JP4819889B2 - 差角を検出するためのセンサユニット - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載した形式、即ち、少なくとも１つの磁界検知式のセンサエレメントが設けられており、該センサエレメントにより、軸と結合可能な磁極ホイール及び複数の歯を備えた強磁性の磁束リングから成る磁気回路の磁界情報が評価可能である形式の、差角を検出するため、特に軸に作用するトルクにより惹起され且つ有利には磁界感知センサにより検出可能な差角を検出するためのセンサユニットに関する。

このような形式のセンサユニットは、差角の検出用に種々様々な構成で、例えば車両において回転軸のトルクを検出するために既に使用されている。例えば、ホール効果に基づくセンサによって、角度変化若しくはトルクにより生ぜしめられる磁界変化を検出することができる。

特に、電気的に支援されるステアリングシステムを備えた車両は一般に、自動車の運転者の操舵支援用の調整値として役立つことのできるトルク信号を必要とする。

ヨーロッパ特許第１２６９１３３号明細書に記載された磁気装置により、トルク信号が発生され得る。この装置の磁気回路は、１つの磁石リングと、２つの磁束リングと、１つ若しくは複数のホール素子とから成っている。磁束リング内で磁石が回転することにより、磁束リング間の磁界強度が変化し且つ１つ又は複数のホール素子によって測定される。各磁束リングと結合された複数の歯は、軸方向で互いに噛み合っており且つ周面で磁界情報を検出し、これにより、磁界情報がホール素子に供給されるようになっている。従って、このジオメトリは接線方向及び半径方向では比較的影響を受けない。但し、磁束リングに対するホール素子の軸方向の製作誤差は、測定効果に著しい影響を及ぼす。つまり、空隙の拡大は、トルクセンサに対する不都合な影響を伴った、より少ない磁束を生ぜしめる。

ドイツ連邦共和国実用新案第２０２２０３８８号明細書から公知の、トルク検出用の別の磁気装置では、２つの磁束リングが管状に構成されている。これらの管の間の半径方向の間隔は、ほぼ同一に構成されているので、磁石は比較的大型に形成され、このことは磁石の磁化及び極分離を困難にする。背面側の磁極の短絡により磁束を高める磁束戻し薄板の使用は規定されていないので、センサは外的な障害フィールドに対して故障し易い。更に、磁束管と磁石との間の空隙が増大する。それというのも、それぞれ偏心及び製作誤差を有する２つの管が、磁石を介して運動されねばならないからである。

本発明の課題は、従来技術における前記の欠点を最小限にすることである。この課題は、独立請求項の特徴部に記載の構成、即ち、歯が、磁極ホイールの磁界情報を半径方向で検出するために、軸の半径方向で延びていることにより解決される。本発明では、有利には互いに噛み合う複数の歯を有する磁束リングが、磁極ホイールの磁気情報を端面側に集める。磁束リングの歯は半径方向に向けられている。磁極ホイールは、この磁極ホイールの磁気情報が、磁束回路を形成するための、半径方向に向けられた歯によって検出され得るように配置されている。有利には、磁束リングはそれぞれ異なる半径を有しており、この場合、対応する各磁束リングと結合された歯が、それぞれ半径方向で互いに噛み合っている。この場合、半径方向の歯の長さは、磁極ホイールの磁石が半径方向で確実に磁気的にカバーされるように選択されている。更に、２つの磁束リングは軸方向の製作誤差に基づいて、磁束を著しく変化させることなく、コレクト薄板間に侵入可能である。本発明のセンサユニットにより、軸方向で最適化された磁気回路の製作誤差特性が得られる。これにより、軸方向の機械的な摺動が信号検出の品質に及ぼす影響はより小さくなる。更に、前記ユニットは、より簡単な組込みを可能にする。それというのも、全てのコンポーネントを一方の側から組み込むことができるからである。更にこの仕様は、センサを外的な障害フィールドに対して丈夫にするために磁束戻し薄板を簡単に用いることを可能にする。それというのも、磁束が高められるからである。

