JP6077675B2 - 回転部材の少なくとも１つの回転特性を決定するためのセンサ装置 - Google Patents

Description

従来技術より、回転部材の少なくとも１つの回転特性を検出するための数多くのセンサが知られている。ここで回転特性とは一般に、回転部材の回転を少なくとも部分的に表現する特性であると理解される。これはたとえば角速度、回転数、角加速度、回転角、角度位置、またはその他の特性であってよく、これらは回転部材の連続的または不連続的な、均一または不均一な回転もしくは回動を特徴づけることができる。このような種類のセンサの例は、非特許文献１に記載されている。本発明の１つの特別な重点は、ただし本発明は原則としてこれに限定されるわけではないが、回転数検出にある。回転数検出は、特に、クランクシャフトやカムシャフトなどの回転数を検出するためにセットアップされていてよい。

たとえばハイブリッド車両や電気車両で回転数センサが利用される場合、機械的なロバスト性や測定精度に関して高い要求が課される。しかしながら公知の回転数センサは、最新の要求事項に基づいて求められる精度を、電動モータの場合に普通である１分あたり１から約２５，０００回転のすべての回転数領域にわたって、特に上側と下側の周縁領域で提供するものではない。

Ｋｏｎｒａｄ Ｒｅｉｆ著「Ｓｅｎｓｏｒｅｎ ｉｍ Ｋｒａｆｔｆａｈｒｚｅｕｇ」（自動車のセンサ）、２０１０年第１版、６３から７３ページ、および１２０から１２９ページ

本発明で提案される解決法により、従来技術で知られているセンサ装置と比べたとき、回転部材のすべての回転数領域を通じて向上した測定精度を有するセンサ装置が提供される。

それに応じて、回転部材の少なくとも１つの回転特性を決定するための、特に、駆動機械でシャフトの位置および／または回転数を決定するためのセンサ装置が提案される。

このセンサ装置は、回転部材と結合可能な少なくとも１つのインクリメント担体を有している。インクリメント担体は、通常、増分式の測定手法で適用される。回転数センサでしばしば採用されているこの測定手法は、インクリメント値とも呼ばれる個別値を計数することで時間あたりの値変化が測定され、それにより、たとえば回転数や上に掲げたいずれかの特性のような、種々の回転特性を推定することができる増分式の計数方法である。インクリメント担体はそのために、通常、経路に沿って周期的に配置された値検出器を有しており、これらの値検出器はそれぞれ個別に検出可能であり、増分の分だけの数値の増加または減少をそれぞれ解像する。

インクリメント担体は、たとえば相応の磁気センサに合わせて適合化された磁化可能な材料からなる歯車でできていてよく、この歯車は、それが外部磁界によって動かされる場合、各々の歯車の領域で、および２つの歯の間に配置された各々の隙間の領域で、磁界のそれぞれ相違する影響によって検出可能な事象を生起する。同様にインクリメント担体は、交互の、もしくは交代する磁気的な分極を有する連続する永久磁石の領域によって形成されるのが通常である、多極ホイールの形態で構成されていることが考えられる。このような種類の多極ホイールは多数の独自の磁界領域を形成することで、外部磁界とのたとえばオーバーラップのような干渉によって、すなわち外部磁界の変化を測定することによって、あるいは隣接する２つの永久磁石領域の間で多数の磁界領域を直接的に測定することによって、検出可能な多数の磁気的事象を生起することができる状態になっていてよい。

本発明の根底にある思想によると、さらにセンサ装置は、たとえば永久磁石によって構成されていてよい、回転部材の場所で磁界を生成するための少なくとも１つの磁界発生器を有している。さらにセンサ装置は、少なくとも１つの第１の磁気センサと少なくとも１つの第２の磁気センサとを有しており、第１の磁気センサは第１のセンサ信号を生成し、第２の磁気センサは第２のセンサ信号を生成する。第１の磁気センサおよび／または第２の磁気センサにより生成されるセンサ信号は、たとえば、回転部材の回転によって生起される個々のインクリメンタルな事象の検出の時間的順序に関する情報だけを含むことができ、あるいは、すでに事前に評価されて前処理された形態で、希望される回転特性に関する情報を表すことができる。

