JP2012211857A - ステアリングシャフト回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステアリングシャフトの回転角度を高分解能で検出でき、かつ構造が簡便なステアリングシャフト回転角度検出装置を提供すること。
【解決手段】ステアリングホイール１の操作に伴って回転するステアリングシャフト２の回転角度を検出するステアリングシャフト回転角度検出装置１００であって、ドライバによるステアリングホイール１の操舵を補助する電動モータ１０と、電動モータ１０の回転をステアリングシャフト２に減速して伝達する減速機構１１と、電動モータ１０の回転軸に取り付けられた回転体２１と、回転体２１の回転に伴い信号を出力する信号出力器２２と、信号出力器２２の出力信号に基づいて回転体２１の回転角度を演算し、回転角度２１と減速機構１１の減速比とに基づいてステアリングシャフト２の回転角度を演算するコントローラ１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等のステアリングシャフトの回転角度を検出する装置に関するものである。

従来から、ステアリング角度を基に各種の制御を行う車両では、ステアリング角度を検出する装置が搭載されている（例えば、特許文献１参照）。

ステアリング角度を検出する装置として、光学式ロータリエンコーダや磁気式ロータリエンコーダをステアリングシャフトに設けるものが知られている。

特開平３−１２０４１９号公報

従来のロータリエンコーダの分解能は、光学式ロータリエンコーダでは回転円板のスリットの数、磁気式ロータリエンコーダではＮ極とＳ極の数に依存する。したがって、分解能を高くするためにはロータリエンコーダを大型化する必要があり、その場合には、車両へのロータリエンコーダの設置スペースが確保できないという問題点がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ステアリングシャフトの回転角度を高分解能で検出でき、かつ構造が簡便なステアリングシャフト回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、ステアリングホイールの操作に伴って回転するステアリングシャフトの回転角度を検出するステアリングシャフト回転角度検出装置であって、ドライバによる前記ステアリングホイールの操舵を補助する電動モータと、前記電動モータの回転を前記ステアリングシャフトに減速して伝達する減速機構と、前記電動モータの回転軸に取り付けられた回転体と、前記回転体の回転に伴い信号を出力する信号出力器と、前記信号出力器の出力信号に基づいて前記回転体の回転角度を演算し、当該回転角度と前記減速機構の減速比とに基づいて前記ステアリングシャフトの回転角度を演算するコントローラと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ステアリングシャフトの回転角度は信号出力器の出力信号に基づいて演算された回転体の回転角度と減速機構の減速比とに基づいて演算されるため、ステアリングシャフトに設けられるセンサにてステアリングシャフトの回転角度を検出する場合と比較して、ステアリングシャフトの回転角度を高分解能で検出することができる。また、信号出力器は、電動モータの回転軸に取り付けられた回転体の回転に伴い信号を出力するものであるため、構造も簡便である。

本発明の第１の実施の形態に係るステアリングシャフト回転角度検出装置の構成図である。 リング磁石の平面図である。 （ａ）リング磁石が発生する磁力の変化を示す図である。（ｂ）第１高分解能センサ（上図）と第２高分解能センサ（下図）の出力信号を示す図である。（ｃ）第１低分解能センサ（上図）と第２低分解能センサ（下図）の出力信号を示す図である。 ステアリングシャフトの回転角度に対するインデックスセンサの出力信号を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るステアリングシャフト回転角度検出装置の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るステアリングシャフト回転角度検出装置１００について説明する。

ステアリングシャフト回転角度検出装置１００は、車両のステアリングホイール１の操作に伴って回転するステアリングシャフト２の絶対回転角度（以下、単に「回転角度」と称する。）を検出する装置であり、ドライバがステアリングホイール１に加える操舵力を補助するパワーステアリング装置１０１のシステムを利用するものである。

ステアリングシャフト２の絶対回転角度とステアリングホイール１の操舵絶対角度であるステアリング角度とは等しいため、ステアリングシャフト回転角度検出装置１００によってステアリングシャフト２の回転角度を検出することによって、ステアリングホイール１のステアリング角度が得られる。

図１に示すように、パワーステアリング装置１０１は、ドライバによるステアリングホイール１の操作に伴って回転する入力シャフト７と、トーションバー４を介して入力シャフト７と接続されラック軸５に連係する出力シャフト３とを有し、出力シャフト３の下端に設けられるピニオン３ａと噛合するラック軸５を軸方向に移動させることで車輪６を操舵するものである。入力シャフト７と出力シャフト３とによってステアリングシャフト２が構成される。

パワーステアリング装置１０１は、ドライバによるステアリングホイール１の操舵を補助する電動モータ１０と、電動モータ１０の回転をステアリングシャフト２に減速して伝達する減速機１１と、入力シャフト７と出力シャフト３との相対回転によってトーションバー４に作用する操舵トルクを検出するトルクセンサ１２と、トルクセンサ１２の検出結果を基に電動モータ１０の駆動を制御するコントローラ１３とを備える。減速機１１は、電動モータ１０の出力軸に連結されるウォームシャフトと、出力シャフト３に連結されウォームシャフトに噛み合うウォームホイール１１ａとからなる。減速機１１の減速比は１：１５である。つまり、ステアリングシャフト２が１回転すると電動モータ１０は１５回転する。

電動モータ１０が出力するトルクは、ウォームシャフトからウォームホイール１１ａに伝達されて出力シャフト３に補助トルクとして付与される。電動モータ１０が出力するトルクは、トルクセンサ１２にて検出された操舵トルクに基づいて演算される。

