JP4003598B2 - 操舵角検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車のステアリング装置の操舵部材の操舵角を検出するための、操舵角検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリング装置には、操舵角検出装置として回転角検出センサが設けられているものがある。通例、回転角検出センサの測定範囲は１回転（３６０°）以内である。一方で、操舵部材の回転角度範囲は、通例、複数回転の範囲に及ぶ。上述のような回転角検出センサを用いて、多回転の回転範囲となる操舵部材の絶対回転角を検出する回転角検出装置が提供されている。
【０００３】
例えば、従来の回転角検出装置には、多回転体を取り囲む大径歯車に、相異なる歯数を持つ一対の小径歯車を噛み合わせ、各小径歯車の回転角を対応する回転角検出センサにより検出することで、小径歯車間の位相差に基づいて、絶対回転角を検出するものがある（例えば、特許文献１，２参照。）。
一方、ステアリング装置には、車輪の転舵角を検出するために、舵取り機構のラック軸にポテンショメータを設けてあるものもある（例えば、特許文献３，４参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特表平１１−５００８２８号公報
【特許文献２】
特表２００１−５０５６６７号公報
【特許文献３】
特開平１１−４３０６６号公報
【特許文献４】
特開２００１−１９１９３７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１，２の回転角検出装置では、２個の回転角検出センサがともに操舵部材に設けられるので、センサのレイアウトの自由度が低くなっていた。
そこで、本発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、センサのレイアウトの自由度が高く、操舵部材の回転角を高精度で検出できるステアリング装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１に記載の発明は、車両の操舵部材の回転角を検出するための回転角センサと、操舵部材とは連動回転するピニオンに噛み合うラックが形成された転舵軸に生ずる径方向の撓み量を、操舵部材の回転角に応じてラックおよびピニオンの噛み合いの変化によって転舵軸に生ずる周期的な変動量として検出する変動検出センサと、回転角センサおよび変動検出センサの検出信号に基づいて操舵部材の絶対回転角を演算する絶対角演算部とを備え、上記絶対角演算部は、回転角センサおよび変動検出センサの検出信号の双方がともに増加傾向である場合、および上記双方がともに減少傾向である場合は、第１の演算式を用い、回転角センサおよび変動検出センサのいずれか一方の検出信号が増加傾向であって且つ他方の検出信号が減少傾向である場合は、第２の演算式を用いて、回転角センサの検出信号から得られた検出回転角が何周期目の角度区間にあるかを特定するための段階値を求め、求められた段階値により特定された角度区間に対応する基準回転角と回転角センサの検出信号から得られた検出回転角とに基づいて上記絶対回転角を演算することを特徴とする。
この発明によれば、操舵部材の回転に伴って回転角センサにより検出される検出信号は、周期的に変動し、どの周期内での信号であるかを、変動検出センサの検出信号を用いて検出して、操舵部材の絶対回転角を精度良く検出することができる。また、変動検出センサは、転舵軸の近傍に配置できるので、センサのレイアウトの自由度が高まる。
【０００７】
具体的には、ピニオンはラックを押し、これに伴い、転舵軸には撓みが生じる。このときの撓み量は、ピニオンの回転に伴うピニオンとラックとの歯同士の噛み合いによって転舵軸の径方向に生じる変位量であって、周期的に変動し、この撓み量の変動を検出して、絶対回転角の検出に利用することができる。
【０００８】
また、操舵部材が多回転すると、回転角センサが高精度ではあるが操舵部材の回転角に応じて周期的に反復する検出信号を出力する。この回転角センサの検出信号がどの周期内での検出信号であるかを、上述の段階値により特定することができる。また、段階値を求める演算式は、例えば、回転角センサおよび変動検出センサの検出信号同士の差を求めるといった簡単なものにでき、信号処理を簡素化できる。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、上記絶対角演算部は、上記第１の演算式として下記式１を用いて、上記段階値を求め、上記第２の演算式として下記式２を用いて、上記段階値を求めることを特徴とする。
Ｎ＝（ＤＡ−ＤＢ） ……式１
Ｎ＝（ＤＡ＋ＤＢ−Ｗ２） ……式２
ここで、Ｎは段階値であり、ＤＡは回転角センサの検出回転角であり、ＤＢは変動検出センサの検出回転角であり、Ｗ２は変動検出センサの周期である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の操舵角検出装置を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施形態の操舵角検出装置の概略構成を示す模式図であり、本操舵角検出装置が適用される車両のステアリング装置も図示されている。
図１を参照して、ステアリング装置１は、車輪２を操向するためのステアリングホイール３の動きを伝達する操舵部材としてのステアリングシャフト４と、ステアリングシャフト４を内部に通して回転自在に支持するステアリングコラム５とを有する。ステアリングシャフト４の一方の端部６にステアリングホイール３が連結され、他方の端部７にインターミディエイトシャフト８等を介して車輪２を操向するための舵取り機構９が連結される。
【００１０】
舵取り機構９は、ステアリングシャフト４と連動して回動するピニオン１１と、このピニオン１１と噛み合うラック１２が軸方向の中間部に形成された転舵軸１３と、ピニオン１１を回動自在に支持するハウジング１４と、ハウジング１４に支持され転舵軸１３の両端部の近傍部分をその軸方向に摺動自在に支持する軸受部材としての環状のブッシュ１５とを有している。転舵軸１３の軸方向の両端部には、タイロッド１６等を介して、車輪２が連結されている。ステアリングホイール３が回されると、ステアリングシャフト４、ピニオン１１等が回動し、転舵軸１３が軸方向に移動し、車輪２を操向することができる。
【００１１】
また、ステアリング装置１は、電動パワーステアリング装置として構成され、ステアリングシャフト４にかかるトルクを検出するためのトルクセンサ１９と、このトルクセンサ１９からの信号や車速信号等に基づいて操舵補助力を発生させる電動モータ２０と、この電動モータ２０からの回転力を減速してステアリングシャフト４に伝達する減速機２１とを有している。トルクセンサ１９、電動モータ２０、および減速機２１は、ステアリングコラム５の一部となるハウジング２２に支持される。電動モータ２０には、回転を制御するための回転角センサ２３が設けられている。この回転角センサ２３は、例えば、レゾルバからなり、電動モータ２０に支持され電動モータ２０の回転軸の回転角を検出する。電動モータ２０は、減速機２１を介してステアリングシャフト４と動力伝達可能に連結されている。トルクセンサ１９により検出されたトルク、車速等に応じて電動モータ２０を回転させて、操舵操作に伴い生じる操舵抵抗に見合った操舵補助力を得られるようになっている。操舵補助力はステアリングシャフト４を介して舵取り機構９へ伝達される。
【００１２】
本操舵角検出装置３０は、ステアリングシャフト４の回転角を検出するための回転角センサ３１と、ステアリングシャフト４の回転に応じて転舵軸１３に生じる周期的な変動量、例えば、本実施形態では撓み量を検出するための第１の変動検出センサ３２と、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号に基づいてステアリングシャフト４の絶対回転角を演算する絶対角演算部３３とを備える。
【００１３】
本操舵角検出装置３０は、図２に示すように、ステアリングシャフト４の回転角を回転角センサ３１に伝達するための伝達機構として、ステアリングシャフト４の周囲に同軸上に配置されステアリングシャフト４と一体回転する第１の歯車３５と、この第１の歯車３５に噛み合う第２の歯車３６とを有する。第２の歯車３６は、ステアリングコラム５に取り付けられる支持部材３７に回動自在に支持される。第１および第２の歯車３５，３６は平歯車からなる。第１および第２の歯車３５，３６のギヤ比は、例えば、１８：１９に設定される。ここで、ギヤ比の値またはその逆数は、非整数値とするのが好ましく、これにより、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号同士の組合せを、ステアリングシャフト４の回転角に対して一義的に決めることができるので、絶対回転角を検出するのに好ましい。
