(57)【要約】【課題】ステアリングシャフトが中立位置にあるときの検出分解能低下を抑制できるステアリングセンサを提供する。【解決手段】テアリングセンサ１０は、非円形歯車４２と、非円形歯車４２に噛合する非円形歯車５０と、ステアリングシャフト２０の回転を非円形歯車４２に伝達する減速歯車３０と、非円形歯車５０の回転に起因して変化する磁界を電気信号に変換する磁気センサ７０と、磁気センサ７０の出力信号に基づいてステアリングシャフト２０の操舵角を算出する信号処理回路８０とを備える。ステアリングシャフト２０の回転角に対する非円形歯車５０の回転角の回転比率がステアリングシャフト２０の中立位置において最大となるように設計されている。【選択図】図１
2011043423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングシャフトの操舵角を検出するステアリングセンサであって、
前記ステアリングシャフトの回転に連動して回転する回転部材と、
前記回転部材の回転に起因して変化する磁界を電気信号に変換する磁気センサと、
前記磁気センサの出力信号に基づいて前記ステアリングシャフトの操舵角を算出する信号処理回路と、を備え、
前記ステアリングシャフトの回転角に対する前記回転部材の回転角の回転比率は、前記ステアリングシャフトの回転角に依存して変化し、且つ前記ステアリングシャフトの中立位置において最大となる、ステアリングセンサ。
【請求項２】
ステアリングシャフトの操舵角を検出するステアリングセンサであって、
第一の非円形歯車と、
前記第一の非円形歯車に噛合する第二の非円形歯車と、
前記ステアリングシャフトの回転を前記第一の非円形歯車に伝達する歯車機構と、
前記第二の非円形歯車の回転に起因して変化する磁界を電気信号に変換する磁気センサと、
前記磁気センサの出力信号に基づいて前記ステアリングシャフトの操舵角を算出する信号処理回路と、を備え、
前記ステアリングシャフトの回転角に対する前記第二の非円形歯車の回転角の回転比率が前記ステアリングシャフトの中立位置において最大となる、ステアリングセンサ。
【請求項３】
請求項２に記載のステアリングセンサであって、
前記ステアリングシャフトの回転角に対する前記第二の非円形歯車の回転角の回転比率が前記ステアリングシャフトの回転角に依存して変化する、ステアリングセンサ。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載のステアリングセンサであって、
前記歯車機構は、前記磁気センサが前記ステアリングシャフトの多回転絶対角を検出できるための角度範囲内に前記第二の非円形歯車の回転角度を制限する減速歯車機構である、ステアリングセンサ。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のうち何れか１項に記載のステアリングセンサであって、
前記第一及び第二の非円形歯車は、一葉楕円歯車、二葉楕円歯車、又は三葉楕円歯車の何れかである、ステアリングセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステアリングシャフトの操舵角を検出するステアリングセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
旋回中の自動車には、遠心力によって車体前後軸回りの回転運動（ロール）が発生する。近年、このようなロールに対して、ショックアブソーバの剛性を最適に配分し、ロールを抑制することで、操舵時の安定性を確保するショックアブソーバの減衰力制御が提案されている。この減衰力制御は、操舵角と車速度との関係が所定の値となったときに、ショックアブソーバ内部のオリフィスを通過するオイル流量を制御し、ショックアブソーバの剛性を最適に配分するものである。このような制御を行うためには、操舵角を検出するためのステアリングセンサが必要となる。ステアリングセンサは、車輪の転舵方向が舵角中心にある時のステアリングホイールの位置を中立位置（ニュートラル位置）として、ステアリングホイールが操舵されたときの操舵角と操舵方向とを検出するための車載センサである。