JP2022539082A - トルクセンサ、操舵角度センサおよび対応する統合型のセンサならびに監視システム - Google Patents

Abstract

ステアリングコラムの操舵トルクを検出するためのトルクセンサであって、ステアリングコラムは、入力軸と、出力軸と、入力軸と出力軸との間に接続されたトーションバーとを備え、トルクセンサは、入力軸と共に回転可能であり、第１の伝導部材を備える入力回転構成要素と、出力軸と共に回転可能であり、第２の伝導部材を備える出力回転構成要素と、位置固定されて位置決めされ、磁場発生手段と磁場検出手段とを備える電磁キャリアとを備え、磁場発生手段は、第１の伝導部材と第２の伝導部材とを貫通する磁場を発生させるように構成されており、磁場検出手段は、ステアリングコラムがねじり応力下にあるときに、磁場内での第１の伝導部材と第２の伝導部材との位置の変化によって引き起こされる磁場の変化を検出するように構成されており、操舵トルクは、少なくとも磁場の検出された変化に基づいて決定される、トルクセンサが開示される。統合型のトルク・角度センサ、操舵角度センサおよび能動的な操舵状態監視システムも開示される。

Description

本発明は、トルクセンサと、車両の操舵状態を監視するように構成された統合型のトルク・角度センサ（ＴＡＳ）と、操舵角度センサと、そのようなセンサを備える能動的な操舵状態監視システムとに関する。

背景技術
既存の操舵システムおよび将来的な操舵システム、例えば、電子制御パワーステアリングシステム（ＥＨＰＳ）、電動パワーステアリングシステム（ＥＰＳ）および適応型の電動パワーステアリングシステムと、特定の運転支援機能、例えば、車体電子安定化システム（ＥＳＰ）および先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）とは、高信頼性のかつ安価に入手可能な操舵トルクおよび／または角度情報を必要とする。操舵を検出するためのセンサは、極めて多くのアプリケーションのバリエーション（異なるステアリングコラム、独立した固定構造、組み合わせたスイッチへの統合など）を扱う必要があり、極めて安価であり、高信頼性であることが望ましい。従来技術で利用可能なセンサソリューションでは、これらの要件を同時に満たすことができない。

発明の概要
上記の先行技術を考慮して、本発明の目的は、トルクセンサと、車両の操舵状態を監視するように構成された統合型のトルク・角度センサと、操舵角度センサと、そのようなセンサを備える能動的な操舵状態監視システムとを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、ステアリングコラムの操舵トルクを検出するためのトルクセンサであって、ステアリングコラムは、入力軸と、出力軸と、入力軸と出力軸との間に接続されたトーションバーとを備え、トルクセンサは、入力軸と共に回転可能であり、第１の伝導部材を備える入力回転構成要素と、出力軸と共に回転可能であり、第２の伝導部材を備える出力回転構成要素と、位置固定されて位置決めされ、磁場発生手段と磁場検出手段とを備える電磁キャリアとを備え、磁場発生手段は、第１の伝導部材と第２の伝導部材とを貫通する磁場を発生させるように構成されており、磁場検出手段は、ステアリングコラムがねじり応力下にあるときに、磁場内での第１の伝導部材と第２の伝導部材との位置の変化によって引き起こされる磁場の変化を検出するように構成されており、操舵トルクは、少なくとも磁場の検出された変化に基づいて決定される、トルクセンサが提供される。

本発明の第２の態様によれば、ステアリングコラムの操舵トルクと操舵角度とを検出するための統合型のトルク・角度センサであって、統合型のトルク・角度センサは、少なくとも、操舵トルクを検出するためのトルク検出手段と、操舵角度を検出するための角度検出手段とを備え、トルク検出手段は、トルクセンサを備えるように構成されている、統合型のトルク・角度センサが提供される。

本発明の第３の態様によれば、ステアリングコラムの操舵角度を検出するための操舵角度センサであって、少なくとも、ステアリングコラムに取り付けられるスリーブ歯車と、スリーブ歯車と噛合する第１の測定歯車と、第１の測定歯車の回転角度を測定するための第１の角度検出器と、ステアリングコラムと共に回転可能であり、伝導部材を備える回転構成要素と、位置固定されて位置決めされ、磁場発生手段と磁場検出手段とを備える電磁キャリアとを備え、磁場発生手段は、伝導部材を貫通する磁場を発生させるように構成されており、磁場検出手段は、ステアリングコラムが回転するときに、磁場内での伝導部材の位置の変化によって引き起こされる磁場の変化を検出するように構成されており、ステアリングコラムの回転角度情報は、磁場の検出された変化に基づいて取得され、操舵角度センサは、少なくともステアリングコラムの回転角度情報と第１の測定歯車の回転角度とに基づいて操舵角度を検出するように構成されている、操舵角度センサが提供される。

本発明の第４の態様によれば、トルクセンサまたは統合型のトルク・角度センサまたは操舵角度センサを備える、能動的な操舵状態監視システムが提供される。

本発明のセンサは、例えば、車体電子安定化システム、先進運転支援システム、高度自動運転（ＨＡＤ）および故障保護ソリューションまたは故障操作ソリューションなど、車両の様々な機能に使用することができる。機械的な遅延がなく、センサの製造コストが低くなる。

