JP2008542705A

JP2008542705A - トルク検出装置

Info

Publication number: JP2008542705A
Application number: JP2008512929A
Authority: JP
Inventors: シルス，コリン; クラーク，ビクトリア; リュール，ステファン
Original assignee: ティーティーエレクトロニクステクノロジーリミテッド; アーベーエレクトロニクゲーエムベーハー
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2008-11-27
Also published as: GB2426591A; GB2426591B; EP1891410A1; GB0510961D0; US20090217774A1; KR20080041147A; WO2006126013A1; CN101189497A

Abstract

【課題】トルクセンサでの誘導式位置検出を実現させる。
【解決手段】ハウジングに対して回転可能なトーションバーに加えられる捩じり力を表す回転変位情報を提供する装置であって、ハウジングに対して固定された送信アンテナとハウジングに対して固定された受信アンテナとの電磁結合が、間隔を隔てた軸方向位置でトーションバーに固定された第１及び第２の共振子に応じて変化する装置が開示される。第１及び第２の共振子は、第１の共振子を介して送信アンテナと受信アンテナとの間で結合された信号を第２の共振子を介して送信アンテナと受信アンテナとの間で結合された信号から区別可能であるように、それぞれ異なる共振周波数を有している。
【選択図】図１０

Description

本発明は位置又は速度の検出に関し、特に、それに限定されるものではないがトルク及びその成分を測定するシステムに関する。

トルク測定システムは、例えば、自動車でハンドルのような回転部材に加えられるトルクの測定に使用される。トルクを測定するため、トーションバーの回転軸に沿った２つのポイント間の相対回転変位が測定される。

無接触の位置測定のために従来は誘導センサが使用されてきた。本発明はトルクセンサでの誘導式位置検出を実現するための技術に向けられる。

本発明の態様により、ハウジングに対して回転可能なトーションバーに加えられる捩じり力を表す回転変位情報を生成する装置であって、ハウジングに対して固定された送信アンテナとハウジングに対して固定された受信アンテナとの電磁結合が、トーションバーの間隔を隔てたそれぞれの軸方向位置に対して固定された第１及び第２の共振子に応じて変化する装置が提供される。第１及び第２の共振子は、第１の共振子によって受信アンテナ内に誘導された信号を第２の共振子によって受信アンテナ内に誘導された信号から区別可能であるように、それぞれ異なる共振周波数を有している。

ここで添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

本発明の図示した実施形態では、自動車はラックアンドピニオン式ステアリング機構の一部を形成するギヤに接続されたハンドルを有している。図１はハンドルとギヤとの結合装置の断面図を示す。

第１の細長いシリンダシャフト１は長手方向の一端５でハンドル（図示せず）に取り付けられている。図１に示されるように、第１のシャフト１はハンドルから離隔した長手方向端７から段付き領域９へと延在する小径の軸部分３を有している。第２の細長いシリンダシャフト１１は長手方向の一端１３でラックアンドピニオン式ステアリング機構のギヤ（図示せず）に取り付けられ、以下で開放端１７と呼ばれる、ギヤから離隔した長手方向端１７から延在する中空の軸部分１５を有している。図１に示されるように、第１のシャフト１の小径部分３は第２のシャフト１１の中空部分１５内に実装され、第１のシャフト１と第２のシャフト１１とは軸方向に位置合わせされ、第１のシャフト１の段付き領域９は第２のシャフト１１の開放端１７に隣接している。ロックピン１９が第１のシャフト１を小径部分３の端部７の方向で第２のシャフト１１に固定する。

本明細書の以下の部分では、軸方向という用語は第１及び第２のシャフト１及び１２の共通の長手方向軸の方向を意味し、径方向という用語は軸方向から垂直に放射状に延びる線を意味し、周囲方向という用語は軸方向と径方向の双方に対して直角な方向を意味する。

第１のシャフト１及び第２のシャフト１１はハウジング２１に対して回転可能に取り付けられているので、自動車のドライバーがハンドルを回すと、第１のシャフト１と第２のシャフト１１の双方がハウジング２１に対して回転する。特に、この実施形態では、第１及び第２のシャフトの回転運動の範囲はハウジング２１に対して完全な２回転、すなわち７２０°である。

この実施形態では、ステアリング機構は、ドライバーによってハンドルに加えられるトルクに応じて変化する補助力を電動モータが加える、電子パワーステアリング機構である。従って、ドライバーによって加えられるトルクは監視されなければならない。

ドライバーによってハンドルに加えられるトルクは、第１のシャフト１を第２のシャフト１１に固定するロックピン１９を介してギヤに伝達される。しかし、ロックピン１９と、第１のシャフト１の段付き領域９と第２のシャフト１１の開放端１７との接合部とには軸方向距離があるので、加えられるトルクに応じて変化する相対回転変位が段付き領域９と開放端１７との間に生ずる。本発明によって、誘導センサは段付き領域９と開放端１７との間の相対回転変位を測定し、測定された相対回転変位から加えられたトルクが計算される。

