で第１のスリット３１を設けた円板３０をステアリングシャフト１に取り付けるとともに、発光ダイオードとフォトトランジスタの組み合わせからなる第１、第２の光学式センサ３４、３５を第１のスリット３１に関連させて配置し、ステアリングシャフト１の回転に伴う第１のスリット３１の通過に対応したＡ相およびＢ相のパルスを得られるようにしている。
第１、第２の光学式センサ３４、３５はＡ相およびＢ相の出力パルスの位相が互いに１／４周期だけずれるように配置される。
さらに、円板３０には中立位置検出用の第２のスリット３２が設けられ、ステアリングシャフト１を中立位置としたときの第２のスリット３２を検出するように配置され、Ｚ相のパルスを出力する第３の光学式センサ３６を備える。

これによれば、Ａ相またはＢ相のいずれかの出力パルスを用いることにより、任意の回転開始位置からの回転変化を得ることができるとともに、Ａ相とＢ相の相対関係の変化順序から回転方向も求められる。すなわち相対舵角が得られる。
図８は、このような相対舵角信号をパルスパターンを示している。
さらに、第３の光学式センサ３６によるＺ相から第２のスリット３２を検出した回数をカウントすることで、円板３０が何回転したかを知ることができるから、Ａ相およびＢ相による相対舵角と上記カウント値とに基づいて、３６０°を越えるような場合でも中立位置からの回転角度を絶対舵角として得ることができる。
特公平３−６１８８６号公報 特開２００３−２０２２２４号公報

しかしながら、上記の操舵角検出装置では周縁にそって第１、第２のスリット３１、３２を設けた円板３０を使用しているため、構成部品のサイズが大きく、装置全体の形状の設計自由度が乏しいという問題がある。
とくに回転角度の分解能を増して検出精度を高くしようとすると、第１のスリットの数を多くしなければならず、ますます円板３０のサイズが増大することになる。

ここで、小型サイズで絶対舵角を出力可能な操舵角検出装置として、例えば特開２００３−２０２２２４号公報に開示されたものがある。
これは、ステアリングシャフトと連動して回転する回転部材にその周期的な角度位置を検出するＭＲセンサを付設し、ＣＰＵが不揮発性のデータ記憶部に記憶された基準位置を用いてＭＲセンサからのデータを演算処理して、ステアリングが何回転目かを含めた絶対舵角を算出する。
しかしＭＲセンサの出力は正弦波形状であるから、そのままでは相対舵角として用いることができない。
このため、絶対舵角と相対舵角の両方を必要とする場合には、さらに何らかの相対舵角センサを別途に搭載しなければならず、コストの増大はもちろんのこと、余分な取り付けスペースが必要となり、装置全体の小型化に逆行するものとなる。
このような小型化の要求は、車両のヘッドライト制御システムや横滑り防止システムのための操舵角検出装置に限らず、絶対回転角度と相対回転角度信号の両方を出力すべき回転角検出装置一般において共通である。

したがって、本発明は、上記従来の問題点に鑑み、コストを増大させず、小型のサイズで絶対回転角度と相対回転角度信号の両方を出力することができる回転角検出装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、測定対象回転体の周期数を含めた絶対回転角度を検出する絶対回転角度検出手段を備えて、絶対回転角度を出力する回転角検出装置において、サンプリング期間ごとに絶対回転角度の変化量を算出する回転角度変化量算出手段と、サンプリング期間と絶対回転角度の変化量に基づいて変化間隔を設定する変化間隔設定手段と、所定単位の絶対回転角度範囲ごとに対応させて予め設定されたパルスパターンに基づいて、サンプリング期間における絶対回転角度の変化に対応して順次上記の変化間隔で変化するパルスを生成するパルス生成手段とを有して、上記パルスを相対回転角度信号として出力するものとした。

サンプリング期間における絶対回転角度の変化量に対応した変化間隔で、所定のパルスパターンに基づいて変化するパルスを生成して、これを相対回転角度信号として出力するものとしたので、大径の円板を必要とせずに、絶対回転角度とともに相対回転角度信号も出力することができ、回転角検出装置全体を小型にして形状の自由度を拡大することができる。
したがってまた、絶対回転角度を出力する回転角検出装置のほかに、別途の相対回転角度信号を出力する装置を併設する必要がないから、２つの装置を装備することによる大きなコスト増大も避けられる。

以下、本発明を車両の操舵角検出に適用した実施の形態について説明する。
図１は、操舵角検出装置における角度センサ部のレイアウトを示す。図１の（ａ）はステアリングシャフトの軸方向に見た図、（ｂ）はその側方から見た図である。
測定対象回転体としてのステアリングシャフト１に駆動歯車２が固定され、ステアリングシャフト１と一体に回転するようになっている。駆動歯車２には歯数が同じ従動歯車３（３ａ、３ｂ）が噛み合っており、従動歯車３ａ、３ｂは互いに同一角度だけ回転する。従動歯車３ａ、３ｂの裏面にはそれぞれマグネット７（７ａ、７ｂ）が固定されている。

