JP5444085B2

JP5444085B2 - インデックスセンサ

Info

Publication number: JP5444085B2
Application number: JP2010078841A
Authority: JP
Inventors: 幸雄池田; 元寿寺坂; 謙一小塚; 隆宏眞田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; JTEKT Corp
Current assignee: Hitachi Metals Ltd; JTEKT Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011209195A

Description

本発明は、外部環境の温度によらず、正しい回転基準位置の検出が可能なインデックスセンサに関する。

自動車の電動パワーステアリング装置においては、ステアリングホイール、ステアリングシャフト等からなる操舵部材が操舵操作されるに伴って変化する操舵用の車輪の向き（操舵角）を検出する必要がある。操舵角は、ステアリングシャフトの複数回転にわたる回転角で表される。

操舵角の検出に役立つ技術として、操舵操作によるステアリングシャフトの回転数（回転した回数）を検出するために用いるインデックスセンサが知られている。インデックスセンサは、ステアリングシャフトの所定位置が静止系に定めた回転基準位置に来たことを示す回転基準位置信号を発生させるセンサである。回転基準位置信号の発生をカウントすることでステアリングシャフトの回転数が求まる。

図６に示した従来のインデックスセンサ５１は、ステアリングシャフト５２の回転軸である中心軸Ｃに対してＮ極とＳ極を結ぶ直線（極線）が直交するようにステアリングシャフト５２の近傍の静止系に配置された磁石５３と、ステアリングシャフト５２の外周の一部に取り付けられることによりステアリングシャフト５２の回転に伴って回転し、磁石５３からの磁束を誘導する透磁率の大きい磁束誘導部（ヨーク）５４と、磁石５３と磁束誘導部５４との間の静止系に配置され、磁束誘導部５４の回転によって磁石５３と磁束誘導部５４の位置関係が変化することにより変化する磁束の磁束密度を検出する磁気検出素子５５と、磁気検出素子５５の出力に応じて回転基準位置信号を出力する信号出力部５６とから構成される。

信号出力部５６は、あらかじめ磁気検出素子５５が検出する磁束密度に対して閾値を設けておき、磁気検出素子５５が検出した磁束密度と閾値を比較器で比較し、磁束密度が閾値を超えたとき信号出力部５６から回転基準位置信号を出力する。

特開２００８−１０２０７６号公報

ところで、図６のインデックスセンサ５１は、磁気検出素子５５が検出した磁束密度が閾値を超えたとき回転基準位置信号を出力する。しかし、インデックスセンサ５１では、自動車のエンジン近傍など、高温になる場所に設置すると、磁石５３が高温になる。磁石５３は、温度依存する特性を有しているため、温度の変化に伴い磁束密度が変動する。そのため、信号出力部５６には予め温度変化に伴う磁束密度の変動を考慮した閾値を設定しなくてはならない。そのような閾値を設定した場合、外部環境の温度によって、ステアリングシャフト５２が回転基準位置にないにも関わらず信号出力部５６が回転基準位置信号を出力してしまう場合や、ステアリングシャフト５２が回転基準位置にあるにも関わらず回転基準位置信号を出力しない場合があり、正しく回転基準位置の検出ができないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、外部環境の温度によらず、正しい回転基準位置の検出が可能なインデックスセンサ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、回転体の外周側の所定位置に取り付けられ径方向外方に向けて磁束を発生させる磁束発生手段と、前記回転体を臨むことができる静止系の所定位置に設置され、前記磁束を前記回転体の回転軸に直交するＹ方向の磁束成分と、該Ｙ方向の磁束成分と前記回転軸がなす面に直角なＸ方向の磁束成分とを独立に検出する磁気検出手段と、前記磁気検出手段が検出した前記Ｙ方向の磁束成分及びＸ方向の磁束成分から磁束の向きを演算する演算手段と、前記磁束の向きに基づいて前記回転体の所定位置が静止系の所定位置から所定回転角範囲内にあることを示す回転基準位置信号を発生させる回転基準位置信号発生手段とを備え、前記演算手段は、前記磁気検出手段が検出した二方向の磁束成分から前記回転角に対応する磁束の向き及び磁束密度を演算し、前記回転基準位置信号発生手段は、前記磁束の向きが所定の範囲内の値であって、かつ、前記磁束密度が所定の閾値以上であるとき、回転基準位置信号を発生させるインデックスセンサである。

前記磁気検出手段は、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、若しくはホール素子のいずれかであってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）外部環境の温度によらず、正しい回転基準位置の検出が可能なインデックスセンサの提供が可能となる。

