JP4886141B2 - 回転体の角度および／または角速度および／またはこの回転体に作用するトルクを測定する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
技術の状況
本発明は一般に回転体の角度および／または角速度を測定するための装置、そして特に回転体の角度および／または角速度および／または回転体に作用するトルクを測定するための装置に関する。
【０００２】
例えば自動車分野の多くのシステムにとって、回転角の非常に正確な測定が必要である。具体的には、高度の安全性が要求されるそのような装置に対しては、舵角センサが使用される。
【０００３】
本出願人のＤＥ−Ａ−１９５ ０６ ９３８号明細書から、請求項１の上位概念による、回転体の角度および／または角速度を測定するための装置、とりわけ３６０°以上回転可能な物体の角度および／または角速度を測定するための装置が公知である。この公知の装置では、第１および第２のユニットの各々が、角度センサを割当てられた歯車によって構成されており、両方の歯車は、異なる数の歯で、操舵軸に取付られた歯車と噛み合っている。したがって、修正されたバーニヤ法（Ｎｏｎｉｕｓ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）を使用して、操舵軸の角度を２つの歯車の目下の角度差および／または位相差から求めることができる。したがって、この装置は多重回転を検出することができるという利点を有するが、検出が歯車を介して行われる、つまり無接触では行われないという欠点を有する。さらに、このような装置に必要な取付スペースは比較的大きく、それゆえ、とりわけ操舵軸への組込、さらに多機能ステアリングホイールへの組込は非常に難しい。結局、個々の回転角を検出するためには、逆正接法を使用したコストのかかる評価が必要である。
【０００４】
さらに、無接触式検出に基づいたさまざまな角度センサが公知である。しかしながら、これらは一般に角度を非常に正確に検出するには不向きである。またこれらの装置および方法は、コストのかかる評価回路およびアルゴリズムを必要とするか、または、例えば装置が小さな角度にしか適していない場合には、代わりに不十分な精度ないし不十分な測定範囲が得られる。
【０００５】
それゆえ、回転体の角度および／または角速度および／または回転体に作用するトルクを測定するための改良された装置が必要である。本発明の課題は、ＤＥ−Ａ−１９５ ０６ ９３８号明細書から公知であるように、物体の回転に反応して種々の信号を評価回路に出力する少なくとも第１および第２のユニットを有する上位概念による装置を、小さな取付スペースしか占有せず、角度の簡単な評価及び測定ができるように改善することである。この場合、検出はすべて無接触で行われるべきである。
【０００６】
本発明によれば、この課題は請求項１に記載の特徴を有する装置によって解決される。有利な実施形態は従属請求項に規定されている。
【０００７】
特に、本発明の提案によれば、上位概念による装置では、この装置の回転体と固定部分の各々には、各ユニットの構成部分として、界を形成する、および／または界を変化させる構造、ないしは界に反応する構造が割当てられている。このようにして、物体の回転に種々の仕方で反応する各ユニットが出力信号を供給し、この出力信号は無接触で検出可能である。直に回転体に対して角度測定を行うことによって、いままで使用してきた歯車の許容差による誤差を防ぐことができる。摩耗が無く雑音の少ない動作が利点である。
【０００８】
有利には、界に反応する構造は、界を形成する、および／または界を変化させる構造を含んでおり、これによって、交互に影響を与えたり与えられたりする界を評価し、検出すべき回転角を得ることができる。
【０００９】
装置の構成部材間の間隔の変動に対する不感性を達成するためには、とりわけ閉じた磁力線が形成されるように、少なくとも１つの磁束偏向素子を設けると有利である。このようにして、さらに、許容差および界の時間的に制限された変化を比較的簡単に扱うことが可能になり、したがって、例えば磁石を使用した際の磁極幅は重要ではなくなる。
【００１０】
有利には、界を形成する、および／または界を変化させる少なくとも１つの構造が、周期的に変化する界を、とりわけ電界および／または磁界を生じる。周期的に変化する界によって、同様の構成のセンサでも、検出精度を上げることができる。この場合、特に、最小ステップ角も周期的に変化する磁界によって正確に測定することができる。一般に、精度は磁極対の個数とともに向上する。
【００１１】
有利な実施形態では、界を形成する、および／または界を変化させる少なくとも１つの構造が、回転体の周囲を囲むように形成されており、特にこの回転体に固定されるか、または回転体内に組み込まれる。この有利な実施形態によれば、最小限のスペースしか要求しない装置が可能であり、それゆえ、この装置は容易に舵角センサとして取付ることができる。
【００１２】
界を形成する、および／または界を変化させる少なくとも１つの構造は、半径方向の界、例えば磁界、電界または電磁界も形成することができる。このケースでは、センサを回転体に関して半径方向に配置してもよい。