本発明の誘導センサは、ハウジング２１に対して固定されたアンテナガイド２５上に取り付けられたアンテナ部材２３と、第１のシャフト１に対して固定された第１のスリーブ部材２９上に取り付けられた第１の中間結合素子２７（図１には図示せず）と、第２のシャフト１１に対して固定された第２のスリーブ部材３３上に取り付けられた第２の中間結合素子３１と、を有している。アンテナ部材２３の上には、第１のシャフト１と第２のシャフト１１の周囲で変化する磁界を生成する送信アンテナ（図１には図示せず）と、受信アンテナ（図１には図示せず）と、が形成されている。送信アンテナは受信アンテナに対して平衡が取られているので、第１の中間結合素子２７と第２の中間結合素子３１とがない場合は、送信アンテナによって生成される磁界によって受信アンテナには正味信号は誘導されないが、第１の中間結合素子２７と第２の中間結合素子３１とがある場合は、第１のシャフト１及び第２のシャフト１１の回転位置に応じて受信アンテナ内に信号が誘導される。

この実施形態では、誘導センサは安全性を高めるために第１のシャフト１及び第２のシャフト１１の相対回転変位のそれぞれの測定値をもたらす２つの独立した検出機構を有している。このように、１つの検出機構が故障しても、他の検出機構によりもたらされる相対回転変位の測定値を用いて依然としてトルクの測定を計算できる。図１に示されるように、誘導センサは２つのＡＳＩＣ３５ａ、３５ｂを有しており、各ＡＳＩＣ３５は２つの検出機構のそれぞれ異なる１つによって利用される。

図２は、トルク検出回路の主な構成部品を概略的に示している。図２では、第１の検出機構４１ａと第２の検出機構４１ｂとが点線のボックス内に概略的に示されている。

各々の独立した検出機構４１は連結された（その検出機構用に送信アンテナの機能を果たす）２つの励磁巻線４３と、（その検出機構用に受信アンテナの機能を果たす）１つのセンサ巻線４５と、を有している。特に、第１の検出機構４１は、アンテナ部材２３上に形成され、第１のＡＳＩＣ３５ａに接続された第１及び第２の励磁巻線４３ａ及び４３ｂと、第１のセンサ巻線４５ａと、を有している。第１の検出機構はさらに、第１の中間結合素子２７上に形成された第１の共振回路４７ａと、第２の中間結合素子３１上に形成された第２の共振回路４７ｂと、を有している。同様に、第２の検出機構４１ｂは、第３及び第４の励磁巻線４３ｃ、４３ｄと、アンテナ部材２３上に形成され、第２のＡＳＩＣ３５ｂに接続された第２のセンサ巻線４５ｂと、第１の中間結合素子２７上に形成された第３の共振回路４７ｃと、第２の中間結合素子３１上に形成された第４の共振回路４７ｄと、を有している。

この実施形態では、第１の検出機構４１ａ用に第１及び第２の励磁巻線は全周の周囲の正弦及び余弦関数のそれぞれの２０サイクルで変化する径方向の磁界成分を生成し、また第３及び第４の励磁巻線は全周の周囲の正弦及び余弦関数のそれぞれの１９サイクルで変化する径方向の磁界成分を生成する。径方向の磁界成分は、第１のシャフト１の回転位置に応じて変化する第１の共振回路４７ａ内に信号を誘導し、第２のシャフト１１の回転位置に応じて変化する第２の共振回路内に信号を誘導する。第１及び第２の共振回路４７ａ、４７ｂ内に誘導される信号は第１のセンサ巻線４５ａ内に対応する信号成分を誘導し、これらの信号成分は第１のシャフト１と第２のシャフト１１との相対回転変位を判定するために第１のＡＳＩＣ３５ａによって処理される。第２の検出機構４１ｂはアナログ方式で動作する。

各検出機構のＡＳＩＣ３５は、計算された相対回転変位を自動車の中央制御ユニット４９に出力し、これはハンドルに加えられたトルクを計算するために相対回転変位を処理する。

図３はアンテナ部材２３及びアンテナガイド２５の斜視図を概略的に示している。図示のように、アンテナガイド２５は、アンテナ部材２３が固定的に取り付けられる溝付きの周囲部分を有する外表面を有する円筒形スリーブである。この実施形態では、アンテナ部材２３は、アンテナガイド２５の溝付き部分の周囲よりも長さが長い２層の可撓性プリント基板（ＰＢＣ）の方形のシートである。アンテナ部材２３は、励磁巻線４３とセンサ巻線４５とを形成するようにビアホール（via holes）を用いて接続され、両側に配置された導電性トラックを有している。６つの電気接点５１が２組備えられ、各組の６つの電気接点５１は検出機構の２つの励磁巻線とセンサ巻線とを対応するＡＳＩＣ３５に接続する。

図４は平坦にレイアウトされた場合のアンテナ部材２３の概略平面図であり、ＰＣＢの片面に形成された導電性トラックは実線で示され、これに対してＰＣＢの別の面に形成された導電性トラックは点線で示されている。図３に示されているように、第１の検出機構４１ａに関連する導電性トラック６１は第２の検出機構４１ｂに関連する導電性トラック６３から、（アンテナ部材２３がアンテナガイド２５上に取り付けられた場合の軸方向に対応する）ＰＣＢの幅方向に間隔を隔てている。

この実施形態では、検出機構４１ごとの励磁巻線４３及びセンサ巻線４５は、アンテナガイド２５の溝付き部分の周囲に対応するＰＣＢの長さ６５にわたって延びる平面コイル機構を含んでいる。励磁巻線は、（内容全体が参照として本明細書に組み込まれている）英国特許出願第２３７４４２４Ａ号明細書に記載の励磁巻線とほぼ同様に正弦関数と余弦関数のそれぞれの複数周期に応じて変化する、ＰＣＢに対して垂直な磁界成分を有する磁界を生成する。さらに、この実施形態では検出機構のセンサ巻線は長さ６１全体の周囲に延在するマルチループ平面コイルによって形成されている。

