(57)【要約】【課題】単一のパッケージ内に収容された角度位置センサユニットと、トルクセンサユニットと、を有するセンサアセンブリを提供する。【解決手段】角度位置センサユニットは、第１のシャフトおよび第２のシャフトを有するシャフトアセンブリの回転度を表わす第１のマルチビット出力を生成する。第１および第２のシャフトは、相互に実質的に同軸であり、トーションロッドを介して相互に結合される。トルクセンサユニットは、上記第１のシャフトと第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わす第２のマルチビット出力を生成する。第２のマルチビット出力は、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成すべく、第１のマルチビット出力および測定された温度を用いて線形化され温度補償される。【選択図】図９
2006113070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に実質的に同軸でかつトーションロッドを介して相互に結合された第１のシャフトおよび第２のシャフトを有するシャフトアセンブリの回転度を表わす第１のマルチビット出力を生成するための角度位置センサユニットと、
前記第１のシャフトと第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わす第２のマルチビット出力を生成するためのトルクセンサユニットと、
単一パッケージに角度位置センサユニットとトルクセンサユニットとの両方を収容するためのハウジングと、
を備えてなるセンサアセンブリ。
【請求項２】
前記第１のマルチビット出力および第２のマルチビット出力を受信し、該第１のマルチビット出力および第２のマルチビット出力を用いて、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するための処理回路をさらに備えてなる請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３】
前記処理回路が、前記第１および第２のマルチビット出力の組合せをアドレスとして用いて選択される、線形化されたトルクセンサ出力値を表わす複数のエントリを有するルックアップテーブルを備えてなる請求項２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４】
前記処理回路がさらに、デジタル温度出力を生成すべく温度を測定するための温度センサブロックと、線形化されたトルクセンサ出力値およびデジタル温度出力を表わす複数のエントリのうちから選択されたものを受信し、それらを用いて線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するための温度補償ブロックとを備えてなる請求項３に記載のセンサアセンブリ。
【請求項５】
前記温度センサブロックは、温度出力を生成すべく温度を測定するための温度センサと、デジタル温度出力を生成すべく温度出力をデジタル化するためのアナログ−デジタル変換器と、を備える請求項４に記載のセンサアセンブリ。
【請求項６】
前記温度補償ブロックは、デジタル温度出力と線形化されたトルクセンサ出力値を表わす複数のエントリのうちから選択されたものとの組合せをアドレスとして用いて選択される、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力値を表わす複数のエントリを有するルックアップテーブルを備えてなる請求項４に記載のセンサアセンブリ。
【請求項７】
前記処理回路がさらに、温度出力を生成すべく温度を測定するための温度センサと、温度出力を受信しそこからオフセット電圧を生成するためのスケーリング増幅器と、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成すべくオフセット電圧を用いて、複数のエントリのうちから選択されたものを変換するためのデジタル−アナログ変換器を備えてなる請求項３に記載のセンサアセンブリ。
【請求項８】
前記処理回路がさらに、デジタル温度出力を生成すべく温度を測定するための温度センサブロックと、デジタル温度出力と、前記第１および第２のマルチビット出力の組合せとをアドレスとして用いて選択される線形化され温度補償されたトルクセンサ出力値を表わす複数のエントリを有するルックアップテーブルと、を備えてなる請求項２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項９】
前記温度センサブロックは、温度出力を生成すべく温度を測定するための温度センサと、デジタル温度出力を生成すべく該温度出力をデジタル化するためのアナログ−デジタル変換器と、を有する請求項８に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１０】
車両のステアリングを制御するためシャフトアセンブリ上に取付けられた請求項１に記載のセンサアセンブリを有してなるステアリングシャフトアセンブリ。
【請求項１１】
線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するためのセンサシステムにおいて、
相互に実質的に同軸でかつトーションロッドを介して相互に結合された第１のシャフトおよび第２のシャフトを有するシャフトアセンブリの回転度を表わす第１のマルチビット出力を生成するための角度位置センサブロックと、
前記第１のシャフトと前記第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わす第２のマルチビット出力を生成するためのトルクセンサブロックと、
前記第１および第２のマルチビット出力を受信し、それらを用いて線形化されたトルクセンサ出力を生成するための線形化ブロックと、
前記の線形化されたトルクセンサ出力を受信し、それを用いて線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するための温度補償ブロックと、
を備えてなるセンサシステム。
【請求項１２】
前記角度位置センサブロックが、前記シャフトアセンブリの回転度を表わす信号を生成するための角度位置センサと、該シャフトアセンブリの回転度を表わす信号を用いて第１のマルチビット出力を生成するためのカウンタと、を有してなる請求項１１に記載のセンサシステム。
【請求項１３】
前記シャフトアセンブリの回転度を表わす信号が、パルス幅変調された信号であり、前記第１のマルチビット出力の振幅が該パルス幅変調信号のパルス幅に対応する請求項１２に記載のセンサシステム。
【請求項１４】
