JP2019528443A - シャフトの絶対回転角度を検出するセンサシステム、シャフトの絶対回転角度を検出する方法、及びセンサシステムを有する車両 - Google Patents

シャフトの絶対回転角度を検出するセンサシステム、シャフトの絶対回転角度を検出する方法、及びセンサシステムを有する車両 Download PDF

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Abstract

発明は、センサシステム(1)、1回転を超える回転角度範囲でシャフト(10)の絶対回転角度(δ)を検出する方法、及びセンサシステム(1)を搭載する車両に関し、センサシステム(1)は、回転同調してシャフト(10)に接続可能なメインロータ(2)、メインロータ(2)に機械的に連結される第1補助ロータ(3)、メインロータ(2)に機械的に連結される第2補助ロータ(4)、第1補助ロータ(3)に割り当てられ第1補助ロータ(3)の回転角度に応じた第1センサ信号を生成する第1センサ装置(SE1)、第2補助ロータ(4)に割り当てられ第2補助ロータ(4)の回転角度に応じた第2センサ信号を生成する第2センサ装置(SE2)、メインロータ(2)に割り当てられメインロータ(2)の相対回転角度(γ)に応じた第3センサ信号を生成するために使われる第3センサ装置(SE3)、及びセンサ装置(SE1、SE2、SE3)のセンサ信号からメインロータ(2)の絶対回転角度(δ)を検出する評価装置を有する。第3センサ装置の検知範囲(α)は360°未満である。

Description

発明は、1回転よりも大きい回転角度を有するシャフトの絶対回転角度を検出するための、特に1回転よりも大きいステアリング角度を有する車両におけるステアリングシャフトの絶対ステアリング角度を検出するための、センサシステムに関し、センサシステムは、シャフトに対して回転同調して接続されることができるメインロータと、一定且つ均一な第1運動でメインロータに対して機械的に連結される第1補助ロータと、第1運動とは異なる一定且つ均一な第2運動でメインロータに機械的に連結される第2補助ロータと、第1補助ロータに割り当てられ第1補助ロータの回転角度に応じた第1センサ信号を生成するように用いられる第1センサ装置と、第2補助ロータに割り当てられ第2補助ロータの回転角度に応じた第2センサ信号を生成するように用いられる第2センサ装置と、メインロータに割り当てられメインロータの相対回転角度に応じた第3センサ信号を生成するように用いられる第3センサ装置と、センサ装置のセンサ信号からメインロータの絶対回転角度を検出するための評価装置と、を備える。発明はまた、上述のようなセンサシステムを用いてシャフトの回転の絶対角度を検出するための方法、及びそのようなセンサシステムを有する車両に関する。
シャフトの回転の絶対角度を検出するために、そのシャフトに対して回転的に同調して接続されるシャフトと、一定且つ均一な第1運動でメインロータに対して機械的に連結される第1補助ロータと、第1運動とは異なる一定且つ均一な第2運動でメインロータに機械的に連結される第2補助ロータと、第1補助ロータに割り当てられ第1補助ロータの回転角度に応じた第1センサ信号を生成するように用いられる第1センサ装置と、第2補助ロータに割り当てられ第2補助ロータの回転角度に応じた第2センサ信号を生成するように用いられる第2センサ装置と、センサ装置のセンサ信号からメインロータの絶対回転角度を検出するための評価装置と、を備えるジェネリックセンサシステムが、従来技術から、例えばDE 195 06 938 A1やDE 10 2009 031 176 A1から、一般的に知られている。第1センサ装置及び第2センサ装置によって、メインロータの回転の絶対角度が検出されることができる。
そのようなセンサシステムを用いてシャフトの回転の絶対角度を検出するための関連する方法も、例えば、最初に述べられたDE 195 06 938 A1やDE 101 10 785 A1から一般に知られており、それらにはシャフトの絶対回転角度の検出に関するさらなる詳細について特に述べられている。
シャフトの回転の絶対角度の検出の精度を向上させるために、DE 10 2009 031 176 A1に記載されているセンサシステムでは、高分解能でメインロータの回転の相対角度を検知するように設計されている第3センサ装置も設けられている。第1センサ装置及び第2センサ装置によって、第1の精度で、特にメインロータが位置する回転角度範囲で、シャフトの回転の絶対角度を検出することが可能である。第3の高分解能のセンサ装置によって、この回転角度範囲内でメインロータの回転の相対角度が第2のより良い精度で検出されることができ、それによって絶対回転角度が全体的に改善された精度で確認されることができる。
このために、第3センサ装置は、共通のプリント回路基板上において2つの補助ロータ間にメインロータに対して静止するやり方で配置される磁気センサと、メインロータ上に配置され全周にわたって形成される磁気リングとを有し、当該磁気リングは、周方向に交互に配置される磁N極及び磁S極によって構成され、当該磁N極及び磁S極は、メインロータの回転の間に磁気センサを通り過ぎて移動する。N極と隣接するS極が一緒になって極ペアを形成する。磁気センサによって検出される磁束密度又は検出される磁場方向から、回転角度範囲内のメインロータの相対回転角度を検出することができる。
そのようなセンサシステムは、シャフトの回転の絶対角度を高精度で検出するように確かに使用されることができる。しかしながら、そのようなセンサシステムは、特に上述の第3センサ装置は、製造が複雑であり、したがって高価である。
特に、第1センサ装置と第2センサ装置とが磁気センサ装置としても設計されている場合、センサ装置が互いに影響を及ぼし合うことがあり、特に第3センサ装置の磁気リングが第1センサ装置及び/又は第2センサ装置のセンサ信号を歪ませうることがあり、それによって回転の絶対角度の検出の達成可能な精度に悪影響があるエラーや不正確さが生じうる。さらに、第1センサ装置及び/又は第2センサ装置の磁石は、第3センサ信号を歪ませる可能性がある。
したがって、発明の目的は、代替のセンサシステム、好ましくはより費用効果の高いセンサシステム、特に、個々のセンサ装置のお互いの間の相互影響を低減することができるセンサシステム、及びそのようなセンサシステムを用いてシャフトの回転の絶対角度を検出するための関連方法を提供することである。
