JP2011007796A - 軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで構成でき、かつ信頼できる測定結果が得られ、所要構成スペースが僅かであるような装置を提供する。
【解決手段】軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための装置であって、軸に対して同心的な回路支持体１が設けられており、該回路支持体には、電流を通す少なくとも２つの導体路区分２が配置されていて、軸に対して同心的な、前記回路支持体に対して相対的に回動可能な唯１つの信号発生エレメント３が設けられており、該信号発生エレメントは、導電材料から成る第１部分領域４と、非導電材料から成る第２部分領域５とを有しており、軸に回転モーメントがかけられると、信号発生エレメントが回路支持体に対して相対的に回動し、これにより前記導体路区分と信号発生エレメントの前記第１の部分領域との間のオーバーラップ面積が変化し、導体路区分のインダクタンスが変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための装置に関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第２９５１１４８号明細書により、静止軸又は回転軸における回転角度及び／又は回転モーメントを無接触式に検出するための測定装置が公知である。この公知の装置では、導電材料から成る軸に対して同心的な２つの部材が設けられており、これらの部材のうち一方が相対回動不能に軸に結合されており、他方が軸に対して回転可能である。軸に対して同心的なコイルが、両部材のすぐ近くに配置されていて、これらの部材は、共通のオーバーラップ面積が、両部材の間に生じる回転角度が増加するにつれ変化する区分を有している。このような測定装置では、コイルに隣接する部材が、第２の部材を部分領域で又は全体で遮蔽することができる部分が少ないほど、コイルから生じる交番磁界が両部材においてより強い渦電流を発生させることが利用される。

渦電流の発生に基づくこのような形式の測定装置又はセンサ装置は、しばしば渦電流センサとも言われる。

別の渦電流センサ装置は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０２５８７０号明細書により公知である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第２９５１１４８号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０２５８７０号明細書

本発明の課題は、従来の軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための装置を改良して、より低コストで構成でき、かつ信頼できる測定結果が得られ、所要構成スペースが僅かであるような装置を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための装置であって、軸に対して同心的な回路支持体が設けられており、該回路支持体には、電流を通す少なくとも２つの導体路区分が配置されていて、軸に対して同心的な、前記回路支持体に対して相対的に回動可能な唯１つの信号発生エレメントが設けられており、該信号発生エレメントは、導電材料から成る少なくとも１つの第１の部分領域と、非導電材料から成る少なくとも１つの第２の部分領域とを有している形式のものにおいて、軸に回転モーメントがかけられると、信号発生エレメントが回路支持体に対して相対的に回動し、これにより、前記導体路区分と信号発生エレメントの前記第１の部分領域との間のオーバーラップ面積が変化し、これにより、導体路区分のインダクタンスが変化するようにした。

公知のセンサ装置又は測定装置とは異なり、回路支持体と信号発生エレメントとを有した本発明による装置は、２つの構成部分しか有しておらず、これにより著しくコストが削減される。回路支持体上に配置された導体路区分と信号発生エレメントの他には、別のセンサエレメントが必要でないという事実は、コストを最小限にすることに貢献する。本発明による装置は、調整誤差に対する敏感性が小さいので、信号発生エレメントに対して相対的に回路支持体が僅かに傾動したり、両エレメントの互いの間隔が僅かに変化したとしても、信頼できる測定結果が得られる。さらには、本発明による装置の所要構成スペースは極めて僅かであり、このことは多くの使用例において極めて有利である。

本発明の構成によれば、信号発生エレメントは導電性の基本材料から成っていて、非導電材料から成る第２の部分領域は、有利には扇形または弓形の切欠によって形成されており、軸の周方向で信号発生エレメントにわたって均一に分配されている。

本発明の選択的な構成によれば、信号発生エレメントが非導電的な基本材料から成っており、この場合、導電材料から成る第１の部分領域が金属面によって形成されていて、この金属面が有利には弓形又は扇形から形成されており、軸の周方向で信号発生エレメントにわたって均一に分配されている。有利にはこの場合、金属面は射出成形により封入された金属インサート部分として形成されている。

