JP2009192535A

JP2009192535A - ねじれ角検出装置

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Publication number: JP2009192535A
Application number: JP2009028223A
Authority: JP
Inventors: Dirk Raschke; ラシュケディルク; Armin Schmidbauer; シュミットバウアーアルミン
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2009-08-27
Also published as: CN101508310A; ATE471267T1; DE102008008835A1; EP2090497B1; US20090224500A1; DE102008008835B4; EP2090497A1; DE502008000797D1

Abstract

【課題】２本の半軸相互の相対的なねじれ角を測定するセンサを供与する。
【解決手段】各１つのロータ（１；２）を備えた相対回動可能な２つの自動車構成部材が、それぞれ２段式の遊星歯車伝動装置段の外側歯列（１ａ；２ａ）に固着結合されており、遊星歯車伝動装置段の内側歯列（３ａ；８ａ）を備えた外側に位置する２つのホイール（ケーシング３；ねじれ表示器８）が、相対的なねじれ角を機械的に表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの自動車構成部材の相対的なねじれ角を検出するための装置であって、特に分割されたステアリングコラムにおいて引き続きトルクを検出する場合に使用するためのものに関する。本発明は更に、特にトーションバーを備えた、分割されたステアリングコラムのためのトルクセンサ、トーションバー及びトルクセンサを備えた、分割されたステアリングコラム、並びにトーションバー及びトルクセンサと一緒に分割されたステアリングコラムを備えた自動車に関する。

本発明は、トーションバー及びトルクセンサを備えた、従来技術において公知の分割されたステアリングコラムから出発する。特に刊行物ＤＥ１０２００６０５５０４９Ｃ（Ｃｈｅｒｒｙ）及びＤＥ１０１５２７０４Ａ（Ｍｅｒｃｅｄｅｓ）に、前記のようなステアリングコラム及びトルクセンサが記載されている。

従来技術では、特に種々様々な複合センサが公知である。つまり、本発明と同一の出願人Ｃｈｅｒｒｙの前掲の特許文献ＤＥ１０２００６０５５０４９Ｃに記載の操舵角及びトルク複合センサは、渦電流減衰による誘導ベースで、２つの絶対的な角度測定信号を３６０°の角度範囲にわたって生ぜしめる。このためには、ステアリングコラムは一般にトーションエレメントを介して、入力軸と、この入力軸に対して相対的にねじれ可能な出力軸とに分割されている。入力軸の端部（突き合わせ箇所の近傍）には第１の減衰ロータが配置されているのに対して、出力軸の端部には第２の減衰ロータが配置されている。３６０°の角度範囲全体に複数の平形コイルが装着され且つケーシングに固定的に配置された支持体が、分割されたステアリングコラムにより直角に貫通されている。前記２つの減衰ロータは、渦電流減衰用の各１つの受動的な作動部材を支持しており、これらの作動部材は、それぞれ場所選択的に（即ち周期的に反復される構造又はコードトラック無しで）支持体の平形コイルに作用する。これらの平形コイルの信号から、前記の２つの絶対的な角度測定信号が求められ、これに基づき（和差形成により）操舵角及びトルクが規定され得る。

しばしば要求される冗長性は、当該技術においては極めて容易に（別の測定平面内に平形コイルを備えた）別のセンサ支持体及び（前記の別の測定平面内に別の場所選択的な作動部材を備えた）同じ減衰ロータによって得られる。

ＤＥ３７３８６０７：
遊星歯車伝動装置が、太陽歯車を備えた駆動軸、前記太陽歯車に噛み合った少なくとも１つの遊星歯車、この遊星歯車に噛み合う定置の中空ホイール、遊星歯車を支持する遊星歯車支持体及びこの遊星歯車支持体に結合された出力軸を有している。前記遊星歯車及び中空ホイールは、それぞれ２つの別個の互いに同軸的な構成部材から成っており、この場合、中空ホイールの一方の構成部材は、該中空ホイールの他方の構成部材に対して相対的に回動可能且つ固定可能である。