ステアリングシャフトの操舵角を検出する方法として、例えば、特許３７９２７１８号公報には、ステアリングシャフトに歯切りされた歯車に歯数の異なる二つの歯車を噛合させ、その二つの歯車の回転角を二つの磁気抵抗効果素子を用いて検出し、二つの歯車の回転角の差分を基にステアリングシャフトの操舵角を検出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許３７９２７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、同公報に開示の方法では、磁気抵抗効果素子が二つ必要となるので、製造コストが高くなる。製造コスト低下を図るには、ステアリングセンサに使用される磁気抵抗効果素子の個数は少ない方が望ましい。一方、ステアリングシャフトは、その中立位置を基準にして、時計回りに最大２．５回転（０ｄｅｇ〜９００ｄｅｇ）及び反時計回りに最大２．５回転（０ｄｅｇ〜−９００ｄｅｇ）するため、例えば、検出可能角度範囲が±１８０ｄｅｇである特性を有する磁気抵抗効果素子を一つ用いてステアリングシャフトの操舵角を検出するには、ステアリングシャフトの回転に連動して磁界を変化させる回転部材の回転角度範囲を、減速歯車機構を用いて±１８０ｄｅｇに制限する必要がある。ところが、減速歯車機構を用いると、減速比に応じてステアリングシャフトの検出分解能が低下してしまうことになる。ステアリングセンサの出力は、ショックアブソーバの減衰力制御などの車両挙動安定制御に使用されるので、ステアリングホイールが中立位置付近にあるときの検出分解能低下は望ましくない。
【０００５】
そこで、本発明は、ステアリングシャフトが中立位置付近にあるときの検出分解能低下を抑制できるステアリングセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明に係わるステアリングセンサは、ステアリングシャフトの回転に連動して回転する回転部材と、回転部材の回転に起因して変化する磁界を電気信号に変換する磁気センサと、磁気センサの出力信号に基づいてステアリングシャフトの操舵角を算出する信号処理回路と、を備え、ステアリングシャフトの回転角に対する回転部材の回転角の回転比率は、ステアリングシャフトの回転角に依存して変化し、且つステアリングシャフトの中立位置において最大となる。
【０００７】
ステアリングシャフトの回転角に対する回転部材の回転角の回転比率は、ステアリングシャフトの回転角に依存して変化し、且つステアリングシャフトの中立位置において最大となるため、ステアリングシャフトが中立位置にあるときの検出分解能低下を抑制することができる。
【０００８】
本発明の他の観点に係わるステアリングセンサは、第一の非円形歯車と、第一の非円形歯車に噛合する第二の非円形歯車と、ステアリングシャフトの回転を第一の非円形歯車に伝達する歯車機構と、第二の非円形歯車の回転に起因して変化する磁界を電気信号に変換する磁気センサと、磁気センサの出力信号に基づいてステアリングシャフトの操舵角を算出する信号処理回路と、を備え、ステアリングシャフトの回転角に対する第二の非円形歯車の回転角の回転比率がステアリングシャフトの中立位置において最大となる。
【０００９】
ステアリングシャフトの回転角に対する第二の非円形歯車の回転角の回転比率がステアリングシャフトの中立位置において最大となるため、ステアリングシャフトが中立位置にあるときの検出分解能低下を抑制することができる。
【００１０】
ここで、ステアリングシャフトの回転角に対する第二の非円形歯車の回転角の回転比率がステアリングシャフトの回転角に依存して変化するように構成してもよい。ステアリングセンサの分解能をステアリングシャフトの回転角に応じて可変可能とすることにより、ステアリングセンサの最適設計が可能となる。
【００１１】
また、歯車機構は、磁気センサがステアリングシャフトの多回転絶対角を検出できるための角度範囲内に第二の非円形歯車の回転角度を制限する減速歯車機構が好ましい。これにより、磁気センサを用いてステアリングシャフトの多回転絶対角を検出することが可能となる。
【００１２】
