JPS6397463A - トルクセンサ制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動車などにおけるｉ？！動パワーステアリ
ング装置に係り、特に、オール素子からの出力信号送信
系路における断線又はショート時のフ　。

エールセーフに関する。

〔従来の技術〕

ユーザ一層が多岐にわたる自動車などにおいては、大形
車から小型車までパワーステアリングの装備が広く行な
われており、疲労の軽減とそれによる安全運転の確保に
役立っている。

ところで、このパワーステアリング装置としては、従来
から主として液圧式のものが用いられている。しかして
、近年にいたり、制御内容の豊富さや省エネルギー面で
の効用に着目して電動式のパワーステアリング装置が実
用に供されるようになってきた。

そして、この電動式のパワーステアリング装置において
は、それに用いる電動式のアクチュエータに要求される
大きな操作力を得るため、このアクチュエータとして電
動機を用い、その出力を減速して最終的な補助操舵用の
操作力を得る方式のものが主として採用されるようにな
っている。

しかして、この結果、従来の電動式パワーステアリング
装置においては、補助操舵力が高速回転する電動機によ
り減速機構を介して与えられることから、この電動機の
慣性と、減速機構の出力側から′７Ｔｉ動機をから回し
する場合に与えられる大きな摩擦抵抗とによって操舵フ
ィーリング上極めて好ましくない特性が、操舵ハンドル
の操作に現われてしまうという欠点があった。

このうち、電動機の慣性により操舵ハンドルを操作した
ときに現われる、操舵フィーリング上好ましくない特性
については、例えば特開昭５５−’　７６７６０号公報
などで提案されているように、電動機の制御微分特性を
与える方法が考えられ、かなりの操舵フィーリング改善
効果が期待される。

また、ホール素子とマグネットを用い両者のねじれ角か
ら操舵力を検出するものにあって、従来は、ホール素子
の出力をブラシ、スリップリング。

コネクタを介してセンサ出力処理回路に信号を送出する
方法が考えられている。

ホール素子は、第３図（Ａ）に示す如く、磁石（マグネ
ット）の中心０の位置よりＸｉ　ｌ　Ｘｉ　１Ｘδと水
平移動して離れていくに従って、第３図（Ｂ）に示す如
くその出力電圧は高いボルテージからある特性をもって
低いボルテージに変化する。

このホール素子の出力電圧は、スリップリング。

コネクタを介してそのままコンピュータに入力され、第
４図に示す如きセンサ出力電圧特性に変換され、ホール
素子から出力されるトルク値が求められる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、スリップリングが瞬断を生じたり、接触
不良を起した場合、コネクタにおいて、短絡、断線を起
した場合には、ホール素子の出力電圧値が正常に送出で
きない。ホール素子がある出力電圧を出力しているにも
拘らず、ショートの場合は、出力電圧はＯｖを出力して
いる状態となる。この場合は、ホール素子からの出力は
、右に最大トルクが発生している信号としてマイクロコ
ンピュータに取込まれ、本来左にハンドルをきっている
にもかかわらず、あるいはハンドルを中立点に保持して
いるにも拘らず右へのアシスト力が作用し、ハンドルが
右へ回り出すという全く予期できない状態を発生せしめ
る。

また、ホール素子がある出力電圧値を出力しているにも
拘らず、断線の場合は、出方電圧は最大電圧（例えば８
０ｍＶ）を出力している状態となる。この場合は、ホー
ル素子からの出力は、左に最大トルクが発生している信
号としてマイクロコンピュータに取込まれ１本来布にハ
ンドルをきっているにも拘らず、あるいは、ハンドルを
中立点に保持しているにも拘らず左へのアシスト力が作
用し、突然ハンドルが左方向へ回り出すという全く予期
しない状態を発生せしめるという欠点を有している。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、スリップリングの瞬断等があってもア
シスト力に影響を与えることのないトルクセンサ制御回
路を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、マグネットとホール素子を用いてねじオし角
を検出することによって操舵ハンドルに加えられた操舵
力を検出し該操舵力の所定の関数にしたがってモータを
制御し、該モータにより補助操舵力を与えるようにした
ものにおいて、上記ホール素子からの出力信号をセンサ
出力処理回路で処理した後に、スリップリング、コネク
タを介してマイクロコンピュータに送出することにより
、断線又はショート時にセンサ出力電圧をトルク約Ｏｋ
ｇ／ｆ−ｍと同一の出力とし、モータによるアシストを
停止するようにしたことを特徴とするものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図、第２図には、本発明に係るトルク検出器を自動
車用電動パワーステアリングシステムに適用した場合の
一実施例が示されている。