前記線形化ブロックは、前記の線形化されたトルクセンサ出力を生成すべく、前記第１および第２のマルチビット出力の組合せをアドレスとして用いて選択される、線形化されたトルクセンサ出力値を表わす複数のエントリを有するルックアップテーブルを含む請求項１１に記載のセンサシステム。
【請求項１５】
さらに、デジタル温度出力を生成すべく温度を測定するための温度センサブロックを含み、ここに前記温度補償ブロックは、前記の線形化されたトルクセンサ出力およびデジタル温度出力を受信し、これらを用いて前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成する請求項１１に記載のセンサシステム。
【請求項１６】
前記温度補償ブロックが、前記の線形化されたトルクセンサ出力およびデジタル温度出力の組合せをアドレスとして用いて選択される、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力値を表わす複数のエントリを有するルックアップテーブルを含んでなる請求項１５に記載のセンサシステム。
【請求項１７】
前記温度補償ブロックが、温度出力を生成すべく温度を測定するための温度センサと、該温度出力を受信し、それをオフセット電圧に変換するためのスケーリング増幅器と、前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成すべく該オフセット電圧を用いて該線形化されたトルクセンサ出力を変換するためのデジタル−アナログ変換器と、を含んでなる請求項１１に記載のセンサシステム。
【請求項１８】
線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するためのセンサシステムにおいて、
相互に実質的に同軸でかつトーションロッドを介して相互に結合された第１のシャフトおよび第２のシャフトを有するシャフトアセンブリの回転度を表わす第１のマルチビット出力を生成するための角度位置センサブロックと、
前記第１のシャフトと前記第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わす第２のマルチビット出力を生成するためのトルクセンサブロックと、
前記第１および第２のマルチビット出力を受信し、それらを用いて線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するための線形化および温度補償ブロックと、
を備えてなるセンサシステム。
【請求項１９】
前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成すべく、前記第１および第２のマルチビット出力と合わせて用いられるデジタル温度出力を生成するための温度センサブロックをさらに備えてなる請求項１８に記載のセンサシステム。
【請求項２０】
前記線形化および温度補償ブロックが、エントリとして複数の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力値を有するルックアップテーブルを含み、ここに、前記デジタル温度出力と前記第１および第２のマルチビット出力とが、前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力として出力すべく複数の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力値のうちから１つを前記ルックアップテーブルから選択するために、該ルックアップテーブルをアドレスするために組合せて使用される請求項１９に記載のセンサシステム。
【請求項２１】
相互に実質的に同軸でかつトーションロッドを介して共に結合されるシャフトアセンブリの第１のシャフトと第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わすトルクセンサ出力を線形化し温度補償する方法において、
前記シャフトアセンブリの回転度を表わす角度位置信号を生成する段階と、
前記角度位置信号を第１のマルチビット信号に変換する段階と、
トルクセンサ出力を生成する段階と、
前記トルクセンサ出力を第２のマルチビット信号に変換する段階と、
前記第１および第２のマルチビット信号を用いて、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成する段階と、
を有してなる方法。
【請求項２２】
前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成する段階は、線形化されたトルクセンサ出力を生成すべく第１のルックアップテーブルの複数エントリのうちから１つを選択するためのアドレスとして前記第１および第２のマルチビット信号を組合せる段階を含んでなる請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成する段階はさらに、デジタル温度出力を生成すべく温度を測定する段階と、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成すべく第２のルックアップテーブルの複数のエントリのうちの１つを選択するためのアドレスとして前記のデジタル温度出力および線形化されたトルクセンサ出力の組合せを用いる段階と、を含んでなる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成する段階はさらに、温度出力を生成すべく温度を測定する段階と、オフセット電圧を生成すべく該温度出力をスケーリングする段階と、前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成すべく前記のオフセット電圧を用いて前記の線形化されたトルクセンサ出力をアナログ信号に変換する段階と、を含んでなる請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
デジタル温度出力を生成すべく温度を測定する段階と、前記の線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成すべくルックアップテーブルの複数のエントリのうちから１つを選択するためのアドレスとして前記デジタル温度出力と前記第１および第２のマルチビット信号とを組合せる段階と、さらにを含んでなる請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の利用分野向けセンサ、より特定的には、ステアリングシャフトの角度情報およびトルクを検知し、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を提供するための方法とセンサパッケージの方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の利用分野向けの電子ステアリングシステムにおいては、ステアリングホイールの速度、方向および回転角ならびにドライバが加えている応力（すなわちトルク）を正確に決定するため、ステアリングホイールが受けるトルクおよび角度情報が測定される。角度情報およびトルクを測定するためのセンサは、安定制御と電子ステアリングの利用のために、不利な環境下における比較的長いセンサ寿命について厳しい自動車必要条件を満たさなくてはならない。
