JP2009526214A - 複数回にわたって回転し得る物体の絶対角度位置を決定するための回転角センサおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数周回にわたって回転し得る物体、例えば自動車のステアリングスピンドルの絶対角度位置を決定するための回転角センサであって、２つの磁気作動式測定部材を具備し、この各測定部材が、センサ部材に対して回転運動する、前記物体によって駆動されるピックアップ部材を含み、両ピックアップ部材が、該ピックアップ部材の角度情報の差から生じるサスペンション角度を決定するために、異なったステップアップ比で駆動されており、該ステップアップ比が、回転し得る物体の複数周回にわたる角度測定範囲内において２つ以上のサスペンション角度周期が含まれ、該サスペンション角度周期においてピックアップ部材の絶対角度位置が異なっているように構成されているセンサにおいて、前記ピックアップ部材の絶対角度位置が、連続して生じるサスペンション角度周期において、センサ部材の測定範囲のｎ分の１だけずらされており、ただし、ｎが、測定範囲内におけるサスペンション角度周期の数であることを特徴とする回転角センサである。さらに、本発明は、複数周回にわたって回転し得る物体の絶対角度位置を決定するための方法にも関する。

Description

本発明は、複数周回にわたって回転し得る物体、例えば自動車のステアリングスピンドルの絶対角度位置を決定するための回転角センサであって、２つの磁気作動式測定部材を具備し、この各測定部材が、センサ部材に対して回転運動する、前記物体によって駆動されるピックアップ部材を含み、両ピックアップ部材が、該ピックアップ部材の角度情報の差から生じるサスペンション角度を決定するために、異なったステップアップ比で駆動されており、該ステップアップ比が、回転し得る物体の複数周回にわたる角度測定範囲内において２つ以上のサスペンション角度周期が含まれ、該サスペンション角度周期においてピックアップ部材の絶対角度位置が異なっているように構成されているセンサに関する。さらに、本発明は、このような回転角センサの絶対角度位置の決定方法にも関する。

回転角センサは、回転自在に軸支された物体、例えばシャフトの現在の回転角度位置に関する角度情報を得るために用いられる。この種の回転角センサは、特に自動車のステアリングスピンドルの回転角度位置を検出するための操舵角センサとして用いられる。操舵角センサとして、例えば光電子式のセンサが公知であり、この種のセンサでは、ステアリングスピンドルに機能上連結されたコードディスクが角度情報を保持する。このコードディスクは、ステアリングスピンドルを径方向に周囲を包囲しており、必要な角度情報を格納するために、ある種の径方向の拡張部を必要とする。このことは、特に、ステアリングスピンドルの絶対角度位置を、複数周回にわたる角度測定範囲内において決定しなければならない場合に用いられる操舵角センサに当てはまる。これらの操舵角センサの他に、絶対測定を行う回転角センサとして、磁気作動式のセンサも公知である。これらの公知の回転角センサの場合、回転し得る物体、例えばステアリングスピンドルによって２つのコードホイールが駆動される。コードホイールはそれぞれ外スプロケットを有する。コードホイールの歯部は、外スプロケットを有する、ステアリングスピンドルの駆動ホイールに噛み合う。コードホイールは、それぞれ磁気ピックアップ部材を具備し、該部材の磁場配向が、回転角度位置の尺度となっている。これらのコードホイールは、回転し得る物体に付設された駆動ホイールによって、異なったステップアップ比で駆動される。いわばノギス方式（Nonius-Prinzip）を用いて、回転し得る物体の回転位置が、複数周回にわたる角度測定範囲内において決定される。両コードホイールは、回転し得る物体に付設された駆動ホイールよりも歯数が少ない。減速比は、両コードホイールが、回転し得る物体の複数周回にわたる角度測定範囲内において３６０°をｎ回回転するように設定されており、ただし、ｎは、角度測定範囲の周回の数よりも大きい。例えば、１つのコードホイールが、回転し得る物体の所定の角度測定範囲にわたって、完全に９回回転する一方で、もう１つのコードホイールは、同測定範囲にわたって自軸を中心に１０回回転する。受信部材として、磁気感応性センサ、例えばＧＭＲセンサ、ＡＭＲセンサまたはホールセンサが用いられる。両測定部材の角度情報の差から、全測定範囲にわたってサスペンション角度が生成され、このサスペンション角度は、回転角センサの角度測定範囲の一方の終端で値０を有し、角度測定範囲のもう一方の終端で、一方の測定部材の最大出力信号に相当する値を有する。全角度測定範囲にわたるサスペンション角度は、一定の傾斜を有する。コードホイールのどの周回に回転角センサがあるのかを決定できるようにサスペンション角度がスケーリングされ、このサスペンション角度から、コードホイールに付設された一方の測定部材の角度情報が差し引かれる。サスペンション角度のスケーリングは、スケーリングされたサスペンション角度から角度情報を差し引いた後、幾つかの水平に走る曲線区域が生じ、この曲線区域がそれぞれ独自のレベルを画定する。各レベルが、このコードホイールの１周回を画定し、従って、このようにして、絶対角度の決定のために必要な周回情報を得ることができる。この種の回転角センサは、例えば特許文献１によって公知である。

