WO2005028993A1

WO2005028993A1 - 舵角センサ

Info

Publication number: WO2005028993A1
Application number: PCT/JP2004/013709
Authority: WO
Inventors: Takeshi Hara; Takeshi Ishikawa; Toshiyuki Onizuka; Shuji Endo
Original assignee: Nsk Ltd.; Nsk Steering Systems Co., Ltd.
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2005-03-31
Also published as: US7472004B2; JP2005091137A; EP1666837A1; KR20060073960A; US20070055426A1

Abstract

電動モータの駆動によって減速機構を介して操舵補助が行われるステアリング系の回転角を検出することによって、ステアリングホイールの舵角を演算するようにした舵角センサであって、ステアリングシャフトの回転に連動して作動するセンサホイールと、該センサホイールからの舵角信号に基づいて絶対舵角を演算する絶対角演算手段とを備えるとともに、センサホイールに、ＧＭＲ素子と、該ＧＭＲ素子の回りに配された着磁部とを備え、着磁部の回転に伴って磁場方向を変化させることによって得られるＧＭＲ素子の抵抗値の変化に基づいて、ステアリングシャフト２回転を１周期として回転角を検出するようにした。

Description

舵角センサ技術分野

本発明は、ステアリング装置におけ明るステァリングホイールの操舵角を検出するための舵角センサの改良に関する。田背景技術

この種の舵角センサとして、例えば日本国特開平 8— 2 9 1 5 8号公報に開示され、第 1図に車両の操舵システム図を示す。同図において、舵角センサ 1 0 1は、ステアリングハンドル 1 0 2と 1対 1の回転比率で連動するようになっていて、舵角センサ 1 0 1の出力信号は、車輪速を検出する車輪速センサ 1 0 3からの信号、ョーレートを検出するョ一レートセンサ 1 0 4からの信号、転舵比を検出する転舵比センサ 1 0 5からの信号、ィグニッション ( I G. ) スィッチ 1 0 6からの信号などとともにコントロールユニット 1 0 7に接続される。舵角センサ 1 0 1の出力信号がカバーする舵角の範囲は、少なくとも中立位置を含む所定範囲内の中立ゾーン、該中立ゾーンにそれぞれ隣接した右ゾーンおよび左ゾーンの舵角センサ 1 0 1の出力信号がそれぞれ同一値を示す 3つのゾーンに分けられ、現在の舵角がこれらのゾーンのうち、いずれのゾーンに位置しているかを、左右の車輪速差と、ョ一レートと、車速とに基づいて判定するようになっている。

なお、コントロールュニット 1 0 7は、各センサからの信号に基づいてハンドル舵角を設定するとともに、車輪 1 0 8の転舵比を制御する転舵比可変機構 1 0 9の作動を制御することにより、伝達シャフト 1 10を介して前輪転舵機構 1 1 1に連動連結されている後輪転舵機構 112が、後輪舵角を制御するようになっている。

しかし、上記日本国特開平 8— 29158号公報に開示される操舵システムでは、ステァリングホイ一ル回転角度を検出するのに、舵角以外の'清報、すなわち車輪速差、ョーレート、車速の情報が必要であるため、これらの情報に誤差や異常があると、上記ゾーンの判定を正確に行うことができず、また、これらの情報の初期化終了後でなければ、ゾーンを判定することができないという問題があつた。

そこで、本発明の目的は、 GMR素子（G i an t Magne t i c Re s i s t an c e) と、 GMR素子の回りに配された着磁部とを備えたセンサホイールの回転周期を改良して、 GMR素子による舵角の検出範囲を拡大することにより、車両情報を用いた舵角推定精度が低精度で済み、低コストで、かつ速やかに絶対舵角を検出することができる舵角センサを提供することにある。発明の開示

