(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-05-15
(54)【発明の名称】トルクを検出するためのセンサ
(51)【国際特許分類】
G01L 3/10 20060101AFI20230508BHJP
【ＦＩ】
G01L3/10 305
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022559902
(86)(22)【出願日】2021-04-06
(85)【翻訳文提出日】2022-10-27
(86)【国際出願番号】 IB2021052859
(87)【国際公開番号】W WO2021199015
(87)【国際公開日】2021-10-07
(31)【優先権主張番号】102020109469.8
(32)【優先日】2020-04-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】301042963
【氏名又は名称】ボーンズ・インコーポレーテッド
【氏名又は名称原語表記】ＢＯＵＲＮＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】１２００ ＣＯＬＵＭＢＩＡ ＡＶＥＮＵＥ，ＲＩＶＥＲＳＩＤＥ，ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ ９２５０７，Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002262
【氏名又は名称】ＴＲＹ国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】ミュラー ピーター
(72)【発明者】
【氏名】ウィシュケ マーティン
(57)【要約】
本発明は、トーション要素（１０）に加えられ、回転軸（８）の周りに作用するトルク（１３）を検出するためのセンサ（９）に関する。センサ（９）は、トランスミッタ素子（１６）と、センサチップ（１８）と、評価装置（２１）と、を備える。
－ トランスミッタ素子（１６）は、トーション要素（１０）の第１軸方向端部に対して固定的に装着することができ、回転軸（８）の周りの周方向（２４）に変化させることができる伝達フィールド（１７）を出力するように設計される。
－ センサチップ（１８）は、トーション要素（１０）の第１軸方向端部の反対側の第２端部に対して固定的に装着することができ、センサチップ（１８）に到達する伝達フィールド（１７）に依存する測定信号（２０）を出力するように設計される。
－ 評価装置（２１）は、測定信号（２０）に基づいてトルク（１３）に依存するセンサ信号（１９）を出力するように設計される。
－ センサチップ（１８）は、トランスミッタ素子（１６）から軸方向距離で配置され、トランスミッタ素子（１６）と半径方向に重なる。
－ トランスミッタ素子（１６）は、トーション要素（１０）の第１軸方向端部に対して固定的に装着することができ、回転軸（８）の周りの周方向（２４）に変化させることができる伝達フィールド（１７）を出力するように設計される。
－ センサチップ（１８）は、トーション要素（１０）の第１軸方向端部の反対側の第２端部に対して固定的に装着することができ、センサチップ（１８）に到達する伝達フィールド（１７）に依存する測定信号（２０）を出力するように設計される。
－ 評価装置（２１）は、測定信号（２０）に基づいてトルク（１３）に依存するセンサ信号（１９）を出力するように設計される。
－ センサチップ（１８）は、トランスミッタ素子（１６）から軸方向距離で配置され、トランスミッタ素子（１６）と半径方向に重なる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
トーション要素（１０）に加えられ、回転軸（８）の周りに作用するトルク（１３）を検出するためのセンサ（９）であって、トランスミッタ素子（１６）と、センサチップ（１８）と、評価装置（２１）と、を備え、－ 前記トランスミッタ素子（１６）は、前記トーション要素（１０）の第１軸方向端部に対して固定的に装着することができ、前記回転軸（８）の周りの周方向（２４）に変化させることができる伝達フィールド（１７）を出力するように設計され、
