JP2010002297A

JP2010002297A - 車両用操舵角検出装置

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Publication number: JP2010002297A
Application number: JP2008161318A
Authority: JP
Inventors: Shinji Hatanaka; 真二畑中; Kenji Takeda; 武田　　憲司; Shigetoshi Fukaya; 深谷　　繁利
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-01-07
Also published as: US20090319120A1

Abstract

【課題】構造の複雑化や大型化を抑止しつつ信頼性向上を実現した車両用操舵角検出装置を提供すること。
【解決手段】車両用操舵角検出装置１０が出力する操舵角θｓと、通常において車両に搭載される車載センサである操舵トルク検出装置１１、車両回転角速度検出装置１２及び車輪速検出装置１３の検出信号との相関関係を利用して、操舵トルク検出装置１１が検出した操舵角θｓが、この相関関係を示すラインを含む所定許容範囲から逸脱する場合に、車両用操舵角検出装置１０の故障と判定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両用操舵角検出装置の改良に関する。

操舵トルクアシストのために車両の操舵角を検出する車両用操舵角検出装置が知られている。この装置は、操舵軸に固定されたドライブギヤと噛合するドリブンギヤと、このドリブンギヤと一体に回動する回動着磁体と、回動する着磁体構造が形成する磁束の方向の変化を検出する磁気検出素子と、磁気検出素子の検出信号に基づいて検出した磁束の方向により操舵角を検出する回路部とを有している。操舵角検出においては、操舵軸の３６０度を超える回転角の検出が要求され、このために、操舵軸と回動着磁体とをギヤ機構により機械的に結合したギヤ式操舵角検出装置が採用されている。

この従来の車両用操舵角検出装置では、歯欠けなどによりドライブギヤとドリブンギヤとの噛合不良が生じると、操舵角検出誤差が大きくなったり、操舵角検出が不能となったりする可能性が想定される。

このため、下記の特許文献１は、磁気検出素子及びギヤを複数系列設けることにより、回路及び機構の冗長性を高め、一つのギヤの歯欠けなどが生じても正常に角度検出が可能とした回転角度検出装置を提案している。
特開２００４−３６１２１２号公報

しかしながら、上記した先行技術の回転角度検出装置は、確かに信頼性を向上できるものの構造及び製造コストが増大し、操舵角周りに大きな装置収容スペースが必要となるという欠点を内包していた。更に、ギヤ及び磁気検出素子を冗長配置しても操舵軸から着磁体構造に至る回動構造すべてが冗長化しているわけでないため、冗長化されていない部位にて回動力の伝達が不調となると、角度検出が不良となってしまう。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、構造の複雑化や大型化を抑止しつつ信頼性向上を実現する車両用操舵角検出装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明の車両用操舵角検出装置は、操舵軸の回動に連動して磁石回転軸心の周囲を回動してギャップ付き磁気回路をなす回動着磁体と、前記磁石回転軸心に配置されて前記回動着磁体が前記磁石回転軸心上に形成する磁束を検出する磁気検出素子と、前記磁気検出素子の出力信号に基づいて検出した前記磁界の方向に基づいて前記操舵軸の回動角である操舵角を検出し、この操舵角を示す操舵角信号を出力する信号処理部とを備え、前記回動着磁体は、前記操舵軸に歯車により結合されている車両用操舵角検出装置において、車載されて前記操舵角と相関を有する信号である操舵角相関信号を出力する車載センサと、前記前記操舵角信号と前記操舵角相関信号との比較結果に基づいて前記操舵角信号の良否を判定する信号チエック回路とを有することをその特徴としている。

すなわち、この車両用操舵角検出装置は、車載センサが出力する操舵角相関信号と磁気検出素子の出力信号に基づく正規の操舵角信号とを比較して、この操舵角信号の良否を判定する。このようにすれば、車両運転上において重要な信号である操舵角信号の信頼性を、簡素な構成により大幅に向上することができる。