本発明の第一実施形態を示すインデックスセンサの構成図である。本発明のインデックスセンサにおける回転体の回転角と演算した回転角との関係を示す特性図である。本発明の第二実施形態を示すインデックスセンサの構成図である。本発明のインデックスセンサにおける回転体の回転角と磁束密度との関係を示す特性図である。本発明のインデックスセンサにおける回転体の回転角と回転基準位置信号との関係を示す特性図である。従来のインデックスセンサの構成図である。

以下、本発明の第一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るインデックスセンサ１１は、例えば、自動車の電動パワーステアリング装置（図示せず）において操舵操作により回転するステアリングシャフト１２が回転基準位置に来たとき回転基準位置信号を発生するインデックスセンサ１１であって、回転体としてのステアリングシャフト１２の外周側の所定位置に取り付けられ径方向外方に向けて磁束を発生させる磁束発生手段としての磁石１３と、ステアリングシャフト１２を臨むことができる静止系の所定位置に設置され、前記磁束をステアリングシャフト１２の回転軸Ｃに直交するＹ方向の磁束成分と、該Ｙ方向の磁束成分と回転軸Ｃがなす面に直角なＸ方向の磁束成分とを独立に検出する磁気検出手段１４と、磁気検出手段１４が検出したＹ方向の磁束成分及びＸ方向の磁束成分から磁束の向きを演算する演算手段１５と、前記磁束の向きに基づいてステアリングシャフト１２の所定位置が静止系の所定位置から所定回転角範囲内にあることを示す回転基準位置信号を発生させる回転基準位置信号発生手段１６とを備える。ここで、静止系とは、例えば車体の一部である。

ここで、回転基準位置とは、静止系の所定位置からの所定回転角範囲を表している。回転基準位置信号は、ステアリングシャフト１２の回転角（操舵角）が自動車を直進させることが可能な回転角範囲内にあることを示す信号である。図１において、ステアリングシャフト１２の回転角（＝磁束発生手段１３の回転角）は、回転軸Ｃから磁気検出手段１４の中心に向けて（図１では真下に向けて）おろした垂線を０°とし、ステアリングシャフト１２の外周側の所定位置が垂線より左側に位置したときを負、右側に位置したときを正とする。例えば、回転基準位置信号は、ステアリングシャフト１２の回転角が−２°〜２°の範囲内のとき発生するものとする。

なお、回転体（ステアリングシャフト）１２は、厳密な円筒状のものに限らず、多角柱状のものでも本発明を適用することができる。

磁束発生手段は、磁束を発生させる（磁場を作る）ものである。磁束発生手段としては、本実施形態では、永久磁石からなる磁石１３を用いるが、電磁石でもよい。磁石１３は、ステアリングシャフト１２の回転角が０°のときに静止系の所定位置（例えば、磁気検出手段１４に対向する位置）に来るよう、ステアリングシャフト１２の所定位置に取り付けられる。磁石１３は、径方向外方に向けて磁束を発生させるよう、例えば、Ｎ極を径方向外方に臨ませてステアリングシャフト１２に取り付けられる。磁石１３は、ステアリングシャフト１２の中心ではなく外周に設けられる。これは、磁石１３が発生する磁力線がより多く磁気検出手段１４に通るようにするためである。

磁気検出手段１４には、磁石１３が発生させた磁束をＹ方向とＸ方向の２成分で独立に検出する素子を用いる。磁気検出手段１４として、具体的には、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ホール素子などがある。

演算手段１５は、磁気検出手段１４が検出した磁束のＹ方向成分をＹ、Ｘ方向成分をＸとしたとき、

で定義される式（１）により、磁束の向きθを演算するようになっている。磁束の向きθは、ステアリングシャフト１２の回転角（＝磁石１３の回転角）θに対応する。

回転基準位置信号発生手段１６は、演算手段１５が演算した磁束の向きθとあらかじめ定めた所定の範囲内の値とを比較する比較器で構成される。

演算手段１５、回転基準位置信号発生手段１６は、アナログ回路、デジタル回路、コンピュータなどにより実現できる。

以下、インデックスセンサ１１の動作を説明する。

図示しないステアリングホイールが操舵操作されると、ステアリングシャフト１２が回転し、それに伴い磁石１３がステアリングシャフト１２の回転軸Ｃの周りに回転する。これにより、磁石１３により発生する磁束が場所を移動するので、磁気検出手段１４を通る磁束が変化する。磁気検出手段１４では、この磁束をＹ方向の磁束成分とＸ方向の磁束成分の２成分で独立に検出し、演算手段１５に送る。演算手段１５では、Ｙ方向の磁束成分Ｙ、Ｘ方向の磁束成分Ｘを前述の式（１）に代入して磁束の向きθを演算し、回転基準位置信号発生手段１６に送る。回転基準位置信号発生手段１６では、磁束の向きθに基づいて回転基準位置信号を発生させる。以下、その具体的な動作について詳しく説明する。