－ 前記センサチップ（１８）は、前記トーション要素（１０）の前記第１軸方向端部の反対側の第２端部に対して固定的に装着することができ、前記センサチップ（１８）に到達する前記伝達フィールド（１７）に依存する測定信号（２０）を出力するように設計され、
－ 前記評価装置（２１）は、前記測定信号（２０）に基づいて前記トルク（１３）に依存するセンサ信号（１９）を出力するように設計され、
－ 前記センサチップ（１８）は、前記トランスミッタ素子（１６）内に軸方向に離間され、半径方向に配置されるが、回転軸に対して偏心して配置される、ことを特徴とするセンサ（９）。
【請求項2】
前記トランスミッタ素子（１６）は、前記伝達フィールド（１７）として磁界を放出する磁石であり、それによって、前記センサチップ（１８）は、前記センサチップ（１８）に到達する前記磁界（１７）の関数として前記測定信号（２０）を出力するように設計される、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ（９）。
【請求項3】
前記磁石（１６）は、直線形状又は円形状で形成され、前記回転軸（８）に対して接線方向に伸びるか、配置される、ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ（９）。
【請求項4】
前記磁石（１６）の直線形状は、棒磁石の形状であり、又は前記磁石（１６）の円形状は、円形セグメントの形状であり、それぞれが矩形断面を有する、ことを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項5】
前記センサチップ（１８）は、前記回転軸（８）を回る円形パス（４４）上の前記棒磁石（１８）に対して可動に配置され、前記円形パス（４４）は、軸方向に見て、前記回転軸（８）に向けられた棒磁石（１６）の縁（４１）から交点距離（４６）をおいて、棒磁石（１６）の端縁（３８、３９）と交差し、前記交点距離（４６）は、前記端縁（４１、４２）の距離の５％と４５％の間の間、好ましくは１５％と３５％の間の間、特に好ましくは２０％と３０％の間の間にある、ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項6】
前記棒磁石（１６）を覆う領域において軸方向に見た前記円形パス（４４）は、前記回転軸（８）に向けられた前記棒磁石（１６）の縁（４１）の視点から、前記回転軸（８）に向けられた前記棒磁石（１６）の縁（４１）から極点距離（４８）だけ離間された極点（４７）を有し、前記極点距離（４８）は、前記回転軸（８）に向けられた前記棒磁石（１６）の縁（１６）と前記回転軸（８）から離れた前記棒磁石（１６）の縁（４２）との間の距離の５％と４５％の間の間、好ましくは１５％と３５％の間の間、特に好ましくは２０％と３０％の間の間にある、ことを特徴とする請求項５に記載のセンサ（９）。
【請求項7】
前記棒磁石（１６）の視点から前記円形パス（４４）上の前記センサチップ（１８）の移動は、２つの移動制限点（４９）の間で制限され、２つの移動制限点（４９）の各々は、前記棒磁石（１６）の面側縁（３８、３９）からの面側距離（５０）が、前記面側縁（４１、４２）の距離の５％と４５％の間、好ましくは１５％と３５％の間、特に好ましくは２０％と３０％の間にある、ことを特徴とする請求項５に記載のセンサ（９）。
【請求項8】
前記トルク（１３）がゼロとなるとき、前記回転軸（８）に関連する垂足点（３６）が、前記棒磁石（１６）の中心に配置される、ことを特徴とする上記請求項５～７の１つに記載のセンサ（９）。
【請求項9】
前記棒磁石（１６）の領域内の前記円形パス（４４）は、前記垂足点（３６）及び前記回転軸（８）を通る直線に対して対称である、ことを特徴とする上記請求項６～８の１つに記載のセンサ（９）。
【請求項10】
－ 駆動方向に移動可能なシャシー（５）と、－ 前記駆動方向から見て前記シャシー（５）を前側でサポートする２つの前輪（３）と、
－ 前記駆動方向から見て前記シャシー（５）を後側でサポートする２つの後輪（４）と、
－ 前記前輪（３）を旋回させるために回転軸（８）の周りに操舵シャフト（７、１１）を回転させるための操舵輪（６）と