ＤＥ２６０６７２４：
通常監視しようとする回転部材と一緒に回転するフライホイールを備えた、監視しようとする回転部材の、予め規定された減速値又は加速値の超過を表示するための減速度センサ及び／又は加速度センサであって、前記フライホイールが、予め規定された加速値及び／又は減速値の超過時に、前記回転部材に対して所定の範囲で制限されて回動するようになっており、この場合、この相対回動が、フライホイールに配置された信号発生装置を介して信号を発動するようになっており、前記フライホイールに、このフライホイールに可動に配置された連行装置が配置されており、この連行装置は、通常状態では監視しようとする部材及びフライホイールと一緒に回転するが、フライホイールに関しては制御可能なトルクに抗して回転可能である。

ＤＥ１０２００５０１１１９６：
差角若しく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、該センサ装置に少なくとも１つの磁界感知センサ素子が設けられており、この磁界感知センサ素子により、トーションバーに作用するトルクに基づき前記センサ素子に対して相対回動可能な磁気回路の磁界情報を評価することができる。複数の磁束リングが設けられており、これらの磁束リングは軸方向に延在する、互いに噛み合わない歯を有しており、これらの歯で以て、磁極ホイールとセンサ素子との間の磁束に影響を及ぼすことが可能である。前記磁束リングは、センサ素子及び磁極ホイールが、比較的小さな直径上に位置する内側の磁束リングと比較的大きな直径上に位置する外側の磁束リングとの間に位置するように形成されている。

ＤＥ１０２００５０１０９０９：
この刊行物は、軸の回転角及びこの軸に加えられた力を測定するための力及び角度センサに関する。この場合、前記軸が通っているケーシングには、このケーシングに関して相対回動不能に主要プリント配線板が配置されており、この主要プリント配線板は、前記軸が通る中心開口を有しており、主要プリント配線板の一方の側では、回転角測定用の第１のプリント配線板が、前記軸に相対回動不能に配置されており且つ該軸の通る中心開口を有しており、前記主要プリント配線板の他方の側では、前記軸に相対回動不能に結合された、力測定用の第２のプリント配線板が配置されており且つ前記軸の通る中心開口を有している。第２のプリント配線板は、所定の第２の場所において前記軸と相対回動不能に結合されており、前記第２の場所は、第１のプリント配線板が前記軸と相対回動不能に結合された第１の場所から所定の間隔をあけて隔てられている。主要プリント配線板と第１のプリント配線板の互いに面した面及び主要プリント配線板と第２のプリント配線板の互いに面した面には、それぞれ対向位置して回転角若しくは力を測定するための複数の電極が、主要プリント配線板に関する第１のプリント配線板のねじれを容量測定するため若しくは第１のプリント配線板に関する第２のプリント配線板のねじれを測定するために配置されている。

ＤＥ１０２００４０２７９５４：
例えばステアリングコラムに設けられた、特にねじれ角を測定するための誘電型の角度センサであって、
‐少なくとも１つの励起素子と少なくとも１つの第１の感知素子とを有するステータ、
‐第１のロータ、
‐少なくとも１つの誘電型結合素子を有する第２のロータ及びねじれ部材が設けられており、該ねじれ部材に、前記第１のロータと第２のロータとが互いに間隔をおいて配置されている。

ＤＥ２９５１１４８：
静止軸又は回転軸における回転角及び／又はトルクを無接触式で静的又は動的に検出するための測定装置であって、
‐前記軸に対して同軸的に配置された、導電性の非磁性材料から成る２つのボデーが用いられ、これらのボデーのうちの一方は前記軸に相対回動不能に結合されており且つ他方は前記軸に対して回動可能であり、
‐高周波の交流が流れる同軸コイルが、前記両ボデーのすぐ近くに配置されており、
‐前記両ボデーが、共通の重なり面が両ボデー間に生じるねじれ角の増大に伴って変化する部分をそれぞれ有しており、これにより、前記両ボデーに誘起された渦電流により発生するコイルのインピーダンス変化を測定することにより、両ボデーの相対的なねじれが検出可能であるということを特徴とする。

