JP2002531858A - 回転体の角度位置を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するための装置であって、前記第１の回転体（１０、Ｌ）は個数ｎの同一形状の角度マーク乃至は歯（１１）を有し、少なくとも２つの回転体（１２、１３、１４、１５）を有し、該少なくとも２つの回転体（１２、１３、１４、１５）はそれぞれｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４個の同一形状の角度マーク乃至は歯を有し、これら他の回転体（１２、１３、１４、１５）の角度マークは、前記第１の回転体（１０）の前記角度マーク（１１）と共働し、前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、１５）の角度位置Θ、Ψをもとめることによって前記第１の回転体（１０）の角度位置αが決定可能である、第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するための装置において、２つの回転体（１２、１３；１２、１４；１２、１５；１３、１４；１３、１５；１４、１５）の場合には｜ｎ_ｉ−ｎ_ｊ｜＞１及び（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１乃至はｎ_ｉ,ｎ_ｊは互いに素であることが成り立ち、２つより多くの回転体の場合には（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１が成り立ち、ただしここで１≦ｉ＜ｊ≦Ｎであり、Ｎは前記他の回転体（１２、１３、１４、１５）の全個数であることを特徴とする、第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するための装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１乃至は４の上位概念記載の回転体の、とりわけ３６０°よ
り大きく回転可能な回転体の角度位置を測定するための方法及び装置に関する。

【０００２】 様々な装置、とりわけ回転可能なシャフトの角度位置をもとめるための装置に
おいて、この装置の始動のすぐ後でシャフトの正確な位置を知る必要がある。こ
の要求はアナログ角度センサ、例えばポテンショメータによって最も良く実現さ
れる。これらのアナログ角度センサは各位置においてスイッチオンの後ですぐに
有効な角度位置値の電圧の形式で送出する。

【０００３】 ３６０°よりも大きい角度領域に対する角度測定のためのこのような装置が使
用される場合、シャフトが何回目の回転にあるかがもはや検出できないという問
題が生じる。しかし、３６０°よりも大きい角度領域の評価のためには、インク
リメンタル発信器が使用され、このインクリメンタル発信器においては角度位置
がパルスのアップカウント及びダウンカウントによってもとめられる。しかし、
このようなインクリメンタル発信器によって絶対角度測定は実施できない。なぜ
なら、センサの傍らを通過するインクリメントだけしかカウントできないからで
ある。

【０００４】 ＤＥ-ＯＳ１９５０６９３８から、幾つかの同一形状の角度マーク乃至は歯を
有する回転体の角度位置の検出のための装置が公知である。この装置は、さらに
別の個数の同一形状の角度マーク乃至は歯を有する少なくとも２つの他の回転体
を有する。この場合、これらの２つの他の回転体の回転角度がもとめられ、これ
ら回転角度から前者の回転体の角度位置が決定される。この場合、使用される回
転体は歯車であり、測定すべき回転体はｎ個の歯を有し、２つの他の歯車はｍ乃
至はｍ＋１個の歯を有する。

【０００５】 本発明の課題は、回転体の、とりわけ３６０°よりも大きく回転可能な回転体
の角度の測定がとりわけ簡単に行われる装置乃至は方法を提供することである。

【０００６】 上記課題は請求項１の特徴部分記載の構成を有する装置ならびに請求項４の特
徴部分記載の構成を有する方法によって解決される。

【０００７】 本発明では、回転体の、例えばハンドルの角度位置の検出が非常に簡単かつエ
ラートレラントなやり方で可能である。とりわけ回転体と共働するより多くの他
の回転体を使用することによって、従来の公知のシステムに比べてより高いエラ
ートレランス度乃至はより良好な角度分解能が生ずる。

【０００８】 有利には他の回転体の角度Θ、Ψは周期角度センサを用いてもとめられ、第１
の回転体の角度αは評価回路においてこれらの角度Θ、Ψならびにそれぞれの角
度マークの個数ｎ、ｎ_ｉ、ｎ_ｊを考慮することによってもとめられる。このよう
な周期角度センサを使用することによって、角度Θ、Ψのコンピュータによる評
価が角度マークのそれぞれの個数を考慮することにおいて非常に簡単に構成され
る。なぜなら、この評価は三角関数を用いて行われるからである。

【０００９】 本発明の装置の有利な実施形態によれば、角度センサはペア毎に絶対値発信器
として作動し、とりわけＡＭＲ角度センサとして構成されており、このＡＭＲ角
度センサは他の回転体と結合されたマグネットを走査する。このようなＡＭＲ角
度センサは比較的安価に入手可能であり、実際に非常にロバストでありかつ信頼
できる。

