JP5339094B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、アングルセンサ及び電動パワーステアリング装置に関する。

現在、車両のステアリングホイールに印加された操舵トルクをトルクセンサで検出し、この操舵力に対応する補助操舵トルクを電動モータで発生させて車輪の操舵を行う電動パワーステアリング装置が実用化されている。

このような電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイールの操舵角度（ステアリングシャフトの回転角度）を検出するためのアングルセンサや電動モータの駆動軸の回転角度を検出するためのモータ回転角度センサが設けられている。近年においては、レゾルバからの出力信号に基づいてモータの回転角度を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−５５６９５号公報

しかし、特許文献１に記載されたような従来の回転角度検出技術においては、レゾルバの励磁を開始してから励磁信号の発振状態を安定させる必要があり、さらに、励磁信号の振幅成分を正しくサンプリングできるようになるまでサンプリングタイミングを調整する必要がある。このため、回転角度に関する情報を取得するまでには一定の待機時間や調整作業を要することとなり、待機中や調整作業中に相当の電力を消費してしまうという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、消費電力を節減しながら必要なタイミングで作動してシャフトの回転角度を検出することができるアングルセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係るアングルセンサは、所定軸周りに回転するシャフトの回転角度に関連する情報を取得する角度情報取得手段を備え、外部から指令が送出された場合に角度情報取得手段で前記情報を取得するアングルセンサであって、角度情報取得手段は、外部から間欠的に供給される電力により作動するとともに、シャフトの回転角速度に応じて作動時間が変化するように構成されるものである。

かかる構成を採用すると、シャフトの回転角速度に応じて、角度情報取得手段の作動時間を変化させることができる。例えば、シャフトの回転角速度が速い場合には、外部から電力を比較的長い時間（比較的短い周期で）供給して角度情報取得手段を比較的長い時間（比較的短い周期で）作動させることにより、シャフトの回転角度に関連する情報を確実に取得することができる。一方、シャフトの回転角速度が遅い場合には、外部から電力を比較的短い時間（比較的長い周期で）供給して角度情報取得手段を比較的短い時間（比較的長い周期で）作動させることにより、情報取得に要する電力を節減することが可能となる。従って、消費電力を節減しながら必要なタイミングで作動してシャフトの回転角度に関連する情報を確実に取得することが可能となる。

本発明に係るアングルセンサにおいて、角度情報取得手段の作動周期を、シャフトの回転角度の想定最短周期よりも短く設定することが好ましい。

かかる構成を採用すると、角度情報取得手段の作動周期がシャフトの回転角度の想定最短周期よりも短く設定されるので、想定される最大回転角速度（想定最短周期）でシャフトが回転した場合においても、シャフトの回転角度に関連する情報を確実に取得することができる。

本発明に係るアングルセンサにおいて、外部から送出される指令が解除された場合に角度情報取得手段で取得した情報を記憶する記憶手段をさらに備えることができる。

かかる構成を採用すると、外部から送出される指令が解除された場合に、シャフトの回転角度に関連する情報を記憶手段に記憶することができる。従って、指令解除時（例えばイグニション・オフ時）にシャフトの回転角度に関連する情報が検出された場合においても、その情報を保存することができ、その保存した情報を後に利用することが可能となる。

本発明に係るアングルセンサは、角度情報取得手段で取得した情報を記憶手段に記憶した後に指令が送出された場合に、記憶手段に記憶した情報を外部に出力するように構成されることが好ましい。

かかる構成を採用すると、指令解除時に記憶手段に記憶したシャフトの回転角度に関連する情報を、指令再送出時に外部に出力することができるので、この情報を利用して指令解除時におけるシャフトの回転角度を算出することが可能となる。

