角度測定システム
【課題】 角度測定システムを提供する。
【解決手段】 本開示のいくつかの態様は、回転シャフトの角度の位置を測定する技法に関する。詳細に後述するように、本開示のいくつかの角度測定システムは、所定関係（たとえば所定ギア比）に従って協働して異なる速度で回転する少なくとも２つの磁石を有する。固定されていることが多い２つ以上の磁界検知素子が、シャフトの特定の角度の位置に対して種々の位置で結果的な磁界の方向を測定する。磁界検知素子によって測定される方向に基づき、本技法は、３６０°を上回る可能性がある回転シャフトの絶対角度の位置を決定することができる。
【解決手段】 本開示のいくつかの態様は、回転シャフトの角度の位置を測定する技法に関する。詳細に後述するように、本開示のいくつかの角度測定システムは、所定関係（たとえば所定ギア比）に従って協働して異なる速度で回転する少なくとも２つの磁石を有する。固定されていることが多い２つ以上の磁界検知素子が、シャフトの特定の角度の位置に対して種々の位置で結果的な磁界の方向を測定する。磁界検知素子によって測定される方向に基づき、本技法は、３６０°を上回る可能性がある回転シャフトの絶対角度の位置を決定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ等の磁気検知装置が、多種多様の応用で使用されている。たとえば、ＧＭＲセンサは、回転シャフトの角度位置を検知するのに使用されることが多い。こうした応用では、「ピル（ｐｉｌｌ）」と呼ばれることがある永久磁石を、ステアリングシャフトの端部に取り付け、その永久磁石の中心をシャフトの回転軸上に置くことができる。通常、１または複数のブリッジを形成するように接続されているＧＭＲ素子または抵抗器もまた、回転軸に中心を置くように配置され、ＧＭＲ抵抗器によって、回転シャフトの角度位置を示す出力信号が結果的に生成される。しかしながら、本発明者らが理解したように、多くの応用において、空間に制限があるため、ＧＭＲセンサをシャフトの端部のその回転軸上に取り付けることは非効率的である。たとえば、車両において、ステアリングシャフトの端部には、通常、ナックルアセンブリが取り付けられており、ＧＭＲセンサをステアリングシャフトの回転軸上に取り付ける実用的な方法はなく、それはナックルアセンブリがこうした構成を妨げるためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、改善された角度検知技法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の態様は、回転シャフトの角度位置を測定する技法に関する。後により詳細に説明するように、本開示のいくつかの角度測定システムは少なくとも２つの磁石を有しており、それらは協働して、所定の関係（たとえば所定のギア比）に従って異なる速度で回転する。１つまたは複数の角度センサは、固定されており、特定角度のシャフトの位置に対し種々の位置において結果的に得られる磁界の方向（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）を測定する。前記複数の角度センサによって測定された磁界の方向に基づき、本技法は、回転シャフトの絶対角度の位置を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】一実施形態による角度測定システムの上面図である。
【図２】図１の角度測定システムの側面図である。
【図３】図１の角度測定システムで使用するのに好適なＧＭＲ角度センサの一実施形態を概略的に示すブロック図である。
【図４】一実施形態によるＧＭＲ抵抗器の構成を示す概略図である。
【図５】Ａ〜Ｄは、時間の経過による様々な角度位置のうちの１つにおける角度測定システムを示す。
【図６】絶対角度の位置を導出するために使用される２つの角度センサからの信号を示し、かつ図５Ａ〜図５Ｄに対応する、サンプル角度計算プロットを示す。
【図７】いくつかの実施形態による方法を示すフローチャートである。
【図８】冗長的な角度センサの一例を示す実施形態である。
【図９】回転体内に磁石以外の追加の構造体が含まれる一例を示す実施形態である。
【図１０】冗長的な角度センサを含む一例を示す実施形態である。
【図１１】ボタン磁石の上に偏心角度センサを有する一例を示す実施形態である。
【図１２】ボタン磁石の上に一対の偏心角度センサを有する一例を示す実施形態である。
【図１３】角度センサが、第１回転体および第２回転体の中心を通過するｘ軸に対して９０°オフセットされた一例を示す実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
ここで、請求項に記載された対象について図面を参照して説明する。全体を通じて、同様の参照符号を用いて同様の要素に言及する。以下の記載では、請求項に記載の対象を完全に理解するため、説明を目的として多数の具体的な詳細が述べられている。しかしながら、請求項に記載の対象を、これらの具体的な詳細なしで実施してもよいことは明らかであろう。
【０００７】
以下の詳細から理解され得るように、本開示による角度測定技法は、回転シャフトを利用するあらゆる応用において有益となり得る。いくつかの応用では、これら技法を使用して、相対角度および絶対角度の両方を測定することができる。基本的には、相対角度は、１回の３６０°回転内で測定される角度位置であり、絶対角度は、１回の３６０°回転を越えることができる角度位置である。たとえば、相対角度位置は、（先の測定から３６０°回転が何回起こったかは示さない）正確な垂直線に対する４５°の回転を測定でき、一方、絶対角度位置は、何らかの固定基準線に対して２回の完全な３６０°の回転に４５°の回転を足したもの（たとえば、固定基準線に対して７６５°の回転）を示すことができる。
【０００８】
図１および図２は、車両のステアリングシャフト等、回転シャフト１０２の絶対角度を決定する角度測定システム１００のそれぞれ上面図および側面図を示す。角度測定システムは、回転シャフト（それぞれ１０２、１０８）に結合された第１本体および第２本体（１０４、１０６）を有し、シャフトの回転軸（それぞれ１１０、１１２）は距離１１４だけ間隔を空けて配置されている。図示する実施形態では軸１１０、１１２は平行であるが、他の実施形態では、たとえばウォームギアの構成のように、互いに対して傾斜することもできることに留意されたい。
【０００９】
第１本体および第２本体（１０４、１０６）は、それら本体の外周を画定する外側半径（それぞれＲＯ１、ＲＯ２）を有し、その本体の外周に沿って歯１１６が配置されている。外周に沿った歯１１６の数を、所定のギア比に従って配置することができ、それにより、所定の関係に従って第１本体および第２本体（１０４、１０６）のそれらの回転軸（それぞれ１１０、１１２）を中心とする回転運動が容易になる。
【００１０】
各本体は、その本体の運動に従って回転する磁界を提供するように構成された１または複数の磁石を有している。たとえば、第１本体１０４は、回転シャフト１０２に取り付けられた第１磁石１１８を有し、第１磁石１１８は、Ｎ極１２０およびＳ極１２２を有する永久リング磁石とすることができる。第１磁石１１８による第１磁界の磁力線は、磁力線１２４ａ〜１２４ｅによって示すように、Ｎ極１２０からＳ極１２２まで延びる。同様に、第２本体１０６は第２磁石１２６を有し、それは、Ｎ極１２８およびＳ極１３０を有する永久円形または「ボタン」磁石とすることができる。第２磁石１２６による第２磁界の磁力線は、磁力線１３２ａ〜１３２ｃによって示すように、Ｎ極１２８からＳ極１３０まで延びる。簡単にする目的で、この図では直線状の磁力線のみを示すが、実際の実施態様では磁力線は湾曲または屈曲する場合が多いことは理解されよう。
【００１１】
２以上の角度センサ（たとえば第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６）が、それぞれ第１磁石１１８および第２磁石１２６に対して異なる位置に配置されている。実施形態によっては、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、ＧＭＲ抵抗器領域（それぞれ１４２、１４４）を有してプリント回路基板（それぞれ１４６、１４８）に取り付けられた第１半導体チップおよび第２半導体チップ（それぞれ１３８、１４０）を備えている。
【００１２】
図１および図２は、第１磁石１１８の上に配置された第１角度センサ１３４を示している。より詳細には、第１角度センサ１３４は、リング磁石１１８の表面１５２に対して平行な平面１５０に配置されることが多く、それにより、抵抗器領域１４２は、実質的に、回転シャフト１０２の回転軸１１０を通って延びる半径に沿った、リング磁石１１８の内径（ｒｉ）と外径（ｒｏ）との間に中心が置かれる。さらに、抵抗領域１４２は、内径ｒｉおよび外径ｒｏの間で等距離であることが多く、それによりリング磁石１１８の縁部近傍で発生する望ましくない磁界変動を制限するのに役立つ。
【００１３】