【００１３】
択一的には、界を形成する、および／または界を変化させる少なくとも１つの構造が軸方向の界を形成するようにしてもよい。この場合、検出センサの相応の位置決めが行われる。
【００１４】
有利には、界を形成する、および／または界を変化させる少なくとも２つの構造が設けられており、これら少なくとも２つの構造は、種々異なる界、特に、種々異なる個数の界の極を定めるような種々異なる界を形成する。この場合、界の極の個数は特に１つ違いであるようにすることができる。界を形成する、および／または界を変化させる２つの構造を設けることによって、とりわけ同じ場所に２つの別個の検出器が形成されている場合に、完全な減結合を行うことができる。
【００１５】
有利な実施形態では、界を形成する、および／または界を変化させる少なくとも１つの構造は、マルチマグネットホイールまたはマルチマグネットリングとして形成されている。マルチマグネットホイールまたはマルチマグネットリングは、交互に反対の極を有する磁極から成る構造、あるいはまた界を形成するセグメントと界を形成しないセグメントないしは界に作用するセグメントと界に作用しないセグメントを交互に有する、磁極から成る構造である。
【００１６】
界を変化させる構造は、使用される界が半径方向か軸方向かに依存して、有利には型押ディスク、スリットディスクもしくは穴あきディスク、または型押リング、スリットリングもしくは穴あきリングを採用することができる。
【００１７】
ユニットの各々が、できるだけ簡単に評価でき、かつできるだけ線形の出力信号を供給できるように、界に反応する少なくとも１つの構造が少なくとも２つの界センサを有するようにしてもよい。これら２つの界センサは、正弦出力信号または正弦波状の出力信号を送り、特に相応する界を形成する，および／または界を変化させる構造によって形成される周期的な界の１／４周期だけ離れている。上述のように、界は電界、磁界または任意の電磁界であってもよい。
【００１８】
有利には、この場合のセンサは、ブリッジ回路、特にホイートストーンブリッジ回路で接続されており、信号をこのブリッジ回路に発信する。このブリッジ回路によって差分を形成することが可能となり、この場合、さらに、線形特性曲線を有する素子を使用することによって、出力された各々の角度値を複雑な逆正接法の使用なしで求めることが可能になる。
【００１９】
特に有利な実施形態では、ユニットの各センサは部分ブリッジ回路内にあり、とりわけブリッジ回路の半ブリッジに接続されている。
【００２０】
最後に、本発明による装置を舵角センサとして使用すると有利である。この場合、界を形成する、および／または界を変化させる少なくとも２つの構造が、界の極のコードチャネルとして、とりわけ磁気コードチャネルとして、操舵軸に割当てられている。
【００２１】
角度および／またはトルクの測定にとって本発明上必要なものとして、第１および第２の光学ユニットを用いて、固定センサに対するトルクを検出する代替的実施形態が準備されている。特に有利には、光学ユニットが回転体に、このケースでは自動車の操舵軸に取付られている。両方のユニットは、基本的には光学式走査可能な２つのコードチャネルを有しており、各コードチャネルには１つの光学センサが割当てられている。光学式走査は、光線が容易に検出可能であること、および電磁界による妨害の影響を受けないという利点を有する。その上、光学式走査された信号は、光センサを用いて非常に簡単に電気信号に変換することができる。また有利には、光学式走査によってディジタル出力信号が得られ、このディジタル出力信号から、角度または角度変化が、高い精度で、汚れに対する高度の不感性を以て測定される。
【００２２】
従属請求項で実施される措置によって、独立請求項に示された装置の有利な発展形態および改良が可能である。とりわけ、光学的に検出可能な複数のマークによって、コード信号がディジタル形式および同様の形式で検出され、その結果、割当てられたコードチャネル間の簡単な位相比較によって回転角が決定可能である。
【００２３】
また有利には、マークのフィールドは、その光度、色および／またはサイズに関してさまざまである。とりわけ、隣接する明−暗フィールドにおいて、明確な明暗の移り変わりが生じ、この移り変わりは電気信号の急峻な電圧値のジャンプによって検出可能である。これによって、広範囲に亘って妨害を防ぐ明確な区画が得られる。
【００２４】
明−暗フィールド間のコントラスト、または明暗の移り変わりにおけるコントラストは、マークを光源で照明することによってさらに改善される。これによって、特にユニットのチャネルが同様に形成されている場合でも、異なる２つの信号列が得られ、例えば典型的なバーニヤ法もしくは修正バーニヤ法を用いることで、これら信号列によって特に簡単な角度決定が可能になる。このために、有利には、ユニットの隣接するチャネルのマーク数が異なるようにマーク数を選択して、回転軸の全周に亘って変化する位相ずれを求める。
【００２５】
チャネルのマークの個数を適切に選択し、これらのマークを同様に形成することで、バーニヤ法、特に角度決定のために修正されたバーニヤ法の使用が可能になる。測定精度は、有利には、コードチャネルからの測定結果を再び修正バーニヤ法を使用して補正することによって向上する。