更に説明すると、本発明は、通常の自動車に従来より車載されている多数の車載センサのうち、ある種の車載センサの出力信号が車両用操舵角検出装置の操舵角信号に相関を有する信号（すなわち操舵角相関信号）であることに気が付いてなされたものである。本発明は、操舵角信号をこの操舵角相関信号と比較するので、装置構成の複雑化及び大型化並びに製造コストの増大を招くことなく、操舵角信号の信頼性を大幅、容易に向上することができる。また、特許文献１のような冗長構成を採用する必要がないため、冗長構成採用による故障確率の増大も生じない。

好適な態様において、前記信号チエック回路は、前記比較結果に基づいて前記操舵角検出装置の故障を検出し、故障を検出する。これにより、操舵角信号の故障すなわち永続的な操舵角信号の不良を検出できるので、それに対応する策を発動することが可能となる。

好適な態様において、前記信号チエック回路は、前記比較結果が所定の連続期間に複数の所定回数に発生する場合に前記操舵角検出装置の故障と判定するので、たとえば種々の要因（たとえば電源電圧へのサージ電圧の重畳など）による単発的な比較結果の不良により、車両用操舵角検出装置の不良判定を行ってしまう不具合を防止することができる。

好適な態様において、前記信号チエック回路は、前記操舵角検出装置の故障を検出した場合にそれを報知する警報を出力するので、これにより外部のECUなどがそれに対応したり、ドライバーがそれに対応したりすることができる。

好適な態様において、操舵角信号の不良のレベルが大きい場合、言い換えれば、操舵角信号と操舵角相関信号とのずれが所定しきい値を超えて大きい場合には、この操舵角信号を操舵トルクアシスト用のモータの運転に用いるのを停止させてもよい。

本発明の車両用操舵角検出装置の好適実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は、下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、他の技術を組み合わせて本発明の技術思想を実現してもよい。たとえば、下記の実施形態において採用したシザーズギヤの代わりに通常のギヤを採用しても良い。

（実施形態１）
（車両用操舵角検出装置の基本構成）
実施形態１の車両用操舵角検出装置の基本構成を図１、図２を参照して説明する。図１は装置の軸方向模式断面図、図２は上方から磁石回転軸心ｍの向きにみたヨーク８及び一対の部分円筒磁石９の平面図である。

この車両用操舵角検出装置（以下、単に操舵角検出装置とも言う）１０は、操舵軸をなす回転体１の回転角を検出するための装置であって、回転体１には、シザーズギヤからなる駆動歯車２が固定されている。３は回転体１が貫通するハウジングであって、ハウジング３の内周面の一部の領域にはねじ受け４が固定されている。５は駆動歯車２及びねじ受け４と噛合する従動歯車であり、６はハウジングから従動歯車５の軸心（本発明で言う磁石回転軸心）Ｍ上に垂下する磁気検出素子である。７はプリント基板であり、このプリント基板７上には本発明で言う信号処理部をなす信号処理部１００が搭載されている。なお、この信号処理部１００は後述する信号チエック回路を内蔵している。また、この車両用操舵角検出装置の更なる構成については後述するものとする。

駆動歯車２は、いわゆるノンバックラッシギヤであるシザーズギヤにより構成されている。駆動歯車２の詳細については後述する。もちろん、通常の歯車でもよい。

ねじ受け４は、内周面に雌ねじ面が形成された円筒をその所定角度幅だけ軸方向に切り取った部分円筒形状を有している。したがって、ねじ受け４の内周面部には部分的な雌ねじ面が形成されている。

従動歯車５は、回転体１とねじ受け４との間に介設されており、従動歯車５の軸心Ｍは、回転体１の軸心とねじ受け４の周方向中心とを結ぶ仮想直線上に配置されている。従動歯車５は、シザーズギヤである駆動歯車２と噛合している。かつ、従動歯車５の歯先には、ねじ受け４の部分的な雌ねじ面に噛合する雄ねじ面が形成されている。従動歯車５は、ハウジング３の底部上面に回動自在に配置されている。

