JP2017116549A - 感知装置、感知システム及びステアリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡素化され、体積が小さくなる感知装置、感知システム及びステアリングシステムを提供する。
【解決手段】感知装置３００は、磁性材料により構成される交互構造の外面を有し、回動軸３０の回動に伴って回動するエンコーダ３１と、外面と対向し、エンコーダ３１の外部に固定配置される少なくとも一つの磁性体３２と、少なくとも一つの磁性体３２とエンコーダ３１との間に固定配置される少なくとも一つの誘導素子３３と、を含み、エンコーダ３１の交互構造により、エンコーダ３１の回動に伴って回動し、交互に変化する信号を出力し、ここで、誘導素子３３は、磁界に敏感な誘導素子３３である。上述の方案によれば、感知装置３００は構造が簡単で、体積が小さくなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子設備に関し、特に、感知装置、感知システム及びステアリングシステムに関する。

各種のアプリケーションにおいて、常に、各種の回動軸（例えば、車両のステアリング軸、モータ回転軸など）の回転速度、回動角度などの物理量を測定する必要がある。

例えば、回動を測定する一般的な感知装置は、ステアリング角度感知装置であって、通常、車両中に適用されており、例えば、車両エレクトロニック・スタビリティ・プログラムシステム（ＥＳＰ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｐｒｏｇｒａｍ）システム、ＡＢＳシステムなどの車載用システムの一部とすることができる。ハンドルの回動角度を測定するために用いられ、さらにハンドルの回動方向、速度などを測定するために用いられる可能性もある。測定して得られたハンドルの回動角度は、自動車のステアリング幅実現の依拠として、自動車を運転者の意図に従ってステアリング、走行させることが可能となる。

従来技術には、回動を測定するための多種の感知装置、例えば、光電カップリング素子を含むセンサー、及びホール素子や巨大磁気抵抗素子を含む磁気−電気センサーなどが提供されている。

しかしながら、従来技術における回動を測定する各種の感知装置は、構造が一般的に比較的に複雑で、体積が比較的に大きい。

上述の問題に鑑み、本発明を提案することにより、上述の問題を解決する、又は少なくとも上述の問題を一部的に解決する感知装置、感知システム及びステアリングシステムを提供する。

本発明の一側面によれば、磁性材料により構成される交互構造の外面を有し、回動軸の回動に伴って回動するエンコーダと、前記外面と対向し、かつエンコーダの外部に固定配置される少なくとも一つの磁性体と、少なくとも一つの磁性体とエンコーダとの間に固定配置される少なくとも一つの誘導素子と、を含む感知装置を提供し、前記交互構造により、誘導素子はエンコーダの回動に伴って回動し、周期的な信号を出力し、ここで、誘導素子は、磁界に敏感な誘導素子である。

本発明の一実施例において、交互構造は周期的構造である。

本発明の一実施例において、少なくとも一つの誘導素子の数は複数の誘導素子であり、複数の誘導素子の配置により、任意の二つの隣接する誘導素子の出力信号の位相差が同じになる。

本発明の一実施例において、外面は、エンコーダの回動軸方向に沿う側面であり、少なくとも一つの磁性体と少なくとも一つの誘導素子は、エンコーダの径方向における円周に沿って配置される。

本発明の一実施例において、周期的構造は歯車構造である。

本発明の一実施例において、少なくとも一つの誘導素子は、歯車構造の同一の部位に位置合わせされている。

本発明の一実施例において、少なくとも一つの磁性体は、複数の誘導素子と１対１対応する複数の磁性体である。

本発明の一実施例において、磁界に敏感な誘導素子は、ホールセンサー又は巨大磁気抵抗センサーである。

本発明の他の側面によれば、前記の感知装置を含み、前記感知装置の出力信号に基づいて回動軸の回動速度及び／又は回動角度を算出する算出ユニットをさらに含む感知システムが提供される。

本発明の他の側面によれば、前記の感知装置と、ステアリング角度感知装置の出力信号に基づいてステアリング角度を特定する処理部材と、ステアリング角度に基づいて車輪のステアリングを駆動する駆動部材とを含むステアリングシステムが提供される。

