WO2012132751A1 - ステアリングシャフト回転角度検出装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a device for detecting a rotation angle of a steering shaft of a vehicle or the like.
- a vehicle that performs various controls based on the steering angle is equipped with a device that detects the steering angle (see JPH03-120419A).
- an apparatus for detecting a steering angle an apparatus in which an optical rotary encoder or a magnetic rotary encoder is provided on a steering shaft is known.
- the resolution of a conventional rotary encoder depends on the number of slits of a rotating disk in an optical rotary encoder and the number of N poles and S poles in a magnetic rotary encoder. Therefore, in order to increase the resolution, it is necessary to increase the size of the rotary encoder. In this case, there is a problem that a space for installing the rotary encoder in the vehicle cannot be secured.
- the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a steering shaft rotation angle detection device that can detect the rotation angle of the steering shaft with high resolution and has a simple structure.
- a steering shaft rotation angle detection device that detects a rotation angle of a steering shaft that rotates in accordance with an operation of the steering wheel, and an electric motor that assists the steering of the steering wheel by a driver;
- a speed reduction mechanism for reducing and transmitting the rotation of the electric motor to the steering shaft;
- a rotating body attached to a rotating shaft of the electric motor;
- a signal output device for outputting a signal along with the rotation of the rotating body;
- a steering shaft rotation comprising: a controller that calculates a rotation angle of the rotating body based on an output signal of the signal output device, and calculates a rotation angle of the steering shaft based on the rotation angle and a reduction ratio of the speed reduction mechanism.
- FIG. 1 is a configuration diagram of a steering shaft rotation angle detection device according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a plan view of the ring magnet.
- (A) is a figure which shows the change of the magnetic force which a ring magnet generate
- (B) is a figure which shows the output signal of a 1st high resolution sensor (upper figure) and a 2nd high resolution sensor (lower figure).
- (C) is a figure which shows the output signal of a 1st low resolution sensor (upper figure) and a 2nd low resolution sensor (lower figure).
- FIG. 4 is a diagram illustrating an output signal of the index sensor with respect to the rotation angle of the steering shaft.
- FIG. 5 is a configuration diagram of a steering shaft rotation angle detection device according to the second embodiment of the present invention.
- the steering shaft rotation angle detection device 100 is a device that detects an absolute rotation angle (hereinafter simply referred to as “rotation angle”) of the steering shaft 2 that rotates in accordance with the operation of the steering wheel 1 of the vehicle.
- rotation angle an absolute rotation angle
- the system of the power steering device 101 that assists the steering force applied to the wheel 1 is used.
- the steering angle of the steering wheel 1 is detected by detecting the rotation angle of the steering shaft 2 by the steering shaft rotation angle detecting device 100. Is obtained.
- the power steering device 101 includes an input shaft 7 that rotates in accordance with the operation of the steering wheel 1 by a driver, and an output shaft that is connected to the input shaft 7 via the torsion bar 4 and that is linked to the rack shaft 5. 3, and the wheel 6 is steered by moving in the axial direction a rack shaft 5 that meshes with a pinion 3 a provided at the lower end of the output shaft 3.
- the steering shaft 2 is constituted by the input shaft 7 and the output shaft 3.
- the power steering device 101 includes an electric motor 10 that assists the steering of the steering wheel 1 by the driver, a speed reducer 11 that decelerates and transmits the rotation of the electric motor 10 to the steering shaft 2, and an input shaft 7 and an output shaft 3.
- a torque sensor 12 that detects a steering torque that acts on the torsion bar 4 by relative rotation, and a controller 13 that controls the driving of the electric motor 10 based on the detection result of the torque sensor 12 are provided.
- the reduction gear 11 includes a worm shaft connected to the output shaft of the electric motor 10 and a worm wheel 11a connected to the output shaft 3 and meshing with the worm shaft.
- the reduction ratio of the reduction gear 11 is 1:15. That is, when the steering shaft 2 rotates once, the electric motor 10 rotates 15 times.
- the torque output by the electric motor 10 is transmitted from the worm shaft to the worm wheel 11a and applied to the output shaft 3 as auxiliary torque.
