JP6344307B2 - センサ装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置に生じている異常を適切に判定可能なセンサ装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置を提供することにある。
第1センサ部は、第1メインセンサ素子および第1サブセンサ素子、ならびに、第1出力回路を有する。第1メインセンサ素子および第1サブセンサ素子は、検出対象に関する物理量を検出する。第1出力回路は、第1メインセンサ素子の検出値に基づく第1メイン信号、および、第1サブセンサ素子の検出値に基づく第1サブ信号を、この順で含む第1出力信号を生成して送信する。
第1メイン信号および第2サブ信号、または、第1サブ信号および第2メイン信号の一方は、検出値の増加に伴って増加する正信号であり、他方は、検出値の増加に伴って減少する反転信号である。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1〜図10に基づいて説明する。
図1および図2に示すように、センサ装置1は、第1磁気センサ50、第2磁気センサ60、および、制御部としてECU85等を備え、例えば車両のステアリング操作を補助するための電動パワーステアリング装置80に適用される。
操舵部材としてのハンドル91は、ステアリングシャフト92と接続される。
ステアリングシャフト92は、第1の軸としての入力軸11および第2の軸としての出力軸12を有する。入力軸11は、ハンドル91と接続される。入力軸11と出力軸12との間には、ステアリングシャフト92に加わるトルクを検出するトルクセンサ10が設けられる。出力軸12の入力軸11と反対側の先端には、ピニオンギア96が設けられる。ピニオンギア96はラック軸97に噛み合っている。ラック軸97の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪98が連結される。
ECU85の詳細については、後述する。
トーションバー13は、一端側が入力軸11に、他端側が出力軸12に、それぞれピン14で固定され、入力軸11と出力軸12とを回転軸Oの同軸上に連結する。トーションバー13は、棒状の弾性部材であり、ステアリングシャフト92に加わるトルクを捩れ変位に変換する。
多極磁石15は、円筒状に形成され、入力軸11に固定される。多極磁石15は、N極とS極とが周方向に交互に着磁される。磁極数はいくつであってもよいが、本実施形態では、N極およびS極の数は12対、計24極である。
磁気ヨーク16は、入力軸11側に設けられる第1ヨーク17および出力軸12側に設けられる第2ヨーク18を有する。第1ヨーク17および第2ヨーク18は、ともに軟磁性体により環状に形成され、多極磁石15の径方向外側にて、出力軸12に固定される。
第1集磁リング21の集磁部215と、第2集磁リング22の集磁部225とは、対向する面が略平行となるように設けられる。集磁部215、225の間には、磁気センサ50、60が配置される。
基板41は、略矩形の平板状に形成され、磁気センサ50、60が実装される。磁気センサ50、60は、基板41の同一面に実装される。
磁気センサ50、60は、トーションバー13の捩れ変位量および捩れ変位方向に応じた磁束密度を検出し、出力信号Sd10、Sd20をデジタル通信によりECU85に出力する。第1磁気センサ50および第2磁気センサ60の構成は、実質的に同様であり、同方向に横並びの状態にて、基板41に実装される。
第1磁気センサ50は、第1出力信号Sd10を一定周期でECU85へ出力する。第2磁気センサ60は、第2出力信号Sd20を一定周期でECU85へ出力する。
以下、第1磁気センサ50に係る構成を50番台および500番台、第2磁気センサ60に係る構成を60番台および600番台で付番し、50番台および60番台の下1桁、500番台および600番台の下2桁が同じであれば、同様の構成であるものとする。以下、第1磁気センサ50を中心に説明し、第2磁気センサ60については、説明を適宜省略する。
第1磁気センサ50の電源端子531は第1電源線111によりECU85に接続され、通信端子532は第1通信線112によりECU85に接続され、グランド端子533は第1グランド線113によりECU85に接続される。また、第2磁気センサ60の電源端子631は第2電源線121によりECU85に接続され、通信端子632は第2通信線122によりECU85に接続され、グランド端子633は第2グランド線123によりECU85に接続される。
通信端子532および第1通信線112は、第1磁気センサ50とECU85との通信に用いられる。本実施形態では、通信端子532および第1通信線112を経由して、第1出力信号Sd10が第1磁気センサ50からECU85へ送信される。また、通信端子632および第2通信線122は、第2磁気センサ60とECU85との通信に用いられる。本実施形態では、通信端子632および通信線122を経由して、第2出力信号Sd20が第2磁気センサ60からECU85へ送信される。
