(57)【要約】      （修正有）【課題】より優れた分解能と直線性精度のマルチターン用回転位置センサの提供。【解決手段】この角度位置センサは、主歯車と、第１および第２の歯車と、第１および第２の角度位置センサアセンブリとを含む。主歯車は、シャフトに搭載することが可能であり、および、この外周に形成される複数の歯を有する。第１および第２の歯車は、主歯車の歯と係合する第１および第２の歯をそれぞれに有する。第１および第２の角度位置センサアセンブリは、それぞれに第１および第２の歯車と共に回転するように連結される第１および第２のカプラディスクをそれぞれに含む。第１および第２の角度位置センサアセンブリは、第１および第２のカプラディスクの３６０度の一回転に対応する第１および第２の出力信号をそれぞれに生成する。ＰＷＭ生成器が第１および第２の出力信号に従ってＰＷＭ出力を生成する。【選択図】図７
2007155698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの３６０度回転より大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成するためのマルチターン用角度位置センサであって、
前記シャフトに搭載するのに適した主歯車であって、該主歯車の外周に形成される複数の歯を有する主歯車と、
外周に形成される複数の第１の歯を有する第１の歯車であって、該第１の歯が前記主歯車の前記歯と係合する第１の歯車と、
外周に形成される複数の第２の歯を有する第２の歯車であって、該第２の歯が前記主歯車の前記歯と係合する第２の歯車と、
前記第１の歯車と共に回転するように連結している第１のカプラディスクを備える第１の角度位置センサアセンブリであって、前記第１のカプラディスクの３６０度の一回転に対応する第１の出力信号を生成するように構成された第１の角度位置センサアセンブリと、
前記第２の歯車と共に回転するように連結している第２のカプラディスクを備える第２の角度位置センサアセンブリであって、前記第２のカプラディスクの３６０度の一回転に対応する第２の出力信号を生成するように構成された第２の角度位置センサアセンブリと、
前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とに従って、前記ＰＷＭ出力を生成するＰＷＭ生成器と、を備えるマルチターン用角度位置センサ。
【請求項２】
前記ＰＷＭ生成器はフリップフロップからなる請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項３】
前記シャフトが初期位置から予め決められた数まで回転するときに、前記ＰＷＭ出力が０％のデューティサイクルから１００％のデューティサイクルまでの範囲で変動するように、前記主歯車の前記歯の数、前記第１の歯の数および前記第２の歯の数との間の関係が決定される請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項４】
前記予め決められた数が６であり、前記主歯車の前記歯の数（ＴＧA）、前記第１の歯の数（ＴＧB）および前記第２の歯の数（ＴＧC）との間の関係が、
Ｎ*ＴＧA／ＴＧB−Ｎ*ＴＧA／ＴＧC＝１（回転）であり、該式中のＮは、前記主歯車の回転の数である請求項３に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項５】
前記第１の角度位置センサアセンブリと前記第２の角度位置センサアセンブリの少なくとも１は、非接触式の角度位置センサ（ＮＣＡＰＳ）アセンブリからなる請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項６】
前記第１のカプラディスクの回転を示す第１の正弦波信号を生成するために、複数の信号を含む前記第１の出力信号を局部発振器信号と混合するための第１の複数の混合器と、
前記第２のカプラディスクの回転を示す第２の正弦波信号を生成するために、複数の信号を含む前記第２の出力信号を前記局部発振器信号と混合するための第２の複数の混合器と、をさらに備える請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項７】
前記第１のカプラディスクの回転に比例する位相シフトを有する第１の５０％デューティサイクル信号を生成するための第１の比較器と、
前記第２のカプラディスクの回転に比例する位相シフトを有する第２の５０％デューティサイクル信号を生成するための第２の比較器と、をさらに備える請求項６に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項８】
前記ＰＷＭ生成器は、前記ＰＷＭ出力を生成するために、前記第１の５０％デューティサイクル信号と前記第２の５０％デューティサイクル信号とを受信する請求項７に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項９】
前記ＰＷＭ出力は０％から１００％のデューティサイクルを有し、前記センサは、０％から１００％の異なるデューティサイクルを有するように前記ＰＷＭ出力を変換するためのＰＷＭ変換器をさらに含む請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項１０】
ステアリングシャフト・アセンブリであって、
シャフトと、
前記シャフトに連結されており、かつ、前記シャフトの３６０度回転よりも大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成するマルチターン用角度位置センサ
と、を備え、
前記マルチターン用角度位置センサは、
前記シャフトに搭載される主歯車であって、該歯車の外周に形成される複数の歯を有する主歯車と、
外周に形成される複数の第１の歯を有する第１の歯車であって、前記第１の歯は前記主歯車の前記歯と共に回転するように連結している第１の歯車と、
