JP2004519672A - 特にステアリングコラムのねじれを検出するための位置センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の磁石を含む第１の磁気構造、及び複数の歯（１１、１２）を有し、かつ少なくとも１つの磁気感受性部品（１５）が中に置かれるエアギャップを画定する２つの強磁性リング（６、７）を含む第２の磁気構造からなる、特にステアリングコラムのねじれを検出するための位置センサであって、２つの磁気構造は、相対回転する２つの部分とそれぞれ一体であり、２つの強磁性リング（６、７）は、重なり合っており、かつフラックス閉鎖領域（１３、１４）によって連結された、軸方向に向けられた歯（１１、１２）を形成するほぼ管状の部分を各々が有し、検出エアギャップは、前記フラックス閉鎖領域によって範囲を定められることを特徴とする位置センサに関する。

Description

【０００１】
本発明は、位置センサの分野に関し、また特にステアリングコラムのねじれを測定するための位置センサ関するが、この用途は唯一のものではない。
【０００２】
技術的背景において、互い違いの方向に半径方向に磁気を帯びた多極磁石に相対して置かれた、２段にわたる半径方向の歯を形成する強磁性部材からなる固定子部分を有する、技術的背景のセンサを記載した米国特許ＵＳ４９８４４７４が知られている。
【０００３】
追加強磁性部材は、固定子部分に相対して置かれ、かつホールプローブが中に配置されるエアギャップを有する。
【０００４】
先行技術のこの解決策は、固定子部分及びホールプローブを含む部分の間の磁気信号損失に行き着くので、満足のいくものではない。その上、磁石によって発生された磁場は、センサの構造による損失を引き起こす。
【０００５】
固定子部分の半径方向の歯と協働する、軸方向に向けられた複数の磁石を有する部分からなる、もう一つの位置センサを記載している米国特許ＵＳ４７８４００２に記載されたセンサも同様に、技術的背景において知られている。
【０００６】
この構造も同様に、磁気漏れ及び効率減少に行き着き、平凡な「信号対雑音」比となって現れる。
【０００７】
本発明の目的は、信号対雑音比がより良い、改良された位置センサを提供して、これらの不都合を直すことである。
【０００８】
本発明のもう一つの目的は、半径方向の必要寸法を減少させることである。
【０００９】
このために、本発明は、その最も一般的な意味により、半径方向に磁気を帯びた複数の磁石を含む第１の磁気構造、及び複数の歯を有し、かつ少なくとも１つの磁気感受性部品が中に置かれるエアギャップを画定する２つの強磁性リングを含む第２の磁気構造からなる、特にステアリングコラムのねじれを検出するための位置センサであって、２つの磁気構造は、相対回転する２つの部分とそれぞれ一体であり、２つの強磁性リングは、重なり合っており、かつ横フラックス閉鎖領域によって連結された、軸方向に向けられた歯を形成するほぼ管状の部分を各々が有し、検出エアギャップは、前記フラックス閉鎖領域によって範囲を定められることを特徴とする位置センサに関する。
【００１０】
好適には、第１の磁気構造は、ほぼ半径方向に磁気を帯びた薄い磁石が同一の方向で収容された、複数の接線溝を有する、強磁性管状シリンダヘッドからなる。
【００１１】
好ましい実施態様によれば、歯の高さは、磁石の高さにほぼ相当する。
【００１２】
応用例によれば、第１及び第２の磁気構造は、磁気感受性部品に対して可動性である。
【００１３】
特殊な実施態様によれば、位置センサはＮ個の磁気感受性部品を備え、Ｎは、移動が前記センサによって制御される、ブラシのない直流電動機の位相数に相当する。
【００１４】
第１の実施態様によれば、リングは、円板フラックス閉鎖領域を有する。
【００１５】
第２の実施態様によれば、リングは、半円環状フラックス閉鎖領域を有する。
【００１６】
第３の実施態様によれば、リングは、複数の歯を形成するために切り取られたフラックス閉鎖領域を有する。
【００１７】
もう一つの実施態様によれば、リングは、３６０°にわたって伸長するフラックス閉鎖領域を有する。
【００１８】
もう一つの応用例によれば、リングは、磁気感受性部品の大きさにほぼ相当する角セクタに対して伸長するフラックス閉鎖領域を有する。