【００２６】
トルクも求めなければならないような場合は、両ユニットの間に、既知のねじり剛性を有するねじり部材が使用される。第１および第２のユニットにおいて回転角が測定されると、有利には、この２つの角度の差分と既知のねじり剛性とからトルクが求められる。このようにして、本発明によるユニットによって２つのパラメータを同時に測定することができる。
【００２７】
有利には、両ユニットのマークは、各々の測定結果に対して典型的バーニヤ法または修正バーニヤ法を再び適用することができるように選択されている。それゆえ、測定精度および／またはユニットの測定範囲は、さらなるユニットを必要とすることなく高められる。
【００２８】
光学ユニットを自動車内で生じ得る汚れの危険から保護するためには、装置を包み込むカプセルが特に有利である。
【００２９】
本装置の有利な使用法は、自動車の操舵軸に設置して、回転角および／またはトルクを測定することである。これらの測定量は車両の他の機能のために利用することができる。例えば、操舵力のサポートおよび／またはナビゲーションに必要な、車両の動安定の測定に利用することができる。
【００３０】
要約すると、本発明による解決手段によって、回転体の角度および／または角速度の簡単な測定が可能であり、本発明による解決手段はトルク測定も含んでおり、評価回路は容易に構想することができ、装置の実装に必要な取付スペースも非常に小さい。
【００３１】
本発明のさらなる利点および特徴は、いくつかの有利な実施形態の単なる例としての以下の説明から明らかになる。なお、以下の説明は添付した図面を参照して行われる。
【００３２】
図１は、本発明の第１の有利な実施形態による舵角センサを、システム全体の俯瞰図において（図１Ａ）、接線断面図において（図１Ｂ）、および異なる角度位置での半径方向断面図において（図１Ｃおよび１Ｄ）示している。
【００３３】
図２は、図１に示された実施形態の変形を相応する表示方式で示しており、ここでは、図１で使用されている界を形成するユニットの代わりに、界を変化させるユニットが実装されている。
【００３４】
図３は、本発明による装置の第３の有利な実施形態として、さらに１つの舵角センサ装置を示しており、この装置では、図１および２で使用されている軸方向の界の代わりに、半径方向の界が使用されている。
【００３５】
図４は、図３の実施形態の変種であり、図２と同様に、界を形成するユニットの代わりに、界を変化させるユニットが使用されている。
【００３６】
図５は、図３の実施形態の別の変種をさまざまな角度位置で示しており（図５Ａ，図５Ｂ）、ここでは、界を形成するユニットが界を変化させるユニットとして利用されている。
【００３７】
図６は、図５に示されている実施形態における、磁束偏向素子を用いた位置検出を概略的に示している。
【００３８】
図７は、組合された舵角／ステアリングモーメントセンサの実施形態を（概略的に）示している。
【００３９】
図８は、組合された舵角／ステアリングモーメントセンサの別の実施形態を（概略的に）示している。
【００４０】
図９は、図７または８によるセンサの種々のタイプを示しており、この場合、平均化の目的で、１つのマグネットチャネルにつき複数のセンサを設けてもよい。
【００４１】
図１０は、組合された舵角／ステアリングモーメントセンサの信号の評価を示している。
【００４２】
図１１は、互いに重なり合った２つの光学ユニットを有する光学装置を示しており、各々の光学ユニットは２つのコードチャネルおよび４つのセンサを有している。
【００４３】
説明
以下の説明は、標準的には専ら磁界に関連するものであり、図４に示された実施形態の場合には、電界に関連する。しかしながら、専門家は、任意の組合せ、すなわち任意の電磁界を使用することができることに注意する必要がある。例えば、界の極として、磁石の代わりに発光ダイオードを使用してもよく、発光ダイオードが放射する界は、相応の光電子センサを使用して検出することができる。
【００４４】
図１に図示された実施形態は、操舵軸１０に装着されたディスクを有しており、このディスクにはコードチャネル２０，２２が設けられている。各々のコードチャネル２０，２２は、さまざまな方向を有する矢印によって示されているように、交互に配置された複数の永久磁石を有している。双方のコードチャネル２０，２２は異なる分割を用いているが、この場合、特に有利には、できるだけ差が少ないように、例えば磁極対１つだけの違いであるようにすべきである。図示された実施形態では、チャネル２０．２２のうちの一方はｎ個の磁極対の分割を有し、他方はｎ＋１個の磁極対の分割を有する。回転体１０の回転の際、ここでは操舵軸の回転の際、図示された実施形態においては、コードチャネル２０，２２は相応する角度の分だけ回転する。装置の固定部分では、コードチャネル２０，２２の各々の上にセンサ構造１２および１４が用意されている。したがって、センサ構造１２，１４によって、その下にある磁気コードチャネル２０または２２の相対的位置を検出することができる。
【００４５】
