JP2003515735A - 回転角度及び/又はトルクを検出するためのセンサ装置 - Google Patents

回転角度及び/又はトルクを検出するためのセンサ装置

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JP2003515735A JP2001542167A JP2001542167A JP2003515735A JP 2003515735 A JP2003515735 A JP 2003515735A JP 2001542167 A JP2001542167 A JP 2001542167A JP 2001542167 A JP2001542167 A JP 2001542167A JP 2003515735 A JP2003515735 A JP 2003515735A
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Abstract

(57)【要約】 回転する機械的な構成部分(1)における回転角度及び/又はトルクを検出するためのセンサ装置が提案されており、該センサ装置においては、回転する構成部分に外軸(3)としてのトーション軸が形成されていて、このトーション軸の一方の端部の領域(2)にトルクが作用し、端面側の他方の端部の領域(5)でトルクが取り出し可能であって、この場合、内軸(7)が外軸(3)に対して同心的に配置されていて、この内歯(3)の一方の端部が、トルクのインプットの領域(2)内で外歯(3)に固定されている。外軸(3)及び内軸(7)の端面側の端部に、信号発生部材(8,10)が配置されていて、この信号発生部材に、それぞれ1つの定置の信号検出部材(9,11;17)が配属されている。トルクの作用下で、互いに相対的な磁界の回転が測定可能であって、この場合に、回転角度がトルクに比例している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 従来の技術 本発明は、請求項1の上位概念部に記載した、特に軸又はシャフトにおける回
転角度及び/又はトルクを検出するためのセンサ装置に関する。
【0002】 アメリカ合衆国特許第5501110号明細書によれば、軸上で伝達されるト
ルクを検出するセンサ装置が公知である。トルクは、軸の幾何学形状及び材料に
基づく弾性係数及び軸端部の回転角度ずれ若しくはトーションにより規定される
。この場合、2つの磁石と、これらの磁石に向き合って配置されたそれぞれ1つ
のホールセンサとが偏心的に、それぞれ軸を備えた回転する2つのディスクの外
周部に取り付けられている。
【0003】 例えば、ステアリングホイールの回転中に自動車のステアリングホイールシャ
フトに作用するトルクを検出するために、ステアリングホイールの両回転方向で
の非常に小さい角度変化を測定する必要がある。回転するステアリングホイール
シャフトにおけるトルクは、自動車の多くの調整及び制御課題のためのキー値で
あって、原則的に、公知の種々異なる形式で検出される。例えばこれは、渦流原
理によるセンサ装置、又は溝付きディスク(Strichscheibe)とC
CDチップとから成る光学装置によって構成することもできる。
【0004】 従来技術により公知の、冒頭に述べた形式の原理によるセンサ装置においては
、特に、磁石の極を配置する場合の公差によって生じる回転変調によって、比較
的大きい測定誤差が生じ得る、という危険性がある。さらに回転する軸の信号検
出時においても信号伝達は困難である。これは適用に応じて、回転伝達部材又は
研削リングによって解決されるが、コストがかかり、しかも故障しやすい。
【0005】 発明の利点 冒頭に述べた形式の、回転する機械構成部分における回転角度モーメント及び
/又は回転モーメントを検出するためにセンサ装置は、請求項1の特徴に従って
有利な形式で、回転する構成部分に外軸としてのトーション軸が形成されていて
、その一方の端部にトルクが作用するようにしたことによって、改良された。外
軸の端面側の他方の端部の領域では、トルクが取り出し可能であって、この場合
内軸が外軸に対して同心的に位置していて、内軸の一方の端部が、トルクのイン