ＤＥ１０１５２７０４：
この刊行物は、以下のエレメント、即ち：
‐ステアリングコラムに相対回動不能に結合されたステアリングホイール、
‐ラックに噛み合うステアリングピニオン、
‐電気的な重畳駆動装置を備えた第２の入力部を有する、入力側でステアリングコラムに結合され且つ出力側でステアリングピニオンに結合された重畳伝動装置、
‐入力信号に関連して前記の電気的な重畳駆動装置を制御するために設けられた電子制御装置、
‐更に、前記電子制御装置により制御され且つステアリングピニオン又はラックに作用するサーボ駆動装置を有する自動車ステアリングに関する。

ステアリングホイールとステアリングピニオンとの間には、制御用のトルク入力信号を供給する、トーションバーを備えたトルクセンサが設けられている。これにより、ステアリングホイールに対するフィードバック無しのステア・バイ・ワイヤ機能を実施することができる。公知のステアリングコラムに設けられた重畳伝動装置は、ステアリングホイール側に太陽歯車を備えており、ステアリングピニオン側に複数の遊星歯車及び１つの星形歯車を備えた遊星歯車伝動装置である。ステアリングピニオンにおいて独立制御されるサーボ作用は、ステアリングホイールの方向に向けて補整することができる。前記遊星歯車伝動装置は、ステアリングを運転者にとってより直接的にする（駐車時）か、又は間接的にする（直進走行時）。前記トルクセンサは別の位置に位置しており、重畳伝動装置とは無関係である。

別の従来技術としては、ステアリングモーメントを検出するための抵抗線ひずみゲージ又はサウンドシステムが更に挙げられる。

ＤＥ１０２００６０５５０４９ＣＤＥ１０１５２７０４ＡＤＥ３７３８６０７ＤＥ２６０６７２４ＤＥ１０２００５０１１１９６ＤＥ１０２００５０１０９０９ＤＥ１０２００４０２７９５４ＤＥ２９５１１４８ＤＥ１０１５２７０４

本発明の課題は、２本の半軸相互の相対的なねじれ角を測定するセンサを供与することである。

この課題を解決するために本発明では、２段式の遊星歯車伝動装置が設けられており、該遊星歯車伝動装置の段が、それぞれ１つの共通の遊星歯車支持体により結合されており且つ同じ伝達比を有しており、当該遊星歯車伝動装置の各段に、相対回動可能な２つの自動車構成部材が１つずつ対応配置されており、
‐各１つのロータを備えた前記自動車構成部材が、それぞれ前記遊星歯車伝動装置段の外側歯列に固着結合されており、
‐遊星歯車伝動装置段の内側歯列を備えた外側に位置する２つのホイール（ケーシング；ねじれ表示器）が、相対的なねじれ角を機械的に表示するようにした。

前記センサは有利には、但し非排他的に、半軸間に伝達されるトルクをトーションバーを介して検出するために使用される。角度センサ及びトルクセンサは、同時に高い解析度を有し、精密に作動し、マルチターン能があり且つ製作が廉価であることが望ましい。マルチターン能力を得るためには、コイルばねを省く必要がある。この場合、構成空間は小さくなければならず、特に直径は９０ｍｍを著しく下回らねばならない。

機械的な遊星歯車伝動装置であって、該遊星歯車伝動装置の電気的なセンサは任意に選択可能であり且つ高い解析能で以て精密に作動するにもかかわらず、廉価に製作され得る。前記伝動装置は、純粋に機械的に２つの回転運動間の差角を求め、この差角を単一の表示リングに送る。次いでこの表示リングを介して、前記差動が差角の時間的推移として測定され得る。

本発明による角度センサ及びトルクセンサは、トルクを精密に検出可能な遊星歯車伝動装置である。遊星歯車伝動装置は従来、例えばサーボステアリングに用いられることが公知である。本発明による２段式の遊星歯車伝動装置は、例えばステアリング、サーボステアリング、電動モータ等の、第１にねじれ角を検出し且つ二次的にトルクを検出する必要のあるところではどこでも使用される。