さらに本発明によるセンサ装置は、第１の磁気センサが、回転部材の渦電流により生成される、または変化する磁界を検出するためにセットアップされた少なくとも１つのコイルを有するのが好ましい受動誘導性センサであることを意図している。第２の磁気センサは、この場合には少なくとも１つのホール素子および／または少なくとも１つの磁気抵抗素子を有しているのが好ましい能動センサである。

受動誘導性センサと能動センサとをこのように組み合わせることで、両方のセンサ型式のさまざまな特性の、同じく有益な形で利用可能な組み合わせが可能となる。誘導原理に基づいて作動する受動誘導性の磁気センサとしてたとえばコイルを設けることの特別な利点は、磁気センサが、回転部材の増していく回転速度に基づき、および生起される個々の磁気的な事象の連続の同じく増していく速度に基づき、同じく増していく測定可能な電圧をコイル内部で誘導することにある。したがって最大限検出可能な回転数は、個々の事象の解像度の不足によって制限されるのではなく、たとえば共振周波数のようなコイルの電子工学特性によって制限されるにすぎない。このとき測定される誘導電圧は、特別に好ましい形態においては、回転速度が増すにつれて改善されていく信号対雑音比を有している。換言すると、信号対雑音距離が大きくなる。それにより受動誘導性センサは、高い回転数を測定するのに特別に良く適している。それに対して受動誘導性センサは、同様にして結果的に信号対雑音距離が小さくなるため、低い回転数を測定するのにはさほど適していない。

低い回転数領域では、好ましい形態においては、たとえばホール素子の形態の能動的な磁気センサの適用が考慮の対象となる。このような能動的な磁気センサを用いて、１分あたり１回転以下の回転数領域から回転部材の停止に至るまで、回転数ないし回転速度を相応に高い測定信号の精度で検出可能である。それに対して、能動的な磁気センサにより検出される回転数ないし回転速度は、通常、障害抑圧のための信号処理の帯域幅がインクリメント周波数に制限されるため、すなわち検出される磁気的な事象の周波数に制限されるため、現在のところ約１０から２０ｋＨｚに限定されている。インクリメント周波数は、通常、事象検出器の個数と乗算された回転部材の回転周波数ないし回転数に相当する。

それに応じて両方のセンサ型式を適用することで、好ましい形態においては、１分あたり約０回転から１分あたり２０，０００回転を超えるまでの測定可能な回転数領域の拡大を実現可能である。しかしながら理論上では、最大回転数が１分あたり８０，０００から１００，０００回転の範囲内にあるようにし得ることも同じく考えられる。同様に、両方のセンサ型式の根底にある測定原理を活用することで、特に少なくとも１つセンサ信号を評価することで、すべての回転数領域で測定信号の高い精度を提供できるようにすることが可能となる。

同様に、能動的なセンサの回転数領域と重なり合う受動的な誘導性センサの回転数領域で、信号精度に依存して冗長的なセンサ信号が提供される。

受動誘導性センサの代わりとして、回転数が増すにつれて同じく増していく信号対雑音距離を有する別の種類のセンサ、たとえば能動誘導性センサも同様に使用することができる。

センサ装置の別の実施形態では、第１の磁気センサと第２の磁気センサが回転部材に対して半径方向に相前後して配置されていることが意図されていてよい。換言すると、このとき第１の磁気センサと第２の磁気センサは磁界発生器から回転部材の方向に見て、好ましくは相前後するように順次配置されていてよい。したがって磁気センサのうちの一方は、他方の磁気センサよりも回転部材に対して広い半径方向間隔を有している。さらにこのようにして、たとえば差込検出器としてのセンサ装置の構成を、わずかしか増えることがない長さで保証することができる。したがって、提案されるセンサ装置を収容するための大幅な変更は必要ない。

別案として、センサ装置のさらに別の実施形態によると、第１の磁気センサと第２の磁気センサが回転部材に対して半径方向に相並んで配置されていることが同様に意図されていてよい。このとき第１および第２の磁気センサは、回転部材の回転方向ばかりでなく、回転部材の回転軸と平行な方向でも隣接して配置されていてよい。それにより、第１および第２の磁気センサはいずれも好ましい形態で、任意の仕方で回転部材に対してできる限り短い間隔を守ることができる。