本発明の上記態様および他の態様のより包括的な理解は、以下を含む図面と併せて以下の詳細な説明を通じて得られる。
車両のステアリングコラムと、ステアリングコラムの操舵トルクを検出するように構成されたトルクセンサとを示す図である。 本発明の例示的な実施形態による、第１の伝導部材と、第２の伝導部材と、電磁キャリアとの構成を平面図として概略的に示す図である。 磁場発生コイルの例示的な実施形態を部分図として概略的に示す図である。 平面図として、本発明の別の例示的な実施形態による、入力回転構成要素と、出力回転構成要素と、電磁キャリアとの構成を示す図である。 上記構成を図４のＡ－Ａ線に沿った側面断面図として示す図である。 上記構成を３次元図として示す図である。 本発明の別の例示的な実施形態による、入力回転構成要素と、出力回転構成要素と、電磁キャリアとの構成を平面図として示す図である。 上記構成を図７のＢ－Ｂ線に沿った側面断面図として示す図である。 上記構成を３次元図として示す図である。 上記構成を分解図として示す図である。 操舵角度センサの例示的な実施形態を示す図である。 ２つの測定角度θおよびφの出力特性を例示的に示す図であり、点線はθを表している。 本発明の例示的な実施形態による統合型のトルク・角度センサを分解図として示す図である。 組み立てられた状態の統合型のトルク・角度センサを断面図として示す図である。

発明の詳細な説明
本発明の幾つかの例示的な実施形態は、本発明の基本的な思想および利点のより良い理解を提供するために、図面を参照して以下でさらに詳細に説明される。

本発明の第１の態様は、車両のステアリングコラムの操舵トルクを検出するように構成されたトルクセンサに関する。

トルクセンサは様々な構成で形成することができ、そのうちの１つを極めて概略的な図として図１に示す。図１は、車両のステアリングコラム１と、ステアリングコラム１の操舵トルクを検出するように構成されたトルクセンサ２とを示している。

図１に示すように、ステアリングコラム１は、ステアリングホイール（図示せず）からの入力軸１１と、ステアリングシャフトコネクタ（図示せず）への出力軸１２と、入力軸１１と出力軸１２との間に接続されたトーションバー１３とを備えるように例示的かつ概略的に構成されている。トルクセンサ２は、トーションバー１３の近くに配置されている。

当業者は、トーションバー１３の材料の既知の機械的特性を利用して、トーションバー１３のねじれ変形を特徴づけることができる、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度に基づいて、操舵トルクを決定することが可能であることを理解されたい。

トルクセンサ２は、主に、ハウジング（図示せず）に固定されて取り付けられた電磁キャリア２１と、入力軸１１と共に回転可能である入力回転構成要素２２と、出力軸１２と共に回転可能である出力回転構成要素２３とを備える。ハウジングは、例えば、独立した固定構造によって車両に固定することができる。

例えば、入力回転構成要素２２は入力軸１１に固定されており、出力回転構成要素２３は出力軸１２に固定されている。

本発明の例示的な実施形態によれば、入力回転構成要素２２は、第１の伝導部材を備え、出力回転構成要素２３は、第２の伝導部材を備え、電磁キャリア２１は、磁場発生手段と磁場検出手段とを備え、明確にするために、第１の伝導部材、第２の伝導部材、磁場発生手段および磁場検出手段は、図１には示されていない。磁場発生手段は、第１の伝導部材と第２の伝導部材とを貫通する磁場を発生させるように構成され、磁場検出手段は、ステアリングコラム１がねじり応力下にあるときに、磁場内での第１の伝導部材と第２の伝導部材との位置の変化によって引き起こされる磁場の変化を検出するように構成されている。操舵トルクは、少なくとも磁場の検出された変化に基づいて決定することができる。

「伝導」という用語は、「磁気的な伝導および／または電気的な伝導」を意味する。

本発明の例示的な実施形態によれば、磁場検出手段は、磁場内での第１の伝導部材の位置の変化によって引き起こされる磁場の変化を検出するための第１の磁場検出要素と、磁場内での第２の伝導部材の位置の変化によって引き起こされる磁場の変化を検出するための第２の磁場検出要素とを備えてもよい。この場合、第１の磁場検出要素および第２の磁場検出要素は、好ましくは、第１の磁場検出要素が第１の伝導部材に面し、第２の磁場検出要素が第２の伝導部材に面するように、電磁キャリア２１の異なる側に配置されている。

本発明の例示的な実施形態によれば、磁場発生手段は、第１の伝導部材を貫通する第１の磁場を発生させるための第１の磁場発生要素と、第２の伝導部材を貫通する第２の磁場を発生させるための第２の磁場発生要素とを備えてもよい。この場合、磁場検出手段は、第１の磁場内での第１の伝導部材の位置の変化によって引き起こされる第１の磁場の変化と、第２の磁場内での第２の伝導部材の位置の変化によって引き起こされる第２の磁場の変化とを検出する。

しかしながら、好ましくは、磁場発生手段は、１つの磁場発生要素のみを備える。

具体的には、少なくとも、磁場内での第１の伝導部材の位置の変化によって引き起こされる磁場の検出された変化に基づいて、入力軸１１の第１の回転角度、特に電磁キャリア２１に対する第１の伝導部材の第１の回転角度を決定することができ、同様に、少なくとも、磁場内での第２の伝導部材の位置の変化によって引き起こされる磁場の検出された変化に基づいて、出力軸１２の第２の回転角度、特に電磁キャリア２１に対する第２の伝導部材の第２の回転角度を決定することができ、これにより、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度、すなわち、第１の回転角度と第２の回転角度との間の角度差を決定することが可能となる。

また、第１の回転角度および第２の回転角度を決定することなく、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度を直接的に決定することも可能であり、有利であり得ることに留意されたい。これは、幾つかの特定の実施形態を参照して以下でさらに説明され、それにより、より明白になる。