図１および図２はまた、第２磁石１２６の上に配置された第２角度センサ１３６も示している。より詳細には、第２角度センサ１３６は、ボタン磁石１２６の表面１５６に対して平行な平面１５４に配置されることが多く、それにより、抵抗器領域１４４は、実質的に、ボタン磁石の回転軸１１２上に中心が置かれる。平面１５０、１５４と表面１５２、１５６との間の距離は、実施態様に応じて同じであることも異なることも可能である。
【００１４】
通常、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、第１磁石１１８および第２磁石１２６がそれらの下で回転している間、固定されたままである。このように、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、それらのそれぞれの位置で磁界の方向または相対角度を測定し、コントローラ１５８（たとえばマイクロコントローラ）に相対角度情報を提供する。そして、コントローラ１５８は、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６からの相対角度に基づいて、回転シャフト１０２の絶対角度を決定することができる。シャフトの絶対角度に従うそれぞれの度合いは、第１角度センサおよび第２角度センサに対する種々の測定値の組合せに対応するため、ギア比が柔軟であると、シャフトの絶対角度に無限の可能性が与えられる。
【００１５】
適切な機能性を促進するために、リング磁石１１８（およびシャフト１０２）に対する完全な回転の数Ｔｉを、以下の式（１）によって表わすことができる。
【数１】
ここで、Ａは、シャフト１０２が回転する絶対角度であり、ａ＝３６０°（どの旋回に対しても最大限のシャフトの回転を前提とする）である。
【００１６】
設計者は、整数ｉを選択し、以下の式（２）に従ってリング磁石１１８のボタン磁石１２６に対する寸法比ｚを計算することができる。
【数２】
【００１７】
ボタン磁石１２６に対する完全な回転の数を、以下の式（３）によって決定することができる。
【数３】
【００１８】
完全な回転の数が少ないほど、リング磁石１１８の角度を測定する角度センサ１３４に要求される精度は低い。リング磁石に対するいかなる相対角度もボタン磁石に対する繰返し相対角度で分離する度数は、以下の式（４）によって表わされる。
【数４】
【００１９】
したがって、リング磁石に対する相対角度測定値は、ボタン磁石に対する相対角度測定値の誤差によって定義されるシステム精度を達成するには、
【数５】
でなければならない。明確にするために、本明細書では、Ａ＝１４４０°およびｉ＝２のさらに詳細な実施例を示して説明する。たとえば、図５、図６及び関連する本文を参照されたい。
【００２０】
図３は、ＧＭＲ角度センサ３００（たとえば図１の角度センサ１３４および／または１３６）の一実施形態を概略的に示すブロック図である。図示するように、ＧＭＲ角度センサ３００は、ＧＭＲ抵抗器領域３０２に加えて、コントローラ３０４およびメモリ３０６をさらに有することができ、メモリ３０６は複数のＧＭＲパラメータ（たとえば較正パラメータ）に対する値を格納する。ＧＭＲ角度センサ３００は、供給電圧（ＶＤＤ）ピン３１０、接地ピン３１２およびデータＩ／Ｏピン３１４等、複数のピン３０８をさらに有している。
【００２１】
図４は、一実施形態によるＧＭＲ抵抗器領域４００（たとえば図３のＧＭＲ抵抗器領域３０２）を概略的に示す略図である。図示するように、ＧＭＲ抵抗器領域４００は、一対のＧＭＲセンサブリッジ４０２および４０４を有し、センサブリッジ４０２は４つのＧＭＲ抵抗器４０６ａ〜４０６ｄによって形成され、センサブリッジ４０４は４つのＧＭＲ抵抗器４０８ａ〜４０８ｄによって形成されている。図４のブリッジの実施態様によれば、ＧＭＲセンサブリッジ４０２および４０４は、互いに対して直交して配置され、４１０の破線で示す磁界のような、回転磁界のｘ成分およびｙ成分を検知するようにそれぞれ構成されている。
【００２２】
供給電圧ＶＤＤは、ピン３１０を介して端子４１２に印加され、端子４１４および４１６において、ＧＭＲセンサブリッジ４０２の電圧信号ＶＸ＋およびＶＸ−が測定され、端子４１８および４２０において、ＧＭＲセンサブリッジ４０４の電圧信号Ｖｙ＋およびＶｙ−が測定される。磁界４１０等の外部磁界に応答して、ＧＭＲ抵抗器４０６ａ〜４０６ｄおよび４０８ａ〜４０８ｄのうちの１または複数が、それらの電気抵抗を変化させ、それにより、端子４１４および４１６における電圧信号ＶＸ＋およびＶＸ−と、端子４１８および４２０における電圧信号Ｖｙ＋およびＶｙ−とが変化し、それらは、基準ベクトル（たとえば０度）に対する磁界４１０の角度位置を表す。
【００２３】
ここで図５Ａ〜図５Ｄならびに図６を参照すると、２つの角度センサ１３４、１３６を使用して、回転シャフト１０２の絶対角度の位置を決定する方法のさらに詳細な実施例が見られる。
【００２４】
要約すると、これらの図は、回転シャフト１０２が旋回すると、第１本体１０４および第２本体１０６の外周に沿った歯が噛合し、それにより第１本体１０４および第２本体１０６を互いに異なる角度距離だけ移動させることを示している。回転の終端点間からの移動において、第１本体１０４は、完全な４回転、あるはい、１４４０°の絶対角度にわたって回転する。第２本体は、それに対応して、完全な９回転、あるいは、３２４０°の絶対角度にわたって回転する。しかしながら、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、３６０°未満の相対角度しか測定しないため、コントローラ（たとえば図１のコントローラ１５８）は、これら２つの相対角度を相関させて、０°〜１４４０°となり得るシャフト１０２の絶対角度を決定する必要がある。
【００２５】
以下、さらに詳細に理解されるように、シャフト１０２が複数の旋回によって回転すると、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、表１に示すように、３６０°未満の相対角度を測定する。単一の角度センサは、シャフトの、複数の異なる絶対角度について、同じ相対角度を出力する場合があっても、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６によって測定される相対角度の組合せは、シャフト１０２の各絶対角度に対して異なる。したがって、コントローラは、所与の時点におけるシャフトの絶対角度を、その所与の時点における第１角度センサおよび第２角度センサによって測定される相対角度の組合せに基づいて決定することができる。この機能性を容易化するために、コントローラは、一意的に対応する絶対角度とともに、予想される複数対の相対角度の表を有することが多く、それにより、コントローラは、２つの角度センサ測定値からシャフトの絶対角度を決定することができる。
【００２６】
【表１】
【００２７】
上述したように、図５Ａ〜図５Ｄおよび図６の実施形態は、上記式（１）〜（４）においてＡ＝１４４０°およびｉ＝２に対応する。これは、シャフト１０２が１４４０°の絶対角度にわたって回転し、リング磁石およびボタン磁石の寸法比が２．２５であり得ることを意味する。例示の目的で、第１本体１０４および第２本体１０６の０°相対角度をｘ軸５０２に沿うものとして定義し、９０度の相対角度がｙ軸５０４に沿うものとして定義して図５Ａ〜図５Ｄおよび図６の実施例を後述する。しかしながら、これらの相対角度の位置は幾分か任意であり、他の実施形態では、他の相対角度の位置を割り当てることも可能であることが理解されよう。
【００２８】
図５Ａは、シャフト１０２の１つの端点に対応し、そこで第１角度センサ１３４は、第１角度センサ１３４における磁界がｘ軸５０２に沿うという事実により、略０°の相対角度を測定する。第２角度センサ１３６も、略０°の相対角度を測定する。図６（「図５Ａ」と付された点）も参照されたい。第１角度センサおよび第２角度センサに対する特定の０°、０°の相対角度の対を調べることにより、コントローラは、シャフトがこの時点で０°の絶対角度にあることを識別する。
【００２９】
図５Ｂにおいて、第１角度センサ１３４は、約３２０°の相対角度を測定し、第２角度センサは約０°の相対角度を測定する。図６に示すように、図５Ａから図５Ｂに進む際に、第２角度センサ１３６は、第２（小さい方の）本体１０６に対して３６０°の完全な回転を２回測定している。しかしながら、第１角度センサ１３４は、第１本体１０４に対して完全な１回転より少ない回転（すなわち３２０°）を測定している。再度、第１角度センサおよび第２角度センサに対する特定の０°、３２０°の相対角度の対を調べることにより、コントローラは、この時点でシャフトが３２０°の絶対角度にあることを識別する。
【００３０】
図５Ｃにおいて、第１角度センサ１３４は２８０°の相対角度を測定し、第２角度センサ１３６は０°の相対角度を測定する。したがって、図６に示すように、図５Ｂから図５Ｃに進む際に、第２本体１０６は、３６０°の完全な回転をもう２回行い、第２本体１０６に対する１４４０°の絶対角度となる。第１本体１０４（したがって回転シャフト１０２）は、依然として第２本体１０６より低速に回転しており、ここでは６４０°の絶対角度にわたって回転している。もう一度、第１角度センサおよび第２角度センサに対する特定の０°、２８０°の相対角度の対を調べることにより、コントローラは、シャフトがこの時点で６４０°の絶対角度にあることを識別する。