回路支持体上に配置された、アンテナとして働く導体路区分は、螺旋状に回路支持体上に配置された導体路により形成することができる。このような導体路区分は有利には軸の周方向で回路支持体にわたって均一に分配されている。

導体路区分によって発生される磁界ができるだけ信号発生エレメントに向かって収束されるように向けられていると有利である。このような収束は、螺旋状に配置された導体路により得られるが、本発明による装置の機能を損なうことなしに、導体路区分の別の面状の配置も可能である。

アンテナとして作用する導体路区分は、所定の周波数で振動する開かれた振動回路を形成する。本発明の有利な構成によれば、回路支持体上に、導体路区分の他に評価回路も設けることができる。この評価回路は、インダクタンスの変化により生じる、振動回路の振動周波数の変化を評価し、算出された周波数の変化に応じて、軸に加えられた回転モーメント及び／又は軸の回転角度を検出する。回路支持体上の評価回路を配置することは、コスト低減のためにも、構成スペース縮小のためにも有利である。

環境的影響から保護するために、回路支持体及び／又は信号発生エレメントは、本発明の有利な別の構成によれば被覆されている。

本発明の構成のさらなる特徴及び利点は、以下に図面につき詳しく説明する。

軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための本発明による装置の第１の構成を示した斜視図である。 図１の本発明による構成の信号発生エレメントの部分領域に対する、導体路区分の空間的配置を概略的に示した図である。 図１の構成における、信号発生エレメントの導電材料から成る第１の部分領域と導体路区分のオーバーラップと、回転角度との関係を示した概略的な特性線である。 本発明による装置の第２の構成を概略的に示した平面図である。

図１には、軸（図示せず）の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための本発明による装置が、概略的な斜視図で示されている。回路支持体１上には、アンテナとして働く導体路区分２が、螺旋状に配置された導体路の形で配置されている。図示した実施例では全部で６つの導体路区分２が設けられている。しかしながら、本発明による装置の機能性のためには、少なくとも２つの導体路区分２が設けられていれば十分である。基本的には２×ｋ個の導体路区分２が可能である（ｋ＝１，２，３…ｎ）。２つ以上の導体路区分２を設けることにより、本発明による装置の分解能が向上し、軸の回転モーメント及び／又は回転角度のより正確な検出が可能になる。２つ以上の導体路区分２を使用することによりさらには、導体路区分２を２つのグループとなるように接続することができ、従って冗長性が得られ、本発明による装置の確実性が向上する。

信号発生エレメント３は導電材料から成る第１の部分領域４と、非導電材料から成る第２の部分領域５とを有している。図１に示した構成によれば、金属面によって形成されている、導電材料から成る４つの第１の部分領域４が設けられており、これらの部分領域４は、非導電性の基本材料から成る信号発生エレメント３上に取り付けられている。金属面はこの場合、軸の周方向で、信号発生エレメント３全体にわたって均一に分配されているので、金属面から形成された第１の部分領域４の間に、それぞれ本発明に必要な、非導電材料から成る第２の部分領域５が生じる。有利には、この場合金属面は、射出成形によりカプセル状に封入された金属インサート部分として形成されている。

図示の構成によれば、導電材料から成る４つの第１の部分領域４と、非導電材料から成る４つの第２の部分領域５とが設けられている。しかしながら本発明による装置の機能のためには、信号発生エレメント３が、導電材料から成る少なくとも１つの第１の部分領域４と、非導電材料から成る少なくとも１つの第２の部分領域５とを有していれば十分である。勿論、部分領域の数を増やすことも可能であり、これにより分解能が向上し、従って、軸の回転モーメント及び／又は回転角度の正確な検出が可能となる。

図示の構成とは選択的に、信号発生エレメント３が導電性の基本材料、例えば金属から成っていて、非導電材料から成る第２の部分領域５が、単なる開口部又は切欠により形成されていても良い。

回路支持体１及び信号発生エレメント３は軸に対して同心的に配置されていて、有利にはディスク状、例えば円板の形に形成されている。信号発生エレメント３上に配置された金属面又は信号発生エレメント３に設けられた切欠又は開口部は、有利には軸の周方向で均一に、信号発生エレメント３上に分配されている。回路支持体１上に配置された導体路区分２も有利には軸の周方向で回路支持体１全体にわたって均一に分配されている。

