JP4625027B2 - 操舵用途のための統合型の非接触式トルク及び絶対位置センサー - Google Patents

Description

本発明は、トーションバーにより連結された２つの回転可能シャフトの間の相対回転角度変位を検出すると共に、回転可能なシャフトの角度位置を検出するための、統合型トルク及び位置センサーに関する。本発明は、シャフトの角度位置を構成し、計算する方法も提供する。

本出願は、２００４年２月６日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６０／５４２，５１１号の利点を請求する。その開示内容はここで参照したことにより本願に組み込まれる。

操舵シャフトのトルク及び角度位置の両方を測定する必要性は、電動ステアリングシステム（ＥＰＳ）を利用する自動車の用途にとって重要である。多数のスタンドアロン型のセンサーが、トルクを決定するか又はハンドルの角度位置を計算するかのいずれかに関連して開発された。一般に、ドライバーがハンドルを回動するとき適用するための電気アシスト量を決定するためにはトルクを計算する必要がある。トルクを決定する際に、ドライバーは、典型的に、入力シャフトに接続されたハンドルを回動する。入力シャフトは、操舵機構に接続された出力シャフトに連結される。入力シャフト及び出力シャフトは、操舵機構に接続された出力シャフトに連結される。入力シャフト及び出力シャフトは、一般に、トーションバーと一緒に連結され、該トーションバーは、シャフトの間の相対回転を可能にしている。入力シャフトは、所定数の度、例えば、±１２度だけ出力シャフトに対して回転することができる。トルクセンサーの例は、２００４年７月１３日に出願された米国特許出願公開番号２００４／０２５０６３１号に開示されており、本願発明の譲渡人に譲り受けされている。その開示内容はここで参照したことにより本願に組み込まれる。位置センサーの一例は、本願発明の譲渡人に譲り受けされている米国特許番号６，７２０、７６３号に開示されている。その開示内容はここで参照したことにより本願に組み込まれる。

位置センサーは、ユーザーがハンドルを回動するときシャフトの角度位置を決定するために使用される。位置センサーの例は、ゼブラーらに付与された米国特許番号５，９３０，９０５号（‘９０５特許）及びタテイシらに付与された米国特許番号６，６３０，８２３号（‘８２３特許）に開示されている。‘９０５特許は、シャフトに連結された複数の歯を有するギアを開示している。歯は、第２のギア及び第３のギアに配置された複数の追加の歯と係合する。一対の絶対センサーが第２のギア及び第３のギアに近接して位置決めされ、当該ギアの角度位置に対応する出力を発生する。ギアの各々に形成された歯の数が知られている限り、絶対センサーの出力に基づいてシャフトの角度位置を計算することは可能である。

‘８２３特許は、シャフトに連結した複数の歯を有するギアを開示している。シャフトが回転するとき、ギアの歯は、第２のギアに配置された追加のギア歯と噛み合う。第２のギアから異なる平面上に配置された斜角ギアは、変更ギアと噛み合う。第１の検出要素は、連続的に繰り返す第１の検出信号を出力するための変更ギアと近接して配置されている。ねじが、変更ギアを通して位置決めされ、変更ギアが回転するとき変更ギアと共に回転する。被駆動ボディは、ねじと連結され、変更ギアを回転することに応答して軸方向に変位される。第２の検出要素は、被駆動ボディに近接して配置され、漸次的に増加若しくは減少する第２の検出信号を出力する。検出回路は、第１及び第２の検出回路に基づいてシャフトの角度位置を決定する。

これらの従来技術の位置センサーは有用ではあるが、シャフトの角度位置に正確さを提供すると共にギアに配置されたギア歯の数を最小にする位置センサーが求められる。ギア上のギア歯の数を減少させることによって、センサーは、時間の経過による歯の摩耗の結果として精度を失うことに影響されにくくなる。更に加えて、トルク及び位置検出能力を車両内のパッケージスペースをより少なく占めるように統合型センサーへと結合することが求められる。最終的には、シャフトのトルク及び角度位置の両方を計算するセンサーの機能を組み合わせることによって、追加のコスト節約を提供するように共通の部品をセンサー内部で利用することができる。

本発明の目的は、入力シャフト及び出力シャフトの間の相対回転を測定すると共に該出力シャフトの角度位置を測定するための、統合型トルク及び位置センサーを提供することである。統合型トルク及び位置センサーは、軸線の回りに出力シャフトを支持する支持ハウジングと、軸線の回りで回転するため出力シャフトと軸方向に整列された入力シャフトと、を備える。トーションバーは、入力シャフトに印加されたトルクに応じて両シャフトの間の相対回転運動を可能にするように入力シャフト及び出力シャフト相互接続する。
車輪は、出力シャフトと共に回転するため該出力シャフトに連結されている。トルク検出機構が、入力シャフト及び出力シャフトの間の相対回転運動を測定するため該両シャフトの回りに配置されている。増分検出機構は、出力シャフトの増分角度位置を示す増分出力を発生し、区分検出機構は、出力シャフトが置かれている循環状態を示す区分出力を提供する。センサーケーシングは、ハウジングにより支持され、センサーケーシングは、トルク検出機構、増分検出機構及び区分検出機構の各一部分を支持する。

本発明の更なる目的は、シャフトの角度位置を測定するためのセンサーアッセンブリを提供することである。車輪は、複数の回転を通して、増分角度回転するシャフトと連結されている。増分検出機構は、車輪の回転を検出し、車輪の増分角度回転を示す増分出力を提供する。変更ギアは、所定の角度区分を通して回転するようにセンサーケーシングにより支持されている。区分検出機構は、車輪が置かれている角度区分を示す区分出力を提供するため変更ギアに応答する。作動機構は、所定数の角度回転の増分を完全に通した車輪の回転毎に所定の角度区分の各々を通して変更ギアを回転させるため車輪と変更ギアとを相互接続すると共に、所定数の回転増分の各々を通して車輪の回転の間に変更ギアの回転を防止する。

本発明は、シャフトの最終角度位置を生成するため、該シャフトの増分角度回転と該シャフトが置かれている区分とを測定する種類の位置センサーの出力を較正する方法を更に提供する。本方法は、シャフトを回転させ、第１の増分振幅とシャフトの増分角度回転を示す増分位相角度とを有する第１の増分出力を発生し、第２の増分振幅とシャフトの増分角度回転を示す増分位相角度とを有する第２の増分出力を発生し、第１の区分振幅とシャフトが置かれている角度区分を示す区分位相角度とを有する第１の区分出力を発生し、第２の区分振幅とシャフトが置かれている角度区分を示す区分位相角度とを有する第２の区分出力を発生する、各工程を備える。

本方法は、増分ｄｃ成分及び区分ｄｃ成分と、増分基本出力及び区分基本出力と、増分調和振動出力及び区分調和振動出力と、を生成するため前記センサーから増分出力及び区分出力上でフーリエ解析を実行する工程を更に備える。補償方程式は、第１の増分出力と第２の増分出力との間で共通の振幅を提供するため使用される。第１の増分最終出力は、補償された第１の増分出力に対応し、第２の増分最終出力は、補償された第２の増分出力に対応し、補償された因子は、第１の増分出力と第２の増分出力との間の位相シフト誤差を修正する。同様に、補償方程式は、第１の区分出力と第２の区分出力との間で共通の振幅を提供するため使用される。第１の区分最終出力は、補償された第１の区分出力に対応し、第２の区分最終出力は、補償された第２の区分出力に対応し、補償された因子は、第１の区分出力と第２の区分出力との間の位相シフト誤差を修正する。

従って、統合化されたトルク及び位置センサーは、シャフトの角度位置を計算する際により向上した精度を時間の経過に亘って確実にする角度位置を計算するため必要となる歯数の減少を示している。これと同時に、統合化されたトルク及び位置センサーは、シャフトの角度位置及びトルクを計算する両機能を実行するため共通の部品を利用している。

本発明の他の利点は、添付図面を参照して次の詳細な説明を参照することによって更に良く理解されるようになるとき、より容易に認められよう。

同様の参照番号が全ての図面を通して同様の部品を指し示している図面のうち、図１乃至２を参照すると、統合型トルク及び位置センサー（以下、「統合型センサー」という）が全体として１０で指し示されており、シャフト１２のトルク及び角度位置を提供する。支持ハウジング１４が、統合型センサー１０及びシャフト１２を支持している。シャフト１２は、入力シャフト１６と、出力シャフト１８と、入力シャフト１６及び出力シャフト１８の間の相対回転を可能にするため両シャフト間に配置されたトーションバー２０とを備えている。入力シャフト１６は、ハンドル（図示せず）に連結されている。出力シャフト１８は、例えば、ラックピニオンギア機構等の操舵システム（図示せず）に連結されている。