- the torque output by the electric motor 10 is calculated based on the steering torque detected by the torque sensor 12.
- the steering shaft rotation angle detection device 100 includes an electric motor 10, a speed reducer 11, a ring magnet 21 (see FIG. 2) as a rotating body attached to a rotation shaft of the electric motor 10, and the rotation of the ring magnet 21. And an angle sensor 22 (see FIG. 2) as a signal output device for outputting a signal.
- the controller 13 calculates the rotation angle of the ring magnet 21, that is, the electric motor 10 based on the output signal of the angle sensor 22, and determines the rotation angle of the steering shaft 2 based on the rotation angle and the reduction ratio of the speed reducer 11. Calculate.
- the speed reducer 11 corresponds to the speed reduction mechanism of the present invention.
- the steering shaft rotation angle detection device 100 also includes an index sensor 25 as a reference rotation position detector that detects the reference rotation position of the steering shaft 2.
- the controller 13 includes a CPU that controls operations of the steering shaft rotation angle detection device 100 and the power steering device 101, a ROM that stores control programs and setting values necessary for processing operations of the CPU, a torque sensor 12, and an angle sensor. 22 and a RAM that temporarily stores information detected by various sensors such as the index sensor 25.
- the ROM is a non-volatile memory (non-volatile storage unit) that retains memory even when the power supply to the controller 13 is interrupted.
- the RAM stores data when the power supply to the controller 13 is interrupted. It is a lost volatile memory (volatile storage unit).
- the index sensor 25 is a magnetic sensor including a magnetism generating unit that is fixed to the input shaft 7 and generates magnetism, and a detection unit that is fixed to a non-rotating unit such as a steering column and detects magnetism generated by the magnetism generating unit.
- the index sensor 25 outputs a one-pulse signal every time the steering shaft 2 makes one rotation, and the output signal is input to the controller 13.
- the steering shaft 2 is configured to rotate about two turns to the left and right with reference to a neutral state in which the wheels 6 are directed straight. Therefore, as shown in FIG. 4, the index sensor 25 outputs five pulse signals (pulses a to e) as the steering shaft 2 rotates.
- the steering shaft 2 is rotated left and right from the neutral position of the steering shaft 2 (the position at the steering angle of 0 degrees) where the wheels 6 are directed straight, and the index sensor 25 outputs a pulse signal. Measurement of the left and right rotation angles until the first output is performed.
- the measured value of the rotation angle until the index sensor 25 outputs the first pulse signal (pulse c) is 10 degrees. It is assumed that when the shaft 2 is rotated counterclockwise from the neutral position, the measured value of the rotation angle until the index sensor 25 outputs the first pulse signal (pulse b) is ⁇ 350 degrees.
- the left and right measured values (10 degrees and ⁇ 350 degrees) are stored in the ROM of the controller 13 as the reference rotation angle of the steering shaft 2 corresponding to the first pulse signal (pulses c and b) of the index sensor 25. .
- the reference rotation angle of the steering shaft 2 is set in advance when the vehicle is assembled or when the power steering apparatus 101 is assembled.
- the rotation angle of the steering shaft 2 is indicated by a plus sign for right rotation and a minus sign for left rotation based on the neutral position.
- the index sensor 25 may be configured by an optical sensor including a light emitting unit and a light receiving unit.
- the ring magnet 21 is an annular permanent magnet that is magnetized in the rotational direction.
- the ring magnet 21 is attached by fitting the inner peripheral surface thereof to the outer peripheral surface of the rotating shaft of the electric motor 10 and rotates integrally with the rotating shaft of the electric motor 10. To do.
- the angle sensor 22 includes two types, a high resolution sensor 23 as a high resolution output device having a relatively high resolution and a low resolution sensor 24 as a low resolution output device having a relatively low resolution. It has a magnetic sensor. Basically, the high resolution sensor 23 operates when the vehicle ignition switch is on, and the low resolution sensor 24 operates when the vehicle ignition switch is off. Thus, the high resolution sensor 23 and the low resolution sensor 24 are switched by turning on and off the ignition switch of the vehicle. The high resolution sensor 23 and the low resolution sensor 24 are fixed to the non-rotating part and output signals according to the rotation of the ring magnet 21.