【０００３】
ステアリングシャフトの回転角度情報を提供するために角度位置センサが使用されてきた。「誘導減衰結合器を備えた角度位置センサ」という名称の米国特許第６，３０４，０７６号の中で開示されている非接触角度位置センサ（ＮＣＡＰＳ：Non-Contact Angular Position Sensor）が、非接触構造を有し、アナログ分解能を伴う（すなわち、ステップサイズなし）アナログパルス幅変調（ＰＷＭ）形式でステアリングシャフトの回転角度情報を提供できる。
【０００４】
「垂直動作容量性トルクセンサ」という名称の米国特許第６，５６４，６５４号（「‘６５４号特許」と称す）の中で開示されている容量性トルクセンサといったような容量性トルクセンサが、ステアリングコラムのスプリットシャフト内に埋込まれたトーションロッドのトルクを測定するために使用されてきた。その‘６５４号特許に開示されたトルク検知技術は、非接触差動容量性トルク検出（ＮＣＤＣＴＳ：Non-Contacting Differential Capacitive Torque Sensor）と称することができる。
【０００５】
ＮＣＡＰＳおよびＮＣＤＣＴＳといった技術を用いた角度情報およびトルクの測定のためのマルチセンサの使用は結果として、マルチセンサ用のパッケージを使用しなければならず、したがって、全体的にコストとサイズを増大させる。その上、トルクセンサの出力は非線形である可能性があり、トルクセンサの性能は、温度により影響され、かくしてセンサの性能は劣化する。
【特許文献１】米国特許第６，３０４，０７６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５６４，６５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、単一のパッケージ、すなわち同じハウジング内で角度情報センサおよびトルクセンサの機能とコンポーネントとを実現するための方法および装置を提供することが望まれる。さらに、トルクセンサ出力の線形化（linearization）および温度補償を実現することも望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施例においては、角度位置センサユニットおよびトルクセンサユニットを含むセンサアセンブリが提供される。角度位置センサユニットは、相互に実質的に同軸であり、トーションロッドを介して互いに結合されている第１のシャフトおよび第２のシャフトを有するシャフトアセンブリの回転度を表わす第１のマルチビット出力を生成する。トルクセンサユニットは、第１のシャフトと第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わす第２のマルチビット出力を生成する。ハウジングは、角度位置センサユニットとトルクセンサユニットとを単一のパッケージ内に収容する。
【０００８】
ステアリングシャフトアセンブリは、車両のステアリングを制御するためにシャフトアセンブリ上に取付けられた上述のセンサアセンブリを含み得る。
【０００９】
本発明による別の実施例では、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するためのセンサシステムが提供される。このセンサシステムは、角度位置センサブロックと、トルクセンサブロックと、線形化ブロックと、温度補償ブロックと、を含んでいる。角度位置センサブロックは、相互に実質的に同軸でかつトーションロッドを介して相互に結合される第１のシャフトおよび第２のシャフトを有するシャフトアセンブリの回転度を表わす第１のマルチビット出力を生成する。トルクセンサブロックは、第１のシャフトと第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わす第２のマルチビット出力を生成する。線形化ブロックは、第１および第２のマルチビット出力を受信し、これらを用いて線形化されたトルクセンサ出力を生成する。温度補償ブロックは、線形化されたトルクセンサ出力を受信し、これを用いて線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成する。
【００１０】
本発明によるさらにもう１つの実施例においては、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するためのセンサシステムが提供される。このセンサシステムは、角度位置センサブロックと、トルクセンサブロックと、線形化および温度補償ブロックと、を含む。角度位置センサブロックは、相互に実質的に同軸でかつトーションロッドを介して相互に結合される第１のシャフトおよび第２のシャフトを有するシャフトアセンブリの回転度を表わす第１のマルチビット出力を生成する。トルクセンサブロックは、第１のシャフトおよび第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わす第２のマルチビット出力を生成する。線形化および温度補償ブロックは、その第１および第２のマルチビット出力を受信し、それらを用いて線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成する。
【００１１】
本発明によるさらに別の実施例においては、相互に実質的に同軸でかつトーションロッドを介して相互に結合されるシャフトアセンブリの第１のシャフトと第２のシャフトとの間に加わるトルクを表わすトルクセンサ出力を線形化し温度補償する方法が提供される。この方法は、シャフトアセンブリの回転度を表わす角度位置信号を生成する段階と、この角度位置信号を第１のマルチビット信号に変換する段階と、上記のトルクセンサ出力を生成する段階と、このトルクセンサ出力を第２のマルチビット信号に変換する段階と、これら第１および第２のマルチビット信号を用いて線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成する段階と、を含む。
【００１２】
本発明のこれらのおよびその他の態様は、本明細書の記載および添付図面をさ考慮してより容易に理解されることであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による実施例においては、角度位置センサ（例えば、ＮＣＡＰＳ）およびトルクセンサ（例えば、ＮＣＤＣＴＳ）が単一のパッケージ内（すなわち、同じハウジング内）に実装され、その結果、それを複数の個別のパッケージ内でそれぞれ実装する場合に比べて、全体的なサイズは小さくなりコストも安くなる。さらに、トルクセンサ出力は、角度位置センサ出力および温度測定を用いて、一定の温度範囲にわたってより優れた精度を得るべく線形化され温度補償される。
