JP2003149001A - 位置、角度及び回転速度の少なくとも１つを決定する装置 - Google Patents

位置、角度及び回転速度の少なくとも１つを決定する装置

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JP2003149001A JP2002073574A JP2002073574A JP2003149001A JP 2003149001 A JP2003149001 A JP 2003149001A JP 2002073574 A JP2002073574 A JP 2002073574A JP 2002073574 A JP2002073574 A JP 2002073574A JP 2003149001 A JP2003149001 A JP 2003149001A
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ミヒャエル、ヒンツ
Stefan Pusch
ステファン、プッシュ
Michael Muth
ミヒャエル、ムート
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広く使用でき、従って、センサとエンコーダ
との間で規定された幾何学的関係を満たす必要がなく、
また、飽和磁界領域内で動作する必要がない、位置、角
度及び回転速度の少なくとも１つを決定する装置を提供
する。 【解決手段】 ２つのハーフブリッジ（３，４）を持つ
少なくとも１つのセンサフルブリッジを有するセンサ
（１）と、このセンサの側部にあって、交互に位置する
複数の磁極を有するエンコーダ（２；１１）と、センサ
（１）とエンコーダ（２）との相対的な移動時にセンサ
（１）を通り抜ける正弦磁界によって、位置、角度及び
回転速度の少なくとも１つを決定する装置であって、セ
ンサ（１）の２つのハーフブリッジ（３，４）がそれぞ
れ正弦検出信号（Ｖ１，Ｖ２）を出力し、これらの信号
の加算及び減算をそれぞれ行なうことによって、位置、
角度及び回転速度の少なくとも１つを決定するために評
価される和信号（ＳＵＭ）及び差信号（ＤＩＦＦ）を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、位置、角度、及び
回転速度の少なくとも１つを決定する装置に関する。こ
の場合、一方にセンサが設けられ、他方に磁化されたエ
ンコーダが設けられる。磁化されたエンコーダは、セン
サの側部にあって、センサとエンコーダとの相対的な移
動方向に交互に位置する複数の磁極を有している。セン
サとエンコーダとが相対的に移動すると、センサは、様
々な大きさでセンサを通り抜ける磁界により、出力端に
検知信号を発生する。
【０００２】
【従来の技術】そのような装置は、ドイツ公開出願ＤＥ
１９８４９６１３Ａ１号明細書に開示されている。磁気
ストリップを有する磁性体に対して移動できる磁気抵抗
角度センサがセンサとして設けられている。この装置
は、その全長にわたって磁力線が様々な角度で延びる磁
化されたエンコーダを有している。これらの磁力線の角
度が測定され、そこから、センサとエンコーダとの間の
相対位置が決定される。
【０００３】この装置において、センサは、磁力線の角
度を決定しなければならないため、角度センサとして構
成される。センサは、磁気抵抗性のものであり、従っ
て、磁界の方向のみを決定するためには、飽和磁界の領
域内で動作しなければならない。センサとして、２つの
センサフルブリッジが設けられる。装置は、９０°だけ
位相シフトされた２つの信号を供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一方
で、２つのフルブリッジどうしが離間した時だけこれら
の信号が互いに９０°だけ変位すると共に、他方で、磁
気ストリップの長さにわたる磁力線の角度変化が特定の
幾何学的状態を満たすという点で、決定的な制限があ
る。これにより、磁気抵抗センサが角度センサとして専
ら動作できるように飽和磁界内で動作しなければならな
いという事実も相俟って、用途が実質的に制限される。
【０００５】本発明の目的は、広く使用でき、従って、
センサとエンコーダとの間で規定された幾何学的関係を
満たす必要がなく、また、飽和磁界領域内で動作する必
要がない、位置、角度及び回転速度の少なくとも１つを
決定する装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的は、請求項１に
記載された以下の特徴を有する発明によって達成され
る。
【０００７】すなわち、２つのハーフブリッジを持つ少
なくとも１つのセンサフルブリッジを有するセンサと、
