JP2023505292A - 測定信号を生成するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転軸（８）の周りのトーションシャフト（１０）に加えられるトルク（１３）に依存する測定信号（１９）を生成するための装置（９）に関する。装置（９）は、磁石リング（１６）を含み、磁石センサ（１８）及び評価システム（２１）を特徴とする。－前記磁石リング（１６）は、前記トーションシャフト（１０）の第１軸方向位置に固定され、磁場（１７）を生成するための事前定義された数の磁石極（２８、２９）を有し、－前記磁石センサ（１８）は、前記第１軸方向位置とは異なる前記トーションシャフト（１０）の第２軸方向位置に固定され、－－前記回転軸（８）の周りのラジアル平面（３６）に位置し、第１センサ要素（３３）に到達する磁場（１７）に依存する第１センサ信号を出力する第１センサ要素（３３）と、－－前記第１センサ要素（３３）のラジアル平面（３６）に位置するが、２つの隣接する磁石極の周方向延在部よりも小さい距離（３５）で第１センサ要素（３３）から離間され、第２センサ要素（３４、３８）に到達する磁場（１７）に依存する第２センサ信号を出力する第２センサ要素（３４、３８）と、を含み、－前記評価システム（２１）は、前記第２センサ信号に基づいて前記第１センサ信号から漂遊磁場信号成分（３９）をフィルタリングし、フィルタリングされた第１センサ信号に基づいて測定信号（１９）を出力するように適合されている。

Description

本発明は、回転軸の周りの回転角を測定するための装置、及び該装置を含む車両に関する。

請求項１の前提部分による回転軸の周りのトーションシャフトに加えられるトルクを測定するための装置は、ＥＰ１８７０６８４Ａ１から知られている。既知の装置では、トルクを検出するために使用される第１センサ要素と、故障判定のための第２センサ要素がある。故障判定は、既知のプロセスによって行われる。例えば、２つのセンサ要素の出力を時系列で比較して、出力間に有意差がある場合、有意差の前後で不安定な出力変化を示すセンサ要素が故障状態に設定されると判定する。

本発明の目的は、装置を改良することである。

目的は、独立した請求項の特徴によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明の一態様によれば、回転軸の周りのトーションシャフトに加えられるトルクに依存する測定信号を生成するための装置は磁石リングを含み、磁石リングは、トーションシャフトの第１軸方向位置に固定され、磁場を生成するための事前定義された数の磁石極を有する。この装置は、磁石センサを特徴とする。磁石センサは、第１軸方向とは異なるトーションシャフトの第２軸方向位置に固定されており、回転軸の周りのラジアル平面に位置し、第１センサ要素に到達する磁場に依存する第１センサ信号を出力する第１センサ要素と、第１センサ要素のラジアル平面に位置するが、２つの隣接する磁石極の周方向延在部よりも小さい距離で第１センサ要素から離間され、第２センサ要素に到達する磁場に依存する第２センサ信号を出力する第２センサ要素と、を含む。
装置は、評価システムをさらに含む。評価システムは、第２センサ信号に基づいて第１センサ信号から漂遊磁場信号成分をフィルタリングし、フィルタリングされたセンサ信号に基づいて測定信号を出力するように適合されている。

第１センサ要素は、好ましくは、デカルト座標系で第１センサ要素に到達する磁場を測定するように適合されている。また、第２センサ要素は、好ましくは、デカルト座標系で第２センサ要素に到達する磁場を測定するように適合されている。

装置は、冒頭で述べた装置において、第２センサ要素が、その出力第１センサ信号を第２センサ信号に対してもっともらしくすることによって、第１センサ要素の正しい機能を監視するためにのみ使用できるという考えに基づいたものである。しかしながら、センサ要素が共通の磁石センサに配置され、互いに近接して配置されている場合、磁石リングの磁場に干渉場が重ねられ、第１センサ信号及び第２センサ信号は、第１センサ信号及び第２センサ信号においてほぼ同じ量を有し、したがって、フィルターで除去することができる。従って、干渉場の影響を９９％減らすことができる。これにより、例えばステアリング制御ループでの測定信号の後処理が大幅に安定する。

