(57)【要約】【課題】簡単な構成で多回転の回転角度及びトルク検出ができるとともに、搭載スペース及びコストを低減できる回転角度検出装置を提供する。【解決手段】第１のメインギヤ１はステアリングシャフト１０６の入力軸５に、第２のメインギヤ２は出力軸６に嵌合して連結された多回転可能な歯車を持つ回転体であり、トーションバー７は入力軸５と出力軸６の間の同心軸上に配置されている。第１，第２の検出ギヤ３，４はそれぞれメインギヤ１，２の歯車に係合するように設けられた回転体であり、中央部には磁石８，９が配置されている。磁気式角度センサ１０，１１は検出ギヤ３と検出ギヤ４との間に設けられた基板１２上に配置され、対向する磁石８，９の磁界方向を検出し、これらの出力信号に基づいて回転角度演算手段１３によって検出ギヤ３，４の多回転の回転角度θm1，θm2が算出され、メインギヤ１，２の多回転の回転角度θmが検出できる。【選択図】図３
2012141276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングシャフトの入力軸と出力軸の間にトーションバーを設け、
前記ステアリングシャフトの入力軸に連動して回転する第１のメインギヤと、
前記第１のメインギヤに連動して回転する第１の検出ギヤと、
前記第１の検出ギヤに設けた第１の被検出部材と、
前記ステアリングシャフトの出力軸に連動して回転する第２のメインギヤと、
前記第２のメインギヤに連動して回転する第２の検出ギヤと、
前記第２の検出ギヤに設けた第２の被検出部材と、
前記第１の検出ギヤと前記第２の検出ギヤとの間に設けられ、前記第１の被検出部材と前記第２の被検出部材にそれぞれ対向し、前記第１の検出ギヤ及び前記第２の検出ギヤの回転をそれぞれ検出する第１の検出手段及び第２の検出手段と、
前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段から出力されるそれぞれの信号から前記ステアリングシャフトの多回転の回転角度を算出する回転角度演算手段と、を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記回転角度演算手段は、前記第１の検出手段と前記第２の検出手段に基づいて前記第1の検出ギヤと前記第２の検出ギヤの回転角度を算出する検出角度演算手段と、
前記第1の検出ギヤ及び前記第２の検出ギヤの回転回数を決定する回転回数決定手段と、に基づき、前記多回転の回転角度を算出することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項１において、前記第１のメインギヤと前記第２のメインギヤは歯数が同一であり、前記第１の検出ギヤと前記第２の検出ギヤは歯数が異なるとともに、前記第１の検出ギヤ及び前記第２の検出ギヤの歯数は、前記第１のメインギヤ及び前記第２のメインギヤの歯数とは異なることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れかに記載の回転角度検出装置において、前記回転角度演算手段は、前記多回転の回転角度に基づき、前記ステアリングシャフトの操舵角を算出することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項３の何れかに記載の回転角度検出装置において、前記第１の検出ギヤの回転角度と前記第２の検出ギヤの回転角度との差動分により、前記ステアリングシャフトに働くトルクを算出するトルク算出手段を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のパワーステアリング等に用いられる回転角度検出装置に関するものであり、特にステアリングの回転角度とトルクの検出を同時に可能とする回転角度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転角度及びトルクを同時に検出する方式として、磁気式角度センサと着磁した回転体を使用した一体形構造による方式が知られている。ステアリングに操舵力が働くと、ステアリングシャフトに装着された２つの回転体間で回転差が生じ、これをトルクとして検出できる。また、上記回転体の一方は、ステアリングの回転に応じて同様に回転するので、同時に回転角度も検出できる。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
