JPH11500828A - 回転体における角度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、例えば３６０°を越えて回転可能な回転体の角度測定のための方法及び装置に関する。この場合この回転体は少なくとも２つのさらなる回転体、例えば２つの歯車と共動している。これらの角度位置は２つのセンサを用いて求められる。そのようにして求められた角度位置からは回転体の角度位置が求められる。一義的な関係を可能にするためには３つの全ての回転体ないし歯車が所定の歯数を有していなければならない。本発明による方法及び装置は例えば自動車の操舵角の検出に適用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 回転体における角度測定方法及び装置 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念による、例えば３６０°を越えて回転 可能な回転体の角度測定のための方法及び装置に関する。 回転可能な軸の角度位置を求めるのに使用される装置の様々な適用分野では、 装置の始動と同時に正確な軸位置を識別することが求められる。このような要求 に対する最善の手段としては、例えばポテンショメータ等のアナログ角度センサ が用いられる。この種のセンサはスイッチオン直後のあらゆる位置で、直ちに有 効な角度位置を電圧の形で出力する。 そのような装置を、３６０°よりも広い角度範囲での角度測定に用いる場合に は、軸がどの回転状態におかれているかを検出することがもはや不可能となり問 題が生じる。しかしながら３６０°よりも広い角度範囲の評価に対しては、イン クリメントセンサを用いることも可能である。このインクリメントセンサでは角 度位置がパルスのアップダウンカウントによって求められる。しかしながらその ようなインクリメントセンサでは絶対値角度の測定を実施することは不可能であ る。というのはピックアップを通過したインクリメン トしかカウントできないからである。 ３６０°よりも広い角度範囲での角度測定を可能にするために、現段階ではま だ未公開のドイツ連邦共和国特許出願第４４０９８９２号明細書では、自動車の 操舵角の検出に関して次のような操舵角検出手法が提案されている。すなわち± ７２０°の範囲に亘る操舵角の検出を遊星歯車伝動装置を用いて実施する手法が 提案されている。この遊星歯車伝動装置はその歯のカウントに関して次のように 設計されている。すなわち操舵軸と走査すべきセンサディスクとの間の比が正確 に４の値となるように設計されている。走査すべきセンサディスクの１回転によ り、操舵角は７２０°だけ変化する。センサディスクと操作部にコードを設ける ことにより、センサディスクの位置が装置のスイッチオン直後に求められる。そ れにより操舵角の検出も直ちに可能となる。 しかしながらこの種の３６０°よりも広い角度範囲での角度測定用の公知装置 の欠点は、厳密に設計された遊星歯車伝動装置が不可欠になることと、高価な絶 対値センサ系が付加的に必要になることである。 発明の利点 それに対して本発明による、特に３６０度を越えて回転可能な回転体における 角度測定のための方法及び装置は、次のような利点を有している。すなわち複数 に及ぶ回転のもとでも全く一般的な絶対値角度測定が 、高価な遊星歯車伝動装置なしで可能となる。また２つの異なる角度を検出する ２つのセンサを用いることによって測定エラーも低減される。この本発明による 測定原理は、あらゆる種類の角度センサ、例えば光学的センサ、磁気センサ、容 量性センサ、誘導センサ、抵抗センサ等に適用可能である。すなわち任意の接触 形もしくは非接触形センサに適用可能である。 この利点は、角度位置を求めるべき軸が歯車ないし歯車リムを供え、この歯車 リムが別の２つの歯車と共動してそれらの角度位置をそれぞれ１つのセンサによ って連続的に求め、２つの測定角度から、求めるべき角度位置を適切な手法で算 出するようにして達成される。 特に有利には、角度範囲と角度精度が個々の歯車ないし歯車リムの角度マーク ないし歯数の適切な選択によって自由に設定可能である。歯車の配置構成は、所 望の利点が得られるように選択されてもよい。その際歯車は１つの平面内か又は 異なる平面内に配設されてもよい。 本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。この場合特に有利には 、過度に大きな測定エラーと個々のセンサの故障が識別される。