図２では、実際のステアリングシャフト１２の回転角を横軸にとり、演算手段１５が演算した磁束の向き（＝ステアリングシャフト１２の回転角＝磁石１３の回転角）θを縦軸に示した。

式（１）から分かるように、ステアリングシャフト１２の回転角θは、磁束発生手段１３の磁束を磁気検出手段１４で検出したＹ方向の磁束成分ＹとＸ方向の磁束成分Ｘとから演算により得られる。

以上説明したように、本発明のインデックスセンサ１１によれば、Ｙ方向の磁束成分とＸ方向の磁束成分の比よりステアリングシャフト１２の回転角（＝磁石１３の回転角）θを演算するようにしたので、磁石１３の磁束密度に依存しない演算結果が得られる。よって、温度変化に伴い磁石１３の磁束密度が変動しても、ステアリングシャフト１２が回転基準位置（所定回転角範囲）にあることを正確に検出することができる。

しかし、実際には、磁束密度は、正負ともに回転角が大きくなると著しく小さくなる。このように磁束密度が小さい場合にはステアリングシャフト１２の回転角θを正確に演算することができない。例えば、図２では、実際のステアリングシャフト１２の回転角が−１０°〜１０°の範囲内のみ示してある。この範囲内であるならば、磁束密度が十分に大きいので、演算手段１５が演算したステアリングシャフト１２の回転角θは、実際のステアリングシャフト１２の回転角に対してリニアである。

そこで、第二実施形態では、磁束密度が十分に大きくないときに回転角θから回転基準位置信号を発生させないよう、磁束密度が所定の閾値以上のときのみ、回転角θが所定の範囲内の値であれば、回転基準位置信号を発生させることで回転基準位置信号の確度を保証できるようにした。

図３に示したインデックスセンサ３１は、以下の点が図１のインデックスセンサ１１と異なる。

演算手段３５は、磁気検出手段１４が検出したＹ方向の磁束成分をＹ、Ｘ方向の磁束成分をＸとしたとき、

で定義される式（１）及び式（２）により、磁束の向きθと磁束密度Ｂを演算するようになっている。磁束の向きθは、ステアリングシャフト１２の回転角（＝磁石１３の回転角）θに対応する。このように、演算手段３５は、磁束の向きθ及び磁束密度Ｂを演算することになる。

回転基準位置信号発生手段３６は、演算手段３５が演算した磁束の向きθとあらかじめ定めた所定の範囲内の値とを比較する比較器、及び演算手段３５が演算した磁束密度Ｂとあらかじめ定めた所定の閾値とを比較する比較器（演算手段３５が磁束密度Ｂを演算する場合）で構成される。演算手段３５から出力される磁束密度としては、その最大磁束密度で除して規格化した値を用いてもよく、この場合、回転基準位置信号発生手段３６は、演算手段３５から出力される磁束密度の出力電圧をその最大出力電圧で除して規格化した値を所定の閾値あるいは範囲値と比較することになる。

図４では、ステアリングシャフト１２の回転角を横軸にとり、演算手段３５が演算した磁束密度Ｂ_iに対応する電圧Ｖ_iを、演算手段３５が演算する最大磁束密度Ｂ_imaxに対応する最大電圧Ｖ_imaxで規格化した値（以下、磁束密度検出値という）Ｖ_i／Ｖ_imaxを縦軸に示した。

演算手段３５では、磁束密度Ｂ_iに対応する電圧Ｖ_iを最大磁束密度Ｂ_imaxに対応する最大電圧Ｖ_imaxで規格化した磁束密度検出値Ｖ_i／Ｖ_imaxを回転基準位置信号発生手段３６に送る。図４に示されるように、磁束密度検出値Ｖ_i／Ｖ_imaxは、ステアリングシャフト１２の回転角、言い換えると磁石１３の回転角が０°のとき、最大となる。これは、磁石１３の回転角が０°のとき、磁石１３と磁気検出手段１４とが最も接近し、磁気検出手段１４を通る磁力線の数が最も多くなるからである。一方、磁石１３の回転角が０°からずれるにつれて、磁気検出手段１４を通る磁力線の数が減少していく。そのため、磁束密度検出値Ｖ_i／Ｖ_imaxは、正負ともに回転角が大きくなると著しく小さくなり、ある回転角から大きい領域では０で一定となる。