提供される装置の別の実施形態では、各センサ要素の回転軸からの距離は、ｒ_{ｅｎｃｏｄｅｒ}の３％～１５％、好ましくは、７％である。この距離範囲では、磁石リングの磁場は十分に乱されず、トーション要素の正確な検出トーションを可能にする。

提供される装置の好ましい実施形態では、第２センサ要素は、第１センサ要素から周方向に離間されている。基本的に、第２センサ要素は、第１センサ要素の周りのラジアル平面上に任意に配置することができる。しかしながら、第１センサ要素から周方向に離間されている第２センサ要素を配置する場合、磁石リングは非常に簡単に構造化することができる。

提供される装置の更なる実施形態では、磁石センサは、第３センサ要素及び第４センサ要素をさらに含む。第３センサ要素は、第１センサ要素に周方向に位置し、且つ第１センサ要素から軸方向に離間され、第３センサ要素に到達する磁場に依存する第３センサ信号を出力する。第４センサ要素は、第２センサ要素に周方向に位置し、第３センサ要素に軸方向に位置し、第３センサ要素に到達する磁場に依存する第４センサ信号を出力する。周方向距離は、一方の磁石極の周方向延在部の半分よりも小さい。これにより、干渉場をセンサ信号からキャンセルすることができる。これは、第１センサ信号と第４センサ信号の差と、第２センサ信号と第３センサ信号の差との間の商を生成することによって、第１センサ信号から漂遊磁場信号成分をフィルタリングするときに最も容易に達成できる。

提供される装置のまた別の実施形態では、周方向距離は、一方の磁石極の周方向延在部の三分の一である。

本発明の別の態様によれば、車両は、駆動方向に移動可能なシャシーと、駆動方向から見て後側にシャシーを移動可能に運ぶ２つの後輪と、駆動方向から見て前側にシャシーを移動可能に運ぶ２つの前輪と、前輪を操舵するための回転軸を中心に操舵コラムを旋回させるための操舵輪と、回転軸を中心とした操舵コラムの回転角を測定するための以上に提供された装置の１つとを含む。

本発明の上記の特徴、特性及び利点、ならびにそれらが達成される方式及び方法は、図に関連してさらに詳細に説明される実施形態の以下の説明に基づいて、さらに包括的になるであろう。
自動車の原理概略斜視図である。 図１の自動車における回転軸の周りの回転角を測定するための装置の原理概略断面図である。 本発明の第１実施形態による、図２の装置内の磁石リング及びセンサを備えた集積回路の断面図である。 図３の装置内の磁石リング及び集積回路の上面図である。 第１配置での測定環境における図５と６の部分の上面図である。 第２配置での測定環境における図５と６の部分の上面図である。 第３配置での測定環境における図５と６の部分の上面図である。 第４配置での測定環境における図５と６の部分の上面図である。 測定結果を示す図である。

図面において、同じ技術的要素には同じ参照符号が付されており、一度しか記載されていない。図面は純粋に概略的なものであり、特に、実際の幾何学的な比率を反映していない。

操舵システム２を含む車両１の概略斜視図である図１を参照されたい。

本実施形態では、車両１は、２つの前輪３と２つの後輪４によってサポートされるシャシー５を含む。前輪３は、操舵システム４によって車輪角２８で旋回することができるので、車両１は曲線で駆動することができる。

操舵システム２は操舵輪６を含む。操舵輪６は、第１操舵シャフト７に装着され、次に第１操舵シャフト７は、回転軸８の周りに回転できるように装着される。第１操舵軸７は、より詳細に示されていない方法で第１操舵軸７が接続されたトーション要素１０に加えられるトルクに依存する測定信号１９を生成するために装置９にガイドされる。第２操舵シャフト１１は、回転軸８上の第１操舵シャフト７の反対側の前記トーション要素１０に接続され、操舵ギア１２に接続される。操舵輪６が操舵トルク１３で旋回する場合、操舵トルクは、それに従って、操舵ギア１２に伝達され、操舵ギア１２は、それに応じ車輪角２８を有する曲線で前輪３を操舵する。

