(57)【要約】  筐体内に回転可能に取り付けられるとともに、入力軸と、出力軸と、入力軸および出力軸をともに接続するトーションバーとを有するシャフトアセンブリで用いるためのセンサ回路が提供される。シャフトアセンブリの周囲の筐体に取り付けられたＣＲコイルは励磁されて、電磁場を生成する。ＲＸコイルはシャフトアセンブリに取り付けられ、シャフトアセンブリとともに回転し、第１のコイルからの電磁場によって励起されたときに電気エネルギを生成するための電力回路に接続される出力を有する。電力回路は、入力軸と出力軸との間の角度を表わす信号を第１のコイルに返送する角度センサに電力を供給する。
2014511490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体内に設けられる回転シャフトアセンブリとともに用いるために、前記シャフトアセンブリは入力軸と、出力軸と、前記入力軸を前記出力軸に接続するトーションバーとを有し、前記入力軸と前記出力軸との間の角度を表わす出力信号を生成するセンサ回路は、
前記筐体に取り付けられるとともに、前記シャフトアセンブリの周囲に環状に配置されたＣＲコイルを備え、
前記ＣＲコイルは、周波数源によって励磁されると電磁場を生成し、
前記センサ回路は、
前記入力軸および前記出力軸のうちの一方の周囲に取り付けられるＲＸコイルをさらに備え、
前記ＲＸコイルは、前記ＣＲコイルからの電磁場によって前記ＲＸコイルが励磁されると電力を発生する電力回路に結合され、
前記センサ回路は、
前記電力回路により電力が供給されるとともに、前記入力軸および前記出力軸のうちの一方に取り付けられる角度センサをさらに備え、
前記角度センサは、前記入力軸と前記出力軸との間の角度を表わす前記ＣＲコイルへの出力信号を生成し、
前記センサ回路は、
前記ＣＲコイル上の前記出力信号を受けるとともに、前記入力軸と前記出力軸との間の角度を表わすセンサ信号を生成するセンサ出力回路をさらに備える、センサ回路。
【請求項２】
前記角度センサは、
少なくとも２つの逆巻ループを有するとともに、前記入力軸および前記出力軸のうちの一方の周囲に取り付けられる受信コイルを含み、
前記受信コイルは、前記ＣＲ回路からの電磁場内に位置付けられ、
前記角度センサは、
前記入力軸および前記出力軸のうちの他方に取り付けられる前記受信コイルの逆巻ループ数に対応した数のローブを有する導電性のカプラをさらに含み、
前記カプラは前記受信コイルの上方にあり、前記受信コイルからの電圧出力は前記受信コイルに対する前記カプラの角度位置の関数として変化し、
前記角度センサは、
前記入力軸および前記出力軸のうちの一方上に取り付けられるとともに、前記電力回路によって電力が供給される出力回路をさらに備え、
前記出力回路は、前記受信コイル上の前記電圧信号を入力信号として受信するとともに、前記ＣＲコイルへの前記センサ信号を生成する、請求項１に記載のセンサ回路。
【請求項３】
前記ＣＲコイルは、プリント回路基板上の導電配線を含む、請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記ＲＸコイルは、プリント回路基板上の導電配線を含む、請求項２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記受信コイルは、プリント回路基板上の導電配線を含む、請求項２に記載のセンサ。
【請求項６】
前記ＲＸコイルおよび前記受信コイルの双方は、プリント回路基板上の導電配線を含む、請求項２に記載のセンサ。
【請求項７】
前記カプラは、前記入力軸に取り付けられる、請求項２に記載のセンサ。
【請求項８】
前記ＲＸコイルおよび前記受信コイルの双方は、前記出力軸に取り付けられたプリント回路基板上の導電配線を含む、請求項２に記載のセンサ。
【請求項９】
それとともに回転するために前記シャフトアセンブリに固定された駆動ピニオンおよび前記筐体に回転可能に取り付けられた被駆動ピニオンと、
前記被駆動ピニオンの回転数および回転方向を表わすカウンタ信号を生成するカウンタ回路とをさらに備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記出力信号は、前記入力軸と前記出力軸との間の前記角度位置の関数として周波数が変化する、請求項２に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本出願は、２０１１年３月２日に出願された米国仮特許出願６１／４４８，２５６の優先権を主張し、その内容は参照によりここに引用される。
【０００２】
発明の背景
Ｉ．発明の分野