従動歯車３ａ、３ｂのそれぞれの下方には、マグネット７ａ、７ｂに対向してＭＲ（磁気抵抗）センサ６（６ａ、６ｂ）が車体側の固定部材に取付けられている。ＭＲセンサ６ａ、６ｂは、９０°の位相差をもって磁界の変化によりマグネット７と一体の従動歯車３の回転を検出する。すなわち、ＭＲセンサ６ａ、６ｂは従動歯車３の１／２回転（１周期）内での角度位置を一義的に検出し、従動歯車３の回転に対応して周期的な角度位置を出力する。
なお、図１の（ａ）では、従動歯車３、ＭＲセンサ６、マグネット７は透視的に重ねて示している。

図２は、操舵角検出装置１００の全体構成を示すブロック図である。
電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０は、ＣＰＵ１２と増幅器８ａ、８ｂを備え、ＭＲセンサ６ａ、６ｂの出力信号が、それぞれ増幅器８ａ、８ｂによって増幅されてＣＰＵ１２に出力されるようになっている。
ＣＰＵ１２にはフラッシュメモリ１３が接続されている。
なお、ＭＲセンサ６ａ、６ｂおよび電子制御ユニット１０へはそれぞれ所定の駆動電圧が図示省略の電源部から供給される。

ＣＰＵ１２はさらに通信装置１４を介して車両側のヘッドライト制御システムなど絶対舵角を要する制御装置Ａや横滑り防止装置など相対舵角信号を要する制御装置Ｂと接続されている。
ＣＰＵ１２は、増幅器８ａ、８ｂによって増幅されたＭＲセンサ６ａ、６ｂの出力信号を基に所定の演算処理を行って、ステアリングシャフト１の絶対舵角を求め、通信装置１４を介して車両側の制御装置Ａへ出力する。
ＣＰＵ１２は、図３に例示するような、テーブル値、絶対舵角（絶対角度）およびパルスデータを関連付けたテーブル２０を予め設定して、図示省略の内部メモリに保有している。

図３のテーブル２０には、例としてステアリングシャフト１の１回転分の絶対角度が０．５°単位で示され、絶対角度に対応して０から７１９までのテーブル値が設定され、テーブル値ごとに所定のパルスパターンに基づいてＡ相、Ｂ相およびＺ相のパルスデータがＨまたはＬで予め設定されている。
すなわち、Ａ相とＢ相のパルスはそれぞれ連続する２つのテーブル値単位でＨとＬを繰り返すとともに、Ａ相とＢ相の間ではテーブル値１つ分だけずらせてある。これによりＡ相とＢ相とはテーブル値の増大（絶対角度の増大）にしたがって互いに１／４周期ずれたパルス列を形成するようになっている。
Ｚ相は、中立位置を中心とする所定の角度範囲を示すもので、ここでは絶対角度１８０．０°を中心とする複数のテーブル値においてＬとされ、その余はＨに設定されている。

つぎに上記の構成における動作について説明する。図４はＣＰＵ１２における演算処理の流れを示すフローチャートである。
まずステップ１００において、フラッシュメモリ１３から後述する中立位置γ０と周期数Ｓの値を初期値として読み込む。
ステップ１０１において、ＭＲセンサ６ａ、６ｂからの出力を増幅器８ａ、８ｂによって増幅した信号Ｖ０１、Ｖ０２を読み込み、ステップ１０２で、ＭＲセンサの回転周期内の角度位置γを演算する。

信号Ｖ０１、Ｖ０２は、従動歯車３の回転に応じて、図５の（ａ）に示すように９０°位置をずらしてＣＰＵ１２に出力されている。信号Ｖ０１、Ｖ０２は以下のように表される。
Ｖ０１＝Ｖ０×ｓｉｎ２γ
Ｖ０２＝Ｖ０×ｃｏｓ２γ
但し、Ｖ０は、振幅電圧である。
角度位置γは、以下の式（１）で求められる。
γ＝ｔａｎ^−１（Ｖ０１／Ｖ０２） （１）
なお、角度位置γが１８０°を越えるごとに、フラッシュメモリ１３の周期数Ｓを更新する。

次のステップ１０３において、絶対舵角αを演算する。
ＭＲセンサ６ａ、６ｂは前述のように従動歯車３の回転に対応して周期的な角度位置を出力するから、駆動歯車２の歯数をｍ、従動歯車３の歯数をｎ、従動歯車３の回転角をβとし、とくに従動歯車３がＳ周期目で周期内の角度位置をγとすると、ステアリングシャフト１の絶対舵角αは次の式（２）で表わされる。
α＝（ｎ／ｍ）×β
＝（ｎ／ｍ）×（γ−γ０＋Ｓ×１８０°） （２）
ただし、γ０は絶対舵角の基準となる中立位置であり、直進位置に相当する。周期数Ｓは角度位置γを追跡して得られ、更新してフラッシュメモリ１３に記憶されている値を用いる。
絶対舵角αと周期内の角度位置γの関係は図５の（ｂ）に示すようになる。

