(57)【要約】【課題】操舵力の他に操舵角も検出することができ、温度等の周囲環境に影響されにくい、センサー特性が材料等に影響されにくい、信頼性の高い操舵力及び操舵角検出装置を提供する。【解決手段】操舵力により捩れを発生するトーションバー１１と、このトーションバーの入力側に取付けられた入力側磁気ドラム２１と、上記トーションバーの出力側に取付けられた出力側磁気ドラム２２と、上記入力側磁気ドラム上に磁気記録された磁気パターンと、上記出力側磁気ドラム上に磁気記録された磁気パターンと、上記入力側磁気ドラム及び上記出力側磁気ドラム上の磁気記録を読み取る第一の磁気センサー１５と、上記操舵力が作用した場合に上記入力側磁気ドラムの軸方向に移動するステアリング中央位置検出用ドラム２３Ａと、このステアリング中央位置検出用ドラムの軸方向の位置を検出してステアリングの中央位置を検出する第二の磁気センサ２３Ｃとを備えた。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵力により捩れを発生するトーションバーと、このトーションバーの入力側に取付けられた入力側磁気ドラムと、上記トーションバーの出力側に取付けられた出力側磁気ドラムと、上記入力側磁気ドラム上に磁気記録された磁気パターンと、上記出力側磁気ドラム上に磁気記録された磁気パターンと、上記入力側磁気ドラム及び上記出力側磁気ドラム上の磁気記録を読み取る第一の磁気センサーと、上記操舵力が作用した場合に上記入力側磁気ドラムの軸方向に移動するステアリング中央位置検出用ドラムと、このステアリング中央位置検出用ドラムの軸方向の位置を検出してステアリングの中央位置を検出する第二の磁気センサとを備えたことを特徴とする操舵角及び操舵力検出装置。
【請求項２】
上記第一の磁気センサーが、上記入力側磁気ドラム及び上記出力側磁気ドラムをまたぐ一体構造であり、磁気ドラムと磁気センサー間が非接触で一定間隔を備えて構成されていることを特徴とする請求項１記載の操舵角及び操舵力検出装置。
【請求項３】
上記第一及び上記第二の磁気センサが一体化されていることを特徴とする請求項１又は２記載の操舵角及び操舵力検出装置。
【請求項４】
上記第一及び上記第二の磁気センサーが読み取る磁気情報がデジタル処理されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の操舵角及び操舵力検出装置。
【請求項５】
上記磁気記録がドラム全周にわたり磁極の組合せで数値がＮ進法で読み取れるように記録され、Ｎ進法で読み取った数値が桁上がり処理されて操舵角が検出される構成としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の操舵角及び操舵力検出装置。
【請求項６】
操舵力により捩れを発生するトーションバーと、このトーションバーの入力側に取付けられた入力側ドラムと、上記トーションバーの出力側に取付けられた出力側ドラムと、上記入力側ドラム上に記録されたパターンと、上記出力側ドラム上に記録されたパターンと、上記入力側ドラム及び上記出力側ドラム上の記録を読み取る第一のセンサーと、上記操舵力が作用した場合に上記入力側ドラムの軸方向に移動するステアリング中央位置検出用ドラムと、この中央位置検出用ドラムの軸方向の位置を検出してステアリングの中央位置を検出する第二のセンサとを備えたことを特徴とする操舵角及び操舵力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハンドルによる操舵角及び操舵力を検出する操舵角及び操舵力検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の電動パワーステアリング（以下、ＥＰＳと略す）に使われているトルクセンサーを示す。
【０００３】
３１はトーションバーを示し、このトーションバー３１には入力軸３２と出力軸３３とが連結され、トーションバー３１の外周には検出リング３４、３５、３６が固定されている。運転者がハンドルで操舵すると、操舵力によりトーションバー３１が捻られ、トーションバー３１に固定された検出リング３４及び３５の間に、捩れによる相対的なずれが発生する。
【０００４】
この相対的なずれが発生した場合、検出リング３４及び３５の先端に加工された夫々の突起３４Ａ及び３５Ａの位置が相対的にずれるため、検出コイル３７の磁気回路３８の磁気抵抗が変化し、その変化に基づいて、トーションバー３１の捩れ角が検出され、最終的に操舵力が検出される。
