(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触式に測定を行う２台のセンサユニットであって、該２台のセンサユニットのセンサ信号が移動可能な素子に対し測定されるべき位置ｘについての、類似し且つ相互に位相偏移した関数を構成するセンサユニットと、
クロック信号による制御により、上記２台のセンサユニットのそれぞれに対応する２つの上記センサ信号を順次出力させた後、前記２つのセンサ信号の極性を反転させた信号を順次出力させることにより測定信号を発生させる結合回路と、
上記クロック信号と上記測定信号との間の位相差を測定することにより、位置ｘの測定量である位置センサ信号を形成する位相検出ユニットと、
を備えたことを特徴とする位置センサ。
【請求項２】
上記結合回路は、上記センサユニットに直流電流又は直流電圧を供給するための手段を更に有し、上記結合回路は、上記センサ信号から上記測定信号を形成するためのスイッチング装置を更に有する、ことを特徴とする請求項１記載の位置センサ。
【請求項３】
上記スイッチング装置は、上記クロック信号によって制御されたマルチプレクサを含む、ことを特徴とする請求項２記載の位置センサ。
【請求項４】
上記結合回路は、上記クロック信号に基づき極性が変化する直流電流又は直流電圧信号を、上記センサユニットに供給することにより上記センサユニットに給電する、クロック制御されたスイッチング素子を有することを特徴とする請求項１記載の位置センサ。
【請求項５】
上記位相検出ユニットは、ローパスフィルタと、上記ローパスフィルタの後に続く比較器と、上記比較器の後に続く位相比較器とを含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の位置センサ。
【請求項６】
上記センサユニットは、各々が４個のブリッジ素子を含む磁気抵抗性センサであることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の位置センサ。
【請求項７】
上記センサユニットは、ホール素子又は光学センサ素子であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の位置センサ。
【請求項８】
角度センサ又は長さセンサとして、請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の位置センサを使用する方法。
【請求項９】
請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の位置センサを含む車両用バルブ位置トランスデューサ。
【請求項１０】
請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の位置センサを含む車両用ペダル位置トランスデューサ。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の位置トランスデューサを含む車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ信号が移動可能な素子に対し測定されるべき位置ｘの類似し、相互に位相偏移した関数を構成し、非接触式に測定を行う少なくとも２台のセンサユニットと、位置ｘの測定量である位置センサ信号を形成する位相検出ユニットとを含む位置センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
位置センサは、例えば、センサユニットに対し回転可能であるように配置された素子の角度を決定するため、或いは、センサ素子に対し摺動可能な素子の長さの位置を決定するため使用される。
角度αを決定する位置センサは、欧州特許Ｂ第２１７  ４７８号明細書によって周知である。上記文献では、磁気薄膜として構成された２台のセンサユニットに、二つのスイッチを介して、正弦波発生器から２個の９０°位相偏移された正弦波（シヌソイドの）交流信号が供給される。測定された２個の磁気薄膜の出力電圧は、夫々のスイッチを介して、角度αを計算する信号処理装置に出力が接続された比較器に別々に印加される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記配置において、センサユニットの２個の正弦波入力信号の位相と振幅の誤差のため、測定の不正確さが生じる。更なる問題は、センサユニットの２個の出力信号の別々の供給である。一方で、各チャンネルに存在するあらゆる増幅器及びフィルタは、厳密に同一の利得及びフィルタ特性を有する訳ではなく、他方で、結合時に２個の出力信号の一致しない重みに起因する誤差が測定精度を劣化させる。
