JP6448756B2

JP6448756B2 - 測定システム

Info

Publication number: JP6448756B2
Application number: JP2017241619A
Authority: JP
Inventors: ボンダーヤン
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2016-12-17
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2037-12-18
Also published as: DE102016015057B3; JP2018096997A

Description

本発明は、回転軸線を中心にして回転する本体の位置を検出するための測定システムであって、前記測定システムは、発信器ユニットと、磁界センサ装置と、磁界センサ装置の測定信号を評価するための評価ユニットとを有する、測定システムに関する。

回転軸線を中心にして回転する本体、例えばクランクシャフトまたはカムシャフトまたはフライホイールの位置を検出するために、発信器−受信器システムを使用することが公知であり、ここでは、本体に測定値発信器が取り付けられており、固定された受信器によって走査される。例えば、傍を通過する測定値発信器が、受信器において電圧パルスを誘導する。

複数の角度発信器を有する発信器ホイールによってシャフトの回転数および角度姿勢を求めるこのような測定システムは、例えば欧州特許第０１８８４３３号明細書（EP 0 188 433 B1）から公知である。

独国特許出願公開第１０２０１３０２１６９３号明細書（DE 10 2013 021 693）からは、回転する本体の位置または回転数を検出するための、ばね質量原理に基づいて動作する測定システムが公知である。

欧州特許第０１８８４３３号明細書独国特許出願公開第１０２０１３０２１６９３号明細書

以上の背景を踏まえて、本発明の課題は、従来技術を発展させる装置を提供することである。

上記の課題は、請求項１に記載の特徴を有する測定システムによって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。

本発明によれば、回転軸線を中心にして回転する本体の位置を検出するための測定システムが提供される。測定システムは、発信器ユニットと、磁界センサ装置と、磁界センサ装置の測定信号を評価するための評価ユニットとを有する。

磁界センサ装置は、磁界を発生させるためのバイアス磁石と、回転軸線に対して平行に延在する磁界成分を検出するための少なくとも１つの第１の磁界センサと、回転軸線に対して垂直に回転軸線へ向かう方向に延在する磁界成分を検出するための少なくとも１つの第２の磁界センサとを有し、すなわち、これら２つの磁界成分は直交している。

第１の磁界センサおよび第２の磁界センサは、それぞれバイアス磁石と回転する本体との間の固定的な位置に配置されている。好ましくは、２つの磁界センサは、回転軸線に対して固定されており、それぞれ回転軸線に対して固定的な距離を有する。

２つの磁界センサは、好ましくは２Ｄ磁界センサとして、とりわけホールセンサとして構成されている。好ましくは、第１の磁界センサおよび第２の磁界センサは、それぞれ同じ重心を有する。

発信器ユニットは、回転する本体の、磁界センサ装置の方を向いた表面に固定的に接続されており、少なくとも１つの測定値発信器と、少なくとも１つの測定値発信器のための少なくとも１つの線形の強制ガイド部とを有する。

１つの測定値発信器は、線形の強制ガイド部内で、回転軸線に対する第１の距離と第２の距離との間で、第１の平面内で回転軸線に対して半径方向にガイドされており、磁界を局所的に変化させるために強磁性材料を含む。

第１の平面は、回転軸線に対して垂直に延在しており、回転軸線に対する第１の距離は、回転軸線に対する第２の距離よりも小さい。

発信器ユニットはさらに、少なくとも１つの最小値発信器トラックおよび少なくとも１つの最大値発信器トラックを有する。

少なくとも１つの最小値発信器トラックおよび少なくとも１つの最大値発信器トラックは、それぞれ強磁性材料を含み、本体と磁界センサ装置との間に配置されている。これら２つの値発信器トラックは、基準値発信器トラックとして構成されている。

少なくとも１つの最小値発信器トラックは、回転軸線に対して半径方向に第３の距離をおいて、回転軸線を中心とした第１の角度範囲にわたって延在している。

少なくとも１つの最大値発信器トラックは、回転軸線に対して半径方向に第４の距離をおいて、回転軸線を中心とした第２の角度範囲にわたって延在しており、第３の距離は、第４の距離よりも小さい。