「２段式の遊星歯車伝動装置」とは、本発明では、２つの１段の遊星歯車伝動装置が、これらの遊星歯車伝動装置の遊星歯車支持体を介して結合されていると理解される。つまり、この遊星歯車支持体は、２セットの遊星歯車のための１つの共通の遊星歯車支持体である。この場合、第１の遊星歯車伝動装置は、
‐中空ホイールとして働く、内側歯列を備えたケーシング３、
‐遊星歯車支持体の下部平面に回転可能に支承された、１つ又は複数の遊星歯車の第１セット及び
‐外側歯列を備えた、内部に位置する第１のロータ１から構成されている。

第２の遊星歯車伝動装置は、
‐中空ホイールとして働く、内側歯列を備えたねじれ表示器、
‐遊星歯車支持体の上部平面に回転可能に支承された、１つ又は複数の遊星歯車の第２セット及び
‐外側歯列を備えた、内部に位置する第２のロータ２から構成されている。

前記２つの遊星歯車伝動装置は共通の遊星歯車支持体を介して結合されている、つまり、下側の遊星歯車セットと上側の遊星歯車セットとは、ステアリングコラムの軸に対して一緒に相対回動するしかない。運転中、前記ロータ１はステアリングコラムの下半分と相対回動不能に結合されているのに対して、前記ロータ２はステアリングコラムの上半分と相対回動不能に結合されている。分割されたステアリングコラムの対向位置する端部自体はそれぞれトーションバーを介して結合されていてよいので、前記ロータ１，２の相対的なねじれが測定しようとするねじれ角であり、このねじれ角は、場合によってはトーションバーの弾性的な特性により、所望のトルクに換算され得る。

確認すべきは、中空ホイールを成すケーシングは、ステアリングコラム又は車両に対して相対的に定置で又は相対回動不能に取り付けることができるが、必須ではない。差角を精密に表示するという２段式の遊星歯車伝動装置の特性は、前記ケーシングの可能な構成形態により影響を及ぼされるものではない。

歯数の比率は自由に選択可能である。但し重要なのは、遊星歯車伝動装置の２つの段が同じ伝達比を有していることである。

使用される歯車のモジュールも選択可能である。但し、このモジュールは両段において必ずしも同じである必要はない。

本発明による差角又はねじれ角検出装置の構成部材を軸方向で分解して示した斜視図である。図１に示したねじれ角測定装置を組み立てた形で示した斜視図であって、当該装置は２つの軸突合わせ部の分離箇所、例えばトーションバーを備えた、分割された自動車ステアリングコラムに取付け可能である。図１及び図２に示した本発明によるねじれ角測定装置を、例えば自動車のステアリングコラムに取り付けられたトルクセンサとして用いた図である。

以下に、本発明の実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１及び図２には、ステアリングコラムの下側部分と一緒に回転するロータ１及びステアリングコラムの上側部分と一緒に回転するロータ２が示されている。分割されたステアリングコラムは図２において、トーションバー（図示せず）の高さで当該の図２に示したトルクセンサを貫通していると考えられる。この適用は図３において詳細に示されている。

ケーシング３及びケーシングカバー４は、トルクセンサを収容し且つこのトルクセンサを保護する。ケーシング３は内側歯列３ａを有しており、これにより下部遊星歯車伝動装置の中空ホイール３，３ａとして働く。外側歯列１ａを支持する下部ロータ１と、前記中空ホイール３，３ａとの間には、例えば４つの遊星歯車６のセットが位置している。これらの遊星歯車６は、ロータ１とケーシング３とが相対的に回転すると、それぞれ遊星歯車軸７を中心として回転する。

上部遊星歯車伝動装置段についても同様の考察及び構成が当てはまる。ねじれ表示器８は内側歯列８ａを有しており、上部ロータ２は外側歯列２ａを有している。これらの歯列８ａ，２ａ間には例えば４つの遊星歯車９のセットが位置しており、これらの遊星歯車９は、それぞれ有利には前記遊星歯車軸７上に位置する遊星歯車軸を中心として回転する。つまり、上部ロータ２及びねじれ表示器８も、相対的に回転する。

小型の前記遊星歯車軸７は、それぞれ遊星歯車支持体１０に保持される。本発明を理解するための鍵は、全ての遊星歯車６，９が前記遊星歯車支持体１０を共有している点にある。これにより、遊星歯車伝動装置の２つの段は、以下の回転角度表示器及びトルク表示器の簡単な例に示されるように結合される。