【０００４】
従って、本発明の目的は、複雑な回路手段を用いることなく誤差の発生源が阻止されるような態様で上記種類の位置センサを構築することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、クロック信号によって制御される結合回路が、クロック信号による制御により、上記２台のセンサユニットのそれぞれに対応する２つの上記センサ信号を順次出力させた後、前記２つのセンサ信号の極性を反転させた信号を順次出力させること、及び、上記位相検出ユニットが、上記クロック信号と上記測定信号の間の位相差を測定することにより、上記位置センサ信号を形成することを特徴とする本発明の位置センサによって実現される。
【０００６】
センサユニットの出力の直後に上記センサ信号を結合する結果として、一方で、必要とされる構造上の素子の数は削減され、他方で、測定の不正確さを生ずる潜在的な誤差発生源が予め除外される。
本発明は、測定信号がステップ信号であり、かつ、測定信号から形成された信号の位相位置が上記ステップの高さと順序とによって決定されるとの認識に基づいている。決定されるべき位置ｘは、基準信号（例えば、クロック信号）との位相比較によって上記位相位置から推定可能である。
【０００７】
好ましい一実施例における結合回路は、センサユニットに直流電流又は直流電圧を供給し、上記センサ信号から測定信号を形成するスイッチングユニットを含む。かくして、全てのセンサユニットを同一の直流電流又は直流電圧源から給電し得るように、センサユニットを、特に簡単に給電することが可能である。更に、本発明の更なる実施例においてクロック信号によって制御されるマルチプレクサからなるスイッチングユニットによる測定信号の形成は、非常に単純である。
【０００８】
本発明の他の実施例における結合回路は、クロック信号に基づき極性が変化する直流電流又は直流電圧信号を、センサユニットに供給することによりセンサユニットに給電する、クロック制御されたスイッチング素子を有する。この実施例において、上記測定信号は、各順次のセンサ信号出力の後に極性が反転し、センサユニットの出力は、その目的のため単純に結合されることが再度保証される。
【０００９】
本発明の好ましい一実施例において、位相検出ユニットは、ローパスフィルタと、上記ローパスフィルタの後に続く比較器と、上記比較器の後に続く位相比較器とを含む。ローパスフィルタは、ステップ状測定信号からの基本波を除波する。比較器はローパスフィルタの正弦波出力信号から方形波を作成する。位相比較器は、この信号とクロック信号の間の位相差を測定し、上記位相差、即ち、位置ｘに比例した位置センサ信号を発生する。
【００１０】
本発明の特に魅力的な実施例におけるセンサユニットは、各々が４個のブリッジ素子からなる磁気抵抗性センサである。センサユニットに基づいて動作する磁気システムの消費は少ない。その上、センサユニットが適切にインターリーブされているならば、センサユニットは、類似した位相偏移した挙動を示す。この種類の位置センサは、角度センサとしての用途に特に適当である。
【００１１】
或いは、本発明によれば、センサユニットは、ホール素子又は光学センサ素子である。ホール素子の動作はホール効果に基づいている。光学センサ素子は、例えば、光の直線偏光を検出し得る相互に回転させられた偏光検出器である。
本発明の位置センサは、基準位置又は別の部品に対する部品の位置を測定する必要がある場合に使用可能である。実現可能な応用は、例えば、角度センサ又は長さセンサとしての応用である。その非常に高い測定精度と、低価格の製造のため、本発明によるセンサは、車両の位置トランスデューサ、殊に、バルブ位置又はペダル位置トランスデューサとしての用途に特に適している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明のより詳細な説明を行う。図１は、本発明による角度測定用の位置センサのブロック図を表わし、位置センサは２個の磁気抵抗性センサ１及び２からなる。各センサ１，２は、インターリーブされ、共通の中心の回りに環状に配置された４個のブリッジ素子からなる。センサ１のブリッジ素子は、センサ２のブリッジ素子と交番し、各ブリッジ素子は、２個の隣接したブリッジ素子に対し４５°回転している。この種類の配置は、例えば、欧州特許出願ＥＰ−Ａ第６７１  ６０５号明細書に記載されている。明瞭さのため、センサ１，２は、象徴的、かつ、互いに分離して示されている。
