JP2012132920A - アングルセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アングルセンサーを構成するメインギヤとサブギヤとの間の最適なギヤ比を選択することにより、操向軸のアングル測定の正確性を向上させることができるアングルセンサーに関する。
【解決手段】車両操向軸の回転量を測定するアングルセンサーであって、前記操向軸と共に回転するリング状のメインギヤと、前記メインギヤの回転によって回転し、一面にマグネットが結合される第１サブギヤと、前記マグネットの磁界変化を感知して回転量データを出力する磁気素子とを備え、前記第１サブギヤは、前記メインギヤが１回転する間に４回転するアングルセンサーを提供する。したがって、メインギヤのアングルを測定するための有効データを取得する過程でスケールファクターの値が最小化されるため、測定値の誤差が最小化されるという利点がある。
【選択図】図３

Description

本発明は、アングルセンサーに関し、より具体的には、アングルセンサーを構成するメインギヤとサブギヤとの間の最適なギヤ比を選択することにより、操向軸のアングル測定の正確性を向上させることができるアングルセンサーに関する。

一般的に、自動車の操向の安定性を保障するための装置として、別途の動力で補助する操向装置が使用される。従来では、このような補助操向装置を油圧を用いた装置として使用していたが、最近では、動力の損失が少なく、正確性に優れた電動式操向装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が使用されている。

前記のような電動式操向装置（ＥＰＳ）は、車速センサー、アングルセンサー、およびトルクセンサーなどで感知した運行条件に基づいて電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）でモーターを駆動し、旋回安定性を保障し、迅速な復元力を提供することにより、運転者にとって安全な走行が可能になるようにする。
アングルセンサー（Ａｎｇｌｅ Ｓｅｎｓｏｒ）は、操向軸の回転角に比例する電気信号を出力する装置であり、最近では、操向トルクを測定するトルクセンサー（Ｔｏｒｑｕｅ Ｓｅｎｓｏｒ）と結合されてアセンブリ（Ａｓｓｅｍｂｌｙ）からなることが多い。

図１は、このようなアングルセンサーの例を示す平面図である。
アングルセンサーの場合、運転者が操向ホイールを回転するに伴い、操向軸に取り付けられたメインギヤ２０が連動して回転しながら回転角度の差が発生し、このとき、メインギヤ２０にギヤを介して連結されたサブギヤ２１、２２に取り付けられたマグネット３１、３２の磁場と回転方向を磁気素子が認識し、信号を電子制御装置に移送する。

メインギヤ２０とサブギヤ２１、２２とは、所定のギヤ比を有するように構成されるが、メインギヤ２０の外周に形成されたギヤ数がより多いことが一般的である。
例えば、一般的な場合のように、メインギヤとサブギヤとのギヤ比が２：１で構成された場合、メインギヤの１回転に伴ってサブギヤは２回転し、マグネットの磁界変化を感知するホールセンサーのデジタル（ｄｉｇｉｔａｌ）出力は、所定のスケールファクター（Ｓｃａｌｅ Ｆａｃｔｏｒ）に相当する利得を乗算し、１４ビットのタイムカウンター（Ｔｉｍｅ Ｃｏｕｎｔｅｒ）を用いて回転量を測定する。

このとき、メインギヤの回転数をサブギヤの回転数を通して感知しなければならないため、スケールファクターは、メインギヤの回転数測定の正確性に影響を与えるようになる。結局、従来技術のアングルセンサーの場合、スケールファクターの値が大きいため、回転軸の回転量測定の誤差が発生するという問題が存在していた。

そこで、本発明は、上記の問題を解消するためになされたものであって、アングルセンサーのメインギヤとサブギヤとの最適なギヤ比を選択することにより、操向軸の回転測定の誤差を最小化することができるアングルセンサーを提供することを目的とする。

本発明にかかるアングルセンサーは、車両の操向軸の回転量を測定するアングルセンサーであって、前記操向軸と共に回転するリング状のメインギヤと、前記メインギヤの回転によって回転し、一面にマグネットが結合される第１サブギヤと、前記マグネットの磁界変化を感知して回転量データを出力する磁気素子とを備え、前記第１サブギヤは、前記メインギヤが１回転する間に４回転するアングルセンサーを提供する。したがって、メインギヤのアングルを測定するための有効データを取得する過程でスケールファクターの値が最小化されるため、測定値の誤差が最小化されるという利点がある。