走査用のセンサ素子は、正弦／余弦信号を発信する通常の測定素子、例えばＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ホールセンサであってもよい。評価アルゴリズムは逆正接法に従って実行してもよい。
【００４６】
図示された実施形態では、センサ構造１２，１４の各々が、２つのセンサ１２ａ，１２ｂないしは１４ａ，１４ｂを有している。それぞれ対で設けられたセンサ１２ａおよび１２ｂ、ないしは１４ａおよび１４ｂは、有利には、コードチャネル２０，２２によって形成される周期的に変化する磁界の１／４周期または１／８周期の分だけ離れている。このような間隔によって、各々のセンサはホイートストーンブリッジ回路の半ブリッジとして接続され、その結果、簡単な評価回路が実現可能である。というのも、一方では差分形成が行われ、他方では実質的に線形の特性曲線を有する素子の使用の下で、直接的に評価可能な近似的に線形の角度信号が供給されるからである。
【００４７】
このようにして検出される角度位置は相互に関連させることができ、したがって、一般に知られたバーニヤ法を使用して、またはより良くは、修正バーニヤ法もしくはこれら両方の方法の組合せを使用して、回転体１０の実際の角度を求めることができる。刊行物ＤＥ−Ａ−１９５ ０６ ９３８には、拡張されたバーニヤ法が記載されており、したがってこの方法をより詳細に説明する必要はない。
【００４８】
図示された実施形態では、各ユニットの界を形成する部分が動くが、これに対応して、センサ構造が回転体と共に連動し、その一方で、コードチャネルは固定されて回転体に対して回転するような逆のケースも同様に考えられることは、専門家には明らかだろう。
【００４９】
２つのセンサ１２ａ，１２ｂないしは１４ａ，１４ｂの間の特に有利な間隔は、図１Ｂの接線断面図からその詳細が分かる。
【００５０】
最後に、図１ＣおよびＤの断面図から、さまざまな位置における各々のコードチャネルが、それ自体が回転する物体のさまざまな角度におけるセンサ構造とどのような関係にあるかが分かる。
【００５１】
図２に図示された実施形態では、磁気チャネルの代わりに、磁界を変化させるユニットが使用され、コードチャネル２４，２６はこのユニットによって同様に規定される。作動方式と一般的な構造は図１と類似しているので、ここでは繰り返して説明はしない。しかしながら、図示された実施形態では、固定された永久磁石２８はディスクの下に位置しており、このディスクは、回転体１０と共に連動し、コードチャネル２４，２６を有していることに言及しておかなければならない。図示された実施形態では、コードチャネルは簡単な溝によって構成されているが、専門家は、この場合、多様な可能性が利用できることに注意すべきである。つまり、例えば簡単な溝の代わりに、さまざまな透磁率を有する領域を設けることも考えられる。磁界以外のものを使用する場合、さまざまな誘電特性、光学的特性、または誘電特性と透磁率特性の組合せを考慮した、相応の構成が考えられる。
【００５２】
図３には、本発明による装置の別の実施形態が示されており、この実施形態では、コードチャネル２０，２２はディスクに配置されておらず、直に操舵軸１０にはめ込まれている。したがって、コードチャネルは、半径方向に周期的に変化する界、例えば磁界を供給し、この磁界は、適切に配置されたセンサ構造１２，１４によって検出可能である。評価は、以前の実施形態におけるのと同様に、バーニヤ法を使用して行われるので、検出信号間の位相差を操舵軸の全回転角の測定に利用することができる。この構成においても、各センサ構造１２，１４は、変化する磁界の１／４の周期λ／４だけ離れた２つのセンサを有しており、簡単な評価が可能となる。
【００５３】
図４には、本発明による装置の別の有利な実施形態が示されている。これは実質的に図２および３に示されている実施形態の原理を組合せたものである。この実施形態では、回転体１０は中空の管として形成されており、この管の中央には、界を形成するユニットとして、簡単な導電ワイヤまたは光波導体を設けてもよい。回転体１０は、上述のようなコードチャネル２４，２６を形成する２つの溝付きリングを有している。上で説明した他の実施形態と同様に、各々のコードチャネルは異なる分割、特に１つ違いの分割を有する。すなわち、一方のコードチャネルはｎ個の開口部を有し、他方のコードチャネルはｎ＋１個の溝を有する。センサは図３の実施形態と同様に配置され、回転体１０が回転する際に、それぞれのチャネル２４，２６の上方の変化する界が各々検出される。通常通り、バーニヤ法の使用の下で評価回路によって、差分から、特に２つの信号の位相差から全体的な回転角が検出される。
【００５４】
図５ａおよび５ｂには、第１および第２のユニットが概略的に示されており、これらのユニットは、物体１０の回転に反応して、図示されていない評価回路に異なる信号を出力する。この図示された実施形態では、図３に図示された実施形態と同様に、リング状のマルチマグネットホイール２０，２２および２４，２６が使用され、この場合、内側マルチマグネットホイールは、以前の実施形態と同様に、回転体１０と結合されている。外側マグネットホイール２４，２６は、回転体１０と内側マグネットホイール２０，２２とに対して回転可能に形成されており、その結果、形成された各々の磁界の周期的に変化する相互作用が生じる。図５ａに図示されている位置では、各々の磁極は、磁界が実質的に相殺されるように対立している。図５ｂに図示されている角度位置では、磁極は、磁界の強さが重ね合わされるように配置されている。