この目的は、発明によれば、それぞれの独立請求項に基づくセンサシステムによって、方法によって、及び車両によって、達成される。発明の有利な実施形態は、従属請求項、明細書及び図面の主題であり、以下においてより詳細に説明される。
発明によるセンサシステムは、第3センサ装置が360°未満である検知範囲を有することを特徴とする。これは、発明によるセンサシステムにおける第3センサ装置の検知範囲が1回の全回転未満であることを意味する。したがって、メインロータの回転の相対角度に応じて第3センサ信号が第3センサ装置により生成されることができる回転角度範囲は、全回転にわたってではなく、定められた角度範囲にわたってのみ延びる。特に、第3センサ装置を使用すると、メインロータの回転の相対角度は、この角度範囲、いわゆる検知範囲、においてのみ検出されることができる。
発明によるセンサシステムは、好ましくは、回転の両方向への、すなわち左への及び右への、シャフトの回転の絶対角度を検知するように設けられており、すなわち、以下の関係が好ましくは適用される:α≦±360°/qただしq>1。
第3センサ装置が周方向の全回転にわたってではなくその一部にわたってのみ延びる検知範囲を有するという事実により、発明によるセンサシステムは、DE 10 2009 031 176 A1に記載されているもののような360°の検知範囲を持つ第3センサ装置を有するセンサシステムよりも費用効果が高く、その理由は、特に第3センサ装置はより簡単に設計されることができ、それによってより簡単に且つより費用効果よく作られるからである。
発明によるセンサシステムでは、シャフトの回転の絶対角度が、ただ検知範囲内でより高い精度で検出されることができる。しかしながら経験は、向上された精度は一般に全回転角度範囲又は全1回転にわたって要求されるのではなく、定められた回転角度範囲においてのみ要求され、例えば、車両においてステアリングシャフトの絶対ステアリング角度の検出において増大された精度は典型的にはゼロ位置の周辺においてのみ必要とされ、多くの適用ケースにおいて、特にセンサシステム内の第3センサ装置の有利な配置のケースにおいて、発明によるセンサシステムは重大な不利益無しで使用されることができることを示している。
発明の意味の範囲内で、シャフトの回転の絶対角度は、定められたゼロ位置に対してシャフトが回転する角度として定められ、シャフトの回転の絶対角度は>360°としうる。
発明の意味の範囲内においてシャフトの回転の相対角度は、1回転内におけるシャフトの回転の角度であり、すなわち相対回転角度は360°以下としうる。たとえば、シャフトの回転の絶対角度が+400°の場合、シャフトの回転の相対角度は+40°である。したがって、−460°の絶対回転角度に関する相対回転角度は−100°である。
2つの回転可能に取り付けられた構成要素間の回転的に同調する接続は、回転の定められた角度による第1構成要素の回転が同じ回転の角度の第2の構成要素の回転をもたらす接続であり、逆もまた同様である。言い換えれば、メインロータがシャフトに回転同調して接続されている場合、メインロータの回転の絶対角度はシャフトの回転の絶対角度に対応し、その逆も成り立つ。好ましくは、シャフトに対する回転同調接続を作り出すために、特に周方向に遊びがないように、メインロータを回転固定されたやり方でシャフトに接続することができる。
発明の意味の範囲内でロータは、それが回転角度にわたって回転できるように取り付けられた物体であり、好ましくはセンサシステムの少なくとも1つのロータ、すなわち少なくともメインロータ及び/又は第1補助ロータ及び/又は第2補助ロータは、例えば円盤状の回転体として、例えば回転可能に取り付けられたディスクとして、特に摩擦車、歯車、プーリなどとして、設計される。
メインロータとして指定された要素はセンサシステムの回転体であり、当該回転体は、シャフトに対して回転同調されたやり方で接続されるように設計又は設けられており、その回転角度は、発明によるセンサシステムによって検知されるものである。補助ロータはセンサシステムの回転可能に取り付けられた物体であり、当該物体は、運動とともにメインロータに機械的に連結される。
発明によるセンサシステムにおいて、メインロータは、好ましくは、(それぞれの場合において)第1補助ロータ及び第2補助ロータと共に歯車機構を形成する。この場合、特に摩擦歯車機構、歯車トランスミッション及びトラクション駆動(traction drives)が適していることが分かっている。換言すれば、メインロータは、好ましくは、摩擦歯車機構、歯車トランスミッション及び/又はトラクションギアボックスによって第1補助ロータに、一定で均一な第1運動とともに、連結され、好ましくは、摩擦歯車機構、歯車トランスミッション及び/又はトラクションギアボックスによって第2補助ロータに対して、第1のものとは異なるが一定で均一でもある第2運動とともに、機械的に連結される。
歯車トランスミッションが特に有利であることが分かったので、好ましくはメインロータならびに第1補助ロータ及び第2補助ロータはそれぞれ歯車として実施され、メインロータは第1補助ロータ及び第2補助ロータと噛み合い、第1補助ロータと第2補助ロータとは歯数が異なるので、第1補助ロータは一定且つ均一な第1運動とともにメインロータに連結され、第2補助ロータは、第1運動とは異なる一定且つ均一な第2運動とともに連結される。
メインロータは、好ましくはシャフト上に直接配置されるように設計され、メインロータは、特に好ましくは、周方向に遊びを伴わずに、回転的に固定された方法でシャフトに接続されうる。これにより、メインロータの回転の相対角度の実質的にヒステリシスのない検出が可能になり、その結果、検知範囲における第3センサ装置の対応する高い分解能で、メインロータの回転の絶対角度又はそれに対して回転的に同調して接続されるシャフトの回転の絶対角度は、実質的にヒステリシスがない高精度で、検知範囲内において検出されることができる。
発明によるセンサシステムの有利な構成において、センサシステムは、メインロータの相対回転角度が第3センサ装置の検知範囲外にある場合には第1の精度で、メインロータの相対回転角度が第3センサ装置の検知範囲内にある場合に第2の精度で、好ましくはより良い精度で、メインロータの絶対回転角度を検出するように設計される。
