JP2000515639A - 非接触回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転可能な要素の回転角を非接触で検出する装置、特に機関のカム軸の非接触回転角検出装置を提供する。この装置は、２つの別個のセンサ素子を有するセンサを有しており、一方は磁気抵抗原理により動作するセンサ素子であり、他方はホール原理により動作するセンサ素子である。２つのセンサ素子は相互に９０°回転されている。２つのセンサ素子は、軸とともに回転する磁石によって生じる磁場に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 非接触回転角検出装置 本発明は、請求項１の上位概念記載の、回転可能な要素、例えば内燃機関のカ ム軸の非接触回転角検出装置であって、少なくとも２つのセンサ素子を有するセ ンサ装置の磁気的に影響を及ぼすことのある特性を評価して、回転可能な要素に よって形成された磁場強度、又は、影響を及ぼされた磁場強度を評価装置で検出 する装置に関する。 従来技術 回転角検出を実行可能な、この種の装置は、例えば、ドイツ連邦共和国特許公 開第１９５４３５６２号公報から公知である。この装置では、角度位置を検出す べき回転可能な軸には、磁石が結合されている。軸の回転角と一緒に変化する磁 場は、２つのセンサ素子を用いて測定される。このセンサ素子は、角度９０°だ け相互にずらされており、又は、相互に４５°ずらされている。センサ素子には 、適切なやり方で相互に位相シフトされた交流電圧信号が給電される。センサ素 子の出力信号の重畳により、角度位置を表す信号特性が得られる。両センサ素子 の信号を適切に結合することによって、３６０°の角度領域に亘って角度測定す ることができる。非接触回転角度検出用の公知の装置 を特別に用いると、内燃機関のカム軸の角度位置を検出することができる。 ドイツ連邦共和国特許公開第１９５４３５６２号公報に記載された非接触回転 角度検出装置は、それぞれ２つの同一形式のセンサ素子を有している。このセン サ素子は、ホールセンサが例えば大きな温度依存性と大きな圧力依存性を有して いるので、欠点が生じることがある。それに対して、磁気抵抗センサ素子は、温 度及び圧力依存性に関して改善された特性を有しており、ホールセンサよりも温 度及び圧力依存性が小さいが、物理的な効果に起因して、１８０°の角度領域し か一義的に検出することができない。その種の角度領域は、内燃機関のカム軸の 位置を検出する際には小さすぎる。 本発明を用いて、殊に内燃機関のカム軸の回転角度を検出するので、以下、先 ず、カム軸角度検出での問題について説明する。 最新の内燃機関制御部の機能に課せられる要件を果たすために、クランク及び カム軸の回転角度及び角度位置を何時でも極めて正確に検出する必要がある。ク ランク軸の回転数を検出するために、例えば、６０−２個の角度マークを有する センサ盤が使用され、このセンサ盤は、クランク軸と一緒に回転し、センサによ って走査され、その際、センサとしては、誘導、磁気抵抗、又はホール効果を利 用して作動するセンサが使 用される。 内燃機関の実際の作動サイクルについての十分な情報を得ることができるため には、付加的に絶対的なカム軸位置（ＮＷ位置）を検出する必要がある。今日の 内燃機関制御システムでは、カム軸位置はセグメント毎に検出される。その際、 カム軸と一緒に回転して、例えば、シリンダ毎に角度マークを有しているディス クがセンサを用いて走査される。このセンサにより、カム軸回転毎に複数回１つ のパルスを有する出力信号を送出し、そうすることによって、カム軸位置に関し ての、実際に角度が正確な情報が、常にセグメント境界、つまり、カム軸センサ 信号内でパルスを発生する位置で得られる。セグメント境界間の角度位置では、 カム軸位置に関する絶対的な角度の正確な情報は得られない。 カム軸での連続的な回転誤差検出により、エンジン制御システムを改善するこ とができる。と言うのは、制御装置において各時点で、実際の角度情報を利用す ることができるからである。従って、既存の内燃機関制御機能の機能性を改善し て、場合によっては、付加的な機能を実施することができる。カム軸で、そのよ うに連続的に回転角度を検出することによって、例えば、回転数センサを高速診 断することができ、絶対角度センサ自体を、信号のプローシビリティーを検査す ることによって高速診断することができる。更に、確 実且つ簡単に始動検出することができる。エンスト並びに回転数低下を確実に検 出することができ、回転方向検出が可能となり、高速始動過程で迅速に同期させ ることができる。回転数センサの緊急作動を改善することもでき、内燃機関を、 絶対角度センサを用いてのみ直接始動することもできる。その種の絶対角度セン サ（これを用いて、カム軸の角度位置を何時でも検出することができる）は、本 発明を用いて構成することができる。