(57)【要約】  本発明は、回転角センサに関する。この回転角センサは複数のコンデンサプレートを有する少なくとも１つのコンデンサ（１４、１６）と、ディスク（６）として形成されている誘電体とを有しており、このディスク（６）は、複数のコンデンサプレートの間に配置されており、かつ、回転角度に応じて異なる大きさの面積割合をコンデンサプレートの間で占め、この回転角センサは、少なくとも１つのコンデンサ（１４、１６）のキャパシタンスの測定値に依存して回転角を特定するように構成されている。
2013516616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転角センサであって、当該回転角センサは複数のコンデンサプレートを有する少なくとも１つのコンデンサ（１４、１６、４０、４１、４８、５０、８６、８８、１０８、１１２）と、ディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）として形成されている誘電体とを有しており、
当該ディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）は、前記複数のコンデンサプレートの間で回転可能に配置されており、かつ、回転角度に応じて、前記複数のコンデンサプレートの間で異なる大きさの面積割合（５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２）を占め、
前記回転角センサ（２、２６、２８、７６、９６、９８）は、前記少なくとも１つのコンデンサ（１４、１６、４０、４１、４８、５０、８６、８８、１０８、１１２）のキャパシタンスの測定値に依存して回転角を特定するように構成されている、
ことを特徴とする回転角センサ。
【請求項２】
２つのコンデンサ（１４、１６、４０、４１、４８、５０、８６、８８、１０８、１１２）を有している、請求項１記載の回転角センサ。
【請求項３】
前記少なくとも１つのコンデンサ（１４，１６、４０、４１、４８、５０、８６、８８、１０８、１１２）の前記誘電体は円形ディスク（６、８、４２）として形成されており、
当該ディスク（６、８、４２）はシャフト（４、３０、３２、７８、１００、１０２）に固定されており、当該円形ディスク（６、８、４２）の中心点は、前記シャフト（４、３０、３２、７８、１００、１０２）の回転点から、０よりも大きい間隔を有している、請求項１または２記載の回転角センサ。
【請求項４】
前記２つのコンデンサ（１４，１６、４０、４１、４８、５０、８６、８８、１０８、１１２）は９０°ずらして配置されている、請求項２および３記載の回転角センサ。
【請求項５】
前記少なくとも１つのコンデンサ（１４、１６、４０、４１、４８、５０、８６、８８、１０８、１１２）の誘電体は星形ディスク（８２、１０６、１１０）として形成されており、
当該星形ディスク（８２、１０６、１１０）の中心点は、シャフト（４、３０、３２、７８、１００、１０２）の回転点上に配置されている、請求項１または２記載の回転角センサ。
【請求項６】
前記２つのコンデンサは、前記星形ディスク（８２、１０６、１１０）の２つの星先端部（９０）の間の角度よりも大きい角度で配置されている、請求項２および５記載の回転角センサ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載された第１および第２の回転角センサ（２、２６、２８、７６、９６、９８）を有しているトルクセンサであって、
前記回転角センサ（２、２６、２８、７６、９６、９８）の複数の誘電体として形成されている複数のディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）は、トーションバー（３４、１０４）を介して相互に接続されている、
ことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項８】
前記第１の回転角センサ（２、２６、２８、７６、９６、９８）によって第１のキャパシタンスを測定し、前記第２の回転角センサ（２、２６、２８、７６、９６、９８）によって第２のキャパシタンスを測定し、当該測定されたキャパシタンスの差から、前記複数の回転角センサ（２、２６、２８、７６、９６、９８）の前記複数のディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）の間の回転角の差を特定するように構成されている、請求項７記載のトルクセンサ。
【請求項９】
ディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）の回転角を特定するための方法であって、当該ディスクは誘電体として形成されており、少なくとも１つのコンデンサ（１４、１６、４０、４１、４８、５０、８６、８８、１０８、１１２）の複数のコンデンサプレートの間に回転可能に配置されており、
前記ディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）の回転角に応じて、当該ディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）によって前記複数のコンデンサプレートの間で異なる大きさの面積割合（５２、５４、５６、５８、６０、６２，６４、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２）が占められ、
前記回転角を、前記少なくとも１つのコンデンサ（１４、１６、４０、４１、４８、５０、８６、８８、１０８、１１２）のキャパシタンスの測定値に依存して特定する、
ことを特徴とする、ディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）の回転角を特定するための方法。
【請求項１０】
第１のディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）と第２のディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）との間のトルクを特定するための方法であって、
