JP5247545B2 - ステアリングコラムのねじれを検出するための回転位置センサ - Google Patents

Description

本発明は、位置センサの分野に関し、また特にステアリングコラムのねじれを測定するための位置センサ関するが、この用途は唯一のものではない。

技術的背景において、互い違いの方向に半径方向に磁気を帯びた多極磁石に相対して置かれた、２段にわたる半径方向の歯を形成する強磁性部材からなる固定子部分を有する、技術的背景のセンサを記載した特許文献１が知られている。

追加強磁性部材は、固定子部分に相対して置かれ、かつホールプローブが中に配置されるエアギャップを有する。

米国特許第４，９８４，４７４号明細書 米国特許第４，７８４，００２号明細書

先行技術のこの解決策は、固定子部分及びホールプローブを含む部分の間の磁気信号損失に行き着くので、満足のいくものではない。その上、磁石によって発生された磁場は、センサの構造による損失を引き起こす。

固定子部分の半径方向の歯と協働する、軸方向に向けられた複数の磁石を有する部分からなる、もう一つの位置センサを記載している特許文献２に記載されたセンサも同様に、技術的背景において知られている。

この構造も同様に、磁気漏れ及び効率減少に行き着き、平凡な「信号対雑音」比となって現れる。
本発明の目的は、信号対雑音比がより良い、改良された位置センサを提供して、これらの不都合を直すことである。

本発明のもう一つの目的は、半径方向の必要寸法を減少させることである。

このために、本発明に係る回転位置センサは、管形状部材の外周面に複数の磁石を設けて構成される第１の磁気構造（５）と、それぞれ内周側における円筒面に沿って軸方向に延びて形成された複数の歯（１１、１２）を有するとともに外周側にそれぞれ前記複数の歯のいずれか一方と繋がる円盤リング状の強磁性コレクタ（１３，１４）を有し、前記複数の歯（１１，１２）が互いに間隙を有して噛合するとともに前記強磁性コレクタ（１３，１４）がエアギャップ（１６）を有して互いに対向して構成された２つの強磁性リング（６、７）からなる第２の磁気構造と、前記エアギャップ（１６）内に位置するとともに固定して配置される少なくとも一つの磁気感受性部品（１５）とを有して構成される。そして、前記第１の磁気構造は同軸上で相対回転する２つの部材のうちの一方の部材に一体に連結されるとともに、前記管形状部材の外周面が前記一方の部材の回転軸と同一軸上で前記一方の部材と一体回転するように設けられ、前記第２の磁気構造は前記相対回転する２つの部材のうちの他方の部材に一体に連結されるとともに、前記複数の歯（１１，１２
）を形成する前記円筒面の内周側に前記第１の磁気構造が位置して前記他方の部材と一体回転するように、かつ、前記２つの強磁性リング（６，７）は、前記複数の歯（１１，１２）の延びる方向である軸方向断面において、前記複数の歯から互いに離散する方向に延びて湾曲しかつ外周方向に伸長して、互いに接近し、前記エアギャップを画定する前記２つの強磁性コレクタ（１３，１４）の対向部分へ繋がるように構成されており、外周面に配設された前記複数の磁石からの磁力を受けて前記第２の磁気構造の互いに間隙を有して噛合する前記複数の歯（１１，１２）において生じるフラックスを前記強磁性リング（６，７）により前記エアギャップ（１６）に集めて前記磁気感受性部品（１５）により検出し、検出したフラックスの変化に基づいて前記一方の部材と前記他方の部材との相対回転を検出するように構成される。

上記回転位置センサにおいて、前記２つの部材が、ねじり棒（２）を介して同軸に連結された二つの軸（１，３）からなり、これら二つの軸の一方の軸（３）に前記第１の磁気構造（５）が一体に連結され、前記二つの軸の他方の軸（１）に前記第２の磁気構造が一体に連結されており、前記ねじり棒（２）のねじりによる前記二つの軸（１，３）の間の角変位を前記磁気感受性部品（１５）により検出したフラックスの変化に基づいて検出し、前記二つの軸に作用するトルクを測定するのが好ましい。