図において、ステアリングシャフト１の上端にはステア
リングホイール２が取り付けられており。

このステアリングシャフト１の下端には、第２図に示す
如く、ステアリングシャフト１の一部を構成するスタブ
シャフト１００がスプライン結合されている。このスタ
ブシャフト１００の下部が、ウオーム減速機３内に挿入
されている。このウオーム減速機３には、クラッチ４を
介してモータ５が設けられている。６は舵角センサ、７
はマイクロコンピュータ、８は駆動回路、９は車速セン
サ、１０はバッテリである。

ウオーム減速機３は、第２図に示す如き構成を有してい
る。すなわち、スタブシャフト１００は、ハウジング２
０のステアリングホイール２側の開口２１を閉じるリン
グ状をなす軸受ホルダ３０の穴を貫通しており、その穴
に嵌合された軸受ホルダ３０の穴を貫通しており、その
穴に嵌合された軸受３１を介して当該軸受ホルダ３０に
回転自在に支持されている。この軸受ホルダ３０はボル
ト３２によってハウジング２０に位置決め固定されてい
ると共に、スタブシャフト１００との間をオイルシール
３３によりシールされている。

また、ハウジング２０内には、ピニオンギヤ４１を一体
に設けたピニオンシャフト４０がスタブシャフト１００
の下方に同軸上に配置されている。このピニオンシャフ
ト４０は、ピニオンギヤ４１の面外側に外嵌された２個
の軸受４５，４６を介してハウジング２０に回転自在に
支持されている。また、ピニオンギヤ４１は、ハウジン
グ２０内でラック軸５０のラック５１に噛合されている
。また、ラック軸５ｏの両端には、それぞれタイロッド
が揺動可能に連結されていて、各タイロッドの外側に、
車輪を回転自在に支持するナックルが揺動可能に連結さ
れている。

また、ラック５１とピニオン４１との噛み合いを確保す
るためにラックリテーナ５２が設けられている。このラ
ックリテーナ５２はスプリング５３によりラック軸５０
側に付勢されていると共にハウジング２０にネジ止めさ
れたりテーナ力バー５４の中央部を螺合貫通するアジャ
ストボルト５５によってラック軸５０から遠ざかる方向
への移動が制限されている。なお、６０は、ピニオンシ
ャフト４０に外嵌された２個の前記軸受４５゜４６に予
圧を付与するためのナツト、６１は、ナツト６０を着脱
するためハウジング２０に設けたネジ穴に螺合するキャ
ップである。

また、前記スタブシャフト１００はパイプ状をなしてい
て、その穴にはトーションバー６２が挿通されている。

このトーションバー６２は、スタブシャフト１００に各
ステアリングホイール２側の端部でピン６３によって締
結されており、これによりスタブシャフト１００、トー
ションバー６２の両部材を回転方向へ一体に構成してい
る。

このトーションバー６２のステアリングホイール２側と
は反対側の端部は、ピニオンシャフト４０のスタブシャ
フト１００側の端面に開口するように設けられた軸方向
孔４２内に挿入されている。

このトーションバー６２は、先端部でピニオンシャフト
４０とピン６４によって締結されており。

この締結によりピニオンシャフト４０、トーションバー
６２とが回転方向へ一体に構成されている。

さらに、ピニオンシャフト４０のスタブシャフト１００
側の端部には、当該スタブシャフト１００側に突出する
ハブ４３と半径方向の外側に突出するフランジ４４とが
形成されていて、ハブ４３内にはスタブシャフト１００
の下端部が挿入されていると共に、その下端部とハブ４
３との間には針状コロ軸受６５を介在させている。前記
ハブ４３には切欠き４５を設ける一方、この切欠き４５
内に挿入される凸部１０１をスタブシャフト１００の下
端部に設け、この凸部１０１と切欠き４５とでストッパ
を構成し、このストッパにより両シャフト１００．４０
間の所定以上の相対回転変位（例えば、５度程度）を防
止している。さらにハブ４３の外側にはウオームホイー
ル６６を外嵌しており、フランジ４４を貫通してウオー
ムホイール６６に螺合するネジ６７により、ウオームホ
イール６６とピニオンシャフト４０とを回転方向へ一体
に構成している。

上記ウオームホイール６６には、ハウジング２０に回転
自在に支持されたウオーム６８が噛合しており、このウ
オーム６８の軸部にモータ５の回転軸が連結されている
。モータ５には駆動回路８が接続されていて、この駆動
回路８から出力される制御信号によって当該モータ５が
駆動制御される。