当該ディスクは、トーションバー（３４、１０４）を介して相互に接続されており、
当該第１のディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の第１の回転角センサ（２、２６、２８、７６、９６、９８）によって第１のキャパシタンスを求め、
当該第２のディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の第２の回転角センサ（２、２６、２８、７６、９６、９８）によって第２のキャパシタンスを求め、当該求められたキャパシタンスの差からトルクを特定する、
ことを特徴とする、第１のディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）と第２のディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）との間のトルクを特定するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転角センサ、トルクセンサ、回転角を特定する方法およびトルクを特定する方法に関する。
【０００２】
従来技術
トルクセンサおよび回転角センサの分野では、今日では通常である磁気測定方法が使用されている。この例は、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｂｏｓｃｈ  ＧｍｂＨのトルクセンサＴＳＳ−１である。ここでは、回転運動時に変化する磁界がホールセンサによって識別され、測定された信号が回転角信号またはトルク信号に換算される。このセンサは、殊に、高い角度解像度を特徴とする。これは一部では、０．０１°を下回る。
【０００３】
しかし、サイズおよび体積が大きい大量使用の場合には、このようなセンサに対して、高い製造コストが生じる。これは複雑かつ高価な部品によって、例えば、反対の極性を有するマグネットリング、または磁束のガイドに必要な金属性の磁束ガイドエレメントによって生じる。さらに、複雑な構造技術および接続技術も考慮されるべきである。なぜなら、測定を行うホール素子は、非常に高い位置付け精度によって、磁束の方へ向けられており、センサの全寿命にわたってこの位置が保持されなければならない。これによって、センサのドリフトが回避される。
【０００４】
角度差を検出するセンサ装置が文献ＤＥ１０２００５０３１０８６Ａ１号に記載されている。このセンサ装置は少なくとも１つの磁界に反応するセンサエレメントを含んでいる。このセンサエレメントによって、磁気回路の磁界情報が評価される。この磁気回路はマグネットホイールと歯を有する強磁性フラックスリングから成る。ここでこれらの歯は、放射方向におけるマグネットホイールの磁界情報の放射状タップへ向かって延在する。
【０００５】
発明の概要
このような背景に基づいて、独立請求項の特徴部分に記載された構成を有する回転角センサおよびトルクセンサ並びに回転角およびトルクを特定するための方法を提供する。従属請求項および明細書に、本発明の別の実施形態が記載されている。
【０００６】
本発明は殊に、回転角度に依存した誘電率の変化を介した容量性測定トルクセンサに関する。これは例えば、車両内の電子パワーステアリングのために使用され得る。
【０００７】
この容量性測定トルクセンサの測定原理は、コンデンサのコンデンサプレートの間に配置されている回転可能な誘電体の、回転角に依存する、通常は空間的な変化に基づく。ここから、誘電率εの変化が生じる。これは、誘電率とも称される。これによって、コンデンサのキャパシタンスが変化する。回転角は、コンデンサプレートの間に配置された、誘電体の面積割合に依存して特定される。
【０００８】
回転する誘導体を備えた、通常は、プレートコンデンサとして形成されているコンデンサの部品の形状に関して、種々の実施形態が可能である。これは殊に、通常は平らな、ディスクとして形成されている誘電体の形状に関する。さらに、シャフト上に固定されている軸へのディスクの固定も考慮される。通常、ディスクは自身の形状に依存して次のようにシャフトの軸に固定される。すなわち、ディスクが軸に対して垂直に、角度に依存した伸張を有するように固定される。ディスクの半径が、軸の回転点から出発して角度に依存していてもよい。従って、種々の形状のディスク、例えば円形ディスクを、回転点に非対称に固定することが可能である。ディスクが回転点に対称に固定されている場合には、ディスクが自身の中心点に関して、種々の、角度に依存した伸張ひいては半径も有することに留意されたい。
【０００９】
典型的に、回転角センサの少なくとも１つのコンデンサの、誘電体として形成されているディスクは、シャフトに固定されている。シャフトの回転角に依存して、少なくとも１つのコンデンサの誘電率およびキャパシタンスも変化する。従って、シャフトの回転角が、測定されたキャパシタンスを介して特定される。
【００１０】
上述のコンデンサを有する回転角センサの第１の実施形態では、シャフト上、ひいては軸上に、非対称に支承された、プラスチック等から成る丸いないしは円形のディスクが配置される。このディスクの両側には、コンデンサプレートが設けられている。シャフトの回転角度に依存して、ディスクの特定の面積割合がコンデンサプレートの間に配置され、この面積割合と角度との間の形式的および／または機能的な関係、例えば、誘電体の面積割合への回転角度の機能的な依存性が、測定および／または計算によって特定される。ここでは典型的に、軸の回転点から出発したディスクの角度に依存した拡りが考慮されるべきである。誘電体であるこのディスクは、空気とは異なる誘電率を有しているので、このコンデンサのキャパシタンスは面積割合に依存して、ないしは２つのコンデンサプレートの間のディスクの拡がりに依存して変化する。従って、測定可能なキャパシタンスはシャフトの回転角に依存する。
【００１１】
