JP4358866B2 - 回転部材の角度位置と回転速度を求める装置 - Google Patents

Description

本発明は、１つの回転方向の回転運動により駆動される回転部材の３６０°の範囲内の角度位置と回転速度を求める装置に関する。

本発明は、特に、内燃機関のカムシャフトの３６０°の範囲内の絶対角度位置を求めることを目的としており、装置は自動車のエンジンコンパートメント内に配置される。

より詳細には、一方では、燃料を供給すべきシリンダを選択するために各ピストンの位置をより正確に知ることにより、他方では、エンジンの回転速度を正確に知ることにより、多気筒内燃機関の始動を改善し、始動フェーズ中のエンジンによる汚染を減少させることが課題である。

ＵＳ−Ａ−６，２１２，７８３は回転部材の３６０°の範囲内の角度位置を求めるための装置を開示している。この装置は、
− 固定部と回転部材に結合された回転部とから成るセンサと、
− ３６０°の範囲内で回転部材の角度位置を一意に決定する第１の手段を備えた分析手段
を有しており、前記回転部材は磁束発生器を有しており、前記固定部は、
・回転部材の角度位置の関数として２つの異なるレベルを有する電気信号を発生させる第１のプローブと、
・第１のプローブに対して角度上でオフセットした第２のプローブ
を有しており、ただし、上記の各レベルは回転の１区間をカバーする回転部材の角度位置の範囲に対応しており、不連続点によって互いに分離されており、上記第２のプローブは第１のプローブにより発生させられた電気信号のレベルに相応する回転の各区間に関して、回転部材の角度位置の一意の関数として電気信号を発生させる。

より詳細には、第２のプローブは０°から１８０°の間及び１８０°から３６０°の間の回転部材の角度位置の関数として線形に変化する電気信号を供給する。この信号から、回転部材の１８０°の範囲内の絶対角度位置が求められる。第１のプローブは回転部材の３６０°の範囲内の絶対角度位置を求めるためにバイナリ信号を供給する。

回転部材の回転速度を「微分」手段を用いて、第２のプローブにより発生させられた電気信号の線形変化に基づいて回転部材の回転速度を求めることは、論理的に思える。しかしながら、技術的な制限のゆえに、この解決手段は回転速度が比較的低い（毎分５０回転未満）場合にしか満足でないことが判明している。

内燃機関の回転速度のような、より高い回転速度の範囲をカバーするためには、本発明に従って装置は以下の特徴を備えてなければならない：
− センサは出力信号を発する出力側を備えた加算アセンブリも有しており、この加算アセンブリは、出力信号が第１のプローブにより発生させられた電気信号の不連続点に相応する不連続点を有するように、第１のプローブにより発生させられた電気信号と第２のプローブにより発生させられた電気信号を加算する。
− 分析手段はセンサの出力側に接続されている；分析手段は回転部材の回転速度を計算する第２の手段を含んでいる。

第１及び第２のプローブにより発生させられた信号の加算は非常に低いコストで実行することができる。さらに、回転部材の角度位置と回転速度を直接に且つ単一の電気信号に基づいて３６０°の範囲内で一意に決定することが可能となる。これら２つの特性を決定するのに必要な情報は単一の信号に結合されているので、必要なものはセンサと分析手段を接続する単一のワイヤだけである。したがって、誤動作の危険性と装置を実施するためのコストが低減される。

補足的に、本発明に従って、２つの不連続点の間における出力信号の変化は出力信号の不連続点の値よりも小さい。

したがって、回転部材の位置は曖昧でなく決定される。

有利には、分析手段はマイクロコントローラを有する。このマイクロコントローラは、
− 第１のプローブにより発生させられた電気信号と第２のプローブにより発生させられた電気信号との関数として回転部材の角度位置を決定するためのアナログ入力側と、
− 第１のプローブにより発生させられた電気信号の不連続点の単位時間当たりの数の関数として回転部材の回転速度を計算するためのディジタル入力側
を有している。

したがって、このマイクロコントローラはカムシャフトの３６０°の範囲内の絶対角度位置と回転速度を決定する。

補足的に、分析手段は、マイクロコントローラのディジタル入力側に前置接続されたハイパスフィルタと、ハイパスフィルタに前置接続された、アナログ入力側にフィードするバイパスも有している。

したがって、回転速度を求めるための情報は、角度位置を求めるための情報から容易にしかも効率的に抽出することができる。

１つの実施形態では、回転部は磁束を発生させるマグネットを含んでおり、マグネットの磁化の向きは回転部の回転軸に対して垂直であり、固定部はマグネットの周りに位置しており、およそ９０°だけオフセットした２つの空隙を定めている。第１及び第２のプローブはこの空隙の中に配置されている。

