JP4596491B2 - 内燃機関の始動時の位置認識システム - Google Patents

Description

本発明は、自動車の内燃機関の軸、特にクランク軸またはカム軸の角度位置を検出するための軸角度センサと軸角度センサシステムに関する。この種のセンサは、特に内燃機関の始動時に、好ましくは内燃機関の有害物質排出を削減するために、使用される。

内燃機関の始動時に、軸、特に内燃機関のクランク軸または場合によってはカム軸の位置は、通常わかっていない。従って自動車内の内燃機関の効果的なエンジン制御は、通常、内燃機関が何回か回転した後に使用される。

この欠陥が、始動時に内燃機関に由来する有害物質放出が、内燃機関の後の駆動段階におけるよりも高くなる、主要原因である。

従って従来技術においては、通常、内燃機関の始動プロセスの間クランク軸および／またはカム軸の位置を認識する努力がなされる。これは、たとえば、いわゆるエンコーダ、たとえば、周面側に幾つかの歯を有するエンコーダホィールを介して行われる。これらの歯領域内の所定のすき間から、始動時に軸の位置を認識することができる。停止プロセスの間に、減速停止認識を介してエンジンの位置を静止状態まで追跡することを試みることができる。それに対して静止状態の間、エンジンの変化は、それ以上追跡できない。

従来技術からは、クランク軸および／またはカム軸の角度位置を定めるのに適した、種々のタイプのセンサが知られている。すなわち、たとえば、ＤＥ１０３３８１２０Ａ１からは、特に自動車のクランク軸の角度位置を測定するために使用することができる、磁気的なマルチポールエンコーダが知られている。マルチポールエンコーダは、極が変化する細片状の磁化部と基準位置を定めるための少なくとも１つのマーキング部分を備えた磁気トラックを有している。マーキング部分は、磁化されないか、弱く磁化されただけの中央領域と、その中央の領域の両側に接続された、同一の極で磁化された２つの細片を有するように、形成されている。

しかし、従来技術から知られたセンサシステムは、通常、多数の欠点を有している。特に、これらのセンサの多数が内燃機関の始動時からすぐにエンジン位置を認識するのではなく、所定のマーキング（たとえばＤＥ１０３３８１２０Ａ１内のマーキング部分）がそれに応じたセンサを通過した場合に初めて認識することに、欠点がある。

さらに、従来技術から知られたシステムは、駆動中に内燃機関に生じる可能性があるような、高い熱負荷に対してしばしば敏感である。さらに、多くの場合において、センサシステムは極めて組込みスペースをとり、かつ費用のかかるエネルギ供給を必要とする。特に内燃機関のシリンダヘッド領域における、提供空間が制限されていることに基づいて、この種のセンサによりスペース需要が高まることは、多くの場合において容認できない。

発明の利点

従って、従来技術から知られたシステムの欠点を回避する、自動車の内燃機関の軸、特にクランク軸またはカム軸の角度位置を検出するための軸角度センサが提案される。さらに、本発明に基づく軸角度センサとベースステーションとを有する、軸角度センサシステムが提案される。好ましくは、提案される軸角度センサと軸角度センサシステムは、クランク軸の角度位置を検出するために使用されるが、その場合にカム軸の角度位置を検出するための使用も、可能である。

軸角度センサは、磁気的な検出部材と磁気センサ部材とを有している。さらに、軸角度センサはハウジング、好ましくは気密のハウジングを有しており、そのハウジングが、センサシステムを損なうおそれのある汚れがハウジングの内部空間内へ侵入することを防止する。ハウジングは、たとえばクランク軸またはカム軸上に固定的または回転可能に配置することができ、従って軸と共に回転することができるか、あるいは軸の回転の間静止している。種々の形態が、考えられる。

磁気的な検出部材または磁気センサ部材が、軸と堅固に結合可能である。これは特に、２つの部材の一方が、軸と一緒に回転するように定められていることを意味している。それぞれ他方の部材は、たとえば、ハウジングが軸と共に回転しない場合に、ハウジングと堅固に結合することができ、しかし好ましくは、本発明に基づいて、それぞれ他方の部材は自己調心する振り子装置と結合されている。この本発明に基づく自己調心する振り子装置は、軸軸線に対して平行な軸を中心に回転可能に軸承されている。特に、内燃機関のエンジン静止状態において、自己調心する振り子装置は自立的に調心される。

