JP2007263872A

JP2007263872A - 舵角検出装置

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Publication number: JP2007263872A
Application number: JP2006091785A
Authority: JP
Inventors: Kaname Aoki; 要青木
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】全舵角範囲に亘る回転軸の回転角度を精度良く検出し、車両の舵角を簡素な構成にて精度良く検出可能な舵角検出装置を提供する。
【解決手段】ステアリングホイール３０の操作に応じたステアリング軸３の回転を舵取機構１に伝え、舵取機構１の動作をタイロッド１２を介して連結された操舵用の車輪１４，１４に伝えて、車輪１４，１４の向きを変えて舵取りされる車両の操舵角度を、ステアリング軸３の複数回転に亘る回転角度を求めることにより検出する舵角検出装置において、前輪１４に対するタイロッド１２の相対角変位を角変位センサ６により検出して、ステアリング軸３が中立位置から左右の何回転目の領域にあるかを判定する。判定された領域内でのステアリング軸３の回転角度を回転角センサにより求めて全舵角範囲内での操舵角度を算出する。以上により簡素な構成により全舵角範囲に亘って高精度の舵角検出が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の舵角を簡素な構成にて精度良く検出可能な舵角検出装置に関する。

車両の操舵は、操舵部材であるステアリングホイールの回転操作を、該ステアリングホイールに連結されたステアリング軸を介して舵取機構に伝え、該舵取機構の動作により操舵用の車輪の向きを変えることにより行われる。このステアリングホイールの操作に伴って変化する操舵用の車輪の向きである操舵角度（以下、舵角という）は、車両の各種の制御のために重要な情報であり、左右の最大舵角範囲（以下、全舵角範囲という）に亘って精度良く検出することが切望されている。

車両の舵角は、一般的に、ステアリングホイールの操作に応じて複数回転するステアリング軸（回転軸）の回転角度を全舵角範囲に亘って検出することにより求められる。ステアリングホイールは、全舵角範囲に亘って操舵するために、通常３〜５回転するように構成されており、全舵角範囲に亘るステアリング軸の回転角度を検出するためには、１０８０°〜１８００°の範囲の角度検出が可能な回転角センサが必要となる。この回転角センサは、例えば、複数回転を１回転に変換するための減速機を備え、この変換後の１回転内の回転角度を検出するように構成されており、センサ本体及び周辺部材を含めて構成が複雑になるという問題がある。

この問題を解決すべく、簡素な構成にて全舵角範囲に亘るステアリング軸の回転角度を検出し、舵角の検出を可能とする舵角検出装置が従来から提案されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
特開２００５−１１４６７６号公報特開２００３−３０７４１８号公報

特許文献１の舵角検出装置は、操舵補助用のモータの回転力をウォーム及びウォームホイールを介してステアリング軸に伝える構成とした電動パワーステアリング装置において、ウォームホイールの側面に径方向に一定ピッチを有した渦巻き状の溝を刻設して、該溝に回転型ポテンショメータの入力端に基部を取付けた揺動アームの先端を係合させ、ウォームホイールの回転に伴う揺動アームの角変位を検出して、全舵角範囲に亘るステアリング軸の回転角度を求め、舵角を検出するように構成してある。

ところが特許文献１の舵角検出装置においては、渦巻き状の溝の形成範囲にて生じる揺動アームの限られた揺動により、３〜５回転分のステアリング軸の回転角度を検出するように構成されているため、検出精度が十分ではないという問題があった。またウォーム及びウォームホイールを備えるステアリング装置に適用範囲が限定されるという問題があった。

特許文献２の舵角検出装置は、舵取機構の出力端とタイロッドとの連結部に角変位センサを取付け、舵取機構に対するタイロッドの角変位を検出して、検出されたタイロッドの角変位に基づきステアリング軸が中立位置から何回転目であるかを判定し、この判定結果とステアリング軸の回転角度とに基づいて全舵角範囲に亘るステアリング軸の回転角度を求め、舵角を検出するように構成してある。