【００１４】
回転角センサ３１は、互いに相対変位する固定部３９と可動部４０とを有する。回転角センサ３１は、例えば、磁気式の回転角センサであり、固定部３９は、例えば、磁気抵抗素子を含むセンサ本体からなり、可動部４０は、例えば、磁石からなる。回転角センサ３１の可動部４０は、第２の歯車３６の端面に一体回転可能に固定される。固定部３９は可動部４０の近傍に対向して配置され、支持部材４１を介してステアリングコラム５に固定される。
【００１５】
回転角センサ３１の検出信号は、固定部３９と可動部４０との相対位置に応じて変化するようになっており、第２の歯車３６の所定回転角（例えば、１８０°）ごとに周期的に変化する。第１および第２の歯車３５，３６を介することにより、回転角センサ３１の検出信号は、図５Ｂに示すように、ステアリングシャフト４の第１の所定回転角Ｗ１、例えば、１９０°ごとに周期的に変動する。各周期内において、回転角センサ３１の検出信号は、ステアリングシャフト４の一方の向き（例えば、右回り）の回転角変化に対して直線状に単調増加する。
【００１６】
第１の変動検出センサ３２は、図３に示すように、互いに相対変位する固定部４３と可動部４４とを有する。第１の変動検出センサ３２は、例えば、磁気式の変位センサであり、固定部４３は、例えば、磁気抵抗素子を含むセンサ本体からなり、ハウジング１４に支持される。ハウジング１４は、支持部材４５を介して磁石４６を支持し、可動部４４と対向する側となる磁石４６の面に、固定部４３が取り付けられる。可動部４４は、例えば、転舵軸１３に設けられた被検出部としての被検出面からなる。この被検出面は、転舵軸１３の軸方向に平行に真直に延びる平坦面からなり、転舵軸１３のストローク量に対応する長さで、ピニオン１１の回転軸線と平行に、例えば、ラック１２以外となる転舵軸１３の部分に形成される。
【００１７】
転舵軸１３は、がたつきを防止するため、ピニオン１１と反対側の面（背面）を、図示しない支持部材を介してばね等の弾性部材によりピニオン１１に向けて付勢されている。その結果、転舵軸１３とピニオン１１とは押圧状態にあり、転舵軸１３には、ピニオン１１から遠ざかる方向に撓みが生じる。このときの撓み量は、ピニオン１１の回転に伴い周期的に変動する。具体的には、ピニオン１１とラック１２との対応する歯同士が順次に噛み合うごとに、撓み量が変動する。これに伴い、第１の変動検出センサ３２の可動部４４と固定部４３とが相対変位し、その間の隙間量４７が変化する結果、固定部４３からの検出信号が変化する。この検出信号の変化から、可動部４４の相対変位量、例えば、本実施形態ではピニオン１１とラック１２とが並ぶ方向に平行となる転舵軸１３の径方向（矢印Ｒ参照）に沿う撓み量を検出することができる。撓み量の変動を検出することにより、絶対回転角の検出に利用できる。
【００１８】
第１の変動検出センサ３２の検出信号は、転舵軸１３の径方向Ｒ（図３参照）の撓みに応じた信号であり、図５Ａに示すように、ピニオン１１の１ピッチに対応する回転角度ごとに、また、ステアリングシャフト４の第２の所定回転角Ｗ２ごとに周期的に変動する。各周期内において、第１の変動検出センサ３２の検出信号は、ステアリングシャフト４の一方の向き（例えば右回り）の回転角変化に対して略直線状に増加した後、略直線状に減少する。第１の変動検出センサ３２の検出信号は、増加する場合と減少する場合とで、回転角変化に対する傾きの絶対値が等しく且つ符号が逆になっている。第１の変動検出センサ３２の検出信号は、最大値を挟んで、一方の向きの回転角変化に対する増加する場合のグラフと減少する場合のグラフとがつながり、これら２つのグラフは上述の最大値を通る対称軸（図５ＡのＴＪ参照）に対して対称形となっている。
【００１９】
第２の所定回転角Ｗ２は、例えば、ステアリングシャフト４とピニオン１１とが一体回転する場合、ピニオン１１の１ピッチに対応する回転角と等しくなり、ピニオン１１が５枚歯の場合には７２°となる。
ステアリングシャフト４が多回転すると、回転角センサ３１が高精度ではあるがステアリングシャフト４の回転角に応じて周期的に反復する検出信号（図５Ｂ参照）を出力する。しかし、この検出信号は、反復するので、どの周期の信号か、すなわち、第１の所定回転角Ｗ１の幅の複数の角度区間のうちのどの角度区間の信号かが判らない。絶対角演算部３３により、ステアリングシャフト４の回転に伴って回転角センサ３１により検出される検出信号が、どの周期内での信号であるかを、第１の変動検出センサ３２の検出信号（図５Ａ参照）を用いて検出し、ステアリングシャフト４の絶対回転角を精度良く検出することができる。
【００２０】
絶対角演算部３３は、例えば、マイクロコンピュータ等を含む信号処理用の電気回路により構成される。絶対角演算部３３には、回転角センサ３１からの検出信号および第１の変動検出センサ３２からの検出信号が入力される。絶対角演算部３３では、予め記憶されたプログラムに基づいて、ステアリングシャフト４の絶対回転角を演算する以下の信号処理が実行される。
図４のフローチャートおよび図５のグラフ図を参照し、絶対角演算部３３による信号処理を説明する。
【００２１】
イグニッションキースイッチが操作される等の所定の開始操作に応答して、信号処理が開始される（ステップＳ１）。
先ず、回転角センサ３１による回転角の検出と、第１の変動検出センサ３２による撓み量の検出とが同時に行われる。そして、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２から検出信号を読み込む（ステップＳ２）。読み込まれた検出信号はメモリに記憶される。
【００２２】
所定時間の経過後（ステップＳ３）に、再度、ステップＳ２と同様に、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２により検出を行い、これらから検出信号を読み込む（ステップＳ４）。
前回の読み込み操作、例えば、ステップＳ２の操作により読み込まれて記憶されている検出信号および今回のステップＳ４で読み込んだ検出信号とを比較して、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号の変動の傾向の組合せが同じか異なるかを判断する（ステップＳ５）。すなわち、回転角センサ３１の検出信号について、記憶された前回の値よりも新たに読み込んだ今回の値が大きく、増加傾向にあり、且つ第１の変動検出センサ３２の検出信号について、記憶された前回の値よりも読み込まれた今回の値が大きく、増加傾向にある場合には、両センサ３１，３２の検出信号の変動の傾向の組合せは同じと判る。また、回転角センサ３１の検出信号が減少傾向にあり、且つ第１の変動検出センサ３２の検出信号が減少傾向にある場合にも、両センサ３１，３２の検出信号の変動の傾向の組合せは同じと判る。また、回転角センサ３１の検出信号が減少傾向にあり且つ第１の変動検出センサ３２の検出信号が増加傾向にある場合や、逆に、回転角センサ３１の検出信号が増加傾向にあり且つ第１の変動検出センサ３２が減少傾向にある場合には、両センサ３１，３２の検出信号の変動の傾向の組合せは異なると判る。
【００２３】
絶対角演算部３３は、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号の変動の傾向の組合せに応じた第１および第２の演算式を用いて、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号から、回転角センサ３１の検出信号が何周期目にあるかを特定するための段階値Ｎを求める（ステップＳ６，７，８）。
すなわち、傾向の組合せが同じ場合（ステップＳ６でＹＥＳ）には、第１の演算式を用いる（ステップＳ７）。第１の演算式は、
Ｎ＝ＤＡ−ＤＢ
である。ここで、Ｎは、段階値である。ＤＡは、回転角センサ３１の検出回転角である。ＤＢは、第１の変動検出センサ３２の検出回転角である。また、検出回転角ＤＡ，ＤＢは、ステップＳ４で読み込んだ対応する検出信号から求められ、各センサ３１，３２からの検出信号を、ステアリングシャフト４の回転角のスケールに合わせたものであり、図５Ｃに実線ＤＡと破線ＤＢで示すようになる。検出回転角ＤＡ，ＤＢでは、ステアリングシャフト４の回転角の変化に対する変化量は、ステアリングシャフト４の回転角の変化量と等しくなる。検出回転角ＤＡは、０°から第１の所定回転角Ｗ１までの間の値を変化する。検出回転角ＤＢは、０°から第２の所定回転角Ｗ２の半分の値までの間の値を変化する。また、検出回転角ＤＡ，ＤＢは、上述の各センサ３１，３２からの検出信号の特徴をも同様に有している。
