JP2001521630A - ホールセンサ素子を用いたホイールの回転方向識別方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ホイール（８）の周方向に配置されたホールセンサ素子（１４〜１６）によってホイール（８）の回転方向を識別するための方法に関する。ここで第１，第２および第３のホールセンサ素子（１４〜１６）は順次配列されており、第２のホールセンサ素子（１５）は第１と第３のホールセンサ素子（１４，１６）の間にある。３つのホールセンサ素子（１４〜１６）の出力信号から２つの評価信号を形成し、この評価信号を比較することによってホイール（８）の回転方向を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】 ホールセンサ素子を用いたホイールの回転方向識別方法 本発明は、ホールセンサ素子を用いたホイールの回転方向識別方法に関し、こ のホールセンサはホイールの周方向に配置されており、相互に位相のずらされた 評価信号を出力する。 多くの場合で、回転するホイール、例えば歯付きホイールの位置と速度だけで なく当該ホイールの回転方向を検出することが所望される。従って一般的に、ホ イールの位置、速度および回転方向を検出することのできるセンサが必要である 。 歯付きホイールの位置および速度を検出するためには、すでにディファレンシ ャル・ダイナミック・ホールセンサがある。このセンサは、空間的にずらされた ２つのホールセンサ素子間の差フィールドを測定し、２つのホールセンサ素子に より形成される信号間の位相が１８０°である場合に特に良好な結果を送出する 。この場合、１つのホールセンサ素子が歯付きホイールの歯の上に配置され、別 のホールセンサ素子が歯付きホイールの２つの歯の間の溝に配置される。しかし この種のディファレンシャル・ダイナミック・ホールセンサによっては歯付きホ イールの回転方向を識別す ることはできない。 歯付きホイールの回転方向を付加的に識別するにはさらに別の位相情報が必要 である。この情報は相互に９０°ずらされた２つのホールセンサにより得ること ができる。これについては後で図５と図６に基づいて説明する。 従来の技術によれば例えば２つのディファレンシャル・ダイナミック・ホール センサ１，２がそれぞれ２つのホールセンサ素子３，４ないし５，６を有し、こ れらホールセンサ素子が歯付きホイール８の歯７を基準にして相互に１／４の歯 間隔で配置されている。この様子が図５に示されている。そしてホールセンサ１ と２から出力信号９，１０が得られ、これらの信号は１／４期間だけ相互にずれ ている。この様子が図６に示されている。そしてホールセンサ１の出力信号９の 下降エッジがホールセンサ２の出力信号１０を走査するために使用される。図６ には歯付きホイール８の左から右への回転に対して経過する信号９，１０が示さ れている。ここで出力信号９の下降エッジは常にホールセンサ２の出力信号１０ の正の値と一致している。このことが矢印１１により示されている。 次に歯付きホイール８が反転すると、位相対応も変化する。これについては時 間が逆に経過すると考えることができる。すなわち図６の出力信号９，１０が右 から左へと発生する。ここでもホールセンサ２の出力 信号１０がホールセンサ１の出力信号９の下降エッジにより走査され、常に負で ある信号が得られる。なぜなら、下降エッジは出力信号１０の負の値と常に一致 しているからである。これは図６に矢印１２により示されている。 出力信号１０を出力信号９により走査することにより得られる信号の符号から 歯付きホイール８の回転方向を推測することができる。ホールセンサ１，２を９ ０°ずらした配置が最適であることも理解されよう。なぜならこの場合に最大の Ｓ／Ｎ比が得られるからである。 ＤＥ８９０９６７７Ｕ１から回転識別装置が公知である。この装置では、少な くとも３つのホールセンサ素子から少なくとも２つのディファレンシャル・ホー ルＩＣによってそれぞれデジタル信号列が導出される。正確な回転数識別のため には分解能を高めるために、出力信号の周波数をただ１つのディファレンシャル ・ホールＩＣの周波数に対して２倍にすることができる。位相比較によって基本 的には回転方向識別も可能である。 ＤＥ４１０４９０２Ａ１から、運動方向例えば回転方向を識別するための方法 および装置が公知である。このために９０°位相のずれた２つの信号が形成され 、これらの信号は信号源の運動方向でずらして配置された２つの受信器から導出 される。これは出力信号を 加算し、減算することにより行われる。和信号と差信号間の９０°の位相ずれの 符号から回転方向を一義的に検出することができる。しかしこの方法は、連続磁 場に対して非常に脆弱である。