【００３１】
シャフト１０２に対する第２の端点に対応する図５Ｄにおいて、第１角度センサは、この時２４０°を測定し、第２角度センサは０°を測定する。図６に示すように、図５Ｃから図５Ｄに進む際に、第２本体１０６は、３６０°の完全な回転をもう２回行っており、第２本体に対する２１６０°の絶対角度となる。依然として第２本体１０６より低速に回転している第１本体１０４（したがってシャフト１０２）は、この時、９６０°の絶対角度にわたって回転している。もう一度、第１角度センサおよび第２角度センサに対する特定の０°、２４０°の相対角度の対を調べることにより、コントローラは、この時点でシャフトが９６０°の絶対角度にあることを識別する。
【００３２】
さらに、この例では、コントローラが決定する絶対角度に影響を与えることなく、およそ±２０°のリング磁石に対する相対角度測定値誤差が許容可能であることを留意すべきである。これは、上記式（４）を用いると分かる。シャフト１０２に対する絶対角度を達成するために要求されるボタン磁石の回転が小さいようにシステムが設計されている場合、リング磁石の角度センサに必要な精度は低くなる。
【００３３】
図７を参照すると、いくつかの実施形態による方法７００を見ることができる。本明細書に記載する方法を、一連の作用または事象として図示して説明しているが、本発明は、こうした作用または事象の図示する順序に限定されないことが理解されよう。たとえば、本発明に従い、いくつかの作用は、本明細書に図示、及び／又は、説明したものと別の作用または事象と異なる順序で、及び／又は、同時に発生してもよい。さらに、本発明による方法を実施するために、図示する作用または事象のすべてが要求されるわけではない。
【００３４】
方法７００は７０２で開始し、第１位置において磁界の方向を測定する。第１位置は、第１磁石が回転する中心となる第１軸に対して固定されていることが多い。たとえば、図１の実施形態では、第１位置は第１角度センサ１３４の位置に対応することができ、第１軸は、第１磁石１１８が回転する中心となる第１軸１１０に対応することができる。
【００３５】
７０４において、方法７００は、第２位置における磁界の方向を測定する。第２位置は、第２磁石が回転する中心となる第２軸に対して固定されていることが多い。たとえば、図１の実施形態では、第２位置は、第２角度センサ１３６の位置に対応することができ、第２軸は、第２磁石１２６が回転する中心となる第２軸１１２に対応することができる。
【００３６】
７０６において、方法７００は、第１位置および第２位置における磁界の方向を分析することにより、シャフトの絶対角度の位置を決定する。第１磁石および第２磁石は、第１位置および第２位置における磁界方向が所定関係に従って変化するように協働して移動するように配置されることが多く、それにより、第１位置および第２位置における種々の磁界方向は回転シャフトの固有の絶対角度に対応する。
【００３７】
様々な実施形態について上述したが、これら実施形態の変形もまた、本開示の範囲内に収まるものと考えられる。たとえば、第１磁石および第２磁石を、先の図では、（図１に示したように）シャフト１０２から第１本体および第２本体の外径まで連続して延びているものとして示したが、他の構成も可能である。図８は、シャフト１０２とリング磁石１１８との間にハウジングまたはマニホルド９０２が配置されるこうした１つの実施形態を示す。ハウジングまたはマニホルド９０２を、リング磁石１１８の外径とその周囲の歯１１６との間に配置することも、同様に、ボタン磁石１２６とその周囲の歯１１６との間に配置することも可能である。
【００３８】
いくつかの実施形態では、第１磁石１１８および第２磁石１２６を、射出成形技法を用いて製造することができ、その場合、ゴムまたはプラスチック材料が磁化可能材料とともに含有される。ハウジングまたはマニホルド９０２を使用した、他の実施形態では、磁石１１８、１２６を、他の方法（たとえば締結具または接着剤）でシャフト１０２に結合することができる。
【００３９】
第２角度センサ１３６を、少なくとも実質的に第２（ボタン）磁石１２６の回転軸に中心を置くものとして図示して説明したが、他の実施形態（図９）では、第２角度センサ１３６を、第２ボタン磁石の回転軸から距離９０４だけ間隔を空けて配置することができる。
【００４０】
さらに、先に図示した実施形態は、各磁石の上に１つの角度センサしか示していないが、この開示による角度検知システムにおいて追加の（冗長的な）角度センサをさまざまな方法で散在させることも可能である。したがって、図１０は、２つの角度センサ１００２、１００４が第１磁石１１８の上に配置されている１つの実施形態を示す。これら角度センサ１００２、１００４は互いに１８０°間隔が空けられているが、他の実施形態によっては、Ｎ個の角度センサを、互いにＮ／３６０°で等間隔に空けて配置することができる。ここでＮは冗長的な角度センサの整数の数である。さらに、Ｎ個の角度センサを、互いに角度距離を不等間隔に空けて配置することも可能である。
【００４１】
冗長的な角度センサは、存在する場合、第１磁石１１８の上の単一平面（たとえば図２の平面１５０）に配置することができる場合が多い。しかしながら、これらおよび他の実施態様において、冗長的な角度センサを、第２磁石１２６の上で互いに「積み重ねる」ことも可能である。いずれの配置を使用しても、冗長的な角度センサは、長期間の信頼性の高い角度検知を容易にするのに役立てることができる。
【００４２】
図１１は、第１（リング）磁石１１８の上に冗長的なセンサが配置され、第２（ボタン）磁石１２６の上に偏心角度センサ１１０２が配置される別の実施形態を示す。
【００４３】
図１２は、第２（ボタン）磁石１２６の上に一対の冗長的な偏心角度センサ１２０２、１２０４が配置される別の実施形態を示す。
【００４４】
いくつかの態様では、簡略化してもよいが、磁石が直径方向に対向した位置に配置される必要はないことを留意されたい。したがって、図１３は、第１磁石１１８の上の角度センサ１３０２が、第１本体および第２本体の中心を通過するｘ軸１３０４に対して９０°の角度に配置されている実施例を示す。
【００４５】
さらに、図示する実施形態は、２つの回転体（たとえば、図１の第１本体１０４および第２本体１０６）のみを示すが、図示しない実施形態によっては、３以上の本体が使用される。たとえば、より複雑なギア機構を使用して磁石の所望の回転運動を容易にすることができ、その場合、ギアシステムは３、４、５またはそれより多くの本体を有し、それらの各々の周上には歯を配置することができる。これらのギアシステムに対して２以上の角度センサを配置することにより、回転シャフトの角度位置の正確な検出を可能にすることができる。
【００４６】
当業者が理解するように、会社が異なると１つの構成要素を異なる名称で呼ぶ場合がある。この文書は、本明細書において名称は異なるが機能は異ならない構成要素を識別するようには意図していない。この文書において、「含む、有する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「具備する、備える、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、非限定的に使用され、したがって「含む、ただし限定されない」と意味するように解釈されるべきである。また、「結合する」という用語（およびその変形）は、間接的な接続または直接的な接続のいずれをも意味するように意図されている。したがって、第１要素が第２要素に結合される場合、その接続は、直接的な接続であってもよく、または他の要素および接続を介する間接的な接続であってもよい。本明細書において種々の大体の数値を提供しているが、これらの数値は単なる例示にすぎず、本開示の範囲を限定するように使用されるべきではない。
【００４７】
また、本開示は、１または複数の実施態様に対して示され説明されているが、本明細書および添付図の解釈及び理解に基づいて、当業者には等価な改変および変更に気付くであろう。本開示は、こうした変更および改変をすべて包含し、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。特に、上述した構成要素（たとえば要素および／または資源）によって実行される様々な機能に関して、こうした構成要素を説明するために用いる用語は、特に示さない限り、本明細書で示す例示的な実施態様において機能を実行する開示した構造と構造的に等価でなくても、所望の（たとえば機能的に等価な）構成要素の指定された機能を実行する任意の構成要素に対応するように意図されている。さらに、本開示の特定の特徴は、いくつかの実施態様のうちの１つのみに関して開示している場合もあるが、こうした特徴は、任意の所与のまたは特定の用途に対して望まれかつ有利となり得るように、他の実施態様の１または複数の他の特徴と組み合わせることができる。さらに、本願および添付の特許請求の範囲において使用する冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」は、「１つまたは複数の」を意味するように解釈されるべきである。
【００４８】
さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ、ｈａｓ）」、「備えた（ｗｉｔｈ）」と言う用語またはそれらの変形は、詳細な説明または特許請求の範囲のいずれかで使用される範囲で、「具備する、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様に包括的であるように意図されている。
【符号の説明】
【００４９】
１００ 角度測定システム
１０２ 回転シャフト
１０４ 第１本体
１０６ 第２本体
１０８ 回転シャフト
１１０ 回転軸
１１２ 回転軸
１１６ 歯
１１８ 第１磁石（リング磁石）
１２０ Ｎ極
１２２ Ｓ極
１２４ａ〜１２４ｅ 磁力線
１２６ 第２磁石（ボタン磁石）
１２８ Ｎ極
１３０ Ｓ極
１３２ａ〜１３２ｃ 磁力線
１３４ 第１角度センサ
１３６ 第２角度センサ
１３８ 第１半導体チップ
１４０ 第２半導体チップ
１４２ ＧＭＲ抵抗器領域
１４４ ＧＭＲ抵抗器領域
１４６ プリント回路基板
１４８ プリント回路基板
１５０ 平面
１５２ 表面
１５４ 平面
１５６ 表面
１５８ コントローラ
３００ ＧＭＲ角度センサ
３０２ ＧＭＲ抵抗器領域
３０４ コントローラ
３０６ メモリ
３０８ ピン
３１０ 供給電圧ピン
３１２ 接地ピン
３１４ データＩ／Ｏピン
４００ ＧＭＲ抵抗器領域
４０２ ＧＭＲセンサブリッジ
４０４ ＧＭＲセンサブリッジ
４０６ａ〜４０６ｄ ＧＭＲ抵抗器
４０８ａ〜４０８ｄ ＧＭＲ抵抗器
４１０ 磁界
４１２ 端子
４１４ 端子
４１６ 端子
４１８ 端子
４２０ 端子
５０２ ｘ軸
５０４ ｙ軸
７００ 方法
９０２ ハウジングまたはマニホルド
１００２ 角度センサ
１００４ 角度センサ
１１０２ 偏心角度センサ
１２０２ 偏心角度センサ
１２０４ 偏心角度センサ
１３０２ 角度センサ
１３０４ ｘ軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ等の磁気検知装置が、多種多様の応用で使用されている。たとえば、ＧＭＲセンサは、回転シャフトの角度位置を検知するのに使用されることが多い。こうした応用では、「ピル（ｐｉｌｌ）」と呼ばれることがある永久磁石を、ステアリングシャフトの端部に取り付け、その永久磁石の中心をシャフトの回転軸上に置くことができる。通常、１または複数のブリッジを形成するように接続されているＧＭＲ素子または抵抗器もまた、回転軸に中心を置くように配置され、ＧＭＲ抵抗器によって、回転シャフトの角度位置を示す出力信号が結果的に生成される。しかしながら、本発明者らが理解したように、多くの応用において、空間に制限があるため、ＧＭＲセンサをシャフトの端部のその回転軸上に取り付けることは非効率的である。たとえば、車両において、ステアリングシャフトの端部には、通常、ナックルアセンブリが取り付けられており、ＧＭＲセンサをステアリングシャフトの回転軸上に取り付ける実用的な方法はなく、それはナックルアセンブリがこうした構成を妨げるためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、改善された角度検知技法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の態様は、回転シャフトの角度位置を測定する技法に関する。後により詳細に説明するように、本開示のいくつかの角度測定システムは少なくとも２つの磁石を有しており、それらは協働して、所定の関係（たとえば所定のギア比）に従って異なる速度で回転する。１つまたは複数の角度センサは、固定されており、特定角度のシャフトの位置に対し種々の位置において結果的に得られる磁界の方向（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）を測定する。前記複数の角度センサによって測定された磁界の方向に基づき、本技法は、回転シャフトの絶対角度の位置を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】一実施形態による角度測定システムの上面図である。
【図２】図１の角度測定システムの側面図である。
【図３】図１の角度測定システムで使用するのに好適なＧＭＲ角度センサの一実施形態を概略的に示すブロック図である。
【図４】一実施形態によるＧＭＲ抵抗器の構成を示す概略図である。
【図５】Ａ〜Ｄは、時間の経過による様々な角度位置のうちの１つにおける角度測定システムを示す。
【図６】絶対角度の位置を導出するために使用される２つの角度センサからの信号を示し、かつ図５Ａ〜図５Ｄに対応する、サンプル角度計算プロットを示す。
【図７】いくつかの実施形態による方法を示すフローチャートである。
【図８】冗長的な角度センサの一例を示す実施形態である。
【図９】回転体内に磁石以外の追加の構造体が含まれる一例を示す実施形態である。
【図１０】冗長的な角度センサを含む一例を示す実施形態である。
【図１１】ボタン磁石の上に偏心角度センサを有する一例を示す実施形態である。
【図１２】ボタン磁石の上に一対の偏心角度センサを有する一例を示す実施形態である。
【図１３】角度センサが、第１回転体および第２回転体の中心を通過するｘ軸に対して９０°オフセットされた一例を示す実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
ここで、請求項に記載された対象について図面を参照して説明する。全体を通じて、同様の参照符号を用いて同様の要素に言及する。以下の記載では、請求項に記載の対象を完全に理解するため、説明を目的として多数の具体的な詳細が述べられている。しかしながら、請求項に記載の対象を、これらの具体的な詳細なしで実施してもよいことは明らかであろう。
【０００７】
以下の詳細から理解され得るように、本開示による角度測定技法は、回転シャフトを利用するあらゆる応用において有益となり得る。いくつかの応用では、これら技法を使用して、相対角度および絶対角度の両方を測定することができる。基本的には、相対角度は、１回の３６０°回転内で測定される角度位置であり、絶対角度は、１回の３６０°回転を越えることができる角度位置である。たとえば、相対角度位置は、（先の測定から３６０°回転が何回起こったかは示さない）正確な垂直線に対する４５°の回転を測定でき、一方、絶対角度位置は、何らかの固定基準線に対して２回の完全な３６０°の回転に４５°の回転を足したもの（たとえば、固定基準線に対して７６５°の回転）を示すことができる。
【０００８】
図１および図２は、車両のステアリングシャフト等、回転シャフト１０２の絶対角度を決定する角度測定システム１００のそれぞれ上面図および側面図を示す。角度測定システムは、回転シャフト（それぞれ１０２、１０８）に結合された第１本体および第２本体（１０４、１０６）を有し、シャフトの回転軸（それぞれ１１０、１１２）は距離１１４だけ間隔を空けて配置されている。図示する実施形態では軸１１０、１１２は平行であるが、他の実施形態では、たとえばウォームギアの構成のように、互いに対して傾斜することもできることに留意されたい。
【０００９】
第１本体および第２本体（１０４、１０６）は、それら本体の外周を画定する外側半径（それぞれＲＯ１、ＲＯ２）を有し、その本体の外周に沿って歯１１６が配置されている。外周に沿った歯１１６の数を、所定のギア比に従って配置することができ、それにより、所定の関係に従って第１本体および第２本体（１０４、１０６）のそれらの回転軸（それぞれ１１０、１１２）を中心とする回転運動が容易になる。
【００１０】
各本体は、その本体の運動に従って回転する磁界を提供するように構成された１または複数の磁石を有している。たとえば、第１本体１０４は、回転シャフト１０２に取り付けられた第１磁石１１８を有し、第１磁石１１８は、Ｎ極１２０およびＳ極１２２を有する永久リング磁石とすることができる。第１磁石１１８による第１磁界の磁力線は、磁力線１２４ａ〜１２４ｅによって示すように、Ｎ極１２０からＳ極１２２まで延びる。同様に、第２本体１０６は第２磁石１２６を有し、それは、Ｎ極１２８およびＳ極１３０を有する永久円形または「ボタン」磁石とすることができる。第２磁石１２６による第２磁界の磁力線は、磁力線１３２ａ〜１３２ｃによって示すように、Ｎ極１２８からＳ極１３０まで延びる。簡単にする目的で、この図では直線状の磁力線のみを示すが、実際の実施態様では磁力線は湾曲または屈曲する場合が多いことは理解されよう。
【００１１】
２以上の角度センサ（たとえば第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６）が、それぞれ第１磁石１１８および第２磁石１２６に対して異なる位置に配置されている。実施形態によっては、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、ＧＭＲ抵抗器領域（それぞれ１４２、１４４）を有してプリント回路基板（それぞれ１４６、１４８）に取り付けられた第１半導体チップおよび第２半導体チップ（それぞれ１３８、１４０）を備えている。
【００１２】