このセンサの側部にあって、交互に位置する複数の磁極
を有するエンコーダと、センサとエンコーダとの相対的
な移動時にセンサを通り抜ける正弦磁界によって、位
置、角度及び回転速度の少なくとも１つを決定する装置
であって、センサの２つのハーフブリッジがそれぞれ正
弦検出信号を出力し、これらの信号の加算及び減算をそ
れぞれ行なうことによって、位置、角度及び回転速度の
少なくとも１つを決定するために評価される和信号及び
差信号を得る装置によって達成される。
【０００８】本発明の特許請求の範囲に記載された装置
の場合、センサは、２つのハーフブリッジを持つ少なく
とも１つのセンサフルブリッジを有している。一般に、
この場合、センサフルブリッジは１つで十分である。さ
らに、エンコーダが設けられており、このエンコーダ
は、センサの側部にあって、エンコーダとセンサとの相
対移動方向に交互に位置する複数の磁極を有している。
従って、センサとエンコーダとが相対的に移動する際に
は、センサまたはセンサが有する２つのセンサハーフブ
リッジを正弦磁界が通り抜ける。
【０００９】その結果、センサの２つの各ハーフブリッ
ジは、正弦信号Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ出力する。これら
の信号の加算及び減算を行なうことにより、一方で、和
信号ＳＵＭが得られ、他方で、差信号ＤＩＦＦが得られ
る。これらの２つの信号は、位置、角度、あるいは回転
速度を決定するために、それ自体知られた方法で使用す
ることができる。
【００１０】和信号ＳＵＭ及び差信号ＤＩＦＦの形成
は、これら２つの信号が常に互いに９０°の位相シフト
を示し、従って、位置及び角度を決定するためにこれら
の信号を従来の方法で評価することができる点で、非常
に有益である。従来技術に比べて実質的に有利な点も、
この点である。本発明の場合、一方で、２つのセンサハ
ーフブリッジどうしの間隔において特別に規定された幾
何学的関係を満たす必要がなく、また、他方で、エンコ
ーダにおける磁極どうしの間隔において特別に規定され
た幾何学的関係を満たす必要がない。
【００１１】また、センサは角度センサとして機能しな
いため、センサをその飽和領域の外側で、すなわち、よ
り小さな磁界をもって動作させることができる。
【００１２】本発明に係る装置によれば、相対的な位置
だけでなく、絶対的な位置も決定することができる。対
を成す磁極の幅がλである一対の磁極（エンコーダ）を
使用すれば、磁気センサによりエンコーダを介して、瞬
間の絶対位置を検知することができる。例えば、センサ
システムの非作動時及びその後の作動時に、現在の位置
情報が維持され、あるいは、更新される。
【００１３】相対位置を測定するためには、前回の状態
または位置を記憶しなければならない。
【００１４】また、複数対の磁極を有するエンコーダに
関しては、例えば、磁極の転位の行過ぎ量、従って、移
動方向に応じた増加、減少を検知するカウンタを作動す
ることによって、絶対位置を検知することができる。
【００１５】和信号及び差信号もしくはその値は、位置
または角度を見積もる時に評価される。
【００１６】これに対し、回転速度を決定する場合、請
求項２に係る発明の構成に従って設ければ、２つの信号
の一方もしくは両方のゼロ交差を十分に決定することが
できる。
【００１７】和信号及び差信号の両方のゼロ交差を評価
するため、回転速度を決定する場合には、既知の解決法
の場合の２倍のゼロ交差が生じる。このことは、エンコ
ーダのサイズを減少させることができると共に、既知の
解決法と比べて変わらないままエンコーダの回転毎のゼ
ロ交差の数及び磁極の数を半分にすることができる。
【００１８】請求項３に係る発明の更なる構成の場合、
エンコーダは、交互に位置する磁極を有する磁化された
層として構成される。この磁化された層は、一方で、例
えば層とセンサとの間の位置を決定するために、完全に
平坦となり得る。しかしながら、この磁化された層は、
例えば本発明に係る装置によって位置や回転速度を決定
するために、円形に曲げられて使用されても良い。
【００１９】前述したように、一方で、２つのセンサハ
ーフブリッジどうしの間隔を特別に調整する必要はな
く、他方で、エンコーダにおける２対の磁極どうしの間
隔を調整する必要もない。しかしながら、請求項４に係
る発明のさらなる改良に従って設けられるように、２つ
のセンサハーフブリッジどうしの間隔（ｄ１）を、エン
コーダにおける２対の磁極どうしの間隔よりも小さくな
るように選択することが有益である。
【００２０】適当であれば、エンコーダにおける２対の
磁極どうしの間隔よりも長い、センサとエンコーダとの
間の位置の変化を、検知することが望ましい。この目的
のため、請求項５に係る発明のさらなる改良に従って、