本発明に係る前記感知装置、システム及びステアリングシステムは、ホール効果又は巨大磁気抵抗効果素子などの磁界に敏感な誘導素子を利用して、構造が簡素化され、体積が小さくなるステアリング角度測定システムを提供する。

本発明の他の特徴、特性、長所及び利点は、以下に、図面を参照しながら詳細に説明することによって、より明らかになる。
感知装置の例示適用環境を示す。 従来技術における、ホール効果又は巨大磁気抵抗効果に基づくステアリング角度センサーの構造見取り図を示す。 従来技術における、ホール効果又は巨大磁気抵抗効果に基づくステアリング角度センサーの構造見取り図を示す。 本発明の一実施例に係る感知装置の構造見取り図を示す。 本発明の実施例に係る感知装置の作業工程の見取り図を示す。 本発明の実施例に係る感知装置の作業工程の見取り図を示す。 感知装置の概略的な出力波形を示す。 本発明の他の実施例に係る感知装置の構造見取り図を示す。 複数の誘導素子の出力信号間の関係を示す。 本発明の他の実施例に係る感知装置の構造見取り図を示す。 本発明の一実施例に係るステアリングシステムの構造見取り図を示す。

以下、本発明に開示された例示的な実施例について、図面を参照しながらより詳細に説明する。図面において、本発明の例示的な実施例が示されているが、ここで説明した実施例に限らずに、様々な形で実現できると理解すべきである。そして、これらの実施例を提供するのは、本発明をより十分に理解できて、当業者に本発明の範囲を完全に伝達できるようにするためである。

図１は感知装置の例示適用環境を示し、図１に示すように、本発明に係る感知装置１０は、車両のステアリング軸１１に取り付けられ、ステアリング軸１１は、ハンドル１２の回動に伴って回動する。ステアリング角度感知装置１０は、主にＥＳＰシステムの一部とすることができ、その出力信号がＥＳＰシステムの制御駆動部材１３に伝達されている。例えば、制御駆動部材１３は、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、モータ、ステアリング装置などを含み、かつステアリング角度感知装置１０の出力情報に基づいて車輪１４などのステアリングを制御する。

図２ａ及び図２ｂは、従来技術における、ホール効果／巨大磁気抵抗効果に基づくステアリング角度センサーの構造見取り図を示す。図に示すように、従来の該タイプのステアリング角度センサー構造は、一般的に、複雑であり、磁性体に加えて、通常に主動歯車及び複数の従動歯車を含み、かつこれにより、センサーの体積も大きくさせる。また、歯車間の触れ合い及び影響により、ノイズなどの問題をもたらす恐れもある。そして、このタイプのステアリング角度センサーの取り付けは不便である。

以下、本発明の各実施例を詳細に説明する。本発明をより十分に理解するために、本発明の実施例を詳細に説明する前に、本発明の実施例の一部に係るホール効果及び巨大磁気抵抗効果の原理を簡単的に説明する。

ホール効果とは、電流に垂直な方向において、キャリア（例えば、電子及び正孔）がローレンツ力を受けて偏向し、電流及び磁界に垂直な方向において蓄積され、蓄積した電子及び正孔に、電流及び磁界に垂直な方向の電界が生じ、キャリアが受ける電界力とローレンツ力が釣り合うと、安定状態に達し、電流及び磁界に垂直な方向に安定のビルトイン電圧が形成されるということをいい、該ビルトイン電圧がホール電圧と称される。

巨大磁気抵抗効果とは、磁界の変化による磁性材料抵抗の著しい変化のことをいう。

図３は、本発明の一実施例に係る感知装置の構造見取り図を示す。該感知装置は車両のステアリングシステムに用いられ、この場合に、回動軸は、ハンドルと接続されるステアリング軸である。具体的に、図３は軸方向に沿う断面図を示し、図３に示すように、感知装置３００は、エンコーダ３１と、エンコーダ３１の外部に配置される磁性体３２と、磁性体３２とエンコーダ３１との間に配置される誘導素子３３とを含む。

