JP6304929B2 - 車両の回転構成部材における回転角の検出用センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項１の上位概念による車両の回転構成部材における回転角の検出用センサ装置から出発する。

公知の操舵角センサでは、ステアリングホイールの回転の数を決定するためのカウンタホイールが磁界センサによって無接触で走査される。この種のシステムの欠点は、点火が遮断されたときでもスタリングホイールの回転を識別することができるようにするため、点火の遮断時にも待機電流を流さなければならないことである。車両が長期間使用されないときには、このことは車両バッテリーを不所望に消費させる。このような待機電流を流さないと、点火の遮断時にまたはバッテリーの取り外し時にステアリングホイールが回転されると操舵角を一義的に決定することができない。

特許文献１には、回転角または線形距離を無接触で検出するための測定装置、またはこのような測定装置を備えるペダルモジュールが記載されている。検出される回転角または検出される線形距離は、ばね手段によって互いに出発位置にプリロードされた少なくとも２つの物体の間の相対運動に基づいて得られる。ばね手段は導電性材料からなる巻線を有し、物体の相対運動はばね手段の長さ変化を引き起こす。ばね手段の巻線の少なくとも一部が磁気コイルに含まれており、この磁気コイルは少なくとも１つのコンデンサとともに発振回路に含まれている。とりわけ評価装置が設けられており、この評価装置は発振回路の共振周波数の変化に依存して、相対運動を識別および計算するために評価することのできる信号を形成する。この共振周波数の変化は、物体の相対運動により引き起こされるばね手段の長さ変化によって生じる。軸受け台に対するアクセルペダルレバーの回転運動を測定原理的には単純な線形運動に変換するために、ばね手段の一方の端部が軸受け台を形成する支持面に支持され、他方の端部がアクセルペダルレバーと軸受け台の間の旋回軸を基準にして梃子を形成するアクセルペダルレバーの支持アームに支持されている。

特許文献２には回転角を検出するための装置が記載されている。記載された装置は発生器とセンサを有し、センサは回転構成部材の回転角変化に依存して発生器によって形成された物理量の変化をデジタルで評価可能な信号として検出する。回転構成部材は、周囲に結合されていて回転構成部材の回転により回転する円周の小さな付随体を有し、この付随体は好ましくは角度センサを備える。この付随体は、軸方向に結合されたサイクロイドギヤを介して、同様に回転するサイクロイドディスクまたはサイクロイドホイールを回転させる。そしてこのサイクロイドディスクまたはサイクロイドホイールの周速度がサイクロイドギヤによって減速され、そこから回転構成部材の回転数およびステアリングシャフトの複数の回転にわたる絶対操舵角が回転センサシステムによって求められる。

ドイツ特許出願公開第１０２００７０５２１６２号 ドイツ特許出願公開第１０２００８０１１４４８号

本発明の課題は、点火が遮断されても、またはバッテリーが取り外されても、操舵角の一義的な検出のできるセンサ装置を提供することである。

上記課題は、車両の回転構成部材における回転角の検出用センサ装置であって、前記回転構成部材は測定値発生器と結合されており、前記測定値発生器は少なくとも１つのセンサと共同して前記回転構成部材の回転角を表す信号を形成するセンサ装置において、前記測定値発生器は前記回転構成部材とともに運動変換器として構成されており、該運動変換器は前記回転構成部材の回転を、当該回転構成部材を基準にする前記測定値発生器の軸方向並進運動に変換し、前記測定値発生器は、中央開口部を介して前記回転構成部材上を長手方向に可動に案内され、前記少なくとも１つのセンサが、前記測定値発生器の進んだ距離を検出し、当該距離が前記回転構成部材の回転角を表す、ことを特徴とするセンサ装置によって解決される。

独立請求項１の特徴を備える本発明の車両用センサユニットは、回転運動を機械的距離変化に変換することにより、回転構成部材が複数回回転しても、常に回転位置を一義的に求めることができるという利点を有する。有利には電子回路が故障しても、機械的に変化する距離位置で回転運動を得ることができる。機械的な距離変化であるので、点火が遮断された後、またはバッテリーが取り外された後でも正しい絶対回転角が得られ、同時にとりわけ安全な動作または回転角のとりわけ確実な識別が間隔検出によって可能である。さらなる利点は機械的な簡素化であり、これによりコストを節約することができる。好ましくは本発明のセンサ装置は、車両の操舵角を決定するために使用することができる。ここで回転構成部材は好ましくは車両のステアリングコラムとして、またはステアリングコラムに回動不能に結合されたスリーブとして構成されている。本発明の実施形態では操舵運動が距離変化に変換される。この距離変化を間隔測定によって無接触で検出し、操舵角に変換することができる。