第一及び第二の非円形歯車として、例えば、一葉楕円歯車、二葉楕円歯車、又は三葉楕円歯車を用いることができる。このような楕円歯車を用いることにより、ステアリングシャフトの回転角に対する第二の非円形歯車の回転角の回転比率がステアリングシャフトの中立位置において最大となるように設計することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ステアリングシャフトが中立位置にあるときの検出分解能低下を抑制できるステアリングセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に関わるステアリングセンサの構造を示す説明図である。
【図２】磁気センサの出力特性を示すグラフである。
【図３】複合歯車の回転角に対する非円形歯車の回転角を示すグラフである。
【図４】ステアリングシャフトの回転角に対するステアリングセンサの分解能を示すグラフである。
【図５】ステアリングシャフトの回転角に対するステアリングセンサの分解能を示すグラフである。
【図６】複合歯車が備える非円形歯車の形状を示す説明図である。
【図７】磁石が取り付けられている非円形歯車の形状を示す説明図である。
【図８】ステアリングシャフトの回転角に対するステアリングセンサの分解能を示すグラフである。
【図９】複合歯車が備える非円形歯車の形状を示す説明図である。
【図１０】磁石が取り付けられている非円形歯車の形状を示す説明図である。
【図１１】ステアリングシャフトの回転角に対するステアリングセンサの分解能を示すグラフである。
【図１２】複合歯車が備える非円形歯車の形状を示す説明図である。
【図１３】磁石が取り付けられている非円形歯車の形状を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、各図を参照しながら本発明に関わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に関わるステアリングセンサ１０の構造を示す説明図である。ステアリングセンサ１０は、ステアリングシャフト２０の回転を減速歯車３０及び複合歯車４０を介して非円形歯車５０に伝達し、非円形歯車５０に取り付けられた磁石６０を回転させることによって磁界を変化させ、その磁界変化を磁気センサ７０によって検出することにより、ステアリングシャフト２０の操舵角を算出する。減速歯車３０は、ステアリングシャフト２０の軸側面に歯切りされた歯車２１に噛合し、所定の減速比でステアリングシャフト２０の回転を複合歯車４０に伝達する減速歯車機構である。複合歯車４０は、減速歯車３０に噛合する円形歯車４１と、非円形歯車５０に噛合する非円形歯車４２とが一体成形されてなる特殊歯車である。非円形歯車５０は、ステアリングシャフト２０の回転に連動して磁界変化を生じさせるために、ステアリングシャフト２０の回転に連動して回転する回転部材である。磁気センサ７０は、磁石６０から所定間隔離れた位置に対向して配置されており、磁石６０の回転に起因して変化する磁気信号を電気信号に変換する磁電変換素子である。信号処理回路８０は、磁気センサ７０の出力信号とステアリングシャフト２０の操舵角（回転角）との対応関係を示すデータテーブル（マップデータ）又は関数を記憶するメモリ（図示せず）と、このメモリに記憶されているデータテーブル又は関数と磁気センサ７０の出力信号とを比較してステアリングシャフト２０の操舵角（回転角）を算出する演算回路（図示せず）とを備える。
【００１６】
なお、磁気センサ７０として、例えば、磁気抵抗効果素子又はホール素子等が好適である。磁気抵抗効果素子として、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）型、弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）型、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）型などの各種の磁気抵抗効果素子を利用できる。
【００１７】