別の有利な改良は、従属請求項及び実施例の説明に記載されている。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１にはセンサユニット８の複数のコンポーネントが示されている。磁極ホイール１０及び磁束戻し部材１１は第１の軸４１（図示せず）に結合されている。図７及び図８に例示したように、第２の軸４８は、第１の磁束リング１４及び第２の磁束リング１６と結合されている。前記軸４１，４８の軸線は軸方向を規定するものであり、軸４１，４８の回転軸線を上から見ると、該回転軸線を中心とした半径方向が規定される。第１の磁束リング１４は内側の半径上に配置されており且つ外側の半径上に配置された第２の磁束リング１６によって取り囲まれる。第１の磁束リング１４から出発して、周方向で一定の間隔をおいて複数の第１の歯１８が形成されており、これらの歯１８は半径方向で見て、第１の磁束リング１４の直径上から出発して外側に向かって延びている。第２の磁束リング１６からも一定の間隔をおいて、やはり半径方向に向けられた複数の第２の歯２０が出発している。これらの第２の歯２０は、磁極ホイール１０に対して第１の歯１８と同一の軸方向間隔を有している。歯１８間若しくは歯２０間の間隔は、それぞれ第１の歯１８と第２の歯２０とが互いに噛み合うように選択されている。第１の歯１８と、隣接する第２の歯２０との間の間隔は、この間隔が磁極ホイール１０磁石のジオメトリとほぼ合致するように、即ち、例えばN極磁石セグメントの中心から、隣接するS極磁石セグメントの中心までの間隔と合致するように選択されている。第１の磁束リング１４と第２の磁束リング１６との間には、磁界を検出するための少なくとも１つのセンサエレメント１２が配置されている。このセンサエレメント１２の領域には、第１の磁束コレクト部材２２が設けられており、この磁束コレクト部材２２は第１のシェル２６及び第２のシェル２８から成っており、これらのシェル２６，２８は、それぞれ第１の磁束リング１４に対して内側と外側とに円セグメント状に平行に配置されている。第２の磁束コレクト部材２４も、やはり第２の磁束リング１６に対して同様に延在するように配置されている。両磁束コレクト部材２２，２４は、円セグメント状に形成されている、つまり、図１〜図３に示したように、ほぼ環状に形成されている。

第１の磁束コレクト部材２２は第１のシェル２６と第２のシェル２８とから成っており、これらのシェル２６，２８は、磁束部材３０によって機械的にも磁気的にも互いに結合される。この磁束部材３０は、磁束リング１４の軸方向の製作誤差を吸収できるようにするために、磁束リング１４に対して軸方向の間隔を有している。この場合、両シェル２６，２８の半径は、両シェル２６，２８間に第１の磁束リング１４が配置可能であるように選択されている。センサエレメント１２に向けられた第２のシェル２８には、２つの有利には扁平なテーパ３２が取り付けられており、これらのテーパ３２を介して磁束が第１のセンサエレメント１２及び別のセンサエレメントに案内される。両磁束コレクト部材２２，２４は、センサエレメント１２の加熱に役立つ。それというのも、これらの磁束コレクト部材２２，２４の２つのテーパ３２に、センサエレメント１２が有利には完全に接触しているからである。図２から判るように、第２の磁束コレクト部材２４も、センサエレメント１２に向けられたシェルに前記のようなテーパ３２を有している。

図４ａ及び図４ｂには、それぞれ磁極ホイール１０の磁石に対する歯１８，２０の磁気的なゼロ位置を上から見た図及び下から見た図が示されている。磁極ホイール１０の異なる着色は、磁石のＳ極とＮ極とが交互に配置されているということを示唆するものである。歯１８，２０は磁極移行部の中心で磁気的なゼロ位置に位置している、即ち、歯１８，２０の中心はちょうど、Ｓ極からＮ極への移行部に位置している。これにより、両磁束リング１４，１６には同一の磁気応力が印加されている。従って、第１の磁束リング１４と第２の磁束リング１６との間の空隙における磁界強度もゼロｍＴである。