しかしながら、このように構成された回転角度検出装置においては、１回転の相対回転角の検出しかできず、多回転の回転角度の検出ができないという課題がある。このため、ステアリングシャフトの入力軸と出力軸にそれぞれ外周面に交互に極性の異なる磁極が着磁してある第1及び第２の回転体を連結し、中心部に磁石を配置した第３の回転体を入力軸側の回転体に噛合させ、それぞれの回転体の回転角度を検出する検出手段を設けて多回転の回転角度およびトルク検出を行っている。（例えば、特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−３１７７０２号公報
【特許文献２】特開２００６−２２０５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように多回転の回転角度を求める場合、回転数を検出する手段が必要となる。また、この回転数を検出する手段の搭載スペース及びコストが必要という問題がある。
このため、回転角度の検出手段を増やすことなく、簡単な構成で多回転の回転角度及びトルクを検出できる回転角度検出装置を得ることが課題となっている。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡単な構成で多回転の回転角度及びトルク検出ができるとともに、搭載スペース及びコストを低減できる回転角度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ステアリングシャフトの入力軸と出力軸の間にトーションバーを設け、前記ステアリングシャフトの入力軸に連動して回転する第１のメインギヤと、前記第１のメインギヤに連動して回転する第１の検出ギヤと、
前記第１の検出ギヤに設けた第１の被検出部材と、前記ステアリングシャフトの出力軸に連動して回転する第２のメインギヤと、前記第２のメインギヤに連動して回転する第２の検出ギヤと、前記第２の検出ギヤに設けた第２の被検出部材と、前記第１の検出ギヤと前記第２の検出ギヤとの間に設けられ、前記第１の被検出部材と前記第２の被検出部材にそれぞれ対向し、前記第１の検出ギヤ及び前記第２の検出ギヤの回転をそれぞれ検出する第１の検出手段及び第２の検出手段と、前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段から出力されるそれぞれの信号から前記ステアリングシャフトの多回転の回転角度を算出する回転角度演算手段とを備えた回転角度検出装置であることを要旨とする。
【０００８】
上記構成によれば、ステアリングシャフトの入力軸及び出力軸に連結した第１，第２のメインギヤと第１，第２の検出ギヤ及び第１，第２の検出手段によりそれぞれ回転を検出し、回転角度演算手段により回転角度を算出し、これらの回転角度より多回転の回転角度を検出できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記回転角度演算手段は、前記第１の検出手段と前記第２の検出手段に基づいて前記第1の検出ギヤと前記第２の検出ギヤの回転角度を算出する検出角度演算手段と、前記第1の検出ギヤ及び前記第２の検出ギヤの回転回数を決定する回転回数決定手段とに基づき、前記多回転の回転角度を算出することを要旨とする。
【００１０】
上記構成によれば、第１，第２の検出ギヤの回転角度、回転回数及び多回転の回転角度を第１，第２の検出手段から出力される信号からそれぞれ演算処理により求め、ステアリングシャフトの多回転の回転角度を検出することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記第１のメインギヤと前記第２のメインギヤは歯数が同一であり、前記第１の検出ギヤと前記第２の検出ギヤは歯数が異なるとともに、前記第１の検出ギヤ及び前記第２の検出ギヤの歯数は、前記第１のメインギヤ及び前記第２のメインギヤの歯数とは異なることを要旨とする。
【００１２】
上記構成によれば、入力軸と出力軸に異なったギヤ比の検出ギヤを設けることにより、ステアリングの操舵範囲内（いわゆるロックtoロック）での回転数を検出することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の回転角度検出装置において、前記回転角度演算手段は、前記多回転の回転角度に基づき、前記ステアリングシャフトの操舵角を算出することを要旨とする。
上記構成によれば、第１，第２の検出ギヤの多回転の回転角度が算出され、ステアリングシャフトに連動して回転する第１のメインギヤの多回転の回転角度が求められる。その結果、ステアリングシャフトの多回転の回転角度として操舵角が検出できる
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の回転角度検出装置において、前記第１の検出ギヤの回転角度と前記第２の検出ギヤの回転角度との差動分により、前記ステアリングシャフトに働くトルクを算出するトルク算出手段を備えたことを要旨とする。