減速歯車３０の減速比は、磁気センサ７０がステアリングシャフト２０の多回転絶対角を検出できるための角度範囲内に非円形歯車５０の回転角度を制限するように調整するのが好ましい。多回転絶対角とは、ステアリングシャフト２０の回転数を加味したステアリングシャフト２０の中立位置からの絶対角を意味し、例えば、ステアリングシャフト２０の回転数がＮ回転でステアリングシャフト２０の中立位置からの相対角がθの多回転絶対角φは、φ＝３６０×Ｎ＋θ［ｄｅｇ］である。図２に示すように、磁気センサ７０がステアリングシャフト２０の多回転絶対角を検出できるための非円形歯車５０の回転角度範囲が±９０ｄｅｇの範囲内にある場合、ステアリングシャフト２０の回転（±９００ｄｅｇ）が非円形歯車５０の回転（±９０ｄｅｇ）に対応するように減速歯車３０の減速比を調整すればよい。なお、図２に示すように、磁気センサ７０がステアリングシャフト２０の多回転絶対角を検出できるための非円形歯車５０の回転角度範囲内では、磁気センサ７０の出力信号は、単調増加又は単調減少する正弦波形信号であることが望ましい。これにより、磁気センサ７０の出力信号値とステアリングシャフト２０の多回転絶対角とを一対一に対応付けることが可能となる。
【００１８】
ステアリングシャフト２０が中立位置にあるときのステアリングセンサ１０の検出分解能低下を抑制するために、ステアリングセンサ１０は、ステアリングシャフト２０の回転角に対する非円形歯車５０の回転角の回転比率がステアリングシャフト２０の回転角に依存して変化し、且つステアリングシャフト２０の中立位置において最大となるように設計されている。例えば、非円形歯車４２，５０として、図１に示すような同一形状の二葉楕円歯車を使用し、ステアリングシャフト２０が中立位置にあるときに、非円形歯車４２の長軸と非円形歯車５０の短軸とが平行となるように調整すると、ステアリングシャフト２０の回転角に対する非円形歯車５０の回転角の回転比率がステアリングシャフト２０の中立位置において最大となり、且つ中立位置からのステアリングシャフト２０の回転角増大に伴い、回転比率は次第に漸減する。
【００１９】
図３は、ステアリングシャフト２０が中立位置にあるときを複合歯車４０及び非円形歯車５０の角度基準（０ｄｅｇ）として、複合歯車４０の回転角を横軸にとり、非円形歯車５０の回転角を縦軸にとり、非円形歯車４２，５０として、同一形状の二葉楕円歯車を使用した場合における、複合歯車４０の回転角に対する非円形歯車５０の回転角を示すグラフである。実線はアスペクト比３のグラフを示し、破線はアスペクト比２のグラフを示し、一点鎖線はアスペクト比１．５のグラフを示し、二点鎖線はアスペクト比１のグラフを示す。同図から理解できるように、ステアリングシャフト２０が中立位置付近にあるときの回転比率は大きく、非円形歯車４２の回転角が僅かであっても、非円形歯車５０の回転角は大きくなる。また、非円形歯車４２，５０のアスペクト比（長軸／短軸）が大きくなる程、その傾向は強くなる。
【００２０】
図４は、ステアリングシャフト２０が中立位置にあるときをステアリングシャフト２０の角度基準（０ｄｅｇ）として、ステアリングシャフト２０の回転角を横軸にとり、ステアリングセンサ１０の分解能を縦軸にとり、非円形歯車４２，５０として、同一形状の二葉楕円歯車を使用した場合における、ステアリングシャフト２０の回転角に対するステアリングセンサ１０の分解能を示すグラフである。実線はアスペクト比３のグラフを示し、破線はアスペクト比２のグラフを示し、一点鎖線はアスペクト比１．５のグラフを示し、二点鎖線はアスペクト比１のグラフを示す。同図から理解できるように、非円形歯車４２，５０のアスペクト比が大きくなる程、ステアリングシャフト２０が中立位置付近にあるときのステアリングセンサ１０の分解能は大きくなる。ここで、アスペクト比は、必要とされる回転角の精度と回転角の測定範囲とに応じて設計される。例えば、非常に狭い測定範囲において高精度な回転角検出が要求され、その測定範囲外では、それ程高い検出精度が要求されない場合には、アスペクト比を１より大きい値に設定するとよい。ただし、アスペクト比を１より十分に大きい値とすると、高分解能に検出できる範囲が非常に狭くなる上に、高精度に測定可能な範囲以外の範囲の測定精度が大きく劣ることとなってしまう。