なお、絶対舵角の中立位置γ０は、従動歯車３に対してＭＲセンサ６ａ、６ｂを設置した際に、車両を直進状態としてそのときのγをγ０、そのときの周期数をＳ＝０として、通信装置１４を介して外部から初期設定され、それぞれフラッシュメモリ１３に記憶されており、これらを読み込んで用いる。
ステップ１０４で、上記演算した絶対舵角αは通信装置１４を介して絶対舵角を要する制御装置Ａへ出力される。絶対舵角αは数値（°）で表わされる。

つぎに、ステップ１０５において、所定サンプリング期間での絶対舵角αの変化量から内部メモリに保有しているテーブル２０を用いてテーブル値の変化幅を求める。
図６に示すように、サンプリング期間をＡからＢの例えば１０ｍｓ（ミリ秒）として、この間に絶対舵角α（絶対角度）が１７８．７°から１８０．７°まで変化した場合、その間に挟まれたテーブル値は３５８から３６１の４値となる。すなわち、テーブル値の変化幅は４となる。

次のステップ１０６において、後段で生成するパルスの変化間隔を算出する。
ここでは、式（３）のように、上記のサンプリング期間をテーブル値の変化幅で除して変化間隔を求める。
変化間隔＝１０ｍｓ／４＝２．５ｍｓ （３）
そして、ステップ１０７において、サンプリング期間Ａ〜Ｂに続くサンプリング期間相当１０ｍｓの期間Ｂ〜Ｃにおいて、テーブル値の変化幅内の各テーブル値に対応するパルスを上の変化間隔で生成する。
なお、サンプリングは連続的に逐次行われており、前述のステップ１０５においては、期間Ｂ〜Ｃにおける絶対舵角αの変化量を並行して求めている。

パルスの生成については、図６に示すように、テーブル値３５８に対して図３のテーブル２０からＡ相はＬ、Ｂ相はＨ、Ｚ相はＬとなり、テーブル値３５９に対してはＡ相がＬ、Ｂ相がＬ、Ｚ相がＬ、テーブル値３６０に対してはＡ相がＨ、Ｂ相がＬ、Ｚ相がＬ、さらにテーブル値３６１に対してＡ相がＨ、Ｂ相がＨ、Ｚ相がＬとなって、これらが上記の変化間隔２．５ｍｓごとに順次変化していくことになる。
このように生成されたＡ相、Ｂ相のパルスは、各サンプリング相当期間において、変化間隔が等間隔のパルス列となる。

ステップ１０８において、Ａ相、Ｂ相のパルスは、Ｚ相のパルスとともに、相対舵角信号として通信装置１４を介して相対舵角を要する制御装置Ｂへ出力される。
このあと、ステップ１０１へ戻る。
以上を繰り返すことにより、相対舵角信号はステアリングシャフト１の回転に伴って図８に例示したのと同様のパルスパターンにそったパルス列として出力されることになる。
相対舵角信号はパルス列の変化間隔をサンプリング期間と同じ長さの所定期間ごとに等間隔に設定するので、パルス変化の間隔の演算が簡単となり、またタイマ割り込みなどもできてテーブル値を変化させる処理で済むから、ＣＰＵ１２の負荷は低い。

本実施の形態においては、ステアリングシャフト１が発明における測定対象回転体に該当し、その絶対舵角が絶対回転角度に、相対舵角信号が相対回転角度信号に、そして従動歯車３ａ、３ｂが回転部材に該当する。
また、ＣＰＵ１２において、図４のフローチャートにおけるステップ１００〜１０３の処理を実行する構成が絶対回転角度検出手段に対応し、ステップ１０５の処理を実行する構成が回転角度変化量算出手段に、ステップ１０６の処理を実行する構成が変化間隔設定手段に、そしてステップ１０７の処理を実行する構成がパルス生成手段にそれぞれ対応する。