【００１０】 本発明の有利な実施形態を添付した図面に基づいて詳しく説明する。

【００１１】 図１は３６０°よりも大きく回転可能な回転可能なシャフトの角度を検出でき
る本発明の装置の第１の有利な実施形態の概略図を示す。

【００１２】 図２はハンドル角度センサの実施例であり、図２ａは平面図における歯車の装
置を示し、図２ｂは斜視図における所属のセンサならびに評価回路を含むハンド
ル角度を検出するための装置全体を示す。

【００１３】 図３は本発明の方法の有利な実施形態のフローチャートを示す。

【００１４】 図１では軸１０が示されている。この軸１０の回転角度αを測定しなければな
らない。この軸１０にはｎ個の歯を有する歯車１１が取り付けられている。４つ
の他の歯車１２、１３、１４、１５は固定式に歯車１１と結合されている。歯車
１２〜１５の歯の個数に対しては関係式（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１（１≦ｉ＜ｊ≦４）
が成り立つ。すなわち、個々の歯車の歯の数はペア毎に互いに素である。例とし
て次のような歯の数とする。すなわち、歯車１１の歯の数：１００、歯車１２の
歯の数ｎ_１：２９、歯車１３の歯の数ｎ_２：３１、歯車１４の歯の数ｎ_３：３７
及び歯車１５の歯の数ｎ_４：４１とする。

【００１５】 歯車１２、１３、１４、１５にはそれぞれ周期角度センサ２２、２３、２４乃
至は２５が割り当てられる。角度センサとして例えばホール効果又は磁気抵抗効
果を利用する光電式の又は非接触式の電磁センサが使用できる。角度センサ２２
、２３、２４、２５は正弦波状の乃至は余弦波状の出力信号を供給すると仮定す
る（周期性は、３６０°又は３６０°の整数の約数である）。

【００１６】 角度センサ２２、２３、２４、２５は電子評価回路２６に接続されており、こ
の電子評価回路２６では軸角度αを決定するために必要な計算が実施される。

【００１７】 歯車１２、１３、１４、１５の歯の数が互いに素である場合には、各センサペ
ア（２２，２３；２２，２４；２２，２５；２３，２４；２３，２５；２４，２
５）は絶対角度の所定の領域の内で、すなわち歯車１０の±２回の完全な回転に
亘る領域の内で絶対センサを形成する。

【００１８】 例として歯車１２、１３乃至はこれらの歯車１２、１３に割り当てられたセン
サ２２、２３を考える。歯車１１の角度乃至は角度位置αが２つのセンサ２２、
２３の出力信号によって一意的に決定されることが示されねばならない。すなわ
ち、４つの値ｓｉｎｎ/ｎ_１α、ｃｏｓｎ/ｎ_１α、ｓｉｎｎ/ｎ_２α、ｃｏｓｎ/
ｎ_２αが既知の場合に角度αが計算されうることが示されねばならない。

【００１９】 ここで、 ｓｉｎｎ/ｎ_１α＝ｓｉｎｎ/ｎ_１β ｓｉｎｎ/ｎ_２α＝ｓｉｎｎ/ｎ_２β ｃｏｓｎ/ｎ_１α＝ｃｏｓｎ/ｎ_１β ｃｏｓｎ/ｎ_２α＝ｃｏｓｎ/ｎ_２β であるα≠βが存在すると仮定する。

【００２０】 それゆえ、 ｎ/ｎ_１β＝ｎ/ｎ_１α＋ｋ_１・３６０°及び ｎ/ｎ_２β＝ｎ/ｎ_２α＋ｋ_２・３６０° である値ｋ_１及びｋ_２が存在する。

【００２１】 従って、関係式ｎ_１・ｋ_１＝ｎ_２・ｋ_２が成り立つ。さらに（ｎ_１,ｎ_２）＝
１であるので、ｋ_２≧ｎ_１及びｋ_１≧ｎ_２が成り立つ。

【００２２】 ここで角度センサが±２回の回転の領域において絶対角度を検出することがで
きる場合には、値ｎ、ｎ_１、ｎ_２はｎ_１・ｎ_２≧４・ｎであるように選択され、
この結果、関係式｜β−α｜≧４・３６０°が得られる。従って、角度αは±２
回の回転の領域内で一意的に決定される。従って、歯車乃至はセンサペア１１，
１３乃至は２２、２３は絶対センサを形成する。