図１および図２は、第１磁石１１８の上に配置された第１角度センサ１３４を示している。より詳細には、第１角度センサ１３４は、リング磁石１１８の表面１５２に対して平行な平面１５０に配置されることが多く、それにより、抵抗器領域１４２は、実質的に、回転シャフト１０２の回転軸１１０を通って延びる半径に沿った、リング磁石１１８の内径（ｒｉ）と外径（ｒｏ）との間に中心が置かれる。さらに、抵抗領域１４２は、内径ｒｉおよび外径ｒｏの間で等距離であることが多く、それによりリング磁石１１８の縁部近傍で発生する望ましくない磁界変動を制限するのに役立つ。
【００１３】
図１および図２はまた、第２磁石１２６の上に配置された第２角度センサ１３６も示している。より詳細には、第２角度センサ１３６は、ボタン磁石１２６の表面１５６に対して平行な平面１５４に配置されることが多く、それにより、抵抗器領域１４４は、実質的に、ボタン磁石の回転軸１１２上に中心が置かれる。平面１５０、１５４と表面１５２、１５６との間の距離は、実施態様に応じて同じであることも異なることも可能である。
【００１４】
通常、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、第１磁石１１８および第２磁石１２６がそれらの下で回転している間、固定されたままである。このように、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、それらのそれぞれの位置で磁界の方向または相対角度を測定し、コントローラ１５８（たとえばマイクロコントローラ）に相対角度情報を提供する。そして、コントローラ１５８は、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６からの相対角度に基づいて、回転シャフト１０２の絶対角度を決定することができる。シャフトの絶対角度に従うそれぞれの度合いは、第１角度センサおよび第２角度センサに対する種々の測定値の組合せに対応するため、ギア比が柔軟であると、シャフトの絶対角度に無限の可能性が与えられる。
【００１５】
適切な機能性を促進するために、リング磁石１１８（およびシャフト１０２）に対する完全な回転の数Ｔｉを、以下の式（１）によって表わすことができる。
【数１】
ここで、Ａは、シャフト１０２が回転する絶対角度であり、ａ＝３６０°（どの旋回に対しても最大限のシャフトの回転を前提とする）である。
【００１６】
設計者は、整数ｉを選択し、以下の式（２）に従ってリング磁石１１８のボタン磁石１２６に対する寸法比ｚを計算することができる。
【数２】
【００１７】
ボタン磁石１２６に対する完全な回転の数を、以下の式（３）によって決定することができる。
【数３】
【００１８】
完全な回転の数が少ないほど、リング磁石１１８の角度を測定する角度センサ１３４に要求される精度は低い。リング磁石に対するいかなる相対角度もボタン磁石に対する繰返し相対角度で分離する度数は、以下の式（４）によって表わされる。
【数４】
【００１９】
したがって、リング磁石に対する相対角度測定値は、ボタン磁石に対する相対角度測定値の誤差によって定義されるシステム精度を達成するには、
【数５】
でなければならない。明確にするために、本明細書では、Ａ＝１４４０°およびｉ＝２のさらに詳細な実施例を示して説明する。たとえば、図５、図６及び関連する本文を参照されたい。
【００２０】
図３は、ＧＭＲ角度センサ３００（たとえば図１の角度センサ１３４および／または１３６）の一実施形態を概略的に示すブロック図である。図示するように、ＧＭＲ角度センサ３００は、ＧＭＲ抵抗器領域３０２に加えて、コントローラ３０４およびメモリ３０６をさらに有することができ、メモリ３０６は複数のＧＭＲパラメータ（たとえば較正パラメータ）に対する値を格納する。ＧＭＲ角度センサ３００は、供給電圧（ＶＤＤ）ピン３１０、接地ピン３１２およびデータＩ／Ｏピン３１４等、複数のピン３０８をさらに有している。
【００２１】
図４は、一実施形態によるＧＭＲ抵抗器領域４００（たとえば図３のＧＭＲ抵抗器領域３０２）を概略的に示す略図である。図示するように、ＧＭＲ抵抗器領域４００は、一対のＧＭＲセンサブリッジ４０２および４０４を有し、センサブリッジ４０２は４つのＧＭＲ抵抗器４０６ａ〜４０６ｄによって形成され、センサブリッジ４０４は４つのＧＭＲ抵抗器４０８ａ〜４０８ｄによって形成されている。図４のブリッジの実施態様によれば、ＧＭＲセンサブリッジ４０２および４０４は、互いに対して直交して配置され、４１０の破線で示す磁界のような、回転磁界のｘ成分およびｙ成分を検知するようにそれぞれ構成されている。
【００２２】
供給電圧ＶＤＤは、ピン３１０を介して端子４１２に印加され、端子４１４および４１６において、ＧＭＲセンサブリッジ４０２の電圧信号ＶＸ＋およびＶＸ−が測定され、端子４１８および４２０において、ＧＭＲセンサブリッジ４０４の電圧信号Ｖｙ＋およびＶｙ−が測定される。磁界４１０等の外部磁界に応答して、ＧＭＲ抵抗器４０６ａ〜４０６ｄおよび４０８ａ〜４０８ｄのうちの１または複数が、それらの電気抵抗を変化させ、それにより、端子４１４および４１６における電圧信号ＶＸ＋およびＶＸ−と、端子４１８および４２０における電圧信号Ｖｙ＋およびＶｙ−とが変化し、それらは、基準ベクトル（たとえば０度）に対する磁界４１０の角度位置を表す。
【００２３】
ここで図５Ａ〜図５Ｄならびに図６を参照すると、２つの角度センサ１３４、１３６を使用して、回転シャフト１０２の絶対角度の位置を決定する方法のさらに詳細な実施例が見られる。
【００２４】
要約すると、これらの図は、回転シャフト１０２が旋回すると、第１本体１０４および第２本体１０６の外周に沿った歯が噛合し、それにより第１本体１０４および第２本体１０６を互いに異なる角度距離だけ移動させることを示している。回転の終端点間からの移動において、第１本体１０４は、完全な４回転、あるはい、１４４０°の絶対角度にわたって回転する。第２本体は、それに対応して、完全な９回転、あるいは、３２４０°の絶対角度にわたって回転する。しかしながら、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、３６０°未満の相対角度しか測定しないため、コントローラ（たとえば図１のコントローラ１５８）は、これら２つの相対角度を相関させて、０°〜１４４０°となり得るシャフト１０２の絶対角度を決定する必要がある。
【００２５】
以下、さらに詳細に理解されるように、シャフト１０２が複数の旋回によって回転すると、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６は、表１に示すように、３６０°未満の相対角度を測定する。単一の角度センサは、シャフトの、複数の異なる絶対角度について、同じ相対角度を出力する場合があっても、第１角度センサ１３４および第２角度センサ１３６によって測定される相対角度の組合せは、シャフト１０２の各絶対角度に対して異なる。したがって、コントローラは、所与の時点におけるシャフトの絶対角度を、その所与の時点における第１角度センサおよび第２角度センサによって測定される相対角度の組合せに基づいて決定することができる。この機能性を容易化するために、コントローラは、一意的に対応する絶対角度とともに、予想される複数対の相対角度の表を有することが多く、それにより、コントローラは、２つの角度センサ測定値からシャフトの絶対角度を決定することができる。
【００２６】
【表１】
【００２７】
上述したように、図５Ａ〜図５Ｄおよび図６の実施形態は、上記式（１）〜（４）においてＡ＝１４４０°およびｉ＝２に対応する。これは、シャフト１０２が１４４０°の絶対角度にわたって回転し、リング磁石およびボタン磁石の寸法比が２．２５であり得ることを意味する。例示の目的で、第１本体１０４および第２本体１０６の０°相対角度をｘ軸５０２に沿うものとして定義し、９０度の相対角度がｙ軸５０４に沿うものとして定義して図５Ａ〜図５Ｄおよび図６の実施例を後述する。しかしながら、これらの相対角度の位置は幾分か任意であり、他の実施形態では、他の相対角度の位置を割り当てることも可能であることが理解されよう。
【００２８】
図５Ａは、シャフト１０２の１つの端点に対応し、そこで第１角度センサ１３４は、第１角度センサ１３４における磁界がｘ軸５０２に沿うという事実により、略０°の相対角度を測定する。第２角度センサ１３６も、略０°の相対角度を測定する。図６（「図５Ａ」と付された点）も参照されたい。第１角度センサおよび第２角度センサに対する特定の０°、０°の相対角度の対を調べることにより、コントローラは、シャフトがこの時点で０°の絶対角度にあることを識別する。
【００２９】
図５Ｂにおいて、第１角度センサ１３４は、約３２０°の相対角度を測定し、第２角度センサは約０°の相対角度を測定する。図６に示すように、図５Ａから図５Ｂに進む際に、第２角度センサ１３６は、第２（小さい方の）本体１０６に対して３６０°の完全な回転を２回測定している。しかしながら、第１角度センサ１３４は、第１本体１０４に対して完全な１回転より少ない回転（すなわち３２０°）を測定している。再度、第１角度センサおよび第２角度センサに対する特定の０°、３２０°の相対角度の対を調べることにより、コントローラは、この時点でシャフトが３２０°の絶対角度にあることを識別する。
【００３０】
