JP2004198425A - 回転可能なエレメントの回転角を検出するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転可能なエレメントの回転角を、センサを使用して検出するための装置であって、前記センサは、該回転可能なエレメントの位置に依存する１つまたは複数の信号を発生する装置において、
回転数０からでも回転角検出が可能な装置を提供することである。
【解決手段】センサを該回転可能なエレメントに関して、該回転可能なエレメント第１の構成部分領域が通過する際、該センサの磁束が、実質的に妨害されずに伝搬し、該回転可能なエレメントの第２の構成部分領域が通過する際、該センサの磁束が該回転可能なエレメントの第２の構成部分領域の方向に偏向され、磁束の正弦成分が得られるように構成することによって解決される。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転可能なエレメントの回転角を、センサを使用して検出するための装置であって、前記センサは、該回転可能なエレメントの位置に依存する１つまたは複数の信号を発生する装置に関する。

この種の装置は、回転可能なエレメントの角度位置を可能な限り精確に検出するために使用される。前記回転可能なエレメントは、たとえばシャフト、信号発生ホイールまたはパルスホイール等である。角度位置を精確に検出することは、たとえば制御介入を角度に依存して行わなければならない場合に必要である。自動車分野における典型的な適用は、点火、燃料噴射、燃料供給およびクランクシャフトスタータ発電機である。

とりわけ自動車において回転エレメントの回転角を検出するために、しばしば磁気抵抗型センサが使用される。ここではパッシブな歯車と、永久磁石が取り付けられたセンサとが使用される。このセンサは、正弦磁界のみが磁気抵抗値の変化を引き起こし、ひいては該センサの出力信号のスイッチングエッジが良好に検出されるように構成される。このようなセンサによって、通常は、センサによって感知されるパルスホイールが歯車の少なくとも１つの円ピッチ（Zahnteilung）だけ回転した後に初めて位置検出が行われる。その後に初めて、インデックスパルスが絶対的な位置を伝達する（すなわち、本来の意味でのパワーオン識別はできない）。それゆえ、回転数０からの位置識別には、このようなシステムは適していない。０〜７０００Ｕ／ｍｉｎの回転数領域で、すなわち回転数０からでも位置識別が可能であれば、通常は、アクティブなパルスホイールによって動作するセンサが使用される。このようなアクティブなパルスホイールは永久磁石を担持しており、この永久磁石の磁界が磁気抵抗型センサまたはホールセンサによって評価される。しかしコスト上の理由から、この種のパルスホイールの直径は制限されてしまう。

それゆえ本発明の課題は、回転数０からでも回転角検出が可能な装置を提供することである。

前記課題は、センサを回転可能なエレメントに関して、該回転可能なエレメントの第１の構成部分領域が通過する際に該センサの磁束が実質的に妨害されずに伝搬し、該センサの磁束が該回転可能なエレメントの第２の構成部分領域の方向に偏向され、前記磁束の正弦成分が得られるように構成することによって解決される。

本発明によって、回転数０からでも回転角検出が可能な装置、すなわち回転数が０の場合でも、パルスホイールの歯および溝のどちらがセンサ下方に存在するかを検出することができる装置が実現される。

本装置の特に有利な適用領域として、永久磁石によって励起される同期機における回転角検出が挙げられる。この同期機は、クランクシャフトスタータ発電機として使用される。このようなクランクシャフトスタータ発電機を完全なトルクによって始動できるようにするためには、クランクシャフトの回転位置をすでに静止状態において識別し、クランクシャフトスタータ発電機を適切な電流空間ベクトル（Stromraumzeiger）によって通電できるようにしなければならない。位置識別はここでは、完全に精確でなくてもよい。実際には、Ｎ磁極およびＳ磁極のどちらがセンサ軸の下方に存在するかを把握すれば十分である。ｐ個の歯およびｐ個の溝を有するパッシブな軟磁性のパルスホイールを使用するのが目的に適っている。ここでは個数ｐは、クランクシャフトスタータ発電機として使用される同期機の磁極数に相応する。この同期機は、永久磁石によって励起される。したがって単一のセンサでも、Ｎ磁極およびＳ磁極のどちらがセンサ軸の下方に存在するかを検出することができる。付加的に第２のセンサも使用され、９０°／ｐの角度間隔だけずれて円周上に設けられていれば、この第２のセンサによって、静止状態でもパルスホイールの位置を９０°の最大誤差まで精確に電気的に検出することができる。このように精確であれば、クランクシャフトスタータ発電機の始動を実施するのに十分である。