【００２３】 角度センサ２２、２３、２４、２５がペア毎にいわゆる絶対センサであるとの
前提の下に、これらの角度センサは、シャフト１０の角度位置の検出のための装
置のスイッチオンの直後に、このスイッチオンの場合にこれらのセンサにそれぞ
れ割り当てられた歯車の回転角度を供給する（図では歯車１２及び１３の回転角
度Ψ及びΘだけが図示されている）。歯車１１の歯の数ｎ及び歯車１２、１３の
歯の数ｎ_１、ｎ_２が知られると即座に、以下に示されるように、これらの角度か
ら一意的にシャフト１０の角度αが決定される。

【００２４】 ここで再び（例として）歯車１２、１３及びこれらの歯車に割り当てられたセ
ンサ２２、２３をペアとして考える。任意の他の歯車ペア乃至はセンサペアを回
転角度αの検出に使用できる。既に示したように、検出すべき角度α大きさに相
応して、個々の歯車の歯の数ｎ、ｎ_１、ｎ_２が選択される。次に、さらに一般的
有効性を限定することなく、数学的な表現の簡略化のために、ｎ_１＞ｎ_２ならび
にｎ_１＝ｎ_２＋１であると仮定する。ここに示される計算はアナログ的なやり方
でｎ_１＞ｎ_２＋１である任意の他の互いに素の数値ペアｎ_１、ｎ_２に対して適用
できる。回転角度αの計算は本発明の装置のスイッチオンの後で例えば図３から
読み取れるような方法に従って行われる。評価回路２６において第１のステップ
Ｓ１で式

【００２５】

【数１】

【００２６】 の最も近傍の整数が計算される。ただしここで角度Θ及びΨは予め測定されたも
のである。ステップＳ２として次いで角度αが計算される。この場合、次式が成
り立つ。

【００２７】

【数２】

【００２８】 ステップＳ３において、もとめた値αが負であるかどうか検査する。負である
場合にはステップＳ４において全角度周期が加算され、次式が成り立つ：

【００２９】

【数３】

【００３０】 こうして得られた角度α′は次いで実際の測定値αＭとして供給される。これ
に対して、ステップＳ３においてαが０より小さくないと識別される場合、ステ
ップＳ２でもとめられた角度が測定された角度αＭとして出力される。

【００３１】 測定値αＭの出力の後で、ステップＳ１において次の測定された角度Θ及びΨ
から次の角度決定が開始される。

【００３２】 個々の角度センサ２２、２３の測定エラーＥは式（２）に従って比ｎ_２/ｎに
おいて角度αのエラーに伝達されてしまう。このため、伝達比ｎ_２/ｎの適切な
選択によって測定精度が調整される。もっとも、式（１）による丸めにおいて誤
った整数ｋが算出されるほどに個々のセンサの測定エラーが大きい場合には、も
とめられた値αは連続的には変化せず、跳躍的に値

【００３３】

【数４】

【００３４】 だけ変化する。これは、ｋに対する値の変化を式（１）に従って追うことによっ
てとらえられる。Ωに亘るΨ及び/又はΘの０への連続的な移行及びその逆にお
いて、ｋの値は±ｎ_１及び±ｎ_２の整数の変化のみを受け入れる。他の跳躍が記
録される場合には、これは大きすぎる測定エラー又は個別センサの故障を示す。
よって、図３の方法においてステップＳ１で次々ともとめられるｋに対する値は
互いに比較され、妥当ではない変化の場合にはエラーが識別される。エラー指示
Ａ（図１参照）はこの場合評価回路２６により出力される。特に有利なのは、こ
のような妥当性検査がここに図示された実施例において異なるセンサペアに対し
て実施され、さらに互いに比較されることである。