検出精度が最も優れている中立位置の検出精度と、検出精度が最も劣る測定範囲（中立位置から離れた位置の測定範囲）の検出精度との差は、実用上１０倍程度あれば十分であると考えられ、アスペクト比の上限は、実用的観点から１０程度に設計するのが好ましい。例えば、中立位置付近において０．１度の検出精度が要求される場合には、検出精度が最も劣る測定範囲において最大１度の検出精度が確保できれば、十分実用に適すると考えられる。一方、アスペクト比が１に極めて近い場合は、ステアリングシャフト１０の全角度範囲に渡り、検出精度がほぼ一定となってしまう。ここで、図４から明らかなようにアスペクト比が１．５であれば、検出精度が最も優れている中立位置の検出精度と、検出精度が最も劣る測定範囲の検出精度との差は２倍程度あり、中立位置での検出精度が相対的に改善されていると言える。従って、アスペクト比の下限は、実用的観点から２程度に設計するのが好ましい。
【００２１】
このように、ステアリングセンサ１０の分解能がステアリングシャフト２０の回転角に依存して変化する場合、磁気センサ７０の出力信号とステアリングシャフト２０の操舵角との対応関係を示すデータテーブル又は関数と、磁気センサ７０の出力信号とを比較してステアリングシャフト２０の操舵角を算出する方式が好適である。
【００２２】
ステアリングシャフト２０が中立位置にあるとき（車両が直進しているとき）の車速は、ステアリングシャフト２０が中立位置外にあるとき（車両が旋回しているとき）の車速と比較して大きい傾向が見られるので、横滑り防止等の車両挙動安定制御の観点からみて、ステアリングシャフト２０が中立位置にあるときの角度検出分解能の低下を抑制することが望ましい。
【００２３】
なお、非円形歯車４２，５０の形状は、磁気センサ７０がステアリングシャフト２０の多回転絶対角を検出できるための非円形歯車５０の回転角度範囲又はステアリングセンサ１０の分解能等に応じて決定すればよい。例えば、磁気センサ７０がステアリングシャフト２０の多回転絶対角を検出できるための非円形歯車５０の回転角度範囲が±１８０ｄｅｇ、±９０ｄｅｇ、±６０ｄｅｇの場合には、非円形歯車４２，５０として、それぞれ、一葉楕円歯車、二葉楕円歯車、三葉楕円歯車を使用すればよい。ここで、一葉、二葉、三葉とは、楕円歯車の長半軸（長軸の半分）の本数を表しており、例えば、通常の楕円歯車は、長半軸が２本（長軸が１本）あるので、二葉楕円歯車となる。ステアリングセンサ１０の分解能を、ステアリング中立位置において最大とするためには、ステアリング中立位置において、非円形歯車４２と非円形歯車５０との接点から非円形歯車４２の回転中心までの距離が最大となるように設計すればよい。
【００２４】
また、例えば、図５に示すように、ステアリングセンサ１０の分解能がステアリングシャフト２０の回転角に対して線形に変化し、且つステアリングシャフト２０の中立位置において最大となるように調整するには、非円形歯車４２の形状を図６に示すような形状とし、非円形歯車５０の形状を図７に示すような形状とすればよい。
【００２５】
また、例えば、図８に示すように、ステアリングセンサ１０の分解能がステアリングシャフト２０の中立位置前後で一定かつ最大となる角度範囲と、ステアリングセンサ１０の分解能がステアリングシャフト２０の中立位置外で一定かつ最小となる角度範囲と、ステアリングセンサ１０の分解能がステアリングシャフト２０の回転角に対して線形に変化する角度範囲とを含むように調整するには、非円形歯車４２の形状を図９に示すような形状とし、非円形歯車５０の形状を図１０に示すような形状とすればよい。
【００２６】
また、例えば、図１１に示すように、ステアリングセンサ１０の分解能がステアリングシャフト２０の中立位置前後で一定かつ最大となる角度範囲と、ステアリングセンサ１０の分解能がステアリングシャフト２０の回転角に対して線形に変化する角度範囲とを含むように調整するには、非円形歯車４２の形状を図１２に示すような形状とし、非円形歯車５０の形状を図１３に示すような形状とすればよい。
【００２７】