上記回転位置センサがステアリングコラムにおけるトルクセンサとして用いられ、前記測定されたトルクに基づいてハンドル操作を保持する電動機を運転するために用いられるのが好ましい。

この場合、前記電動機がブラシレス直流電動機（ＢＬＤＣ）であるのが好ましい。
上記回転位置センサにおいて、前記第１の磁気構造（５）が、外周に半径方向に間隔をおいて形成された複数のくぼみを有する管形状のシリンダヘッド（８）と、前記くぼみ内に収容された複数の磁石（９）とから構成されるのが好ましい。

上記回転位置センサにおいて、前記くぼみ内に収容された前記磁石（９）が、前記磁石の中心を通る半径方向と平行な方向に磁気を帯びた磁石であるのが好ましい。
上記回転位置センサにおいて、前記第１の磁気構造の前記磁石の外周側表面と、前記第２の磁気構造における前記複数の歯（１１，１２）を形成する前記円筒面の内面とが近接するのが好ましい。

上記回転位置センサにおいて、前記第１の磁気構造（５）および前記第２の磁気構造が前記磁気感受性部品（１５）に対して相対回転可能であるのが好ましい。
上記回転位置センサにおいて、前記第１の磁気構造（５）が前記管形状部材の外周面にＮ個の前記磁石を設けて構成され、前記第２の磁気構造を構成する前記強磁性リング（６，７）がそれぞれＮ枚の前記歯（１１，１２）を有して構成されており、前記Ｎ枚の歯（１１，１２）が互いに空き間隔を有して分離されて噛合するように形成されているのが好ましい。

上記回転位置センサにおいて、前記強磁性コレクタ（１３，１４）が全周にわたってＤ個の歯（１９，２０）を有し、これらＤ個の歯（１９，２０）の間に形成される前記エアギャップ内に前記磁気感受性部品が設けられるのが好ましい。

上記回転位置センサにおいて、前記エアギャップ内に３つの前記磁気感受性部品（２１，２２，２３）が１２０度のピッチ間隔を有して設けられているのが好ましい。
上記回転位置センサにおいて、前記強磁性コレクタが前記磁気感受性部品（１５）の大きさにほぼ相当する小さな角セクタ（３０，３１）から構成され、前記角セクタ（３１，３２）の間に形成されるエアギャップ内に前記磁気感受性部品（１５）が設けられてなる
のが好ましい。

本発明は、限定的でない実施例に関する添付図面を参照して、これに続く記載を読めばより良く理解されるであろう。

ステアリングコラムの略図を示す。 センサの第１の実施例の分解組立図を示す。 前記センサの第２の構造の図を示す。 センサの拡大部分断面図を示す。 第２の実施形の分解組立図を示す。 図５によるセンサの応答曲線を示す。 もう一つの実施応用例を示す（固定プローブ及び固定子）。 横断面図を示す。 検出エアギャップが２つの固定部品の間に位置する、本発明の実施応用例を示す。

本発明の対象は、弱い感度というこれらの問題を直すことであり、かつ例えばステアリングコラムのトルクセンサのような用途において１０°未満であるか、近い角度を測定するための接触をしない位置センサに関する（信号は、次にハンドル操作を補助するために利用される）。以下において記載される角位置センサは、ねじり棒によって連結された２つの軸の間の非常に小さな角変位（数度）を測定するためのものである。トルク測定のこのような応用は、図１に記載されている。このねじり棒の線形変形の分野で、この角変位（α１−α２）は、弾力性を有して変形可能な試験片（２）によって連結された２つの軸（１）（３）の間に加えられたトルクに比例する。センサによるこの角変位の測定は、加えられるトルクに比例するような磁気感受性部品の出力で、電気信号を発することを可能にすることとなる。ステアリングコラムのトルクセンサの場合、センサ（４）は、自動車の居住空間の構成部材に対する２つの回転軸の間の角変位の測定を更に可能にせねばならない。すなわち、α１及びα２は、３６０°を越え得る角度であるということである（ステアリングコラムは、数回転させることができる）。従って、ねじり棒（２）が変形するとき、角度の測定は、２つの軸（１）（３）の間で行わねばならず、２つの軸の各々は、数回転にわたって回転自在である。この用途における典型的なねじれ作業角度は、＋／−２°〜最大＋／−４°である。従って問題は、一方では非常に高感度な位置センサを、かつ他方では磁気感受性部品が居住空間構成部材に対して固定されることを可能にするシステムを提供することにあることが判る。

