JP2019138904A - 磁界トルクおよび／または角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本開示の態様は、トルク、回転角度、およびシャフトの旋回数の測定の任意の所望の組み合わせを測定するための磁気センサシステムに関する。【解決手段】シャフトは、ねじり要素によって接続された２つの部分を含み得る。システムは、回転角度の関数として変化する磁界を生成するシャフトに連結された磁気ターゲットを使用して、回転角度を測定することができる。システムは、シャフトの２つの部分間の回転角度の差を測定し、ねじり係数を考慮することによって、シャフトに印加されるトルクを測定することができる。システムは、多旋回センサを使用して、シャフトの旋回数を追跡することができる。磁気センサシステムは、電力アシスト式ステアリング（ＥＰＡＳ）システムの一部とすることができる。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条の下で、２０１８年２月２日に出願された「ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤ ＴＯＲＱＵＥ ＳＥＮＳＯＲ」と題する米国仮特許出願第６２／６２５９１２号の優先権の利益を主張するものであり、当該開示は、参照によりその全文が本明細書に組み込まれる。

記載された技術は、磁気センサを使用してトルクを測定することに関する。

駆動シャフトシステムにおけるトルクを測定する方法は、トルクが印加されたときにその弾性限界内でねじれるように設計されているねじり棒を導入することを伴うことができる。次いで、シャフトにわたる相対的なねじれ角度を測定することができ、その次にトルクが推定される。トルクを測定することに加えて、いくつかの駆動システムはまた、シャフトの旋回数を計数すると共に、シャフトの回転角度および／または速度を測定することを望む。

シャフトが連続的に回転しているときにシャフトと接触せずにシャフトのトルク、角度、および旋回数を測定することは困難な場合がある。いくつかの解決策は、スリップリングを介してシャフト上に配置された角度センサ間の直接的な電気的接続、またはクロックスプリング構成のいずれかを伴う。いくつかの他の解決策は、限られた精度を達成しており、本質的に複雑であり、かつ／または比較的大きな物理的面積を消費する。

特許請求の範囲に記載されている本技術革新は、それぞれいくつかの態様を有しており、そのうちの１つだけがその望ましい特質に寄与しているわけではない。特許請求の範囲を限定することなく、本開示のいくつかの顕著な特徴をここ簡潔に記載する。

本開示の一態様は、少なくとも１つの磁界を生成するように構成された少なくとも１つのバイアス磁石と、磁気センサと、磁気センサと通信する処理回路と、を含む、磁気トルクセンサシステムである。磁気センサは、第１の磁気ターゲットによって誘導された少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第１の磁気センサと、第２の磁気ターゲットによって誘導された少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第２の磁気センサと、を含む。処理回路は、第１の磁気センサからの出力と第２の磁気センサからの出力とに基づいて、第２の磁気ターゲットに対する第１の磁気ターゲットの回転を測定するように構成される。処理回路は、第２の磁気ターゲットに対する第１の磁気ターゲットの測定された回転に基づいて、シャフトに印加されるトルク量に関連付けられたトルク情報を生成するように構成される。

磁気トルクセンサシステムは、第１の磁気ターゲットと、第２の磁気ターゲットと、を含むことができる第１の磁気ターゲットは、第１の歯車を含むことができ、第２の磁気ターゲットは、第１の歯車と同じ数の歯を有する第２の歯車を含むことができる。第１の磁気ターゲットおよび第２の磁気ターゲットは、互いに同じ数の磁気構造を有することができる。磁気トルクセンサシステムは、第１の磁気ターゲットに連結された第１のシャフト部分と、第２の磁気ターゲットに連結された第２のシャフト部分と、を含む、シャフトを含むことができ、第１のシャフト部分および第２のシャフト部分が、互いに対して回転するように構成されている。磁気トルクセンサシステムは、第１のシャフト部分を第２のシャフト部分に連結するように構成されたねじり要素を含むことができ、ねじり要素が、シャフトに印加されるトルクの量に依存する量だけねじれるように構成される。

磁気トルクセンサシステムは、第３の磁気ターゲットによって誘導された少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第３の磁気センサを含むことができる。処理回路は、第１の磁気センサおよび第３の磁気センサから取得された測定値間の差を検出し、かつ第１の磁気センサおよび第３の磁気センサから取得された測定値間の検出された差に基づいて、シャフトの回転角度に関連付けられたシャフト回転角度情報を生成するように構成することができる。磁気トルクセンサシステムは、第１の磁気ターゲットと、第３の磁気ターゲットと、を含むことができる。第１の磁気ターゲットが、第１の歯車を含むことができ、第３の磁気ターゲットが、第１の歯車とは異なる歯数を有する第３の歯車を含むことができる。第１の磁気ターゲットと、第３の磁気ターゲットは、互いに異なる数の磁気構造を有することができる。磁気トルクセンサシステムは、第４の磁気ターゲットによって誘導された少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第４の磁気センサを含むことができ、処理回路が、第４の磁気センサからの１つ以上の測定値に基づいてシャフトの旋回数を生成するように構成される。

第１の磁気センサは、磁気抵抗センサとすることができる。

本開示の別の態様は、少なくとも１つの磁界を生成するように構成された少なくとも１つのバイアス磁石と、第１の磁気ターゲットによって誘導された少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第１の磁気センサと、第２の磁気ターゲットによって誘導された磁界の第２の変化に対して感応性である第２の磁気センサと、第１の磁気センサおよび第２の磁気センサと通信する処理回路と、を含む、磁気センサシステムである。処理回路は、第１の磁気センサおよび第２の磁気センサから取得された測定値間の差を検出するように、かつ第１の磁気センサおよび第２の磁気センサから取得された測定値間の検出された差に基づいて、シャフトの回転角度に関連付けられたシャフト回転角度情報を生成するように構成される。

磁気センサシステムは、第１の磁気ターゲットと、第２の磁気ターゲットと、を含むことができる。第１の磁気ターゲットは、第１の歯車を含むことができ、第２の磁気ターゲットは、第１の歯車とは異なる数の歯を有する第２の歯車を含むことができる。第１の磁気ターゲットおよび第２の磁気ターゲットは、互いに異なる数の磁気構造を有することができる。

磁気センサシステムは、多旋回磁気センサを含むことができる。プロセッサは、多旋回磁気センサの出力に基づいてシャフトの１つを超える旋回に対応する旋回数を出力することができる。

本開示の別の態様は、共に連結された第１および第２のシャフト部分を含むシャフトに印加されるトルクを測定する方法である。方法は、第１の磁気センサから、第１のシャフト部分の回転に関連付けられた第１の磁界測定値を取得することを含む。第１の磁界測定値は、少なくとも１つのバイアス磁石によって生成された少なくとも１つの磁界において、第１の磁気ターゲットによって誘導された変化を表す。方法は、第２の磁気センサから、第２のシャフト部分の回転に関連付けられた第２の磁界測定値を取得することを含む。第２の磁界測定値は、少なくとも１つのバイアス磁石によって生成された少なくとも１つの磁界において、第２の磁気ターゲットによって誘導された変化を表す。方法は、処理回路を用いて、第１の磁界測定値および第２の磁界測定値に基づいて、シャフトに印加されるトルクの尺度を生成することを含む。

方法は、処理回路を用いて、第２の磁界測定値および第３の磁界測定値間の差に基づいて、シャフト回転角度情報を生成することを含むことができる。

この方法は、多旋回磁気センサからの出力に基づいて、処理回路を用いてシャフトの１つを超える旋回に関連付けられた旋回数を生成することを含むことができる。

この方法は、ステアリングシステムを制御するように構成された電力パワーアシスト式ステアリングコントローラにトルクの測定値を提供することを含むことができる。

本開示を要約する目的で、本発明の特定の態様、利点および新たな特徴を本明細書に記載した。必ずしも全てのそのような利点が、任意の特定の実施形態に従って達成され得るわけではないと理解されるべきである。したがって、本技術革新は、本明細書で教示または示唆されるような他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような１つの利点または利点のグループを、達成または最適化する方法で具現化または実行され得る。