第１の角度範囲と第２の角度範囲とは互いに異なっており、すなわち、これら２つの角度範囲は互いに離間している。

好ましくは、第３の距離は、第１の距離以下であり、第４の距離は、第２の距離以上である。

測定値発信器の強制ガイド部は、回転軸線に沿った投影図において、第１の角度範囲と第２の角度範囲との間に配置されている。

少なくとも１つの最小値発信器トラックおよび少なくとも１つの最大値発信器トラックは、本体の回転運動中、磁界センサ装置にそれぞれ１つの一定の基準値を供給する。

好ましくは、２つの基準値はそれぞれ１つの限界値を表す。

発信器トラックは、それぞれ回転軸線を中心とした円弧に沿ってまたは円弧上に延在している物体として形成されていることに留意すべきである。

発信器トラックが、それぞれ自身の全長にわたって、すなわち円弧にわたって、回転軸線に対して固定的な距離を有していることが理解される。

最小値発信器トラックおよび最大値発信器トラックを、回転軸線に沿った投影図において測定値発信器のそれぞれ一方の側に配置することによって、本体の回転中、測定値発信器によって生成される信号の前および後に、発信器トラックのそれぞれ１つの信号が磁界センサ装置によって検出される。

これによって発信器ユニットは、それぞれの測定値ごとに、上限値および下限値によって取り囲まれた測定値範囲を供給する。好ましくは、測定値発信器の位置は、強制ガイド部内において下限値と上限値との間で移動する。

さらには、本体の回転時に少なくとも１つの測定値発信器に遠心力が作用することに留意すべきである。

放射とは、１つの点で開始して１つの点に方向付けられた直線を意味することが理解される。

測定システムによって、すなわち２つの磁界センサの２つの測定値から、回転軸線に対する少なくとも１つの測定値発信器の位置を求めることができる。

測定値発信器の位置から、すなわち測定値発信器の変位から、本体の角速度、本体の回転数、および／または本体の回転角度を求めることができる。

本発明による装置の利点は、基準トラックによって、回転数が精確に求められる他にアンバランスも、すなわち回転する本体の振動も精確に求められることである。これによって、本体の軸受の負荷を推定することもでき、場合によっては補正措置を導出することもできる。好ましくは、本体は、シャフト上に配置されたフライホイールを含む。温度に起因した本体の膨張も、精確に検出することができる。

１つの発展形態では、発信器ユニットは、少なくとも２つの測定値発信器を有する。別の発展形態では、２つの測定値発信器は、回転軸線に対して点対称に配置されている。１つの実施形態では、２つの測定値発信器は、回転軸線に関して互いに向き合うように配置されている。

２つの測定値発信器を用いる利点は、測定精度が時間に関しても増加することである。１つの測定値発信器のみを用いる実施形態に比べて、とりわけ本体の回転数、ならびに回転数および回転角度の変化をより精確に求めることが可能となる。振動をより迅速かつ精確に検出することも可能となる。

別の実施形態では、２つの測定値発信器は、同一に構成されている。

別の実施形態では、発信器ユニットは、少なくとも１つの制御された測定値発信器を有し、測定値発信器は、制御ユニットと液圧的および／または電気的および／または電気機械的に作用接続されている。

制御ユニットによって位置調節力を発生させることができる。位置調節力は、液圧的および／または電気的および／または電気機械的または純粋に機械的に発生させることができることが理解される。

位置調節力によって、少なくとも１つの測定値発信器の位置を、回転数に依存しても回転数に依存せずとも、線形の強制ガイド部内で調整することができるようになる。換言すれば、回転数がゼロの場合であっても、位置調節力によって測定値発信器の位置を容易に変化させることができ、すなわち、測定値発信器を、回転軸線から遠ざかる方向にも回転軸線に向かう方向にも移動させることができる。

１つの利点は、制御された測定値発信器によって、回転する本体の振動を打ち消すことができることである。これに関して、とりわけ振動を抑制して軸受の磨耗を低減するために、位置調節力によって測定値発信器の位置が変化される。

回転数がゼロより大きい場合には、位置調節力がなければ、測定値発信器に少なくとも遠心力が作用し、位置調節力またはとりわけ復元力がなければ、回転数が増加するにつれて測定値発信器が回転軸線から遠ざかる方向に移動することが理解される。

１つの発展形態では、位置調節力は、復元力として形成されている。好ましくは、復元力は、遠心力に比例してまたは比例せずに形成されている。

１つの実施形態では、復元力は、ばね要素または液圧式復元装置によって引き起こされる。

好ましくは、２つの測定値発信器は、ばねを用いて接続されている。別の発展形態では、それぞれの測定値発信器は、各自の位置調節装置、特に復元装置を有する。好ましくは、復元装置は、それぞれ１つのばねを含む。この場合には、位置調節力を変化させるために、復元装置またはばね要素が制御装置に接続されている。

これによって、復元装置を開ループ制御または閉ループ制御することができる。好ましくは、位置調節力の大きさを変化させることができる。１つの発展形態では、位置調節力は、回転数に依存して変化される。

とりわけ、最小回転数を上回って初めて、測定値発信器が、回転軸線に関して最も近い位置から線形の強制ガイド部に沿って回転軸線から遠ざかる方向に移動するように、制御装置によって位置調節力の大きさを調整することができる。