＜トルク検出＞
図１乃至２を参照すると、統合型センサー１０は、車輪２４と、入力シャフト１６及び出力シャフト１８の間の相対回転を測定するためのトルク検出機構３９と、を利用している。車輪２４は、第１の側部２６と、第２の側部２８と、両側部の間に配置された中央部３０と、を備えている。連結リング３１は、車輪２４を出力シャフト１８に固定するため車輪２４に連結されている。

トルク検出機構は、入力シャフト１６により支持されるトルクロータアッセンブリ３７を更に備えている。トルクロータアッセンブリ３７は、例えばニッケル鉄合金等の軟磁性材料から作られた鉄製背部３２を備えている。鉄製背部３２は、打ち抜きプロセスにより構成されるか、又は、焼結プロセスを使用して若しくは機械的処理を通して粉末金属から製造されてもよい。

図２乃至図４を参照すると、鉄製背部３２は、内側表面３４と外側表面３６とを備え、軸線（Ａ）上に中心が定められている。入力シャフト１６は、拡径部２２を備え、鉄製背部３２を入力シャフト１６に回転不能に連結するため、鉄製背部３２の内側表面３４は、拡径部２２に亘って圧入されている。出力シャフト１８は、車輪２４の第２の側部２８に連結されている。

図２、図４乃至５を参照すると、鉄製背部３２は、外側表面３６に配置された複数のポケット３８を形成する。トルクロータアッセンブリ３７は、ポケット３８に配置された複数の磁石４０を備える。磁石４０は、クリンピング、射出成形によってか又は接着剤を添加することによりポケット３８内部に永久的に固着することができる。鉄製背部３２は、外側表面３６上にポケット３８の間に一体形成された複数の支持構造部４２を備える。トルクロータアッセンブリ３７は、鉄製背部３２に亘って配置された保持リング４４を備え、磁石４０に対して内方の力を印加するためポケット３８から径方向に隔てられている。保持リング４４は、磁石４が接着剤若しくは他の方法によりポケット３８に固着される場合には、必ずしも必要となるわけではない。

図５を参照すると、６つの磁石４０が、鉄製背部３２の外側表面３６上で６つのポケット３８内に周囲に亘って配列されている。磁石４０のＮ極及びＳ極の配列は、任意数の異なる実施例に採用され得る。一実施例では、磁石４０は、全てのＮ極が外側に面し、Ｓ極が内側に面した状態で磁化されている。

図２から図３及び図６を参照すると、車輪２４は、第１のトルクステータ４６と、第２のトルクステータ５６と、を備える。第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６は、軸線（Ａ）上に中心を定められ、互いに平行に軸方向に隔てられている。第１のトルクステータ４６は、第１の上側表面４８と、第１の下側表面５０とを備えている。同様に、第２のトルクステータ５６は、第２の上側表面５８と、第２の下側表面６０と、を備えている。第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６は、統合型センサー１０内部に配置され、第１のトルクステータ４６の第１の下側表面５０は第２のトルクステータ５６の第２の上側表面５８に対面している。第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６は、打ち抜きプロセスを使用して製造されてもよく、又は、焼結プロセスを使用して粉末金属から作られてもよく、或いは、機械加工プロセスを使用して作られてもよい。

図２及び図７から図８を参照すると、第１のトルクステータ４６は、円形ベース５２と、円形ベース５２から径方向内側に延在する複数の歯５４と、を備える。更に加えて、第２のトルクステータ５６は、円形ベース６２と、円形ベース６２から径方向内側に延在する複数の歯６４と、を備える。図８に示されるように、第１のトルクステータ４６の歯５４及び第２のトルクステータ５６の歯６４は、互いに角度的にオフセットされ即ち互いに位相外しされている。代替実施例では、第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６からの歯５４、６４が互いに整列されているか同一位相で配列されている。

図１及び図３を参照すると、車輪２４は、例えばプラスチック等の非磁性材料から作られており、第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６に亘って覆い成形されている。上述したように、第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６は、車輪２４内に配置されており、車輪２４は、覆い成形プロセスが実行された後、第１のトルクステータ４６から延長した歯５４と第２のトルクステータ５６から延長した歯６４との間の位相外し関係を固定し、第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６の間の軸上位置を固定する。第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６の間の軸上位置は、測定領域を確立するためのギャップ（Ｇ）を形成し、該ギャップを通って複数の磁石４０からの磁束が通過する。

図２、図１３及び図１４を参照すると、トルク検出機構３９の一部分が、磁石４０により発生された磁束を測定するための少なくとも１つのトルク磁気検出要素６６を備えている。上述したように、第１のトルクステータ４６の歯５４及び第２のトルクステータ５６の歯６４は、互いにオフセットされ即ち互いに位相外しされている。磁束は、トルク磁気検出要素６６により測定され、車輪２４の磁石４０と、第１のトルクステータ５６の歯５４及び第２のトルクステータ５６の歯６４との整列に応じて変化する。

各磁石４０により発生した磁束は、ステータ４６、５６及び鉄製背部の支持構造４２を通って、ギャップ（Ｇ）を通って浸透する。磁石４０により形成された磁気回路は、主要には２つの領域、即ち、磁石４０及び第１のトルクステータ４６の間に形成された上側磁気領域と、磁石４０及び第２のトルクステータ５６の間に形成された下側磁石領域と、を有する。これら２つの領域の間の微分磁束は、ギャップ（Ｇ）を通って浸透し、トルク磁気検出要素６６により検出される。微分磁束は、入力シャフト１６及び出力シャフト１８の間の相対回転を示している。無負荷のトルク状態では、両方の領域は、同じ量の磁束を生成し、微分磁束がゼロとなる。

図９に示されるように、磁石４０の磁束とシャフト１６、１８の相対回転位置との関係を示すプロットが、全体として、４５で示されている。入力シャフト１６及び出力シャフト１８の間の相対回転は、±θの角度の間で変化し、これに連係して磁束は±Ｇガウスの間で変動し得る。一実施例では、入力シャフト１６及び出力シャフト１８の間の相対回転位置に応じて、微分磁束は、ギャップ（Ｇ）内の上方又は下方のいずれかに浸透していく。

図１及び図１０乃至図１４を参照すると、統合型センサー１０は、回路基板７０と、センサーケーシング７８とを備える。センサーケーシング７８は、回路基板７０を支持する。回路基板７０は、トルク脚部７２と、位置脚部７４と、これらの脚部の間に配置された可撓性部分７６と、を備えている。位置脚部７４については詳細を後述する。トルク磁気検出要素６６は、トルク脚部７２に配置され、磁束の変化を検出するためギャップ（Ｇ）内に配置されている。図１に示されるように、センサーケーシング７８は、静止部材（図示せず）に取り付けられたセンサーハウジング１４により支持され、車輪２４と入力シャフト１６と出力シャフト１８と近接した距離でセンサーケーシング７８を維持するように機能する。図１から図２に示されるように、支持基板８０は、トルク脚部７２が撓むことを防止するためトルク脚部７２の下方に配置されている。ワイヤハーネス（図示せず）は、マイクロコントローラに信号を送り、並びに、マイクロコントローラから統合型センサー１０に信号を送る。

＜位置検出＞
統合型センサー１０の角度位置検出能力は、出力シャフト１８、即ちシャフト１８の角度位置を測定する。統合型センサー１０は、シャフト１８の角度位置を検出して、０度から３６０度の間の任意角度の、増分角度回転又はシャフト１８の角度位置を示す増分検出機構６８を備えている。

図２を参照すると、増分検出機構６８は、リング磁石８２を備えている。リング磁石８２は、第１の側部８４と第２の側部８６とを更に備える。リング磁石８２の第１の側部８４は、車輪２４の第２の側部２８に連結され、第１のトルクステータ４６及び第２のトルクステータ５６から軸方向に隔てられている。従って、リング磁石８２は、シャフト１８の増分位相角度に対応する磁束を発生するため車輪２４と共に回転する。

図１５を参照すると、リング磁石８２は、対角線に沿って反対に磁化されている。該リング磁石では、リング磁石８２の一方の半分がＮ極を帯び、リング磁石８２の他方の半分
がＳ極を帯びている。磁力線は、Ｎ極からＳ極まで径方向に且つ軸方向に浸透する。