本明細書における、これらの図面および関連する説明は、特定の実施形態を図示するために提供されており、限定することを意図していない。
一実施形態による、トルク、回転角度、および１対の連結シャフト部分の旋回数を測定するためのセンサを含む磁気センサシステムの概略図である。 一実施形態による、一対の連結シャフト部分のトルクおよび旋回数を測定するためのセンサを含む磁気センサシステムの概略図である。 一実施形態による、一対の連結シャフト部分のトルクおよび回転角度を測定するためのセンサを含む磁気センサシステムの概略図であり、シャフトが自動車用ステアリングシステムの一部となり得る方法を図示する。 一実施形態による、磁気センサを使用してシャフトトルク、回転角度、および旋回数を測定するためのプロセスのフロー図である。 一実施形態による、ステアリングトルクを測定するためのプロセスのフロー図である。 一実施形態による、電力アシスト式ステアリング（ＥＰＡＳ）システムの概略図であり、電力アシスト式ステアリングを提供することの一部として、ステアリング角度およびステアリングトルクを検出するために磁気センサシステムを利用する。 一実施形態による、ＥＰＡＳシステムの概略図であり、ＥＰＡＳシステムを提供することの一部として、ステアリングトルクおよびステアリングホイール旋回数を検出するために磁気センサシステムを利用する。 一実施形態による、ＥＰＡＳシステムの概略図であり、電力アシスト式ステアリングを提供することの一部として、ステアリングトルクを検出するために磁気センサシステムを利用する。 一実施形態による、多旋回センサおよび角度センサを含む磁気センサシステムの概略ブロック図である。 一実施形態による、多旋回センサの例示的な磁気ストリップレイアウト図を、対応する回路概略図共に示す。 一実施形態による、インターフェース回路を備えた磁気式角度センサの一例を示す概略図である。 一実施形態による、磁気センサを使用してシャフトのトルク、回転角度、および旋回数を測定する方法の一例のプロセスフロー図である。 一実施形態による、バイアス磁石、磁気センサ、および磁気ターゲットを含む磁気センサシステムの概略図である。 一実施形態による、図７Ａの磁気センサシステムの側面図を示す概略図である。 一実施形態による、磁気ターゲットおよび磁気センサと相互作用するバイアス磁石からの磁束線を示す、図７Ａの磁気センサシステムの概略図である。 一実施形態による、磁束線を示し、センサが２つの個別の磁気センサを含む実施形態を示す、図７Ａの磁気センサシステムの概略図である。

以下の詳細な説明は、特定の実施形態の様々な説明を提示する。しかしながら、本明細書に記載の本技術革新は、例えば特許請求の範囲によって定義され網羅されるように、多数の異なる方法で具現化することができる。この説明では、図面を参照する場合、同一の参照番号は同一または機能的に類似の要素を示すことができる。図面に図示された要素は必ずしも一定の縮尺で描かれていないことが理解されるであろう。そのうえ、特定の実施形態は、図面に図示されるよりも多くの要素および／または図面に図示される要素のサブセットを含み得ることが理解されよう。さらに、いくつかの実施形態は、２つ以上の図面からの特徴の任意の適切な組み合わせを組み込むことができる。

本明細書に記載の磁界感知システムは、トルク、位置（例えば角度）、旋回数、または様々な用途におけるそれらの任意の組み合わせを測定するための単純化されたコンパクトでモジュール式の構成を提供することができる。開示された磁界センサの例示的な用途は、ステアリングコラムに印加されるトルク、ならびにステアリングコラムの回転速度、回転角度、および／または旋回数を測定することを含むが、これらに限定されない。そのような情報は、可変パワーアシストおよび／または減衰などの所望の特性を提供するために電力アシスト式ステアリング（ＥＰＡＳ）システムの一部として利用されてもよい。本明細書に開示される磁界感知システムは、任意の適切な磁気抵抗（ｘＭＲ）感知素子を含むことができる。

本明細書に開示される磁気センサシステムは、トルク、回転角度、および旋回数を測定することができる。例えば、図１Ａは、一実施形態による、トルク、回転角度、および一対の連結シャフトの旋回数を測定するためのセンサを含む磁気センサシステム５０の概略図である。いくつかの実施形態では、磁気センサシステムは、角度を測定することなく、トルクおよび旋回数を測定することができる。例えば、図１Ｂは、一実施形態による、一対の連結シャフトのトルクおよび旋回数を測定するためのセンサを含む磁気センサシステム５５の概略図である特定の実施形態によれば、磁気センサシステムは、旋回数を測定することなくトルクおよび角度を測定することができる。例えば、図１Ｃは、一実施形態による、一対の連結シャフトのトルクおよび旋回数を測定するためのセンサを含む磁気センサシステム６０の概略図である。図１Ａ〜図１Ｃの特徴の任意の適切な組み合わせを互いに共に実施することができる。

トルク、位置、および／または旋回数を測定するための磁界センサを含む磁気センサシステム５０を図１Ａに描写する。システム５０は、以下でさらに記載される要素、磁気ターゲット１、２、および３などの、磁気センサ４、５、６、バイアス磁石７、ねじり要素１０を介して共に連結されている第１および第２のシャフト部分８および９、磁気センサ１１および磁気機構１２、センサモジュール１３、および処理回路３０ａなどを含み得る。一般に、センサモジュール１３を含むシステム５０は、モジュール式であってもよく、トルク、シャフト回転角度、およびシャフト旋回数を測定するための前述のセンサおよび／またはターゲットのいずれかを含んでも、含まなくてもよい。

図１Ａにて描写されるように、システム５０は、既知のねじり剛性を有し、第１のシャフト８と第２のシャフト９との間に位置し、互いに自由に回転し、それぞれ、第１のシャフトおよび第２のシャフト部分と称されることもあるねじり要素１０を含み得る。シャフトは、第１のシャフト部分としての第１のシャフト８と、第２のシャフト部分としての第２のシャフト９と、を含むことができる。ねじり要素のねじり剛性はまた、ねじり要素に印加されるトルクが、ねじり係数およびねじり要素のねじれ角度に比例するようにねじり係数とも称され得る。システム５０は、ねじり棒１０などのねじり要素以外の、シャフト８および９を共に連結する可撓性連結デバイスを含み得る。一例として、システム１０は、印加されるトルクで圧縮または伸張されるばね、コイル、または他の要素を含み得る。これらは単なる例示にすぎない。

図１Ａに示すように、システム５０は、歯車の形態の磁気ターゲット１、２、３を含んでもよい。磁気機構１２を磁気ターゲットのうちの１つに含めることができる。磁気ターゲット１および２は、上側シャフト部分８にしっかりと装着されてもよく、磁気ターゲット３は下側出力シャフト９に装着されてもよい。一般に、ターゲット１、２、および３などの磁気ターゲット歯車を互いに実質的に平行になるように装着することが望ましくあり得る。換言すれば、ターゲット１、２、および３は、実質的に平行な平面内にあってもよい。少なくともいくつかの実施形態では、上側シャフト８の現在の回転角度の測定を容易にするために、磁気ターゲット１は、ターゲット２とは異なる数の歯を有する。一例として、ターゲット２は、ｎ個の歯を有してもよく、ターゲット１は、ｎ−１またはｎ＋１個の歯を有してもよい。加えて、シャフト８および９を介して、ねじり要素１０に印加されるトルクの量を測定することを容易にするために、磁気ターゲット２および３が同じ数の歯を有することが望ましくあり得る。トルク、位置、および／または旋回数をどのように測定するかについてのさらなる詳細は、本明細書でより詳細に考察される。

磁気ターゲット１、２、３、および１２は、本明細書において、時折、歯車と称され得るが、一般に、磁気ターゲットは、任意の適切な構造であり得る。第１の例として、歯を有する単一の歯車とは対照的に、１つ以上の磁気ターゲットをシャフト８および９のうちの１つに取り付けられた個々の構造から形成してもよい。第２の例として、１つ以上の磁気ターゲットは、ディスクの平面の上または下の突起など、歯以外の構造を有するディスクまたはリングから形成されてもよい。第３の例として、１つ以上の磁気ターゲットは、測定可能な磁界方向の変化を生み出し、トルク、シャフト回転角度、および旋回数のうちの少なくとも１つを感知するなどの所望の目標を達成するのに十分な方法で配置された埋設された、または取り付けられた磁気構造を有する非磁性材料で形成されたリングなど、可変磁気特性を有する構造から形成されてもよい。一般に、本明細書に開示される磁気ターゲットは、歯、突起、埋設された磁性材料、様々な内部構造または材料などを含む、任意の種類の磁気構造を含んでもよい。加えて、磁気構造は、磁界方向に測定可能な変化を生じさせるために十分な方法で配置されてもよく、感知トルク、回転角度、および旋回数などの所望の目標を達成してもよい。

トルクがシャフト８および９の一方または両方に印加されると、ねじり棒１０は、システムを通して（すなわち、受容シャフト８または９に）トルクを伝達するためにねじれる。 ねじり棒１０がねじれるにつれて、ターゲット歯車２および３は互いに対して回転する。ねじり棒１０に印加されるトルクが増加するにつれて、ターゲット歯車２および３は、ねじり棒１０のねじりにほぼ等しい量で（ねじり棒１０に印加されるトルクに比例し得る）、互いに対してさらに回転する。そのうえ、ターゲット歯車２および３の互いに対する回転は、ターゲット歯車３の歯に対するターゲット歯車２の歯の変位を測定することによって測定することができる。したがって、ターゲット歯車２と３との間の相対回転（すなわち、変位）は、上側シャフト８に印加されるトルク（または、下側シャフト９が入力トルクの供給源である場合には下側シャフト９に印加されるトルク）を示してもよい。より一般的には、ターゲット歯車２と３との間の相対回転は、シャフト８と９との間で送達されているトルクを示してもよい。本明細書で述べたように、シャフト８および９は、任意の適切なシステムにおいてのトルク伝達要素であってもよく、本明細書に記載の自動車用途に限定されない。