図２は、本発明によるセンサの第１の実施例の分解組立図を示す。
それは、第１の磁気構造（５）及び重なり合った２つのリング（６、７）によって形成される第２の磁気構造からなる。２つの磁気構造は、管状の全体形状を有し、かつ同軸である。

第１の磁気構造（５）は、半径方向に、又は磁石の中心を通る半径方向と平行な方向に沿って、磁気を帯びた複数の薄い磁石（９）を収容するためのくぼみを有する管状形のシリンダヘッド（８）から形成される。

これらの磁石は、磁石の厚さの０．２〜０．９倍を有するくぼみに嵌め込まれる。
磁石は、シリンダヘッドの角セクタ（１０）によって分離される。
第２の構造は、軸方向に伸長し、かつ反対側のリングの歯の重なり合いを可能にする、空き間隔によって分離される歯（１１、１２）を有する２つの強磁性リング（６、７）か
ら形成される。

歯は、歯の主要方向と垂直な横面において全体として伸長するそれぞれフラックス閉鎖領域を形成する強磁性コレクタ（１３、１４）に続く。
これら２つのフラックス閉鎖領域を形成する強磁性コレクタ（１３，１４）は、磁気感受性部品（１５）が中に位置決めされる環状エアギャップ（１６）の範囲を定める。

図３は、中央のくぼみに収容されるようになる第１の構造なしに組み立てられた第２の構造の図を示し、かつ図４は、前記センサの詳細断面図を示す。
第１の構造は、Ｎ個の磁石（９）を備え、第２の構造の各リングは、Ｎ個の歯を有する。磁気感受性部品（１５）、例えばプログラム可能なホール効果を有するプローブは、居住空間に相当する固定構成部材に対して固定されている。それは、２つの小皿状の部材（すなわち、強磁性リング（６，７））が数回回転することを可能にするように、かつ各々がＮ個の歯のフラックスを集める２つの強磁性コレクタ（１３）（１４）の間のエアギャップ（１６）内に置かれる。

各構造は、居住空間構成部材に対して回転し、かつ回転エアギャップ（１６）内で数百ガウスのフラックス変化となって現れることとなる、加えられるトルクに応じて互いに数度の差動運動を有する。従って、ホールプローブすなわち磁気感受性部品（１５）から生じたアナログ信号は、一方では強磁性リング（６、７）を、かつ他方では第１の磁気構造（５）を支持する２つの軸の間に加えられたトルクの電気画像を提供する。

ステアリングコラムのトルクセンサの場合、トルクの情報は、一般的にブラシのない直流電動機（ＢＬＤＣ）タイプの電動機を運転するために利用される。この電動機の作用は、ステアリングコラムの位置に比例する位置に沿って、トルクセンサによって検出されるトルクに比例するトルクを提供して、ハンドル操作の電気補助を提供することとなる。このような電動機は、電極角度１２０°に分けられる「位相」と呼ばれる３つのコイルを一般的に有する。これら三相の電動機の回転は、ステアリングコラムの位置に比例する位置に沿って、トルクセンサによって提供されるトルクと比例する振幅の３つの正弦曲線信号を発生させることとなる調整器によって確実に行われる。一般的にこれら２つのトルク及び位置の情報は、２つの異なるセンサに由来する。

図５に記載された発明によれば、強磁性コレクタ（１３）（１４）が歯を有し、かつ３６０°にわたってＤ個の歯（１９、２０）を有することが可能である。従って図５のエアギャップ（１６）内に置かれた磁気感受性部品（１５）は、Ｄに、かつ一定の居住空間構成部材に対して回転する第１の磁気構造（５）の位置に比例し、かつ第１の磁気構造（５）及び強磁性リング（６）（７）の間に及ぼされるトルクと同じく比例する周期の、互い違いの磁場を受ける。