なお、ステアリングセンサ１０の分解能は、ステアリングシャフト２０の全ての角度範囲に対して必ずしも変化する必要はなく、例えば、図８又は図１１に示すように、分解能が一定である角度範囲を有してもよい。また、減速歯車機構は、上述の減速歯車３０単体に限られるものではなく、複数の歯車の組み合わせによって減速歯車機構を構成してもよく、或いはウォームホイールによって減速歯車機構を構成してもよい。
【００２８】
次に、非円形歯車４２，５０の形状を設計する方法について説明する。ステアリングシャフト２０のロック・トゥ・ロックの最大回転角を±θstmaxとし、非円形歯車５０の角度検出範囲を±θdmaxとし、磁気センサ７０の分解能をθdetとし、非円形歯車４２の回転角度範囲を±θmaxとし、ステアリングシャフト２０の回転角θstに対するステアリングセンサ１０の分解能をｆ(θst)とすると、ｆ(θ)は、（１）式を満たす必要がある。（１）式を用いてｆ(θst)を定める。
【数１】
2011043423.tif 000003
【００２９】
非円形歯車４２の中心をＰ１とし、非円形歯車５０の中心をＰ２とし、非円形歯車４２と非円形歯車５０との接点をＰ３とし、Ｐ１とＰ３との間の距離をＬ１とし、Ｐ２とＰ３との距離をＬ２とすると、Ｐ１とＰ２との間の距離Ｌは常に一定であり、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２を満たす。ｆ(θst)は、ステアリングシャフト２０から非円形歯車５０までの回転比に反比例するから、（２）式が得られる。
【数２】
2011043423.tif 000004
【００３０】
（２）式にＬ２=Ｌ−Ｌ１を代入し、Ｌ１について整理すると、（３）式が得られる。
【数３】
2011043423.tif 000005
【００３１】
ここで、非円形歯車４２の回転角をθ１とすると、（４）式が得られる。（３）式及び（４）式より、Ｌ１とθ１との関係を求めることができるので、非円形歯車４２の形状が決まる。
【数４】
2011043423.tif 000006
【００３２】
次に、非円形歯車５０の回転角をθ２として、Ｌ２とθ２との関係を求めることにより、非円形歯車５０の形状を決定する。非円形歯車４２，５０の関係は、Ｌ１×dθ１＝Ｌ２×dθ２である。両辺を積分して、（３）式を代入すると、（５）式が得られる。
【数５】
2011043423.tif 000007
【００３３】
Ｌ２＝Ｌ−Ｌ１に（３）式を代入して、（６）式を得る。
【数６】
2011043423.tif 000008
【００３４】
ここで、（４）式、（５）式、及び（６）式より、θstとθ１とを消去すれば、Ｌ２とθ２との関係を求めることができるので、非円形歯車５０の形状が決定する。上述の手順で非円形歯車４２，５０を設計することにより、図５、図８、図１１に示すような可変分解能を有するステアリングセンサ１０を設計できる。
【００３５】
なお、本実施形態は、様々な変形が可能であり、例えば、非円形歯車の微分係数が一致しない曲線部同士の接合部にＲを設けることで局所的な応力集中を緩和することが可能である。応力集中を緩和することで、非円形歯車の破壊を効果的に防止することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に関わるステアリングセンサは、ステアリングシャフトの操舵角の検出に利用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０…ステアリングセンサ  ２０…ステアリングシャフト  ２１…歯車  ３０…減速歯車  ４０…複合歯車  ４１…円形歯車  ４２…非円形歯車  ５０…非円形歯車  ６０…磁石  ７０…磁気センサ  ８０…信号処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011043423.tif 000017
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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