JP2002519654A - 適応閾値を使用する歯車センサ信号処理 - Google Patents

適応閾値を使用する歯車センサ信号処理

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JP2002519654A JP2000557114A JP2000557114A JP2002519654A JP 2002519654 A JP2002519654 A JP 2002519654A JP 2000557114 A JP2000557114 A JP 2000557114A JP 2000557114 A JP2000557114 A JP 2000557114A JP 2002519654 A JP2002519654 A JP 2002519654A
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ラム，ウエイン・エイ
ハンコック，ピーター・ジイ
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ハネウエル・インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】 センサが追跡するターゲット・フィーチャに関係してセンサ出力が変化する点のドリフトを最小限に抑えるために、センサのスイッチ点に対する適応閾値を確立するアルゴリズムを使用する歯車センサ。アルゴリズムは、測定波形ピークおよび平均出力を用い、経験導出定数を各値に掛けて、第１定数とピーク出力の積から迅速に適応閾値の主要部分を獲得し、第２定数と平均出力の積でさらに閾値を改める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） （発明の分野） 本発明は、一般に位置感知装置、より具体的には、線形位置感知ならびに公知
の回転位置「歯車センサ」を含む磁気効果感知装置であって、磁気感知デバイス
が、一般に回転ターゲットから突出している及び歯車の（１つまたは複数の）歯
に類似した鉄製物を感知する装置に関する。
【０００２】 （従来技術の考察） 様々なセンサが、磁気効果感知技術で知られている。通常の磁気効果センサの
例には、ホール効果および磁気抵抗技術を含むことができる。一般に説明されて
いるように、これらの磁気センサは、磁気効果センサの感知場の近くを通過する
設計された形状の強磁性ターゲット物の存在と不存在によって影響される磁場の
変化に応答する。次いでセンサは電気出力を与える。電気出力は、感知および制
御情報を生成するために後続の電子機器による必要性に応じて変更される。後続
の電子機器は、オンボード、またはセンサ・パッケージ・アイタル（itel）のオ
ンボードとすることができる。
【０００３】 たとえば、自動車技術において、内燃機関が効率的に動作するためにエンジン
制御器に情報を提供する歯車センサが知られている。そのような公知の一構成は
、センサを鉄製ターゲット・ホイールに近接した状態で、鉄製ターゲット・ホイ
ールをエンジンのクランク・シャフト上に配置している。そのターゲット物、ま
たは形状、すなわち歯およびスロットは、もちろん、エンジン構成要素の機械動
作に対して適切に調節される。
【０００４】 関連技術の米国特許の例には、第５６５０７１９号、第５６９４０３８号、第
５４４２８３号、第５４１４３５５号、第５４９７０８４号、および第５５００
５８９号が含まれる。
【０００５】 当技術分野において、磁気センサによって生成された波形がターゲット面とセ
ンサ面の間のエアギャップ変動に応答して変化することは周知である。また、磁
気センサに使用されたバイアス・マグネットの相異、温度、機械応力、不規則な
ターゲットの形状の間隔などによって、センサ出力が変動する可能性がある。し
たがって、センサが状態を変える点、すなわち、スイッチ点は、ターゲットの回
転角度に対して、時間的に変動またはドリフトする。しかし、ターゲットによっ