また、本発明にかかるアングルセンサーは、前記メインギヤに噛み合う第２サブギヤをさらに備え、前記第１サブギヤは、前記第２サブギヤに噛み合い、前記メインギヤと前記第１サブギヤとのギヤ比が４：１となるアングルセンサーを提供する。したがって、磁界変化の感度を確保することができる一方、測定値データの非線形性が向上するという利点がある。

また、本発明にかかるアングルセンサーは、前記磁気素子がホール素子（Ｈａｌｌ ＩＣ）であるアングルセンサーを提供する。したがって、磁界変化に応じた出力信号の分析が効率的に実施可能である。

このように構成された本発明にかかるアングルセンサーは、メインギヤとサブギヤとの最適なギヤ比が設定されることにより、磁界変化の感知効率が低下しない一方、磁気素子のエラー率が減少し、結局、出力データの非線形性が増加できるため、正確なアングルの測定が可能になる。

従来技術にかかるアングルセンサーを示す平面図である。 従来技術のアングルセンサーにおいて、メインギヤの回転量に対する測定回転量の誤差を示すグラフである。 本発明にかかるアングルセンサーにおいて、メインギヤの回転量に対する測定回転量の誤差を示すグラフである。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態にかかるアングルセンサーを詳細に説明する。

まず、本発明にかかるアングルセンサーは、図１に示すアングルセンサーの構造に基づいて説明される。
また、アングルセンサーは、車両の操向軸と共に回転するリング状のメインギヤ２０と、メインギヤ２０に噛み合う第２サブギヤ２１と、第２サブギヤ２１に噛み合う第１サブギヤ２２とから構成される。

ギヤは、ケース１０の一面に回転可能に結合されるが、ケース１０は、略円盤形状からなり、中心部位にメインギヤ２０の中空部位に対応する開口が形成される。
車両の操向軸は、メインギヤ２０の中心部位に連結されて共に回転する。
メインギヤ２０の回転に伴い、第２サブギヤ２１がメインギヤ２０の回転方向に対して逆方向に回転し、これにより、第１サブギヤ２２が正方向に回転する。
第２サブギヤ２１と第１サブギヤ２２とは、回転量測定の正確性および配置関係を考慮して、ギヤ比が１：１となることが好ましい。

アングルセンサーは、操向軸に単独で結合されていてもよいが、トルクセンサー（Ｔｏｒｑｕｅ Ｓｅｎｓｏｒ）と一体に形成されていてもよい。この場合、ケース１０の他面にはトルクセンサーが形成され、操向軸は、トルクセンサーとアングルセンサーを貫通して配置される。
メインギヤ２０と第１サブギヤ２２とのギヤ比に応じて回転量の測定誤差が生じ得ることは前述したとおりである。

図２は、メインギヤとサブギヤとのギヤ比が２：１である場合のメインギヤの回転量に対する測定値の誤差を示すグラフであって、横軸は、メインギヤの回転量を度（Ｄｅｇｒｅｅ）スケールで示し、縦軸は、メインギヤの実際の回転量と測定値の誤差を度（Ｄｅｇｒｅｅ）スケールで示す。

具体的には、第１サブギヤ２２の磁界変化を感知する磁気素子は、１４ビット（ｂｉｔ）である０〜１６３８３ステップ（ｓｔｅｐ）のディジット（ｄｉｇｉｔ）出力を発生させる。したがって、ギヤ比が２：１の場合、メインギヤ２０が１回転すると、第１サブギヤ２２は２回の出力を発生させる。

第１サブギヤ２２の出力、より正確には、第１サブギヤ２２に結合された第２マグネット３２の磁界変化を感知した磁気素子の出力により、パルス幅変調（ＰＷＭ： Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された出力値は４分割して、メインギヤの９０度間隔で出力を発生させるのである。

パルス幅変調された出力は、１４ビット（ｂｉｔ）のタイムカウンター（Ｔｉｍｅ Ｃｏｕｎｔｅｒ）を通して角度を表現し、ステップ値は、下限から２５％および８３％程度の範囲のデータを用いる。このとき、データの範囲は、２４００〜１３６００程度に設定される。

したがって、メインギヤ２０が９０度回転する間、第１サブギヤ２２を介した出力データは、フルデータの半分である０〜８１９２の範囲となり、これに一定のスケールファクターを乗算することにより、設定範囲である２４００〜１３６００のデータに変換させて角度を測定するようになる。
スケールファクターの大きさに応じて誤差の範囲が異なり得ることは前述したとおりである。