図５及び図６に示した実施例では、磁気分路を縮小させるための手段が設けられている。つまり、第１の磁束リング１４と第２の磁束リング１６との間、若しくは磁束リング１４，１６の対応する各ウェブ間の間隔３４が増大されることにより、磁気分路が縮小され得る。このことは、磁束リングウェブを軸方向でずらすことにより行われ、これにより、磁気分路抵抗が増大される。

トルクを測定するためには、トーションバー４０の一方の側が磁極ホイール１０に、磁極ホルダ４２と第１の軸４１とを介して結合されている。トーションバー４０の他方の側では磁束リングホルダ４４が、組み込まれた磁束リング１４，１６に第２の軸４８を介して結合される。図８に示した対応するユニットでは、センサユニット８がセンサモジュール５０を有しており、このセンサモジュール５０には、センサエレメント１２と磁束コレクト部材２２，２４とが組み込まれている。

図９及び図１０に示した択一的な実施例は、図１から図８に示した実施例と、磁束戻し部材１１に結合されたスリーブ５２が設けられているという点において異なっている。有利には、スリーブ５２と磁束戻し部材１１とは１つの構成部材として構成されている。スリーブ５２は、第１の軸４１に磁極ホイール１０を固定するために役立つ。更に、第１の磁束コレクト部材２２′の第２のシェル２８′が加工成形部５４を有しており、この加工成形部５４は、第２のシェル２８′の円セグメント状の構造に対して半径方向でずらされて配置されている。前記加工成形部５４は、第１実施例のテーパ３２の機能を引き受ける。加工成形部５４の形状は、隣接するセンサエレメント１２の表面に適合されており、本実施例では扁平な面である。集めた磁束及び場合によってはセンサエレメント１２により生ぜしめられた熱を案内するために、センサの最も近くに位置するシェルも、適当な形式で対応する加工成形部を有している。

図示の実施例は以下のように働く。第１の軸４１と第２の軸４８との間にトルクが生ぜしめられると、トーションバー４０が捩れる。これにより、磁極ホイール１０と磁束リング１４，１６との間に角度差が生じる。この角度差によってセンサエレメント１２の領域に、トルクに関連した電気信号に変換可能な磁界強度変化が生ぜしめられる。両軸４１，４８間の支承部４６は、空隙製作誤差に有利に影響を及ぼすことができる。今、磁極ホイール１０の磁界は、第１の歯１８及び第２の歯２０が半径方向に向けられており且つ磁極ホイール１０の磁石とほぼ同一の半径上に位置していることにより、端面若しくは半径方向で検出される。互いに噛み合った、磁極ホイール１０に向けられた第１の歯１８及び第２の歯２０の表面は、磁極ホイール１０に対してほぼ同一の軸方向間隔を保持している。磁極ホイール１０の磁界を半径方向で検出することにより、軸方向ずれが、磁極ホイール１０と磁束リング１４，１６との間の評価しようとする捩れに関して重大な影響を及ぼすことはない。これにより、センサユニット８の特性が改良される。それというのも、歯１８，２０と磁極ホイール１０との間の軸方向の機械的な摺動若しくは製作誤差が低減されるからである。

磁束コレクト部材２２，２４は、対応する磁束リング１４，１６に対して定置で配置されている、即ち、磁束リング１４，１６は、局所に固定された磁束コレクト部材２２，２４に接触することなく、回転軸線を中心として自由に回転可能である。両磁束コレクト部材２２，２４間にはセンサエレメント１２が位置しており、これらのセンサエレメント１２もやはり、磁界強度の変化を測定するために磁束コレクト部材２２，２４間に定置で配置されている。定置で配置されたこれらのコンポーネント（センサエレメント１２，磁束コレクト部材２２，２４）は、図８ではセンサモジュール５０に組み込まれている。１つの磁束コレクト部材２２，２４は２つのシェル２６，２８から成っており、これらのシェル２６，２８はそれぞれ、半径方向で見て各磁束リング１４，１６の内側と外側とに配置されている。磁束を意図的にセンサエレメント１２上に向けるためには、前記シェル部材２６，２８がセンサエレメント１２に面してテーパ３２を有している。この場合、このテーパ３２の形状は、センサエレメント１２の、テーパ３２のすぐ近くに配置された区分の形状に適合されている。磁束を意図的に案内する機能の他に、テーパ３２はシェル２６，２８に関連して、センサエレメント１２用のヒートシンクとしても役立つ。このためには、センサエレメント１２に対するテーパ３２の間隔を直接に接触するように選択するか、又は少なくとも極めて小さく、例えば０．５〜０ｍｍに選択しなければならない。センサエレメント１２の熱は、特にシェル２６，２８によって吸収される。択一的に、図９及び図１０に示した加工成形部５４が使用される。この加工成形部５４は前記テーパの機能を引き受け、しかも、より簡単な製作を可能にする。