て表わされるエンジンの機械的動きは変化しない。すなわち、ハードエッジ遷移
（hard-edge transition）に関して、角度、または回転角度で、ターゲット上に
「真の点（true point）」があり、これは、センサがエンジンの機械機能を示す
状態を変えるべき点を表わす。しかし、感知システムの固有限界のため、センサ
が状態を変える点は、その真の点からいくらかの量だけ変動することになる。し
たがって、センサは、正確さを失い、たとえば、ピストン行程を正確に表わすタ
イミング信号を実際に与えなくなる。したがって、センサによって制御されるシ
ステムが、役に立たなくなる可能性がある。当技術分野において、いくつかのス
キーマは、センサをスイッチするために波形電圧の適応閾値を設けることによっ
てセンサ・ドリフトを低減することが知られている。適応閾値は、スイッチ点ド
リフトを低減し、かつセンサの精度およびエンジン効率を高めるために、ほぼ一
定の角度でセンサをスイッチしようと努める。
【０００６】 適応閾値（ＡＴ）を生成する様々な公知のシステムには、測定された最小磁気
バイアス信号より上の固定レベルに適応閾値を設定することが含まれる。しかし
、この機能はエアギャップに比例する情報を伝えず、したがって高い精度を達成
できない。他の方法は、ＲＣ回路などの時間ベースの積分器を使用することによ
って磁気バイアスの平均値に閾値を設定することである。この方法は高い精度を
もたらすことが可能であるが、この精度は、かなりの量のターゲット回転が行わ
れた後に達成されるものである。ターゲット回転で、きわめて迅速に適応閾値点
を達成することがより望ましい。
【０００７】 米国特許第５６５０７１９号によって提案された提案などの、他の提案は、出
力波形の電圧ピークおよび電圧極小を追跡し、適応閾値用にそれらの間の点を選
択し、これらのピークおよび極小値を、ターゲット形状の選択された通路によっ
て定期的に更新するデジタル・スキーマを含む。
【０００８】 しかし、センサ・ドリフトを補償してスイッチ点偏移を最小に抑えるための閾
値を設定する、これら公知のデジタル・スキーマのすべてには欠点がある。その
ような欠点には、回路の複雑さが増し、そのため、費用の増加を招くこと、適応
閾値が決定される前のターゲット回転の増加、および、波形変動に関して決定さ
れた適応閾値の全体的な精度が低下することが含まれる。これらの負の項目間で
妥協することは、どの設計においてもつきものである。本発明では、その有害な
トレードオフを最小限に抑え、低いコストと速い閾値獲得時間と高い精度との適
度なバランスを有する磁気センサを提供することを追求する。
【０００９】 （発明の概要） 経験的導出の第１定数（Ｍ1）が、ターゲットに固有の予測出力電圧変動、お
よび予測エアギャップ許容差範囲を考慮して導出される。Ｍ1定数は、測定ピー
ク値（Ｂpeak）、または値Ｂmaxを得るための選択された波形からの値に掛けら
れる。この値のみをＡＴ点として用いることによって、センサにおけるドリフト
の大部分が除去される。
【００１０】 経験的導出の第２定数（Ｍ2）が導出され、たとえば低値（Ｂmin）を得るため
の各波から測定または時間積分された平均値（Ｂavg）に掛けられる。参照され
る平均値は、計算された算術値、あるいは、中間値または平均値の形をとる時間
ベースの値のいずれでもよい。次いで、ＢmaxおよびＢminは、最終適応閾値（Ａ
Ｔ）を得るために加算され、最終適応閾値（ＡＴ）はセンサ回路構成で更新され
て、さらなるドリフト部分を除去し、正確なセンサ出力スイッチ点を定義する。
【００１１】 Ｍ1およびＭ2は、経験導出の、またはモデル化定数である。これらの定数は、
ホール・センサ１１の特定応用例の予期されるエアギャップ許容差に対して測定
またはモデル化されるものとして、特定のターゲット構成、およびデューティ・
サイクルに適合する。
【００１２】 Ｂmaxが、迅速に獲得されたピーク値から導出され、かつＢmaxがアルゴリズム