【００２４】
変動の傾向が同じになるとき、図５Ｃに示す両検出回転角ＤＡ，ＤＢのグラフは重なるかまたは平行となり、段階値Ｎは、第２の所定回転角Ｗ２の幅の角度区間、例えば、区間Ｅ１，Ｅ２ごとに決まる一定値となる。例えば、ステアリングシャフト４の回転角が角度区間Ｅ１にあり、変動の傾向が同じになるとき（例えば、区間Ｅ１の点Ｐ）には、第１の演算式により得られる段階値Ｎは、Ｎ＝Ｎ１となる。同様に、ステアリングシャフト４の回転角が角度区間Ｅ２にあるときには、Ｎ＝Ｎ２となる。このように、ステアリングシャフト４の回転角の角度区間Ｅ１，Ｅ２，…ごとに、段階値Ｎは互いに異なる値Ｎ１，Ｎ２，…を取る。
【００２５】
また、傾向の組合せが異なる場合（ステップＳ６でＮＯ）には、第２の演算式を用いる（ステップＳ８）。第２の演算式は、
Ｎ＝ＤＡ＋ＤＢ−Ｗ２
である。
変動の傾向が異なるとき、両検出回転角ＤＡ，ＤＢのグラフの傾きは正負逆でその絶対値が相等しくなるので、第２の演算式を用いることにより、変動の傾向が同じときと同様にして、段階値Ｎは角度区間内で一定となる。例えば、ステアリングシャフト４の回転角が区間Ｅ１にあり、変動の傾向が異なるとき（区間Ｅ１の点Ｑ参照）には、第２の演算式により得られる段階値Ｎは、Ｎ＝Ｎ１となる。同様に、ステアリングシャフト４の回転角の区間Ｅ１，Ｅ２，…ごとに、段階値Ｎは互いに異なる値Ｎ１，Ｎ２，…を取る。
【００２６】
次に、上述のようにして求められた段階値Ｎから、ステップＳ４で検出した各検出信号が、回転角センサ３１の検出信号の周期的な変動の何周期目にあるかを求める（ステップＳ９）。
例えば、図５Ｂ，図５Ｄに示すように、回転角センサ３１の検出信号のいわゆる周期となる角度の幅Ｗ１の一つの角度区間に対しては、複数の段階値Ｎが対応するが、各段階値Ｎは、ただ一つの角度区間にのみ対応する。例えば、第１の所定回転角Ｗ１の幅となり回転角が値Ａ１から値Ａ２までの間の第１角度区間Ｆ１では、段階値Ｎは、複数、例えば、３つの値Ｎ１，Ｎ２およびＮ３をとる。また、回転角が値Ａ２から値Ａ３までの間の第２角度区間Ｆ２では、段階値Ｎは、複数、例えば、４つの値Ｎ４，Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７をとる。従って、段階値Ｎの値から、この値に対応する角度区間が一義的に決まり、ステップＳ４で検出された回転角センサ３１からの検出信号が、どの角度範囲に対応する信号であるかが判る。段階値Ｎの値と各角度区間との対応付けは、例えば、予め記憶されたデータテーブルに照らし合わせることによりなされる。
【００２７】
次に、上述のように求められた段階値Ｎにより特定されたいわゆる周期、すなわち、角度区間に対応する基準回転角と回転角センサ３１の検出信号から得た検出回転角に基づいて絶対回転角を演算する（ステップＳ１０）。
例えば、ステアリングシャフト４が回転角Ｐのときに絶対回転角を検出する場合を考える。ステップＳ４で検出された検出信号により、変動の傾向が同じと分かり、第１の演算式を用いて、段階値Ｎの値Ｎ１が求まる。これにより、検出された検出信号は、第１角度区間Ｆ１にあることが分かる。この第１角度区間Ｆ１に対応する基準回転角、例えば、角度区間内の最小の回転角である値Ａ１が絶対回転角で求められる。求められた基準回転角（例えばＡ１）と、回転角センサ３１の検出された検出信号から得る検出回転角（例えば値Ｐ）、との和から、絶対回転角が求められる。そして、次の処理のために、ステップＳ４で読み込まれた検出信号はメモリに記憶される。
【００２８】
以後、イグニッションキースイッチの操作等の所定の終了操作がなされるまで、所定時間ごとに上述のステップＳ４〜ステップＳ１０までの処理が繰り返し行われる。この際、ステップＳ５では、前回の検出信号として、ステップＳ２で読み込まれて記憶されている検出信号に代えて、上述のステップＳ１０で記憶された検出信号を用いる。
このように、周期的に反復する回転角センサ３１の検出信号がどの周期内での検出信号であるかを、上述の段階値Ｎにより特定することができる。従って、ステアリングシャフト４の絶対回転角を精度良く検出することができる。
【００２９】
また、段階値Ｎを求める演算式は、例えば、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号から得る検出回転角同士の差を求めるといった簡単なものにでき、信号処理を簡素化できる。
また、回転角センサ３１の検出信号のいわゆる周期となる第１の所定回転角Ｗ１と、第１の変動検出センサ３２の検出信号のいわゆる周期となる第２の所定回転角Ｗ２との最小公倍数が、ステアリングシャフト４の操作可能範囲を示す角度よりも大きくなるように、第１および第２の所定回転角Ｗ１，Ｗ２が互いに異なって設定される。これにより、ステアリングシャフト４の操作範囲内では、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号同士の組合せを、ステアリングシャフト４の回転角に対して一義的に決めることができるので、絶対回転角を検出するのに好ましい。
【００３０】
なお、回転角センサ３１は、減速機構等の上述の伝達機構を介してステアリングシャフト４の回転角を検出するものに限定されず、要は、ステアリングホイール３と連動して回動する操舵部材、例えば、ステアリングシャフト４、インターミディエイトシャフト８、ピニオン１１等の回転角を直接にまたは間接に検出するものであればよい。例えば、上述の第１の実施形態の回転角センサ３１に代えて、電動モータ２０用の回転角センサ２３、および後述する第２の変動検出センサ５０の何れかを用いることができる。
【００３１】
図６に示す本発明の第２の実施形態の操舵角検出装置３０では、電動モータ２０用の回転角センサ２３と、第１の変動検出センサ３２と、絶対角演算部３３とを用いている。また、図７に示す参考例としての操舵角検出装置３０では、第２の変動検出センサ５０と、第３の変動検出センサ５１と、絶対角演算部３３とを用いている。なお、以下の説明では、上記実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略して同じ符号を付しておく。
【００３２】
回転角センサ２３は、図６に示すように、操舵補助用の電動モータ２０の回転軸の回転制御用のもので、操舵補助用の減速機２１を介して、ステアリングシャフト４の回転角を検知することができる。回転角センサ２３の検出信号は周期的に変動し、例えば、電動モータ２０の回転軸が所定角度、例えば、１８０°回転するごとに周期的に変動する。この角度に減速機２１を介して対応するステアリングシャフト４の回転角ごとに回転角センサ２３の検出信号は変動し、変動の周期以外の点では回転角センサ３１の検出信号と同様である。
【００３３】
電動モータ２０の回転制御用に通例設けられる回転角センサ２３を、絶対回転角の検出のために兼用できるので、第２の実施形態では、ステアリング装置１としての構造を簡素化できる。また、操舵補助用の減速機２１の減速比を適宜設定することにより、上述の第１および第２の歯車３５，３６のギヤ比の値を非整数値とすることによる効果を同様に得ることもできる。
第２の変動検出センサ５０は、図７および図８に示すように、第１の変動検出センサ３２の固定部４３と同様の固定部５４と、この固定部５４に対向して設けられる可動部５５とを有する。可動部５５は、転舵軸１３に設けられた被検出部としての被検出面からなり、この被検出面は、転舵軸１３の軸方向に対して一方の向きに直線状に傾斜する複数の傾斜面（一つの面を実線で他の面を一点鎖線で図示）にて構成されている。これら傾斜面は、図８に示すように転舵軸１３に凸状に設けられてもよいし、図９に示すように凹状に設けられてもよい。ステアリングシャフト４が回り、転舵軸１３が軸方向に移動すると、可動部５５の被検出面と固定部５４との間隔が変化する。この間隔の変化が、第２の変動検出センサ５０により検出される。転舵軸１３の軸方向に沿って測る可動部５５のひとつの傾斜面の長さに相当する距離を転舵軸１３が移動するごとに、第２の変動検出センサ５０の検出信号は周期的に変動する。変動の周期以外の点では、第２の変動検出センサ５０の検出信号は、回転角センサ３１の検出信号と同様のものである。
【００３４】
また、第２の変動検出センサ５０を、転舵軸１３の端部近傍に配置し、その固定部５４を、図１０および図１１に示す保持部材６０により保持してもよい。