パッシブなパルスホイールは、簡単かつ低コストで製造することができる。

まず図１は、回転可能なエレメント１１の回転角を検出するための装置１０を概略的に示している。この回転可能なエレメントは、例えば電気機械または内燃機関の軸である。とりわけこの回転可能なエレメントは、回転可能な軸と相対回動不能に結合されたパルスホイール１１である。パルスホイール１１の外周には歯１１．１が配置されており、これらの歯は歯みぞ１１．２によって相互に分離されている。たとえば、パルスホイール１１は個数ｐの歯と、個数ｐの歯溝とを有する。個数ｐは、通常は磁極数と称される。パルスホイール１１に近接してセンサ１２が、その場所に固定的に配置されている。このセンサ１２はパルスホイール１１が回転運動する際、該パルスホイール１１の近接部を通過して運動する歯１１．１および歯溝１１．２を検出する。公知であるのは、こうするためにいわゆるＡＭＲセンサ、すなわち異方性の磁気抵抗効果を利用するセンサを使用することである。しかしこのようなパルスホイールは、たとえばホール効果を利用する別のセンサによって検出することもできる。

コスト上の理由から、有利にはパッシブなパルスホイールが使用される。このようなパルスホイールでは、少なくとも歯は軟磁性の材料から形成されているが、たとえば永久磁石のようなアクティブな磁気性のコンポーネントを有していない。センサとして有利にはＡＭＲセンサが使用され、このＡＭＲセンサ自体は永久磁石を有する。このようなセンサは、正弦磁界のみが、測定技術で検出可能な磁気抵抗の変化を引き起こすように構成されている。この変化はたとえば、センサ出力信号の簡単に評価可能なエッジに現れる。このことは、図２に示された、上位概念の形式の公知の装置で説明されている。

図２は、パルスホイール１１の一部を拡大して示している。このパルスホイール１１の歯は、センサ１００に対して異なる位置をとる。センサ１００はセンサヘッド１１０を有し、このセンサヘッド１１０は該パルスホイール１１の個々の歯１１．１の表面に対して小さな間隔で収容されている。パルスホイール１１の位置Ａには、センサ１００の下方にちょうど歯溝１１．２が存在する。パルスホイール１１の位置Ｂには、センサ１００の下方にちょうど、該パルスホイール１１の歯１１．１が存在する。矢印１１１によって示された磁力線の伝搬から、パルスホイール１１の両位置ＡおよびＢに磁界の正弦成分が存在しないので、該パルスホイール１１の両位置ＡおよびＢでは、センサ１００の評価可能なセンサ出力信号は期待できないことが識別される。それに対して、パルスホイール１１の位置Ｃで初めて、図２に示されているように、磁界の顕著な正弦成分が発生し、センサ１００の評価可能な出力信号が発生する。つまりこの形式の位置識別は、パルスホイール１１が少なくとも１つの円ピッチだけ回転した後に初めて機能する。そうすることによって初めて、その後に評価されるインデックスパルスは、パルスホイール１１の絶対的な回転位置に関する情報を伝達する。したがって、回転数０から、すなわち静止状態でもパルスホイールの位置識別を行うために、このような公知の装置を適用することはできない。図３を参照すると、回転可能なエレメントの回転位置を該回転可能なエレメントの静止位置でもすでに識別できる本発明の装置が記載されている。図３は、パルスホイール１１の一部を拡大して示している。このパルスホイール１１の歯１１．１は、本発明によって構成された装置１０では、センサ１２に対して異なる位置をとる。センサ１２は有利には、磁気抵抗型センサである。センサ１２は、軟磁性の材料から成るヨーク１２．１に固定されている。ヨーク１２．１は、センサ１２の磁力線１２．２が実質的にパルスホイール１１の半径に対して垂直に延在するように、パルスホイール１１に関してその場所に固定的に固定されている。図面の図３には、センサ１２に関連してパルスホイール１１の異なる２つの位置または回転位置が示されている。すなわち、位置ＡおよびＢが示されている。位置Ｂには、ちょうどパルスホイール１１の歯溝１１．２がセンサ１２の下方に存在する。概略的に矢印によって示された磁力線１２．２が示しているように、磁束はもっぱらヨーク１２．１および該ヨークのギャップを介して案内される。すなわちセンサ１２は、磁界の正弦成分を「見ない」。パルスホイール１１の位置Ａには、ちょうどパルスホイール１１の歯１１．１がセンサ１２の下方に存在する。図３に示されているように、磁力線１２．２，１２．３によって代表されている磁束は、少なくとも部分的に（磁力線１２．３）センサ１２の正弦方向に偏向される。センサ１２は磁束のこの正弦成分を識別し、相応する出力信号を出力する。したがって、パルスホイール１１の位置Ａでも、位置Ｂでも、一義的な信号状態が得られ、静止位置すなわち回転数０でも、パルスホイール１１の回転位置を一義的に識別することができる。