図２、図１２及び図１４を参照すると、増分検出機構６８の一部分が、リング磁石８２の磁束を検出するため少なくとも１つの増分磁気検出要素９４を備えている。上述したように、回路基板７０は、トルク脚部７２と位置脚部７４とを備え、トルク脚部７２と位置脚部７４とは、互いから軸方向に隔てられている。位置脚部７４は、車輪２４に隣接して配置された、一対の周方向に延在するアーム９６を備える。センサーケーシング７８は、回路基板７０の延長アーム９６を支持する一対のケーシングアーム７９を更に備える。増分磁気検出要素９４は、互いから周方向に隔てて延長アーム９６上に配置されている。

図１０乃至図１３を参照すると、センサーケーシング７８は、ギア空洞部９８を形成している。統合型センサー１０は、区分検出機構９７を更に備えている。区分検出機構９７は、ギア空洞部９８により回転可能に収容されて支持される変更歯１０１を有する変更ギア１００を備えている。

図１１乃至図１４を参照すると、区分検出機構９７は、区分磁石１０６を更に備える。図示の実施例では、区分磁石はディスクの形状にあるが、区分磁石１０６は、リング、菱形又は正方形の形態であってもよい。区分検出機構９７の一部分は、少なくとも１つの区分磁石検出要素１０８を備えている。区分磁石１０６は、変更ギア１００に連結され、変更ギア１００及び区分磁石１０６の両方はギア空洞部９８により回転可能に収容され、支持されている。区分磁石１０６は、射出成形により変更ギア１００に連結されていてもよい。区分磁気検出要素１０８は、回路基板７０の位置脚部７４に区分磁石１０６に隣接して配置されている。図１６に示されるように、区分磁石１０６は、対角方向に反対に磁化されており、区分磁石１０６の一方の半分はＮ極を帯び、区分磁石１０６の他方の半分はＳ極を帯びている。磁力線は、Ｎ極からＳ極に向かって径方向且つ軸方向に分布している。変更ギア１００が回転するとき、区分磁石１０６が回転し、磁束の変化を生じさせ、該変化は区分磁気検出要素１０８により検出される。上述したように、変更ギア１００の位置は、シャフト１８が置かれている循環状態を示している。

図２、図１３及び図１７を参照すると、変更歯１０１は、第１の平面（Ｈ１）上に配置された第１の複数の変更歯１０２と、第２の平面（Ｈ２）上に配置された第２の複数の変更歯１０４と、を備えている。第１の複数の変更歯１０２及び第２の複数の変更歯１０４は、平行であり、互いから軸方向に隔てられている。更に加えて、第１の複数の変更歯１０２は、位相が外れており、第２の複数の変更歯１０４とは角度が整列されていない。図１７に示されるように、第１の複数の変更歯１０２及び第２の複数の変更歯１０４は、各々、５つの歯を備えている。変更ギア１００は、任意数の変更歯を備えるように構成されていてもよく、任意数の平面上に配置されていてもよい。係合表面１１０は、第１の複数の変更歯１０２及び第２の複数の変更歯１０４の５つの変更歯の各々の間に配置されている。

図１８及び図２０を参照すると、駆動歯１１１が車輪２４の中央部分３０に配置されている。駆動歯１１１は、第１の対の駆動歯１１２を備える。駆動歯の第１の対は、車輪２４の中央部分３０上の第１の平面（Ｈ１）上に配置された第１の駆動歯１１４と、車輪２４の中央部分３０上の第２の平面（Ｈ２）上に配置された第２の駆動歯１１６と、を備えている。

図１９を参照すると、第２の対の駆動歯１１８が車輪２４上に、第１の対の駆動歯１１２から１８０度のところに配置されている。同様に、第２の対の駆動歯１１８は、第１の平面上に配置された第１の駆動歯１２０と、第２の平面上に配置された第２の駆動歯１２２とを備えている。車輪２４は、より多くの駆動歯を備えるように構成されていてもよく、駆動歯１１２、１１８の対は、互いから任意の角度で配置されていてもよい。

図１９から図２０を参照すると、複数の遮断アーム１２４が車輪２４上の中央部分３０に配置されている。より詳しくは、第１の遮断カム１２６は、第１の対の駆動歯１１２のための第１の駆動歯１１４と第２の対の駆動歯１１８のための第１の駆動歯１２０との間で中央部分３０の第１の平面上に位置している。第１の遮断カム１２６は、車輪２４の１つの対角線側に１８０を通して延在する。更に加えて、第２の遮断カム１２８は、第１の対の駆動歯１１２の各々のための第２の駆動歯１１６と第２の対の駆動歯１１８のための第２の駆動歯１２２との間で中央部分３０の第２の平面上に位置している。第２の遮断カム１２８は、車輪２４の他の対角線側に他の１８０度を通して延在する。第１の対の駆動歯１１２と第２の対の駆動歯１１８とは、遮断カム１２４の複数の端部を画定する。統合型センサー１０は、駆動機構１２９を更に備える。駆動機構１２９は、第１の対の駆動歯１１２と、第２の対の駆動歯１１８と、遮断カム１２４と、第１の複数の変更歯１０２と、第２の複数の変更歯１０４と、を備えている。

図２１及び図２３から図２４を参照すると、作動機構１２９は、車輪２４が所定数の増分を通して完全に回転するとき、車輪２４及び変更ギア１００を相互接続する。これは、３６度の所定角度を通して変更ギア１００を回転させるため、車輪２４の１８０度の回転毎に、第１の対の駆動歯１１２が、第１の複数の変更歯１０２の一つの変更歯１０３か若しくは第２の複数の変更歯１０４の一つの変更歯１０５のいずれかと係合するか、又は、第２の対の駆動歯１１８が、第１の複数の変更歯１０２の一つの変更歯１０３か若しくは第２の複数の変更歯１０４の一つの変更歯１０５のいずれかと係合することを意味している。当業者は、変更ギア１００が任意数の変更歯が備え付けられてもよいことを認めるであろう。例えば、１０個の変更歯を、第１の複数の変更歯１０２及び第２の複数の変更歯１０４のため使用することができ、その結果、総合して２０個の歯をもたらし、駆動歯１１２が第１の複数の変更歯１０２又は第２の複数の変更歯１０４のいずれかの変更歯の一つと係合する事象の各々で、変更ギア１００を１８０度回転させる。

図１９から図２０に示されるように、第１の遮断カム１２６と第２の遮断カム１２８とは、軸方向に隔てられ、互いに平行である。第１のチャンネル１３０は、第１の遮断カム１２６の下方に配置され、第２のチャンネル１３２は第２の遮断カム１２８の上方に配置されている。

図２１から図２２を参照すると、（これが、シャフト１８の角度位置の点でシャフト１８が配置される初期条件であると仮定する）、第２の複数の変更歯１０４からの第１の変更歯１０５が、第１の遮断カム１２６の下方に第１のチャンネル１３０内に配置されている。第１の複数の変更歯１０２の第１の変更歯１０３と第２の変更歯１０７との間に配置された係合表面１１０は、車輪２４の回転を防止するため第１の遮断カム１２６と係合する。図１９、図２１から図２２を参照すると、１８０度を超え３６０度より小さい角度を通してシャフト１８を反時計回りに回転させた後、第２の対の駆動歯１１８の第２の駆動歯１２２が、第２の複数の変更歯１０４に配置された変更歯１０５と係合するとき、変更ギア１００は、３６度回転する。

図２３から図２４を参照すると、変更ギア１００が３６度回転した後、第１の複数の変更歯１０２の第２の変更歯１０７は、第２の遮断カム１２８の上方で第２のチャンネル１３２へと回転され、第２の複数の変更歯１０４に配置された第１の変更歯１０５及び第２の変更歯１０９の間の係合表面１１０は、車輪２４が更なる１８０度の回転を通して回転するまで、変更ギア１００の回転を防止するため第２の遮断カム１２８と係合する。

図２０から図２１を参照すると、車輪２４を１８０度より小さい角度に時計回りに回転させることに応じて、第１の対の駆動歯１１２の第１の駆動歯１１６は、第２の複数の変更歯１０４の第１の変更歯１０５と係合して変更ギア１００を更に３６度回転させる。

シャフト１８が、１８０度の倍数に等しくない任意角度回転されるときはいつでも、第１の遮断カム１２６が第１の複数の変更歯１０２に配置された係合表面１１０と係合するか又は第２の遮断カム１２８が第２の複数の変更歯１０４に配置された係合表面１１０と係合する。