センサ素子551、552は、集磁部215、225間の磁束を検出する磁気検出素子である。本実施形態のセンサ素子551、552は、ホール素子である。本実施形態では、第1出力信号Sd10に含まれる信号順を区別すべく、「メイン」、「サブ」としているが、第1メインセンサ素子551と第1サブセンサ素子552とは、実質的には同様である。
A/D変換回路553は、センサ素子551により検出される検出値をA/D変換する。A/D変換回路554は、センサ素子552により検出される検出値をA/D変換する。
第2出力回路655は、センサ素子651、652により検出され、A/D変換された検出値に基づき、第2出力信号Sd20を生成する。生成された第2出力信号Sd20は、通信端子632を経由して、SENT通信によりECU85に送信される。
出力信号Sd10、Sd20の詳細は、後述する。
信号取得部851は、磁気センサ50、60から送信される出力信号Sd10、Sd20を取得する。
異常判定部855は、センサ素子551、552、651、652の異常、および、通信線112、122の短絡異常等を判定する。異常判定の詳細は、後述する。
ECU85における各処理は、予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。
第1出力信号Sd10は、同期信号(図4中においては「Sync/Calib」と記す。)、ステータス信号、第1メイン信号D11、第1サブ信号D12、通信エラー検出信号としてのCRC信号、および、ポーズ信号からなり、この順で一連の信号として出力される。
同期信号は、第1センサ部55とECU85のクロックを同期させるための信号であり、本実施形態では56tickとする。本実施形態では、同期信号の長さに基づいて補正係数を演算し、当該補正係数を用いて各信号を補正する。
ポーズ信号は、次の周期の同期信号が出力されるまでの期間に出力される信号である。
第2出力信号Sd20のメイン信号D21は、第2メインセンサ素子651の検出値に基づくデータ信号であり、サブ信号D22は、第2サブセンサ素子652の検出値に基づくデータ信号である。
信号D11、D12、D21、D22は、いずれも集磁部215、225間の磁束密度に応じた信号であって、信号生成時点における検出値に基づいて生成される。また、信号周期よりも短い周期で検出値が更新されるものとし、最新の検出値を用いて信号D11、D12、D21、D22を生成するようにしてもよい。
第2メイン信号D21および第2サブ信号D22についても同様である。
第1サブデータ値V12は、磁束密度がBmin以下のときに上限値、Bmax以上のときに下限値であり、BminからBmaxの間において、磁束密度の増加に伴って減少する。
第2サブデータ値V22は、磁束密度がBmin以下のときに下限値、Bmax以上のときに上限値であり、BminからBmaxの間において、磁束密度の増加に伴って増加する。
図5に示すように、第1メインデータ値V11および第2サブデータ値V22と、第1サブデータ値V12と第2メインデータ値V21とは、理論上、傾きの絶対値が等しく、傾きの正負が反対となる。
同様に、第2メインデータ値V21と第2サブデータ値V22とが反転されているので、第2メインデータ値V21および第2サブデータ値V22が正常である場合、データ値V21、V22の和は、バイナリデータの最大値となる。
同様に、第1サブデータ値V12と第2サブデータ値V22とが反転されているので、第1サブデータ値V12および第2サブデータ値V22が正常である場合、データ値V12、V22の和は、バイナリデータの最大値となる。
最初のステップS101(以下、「ステップ」を省略し、単に記号「S」と記す。)では、信号取得部851は、センサ部55、65から、出力信号Sd10、Sd20を取得する。
少なくとも一方の出力信号Sd10、Sd20における更新カウンタが異常であると判断された場合(S103:NO)、S113へ移行する。出力信号Sd10、Sd20における更新カウンタが共に正常であると判断された場合(S103:YES)、S104へ移行する。
S107では、異常判定部855は、出力信号Sd20のデータ値V21、V22の一方が異常であると判定し、第2センサ異常フラグFlg2をセットし、S108へ移行する。
S111では、通信線112、122が短絡していると判定し、S114における操舵トルクの演算を行わない。
異常素子特定処理の詳細を図10に示す。
異常素子特定処理では、反転されている2つのデータ値の和が加算理論値Vaと一致する場合に正常判定し、一致しない場合に異常判定する。また、反転されていない2つのデータ値が一致する場合に正常判定し、一致しない場合に異常判定する。図10(b)では、反転されている2つのデータ値の和が加算理論値Vaと一致する場合を「OK」、一致しない場合を「NG」、反転されていない2つのデータ値が一致する場合を「OK」、一致しない場合を「NG」と記載した。