第3センサ装置の分解能は、好ましくは、第1センサ装置及び/又は第2センサ装置のみを使用して検出されるメインロータの回転の絶対角度の分解能と少なくとも同じだけ高く、好ましくはこれよりも少なくとも2倍高く、特にこれよりも少なくとも4倍高い。特に好ましくは、第3センサ装置の分解能は、第3センサ信号を考慮せずに、第1センサ信号及び/又は第2センサ信号から絶対回転角度を検出することができる分解能の分解能の少なくとも10倍である。
360°未満の検知範囲を有する第3センサ装置を有する発明によるセンサシステムはまた、第3センサ装置の巧みな配置、特にその検知範囲、によって、第3センサ装置と第1センサ装置及び/又は第2センサ装置との間におけるあらゆる相互影響が低減されることが或いは完全に防がれることさえも可能である。発明によるセンサシステムの更なる有利な設計では、第3センサ装置は、特に第3センサ信号の生成の間、少なくともメインロータの定められた相対回転角度の辺りで、好ましくはメインロータの相対ゼロ位置の辺りで、第3センサ装置と第1センサ装置及び/又は第2センサ装置との間のあらゆる相互影響が低減され又は防がれるように、第1センサ装置及び/又は第2センサ装置に対して設計されて配置される。言い換えれば、これは、好ましくは、メインロータが第3センサ装置の検知範囲において回転角度を有する場合に第3センサ装置と第1センサ装置及び/又は第2センサ装置との間において生じる相互影響が全くないか減じられた相互影響のみが生じるように、第3センサ装置が第1センサ装置及び/又は第2センサ装置に対して設計されて配置されることを意味する。
さらに、第3センサ装置の検知範囲が全1回転を超えて広がらないという事実は、センサ信号の妥当性をチェックするための追加の選択肢をもたらし、それは、特に発明による方法との関連で、後ほどより詳細に説明される。
発明によるセンサシステムのさらに有利な構成では、メインロータの絶対ゼロ位置はメインロータの相対ゼロ位置と一致する。メインロータの絶対ゼロ位置は、メインロータが0°の絶対回転角度を有する回転角度位置として定められる。したがって発明の意味の範囲内での相対ゼロ位置は、メインロータが0°の相対回転角度を有する回転角度位置を意味すると理解される。つまり、メインロータの回転の絶対角度が0°の場合、メインロータの回転の相対角度も好ましくは0°である。
センサシステムの更なる有利な構成において、第3センサ装置の検知範囲は、メインロータの定められた相対回転角度の辺りに、好ましくはメインロータの相対ゼロ位置の辺りに、延び、その検知範囲は、特にメインロータの定められた相対回転角度の辺りに対称的に延びる。
発明によるセンサシステムの第3センサ装置の検知範囲は、好ましくは≦270°の回転角度範囲にわたって延び、検知範囲は好ましくは、メインロータの回転の相対角度に関して+135°〜−135°の回転角度範囲内にある。
発明によるセンサシステムの他の有利な構成では、第3センサ装置の検知範囲は、180°の回転角度範囲にわたって、好ましくはメインロータの相対回転角度に関して+90°から−90°に、延びる。
発明によるセンサシステムのさらに有利な構成では、第3センサ装置の検知範囲は、≦150°の回転角度範囲にわたって延び、好ましくは、メインロータの回転の相対角度に関して+70°〜−75°の回転角度範囲内にある。
発明によるセンサシステムのさらに有利な構成では、第3センサ装置は磁気センサ装置であり、第3センサ信号を生成するために、第3センサ装置は好ましくは磁気センサと周方向に延びる磁気リングセグメントとを備え、磁気リングセグメントが周方向に延びる角度範囲は、特に検知範囲を定める。言うまでもなく、第3センサ装置は、光学センサ装置又は他のセンサ装置、特に従来技術から知られておりこの目的に適したもの、ともしうる。
第1補助ロータの回転の角度に応じた第1センサ信号を生成するために設けられる第1センサ装置は、好ましくは磁気センサ装置でもある。しかしながら、第1センサ装置は、従来技術から知られておりこの目的に適している光学センサ装置又は任意の他のセンサ装置ともしうる。したがって、第2センサ装置も、好ましくは、この目的に適した、特に従来技術から知られている、光学センサ装置、磁気センサ装置、又は任意の他のセンサ装置である。
発明によるセンサシステムのさらなる有利な構成では、第3センサ装置の磁気センサはセンサシステムにおいて動かないように構成され、磁気リングセグメントはメインロータに固定される。一方、いくつかのケースでは、磁気センサはメインロータに固定され、磁気リングセグメントはセンサシステムにおいて動かないように構成することが有利でありうる。第3センサ装置の構成要素、特に磁気センサ及び磁気セグメントリングは、好ましくは、メインロータの回転の相対角度が第3センサ装置の検知範囲内ある場合に第3センサ信号が生成されるように、及び、メインロータの回転の相対角度が第3センサ装置の検知範囲の外側にある場合に第3センサ信号が生成されないように、センサシステムにおいて設計されて配置される。
発明によるセンサシステムの更なる有利な設計では、周方向に連結された複数の極ペアにより構成され、好ましくは、お互いに隣り合って交互に配置されるN極及びS極を磁気リングセグメントが有し、極ペアが特に永久磁石の極ペアとして実施されるように、極ペアが連結される。
発明によるセンサシステムの更なる有利な設計では、全ての極ペアが等しい極ペア角度範囲にわたって延び、極ペア角度範囲は好ましくは、第1センサ信号及び第2センサ信号から絶対回転角度を検出することができる精度の約2倍に対応する。
発明によるセンサシステムの更なる有利な構成では、第3センサ装置の磁気センサは、センサシステムにおいて、メインロータの相対的なゼロ位置の領域で固定位置に配置されており、第3センサ装置の磁気リングセグメントが延在する角度範囲であって好ましくは検知範囲を定める角度範囲が、少なくとも、第3センサ装置の磁気リングセグメントによる第1センサ装置及び/又は第2センサ装置に対するいかなる影響及び/又は逆も同様に、少なくともメインロータの相対ゼロ位置の辺りにおいて、好ましくは第3センサ装置の検知範囲の全体にわたって、防がれるように、小さく選ばれる。