本発明は、概して、角度センサに関連し、より特定的には、入力軸と出力軸との間の角度センサに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＩＩ．関連技術の説明
自動車において用いられるタイプのステアリングシステムにおいて、ステアリングシステムは、典型的には、ステアリングホイールに接続された入力軸を含む。そして、入力軸はトーションバーを通して出力軸に接続され、次いで、出力軸はリンクを通して車輪へ機械的に接続される。したがって、ステアリングホイールの回転は、トーションバー、出力軸、および操舵リンクを通して、自動車の車輪を旋回させる。
【０００４】
多くの状況においては、ステアリング機構の入力軸と出力軸との間の角度偏差を決定することが、高く望まれる。入力軸と出力軸との間の角度偏差の度合い、すなわちトーションバーの角度偏差は、ステアリングホイールトルクおよびパワーステアリングによって与えられるアシスト量を決定するために、車両管理システムによって利用される。たとえば、停止またはほぼ停止したような場合、たとえば車両の駐車の状況下では、車両の回転は、典型的には、入力軸と出力軸との間に相対的に高い角度偏差を生成し、そのため、車輪を旋回させるために増加された電力アシストを必要とする。さらに、この偏差は、２０°を越えることはめったにない。
【０００５】
ステアリングの入力軸と出力軸との間の角度偏差に加えて、多くの状況においては、車輪の角度位置を知ることが望まれる。ステアリングホイールは典型的には３から４回転完全に回転することができるので、車輪の絶対角度位置を決定するために、回転数の追跡を続けることが必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ステアリングホイールの入力軸と出力軸との間の角度偏差を監視することが可能なシステムが知られている。これらの公知のシステムは、典型的には、ステアリングの入力軸と出力軸との間の角トルクを測定するトランスデューサを採用している。しかしながら、ステアリング出力軸は、最大３回転または４回転まで回転することができるので、公知の装置においては、ステアリングコラム内に、典型的にはリボンケーブルのような長い電気ケーブルを設けることが必要であった。ステアリングホイールの複数の回転に適合するために、リボンケーブルがステアリングコラムの周りに２〜３回巻きつくことができるように、十分なリボンケーブルが設けられていた。
【０００７】
しかしながら、この公知の解決法は、使用における完全な満足を証明するものではなかった。たとえば、長時間の使用の後に、電気コネクタが絡まってしまい、ステアリング入力軸と出力軸との間のケーブルと角度センサとの間において、電気接続をわなにかけたり（entrap）、破壊すらしたりする可能性がある。これが生じると、ステアリングシステムについてのトルクセンサの全体の動作が害されてしまう。
【０００８】
同様に、ステアリングホイールの複数回転の間に、車輪の角度位置を表わす出力信号を提供するシステムが知られている。しかしながら、これらの公知のシステムは、構成が過度に複雑でかつ効果であることが証明されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の概要
本発明は、公知の装置についての上述の欠点を克服する、トルクセンサおよび車輪位置センサを提供する。
【００１０】
要約すると、本発明においては、組み合わせ送受信コイルが、入力軸および出力軸の双方、ならびに入力軸と出力軸とをともに接続するトーションバーを含む車両のステアリングコラムの周りに、同心円状に取り付けられる。さらに、この送受信コイルは、車両に対して、したがってステアリングコラムに固定されている。
【００１１】
好ましくは、送受信コイルは、ステアリングコラムと同心円のコイル状ループを形成する導電配線を有するＰＣＢを備える。ＡＳＩＣのような電子回路が、送受信コイルに電気的に接続される。次いで、この受信コイルは、車両の全体の動作を制御するエンジン制御部（ＥＣＵ）に電気的に接続される。
【００１２】
そして、ＲＸコイルおよび受信コイルを含むフローティングＰＣＢは、第２のＰＣＢが第２の出力軸と同調して回転するように、出力軸に同心円状に取り付けられる。ＲＸコイルは、円形形状である。しかしながら、受信コイルは、少なくとも２つの逆巻きの受信コイルを含み、より好ましくは、出力軸の周りに同心円上に配置される８つほどの逆巻受信コイルを含む。ＲＸコイルおよび受信コイルの双方が第２のＰＣＢ上に形成され、かつ第２のＰＣＢが出力軸に接続されるので、受信コイルおよびＲＸコイルの双方は出力軸に同調して回転する。さらに、ＲＸコイルおよび受信コイルの双方は、ＡＳＩＣのような電子回路に結合され、第２のＰＣＢに取り付けられる。