- the high-resolution sensor 23 includes a first high-resolution sensor 23a and a second high-resolution sensor 23b that are arranged at a predetermined angle facing the outer periphery of the ring magnet 21.
- the first high resolution sensor 23a and the second high resolution sensor 23b are the same sensor, and output a sine wave signal (voltage) according to the rotation of the ring magnet 21, as shown in FIG.
- the first high resolution sensor 23a and the second high resolution sensor 23b are arranged so that the phases of the respective sine wave signals are shifted by 90 degrees. Since the ring magnet 21 has six magnetic poles, when the electric motor 10 rotates once, the first high resolution sensor 23a and the second high resolution sensor 23b output signals for three sine waves. That is, the number of electrical angular cycles of the electric motor 10 is 3.
- the resolution of the high resolution sensor 23 will be described.
- the high resolution sensor 23 has a 360 resolution (1 degree resolution) for an electrical angle of 360 degrees.
- the number of electrical angular cycles per revolution of the electric motor 10 is 3.
- the reduction ratio between the steering shaft 2 and the electric motor 10 is 1:15. Therefore, the resolution of the rotation angle of the steering shaft 2 by the high resolution sensor 23 is calculated as 0.022 degrees as in the following equation.
- the rotation angle change amount of the steering shaft 2 is calculated based on the change amount of the rotation angle of the electric motor 10 calculated based on the output signal of the high resolution sensor 23 and the reduction ratio of the speed reducer 11. Can do.
- the controller 13 can identify the rotation direction of the steering shaft 2 by the phase of the sine wave signals output from the first high resolution sensor 23a and the second high resolution sensor 23b being shifted by 90 degrees.
- the electrical angle of the electric motor 10 is ⁇ (output voltage of the first high resolution sensor 23a: a)
- the first high resolution sensor 23a When the output voltage changes from a to b, the first high-resolution sensor 23a alone cannot determine whether the electrical angle of the electric motor 10 has changed from ⁇ to ⁇ 1 or ⁇ 2. That is, the rotation direction of the steering shaft 2 cannot be identified.
- the low resolution sensor 24 includes a first low resolution sensor 24 a and a second low resolution sensor 24 b which are arranged at a predetermined angle facing the outer periphery of the ring magnet 21.
- the first low-resolution sensor 24a and the second low-resolution sensor 24b are the same sensor.
- a pulse signal (voltage) is generated when facing the S pole according to the rotation of the ring magnet 21. Output.
- the first low-resolution sensor 24a and the second low-resolution sensor 24b are arranged so that there is a change in the output of the pulse signal every quarter electrical angle period, that is, every 90 electrical angles.
- the resolution of the low resolution sensor 24 will be described.
- the low-resolution sensor 24 has four resolutions (90-degree resolution) with respect to an electrical angle of 360 degrees because there is a change in the output of the pulse signal every quarter electrical angle period.
- the number of electrical angular cycles per revolution of the electric motor 10 is 3.
- the reduction ratio between the steering shaft 2 and the electric motor 10 is 1:15. Therefore, the resolution of the rotation angle of the steering shaft 2 by the low resolution sensor 24 is calculated as 2 degrees as in the following equation.
- the resolution of the low resolution sensor 24 is relatively lower than the resolution of the high resolution sensor 23.
- the output signal (voltage) of the low resolution sensor 24 is input to the controller 13. Since the output signal of the low resolution sensor 24 is a pulse signal, the controller 13 cannot calculate the rotation angle change amount of the steering shaft 2 based on the input signal. However, since the pulse signal output from the low resolution sensor 24 changes every 90 electrical angles, the controller 13 determines the current electrical angle of the electric motor 10 based on the change in the pulse signal output from the low resolution sensor 24. It can be determined in which section of the 12 sections divided every 90 degrees. Further, the controller 13 can identify the rotational direction of the steering shaft 2 from the change in the pulse signal output from the low resolution sensor 24.