【００１５】
上記構成によれば、回転角度検出装置を使用して、第１の検出ギヤの回転角度と第２の検出ギヤの回転角度との差動分により、ステアリングシャフトに働くトルク（操舵トルク）を算出しトルク検出を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
簡単な構成で多回転の回転角度及びトルク検出ができるとともに、搭載スペース及びコストを低減できる回転角度検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電動パワーステアリング装置の概念図。
【図２】本実態の形態に係る回転角度検出装置の平面図。
【図３】図２の矢印Ａ方向から見た側面図。
【図４】第１及び第２の検出ギヤの多回転の回転角度演算の処理手順を示すフローチャート図。
【図５】第１及び第２の検出ギヤの角度検出値を示す図。
【図６】（ａ）第1及び第２の検出ギヤの回転角度の補正方法を示す図。（ｂ）図５（ａ）の第1及び第２の検出ギヤの回転角度の補正後の差分を示す図。
【図７】多回転の回転角度及びトルクを算出するための演算テーブル。
【図８】操舵トルク演算の処理手順を示すフローチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明の一実施形態をコラム型の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に具体化した概念図である。
【００１９】
図１に示すように、電動パワーステアリング装置１００は、車両１１０に備えた１対の転舵輪１０１，１０１の間に差し渡された転舵輪間シャフト１０２と、その転舵輪間シャフト１０２の外側を覆ったシャフトケース１０３とを備えている。
【００２０】
転舵輪間シャフト１０２の両端は、タイロッド１０２Ｔ，１０２Ｔを介して各転舵輪１０１，１０１に連結され、シャフトケース１０３は、車両１１０の本体に固定されている。また、転舵輪間シャフト１０２の中間部分にはラック（図示せず）が形成され、シャフトケース１０３の中間部を側方から貫通したピニオン（図示せず）がこのラックに噛合している。
【００２１】
ピニオンの上端部にはインターミディエートシャフト１０５（以下、インタミシャフトという）が連結され、そのインタミシャフト１０５の上端部にはステアリングシャフト１０６が連結され、さらにそのステアリングシャフト１０６の上端部にはステアリングホイール１０７が連結されている。そして、インタミシャフト１０５とステアリングシャフト１０６との連結部分に、減速機構１０８を介してモータ１０９が連結されている。
【００２２】
また、ステアリングシャフト１０６には、回転角度検出装置１１１が取り付けられ、ステアリングホイール１０７の操舵角θを検出するとともに、ステアリングシャフト１０６にかかる操舵トルクτを検出している。さらに、転舵輪１０１の近傍には、転舵輪１０１の回転に基づいて車速Ｖを検出するための車速センサ１１３が設けられている。
【００２３】
そして、操舵制御装置（ＥＣＵ）１１４が、回転角度検出装置１１１及び車速センサ１１３の検出信号に基づいた運転状況に応じてモータ１０９を駆動し、これにより運転者によるステアリングホイール１０７の操作をモータ１０９で補助して転舵輪１０１，１０１を転舵することができる。
【００２４】
次に、図２は本発明の実施形態に係る回転角度検出装置の平面図、図３は図２の矢印Ａ方向から見た側面図である。
【００２５】
図２，３において、ステアリングシャフト１０６は、入力軸５，出力軸６及び入力軸５と出力軸６の間に設けられたトーションバー７から構成される。第１のメインギヤ１は入力軸５に嵌合して連結された多回転可能な歯車を持つ回転体であり、第２のメインギヤ２は出力軸６に嵌合して連結された多回転可能な歯車を持つ回転体である。トーションバー７は入力軸５と出力軸６の間の同心軸上に配置されている。第１の検出ギヤ３は第１のメインギヤ１の歯車に係合するように設けられた回転体であり、その中央部には磁石８がインサート成形等により配置されている。また、第２の検出ギヤ４は第２のメインギヤ２の歯車に係合するように設けられた回転体であり、その中央部には磁石９が配置されている。ホールＩＣ（磁界検出素子）等の磁気式角度センサ１０は磁石８に対向する位置に、磁気式角度センサ１１は磁石９に対向する位置にそれぞれ配置され、磁石８，９の磁界方向の変化を検出する。磁気式角度センサ１０，１１は第１の検出ギヤ３と第２の検出ギヤ４との間に設けられた基板１２上に配置されている。
【００２６】