【００５５】
図６ａおよび６ｂには、磁界に反応する構造の別の構成部分として磁界評価ユニットが示されており、２つのホールセンサ１２，１４を有している。図５に図示されているマルチマグネットリングによって形成された磁界は、磁界偏向素子３２，３４，３６によってホールセンサ１２，１４に導かれる。専門家にとっては図６ａ，６ｂによる図示から分かるように、上の方に磁束偏向部材３２が設けられており、これが２つのマルチマグネットリング２０，２２および２４，２６の間の遷移領域内の磁力線をホールセンサに導く。図示のように、図５ａに図示されているのと同様に磁極が逆平行に配置されている場合、上方部分に閉じた磁力線が形成される。この場合、Ｔ形部材３６がさらなる磁束偏向素子として上方のホールセンサ１２，１４の下に設けられている。マルチマグネットリングの磁極が平行になる位置まで回転体が回転すると、図５ｂに示されているように、磁力線が下方の磁束偏向素子３４とＴ形部材３６とによって閉じられる。この場合、Ｔ形部材３６と下方の磁束偏向素子３４との間には、さらに１つのホールセンサが配置されている。２つのホールセンサを図示されているように配置することによって、差分原理の使用の下で、温度変動と劣化に対する不感性を提供することができる。というのも、出力信号が磁束の総量に規格化されているからである。しかしながら、専門家は、この差分形成は単なるオプションに過ぎないことを認識すべきである。以前の実施形態と同様に、磁界以外の任意の界を使用してもよい。
【００５６】
要約すると、本発明による装置は回転体の角度の正確かつ簡単な測定を可能にし、しかも、例えば歯車またはそれと類似のものとのかみ合いは全く必要ない。換言すると、簡単かつ正確な角度測定または角速度測定が、簡単な既知の部材を使用して無接触式で行われ、この既知の部材は、既に言及したように、有利には線形の特性曲線を有する素子を含んでいるべきものである。界を形成する、および／または界を変化させるさまざまなユニットへのさまざまな適合は専門家にとっては周知であり、それゆえここで詳細な説明をする必要はない。可動部材は完全に省略できるので、本発明による装置は特に舵角センサとしての使用に適している。その理由は特に、最小限必要な取付スペースで高い測定精度を可能にするからである。
【００５７】
これまでのところ、そのつど純粋に図解のための有利な実施形態を参照して、本発明を完全かつ詳細に説明してきたが、専門家は、請求項によって規定された保護範囲の枠内で実にさまざまな変更が可能であることを認識すべきである。特に、実施形態の個々の特徴は任意に他の実施形態の他の特徴と組合せることができることを専門家は認識すべきである。これに関して、例えば、一方のコードチャネルは図４または５の構成に従って設け、他方のコードチャネルは図１または２による構成に従って設けることも考えられる。
【００５８】
図７〜１１では、組合された舵角／ステアリングモーメントセンサの種々の実施形態が、付属の評価方法を含めて図示されている。マルチマグネットホイールは、それぞれ正弦／余弦信号を発信するセンサ素子によって走査される。センサ素子の出力信号の評価は、修正バーニヤ法によって行われる。その際、以下のことを顧慮すべきである。
【００５９】
修正されたバーニヤ原理を上記問題点に転用する（図１ｅ）：
φを決定する：
【００６０】
【数１】

【００６１】
上記２つのφを等号で結び、変形する：
【００６２】
【数２】

【００６３】
上記数式から以下の数式が導かれる：
【００６４】
【数３】

【００６５】
評価の際に入ってくる誤差は特別の補正法によって低減される。この補正法は、典型的なバーニヤ原理および／または修正されたバーニヤ原理の原理を顧慮したものである。
【００６６】
図７ないし８によるセンサによって、角度に加えて、作用しているモーメントも、例えばステアリングモーメントも求めることができる。
【００６７】
ステアリング操作中に作用するトルクは、ステアリングコラム内に組み込まれたトーションロッドのねじれを生じさせる。上側端部は下側端部に対して例えば最大で＋／− ５°だけねじれる。ステアリングモーメントを検出するためには、この相対的回転角、いわゆるねじり角を測定しなければならない。このためには２つの可能性がある： １）に記載されている方法を使用して、それぞれトーションロッドの上側端部および下側端部の絶対操舵角を求める。または、同様にコーディングされた２つのマグネットホイールの相対的ねじれを介して直にねじり角を測定する。但し、これらのマグネットホイールのうち、一方はトーションロッドの上側端部に、他方は下側端部に取付られている。このためには、少なくとも３つのマグネットホイールが必要である。図９には、これらの可能性がまとめて図示されている。
【００６８】
さまざまな実施形態
マグネットホイールの組合せ： この場合、各マグネットホイールは磁気コードチャネルと見なすこともできる。
