JP2006322794A

JP2006322794A - 操舵角センサ

Info

Publication number: JP2006322794A
Application number: JP2005145808A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Menju; 良一毛受; Kenichi Murakami; 賢一村上
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】測定対象を回転させること無く、センサの電源を入れた時に瞬時に回転角度を検出できるとともに、多回転においても絶対角度を検出できる操舵角センサを提供する。
【解決手段】シャフト１の径よりも大径の歯車６を有するシャフト回転角度検出部Ａと、歯車６と噛み合うように設けられた小径の歯車８を有するＭＲセンサ部Ｂとの２つの部分から構成し、シャフト回転角度検出部Ａにおける磁気検出素子４ａ、４ｂ及びＭＲセンサ部Ｂにおける磁気抵抗素子９からのセンサ信号の組み合わせにより、回転角度を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両等の軸の回転角度を検出する操舵角センサに関するものである。

図１０、図１１に、車両の操舵角センサに使用する回転角検出装置の一例を示す。
この回転角検出装置は、中心に回転軸２２を有する円形の回転スリット板２１の周縁部近くに、複数個のスリット２３からなるスリット列を一定ピッチで配列形成し、このスリット列を両面側から挟むように、コ字型のフォトカプラ２４を固定設置したものである。

フォトカプラ２４は、光源部２５と受光部２６とをギャップを挟んで対向配置したものである。光源部２５としては発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられ、このＬＥＤからの光でスリット列を片面側から照明し、反対側の受光部２６の面にスリット列による明暗パターンを生じさせる。

受光部２６には、フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）が使用され、例えば、図１１に示すように、１０個のフォトダイオードＰ_０〜Ｐ_９がスリット２３の配列方向に直線状に配列される。また、受光部２６には、ＰＤＡと同一側に１個の受光素子２７が設けられ、回転スリット板２１が回転したときスリット２３の通過数を検出する。ＰＤＡにおける各フォトダイオードＰ_０〜Ｐ_９は、明暗パターンに対してそれぞれ独立して動作し、スリット２３を通して光が当たったフォトダイオードから光電変換信号が出力され、回転スリット板２１の影になったフォトダイオードからは光電変換信号が出力されない。

この回転角検出装置では、ＰＤＡ上の何れの位置に明暗パターンにおける明暗境界線が移動したか、言い換えればＰＤＡ上の何れの位置にスリット２３の端縁ｈが移動したかを検出するとともに、受光素子２７で通過スリット２３の数を検出し、この両検出情報に基づいて回転軸２２の回転角を計測している（特許文献１参照）。

また、図１２に、車両の操舵角センサの他の例を示す。
この操舵角センサは、ステアリングシャフト３１に、減速ギア機構３２が取り付けられたものであり、この減速ギア機構３２は、ステアリングシャフト３１と一体的に回転する最大半径歯車３２ａと、最大半径歯車３２ａに噛み合って回転する大半径歯車３２ｂと、大半径歯車３２ｂの回転軸に取り付けられ、大半径歯車３２ｂと一体的に回転する小半径歯車３２ｃと、小半径歯車３２ｃに噛み合って回転する中半径歯車３２ｄとで構成されている。この減速ギア機構３２により、ステアリングシャフト３１の全回転角度範囲（例えば左右２回転の角度範囲；±７２０度）を双方向において１回転（３６０度）未満の回転角度範囲に変換して、出力軸を構成する中半径歯車３２ｄの回転軸が左右１回転未満の角度範囲内で回転する。この中半径歯車３２ｄの回転軸に検出部３３が取り付けられ、検出部３３の出力が信号処理回路３４に導かれる。

図１３に、検出部３３の具体的な構成を示す。
この検出部３３において、中半径歯車３２ｄの回転軸４１には、円環帯状ヨーク４２が固定され、円環帯状ヨーク４２の外周側面には、円環帯状磁石４３が接着されている。円環帯状ヨーク４２は、軟鉄などの軟磁性材料で作られている。円環帯状磁石４３は、半径方向に磁化されている。この円環帯状磁石４３の外周囲には、４個の固定子４４が所定のギャップ４５を置いて９０度間隔で固定配置されている。４個のギャップ４５のうち隣接する２個のギャップには、磁気センサであるホール素子４６、４７がそれぞれ設けられている。ホール素子４６、４７の出力端は、信号処理回路３４に接続される。