－ 前記操舵輪（６）によって前記操舵シャフト（７、１１）に加えられるトルク（１３）を検出するための上記請求項の１つに記載のセンサ（９）と、
－ 検出されたトルク（１３）に応じて前記前輪（３）の旋回を調整するためのモータ（１５）と、を備える車両（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トーション要素に加えられ、回転軸の周りに作用するトルクを検出するためのセンサ、及びセンサを備えた車両に関する。
【背景技術】
【0002】
トーション要素に加えられ、回転軸の周りに作用するトルクを検出するためのセンサは、ＥＰ１１６７９３６Ａ２から知られている。このセンサは、トランスミッタ素子と、センサチップと、評価装置と、を備える。トランスミッタ素子は、トーション要素の第１軸方向端部に対して固定的に装着することができ、回転軸の周りの周方向に変化させることができる伝達フィールドを出力するように設計される。センサチップは、トーション要素の第１軸方向端部の反対側の第２端部に対して固定的に装着することができ、センサチップに到達する伝達フィールドに依存する測定信号を出力するように設計される。評価装置は、測定信号に基づいてトルクに依存するセンサ信号を出力するように設計される。センサにおいて、トランスミッタ素子及びセンサチップは、軸方向に同じ高さで配置され、半径方向に離間される。
【発明の概要】
【0003】
本発明の目的は、既知のセンサを改良することである。
【0004】
このタスクは、独立した請求項の特徴によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。
【0005】
本発明の一態様によれば、トーション要素に加えられ、回転軸の周りに作用するトルクを検出するためのセンサは、トランスミッタ素子と、センサチップと、評価装置とを備える。前記トランスミッタ素子は、前記トーション要素の第１軸方向端部に対して固定的に装着することができ、前記回転軸の周りの周方向に変化させることができる伝達フィールドを出力するように設計される。前記センサチップは、前記トーション要素の第１軸方向端部の反対側の第２端部に対して固定的に装着することができ、前記センサチップに到達する前記伝達フィールドに依存する測定信号を出力するように設計される。前記評価装置は、前記測定信号に基づいて前記トルクに依存するセンサ信号を出力するように設計される。センサチップは、トランスミッタ素子から軸方向距離で配置され、トランスミッタ素子と半径方向に重なり合う。これは、本発明によるセンサにおいて、トランスミッタ素子及びセンサチップが軸方向に同じ高さで配置され、半径方向に離間されることを意味する。
【0006】
詳述されたセンサは、トルクを検出するためのトーション要素が弾性を持つように設計されるというアイデアに基づいたものである。弾性により、トーション要素は、回転軸の周りをトルクで回転することができ、それにより、周方向のセンサチップに対するトランスミッタ素子の相対位置はトルクに依存する。伝達フィールドは回転軸の周りの周方向にも変化するため、出力される測定信号はトルクに依存する。しかしながら、使用中にトルクがトーション要素に作用するだけではなく、機械的な遊びによる剪断力も作用する。その結果、トランスミッタ素子とセンサチップとの間に相対的な半径方向のずれが生じ、センサチップに到達する伝達フィールドが変化する。この変化は、測定信号の変化につながり、従ってトルクの不正確な検出につながる。
【0007】
したがって、この誤差を回避するために、詳述されたセンサについて、センサチップをトランスミッタ素子に対して半径方向ではなく、トランスミッタ素子に対して軸方向に位置させることが提案される。これにより、前述した剪断力に対するセンサの感度が低下し、従ってトルクの検出中に誤差が減少する。
【0008】
詳述されたセンサの一実施形態では、トランスミッタ素子は、伝達フィールドとして磁界を放出する磁石であり、それにより、センサチップは、センサチップに到達する磁界の関数として測定信号を出力するように設計される。磁界は、外部エネルギーの供給なしに、本願において永久磁石の形態の磁石で主に生成することができるので、この形態の伝達フィールドは、信頼性が高く、エネルギー効率がよく、省スペースで実施することができる。
【0009】