トルク測定のために、回転角センサとして形成されている２つの測定装置を備えたトルクセンサの実施形態が設けられている。これらの測定装置は、軸を有する２つのシャフト上に配置されている。この軸は通常は相互に同軸上に配置されており、トーションバーないしはねじりバネによって相互に接続されている。トルクセンサにトルクが加えられていない場合には、２つの測定システムないしは測定装置のキャパシタンスは、回転角に対して全く等しい。すなわち、測定量としてのキャパシタンス差はこの場合には零に等しい。しかし、シャフトにトルクが印加されると、トーションバーの設計に応じて２つの測定装置、ひいてはトルクセンサのシャフトが相対的に捻れる。従って回転角の差に依存して、２つの測定装置の間のキャパシタンスの差が測定可能である。測定された回転角のこのような差のレベルおよび／または位相ずれは、印加されているトルクの尺度である。通常は、トルクの特定のために設けられた回転角センサの２つのディスクは、同様にトーションバーを介して相互に接続されているシャフトを介して相互に、間接的にないしは非直接的に接続されている。
【００１２】
本発明によって、無接触測定方法が実行される。この方法は摩擦の影響をうけず、この方法によって騒音は生じない。設けられたこの測定装置は、小型の、頑丈な構造を有しており、低コストで製造可能である。なぜなら、磁気測定式システムと直接的に比較すると、磁石、ホールＩＣ、磁束ガイド等を用いる必要はなく、従って高価な素子が使用される必要がないからである。
【００１３】
測定装置、すなわち回転角センサまたはトルクセンサは、相対的に簡易な構造技術および接続技術を有している。トルクの特定時には、相対的な測定コンセプトが使用される。従って、周辺環境、例えば温度変化、湿気等は、キャパシタンスの評価されるべき差に対して役割を果たさない。
【００１４】
回転角センサを二倍にすることによって、冗長的に構成された装置が容易に提供される。電子ユニット、典型的に評価回路は、測定装置と空間的に分離可能である。従って、殊に、導電性ボーリングに関する問題は生じないであろう。
【００１５】
本発明の範囲において、許容可能な角度解像度を備えた、磁気的な測定原理に対して択一的な測定原理を有するトルクセンサが提供される。ここでは、測定されるべきキャパシタンスへの誘電率の影響が、コンデンサ装置によって、シャフトを中心に回転する装置の角度を検出するために利用される。この測定装置、典型的には少なくとも１つの回転角センサは、回転運動を検出する種々のセンサにおいて使用される。
【００１６】
本発明の回転角センサは、回転角を特定する上述した方法の全てのステップを実行するように構成されている。この方法の個々のステップは、この回転角センサの個々の構成要素によっても実行可能である。さらに、この回転角センサの機能またはこの回転角センサの個々の構成要素の機能は、回転角を特定する方法のステップとして実行可能である。さらに、上記の方法のステップを、上記の回転角センサの少なくとも１つの構成要素の機能として、または上記の回転角センサ全体の機能として実行することも可能である。典型的に、本発明のトルクセンサは少なくとも１つの、本発明の回転角センサを含んでいる。従って、このトルクセンサは、トルクを特定する方法のステップを実行するのに適している。同様に、トルクセンサの少なくとも１つの構成要素の機能を、トルクを特定する方法のステップとして実現することもできる。
【００１７】
明細書および添付図面から、本発明の別の利点および実施形態を導き出すことができる。
【００１８】
上記の特徴および後でさらに説明する特徴は、それぞれ示した組み合わせだけでなく、別の組み合わせまたは単独でも、本発明の枠を逸脱することなしに使用できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】２つの視点から見た、本発明による回転角センサの第１の実施形態の概略図
【図２】本発明によるトルクセンサの第１の実施形態の概略図
【図３】図２に示されたトルクセンサの概略的な断面図
【図４】トルクを特定する本発明の方法の第１の実施形態を実行した際の、図２および図３に示されたトルクセンサの概略図
【図５】トルクを特定する本発明の方法の第１の実施形態の細部を示した概略図
【図６】トルクを特定する本発明の方法の第１の実施形態のグラフを示した概略図
【図７】２つの視点から見た、本発明による回転角センサの第２の実施形態の概略図
【図８】本発明によるトルクセンサの第２の実施形態の概略図
【図９】図８に示されたトルクセンサの概略的な断面図
【図１０】トルクを特定する本発明の方法の第２の実施形態を実行した際の、図８および図９に示されたトルクセンサの概略的な平面図
【図１１】トルクを特定する本発明の方法の第２の実施形態の細部を示した概略図
【図１２】トルクを特定する本発明の方法の第２の実施形態に対するグラフ
【図１３】トルクを特定する本発明による方法の２つの異なる実施形態を比較するためのグラフ
【図１４】従来技術から既知のトルクセンサの例の概略図
【図１５】従来技術から既知のトルクセンサの細部を示した概略図
【実施例】
【００２０】
図面において、本発明を複数の実施形態に基づいて概略的に示しており、以下では図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２１】
図面の各図の内容は相互に一貫して包括的になっており、同一の参照番号は同一の構成要素を表す。
【００２２】
図１は、本発明による回転角センサ２の第１の実施形態の概略を平面図（図１ｂ）および側面図（図１ａ）で示している。ここでは、シャフト４上に、プラスチックから成る簡易な円形ディスク６が固定されている。ここでこのディスク６は、シャフト４と共通の軸ないしは共通の回転点を有している。この回転点は、ディスク６の中心点８に対して０よりも大きい間隔を有している。この実施形態ではこの間隔は、ディスク６の直径の約三分の一に相当する。通常、間隔は、ディスク６の直径の四分の一から半分の間で設定される。従ってシャフト４の回転時には、ディスク６は、軸１０を中心にした非対称回転を行う。