直前の値との比 較によって、場合によってはどのセンサに欠陥が生じているかが識別可能で、有 利には唯１つのセンサでの緊急運転も可能である。８ビットのアナログ／デジタ ル変換器を利用すれば、本発明の方式で動作する操舵角センサのもとでは、０． １°よりも小さい操舵角の分解能も理論的に達成可能である。 図面 図１は、３６０°以上回転可能な軸の角度を検出できる第１実施例を示した図 である。 図２は、操舵角センサの実施例を示した図であり、この場合図２ａは歯車の平 面図であり、図２ｂは所属のセンサ群と評価回路を含めた、操舵角検出用装置の 全体構成図である。 図３は本発明による方法のフローチャートを示した図である。 実施例 次に本発明の実施例を図面に基づき、以下の明細書で詳細に説明する。 図１には、回転角度ψが測定される回転可能な軸ないし回転体が符号１０で示 されている。この軸１０は歯車１１を有している。この歯車１１はｎ個の歯から なっている。２つのさらなる歯車１２及び１３（これらはｍ個の歯とｍ＋１個の 歯を有している）は、位置固定されて前記歯車１１と係合されている。これらの 位置固定された歯車の角度Ψとθは２つの周期的な角度センサ１４，１５を用い て測定される。この測定は接触式か又は非接触式に行われる。これらの角度セン サの周期性はΩで表す。通常はΩ＝１８０°か又は３６ ０°であるが、場合によってはその他の角度であってもよい。 これらの角度センサはそれぞれ電子評価回路１６に接続される。この評価回路 １６では軸角度ψの検出に必要な計算が行われる。 前記角度センサ１４，１５がいわゆる絶対値センサであるという前提のもとで 、これらのセンサは、軸１０の角度位置検出用装置のスイッチオン直後に、スイ ッチオン時の歯車１２，１３の回転角度Ψと０を供給する。これらの角度値から は、歯車１１の角度マークないし歯１７の数と歯車１３，１２の角度マークない し歯１８，１９の数がわかっている限り、直ちに軸１０の角度ψが一義的に検出 される。 検出すべき角度ψをどの程度の大きさまで可能とするかに応じて、個々の歯車 の歯１７，１８，１９の数が選定される。角度検出範囲ψが３６００°で、２つ の角度センサの測定範囲Ωが３６０°で、所要精度が１°であるならば、歯車１ １の歯数ｎは８７でなければならず、従って歯数ｍは２９でなければならない。 そのような歯車を用いれば３６００°の角度範囲がその角度範囲内で角度θとΨ に対して一義的な対応付けが可能となるように表すことができる。回転角度ψの 計算は本発明による装置のスイッチオンの後で、例えば図３に示されているよう な手法に従って行われる。評価回路１６内では、第１のステップＳ１において次 の 式に従って計算が行われる。 前記角度θとΨは事前に測定されている。 従ってステップＳ２として角度ψは以下の式に従って算出される。 ステップＳ３では事前に求められた角度ψが負であるか否かが検査される。負 である場合には、ステップＳ４において完全な角度周期が加算され、以下の式が 成り立つ。 そのようにして得られた角度ψ′は、真の測定値ψMとして取り込まれる。そ れに対してステップＳ３で角度ψが０よりも小さくないことが識別されたならば 、ステップＳ２にて求められた角度が測定された角度ψMとして送出される。 測定値ψMの送出の後では、次の角度検出が次の測定角度θ,ΨからステップＳ １で開始される。 個々の角度センサ１４，１５の測定エラーＥが式（２）に従ってｍ/ｎの比で 角度ψのエラーに伝達されるので、ｍ/ｎの伝達比の適切な選択によって精度の 設定も可能となる。いずれにせよ個々のセンサの測定エラーが前記式（１）によ る丸め操作のもとで誤った数値ｋが算出されるほど大きいならば、求められる角 度ψは 連続的ではなくて跳躍的に以下の式の結果分だけ変化する。 このことは次のことによって阻止できる。すなわちｋに対する値の変化を前記式 （１）に従って追従させることにより阻止できる。角度Ψ及び/又はθの測定範 囲Ωに亘る０への連続的な遷移並びに０からの反転のもとではｋの値は±ｍと± （ｍ＋１）の整数的な変化しかとらない。別の跳躍的変化が記録された場合には 、これは過度に大きな測定エラーへの示唆か又は個々のセンサの欠陥を表してい る。すなわち図３によるフローチャートのステップＳ１で求められた順次連続す るｋの値は相互に比較され、あり得ないような変化が生じている場合にはエラー が識別される。それに伴って評価回路１６からはエラー表示Ａが送出される。 正しいｋの値を得るためには、個々のセンサ１４，１５の角度エラーが以下の 値よりも小さくなければならない。 これにより角度ψの最大角度エラーは以下の式から得られる。 