図５は第１の中間結合素子２７及び第１のスリーブ部材２９の斜視図を概略的に示している。図示のように、第１のスリーブ部材２９は第１のシャフト１を受けるための円筒形溝７１を有している。第１のスリーブ部材２９も、その上に第１の中間結合素子２７が取り付けられるガイド部分７３を有している。ガイド部分７３は円筒形溝７１の軸を中心とする対向する２つのアーチ部分７５ａ及び７５ｂと、２つのアーチ部分７５ａ及び７５ｂを相互に接続する対向する２つの接続部分７７ａ及び７７ｂとを有している。

図６は円筒形溝７１とガイド部分７３とを示す、第１のスリーブ部材２９の平面図（すなわち、第１のシャフト１に取り付けられた場合に軸方向に沿って見た図）を示している。図示のように、対向するアーチ部分７５ａ、７５ｂは各々円筒形溝７１の周囲に約７０°だけ延びており、接続部分７７ａ、７７ｂは、２つのアーチ部分７５の外表面が円周の一部を形成する円の内部に延びている。

図５に戻ると、２つのアーチ部分７５は、アーチ部分７５が２つの接続部分７７の軸方向の広がりをほぼ２倍にさせる突出部分を含んでいる。このように、突出部分を含む第１のスリーブ部材２９の側は城砦状の外見を有する。

第１の中間結合機構は、第１及び第３の共振回路４７ａ、４７ｃ用の誘導子を形成するようにビアホール（via holes）を用いて相互接続され、両側に配置された導電性トラックを含む２層の可撓性ＰＣＢ７９を有している。図７は平坦にレイアウトされた場合の可撓性ＰＣＢ７９の概略平面図であり、ＰＣＢ７９の片面の導電性トラックは実線で示され、ＰＣＢ７９の別の面に形成された導電性トラックは点線で示されている。

図７に示されるように、ＰＣＢ７９は２つの端部分９１ａ、９１ｂを有しており、その寸法はガイド部分７３のそれぞれのアーチ部分７５と、減幅され２つの端部分９１を相互に接続する接続部分９３の寸法と適合している。接続部分９３は、２つの端部分９１をガイド部分７３の２つのアーチ部分７５の外表面に取り付けることができるような距離だけ２つの端部分９１を分離し、接続部分９３自体は（図４に示されるように）ガイド部分７３の接続部分７７の１つに取り付けられている。

第１の共振回路４７ａ用の誘導子は周期的間隔を隔てた８つの電流ループ構造９５ａから９５ｈの直列接続によって形成され、また第３の共振回路４７ｃ用の誘導子は周期的間隔を隔てた７つの電流ループ構造９７ａから９７ｇの直列接続によって形成されている。電流ループ構造９５、９７は、図５に示されているように、スリーブ部材２９に取り付けられたときに、第１の共振回路４７ａ用の電流ループ９５が第３の共振回路４７ｃの電流ループ９７から軸方向に間隔を隔てるように構成されている。特に、第１と第３の共振回路４７ａ、４７ｃ用の電流ループ間の軸方向間隔は、第１の検出機構４１ａ用の励磁／センサ巻線の間の軸方向間隔及び第２の検出機構４１ｂ用の励磁／センサ巻線の間の軸方向間隔に等しい。

図７に示されるように、電流ループ構造９５、９７は可撓性ＰＣＢ７９の端部分９１内に形成されている。２つの端子９９ａ及び９９ｂが可撓性ＰＣＢ７９の接続部分９３内に形成され、そこにコンデンサ（図示せず）が取り付けられて、電流ループ構造９５によって形成される誘導子を有する第１の共振回路４７ａを形成し、また、２つの端子１０１ａ及び１０１ｂが可撓性ＰＣＢ７９の接続部分９３内に形成され、そこにコンデンサが取り付けられて、電流ループ構造９７によって形成される誘導子を有する第３の共振回路４７ｃを形成している。第１の共振回路４７ａ用の電流ループ構造９５は第１のスリーブ部材２９の突出部分の近傍に取り付けられている。

この実施形態では、第１の共振回路の共振周波数は３．７５ＭＨｚであり、第３の共振回路の共振周波数は５ＭＨｚである。さらに、第１の共振回路４７ａ用の電流ループ構造９５の周期間隔は１８°の角間隔（すなわち３６０°÷２０）に相当し、第３の共振回路４７ｃ用の電流ループ構造９７の周期間隔は１８．９５°の角間隔（すなわち３６０°÷１９）に相当する。

図８は第２の中間結合素子３１と第２のスリーブ部材３３の斜視図を概略的に示している。図示のように、第２のスリーブ部材３３は第１のスリーブ部材２９とほぼ同様の城砦状の形状を有している。