【００２３】
このディスク６の両側には、プラスチック等から成る、相互に平行に配置されている２つのプレート１２が設けられている。これら２つのプレート１２はここでハッチングで示されている金属領域を含んでいる。これらの金属領域は、ここではプレートコンデンサとして形成されている第１のコンデンサ１４Ｃ１と、ここではプレートコンデンサとして形成されている第２のコンデンサ１６Ｃ２の、平行に配置されたコンデンサプレートを形成する。従って、コンデンサ１４、１６のこれらのコンデンサプレートの間には誘電体が存在する。この誘電体は、空気の割合ないしは面積割合と、プラスチックから成るディスク６の割合ないしは面積割合とから成る。上述の割合は、シャフト４、ひいてはディスク６の回転運動時に変化する。コンデンサ１４、１６の、角度に依存した誘電率の特定のためには、角度に依存したディスク６の面積割合を考慮すればよい。ディスク６は空気の誘電率とは異なる誘電率を有するので、コンデンサ１４、１６のキャパシタンスは、プレート１２の間の空気とプラスチックとの面積割合に応じて変化する。プレート１２の面積と、プラスチックから成るディスク６の面積割合の面積との間の最小被覆時および最大被覆時それぞれにおいて、総体的な誘電率の変化は非常に僅かなものになる。従って、第２のコンデンサ１６Ｃ２は、第１のコンデンサ１４Ｃ１に対して９０°の角度で配置されている。
【００２４】
付加的に、インテリジェンスユニット１８が、信号処理のために設けられる。このインテリジェンスユニットはこの変化を評価するために常に、２つのコンデンサ１４、１６Ｃ１、Ｃ２の最大のキャパシタンス差を考慮し、用いる。図１ａにはさらに、捻れ安全ナット２０および金属ブッシュ２２が示されている。
【００２５】
図１に示されたトルクセンサ２では、軸１０の回転運動時に、誘電体の比が変化する。この比は、プレート１２の間のディスク６の面積割合によって特定される。空気は、例えばプラスチックの誘電率とは異なる誘電率を有しているので、非対称に支承されたディスク６の回転運動は、コンデンサ１４、１６のキャパシタンスの変化として測定される。
【００２６】
コンデンサ１４、１６のキャパシタンスには、Ｃ＝ε０×εｒ×Ａ／ｄが当てはまる。
【００２７】
ここでε０＝８．８５４１８７８１７６２Ａｓ／Ｖｍは電界定数であり、εｒＬｕｆｔ＝１．０００５９は空気の誘電率であり、εｒＡＢＳは、例えば使用可能なプラスチックＡＢＳの誘電率、約４．３であり、Ａはコンデンサ１４、１６のコンデンサプレートの面積であり、ｄは各コンデンサ１４、１６の対向するコンデンサプレートの間隔である。
【００２８】
本発明の１つの実施形態でトルクが測定されるべき場合には、回転角センサ２６、２８として形成されている２つの測定装置が、２つのシャフト３０、３２の上に設けられる。これらのシャフトは、トーションバー３４によって相互に接続されている。これら２つの回転角センサ２６、２８によって形成されているトルクセンサ３６が図２においては平面図で、図３においては断面図で示されている。上述の実施形態では、図１に示された回転角センサ２と類似した構造を有する回転角センサ２６、２８が使用される。さらに、トルクセンサ３６が図４において、平面図で概略的に示されている。
【００２９】
ここで第１の回転角センサ２６は、誘電体としてのフラットな円形ディスク３８を有している。これらのディスクは、ここではプレートコンデンサとして形成されている第１のコンデンサ４０と、ここではプレートコンデンサとして形成されている第２のコンデンサ４８（図４）との間に配置されており、これらのコンデンサは第１のシャフト３０の軸に対して相対的に９０°ずらされている。さらにディスク３８は、シャフト３０に非対称に支承されている。これと相応に、第２の回転角センサ２８は同様に、第２のシャフト３２に非対称に固定されているフラットな円形ディスク４２を有している。このディスクは、９０°ずらして配置されているコンデンサ４１、５０（図４）の間で非対称な回転運動を実行する。さらに、第１のシャフト３０は車両のステアリングギアと接続されており、第２のシャフトは車両のハンドルと接続されている。
【００３０】
ここで第１のシャフト３０にトルクが加わると、第１のシャフト３０上のディスク３８が、別の第２のシャフト３２上の第２のディスク４２に対して相対的に捻れる。ここでこの第２のディスク４２はプラスチックプレートとして形成されている。この第２のシャフト３２は、トーションバー３４を介して、第１のシャフト３０、ひいては第１のディスク３８と接続されている。回転のこのような相対的な変化によって、回転角度に関するキャパシタンスの測定可能な変化の位相シフトが生じる。この位相シフトは、トルクの量に対する尺度である。さらに、このトルクセンサ３６は、センサケーシング４４内に配置されている。このセンサケーシングは、シーリングリング４６によって、軸３０、３２に対して密閉されている。
【００３１】
温度変動および／または湿気による空気の誘電率の変化は測定に影響を与えない。なぜなら、トルクに対しては、第１のシャフト３０での第１のコンデンサ４０、４８と、第２のシャフト３２での第２のコンデンサ４１、５０との間の相対的な変化のみが影響を及ぼすからである。
【００３２】
図４には、既に図２および３においてに紹介されたトルクセンサ３６のトルクを特定する、本発明の方法の第１の実施形態を明確にするために、２つのシャフト３０、３２の方向における透視図が示されている。従ってこの透視図では、シャフト３０、３２並びに第１のコンデンサ４０、４１および、この第１のコンデンサに対して９０°ずらされている第２のコンデンサ４８、５０が、相互に重なって、ないしは相前後して示されている。図４は、２つの回転角センサ２６、２８の２つのディスク３８、４２が相互に完全に等しく配置されていないことも示している。この効果は、２つのシャフト３０、３２にトルクが加えられているときに生じる。
【００３３】