【００１４】
ＮＣＡＰＳは、本明細書にその内容の全てを参考として取り入れている米国特許第６，３０４，０７６号の中で開示されている。さらに、ＮＣＤＣＴＳは、本明細書にその内容の全てを参考として取り入れている米国特許第６，５６４，６５４号の中で開示されている。
【００１５】
一例として、ＮＣＡＰＳおよびＮＣＤＣＴＳが使用される場合、非接触構造を有する角度位置およびトルク情報センサのこのような組合せは結果として、より低いコストで、改善された性能およびより長寿命のための単一パッケージをもたらす。トルクセンサ出力を線形化し温度補償する能力を有することに加えて、角度位置検知とトルク検知との両方を含むこのようなセンサアセンブリは、ここでは角度−トルクセンサと称することができる。角度−トルクセンサはまた、角度位置情報および／または未補償トルクセンサ出力を別々の出力として出力することもできる。
【００１６】
ここで図１を参照すると、角度位置センサ１０は、それらの間に結合器ディスク１４が配置された送信機１２と受信機１６とを含む。図２から明らかなように、送信機１２と受信機１６は共に、その上面に形成された複数のループアンテナ２２を有している。該ループアンテナは、送信機と受信機のそれぞれのディスクのまわりに円形パターンをもって逐次的に配置された独立のらせん導電コイルで形成されている。一例としては、図２の６個のアンテナ２２が、ディスクの全周をとり囲んでいる。
【００１７】
送信機１２および受信機１６は、相互に固定されている。結合器ディスク１４は、角度センサがその上に取付けられている装置（例えば、ステアリングシャフト）の機械的回転に従って回転する。送信機１２内の各ループアンテナ２２は、受信機１６内の対応するループアンテナ２２により受信される信号を送信するために、用いられる。信号経路内に干渉（減衰）物体が全く存在しない場合、受信した信号の振幅は最大である。しかしながら、この信号経路内で干渉をひき起こすような減衰物体が使用される場合、受信信号の振幅は減衰させられる。この受信信号は、その干渉物体がもたらす干渉量に比例して減衰させられる。
【００１８】
図３は、結合器パターン３４が上面に形成されるディスク３２を有する結合器ディスク１４を例示する。結合器パターン３４は、干渉（減衰）物体として角度位置センサ１０内の可変の減衰をもたらす。例えば、ディスク３２は、プラスチックといったような絶縁材料で作られている。一方結合器パターン３４は、銅といった金属で作られている。
【００１９】
角度位置センサ内では、振幅情報を位相情報に変換するために、振幅−位相変換技術を用いたマルチチャネルシステムが用いられる。隣接するチャンネル間の、度単位で表わした相分離は、Ｎをチャネル数として、Δθ＝２π／Ｎによって決定される。従って、図２に例示する角度位置センサ内では、Ｎ＝６であることから、Δθ＝π／３である。図４に示す角度位置センサ機能ブロック図１００の中で、角度位置センサ１０は、水晶発振器１０２により生成された周波数Ｆｃを受信する。例えば、周波数Ｆｃは１ＭＨｚであってよい。使用される周波数は、他の実施形態において異なっていてよい。周波数Ｆｃはまた、複数のローカル発振信号ＬＯ1からＬＯNまでを生成するデジタル信号発生器１０４にも入力される。デジタル信号発生器１０４はまた、ゼロ度中間周波（ＩＦ）信号を表わす基準信号Ｓをも生成する。基準信号Ｓは、例えば２.２２ｋＨｚの周波数を有していてよく、そうでなければその他の適切な周波数を有していてよい。ローカル発振信号は、周波数Ｆｃとほぼ同じ周波数をもつ。しかしながら、これらは互いにΔθだけ位相オフセットされ、このΔθは、Ｎ＝６である場合６０度（すなわちπ／３）である。例えば、ローカル発振信号の各々は、ＬＯ1＝cosωcｔ−cos［ω0ｔ＋２π（ｉ／Ｎ）］という式で表わされ、式中、ωcは、送信信号の周波数であり、ω0は予め定められたＩＦである。
【００２０】
その間に、Ｎ個の受信信号Ｒ1〜ＲNが、角度位置センサ１０によって生成される。結合器パターン３４は、送信機１２と受信機１６の各ループアンテナ２２間での信号送信に対して干渉し、これを減衰させることから、受信信号は、結合器ディスク１４の角度位置に応じて異なる振幅を有する。例えば、各受信機（Ｒi）における信号振幅は、Ｒi（ｔ）＝Ａicos（ωcｔ）で定義される。なお式中、Ａi＝Ａcos［θ＋２π（ｉ／Ｎ）］である。換言すると、Ａが、結合器ディスク１４によりもたらされた可変の減衰に起因した送信機１２内の各ループアンテナ２２から送信される信号の絶対値である一方で、受信機１６内のループアンテナ２２により受信される信号の絶対値は相互に異なり、Ａi＝Ａcos［θ＋２π（ｉ／Ｎ）］によって求められ、結合器ディスク１４の角度位置（θ）に左右される。
【００２１】
受信信号Ｒ1〜ＲNは、ローカル発振信号ＬＯ1〜ＬＯNと混合される。最初に、対応するローカル発振信号はそれぞれ乗算器１０６、１０８および１１０において該受信信号に乗算されて、ＩＦ信号ＩＦ1〜ＩＦNが生成される。ミキサダウンコンバート作用に基づいて、ＬＯ、ＩＦおよびＲＦ（送信周波数）間の関係は、ＩＦ＝ＲＦ−ＬＯによって規定される。無損失ミキサであると仮定すると、各ＩＦ信号は、ＩＦi＝Ａicos［ω0ｔ＋２π（ｉ／Ｎ）］により表わすことができる。
【００２２】
上記ＩＦ信号は次に、信号の位相シフト変化が結合器ディスクの角度位置により依存するように加算増幅器１１２を用いて単一の正弦波信号へと、変換される。各チャネルによって受信する信号は、相互に比率的（ratiometric）であることから、送信信号の振幅の変動が、結果としての位相情報に影響を及ぼすことはない。増幅器１１２の出力における信号は、ＩＦ＝（１／２）Ａcos（ω0ｔ−θ）によって求められる。この式から、増幅器１１２の出力信号が、結合器ディスク１４の角度位置を表わす位相に関係した信号であり、したがって送信信号の振幅の変動には左右されないということがわかる。加算増幅器１１２の信号出力は、合成受信信号Ｒ（これもまた以下で「受信信号」と称することもある）を生成すべく、低域フィルタ／増幅器１１４および比較器１１６を通過させられる。
【００２３】
角度位置センサのＰＷＭ出力は、図４に示すようにＰＷＭ発生器１１８にて基準信号Ｓと受信信号Ｒとを比較することによって、生成される。ＰＷＭ発生器は、単にＲＳフリップフロップのようなフリップフロップであってよい。
【００２４】