中ではるかに大きい値であるので、本発明物は、Ｂmin値がそれを獲得するため
に取られたわずかに遅れた時間後に加算されると、非常によい精度を得ながら、
迅速に同期化する。
【００１３】 さらに、２つの波形値に掛けられる２つの経験導出定数を有するアルゴリズム
を使用することによって、センサ精度を改善するためにセンサ上で較正を行う必
要性、たとえばレーザ・トリミングなどによりその回路構成を調節する必要性は
、最小限に抑えられる。
【００１４】 アナログまたはデジタルによらず、ＡＴ点はセンサ回路に保持され、センサ・
スイッチ点のドリフトを最小限に抑えるように選択される任意の頻度で更新でき
、これによってセンサの不正確さを最小限に抑え、エンジン効率を向上させるこ
とになる。
【００１５】 本発明は、添付の図面と合わせて好ましい実施形態の説明を読むことから、よ
り十分にかつ完全に理解されるであろう。
【００１６】 （好ましい実施形態の説明） 好ましい実施形態の説明を通して、同様の構成要素は同様の参照番号で識別さ
れることになる。
【００１７】 図１に参照すると、バック・バイアスされたホール素子センサ等１１が、鉄製
歯車ターゲット１３に近接して配置されている。周知のように、歯車ターゲット
１３の歯とスロットの間の偏位が、ホール・センサ１１の磁気バイアス出力に影
響する。次いで、ホール・センサの出力は増幅器１５に送られ、増幅器は特性波
形（図２）を生成する。これは、ホール・センサとターゲットの間のエアギャッ
プに大きく依存し、温度およびバイアス・マグネット強度の影響を受ける可能性
がある。また、増幅されたホール出力信号は、次いで、測定回路構成１７に送ら
れ、波形のピーク（Ｂpeak）を決定する。そのような回路構成の設計は、当業者
の技能の範囲内で、本明細書で詳説する必要はないと思われる。増幅された出力
は、さらに波形の平均値（Ｂavg）を決定するために回路構成１９にも送られる
。やはり、この回路構成は、当技術分野において選択されるものであり、本発明
で詳説する必要はない。平均は、算術計算とすることができ、または時間ベース
の積分器から導出できる。もちろん、ハードウェアまたはソフトウェアでのアナ
ログまたはデジタル実装の様々な任意の種類を使用して、ホール効果センサの後
方の電子回路構成を実現できることが当業者には理解されるであろう。
【００１８】 測定されたＢpeakは次いで、変動信号間のドリフト除去の大部分を表わす、適
応閾値のより大きな部分を確立するために、ピーク値に第１定数Ｍ1を掛けるこ
とによってブロック２１でさらに処理される。図２に示すように、信号のピーク
３９が、エアギャップ変動により大きく変動するが、波形の極小または底部４１
は比較的一定である。
【００１９】 Ｂavg値１９は、次いで、平均値に第２定数Ｍ2を掛けて値Ｂ−ｍｉｎｉｍｕｍ
を導出するための回路構成２３に送られる。アナログ回路構成では、Ｍ1および
Ｍ2値は、たとえばレーザ・トリミングによりＩＣ抵抗網上で固定できる。
【００２０】 適応閾値（ＡＴ）は、ターゲット回転の角度が最も小さく変動するスイッチ点
を生成するために、エアギャップに影響される様々な波形を通して値の線に最も
近づくように選択される。Ｍ1およびＭ2は、ターゲット１３に対するホール・セ
ンサ１１の特定の適用の予測されたエアギャップ許容差を越える特定のターゲッ
ト構成およびデューティ・サイクルに適合する定数である。Ｍ1定数は通常、ピ
ーク値Ｂpeakの大きい割合として選択される。この値Ｂpeakはエアギャップに関
する、最大量の情報を伝える。さらにＢpeakは、センサ構成で最も迅速に獲得さ
れる値であり、Ｂpeakを確立するためにセンサを通過する必要な歯は１つだけで
ある。Ｍ1についての典型的な値は、たとえば７ないし９でよい。波形ピーク中
の窪み３３がセンサ・スイッチングに干渉しないことを保証するような値にＭ1
を設定することが必要である。一方Ｍ2は、はるかに低い値、たとえば．５とな
るように選択され、次いで決定されたＢavgに掛けられ、したがってはるかに小
