(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する部材の絶対角度位置を３６０°にわたって決定するセンサにおいて、
該センサは、
回転部分（１４）と、プローブを支持する固定部分（１６）と、少なくとも２つのプローブ（２２，２６）と、該２つのプローブから得られる電流を加算する装置（３０）とを有しており、
−  前記回転部分（１４）の回転は、前記の回転する部材の回転とリンクしており、該回転部分によって可変の磁束が形成され、
−  前記の少なくとも２つのプローブ（２２，２６）は、前記の固定部分によって支持され、各々は電流信号を出力し、
当該の２つのプローブのうちの第１のプローブ（２２）は、前記の回転部分の回転に伴って周期的に変化する第１の磁束の影響を受け、それぞれ１８０°をカバーする２つの角度範囲の間で、相異なる２つの一定の電流値を有するバイナリの信号を出力し、
前記の２つのプローブのうちの第２のプローブ（２６）は、前記の回転部分の回転に伴って周期的に変化する第２の磁束の影響を受け、当該の第２の磁束の変化は、前記の第１の磁束の変化に対して９０°位相がシフトしており、
第２のプローブ（２６）は、磁束の連続関数でありかつ回転角に対して線形に変化する２つの部分を含む信号を出力し、ここで当該の２つの部分は逆の傾きを有しており、
−  前記の２つのプローブから得られる電流を加算する装置（３０）は、前記のプローブから得られる出力信号を伝える２つのワイヤ（２４，２８）の接続部（３０）からなり、また第１のプローブ（２２）から得られる出力電流の変化の範囲が、第２のプローブ（２６）から得られる出力電流の変化の範囲よりも大きいという事実に起因して、３６０°にわたって同じ値を２回有することのない出力信号を供給することを特徴とする、
回転する部材の３６０°にわたる絶対角度位置を決定するセンサ。
【請求項２】
前記の回転部分は、磁石（１４）と、該磁石を包囲する固定部分（１６）とを有しており、
該磁石（１４）の磁化方向は、前記の回転部分の回転軸に対して垂直であり、
前記固定部分（１６）により、２つのエアギャップ（１８，２０）が定められ、
該エアギャップにて磁束は９０°ずれており、
前記プローブ（２２，２６）が当該の２つのエアギャップ（１８，２０）に配置されている、
請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記の第１のプローブ（２２）から得られる信号に不連続性が発生する前記の磁束の指定値は、第１のプローブが影響を受ける磁束の符号の反転に相応する、
請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記プローブ（２２，２６）はホール効果式プローブである、
請求項１から３までのいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記の極部材を形成する固定部分（１６）は、ヒステリシス現象を発生させる材料からなる、
請求項１から４までのいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記センサはさらに、前記加算装置（３０）から得られる出力信号を受信する負荷抵抗（１２）を含んでおり、
該負荷抵抗の端子にて測定電圧が取り出し可能である、
請求項１から５までのいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記センサはさらに、パッシブフィルタ（３６）を含む、
請求項６に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転する部材絶対角度位置を３６０°にわたって決定するためのセンサに関する。
【０００２】
本発明は極めて広範な応用を有するが、ここでは極めて制限的な条件を課す特定の１応用において本発明を説明する。したがってここでは３６０°にわたって、内燃機関のカムシャフトの絶対角度位置を決定し、またセンサが原動機付き車両のエンジンルームに直接配置されていするというコンテキストにおいて本発明を説明する。
【０００３】
