舵角センサ
【課題】 より高精度の舵角センサを提供する。
【解決手段】 ステアリングシャフト１０３に取り付け、当該ステアリングシャフトの絶対角度を測定するための舵角センサ１であって、当該ステアリングシャフトと連動して可逆回転する主動ギア７と、主動ギアと連動して回転する微信号用ギア１９の回転角度を検出する第１検出手段と、主動ギアと連動して回転する粗信号用ギア４５ｇの回転角度を検出する第２検出手段と、を備え、当該第１検出手段は、検出した当該微信号用ギアの回転角度を示す微信号を出力するホール素子及び磁石を含めて構成してあり、当該第２検出手段は、検出した当該粗信号用ギアの回転角度を示す粗信号を出力するポテンショメータを含めて構成してある。そのため、なるべく少ない部品点数で、隣接する検出手段相互の磁束の影響を受けない、より高精度の舵角センサを提供することができる。
【解決手段】 ステアリングシャフト１０３に取り付け、当該ステアリングシャフトの絶対角度を測定するための舵角センサ１であって、当該ステアリングシャフトと連動して可逆回転する主動ギア７と、主動ギアと連動して回転する微信号用ギア１９の回転角度を検出する第１検出手段と、主動ギアと連動して回転する粗信号用ギア４５ｇの回転角度を検出する第２検出手段と、を備え、当該第１検出手段は、検出した当該微信号用ギアの回転角度を示す微信号を出力するホール素子及び磁石を含めて構成してあり、当該第２検出手段は、検出した当該粗信号用ギアの回転角度を示す粗信号を出力するポテンショメータを含めて構成してある。そのため、なるべく少ない部品点数で、隣接する検出手段相互の磁束の影響を受けない、より高精度の舵角センサを提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車などの車両に搭載される主動ギア（ステアリングシャフト）の回転角度を検出する舵角センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで知られている舵角センサ（以下、適宜「従来センサ」という）には、たとえば、特許文献１に記載されたものがある。従来の舵角センサは、ホール素子と磁石と、を含めて構成されている。従来センサでは、ステアリングシャフトの回転角度を高精度に検出することが求められており、その達成手段として、磁石の周りにリング状の強磁性体が設けられている。検出手段が複数の磁気検出手段より構成されているので、磁石相互の磁気的な干渉がある。この干渉によって、回転角度の検出値の精度が落ちるといった問題があったが、従来センサでは、リング状の強磁性体が磁石の周りに設けられることにより、磁石相互の磁場を乱すことなく磁気検出が図られている。
【特許文献１】特開２００４−２７１４２７（段落００１７ 図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、強磁性体を設けられた従来センサではその分だけ、確実に部品点数が増えることになる。そこで、本発明が解決しようとする課題は、なるべく少ない部品点数で、隣接する検出手段相互の磁束の影響を受けない、より高精度の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】
【０００４】
上記した課題を解決するために開発を進めた発明者は、精度が要求される微信号は磁気検出により出力させ、粗信号は全回転領域内にて単調に増加又は減少した信号が得られるポテンショメータにより出力させ、さらに、両者のデータを組み合わせることによって、磁石の磁気の影響を受けない、より精度の高い舵角センサを提供できるとの考えに至った。本発明は、上記観点からなされたものである。その構成の詳しい内容は、次項以下で説明する。なお、何れかの請求項に係る発明の説明において行う用語の定義等は、その性質上可能な範囲で他の請求項に係る発明にも適用されるものとする。
【０００５】
（請求項１記載の発明の特徴）
請求項１記載の発明に係る舵角センサ（以下、適宜「請求項１の舵角センサ」という）は、ステアリングシャフトに取り付け、当該ステアリングシャフトの絶対角度を測定するための舵角センサである。具体的には、当該ステアリングシャフトと連動して可逆回転する主動ギアと、当該主動ギアと連動して回転する微信号用ギアの回転角度を検出する第１検出手段と、当該主動ギアと連動して回転する粗信号用ギアの回転角度を検出する第２検出手段と、を備えている。当該第１検出手段は、検出した当該微信号用ギアの回転角度を示す微信号を出力する、ホール素子及び磁石を含めて構成してあり、当該第２検出手段は、検出した当該粗信号用ギアの回転角度を示す粗信号を出力するポテンショメータを含めて構成してある、ことを特徴とする。
【０００６】
請求項１の舵角センサによれば、第１検出手段は、微信号を出力するホール素子と磁石を含む磁気検知式であるが、第２検出手段は、粗信号を出力するポテンショメータを含むが磁石を含まない。第２検出手段は磁石を使用していないから、第１検出手段が発生する磁場により乱されることはない。つまり、第１検出手段が発生する磁束の影響を第２検出手段は受けず、さらに、磁束が発生しない第２検出手段からの影響を第１検出手段は受けず、回転角度の検出精度が落ちない。したがって、なるべく少ない部品点数で、隣接する検出手段相互の磁束の影響を受けない、より精度の高い舵角センサを提供できる。なお、第１検出手段と第２検出手段は相互干渉しないから、磁気を遮る部材も不要である。
【０００７】
（請求項２記載の発明の特徴）
請求項２記載の発明に係る舵角センサ（以下、適宜「請求項２の舵角センサ」という）には、請求項１の舵角センサの基本構成を備えさせた上で、前記微信号用ギアは、前記主動ギアに対して増速回転するとともに、前記粗信号用ギアは、前記主動ギアに対して減速回転することにより、前記第１検出手段と前記第２検出手段の２つから、絶対角度を演算する演算機構を、さらに含めて構成してあることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の舵角センサによれば、請求項１の舵角センサの作用効果に加え、所定角度で繰り返し出力される正確な微信号と、全操舵角領域において単調増加又は減少するポテンショメータによる粗信号出力が得られ、微信号と粗信号の組合せにより、容易に絶対角度を演算できる。したがって、精度の高い舵角センサを提供できる。
【０００９】
（請求項３記載の発明の特徴）
請求項３記載の発明に係る舵角センサ（以下、適宜「請求項３の舵角センサ」という）には、請求項２の舵角センサの基本構成を備えさせた上で、前記演算機構は、微信号用ギアの回転角度をθｂ、粗信号用ギアの回転角度をθｃ、前記主動ギアと前記微信号用ギアのギア比をｍとし、[θｃ-｛θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎ｝]の絶対値を最小とするような整数をｎとした場合に、絶対角度θａが、θａ＝θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎで与えられることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の舵角センサによれば、請求項２の舵角センサの作用効果に加え、演算機構が当該演算手段を採用することにより、容易にかつ精度良く絶対角度を演算できるという作用を有する。
【００１１】
（請求項４記載の発明の特徴）
請求項４記載の発明に係る舵角センサ（以下、適宜「請求項４の舵角センサ」という）には、請求項３の舵角センサの基本構成に加え、前記演算機構は、前記微信号及び前記粗信号のうち、少なくとも前記微信号から複数回、前記絶対角度θａの超過測定を行い当該超過測定データを出力するオーバーサンプリング部と、当該オーバーサンプリング部が当該超過測定を行い当該超過測定データ−を出力する時に前記θａの異常データを検出・排除する異常データ検出・排除部と、当該超過測定データの中から任意にデータを選択し、または、当該任意に選択したデータから更に平均値を算出し、前記排除した異常データの代わりに当該任意に選択したデータ、または、当該平均値、を補間する補間処理部とを含めて構成してあることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の舵角センサによれば、請求項３の舵角センサの作用効果に加え、最初に検出された絶対角度θａに対して、オーバーサンプリングを行い、異常データの排除を行っているから、最終的な出力データの信頼性が格段に向上する。したがって、信頼性向上の分精度の高い舵角センサを提供できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る舵角センサによれば、なるべく少ない部品点数で、隣接する検出手段相互の磁束の影響を受けない、より高精度の舵角センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
