回転角度検出装置
【課題】ステアリングシャフトの操舵角検出装置において、コスト増を招くことなく、高精度にギアの歯欠け異常を検出する。
【解決手段】ステアリングシャフトと一体のロータギアに対して増速側検出用ギアと減速側検出用ギアを連動して回転させ、両検出用ギアに付設したＭＲセンサ７ａ、７ｂからのサンプリングデータを増速機構側演算部６０および減速機構側演算部７０で演算処理してステアリングシャフトの増速角と減速角を算出する。故障診断部８０では、増速角および減速角移動平均化処理部８１、８２で増速角と減速角のそれぞれ移動平均値を算出し、差分算出部８４で各移動平均値の差分を算出して、変位量算出部８６で求めたサンプリングごとの差分の変位量が基準値Ｓ０より大きいときに、異常検出部８８が各ギアの連動系統のいずれかにギアの歯欠け異常がある旨の異常信号を出力するものとした。
【解決手段】ステアリングシャフトと一体のロータギアに対して増速側検出用ギアと減速側検出用ギアを連動して回転させ、両検出用ギアに付設したＭＲセンサ７ａ、７ｂからのサンプリングデータを増速機構側演算部６０および減速機構側演算部７０で演算処理してステアリングシャフトの増速角と減速角を算出する。故障診断部８０では、増速角および減速角移動平均化処理部８１、８２で増速角と減速角のそれぞれ移動平均値を算出し、差分算出部８４で各移動平均値の差分を算出して、変位量算出部８６で求めたサンプリングごとの差分の変位量が基準値Ｓ０より大きいときに、異常検出部８８が各ギアの連動系統のいずれかにギアの歯欠け異常がある旨の異常信号を出力するものとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に取り付けられたステアリングシャフトの操舵角などを検出する回転角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転角度検出装置として、例えば車両のステアリングホイールに連結されたステアリングシャフトの操舵角を検出し、他の制御装置等へ検出結果を出力する操舵角検出装置がある。
このような検出装置は、ステアリングシャフトにロータギアを嵌め込み、該ロータギアに連結された回転角検出用ギアにマグネットを取り付けるとともに、そのマグネットに対向させてＭＲセンサを固定側に設置して、回転角検出用ギアの回転状態を検出している。
回転角度検出装置の出力は他の装置の制御に用いられるので、検出精度の信頼性確保のため、異常検出が必要となる。
【０００３】
そこで、本出願人が先に特開２００２−２１３９４４号公報で提案した回転角度検出装置では、マグネットを取り付けた複数の回転角検出用ギアを用いて、それぞれにＭＲセンサを対向させ、これら２系統の出力に基づく回転角度は互いにほぼ同一の値となることが想定されるので、両系統で算出された回転角度を対比することにより、ＭＲセンサの異常判断を行うものとしている。
【０００４】
なお、複数の回転角検出用ギアを用いる場合にその利点を大きくするため、本出願人は特願２００６−２２８５８１により複数の回転角検出用ギアの一方をステアリングシャフトの回転数に対して多く回転する増速側検出用ギアとし、他方をステアリングシャフトの回転に対して少なく回転する減速側検出用ギアとした回転角度検出装置を提案している。
この装置では、ステアリングシャフトを右方向の最大回転位置から左方向の最大回転位置まで回転させたときに増速側検出用ギアが複数回転する一方、減速側検出用ギアがたとえば１回転するようにしている。
これにより、増速側検出用ギアの回転角からは分解能の高いステアリングの詳細な絶対角度（以下、増速角）を得、減速側検出用ギアの回転角からは概略の絶対角度（以下、減速角）を得て、両者の組み合わせからステアリングシャフトの操舵角を精度良く検出する。
【特許文献１】特開２００２−２１３９４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、回転角度検出装置の故障として、回転角検出用ギアなどに歯欠けによる角度跳びが発生する場合がある。
この場合も、当然に両系統で算出された回転角度の相当な差が発生するはずであるから、その対比から異常として検出されることが期待される。
しかしながら、特願２００６−２２８５８１のものと同様に増速側検出用ギアと減速側検出用ギアを用いた回転角度検出装置について、ギアに歯欠けのない正常な状態において増速角と減速角を実際に求めたところ、図６に示すように不安定なものとなった。
【０００６】
図６において、破線はステアリングシャフトをフル転舵した一方のロック端から中立位置を経て他方のロック端へ転舵した後、中立位置へ戻したときの、増速角のエンコーダ角に対するずれ量を示し、実線は当該増速角に対する減速角のずれ量を示している。エンコーダ角はステアリングシャフトに付設したエンコーダの出力による真の回転角度である。
増速角はエンコーダ角で表わされる実際のステアリングシャフトの回転とほぼ一致しているが、減速角は大きなノイズとうねりを伴って１０〜１５°程度におよぶ大幅な振れで変動している。
【０００７】
また、図７はロータギアに歯欠けのある場合の増速角と減速角の関係を示す。ここでは、歯欠けにより増速角もエンコーダ角に対してずれが発生していることがわかるが、図６の場合と同様に、減速角の振れ幅はきわめて大きい。
減速角の振れ幅が大きい理由は、機械機構的な精度に原因していると考えられ、コストの観点からこの大きな変動を容認せざるを得ないとすれば、単純に増速角と減速角を対比しようとしても、図６と図７のデータを比較して歯欠けの有無を識別するしきい値およびデータサンプリングのタイミングを設定することは困難で、歯欠けについては信頼性のある異常検出はできないことがわかった。