【００１９】
本発明は同様に、弾性試験片によって連結された２つの回転部分、及び前記回転部分とそれぞれ一体の２つの部分を含む位置センサを含むねじれセンサであって、位置センサは、半径方向に磁気を帯びた複数の磁石を含む第１の磁気構造、及び複数の歯を有し、かつ少なくとも１つの磁気感受性部品が中に置かれるエアギャップを画定する２つの強磁性リングを含む第２の磁気構造からなり、２つの磁気構造は、相対回転する２つの部分とそれぞれ一体であり、２つの強磁性リングは、重なり合っており、かつ横フラックス閉鎖領域によって連結された軸方向に向けられた歯を形成するほぼ管状の部分を各々が有し、検出エアギャップは、前記フラックス閉鎖領域によって範囲を定められることを特徴とするねじれセンサに関する。
【００２０】
本発明は、限定的でない実施例に関する添付図面を参照して、これに続く記載を読めばより良く理解されるであろう。
【００２１】
本発明の対象は、弱い感度というこれらの問題を直すことであり、かつ例えばステアリングコラムのトルクセンサのような用途において１０°未満であるか、近い角度を測定するための接触をしない位置センサに関する（信号は、次にハンドル操作を補助するために利用される）。以下において記載される角位置センサは、ねじり棒によって連結された２つの軸の間の非常に小さな角変位（数度）を測定するためのものである。トルク測定のこのような応用は、図１に記載されている。このねじり棒の線形変形の分野で、この角変位（α１−α２）は、弾力性を有して変形可能な試験片（２）によって連結された２つの軸（１）（３）の間に加えられたトルクに比例する。センサによるこの角変位の測定は、加えられるトルクに比例するような磁気感受性部品の出力で、電気信号を発することを可能にすることとなる。ステアリングコラムのトルクセンサの場合、センサ（４）は、自動車の居住空間の構成部材に対する２つの回転軸の間の角変位の測定を更に可能にせねばならない。すなわち、α_１及びα_２は、３６０°を越え得る角度であるということである（ステアリングコラムは、数回転させることができる）。従って、ねじり棒（２）が変形するとき、角度の測定は、２つの軸（１）（３）の間で行わねばならず、２つの軸の各々は、数回転にわたって回転自在である。この用途における典型的なねじれ作業角度は、＋／−２°〜最大＋／−４°である。従って問題は、一方では非常に高感度な位置センサを、かつ他方では磁気感受性部品が居住空間構成部材に対して一定であることを可能にするシステムを提供することにあることが判る。
【００２２】
図２は、本発明によるセンサの第１の実施例の分解組立図を示す。
【００２３】
それは、第１の磁気構造（５）及び重なり合った２つのリング（６、７）によって形成される第２の磁気構造からなる。２つの磁気構造は、管状の全体形状を有し、かつ同軸である。
【００２４】
第１の磁気構造（５）は、半径方向に、又は磁石の中心を通る半径方向と平行な方向に沿って、磁気を帯びた複数の薄い磁石（９）を収容するためのくぼみを有する管状形のシリンダヘッド（８）から形成される。
【００２５】
これらの磁石は、磁石の厚さの０．２〜０．９倍を有するくぼみに嵌め込まれる。
【００２６】
磁石は、シリンダヘッドの角セクタ（１０）によって分離される。
【００２７】
第２の構造は、軸方向に伸長し、かつ反対側のリングの歯の重なり合いを可能にする、空き間隔によって分離される歯（１１、１２）を有する２つの強磁性リング（６、７）から形成される。
【００２８】
歯は、歯の主要方向と垂直な横面において全体として伸長するそれぞれフラックス閉鎖領域（１３、１４）に続く。
【００２９】
これら２つのフラックス閉鎖領域は、磁気感受性部品（１５）が中に位置決めされる環状エアギャップ（１６）の範囲を定める。
【００３０】
図３は、中央のくぼみに収容されるようになる第１の構造なしに組み立てられた第２の構造の図を示し、かつ図４は、前記センサの詳細断面図を示す。
【００３１】
第１の構造は、Ｎ個の磁石（９）を備え、第２の構造の各リングは、Ｎ個の歯を有する。磁気感受性部品（１５）、例えばプログラム可能なホール効果を有するプローブは、居住空間に相当する固定構成部材に対して一定である。それは、２つの小皿が数回回転することを可能にするように、かつ各々がＮ個の歯のフラックスを集める２つの強磁性コレクタ（１３）（１４）の間のエアギャップ（１６）内に置かれる。