円筒状の従動歯車５の内周面には筒状のヨーク８が固定され、軟鉄製のヨーク８の内周面には一対の部分円筒磁石９が互いに１８０度離れて嵌入、固定されている。ヨーク８の内周面のうち、一対の部分円筒磁石９の外周面部に密着する部分は部分円筒面形状となっている。この実施形態では、筒状のヨーク８の内周面は図２に示す形状となっているが、一対の部分円筒磁石９の外周面部間を磁気短絡しつつ磁気検出素子６の全周を囲む筒形状であれば、その内周面は他の種々の形状をもつことができる。また、一対の部分円筒磁石９の代わりに内周面が円錐面形状に形成された単一の円筒状の永久磁石を採用してもよい。

一対の部分円筒磁石９は、その軸方向下端が軸方向上端よりも磁石回転軸心ｍに近接する傾斜姿勢にてヨーク８に固定されている。また、一対の部分円筒磁石９の径方向の厚さは一定とされている。更に説明すると、一対の部分円筒磁石９は、円筒磁石をその軸心と平行にその軸心から占有角２αだけ切り取った形状を有している。なお、ヨーク８と従動歯車５とを一体に形成してもよい。

一対の部分円筒磁石９は、図２に示すようにその径方向断面の所定の一方向（図２に示すA-A方向）へ着磁され、その結果として、一対の部分円筒磁石９の内周面部は、反対極性の磁極面となる。具体的には、図２における上側の部分円筒磁石９の内周面部はS極面となり、図２における下側の部分円筒磁石９の内周面部はN極面となっている。これにより、軸心ＭにはA-A方向の磁束密度Bが軸心Ｍと直角方向（径方向）に形成される。筒状のヨーク８は、一対の部分円筒磁石９の外周面部同士を磁気的に短絡するとともに、外部ノイズ磁界を遮蔽している。

軸心Ｍには磁気検出素子６が配置されている。磁気検出素子６は、軸心Ｍと直角な方向（径方向）かつ互いに直交するＸ、Y方向の磁束を検出する一対のホール素子からなる。すなわち、第１のホール素子は上記X方向磁束密度Bxに応じた信号電圧を出力し、第２のホール素子は上記Y方向磁束密度Byに応じた信号電圧を出力する。

一対の部分円筒磁石９が軸心に形成する磁束は、X方向磁束密度成分BxとY方向磁束密度成分Byとのベクトル和となる。磁気検出素子６は、これら２つのホール素子の出力信号を増幅する周辺回路を有し、Ｘ方向磁束密度成分Ｂｘに比例する信号電圧Ｖｘと、Ｙ方向磁束密度成分Ｂｙに比例する信号電圧Ｖｙを出力する。

（動作）
上記説明した操舵角検出装置１０の回転角検出動作を以下に説明する。

回転体１とともに駆動歯車２が回動すると、駆動歯車２と噛合する従動歯車５が回動する。従動歯車５はねじ受け４と噛合しているため、従動歯車５は回動するとともに軸方向に変位する。回転体１が回動すると、上記一対の磁極面すなわちN極面及びS極面が回転するとともに、上記一対の磁極面と磁気検出素子６との間の径方向距離が連続的に変化する。その結果、回転体１が回転すると、磁気検出素子６を径方向に貫通する磁界（磁束密度と考えてもよい）の方向と大きさとがそれぞれ連続的に変化する。

A-A方向に対する永久磁石９の回転角度をθとする時、一対の部分円筒磁石９が磁気検出素子６に与えるＸ方向磁束密度成分ＢｘとＹ方向磁束密度成分Ｂｙとは、次のようになる。