【０００８】
したがって本発明は上記の問題点に鑑み、増速角と減速角を用いるステアリングシャフトの操舵角検出装置において、コスト増を招くことなく、高精度にギアの歯欠け異常を検出することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、測定対象回転体と一体に回転するロータギアと、それぞれロータギアに連動して回転する第１従動ギアおよび第２従動ギアと、各従動ギアに付設されてその周期的な角度位置を検出する第１角度センサおよび第２角度センサと、各角度センサからのサンプリングデータを演算処理してそれぞれ測定対象回転体の第１絶対回転角度を算出する第１角度算出手段および第２絶対回転角度を算出する第２角度算出手段とを備える回転角度検出装置において、第１絶対回転角度および第２絶対回転角度のそれぞれ移動平均値を算出する移動平均化処理手段と、第１絶対回転角度の移動平均値と第２絶対回転角度の移動平均値の差分を算出する差分算出手段と、当該差分のサンプリングごとの変位量を算出する変位量算出手段と、変位量が所定の基準値範囲を超えたときに、各ギアの連動系統のいずれかにギアの歯欠け異常がある旨の異常信号を出力する異常検出手段とを有するものとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第１角度センサによる検出データに基づいて算出された第１絶対回転角度と第２角度センサによる検出データに基づいて算出された第２絶対回転角度のずれを移動平均値の差分として求めた上で、サンプリングごとの前回の差分と今回の差分の変位量を監視することにより、歯欠けに対応する角度位置において他の部分とは極端に異なる大きな振れが現れるので、明確にギアの歯欠け異常を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明をステアリングシャフトの操舵角検出に適用した実施の形態について説明する。
図１は回転角度検出装置におけるセンサ部の配置構成を示す。
固定側のケース基板１０を貫通するステアリングシャフト２にロータギア３が固定され、ケース基板１０に回転可能に支持された増速側検出用ギア４がロータギア３と噛み合っている。
増速側検出用ギア４は、ロータギア３の回転に連動して増速される形で回転する。
ロータギア３にはさらに減速機構５を介して減速側検出用ギア６が連結され、ケース基板１０に回動可能に支持されている。減速機構５は、ロータギア３と噛み合い内部に備えた遊星歯車機構によってロータギア３の回転を減速して減速側検出用ギア６に伝達する。
【００１２】
増速側検出用ギア４および減速側検出用ギア６には、それぞれ回転軸の周りにマグネット８ａ、８ｂが埋め込まれている。
増速側検出用ギア４と減速側検出用ギア６とを覆う図示省略のケースカバーには、増速側検出用ギア４のマグネット８ａと対向する位置に、増速側検出用ギア４の回転状態を検出するためのＭＲセンサ７ａが取り付けられ、また、減速側検出用ギア６のマグネット８ｂと対向する位置にＭＲセンサ７ｂが取り付けられている。
【００１３】
車両の運転者がハンドルを回転させると、ハンドルに連結されたステアリングシャフト２が回転するとともに、ロータギア３が回転する。
ＭＲセンサ７ａは後掲の図２に示すように、第１検出部５０Ａと第２検出部５０Ｂを備えて、増速側検出用ギア４に嵌め込まれたマグネット８ａの回転に合わせて、位相が９０°異なる２つの波形を出力する。同様に、ＭＲセンサ７ｂも第１検出部５１Ａと第２検出部５１Ｂを備えて、減速側検出用ギア６に嵌め込まれたマグネット８ｂの回転に合わせて９０°位相の異なる２つの波形を出力する。
【００１４】
図２は回転角度検出装置の全体構成を示すブロック図である。
ＭＲセンサ７ａが接続された増速機構側演算部６０と、ＭＲセンサ７ｂが接続された減速機構側演算部７０と、増速機構側演算部６０および減速機構側演算部７０に接続された故障診断部８０を有する。
増速機構側演算部６０と減速機構側演算部７０とは、それぞれＭＲセンサ７ａ、７ｂの出力をもとに演算を行い、ステアリングシャフト２の回転の絶対角度を出力する。
故障診断部８０は、増速機構側演算部６０と減速機構側演算部７０の出力を基に、ギアの歯欠け異常の検出を行なう。
【００１５】
減速機構側演算部７０は、周期角演算部７１、オフセット補正部７２、ｉ値算出部７３およびステアリング角変換部７４を備える。
周期角演算部７１は、ＭＲセンサ７ｂの第１検出部５１Ａ、第２検出部５１Ｂからの出力を１０ｍｓｅｃごとにサンプリングして、９０°位相の異なる波形より減速側検出用ギア６の周期角を求める。この９０°異なる波形より角度を算出する方法については、既知の方法を用いることができる。
なおこの減速側検出用ギア６の周期角は、ステアリングがロックｔｏロックまで回転したときに１周期となる。
【００１６】
オフセット補正部７２は、周期角演算部７１が算出した周期角を、ＥＥＰＲＯＭ４７に記憶された減速側検出用ギアオフセット値を用いて補正を行う。
この補正は、周期角に減速側検出用ギアオフセット値を加えることによって、車両の直進位置を基準とした角度に変換するものである。
なお減速側検出用ギアオフセット値は、後述の増速側検出用ギアオフセット値とともにあらかじめ設定された値がＥＥＰＲＯＭ４７に記憶されている。
このオフセット補正部７２の補正により、オフセット補正周期角が得られる。
【００１７】
次にステアリング角変換部７４は、オフセット補正部７２が補正したオフセット補正周期角を、ステアリングシャフト２の絶対角度に変換して減速角とする。
