(57)【要約】【課題】  回転（操舵）休止状態で温度変化があった場合に発生し得る不適切な補正演算を回避することができる回転角度検出装置及びトルク検出装置を、新たな部品の追加を要することなく提供する。【解決手段】  ゲイン及びオフセットの補正演算を行うために逐次取得される信号波形の最大値及び最小値に関して、取得から次の取得に至る前に、磁気センサに実質的な温度変化が起こり得る所定時間が経過した場合、取得済みの最大値及び最小値を初期化して未取得状態とし、初期演算処理に戻る処理を、演算装置により行わせる。【選択図】      図４
2005106613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転に応じて周期的に変化する信号を出力する回転検出手段と、
前記信号の波形の最大値及び最小値が未取得の状態において前記信号に基づいて前記回転体の回転角度を演算する初期演算処理を行い、その後、前記信号の波形の最大値及び最小値を逐次取得してゲイン及びオフセットの補正演算を行いつつ前記回転体の回転角度を演算するとともに、取得から次の取得に至る前に、前記回転検出手段に実質的な温度変化が起こり得る所定時間が経過した場合、取得済みの最大値及び最小値を初期化して未取得状態とし、前記初期演算処理に戻る演算装置と
を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
入力側回転体の回転に応じて周期的に変化する信号を出力する入力側回転検出手段と、
トーションバーを介して前記入力側回転体と接続された関係にある出力側回転体の回転に応じて周期的に変化する信号を出力する出力側回転検出手段と、
前記各信号の波形の最大値及び最小値が未取得の状態において前記各信号に基づいて前記各回転体の回転角度を演算し、その差に基づいて入出力間のトルクを演算する初期演算処理を行い、その後、前記各信号の波形の最大値及び最小値を逐次取得してゲイン及びオフセットの補正演算を行いつつ前記各回転体の回転角度を演算し、その差に基づいて入出力間のトルクを演算するとともに、取得から次の取得に至る前に、前記各回転検出手段に実質的な温度変化が起こり得る所定時間が経過した場合、取得済みの最大値及び最小値を初期化して未取得状態とし、前記初期演算処理に戻る演算装置と
を備えたことを特徴とするトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば自動車の操舵軸における入出力軸の回転角度を検出する装置、及び、入出力軸間のトルクを検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のパワーステアリング装置には、操舵軸を構成する入力軸及び出力軸の回転角度を検出し、その差に基づいて入出力軸間のトルクを検出する装置が設けられている。回転角度を検出する手段としては、各軸に歯車状の回転体を取り付けて、その歯車部分をターゲットとする磁気センサを対向配置する。磁気センサはターゲットの回転に応じて正弦波状の出力を生じるが、温度変化や、取付状態（ターゲットとのエアギャップ）によって出力特性が異なってくる。そこで、演算装置により磁気センサの出力波形の最大値及び最小値を取得し、その差からゲインを、平均値からオフセットをそれぞれ求め、これらに基づいて磁気センサの出力を補正し、回転角度やトルクの演算に誤差が生じることを防止している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−８３８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来のトルク検出装置では、操舵が行われている限り最大値及び最小値が更新され続け、これらに基づいて得られた補正係数を用いて補正演算が逐次行われる。従って、最新の補正係数を基に、常に正確にトルクを演算することができる。しかし、例えばエンジンをかけたまま停車することにより操舵が休止状態となって時間が経つと、温度上昇により磁気センサの出力特性が変化する場合がある。このような場合、再操舵された瞬間の補正演算は、新たに取得された最大値又は最小値と、休止前に取得されていた最小値又は最大値とに基づいて行われ、正確さを欠くものとなる。