図１３から図１４を参照すると、上述されるように、増分磁気検出要素９４は、位置脚部７４の延長アーム９６に配置され、リング磁石８２から軸方向及び径方向の両方向に隔てられている。増分磁気検出要素９４は、第１の増分磁気検出要素１３４と、第２の増分磁気検出要素１３６と、を備える。増分磁気検出要素１３４、１３６は、０度から３６０度の角度に相互関連する増分出力を出力する。増分出力は、第１の増分出力Ｐ_１及び第２の増分出力Ｐ_２を備える。第１の増分出力Ｐ_１は、第１の増分磁気検出要素１３４から発生され、第２の増分出力Ｐ_２は、第２の増分磁気検出要素１３６から発生される。

図２５を参照すると、増分出力及び区分出力は、全体として１３３で指し示されており、第１の増分出力Ｐ_１は、正弦波電圧出力により定義され、第１の増分出力Ｐ_２は、余弦波電圧出力により定義されている。増分出力Ｐ_１及びＰ_２は、次の式により定義される。

変数Ａ_１及びＢ_２は、第１の増分振幅及び第２の増分振幅として各々定義されている。角度θ_１は、シャフトの増分位相角度であり、δ_１，２は、増分直角位相誤差角度として定義されている。理想的には、Ｐ_１及びＰ_２は、互いから９０度シフトされており、増分直角位相誤差信号は、ゼロに等しい。

上述したように、区分磁気検出要素１０８は、回路基板７０のトルク脚部７２に配置されている。第１の区分磁気検出要素１３８及び第２の区分磁気検出要素１４０は、０度から３６０度の間の角度に相関する区分出力を出力する。区分出力は、シャフト１８即ち車輪２４が置かれているところの区分即ち循環状態を提供するため使用される。区分出力には、第１の区分磁気検出要素１３８から生成された出力である第１の区分出力Ｐ_３と、第２の区分磁気検出要素１４０から生成された出力である第１の区分出力Ｐ_４とが含まれている。

図２５を参照すると、第１の区分出力Ｐ_３は、階段状に形成された正弦電圧出力により
画定され、第２の区分出力Ｐ_４は、階段状に形成された余弦電圧出力により画定されている。区分出力Ｐ_３及びＰ_４は、次の式により定義される。

変数Ａ_３及びＢ_４は、第１の区分振幅及び第２の区分振幅として各々定義されている。角度θ_２は、シャフトの角度位置である区分位相角度であり、δ_３，４は、区分直角位相誤差角度として定義されている。好ましくは、Ｐ_３及びＰ_４は、互いから９０度シフトされ、区分直角位相誤差角度はゼロに等しい。

図２６に示されるように、解法方程式は、シャフト１８に関する０度から３６０度の最終的な増分角度位置を計算し生成するため出力Ｐ_１及びＰ_２を使用する。同様に、解法方程式は、シャフト１８に関する０度から３６０度の間の実際の区分角度を含む最終的な区分角度位置を計算し生成するため出力Ｐ_３及びＰ_４を使用する。最終的な増分角度位置と最終的な区分角度位置との間の相互作用は、解法方程式のための導出が示された後、より詳細に説明される。解法方程式は次式の通り定義される。

解法方程式の導出を示すため、振幅Ａ_１、Ａ_３は、Ａ_ｍにより定義され、振幅Ｂ_２、Ｂ_４は、Ｂ_ｍにより定義される。角度θ_１及びθ_２は、角度θ_ｍにより定義される。最終的には、直角位相誤差角度δ_１，２及びδ_３，４は、δとして定義される。

式（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、次式のように書き直すことができる。

Ｐ_１及びＰ_３は互いに等しくないことを記すことは重要である。同様に、Ｐ_２及びＰ_４は互いに等しくない。式（ｆ）及び式（ｇ）を書き記す目的は、出力Ｐ_１及びＰ_２を使用する解法方程式の応用を確立するための導出と同じ方法が、出力Ｐ_３及びＰ_４にも当てはまることを示すためである。

統合型センサーで使用される様々な部品の製造に形成された許容誤差に起因して、Ａ_ｍ＝Ｂ_ｍとなる式を発生することが必要となる。更に加えて、９０度の位相シフトが、正弦出力と余弦出力との間に存在することを確実にすることが必要である。

ゲイン因子Ａ_ｍ／Ｂ_ｍは、次の式を発生するため式（ｇ）に乗算される。

式（ｈ）は、式（ｆ）及び式（ｇ）を使用して次式のように再度書き直すことができる。

式（ｉ）中のＡ_ｍｃｏｓθ_ｍを解法するとき、次の式（ｊ）が生成され、共通の振幅Ａ_ｍの形態で、異なる振幅Ｂ_ｍ及び誤差角度δを表す式をもたらす。

Ａ_ｍｃｏｓθ_ｍにＰ_２’（又はＰ４’）を任意に設定することによって、解法方程式の計算を次式のように定義することが可能となる。

式（ｋ）は、次式のように書き直される。

角度φは、式（ｌ）をゼロに設定するように選択され、従って、角度φ＝θ_ｍを設定することにより、これは、ｆ（θ_ｍ、φ）＝０という条件を満足させる。

解法方程式の分母は、次式のように定義される。

解法方程式は、式（ｌ）及び（ｍ）を式（ｅ）内に代入した後、次式のように示される。

従って、φ_ｏｌｄは、０度から３６０度の間の任意角度に任意に設定される初期角度値であり、φ_ｏｌｄが解法方程式（ｎ）に代入された後、角度φ_ｎｅｗが生成され、角度φ_ｎｅｗが所定の角度でない場合には、φ_ｎｅｗはφ_ｏｌｄに設定され、式（ｎ）が再び解法されて新しい角度φ_ｎｅｗを発生する。出力Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４のいずれが解法方程式（ｎ）に代入されたかに応じて、収束角度φ_ｎｅｗが、最終的な増分角度位置又は最終的な区分角度のいずれかに割り当てられる。出力Ｐ_１、Ｐ_２が解法方程式（ｎ）に代入された場合、収束角度φ_ｎｅｗが最終的な増分角度に設定され、当該出力は、０度から３６０度の間の任意の角度となる。出力Ｐ_３、Ｐ_４が解法方程式（ｎ）に代入された場合、収束角度φ_ｎｅｗが実際の区分角度に設定される。

総合して５つの実際の区分角度は、第１の複数の変更歯１０２のうち５つの変更歯に対応している。同様に、５つの実際の区分角度は、第２の複数の変更歯１０４の５つの変更歯に対応している。第１の対の駆動歯１１２又は第２の対の駆動歯１１８のいずれが第１の複数の変更歯１０２の任意の変更歯１０３か又は第２の複数の変更歯１０４の任意の変更歯と係合するとき、変更ギア１００及び区分磁石１０６は、いずれかの方向に総合して３６度、回転される。区分磁石１０６が３６度だけ回転されることに応答して、Ｐ_３及びＰ_４のための新しい値が区分磁気検出要素１３８，１４０から出力され、実際の区分角度を生成するため解法方程式（ｎ）に代入される。ユーザーがシャフト１８を±９００度のシャフト移動の全範囲に亘って回転させるとき、車輪２４は、１８０度毎に、即ち、１０回（変更歯のシャフト／＃の総角度回転）、変更歯１０２、１０４と係合し、総合して１０個の最終区分角度をもたらす。変更歯の数の選択は、シャフト１８の総角度移動量を第１の対の駆動歯１１２と第２の対の駆動歯１１８との間の角度で除算させることにより計算される。従って、１０個の歯の選択は、各々、Ｐ_３の正弦出力及びＰ_４の余弦出力に表される工程の数を規定している。区分磁石１０６のあらゆる２つの回転は、シャフト１８が置かれている新たな循環状態を示している。先に説明したように、当業者は、５つの変更歯を備えた変更ギア１００は、３６０度回転毎に、駆動歯が変更歯と係合することを認めるであろう。その結果、総合して５つの最終的な区分角度が利用される。

シャフト１８を回転させたとき、リング磁石８２は同じ方向に回転し、新しい組の出力値Ｐ_１及びＰ_２を発生させる。増分出力Ｐ_１及びＰ_２は、最終増分角度を生成するため解法方程式（ｎ）に適用される。

アルゴリズムは、最終区分角度（FinalSegAng）を生成するため実際の区分角度を使用し、最終角度位置方程式は最終角度位置（FinalPos）を決定する。当該アルゴリズム及び最終角度位置方程式は、各々、次の式（ｏ）及び式（ｐ）によって定義される。