ところが特許文献２の舵角検出装置においては、舵取機構の出力端に対するタイロッドの角変位は、左右夫々の舵取りに際して同じ方向に生じるため、１つの角変位センサによる検出結果のみでは舵取りの方向は分からない。このため舵取りの方向に応じて舵取機構の出力端に対するタイロッドの角変位の変化率が左右で異なることを利用して、左右夫々の出力端とタイロッドとの連結部に角変位センサを夫々取付け、これら２つの角変位センサの検出結果に基づいて舵角を求めるようにしており、装置構成が複雑化するという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、全舵角範囲に亘る回転軸の回転角度を精度良く検出し、車両の舵角を簡素な構成にて精度良く検出可能な舵角検出装置を提供することを目的とする。

第１発明に係る舵角検出装置は、操舵部材の操作に応じた回転軸の回転を舵取機構に伝え、該舵取機構の動作をタイロッドを介して連結された操舵用の車輪に伝えて、該車輪の向きを変えて舵取りされる車両の操舵角度を、前記回転軸の複数回転に亘る回転角度を求めることにより検出する舵角検出装置において、前記回転軸の１回転内の回転角度を検出する回転角センサと、前記タイロッドと前記車輪との連結部に設けてあり、前記タイロッドの前記車輪に対する相対角変位を検出する角変位センサと、該角変位センサ及び前記回転角センサの検出結果に基づいて前記操舵角度を算出する算出手段とを備えることを特徴とする。

第２発明に係る舵角検出装置は、第１発明において前記角変位センサが、前記連結部の車輪側部材に固定された磁石と、該磁石に対向して前記連結部のタイロッド側部材に取付けてあり、前記磁石の角変位に応じた磁界の変化を検出する磁気検出手段とを備えていることを特徴とする。

第１発明によれば、車輪に対するタイロッドの相対角変位を、タイロッドと車輪との連結部に設けた角変位センサにより検出し、この角変位センサの検出結果により全舵角範囲中の大まかな領域、具体的には、回転軸が中立位置から左右の何回転目の領域にあるかを判定する一方、回転軸の１回転内の回転角度を回転角センサにより検出し、該回転角センサの検出結果により判定された領域内での回転角度を高精度に求めて全舵角範囲内での操舵角度を算出する。１回転内の回転角度を検出する回転角センサは、簡素な構成で高精度の検出が可能であり、回転軸が何回転目の領域にあるかの判定に用いる角変位センサは、高い検出精度は要求されないため、簡素な構成により全舵角範囲に亘って高精度の舵角検出が可能となる。またタイロッドの車輪に対する相対角変位は、左右夫々の舵取りに際して反対方向に生じるため、１つの角変位センサの検出結果により舵取りの方向が区別でき、角変位センサは、タイロッドと車輪との連結部の左右どちらか一方に設ければよい。

第２発明によれば、角変位センサは、前記連結部の車輪側部材に固定された磁石の角変位を、該磁石に対向して前記連結部のタイロッド側部材に取付けた磁気検出手段により検出しており、非接触にて車輪に対するタイロッドの相対角変位の検出が可能となるため、長期の使用に耐えることができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係る舵角検出装置を備える電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。

図示の電動パワーステアリング装置はラックピニオン式の舵取機構１を備える。ラックピニオン式の舵取機構１は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング１１の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１０と、ラックハウジング１１の中途に交叉するピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されたピニオン軸２とを備える公知の構成を有している。

ラックハウジング１１の両側から外部に突出するラック軸１０の両端は、各別のタイロッド１２，１２を介して操舵輪としての左右の前輪１４，１４のナックルアーム１３，１３に連結され、またピニオンハウジング２０の一側から外部に突出するピニオン軸２の上端は、ステアリング軸３を介して操舵部材としてのステアリングホイール３０に連結されている。またピニオンハウジング２０の内部に延びるピニオン軸２の中途には、図示しないピニオンが形成されており、該ピニオンは、ラックハウジング１１との交叉部において、ラック軸１０の外面に適長に亘って形成されたラック歯に噛合させてある。