そして、多数決判定により、異常であるセンサ素子を特定する。ここで、「センサ素子の異常」とは、素子自体に異常が生じている場合に限らず、素子以外の異常に起因するデータ信号の異常を含むものとする。
V52=V21+V22 ・・・(2)
V53=V11+V21 ・・・(3)
V54=V12+V22 ・・・(4)
V55=|V11−V22| ・・・(5)
V56=|V12−V21| ・・・(6)
これにより、多数決判定により、第1メインセンサ素子551に異常が生じていることを特定可能である。他のセンサ素子552、651、652についても、同様に異常が生じていることを特定可能である。
異常であるセンサ素子が特定された後、S114へ移行する。なお、多重故障等により異常であるセンサ部が特定できなかった場合、S114における操舵トルクの演算を行わない。
S114では、演算部858は、データ値V11、V12、V21、V22のうち、正常である値の少なくとも1つを用いて、操舵トルクの演算を行う。
第1センサ部55は、第1メインセンサ素子551および第1サブセンサ素子552、ならびに、第1出力回路555を有する。第1メインセンサ素子551および第1サブセンサ素子552は、1つの検出対象である集磁モジュール20に関する物理量(本実施形態では、集磁部215、225間の磁束密度)を検出する。第1出力回路555は、第1メインセンサ素子551の検出値に基づく第1メイン信号D11、および、第1サブセンサ素子552の検出値に基づく第1サブ信号D12を、この順で含む第1出力信号Sd10を生成して送信する。
第1メイン信号D11および第2サブ信号D22、または、第1サブ信号D12および第2メイン信号D21の一方は、検出値の増加に伴って増加する正信号であり、他方は、検出値の増加に伴って減少する反転信号である。本実施形態では、第1メイン信号D11および第2サブ信号D22が正信号であり、第1サブ信号D12および第2メイン信号D21が反転信号である。
これにより、第1通信線112と第2通信線122との短絡を適切に検出することができる。
本実施形態では、4つのセンサ素子551、552、651、652のそれぞれの検出値に基づく4つのデータ信号である信号D11、D12、D21、D22をECU85が取得しているので、3つ以上の信号比較による多数決判定により、異常が生じている素子を適切に特定することができる。
また、異常判定部855は、第1メイン信号D11と第1サブ信号D12または第2メイン信号D21とを比較する場合、各信号に対応するデータ値V11と、データ値V12またはデータ値V21との加算値V51、V53に基づいて異常判定する。異常判定部855は、第1サブ信号D12と第2サブ信号D22とを比較する場合、各信号に対応するデータ値V12、V22の加算値V54に基づいて異常判定する。
これにより、4つの信号D11、D12、D21、D22を適切に比較することができる。
第1出力信号Sd10および第2出力信号Sd20には、データが更新されたことを示す更新カウンタに係る情報が含まれる。これにより、検出値が変化しなかったのか、データ固着異常が生じているかを適切に判別することができる。
第1メイン信号D11、第1サブ信号D12、第2メイン信号D21、および、第2サブ信号D22は、ニブルで表される。これにより、SENT通信により、各信号D11、D12、D21、D22をECU85に送信することができる。
なお、ECU85は、一部のセンサ素子551、552、651、652に異常が生じた状態にて操舵の補助を継続する場合、ウォーニングランプの点灯や音声等により、異常が生じていることを運転者に報知することが望ましい。
本発明の第2実施形態を図11に基づいて説明する。
本実施形態は、異常判定処理が上記実施形態と異なっており、センサ装置1の構成や出力信号Sd10、Sd20等は上記実施形態と同様であるので、異常判定処理を中心に説明する。
上記実施形態にて説明したように、ECU85は、2つのセンサ部55、65から取得される4つのデータ値V11、V12、V21、V22を用いて各種演算を行う。ここで、図3に示すように、センサ部55、65は、異なる電源線111、121およびグランド線113、123にてECU85と接続されているため、供給される電圧の誤差等、個体ばらつきが生じる。そのため、データ値V11とV12との加算値V51と、データ値V11とV21との加算値V53は、理論上、共に加算理論値Vaであるが、個体ばらつきに起因し、加算値V53の方が加算値V51よりも誤差が大きくなる蓋然性が高い。他の加算値や差分値についても同様に、同一センサ部内のデータ値を用いた演算値よりも、異なるセンサ部間のデータ値を用いた演算値の方が、誤差が大きくなる蓋然性が高い。
S201〜S203の処理は、図9中のS101〜S103の処理と同様であり、S202およびS203で否定判断された場合、S219へ移行する。