本発明の例示的な実施形態によれば、電磁キャリア２１は、プリント回路基板（ＰＣＢ）を備え、磁場発生手段および磁場検出手段がプリント回路基板上に配置されるように構成されている。

本発明の例示的な実施形態によれば、磁場発生手段は、使用中にトーションバー１３を好ましくは取り囲む磁場発生コイルを備えるように構成されており、かつ／または磁場検出手段は、磁場検出コイルを備えるように構成されている。

図２は、本発明の例示的な実施形態による、第１の伝導部材２２１と、第２の伝導部材２３１と、電磁キャリア２１との構成を平面図として概略的に示している。

好ましくは、第１の伝導部材２２１および／または第２の伝導部材２３１は、金属インサートとして構成されていてもよい。

図２に示すように、電磁キャリア２１は、磁場発生コイル２１１と、取付け貫通孔２１２とを備え、磁場発生コイル２１１は、取付け貫通孔２１２を取り囲み、ステアリングコラム１は、使用中に非接触で貫通孔２１２を通過して延在していてもよい。磁場発生コイル２１１は、少なくとも周方向の所定の角度範囲内で変化する電磁特性、例えば変化するコイルトラック、特に位置が一意であるコイルトラックを有し、少なくとも出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度を最終的に検出することができるようになっている。

図２は、磁場発生コイル２１１に対する第１の伝導部材２２１および第２の伝導部材２３１の例示的な相対位置を示している。第１の伝導部材２２１が入力軸１１と共に現在の角度位置とは異なる角度位置まで回転すると、磁場検出手段は、磁場発生コイル２１１の周方向の電磁特性の変化によって引き起こされる対応する磁場変化信号を検出し、それにより、第１の伝導部材２２１の回転角度を検出することができる。同様に、第２の伝導部材２３１の回転角度も検出することができる。この場合、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度は、第１の伝導部材２２１の回転角度と第２の伝導部材２３１の回転角度とによって決定することができる。

当業者は、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度が比較的小さく、ひいては、第１の伝導部材２２１の回転角および第２の伝導部材２３１の回転角度を別々に決定する必要がなく、第１の伝導部材２２１と第２の伝導部材２３１との組み合わせによって引き起こされる磁場の変化によって決定することができることを理解されたい。

一般に、磁場発生手段、特に磁場発生コイル２１１は、磁場検出手段によって磁場の検出された変化に基づいて、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度を決定することができる限り、任意の適切な形態で構成されていてもよい。

好ましくは、図２に示されるように、貫通孔２１２の中心軸線、すなわち、ステアリングコラム１の長手方向軸線に沿って見た場合、第１の伝導部材２２１および／または第２の伝導部材２３１は、組み立てられた状態で磁場発生コイル２１１と少なくとも部分的に重畳している。

当業者はまた、磁場発生コイル２１１を完全に閉じる必要がないことを理解されたい。例えば、図３は、磁場発生コイル２１１の例示的な実施形態を部分図として概略的に示している。図３に示されるように、磁場発生コイル２１１は、第１の伝導部材２２１によって覆うことができる小さなギャップ２１３を有してもよい。

加えて、図１に示すように、入力回転構成要素２２および出力回転構成要素２３は、電磁キャリア２１の異なる側に配置されているが、これは、第１の伝導部材２２１および第２の伝導部材２３１を磁場発生コイル２１１の異なる側に配置しなければならないことを意味するのではなく、反対に、入力回転構成要素２２および出力回転構成要素２３は、第１の伝導部材２２１および第２の伝導部材２３１を磁場発生コイル２１１の同じ側に配置するように構成されていてもよい。この配置形態は、以下の他の態様の説明を通して明らかになる。

ステアリングコラム１の操舵トルクを取得するために、プロセッサ（図示せず）によって磁場の変化を評価しかつ分析することができる。好ましくは、プロセッサは、電磁キャリア２１、特にプリント回路基板上に配置することができる。

入力回転構成要素２２および出力回転構成要素２３を適切に構成することにより、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度も検出することができることに留意されたい。これは、幾つかの例示的な実施形態を参照して以下に説明される。

図４は、本発明の別の例示的な実施形態による、入力回転構成要素２２と、出力回転構成要素２３と、電磁キャリア２１との構成を平面図として示している。図５は、この構成を図４のＡ－Ａ線に沿った横断面図として示しており、図６は、この構成を３次元図として示している。

図４～図６に示すように、入力回転構成要素２２は、入力軸１１に固定されるように適合された第１の固定体２２２と、第１の伝導部材としての第１の平形パターン構造２２３とを備えることができ、一方、出力回転構成要素２３は、出力軸１２に固定されるように適合された第２の固定体２３２と、第２の伝導部材としての第２の平形パターン構造２３３とを備えることができ、第１の平形パターン構造２２３および第２の平形パターン構造２３３は、ステアリングコラム１の長手方向軸線に対して半径方向に延在し、磁場検出手段（ここでは図示しない）に対して平行に延在し、長手方向軸線に対して平行な方向から見たときに互いに互い違いになっていて、好ましくは共通平面１４内にあるように構成されている。