和信号ＳＵＭ及び差信号ＤＩＦＦの少なくとも一方のゼ
ロ交差の数を計算するカウンタが設けられる。従って、
和信号ＳＵＭ及び差信号ＤＩＦＦの現在の値を用いて位
置または角度を決定することができると共に、ゼロ交差
をカウントすることにより、おおまかな位置を決定する
ことができる。
【００２１】前述したように、正弦信号及び余弦信号か
ら三角方程式によってセンサとエンコーダとの間の相対
位置を決定する方法は知られている。
【００２２】請求項６に係る発明のさらなる改良にした
がえば、この目的のために余接関数を有利に使用するこ
とができる。
【００２３】この請求項６に特定された式は、特に、２
つの信号ＳＵＭ，ＤＩＦＦどうしが正確に９０°だけ位
相シフトされることを簡単にする。これは、例えば、Ｄ
ＩＦＦ信号がゼロ交差を有している時は常にＳＵＭ信号
に極値が生じ、あるいは、その逆も成り立つことを意味
している。このような２つの信号間の相互関係により、
そのような余接関数によって直接に２つの信号を評価す
ることができ、従って、角度決定を直接に行なうことが
できる。位置を決定することが適当な場合には、線形特
性によって角度から位置が決定される。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の典型的な実施形態について詳細に説明する。
【００２５】図１には、僅かな修正、角度をもって位置
を決定するのに適した本発明に係る装置の第１の実施形
態の概略図及びブロック図が示されている。
【００２６】センサ１とエンコーダ２との間の相対位置
は、装置によって決定される。
【００２７】図１に示した実施形態は、エンコーダ２が
横方向に変化する形態で磁化されている状態を示してい
る。この方向で一対の極が互いに交互に連なっている。
一対の極は、それぞれの場合において、角度λ＝３６０
°を有している。ラムダ（λ）の値は、位置または角度
を計算する目的で、以下において更に使用される。
【００２８】センサ１及びエンコーダ２は、互いにエン
コーダ２の長手方向に配置することができる。その結
果、図１に概略的に示される磁力線（磁界ライン）は、
センサ１を貫いて流れる。前述したタイプの動きの場
合、センサ１の２つのセンサハーフブリッジ３，４は、
エンコーダ２の磁界を検知する。従って、センサ１とエ
ンコーダ２との間での動きの場合、センサ１は正弦信号
を出力する。
【００２９】その結果、それぞれが２つのセンサ要素を
有する２つのセンサハーフブリッジ３，４は、正弦出力
信号Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ供給する。正弦出力信号Ｖ
１，Ｖ２は、それぞれの場合、センサハーフブリッジ
３，４の２つのセンサ要素間で引き出される。
【００３０】２つのセンサハーフブリッジ３，４におけ
る磁力線の前述した一時的な応答により、信号Ｖ１，Ｖ
２も正弦信号である。
【００３１】２つのセンサハーフブリッジ３，４は、互
いに距離ｄ１だけ離間している。
【００３２】２つのセンサ信号Ｖ１，Ｖ２は、ｄ１の値
及びλの値に応じて、互いに対し特定の位相シフトを示
す。しかしながら、三角関数によってこれらの信号を評
価するために、センサ信号が互いに対して所定の角度、
具体的には９０°の角度を示すことが必要である。これ
は、つまり、エンコーダ２における磁性配列すなわち値
λと、２つのハーフブリッジ３，４どうしの間隔すなわ
ち値ｄ１とのいずれかが、特定の値を有していなければ
ならないことを意味している。従って、例えば自動車の
アンチロックシステムのためのセンサ用として適用する
場合、そのような調整は、不可能であり、あるいは、望
ましくなく、本発明は、センサ信号Ｖ１，Ｖ２を直接に
評価しない異なる経路３を実行する。
【００３３】従って、本発明の特許請求の範囲に記載さ
れるような装置は、２つのセンサ信号Ｖ１，Ｖ２がそれ
ぞれ入力される減算器５と加算器６とを備えている。減
算器５は、これらの信号から１つの差信号ＤＩＦＦを形
成し、加算器６は、これらの信号から１つの和信号ＳＵ
Ｍを形成する。
【００３４】これらの２つの信号は、正確に９０°の相
互位相オフセットを有しており、従って、三角関数によ
って評価することができる。このような評価は、センサ
１とエンコーダ２との間の相対的な位置の値を示す信号
Ｐを出力側で供給する評価手段７で行なわれる。
【００３５】評価手段７によって特定の位置に関する値
を計算するために、余接計算を有利に実行することがで
きる。この場合、信号ＳＵＭ及び信号ＤＩＦＦから、瞬
間の角度αを直接に決定するために使用できる線形特性
が得られる。
【００３６】余接計算に基づいて得られる値（ここで
は、角度α）は、位置を決定するため、適切に長さに変