以上のような構成を有する検出部３３の構成において、円環帯状磁石４３が回転すると、回転角度に応じてギャップ４５での磁束密度が直線的に変化するので、そこに設けたホール素子４６または４７により回転角度に応じた出力をアナログ的に取り出すことができる。

そして、信号処理回路３４では、ホール素子４６または４７により得られた出力に基づき、減速ギア機構３２により変換した分を補正して操舵角度が得られる（特許文献２参照）。
特開昭６２−７１７３号公報特開２００２−１４８０１５号公報

しかしながら、図１０、１１に示す方法では、絶対舵角を検出する際に、ステアリングを動作させる必要があった。また、センサが光エンコーダ方式のため、センサの分解能が粗くなるという問題もあった。更に、光エンコーダのパルス信号をカウンターでカウントすることで、絶対舵角を演算しているため、パルス信号を数えるカウンターの電源は、ステアリングシャフトに取り付け、調整した後、常時通電しておかなければならない。そのため、自動車といった電源にバッテリーを使用する場合、センサ信号の必要の有無に関わらず、電流を消費するので、バッテリーあがりの原因となっていた。

一方、図１２、１３に示す方法では、多回転により基準位置から３６０°より大きな角度で回転した場合は、絶対角度そのものを検出できなかった。例えば、基準位置から５００°回転した場合、３６０°で一旦リセットされて、５００−３６０＝１４０°が検出角度として検出されてしまっていた。

従って、本発明の目的は、測定対象を回転させること無く、センサの電源を入れた時に瞬時に回転角度を検出できるとともに、多回転においても絶対角度を検出できる操舵角センサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の操舵角センサは、シャフトの径よりも大径の歯車Ｉを有し、かつ前記歯車Ｉの内側に磁気センサＩが設けられたシャフト回転角度検出部と、前記歯車Ｉと噛み合うように設けられた小径の歯車ＩＩを有すると共に、一部に磁気センサＩＩが配されたＭＲセンサ部と、前記磁気センサＩにより検出したシャフト回転角度信号に対して、更に、前記磁気センサＩＩから検出したセンサ信号を組み合わせることにより絶対角度を演算する演算部とを備え、前記歯車Ｉの歯数は、前記歯車ＩＩの歯数より大きく、かつ前記歯車Ｉの歯数は、前記歯車ＩＩの歯数の非整数倍とすることを特徴とする。

前記シャフト回転角度検出部は、前記シャフトの周囲に設けられた環状磁石の外周面に、複数個の磁気ヨークをそれぞれ所定のギャップを空けて固定配置すると共に、前記ギャップには、磁気センサＩを設け、前記ＭＲセンサ部は、前記歯車ＩＩの中心に磁石を設けると共に、前記磁石の下部には磁気センサＩＩを固定設置することもできる。

前記シャフト回転角度検出部において、４個の磁気ヨークをそれぞれ所定のギャップを空けて固定配置し、前記ギャップのうちの２つに、磁気センサＩとしての磁気検出素子を設け、かつ前記ＭＲセンサ部において、磁気センサＩＩとしての磁気抵抗素子を固定設置することもできる。

本発明によれば、測定対象を回転させることなく、センサの電源を入れた時点で絶対舵角を検出することができる。このため、絶対舵角値が必要なときのみ、電源を使用するので、消費電流を最小とすることが可能となり、バッテリーあがりを最小限にすることができる。

また、本発明によれば、基準位置から３６０°の範囲のみならず、多回転により基準位置から３６０°より大きな角度で回転した場合でも絶対角度を検出することができ、車両等の軸の角度を広範囲に渡って検出することが可能となる。

以下、本発明の操舵角センサの実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
（全体構成）
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の操舵角センサの一実施形態を示す。
この操舵角センサは、シャフト１の径よりも大径の歯車６を有するシャフト回転角度検出部Ａと、歯車６と噛み合うように設けられた小径の歯車８を有するＭＲセンサ部Ｂとの２つの部分から構成される。

