(57)【特許請求の範囲】
【請求項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φ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ψ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、
さらに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ようにしたことを特徴とする回転体における角度測定方法。
【請求項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φが前記ｋ値に基づいて以下の式、
0003792718.tif 000014
の評価によって算出され、角度φ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。
【請求項３】
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、請求項１又は２記載の回転体における角度測定方法。
【請求項４】
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、歯車に係合されたマグネットを走査する、請求項１から３いずれか１項記載の回転体における角度測定方法。
【請求項５】
角度ψとθからの角度φ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、請求項４記載の回転体における角度測定方法。
【発明の詳細な説明】
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操作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論理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φ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３６０°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φ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θ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φが一義的に検出される。
検出すべき角度φ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φ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１１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φ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。
0003792718.tif 000002
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φは以下の式に従って算出される。
0003792718.tif 000003
ステップＳ３では事前に求められた角度φ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。
0003792718.tif 000004
そのようにして得られた角度φ′は、真の測定値φMとして取り込まれる。それに対してステップＳ３で角度φ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φMとして送出される。
測定値φM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Ｓ１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φ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測定も可能となる。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φ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。
0003792718.tif 000005
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。
0003792718.tif 000006
これにより角度φの最大角度エラーは以下の式から得られる。
0003792718.tif 000007
個々のセンサの比較的大きな角度エラーは角度φ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φ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φと２つの角度ψ,θの間では以下の関係が成り立つ。
0003792718.tif 000008
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。
0003792718.tif 000009
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。
0003792718.tif 000010
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。
0003792718.tif 000011
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＋１）・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φ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）。
0003792718.tif 000012
そのようにして算出された値φ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。
0003792718.tif 000013
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φ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,φ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φ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φは、マグネット２０，２１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。
【図１】
0003792718.tif 000015
【図２ａ】
0003792718.tif 000016
【図２ｂ】
0003792718.tif 000017
【図３】
0003792718.tif 000018