【０００５】
磁気抵抗はセンサー構成部品の温度で変化するため、補償コイル３９が設けられ、温度変化に対する補償が行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の構成では、操舵力しか検知することができない。すなわち、操舵情報としては操舵角も検知したい重要ファクターであるが、操舵角を検知することができない。磁気抵抗はセンサー構成部品の鉄製ケース４１の材料特性（構成原料の成分組成、組成％、加工度等）に影響を受けるため、特に、材料管理に注意をはらわなければならない。鉄製ケース４１は加工すると材料特性が変化するため、加工後熱処理を行わなければならない。
【０００７】
磁気抵抗は検出器を構成する鉄製ケース４１の寸法精度に影響を受けるので、高い加工精度が要求される。鉄製ケース４１はケース本体４１Ａと蓋４１Ｂに分かれており、これらケース本体４１Ａと蓋４１Ｂとの間のギャップは磁気抵抗に大きく影響するため、鉄製ケース４１の組立時には、ギャップ管理等の加工精度が、特に必要になる等の問題が発生する。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、操舵力の他に操舵角も検出することができ、温度等の周囲環境に影響されにくい、センサー特性が材料等に影響されにくい、信頼性の高い操舵力及び操舵角検出装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、操舵力により捩れを発生するトーションバーと、このトーションバーの入力側に取付けられた入力側磁気ドラムと、上記トーションバーの出力側に取付けられた出力側磁気ドラムと、上記入力側磁気ドラム上に磁気記録された磁気パターンと、上記出力側磁気ドラム上に磁気記録された磁気パターンと、上記入力側磁気ドラム及び上記出力側磁気ドラム上の磁気記録を読み取る第一の磁気センサーと、上記操舵力が作用した場合に上記入力側磁気ドラムの軸方向に移動するステアリング中央位置検出用ドラムと、このステアリング中央位置検出用ドラムの軸方向の位置を検出してステアリングの中央位置を検出する第二の磁気センサとを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、上記第一の磁気センサーが、上記入力側磁気ドラム及び上記出力側磁気ドラムをまたぐ一体構造であり、磁気ドラムと磁気センサー間が非接触で一定間隔を備えて構成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のものにおいて、上記第一及び上記第二の磁気センサが一体化されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項記載のものにおいて、上記第一及び上記第二の磁気センサーが読み取る磁気情報がデジタル処理されることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項記載のものにおいて、上記磁気記録がドラム全周にわたり磁極の組合せで数値がＮ進法で読み取れるように記録され、Ｎ進法で読み取った数値が桁上がり処理されて操舵角が検出される構成としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、操舵力により捩れを発生するトーションバーと、このトーションバーの入力側に取付けられた入力側ドラムと、上記トーションバーの出力側に取付けられた出力側ドラムと、上記入力側ドラム上に記録されたパターンと、上記出力側ドラム上に記録されたパターンと、上記入力側ドラム及び上記出力側ドラム上の記録を読み取る第一のセンサーと、上記操舵力が作用した場合に上記入力側ドラムの軸方向に移動するステアリング中央位置検出用ドラムと、この中央位置検出用ドラムの軸方向の位置を検出してステアリングの中央位置を検出する第二のセンサとを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、自動車のステアリングシステムを示す。１はハンドルを示し、このハンドル１にはステアリングシャフト２が連結されている。このステアリングシャフト２には減速機３を介してピニオン４、ラック５からなるギヤーボックス６が連結され、ラック５にはタイヤ７、８が連結されている。