そのために和信号が差信号に対してオフセットさ れ、このオフセットは連続磁場の２倍の大きさである。このためこれら信号の信 頼性のある処理には大きな困難が伴う。 本発明の課題は、ホールセンサ素子によりホイールの回転方向を識別するため の方法を提供することであり、この方法は信頼性のある回転方向識別が可能であ り、歯間隔とホールセンサ素子間隔とを正確に割り当てなくても良いようにする 。とりわけこの方法は、連続磁場に対して頑強であるようにする。 この課題は、請求項１の構成を有する方法によって解決される。有利な改善形 態は従属請求項に記載されている。 本発明の方法を実施するために、第１，第２および第３のホールセンサ素子が 次のように配置される。すなわち、第２のホールセンサ素子が第１と第３のホー ルセンサ素子の間に位置決めされるよう配置されている。そして９０°ずれた２ つの評価信号が第１から第３のホールセンサ素子の出力信号から形成され、ここ で回転方向が変化する際には有利には第２の評価信号の符号が第１の評価信号を 基準にして変化する。 有利には第２のホールセンサ素子は第１と第３のホ ールセンサ素子間の正確に中央にある。なぜならこのようにすると評価信号の変 動振幅が最大だからである。 従ってこの方法では、単に３つのホールセンサ素子しか必要でなく、これらの ホールセンサ素子を１つのホールセンサに収容することができる。このセンサに より、例えば歯付きホイールの回転方向を第２の評価信号の符号変化から確実に 検出することができる。 以下本発明の方法を図面に基づいて詳細に説明する。 図１は、従来技術からすでに公知のセンサの概略図、 図２は、この公知のセンサのホールセンサ素子の出力信号を示す線図、 図３と図４は、本発明の方法による評価信号形成のための評価電子回路の回路 図、 図５は、従来技術による２つのホールセンサを有する構成を示す図、 図６は、この公知のホールセンサのホールセンサ素子の出力信号波形図である 。 図５と図６についてはすでに冒頭で説明した。 図１〜図４では、図５と図６に対応する部材には対応する参照符号が付してあ る。 図１は公知のホールセンサ１３を示し、このホールセンサは歯付きホイール８ の回転方向に配置された３ つのホールセンサ素子１４，１５，１６を有する。ここでホールセンサ素子１５ はホールセンサ素子１４と１６の間に設けられている。ホールセンサ素子１４〜 １６は歯付きホイール８が開店する際に出力信号Ｓ１〜Ｓ３を出力する（図２参 照）。これらの出力信号は近似的に正弦波状であり、従って以下でのそのように 取り扱う。ホールセンサ素子１４は、歯７がホールセンサ１４の前を通過すると きに最大値を有する出力信号Ｓ１を送出する。また歯７の間の溝により出力信号 Ｓ１に対する最小値が得られる。同じことがホールセンサ素子１５の出力信号Ｓ ２と、ホールセンサ素子１６の出力信号Ｓ３に対しても当てはまる。 出力信号Ｓ１〜Ｓ３は簡単にコンパレータによってデジタル化することができ る。これにより信号Ｓ１〜Ｓ３は図６の出力信号９と１０に相応する経過をとる 。しかし以下では、信号はアナログで処理されることを前提とする。 本発明の方法では、第１の評価信号Ａが出力信号Ｓ３を出力信号Ｓ１から減算 することにより得られる。同じように第２の評価信号Ｂは、出力信号Ｓ３を出力 信号Ｓ１に加算し、この和から出力信号Ｓ２の２倍が減算することにより得られ る。言い替えれば、評価信号ＡとＢに対して次の式が当てはまる。 Ａ＝Ｓ１−Ｓ３ Ｂ＝Ｓ１＋Ｓ３−２・Ｓ２ （１） 信号Ｓ１〜Ｓ３は上で前提とした正弦波状経過をとり、ここで信号Ｓ２は位相 ｐだけ、信号Ｓ３は位相２ｐだけ信号Ｓ１に対してずれている。ｔ＝時間、ｗ＝ 歯付きホイール８の角速度とすると次式が得られる。 Ｓ１＝sin(w・t) Ｓ２＝sin(w・t+p) Ｓ３＝sin(w・t+2p) （２） 式（２）から、式（１）を用いたいくつかの変形によって次式が導出される。 Ａ＝-2・sin(p)・cos(w・t+p) （３） Ｂ＝2・(cos(p)-1)・sin(w・t+p) （４） 式（３）と（４）から、２つの評価信号ＡとＢが位相ｐの値に依存しないで常 に相互に９０°の位相差を有していることがわかる。すなわち、ホールセンサ１ ３が歯付きホイール８に正確に適合するか否かに依存しないで、常に９０°の“ 位相系”が発生し、この位相系では評価信号の一方の変動信号がゼロ経過すると きに他方の評価信号の変動信号は最大値を取る。例えば評価信号Ａのゼロ経過が 上昇する際には、値cos(w・t+p)＝０であり、一方評価信号Ｂでは値sin(w・t+p)＝ １である。 にもかかわらず、ホールセンサ１３のホールセンサ素子の間隔と歯付きホイー ル８の歯７の間隔とをできるだけ正確に同調させておくことは有利である。なぜ なら評価信号ＡとＢの振動振幅が最大値を取るからで ある。 