図５Ｃにおいて、第１角度センサ１３４は２８０°の相対角度を測定し、第２角度センサ１３６は０°の相対角度を測定する。したがって、図６に示すように、図５Ｂから図５Ｃに進む際に、第２本体１０６は、３６０°の完全な回転をもう２回行い、第２本体１０６に対する１４４０°の絶対角度となる。第１本体１０４（したがって回転シャフト１０２）は、依然として第２本体１０６より低速に回転しており、ここでは６４０°の絶対角度にわたって回転している。もう一度、第１角度センサおよび第２角度センサに対する特定の０°、２８０°の相対角度の対を調べることにより、コントローラは、シャフトがこの時点で６４０°の絶対角度にあることを識別する。
【００３１】
シャフト１０２に対する第２の端点に対応する図５Ｄにおいて、第１角度センサは、この時２４０°を測定し、第２角度センサは０°を測定する。図６に示すように、図５Ｃから図５Ｄに進む際に、第２本体１０６は、３６０°の完全な回転をもう２回行っており、第２本体に対する２１６０°の絶対角度となる。依然として第２本体１０６より低速に回転している第１本体１０４（したがってシャフト１０２）は、この時、９６０°の絶対角度にわたって回転している。もう一度、第１角度センサおよび第２角度センサに対する特定の０°、２４０°の相対角度の対を調べることにより、コントローラは、この時点でシャフトが９６０°の絶対角度にあることを識別する。
【００３２】
さらに、この例では、コントローラが決定する絶対角度に影響を与えることなく、およそ±２０°のリング磁石に対する相対角度測定値誤差が許容可能であることを留意すべきである。これは、上記式（４）を用いると分かる。シャフト１０２に対する絶対角度を達成するために要求されるボタン磁石の回転が小さいようにシステムが設計されている場合、リング磁石の角度センサに必要な精度は低くなる。
【００３３】
図７を参照すると、いくつかの実施形態による方法７００を見ることができる。本明細書に記載する方法を、一連の作用または事象として図示して説明しているが、本発明は、こうした作用または事象の図示する順序に限定されないことが理解されよう。たとえば、本発明に従い、いくつかの作用は、本明細書に図示、及び／又は、説明したものと別の作用または事象と異なる順序で、及び／又は、同時に発生してもよい。さらに、本発明による方法を実施するために、図示する作用または事象のすべてが要求されるわけではない。
【００３４】
方法７００は７０２で開始し、第１位置において磁界の方向を測定する。第１位置は、第１磁石が回転する中心となる第１軸に対して固定されていることが多い。たとえば、図１の実施形態では、第１位置は第１角度センサ１３４の位置に対応することができ、第１軸は、第１磁石１１８が回転する中心となる第１軸１１０に対応することができる。
【００３５】
７０４において、方法７００は、第２位置における磁界の方向を測定する。第２位置は、第２磁石が回転する中心となる第２軸に対して固定されていることが多い。たとえば、図１の実施形態では、第２位置は、第２角度センサ１３６の位置に対応することができ、第２軸は、第２磁石１２６が回転する中心となる第２軸１１２に対応することができる。
【００３６】
７０６において、方法７００は、第１位置および第２位置における磁界の方向を分析することにより、シャフトの絶対角度の位置を決定する。第１磁石および第２磁石は、第１位置および第２位置における磁界方向が所定関係に従って変化するように協働して移動するように配置されることが多く、それにより、第１位置および第２位置における種々の磁界方向は回転シャフトの固有の絶対角度に対応する。
【００３７】
様々な実施形態について上述したが、これら実施形態の変形もまた、本開示の範囲内に収まるものと考えられる。たとえば、第１磁石および第２磁石を、先の図では、（図１に示したように）シャフト１０２から第１本体および第２本体の外径まで連続して延びているものとして示したが、他の構成も可能である。図８は、シャフト１０２とリング磁石１１８との間にハウジングまたはマニホルド９０２が配置されるこうした１つの実施形態を示す。ハウジングまたはマニホルド９０２を、リング磁石１１８の外径とその周囲の歯１１６との間に配置することも、同様に、ボタン磁石１２６とその周囲の歯１１６との間に配置することも可能である。
【００３８】
いくつかの実施形態では、第１磁石１１８および第２磁石１２６を、射出成形技法を用いて製造することができ、その場合、ゴムまたはプラスチック材料が磁化可能材料とともに含有される。ハウジングまたはマニホルド９０２を使用した、他の実施形態では、磁石１１８、１２６を、他の方法（たとえば締結具または接着剤）でシャフト１０２に結合することができる。
【００３９】
第２角度センサ１３６を、少なくとも実質的に第２（ボタン）磁石１２６の回転軸に中心を置くものとして図示して説明したが、他の実施形態（図９）では、第２角度センサ１３６を、第２ボタン磁石の回転軸から距離９０４だけ間隔を空けて配置することができる。
【００４０】
さらに、先に図示した実施形態は、各磁石の上に１つの角度センサしか示していないが、この開示による角度検知システムにおいて追加の（冗長的な）角度センサをさまざまな方法で散在させることも可能である。したがって、図１０は、２つの角度センサ１００２、１００４が第１磁石１１８の上に配置されている１つの実施形態を示す。これら角度センサ１００２、１００４は互いに１８０°間隔が空けられているが、他の実施形態によっては、Ｎ個の角度センサを、互いにＮ／３６０°で等間隔に空けて配置することができる。ここでＮは冗長的な角度センサの整数の数である。さらに、Ｎ個の角度センサを、互いに角度距離を不等間隔に空けて配置することも可能である。
【００４１】
冗長的な角度センサは、存在する場合、第１磁石１１８の上の単一平面（たとえば図２の平面１５０）に配置することができる場合が多い。しかしながら、これらおよび他の実施態様において、冗長的な角度センサを、第２磁石１２６の上で互いに「積み重ねる」ことも可能である。いずれの配置を使用しても、冗長的な角度センサは、長期間の信頼性の高い角度検知を容易にするのに役立てることができる。
【００４２】
図１１は、第１（リング）磁石１１８の上に冗長的なセンサが配置され、第２（ボタン）磁石１２６の上に偏心角度センサ１１０２が配置される別の実施形態を示す。
【００４３】
図１２は、第２（ボタン）磁石１２６の上に一対の冗長的な偏心角度センサ１２０２、１２０４が配置される別の実施形態を示す。
【００４４】
いくつかの態様では、簡略化してもよいが、磁石が直径方向に対向した位置に配置される必要はないことを留意されたい。したがって、図１３は、第１磁石１１８の上の角度センサ１３０２が、第１本体および第２本体の中心を通過するｘ軸１３０４に対して９０°の角度に配置されている実施例を示す。
【００４５】
さらに、図示する実施形態は、２つの回転体（たとえば、図１の第１本体１０４および第２本体１０６）のみを示すが、図示しない実施形態によっては、３以上の本体が使用される。たとえば、より複雑なギア機構を使用して磁石の所望の回転運動を容易にすることができ、その場合、ギアシステムは３、４、５またはそれより多くの本体を有し、それらの各々の周上には歯を配置することができる。これらのギアシステムに対して２以上の角度センサを配置することにより、回転シャフトの角度位置の正確な検出を可能にすることができる。
【００４６】
当業者が理解するように、会社が異なると１つの構成要素を異なる名称で呼ぶ場合がある。この文書は、本明細書において名称は異なるが機能は異ならない構成要素を識別するようには意図していない。この文書において、「含む、有する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「具備する、備える、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、非限定的に使用され、したがって「含む、ただし限定されない」と意味するように解釈されるべきである。また、「結合する」という用語（およびその変形）は、間接的な接続または直接的な接続のいずれをも意味するように意図されている。したがって、第１要素が第２要素に結合される場合、その接続は、直接的な接続であってもよく、または他の要素および接続を介する間接的な接続であってもよい。本明細書において種々の大体の数値を提供しているが、これらの数値は単なる例示にすぎず、本開示の範囲を限定するように使用されるべきではない。
【００４７】
また、本開示は、１または複数の実施態様に対して示され説明されているが、本明細書および添付図の解釈及び理解に基づいて、当業者には等価な改変および変更に気付くであろう。本開示は、こうした変更および改変をすべて包含し、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。特に、上述した構成要素（たとえば要素および／または資源）によって実行される様々な機能に関して、こうした構成要素を説明するために用いる用語は、特に示さない限り、本明細書で示す例示的な実施態様において機能を実行する開示した構造と構造的に等価でなくても、所望の（たとえば機能的に等価な）構成要素の指定された機能を実行する任意の構成要素に対応するように意図されている。さらに、本開示の特定の特徴は、いくつかの実施態様のうちの１つのみに関して開示している場合もあるが、こうした特徴は、任意の所与のまたは特定の用途に対して望まれかつ有利となり得るように、他の実施態様の１または複数の他の特徴と組み合わせることができる。さらに、本願および添付の特許請求の範囲において使用する冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」は、「１つまたは複数の」を意味するように解釈されるべきである。