トルクを特定するための方法を実行するために、通常は、第１の回転角センサ２４のコンデンサ４０、４８、および第２の回転角センサ２８のコンデンサ４１，５０の、角度に依存したキャパシタンス値をあらわす、測定されたキャパシタンスに関する信号が、評価のために使用される。ここで、キャパシタンスの差ΔＣは、シャフト３０、３２の間にねじり（ここでは「＋３°のねじり」４９並びに「３°のねじり」５１）が存在する場合、最大になる。
【００３４】
実施形態では、第１の角度センサ２６によって、第１のコンデンサ４０のキャパシタンスＣ１Ｇおよび第２のコンデンサ４８のキャパシタンスＣ１Ａが使用される。第２の回転角センサ２８によって、第１のコンデンサ４１のキャパシタンスＣ２Ｇおよび第２のコンデンサ５０のキャパシタンスＣ２Ａが使用される。さらに、求められたキャパシタンスＣ１Ｇ、Ｃ１Ａ、Ｃ２Ｇ、Ｃ２Ａの比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇが使用される。ここで第１の比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇは、第２の回転角センサ２８の第１のコンデンサ４０のキャパシタンスＣ１Ａと、第１の回転角センサ２６の第１のコンデンサ４１のキャパシタンスＣ２Ｇとから形成される。第２の比ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇを形成するために、第２の回転角センサ２８の第２のコンデンサ３２のキャパシタンスＣ２Ａと、第１の回転角センサ２６の第２のコンデンサ４８のキャパシタンスＣ２Ｇが使用される。従って、上述の比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇを形成するために、シャフト３０、３２に関して相互に連続して、または完全に等しく配置されているそれぞれ２つのコンデンサ４０、４１、４８、５０のキャパシタンスが考慮される。しかし、評価のために常に最大の求められた比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇが使用される。
【００３５】
ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ＞ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇの場合にはΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇが評価時に使用され、ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ＜ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇの場合にはΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇが評価時に使用される。
【００３６】
さらに図５は、コンデンサ４０、４１、４８、５０の２つのコンデンサプレートの間の図２〜４に示されたディスク３８、４２の角度に依存した面積割合５２、５４，５６、５８、６０、６２、６４の例、ひいてはディスク３８，４２によるコンデンサプレートとの重なりを示している（ハッチングされている領域）。白い領域は、コンデンサプレートの間の空気の面積割合を示している。ここで第１の面積割合５２はシャフト３０、３２の間の−３°の回転角偏差に相応し、第２の面積割合５４はシャフト３０、３２の間の−２°の回転角偏差に相応し、第３の面積割合５６はシャフト３０、３２の間の−１°の回転角偏差に相応し、第４の面積割合５８はシャフト３０、３２の間の０°の回転角偏差に相応し、第５の面積割合６０はシャフト３０、３２の間の＋１°の回転角偏差に相応し、第６の面積割合６２は＋２°の回転角偏差に相応し、第７の面積割合６４は＋３°の回転角偏差に相応する。
【００３７】
図６のグラフは、横軸６６を含んでいる。この軸に沿って、０°〜３６０°の間の回転角度が記載されている。縦軸６８に沿って、求められたキャパシタンスＣ１Ａ、Ｃ２Ａ、Ｃ１Ｇ、Ｃ２Ｇの上述した比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇのうちの１つの振幅が記載されている。このグラフ内には、円０°に対する第１の曲線７０と、「＋３°のねじれ」４９に対する第２の曲線７２と、「−３°のねじれ」５１に対する第３の曲線７４とが示されている。
【００３８】
図７ａには、本発明の回転角センサ７６の第２の実施形態の側方から見た概略図が示されている。図７ｂは、同じ角度センサ７６の平面図を示している。ここでは軸８０を有するシャフト７８上に、対称の回転点を備えた、プラスチックから成る平らな星形のディスク８２が配置されている。この回転点は、シャフト７８の回転点ないしは軸８０にも相応する。このディスク８２の両側に、同じ大きさの、プラスチックから成るプレート８４が位置している。ここでこのプレート８４の金属領域は、プレートコンデンサとして形成されている２つのコンデンサ８６、８８とともに形成されている。従って、各コンデンサ８６、８８のコンデンサプレートの間には、誘電体が存在する。この誘電体は空気の割合と、プラスチックから成るディスク８２の割合とを有する。この割合は、シャフト７８、ひいてはディスク８２の回転運動時に変化する。プラスチックから成るディスク８２は空気の誘電率とは異なる誘電率を有するので、コンデンサ８６、８８のキャパシタンスは、コンデンサプレートの間の空気面積割合およびプラスチック面積割合に応じて変化する。コンデンサプレートの面積とプラスチックから成るディスク８２の面積との間の最小重畳および最大重畳時にそれぞれ、総体的な誘電率の変化が非常に僅かになるので、回転角センサ７６の配置に対して、２つのコンデンサ８６、８８が設けられる。これらはここでは、星形ディスク８２の２つの先端部の間の角度よりも大きい角度で相互に配置されている。さらに、信号処理のためのインテリジェンスユニット９２が設けられている。このインテリジェンスユニットは、最大のキャパシタンス差の変化を評価するために使用される。