シェル２６，２８間には磁束部材３０が位置しており、この磁束部材３０は両シェル２６，２８を互いに機械的且つ磁気的に結合している。慣用のステアリングギヤ支承部の場合、軸方向の摺動及び製作誤差は、半径方向若しくは接線方向よりも大である。それというのも、前記支承部は軸方向で比較的小さな剛性を有しているからである。軸方向での、磁束部材３０の各磁束リング１４，１６からの間隔は、軸方向の製作誤差が補償され得るように選択されている。前記間隔は、例えば１〜２ｍｍのオーダ内である。つまり、磁束部材３０は磁束を集めるために働くのではない。それというのも、当該磁束部材３０は磁束リング１４，１６から極端に離れて配置されているからである。磁束部材３０は特に、第１のシェル２６から第２のシェル２８へ磁束を案内するために設けられており、これにより、磁束はテーパ３２を介して引き続き評価するためのセンサエレメント１２に供給される。

磁極ホイール１０に対して歯１８，２０の端面を向ける、若しくは磁極ホイール１０に対して歯１８，２０を半径方向に向けることにより、これらのエレメントを規定された空隙で以て互いに正確に位置調整することが可能である。これにより空隙が減少され、このことは、磁束全体及び回転変調にポジティブな影響を及ぼす。両磁束リング１４，１６の歯１８，２０は、有利には同一平面上に位置して互いに噛み合っており且つ半径方向に配置されている。磁束リング１４，１６と磁極ホイール１０との間の半径方向運動は、磁束の変化をほとんど生ぜしめない。それというのも、歯１８，２０が半径方向で磁極ホイール１０の磁石を被覆しており、これにより前記半径方向摺動が空隙変化を生ぜしめることはないからである。磁束リング１４，１６の歯１８，２０の端面は磁極ホイール１０の磁石に面して位置決めされているので、磁束戻し部材１１を、磁極ホイール１０の歯１８，２９とは反対の側に組み込むことが可能である。前記磁束戻し部材１１は磁束全体を高め、これによりユニットを外部の磁気的な障害フィールドに対してより一層丈夫にする。

磁束コレクト部材２２，２４のシェル構成２６，２８は、対応する磁束リング１４，１６が軸方向で磁束コレクト部材２２，２４に侵入可能であるということを可能にする。これにより、磁束コレクト部材２２，２４に対する磁束リング１４，１６の軸方向の相対運動は、この相対運動により磁束に影響を及ぼすことなく補償され得る。更に、磁束リング１４，１６の両ウェブ間の間隔が拡大されることにより、磁気分路が縮小され得る。磁束リング１４，１６のウェブを軸方向でずらすことにより、間隔延いては磁気分路抵抗が拡大される。磁束リング１４，１６を磁束リングホルダ４４で包囲するように射出成形した場合、局所固定されたセンサエレメント１２の回転領域にはシーム箇所が発生しない。なぜならば、工具において半径方向スライダが使用されずに済むからである。このことは、前記のような突出管によるプラスチックばりが回避されるということを意味する。これにより、センサエレメント１２が磁束リング１４，１６の空隙内で挟まってロックすることはない。この構成の別の利点は、磁束リング１４，１６の材料量の減少である。それというのも、丸形ジオメトリを薄板から打ち抜く必要がないからである。丸形ジオメトリの薄板からの打抜きは、多量の切り屑をもたらす恐れがある。打抜きが行われた後、複数の薄板区分が曲げられて、最終的に１つの磁束リング１４，１６を成すように結合される。磁束リング１４，１６（例えばＮｉＦｅの充填されたプラスチック）及びその磁束リングホルダ４４は、１つの２成分射出成形工具で同時に射出成形可能である。これにより、磁束リング１４，１６間で高い位置精度が得られる。この構成は、センサユニット８全体を磁極ホイール１０の磁石及び磁束リング１４，１６と一緒に、軸方向で組み込むことを可能にする。その他の組込み方向は不要である。