その結果、不正確なトルクが算出され、これに基づいて不適切な操舵補助力が生じることになる。このような問題は磁気センサ付近に温度センサを設けることにより温度補償演算を行って解消することも可能ではあろうが、その場合には温度センサを設ける分、コストアップすることになり、好ましくない。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、回転（操舵）休止状態で温度変化があった場合に発生し得る不適切な補正演算を回避することができる回転角度検出装置及びトルク検出装置を、新たな部品の追加を要することなく提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の回転角度検出装置は、回転体の回転に応じて周期的に変化する信号を出力する回転検出手段と、前記信号の波形の最大値及び最小値が未取得の状態において前記信号に基づいて前記回転体の回転角度を演算する初期演算処理を行い、その後、前記信号の波形の最大値及び最小値を逐次取得してゲイン及びオフセットの補正演算を行いつつ前記回転体の回転角度を演算するとともに、取得から次の取得に至る前に、前記回転検出手段に実質的な温度変化が起こり得る所定時間が経過した場合、取得済みの最大値及び最小値を初期化して未取得状態とし、前記初期演算処理に戻る演算装置とを備えたものである。
上記のように構成された回転角度検出装置においては、回転体の回転に応じて最大値及び最小値が逐次取得され、ゲイン及びオフセットの補正演算を行いつつ回転角度が演算される。また、回転休止又はそれと同等な状態で所定時間が経過した場合、取得済みの最大値及び最小値が初期化され、未取得状態となり、初期演算処理に戻る。
【０００７】
また、本発明のトルク検出装置は、入力側回転体の回転に応じて周期的に変化する信号を出力する入力側回転検出手段と、トーションバーを介して前記入力側回転体と接続された関係にある出力側回転体の回転に応じて周期的に変化する信号を出力する出力側回転検出手段と、前記各信号の波形の最大値及び最小値が未取得の状態において前記各信号に基づいて前記各回転体の回転角度を演算し、その差に基づいて入出力間のトルクを演算する初期演算処理を行い、その後、前記各信号の波形の最大値及び最小値を逐次取得してゲイン及びオフセットの補正演算を行いつつ前記各回転体の回転角度を演算し、その差に基づいて入出力間のトルクを演算するとともに、取得から次の取得に至る前に、前記各回転検出手段に実質的な温度変化が起こり得る所定時間が経過した場合、取得済みの最大値及び最小値を初期化して未取得状態とし、前記初期演算処理に戻る演算装置とを備えたものである。
上記のように構成されたトルク検出装置においては、各回転体の回転に応じて最大値及び最小値が逐次取得され、ゲイン及びオフセットの補正演算を行いつつトルクが演算される。また、回転休止又はそれと同等な状態で所定時間が経過した場合、取得済みの最大値及び最小値が初期化され、未取得状態となり、初期演算処理に戻る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の回転角度検出装置又はトルク検出装置によれば、回転休止又はそれと同等な状態で所定時間が経過した場合、取得済みの最大値及び最小値が初期化され、未取得状態となり、初期演算処理に戻るので、温度上昇に起因する不適切な補正演算を回避することができる。また、このような処理によれば、部品を追加することなく、演算装置の処理によって不適切な補正演算が回避されるので、コストアップも抑止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態によるトルク検出装置（回転角度検出装置を含む。）を備えた電動パワーステアリング装置の構造を示す図である。当該装置は、例えば自動車に搭載され、操舵部材（ハンドル）１とピニオン２との間に、操舵軸３を介在させたものである。操舵軸３は、その中心に設けられたトーションバー３１と、トーションバー３１の入力側（上方）に固定された入力軸３２と、トーションバー３１の出力側（下方）に固定された出力軸３３と、入力軸３２に外嵌固定された第１ターゲット板３４と、出力軸３３に外嵌固定された第２ターゲット板３５及び第３ターゲット板３６とを備えている。入力軸３２と出力軸３３とは互いに同軸に配置されているが、相互には直接接続されず、トーションバー３１を介して接続されている。また、第１ターゲット板３４、第２ターゲット板３５及び第３ターゲット板３６も、互いに同軸に配置されている。