【００１３】
導電性マルチローブカプラは、出力軸に取り付けられたフローティングＰＣＢ上の受信コイル上方に導電性カプラが存在するように、入力軸に取り付けられる。カプラと受信コイルとの間の角度は、入力軸と出力軸との間のトルク角を表わす。
【００１４】
動作中、固定ＰＣＢ上の送受信コイルは、たとえば２〜４メガヘルツの高周波数で励磁される。送受信コイルによって生成された電磁エネルギは、次いで、フローティングＰＣＢ上のＲＸコイルを励磁して、フローティングＰＣＢ上の回路に電力を供給する。フローティングＰＣＢは、入力軸と出力軸との間の角度位置を受信コイルの電圧の関数として決定するためのＡＳＩＣのような回路も含む。
【００１５】
そして、第２の回路は、固定ＰＣＢ上の送受信コイルについての送信周波数と同じ周波数によって変調された所定のボーレートで、デジタル出力信号を生成する。固定ＰＣＢ上の回路は、フローティングＰＣＢからの信号を復調して、車両ＥＣＵに所望の情報を提供する。
【００１６】
トルクセンサ、すなわち入力軸と出力軸との間の角度は、好ましくは誘導型センサによって検出されるが、ホールセンサのような他のタイプのセンサが、代替的に用いられてもよい。
【００１７】
フローティングＰＣＢ基板上の回路は、固定ＰＣＢからの電磁的伝送によって、完全に電力が供給され、データも固定ＰＣＢとフローティングＰＣＢとの間の電磁的伝送によって通信されるので、ステアリングコラムの複数回の回転を可能とするための、非常に長い電気コネクタの公知の要件は完全に回避される。その代わりに、本発明によって利用される唯一の電気接続は、固定ＰＣＢからの電気接続である。
【００１８】
車輪の実際の角度位置を決定するために、好ましくは、第１の歯車が、その歯車が入力軸または出力軸のいずれかと同調して回転するように、入力軸および出力軸のいずれかに取り付けられる。この歯車は、次いで、異なる数の歯を有する第２の歯車と噛み合う。これによって、第１および第２の歯車は、異なる回転速度で回転する。
【００１９】
位置センサは、双方の歯車の角度位置がいつでも決定できるように、歯車の各々と関連する。しかしながら、歯車は異なる回転速度で回転するため、第１の歯車の実際の角度位置、およびしたがって車輪の角度位置は、ステアリング入力軸および出力軸の複数回転数まで、センサによって精密に決定され得る。
【００２０】
本発明のより良好な理解は、添付の図面に関連して読まれる際に、以下の詳細な説明を参照することによって得られるであろう。ここで、類似の参照符号は、いくつかの図を通して、類似の部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の好ましい実施形態を示す側面である。
【図２】その立面図である。
【図３】好ましい実施形態の分解図である。
【図４】発明の動作を説明するブロック図である。
【図５】本発明の動作を説明する概略図である。
【図６】変調回路の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図７】固定ＰＣＢの一部分の概略図である。
【図８】ホイール位置センサの好ましい実施形態の一部分を示す立面図である。
【図９】ホイール位置センサの動作を説明するグラフである。
【図１０】デジタル信号について、フローティングＰＣＢから固定ＰＣＢによって受信される信号を説明するグラフである。
【図１１】アナログ信号について、フローティングＰＣＢから固定ＰＣＢによって受信される信号を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
発明の詳細な説明
まず、図１〜３を参照して、自動車において用いられるタイプのステアリングコラム１０が示される。ステアリングコラム１０は、ステアリングホイール１４に機械的に接続された入力軸１２と、車輪にリンク（図示せず）によって機械的に接続された出力軸１６とを含む。
【００２３】
入力軸１２および出力軸１６は、互いに軸方向に揃えられるとともに、トーションバー１８によって互いに機械的に接続される。トーションバー１８は、ステアリングホイール１４に印加されるトルクの量の関数として、入力軸１２を出力軸１６に対してやや回転させることができる。しかしながら、出力軸１６に対する入力軸１２の回転量は比較的小さく、典型的には２０度よりは大きくない。
【００２４】
図１〜図３をさらに参照して、固定プリント基板（ＰＣＢ）２０は、ステアリングコラム１２の周囲に同心円状に取り付けられ、好ましくは、トーションバー１８の一方端に隣接する。固定ＰＣＢ２０は、さらに、車両自体に対して固定され、したがって、ステアリングコラム１０に対しては動かない。