また、スタブシャフト１００には、前記ウオームホイー
ル６６のステアリングホイール２側の端面に対向するよ
う外向きのフランジ１０２を設けると共に、このフラン
ジ１０２の端面には磁気検出素子の一具体例を示すホー
ル素子７０が接着保持されている。一方、このホール素
子７０と対面して同心上に重なり合うようにピニオンシ
ャフト４０のフランジ４４端面には磁石８０が接着保持
されている。

ホール素子３１と磁石８０とは、トーションバー６２に
加えられる捩りトルクに応じて回転方向へ相対変位し、
それに応じてホール素子７０が磁石８０から受ける磁界
の強さが変化するため、その変化の中間点を操舵の中立
位置とすることにより、磁界の強さを見ることで操舵ト
ルクの大きさとその方向とを同時に検出することができ
る。

前記スタブシャフト１００のフランジ１０２の内側には
、リング状の空隙が形成されていて、その空隙内には、
同様にリング状の空隙を有する回路ケース７１が挿入さ
れている。この回路ケース７１内には、リング状をなす
基板にホール素子の出力電圧を増幅、制御するための回
路を形成した磁界−電気変換機能を有する信号処理回路
７２を配置し、これを回路ケース７１と共にスタブシャ
フト１００へネジ７３によって締付固定している。

この信号処理回路７２は、例えば、ホール素子７０から
の出力に基づいて操舵トルクとその方向に対応する出力
を増幅する増幅回路とから構成され、操舵トルクに応じ
て捩られるトーションバー６２の捩れ量を磁束密度の変
化量として検出したホール素子７０の出力に基づいて操
舵力とその操舵方向とを検出し、それを増幅して操舵ト
ルク検出信号として出力する。

また、信号処理回路７２の周囲には絶縁材７４が充填さ
れていると共に１回路ケース７１の開口側には、仕切板
７５が圧入されていて、これにより信号処理回路７２へ
のノイズの侵入等を防止している。さらに、回路ケース
７１の開口側には、絶縁材によって形成されたリングベ
ース７６が回転方向へ一体に取付けられていて、その軸
受ホルダ３０側の端面には、スリップリング９０の一方
を構成する複数本のリングプレート９１を接着固定して
いる。スリップリング９０は、リングプレート９１と、
それと同数のブラシ９２とからなり、これらブラシ９２
は、外周縁をハウジング２０にスプライン結合されたブ
ラシホルダ９３に取付けられている。

また、ブラシ９２に接続されたリード線９４は、ウオー
ム減速機３に設けた切欠きから外部に取り出され、ハウ
ジング２ｏの外部で駆動回路８に接続されている。この
１駆動回路８は、操舵トルクの大きさと操舵方向とに対
応した制御信号を出力してモータ５を回転駆動し、これ
により、ウオーム６８及びウオームホイール６６の作動
を介してピニオンシャフト４０に、操舵トルクの大きさ
と操舵方向とに対応した操舵補助力を付与する。

次に、ホール素子７ｏと磁石８０とを用いたトルク検出
器の中立位ｖＬ（中立点）の決定方法について説明する
。

ホール素子７０は、第３図（Ａ）に示す如く磁石８０に
対し「０」からＸ　１　＋　Ｘ　２　ｙ　Ｘ　ｌｌと水
平移動すると、その出力特性は第３図（Ｂ）に示す如く
なる。そこで、いま、中心点であるＸ２を中心出力０と
すると左右に第４図に示す如きトルク出力特性が得られ
る。

この第３図（Ｂ）に示す如き代表的なホール素子の出力
特性は、あらかじめマイクロコンピュータ７のＲＯＭの
中に格納されており、この予め記憶されている特性に基
いて取付けるホール素子の出力特性を一致するように調
節する。

このホール素子７０と磁石８０とは最大で第２図図示凸
部１０１と切欠き４５とによって決まる。

また、このホール素子７０は、第３図（Ａ）に示す如く
、磁石８０に最近点（０度）から次第に遠ざかり最大角
度０１ｌａｘ　　（例えば１０度）動くようになってい
る。

まず、スタブシャフト１００をまわし、ホール素子７０
が、磁石８０と相対向する位置（０度の位置）にセラ１
〜する。次に、第５図に示す如く。

β度（図では１．７度）まで回転し、このときのホール
素子出力電圧■旧を求める。次に、このβ度から＋β１
度（図では７度）までスタブシャフトを回転させ、この
位置でのホール素子出力電圧Ｖ　Ｌ　１を求める。