１．ロータ１は定置である；遊星歯車支持体１０はロックされている；上側の遊星歯車９はロータ２の回転に基づき回転する；この場合、これらの遊星歯車９及びロータ２は、ねじれ表示器８を運動させる；ねじれ表示器８に設けられた磁石１１が、係止されたプリント配線板１３に収納されたホールセンサ１２を擦過する。

２．逆のケースではロータ２が定置である；しかし今、遊星歯車支持体１０はロックされていない；ロータ１の相対運動に基づき、下側の遊星歯車６は中空ホイール３に沿って転動し且つ遊星歯車支持体１０を運動させる；遊星歯車支持体１０は、遊星歯車９（及び定置のロータ２）を介してねじれ表示器８を運動させる；ねじれ表示器８は、例えばホールセンサ１２を擦過する磁石１１等を支持する。

一般に、ロータ１もロータ２も定置ではない、つまり規定された使用においては両ロータが運動する。但しこの場合も、両ロータの相対的なねじれ角が測定される。絶対的な角度位置は、ステアリングコラムに伝達されるトルクにしか興味がない限り、重要ではない。（ケーシングに不動に係止されたプリント配線板１３に対して相対的な）ねじれ表示器８の角度は、いずれにしろ所望のトルクを表す。

この非局所依存性は、ステアリングコラム（又は比較可能な軸）の回転運動中に、１回転内の任意の角度位置でトルクを測定することができるようにもする。一定のモーメントを有する回転運動は、出力信号を変化させない。これに対応して、モーメント無しの回転運動も、出力信号に影響は及ぼさない。

本来の差角センサ用には、例えばホールセンサ、光学センサ、インクリメンタルセンサ、誘導型センサ等の、あらゆる任意のセンサを使用することができる。電気的なセンサ出力信号は、ねじれ角及びトルクと、主に規定された比例関係にある。所属の電子機器において、トルクは較正に基づき求められる。

ねじれ角に関する測定範囲は、遊星歯車伝動装置を用いて約＋／−２５度である。ホールセンサに関しては、ジオメトリに基づき＋／−１５度の測定範囲が有効である。

本発明の別の特徴は、製作誤差補償ばね１４にある。この製作誤差補償ばね１４は、ロータ１，２の最小回動を確実且つ迅速に表示するために用いられる。当該の製作誤差補償ばね１４により、比較的大きな製作誤差を有する歯車を使用することも可能である。つまり、個々の歯車間の比較的大きな遊びを補償することができる。比較的大きな製作誤差にもかかわらず、精密に作動すると同時にコストも節約する遊星歯車伝動装置が得られる。

ピン５は、顧客のところで組み立てる前の、２段式遊星歯車伝動装置の回転防止１６に役立つ。前記ばね１４（製作誤差補償若しくは遊び補償）により、遊星歯車伝動装置には―極めて小さくとも―所定のトルクが印加される。このトルクは、遊星歯車伝動装置が例えばステアリングシャフトに既に取り付けられて位置固定されていない限り、当該伝動装置を回動させる。この場合、顧客のところでは、大きな手間をかけないと取り付けることができない恐れがある。ピン５を介した回転防止部１６は、前記伝動装置を適用装置のねじれ可能な軸突き合わせ部に取り付けるまで、ロックしようとするものである。取付け後にピン５は、保護された装置のユーザのところで引き抜く必要がある。図３には、本発明による測定装置が取り付けられた、自動車の分割されたステアリングコラムが示されている。外側から見えているのはケーシング３及びケーシングカバー４である。ピン５はまだ引き抜かれていないので、回転防止部１６（図１）は未だ解除されていない。取付け方向は図３に示した方向とは逆であってもよいので、ケーシング３及びケーシングカバー４が別様に取り付けられているか、若しくは下部ロータ１が上部に位置しており且つ上部ロータ２が下部に位置していてよい。