軸に回転モーメントが加えられる際に、回路支持体１に対して相対的に信号発生エレメント３が回転されるように、有利には図示されていないトーションバーが使用される。このトーションバーは、軸の第１の部分領域を軸の第２の部分領域へと結合し、回転モーメントが軸に加えられる際にねじれる。従って少なくとも回路支持体１が、又は信号発生エレメント３が、トーションバーに固定されている。他方のエレメントは、第１のエレメントに対して所定の間隔を置いて同様にトーションバーに、又は軸自体に、又は、軸の領域に配置された回動不能な構成部分、例えばケーシング部分に固定することができる。両エレメント、即ち回路支持体１と信号発生エレメント３がトーションバー又は軸に固定されていると回転モーメントの検出が可能であり、一方の構成部分を回動不能な構成部分に固定するならば、軸の回転角度が検出される。

回路支持体１は、有利には軸又はトーションバーの外形に適合した切欠６を有しており、この切欠は、軸又はトーションバーに回路支持体１を固定するために利用される。回路支持体１は例えばＰＣＢ又はセラミックにより製造されていて、この場合、直接に軸若しくはトーションバーに固定することができ、又は、機械的強度を高めるため及び／又は組付けを簡単にするために、図示されていないスリーブを介して、軸又はトーションバーに固定することもできる。

信号発生エレメント３にも、図示されていない軸又はトーションバーの外形に適合した１つの切欠７が設けられており、この切欠７は、信号発生エレメント３を軸若しくはトーションバーに固定するために働く。この場合、信号発生エレメント３は軸若しくはトーションバーに直接固定されるか、又は、機械的強度を高めるために、及び／又は組付けを簡単にするためにスリーブが使用することができる。

回路支持体１又は信号発生エレメント３が、軸又はトーションバーにではなく、例えばケーシング部分のような回動不能な構成部分に固定されるならば、相応の切欠６若しくは７を設けず、その代わり、別の適当な固定装置を設けることができる。

回路支持体１に配置された導体路区分２に電流が加えられると、この導体路区分２は、所定の周波数で振動する開いた振動回路の一部分であるアンテナとして働く。回転モーメントが軸に加えられると、回路支持体１に対する信号発生エレメント３の相対的な位置が変化し、従って、導体路区分２と、信号発生エレメント３の導電材料から成る第１の部分領域４との間のオーバーラップ（重畳）面積が変化する。自己誘導に基づきこれにより、導体路区分２のインダクタンスも変化し、従って最終的には振動回路の振動周波数が変化する。導電材料から成る第１の部分領域４と導体路区分２とのオーバーラップ（重なり合い）が最大の場合、振動回路のインダクタンスは最小となり、従って振動周波数は最大である。振動回路の振動周波数の変化は、従って、軸に加えられる回転モーメント又は軸の回転角度の尺度となる。このような周波数の変化は、評価回路８によって評価することができ、軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出することができる。

有利には、例えばＡＳＩＣ及び／又は離散回路によって実現することができる評価回路８は回路支持体１上に配置することができる（図１参照）。しかしながら評価回路８は勿論、別個の構成部分として形成することもできる。

導体路区分２は図１に示した構成では、螺旋状の導体路として形成されているが、選択的な構成では、平面状の別の導体路装置によっても形成することができる。有利にはこの場合、導体路区分２は、できるだけ信号発生エレメント３に収束するように向けられた磁界を形成するアンテナとして作用するように形成されている。導体路区分２が半径方向の延在に関して、信号発生エレメント３の第１の部分領域４若しくは第２の部分領域５の半径方向の延在とほぼ合同であるように形成されていると有利である。

図２ａには、図１に示した発明の構成における導体路区分２ａ，２ｂ，２ｃに対比させて、信号発生エレメント３の個々の部分区分４，５の空間的な配置が示されている。この場合、単なる概略図であることを断っておく。これは個々のエレメントの実際の配置や実際の構成ではなく、単に、導体路区分２と信号発生エレメント３の第１の部分領域との間のオーバーラップ面積の変化を、回転角度に関して示したものである。