図１を参照すれば分かるように、実際利用の際に、エンコーダ３１は、ハンドルと接続されるステアリング軸３０に付着され、ステアリング軸３０に従って同期して回動する。磁性体３２と誘導素子３３の位置はエンコーダ３１の外に固定される。運転者がハンドルを回動する場合に、ステアリング軸３０が回動されると、エンコーダ３１もそれと伴って回転する。エンコーダ３１と、固定配置される磁性体３２及び誘導素子３３とは、相対的に運動するように形成される。

本発明の実施例において、エンコーダ３１における、磁性体３２及び誘導素子３３と相対的に運動するように形成される外面３１１は磁性材料により構成される。無論、エンコーダ３１の、外面３１１以外のほかの部分も磁性材料により構成されてもよく、例えば、エンコーダ３１の全体は全て磁性材料により構成される。このように、外面３１１は誘導素子３３の他方側の磁性体３２とともに、誘導素子３３をほぼ垂直に貫通する磁界方向を形成している。例えば、図３に示す静止位置において、磁界方向はほぼ、水平方向にそって右に向かうかもしれない。相応に、誘導素子３３がホールセンサーであるものを例として、それは電流方向が該磁界方向に垂直となるように配置される。

図３に示す例示において、エンコーダ３１は略柱状であり、エンコーダ３１の、磁性を有する外面３１１は、エンコーダ３１のステアリング軸３０方向に沿う側面である。この場合に、磁性体３２と誘導素子３３は、エンコーダ３１の径方向において、エンコーダ３１の外部に配置される。

無論、エンコーダ３１の、磁性を有する外面３１１は、他の実現方式を有してもよい。例えば、エンコーダ３１の、磁性を有する外面３１１は、エンコーダ３１の上面や下面であってよい。この場合に、磁性体３２及び誘導素子３３は、エンコーダ３１の上面や下面に対して固定配置される。このとき、ステアリング軸３０は回動する際に、エンコーダ３１は同様に、磁性体３２及び誘導素子３３に対して回動する。

本発明の実施例において、エンコーダ３１の外面３１１は、周期的構造を有する。例えば、規則的な格子構造、凹凸構造などであってもよい。エンコーダ３１が回動する時に、エンコーダ３１の格子構造又は凹凸構造の異なる部分は誘導素子３３と交互に合わせる。図３に示す具体的な例示において、周期的構造は歯車状の構造であると示されており、突出した歯、及び隣接する歯間の歯溝を含む。

磁性体３２は、永久磁性体、軟質磁性体などの磁界発生の各種の素子であってもよいが、本発明はこれに限らない。

誘導素子３３は、ホールセンサー及び／又は巨大磁気抵抗センサーであってもよい。

上述の配置方式では、エンコーダ３１が磁性体３２及び誘導素子３３に対して回動する時に、誘導素子３３は、エンコーダ３１における外面３１１上の周期的構造の異なる部分と合わせており、即ち、外面３１１と磁性体３２との間の距離は周期的に変化する。これによって、誘導素子３３に周期的に変化する磁界が形成されている。

誘導素子３３がホールセンサーであるものを例として、上記説明したホール効果原理により、ホールセンサー中のキャリアが受けたローレンツ力は周期的に変化する場合に、ローレンツ力と釣り合う電界力もそれに伴って変化する。該電界力は電流及び磁界に垂直な方向のホール電圧により提供される。つまり、エンコーダ３１が回動する時に、誘導素子３３とするホールセンサーの、電流及び磁界に垂直な方向において、周期的に変化するホール電圧が発生する。ホール電圧の変化に基づいて、ステアリングの角度が算出できる。