さい数を生じるが、それは、Ｍ1がＭ2より大きく、ＢpeakがＢavgよりも大きい
からである。Ｂavgは、もちろん、いくつかのターゲット回転角度に対して、す
なわちターゲット１３上の複数の歯およびスロット・フィーチャの通過に対して
時間的に後になって得られるものである。
【００２１】 Ｍ1×ＢpeakおよびＭ2×Ｂavg値が確立された後、ブロック２５でそれらは加
算されて、適応閾値（ＡＴ）２７を確立する。これは、最小ドリフト量に対応す
る波形の各エアギャップ変化上の点であり、出力状態のセンサ変化のためのター
ゲット回転スイッチ点の最も正確な表現である。次いで、適応閾値（ＡＴ）がラ
イン３５により表現される実際のセンサ出力と比較するために、センサ回路構成
に加えられる。同様にセンサ出力が、最も正確なセンサ出力３１を得るために比
較器２９に加えられる。
【００２２】 このように、ホール効果トランスデューサとその最初の増幅器の後方の回路構
成の機能は、アルゴリズムＡＴ＝Ｍ1×Ｂpeak＋Ｍ2×Ｂavg を用いて、センサの
状態出力の変化を制御するための適応閾値を得ることである。ここで、ＡＴは適
応閾値であり、Ｂpeakは波形の測定最大値であり、Ｂavgは波形の測定平均値で
あり、Ｍ1およびＭ2は、それぞれＢpeakおよびＢavgに掛けられる経験的導出定
数であり、それらは、予測エアギャップ許容差を含め様々な動作条件に対する、
ターゲット設計、デューティ・サイクル、および予測波形変動を考慮に入れもの
である。
【００２３】 本発明は、エギャップ変動信号効果に関する大部分の情報を含むＢpeakと、デ
ューティ・サイクル情報を含むＢavgの両方を使用し、波形スイッチ点ドリフト
の高精度の指示器になるので、本発明のセンサは適応閾値獲得速度と全体的な精
度と平均整合性とのよいバランスをもたらすことになるが、それは、波形のピー
クおよび谷の偏位の全てを測定することが必ずしも必要ではないからである。さ
らに、本発明は、スイッチ点について高精度の適応閾値をもたらすので、製造の
際は、予測可能で正確な結果を得るために、個々のセンサのセンサ較正は必要と
はならない。
【００２４】 本発明を特定の実施形態によって説明したが、もちろん、当業者が多数の変更
を行えること、ならびに、本発明がアナログまたはデジタル領域での様々な電気
的ハードウェアおよびソフトウェア形式に実装できることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるセンサ動作の概略図である。
【図２】 センサとそのターゲットの間の様々なエアギャップに対してターゲット角度に
対する信号ガウス波形を示すグラフである。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年６月３０日（２０００．６．３０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】 （発明の概要） 本発明は、歯車センサを動作させる方法を開示する。別の実施態様では、本発
明は、歯車センサを構築する方法を開示する。経験的導出の第１定数（Ｍ1）が
、ターゲットに固有の予測出力電圧変動、および予測エアギャップ許容差範囲を
考慮して導出される。Ｍ1定数は、測定ピーク値（Ｂpeak）、または値Ｂmaxを得
るための選択された波形からの値に掛けられる。この値のみをＡＴ点として用い
ることによって、センサにおけるドリフトの大部分が除去される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２０】 適応閾値（ＡＴ）は、ターゲット回転に対する角度が最も小さく変動するスイ
ッチ点を生成するために、エアギャップに影響される様々な波形を通して値の線
に最も近づくように選択される。Ｍ1およびＭ2は、ターゲット１３に対するホー
ル・センサ１１の特定の適用の予測されたエアギャップ許容差を越える特定のタ
ーゲット構成およびデューティ・サイクルから導かれる定数である。Ｍ1定数は