外周に形成される複数の第２の歯を有する第２の歯車であって、前記第２の歯は前記主歯車の前記歯と共に回転するように連結している第２の歯車と、
前記第１の歯車と共に回転するように連結している第１のカプラディスクを備える第１の角度位置センサアセンブリであって、前記第１のカプラディスクの３６０度回転の一回転に対応する第１の出力信号を生成するように構成された第１の角度位置センサアセンブリと、
前記第２の歯車と共に回転するように連結している第２のカプラディスクを備える第２の角度位置センサアセンブリであって、前記第２のカプラディスクの３６０度回転の一回転に対応する第２の出力信号を生成するように構成された第２の角度位置センサアセンブリと、
前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とに従って、前記ＰＷＭ出力を生成するＰＷＭ生成器と、を備えるステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１１】
前記ＰＷＭ生成器はフリップフロップからなる請求項１０に記載のステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１２】
前記シャフトが初期位置から予め決められた数まで回転するときに、前記ＰＷＭ出力が０％のデューティサイクルから１００％のデューティサイクルまでの範囲で変動するように、前記主歯車の前記歯の数、前記第１の歯の数および前記第２の歯の数との間の関係が決定される請求項１０に記載のステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１３】
前記予め決められた数が６であり、前記主歯車の前記歯の数（ＴＧA）、前記第１の歯の数（ＴＧB）および前記第２の歯の数（ＴＧC）との間の関係が、
Ｎ*ＴＧA／ＴＧB−Ｎ*ＴＧA／ＴＧC＝１（回転）であり、該式中のＮは、前記主歯車の回転の数である請求項１２に記載のステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１４】
前記第１の角度位置センサアセンブリと前記第２の角度位置センサアセンブリの少なくとも１は、非接触式の角度位置センサ（ＮＣＡＰＳ）アセンブリからなる請求項１０に記載のステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１５】
前記マルチターン用角度位置センサは、
前記第１のカプラディスクの回転を示す第１の正弦波信号を生成するために、複数の信号を含む前記第１の出力信号を局部発振器信号と混合するための第１の複数の混合器と、
前記第２のカプラディスクの回転を示す第２の正弦波信号を生成するために、複数の信号を含む前記第２の出力信号を前記局部発振器信号と混合するための第２の複数の混合器と、をさらに備える請求項１０に記載のステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１６】
前記マルチターン用角度位置センサは、
前記第１のカプラディスクの回転に比例する位相シフトを有する第１の５０％デューティサイクル信号を生成するための第１の比較器と、
前記第２のカプラディスクの回転に比例する位相シフトを有する第２の５０％デューティサイクル信号を生成するための第２の比較器と、をさらに備える請求項１５に記載のステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１７】
前記ＰＷＭ生成器は、前記ＰＷＭ出力を生成するために、前記第１の５０％デューティサイクル信号と前記第２の５０％デューティサイクル信号とを受信する請求項１０に記載のステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１８】
シャフトの３６０度回転より大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成する方法であって、
第１の角度位置センサアセンブリに連結する第１の歯車の第１の歯を、前記シャフトに搭載される主歯車の歯と係合させることによって、第１の角度位置出力信号を生成することと、
第２の角度位置センサアセンブリに連結する第２の歯車の第２の歯を、前記シャフトに搭載される前記主歯車の前記歯と係合させることによって、第２の角度位置出力信号を生成することと、
前記第１の角度位置出力信号と前記第２の角度位置出力信号とに対応する前記ＰＷＭ出力を生成することと、を含む方法。
【請求項１９】
前記ＰＷＭ出力を生成することは、フリップフロップからなるＰＷＭ生成器を使用して前記ＰＷＭ出力を生成することを含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記シャフトが初期位置から予め決められた数まで回転するときに、前記ＰＷＭ出力が０％のデューティサイクルから１００％のデューティサイクルまでの範囲で変動するように、前記主歯車の前記歯の数、前記第１の歯の数および前記第２の歯の数との間の関係が決定される請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の角度位置出力信号を使用して第１の５０％デューティサイクル信号を生成することと、
前記第２の角度位置出力信号を使用して第２の５０％デューティサイクル信号を生成することと、
前記ＰＷＭ出力を生成するために前記第１の５０％デューティサイクル信号と前記第２の５０％デューティサイクル信号とを組み合わせることと、をさらに含む請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触式の角度位置センサに関し、および、さらに特に、マルチターン（Multi Turn:複数回転）における角度位置を検出することが可能な非接触式の角度位置センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業においては、最近では、電子技術による安定制御とロール防止システム、および燃料効率の改善（すなわち、エンジンパワーの節減）が要求されており、電気モータがパワーステアリングの油圧ポンプに取って代わろうとしている。こうした電気モータのための主ステアリング用の角度センサは、マルチターン用の回転位置センサであることが必要とされる。