同様に、誘導素子３３が巨大磁気抵抗センサーである場合に、磁界の変化は抵抗変化をもたらす。これによって、電圧が一定に維持されると、電流は周期的に変化しており、同様に、これに基づいてステアリング角度が算出できる。エンコーダ３１の外面３１１の周期的構造の役割は距離を変えることによって異なるホール電圧を形成することであり、一方、その構造的な物理寸法はステアリング角度の反映とすることができる。以下、図４ａ−４ｃ参照して、図３に示すステアリング角度感知装置の作業工程を説明する。

図４ａ〜図４ｃは本発明の実施例に係るステアリング角度感知装置の作業工程及び出力波形を示す。図４ａはエンコーダ３１の第一位置を示すと仮設し、例えば、初期位置を示すと仮設してもよい。この位置において、誘導素子３３はエンコーダ３１の外面３１１の一つの歯に位置合わせされ、誘導素子３２の磁界に垂直な方向に高いレベルのホール電圧を生じる。図４ｂに示すように、エンコーダ４１は、ステアリング軸に従って時計回りに小さい角度を回動し、この位置において、誘導素子３３はエンコーダ３１の外面３１１の一つの歯溝に位置合わせされ、ホール電圧は小さいレベルになる可能性がある。回動角度がより大きい時に、複数の歯及び歯溝を通過して、図４ｃに示す高低交互な電圧信号が発生する。

また、図４ａ及び図４ｂを参照すればわかるように、感知装置は一つの誘導素子のみを有する場合に、感知装置によるステアリング角度の測定が到達可能な精度は、部分的にエンコーダの外面の歯数によって決まり、そして、歯数は多ければ多いほど、ステアリング角度感知装置が識別可能な回動角度は小さくなる。

なお、誘導素子が一つのみである場合、この一つの誘導素子の出力信号に基づいて回動の方向を正確に特定しにくいが、このとき、従来技術における回動方向を特定する方式によって方向を特定することができ、例えば、光学検出によりステアリングを特定することができる。

上記説明した本発明の実施例の作業原理により、磁界に敏感な他のタイプの誘導素子、例えば磁気抵抗、磁気トランジスター、又は磁気抵抗、磁気トランジスターを含む集積回路などを利用することも可能であり、エンコーダの回動による磁界の周期的な変化を検出して、相応な周期信号を出力できればよい。

前記実施例には、ステアリング軸のステアリング角度の測定を例として、本発明の感知装置の構造を説明した。しかしながら、本発明の実施例に係る感知装置は、ステアリング軸の角度の測定に限らず、モータの回転速度の測定等の適用に用いられてもよい。

当業者にとっては、前記実施例に係る感知装置の構造を用いて回転速度を測定する時に、特に回転速度が速い時に（例えば、秒あたり複数の周期を経る）、エンコーダの外面は必ずしも完全で規則的な周期的構造である必要がないが、簡単な交互構造であってもよい。例えば、図３のエンコーダについて、エンコーダの軸方向に沿う側面は部分的に突起部分を含むのみである。このような構造に応じて、誘導素子が出力するのは交互に変化する信号であり、例えば、エンコーダが、その突起部分が誘導素子と位置合わせされるまで回動した場合、誘導素子は高いレベルの信号を出力し、残りの時間には低いレベルの信号を出力する。

図５ａは、本発明の他の実施例に係る感知装置の構造見取り図を示す。図５ａに示すように、本実施例に係る感知装置は複数の誘導素子３３を含む。前の実施例と同様に、磁性体はエンコーダ３１の外に固定配置され、誘導素子３３は磁性体とエンコーダ３１との間に位置し、エンコーダ３１の、誘導素子３３に対向する外面３１１は、磁性材料により構成される周期的構造を有する。具体的に、磁性体と複数の誘導素子３３は、エンコーダ３１の径方向における円周に沿って配置される。

複数の誘導素子３３は、ホールセンサー、巨大磁気抵抗センサー、又はそれらの組み合わせであってもよい。図面を簡素化するために、図中には磁性体が示されていない。複数の誘導素子３３には、ホールセンサーと巨大磁気抵抗センサーとが両方含まれる場合に、感知装置は、角度を算出し易いように、例えばホールセンサーの周期的な電圧信号を電流信号などに変換するための信号変換回路をさらに含んでもよい。