- the low resolution sensor 24 operates when the ignition switch is off. When the ignition switch is off, the vehicle engine is stopped, so that it is not necessary to accurately detect the rotation angle of the steering shaft 2. However, since the steering wheel 1 may be steered even when the vehicle engine is stopped, the controller 13 determines which range of the electrical angle of the electric motor 10 is currently based on the detection result of the low resolution sensor 24. It is determined whether it is in.
- the switching of the high resolution sensor 23 and the low resolution sensor 24 by turning on / off the ignition switch will be described.
- the rotation angle of the steering shaft 2 and the electrical angle of the electric motor 10 at that time are stored in the controller 13, and the detection is switched from the high resolution sensor 23 to the low resolution sensor 24.
- the controller 13 determines in which range the electrical angle of the electric motor 10 is currently based on the change of the pulse signal output from the low resolution sensor 24. To do.
- the controller 13 determines the electrical angle when the ignition switch is turned on based on the range of the electrical angle determined based on the output signal of the low resolution sensor 24 and the output signal of the high resolution sensor 23. Specifically, referring to FIG. 3B, when the output voltage of the first high-resolution sensor 23a is c and the output voltage of the second high-resolution sensor 23b is d when the ignition switch is on. There are three corresponding electrical angles.
- the controller 13 determines that the electrical angle of the electric motor 10 when the ignition switch is on is within a range of, for example, ⁇ 3 to ⁇ 4, based on the change of the pulse signal output from the low resolution sensor 24 with the ignition switch off. Since it is possible, it can be determined that the electrical angle when the ignition switch is on is ⁇ 5 out of three points.
- the controller 13 calculates the amount of change between the electrical angle when the ignition switch is on and the electrical angle stored in the controller 13 when the ignition switch is off. Then, as described above, the amount of change in the rotation angle of the steering shaft 2 is calculated from the amount of change in the electrical angle, and the amount of change in the rotation angle is stored in the controller 13 and the steering shaft 2 when the ignition switch is turned off. To calculate the rotation angle of the steering shaft 2 when the ignition switch is turned on. In this way, when the ignition switch is turned on, the detection of the rotation angle of the steering shaft 2 is resumed.
- the controller 13 calculates the amount of change in the rotation angle of the steering shaft 2 based on the output signal of the high resolution sensor 23, and calculates the rotation angle of the steering shaft 2 based on that.
- the controller 13 determines only in which range the electrical angle of the electric motor 10 is. Therefore, the power consumption of the controller 13 during the operation of the high resolution sensor 23 is larger than the power consumption of the controller 13 during the operation of the low resolution sensor 24. For this reason, if the high resolution sensor 23 is operated even when the ignition switch is turned off, the battery may rise. Therefore, when the ignition switch is turned off, the low resolution sensor 24 that consumes less power from the high resolution sensor 23. Can be switched to.
- the controller 13 stops the process of determining the range of the electrical angle of the electric motor 10 and puts the controller 13 in a standby state. It is desirable. In the standby state, the controller 13 only counts the number of changes in the pulse signal output from the low resolution sensor 24 and stores it in the RAM. When the ignition switch is turned on, the controller 13 determines in which range the electrical angle of the electric motor 10 is currently based on the number of changes in the pulse signal stored in the RAM. Therefore, the power supply to the controller 13 when the ignition switch is turned off needs to be performed only to the RAM as a minimum.
- the controller 13 when the ignition switch is turned off, only the detection by the low resolution sensor 24 may be performed and the controller 13 may be stopped. In this case, based on the low resolution sensor 24 detecting the rotation of the electric motor 10, that is, based on the low resolution sensor 24 outputting a pulse signal, the controller 13 switches from the stop state to the standby state. Change. Thereafter, as described above, the controller 13 only counts the number of changes in the pulse signal output from the low resolution sensor 24 and stores it in the RAM. As another method, the detection may be switched from the low resolution sensor 24 to the high resolution sensor 23 based on the detection of the rotation of the electric motor 10 by the low resolution sensor 24.
- the rotation angle of the steering shaft 2 may be calculated based on the low resolution sensor 24 detecting the rotation of the electric motor 10.