操舵プロセスは、旋回中の第２操舵シャフト１１を支援できる補助モータ１５によってサポートされ得る。この目的のために、装置９は操舵トルク１３を検出する。次に、補助モータ１５は、特に、検出された操舵トルク１３に従って第２操舵シャフト１１を車輪角２８で操舵する。

操舵トルク１３を検出するために、装置９は、第１操舵軸７に接続され磁場１７を誘導する磁石リング１６の形態で磁気発生要素を含む。装置９はまた、磁石センサ１８を含む。磁石センサ１８は、第２操舵軸１１に接続され、磁場１７を測定する。磁場１７は、磁石リング１６によって誘導され、第２操舵軸１１、従って磁石センサ１８に対する第１操舵軸７、従って磁性リング１６の相対角位置に依存する。

磁石センサ１８は、センサ信号アレイ２０を評価システム２１に送信する。センサ信号アレイ２０については、以下ではより詳細に説明する。評価システム２１は、センサ信号アレイ２１を受信し、その上で、２つの操舵軸７、１１の間の相対回転位置、従ってトーションシャフト１０に加えられるトルクに依存する測定信号１９を計算し生成する。次に、操舵トルク１３に基づいて車輪角２８を設定するために、この測定信号１９を使用して補助モータ１５を駆動する。

次に、図２に基づいて装置をより詳細に説明する。

第１操舵軸７は、回転軸８の周りで回転可能な第１受けソケット２２に押し込まれる。第１受けソケット２２は、第１操舵軸７の反対側に、第１操舵軸７が旋回するときに磁石リング１６が回転軸を中心に旋回するように磁石リング１６を運ぶフランジ２３をさらに含む。同様に、第２操舵軸１１は、回転軸８の周りでも回転可能な第２受けソケット２４に押し込まれる。その中で、第２受けソケット２４は、第２操舵軸１１の反対側にフランジ２５を含む。このフランジ２５には、図２の印刷回路基板として実施される評価システム２１を運ぶホルダ２６が取り付けられる。

評価システム２１とともに、ホルダ２６は、磁石リング１６の軸レベル２７上に磁石センサを運ぶ。トーションシャフト１０は回転軸８を中心に捻じれ可能であるため、磁石リング１６が操舵トルク１３により回転軸８を中心に回転するとき、トーションシャフト１０は、第２操舵軸１１の慣性のために回転軸８を中心に捻じれ、その結果、磁石リング１６は、回転軸８の周りの周方向に磁石センサ１８に対して相対的に変位する。この周方向変位は、上記の第１操舵軸７の第２操舵軸１１に対する相対角位置である。磁石センサ１８に到達する磁石リング１６からの磁場１７は、磁石リング１６と磁石センサ１８との間の周方向変位に依存する。つまり、周方向変位は、トーションシャフト１０のトーション、従って操舵トルク１３を示すので、上記の測定信号１９を生成するために使用することができる。

上記の測定原則は、磁性リング１６からの磁場１７が乱されずに磁気センサ１８に到達することを必要とする。実際の環境では、磁気リング１６の磁場１７を乱す外部磁場が常に存在する。

以下の説明は、外乱磁場をキャンセルすることを可能にする２つの実施形態を示している。

第１実施形態では、磁石リング１６及び磁石センサ１８は、特別な形態で実施され、図３と４に概略的に示される。

磁石リング１６は、周方向に２４個の磁石に分割され、各磁石は、北極２８と、北極２８に半径方向に隣接する南極２９とを有する。従って、第１実施形態の磁石リング１６は、合計４８個の磁石極を含む。磁石リング１６は、完全な軸方向高さ３０が８ｍｍ、半径が２０．５ｍｍである。

配置された磁石センサ１８は、１．０９ｍｍのエアギャップ３２で半径方向に変位している。磁石センサ１８は、第１センサ要素３３と、半径方向及び周方向に均等に配置された第２センサ要素３４を含む。２つのセンサ要素３３、３４は、１．８４ｍｍの軸方向変位３５で半径方向に変位している。その中で、センサ要素３３、３４の磁石リング１６からの半径方向距離３６は１．３９ｍｍである。第１センサ要素３３と第２センサ要素３４は、軸極境界から同じ軸方向距離を有する。第１センサ要素３３は、軸方向上部の磁石極に軸方向に配置され、第２センサ要素３４は、軸方向下部の磁石極に軸方向に配置される。