図５を見ればわかるように、トルクセンサの差動容量性構造は、２つの同心リング２０２′および２０４′を有するプレートと、単一のリング２０６′を有するプレートといった２つの平行プレートを含み、直列に接続された２つのコンデンサＣ１およびＣ２を形成している。誘電率ｋを有する誘電体材料２０８′は、上記平行プレートの間に置かれ、コンデンサＣ１およびＣ２の容量値を変更すべく、その２枚のプレートの間を少なくとも半径方向に移動させられる。
【００２５】
図６および７に示されている通りの差動容量性トルクセンサの１つの構造においては、パドルアセンブリ２００は、１またはそれ以上の可動誘電性パドル２０８を含む。該パドルアセンブリ２００は、相互に実質的に同軸である第１の回転子２１２と第２の回転子２１４との間に加わるトルクに応じてパドルが半径方向に移動するように、これらの回転子２１２および２１４に結合されている。誘電性パドルがこれらの２つの実質的に同心の回転子の間で内側または外側に移動すると、Ｃ１およびＣ２の値は相応して変化する。一例を挙げると、誘電性パドルがＣ１領域内に移動すると、Ｃ１のキャパシタンスは増大し、Ｃ２は減少する。一方、誘電性パドルがＣ１領域から離れて、Ｃ２領域に向かって移動すると、Ｃ１のキャパシタンスは減少しＣ２のキャパシタンスは増大する。トルクセンサの出力は、例えば、信号条件づけ増幅器利得をGainとし、ゼロトルク位置に対する電圧補償をＶoffsetとすると、Ｖout＝Ｇain×（Ｃ１−Ｃ２）＋Ｖoffsetとして表わすことができる。
【００２６】
実際には、第１の回転子２１２は第１のシャフト（図示せず）の上に取付けられ、第２の回転子２１４は第２のシャフト（図示せず）上に取付けられるようになっており、ここで第１および第２のシャフトは、それらの間に埋込まれたトーションロッドを介して結合されている。第１の回転子２１２が、加わったトルクに起因して第２の回転子２１４に対して相対的回転させられたときに、パドルはこのトーションロッドが受けるトルクに相当する方向および距離だけ移動する。
【００２７】
図８に示すような容量センサ駆動部である標準的な「オフ・ザ・シェルフ」特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）が、容易に入手可能であり、適切な信号条件づけ回路を提供する。この回路は、電荷補償フィードバックループに基づいており、２つのキャパシタンスの合計に対する該２つのキャパシタンスの差をアナログ電圧へと変換する。このようなトルクセンサ出力を生成するためには当業者にとって既知のその他の適切な回路を使用することができる。
【００２８】
図５〜８の差動容量技術は、ロック−ツー−ロック位置からのステアリングの±２．５回転の間、ステアリングシャフト内部に埋込まれるトーションロッドの狭い角度変位を測定するための比較的単純なアプローチである。しかしながら、コンデンサの平行プレート構造は、プレート間の間隔における機械的許容誤差および温度変動効果に対して非常に敏感である。その関係は、例えば、Ｃ＝（ｋ・Ａ）／ｄとして表わすことができ、ここでＣはファラッドで表わされたキャパシタンスであり、Ａは面積、ｄは平行プレート間の距離（間隔）であり、ｋは間隔ｄを満たす要素の等価誘電率である。ｄのあらゆる変化は、キャパシタンス値を変動させることになる。例えば、キャパシタンスは、ｄが減少すると増大し、ｄが増加すると減少する。
【００２９】
かかるトルクセンサの標準的な線形性およびトラッキングの誤差は、１％ＦＳ（フルスケール）よりも優れている。０．５％ＦＳ線形性よりも優れている場合、または絶対誤差が望ましい場合には、線形化回路を用いて、センサの性能を改善すべきである。一例を挙げると、ＮＣＡＰＳは、センサの１回の全回転（３６０°の角度回転）に対して３６０の異なるデジタルコード（各々１°の角度回転に相当する）でデジタル化可能なＰＷＭ信号として、結合器の絶対角度位置を出力することから、各該コードを、トルクセンサの１°の回転に相当する基準角度位置アドレスとして使用することもできる。
【００３０】
図９に示すように、第１の実施例による角度−トルクセンサ３００は、角度位置センサブロック（「角度位置センサユニット」）３０２と、トルクセンサブロック（「トルクセンサユニット」）３０４と、線形化ブロック３０６と、温度補償ブロック３０８と、を含んでいる。
【００３１】
角度位置センサブロック３０２は、角度位置センサ（例えば、ＮＣＡＰＳ）３１０およびカウンタ３１２を含む。角度位置センサブロック３０２は、トルクセンサのための基準としても用いる９ビットデジタル出力からなる３６０°の絶対角度位置を出力する。例えば角度位置センサ３１０は、（例えば、ステアリングホイールの）角度位置を表わすＰＷＭ信号を生成する。記述した実施形態においては９ビットのカウンタであるカウンタ３１２は、入力としてＰＷＭ信号を受信し、そのＰＷＭ信号のパルス幅に対応する複数ビット（すなわち、９ビット）カウンタ出力を生成する。当然のことながら、他の実施形態においては、カウンタは、ＰＷＭ信号のパルス幅を表わすための出力として異なるビット数を用いることができる。さらに、その他の実施形態においては、角度位置センサは、角度位置を表わす異なるタイプの（すなわちＰＷＭ以外の）信号を出力することができる。
【００３２】
トルクセンサブロック３０４は、トルクセンサ３１４と、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３１６とを含む。トルクセンサ３１４は、（例えばステアリングホイール上で）ユーザが加えた応力（すなわち、トルク）を表わすアナログ出力を有する。ＡＤＣ３１６は、そのアナログ出力を１０ビットのデジタル出力に変換し、それをトルクセンサブロック３０４の出力として送出する。本明細書中のここでまたはその他の箇所で、「デジタル」という語は、対応するアナログ信号または出力をデジタル化することにより生成される信号または出力を意味するために用いられ、「デジタル化された」という語と互換的に使用可能である。その他の実施形態において、ＡＤＣは、１０以外のビット数の出力を有することができる。
【００３３】
線形化ブロック３０６は、トルクセンサブロック３０４により生成されたトルクセンサ出力を線形化するために使用される。記述された実施形態においては、角度位置センサブロック３０２およびトルクセンサブロック３０４は、９ビット出力および１０ビット出力をそれぞれ有することから、線形化ブロック３０６は１９ビットの入力を受信する。しかしながら、１°の分解能で３６０°の表示が望まれるならば、角度位置センサブロックの出力が少なくとも９ビットを有することを条件として、入力ビット数は他の実施形態において異なるものであってよい。
【００３４】
線形化ブロック３０６は、メモリ内に形成され、かつ線形化トルクセンサ出力値（すなわち、線形化補償値）をエントリとして有するルックアップテーブルを含み得る。これらのエントリは、選択用アドレスを形成するように組合わされた角度位置センサブロック３０２およびトルクセンサブロック３０４からのマルチビット出力（すなわち角度位置センサ出力およびトルクセンサ出力）に対応する線形化トルクセンサ出力値として出力されるべき入力ビット（すなわち、角度位置センサ出力およびトルクセンサ出力からの１９ビット）により選択される。