換されなければならない。同様に、信号ＳＵＭ及び信号
ＤＩＦＦの振幅も補正しなければならない。
【００３７】角度αの計算は、以下の方程式を使用して
行なうことができる。
【００３８】
【数２】 この場合、ｐｈｉは、信号Ｖ１と信号Ｖ２との間の位相
オフセットであり、αは、計算された角度であり、Ｖ０
は、信号Ｖ１，Ｖ２の最大振幅であり、Ｖ１は、第１の
ハーフブリッジの出力信号であり、Ｖ２は、第２のハー
フブリッジの出力信号であり、ωｔは、信号Ｖ１，Ｖ２
の円軌道速度（周速度）である。
【００３９】これらの方程式は、例えば、位相差ｐｈｉ
の符号が変化しても、差信号ＤＩＦＦの符号は変わらな
いままであることを示している。これに対し、和信号Ｓ
ＵＭの符号は変化する。また、これらの式は、信号ＳＵ
Ｍ及び信号ＤＩＦＦが正確に９０°の相互位相シフトを
成すことを示している。前述した三角関数によって信号
を比較的簡単に評価できるのは、このような方法だけで
ある。
【００４０】図１に示す実施形態におけるセンサ１とエ
ンコーダ２との間の相対移動経路は、ラムダ（λ）より
も大きいことが望ましい場合もある。この場合、評価手
段７にカウンタを設け、このカウンタによって、センサ
１及びエンコーダ２が互いにどの位置におおまかに配置
されているかを決定できるようにすることが有益であ
る。その後、三角関数を用いて正確な位置が決定され
る。
【００４１】例えばリングのような適当な幾何学的構成
のセンサ２が与えられると、回転速度を決定するため
に、図１に係る装置を実質的に変わらない方法で使用す
ることができる。この場合、角度αを直接に評価するこ
とができ、その後、線形特性によって角度αを線形移動
経路に変換する必要がなくなる。
【００４２】図２は、本発明に係る装置の第２の実施形
態を示している。この実施形態では、原理的に図１に示
す実施形態のエンコーダ２に対応するが環状を成すエン
コーダ１１が設けられている。
【００４３】図２に係る装置は、回転速度の測定を可能
にするために、僅かに拡張されている。
【００４４】エンコーダ１１の以外の構成は図１に示し
た実施形態と略同一である。特に、２つのセンサハーフ
ブリッジ３，４を有するセンサ１は、図１に示した装置
と同じ構成である。更に、この装置には、和信号ＳＵＭ
及び差信号ＤＩＦＦを供給する減算器５及び加算器６も
設けられている。
【００４５】図２に示した実施形態において、これら２
つの信号を評価する場合、これらの信号は、最初に、コ
ンパレータ１２，１３に入力される。コンパレータ１
２，１３は、これらの信号を使用して、簡単な方形波信
号を供給する。これらの方形波信号は、回転速度を決定
するために、評価手段１４によって評価される。コンパ
レータ１２，１３によって供給される方形波信号によっ
て、和信号ＳＵＭ及び差信号ＤＩＦＦのゼロ交差の周波
数に対応する周波数を直接に決定することができる。回
転速度を決定するための評価手段１４は、単位時間当た
りのこれらのゼロ交差を計算すると共に、そこから回転
速度を直接に決定する。回転速度は、その値が信号Ｄと
して出力される。
【００４６】図３及び図４は、位置または角度を決定す
るために例えば図１または図２に示した装置で生じ得る
角度λに対する信号の外形を示している。ここで、λの
値＝３６０°は、エンコーダ２またはエンコーダ１１の
一対の磁極の長さ分だけ、センサ１とエンコーダ２また
はエンコーダ１１とが相対的に移動した状態に対応して
いる。
【００４７】すなわち、図３は、図１に示した装置の第
１のセンサハーフブリッジ３の出力信号Ｖ１及び第２の
センサハーフブリッジ４の出力信号Ｖ２を示している。
図は、これらの出力信号が９０°の相互位相シフトを成
さずに約２６°の小さな相互位相シフトを成しているこ
とを示している。これは、２つのセンサハーフブリッジ
３，４どうしの間隔Ｄ１及びエンコーダの磁性の値λが
特定の関係を示していない場合において常に生じる。
【００４８】本発明の特許請求の範囲に記載された装置
は、具体的には、この調整を省くことを目的としている
ため、図に同様にプロットされた和信号ＳＵＭ及び差信
号ＤＩＦＦが形成される。図は、これら２つの信号が９
０°の相互位相シフトを有し、従って、三角法評価へ直
接に繋がることを示している。
【００４９】図３に対応する図が図４に示されている。
しかし、異なる幾何学的関係により、ここでは、信号Ｖ
１，Ｖ２間の位相オフセットにおける値Ｄ１またはλが
約５４°である。しかしながら、ここでも、同様に、和
信号ＳＵＭと差信号ＤＩＦＦとの間の位相オフセットは
９０°である。
【００５０】従って、図３及び図４に示した図は、値Ｄ
１及びλの正確な相互の調整が不要であり、むしろ、９