磁気センサ部材は、磁気的な検出部材と協働して、軸の角度位置に関する少なくとも１つの角度信号を発生させる。本発明によれば、この角度信号は送信装置を用いてワイヤレスでベースステーションへ伝送可能であって、そのベースステーションは軸角度センサと並んで軸角度センサシステムの構成部分である。

磁気センサ部材と磁気的な検出部材は、種々の方法で形成することができる。１つには、磁気的な検出部材が、たとえばＤＥ１０３３８１２０Ａ１におけるように、セグメント化された検出ホィールを有している。しかし、この種のセグメント化された磁気的な検出部材は、比較的複雑な磁場を発生させ、この磁場は回転数を検出するのに非常に適しているが、磁気的な検出部材が磁気的なダイポールを有している方が好ましい。特に、磁気的な検出部材は、たとえば軸上に取り付けられる、単純な磁気的なダイポールディスクであることができる。

センサ原理として、たとえばホール効果を使用することができる。しかしその代りに、好ましくは磁気抵抗センサ効果が利用される。従来技術から知られているこの種のセンサ原理において、磁場の関数として抵抗測定が検出される。その場合に特に磁場の方向も検出され、それによってこの種の測定のために単純な磁気的ダイポールでも十分である。その場合にたとえば、いわゆる異方性の磁気抵抗効果を利用することができる（anisotropic magneto-resistive effect,ＡＭＲ効果）。その代りに、あるいはそれに加えて、いわゆる巨大な磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用することもできる。この種のセンサ原理は、当業者には技術の他の領域から知られている。

本発明によれば、軸角度センサと軸角度センサシステムは始動時に内燃機関の位置を認識するために使用される。従って内燃機関の静止状態において、軸の角度位置の認識が行われなければならない。従って軸角度センサシステムは、好ましくは、内燃機関の静止状態を認識する、静止状態認識システムを有している。静止状態が認識された場合に、直接、あるいは選択的に所定の時間的遅延の後でも、角度信号をワイヤレスでベースステーションへ伝送することができる。その場合に好ましくは、データの過剰な伝送を回避するために、正確に１つの角度信号が伝送される。好ましくは、静止状態においてのみ、角度信号がベースステーションへ伝送される。

本発明に基づく静止状態認識システムは、たとえば予め定められた時間的間隔で角度信号が検出されるように、形成することができる。互いに連続する角度信号が、予め定められた許容角度より多く異なっていない場合には、静止状態認識システムは自動的に静止状態を検出する。

上述した本発明に基づく自己調心する振り子装置は、好ましくは振り子ウェイトを有している。たとえば、この振り子ウェイトは、振り子装置を自動的に垂直に回動させる、非常に長い振り子アームとして形成することができる。この調心は、内燃機関の駆動の間にすでに行うことができ、あるいはオフにした後にエンジンが停止した場合に初めて行うこともできる。振り子装置の好ましい形態において、振り子ウェイトが送信装置を完全に、あるいは部分的に包囲することができる。このようにしてウェイトと送信装置の体積が同時に自動調心する振り子装置の調心に利用され、それが組込み空間と重量を削減する。

自己調心する振り子装置は、エンジン静止状態において自動的に、重力によって定められた位置へ回動する。重力によって定められるこの位置は、たとえば自動車の周囲システムを少なくとも部分的に定義することができる。しかしこの周囲システムは、自動車座標系と一致する必要はない。というのは、たとえば自動車は斜め位置で静止することができるからである。たとえば自動車は、急傾斜の道路上に駐車することができる。

従って、軸角度センサシステムは、本発明によれば、付加的に傾斜角度認識システムが設けられるように、展開することができる。この種の傾斜角度認識システムは、従来技術から知られている。たとえば、この種のシステムもそれに応じた振り子装置によって作業することができる。付加的な傾斜角度認識システムを用いて、本発明によれば、内燃機関の静止状態後に生成された少なくとも１つの角度信号を、自動車座標系の傾斜に関して補正することができる。このようにして、周囲システムと自動車座標系が互いに較正し合うことができ、それによっても軸の正確な角度位置を計算することができる。

送信装置とベースステーションの間のワイヤレスのデータ交換は、特に、ベースステーションと送信装置が電磁波を送信ないし受信するための然るべき電磁的な振動回路を有していることによって、行うことができる。この種のシステムは、極めてわずかな組込み空間で形成することができ、それがたとえばトランスポンダー技術から知られている。特に、多くの場合においてデータ交換のために、たとえば基板上にプリントされたアンテナスパイラルとそれに対応する付加的な素子の形式の、たとえばプリントされた、小さい回路のみが必要とされる。