プットの領域内で外軸に固定されている。外軸及び内軸の端面側の端部には、本
発明に従って有利な形式で信号発生部材が配置されており、この信号発生部材に
はそれぞれ1つの定置の検出部材が対応配置されている。
【0006】 有利な実施例によれば、一方の磁石が信号発生部材として、トルクのインプッ
トにおける回転角度を検出するための内軸に配置されていて、軸の軸線に延びる
半径方向の磁界を生ぜしめる。この場合、外軸に配置された信号発生部材として
の他方の磁石は、有利な形式でトルクのアウトプットの回転角度を検出するため
に、磁石の外側で内軸に対して同心的に配置されている。これによって別の半径
方向の磁界が生ぜしめられるので、トルクの作用によって互いに相対的な磁界の
回転が測定可能であって、この場合、回転角度はトルクに比例している。
【0007】 検出部材若しくはセンサは、簡単な形式では磁気抵抗式のセンサ、例えばいわ
ゆるAMRセンサ又はGMRセンサ(AMR=Anistrop-magnetoresistiv:異方
性磁気抵抗式、GMR=Giant-magnetoresistiv:巨大−磁気抵抗式)であってよ
い。このセンサは、回転可能な軸に結合された磁石の磁力線方向にほぼ関連した
信号を発信し、角度変化の原因となる軸の回転に対して磁気反応式の層が接線方
向に位置するように、配置されている。
【0008】 これらの信号から、有利な評価回路においてそれぞれ内軸及び外軸の絶対的な
回転角度が検出され、また前述のように相対的な回転角度から、作用するトルク
が検出される。内軸及び外軸が自動車のステアリングシャフトに取り付けられて
いれば、本発明の特に有利な使用形式が得られる。
【0009】 さらにまた、外軸の端面側の端部に、別の回転構成部分のための駆動装置が、
軸の軸線に対して偏心的又は同心的に取り付けられていれば、有利である。これ
によって簡単な形式で、外軸若しくはステアリングシャフトの360゜以上の回
転も検出して、評価することができ、この場合、別の部材の回転の検出は、同様
に磁気反応式のセンサ装置によって行うことができる。必要な駆動装置は有利に
は歯車駆動装置であってよい。この歯車駆動装置においては、別の部材の外周部
における歯数は外軸の歯数とは異なっていて、それによって全回転のための確実
な信号が提供される。
【0010】 要約すれば、特に磁石中心とセンサエレメントとを軸の軸線上に位置決めする
ことによって、軸における同軸的な角度測定を伴う本発明によるセンサ装置のた
めの一連の利点が得られる。それぞれの磁界方向を両方で測定することによって
簡単な形式で、2つの磁界方向測定の比較に基づく、例えばステアリングホイー
ルの回転する部材の角度の誤差監視が可能である。
【0011】 自動車に使用する場合においても、評価エレクトロニクスはコンパクトなケー
シング内にモジュール式に簡単に組み込むことができる。何故ならば特に、付加
的な摩擦モーメントなしに、トルク及びステアリングホイール角度(>360゜
)を無接触で測定することがケーシングが構成され、このケーシングは湿気に対
して強く、センサケーシングをエレクトロニクスと共に簡単に交換することがで
きる。
【0012】 この場合、本発明によるセンサ装置によって実施される角度測定は、多くの無
接触測定法によって行うことができ、磁界方向測定に制限されるものではない。
測定は、多くの回転する構成部分において実施することができる。例えば、自動
車に使用する場合に、例えばステアリングホイール角度、ホイール角度、角速度
、角加速度及びトルクの信号を発信するために、車室内のステアリングホイール
のステアリングギア、ディファレンシャル又は軸において使用することができる
【0013】 本発明の有利な実施態様の、以上の特徴及びその他の特徴は、請求項、詳細な
説明及び図面に記載されており、この場合、角特徴はそれぞれ単独でも、又は本
発明の実施例において複数を組み合わせた形式でも、またその他の分野において
も実現することができ、また保護されるべき有利な構成を成すものである。
【0014】 図面 本発明によるセンサ装置の実施例を以下に図面を用いて説明する。
【0015】 図1は、回転する構成部分に作用するトルクを検出するためのセンサ装置を備