詳述されたセンサの特定の実施形態では、磁石は直線形状で設計され、回転軸に対して接線方向に配置される。このような磁石は、例えば、それらの形状が輸送のための積み重ねを容易にするので、より経済的に獲得することができる。
【0010】
詳述されたセンサの更なる実施形態では、トルクがゼロとなるとき、回転軸に関連する垂足点が、磁石の中心に配置される。このようにして、トーション要素を正の回転方向に回転させる正のトルク、及びトーション要素を負の回転方向に回転させる負のトルクは、等しい大きさの値の範囲にわたって磁石で検出することができる。
【0011】
詳述されたセンサの特に好ましい実施形態では、磁石の直線形状は棒磁石の形状であり、それらの標準形状により経済的に特に費用対効果が高い。
【0012】
詳述されたセンサの別の実施形態では、センサチップは、回転軸を回る円形パス上の棒磁石に対して可動に配置され、円形パスは、軸方向に見て、回転軸に向けられた棒磁石の縁から交点距離をおいて、棒磁石の端縁と交差し、前記交点距離は、端縁の距離の５％と４５％の間、好ましくは１５％と３５％の間、特に好ましくは２０％と３０％の間にある。
【0013】
詳述されたセンサのまた別の実施形態では、棒磁石を覆う領域において軸方向に見た円形パスは、回転軸に向けられた棒磁石の縁の視点から、回転軸に向けられた棒磁石の縁から極点距離だけ離間された極点を有し、前記極点距離は、回転軸に向けられた棒磁石の縁と回転軸から離れた棒磁石の縁との間の距離の５％と４５％の間、好ましくは１５％と３５％の間、特に好ましくは２０％と３０％の間にある。
【0014】
詳述されたセンサの追加の実施形態では、棒磁石の視点から円形パス上のセンサチップの移動は、２つの移動制限点の間で制限され、２つの移動制限点の各々は、棒磁石の面側縁からの面側距離が、面側縁の距離の５％と４５％の間、好ましくは１５％と３５％の間、特に好ましくは２０％と３０％の間にある。
【0015】
詳述されたセンサのまた別の実施形態では、棒磁石の領域内の円形パスは、垂足点及び回転軸を通る直線に対して対称である。
【0016】
本発明の別の態様によれば、車両は、駆動方向に移動可能なシャシーと、前記駆動方向から見て前記シャシーを前側でサポートする２つの前輪と、前記駆動方向から見て前記シャシーを後側でサポートする２つの後輪と、前記前輪を旋回させるために回転軸の周りに操舵シャフトを回転させるための操舵輪と、操舵輪によって前記操舵シャフトに加えられるトルクを検出するための前記センサの１つと、検出されたトルクに応じて前輪の旋回を調整するためのモータと、を備える。
【0017】
本発明の上述の特性、特徴及び利点、ならびにそれらが達成される方法は、図面に関連してより詳細に説明される実施形態の以下の説明に関連して、より明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】操舵システムを備えた車両の概略斜視図である。
【0019】
図面において、同じ技術的要素には同じ参照符号が付されており、一度しか記載されていない。図面は純粋に概略的なものであり、特に、実際の幾何学的な比率を反映していない。
【発明を実施するための形態】
【0020】
操舵システム２を含む車両１の概略斜視図である図１を参照されたい。
【0021】
本実施形態では、車両１は、２つの前輪３と２つの後輪４によってサポートされるシャシー５を含む。前輪３は、操舵システム２によって旋回することができるので、車両１はカーブで駆動することができる。
【0022】
操舵システム２は操舵輪６を含む。操舵輪６は、第１操舵シャフト７に装着され、次に第１操舵シャフト７は、回転軸８を回転できるように装着される。第１操舵シャフト７は、トルクセンサ９にガイドされ、さらに指定されていない方式でそこでトーション要素１０に接続される。第２操舵シャフト１１は、回転軸８上の第１操舵シャフト７の反対側の前記トーション要素１０に接続され、操舵ギア１２で終わる。操舵輪６が操舵トルク１３の形式のトルクで旋回すると、操舵トルク１３は、それに従って、操舵シャフト７と１１を介して操舵ギア１２に伝達され、操舵ギア１２は、それに応じて車輪角１４を有するカーブで前輪３を操舵する。
【0023】
