JPH08507151A

JPH08507151A - 回転シャフトの位置を検知するための方法および装置

Info

Publication number: JPH08507151A
Application number: JP7516528A
Authority: JP
Inventors: パーペ，ペーター
Original assignee: アーベー・エレクトロニーク・ゲー・エム・ベー・ハー
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 1996-07-30
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: EP0685061B1; DE4343198C2; US5721486A; EP0685061A1; DE59408435D1; DE4343198A1; JP3459967B2; WO1995016896A1

Abstract

(57)【要約】それを用いて回転シャフトの正確な位置の検知が可能な歯のフランクに正確に対応した曲線を作成するために、磁石（１０２）を備えたホール・センサ・エレメント（１０１）の前で、立ち上がり及び立ち下がりフランクを有する歯を持つパルス・ホイール（１０４）が角速度ｗで動かされる。ホール・センサ・エレメント（１０１）は、パルス・ホイール（１０４）を通る磁束密度の時間的推移をホール電圧信号として受け入れる。微分ユニット（１０３．２）の中では、そうした信号が微分信号に変換される。その際、微分信号の最大値と最小値が決定され、微分信号から、ディジタル出力信号（ＡＳ）が生成され、その出力信号では、低レベルから高レベルへの移行が最大値を、高レベルから低レベルへの移行が微分信号の最小値を出力している。

Description

【発明の詳細な説明】回転シャフトの位置を検知するための方法および装置本発明は、回転シャフトの位置を検知するための方法および装置に関するものであり、その際、磁石を備えたホール・センサ・エレメントの前で、歯を持つパルス・ホイールが角速度ｗで動かされる。ホール・センサ・エレメントによって、パルス・ホイールを通る磁束密度Ｂの時間的推移がホール電圧の推移として受け入れられる。磁束密度の変化から、シャフトの動作中の位置が求められる。前述のような方法は、ＤＥ−Ａ１３２２０８９６から知られている。それに関して、磁束密度の時間的推移Ｂ（ｔ）を測定するセンサを使用し、その際、フェロ磁性板のセグメント・プレートがホール・センサ・エレメントのそばを通過する。ホール・センサ・エレメントには、信号Ｂ（ｔ）の微分器を取り囲む評価回路が接続される。即ち、微分信号Ｂ’（ｔ）が生成される。いずれにせよ、微分信号だけが、ゲート回路を制御するために使用され、次に、ゲート回路がカウンターを作動させる。サイクル数は、セグメント・プレートのセグメントの長さに割り当てられている。従って、微分信号がゲート回路だけを制御する。得られた曲線に対する歯のフランクの正確な配置が、それに従って得られるわけではない。更に、水久磁石を備えた回転する歯車に対して、２つのホール・センサを備えた微分ホール・センサ回路を配置するということが知られている（ＤＥ−Ａ１４２０９２１２）。特別な分岐によって、回転する歯車が両方のホール・センサに位相変位信号を発生させる。そうすることによって、歯車の位置を求めるために、少なくとも２つの歯を走査しなければならない。これには、比較的高いパルス・ホイール速度が必要である。それに加えて、曲線に対して歯の形を直接割り当てることはできない。最後に、ＦＲ−Ａ１２５７１１３４には、シャフトと結合された歯車を有し、その有効範囲にホール・センサが配置されている装置が記載されている。