具体的には、図４～図６に示す実施形態では、第１の固定体２２２および第２の固定体２３２は両方とも中空体として、好ましくは円筒体として構成されており、使用中、ステアリングコラム１は中空体を通過して延在することができ、入力回転構成要素２２および出力回転構成要素２３をそれぞれ入力軸１１および出力軸１２に固定することができる。電磁キャリア２１は、第２の固定体２３２が貫通して延在することを可能にする取付け貫通孔を備える。第１の平形パターン構造２２３は、トーションバー１３に隣接する第１の固定体２２２の端部から半径方向外向きに延在し、第２の平形パターン構造２３３は、トーションバー１３に隣接する第２の固定体２３２の端部から半径方向外向きに延在する。特に、図５に示すように、第１の平形パターン構造２２３および第２の平形パターン構造２３３は、電磁キャリア２１の入力軸１１に隣接する側の共通平面１４に配置されている。当然ながら、当業者は、第１の平形パターン構造２２３および第２の平形パターン構造２３３は、電磁キャリア２１の出力軸１２に隣接する側に配置することもできることを理解されたい。

磁場発生手段は、好ましくは、第１の平形パターン構造２２３および第２の平形パターン構造２３３の真下に配置されている。

第１の平形パターン構造２２３は、ここでは、第１の固定体２２２から半径方向に延在する複数の第１の歯２２４を備えるように構成されており、第１の歯は、好ましくは、第１の収容開口２２５を任意の２つの隣接する第１の歯２２４の間に画定するように、周方向に均一に分布されている。好ましくは、第１の歯２２４は同一形状を有する。

本発明の例示的な実施形態によれば、第１の固定体２２２は、環状のプラットフォーム２２６と、複数の歯接続構造２２７とを備え、複数の歯接続構造２２７は、好ましくは、プラットフォーム２２６の外周からそれぞれ第１の歯２２４に対して軸線方向に延在し、第１の歯２２４は、プラットフォーム２２６から離れた、歯接続構造２２７の対応する端部に形成されている。

好ましくは、プラットフォーム２２６は、ステアリングコラム１の長手方向軸線に対して垂直な平面内に延在する平坦部分として構成されている。

第２の平形パターン構造２３３は、ここでは、第２の固定体２３２から半径方向に延在する複数の第２の歯２３４を備えるように構成されており、第２の歯は、好ましくは、第２の収容開口２３５を任意の２つの隣接する第２の歯２３４の間に画定するように、周方向に均一に分布される。好ましくは、第２の歯２３４は同一形状を有する。

本発明の例示的な実施形態によれば、第２の歯２３４は、第２の歯２３４の外側半径方向端部で外側リング２３６に接続されており、かつ／または第２の歯２３４は、第２の固定体２３２の一部と見なすことができる内側リング２３７から延在している。この場合、第２の収容開口２３５のすべての側面が完全に閉じられている。

組み立てられた状態では、第１の歯２２４と第２の歯２３４とは、互いに互い違いに配置されている。より好ましくは、第１の歯２２４および第２の歯２３４が共通平面１４内にあるように、各第１の歯２２４が、対応する第２の収容開口２３５に挿入されており、各第２の歯２３４が、対応する第１の収容開口２２５に挿入されている。

当業者は、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度が、第１の平形パターン構造２２３と第２の平形パターン構造２３３との組み合わせパターンの変化によって引き起こされる磁場の変化に基づいて検出されるように、第１の平形パターン構造２２３および第２の平形パターン構造２３３が、少なくとも所定の回転角度範囲内で互いに相対的に回転することができなければならないことを理解されたい。これは、第１の歯２２４が第２の収容開口２３５よりも小さくなければならず、第２の歯２３４が第１の収容開口２２５よりも小さくなければならないことを意味する。

上記のように、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度は比較的小さく、例えば３°以下であり、したがって、図４～図６に示す構成でこの要件を満たすことができる。歯の数は必要に応じて選択することができる。

本発明の例示的な実施形態によれば、入力回転構成要素２２は、一体形に形成されていてもよく、かつ／または出力回転構成要素２３は、一体形に形成されていてもよい。好ましくは、入力回転構成要素２２および／または出力回転構成要素２３は、打ち抜き工程および／または曲げ工程によって形成されていてもよい。

好ましくは、第１の歯２２４の数は、第２の歯２３４の数に等しく、かつ／または第１の歯２２４と第２の歯２３４とは、同一形状を有する。

当業者は、磁場検出手段、例えば磁場検出コイルが、周方向で閉じるように、特に正弦曲線または余弦曲線の形状を有するように構成されている限り、第１の平形パターン構造２２３および／または第２の平形パターン構造２３３は所定の角度範囲のみ、例えば２７０°のみを覆うことを理解されたい。

第１の平形パターン構造２２３と第２の平形パターン構造２３３との組み合わせは、誤差の原因を低減することができるので、差異の原理を実現することができ、それによって、測定精度を高めることができることに留意されたい。

一般に、静電容量の原理および／または渦電流の原理の場合、エアギャップ特性は限られているが、図４～図６に示す構成により、第１の平形パターン構造２２３および第２の平形パターン構造２３３を共通平面１４内に位置決めすることができ、これは、共通平面１４と、磁場検出手段、例えば磁場検出コイルとの間に必要なエアギャップを実現することができ、これにより、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度をより正確に決定することができる。

当業者は、第１の平形パターン構造２２３が、図４～図６に示す第２の平形パターン構造２３３のパターン構造を有し、第２の平形パターン構造２３３が、図４～図６に示す第１の平形パターン構造２２３のパターン構造を有するように、第１の平形パターン構造２２３および第２の平形パターン構造２３３の形状を反対の形態で構成することができることを理解されたい。