【００１０】
上記各ターゲット板３４〜３６は、平歯車状の形態を成し、磁性体から成る外周の歯が、入力軸３２、出力軸３３の各軸周りに周方向へ等間隔で凹凸の「ターゲット」を形成している。歯数は、第１ターゲット板３４と第２ターゲット板３５とが同数Ｎ（例えば３６）で、第３ターゲット板３６はＮとは互いに素（１以外の公約数をもたない）である数（例えば３５）である。
【００１１】
なお、上記の各ターゲット板３４〜３６は、入力軸３２や出力軸３３とは別体であって外嵌される構造であるが、入力軸３２や出力軸３３を磁性体とし、対応するターゲット板３４〜３６と一体に形成してもよい。
また、平歯車状のターゲット板３４〜３６に代えて、スリット状の多数の孔が周方向に等間隔で形成されたリング状のターゲットや、外周面に磁極のＮ・Ｓを交互に配置したターゲットを用いることもできる。
【００１２】
一方、出力軸３３にはウオームホイール４が取り付けられ、これが、モータ６の出力軸に取り付けられたウオーム５と噛み合っている。モータ６の回転は、ウオーム５及びウオームホイール４を介してピニオン２に伝達され、操舵補助力となる。ピニオン２の回転は、ラック７の直線運動に変換され、左右のタイロッド８を介して操向車輪９が転舵される。
【００１３】
上記各ターゲット板３４〜３６の外周の歯に対向して、３段２列に６個の磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２，Ａ３，Ｂ３が配置され、これらはセンサボックス１０に収められている。センサボックス１０は車体の所定位置に固定されている。センサＡ１，Ｂ１は、第１ターゲット板３４の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置されている。同様に、センサＡ２，Ｂ２は、第２ターゲット板３５の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置され、センサＡ３，Ｂ３は、第３ターゲット板３６の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置されている。
【００１４】
上記磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３は、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等、磁界の作用により抵抗が変化する特性を有する素子を用いたもので、対向する各ターゲット板３４〜３６の外周の凹凸に応じて周期的に変化する信号電圧を出力する。従って、磁気センサＡ１，Ｂ１の出力は、入力軸３２及び第１ターゲット板３４の角変位に対応したものとなり、磁気センサＡ２，Ｂ２の出力は、出力軸３３及び第２ターゲット板３５の角変位に対応したものとなる。同様に、磁気センサＡ３，Ｂ３の出力は、出力軸３３及び第３ターゲット板３６の角変位に対応したものとなる。
磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３の出力は、Ａ／Ｄコンバータ（図示せず。）を介して演算装置２１に入力される。演算装置２１は、ＣＰＵ、メモリ等を内蔵するものである。また、駆動回路２２は、演算装置２１からの指令に基づいて、モータ６を駆動する。
【００１５】