シャフト回転角度検出部Ａでは、シャフト１の周囲に、環状磁石２が設けられ、この環状磁石２の外周面には、４個の磁気ヨーク３が所定のギャップ５を空けて９０度間隔で固定配置されている。４個のギャップ５のうち隣接する２個のギャップには、磁気センサである磁気検出素子４ａ、４ｂがそれぞれ設けられている。

一方、ＭＲセンサ部Ｂでは、歯車８の中心に円形磁石７が取り付けられ、更に、歯車８の下部には磁気抵抗素子９が固定設置されている。
この操舵角センサでは、シャフト回転角度検出部Ａにおける磁気検出素子４ａ、４ｂ及びＭＲセンサ部Ｂにおける磁気抵抗素子９からのセンサ信号の組み合わせにより、回転角度を検出する。以下、構成部分毎に詳しく説明する。

（シャフト回転角度検出部Ａ）
図２に、シャフト回転角度検出部Ａの部分構成（図２（ａ））と磁気検出素子４ａ、４ｂによる出力波形（図２（ｂ））を示す。

図２（ａ）において、環状磁石２の外側には、４つの磁性体からなる磁気ヨーク３が環状磁石２とは非接触で設置されており、磁気ヨーク３は互いに均等な間隔をおいて設置されている。磁気ヨークの間には、磁気検出素子４ａ、４ｂが配置されている。シャフト１が回転すると、それに伴い環状磁石２が同期して回転する。環状磁石２が発生する磁界は、磁気ヨーク３を通過しながら、Ｎ極からＳ極へ戻るため、磁気検出素子４ａ、４ｂはシャフト１の回転に応じて磁束密度の変化が生じる。

図２（ｂ）に、シャフト１の回転角度と磁気検出素子４ａ、４ｂの出力波形の関係例を示す。図に示すように、磁石の回転角度に応じて、磁気検出素子４ａの出力はｓｉｎ波形を示し、磁気検出素子４ｂの出力はｃｏｓ波形を示す。磁気検出素子４ａの出力と磁気検出素子４ｂの出力の２信号をＡ／Ｄコンバータで取り込み、ｔａｎ^−１を求めることで、シャフト１の回転角度波形が求められる。演算後の出力波形の一例を図３に示す。

（ＭＲセンサ部Ｂ）
ＭＲセンサ部Ｂでは、シャフト１の回転より増速した歯車８の回転角度を検出する。
歯車８が回転すると、歯車８の下部に固定設置された磁気抵抗素子９は、歯車８の中心に取り付けられた円形磁石７が発生する磁界の影響を受け、歯車８の回転角度に対し、例えば図４に示す出力波形を示す。

（シャフト回転角度検出部Ａの歯車６とＭＲセンサ部Ｂの歯車８との関係）
本操舵角センサでは、歯車６を有するシャフト回転角度検出部Ａからの出力波形と、歯車８を有するＭＲセンサ部Ｂからの出力波形とを組み合わせることにより絶対角度を演算する。ここで、歯車６と歯車８の歯数は下記条件を満たすように形成されている。
（１）歯車６の歯数＞歯車８の歯数
（２）歯車６の歯数は、歯車８の歯数の整数倍であってはならない。

（１）の条件により、シャフト１の回転に対して歯車８は増速されて回転する。ＭＲセンサ部Ｂの増速数は、シャフト１に取り付けられた歯車６と、歯車８の歯数により決まる。
また、上記（２）の要件を必要としたのは、歯車６の歯数が歯車８の歯数の整数倍になると、歯車６を有するシャフト回転角度検出部Ａからの出力波形信号と歯車８を有するＭＲセンサ部Ｂからの出力波形信号とが重なってしまい、これらの信号を組み合わせることにより絶対角度を演算することができなくなるからである。
このため、上記（１）、（２）の条件を満たす場合に初めて、歯車６と歯車８との組み合わせにより、任意回転数に対する絶対角度を検出することが可能となる。