本発明の例示的な実施形態によれば、磁場検出手段は、変化するコイルトラック形状、例えば、徐々に増加するトラック形状、または一意の位置を備えた別のトラック形状を有する磁場検出コイルを備えるように構成されており、これにより、検出精度を付加的に高めることができる。しかしながら、これは必須ではない。

図７は、本発明の別の例示的な実施形態による、入力回転構成要素２２と、出力回転構成要素２３と、電磁キャリア２１との構成を平面図として示している。図８は、この構成を図７のＢ－Ｂ線に沿った側面断面図として示しており、図９は、この構成を３次元図として示しており、図１０は、この構成を分解図として示している。

図７～図１０に示す構成は、図４～図６に示す構成と類似しているが、第１の平形パターン構造２２３および第２の平形パターン構造２３３は、歯のデザインが異なる。主な差異のみを以下に説明する。

図７～図１０に示すように、第１の平形パターン構造２２３は、Ｎ個の第１の歯２２４を有し、第２の平形パターン構造２３３は、２×Ｎ個（Ｎは整数）の第２の歯２３４を有し、第１の歯２２４は、第１の半径方向の長さを有する歯として構成されており、第２の歯２３４は、第２の半径方向の長さを有するＮ個の第３の歯２３４’と、第３の半径方向の長さを有するＮ個の第４の歯２３４’’とを備えるように構成されており、第３の歯２３４’と第４の歯２３４’’とは、周方向に交互に配置されており、第１の歯２２４は、第１の歯２２４と第３の歯２３４’との間に半径方向のギャップ１５を有して、第３の歯２３４’の半径方向の外側に位置しており、さらに、第３の半径方向の長さは、第２の半径方向の長さよりも大きい。好ましくは、第１の半径方向の長さは、第３の半径方向の長さよりも小さく、かつ／または第１の半径方向の長さと、第２の半径方向の長さと、半径方向のギャップ１５の半径方向の幅との合計は、第３の半径方向の長さに等しく、第１の歯２２４および第４の歯２３４’’は、半径方向に同じ程度に延在している。

本発明の例示的な実施形態によれば、第１の歯２２４および第２の歯２３４は均一に分布している。

本発明の例示的な実施形態によれば、磁場発生手段、特に磁場発生コイルは、半径方向のギャップ１５に近い電磁キャリア２１上に配置されており、磁場検出手段は、磁場発生手段の半径方向内側に位置していて、出力軸１２の回転角度を検出するために使用される第１の磁場検出コイルと、磁場発生手段の半径方向外側に位置し、第１の歯２２４と第４の歯２３４’’との間の角度の変化を検出するために使用される第２の磁場検出コイルとを備える。したがって、出力軸１２に対する入力軸１１の相対的な回転角度と出力軸１２の回転角度とを同時に検出することが可能である。第１の磁場検出コイルは、検出精度を高めるために、少なくとも角度検出を確認する目的で使用することができる。

能動的な操舵状態監視システムもまた、ステアリングコラム１の操舵角度を必要とすることが多い。操舵角度の検出方法を以下に説明する。したがって、本発明の第２の態様は、ステアリングコラム１の操舵角度を検出するための操舵角度センサ（ＳＡＳ）に関する。

図１１は、操舵角度センサ３の例示的な実施形態を示している。図１１に示すように、操舵角度センサ３は、主に、スリーブ歯車３１と、第１の測定歯車３２と、第２の測定歯車３３と、第１の測定歯車３２の回転角度を測定するための第１の角度検出器３４と、第２の測定歯車３３の回転角度を測定するための第２の角度検出器３５とを備え、スリーブ歯車３１は、ステアリングコラム１、特に出力軸１２に取り付けられていて、操舵角度Φを表し、第１の測定歯車３２は、ｎ１個の歯を有し、スリーブ歯車３１と噛合しており、第２の測定歯車３３は、ｎ２個の歯を有し、スリーブ歯車３１と噛合している。第１の測定歯車３２の回転角度はθで表され、第２の測定歯車３３の回転角度はφで表され、ｎ１とｎ２とは、互いに正確に割り切れないように選択される。例えば、第１の測定歯車３２と第２の測定歯車３３とは、歯１つ分だけ異なる。もちろん、適切な数の歯数分異なっていてもよい。

したがって、この構成はカーソル（ノニウス）の原理を実現する。図１２は、測定された２つの角度θおよびφの出力特性を例示的に示している。点線はθを表している。

この原理を使用して、ステアリングホイールの４回転以上の範囲内で明確な操舵角度を決定することが可能となる。さらに、始動または通電が行われるたびに、操舵角度センサは２つの角度θおよびφを有するので、ステアリングホイールの位置が把握される。

第１の角度検出器３４は、直径方向に磁化され、第１の測定歯車３２の回転中心に固定されて配置される磁石と、磁石の回転による磁場の変化に基づいて回転角度θを検出するために使用される検出要素とを備える。第２の角度検出器３５も同様のデザインを有することができる。この場合、待機電流は必要ない。

当業者は、上記の実施形態が単なる例示であり、他の実施形態がカーソルの原理に基づいて概念化することができることを理解されたい。

本発明の第３の態様は、ステアリングコラム１の操舵トルクと操舵角度とを同時に検出するように構成された統合型のトルク・角度センサに関する。この目的のために、統合型のトルク・角度センサは、操舵トルクを検出するためのトルク検出手段と、操舵角度を検出するための角度検出手段とを備える。トルク検出手段および角度検出手段は、単一のセンサとして統合されている。