本発明の実施形態では、回転構成部材の回転角を検出するためのセンサ装置が車両で使用される。回転構成部材は測定値発生器と結合されており、測定値発生器は少なくとも１つのセンサと共同して回転構成部材の回転角を表す信号を形成する。本発明によれば回転構成部材を備える測定値発生器は運動変換器として構成されており、回転構成部材の回転を、回転構成部材を基準にした測定値発生器の軸方向並進運動に変換する。測定値発生器は本体を有しており、この本体は中央開口部を介して長手運動するように回転構成部材上を案内され、少なくとも１つのセンサが測定値発生器の進んだ距離を検出し、この距離が回転構成部材の回転角を表す。

従属請求項に記載した手段および改善形態により、独立請求項１に記載された車両の回転構成部材における回転角を検出するセンサ装置の有利な改善が可能である。

とくに有利には回転構成部材は外ねじを有することができ、この外ねじの上に本体を、中央開口部に取りつけられた内ねじによってねじ込み、案内することができる。外ねじを回転構成部材へ直接的にねじ込むことにより、回転運動を直線運動に変換するために必要なコンポーネントの数が有利には低減される。このことはコストの節約につながる。択一的に外ねじを有するスリーブを回転構成部材に軸方向に挿入し、回転構成部材と回動不能に結合することができる。そして中央開口部に取り付けられた内ねじによって本体をスリーブの外ねじにねじ込み、案内することができる。スリーブによって有利には測定値発生器の寸法を回転構成部材またはステアリングコラムに適合することができる。

有利には少なくとも１つの係留手段が設けられており、この係留手段が測定値発生器の回転運動をブロックし、測定値発生器の軸方向運動を許容にする。測定値発生器が回転するのを回避するために、案内ロッドとして構成された少なくとも２つの係留手段が、対応して離間された切欠部によって測定値発生器の本体内を案内される。この切欠部は測定値発生器を軸方向に案内し、測定値発生器の回転運動をブロックする。択一的に少なくとも１つのサイドアームを測定値発生器の本体に形成することができる。このサイドアームは係留ロッドとして構成された２つの係留手段の間に配置され、軸方向に案内される。これにより測定値発生器の軸方向の案内が改善され、測定値発生器の回転を阻止することができる。

本発明のセンサ装置の有利な構成では、２つのサイドアームが測定値発生器の本体に形成されており、これらのサイドアームが係留ロッドとして構成された２つの係留手段の間にそれぞれ配置されており、軸方向に案内される。これにより回転不能な測定値発生器の軸方向の案内がさらに改善され、測定値発生器の回転がほぼ確実に阻止される。

本発明のセンサ装置の別の有利な構成では、回転構成部材の求められる回転角の分解能を、測定値発生器の内ねじのねじピッチおよび／または回転構成部材の外ねじもしくはスリーブにある外ねじのねじピッチにより設定することができる。

本発明のセンサ装置の別の有利な構成では、少なくとも１つのセンサが間隔センサとして構成されており、測定値発生器と基準点との間の間隔を求める。少なくとも１つのセンサは測定値発生器および／または基準点に配置されている。好ましくは測定値発生器の第１および／または第２の端面から基準点までの間隔が測定される。さらに少なくとも２つのセンサを測定値発生器の表面または端面と対応する基準点との間の間隔を求めるために設けることができる。この場合、評価および制御ユニットは、少なくとも２つのセンサから得られるセンサ信号を評価することにより有利には測定値発生器の傾斜を求めることができる。とりわけ複数のセンサを使用することにより、有利には回転構成部材における回転角を冗長的に求めることができる。少なくとも１つのセンサは、例えば磁界の変化を介して間隔を求める渦電流センサとして、および／または電界の変化を介して間隔を求める容量センサとして、および／またはおよび／または例えば信号伝搬時間測定を介して間隔を求める超音波センサまたは光学センサとして構成することができる。これらの実施形態により間隔測定の安価な実現が可能になる。もちろん当業者には公知の別の間隔測定技術も実現することができる。