図１に示した構成に相応して、図２ａに示されていない信号発生エレメント３上には金属面の形の４つの第１の部分領域４が設けられていて、回路支持体１上に配置された６つの導体路区分２ａ，２ｂ，２ｃが設けられている。これらの導体路区分２ａ，２ｂ，２ｃは図２ａではそれぞれ相応の扇形区分としてしか示されていない。図２ａに示したように、回路支持体１は円形に形成されており、導体路区分２ａ，２ｂ，２ｃと、信号発生エレメント３の第１の部分領域４とはそれぞれ４５°の中心角の範囲をカバーしていて、回路支持体１若しくは信号発生エレメント３にわたって周方向で均一に分配されている。さらに、互いに隣接する２つの導体路区分２の間には、それぞれ１５°の間隔角度が生じている。

図２ｂには、回路支持体１に対する信号発生エレメント３の回転角度と、導体路区分２ａ，２ｂ，２ｃと信号発生エレメント３の第１の部分領域４との間のオーバーラップの程度の関係が示されている。この場合、符号２０ａでは、導体路区分２ａに関する特性線が、符号２０ｂでは、導体路区分２ｂに関する特性線が、符号２０ｃでは、導体路区分２ｃについての特性線が示されている。信号発生エレメント３の、即ち第１の部分領域４の仮定の回転方向は、図２ａで矢印１０によって示されている。従って、例えば、回転角度が０°の場合、即ち、図２ａに示した出発位置では、導体路区分２ｂについては、１のオーバーラップが生じ、即ち、完全にオーバーラップしている。これに対して、導体路区分２ａと２ｃは、単に１／３の、即ち１５°のオーバーラップを有している。例えば回転角度が７５°の場合、導体路区分２ｂ，２ｃでは、２／３のオーバーラップが生じ、これに対して、導体路区分２ａではオーバーラップしていない。

図３には、第２の構成による本発明の装置の平面図が示されている。この場合、信号発生エレメント３は、透明に示されているので、その下に位置する回路支持体１の部分も見えている。回路支持体１には、導体路区分２の他に、別の導体路構造３０が設けられており、この導体路構造３０も同様にアンテナとして働く。信号発生エレメント３上には、付加的な金属面が設けられていて、これは、信号発生エレメント３の、導電材料から成る別の部分領域３１を成している。別の導体路構造３０と別の部分領域３１とは、基本的に、導体路区分２と同じ原理で働き、第１の部分領域４と協働する。この場合も、少なくとも２つの別の導体路構造３０が回路支持体１上に、導電材料から成る少なくとも１つの別の部分領域３１と、非導電材料から成る別の部分領域とが信号発生エレメント上に設けられていれば十分である。信号発生エレメント３の別の導体路構造３０と別の部分領域とによって、例えば、導体路区分２によって検出される回転モーメント値及び／又は回転角度値の妥当化のために使用することができるインデックス機能を実現することができる。

このようなインデックス機能は、装置を冗長設計する場合に特に重要である。この場合、冗長とは、アンテナとして働く２×ｋ個の導体路区分のうち、それぞれｋ個の導体路区分、即ち、半分の導体路区分が、軸の回転モーメント及び／又は回転角度の検出のために使用されることを意味する。このようにして、２つの独立的な冗長信号が得られ、これは、確実性を高め、装置の安全性に寄与する。種々様々な使用においては、冗長性は必須でもあり、冗長性はこのようにして安価に形成することができる。しかしながらこのように形成することにより、測定範囲は３６０°から１８０°へと半分になる。

しかしながら測定範囲のこのような減少は、同様にアンテナとして作用する別の導体路区分３０によって補償することができる。何故ならばこのような構造により、どの部分領域に、回転角度の値がなければならないか算出することができるからである。図３に示したように、４つの別の導体路構造３０が設けられているならば、これにより、測定範囲を、０°〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°の４つの部分区分に分割することができるインデックス機能が生じる。導体路構造３０が２つだけの場合、相応に、０°〜１８０°若しくは１８０°〜３６０°の２つの部分領域に相応に分割することができる。