ステアリングシャフト回転角度検出装置１００は、電動モータ１０と、減速機１１と、電動モータ１０の回転軸に取り付けられた回転体としてのリング磁石２１（図２参照）と、リング磁石２１の回転に伴い信号を出力する信号出力器としての角度センサ２２（図２参照）とを備える。コントローラ１３は、角度センサ２２の出力信号に基づいて、リング磁石２１、つまり電動モータ１０の回転角度を演算し、その回転角度と減速機１１の減速比とに基づいてステアリングシャフト２の回転角度を演算する。減速機１１が本発明の減速機構に該当する。

また、ステアリングシャフト回転角度検出装置１００は、ステアリングシャフト２の入力シャフト７に取り付けられステアリングシャフト２の基準回転位置を検出する基準回転位置検出器としてのインデックスセンサ２５も備える。

コントローラ１３は、ステアリングシャフト回転角度検出装置１００及びパワーステアリング装置１０１の動作を制御するＣＰＵと、ＣＰＵの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたＲＯＭと、トルクセンサ１２，角度センサ２２，及びインデックスセンサ２５等の各種センサが検出した情報を一時的に記憶するＲＡＭとを備える。ＲＯＭは、コントローラ１３への電力の供給が遮断されても記憶を保持する不揮発性メモリ（不揮発性記憶部）であり、ＲＡＭは、コントローラ１３への電力の供給が遮断された場合には記憶が喪失する揮発性メモリ（揮発性記憶部）である。

まず、図１及び図４を参照して、インデックスセンサ２５について詳しく説明する。インデックスセンサ２５は、入力シャフト７に固定され磁気を発生する磁気発生部と、ステアリングコラム等の非回転部に固定され磁気発生部が発生する磁気を検出する検出部とからなる磁気センサである。インデックスセンサ２５は、ステアリングシャフト２が１回転する毎に１パルスの信号を出力し、その出力信号はコントローラ１３に入力される。

一般的に、ステアリングシャフト２は、車輪６が直進方向を向く中立状態を基準として左右にそれぞれ２回転程度するように構成される。したがって、図４に示すように、インデックスセンサ２５は、ステアリングシャフト２の回転に伴って５つのパルス信号（パルスａ〜ｅ）を出力することになる。車両の組み立て時或いはパワーステアリング装置１０１の組み立て時には、車輪６が直進方向を向くステアリングシャフト２の中立位置（ステアリング角度０度の位置）からステアリングシャフト２を左右に回転させ、インデックスセンサ２５がパルス信号を最初に出力するまでの左右の回転角度の測定が行われる。ここでは、仮に、ステアリングシャフト２を中立位置から右回転させた場合に、インデックスセンサ２５が１つ目のパルス信号（パルスｃ）を出力するまでの回転角度の測定値が１０度であり、ステアリングシャフト２を中立位置から左回転させた場合に、インデックスセンサ２５が１つ目のパルス信号（パルスｂ）を出力するまでの回転角度の測定値が−３５０度であったとする。この左右の測定値（１０度と−３５０度）は、インデックスセンサ２５の１つ目のパルス信号（パルスｃ，ｂ）に対応するステアリングシャフト２の基準回転角度としてコントローラ１３のＲＯＭに記憶される。このように、ステアリングシャフト２の基準回転角度は、車両の組み立て時或いはパワーステアリング装置１０１の組み立て時に予め設定される。ステアリングシャフト２の回転角度は、中立位置を基準として、右回転を＋の符号、左回転を−の符号にて示す。

なお、以上では、インデックスセンサ２５が磁気センサである場合について説明したが、インデックスセンサ２５を発光部と受光部とからなる光センサにて構成するようにしてもよい。

次に、図１〜図３を参照して、電動モータ１０の回転軸に取り付けられたリング磁石２１及びリング磁石２１の回転に伴い信号を出力する角度センサ２２について詳しく説明する。

リング磁石２１は、回転方向に着磁された環状の永久磁石であり、内周面が電動モータ１０の回転軸の外周面に嵌まることによって取り付けられ、電動モータ１０の回転軸と一体に回転する。

図２に示すように、リング磁石２１には、６個の磁極が周方向にわたって等間隔に形成される。つまり、３個のＮ極と３個のＳ極が周方向に交互に配設される。したがって、図３（ａ）に示すように、電動モータ１０が１回転する間に、リング磁石２１が発生する磁力は正弦波３周期分変化する。

図２に示すように、角度センサ２２は、分解能が相対的に高い高分解能出力器としての高分解能センサ２３と、分解能が相対的に低い低分解能出力器としての低分解能センサ２４との２つの磁気センサを有する。基本的には、高分解能センサ２３は車両のイグニッションスイッチがオンのときに動作し、低分解能センサ２４は車両のイグニッションスイッチがオフのときに動作する。このように、高分解能センサ２３と低分解能センサ２４は、車両のイグニッションスイッチのオンオフによって切り換えられる。高分解能センサ２３及び低分解能センサ２４は非回転部に固定され、リング磁石２１の回転に応じて信号を出力する。

高分解能センサ２３は、リング磁石２１の外周に対峙して所定角度離れて配置された第１高分解能センサ２３ａと第２高分解能センサ２３ｂとからなる。第１高分解能センサ２３ａと第２高分解能センサ２３ｂは同じセンサであり、図３（ｂ）に示すように、リング磁石２１の回転に応じて正弦波信号（電圧）を出力する。第１高分解能センサ２３ａと第２高分解能センサ２３ｂは、それぞれの正弦波信号の位相が９０度ずれるように配置される。リング磁石２１は６個の磁極を有するため、電動モータ１０が１回転すると、第１高分解能センサ２３ａと第２高分解能センサ２３ｂは正弦波３周期分の信号を出力する。つまり、電動モータ１０の電気角周期数は３である。