実際の区分角度−Δθ ＜ FinalSegAng ＜ 実際の区分角度＋Δθ （ｏ）
ｎ＝＋（０，１，２，３）に対して、
FinalPos ＝ FinalIncAng ＋ ｎ・３６０度 （ｐ）
FinalSegAngは、１０個の角度を含み、各角度は、整数ｎに対応している。FinalSegAng及び対応する整数ｎは、表１に示されている。

なお、当業者は、表１に定義されたものとは異なる最終区分角度（FinalSegAng）を導出することができ、FinalSegAngに異なる整数を割り当てることもできる。解法方程式（ｎ）から生成された実際の区分角度は、究極的には、許容誤差Δθ内で任意の最終区分角度に収束する。最終区分角度が実際の区分角度に合致させることにより決定された後、整数ｎが決定され、ｎと、出力Ｐ_１及びＰ_２を使用して解法方程式（ｎ）により生成されたFinalIncAngとが、最終位置角度（FinalPos）を生成するため最終角度位置方程式（ｐ）に代入される。理想的には、各々の最終区分角度は、変更ギア１０６に各々の変更歯を表すように構成される。変更ギアで利用される変更歯の数が増加又は減少するとき、使用される最終区分角度の数は、増加又は減少する。従って、最終位置角度（FinalPos）が±９００度の間の角度であり、シャフト１８が置かれている角度を示している。これらの値は、シャフト１８及び変更ギア１００の初期位置に依存している。±９００度の間の最終位置角度の計算は、より大きな角度に延長することができ、また±９００度より小さい角度に延長することもできる。最終角度位置の正弦は、変更ギア１０６で利用される変更歯の数に依存する。

解法方程式（ｎ）により発生された計算された最終区分角度の各々は、±１８度の許容範囲を持ち、該範囲は、変更ギアの３６度の角度回転と等価である。最終増分角度、実際の区分角度、最終区分角度及び最終角度位置の計算は、統合型センサー１０に備えられていない装置上で実行される。該装置は、出力Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４を受け取る統合型センサーに電気的に連結されたコントローラを備えていてもよい。図２５を参照すると、増分磁気検出要素９４及び区分磁気検出要素１０８から発生されたときの原データ、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４が示されている。

図２６を参照すると、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４の各々は、解法方程式に代入され、結果として生成した最終増分角度１４２及び最終区分角度１４４は、シャフト１８の全角度回転に亘って示されている。最終位置角度１４６は、アルゴリズムを実行した後、最終角度方程式を解法した後に生成され、±９００度の間の任意角度として定義される。

＜統合型センサーの出力を較正し補償する方法＞
統合型センサー１０で利用される様々な部品の許容誤差問題又は設計のばらつきに起因して、様々な異なる振幅が、増分出力Ｐ_１及びＰ_２に対してＡ_１及びＡ_２の間に存在し、区分出力Ｐ_３及びＰ_４に対してＡ_３及びＡ_４の間に存在し得る。更には、これらの角度の間の９０度の位相シフトは、増分出力Ｐ_１及びＰ_２の間、並びに、区分出力Ｐ_３及びＰ_４の間には存在していない。他の誤差が、バランスのとれていない振幅を導き、正及び負のサイクルが１８０度に亘ってスパンされず、より高次の高調波が出力Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４の間に存在し得る。これらの誤差又は非理想状態の源には、磁石の非等方性、リング磁石８２又は区分磁石１０６のコッキング、増分磁気検出要素の感度（ｍＶ／Ｇ）と区分磁気検出要素の感度（ｍＶ／Ｇ）との間のばらつき、電圧オフセット（Ｖ_ＯＱ）ばらつき等が含まれている。

図２７を参照すると、増分未補償波形１４８が、測定された第１の増分出力Ｐ_１及び測定された第２の増分出力Ｐ_２の出力に対応している。図２７は、非理想状態がその結果として出力された波形１４８に如何に影響を及ぼし得るかを示している。増分出力Ｐ_１及びＰ_２の振幅は、各々、異なるピーク値を持ち、Ｐ_１及びＰ_２は、９０度位相シフトされておらず、波形１４８は対称的となっていない。

図３３を参照すると、区分未補償波形１５０が、測定された第１の増分出力Ｐ_３及び測定された第２の増分出力Ｐ_４の出力に対応している。図３３は、非理想状態がその結果として出力された波形１４８に如何に影響を及ぼし得るかを示している。区分出力Ｐ_３及びＰ_４の振幅は、各々、異なるピーク値を持ち、Ｐ_３及びＰ_４は、９０度位相シフトされていない。

図２９を参照すると、増分出力Ｐ_１及びＰ_２を較正するための方法が、全体として２００で指し示されている。ステップ２０２では、較正プロセスは、シャフト１８が回転されることを要求する。ステップ２０４では、第１の増分磁気検出要素１３４が、リング磁石８２の変化磁束を検出することに応じてＰ_１を出力する。ステップ２０６では、第２の増分磁気検出要素１３６が、リング磁石８２の変化磁束を検出することに応じてＰ_２を出力する。ステップ２０８では、シャフト１８を回転させることに応答して、Ｐ_１出力に関するゼロ交差が形成される。

ステップ２１０では、本較正方法は、ゼロから３６０度に亘って増分出力Ｐ_１及びＰ_２をサンプリングして収集する。ステップ２１２では、増分磁気検出要素１３４、１３６により生成されたとき収集された増分出力Ｐ_１及びＰ_２から、電圧オフセット（Ｖ_ＯＱ）が減算される。ステップ２１４では、第１の増分ｄｃ成分ＤＣ＿Ｐ_１、複数の第１の増分調和振動出力及び第１の増分基本出力を生成するため、フーリエ解析がＰ_１上で実行される。なお、第１の増分ｄｃ成分ＤＣ＿Ｐ_１は、フーリエ解析を実行した後のゼロの調和振動次数に対応している。複数の第１の増分調和振動出力は、複数の第１の増分調和振動振幅ＡＮ＿Ｐ_１と、複数の第１の増分調和振動位相角度ＰｈＮ＿Ｐ_１とを含み、ここでＮはフーリエ解析により発生された調和振動の次数即ち数である。図示の実施例では、所望の波形は、フーリエ解析を実行した後の第１次調和振動波（Ｎ＝１）に対応する第１の増分基本出力である。残りの複数の第１の増分調和振動出力は、概略Ｐ_１に与えられた誤差に対応し、第１の増分誤差として定義される。なお、追加の又は異なる調和振動出力が、所望の波形又はＰ_１における誤差を表す波形として選択されてもよく、誤差を含み又は所望の波形として選択された調和振動出力の選択は、図示の実施例によっては制限されない。第１の増分基本出力は、第１の増分基本振幅Ａｌ＿Ｐ_１と、第１の増分基本位相角度Ｐｈｌ＿Ｐ_１とを含んでいる。従って、ＤＣ＿Ｐ_１、ＡＮ＿Ｐ_１、ＰｈＮ＿Ｐ_１、Ａｌ＿Ｐ_１及びＰｈｌ＿Ｐ_１は、第１の増分較正パラメータとして定義される。

ステップ２１６では、第２の増分ｄｃ成分ＤＣ＿Ｐ_２、複数の第２の増分調和振動出力及び第２の増分基本出力を生成するため、フーリエ解析がＰ_２上でも実行される。なお、第２の増分ｄｃ成分ＤＣ＿Ｐ_２は、フーリエ解析を実行した後のゼロの調和振動次数に対応している。複数の第２の増分調和振動出力は、複数の第２の増分調和振動振幅ＡＮ＿Ｐ_２と、複数の第２の増分調和振動位相角度ＰｈＮ＿Ｐ_２とを含み、ここでＮは整数であり、フーリエ解析により発生された調和振動の次数即ち数である。所望の波形は、フーリエ解析を実行した後の第１次調和振動波に対応する第２の増分基本出力である。残りの複数の第２の増分調和振動出力は、概略Ｐ_２に与えられた誤差に対応し、第１の増分誤差として定義される。なお、追加の又は異なる調和振動出力が、所望の波形又はＰ_２における誤差を表す波形として選択されてもよく、これらの調和振動出力の選択は、図示の実施例によっては制限されない。第２の増分基本出力は、第２の増分基本振幅Ａｌ＿Ｐ_２と、第２の増分基本位相角度Ｐｈｌ＿Ｐ_２とを含んでいる。従って、ＤＣ＿Ｐ_２、ＡＮ＿Ｐ_２、ＰｈＮ＿Ｐ_２、Ａｌ＿Ｐ_２及びＰｈｌ＿Ｐ_２は、第２の増分較正パラメータとして定義される。