【００１３】
センサ１，２は、結合回路４の直流電圧源３によって給電される。結合回路４は、入力が参照符号＋及び−で示され、センサ１，２に接続された２個のマルチプレクサ５，６を更に有する。マルチプレクサ５，６は、カウンタ８によってクロック発生器７のクロック信号ＵT4から形成されたクロック信号ＵT1及びＵT2によって制御される。マルチプレクサ５，６の出力は、差動増幅器９の入力に接続されている。結合回路４の後には、入力にクロック信号ＵT1の周波数に同調されたローパスフィルタ１０と、ローパスフィルタ１０の後に続く比較器１１と、比較器１１の後に続く位相比較器１３とを含む位相検出ユニット１２が置かれている。その上、位相比較器１３のクロック入力Ｔは、位相偏移されたクロック信号ＵT1に対応するクロック信号ＵT0を搬送する。位相偏移、即ち、クロック信号ＵT1の零点を固定するため、位相比較器１３の前に、クロック信号ＵT1を受ける位相シフタ１４が置かれている。
【００１４】
以下、回路の動作を詳細に説明する。２台の磁気抵抗性センサ１，２は、入力に同一の直流電圧信号を受ける。互いに４５°回転したブリッジ素子を有するセンサ１，２の配置のため、センサ１，２の出力上のセンサ信号Ｕ1 及びＵ2 は、相互に９０°位相偏移される。これにより以下の式：
Ｕ1 ＝Ｕ0 ｃｏｓ（２α）  及び  Ｕ2 ＝Ｕ0 ｓｉｎ（２α）
が成立する。Ｕ0 は定数であり、αは、磁石を含み、センサ１，２に対し回転可能な部品と、基準軸との間で測定されるべき角度である。センサ信号Ｕ1 及びＵ2 は、周期的なステップ信号が差動増幅器９の出力に測定信号ＵM として現れるような態様で、各々が４入力と４出力を有する２台のマルチプレクサ５，６によって、差動増幅器９の入力に印加される。このため、第１の副期間（ＵT1＝ＵT2＝１）の間に、センサ信号＋Ｕ1 がマルチプレクサ５，６の入力ａから出力に印加される。第２の副期間（ＵT1＝１，ＵT2＝０）の間に、信号＋Ｕ2 （入力ｂ）が印加され、一方、第３の副期間（ＵT1＝０，ＵT2＝１）の間に、信号−Ｕ1 （入力ｃ）が印加され、第４の副期間（ＵT1＝ＵT2＝０）の間に、−Ｕ2 （入力ｄ）が印加される。差動増幅器９による増幅後、測定信号ＵM は、センサ１，２に対応する順次のセンサ信号の後に、上記２つのセンサ信号の極性を反転させた信号を順次出力させることを繰り返して得られるステップ信号として得られる。
【００１５】
クロック信号ＵT1の周波数に対応する制限周波数を有するローパスフィルタ１０は、測定信号ＵM からの基本波を除波する。ローパスフィルタ１０の正弦波出力信号ＵTPの位相位置は、測定信号ＵM のステップの高さ及びステップの順序によって明確に決定される。比較器１１は、正弦波出力信号ＵTPを、同一の周波数及び位相位置を有する方形波信号ＵS に変換し、方形波信号は、次いで、位相比較器１３の信号入力Ｓに印加される。位相比較器１３は、方形波信号ＵS の位相位置を、クロック入力Ｔ上に存在するクロック信号ＵT0の位相位置と比較し、角度αに正比例する角度センサ信号ＵW を出力する。位置センサ信号ＵW は、例えば、角度αに明確に関係し、かつ、角度αと直線的な関係にあるパルス幅変調信号、電圧、電流、周波数、又は、他の信号の何れでもよい。
【００１６】
図２には、角度センサとして使用された場合の図１に表された位置センサに発生するような２個の異なった角度αに対する信号パターンが示されている。最初に、クロック発生器７のクロック信号ＵT と、カウンタ８によってクロック信号ＵT から得られたクロック信号ＵT1及びＵT2が示されている。その下には、最初に角度α＝０°、次に、角度α＝１５°に対する結合回路４と、ローパスフィルタ１０と、比較器１１の出力信号が示され、垂直軸のスケールの分割は表示されていない。
【００１７】
角度α＝０°に対し、以下の式：
Ｕ1 ＝Ｕ0 ｃｏｓ０°＝Ｕ0   及び  Ｕ2 ＝Ｕ0 ｓｉｎ０°＝０