歯車が回転する際に、基本的に正弦形であるが、歯のギャップの領域に異常がある磁束Ｂ（ｔ）が検知される。異常の推移が数学的に評価される。測定曲線に対する歯の位置の正確な配置は得られない。従って、本発明の課題は、歯のフランクの位置に正確に対応する曲線を生成し、その結果、回転するシャフトの正確な位置を検知することができる、回転するシャフトの位置を検知する方法と装置を提供することである。かかる課題は、請求項１に記載された方法によって解決される。その際、パルス・ホイールが回転するとき、歯のフランクが、それぞれ、時間単位における最大の磁束密度の変化を生成する、という知識を利用する。こうした量は、磁束の絶対量に依存しないので、温度、作業間隔、及び、ホール・探針の許容差の影響に左右されない。この方法を使用することによって、アナログ動作するホール・センサを作成することができ、このセンサは、実際上任意のパルス・ホイールによって、高精度のディジタル信号を生成することができる。パルス・ホイールの歯のそれぞれの位置が正確なので、カムシャフト、クランク・シャフト、あるいは、類似のものの対応する位置も正確に決定することができる。微分測定信号から、方形の測定点信号を生成することができ、その立ち上がりフランクは初期の最大傾きによって、その立ち下がりフランクは初期のマイナスの傾きによって形成される。そうすることによって、方形測定点信号から、ピーク・ポイント測定信号を生成することができ、そのピーク値は最高値と、その基底値は微分測定信号の最低値の最低点と一致する。そうすることによって、高精度に検知できるアナログ測定信号をディジタル測定信号に変換することができる。請求項３の特徴構成によって、この課題を解決するための方法が得られる。請求項４に基づくエレメントから変曲点認識回路を作成すると好都合である。その際、好都合に増幅器を第１の差動増幅器として形成する。そうしたエレメントを用いて、微分信号を段階的にディジタル出力信号に変換することができる。それぞれ、トランジスタのベースに接続され、互いに結合された２つの抵抗で使用した双方向ドライバを構成すると、好都合である。第１の抵抗と第１の抵抗のベースとの接続部と、第２のトランジスタとの第２の抵抗の接続部との間に、アナログＡＮＤ−ゲートとして接続された第２のダイオードを直列に配置する。微分ユニットを請求項７に基づく部品として構成すると、好都合である。また、別に形成された微分ユニットを挿入することもでき、それにより、線形、あるいは、非線形伝送ユニットを用いて、パルスの形状に相応した影響を与えることができる。本発明に従った微分ユニットの場合、歯のフランクに応じて、最大値と最小値が正確に形成される形に、目標を定めてパルスを生成することができる。集積回路（ＩＣ）の形のホール増幅器回路により、次の変換のために、求めた値を直接入力することが保証される。パルス・ホイールについて、様々な歯の形の実例を挙げる。通常、エンジン管理で予想されるデータに相応して形成された既知のパルス・ホイールの構成を用いる。パルス・ホイールは、既知の方法で軟磁性材料から製作する。それとは対照的に、付属の磁石は、永久磁石として、特に、サマリウム−コバルト、バリウム−チタン−フェライト、稀土類、あるいは、類似の材料から形成することができる。次に示す実施例を用いて、本発明を詳細に説明する。図１は本発明に従って、回転するシャフトの位置を検知するための装置の基本配線図、図２は図１に従った変曲点検知回路のブロック図、図３は図１に従った装置の詳細な回路図、図４は概略図で示した、図３に従った回路に発生する信号経路の同期概観図、図５は概略側面図で示した、図１に従った装置のパルス・ホイール、図６は概略側面図で示した、図１に従った装置のその他のパルス・ホイール、図７は、ＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った６に従ったパルス・ホイールの断面図である。