ステアリング軸３は、筒形をなすコラムハウジング３１の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング３１を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って取付けてあり、コラムハウジング３１の下方へのステアリング軸３の突出端にピニオン軸２が連結され、同じく上方への突出端にステアリングホイール３０が固設されている。

以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール３０が回転操作された場合、この回転がステアリング軸３を介してピニオン軸２に伝達され、該ピニオン軸２の回転が、ピニオンとラック歯との噛合部においてラック軸１０の軸長方向の移動に変換されることとなり、このようなラック軸１０の移動により、左右の前輪１４，１４のナックルアーム１３，１３が各別のタイロッド１２，１２を介して押し引きされて舵取りがなされる。

ステアリング軸３を支持するコラムハウジング３１の中途には、ステアリングホイール３０の回転操作によりステアリング軸３に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサ４が設けてあり、該トルクセンサ４よりも下位置に操舵補助用のモータ５が取付けてある。

トルクセンサ４としては、軸倍角（極数の１／２）が異なる２つのレゾルバを備える公知のツインレゾルバを用いることができる。ツインレゾルバは、ステアリング軸３をトーションバーにより連結された上下の２軸に分割し、両軸の夫々にレゾルバを取付けて構成されており、これら２つのレゾルバにより前記２軸の回転角度を夫々検出して、トーションバーの捩れに応じて前記２軸間に生じる相対角変位を算出し、操舵トルクを算出する構成となっている。なお、これら２つのレゾルバによる検出信号は、１回転内に軸倍角と同数の波形が夫々現れる信号として得られ、この２つの信号を組み合わせることにより、前述の相対角変位が求められると共に、ステアリング軸３の１回転内の回転角度が得られる。

操舵補助用のモータ５は、コラムハウジング３１の外側に軸心を略直交させて取付けてあり、例えば、コラムハウジング３１の内部に延びる出力端に固着されたウォームをステアリング軸３に外嵌固定されたウォームホイールに噛合させ、モータ５の回転を、ウォーム及びウォームホイールにより減速してステアリング軸３に伝えるように伝動構成されている。

このような電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクをトルクセンサ４により検出し、この検出トルクに基づいて駆動制御される操舵補助用のモータ５の回転力を、ステアリング軸３を介して、ピニオン軸２に伝え、前述の如く行われる舵取りを補助する構成となっている。

本発明に係る舵角検出装置は、ステアリング軸３の回転角度を検出する回転角センサと、タイロッド１２と前輪１４との連結部、より詳しくはタイロッド１２とナックルアーム１３との連結部に設けられた角変位センサ６とを備えている。

回転角センサは、ステアリング軸３の回転角度を１回転の範囲内にて検出可能なセンサである。前述したようにトルクセンサ４としてツインレゾルバを採用した場合、トルクセンサ４の出力信号からステアリング軸３の１回転内の回転角度が得られるから、この実施の形態においては、トルクセンサ４が回転角センサを兼ねることができる。

図２は、角変位センサ６の配設部位周辺を略示する断面図である。図３は、角変位センサ６の配設部位周辺を上から見た概略図であり、（イ）は左方向への舵取り状態を、（ロ）は直進状態を、（ハ）は右方向への舵取り状態を夫々示している。

図２に示すように、タイロッド１２とナックルアーム１３とは、連結部であるボールジョイント７により相対角変位可能に連結されている。ボールジョイント７は、一端に球状ヘッドを持つ円柱形のボールスタッド（車輪側部材）７０と、ボールスタッド７０の球状ヘッドに樹脂製の保持部材７２を介して球面接触するソケット（タイロッド側部材）７１とを備えている。ソケット７１は、タイロッド１２に一体的に設けられ、このソケット７１の下方に突出するボールスタッド７０の円柱部にナックルアーム１３が一体回転可能に固定されている。ボールスタッド７０の球状ヘッドの上部には、短寸の円柱を縦に半割りした形状をなす磁石６０が設けてあり、ソケット７１上面には、磁石６０に対向するように磁気検出手段６１が取付けてある。