通常、ピーク値Ｂpeakの大きい割合として選択される。この値Ｂpeakはエアギャ
ップに関する、最大量の情報を伝える。さらにＢpeakは、センサ構成で最も迅速
に獲得される値であり、Ｂpeakを確立するためにセンサを通過する必要な歯は１
つだけである。Ｍ1についての典型的な値は、たとえば７ないし９でよい。波形
ピーク中の窪み３３がセンサ・スイッチングに干渉しないことを保証するような
値にＭ1を設定することが必要である。一方Ｍ2は、はるかに低い値、たとえば．
５となるように選択され、次いで決定されたＢavgに掛けられ、したがってはる
かに小さい数を生じるが、それは、Ｍ1がＭ2より大きく、ＢpeakがＢavgよりも
大きいからである。Ｂavgは、もちろん、いくつかのターゲット回転角度に対し
て、すなわちターゲット１３上の複数の歯およびスロット・フィーチャの通過に
対して時間的に後になって得られるものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるセンサ動作の概略図である。
【図２】 本発明のセンサと回転ターゲットの間の複数のエアギャップに対して（やはり
磁気トランスデューサ出力波形称する）プロットされた信号ガウス波形を示すグ
ラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンコック，ピーター・ジイ アメリカ合衆国・75023・テキサス州・プ ラノ・レスリー コート・6705 Ｆターム(参考） 2F077 AA16 AA47 AA49 JJ02 JJ08 JJ21 NN21 PP12 TT06 TT58 UU10 UU13 UU20

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 （ａ）センサ・トランスデューサのピーク出力（Ｂpeak）を
    周期的に測定し、ピーク出力に第１定数（Ｍ1）を掛けるステップと、 （ｂ）センサ・トランスデューサの平均出力（Ｂavg）を獲得し、該平均に第
    ２定数（Ｍ2）を掛けるステップと、 （ｃ）上記のステップ（ａ）および（ｂ）の積を加算して、適応閾値を得るス
    テップと、 （ｄ）適応閾値をスイッチ点としてセンサ・トランスデューサの出力として適
    用するステップと を含む歯車センサを動作させる方法。 【請求項２】 さらに、出力値の計算を実行することによって平均出力を獲
    得するステップ を含む、請求項１に記載の歯車センサを動作させる方法。 【請求項３】 さらに、時間ベースの積分器で平均出力を導出することによ
    って平均出力を獲得するステップを含む、請求項１に記載の歯車センサを動作さ
    せる方法。 【請求項４】 さらに、エアギャップ許容差の範囲に対して真の点からのド
    リフトが最小になる最良適合を与えるように、ピーク出力に掛ける第１定数を決
    定するステップを含む、請求項１に記載の歯車センサを動作させる方法。 【請求項５】 さらに、Ｍ1とＢpeakの積に加算される際に、エアギャップ
    許容差の範囲に対して真の点からのドリフトが最小になる最良適合を与える、平
    均出力に掛ける第２定数を決定するステップを含む、請求項１に記載の歯車セン
    サを動作させる方法。 【請求項８】 定数の両方が１．０未満である、請求項１に記載の歯車セン
    サを動作させる方法。 【請求項９】 Ｍ1がＭ2より大である、請求項１に記載の歯車センサを動作
    させる方法。 【請求項１０】 さらに、値Ｍ1×ＢpeakおよびＭ2×Ｂavgをデジタル処理
    するステップを含む、請求項１に記載の歯車センサを動作させる方法。 【請求項１１】 さらに、アナログ回路構成によって値を処理するステップ
    を含む、請求項１に記載の歯車センサを動作させる方法。 【請求項１２】 さらに、センサ内の抵抗回路網にＭ1およびＭ2定数値をト