各図を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態（以下、「本実施形態」という）について図面を用いて述べる。図１は、本実施形態における舵角センサの取付位置の概略を示すための斜視図である。図２は、本実施形態における舵角センサの平面図である。図３は、図２に示す舵角センサの支持基板を取り外した状態の平面図である。図４は、本実施形態における舵角センサの分解斜視図である。図５は、図２に示す舵角センサのＡ−Ａ断面図である。なお、図５に示す回転リング及び固定リングは断面とせずに側面を示してある。図６は、本実施形態における舵角センサの電気的構成を示すブロック図である。図７は、本実施形態における微信号を示すグラフである。図８は、本実施形態における粗信号を示すグラフである。図９は、本実施形態における演算機構及びその周辺を示すブロック図である。図１０は、図９の一対のオーバーサンプリング部を説明するための図である。図１１は、図９の一対の異常データ検出部及び一対の異常データ排除部を説明するための図である。なお、図６に示す符号１０５は、使用時において舵角センサに装着するステアリングシャフトを示す。
【００１５】
図１を参照しながら、舵角センサの設置位置の一例を説明する。舵角センサ１は、車両のハンドル１０１に付属するステアリングコラム１０３の中に内蔵されるのが一般的である。ハンドル１０１には、ハンドル１０１と一体回転するステアリングシャフト１０５（図４参照）が固定してある。舵角センサ１は、ステアリングシャフト１０５のステアリングシャフト回転角度を検出するためのセンサであり、それ自体は回転しないが後述する回転リング７がステアリングシャフト１０５と一体回転するように構成してある。
【００１６】
（舵角センサの概略構造）
図２乃至５を参照しながら、舵角センサの概略構造を説明する。舵角センサ１は、合成樹脂製のケーシング３を備え、ケーシング３が舵角センサ１の主要外観を構成する。ケーシング３は、底部３ａと底部３ａの周縁から起立する周壁部３ｂとから概ね構成してある。ケーシング３は、たとえば、内蔵させるギアの大きさや数等の内部構造の違いや舵角センサ１を取り付ける取付環境等の外部構造の違い等に合わせて様々な形状に形成可能であり、ステアリングシャフト１０５を貫通させるためのシャフト孔４を厚み方向に備えている。シャフト孔４は円形であって、その周縁には、底部３ａから周壁部３ｂと平行に起立する環状の内側リブ３ｃと、内側リブ３ｃの外側で起立する同じく環状の外側リブ３ｄと、を形成してある。外側リブ３ｄは、その一部を切り欠いた形状に形成してあり、切り欠きによって開放した外側リブ３ｄの一端と周壁部３ｂとを連結リブ３ｅにより、開放した外側リブ３ｄの他端と周壁部３ｂとを連結リブ３ｆによりそれぞれ連結してある。さらに、連結リブ３ｅと連結リブ３ｆとの間にも、外側リブ３ｄと周壁部３ｂとを連結する連結リブ３ｇ，３ｈを形成してある。連結リブ３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈは、何れも外側リブ３ｄと同じ高さに形成してある。連結リブ３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈは、外側リブ３ｄ等と相俟って、ケーシング３の補強とともに、その上に載置する支持基板５を下方から支持する役目、ケーシング３の底部３ａと支持基板５との間に後述する従動ギア１２等を収納可能な空間（連結リブ３ｅと連結リブ３ｆ及び周壁部３ｂによって囲まれた空間）を形成する役目等を担っている。なお、符号３ｊ，３ｋは、舵角センサ１を所定箇所に取付可能とするためにケーシング３から側方（周壁部３ｂに対して垂直方向）に突き出させた取付突片を示している。符号３ｐは、支持基板５に搭載された電子部品（図示を省略）等と外部との電気的接続を行うために接続ピン（図示を省略）を収納するためにケーシング３と一体成形して形成した収納体を示している。
【００１７】
支持基板５は、ケーシング３の内部を有効活用するために内部をほぼ占有する形状（大きさ）に形成してある。このため、支持基板５は、ケーシング３より僅かに小さなほぼ相似形に形成してある。支持基板５には、ケーシング３に納めたときにシャフト孔４と同心となる円形の支持孔５ｈを貫通形成してある。支持孔５ｈは、シャフト孔４よりも大径に、かつ、その周縁がケーシング３の外側リブ３ｄ及び連結リブ３ｅ，３ｆの上に、下方から支持させるために載置可能に形成してある。支持基板５を外側リブ３ｄ等の上に載置すると、支持基板５の支持孔５ｈの周縁とケーシング３の内側リブ３ｃとの間（内側リブ３ｃと外側リブ３ｄとの間）に、平面視したときに見える環状空間１０が存在している（図３参照）。図４及び５に示すように支持基板５は、ケーシング３の底部３ａに対向する対向面５ａ（図５の向かって右側となる面）と、対向面５ａとは反対側の面となる取付面５ｂと、を備えている。支持基板５には、取付面５ｂが含む支持孔５ｈ周辺の領域を除き、図６に示す部品を含む各種電子部品を適宜搭載してある。
【００１８】
図２乃至５に基づいて、回転リング７について説明する。回転リング７は、合成樹脂を一体成形によって形成した中空部７ｈを有する環状の部材であって、環状フランジ部７ａと、環状フランジ部７ａの一方の面から起立する環状壁部７ｂと、から概ね構成してある。環状壁部７ｂは、環状フランジ部７ａと同心状に形成してあり、環状フランジ部７ａから起立させてあることから環状フランジ部７ａの外径よりも小さな外径になっている。回転リング７は、中空部７ｈ側に突出する段部７ｃが形成してある（図４参照）。段部７ｃは、次に述べる固定リング９を嵌め込んだときの抜け止めを、その主な役目とする。固定リング９は、ステアリングシャフト１０５と回転リング７とを可逆に連動回転させるための固定部材であって、両者間に介在可能、かつ、両者に対して着脱自在に構成してある。環状壁部７ｂの環状フランジ部７ａから見た先端部外周面には、回転リング７を主動ギアとして機能させるためのギア部７ｇを形成してある。環状壁部７ｂおよびギア部７ｇは支持基板５の支持孔５ｈ周縁とケーシング３の内側リブ３ｃとの間にある環状空間１０に差込可能に構成してある。すなわち、回転リング７（主動ギア７）がステアリングシャフト１０５の操作に合わせて、可逆回転可能にケーシング３のほぼ中央に設置されている。なお、環状空間１０に差し込んだ環状壁部７ｂ及びギア部７ｇが、支持孔５ｈ周縁（外側リブ３ｄ）と内側リブ３ｃに対して、同じく円周方向に回転可能であることは言うまでもない。
【００１９】
（従動ギア・第１検出手段の構造）
図２乃至６を参照しながら、従動ギアと第１検出手段について説明する。従動ギア１２は、ケーシング３の底部３ａから起立させた支持ピン１２ｐ（図３参照）を軸として回転可能、かつ、ギア部７ｇと噛み合い可能に設けてある。なお、主動ギア７と従動ギア１２との増速比は、概ね１：３前後に設定してある。
【００２０】
第１検出手段１５は、測定用小径ギア１７と、測定用小径ギア１７と噛み合って従動回転する微信号用ギア１９と、微信号用ギア１９と同軸で一体回転する円盤磁石２１（図３、６参照）と、円盤磁石２１の磁界を検知するためのホール素子３３、３５を含む検知回路３１と、により概ね構成してある。後述する第２検出手段では、磁石を備えていないから、ヨークは設けていない。ホール素子３３およびホール素子３５は、回転する円盤磁石２１が発する磁界を検知するために、円盤磁石２１（微信号用ギア１９）の中心を共通の中心とする円周上にほぼ９０度ずらした位置に配してある。すなわち、微信号用の２つのホール素子３３，３５からは、図７に示されるように、９０度位相がずれた２つの出力波形が得られる。それぞれ、ＳＩＮ波、ＣＯＳ波と同等である。各出力はＶｓｉｎ、Ｖｃｏｓの電圧波形で得られ、これらの出力から、ａｒｃｔａｎ（Ｖｓｉｎ／Ｖｃｏｓ）を演算することにより、微信号用ギア１９の回転角度が得られることとなる。ただし、これらの角度は、微信号用ギア１９からみれば、３６０度毎に繰り返し出力されており、これだけでは、何回転目かの判定は不可能である。測定用小径ギア１７は、従動ギア１２と同軸一体に設けてあり、支持ピン１２ｐを軸として従動ギア１２と一体回転可能に構成してある。つまり、従動ギア１２は、ステアリングシャフト１０５の操作に合わせて、可逆回転可能に配置されている。以上から主動ギア７と微信号用ギア１９は、連動して回転している。なお、主動ギア７と微信号用ギア１９のギア比は２に設定してある。
【００２１】
第１検出手段１５からホール素子３３、３５を介して演算機構に入力される信号は、ステアリングシャフト１０５が、０度〜３６０度の範囲におけるステアリングシャフト回転角度を示す微信号と呼ばれている。
【００２２】
（検知回路・第２検出手段）
図６に示すように、検知回路３１は、上述したホール素子３３およびホール素子３５のほか、角度変換回路３７及びＭＰＵ３９、リセットＩＣ４１、Ｅ２ＰＲＯＭ４３、ＣＡＮトランシーバー４４及び第２検出手段４５を含めて構成してある。角度変換回路３７は、ホール素子３３，３５から得た位相違いの検知信号を合成角度に変換するための回路である（図７参照）。
【００２３】