本発明の上記目的は、電動モータの駆動によつて減速機構を介して操舵補助が行われるステアリング系の回転角を検出することによって、ステアリングホイールの舵角を演算するようにした舵角センサであって、ステアリングシャフトの回転に連動して作動するセンサホィールと、該センサホイ一ルからの舵角信号に基づいて絶対舵角を演算する絶対角演算手段とを備えるとともに、前記センサホイールに、 GMR素子と、該 GMR素子の回りに配された着磁部とを備え、前記着磁部の回転に伴って磁場方向を変化させることによって得られる前記 GMR素子の抵抗値の変化に基づいて、前記ステアリングシャフト 2回転を 1周期として回転角を検出するようにしたことにより、達成される。また、上記目的は、前記 GM R素子が、 2つの GM Rブリッジ回路を構成し、該各 GM Rブリッジ回路からの出力信号が互いに 9 0 ° 位相をずらすように配されたことにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記ステアリングシャフトの旋回方向を判別する旋回方向判別手段と、前記ステアリングシャフトの中点の位置を記憶し、該中^;付近の所定値を検出した後、該所定値に基づいて舵角全域での絶対舵角を演算するようにした中点特有値検出手段とを備えることにより、効果的に達成される。

さらに、上記目的は、前記旋回方向判別手段は、前記舵角を少なくとも 7 2 0 ° の精度で判別することができることにより、効果的に達成される。

以上のように、本発明に係る舵角センサによると、ステアリングシャフトの舵角を検出する場合、舵角センサ内に配され、センサホイールの着磁部？^ら角度を検知するための GM R素子からなる 2つの GMRブリッジ回路を、互いに位相が 9 0 ° ずれるように配し、該 G MRブリッジ回路の出力信号に基づいて演算するようにした。このセンサにおいて、センサホイ一ルとステアリングシャフト間の減速比を調整することにより、ステアリングシャフト 2回転を 1周期として絶対角を検出でき、その結果、車輪速やセルファライニングトルク（ S AT) 推定値などの車輪情報を利用した舵角推定精度は、旋回方向を判別できる程度で良い。

また、従来の 1回転周期の舵角センサでは、車両情報に基づく舵角推定、あるいは未使用時の動作継続なしでは絶対舵角を演算することはできなかつたが、本発明の舵角センサでは、舵角が中点付近の特有値を検出すれば、舵角推定を必要とせずに即時に絶対舵角を演算することができる。その結果、舵角推定のみの場合に比べ、絶対舵角の出力タイミングを早くすることができ、低コス卜で舵角精度と絶対舵角の出力タイミングを両立させることができる。図面の簡単な説明

第 1図は、従来の舵角センサを備えた車両の操舵システム図である。

第 2図は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の要部断面図である。

第 3図は、減速機構の要部断面図である。

第 4図は、舵角センサの要部断面図である。

第 5図は、 2つの GMRプリッジ回路の信号変化を示すグラフである。

第 6図は、第 5図の信号から得られる a r c t a n 0の変化を示すグラフである。第 7図は、舵角演算システムの概略構成を示す図である。

第 8図は、舵角演算のアルゴリズムを示すフローチャートである。 ' 第 9図は、信号データの割付規則を示す図である。

第 1 0図は、センサ出力値とステアリングシャフトの回転角との関係を示すグラフである。

第 1 1図は、センサ出力 e。_{u t}と実舵角との関係を示すグラフである。

第 1 2図は、ロック t oロック範囲でのセンサ出力 0。_{u t}と実舵角との関係を示すグラフである。符号の説明

7 減速機構

1 9 舵角センサ 2 3 センサホイ一ル

2 4 痛磁石

2 5 S極磁石

2 6 着磁部

2 7 GMRブリッジ

2 7 a 第 1磁気抵抗素子（第 1 G M Rブリツジ回路）

2 7 b 第 2磁気抵抗素子（第 2 GMRプリッジ回路）

3 0 絶対角演算手段

3 1 旋回方向判別手段

3 2 中点特有値検出手段発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する <

第 2図は、一般的なステアリング系の概略構成を示し、は、軸受 2によって支持されており、ステアリングホイールの操作に基づいて回転自在になっている。このステアリングシャフト 1の基端側（第 2図左側）に tま、ト一シヨンパー 3を介して入力軸 4と略円筒状の出力軸 5が連結されている。このト一シヨンパー 3は、出力軸 5内に挿通されていて、その一端が入力軸 4に圧入固定され、他端力 Sピン 6によって出力軸 5に固定されている。