【００４８】
さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ、ｈａｓ）」、「備えた（ｗｉｔｈ）」と言う用語またはそれらの変形は、詳細な説明または特許請求の範囲のいずれかで使用される範囲で、「具備する、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様に包括的であるように意図されている。
【符号の説明】
【００４９】
１００ 角度測定システム
１０２ 回転シャフト
１０４ 第１本体
１０６ 第２本体
１０８ 回転シャフト
１１０ 回転軸
１１２ 回転軸
１１６ 歯
１１８ 第１磁石（リング磁石）
１２０ Ｎ極
１２２ Ｓ極
１２４ａ〜１２４ｅ 磁力線
１２６ 第２磁石（ボタン磁石）
１２８ Ｎ極
１３０ Ｓ極
１３２ａ〜１３２ｃ 磁力線
１３４ 第１角度センサ
１３６ 第２角度センサ
１３８ 第１半導体チップ
１４０ 第２半導体チップ
１４２ ＧＭＲ抵抗器領域
１４４ ＧＭＲ抵抗器領域
１４６ プリント回路基板
１４８ プリント回路基板
１５０ 平面
１５２ 表面
１５４ 平面
１５６ 表面
１５８ コントローラ
３００ ＧＭＲ角度センサ
３０２ ＧＭＲ抵抗器領域
３０４ コントローラ
３０６ メモリ
３０８ ピン
３１０ 供給電圧ピン
３１２ 接地ピン
３１４ データＩ／Ｏピン
４００ ＧＭＲ抵抗器領域
４０２ ＧＭＲセンサブリッジ
４０４ ＧＭＲセンサブリッジ
４０６ａ〜４０６ｄ ＧＭＲ抵抗器
４０８ａ〜４０８ｄ ＧＭＲ抵抗器
４１０ 磁界
４１２ 端子
４１４ 端子
４１６ 端子
４１８ 端子
４２０ 端子
５０２ ｘ軸
５０４ ｙ軸
７００ 方法
９０２ ハウジングまたはマニホルド
１００２ 角度センサ
１００４ 角度センサ
１１０２ 偏心角度センサ
１２０２ 偏心角度センサ
１２０４ 偏心角度センサ
１３０２ 角度センサ
１３０４ ｘ軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの角度の位置を決定する角度測定システムであって、
所定の関係に従って種々の角度距離にわたり協働して回転するように構成された第１磁石および第２磁石であって、前記第１磁石が前記シャフトに結合され、そのシャフトとともに回転する、第１磁石および第２磁石と、
異なる位置に配置され、かつ前記第１磁石および前記第２磁石によって磁界方向を測定するように構成された第１角度センサおよび第２角度センサと、
前記第１角度センサおよび前記第２角度センサによって測定される前記磁界方向に基づいて、前記シャフトの前記角度の位置を決定するように構成されたコントローラと、
を具備する角度測定システム。
【請求項２】
前記シャフトが、３６０度を上回る絶対角度にわたって回転するように構成され、前記コントローラが、前記第１角度センサおよび前記第２角度センサによって測定される前記磁界方向に基づいて前記シャフトの前記絶対角度を決定するように構成される、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項３】
前記第１磁石が前記シャフトを中心に半径方向に配置されている、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項４】
前記第１角度センサが、前記第１磁石の回転軸に対して固定されている、請求項３に記載の角度測定システム。
【請求項５】
前記第１角度センサが、少なくとも実質的に前記第１磁石の内径と前記第１磁石の外径との間に中心が置かれる検知領域を含む、請求項４に記載の角度測定システム。
【請求項６】
前記第２磁石が、少なくとも実質的に前記第２磁石の中心に配置される回転軸を中心に回転するように構成されている、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項７】
前記第２角度センサが、前記第２磁石の前記回転軸に対して固定されている、請求項６に記載の角度測定システム。
【請求項８】
前記第２角度センサが、少なくとも実質的に前記第２磁石の前記回転軸に中心が置かれる検知領域を含む、請求項７に記載の角度測定システム。
【請求項９】
前記第２角度センサが、前記第２磁石の前記回転軸から間隔を空けて配置される検知領域を含む、請求項７に記載の角度測定システム。
【請求項１０】
前記第１磁石および前記第２磁石の半径方向外側に歯が配置され、前記歯が、ギア比に従って前記所定関係を確立するように配置されている、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項１１】
前記第１角度センサおよび前記第２角度センサの両方でなくとも少なくとも一方が、
磁界方向を協働して決定するように配置された巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）抵抗器の配置構成を含む半導体チップ
を備える、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項１２】
シャフトの角度の位置を決定する方法であって、
第１磁石が回転する中心となる第１軸に対して固定された第１位置において磁界の方向を測定するステップと、
第２磁石が回転する中心となる第２軸に対して固定された第２位置において磁界の方向を測定するステップと、
前記第１位置および前記第２位置における前記磁界の方向を分析することにより前記シャフトの前記角度位置を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記第１軸が前記シャフトの回転軸に対応する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１位置が、前記第１軸からある距離だけ間隔を空けて配置されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２磁石が少なくとも実質的に前記第２軸上に中心が置かれる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
シャフトの絶対角度位置を決定する方法であって、
第１位置において磁界の第１相対角度を測定するステップであって、前記第１相対角度が、前記シャフトの回転軸を中心に前記シャフトとともに回転する第１磁石の関数である、ステップと、
前記第１位置から間隔を空けて配置された第２位置において前記磁界の第２相対角度を測定するステップであって、前記第２相対角度が前記第１磁石とは異なって移動するように構成された第２磁石の関数である、ステップと、
前記第１相対角度と前記第２相対角度との関係に基づいて前記シャフトの絶対角度の位置を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
前記第１相対角度および前記第２相対角度が、３６０度未満の角度を特定し、前記絶対角度の位置が３６０度を上回る、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１相対角度および前記第２相対角度からの前記絶対角度の位置を決定するステップが、前記第１相対角度および前記第２相対角度を分析するステップと、前記第１相対角度および前記第２相対角度に対して一意に対応する絶対角度の位置を特定するステップと、を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
シャフトの絶対角度の位置を決定するシステムであって、
第１回転軸を中心に前記シャフトとともに回転するように構成された第１磁石と、
前記第１回転軸から間隔を空けて配置された第２回転軸を中心に回転するように構成された第２磁石と、
第１位置において磁界の第１相対角度を測定するように構成された第１角度センサであって、前記第１位置が前記第１磁石の上にあり、かつ、前記第１回転軸から間隔を空けて配置されている、第１角度センサと、
第２位置において前記磁界の第２相対角度を測定するように構成された第２角度センサと、
前記第１相対角度および前記第２相対角度を分析することにより前記シャフトの前記絶対角度の位置を決定するように構成されたコントローラと、
を具備するシステム。
【請求項２０】