ＭＰＵ３９は、舵角センサ１全体の制御のほか、後述するように演算機構として機能する。リセットＩＣ４１は、ＭＰＵ３９の暴走防止を行うためのＩＣである。Ｅ２ＰＲＯＭ４３は、たとえば、主動ギア７（ギア部７ｇ）と従動ギア１２との噛み合いにおいて生じるバックラッシに基づく位相ずれを補正するための補正値を記憶するための装置である。ＣＡＮトランシーバー４４は、ステアリングシャフト１０５のステアリングシャフト回転角度を示す信号を外部へ出力するための通信機能を担っている。
【００２４】
第２検出手段４５は、ステアリングシャフト１０５（図４参照）がどちらの方向（時計方向、反時計方向）に何回転したか検出するための検知部材或いは検知機構等であるポテンショメータ４５ｐと粗信号用ギア４５ｇとから概ね構成してある。ポテンショメータ４５ｐは、回転させることによりその回転角に略比例した信号を出力する。ポテンショメータ４５ｐが出力する信号は、一般に、粗信号とも呼ばれ、ステアリングシャフト１０５の回転角度を特定するためのものである。粗信号用ギア４５ｇはステアリングシャフトの全回転領域で、ほぼ１回転するようにギア比が設定されている。本実施形態ではステアリングシャフトの全回転、ほぼ４．４回転（左右ともに２．２回転）で、粗信号用ギア４５ｇがほぼ１回転するように調整されている。当該領域で、ポテンショメータ４５ｐの出力は、直線的に変化するように設定されている。本実施形態では、ステアリングシャフトからみて、中立点（直進方向）を０度とし、左回し切り位置をー７９０度、右回し切り位置＋７９０度として、この間で、単調増加するようにポテンショメータ４５ｐのシャフト位置は設定されている。図８は、ポテンショメータ４５ｐが出力した粗信号を示したものであり、略直線状の特性を示している。なお、粗信号用ギア４５ｇの回転は、１回転に限る必要は必ずしもなく、状況に応じて複数回転するように構成してもよい。
【００２５】
ポテンショメータ４５ｐは、その周囲に粗信号用ギア４５ｇを備え、次に述べる機構によって回転させられる。すなわち、まず、微信号用ギア１９の回転については、これと同軸一体回転する伝達用小径ギア２０を設けてある。伝達用小径ギア２０は、図３に示す微信号用ギア１９の裏側に位置するため、同図において破線で示してある。伝達用小径ギア２０は、原車として支持ピン２３ｐによって回転可能に支持された中間大径ギア２３と噛み合いこれを回転させるように構成してある。伝達用小径ギア２０の従車として回転する中間大径ギア２３は、これと同軸一体の中間小径ギア２５を一体回転させ、中間小径ギア２５はこれと噛み合う粗信号用ギア４５ｇ、すなわち、第２検出手段４５を回転させるようになっている。粗信号用ギア４５ｇは主動ギア７と連動して回転する。上記構成によって出力される粗信号と、前述した０度〜３６０度の範囲の角度を示す微信号（以下、微信号に係る回転を「微回転」という）と、を組み合わせることによって、ステアリングシャフト１０５の回転角度を検知することができる。
【００２６】
微信号と粗信号との関係から、現在のステアリングシャフトの絶対角度を確定する手順について具体例を挙げながら説明する。前提として、まず微信号用ギアは、ステアリングシャフトを回転させることで可逆回転する主動ギアに対してギア比２：１で増速回転している。さらに、粗信号用ギアは、ステアリングシャフトを回転させることで可逆回転する主動ギアの全回転域（＋７９０度〜−７９０度）につき１回転未満の減速回転を行っているものとする。
【００２７】
たとえば、ステアリングシャフト１０５のある回転位置での微信号の計測値を１２３度とする。この計測値は、上述したとおり、２つのホール素子３３，３５の電圧出力値３３Ｖ，３５Ｖから、ａｒｃｔａｎ（３３Ｖ／３５Ｖ）に基づき算出されたものである。この微信号の計測値１２３度のみからでは、微信号用ギア１９が中点位置から右回転しているのか、左回転しているのか判別がつかない。また、中点位置から、何回転したのかも不明である。尚、本実施形態では、主動ギア７と微信号用ギア１９とのギア比が２：１のため、現在のステアリング回転角は６１．５度（１２３／２）付近と予想できるのであるが、当該回転角が右回転か、左回転かの、何回転目であるのかは以前不明である。
【００２８】
上述したとおり、粗信号のデータ処理は、粗信号用ギア４５ｇに組み込まれたポテンショメータ４５ｐによる出力電圧を計測することによって、微信号データほど精度は高くないが、中点位置からステアリングシャフト１０５が右又は左回転のどの位置まで回転したのかを一意的に確定できる。本実施形態では、ステアリングシャフト１０５の回転の中立を０度として、左回し切り位置が−７９０度、右回し切り位置が＋７９０度となっているため、−７９０度〜＋７９０度の間でポテンショメータ４５ｐは直線的な出力電圧を示すことになる。ここでは、このような設定された粗信号出力値が４２０度であったものとして、以下説明する。尚、ポテンショメータ４５ｐの出力精度が多少悪くても、次に述べるように、微信号出力をメインとする組合せにより絶対角度θａを算出するので、最終的に得られる絶対角度の精度は問題ない。
【００２９】
ステアリングシャフトの絶対角度θａの確定手順は、次の通り算出する。すなわち、ＭＰＵ内での演算も微信号出力をθｂ、粗信号出力をθｃ、主動ギアと微信号用ギアのギア比をｍとしたときに、[θｃ−{θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎ}]の絶対値を最小とするような整数ｎを求めた場合には、絶対角度θａは、θａ＝θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎから算出できる。たとえば、微信号の出力値１２３°、粗信号の出力値が４２０°の場合を考えてみる。上記算式に当てはめすると、[４２０°−{１２３°／２±（３６０／２）×ｎ}]の代入式が求められる。ここで、θａ＝１２３°／２±（３６０／２）×ｎであるから、θａが４２０°にもっとも近いｎを求めれば、そのときのθａが求める絶対角度となり、ｎ／ｍがステアリングシャフト１０５の中点位置からの回転数となる。ただし、上記式の±は粗信号の出力値の符号に依存して変化し、ｍはギア比（本実施形態では２）、ｎは正の整数（ｎ>＝０）とする。粗信号の出力値が４２０°の場合、θａ＝６１．５°＋１８０°×ｎとなる。したがって、θａが４２０°にもっとも近くなるのは、ｎ＝２のときであり、そのときの絶対角度θａはθａ＝６１．５°＋１８０°×２＝４２１．５°となる。なお、実際のステアリングシャフトは中点位置から右に１回転（ｎ／ｍ＝２／２＝１）、とさらに６１．５°回った位置にあることがわかる。
【００３０】
また、微信号の出力値が２３°、粗信号の出力値が１２°の場合は同様に、ω＝１２−（１１．５＋１８０×ｎ）より、ωの絶対値を最小にするｎは、ｎ＝０となる。そのときの絶対角度θａは、θａ＝１１．５°であることがわかる。実際のステアリングシャフト１０５は、ｎ／ｍ＝０より、１回転未満で、右に１１．５°回転した位置にあることがわかる。
【００３１】
さらに、他の例として、微信号の出力値が３７°、粗信号の出力値が−１６２である場合には、θａ＝１８．５°−１８０°×ｎよりｎ＝１を得る。絶対角度θａはθａ＝−１６１．５°となる。なお、ｎ／ｍ＝０．５のため、実際のステアリングシャフト１０５の絶対角度θａは、左１回転未満で１６１．５°回った位置にあることがわかる。
【００３２】
（ステアリングシャフトの絶対角度の測定）
図９を参照して、微信号と粗信号とを併用してステアリングシャフト１０５のステアリングシャフト回転角度（絶対角度）を測定するフローについて説明する。測定精度をできるだけ高くするために本実施形態では、第１検出手段１５からホール素子３３，３５を介して得る微信号と、第２検出手段（ポテンショメータ）４５から得る粗信号とは、次のとおり処理されるようになっている。また、併せて、角度変換回路３７及びＭＰＵ３９の具体的構造も説明する。すなわち、角度変換回路３７は、ホール素子３３，３５を介して得る微信号に係る２つの位相の異なるアナログ量をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換部３７−１と、２つの位相の異なるディジタル量から微信号（合成角度）に合成する角度合成部３７−２と、を備えている。
【００３３】
演算機構として機能するＭＰＵ３９は、微信号の処理を行う微信号処理系と、粗信号の処理を行う粗信号処理系と、微信号処理系及び粗信号処理系が共有する絶対角度演算変換部３９−９と、粗信号処理系にのみ設けたＡ／Ｄ変換部３９−１と、から概ね構成してある。Ａ／Ｄ変換部３９−１は、第２検出手段４５が出力する粗信号（アナログ量）をディジタル量に変換する機能を有している。以下、微信号処理系（粗信号処理系）、絶対角度演算変換部の順で説明する。なお、粗信号と微信号の違いはあるものの粗信号処理系の構成と微信号処理系のそれとの間に異なる点はない。したがって、微信号処理系の構成を説明するにあたって、微信号処理のための構成部材に該当する粗信号処理のための構成部材名等を、次項において微信号処理のための構成部材名等の後に記す括弧書きの中に記すにとどめ、可能な範囲において粗信号処理のための構成部材についての説明を省略する。
【００３４】