好ましくは、磁気センサを通過する磁気リングセグメントの移動のために第3センサ信号が生成される一方で、あらゆる望ましくない相互影響、特に第3センサ装置に対する第1センサ装置及び/又は第2センサ装置のあらゆる影響、が回避されるような、また逆も同様な、第3センサ装置の磁気センサからの距離に、第1センサ装置及び/又は第2センサ装置は配置される。
第3センサ装置の磁気センサが、メインロータの相対ゼロ位置の辺りの領域に、特にメインロータの相対ゼロ位置に、配置されている場合に、メインロータの回転の相対角度に関して第3センサ装置の検知範囲が+90°〜−90°の回転角度範囲内にあり、第1センサ装置及び第2センサ装置は各々、±90°〜±180°の回転角度範囲の半径方向外側に、好ましくは±120°〜±180°の回転角度範囲の外側に、特に±135°〜±180°の回転角度範囲の外側に、配置されていることが有利であることが分かっている。
発明による方法は、以下のステップによって特徴付けられる:
− センサ装置によって生成されるセンサ信号を検知し、及び
− 検知されるセンサ信号からメインロータの回転の絶対角度を検出し、
メインロータの相対回転角度が第3センサ装置の検知範囲の外側にある場合にメインロータの絶対回転角度は第1センサ信号及び/又は第2センサ信号から検出され、メインロータの相対回転角度が第3センサ装置の検知範囲内にある場合にその絶対回転角度は第1センサ信号及び/又は第2センサ信号及び第3センサ信号から検出される。
これは、言い換えれば、発明によれば、回転の相対角度が検知範囲内にあるような回転角度にわたってメインロータが回転させられて第3センサ装置により第3センサ信号が発生させられる場合に、メインロータの回転の絶対角度を検出するように第1センサ信号及び第2センサ信号が用いられ、そしてメインロータの回転の相対角度が検知範囲の外側にありしたがって第3センサ信号が生成されない場合、回転の絶対角度を検出するように第1センサ信号及び第2センサ信号のみが使われる。
第3センサ装置の適切な設計により、特に第3センサ装置が適切な高い分解能を有する場合、このようにして、検知範囲内では高い精度で且つ検知範囲の外側ではより低い精度で回転の絶対角度を検出することができる。しかしながら、ほとんどのケースにおいて、発明による方法によって、特に発明によるセンサシステムと関連して、特に簡単且つ費用効果が高いやり方で、特定の角度範囲内で、特にシャフト又はメインロータの絶対ゼロ位置の辺りで、高い精度が必要とされるだけであるので、シャフトの回転の絶対角度を、関連する回転角度範囲において高い分解能で実質的にヒステリシスのない状態で、機能の重大な喪失も無く多くの適用において、検出することができる。
したがって、発明による方法の有利な構成では、相対回転角度が第3センサ装置のメインロータの検知範囲の外側にある場合には第1の精度で、及びメインロータの相対回転角度が第3センサ装置の検知範囲内にある場合には第2の精度で、好ましくはより良い精度で、メインロータの絶対回転角度が検出される。
発明による方法の更なる有利な設計では、センサ信号の妥当性検査がさらに実行され、その妥当性検査は好ましくは以下のステップを含む:
− 第1センサ信号及び/又は第2センサ信号から第1の精度でメインロータの絶対回転角度を検出し、
− メインロータの絶対回転角度が定められた回転角度範囲の内側にあるか外側にあるかをテストし、ここで定められた回転角度範囲は特に検知範囲に対応し、
− 第3センサ信号が第3センサ装置によりメインロータの関連の相対回転角度に応じて生成されたか否かをテストし、
− エラー状態が存在するか否かをテストし、
− 該当する場合は、エラー状態信号を出力する。
そして、好ましくは発明によるセンサシステムに関連する、発明による方法で監視されているシステムを、例えば車両を、エラー状態信号の信号値に応じて、安全な状態に移行するように、適切な措置がとられることができる。
発明による方法の更なる有利な設計では、メインロータの検出された絶対回転角度が第3センサ装置の検知範囲内にあり且つ第3センサ信号が生成されていない場合に、又は、メインロータの検出された絶対回転角度が第3センサ装置の検知範囲外にあり且つ第3センサ信号が生成されている場合に、エラー状態が存在する。
発明による車両は、それが発明によるセンサシステムを有し、メインロータの回転の絶対角度がシャフトの回転の角度に対応するように、メインロータがシャフトに回転同調して接続されることを特徴とする。
センサシステム及びそれらの利点に関して提示されている有利な実施形態は、発明による方法ならびに発明によるセンサシステムを有する発明による車両にも、変更すべきところは変更して、適用する。
発明の更なる特徴は、特許請求の範囲、図面、及び図面の説明から生じる。上記の説明で引用された全ての特徴及び特徴の組み合わせ、及び以下の図面の説明に引用された及び/又は図面にのみ示された特徴及び特徴の組み合わせは、特定されているそれぞれの組み合わせにおいてだけではなく、他の組み合わせ又は他の孤立したものにも、それらが技術的に実現可能であれば、適用可能である。
発明は、有利な例示的な実施形態に基づいて及び添付の図面を参照して、より詳細に説明される。
以下が示されている:
概略図における、ステアリングシャフトの絶対ステアリング角度を検出するための発明によるセンサシステムの第1の例示的な実施形態の基本構造。 絶対ステアリング角度に対する第1センサ信号及び第2センサ信号の信号トレース。 絶対ステアリング角度に対する第3センサ信号の信号トレース。
図1は、ステアリングシャフト10の絶対ステアリング角度δを検出するための発明によるセンサシステム1の第1の例示的な実施形態の基本構造の概略図を示す。
発明によるセンサシステム1は、ステアリングシャフト10に対して周方向に遊び無く回転固定されたやり方で接続されるメインロータ2と、第1補助ロータ3及び第2補助ロータ4とを有する。メインロータ2と第1補助ロータ3と第2補助ロータ4とは、各々、ここではさらに説明されない軸を中心に回転可能に設けられる歯車2、3、4として実施される。
メインロータ2は、その周方向への遊び無しでのステアリングシャフト10に対する回転固定接続のために、ステアリングシャフト10に対して回転同調したやり方で接続され、それによって定められた絶対回転角度δのステアリングシャフト10の回転が、同じ定められた絶対回転角度δのメインロータ2の回転をもたらす。