本発明の実施例に係る一つの具体的な実現方式において、磁性体は複数であり、複数の磁性体は複数の誘導素子と１対１対応する。

具体的に、本実施例において、複数の誘導素子の配置により、任意の二つの隣接する誘導素子の出力信号間の位相差は同じになる。このとき、複数の誘導素子は分散して異なる歯に対応してもよく、相対的に集中して配置され、同一の歯に対応してもよい。

図５ｂは複数の誘導素子の出力波形図を示し、図５ｂに示すように、ｎ個の誘導素子に対しては、一回の高レベル信号が対応する位相差がα_１であり、第一誘導素子と第二誘導素子との間の位相差がα_２であり、第一誘導素子と第三誘導素子との間の位相差がα_３であり、第一誘導素子と第ｎ個の誘導素子との間の位相差がα_ｎであると仮設すると、α_２＝１／ｎα_１で、α_３＝２／ｎα_１で、α_ｎ＝（ｎ−１）／ｎα_１である。これによって、当業者であれば分かるように、隣接する２つの誘導素子の出力が相前後して現れると、感知装置は、ステアリング軸に回動が発生したことを知ることができるので、該感知装置が認識可能な最小角度は、位相差α_２＝１／ｎα_１に対応する。このように、誘導素子の数ｎが複数である場合、感知装置の精度を向上させることが可能となる。

一方、前の実施例と同様に、ステアリング角度の検出精度は、さらに、エンコーダの歯数によっても決まる。歯数がｚである場合に、位相差α_１が対応するステアリング角度は、３６０／ｚであり、これで分かるように、該感知装置の精度は３６０／ｎｚである。当業者にとっては、異なる精度要求を満たすように、実際の必要に応じて適当な歯数及び誘導素子の数を選択することができる。

図６は、本発明の実施例に係る感知装置の一つの具体的な実施形態を示す。図６に示すように、通常に、誘導素子の寸法は小さく、エンコーダの歯車の寸法よりはるかに小さい。本実施例において、複数の誘導素子６１、６２、６３はエンコーダの円周に沿って分布され、エンコーダの同一の歯６４に位置合わせされ、配置方式により、任意の二つの隣接する誘導素子間の弧度が同じになる。これにより、任意の隣接する二つの誘導素子の出力信号間の位相差が同じであることが保証されている。

なお、本実施例中の複数の誘導素子の構造により、さらに、複数の誘導素子の出力信号の位相差に基づいてステアリング軸の回動方向を特定することが可能となると理解されるべきである。

本発明の前記各実施例が提供した感知装置は、全体として、独立したセンサーとして実現される。例えば、該センサーは、パッケージのハウジング、固定部分及び可動部分などを含み、磁性体と誘導素子は固定部分に固定され、エンコーダは回転可能な部材として設置される。利用する際に、このようなステアリング角度センサーをステアリング軸に取り付け、エンコーダをステアリング軸と伴って回動させる。このようなセンサーが実現される場合に、ホール電圧を直接に出力信号とすることができ、無論、センサーには、さらに、ホール電圧の信号に対して処理を行い、処理後の信号を出力信号とするいくつかの信号処理回路、例えば整形回路などを含んでもよい。無論、本発明の実施例に係るステアリング角度装置は、エレクトロニック・スタビリティ・プログラムシステムなどの車載用システムの一部として、全部又は部分的に個別に設置される電子素子によって実現されてもよい。

本発明の前記実施例における感知装置はエンコーダ、誘導素子及び磁性体により構成され、従来技術での複数の主動歯車と従動歯車とを含む構造と比べ、より簡単で、占有体積が小さい。また、感知装置におけるエンコーダ、誘導素子及び磁性体は互いに接触せずに、図２ａ及び図２ｂ中のセンサー構造と比べて、このような非接触性の構造は、同時に歯車などの触れ合いによるノイズなどの問題を回避している。

図７は、本発明の一実施例に係るステアリングシステムの構造見取り図を示し、図７に示すように、ステアリングシステム７０は、感知装置７１と、処理部材７２と、駆動部材７３をと含む。