【００３５】 ｋに対する適正な値を得るためには、個別センサ２２、２３の角度エラーが

【００３６】

【数５】

【００３７】 より小さくなければならない。これによって角度αに対する最大角度エラーは

【００３８】

【数６】

【００３９】 によって与えられる。これよりも大きな個別センサの角度エラーは、ｋの許容さ
れない変化によって検出されるαの跳躍をもたらす。

【００４０】 回転角度αを角度Ψ及びΘから算出する方法は次のように説明される。

【００４１】 歯の数に基づいて角度αと２つの角度Ψ及びΘとの関係は

【００４２】

【数７】

【００４３】 である。２つの角度は角度Ω毎に繰り返されるので、Ωによる除算の際の余りだ
けを使用しなくてはならない。

【００４４】 （７）及び（８）から次式が得られる：

【００４５】

【数８】

【００４６】 ここでｉ及びｊは最初は未知の整数である。なぜなら、例えば０°とΩとの間の
角度Ψの場合には、何回ΨがΩに亘って回転したかは分からないからである。

【００４７】 しかし、（９）及び（１０）が同一の角度αを送出しなくてはならないので、
（９）＝（１０）が成り立つ。これは次式：

【００４８】

【数９】

【００４９】 をもたらす。

【００５０】 （１１）の左辺は整数であるので、右辺も整数でなくてはならない：

【００５１】

【数１０】

【００５２】 角度Ψ及びΘにはエラーが付着しているので（原理的かつ統計的な測定エラー
、デジタル化）、（１２）は通常は整数ではないだろう。しかし、この値の最も
近傍の整数を選択すると、角度のエラーは非常に大幅に低減される。

【００５３】 よって、式（１１）は ｎ_１・ｉ−ｎ_２・ｊ＝ｋ （１３） である。これは２つの未知数ｉ及びｊに対する方程式である。しかし、ｉ及びｊ
は整数でなくてはならないので、（１３）は離散的な解（いわゆるディオファン
トス問題）である。評価のために必要な唯一の解は例として図示されたケースｎ _１ ＝ｎ_２＋１においては容易に見出される： ｉ＝ｊ＝−ｋ （１４） これらの値によってαは（９）と（１０）との平均値として算出される。これ
によって場合によってはあり得る測定エラーは改めて減少される。

【００５４】

【数１１】

【００５５】 このように算出された角度αは正の値も負の値もとりうる。連続的な表現を得
るためには、負の値において既に式（３）との関連において説明したように、シ
ステム全体の全周期が加算される。

【００５６】 図２ａ及び２ｂには自動車のハンドル軸Ｌの角度を測定するための本発明の装
置が図示されている。この目的のために、できるだけ無接触式センサが必要であ
る。このセンサは大抵の場合４回のハンドル回転乃至はハンドル軸の４回の回転
を検出できる。ハンドル軸Ｌは歯車１１によって形成され、この歯車１１は図１
に図示された装置のように、４つの歯車と共働する。簡略化のために、２つの歯
車だけを、すなわち歯車１２、１３を詳しく図示する。

【００５７】 角度αを検出しなくてはならないハンドル軸Ｌは図１の１０で示されるシャフ
トに相応する。歯車ならびに記入された角度Ψ及びΘには図１の関連が妥当する
。さらに、歯車１２及び１３にはマグネット３０、３１が存在し、これらマグネ
ット３０及び３１の磁化は歯車面に存在する。ＡＭＲ（すなわち異方性磁気抵抗
（anisotrope magnetoresistive））センサとして形成された２つの角度センサ
２２、２３によって角度Ψ及びΘが測定される。ハンドル角度センサの組み立て
のための例が図２ｂから見て取れる。この例では３つの歯車１１、１２、１３が
１つの平面にある。歯車１２及び１３にはマグネット３０、３１が配置されてい
る。これらのマグネットならびに２つのＡＭＲ角度センサ２２、２３によって角
度Ψ及びΘが絶対的に検出される。ＡＭＲセンサの出力信号を処理する評価回路
はハイブリッド回路２４として図示されている。角度Ψ及びΘの決定は、マグネ
ット３０、３１に起因する磁界経過の識別によって行われる。

【００５８】 ＡＭＲセンサの代わりに他の角度センサ、例えばホール効果に基づく角度セン
サ、光学的センサ、誘導性センサ、容量性センサ又は抵抗性センサも使用できる
。使用されるセンサタイプに応じて、歯車を適当なやり方で適合させる必要があ
る。歯車の代わりに、適当なコードシステムが設けられているコードディスク（
Codescheibe）も使用される。

【００５９】 角度測定のためのここに図示された装置は非常に有利なエラートレランス特性
を有することを付け加えておく。例えば、４つの歯車１２、１３、１４、１５の
使用の際には、既述のように、６つの歯車ペア乃至はセンサペアが得られる。こ
れによって３つの連続するセンサエラーが検出され、２つの連続するセンサエラ
ーが訂正されうる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ３６０°よりも大きく回転可能な回転可能なシャフトの角度を検出できる本発
明の装置の第１の有利な実施形態の概略図を示す。