【００２５】
円形送受信ＣＲコイル２２は、ＣＲコイル２２がステアリングコラム１０と同心円であるように、固定プリント基板２０上に形成される。ＣＲコイル２２は、ＡＳＩＣのような電子回路２４に結合され、次いで、ケーブル２６によって車両用の電子制御ユニット２８に電気的に結合される。
【００２６】
図１〜図３をさらに参照して、フローティングＰＣＢ３０は出力軸１６に接続され、それによって、フローティングＰＣＢ３０は出力軸１６と同調して回転する。円形に巻かれたＲＸコイル３２は、活性化されたときに固定ＰＣＢ２０上のＲＸコイル２２がフローティングＰＣＢ３０上のＲＸコイル３２と誘導結合するような位置において、ＰＣＢ基板上の導電線によって形成される。好ましくは、コイル２２，２３は、互いに同心円状に揃えられる。少なくとも２つの逆巻ループ３６（図２）を有する受信コイル３４も、導電線によって、フローティングＰＣＢ３０上に形成される。
【００２７】
導電カプラ３８は入力軸１２に取り付けられ、それによってカプラ３８は入力軸１２に同調して回転する。さらに、このカプラ３８は、図３に示されるようなマルチローブ形状のような任意のさまざまな形状を取り得る。カプラ３８は入力軸１２と、出力軸１６に取り付けられるフローティングＰＣＢ３０とに取り付けられるので、カプラ３８とフローティングＰＣＢ３０との間の相対角度は、ステアリングホイール１４に印加されるトルクの量に比例する。
【００２８】
ここで図１〜図４を参照して、固定ＰＣＢのＡＳＩＣ２４は、たとえば２〜４メガヘルツの高周波で発振する発振器５０を含む。この発振器５０は、固定ＰＣＢ上のＣＲコイル２２に電気的に結合され、したがって、ＣＲコイル２２を励磁する。
【００２９】
ＣＲコイル２２によって生成された信号は、フローティングＰＣＢ３０上のＲＸコイルに誘導結合される。さらに、ＲＸコイル３２は、電力調整器５４を通してＡＳＩＣ５２に電気的に結合され、ＣＲコイル２２からの入射電磁放射を、フローティングＰＣＢ３０上のＡＳＩＣ５２に電力を供給するのに十分な電力に変換する。したがって、第２のＡＳＩＣ５２に電力供給するために、外部電力線は必要とされない。
【００３０】
フローティングＰＣＢ３０上の受信コイル３６は、入力信号として第２のＡＳＩＣ５２にも電気的に接続される。受信コイルは、偶数の逆巻ループ３６（図３）を含むので、受信コイル３６上の電圧は、フローティングＰＣＢ３０に対するカプラ３８の回転位置の関数として変化する。たとえば、受信コイル３２のゼロ電圧は、入力軸１２とステアリングコラム１０の出力軸１６との間のゼロ偏差を示し、一方、正電圧は入力軸１２と出力軸１６との間の一方の方向のトルクを示し、負電圧は入力軸１２と出力軸１６との間の逆回転方向のトルクを示す。
【００３１】
図５を参照して、固定ＰＣＢ２０上のＣＲコイルからの電磁放射の伝達によって第２のＡＳＩＣ５２に電力供給するための１つのスキーム、すなわち、ジョルディ・サクリスタン・リケルメ・システム（Jordi Sacristan-Riquelme system）が示される。図４に示される回路は一目瞭然であるが、要するに、第１のＡＳＩＣ２４上の発振器５０がその共振周波数でＬＣ回路にエネルギを供給して、電磁放射が生成される。その放射は、ＲＸコイル３２に含まれるＬＣ回路によって検出されて、第２のＡＳＩＣに電力が供給される。
【００３２】
図６を参照して、第２のＡＳＩＣ５２は、たとえば５０，０００Ｈｚの所定のボーレートで、固定のデジタル信号を生成して固定ＰＣＢ基板２０へ戻すようにプログラムされる。たとえば、図６に示されるように、図４に示される電力回路からの電力は、変調回路６２に電力供給するためにポート６０に結合される。スイッチ６４は、発振器５０と同じ周波数で開閉されて、ＲＣネットワークに選択的に電力を供給する。しかしながら、データ入力ポート６６は、たとえば５０Ｋの変調周波数で第２のスイッチ６８を制御して、ＲＣネットワーク内のキャパシタＣｍｏｄを選択的に接地する。次いで、これは固定ＰＣＢ２０上の送受信ＣＲコイル２２によって受信される振幅を変化させる。
【００３３】
図１０に示されるように、ＡＳＩＣ２の出力がデジタルの場合には、データはＲＦＩＤと同様に、固定ＰＣＢへ送り返される。バイナリデータのシーケンスは、ＩＥＥＥ８０２．３で波形にコーディングされ、立上り端は「１」を表わし、立下り端は「０」を表わす。そして、波形は、図６に示される回路を通して信号へと振幅変調される。ＡＳＩＣ１は逆の順序でデータをデコードし、すなわち、図７に示される回路を用いて、コーディングされた波形に信号を復調し、その後、その波形をバイナリデータシーケンスにデコードする。
【００３４】