そうすることにより、本発明のセンサをカ ム軸センサとして使用することによって、改善された高速始動によって特徴付け られる内燃機関制御系を構成することができ、従って、スターター及び発電機が 殆ど負荷されず、それ故、小さな仕様にすることができる。信頼度の高い回転方 向検出により、吸入管パッチャーを回避することができ、そうすることによって 、例えば、内燃機関の吸入管及びスロットル弁を少ない必要条件で設計すること ができる。 本発明の非接触回転角度検出装置は、有利に、温度依存性が小さくて、圧力依 存性が小さく、それと同時に良好な分解能で、角度を検出することができる。有 利には、３６０°の角度に亘って検出することができ、その結果、内燃機関のカ ム軸の絶対角度測定時に有利に用いることができる。 この効果は、角度センサがホール効果と磁気抵抗効果を組み合わせて用いるこ とにより達成される。その ために、２つのセンサ素子が用いられており、その際、一方のセンサ素子は、ホ ール方式により作動し、他方のセンサ素子は、磁気抵抗方式により作動する。セ ンサ素子を、そのように組み合わせることにより、ホール方式の利点と磁気抵抗 方式の利点とを完全に利用することができる。 本発明の別の利点は、従属請求項に挙げた手段によって達成される。 図面 以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。詳細には、図 １には、内燃機関のカム軸の角度位置検出用の実施例が示されている。図２には 、３６０°の角度位置に亘る信号経過特性が示されている。図３には、磁気抵抗 型角度センサのレイアウトが示されており、図４には、ドイツ連邦共和国特許公 開第１９５４３５６２号公報所属の評価回路が示されている。 実施例の説明 図１には、本発明の装置の実施例が示されている。その際、回転可能な軸１０ ，例えば、内燃機関のカム軸の角度位置が検出される。軸１０には、ディスク１ １が結合されており、このディスクは、例えば、シリンダ状に形成されており、 極がディスク上で磁気的に結合されている、２つの磁石１２，１３乃至１つの磁 石を有しており、極性乃至装置構成は、各磁石間にほ ぼ均一な磁場１４が形成されるようにされている。この磁場は、軸１０とともに 回転する。 固定回転角度センサ１５の感応領域は、担体１６上に位置している両センサ素 子ＩＣ１及びＩＣ２を有している。回転角度センサ１５は、センサ保持部１７を 用いて保持されている。 センサ素子ＩＣ１は、磁気抵抗効果を利用して磁場と回転角度センサとの間の 角度を検出するための感応性素子を有している。磁気抵抗効果に基づく物理的特 性により、３６０°の角度領域全体をカバーすることはできないので、センサ素 子ＩＣ１によりそれぞれ１８０°の２つの領域が検出される。これらの領域は角 度領域Ｗ１および角度領域Ｗ２と称され、図２に関連して明らかである。 センサ素子ＩＣ２は磁気抵抗素子ＩＣ１のための評価回路と、ホール効果によ り動作する付加的な感応性素子とを有している。この感応性素子は、角度センサ が動作する領域、すなわち角度領域Ｗ１または角度領域Ｗ２を識別するために用 いられる。ホール効果により動作する感応性素子は例えばドイツ連邦共和国特許 出願公開第１９５４３５６２号公報に詳細に記載されている。 図１に示されている非接触形の回転角度検出装置により、図２ａ、図２ｂに示 されている信号特性が得られる。信号特性すなわち磁気抵抗素子ＩＣ１の出力電 圧ＵＭは、図４に示されている評価回路での処理後、角度αに比例して０から所 定の値まで上昇する。１８０°の角度でこの信号は最大値からゼロへ跳躍的に変 化し、続いて再び３６０°の角度までリニアに上昇する。 ホール素子ＩＣ２は信号評価によりディジタルの電圧レベルＵＨを送出し、こ の信号評価ではそれぞれのゼロ交点ごとに正弦波状のホール電圧ＵＨＳが切り換 えられる。形成されたホール素子の信号の特性はこれにより０°から１８０°ま での間でハイであり、１８０°から３６０°までの間でローである。 図２ａ、図２ｂに示された信号の結合により、３６０°の角度領域で一義的な 角度検出を行うことができる。図２ａの信号特性の電圧は０°から１８０°まで の角度に対応しており、この場合に０Ｖが０°に等しく、最大電圧が１８０°に 等しい。磁気抵抗効果および評価回路の特性に基づいて、信号特性の経過は軸（ 例えばカム軸）の完全な１回転の間に２回繰り返される。ホール素子がそのディ ジタル出力側に０°から１８０°までの間で１を生じ（信号がハイ）、また１８ ０°から３６０°までの間で０を生じる（信号がロー）ように構成されている場 合、角度領域全体にわたって電圧と角度との間の一義的な関係を形成することが できる。ホール素子の信号特性のレベルが０である場合、磁気抵抗センサの信号 特性による角度結果に角度 １８０°が加算され、実際の絶対角度が得られる。例えば図２ａの信号特性が５ ７°の角度に対応し、かつ図２ｂの信号特性のレベルが０である場合、実際の角 度位置は１８０°＋５７°＝２３７°である。 角度領域０°、１８０°、３６０°すなわちそれぞれの切換レベルごとに、角 度検出の結果は二義的となる。