ここで、減速側検出用ギア６の回転は、ステアリングシャフト２と一体に回転するロータギア３の回転に対して減速されているため、ステアリング角変換部７４はオフセット補正周期角にその減速割合を乗じることによってステアリングシャフト２の絶対角度に変換する。
なお、ステアリング角変換部７４によって変換された減速角はステアリングシャフト２の概略の絶対角度となる。
【００１８】
またｉ値算出部７３は、オフセット補正部７２が補正したオフセット補正周期角に対応するｉ値を算出する。
このｉ値とは、ステアリングのロックｔｏロックまでの回転角を車両の直進位置を中心に左右それぞれ９０°ごとに区切り、ステアリングシャフト２の回転角を９０°単位で表現したものである。
ｉ値算出部７３は、算出したｉ値を増速機構側演算部６０側へ出力する。
【００１９】
次に増速機構側演算部６０内の処理について説明する。
増速機構側演算部６０は、周期角演算部６１、オフセット補正部６２、ステアリング角変換部６３とを備える。
周期角演算部６１は、上記周期角演算部７１と同様に、ＭＲセンサ７ａの第１検出部５０Ａ、第２検出部５０Ｂから出力された９０°位相の異なる波形より増速側検出用ギア４の周期角を求める。
なおこの増速側検出用ギア４の周期角は、ステアリングが９０°回転したときに１周期となる。
【００２０】
オフセット補正部６２は、上記オフセット補正部７２と同様に、周期角演算部６１が算出した周期角を、ＥＥＰＲＯＭ４７に記憶された増速側検出用ギアオフセット値を用いて補正を行う。
このオフセット補正部６２の補正により、オフセット補正周期角が得られる。
次にステアリング角変換部６３は、オフセット補正周期角を、減速機構側演算部７０から出力されたｉ値を用いてステアリングシャフト２の絶対角度に変換して増速角とする。
【００２１】
具体的には、増速側検出用ギア４の回転は、ステアリングシャフト２と一体に回転するロータギア３の回転に対して２倍に増速されているため、オフセット補正周期角を２で割り、さらに、ｉ値に９０を乗算した値を加算するものである。
したがってステアリングシャフト２の増速角αは次式によって求めることができる。
α＝９０×ｉ＋β／２
ここで、ｉをｉ値（−８、−７・・・・６、７）、βをオフセット補正周期角とする。
【００２２】
なお、増速側検出用ギア４はロータギア３よりも２倍に増速されているため、増速側検出用ギア４の回転状態を検出することによりロータギア３の回転状態を２倍の分解能で検出することができる。
したがって、ステアリング角変換部６３によって変換された増速角は、ステアリング角変換部７４によって変換された減速角に比較して、詳細な絶対角度となる。
【００２３】
なお、イグニッションがオンとなって最初にステアリングシャフト２の回転角度を検出するときにのみ、減速機構側演算部７０から増速機構側演算部６０へｉ値が出力され、それ以降は、ステアリング角変換部６３自身がｉ値をオフセット補正周期角の変化に応じて増減し、該増減したｉ値とオフセット補正周期角を用いて増速角を演算する。
このようにして得られたステアリングシャフトの詳細な増速角が、操舵角として車両制御装置等の外部装置へ向けて出力される。
上述した操舵角検出の詳細は特願２００６−２２８５８１の記載を引用する。
【００２４】
故障診断部８０は、増速機構側演算部６０のステアリング角変換部６３から出力された増速角と減速機構側演算部７０のステアリング角変換部７４より出力された減速角のそれぞれ移動平均値を算出する増速角移動平均化処理部８１および減速角移動平均化処理部８２と、これら両移動平均化処理部で算出された移動平均値の差分を算出する差分算出部８４と、当該差分の時間変位量を算出する変位量算出部８６と、差分の変位量に基づいて異常の有無を判断して故障診断結果を出力する異常検出部８８を備える。
【００２５】
図３は、故障診断部８０における異常検出処理の流れを示すフローチャートである。
まず増速機構側演算部６０と減速機構側演算部７０から増速角と減速角が出力されると、これらを受けて、ステップ１００では、増速角移動平均化処理部８１において、１０ｍｓｅｃ間隔のサンプリング（ｎ＝１、２、３、・・・）ごとに、連続する過去複数（ｍ）個の増速角を用いて、次式により移動平均値Θａｉ（ｎ）を求める。
Θａｉ（ｎ）＝｛Θｉ（ｎ）＋Θｉ（ｎ−１）＋Θｉ（ｎ−２）＋Θｉ（ｎ−３）＋・・・＋Θｉ（ｎ−（ｍ−１））｝／ｍ
ただし、Θｉ（ｎ）は増速角である。
また、減速角移動平均化処理部８２においても同様に、次式により移動平均値Θａｄ（ｎ）を求める。
Θａｄ（ｎ）＝｛Θｄ（ｎ）＋Θｄ（ｎ−１）＋Θｄ（ｎ−２）＋Θｄ（ｎ−３）＋・・・＋Θｄ（ｎ−（ｍ−１））｝／ｍ
ただし、Θｄ（ｎ）は減速角である。
【００２６】
次のステップ１０１で、差分算出部８４が、次式により移動平均値の差分Θｓｕｂ（ｎ）を求める。
Θｓｕｂ（ｎ）＝Θａｉ（ｎ）−Θａｄ（ｎ）
これにより、ロータギアに歯欠けのある場合の増速角のエンコーダ角に対するずれ量と、増速角に対する減速角のずれ量は図４に示すようなものとなる。実線は増速角に対する減速角のずれ量、破線は増速角のエンコーダ角に対するずれ量である。
先の図７に比較して細かなノイズは低減していることがわかる。
【００２７】
そして、ステップ１０２において、変位量算出部８６が、差分Θｓｕｂ（ｎ）の逐次の変位量、すなわち、サンプリング間隔での変位量Δ（ｎ）を次式により算出する。
Δ（ｎ）＝Θｓｕｂ（ｎ）−Θｓｕｂ（ｎ−１）
歯欠けがある場合の、上記の処理結果を示すのが図５である。
増速角に対する減速角のずれを移動平均値の差分として求めた上で、サンプリングごとに前回の差分と今回の差分の変位量を求めると、図５に示すように、実線で示す増速角に対する減速角のずれ量（差分Δ（ｎ））の変位量は、大部分が所定幅内に収まって、一定間隔の位置にのみ他の部分から突出した変化が現れている。