Ｂｘ＝ｆ (θ)・ｃｏｓθ
Ｂｙ＝ｆ (θ)・ｓｉｎθ
なお、f (θ)は、永久磁石９の軸方向変位により磁気検出素子６の位置における磁束密度Ｂのベクトル長の変化を示す関数値である。 f (θ ) は磁石やヨークの形状、材質等で決まる値である。信号処理部１００は、磁束密度Ｂのベクトル長を示す関数値f (θ)と磁石回転軸の回転回数との関係を記憶している。

信号処理部１００は、磁気検出素子６から入力されるＸ方向磁束密度成分ＢｘとＹ方向磁束密度成分Ｂｙとを逆正接演算する機能をもつ。この逆正接演算により、
θ ＝ａｒｃｔａｎ (Ｂｙ／Ｂｘ)
が算出され、回転角θにより永久磁石９の３６０度内の角度情報を得ることができる。更に、信号処理部は、Ｘ方向磁束密度成分ＢｘとＹ方向磁束密度成分Ｂｙとの二乗和の平方根を演算する機能をもつ。この演算により、磁束密度Ｂのベクトル長が算出され、この磁束密度Ｂのベクトル長を示す関数値 f (θ)と、記憶する上記関係とから、磁石回転軸の回転回数が算出される。すなわち、この実施形態では、f (θ)の大きさから所定の軸方向基準位置からの何回転目の回転かを演算し、ａｒｃｔａｎ(Ｂｙ／Ｂｘ)から現在の磁石９の回転角θを演算し、これらから３６０度以上の回転角θ'を算出する。たとえば現在２回目の回転であり、θが５５度であれば、最終回転角θ'は４１５度が算出されて出力される。

回転体１の回転角φ、一対の部分円筒磁石９の回転角θ'と、磁気検出素子６の位置でのＸ方向磁束密度成分Ｂｘ及びＹ方向磁束密度成分Ｂｙとの関係を図３に示す。すなわち、この実施形態によれば、一対の部分円筒磁石９を回転させるとともに軸方向へ変位させることにより、１セットの回転磁石アセンブリを用いてだけで３６０度以上の回転角を検出することができる。

（車両用操舵角検出装置の追加構成）
次に、この操舵角検出装置１０の追加構成を図４を参照しつつ下記に説明する。図４は、この車両用操舵角検出装置のブロック回路図である。

操舵角検出装置１０は、磁気検出素子６と、磁気検出素子６の出力信号を処理する信号処理部１００とからなる。信号処理部１００は、磁気検出素子６の出力信号を処理するアナログ演算部と、このアナログ演算部の出力信号をデジタル信号に変換するADコンバータと、ADコンバータによりデジタル信号に変換された操舵角信号を処理するマイコンとを有している。すなわち、信号処理部１００は、磁気検出素子６の出力信号に基づいて操舵軸である回転体１の回動角すなわち操舵角を検出する。

１１は操舵トルク検出装置、１２は車両回転角速度検出装置、１３は車輪速検出装置である。操舵トルク検出装置１１は、操舵トルクを検出する。車両回転角速度検出装置１２は、いわゆるヨーレートセンサあるいはジャイロセンサとして知られている車載センサであって車両回転角速度を検出する。車輪速検出装置１３は、各車輪の回転角度いわゆる車輪速を検出する。この実施形態では、本発明で言う車載センサをなす操舵トルク検出装置１１、車両回転角速度検出装置１２及び車輪速検出装置１３の出力信号は信号処理部１００に伝送される。１４は信号伝送のための信号伝送ラインである。なお、この実施形態では、信号処理部１００に検出信号を出力する車載センサとして。上記の３つの車載センサを採用したが、少なくともその一つを用いても良い。既述したように、この実施形態では、信号処理部１００は、信号チエック回路としての回路機能も有している。