図１３は、本発明の例示的な実施形態による統合型のトルク・角度センサを分解図として示している。図１４は、組み立てられた状態の統合型のトルク・角度センサを断面図として示している。

図１３に示すように、統合型のトルク・角度センサは、主に、上部カバー４と、下部カバー５と、トルク検出手段６と、角度検出手段７とを備える。

トルク検出手段６は、図４～図６に示すトルクセンサ２と同様であり、ひいては、また、入力回転構成要素２２’と、出力回転構成要素２３’と、磁場発生コイル２１１’（図１３に概略的にのみ示されている）を備えた電磁キャリア２１’とを備えるが、しかしながら、図１４に示されるように、入力回転構成要素２２’の第１の平形パターン構造２２３’および出力回転構成要素２３’の第２の平形パターン構造２３３’’は、共通平面にはなく、互いに平行である。

角度検出手段７は、ここでは、図１１に示す操舵角度センサ３と同一になるように構成されており、第１の角度検出器の検出要素および第２の角度検出器の検出要素は、第１の測定歯車および第２の測定歯車に対応して面するように、電磁キャリア２１’上の対応する位置に直接的に配置されている。

上記から、トルク検出手段６および角度検出手段７は、１つの電磁キャリア、例えばＰＣＢを共有し、したがって、構造と組み立て工程との更なる簡素化を可能にすることが分かる。

下部カバー５の内側には、第１の測定歯車および第２の測定歯車をそれぞれ回転可能に収容するための２つの支柱５１と、下部貫通孔５２とが配置されている。この下部貫通孔５２は、出力軸に固定されたスリーブ歯車のスリーブ３１１が下部貫通孔５２を通過することができるように適合されている。

電磁キャリアは、電気コネクタ２１４を備える。上部カバー４は、上部貫通孔４１を備え、例えば、スナップ嵌めによって下部カバー５に接続可能である。

組み立てられた状態では、入力回転構成要素全体および出力回転構成要素の第２の平形パターン構造は、上部カバー４の外側に位置しており、出力回転構成要素の第２の平形パターン構造は、上部カバー４の外面に隣接していて、好ましくは外面に形成された凹部４２に位置している。

当業者は、統合型のトルク・角度センサは上記の実施形態に限定されないが、任意の適切な形態で実現することができることを理解されたい。例えば、トルクセンサ２は、図４～図６または図７～図１０に示されるように構成されていてもよい。

図１３および図１４に示されている統合型のトルク・角度センサは、ステアリングコラム１の操舵角度をより広い範囲、例えば最大±７８０°で検出することができる。したがって、統合型のトルク・角度センサは、軸バランスを有する電気機械式のステアリングシステムなどのシステムでの使用に適している。

電動パワーステア・バイ・ワイヤシステムおよび将来的な電動パワーステアリングシステムなどの角度計測アプリケーションシナリオの場合、±３６０°の角度があれば十分であり、必要な測定歯車は１つだけであるが、これは、この範囲の操舵角度が、この単一の測定歯車によって取得された回転角度情報と、出力回転構成要素の第２の平形パターン構造によって取得された出力軸回転角度情報とに基づいて共同で検出することができるためである。この場合、そのような統合型のトルク・角度センサは、前述の統合型のトルク・角度センサから１つの測定歯車を除去し、電磁キャリアのハードウェアパッケージを変更することによって得ることができる。

同様に、±３６０°を扱う操舵角度センサの場合、１つの測定歯車および出力回転構成要素の第２の平形パターン構造のみを使用するだけで十分であり、したがって、入力回転構成要素も除去することができる。もちろん、両方の測定歯車を保持することもできるため、出力回転構成要素の第２の平形パターン構造は、操舵角度の測定精度を高めるためにのみ使用される。

したがって、１つ以上の構成要素を除去し、場合によってはハードウェアパッケージを変更するだけで、図１３および図１４に示す統合型のトルク・角度センサから、様々なアプリケーションシナリオ用の独立したトルクセンサ、独立した操舵角度センサおよび統合型のトルク・角度センサを得ることができ、これは極めて有利である。

様々なサイズのステアリングコラムの場合、複雑な電気機器としての電磁キャリアは変更しないままでよく、対応するサイズを有する幾つかの適切な機械構成要素を選択するだけで事足りる。これも極めて有利である。

本発明を特定の実施形態を参照して本明細書で説明および記述してきたが、本発明は、示された詳細に限定されるものではない。これらの詳細は、本発明の範囲内で様々な形式で修正されてもよい。

Claims (28)

