JP2008538138A - 回転可能エレメントの回転角を非接触に検出する方法および装置 - Google Patents

Abstract

ここに記載されているのは、回転可能エレメント（１２）の回転角を非接触に検出する装置および方法であり、この装置は、第１領域（Ａ）において回転可能エレメント（１２）の回転角（Θ）を検出するために少なくとも１つの第１信号（Ｓ_M,1，S_M,2）を出力する少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子（１４）を有している。この装置および方法の特徴は、シャフト（２０，３６）の回転運動に依存して、プランジャ（３０）およびコイル（３１）が前記のシャフト（２０）の軸方向（Ｒ）に互いに相対的に運動し、コイル（３１）により、コイルインダクタンス（Ｌ）の変化についての別の信号（Ｓ_c）が出力されて、上記の第１信号（Ｓ_M,1，Ｓ_M,2）との組み合わせによって回転角（Θ）が前記の第１領域（Ａ）を越えて一義的に検出できることである。

Description

従来技術
本発明は、独立請求の上位概念に記載された回転可能エレメントの回転角を非接触に検出する装置ならびに方法に関する。

DE-A-100 17 061から、回転可能エレメントの回転角を例えば非接触に検出する装置が公知である。ここでは少なくとも２つのセンサ素子を有するセンサ装置の、磁気的に変化させることの可能な特性を評価することによって、上記の回転可能エレメントによって形成される磁界強度または変化した磁界強度を評価回路において検出することができ、またこの磁界強度が回転位置を求めるために使用される。またここではセンサ素子は、磁気抵抗効果を利用することによって動作し、また少なくとも２つの別のセンサ素子がホール効果を利用することによって動作する。上記の評価回路は、このようにして得られた３つのセンサ信号を論理的に結合するために使用される。

さらにJP-A-2004085482からは、回転シャフトの１回転以上の回転角を検出する装置が公知である。この装置には、角度検出のための第１手段と、回転運動を長手方向運動に変換する変換手段と、距離測定部を用いて上記の回転シャフトの直線位置を検出する別の手段とが含まれている。

発明の利点
従来技術と比較して、回転可能エレメントの回転角を非接触に検出する本発明の方法および本発明の装置はつぎのような利点を有する。すなわち、分解能を高めることにより、一義的な回転角を回転可能エレメントの複数の回転にわたり、極めて高い精度でまた障害に対する一層高い耐性で検出ないしは決定することができるという利点を有するのである。このために本発明の装置には、第１領域における回転可能エレメントの回転角を検出するために少なくとも１つの磁気抵抗センサ信号を出力する少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子の他にコイルおよびプランジャが含まれており、これらはシャフトの回転運動に依存してシャフトの軸方向に互いに相対的に運動する。ここではこのコイルにより、コイルインダクタンスの変化についてのコイル信号が出力されるため、上記の磁気抵抗センサ信号と組み合わることによって、上記の第１領域を越えた回転角を一義的に検出することができる。上記のコイルインダクタンスを求めることにより、さらに、上記の一義的な回転角が機械的に記憶され、ひいてはエネルギー供給部の接続が外れた場合であっても、上記の回転可能エレメントの機械的な変位が問題にならないという利点が得られる。それはエネルギー供給部が新たに取り付けられた直後にコイル内のプランジャの実際位置が再び得られるからである。

有利な実施形態において、上記のコイル内のプランジャの位置は、共振回路によって検出可能であり、ここでこの共振回路の共振周波数は、上記のコイルインダクタンスに依存する。これによって、極めて障害に対して安全な回転角度検出が保証される。ここで位置分解能は、共振周波数に対応する周期の測定中のサンプリングレートに依存してほとんど任意に増大させることができる。

有利にはシャフトおよび／またはプランジャにねじ山が設けられており、ここでシャフトは上記の回転可能エレメントの構成要素である。これによってプランジャは、シャフトが回転運動した場合にコイルに対して軸方向に運動することができる。しかしながら択一的な実施形態では、ギアユニットを介してこのシャフトと、上記の回転可能エレメントとを接続することも可能である。これによってシャフトの構造長をコンパクトに維持することができるか、ないしはシャフトを配置して、全体装置の後の取り付けに有利な構造形状を得ることができる。本発明の別の利点は、従属請求項に記載した特徴により、また図面および以下の説明から得られる。