少なくともいくつかの実施形態では、システム５０は、２つのシャフト８と９との間の相対回転がある所定量を超えないようにするためのハードストップを含んでもよい。一例として、本システムは、シャフト８がシャフト９に対して約３．０°、３．５°、４．０°、または４．５°を超えて（いずれの方向にも）回転するのを防止するハードストップを含んでもよい。いくつかの実施形態では、システムは、シャフト８が第１の方向に少量（例えば、０．０°、０．５°、または１．０°、またはそれ以上）以上を超えて回転するのを防止しながらシャフト８を回転させないハードストップを含み得る一方、シャフト８は、一方、シャフト８は、第１の方向と反対の第２の方向に、より大きな量（例えば、３．０°、３．５°、４．０°、またはそれ以上）を回転することができる。そのようなハードストップは、過度に印加されたトルクによる損傷からねじり棒１０を保護するのに役立ち得る。そのような実施形態では、システム５０は、ハードストップを係合するのに十分な量を超えるトルクレベルを正確に測定することができない可能性がある。

システム５０は、ターゲット歯車２、３の歯に面して配置された磁界方向センサ５、６を含むセンサモジュール１３を含んでもよく、バイアス磁石７は磁界方向センサ５、６の後ろに配置してもよい。センサ５、６およびバイアス磁石７を含むセンサモジュール１３は、シャフト８、９およびねじり棒１０とのアセンブリから離れて配置されてもよく、シャフト８および９のいずれと共に回転しなくてもよい。バイアス磁石７および図示の磁気センサは、シャフトが回転するときに静止できる。バイアス磁石７からの磁力線は、センサ４、５、６、および１１を通過してもよく、ターゲット歯車１、２、または３のうちの１つからターゲット歯車の歯が（または磁気機構１２などの磁石機構）そのそれぞれのセンサを通過するにつれて歪むことがある。一例として、シャフト８および９が回転すると（例えば、ユーザがステアリングホイールを旋回すると）、ターゲット歯車１の様々な歯がセンサ４を通過し得るので、それによってバイアス磁石７から発する磁力線が歪む。この歪みまたは磁力線方向の変化は、磁界方向センサ４、５、６、および１１によって測定してもよい。センサ５および６からの相対的な磁力線の方向変化を比較することによって、様々な信号処理技術を使用して、ターゲット歯車２に対するターゲット歯車３の回転角度またはねじれを測定することができる。

図１Ａの磁気センサシステム５０はまた、処理回路３０ａを含むことができる。処理回路３０ａは、センサモジュール１３内に、隣接して、またはセンサモジュール１３から離れて配置されてもよく、磁気センサ４、５、６、および１１から信号を受信してもよい。処理回路３０ｂは、磁気センサからの信号をシャフト旋回数、シャフト回転角度、およびトルク測定値に変換してもよい。

バイアス磁石７のようなバイアス磁石、およびバイアス磁石からの磁界を歪ませる、変更する、修正する、または、変化させる磁気ターゲットを利用する実施形態は、永久的に磁化されそれ自体が磁界を生成する磁気ターゲットを用いる実施形態よりも有利であり得る。一例として、バイアス磁石によって生成された磁界を歪ませる適切なバイアス磁気および磁気ターゲットは、適切な磁界を生成する永久磁化磁気ターゲットと比較して比較的安価であり得る。換言すれば、磁気的にアクティブなターゲットを利用するシステムは、磁気的に受動的なターゲットの近くまたは通過する磁界を単に歪ませる、変更する、修正する、または変化させるだけの磁気パッシブターゲットを利用するシステムよりも高価であり、信頼性が低いことがあり得る。

いくつかの実施形態では、図１Ａ〜１Ｃのシステム５０、５５、および６０などの磁気センサシステムは、１つを超えるバイアス磁石を含んでもよい。一例として、本明細書に開示される磁気センサシステムは、磁気ターゲットまたは機構ごとに１つのバイアス磁石を設けてもよい。別の例として、本明細書に開示される磁気センサシステムは複数のバイアス磁石を設けることができ、そのうちの少なくとも１つは、２つ以上の磁気ターゲットまたは機構によって歪むまたは影響を受ける磁界を生成し、そのような歪みが２つ以上の磁気によって検出される。状況によっては、２つ以上のバイアス磁石を設けることが有益であり得る。一例として、センサモジュール１３は、２つの構成要素に分割され得、その一方または両方は、シャフト部分８と９との間の連結部から遠ざけられ得る。

センサ４、５、６、および１１などの磁界方向センサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ素子、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ素子、任意の磁気抵抗検出素子（ｘＭＲ）、トンネル磁気抵抗センサ素子、または他の適切な技術に基づくことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、センサは、正弦および余弦出力を提供してもよい。

他の実施形態では、センサモジュール１３は、シャフト８（またはシャフト９）に装着されてもよく、かつシャフト８（またはシャフト９）と共に回転してもよい。そのような実施形態では、ねじり棒１０に印加されるトルクは、単一の磁界方向センサと単一の磁気ターゲットを使用して決定されてもよい。一例として、センサモジュール１３は、シャフト９にしっかりと装着され得る。次に、磁気センサ５と、シャフト９に取り付けられた磁気ターゲット（ターゲット歯車２など）と、を使用して、センサモジュール１３は、シャフト８と９の間の相対回転、およびシステムに印加されるトルクを識別することができる。

様々な実施形態において、センサモジュール１３は、アセンブリの回転角度（例えば、シャフト８および／またはシャフト９の０°〜３６０°の回転位置）を測定するように構成された１つ以上のセンサおよび１つ以上のターゲットを含んでもよい。一例として、歯車１および２は、入力シャフト８に固定されてもよく、入力シャフト８の回転と共に回転してもよい。加えて、ターゲット歯車１は、ターゲット歯車２よりも多い、または少ない歯を有してもよい。一例として、ターゲット歯車２は、ｎ個の歯を有してもよく、一方ターゲット歯車１は、ｎ−１またはｎ＋１個の歯を有してもよい。そのような例では、ノギスの原理が適用され、両方の歯車１および２における絶対回転角度は、センサ４および５の位置でターゲット２上の歯とターゲット１上の歯との相対変位を測定することによって推測できる。特に、ターゲット歯車１および２が１つずつ歯数が異なる場合、磁気センサ４および５の位置における歯車１および２の隣接する歯の間の相対オフセットは、シャフト８の全回転に対して一意的に変化する。したがって、センサ４および５からの測定値を比較することによって、０°〜３６０°の入力シャフト８の絶対回転角度を測定することができる。

さらに他の実施形態では、センサモジュール１３は、１つ以上のセンサと、シャフトアセンブリの旋回数を測定するように構成されている１つ以上のターゲットとを含んでもよい。そのようなセンサおよびターゲットは、本明細書では旋回ンカウンタと称され得る。自動車の状況では、旋回カウンタは、ホイール２０が０°の位置から３６０°回転した回数を示すことができる。一例として、多くの自動車は、運転者が左のハードストップから右のハードストップまで約３．５回ホイールを回転させることを可能にする（したがって、運転者は、デッドセンタから左右どちらか一方のハードストップまで、ホイールを１．５倍以上回転させることができる。）回転位置センサ（歯車１、２とセンサ４、５など）と組み合わされると、旋回カウンタは、現在の回転と共にホイールが完全に回転した回数を示すことができ、それにより、ホイールのステアリング位置の正確な指示が与えられる。

センサモジュール１３は、磁気機構１２などの１つ以上の磁気ターゲットと、センサ１１などの１つ以上のセンサと、を使用して、シャフトアセンブリの回転を測定してもよい。いくつかの実施形態では、磁気機構１２は、ターゲット歯車のうちの１つから延在し、（バイアス磁石７によって生成された磁力線の）磁力線方向を変えるように構成された磁気要素であってもよい。センサ１１が、磁気ターゲット１２がセンサを通過するときの磁力線方向の変化を検出してもよい。シャフトアセンブリの２分の１および／または全旋回の完了を認識し、旋回数を記録するために様々な信号処理技術を利用してもよい。（いくつかの実施形態では、旋回カウンタは、シャフト８および／または９の第１の方向への全回転の完了を記録するときに、完了した旋回の計数を増加させ、第２の反対方向の全回転の完了を記録するときに完了した旋回の計数を減少させることができる。負の旋回数は、第２の方向への完了した全回転を表してもよい。

図１Ｂは、図１Ａのシステム５０と同様であるが、シャフト回転角度を測定するための構成要素を除いた他の磁気センサシステム５５を描写する。図１Ｂに示すように、磁気センサシステム５５は、磁気ターゲット２および３、磁気センサ５、６、バイアス磁石７、ねじり要素１０を介して共に連結された第１および第２のシャフト部分８および９、磁気センサ１１および磁気機構１２、センサモジュール１３、処理回路３０ｂなどの本明細書でさらに記載される要素を含んでもよい。処理回路３０ｂは、センサモジュール１３内に、それに隣接して、または離れて配置されてもよく、磁気センサ５、６、および１１から信号を受信してもよい。処理回路３０ｂは、磁気センサからの信号をシャフト旋回数およびトルク測定値に変換してもよい。