第１と第２センサ要素３３、３４から１．８４ｍｍの周方向距離３７で周方向に変位するように、第３センサ要素３８及び第４センサ要素（図示せず）が配置される。第１と第２センサ要素３３、３４と同様に、第３センサ要素３８及び第４センサ要素は、半径方向及び周方向に均等に配置される。つまり、第３センサ要素３８及び第４センサ要素は、１．８４ｍｍの軸方向変位で半径方向に変位し、磁石リング１６からの第３センサ要素３８及び第４センサ要素の半径方向距離３６は１．３９ｍｍである。第３センサ要素３８及び第４センサ要素は、軸極境界から同じ軸方向距離を有する。第３センサ要素３８は、軸方向上部の磁石極に軸方向に配置され、第４センサ要素は、軸方向下部の磁石極に軸方向に配置され、その結果、第４センサ要素は、図３と４の視点から見えない。

第１センサ要素３３及び第３センサ要素３８に到達する磁石リング１６の磁場１７は、半径方向成分Ｂ_ｒ、周方向成分Ｂ_ｔ、及び軸方向成分Ｂ_ａに分割することができる。磁石センサ１８が配置された軸方向位置では、軸方向磁場成分Ｂ_ａは、磁石リング１６と磁石センサ１８との間の周方向変位に対して一定であると見なすことができ、したがって無視することができる。詰まり、磁石センサ１８に到達する磁場１７は、軸方向平面で回転するベクトルと見なすことができる。センサ要素３３、３４及び３８の１つによって測定された磁場１７のベクトルの角度は、測定される磁石リング１６と磁石センサ１８との間の周方向変位に直接依存する。

しかしながら、センサ要素３３、３４及び３８のそれぞれが円筒座標系ではなくデカルト座標系で磁場を測定するため、センサ要素３３、３４及び３８の１つによって測定された磁場１７のベクトルの角度は、直接測定することができない。例えば、センサ要素３３、３４及び３８のそれぞれは、３つのホール発生器で実施することができ、各ホール発生器は、１つのデカルト空間方向の磁場１７を測定する。

この特許出願の出願日にＭｅｌｅｘｉｓ ＮＶによって販売されたＭｅｌｅｘｉｓＭＬＸ９０３７２のような多くの磁石センサは、周方向に変位したセンサ要素３３、３４及び３８の少なくとも２つを使用して、それらの測定結果を比較し、漂遊磁場、特に外乱磁場をフィルタリングする。しかしながら、センサ要素の１つ、例えば、センサ要素３３は、常に別のセンサ要素、例えば、センサ要素３８を周方向にリードするので、漂遊磁場をフィルタリングするための多くのストラテジーの適用は、磁石リング１６の適用において実現不可能である。

しかしながら、上記の磁石センサＭｅｌｅｘｉｓＭＬＸ９０３７２を磁石センサ１８として用いた例示的な測定試験は、以下でｒ_{ｅｎｃｏｄｅｒ}と呼ばれる磁石リング１６の半径３１及び回転軸８から見た以下でφ_{ｅｌｅｍｅｎｔｓ}と呼ばれる第１センサ要素３３と第３センサ要素３８との間の変位角３７が、以下の式を満たす場合、漂遊磁界をフィルタリングするためのストラテジーが信頼できることを示している。

これは、値ａが２に選択された実験結果に基づいて示されるべきである。磁石センサ１８としてＭｅｌｅｘｉｓ ＭＬＸ ９０３７２を使用する図５～８に示すテスト設定により、外乱磁場を実験的に除去した。ここで、磁石リング１６及び磁石センサ１８は、装置９の評価システム２１とともに、外乱磁場をシミュレートする２つのヘルムホルツコイル３９の間に互いに静止して配置されている。