すなわち、ＭＰＵ３９は、微信号処理系（粗信号処理系）として、オーバーサンプリング部３９−３ａ（オーバーサンプリング部３９−３ｂ）と、平均角度算出処理部３９−４ａ（平均角度算出処理部３９−４ｂ）と、異常データ検出部３９−５ａ（異常データ検出部３９−５ｂ）と、異常データ排除部３９−６ａ（異常データ排除部３９−６ｂ）と、補間処理部３９−７ａ（補間処理部３９−７ｂ）と、補間済み微信号出力部３９−８ａ（補間済み粗信号処理部３９−８ｂ）と、を備えている。微信号処理系と粗信号処理系、両処理系にオーバーサンプリング部を設けたのは、より高精度が求められる微信号について超過測定を行い当該超過測定データを出力(以下「オーバーサンプリング」という)するだけでなく、粗信号についてもオーバーサンプリングすることにより、舵角センサ１の精度を飛躍的に高めることができるからである。以下、微信号処理系についてのみ説明する。
【００３５】
オーバーサンプリング部３９−３ａは、角度合成部３７−２から得る微信号について、図１０に示すように、時刻ｔｎ−１〜ｔｎの間で、通常１回の測定（ｔｎ軸上の「△」位置での１回の測定）データを求めるところ、常時８回の測定（ｔｎ−１〜ｔｎ間の「○」位置での８回の測定、８倍オーバーサンプリング）データを求める、超過測定データ（微信号超過測定データ）を獲得する機能を有している。本実施形態におけるオーバーサンプリングは、上述したように、通常サンプリングの８倍に設定してある。この設定は、度重なる評価実験の結果得られたもので、必要に応じて設定を変更することを妨げるものではない。尚、時刻ｔｎ〜ｔｎ＋１間でも同様の処理を行っている。
【００３６】
平均角度算出処理部３９−４ａは、オーバーサンプリング部３９−３ａから得た微信号測定データから平均角度Ｘｍを算出処理する機能を有している。異常データ検出部３９−５ａは、微信号測定データの平均角度Ｘｍのうち、所定範囲を逸脱した異常データを検出する機能を有している。異常データ排除部３９−６ａは、異常データ検出部３９−５ａが検出した異常データを排除する機能を有している。補間処理部３９−７ａは、測定データ及び超過測定データから異常データの代わりに選択したデータを補間する機能を有している。補間済み微信号出力部３９−８ａは、補間済み微信号を出力する機能を有している。
【００３７】
異常データ検出部３９−５ａは、検出信号の実測値から成るサンプリング曲線（図１０）を受け、粗信号及び微信号のそれぞれについて、異常データの検出を行う。測定データが、平均値Ｘｍの上限Ｘｍ＋ε及び下限Ｘｍ−εの範囲（所定範囲）を逸脱した場合のサンプリング曲線を図１１に示す。その結果、サンプリング曲線の突出部分が、異常データ検出部３９−５ａによって検出され、検出された異常データは、異常データ排除部３９−６ａによって排除される。微信号処理系の構成は上述したとおりであるが、微信号処理系と粗信号処理系とは、微信号と粗信号の違いこそあれ基本的に同じ機能を有している。この点は前述したとおりである。したがって、上記微信号処理系についての説明は、微信号の代わりに粗信号とすることで、そのまま粗信号処理系にも該当する。
【００３８】
補間処理部３９−７ａ，３９−７ｂは、測定データから排除した異常データの代わりに、例えば、当該排除した異常データの直前または直後の測定データを基に、所定のデータ列を選択し、当該データ列の平均値を求める。排除により抜けた分を、当該平均値で補うことにより、オーバーサンプリングした効果を最大限に引き出すことができるからである。
【００３９】
また、上記補間手法とは異なる補間手法として、平均データによるものがある。すなわち、異常データの実測値が所定範囲の上限Ｘｍ＋ε及び下限Ｘｍ―εを逸脱した場合、補間処理部３９−７ａ（補間処理部３９−７ｂ）は、異常データの発生時刻をｔiとすると、直前のｔi−１及び直後のｔi＋１のデータの平均値（ｔi−１のデータ＋直後のｔi＋１のデータ）／２で簡単に演算して即座に補間することが可能である。このようにして、予測値の予測関数（ｙ＝ａｘ＋ｂの一次関数（ａ、ｂは、定数で、横軸ｘは時間、縦軸ｙは角度））が、サンプリング曲線を補間する結果、非常に高精度のデータが測定されることになる。
【００４０】
絶対角度演算変換部３９−９は、補間済み微信号出力部３９−８ａが出力する補間済み微信号と、補間済み粗信号出力部３９−８ｂが出力する補間済み粗信号を演算し、この演算結果に基づいてステアリングシャフトの絶対角度を演算する機能を有している。すなわち、補間済み微信号及び補間済み粗信号は、いずれも絶対角度演算変換部３９−９に入力され、そこで両信号は、ステアリングシャフトの絶対角度に変換される。演算されたステアリングシャフト回転角度は、ＴＸラインを介してＣＡＮトランシーバー４４に送出される。
【００４１】
本発明の実施形態における舵角センサは、上述した実施例に限定されず、様々な変形・修正が考えられる。例えば、測定データの補間の際、予想値の予測関数が、一次関数の直線で近似するのに限定されず、予測関数が、２次以上の多項式の曲線に近似して補間しても良い。この場合、異常データの個数が多いときに有益で、最小二乗法やスプライン近似等により、予想値の予測関数（近似関数）を求めて補間されたサンプリング曲線を得ることにより、高精度化を図ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態における舵角センサの取付位置の概略を示すための斜視図である。
【図２】本実施形態における舵角センサの平面図である。
【図３】図２に示す舵角センサの支持基板を取り外した状態の平面図である。
【図４】本実施形態における舵角センサの分解斜視図である。
【図５】図２に示す舵角センサのＡ−Ａ断面図である。
【図６】本実施形態における舵角センサの電気的構成を示すブロック図である。
【図７】本実施形態における微信号を示すグラフである。
【図８】本実施形態における粗信号を示すグラフである。
【図９】本実施形態における演算機構及びその周辺を示すブロック図である。
【図１０】図９の一対のオーバーサンプリング部を説明するための図である。
【図１１】図９の一対の異常データ検出部及び一対の異常データ排除部を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 舵角センサ
３ ケーシング
３ａ 底部
３ｂ 周壁部
３ｃ 内側リブ
３ｄ 外側リブ
３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ 連結リブ
３ｊ，３ｋ 取付突片
３ｐ 収納体
４ シャフト孔
５ 支持基板
５ａ 対向面
５ｂ 取付面
５ｈ 支持孔
７ 回転リング（主動ギア）
７ａ 環状フランジ部
７ｂ 環状壁部
７ｃ 段部
７ｇ ギア部
７ｈ 中空部
９ 固定リング
１０ 環状空間
１２ 従動ギア
１２ｐ 支持ピン
１５ 検出手段
１７ 測定用小径ギア
１９ 微信号用ギア
２０ 伝達用小径ギア
２１ 円盤磁石
２３ 中間大径ギア
２３ｐ 支持ピン
２５ 中間小径ギア
３１ 検知回路
３３，３５ ホール素子
３７ 角度変換回路
３９ ＭＰＵ
４４ トランシーバー
４５ｐ ポテンショメータ
４５ 検出手段
４５ｇ 粗信号用ギア
１０１ ハンドル
１０３ ステアリングコラム
１０５ ステアリングシャフト
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車などの車両に搭載される主動ギア（ステアリングシャフト）の回転角度を検出する舵角センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで知られている舵角センサ（以下、適宜「従来センサ」という）には、たとえば、特許文献１に記載されたものがある。従来の舵角センサは、ホール素子と磁石と、を含めて構成されている。従来センサでは、ステアリングシャフトの回転角度を高精度に検出することが求められており、その達成手段として、磁石の周りにリング状の強磁性体が設けられている。検出手段が複数の磁気検出手段より構成されているので、磁石相互の磁気的な干渉がある。この干渉によって、回転角度の検出値の精度が落ちるといった問題があったが、従来センサでは、リング状の強磁性体が磁石の周りに設けられることにより、磁石相互の磁場を乱すことなく磁気検出が図られている。
【特許文献１】特開２００４−２７１４２７（段落００１７ 図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、強磁性体を設けられた従来センサではその分だけ、確実に部品点数が増えることになる。そこで、本発明が解決しようとする課題は、なるべく少ない部品点数で、隣接する検出手段相互の磁束の影響を受けない、より高精度の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】
【０００４】