【０００３】
現在のステアリング用角度検出技術は、マルチターン用カウンタを有する光学エンコーダからなる。このマルチターン用カウンタは、回転計のコードに一回転用の光学エンコーダ情報を組み合わせる特別なアルゴリズムを必要とする。使用されている別の技術は、歯車減速比技術（自動車産業の用途では、例えば６：１）で、複数の機械的回転を一回転分に変換する。しかし、この技術方法は、センサの分解能および直線性精度での性能を低下させる。例えば、１％の直線性誤差を有するセンサは、６：１の歯車減速比のせいで、６％の誤差に変換される。また、１回転用ユニットにおける０．０１度のステップサイズは、６回転用ユニットでは、０．０６度／ステップに相当する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、自動車や他の用途のため、より優れた分解能と直線性精度の性能を有するマルチターン用の回転位置センサを提供することが要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による例示的な実施態様では、シャフトの３６０度回転よりも大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成するためのマルチターン用角度位置センサを提供する。このマルチターン用角度位置センサは、シャフトに搭載するのに適し、かつ、外周に形成される複数の歯を有する主歯車と、外周に形成される複数の第１の歯を有し、かつ、この第１の歯は主歯車の歯と係合する第１の歯車と、外周に形成される複数の第２の歯を有し、かつ、この第２の歯は主歯車の歯と係合する第２の歯車とを含む。このマルチターン用角度位置センサは、さらに、第１および第２の角度位置センサアセンブリも含む。第１の角度位置センサアセンブリは、第１の歯車と共に回転するように連結する第１のカプラディスクを含み、かつ、第１の角度位置センサアセンブリは、この第１のカプラディスクの３６０度の一回転に対応する第１の出力信号を生成するように構成される。第２の角度位置センサアセンブリは、第２の歯車と共に回転するように連結する第２のカプラディスクを含み、かつ、この第２の角度位置センサアセンブリは、第２のカプラディスクの３６０度の一回転に対応する第２の出力信号を生成するように構成される。ＰＷＭ生成器は、上記第１の出力信号と上記第２の出力信号とに従って、ＰＷＭ出力を生成する。
【０００６】
本発明による別の例示的な実施態様では、シャフトと、このシャフトに連結されて、かつ、このシャフトの３６０度回転よりも大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成するためのマルチターン用角度位置センサと、を含むステアリングシャフト・アセンブリが提供される。
【０００７】
本発明のさらに別の実施態様では、シャフトの３６０度回転よりも大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成する方法が提供される。第１の角度位置センサアセンブリに連結する第１の歯車の第１の歯を、シャフトに搭載される主歯車の歯と係合することによって、第１の角度位置出力信号が生成される。第２の角度位置センサアセンブリに連結する第２の歯車の第２の歯を、シャフトに搭載される主歯車の歯と係合することによって、第２の角度位置出力信号が生成される。上記第１の出力信号と上記第２の出力信号とに対応するＰＷＭ出力が生成される。
【０００８】
本発明の上記態様と他の態様とが、本明細書の説明と添付図面とを考慮することによって、より容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
マルチターン（ＭＴ：Multi-Turn）用非接触式角度位置センサ（ＮＣＡＰＳ： Non-Contact Angular Position Sensor）を製作する努力が、過去において行われてきた。こうしたＭＴ−ＮＣＡＰＳの１つは、標題「非接触式角度位置センサのためのプログラム可能なマルチターン用パルス幅変調回路（Programmable,Multi-Turn,Pulse Width Modulation Circuit for a Non-Contact Angular Position Sensor）」で情報公開された同時係属中の米国特許出願番号10／813,329にて開示され、米国特許出願公開番号US 2005/0212577として2005年9月29日付で発行されている。
【００１０】
本発明の例示的な実施形態では、バーニヤの考え方（Vernier concept：ノギスの原理）に基づくマルチターン用角度位置センサ（例えば、ＭＴ−ＮＣＡＰＳ）が提供される。バーニヤの考え方を使用することによって、１対の補助歯車（すなわち、第１の歯車と第２の歯車）が、主歯車のマルチターンを１回転分の全デューティサイクルに変換するのに使用され、主歯車のマルチターンが、通常、一般的な角度位置センサのＰＷＭ出力によるマルチ用全デューティサイクル（すなわち、０％〜１００％）として得られる。
【００１１】