【００６９】
以下の特徴を備えた操舵角検出
−磁極対の数が互いに素である２つのマグネットホイール。例えば、ｎ個の磁極対を有するマグネットホイールとｎ＋１個の磁極対を有するマグネットホイール。これらのマグネットホイールも、２つのコードチャネルとして１つのマグネットホイール上に取付ることができる。
【００７０】
−ｎ−１，ｎ，ｎ＋１個の磁極対を有する３つのマグネットホイール。この組合せは精度を上げ、同時に冗長度を持たせる。相応の磁極対の数を有するより多くのマグネットホイールに拡張可能である。
【００７１】
−「３極」マグネットホイールにおいて、３６０°未満の一意性領域を有するセンサ素子を使用して、領域の識別を補完する。
【００７２】
−磁極対個数＞２の磁極対によって測定範囲を拡張する。
【００７３】
ステアリングモーメントの検出
−絶対差分形成からのステアリングモーメントの検出
−同様にコーディングされたマグネットホイールの相対角度測定によるステアリングモーメントの検出
つぎに、図８による実施例に関して、どのようにしたら、同じ測定原理と最小数のセンサおよびモジュールとを用いて絶対角とトルクの同時測定を行うことができるかを詳細に説明する。両方の量は無接触で検出され、自己診断が可能である。さまざまなシステムのアクセスが、例えばＣＡＮバス（Ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を介して可能である。
【００７４】
この提案は、例えば操舵角とステアリングモーメントの同時測定に関している。磁気的な測定法が測定原理として示される。しかし、この提案は磁気的な方法だけに限定されるものではない。光学的、渦電流式、誘導式などのアナログ正弦／余弦信号に基づいた各々の原理を使用してもよい。
【００７５】
図７から分かるように、回転角とトルクを測定するために、操舵装置内にはトーションロッドが取付られている。このトーションロッドＴの一方の端部には、Ｍ個およびＭ＋Ｘ個の磁極を有する２つのマルチマグネットリングがある。他方の端部には、Ｍ個の磁極を有する第３のマルチマグネットリングがある。各リングの上方には１つのセンサ（ＡＭＲ，ホール、ＧＭＲ、磁気抵抗）がある。各センサは、機械角に依存する正弦および余弦信号を発信する。
【００７６】
操舵角の測定
操舵角の測定には、一方の端部にあるマルチマグネットリングとセンサとが関与する。Ｘ＝２のとき、修正バーニヤ法によって絶対角を求めることができる。ここでは、この方法が使用され、信号Ｓ１（Ｕｓｉｎ（１），Ｕｃｏｓ（１））およびＳ２（Ｕｓｉｎ（２），Ｕｃｏｓ（２））を用いて絶対角が計算される。
【００７７】
トルクの測定
トルクは角度差を介して測定される。トルクはねじり部材の弾性測定範囲内の角度差に比例する。角度差は、２つの信号Ｓ１（Ｕｓｉｎ（１），Ｕｃｏｓ（１））およびＳ３（Ｕｓｉｎ（３），Ｕｃｏｓ（３））を介してねじり部材の端部において検出される。
【００７８】
センサは２つの信号を発信する。
【００７９】
Ｕｓｉｎ（１）＝Ａ１＊ｓｉｎ（ｗ１）＋Ｏｓｉｎ（１）
Ｕｃｏｓ（１）＝Ａ１＊ｃｏｓ（ｗ１）＋Ｏｃｏｓ（１）
センサ３も同様に２つの信号を発信する。
【００８０】
Ｕｓｉｎ（３）＝Ａ３＊ｓｉｎ（ｗ３）＋Ｏｓｉｎ（３）
Ｕｃｏｓ（３）＝Ａ３＊ｃｏｓ（ｗ３）＋Ｏｃｏｓ（３）
ここで、Ｕはそのつどの機械角ｗにおける電気信号である。Ａは振幅であり、Ｏはセンサのオフセット値である。機械的回転によって、４つの信号の振幅およびオフセットを最大値および最小値から求めることができる。オフセット決定およびオフセット調整のための代替的方法は、ＤＥ−Ｐ１９９ ２８４８２に示されている。補正された信号Ｕ♯はオフセット補正されている。
【００８１】
Ｕ♯ｓｉｎ（１）＝Ｕｓｉｎ（１）−Ｏｓｉｎ（１）＝Ａ１＊ｓｉｎ（ｗ１）
Ｕ♯ｃｏｓ（１）＝Ｕｃｏｓ（１）−Ｏｃｏｓ（１）＝Ａ１＊ｃｏｓ（ｗ１）
Ｕ♯ｓｉｎ（３）＝Ｕｓｉｎ（３）−Ｏｓｉｎ（３）＝Ａ３＊ｓｉｎ（ｗ３）
Ｕ♯ｃｏｓ（３）＝Ｕｃｏｓ（３）−Ｏｃｏｓ（３）＝Ａ３＊ｃｏｓ（ｗ３）
角度差ｗ１−ｗ３が求められているものである。類似の電子的操作（乗算、減算、比較）によって、またはディジタルプレーンでの処理によって、差分を以下のようにして求めることもできる。
【００８２】
Ｕ♯ｓｉｎ（１）＊Ｕ♯ｃｏｓ（３）−Ｕ♯ｃｏｓ（１）＊Ｕ♯ｓｉｎ（３）＝Ａ１＊ｓｉｎ（ｗ１）＊Ａ３＊ｃｏｓ（ｗ３）−Ａ１＊ｃｏｓ（ｗ１）＊Ａ３＊ｓｉｎ（ｗ３）＝Ａ１＊Ａ３＊ｓｉｎ（ｗ１−ｗ３）
小さな角度に対しては、ｓｉｎ（ｗ１−ｗ３）＝ｗ１−ｗ３
が成り立ち、度数にして（−４．４°〜＋４．４°）またはラジアンで（−０．０７７〜＋０．０７７）の角度範囲内で０．１％の相対誤差である。
【００８３】
したがって角度差は、
ｗ１−ｗ３＝（Ｕ♯ｓｉｎ（１）＊Ｕ♯ｃｏｓ（３）−Ｕ♯ｃｏｓ（１）＊Ｕ♯ｓｉｎ（３））／（Ａ１＊Ａ３）
である。この評価方法は極小さな角度差に非常に敏感である。上記した手順によって、直に角度差からモーメントを求めることができる。他の定式化は、閉じた制御ループによって差分を０に調整することである。制御量は角度差である。
【００８４】