エアギャップ（１６）内に、１２０°の電気周期に等しい１極ピッチだけ間隔を開けられた３つの磁気感受性部品（２１、２２、２３）を置く場合、振幅がステアリングコラムに及ぼされるトルクに比例し、かつステアリングコラムの位置の情報を同時に与える、図６に記載した３つの正弦曲線が、これら３つの磁気感受性部品の出力で得られる。

電動機ＢＬＤＣにしばしば結び付けられる減速比Ｒに応じて歯の数Ｄが適切に選択される場合、これら２つの組み合わされた情報は、トランジスタ出力の段を通して電動機ＢＬＤＣを運転するために直接使用され得る。

図７は、リングが、大きさがホールプローブ（１５）の大きさにほぼ相当する、減少した角セクタ（３０、３１）を有する減少した２つのフラックス閉鎖領域を有するもう一つ
の実施応用例を示す。

以上に記載した原理は、ステアリングコラムのトルクセンサの用途に限定されず、ブレーキ又はアクセルペダルセンサの用途のような非常に小さな角度の測定に応用され得る。実際、２つの強磁性コレクタ（１３）（１４）が３６０°にわたって広がらず、図７に示すように数十度に限定されることが想像できる。

図８は、センサの横断面図を示す。
図９に紹介した構造の応用例は、２つの固定部品（３４、３５）の間に検出エアギャップ（１６）を作る目的で展開された。

以前の図に示された構造と同様に、誘導変化は、第１の磁気構造、すなわち回転子（５）、及びこの場合歯を有する部材（３２、３３）である、重ね合わされた２つの磁気構造の間の角位相差によって歯（１１，１２）において生じる。磁気回路は、機械的遊び（４１）によって磁気構造（３２、３３）から分離される固定部品（３４、３５）が次に続く。例えば、この応用例ではリング（６、７）は、このように歯を有する２つの可動部材（３２、３３）、及び２つの固定部品（３４、３５）からなる。

２つの固定部品（３４、３５）は、歯を有する部材（３２、３３）を完全（３６０°の角度）又は部分的に囲む２つのフラックス統合領域（３６、３７）、及び磁気感受性部品（１５、４０）が挿入される検出エアギャップ（１６）を生じる２つの磁気フラックス集信機（３８、３９）から構成される。

Claims (11)