が成立する。従って、基準ＵM （α＝０°）によって示された信号パターンが、＋Ｕ1 ，＋Ｕ2 ，−Ｕ1 ，−Ｕ2 からなるステップ信号に対応する結合回路４の出力信号（＝測定信号ＵM ）に対し得られる。ローパスフィルタ１０の出力信号ＵTPは、測定信号ＵM の基本波に対応する。比較器１１は、ローパスフィルタ１０の出力信号ＵTPを、同一の周波数及び位相位置を有し、位相比較器１３の信号入力Ｓに印加される方形波信号ＵS に変換する。ローパスフィルタ１０は、位相比較器１３において位相比較が考慮されるべき角度αTPによる位相偏移を誘起する。従って、位相比較器１３のクロック入力Ｔに、位相シフタ１４によって角度αTPに亘って偏移され、測定されるべき角度α＝０°の信号ＵS に対応したクロック信号ＵT0が供給される。
【００１８】
角度α＝１５°に対し、以下の式：
【００１９】
【数１】
0004410316.tif 000002
【００２０】
が成立する。角度α＝０°の場合と同様に、信号ＵM 、ＵTP及びＵS が得られる。信号ＵS はクロック信号ＵT0に対し位相偏移α0 を示し、位相比較器１３は、クロック信号ＵT0から、角度αの値を明確に決定する位置センサ信号ＵW （図示しない）を生成する。
図３には、本発明の位置センサの他の実施例が示されている。位置センサの結合回路４は別の構造を有する。センサユニット１及び２は、２個のスイッチング素子１６，１７を介して直流電圧源１５によって給電される。スイッチ１６は、カウンタ８によりクロック信号ＵT4から得られ、クロック信号ＵT4の半分の周波数を有するクロック信号ＵT2によって制御される。スイッチ１７は、クロック信号ＵT4により制御される。
【００２１】
クロック制御されたスイッチ１６，１７は、センサが４個の副期間の中の最初の副期間中に正の直流電圧を維持し、センサ２が第２の副期間中に正の直流電圧を維持し、センサ１が第３の副期間中に負の直流電圧を維持し、センサ２が第４の副期間中に負の直流電圧を維持することを保証する。２個のセンサの第２の入力点は、連続的に接地電位を維持する。センサ１，２の第１の入力は、直流電圧源に接続されていない副期間中にグラウンドに接続される。参照符号＋で示されたセンサ１，２の出力点は、差動増幅器９の正の入力上で結合され、参照符号−で示されたセンサ１，２の出力点は、差動増幅器９の負の入力に供給される。かかる単純な結合が可能である理由は、センサ１が副期間１及び３の間だけ給電し、センサ２が副期間２及び４の間だけ給電するからである。
【００２２】
結合回路４の非常に単純な構造の結果として、結合回路４の出力は、図１及び２を参照して説明したように、更に処理され得る測定信号ＵM を供給する。
更なる実施例（図示しない）は、図１及び３に示された実施例の組み合わせにより構成される。センサ１，２の入力は、次いで、スイッチを介して正の直流電圧を交互に受ける。図３に示されているように、センサ１，２の出力が結合され、差動増幅器９の入力に印加され、入力利得の符号は、例えば、マルチプレクサを用いて、（４個の副期間の中の）一つおきの副期間の後に反転される。
【００２３】
その結果として、図１及び３に示された実施例において得られた測定信号と同一の測定信号ＵM が得られる。
図４には、図面の中に回転可能に配置された磁石２０に対するホール素子１８，１９として構成された２個のセンサユニットの配置が示されている。磁石２０は、ホールセンサ１８，１９の領域で矢印Ｂの方向に向けられた均一な磁界を発生し、ホールセンサ１８はその磁界の中の成分Ｂx を検出し、ホールセンサ１９は成分Ｂy を検出する。ホールセンサ１８，１９は、電圧の代わりに、直流電流が供給され；或いは、信号処理が、図１乃至３の磁気抵抗性センサに関し説明された態様と同一の態様で行われる。
【００２４】
図５は、本発明による長さｚを決定する位置センサの配置を表わしている。参照符号２１は、長さセンサとして構成され、センサユニット２２及び２３を含む位置センサを示している。長さセンサ２１は、磁気的に符号化されたスケール２４に対し、ｚ方向に摺動可能である。スケール２４は、複数個の隣接した磁性領域２５乃至２９からなり、直に隣接している領域、例えば、領域２５及び２６の磁界ベクトルは、常に反対方向に向いている。かくして、スケール２４の外側に少数の磁力線によって示された磁界が得られる。センサユニット２２及び２３は、ｚ方向に向けられたこの磁界の成分を検出する。センサユニット２２，２３は、上記センサの一方がｚ方向に向けられた成分の最大値を検出し、そのとき、２個のセンサの中のもう一方のセンサが零位置を検出するように、離されている。測定されたセンサ信号は、上記の如く処理されるので、最終的に、スケール２４に対する長さセンサ２１の位置ｚを決定することができる。