1. ステアリングコラムの操舵トルクを検出するトルクセンサであって、
   前記ステアリングコラムは、
   入力軸と、
   出力軸と、
   前記入力軸と前記出力軸との間に接続されたトーションバーと、
   を備え、
   前記トルクセンサは、
   前記入力軸と共に回転可能であり、第１の伝導部材を備える入力回転構成要素と、
   前記出力軸と共に回転可能であり、第２の伝導部材を備える出力回転構成要素と、
   位置固定されて位置決めされ、磁場発生手段と磁場検出手段とを備える電磁キャリアと、
   を備え、
   前記磁場発生手段は、前記第１の伝導部材と前記第２の伝導部材とを貫通する磁場を発生させるように構成されており、
   前記磁場検出手段は、前記ステアリングコラムがねじり応力下にあるときに、前記磁場内での前記第１の伝導部材と前記第２の伝導部材との位置の変化によって引き起こされる前記磁場の変化を検出するように構成されており、
   前記操舵トルクは、少なくとも前記磁場の検出された変化に基づいて決定される、
   トルクセンサ。
2. 前記出力軸に対する前記入力軸の相対的な回転角度は、前記磁場の検出された変化に基づいて決定され、前記操舵トルクは、少なくとも前記相対的な回転角度に基づいて決定される、請求項１記載のトルクセンサ。
3. 前記電磁キャリアは、プリント回路基板と、電気コネクタと、取付け貫通孔とを備え、前記ステアリングコラムは、使用時に前記取付け貫通孔を通過しており、前記磁場発生手段と前記磁場検出手段とは、前記プリント回路基板上に配置されている、請求項１または２記載のトルクセンサ。
4. 前記磁場発生手段は、好ましくは環状磁場発生コイルの形態で構成されており、かつ／または
   前記磁場検出手段は、好ましくは環状磁場検出コイルの形態で構成されている、
   請求項２または３記載のトルクセンサ。
5. 前記電磁キャリアに対する前記入力軸の第１の回転角度は、少なくとも、前記磁場内での前記第１の伝導部材の前記位置の変化によって引き起こされる前記磁場の検出された変化に基づいて決定され、
   前記電磁キャリアに対する前記出力軸の第２の回転角度は、少なくとも、前記磁場内での前記第２の伝導部材の前記位置の変化によって引き起こされる前記磁場の検出された変化に基づいて決定され、
   前記相対的な回転角度は、前記第１の回転角度と前記第２の回転角度とに基づいて決定される、
   請求項２から４までのいずれか１項記載のトルクセンサ。
6. 前記磁場検出手段は、前記磁場内での前記第１の伝導部材の前記位置の変化によって引き起こされる前記磁場の変化を検出する第１の磁場検出要素と、前記磁場内での前記第２の伝導部材の前記位置の変化によって引き起こされる前記磁場の変化を検出する第２の磁場検出要素と、を備え、
   好ましくは、前記第１の磁場検出要素と前記第２の磁場検出要素とは、前記第１の磁場検出要素が前記第１の伝導部材に面し、前記第２の磁場検出要素が前記第２の伝導部材に面するように、前記電磁キャリアの異なる側に配置されている、
   請求項５記載のトルクセンサ。
7. 前記第１の伝導部材は、前記ステアリングコラムの長手方向軸線に対して垂直な第１の平面に沿って半径方向に延在するように構成されており、前記第２の伝導部材は、前記ステアリングコラムの前記長手方向軸線に対して垂直な第２の平面に沿って半径方向に延在するように構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のトルクセンサ。
8. 前記第１の伝導部材および／または前記第２の伝導部材は、金属インサートとして構成されている、または
   前記第１の伝導部材は、第１の平形パターン構造として構成されており、かつ／または前記第２の伝導部材は、第２の平形パターン構造として構成されている、
   請求項７記載のトルクセンサ。
9. 前記磁場発生手段は、少なくとも周方向の所定の角度範囲内で変化する電磁特性、例えば、位置が一意であるコイルトラックを有する、請求項８記載のトルクセンサ。
10. 前記第１の伝導部材と前記第２の伝導部材とは、前記電磁キャリアに隣接するように前記電磁キャリアの同じ側に、好ましくは前記電磁キャリアの、前記入力軸に隣接する側に配置されている、請求項７から９までのいずれか１項記載のトルクセンサ。
11. 前記第１の平面は、前記第２の平面よりも前記入力軸に近くなるように位置決めされており、これによって、前記第１の伝導部材と前記第２の伝導部材とが、軸線方向で離間されている、または
    前記第１の平面と前記第２の平面とは、同一平面上にあり、これによって、前記第１の伝導部材と前記第２の伝導部材とが、互いに内外で挿入されていて、所定の回転角度範囲内で互いに相対的に回転可能である、
    請求項７から１０のいずれか１項記載のトルクセンサ。
12. 前記第１の平形パターン構造は、好ましくは周方向に分布する複数の第１の歯を有するように構成されており、かつ／または前記第２の平形パターン構造は、好ましくは周方向に分布する複数の第２の歯を有するように構成されている、請求項１１記載のトルクセンサ。
13. 前記第１の歯は、同一形状を有し、かつ／または前記第２の歯は、同一形状を有し、好ましくは、前記第１の歯と前記第２の歯とは、同一形状を有し、かつ／または
    前記第１の歯の数は、前記第２の歯の数と等しく、かつ／または前記第１の歯と前記第２の歯とは、互いに互い違いになっている、
    請求項１２記載のトルクセンサ。
14. 前記第１の歯または前記第２の歯は、前記第１の歯または前記第２の歯の外側の半径方向の端部で外側リングに接続されており、かつ／または前記第１の歯または前記第２の歯は、内側リングから半径方向に延在している、請求項１２または１３記載のトルクセンサ。
15. 前記第２の歯は、複数の第３の歯と、複数の第４の歯と、を備え、前記第３の歯と前記第４の歯とは、交互に分布しており、前記第１の歯の数と、前記第３の歯の数と、前記第４の歯の数とは、互いに等しく、前記第１の歯は、前記第１の歯と前記第３の歯との間に半径方向のギャップを有して、前記第３の歯の半径方向外側に位置しており、前記第１の歯の半径方向の長さは、前記第４の歯の半径方向の長さよりも短く、