高分解能センサ２３の分解能について説明する。高分解能センサ２３は電気角３６０度に対して３６０分解能（１度分解能）を有する。また、電動モータ１０の１回転当たりの電気角周期数は３である。さらに、ステアリングシャフト２と電動モータ１０との減速比は１：１５である。したがって、高分解能センサ２３によるステアリングシャフト２の回転角度の分解能は、以下の式のように０．０２２度と算出される。

高分解能センサによるステアリングシャフト２の回転角度の分解能＝３６０／３６０／３／１５＝０．０２２度
高分解能センサ２３の出力信号（電圧）はコントローラ１３に入力され、コントローラ１３はその入力された信号に基づいてステアリングシャフト２の回転角度変化量を演算する。具体的に説明すると、コントローラ１３のＲＯＭには、高分解能センサ２３の出力電圧とそれに対応する電動モータ１０の電気角との関係が規定されたテーブルが記憶されており、コントローラ１３は、そのテーブルを参照することによって電気角の変化量を演算することができる。例えば、テーブルを参照することによって電気角の変化量が５度であった場合には、電動モータ１０の１回転当たりの電気角周期数が３であるため、電動モータ１０の回転角度の変化量は１．６７度（＝５／３）と演算される。そして、ステアリングシャフト２と電動モータ１０との減速比は１：１５であるため、ステアリングシャフト２の回転角度変化量は０．１１度（＝１．６７／１５）と演算される。このように、高分解能センサ２３の出力信号に基づいて演算された電動モータ１０の回転角度の変化量と減速機１１の減速比とに基づいて、ステアリングシャフト２の回転角度変化量を演算することができる。

また、第１高分解能センサ２３ａと第２高分解能センサ２３ｂが出力する正弦波信号の位相が９０度ずれていることによって、コントローラ１３はステアリングシャフト２の回転方向を識別することができる。図３（ｂ）を参照して具体的に説明すると、例えば、電動モータ１０の電気角がθ（第１高分解能センサ２３ａの出力電圧：ａ）である場合において、第１高分解能センサ２３ａの出力電圧がａからｂに変化した場合、第１高分解能センサ２３ａのみでは、電動モータ１０の電気角がθからθ１に変化したのかθ２に変化したのかが判別できない。つまり、ステアリングシャフト２の回転方向を識別することができない。しかし、第２高分解能センサ２３ｂでは、電気角θ１とθ２の出力電圧が異なるため、第２高分解能センサ２３ｂの出力電圧の変化から電動モータ１０の電気角がθからθ１に変化したのかθ２に変化したのかが判別できる。つまり、ステアリングシャフト２の回転方向を識別することができる。

図２に示すように、低分解能センサ２４は、リング磁石２１の外周に対峙して所定角度離れて配置された第１低分解能センサ２４ａと第２低分解能センサ２４ｂとからなる。第１低分解能センサ２４ａと第２低分解能センサ２４ｂは同じセンサであり、図３（ｃ）に示すように、リング磁石２１の回転に応じてＳ極に対峙した場合にパルス信号（電圧）を出力する。第１低分解能センサ２４ａと第２低分解能センサ２４ｂは、１／４電気角周期毎、つまり電気角９０度毎にパルス信号の出力変化があるように配置される。

低分解能センサ２４の分解能について説明する。低分解能センサ２４は、上述のように１／４電気角周期毎にパルス信号の出力変化があるため、電気角３６０度に対して４分解能（９０度分解能）を有する。また、電動モータ１０の１回転当たりの電気角周期数は３である。さらに、ステアリングシャフト２と電動モータ１０との減速比は１：１５である。したがって、低分解能センサ２４によるステアリングシャフト２の回転角度の分解能は、以下の式のように２度と算出される。

低分解能センサによるステアリングシャフト２の回転角度の分解能＝３６０／４／３／１５＝２度
このように、低分解能センサ２４の分解能は、高分解能センサ２３の分解能と比較して相対的に低い。

低分解能センサ２４の出力信号（電圧）はコントローラ１３に入力される。低分解能センサ２４の出力信号はパルス信号であるため、コントローラ１３は、入力された信号に基づいてステアリングシャフト２の回転角度変化量を演算することはできない。しかし、低分解能センサ２４が出力するパルス信号は電気角９０度毎に変化するため、コントローラ１３は、低分解能センサ２４が出力するパルス信号の変化に基づいて、現在の電動モータ１０の電気角が９０度毎に区切られた１２のセクションのうちどこのセクション内にあるかは判定することができる。また、コントローラ１３は、低分解能センサ２４が出力するパルス信号の変化からステアリングシャフト２の回転方向を識別することもできる。

低分解能センサ２４はイグニッションスイッチがオフのときに動作するものである。イグニッションスイッチがオフのときは車両のエンジンが停止しているため、ステアリングシャフト２の回転角度を正確に検出する必要がない。しかし、車両のエンジンが停止している場合でも、ステアリングホイール１が操舵される可能性もあるため、コントローラ１３は、低分解能センサ２４の検出結果に基づいて現在電動モータ１０の電気角がどの範囲にあるかを判定する。