図面
本発明を以下、図１〜４に基づいて例示的に説明する。ここで図において同じ参照符号は、同じ機能を有する同じ構成要素を指す。ここで、
図１は、本発明による装置の第１実施例の概略図を示しており、
図２は、回転可能エレメントに対応付けられたシャフトの回転数ないしは回転角に依存して、共振回路によって形成される共振周波数ならびに磁気抵抗センサ素子によって出力される第１信号の線図を示しており、
図３は、本発明による装置の第２実施例の概略図を示しており、
図４は、本発明による装置の第３実施例の概略図を示している。

実施例の説明
図１は、回転可能エレメント１２の回転角を非接触に検出する本発明の装置１０の第１実施例の概略図であり、ここでこの装置は、回転可能エレメント１２の回転角Θを検出するために２つの信号S_M,1およびS_M,2を出力する磁気抵抗センサ素子１４を有する。この実施例の場合に異方性磁気抵抗センサ（ＡＭＲ anisotroper magnetoresitiver Sensor）１５として実施されている磁気抵抗センサ素子１４を駆動制御するため、１つのＮ極および１つのＳ極を有する永久磁石１６を使用する。２つの異なる極（極の対）だけを有する１つの永久磁石１６の代わりに、格段に多くの極の対を有する永久磁石を使用することも当然可能である。またＡＭＲセンサ１５の代わりに別の磁気抵抗センサ素子を使用することも可能である。しかしながら以下では、わかりやすくするためつねにＡＭＲセンサ１５を前提とする。

回転可能エレメント１２は、ここで示した図１，３および４による実施例において、電気式ステアリングアシスト駆動部１８として構成されており、ここではシャフト２０が、例えばここでさらに説明しない減速のためのギアユニットである駆動ユニット２２と、駆動シャフト２４とを介して電気モータ２６に接続されている。

図１に示した第１実施例においてシャフト２０は、回転可能エレメント１２の構成要素である。ＡＭＲセンサ１５およびこのセンサに対応付けられている永久磁石１６によって、０°〜１８０°の第１領域Ａにおける回転角Θを精確かつ一義的に検出することができる。ここではＡＭＲセンサ１５により、回転角Θに依存して正弦および余弦関数の形状で経過する図２ａの信号Ｓ_M,1およびＳ_M,2が出力され、これらの信号が評価回路２７に伝送される。信号Ｓ_M,1およびＳ_M,2の経過からわかるのは、１８０°の周期性があり、ひいては１８０°以上の回転角Θは、ただ１つのＡＭＲセンサだけを使用した場合にはもはや一義的に検出できないことである。これによると、この第１領域Ａ以外で、すなわち１８０°以上で回転角Θを一義的に決定するためには別の装置が必要である。本発明ではこのためのシャフト２０にねじ山２８を設けて、このねじ山により、シャフト２０の回転運動に依存してプランジャ２８を、コイル３１に対してシャフト２０の軸方向Ｒに運動させる。ここでこのプランジャは、相応の、図示しないねじ山または同様に図示しないピンを有することができる。プランジャ２８は有利には強磁性材料、例えば鉄、ネオジウム、（アルミニウム−ニッケル−コバルト−合金の）AlNiCoなどから構成される。さてシャフト２０がある値だけ回転すると、ねじ山２８によってプランジャ３０はコイル31内で軸方向Ｒに運動して、そのコイルインダクタンスＬが変化する。この変化は、別の信号Ｓcによって、キャパシタンスＣのコンデンサ３２に渡される。このコンデンサは、コイルインダクタンスＬと共に共振周波数f_Rの共振回路３４を形成する。ここで上記の変化したコイルインダクタンスLは共振周波数f_Rを変化させることになる。当然のことながら、キャパシタンスCのただ１つのコンデンサ３２の代わりに個別のまたは複数の別の構成要素を設けることもでき、これらの構成要素により、コイルインダクタンスLに関連して、結果的に得られる直列および／または並列共振回路の特徴的な共振周波数f_Rが変化する。しかしながら以下ではつねに１つのLC共振回路３４を前提とする。