S206では、カウント値F1がカウント判定閾値Cthより大きいか否かを判断する。カウント値F1がカウント判定閾値Cth以下であると判断された場合(S206:NO)、異常判定せず、S208へ移行する。カウント値F1がカウント判定閾値Cthより大きいと判断された場合(S206:YES)、S207へ移行する。
S207では、S105と同様、出力信号Sd10のデータ値V11、V12の一方が異常であると判定し、第1センサ異常フラグFlg1をセットし、S208へ移行する。
S210では、カウント値F2がカウント判定閾値Cthより大きいか否かを判断する。カウント値F2がカウント判定閾値Cth以下であると判断された場合(S210:NO)、異常判定せず、S212へ移行する。カウント値F2がカウント判定閾値Cthより大きいと判断された場合(S210:YES)、S211へ移行する。
S211では、S107と同様、出力信号Sd20のデータ値V21、V22の一方が異常であると判定し、第2異常フラグFlg2をセットし、S212へ移行する。
S217〜S220の処理は、S111〜S114の処理と同様である。
本実施形態では、異常判定に係るカウンタのカウントアップ値を小さくすることが、重みづけを重くすることを意味している。
センサ部55、65が異なると、供給される電圧の誤差等により、検出値の誤差が大きくなる蓋然性が高い。本実施形態では、同一センサ部内の信号を比較する場合の重みづけを、異なるセンサ部間の信号を比較する場合よりも重くすることで、より適切に異常判定を行うことができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(ア)出力信号
上記実施形態では、第1メイン信号および第2サブ信号が検出値の増加に伴って増加する正信号であり、第1サブ信号および第2メイン信号が検出値の増加に伴って減少する反転信号である。他の実施形態では、第1メイン信号および前記第2サブ信号が検出値の増加に伴って減少する反転信号であり、第1サブ信号および第2メイン信号が検出値の増加に伴って増加する正信号であってもよい。
上記実施形態では、出力信号は、更新カウンタの情報を含む。他の実施形態では、出力信号は、更新カウンタの情報を含まなくてもよい。
上記実施形態では、出力信号はSENT通信により制御部に送信される。他の実施形態では、出力信号にメイン信号およびサブ信号を含めることが可能な通信方式であれば、SENT通信に限らず、通信方式は、どのような方式であってもよい。
上記実施形態では、2つのセンサ部は、センサ部ごとに封止される。他の実施形態では、2つのセンサ部を1つの封止部で封止し、1パッケージとしてもよい。また、上記実施形態では、2つの磁気センサは、1つの基板の同一面に横並びに実装される。他の実施形態では、2つの磁気センサを基板の両面に実装する等、基板上にどのように実装してもよい。また、2つの磁気センサを同一の基板上に実装しなくてもよい。
上記実施形態では、センサ素子はホール素子である。他の実施形態では、センサ素子は、ホール素子以外の磁気検出素子であってもよいし、磁気以外の物理量の変化を検出する素子であってもよい。
また、上記実施形態では、検出対象は、集磁モジュールである。他の実施形態では、検出対象は、集磁モジュールに限らず、どのようなものであってもよい。
上記実施形態では、第1メイン信号と第2メイン信号、第1サブ信号と第2サブ信号とが一致する場合、通信線の短絡異常が生じていると判定する。他の実施形態では、正常時において、第1メイン信号と第2メイン信号との和、および、第1サブ信号と第2サブ信号との和が加算理論値と一致する場合に正常判定し、加算理論値と一致しない場合に通信線の短絡異常が生じていると判定してもよい。
上記実施形態では、同一センサ内の信号比較を行った後に、異常素子を特定している。他の実施形態では、異なるセンサの信号を優先して比較して異常素子を特定するようにしてもよい。
上記実施形態では、センサ装置は、電動パワーステアリング装置に適用される。他の実施形態では、電動パワーステアリング装置以外の車載装置に適用してもよいし、車両に搭載されない他の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
20・・・集磁モジュール(検出対象)
55・・・第1センサ部
551・・・第1メインセンサ素子 552・・・第1サブセンサ素子
555・・・第1出力回路
65・・・第2センサ部
651・・・第2メインセンサ素子 652・・・第2サブセンサ素子
655・・・第2出力回路
85・・・ECU(制御部)
851・・・信号取得部 855・・・異常判定部
Claims (12)
- 検出対象(20)に関する物理量を検出する第1メインセンサ素子(551)および第1サブセンサ素子(552)、ならびに、前記第1メインセンサ素子の検出値に基づく第1メイン信号および前記第1サブセンサ素子の検出値に基づく第1サブ信号をこの順で含む第1出力信号を生成して送信する第1出力回路(555)を有する第1センサ部(55)と、