【００３２】
各構造は、居住空間構成部材に対して回転し、かつ回転エアギャップ（１６）内で数百ガウスのフラックス変化となって現れることとなる、加えられるトルクに応じて互いに数度の差動運動を有する。従って、ホールプローブ（１５）から生じたアナログ信号は、一方では固定子（６、７）を、かつ他方では回転子（５）を支持する２つの軸の間に加えられたトルクの電気画像を提供する。
【００３３】
ステアリングコラムのトルクセンサの場合、トルクの情報は、一般的にブラシのない直流電動機（ＢＬＤＣ）タイプの電動機を運転するために利用される。この電動機の作用は、ステアリングコラムの位置に比例する位置に沿って、トルクセンサによって検出されるトルクに比例するトルクを提供して、ハンドル操作の電気補助を提供することとなる。このような電動機は、電極角度１２０°に分けられる「位相」と呼ばれる３つのコイルを一般的に有する。これら三相の電動機の回転は、ステアリングコラムの位置に比例する位置に沿って、トルクセンサによって提供されるトルクと比例する振幅の３つの正弦曲線信号を発生させることとなる調整器によって確実に行われる。一般的にこれら２つのトルク及び位置の情報は、２つの異なるセンサに由来する。
【００３４】
図５に記載された発明によれば、磁気コレクタ（１３）（１４）が歯を有し、かつ３６０°にわたってＤ個の歯（１９、２０）を有することが可能である。従って図５のエアギャップ（１６）内に置かれた磁気感受性部品（１５）は、Ｄに、かつ一定の居住空間構成部材に対して回転する（但し回転子（６）（７）に対して固定子である）「固定子」部分（５）の位置に比例し、かつ（５）及び（６）（７）の間に及ぼされるトルクと同じく比例する周期の、互い違いの磁場を受ける。
【００３５】
エアギャップ（１６）内に、１２０°の電気周期に等しい１極ピッチだけ間隔を開けられた３つの磁気感受性部品（２１、２２、２３）を置く場合、振幅がステアリングコラムに及ぼされるトルクに比例し、かつステアリングコラムの位置の情報を同時に与える、図６に記載した３つの正弦曲線が、これら３つの磁気感受性部品の出力で得られる。
【００３６】
電動機ＢＬＤＣにしばしば結び付けられる減速比Ｒに応じて歯の数Ｄが適切に選択される場合、これら２つの組み合わされた情報は、トランジスタ出力の段を通して電動機ＢＬＤＣを運転するために直接使用され得る。
【００３７】
図７は、リングが、大きさがホールプローブ（１５）の大きさにほぼ相当する、減少した角セクタ（３０、３１）を有する減少した２つのフラックス閉鎖領域を有するもう一つの実施応用例を示す。
【００３８】
以上に記載した原理は、ステアリングコラムのトルクセンサの用途に限定されず、ブレーキ又はアクセルペダルセンサの用途のような非常に小さな角度の測定に応用され得る。実際、２つの強磁性コレクタ（１３）（１４）が３６０°にわたって広がらず、図７に示すように数十度に限定されることが想像できる。
【００３９】
図８は、センサの横断面図を示す。
【００４０】
図９に紹介した構造の応用例は、２つの固定部品（３４、３５）の間に検出エアギャップ（１６）を作る目的で展開された。
【００４１】
以前の図に示された構造と同様に、誘導変化は、第１の磁気構造、すなわち回転子（５）、及びこの場合歯を有する部材（３２、３３）である、重ね合わされた２つの磁気構造の間の角位相差によって歯（１１，１２）において生じる。磁気回路は、機械的遊び（４１）によって磁気構造（３２、３３）から分離される固定部品（３４、３５）が次に続く。例えば、この応用例ではリング（６、７）は、このように歯を有する２つの可動部材（３２、３３）、及び２つの固定部品（３４、３５）からなる。
【００４２】
２つの固定部品（３４、３５）は、歯を有する部材（３２、３３）を完全（３６０°の角度）又は部分的に囲む２つのフラックス統合領域（３６、３７）、及び磁気感受性部品（１５、４０）が挿入される検出エアギャップ（１６）を生じる２つの磁気フラックス集信機（３８、３９）から構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ステアリングコラムの略図を示す。
【図２】