本発明に係るアングルセンサにおいて、シャフトの回転角度に対応するモータの回転角度を検出するモータ回転角度センサを角度情報取得手段として採用することができる。かかる場合には、モータの駆動軸に取り付けられた回転部材と、この回転部材に固定された着磁部の磁界変化を検出する磁気抵抗素子部と、を有するモータ回転角度センサを採用することができる。また、回転部材の回転角度に応じて９０°位相がずれるように配置された少なくとも一組の磁気検出素子からなるブリッジ回路で磁気抵抗素子部を構成することができる。磁気検出素子としてはＭＲ素子やＨａｌｌ素子を採用することができる。

また、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリングシャフトの回転角度に関連する情報を取得するアングルセンサと、ステアリングシャフトに取り付けられたステアリングホイールの操舵角度をアングルセンサで取得した情報に基づいて算出するコントロールユニットと、を備え、アングルセンサとして、本発明に係るアングルセンサを採用したものである。コントロールユニットは、アングルセンサに対してイグニション・オン時に指令を送出する一方イグニション・オフ時に指令を解除するとともに、指令解除後のイグニション・オン時に指令を再送出しアングルセンサの記憶手段に記憶した情報を受信して指令解除時におけるステアリングシャフトの回転角度を算出するものを採用することができる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置は、イグニション・オフ時に蓄電池からアングルセンサのみに間欠的に電力を供給して、アングルセンサの角度情報取得手段で取得した情報をアングルセンサの記憶手段に記憶するように構成されることが好ましい。

かかる構成を採用すると、イグニション・オフ時に蓄電池からアングルセンサに間欠的に電力を供給するだけで、ステアリングシャフトの回転角度に関連する情報をアングルセンサの角度情報取得手段で取得して記憶手段に記憶することができる。従って、ステアリングシャフトの回転角度に関連する情報を取得するために常時電力を供給する必要がないので、情報取得に要する電力を節減することが可能となる。また、アングルセンサの角度情報取得手段は、ステアリングシャフトの回転角速度（ステアリングホイールの操舵速度）に応じて作動時間が変化するように構成されているので、消費電力を節減しながら必要なタイミングで作動してステアリングシャフトの回転角度に関連する情報を確実に取得することが可能となる。

本発明によれば、消費電力を節減しながら必要なタイミングで作動してシャフトの回転角度を検出することができるアングルセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリング装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示す構成図である。 図１に示す電動パワーステアリング装置に搭載されるアングルセンサ及びコントロールユニットの機能的構成を示すブロック図である。 （Ａ）はアングルセンサの作動周期を示すグラフであり、（Ｂ）は電動モータの回転角度の想定最短周期を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１の構成の概要について説明する。電動パワーステアリング装置１は、所定軸周りに回転するステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報を取得するアングルセンサ１０と、ステアリングシャフト２に取り付けられたステアリングホイール３の操舵角度をアングルセンサ１０で取得した情報に基づいて算出するコントロールユニット２０と、を備えている。

ステアリングシャフト２は、減速ギア４、ユニバーサルジョイント５Ａ・５Ｂ、ピニオンラック機構６を介して車輪のタイロッド７に連結されている。ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール３の操舵トルクＴを検出するトルクセンサ８が設けられており、ステアリングホイール３の操舵力Ｔによってトーションバー８ａが捩れると、トルクセンサ８は操舵トルクＴに応じた電気信号をコントロールユニット２０に出力するようになっている。ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール３の操舵トルクを補助する電動モータ９が減速ギア４を介して連結されており、電動モータ９にはアングルセンサ１０が設けられている。アングルセンサ１０の構成については後に詳述する。

コントロールユニット２０には、バッテリ（蓄電池）３１から電力が供給されるとともに、イグニションキー３２を介してイグニション信号が入力される。コントロールユニット２０は、トルクセンサ８で検出された操舵トルクＴ及び車速センサ３３で検出された車速Ｖに基づいて操舵補助指令の電流指令値Ｉを算出し、算出した電流指令値Ｉに基づいて電動モータ９に供給する電流を制御する。コントロールユニット２０の構成については後に詳述する。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態に係るアングルセンサ１０及びコントロールユニット２０の機能的構成について説明する。