図２ｂにおいて識別できるのは、共振回路３４の共振周波数f_Rが回転角Θないしは回転数Ｕに線形に依存し、ひいてはプランジャ３０がコイル３１に入り込む深さにこの共振周波数が依存することである。評価回路２７においてＡＭＲセンサ信号Ｓ_M,1およびＳ_M,2と、共振回路の共振周波数ｆ_Rについての情報とが組み合わされると、第１領域Ａにわたる一義的な回転角検出が、またさらにシャフト２０の完全な１回転を越えて（複数の回転の）一義的な回転角検出が可能になる。この手段によって、例えば、自動車のイグニッションをオンにした直後に得られるコイルインダクタンスＬによって、シャフト２０の回転数Ｕが機械的に精確に記憶されるという利点が得られる。これによると、自動車のステアリングの機械的な変位は、車載バッテリの接続が外れている場合であっても、引き続いて行われる回転角検出に対してもはや問題にならないのである。

シャフト２０の完全な１回転毎にプランジャ３０はコイル３１内を軸方向に少なくとも距離Ｄにわたって移動する。必要な位置分解能ないしは回転角分解能に関連して許容公差を可能な限り小さく維持するため、コイル巻線を相応に互いに狭く並べて配置するか、またはねじ山２８を介するプランジャ３０の軸方向の移動距離を比較的長く選択することができる。したがって軸方向の距離Ｄもこれらの２つのパラメタに依存する。このため互いに狭く並んでいるコイル巻線の場合、軸方向の距離Ｄは、数ミリメートルの範囲になり得る。位置分解能をさらに増大させるためには、さらに共振周波数f_Rに対応する周期を測定する間のサンプリングレートを高めればよい。

図３には回転可能エレメント１２の回転角を非接触に検出する本発明の装置１０の第２実施例が示されている。図１とは異なり、プランジャ３０はここでは回転可能エレメント１２のシャフト２０に直接設けられるのではなく、シャフト２０に平行に配置されたシャフト３６に設けられている。ここでこのシャフト３６は、シャフト２０に取り付けられた第１小歯車４０と、シャフト３６に取り付けられた第２小歯車４２とからなるギアユニット３８によって駆動される。本発明によるこの装置１０の動作の仕方は図１のそれと同じであるため、これについて以下で再度述べることはしない。この実施例において重要であるのは、シャフト２０の長さが短いことによって取付スペースを第１実施例に比べて低減できることである。ギアユニット３８の変速比は、回転角Θの分解能についての要求に適合させることができる。

本発明による装置１０の第３実施例が図４に示されている。図３とは異なり、ここではシャフト３６は、ギアユニット３８およびこのギアユニットに相応に配置された小歯車４０および４２を介して、回転可能エレメント１２に垂直に接続されている。この配置構成によって、シャフト２０のさらに短い構造形状が保証され、ないしは必要に応じて、設定されたスペース状況に装置１０を適合させることができる。ここでも装置１０の動作の仕方は図１のそれに相応するため、さらなる説明は不要である。最後に指摘しておきたいのは、上で示した実施例は、図１，３および４にも、図２ａおよび２ｂのセンサ信号Ｓ_M,1およびＳ_M,2の経過ならびにセンサ信号Ｓ_cから得られる共振周波数ｆ_Rの経過にも制限されないことである。したがって例えば、使用した共振回路３４、プランジャ３０の材料、ねじ山２８および／またはコイル３１の構造形状に依存して、回転角Θないしは回転数Ｕについて、共振周波数ｆ_Rの非線形の特性が設定されることもあり得る。さらに所要スペースに応じて、シャフト２０とシャフト３６との間のならびにこれらを接続するギアユニット３８の別の配置構成も可能である。この関連において述べておきたいのは、当然のことながらギアユニット３８は２つの小歯車４０および４２だけを含む必要はなく、多数の小歯車、ベルトプーリ、摩擦車または類似のものから構成することも可能である。さらに、プランジャ３０だけがコイル３１に対して運動するだけでなく、コイル３１もプランジャ３０に対して運動することも同様に可能である。すなわち、コイル３１は、単独でまたはプランジャ３０との組み合わせで、シャフト２０ないしは３６を介して、例えば小歯車などの有利な手段によって運動させられるのである。本発明の装置および本発明の方法は、電気式ステアリングアシスト駆動部に関連した適用に制限されることはなく、別の回転可能エレメントの複数の回転の回転角を検出するためにも使用可能である。