【００１７】
上記ステアリングシャフト２には、操舵角及び操舵力検出器（以下、単に検出器と略す）１０が設けられている。この検出器１０は、図２に示すように、トーションバー１１を備え、このトーションバー１１は、操舵力によってねじれを発生させる。このトーションバー１１の入力側には、当該バーと一緒に回転するように、入力側磁気ドラム２１が取り付けられ、このトーションバー１１の出力側には、当該バーと一緒に回転するように、出力側磁気ドラム２２が取り付けられている。入力側磁気ドラム２１には入力軸（ハンドル側ステアリングシャフト）１２が固定され、出力側磁気ドラム２２には出力軸（減速機側ステアリングシャフト）１３が固定されている。
【００１８】
上記入力側磁気ドラム２１には、図３に示すように、３列（＝３ビット）磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃが記録されている。
【００１９】
この入力側磁気ドラム２１上の複数列の磁気記録Ａ〜Ｃは、磁極（Ｎ極又はＳ極）の組合せで、ドラム円周上に、順次数値がＮ進法で読み取れるように全周にわたり、繰り返し磁気記録されている。例えば、３ビットの磁極の場合、８進法で「０，１，２，３，４，５，６，７」「０，１，２，３，４，５，６，７」…「０，１，２，３，４，５，６，７」「０，１，２，３，４，５，６，７」のように全周にわたり記録されている。
【００２０】
また、出力側磁気ドラム２２には、同様に、３ビット磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃ（図２）が記録されている。
【００２１】
この出力側磁気ドラム２２上の複数列の磁気記録は、磁極（Ｎ極又はＳ極）の組合せで、ドラム円周上に、順次数値がＮ進法で読み取れるように全周にわたり、繰り返し磁気記録されている。例えば、３ビットの磁極の場合、同様に、８進法で「０，１，２，３，４，５，６，７」「０，１，２，３，４，５，６，７」…「０，１，２，３，４，５，６，７」「０，１，２，３，４，５，６，７」のように全周にわたり記録されている。
【００２２】
この検出器１０は、図２に示すように、ステアリング中央位置検出器２３を備え、この中央位置検出器２３は、ステアリングに操舵力が作用した場合に、入力側磁気ドラム２１の軸方向に移動するステアリング中央位置検出用ドラム２３Ａと、このドラム２３Ａ上に磁気記録されたＳ極、Ｎ極、Ｓ極の組み合わせからなる磁気パターン２３Ｂと、この磁気パターンを読み取る磁気センサー（第二の磁気センサー）２３Ｃとを備えて構成されている。
【００２３】
ステアリング中央位置検出用ドラム２３Ａは、入力側磁気ドラム２１の外周に螺合されている。ステアリング中央位置検出用ドラム２３Ａにはニードル２４が固定され、このニードル２４は、ナット回り止め２５に形成された上下に延びる長孔（図示せず）内に上下動可能に挿入されている。
【００２４】
このステアリング中央位置検出器２３は、ハンドル１の最大操作角度が±θの場合、ハンドル１の回転±θに対応して１ストロークだけ動くメカニズムとなっており、ステアリングが中央位置（自動車が直進する状態）になった時に、第二の磁気センサー２３Ｃが、磁気パターン２３Ｂの中央のＮ極を読み取ってステアリングが中央位置にあることが検知される。
【００２５】
この検出器１０は、上記磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃを読み込む第一の磁気センサー（ＭＲ素子）１５を備えている。
【００２６】
この第一の磁気センサー１５は、一端が入力側磁気ドラム２１に保持されると共に、他端が出力側磁気ドラム２２に保持され、すなわち、入力側磁気ドラム２１、及び出力側磁気ドラム２２間をまたいで、各磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃと非接触で一定距離を保って取り付けられている。
【００２７】
第一の磁気センサー１５は、入力側磁気ドラム２１上の各パターンＡ〜Ｃに対応させた入力側磁気センサー１５Ａと、出力側磁気ドラム２２上の各パターンＡ〜Ｃに対応させた出力側磁気センサー１５Ｂとを含んで構成され、一つの磁気センサー１５でトルク検出が可能に形成されている。
【００２８】
第二の磁気センサー２３Ｃは、第一の磁気センサー１５と一体化され、磁気パターン２３Ｂと非接触で一定距離を保って取り付けられている。