図１Ｃは、図１Ａのシステム５０と同様であるが、シャフト旋回数を測定するための構成要素を除いた（例えば、旋回計数構成要素を除いた）他の磁気センサシステム６０を描写する。図１Ｃに示すように、磁気センサシステム６０は、磁気ターゲット２および３、磁気センサ４、５、６、バイアス磁石７、ねじり要素１０を介して共に連結された第１および第２のシャフト部分８および９、センサモジュール１３、処理回路３０ｃなどの本明細書でさらに記載される要素を含んでもよい。処理回路３０ｃは、センサモジュール１３内に、それに隣接して、または離れて配置されてもよく、磁気センサ４、５および６から信号を受信してもよい。処理回路３０ｃは、磁気センサからの信号をシャフト回転角度およびトルク測定値に変換してもよい。

図１Ｃはまた、第１のシャフト８がステアリングホイール２０に連結された上側入力シャフトであり、第２のシャフト９がステアリングシステム２２に連結された下側出力シャフトであり得る（またはその逆）ことを図示する。加えて、コントローラと、第２のシャフト９および／またはステアリングシステム２２に連結された１つ以上のモータとを含むＥＰＡＳシステムがあってもよい。ＥＰＡＳシステムは、可変パワーアシスト、減衰、および車線維持、自動駐車、自動運転などの自動操縦機能などのＥＰＡＳ機能を提供する際に、開示された磁界センサからの情報を使用してもよい。簡潔にするため、ステアリングホイール２０およびステアリングシステム２２は、図１Ａおよび図１Ｂから省略されている。加えておよび先に述べたように、システム５０、５５、および６０のようなシステムは、自動車用途に限定されない、様々な用途に組み込まれてもよい。

シャフトトルク、回転角度、および旋回数を測定するためのプロセスのフロー図を図２Ａに示す。本明細書で考察されるように、ターゲット歯車１、２、３、およびターゲット機構１２は、バイアス磁石７によって生成され得る、磁界中において、センサ４、５、６、および１１などの対応するセンサによって測定できる変化を誘導してもよい。これらの測定可能な変化は、１つ以上のシャフトに印加されるトルク、ならびに前述のシャフトの回転角度および旋回数を示してもよい。

動作２１０、２１２、２１４、および２１６において、センサ４、５、６、および１１は、バイアス磁石７によって生成された磁界と回転し相互作用するターゲット１、２、３、および１２（例えば機構１２および歯車１、２、３）のうちの１つ以上の結果として、センサを通過する磁界方向の測定可能な変化を検出してもよい。本明細書でさらに詳細に記載されるように、（例えば、図５Ｂおよび図５Ｂに付随する本文を参照）動作２１０〜２１６は、１つ以上のそれぞれのセンサ１１、４、５、および６を通過する磁界の回転（例、向き）の三角関数の正弦および余弦を測定することを含んでもよい。

動作２１０は、磁気機構１２からの磁界変化に基づいて多旋回カウンタを使用してシャフト８または９などの回転シャフトの旋回を計数することを伴ってもよい。一例として、動作２１０は、図５Ａに関連して本明細書でさらに考察されるように、磁気ストリップ内で磁壁を生成、破壊、および／または移動させて旋回を記録することを伴ってもよい。動作２１２は、センサ４を通過する磁界の正弦および余弦（例えば、向き）を測定することを伴ってもよい。動作２１４は、センサ５を通過する磁界の正弦および余弦（例えば、向き）を測定することを伴ってもよい。動作２１６は、センサ６を通過する磁界の正弦および余弦（例えば、向き）を測定することを伴ってもよい。

動作２１８、２２０、２２２、および２２４において、センサを通過する磁界の角度は、動作２１０〜２１６において測定された磁界の回転の正弦信号および余弦信号から決定されてもよい。特に、計算２１８は、センサ１１によって行われターゲット１２に関連付けられた測定値のアークタンジェントまたは「アークタン」（すなわち、正弦値を余弦値で除算したもの）を見つけることを伴ってもよい。同様に、計算２２０、２２２、および２２４は、センサ４、５、および６によって取得され、それぞれのターゲット１、２、および３に関連付けられたそれぞれの測定値のアークタンを見つけることを伴ってもよい。

動作２１８は、動作２１０においてセンサ１１によって取得された正弦および余弦の測定値のアークタンを見つけることを伴ってもよい。動作２２０は、動作２１２においてセンサ４によって取得された正弦および余弦の測定値のアークタンを見つけることを伴ってもよい。動作２２２は、動作２１４においてセンサ５によって取得された正弦および余弦の測定値のアークタンを見つけることを伴ってもよい。動作２２４は、動作２１６においてセンサ６によって取得された正弦および余弦の測定値のアークタンを見つけることを伴ってもよい。

動作２２６では、動作２２０と２２２で決定されたアークタン値の間の差が決定されてもよい。先に考察されるように、ターゲット歯車１と２との間の歯の数（または磁界の変化を誘導する他の機構）の差は、あらゆる回転角度（例えば、０°〜３６０°）で固有の位相シフトをもたらす。したがって、シャフト回転角度（センサ４および５のうちの個々の１つによって感知された磁界方向ではない）を計算するために使用できるのは、固有の位相シフト、すなわちセンサ４および５（ならびに関連する歯車１および２）によって感知される２つの磁界の方向の差である。したがって、動作２２６の一部として、アークタン値間の差を決定することは、動作２３２におけるシャフト回転角度の決定を可能にする。具体的には、動作２３２は、センサ４および５における磁界間の測定された差を、シャフト回転角度に対するそのような差の所定のマッピングにマッピングすることを伴ってもよい。考察されるように、センサ４と５の磁界の間の差は、全旋回範囲（例えば０°〜３６０°）にわたって連続的にかつ一意的に変化してもよく、全旋回の完了後にのみ繰り返してもよい。加えて、経時的にシャフト回転角度を追跡することによって、システムは、シャフト回転の方向、速度、および加速度を識別することが可能であり得る。

システム５０は、（自動車の場合、直線のステアリング方向に関連付けられてもよい）ゼロ回転角を識別してもよく、これは、セットアッププロセスの一部として、進行中のリアルタイムキャリブレーションの一部として、またはその他のキャリブレーションプロセスの一部として実行してもよい。一例として、センサモジュール１３内のコントローラまたはシステム５０の他の部分は、センサ４および５からの測定値を、キャリブレーションプロセス中に決定され得るゼロ回転角度位置に関連付けられていることが既知であるか、または既知であると信頼される所定のものと比較することによって、ゼロ回転角を識別してもよい。別の例として、コントローラは、経時的に回転角度を監視し、回転角度の統計モード（または最も頻度の高い値）がゼロ角（例えば、自動車は旋回するよりも、まっすぐに運転する方が頻度が高い）、角度であるという仮定に基づいてゼロ回転角度位置を識別してもよい。

動作２２８において、動作２２２と２２４で決定されたアークタン値の間の差が決定されてもよい。先に考察されるように、シャフト８（またはシャフト９）に印加されるトルクは、シャフト９に対するねじり棒１０のねじれおよびシャフト８のねじれを引き起こし得る。加えて、歯車２および３はそれぞれシャフト８および９と共に移動するので、シャフト８（またはシャフト９）へのトルクの適用は、印加されたトルクの大きさに関連して変化する量だけ歯車２および３を互いに対してシフトさせることがあってもよい。したがって、システムに印加されるトルクを推定するために使用されてもよいのは、位相シフト、またはセンサ５および６（ならびに関連する歯車２および３）によって感知される２つの磁界の方向の差である。

いくつかの実施形態では、システムにトルクが印加されていないときでも、歯車２および３が互いに対してシフトされることは許容可能であってもよい。そのような実施形態では、センサモジュール１３内のコントローラ、またはシステム５０の他の部分は、キャリブレーションプロセスを介してそのようなオフセットを補正してもよい。特に、システムは、（オフセット歯車２および３によって引き起こされる）センサ５および６を通過する磁界におけるある特定の位相差とゼロトルク状態を関連付けてもよく、そのベースライン位相差からの差を測定することによってトルクを測定してもよい。

したがって、動作２２８の一部としてアークタン値間の差を決定することは、動作２３４においてシャフト８（または９）に印加されたトルクの決定を可能にする。特に、動作２３４は、歯車、歯車の歯、およびセンサ５および６を通過する磁界に対するそれらの影響の間の所定の関係に基づいて、歯車３に対する歯車２の移動の大きさを決定することを伴ってもよい。動作２３４はまた、歯車３に対する歯車２の移動の決定された大きさ、およびねじり棒１０の剛性、ハードストップの位置などのシステムの所定の属性に基づいて、システムに印加されるトルクを推定することを含んでもよい。