別の発展形態では、位置調節力が、量子化されて形成されている。これによって、遠心力または回転数の範囲を、測定値発信器の段階に簡単に対応付けることができる。換言すれば、測定値発信器は、回転軸線から遠ざかる方向に段階的にのみ移動する。

基準トラックを用いることによって、軸方向のオフセット、振動、または温度に起因した膨張のような機械的な許容誤差に対する磁界センサの脆弱性が低減され、高い測定精度が保証される。

１つの発展形態では、第１の角度範囲および第２の角度範囲は、それぞれ強制ガイド部に対して最大４５°、好ましくは最大１５°または最大５°の距離を有する。

択一的な発展形態によれば、発信器ユニットは、少なくとも２つの最小値発信器トラックおよび少なくとも２つの最大値発信器トラックを有する。

以下では本発明を、図面を参照しながらより詳細に説明する。ここでは、同じ種類の部分に同一の参照符号が付されている。図示された実施形態は、極めて概略化されている。すなわち、距離ならびに横方向および縦方向の長さは縮尺通りではなく、別段の記載がない限り、導出可能な相互の幾何学的関係性も有さない。

測定システムの本発明による第１の実施形態の概略平面図である。測定システムの本発明による第１の実施形態の中央部分の概略側面図である。時間軸上にプロットされた測定システムの測定信号の概略図である。本発明による発信器ユニットの第２の実施形態の概略図である。

図１および２は、回転軸線Ｄを中心にして回転する本体１００、例えばフライホイールの位置を検出するための測定システム１０の第１の実施形態を概略平面図で、または少なくとも部分的に概略側面図で示す。

測定システムは、磁界センサ装置２０と、発信器ユニット３０と、磁界センサ装置の測定信号を評価するための評価ユニット（図示せず）とを有する。

磁界センサ装置２０は、磁界Ｈを発生させるためのバイアス磁石２２と、回転軸線Ｄに対して平行に延在する磁界成分Ｈｚを検出するための少なくとも１つの第１の磁界センサ２４と、回転軸線Ｄに対して垂直に回転軸線Ｄへ向かう方向に延在する磁界成分Ｈｙを検出するための少なくとも１つの第２の磁界センサ２６とを有する。

第１の磁界センサ２４および第２の磁界センサ２６は、それぞれバイアス磁石２２と回転する本体１００との間に、回転軸線Ｄに対して離間されて配置されている。

発信器ユニット３０は、本体１００の、磁界センサ装置２０の方を向いた第１の表面１０２に固定的に接続されている。図示の実施形態によれば、第１の表面１０２は、回転軸線Ｄに対して垂直に延在している。

発信器ユニット３０は、２つの測定値発信器３２および３４と、最小値発信器トラック３６と、最大値発信器トラック３８とを有する。

２つの測定値発信器３２および３４と、最小値発信器トラック３６と、最大値発信器トラック３８とは、それぞれ第１の表面１０２上に、回転軸線Ｄに対して離間されて配置されている。

２つの測定値発信器３２および３４は、それぞれ線形の強制ガイド部３２．１または３４．１内で、回転軸線Ｄに対する第１の距離ｄ１と第２の距離ｄ２との間で、本体１００の表面１０２に沿って回転軸線Ｄに対して半径方向にガイドされている。なお、第１の距離ｄ１は、第２の距離ｄ２よりも小さい。２つの線形の強制ガイド部３２．１および３４．１は、回転軸線に対して鏡面対称に配置されている。

２つの測定値発信器３２および３４は、位置調節力によって、２つの線形の強制ガイド部３２．１および３４．１に沿って回転軸線から遠ざかる方向と、逆の方向とに移動される。このために測定値発信器は、位置調節力を発生させる制御ユニット（図示せず）に接続されている。

２つの測定値発信器３２および３４と、最小値発信器トラック３６と、最大値発信器トラック３８とは、バイアス磁石２２によって発生された磁界Ｈを局所的に変化させるために少なくとも部分的に強磁性材料から形成されている。

最小値発信器トラック３６は、第１の表面１０２上で回転軸線Ｄに対して第３の距離ｄ３をおいて延在しており、２つの測定値発信器３２および３４の間で回転軸線Ｄを中心とした第１の角度範囲ａ１にわたって延在している。

第２の最大値発信器トラック３８は、回転軸線Ｄに対して第４の距離ｄ４を有し、回転軸線Ｄを中心とした第２の角度範囲ａ２にわたって延在している。なお、第２の角度範囲ａ２は、回転軸線Ｄにおける第１の角度範囲ａ１の鏡像に相当する。