【００２９】
そして、入力側磁気センサー１５Ａ及び出力側磁気センサー１５Ｂからの信号と、第二の磁気センサー２３Ｃからの信号とが、常時（高速サンプリング時間毎に）、演算回路１６に入力される。
【００３０】
つぎに、検出手順を説明する。
【００３１】
ステアリング中央位置検出器２３からの中央信号発信（Ｎ極信号発信）が、一定時間以上継続した場合（自動車が直進を一定時間以上継続した場合）、入力側磁気センサー１５Ａによって、その時の入力側磁気ドラム２１の磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃが読み取られ、演算回路１６に入力される。なお、ステアリングが中央位置にない場合、ステアリング中央位置検出器２３からの信号発信は、Ｓ極信号を含んでの信号発信となる。この演算回路１６では、Ｎ進法数値に変換され、その値が操舵角原点位置（直進）として記憶される。仮に、書換え前の操舵角原点の数値と、今回の操舵角原点の数値とが異なった場合、書換え前の数値がリセットされて新しい値が操舵角原点として記憶される。
【００３２】
同時に、出力側磁気センサー１５Ｂにより、出力側磁気ドラム２２の磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃが読み取られ、演算回路１６に入力される。
【００３３】
この演算回路１６ではＮ進法数値に換算され、入力側磁気センサー１５Ａで得られたＮ進法数値との差が操舵力原点（操舵力＝０）として記憶される。書換え前の操舵力原点の数値と今回の操舵力原点の数値とが異なった場合、書換え前の値がリセットされ、新しい値が操舵力原点として記憶される。
【００３４】
つぎに、運転者がハンドル１を回すと入力側磁気ドラム２１が回転し、入力側磁気センサー１５Ａにより、回転後の入力側磁気ドラム２１の磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃが読み取られ、演算回路１６に入力される。この演算回路１６では、磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃに従う値が、Ｎ進法数値に読み換えられ、読み換えられた数値と、操舵角原点の値との差から操舵角が検知される。
【００３５】
ここで、入力側磁気ドラム２１上の複数列の磁気記録が、例えば、３ビットの磁極の場合、８進法で「０，１，２，３，４，５，６，７」「０，１，２，３，４，５，６，７」…「０，１，２，３，４，５，６，７」「０，１，２，３，４，５，６，７」のように全周にわたり記録されており、磁気センサーで検出された磁極（Ｎ極又はＳ極）の変化が、Ｎ進法の数値に置換えられるため、その数値がカウントアップしているか、またはカウントダウンしているかを検出することにより、ステアリング方向を検出することができる。
【００３６】
例えば、Ｎ進法の置換え数値が、右にハンドルをきった場合、カウントアップするように設定すれば、カウントダウンの時は、左にハンドルをきったことになるため、これによりステアリング方向が検出される。
【００３７】
図３は、磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃの展開図である。ハンドル１の操舵角が大きくなり、同じ磁気パターンが複数回出現しても、演算回路１６でＮ進法数値に読み換える時に桁上がりさせる構成とすれば、ハンドル１を複数回回してもその桁上がりで操舵角を正しく演算することができる。
【００３８】
例えば、ステアリングの中央位置の発信信号を起点にＮ進法の数値がカウントアップする方向に複数回出現「０，１，２，３，４，５，６，７」「０，１，２，３，４，５，６，７」…「０，１，２，３，４，５，６，７」「０，１，２，３，４，５，６，７」する場合、これを演算回路１６で、Ｎ進法数値に読み換える時に桁上がりさせて、「０，１，２，３，４，５，６，７」「１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７」…「ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４，ｎ５，ｎ６，ｎ７」のように演算する。
【００３９】