【００３５】
一例を挙げると、ルックアップテーブルにて実施される場合、線形化ブロック３０６は基本的に、トルクセンサ出力の線形化のための補償データを含むデータメモリである。角度位置センサ３１０からの９ビット出力がルックアップテーブルの上位のアドレスビットに接続され、トルクセンサからの１０ビット出力がルックアップテーブルの下位のアドレスビットに接続されている場合、線形化値は、例えば１ｋのデータメモリの３６０のセットのうちの１つから、選択可能である。ルックアップテーブル内でエントリを選択するために該上位および下位アドレスビットを組合わせることにより、各回転度に相当するトルクセンサの出力を補償するための１０ビット線形化値（すなわちコード）が出力されることになる。
【００３６】
線形化ブロック３０６は代替的には、角度位置センサブロック３０２の出力を用いて、デジタル化トルクセンサ出力を線形化するための論理回路を含むことができる。この論理回路は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ＡＳＩＣまたはそのあらゆる適切な組合せを用いて実現可能である。かかる線形化を行うために使用される論理は、当業者にとっては既知のものである。
【００３７】
温度補償ブロック３０８は、線形化ブロック３０６からの線形化されたトルクセンサ出力を受信し、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を提供する。温度補償ブロック３０８は、マルチビット（すなわち１０ビット）出力を生成するための温度補償回路３１８と、アナログ電圧信号Ｖoとして線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するようにそのマルチビット出力を変換するためのデジタル−アナログ変換器とを含む。
【００３８】
温度補償回路３１８はまた、温度を測定し、それをアナログまたはデジタル形態で出力するための温度センサブロック／回路３１９をも含んでいる。その他の実施形態においては、温度補償ブロック３０８は、（例えば図１２の温度センサ５０４およびアナログ−デジタル変換器５０６に類似した）温度補償回路３１８の外部にある温度センサを含んでもよい。
【００３９】
より詳細には、温度補償回路３１８は、線形化され温度補償されたトルクセンサの１０ビット出力を生成するため、温度に基づいて、デジタル化され線形化されたトルクセンサ出力を補償する。温度補償回路３１８は、例えばルックアップテーブルとしてメモリ内に、または（例えばマイクロプロセッサ、ＤＳＰおよび／またはＡＳＩＣを用いて実施された）論理回路として実現できる。かかる温度補償のために使用される論理は、当業者にとっては既知のものである。また、その他の実施形態では、出力ビット数は異なるものであってよい。ＤＡＣ３２０は、温度補償回路３１８からの１０ビット出力を受信し、それを線形化され温度補償されたトルクセンサ出力であるアナログ電圧信号Ｖoに変換する。
【００４０】
従って、温度補償ブロック３０８は、外部温度の一次関数（linear function）であるアナログ出力を送出する。記述した実施形態においては、温度補償ブロックは、外部温度の変動に対して補正した、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を共に出力するルックアップテーブルおよび温度センサにより構成される。各テーブルアドレスは、デジタルコード（すなわち、温度補償値）を含んでおり、該デジタルコードは、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を生成するために線形化ルックアップテーブルからの対応する線形化された値と共に使用される。換言すると、ルックアップテーブルのエントリは、角度位置センサブロック３０２からのマルチビット出力とトルクセンサブロック３０４からのマルチビット出力との組合せによりアドレスされる、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力値である。
【００４１】
実施例において、角度位置センサおよびトルクセンサとしてそれぞれ使用することのできるＮＣＡＰＳおよびＮＣＤＣＴＳトルクセンサは、２つの異なる理論に基づいている。ＮＣＡＰＳは、送受信機／ダウンコンバート技術に基づいており、ここに、送信周波数は例えば、１ＭＨｚであり、受信機ローカル発振周波数は、６０度の位相シフトで１ＭＨｚプラス２．２２ｋＨｚであり、ＩＦは、位相が結合器の角度位置に比例して変動する状態で２．２２ｋＨｚである。ＮＣＤＣＴＳは、受動的平行プレート差動コンデンサ技術に基づいており、ここに、例えば、信号条件入力Ｃ１およびＣ２からの１０ｋＨｚの信号が存在し、そして信号条件づけ回路の出力は、Ｃ１およびＣ２を結合した後の１０ｋＨｚ信号の振幅差の検出に基づいている。従って、単一のハウジングを用いて１つのパッケージ内へこれら２つのタイプのセンサを組合せることで、重大なクロストークおよび干渉の問題による影響は受けにくいものとなる。
【００４２】
図１０は、本発明による実施例における角度−トルクセンサ４００の部分断面図である。角度−トルクセンサ４００は、角度位置センサ機能とトルクセンサ機能との両方を果たすため、角度位置センサおよびトルクセンサの双方を含む。角度位置センサは、送信機３３２、受信機３３６およびこれらの間に配置された結合器３３４を含み、実質的に図１〜図４の角度位置センサと同じ要領で動作する。送信機３３２および受信機３３６は実質的に互いにおよび（例えば図１１に示す）ハウジングとの関係において実質的に固定されているものの、結合器３３４は、第１の回転子４１２が上部シャフト４２２に固定されこれと共に回転する場合、この第１の回転子４１２が回転するのに伴って受信機および送信機対の間で回転する。
【００４３】
図６〜図８のトルクセンサと実質的に同じ要領で動作するトルクセンサについては、上面にリングパターン４０２および４０４が配置されたプレート、およびリングパターン４０６を有するプレートが実質的に送信機３３２および受信機３３６と同じハウジングに固定されている。パドル４０８を有するパドルアセンブリが、リングプレート間で少なくとも半径方向にパドル４０８が移動するような要領で、第２の回転子４１４上に取付けられている。上部シャフト４２２および下部シャフト４２４はトーションロッド４１６を介して結合されており、パドルの位置は、回転子４１２および４１４の間の回転度によって決定されることから、トルクセンサは、上部シャフト４２２および下部シャフト４２４を有するステアリングコラム（すなわち、シャフトアセンブリ）に加わるトルクを測定する。