（信号チエック回路の動作）
信号処理部１００の信号チエック回路機能について、図５に示すフローチャートを参照して以下に具体的に説明する。

まず、操舵トルク検出装置１１から操舵トルクTsを、車両回転角速度検出装置１２から車両回転角速度ωｖを、車輪速検出装置１３から車輪速ωｗを読み込む（Ｓ１００）。次に、読み込んだ操舵トルクＴｓ、車両回転角速度ωｖ及び車輪速ωｗから操舵角検出装置１０が磁気検出素子６の出力に基づいて演算した操舵角θｓが所定の正常範囲内にあるかどうかを判定する（Ｓ１０２）。なお、この判定処理の具体的な内容については後述する。もし判定結果が正常であれば（Ｓ１０４）、言い換えれば上記範囲内であればルーチンを終了して図略のメインルーチンにリターンし、正常でなければ言い換えれば上記範囲外であれば、警報を出力して（Ｓ１０６）、ルーチンを終了する。

次に、上記した操舵トルクＴｓ、車両回転角速度ωｖ及び車輪速ωｗについて説明する。

この実施例は、車両に通常において設置される操舵トルク検出装置１１、車両回転角速度検出装置１２及び車輪速検出装置１３が出力するこれらの検出信号が、操舵角θｓと連続的な相関を有している点に着目したものである。

たとえば、操舵トルクＴｓは、操舵角θｓの加速度と正の相関関係があり、かつ、大きな操舵角θｓの領域にて操舵トルクＴｓは大きくなる傾向がある。更に説明すると、操舵トルクＴｓに大きさが一致し、方向が反対である操舵負荷トルクは、操舵角θｓの二重微分値である加速度に比例する成分を有し、かつ、車輪が進行方向に対して大きく曲がった状態にては車輪回動に対する路面抵抗が増大するため操舵負荷トルクが大きくなる。したがって、操舵トルクＴｓは操舵角θｓに強い正の相関関係をもつ。

同じく、車両回転角速度ωｖも、操舵角θｓに対して正比例関係をもつ（図６参照）。図６は、操舵角θｓと車両回転角速度ωｖと車速Vとの関係を示す特性図である。図６（A）は操舵角検出装置１０が正常な場合を示し、図６（B）は操舵角検出装置１０が故障して実際の操舵角変化にもかかわらず、一定の操舵角値を出力している場合を示す。操舵角検出装置１０のこのようなに出力状態は、断線故障などにおいても発生する。

同じく、左右の車輪速ωｗの差Δωｗも、操舵角θｓに対して正比例関係をもつ（図７参照）。図７は、操舵角θｓと左右の車輪速ωｗの差Δωｗと車両回転角速度ωｖとの関係を示す特性図である。図７から、左右の車輪速ωｗの差Δωｗと操舵角θｓとが略正比例関係をもつことがわかる。

以上の説明により、結局、操舵トルクＴｓ、車両回転角速度ωｖ及び車輪速ωｗと操舵角θｓとが連続的な相関関係をもつことが理解される。したがって、これらパラメータ間の相関関係を利用して、読み込んだ各パラメータの検出値がこの相関関係から所定値以上ずれている場合には、操舵角検出装置１０が検出し、演算した操舵角θｓの検出値が不良である、あるいは、参照する車載センサ（操舵トルク検出装置１１、車両回転角速度検出装置１２及び車輪速検出装置１３）の検出値の方が不良であると判定することができる。また、上記のように参照する車載センサ側を複数採用することにより、車載センサの不良か、操舵角検出装置１０の不良かを弁別することも、可能である。

上記判定処理をステップS１０２で行うことにより、操舵角検出装置１０の故障を装置構成の複雑化を排しつつ判定することができる。

（変形態様）
上記実施形態では、参照する車載センサとして３つのセンサを用いたが、その１つ又は２つを選択使用してもよいことは当然である。更に、操舵角θｓと相関関係を有する信号を出力するその他の車載センサを採用してもよいことも当然である。