回転基準位置信号発生手段３６は、磁束密度検出値Ｖ_i／Ｖ_imaxをあらかじめ定めた所定の閾値と比較する。このとき、所定の閾値は、磁石１３が磁気検出手段１４に所定の距離内に接近したときのみ磁束密度検出値Ｖ_i／Ｖ_imaxが超えるように、図４の上限（規格値＝１）からも下限（＝０）からも十分に余裕を持つ値に設定しておくことが好ましい。これは、本発明が従来のように磁束密度Ｂから回転基準位置を検出するのではなく、磁界の向きθから回転基準位置を検出するものであり、磁界の向きθから回転基準位置を検出するにあたって、磁束密度が十分に大きいことを条件とするようにしたからである。本実施形態では、磁石１３の回転角が−２°〜２°の範囲内であるときに磁束密度検出値Ｖ_i／Ｖ_imaxが閾値を超えるように閾値を設定した。

磁束密度検出値Ｖ_i／Ｖ_imaxが閾値を超えているときに、回転基準位置信号発生手段３６は、演算手段１５が演算したステアリングシャフト１２の回転角θをあらかじめ定めた所定の範囲内の値と比較する。このとき、範囲値は、自動車が直進可能なステアリングシャフト１２の回転角に相当する値に設定するとよい。本実施形態では、所定の範囲内の値を−２°〜２°とする。

図５では、実際のステアリングシャフト１２の回転角を横軸にとり、回転基準位置信号発生手段３６の出力を縦軸に示した。図示のように、演算手段１５が演算した磁束密度検出値Ｖ_i／Ｖ_imaxが所定の閾値を超えており、かつ、演算手段１５が演算したステアリングシャフト１２の回転角θが所定の範囲内の値のとき、回転基準位置信号は値が１となり、それ以外では値が０となる。

以上説明したように、本発明のインデックスセンサ５１によれば、磁石１３が発生させたＹ方向の磁束成分とＸ方向の磁束成分の２成分で独立に検出し、両成分に基づいて演算手段３５が磁束密度Ｂを演算し、その演算した磁束密度Ｂが所定の閾値以上であるときのみ、両磁束成分の比よりステアリングシャフト１２の回転角（＝磁石１３の回転角）θを演算するようにしたので、ステアリングシャフト１２の回転角θを正確に演算するために十分に磁束密度Ｂが大きいときのみ、演算した回転角θに基づく回転基準位置の判定が行われることになり、誤検出が防止される。

本実施形態では、磁石１３と磁気検出手段１４のほかは磁気に関連する要素を用いなかったが、適宜な空間位置にヨークを設けることにより、より多くの磁力線が磁気検出手段１４に誘導されるようにしてもよい。この場合、ステアリングシャフト１２の回転角に伴う磁束密度の変化が顕著に得られるようにヨークの形状や配置を定めるのが望ましい。

１１，３１インデックスセンサ
１２回転体（ステアリングシャフト）
１３磁石（磁束発生手段）
１４磁気検出手段
１５，３５演算手段
１６，３６回転基準位置信号発生手段

Claims

回転体の外周側の所定位置に取り付けられ径方向外方に向けて磁束を発生させる磁束発生手段と、
前記回転体を臨むことができる静止系の所定位置に設置され、前記磁束を前記回転体の回転軸に直交するＹ方向の磁束成分と、該Ｙ方向の磁束成分と前記回転軸がなす面に直角なＸ方向の磁束成分とを独立に検出する磁気検出手段と、
前記磁気検出手段が検出した前記Ｙ方向の磁束成分及びＸ方向の磁束成分から磁束の向きを演算する演算手段と、
前記磁束の向きに基づいて前記回転体の所定位置が静止系の所定位置から所定回転角範囲内にあることを示す回転基準位置信号を発生させる回転基準位置信号発生手段とを備え、
前記演算手段は、前記磁気検出手段が検出した二方向の磁束成分から前記回転角に対応する磁束の向き及び磁束密度を演算し、
前記回転基準位置信号発生手段は、前記磁束の向きが所定の範囲内の値であって、かつ、前記磁束密度が所定の閾値以上であるとき、回転基準位置信号を発生させる
ことを特徴とするインデックスセンサ。
前記磁気検出手段は、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、若しくはホール素子のいずれかであることを特徴とする請求項１記載のインデックスセンサ。