えた自動車用のステアリングギヤの断面図、 図2は、ステアリングシャフトの全回転の付加的な検出装置を備えたステアリ
ングギヤの内軸及び外軸の端面側の端部の部分図である。
【0016】 実施例の説明 図1には、概略図でステアリングギヤ1が示されており、このステアリングギ
ヤ1は、回転可能な接続部2を介して、トルクを伴う舵取り運動によって負荷さ
れる(トルクインプット)。ステアリングギヤ1には外軸3が形成されており、
この外軸3はトーション領域4を有していて、回転運動をガイドロッド6に伝達
するための接続部分5を備えており、この接続部分で、舵取り運動のトルクが相
応に形成された伝動装置によってさらに伝達される(トルクアウトプット)。
【0017】 図1によれば、ステアリングギヤ1内には内軸7が設けられていて、この内軸
7は接続部分2に堅固に固定されている(トルクインプット)。内軸7の端面側
の端部には磁石8が設けられており、この磁石8の半径方向の磁界内にセンサ9
例えばAMRセンサが配置されている。外軸3の端面側の端部には磁石10が設
けられていて、この磁石10の半径方向の磁界は第2のセンサ11によって検出
される。
【0018】 センサ9及び11は、電子式の評価回路12に接続されており、この評価回路
12によって、磁界の方向及びひいては回転位置に関連した、センサ9,11の
信号が評価される。評価回路12内の個別の構成部分及びその機能について、本
発明を理解するために本明細書にその詳細を記載する必要はない。評価回路12
のアウトプット信号は、電気的な差込み接続部13を介して、自動車の車載エレ
クトロニクスに接続するために提供される。
【0019】 図1に示したステアリングギヤ1に作用する舵取り運動において、トルクが、
接続部分2に位置する(トルクインプット)外軸3の領域と、他方の端面側の端
部に位置する(トルクアウトプット)領域5とに加えられることによって、ねじ
り角度(外軸のトーション角度)が生ぜしめられる。この場合、外軸3の磁石1
0は、いわゆるトルクアウトプットにおける外軸の領域5と同じ程度だけ回転せ
しめられる。しかしながら内軸7と、内軸7の磁石8とは、いわゆるトルクイン
プットにおける外軸3の領域2と同じ程度だけ回転せしめられる。これによって
、2つの磁石8及び10並びにその磁界は互いに相対的に回転し、相応の回転角
度が検出される。センサ9,11の磁界測定の箇所における磁界の回転角度は、
外軸3の回転角度及びひいてはトルクに対して比例している。
【0020】 図2には、回転する構成部分14の付加的な駆動装置を備えた、図1に示した
ステアリングギヤ1の拡大図が示されている。外軸3の端面側の端部における外
側のリングギヤ15及び付加的な構成部分14における相応のリングギヤ15を
介して、第3の磁石16が一緒に回転せしめられる。この第3の磁石16は同様
に磁石感応式のセンサ17によって検出可能である。この場合の測定原理及び評
価は、有利には図1に示したセンサ9及び11の作業形式に相当する。このよう
な図2に示した装置によって、例えば2つのリングギヤ15の異なる歯数によっ
て、接続部分2に接続されたステアリングシャフトの全回転数の確実な検出及び
計算を行う。
【図面の簡単な説明】
【図1】 回転する構成部分に作用するトルクを検出するためのセンサ装置を備えた自動
車用のステアリングギヤの断面図である。
【図2】 ステアリングシャフトの全回転の付加的な検出装置を備えたステアリングギヤ
の内軸及び外軸の端面側の端部の部分図である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転する機械的な構成部分(3,7;14)における回転角
    度及び/又はトルクを検出するためのセンサ装置であって、信号発生部材(8,
    10;16)と信号検出部材(9,11;17)とを備えており、この場合、信
    号発生部材(8,10;16)がそれぞれ可動な機械的な構成部材(3,7;1
    4)に固定されている形式のものにおいて、 回転する構成部分に外軸(3)としてのトーション軸が形成されていて、この
    トーション軸の一方の端部の領域(2)にトルクが作用し、端面側の他方の端部