本発明のマルチターン用角度位置センサは、標題「誘導減衰カプラを有する角度位置センサ（Angular Position Sensor with Inductive Attenuating Coupler）」の米国特許第6,304,076号に開示される角度位置センサの原理に基づいており、この特許の内容全体が本明細書に参照として組み入れられる。後述する例示的な実施形態において、バーニヤの考え方を使用しており、２つの角度位置センサ（例えば、ＮＣＡＰＳ）アセンブリは、シャフトに搭載される主歯車に連結する第１および第２の補助歯車を介して、機械的に互いに連結される。この連結は、ＰＷＭ信号による全デューティサイクル（すなわち、０％〜１００％）のマルチターン用出力を形成するバーニヤ式のマルチターン用角度位置センサを実現するためである。ＮＣＡＰＳまたはＭＴ−ＮＣＡＰＳは、本明細書において簡便に「角度位置センサ」または「マルチターン用角度位置センサ」と呼ぶことがある。
【００１２】
さて、図１を参照すると、角度位置センサアセンブリ１０は、送信器１２と、受信器１６と、これらの間に挿入されるカプラディスク１４とを含む。図２に見ることができるように、送信器１２および受信器１６の両方が、各々の上に形成される複数のループアンテナ２２を有する。このループアンテナは、送信器と受信器のそれぞれのディスクの周りに、円形パターンを分断する形で配置される独立した導電性の螺旋コイルから形成される。図２の６個のアンテナ２２は、ディスクの全周囲３６０度を取り囲む。図２では、６個のループアンテナ２２が示されており、送信器／受信器上のループアンテナの数は、互いに隣接するチャンネルの間の所定の相分離に基づく。さらに、他の実施形態では、ループアンテナの数は異なることも可能である。
【００１３】
送信器１２と受信器１６は互いに対して実質的に固定される。カプラディスク１４は、角度位置センサが使用される装置（例えば、自動車のステアリングシャフト）の機械的回転に従って回転する。送信器１２内の各々のループアンテナ２２は、受信器内の対応するループアンテナ２２が受信する信号を、送信するために使用される。信号経路中に干渉（減衰）物体が存在しないとき、受信信号の振幅は最大となる。しかし、この経路内で干渉を生じさせるために減衰物体が使用されると、受信信号の振幅は減衰する。受信信号は、干渉物体によって与えられる干渉の量に比例して減衰する。
【００１４】
図３は、ディスク３２を有するカプラディスク１４を示しており、ディスク３２の上にカプラパターン３４が形成される。このカプラパターン３４は、干渉（減衰）物体として、角度位置センサアセンブリ１０内で可変的な減衰を生じさせる。ディスク３２は、例えば、プラスチックのような絶縁材料で製作される。カプラパターン３４は銅のような金属で製作される。一実施形態では、ｄ3＝（１／４）×（３ｄ1＋ｄ2）であり、および、ｄ4＝（１／４）×（ｄ1＋３ｄ2）である。
【００１５】
理論的には、シングルチャンネルで、位置情報及び／又は角度変位情報を検出して提供するのに十分なはずである。しかし、検出される振幅は、送信器１２と受信器１６との間の分離、および送信信号の電力レベルによる影響を受けるので、この不確実性の結果として生じる誤差が、クリティカルな自動車用途、工業用途及び／又は航空用途にとって、許容される性能を実現できないであろう。したがって、振幅を位相に変換する技術を有するマルチチャンネルシステムが、振幅情報を位相情報に変換するために、角度位置センサ用として使用される。
【００１６】
隣接チャンネル間の相分離の角度は、Δθ＝２π／Ｎによって決定される。この式の中で、Ｎはチャンネル数である。したがって、図２に示す角度位置センサでは、Ｎ＝６なので、Δθ＝π／３となる。図４の角度位置センサの機能ブロック図１００では、角度位置センサアセンブリ１０が、水晶発振器１０２によって生成された周波数Ｆｃを有する信号を受信する。この周波数Ｆｃは、例えば１ＭＨｚにすることができる。別の実施形態では、使用する周波数は、異なった周波数にすることができる。また、周波数Ｆｃを有する信号は、デジタル信号生成器１０４に供給され、このデジタル信号生成器１０４は複数の局部発振器信号ＬＯ1〜ＬＯＮを生成する。
【００１７】
デジタル信号生成器１０４は、さらに、基準信号Ｓを生成し、この基準信号Ｓは、０度の中間周波数（ＩＦ：intermediate frequency）信号を表す。この基準信号Ｓは、例えば２．２２ＫＨｚの周波数、または、他の適切な周波数で実現することもできる。
【００１８】
局部発振器信号の周波数は、周波数Ｆｃと概ね同一である。しかし、局部発振器信号は、互いに位相がΔθだけオフセットとして存在する。このΔθは、Ｎ＝６の場合、６０度（すなわち、π／３）である。例えば、局部発振器信号の各々は、ＬＯi＝ｃｏｓωcｔ−ｃｏｓ［ω0ｔ＋２π（ｉ／Ｎ）］で表すことができ、この式の中で、ωcが送信信号の周波数であり、ω0が予め決められた中間周波数ＩＦである。
【００１９】
一方で、Ｎ個の受信信号Ｒ1〜ＲNは、角度位置センサ１０によって生成される。カプラパターン３４が、送信器１２のループアンテナ２２と受信器１６のループアンテナ２２との間で送信信号に干渉し減衰させるので、受信信号はカプラディスク１４の角度位置に基づいて異なる振幅を有することになる。各受信器（Ｒi）における信号振幅は、例えば、Ｒi（ｔ）＝Ａiｃｏｓ（ωcｔ）と規定される。この式の中で、Ａi＝Ａｃｏｓ［θ＋２π（ｉ／Ｎ）］である。言い換えると、Ａは、送信器１２内のループアンテナの各々によって送信される信号の大きさであるが、カプラディスク１４によって生じる可変的な減衰のために、受信器１６内のループアンテナ２２で受信される信号の大きさは、互いに異なり、Ａi＝Ａｃｏｓ［θ＋２π（ｉ／Ｎ）］によって与えられ、そして、カプラディスク１４の角度位置（θ）に依存する。
【００２０】
受信信号Ｒ1〜ＲNは、最初に、局部発振器信号ＬＯ1〜ＬＯNと混合される。第一に、受信信号は、ＩＦ1〜ＩＦNのＩＦ信号を生成するために、おのおの混合器１０６、１０８〜１１０で、対応する局部発振器信号によってダウンコンバートされる。この混合器のダウンコンバージョン処理により、ＬＯとＩＦとＲＦ（送信周波数）との間の関係は、ＩＦ＝ＲＦ−ＬＯによって規定されることになる。混合器による損失が無いとすると、ＩＦ信号の各々は、ＩＦi＝Ａiｃｏｓ［ω0ｔ＋２π（ｉ／Ｎ）］で表現することができる。