1. 第１磁気構造（５）、第２磁気構造（６，７）、および磁気感受性部品（１５）を有する回転位置センサであって、前記第１磁気構造は、共通の軸線の周りに相対回転する第１部材（３）と第２部材（１）のうちの第１部材（３）に連結して一体回転し、前記第２磁気構造（６，７）は前記第２部材（１）に連結して一体回転し
   前記第１磁気構造（５）は、管部材（８）と、前記管部材（８）の外周面としての管外周面（１０）に設けられる複数の磁石（９）とを有し、
   前記第２磁気構造（６，７）は、互いに対向して配置される第１強磁性リング（６）と第２強磁性リング（７）を有し、
   前記第１強磁性リング（６）の径方向内部は複数の第１歯（１１）を有し、前記第２強磁性リング（７）の径方向内部は複数の第２歯（１２）を有し、前記第１歯（１１）と前記第２歯（１２）は間に間隙を有するように噛合して前記軸線に沿って延びることによって仮想円筒面（１１，１２）上に位置し、前記第１磁気構造（５）は前記仮想円筒面（１１，１２）に対して径方向内方に位置し、
   前記第１強磁性リング（６）の径方向外部は第１強磁性コレクタ（１３）を有し、前記第２強磁性リング（７）の径方向外部は第２強磁性コレクタ（１４）を有し、前記第１強磁性コレクタ（１３）と前記第２強磁性コレクタ（１４）は間にエアギャップ（１６）を有するように互いに対向し、
   前記磁気感受性部品（１５）は、前記エアギャップ（１６）に配置された状態で固定され、
   前記第１強磁性コレクタ（１３）と前記第２強磁性コレクタ（１４）が互いに接近する方向を接近方向と称し、互いに遠ざかる方向を離間方向と称すると、
   前記第１強磁性リング（６）は、前記軸線を含む断面において、前記第１歯（１１）から前記軸線に沿って前記離間方向に延び、それから湾曲して前記接近方向に延び且つ径方向外方に延びて前記第１強磁性コレクタ（１３）に繋がるように構成され、
   前記第２強磁性リング（７）も、前記軸線を含む断面において、前記第２歯（１２）から前記軸線に沿って前記離間方向に延び、それから湾曲して前記接近方向に延び且つ径方向外方に延びて前記第２強磁性コレクタ（１４）に繋がるように構成され、
   前記磁石（９）の磁力によって前記第１歯（１１）と前記第２歯（１２）において生じ
   るフラックスは、前記第１強磁性リング（６）と前記第２強磁性リング（７）によって前記エアギャップ（１６）に集められ、その結果、前記磁気感受性部品（１５）は前記フラックスを検出し、検出した前記フラックスの変化に基づき、前記第１部材（３）と前記第２部材（１）の間の相対回転を検出するように構成され、
   それぞれ前記磁石（９）は、常に前記第１歯（１１）と前記第２歯（１２）のうちの少なくとも１つに径方向に対向するように配置され、
   前記管外周面（１０）は、複数の窪みを互いに間隔を置いて周方向に並ぶように有し、
   それぞれ前記窪み内にそれぞれ前記磁石（９）は収容される、
   回転位置センサ。
2. 前記第１部材（３）と前記第２部材（１）は、捩り棒（２）を介して同軸上に連結された第１シャフト（３）と第２シャフト（１）であり、
   前記捩り棒（２）の捩りによって生じる前記第１シャフト（３）と前記第２シャフト（１）の間の角度変位を、前記磁気感受性部品（１５）によって検出したフラックス変化に基づき検出することによって、前記第１シャフト（３）と前記第２シャフト（１）に作用するトルクを測定する、請求項１記載の回転位置センサ。
3. 前記回転位置センサは、ステアリングコラムにおけるトルクセンサとして用いられ、
   前記トルクセンサは、ハンドル操作を補助するモータを、測定した前記トルクに基づき運転するために用いられる、請求項２記載の回転位置センサ。
4. 前記モータは直流ブラシレスモータである、請求項３記載の回転位置センサ。
5. 前記磁石（９）は、それぞれ前記磁石（９）の中心を通り且つ半径方向に平行な方向に、磁気を帯びる、請求項１〜４何れか一項記載の回転位置センサ。
6. 前記磁石（９）の径方向外面は、前記仮想円筒面（１１，１２）の内周面に近接する、請求項１〜５何れか一項記載の回転位置センサ。
7. 前記第１磁気構造（５）と前記第２磁気構造（６，７）は、前記磁気感受性部品（１５）に対して相対回転可能である、
   請求項１〜６何れか一項記載の回転位置センサ。
8. 前記磁石（９）はＮ個であり、前記第１歯（１１）はＮ枚であり、前記第２歯（１２）はＮ枚である、
   請求項１〜７何れか一項記載の回転位置センサ。
9. 前記第１強磁性コレクタは、前記第１強磁性リング（６）の全周に亘って配置されるＤ個の歯としての第１コレクタ歯（１９）であり、
   前記第２強磁性コレクタも、前記第２強磁性リング（７）の全周に亘って配置されるＤ個の歯としての第２コレクタ歯（２０）であり、
   前記磁気感受性部品は、前記第１コレクタ歯（１９）と前記第２コレクタ歯（２０）の間の前記エアギャップ（１６）内に配置される、
   請求項１〜８何れか一項記載の回転位置センサ。
10. ３つの前記磁気感受性部品（２１，２２，２３）が、１２０度のピッチ間隔を有して前記エアギャップ（１６）内に設けられる、
    請求項１〜９何れか一項記載の回転位置センサ。
11. 前記第１強磁性コレクタは、前記磁気感受性部品（１５）の大きさに相当する第１角セ
    クタ（３０）であり、
    前記第２強磁性コレクタは、前記磁気感受性部品（１５）の大きさに相当する第２角セクタ（３１）であり、
    前記磁気感受性部品（１５）は、前記第１角セクタ（３１）と前記第２角セクタ（３２）の間の前記エアギャップ（１６）内に配置される、
    請求項１〜７何れか一項記載の回転位置センサ。

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