好適には、回転部材の角度位置の関数として第２のプローブにより発生させられた電気信号の変化は、第１のプローブにより発生させられた電気信号の不連続点に相応する回転部材の角度位置で反転する。

有利には、第１及び第２のプローブはホール効果プローブである。

ホール効果プローブのコストは比較的低く、したがってセンサのコストは手頃となる。

好適には、第１のプローブはバイナリ電気信号を発生させるフリップフロップタイプのホール効果スイッチプローブである。

このようなプローブは、回転部材の回転速度を高速で求めることを可能にする迅速な応答を提供する。

補足的に、第１のプローブの出力側は電圧源に接続されており、第１のプローブの出力側と第２のプローブの出力側は、第１のプローブにより発生させられた電気信号と第２のプローブにより発生させられた電気信号とを加算するアセンブリに接続されている。

したがって、容易にマルチレベル電圧源と可変電圧源を得ることができ、信号を加算することも容易にできる。

本発明は以下の説明と添付図面の参照とからより明らかになる。
図１は、本発明による装置の図式的表現であり、
図２は、本来の場所にある本発明によるセンサの図であり、
図３は、図２に示されているセンサの２つのプローブの各々が受ける磁束密度と、これらの各プローブにより発生させられた電信号と、センサの出力側で得られる信号を示している。

図１は、センサ２と分析手段４とから成る装置１を図示的に示したものである。

センサ２は出力側５０を有している。センサ２０は、図２に示されているように、固定部６と回転部８とから構成されている。回転部８は、矢印３２により示されているような回転方向に駆動される角度位置を検出すべき回転部材、このケースではカムシャフトに取り付けられたマグネット１４とを有している。マグネット１４は磁束を発生させる。磁束は図２では磁化の向きによって表されている。この磁化の向きは正反対、すなわち、回転部材１２の回転軸に対してほぼ垂直であり、前記回転軸は図２の図平面に対して垂直である。マグネット１４は有利には樹脂結合材中の焼結した希土類元素に基づいた永久磁石から形成されている。

固定部６は主に極エレメント１６、第１のホール効果プローブ２２、第２のホール効果プローブ２６、及び加算アセンブリ２８から構成されている。

極エレメント１６はマグネット１４の周りに取り付けられており、第１の空隙１８と第１の空隙に対しておよそ９０°だけ角度上でオフセットした第２の空隙２０とを定めている。

第１の空隙１８には第１のホール効果プローブ２２が収容されている。このホール効果プローブ２２はフリップフロップスイッチタイプのものであり、したがってこのホール効果プローブ２２はスイッチとして動作する。図１に示されているように、ホール効果プローブ２２の出力側２４は抵抗Ｒｐを介して直流電源Ｖｃｃに接続されている。図３に示されているように、ホール効果プローブ２２により発生させられた電気信号Ｖ_２２はバイナリ信号であり、ホール効果プローブ２２が正の磁界３０のもとにある、すなわち、０°から１８０°の間にあるときには一定値Vｃｃをとり、ホール効果プローブ２２が負の磁界のもとにある、すなわち、１８０°から３６０°の間にあるときにはゼロの値をとる。

第２の空隙２０には第２のホール効果プローブ２６が収容されている。このホール効果プローブ２６は、このケースでは、受けている磁界３１の関数としてパルス幅の変化する信号を発生させるＭｉｃｒｏｎａｓ社のＩＣ８５６タイプのプログラマブルプローブ２０を含んでいる。このプローブ１０は電流源に似ており、プローブの端子の間に抵抗Ｒｃが存在すると電圧源に変わる。ホール効果プローブ２６はまた、２つの抵抗Ｒｆ_１及びＲｆ_２ならびにパルスを「平均化」する２つのキャパシタから構成された２次受動ローパスフィルタ４８も有している。

図３に示されているように、ホール効果プローブ２６により発生させられた信号Ｖｆ（電圧）は０°から１８０°の間の回転角とともに線形に低下し、１８０°から３６０°の間では線形に上昇する。したがって、この変動域内の任意の電圧Ｖｆにおいて、２つの対応する回転角が存在する、すなわち、一方は０°から１８０°の間にあり、他方は１８０°から３６０°の間にある。