【００２１】
第二に、ＩＦ信号の位相のシフト変化がカプラディスクの角度位置に依存するように、各々のＩＦ信号は、加算増幅器１１２を使用して１つの正弦波信号に変換される。各々のチャンネルで受信される信号は、互いに対して比例しているので、送信した信号の振幅変動は、結果として生じる位相情報に対して影響を与えない。増幅器１１２の出力における信号は、ＩＦ＝Ａｃｏｓ（ω0ｔ−θ）／２によって与えられる。この式から、増幅器１１２の出力信号は、カプラディスク１４の角度位置を表す位相関係にあって、かつ、送信した信号の振幅変動に依存していないことが理解できる。合成された受信信号Ｒ（以下では、「受信信号」と呼ぶこともある）生成のために、加算増幅器１１２からの出力信号は、低域フィルタ／増幅器１１４と比較器１１６とを通過することになる。
【００２２】
シングルターン用角度位置センサのＰＷＭ出力は、図４に示すＰＷＭ生成器１１８において、受信信号Ｒと基準信号Ｓとを比較することによって生成される。シングルターン用角度位置センサの場合、ＰＷＭ生成器は、単純にＲＳフリップフロップのようなフリップフロップにするか、または、このフリップフロップを含む構成にすることができる。図５Ａと図５Ｂは、それぞれに、１０％のデューティサイクルと４０％のデューティサイクルにおけるＳ出力、Ｒ出力およびＰＷＭ出力を示す。ＰＷＭ出力は、さらに、ＰＷＭ−アナログ変換器１２０にも供給される。
【００２３】
本発明による例示的な実施形態におけるマルチターン用角度位置センサの場合には、バーニヤの考え方が使用される。バーニヤの考え方を使用するマルチターン用角度位置センサパッケージ１５０（例えば、ＭＴ−ＮＣＡＰＳ）のための機械的なデザインが図６Ａに示される。図６Ａのマルチターン（ＭＴ）用角度位置センサパッケージ１５０は、頂上部カバー１５２と、受信器プリント回路基板（ＲＸ用ＰＣＢ）１５４と、カプラディスク１５６、１５８と、送信器ＰＣＢ（ＴＸ用ＰＣＢ）１６０と、歯車アセンブリ２００と、底部ハウジングすなわち底部カバー１６８とを含む。なお、歯車アセンブリは、主歯車２０２と補助歯車２０４、２０６（すなわち、バーニヤ用、カプラディスクを示す）とを含む。ＭＴ用角度位置センサパッケージ１５０は、アセンブリする時に、例えば、自動車のステアリングシャフト（例えば、図６Ｂのシャフト２１０）に搭載することが可能である。
【００２４】
カプラディスク１５６は、歯車２０４と共に回転するように、歯車２０４に機械的に連結されており、一方、カプラディスク１５８は、歯車２０６と共に回転するように、歯車２０６に機械的に連結される。
【００２５】
図６ＡのＭＴ用角度位置センサパッケージ１５０は、図７に見ることができる２つの角度位置センサのフロントエンドとして使用するのに構成することができ、シングルターンＮＣＡＰＳと同じ分解能と精度とを備えるマルチターン用ＰＷＭ出力を生成することができる。例えば、角度位置センサの各々のフロントエンドは、送信器１２（ＴＸ用ＰＣＢ１６０上に搭載）と、受信器１６（ＲＸ用ＰＣＢ１５４上に搭載）と、カプラディスク１４（図１、または、図６Ａのカプラディスク１５６、１５８を参照）とからなる角度位置センサのアセンブリ部を含む。角度位置センサのフロントエンドは、さらに、カプラ混合器（例えば、乗算器１０６、１０８〜１１０）と、フィルタ１１４と、比較器１１６（例えば、図４を参照）とを含む。これらの回路系も、さらに、ＴＸ用ＰＣＢ１６０及び／又はＲＸ用ＰＣＢ１５４上に搭載／実装することができる。
【００２６】
図６Ａと図６Ｂを再び参照すると、ＭＴ用角度位置センサパッケージ１５０の歯車アセンブリ２００は、例えば、駆動車輪のステアリングシャフト２１０に搭載される主歯車ＧA２０２を含む。この歯車アセンブリ２００は、さらに、１対の歯車ＧB２０４とＧC２０６とを含む。ＭＴ用角度位置センサパッケージ１５０内では、歯車ＧB２０４に連結する第１の角度位置センサアセンブリの出力は、ＰＷＭ出力生成器のための測定用として使用され、かつ、歯車ＧC２０６に連結する第２の角度位置センサアセンブリの出力は、ＰＷＭ生成器のための基準用として使用される。
【００２７】
図６Ａと図６Ｂとに見ることができるように、主歯車２０２は、外周を取り囲む複数の歯２０３を有する。同様に、第１の歯車２０４および第２の歯車２０６は、各々の外周を取り囲む複数の歯２０５と２０７とを有する。したがって、歯車２０４と歯車２０６は、各々の歯を介して主歯車２０２に連結される。ＭＴ用角度位置センサパッケージ１５０によって生成されるＰＷＭ出力は、主歯車２０２、第１の歯車２０４および第２の歯車２０６がそれぞれの外周に有する歯数の関係、すなわちこの比率関係によって決定される。
【００２８】
図６Ａと図６Ｂに示される実施形態では、ＧAとＧBとＧCとの間の関係が、次の式１によって示される。
【数１】
2007155698.tif 000003
上記式の中で、ＴＧAは、主歯車ＧA２０２の歯２０３の歯数であり、
ＴＧBは、第１の角度位置センサアセンブリに連結される第１の歯車ＧB２０４の歯２０５の歯数であり、
ＴＧCは、第２の角度位置センサアセンブリに連結される第２の歯車ＧC２０６上の歯２０７の歯数であり、および、Ｎは、ＧAの回転数である。
【００２９】
一例を示すと、主歯車の歯２０３のＴＧAは４８で、第１の角度位置センサアセンブリの歯２０５のＴＧBは３２で、第２の角度位置センサアセンブリの歯２０７のＴＧCは３６で、かつ、Ｎが６である場合、式１は、
Ｎ*ＴＧA/ＴＧB−Ｎ*ＴＧA/ＴＧC＝６*４８/３２−６*４８/３６＝９−８＝１（回転）
となる。言い換えると、主歯車と第１の歯車と第２の歯車とにおける歯の比率すなわちこの関係では、主歯車（および、したがって、この主歯車が搭載されるステアリングシャフト）が６回転する間に、シングルターン（すなわち、１回分の周期：第１の歯車は９回転、第２の歯車は８回転）に対応するＰＷＭ出力が生成される。
【００３０】