図３０を参照すると、増分出力Ｐ_１及びＰ_２を補償する方法に関するブロック図が全体として２５０で示されている。図示の実施例では、第１及び第２の増分出力のための瞬間値を使用することが必要となる、これらの値は、シャフト１８の回転のあらゆる角度に対して変化する。本補償プロセスは、シャフト１８の回転のあらゆる角度に対して、第１の増分最終出力と、第２の増分最終出力と、を生成する。

第１の増分加算器２５２と第２の増分加算器２５４とは、増分磁気検出要素１３４、１３６から発生されたときの電圧オフセット（Ｖ_ＯＱ）を無くすために使用される。第３の増分加算器２５６は、第１の増分調整出力Ｐ_１’を形成するためＰ_１からＤＣ＿Ｐ_１を減算する。同様に、第４の増分加算器２５８は、第２の増分調整出力Ｐ_２’を形成するためＰ_２からＤＣ＿Ｐ_２を減算する。

Ｐ_１’を生成した後、シャフトの以前の位置（prevpos）、ＡＮ＿Ｐ_１と、ＰｈＮ＿Ｐ_１とは、第１の増分補償ブロック２６０内に代入され、第１の増分補償方程式は、第１の増分調和振動出力を無くす。これは、実際、Ｐ_１出力における非理想性のほとんどを無くし、第１の増分最終出力Ｐ_１”を生成する。第１の増分補償方程式は、次式として定義される。

なお、シャフトの以前の位置（prevpos）が知られていなかった場合には、初期ルーチンはシャフトの値（prevpos）を生成する。第１の増分最終出力Ｐ”_１はＰ_１のための補償値である。

第４の増分加算器２５８からＰ_２’を生成した後、シャフトの以前の位置（prevpos）、ＡＮ＿Ｐ_２と、ＰｈＮ＿Ｐ_２とは、第２の増分補償ブロック２６２内に代入され、第２の増分補償方程式は、第２の増分調和振動出力を無くす。これは、実際、Ｐ_２出力における非理想性のほとんどを無くし、第２の増分最終出力Ｐ_２”を生成する。第２の増分補償方程式は、次式として定義される。

増分補償方程式の出力は、第２の増分相関出力Ｐ_２”を生成するため単一値に収束する。

Ｐ_２”を発生した後、Ｐ_２”は第１のゲインブロック２６４に乗算される。このゲインブロックは、次式の基本振幅の比率により定義される増分ゲイン因子を含んでいる。

Ｐ_２”を増分ゲイン因子で乗算することにより、これは、第２の増分正規化出力Ｐ’”_２を生成する。このステップは、Ｐ_１及びＰ_２の振幅が等しくなるように実行される。

Ｐ_１及びＰ_２の間に共通の振幅を確立することによって、次のステップでは、出力Ｐ_１及びＰ_２の間の増分直角位相誤差角度δ_１，２を計算する。理想的には、９０度位相シフトが出力Ｐ_１及びＰ_２の間に要求される。δ_１，２を計算するため、第５の増分加算器２６８がＰｈｌ＿Ｐ_１に９０度を追加し、９０度及びＰｈｌ＿Ｐ_１の総和からＰｈｌ＿Ｐ_２が減算され、増分直角位相誤差角度δ_１，２を計算する。δ_１，２に対して解法した後、増分訂正ブロック２６６は、第２の増分最終出力：

を生成する。増分訂正ブロック２６６は、増分訂正方程式を備え、次の方程式により定義される。

従って、最終的な増分出力：

がＰ_２のための補償値となる。

上述されたような方法を用いることにより、増分出力Ｐ_１及びＰ_２の間に共通の振幅を提供すると共に、増分出力Ｐ_１及びＰ_２の角度間に約９０度の位相シフトを達成するという目的が達成される。図２８に示されるように、最終増分出力Ｐ_１”の補償増分波形１５２と、

と、が振幅が同様であり、補償波形１５２の間に結果として生成した位相シフトが実質的に９０度であることを示している。第１の最終増分出力Ｐ_１”と、シャフト１９の回転の各角度に対して発生した第２の最終増分出力：

と、がコントローラに格納される。

シャフト１８の最終増分角度を生成するため解法方程式を用いることが可能となる。上述したように、最終増分角度は、０度から３６０度の間の任意の角度である。図３０を参照すると、第１及び第２の増分最終出力は、解法方程式ブロック２７０内に代入され、該ブロックでは、解法方程式はシャフト１８の最終増分角度を提供する。上記からの解法方程式（ｎ）は、次式のように再度書き直される。

変数φ_ｎｅｗは、０度から１８０度の値に収束し、最終増分角度として定義される。上述したように、収束角度φ_ｎｅｗは、最終増分角度に割り当てられる。

図３１を参照すると、区分出力Ｐ_３及びＰ_４を較正する方法は、概して、３００で示されている。ステップ３０２では、較正プロセスは、シャフト１８が、最大回転数又は総合１８０度へと回転されることを要求する。ステップ３０４では、第１の区分磁気検出要素１３８は、区分磁石１０６の変化磁束を検出することに応答してＰ_３を出力する。ステップ３０６では、第２の区分磁気検出要素１４０は、区分磁石１０６の変化磁束を検出することに応答してＰ_４を出力する。ステップ３０８では、コントローラは、複数のマスターエンコーダ読み取り値に対してＰ_３及びＰ_４を格納する。

ステップ３１０では、電圧オフセット（Ｖ_ＯＱ）が区分磁気検出要素１３８、１４０により生成される区分出力Ｐ_３及びＰ_４から減算される。ステップ３１２では、第１の区分ｄｃ成分ＤＣ＿Ｐ_３及び第１の区分基本出力を生成するため、フーリエ解析がＰ_３上で実行される。なお、第１の区分ｄｃ成分ＤＣ＿Ｐ_３は、フーリエ解析を実行した後のゼロの調和振動次数に対応している。第１の区分基本出力は、第１の区分基本振幅Ａｌ＿Ｐ_３と、第１の区分基本位相角度Ｐｈｌ＿Ｐ_３とを含んでいる。従って、ＤＣ＿Ｐ_３、Ａｌ＿Ｐ_３、Ｐｈｌ＿Ｐ_３は、第１の区分較正パラメータとして定義される。

ステップ３１４では、第２の区分ｄｃ成分ＤＣ＿Ｐ_４及び第２の区分基本出力を生成するため、フーリエ解析がＰ_４上でも実行される。第２の区分ｄｃ成分ＤＣ＿Ｐ_４は、フーリエ解析を実行した後のゼロの調和振動次数に対応している。第２の区分基本出力は、第２の区分基本振幅Ａｌ＿Ｐ_４と、第２の区分基本位相角度Ｐｈｌ＿Ｐ_４とを含んでいる。従って、ＤＣ＿Ｐ_４、Ａｌ＿Ｐ_４、Ｐｈｌ＿Ｐ_４は、第２の区分較正パラメータとして定義される。

図３２を参照すると、区分出力Ｐ_３及びＰ_４を補償する方法に関するブロック図が全体として３５０で示されている。図示の実施例では、第１及び第２の区分出力のための瞬間値を使用することが必要となる、これらの値は、変更ギア１００の回転のあらゆる角度に対して変化する。本補償プロセスは、シャフトの回転のあらゆる角度に対して、第１の区分最終出力と、第２の区分最終出力と、を生成し、第１の区分最終出力及び第２の区分最終出力の各々はコントローラに格納される。

第１の区分加算器３５２と第２の区分加算器３５４とは、区分磁気検出要素１３８、１４０及び加算器３５２、３５４から発生した電圧オフセット（Ｖ_ＯＱ）を無くすために使用される。第３の区分加算器３５８は、第１の区分調整出力Ｐ_３’を形成するためＰ_３からＤＣ＿Ｐ_３を減算する。同様に、第４の区分加算器３５８は、第２の区分調整出力Ｐ_４’を形成するためＰ_４からＤＣ＿Ｐ_４を減算する。

Ｐ_４’を生成した後、Ｐ_４’は、区分ゲインブロック３６０に乗算される。このゲインブロックは、次式の基本振幅の比率により定義される増分ゲイン因子を含んでいる。

Ｐ_４’を区分ゲイン因子で乗算することにより、これは、第２の区分正規化出力Ｐ”_４を生成する。このステップは、Ｐ_３及びＰ_４の振幅が等しくなるように実行される。