しかし、これらの回転角センサの場合、測定部材の信号のノイズが、有効に利用できる測定範囲を狭める。

この種の回転角センサによって得られた、回転し得る物体、例えばステアリングスピンドルの角度情報は、操舵角センサの場合、ホイール角度位置によって、妥当性検査の枠内で管理される。また、ホイール角度位置は、操舵される自動車フロントホイールの異なったホイール回転数によって求められる。このホイール角度決定の測定精度は、隣接する周回を誤って選択した際に生じる角度誤差のオーダーである。これは、操舵角センサによって得られた角度情報の妥当性検査において、角度決定の誤りにつながる。

特許文献２によって、請求項１の上位概念に記載の回転角センサが公知である。このセンサの測定範囲は、複数のサスペンション角度周期を含んでおり、両ピックアップ部材の繰り返し周期は、これらの繰り返し周期の最小公倍数が、自動車の所定の操舵角に等しくなるように選択されている。これにより、両ピックアップ部材の駆動比は大きく異なることになり、従って、回転速度も非常に異なることになる。
欧州特許出願公開第０８７７９１６号明細書 独国特許発明第１０３４３５４３号明細書

本発明に係る回転角センサは、これらの公知のセンサとは異なり、両ピックアップ部材のために非常に類似した駆動比を選択できるという利点を有する。従って、両ピックアップ部材の、比較的低い回転速度を実現することができる。これにより、構造が簡素化される上に、ノイズの発生もわずかになり、非常に簡単かつ障害の少ない評価方法が得られる。

これを実現するために、本発明では、ピックアップ部材の絶対角度位置が、連続して生じるサスペンション角度周期において、センサ部材の測定範囲のｎ分の１だけずらされている。ただし、ｎは測定範囲内におけるサスペンション角度周期の数である。

この回転角センサの場合、好都合にはコードホイールによって保持されているピックアップ部材を異なったステップアップ比で駆動する際、この駆動が、複数周回にわたる角度測定範囲内に２つ以上のサスペンション角度周期が含まれるように構成されており、従って、例えば、この角度測定範囲内でサスペンション角度周期が複数回周期的に繰り返される。角度測定範囲を複数のサスペンション角度周期に区分した結果、角度測定範囲内に設けられたサスペンション角度周期の数に応じて、各周期内におけるサスペンション角度の傾斜は、全角度測定範囲にわたるただ１つのサスペンション角度の場合よりも大きくなっている。サスペンション角度の傾斜が大きくなる結果、スケーリングされたサスペンション角度にわたって形成された周回決定用レベルの間隔も、それに応じて大きくなる。操舵角センサの角度測定範囲を２つの連続するサスペンション角度周期に区分するだけでも、各周期におけるサスペンション角度の傾斜は２倍になる。サスペンション角度の傾斜の増加は、自動的に、妨害信号の影響により評価できない、角度測定範囲の周辺領域を減少させ、従って、角度測定範囲は大きくなる。

角度測定範囲内におけるサスペンション角度周期の少なくとも部分的な繰り返しにもかかわらず、ピックアップ部材の周回の区別を実現するために、サスペンション角度周期におけるピックアップ部材の絶対角度が互いに区別されることが想定されている。その結果、周回の決定に用いられる、直接隣り合ったレベル間の間隔が、妥当性検査の枠内において回転角センサの絶対角度測定を管理するために用いられるホイール角度位置の、可能な誤差許容範囲よりも大きくなっている。従って、妥当性検査が不正確であることを原因とする角度の誤決定が防止されている。２つのサスペンション角度周期を有する角度測定範囲では、例えば、センサ部材の測定範囲が３６０°であるとすると、ずれは１８０°である。この角度のずれは、サスペンション角度周期を明確に求めるための追加的な情報となる。