電磁波の交換は、送信装置とベースステーションの間で一方向または双方向に行うことができる。特に、ベースステーションの第１の信号によって、送信装置に測定信号を伝送するように促すことができる。従って、たとえば、エンジン静止状態が存在するか、の決定を、ベースステーションまたはベースステーションと接続された装置へ「待避させる」ことができる。特に、エンジン制御装置を軸角度センサシステム内へ組み込むことができる。

ベースステーションと送信装置の形態は、たとえば、従来技術から知られたタイヤ圧監視システムと同様に形成することができる。この種のシステムは、たとえばＤＥ１０２００４０１９８５８Ａ１に記載されている。特に、軸角度センサシステムを、送信装置が専用のエネルギ供給をもたず、あるいはわずかな（たとえば非常用）エネルギ供給のみを有するように、形成することができる。従ってセンサを駆動するための電磁エネルギを、ベースステーションから電磁波を介して少なくとも１つの送信装置へワイヤレスで伝送することができる。そこで、たとえば、この電磁エネルギを、送信プロセスおよび／または磁場測定のエネルギ供給を保証する、コンデンサまたは同様のエネルギ貯蔵装置を充電するために利用することができる。

本発明に基づく軸角度センサおよび本発明に基づく軸角度センサシステムは、従来技術から知られたシステムに比較して多数の利点を有している。すなわち、軸角度の絶対角度認識を可能にする、特にコンパクトで故障の生じにくいシステムが提供される。従って、始動時に、たとえばクランク軸および／またはカム軸の角度位置によって定義される、エンジン位置がわかっている。この位置データは、エンジン制御プロセスを最適化するために、エンジン制御によって利用することができる。従って、本発明に基づくシステムによって、特に内燃機関の始動時の有害物質放出が、従来のシステムに比較して著しく減少される。

始動時の角度認識の他に、上述した軸角度センサは、もちろん内燃機関の駆動の間の回転数を求めるためにも利用することができる。たとえば上述したエンコーダホィールを介しての、付加的なシステムは、不要である。

送信装置とベースステーションの間の本発明に基づくワイヤレスの信号伝送によって、多大な組込み空間が節約される。特に、従来技術の対応するシステム内で通常多くの場所を占め、かつこの種の磁気センサの使用をこれまでほぼ阻止してきた、ハウジングへの差込み接続が不要である。

さらに、本発明によれば、内部のエネルギ供給または然るべきケーブルを介してのエネルギ供給を省くことができるので、付加的な組込み空間が節約される。しかしその代わりに、あるいはそれに加えて、センサハウジングの内部に専用のエネルギ貯蔵装置（たとえばアキュムレータまたはバッテリ）を設けることもできる。ハウジングまたは他の基準点、たとえば車両ボディと結合された基準点に対する自己調心する振り子装置の相対運動を介して、たとえば電圧が誘導されることにより、エネルギ供給を実現することもできる。この誘導される電圧を介して、たとえばアキュムレータを充電することができる。全体として、静止状態において１回角度信号が伝送されるだけの、本発明に基づく展開において、特にわずかなエネルギ需要しか存在しないことが、確認される。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

図１には、クランク軸１１２の角度位置を検出するための、本発明に基づく軸角度センサシステム１１０の好ましい実施例が示されている。軸角度センサシステム１１０は、大体において３つのユニットを有している：本発明に基づく軸角度センサ１１４の好ましい形態（以下において「センサユニット」と称する）、ベースステーション１１６およびエンジン制御装置（Engine Control Unit,ECU）１１８。センサユニット１１４は、ハウジング１２２を有し、それがたとえばクランク軸１１２に固定されている。ハウジング１２２は、内部空間１２４を有しており、その内部空間がハウジング１２２によって汚れや湿気の侵入に対して気密に遮蔽されている。

図１には、さらに、自動車座標系１２０が象徴的に示されている。クランク軸１１２は、この自動車座標系１２０においてクランク軸軸線１２６を中心に回転する。クランク軸１１２の、センサユニット１１４へ向いた側の端部が、磁気的なダイポールディスク１２８と堅固に結合されている。クランク軸１１２がそのクランク軸軸線１２６を中心に回転すると、この磁気的なダイポールディスク１２８も同様にクランク軸軸線１２６を中心に回転する。それに伴って、磁気的なダイポールディスク１２８によって発生される磁場も回転する。磁気的なダイポールディスク１２８は、ハウジング１２２の内部空間１２４内に収容されており、その場合に収容は、ほこりや水分の侵入を防止するために、ハウジング１２２とクランク軸１１２の間の移行部が密閉されているように、行われる。