また、出力軸 5の外周には、減速機構 7がー対の軸受 8， 9で支持されるとともに、該減速機構 7の先端側（第 2図右側）には、トルクセンサ 1 0が配設されている。このトルクセンサ 1 0は、トーションバー 3と、出力軸 5の先端に形成されたスプライン溝 1 1の外周に配設され、コイル卷線 1 2を収納した電磁ヨーク 1 3とを備え、

に生じる操舵トルクに応じて、トーシヨンパー 3の摸れを発生させることによって、磁気的な変化を電磁ヨーク 1 3内のコイル卷線 1 2で検出するようになっている。

さらに、減速機構 7は、出力軸 5の外周に、圧入によって固定的に取り付けられたゥォームホイール 1 4と、該ウォームホイール 1 4に嚙合するウォーム 1 5と、該ウォーム 1 5 を駆動軸 1 6に取り付けたモータとからなり、モータの回転をウォーム 1 5およびウォームホイール 1 4を介して減速して、出力軸 5に補助トルクを伝達するようになっている。このウォームホイール 1 4の側面には、略円環状の凹溝部 1 7が形成されていて、該凹溝部 1 7 の内周には、第 3図に示すように、ギア 1 8が形成され、舵角センサ 1 9のセンサ棒 2 0先端のセンサピニオン 2 1と嚙合するようになつている。

そして、舵角センサ 1 9内には、第 4図に示すように、センサ棒 2 0の基端側（第 4図左側）に形成されたセンサウォーム 2 2に嚙合するセンサホイール 2 3を備え、ウォームホィール 1 4からセンサピニオン 2 1およびセンサ棒 2 0を介して、ステアリングシャフト 1 の回転をセンサホイール 2 3に伝達するようになっている。また、センサホイール 2 3には、 N極磁石 2 4と S極磁石 2 5とからなる着磁部 2 6が設けられ、各磁石 2 4， 2 5がステァリングシャフト 1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。この場合、ウォームホイール 1 4の 1回転に対して、センサおィ一ル 2 3は、半回転するようにギア比が設定されている。

また、センサホイール 2 3内には、着磁部 2 6からの磁界変化を検出するための磁気抵抗素子部（以下、 GMRブリッジ回路部） 2 7が配され、該 GMRブリッジ回路部 2 7は、舵角センサ 1 9のケースの一部に固定されている。この GMRブリッジ回路部 2 7には、一対の第 1，第 2磁気抵抗素子（以下、 GMRブリッジ回路） 2 7 a , 2 7 bが配されていて、センサホイール 23の角度に応じて 90° 位相がずれるようになつている。すなわち、第 1 GMRブリッジ回路 27 aが出力する波形を s i n0とし、第 2 GMRブリッジ回路 27 bが出力する波形を c o s 0とすると、ステアリングシャフト 1の舵角に対する s i n 0および c o s 0の波形は、第 5図に示すようになり、後 ¾βする第 8図の演算で、第 6図に示すような a r c t an 0の変化が得られる。

また、第 1, 第 2 GMRブリッジ回路 27 a, 27 bは、それぞれ直列に接続され、直交に配されて 3端子回路素子として動作し、磁界強度の変化に応じて素子の抵抗値が変わるのを利用して、回転体、すなわちセンサホイール 23の回転角度を検出するようになっている。すなわち、第 1，第 2GMRブリッジ回路 27 a， 27 bは、互いに直交に配されているため、各第 1，第 2GMRブリッジ回路 27 a， 27 bの出力信号は、第 5図に示すように、互いに 90° 位相がずれるようになつている。