保持部材６０は、環状のブッシュ１５の内周６１と、転舵軸１３の断面異形部との間に収容され、内周６１と転舵軸１３の一対の摺動部６２との間に挟持される。転舵軸１３の断面異形部は、断面略３角形形状の第１半部６３と、断面略半円状の第２半部６４とを有している。第２半部６４は、ブッシュ１５の内周６１に摺動自在に沿う摺動部としての外周面６５を有する。第１半部６３は、上述の摺動部６２を有し、この摺動部６２は、ブッシュ１５の内周６１との間に距離を開けて配置され軸方向に延びる平坦な一対の平面を含む。ブッシュ１５には、内周６１と外周６７とを挿通する挿通孔６８が形成され、この挿通孔６８を通して第２の変動検出センサ５０の固定部５４を保持部材６０に取り付けてある。
【００３５】
保持部材６０は、ブッシュ１５の内周６１に接する断面円弧形状の第１の当接部７１を有する。第１の当接部７１は、ブッシュ１５により転舵軸１３の軸方向についての転舵軸１３に対する移動を規制される。また、保持部材６０は、転舵軸１３に設けられる一対の摺動部６２に軸方向に摺動自在に接する第２の当接部７２と、転舵軸１３の軸方向と交差する方向について転舵軸１３と第２の変動検出センサ５０の固定部５４との相対移動を規制するように第２の変動検出センサ５０の固定部５４を保持する保持部としての取付孔７３とを有している。取付孔７３は、第２の変動検出センサ５０の可動部５５に対向して形成され、第２の変動検出センサ５０の固定部５４を位置決めする。
【００３６】
保持部材６０は、ブッシュ１５の内周６１と転舵軸１３の摺動部６２との間に介在することにより、転舵軸１３に対して接近および離反する向きの第２の変動検出センサ５０の固定部５４の変位を防止して、仮に転舵軸１３が径方向に変位してもこの変位に固定部５４が追従できるようにし、第２の変動検出センサ５０の固定部５４と転舵軸１３とを高精度に位置決めできる。また、転舵軸１３は、ブッシュ１５により転舵軸１３の軸方向と直交する方向の変位を規制されるので、絶対回転角の検出のための転舵軸１３における可動部５５の変動を検出するのに好ましい。
【００３７】
保持部材６０は、転舵軸１３の断面異形部と接することにより、転舵軸１３の軸線の回りの転舵軸１３と第２の変動検出センサ５０の固定部５４との相対回動を規制し、第２の変動検出センサ５０の固定部５４と転舵軸１３とをより一層高精度に位置決めできる。
第２の変動検出センサ５０では、ラック１２とピニオン１１とが並ぶ方向と直交する方向に沿って、第２の変動検出センサ５０の固定部５４と可動部５５とが並んで配置されることが好ましい。これにより、ピニオン１１との噛み合いに伴う転舵軸１３の撓みの影響を検出信号が受け難くすることができ、より一層高精度な検出ができる。
【００３８】
図７および図８を参照する。第３の変動検出センサ５１は、第１の変動検出センサ３２の固定部４３と同様の固定部７５と、この固定部７５に対向して設けられる可動部７６とを有する。可動部７６は、被検出部としてのラック１２からなり、傾きが交互に逆になる複数の傾斜面（ラック歯の歯面となる）を含み、傾きが互いに逆の傾斜面が転舵軸１３の移動方向に沿って交互に並ぶ断面波形となる。固定部７５は、ラック１２の歯の頂部と対向して配置される。第３の変動検出センサ５１は、ラック１２の歯と固定部７５との間隔の変化を検出する。ラック１２の歯のピッチに相当する距離を転舵軸１３が軸方向に移動するごとに、第３の変動検出センサ５１の検出信号は周期的に変動する。変動の周期以外の点では第３の変動検出センサ５１の検出信号は第１の変動検出センサ３２の検出信号と同様のものである。第３の変動検出センサ５１では、可動部７６にラック１２を利用できるので、可動部７６を別途設けずにすむ。
【００３９】
このように本発明の実施形態および参考例によれば、舵取り機構９に設けた上述のセンサ３２，５０，５１を利用して、ステアリングシャフト４の絶対回転角を高精度に検出できる。
また、第１、第２および第３の変動検出センサ３２，５０，５１は、転舵軸１３の近傍に配置できるので、各センサ３２，５０，５１のレイアウトがステアリングシャフト４のレイアウトに規制されずに済み、各センサ３２，５０，５１のレイアウトの自由度が高まる。また、各センサ３２，５０，５１の組み付けの自由度を高くできる。
【００４０】
また、上述の各センサ３１，３２，５０，５１は安価に構成できる。
また、第１および第２の歯車３５，３６の減速比を適宜調節することにより、絶対回転角の検出可能な角度範囲を調節できる。
なお、上述の各回転角センサ３１，２３および各変動検出センサ３２，５０，５１は、上述のものに限定されない。例えば、ホールセンサを用いた磁気式や光電式のセンサ、ポテンショメータ等の公知の回転角センサおよび変位センサを利用できる。また、回転角センサとしては、可動部と固定部との相対変位量を検出するインクリメンタルタイプでもよいし、可動部と固定部との絶対位置変化を検出するアブソリュートタイプでもよいが、後者が好ましい。
【００４１】
なお、絶対角演算部３３での絶対回転角を求めるための信号処理として回転角センサ３１の検出信号に基づいて絶対回転角を求める例を説明したが、第１の変動検出センサ３２の検出信号に基づいて絶対回転角を求めてもよい。
また、本操舵角検出装置３０は、コラムタイプの電動パワーステアリング装置１に限らず、他のタイプのパワーステアリング装置や、操舵補助力を得られないマニアルタイプのステアリング装置に適用してもよい。その他、本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の操舵角検出装置と、これを適用したパワーステアリング装置の概略構成を示す模式図。
【図２】図１に示す操舵角検出装置の回転角センサとこれに関連するステアリング装置の部分を示す一部断面正面図。
【図３】図１に示す操舵角検出装置の変動検出センサとこれに関連するステアリング装置の部分を示す一部断面図。
【図４】図１に示す操舵角検出装置の絶対角演算部での信号処理のフローチャート。
【図５】図５は、図１に示す操舵角検出装置の絶対角演算部で扱う信号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図である。図５Ａは、第１の変動検出センサの検出信号とステアリングシャフトの回転角との関係を示し、横軸にステアリングシャフトの回転角を、縦軸に検出信号の強さをとる。図５Ｂは、回転角センサの検出信号とステアリングシャフトの回転角との関係を示し、横軸にステアリングシャフトの回転角を、縦軸に検出信号の強さをとる。図５Ｃは、第１の変動検出センサおよび回転角センサの検出信号を絶対角演算部で処理して得られた２つの検出回転角と、ステアリングシャフトの回転角との関係を示し、横軸にステアリングシャフトの回転角を、縦軸に２つセンサの検出回転角をとる。図５Ｄは、段階値とステアリングシャフトの回転角との関係を示し、横軸にステアリングシャフトの回転角を、縦軸に段階値をとる。
【図６】本発明の第２の実施形態の操舵角検出装置と、これを適用したパワーステアリング装置の概略構成を示す模式図。
【図７】 参考例としての操舵角検出装置を適用したパワーステアリング装置の概略構成を示す模式図。
【図８】図７に示す操舵角検出装置の第２の変動検出センサおよび第３の変動検出センサの概略構成を示す模式図である。
【図９】図８に示す操舵角検出装置の変形例を示す模式図。
【図１０】図８と異なるレイアウトとする場合の操舵角検出装置の第２の変動検出センサ、ブッシュ、保持部材および転舵軸の断面図。
【図１１】図１０に示す第２の変動検出センサ、ブッシュ、保持部材および転舵軸の分解斜視図。
【符号の説明】
４ ステアリングシャフト（操舵部材）
１１ ピニオン
１２ ラック
１３ 転舵軸
２３ 回転角センサ
３０ 操舵角検出装置
３１ 回転角センサ
３２ 第１の変動検出センサ
３３ 絶対角演算部
Ａ１，Ａ２，Ａ３，… 回転角（周期に対応する基準回転角）
Ｎ 段階値
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車のステアリング装置の操舵部材の操舵角を検出するための、操舵角検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリング装置には、操舵角検出装置として回転角検出センサが設けられているものがある。通例、回転角検出センサの測定範囲は１回転（３６０°）以内である。一方で、操舵部材の回転角度範囲は、通例、複数回転の範囲に及ぶ。上述のような回転角検出センサを用いて、多回転の回転範囲となる操舵部材の絶対回転角を検出する回転角検出装置が提供されている。
【０００３】