図５は、シャフト回転角度検出部Ａによるシャフト回転角度検出信号と、ＭＲセンサ部Ｂによる磁気抵抗素子９の出力信号とを重ね合わせ、絶対角度を横軸にしたグラフ上に示したものである。ここでは、シャフト回転角度検出部Ａの歯車６の歯数とＭＲセンサ部Ｂの歯車８の歯数との比を１．１３：１とし、絶対角度範囲を−５４０°〜５４０°とした。絶対角度を検出するためには、全ての絶対角度領域内で２つの信号波形値を組み合わせる必要がある。この図では、シャフト回転角度検出信号値は、１８０°ごとの絶対舵角の繰り返し波形を示しているため、１８０°毎の領域内において磁気抵抗素子９の出力信号が重複しなければ、これらの信号波形の組み合わせにより、絶対角度を演算することができる。

（絶対角変換方法）
シャフト回転角度検出部Ａによるシャフト回転角度検出信号と、ＭＲセンサ部Ｂによる磁気抵抗素子９の出力信号との２つの検出信号は、ＡＤコンバータにより一度パソコンに取り込まれ、後述する絶対舵角を算出するテーブル（図６）にて演算され、絶対舵角に変換される。テーブルは、シャフト回転角度周期と同じ１８０°で作成されるが、ＭＲセンサの周期は１８０°未満である。このため、０〜５４０°の各範囲における磁気抵抗素子９の出力信号をテーブル上に重ね合わせると、これらの出力信号が重複していなければ、磁気抵抗素子９の出力信号とシャフト回転角検出信号の両者のレベルを比較することにより、絶対舵角を算出することが可能となる。

具体的には、歯車６の歯数をＸ_１、歯車８の歯数をＸ_２とすると、歯車６の回転周期は、１８０[°]、歯車８の回転周期は、（Ｘ_２／Ｘ_１）＊１８０[°]と示すことが出来る。
一例として図６（ａ）に、０＜Ｘ_２／Ｘ_１＜１における、絶対角０〜１８０°での変化を示す絶対角変換テーブルを示す。０＜Ｘ_２／Ｘ_１＜１であるから、磁気抵抗素子９の出力信号は、周期が(Ｘ_２／Ｘ_１)＊１８０[°]であるため、１波長と{（Ｘ_１−Ｘ_２）／Ｘ_１}＊１８０周期分の信号波形が検出される。これに更に、磁気抵抗素子９の０〜１８０°と１８０°〜３６０°の波形を重ねると、（ｂ）のようになり、磁気抵抗素子９の信号波形が重なることはない。多回転により磁気抵抗素子９のセンサ信号が０になる位置が原点に戻ると、それ以降は同じ繰り返し信号になるため、絶対角度を演算することができなくなる。よって、Ｘ_１とＸ_２の歯数を調整することにより、０〜１８０°と同じ波形となるまで絶対舵角を検出することが出来る。

なお、０〜１８０°と同じ波形が検出される場合は、下記の場合である。
シャフトの回転角をΦとすると、歯車８の回転角は、（Ｘ_２／Ｘ_１）＊Φとなる。シャフトの回転角は１８０°毎の繰り返しとなるため、（Ｘ_２／Ｘ_１）＊Φが１８０で割り切れる場合となる。

（本操舵角センサの効果）
（１）本操舵角センサでは、シャフト回転角度検出部Ａにより検出した回転角度と、ＭＲセンサＢにおいてシャフトの回転より増速した磁石付き歯車において検出した回転角度を組み合わせることで、多回転での絶対角度を検出することができる。例えば、基準位置から５００°回転した場合、従来の角度センサでは、角度１４０°（３６０°でリセットされる）と検出されるのに対して、本操舵角センサでは、絶対角度５００°と検出される。
（２）ステアリングを動作させることなく、センサの電源を入れた時点で絶対舵角を検出することができる。このため、絶対舵角値が必要なときのみ、電源を使用するので、消費電流を最小とすることが可能となり、バッテリーあがりを最小限にすることができる。
（３）測定対象の絶対回転角度を非接触で検出することができる。
（４）本操舵角センサでは操舵角情報が得られるので、将来の自動車の自動操縦の１つの要素技術を提供できる。
（５）カーナビゲーションの自立航法に活用することも可能である。