より正確にいうと、ここで見込まれているのは、スタータのないマルチシリンダ内燃機関を始動することである。この始動は、単純に空気／燃料混合気の膨張を形成することによって行われ、ここでこの空気／燃料混合気は、この目的のために燃焼サイクルの最も有利な位置を有する１つまたは複数のシリンダにおいて適切に点火される。したがって使用する１つまたは複数のシリンダを選択できるようにするため、各シリンダの各ピストンの正確な位置を知ることが重要なのである。
【０００４】
この極めて制限的な特定の応用において、初期化ステップを行うことは不可能である。それはこのような初期化により、エンジンが作動していることがすでに要求されるからである。抵抗式、光学式または容量式の装置またはコーダを使用する技術は、実現が複雑である。真に想定され得るのは、磁気式の技術のうち、磁気抵抗およびホール効果技術だけである。
【０００５】
磁気抵抗およびホール効果式磁気センサは、磁場の強度および方向に相応して徐々に変化する信号を出力する磁気部分と、この磁場を測定して電気信号に変換するための電子部分とを含んでいる。この場は正弦波状に変化するため、磁場を出力信号に変換する磁気抵抗式またはホール効果式プローブにより、回転角に対して直線的な信号は形成されないのである。
【０００６】
極めて精度が高いがコストが高い磁気抵抗式プローブは、出力信号が曖昧である。それは回転要素が０〜１８０°または１８０°〜３６０°のどちらの位置にあるかを決定できないからである。
【０００７】
この問題を解決するため、刊行物US 6 212 783には２つのプローブ、すなわち、角度測定値を出力する磁気抵抗式プローブと、角度が０°〜１８０°または１８０°〜３６０°であることを識別するためのバイナリ演算を有するホール効果式プローブを使用することが記載されている。この解決手段は、磁気抵抗プローブが高価であることとは関係なしにいくつかの欠点を有し、これらの欠点によってエンジンのカムシャフトの絶対角を決定する上記の応用にはこれを使用できないのである。これらの欠点は、第１に２つのプローブ間にたとえわずかであっても調整不良があると、ホール効果プローブがヒステリシス現象を示した場合であっても、１８０°までにも及ぶ誤差を発生させ得るからである。第２に、出力ノイズに起因して磁気抵抗プローブにヒステリシスがない場合、３６０°の角度のあたりで測定値が曖昧になってしまうのであり、この角度において信号は大きな不連続性を示すのである。第３に、磁気抵抗プローブは、希土酸化物ベースの燒結された磁石を含むが、これは高価である。最後に、得られた信号は処理しなければならないため、２つのプローブから得られた信号に基づいて角度を計算するアルゴリズムを実行するためにマイクロプロセッサが必要である。このマイクロプロセッサを上記のセンサからいくらか離して配置すると、上記の欠点はさらに重大になってしまう。それは、２つのプローブの各々に対する接続が必要であり、ワイヤの数が増加し、コネクタの数が増加し、またコンピュータには付加的な入力側が必要になるからである。このような状況は、接続の問題がセンサ故障の主因であることが知られている自動車分野では極めて重大な欠点になるのである。
【０００８】
したがって上に述べた技術は、見込まれる応用の場合に２つの重大な欠点を有するのである。すなわち、１つは角度の値が曖昧になることであり、別の１つはコストが高いことである。
【０００９】
本発明が扱うのは、上記のような不明瞭さがなく、低コストであり、また極めて頑強であり、原動機付き車両のエンジンルームに使用可能な、３６０°にわたって絶対角を決定するセンサである。
【００１０】
上記のようなセンサは本発明により、１センサにおいて２つのホール効果式プローブを使用することによって得られ、ここではこれらのホール効果式プローブは、それ自体で信号の受動的な処理を行うことができ、これによって３６０°にわたる角度を表す曖昧でない（不ぞろいでない）出力信号が出力される。これはつぎのような機能によって達成される。すなわち、
−  上記の刊行物US 6 212 783に記載されているようにバイナリ演算を有するホール効果式プローブを使用して、０〜１８０°の範囲と、１８０°〜３６０°の範囲とを区別する、