磁石６０と磁気検出手段６１とを備える角変位センサ６は、半導体に磁界を印加すると抵抗が増加するという磁気抵抗効果を利用して検出対象物の角変位を検出するセンサである。図４は、角変位センサ６の等価回路図である。磁気検出手段６１は、２つの磁気抵抗素子６２，６３を備え、両端（図において端子１と端子３の間）に一定の電圧が付加されており、磁気抵抗素子６２の側の一端と２つの磁気抵抗素子６２，６３の中間点との間（図において端子１と端子２の間）の電圧を検出するように構成されている。磁気検出手段６１に磁界を印加する手段として磁石６０を用いており、磁石６０は、図中に矢符にて示すように磁気検出手段６１に対して相対角変位する。

図５は、磁石６０の角変位と角変位センサ６の出力値との関係図である。図５の横軸は、磁石６０の角変位を、縦軸は角変位センサ６の端子１と端子２の間の出力値を夫々示している。図５に示すように、角変位センサ６の出力値は、磁気抵抗素子６２と磁石６０とが重なり合う面積の増減に従って、ほぼ直線的に増減する。

磁石６０は、ボールスタッド７０の球状ヘッドに、図３（ロ）に示すような直進状態において、２つの磁気抵抗素子６２，６３の中央に整合するように固定されている（図５において磁石の角変位０°の状態）。このような構成において、ナックルアーム１３が左に角変位すると、図３（イ）に示すようにナックルアーム１３の角変位に伴い磁石６０も左に角変位し、磁気検出手段６１及びタイロッド１２に対して磁石６０が相対角変位することになる（図５において磁石の角変位−４５°近傍の状態）。この相対角変位により磁石６０が磁気抵抗素子６２から離れる方向に角変位するため、磁気抵抗素子６２の抵抗は減少し、角変位センサ６の出力値は減少する。逆にナックルアーム１３が右に角変位すると、図３（ハ）に示すようにナックルアーム１３の角変位に伴い磁石６０も右に角変位し、磁気検出手段６１及びタイロッド１２に対して磁石６０が相対角変位することになる（図５において磁石の角変位＋４５°近傍の状態）。この相対角変位により磁石６０が磁気抵抗素子６２に近づく方向に角変位するため、磁気抵抗素子６２の抵抗は増大し、角変位センサ６の出力値は増大する。なおナックルアーム１３の角変位量はステアリング軸３の回転角度と略比例する関係にある。

角変位センサ６による検出結果は、図１に示すように算出部８へ与えられている。算出部８には、回転角センサを兼ねているトルクセンサ４による検出結果も与えられており、算出部８は、後述するように、これらの検出結果に基づいて全舵角範囲に亘るステアリング軸３の回転角度を求め、車両の舵角を算出する。

このような舵角検出装置が設けられた電動パワーステアリング装置において、ステアリングホイール３０の右方向又は左方向の回転操作に応じて、ステアリング軸３が同方向に回転し、この回転がラック軸１０の軸長方向の移動に変換されて、前述したように左右の前輪１４，１４がステアリングホイール３０の操作方向と同方向に舵取りされる。このとき回転角センサは、ステアリング軸３の回転角度に比例して増減し、１回転毎に０になる波形の信号を出力する。また同時に、ボールジョイント７に設けられた磁石６０がナックルアーム１３及び前輪１４の回転方向と同方向に角変位する。前述したように磁石６０の角変位に応じて磁気抵抗素子６２の抵抗が変化するため、角変位センサ６は、ステアリング軸３の回転角度に応じて増減する信号を出力する。