回転軸９を見ると、ヘルムホルツコイル３９は、回転軸９に対して点対称に配置されている。磁石リング１６、及び磁石リング１６に対して静止する実験用の磁石センサ１８は、回転軸９を中心に任意の回転角４０だけ一緒に回転可能である。図５は、回転角４０が０°の第１位置４１でのテスト設定を示すと仮定すると、図６は、回転角４０が９０°の第２位置４２でのテスト設定を示し、図７は、回転角が１８０°の第３位置４３でのテスト設定を示し、図８は、回転角４０が２７０°の第４位置４４でのテスト設定を示す。

ＭｅｌｅｘｉｓＭＬＸ９０３７２の漂遊磁界フィルタリング技術を使用して測定信号１９を生成するか否か、又は、センサ要素３３、３４及び３８の１つだけを使用して測定信号１９を生成するか否かに関係なく、外乱磁場が印加されていない場合、測定信号１９は常に同じ測定信号１９を出力すべきである。測定信号１９は、ヘルムホルツコイル３９がオンにされ、外乱磁場をテスト設定に印加する場合にのみ、回転角４０にわたって変化する。

テスト設定の最初の実行では、測定信号１９は、四つの異なる外乱磁場で生成される。ここでは、漂遊磁界フィルタリングストラテジーは適用されていない。すべに述べたように、これは、例えば、磁石センサ１８のセンサ要素３３、３４又は３８の１つの出力のみを考慮することによって達成することができる。

得られた曲線を図９に示す。第１曲線４５は、外乱磁場が０Ａ／ｍである場合に、回転角４０にわたって磁石センサによって生成された測定信号１９の流れを示す。第２曲線４６は、外乱磁場が１０００Ａ／ｍである場合に、回転角４０にわたって従来技術の磁石センサによって生成された測定信号１９の流れを示す。第３曲線４７は、外乱磁場が２５００Ａ／ｍである場合に、回転角４０にわたって従来技術の磁石センサによって生成された測定信号１９の流れを示す。第４曲線４８は、外乱磁場が４０００Ａ／ｍである場合に、回転角４０にわたって従来技術の磁石センサによって生成された測定信号１９の流れを示す。

図９からわかるように、外乱磁場が印加されていない場合、測定信号１９は、従来の磁石センサを含む装置の動作点４９上に常に維持される。外乱磁場が印加されると、測定信号１９は、外乱磁場の強さに依存する、それ以上参照されない振幅で、動作点４９の周りで振動する。

テスト設定の別の実行では、測定信号１９は、ＭｅｌｅｘｉｓＭＬＸ９０３７２の漂遊磁界フィルタリング機能を使用することによってさらに生成された。ここで、測定信号１９は、上記と同じ４つの異なる外乱磁場で生成された。得られた曲線は、図９のダイアグラムの一部に焦点を合わせたウィンドウ５０内の図９に示されている。第５曲線５１は、Ｂ_ｄｉｓｔ＝０Ａ／ｍの場合に、回転角４０にわたって磁石センサ１８によって生成された測定信号１９の流れを示す。第６曲線５２は、Ｂ_ｄｉｓｔ＝１０００Ａ／ｍの場合に、回転角４０にわたって磁石センサ１８によって生成された測定信号１９の流れを示す。第７曲線５３は、Ｂ_ｄｉｓｔ＝２５００Ａ／ｍの場合に、回転角４０にわたって磁石センサ１８によって生成された測定信号１９の流れを示す。第８曲線５４は、Ｂ_ｄｉｓｔ＝４０００Ａ／ｍの場合に、回転角４０にわたって磁石センサ１８によって生成された測定信号１９の流れを示す。

図９からわかるように、外乱磁場が印加されていない場合、磁石センサ１８によって生成された測定信号１９は、磁石センサ１８を含む装置９の操作点５５上に常に維持される。外乱磁場が印加されると、測定信号１９は、外乱磁場の強さに依存する、それ以上参照されない振幅で、動作点５５の周りで振動する。これらの振幅は、曲線４５～４８の振幅よりも最大９９％小さくなっている。

それによる測定結果は、磁石センサ１８のセンサ要素がデカルト座標系で磁場を検出したとしても、上記の実施形態が外乱磁場の影響を低減することを示している。

Claims (9)