回転するシャフトの位置を検知するために、本発明による装置には、評価回路１０３に配置された図１に従ったホール・センサ・エレメント１０１が含まれる。評価回路１０３は、集積複合ホール増幅回路１０３．１、微分ュニット１０３．２、及び変曲点認識回路１０３．３で構成される。ホール・センサ・エレメント１０１の領域には、磁石１０２が配置されている。このような磁石は水久磁石であり、例えば、サマリウム−コバルト、バリウム−チタン−フェライト、稀土類磁石材料、あるいは、類似の材料で形成される。また、特別に形成された電磁石を使用することもできる。更に、ホール・センサ・エレメント１０１の前に、パルス・ホイール１０４を配置する。以下、様々な実施形態を説明する。図５には、カムシャフトと結合された特別装備のパルス・ホイール１０４．３を示す。”ＯＴ”は、上死点を示す。パルス・ホイールは、歯Ｚ１１、Ｚ１２、Ｚ１３、及びＺ１４を有する。歯Ｚ１１及びＺ１２は、同一に形成されており、３６０°の全周の場合、ほぼ８°の幅を有している。それとは対照的に、同様に同一に形成された歯Ｚ１３及びＺ１４は、それぞれ６５°の幅を有する。歯Ｚ１１及びＺ１２の歯のフランクは、次のような間隔を置かれている。即ち、ａ）歯Ｚ１１の立ち上がり歯フランクＺＦＡは、立ち下がり歯フランクＺＦＦから、８°の距離を有する。ｂ）歯Ｚ１１の立ち下がり歯フランクＺＦＦは、歯車Ｚ１４の立ち上がり歯フランクＺＦＡから、６０°の距離を有する。ｃ）歯車Ｚ１４の立ち上がり歯フランクＺＦＡは、歯車Ｚ１４の立ち下がり歯フランクＺＦＦから、６５°の距離を有する。ｄ）歯車Ｚ１４の立ち下がり歯フランクＺＦＦは、歯車Ｚ１３の立ち上がり歯フランクＺＦＡから、２０°の距離を有する。ｅ）歯車Ｚ１３の立ち上がり歯フランクＺＦＡは、歯車Ｚ１３の立ち下がり歯フランクＺＦＦから、６５°の距離を有する。ｆ）歯車Ｚ１３の立ち下がり歯フランクＺＦＦは、歯車Ｚ１２の立ち上がり歯フランクＺＦＡから、２０°の距離を有する。ｇ）歯車Ｚ１２の立ち上がり歯フランクＺＦＡは、歯車Ｚ１２の立ち下がり歯フランクから、８°の距離を有する。ｈ）歯車Ｚ１２の立ち下がり歯フランクは、歯車Ｚ１１の立ち上がり歯フランクから、１１４°の距離を有する。図６及び７には、パルス・ホイール１０４．５を示す。パルス・ホイールは、単一の歯Ｚ３１と単一の歯の間隔ＺＬ３１を有する。歯Ｚ１は、例えば、１７９° の幅を有している。本装置によれば、この種の極端な歯の形状でも、検知することができる。歯車１０４、１０４３、及び１０４．５は、角速度ｗでホール・センサ・エレメント１０１の前で回転する。この種のパルス・ホイールに対する試験によって、歯のフランクのそばで、磁束密度Ｂが時間的に最も速く変化することが判明した。従って、一次時間導関数Ｂは、Ｂ’（ｔ）＝ｄＢ（ｔ）／ｄｔ立ち上がり歯フランクに対して際立った最大値を、立ち下がり歯フランクＺＦＦに対して際立った最小値を有する。かかる効果は、本発明に基づくものである。図３に従って、ホール・センサ・エレメント１０１は、評価回路１０３に埋め込まれている。ホール・センサ・エレメント１０１は、動作電圧Ｕ_bの入力”Ｕ_b” と、アース（対応するアース）ＧＮＤの対向する入力”ＧＮＤ”と結合されている。その他の入力Ｑ−は、抵抗Ｒ１８とＲ２０との間にあり、この抵抗は、抵抗Ｒ２１と共に、Ｕ_bとアースＧＮＤとの間で直列に配置されている。入力Ｑ＋には、抵抗Ｒ１が接続されている。評価回路１０３の中心部は、６つの異なる差動増幅器ＩＣ１Ａ、ＩＣ１Ｂ、ＩＣ１Ｃ、ＩＣ１Ｄ、ＩＣ２Ｂ、及びＩＣ２Ｄを形成し、差動増幅器の他に、ＡＮＤ −ゲートとして接続されたダイオードＤ１及びＤ２、並びにコンデンサＣ３を形成している。