アングルセンサ１０は、図２に示すように、バッテリ３１から供給される電力により作動するものであり、電動モータ９の駆動軸の回転角度を検出するモータ回転角度センサ１１を有している。モータ回転角度センサ１１は、ステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報（ステアリングシャフト２の回転角度に一対一対応する電動モータ９の回転角度）を取得するものであり、本発明における角度情報取得手段として機能する。アングルセンサ１０は、コントロールユニット２０から制御指令が送出された場合に、モータ回転角度センサ１１で検出した回転角度の情報（角度信号）をコントロールユニット２０に出力する。

本実施形態におけるモータ回転角度センサ１１は、電動モータ９の駆動軸に取り付けられた回転部材と、この回転部材に固定された着磁部（Ｓ極磁石及びＮ極磁石）の磁界変化を検出する磁気抵抗素子部と、を有する非接触式センサである。回転部材は、電動モータ９の駆動軸の回転と同期しつつ一定の周期で回転するようになっている。磁気抵抗素子部は、回転部材の回転角度に応じて９０°位相がずれるように配置した少なくとも一組の磁気検出素子からなるブリッジ回路で構成されている。本実施形態においては、磁気検出素子として、ＭＲ素子又はＨａｌｌ素子を採用している。このように構成したモータ回転角度センサ１１により、電動モータ９の回転角度θに対応する正弦波（sinθ）及び余弦波（cosθ）の信号がコントロールユニット２０に出力される。

また、アングルセンサ１０は、コントロールユニット２０から送出される制御指令が解除された場合に、モータ回転角度センサ１１で検出した情報を記憶する集積回路（ＡＳＩＣ）１２を有している。集積回路１２は、本発明における記憶手段として機能するものである。集積回路１２は、モータ回転角度センサ１１で検出した電動モータ９の回転角度θの情報（正弦波及び余弦波の信号）に基づいてステアリングシャフト２の回転角度を算出する機能をも有しており、このように算出したステアリングシャフト２の回転角度を記憶することもできる。また、集積回路１２は、モータ回転角度センサ１１で検出した情報を記憶した後にコントロールユニット２０から制御指令が送出された場合に、記憶した情報をコントロールユニット２０に出力する通信機能を有している。

アングルセンサ１０の集積回路１２は、モータ回転角度センサ１１を構成するＭＲ素子又はＨａｌｌ素子への通電を制御する機能を有しており、コントロールユニット２０から送出される制御指令が解除された場合に、回転角度の検出精度を維持しつつＭＲ素子やＨａｌｌ素子への通電を周期的に遮断する。この結果、モータ回転角度センサ１１は、制御指令解除時において、間欠的に供給される電力により作動して回転角度を検出することになる。これにより、回転角度検出に要する消費出力を節減することができる。

また、アングルセンサ１０の集積回路１２は、ステアリングシャフト２の回転角速度（ステアリングホイール３の操舵速度）に対応する電動モータ９の回転角速度に応じて、ＭＲ素子やＨａｌｌ素子への通電時間（間欠時間）を変化させる機能を有する。この結果、ステアリングシャフト２の回転角速度に応じてモータ回転角度センサ１１の作動時間を変化させることができる。例えば、集積回路１２は、回転角速度が速い場合に通電時間を比較的長く（通電周期を比較的短く）してモータ回転角度センサ１１を比較的長い時間（比較的短い周期で）作動させることができる。一方、回転角速度が遅い場合に通電時間を比較的短く（通電周期を比較的長く）してモータ回転角度センサ１１を比較的短い時間（比較的長い周期で）作動させることができる。なお、本実施形態においては、図３に示すように、モータ回転角度センサ１１の作動周期Ｔ₀を、電動モータ９の回転角度の想定最短周期Ｔ₁よりも短く設定している。電動モータ９の回転速度の想定最短周期Ｔ₁は、ステアリングホイール３の操舵角度（ステアリングシャフト２の回転角度）の想定最短周期とほぼ一致するものとする。