【００３９】
回転角センサ７６のこの第２の実施形態では、第１の実施形態と比べて、位相相互の格段に高い変化率、ひいては比較し得る角度の場合にはキャパシタンスのより大きい差が得られる。これによって、回転角センサ２の第１の実施形態の場合よりも高い角度解像が得られる。
【００４０】
軸の回転運動時には、コンデンサプレートの間の誘電体の比が変化する。空気は、例えばプラスチックの誘電率とは異なる誘電率を有するので、回転運動によるコンデンサ８６、８８に対する星先端部９０の面積変化が、キャパシタンスの変化として測定される。
【００４１】
図８および９は、本発明のトルクセンサ９４の第２の実施形態の概略を、側方からの透視図と断面図で示している。トルクを測定するために、２つの回転角センサ９６、９８が２つのシャフト１００，１０２上の測定装置として設けられている。これらのシャフトは、トーションバー１０４によって相互に接続されている。これらの回転角センサ９６、９８は、図７に既に示された回転角センサ７６と同様の構成を有している。さらに図１０は、平面図でこのトルクセンサ９４を示している。概略的に示されている２つの測定装置は、それぞれ１つの、シャフト１００、１０２上に対称に支承されている、平らな、星形ディスク１０６、１１０と、コンデンサ１０８、１２０（図１０）、１１２、１２２（図１０）から成るそれぞれ２つの対から成る二重配置を有している。これらのコンデンサは相互に、角度をずらして配置されている。
【００４２】
ここで、ステアリングギアの第１のシャフト１００に配置されている第１の回転角センサ９６は、この第１のシャフト１００に対称に固定されている星形のディスク１０６を有している。第１のシャフト１００の回転時に、第１の回転角センサ９６のここではプレートコンデンサとして形成されているコンデンサ１０８、１２０（図１０）のコンデンサプレートの間のディスク１０６によって、キャパシタンスが変化する。第２の回転角センサ９８の星形ディスク１１０は第２のシャフト１０２に対称に配置されており、第２のシャフト１０２の回転時に、第２のコンデンサ１１２、１２２（図１０）のコンデンサプレート間で動く。これらのコンデンサは同様に、プレートコンデンサとして形成されている。ここで第２のシャフト１０２は、ハンドルと接続されている。２つの回転角センサ９６、９８はケーシング１１４内に配置されており、このケーシングは軸１００、１０２のシーリングリング１１６を介して密閉されている。ここで第１のシャフト１００にトルクが加わると、第１のシャフト１００上の星形ディスク１０６は、別の、第２のシャフト１０２上の星形ディスク１１０に対して相対的に捻れる。これらのシャフトは、トーションバー１０４を介して相互に接続されている。このような相対的な変化によって、回転角度に関するキャパシタンスの測定可能な変化の位相シフトが生じる。この位相シフトは、軸１００、１０２に加えられているトルクの量に対する尺度である。
【００４３】
図１０には、既に図８および９において紹介されたトルクセンサ９４のトルクを特定する、本発明の方法の第２の実施形態を明確にするために、２つのシャフト１００、１０２の方向からの透視図が示されている。従ってこの透視図では、シャフト１００、１０２並びに第１のコンデンサ１０８、１１２および、角度がずらされている第２のコンデンサ１２０、１２２が、相互に重なって、ないしは相互に連続して示されている。図１０は、２つの回転角センサ９６、９８の２つの星形ディスク１０６、１１０が相互に捻れていることも示している。これは、２つのシャフト１００，１０６にトルクが加わっているときに生じる。
【００４４】
トルクを特定するために、通常は、第１の回転角センサ９６のコンデンサ１０８、１２０、および第２の回転角センサ９８のコンデンサ１１２，１２２の、角度に依存したキャパシタンス値をあらわす、測定されたキャパシタンスに関する信号が、評価のために使用される。ここで、キャパシタンスの差ΔＣは、シャフト１００、１０２の間でねじれ（ここでは「＋３°のねじり」１２４並びに「−３°のねじり」１２６）が存在する場合に最大になる。
【００４５】
実施形態では、第１の角度センサ９６によって、第１のコンデンサ１０８のキャパシタンスＣ１Ｇおよび第２のコンデンサ１２０のキャパシタンスＣ１Ａが使用される。第２の回転角センサ９８によって、第１のコンデンサ１１２のキャパシタンスＣ２Ｇおよび第２のコンデンサ１２２のキャパシタンスＣ２Ａが使用される。さらに、求められたキャパシタンスＣ１Ｇ、Ｃ１Ａ、Ｃ２Ｇ、Ｃ２Ａの比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇが使用される。ここで第１の比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇは、第２の回転角センサ９８の第１のコンデンサ１１２のキャパシタンスＣ１Ａと、第１の回転角センサ９６の第１のコンデンサ１１８のキャパシタンスＣ２Ｇとから形成される。第２の比ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇを形成するために、第２の回転角センサ９８の第２のコンデンサ１２２のキャパシタンスＣ２Ａと、第１の回転角センサ９６の第２のコンデンサ１２０のキャパシタンスＣ２Ｇが使用される。従って、上述の比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇを形成するために、シャフト１００、１０２に関して相互に連続して、または完全に等しく配置されているコンデンサ１０８、１１２、１２０、１２２のキャパシタンスが考慮される。しかし、評価には、常に最大の、目下存在する比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇが使用される。
【００４６】