図２Ａ（および図１Ａおよび図１Ｃ）が図示するように、シャフト回転角度を測定することは、いくつかの実施形態では、２つのターゲット歯車（１および２）によって誘導される磁界方向の変化を測定することを伴ってもよい。同様に、シャフトトルクを測定することは、いくつかの実施形態では、２つのターゲット歯車（２および３）によって誘導された磁界方向の変化を測定することを伴ってもよい。しかしながら、シャフトの回転角度とトルクの測定の両方に歯車のうちの１つ（図示の例では歯車２）を利用することは可能であり、それによって使用するターゲット歯車の数と、結果としてシステムのコスト、サイズおよび複雑さを減らすこととなる。

システムに印加されるトルクの大きさに加えて、システムは、トルクがシャフト８またはシャフト９に印加されているかどうか（すなわち、運転者がホイールを旋回させようとしているか、またはステアリングシステムがホイールを介して運転者にフィードバックの提供を試みているか）を判定可能であり得る。換言すれば、システムは、印加されたトルクの方向を決定し、したがって、ねじり棒１０の第１の方向へのねじれと第２の反対方向へのねじれとを区別することが可能であり得る。システムは、センサ５および６からの測定値を分析することによってトルクの方向または発生源を識別してもよい。特に、計算２２８で取得された負の値（または、より一般的には、ゼロトルクに関連付けられているより低い値）は、シャフト８（または９）に入力されるトルクに関連付けられると決定してもよく、一方、計算２２８で取得された正の値（または、より一般的には、ゼロトルクに関連付けられているよりも高い値）は、シャフト９（または８）に入力されるトルクに関連付けられると決定してもよい。

動作２３０において、完了したシャフト旋回数を経時的に追跡してもよい。動作２１８のアークタン計算（またはセンサ１１からの測定値に基づく他の適切な計算）は、完全なシャフト旋回がいつ完了したかを判定する際に使用されてもよい。加えて、シャフト旋回の方向は、センサ１１からの測定値、または他のセンサ（回転センサ４および５など）からの測定値、あるいはその組み合わせに基づいて決定してもよい。いくつかの実施形態では、システムは、第１の方向の完了した旋回を＋１旋回、第２の反対方向の完了旋回を−１旋回として記録してもよく、したがって、システムが、シャフトが所定の中心位置から何回回転したか、およびシャフトがどの方向に回転したかを容易に追跡することができる。

図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、シャフトに印加されるトルク、回転角度、および完了した旋回数などの磁気検知システムによって取得される情報が、電力アシスト式ステアリング（ＥＰＡＳ）システムなどの他のシステムによってどのように利用され得るかを図示する。特に、磁気検知システムからの情報は、電力ステアリング（ＥＰＳ）電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１０によって利用されてもよく、特に、電気アシストモータ３１６を制御するためにＥＰＡＳコントローラ３１４によって利用されてもよい。電気アシストモータ３１６は、ステアリングシステム２２に連結されてもよい。加えて、ＥＰＡＳコントローラ３１４は、運動位置センサ３１２を使用してモータ位置に関するフィードバックを受信してもよい。センサ３１２は、電気モータ３１６（シャフト８または９に匹敵する少なくとも１つのシャフトを含んでもよい）の回転角度を感知するために、本明細書に記載される種類の技術を利用してもよい。

少なくともいくつかの実施形態では、ＥＰＡＳコントローラ３１４は、トルク、回転角度、および磁気感知システムによって測定される完了した旋回数のうちの１つ以上に応答して、電気アシストモータ３１６の動作を変えてもよい。一例として、センサモジュール１３が入力シャフト８上の比較的高レベルのトルクを検出すると（本明細書に記載のようにトルクの方向を検出することによって）、ＥＰＡＳコントローラ３１４は、（プロセス２３２の一部として決定された）シャフト回転の方向に高レベルの電気的支援を提供するようにモータ３１６に命令することによって応答してもよい。

図３Ａは、トルク出力およびステアリング角度とも称され得る、トルクおよびシャフト回転角を感知するように構成された構成要素を少なくとも有するセンサモジュール１３を含む図１Ｃに図示する種類の磁気検知システム６０を図示している。図３Ａに示すように、システム６０は、トルクおよびステアリング角度を計算し、測定されたトルクおよびステアリング角度をＥＰＳ ＥＣＵ３１０または他の所望の構成要素に送信する磁気センサ４、５、および６から信号を受信する処理回路３０ｃも含んでもよい。

図３Ｂは、トルク出力およびインデックスカウンタとも称され得る、少なくともトルクおよびシャフト旋回数を感知するように構成された構成要素を有するセンサモジュール１３を含む磁気感知システム６５を図示している。図３Ｂに示すように、システム６５は、トルクおよび旋回数を計算し、測定されたトルクおよび旋回数をＥＰＳ ＥＣＵ３１０または他の所望の構成要素に送信する磁気センサ５、６、および１１から信号を受信する処理回路３０ｄも含んでもよい。

図３Ｃは、トルク出力とも称され得るトルクを、感知するように構成された構成要素を有するセンサモジュール１３を含む磁気感知システム７０を図示する。図３Ｃに示すように、システム７０は、磁気センサ５および６から信号を受信し、トルクを計算し、そして測定されたトルクをＥＰＳ ＥＣＵ３１０または他の所望の構成要素に送信する処理回路３０ｅも含んでもよい。

トルク、回転角度（および方向、速度、および加速度）、ならびに旋回数の測定に使用されるものなどの磁気センサのさらなる詳細は、以下に記載され、図４、５Ａ、および５Ｂに図示される。

磁気センサを使用して、移動シャフトの角度位置および回転速度を監視することができる。このような磁気検出は、とりわけ自動車用途、医療用途、および工業用制御用途などの様々な異なる用途に適用することができる。磁気センサを製造するためのいくつかの技術が存在する。例えば、ホール効果センサが挙げられる。ホール効果センサは、印加された磁界の強度に基づいて直流（ＤＣ）出力電圧を生成することができる。回転磁界は、次に角度を計算するために、コンピュータによって処理が可能なホール効果センサ内に正弦波形を作成する。また、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサも挙げられる。ＧＭＲセンサでは、ＧＭＲ抵抗器は、強磁性材料および非磁性材料の層を使用して形成される。ＧＭＲ抵抗器は、ホイートストンブリッジで回転磁界の変動を検出するために使用できる。ＡＭＲセンサは、角度位置を測定するために使用することができる。そのようなＡＭＲセンサは、フルブリッジで配置することができる。

磁気センサは、２分の１旋回単位で旋回数を感知および記録するために、あるいは回転磁界の角度を感知するためにチップ上に統合することができ、その状態は、４分の１旋回ごとに変化することができる。４分の１旋回の増分で旋回数を感知し記録するための磁気センサは、多旋回（ＭＴ）センサと称され得る。３６０度の範囲にわたって回転角度を感知するための磁気センサは、角度センサまたは単一旋回（３６０度）角度センサと称され得る。多旋回センサと角度センサの両方を共に使用して、３６０度を超える回転角度位置を決定することができる。多旋回センサと角度センサとの、この組み合わせは、多旋回角度センサとも称され得る。

追加の回路を使用して、多旋回センサおよび角度センサからの信号を処理および／または変換して、有用な情報にすることができる。例えば、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用して、センサからの電圧をデジタルデータに変換し、それを処理して全体の回転角度位置および／または角度速度にすることができる。

図４は、一実施形態による多旋回（ＭＴ）センサ１００と、角度および／またはトルクセンサ１６６と、を含む、磁気多旋回角度センサシステム１６０の概略ブロック図である。センサ１００は、少なくとも図１Ａに関連してさらに記載されるセンサ１１を含んでもよく、旋回数、２分の１旋回数、または他の何らかの分数もしくはシャフトの複数の旋回数を測定および／または記録するために使用することができる。センサ１６６は、少なくとも図１Ａに関連して記載したセンサ４、５、および６のうちの１つ以上を含んでもよく、いくつかの実施形態では、トルクおよび角度の両方を感知するために使用することができる。

図４の多旋回角度センサシステム１６０はまた、処理回路１６８と、ＭＴセンサ１００、角度および／またはトルクセンサ１６６、および処理回路１６８が配置されている、プリント回路基板（ＰＣＢ）１６３と、を含むことができる。処理回路１６８は、ＭＴセンサ１００からの信号Ｓ_Ｍと、角度および／またはトルクセンサ１６６からの信号Ｓ_Ａとを受信することができ、次にこれらの受信信号を処理して、旋回数、回転角度位置（または角度）、および／またはトルク測定値を提供する。処理回路１６８は、２分の１旋回デコーダ１６９を含むことができる。２分の１旋回デコーダ１６９は、ＭＴセンサ１００からの信号Ｓ_Ｍを受信し、２分の１旋回数を出力することができる。ＭＴセンサ１００からの信号Ｓ_Ｍと、角度および／またはトルクセンサ１６６からの信号Ｓ_Ａとは、アナログ信号であり得る。例えば、ＭＴセンサ１００からの信号Ｓ_Ｍは、ＧＭＲ抵抗器を含むホイートストンブリッジなどの抵抗器ネットワークから導出された電圧信号とすることができる。