本発明の別の有利な構成では、センサ装置に少なくとも２つのセンサが設けられており、これらのセンサは評価および制御ユニットとともに差分間隔センサ系を構成する。ここで少なくとも第１のセンサは、測定値発生器と第１の基準点との間隔を検出し、少なくとも１つの第２のセンサは測定値発生器と第２の基準点との間隔を検出する。たとえば少なくとも１つの第１の間隔センサは測定値発生器の第１の端面から第１の基準点までの間隔を測定することができ、少なくとも１つの第２の間隔センサは測定値発生器の第２の端面から第２の基準点までの間隔を測定することができる。これにより有利には、温度変化等の障害の影響を補償することができる。とりわけ複数のセンサを使用することにより、有利には回転構成部材において回転角を冗長的に検出することができる。

本発明の実施例が図面に示されており、以下に詳細に説明する。図面中、おなじ参照符号は同じまたは類似の機能を有するコンポーネントおよびエレメントを示す。

本発明のセンサ装置の第１実施例の概略的斜視図である。 図１の本発明のセンサ装置のための運動変換器の概略的平面図である。 本発明のセンサ装置の第２実施例の概略的斜視図である。 図１または図２の本発明のセンサ装置のための間隔センサの概略図である。

図１〜３から分かるように、車両における回転構成部材１０の回転角を検出するための本発明のセンサ装置１，１ａ，１ｂの実施形態は測定値発生器２６と少なくとも１つのセンサ２８，２８ａ，２８ｂとを有し、センサの出力信号が評価および制御ユニット３０によって評価される。回転構成部材１０は測定値発生器２６と結合されており、測定値発生器は少なくとも１つのセンサ２８，２８ａ，２８ｂと共同して回転構成部材１０の回転角を表す信号を形成し、評価および制御ユニット３０に出力する。

本発明によれば、回転構成部材１０を備える測定値発生器２６は運動変換器２０として構成されており、この運動変換器は回転構成部材１０の回転１２を、回転構成部材１０を基準にした測定値発生器２６の軸方向並進運動２２に変換する。ここでは測定値発生器２６が本体２６を有しており、この本体は中央開口部２６．４を介して回転構成部材１０の上で長手運動するよう案内される。ここで少なくとも１つのセンサ２８，２８ａ，２８ｂは、測定値発生器２６の進んだ距離を検出し、この距離が回転構成部材１０の回転角を表す。

本発明のセンサ装置１，１ａ，１ｂの実施形態は、たとえば車両の操舵角を決定するための操舵角センサとして使用することができる。ここで回転構成部材１０はたとえば車両のステアリングコラムとして構成されている。

図１からさらに分かるように、図示の本発明のセンサ装置１，１ａの第１実施例では、回転構成部材１０に外ねじ１４が刻まれており、この外ねじの上を本体が、中央開口部２６．４に取り付けられた内ねじによってねじ込まれ、軸方向に案内される。図３からさらに分かるように、本発明のセンサ装置１，１ｂの図示の第２実施例では、外ねじ２４．１を備えるスリーブ２４が回転構成部材１０に軸方向にねじ込まれ、回転構成部材１０と回動不能に結合される。この実施形態では中央開口部２６．４に取り付けられた内ねじによって本体２６．１がスリーブ２４の外ねじ２４．１にねじ込まれ、軸方向に案内される。図２からさらに分かるように両方の実施例とも、測定値発生器２６の回転をブロックし、測定値発生器２６の軸方向での高さ変化を許容する措置を執ることができる。さらに回転構成部材１０の回転または回転運動が許容され、回転構成部材１０の並進運動または軸方向の直線運動がブロックされるように、この回転構成部材１０を案内することができる。

回転１２または操舵運動を機械的並進運動２２に変換し、この並進運動を間隔測定によって求めることにより、ステアリングホイールが複数回回転しても回転位置または操舵角を常に一義的に求めることができる。同様に電子回路が故障しても、回転運動を機械的に変化する高さ位置で得ることができる。機械的な並進運動２２であるので、点火が遮断された後でも、またはバッテリーが取り外された後でも、正しい絶対回転角または操舵角が得られる。同時に間隔検出によってとりわけ確実な動作が可能であり、回転角または操舵角をとりわけ確実に識別することができる。測定値発生器２６の遊びを少なくするために、たとえば図示しない少なくとも１つのばねシャフトによって測定値発生器２６にばね力を負荷することができる。

図１〜３からさらに分かるように、少なくとも１つの係留手段３が設けられており、この係留手段は測定値発生器２６の回転運動をブロックし、測定値発生器２６の軸方向運動２２を許容する。この目的のために本発明のセンサ装置１の実施形態では、測定値発生器２６の本体２６．１に少なくとも１つのサイドアーム２６．２が設けられており、このサイドアームが係留ロッドとして構成された２つの係留手段３の間に配置されており、軸方向に案内される。図示の実施例では、測定値発生器２６の本体２６．１に形成された２つのサイドアーム２６．２ａ，２６．２ｂによって測定値発生器２６が鏡面対象に構成されている。これらサイドアームは、係留ロッドとして構成された２つの係留手段３の間にそれぞれ配置されており、軸方向に案内される。