コントロールユニット２０は、図２に示すように、バッテリ３１から供給される電力により作動するものであり、各種演算処理を行うＭＣＵ２１等を有している。ＭＣＵ２１は、イグニションキー３２を介してイグニション・オン信号が送出された場合に、アングルセンサ１０に対して制御指令を送出するとともにアングルセンサ１０から出力された回転角度の情報（角度信号）を受信し、受信した情報に基づいて逆正接関数（arctanθ）の演算処理を実行することによりステアリングシャフト２の回転角度を算出する。

また、ＭＣＵ２１は、イグニション・オン信号が解除された場合に、スイッチ２２の接続を遮断してバッテリ３１からＭＣＵ２１への通電を停止させるとともに、イグニション・オン時にアングルセンサ１０へと送出していた制御指令を解除する。これにより、イグニション・オフ時には、ＭＣＵ２１による各種演算処理が停止させられる。一方、イグニション・オフ時（制御指令解除時）においても、アングルセンサ１０にはバッテリ３１から電力が供給される。このため、アングルセンサ１０は、前述のようにイグニション・オフ時にモータ回転角度センサ１１で検出した情報を集積回路１２に記憶する。なお、イグニション・オフ時（制御指令解除時）においては、アングルセンサ１０の集積回路１２がＭＲ素子又はＨａｌｌ素子への通電を周期的に遮断しながら回転角度の検出を行うため、消費出力を節減することができる。

このようなイグニション・オフ期間を経た後、イグニション・オン信号が再送出された場合に、ＭＣＵ２１は、アングルセンサ１０に対して制御指令を再送出し、アングルセンサ１０の集積回路１２に記憶されていた情報を受信し、受信した情報に基づいて演算処理を実行する。これにより、ＭＣＵ２１は、イグニション・オフ期間におけるステアリングシャフト２の回転角度（ステアリングホイール３の操舵角度）を算出することができる。

以上の実施形態に係るアングルセンサ１０においては、電動モータ９の回転角速度に応じてモータ回転角度センサ１１の作動時間を変化させることができる。すなわち、電動モータ９の回転角速度が速い場合には、外部（バッテリ３１）から電力を比較的長い時間（比較的短い周期で）供給してモータ回転角度センサ１１を比較的長い時間（比較的短い周期で）作動させることにより、電動モータ９の回転角度に関連する情報を確実に取得することができる。一方、電動モータ９の回転角速度が遅い場合には、外部から電力を比較的短い時間（比較的長い周期で）供給してモータ回転角度センサ１１を比較的短い時間（比較的長い周期で）作動させることにより、情報取得に要する電力を節減することが可能となる。従って、消費電力を節減しながら必要なタイミングで作動して回転角度に関連する情報を確実に取得することが可能となる。

また、以上の実施形態に係るアングルセンサ１０においては、モータ回転角度センサ１１の作動周期Ｔ₀が電動モータ９の回転角度の想定最短周期Ｔ₁よりも短く設定されるので、想定される最大回転角速度（想定最短周期）で電動モータ９が回転した場合においても、回転角度に関連する情報を確実に取得することができる。

また、以上の実施形態に係るアングルセンサ１０においては、外部（コントロールユニット２０）から制御指令が送出された場合に、ステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報を外部に出力することができる一方、制御指令が解除された場合に、ステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報を集積回路１２に記憶することができる。従って、制御指令解除時（イグニション・オフ時）にステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報が検出された場合においても、その情報を保存することができ、その保存した情報を後に利用することが可能となる。

また、以上の実施形態に係るアングルセンサ１０においては、制御指令解除時に集積回路１２に記憶したステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報を、制御指令再送出時に外部（コントロールユニット２０）に出力することができるので、この情報を利用して制御指令解除時におけるステアリングシャフト２の回転角度を算出することが可能となる。