加算アセンブリ２８は、直流電源Ｖｃｃにより給電されるオペアンプ３４、第１の抵抗Ｒａ_１、及び第２の抵抗Ｒａ_２を有している。ＲｐをＲａ_２に比べて無視できる程度に選定することにより、加算アセンブリ２８によって出力される信号Ｖｓは次のようになる：
− ホール効果プローブ２２が開いたスイッチのように動作するときには、
Ｖｓ＝［１＋Ｒａ_１／Ｒａ_２］Ｖｆ−（Ｒａ_１／Ｒａ_２）Ｖｃｃ
− ホール効果プローブ２２が閉じたスイッチのように動作するときには、
Ｖｓ＝［１＋Ｒａ_１／Ｒａ_２］Ｖｆ

結果として、センサ２の出力側における信号Ｖｓは、ホール効果プローブ２２により発生させられた信号Ｖ_２２とホール効果プローブ２６により発生させられた信号Ｖｆの合成信号である。より具体的には、信号Ｖｓはホール効果プローブ２２により発生させられた信号Ｖ_２２（係数−Ｒａ_１／Ｒａ_２を乗じた）とホール効果プローブ２６により発生させられた信号Ｖｆ（係数［１＋Ｒａ_１／Ｒａ_２］を乗じた）の和である。

図３に示されているように、第１のプローブにより発生させられた信号Ｖ_２２の不連続点Ｄは出力信号Ｖｓに含まれている。言い換えれば、出力信号Ｖｓの不連続点ｄは第１のプローブにより発生させられた信号Ｖ_２２の不連続点Ｄと一致している。Ｒａ_１とＲａ_２は、出力信号Ｖｓの変動Ｖｖが第２のプローブ２６により発生させられた信号Ｖｆの２つの不連続点ｄの間での変動のゆえに出力信号Ｖｓの不連続点の値Ｖｄよりも小さくなるように選ばれている。したがって、出力信号Ｖｓの値は０°から３６０°の間に回転部材１２の唯一の対応する角度位置を有している。

分析手段４はセンサ２の出力側５０のみに接続されている。分析手段４は主にマイクロコントローラ３６、ハイパスフィルタ４２、及びフリップフロップ４４を有している。

マイクロコントローラ３６は、バイパス４６を介して信号Ｖｓを受信するアナログ入力側３８を有している。出力信号Ｖｓと回転部材１２の角度位置との間の一意の関係が与えられれば、マイクロコントローラ３６は、アナログ入力側３８によって得た出力信号Ｖｓから、回転部材１２の３６０°の範囲内での絶対角度位置を決定する。

マイクロコントローラ３６はまたディジタル入力側４０も有している。このディジタル入力側４０は、キャパシタＣｐｈと抵抗Ｒｐｈとから成るハイパスフィルタ４２でフィルタリングされた後の信号Ｖｓを受信する。ハイパスフィルタ４２は、信号Ｖ_２２に因るパルスのみを通過させるために、第２のホール効果プローブ２６により発生させられた信号Ｖｆに因る変動を除去するのに使用される。信号のエッジを感知するディジタル入力側４０により、マイクロコントローラ３６からの割込み信号を用いることで単位時間当たりの信号Ｖｓの不連続点の数を求め、不連続点の数から回転部材１２の回転速度を導出することができる。

ハイパスフィルタ４２とマイクロコントローラ３６のディジタル入力側４０との間に挿入されたＲＳＴタイプのフリップフロップ４４は、必要ならば、１回転ごとに単純な立ち上がりエッジを発生させることができる。

マイクロコントローラの入力側４０がパルス幅変動タイプのものであり、またハイパスフィルタ４２の出力側におけるフィルタリングされた信号Ｖｓがマイクロコントローラ３６のロジックレベルと一致する場合には、フリップフロップ４４はなしで済ませてもよい。

マイクロコントローラ３６のアナログ入力側から回転部材の回転速度を求めることも可能である。しかし、これは信号Ｖｓの不連続点に対応するエッジを求めるために非常に高いサンプリングレートを必要とする。したがって、このような解決手段は有利ではない。

もちろん、本発明は上に非限定的な実施例として説明した実施形態に限定されるものではない。それゆえ、第１のプローブはバイナリであって、上記の実施形態においては２つの信号レベルしか発生させていないが、例えば、回転部材の位置を求める際の正確度を改善するために２つより多くの電気信号レベルを発生させること、又は上記実施形態のタイプとは異なる第２のプローブを使用することも可能である。

本発明による装置の図式的表現を示す。 本来の場所にある本発明によるセンサの図を示す。 図２に示されているセンサの２つのプローブの各々が受ける磁束密度と、これらの各プローブにより発生させられた電信号と、センサの出力側で得られる信号を示す。