また、第 7図は、舵角演算システムの概略構成図を示す。同図において、舵角センサ 1 9内では、 GMRブリッジ 27からの s ΐ η θ, c o s Θ信号に基づいて、集積回路（AS I C) 28で a r c t an 0の演算を実行し、その結果を第 9図に示すように所定の割付規則に従って出力信号に変換し、操舵補助装置の制御器 2 9にシリアル出力するようになっている。この制御器 29内には、絶対角演算手段 30と、車輪速や SAT推定値等の車両情報に基づいてステアリングホイールの旋回方向を判別する旋回方向判別手段 3 1と、ステアリングシャフト 1の回転角が 0° である位置、すなわち中点位置を記憶し、この中点付近の特有値を検出する中点特有値検出手段 32が配されている。

ここで、第 9図の割付規則には、センサの出力値とステアリングシャフト 1の回転角度との対応関係が示される。また、出力信号は、シリアノレ形態の調歩同期式で、 3ワードによつて、センサの出力値、ステアリングシャフト 1の回転角度が表示される。また、出力信号には、ヘッダー（1ビット）とデータ（7ビット）からなるワードを複数組み合せて使用される。この場合、出力信号は、 3ワードからなり、センサの出力値は 2ヮ一ドで表示され、 14ピットで 16834通りのデータを出力するようになっている。なお、 1ワードは水平パリティチェック用として用いられ、フエ一レ時には、 3ワードとも同じデータが出力される。

次に、絶対角演算手段 30における舵角演算アルゴリズムを、第 8図に基づいて説明する。

まず、ステップ S 1において、 f s (舵角に対する第 1 GMRプリッジ回路 27 aで検出された正弦波）と ί c (舵角に対する第 2 GMRプリッジ回路 27 bで検出された余弦波 ) の大小が絶対値で比較され、 f cの絶対値が f sの絶対値より大きい YESの場合、ステップ S 2に進む。ステップ S 2では、 f s/f c値に対する a r c t an値（k) を求め、ステップ S 3で f cが 0以上であるか否かが半 IJ定され、 f cが 0以上であれば、ステップ S 4で kには、そのままの値（k = k) が設定され、 f cが 0より小さければ、ステップ S 5 で kの値に 180°加算された値（k = k+l 80) が設定される。

また、ステップ S 1において、 f sの絶対値が f cの絶対値以上である NOの場合、ステツプ S 6で、 f cZf s値に対する a r c t an値（k) を求め、ステップ S 7で f sが 0以上であるか否かが判定され、 f sが 0以上であるか否かが判定され、 f sが 0以上であれば、ステップ S 8で kには、 90° から kを減じた値（k = 90— k) が設定され、 f s が 0より小さければ、ステップ S 9で kには、 270° から kを減じた値（k = 270— k ) が設定される。

また、ステップ S 10で、ステップ S 4, S 5, S 8， S 9で設定された値 kが 0以上であるか否かが判定され、 kが 0以上であれば'、ステップ S 1 1で kには、そのままの値（ k = k) が設定され、 kが◦より小さければ、ステップ S I 2で kには、 360° を加算した値（k = 360 + k) が設定される。

その結果、第 10図に示すように、センサの出力値とステアリングシャフト 1の回転角との関係が得られる。よって、着磁部 26の磁界の変化によって、第 1，第 2GMRブリツジ回路 27 a， 27 bの抵抗値の変化によって舵角が検出されると、その絶対舵角を得ることができる。