コメント：
１）角度差の正弦を導くような信号の他の組合せも可能である。
【００８５】
２）角度差は２つの絶対角センサの差分によっても得られる。このためには、４つのセンサおよび４つのマルチマグネットリングが必要であり、この方法は絶対角測定に対して過度に高い要求を課す。このケースでは、２つの大きな角度値の差分が扱われる。
【００８６】
自己診断
絶対角：絶対角に対しては、修正されたバーニヤ原理の公知の方法が適用される。整数ｋの（許可された／許可されていない）ジャンプの追跡によって、誤差識別および引き戻し戦略（Ｒｕｅｃｋｚｕｇｓｔｒａｔｅｇｉｅ）の実施が可能になる。
【００８７】
トルク：−角度差が最大許容可能な範囲、例えば＋／−４°を超えると、エラー通知が発される。例えば、過負荷の際には、もはやシステム側からの介入は為されない。
【００８８】
−新たに計算されるべき差分（Ｕ♯ｃｏｓ（１）＊Ｕ♯ｃｏｓ（３）＋Ｕ♯ｓｉｎ（１）＊Ｕ♯ｓｉｎ（３））／（Ａ１＊Ａ３）は、０．５％よりも大きく１から偏差してはならない（ｃｏｓ＾２（４°）＝０．９９５）。
【００８９】
−他の代替案は、表現式（Ｕ♯ｓｉｎ（３）＊Ｕ♯ｓｉｎ（３）＋Ｕ♯ｃｏｓ＊（３）Ｕ♯ｃｏｓ（３））／（Ａ１＊Ａ３）が、１から０．５％の偏差であるかチェックすることである。同時に、整数ｋは許可されていないジャンプをしてはならない。
【００９０】
つぎに、特に、角度および／またはトルクの無接触式かつ光学的測定のための装置を図１１にしたがってより詳細に説明する。図１１から分かるように、回転体３にはユニット７および８が取付られている。回転体３は有利には自動車内の操舵軸として形成されており、ねじり部材５を有している。操舵角３に作用するトルクはこのねじり部材５によって測定可能である。ねじり部材５の両端には２つのユニット７，８が取付られているので、トルクがねじり部材５に作用する際に、さまざまな回転角が角度差Θ−Ψとして測定可能である。
【００９１】
２つのユニット７，８は各々２つのコードチャネル１ａ，１ｂないし２ａ，２ｂを有している。コードチャネルは、隣接するフィールドの幅に関して同様に形成されているが、全周に亘って数えてみると異なった個数のマーク９を有している。例えば、コードチャネル１ａは４５個のマーク９を有し、コードチャネル１ｂは５０個のマーク９を有し、コードチャネル２ａは４４個のマーク９を有し、そしてコードチャネル２ｂはその全周に亘って分散された４８個のマーク９を有する。本発明の代替的な実施例では、これらのマーク９が全周に亘って数えて何重にも設けられる。隣接する２つのマークないしはフィールド９ごとに、それらの光度、色および／またはサイズが異なる。有利には、それらは明暗のフィールドとして構成され、それゆえ鮮明でコントラストの強い明暗の移り変わりが生じる。コントラストを強化するために、ユニット７，８に割当てられた光源６が設けられており、マーク９によって反射された光は割当てられたセンサ４に投射される。さらに図１１から分かるように、各々のコードチャネル１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂには１つのセンサ４が割当てられており、このセンサ４は基本的に割当てられたコードチャネルの反射光だけを感知する。センサ４は、感知された光信号を同じ形態の電気信号に変換し、これらの電気信号は、ディジタル信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａおよびＳ２ｂとしてセンサ４の出力側で読み取り可能であり、図示されてない評価回路へ供給される。
【００９２】
本発明にとって重要なことは、コードチャネル１ａ，１ｂないし２ａ，２ｂのマーク９が同じ形状に形成されていることである。ユニット７ないし８のコードチャネル１ａ，１ｂないし２ａ，２ｂは２つずつ正確に互いに対して調整されており、相対的な位相ずれを有している。この位相ずれは、電気信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂにも影響を及ぼし、図１１において破線によって識別可能である。このようにして、あるインパルスから次のインパルスへのずれは回転角の増大に伴って大きくなるので、この差は標準的バーニヤ法または特にＤＥ １９５ ０６ ９３８ Ａ１から公知の修正バーニヤ法によって評価される。
【００９３】
注意すべきは、マーク９の最小の単位が明暗の移り変わりによって決定されることである。この移り変わりのコントラストが良くなるほど、妨害感受性および測定誤差の発生確率が低減する。故障が起こりにくくするために、有利には、できるだけ密に回転体３を密封して包む込む包囲カプセル１０が設けられる。
【００９４】