イグニッションスイッチのオンオフによる高分解能センサ２３と低分解能センサ２４の切り替えについて説明する。イグニッションスイッチがオフになると、その時点でのステアリングシャフト２の回転角度及び電動モータ１０の電気角がコントローラ１３に記憶されると共に、高分解能センサ２３から低分解能センサ２４への検出に切り換えられる。イグニッションスイッチのオフ時にステアリングホイール１が操舵された場合には、コントローラ１３は、低分解能センサ２４が出力するパルス信号の変化に基づいて、現在電動モータ１０の電気角がどの範囲にあるかを判定する。

イグニッションスイッチがオンになると、低分解能センサ２４から高分解能センサ２３への検出に切り換えられる。コントローラ１３は、低分解能センサ２４の出力信号に基づいて判定した電気角の範囲及び高分解能センサ２３の出力信号に基づいて、イグニッションスイッチオン時の電気角を判定する。図３（ｂ）を参照して具体的に説明すると、イグニッションスイッチオン時の第１高分解能センサ２３ａの出力電圧がｃであり、第２高分解能センサ２３ｂの出力電圧がｄであった場合には対応する電気角は３点存在する。しかし、コントローラ１３は、イグニッションスイッチオフの状態で低分解能センサ２４が出力したパルス信号の変化に基づいて、イグニッションスイッチオン時の電動モータ１０の電気角が例えばθ３からθ４の範囲内にあると判定可能であるため、イグニッションスイッチオン時の電気角が３点のうちθ５であると判定することができる。

次に、コントローラ１３は、イグニッションスイッチオン時の電気角とコントローラ１３に記憶されたイグニッションスイッチオフ時の電気角との変化量を演算する。そして、上記にて説明したように、その電気角の変化量からのステアリングシャフト２の回転角度変化量を演算し、その回転角度変化量をコントローラ１３に記憶されたイグニッションスイッチオフ時のステアリングシャフト２の回転角度に加算することによって、イグニッションスイッチオン時のステアリングシャフト２の回転角度を演算する。このようにして、イグニッションスイッチがオンとなった場合にはステアリングシャフト２の回転角度の検出が再開される。

高分解能センサ２３の動作時には、コントローラ１３は、高分解能センサ２３の出力信号に基づいてステアリングシャフト２の回転角度変化量を演算し、それを基にしてステアリングシャフト２の回転角度を演算する。これに対して、低分解能センサ２４の動作時には、コントローラ１３は、電動モータ１０の電気角がどの範囲にあるかのみを判定する。したがって、高分解能センサ２３の動作時のコントローラ１３の消費電力は、低分解能センサ２４の動作時のコントローラ１３の消費電力と比較して大きい。そのため、イグニッションスイッチのオフ時においても高分解能センサ２３を動作させるようにすれば、バッテリあがりが発生するおそれがあるため、イグニッションスイッチのオフ時には、高分解能センサ２３から消費電力の小さい低分解能センサ２４に切り換えるように構成される。

なお、低分解能センサ２４の動作時の消費電力を低減するため、イグニッションスイッチのオフ時には、コントローラ１３による電動モータ１０の電気角がどの範囲にあるかの判定処理を停止させ、コントローラ１３を待機状態とすることが望ましい。コントローラ１３は、待機状態では、低分解能センサ２４が出力するパルス信号の変化の数をカウントしてＲＡＭに記憶することのみを行う。そして、イグニッションスイッチがオンになったときに、コントローラ１３は、ＲＡＭに記憶されたパルス信号の変化の数から現在電動モータ１０の電気角がどの範囲にあるかを判定する。したがって、イグニッションスイッチのオフ時のコントローラ１３への電源供給は、最低限ＲＡＭに対してのみ行われていればよい。

また、さらなる消費電力の低減のため、イグニッションスイッチのオフ時には、低分解能センサ２４による検出のみを行い、コントローラ１３を停止状態としてもよい。この場合には、低分解能センサ２４が電動モータ１０の回転を検出するのに基づいて、つまり低分解能センサ２４がパルス信号を出力するのに基づいて、コントローラ１３が停止状態から上記待機状態に切り換わる。その後は、上述のように、コントローラ１３は、低分解能センサ２４が出力するパルス信号の変化の数をカウントしてＲＡＭに記憶することのみを行う。また、他の方法として、低分解能センサ２４が電動モータ１０の回転を検出するのに基づいて、低分解能センサ２４から高分解能センサ２３への検出に切り換えるようにしてもよい。つまり、イグニッションスイッチのオフ時であっても、低分解能センサ２４が電動モータ１０の回転を検出するのに基づいて、ステアリングシャフト２の回転角度を演算するようにしてもよい。この場合、高分解能センサ２３が立ち上がるまでの時間を考慮して、低分解能センサ２４が電動モータ１０の回転を検出した後、所定時間経過後に高分解能センサ２３による検出に切り換えるのが望ましい。つまり、高分解能センサ２３が立ち上がって検出が安定した後に、低分解能センサ２４から高分解能センサ２３に切り換えるのが望ましい。

次に、ステアリングシャフト回転角度検出装置１００によるステアリングシャフト２の回転角度の検出動作について説明する。

図４に示すように、コントローラ１３のＲＯＭに、インデックスセンサ２５の１つ目のパルス信号パルスｃ，ｂに対応するステアリングシャフト２の基準回転角度として、それぞれ１０度と−３５０度が予め記憶されているとする。