−  電流電源モードで作動する２つのプローブを使用し、これらのプローブの出力電流を加算する、
−  ２つのプローブから得られる信号の変化の範囲の間でシフトを行って、１８０°および３６０°で得られた値の場合に曖昧さがないようにする。
【００１１】
さらに正確にいうと、本発明は、回転する部材の３６０°にわたる絶対角度位置を決定するセンサに関し、ここでこのセンサは、回転部分と、プローブを支持する固定部分とを有しており、上記回転部分の回転は、上記の回転する部材の回転とリンクしており、上記回転部分により、可変の磁束が形成される。また少なくとも２つのプローブが上記の固定部分によって支持され、各プローブは出力電流信号を有している。２つのプローブのうちの第１プローブは、上記の回転部分の回転に伴って周期的に変化し得る第１の磁束の影響を受け、この磁束が、指定した値を越えて各方向に通過する場合、不連続性を有する信号を出力する。また上記の２つのプローブのうちの第２のプローブは、上記の回転部分の回転に伴って周期的に変化し得る第２の磁束の影響を受け、ここでこの周期的な変化は、第１の磁束の変化に対して、９０°位相がシフトしている。また上記の第２のプローブは、磁束の連続関数である信号を出力する。上記センサは、上記の２つのプローブから得られる電流を加算するための装置を含んでおり、これによって、３６０°にわたって同じ値を２回有することのない出力電流信号が得られる。
【００１２】
有利にも、センサの出力電流信号が３６０°にわたって同じ値を２回有することがないという上記の機能は、第１のプローブから得られる出力電流の変化範囲が、第２のプローブから得られる出力電流の変化範囲よりもわずかに大きいことに起因する。
【００１３】
１実施形態では上記の回転部分は磁石を含んでおり、この磁石の磁化方向は、回転部分の回転軸に対して垂直である。またこの磁石を包囲する上記の固定部分により、２つのエアギャップが定められ、このエアギャップにおいて磁束は９０°ずれており、上記のプローブはこれらのエアギャップに配置される。
【００１４】
有利にも、第１のプローブから得られる信号において不連続性が発生する、磁束の指定値は、第１のプローブが影響を受ける磁束の符号の反転に相応する。
【００１５】
最も一般的には上記の第１および第２の磁束変化は正弦波状である。
【００１６】
上記のプローブは、磁気抵抗式とすることが可能であるが、コスト上の理由から、プローブをホール効果式とすると有利である。
【００１７】
有利にはそれぞれ１８０°をカバーする２つの角度範囲間で、第１のプローブにより、相異なる２つの一定の電流値を有するバイナリ信号が得られる。また第２のプローブにより、回転角に対して直線的に変化する２つの部分を含む関数によって表される出力電流信号が出力される。ここでこれらの２つの部分は、逆の傾きを有する。
【００１８】
極めて簡単な実施形態では、上記の加算装置は、上記の２つのプローブから得られる出力の単純な接続部から構成される。
【００１９】
極部材を形成する上記の固定部分が、ヒステリシス現象を発生させる材料から構成されると有利である。
【００２０】
有利な応用では、上記のセンサはさらに上記の加算装置からの出力信号を受信する負荷抵抗を含んでおり、この負荷抵抗の端子において測定電圧が利用可能である。
【００２１】
上記のプローブから得られる出力信号が変調されている場合、上記のセンサがフィルタ、有利にはパッシブ形のフィルタを有すると有利である。
【００２２】
本発明の別の機能および利点は、添付の図面に関連して示される以下の説明からより一層明瞭になる。図面において、
図１は、本発明による３６０°絶対角度位置センサの部分断面概略図であり、
図２は、図１のプローブの各々によって検出される磁束密度を示すグラフであり、
図３は、第２のプローブから得られる平均出力電流を、回転角の関数として示すグラフであり、
図４は、第１のプローブから得られる信号およびセンサの出力側において得られる全体的な信号を示すグラフであり、
図５は、図１のセンサの使用例を示す図である。
【００２３】
図１は、本発明によるセンサを部分断面図で概略的に示している。
【００２４】
一般的な参照符号１０が付されたこのセンサは、例えば負荷抵抗を有するユーザの装置１２に信号を伝送するためのものである。