差動増幅器ＩＣ１Ｄの入力１２には、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ４を介してアースＧＮＤに接した抵抗Ｒ４が接続されている。差動増幅器ＩＣ１Ｄの第２の入力１３は、２つの抵抗Ｒ２とＲ３との間に接続されている。抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ２０とＲ２１との間に結合している。抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５は、差動増幅器ＩＣ１Ｄの出力１４と結合している。コンデンサＣ１を介して、抵抗Ｒ５は、差動増幅器ＩＣ１Ｃの第１の入力９に導かれる。コンデンサＣ１から、コンデンサＣ２が接続された導線と、抵抗Ｒ６が接続された導線が出ている。差動増幅器ＩＣ２Ｂは、動作電圧Ｕ_bとアースＧＮＤとの間で直列に配置された抵抗Ｒ１５とＲ１６との間の入力５と接続されている。既に述べたように、その第２の入力６は、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４との間に接続されている。その出力７は、同様に抵抗Ｒ４とコンデンサＣ４との間を結合する導線に接続されている。更にその出力は、差動増幅器ＩＣ１Ｃの第２の入力１０と結合されており、その出力が抵抗Ｒ９に導かれている。差動増幅器ＩＣ１Ａの入力３は、コンデンサＣ２に至る導線と結合されている。ＭＰ１で、導線は別の導線と交差しており、その導線にＩＣ１ＣとＲ９及びＲ６が接続されている。交点ＭＰ１は、変曲点認識回路１０３．３の入力Ｅを形成している（図２と比較すること）。抵抗Ｒ１３を介して、コンデンサＣ３からの導線が、差動増幅器ＩＣ１Ａの別の入力２に導かれている。抵抗Ｒ１３は、２つのトランジスタ０１及び０２との間に接続されている。両方のトランジスタ０１及び０２のベースは、抵抗Ｒ１１及びＲ１２を介して差動増幅器ＩＣ１Ａによって制御され、その間で、既に論理ＡＮＤ−ゲートとして述べたダイオードＤ１とＤ２が接続されている。これら２つのダイオードＤ１とＤ２との間の交点ＭＰ２に、差動増幅器ＩＣ１Ｂの出力が接続されている。それを越えて、その出力は、抵抗Ｒ１０を介して第１の入力５に、コンデンサＣ６を介して第２の入力６に導かれている。第１の入力５には、更に、抵抗Ｒ９が配置されているが、入力６と、Ｃ４とＲ１４、あるいは、コンデンサＣ６との間の導線との間には、更に抵抗Ｒ１７がある。動作電圧Ｕ_bの導線は、トランジスタ０１によりトランジスタ０２に接続され、ＧＮＤで終わっている。差動増幅器ＩＣ２Ｄは、測定点ＭＰ１とその入力１２との間で抵抗Ｒ８と接続されている。更に、その入力１２と出力１４との間には、抵抗Ｒ７がある。出力１４は、抵抗Ｒ１９及び第３のトランジスタ０３を介して、出力Ａだけでなく、コンデンサＣ３、並びにＧＮＤへも導かれている。差動増幅器ＩＣ２Ｄの第２の入力１３は、抵抗Ｒ１３とコンデンサＣ１３との間の測定点ＭＰ３に接続され、抵抗Ｒ１４に導かれている。図３には、大まかに次のようなアセンブリをまとめて示してあるが、その概略を図２に示す。 −増幅器１０３．３．１に対する差動増幅器ＩＣ１Ａ、 −双方向ドライバ１０３．３．２に対するタイオードＤ１及びＤ２、トランジスタ０１及び０２、及び抵抗Ｒ１１及びＲ１２、 −コンパレータ１０３．３．３に対する差動増幅器ＩＣ２Ｄ、トランジスタ０３及び抵抗Ｒ７、Ｒ８、及びＲ１９、 −コンパレータ１０３．３．４に対する差動増幅器ＩＣ１Ｂ、コンデンサＣ６、及び抵抗Ｒ９、Ｒ１０、及びＲ１７、 −微分機１０３．２に対する差動増幅器ＩＣ１Ｃ、コンデンサＣ１及びＣ２、及び抵抗Ｒ５及びＲ６、 −ホール−ＩＣ−増幅回路１０３．