前記検出対象に関する物理量を検出する第2メインセンサ素子(651)および第2サブセンサ素子(652)、ならびに、前記第2メインセンサ素子の検出値に基づく第2メイン信号および前記第2サブセンサ素子の検出値に基づく第2サブ信号をこの順で含む第2出力信号を生成して送信する第2出力回路(655)を有する第2センサ部(65)と、
前記第1出力信号および前記第2出力信号を取得する信号取得部(851)、および、前記第1出力信号および前記第2出力信号に基づいて異常判定を行う異常判定部(855)を有する制御部(85)と、
を備え、
前記第1メイン信号および前記第2サブ信号、または、前記第1サブ信号および前記第2メイン信号の一方は、検出値の増加に伴って増加する正信号であり、他方は、検出値の増加に伴って減少する反転信号であることを特徴とするセンサ装置。 - 前記第1センサ部と前記制御部とを接続し、前記第1出力信号の送信に用いられる第1通信線(112)と、
前記第2センサ部と前記制御部とを接続し、前記第2出力信号の送信に用いられる第2通信線(122)と、
を備え、
前記異常判定部は、前記第1メイン信号と前記第2メイン信号との比較、および、前記第1サブ信号と前記第2サブ信号との比較により、前記第1通信線と前記第2通信線との短絡を検出することを特徴とする請求項1に記載のセンサ装置。 - 前記異常判定部は、
前記第1メイン信号と前記第1サブ信号との比較により、前記第1出力信号のデータ異常を判定し、
前記第2メイン信号と前記第2サブ信号との比較により、前記第2出力信号のデータ異常を判定することを特徴とする請求項1または2に記載のセンサ装置。 - 前記異常判定部は、前記第1メイン信号、前記第1サブ信号、前記第2メイン信号、および、前記第2サブ信号のうちの少なくとも3つの比較により、異常が生じているセンサ素子を特定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のセンサ装置。
- 前記異常判定部は、
前記第1メイン信号と前記第2サブ信号とを比較する場合、または、前記第1サブ信号と前記第2メイン信号とを比較する場合、各信号に対応するデータ値の差分値に基づいて異常判定し、
前記第1メイン信号と前記第1サブ信号または前記第2メイン信号とを比較する場合、もしくは、前記第1サブ信号と前記第2サブ信号とを比較する場合、各信号に対応するデータ値の加算値に基づいて異常判定することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のセンサ装置。 - 前記異常判定部は、前記第1メイン信号と前記第1サブ信号と比較する場合、または、前記第2メイン信号と前記第2サブ信号とを比較する場合の重みづけを、前記第1メイン信号または前記第1サブ信号と、前記第2メイン信号または前記第2サブ信号とを比較する場合よりも重くすることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のセンサ装置。
- 前記第1出力信号および前記第2出力信号には、通信エラー検出信号が含まれることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のセンサ装置。
- 前記第1出力信号および前記第2出力信号には、データが更新されたことを示す更新カウンタに係る情報が含まれることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のセンサ装置。
- 前記第1メイン信号、前記第1サブ信号、前記第2メイン信号および前記第2サブ信号は、ニブルで表されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のセンサ装置。
- 前記第1メインセンサ素子、前記第1サブセンサ素子、前記第2メインセンサ素子および前記第2サブセンサ素子は、前記検出対象の磁束の変化を検出する磁気検出素子であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のセンサ装置。
- 前記第1メインセンサ素子、前記第1サブセンサ素子、前記第2メインセンサ素子および前記第2サブセンサ素子は、トルクに応じて変化する磁束の変化を検出することを特徴とする請求項10に記載のセンサ装置。
- 請求項11に記載のセンサ装置(1)と、
運転者による操舵部材(91)の操舵を補助する補助トルクを出力するモータ(81)と、
前記モータのトルクを駆動対象(92)に伝達する動力伝達部(82)と、
を備え、
前記制御部は、前記第1メイン信号、前記第1サブ信号、前記第2メイン信号、および、前記第2サブ信号の少なくとも1つに基づいて演算される操舵トルクに基づいて、前記モータの駆動を制御することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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