例えば、従来の回転角検出装置には、多回転体を取り囲む大径歯車に、相異なる歯数を持つ一対の小径歯車を噛み合わせ、各小径歯車の回転角を対応する回転角検出センサにより検出することで、小径歯車間の位相差に基づいて、絶対回転角を検出するものがある（例えば、特許文献１，２参照。）。
一方、ステアリング装置には、車輪の転舵角を検出するために、舵取り機構のラック軸にポテンショメータを設けてあるものもある（例えば、特許文献３，４参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特表平１１−５００８２８号公報
【特許文献２】
特表２００１−５０５６６７号公報
【特許文献３】
特開平１１−４３０６６号公報
【特許文献４】
特開２００１−１９１９３７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１，２の回転角検出装置では、２個の回転角検出センサがともに操舵部材に設けられるので、センサのレイアウトの自由度が低くなっていた。
そこで、本発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、センサのレイアウトの自由度が高く、操舵部材の回転角を高精度で検出できるステアリング装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１に記載の発明は、車両の操舵部材の回転角を検出するための回転角センサと、操舵部材とは連動回転するピニオンに噛み合うラックが形成された転舵軸に生ずる径方向の撓み量を、操舵部材の回転角に応じてラックおよびピニオンの噛み合いの変化によって転舵軸に生ずる周期的な変動量として検出する変動検出センサと、回転角センサおよび変動検出センサの検出信号に基づいて操舵部材の絶対回転角を演算する絶対角演算部とを備え、上記絶対角演算部は、回転角センサおよび変動検出センサの検出信号の双方がともに増加傾向である場合、および上記双方がともに減少傾向である場合は、第１の演算式を用い、回転角センサおよび変動検出センサのいずれか一方の検出信号が増加傾向であって且つ他方の検出信号が減少傾向である場合は、第２の演算式を用いて、回転角センサの検出信号から得られた検出回転角が何周期目の角度区間にあるかを特定するための段階値を求め、求められた段階値により特定された角度区間に対応する基準回転角と回転角センサの検出信号から得られた検出回転角とに基づいて上記絶対回転角を演算することを特徴とする。
この発明によれば、操舵部材の回転に伴って回転角センサにより検出される検出信号は、周期的に変動し、どの周期内での信号であるかを、変動検出センサの検出信号を用いて検出して、操舵部材の絶対回転角を精度良く検出することができる。また、変動検出センサは、転舵軸の近傍に配置できるので、センサのレイアウトの自由度が高まる。
【０００７】
具体的には、ピニオンはラックを押し、これに伴い、転舵軸には撓みが生じる。このときの撓み量は、ピニオンの回転に伴うピニオンとラックとの歯同士の噛み合いによって転舵軸の径方向に生じる変位量であって、周期的に変動し、この撓み量の変動を検出して、絶対回転角の検出に利用することができる。
【０００８】
また、操舵部材が多回転すると、回転角センサが高精度ではあるが操舵部材の回転角に応じて周期的に反復する検出信号を出力する。この回転角センサの検出信号がどの周期内での検出信号であるかを、上述の段階値により特定することができる。また、段階値を求める演算式は、例えば、回転角センサおよび変動検出センサの検出信号同士の差を求めるといった簡単なものにでき、信号処理を簡素化できる。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、上記絶対角演算部は、上記第１の演算式として下記式１を用いて、上記段階値を求め、上記第２の演算式として下記式２を用いて、上記段階値を求めることを特徴とする。
Ｎ＝（ＤＡ−ＤＢ） ……式１
Ｎ＝（ＤＡ＋ＤＢ−Ｗ２） ……式２
ここで、Ｎは段階値であり、ＤＡは回転角センサの検出回転角であり、ＤＢは変動検出センサの検出回転角であり、Ｗ２は変動検出センサの周期である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の操舵角検出装置を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施形態の操舵角検出装置の概略構成を示す模式図であり、本操舵角検出装置が適用される車両のステアリング装置も図示されている。
図１を参照して、ステアリング装置１は、車輪２を操向するためのステアリングホイール３の動きを伝達する操舵部材としてのステアリングシャフト４と、ステアリングシャフト４を内部に通して回転自在に支持するステアリングコラム５とを有する。ステアリングシャフト４の一方の端部６にステアリングホイール３が連結され、他方の端部７にインターミディエイトシャフト８等を介して車輪２を操向するための舵取り機構９が連結される。
【００１０】
舵取り機構９は、ステアリングシャフト４と連動して回動するピニオン１１と、このピニオン１１と噛み合うラック１２が軸方向の中間部に形成された転舵軸１３と、ピニオン１１を回動自在に支持するハウジング１４と、ハウジング１４に支持され転舵軸１３の両端部の近傍部分をその軸方向に摺動自在に支持する軸受部材としての環状のブッシュ１５とを有している。転舵軸１３の軸方向の両端部には、タイロッド１６等を介して、車輪２が連結されている。ステアリングホイール３が回されると、ステアリングシャフト４、ピニオン１１等が回動し、転舵軸１３が軸方向に移動し、車輪２を操向することができる。
【００１１】
また、ステアリング装置１は、電動パワーステアリング装置として構成され、ステアリングシャフト４にかかるトルクを検出するためのトルクセンサ１９と、このトルクセンサ１９からの信号や車速信号等に基づいて操舵補助力を発生させる電動モータ２０と、この電動モータ２０からの回転力を減速してステアリングシャフト４に伝達する減速機２１とを有している。トルクセンサ１９、電動モータ２０、および減速機２１は、ステアリングコラム５の一部となるハウジング２２に支持される。電動モータ２０には、回転を制御するための回転角センサ２３が設けられている。この回転角センサ２３は、例えば、レゾルバからなり、電動モータ２０に支持され電動モータ２０の回転軸の回転角を検出する。電動モータ２０は、減速機２１を介してステアリングシャフト４と動力伝達可能に連結されている。トルクセンサ１９により検出されたトルク、車速等に応じて電動モータ２０を回転させて、操舵操作に伴い生じる操舵抵抗に見合った操舵補助力を得られるようになっている。操舵補助力はステアリングシャフト４を介して舵取り機構９へ伝達される。
【００１２】
本操舵角検出装置３０は、ステアリングシャフト４の回転角を検出するための回転角センサ３１と、ステアリングシャフト４の回転に応じて転舵軸１３に生じる周期的な変動量、例えば、本実施形態では撓み量を検出するための第１の変動検出センサ３２と、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号に基づいてステアリングシャフト４の絶対回転角を演算する絶対角演算部３３とを備える。
【００１３】
本操舵角検出装置３０は、図２に示すように、ステアリングシャフト４の回転角を回転角センサ３１に伝達するための伝達機構として、ステアリングシャフト４の周囲に同軸上に配置されステアリングシャフト４と一体回転する第１の歯車３５と、この第１の歯車３５に噛み合う第２の歯車３６とを有する。第２の歯車３６は、ステアリングコラム５に取り付けられる支持部材３７に回動自在に支持される。第１および第２の歯車３５，３６は平歯車からなる。第１および第２の歯車３５，３６のギヤ比は、例えば、１８：１９に設定される。ここで、ギヤ比の値またはその逆数は、非整数値とするのが好ましく、これにより、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号同士の組合せを、ステアリングシャフト４の回転角に対して一義的に決めることができるので、絶対回転角を検出するのに好ましい。
【００１４】
回転角センサ３１は、互いに相対変位する固定部３９と可動部４０とを有する。回転角センサ３１は、例えば、磁気式の回転角センサであり、固定部３９は、例えば、磁気抵抗素子を含むセンサ本体からなり、可動部４０は、例えば、磁石からなる。回転角センサ３１の可動部４０は、第２の歯車３６の端面に一体回転可能に固定される。固定部３９は可動部４０の近傍に対向して配置され、支持部材４１を介してステアリングコラム５に固定される。
【００１５】