これに対し、ハンドル１を反対方向にきった場合、Ｎ進法の数値がカウントダウンする方向に複数回出現「０，−１，−２，−３，−４，−５，−６，−７」「０，−１，−２，−３，−４，−５，−６，−７」…「０，−１，−２，−３，−４，−５，−６，−７」する。この場合には、演算回路１６で、Ｎ進法数値に読み換える時に負の数値の桁上がりにより「０，−１，−２，−３，−４，−５，−６，−７」「−１０，−１１，−１２，−１３，−１４，−１５，−１６，−１７」…「−ｎ０，−ｎ１，−ｎ２，−ｎ３，−ｎ４，−ｎ５，−ｎ６，−ｎ７」のように演算する。
【００４０】
このように、Ｎ進法の数の繰り返し出現数を、Ｎ進法の数値の桁上がりにより演算する機能を設ければ、３６０°を越えてハンドル１を何回回してもその桁上がりに基づいて操舵角を演算できる。
【００４１】
運転者がハンドル１を回すと、上述のように入力側磁気ドラム２１が回転すると同時にトーションバー１１を介して出力側磁気ドラム２２が回転する。これが回転すると、出力側磁気センサー１５Ｂにより、回転後の出力側磁気ドラム２２上の磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃが読み取られ、演算回路１６に入力される。この演算回路１６では、磁気パターンＡ，Ｂ，Ｃに従う値が、Ｎ進法数値に読み換えられ、この読み換えられた入力側、出力側それぞれの数値の差（以下、捩れ値と略す）と、上記操舵力原点の値とが比較され、捩れ値と操舵力原点の値との差、或いはそれらの合計値（加算するまたは減算する）からトーションバー１１の捩れ角が検知され、この捩れ角に基づいて操舵力を定量的に検知することができる。
【００４２】
また、捩れ値と操舵力原点の値との差が、正か負かでハンドル１の操舵方向を検知することができる。捩れ値と操舵力原点の値との差は、それが大きければ操舵力が大きいことを示す。
【００４３】
本実施形態では、信号検出から演算までデジタル処理で行うので、信頼性が高く、温度変化等の影響を受けにくい。また、ステアリング中央位置信号で原点を再設定するので、ノイズ等により演算結果に誤差が発生してもリセットされ、誤差修正が自動で実施される。
【００４４】
さらに、第一、第二の磁気センサーが一体化されるため、一つのセンサーでトルク検出を行うことができる。磁気センサーが磁気ドラムと常に一定間隔で非接触の構造が取られるので、信頼性が高い等の効果が得られる。
【００４５】
また、操舵力以外に操舵角情報を得ることができるので、将来の自動車の自動操縦の１つの要素技術が提供される。さらには、カーナビゲーションの自立航法に活用することができる。
【００４６】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものでないことは明らかである。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、３ビット（８進法）で説明したが、複数ビットならば何ビットでもよい。また、上記実施形態では、ドラム上に磁気記録しているが、これに限定されず、ＣＤのようにピットで記録してもよい。ピットで記録した場合、レーザー光を照射してその反射光で記録を読み取るようにしてもよい。ステアリング中央位置検出器は、ハンドルの最大操作角（一般的には±２回転）を操作した時、１工程の動作をするものと、センサーとの組合せにであるならば、どのようなものであってもよい。例えば円筒カム、歯車減速機等とセンサーとの組合せであってもよい。
【００４８】
【発明の効果】
本発明では、簡単な構成によって、操舵力以外に操舵角情報をも得ることができる検出器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステアリング機構を示す図である。
【図２】本発明による操舵角及び操舵力検出装置の一実施形態を示す図である。
【図３】磁気ドラム上の磁気パターンを示す図である。
【図４】従来の検出器を示す図である。
【符号の説明】
１　ハンドル
２　ステアリングシャフト
１０　操舵角及び操舵力検出器
１１　トーションバー
１５　磁気センサー
１５Ａ　入力側磁気センサー
１５Ｂ　出力側磁気センサー
１６　演算回路
２１　入力側磁気ドラム
２２　出力側磁気ドラム
２３　ステアリング中央位置検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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