図２は、上記トーションバー３１、入力軸３２、出力軸３３、各ターゲット板３４〜３６、及び、磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３を模式的に表した図である。第１ターゲット板３４は、入力軸３２と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ１，Ｂ１の出力信号が変化する。すなわち、第１ターゲット板３４と磁気センサＡ１，Ｂ１とは、入力軸３２の回転に応じて周期的に変化する信号を出力する回転検出手段を構成している。ここで、磁気センサＡ１とＢ１との配置の、対向する凹凸に対する電気角における位相差は、π／２であるように設定されている。磁気センサＡ１，Ｂ１からの出力信号（電圧）は、いずれも正弦波（又は余弦波）に近いものであり、互いに位相がπ／２ずれていることにより、各信号は、一方を正弦波とすれば、他方が余弦波である。
【００１６】
同様に、第２ターゲット板３５は、出力軸３３と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ２，Ｂ２の出力信号が変化する。すなわち、第２ターゲット板３５と磁気センサＡ２，Ｂ２とは、出力軸３３の回転に応じて周期的に変化する信号を出力する回転検出手段を構成している。また同様に、磁気センサＡ２とＢ２との配置の、対向する凹凸に対する電気角における位相差は、π／２であるように設定されている。
【００１７】
一方、第３ターゲット板３６も、出力軸３３と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ３，Ｂ３の出力信号が周期的に変化する。また同様に、周方向における磁気センサＡ３及びＢ３の位置は、それぞれ磁気センサＡ２及びＢ２と同じである。ここで、第３ターゲット板３６の歯数（＝３５）が第２ターゲット板３５の歯数（＝３６）より１少ないことにより、磁気センサＡ３，Ｂ３の出力は、磁気センサＡ２，Ｂ２の出力と比べて、出力軸３３の回転量（２π／３６）当たりに（（２π／３６）−（２π／３５））の位相ずれを生じ、出力軸３３の１回転で元に戻る。
【００１８】
ここで、操舵部材１の中立位置からの第１ターゲット板３４，第２ターゲット板３５，第３ターゲット板３６の角変位をそれぞれθ１，θ２，θ３とする。磁気センサＡ１，Ｂ１の出力する信号は一方がｓｉｎθ１、他方がｃｏｓθ１であるから、第１ターゲット板３４が磁気センサＢ１から磁気センサＡ１の方向へ回転する場合、磁気センサＡ１，Ｂ１の各出力ＶA1 ，ＶB1 はそれぞれ、基本的に、ｓｉｎθ１，ｃｏｓθ１の形をとる。演算装置２１には、予め、センサ出力の中点電圧値を差し引いた磁気センサＡ１の出力とｓｉｎ波とを対応させた参照テーブル（ｓｉｎ近似テーブル）が記憶されており、磁気センサＡ１の出力をｓｉｎ値に近似させるようにしてある。また、同様に、センサ出力の中点電圧値を差し引いた磁気センサＢ１の出力とｃｏｓ波とを対応させた参照テーブル（ｃｏｓ近似テーブル）も記憶されており、磁気センサＢ１の出力をｃｏｓ値に近似させるようにしてある。
【００１９】
こうして、ｓｉｎθ１、ｃｏｓθ１が求まると、ｔａｎθ１をｓｉｎθ１／ｃｏｓθ１から求め、その逆関数（ｔａｎ−１）からそのときの角変位θ１を求めることができる。なお、ｔａｎθ１から角度θ１を求めるため、演算装置２１には、ｔａｎ値とそれに対応する角度θとの参照テーブルであるｔａｎ探索テーブルが記憶されている。
同様にして、角変位θ２及びθ３を求めることができる。
演算装置２１は、上記の結果から、トルクＴ及び舵角θを、
Ｔ＝Ｋ１（θ１−θ２）      ．．．（１）
θ＝Ｋ２（θ２−θ３）      ．．．（２）
の演算により求める。但し、Ｋ１，Ｋ２は定数である。
【００２０】
なお、上記のように式（１），（２）の演算によってトルクＴ及び舵角θを求める代わりに、第１ターゲット板３４と第２ターゲット板３５との相対回転角度差とトルクＴとの関係、及び、第２ターゲット板３５と第３ターゲット板３６との相対的な位相のずれと舵角θとの関係、をそれぞれ予めマップ化し、このマップを参照してトルクＴ及び舵角θを求めることも可能である。
【００２１】
自動車の始動直後の初期演算処理（イニシャル制御）においては、上記のようにしてトルクＴ及び舵角θが求められ、このトルクＴに基づいてモータ６が駆動され、必要な操舵補助力が発生する。また、初期演算処理においては、磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２，Ａ３，Ｂ３の初期の出力のばらつき等を考慮して、それらの出力を補正することもできる。例えば、出力を補正するための係数として、所定の設計値を与えてもよいし、過去の十分な履歴から経験的に得られた平均値を与えてもよい。