図５Ａは、一実施形態による多旋回センサ１００の例示的な磁気ストリップレイアウト図を、対応する回路概略図１５０とともに示す。図５Ａの実施形態では、磁気ストリップ１０１がチップ上にパ旋回形成されている。磁気ストリップ１０１は、互いに直列に配置された磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ１４を形成する角度部１０５およびセグメント１０３ａ〜１０３ｎと、磁壁生成部１０７と、を有する。磁気抵抗素子は、磁気整列状態に応答して抵抗を変化させる可変抵抗として作用することができる。図示されている多旋回センサ１００の磁気ストリップパ旋回は、少なくとも３旋回を計数することができる多旋回カウンタにおいて実施することができる。多旋回センサ１００は、電力なしで動作してもよい（例えば、旋回の記録）。

磁気ストリップ１０１は、螺旋状に物理的に広げられた巨大磁気抵抗トラックとすることができる。図５Ａに図示するように、そのような螺旋形状の磁気ストリップ１０１は、丸みを帯びた角度部１０５およびセグメント１０３ａから１０３ｎを有することができる。磁気ストリップ１０１は、磁気ストリップ１０１の素材および断面寸法に基づいて、高い異方性などの磁気異方性を有することができる。磁気ストリップ１０１は磁気エネルギーを蓄えることができる。磁壁生成器（ＤＷＧ）１０７は磁気ストリップ１０１の一端に連結されている。ＤＷＧ１０７は、低異方性などの磁気異方性を有することができる。磁壁生成器は、磁界中の回転に応答して磁壁を生成させることができる。磁壁は、磁気ストリップ１０１に注入することができる。

磁気ストリップ１０１のセグメント１０３ａ〜１０３ｎは、図５Ａの例では磁気ストリップ１０１の直線の辺として示されている。セグメント１０３ａ〜１０３ｎは、セグメントの磁区に基づいて可変抵抗を有することができる。セグメントの磁区が変化すると、そのセグメントの抵抗が変化できる。したがって、セグメント１０３ａ〜１０３ｎは、本明細書では、それぞれ可変抵抗器Ｒ１〜Ｒ１４とも称される磁気抵抗素子として動作することができる。磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ１４は、磁気的に書き込みおよび電気的に読み取ることができる不揮発性の磁気メモリとしても機能することができる。スパイラル形状の磁気ストリップ１０１に広げられている磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ１４は、互いに直列に連結されている。対応する回路概略図１５０は、直列に連結された、対応する磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ１４としてそれぞれ描かれたセグメント１０３ａ〜１０３ｎを示す。

図５Ｂは、一実施形態によるインターフェース回路２０６を有する磁気角度および／またはトルクセンサ１６６の一例を示す概略図である。インターフェース回路２０６は処理回路１６８の一部とすることができる。代替的に、インターフェース回路２０６は、処理回路１６８と角度および／またはトルクセンサ１６６の出力との間の別の回路とすることができる。図２Ｂに示すように、角度および／またはトルクセンサ１６６は、第１のホイートストンブリッジ２０２および第２のホイートストンブリッジ２０４を含む。

第１および第２のホイートストンブリッジ２０２および２０４はそれぞれ、回転磁界を感知し、０〜３６０度の回転角度を提供するために、ＡＭＲ素子などの磁気抵抗素子を含むことができ、また０〜２πラジアンの角度に対応する。加えて、第１のホイートストンブリッジ２０２が第２のホイートストンブリッジ２０４に対して回転するように、各ＡＭＲ素子をＡＭＲプロセスを使用して集積回路上にパターニングすることができる。第１および第２のホイートストンブリッジ２０２および２０４を互いに対して回転させることによって、回転磁界の三角関数の正弦および余弦を０〜３６０度の範囲にわたって決定することができる。

図５Ｂに示すように、第１および第２のホイートストンブリッジ２０２および２０４はそれぞれ、供給電圧ＶＤＤおよび接地ＧＮＤに電気的に接続されている。図示のように、インターフェース回路２０６は、第１のホイートストンブリッジ２０２のセンスノードから電圧ＶＳＩＮ１およびＶＳＩＮ２を受信し、第２のホイートストンブリッジ２０４のセンスノードから電圧ＶＣＯＳ１およびＶＣＯＳ２を受信する。図２Ｂの電圧ＶＳＩＮ１、ＶＳＩＮ２、ＶＣＯＳ１、およびＶＣＯＳ２は、図１の信号Ｓ_Ａの構成要素を表すことができる。インターフェース回路２０６は、電圧ＶＳＩＮ１およびＶＳＩＮ２ならびに電圧ＶＣＯＳ１およびＶＣＯＳ２を処理して、それぞれ磁界に関連付けられた正弦信号および余弦信号を決定することができる。正弦信号および余弦信号から、インターフェース回路２０６は、０〜３６０度の磁界の角度を決定することができる。図５Ｂの実施形態では、インターフェース回路２０６は、単一旋回角度出力データＳＴ＿出力を供給する。

例として、図１Ａを含む様々な図のセンサ４、５、および６は、図５Ｂの角度および／またはトルクセンサ１６６などのセンサを使用して提供されてもよい。図５Ｂに示すように、これらのセンサの各々は、所望の測定値を得るためにそのセンサを通過する磁界の方向に関する十分な情報を共に提供することができる正弦出力（ＶＳＩＮ１および／またはＶＳＩＮ２など）および余弦出力（ＶＣＯＳ１および／またはＶＣＯＳ２など）を有してもよい。

全旋回を追跡するのに使用されるセンサ１１はまた、図５Ｂの角度および／またはトルクセンサ１６６のようなセンサを使用して提供されてもよい。そのような実施形態では、センサモジュール１３内のコントローラまたはシステム５０の他の部分は、磁気ターゲット１２の通過（および随意で方向）、したがって、シャフトの全旋回（または２分の１、または４分の１）を検出するために、センサ１１を実装する角度および／またはトルクセンサ１６６の出力の１つ以上を使用してもよい。他の実施形態では、センサ１１は、図５Ａの多旋回（ＭＴ）センサ１００などの多旋回センサを使用して提供されてもよい。そのような実施形態では、多旋回センサ１００を使用して実施されるセンサ１１は、シャフトの４分の１、２分の１または全旋回を磁気的に記録してもよい。さらに他の実施形態では、センサ１１を省略してもよく、コントローラが旋回数を追跡するために（センサ４および５ならびにターゲット１および２を介して）シャフトの回転を監視してもよい。特に、コントローラは、シャフトが既知の、キャリブレーションされた、または所定の０度の角度を通ってどの方向に回転したかを検出してもよく、適切に旋回数を記録してもよい。したがって、旋回数は、コントローラまたはシステム５０の他の構成要素に実装されたソフトウェアを介して追跡してもよい多旋回センサでは、１つを超える全旋回に対応する旋回数を追跡することができる。

図６は、一実施形態による磁気センサを使用してシャフトのトルク、回転角度、および旋回数を測定する方法６００の一例のプロセスフロー図である。方法６００の動作は、必要に応じて任意の順序で実行することができる。シャフトのトルク、回転角度、および旋回数のうちの１つ以上は、本明細書に開示される任意の適切な原理および利点に従って、１つ以上の適切な磁気センサを使用して測定することができる。方法６００は、磁界センサを含む図１Ａのシステム５０などのシステムが、シャフトのトルク、回転角度、および／または旋回数をどのように測定できるかを記載している。

ブロック６０２で、システムはシャフトの回転角度を測定してもよい。少なくとも図１Ａに関連して記載したように、システム５０は、ターゲット１および２などの一対の磁気ターゲットと、対応する一対の磁気センサ４および５と、を使用して、回転角度を測定してもよい。少なくともいくつかの実施形態では、磁気ターゲット１および２は、シャフトの回転角度を決定するために使用することができる磁界をターゲット１および２が誘導するように構成された構造を有してもよい。一例として、磁石ターゲット１はその周囲に配置されたｎ個の構造を有してもよい一方、磁気ターゲット２はその周囲に配置されたｎ＋１またはｎ−１個の構造を有してもよい。システムは、少なくとも部分的には、ターゲット１および２の異なる構成に起因して、磁気センサ４および５からの信号を比較することによってシャフトの回転角度を決定することが可能であり得る。さらなる詳細は、少なくとも図２Ａに関連して考察される。