したがって第1補助ロータ3及び第2補助ロータ4は、各々、メインロータ2と共に歯車機構を形成し、補助ロータ3は、一定且つ均一な第1運動とともにメインロータ2に対して機械的に連結され、第2補助ロータ4は、第1運動とは異なるが一定且つ均一な第2運動とともにメインロータ2に連結される。このために、第2補助ロータ4は、第1補助ロータ3とは異なる数の歯を有する。
発明によるセンサシステム1は、第1補助ロータ3の回転角度に応じた第1センサ信号S1を生成するために(図2a参照)、第1センサ装置SE1を有し、且つ、第2補助ロータ4の回転角度に応じた第2センサ信号S2を生成するための第2センサ装置SE2を有する。
さらに、発明によるセンサシステム1は、メインロータ2の回転の相対角度γに応じて第3センサ信号S3(図2b参照)を生成するように設計された第3センサ装置SE3を有する。
さらに、発明によるセンサシステム1は、メインロータ2の又はそれに対して回転同調して接続されるステアリングシャフト10の回転の絶対角度δを、センサ装置SE1、SE2、SE3のセンサ信号S1、S2、S3から検出するための、ここでは図示されていない、評価装置を有する。
発明によるセンサシステム1のこの例示的な実施形態における3つのセンサ装置SE1、SE2及びSE3はすべて、磁気センサ装置SE1、SE2及びSE3として実施され、第1センサ装置SE1及び第2センサ装置SE2は、各々、各ケースにおいて少なくとも全1回転にわたって、すなわち少なくとも360°の回転角度範囲にわたって、関連する補助ロータ3又は4の回転の角度を検知するように設計され、それによってメインロータ又はステアリングシャフト10の回転の絶対角度δが、第1センサ信号S1及び/又は第2センサ信号S2のみから検出されることができる。
他方、発明によれば、第3センサ装置SE3は、定められた回転角度範囲α、いわゆる検知範囲α、におけるメインロータ2の回転の相対角度γを検知するようにのみ、又はこの回転角度範囲αにおいて第3センサ信号S3を生成するようにのみ、設計されている。
発明によるセンサシステム1の評価装置は、第1に、第1センサ装置SE1によって生成される第1センサ信号S1から及び/又は第2センサ装置SE2によって生成される第2センサ信号S2から、例えば明示的にDE 195 06 938 A1に記載されているような、ここで明示的に参照されるノニウス原理(nonius principle)に基づいて、メインロータ2の回転の絶対角度δのみを検出するように設計される。第2に、評価装置は、特にDE 10 2009 031 176 A1に説明されている方法に基づいて、メインロータ2の又はそれに対して回転同調して接続されるステアリングシャフト10のそれぞれの関連する回転の絶対角度δに関して第3センサ信号S3が生成されるならば、3つのセンサ信号S1、S2、S3の全てから、メインロータ2の絶対回転角度δひいてはステアリングシャフト10の絶対ステアリング角度δを検出するように設計される。
第3センサ装置SE3によって、第3センサ装置SE3の適切な設計を前提として、メインロータ2の回転の絶対角度δ又はシャフト10の回転の絶対角度δが検知範囲α内で検出されることについての精度を著しく向上させることが、簡単なやり方で可能である。これは、磁性の第3センサ装置SE3及びメインロータ2に固定される磁気リングセグメント8を用いて、非常に簡単に達成されることができ、当該第3センサ装置SE3は、発明によるセンサシステム1のこの例示的な実施形態におけるように設計され且つセンサシステム1内の固定位置に配置された磁気センサ9を有し、当該磁気リングセグメント8は、周方向に連結される複数の永久磁石極ペアN−Sによって構成され、それらの極ペアN−Sは、お互いに隣り合って交互に配置されるN極N及びS極Sを磁気リングセグメント8が有するように連結される。
磁気センサ9は、特にセンサシステム1においてメインロータ2上に配置される磁気リングセグメント8に対して動かないようなやり方で、固定され、磁気リングセグメント8は、シャフト10の回転下又はメインロータ2の回転下において、回転の十分な角度で、磁気センサ9を通過するように動かされることができる。場のベクトルが、磁極N、Sの近傍で、従って極ペアN−Sの近傍で、連続的に方向を変えるので、磁気センサ9に対する2つの隣り合う磁極N、Sの位置、従って磁極ペアN−Sの位置は、磁束密度の測定又はその場の方向の測定を用いて検知されることができる。したがって、第3センサ装置SE3によって、メインロータ2の回転の相対角度γに応じた第3センサ信号S3を生成することができる。
極ペアN−Sは、各々、等しい極ペア角度範囲pにわたって周方向に延びており、当該極ペア角度範囲pは、このケースでは、第1センサ信号S1及び第2センサ信号S2から絶対回転角度δを検出することができる回転の方向の精度の、約2.5倍に相当する。これだけで、回転の絶対角度δの検出における精度のかなりの改善が可能になる。
記載された例示的な実施形態において、極ペアN−Sは、各々、約5°の極ペア角度範囲pにわたって延在し、ステアリングシャフト10の回転の絶対角度δは、約±2°の初期精度で、第1センサ信号S1及び第2センサ信号S2のみから検出されることができる。しかしながら明確な表現のために、図1の極N−Sは、各々、実際の5°ではなく、p≒27°の極ペア角度範囲で示されている。したがって、説明される例示的な実施形態は、図1に概略的に示されるような5個半の極ペアN−Sのみではなく、実際には33の極ペアNSを有し、これは、p=5°極ペア角度範囲について、±75°の検知範囲に関して、すなわち150°のトータル回転角度範囲にわたって延びる検知範囲に関して、すなわちq=2.4で、5個半ではなく、全部で33の極ペアが必要とされる。
結果として達成可能な精度又は絶対回転角度δの検出のための第3センサ装置SE3の使用の精度の向上は、第1に、極ペアN−Sの極ペア角度範囲p、及び、第1センサ信号S1及び第2センサ信号S2から及び磁気センサ9の分解能でシャフト10の絶対回転角度δを検出することができる第1の精度に、依存する。