実施の形態は以上のように構成され、ステアリングシャフト１の周期数を含めた絶対舵角αを出力する操舵角検出装置１００において、サンプリング期間ごとに絶対舵角の変化量を算出し、サンプリング期間と絶対舵角の変化量に基づいて変化間隔を設定し、０．５°単位の絶対舵角範囲ごとに対応させて予め設定されたパルスパターンに基づいて、サンプリング期間における絶対舵角の変化に対応して順次上記の変化間隔で変化するパルスを生成して、このパルスを相対舵角信号として出力するものとしたので、相対舵角のパルス信号を出力するために従来のような多数のスリットを備える大径の円板を必要とせずに、絶対舵角とともに相対舵角信号も出力することができ、ＭＲセンサ方式など小型の角度センサ部を用いたものをベースとすることにより、操舵角検出装置全体を小型にして形状の自由度を拡大することができる。
したがってまた、絶対舵角を出力する操舵角検出装置１００のほかに、別途の相対舵角信号を出力する装置を搭載する必要がないから、この操舵角検出装置１００により絶対舵角および相対舵角信号を作り出して、例えば既存のヘッドライト制御システムには相対舵角信号を、一方、車両の横滑り防止システムには絶対舵角の信号を出力することにより、ヘッドライト制御システムと横滑り防止システムを混載した新たな車両を開発しようとする場合にも設計の自由度が確保されるとともに、２つの装置を装備することによる大きなコスト増大も避けられる。

上記のパルスパターンは、所定単位の絶対舵角範囲（絶対角度）ごとにテーブル値を対応させ、各テーブル値に対応させてパルスデータを設定したテーブル２０として予め準備され、出力パルスの変化間隔は絶対舵角の変化量に対応するテーブル値の個数でサンプリング期間を除することにより求めるので、演算処理が簡単で、負荷が小さい。
また、パルスパターンは、互いの位相を１／４周期ずらせたＡ相とＢ相の２つのパルス列を含むので、出力された相対舵角信号におけるＡ相とＢ相の相対関係の変化順序から従来と同じく回転方向も求められる。
さらに第３のＺ相もパルスパターンに含んでいるので、相対舵角信号中における中立位置の参照などに利用することができる。

なお、実施の形態はステアリングシャフトの操舵角検出装置に適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されず、測定対象回転体の絶対回転角度と相対回転角度の両信号を出力すべき種々の装置における回転角検出に適用することができる。
また、実施の形態ではテーブル２０における絶対角度（操舵角）範囲を０．５°単位に区分してテーブル値を付与し、あるいはサンプリング期間を１０ｍｓとしたが、これらはいずれも例示であって、目的に応じた適宜の値に設定されるべきものである。

なおまた、テーブル２０はＣＰＵ１２の内部メモリに予め保有しているものとしたが、外部のフラッシュメモリ１３に中立位置γ０や周期数Ｓとともに格納して、読み出すこととしてもよく、この場合には、パルスパターンやとくにＺ相における中立位置を異ならせたテーブルの差し替えが容易となる。

実施の形態における角度センサ部のレイアウトを示す図である。 操舵角検出装置の全体構成を示すブロック図である。 相対舵角信号生成に用いるテーブル例を示す図である。 演算処理の流れを示すフローチャートである。 従動歯車の角度位置と電子制御ユニットへの入力関係を示す図である。 テーブルに基づくパルス生成の態様を示す図である。 従来例を示す図である。 相対舵角信号のパルスパターンを示す図である。

符号の説明

１ ステアリングシャフト（測定対象回転体）
２ 駆動歯車
３ａ、３ｂ 従動歯車（回転部材）
６ａ、６ｂ ＭＲセンサ
７ａ、７ｂ マグネット
８ａ、８ｂ 増幅器
１０ 電子制御ユニット
１２ ＣＰＵ
１３ フラッシュメモリ
１４ 通信装置
２０ テーブル
１００ 操舵角検出装置

Claims (4)

1. 測定対象回転体の周期数を含めた絶対回転角度を検出する絶対回転角度検出手段を備えて、絶対回転角度を出力する回転角検出装置において、
   サンプリング期間ごとに絶対回転角度の変化量を算出する回転角度変化量算出手段と、
   サンプリング期間と絶対回転角度の変化量に基づいて変化間隔を設定する変化間隔設定手段と、
   所定単位の絶対回転角度範囲ごとに対応させて予め設定されたパルスパターンに基づいて、前記サンプリング期間における絶対回転角度の変化に対応して順次前記変化間隔で変化するパルスを生成するパルス生成手段とを有して、
   前記パルスを相対回転角度信号として出力することを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記所定単位の絶対回転角度範囲ごとにテーブル値を対応させ、各テーブル値に対応させて前記パルスパターンのパルスデータを設定したテーブルを備え、
   前記変化間隔設定手段は、前記テーブルにおける前記絶対回転角度の変化量に対応するテーブル値の個数で前記サンプリング期間を除した値を前記変化間隔とすることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記パルスパターンは、互いの位相を１／４周期ずらせた２相のパルス列を含むものであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角検出装置。
4. 前記絶対回転角度検出手段が、測定対象回転体と連動して回転する回転部材に付設されて周期的な角度位置を検出するＭＲセンサを備えて、該ＭＲセンサの出力を演算処理して絶対回転角度を検出するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の回転角検出装置。

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