第１のメインギヤ１の歯車と第１の検出ギヤ３の歯車は連結されており、第１の検出ギヤ３は第１のメインギヤ１が回転するとそれぞれの歯車の歯数の比による速度で回転する。また、第２のメインギヤ２の歯車と第２の検出ギヤ４の歯車は連結されており、第２の検出ギヤ４は第２のメインギヤ２が回転するとそれぞれの歯車の歯数の比による速度で回転する。
【００２７】
磁気式角度センサ１０，１１はそれぞれ第１，第２の検出ギヤ３，４の中心部に配置された磁石８，９の磁界方向の変化を検出し、それぞれのＰＷＭ信号が回転角度演算手段１３へ出力されて、回転角度演算手段１３内のＣＰＵ（図示せず）によって演算処理され、第１，第２の検出ギヤの回転角度θ1，θ2を算出することができる。
【００２８】
次に、第１及び第２の検出ギヤ３，４の回転角度検出方法の実施形態について、図に基づいて具体的に説明する。
【００２９】
まず、本実施形態の回転角度演算手段１３による多回転の回転角度演算の処理手順について説明する。
本実施形態おいて、回転角度演算手段１３は、図４のフローチャートに示すステップ４０１〜ステップ４０６の各処理を実行する。
【００３０】
回転角度演算手段１３内のＣＰＵは、上記磁気式角度センサ１０、１１からの各出力信号に基づいて、第１，第２の検出ギヤの回転角度θ1，θ2（検出角度範囲：０〜３６０ｄｅｇ）を算出する（ステップ４０１）。
【００３１】
ここで、図５は第１，第２の検出ギヤ３，４の角度検出値を示す図であり、図５の横軸は第１，第２のメインギヤの多回転の回転角度θm、即ち入力軸５及び出力軸６の多回転の回転角度を示しており、縦軸はＣＰＵの演算により求められた第１，第２の検出ギヤの回転角度θ1，θ2を示している。図５は第1，第２の検出ギヤの回転角度θ1，θ2の０ｄｅｇを回転角度検出範囲の０ｄｅｇに合わせて横軸方向を調整した角度検出値である。
【００３２】
例えば、第１，第２のメインギヤ１，２の回転角度検出範囲を０〜１６８０ｄｅｇとし、第１，第２のメインギヤ１，２の歯数ａを４８、第１の検出ギヤ３の歯数ｂを３２、第２の検出ギヤ４の歯数ｃを２８に設定した場合、上記回転角度検出範囲での第１の検出ギヤの回転回数は７回転（０〜６）、第２の検出ギヤの回転回数は８回転（０〜７）となる。
【００３３】
図６（ａ）は第1及び第２の検出ギヤの回転角度の補正方法を示す図、（ｂ）は図６（ａ）の第1及び第２の検出ギヤの回転角度の補正後の差分を示す図である。ここで、図６（ａ），（ｂ）の横軸は第１の検出ギヤの多回転の回転角度θm1に換算した検出範囲（０〜２５２０ｄｅｇ）で示している。（θm1＝θm×α1、ただし、α1＝ａ／ｂ）
【００３４】
ここで、図５で示した第1，第２のメインギヤ１，２の回転角度に対する第１の検出ギヤの回転角度θ1と第２の検出ギヤの回転角度θ2は、角度検出値の傾きが異なる。そこで、回転回数の算出を簡易に行うために、第１，第２の検出ギヤの回転角度θ1，θ2にそれぞれＭ2，Ｍ1の係数を乗じて補正する処理を行う。回転角度演算手段１３は、第１の検出ギヤの回転角度θ1に係数Ｍ2を乗算し、第２の検出ギヤの回転角度θ2に係数Ｍ1を乗算し、それぞれの角度検出値の傾き（第１の検出ギヤ３の回転角度に対する、第１の検出ギヤの傾き調整値θa，第２の検出ギヤの傾き調整値θb）が合わせられる。（図６（ａ）参照  θa＝θ1×Ｍ2、θb＝θ2×Ｍ1、ただし、Ｍ1＝７，Ｍ2＝８、ステップ４０２）
【００３５】
次に、上記第１，第２の検出ギヤの傾き調整値θa，θbの差分値θa-bを求める。（図６（ｂ）参照  θa-b＝θa−θb、ステップ４０３）
【００３６】
その結果、図６（ｂ）に示すような判別が容易な差分値θa-bが得られ、多回転の回転角度及びトルクを求めるために作成された演算テーブル図７を参照して、差分値θa-bから第１，第２の検出ギヤの回転回数Ｎ1，Ｎ2をそれぞれ決定する。（ステップ４０４）
【００３７】
ここで、第１の検出ギヤ３の多回転の回転角度検出範囲（０〜２５２０ｄｅｇ）において、第１，第２の検出ギヤの回転角度θ1，θ2の値から、第１，第２の検出ギヤの回転回数Ｎ1，Ｎ2が決定される。（例えば、図５でθ1が１８０ｄｅｇ、θ2が５１．４ｄｅｇの場合、θa-bは１０８０．２ｄｅｇとなり、Ｎ1が４回転、Ｎ2が５回転の回転回数がそれぞれ取得される）
【００３８】
次に、計算式により第１，第２の検出ギヤの多回転の回転角度θm1，θm2を算出する。（θm1＝３６０ｄｅｇ×Ｎ1＋θ1、θm2＝３６０ｄｅｇ×Ｎ2＋θ2、ステップ４０５）
【００３９】
続いて、第1のメインギヤの多回転の回転角度θmを算出する。（θm＝θm1／α1またはθm2／α2、ただし、α2＝ａ／ｃ、ステップ４０６）
【００４０】