（変形態様）
変形態様を図８を参照して説明する。上記実施形態では、図４に示すように、図５に示すフローチャートで行う操舵角検出装置故障判定ルーチンを操舵角検出装置１０の内部の信号処理部１００にて行った。この変形態様は、図５に示すフローチャートで行う操舵角検出装置故障判定ルーチンを操舵角検出装置１０の外部に配置された車載のECU２００にて行う点にその特徴がある。したがって、この場合には、本発明で言う信号チエック回路はECU２００内に設置されることになる。このようにすると、ECU２００には元々、これらの車載センサからの信号を受信しているため、図４に比べて配線を簡素化することができる。

（変形態様）
図４に示す信号処理部１００又は図８に示すECU２００に内蔵される信号チエック回路（図５に示すルーチン）は、種々変形が可能である。

たとえば、一定期間内に複数回の良否判定を行い、複数回の不良判定が出力された場合にのみ、操舵角検出装置１０の不良又は故障と最終判定することもできる。これにより、偶発的な比較結果の不良により、車両用操舵角検出装置の不良判定を行ってしまう不具合を防止することができる。

また、操舵角信号の不良のレベルが大きい場合、言い換えれば、操舵角信号のずれが大きい場合に、この操舵角信号を操舵トルクアシスト用のモータの運転に用いるのを停止させてもよい。

（実施例効果）
上記説明したこの実施形態によれば、車両運転上において重要な信号である操舵角信号の信頼性を、簡素な構成により大幅に向上することができる。

実施形態１の車両用操舵角検出装置の軸方向模式断面図である。図１の装置を上方から磁石回転軸心ｍの向きにみたヨーク及び一対の部分円筒磁石の平面図である。Ｘ方向磁束密度成分Ｂｘ及びＹ方向磁束密度成分Ｂｙの波形を示す説明図である。図１の装置のブロック回路図である。信号チエック回路をなすルーチンを示すフローチャートである。車両回転角速度ωｖと操舵角θｓとの関係を示す特性図であり、（A）はその正常状態時、（B）はその故障状態時を示す。左右の車輪速ωｗの差Δωｗと操舵角θｓとの関係を示す特性図である。変形態様のブロック回路図である。

符号の説明

１回転体（操舵軸）
２駆動歯車（ドライブギヤ）
３ハウジング
５従動歯車（ドリブンギヤ）
６磁気検出素子
７プリント基板
８ヨーク
９永久磁石
１０操舵角検出装置
１１操舵トルク検出装置
１２車両回転角速度検出装置
１３車輪速検出装置
１００信号処理部
２００ ECU

Claims

操舵軸の回動に連動して磁石回転軸心の周囲を回動してギャップ付き磁気回路をなす回動着磁体と、前記磁石回転軸心に配置されて前記回動着磁体が前記磁石回転軸心上に形成する磁界を検出する磁気検出素子と、前記磁気検出素子の出力信号に基づいて検出した前記磁界の方向に基づいて前記操舵軸の回動角である操舵角を検出し、この操舵角を示す操舵角信号を出力する信号処理部とを備え、前記回動着磁体は、前記操舵軸に歯車により結合されている車両用操舵角検出装置において、
車載されて前記操舵角と相関を有する信号である操舵角相関信号を出力する車載センサと、
前記前記操舵角信号と前記操舵角相関信号との比較結果に基づいて前記操舵角信号の良否を判定する信号チエック回路と、
を有することを特徴とする車両用操舵角検出装置。
請求項１記載の車両用操舵角検出装置において、
前記信号チエック回路は、前記比較結果に基づいて前記操舵角検出装置の故障を検出し、故障を検出する車両用操舵角検出装置。
請求項２記載の車両用操舵角検出装置において、
前記信号チエック回路は、前記比較結果が所定の連続期間に複数の所定回数に発生する場合に、前記操舵角検出装置の故障と判定する車両用操舵角検出装置。
請求項２記載の車両用操舵角検出装置において、
前記信号チエック回路は、前記操舵角検出装置の故障を検出した場合にそれを報知する警報を出力する車両用操舵角検出装置。