さらに、ハウジング１２２の内部空間１２４内に、自己調心する振り子装置１３０が収容されている。自己調心する振り子装置１３０は、振り子軸１３２によってハウジング１２２と結合されているが、ハウジング１２２に対して回転可能に軸承されている。その場合に振り子軸１３２は、クランク軸軸線１２６に対して平行に方位付けされているので、自己調心する振り子装置１３０は、クランク軸１２２の回転に対して平行に回転することができる。

自己調心する振り子装置１３０は、磁気センサ部材１３４と送信装置１３６を有している。磁気センサ部材１３４は、この実施例においては、ＡＭＲセンサとして形成されており、付加的に、振り子軸１３２の近傍に軸承された評価エレクトロニクス１３８を有している。磁気センサ部材１３４は、ＡＭＲ効果を介して、磁気的なダイポールディスク１２８によって発生された磁場の方位とそれに伴って磁気センサ部材１３４に対するクランク軸１１２の角度位置を測定するように形成されている。

さらに、自己調心する振り子装置１３０は、静止状態認識システム１４０を有している。この静止状態認識システム１４０は、磁気センサ部材１３４と評価エレクトロニクス１３８を用いて求められた、磁気的なダイポールディスク１２８の角度位置を、固定的に設定された時点または可変に設定された時点で比較する。静止状態認識システム１４０が、隣接する時点でこの角度位置が異なっていないことを認識した場合に、自動的に、内燃機関の静止状態が存在すると決定される。

評価エレクトロニクス１３８と静止状態認識システム１４０は、送信装置１３６と接続されている。送信装置１３６は、電磁的な振動回路と、電気的なエネルギ貯蔵装置として用いられる、コンデンサを有している。

さらに、角度位置センサシステム１１０は、ベースステーション１１６を有しており、それがまたエンジン制御装置１１８と接続されている。たとえば、ベースステーション１１６は自動車内の、妨げられずに電磁波を送信装置１３６へ伝送して、かつそこから受信することができる箇所に収容されている。従ってベースステーション１１６は、好ましくは自動車内のセンサユニット１１４の近傍に収容されている。同時に、ベースステーション１１６は、自動車内の、ベースステーション１１６が内燃機関による高い熱負荷を受けない箇所に収容することができる。従って特に、ベースステーション１１６内に、センサユニット１１４よりも敏感なエレクトロニクスを収容することができる。

電磁波の交換は、この実施例においては、ベースステーション１１６と送信装置１３６の間で双方向に行われる。特に、好ましくは送信装置１３６が規則的な間隔でベースステーション１１６から電磁波を供給され、その電磁的なエネルギは上述した送信装置１３６のコンデンサ内に蓄えることができる。このようにして、センサユニット１１４のエネルギ供給が規則的に保証される。同時に、たとえば、ベースステーション１１６がセンサ装置１１４に、クランク軸１１２の角度位置を然るべく測定し、かつ／または該当するデータを伝送するように促すこともできる。

さらに、センサユニット１１４は永久磁石１４２を有しており、それがハウジング１２２と堅固に結合されている。永久磁石１４２の相手側片として、センサ装置１３６の領域において自己調心する振り子装置１３０に誘導コイル１４４が固定されている。自己調心する振り子装置１３０がその振り子軸１３２を中心に移動すると、永久磁石１４２によって誘導コイル１４４内に電流が誘導される。この電流は、自己調心する振り子装置１３０内の電気的エネルギ貯蔵装置、たとえば上ですでに説明したコンデンサまたは付加的なアキュムレータを電気的エネルギで充電するために、利用することができる。

さらに、図１に示すこの実施例において、軸角度センサシステム１１０は、付加的な傾斜角度認識システム１４６を有している。この傾斜角度認識システムは、周囲システム１４８（図１に象徴的に図示）に対する自動車の傾斜角度、特に自動車座標系１２０の傾斜角度を認識する。傾斜角度認識システム１４６は、たとえば、振り子原理のような、既知の原理に基づくことができ、自動車内で他のように、たとえば周囲に対する自動車の傾斜に合わせて自動車のばね弾性を調節するために、利用することができる。

自動車の静止状態において自己調心する振り子装置１３０は、自己調心する振り子装置１３０に作用する重力に基づいて周囲システム１４８に対して調節され、それに対して自動車座標系１２０に対しては調節されないので、−たとえばエンジン制御１１８において−センサユニット１１４へ伝達される、クランク軸１１２の角度位置の角度信号を自動車座標系１２０に対する角度信号に換算することができる。自動車座標系１２０に対するこの信号が、内燃機関の始動時に情報として必要とされる。