【００２５】
このセンサは、回転部材に取り付けられた磁石１４を有している。ここではこの回転部材の絶対位置を検出すべきであり、またこの回転部材は例えば内燃機関のカムシャフトである。磁石１４の磁化方向は直径方向であり、すなわち磁石１４の回転軸に対して実質的に垂直である。またこの軸そのものも図１の面に対して垂直である。磁石１４は、比較的安価なタイプ、例えばプラスティックバインダにおけるNdFeBベースのものとすることができる。
【００２６】
モータに対して相対的に固定される極部材１６は、磁石１４のまわりに取り付けられ、いくつかのエアギャップを定める。これには少なくとも第１のエアギャップ１８と、第２のエアギャップ２０とが含まれており、これらは互いに９０°で配置されている。したがってこれらのエアギャップにおいて磁束は９０°ずれている。各エアギャップ１８，２０はホール効果式プローブを含んでいる。
【００２７】
第１のエアギャップ１８は、第１のホール効果式プローブ２２を含んでおり、これはワイヤ２４を介して、その出力信号をなす電流を伝送する。この出力信号は、有利には０°〜１８０°および１８０°〜３６０°で相異なる２つのレベルを有する一定のバイナリの信号であり、これらは前もって適当にプログラミングすることによって得られる。
【００２８】
第２のエアギャップ２０は、第２のホール効果式プローブ２６を含んでおり、これはワイヤ２８を介してその出力信号を構成する電流を伝送する。前もってプログラミングすることによって第２のホール効果式プローブは、０°から１８０°に向かって減少する曲線（第１のスロープ）に沿って、またつぎに１８０°から３６０°の向かって増大する曲線（第１のスロープとは反対側の第２のスロープ）に沿って、回転角に対して直線的に変化する出力電流を供給する。これは図３に示した通りである。ここで注意すべきであるのは、変化の範囲内にある電流の任意の値に対して、回転角の２つの値が存在することである。したがって単一のプローブを使用することによって、３６０°にわたって絶対位置を知ることはできないのである。
【００２９】
第２のプローブからの出力信号の精度を上げるため、特定のホール効果式プローブによって可能になる最も急勾配を使用すると有利である。本発明によれば、第２の出力信号が変化する相異なる２つのレベルの間の差分は、第１の出力信号における２つの一定のレベル間の変化よりもわずかに小さい。
【００３０】
本発明によるセンサでは、２つのプローブ２２，２６からの出力電流は加算される。すなわち、２つのワイヤ２４および２８は接続点３０において接続される。この接続点は、これらの２つのプローブからの信号を加算するための装置を表す。
【００３１】
図１において注意すべきであるのは、プローブ２２および２６に給電するために２つのワイヤ（これらのワイヤは図示されていない）が必要であるとすると、センサ１０はわずかに３つのワイヤしか有していないことである。すなわち、外部と３０の接続部しか有しないことである。
【００３２】
図１に関連して示したセンサの取り付けおよび作動の仕方を以下、図１〜４に関連して説明する。
【００３３】
このセンサは内燃機関に取り付けられる。磁石１４はカムシャフトに組み込まれ、図１の矢印３２に示したように回転する。この回転の最中、エアギャップ１８および２０における磁束密度は、図２に示したように変化する。これらの磁束密度は９０°シフトしていることに注意されたい。
【００３４】
図３は、第２のホール効果式プローブ２６からの出力信号を構成する平均電流と、相応する磁束密度とを示している。図４では実線は第１のホール効果式プローブ２２から得られる出力信号を表している。その２つの一定の電流レベルは、変化の範囲によって分離されており、この変化の範囲は、本発明によれば、第２プローブによって得られまた図３に示されている信号の変化の範囲よりも大きい。これによって、図４の短い破線によって示したように、２つのホール効果式プローブからの出力信号を加算することによって得られる、出力信号を形成する平均電流は、オーバーラップしないだけではなく、ギャップ３４によって分離される２つの直線的な変化の範囲を有する。これによってこのセンサからの平均出力電流の各値は、０°〜３６０°の単一の角度に一義的に対応するのである。