Ｐ_３及びＰ_４の間に共通の振幅を確立することによって、次のステップでは、出力Ｐ_３及びＰ_４の間の増分直角位相誤差角度δ_３，４を計算する。理想的には、９０度位相シフトが要求される。δ_３，４を計算するため、第５の区分加算器３６２がＰｈｌ＿Ｐ_３に９０度を追加し、９０度及びＰｈｌ＿Ｐ_３の総和からＰｈｌ＿Ｐ_４が減算され、δ_３，４を計算する。δ_３，４に対して解法した後、区分訂正ブロック３６４が第２の区分最終出力：

を生成する。区分訂正ブロック２６４は、区分訂正方程式を備え、次の方程式により定義される。

従って、最終的な第２の区分出力：

がＰ_４のための補償値となる。

上述されたような方法を用いることにより、区分出力Ｐ_３及びＰ_４の間に共通の振幅を提供すると共に、区分出力Ｐ_３及びＰ_４の角度間に約９０度の位相シフトを達成するという目的が達成される。図３４に示されるように、最終区分出力Ｐ_３’の補償区分波形１５４と、

とが、振幅が同様であり、補償波形１５４の間に結果として生成した位相シフトが実質的に９０度であることを示している。第１の最終区分出力Ｐ_３’と、シャフト１９の回転の各角度に対して発生した第２の最終区分出力：

と、がコントローラに格納される。

シャフト１８の最終区分角度を生成するため解法方程式を用いることが可能となる。第１及び第２の区分最終出力は、解法方程式ブロック３６６内に代入され、該ブロックでは、解法方程式はシャフト１８の最終区分角度を提供する。上記からの解法方程式（ｎ）は、次式のように再度書き直される。

変数φ_ｎｅｗは、０度から３６０度の間の値である実際の区分角度に収束する。

最終増分角度及び実際の区分角度を計算した後、実際の区分角度は、最終的な区分角度と、上記表１に掲げられた対応する整数（ｎ）と、に比較される。実際の区分角度を最終区分角度に比較することに応じて、最終区分角度と連係した最終位置方程式は、式（ｕ）から計算されるような最終増分角度を採用し、最終増分角度及び対応する整数（ｎ）を最終角度位置方程式（ｐ）に代入し、±９００度の間の任意の角度であり得るシャフト１８の最終角度位置を生成する。

明らかに、本発明の多数の変更及び変形が上記教えに鑑みて可能となる。本発明は、添付した請求の範囲内で、詳細に説明されたものとは異なる仕方で実施することができる。

図１は、支持ハウジングを備える、統合型トルク及び位置センサーの断面図である。 図２は、統合型トルク及び位置センサーの分解図である。 図３は、統合型トルク及び位置センサーの第２の断面図である。 図４は、トルクローターアッセンブリの打面図である。 図５は、図４の頂面図である。 図６は、トルクステーター及び磁石の対の側面図である。 図７は、トルクステーターとトルクローターアッセンブリの対の立面図である。 図８は、図７のトルクステーターとトルクローターアッセンブリの対の頂面図である。 図９は、入力シャフト及び出力シャフトの間の相対変位の角度と測定ギャップで発生した磁束密度とを示すグラフである。 図１０は、センサーケーシングの立面図である。 図１１は、図１０のセンサーケーシングの頂面図である。 図１２は、変更ギア無しに一旦型トルク及び位置センサーの第１の断面図である。 図１３は、統合型トルク及び位置センサーの第１の断面図である。 図１４は、増分及び区分磁気検出要素を備える回路基板の立面図である。 図１５は、リング磁石の立面図である。 図１６は、区分磁石の立面図である。 図１７は、変更ギアの頂面図である。 図１８は、車輪の側面図である。 図１９は、車輪の遮断カムの第１の立面図である。 図２０は、図２０の遮断カムから１８０度に位置する車輪の遮断カムの第２の立面図である。 図２１は、第１の遮断カムと係合する第１の複数の変更歯の間の係合表面を示す、車輪及び変更ギアの立面図である。 図２２は、第１のチャンネルに配置された第２の複数の変更歯の歯の一つの位置を示す図２１の底部から見た立面図である。 図２３は、車輪の第２のチャンネル内に配置された第１の複数の変更歯上の歯の一つを示す、車輪及び変更ギアの立面図である。 図２４は、第２の遮断カムと係合する第２の複数の変更歯の間の係合表面を示す図２３の底部から見た立面図である。 図２５は、増分出力Ｐ_１及びＰ_２の波形、並びに、区分出力Ｐ_３及びＰ_４の波形を示すグラフである。 図２６は、解法方程式及びアルゴリズムを用いて最終角度位置を計算した後の、最終増分角度及び最終区分角度と対応する最終角度位置のグラフである。 図２７は、補償方法を実行する前におけるＰ_１及びＰ_２の実際測定された増分出力のグラフである。 図２８は、較正方法を実行した後におけるＰ_１及びＰ_２の増分出力のグラフである。 図２９は、Ｐ_１及びＰ_２の増分出力の較正の高レベル流れ図である。 図３０は、Ｐ_１及びＰ_２の増分出力の較正方法を示す詳細なブロック図である。 図３１は、Ｐ_３及びＰ_４の区分出力の較正の高レベル流れ図である。 図３２は、Ｐ_３及びＰ_４の区分出力の較正方法を示す詳細なブロック図である。 図３３は、較正方法を実行する前におけるＰ_３及びＰ_４の実際測定された区分出力のグラフである。 図３４は、較正方法を実行した後におけるＰ_３及びＰ_４の区分出力のグラフである。

Claims (17)