図７のマルチターン用角度位置センサ（例えば、ＭＴ−ＮＣＡＰＳ）の機能ブロック図３００は、２つの角度位置センサのフロントエンドを有し、これら２つの角度位置センサのフロントエンドは、第１の歯車ＧBと第２の歯車ＧCとにそれぞれに連結される角度位置センサアセンブリ３０８と３０６とを含む。角度位置センサアセンブリ３０８、３０６の各々は、水晶発振器３０２によって生成された周波数ＦCを有する信号を受信する。例えば、周波数ＦCは１ＭＨｚにすることができる。使用する周波数が他の実施形態では異なることも可能である。
【００３１】
周波数ＦCを有する信号はデジタル信号生成器３０４にも供給され、このデジタル信号生成器３０４、は複数の局部発振器信号ＬＯ1〜ＬＯNを生成する。例えば、周波数Ｆｃを有する信号および局部発振器信号ＬＯ1〜ＬＯNは、図４の信号および局部発振器信号と実質的に同一にすることができる。
【００３２】
一方で、Ｎ個の受信信号Ｒ1′〜ＲN′は、角度位置センサアセンブリ３０６によって生成され、また、Ｎ個の受信信号Ｒ1″〜ＲN″は、角度位置センサアセンブリ３０８によって生成される。角度位置センサアセンブリの各々におけるカプラディスク上のカプラパターンが、送信器のループアンテナと受信器のループアンテナとの間の信号伝送に干渉して減衰させるので、各々での受信信号は、各々の角度位置センサアセンブリ内のカプラディスクの角度位置に基づいて異なる振幅を有する。角度位置センサアセンブリ３０６内の受信器によって受信された信号Ｒ1′〜ＲN′の減衰と、角度位置センサアセンブリ３０８内の受信器によって受信された信号Ｒ1″〜ＲN″の減衰とは、例えば、図４を参照して説明する信号Ｒ1〜ＲNの減衰と実質的に同じ特徴を有することができる。
【００３３】
受信信号Ｒ1′〜ＲN′と受信信号Ｒ1″〜ＲN″とは、それぞれに、第一に局部発振器信号ＬＯ1−ＬＯNと混合される。受信信号Ｒ1′〜ＲN′は、ＩＦ信号ＩＦ1′〜ＩＦN′を生成するために、それぞれに混合器３１０、３１２〜３１４によって対応する局部発振器信号によってダウンコンバートされる。さらに、受信信号Ｒ1″〜ＲN″は、ＩＦ信号ＩＦ1″〜ＩＦN″を生成するために、それぞれに混合器３１６、３１８〜３２０によって、対応する局部発振器信号によってダウンコンバートされる。混合器のダウンコンバージョン処理により、ＬＯとＩＦとＲＦ（送信周波数）との間の関係は、ＩＦ＝ＲＦ−ＬＯによって規定されることになる。混合器による損失が無いとすると、ＩＦ信号の各々は、ＩＦi′＝Ａiｃｏｓ［ω0ｔ＋２π（ｉ／Ｎ）］、またはＩＦi″＝Ａiｃｏｓ［ω0ｔ＋２π（ｉ／Ｎ）］で表現することができる。
【００３４】
第二に、ＩＦ信号ＩＦ1′〜ＩＦN′は、このＩＦ信号の位相のシフト変化が対応するカプラディスクの角度位置に依存するように、加算増幅器３２２を使用して１つの正弦波信号に変換される。さらに、ＩＦ信号ＩＦ1″〜ＩＦN″は、このＩＦ信号の位相のシフト変化が対応するカプラディスクの角度位置に依存するように、加算増幅器３２４を使用して１つの正弦波信号に変換される。
【００３５】
各チャンネルによって受信された信号は、互いに対して比例した変動をするので、送信した信号の振幅変動は、結果として生じる位相情報に対して影響しないことになる。増幅器３２２の出力における信号は、ＩＦ′＝Ａｃｏｓ（ω0ｔ−θ′）／２によって与えられ、一方、増幅器３２４の出力における信号は、ＩＦ″＝Ａｃｏｓ（ω0ｔ−θ″）／２によって与えられる。この式から、増幅器３２２または増幅器３２４の出力信号が、それぞれのカプラディスクの角度位置を表す位相関係であり、および、送信信号の振幅の変動に依存していないことが理解できる。
【００３６】
合成された受信信号Ｓ′（以下では「基準信号」と呼ぶこともある）と信号Ｒ′（以下では「受信信号」と呼ぶこともある）とを、おのおの生成するために、加算増幅器３２２、３２４の出力信号は、低域フィルタ／増幅器３２６、３２８と、比較器３３０、３３２とをそれぞれに通過することになる。
【００３７】
マルチターン用角度位置センサのＰＷＭ出力は、図７に示すようにＰＷＭ生成器３３４内の基準信号Ｓ′に対して受信信号Ｒ′を比較することによって生成される。マルチターン用角度位置センサの場合には、ＰＷＭ生成器は、単純にＲＳフリップフロップのようなフリップフロップでも構成できる。図８Ａと図８Ｂは、Ｎ＝０とＮ＝６との場合のマルチターン用角度位置センサのデューティサイクル生成をそれぞれに示す。
【００３８】
２つの角度位置センサのフロントエンドは、送信器と受信器とカプラディスクとカプラ混合器とフィルタと比較器とを各々が含み、カプラの回転に比例した位相シフトを有する２つの５０％デューティサイクルのＴＴＬ信号を生じさせる。カプラ混合器、フィルタ、比較器およびＰＷＭ生成器のような電子／電気回路系は、例えば図６ＡのＴＸ用ＰＣＢ１６０及び／又はＲＸ用ＰＣＢ１５４のようなＰＣＢ上に実装することができる。
【００３９】
Ｎ＝０である時は、ＧCとＧBは同相であり、ＰＷＭの出力は実質的に０％のデューティサイクルに等しい。ＧCとＧBとの間の位相差は（３６０°／Ｎ′）×Ｎに等しく、この式の中で、Ｎ′は予め決められた回転の数である。ＧAがＮ＝Ｎ′回転に達すると、ＧCとＧBとの間のデルタ位相が３６０°に等しく、このことはＰＷＭ出力が実質的に１００％のデューティサイクルであることを意味する。これら２つの信号の関係を、図８Ａと図８Ｂとに示す。Ｎ＝０である時にＰＷＭ出力が０％のデューティサイクルに近いが、Ｎ＝６である時に１００％のデューティサイクルに近いということが、図８Ａと図８Ｂに見ることができる。
【００４０】