さらにセンサ装置は、第１の磁気センサのコイルで少なくとも部分的に取り囲まれているのが好ましい磁束案内部材を有していることが意図されていてよい。磁束案内部材は、好ましくは強磁性材料で形成されていてよい。それと同時に磁束案内部材はコイルのコアを形成し、それにより、磁束案内部材で引き上げられる磁束密度に基づいて誘導電流を高め、このことは、ひいては好ましい形態において、信号対雑音距離の増大を帰結する。そのために磁束案内部材は、共同で形成される磁界発生器との接触面を介してこれに接しているのが好ましい。

センサ装置のさらに別の実施形態によると、第１の磁気センサと第２の磁気センサは共通のインクリメント担体を磁気的に走査するためにセットアップされていることが意図されていてよい。

センサ装置のさらに別の実施形態によると、少なくとも１つのインクリメント担体は歯車であり、この歯車は少なくとも部分的に、好ましくは高いパーミアンスをもつ強磁性の素材でできていることが意図されていてよい。

その代替または追加として、本発明のさらに別の実施形態では、少なくとも１つのインクリメント担体は磁気的な多極ホイールであってよい。そのために多極ホイールは、たとえば部分領域で交代する極性を有する、プラスチックに鋳込まれた永久磁石粒子によって形成されていてよい。

さらに別の実施形態によると、少なくとも１つのインクリメント担体は永久磁石の領域を有しており、インクリメント担体は渦電流を形成するためにセットアップされていることが同様に意図されていてよい。これは、上に説明した磁気的な多極ホイールの形態のインクリメント担体であるのが好ましい。

本発明のさらに別の実施形態によると、センサ装置は、第１のセンサ信号および／または第２のセンサ信号を評価するためにセットアップされているのが好ましい、少なくとも１つの評価ユニットをさらに含んでいることが意図されていてよい。センサ信号の評価とは、ここでは一般に、センサ信号を基礎として回転部材の回転特性に関する情報を得る役目を果たす、あらゆる任意のプロセスステップであると理解される。たとえば、検出されるべき回転特性としての回転数の場合では、センサ装置の各々の磁気センサについて独自の評価ユニットが設けられていることが意図されていてよく、この評価ユニットは、これに割り当てられた磁気センサのセンサ信号だけを少なくとも部分的に評価し、ただし好ましくは全面的に評価し、回転部材の回転数に関して得られた情報をデータ信号の形態で、たとえばセンサ装置に属するのでないエンジン制御部へ、特にエンジン制御装置へ、提供する。このケースでは、たとえばエンジン制御装置は各々の評価ユニットから独自の回転数情報を受信し、回転数情報に依存して、特に回転数そのものに依存して、それぞれの回転数情報の正確性に関してこれらを比較および／またはチェックしなければならない。

しかしながらその代替または追加としてセンサ装置は、複数の磁気センサにより生成される複数のセンサ信号を評価するために構成された１つの評価ユニットだけを含んでいることが意図されていてもよい。ただ１つの評価ユニットを有するこの実施形態では、好ましい形態においては、センサ装置と考え得るエンジン制御部との間で他の場合には必要である複数のデータ回線を最低限に抑えられるという可能性が創出される。さらに、センサ装置の個々のセンサ信号の総体の評価を、センサ装置に合わせて実質的に適合化された評価エレクトロニクスによってセンサ装置内で具体化し、回転特性に関する情報の取得を近似的にリアルタイムで実行できるようにすることが可能である。

少なくとも１つの評価ユニットを備えるセンサ装置のさらに好ましい実施形態の要諦は、少なくとも１つの評価ユニットが信号出力部を有しており、該信号出力部では、評価ユニットが回転部材の回転数に依存して、評価されたセンサ信号のうちの１つだけを提供することであり得る。換言すると、１つまたは複数の評価ユニットはそれぞれ１つの信号出力部を有しており、該出力部では、評価ユニットが複数ある場合にはそのつど評価されたセンサ信号が提供され、評価ユニットが単一の場合には、評価された複数のセンサ信号のうちの１つが提供される。