1. 入力シャフト（１６）と出力シャフト（１８）との間の相対回転運動を測定すると共に
   両シャフト（１６、１８）の角度位置を測定するための統合型センサーであって、
   入力シャフト（１６）と、
   軸線（Ａ）の回りを回転するため前記入力シャフト（１６）と軸方向に整列された出力シャフト（１８）と、
   前記軸線（Ａ）の回りを回転するため前記出力シャフト（１８）を回転可能に支持するための支持ハウジング（１４）と、
   所定のトルクに応じて前記両シャフト（１６、１８）の間の相対回転運動を可能にするように該両シャフト（１６、１８）を相互接続するトーションバー（２０）と、
   前記出力シャフト（１８）と共に回転するため該出力シャフト（１８）により支持された車輪（２４）と、
   前記入力シャフト（１６）及び前記出力シャフト（１８）の間の相対回転運動を磁気的に測定するため該両シャフト（１６、１８）の回りに配置されたトルク検出機構（３９）と、
   前記車輪（２４）の回転に応答して、前記車輪（２４）の角度位置を磁気的に検出し、０度から３６０度の間の任意角度の、前記出力シャフト（１８）の増分角度位置を示す増分出力を発生する増分検出機構（６８）と、
   前記車輪（２４）に係合し且つ複数の角度区分を形成する変更ギア（１００）を含む、
   区分検出機構（９７）であって、前記車輪が置かれている角度区分を示す区分出力が、該区分検出機構（９７）により磁気的に検出され、前記車輪の回転の間、前記変更ギア（１００）の前記車輪（２４）との係合を介して、前記変更ギア（１００）の回転が交互的に引き起こされたり、妨げられたりする、区分検出機構（９７）と、
   前記ハウジング（１４）により支持されて、前記３つの検出機構の少なくとも一部分を支持する、センサーケーシング（７８）と、
   を備える、統合型センサー。
2. 前記トルク検出機構（３９）は、前記入力シャフト（１６）と共に回転するため該入力シャフト（１６）と連結されたトルクロータアッセンブリ（３７）を備える、請求項１に記載の統合型センサー。
3. 前記トルクロータアッセンブリ（３７）は、前記シャフト（１６、１８）の間の相対回転運動に応じた磁束を提供するため複数の磁石（４０）を備える、請求項２に記載の統合型センサー。
4. 前記軸線（Ａ）に沿って軸方向に隔てられた平面内で該平面の間にギャップ（Ｇ）を画定するように前記車輪（２４）により支持され且つ前記複数の磁石（４０）を取り囲む一対のトルクステータ（４６、５６）を備える、請求項３に記載の統合型センサー。
5. 前記トルク検出機構（３９）の前記一部分を支持するためのトルク脚部（７２）と、前記増分検出機構（６８）の前記一部分及び前記区分検出機構（９７）の前記一部分を支持するため前記トルク脚部（７２）から軸方向に隔てられた位置脚部（７４）と、を有する回路基板（７０）を備える、請求項４に記載の統合型センサー。
6. 前記トルク検出機構（３９）の前記一部分は、前記トルク脚部（７２）により支持され且つ前記両シャフト（１６、１８）の間の相対回転運動を測定するため前記ギャップ（Ｇ）内に配置された少なくとも１つの磁気検出要素（６６）を備える、請求項５に記載の統合型センサー。
7. 前記増分検出機構（６８）は、前記トルクステータ（４６、５６）から軸方向に隔てられ、且つ、前記車輪（２４）と共に回転するため該車輪（２４）に連結されたリング磁石（８２）を備える、請求項６に記載の統合型センサー。
8. 前記増分検出機構（６８）の前記一部分は、前記リング磁石（８２）と協働するため前記位置脚部（７４）により支持された少なくとも１つの増分磁石検出要素（９４）を備える、請求項７に記載の統合型センサー。
9. 前記位置脚部（７４）は、前記車輪（２４）の回りに配置された一対の周方向に延在するアーム（９６）と、該アーム（９６）上で互いから周方向に隔てられた前記増分磁気検出要素（９４）と、を備える、請求項８に記載の統合型センサー。
10. 前記変更ギア（１００）は、前記センサーケーシング（７８）により回転可能に支持された、請求項９に記載の統合型センサー。
11. 前記区分検出機構（９７）は、前記変更ギア（１００）に連結されて該ギアと共に回転する区分磁石（１０６）と、前記位置脚部（７４）により支持された少なくとも１つの区分磁気検出要素（１０８）と、を備える、請求項１０に記載の統合型センサー。
12. 前記トルクロータアッセンブリ（３７）は、前記入力シャフト（１６）に相対回転しないように連結され且つ前記磁石（４０）を支持するため複数のポケット（３８）を有する鉄製背部（３２）と、前記鉄製背部（３２）を取り囲む保持リング（４４）と、を備える、請求項１１に記載の統合型センサー。
13. 前記変更ギア（１００）は、第１の平面（Ｈ１）に配置された第１の複数の変更歯（１０２）と、前記第１の平面（Ｈ１）から軸方向に隔てられた第２の平面（Ｈ２）に配置された第２の複数の変更歯（１０４）と、を備え、前記第１の複数の変更歯（１０２）と、前記第２の複数の変更歯（１０４）とは、角度がオフセットされ、互いに位相が外れている、請求項１２に記載の統合型センサー。
14. 前記第１の平面（Ｈ１）内に配置され且つ前記車輪（２４）の回りに端部間に周方向に１８０度延在する第１の遮断カム（１２６）と、前記第２の平面（Ｈ２）内に配置され且つ前記車輪（２４）の回りに端部間に周方向に残りの１８０度に亘って延在する第２の遮断カム（１２８）と、を備える、請求項１３に記載の統合型センサー。
15. 前記遮断カム（１２６，１２８）の前記端部は、前記第１の複数の変更歯（１０２）と噛み合うため前記第１の平面（Ｈ１）内の第１の駆動歯（１１４）と、前記第２の複数の変更歯（１０４）と噛み合うため前記第２の平面（Ｈ２）内の第２の駆動歯（１０９）とを画定する、請求項１４に記載の統合型センサー。
16. 前記第１の複数の変更歯（１０２）と前記第２の複数の変更歯（１０４）とは、前記第１の複数の変更歯及び前記第２の複数の変更歯（１０２、１０４）の各々の前記変更歯（１０２、１０４）の各々の間に延在して、前記第１の遮断カム（１２６）及び前記第２の遮断カム（１２８）の一つと係合する係合表面（１１０）を備える、請求項１５に記載の統合型センサー。
17. 統合型トルク及び位置センサーであって、
    支持ハウジング（１４）と、
    軸線（Ａ）の回りを回転するため前記ハウジング（１４）により回転可能に支持された出力シャフト（１８）と、
    前記出力シャフト（１８）と軸方向に整列された入力シャフト（１６）と、
    所定のトルクに応じて前記両シャフト（１６、１８）の間の相対回転運動を可能にすると共に該両シャフト（１６、１８）の間で回転力を伝達するように該両シャフト（１６、１８）を相互接続するトーションバー（２０）と、
    前記出力シャフト（１８）と共に回転するため該出力シャフト（１８）を取り囲むと共に該出力シャフト（１８）により支持された車輪（２４）と、
    前記入力シャフト（１６）の回りに配置され、該入力シャフト（１６）と共に回転するトルクロータアッセンブリ（３７）であって、該トルクロータアッセンブリ（３７）は、周辺部の回りで各々隔てられた複数のポケット（３８）を有する鉄製背部（３２）を備え、該ポケット（３８）の各々に配置された磁石（４０）を備え、更には該ポケット（３８）内で該磁石（４０）を保持するため前記鉄製背部（３２）の回りに配置され且つ該鉄製背部と共に回転可能である保持リング（４４）を備える、前記トルクロータアッセンブリ（３７）と、
    ギャップ（Ｇ）を形成するため前記軸線（Ａ）に軸方向に沿って隔てられ且つ前記トルクロータアッセンブリ（３７）を取り囲む一対のトルクステータ（４６、５６）と、
    前記支持ハウジング（１４）により支持された一対のケーシングアーム（７９）有するセンサーケーシング（７８）と、
    前記センサーケーシング（７８）により支持され、且つ、前記トルクステータ（４６、５６）の間のギャップ（Ｇ）内に延在するトルク脚部（７２）と前記ケーシングアーム（７９）により支持された一対の延長アーム（９６）を有する位置脚部（７４）とを備える、回路基板（７０）と、
    前記ギャップ（Ｇ）内の磁束を検出することにより前記両シャフト（１６、１８）間の前記相対回転運動を検出するため前記トルク脚部（７２）に配置された少なくとも１つのトルク磁気検出要素（６６）と、
    前記センサーケーシング（７８）により回転可能に支持され、且つ、第１の平面（Ｈ１）内に配置された第１の複数の変更歯（１０２）と該第１の平面（Ｈ１）から軸方向に隔てられた第２の平面（Ｈ２）内に配置された第２の複数の変更歯（１０４）とを備える変更ギア（１００）であって、前記第１及び第２の複数の変更歯（１０２、１０４）は角度がオフセットされ、互いに位相が外れている、前記変更ギア（１００）と、
    前記出力シャフト（１８）に前記車輪（２４）を固定するため前記車輪（２４）に連結された連結リングと、
    前記第１の平面（Ｈ１）内に配置され且つ前記車輪（２４）の回りに端部間に周方向に１８０度延在する第１の遮断カム（１２６）、並びに、前記第２の平面（Ｈ２）内に配置され且つ前記車輪（２４）の回りに端部間に周方向に残りの１８０度に亘って延在する第２の遮断カム（１２８）であって、前記遮断カム（１２６、１２８）の前記端部は、前記変更ギア（１００）の前記第１の複数の変更歯（１０２）と噛み合うため前記第１の平面（Ｈ１）内の第１の駆動歯（１１４）と、前記変更ギア（１００）の前記第２の複数の変更歯（１０４）と噛み合うため前記第２の平面（Ｈ２）内の第２の駆動歯（１０９）とを画定する、前記第１及び第２の遮断カム（１２６、１２８）と、
    前記第１の複数の変更歯及び前記第２の複数の変更歯（１０２、１０４）の各々の前記変更歯（１０２、１０４）の各々の間に延在して、前記第１の遮断カム及び前記第２の遮断カム（１２６、１２８）の一つと係合する係合表面（１１０）と、
    前記変更ギア（１００）に連結されて該変更ギア（１００）と共に回転し、前記変更ギア（１００）が配置された角度区分を示す磁束を提供する、区分磁石（１０６）と、
    前記区分磁石（１０６）の磁束を検出し、前記変更ギア（１００）が置かれている角度区分を示す区分出力を出力するため、前記回路基板（７０）の前記位置脚部（７４）に配置された少なくとも１つの区分磁気検出要素（１０８）と、
    前記車輪（２４）の回りに配置されて該車輪（２４）と共に回転し、前記車輪（２４）の増分角度回転を示す磁束を提供するリング磁石（８２）と、
    前記リング磁石（８２）の磁束を検出し、前記シャフト（１８）の角度回転を示す増分出力を出力するため前記回路基板（７０）の前記位置脚部（７４）の前記延長アーム（９６）上に支持された少なくとも１つの増分磁気検出要素（９４）と、
    を備える、統合型トルク及び位置センサー。

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