図１〜３からさらに分かるように、少なくとも１つのセンサ２８，２８ａ，２８ｂは間隔センサとして構成されており、間隔センサは測定値発生器２６から基準点までの間隔２９，２９ａ，２９ｂを検出する。ここで少なくとも１つのセンサ２８，２８ａ，２８ｂは測定値発生器２６および／または基準点に配置することができる。図示の実施例では、少なくとも１つのセンサ２８，２８ａ，２８ｂが基準点に位置固定して配置されている。好ましくは少なくとも１つのセンサ２８，２８ａ，２８ｂは渦電流センサおよび／または容量センサおよび／または超音波センサおよび／または光学センサとして構成されている。なぜならこれらは間隔測定をコスト的に有利に実現することができるからである。もちろん当業者に公知の他の間隔測定方法であっても、測定値発生器２６が進んだ距離の検出のために実現することができる。

測定値発生器２６の端面２６．３に対して間隔を置いて配置された間隔センサ２８は、この間隔センサ２８と測定値発生器２６の端面２６．３との間の間隔２９を無接触で検出することができ、対応する出力信号を評価および制御ユニット３０に出力することができる。評価および制御ユニット３０は、間隔センサ２８の出力信号を評価し、回転構成部材１０の回転角を推定することができる。回転構成部材１０の求められた回転角の分解能は、測定値発生器２６の本体２６．１内の中央開口部２６．４に取り付けられた内ねじのねじピッチにより、および／または回転構成部材１０の外ねじ１４もしくはスリーブ２４の外ねじ１４．１のねじピッチにより設定することができる。

図示の実施例では、それぞれ２つの間隔センサ２８１，２８ｂが評価および制御ユニット３０とともに差分間隔センサ系を構成する。ここで第１の間隔センサ２８ａは測定値発生器２６の上方に配置されており、測定値発生器２６の第１の端面２６．３ａから第１の基準点までの第１の間隔２９ａを検出する。第２の間隔センサ２８ｂは測定値発生器２６の下方に配置されており、測定値発生器２６の第２の端面２６．３ｂから第２の基準点までの第２の間隔２９ｂを検出する。回転構成部材１０が図示の回転方向に回転１２することにより、測定値発生器２６の上方もしくは第１の端面２６．３ａと測定値発生器２６の上方に配置された第１の間隔センサ２８ａとの間の第１の間隔２９ａが減少する。一方、測定値発生器２６の下方もしくは第２の端面２６．３ｂと測定値発生器２６の下方に配置された第２の間隔センサ２８ｂとの間の第２の間隔２９ｂは増大する。この差分間隔センサ系により、有利には温度等の障害の影響を補償することができる。とりわけ複数のセンサ２８ａ，２８ｂを使用することにより有利には、回転構成部材１０における回転角の冗長的検出が可能である。

図４から分かるように、間隔センサ２８は２つの渦電流センサ２８．１，２８．２を含むことができ、渦電流センサは対応する磁界２８．３，２８．４を形成するためのコイルをそれぞれ１つ有する。２つの渦電流センサ２８．１，２８．２により形成される磁界２８．２，２８．４が間隔変化によって影響を受け、それぞれの固有容量と関連して対応する周波数変化を検出し、評価および制御ユニット３０によって間隔検出のために評価することができる。渦電流センサ２８．１，２８．２はマイクロメカニカル法でシリコンから作製することができる。または導体路基板（導体路基板上のコイル）の上に直接実現することができる。導体路基板上に直接配置するとコスト的にさらに有利である。ここでは種々のコイル形状、たとえば円形または矩形を実現することができるが、複雑なコイル形状も有利であることが判明している。

本発明の実施形態は、車両における回転構成部材の回転角を検出するためのセンサ装置を提供する。このセンサ装置は、回転運動を機械的距離変化に変換することにより回転構成部材が何回も回転しても常に一義的な回転位置を提供する。有利には電子回路が故障しても回転運動が機械的な距離変化位置で得られる。機械的な距離変化であるので、点火の遮断後、またはバッテリーの取り外し後でも、正しい絶対回転角が得られ、同時に安全な動作または回転角のとりわけ確実な識別が間隔検出によって可能である。

Claims (11)