図７に、本操舵角センサをステアリングシャフト用角度センサに適用した例を示す。
このステアリングシャフト用角度センサ１０は、センサ部分として図１に示した構成の操舵角センサを用いている。また、演算用プロセッサ１１を同一基板上に配置することで実装面積を最小にしている。

図８に、自動車ステアリング全体システムの説明図を示す。上記ステアリングシャフト用角度センサ１０は、図８に示した絶対舵角センサ１２、演算回路１３、運動制御用コントローラ１４、及びステアリングシャフト１５の内、絶対舵角センサ１２及び演算回路１３の部分に対応している。

図９に、シャフト回転角度検出部の磁界シミュレーション結果を示す。解析は、図２に示すシャフト回転角度検出部Ａの形状を用い、環状磁石２を回転させて行った。これより、磁気検出素子４ａ、４ｂ共に、図２（ｂ）に対応した出力波形が得られた。

本発明の操舵角センサの一実施形態を示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。本実施形態の操舵角センサの説明図であり、（ａ）は、シャフト回転角度検出部の部分構成図、（ｂ）は２つの磁気検出素子による絶対角度出力波形図である。本実施形態の操舵角センサのシャフト回転角度検出部Ａにおける演算後の絶対角度出力波形図である。本実施形態の操舵角センサのＭＲセンサ部Ｂにおける絶対角度出力波形図である。シャフト回転角度検出信号と磁気抵抗素子の出力信号の組み合わせを示したグラフである。シャフト回転角度検出信号と磁気抵抗素子の出力信号の組み合わせを示したグラフであり、（ａ）は絶対角０〜１８０°での変化を示すもの、（ｂ）は絶対角０〜１８０°と１８０°〜３６０°の変化を重ねたものである。ステアリングシャフト用角度センサの一例を示す平面図である。自動車ステアリング全体システムを示す説明図である。シャフト回転角度検出部の磁界シミュレーション結果を示すグラフである。従来の車両の操舵角センサに使用する回転角検出装置を示す一部断面図である。図１０における受光部の部分の部分拡大図である。従来の操舵角センサを示す構成図である。図１２における検出部の部分拡大図である。

符号の説明

１シャフト
２環状磁石
３磁気ヨーク
４ａ、４ｂ磁気検出素子
５ギャップ
６歯車
７円形磁石
８歯車
９磁気抵抗素子
Ａシャフト回転角度検出部
ＢＭＲセンサ部
１０ステアリングシャフト用角度センサ
１１演算用プロセッサ
１２絶対舵角センサ
１３演算回路
１４運動制御用コントローラ
１５ステアリングシャフト
１６タイヤ
１７ピニオン
１８ラック

Claims

シャフトの径よりも大径の歯車Ｉを有し、かつ前記歯車Ｉの内側に磁気センサＩが設けられたシャフト回転角度検出部と、
前記歯車Ｉと噛み合うように設けられた小径の歯車ＩＩを有すると共に、一部に磁気センサＩＩが配されたＭＲセンサ部と、
前記磁気センサＩにより検出したシャフト回転角度信号に対して、更に、前記磁気センサＩＩから検出したセンサ信号を組み合わせることにより絶対角度を演算する演算部とを備え、
前記歯車Ｉの歯数は、前記歯車ＩＩの歯数より大きく、かつ前記歯車Ｉの歯数は、前記歯車ＩＩの歯数の非整数倍とすることを特徴とする操舵角センサ。
前記シャフト回転角度検出部は、前記シャフトの周囲に設けられた環状磁石の外周面に、複数個の磁気ヨークがそれぞれ所定のギャップを空けて固定配置されると共に、前記ギャップには、磁気センサＩが設けられ、前記ＭＲセンサ部は、前記歯車ＩＩの中心に磁石が設けられると共に、前記磁石の下部には磁気センサＩＩが固定設置されることを特徴とする請求項１記載の操舵角センサ。
前記シャフト回転角度検出部において、４個の磁気ヨークがそれぞれ所定のギャップを空けて固定配置され、前記ギャップのうちの２つに、磁気センサＩとしての磁気検出素子が設けられ、かつ前記ＭＲセンサ部において、磁気センサＩＩとしての磁気抵抗素子が固定設置されていることを特徴とする請求項１記載の操舵角センサ。