すでに示したように、修正バーニヤ法を使用してできるだけ高い測定精度および回転角の角度分解能を達成するために、４つのコードチャネル１ａ，１ｂ，２ａおよび２ｂに対して、それぞれ４４〜５０個のマーク９が選択される。このマーク９の選択の際に、チャネル１ａ，１ｂからの測定値が１周につき５回繰り返され、チャネル２ａ，２ｂの場合、１周につき４回繰り返される。これらの測定値に再び修正バーニヤ法が施されると、全周（２π）に亘って一意の測定値が得られる。それゆえ、大きなピッチ数から生じる高い角度分解能が達成される。同時に、完全な１回転によって一意性領域が達成される。修正バーニヤ法は、精度を低下させることなく、第１のコードチャネル１ａ，１ｂと第２のコードチャネル２ａ，２ｂとの間に角度差が存在し得るようにする。この角度差は例えばトーションロッド５の回転から生じるものであってもよい。２つのユニット７，８に応じて角度差Θ−Ψが測定されると、トーションロッド５のねじり剛性が既知である場合、回転角に加えて、操舵軸３によって伝達されるトルクも求めることができる。
【００９５】
本発明の代替的実施形態では、前に磁気式ユニットに関連して説明されたように、第３のユニットに１つまたは複数の光学式コードチャネルが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の有利な実施形態による舵角センサを、システム全体の俯瞰図において（図１Ａ）、接線断面図において（図１Ｂ）、および異なる角度位置での半径方向断面図において（図１Ｃおよび１Ｄ）示す。
【図２】 図１に示された実施形態の変形を相応する表示方式で示す。
【図３】 本発明による装置の第３の有利な実施形態として、さらに１つの舵角センサ装置を示す。
【図４】 図３の実施形態の変種である。
【図５】 図３の実施形態の別の変種をさまざまな角度位置で示す（図５Ａ，図５Ｂ）。
【図６】 図５に示されている実施形態における、磁束偏向素子を用いた位置検出を概略的に示す。
【図７】 組合された舵角／ステアリングモーメントセンサの実施形態を（概略的に）示す。。
【図８】 組合された舵角／ステアリングモーメントセンサの別の実施形態を（概略的に）示す。
【図９】 図７または８によるセンサの種々のタイプを示す。
【図１０】 組合された舵角／ステアリングモーメントセンサの信号の評価を示す。
【図１１】 互いに重なり合った２つの光学ユニットを有する光学装置を示す。

Claims (10)

1. 回転体（３）の角度を測定する装置であって、
   少なくとも第１（４，６，７）および第２（４，６，８）のユニットを有し、
   前記ユニットは前記物体（３）の回転に反応して種々の信号を評価回路に出力し、
   前記２つのユニット（４，６，７，８）は、それぞれ光学式走査可能な２つのコードチャネル（１ａ，１ｂまたは２ａ，２ｂ）を有し、
   各々のコードチャネル（１ａ，１ｂまたは２ａ，２ｂ）には光学センサ（４）が割当てられており、
   各々の光学センサ（４）は、割当てられたコードチャネル（１ａ，１ｂまたは２ａ，２ｂ）の反射された信号だけを検出するよう構成されており、その情報を電気信号として前記評価回路に送り、
   前記各々のコードチャネル（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）は光学的に検出可能な複数のマーク（９）を有する形式の装置において、
   一方のコードチャネルのマーク（９）の個数はｎであり、他方のコードチャネルのマークの個数（９）はｎ＋１であり、
   角度（φ）の決定に修正されたバーニヤ法が次の式
   

   

   を用いて適用される、ただしここで、αおよびβは光学センサ（４）の正弦波状及び余弦波状の出力信号から逆正接によって求められるものであり、ｋは
   

   

   を満たす整数である、ことを特徴とする回転体（３）の角度を測定する装置。
2. 前記マーク（９）は、光度、色および／またはサイズに関して種々異なるフィールドを有する、請求項１記載の装置。
3. 前記マーク（９）は、交互に明暗が移り変わる明暗フィールドを有する、請求項２記載の装置。
4. 前記マーク（９）は光源（６）によって照明可能である、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記ユニット（７，８）の両コードチャネル（１ａ，１ｂおよび２ａ，２ｂ）は同じ形状のマーク（９）を有する、請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
6. 前記マーク（９）は、前記コードチャネル（１ａ，１ｂおよび２ａ，２ｂ）からの測定結果に前記修正されたバーニヤ法が再び適用可能であるように形成されている、請求項５記載の装置。
7. 前記２つのユニット（７，８）の間に、既知のねじり剛性を有するねじり部材（５）を挿入することができる、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
8. 前記２つのユニット（７，８）の間の角度のずれからトルクが測定可能である、請求項７記載の装置。
9. 前記ユニット（４，６，７，８）を広範囲に亘って汚れから保護する、前記装置用の包囲カプセル（１０）を設けることができる、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 自動車の操舵軸（３）において使用される、請求項１から９のいずれか１項記載の装置。

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