図６は、このような舵取りがなされる間のステアリング軸３の回転角度と回転角センサ及び角変位センサ６の出力値との関係図である。図６（ａ）の横軸はステアリング軸３の回転角度を、縦軸は回転角センサの出力値を夫々示しており、横軸の最小値は、車両の左の最大舵角に対応するステアリング軸３の左の最大回転角度である−７２０°を、横軸の最大値は、車両の右の最大舵角に対応するステアリング軸３の右の最大回転角度である＋７２０°を夫々示している。なお、横軸の最大値、最小値は、±７２０°に限定されるものではなく、車両の最大舵角に対応した値であればよく、例えば、±７８０°又は±９００°であってもよい。図６（ａ）に示すように、回転角センサは、全舵角範囲内で１回転（３６０°）毎に０になる波形が４つ現れる信号を出力する。図６（ａ）では、鋸歯形信号を示しているが、この信号波形はセンサの原信号波形を演算することで得られ、鋸歯形に限定されるわけではない。センサの原信号波形は、センサの種類により異なり、例えば、ｓｉｎカーブ又は単調な勾配の波形となる。図６（ａ）に示すように、例えば、回転角センサの出力値としてＶ₁が与えられた場合、ステアリング軸３の回転角度は、θ₁，θ₂，θ₃，θ₄の４通りある。

図６（ｂ）の横軸は、図６（ａ）と同様にステアリング軸３の回転角度を、縦軸は角変位センサ６の出力値を夫々示している。図６（ｂ）に示すように、前輪１４に対するタイロッド１２の相対角変位を示す角変位センサ６の出力は、全舵角範囲に亘って比例的に増減する信号となる。例えば、角変位センサ６の出力値としてＶ₂が与えられた場合、図に示すようにステアリング軸３の回転角度は、全舵角範囲中の一点となる。全舵角範囲に亘るステアリング軸３の回転角度を、舵角中点を基準位置として、左右の１回転目、２回転目に夫々対応する４つの領域に区分した場合、得られたステアリング軸３の回転角度は、図に示すように右方向の１回転目の領域にあることがわかる。

この結果と回転角センサによるステアリング軸３の回転角度とを用いると、ステアリング軸３の回転角度は、θ₃の１通りとなり、全舵角範囲に亘るステアリング軸３の回転角度を高精度に検出することができる。この結果、予め算出部８に記憶させておいた全舵角範囲に亘るステアリング軸３の回転角度と舵角との対応関係のデータにより、車両の舵角を求めることができる。なおステアリング軸３の中立位置は、舵角中点と一致するように設定されている。

なお角変位センサ６の出力値が各領域の境界近傍の場合は、領域の判定の段階で回転角センサの出力値と角変位センサ６の出力値とを用いることにより、ステアリング軸３が何回転目の領域にあるかを的確に判定できる。もちろん領域の判定の段階において常に回転角センサの出力値と角変位センサ６の出力値とを用いて、ステアリング軸３が何回転目の領域にあるかを判定するようにしてもよい。

以上のように本発明に係る舵角検出装置においては、前輪１４に対するタイロッド１２の相対角変位を、タイロッド１２とナックルアーム１３とを連結するボールジョイント７に設けた角変位センサ６により検出し、この角変位センサ６の検出結果により全舵角範囲中の大まかな領域、具体的には、ステアリング軸３が中立位置から左右の何回転目の領域にあるかを判定する一方、ステアリング軸３の１回転内の回転角度を回転角センサにより検出し、該回転角センサの検出結果により判定された領域内での回転角度を高精度に求めて全舵角範囲内での舵角を算出する。１回転内の回転角度を検出する回転角センサは、簡素な構成で高精度の検出が可能であり、ステアリング軸３が何回転目の領域にあるかの判定に用いる角変位センサ６は、高い検出精度は要求されないため、簡素な構成により全舵角範囲に亘って高精度の舵角検出が可能となる。またタイロッド１２の前輪１４に対する相対角変位は、左右夫々の舵取りに際して反対方向に生じるため、１つの角変位センサ６の検出結果により舵取りの方向が区別でき、角変位センサ６は、タイロッド１２とナックルアーム１３とを連結するボールジョイント７の左右どちらか一方に設ければよい。