本発明による装置はとりわけ、クランクシャフトスタータ発電機において回転位置を識別するのに適している。すなわち、クランクシャフトスタータ発電機を完全なトルクによって始動できるようにするためには、クランクシャフトの位置を静止状態すなわち回転数０の際にすでに識別し、クランクシャフトスタータ発電機を適切な電流空間ベクトルによって通電できるようにすることが不可欠である。位置検出はここでは、極度に精確である必要は全くない。機械においてＮ磁極およびＳ磁極のいずれがセンサ軸の下方に存在するかを把握するだけで十分である。図３に記載された装置の前記実施例では、磁極対の数がｐであるパッシブなパルスホイール１１、すなわちｐ個の歯およびｐ個の歯溝を有するパッシブなパルスホイール１１が使用されるべきである。本発明によって構成されるセンサ１２だけで、パルスホイール１１の歯１１．１および歯溝１１．２のいずれがセンサ１２の下方に存在するかを簡単に識別することができる。この情報は、クランクシャフトスタータ発電機を駆動するために適した電流空間ベクトルを選択するのに十分である。

図４に基づいて、本発明の別の実施例を説明する。図４には、相互に９０°ずれた２つのセンサ１２，１４を有するパルスホイール１１が示されている。このような装置によって、すでに静止状態でも、電気的にセンサ１２，１４の出力信号を評価することによって、パルスホイール１１の絶対的な回転角位置を９０°の最大誤差で検出することができる。しかし、クランクシャフトスタータ発電機の始動を成功させるためには、これで十分である。さらに、第２のセンサを使用することによって、運動するパルスホイールの回転方向を可能な限り迅速に識別することができる。

パルスホイール１１は簡単な軟磁性の材料から形成することができ、どのような磁気的な部材も有していないので、パルスホイール１１を比較的簡単かつ低コストで製造することができる。センサ１２，１４として有利には、磁気抵抗型センサが使用される。磁気抵抗型センサは、自動車分野において厳しい環境条件で有利である。

回転位置をパルスホイールおよびセンサによって検出するための装置を概略的に示した図である。

歯がセンサに対してとる位置が異なる、従来の装置において使用されるパルスホイールの一部を拡大して示した図である。

歯がセンサに対してとる位置が異なる、本発明によって構成された装置において使用されるパルスホイールの一部を拡大して示した図である。

相互に９０°だけずれた２つのセンサを有するパルスホイールを示している。

符号の説明

１０．１ 装置
１１ パルスホイール
１１．１ 歯
１１．２ 歯溝
１２ センサ
１２．１ ヨーク
１２．２ 磁力線
１２．３ 磁力線（正弦成分）
１３ 矢印（センサの回転方向）
１４ 別のセンサ
１００ センサ
１１０ センサヘッド
１１１ 磁力線の伝搬

Claims (7)

1. 回転可能なエレメント（パルスホイール１１）の回転角を、センサ（１２，１４）を使用して検出するための装置（１０）であって、
   前記センサ（１２，１４）は、該回転可能なエレメント（パルスホイール１１）の位置に依存する１つまたは複数の信号を発生する形式のものにおいて、
   センサ（１２）は該回転可能なエレメント（パルスホイール１１）に関して、該回転可能なエレメント（パルスホイール１１）の第１の構成部分領域（歯溝１１．２）が通過する際、該センサ（１２）の磁束が、実質的に妨害されずに伝搬し、該回転可能なエレメント（パルスホイール１１）の第２の構成部分領域（歯１１．１）が通過する際、該センサ（１２）の磁束が該回転可能なエレメント（パルスホイール１１）の第２の構成部分領域（歯１１．１）の方向に偏向され、磁束の正弦成分（磁力線１２．３）が得られるように構成されていることを特徴とする装置。
2. センサ（１２）は軟磁性のヨーク（１２．１）に緊締され、磁束（磁力線１２．２）が実質的に、該回転可能なエレメント（パルスホイール１１）の半径に対して垂直になるように、回転可能なエレメント（パルスホイール１１）に関してその場所に固定的に構成されている、請求項１記載の装置。
3. 該回転可能なエレメントは、外周に複数（ｐ）の歯（１１．１）および複数（ｐ）の歯溝（１１．２）を有するパルスホイール（１１）である、請求項１または２記載の装置。
4. パルスホイール（１１２）はパッシブなパルスホイールである、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. パルスホイール（１１）は軟磁性の材料から成る、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. クランクシャフトスタータ発電機の構成部分である、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. ２つのセンサ（１２，１４）が設けられており、
   前記２つのセンサ（１２，１４）は、９０°の角度だけ相互にずれて配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。

Images