上記した課題を解決するために開発を進めた発明者は、精度が要求される微信号は磁気検出により出力させ、粗信号は全回転領域内にて単調に増加又は減少した信号が得られるポテンショメータにより出力させ、さらに、両者のデータを組み合わせることによって、磁石の磁気の影響を受けない、より精度の高い舵角センサを提供できるとの考えに至った。本発明は、上記観点からなされたものである。その構成の詳しい内容は、次項以下で説明する。なお、何れかの請求項に係る発明の説明において行う用語の定義等は、その性質上可能な範囲で他の請求項に係る発明にも適用されるものとする。
【０００５】
（請求項１記載の発明の特徴）
請求項１記載の発明に係る舵角センサ（以下、適宜「請求項１の舵角センサ」という）は、ステアリングシャフトに取り付け、当該ステアリングシャフトの絶対角度を測定するための舵角センサである。具体的には、当該ステアリングシャフトと連動して可逆回転する主動ギアと、当該主動ギアと連動して回転する微信号用ギアの回転角度を検出する第１検出手段と、当該主動ギアと連動して回転する粗信号用ギアの回転角度を検出する第２検出手段と、を備えている。当該第１検出手段は、検出した当該微信号用ギアの回転角度を示す微信号を出力する、ホール素子及び磁石を含めて構成してあり、当該第２検出手段は、検出した当該粗信号用ギアの回転角度を示す粗信号を出力するポテンショメータを含めて構成してある、ことを特徴とする。
【０００６】
請求項１の舵角センサによれば、第１検出手段は、微信号を出力するホール素子と磁石を含む磁気検知式であるが、第２検出手段は、粗信号を出力するポテンショメータを含むが磁石を含まない。第２検出手段は磁石を使用していないから、第１検出手段が発生する磁場により乱されることはない。つまり、第１検出手段が発生する磁束の影響を第２検出手段は受けず、さらに、磁束が発生しない第２検出手段からの影響を第１検出手段は受けず、回転角度の検出精度が落ちない。したがって、なるべく少ない部品点数で、隣接する検出手段相互の磁束の影響を受けない、より精度の高い舵角センサを提供できる。なお、第１検出手段と第２検出手段は相互干渉しないから、磁気を遮る部材も不要である。
【０００７】
（請求項２記載の発明の特徴）
請求項２記載の発明に係る舵角センサ（以下、適宜「請求項２の舵角センサ」という）には、請求項１の舵角センサの基本構成を備えさせた上で、前記微信号用ギアは、前記主動ギアに対して増速回転するとともに、前記粗信号用ギアは、前記主動ギアに対して減速回転することにより、前記第１検出手段と前記第２検出手段の２つから、絶対角度を演算する演算機構を、さらに含めて構成してあることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の舵角センサによれば、請求項１の舵角センサの作用効果に加え、所定角度で繰り返し出力される正確な微信号と、全操舵角領域において単調増加又は減少するポテンショメータによる粗信号出力が得られ、微信号と粗信号の組合せにより、容易に絶対角度を演算できる。したがって、精度の高い舵角センサを提供できる。
【０００９】
（請求項３記載の発明の特徴）
請求項３記載の発明に係る舵角センサ（以下、適宜「請求項３の舵角センサ」という）には、請求項２の舵角センサの基本構成を備えさせた上で、前記演算機構は、微信号用ギアの回転角度をθｂ、粗信号用ギアの回転角度をθｃ、前記主動ギアと前記微信号用ギアのギア比をｍとし、[θｃ-｛θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎ｝]の絶対値を最小とするような整数をｎとした場合に、絶対角度θａが、θａ＝θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎで与えられることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の舵角センサによれば、請求項２の舵角センサの作用効果に加え、演算機構が当該演算手段を採用することにより、容易にかつ精度良く絶対角度を演算できるという作用を有する。
【００１１】
（請求項４記載の発明の特徴）
請求項４記載の発明に係る舵角センサ（以下、適宜「請求項４の舵角センサ」という）には、請求項３の舵角センサの基本構成に加え、前記演算機構は、前記微信号及び前記粗信号のうち、少なくとも前記微信号から複数回、前記絶対角度θａの超過測定を行い当該超過測定データを出力するオーバーサンプリング部と、当該オーバーサンプリング部が当該超過測定を行い当該超過測定データ−を出力する時に前記θａの異常データを検出・排除する異常データ検出・排除部と、当該超過測定データの中から任意にデータを選択し、または、当該任意に選択したデータから更に平均値を算出し、前記排除した異常データの代わりに当該任意に選択したデータ、または、当該平均値、を補間する補間処理部とを含めて構成してあることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の舵角センサによれば、請求項３の舵角センサの作用効果に加え、最初に検出された絶対角度θａに対して、オーバーサンプリングを行い、異常データの排除を行っているから、最終的な出力データの信頼性が格段に向上する。したがって、信頼性向上の分精度の高い舵角センサを提供できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る舵角センサによれば、なるべく少ない部品点数で、隣接する検出手段相互の磁束の影響を受けない、より高精度の舵角センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
各図を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態（以下、「本実施形態」という）について図面を用いて述べる。図１は、本実施形態における舵角センサの取付位置の概略を示すための斜視図である。図２は、本実施形態における舵角センサの平面図である。図３は、図２に示す舵角センサの支持基板を取り外した状態の平面図である。図４は、本実施形態における舵角センサの分解斜視図である。図５は、図２に示す舵角センサのＡ−Ａ断面図である。なお、図５に示す回転リング及び固定リングは断面とせずに側面を示してある。図６は、本実施形態における舵角センサの電気的構成を示すブロック図である。図７は、本実施形態における微信号を示すグラフである。図８は、本実施形態における粗信号を示すグラフである。図９は、本実施形態における演算機構及びその周辺を示すブロック図である。図１０は、図９の一対のオーバーサンプリング部を説明するための図である。図１１は、図９の一対の異常データ検出部及び一対の異常データ排除部を説明するための図である。なお、図６に示す符号１０５は、使用時において舵角センサに装着するステアリングシャフトを示す。
【００１５】
図１を参照しながら、舵角センサの設置位置の一例を説明する。舵角センサ１は、車両のハンドル１０１に付属するステアリングコラム１０３の中に内蔵されるのが一般的である。ハンドル１０１には、ハンドル１０１と一体回転するステアリングシャフト１０５（図４参照）が固定してある。舵角センサ１は、ステアリングシャフト１０５のステアリングシャフト回転角度を検出するためのセンサであり、それ自体は回転しないが後述する回転リング７がステアリングシャフト１０５と一体回転するように構成してある。
【００１６】
（舵角センサの概略構造）
図２乃至５を参照しながら、舵角センサの概略構造を説明する。舵角センサ１は、合成樹脂製のケーシング３を備え、ケーシング３が舵角センサ１の主要外観を構成する。ケーシング３は、底部３ａと底部３ａの周縁から起立する周壁部３ｂとから概ね構成してある。ケーシング３は、たとえば、内蔵させるギアの大きさや数等の内部構造の違いや舵角センサ１を取り付ける取付環境等の外部構造の違い等に合わせて様々な形状に形成可能であり、ステアリングシャフト１０５を貫通させるためのシャフト孔４を厚み方向に備えている。シャフト孔４は円形であって、その周縁には、底部３ａから周壁部３ｂと平行に起立する環状の内側リブ３ｃと、内側リブ３ｃの外側で起立する同じく環状の外側リブ３ｄと、を形成してある。外側リブ３ｄは、その一部を切り欠いた形状に形成してあり、切り欠きによって開放した外側リブ３ｄの一端と周壁部３ｂとを連結リブ３ｅにより、開放した外側リブ３ｄの他端と周壁部３ｂとを連結リブ３ｆによりそれぞれ連結してある。さらに、連結リブ３ｅと連結リブ３ｆとの間にも、外側リブ３ｄと周壁部３ｂとを連結する連結リブ３ｇ，３ｈを形成してある。連結リブ３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈは、何れも外側リブ３ｄと同じ高さに形成してある。連結リブ３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈは、外側リブ３ｄ等と相俟って、ケーシング３の補強とともに、その上に載置する支持基板５を下方から支持する役目、ケーシング３の底部３ａと支持基板５との間に後述する従動ギア１２等を収納可能な空間（連結リブ３ｅと連結リブ３ｆ及び周壁部３ｂによって囲まれた空間）を形成する役目等を担っている。なお、符号３ｊ，３ｋは、舵角センサ１を所定箇所に取付可能とするためにケーシング３から側方（周壁部３ｂに対して垂直方向）に突き出させた取付突片を示している。符号３ｐは、支持基板５に搭載された電子部品（図示を省略）等と外部との電気的接続を行うために接続ピン（図示を省略）を収納するためにケーシング３と一体成形して形成した収納体を示している。