β（１，７）＋βｔ（７）＝８．７ この求められた２つの電圧値Ｖ）Ｉｌｌ　ＶＬＩとから
仮の中立点θ１を ＶＨ１＋ＶＬ１ ”：Ｖｃｓ と、ＶＨＩとＶ＋、ｚとを和して１／２した電圧値ＶＣ
Ｉに相当する位置から求める。

次に、この仮の中立点θ１から±α度（例えば３度）の
点で電圧Ｖ　Ｈｚ　、　Ｖ　Ｌ　２を求める。この求ま
った電圧値Ｖ　Ｈｚ　、　Ｖ　Ｌ　ｚとから平均値Ｖｃ
ｚを求める。

ＶＨｚ＋Ｖｂｚ ＝Ｖｃ２ この求められた電圧値Ｖｃｚに相当するホール素子の位
置を求め、この電圧値ｖｃ２．に相当する位置θ４と仮
の中立点θ１との差が０．１　度域内である場合に０４
を中立点とする。

この動作フローチャートが第６図に示されている。すな
わち、まず、ステップ５１０において、ホール素子７ｏ
と磁石８Ｑとの角度Ｏが、１．７度の点におけるホール
素子出力電圧値Ｖ旧を求め、さらに、ホール索子７０と
磁石８０との角度θが。

８．７度の位置におけるホール素子出力電圧値ＶＬＩを
求める。次にステップ５２０において、ステップ５１０
において求めた電圧値ＶＨ１，ＶＬＩとを和して１／２
し、中立電圧ＶＣＩを求める。

ＶＨ１＋ＶＬＩ Ｖｃｓ＝□ この求めた電圧値ｖｃ１に対応するホール素子の位置θ
１を求める６ 次にステップ５３０において、ステップ５２０で求めた
ホール素子位置（磁石からの角度）　　Ｏｌを仮の中立
点とし、このθ１を中心に、±３度の点θ２．θ８に対
応するホール素子出力電圧値Ｖ　Ｌ　ｚ　。

Ｖｏｗを求める。この電圧値ＶＨＩ１１　（θδに対応
する値）、ｖＬ２（θ２に対応する値）が求まると、ス
テップ５４０において、この平均値ＶｃｘをＶＨｚ＋Ｖ
ｂｚ Ｖｃｚ＝□ より求め、このＶＯ２に対応するホール素子の位置０４
を求める。

次に、ステップ５５０において、このＶｃｚに対応する
ホール素子の位置０番が、ステップ５２０において求め
た仮の中立点θ１に比して０．１　度以上の誤差がある
か否かを判定する。このステップ５５０において、誤差
が０．１　度以下であると判定すると、θ４を中立点と
してスタブシャフト１００とトーションバ６２とをピン
６３によって固定する。また、ステップ５５０において
、誤差が、０．１度以上あると、ステップ５４０で求め
たθ４の値θ工に置き換えてステップ５２０に戻る。

第７図には、本発明に係るトルクセンサ制御回路のブロ
ック図が示されている。すなわち、磁石（マグネット）
６０１とホール素子６０２とは一定のギャップをもって
設置されており、このホール素子６０２には、セン、す
出力処理回路７００が接続されている。このセンサ出力
処理回路７００にはスリップリング６０４．コネクタ６
０６を介して制御回路（第１図図示マイクロコンピュー
タ７と駆動回路８を含むもの）が接続されている。

第８図には、ホール素子６０２とセンサ出力処理回路７
００、前記ホール素子６０２を駆動するためのホール素
子駆動回路８００の具体的回路が示されている。このセ
ンサ出力処理回路７００とホール素子駆動回路８００と
によって第２図図来信号処理回路７２が構成されている
。

図において、ホール素子駆動回路８００は定電流回路を
構成している。すなわち、ホール素子７０は、定電流駆
動されている。このような状態で前述の如く、中立点が
定まると、この位置でセンサ処理回路７００からの出力
ＴＲ、ＴＬがＯ■となるように可変抵抗Ｒ９，Ｒ１３を
調整する。

ＴＲは、右トルクの出力電圧であり、Ｔｔ、は左トルク
の出力電圧である６次に、トーションバー６２に右トル
クをかけて、一定のトルク値（最大トルク値１例えば１
ｋＩＣ−ｍのトルク）を加える。

