(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する機械的な構成部分（３，７；１４）における回転角度及び／又はトルクを検出するためのセンサ装置であって、信号発生部材（８，１０；１６）と信号検出部材（９，１１；１７）とを備えており、この場合、信号発生部材（８，１０；１６）がそれぞれ可動な機械的な構成部材（３，７；１４）に固定されている形式のものにおいて、
回転する構成部分に外軸（３）としてのトーション軸が形成されていて、このトーション軸の一方の端部の領域（２）にトルクが作用し、端面側の他方の端部の領域（５）でトルクが取り出し可能であって、この場合、内軸（７）が外軸（３）に対して同心的に配置されていて、前記内軸（７）の一方の端部が、トルクのインプットの領域（２）内で前記外軸（３）に固定されており、
外軸（３）及び内軸（７）の端面側の端部に、信号発生部材（８，１０）が配置されていて、この信号発生部材に、それぞれ１つの定置の信号検出部材（９，１１；１７）が配属されていることを特徴とする、回転角度及び／又はトルクを検出するためのセンサ装置。
【請求項２】
信号発生部材としての少なくとも１つの磁石（８，１０；１６）と、信号検出部材（９，１１；１７）としての少なくとも１つのセンサ（９，１１；１７）とを有しており、該センサが、磁石（８，１０；１６）の磁力線方向に関連した電気的なアウトプット信号を発信するようになっており、外軸（３）及び内軸（７）の端面側の端部に、半径方向に向けられた磁界を有する磁石（８，１０）が配置されており、該磁石（８，１０）に対応して、有利には軸線上にそれぞれ１つの定置の磁界感応式のセンサ（９，１１；１７）が配置されている、請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
内軸（７）に設けられた一方の磁石（８）が、トルクのインプットにおける領域（２）の回転角度を検出するために半径方向の磁界を生ぜしめ、外軸（３）に設けられた他方の磁石（１０）が、第１の磁石（８）の外側でトルクのアウトプットの領域（５）の回転角度を検出するために配置されていて、別の半径方向の磁界を生ぜしめ、
トルクの作用下における磁界の互いに相対的な回転を測定可能であって、この場合、回転角度がトルクに比例している、請求項２記載のセンサ装置。
【請求項４】
外軸（３）の端面側の端部に、別の回転する構成部分（１４）のための駆動装置（１５）が配置されており、該駆動装置によって、軸（３，７）の、３６０゜よりも大きい回転が検出可能である、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記別の構成部分（１４）の回転の検出が、同様に磁界感応式のセンサ装置（１６，１７）によって行われる、請求項４記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記駆動装置（１５）が歯車駆動装置（１５）であって、該歯車駆動装置において、別の構成部分（１４）の外周部における歯数と外軸（３）における歯数とが異なっている、請求項４又は５記載のセンサ装置。
【請求項７】
センサ（９，１１；１７）が磁気抵抗式センサであって、該磁気抵抗式センサは、その磁界感応式の層が角度変化の原因となる軸（３，７；１４）の回転に対して接線方向に位置するように、磁石（８，１０；１６）の磁界内に配置されている、請求項２から６までのいずれか１項記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記センサ（９，１０；１７）が、磁気抵抗式のＡＭＲセンサ又はＧＭＲセンサであって、該センサは、回転可能な軸（３，７；１４）に接続された磁石（８，１０；１６）の磁力線方向に主に関連した信号を発信するようになっており、
評価回路（１２）で、この評価回路からそれぞれ内軸及び外軸（３，７）の絶対回転角度が検出可能であって、また、相対的な回転角度から、作用するトルクが検出可能である、請求項７記載のセンサ装置。
【請求項９】
内軸及び外軸（３，７）が、自動車のステアリングシャフトに取り付けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ装置。
【請求項１０】
内軸及び外軸（３，７）が、モータの軸内に組み込まれている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、特に軸又はシャフトにおける回転角度及び／又はトルクを検出するためのセンサ装置に関する。
【０００２】
