(57)【要約】【課題】ＧＭＲ素子（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と、ＧＭＲ素子の回りに配された着磁部とを備えたセンサホイールの回転周期を改良して、ＧＭＲ素子による舵角の検出範囲を拡大することにより、車両情報を用いた舵角推定精度が低精度で済み、低コストで、かつ速やかに絶対舵角を検出することができる舵角センサを提供する。【解決手段】電動モータの駆動によって減速機構を介して操舵補助が行われるステアリング系の回転角を検出することによって、ステアリングホイールの舵角を演算するようにした舵角センサであって、ステアリングシャフトの回転に連動して作動するセンサホイールと、該センサホイールからの舵角信号に基づいて絶対舵角を演算する絶対角演算手段とを備えるとともに、センサホイールに、ＧＭＲ素子と、該ＧＭＲ素子の回りに配された着磁部とを備え、着磁部の回転に伴って磁場方向を変化させることによって得られるＧＭＲ素子の抵抗値の変化に基づいて、ステアリングシャフト２回転を１周期として回転角を検出するようにした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータの駆動によって減速機構を介して操舵補助が行われるステアリング系の回転角を検出することによって、ステアリングホイールの舵角を演算するようにした舵角センサであって、
ステアリングシャフトの回転に連動して作動するセンサホイールと、該センサホイールからの舵角信号に基づいて絶対舵角を演算する絶対角演算手段とを備えるとともに、前記センサホイールに、ＧＭＲ素子と、該ＧＭＲ素子の回りに配された着磁部とを備え、前記着磁部の回転に伴って磁場方向を変化させることによって得られる前記ＧＭＲ素子の抵抗値の変化に基づいて、前記ステアリングシャフト２回転を１周期として回転角を検出するようにしたことを特徴とする舵角センサ。
【請求項２】
前記ＧＭＲ素子は、２つのＧＭＲブリッジ回路を構成し、該各ＧＭＲブリッジ回路からの出力信号が互いに９０°位相をずらすように配された請求項１記載の舵角センサ。
【請求項３】
前記ステアリングシャフトの旋回方向を判別する旋回方向判別手段と、前記ステアリングシャフトの中点の位置を記憶し、該中点付近の所定値を検出した後、該所定値に基づいて舵角全域での絶対舵角を演算するようにした中点特有値検出手段とを備える請求項１記載の舵角センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステアリング装置におけるステアリングホイールの操舵角を検出するための舵角センサの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の舵角センサとして、例えば特許文献１に開示され、図１２に車両の操舵システム図を示す。同図において、舵角センサ１０１は、ステアリングハンドル１０２と１対１の回転比率で連動するようになっていて、舵角センサ１０１の出力信号は、車輪速を検出する車輪速センサ１０３からの信号、ヨーレートを検出するヨーレートセンサ１０４からの信号、転舵比を検出する転舵比センサ１０５からの信号、イグニッション（ＩＧ．）スイッチ１０６からの信号などとともにコントロールユニット１０７に接続される。舵角センサ１０１の出力信号がカバーする舵角の範囲は、少なくとも中立位置を含む所定範囲内の中立ゾーン、該中立ゾーンにそれぞれ隣接した右ゾーンおよび左ゾーンの舵角センサ１０１の出力信号がそれぞれ同一値を示す３つのゾーンに分けられ、現在の舵角がこれらのゾーンのうち、いずれのゾーンに位置しているかを、左右の車輪速差と、ヨーレートと、車速とに基づいて判定するようになっている。
【０００３】
なお、コントロールユニット１０７は、各センサからの信号に基づいてハンドル舵角を設定するとともに、車輪１０８の転舵比を制御する転舵比可変機構１０９の作動を制御することにより、伝達シャフト１１０を介して前輪転舵機構１１１に連動連結されている後輪転舵機構１１２が、後輪舵角を制御するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２９１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１の場合、ステアリングホイール回転角度を検出するのに、舵角以外の情報、すなわち車輪速差、ヨーレート、車速の情報が必要であるため、これらの情報に誤差や異常があると、上記ゾーンの判定を正確に行うことができず、また、これらの情報の初期化終了後でなければ、ゾーンを判定することができないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、ＧＭＲ素子（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と、ＧＭＲ素子の回りに配された着磁部とを備えたセンサホイールの回転周期を改良して、ＧＭＲ素子による舵角の検出範囲を拡大することにより、車両情報を用いた舵角推定精度が低精度で済み、低コストで、かつ速やかに絶対舵角を検出することができる舵角センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、電動モータの駆動によって減速機構を介して操舵補助が行われるステアリング系の回転角を検出することによって、ステアリングホイールの舵角を演算するようにした舵角センサであって、ステアリングシャフトの回転に連動して作動するセンサホイールと、該センサホイールからの舵角信号に基づいて絶対舵角を演算する絶対角演算手段とを備えるとともに、前記センサホイールに、ＧＭＲ素子と、該ＧＭＲ素子の回りに配された着磁部とを備え、前記着磁部の回転に伴って磁場方向を変化させることによって得られる前記ＧＭＲ素子の抵抗値の変化に基づいて、前記ステアリングシャフト２回転を１周期として回転角を検出するようにしたことにより、達成される。
【０００８】
また、上記目的は、前記ＧＭＲ素子が、２つのＧＭＲブリッジ回路を構成し、該各ＧＭＲブリッジ回路からの出力信号が互いに９０°位相をずらすように配されたことにより、効果的に達成される。
【０００９】
また、上記目的は、前記ステアリングシャフトの旋回方向を判別する旋回方向判別手段と、前記ステアリングシャフトの中点の位置を記憶し、該中点付近の所定値を検出した後、該所定値に基づいて舵角全域での絶対舵角を演算するようにした中点特有値検出手段とを備えることにより、効果的に達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る舵角センサによると、ステアリングシャフトの舵角を検出する場合、舵角センサ内に配され、センサホイールの着磁部から角度を検知するためのＧＭＲ素子からなる２つのＧＭＲブリッジ回路を、互いに位相が９０°ずれるように配し、該ＧＭＲブリッジ回路の出力信号に基づいて演算するようにした。このセンサにおいて、センサホイールとステアリングシャフト間の減速比を調整することにより、ステアリングシャフト２回転を１周期として絶対角を検出でき、その結果、車輪速やセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）推定値などの車輪情報を利用した舵角推定精度は、旋回方向を判別できる程度で良い。
【００１１】
また、従来の１回転周期の舵角センサでは、車両情報に基づく舵角推定、あるいは未使用時の動作継続なしでは絶対舵角を演算することはできなかったが、本発明の舵角センサでは、舵角が中点付近の特有値を検出すれば、舵角推定を必要とせずに即時に絶対舵角を演算するようにできる。その結果、舵角推定のみの場合に比べ絶対舵角の出力タイミングを早くすることができ、低コストで舵角精度と絶対舵角の出力タイミングを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、一般的なステアリング系の概略構成を示し、ステアリングシャフト１は、軸受２によって支持されており、ステアリングホイールの操作に基づいて回転自在になっている。このステアリングシャフト１の基端側（図１左側）には、トーションバー３を介して入力軸４と略円筒状の出力軸５が連結されている。このトーションバー３は、出力軸５内に挿通されていて、その一端が入力軸４に圧入固定され、他端がピン６によって出力軸５に固定されている。
【００１４】
また、出力軸５の外周には、減速機７が一対の軸受８，９で支持されるとともに、該減速機７の先端側（図１右側）には、トルクセンサ１０が配設されている。このトルクセンサ１０は、トーションバー３と、出力軸５の先端に形成されたスプライン溝１１の外周に配設され、コイル巻線１２を収納した電磁ヨーク１３とを備え、ステアリングシャフト１に生じる操舵トルクに応じて、トーションバー３の捩れを発生させることによって、磁気的な変化を電磁ヨーク１３内のコイル巻線１２で検出するようになっている。
【００１５】
さらに、減速機７は、出力軸５の外周に、圧入によって固定的に取り付けられたウォームホイール１４と、該ウォームホイール１４に噛合するウォーム１５と、該ウォームを駆動軸１６に取り付けたモータとからなり、モータの駆動により、ウォーム１５およびウォームホイール１４を介して、モータの回転を減速して補助トルクを伝達するようになっている。このウォームホイール１４の側面には、略円環状の凹溝部１７が形成されていて、該凹溝部１７の内周には、図２に示すように、ギア１８が形成され、舵角センサ１９のセンサ棒２０先端のピニオン２１と噛合するようになっている。
【００１６】