【００２８】
増速角のエンコーダ角に対するずれの変位量も同様にして求めると、図５に破線で示すように変位量はほぼ０を維持するとともに歯欠けに相当する角度位置に変化が見られる。減速角の増速角に対する差分Δ（ｎ）の変位量の突出変化部分はこの位置に対応する。
図５において、減速角の増速角に対するずれ量の変位量は大部分＋−１．０°の範囲内に収まっている。
【００２９】
ステップ１０３において、異常検出部８８が、上記差分の変位量を所定の基準値Ｓ０と比較する。図５の例においては、基準値Ｓ０＝｜２．０°｜（絶対値）に設定すれば、歯欠けによる異常のみが検出できることになる。
差分の変位量が基準値Ｓ０以下であれば、歯欠けによる異常はないものとして、今回のフローを終了し、ステップ１００へ戻る。
差分の変位量が基準値Ｓ０より大きいときは、ステップ１０４において、故障診断結果として異常信号を出力する。これを受けた外部装置では予め設定された所定の異常対応処理を実行することになる。このあとフローを終了する。
【００３０】
本実施の形態では、ステアリングシャフト２が発明における測定対象回転体に該当し、増速側検出用ギア４が第１従動ギアに、減速側検出用ギア６が第２従動ギアにそれぞれ該当する。
増速側検出用ギア４に固定したマグネット８ａとこれに対向させたＭＲセンサ７ａが第１角度センサを構成し、減速側検出用ギア６に固定したマグネット８ｂとこれに対向させたＭＲセンサ７ｂが第２角度センサを構成している。
増速機構側演算部６０が第１角度算出手段に該当し、減速機構側演算部７０が第２角度算出手段に該当する。
図３のフローチャートにおけるステップ１００が移動平均化処理手段を構成し、ステップ１０１が差分算出手段を、ステップ１０２が変位量算出手段を、そしてステップ１０３が異常検出手段を構成している。
【００３１】
実施の形態は以上のように構成され、ステアリングシャフト２と一体に回転するロータギア３に対して増速側検出用ギア４および減速側検出用ギア６を連動して回転させ、増速側検出用ギア４および減速側検出用ギア６に固定したマグネット８ａ、８ｂにＭＲセンサ７ａ、７ｂを対向させ、増速機構側演算部６０および減速機構側演算部７０で各ＭＲセンサからのサンプリングデータを演算処理してそれぞれステアリングシャフト２の絶対回転角度である増速角と減速角を算出して、一方の増速角を測定出力としての操舵角とするとともに、増速角移動平均化処理部８１および減速角移動平均化処理部８２で増速角と減速角のそれぞれ移動平均値を算出し、差分算出部８４で各移動平均値の差分を算出し、変位量算出部８６でサンプリングごとの差分の変位量を算出して、変位量が所定の基準値Ｓ０より大きいときに、異常検出部８８が各ギアの連動系統のいずれかにギアの歯欠け異常がある旨の異常信号を出力するものとした。
増速角と減速角のずれを移動平均値の差分として求めた上で、サンプリングごとに前回の差分と今回の差分の変位量を求めると、図５に示すように、歯欠けに対応する角度位置においてのみ他の部分とは極端に異なる大きな振れが現れるので、明確に異常を検出することができる。
【００３２】
なお、実施の形態に示した各数値はあくまでも例示であって、本発明はこれに限定されない。
また、減速機構側演算部７０のｉ値算出部７３において減速側検出用ギア６にかかるオフセット補正周期角に対応するｉ値を算出し、増速機構側演算部６０ではこのｉ値を用いて増速角を求めるものとしたが、増速機構側演算部６０のステアリング角変換部６３では減速機構側演算部７０で求めた減速角を参照して増速角を求めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】センサ部の配置構成を示す図である。
【図２】操舵角検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図３】異常検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】移動平均値を用いた算出角度のずれ量を示す図である。
【図５】移動平均値を用いた算出角度のずれ量の変位量を示す図である。
【図６】異常がない場合の算出角度のずれ量の比較例を示す図である。
【図７】ギアの歯欠けがある場合の算出角度のずれ量の比較例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
２ ステアリングシャフト
３ ロータギア
４ 増速側検出用ギア
５ 減速機構
６ 減速側検出用ギア
８ａ、８ｂ マグネット
７ａ、７ｂ ＭＲセンサ
１０ ケース基板
４７ ＥＥＰＲＯＭ
５０Ａ、５１Ａ 第１検出部
５０Ｂ、５１Ｂ 第２検出部
６０ 増速機構側演算部
６１、７１ 周期角演算部
６２、７２ オフセット補正部
６３、７４ ステアリング角変換部
７０ 減速機構側演算部
７３ ｉ値算出部
８０ 故障診断部
８１ 増速角移動平均化処理部
８２ 減速角移動平均化処理部
８４ 差分算出部
８６ 変位量算出部
８８ 異常検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に取り付けられたステアリングシャフトの操舵角などを検出する回転角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転角度検出装置として、例えば車両のステアリングホイールに連結されたステアリングシャフトの操舵角を検出し、他の制御装置等へ検出結果を出力する操舵角検出装置がある。
このような検出装置は、ステアリングシャフトにロータギアを嵌め込み、該ロータギアに連結された回転角検出用ギアにマグネットを取り付けるとともに、そのマグネットに対向させてＭＲセンサを固定側に設置して、回転角検出用ギアの回転状態を検出している。