回転角センサ３１の検出信号は、固定部３９と可動部４０との相対位置に応じて変化するようになっており、第２の歯車３６の所定回転角（例えば、１８０°）ごとに周期的に変化する。第１および第２の歯車３５，３６を介することにより、回転角センサ３１の検出信号は、図５Ｂに示すように、ステアリングシャフト４の第１の所定回転角Ｗ１、例えば、１９０°ごとに周期的に変動する。各周期内において、回転角センサ３１の検出信号は、ステアリングシャフト４の一方の向き（例えば、右回り）の回転角変化に対して直線状に単調増加する。
【００１６】
第１の変動検出センサ３２は、図３に示すように、互いに相対変位する固定部４３と可動部４４とを有する。第１の変動検出センサ３２は、例えば、磁気式の変位センサであり、固定部４３は、例えば、磁気抵抗素子を含むセンサ本体からなり、ハウジング１４に支持される。ハウジング１４は、支持部材４５を介して磁石４６を支持し、可動部４４と対向する側となる磁石４６の面に、固定部４３が取り付けられる。可動部４４は、例えば、転舵軸１３に設けられた被検出部としての被検出面からなる。この被検出面は、転舵軸１３の軸方向に平行に真直に延びる平坦面からなり、転舵軸１３のストローク量に対応する長さで、ピニオン１１の回転軸線と平行に、例えば、ラック１２以外となる転舵軸１３の部分に形成される。
【００１７】
転舵軸１３は、がたつきを防止するため、ピニオン１１と反対側の面（背面）を、図示しない支持部材を介してばね等の弾性部材によりピニオン１１に向けて付勢されている。その結果、転舵軸１３とピニオン１１とは押圧状態にあり、転舵軸１３には、ピニオン１１から遠ざかる方向に撓みが生じる。このときの撓み量は、ピニオン１１の回転に伴い周期的に変動する。具体的には、ピニオン１１とラック１２との対応する歯同士が順次に噛み合うごとに、撓み量が変動する。これに伴い、第１の変動検出センサ３２の可動部４４と固定部４３とが相対変位し、その間の隙間量４７が変化する結果、固定部４３からの検出信号が変化する。この検出信号の変化から、可動部４４の相対変位量、例えば、本実施形態ではピニオン１１とラック１２とが並ぶ方向に平行となる転舵軸１３の径方向（矢印Ｒ参照）に沿う撓み量を検出することができる。撓み量の変動を検出することにより、絶対回転角の検出に利用できる。
【００１８】
第１の変動検出センサ３２の検出信号は、転舵軸１３の径方向Ｒ（図３参照）の撓みに応じた信号であり、図５Ａに示すように、ピニオン１１の１ピッチに対応する回転角度ごとに、また、ステアリングシャフト４の第２の所定回転角Ｗ２ごとに周期的に変動する。各周期内において、第１の変動検出センサ３２の検出信号は、ステアリングシャフト４の一方の向き（例えば右回り）の回転角変化に対して略直線状に増加した後、略直線状に減少する。第１の変動検出センサ３２の検出信号は、増加する場合と減少する場合とで、回転角変化に対する傾きの絶対値が等しく且つ符号が逆になっている。第１の変動検出センサ３２の検出信号は、最大値を挟んで、一方の向きの回転角変化に対する増加する場合のグラフと減少する場合のグラフとがつながり、これら２つのグラフは上述の最大値を通る対称軸（図５ＡのＴＪ参照）に対して対称形となっている。
【００１９】
第２の所定回転角Ｗ２は、例えば、ステアリングシャフト４とピニオン１１とが一体回転する場合、ピニオン１１の１ピッチに対応する回転角と等しくなり、ピニオン１１が５枚歯の場合には７２°となる。
ステアリングシャフト４が多回転すると、回転角センサ３１が高精度ではあるがステアリングシャフト４の回転角に応じて周期的に反復する検出信号（図５Ｂ参照）を出力する。しかし、この検出信号は、反復するので、どの周期の信号か、すなわち、第１の所定回転角Ｗ１の幅の複数の角度区間のうちのどの角度区間の信号かが判らない。絶対角演算部３３により、ステアリングシャフト４の回転に伴って回転角センサ３１により検出される検出信号が、どの周期内での信号であるかを、第１の変動検出センサ３２の検出信号（図５Ａ参照）を用いて検出し、ステアリングシャフト４の絶対回転角を精度良く検出することができる。
【００２０】
絶対角演算部３３は、例えば、マイクロコンピュータ等を含む信号処理用の電気回路により構成される。絶対角演算部３３には、回転角センサ３１からの検出信号および第１の変動検出センサ３２からの検出信号が入力される。絶対角演算部３３では、予め記憶されたプログラムに基づいて、ステアリングシャフト４の絶対回転角を演算する以下の信号処理が実行される。
図４のフローチャートおよび図５のグラフ図を参照し、絶対角演算部３３による信号処理を説明する。
【００２１】
イグニッションキースイッチが操作される等の所定の開始操作に応答して、信号処理が開始される（ステップＳ１）。
先ず、回転角センサ３１による回転角の検出と、第１の変動検出センサ３２による撓み量の検出とが同時に行われる。そして、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２から検出信号を読み込む（ステップＳ２）。読み込まれた検出信号はメモリに記憶される。
【００２２】
所定時間の経過後（ステップＳ３）に、再度、ステップＳ２と同様に、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２により検出を行い、これらから検出信号を読み込む（ステップＳ４）。
前回の読み込み操作、例えば、ステップＳ２の操作により読み込まれて記憶されている検出信号および今回のステップＳ４で読み込んだ検出信号とを比較して、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号の変動の傾向の組合せが同じか異なるかを判断する（ステップＳ５）。すなわち、回転角センサ３１の検出信号について、記憶された前回の値よりも新たに読み込んだ今回の値が大きく、増加傾向にあり、且つ第１の変動検出センサ３２の検出信号について、記憶された前回の値よりも読み込まれた今回の値が大きく、増加傾向にある場合には、両センサ３１，３２の検出信号の変動の傾向の組合せは同じと判る。また、回転角センサ３１の検出信号が減少傾向にあり、且つ第１の変動検出センサ３２の検出信号が減少傾向にある場合にも、両センサ３１，３２の検出信号の変動の傾向の組合せは同じと判る。また、回転角センサ３１の検出信号が減少傾向にあり且つ第１の変動検出センサ３２の検出信号が増加傾向にある場合や、逆に、回転角センサ３１の検出信号が増加傾向にあり且つ第１の変動検出センサ３２が減少傾向にある場合には、両センサ３１，３２の検出信号の変動の傾向の組合せは異なると判る。
【００２３】
絶対角演算部３３は、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号の変動の傾向の組合せに応じた第１および第２の演算式を用いて、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号から、回転角センサ３１の検出信号が何周期目にあるかを特定するための段階値Ｎを求める（ステップＳ６，７，８）。
すなわち、傾向の組合せが同じ場合（ステップＳ６でＹＥＳ）には、第１の演算式を用いる（ステップＳ７）。第１の演算式は、
Ｎ＝ＤＡ−ＤＢ
である。ここで、Ｎは、段階値である。ＤＡは、回転角センサ３１の検出回転角である。ＤＢは、第１の変動検出センサ３２の検出回転角である。また、検出回転角ＤＡ，ＤＢは、ステップＳ４で読み込んだ対応する検出信号から求められ、各センサ３１，３２からの検出信号を、ステアリングシャフト４の回転角のスケールに合わせたものであり、図５Ｃに実線ＤＡと破線ＤＢで示すようになる。検出回転角ＤＡ，ＤＢでは、ステアリングシャフト４の回転角の変化に対する変化量は、ステアリングシャフト４の回転角の変化量と等しくなる。検出回転角ＤＡは、０°から第１の所定回転角Ｗ１までの間の値を変化する。検出回転角ＤＢは、０°から第２の所定回転角Ｗ２の半分の値までの間の値を変化する。また、検出回転角ＤＡ，ＤＢは、上述の各センサ３１，３２からの検出信号の特徴をも同様に有している。
【００２４】
変動の傾向が同じになるとき、図５Ｃに示す両検出回転角ＤＡ，ＤＢのグラフは重なるかまたは平行となり、段階値Ｎは、第２の所定回転角Ｗ２の幅の角度区間、例えば、区間Ｅ１，Ｅ２ごとに決まる一定値となる。例えば、ステアリングシャフト４の回転角が角度区間Ｅ１にあり、変動の傾向が同じになるとき（例えば、区間Ｅ１の点Ｐ）には、第１の演算式により得られる段階値Ｎは、Ｎ＝Ｎ１となる。同様に、ステアリングシャフト４の回転角が角度区間Ｅ２にあるときには、Ｎ＝Ｎ２となる。このように、ステアリングシャフト４の回転角の角度区間Ｅ１，Ｅ２，…ごとに、段階値Ｎは互いに異なる値Ｎ１，Ｎ２，…を取る。