上に説明したセンサ装置の各実施形態は、回転部材の少なくとも１つの回転特性を決定するための本発明のセンサシステムで適用されるのが好ましく、さらに、センサシステムはセンサ装置と接続可能な制御部を含んでおり、該制御部は、回転部材の少なくとも１つの第１の回転数領域で少なくとも第１の磁気センサにより生成される第１のセンサ信号を検出するとともに、少なくとも１つの第２の回転数領域で少なくとも第２の磁気センサにより生成される第２のセンサ信号を検出するためにセットアップされている。このことは、すでに上で説明した形態でセンサ信号の事前選択がそのつどの回転数領域に依存してセンサ装置の考え得る評価ユニットにより行われるか、それとも、センサ装置と接続された制御部で相応の選択が行われるかに左右されない。この制御部は、たとえばエンジンで通常採用されているエンジン制御部、特にいわゆるＥＣＵであってよく、あるいは、たとえばエンジン制御部と接続可能なセンサ制御部であってもよい。

その代替または追加として、好ましい形態においては、センサシステムの制御部は、回転部材の第３の回転数領域で、第１の磁気センサにより生成される第１のセンサ信号と第２の磁気センサにより生成される第２のセンサ信号を両方とも検出するためにセットアップされていることが意図されていてよい。ここで前述した第３の回転数領域は、第１の磁気センサの第１のセンサ信号と第２の磁気センサの第２のセンサ信号とがいずれも回転部材のたとえば回転数に依存して、たとえば回転数を得るための所要の精度をそれぞれ有しており、両方のセンサ信号の同時かつ冗長的な評価が可能とされることを特徴としているのが好ましい。それぞれ相違する両方の磁気センサに基づいて互いに独立して生成される両方のセンサ信号の評価に基づき、検出される回転特性の精度のいっそうの向上をいっそう好ましい形態で生起することができる。

次に、好ましい実施形態を参照しながら本発明について詳しく説明する。

そのために図面は次のものを示している：

本発明によるセンサ装置の好ましい実施形態を示す模式図である。 本発明によるセンサ装置を備えたセンサシステムの好ましい実施形態を示す模式図である。

図１の図面に見て取ることができるように、センサ装置１０の図示した実施形態は、たとえば永久磁石によって構成されていてよい磁界発生器１２を有している。図示しているように、さらにセンサ装置１０は、ダイポールマグネットとして示している磁界発生器１２のＳ極に平坦に配置された磁束案内部材１４を有しており、この磁束案内部材は同時に、図示しない回転部材の方向に向かって延びている。このとき磁界発生器１２は別案として、図示している配置とは反対の極性の向きを有するように設けられていてもよい。

さらに、好ましくは磁束案内部材１４を取り囲むコイル１６の形態の第１の磁気センサ１６、ならびに、好ましくは回転部材のほうを向いている磁束案内部材１４の端面にある第２の磁気センサ１８が配置されている。たとえばホール素子や磁気抵抗素子によって構成されていてよい第２の磁気センサ１８は、ここでは第１の磁気センサ１６のコイルで取り囲まれていないのが好ましい。

図１の図面からさらに見て取れるように、第２の磁気センサ１８の方向への磁界発生器１２の延長部に、好ましくは図示しない回転部材と結合されたインクリメント担体２０が配置されている。したがってインクリメント担体２０は回転部材の回転に従って、第２の磁気センサ１８の領域で、磁界発生器１２により生成される磁界に対して実質的に垂直方向にそばを通過する。それにより、前述した仕方により、磁界発生器１２により生成される磁界に影響が及ぼされ、ないしは磁界が変化し、磁界の変化を第２の磁気センサ１８によって、ならびに第１の磁気センサ１６によっても検出することができる。

さらに、センサ装置１０の図示した実施形態はこれに加えて、電気回線２４を介して第１の磁気センサ１６および第２の磁気センサ１８と接続された評価ユニット２２を有している。電気回線２４を介して、第１の磁気センサ１６および第２の磁気センサ１８によりそのつど生成されるそれぞれのセンサ信号が、評価ユニット２２へと伝送されるのが好ましい。