回転角度検出装置の出力は他の装置の制御に用いられるので、検出精度の信頼性確保のため、異常検出が必要となる。
【０００３】
そこで、本出願人が先に特開２００２−２１３９４４号公報で提案した回転角度検出装置では、マグネットを取り付けた複数の回転角検出用ギアを用いて、それぞれにＭＲセンサを対向させ、これら２系統の出力に基づく回転角度は互いにほぼ同一の値となることが想定されるので、両系統で算出された回転角度を対比することにより、ＭＲセンサの異常判断を行うものとしている。
【０００４】
なお、複数の回転角検出用ギアを用いる場合にその利点を大きくするため、本出願人は特願２００６−２２８５８１により複数の回転角検出用ギアの一方をステアリングシャフトの回転数に対して多く回転する増速側検出用ギアとし、他方をステアリングシャフトの回転に対して少なく回転する減速側検出用ギアとした回転角度検出装置を提案している。
この装置では、ステアリングシャフトを右方向の最大回転位置から左方向の最大回転位置まで回転させたときに増速側検出用ギアが複数回転する一方、減速側検出用ギアがたとえば１回転するようにしている。
これにより、増速側検出用ギアの回転角からは分解能の高いステアリングの詳細な絶対角度（以下、増速角）を得、減速側検出用ギアの回転角からは概略の絶対角度（以下、減速角）を得て、両者の組み合わせからステアリングシャフトの操舵角を精度良く検出する。
【特許文献１】特開２００２−２１３９４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、回転角度検出装置の故障として、回転角検出用ギアなどに歯欠けによる角度跳びが発生する場合がある。
この場合も、当然に両系統で算出された回転角度の相当な差が発生するはずであるから、その対比から異常として検出されることが期待される。
しかしながら、特願２００６−２２８５８１のものと同様に増速側検出用ギアと減速側検出用ギアを用いた回転角度検出装置について、ギアに歯欠けのない正常な状態において増速角と減速角を実際に求めたところ、図６に示すように不安定なものとなった。
【０００６】
図６において、破線はステアリングシャフトをフル転舵した一方のロック端から中立位置を経て他方のロック端へ転舵した後、中立位置へ戻したときの、増速角のエンコーダ角に対するずれ量を示し、実線は当該増速角に対する減速角のずれ量を示している。エンコーダ角はステアリングシャフトに付設したエンコーダの出力による真の回転角度である。
増速角はエンコーダ角で表わされる実際のステアリングシャフトの回転とほぼ一致しているが、減速角は大きなノイズとうねりを伴って１０〜１５°程度におよぶ大幅な振れで変動している。
【０００７】
また、図７はロータギアに歯欠けのある場合の増速角と減速角の関係を示す。ここでは、歯欠けにより増速角もエンコーダ角に対してずれが発生していることがわかるが、図６の場合と同様に、減速角の振れ幅はきわめて大きい。
減速角の振れ幅が大きい理由は、機械機構的な精度に原因していると考えられ、コストの観点からこの大きな変動を容認せざるを得ないとすれば、単純に増速角と減速角を対比しようとしても、図６と図７のデータを比較して歯欠けの有無を識別するしきい値およびデータサンプリングのタイミングを設定することは困難で、歯欠けについては信頼性のある異常検出はできないことがわかった。
【０００８】
したがって本発明は上記の問題点に鑑み、増速角と減速角を用いるステアリングシャフトの操舵角検出装置において、コスト増を招くことなく、高精度にギアの歯欠け異常を検出することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、測定対象回転体と一体に回転するロータギアと、それぞれロータギアに連動して回転する第１従動ギアおよび第２従動ギアと、各従動ギアに付設されてその周期的な角度位置を検出する第１角度センサおよび第２角度センサと、各角度センサからのサンプリングデータを演算処理してそれぞれ測定対象回転体の第１絶対回転角度を算出する第１角度算出手段および第２絶対回転角度を算出する第２角度算出手段とを備える回転角度検出装置において、第１絶対回転角度および第２絶対回転角度のそれぞれ移動平均値を算出する移動平均化処理手段と、第１絶対回転角度の移動平均値と第２絶対回転角度の移動平均値の差分を算出する差分算出手段と、当該差分のサンプリングごとの変位量を算出する変位量算出手段と、変位量が所定の基準値範囲を超えたときに、各ギアの連動系統のいずれかにギアの歯欠け異常がある旨の異常信号を出力する異常検出手段とを有するものとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第１角度センサによる検出データに基づいて算出された第１絶対回転角度と第２角度センサによる検出データに基づいて算出された第２絶対回転角度のずれを移動平均値の差分として求めた上で、サンプリングごとの前回の差分と今回の差分の変位量を監視することにより、歯欠けに対応する角度位置において他の部分とは極端に異なる大きな振れが現れるので、明確にギアの歯欠け異常を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明をステアリングシャフトの操舵角検出に適用した実施の形態について説明する。
図１は回転角度検出装置におけるセンサ部の配置構成を示す。
固定側のケース基板１０を貫通するステアリングシャフト２にロータギア３が固定され、ケース基板１０に回転可能に支持された増速側検出用ギア４がロータギア３と噛み合っている。