そして、絶対角演算手段 30の結果に基づいて、旋回方向判別手段 31と中点特有値検出手段 32とで絶対舵角を害 (Jり出す。この旋回方向判別手段 31は、車輪速あるいはモータの慣性ゃ静摩擦を定数としてモータの回転角速度やアシストカなどの信号から導かれる S A T推定値に基づいて、ステアリングホイールの旋回方向を判別するようになっている。また、中点特有値検出手段 32ま、ステアリングシャフト 1の中点（回転角 0° ) の位置を記憶し、その中点付近の特有値を検出して絶対舵角を割り出すようになつている。すなわち、中点の位置は、ステアリングシャフト 1などの組み付け時に一定にならない。そのため、ステァリングホイールの回転角力 SO ° にある位置で、センサからの出力値 0。を検出して、この値を中点として設定する。

すなわち、センサ出力値を 0。_{u t}とすると、絶対舵角 0は、 0。_{u t}— 0。に、センサ出力の最大値から最小値の切り替わり回数 nをカウントできれば、数式 1で算出することができる。

(数 1)

0=n* 72 O +e_{ou t}-0_o

この nは、始動後初回は車輪速或いは S AT推定値からある程度の舵角を推定することにより割り出し、その後はセンサ出力の最大値から最小値の切り替わりをカウントすることで割り出せるので、上記数式 1に基づいて絶対舵角を算出することができる。実際のステアリングホイールの回転角度はロック t oロックであり、 ± 7 2 0 ° よりも狭い。そのため、車兩における舵角センサの出力は、 2周期分未満であり、第 1 1図に示すように、同じ値を出力するのは、多くて 2箇所のみで、かつそれは 7 2 0 ° 離れた地点である。よって、車輪速或いは S AT推定値による舵角推定は、 7 2 0 ° の精度で判別できればよい。すなわち、旋回方向を判別できれば十分である。

また、実際のステアリングホイールの操舵におけるロック t oロック範囲は、 ± 7 2 0 ° よりは小さく、通常、 1 . 5回転（5 4 0 ° ) 程度である。そのため、第 1 2図に示すように、ロック t 0ロックの範囲が、例えば、 ± 6 0 0 ° の場合には、特有の値は、同図において、 Lで示される範囲が、中点付近の特有値になる。よって、この中点付近の特有値は、車両情報を検出して旋回方向を推定することなく、上記数式 1の nを特定することができるそのため、中点付近の特有値の範囲では、切り替わり回数をカウントする必要がなく、迅速にステアリングシャフト 1の絶対舵角を検出することができる。そして、以後は、第 1 1図の演算で絶対 IS角を繰り返し算出することができる。産業上の利用可能性

以上のように、本発明に係る舵角センサは、ステアリング装置における操舵角を検出する手段として用いるのに適しており、特に低コストで速やかに絶対舵角を検出したい場合に有用である。

Claims

求の範囲電動モータの駆動によつて減速機構を介して操舵補助が行われるステアリング系の回転角を検出することによって、ステアリングホイールの舵角を演算す ¾ようにした舵角センサであって、

ステアリングシャフトの回転に連動して作動するセンサホイールと、該センサホイールからの舵角信号に基づいて絶対舵角を演算する絶対角演算手段と

を備えるとともに、

前記センサホイールに、

G M R素子と、

該 GM R素子の回りに配された着磁部と

を備え、

前記着磁部の回転に伴って磁場方向を変化させることによって得られる前記 G M R素子の抵抗値の変化に基づいて、前記ステアリングシャフト 2回転を 1周期として回転角を検出するようにしたことを特徴とする舵角センサ。前記 G M R素子は、 2つの GM Rブリッジ回路を構成し、該各 G M Rブリッジ回路からの出力信号が互いに 9 0 ° 位相をずらすように配された請求項 1記載の舵角センサ。前記ステアリングシャフトの旋回方向を判別する旋回方向判別手段と、前記ステアリングシャフトの中点の位置を記憶し、該中点付近の所定値を検出した後、該所定値に基づいて舵角全域での絶対舵角を演算するようにした中点特有値検出手段と

を備える請求項 1記載の舵角センサ。 - 前記旋回方向判別手段は、前記舵角を少なくとも 7 2 0 ° の精度で判別することができる請求項 3記載の舵角センサ。