ブロック６０４で、システムは、その大きさおよび方向を含む、シャフトの第１の部分と第２の部分との間の相対回転角度を測定する。少なくとも図１Ａに関連して記載したように、システム５０は、ねじり要素１０によって共に連結されることができる第２のシャフト９に対する第１のシャフト８の回転角度を測定してもよい。システムは、ターゲット２および３などの一対の磁気ターゲットと、センサ５および６などの対応する一対の磁気センサと、を使用して、シャフト８および９の相対回転角度を測定してもよい。少なくともいくつかの実施形態では、磁気ターゲット２および３は、ターゲット２および３がシャフト９に対するシャフト８の回転を決定するために使用できる磁界を誘導するように構成された、歯車の歯などの構造を有してもよい。シャフト回転角度を決定することの例のさらなる詳細は、少なくとも図２Ａに関連して考察される。

ブロック６０６で、システムはシャフトに印加されるトルクの大きさおよび方向を決定する。少なくともいくつかの実施形態では、シャフト８および９は、ねじり係数を有するねじり要素１０によって共に連結されてもよい。シャフト８または９の一方にトルクが印加されると、そのトルクはねじり要素１０を介して伝達されてもよく、ねじり要素はトルクの大きさに比例してねじれてもよい。ねじり方向は、印加されたトルクの方向によって決定されてもよい。システムは、ブロック６０４で決定された、ねじり要素１０のねじり係数にシャフトの第１の部分と第２の部分との間の相対回転の大きさを掛けることによってシャフトに印加されるトルクの大きさを決定してもよい。加えて、システムは、ブロック６０４で決定された相対回転の方向を参照することによって、印加されたトルクの方向を決定してもよい。

ブロック６０８で、システムはシャフトの旋回数を記録する。少なくとも図１Ａに関連して記載したように、システム５０は、ターゲット１２のような磁気ターゲットと、センサ１１のような磁気センサと、を使用して、シャフト８および９の旋回数を記録してもよい。センサ１１は、センサ１１に電力が印加されていなくても旋回数を記録することができる多旋回カウンタであってもよい。旋回数は、１つを超えるの全旋回に対応することができる。旋回数は、いくつかの例では全旋回の数で表すことができる。代替的に、旋回数は、４分の１旋回または２分の１旋回などの、任意の適切な数の分数旋回に対応することができる。

バイアス磁石７００、磁気ターゲット７１０、および磁気センサ７２０を含む磁気センサシステムの概略図を、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、および図７Ｂに示す。例として、センサ４、５、および７の各々は、磁気センサ７２０などのセンサを使用して設けてもよく、バイアス磁石７はバイアス磁石７００（所望される場合、複数のセンサに共通であってもよい）として設けてもよく、磁気ターゲット１、２、および３の各々は、磁気ターゲット７１０などの磁気ターゲットを使用して設けてもよい。

図７Ａは、磁気センサシステムの上面図を示し、図７Ｂは、磁気センサシステムの側面図を示す。図７Ａの斜視図では、磁気ターゲット７１０は、紙面に垂直な軸を中心に回転する。図７Ａおよび図７Ｂに示すように、磁気センサ７２０は、バイアス磁石７００と磁気ターゲット７１０との間に配置されてもよい。加えて、磁気ターゲット７１０は、歯状構造であり得るいくつかの構造７１２を含んでもよい。少なくともいくつかの実施形態では、バイアス磁石７００は、そのＮ極が磁気センサおよびターゲットから離れる方向に向けられ、そのＳ極が磁気センサおよびターゲットに向けられる（またはその逆に）ように向けられてもよい。図７Ｂに示すように、バイアス磁石７００は、磁気センサ７２０からオフセットしている。この構成により、バイアス磁界を生成させることができる。

磁気ターゲット７１０の構造７１２は、センサ７２０に対する磁気ターゲット７１０の回転位置の関数として、磁気センサ７２０を通過する磁界の変化を誘導してもよい。磁気センサ７２０は、これらの磁界の変化を検出し、その変化から磁気ターゲットに連結されたシャフトの回転角度（例えば、少なくとも図１Ａのターゲット１および２、ならびにセンサ４および５に関連して記載したように、２つの異なる磁気ターゲットを用いて行われた測定値を比較することによって）、かつ／またはシャフトに加えられたトルク（例えば、少なくとも図１Ａのターゲット２および３、ならびにセンサ５および６に関して記載したように、２つの異なる磁気ターゲットを用いて行われた異なる測定値を比較することによって）を決定してもよい。

図７Ｃおよび図７Ｄに示すように、バイアス磁石７００は、磁界を生成してもよく、磁気ターゲット７１０は、磁気ターゲット７１０の回転位置と共に変化する磁界の変化を誘導してもよく、磁界におけるこれらの変化は、センサ７２０などの１つ以上の磁気センサによって検出可能である。図７Ｃおよび図７Ｄは、この磁界の磁界束線を図示している。

図７Ｃに図示するように、いくつかの実施形態では、磁気センサ７２０は、磁界における変化（例えば、センサを通過する磁束線の方向の変化）を感知することができる単一の感知要素７２２（例えば、図５Ｂの角度および／またはトルクセンサ１６６であってもよい）を含んでもよい。

いくつかの他の実施形態では、磁気センサ７２０は、図７Ｄに図示するように、２つ（またはそれ以上）の感知素子７２２ａおよび７２２ｂを含んでもよい。そのような実施形態では、磁気センサ７２０は、差動方式で複数の感知素子７２２ａおよび７２２ｂを使用してもよい。換言すれば、磁気センサ７２０は、感知素子７２２ａからの測定値と感知素子７２２ｂからの測定値との差を決定することによって、磁気センサを通過する磁界における変化を測定してもよい。

磁気センサ７２０は、センサチップ上に複数の磁気抵抗ストリップを含むことができる。磁気センサ７２０は、磁気抵抗ストリップを用いて差動磁界測定値を生成することができる。センサチップには２つの感知領域がある。一方の領域は、正弦信号用であり得、他方の領域は、余弦信号用となり得る。各領域は複数の磁気抵抗ストリップを含むことができる。橋の抵抗器は、１つ以上の磁気抵抗ストリップで構成されることができる。いくつかの例では、抵抗器はセンサチップの２つの領域の各々に磁気抵抗ストリップを含むことができる。特定の用途では、センサチップの２つの領域は、互いに重なり合うことができる。

本明細書に開示されている技術は、様々な電子システムで実施することができる。本開示の態様は、本明細書に開示されている磁気感知技術から恩恵を受けることができる任意のシステムおよび／またはデバイスに適用可能である。

本開示の態様は、様々な電子デバイスに実装することができる。例えば、本開示の態様は、本明細書に開示された技術から恩恵を受けることができる任意の電子デバイスまたは電子構成要素において実施することができる。電子デバイスの例としては、家庭用電化製品、家庭用電化製品の一部、電子試験機器、車両用電子システムなどが挙げられ得るが、これらに限定されない。電子デバイスの例としては、コンピューティングデバイス、通信デバイス、電子家庭用電化製品、自動車用電子機器システム、他の車両用電子機器システム、産業用制御電子機器システムなどが挙げられ得るが、これらに限定されない。さらに、電子デバイスは、未完成品を含むことができる。

明細書および特許請求の範囲を通して、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」などの語は、排他的または網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味で一般に解釈されるべきであり、すなわち、「含むが、これに限定されない」という意味である。本明細書で一般的に使用される「連結された」という用語は、互いに直接連結されても、または１つ以上の中間要素を介して連結されてもよい、２つ以上の要素を指す。同様に、本明細書で一般的に使用される「接続された」という用語は、直接接続されていても、または１つ以上の中間要素を介して接続されてもよい、２つ以上の要素を指す。加えて、本明細書で使用される場合、「本明細書で」、「上記」、「以下」という用語および類似の意味の用語は、本出願全体を指すものとし、本出願の特定の部分を指すものではない。文脈が許す場合においては、単数形または複数形を使用する上記の詳細な説明における単語は、それぞれ複数形または単数形も含んでもよい。２つ以上の項目のリストを参照する際の単語「または」は、一般的に、その単語の以下の解釈の全て、リスト内の任意の項目、リスト内のすべての項目、およびリスト内の項目の任意の組み合わせを包含することを意図している。

そのうえ、本明細書で使用される条件付き言語、とりわけ「することができる（ｃａｎ）」、「可能性がある（ｃｏｕｌｄ）」、「かもしれない（ｍｉｇｈｔ）」、または「してもよい（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「など（ｓｕｃｈ ａｓ）」などは、特に定めのない限り、文脈において特定の実施形態では、ある特徴、要素および／また状態を含むが、他の実施形態ではそれらを含まないことを概して伝えるために使用されるものと理解される。したがって、そのような条件付き言語は、特徴、要素および／または状態は、１つ以上の実施形態にとって何らかで必要であるか、または１つ以上の実施形態が、これらの特徴、要素および／または状態が含まれるかどうか、または何らかの特定の実施形態で実行されるかどうかを決定するための論理を必然的に含むことを示唆することを意図しない。