    好ましくは、前記第１の歯と前記第４の歯とは、同じ程度に半径方向外向きに延在している、
    請求項１２記載のトルクセンサ。
16. 前記磁場発生手段は、前記半径方向のギャップの近くに配置されており、第１の磁場検出コイルが、前記磁場発生手段の半径方向内側に位置していて、前記出力軸の回転角度情報を検出するために使用され、第２の磁場検出コイルが、前記磁場発生手段の半径方向外側に位置していて、前記第１の歯と前記第４の歯との間の角度の変化を検出するために使用される、請求項１５記載のトルクセンサ。
17. 前記ステアリングコラムの長手方向軸線に沿って見た場合、前記磁場発生手段は、前記第１の伝導部材および／または前記第２の伝導部材と少なくとも部分的に重畳している、請求項１から１６までのいずれか１項記載のトルクセンサ。
18. ステアリングコラムの操舵トルクと操舵角度とを検出する統合型のトルク・角度センサであって、少なくとも、
    前記操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
    前記操舵角度を検出する角度検出手段と、
    を備え、
    前記トルク検出手段は、請求項１から１７までのいずれか１項記載のトルクセンサを備えるように構成されている、統合型のトルク・角度センサ。
19. 前記角度検出手段は、カーソルの原理に基づいて前記操舵角度を検出するように構成されている、請求項１８記載の統合型のトルク・角度センサ。
20. 前記角度検出手段は、少なくとも、出力軸または入力軸に取り付けられるスリーブ歯車と、前記スリーブ歯車と噛合する第１の測定歯車と、前記第１の測定歯車の回転角度を測定する第１の角度検出器と、を備え、前記角度検出手段は、少なくとも、前記磁場内での前記第２の伝導部材の前記位置の変化によって引き起こされる前記磁場の変化によって取得される前記出力軸または前記入力軸の回転角度情報と、前記第１の測定歯車の前記回転角度とに基づいて前記操舵角度を検出するように構成されている、請求項１８または１９記載の統合型のトルク・角度センサ。
21. 前記角度検出手段は、前記スリーブ歯車と噛合する第２の測定歯車と、前記第２の測定歯車の回転角度を測定する第２の角度検出器と、をさらに備え、前記第１の測定歯車の歯の数と前記第２の測定歯車の歯の数とは、互いに正確に割り切れないように選択され、前記操舵角度の検出には、前記第２の測定歯車の前記回転角度も使用される、請求項２０記載の統合型のトルク・角度センサ。
22. 前記第１の測定歯車の歯の数と前記第２の測定歯車の歯の数とは、１つだけ異なる、請求項２１記載の統合型のトルク・角度センサ。
23. 前記第１の角度検出器は、前記第１の測定歯車の回転中心に固定されて配置された第１の磁石と、前記第１の測定歯車の前記回転角度を検出する第１の検出要素と、を備え、
    前記第２の角度検出器は、前記第２の測定歯車の回転中心に固定されて配置された第２の磁石と、前記第２の測定歯車の前記回転角度を検出する第２の検出要素と、を備え、
    前記第１の検出要素と前記第２の検出要素とは、前記電磁キャリア上に配置されている、
    請求項２１または２２記載の統合型のトルク・角度センサ。
24. ステアリングコラムの操舵角度を検出する操舵角度センサであって、少なくとも、
    前記ステアリングコラムに取り付けられるスリーブ歯車と、
    前記スリーブ歯車と噛合する第１の測定歯車と、
    前記第１の測定歯車の回転角度を測定する第１の角度検出器と、
    前記ステアリングコラムと共に回転可能であり、伝導部材を備える回転構成要素と、
    位置固定されて位置決めされ、磁場発生手段と磁場検出手段とを備える電磁キャリアと、
    を備え、
    前記磁場発生手段は、前記伝導部材を貫通する磁場を発生させるように構成されており、前記磁場検出手段は、前記ステアリングコラムが回転するときに、前記磁場内での前記伝導部材の位置の変化によって引き起こされる前記磁場の変化を検出するように構成されており、前記ステアリングコラムの回転角度情報が、前記磁場の検出された変化に基づいて取得され、前記操舵角度センサは、少なくとも前記ステアリングコラムの前記回転角度情報と前記第１の測定歯車の前記回転角度とに基づいて前記操舵角度を検出するように構成されている、
    操舵角度センサ。
25. 前記操舵角度センサは、前記スリーブ歯車と噛合する第２の測定歯車と、前記第２の測定歯車の回転角度を測定する第２の角度検出器と、をさらに備え、前記第１の測定歯車の歯の数と前記第２の測定歯車の歯の数とは、互いに正確に割り切れないように選択され、前記操舵角度の検出には、第２の測定歯車の前記回転角度も使用される、請求項２４記載の操舵角度センサ。
26. 前記第１の測定歯車の歯の数と前記第２の測定歯車の歯の数とは、１つだけ異なる、請求項２５記載の操舵角度センサ。
27. 前記第１の角度検出器は、前記第１の測定歯車の回転中心に固定されて配置された第１の磁石と、前記第１の測定歯車の前記回転角度を検出する第１の検出要素と、を備え、
    前記第２の角度検出器は、前記第２の測定歯車の回転中心に固定されて配置された第２の磁石と、前記第２の測定歯車の前記回転角度を検出する第２の検出要素と、を備え、
    前記第１の検出要素と前記第２の検出要素とは、前記電磁キャリア上に配置されている、
    請求項２５または２６記載の操舵角度センサ。
28. 能動的な操舵状態監視システムであって、
    請求項１から１７までのいずれか１項記載のトルクセンサまたは
    請求項１８から２３までのいずれか１項記載の統合型のトルク・角度センサまたは
    請求項２４から２７までのいずれか１項記載の操舵角度センサ
    を備える、能動的な操舵状態監視システム。

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