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JP3459967B2 - 回転シャフトの位置を検知するための装置 - Google Patents

回転シャフトの位置を検知するための装置

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JP3459967B2
JP3459967B2 JP51652895A JP51652895A JP3459967B2 JP 3459967 B2 JP3459967 B2 JP 3459967B2 JP 51652895 A JP51652895 A JP 51652895A JP 51652895 A JP51652895 A JP 51652895A JP 3459967 B2 JP3459967 B2 JP 3459967B2
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パーペ,ペーター
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アーベー・エレクトロニーク・ゲー・エム・ベー・ハー
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転シャフトの位置を検知するための装置
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。
前述のような装置は、DE−A1 32 20 896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、永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−A1 42 0921
2)。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−A1 2 571 134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、回転シャフトの
位置を検知する装置を提供することである。
かかる課題を解決するために、本発明では、磁石とホ
ール・センサ・エレメントの前で、立ち上がり及び立ち
下がり歯フランクを有する歯を備えたパルス・ホイール
が角速度で動かされ、前記ホール・センサ・エレメント
は前記パルス・ホイールを通る磁束密度の時間的推移を
ホール電圧信号として生成し、前記ホール電圧信号を微
分信号に変換する微分ユニットを用いた、回転シャフト
の位置を検知する装置において、前記微分ユニットに接
続されるとともにディジタル出力信号を生成する変曲点
認識回路が備えられ、前記ディジタル出力信号はこのデ
ィジタル出力信号の低レベルから高レベルへの移行が前
記微分信号の最大値を表すとともにこのディジタル出力
信号の高レベルから低レベルへの移行が前記微分信号の
最小値を表しており、これにより前記立ち上がり歯フラ
ンクと前記立ち下がり歯フランクの位置が決定される。
前記変曲点認識回路が差動増幅器と双方向ドライバと第
1のコンパレータと第2のコンパレータ(103.3.4)を
備えている。その際、前記差動増幅器の第1入力部に前
記微分信号が入力され、前記差動増幅器の出力部に前記
双方向ドライバの第1入力が接続されており、さらに前
記差動増幅器の第1入力部には前記第1のコンパレータ
の第1入力部と前記第2のコンパレータの第1入力部が
接続されており、前記差動増幅器の第2入力部には一方
側を接地されたコンデンサと前記第1のコンパレータの
第2入力部が接続されており、前記第1のコンパレータ
の第2入力部には双方向ドライバの第2入力が接続され
ており、前記双方向ドライバの第3入力には前記第2の
コンパレータの出力部が接続されており、前記第2のコ
ンパレータの第2入力部がコンデンサを介して接地され
ている。
ここでは、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。
この装置では、アナログ動作するホール・センサを用
いて、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。
前述の微分信号から、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、そのピーク値は微分信号の最高値と、その基
底値は微分信号の最低値と一致する。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。
ここでは、変曲点認識回路の増幅器を差動増幅器とし
て形成することで、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。
本発明の実施形態の1つとして、前記双方向ドライバ
が互いに結合された第1の抵抗と第2の抵抗を備え、前
記第1の抵抗と第2の抵抗がそれぞれ第1のトランジス
タと第2のトランジスタのベースに接続され、第1のト
ランジスタと第1の抵抗との接続部と第2トランジスタ
と第2抵抗との接続部との間に直列に接続された2つの
タイオードが配置され、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と、好都合である。
また、微分ユニット第2の差動増幅器(IC1C)と第2
のコンデンサ(C2)と直列回路を備えており、前記第2
の差動増幅器(IC1C)の第1入力部がコンデンサを介し
て接地されており、前記第2の差動増幅器(IC1C)の第
2入力部と出力部がこの第2の差動増幅器(IC1C)と並
列となっている第3の抵抗(R6)と接続されており、前
記第2のコンデンサが前記第2の差動増幅器(IC1C)と
並列でその第2入力部と出力部とに接続されており、前
記直列回路は第3のコンデンサ(C1)と第4の抵抗(R
5)からなるとともに前記前記第2の差動増幅器(IC1
C)の第2入力部に接続されていると、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1
03は、集積複合ホール増幅回路103.1、微分ュニット10
3.2、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。このような磁石は永久磁石であり、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
立ち上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、104.3、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Ubの入力“Ub"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、Ub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IC1
A、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の入力部(以下単に入力部は入力、出
力部は出力と略称される)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IC
1D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Ub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Ubの導線は、トンランジスタ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D
2、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、 −微分ユニット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IC1
D、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(単
に微分信号又は測定信号とも呼ぶ)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、最大の傾きの最高点は、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Mp
1の変曲点認識回路103.3の入力Eに現れる(図2及び3
を参照すること)。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SMP2
st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SMP2の立ち下がりフランクSMP2Hが生成される。それ
によって、コンデンサC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SM
P3sch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
ディジタル出力信号は、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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−85865(JP,A) 特開 昭57−200814(JP,A) 特開 平4−136715(JP,A) 実開 平4−138205(JP,U) 特公 昭30−6737(JP,B1) 西独国特許出願公告1237173(DE, B) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/00 - 5/62 G01B 7/00 - 7/34 G01P 1/00 - 3/80