本発明による装置の第１実施例の概略図である。 回転可能エレメントに対応付けられたシャフトの回転数ないしは回転角に依存して、共振回路によって形成される共振周波数ならびに磁気抵抗センサ素子によって出力される第１信号の線図である。 本発明による装置の第２実施例の概略図である。 本発明による装置の第３実施例の概略図である。

Claims (12)

1. 回転可能エレメント（１２）の回転角を非接触に検出する装置（１０）であって、
   該装置は、第１領域（Ａ）にて前記の回転可能エレメント（１２）の回転角（Θ）を検出するために少なくとも１つの第１信号（Ｓ_M,1，Ｓ_M,2）を出力する少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子（１４）を有する形式の装置において、
   シャフト（２０，３６）の回転運動に依存してプランジャ（３０）およびコイル（３１）が、前記のシャフト（２０）の軸方向（Ｒ）に互いに相対的に運動し、
   前記コイル（３１）により、コイルインダクタンス（Ｌ）の変化についての別の信号（Ｓ_c）が出力されて、前記の第１信号（Ｓ_M,1，Ｓ_M,2）との組み合わせによって前記の第１領域（Ａ）を越えて回転角（Θ）が一義的に検出されることを特徴とする、
   回転可能エレメントの回転角を非接触で検出する装置。
2. 前記のコイル（３１）内のプランジャ（３０）の位置は、共振回路（３４）によって検出可能であり、
   該共振回路の共振周波数（ｆ_R）は、コイルインダクタンス（Ｌ)に依存する、
   請求項１に記載の装置（１０）。
3. 前記のプランジャ（３０）は、シャフト（２０，３６）および／またはプランジャ（３０）に設けられているねじ山（２８）を介し、コイル（３１）に対して運動する、
   請求項１に記載の装置（１０）。
4. 前記のシャフト（２０）は、回転可能エレメント（１２）の構成要素である、
   請求項１または３に記載の装置（１０）。
5. 前記のシャフト（３６）は、ギアユニット（３８）を介して回転可能エレメント（１２）に接続されている、
   請求項１または３に記載の装置（１０）。
6. 前記の第１領域（Ａ）は、０°〜１８０°の回転角（Θ）を含む、
   請求項１に記載の装置（１０）。
7. 前記の回転可能エレメント（１２）は、電気式ステアリングアシスト駆動部（１８）である、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の装置（１０）。
8. 前記の磁気抵抗センサ素子（１４）は、異方性磁気抵抗センサ（１５）である、
   請求項１に記載の装置（１０）。
9. 回転可能エレメント（１２）の回転角を非接触に検出する方法であって、
   第１領域（Ａ）における回転角（Θ）を検出するために少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子（１４）によって少なくとも１つの磁気抵抗センサ信号（Ｓ_M,1，Ｓ_M,2）を出力する形式の方法において、
   シャフト（２０，３６）が回転運動する際にシャフト（２０，３６）の軸方向（Ｒ）におけるプランジャ（３０）とコイル（３１）との間の相対運動によって発生するコイルインダクタンス（Ｌ）の変化の表すコイル信号（Ｓc）をコイル（３１）によって出力し、
   前記の第１領域（Ａ）を越えて回転角（Θ）を一義的に検出するため、前記のコイル信号（Ｓc）および少なくとも１つの磁気抵抗センサ信号（Ｓ_M,1，Ｓ_M,2）を組み合わせることを特徴とする、
   回転可能エレメント（１２）の回転角を非接触に検出する方法。
10. 前記のコイル（３１）内のプランジャ（３０）の位置を共振回路（３４）によって検出し、ここで該共振回路の共振周波数（ｆ_R）は、コイルインダクタンス（Ｌ)に依存する、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記のプランジャ（３０）は、シャフト（２０，３６）および／またはプランジャ（３０）に設けられているねじ山（２８）を介し、コイル（３１）に対して運動する、
    請求項９に記載の方法。
12. 前記の第１領域（Ａ）は０°〜１８０°の回転角（Θ）を含む、
    請求項９に記載の方法。

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