【００１７】
支持基板５は、ケーシング３の内部を有効活用するために内部をほぼ占有する形状（大きさ）に形成してある。このため、支持基板５は、ケーシング３より僅かに小さなほぼ相似形に形成してある。支持基板５には、ケーシング３に納めたときにシャフト孔４と同心となる円形の支持孔５ｈを貫通形成してある。支持孔５ｈは、シャフト孔４よりも大径に、かつ、その周縁がケーシング３の外側リブ３ｄ及び連結リブ３ｅ，３ｆの上に、下方から支持させるために載置可能に形成してある。支持基板５を外側リブ３ｄ等の上に載置すると、支持基板５の支持孔５ｈの周縁とケーシング３の内側リブ３ｃとの間（内側リブ３ｃと外側リブ３ｄとの間）に、平面視したときに見える環状空間１０が存在している（図３参照）。図４及び５に示すように支持基板５は、ケーシング３の底部３ａに対向する対向面５ａ（図５の向かって右側となる面）と、対向面５ａとは反対側の面となる取付面５ｂと、を備えている。支持基板５には、取付面５ｂが含む支持孔５ｈ周辺の領域を除き、図６に示す部品を含む各種電子部品を適宜搭載してある。
【００１８】
図２乃至５に基づいて、回転リング７について説明する。回転リング７は、合成樹脂を一体成形によって形成した中空部７ｈを有する環状の部材であって、環状フランジ部７ａと、環状フランジ部７ａの一方の面から起立する環状壁部７ｂと、から概ね構成してある。環状壁部７ｂは、環状フランジ部７ａと同心状に形成してあり、環状フランジ部７ａから起立させてあることから環状フランジ部７ａの外径よりも小さな外径になっている。回転リング７は、中空部７ｈ側に突出する段部７ｃが形成してある（図４参照）。段部７ｃは、次に述べる固定リング９を嵌め込んだときの抜け止めを、その主な役目とする。固定リング９は、ステアリングシャフト１０５と回転リング７とを可逆に連動回転させるための固定部材であって、両者間に介在可能、かつ、両者に対して着脱自在に構成してある。環状壁部７ｂの環状フランジ部７ａから見た先端部外周面には、回転リング７を主動ギアとして機能させるためのギア部７ｇを形成してある。環状壁部７ｂおよびギア部７ｇは支持基板５の支持孔５ｈ周縁とケーシング３の内側リブ３ｃとの間にある環状空間１０に差込可能に構成してある。すなわち、回転リング７（主動ギア７）がステアリングシャフト１０５の操作に合わせて、可逆回転可能にケーシング３のほぼ中央に設置されている。なお、環状空間１０に差し込んだ環状壁部７ｂ及びギア部７ｇが、支持孔５ｈ周縁（外側リブ３ｄ）と内側リブ３ｃに対して、同じく円周方向に回転可能であることは言うまでもない。
【００１９】
（従動ギア・第１検出手段の構造）
図２乃至６を参照しながら、従動ギアと第１検出手段について説明する。従動ギア１２は、ケーシング３の底部３ａから起立させた支持ピン１２ｐ（図３参照）を軸として回転可能、かつ、ギア部７ｇと噛み合い可能に設けてある。なお、主動ギア７と従動ギア１２との増速比は、概ね１：３前後に設定してある。
【００２０】
第１検出手段１５は、測定用小径ギア１７と、測定用小径ギア１７と噛み合って従動回転する微信号用ギア１９と、微信号用ギア１９と同軸で一体回転する円盤磁石２１（図３、６参照）と、円盤磁石２１の磁界を検知するためのホール素子３３、３５を含む検知回路３１と、により概ね構成してある。後述する第２検出手段では、磁石を備えていないから、ヨークは設けていない。ホール素子３３およびホール素子３５は、回転する円盤磁石２１が発する磁界を検知するために、円盤磁石２１（微信号用ギア１９）の中心を共通の中心とする円周上にほぼ９０度ずらした位置に配してある。すなわち、微信号用の２つのホール素子３３，３５からは、図７に示されるように、９０度位相がずれた２つの出力波形が得られる。それぞれ、ＳＩＮ波、ＣＯＳ波と同等である。各出力はＶｓｉｎ、Ｖｃｏｓの電圧波形で得られ、これらの出力から、ａｒｃｔａｎ（Ｖｓｉｎ／Ｖｃｏｓ）を演算することにより、微信号用ギア１９の回転角度が得られることとなる。ただし、これらの角度は、微信号用ギア１９からみれば、３６０度毎に繰り返し出力されており、これだけでは、何回転目かの判定は不可能である。測定用小径ギア１７は、従動ギア１２と同軸一体に設けてあり、支持ピン１２ｐを軸として従動ギア１２と一体回転可能に構成してある。つまり、従動ギア１２は、ステアリングシャフト１０５の操作に合わせて、可逆回転可能に配置されている。以上から主動ギア７と微信号用ギア１９は、連動して回転している。なお、主動ギア７と微信号用ギア１９のギア比は２に設定してある。
【００２１】
第１検出手段１５からホール素子３３、３５を介して演算機構に入力される信号は、ステアリングシャフト１０５が、０度〜３６０度の範囲におけるステアリングシャフト回転角度を示す微信号と呼ばれている。
【００２２】
（検知回路・第２検出手段）
図６に示すように、検知回路３１は、上述したホール素子３３およびホール素子３５のほか、角度変換回路３７及びＭＰＵ３９、リセットＩＣ４１、Ｅ２ＰＲＯＭ４３、ＣＡＮトランシーバー４４及び第２検出手段４５を含めて構成してある。角度変換回路３７は、ホール素子３３，３５から得た位相違いの検知信号を合成角度に変換するための回路である（図７参照）。
【００２３】
ＭＰＵ３９は、舵角センサ１全体の制御のほか、後述するように演算機構として機能する。リセットＩＣ４１は、ＭＰＵ３９の暴走防止を行うためのＩＣである。Ｅ２ＰＲＯＭ４３は、たとえば、主動ギア７（ギア部７ｇ）と従動ギア１２との噛み合いにおいて生じるバックラッシに基づく位相ずれを補正するための補正値を記憶するための装置である。ＣＡＮトランシーバー４４は、ステアリングシャフト１０５のステアリングシャフト回転角度を示す信号を外部へ出力するための通信機能を担っている。
【００２４】
第２検出手段４５は、ステアリングシャフト１０５（図４参照）がどちらの方向（時計方向、反時計方向）に何回転したか検出するための検知部材或いは検知機構等であるポテンショメータ４５ｐと粗信号用ギア４５ｇとから概ね構成してある。ポテンショメータ４５ｐは、回転させることによりその回転角に略比例した信号を出力する。ポテンショメータ４５ｐが出力する信号は、一般に、粗信号とも呼ばれ、ステアリングシャフト１０５の回転角度を特定するためのものである。粗信号用ギア４５ｇはステアリングシャフトの全回転領域で、ほぼ１回転するようにギア比が設定されている。本実施形態ではステアリングシャフトの全回転、ほぼ４．４回転（左右ともに２．２回転）で、粗信号用ギア４５ｇがほぼ１回転するように調整されている。当該領域で、ポテンショメータ４５ｐの出力は、直線的に変化するように設定されている。本実施形態では、ステアリングシャフトからみて、中立点（直進方向）を０度とし、左回し切り位置をー７９０度、右回し切り位置＋７９０度として、この間で、単調増加するようにポテンショメータ４５ｐのシャフト位置は設定されている。図８は、ポテンショメータ４５ｐが出力した粗信号を示したものであり、略直線状の特性を示している。なお、粗信号用ギア４５ｇの回転は、１回転に限る必要は必ずしもなく、状況に応じて複数回転するように構成してもよい。
【００２５】
ポテンショメータ４５ｐは、その周囲に粗信号用ギア４５ｇを備え、次に述べる機構によって回転させられる。すなわち、まず、微信号用ギア１９の回転については、これと同軸一体回転する伝達用小径ギア２０を設けてある。伝達用小径ギア２０は、図３に示す微信号用ギア１９の裏側に位置するため、同図において破線で示してある。伝達用小径ギア２０は、原車として支持ピン２３ｐによって回転可能に支持された中間大径ギア２３と噛み合いこれを回転させるように構成してある。伝達用小径ギア２０の従車として回転する中間大径ギア２３は、これと同軸一体の中間小径ギア２５を一体回転させ、中間小径ギア２５はこれと噛み合う粗信号用ギア４５ｇ、すなわち、第２検出手段４５を回転させるようになっている。粗信号用ギア４５ｇは主動ギア７と連動して回転する。上記構成によって出力される粗信号と、前述した０度〜３６０度の範囲の角度を示す微信号（以下、微信号に係る回転を「微回転」という）と、を組み合わせることによって、ステアリングシャフト１０５の回転角度を検知することができる。
【００２６】
微信号と粗信号との関係から、現在のステアリングシャフトの絶対角度を確定する手順について具体例を挙げながら説明する。前提として、まず微信号用ギアは、ステアリングシャフトを回転させることで可逆回転する主動ギアに対してギア比２：１で増速回転している。さらに、粗信号用ギアは、ステアリングシャフトを回転させることで可逆回転する主動ギアの全回転域（＋７９０度〜−７９０度）につき１回転未満の減速回転を行っているものとする。
【００２７】