センサの第１の実施例の分解組立図を示す。
【図３】
前記センサの第２の構造の図を示す。
【図４】
センサの拡大部分断面図を示す。
【図５】
第２の実施形の分解組立図を示す。
【図６】
図５によるセンサの応答曲線を示す。
【図７】
もう一つの実施応用例を示す（固定プローブ及び固定固定子）。
【図８】
横断面図を示す。
【図９】
検出エアギャップが２つの固定部品の間に位置する、本発明の実施応用例を示す。

Claims (13)

1. 複数の磁石を含む第１の磁気構造、及び複数の歯（１１、１２）を有し、かつ少なくとも１つの磁気感受性部品（１５）が中に置かれるエアギャップ（１６）を画定する２つの強磁性リング（６、７）を含む第２の磁気構造からなる、特にステアリングコラムのねじれを検出するための位置センサであって、２つの磁気構造は、相対回転する２つの部分とそれぞれ一体であり、２つの強磁性リング（６、７）は、重なり合っており、かつフラックス閉鎖領域（１３、１４）によって連結された、軸方向に向けられた歯（１１、１２）を形成するほぼ管状の部分を各々が有し、検出エアギャップ（１６）は、前記フラックス閉鎖領域によって範囲を定められることを特徴とする位置センサ。
2. 第１の磁気構造は、［半径方向に磁気を帯びた瓦形状の磁石の形にせよ、主要面の平面に垂直な方向に沿って、かつ従って考察される磁石の中心を通る半径方向と平行に、磁気を帯びた平行六面体の磁石の形にせよ］ほぼ半径方向に磁気を帯びた薄い磁石が同一の方向で収容された、複数の接線溝を有する、強磁性管状シリンダヘッドからなることを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
3. 歯の高さは、磁石の高さにほぼ相当することを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
4. 少なくとも１つの磁気構造は、磁気感受性部品に対して可動性であることを特徴とする請求項１から３の少なくとも１つに記載の位置センサ。
5. Ｎ個の磁気感受性部品を備え、Ｎは、移動が前記センサによって制御される、ブラシのない直流電動機の位相数に相当することを特徴とする請求項１から４の少なくとも１つに記載の位置センサ。
6. リングは、横円板形状のフラックス閉鎖領域を有することを特徴とする請求項１から５の少なくとも１つに記載の位置センサ。
7. リングは、半円環形状のフラックス閉鎖領域を有することを特徴とする請求項１から５の少なくとも１つに記載の位置センサ。
8. リングは、管状形状のフラックス閉鎖領域を有することを特徴とする請求項１から５の少なくとも１つに記載の位置センサ。
9. リングは、複数の歯を形成するために切り取られたフラックス閉鎖領域を有することを特徴とする請求項１から５の少なくとも１つに記載の位置センサ。
10. リングは、３６０°にわたって伸長するフラックス閉鎖領域を有することを特徴とする請求項１から９の少なくとも１つに記載の位置センサ。
11. リングは、磁気感受性部品の大きさにほぼ相当する角セクタに対して伸長するフラックス閉鎖領域を有することを特徴とする請求項１から９の少なくとも１つに記載の位置センサ。
12. リング（６、７）は、歯を有する２つの可動部材（３２、３３）及び２つの固定部品（３４、３５）からなることを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
13. 弾性試験片によって連結された２つの回転部分、及び前記回転部分とそれぞれ一体の２つの部分を含む位置センサを含むねじれセンサであって、位置センサは、半径方向に磁気を帯びた複数の磁石を含む第１の磁気構造、及び複数の歯を有し、かつ少なくとも１つの磁気感受性部品が中に置かれるエアギャップを画定する２つの強磁性リングを含む第２の磁気構造からなり、２つの磁気構造は、相対回転する２つの部分とそれぞれ一体であり、２つの強磁性リングは、重なり合っており、かつ横フラックス閉鎖領域によって連結された、軸方向に向けられた歯を形成するほぼ管状の部分を各々が有し、検出エアギャップは、前記フラックス閉鎖領域によって範囲を定められることを特徴とするねじれセンサ。

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