１に対する差動増幅器ＩＣ１Ｄ、ホール・センサ・エレメント１０１、及び抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ１８、Ｒ２０、及びＲ２１。増幅器１０３．３．１、双方向ドライバ１０３．３．２、及びコンパレータ１０３．３．３及び１０３．３．４を別の形に形成するか、あるいは、僅かに変更を加えた市販の回路を使用することができる。これは、必要に応じた変更を加えた回路の別の部品にも当てはまる。特に、図１及び４に関連させて、示した実施例から得られる本発明に従った装置の動作方法を説明する。パルス・ホイール１０４が、ホール・センサ・エレメント１０１の前で回転する。図５を参照して説明したように、歯Ｚは、立ち上がり歯フランクＺＦＡと立ち下がり歯フランクＺＦＦを有している。その際、ホール・センサ・エレメント１０１によって、磁束密度Ｂ（ｔ）の推移がスキャニングされる。Ｂ（ｔ）は、立ち上がり（左）及び立ち下がり（右）フランクを通過時の特徴を示す。磁束密度Ｂ（ｔ）に対応した信号が、ホール増幅回路１０３．１で増幅され、微分ユニット１０３．２に入力される。差動増幅器ＩＣ１Ｃは、信号Ｂ（ｔ）を微分測定信号Ｂ’（ｔ）＝ＳＭＰ１に変換する。この測定信号ＳＭＰ１は、振れＳＭＰ１ｍａｘとＳＭＰ１ｍｉｎが顕著である。即ち、最太の傾きの最高点は、ＳＭＰ１ｍａｘであり、最小点はＭＰ１ｍｉｎｔである。そのように変換された微分測定信号ＳＭＰ１は、測定点Ｍｐ１の変曲点認識回路１０３．３の入力Ｅに現れる（図２及び３と比較すること）。測定点ＭＰ２で方形測定点信号ＳＭＰ２が発生するように、微分測定信号ＳＭＰ１は、最大値ＳＭＰ１ｍａｘで３つの差動増幅器ＩＣ１Ａ、ＩＣ１Ｂ、及びＩＣ１Ｄを制御する。その際、方形測定点信号ＳＭＰ２の立ち上がりフランクＳＭＰ２ｓｔは、微分測定信号ＳＭＰ１の初めの上り勾配と一致する。同時に、測定点ＭＰ３でコンデンサＣ３が最大値まで充電される。微分測定信号ＳＭＰ１の最小の傾きの始めに、方形測定信号ＳＭＢ２の立ち下がりフランクＳＭＢ２ｆ１が生成される。それによって、コンデンサＣ３が放電される。そうすることによって発生したピーク・ポイント信号ＳＭＰ３は、波高値ＳＭＰ３ｓｃｈと基底値ＳＭＰ３ｓｏが、際立っている。波高値ＳＭＰ３ｓｃｈに達すると、特に、差動増幅器ＩＣ２Ｄによって、ディジタル出力信号ＡＳが出力Ａに発生し、このディジタル信号は、そこで高レベルを有し、その基底値ＳＭＰ３ｓｏに達した際に、その低レベルを有する。図４から明らかなように、その際、ディジタル出力信号ＡＳが、歯Ｚの形状に応じて形成される。例えば、図５に従ったパルス・ホイール１０４．３を使用すると、歯Ｚ１１によって、高レベルＡＳＨが短期間生成され、歯Ｚ１３によって、高レベルが長期間生成される。歯と歯の間は、相応して低レベルとして形成される。高レベル及び低レベルによって、正確に、すべての歯Ｚ１１、．．．、Ｚ１４の位置を確認して、そこから、シャフトの位置を推測することができる。ホール信号の絶対高さには到達しないので、振動エラー、長時間変動、及び類似のものが、有害な影響量とはならない。

Claims

【特許請求の範囲】１．回転するシャフトの位置を検知する方法において、 −所定の磁石（１０２）を装備したホール・センサ・エレメント（１０１）の前で、立ち上がり歯フランクと立ち下がり歯フランク（ＺＦＡ；ＺＦＦ）を有する歯（Ｚ）を備えたパルス・ホイール（１０４、１０４．１、．．．、１０４．５）が角速度ｗで動かされ、 −前記ホール・センサ・エレメント（１０１）は、前記パルス・ホイール（１０４、．．．）によって、磁束密度（Ｂ）の時間的推移をホール電圧信号として受け入れ、 −これら信号を微分ユニット（１０３．