第２の中間結合素子３３は第１の中間結合素子２９と同様に２層の可撓性ＰＣＢ１１１によって形成される。図９は平坦にレイアウトされた場合の可撓性ＰＣＢ１１１の平面図を概略的に示しており、片面に形成された導電性トラックは実線で示され、これに対して別の面に形成された導電性トラックは点線で示されている。可撓性ＰＣＢ１１１の端部分の８つの電流ループ構造１１３ａから１１３ｈは端子１１５ａと１１５ｂとの間に接続されたコンデンサ（図示せず）と直列に接続されて、この実施形態では共振周波数が１．８７５ＭＨｚである第２の共振回路４７ｂを形成し、また可撓性ＰＣＢ１１１の端部分内の７つの電流ループ構造１１７ａから１１７ｇは端子１１９ａと１１９ｂとの間に接続されたコンデンサ（図示せず）と直列に接続されて、この実施形態では共振周波数が２．５ＭＨｚである第４の共振回路４７ｄを形成する。

第２の共振回路４７ｂ用の電流ループ構造１１３の周期間隔は１８°の角間隔（すなわち３６０°÷２０）に相当し、第４の共振回路用の電流ループ構造１１７の周期間隔は１８．９５°の角間隔（すなわち３６０°÷１９）に相当する。第４の共振回路４７ｄ用の電流ループ構造１１７は第２のスリーブ部材３３の突出部分の近傍に取り付けられている。

図１０は結合機構が組み立てられた場合の第１の中間結合素子２７と第２の中間結合素子３１との位置関係を示す斜視図を概略的に示している。図示のように、第１及び第２のスリーブ部材の城砦状の端部は係合しているので、１つのスリーブ部材のアーチ部分７５の突出部分は、他のスリーブ部材の接続部分７７の外側の近傍の間隔内に位置している。このように、第１の共振回路４７ａの電流ループ構造は軸方向に沿って第２の共振回路４７ｂの電流ループ構造と同じ位置にあるが、周方向に間隔を隔てている。同様に、第３の共振回路４７ｃの電流ループ構造は軸方向に沿って第４の共振回路４７ｄと同じ位置にあるが、周方向に間隔を隔てている。

図１１は、第１のスリーブ部材２９と第２のスリーブ部材３１とがアンテナガイド２５内に受容される態様を概略的に示す分解図であり、図１２は、アンテナガイド２５内に配置された場合の第１のスリーブ部材２９と第２のスリーブ部材３１を概略的に示している。第１のスリーブ部材２９と第２のスリーブ部材３３とが組み立てられると、これらはアンテナガイド２５内に回転自在に取り付けられ、第１及び第２の共振回路４７ａ、４７ｂの電流ループ構造は軸方向に沿って第１及び第２の励磁巻線４３ａ、４３ｂ、及び第１のセンサ巻線４５ａと同じ位置に配置され、第３及び第４の共振回路４７ｃ、４７ｄの電流ループ構造は軸方向に沿って第３及び第４の励磁巻線４３ｃ、４３ｄ及び第２のセンサ巻線４５ｂと同じ位置に配置される。

図１３は第１のＡＳＩＣ３５ａの主要構成部品を概略的に示している。第１の直交信号発生器１５１ａは、この実施形態では５ＫＨｚの周波数（以下では変調周波数と呼ばれる）を有する一対の直交信号を生成する。第２の直交信号発生器１５１ｂは、第１の共振回路４７ａの共振周波数に等しく、この実施形態では３．７５ＭＨｚである第１の搬送波周波数で直交信号を生成する。第３の直交信号発生器１５１ｃは第２の共振回路４７ｂの共振周波数に等しく、この実施形態では１．８７５ＭＨｚである第３の搬送波周波数で直交信号を生成する。

変調周波数にある一対の直交信号は第１の変調機構１５３ａに入力され、これは変調周波数にある同相信号Ｉ_１を第１の搬送波周波数にある同相信号で変調して信号Ｉ_１（ｔ）を生成し、変調周波数にある直交信号を第１の搬送波周波数にある同相信号Ｉ_１で変調して信号Ｑ_１（ｔ）を生成する。変調周波数にある一対の直交信号は第２の変調機構１５３ｂにも入力され、これは変調周波数にある同相信号を第２の搬送波周波数にある同相信号Ｉ_２で変調して信号Ｉ_２（ｔ）を生成し、変調周波数にある直交信号を第２の搬送波周波数にある同相信号Ｉ_２で変調して信号Ｑ_２（ｔ）を生成する。

信号Ｉ_１（ｔ）及びＩ_２（ｔ）は次に、第１のデジタルミキサ１５５ａに入力され、これは信号Ｉ_１（ｔ）とＩ_２（ｔ）とを結合し、その結果生じた結合信号は第１のコイルドライバ１５７ａによって増幅される。第１のコイルドライバ１５７ａによって出力された増幅信号は第１の励磁巻線４３ａに印加される。信号Ｑ_１（ｔ）及びＱ_２（ｔ）は第２のデジタルミキサ１５５ｂに入力され、その結果生じた結合信号は第２のコイルドライバ１５７ｂによって増幅され、第２の励磁巻線４３ｂに供給される。

ほぼ第１の搬送波周波数で第１及び第２の励磁巻線４３ａ、４３ｂに供給された信号成分は、第１のシャフト１の径方向位置に応じて変化する共振信号を第１の共振回路４７ａ内に誘導する。その結果、第１の共振回路４７ａ内に誘導された共振信号は第１のセンサ巻線４５ａ内に信号を誘導する。同様に、ほぼ第２の搬送波周波数で第１及び第２の励磁巻線４３ａ、４３ｂに供給された信号成分は共振信号を第２の共振回路４７ｂ内に誘導し、その結果、この共振回路は第１のセンサ巻線４５ａ内に信号を誘導する。