増速側検出用ギア４は、ロータギア３の回転に連動して増速される形で回転する。
ロータギア３にはさらに減速機構５を介して減速側検出用ギア６が連結され、ケース基板１０に回動可能に支持されている。減速機構５は、ロータギア３と噛み合い内部に備えた遊星歯車機構によってロータギア３の回転を減速して減速側検出用ギア６に伝達する。
【００１２】
増速側検出用ギア４および減速側検出用ギア６には、それぞれ回転軸の周りにマグネット８ａ、８ｂが埋め込まれている。
増速側検出用ギア４と減速側検出用ギア６とを覆う図示省略のケースカバーには、増速側検出用ギア４のマグネット８ａと対向する位置に、増速側検出用ギア４の回転状態を検出するためのＭＲセンサ７ａが取り付けられ、また、減速側検出用ギア６のマグネット８ｂと対向する位置にＭＲセンサ７ｂが取り付けられている。
【００１３】
車両の運転者がハンドルを回転させると、ハンドルに連結されたステアリングシャフト２が回転するとともに、ロータギア３が回転する。
ＭＲセンサ７ａは後掲の図２に示すように、第１検出部５０Ａと第２検出部５０Ｂを備えて、増速側検出用ギア４に嵌め込まれたマグネット８ａの回転に合わせて、位相が９０°異なる２つの波形を出力する。同様に、ＭＲセンサ７ｂも第１検出部５１Ａと第２検出部５１Ｂを備えて、減速側検出用ギア６に嵌め込まれたマグネット８ｂの回転に合わせて９０°位相の異なる２つの波形を出力する。
【００１４】
図２は回転角度検出装置の全体構成を示すブロック図である。
ＭＲセンサ７ａが接続された増速機構側演算部６０と、ＭＲセンサ７ｂが接続された減速機構側演算部７０と、増速機構側演算部６０および減速機構側演算部７０に接続された故障診断部８０を有する。
増速機構側演算部６０と減速機構側演算部７０とは、それぞれＭＲセンサ７ａ、７ｂの出力をもとに演算を行い、ステアリングシャフト２の回転の絶対角度を出力する。
故障診断部８０は、増速機構側演算部６０と減速機構側演算部７０の出力を基に、ギアの歯欠け異常の検出を行なう。
【００１５】
減速機構側演算部７０は、周期角演算部７１、オフセット補正部７２、ｉ値算出部７３およびステアリング角変換部７４を備える。
周期角演算部７１は、ＭＲセンサ７ｂの第１検出部５１Ａ、第２検出部５１Ｂからの出力を１０ｍｓｅｃごとにサンプリングして、９０°位相の異なる波形より減速側検出用ギア６の周期角を求める。この９０°異なる波形より角度を算出する方法については、既知の方法を用いることができる。
なおこの減速側検出用ギア６の周期角は、ステアリングがロックｔｏロックまで回転したときに１周期となる。
【００１６】
オフセット補正部７２は、周期角演算部７１が算出した周期角を、ＥＥＰＲＯＭ４７に記憶された減速側検出用ギアオフセット値を用いて補正を行う。
この補正は、周期角に減速側検出用ギアオフセット値を加えることによって、車両の直進位置を基準とした角度に変換するものである。
なお減速側検出用ギアオフセット値は、後述の増速側検出用ギアオフセット値とともにあらかじめ設定された値がＥＥＰＲＯＭ４７に記憶されている。
このオフセット補正部７２の補正により、オフセット補正周期角が得られる。
【００１７】
次にステアリング角変換部７４は、オフセット補正部７２が補正したオフセット補正周期角を、ステアリングシャフト２の絶対角度に変換して減速角とする。
ここで、減速側検出用ギア６の回転は、ステアリングシャフト２と一体に回転するロータギア３の回転に対して減速されているため、ステアリング角変換部７４はオフセット補正周期角にその減速割合を乗じることによってステアリングシャフト２の絶対角度に変換する。
なお、ステアリング角変換部７４によって変換された減速角はステアリングシャフト２の概略の絶対角度となる。
【００１８】
またｉ値算出部７３は、オフセット補正部７２が補正したオフセット補正周期角に対応するｉ値を算出する。
このｉ値とは、ステアリングのロックｔｏロックまでの回転角を車両の直進位置を中心に左右それぞれ９０°ごとに区切り、ステアリングシャフト２の回転角を９０°単位で表現したものである。
ｉ値算出部７３は、算出したｉ値を増速機構側演算部６０側へ出力する。
【００１９】
次に増速機構側演算部６０内の処理について説明する。
増速機構側演算部６０は、周期角演算部６１、オフセット補正部６２、ステアリング角変換部６３とを備える。
周期角演算部６１は、上記周期角演算部７１と同様に、ＭＲセンサ７ａの第１検出部５０Ａ、第２検出部５０Ｂから出力された９０°位相の異なる波形より増速側検出用ギア４の周期角を求める。
なおこの増速側検出用ギア４の周期角は、ステアリングが９０°回転したときに１周期となる。
【００２０】
オフセット補正部６２は、上記オフセット補正部７２と同様に、周期角演算部６１が算出した周期角を、ＥＥＰＲＯＭ４７に記憶された増速側検出用ギアオフセット値を用いて補正を行う。
このオフセット補正部６２の補正により、オフセット補正周期角が得られる。
次にステアリング角変換部６３は、オフセット補正周期角を、減速機構側演算部７０から出力されたｉ値を用いてステアリングシャフト２の絶対角度に変換して増速角とする。
【００２１】
具体的には、増速側検出用ギア４の回転は、ステアリングシャフト２と一体に回転するロータギア３の回転に対して２倍に増速されているため、オフセット補正周期角を２で割り、さらに、ｉ値に９０を乗算した値を加算するものである。
したがってステアリングシャフト２の増速角αは次式によって求めることができる。
α＝９０×ｉ＋β／２
ここで、ｉをｉ値（−８、−７・・・・６、７）、βをオフセット補正周期角とする。
【００２２】