    リミングするステップを含む、請求項１に記載の歯車センサを動作させる方法。 【請求項１３】 歯車センサを構築する方法であって、 （ａ）感知システムについてエアギャップの予測動作範囲内の複数のエアギャ
    ップに対して複数の磁気トランスデューサ出力波形をプロットするステップと、 （ｂ）定数Ｍ1を導出するステップであって、Ｍ1×ピーク・センサ出力（Ｂpe ak ）が、プロットされた波形すべてについて、ターゲット回転角度の所望の真の
    点からのセンサ・スイッチ点のドリフトの最小量を表わす、ステップと、 （ｃ）Ｍ2×ＢavgをＭ1×Ｂpeakに加算するときに所望の真の値からのドリフ
    トをさらに減ずるように定数Ｍ2を導出するステップであって、Ｂavgが平均セン
    サ出力に等しい、ステップと （ｄ）センサ動作中にＢpeakおよびＢavgを獲得し、それらをそれぞれＭ1およ
    びＭ2に掛け、それらの積を加算して、センサ動作用の適応閾値スイッチ点を作
    り出すステップと を含む方法。 【請求項１４】 歯車センサを動作させる方法であって、 （ａ）センサ・トランスデューサのピーク出力（Ｂpeak）を周期的に獲得し、
    第１定数（Ｍ1）をピーク出力に掛けて、第１値（Ｂmax）を導出するステップと
    、 （ｂ）センサ・トランスデューサの平均出力（Ｂavg）を周期的に獲得し、第
    １定数（Ｍ1）を該平均に掛けて、第２値（Ｂmin）を導出するステップと、 （ｃ）第１値Ｂmaxおよび第２値Ｂminを組み合わせて、適応閾値を獲得するス
    テップと、 （ｄ）適応閾値をスイッチ点としてセンサ・トランスデューサの出力を適用す
    るステップと を含む方法。 【請求項１５】 歯車センサであって、 （ａ）センサ・トランスデューサのピーク出力（Ｂpeak）を周期的に獲得し、
    第１定数（Ｍ1）をＢpeakに掛けて、第１値（Ｂmax）を獲得する手段と、 （ｂ）センサ・トランスデューサの平均出力（Ｂpeak）を周期的に獲得し、第
    ２定数（Ｍ2）をＢavgに掛けて、第２値（Ｂmin）を獲得する手段と、 （ｃ）ＢmaxとＢminを組み合わせて適応閾値を獲得する手段と、 （ｄ）適応閾値をスイッチ点としてセンサ・トランスデューサの出力に適用す
    る手段と を含む方法。 【請求項１６】 さらに、計算を実行して平均出力を獲得する手段を含む、
    請求項１５に記載の歯車センサ。 【請求項１７】 さらに、時間ベースの積分器で平均出力を導出することに
    よって平均出力を獲得する手段を含む、請求項１５に記載の歯車センサを動作さ
    せる方法。 【請求項１８】 定数の両方が１．０未満である、請求項１５に記載の歯車
    センサ。 【請求項１９】 Ｍ1がＭ2より大である、請求項１５に記載の歯車センサ。 【請求項２０】 さらに、値Ｍ1×ＢpeakおよびＭ2×Ｂavgを獲得するデジ
    タル処理手段のステップを含む、請求項１５に記載の歯車センサを動作させる方
    法。 【請求項２１】 さらに、値Ｍ1×ＢpeakおよびＭ2×Ｂavgを獲得するアナ
    ログ処理手段を含む、請求項１に記載の歯車センサを動作させる方法。 【請求項２２】 さらに、Ｍ1およびＭ2定数値がセンサ内の抵抗回路網にト
    リミングされることを含む、請求項２１に記載の歯車センサ。
JP2000557114A 1998-06-30 1999-06-29 適応閾値を使用する歯車センサ信号処理 Withdrawn JP2002519654A (ja)

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US09/107,798 US6191576B1 (en) 1998-06-30 1998-06-30 Method of operating or constructing a geartooth sensor
US09/107,798 1998-06-30
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