英国特許出願第２３７４４２４Ａ号明細書に記載されているように、第１のセンサ巻線４５ａに誘導された信号が、第１の周波数にある直交信号Ｑ_１を用いて同期的検出を行う第１の同期検出器１５９ａに入力されると、第１の同期検出器１５９ａによって出力される結果信号は、位相が第１のシャフト１の角位置に応じて変化する、変調周波数にある成分を有する。この位相は第１の位相検出器１６１ａによって検出される。同様に、第１のセンサ巻線４５ａに誘導された信号が、第２の周波数にある直交信号Ｑ_２を用いて同期的検出を行う第２の同期検出器１５９ｂに入力されると、第２の同期検出器１５９ｂによって出力される結果信号は、位相が第２のシャフト１１の角位置に応じて変化する、変調周波数にある成分を有する。この位相は第２の位相検出器１６１ｂによって検出される。

図１４は第１の位相検出器１６１ａによって検出された位相と、第１のシャフト１の角位置との関係を示すグラフを示している。全回転にわたる励磁巻線の２０周期の結果、図１４に示されるように第１の位相検出器１６１ａによって検出された位相は、第１のシャフト１の異なる２０の絶対回転位置に対応する。同様に、第２の位相検出器１６１ｂによって検出された位相は、第２のシャフト１１の異なる２０の絶対回転位置に対応する。従って、第１のＡＳＩＣ３５ａは第１及び第２のシャフト１、１１の絶対回転位置を判定することができない（この明細書では、絶対回転位置とは基準位置に対するシャフトの回転位置を意味する。シャフトは約２回の全回転が可能であるので、絶対位置は運動の全回転範囲内でのシャフトの位置を明確には示さない）。

第１及び第２のシャフト１、１１は約７２０°の範囲にわたって回転することができるものの、第１と第２のシャフト１、１１間の相対回転変位は決して数度を超えず、これは確実に１周期の測定値の範囲内にある。従ってプロセッサ１６３は第１と第２のシャフト１、１１間の相対回転変位を計算し、出力することができ、ひいては中央制御ユニット４９によるトルクの計算が可能になる。

第２の検出機構４１ｂでは、第１の搬送波周波数が５ＭＨｚに設定され、第２の搬送波周波数が２．５ＭＨｚに設定されていること以外は第２のＡＳＩＣ３５ｂは第１のＡＳＩＣ３５ａとほぼ同様である。

前述のように、第２の検出機構４１ｂ内での励磁巻線と共振回路の周期性は３６０°にわたって１９周期に相当する。従って、図１５に示されるように、各々の位相測定値は可能な１９の回転位置に対応する。しかしこの場合も、第１の検出機構４１ａの場合と同様に、第２の検出機構４１ｂを使用して絶対位置測定の曖昧さは存在するものの、第１のシャフト１と第２のシャフト１１との相対回転変位の範囲は１周期よりも著しく小さく、従って相対回転変位を明確に計算できる。

この実施形態では、各検出機構４１のＡＳＩＣ３５は計算されたそれぞれの相対回転変位を自動車の中央制御ユニット４９に出力し、検出された位相角をも自動車の中央制御ユニット４９に出力する。中央制御ユニット４９は、計算された相対回転変位を用いてトルクを計算する。さらに、それぞれ個々に検出された位相角は、第１の検出機構４１ａと第２の検出機構４１ｂとの周期性の差により明確には絶対位置測定値には変換できないものの、中央制御ユニット４９はバーニア式計算を用いて、双方の検出機構４１からの位相測定値を用いた絶対位置測定値を判定することができる。

図示した実施形態の励磁巻線４３、センサ巻線４５及び共振回路４７の特定の機構は多くの利点を備えている。特に、
（１）共振回路内で周期的間隔を隔てた複数の電流ループ構造を使用することによって、単一の電流ループ構造を有する共振回路と比較して各共振回路に誘導される信号が増加する。
（２）対向する電流ループ構造を有する円周面に各電流ループ構造を配置することによって、いずれかの隣接する電磁界に対する感度が低減する。さらに、シャフトの回転軸と送信及び受信アンテナの環状経路の中心との僅かな位置合わせ誤差に対する感度が低減する。加えて、このような円筒形の形状によって送信／受信アンテナと共振子との軸方向の位置合わせ誤差に対する許容度が高まる。
（３）各検出機構内の各共振子と関連する電流ループを周囲方向で離隔することによって、隣接する共振回路間の結合によるノイズが低減する。
（４）第１の検出機構用の励磁巻線、センサ巻線及び共振回路の電流ループ構造を第２の検出機構用の励磁巻線、センサ巻線、及び共振回路の電流ループ構造から軸方向で離隔することによって、検出機構間の結合によるノイズが低減する。
（５）前述の城砦状の機構を使用することによって、誘導センサが軸方向に延びる距離が一定の場合の性能が向上することが判明した。

＜修正及びさらなる実施形態＞
前述のように、共振回路内で周期的間隔を隔てた複数の電流ループ構造を使用すると、信号強度が高まるという利点が得られる。図示した実施形態では、電流ループ構造の周期的間隔は対応する送信アンテナの周期と整合するが、共振回路の周期は対応する送信コイルの周期のどの整数倍でもよい。