このときの出力値ＴＲの値が一定電圧（例えば５Ｖ）に
なるように、正相増幅器オペアンプＡ３のゲインを可変
抵抗Ｒ１６を調整することによって調整する。次に、ト
ーションバー６２に左トルクをかけて、一定トルク値（
左への最大トルク値、例えば１　ｋｇ−ｍのトルク）を
加える。このときの左トルクの出力値Ｔしの値が一定電
圧（例えば５Ｖ）になるように１反転増幅器オペアンプ
Ａ４のゲインを可変抵抗Ｒ１９を調整して調整する。

これによって、予めマイクロコンピュータ７のＲＯＭ　
に記憶されたホール素子の出力特性との調整が、中立点
と、最大トルク値の点でとれる。したがって、ホール素
子７ｏの移動量が、トーションバー６２にかかるトルク
量として検出され、この検出されたトルク値に基いて、
アシスト力が決定される。

このように、センサ出力処理回路７００において、ホー
ル素子６０２（第２図図示７０）からの出力電圧を、第
４図に示す如き出力電圧に変換してスリップリング６０
４を通してマイクロコンピュータ７に送出される。した
がって、いま、スリップリング６０４において断線又は
ショートが生じても、マイクロコンピュータ７には、断
線時。

ショート時、共にホール素子６０２からの出力がＯｖで
あると判断するためアシストが停止する。

これによって、従来のような断線又はショート時に予期
しないアシストが生じることを防止することができる。

このように構成されるものであるから、運転者゛がステ
アリングホイール２を所望の方向に回してステアリング
シャフト１を回転させると、このステアリングシャフト
１にトーションバー６２を介して連結されたピニオンシ
ャフト４０は車輪側からの反力が作用するため、トーシ
ョンバー６２にはステアリングホイール２に入力された
操舵トルクに応じた捩れが発生し、これにより、スタブ
シャフト１００とピニオンシャフト４ｏとの１川に、操
舵トルク及び操舵方向に対応した相対的な回転変位が発
生する。

このように、スタブシャフト１００及びピニオンシャフ
ト４０間に相対回転変位が生じると、スタブシャフト１
００のフランジ１０２に取付けたホール素子７０とピニ
オンシャフト４０と一体のウオームホイール６６に取付
けた磁石８０とが同様に相対回転変位し、これにより、
ホール素子７ｏに作用している磁石８０の磁界の強さが
変化するため、そのホール素子７０から出力される電気
信号としての電圧が変化する。このとき、操舵の中立位
置における電圧を基準値として、例えば、′中立位置か
ら右側へ操舵したときには、正の電圧が、また、左側へ
変位したときには負の電圧が得られるようホール索子７
０の出力を設定することにより、当該ホール素子７０の
出力の大きさを見ることによって操舵トルクの大きさと
操舵方向とを同時に検出することができる。

このホール素子７０の出力は、スタブシャフト１００に
固定された信号処理回路７２に入力され。

その信号処理回路７２で増幅されて出力される。

この出力信号が、スタブシャフト１００と一体のリング
ベース７６に固定されたリングプレート９１からブラシ
９２を介してブラシホルダ９３側に伝達さ九、それが、
リード線９４によって外部に取り出されてマイクロコン
ピュータ７に供給される。これによって、マイクロコン
ピュータ７が、操舵トルク検出値に応じた制御信号と操
舵方向に対応した回転方向信号とを駆動回路８に出力し
、モータ５を駆動する。

このモータ５の駆動によって、操舵方向に対応した方向
に回転し、ウオーム６８及びウオームホイール６６の作
動を介してピニオンシャフト４０に操舵力に応じた操舵
補助トルクが付与される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、スリップリング
の瞬断等があってもアシスト力に影響を与えることがな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパフ−ステアリング制御装置のシ
ステム構成図、第２図はトルク検出器の断面構成図、第
３図はホール素子の出力電圧特性図、第４図はトルク出
力特性図、第５図は本発明の中立点を求める方法を示す
図、第６図は第５図のフローチャート、第７図はトルク
検出器のブロック図、第８図は第７図図示センサ出力処
理回路とホール素子駆動回路の詳細回路図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、マグネットとホール素子を用いてねじれ角を検出す
   ることによつて操舵ハンドルに加えられた操舵力を検出
   し該操舵力の所定の関数にしたがつてモータを制御し、
   該モータにより補助操作舵力を与えるようにしたものに
   おいて、上記ホール素子からの出力信号をセンサ出力処
   理回路で処理した後に、スリップリング、コネクタを介
   してマイクロコンピュータに送出することにより、断線
   又はショート時にセンサ出力電圧をトルク約０ｋｇｆ・
   ｍと同一の出力としモータによるアシストを停止するよ
   うにしたことを特徴とするトルクセンサ制御回路。