まず、イグニッションスイッチがオンのときの通常状態について説明する。コントローラ１３は、ステアリングシャフト２の中立位置、つまり車両が直進状態であることを判定する。具体的には、コントローラ１３は、車速が所定速度以上、例えば２５ｋｍ／ｈ以上である場合において、トルクセンサ１２にて検出される操舵トルクであるステアリングシャフト２に作用する操舵トルクが所定値以下で、かつ高分解能センサ２３の出力信号に基づいて演算された電動モータ１０の回転角度の変化量が所定値以下である場合に、車両が直進状態であると判定する。好ましくは、この条件が所定時間以上、例えば５秒以上継続された場合に車両が直進状態であると判定する。操舵トルクが所定値以下である場合には、ステアリングホイール１が操舵されておらずステアリングシャフト２が中立位置である可能性が高い。しかし、右折又は左折後にステアリングホイール１を戻す際にはステアリングホイール１が操舵されず操舵トルクが小さい状態となるため、ステアリングシャフト２の中立位置を判定する条件として、電動モータ１０の回転角度の変化量が所定値以下という条件も必要となる。

コントローラ１３は、車両が直進状態であると判定した場合には、高分解能センサ２３の出力信号に基づいてステアリングシャフト２の回転方向を識別し、インデックスセンサ２５が出力するステアリングシャフト２の中立位置から１つ目のパルス信号（図４のパルスｃ又はｂ）を受信した場合には、ＲＯＭから基準回転角度を読み込むことによって現在のステアリングシャフト２の回転角度を判定する。具体的には、ステアリングシャフト２の回転方向が右方向であると識別し、インデックスセンサ２５の出力信号（パルスｃ）を受信した場合には、ステアリングシャフト２の回転角度が１０度と判定する。また、ステアリングシャフト２の回転方向が左方向であると識別し、インデックスセンサ２５の出力信号（パルスｂ）を受信した場合には、ステアリングシャフト２の回転角度−３５０度と判定する。このように、インデックスセンサ２５の出力信号に基づいて、ステアリングシャフト２の基準絶対回転角度を設定することができる。なお、インデックスセンサ２５が出力するパルス信号は、図４に示すように、所定回転角度分の長さを有するため、コントローラ１３は、パルス信号の中央位置のときにＲＯＭから基準回転角度を読み込むのが望ましい。これは、磁気センサの場合、温度変化や経年変化によってパルス信号の幅が変わる可能性があり、パルス信号の端部を基準とした場合には、正確な基準回転角度の設定ができないためである。パルス信号の中央位置を基準とすれば、磁気センサの磁力が低下したり感度が低下したりしても正確に基準回転角度を設定することができる。

インデックスセンサ２５の出力信号に基づくステアリングシャフト２の基準回転角度の設定は、コントローラ１３が車両の直進状態を判定する毎に行ってもよいし、イグニッションスイッチがオンになった後１回だけ行うようにしてもよい。

さらには、インデックスセンサ２５が出力するステアリングシャフト２の中立位置から１つ目のパルス信号を受信した際において、演算されたステアリングシャフト２の回転角度とＲＯＭに記憶された基準回転角度（１０度又は−３５０度）との偏差が予め設定された許容値以上の場合に、インデックスセンサ２５の出力信号に基づくステアリングシャフト２の基準回転角度の再設定を行うようにしてもよい。これにより、ステアリングシャフト回転角度検出装置１００の動作中に、ノイズ等によってステアリングシャフト２の回転角度がずれて検出された場合であっても、インデックスセンサ２５の出力信号に基づいてステアリングシャフト２の回転角度を再設定することができる。

ステアリングシャフト２の基準回転角度が設定された後は、上記にて説明したように、高分解能センサ２３の出力信号に基づいて演算された電動モータ１０の回転角度の変化量と減速機１１の減速比とに基づいてステアリングシャフト２の回転角度変化量を演算し、その回転角度変化量を基準回転角度に加算することによってステアリングシャフト２の回転角度を演算する。

イグニッションスイッチのオンオフによる高分解能センサ２３と低分解能センサ２４の切り替えについては、上述したとおりである。

以上のようにして、ステアリングシャフト２の回転角度を演算することができる。ここで、演算されたステアリングシャフト２の回転角度を基に、ステアリングホイール１のステアリング角度を得たい場合には、演算されたステアリングシャフト２の回転角度をトーションバー４の捩れ角度の分だけ補正する必要がある。これは、減速機１１のウォームホイール１１ａは、ステアリングシャフト２の出力シャフト３に連結されているため、電動モータ１０の回転角度の変化量と減速機１１の減速比とから演算されるステアリングシャフト２の回転角度変化量は、出力シャフト３の回転角度変化量であり、入力シャフト７、つまりステアリングホイール１の回転角度変化量ではない。入力シャフト７と出力シャフト３はトーションバー４の捩れ角度の分だけ相対回転するため、その相対回転分を補正する必要がある。補正方法について説明すると、例えば、トーションバー４のばね定数が２Ｎｍ／ｄｅｇであり、トルクセンサ１２の検出値である操舵トルクが４Ｎｍであった場合には、入力シャフト７と出力シャフト３との間の捩れ角度は２度となる。つまり、補正値は２度と算出される。

電動モータ１０の回転角度の変化量から演算される出力シャフト３の回転角度変化量に補正値を加えることによって、入力シャフト７の回転角度変化量が算出され、その回転角度変化量をステアリングシャフト２の基準回転角度に加算することによってステアリングホイール１のステアリング角度を得ることができる。

このように、ステアリングホイール１のステアリング角度を得たい場合には、ステアリングシャフト２のうち入力シャフト７の回転角度を演算する必要があり、その場合には、電動モータ１０の回転角度の変化量と減速機１１の減速比とから演算されるステアリングシャフト２（出力シャフト３）の回転角度変化量をトーションバー４の捩れ角度にて補正する必要がある。