操舵プロセスは、旋回中の第２操舵シャフト１１を支援する補助モータ１５によってサポートされる。この目的のために、トルクセンサ９は操舵トルク１３を検出する。次に、補助モータ１５は、とりわけ、検出された操舵トルク１３に従って、第２操舵シャフト１１を操舵する。
【0024】
操舵トルク１３を検出するために、トルクセンサ９は、第１操舵シャフト７に接続されて磁界１７を誘導する磁気トランスミッタ素子１６を備える。トルクセンサ９は、第２操舵シャフト１１に接続されたセンサチップ１８をさらに備える。センサチップ１８は、第２操舵シャフト１１に対する、従って磁気フィルター１８に対する第１操舵シャフト７の、従って磁気トランスミッタ素子１６の相対角度位置の関数として、磁気トランスミッタ素子１６から磁界１７を受信し、受信した磁界に依存する測定信号２０を評価装置２１に転送する。これは、測定信号２０に基づいて２つの操舵シャフト７と１１の間の角度位置を決定し、これに依存する、従ってトーション要素１０の弾力により操舵トルク１３にも依存するセンサ信号１９を出力する。よって、センサ信号１９は、検出される操舵トルク１３に直接依存するので、補助モータ１５は、第２操舵シャフト１１を旋回させるようにこの情報を直接処理することができる。
【0025】
トルクセンサ９の第１バージョンを示す図２を参照されたい。
【0026】
トルクセンサ９の説明では、軸方向２２、半径方向２３、及び周方向２４に跨る円柱座標系内の空間が想定されている。軸方向２２は、回転軸８の方向に揃えられ、周方向２４は、回転軸８を中心に円周方向に揃えられる。半径方向２３は、回転軸８に対して半径方向に延びる。
【0027】
この円柱座標系では、トルクセンサ９は、第１操舵シャフト７のフォースフィット受けのための回転軸８の周りに延びる第１軸受けブシュ２５、及び第２操舵シャフト１１のフォースフィット受けのための第２軸受けブシュ２６を備える。
【0028】
この場合、第１軸受けブシュ２５は、ここではフランジの形式の、例えば接着剤によって磁界トランスミッタ素子１６が取り付けられる保持部材２７を有する。このようにして、磁界トランスミッタ素子１６は、第１操舵シャフト７が第１軸受けブシュ２５に押し込まれたときに、第１操舵シャフト７上に静止して保持される。
【0029】
キャリア２８が、ここでもフランジの形式で、第２軸受けブシュ２６上に形成される。プリント回路基板ホルダ３０が、軸方向２２に見て反対側の浮動軸受素子３１上にサポートされるピン２９によってキャリア２８上に保持される。プリント回路基板の形態の評価装置２１がプリント回路基板ホルダ３０に収容され、次に、センサチップ１８が、例えばはんだ付けによって、評価装置２１に電気的及び機械的に接続される。センサチップ１８からの測定トランスデューサ２０は、電子部品３１によって評価装置２１で処理され、図２ではそれ以上見えないインタフェースを介して、センサ信号１９として補助モータ１５に転送される。
【0030】
トルクセンサ９の動作中に第１操舵シャフト７が回転し、回転がトーション要素１０を介して第２操舵シャフト１１に伝達されると、フォースフィットによって第１操舵シャフト７に保持される第１軸受けブシュ２５は、磁界トランスミッタ素子１６とともに回転し、第２操舵シャフト１１に保持される第２軸受けブシュ２６は、センサチップ１８とともに回転する。第２操舵シャフト１１の慣性及びトーション要素１０の弾性により、第１操舵シャフト７は、第１操舵シャフト７が旋回するときに、第２操舵シャフト１１に対して捻じれる。その結果、磁界トランスミッタ素子１６もセンサチップ１８に対して捻じれる。
【0031】
磁界トランスミッタ素子１６の磁界１７は、周方向２４に変化する。従って、磁界トランスミッタ素子１６がセンサチップ１８に対して回転すると、センサチップ１８に到達する磁界１７が変化する。センサチップ１８に対する磁界トランスミッタ素子１６の回転は、トーション要素１０の弾性により操舵トルク１３の大きさに依存するため、センサチップ１８に到達する磁界１７、測定信号２０、及び最後にセンサ信号１９も、操舵トルク１３の大きさに依存する。
【0032】
図２の実施形態では、磁界トランスミッタ素子１６は、半径方向リング距離３２で回転軸８の周りに円周方向にガイドされる磁気リングの形式で設計される。センサチップ１８はまた、磁界トランスミッタ素子１６とセンサチップ１８が半径方向に重なるように、半径方向リング距離３２で回転軸８から離れて配置される。図２では、半径方向２３の延長におけるこれらの素子の中心は、センサチップ１８と磁界トランスミッタ素子１６の半径方向リング距離３２を決定するための基準点として選択された。