各共振回路内で必ずしも複数の電流ループ構造を使用する必要はなく、代替として各共振回路を単一の電流ループ構造で形成してもよい。

図示した実施形態では、共振回路の励磁巻線、センサ巻線及び共振回路の電流ループ構造は円周面上に配置され、その結果上記の（２）の利点がもたらされる。しかし、これは不可欠ではなく、励磁巻線、センサ巻線及び電流ループ構造は、例えばラジアル面上に形成することもできる。ある実施形態では、電流ループ構造用のラジアル面は第１及び第２のシャフトと同軸に取り付けられたディスク面によって形成される。

検出機構の軸方向間隔が好ましいが、それは不可欠ではない。代替実施形態では、第１及び第３の共振回路用の（第１のシャフトと共回転する）電流ループ構造は、共通の軸方向位置で第１のシャフト上に位置決めされ、第２及び第４の共振回路用の（第２のシャフトと共回転する）電流ループ構造は、第１及び第３の共振回路の共通の軸方向位置から軸方向の間隔を隔てた共通の軸方向位置で第２のシャフト上に位置決めされる。この代替実施形態では、第１及び第２の検出機構用の送信アンテナ及び受信アンテナは全ての電流ループ構造を包含する軸方向範囲にわたって延在している。このような構成の利点の１つは、城砦状部分の係合が不要であり、ひいては−１８０°から＋１８０°の全範囲の相対回転変位を測定可能であることにある。さらに、同じ軸方向位置に形成された共振回路用の電流ループ構造は周方向に離隔する必要がなく、ある実施形態では、それぞれのシャフトの周囲全体に延びるそれぞれ直列の電流ループによって共振回路を形成することもできよう。

図示した実施形態では、各検出機構内で関連する共振回路が同時に作動され、センサ巻線に誘導される結果信号は並列の処理経路に入力され、各共振回路に関連する変調周波数にある位相角が並行して測定可能になる。あるいは、共振回路を交互に作動し、センサ巻線に誘導された結果信号を、同期的検出の周波数が付勢された共振回路に応じて交番される単一の処理経路に入力することもできる。

図示した実施形態では、励磁信号発生・検出信号処理回路は英国特許出願第２３７４４２４Ａ号明細書に記載の基本原理を用いている。しかし、励磁信号発生・検出信号処理回路の代替形態を用いることもできる。例えば、送信アンテナに２つの励磁巻線を備え、単一のセンサ巻線により形成された受信アンテナ内に誘導される信号の位相を検出する代わりに、送信アンテナを単一の励磁巻線により形成し、受信アンテナを２つのセンサ巻線によって形成し、励磁巻線と２つのセンサ巻線との結合が回転位置と共に変化するようにすることもできる。このような回転エンコーダの基本原理は国際公開第９５／３１６９６号パンフレットに記載されている。

記載の実施形態では１．８７５ＭＨｚから５ＭＨｚの搬送波周波数が用いられる。搬送波周波数（及びひいては共振回路の共振周波数）の正確な値は、好ましくは比較的安価な励磁・同期検出回路で良好な信号結合を達成するために１００ＫＨｚから１０ＭＨｚの範囲であるが、設計上の選択であることが理解されよう。変調周波数も設計上の選択である。

図示した実施形態では、２つの検出機構は、絶対位置測定の実施を可能にするために３６０°にわたる２０周期と、３６０°にわたる１９周期の周期性をそれぞれ有している。代替の周期性を用いてもよいことが理解されよう。さらに、絶対位置測定が必要ない場合は、第１及び第２の検出機構用の周期性は同じでもよい。

図示した実施形態では、絶対位置測定はハウジングを基準としてのみ達成できるが、回転数を計数するための追加のセンサを使用するか、回転を記録するための回転位置を継続的に監視することによって、回転運動の全範囲内での絶対位置を測定することもできることが理解されよう。

図示した実施形態では、安全のために２つの検出機構用に別個のＡＳＩＣが使用されているが、それは不可欠ではなく、多くの用途では両方の検出機構用に共通のＡＳＩＣを使用してもよく、それでも安全性の基準は満たされる。ある用途では、重複する検出機構用は不可欠ではなく、それ故、重複する検出機構用を含める必要なない。

図示した実施形態では、各ＡＳＩＣの出力は第１と第２のシャフトとの相対回転変位を表し、中央制御ユニットが加えられたトルクを判定する。ＡＳＩＣは線形化及び／又は校正処理を行うことが理解されよう。代替実施形態では、ＡＳＩＣは加えられたトルクを判定できる。別の代替実施形態では、各ＡＳＩＣの出力は第１及び第２のシャフトに関連する検出された位相角を表し、中央制御ユニットは相対回転変位と加えられたトルクの双方を計算する。

例えばパルス幅変調又はパルスコード変調のような、ＡＳＩＣと中央制御ユニットとの間でのデータ伝送用に多くの従来の信号方式を利用できることが理解されよう。

図示した実施形態ではＡＳＩＣが使用されているが、それは不可欠ではなく、離散型電子部品の使用を含む他のどの処理手段を使用してもよい。

図示した実施形態では、アンテナ及び共振回路はＰＣＢ技術を用いて形成されている。これは不可欠ではなく、ワイヤトラックを構成することを含む、導電性トラックを構成する他の技術を代替として使用してもよい。