アメリカ合衆国特許第５５０１１１０号明細書によれば、軸上で伝達されるトルクを検出するセンサ装置が公知である。トルクは、軸の幾何学形状及び材料に基づく弾性係数及び軸端部の回転角度ずれ若しくはトーションにより規定される。この場合、２つの磁石と、これらの磁石に向き合って配置されたそれぞれ１つのホールセンサとが偏心的に、それぞれ軸を備えた回転する２つのディスクの外周部に取り付けられている。
【０００３】
例えば、ステアリングホイールの回転中に自動車のステアリングホイールシャフトに作用するトルクを検出するために、ステアリングホイールの両回転方向での非常に小さい角度変化を測定する必要がある。回転するステアリングホイールシャフトにおけるトルクは、自動車の多くの調整及び制御課題のためのキー値であって、原則的に、公知の種々異なる形式で検出される。例えばこれは、渦流原理によるセンサ装置、又は溝付きディスク（Ｓｔｒｉｃｈｓｃｈｅｉｂｅ）とＣＣＤチップとから成る光学装置によって構成することもできる。
【０００４】
従来技術により公知の、冒頭に述べた形式の原理によるセンサ装置においては、特に、磁石の極を配置する場合の公差によって生じる回転変調によって、比較的大きい測定誤差が生じ得る、という危険性がある。さらに回転する軸の信号検出時においても信号伝達は困難である。これは適用に応じて、回転伝達部材又は研削リングによって解決されるが、コストがかかり、しかも故障しやすい。
【０００５】
発明の利点
冒頭に述べた形式の、回転する機械構成部分における回転角度モーメント及び／又は回転モーメントを検出するためにセンサ装置は、請求項１の特徴に従って有利な形式で、回転する構成部分に外軸としてのトーション軸が形成されていて、その一方の端部にトルクが作用するようにしたことによって、改良された。外軸の端面側の他方の端部の領域では、トルクが取り出し可能であって、この場合内軸が外軸に対して同心的に位置していて、内軸の一方の端部が、トルクのインプットの領域内で外軸に固定されている。外軸及び内軸の端面側の端部には、本発明に従って有利な形式で信号発生部材が配置されており、この信号発生部材にはそれぞれ１つの定置の検出部材が対応配置されている。
【０００６】
有利な実施例によれば、一方の磁石が信号発生部材として、トルクのインプットにおける回転角度を検出するための内軸に配置されていて、軸の軸線に延びる半径方向の磁界を生ぜしめる。この場合、外軸に配置された信号発生部材としての他方の磁石は、有利な形式でトルクのアウトプットの回転角度を検出するために、磁石の外側で内軸に対して同心的に配置されている。これによって別の半径方向の磁界が生ぜしめられるので、トルクの作用によって互いに相対的な磁界の回転が測定可能であって、この場合、回転角度はトルクに比例している。
【０００７】
検出部材若しくはセンサは、簡単な形式では磁気抵抗式のセンサ、例えばいわゆるＡＭＲセンサ又はＧＭＲセンサ（ＡＭＲ＝Anistrop-magnetoresistiv:異方性磁気抵抗式、ＧＭＲ＝Giant-magnetoresistiv:巨大−磁気抵抗式）であってよい。このセンサは、回転可能な軸に結合された磁石の磁力線方向にほぼ関連した信号を発信し、角度変化の原因となる軸の回転に対して磁気反応式の層が接線方向に位置するように、配置されている。
【０００８】
これらの信号から、有利な評価回路においてそれぞれ内軸及び外軸の絶対的な回転角度が検出され、また前述のように相対的な回転角度から、作用するトルクが検出される。内軸及び外軸が自動車のステアリングシャフトに取り付けられていれば、本発明の特に有利な使用形式が得られる。
【０００９】
さらにまた、外軸の端面側の端部に、別の回転構成部分のための駆動装置が、軸の軸線に対して偏心的又は同心的に取り付けられていれば、有利である。これによって簡単な形式で、外軸若しくはステアリングシャフトの３６０゜以上の回転も検出して、評価することができ、この場合、別の部材の回転の検出は、同様に磁気反応式のセンサ装置によって行うことができる。必要な駆動装置は有利には歯車駆動装置であってよい。この歯車駆動装置においては、別の部材の外周部における歯数は外軸の歯数とは異なっていて、それによって全回転のための確実な信号が提供される。
【００１０】
要約すれば、特に磁石中心とセンサエレメントとを軸の軸線上に位置決めすることによって、軸における同軸的な角度測定を伴う本発明によるセンサ装置のための一連の利点が得られる。それぞれの磁界方向を両方で測定することによって簡単な形式で、２つの磁界方向測定の比較に基づく、例えばステアリングホイールの回転する部材の角度の誤差監視が可能である。
【００１１】
自動車に使用する場合においても、評価エレクトロニクスはコンパクトなケーシング内にモジュール式に簡単に組み込むことができる。何故ならば特に、付加的な摩擦モーメントなしに、トルク及びステアリングホイール角度（＞３６０゜）を無接触で測定することがケーシングが構成され、このケーシングは湿気に対して強く、センサケーシングをエレクトロニクスと共に簡単に交換することができる。