図２では、メインギヤ２０と第１サブギヤ２２とのギヤ比が２：１である場合のグラフを示すものであり、メインギヤ２０が略２５０度程度回転する間、測定値の回転量の誤差は最大１度近くになる。このとき、スケールファクターの影響により、横軸におけるデータの間には一定の線形性を表すようになる。

したがって、本発明の概念では、回転量の誤差および線形性を低減することによって操向角の誤差を最小化させることができるように、メインギヤとサブギヤとのギヤ比が４：１に設定されたアングルセンサーを提供する。

この場合、メインギヤ２０が９０度回転する間、第１サブギヤ２２は１回転、すなわち、３６０度回転し、結局、第１サブギヤ２２による出力は、１４ビットのフルデータである０〜１６３８３の値のデータとして表れるため、設定範囲である２４００〜１３６００に相当するデータを抽出するために、少ない値のスケールファクターを用いることができる。
したがって、このような概念により、磁気素子のエラー率が減少し、結局、出力データの非線形性が増加できる。

図３は、本発明の概念によるアングルセンサーのメインギヤの回転量に対する測定値の誤差を示すグラフである。

メインギヤの約２５０度程度の回転量に対し、縦軸に示された測定値の誤差は０．５度未満となっていることに留意しなければならない。誤差範囲は、図２におけるギヤ比が２：１の場合に比べて半分程度となったもので、これにより、データの間における線形性は低減できるのである。

一方、磁界変化に応じたビット単位の出力の効率的な活用のために、磁気素子は、ホール素子（Ｈａｌｌ ＩＣ）であることが好ましい。
本発明の実施形態では、第２サブギヤ２１および第１サブギヤ２２は、同一のギヤ比を有し、メインギヤ２０に対して４：１のギヤ比を有する。したがって、ギヤ比の差は半径の差で説明可能である。すなわち、メインギヤ２０と第１サブギヤ２２との半径は４：１となり得る。

ただし、第２サブギヤ２１と第１サブギヤ２２のギヤ数が異なって設定されてもよく、メインギヤと第１サブギヤとの間には複数のギヤが介在してもよいことはもちろんである。

この場合、ギヤ比に対する用語は、回転量の差で修正されなければならない。すなわち、メインギヤに対する、メインギヤの回転量を測定するサブギヤの回転量の比は１：４に設定される。

すなわち、前記のように、メインギヤ２０の９０度間隔で出力値を４分割して測定する場合、磁気素子のセンシング能力およびギヤの配置関係を考慮して、前記のように、略フルデータを出力できる４：１のギヤ比で行われることが最も好ましい。すなわち、磁界感知の効率性のためにマグネットの着磁位置および大きさが考慮されなければならず、マグネットの磁界変化を測定するホール素子は所定間隔離隔しているため、サブギヤの半径はある程度確保されなければならない。したがって、メインギヤとサブギヤの磁界変化の感知効率を確保することができる一方、測定誤差を最小化することができる最適なギヤ比は４：１のギヤ比となるのである。

ただし、構造的な選択により、メインギヤに対する、メインギヤの回転量を測定するサブギヤの回転量は４の倍数になっていてもよいことはもちろんである。
以上、本発明は、実施形態および添付した図面に基づいて詳細に説明された。しかし、上記の実施形態および図面により本発明の範囲が制限されるのではなく、本発明の範囲は、後述する特許請求の範囲に記載された内容によってのみ制限される。

Claims (4)

1. 車両操向軸と、
   前記操向軸と共に回転するリング状のメインギヤと、
   前記メインギヤの回転によって回転し、一面にマグネットが結合される第１サブギヤと、
   前記マグネットの磁界変化を感知して回転量データを出力する磁気素子とを備え、
   前記第１サブギヤは、前記メインギヤが１回転する間に４回転して操向軸の回転量を測定することを特徴とするアングルセンサー。
2. 前記メインギヤに噛み合う第２サブギヤをさらに備え、
   前記第１サブギヤは、前記第２サブギヤに噛み合い、前記メインギヤと前記第１サブギヤとのギヤ比は、４：１となることを特徴とする請求項１に記載のアングルセンサー。
3. 前記磁気素子は、ホール素子（Ｈａｌｌ ＩＣ）であることを特徴とする請求項１に記載のアングルセンサー。
4. 前記磁気素子は、ホール素子（Ｈａｌｌ ＩＣ）であることを特徴とする請求項２に記載のアングルセンサー。

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