図示した実施形態では、トルクセンサが自動車のハンドルに加えられるトルクを測定する。自動車にはトルクが加えられる他の多くの箇所があり、本発明による誘導センサを使用できることが理解されよう。例えば、駆動シャフトに加えられるトルクを測定可能である。さらに、本発明の誘導トルクセンサは自動車産業以外にも用途がある。例えば、本発明の誘導センサはドリルに加えられるトルクを測定するためにも使用できる。

図示した実施形態では、２本のバーが互いに固定され、２本のバー間の相対回転運動が測定されるトーションバー機構が使用されている。一般に、これはトーションバーが剛性材料からなっていなければならない用途で有利である。しかし、他の用途では剛性が低い材料も受け入れられ、その場合は単一のバーの捩じれを測定できる。言い換えると、同じ部材の２つの軸方向位置間の相対回転変位を測定可能である。

ラックアンドピニオン型ステアリング機構のハンドルとギヤとの結合機構の概略断面図である。図１に示された結合機構の一部を形成する位置センサの主要構成部品の概略図である。図１に示された結合機構の一部を形成する、可撓性プリント基板が上に実装されたスリーブ部材の斜視図である。平坦にレイアウトされた場合の、図３に示された可撓性プリント基板の平面図である。図１に示された結合機構の一部を形成する、可撓性プリント基板が上に実装された第１のパックホイールの斜視図である。図１に示された第１のパックホイールの平面図である。平坦にレイアウトされた場合の、図５に示された可撓性プリント基板の平面図である。図１に示された結合機構の一部を形成する、可撓性プリント基板が上に実装された第２のパックホイールの斜視図である。平坦にレイアウトされた場合の、図８に示された可撓性プリント基板の平面図である。図１に示された結合機構内に実装された第１と第２のパックホイールの位置関係の概略斜視図である。スリーブ、第１のパックホイール、及び第２のパックホイールの位置関係の概略分解図である。図１に示された結合機構内に実装されたスリーブと、第１のパックホイールと、第２のパックホイールとの位置関係の斜視図である。図１１に示された位置センサの一部を形成する、ＡＳＩＣの主要構成部品の概略図である。図１に示された結合機構の一部を形成する第１のシャフトの検出された第１の位相角と、絶対位置との関係を示すグラフである。図１に示された結合機構の一部を形成する第１のシャフトの検出された第２の位相角と、絶対位置との関係を示すグラフである。