【００２５】
本発明は、図６に配置が示されている光学センサを用いて実装しても構わない。光源３０によって放出された偏光３１は、偏光子３２によって直線偏光される。次に、各々が特定の向き（センサ素子３４，３５の明暗変化によって図示されている）に偏向された光を検出し得る２個のセンサ素子３４及び３５が配置される。２個のセンサ素子は、相互に９０°回転している。偏光子３２は、矢印３３によって示されているように、センサ素子３４，３５に平行した平面内で回転可能である。この配置により、センサ素子３４，３５に対する偏光子３２の角度の測定が可能になる。
【００２６】
図１及び３に示された実施例において、更に、信号ＵS 及びＵT0の周波数を減少させ得る分周器を、位相比較器１３の信号入力Ｓと共にクロック入力Ｔに接続しても良い。一方で、センサからの干渉放射がこのように削減され、他方で、測定精度が複数の期間に亘って平均化することにより高められる。
所望の測定信号ＵM を発生させ得るような結合回路の他の実施例を実行することが可能である。測定信号ＵM のステップの順序に対し、＋Ｕ1 ，＋Ｕ2 ，−Ｕ1 ，−Ｕ2 以外の解を実行してもよい。更に、本発明は、厳密に２個のセンサユニットからなる位置センサに限定される訳ではなく；３個以上のセンサユニットを含む位置センサを用いて正確な位置測定が実現可能であり；上記の誤差発生源を依然として防止し続けることができる。
【００２７】
本発明において、スイッチング素子、比較器、位相比較器等の個々の部品をどのような方法で実現するかは無関係である。好ましくは、実際上、その出力信号が測定されるべき位置と正弦波形の関係にあるセンサが使用される。しかし、異なる関数関係を有するセンサの使用が実現可能であり、その際、出力信号が変換テーブルを用いて正弦波形に変換される。
【００２８】
本発明の位置センサは、高い測定精度で位置ｘの測定を行うことが可能である。複雑ではない回路に起因して製造コストが安く、かつ、高精度であるため、本発明の位置センサは、特に、位置トランスデューサ、中でも車両用のバルブ位置トランスデューサ又はペダル位置トランスデューサの用途に適している。更に、変速レバー位置トランスデューサ又はシャーシの傾斜センサにも応用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】角度αを測定する２台のセンサユニットを含む本発明の位置センサのブロック図である。
【図２】図１に示された位置センサにおける２個の異なった角度αの信号パターンを表わす図である。
【図３】本発明の位置センサの他の実施例のブロック図である。
【図４】ホール素子として構成された２台のセンサユニットの角度測定用の磁石に対する配置を表わす図である。
【図５】長さ位置を決定する本発明による位置センサの用途を表わす図である。
【図６】角度測定用の２個の光学センサ素子の配置を表わす図である。
【符号の説明】
１，２    磁気抵抗性センサ
３    直流電圧源
４    結合回路
５，６    マルチプレクサ
７    クロック発生器
８    カウンタ
９    差動増幅器
１０    ローパスフィルタ
１１    比較器
１２    位相検出ユニット
１３    位相比較器
１４    位相シフタ
１５    直流電圧源
１６，１７    スイッチング素子
１８，１９    ホール素子
２０    磁石
２１    位置センサ
２２，２３    センサユニット
２４    スケール
２５，２６，２７，２８，２９    磁性領域
３０    光源
３１    偏光
３２    偏光子
３３    回転方向の矢印
３４，３５    センサ素子
【図１】
0004410316.tif 000003
【図２】
0004410316.tif 000004
【図３】
0004410316.tif 000005
【図４】
0004410316.tif 000006
【図５】
0004410316.tif 000007
【図６】
0004410316.tif 000008