前記第２位置が少なくとも実質的に前記第２回転軸上にある、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第２位置が、前記第２回転軸からある距離だけ間隔を空けて配置されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１磁石の上の少なくとも１つの冗長的な角度センサをさらに具備する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの冗長的な角度センサが、前記第１磁石の表面に対して前記第１角度センサとの共通面に位置する、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第２磁石の上の少なくとも１つの冗長的な角度センサをさらに具備する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの冗長的な角度センサが、前記第２角度センサの上で積み重ねられ、少なくとも実質的に前記第２回転軸上に位置する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項１】
シャフトの角度の位置を決定する角度測定システムであって、
所定の関係に従って種々の角度距離にわたり協働して回転するように構成された第１磁石および第２磁石であって、前記第１磁石が前記シャフトに結合され、そのシャフトとともに回転する、第１磁石および第２磁石と、
異なる位置に配置され、かつ前記第１磁石および前記第２磁石によって磁界方向を測定するように構成された第１角度センサおよび第２角度センサと、
前記第１角度センサおよび前記第２角度センサによって測定される前記磁界方向に基づいて、前記シャフトの前記角度の位置を決定するように構成されたコントローラと、
を具備する角度測定システム。
【請求項２】
前記シャフトが、３６０度を上回る絶対角度にわたって回転するように構成され、前記コントローラが、前記第１角度センサおよび前記第２角度センサによって測定される前記磁界方向に基づいて前記シャフトの前記絶対角度を決定するように構成される、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項３】
前記第１磁石が前記シャフトを中心に半径方向に配置されている、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項４】
前記第１角度センサが、前記第１磁石の回転軸に対して固定されている、請求項３に記載の角度測定システム。
【請求項５】
前記第１角度センサが、少なくとも実質的に前記第１磁石の内径と前記第１磁石の外径との間に中心が置かれる検知領域を含む、請求項４に記載の角度測定システム。
【請求項６】
前記第２磁石が、少なくとも実質的に前記第２磁石の中心に配置される回転軸を中心に回転するように構成されている、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項７】
前記第２角度センサが、前記第２磁石の前記回転軸に対して固定されている、請求項６に記載の角度測定システム。
【請求項８】
前記第２角度センサが、少なくとも実質的に前記第２磁石の前記回転軸に中心が置かれる検知領域を含む、請求項７に記載の角度測定システム。
【請求項９】
前記第２角度センサが、前記第２磁石の前記回転軸から間隔を空けて配置される検知領域を含む、請求項７に記載の角度測定システム。
【請求項１０】
前記第１磁石および前記第２磁石の半径方向外側に歯が配置され、前記歯が、ギア比に従って前記所定関係を確立するように配置されている、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項１１】
前記第１角度センサおよび前記第２角度センサの両方でなくとも少なくとも一方が、
磁界方向を協働して決定するように配置された巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）抵抗器の配置構成を含む半導体チップ
を備える、請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項１２】
シャフトの角度の位置を決定する方法であって、
第１磁石が回転する中心となる第１軸に対して固定された第１位置において磁界の方向を測定するステップと、
第２磁石が回転する中心となる第２軸に対して固定された第２位置において磁界の方向を測定するステップと、
前記第１位置および前記第２位置における前記磁界の方向を分析することにより前記シャフトの前記角度位置を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記第１軸が前記シャフトの回転軸に対応する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１位置が、前記第１軸からある距離だけ間隔を空けて配置されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２磁石が少なくとも実質的に前記第２軸上に中心が置かれる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
シャフトの絶対角度位置を決定する方法であって、
第１位置において磁界の第１相対角度を測定するステップであって、前記第１相対角度が、前記シャフトの回転軸を中心に前記シャフトとともに回転する第１磁石の関数である、ステップと、
前記第１位置から間隔を空けて配置された第２位置において前記磁界の第２相対角度を測定するステップであって、前記第２相対角度が前記第１磁石とは異なって移動するように構成された第２磁石の関数である、ステップと、
前記第１相対角度と前記第２相対角度との関係に基づいて前記シャフトの絶対角度の位置を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
前記第１相対角度および前記第２相対角度が、３６０度未満の角度を特定し、前記絶対角度の位置が３６０度を上回る、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１相対角度および前記第２相対角度からの前記絶対角度の位置を決定するステップが、前記第１相対角度および前記第２相対角度を分析するステップと、前記第１相対角度および前記第２相対角度に対して一意に対応する絶対角度の位置を特定するステップと、を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
シャフトの絶対角度の位置を決定するシステムであって、
第１回転軸を中心に前記シャフトとともに回転するように構成された第１磁石と、
前記第１回転軸から間隔を空けて配置された第２回転軸を中心に回転するように構成された第２磁石と、
第１位置において磁界の第１相対角度を測定するように構成された第１角度センサであって、前記第１位置が前記第１磁石の上にあり、かつ、前記第１回転軸から間隔を空けて配置されている、第１角度センサと、
第２位置において前記磁界の第２相対角度を測定するように構成された第２角度センサと、
前記第１相対角度および前記第２相対角度を分析することにより前記シャフトの前記絶対角度の位置を決定するように構成されたコントローラと、
を具備するシステム。
【請求項２０】
前記第２位置が少なくとも実質的に前記第２回転軸上にある、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第２位置が、前記第２回転軸からある距離だけ間隔を空けて配置されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１磁石の上の少なくとも１つの冗長的な角度センサをさらに具備する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの冗長的な角度センサが、前記第１磁石の表面に対して前記第１角度センサとの共通面に位置する、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第２磁石の上の少なくとも１つの冗長的な角度センサをさらに具備する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの冗長的な角度センサが、前記第２角度センサの上で積み重ねられ、少なくとも実質的に前記第２回転軸上に位置する、請求項２４に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１１２６５１（Ｐ２０１１−１１２６５１Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−２６１４１９（Ｐ２０１０−２６１４１９）
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（５０１２０９０７０）インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト (331)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６１４１９（Ｐ２０１０−２６１４１９）
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（５０１２０９０７０）インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト (331)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]