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁石(102)とホール・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・ホイールを通る磁束密度(B)の時間的推移をホ
    ール電圧信号として生成し、前記ホール電圧信号を微分
    信号(SPM1)に変換する微分ユニット(103.2)を用い
    た、回転シャフトの位置を検知する装置において、 前記微分ユニット(103.2)に接続されるとともにディ
    ジタル出力信号を生成する変曲点認識回路(103.3)が
    備えられ、前記ディジタル出力信号はこのディジタル出
    力信号の低レベル(ASL)から高レベル(ASH)への移行
    が前記微分信号(SPM1)の最大値を表すとともにこのデ
    ィジタル出力信号の高レベル(ASH)から低レベル(AS
    L)への移行が前記微分信号(SPM1)の最小値を表して
    おり、これにより前記立ち上がり歯フランク(ZFA)と
    前記立ち下がり歯フランク(ZFF)の位置が決定され、
    かつ 前記変曲点認識回路(103.3)が差動増幅器(103.3.1)
    と双方向ドライバ(103.3.2)と第1のコンパレータ(1
    03.3.3)と第2のコンパレータ(103.3.4)を備え、 前記差動増幅器(103.3.1)の第1入力部に前記微分信
    号が入力され、前記差動増幅器(103.3.1)の出力部に
    前記双方向ドライバ(103.3.2)の第1入力が接続され
    ており、さらに前記差動増幅器(103.3.1)の第1入力
    部には前記第1のコンパレータの第1入力部と前記第2
    のコンパレータ(103.3.4)の第1入力部が接続されて
    おり、前記差動増幅器(103.3.1)の第2入力部には一
    方側を接地されたコンデンサと前記第1のコンパレータ
    (103.3.3)の第2入力部が接続されており、 前記第1のコンパレータ(103.3.3)の第2入力部には
    双方向ドライバ(103.3.2)の第2入力が接続されてお
    り、前記双方向ドライバ(103.3.2)の第3入力には前
    記第2のコンパレータ(103.3.4)の出力部が接続され
    ており、前記第2のコンパレータ(103.3.4)の第2入
    力部がコンデンサを介して接地されていることを特徴と
    する回転シャフトの位置を検知する装置。
  2. 【請求項2】前記双方向ドライバ(103.3.2)が互いに
    結合された第1の抵抗(R11)と第2の抵抗(R12)を備
    え、前記第1の抵抗(R11)と第2の抵抗(R12)がそれ
    ぞれ第1のトランジスタ(01)と第2のトランジスタ
    (02)のベースに接続され、第1のトランジスタ(01)
    と第1の抵抗(R11)との接続部と第2トランジスタ(0
    2)と第2抵抗(R12)との接続部との間に直列に接続さ
    れた2つのダイオード(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1に記載の回転シャフトの位
    置を検知する装置。
  3. 【請求項3】前記微分ユニット(103.2)が第2の差動
    増幅器(IC1C)と第2のコンデンサ(C2)と直列回路を
    備えており、前記第2の差動増幅器(IC1C)の第1入力
    部がコンデンサを介して接地されており、前記第2の差
    動増幅器(IC1C)の第2入力部と出力部がこの第2の差
    動増幅器(IC1C)と並列となっている第3の抵抗(R6)
    と接続されており、前記第2のコンデンサが前記第2の
    差動増幅器(IC1C)と並列でその第2入力部と出力部と
    に接続されており、前記直列回路は第3のコンデンサ
    (C1)と第4の抵抗(R5)からなるとともに前記前記第
    2の差動増幅器(IC1C)の第2入力部に接続されている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の回転シャフト
    の位置を検知する装置。
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