そして、舵角センサ１９内には、図３に示すように、センサ棒２０の基端側（図３左側）に形成されたウォーム２２に噛合するセンサホイール２３を備え、ウォームホイール１４からピニオン２１およびセンサ棒２０を介して、ステアリングシャフト１の回転をセンサホイール２３に伝達するようになっている。また、センサホイール２３には、Ｎ極磁石２４とＳ極磁石２５とからなる着磁部２６が設けられ、各磁石２４，２５がステアリングシャフト１の回転と同期しつつ一定の周期で回転するようになっている。この場合、ウォームホイール１４の１回転に対して、センサホイール２３は、半回転するようにギア比が設定されている。
【００１７】
また、センサホイール２３内には、着磁部２６からの磁界変化を検出するための磁気抵抗素子部（以下、ＧＭＲブリッジ回路部）２７が配され、該ＧＭＲブリッジ回路部２７は、舵角センサ１９のケースの一部に固定されている。このＧＭＲブリッジ回路部２７には、一対の第１，第２磁気抵抗素子（以下、ＧＭＲブリッジ回路）２７ａ，２７ｂが配されていて、センサホイール２３の角度に応じて９０°位相がずれるようになっている。すなわち、第１ＧＭＲブリッジ回路２７ａが出力する波形をｓｉｎθとし、第２ＧＭＲブリッジ回路２７ｂが出力する波形をｃｏｓθとすると、ステアリングシャフト１の舵角に対するｓｉｎθおよびｃｏｓθの波形は、図４に示すようになり、図７の演算で、図５に示すようなａｒｃｔａｎθの変化が得られる。
【００１８】
また、第１，第２ＧＭＲブリッジ回路２７ａ，２７ｂは、それぞれ直列に接続され、直交に配されて３端子回路素子として動作し、磁界強度の変化に応じて素子の抵抗値が変わるのを利用して、回転体、すなわちセンサホイール２３の回転角度を検出するようになっている。すなわち、第１，第２ＧＭＲブリッジ回路２７ａ，２７ｂは、互いに直交に配されているため、各第１，第２ＧＭＲブリッジ回路２７ａ，２７ｂの出力信号は、図４に示すように、互いに９０°位相がずれるようになっている。
【００１９】
また、図６は、舵角演算システムの概略構成図を示す。同図において、舵角センサ１９内では、ＧＭＲブリッジ２７からのｓｉｎθ，ｃｏｓθ信号に基づいて、集積回路（ＡＳＩＣ）２８でａｒｃｔａｎθの演算を実行し、その結果を図８に示すように所定の割付規則に従って出力信号に変換し、操舵補助装置の制御器２９にシリアル出力するようになっている。この制御器２９内には、絶対角演算手段３０と、車輪速やＳＡＴ推定値等の車両情報に基づいてステアリングホイールの旋回方向を判別する旋回方向判別手段３１と、ステアリングシャフト１の回転角が０°である位置、すなわち中点位置を記憶し、この中点付近の特有値を検出する中点特有値検出手段３２が配されている。
【００２０】
ここで、図８の割付規則には、センサの出力値とステアリングシャフト１の回転角度との対応関係が示される。また、出力信号は、シリアル形態の調歩同期式で、３ワードによって、センサの出力値、ステアリングシャフト１の回転角度が表示される。また、出力信号には、ヘッダー（１ビット）とデータ（７ビット）からなるワードを複数組み合せて使用される。この場合、出力信号は、３ワードからなり、センサの出力値は２ワードで表示され、１４ビットで１６８３４通りのデータを出力するようになっている。なお、１ワードは水平パリティチェック用として用いられ、フェール時には、３ワードとも同じデータが出力される。
【００２１】
次に、絶対角演算手段３０における舵角演算アルゴリズムを、図７に基づいて説明する。
【００２２】
まず、ステップＳ１において、ｆｓ（舵角に対する第１ＧＭＲブリッジ回路２７ａで検出された正弦波）とｆｃ（舵角に対する第２ＧＭＲブリッジ回路２７ｂで検出された余弦波）の大小が絶対値で比較され、ｆｃの絶対値がｆｓの絶対値より大きいＹＥＳの場合、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、ｆｓ／ｆｃ値に対するａｒｃｔａｎ値（ｋ）を求め、ステップＳ３でｆｃが０以上であるか否かが判定され、ｆｃが０以上であれば、ステップＳ４でｋには、そのままの値（ｋ＝ｋ）が設定され、ｆｃが０より小さければ、ステップＳ５でｋの値に１８０°加算された値（ｋ＝ｋ＋１８０）が設定される。
【００２３】
また、ステップＳ１において、ｆｓの絶対値がｆｃの絶対値以上であるＮＯの場合、ステップＳ６で、ｆｃ／ｆｓ値に対するａｒｃｔａｎ値（ｋ）を求め、ステップＳ７でｆｓが０以上であるか否かが判定され、ｆｓが０以上であるか否かが判定され、ｆｓが０以上であれば、ステップＳ８でｋには、９０°からｋを減じた値（ｋ＝９０―ｋ）が設定され、ｆｓが０より小さければ、ステップＳ９でｋには、２７０°からｋを減じた値（ｋ＝２７０―ｋ）が設定される。
【００２４】
また、ステップＳ１０で、ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ８，Ｓ９で設定された値ｋが０以上であるか否かが判定され、ｋが０以上であれば、ステップＳ１１でｋには、そのままの値（ｋ＝ｋ）が設定され、ｋが０より小さければ、ステップＳ１２でｋには、３６０°を加算した値（ｋ＝３６０＋ｋ）が設定される。
【００２５】