個々のセンサの比較的大きな角度エラーは角度ψの跳躍的変化に結び付く。これ は値ｋのあり得ないような 変化によって検出可能である。 次に回転角度ψを２つの回転角度Ψとθから算出する手段を説明する。 歯数に基づいて角度ψと２つの角度Ψ,θの間では以下の関係が成り立つ。 ２つの角度は角度Ωに従って繰り返されるので、除算の余りがΩによって利用 されるだけでよい。 前記式(7)と(8)の展開により以下の式が得られる。 ないしは 前記ｉとｊはさし当たりは未知の整数である。なぜなら例えば０°からΩの間の 角度Ψのもとではこの角度ΨがどのくらいΩを越えて回転したかがまだ未知だか らである。 前記式(9)と(10)では同じ角度Ψが供給されなければ成らないので(9)＝(10)の 関係が成り立つ。このことは以下の関係に結び付く。 前記式の左辺は整数である。そのため右辺も整数でなければならない。 角度θとΨにはエラーが含まれているので（計数化による基本的及び静的な測 定エラー）、前記式(12)は通常は整数ではなくなる。しかしながらこの式の次の 整数が選択されるならば、角度のエラーが大幅に低減される。従って前記式(11) は以下の通りとなる。 m・i−（ｍ＋ｌ）・ｊ＝ｋ (13) これは２つの未知の値ｉとｊに対する式である。しかしながらこのｉとｊは整 数でなければならないので、前記式(13)は離散的な解を有する（いわゆるジオフ ァンタス的問題）。評価に必要な唯１つの解は、以下のように簡単に見つけるこ とができる。 ｉ＝ｊ＝−ｋ (14) これらの値を用いてψが平均値として前記式(9)と(10)から算出される（それ により場合によって生じている測定エラーが新たに縮小される）。 そのようにして算出された値ψは正の値も負の値もとり得る。連続的な指示性 を得るためには、負の値のもとで全システムの完全な周期が加算されなければな らない。 図２ａと２ｂには本発明による、自動車の操舵軸Ｌの角度測定用の装置が示さ れている。この目的のため にはできるだけ非接触式で、最大でも４回転のハンドル回転ないし操舵軸回転が 検出できるセンサが必要である。 図２中操舵軸Ｌ（この軸の角度ψが検出される）は図１の符号１０の軸に相応 する。また各歯車とそれらの回転角度θ,ψも図１のものに相応している。この 場合は付加的に歯車１２，１３にマグネット２０，２１が設けられている。それ らの磁界は歯車表面に存在する。２つのＡＭＲセンサ（すなわち異方性磁気抵抗 形センサ）を用いて表される角度センサ２２，２３（これらは図１のセンサ１４ ，１５に相応する）は角度Ψとψを測定する。操舵角センサの１つの組込例が図 ２ｂに示されている。この実施例では、３つの歯車１１，１２，１３が１つの平 面内におかれている。歯車１２，１３上にはマグネット２１，２０が配設されて いる。これらのマグネット並びに２つのＡＭＲ角度センサ２２，２３を用いて角 度θとΨが絶対値検出される。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として示されている。角度Ψとψは、マグネット２０，２ １によって引き起こされる磁界の経過の識別によって行われる。 このＡＭＲセンサの代わりに、その他の角度センサ、例えばホール素子を用い たセンサ、光学的センサ、誘導性センサ、容量性センサ、抵抗性センサなどを使 用してもよい。使用されるセンサタイプに応じて、歯 車も適切に適合させることが必要である。また歯車の代わりに適当なコード係が 設けられているコードディスクを使用しても良い。 完全な４回転に亘る操舵角の角度検出を可能にするためには、ｎ＝６９及びｍ ＝２３の選択が可能で、それによって周期全体で１４４０°の、つまり正確に４ 回転までの測定が可能となる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年２月２４日 【補正内容】 請求の範囲 １．３６０°を越える角度のもとでも回転可能な回転体の角度測定のための方法 及び装置であって、前記回転体は同形状の多数の角度マークないし歯を備え、さ らに前記回転体は、同形状の別の数の角度マークないし歯を備えた少なくとも２ つのさらなる回転体と共動しており、 前記さらなる回転体に対応付けされた２つのセンサが設けられており、該セ ンサは前記さらなる回転体の角度位置に相応する信号を供給している形式のもの において、 角度位置ψが、測定された角度θ及びΨ並びに整数ｋから求められ、前記整 数ｋは、角度θと歯車（１３）の歯数（ｍ＋１）との乗算結果θ・（ｍ＋１）と 、角度畢と歯車（１３）の歯数ｍとの乗算結果（Ψ・ｍ）の間で形成される差分 をセンサ信号の周期性Ωで除算することによって定められることを特徴とする回 転体における角度測定方法及び装置。 ２．第１のステップにおいて整数ｋが求められ、第２のステップにおいて、検出 すべき角度ψが前記ｋ値に基づいて以下の式、 の評価によって算出され、角度ψが負の場合には、引き続き完全な角度周期がこ れに加算される、請求 の範囲第１項記載の回転体における角度測定方法。 ３．前記算出された数値ｋの変化の妥当性が検査され、前記ｋ値の変化の妥当性 が否定された場合にエラーが識別される、請求の範囲第１項又は２項記載の回転 体における角度測定方法及び装置。 ４．前記求めるべき角度は自動車の操舵角であり、第１の歯車が操舵軸に係合さ れて該操舵軸と共に回転する、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項記載の回転 体における角度測定方法及び装置。 ５．前記第２及び第３の歯車の角度位置を求めるセンサがＡＭＲ（異方性磁気抵 抗形）センサであり、該ＡＭＲセンサは、歯車に結合されたマグネットを走査す る、請求の範囲第１項〜４項いずれか１項記載の回転体における角度測定方法及 び装置。 ６．角度Ψとθからの角度ψの検出を、ハイブリッド回路として構成された評価 回路を用いて行い、前記２つのＡＭＲ（異方性磁気抵抗形）角度センサが該ハイ ブリッド回路の構成部である、請求の範囲第５記載の回転体における角度測定方 法及び装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランツ ヨスト ドイツ連邦共和国 70565 シュツットガ ルト シェーンブーフシュトラーセ 30 ベー (72)発明者 マンフレート アーベントロート ドイツ連邦共和国 71672 マールバッハ シュトロームベルクシュトラーセ ９ ／１ (72)発明者 ハンス ブラウン ドイツ連邦共和国 70178 シュツットガ ルト コルプシュトラーセ ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．例えば３６０°を越えて回転可能な回転体の角度測定のための方法であって 、前記回転体は同形状の多数の角度マークないし歯を備えており、さらに前記回 転体は、同形状の多数の角度マークないし歯を備えた少なくとも２つのさらなる 回転体と共動している形式のものにおいて、 前記２つのさらなる回転体の角度θ,Ψが求められ、角度位置ψが、存在す る幾何学的特性の考慮のもとで前記角度θ,Ψから求められることを特徴とする 回転体における角度測定方法。 ２．第１のステップにおいて整数ｋを求め、角度θで乗算される歯車の歯数と、 角度Ψで乗算される歯車の歯数との間で差分が形成され、この差分を角度Ωによ って除算し、第２のステップにおいて検出すべき角度ψが前記ｋ値に基づいて以 下の式、 の評価によって算出され、角度ψが負の場合に、完全な角度周期が引き続きそれ に加算される、請求の範囲第１項記載の回転体における角度測定方法。 ３．前記数値ｋの変化の妥当性を検査し、前記ｋ値の変化の妥当性が否定された 場合にエラーを識別する、請求の範囲第１項又は２項記載の回転体における角度 測定方法。 ４．前記回転体は歯車であり、１つの歯車の歯数がｎで、第２の歯車の歯数がｍ で、第３の歯車の歯数がｍ＋１であり、前記歯数ｎとｍは異なっており、角度θ 及びΨはセンサ（１４，１５）を用いて求め、角度ψは評価回路（１６）にて求 める、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項記載の回転体における角度測定方法 。 ５．前記角度θ及びΨを、絶対値センサとして動作するそれぞれ１つのセンサを 用いて求める、請求の範囲第４項記載の回転体における角度測定方法。 ６．前記求めるべき角度は自動車の操舵角であり、第１の歯車が操舵軸に係合さ れて該操舵軸と共に回転する、請求の範囲第１項〜５項いずれか１項記載の回転 体における角度測定方法。 ７．前記第２及び第３の歯車の角度位置を求めるセンサがＡＭＲ（異方性磁気抵 抗形）センサであり、該ＡＭＲセンサは、歯車に結合されたマグネットを走査す る、請求の範囲第５項記載の回転体における角度測定方法。 ８．角度Ψとθからの角度ψの検出を、ハイブリッド回路として構成された評価 回路を用いて行い、２つの前記ＡＭＲ（異方性磁気抵抗形）角度センサが該ハイ ブリッド回路の構成部である、請求の範囲第６項記載の回転体における角度測定 方法。