１下部ロータ、１ａ外側歯列、２上部ロータ、２ａ外側歯列、３ケーシング、３ａ内側歯列、４ケーシングカバー、５ピン、６遊星歯車、７遊星歯車軸、８ねじれ表示器、８ａ内側歯列、９遊星歯車、１０遊星歯車支持体、１１磁石、１２ホールセンサ、１３プリント配線板、１４製作誤差補償ばね、１６回転防止部

Claims

２つの自動車構成部材の相対的なねじれ角を検出するための装置において、
２段式の遊星歯車伝動装置が設けられており、該遊星歯車伝動装置の段が、それぞれ１つの共通の遊星歯車支持体（１０）により結合されており且つ同じ伝達比を有しており、
当該遊星歯車伝動装置の各段に、相対回動可能な２つの自動車構成部材が１つずつ対応配置されており、
‐各１つのロータ（１；２）を備えた前記自動車構成部材が、それぞれ前記遊星歯車伝動装置段の外側歯列（１ａ；２ａ）に固着結合されており、
‐遊星歯車伝動装置段の内側歯列（３ａ；８ａ）を備えた外側に位置する２つのホイール（ケーシング３；ねじれ表示器８）が、相対的なねじれ角を機械的に表示することを特徴とする、ねじれ角検出装置。
内側歯列（８ａ）を備えた表示リング若しくはねじれ表示器（８）が設けられており、該表示リング若しくはねじれ表示器が、遊星歯車伝動装置の中空ホイールとして働き且つ遊星歯車伝動装置の２つのロータ（１，２）の差角を表示し、このためにケーシング（３）又はケーシングカバー（４）に回転可能に支承されている、請求項１記載の装置。
内側歯列（３ａ）を備えたケーシング（３）が設けられており、該ケーシングが遊星歯車伝動装置の中空ホイールとして働く、請求項１又は２記載の装置。
１つ又は複数の遊星歯車（６，９）から成る２つの遊星歯車セットが設けられており、これらの遊星歯車セットが共通の遊星歯車支持体（１０）に回転可能に支承されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
回路支持体（プリント配線板１３）が設けられており、該回路支持体がケーシング（３）又はケーシングカバー（４）に定置で配置されており、当該回路支持体により支持されたセンサ（例えばホールセンサ１２）によって、ねじれ表示器（８）の角度位置を規定し、該ねじれ表示器自体は適当なピックアップ（例えば磁石１１）を支持している、請求項２から４までのいずれか１項記載の装置。
遊星歯車伝動装置の歯車（例えば遊星歯車６，９）の製作誤差を補償するための製作誤差補償ばね（１４）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
前記製作誤差補償ばね（１４）がケーシング（３）に固定されている、請求項６記載の装置。
トルクセンサであって、２段式の遊星歯車伝動装置が設けられており、該遊星歯車伝動装置では、段がそれぞれ１つの共通の遊星歯車支持体（１０）により結合されており、当該遊星歯車伝動装置の２つの段が同じ伝達比を有していることを特徴とする、トルクセンサ。
請求項２から７までのいずれか１項記載の構成を有する装置が設けられた、請求項８記載のトルクセンサ。
トーションバー及びトルクセンサを備えた、分割されたステアリングコラムであって、該ステアリングコラムの分割箇所に２段式の遊星歯車伝動装置が設けられており、該遊星歯車伝動装置の段が、それぞれ１つの共通の遊星歯車支持体（１０）により結合されており、当該遊星歯車伝動装置の２つの段が同じ伝達比を有していることを特徴とする、トーションバー及びトルクセンサを備えた、分割されたステアリングコラム。
請求項２から７までのいずれか１項記載の構成を有する装置が設けられた、請求項１０記載の分割されたステアリングコラム。
トーションバー及びトルクセンサと一緒に分割されたステアリングコラムを備えた自動車であって、前記ステアリングコラムの分割箇所に２段式の遊星歯車伝動装置が設けられており、該遊星歯車伝動装置の段が、それぞれ１つの共通の遊星歯車支持体（１０）により結合されており、当該遊星歯車伝動装置の２つの段が同じ伝達比を有していることを特徴とする、トーションバー及びトルクセンサと一緒に分割されたステアリングコラムを備えた自動車。
請求項２から７までのいずれか１項記載の構成を有する装置が設けられた、請求項１２記載の自動車。