【００４４】
角度−トルクセンサ４００はまたプリント回路板（ＰＣＢ）３３８をも含み、該ＰＣＢ３３８は、アナログ位置検知ならびに出力およびトルク検知ならびに出力、さらにはトルクセンサ出力の線形化および温度補償に必要とされるものといった（ただしこれに制限されるわけではない）１またはそれ以上の信号処理機能を果たすための回路を担持する。
【００４５】
第１の回転子４１２および結合器ディスク３３４は、図１０では２つの分離した部品として示されているが、実際には、これらを単一の一体化された部品として形成することもできる。代替的には、結合器ディスク３３４を、第１の回転子４１２上に取付けるのではなく、むしろ上部シャフト４２２上に直接取付けてもよい。第１の回転子４１２および結合器ディスク３３４は、それらが単一の一体化された部品として形成されているのか、あるいは２つの分離した部品として形成されているのかに拘わらず、実質的に上部シャフトに固定され、それと共に回転されるべきである。
【００４６】
角度−トルクセンサ４００’の展開図が図１１に例示されている。角度−トルクセンサ４００’は、結合器ディスク３３４’を第１の回転子４１２’上ではなくむしろ上部シャフト（例えば、図１０の上部シャフト４２２）上に取付けることができるという点を除いて、図１０の角度−トルクセンサ４００と実質的に同じであってよい。
【００４７】
図１１を見ればわかるように、角度位置センサを形成するための送信機３３２、結合器ディスク３３４’および受信機３３６、ならびにそれぞれリング４０２、４０４および４０６を有するリングプレートそしてパドルアセンブリ４０１が、左右のエンドプレート４５２および４５４によって形成された同じハウジングの中に実装されている。エンドプレートは、締め具４５８（例えば、ネジまたはボルト）を用いてこれらを互いに締めつけるための所定数の穴４５６を有している。その他の実施形態においては、穴および締め具の代わりに、またはこれに加えてその他の適切なあらゆる締付け手段を使用することができる。エンドプレート４５２および４５４は各々、矩形の拡張部分を含んでいる。この拡張部分は、上面に信号処理回路が形成され取付けられたＰＣＢ３３８を囲むために用いられる。送信機３３２および受信機３３６、およびリングプレートは、それらが上部シャフトまたは下部シャフトと一緒に回転しないようにハウジングに実質的に固定される。
【００４８】
図１２は、本発明による第２の実施例における角度−トルクセンサの信号処理部分５００の機能ブロック図である。信号処理部分５００は、角度位置センサおよびトルクセンサの各出力を受信するためおよび１０ビットの線形化されたトルクセンサ出力（「線形化トルク出力コード」）５０７を生成するための線形化ブロック５０２を含む。
【００４９】
線形化トルクセンサ出力５０７は、温度補償ブロック５０８に送出される。温度補償ブロック５０８はまた、温度センサ５０４の温度出力を用いてＡＤＣ５０６により生成されたデジタル化温度信号を、受信する。線形化されたトルクセンサ出力５０７およびデジタル化温度信号を用いて、温度補償ブロック５０８は、線形化され温度補償されたデジタルトルクセンサ出力５０９を生成しこれをＤＡＣ５１０に出力する。図１２の各トルク出力の幅は、１０ビットである。その他の実施形態では、トルクセンサ出力は、１０以外のビット数を有し得るＤＡＣ５１０は、線形化され温度補償されたデジタルトルクセンサ出力５０９をアナログ電圧信号Ｖoに変換し、それを線形化され温度補償されたトルクセンサ出力として送出する。
【００５０】
実際には、線形化ブロック５０２はメモリ内のルックアップテーブルとして実現できる。ルックアップテーブルのエントリは、トルクセンサ出力を、１度の増分で０〜３５９度の間の各角度について線形化されたトルクセンサ出力としてマッピングするための線形化トルクセンサ出力値を表わすものであってよい。
【００５１】
図１２により記述された実施形態においては、ルックアップテーブルのエントリの１つを選択するため１９ビットのアドレスとして９ビットの角度位置センサ出力と１０ビットのトルクセンサ出力との組合せが使用される。このようにして、９ビットの角度位置センサ出力により指示された角度位置に応じて、ルックアップテーブルに入力される各１０ビットのトルクセンサ出力について、対応する１０ビットの線形化トルクセンサ出力を選択することができる。
【００５２】
同様にして、温度補償ブロック５０８はまた、メモリ内のルックアップテーブルとして実現することもできる。該ルックアップテーブルのエントリは、線形化トルクセンサ出力を、温度センサ５０４によって測定された温度に基づいて、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力としてマッピングするための線形化され温度補償されたトルクセンサ出力値を表わすものであってよい。ＡＤＣ５０６は、測定温度に対応するマルチビット（例えば、１０）出力を生成する。
【００５３】
図１２により記述された実施形態においては、マルチビットのデジタル化された測定温度と１０ビットのトルクセンサ出力との組合せが、ルックアップテーブルのエントリの１つを選択するためのアドレスとして用いられる。こうして、温度センサ５０４により測定された温度に応じて、ルックアップテーブルに入力される各１０ビットの線形化トルクセンサ出力について、対応する１０ビットの線形化され温度補償されたトルクセンサ出力を選択することができる。
【００５４】
図１３は、本発明による第３の実施例における角度−トルクセンサの信号処理部分６００の機能ブロック図である。信号処理部分６００は、角度位置センサおよびトルクセンサの各出力を受信し、１０ビットの線形化トルクセンサ出力を生成するための線形化ブロック６０２を含む。
【００５５】
線形化トルクセンサ出力６０７は、１０ビットのＤＡＣ６１０に送出される。線形化トルクセンサ出力６０７をアナログトルクセンサ出力に変換する間、ＤＡＣ６１０は、温度センサ６０４により生成された温度信号に対応するスケーリング増幅器６０６からのオフセット電圧を受信する。図１３におけるトルク出力の幅は１０ビットである。その他の実施形態においては、トルクセンサ出力は１０以外のビット数を有していてよい。ＤＡＣ６１０は、線形化トルクセンサ出力６０７をアナログ電圧信号Ｖoに変換し、それを線形化され温度補償されたトルクセンサ出力として送出する。図１２に示す第２の実施例における線形化ブロック５０２と実質的に同じ要領で、線形化ブロック６０２をメモリ内のルックアップテーブルとして実装することができる。
【００５６】
図１４は、本発明による第４の実施例での信号処理部分７００の機能ブロック図である。信号処理部分７００は、Ｎビットのデジタル化温度データとしてＡＤＣ７０４によって変換される温度データを生成するための温度センサ７０２を含む。信号処理部分７００はまた、角度位置センサ、トルクセンサの出力およびデジタル化温度データを受信し、１０ビットの線形化され温度補償されたデジタルトルクセンサ出力７０７を生成するための線形化および温度補償ブロック７０６をも含む。