1. 車両の回転構成部材における回転角の検出用センサ装置であって、前記回転構成部材は測定値発生器（２６）と結合されており、前記測定値発生器は２つのセンサ（２８ａ，２８ｂ）と共同して前記回転構成部材（１０）の回転角を表す信号を形成するセンサ装置において、
   前記測定値発生器（２６）は前記回転構成部材（１０）とともに運動変換器（２０）として構成されており、該運動変換器は前記回転構成部材（１０）の回転（１２）を、当該回転構成部材（１０）を基準にする前記測定値発生器（２６）の軸方向並進運動（２２）に変換し、
   前記測定値発生器（２６）は本体（２６．１）を有し、該本体は中央開口部（２６．４）を介して前記回転構成部材（１０）上を長手方向に可動に案内され、
   前記２つのセンサ（２８ａ，２８ｂ）が、前記測定値発生器（２６）の進んだ距離を検出し、当該距離が前記回転構成部材（１０）の回転角を表し、
   前記２つのセンサ（２８ａ，２８ｂ）が間隔センサとして構成されており、当該２つのセンサ（２８ａ，２８ｂ）は、前記測定値発生器（２６）の上方と下方とにそれぞれ１つずつ配置されており、
   当該間隔センサは、前記測定値発生器（２６）から基準点までの間隔（２９ａ，２９ｂ）を測定し、
   前記２つのセンサ（２８ａ，２８ｂ）が前記測定値発生器（２６）および／または前記基準点に配置されている、
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記回転構成部材（１０）は外ねじ（１４）を有し、該外ねじの上を前記本体（２６．１）が前記中央開口部（２６．４）に取り付けられた内ねじによってねじ込まれ、軸方向に案内される、センサ装置。
3. 請求項２記載のセンサ装置において、
   前記回転構成部材（１０）の求められる回転角の分解能が、前記測定値発生器（２６）の内ねじのねじピッチおよび／または前記回転構成部材（１０）の外ねじ（１４）のねじピッチによって設定される、センサ装置。
4. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   外ねじ（２４．１）を備えるスリーブ（２４）が前記回転構成部材（１０）に軸方向にねじ込まれ、当該回転構成部材（１０）と回動不能に結合され、
   前記本体（２６．１）が、前記中央開口部（２６．４）に取り付けられた内ねじにより前記スリーブ（２４）の外ねじ（２４．１）上にねじ込まれ、軸方向に案内される、センサ装置。
5. 請求項４記載のセンサ装置において、
   前記回転構成部材（１０）の求められる回転角の分解能が、前記測定値発生器（２６）の内ねじのねじピッチおよび／または前記スリーブ（２４）にある外ねじ（２４．１）のねじピッチによって設定される、センサ装置。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のセンサ装置において、
   少なくとも１つの係留手段（３）が設けられており、該係留手段は前記測定値発生器（２６）の回転運動をブロックし、前記測定値発生器（２６）の軸方向運動（２２）を許容する、センサ装置。
7. 請求項６に記載のセンサ装置において、
   案内ロッドとして構成された少なくとも２つの係留手段（３）が、離間された切欠部によって前記測定値発生器（２６）の前記本体（２６．１）内を案内され、
   前記少なくとも２つの係留手段は前記測定値発生器（２６）を軸方向に案内し、前記測定値発生器（２６）の回転運動をブロックする、センサ装置。
8. 請求項６に記載のセンサ装置において、
   少なくとも１つのサイドアーム（２６．２）が前記測定値発生器（２６）の前記本体（２６．１）に形成されており、
   前記少なくとも１つのサイドアーム（２６．２）は、係留ロッドとして構成された２つの係留手段（３）の間に配置されており、軸方向に案内される、センサ装置。
9. 請求項８に記載のセンサ装置において、
   ２つのサイドアーム（２６．２ａ，２６．２ｂ）が前記測定値発生器（２６）の前記本体（２６．１）に形成されており、
   前記２つのサイドアームは、係留ロッドとして構成された２つの係留手段（３）の間にそれぞれ配置されており、軸方向に案内される、センサ装置。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載のセンサ装置において、
    前記２つのセンサのうちの第１のセンサ（２８ａ）が前記測定値発生器（２６）と第１の基準点との第１の間隔（２９ａ）を検出し、前記２つのセンサのうちの第２のセンサ（２８ｂ）が前記測定値発生器（２６）と第２の基準点との第２の間隔（２９ｂ）を検出する、センサ装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項に記載のセンサ装置において、
    前記２つのセンサ（２８ａ，２８ｂ）は、それぞれ、２つの渦電流センサ素子（２８．１，２８．２）を有している、センサ装置。

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