２）により微分信号（ＳＰＭ１）に変換するに際して、微分信号（ＳＰＭ１）の最大値（ＳＰＭ１_max）と最小値（ＳＰＭ１_min）を決定し、前記微分信号（ＳＰＭ１）からディジタル出力信号（ＡＳ）を生成し、その際、低レベル（ＡＳＬ）から高レベル（ＡＳＨ）への移行により最大値を、高レベルから低レベルへの移行により微分信号（ＳＰＭ１）の最小値を出力する方法。２．微分測定信号（ＳＭＰ１）から方形測定点信号（ＳＭＰ２）が形成されると共に、立ち上がりフランク（ＳＭＰ２ｓｔ）が初期の最大傾き（ＳＭＰ１ｍａｘ）によって、その立ち下がりフランク（ＳＭＰ２ｆ１）が初期の負の傾き（ＳＭＰ１ｍｉｎ）によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。３．ホール・センサ・エレメント（１０１）の前で、立ち上がり及び立ち下がり歯フランク（ＺＦＡ；ＺＦＦ）を有する歯（Ｚ）を備えたパルス・ホイール（１０４、１０４．１、．．．、１０４．５）が角速度ｗで動かされ、前記ホール・センサ・エレメント（１０１）は前記パルス・ホイール（１０４、．．．）を通る磁束密度（Ｂ）の時間的推移をホール電圧として受け入れ、その信号を微分信号（ＳＰＭ１）に変換する微分ユニット（１０３．２）を用いて、前記ホール・センサ・エレメント（１０１）によって回転するシャフトの位置を検知する装置において、変曲点認識回路（１０３．３）を備え、その回路が前記微分ユニットに接続されることにより、微分信号（ＳＰＭ１）の最大値（ＳＰＭ１_max）と最小値（ＳＰＭ１_min）が決定されると共に、前記微分信号（ＳＰＭ１）から、ディジタル出力信号（ＡＳ）を生成可能であり、その際、低レベル（ＡＳＬ）から高レベル（ＡＳＨ）への移行により最大値が、高レベルから低レベルへの移行により微分信号（ＳＰＭ１）の最小値が出力されるようになっていることを特徴とする装置。４．前記変曲点認識回路（１０３．３）に増幅器（１０３．３．１）が含まれていて、この増幅器の出力が、双方向ドライバ（１０３．３．２）の第１の入力に接続され、 −その第１の入力を用いて、第１のコンパレータ（１０３．３．３）の第１の入力、並びに、第２のコンパレータ（１０３．３．４）の第１の入力に接続されており、 −その第２の入力を用いて、アース（ＧＮＤ）に接続された第１のコンデンサ（Ｃ３）と第１のコンパレータ（１０３．３．３）の第２の入力との間の接続部に配置されており、そのコンパレータには、双方向ドライバ（１０３．３．２）の第２の入力にも接続されており、 −他方、双方向ドライバ（１０３．３．２）の第３の入力が、その第２の入力と共にアース（ＧＮＤ）に接続された第２のコンパレータ（１０３．３．４）の入力に配置されている、ことを特徴とする請求項３に記載の装置。５．双方向ドライバ（１０３．３．２）が互いに結合された２つの抵抗（Ｒ１１、Ｒ１２）により構成され、それら抵抗がそれぞれトランジスタ（Ｏ１、Ｏ２）のベースに接続されていると共に、第１のトランジスタ（Ｏ１）のベースと第１の抵抗（Ｒ１１）の接続部と第２のトランジスタ（Ｏ２）のベースと第２の抵抗（Ｒ１２）の接続部との間に、直列に接続された２つのタイオード（Ｄ１、Ｄ２）が配置され、それらのダイオードがアナログＡＮＤ−ゲートとして接続されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。６．微分ユニット（１０３．２）が次のような部品で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置、即ち、 −その第１の入力がアース（ＧＮＤ）に、その第２の入力が、第２の差動増幅器（ＩＣ１Ｃ）に対して平行に接続された第３の抵抗（Ｒ６）と、その出力と結合されている（第２の）差動増幅器（ＩＣ１Ｃ）と、 −第３の抵抗（Ｒ６）に対して平行に接続され、第２の差動増幅器（ＩＣ１Ｃ）の出力と接続された第２のコンデンサと、 −第３のコンデンサ（Ｃ１）と第４の抵抗（Ｒ５）との直列回路。