図９では、マルチターン用角度位置センサ（例えばＭＴ−ＮＣＡＰＳ）３００のＰＷＭ出力が、本発明の別の例示的な実施形態のＰＷＭコンバータ４００に結合する。ＰＷＭコンバータ４００は、０％から１００％のデューティサイクルを有するＰＷＭ出力を受け取り、および、このＰＷＭ出力を、例えば５％から９５％の任意の所定の開始および停止デューティサイクル範囲に変換する。ＰＷＭコンバータ４００は、例えば、２００３年４月８日付で登録された標題「デジタル方式でプログラム可能なパルス幅変調（ＰＷＭ）コンバータ（Digitally Programmable Pulse-Width Modulation（ＰＷＭ）Converter）」の米国特許第6,545,621号に開示されているデジタル方式でプログラム可能なＰＷＭコンバータと、実質的に同じでも可能であり、この特許の内容全体が本明細書に参照として組み入れられる。
【００４１】
本発明の特定の例示的な実施形態を詳細に上述し添付図面に示してきたが、こうした実施形態が広範な発明を単に例示するだけにすぎず、および、この広範な発明を限定するものではないということが理解されなければならない。したがって、本発明の広範な発明範囲から逸脱することなしに、上述の発明の例示される実施形態と他の実施形態とに対して様々な変更が加えられてよいということが理解されるだろう。上述の内容を考慮して、本発明が、開示されている特定の実施形態または構成に限定されず、添付されている特許請求項とこの等価なものとによって規定される本発明の範囲と考え方との範囲内に含まれているあらゆる変型、改変、または、変更を含むことが意図されていることが理解されるだろう。
【００４２】
例えば、本発明の例示的な実施形態をＮＣＡＰＳ構成に関して上述したが、本発明のマルチターン用角度位置センサの原理は、適切な出力を有する任意の角度位置センサアセンブリにも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の例示的な実施形態を実現するために使用できる角度位置センサアセンブリの側面図である。
【図２】図１の角度位置センサアセンブリの送信器部分と受信器部分の両方の平面図である。
【図３】図１の角度位置センサアセンブリのカプラディスクの平面図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態を実現するためにその原理が使用できる角度位置センサの機能ブロック図である。
【図５Ａ】シングルターン角度位置センサの１０％のデューティサイクルを示すタイミング図である。
【図５Ｂ】シングルターン角度位置センサの４０％のデューティサイクルを示すタイミング図である。
【図６Ａ】本発明の例示的な実施形態におけるステアリングシャフト・アセンブリのためのマルチターン用角度位置センサの分解組立斜視図である。
【図６Ｂ】ステアリングシャフトに搭載する図６Ａのマルチターン用角度位置センサの中の歯車アセンブリに関する機械的設計の単純化された略図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態におけるマルチターン用角度位置センサの機能ブロック図である。
【図８Ａ】Ｎ＝０である時のマルチターン用角度位置センサのデューティサイクル生成を示す図である。
【図８Ｂ】Ｎ＝６である時のマルチターン用角度位置センサのデューティサイクル生成を示す図である。
【図９】本発明の別の例示的な実施形態におけるマルチターン用ＰＷＭ生成システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０    角度位置センサアセンブリ
１２    送信器
１４    カプラディスク
１６    受信器
２２    ループアンテナ
３４    カプラパターン
１０２    水晶発振器
１０４    デジタル信号生成器
１０６、１０８〜１１０    混合器
１１２    加算増幅器
１１８    ＰＷＭ生成器
１２０    ＰＷＭ−アナログ変換器
１５０    マルチターン用角度位置センサパッケージ
【図１】
2007155698.tif 000004
【図２】
2007155698.tif 000005
【図３】
2007155698.tif 000006
【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
2007155698.tif 000013
【図８Ｂ】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年8月17日(2006.8.17)
【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】
シャフトの３６０度回転より大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成するためのマルチターン用角度位置センサであって、
前記シャフトに搭載するのに適した主歯車であって、該主歯車の外周に形成される複数の歯を有する主歯車と、
外周に形成される複数の第１の歯を有する第１の歯車であって、該第１の歯が前記主歯車の前記歯と係合する第１の歯車と、
外周に形成される複数の第２の歯を有する第２の歯車であって、該第２の歯が前記主歯車の前記歯と係合する第２の歯車と、
前記第１の歯車と共に回転するように連結している第１のカプラディスクを備える第１の角度位置センサアセンブリであって、前記第１のカプラディスクの３６０度の一回転に対応する第１の出力信号を生成するように構成された第１の角度位置センサアセンブリと、
前記第２の歯車と共に回転するように連結している第２のカプラディスクを備える第２の角度位置センサアセンブリであって、前記第２のカプラディスクの３６０度の一回転に対応する第２の出力信号を生成するように構成された第２の角度位置センサアセンブリと、
前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とに従って、前記ＰＷＭ出力を生成するＰＷＭ生成器と、を備えるマルチターン用角度位置センサ。
【請求項２】
前記ＰＷＭ生成器はフリップフロップからなる請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項３】