次に上に述べたように歯付きホイール８の回転方向の反転には時間の符号変化 が相当することを考慮すると、式（３）と（４）から次式が得られる。 Ａ＝-2・sin(p)・cos(w・t-p) （５） Ｂ＝-2・cos((p)-1)・sin(w・t-p) （６） このようにして発生した信号は式（３）と（４）に相応する信号に非常によく 似ている。ここでの相違は単に、信号Ｂに負の符号があるだけである。しかしこ のことは、信号Ａのゼロ通過での走査の際に信号Ｂの符号が、先行する回転方向 の反転の場合と比較して反対であることを意味する。従って、評価信号Ａを基準 にした評価信号Ｂの符号から一義的に方向識別を行うことができる。このことは 回路技術的に、Ｄフリップフロップにより実現することができる。Ｄフリップフ ロップではデジタル化の後、信号Ａがクロック入力側に、信号ＢがＤ入力側に印 加される。 しかし本発明の方法は、信号Ａのゼロ通過での走査に限定されるものではない 。走査は信号Ａの他の値においても行うことができる。同じように信号Ｂの符号 に基づく方向識別に対して択一的に、方向識別を第２の評価信号Ｂのサンプリン グ値における傾き識別により行うこともできる。しかしとりわけ評価信号が正弦 波状の場合には、信号Ａのゼロ通過での走査を方向識別と関連して、信号Ｂの符 号に基づき行うのが有利な 方法である。 さらに評価信号（Ａ，Ｂ）の一方を切替エッジの形成に利用し、それぞれ他方 の評価信号（Ｂ，Ａ）をこの切替エッジにより走査することができる。このとき エッジのサンプリング値間の関係から回転方向が検出される。 従って本発明の方法により、単に３つのホールセンサ素子を有する１つのホー ルセンサにより、歯付きホイールの回転方向の反転を確実に識別することができ る。 評価信号ＡとＢの形成に対しては、簡単に演算増幅器回路を使用することがで きる。しかしトランジスタ回路を、図３と図４に示すように使用することもでき る。この図３と図４で、Ｓ１ｐとＳ１ｎはホールセンサ素子１４の出力信号を、 Ｓ２ｐとＳ２ｎはホールセンサ素子１５の出力信号を、Ｓ３ｐとＳ３ｎはホール センサ素子１６の出力信号を示す。 図３の回路では出力端子１７と１８から出力信号Ａが得られ、図４の回路では 出力端子１９と２０から評価信号Ｂが得られる。 図３と図４の回路で、ホールセンサ素子１４，１５，１６はこの回路のそれぞ れの差動増幅器と、制御のために差分磁場だけが使用されるように接続されてお り、重畳された大きな磁気的バイアスは同相シフトにだけ作用する。この同相シ フトは効果的に、特筆すべ き副作用なしに抑圧される。 図３と図４に示された回路と同じような回路もすでに説明した。もちろん評価 信号ＡとＢを得るために別の回路を使用することもでき、これについては上記の 相応の演算増幅器回路を参照されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ホールセンサ素子（１４，１５，１６）によりホイールの回転方向を識 別する方法であって、前記ホールセンサ素子はホイール（８）の周方向に配置さ れており、相互に位相のずらされた評価信号を出力する形式の方法において、 第１，第２および第３のホールセンサ素子（１４，１５，１６）が順次配置さ れており、第２のホールセンサ素子（１５）は第１と第３のホールセンサ素子（ １４，１６）の間に配置されており、第１、第２および第３のホールセンサ素子 （１４，１５，１６）のそれぞれの出力信号（５１，５２，５３）を形成し、 ３つのホールセンサ素子（１４，１５，１６）の出力信号（５１，５２，５３ ）から２つの評価信号（Ａ，Ｂ）を形成し、 第１の評価信号（Ａ）を形成するために、第３のホールセンサ素子（１６）の 出力信号（Ｓ３）を第１のホールセンサ素子（１４）の出力信号（Ｓ１）から減 算し、 第２の評価信号（Ｂ）を形成するために、第１のホールセンサ素子（１４）の 出力信号（Ｓ１）を第３のホールセンサ素子（１６）の出力信号（Ｓ３）に加算 し、得られた和から第２のホールセンサ素子（１５）の出力信号（Ｓ２）の２倍 を減算し、 前記２つの評価信号（Ａ，Ｂ）の一方を所定のサンプリング値の際に走査し、 それぞれ他方の評価信号（Ａ，Ｂ）の傾きまたは符号を検査し、 それぞれの傾きまたは符号に、前記サンプリング値の際に走査された評価信号 を基準にしてそれぞれの回転方向を固定的に割り当てる、 ことを特徴とする回転方向識別方法。 ２． 出力信号（５１，５２，５３）と評価信号（Ａ，Ｂ）とは正弦波状であ る、請求項１記載の方法。 ３． 評価信号（Ａ，Ｂ）の一方をゼロ通過の際に走査し、 他方の評価信号（Ｂ，Ａ）の符号を検査し、 それぞれの符号に、前記サンプリング値において走査された評価信号を基準に してそれぞれの回転方向を固定的に割り当てる、請求項１または２記載の方法。