- 10 degrees and ⁇ 350 degrees are stored in advance in the ROM of the controller 13 as the reference rotation angles of the steering shaft 2 corresponding to the first pulse signals c and b of the index sensor 25, respectively.
- the controller 13 determines the neutral position of the steering shaft 2, that is, the vehicle is in a straight traveling state. Specifically, when the vehicle speed is equal to or higher than a predetermined speed, for example, 25 km / h or higher, the controller 13 determines that the steering torque acting on the steering shaft 2 detected by the torque sensor 12 is equal to or lower than a predetermined value. And when the variation
- this condition continues for a predetermined time or longer, for example, 5 seconds or longer, it is determined that the vehicle is in a straight traveling state.
- a predetermined time or longer for example, 5 seconds or longer
- the steering torque is less than or equal to a predetermined value
- the steering wheel 1 is returned after a right turn or a left turn, the steering wheel 1 is not steered and the steering torque is small. Therefore, as a condition for determining the neutral position of the steering shaft 2, the change in the rotation angle of the electric motor 10 is changed.
- the condition that the amount is below a predetermined value is also required.
- the controller 13 determines that the vehicle is traveling straight, the controller 13 identifies the rotational direction of the steering shaft 2 based on the output signal of the high resolution sensor 23, and starts from the neutral position of the steering shaft 2 output by the index sensor 25.
- the first pulse signal pulse c or b in FIG. 4
- the current rotation angle of the steering shaft 2 is determined by reading the reference rotation angle from the ROM. Specifically, when the rotation direction of the steering shaft 2 is identified as the right direction and the output signal (pulse c) of the index sensor 25 is received, the rotation angle of the steering shaft 2 is determined to be 10 degrees.
- the rotation angle of the steering shaft 2 is determined to be ⁇ 350 degrees.
- the reference absolute rotation angle of the steering shaft 2 can be set based on the output signal of the index sensor 25.
- the controller 13 Since the pulse signal output from the index sensor 25 has a length corresponding to a predetermined rotation angle as shown in FIG. 4, it is desirable that the controller 13 reads the reference rotation angle from the ROM when the pulse signal is at the center position. . This is because, in the case of a magnetic sensor, the width of the pulse signal may change due to temperature change or secular change, and when the end of the pulse signal is used as a reference, an accurate reference rotation angle cannot be set. . If the center position of the pulse signal is used as a reference, the reference rotation angle can be accurately set even if the magnetic force of the magnetic sensor is lowered or the sensitivity is lowered.
- the reference rotation angle of the steering shaft 2 based on the output signal of the index sensor 25 may be set every time the controller 13 determines the straight traveling state of the vehicle, or only once after the ignition switch is turned on. It may be.
- the reference rotation angle of the steering shaft 2 may be reset based on the output signal of the index sensor 25.
- the rotation angle of the steering shaft 2 is detected to be shifted due to noise or the like during the operation of the steering shaft rotation angle detection device 100, the rotation of the steering shaft 2 based on the output signal of the index sensor 25 is detected. The angle can be reset.
- the change amount of the rotation angle of the electric motor 10 calculated based on the output signal of the high resolution sensor 23 and the deceleration of the speed reducer 11
- the rotation angle change amount of the steering shaft 2 is calculated based on the ratio, and the rotation angle of the steering shaft 2 is calculated by adding the rotation angle change amount to the reference rotation angle.
- the switching between the high resolution sensor 23 and the low resolution sensor 24 by turning on and off the ignition switch is as described above.
- the rotation angle of the steering shaft 2 can be calculated.
- the calculated rotation angle of the steering shaft 2 is corrected by the torsion angle of the torsion bar 4.
- the rotation angle change amount is the rotation angle change amount of the output shaft 3 and not the rotation angle change amount of the input shaft 7, that is, the steering wheel 1.
- the correction value is calculated as 2 degrees.
- the rotation angle change amount of the output shaft 3 is calculated, and the rotation angle change amount is calculated as the steering shaft 2.
- the steering angle of the steering wheel 1 can be obtained by adding to the reference rotation angle.