その結果、図９に示すように、センサの出力値とステアリングシャフト１の回転角との関係が得られる。よって、着磁部２６の磁界の変化によって、第１，第２ＧＭＲブリッジ回路２７ａ，２７ｂの抵抗値の変化によって舵角が検出されると、その絶対舵角を得ることができる。
【００２６】
そして、絶対角演算手段３０の結果に基づいて、旋回方向判別手段３１と中点特有値検出手段３２とで絶対舵角を割り出す。この旋回方向判別手段３１は、車輪速あるいはモータの慣性や静摩擦を定数としてモータの回転角速度やアシスト力などの信号から導かれるＳＡＴ推定値に基づいて、ステアリングホイールの旋回方向を判別するようになっている。また、中点特有値検出手段３２は、ステアリングシャフト１の中点（回転角０°）の位置を記憶し、その中点付近の特有値を検出して絶対舵角を割り出すようになっている。すなわち、中点の位置は、ステアリングシャフト１などの組み付け時に一定にならない。そのため、ステアリングホイールの回転角が０°にある位置で、センサからの出力値θ０を検出して、この値を中点として設定する。
【００２７】
すなわち、センサ出力値をθｏｕｔとすると、絶対舵角θは、θｏｕｔ−θ０に、センサ出力の最大値から最小値の切り替わり回数ｎをカウントできれば、数式１で算出することができる。
【００２８】
（数１）
θ＝ｎ＊７２０＋θｏｕｔ−θ０
このｎは、始動後初回は車輪速或いはＳＡＴ推定値からある程度の舵角を推定することにより割り出し、その後はセンサ出力の最大値から最小値の切り替わりをカウントすることで割り出せるので、上記数式１に基づいて絶対舵角を算出することができる。
【００２９】
実際のステアリングホイールの回転角度はロックｔｏロックであり、±７２０°よりも狭い。そのため、車両における舵角センサの出力は、２周期分未満であり、図１０に示すように、同じ値を出力するのは、多くて２箇所のみで、かつそれは７２０°離れた地点である。よって、車輪速或いはＳＡＴ推定値による舵角推定は、７２０°の精度で判別できればよい。すなわち、旋回方向を判別できれば十分である。
【００３０】
また、実際のステアリングホイールの操舵におけるロックｔｏロック範囲は、±７２０°よりは小さく、通常、１．５回転（５４０°）程度である。そのため、図１１に示すように、ロックｔｏロックの範囲が、例えば、±６００°の場合には、特有の値は、同図において、Ｌで示される範囲が、中点付近の特有値になる。よって、この中点付近の特有値は、車両情報を検出して旋回方向を推定することなく、上記数式１のｎを特定することができる。
【００３１】
そのため、中点付近の特有値の範囲では、切り替わり回数をカウントする必要がなく、迅速にステアリングシャフト１の絶対舵角を検出することができる。そして、以後は、図１０の演算で絶対舵角を繰り返し算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の要部断面図である。
【図２】減速機の要部断面図である。
【図３】舵角センサの要部断面図である。
【図４】２つのＧＭＲブリッジ回路の信号変化を示すグラフである。
【図５】図４の信号から得られるａｒｃｔａｎθの変化を示すグラフである。
【図６】舵角演算システムの概略構成を示す図である。
【図７】舵角演算のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図８】信号データの割付規則を示す図である。
【図９】センサ出力値とステアリングシャフトの回転角との関係を示すグラフである。
【図１０】センサ出力θｏｕｔと実舵角との関係を示すグラフである。
【図１１】ロックｔｏロック範囲でのセンサ出力θｏｕｔと実舵角との関係を示すグラフである。
【図１２】従来の舵角センサを備えた車両の操舵システム図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      ステアリングシャフト
７      減速機
１４    ウォームホイール
１９    舵角センサ
２０    センサ棒
２１    ピニオン
２２    ウォーム
２３    センサホイール
２４    Ｎ極磁石
２５    Ｓ極磁石
２６    着磁部
２７    ＧＭＲブリッジ
２７ａ  第１磁気抵抗素子（第１ＧＭＲブリッジ回路）
２７ｂ  第２磁気抵抗素子（第２ＧＭＲブリッジ回路）
２９    操舵補助装置の制御器
３０    絶対角演算手段
３１    旋回方向判別手段
３２    中点特有値検出手段
【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】
2005091137.tif 000011
【図１０】
2005091137.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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