なお、増速側検出用ギア４はロータギア３よりも２倍に増速されているため、増速側検出用ギア４の回転状態を検出することによりロータギア３の回転状態を２倍の分解能で検出することができる。
したがって、ステアリング角変換部６３によって変換された増速角は、ステアリング角変換部７４によって変換された減速角に比較して、詳細な絶対角度となる。
【００２３】
なお、イグニッションがオンとなって最初にステアリングシャフト２の回転角度を検出するときにのみ、減速機構側演算部７０から増速機構側演算部６０へｉ値が出力され、それ以降は、ステアリング角変換部６３自身がｉ値をオフセット補正周期角の変化に応じて増減し、該増減したｉ値とオフセット補正周期角を用いて増速角を演算する。
このようにして得られたステアリングシャフトの詳細な増速角が、操舵角として車両制御装置等の外部装置へ向けて出力される。
上述した操舵角検出の詳細は特願２００６−２２８５８１の記載を引用する。
【００２４】
故障診断部８０は、増速機構側演算部６０のステアリング角変換部６３から出力された増速角と減速機構側演算部７０のステアリング角変換部７４より出力された減速角のそれぞれ移動平均値を算出する増速角移動平均化処理部８１および減速角移動平均化処理部８２と、これら両移動平均化処理部で算出された移動平均値の差分を算出する差分算出部８４と、当該差分の時間変位量を算出する変位量算出部８６と、差分の変位量に基づいて異常の有無を判断して故障診断結果を出力する異常検出部８８を備える。
【００２５】
図３は、故障診断部８０における異常検出処理の流れを示すフローチャートである。
まず増速機構側演算部６０と減速機構側演算部７０から増速角と減速角が出力されると、これらを受けて、ステップ１００では、増速角移動平均化処理部８１において、１０ｍｓｅｃ間隔のサンプリング（ｎ＝１、２、３、・・・）ごとに、連続する過去複数（ｍ）個の増速角を用いて、次式により移動平均値Θａｉ（ｎ）を求める。
Θａｉ（ｎ）＝｛Θｉ（ｎ）＋Θｉ（ｎ−１）＋Θｉ（ｎ−２）＋Θｉ（ｎ−３）＋・・・＋Θｉ（ｎ−（ｍ−１））｝／ｍ
ただし、Θｉ（ｎ）は増速角である。
また、減速角移動平均化処理部８２においても同様に、次式により移動平均値Θａｄ（ｎ）を求める。
Θａｄ（ｎ）＝｛Θｄ（ｎ）＋Θｄ（ｎ−１）＋Θｄ（ｎ−２）＋Θｄ（ｎ−３）＋・・・＋Θｄ（ｎ−（ｍ−１））｝／ｍ
ただし、Θｄ（ｎ）は減速角である。
【００２６】
次のステップ１０１で、差分算出部８４が、次式により移動平均値の差分Θｓｕｂ（ｎ）を求める。
Θｓｕｂ（ｎ）＝Θａｉ（ｎ）−Θａｄ（ｎ）
これにより、ロータギアに歯欠けのある場合の増速角のエンコーダ角に対するずれ量と、増速角に対する減速角のずれ量は図４に示すようなものとなる。実線は増速角に対する減速角のずれ量、破線は増速角のエンコーダ角に対するずれ量である。
先の図７に比較して細かなノイズは低減していることがわかる。
【００２７】
そして、ステップ１０２において、変位量算出部８６が、差分Θｓｕｂ（ｎ）の逐次の変位量、すなわち、サンプリング間隔での変位量Δ（ｎ）を次式により算出する。
Δ（ｎ）＝Θｓｕｂ（ｎ）−Θｓｕｂ（ｎ−１）
歯欠けがある場合の、上記の処理結果を示すのが図５である。
増速角に対する減速角のずれを移動平均値の差分として求めた上で、サンプリングごとに前回の差分と今回の差分の変位量を求めると、図５に示すように、実線で示す増速角に対する減速角のずれ量（差分Δ（ｎ））の変位量は、大部分が所定幅内に収まって、一定間隔の位置にのみ他の部分から突出した変化が現れている。
【００２８】
増速角のエンコーダ角に対するずれの変位量も同様にして求めると、図５に破線で示すように変位量はほぼ０を維持するとともに歯欠けに相当する角度位置に変化が見られる。減速角の増速角に対する差分Δ（ｎ）の変位量の突出変化部分はこの位置に対応する。
図５において、減速角の増速角に対するずれ量の変位量は大部分＋−１．０°の範囲内に収まっている。
【００２９】
ステップ１０３において、異常検出部８８が、上記差分の変位量を所定の基準値Ｓ０と比較する。図５の例においては、基準値Ｓ０＝｜２．０°｜（絶対値）に設定すれば、歯欠けによる異常のみが検出できることになる。
差分の変位量が基準値Ｓ０以下であれば、歯欠けによる異常はないものとして、今回のフローを終了し、ステップ１００へ戻る。
差分の変位量が基準値Ｓ０より大きいときは、ステップ１０４において、故障診断結果として異常信号を出力する。これを受けた外部装置では予め設定された所定の異常対応処理を実行することになる。このあとフローを終了する。
【００３０】
本実施の形態では、ステアリングシャフト２が発明における測定対象回転体に該当し、増速側検出用ギア４が第１従動ギアに、減速側検出用ギア６が第２従動ギアにそれぞれ該当する。
増速側検出用ギア４に固定したマグネット８ａとこれに対向させたＭＲセンサ７ａが第１角度センサを構成し、減速側検出用ギア６に固定したマグネット８ｂとこれに対向させたＭＲセンサ７ｂが第２角度センサを構成している。
増速機構側演算部６０が第１角度算出手段に該当し、減速機構側演算部７０が第２角度算出手段に該当する。
図３のフローチャートにおけるステップ１００が移動平均化処理手段を構成し、ステップ１０１が差分算出手段を、ステップ１０２が変位量算出手段を、そしてステップ１０３が異常検出手段を構成している。
【００３１】