【００２２】
次に、磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２，Ａ３，Ｂ３の出力におけるゲイン及びオフセットの動的な補正演算について説明する。
図３は、補正演算の処理を示すフローチャートである。この処理は、上記のような舵角θ及びトルクＴを演算するための演算装置２１のメインルーチンから、サブルーチンとして実行される。この処理は、３対の磁気センサ（Ａ１，Ｂ１），（Ａ２，Ｂ２），（Ａ３，Ｂ３）についてそれぞれ行われるが、ここでは説明の簡略化のため、各対のＡ相，Ｂ相の磁気センサをそれぞれＡ，Ｂとし、それらの出力を、ＶＡ ，ＶＢ とする。
【００２３】
図において、まずステップＳ１において演算装置２１は、磁気センサＡ，Ｂの出力波形の最大値ＶＡｍａｘ，ＶＢｍａｘ及び最小値ＶＡｍｉｎ，ＶＢｍｉｎを取得（２回目以降は更新）する。この「取得」は、波形の推移を見ながらその上下ピーク値を特定する既知（特許文献１）の方法により行われる。従って、ターゲットの歯１個分が磁気センサＡ，Ｂの前を通過する必要があり、操舵量がそれに満たないときは、最大値及び最小値のいずれか一方のみの取得となる場合もあり、また、双方とも取得できないという場合もある。
【００２４】
次に、ステップＳ２において演算装置２１は、全部の磁気センサＡ，Ｂについて最大値及び最小値の取得を完了したかどうかを判断し、未取得の状態であれば補正を行わずメインルーチンに戻り、初期演算処理を実行する。始動直後で操舵量が不十分であれば、最大値及び最小値は出そろわず、未取得の状態となる。一方、取得完了であれば、演算装置２１は、ステップＳ３においてゲイン補正係数の算出を行う。具体的には、ゲイン補正係数をＫＡ，ＫＢとし、基準となる出力特性を有する磁気センサを用いた場合の波形の最大値と最小値との差（peak to peakの基準差）をＶＰＰ０として、
ＫＡ＝ＶＰＰ０／（ＶＡｍａｘ−ＶＡｍｉｎ）      ．．．（３）
ＫＢ＝ＶＰＰ０／（ＶＢｍａｘ−ＶＢｍｉｎ）      ．．．（４）
の演算を行う。
【００２５】
続いて、ステップＳ４において演算装置２１は、オフセット補正係数の算出を行う。具体的には、
ＶＡｍｉｄ＝（ＶＡｍａｘ＋ＶＡｍｉｎ）／２      ．．．（５）
ＶＢｍｉｄ＝（ＶＢｍａｘ＋ＶＢｍｉｎ）／２      ．．．（６）
によりオフセット補正係数ＶＡｍｉｄ，ＶＢｍｉｄ（平均値）を求める。
【００２６】
そして、ステップＳ５において演算装置２１は、出力補正を行う。具体的には、上記各係数を用いて、
ＶＡ’＝（ＶＡ−ＶＡｍｉｄ）ＫＡ＋Ｖｍｉｄ      ．．．（７）
ＶＢ’＝（ＶＢ−ＶＢｍｉｄ）ＫＢ＋Ｖｍｉｄ      ．．．（８）
とする。但し、Ｖｍｉｄは、基準となる出力特性を有する磁気センサを用いた場合の波形の平均値（中点電圧）である。
【００２７】
以上のようにしてゲイン及びオフセットの補正演算が行われ、補正された出力ＶＡ’，ＶＢ’が得られる。以後、操舵に応じて逐次、最大値又は最小値が更新され、常に最新の最大値及び最小値が記憶される。そして、それらを基に各補正係数が算出（更新）され、出力補正が行われる。操舵が休止された場合には、記憶された最大値及び最小値が更新されないまま温存され、再操舵開始直後に最大値又は最小値が取得されると、これが最新情報となって、温存された情報との間で新たな最大値及び最小値のペアができることになる。しかし、休止時間によっては、温度上昇により磁気センサＡ，Ｂの特性変化があり、このペアは、補正演算の基になる値として良くない場合がある。
【００２８】