図１１に示されるように、ＡＳＩＣ２の出力がアナログの場合には、結果はまずＰＷＭ波形に変換され、ここでデューティサイクル（図に示されるｔｄ／ｔｐ）は、ねじれ角を表わす。たとえば、５０％のデューティサイクルは、入力軸を出力軸との間にねじれ角がないことを示す。５０％よりも少ないデューティサイクルは一方向へのねじれ角を示し、５０％より大きいデューティサイクルは他方向へのねじれ角を示す。そして、ＰＷＭ波形は、図６に示される回路を用いて信号へと振幅変調される。ＡＳＩＣ１は、図７に示される回路を用いて、さらなる信号処理のために、その信号をＰＷＭ波形に復調する。
【００３５】
回路は、入力軸と出力軸との間の角度の大きさおよび方向を出力するようにプログラムされたプロセッサを含み得る。
【００３６】
図７を参照して、固定ＰＣＢ基板上のＡＳＩＣ２４は、減衰器７０を介してＣＲコイル２２の信号を受信し、その後、その信号をバンドパスフィルタ７２および増幅器７４を通して、ライン２６上のデータ出力信号としてＥＣＵ２８へと結合する。
【００３７】
第１の歯車上のトルクセンサおよび角度センサの双方として誘導型センサが用いられる場合、それらは、同じ送信器および同じ導電カプラを共有し得る。そのような構成は、部品を節約するとともに、それら２つのセンサ間の可能性のある干渉を完全に排除する。
【００３８】
上記の記載から、本発明が自動車のステアリングコラムのようなトーションバーによってともに接続された２つの回転要素のための効果的なトルクセンサを提供する、ということが理解することができる。センサの回転部、すなわちフローティングＰＣＢは、固定ＰＣＢ２０からの入射放射によって完全に電力供給されるので、フローティングＰＣＢ３０上のＡＳＩＣ５２に電力供給するための外部配線は必要とされない。
【００３９】
また、入力軸１２と出力軸１６との間の相対角度についてのセンサは誘導型センサとして記述されたが、本発明の精神から逸脱することなく他のセンサが用いられてもよいことも理解されるであろう。たとえば、入力軸１２と出力軸１６との間の角度を検出するために、ホール効果センサが代替的に用いられてもよい。さらに他のタイプのセンサが、代替的に用いられてもよい。
【００４０】
図８を参照して、自動車のステアリングホイールのような多くの用途において、出力軸１６は、多くの回転数回転し得る。車輪の実際の角度位置を決定するために、出力軸１６の瞬間的な角度位置だけでなく、既知の位置からの出力軸１６の回転数についても知ることが必要である。
【００４１】
出力軸１６の回転数を決定するために、第１のピニオン８０が出力軸１６（または、入力軸１２）に取付られ、ピニオン８０は出力軸１６と同調して回転する。このピニオン８０は、さらに、既知の所定の歯数を有する。
【００４２】
第１のピニオン８０は、車両の固定軸周りに回転可能な第２のピニオン８２と噛み合う。しかしながら、第２のピニオン８２は第１のピニオン８０とは異なる歯数を有しており、それによって、ピニオン８０，８２は異なる回転速度で回転する。
【００４３】
図９に最もよく示されているように、２つのピニオン８０，８２の実際の角度位置が、複数の回転、たとえば４回転にわたって示される。図８に示されるように、ピニオン８０，８２の双方の実際の角度位置は、出力軸１６の所定の全回転数において同じである。
【００４４】
任意の従来型のセンサであり得るセンサ８４が、ピニオン８０，８２に動作可能に結合され、センサ８４は、ピニオン８０，８２の双方の回転角度をいつでも決定することができる。任意の与えられた時間におけるセンサ８０，８２の位置が与えられると、適当なプロセッサによってプログラムされた図８に示されるチャートから、出力軸１６の実際の角度位置および回転数を決定することができる。
【００４５】
したがって、図１〜図６に示されたトルクセンサと図７〜図８に示された位置の双方を用いて、自動車のステアリングシステムからの全ての所望の情報が、エンジンＥＣＵによる使用のために決定され得る。
【００４６】
本発明が説明されたが、添付の特許請求の範囲の精神または範囲から逸脱することなく、当業者にはその多くの変更が明らかであろう。
【図１】
2014511490.tif 000003
【図２】
2014511490.tif 000004
【図３】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014511490.tif 000010
【図９】
2014511490.tif 000011
【図１０】
2014511490.tif 000012
【図１１】
2014511490.tif 000013
【国際調査報告】
2014511490.tif 000014
2014511490.tif 000015