【００５７】
線形化および温度補償ブロック７０６は、例えば，メモリ内に実装されたルックアップテーブルを含み得る。例えば、９ビットの角度位置センサ出力、１０ビットのトルクセンサ出力およびＮビットのデジタル化温度データを、線形化され温度補償されたトルクセンサ出力値を表わす、ルックアップテーブル内のエントリの１つを選択するための（１９＋Ｎ）ビットのアドレスとして、組み合わせることができる。
【００５８】
換言すると、ルックアップテーブルは、（補償されていない）各トルクセンサ出力を、温度センサ７０２によって測定された温度に応じてかつ角度位置出力（例えば、１度の増分で０〜３５９度）に基づいて、対応する線形化され温度補償されたトルクセンサ出力として、マッピングする。例えば、ルックアップテーブルは、全てのエントリを記憶するために、（１９＋Ｎ）×１ｋのサイズを有することができる。その他の実施形態においては、線形化および温度補償ブロック７０６は、かかる温度補償を行うための論理回路を含んでもよい。
【００５９】
線形化され温度補償されたデジタルトルクセンサ出力７０７は、１０ビットのＤＡＣ７１０に送出される。図１４においてトルク出力の幅は、１０ビットである。その他の実施形態においては、トルクセンサ出力は、１０以外のビット数を有することができる。ＤＡＣ７１０は、線形化され温度補償されたデジタルトルクセンサ出力７０７をアナログ電圧信号Ｖoに変換し、それを線形化され温度補償されたトルクセンサ出力として送出する。
【００６０】
以上、本発明のある種の実施例を詳細に記載し、添付図面中に示してきたが、かかる実施形態は広義の発明を単に例示するものであって、制限するものではないということを理解すべきである。従って、以上に記述された本発明の例示されたおよびその他の実施形態に対し、その広い発明力ある範囲から逸脱することなく、さまざまな修正を加えることができるということが認識されるであろう。以上のことから、本発明は、開示された特定の実施形態または配置に制限されず、むしろ、添付の特許請求の範囲およびその均価物により定義される通りの本発明の範囲および精神の範囲内に入るあらゆる変更、適合または修正を網羅するものとして意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例を実施するために使用できる角度位置センサの断面図である。
【図２】図１の送信機および受信機の両方の平面図である。
【図３】図１の結合器ディスクの平面図である。
【図４】本発明の実施例において、角度情報検知機能を実現するために使用できる角度位置センサの機能的ブロック図である。
【図５】本発明の実施例においてトルク検知機能を実現するために使用できる差動容量性センサ構造の概念図である。
【図６】本発明の実施例においてトルク検知機能を実現するために使用可能な誘電パドルアセンブリの機械的構造である。
【図７】図６の誘電性パドルアセンブリの部分断面図である。
【図８】標準的ＡＳＩＣ容量センサ信号条件づけ回路の回路図である。
【図９】本発明の第１の実施例による角度−トルクセンサの機能ブロック図である。
【図１０】角度位置センサ（例えば、ＮＣＡＰＳ）およびトルクセンサ（例えば、ＮＣＤＣＴＳ）技術を用いた角度−トルクセンサの部分断面図である。
【図１１】単一のパッケージ内に収容される角度−トルクセンサの機械的パッケージングの展開図である。
【図１２】本発明の第２の実施例による角度−トルクセンサの線形化／温度補償部分の機能ブロック図である。
【図１３】本発明の第３の実施例による角度−トルクセンサの線形化／温度補償部分の機能ブロック図である。
【図１４】本発明の第４の実施例による角度−トルクセンサの線形化／温度補償部分の機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０    角度位置センサ
１２    送信機
１４    結合器ディスク
１６    受信機
２２    ループアンテナ
３２    ディスク
３４    結合器パターン
１１８    ＰＷＭ発生器
２００    パドルアセンブリ
２１２    第１の回転子
２１４    第２の回転子
３００    角度−トルクセンサ
３０２    角度位置センサブロック（角度位置センサユニット）
３０４    トルクセンサブロック（トルクセンサユニット）
３０６    線形化ブロック
３０８    温度補償ブロック
３１０    角度位置センサ
３１２    カウンタ
３１４    トルクセンサ
３１６    アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）
３１８    温度補償回路
３１９    温度センサブロック／回路
３２０    デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）
３３２    送信機
３３４，３３４’    結合器
３３６    受信機
４００，４００’    角度−トルクセンサ
４０１    パドルアセンブリ
４１２，４１２’    第１の回転子
４１４    第２の回転子
４１６    トーションロッド
５０２    線形化ブロック
５０４    温度センサ
５０６    アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）
５０８    温度補償ブロック
５１０    デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）
６０２    線形化ブロック
６０４    温度センサ
６０６    スケーリング増幅器
６１０    デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）
７０２    温度センサ
７０６    線形化および温度補償ブロック
【図１】
2006113070.tif 000003
【図２】
2006113070.tif 000004
【図３】
2006113070.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006113070.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2006113070.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2006113070.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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