また、以上の実施形態に係る電動パワーステアリング装置１においては、イグニション・オフ時にバッテリ３１からアングルセンサ１０に間欠的に電力を供給するだけで、ステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報（電動モータ９の駆動軸の回転角度）をアングルセンサ１０のモータ回転角度センサ１１で取得して集積回路１２に記憶することができる。従って、ステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報を取得するために常時電力を供給する必要がないので、情報取得に要する電力を節減することが可能となる。また、アングルセンサ１０のモータ回転角度センサ１１は、ステアリングシャフト２の回転角速度（ステアリングホイール３の操舵速度）に応じて作動時間が変化するように構成されているので、消費電力を節減しながら必要なタイミングで作動してステアリングシャフト２の回転角度に関連する情報を確実に取得することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、アングルセンサの角度情報取得手段として、電動モータ９の回転角度の情報を検出するモータ回転角度センサ１１を採用した例を示したが、角度情報取得手段の構成はこれに限られるものではない。例えば、ステアリングシャフト２自体に取り付けられてステアリングシャフト２と同期回転する回転部材と、この回転部材に固定された着磁部の磁界変化を検出する磁気抵抗素子部と、を有し、ステアリングシャフト２の回転角度に対応する正弦波及び余弦波の信号を出力する回転角度センサを角度情報取得手段として採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、車両のステアリングシャフトの回転角度に関連する情報を取得する電動パワーステアリング装置用のアングルセンサに本発明を適用した例を示したが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではなく、シャフトの回転角度に関連する情報を取得する種々のアングルセンサに本発明を適用することができる。

１…電動パワーステアリング装置
２…ステアリングシャフト
３…ステアリングホイール
１０…アングルセンサ
１１…モータ回転角度センサ（角度情報取得手段）
１２…集積回路（記憶手段）
２０…コントロールユニット
３１…バッテリ（蓄電池）

Claims (6)

1. ステアリングシャフトの回転角度に関連する情報を取得するアングルセンサと、前記ステアリングシャフトに取り付けられたステアリングホイールの操舵角度を前記アングルセンサで取得した情報に基づいて算出するコントロールユニットと、を備える電動パワーステアリング装置であって、
   前記アングルセンサは、外部から間欠的に供給される電力により作動し外部から指令が送出された場合に前記ステアリングシャフトの回転角度に関連する情報を取得する角度情報取得手段と、前記指令が解除された場合に前記角度情報取得手段で取得した情報を記憶する記憶手段と、を有するものであり、前記角度情報取得手段は、前記ステアリングシャフトの回転角速度に応じて作動時間が変化するように構成され、
   前記コントロールユニットは、前記アングルセンサに対してイグニション・オン時に指令を送出する一方イグニション・オフ時に前記指令を解除するとともに、指令解除後のイグニション・オン時に前記指令を再送出し前記アングルセンサの前記記憶手段に記憶した情報を受信して指令解除時における前記ステアリングシャフトの回転角度を算出するものであり、
   イグニション・オフ時に蓄電池から前記アングルセンサのみに間欠的に電力を供給して、前記アングルセンサの角度情報取得手段で取得した情報を前記アングルセンサの記憶手段に記憶するように構成される、
   電動パワーステアリング装置。
2. 前記角度情報取得手段の作動周期は、前記ステアリングシャフトの回転角度の想定最短周期よりも短く設定される、
   請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記角度情報取得手段で取得した情報を前記記憶手段に記憶した後に前記指令が送出された場合に、前記記憶手段に記憶した情報を外部に出力するように構成される、
   請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記角度情報取得手段は、前記シャフトの回転角度に対応するモータの回転角度を検出するモータ回転角度センサである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記モータ回転角度センサは、前記モータの駆動軸に取り付けられた回転部材と、前記回転部材に固定された着磁部の磁界変化を検出する素子部と、を有し、前記素子部は、前記回転部材の回転角度に応じて９０°位相がずれるように配置された少なくとも一組の磁気検出素子からなるブリッジ回路で構成される、
   請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記磁気検出素子は、ＭＲ素子又はＨａｌｌ素子である、
   請求項５に記載の電動パワーステアリング装置。

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