1. 回転軸（８）の周りのトーションシャフト（１０）に加えられるトルク（１３）に依存する測定信号（１９）を生成するための装置（９）であって、磁石リング（１６）を含み、前記磁石リング（１６）は、前記トーションシャフト（１０）の第１軸方向位置に固定され、磁場（１７）を生成するための事前定義された数の磁石極（２８、２９）を有する、装置（９）であり、
   磁石センサ（１８）及び評価システム（２１）を特徴として備え、
   －前記磁石センサ（１８）は、前記第１軸方向位置とは異なる前記トーションシャフト（１０）の第２軸方向位置に固定され、
   －－前記回転軸（８）の周りのラジアル平面（３６）に位置し、第１センサ要素（３３）に到達する磁場（１７）に依存する第１センサ信号を出力する第１センサ要素（３３）と、
   －－前記第１センサ要素（３３）のラジアル平面（３６）に位置するが、２つの隣接する磁石極の周方向延在部よりも小さい距離（３５）で第１センサ要素（３３）から離間され、第２センサ要素（３４、３８）に到達する磁場（１７）に依存する第２センサ信号を出力する第２センサ要素（３４、３８）と、を含み、
   －前記評価システム（２１）は、前記第２センサ信号に基づいて前記第１センサ信号から漂遊磁場信号成分（３９）をフィルタリングし、フィルタリングされた第１センサ信号に基づいて測定信号（１９）を出力するように適合されている、ことを特徴とする装置（９）。
2. 
3. 前記第１センサ要素は、デカルト座標系で第１センサ要素に到達する磁場を測定するように適合され、前記第２センサ要素は、デカルト座標系で前記第２センサ要素に到達する磁場を測定するように適合されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（９）。
4. センサ要素（３３、３４、３８）のそれぞれの前記回転軸（８）からの距離（３６）は、ｒ_{ｅｎｃｏｄｅｒ}の３％～１５％、好ましくは、７％である、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の装置（９）。
5. 前記第２センサ要素（３８）は、前記第１センサ要素（３３）から円周方向に離間（３７）されている、ことを特徴とする前述の請求項のいずれか一項に記載の装置（９）。
6. 前記磁石センサ（１８）は、第３センサ要素（３４）及び第４センサ要素をさらに含み、前記第３センサ要素（３４）は、前記第１センサ要素（３３）に周方向に位置し、且つ前記第１センサ要素（３３）から軸方向に離間され、前記第３センサ要素（３４）に到達する磁場（１７）に依存する第３センサ信号を出力し、前記第４センサ要素は、前記第２センサ要素（３７）に周方向に位置し、前記第３センサ要素（３４）に軸方向に位置し、前記第３センサ要素（３４）に到達する磁場（１７）に依存する第４センサ信号を出力し、周方向距離（３７）は、一方の磁石極（２８、２９）の周方向延在部の半分よりも小さい、ことを特徴とする請求項５に記載の装置（９）。
7. 前記評価システム（２１）は、第１センサ信号と第４センサ信号の差と、第２センサ信号と第３センサ信号の差との間の商を生成することによって、前記第１センサ信号から前記漂遊磁場信号成分をフィルタリングするように適合されている、ことを特徴とする請求項６に記載の装置（９）。
8. 周方向距離は、一方の磁石極の周方向延在部の三分の一である、ことを特徴とする前述の請求項のいずれか一項に記載の装置（９）。
9. －駆動方向に移動可能なシャシー（５）と、
   －駆動方向から見て後側に前記シャシー（５）を移動可能に運ぶ２つの後輪（４）と、
   －駆動方向から見て前側に前記シャシー（５）を移動可能に運ぶ２つの前輪（３）と、
   －前輪（３）を操舵するための回転軸（８）を中心に操舵コラム（７）を旋回させるための操舵輪（６）と、
   －アクチュエータを用いて前輪（３）を操舵するための操舵コラム（７）に加えられるトルクを測定するための前述の請求項のいずれか一項に記載の装置（９）と、を含む車両（１）。

Images