詳細には、例えば、ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ＞ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇの場合に、ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇが評価に使用される。ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ＜ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇの場合には、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇが評価時に使用される。
【００４７】
付加的に図１１は、図８〜１０に示された、コンデンサ１０８、１１２、１２０，１２２の２つのコンデンサプレートの間のディスク１００、１０２の角度に依存した面積割合、ひいてはディスク１００、１０２によるコンデンサプレートの重畳の例を示している（ハッチングされた領域）。白い領域は、コンデンサプレートの間の空気の面積割合を示している。ここで第１の面積割合１３０はシャフト１００、１０２の間の−３°の回転角偏差に相応し、第２の面積割合１３２はシャフト１００、１０２の間の−２°の回転角偏差に相応し、第３の面積割合１３４はシャフト１００、１０２の間の−１°の回転角偏差に相応し、第４の面積割合１３０はシャフト１００、１０２の間の０°の回転角偏差に相応し、第５の面積割合１３８はシャフト１００、１０２の間の＋１°の回転角偏差に相応し、第６の面積割合１４０は＋２°の回転角偏差に相応し、第７の面積割合１４２は＋３°の回転角偏差に相応する。
【００４８】
図１２のグラフは、横軸１４４を含んでいる。この軸に沿って、０°〜３６０°の間の回転角度が記載されている。縦軸１４６に沿って、求められたキャパシタンスＣ１Ａ、Ｃ２Ａ、Ｃ１Ｇ、Ｃ２Ｇの上述した比ΔＣ１Ａ／Ｃ１Ｇ、ΔＣ２Ａ／Ｃ２Ｇのうちの１つの振幅が記載されている。このグラフでは２つのディスク１０６、１１０が合同である場合の第１の曲線１４８と、「＋３°のねじれ」１２４の場合の第２の曲線１４９と、「−３°のねじれ」１２６の場合の第３の曲線１５１が示されている。
【００４９】
図１３のグラフは、横軸１５０を含んでいる。この軸に沿って０°〜３６０°の角度が記載されている。さらにこのグラフは、キャパシタンスに対する振幅が記載されている縦軸１５２を含んでいる。このグラフには円形ディスク３８、４２を備えたトルクセンサ３６（図２〜４）の第１の実施形態の場合のキャパシタンスの振幅に対する第１の曲線１５４と、トルクセンサ９４（図８〜１０）の第２の実施形態に対する第２の曲線１５６が示されている。従って、図１３に示されたこのグラフは、３６０°回転時の、図２〜４に示されたトルクセンサ３６の第１の実施形態および図８〜１０に示されたトルクセンサ９４の第２の実施形態に対する測定可能なキャパシタンスの基準信号の比較に用いられる。エッジ急峻性ひいてはキャパシタンス変化ないしは角度解像度は、星形に形成されたディスク１０６、１１０を誘電体として備えた第２の実施形態の方が高い。
【００５０】
図１４は、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｂｏｓｃｈ  ＧｍｂＨの磁気測定式トルクセンサ１５８ＴＳＳ−１の概略図を示している。
【００５１】
図１５は、概略的に、従来技術から公知のトルク測定装置１６０を示している。これはＮ極１６２とＳ極１６４とから成る磁石ユニット１６６と測定リング１６８とを含んでいる。このような装置１６０は例えば、図１４に示されたトルクセンサ１５８内で使用されている。
【図１ａ】
2013516616.tif 000003
【図１ｂ】
2013516616.tif 000004
【図２】
2013516616.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
2013516616.tif 000010
【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2013516616.tif 000015
【図１２】
2013516616.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年7月4日(2012.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転角センサであって、当該回転角センサは相対向して対をなすコンデンサプレートをそれぞれ有する２つのコンデンサ（８６、８８、１０８、１１２）と、ディスク（８２、１０６、１１０）として形成されている誘電体とを有しており、
当該ディスク（８２、１０６、１１０）は、前記対をなすコンデンサプレートの間で回転可能に配置されており、かつ、回転角度に応じて、前記対をなすコンデンサプレートの間で前記ディスク（８２、１０６、１１０）の占める面積割合（１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２）が変化し、
前記回転角センサ（７６、９６、９８）は、前記コンデンサ（８６、８８、１０８、１１２）のキャパシタンスの測定値に依存して回転角を特定するように構成されている、回転角センサにおいて、
前記ディスクは、放射状に等間隔に突出する複数の星先端部（９０）を有する星形ディスク（１０６、１１０）として形成されており、
当該星形ディスク（１０６、１１０）の中心点は、シャフト（７８、１００、１０２）の回転中心に対して非対称に偏心して固定されており、
前記２つのコンデンサは、前記星形ディスク（１０６、１１０）の隣り合う前記星先端部（９０）の間の角度よりも大きい角度で配置されている、
ことを特徴とする回転角センサ。
【請求項２】
第１および第２回転角センサとして、請求項１に記載された回転角センサ（７６、９６、９８）を有しているトルクセンサであって、
前記回転角センサ（７６、９６、９８）の複数の誘電体として形成されている複数のディスク（８２、１０６、１１０）は、トーションバー（１０４）を介して相互に接続されている、
ことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
前記第１の回転角センサ（７６、９６、９８）によって第１のキャパシタンスを測定し、前記第２の回転角センサ（７６、９６、９８）によって第２のキャパシタンスを測定し、当該測定されたキャパシタンスの差から、前記複数の回転角センサ（９６、９８）の前記複数のディスク（８２、１０６、１１０）の間の回転角の差を特定するように構成されている、請求項２記載のトルクセンサ。
【請求項４】
ディスク（８２、１０６、１１０）の回転角を特定するための方法であって、当該ディスクは誘電体として形成され、かつコンデンサ（８６、８８、１０８、１１２）の複数のコンデンサプレートの間に回転可能に配置され、
前記ディスク（６、３８、４２、８２、１０６、１１０）の回転角に応じて、当該ディスク（８２、１０６、１１０）によって前記複数のコンデンサプレートの間で占められる面積割合（１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２）が変化し、
前記回転角を、前記コンデンサ（８６、８８、１０８、１１２）のキャパシタンスの測定値に依存して特定する、方法において、
前記ディスクは、放射状に等間隔に突出する複数の星先端部（９０）を有する星形ディスク（１０６、１１０）として形成されており、
当該星形ディスク（１０６、１１０）の中心点は、シャフト（７８、１００、１０２）の回転中心に対して非対称に偏心して固定されており、
前記２つのコンデンサは、前記星形ディスク（１０６、１１０）の２つの星先端部（９０）の間の角度よりも大きい角度で配置されている、
ことを特徴とする、ディスク（８２、１０６、１１０）の回転角を特定するための方法。
【請求項５】
第１のディスク（１０６、１１０）と第２のディスク（１０６、１１０）との間のトルクを特定するための方法であって、
当該ディスクは、トーションバー（１０４）を介して相互に接続され、
当該第１のディスク（８２、１０６、１１０）を有する、請求項１項記載の第１の回転角センサ（７６、９６、９８）によって第１のキャパシタンスを求め、
当該第２のディスク（８２、１０６、１１０）を有する、請求項１項記載の第２の回転角センサ（７６、９６、９８）によって第２のキャパシタンスを求め、当該求められたキャパシタンスの差からトルクを特定する、
ことを特徴とする、第１のディスク（１０６、１１０）と第２のディスク（１０６、１１０）との間のトルクを特定するための方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
角度差を検出するセンサ装置が文献ＤＥ１０２００５０３１０８６Ａ１号に記載されている。このセンサ装置は少なくとも１つの磁界に反応するセンサエレメントを含んでいる。このセンサエレメントによって、磁気回路の磁界情報が評価される。この磁気回路はマグネットホイールと歯を有する強磁性フラックスリングから成る。ここでこれらの歯は、放射方向におけるマグネットホイールの磁界情報の放射状タップへ向かって延在する。
容量性の角度位置センサが、文献ＥＰ１３９６７０３Ａ２号から公知である。このセンサは、２つの円形容量性プレートと、誘電性材料から成る半円形のローターとを有している。ここでこのローターはシャフトに、このシャフトによって回転可能に配置されている。２つのプレートは、このシャフトに対して位置固定に配置されている。従って２つのプレートの間のキャパシタンスが、誘電性ローターの角度に依存した位置によって定められる。これによって同様に、シャフトの角度が特定される。
シャフトの速度および角度位置を特定するためのシステムが文献ＵＳ３４２１３７１号に記載されている。ここでも、シャフトの速度および角度位置が容量性に検出される。このために、このシステムは同様に、シャフトに位置固定に配置されたコンデンサの２つのプレートと、これら２つのプレートの間に配置された誘電性ローターとを有している。ここでこのローターは、シャフトに回転可能に固定されている。ここでこのローターは円形のディスクとして形成されおり、このローターは、ローターの中心点に対してずれている点でシャフトに固定されている。
文献ＷＯ９８／４３０４６Ａ２号には、容量性の回転角センサおよび角速度センサが記載されている。これは、所定のセンタリング角度を備えた、円扇形状の、相互に絶縁されている２つの電極を有している。これら２つの電極の間に、シャフト上にローターが配置されている。このローターはシャフトの回転軸に向けられている扇形状の少なくとも１つの羽根を有している。
トーションバーによって相互に接続されている第１の回転角センサと第２の回転角センサを有するトルクセンサは、文献ＪＰ６１０７６９２８Ａ号の構成要件である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
付加的に、インテリジェンスユニット１８が、信号処理のために設けられる。このインテリジェンスユニットはこの変化を評価するために常に、２つのコンデンサ１４、１６Ｃ１、Ｃ２の最大のキャパシタンス差を考慮し、用いる。図１ａにはさらに、捻れ安全ナット２４および金属ブッシュ２２が示されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
トルクを特定するための方法を実行するために、通常は、第１の回転角センサ２４のコンデンサ４０、４８、および第２の回転角センサ２８のコンデンサ４１，５０の、角度に依存したキャパシタンス値をあらわす、測定されたキャパシタンスに関する信号が、評価のために使用される。ここで、キャパシタンスの差ΔＣは、シャフト３０、３２の間にねじり（ここでは「＋３°のねじり」４９並びに「−３°のねじり」５１）が存在する場合、最大になる。
【国際調査報告】
2013516616.tif 000020
2013516616.tif 000021
2013516616.tif 000022
2013516616.tif 000023