第1センサ信号S1及び/又は第2センサ信号S2のみからメインロータ2又はシャフト10の回転の絶対角度δを検出することができる達成可能な第1の精度の場合、及び各極ペアが5°の範囲の極ペア角度範囲pにわたって延在する場合、シャフト10の回転の絶対角度δは、0.028°の第2の精度での磁気センサ9の対応の高分解能によって検出されることができ、絶対回転角度δの精度は、360°と極ペア角度範囲pとの商により除算される回転の一方向の第1の精度によって与えられ、それは上記の数値例において以下が当てはまることを意味する:±δ=2°/(360°/5°)=0.02777777778≒0.028°。
この例示的な実施形態における第3センサ装置SE3の磁気センサ9は、センサシステム1において、ステアリングシャフト10又はメインロータ2の絶対ゼロ位置の領域において、特に直接の絶対ゼロ位置で、すなわちδ=0°で、動かないように配置され、このセンサシステム1において、メインロータ2の相対ゼロ位置、すなわちγ=0°、は、絶対ゼロ位置、すなわちδ=0°、と一致する。これにより、特にゼロ位置付近で、特に高い精度を達成することが可能になる。
さらに検知範囲αが十分に小さくなるように、例えば、この例示的な実施形態のように、150°の回転角度範囲に制限されるように、選択され、検知範囲が特にゼロ位置に関して対称的に延び且つメインロータ2の回転の相対角度γに対して+75°から−75°の回転角度範囲に位置する場合、更に少なくとも第3センサ信号S3の生成の間に、すなわち検知範囲α内にある回転の相対角度γをメインロータ2が有する間に、第1センサ装置SE1及び/又は第2センサ装置SE2と第3センサ装置SE3との間の相互作用を防止することができる。これは、メインロータ2又はステアリングシャフト10の回転の絶対角度δの検出において特に高い精度が達成されることを可能にする。特に、それにより、第1センサ装置SE1及び/又は第2センサ装置SE2によって第3センサ信号S3が歪められるかもしれない可能性、及び/又は、磁気リングセグメント8が第1センサ信号S1及び/又は第2センサ信号S2を歪ませるかもしれない可能性を、防止することが可能である。
より良い理解のために、図2a及び図2bは、センサ信号S1、S2及びS3の関連する信号トレースを示し、第3センサ信号S3がメインロータ2の回転角度範囲のサブ領域にわたってのみ生成される一方で、センサ信号S1及びS2は、絶対回転角度範囲の全体にわたって、したがって各ケースにおいてメインロータ2の全回転にわたっても、生成される。
発明によれば、ステアリングシャフト10の絶対ステアリング角度δは、第1のステップで検知されるセンサ装置SE1、SE2、SE3により生成されるセンサ信号S1、S2、S3によって、上述した発明によるセンサシステム1により検出され、第2のステップで、ステアリングシャフト10の回転の絶対角度δに対応するメインロータ2の回転の絶対角度δがセンサ信号S1、S2、S3から検出され、メインロータ2の回転の相対角度γが第3センサ装置SE3の検知範囲αの外側にある場合に絶対回転角度δは第1センサ信号S1及び/又は第2センサ信号S2から検出され、メインロータ2の回転の相対角度γが検知範囲α内にある場合に絶対回転角度δは第1センサ信号S1及び/又は第2センサ信号S2と第3センサ信号S3とから検出される。
発明による方法の有利な実施形態では、メインロータ2の相対回転角度γが第3センサ装置SE3の検知範囲αの外側にある場合に第1の精度で、及び、メインロータ2の相対回転角度γが第3センサ装置SE3の検知範囲αの内側にある場合に第2の精度で、好ましくはより良い第2の精度で、メインロータ2の絶対回転角度δが検出される。
さらに、上述した発明によるセンサシステム1を用いた発明による方法の有利な実施形態では、絶対ステアリング角度の検出において、センサ信号S1、S2及びS3の妥当性検査が付加的に行われ、妥当性検査は以下のステップを含む:
− 第1センサ信号S1及び/又は第2センサ信号S2から第1の精度でメインロータ2の絶対回転角度δを検出し、
− メインロータ2の検出された絶対回転角度δが検知範囲αの内側にあるか外側にあるかをテストし、
− メインロータ2の関連する相対回転角度γに応じて第3センサ信号S3が第3センサ装置SE3によって生成されたか否かをテストし、
− エラー状態が存在するか否かをテストし、
− エラー状態信号を出力する。
メインロータ2の検出された絶対回転角度δが第3センサ装置SE3の検知範囲α内にあり且つ第3センサ信号S3が生成されていない場合、又は、メインロータ2の検出された絶対回転角度δが第3センサ装置SE3の検知範囲αの外側にあり且つ第3センサ信号S3が生成されている場合、エラー状態が存在する。
上述した発明によるセンサシステム1によって、及び上述した発明による方法によって、たしかに、シャフト10の回転の絶対角度δは、ただ、限定された検知範囲α内において高分解能で、したがって高精度で、ヒステリシスのないやり方で検出されることができる。しかし、ほとんどのケースにおいて、特に車両のステアリングシステムでは、これは定められた回転角度範囲においてのみ、特にゼロ位置付近の回転角度範囲においてのみ、必要とされるので、重大な不利益無しで多くの適用において、発明によるセンサシステム1を使用することができる。その結果、そのコスト上の利点のために、第3センサ装置SE3は360°未満の検知範囲しか有していないので、従来技術から知られているセンサシステムと比較して360°の検知範囲、すなわち全1回転、の検知範囲を持つ第3のセンサ装置を有する発明によるセンサシステムは、より有利である。
さらに、定められた回転の角度の範囲αへの第3センサ装置SE3の検知範囲αの制限は、個々のセンサ装置SE1、SE2及びSE3がセンサシステム1内での互いに対する巧みに配置を前提として、特に第3センサ信号S3の生成の間、第1センサ装置SE1及び/又は第2センサ装置SE2と第3センサ装置SE3との間の相互影響の低減を又はいくつかのケースでは完全な防止さえも可能にする。
さらに、第3センサ信号S3の生成が第3センサ装置SE3の検知範囲αに制限されることによって、このようにして信号の妥当性を検査することに関する追加的なオプションが得られ、特にセンサシステムの改善された診断能力が結果として達成されることができるので、機能的な安全上の利益を達成することができる。
第3センサ装置の検知範囲αが小さければ小さいほど、達成可能な安全面での利益は大きくなる。