実施の形態は以上のように構成され、ステアリングシャフト２と一体に回転するロータギア３に対して増速側検出用ギア４および減速側検出用ギア６を連動して回転させ、増速側検出用ギア４および減速側検出用ギア６に固定したマグネット８ａ、８ｂにＭＲセンサ７ａ、７ｂを対向させ、増速機構側演算部６０および減速機構側演算部７０で各ＭＲセンサからのサンプリングデータを演算処理してそれぞれステアリングシャフト２の絶対回転角度である増速角と減速角を算出して、一方の増速角を測定出力としての操舵角とするとともに、増速角移動平均化処理部８１および減速角移動平均化処理部８２で増速角と減速角のそれぞれ移動平均値を算出し、差分算出部８４で各移動平均値の差分を算出し、変位量算出部８６でサンプリングごとの差分の変位量を算出して、変位量が所定の基準値Ｓ０より大きいときに、異常検出部８８が各ギアの連動系統のいずれかにギアの歯欠け異常がある旨の異常信号を出力するものとした。
増速角と減速角のずれを移動平均値の差分として求めた上で、サンプリングごとに前回の差分と今回の差分の変位量を求めると、図５に示すように、歯欠けに対応する角度位置においてのみ他の部分とは極端に異なる大きな振れが現れるので、明確に異常を検出することができる。
【００３２】
なお、実施の形態に示した各数値はあくまでも例示であって、本発明はこれに限定されない。
また、減速機構側演算部７０のｉ値算出部７３において減速側検出用ギア６にかかるオフセット補正周期角に対応するｉ値を算出し、増速機構側演算部６０ではこのｉ値を用いて増速角を求めるものとしたが、増速機構側演算部６０のステアリング角変換部６３では減速機構側演算部７０で求めた減速角を参照して増速角を求めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】センサ部の配置構成を示す図である。
【図２】操舵角検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図３】異常検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】移動平均値を用いた算出角度のずれ量を示す図である。
【図５】移動平均値を用いた算出角度のずれ量の変位量を示す図である。
【図６】異常がない場合の算出角度のずれ量の比較例を示す図である。
【図７】ギアの歯欠けがある場合の算出角度のずれ量の比較例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
２ ステアリングシャフト
３ ロータギア
４ 増速側検出用ギア
５ 減速機構
６ 減速側検出用ギア
８ａ、８ｂ マグネット
７ａ、７ｂ ＭＲセンサ
１０ ケース基板
４７ ＥＥＰＲＯＭ
５０Ａ、５１Ａ 第１検出部
５０Ｂ、５１Ｂ 第２検出部
６０ 増速機構側演算部
６１、７１ 周期角演算部
６２、７２ オフセット補正部
６３、７４ ステアリング角変換部
７０ 減速機構側演算部
７３ ｉ値算出部
８０ 故障診断部
８１ 増速角移動平均化処理部
８２ 減速角移動平均化処理部
８４ 差分算出部
８６ 変位量算出部
８８ 異常検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象回転体と一体に回転するロータギアと、ロータギアに連動して回転する第１従動ギアおよび第２従動ギアと、各従動ギアに付設されてその周期的な角度位置を検出する第１角度センサおよび第２角度センサと、各角度センサからのサンプリングデータを演算処理してそれぞれ測定対象回転体の第１絶対回転角度を算出する第１角度算出手段および第２絶対回転角度を算出する第２角度算出手段とを備える回転角度検出装置において、
前記第１絶対回転角度および第２絶対回転角度のそれぞれ移動平均値を算出する移動平均化処理手段と、
前記第１絶対回転角度の移動平均値と第２絶対回転角度の移動平均値の差分を算出する差分算出手段と、
前記差分のサンプリングごとの変位量を算出する変位量算出手段と、
前記変位量が所定の基準値範囲を超えたときに、前記各ギアの連動系統のいずれかにギアの歯欠け異常がある旨の異常信号を出力する異常検出手段とを有することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項１】
測定対象回転体と一体に回転するロータギアと、ロータギアに連動して回転する第１従動ギアおよび第２従動ギアと、各従動ギアに付設されてその周期的な角度位置を検出する第１角度センサおよび第２角度センサと、各角度センサからのサンプリングデータを演算処理してそれぞれ測定対象回転体の第１絶対回転角度を算出する第１角度算出手段および第２絶対回転角度を算出する第２角度算出手段とを備える回転角度検出装置において、
前記第１絶対回転角度および第２絶対回転角度のそれぞれ移動平均値を算出する移動平均化処理手段と、
前記第１絶対回転角度の移動平均値と第２絶対回転角度の移動平均値の差分を算出する差分算出手段と、
前記差分のサンプリングごとの変位量を算出する変位量算出手段と、
前記変位量が所定の基準値範囲を超えたときに、前記各ギアの連動系統のいずれかにギアの歯欠け異常がある旨の異常信号を出力する異常検出手段とを有することを特徴とする回転角度検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−９８０９４（Ｐ２００９−９８０９４Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７２３３０（Ｐ２００７−２７２３３０）
【出願日】平成１９年１０月１９日（２００７．１０．１９）
【出願人】（３９０００１２３６）ナイルス株式会社 (136)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１９日（２００７．１０．１９）
【出願人】（３９０００１２３６）ナイルス株式会社 (136)
【Ｆターム（参考）】
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