【００１２】
この場合、本発明によるセンサ装置によって実施される角度測定は、多くの無接触測定法によって行うことができ、磁界方向測定に制限されるものではない。測定は、多くの回転する構成部分において実施することができる。例えば、自動車に使用する場合に、例えばステアリングホイール角度、ホイール角度、角速度、角加速度及びトルクの信号を発信するために、車室内のステアリングホイールのステアリングギア、ディファレンシャル又は軸において使用することができる。
【００１３】
本発明の有利な実施態様の、以上の特徴及びその他の特徴は、請求項、詳細な説明及び図面に記載されており、この場合、角特徴はそれぞれ単独でも、又は本発明の実施例において複数を組み合わせた形式でも、またその他の分野においても実現することができ、また保護されるべき有利な構成を成すものである。
【００１４】
図面
本発明によるセンサ装置の実施例を以下に図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は、回転する構成部分に作用するトルクを検出するためのセンサ装置を備えた自動車用のステアリングギヤの断面図、
図２は、ステアリングシャフトの全回転の付加的な検出装置を備えたステアリングギヤの内軸及び外軸の端面側の端部の部分図である。
【００１６】
実施例の説明
図１には、概略図でステアリングギヤ１が示されており、このステアリングギヤ１は、回転可能な接続部２を介して、トルクを伴う舵取り運動によって負荷される（トルクインプット）。ステアリングギヤ１には外軸３が形成されており、この外軸３はトーション領域４を有していて、回転運動をガイドロッド６に伝達するための接続部分５を備えており、この接続部分で、舵取り運動のトルクが相応に形成された伝動装置によってさらに伝達される（トルクアウトプット）。
【００１７】
図１によれば、ステアリングギヤ１内には内軸７が設けられていて、この内軸７は接続部分２に堅固に固定されている（トルクインプット）。内軸７の端面側の端部には磁石８が設けられており、この磁石８の半径方向の磁界内にセンサ９例えばＡＭＲセンサが配置されている。外軸３の端面側の端部には磁石１０が設けられていて、この磁石１０の半径方向の磁界は第２のセンサ１１によって検出される。
【００１８】
センサ９及び１１は、電子式の評価回路１２に接続されており、この評価回路１２によって、磁界の方向及びひいては回転位置に関連した、センサ９，１１の信号が評価される。評価回路１２内の個別の構成部分及びその機能について、本発明を理解するために本明細書にその詳細を記載する必要はない。評価回路１２のアウトプット信号は、電気的な差込み接続部１３を介して、自動車の車載エレクトロニクスに接続するために提供される。
【００１９】
図１に示したステアリングギヤ１に作用する舵取り運動において、トルクが、接続部分２に位置する（トルクインプット）外軸３の領域と、他方の端面側の端部に位置する（トルクアウトプット）領域５とに加えられることによって、ねじり角度（外軸のトーション角度）が生ぜしめられる。この場合、外軸３の磁石１０は、いわゆるトルクアウトプットにおける外軸の領域５と同じ程度だけ回転せしめられる。しかしながら内軸７と、内軸７の磁石８とは、いわゆるトルクインプットにおける外軸３の領域２と同じ程度だけ回転せしめられる。これによって、２つの磁石８及び１０並びにその磁界は互いに相対的に回転し、相応の回転角度が検出される。センサ９，１１の磁界測定の箇所における磁界の回転角度は、外軸３の回転角度及びひいてはトルクに対して比例している。
【００２０】
図２には、回転する構成部分１４の付加的な駆動装置を備えた、図１に示したステアリングギヤ１の拡大図が示されている。外軸３の端面側の端部における外側のリングギヤ１５及び付加的な構成部分１４における相応のリングギヤ１５を介して、第３の磁石１６が一緒に回転せしめられる。この第３の磁石１６は同様に磁石感応式のセンサ１７によって検出可能である。この場合の測定原理及び評価は、有利には図１に示したセンサ９及び１１の作業形式に相当する。このような図２に示した装置によって、例えば２つのリングギヤ１５の異なる歯数によって、接続部分２に接続されたステアリングシャフトの全回転数の確実な検出及び計算を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】  回転する構成部分に作用するトルクを検出するためのセンサ装置を備えた自動車用のステアリングギヤの断面図である。
【図２】  ステアリングシャフトの全回転の付加的な検出装置を備えたステアリングギヤの内軸及び外軸の端面側の端部の部分図である。
【図１】
0004718081.tif 000002
【図２】
0004718081.tif 000003