当然ながら、特許請求の範囲の内容から逸脱することなく、上記で詳述された例示的な実施形態に対する多種多様な設計変更が可能である。
1 発明によるセンサシステム
2 メインロータ
3 第1補助ロータ
4 第2補助ロータ
8 複数の極ペアを有する磁気リングセグメント
9 磁気センサ
10 シャフト
N 磁N極
P 極ペア角度範囲
S 磁S極
S1 第1センサ信号
S2 第2センサ信号
S3 第3センサ信号
SE1 第1センサ装置
SE2 第2センサ装置
SE3 第3センサ装置
α 第3センサ装置の検知(角度)範囲
δ メインロータの絶対回転角度
γ メインロータの相対回転角度

Claims (17)

  1. シャフト(10)の絶対回転角度(δ)を1回転よりも大きい角度回転範囲で検出する、特に車両におけるステアリングシャフトの絶対ステアリング角度(δ)を1回転よりも大きいステアリング角度で検出する、センサシステム(1)であって、
    − 前記シャフト(10)に回転同調して接続されることができるメインロータ(2)と、
    ― 一定且つ均一な第1運動とともに前記メインロータ(2)に対して機械的に連結される第1補助ロータ(3)と、
    − 前記第1運動とは異なる一定且つ均一な第2運動とともに前記メインロータ(2)に対して機械的に連結される第2補助ロータ(4)と、
    − 前記第1補助ロータ(3)に割り当てられ且つ前記第1補助ロータ(3)の回転角度に応じた第1センサ信号(S1)を生成するように使われる第1センサ装置(SE1)と、
    − 前記第2補助ロータ(4)に割り当てられ且つ前記第2補助ロータ(4)の回転角度に応じた第2センサ信号(S2)を生成するように使われる第2センサ装置(SE2)と、
    − 前記メインロータ(2)に割り当てられ且つ前記メインロータ(2)の相対回転角度(γ)に応じた第3センサ信号(S3)を生成するように使われる第3センサ装置(SE3)と、
    − 前記センサ装置(SE1、SE2、SE3)の前記センサ信号(S1、S2、S3)から前記メインロータの前記絶対回転角度(δ)を検出する評価装置と、
    を備え、
    前記第3センサ装置(SE3)は、360°未満の検知範囲(α)を有することを特徴とするセンサシステム(1)。
  2. 前記センサシステム(1)は、前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)の外側にある場合には第1の精度で、及び、前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)内にある場合には第2の精度で、好ましくはより良い精度で、前記メインロータ(2)の前記絶対回転角度(δ)を検出するように設けられる、ことを特徴とする請求項1に記載のセンサシステム(1)。
  3. 前記第3センサ装置(SE3)は、少なくとも前記メインロータ(2)の定められた相対回転角度(γ)の辺りで、好ましくは前記メインロータ(2)の相対ゼロ位置(γ=0°)の辺りで、前記第3センサ装置と第1センサ装置(SE1)及び/又は第2センサ装置(SE2)との間の相互影響が、特に前記第3センサ信号(S3)の生成の間、回避されるように、設けられ且つ前記第1センサ装置(SE1)及び/又は前記第2センサ装置(SE2)に対して配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサシステム(1)。
  4. 前記メインロータ(2)の絶対ゼロ位置(δ=0°)が、前記メインロータ(2)の前記相対ゼロ位置(γ=0°)と一致することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のセンサシステム(1)。
  5. 前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)は、前記メインロータ(2)の定められた相対回転角度(γ)の辺りに、好ましくは前記メインロータ(2)の相対ゼロ位置(γ=0°)の辺りに、延び、前記検知範囲(α)は、特に対称的に、前記メインロータ(2)の前記定められた相対回転角度(γ)に関して延びることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のセンサシステム(1)。
  6. 前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)は、180°の回転角度範囲にわたって、好ましくは前記メインロータ(2)の前記相対角度(γ)に関して+90°から−90°まで、延びることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に、特に請求項5に、記載のセンサシステム(1)。
  7. 前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)は≦150°であり、好ましくは前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)に関して+75°から−75°までの前記回転角度範囲内であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のセンサシステム(1)。
  8. 前記第3センサ装置(SE3)は磁気センサ装置であり、前記第3センサ信号(S3)を生成するために、前記第3センサ装置(SE3)は好ましくは磁気センサ(9)と、周方向に延びる磁気リングセグメント(8)とを含み、前記磁気リングセグメント(8)が前記周方向に延びる角度範囲(a)は、特に前記検知範囲(α)を定めることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のセンサシステム(1)。
  9. 前記磁気センサ(9)は前記センサシステム(1)において動かないように配置され、前記磁気リングセグメント(8)は前記メインロータ(2)上であり、前記第3センサ装置(SE3)の構成要素は、特に前記磁気センサ(9)及び前記磁気リングセグメント(8)は、前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)内にある場合に前記第3センサ信号(S3)が生成されるように、及び、前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)外にある場合に前記第3センサ信号(S3)が生成されないように、前記センサシステム(1)内に設けられて配置されることを特徴とする請求項8に記載のセンサシステム(1)。