上記演算で求められた第１のメインギヤの多回転の回転角度θmは０〜１６８０ｄｅｇとなるため、−８４０〜８４０ｄｅｇに換算して操舵角θ（ステアリングシャフト１０６の多回転の回転角度）が決定される。（θ＝±θm／２）
【００４１】
次に、トルクの算出方法の実施形態について、図に基づいて具体的に説明する。
本実施形態おいて、回転角度演算手段１３は、図８のフローチャートに示すステップ８０１〜ステップ８０３の各処理を実行する。
【００４２】
図４ステップ４０３の計算式から求めた第１，第２の検出ギヤの傾き調整値の差分値θa-bに基づいて、同様に演算テーブル図７を参照して差分補正値θcを決定する。（ステップ８０１）
【００４３】
次に、差分値θa-bから差分補正値θcを減算して偏差を求め、計算式によりトーションバー７の捩れ角φを算出する。（φ＝（θa-b−θc）／α1／Ｍ2、ステップ８０２）
【００４４】
そして、トーションバー７の捩れ角φにトーションバー７のバネ定数ｋを乗じて、トーションバー７にかかる操舵トルクτを算出することができる。（τ＝φ×ｋ、ステップ８０３）
【００４５】
このように、本実施形態の回転角度検出装置によれば、多回転の回転数を検出するために別の手段を設けなくても、多回転で回転角度を検出することができる。ステアリングシャフト１０６の入力軸５と出力軸６に装着された第1，第２のメインギヤ１，２の回転に応じてそれぞれ回転する、第１，第２の検出ギヤの回転角度θ1，θ2が算出される。さらに、回転回数の算出を簡素化するために回転角度差の補正演算が行われ、演算テーブル図７から回転回数Ｎ1，Ｎ2が取得される。そして、第１，第２の検出ギヤの多回転の回転角度θm1，θm2が算出され、ステアリングシャフト１０６に連動して回転する第１のメインギヤの多回転の回転角度θmが求められる。その結果、ステアリングシャフト１０６の多回転の回転角度として操舵角θが検出できる。
【００４６】
さらに、本実施形態によれば、ステアリングホイール１０７に操舵力が働くと、ステアリングシャフト１０６に装着された２つの第１，第２の検出ギヤ３，４は、入力軸５と出力軸６間に設けられたトーションバー７を介して回転角度の差を伴って回転する。この回転角度の差をトーションバー７の捩れ角φに換算して、トーションバー７のバネ定数ｋを乗ずることにより操舵トルクτとして検出できる。
【００４７】
本発明の回転角度検出装置は、簡単な構成で多回転の回転角度及びトルク検出を行うことができるとともに、搭載スペース及びコストの低減ができるため、車両のパワーステアリング等で使用される多回転の回転角度及びトルク検出への適用に有用である。
【００４８】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
上記実施形態では、回転角度演算手段を回転角度検出装置内に設けたが、外部の例えばＥＰＳのＥＣＵに設けてもよい。
また、本実施形態によれば、メインギヤ，検出ギヤ及び検出手段を一体形構造とし、小型化したのでステアリングシャフトに装備できたが、例えばステアリングホイールのようなその他の場所に装着してもよい。
上記実施形態では、メインギヤ、検出ギヤを具体的な歯数を用いて説明したが、他の歯数の組み合わせを用いてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１，２：第１，第２のメインギヤ、３，４：第１，第２の検出ギヤ、５：入力軸、
６：出力軸、７：トーションバー、８，９：磁石、１０，１１：磁気式角度センサ、
１２：基板、１３：回転角度演算手段、
１００：電動パワーステアリング装置、１０６：ステアリングシャフト、
１０７：ステアリングホイール、１１１：回転角度検出装置、１１４：操舵制御装置、
θ：操舵角、τ：操舵トルク、Ｖ：車速、
θ1，θ2：第１，第２の検出ギヤの検出回転角度、
θa，θb：差分値を算出するための第１，第２の検出ギヤの傾き調整値、
θa-b：差分値、θc：差分補正値、Ｍ1，Ｍ2：差分値を算出するための補正係数
ａ：第１，第２のメインギヤの歯数、ｂ，ｃ：第１，第２の検出ギヤの歯数、
α1，α2：第1，第２の検出ギヤのギヤ比、
Ｎ1，Ｎ2：第1，第２の検出ギヤの回転回数、
θm1，θm2：第1，第２の検出ギヤの多回転の回転角度、
θm：メインギヤ１，２の多回転の回転角度、
φ：トーションバーの捩れ角、ｋ：バネ定数
【図１】
2012141276.tif 000003
【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】
2012141276.tif 000009
【図８】
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