所定の角度測定範囲内にこのようなサスペンション角度周期の構成を実現するために、ピックアップ部材を保持するコードホイールが、歯車として構成されており、それぞれが異なった歯数を有し、この異なった歯数を介して、回転し得る物体、例えばステアリングスピンドルに付設された駆動ホイールによってコードホイールを駆動することができる。その際、両コードホイールを直接駆動ホイールによって駆動することが可能であり、また、１つのコードホイールを駆動ホイールによって駆動し、一方で、第２のコードホイールを第１のコードホイールによって駆動することも可能である。駆動される両コードホイールのステップアップ比の差は、この回転角センサの場合、公知の回転角センサの場合よりも大きい。従って、回転し得る物体、例えばステアリングスピンドルに、それぞれ異なった数の歯を有する２つの異なったサイズの駆動ホイールを付設し、それらの歯にそれぞれコードホイールのスプロケットを噛み合わせるという方法が考えられる。操舵角センサの場合、ステアリングスピンドルの直径は、通例、コードホイールの直径よりも著しく大きいので、従って、直接、異なった歯数を有する駆動ホイールを設けることができる。この上述の構成の１つの実施例では、コードホイールが、それぞれ同じ歯数を有し、回転し得る物体として働くステアリングスピンドルが、それぞれ異なった歯数を有する２つの駆動ホイールを保持することが想定されており、その際、歯数の差は、５個から７個である。異なった歯数を有する２つの駆動ホイールを用いる場合、コードホイール自体もまた異なった歯数を有していてもよい。

以下において、本発明について添付の図面を参照しながら説明を行う。

図１および図２には、複数の評価曲線を含む評価グラフが示されている。従来技術に対する本発明の利点をより分かりやすく示すために、これらのグラフに示された信号には、妨害信号が重ねられている。従って、これらの検出された信号は、ノイズを含むセンサ信号である。

図１のグラフでは、ｘ軸に、自動車のステアリングスピンドルの複数周回にわたる角度範囲がプロットされている。この角度範囲は、示された実施例の場合、５周回（１８００°）である。ステアリングスピンドルの絶対操舵角位置を求める際に用いるべき回転角センサは、この測定範囲内において磁気ピックアップ部材を保持するコードホイールが、３６０°を９回回転するように構成されている。このピックアップ部材に付設されたセンサ部材の出力信号は、図１に示された下方の鋸歯状の曲線を示す。各周回内において、コードホイールの角度位置を明確に求めることができる。

この回転角センサは、もう１つのコードホイールを具備している。このもう１つのコードホイールは、もう１つの磁気ピックアップ部材を備えており、間接的または直接的にステアリングスピンドルによって駆動されるが、その際、角度測定範囲内において２つのサスペンション角度周期が生じるように適宜異なった減速比で駆動される。この実施例では、前記もう１つのピックアップ部材を有するコードホイールの角度測定範囲にわたって、３６０°を１１回回転する。サスペンション角度は、一方のコードホイールのピックアップ部材によって生成された角度情報信号を、もう一方のコードホイールの角度情報信号から差し引くことによって形成される。サスペンション角度は、図示された実施例の場合に設けられているサスペンション角度周期において、一定の傾斜を有している。サスペンション角度を介して、ステアリングスピンドルの絶対角度を決定するために必要な、コードホイールの周回情報が求められる。このコードホイールの測定曲線が図１に示されている。前記周回情報を得るために、サスペンション角度がスケーリングされる。次に、スケーリングされたサスペンション角度から、サンプリングで得られた角度情報が差し引かれる。この結果が、図１に示された階段状の曲線であり、この曲線の各水平区間をこれらの実施形態では「レベル」と呼ぶ。各サスペンション角度周期では、このレベルは異なっており、従って、コードホイールの各周回を明確に決定することができる。隣接するレベルの段差は、サスペンション角度の傾斜によって決まり、十分に大きな段差であるので、妥当性検査の結果に誤差があっても、周回結果が直接隣り合ったレベルに達するほどの問題になることはない。図１のグラフでは、算定された角度信号が記録されており、角度測定範囲にわたって傾斜が連続する曲線となっている。これから分かるように、ピックアップ部材の各角度位置において、その周回に応じて、回転し得る物体として働くステアリングスピンドルの明確な角度位置を算定することができる。

サスペンション角度のスケーリングを行う際、このスケーリングは、サンプリングで得られた駆動情報を差し引いた後、レベル曲線の個々のレベルが、水平の区間を、従ってまた一定のｙ値をその区間全体にわたって有する状態になるように行われる。

図の実施例では、磁気ピックアップ部材を保持する両コードホイールの絶対角度が、センサ部材の測定範囲の半分だけずらされている。これにより、スケーリングされたサスペンション角度の曲線とレベル曲線とに段差が生じる。一般的に、サスペンション角度の各周期後における両コードホイールの絶対角度のずれは、センサ部材の測定範囲のｎ分の１になるように構成するのが好都合である。ただし、ｎは、所定の角度測定範囲内におけるサスペンション角度周期の数に一致する。段差箇所に直接隣接するレベルが、コードホイールの同一の周回を画定する。コードホイールの各周回を明確に決定することによって、また、ステアリングスピンドルがある周回に関して、ステアリングスピンドルの角度位置を明確に関連付けることも可能となる。