【００２５】
また、傾向の組合せが異なる場合（ステップＳ６でＮＯ）には、第２の演算式を用いる（ステップＳ８）。第２の演算式は、
Ｎ＝ＤＡ＋ＤＢ−Ｗ２
である。
変動の傾向が異なるとき、両検出回転角ＤＡ，ＤＢのグラフの傾きは正負逆でその絶対値が相等しくなるので、第２の演算式を用いることにより、変動の傾向が同じときと同様にして、段階値Ｎは角度区間内で一定となる。例えば、ステアリングシャフト４の回転角が区間Ｅ１にあり、変動の傾向が異なるとき（区間Ｅ１の点Ｑ参照）には、第２の演算式により得られる段階値Ｎは、Ｎ＝Ｎ１となる。同様に、ステアリングシャフト４の回転角の区間Ｅ１，Ｅ２，…ごとに、段階値Ｎは互いに異なる値Ｎ１，Ｎ２，…を取る。
【００２６】
次に、上述のようにして求められた段階値Ｎから、ステップＳ４で検出した各検出信号が、回転角センサ３１の検出信号の周期的な変動の何周期目にあるかを求める（ステップＳ９）。
例えば、図５Ｂ，図５Ｄに示すように、回転角センサ３１の検出信号のいわゆる周期となる角度の幅Ｗ１の一つの角度区間に対しては、複数の段階値Ｎが対応するが、各段階値Ｎは、ただ一つの角度区間にのみ対応する。例えば、第１の所定回転角Ｗ１の幅となり回転角が値Ａ１から値Ａ２までの間の第１角度区間Ｆ１では、段階値Ｎは、複数、例えば、３つの値Ｎ１，Ｎ２およびＮ３をとる。また、回転角が値Ａ２から値Ａ３までの間の第２角度区間Ｆ２では、段階値Ｎは、複数、例えば、４つの値Ｎ４，Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７をとる。従って、段階値Ｎの値から、この値に対応する角度区間が一義的に決まり、ステップＳ４で検出された回転角センサ３１からの検出信号が、どの角度範囲に対応する信号であるかが判る。段階値Ｎの値と各角度区間との対応付けは、例えば、予め記憶されたデータテーブルに照らし合わせることによりなされる。
【００２７】
次に、上述のように求められた段階値Ｎにより特定されたいわゆる周期、すなわち、角度区間に対応する基準回転角と回転角センサ３１の検出信号から得た検出回転角に基づいて絶対回転角を演算する（ステップＳ１０）。
例えば、ステアリングシャフト４が回転角Ｐのときに絶対回転角を検出する場合を考える。ステップＳ４で検出された検出信号により、変動の傾向が同じと分かり、第１の演算式を用いて、段階値Ｎの値Ｎ１が求まる。これにより、検出された検出信号は、第１角度区間Ｆ１にあることが分かる。この第１角度区間Ｆ１に対応する基準回転角、例えば、角度区間内の最小の回転角である値Ａ１が絶対回転角で求められる。求められた基準回転角（例えばＡ１）と、回転角センサ３１の検出された検出信号から得る検出回転角（例えば値Ｐ）、との和から、絶対回転角が求められる。そして、次の処理のために、ステップＳ４で読み込まれた検出信号はメモリに記憶される。
【００２８】
以後、イグニッションキースイッチの操作等の所定の終了操作がなされるまで、所定時間ごとに上述のステップＳ４〜ステップＳ１０までの処理が繰り返し行われる。この際、ステップＳ５では、前回の検出信号として、ステップＳ２で読み込まれて記憶されている検出信号に代えて、上述のステップＳ１０で記憶された検出信号を用いる。
このように、周期的に反復する回転角センサ３１の検出信号がどの周期内での検出信号であるかを、上述の段階値Ｎにより特定することができる。従って、ステアリングシャフト４の絶対回転角を精度良く検出することができる。
【００２９】
また、段階値Ｎを求める演算式は、例えば、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号から得る検出回転角同士の差を求めるといった簡単なものにでき、信号処理を簡素化できる。
また、回転角センサ３１の検出信号のいわゆる周期となる第１の所定回転角Ｗ１と、第１の変動検出センサ３２の検出信号のいわゆる周期となる第２の所定回転角Ｗ２との最小公倍数が、ステアリングシャフト４の操作可能範囲を示す角度よりも大きくなるように、第１および第２の所定回転角Ｗ１，Ｗ２が互いに異なって設定される。これにより、ステアリングシャフト４の操作範囲内では、回転角センサ３１および第１の変動検出センサ３２の検出信号同士の組合せを、ステアリングシャフト４の回転角に対して一義的に決めることができるので、絶対回転角を検出するのに好ましい。
【００３０】
なお、回転角センサ３１は、減速機構等の上述の伝達機構を介してステアリングシャフト４の回転角を検出するものに限定されず、要は、ステアリングホイール３と連動して回動する操舵部材、例えば、ステアリングシャフト４、インターミディエイトシャフト８、ピニオン１１等の回転角を直接にまたは間接に検出するものであればよい。例えば、上述の第１の実施形態の回転角センサ３１に代えて、電動モータ２０用の回転角センサ２３、および後述する第２の変動検出センサ５０の何れかを用いることができる。
【００３１】
図６に示す本発明の第２の実施形態の操舵角検出装置３０では、電動モータ２０用の回転角センサ２３と、第１の変動検出センサ３２と、絶対角演算部３３とを用いている。また、図７に示す参考例としての操舵角検出装置３０では、第２の変動検出センサ５０と、第３の変動検出センサ５１と、絶対角演算部３３とを用いている。なお、以下の説明では、上記実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略して同じ符号を付しておく。
【００３２】
回転角センサ２３は、図６に示すように、操舵補助用の電動モータ２０の回転軸の回転制御用のもので、操舵補助用の減速機２１を介して、ステアリングシャフト４の回転角を検知することができる。回転角センサ２３の検出信号は周期的に変動し、例えば、電動モータ２０の回転軸が所定角度、例えば、１８０°回転するごとに周期的に変動する。この角度に減速機２１を介して対応するステアリングシャフト４の回転角ごとに回転角センサ２３の検出信号は変動し、変動の周期以外の点では回転角センサ３１の検出信号と同様である。
【００３３】
電動モータ２０の回転制御用に通例設けられる回転角センサ２３を、絶対回転角の検出のために兼用できるので、第２の実施形態では、ステアリング装置１としての構造を簡素化できる。また、操舵補助用の減速機２１の減速比を適宜設定することにより、上述の第１および第２の歯車３５，３６のギヤ比の値を非整数値とすることによる効果を同様に得ることもできる。
第２の変動検出センサ５０は、図７および図８に示すように、第１の変動検出センサ３２の固定部４３と同様の固定部５４と、この固定部５４に対向して設けられる可動部５５とを有する。可動部５５は、転舵軸１３に設けられた被検出部としての被検出面からなり、この被検出面は、転舵軸１３の軸方向に対して一方の向きに直線状に傾斜する複数の傾斜面（一つの面を実線で他の面を一点鎖線で図示）にて構成されている。これら傾斜面は、図８に示すように転舵軸１３に凸状に設けられてもよいし、図９に示すように凹状に設けられてもよい。ステアリングシャフト４が回り、転舵軸１３が軸方向に移動すると、可動部５５の被検出面と固定部５４との間隔が変化する。この間隔の変化が、第２の変動検出センサ５０により検出される。転舵軸１３の軸方向に沿って測る可動部５５のひとつの傾斜面の長さに相当する距離を転舵軸１３が移動するごとに、第２の変動検出センサ５０の検出信号は周期的に変動する。変動の周期以外の点では、第２の変動検出センサ５０の検出信号は、回転角センサ３１の検出信号と同様のものである。
【００３４】
また、第２の変動検出センサ５０を、転舵軸１３の端部近傍に配置し、その固定部５４を、図１０および図１１に示す保持部材６０により保持してもよい。
保持部材６０は、環状のブッシュ１５の内周６１と、転舵軸１３の断面異形部との間に収容され、内周６１と転舵軸１３の一対の摺動部６２との間に挟持される。転舵軸１３の断面異形部は、断面略３角形形状の第１半部６３と、断面略半円状の第２半部６４とを有している。第２半部６４は、ブッシュ１５の内周６１に摺動自在に沿う摺動部としての外周面６５を有する。第１半部６３は、上述の摺動部６２を有し、この摺動部６２は、ブッシュ１５の内周６１との間に距離を開けて配置され軸方向に延びる平坦な一対の平面を含む。ブッシュ１５には、内周６１と外周６７とを挿通する挿通孔６８が形成され、この挿通孔６８を通して第２の変動検出センサ５０の固定部５４を保持部材６０に取り付けてある。
【００３５】