たとえば、ステアリングシャフト１０５のある回転位置での微信号の計測値を１２３度とする。この計測値は、上述したとおり、２つのホール素子３３，３５の電圧出力値３３Ｖ，３５Ｖから、ａｒｃｔａｎ（３３Ｖ／３５Ｖ）に基づき算出されたものである。この微信号の計測値１２３度のみからでは、微信号用ギア１９が中点位置から右回転しているのか、左回転しているのか判別がつかない。また、中点位置から、何回転したのかも不明である。尚、本実施形態では、主動ギア７と微信号用ギア１９とのギア比が２：１のため、現在のステアリング回転角は６１．５度（１２３／２）付近と予想できるのであるが、当該回転角が右回転か、左回転かの、何回転目であるのかは以前不明である。
【００２８】
上述したとおり、粗信号のデータ処理は、粗信号用ギア４５ｇに組み込まれたポテンショメータ４５ｐによる出力電圧を計測することによって、微信号データほど精度は高くないが、中点位置からステアリングシャフト１０５が右又は左回転のどの位置まで回転したのかを一意的に確定できる。本実施形態では、ステアリングシャフト１０５の回転の中立を０度として、左回し切り位置が−７９０度、右回し切り位置が＋７９０度となっているため、−７９０度〜＋７９０度の間でポテンショメータ４５ｐは直線的な出力電圧を示すことになる。ここでは、このような設定された粗信号出力値が４２０度であったものとして、以下説明する。尚、ポテンショメータ４５ｐの出力精度が多少悪くても、次に述べるように、微信号出力をメインとする組合せにより絶対角度θａを算出するので、最終的に得られる絶対角度の精度は問題ない。
【００２９】
ステアリングシャフトの絶対角度θａの確定手順は、次の通り算出する。すなわち、ＭＰＵ内での演算も微信号出力をθｂ、粗信号出力をθｃ、主動ギアと微信号用ギアのギア比をｍとしたときに、[θｃ−{θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎ}]の絶対値を最小とするような整数ｎを求めた場合には、絶対角度θａは、θａ＝θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎから算出できる。たとえば、微信号の出力値１２３°、粗信号の出力値が４２０°の場合を考えてみる。上記算式に当てはめすると、[４２０°−{１２３°／２±（３６０／２）×ｎ}]の代入式が求められる。ここで、θａ＝１２３°／２±（３６０／２）×ｎであるから、θａが４２０°にもっとも近いｎを求めれば、そのときのθａが求める絶対角度となり、ｎ／ｍがステアリングシャフト１０５の中点位置からの回転数となる。ただし、上記式の±は粗信号の出力値の符号に依存して変化し、ｍはギア比（本実施形態では２）、ｎは正の整数（ｎ>＝０）とする。粗信号の出力値が４２０°の場合、θａ＝６１．５°＋１８０°×ｎとなる。したがって、θａが４２０°にもっとも近くなるのは、ｎ＝２のときであり、そのときの絶対角度θａはθａ＝６１．５°＋１８０°×２＝４２１．５°となる。なお、実際のステアリングシャフトは中点位置から右に１回転（ｎ／ｍ＝２／２＝１）、とさらに６１．５°回った位置にあることがわかる。
【００３０】
また、微信号の出力値が２３°、粗信号の出力値が１２°の場合は同様に、ω＝１２−（１１．５＋１８０×ｎ）より、ωの絶対値を最小にするｎは、ｎ＝０となる。そのときの絶対角度θａは、θａ＝１１．５°であることがわかる。実際のステアリングシャフト１０５は、ｎ／ｍ＝０より、１回転未満で、右に１１．５°回転した位置にあることがわかる。
【００３１】
さらに、他の例として、微信号の出力値が３７°、粗信号の出力値が−１６２である場合には、θａ＝１８．５°−１８０°×ｎよりｎ＝１を得る。絶対角度θａはθａ＝−１６１．５°となる。なお、ｎ／ｍ＝０．５のため、実際のステアリングシャフト１０５の絶対角度θａは、左１回転未満で１６１．５°回った位置にあることがわかる。
【００３２】
（ステアリングシャフトの絶対角度の測定）
図９を参照して、微信号と粗信号とを併用してステアリングシャフト１０５のステアリングシャフト回転角度（絶対角度）を測定するフローについて説明する。測定精度をできるだけ高くするために本実施形態では、第１検出手段１５からホール素子３３，３５を介して得る微信号と、第２検出手段（ポテンショメータ）４５から得る粗信号とは、次のとおり処理されるようになっている。また、併せて、角度変換回路３７及びＭＰＵ３９の具体的構造も説明する。すなわち、角度変換回路３７は、ホール素子３３，３５を介して得る微信号に係る２つの位相の異なるアナログ量をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換部３７−１と、２つの位相の異なるディジタル量から微信号（合成角度）に合成する角度合成部３７−２と、を備えている。
【００３３】
演算機構として機能するＭＰＵ３９は、微信号の処理を行う微信号処理系と、粗信号の処理を行う粗信号処理系と、微信号処理系及び粗信号処理系が共有する絶対角度演算変換部３９−９と、粗信号処理系にのみ設けたＡ／Ｄ変換部３９−１と、から概ね構成してある。Ａ／Ｄ変換部３９−１は、第２検出手段４５が出力する粗信号（アナログ量）をディジタル量に変換する機能を有している。以下、微信号処理系（粗信号処理系）、絶対角度演算変換部の順で説明する。なお、粗信号と微信号の違いはあるものの粗信号処理系の構成と微信号処理系のそれとの間に異なる点はない。したがって、微信号処理系の構成を説明するにあたって、微信号処理のための構成部材に該当する粗信号処理のための構成部材名等を、次項において微信号処理のための構成部材名等の後に記す括弧書きの中に記すにとどめ、可能な範囲において粗信号処理のための構成部材についての説明を省略する。
【００３４】
すなわち、ＭＰＵ３９は、微信号処理系（粗信号処理系）として、オーバーサンプリング部３９−３ａ（オーバーサンプリング部３９−３ｂ）と、平均角度算出処理部３９−４ａ（平均角度算出処理部３９−４ｂ）と、異常データ検出部３９−５ａ（異常データ検出部３９−５ｂ）と、異常データ排除部３９−６ａ（異常データ排除部３９−６ｂ）と、補間処理部３９−７ａ（補間処理部３９−７ｂ）と、補間済み微信号出力部３９−８ａ（補間済み粗信号処理部３９−８ｂ）と、を備えている。微信号処理系と粗信号処理系、両処理系にオーバーサンプリング部を設けたのは、より高精度が求められる微信号について超過測定を行い当該超過測定データを出力(以下「オーバーサンプリング」という)するだけでなく、粗信号についてもオーバーサンプリングすることにより、舵角センサ１の精度を飛躍的に高めることができるからである。以下、微信号処理系についてのみ説明する。
【００３５】
オーバーサンプリング部３９−３ａは、角度合成部３７−２から得る微信号について、図１０に示すように、時刻ｔｎ−１〜ｔｎの間で、通常１回の測定（ｔｎ軸上の「△」位置での１回の測定）データを求めるところ、常時８回の測定（ｔｎ−１〜ｔｎ間の「○」位置での８回の測定、８倍オーバーサンプリング）データを求める、超過測定データ（微信号超過測定データ）を獲得する機能を有している。本実施形態におけるオーバーサンプリングは、上述したように、通常サンプリングの８倍に設定してある。この設定は、度重なる評価実験の結果得られたもので、必要に応じて設定を変更することを妨げるものではない。尚、時刻ｔｎ〜ｔｎ＋１間でも同様の処理を行っている。
【００３６】
平均角度算出処理部３９−４ａは、オーバーサンプリング部３９−３ａから得た微信号測定データから平均角度Ｘｍを算出処理する機能を有している。異常データ検出部３９−５ａは、微信号測定データの平均角度Ｘｍのうち、所定範囲を逸脱した異常データを検出する機能を有している。異常データ排除部３９−６ａは、異常データ検出部３９−５ａが検出した異常データを排除する機能を有している。補間処理部３９−７ａは、測定データ及び超過測定データから異常データの代わりに選択したデータを補間する機能を有している。補間済み微信号出力部３９−８ａは、補間済み微信号を出力する機能を有している。
【００３７】
異常データ検出部３９−５ａは、検出信号の実測値から成るサンプリング曲線（図１０）を受け、粗信号及び微信号のそれぞれについて、異常データの検出を行う。測定データが、平均値Ｘｍの上限Ｘｍ＋ε及び下限Ｘｍ−εの範囲（所定範囲）を逸脱した場合のサンプリング曲線を図１１に示す。その結果、サンプリング曲線の突出部分が、異常データ検出部３９−５ａによって検出され、検出された異常データは、異常データ排除部３９−６ａによって排除される。微信号処理系の構成は上述したとおりであるが、微信号処理系と粗信号処理系とは、微信号と粗信号の違いこそあれ基本的に同じ機能を有している。この点は前述したとおりである。したがって、上記微信号処理系についての説明は、微信号の代わりに粗信号とすることで、そのまま粗信号処理系にも該当する。
【００３８】
補間処理部３９−７ａ，３９−７ｂは、測定データから排除した異常データの代わりに、例えば、当該排除した異常データの直前または直後の測定データを基に、所定のデータ列を選択し、当該データ列の平均値を求める。排除により抜けた分を、当該平均値で補うことにより、オーバーサンプリングした効果を最大限に引き出すことができるからである。
【００３９】