【図２】 ハンドル角度センサの実施例であり、２ａは平面図における歯車の装置を示し
、２ｂは斜視図における所属のセンサならびに評価回路を含むハンドル角度を検
出するための装置全体を示す。

【図３】 本発明の方法の有利な実施形態のフローチャートを示す。

【符号の説明】

１０ 軸 １１ 歯車 １２、１３、１４、１５ 歯車 ２２、２３、２４、２５ 角度センサ ２６ 評価回路 Ｌ ハンドル軸 Ａ エラー指示 ３０、３１ マグネット ２４ ハイブリッド回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA35 AA36 BA08 CA10 DA05 DC03 DD03 DD05 EA03 GA52 GA67 GA68 GA69 KA02 KA04 2F077 AA27 CC02 CC08 DD05 NN03 NN04 NN21 PP14 QQ15 VV01 【要約の続き】 （１２、１３、１４、１５）の全個数であることを特徴 とする、第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出す るための装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するための装置
   であって、 前記第１の回転体（１０、Ｌ）は個数ｎの同一形状の角度マーク乃至は歯（１
   １）を有し、さらに少なくとも２つの回転体（１２、１３、１４、１５）を有し
   、該少なくとも２つの回転体（１２、１３、１４、１５）はそれぞれｎ_１、ｎ_２ 、ｎ_３、ｎ_４個の同一形状の角度マーク乃至は歯を有し、これら他の回転体（１
   ２、１３、１４、１５）の角度マークは前記第１の回転体（１０）の前記角度マ
   ーク（１１）と共働し、前記少なくとも２つの他の回転体（１２、１３、１４、
   １５）の角度位置Θ、Ψをもとめることによって前記第１の回転体（１０）の角
   度位置αが決定可能である、第１の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するた
   めの装置において、 ２つの回転体（１２、１３；１２、１４；１２、１５；１３、１４；１３、１
   ５；１４、１５）の場合には｜ｎ_ｉ−ｎ_ｊ｜＞１及び（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１乃至は
   ｎ_ｉ,ｎ_ｊは互いに素であることが成り立ち、２つより多くの回転体の場合には
   （ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１が成り立ち、ただしここで１≦ｉ＜ｊ≦Ｎであり、Ｎは前記
   他の回転体（１２、１３、１４、１５）の全個数であることを特徴とする、第１
   の回転体（１０、Ｌ）の角度位置を検出するための装置。
2. 【請求項２】 角度Θ、Ψは周期角度センサ（２２、２３、２４、２５）を
   用いてもとめられ、角度αは評価回路（１６）において前記角度Θ、Ψならびに
   角度マークの個数ｎ、ｎ_ｉ、ｎ_ｊを考慮することによってもとめられることを特
   徴とする、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 角度センサ（２２、２３、２４、２５）はペア毎に絶対値発
   信器として作動し、とりわけＡＭＲ角度センサとして構成されており、該ＡＭＲ
   角度センサは他の回転体（１２、１３、１４、１５）と結合されたマグネット（
   ３０、３１）を走査することを特徴とする、請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 回転体（１０、Ｌ）の、とりわけ３６０°より大きく回転可
   能な回転体の角度位置を測定するための方法であって、 前記回転体（１０、Ｌ）は、いくつか（ｎ）の同一形状の角度マーク乃至は歯
   を有し、さらに少なくとも２つの回転体（１２、１３、１４、１５）と共働し、
   該少なくとも２つの回転体（１２、１３、１４、１５）はそれぞれ他のｎ_１、ｎ _２ 、ｎ_３、ｎ_４個の同一形状の角度マーク乃至は歯を有し、前記少なくとも２つ
   の他の回転体（１２、１３、１４、１５）の角度位置Θ、Ψがもとめられ、第１
   の回転体（１０）の角度位置αが前記角度位置Θ、Ψからもとめられる、回転体
   （１０、Ｌ）の角度位置を測定するための方法において、 前記他の回転体（１２、１３、１４、１５）の角度マーク乃至は歯に対しては
   次式が成り立つ： ２つの回転体の場合には｜ｎ_ｉ−ｎ_ｊ｜＞１及び（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１が成り立
   ち、 ２つより多くの回転体の場合には（ｎ_ｉ,ｎ_ｊ）＝１、（１≦ｉ＜ｊ≦Ｎ）が
   成り立ち、ここでＮは前記他の回転体（１２、１３、１４、１５）の全個数であ
   ることを特徴とする、回転体（１０、Ｌ）の角度位置を測定するための方法。