一方、インデックスセンサ２５は入力シャフト７に設けられるため、インデックスセンサ２５の出力信号に基づいてステアリングシャフト２の基準回転角度を設定する際に、トーションバー４の捩れ角度にて基準回転角度を補正する必要はない。

次に、車両のバッテリが取り外された場合について説明する。バッテリが取り外されると、コントローラ１３のＲＡＭに記憶されたステアリングシャフト２の回転角度の情報が喪失してしまう。しかし、ステアリングシャフト回転角度検出装置１００では、イグニッションスイッチがオンとなって、上述のように車両が直進状態であると判定されれば、コントローラ１３は、インデックスセンサ２５の出力信号に基づいてステアリングシャフト２の基準回転角度をＲＯＭから読み込むことによって、ステアリングシャフト２の基準回転角度を再設定することができる。したがって、ステアリングシャフト２の回転角度を再演算することができる。このように、ステアリングシャフト２の基準回転角度が不揮発性メモリであるＲＯＭに記憶されていることによって、車両のバッテリ交換後においても、自動でステアリングシャフト２の回転角度の再演算を行うことが可能となる。

以上の実施の形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

ステアリングシャフト２の回転角度は角度センサ２２の出力信号に基づいて演算された電動モータ１０の回転角度と減速機１１の減速比とに基づいて演算されるため、ステアリングシャフト２に設けられるセンサにてステアリングシャフト２の回転角度を検出する場合と比較して、ステアリングシャフト２の回転角度を高分解能で検出することができる。また、角度センサ２２は、電動モータ１０の回転軸に取り付けられたリング磁石２１の回転に伴い信号を出力するものであるため、構造も簡便である。

また、車両のバッテリ交換後においても、インデックスセンサ２５が出力するステアリングシャフト２の中立位置から１つ目のパルス信号に基づいてステアリングシャフト２の基準回転角度を不揮発性メモリから読み込むことによって、自動でステアリングシャフト２の回転角度の再演算が行われる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係るステアリングシャフト回転角度検出装置２００について説明する。以下では、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明し、第１の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

ステアリングシャフト回転角度検出装置２００は、電動モータ１０が出力するトルクが歯車機構３０及びボールねじ機構４０を介してラック軸５に補助トルクとして付与される点で、上記第１の実施の形態に係るステアリングシャフト回転角度検出装置１００と異なる。電動モータ１０が出力するトルクがトルクセンサ１２にて検出された操舵トルクに基づいて演算される点は同様である。

歯車機構３０は、電動モータ１０の出力軸に連結される駆動プーリ３１と、駆動プーリ３１とベルト３２を介して連結される従動プーリ３３とを備える。従動プーリ３３には、駆動プーリ３１及びベルト３２を介して電動モータ１０の回転が伝達される。従動プーリ３３の径は駆動プーリ３１の径より大きく、従動プーリ３３には電動モータ１０の回転トルクが増幅して伝達される。

ボールねじ機構４０は、ラック軸５の外周に形成された螺旋溝４１と、ラック軸５の外周を覆う円筒状に形成され、内周に螺旋溝４１と噛み合う螺旋溝が形成されたボールナット４２とを備える。ボールナット４２は従動プーリ３３に連結して設けられ、従動プーリ３３の回転はボールねじ機構４０によってラック軸５の軸方向への移動へと変換される。

ラック軸５にはラック５ａが形成され、ラック５ａには出力シャフト３の下端に設けられるピニオン３ａが噛合する。このように、ラック軸５とステアリングシャフト２は、ラック５ａとピニオン３ａにて構成されるラックピニオン機構４５を介して連結される。

以上のように、電動モータ１０の回転は、歯車機構３０、ボールねじ機構４０、及びラックピニオン機構４５を介してステアリングシャフト２に減速して伝達される。歯車機構３０、ボールねじ機構４０、及びラックピニオン機構４５が本発明の減速機構に該当する。

この減速機構の減速比について説明する。駆動プーリ３１と従動プーリ３３の減速比は１：３である。ボールナット４２の１回転当たりのラック軸５の移動量は７ｍｍであり、ステアリングシャフト２の１回転当たりのラック軸５の移動量は７０ｍｍであるため、ボールナット４２とステアリングシャフト２の減速比は１：１０である。このことから、減速機構の減速比は１：３０である。つまり、ステアリングシャフト２が１回転すると電動モータ１０は３０回転する。

以上より、ステアリングシャフト回転角度検出装置２００では、高分解能センサ２３によるステアリングシャフト２の回転角度の分解能は、以下の式のように０．０１１度と算出される。

高分解能センサによるステアリングシャフト２の回転角度の分解能＝３６０／３６０／３／３０＝０．０１１度
また、低分解能センサ２４によるステアリングシャフト２の回転角度の分解能は、以下の式のように１度と算出される。

低分解能センサによるステアリングシャフト２の回転角度の分解能＝３６０／４／３／３０＝１度
ステアリングシャフト回転角度検出装置２００は、上記第１の実施の形態に係るステアリングシャフト回転角度検出装置１００と減速比が異なるのみで、ステアリングシャフト２の回転角度の検出方法は同じである。したがって、本第２の実施の形態でも、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記実施の形態に示した高分解能センサ２３及び低分解能センサ２４によるステアリングシャフト２の回転角度の分解能の数値は一例であり、自由に調整することができる。

また、上記実施の形態では、リング磁石２１の回転に伴い出力される角度センサ２２の信号に基づいて電動モータ１０の回転角度が演算されると説明した。この構成に代わり、放射状のスリットが設けられ電動モータ１０の回転軸に取り付けられた回転体と、その回転体を挟むようにして固定された発光部と受光部とからなる光センサとを用い、光センサの信号に基づいて電動モータ１０の回転角度を演算するようにしても、上記実施の形態と同様の作用効果が得られる。