本発明に係る回転角センサを用いて記録された評価グラフ（図１）を、従来の回転角センサを用いて記録された同様の評価グラフと比較するために、図２に後者のグラフが示されている。明らかに看取できるように、公知の回転角センサの評価グラフでは、隣接するレベル間の段差が明らかに小さく、本発明の、図１に示された実施例の半分の大きさに過ぎない。ノイズ許容差は、本発明の場合よりも明らかに小さい。

図３には、本発明に係る、操舵角センサとして構成された回転角センサの、それぞれ磁気ピックアップ部材、例えば磁石を保持するコードホイールの絶対角度位置が示されており、しかも、図３の左部分には、図１に示された左側のサスペンション角度周期の出力位置が示されている。また、図３の右部分には第１のサスペンション角度周期を経た後の出力位置が示されており、従って、第１に示された段差箇所の直後に第２のサスペンション角度周期が開始される際の出力位置が示されている。両サスペンション角度周期における両コードホイールの絶対角度の、オフセットとも呼べるこのずれは、１８０°、つまりセンサ部材の測定範囲の半分である。

本発明について、２つの測定部材を具備する実施例を用いて説明してきた。冗長性によってシステムの動作信頼性または可用性を向上させるために、回転角センサは、３つ以上の測定部材を有することも可能である。

回転角センサの両コードホイールの１つから得られた角度情報を示すグラフであり、ステアリングスピンドルの角度測定範囲にわたるサスペンション角度周期がプロットされており、さらに、これらの曲線から求められた、このコードホイールに関する周回情報がプロットされている。 従来の回転角センサを用いて記録された、図１と同様のグラフである。 本発明に係る、回転角センサのそれぞれ磁気ピックアップ部材を保持する２つのコードホイールの位置を示す模式図であり、第１のサスペンション角度周期の開始時（左図）と、その周期に続く第２のサスペンション角度周期の開始時（右図）を示す。

Claims (7)

1. 複数周回にわたって回転し得る物体、例えば自動車のステアリングスピンドルの絶対角度位置を決定するための回転角センサであって、２つの磁気作動式測定部材を具備し、この各測定部材が、センサ部材に対して回転運動する、前記物体によって駆動されるピックアップ部材を含み、両ピックアップ部材が、該ピックアップ部材の角度情報の差から生じるサスペンション角度を決定するために、異なったステップアップ比で駆動されており、該ステップアップ比が、回転し得る物体の複数周回にわたる角度測定範囲内において２つ以上のサスペンション角度周期が含まれ、該サスペンション角度周期においてピックアップ部材の絶対角度位置が異なっているように構成されているセンサにおいて、
   前記ピックアップ部材の絶対角度位置が、連続して生じるサスペンション角度周期において、センサ部材の測定範囲のｎ分の１だけずらされており、ただし、ｎが、測定範囲内におけるサスペンション角度周期の数であることを特徴とする回転角センサ。
2. 前記角度測定範囲内に２つ以上のサスペンション角度周期が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の回転角センサ。
3. 前記ピックアップ部材が、それぞれ外スプロケットを有するコードホイールの一部であり、また前記回転し得る物体の駆動ホイールに機能上連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角センサ。
4. 前記コードホイールが、異なった歯数を有することを特徴とする請求項３に記載の回転角センサ。
5. 前記回転し得る物体が、外スプロケットを有する駆動ホイールを保持し、このスプロケットへ前記コードホイールのスプロケットが噛み合うことを特徴とする請求項３または４に記載の回転角センサ。
6. 前記回転し得る物体が、それぞれ外スプロケットを有するが歯数が異なっている２つの駆動ホイールを保持し、それぞれコードホイールが駆動ホイールの歯部に噛み合うことを特徴とする請求項３または４に記載の回転角センサ。
7. 複数周回にわたって回転し得る物体、例えば自動車のステアリングスピンドルの絶対角度位置を決定するための方法であって、２つの磁気作動式測定部材を具備し、この各測定部材が、センサ部材に対して回転運動する、前記物体によって駆動されるピックアップ部材を含み、両ピックアップ部材が、異なったステップアップ比で駆動されており、また、前記測定部材の出力信号の角度情報の差としてサスペンション角度を決定することを含み、その際、複数周回にわたる角度測定範囲が、それぞれサスペンション角度周期を含む２つ以上のサスペンション角度周期区間に区分される方法において、
   前記ピックアップ部材の絶対角度位置が、連続して生じるサスペンション角度周期において、センサ部材の測定範囲のｎ分の１だけずらされており、ただし、ｎが、測定範囲内におけるサスペンション角度周期の数であることを特徴とする方法。

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