本発明による装置が、軸の回転角度の検出のために使用されるならば、即ち、回路支持体１又は信号発生エレメント３が、軸の領域に配置された回動不能な構成部分に固定されるならば、この場合、３６０°及びそれ以上の回転角度が生じることもある。この場合も、インデックス機能が使用されると有利であり、この場合、これは回転の回数を示すカウンタの形式で働く。

さらに図３には、コネクタ３２が設けられており、このコネクタを介して導体路区分２及び／又は導体路構造３０及び／又は評価回路８が電気的にコンタクトされる。このような形式のコネクタ３２は勿論、本発明の装置の具体的な構成とは関係なく、個々の構成部分のコンタクトのために使用することができる。

回路支持体１と信号発生エレメント３とが、有利には共通のケーシングに取り付けられる。環境的影響から保護するために、構成エレメントは部分的又は完全に被覆されることができ、ラッカ又はポリマコーティングによって被覆される。

本発明による装置は、特に、自動車のステアリングコラムの回転モーメント及び／又は回転角度を検出するために適している。

１ 回路支持体、 ２，２ａ，２ｂ，２ｃ 導体路区分、 ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 特性線、 ３ 信号発生エレメント、 ４ 第１の部分領域、 ５ 第２の部分領域、 ６ 切欠、 ７ 切欠、 ８ 評価回路、 ３０ 導体路構造、 ３１ 部分領域、 ３２ コネクタ

Claims (9)

1. 軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための装置であって、
   軸に対して同心的な回路支持体（１）が設けられており、該回路支持体（１）には、電流を通す少なくとも２つの導体路区分（２）が配置されていて、
   軸に対して同心的な、前記回路支持体（１）に対して相対的に回動可能な唯１つの信号発生エレメント（３）が設けられており、該信号発生エレメント（３）は、導電材料から成る少なくとも１つの第１の部分領域（４）と、非導電材料から成る少なくとも１つの第２の部分領域（５）とを有している形式のものにおいて、
   軸に回転モーメントがかけられると、信号発生エレメント（３）が回路支持体（１）に対して相対的に回動し、これにより、前記導体路区分（２）と信号発生エレメント（３）の前記第１の部分領域（４）との間のオーバーラップ面積が変化し、これにより、導体路区分（２）のインダクタンスが変化することを特徴とする、軸の回転モーメント及び／又は回転角度を検出するための装置。
2. 回路支持体（１）と信号発生エレメント（３）とがディスク状に形成されている、請求項１記載の装置。
3. 信号発生エレメント（３）が導電性の基本材料から成っており、前記第２の部分領域（５）を形成する、有利には扇形又は弓形の複数の開口部が設けられていて、該開口部は有利には軸の周方向で信号発生エレメント（３）にわたって均一に分配されている、請求項１又は２記載の装置。
4. 信号発生エレメント（３）が非導電性の基本材料から成っており、有利には扇形又は弓形の複数の金属面が設けられており、該金属面が第１の部分領域（４）を成し、有利には軸の周方向で信号発生エレメント（３）にわたって均一に分配されている、請求項１又は２記載の装置。
5. 前記金属面が、射出成形によりカプセル状に挿入された金属インサート部分として形成されている、請求項４記載の装置。
6. 導体路区分（２）が、螺旋状に回路支持体（１）上に配置された導体路によって形成されていて、これら導体路区分が有利には軸の周方向で回路支持体（１）にわたって均一に分配されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. インダクタンスの変化により生じる、導体路区分（２）により形成された振動回路の振動周波数の変化を評価するための、回路支持体（１）上に配置された評価装置（８）を付加的に有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 回路支持体（１）と信号発生エレメント（３）とが、１つの共通のケーシング内に取り付けられており、及び／又は、導体路区分（２）がコネクタ（３２）を介して電気的にコンタクト可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 回路支持体（１）及び／又は信号発生エレメント（３）が、環境的な影響から保護するために被覆されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。

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