処理部材７２は、ＶＣＵ（車両制御ユニット）、又は他の任意の車載制御装置であってもよく、感知装置７１の出力信号からステアリング角度を算出し、かつ算出したステアリング角度の情報を出力する。いくつかの実施形態において、感知装置７１の出力信号からステアリング方向を検出してステアリング方向の情報を出力することもできる。

駆動部材７３はステアリング装置及びモータなどを含むことができ、処理部材７２により算出されたステアリング角度及びステアリング方向に基づいて、車輪のステアリングを駆動する。

感知装置７１、処理部材７２及び駆動部材７３は、例えばＣＡＮ母線７４を介して接続され、又は他の方式で接続されることができる。

例示として、本発明の実施例に係るステアリングシステムはＥＳＰシステムであってもよく、ここで、処理部材、駆動部材などの具体的な位置については図１を参照することができる。

本発明の実施例は、さらに、回転速度、回動角度などの情報を取得するための感知システムを提供しており、該感知システムは、前記各実施例に係る感知装置を含み、さらに、感知装置の出力信号に基づいて回動軸の回動速度及び／又は回動角度を算出するための算出ユニットを含む。感知装置と同様に、該感知システムは、集積するや個別に設置する方式で実現されることができる。

例示において、該感知システムは、モータ回動を測定するシステムであってもよい。ここで、算出ユニットは、ＭＣＵ、マイクロコントローラや専用集積回路などであってもよく、回動軸はモータの回転軸である。

当業者にとって、前記開示されている各実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形及び修正を行うことができると理解されるべきである。本発明の保護範囲は、添付される特許請求の範囲によって限定されるべきである。

Claims (10)

1. 磁性材料により構成される交互構造の外面を有し、回動軸の回動に伴って回動するエンコーダと、
   前記外面と対向し、前記エンコーダの外部に固定配置される少なくとも一つの磁性体と、
   前記少なくとも一つの磁性体と前記エンコーダとの間に固定配置される少なくとも一つの誘導素子と、を含み、
   前記交互構造により、前記誘導素子は前記エンコーダの回動に伴って回動し、交互に変化する信号を出力し、
   ここで、前記誘導素子は、磁界に敏感な誘導素子である
   ことを特徴とする感知装置。
2. 前記交互構造は周期的構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の感知装置。
3. 前記少なくとも一つの誘導素子は複数の誘導素子であり、前記複数の誘導素子は、 前記複数の誘導素子中の任意の二つの隣接する誘導素子の出力信号間の位相差が同じであるように配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載の感知装置。
4. 前記外面は、前記エンコーダの前記回動軸方向に沿う側面であり、
   前記少なくとも一つの磁性体と前記少なくとも一つの誘導素子は、前記エンコーダの径方向における円周に沿って配置される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の感知装置。
5. 前記周期的構造は歯車構造である
   ことを特徴とする請求項４に記載の感知装置。
6. 前記少なくとも一つの誘導素子は、前記歯車構造の同一の部位に位置合わせされている
   ことを特徴とする請求項５に記載の感知装置。
7. 前記少なくとも一つの磁性体は、前記複数の誘導素子と１対１対応する複数の磁性体である
   ことを特徴とする請求項３に記載の感知装置。
8. 前記磁界に敏感な誘導素子は、ホールセンサー又は巨大磁気抵抗センサーである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の感知装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の感知装置を含み、
   前記感知装置の出力信号に基づいて回動軸の回動速度及び／又は回動角度を算出するための算出ユニットをさらに含む
   ことを特徴とする感知システム。
10. 車両のステアリング軸のステアリング角度を測定するためのステアリングシステムであって、
    請求項１〜８に記載の感知装置と、
    前記感知装置の出力信号に基づいて前記ステアリング角度を特定するための処理部材と、
    前記ステアリング角度に基づいて車輪のステアリングを駆動するための駆動部材とを含む
    ことを特徴とするステアリングシステム。