- the amount of change in the rotation angle of the electric motor 10 is It is necessary to correct the amount of change in the rotation angle of the steering shaft 2 (output shaft 3) calculated from the reduction ratio of the speed reducer 11 with the twist angle of the torsion bar 4.
- the reference rotation angle is corrected by the torsion angle of the torsion bar 4 when setting the reference rotation angle of the steering shaft 2 based on the output signal of the index sensor 25. There is no need.
- the controller 13 determines the steering shaft based on the output signal of the index sensor 25. By reading the reference rotation angle of 2 from the ROM, the reference rotation angle of the steering shaft 2 can be reset. Therefore, the rotation angle of the steering shaft 2 can be recalculated. As described above, since the reference rotation angle of the steering shaft 2 is stored in the ROM which is a nonvolatile memory, the rotation angle of the steering shaft 2 can be automatically recalculated even after the vehicle battery is replaced. It becomes.
- the rotation angle of the steering shaft 2 is calculated based on the rotation angle of the electric motor 10 calculated based on the output signal of the angle sensor 22 and the reduction ratio of the speed reducer 11, a sensor provided on the steering shaft 2 is used. Compared with the case where the rotation angle of the steering shaft 2 is detected, the rotation angle of the steering shaft 2 can be detected with high resolution. Further, since the angle sensor 22 outputs a signal with the rotation of the ring magnet 21 attached to the rotating shaft of the electric motor 10, the structure is also simple.
- the reference rotation angle of the steering shaft 2 is automatically read from the non-volatile memory based on the first pulse signal from the neutral position of the steering shaft 2 output by the index sensor 25. Recalculation of the rotation angle of the steering shaft 2 is performed.
- the steering shaft rotation angle detection device 200 is such that the torque output from the electric motor 10 is applied as auxiliary torque to the rack shaft 5 via the gear mechanism 30 and the ball screw mechanism 40, and thus the steering shaft according to the first embodiment. Different from the rotation angle detection device 100. The same is true in that the torque output from the electric motor 10 is calculated based on the steering torque detected by the torque sensor 12.
- the gear mechanism 30 includes a drive pulley 31 connected to the output shaft of the electric motor 10 and a driven pulley 33 connected to the drive pulley 31 via a belt 32.
- the rotation of the electric motor 10 is transmitted to the driven pulley 33 via the driving pulley 31 and the belt 32.
- the diameter of the driven pulley 33 is larger than the diameter of the driving pulley 31, and the rotational torque of the electric motor 10 is amplified and transmitted to the driven pulley 33.
- the ball screw mechanism 40 includes a spiral groove 41 formed on the outer periphery of the rack shaft 5 and a ball nut 42 formed in a cylindrical shape covering the outer periphery of the rack shaft 5 and having a spiral groove that meshes with the spiral groove 41 on the inner periphery.
- the ball nut 42 is connected to the driven pulley 33, and the rotation of the driven pulley 33 is converted into movement of the rack shaft 5 in the axial direction by the ball screw mechanism 40.
- a rack 5a is formed on the rack shaft 5, and a pinion 3a provided at the lower end of the output shaft 3 meshes with the rack 5a.
- the rack shaft 5 and the steering shaft 2 are connected via the rack and pinion mechanism 45 configured by the rack 5a and the pinion 3a.
- the rotation of the electric motor 10 is decelerated and transmitted to the steering shaft 2 via the gear mechanism 30, the ball screw mechanism 40, and the rack and pinion mechanism 45.
- the gear mechanism 30, the ball screw mechanism 40, and the rack and pinion mechanism 45 correspond to the reduction mechanism of the present invention.
- the speed reduction ratio of this speed reduction mechanism will be explained.
- the reduction ratio of the drive pulley 31 and the driven pulley 33 is 1: 3. Since the movement amount of the rack shaft 5 per rotation of the ball nut 42 is 7 mm and the movement amount of the rack shaft 5 per rotation of the steering shaft 2 is 70 mm, the reduction ratio of the ball nut 42 and the steering shaft 2 is 1:10. From this, the reduction ratio of the reduction mechanism is 1:30. That is, when the steering shaft 2 rotates once, the electric motor 10 rotates 30 times.