保持部材６０は、ブッシュ１５の内周６１に接する断面円弧形状の第１の当接部７１を有する。第１の当接部７１は、ブッシュ１５により転舵軸１３の軸方向についての転舵軸１３に対する移動を規制される。また、保持部材６０は、転舵軸１３に設けられる一対の摺動部６２に軸方向に摺動自在に接する第２の当接部７２と、転舵軸１３の軸方向と交差する方向について転舵軸１３と第２の変動検出センサ５０の固定部５４との相対移動を規制するように第２の変動検出センサ５０の固定部５４を保持する保持部としての取付孔７３とを有している。取付孔７３は、第２の変動検出センサ５０の可動部５５に対向して形成され、第２の変動検出センサ５０の固定部５４を位置決めする。
【００３６】
保持部材６０は、ブッシュ１５の内周６１と転舵軸１３の摺動部６２との間に介在することにより、転舵軸１３に対して接近および離反する向きの第２の変動検出センサ５０の固定部５４の変位を防止して、仮に転舵軸１３が径方向に変位してもこの変位に固定部５４が追従できるようにし、第２の変動検出センサ５０の固定部５４と転舵軸１３とを高精度に位置決めできる。また、転舵軸１３は、ブッシュ１５により転舵軸１３の軸方向と直交する方向の変位を規制されるので、絶対回転角の検出のための転舵軸１３における可動部５５の変動を検出するのに好ましい。
【００３７】
保持部材６０は、転舵軸１３の断面異形部と接することにより、転舵軸１３の軸線の回りの転舵軸１３と第２の変動検出センサ５０の固定部５４との相対回動を規制し、第２の変動検出センサ５０の固定部５４と転舵軸１３とをより一層高精度に位置決めできる。
第２の変動検出センサ５０では、ラック１２とピニオン１１とが並ぶ方向と直交する方向に沿って、第２の変動検出センサ５０の固定部５４と可動部５５とが並んで配置されることが好ましい。これにより、ピニオン１１との噛み合いに伴う転舵軸１３の撓みの影響を検出信号が受け難くすることができ、より一層高精度な検出ができる。
【００３８】
図７および図８を参照する。第３の変動検出センサ５１は、第１の変動検出センサ３２の固定部４３と同様の固定部７５と、この固定部７５に対向して設けられる可動部７６とを有する。可動部７６は、被検出部としてのラック１２からなり、傾きが交互に逆になる複数の傾斜面（ラック歯の歯面となる）を含み、傾きが互いに逆の傾斜面が転舵軸１３の移動方向に沿って交互に並ぶ断面波形となる。固定部７５は、ラック１２の歯の頂部と対向して配置される。第３の変動検出センサ５１は、ラック１２の歯と固定部７５との間隔の変化を検出する。ラック１２の歯のピッチに相当する距離を転舵軸１３が軸方向に移動するごとに、第３の変動検出センサ５１の検出信号は周期的に変動する。変動の周期以外の点では第３の変動検出センサ５１の検出信号は第１の変動検出センサ３２の検出信号と同様のものである。第３の変動検出センサ５１では、可動部７６にラック１２を利用できるので、可動部７６を別途設けずにすむ。
【００３９】
このように本発明の実施形態および参考例によれば、舵取り機構９に設けた上述のセンサ３２，５０，５１を利用して、ステアリングシャフト４の絶対回転角を高精度に検出できる。
また、第１、第２および第３の変動検出センサ３２，５０，５１は、転舵軸１３の近傍に配置できるので、各センサ３２，５０，５１のレイアウトがステアリングシャフト４のレイアウトに規制されずに済み、各センサ３２，５０，５１のレイアウトの自由度が高まる。また、各センサ３２，５０，５１の組み付けの自由度を高くできる。
【００４０】
また、上述の各センサ３１，３２，５０，５１は安価に構成できる。
また、第１および第２の歯車３５，３６の減速比を適宜調節することにより、絶対回転角の検出可能な角度範囲を調節できる。
なお、上述の各回転角センサ３１，２３および各変動検出センサ３２，５０，５１は、上述のものに限定されない。例えば、ホールセンサを用いた磁気式や光電式のセンサ、ポテンショメータ等の公知の回転角センサおよび変位センサを利用できる。また、回転角センサとしては、可動部と固定部との相対変位量を検出するインクリメンタルタイプでもよいし、可動部と固定部との絶対位置変化を検出するアブソリュートタイプでもよいが、後者が好ましい。
【００４１】
なお、絶対角演算部３３での絶対回転角を求めるための信号処理として回転角センサ３１の検出信号に基づいて絶対回転角を求める例を説明したが、第１の変動検出センサ３２の検出信号に基づいて絶対回転角を求めてもよい。
また、本操舵角検出装置３０は、コラムタイプの電動パワーステアリング装置１に限らず、他のタイプのパワーステアリング装置や、操舵補助力を得られないマニアルタイプのステアリング装置に適用してもよい。その他、本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の操舵角検出装置と、これを適用したパワーステアリング装置の概略構成を示す模式図。
【図２】図１に示す操舵角検出装置の回転角センサとこれに関連するステアリング装置の部分を示す一部断面正面図。
【図３】図１に示す操舵角検出装置の変動検出センサとこれに関連するステアリング装置の部分を示す一部断面図。
【図４】図１に示す操舵角検出装置の絶対角演算部での信号処理のフローチャート。
【図５】図５は、図１に示す操舵角検出装置の絶対角演算部で扱う信号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図である。図５Ａは、第１の変動検出センサの検出信号とステアリングシャフトの回転角との関係を示し、横軸にステアリングシャフトの回転角を、縦軸に検出信号の強さをとる。図５Ｂは、回転角センサの検出信号とステアリングシャフトの回転角との関係を示し、横軸にステアリングシャフトの回転角を、縦軸に検出信号の強さをとる。図５Ｃは、第１の変動検出センサおよび回転角センサの検出信号を絶対角演算部で処理して得られた２つの検出回転角と、ステアリングシャフトの回転角との関係を示し、横軸にステアリングシャフトの回転角を、縦軸に２つセンサの検出回転角をとる。図５Ｄは、段階値とステアリングシャフトの回転角との関係を示し、横軸にステアリングシャフトの回転角を、縦軸に段階値をとる。
【図６】本発明の第２の実施形態の操舵角検出装置と、これを適用したパワーステアリング装置の概略構成を示す模式図。
【図７】 参考例としての操舵角検出装置を適用したパワーステアリング装置の概略構成を示す模式図。
【図８】図７に示す操舵角検出装置の第２の変動検出センサおよび第３の変動検出センサの概略構成を示す模式図である。
【図９】図８に示す操舵角検出装置の変形例を示す模式図。
【図１０】図８と異なるレイアウトとする場合の操舵角検出装置の第２の変動検出センサ、ブッシュ、保持部材および転舵軸の断面図。
【図１１】図１０に示す第２の変動検出センサ、ブッシュ、保持部材および転舵軸の分解斜視図。
【符号の説明】
４ ステアリングシャフト（操舵部材）
１１ ピニオン
１２ ラック
１３ 転舵軸
２３ 回転角センサ
３０ 操舵角検出装置
３１ 回転角センサ
３２ 第１の変動検出センサ
３３ 絶対角演算部
Ａ１，Ａ２，Ａ３，… 回転角（周期に対応する基準回転角）
Ｎ 段階値
Claims (2)
- 車両の操舵部材の回転角を検出するための回転角センサと、
操舵部材とは連動回転するピニオンに噛み合うラックが形成された転舵軸に生ずる径方向の撓み量を、操舵部材の回転角に応じてラックおよびピニオンの噛み合いの変化によって転舵軸に生ずる周期的な変動量として検出する変動検出センサと、
回転角センサおよび変動検出センサの検出信号に基づいて操舵部材の絶対回転角を演算する絶対角演算部とを備え、
上記絶対角演算部は、回転角センサおよび変動検出センサの検出信号の双方がともに増加傾向である場合、および上記双方がともに減少傾向である場合は、第１の演算式を用い、回転角センサおよび変動検出センサのいずれか一方の検出信号が増加傾向であって且つ他方の検出信号が減少傾向である場合は、第２の演算式を用いて、回転角センサの検出信号から得られた検出回転角が何周期目の角度区間にあるかを特定するための段階値を求め、
求められた段階値により特定された角度区間に対応する基準回転角と回転角センサの検出信号から得られた検出回転角とに基づいて上記絶対回転角を演算することを特徴とする操舵角検出装置。 - 請求項１に記載の操舵角検出装置において、
上記絶対角演算部は、上記第１の演算式として下記式１を用いて、上記段階値を求め、上記第２の演算式として下記式２を用いて、上記段階値を求めることを特徴とする操舵角検出装置。
Ｎ＝（ＤＡ−ＤＢ） ……式１
Ｎ＝（ＤＡ＋ＤＢ−Ｗ２） ……式２
ここで、Ｎは段階値であり、ＤＡは回転角センサの検出回転角であり、ＤＢは変動検出センサの検出回転角であり、Ｗ２は変動検出センサの周期である。
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