さらに図２の図面に見て取れるように、センサシステム３０は、別のデータ回線３２を介してセンサ装置１０と接続された制御部３４を含んでいるのが好ましく、この制御部は、たとえば周知のとおり内燃駆動装置、電気駆動装置、あるいはハイブリッド駆動装置などで採用されているエンジン制御部を含んでおり、もしくは、そのようなエンジン制御部であってよい。評価ユニット２２と制御部３４の間に図示しているデータ回線３２の数は模式的なものにすぎず、データ回線３２は２つまたは３つの接続回線の数に限定されるものではない。これ以上またはこれ以下の接続回線を備える別の種類のインターフェースも、同様に可能である。上で述べたことは、第１の磁気センサ１６と評価ユニット２２の間の、ならびに第２の磁気センサ１８と評価ユニット２２の間の、図１と図２に示す接続回線にも同じように当てはまる。

１０ センサ装置
１２ 磁界発生器
１６ 第１の磁気センサ
１８ 第２の磁気センサ
２０ インクリメント担体
２２ 評価ユニット
３０ センサシステム
３４ 制御部

Claims (9)

1. 回転部材の少なくとも１つの回転特性を決定するためのセンサ装置（１０）であって、前記回転部材と結合可能な少なくとも１つのインクリメント担体（２０）を含んでおり、前記センサ装置（１０）は前記回転部材の場所で磁界を生成するための少なくとも１つの磁界発生器（１２）を含んでおり、前記センサ装置（１０）は少なくとも１つの第１の磁気センサ（１６）と少なくとも１つの第２の磁気センサ（１８）とを有しており、前記第１の磁気センサ（１６）は第１のセンサ信号を生成し、前記第２の磁気センサ（１８）は第２のセンサ信号を生成する、そのようなセンサ装置において、
   前記第１の磁気センサ（１６）は誘導性のセンサであり、前記第１の磁気センサ（１６）は少なくとも１つのコイルを有するとともに、前記回転部材の渦電流により生成される、または変化する磁界を検出するためにセットアップされており、前記第２の磁気センサ（１８）は能動的なセンサであり、前記第２の磁気センサ（１８）は少なくとも１つのホール素子および／または少なくとも１つの磁気抵抗素子を有していて、
   前記第１の磁気センサ（１６）と前記第２の磁気センサ（１８）は１つの共通のインクリメント担体（２０）を磁気的に走査するためにセットアップされていることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記第１の磁気センサ（１６）と前記第２の磁気センサ（１８）は前記回転部材に対して半径方向に相前後して配置されている、請求項１に記載のセンサ装置（１０）。
3. 前記第１の磁気センサ（１６）と前記第２の磁気センサ（１８）は前記回転部材に対して半径方向に相並んで配置されている、請求項１に記載のセンサ装置（１０）。
4. 少なくとも１つの前記インクリメント担体（２０）は歯車であり、該歯車は少なくとも部分的に強磁性の素材でできている、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ装置（１０）。
5. 少なくとも１つの前記インクリメント担体（２０）は磁気的な多極ホイールである、請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ装置（１０）。
6. 少なくとも１つの前記インクリメント担体（２０）は永久磁石の領域を有しており、前記インクリメント担体（２０）は渦電流を形成するためにセットアップされている、請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ装置（１０）。
7. 前記センサ装置（１０）は少なくとも１つの評価ユニット（２２）を含んでおり、少なくとも１つの前記評価ユニット（２２）は第１のセンサ信号および／または第２のセンサ信号を評価するためにセットアップされていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ装置（１０）。
8. 少なくとも１つの前記評価ユニット（２２）は信号出力部を有しており、少なくとも１つの前記評価ユニット（２２）は、前記回転部材の回転数に依存して、評価されたセンサ信号のうちの１つだけを当該信号出力部で提供するためにセットアップされている、請求項７に記載のセンサ装置（１０）。
9. 回転部材の少なくとも１つの回転特性を決定するためのセンサシステム（３０）において、前記センサシステム（３０）は請求項１から８のいずれか１項に記載の少なくとも１つのセンサ装置（１０）を含んでおり、さらに前記センサシステム（３０）は前記センサ装置（１０）と接続可能な制御部（３４）を含んでおり、前記制御部（３４）は前記回転部材の少なくとも１つの第１の回転数領域で前記第１の磁気センサ（１６）により生成される第１のセンサ信号を検出するためにセットアップされており、前記制御部は少なくとも１つの第２の回転数領域で前記第２の磁気センサ（１８）により生成される第２のセンサ信号を検出するためにセットアップされているセンサシステム。
   

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