- the resolution of the rotation angle of the steering shaft 2 by the high resolution sensor 23 is calculated to be 0.011 degrees as in the following equation.
- the resolution of the rotation angle of the steering shaft 2 by the low resolution sensor 24 is calculated as 1 degree as in the following equation.
- the steering shaft rotation angle detection device 200 differs from the steering shaft rotation angle detection device 100 according to the first embodiment only in the reduction ratio, and the detection method of the rotation angle of the steering shaft 2 is the same. Therefore, the second embodiment also has the same effects as the first embodiment.
- the numerical value of the resolution of the rotation angle of the steering shaft 2 by the high resolution sensor 23 and the low resolution sensor 24 shown in the above embodiment is an example, and can be freely adjusted.
- the rotation angle of the electric motor 10 is calculated based on the signal of the angle sensor 22 output with the rotation of the ring magnet 21.
- an optical sensor using a rotating body provided with a radial slit and attached to the rotating shaft of the electric motor 10 and an optical sensor composed of a light emitting section and a light receiving section fixed so as to sandwich the rotating body is used. Even if the rotation angle of the electric motor 10 is calculated based on the above signal, the same effects as those of the above embodiment can be obtained.
- the index sensor 25 is described as being provided on the input shaft 7.
- the index sensor 25 may be provided on the output shaft 3.
- the torsion is performed when the reference rotation angle of the steering shaft 2 is set based on the output signal of the index sensor 25. It is necessary to correct the reference rotation angle by the twist angle of the bar 4.
- the correction value calculation method is as described above.
- the steering angle of the steering wheel 1 can be obtained based on the calculated rotation angle of the steering shaft 2.
- the turning angle of the wheel 6 can also be calculated based on the calculated rotation angle of the steering shaft 2.
- the turning angle of the wheel 6 is a turning angle from a neutral state in which the wheel 6 is directed straight. As the steering shaft 2 rotates, the rack shaft 5 moves in the axial direction and the wheel 6 is steered. Therefore, the turning angle of the wheel 6 can be calculated based on the rotation angle of the steering shaft 2.
- the amount of change in the rotation angle of the steering shaft 2 calculated from the amount of change in the rotation angle of the electric motor 10 is set in the torsion bar 4. There is no need to correct by the twist angle.
- the worm wheel 11 a of the speed reducer 11 is connected to the output shaft 3 of the steering shaft 2. It is because it has been.
- the reference rotation angle is set by the torsion angle of the torsion bar 4. It is necessary to correct. However, if the index sensor 25 is provided on the output shaft 3, the reference rotation angle is set by the twist angle of the torsion bar 4 when setting the reference rotation angle of the steering shaft 2 based on the output signal of the index sensor 25. There is no need to correct.
- the steering shaft rotation angle detection device can be used in a vehicle that performs various controls based on the rotation angle of the steering shaft.
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Abstract
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、ドライバによるステアリングホイールの操舵を補助する電動モータと、電動モータの回転をステアリングシャフトに減速して伝達する減速機構と、電動モータの回転軸に取り付けられた回転体と、回転体の回転に伴い信号を出力する信号出力器と、信号出力器の出力信号に基づいて回転体の回転角度を演算し、回転角度と減速機構の減速比とに基づいて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。
Description
本発明は、車両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(JPH03-120419A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。
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。
本発明のある態様によれば、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、を備えるステアリングシャフト回転角度検出装置が提供される。
本発明の実施形態及び利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施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。
本発明の第1実施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。
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に切り換えられる。
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の回転角度が-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。
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実施形態)
次に、本発明の第2実施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実施形態と異なる点を中心に説明し、第1実施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。
次に、本発明の第2実施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実施形態と異なる点を中心に説明し、第1実施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実施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実施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実施形態でも、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏する。
本発明は上記の実施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、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
また、上記実施形態では、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。
本願は2011年3月31日に日本国特許庁に出願された特願2011-078166に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
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。
Claims (17)
- 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、
を備えるステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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、を有するステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。 - 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であって、
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ステアリングシャフト回転角度検出装置。
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