このため純粋な角度測定では、これらの領域での 測定値検出を抑圧する必要がある。本発明による非接触の回転角検出装置が機関 のカム軸の角度検出に使用される場合、切換レベルの角度検出における二義性は 機関の始動フェーズ中のみ作用している。角度センサの切換レベルが機関の上死 点に相当すると定められる場合、この二義性は実際にはもはや重要ではなくなる 。これは機関が通常の条件のもとでは上死点にとどまることはなく、このため上 死点から始動されると考える必要もないからである。 磁気抵抗センサ素子の構造は図３に示されており、図４にはこれに属する評価 回路が示されている。センサ素子も評価回路もドイツ連邦共和国特許出願公開第 １９５４３５６２号公報から基本的に公知であるのでここでは詳細には説明しな い。基本的には磁気抵抗センサ素子は２つの個別の素子から成っており、これら の素子は４５°の角度だけ相互に回転されており、接続部を介して相互に結合さ れている。この２つのセンサ素子は相応の端子を有しており、図３ｂに示されて いるように上下に重なって配置されている。２つのセンサ素子には相互に９０° だけ位相シフトされた電圧Ｕ２、Ｕ１または電流１２、１１が供給される。信号 評価により、磁化角度または測定すべき角度αに比例する出力電圧ＵＭが生じる 。 ホール素子は詳細には示されていない。このホール素子は評価回路と同様の集 積回路ＩＣ１に収容されている。ホール素子は、リニアな特性曲線を形成する必 要がなく、単に角度領域の判別に使用されるのみであるため簡単に構成すること ができる。このホール素子はディジタル出力信号すなわち角度領域Ｗ１を表す１ または角度領域Ｗ２を表す０を送出するだけでよい。この簡単な構成および評価 回路との統合化により、低コストで装置を実現できる。 磁気抵抗素子は磁場成分をチップ面の方向で検出し、またホール素子は磁場成 分をチップ面に対して垂直に検出するので、磁気抵抗素子のチップはホール素子 のチップに対して垂直に設けなければならない。この構成は図１に示されている 。磁気抵抗素子を有するチップＩＣ１と、評価回路および１つまたは複数のホー ル素子を有するチップＩＣ２とは異なる成形手法により別個に作成することがで きる。これにより効果的な成形が可能である。チップＩＣ２ではアセンブリ構造 にしたがって、図１に小さな矩形で示されているホール素子とその下方の大きな 矩形で示されている評価回 路Ａとがともに形成されている。別個に形成されたチップは、９０℃だけ屈曲さ れた導体路により相互に接続されている。別の処理部のために簡単に入手可能な ユニットを設けることもできる。磁気抵抗素子と評価回路とを分離し、かつ導体 路で接続することにより、専用の集積回路ＩＣ１、ＩＣ２での最適な集積化を行 うことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 回転可能な要素の非接触回転角検出装置であって、少なくとも２つのセン サ素子を有するセンサ装置の磁気的に影響を及ぼすことのある特性を評価して、 前記回転可能要素によって形成された磁場強度、又は影響を及ぼされた磁場強度 を評価装置で検出することができ、回転位置の検出に利用する装置において、 一方のセンサ素子は、磁気抵抗効果を利用して作動され、他方のセンサ素子は 、ホール効果を利用して作動され、前記両センサ素子から送出された信号は相互 に結合されることを特徴とする非接触回転角検出装置。 ２． 磁場強度は、回転可能な要素と共に回転する少なくとも１つの磁石を用い て形成されて、両センサ要素は固定センサ保持部により接続され、相互にほぼ９ ０°の角度を有している請求項１記載の非接触回転角検出装置。 ３． 両センサ素子ＩＣ１及びＩＣ２は、磁力線が一方のセンサ素子ＩＣ１に対 してほぼ平行になって、他方のセンサ素子を垂直に貫通するように配設されてい る請求項１又は２記載の非接触回転角検出装置。 ４． 第１のセンサ素子ＩＣ１は磁気抵抗効果により 作動して、磁場と回転角センサとの間の角度の検出用に使用され、第２のセンサ 素子ＩＣ２はホール効果により作動して、且つ、付加的に第１のセンサ素子用の 評価回路を一緒に有していて、角度センサが作動する領域の検出用に使用する請 求項１〜３までのいずれか１記載の非接触回転角検出装置。 ５． 磁気抵抗効果により作動するセンサ素子は、線形の出力信号を送出し、該 出力信号は、それぞれ１８０°の角度位置で繰り返し、第２のセンサ素子ＩＣ２ は、０〜１８０°で高くて、１８０°〜３６０°で低い信号を送信する請求項１ 〜４までのいずれか１記載の非接触回転角検出装置。 ６． 回転可能な要素は、内燃機関の軸、例えば、カム軸である非接触回転角検 出装置。 ７． センサ装置及び内燃機関のカム軸は、相互に関係付けられており、約０° 、１８０°及び３６０°の角度でのセンサの切換領域内では、内燃機関のピスト ンは、当該ピストンの上死点の近傍に位置しているカム軸位置に位置している請 求項６記載の非接触回転角検出装置。