また、上記実施の形態では、インデックスセンサ２５は入力シャフト７に設けられると説明した。これに代えて、インデックスセンサ２５を出力シャフト３に設けるようにしてもよい。この場合において、演算されたステアリングシャフト２の回転角度を基にステアリングホイール１のステアリング角度を得るには、インデックスセンサ２５の出力信号に基づいてステアリングシャフト２の基準回転角度を設定する際に、トーションバー４の捩れ角度の分だけ基準回転角度を補正する必要がある。補正値の算出方法は上述したとおりである。

また、上記実施の形態では、演算されたステアリングシャフト２の回転角度を基に、ステアリングホイール１のステアリング角度が得られると説明した。これに加えて、演算されたステアリングシャフト２の回転角度を基に、車輪６の切れ角を算出することもできる。車輪６の切れ角とは、車輪６が直進方向を向く中立状態からの転舵角である。ステアリングシャフト２が回転することによってラック軸５が軸方向に移動して車輪６が転舵されるため、ステアリングシャフト２の回転角度を基に車輪６の切れ角を算出することが可能となる。

演算されたステアリングシャフト２の回転角度を基に車輪６の切れ角を得たい場合には、電動モータ１０の回転角度の変化量から演算されるステアリングシャフト２の回転角度変化量をトーションバー４の捩れ角度にて補正する必要はない。これは、車輪６の切れ角を得たい場合には、ステアリングシャフト２のうち出力シャフト３の回転角度を演算する必要があり、減速機１１のウォームホイール１１ａはステアリングシャフト２の出力シャフト３に連結されているためである。一方、インデックスセンサ２５は入力シャフト７に設けられるため、インデックスセンサ２５の出力信号に基づいてステアリングシャフト２の基準回転角度を設定する際には、トーションバー４の捩れ角度の分だけ基準回転角度を補正する必要がある。しかし、インデックスセンサ２５を出力シャフト３に設けるようにすれば、インデックスセンサ２５の出力信号に基づいてステアリングシャフト２の基準回転角度を設定する際に、トーションバー４の捩れ角度にて基準回転角度を補正する必要がない。

本発明に係るステアリングシャフト回転角度検出装置は、ステアリングシャフトの回転角度を基に各種の制御を行う車両に利用することができる。

１００，２００ ステアリングシャフト回転角度検出装置
１０１ パワーステアリング装置
１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３ 出力シャフト
４ トーションバー
７ 入力シャフト
１０ 電動モータ
１１ 減速機
１２ トルクセンサ
１３ コントローラ
２１ リング磁石
２２ 角度センサ
２３ 高分解能センサ
２３ａ 第１高分解能センサ
２３ｂ 第２高分解能センサ
２４ 低分解能センサ
２４ａ 第１低分解能センサ
２４ｂ 第２低分解能センサ
２５ インデックスセンサ

Claims (17)