また、上記補間手法とは異なる補間手法として、平均データによるものがある。すなわち、異常データの実測値が所定範囲の上限Ｘｍ＋ε及び下限Ｘｍ―εを逸脱した場合、補間処理部３９−７ａ（補間処理部３９−７ｂ）は、異常データの発生時刻をｔiとすると、直前のｔi−１及び直後のｔi＋１のデータの平均値（ｔi−１のデータ＋直後のｔi＋１のデータ）／２で簡単に演算して即座に補間することが可能である。このようにして、予測値の予測関数（ｙ＝ａｘ＋ｂの一次関数（ａ、ｂは、定数で、横軸ｘは時間、縦軸ｙは角度））が、サンプリング曲線を補間する結果、非常に高精度のデータが測定されることになる。
【００４０】
絶対角度演算変換部３９−９は、補間済み微信号出力部３９−８ａが出力する補間済み微信号と、補間済み粗信号出力部３９−８ｂが出力する補間済み粗信号を演算し、この演算結果に基づいてステアリングシャフトの絶対角度を演算する機能を有している。すなわち、補間済み微信号及び補間済み粗信号は、いずれも絶対角度演算変換部３９−９に入力され、そこで両信号は、ステアリングシャフトの絶対角度に変換される。演算されたステアリングシャフト回転角度は、ＴＸラインを介してＣＡＮトランシーバー４４に送出される。
【００４１】
本発明の実施形態における舵角センサは、上述した実施例に限定されず、様々な変形・修正が考えられる。例えば、測定データの補間の際、予想値の予測関数が、一次関数の直線で近似するのに限定されず、予測関数が、２次以上の多項式の曲線に近似して補間しても良い。この場合、異常データの個数が多いときに有益で、最小二乗法やスプライン近似等により、予想値の予測関数（近似関数）を求めて補間されたサンプリング曲線を得ることにより、高精度化を図ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態における舵角センサの取付位置の概略を示すための斜視図である。
【図２】本実施形態における舵角センサの平面図である。
【図３】図２に示す舵角センサの支持基板を取り外した状態の平面図である。
【図４】本実施形態における舵角センサの分解斜視図である。
【図５】図２に示す舵角センサのＡ−Ａ断面図である。
【図６】本実施形態における舵角センサの電気的構成を示すブロック図である。
【図７】本実施形態における微信号を示すグラフである。
【図８】本実施形態における粗信号を示すグラフである。
【図９】本実施形態における演算機構及びその周辺を示すブロック図である。
【図１０】図９の一対のオーバーサンプリング部を説明するための図である。
【図１１】図９の一対の異常データ検出部及び一対の異常データ排除部を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 舵角センサ
３ ケーシング
３ａ 底部
３ｂ 周壁部
３ｃ 内側リブ
３ｄ 外側リブ
３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ 連結リブ
３ｊ，３ｋ 取付突片
３ｐ 収納体
４ シャフト孔
５ 支持基板
５ａ 対向面
５ｂ 取付面
５ｈ 支持孔
７ 回転リング（主動ギア）
７ａ 環状フランジ部
７ｂ 環状壁部
７ｃ 段部
７ｇ ギア部
７ｈ 中空部
９ 固定リング
１０ 環状空間
１２ 従動ギア
１２ｐ 支持ピン
１５ 検出手段
１７ 測定用小径ギア
１９ 微信号用ギア
２０ 伝達用小径ギア
２１ 円盤磁石
２３ 中間大径ギア
２３ｐ 支持ピン
２５ 中間小径ギア
３１ 検知回路
３３，３５ ホール素子
３７ 角度変換回路
３９ ＭＰＵ
４４ トランシーバー
４５ｐ ポテンショメータ
４５ 検出手段
４５ｇ 粗信号用ギア
１０１ ハンドル
１０３ ステアリングコラム
１０５ ステアリングシャフト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングシャフトに取り付け、当該ステアリングシャフトの絶対角度を測定するための舵角センサであって、
当該ステアリングシャフトと連動して可逆回転する主動ギアと、
当該主動ギアと連動して回転する微信号用ギアの回転角度を検出する第１検出手段と、
当該主動ギアと連動して回転する粗信号用ギアの回転角度を検出する第２検出手段と、を備え、
当該第１検出手段は、検出した当該微信号用ギアの回転角度を示す微信号を出力する、ホール素子及び磁石を含めて構成してあり、
当該第２検出手段は、検出した当該粗信号用ギアの回転角度を示す粗信号を出力するポテンショメータを含めて構成してある
ことを特徴とする舵角センサ。
【請求項２】
前記微信号用ギアは、前記主動ギアに対して増速回転するとともに、
前記粗信号用ギアは、前記主動ギアに対して減速回転することにより、
前記第１検出手段と前記第２検出手段の２つから、絶対角度を演算する演算機構を、さらに含めて構成してある
ことを特徴とする請求項１に記載の舵角センサ。
【請求項３】
前記演算機構は、微信号用ギアの回転角度をθｂ、粗信号用ギアの回転角度をθｃ、前記主動ギアと前記微信号用ギアとのギア比をｍとし、[θｃ−｛θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎ｝]の絶対値を最小とするような整数をｎとした場合に、絶対角度θａが、θａ＝θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎで与えられる
ことを特徴とする請求項２に記載の舵角センサ。
【請求項４】
前記演算機構は、前記微信号及び前記粗信号のうち、少なくとも当該微信号から複数回、前記絶対角度θａの超過測定を行い当該超過測定データを出力するオーバーサンプリング部と、
当該オーバーサンプリング部が当該超過測定を行い当該超過測定データを出力する時に前記θａの異常データを検出・排除する異常データ検出・排除部と、
当該超過測定データの中から任意にデータを選択し、または、当該任意に選択したデータから更に平均値を算出し、前記排除した異常データの代わりに、当該任意に選択したデータ、または、当該平均値、を補間する補間処理部とを含めて構成してある
ことを特徴とする、請求項３に記載の舵角センサ。
【請求項１】
ステアリングシャフトに取り付け、当該ステアリングシャフトの絶対角度を測定するための舵角センサであって、
当該ステアリングシャフトと連動して可逆回転する主動ギアと、
当該主動ギアと連動して回転する微信号用ギアの回転角度を検出する第１検出手段と、
当該主動ギアと連動して回転する粗信号用ギアの回転角度を検出する第２検出手段と、を備え、
当該第１検出手段は、検出した当該微信号用ギアの回転角度を示す微信号を出力する、ホール素子及び磁石を含めて構成してあり、
当該第２検出手段は、検出した当該粗信号用ギアの回転角度を示す粗信号を出力するポテンショメータを含めて構成してある
ことを特徴とする舵角センサ。
【請求項２】
前記微信号用ギアは、前記主動ギアに対して増速回転するとともに、
前記粗信号用ギアは、前記主動ギアに対して減速回転することにより、
前記第１検出手段と前記第２検出手段の２つから、絶対角度を演算する演算機構を、さらに含めて構成してある
ことを特徴とする請求項１に記載の舵角センサ。
【請求項３】
前記演算機構は、微信号用ギアの回転角度をθｂ、粗信号用ギアの回転角度をθｃ、前記主動ギアと前記微信号用ギアとのギア比をｍとし、[θｃ−｛θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎ｝]の絶対値を最小とするような整数をｎとした場合に、絶対角度θａが、θａ＝θｂ／ｍ±（３６０／ｍ）×ｎで与えられる
ことを特徴とする請求項２に記載の舵角センサ。
【請求項４】
前記演算機構は、前記微信号及び前記粗信号のうち、少なくとも当該微信号から複数回、前記絶対角度θａの超過測定を行い当該超過測定データを出力するオーバーサンプリング部と、
当該オーバーサンプリング部が当該超過測定を行い当該超過測定データを出力する時に前記θａの異常データを検出・排除する異常データ検出・排除部と、
当該超過測定データの中から任意にデータを選択し、または、当該任意に選択したデータから更に平均値を算出し、前記排除した異常データの代わりに、当該任意に選択したデータ、または、当該平均値、を補間する補間処理部とを含めて構成してある
ことを特徴とする、請求項３に記載の舵角センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２６１８０（Ｐ２００８−２６１８０Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９９７９０（Ｐ２００６−１９９７９０）
【出願日】平成１８年７月２１日（２００６．７．２１）
【出願人】（０００２２２９３４）東洋電装株式会社 (69)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２１日（２００６．７．２１）
【出願人】（０００２２２９３４）東洋電装株式会社 (69)
【Ｆターム（参考）】
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