本発明の特定の実施形態を記載したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、開示の範囲を限定することを意図するものではない。実際、本明細書に記載した、新規の方法、装置、およびシステムは、他の様々な形で実施してもよく、さらに、本開示の精神から逸脱することなく、本明細書に記載の方法、装置、およびシステムの形における様々な省略、置換および変更を行ってもよい。例えば、本明細書に記載の回路ブロックおよび／または回路要素は、削除、移動、追加、再分割、結合、および／または修正してもよい。これらの回路ブロックおよび／または回路要素の各々は、さまざまな異なる方法で実施してもよい。添付の特許請求の範囲およびそれらの同等のものは、本開示の範囲および趣旨の範囲内に入るような任意形態または修正物を網羅することを意図している。

１ ターゲット歯車
２ ターゲット歯車
３ ターゲット歯車
４ センサ
５ センサ
６ センサ
７ バイアス磁石
８ シャフト
９ シャフト
１０ ねじり棒
１１ センサ
１２ 磁気ターゲット
１３ センサモジュール
２０ ステアリングホイール
２２ ステアリングシステム
３０ａ 処理回路
３０ｂ 処理回路
３０ｃ 処理回路
３０ｄ 処理回路
３０ｅ 処理回路
５０ 磁気センサシステム
５５ 磁気センサシステム
６０ 磁気センサシステム
６５ 磁気感知システム
７０ 磁気感知システム
１００ 多旋回センサ
１０１ 磁気ストリップ
１０３ａ セグメント
１０３ｂ セグメント
１０３ｃ セグメント
１０３ｄ セグメント
１０３ｅ セグメント
１０３ｆ セグメント
１０３ｇ セグメント
１０３ｈ セグメント
１０３ｉ セグメント
１０３ｊ セグメント
１０３ｋ セグメント
１０３ｌ セグメント
１０３ｍ セグメント
１０３ｎ セグメント
１０５ 角度部
１０７ 磁壁生成部
１５０ 回路概略図
１６０ 磁気多旋回角度センサシステム
１６３ プリント回路基板（ＰＣＢ）
１６６ トルクセンサ
１６８ 処理回路
２０２ 第１のホイートストンブリッジ
２０４ 第２のホイートストンブリッジ
２０６ インターフェース回路
３１０ 電力ステアリング（ＥＰＳ）電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１２ センサ
３１４ ＥＰＡＳコントローラ
３１６ 電気モータ
７１０ 磁気ターゲット
７１２ 構造
７２０ センサ
７２２ 感知要素

Claims (20)

1. 磁気トルクセンサシステムであって、
   少なくとも１つの磁界を生成するように構成された少なくとも１つのバイアス磁石と、
   第１の磁気ターゲットによって誘導された前記少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第１の磁気センサと、第２の磁気ターゲットによって誘導された前記少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第２の磁気センサと、を備える、磁気センサと、
   前記第１の磁気センサおよび前記第２の磁気センサと通信する処理回路と、を備え、前記処理回路が、
   前記第１の磁気センサからの出力および前記第２の磁気センサからの出力に基づいて、前記第２の磁気ターゲットに対する前記第１の磁気ターゲットの回転を測定するように、かつ、
   前記第２の磁気ターゲットに対する前記第１の磁気ターゲットの前記測定された回転に基づいて、シャフトに印加されるトルクの量に関連付けられたトルク情報を生成するように構成される、磁気トルクセンサシステム。
2. 前記第１の磁気ターゲットと、前記第２の磁気ターゲットと、をさらに備える、請求項１に記載の磁気トルクセンサシステム。
3. 前記第１の磁気ターゲットが第１の歯車を含み、前記第２の磁気ターゲットが前記第１の歯車と同じ数の歯を有する第２の歯車を含む、請求項２に記載の磁気トルクセンサシステム。
4. 前記第１の磁気ターゲットおよび前記第２の磁気ターゲットが、互いに同じ数の磁気構造を有する、請求項２に記載の磁気トルクセンサシステム。
5. 前記第１の磁気ターゲットに連結された第１のシャフト部分と、前記第２の磁気ターゲットに連結された第２のシャフト部分と、を備えるシャフトをさらに備え、前記第１のシャフト部分および前記第２のシャフト部分が、互いに対して回転するように構成される、請求項２に記載の磁気トルクセンサシステム。
6. 前記第１のシャフト部分を前記第２のシャフト部分に連結するように配置されたねじり要素をさらに備え、前記ねじり要素が、前記シャフトに印加される前記トルクの量に依存する量だけねじれるように構成される、請求項５に記載の磁気トルクセンサシステム。
7. 第３の磁気ターゲットによって誘導された前記少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第３の磁気センサをさらに備え、前記処理回路が、
   前記第１の磁気センサおよび第３の磁気センサから取得された測定値間の差を検出するように、かつ
   前記第１の磁気センサおよび第３の磁気センサから取得された測定値間の前記検出された差に基づいて、前記シャフトの回転角度に関連付けられたシャフト回転角度情報を生成するようにさらに構成される、請求項１に記載の磁気トルクセンサシステム。
8. 前記第１の磁気ターゲットと、前記第３の磁気ターゲットと、をさらに備え、前記第１の磁気ターゲットが、第１の歯車を備え、前記第３の磁気ターゲットが、前記第１の歯車とは異なる歯数を有する第３の歯車を備える、請求項７に記載の磁気トルクセンサシステム。
9. 前記第１の磁気ターゲットと、前記第３の磁気ターゲットと、をさらに備え、前記第１の磁気ターゲットおよび前記第３の磁気ターゲットが、互いに異なる数の磁気構造を有する、請求項７に記載の磁気トルクセンサシステム。
10. 第４の磁気ターゲットによって誘導された前記少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第４の磁気センサをさらに備え、前記処理回路が、前記第４の磁気センサからの１つ以上の測定値に基づいて、前記シャフトの旋回数を生成するようにさらに構成される、請求項７に記載の磁気トルクセンサシステム。
11. 前記第１の磁気センサが、磁気抵抗センサである、請求項１に記載の磁気トルクセンサシステム。
12. 磁気センサシステムであって、
    少なくとも１つの磁界を生成するように構成された少なくとも１つのバイアス磁石と、
    第１の磁気ターゲットによって誘導された前記少なくとも１つの磁界の変化に対して感応性である第１の磁気センサと、
    第２の磁気ターゲットによって誘導された前記磁界の第２の変化に対して感応性である第２の磁気センサと、
    前記第１の磁気センサおよび前記第２の磁気センサと通信する処理回路と、を備え、前記処理回路が、
    前記第１の磁気センサおよび前記第２の磁気センサから取得された測定値間の差を検出するように、かつ
    前記第１の磁気センサおよび前記第２の磁気センサから取得された測定値間の前記検出された差に基づいて、シャフトの回転角度に関連付けられたシャフト回転角度情報を生成するように構成される、磁気センサシステム。
13. 前記第１の磁気ターゲットと、前記第２の磁気ターゲットと、をさらに備える、請求項１２に記載の磁気センサシステム。
14. 前記第１の磁気ターゲットが、第１の歯車を備え、前記第２の磁気ターゲットが、前記第１の歯車とは異なる歯数を有する第２の歯車を備える、請求項１３に記載の磁気センサシステム。
15. 前記第１の磁気ターゲットおよび前記第２の磁気ターゲットが、互いに異なる数の磁気構造を有する、請求項１３に記載の磁気センサシステム。
16. 多旋回磁気センサをさらに備え、プロセッサが、前記多旋回磁気センサの出力に基づいて、前記シャフトの１つを超える旋回に対応する旋回数を出力するように構成される、請求項１２に記載の磁気センサシステム。
17. シャフトに印加されるトルクを測定する方法であって、前記シャフトが、共に連結された第１および第２のシャフト部分を含み、前記方法が、
    第１の磁気センサから、前記第１のシャフト部分の回転に関連付けられた第１の磁界測定値を取得することであって、前記第１の磁界測定値が、少なくとも１つのバイアス磁石によって生成された少なくとも１つの磁界において、第１の磁気ターゲットによって誘導された変化を表す、取得することと、
    第２の磁気センサから、前記第２のシャフト部分の回転に関連付けられた第２の磁界測定値を取得することであって、前記第２の磁界測定値が、前記少なくとも１つのバイアス磁石によって生成された前記少なくとも１つの磁界において、第２の磁気ターゲットによって誘導された変化を表す、取得することと、
    処理回路を用いて、前記第１の磁界測定値および前記第２の磁界測定値に基づいて、前記シャフトに印加されるトルクの尺度を生成することと、を含む、方法。
18. 前記処理回路を用いて、前記第２の磁界測定値と第３の磁界測定値との間の差に基づいて、シャフト回転角度情報を生成することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記処理回路を用いて、多旋回磁気センサからの出力に基づいて、前記シャフトの１つを超える旋回に関連付けられた旋回数を生成することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. ステアリングシステムを制御するように配置された電力アシスト式ステアリングコントローラに前記トルクの測定値を提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。