    の領域(5)でトルクが取り出し可能であって、この場合、内軸(7)が外軸(
    3)に対して同心的に配置されていて、この内歯(3)の一方の端部が、トルク
    のインプットの領域(2)内で外歯(3)に固定されており、 外軸(3)及び内軸(7)の端面側の端部に、信号発生部材(8,10)が配
    置されていて、この信号発生部材に、それぞれ1つの定置の信号検出部材(9,
    11;17)が配属されていることを特徴とする、回転角度及び/又はトルクを
    検出するためのセンサ装置。
  2. 【請求項2】 信号発生部材としての少なくとも1つの磁石(8,10;1
    6)と、信号検出部材(9,11;17)としての少なくとも1つのセンサ(9
    ,11;17)とを有しており、該センサが、磁石(8,10;16)の磁力線
    方向に関連した電気的なアウトプット信号を発信するようになっており、外軸(
    3)及び内軸(7)の端面側の端部に、半径方向に向けられた磁界を有する磁石
    (8,10)が配置されており、該磁石(8,10)に対応して、有利には軸線
    上にそれぞれ1つの定置の磁界感応式のセンサ(9,11;17)が配置されて
    いる、請求項1記載のセンサ装置。
  3. 【請求項3】 内軸(7)に設けられた一方の磁石(8)が、トルクのイン
    プットにおける領域(2)の回転角度を検出するために半径方向の磁界を生ぜし
    め、外軸(3)に設けられた他方の磁石(10)が、第1の磁石(8)の外側で
    トルクのアウトプットの領域(5)の回転角度を検出するために配置されていて
    、別の半径方向の磁界を生ぜしめ、 トルクの作用下における磁界の互いに相対的な回転を測定可能であって、この
    場合、回転角度がトルクに比例している、請求項2記載のセンサ装置。
  4. 【請求項4】 外軸(3)の端面側の端部に、別の回転する構成部分(14
    )のための駆動装置(15)が配置されており、該駆動装置によって、軸(3,
    7)の、360゜よりも大きい回転が検出可能である、請求項1から3までのい
    ずれか1項記載のセンサ装置。
  5. 【請求項5】 前記別の構成部分(14)の回転の検出が、同様に磁界感応
    式のセンサ装置(16,17)によって行われる、請求項4記載のセンサ装置。
  6. 【請求項6】 前記駆動装置(15)が歯車駆動装置(15)であって、該
    歯車駆動装置において、別の構成部分(14)の外周部における歯数と外軸(3
    )における歯数とが異なっている、請求項4又は5記載のセンサ装置。
  7. 【請求項7】 センサ(9,11;17)が磁気抵抗式センサであって、該
    磁気抵抗式センサは、その磁界感応式の層が角度変化の原因となる軸(3,7;
    14)の回転に対して接線方向に位置するように、磁石(8,10;16)の磁
    界内に配置されている、請求項1から6までのいずれか1項記載のセンサ装置。
  8. 【請求項8】 前記センサ(9,10;17)が、磁気抵抗式のAMRセン
    サ又はGMRセンサであって、該センサは、回転可能な軸(3,7;14)に接
    続された磁石(8,10;16)の磁力線方向に主に関連した信号を発信するよ
    うになっており、 評価回路(12)で、この評価回路からそれぞれ内軸及び外軸(3,7)の絶
    対回転角度が検出可能であって、また、相対的な回転角度から、作用するトルク
    が検出可能である、請求項7記載のセンサ装置。
  9. 【請求項9】 内軸及び外軸(3,7)が、自動車のステアリングシャフト
    に取り付けられている、請求項1から8までのいずれか1項記載のセンサ装置。
  10. 【請求項10】 内軸及び外軸(3,7)が、モータの軸内に組み込まれて
    いる、請求項1から9までのいずれか1項記載のセンサ装置。
JP2001542167A 1999-12-04 2000-11-22 回転角度及び/又はトルクを検出するためのセンサ装置 Expired - Lifetime JP4718081B2 (ja)

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