次に、上記補正演算とは別に、演算装置２１のメインルーチンからサブルーチンとして実行される補正演算監視処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ１１において演算装置２１は、初回の補正演算が完了したか否かを判断し、補正演算がまだ行われていないときは、メインルーチンに戻る。これは、補正演算がまだ一度も行われていないときには、補正演算の監視を行う必要がないからである。一方、初回の補正演算が完了しているときは、演算装置２１はステップＳ１２においてカウンタＣ（初期値０）を＋１する。続いてステップＳ１３において、カウンタＣの値が所定値に達したか否かを判断する。このカウンタＣは、リセットされてからの時間をカウントするタイマー機能を有する。また、上記所定値すなわちセットされている時間は、磁気センサＡ，Ｂに実質的な温度変化（出力特性に影響が出る温度変化を意味する。）が起こり得る時間であり、例えば数十秒〜数分とされる。
【００２９】
上記カウンタが所定値に達していない場合には、演算装置２１は、ステップＳ１５において補正演算における補正係数（ゲイン、オフセット）が更新されたか否かを判断し、更新されていない場合にはそのままメインルーチンに戻り、更新されている場合にはカウンタをリセット（ステップＳ１６）してからメインルーチンに戻る。従って、補正係数の更新が行われるごとに、カウンタがリセットされる。操舵が連続して行われるか若しくは断続的に行われているときには補正係数が逐次更新されるので、カウンタが所定値に達することはない。
【００３０】
一方、一旦操舵が行われた後に、操舵が行われない休止状態又はそれと同等な状態が続くと、最大値及び最小値は更新されず、補正係数が更新されないまま時間が経過する。この間に磁気センサＡ，Ｂの特性に影響を与える温度上昇があった場合、もはや直前の最大値及び最小値は現状では不正確なものとなっている。このような場合、ステップＳ１６のカウンタリセットが行われず、カウンタの値が増大して、所定値すなわち所定時間に達すると、演算装置２１は、ステップＳ１３からＳ１４に進み、補正演算用に記憶している値（最大値、最小値）を初期化し（例えば０にする。）、最大値及び最小値が未取得の状態とする。
【００３１】
これにより、操舵休止後に再操舵されたとき、図３のステップＳ２における判断はノーとなり、出力補正が行われない。従って、操舵を休止状態としてから磁気センサＡ，Ｂの出力特性変化が予想される所定時間が経過した後に再操舵した場合に、不適切な補正演算が行われることはなく、代わりに、メインルーチンで初期演算処理が行われ、それに基づいてトルクが求められ、操舵補助力が発生する。すなわち、不適切な補正演算を回避して、初期演算処理（イニシャル制御）による無難な操舵補助を行うことができる。また、これにより、部品を追加することなく、演算装置２１の処理によって不適切な補正演算が回避されるので、コストアップも抑止することができる。
【００３２】
なお、上記のトルク検出装置（回転角度検出装置を含む。）は電動パワーステアリング装置に限らず、他の装置におけるトルク検出装置（回転角度検出装置）として、入出力回転体間のトルクや回転体の回転角度を検出するために、ゲインやオフセットの補正演算を伴う場合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態によるトルク検出装置（回転角度検出装置を含む。）を備えた電動パワーステアリング装置の構造を示す図である。
【図２】図１のトルク検出装置におけるトーションバー、入力軸、出力軸、各ターゲット板、及び、磁気センサを模式的に表した図である。
【図３】上記トルク演算装置における補正演算の処理を示すフローチャートである。
【図４】上記トルク演算装置における補正演算監視の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
３    操舵軸（回転体）
２１    演算装置
３１    トーションバー
３２    入力軸（入力側回転体）
３３    出力軸（出力側回転体）
３４〜３６    ターゲット板
Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２，Ａ３，Ｂ３    磁気センサ
【図１】
2005106613.tif 000003
【図２】
2005106613.tif 000004
【図３】
2005106613.tif 000005
【図４】
2005106613.tif 000006