クランク軸の角度位置を定めるための、本発明に基づく軸角度センサシステムの実施例を示している。

符号の説明

１１０ 軸角度センサシステム
１１２ クランク軸
１１４ センサユニット、軸角度センサ
１１６ ベースステーション
１１８ エンジン制御装置
１２０ 自動車座標システム
１２２ ハウジング
１２４ 内部空間
１２６ クランク軸軸線
１２８ 磁気的ダイポールディスク
１３０ 自動調心振り子装置
１３２ 振り子軸
１３４ 磁気センサ部材
１３６ 送信装置
１３８ 評価エレクトロニクス
１４０ 静止状態認識システム
１４２ 永久磁石
１４４ 誘導コイル
１４６ 傾斜角度認識システム
１４８ 周囲システム

Claims (11)

1. 磁気的な検出部材（１２８）と磁気センサ部材（１３４）を有し、その場合に磁気的な検出部材（１２８）か、あるいは磁気センサ部材（１３４）が軸（１１２）と堅固に結合されており、かつその場合に磁気センサ部材（１３４）が少なくとも１つの角度信号を発生させる、自動車の内燃機関の軸（１１２）、特にクランク軸（１１２）またはカム軸の角度位置を検出する軸角度センサ（１１４）において、
   少なくとも１つの角度信号が、送信装置（１３６）によってワイヤレスでベースステーション（１１６）へ伝送可能であり、
   磁気センサ部材（１３４）と磁気的な検出部材（１２８）からなるグループの、軸（１１２）と結合するために設けられていない部材が、自己調心する振り子装置（１３０）と結合されており、その場合に自己調心する振り子装置（１３０）が、軸軸線（１２６）に対して平行な軸（１３２）を中心に回転可能に軸承されていることを特徴とする、軸角度センサ。
2. 自己調心する振り子装置（１３０）が、振り子ウェイトを有しており、その場合に振り子ウェイトが送信装置（１３６）を包囲していることを特徴とする請求項１に記載の軸角度センサ（１１４）。
3. 誘導装置（１４２、１４４）が設けられており、その場合に誘導装置（１４２、１４４）を用いて、ハウジング（１２２）に対する自己調心する振り子装置（１３０）の相対運動によって電気エネルギが発生可能であって、かつ電気エネルギ貯蔵装置内に貯蔵可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の軸角度センサ（１１４）。
4. 磁気センサ装置（１３４）が、以下のセンサの少なくとも１つ：ホールセンサ、磁気抵抗センサ、特にＧＭＲセンサまたはＡＭＲセンサ、を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の軸角度センサ（１１４）。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の軸角度センサ（１１４）と少なくとも１つのベースステーション（１１６）を有する、軸角度センサシステム（１１０）。
6. 静止状態認識システム（１４０）を有し、その場合に静止状態認識システム（１４０）が内燃機関の静止状態を認識し、かつ軸角度センサは、静止状態が認識された場合に、軸角度センサ（１１４）の少なくとも１つの信号をベースステーション（１１６）へ伝送するように、形成されていることを特徴とする請求項５に記載の軸角度センサシステム（１１０）。
7. 軸角度センサ（１１４）が、静止状態が認識された場合に、少なくとも１つの角度信号をベースステーション（１１６）のみに伝送するように、形成されていることを特徴とする請求項６に記載の軸角度センサシステム（１１０）。
8. 静止状態認識システム（１４０）が、予め定められた時間間隔で角度信号を検出し、かつ、これらの角度信号が予め定められた許容角度より多く異なっていない場合に、静止状態を認識することを特徴とする請求項６または７に記載の軸角度センサシステム（１１０）。
9. 軸角度センサが、正確に１つの角度信号を伝送するように形成されていることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の軸角度センサシステム（１１０）。
10. 付加的な傾斜角度認識システム（１４６）が設けられ、その場合に傾斜角度認識システム（１４６）は、自動車の静止状態において周囲システム（１４８）に対する自動車座標系（１２０）の傾斜を認識して、自動車座標系（１２０）の傾斜に関して少なくとも１つの角度信号を補正することを特徴とする請求項８または９のいずれか１項に記載の軸角度センサシステム（１１０）。
11. 送信装置（１３６）がベースステーション（１１６）および／または供給ステーションからワイヤレスでエネルギを供給されることを特徴とする請求項５から１０のいずれか１項に記載の軸角度センサシステム（１１０）。

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