Claims (9)

1. １つの回転方向の回転運動（３２）により駆動される回転部材（１２）の３６０°の範囲内の角度位置と回転速度を求める装置（１）であって、該装置は、
   − 固定部（６）と回転部材に結合された回転部（８）とから成るセンサ（２）と、
   − ３６０°の範囲内で回転部材の角度位置を一意に決定する第１の手段（３６，３８，４６）を備えた分析手段（４）
   を有しており、前記回転部材は磁束発生器（１４）を有しており、前記固定部は、
   ・回転部材の角度位置の関数として２つの異なるレベルを有するバイナリ電気信号（Ｖ_２２）を発生させる第１のプローブ（２２）と、
   ・第１のプローブ（２２）に対して角度上でオフセットした第２のプローブ（２６）
   を有しており、
   前記各レベルは回転の１区間をカバーする回転部材の角度位置の範囲に対応しており、不連続点（Ｄ）によって互いに分離されており、上記第２のプローブは第１のプローブにより発生させられた電気信号のレベルに相応する回転の各区間に関して、回転部材の角度位置の一意の関数として電気信号（Ｖｆ）を発生させる
   ものである形式の装置において、
   − 前記センサ（２）は出力信号（Ｖｓ）を発生させる出力側（５０）を備えた加算アセンブリ（２８）を有しており、該加算アセンブリは、前記出力信号（Ｖｓ）が第１のプローブ（２２）により発生させられた電気信号の不連続点（Ｄ）に相応する不連続点（ｄ）を有するように、第１のプローブ（２２）により発生させられた電気信号（Ｖ_２２）と第２のプローブ（２６）により発生させられた電気信号（Ｖｆ）を加算し、２つの不連続点（ｄ）の間における出力信号（Ｖｆ）の変動は出力信号（Ｖｆ）の不連続点（ｄ）の値（Ｖｄ）よりも小さく、
   − 分析手段は前記センサ（２）の出力側に接続されており、回転部材の回転速度を計算する第２の手段（３６，４０，４２，４４）を含んでいる、ことを特徴とする回転部材の角度位置と回転速度を求める装置。
2. 第２の手段（３６，４０，４２，４４）は、出力信号（Ｖｓ）の不連続点（ｄ）の単位時間当たりの数の関数として回転部材の回転速度を計算する、請求項１記載の装置。
3. 前記分析手段（４）は、第１の手段（３６，３８，４６）に属するアナログ入力側（３８）と第２の手段（３６，４０，４２，４４）に属するディジタル入力側（４０）とを有するマイクロコントローラ（３６）を含んでいる、請求項１又は２のいずれか１項記載の装置。
4. 第２の手段（３６，４０，４２，４４）はまた、前記マイクロコントローラのディジタル入力側（４０）に前置接続されたハイパスフィルタ（４２）を含んでおり、第１の手段（３６，３８，４６）は、前記ハイパスフィルタ（４２）に前置接続された、前記アナログ入力側（３８）にフィードするバイパス（４６）を含んでいる、請求項３記載の装置。
5. 前記回転部（８）は磁束を発生させるマグネット（１４）を含んでおり、該マグネットの磁化の向きは前記回転部材（１２）の回転軸に対して垂直であり、前記固定部（６）は前記マグネット（１４）の周りに位置しており、およそ９０°だけオフセットした２つの空隙（１８，２０）を定めており、該空隙の中に第１のプローブ（２２）及び第２のプローブ（２６）が配置されている、請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
6. 前記回転部材（１２）の角度位置の関数として第２のプローブ（２６）により発生させられた電気信号（Ｖｆ）の変動は、第１のプローブ（２２）により発生させられた電気信号（Ｖ_２２）の不連続点（Ｄ）に相応する前記回転部材の角度位置で反転する、請求項１から５のいずれか１項記載の装置。
7. 第１のプローブ（２２）及び第２のプローブ（２６）はホール効果プローブである、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
8. 第１のプローブ（２２）はバイナリ電気信号（Ｖ_２２）を発生させるフリップフロップタイプのホール効果スイッチプローブである、請求項７記載の装置。
9. 第１のプローブ（２２）の出力側（２４）は電圧源（Ｖｃｃ）に接続されており、第１のプローブの出力側と第２のプローブの出力側は、第１のプローブ（２２）により発生させられた電気信号（Ｖ_２２）と第２のプローブ（２６）により発生させられた電気信号（Ｖｆ）とを加算するアセンブリ（２８）に接続されている、請求項８記載の装置。

Images