前記シャフトが初期位置から予め決められた数まで回転するときに、前記ＰＷＭ出力が０％のデューティサイクルから１００％のデューティサイクルまでの範囲で変動するように、前記主歯車の前記歯の数、前記第１の歯の数および前記第２の歯の数との間の関係が決定される請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項４】
前記予め決められた数が６であり、前記主歯車の前記歯の数（ＴＧA）、前記第１の歯の数（ＴＧB）および前記第２の歯の数（ＴＧC）との間の関係が、
Ｎ*ＴＧA／ＴＧB−Ｎ*ＴＧA／ＴＧC＝１（回転）であり、該式中のＮは、前記主歯車の回転の数である請求項３に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項５】
前記第１の角度位置センサアセンブリと前記第２の角度位置センサアセンブリの少なくとも１は、非接触式の角度位置センサ（ＮＣＡＰＳ）アセンブリからなる請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項６】
前記第１のカプラディスクの回転を示す第１の正弦波信号を生成するために、複数の信号を含む前記第１の出力信号を局部発振器信号と混合するための第１の複数の混合器と、
前記第２のカプラディスクの回転を示す第２の正弦波信号を生成するために、複数の信号を含む前記第２の出力信号を前記局部発振器信号と混合するための第２の複数の混合器と、をさらに備える請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項７】
前記第１のカプラディスクの回転に比例する位相シフトを有する第１の５０％デューティサイクル信号を生成するための第１の比較器と、
前記第２のカプラディスクの回転に比例する位相シフトを有する第２の５０％デューティサイクル信号を生成するための第２の比較器と、をさらに備える請求項６に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項８】
前記ＰＷＭ生成器は、前記ＰＷＭ出力を生成するために、前記第１の５０％デューティサイクル信号と前記第２の５０％デューティサイクル信号とを受信する請求項７に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項９】
前記ＰＷＭ出力は０％から１００％のデューティサイクルを有し、前記センサは、０％から１００％の異なるデューティサイクルを有するように前記ＰＷＭ出力を変換するためのＰＷＭ変換器をさらに含む請求項１に記載のマルチターン用角度位置センサ。
【請求項１０】
ステアリングシャフト・アセンブリであって、
シャフトと、
前記シャフトに連結されており、かつ、前記シャフトの３６０度回転よりも大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成するマルチターン用角度位置センサ
と、を備え、
前記マルチターン用角度位置センサは、
前記シャフトに搭載される主歯車であって、該歯車の外周に形成される複数の歯を有する主歯車と、
外周に形成される複数の第１の歯を有する第１の歯車であって、前記第１の歯は前記主歯車の前記歯と共に回転するように連結している第１の歯車と、
外周に形成される複数の第２の歯を有する第２の歯車であって、前記第２の歯は前記主歯車の前記歯と共に回転するように連結している第２の歯車と、
前記第１の歯車と共に回転するように連結している第１のカプラディスクを備える第１の角度位置センサアセンブリであって、前記第１のカプラディスクの３６０度回転の一回転に対応する第１の出力信号を生成するように構成された第１の角度位置センサアセンブリと、
前記第２の歯車と共に回転するように連結している第２のカプラディスクを備える第２の角度位置センサアセンブリであって、前記第２のカプラディスクの３６０度回転の一回転に対応する第２の出力信号を生成するように構成された第２の角度位置センサアセンブリと、
前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とに従って、前記ＰＷＭ出力を生成するＰＷＭ生成器と、を備えるステアリングシャフト・アセンブリ。
【請求項１１】
シャフトの３６０度回転より大きい回転に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）出力を生成する方法であって、
第１の角度位置センサアセンブリに連結する第１の歯車の第１の歯を、前記シャフトに搭載される主歯車の歯と係合させることによって、第１の角度位置出力信号を生成することと、
第２の角度位置センサアセンブリに連結する第２の歯車の第２の歯を、前記シャフトに搭載される前記主歯車の前記歯と係合させることによって、第２の角度位置出力信号を生成することと、
前記第１の角度位置出力信号と前記第２の角度位置出力信号とに対応する前記ＰＷＭ出力を生成することと、を含む方法。
【請求項１２】
前記ＰＷＭ出力を生成することは、フリップフロップからなるＰＷＭ生成器を使用して前記ＰＷＭ出力を生成することを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記シャフトが初期位置から予め決められた数まで回転するときに、前記ＰＷＭ出力が０％のデューティサイクルから１００％のデューティサイクルまでの範囲で変動するように、前記主歯車の前記歯の数、前記第１の歯の数および前記第２の歯の数との間の関係が決定される請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の角度位置出力信号を使用して第１の５０％デューティサイクル信号を生成することと、
前記第２の角度位置出力信号を使用して第２の５０％デューティサイクル信号を生成することと、
前記ＰＷＭ出力を生成するために前記第１の５０％デューティサイクル信号と前記第２の５０％デューティサイクル信号とを組み合わせることと、をさらに含む請求項１１に記載の方法。