  10. 前記磁気リングセグメント(8)は、前記周方向に連結された複数の極ペア(N、S)から構成され、前記極ペア(N、S)は、前記磁気リングセグメント(8)がお互いに隣り合って交互に配置されるN極(N)及びS極(S)を有するように、好ましくは連結されることを特徴とする請求項8又は9に記載のセンサシステム(1)。
  11. 全ての極ペア(N、S)は、等しい極ペア角度範囲(p)にわたって周方向に延び、前記極ペア角度範囲(p)は、好ましくは、前記第1センサ信号(S1)及び前記第2センサ信号(S2)から前記絶対回転角度(δ)を検出することができる精度の約2倍に対応することを特徴とする請求項10に記載のセンサシステム(1)。
  12. 前記第3センサ装置(SE3)の前記磁気センサ(9)は、前記センサシステム(1)において前記メインロータ(2)の前記相対ゼロ位置(γ)の領域において固定位置に配置され、前記第3センサ装置(SE3)の前記磁気リングセグメント(8)が延びる前記角度範囲(α)であって、好ましくは前記検知範囲(α)を定める前記角度範囲(α)は、少なくとも、前記第3センサ装置(SE3)の前記磁気リングセグメント(8)に起因する前記第1センサ装置(SE1)及び/又は前記第2センサ装置(SE2)のあらゆる影響が及び/又はその逆も、少なくとも前記メインロータ(2)の前記相対ゼロ位置(γ=0°)に関し、好ましくは前記第3センサ装置(SE3)の検知範囲(α)の全体にわたって、防がれるような、小ささで選ばれることを特徴とする請求項8〜11のいずれか一項に記載のセンサシステム(1)。
  13. センサシステム(1)でシャフト(10)の絶対回転角度(δ)を計算する、特に1回転よりも大きいステアリング角度範囲を有し、センサシステム(1)を、好ましくは請求項1〜12のうちのいずれか一項により設けられるセンサシステム(1)を、有する、車両におけるステアリングシャフト(10)の絶対ステアリング角度(δ)を計算する、方法であって、
    − 前記センサ装置(SE1、SE2、SE3)によって生成される前記センサ信号(S1、S2、S3)を検知するステップと、
    − 検知された前記センサ信号(S1、S2、S3)から前記メインロータ(2)の回転の前記絶対角度(δ)を検出し、前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)の外側にある場合に前記メインロータ(2)の前記絶対回転角度(δ)が前記第1センサ信号(S1)及び/又は前記第2センサ信号(S2)から検出され、前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)内にある場合に前記絶対回転角度(δ)が前記第1センサ信号(S1)及び/又は前記第2センサ信号(S2)と前記第3センサ信号(S3)とから検出されるステップと、
    を特徴とする方法。
  14. 前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)の外側にある場合は第1の精度で、前記メインロータ(2)の前記相対回転角度(γ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)内にある場合は第2の精度で、好ましくはより良い精度で、前記メインロータ(2)の前記絶対回転角度(δ)が検出されることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. さらに、前記センサ信号(S1、S2、S3)の妥当性検査が行われ、前記妥当性検査は、好ましくは、
    − 前記第1センサ信号(S1)及び/又は前記第2センサ信号(S2)から第1の精度で前記メインロータ(2)の前記絶対回転角度(δ)を検出するステップと、
    − 前記メインロータ(2)の前記絶対回転角度(δ)が定められた回転角度範囲(α)の内側にあるか外側にあるかをテストするステップであって、前記定められた回転角度範囲(a)は特に前記検知範囲(α)に対応するステップと、
    − 前記メインロータ(2)の関連する相対回転角度(γ)に応じて前記第3センサ信号(S3)が前記第3センサ装置(SE3)により生成されたか否かをテストするステップと、
    − エラー状態が存在するか否かをテストするステップと、
    − 該当する場合は、エラー状態信号を出力するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項13又は14に記載の方法。
  16. 前記メインロータ(2)の検出された絶対回転角度(δ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)内にあり且つ前記センサ信号(S3)が生成されない場合には、又は、前記メインロータ(2)の検出された絶対回転角度(δ)が前記第3センサ装置(SE3)の前記検知範囲(α)の外側にあり且つ前記センサ信号(S3)が生成された場合には、エラー状態が存在することを特徴とする請求項15に記載の方法。
  17. 1回転よりも大きい回転角度範囲を有するシャフト(10)の絶対回転角度(δ)を検出する、特に1回転よりも大きいステアリング角度を有するステアリングシャフト(10)のステアリング角度(δ)を検出する、センサシステム(1)を有する車両であって、前記センサシステム(1)は、請求項1〜12のいずれか一項に基づいて設けられ、前記メインロータ(2)の前記絶対回転角度(δ)が前記シャフト(10)の回転の角度に対応するように、前記メインロータ(2)が前記シャフト(10)に回転同調して接続される、車両。
JP2019508839A 2016-08-18 2017-08-03 シャフトの絶対回転角度を検出するセンサシステム、シャフトの絶対回転角度を検出する方法、及びセンサシステムを有する車両 Active JP6756035B2 (ja)

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