【0033】
半径方向の重なりに加えて、磁界トランスミッタ素子１６は、図２のセンサチップ１８から軸方向測定距離３３で配置される。
【0034】
機械的公差のため、第１操舵シャフト７が使用中に第２操舵シャフト１１に対して半径方向２３にオフセットされ、従ってトーション要素１０が剪断応力を受ける場合、これは、例えばＥＰ１１６７９３６Ａ２に示すように、センサチップ１８が軸方向２２に同じ高さで配置されるが半径方向２３に離間される場合よりも、センサチップ１８に到達する磁界１７に小さい影響を与えない。
【0035】
以下、図３と４を参照しながら、トルクセンサ９の代替設計を説明する。
【0036】
図２の実施形態とは対照的に、図３と４の磁界トランスミッタ素子１６は、リング磁石として設計されていないが、直線で、回転軸に対して接線方向に配置されている。この目的のために、図４の上面図に示され、図３と４の説明では棒磁石１６と呼ばれる、本実施形態の磁界トランスミッタ素子１６の形状として、特に安価な棒磁石が選択される。
【0037】
棒磁石１６は、極遷移点３６で互いに接続された北極３４と南極３５を有する。回転軸８の視点から、極遷移点３６は、回転軸８及び棒磁石１６と交差する垂線のための垂足点を表すように配置される。
【0038】
半径方向２３に対して横方向に見ると、棒磁石１６は第１面側３８と、第１面側３８の反対側の第２面側３９とを有する。２つの面側３８、３９は、回転軸８に面する第１長手側４１及び回転軸８から離れた方を面する第２長手側４２によって互いに接続される。
【0039】
第１操舵シャフト７が第２操舵シャフト１１に対して上記のように回転すると、棒磁石１６から見たセンサチップ１８は、図４の棒磁石１６の領域内に破線で示される円形パス４４に沿って移動する。図４の上面図に示すように、円形パス４４は、第１面側３８及び第２面側３９の縁とそれぞれ交点４５で交差する。各交点４５は、第１長手側４１から交点距離４６だけ離間される。
【0040】
最後に、図４の上面図において、棒磁石１６は、第１長手側４１から見ると、棒磁石１６の領域内に円形パス３７が極点４７を有するように配置される。各極点４７は、第２長手側４２から極点距離４８だけ離間される。
【0041】
センサチップ１８は、可能な限り均一な磁界内において、磁界トランスミッタ素子１６の下で軸方向にガイドされるべきである。このようにして、円形パス４４上の棒磁石１６の移動の関数として、センサチップ１８によって生成される測定信号２０における操舵トルク１３は、移動に線形依存し、特に簡単な方式で技術的に評価することができる。
【0042】
このために、交点距離４６は、２つの長手側４１、４２の距離の５％と４５％の間、好ましくは１５％と３５％の間、特に好ましくは２０％と３０％の間にするべきである。２つの交点距離４６は等しく選択することができるが、等しく選択する必要がない。さらに、極点距離４８は、２つの長手側４１、４２の距離の５％と４５％の間、好ましくは１５％と３５％の間、特に好ましくは２０％と３０％の間にするべきである。交点距離４６は、極点距離４８の１０％と９０％の間、好ましくは３０％と７０％の間、特に好ましくは４５％と５５％の間で選択するべきである。
【0043】
最後に、前記線形依存性を達成するために、棒磁石１６で見て円形パス４４に沿ったセンサチップ１８の移動は、それぞれの面側３８、３９から面側距離５０だけ離間された２つの移動制限点４９の間で制限されるべきである。面側距離５０は、２つの面側３８、３９の間の距離の５％と４５％の間、好ましくは１５％と３５％の間、さらに好ましくは２０％と３０％の間にある。
【0044】
【0045】
トルクセンサ９の第３バージョンにおいて、磁界トランスミッタ素子は、幾つかの孔３４、３５が一列に配置されているリングセグメントとして設計されている。ここでの利点は、幾つかのセンサチップ１８、１８'は、例えば冗長性の目的で配置することができることである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】