そして角変位センサ６は、磁石６０の角変位を磁気検出手段６１により検出しており、非接触にて前輪１４に対するタイロッド１２の相対角変位の検出が可能となるため、長期の使用に耐えることができる。またタイロッド１２とナックルアーム１３とを連結するボールジョイント７のボールスタッド７０の上部を従来どおり覆うことが可能であるため、タイロッド１２に一体的に設けられたソケット７１とボールスタッド７０の球状ヘッドとの摺動部に、水、泥、塵埃等の異物が入り込みにくく、舵取動作に悪影響を与えずにすむ。

なお以上の実施の形態では、磁気検出手段６１は磁気抵抗素子を用いた磁気センサであるが、他の種類の磁気センサでもよい。

更に本実施の形態では、トルクセンサ４が回転角センサを兼ねているが、トルクセンサ４とは別に回転角センサを設けてもよい。トルクセンサ４がツインレゾルバに限定されないのは、言うまでもない。

また前述の実施の形態では、コラムハウジング３１の外側にモータ５を取付け、ステアリング軸３に伝動構成してなるコラムアシストタイプの電動パワーステアリング装置への適用例について述べたが、本発明に係る舵角検出装置は、ラックハウジング１１にモータを取付け、ラック軸１０に伝動構成してなるラックアシストタイプの電動パワーステアリング装置にも適用可能である。本発明に係る舵角検出装置は、このようなラックピニオン式の電動パワーステアリング装置への適用に限定されず、他の形式の電動パワーステアリング装置への適用も可能である。また本発明に係る舵角検出装置は、ステアリングホイールと機械的に分離された舵取機構に付設された操舵用モータを駆動することにより舵取りを行わせるステアバイワイヤ式のステアリング装置、舵取機構に付設された油圧シリンダの発生力により操舵を補助する油圧パワーステアリング装置、運転者によりステアリングホイールに加えられる操舵トルクのみによって操舵を行わせるマニュアル式のステアリング装置にも適用可能である。

本発明に係る舵角検出装置を備える電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。角変位センサの配設部位周辺を略示する断面図である。角変位センサの配設部位周辺を上から見た概略図である。角変位センサの等価回路図である。磁石の角変位と角変位センサの出力値との関係図である。ステアリング軸の回転角度と回転角センサ及び角変位センサの出力値との関係図である。

符号の説明

１舵取機構、３ステアリング軸（回転軸）、４トルクセンサ（回転角センサ）、６角変位センサ、６０磁石、６１磁気検出手段、７ボールジョイント（連結部）、７０ボールスタッド（車輪側部材）、７１ソケット（タイロッド側部材）、８算出部（算出手段）、１２タイロッド、１３ナックルアーム、１４前輪（車輪）、３０ステアリングホイール（操舵部材）

Claims

操舵部材の操作に応じた回転軸の回転を舵取機構に伝え、該舵取機構の動作をタイロッドを介して連結された操舵用の車輪に伝えて、該車輪の向きを変えて舵取りされる車両の操舵角度を、前記回転軸の複数回転に亘る回転角度を求めることにより検出する舵角検出装置において、前記回転軸の１回転内の回転角度を検出する回転角センサと、前記タイロッドと前記車輪との連結部に設けてあり、前記タイロッドの前記車輪に対する相対角変位を検出する角変位センサと、該角変位センサ及び前記回転角センサの検出結果に基づいて前記操舵角度を算出する算出手段とを備えることを特徴とする舵角検出装置。
前記角変位センサは、前記連結部の車輪側部材に固定された磁石と、該磁石に対向して前記連結部のタイロッド側部材に取付けてあり、前記磁石の角変位に応じた磁界の変化を検出する磁気検出手段とを備えている請求項１記載の舵角検出装置。