センサユニットのコンポーネントの斜視図である。 センサコンポーネントの分解図である。 磁束コレクト部材を示した図である。 磁石に対する歯の磁気的なゼロ位置を上から見た平面図である。 磁石に対する歯の磁気的なゼロ位置を下から見た平面図である。 磁束リング間の磁気分路を減少させるための磁束リングのウェブの軸方向シフトを伴う１実施例を説明するための断面図である。 磁束リング間の磁気分路を減少させるための磁束リングのウェブの軸方向シフトを伴う１実施例を説明するための断面図である。 センサユニットの断面図である。 軸に固定されたセンサユニットの斜視図である。 センサコンポーネントの択一的な実施例の分解図である。 磁束コレクト部材の択一的な実施例を示した図である。

Claims (11)

1. 差角を検出するためのセンサユニットであって、少なくとも１つの磁界検知式のセンサエレメント（１２）が設けられており、該センサエレメントにより、軸（４１）と結合可能な磁極ホイール（１０）及び複数の歯（１８，２０）を備えた強磁性の複数の磁束リング（１４，１６）から成る磁気回路の磁界情報が評価可能である形式のものにおいて、
   前記歯（１８，２０）が、磁極ホイール（１０）の磁界情報を半径方向で検出するために、軸（４１）の半径方向で延びており且つ半径方向で互いに噛み合っており、前記磁束リング（１４，１６）が、それぞれ異なる半径を有しており、少なくとも１つの磁束リング（１４，１６）の磁束を集めるために、少なくとも１つの磁束コレクト部材（２２，２４）が設けられており、該磁束コレクト部材（２２，２４）が、磁束リング（１４，１６）に対して平行な、それぞれ異なる半径を有する第１のシェル（２６）及び第２のシェル（２８）を有していることを特徴とする、差角を検出するためのセンサユニット。
2. 第１の歯（１８）が第１の磁束リング（１４）に結合されており、第２の歯（２０）が第２の磁束リング（１６）に結合されている、請求項１記載のセンサユニット。
3. 半径方向に向けられた第１の歯（１８）及び第２の歯（２０）が、磁極ホイール（１０）に対して同一の軸方向間隔を有している、請求項２記載のセンサユニット。
4. 第１のシェル（２６）と第２のシェル（２８）とが、磁束部材（３０）により機械的且つ磁気的に互いに結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサユニット。
5. シェル（２６，２８）が、センサエレメント（１２）に意図的に磁界を供給するために、テーパ（３２）又は加工成形部（５４）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサユニット。
6. 前記テーパ（３２）又は加工成形部（５４）及び／又はシェル（２６，２８）が、センサエレメント（１２）の熱導出用に設けられている、請求項５記載のセンサユニット。
7. テーパ（３２）又は加工成形部（５４）が、センサエレメント（１２）に対して直ぐ近くに配置されている、請求項５又は６記載のセンサユニット。
8. 第１の磁束リング（１４）が、第２の磁束リング（１６）から軸方向で間隔をおいて配置されている、請求項２から７までのいずれか１項記載のセンサユニット。
9. 少なくともセンサエレメント（１２）及び／又は磁束コレクト部材（２２，２４）が、磁束リング（１４，１６）に対して定置で配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサユニット。
10. 少なくとも１つの磁束戻し部材（１１）が、磁極ホイール（１０）の歯（１８，２０）から遠い側に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサユニット。
11. 磁束戻し部材（１１）が、磁極ホイール（１０）の固定に役立つスリーブ（５２）の部分である、請求項１０記載のセンサユニット。

Images