【００３５】
例示的な１実施形態では、上記の２つのプローブは、Micronas IC 856形であり、１１ｍＡの最大の変化の範囲を有する。この最大の変化の範囲は、第１ホール効果式プローブの２つの一定のレベル間の差分として使用される。しかしながら第２のプローブに対して使用される変化の範囲は、例えば１０．７ｍＡであり、すなわち０．３ｍＡ小さい。これによって０．３ｍＡの差分が、３６０°におけるセンサからの出力信号と、１８０°におけるセンサからの出力信号との間に存在する。この０．３ｍＡの差分は、さまざまなノイズ現象および発生し得るヒステリシス現象を考慮しても、角度の絶対値をつねに一義的に知るのには十分である。
【００３６】
これらのプローブが調整不良の場合、すなわちこれらの２つのプローブの位相シフトが正確に９０°に等しくない場合でも信号はなお明瞭なままであり、１８０°および３６０°の値の周囲の精度は単にわずかに下がるだけである。
【００３７】
図５には本発明にしたがってセンサを使用する例が示されている。上の説明で考慮したホール効果式プローブ（Micronas IC 856）は、最大周波数１ｋＨｚの可変幅のパルスによって変調された出力電流を有する。したがってこのセンサからの出力信号をフィルタリングして、得られるアナログ信号を平滑化しなければならない。図５はこの目的のために使用されるフィルタの例を示している。
【００３８】
図５において負荷抵抗１２は、図５の右に位置している出力側からフィルタ３６によって分離されている。ここでこのフィルタは、２つの抵抗３８および４０と２つのキャパシタ４２および４４を含む２次のパッシブフィルタの形態で示されている。図５に示した、センサと、負荷抵抗と、フィルタとを含む組み合わせは、独立したコンポーネントを形成することができ、この独立したコンポーネントによって、曖昧さがなくまたは完全にパッシッブな形態で、回転する部材の絶対位置を示す平滑なアナログ信号が供給される。
【００３９】
上記のようにして形成されたセンサは、完全に自律的であり、マイクロコントローラのような計算素子を含んでいない。したがってこれは安価である。
【００４０】
以上により、要約すると本発明のセンサはつぎのような利点を有する。
【００４１】
このセンサはアクティブな信号処理素子、例えばマイクロコントローラを必要としないため、自律的である。
【００４２】
マイクロコントローラがなく、またこのセンサには３つの接続ワイヤしかないため、動作上の信頼性が極めて高い。
【００４３】
高価なマイクロコントローラが存在せず、接続の数が少なく、またプラスティックバインダを有する安価な磁石を使用することに起因してこのセンサは低コストである。
【００４４】
以上のように本発明は３６０°の絶対角度位置センサに関しており、このセンサは自律的であり、すなわちこのセンサからの出力信号は直接使用することができ、その信号は電流または電圧の形態とすることができ、また使用中にアクティブな信号処理を行う必要がない。このセンサは、単純な回転によって移動する単一の運動コンポーネントを使用することに起因して極めて頑強であり、さらにこのセンサは安価であり、必要な接続の数が少ないことに起因して極めて信頼性が高い。
【００４５】
当然のことながら当業者は、制限を行うことを意図しない単なる例によって上に説明したセンサに対し、本発明の範囲を逸脱することなくさまざまな変更を行い得る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による３６０°絶対角度位置センサの部分断面概略図である。
【図２】図１のプローブの各々によって検出される磁束密度を示すグラフである。
【図３】第２のプローブから得られる平均出力電流を、回転角の関数として示すグラフである。
【図４】第１のプローブから得られる信号およびセンサの出力側において得られる全体的な信号を示すグラフである。
【図５】図１のセンサの使用例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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