Claims

回転軸を中心にハウジングに対して回転可能なトーションバーに加えられる捩じり力を表す回転変位情報を生成する装置であって、
前記トーションバーの第１の軸方向位置に対して固定され、第１の共振周波数を有する第１の共振子と、
前記第１の軸方向位置とは離隔した前記トーションバーの第２の軸方向位置に対して固定され、前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数を有する第２の共振子と、
前記ハウジングに対して固定された送信アンテナと、
前記ハウジングに対して固定された受信アンテナと、を備え、
前記送信アンテナにより生成される電磁界によって前記第１の共振子内に誘導される第１の共振信号により前記受信アンテナ内に誘導される信号が、前記第１の軸方向位置における前記ハウジングに対する前記トーションバーの回転位置によって変化するように、前記送信アンテナと前記第１の共振子との電磁結合、及び、前記第１の共振子と前記受信アンテナとの電磁結合の少なくとも１つが、前記第１の軸方向位置における前記ハウジングに対する前記トーションバーの回転位置によって変化し、
前記送信アンテナにより生成される電磁界によって前記第２の共振子内に誘導される第２の共振信号により前記受信アンテナ内に誘導される信号が、前記第２の軸方向位置における前記ハウジングに対する前記トーションバーの回転位置によって変化するように、前記送信アンテナと前記第２の共振子との電磁結合、及び、前記第２の共振子と前記受信アンテナとの電磁結合の少なくとも１つが、前記第２の軸方向位置における前記ハウジングに対する前記トーションバーの回転位置によって変化する、
装置。
前記送信アンテナは、回転測定経路に沿って周期的に変化する電磁界を生成するように動作可能であり、
前記第１及び第２の共振子の少なくとも１つは、前記送信アンテナの角周期の整数倍に応じて角間隔を隔てた２つ以上の電流ループを有する、
請求項１に記載の装置。
前記送信アンテナ、前記受信アンテナ及び前記第１・第２の共振子は、前記トーションバーの周囲に軸方向及び周方向に配置された導電性巻線によって形成される、
請求項１又は２に記載の装置。
前記送信アンテナ、前記受信アンテナ及び前記第１・第２の共振子の少なくとも１つは、可撓性プリント基板によって形成される、
請求項３に記載の装置。
前記２つ以上の電流ループは、前記トーションバーの反対側から相互にほぼ対面して、周方向に配置される、
請求項１から４の何れか一項に記載の装置。
前記第１の共振子及び前記第２の共振子は、共通の軸方向位置の周方向に間隔を隔てた部分に形成される電流ループを備える、
請求項１から５の何れか一項に記載の装置。
前記第１の共振子及び前記第２の共振子は、互いに軸方向間隔を隔てている、
請求項１から５の何れか一項に記載の装置。
前記送信アンテナ、前記受信アンテナ、及び前記第１・第２の共振子は、前記トーションバーの周囲に径方向及び周方向に配置された導電性巻線によって形成される、
請求項１又は２に記載の装置。
前記送信アンテナは第１の送信アンテナであり、前記受信アンテナは第１の受信アンテナであり、前記装置はさらに、
前記トーションバーの第３の軸方向位置に対して固定され、前記第１及び第２の共振周波数とは異なる第３の共振周波数を有する第３の共振子と、
前記第３の軸方向位置から間隔を隔てた前記トーションバーの第４の軸方向位置に対して固定され、前記第１、第２及び第３の共振周波数とは異なる第４の共振周波数を有する第４の共振子と、
前記ハウジングに対して固定された第２の送信アンテナと、
前記ハウジングに対して固定された第２の受信アンテナと、を備え、
前記第２の送信アンテナにより生成される電磁界によって前記第３の共振子内に誘導される第３の共振信号により前記受信アンテナ内に誘導される信号が、前記第３の軸方向位置における前記ハウジングに対する前記トーションバーの回転位置によって変化するように、前記第２の送信アンテナと前記第３の共振子との電磁結合、及び、前記第３の共振子と前記受信アンテナとの電磁結合の少なくとも１つが、前記第３の軸方向位置における前記ハウジングに対する前記トーションバーの回転位置によって変化し、
前記第２の送信アンテナにより生成される電磁界によって前記第４の共振子内に誘導される第４の共振信号により前記受信アンテナ内に誘導される信号が、前記第４の軸方向位置における前記ハウジングに対する前記トーションバーの回転位置によって変化するように、前記送信アンテナと前記第４の共振子との電磁結合、及び、前記第４の共振子と前記受信アンテナとの電磁結合の少なくとも１つが、前記第４の軸方向位置における前記ハウジングに対する前記トーションバーの回転位置によって変化する、
請求項１から８の何れか一項に記載の装置。
前記第１及び第３の共振子は、前記トーションバーに対する共通の周方向部分の電流ループによって形成され、
前記第１の共振子の電流ループは、前記第３の共振子の電流ループから軸方向間隔を隔てており、
前記第２及び第４の共振子は、前記トーションバーに対する共通の周方向部分の電流ループによって形成され、
前記第２の共振子の電流ループは、前記第４の共振子の電流ループから軸方向間隔を隔てている、
請求項９に記載の装置。
前記第１及び第３の共振子は、前記トーションバーに固定された第１の城砦状部材の延長領域に形成され、
前記第２及び第４の共振子は、前記トーションバーに固定された第２の城砦状部材の延長領域に形成され、前記第１及び第２の城砦状部材は、少なくともある程度の回転変位を許容しつつ互いに係合する、
請求項１０に記載の装置。
前記第１及び第２の共振子を介した前記第１のアンテナと前記第１の受信アンテナとの前記電磁結合は、第１の角周期に応じて変化し、
前記第３及び第４の共振子を介した前記第２の送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの前記電磁結合は、前記第１の角周期とは異なる第２の角周期に応じて変化する、
請求項９から１１の何れか一項に記載の装置。
前記トーションバーは、長手軸が回転軸と位置合わせされた第１の細長いシャフトと第２の細長いシャフトと、を有し、
前記第１及び第２のシャフトは、前記第１及び第２の軸方向位置から離隔した軸方向位置で連結されている、
請求項１から１２の何れか一項に記載の装置。
励磁信号を前記送信アンテナに供給するための励磁信号発生器と、前記受信アンテナ内に誘導される信号を処理するための信号プロセッサと、をさらに備える、
請求項１から１３の何れか一項に記載の装置。
前記励磁信号発生器は、前記第１と第２の共振子を同時に作動させるように動作可能である、
請求項１４に記載の装置。
前記信号プロセッサは、前記第１と第２の共振子によって前記受信アンテナ内に誘導される信号を同時に処理するように動作可能である、
請求項１４又は１５に記載の装置。
前記励磁信号発生器は、前記第１と第２の共振子を交互に作動させるように動作可能である、
請求項１４に記載の装置。
前記信号プロセッサは、前記第１と第２の共振子によって前記受信アンテナ内に誘導される信号を交互に処理するように動作可能である、
請求項１４又は１７に記載の装置。
前記信号プロセッサは、前記トーションバーの前記第１と第２の軸方向位置の間の相対回転変位を表す情報を搬送する信号を生成するように動作可能である、
請求項１４から１８の何れか一項に記載の装置。
前記信号発生器は、第２の周波数を有する周期的変調信号によって変調される第１の周波数を有する周期的搬送波信号を含む励磁信号を生成するように動作可能であり、前記第１の周波数は前記第２の周波数よりも大きい、
請求項１４から１９の何れか一項に記載の装置。
前記信号プロセッサは、前記第２の周波数で復調信号を得るために前記受信アンテナ内に生成される誘導信号を復調するように動作可能である復調器を有する、
請求項２０に記載の装置。
前記信号プロセッサは、前記第２の周波数で復調された信号の位相を検出するために動作可能である位相検出器をさらに有する、
請求項２１に記載の装置。
ハウジングに対して回転可能なトーションバーに加えられるトルクを示す回転変位情報を提供する装置であって、
前記ハウジングに対して固定された送信アンテナと前記ハウジングに対して固定された受信アンテナとの電磁結合が、前記トーションバーの間隔を隔てた軸方向位置に対して固定された第１及び第２の共振子の回転位置に応じて変化し、
前記第１及び第２の共振子は、前記第１の共振子を介して前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間で結合された信号を前記第２の共振子を介して前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間で結合された信号から区別可能であるように、それぞれ異なる共振周波数を有する、
装置。