1. ステアリングホイールの操作に伴って回転するステアリングシャフトの回転角度を検出するステアリングシャフト回転角度検出装置であって、
   ドライバによる前記ステアリングホイールの操舵を補助する電動モータと、
   前記電動モータの回転を前記ステアリングシャフトに減速して伝達する減速機構と、
   前記電動モータの回転軸に取り付けられた回転体と、
   前記回転体の回転に伴い信号を出力する信号出力器と、
   前記信号出力器の出力信号に基づいて前記回転体の回転角度を演算し、当該回転角度と前記減速機構の減速比とに基づいて前記ステアリングシャフトの回転角度を演算するコントローラと、を備えることを特徴とするステアリングシャフト回転角度検出装置。
2. 前記ステアリングシャフトに取り付けられ、前記ステアリングシャフトの基準回転位置を検出する基準回転位置検出器をさらに備え、
   前記コントローラは、前記基準回転位置検出器の出力信号に基づいて前記ステアリングシャフトの基準回転角度を設定すると共に、前記回転体の回転角度と前記減速機構の減速比とに基づいて前記ステアリングシャフトの回転角度変化量を演算し、前記基準回転角度に前記回転角度変化量を加算することによって前記ステアリングシャフトの回転角度を演算することを特徴とする請求項１に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
3. 前記基準回転位置検出器は、前記ステアリングシャフトが１回転する毎に１パルスの信号を出力し、
   前記コントローラは、前記基準回転位置検出器が出力する前記ステアリングシャフトの中立位置から１つ目のパルス信号の受信に基づいて当該パルス信号に対応する予め設定された基準回転角度を前記ステアリングシャフトの基準回転角度として設定することを特徴とする請求項２に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
4. 前記コントローラは、前記基準回転位置検出器が出力する前記ステアリングシャフトの中立位置から１つ目のパルス信号を受信した際には、前記演算された前記ステアリングシャフトの回転角度と前記予め設定された基準回転角度との偏差が予め設定された許容値以上の場合には、前記基準回転位置検出器の出力信号に基づいて前記ステアリングシャフトの基準回転角度の再設定を行うことを特徴とする請求項３に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
5. 前記基準回転位置検出器は、前記ステアリングシャフトが１回転する毎に１パルスの信号を出力し、
   前記コントローラは、前記ステアリングシャフトの回転角度の情報を喪失した場合には、前記基準回転位置検出器が出力する前記ステアリングシャフトの中立位置から１つ目のパルス信号の受信に基づいて当該パルス信号に対応する予め設定された基準回転角度を不揮発性記憶部から読み込み、前記ステアリングシャフトの基準回転角度として設定することを特徴とする請求項２に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
6. 前記信号出力器は、分解能が相対的に高い高分解能出力器と、分解能が相対的に低い低分解能出力器と、を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
7. 前記高分解能出力器は車両のイグニッションスイッチがオンのときに動作し、前記低分解能出力器は車両のイグニッションスイッチがオフのときに動作するように切り換えられることを特徴とする請求項６に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
8. 前記回転体は、回転方向に着磁されたリング磁石であり、
   前記高分解能出力器は、前記回転体の回転に応じて９０度位相のずれた複数周期の正弦波信号を出力する２つの出力器からなり、
   前記コントローラは、前記高分解能出力器の出力信号と前記電動モータの電気角との関係が規定されたテーブルに基づいて電気角の変化量を演算し、前記変化量から前記回転体の回転角度を演算することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
9. 前記低分解能出力器は、前記回転体の回転に応じて所定電気角毎に出力変化があるようにパルス信号を出力する２つの出力器からなり、
   前記コントローラは、前記低分解能出力器が出力するパルス信号の変化に基づいて、前記電動モータの電気角が前記所定電気角毎に区切られた複数のセクションのうちどこのセクション内にあるかを判定することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一つに記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
10. 車両のイグニッションスイッチがオフのときには、前記コントローラは、前記低分解能出力器が出力するパルス信号の変化の数をカウントして記憶することのみを行う待機状態となり、
    車両のイグニッションスイッチがオンになったときには、前記コントローラは、記憶されたパルス信号の変化の数から前記電動モータの電気角が前記所定電気角毎に区切られた複数のセクションのうちどこのセクション内にあるかを判定することを特徴とする請求項９に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
11. 車両のイグニッションスイッチがオフのときには、前記低分解能出力器は前記電動モータの回転の検出を行う一方、前記コントローラは停止状態となり、
    前記低分解能出力器が前記電動モータの回転を検出するのに基づいて、前記コントローラは、前記待機状態となることを特徴とする請求項１０に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
12. 車両のイグニッションスイッチがオフのときには、前記低分解能出力器は前記電動モータの回転の検出を行う一方、前記コントローラは停止状態となり、
    前記低分解能出力器が前記電動モータの回転を検出するのに基づいて、前記低分解能出力器から前記高分解能出力器への検出に切り換えられることを特徴とする請求項６に記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
13. 前記コントローラは、車速が所定速度以上である場合において、前記ステアリングシャフトに作用する操舵トルクが所定値以下で、かつ前記信号出力器の出力信号に基づいて演算された前記回転体の回転角度の変化量が所定値以下である場合に、前記ステアリングシャフトが中立位置であると判定することを特徴とする請求項３から請求項１２のいずれか一つに記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
14. 前記コントローラは、前記基準回転位置検出器が出力するパルス信号の中央位置のときに、前記予め設定された基準回転角度を前記ステアリングシャフトの基準回転角度として設定することを特徴とする請求項３から請求項１３のいずれか一つに記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
15. 前記ステアリングシャフトは、前記ステアリングホイールの操作に伴って回転する入力シャフトと、トーションバーを介して前記入力シャフトと接続されラック軸に連係する出力シャフトと、を備え、
    前記電動モータの回転は前記減速機構を介して前記出力シャフトに伝達され、
    前記基準回転位置検出器は前記入力シャフトに取り付けられ、
    前記コントローラは、前記ステアリングシャフトのうち前記入力シャフトの回転角度を演算する場合には、前記回転体の回転角度と前記減速機構の減速比とに基づいて前記ステアリングシャフトの回転角度変化量を演算する際に前記回転角度変化量を前記トーションバーの捩れ角度にて補正することを特徴とする請求項２から請求項１４のいずれか一つに記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
16. 前記ステアリングシャフトは、前記ステアリングホイールの操作に伴って回転する入力シャフトと、トーションバーを介して前記入力シャフトと接続されラック軸に連係する出力シャフトと、を備え、
    前記電動モータの回転は前記減速機構を介して前記出力シャフトに伝達され、
    前記基準回転位置検出器は前記出力シャフトに取り付けられ、
    前記コントローラは、前記ステアリングシャフトのうち前記入力シャフトの回転角度を演算する場合には、前記回転体の回転角度と前記減速機構の減速比とに基づいて前記ステアリングシャフトの回転角度変化量を演算する際に前記回転角度変化量を前記トーションバーの捩れ角度にて補正し、かつ前記基準回転位置検出器の出力信号に基づいて前記ステアリングシャフトの基準回転角度を設定する際に前記基準回転角度を前記トーションバーの捩れ角度にて補正することを特徴とする請求項２から請求項１４のいずれか一つに記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。
17. 前記ステアリングシャフトは、前記ステアリングホイールの操作に伴って回転する入力シャフトと、トーションバーを介して前記入力シャフトと接続されラック軸に連係する出力シャフトと、を備え、
    前記電動モータの回転は前記減速機構を介して前記出力シャフトに伝達され、
    前記基準回転位置検出器は前記入力シャフトに取り付けられ、
    前記コントローラは、前記ステアリングシャフトのうち前記出力シャフトの回転角度を演算する場合には、前記基準回転位置検出器の出力信号に基づいて前記ステアリングシャフトの基準回転角度を設定する際に前記基準回転角度を前記トーションバーの捩れ角度にて補正することを特徴とする請求項２から請求項１４のいずれか一つに記載のステアリングシャフト回転角度検出装置。

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