０°の相互位相シフトを常に有する和信号ＳＵＭと差信
号ＤＩＦＦとを形成することによって、本発明の特許請
求の範囲に記載される装置に係る評価を行なうことが可
能になることを示している。
【００５１】また、図３及び図４は、図２に示されるよ
うな装置によって回転速度を決定する場合、和信号ＳＵ
Ｍ及び差信号ＤＩＦＦの両方のゼロ交差を評価する時
に、回転速度の決定において、エンコーダ１１の回転毎
に既知の解決法の場合の２倍のゼロ交差が生じることを
示している。このことは、例えば、エンコーダ１１を縮
小して、既知の解決法と同じままエンコーダの回転毎の
ゼロ交差の数及び磁極の数を半分にすることを可能にす
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】位置を決定するための本発明に係る装置の第１
の実施形態の概略構成図。
【図２】回転速度を決定するための本発明に係る装置の
第２の実施形態の概略構成図。
【図３】図１または図２に示した装置の２つのセンサハ
ーフブリッジの出力信号と、和信号及び差信号とを示し
ている。
【図４】センサハーフブリッジの幾何学的関係及び一対
の磁極の幅の少なくとも一方の相違と、センサハーフブ
リッジの信号Ｖ１及びＶ２間の位相差の関係を図３に対
応して示した図。
【符号の説明】
１ センサ ２，１１ エンコーダ ３，４ センサハーフブリッジ ５ 減算器 ６ 加算器 ７，１４ 評価手段 １２，１３ コンパレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミヒャエル、ヒンツ ドイツ連邦共和国ハンブルク、ウィルダッ カー、40 (72)発明者 ステファン、プッシュ ドイツ連邦共和国ハンブルク、ホイスベー ク、10 (72)発明者 ミヒャエル、ムート ドイツ連邦共和国ステレ、シャルムベッカ ー、シュトラーセ、８ Ｆターム(参考） 2F077 AA11 AA25 CC02 NN24 PP14 QQ03 QQ10 TT16 TT42 TT59 UU19

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つのハーフブリッジ（３，４）を持つ少
    なくとも１つのセンサフルブリッジを有するセンサ
    （１）と、このセンサの側部にあって、交互に位置する
    複数の磁極を有するエンコーダ（２；１１）と、センサ
    （１）とエンコーダ（２）との相対的な移動時にセンサ
    （１）を通り抜ける正弦磁界によって、位置、角度及び
    回転速度の少なくとも１つを決定する装置であって、セ
    ンサ（１）の２つのハーフブリッジ（３，４）がそれぞ
    れ正弦検出信号（Ｖ１，Ｖ２）を出力し、これらの信号
    の加算及び減算をそれぞれ行なうことによって、位置、
    角度及び回転速度の少なくとも１つを決定するために評
    価される和信号（ＳＵＭ）及び差信号（ＤＩＦＦ）を得
    る装置。
  2. 【請求項２】和信号（ＳＵＭ）及び差信号（ＤＩＦＦ）
    の少なくとも一方のゼロ交差を決定するための手段（１
    ４）を使用して、回転速度の決定が成される請求項１に
    記載の装置。
  3. 【請求項３】２つの磁極を交互に有する磁化された層が
    エンコーダ（２；１１）として使用される請求項１に記
    載の装置。
  4. 【請求項４】２つのセンサハーフブリッジ（３，４）ど
    うしの間隔（ｄ１）は、エンコーダ（２；１１）の一対
    の極の長さ（λ）よりも小さい請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】和信号（ＳＵＭ）及び差信号（ＤＩＦＦ）
    の少なくとも一方のゼロ交差を計算するカウンタが設け
    られ、これによって、エンコーダの一対の極の長さ
    （λ）よりも長いセンサとエンコーダとの相対移動によ
    り位置を決定できる請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】余接演算によって位置または角度を計算す
    るために、装置は、値が決定される線形特性を形成し、
    余接演算は、以下の方程式に従って行なわれ、 【数１】 ここで、 αは、計算された角度であり、 Ｖ０は、信号Ｖ１，Ｖ２の最大振幅であり、 Ｖ１は、第１のハーフブリッジの出力信号であり、 Ｖ２は、第２のハーフブリッジの出力信号であり、 ｐｈｉは、信号Ｖ１と信号Ｖ２との間の位相オフセット
    であり、 ωｔは、信号Ｖ１，Ｖ２の円軌道速度（周速度）である
    請求項１に記載の装置。
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