図示の実施形態によれば、第３の距離ｄ３は第１の距離ｄ１よりも小さく、第４の距離ｄ４は第２の距離ｄ２よりも大きい。

図３には、測定システムの測定信号Ｓが時間ｔ軸上にプロットされており、ここでは、測定信号Ｓから回転軸線と測定値発信器との間の距離が求められ、評価ユニットによって磁界センサ装置２０の２つの磁界センサ２４，２６の測定値から計算されている。回転軸線Ｄを中心とした本体１００の回転によって、最小値発信器トラック３６と、第１の測定値発信器３２と、最大値発信器トラック３８と、第２の測定値発信器３４とが、磁界センサ装置２０の２つの磁界センサ２４，２６の傍を周期的に順々に通過する。図３では、２つの測定値発信器３２，３４のうちの１つによって生成されたそれぞれの測定信号Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３が、最小値発信器トラック３６によって生成された下限値Ｇ_１と、最大値発信器トラック３８によって生成された上限値Ｇ_２とによって、どのように取り囲まれるかが見て取れる。

図示されていない１つの実施形態では、第１の測定値発信器３２および第２の測定値発信器３４は、それぞれ図示されていない制御ユニットとの作用接続を有する。この作用接続は、液圧的および／または電気的に形成することができる。制御ユニットによって位置調節力の大きさおよび方向を調整することができ、これによって測定値発信器の位置を調整することができる。

図示されていない１つの実施形態では、位置調節力が、好ましくはばね要素を含む復元力として形成されている。

図４には、本発明による発信器ユニット３０の別の実施形態が図示されている。以下では、図１との相違点のみが説明される。

２つの測定値発信器３２および３４は、遠心力とは逆向きに作用する、回転の中心に向かう半径方向の復元力がそれぞれの測定値発信器３２，３４に作用するように、ばね要素４０によって互いに結合されている。

Claims

回転軸線（Ｄ）を中心にして回転する本体（１００）の位置を検出するための測定システム（１０）であって、前記測定システム（１０）は、発信器ユニット（３０）と、磁界センサ装置（２０）と、前記磁界センサ装置（２０）の測定信号を評価するための評価ユニットとを有し、
・前記磁界センサ装置（２０）は、磁界（Ｈ）を発生させるためのバイアス磁石（２２）と、前記回転軸線（Ｄ）に対して平行に延在する磁界成分（Ｈｚ）を検出するための少なくとも１つの第１の磁界センサ（２４）と、前記回転軸線（Ｄ）に対して垂直に前記回転軸線（Ｄ）の方向に延在する磁界成分（Ｈｙ）を検出するための少なくとも１つの第２の磁界センサ（２６）とを有し、
・前記第１の磁界センサ（２４）および前記第２の磁界センサ（２６）は、それぞれ前記バイアス磁石（２２）と前記回転する本体（１００）との間に配置されており、
・前記発信器ユニット（３０）は、前記本体（１００）の、前記磁界センサ装置（２０）の方を向いた表面に固定的に接続されており、
・前記発信器ユニット（３０）は、少なくとも１つの測定値発信器（３２，３４）と、前記測定値発信器（３２，３４）のための少なくとも１つの線形の強制ガイド部（３２．１，３４．１）とを有し、
・前記少なくとも１つの測定値発信器（３２，３４）は、前記線形の強制ガイド部（３２．１，３４．１）内で、前記回転軸線（Ｄ）に対する第１の距離（ｄ１）と第２の距離（ｄ２）との間で、第１の平面内で前記回転軸線（Ｄ）に対して半径方向にガイドされており、前記磁界（Ｈ）を局所的に変化させるために強磁性材料を含み、
・前記第１の平面は、前記回転軸線（Ｄ）に対して垂直に延在しており、
・前記第１の距離（ｄ１）は、前記第２の距離（ｄ２）よりも小さい、
測定システム（１０）において、
・前記発信器ユニット（３０）は、少なくとも１つの最小値発信器トラック（３６）および少なくとも１つの最大値発信器トラック（３８）を有し、
・前記少なくとも１つの最小値発信器トラック（３６）および前記少なくとも１つの最大値発信器トラック（３８）は、それぞれ強磁性材料を含み、前記本体（１００）と前記磁界センサ装置（２０）との間に配置されており、
・前記少なくとも１つの最小値発信器トラック（３６）は、前記回転軸線（Ｄ）に対して第３の距離（ｄ３）をおいて、前記回転軸線（Ｄ）を中心とした第１の角度範囲（ａ１）にわたって延在しており、
・前記少なくとも１つの最大値発信器トラック（３８）は、前記回転軸線（Ｄ）に対して第４の距離（ｄ４）をおいて、前記回転軸線（Ｄ）を中心とした第２の角度範囲（ａ２）にわたって延在しており、
・前記第３の距離（ｄ３）は、前記第４の距離（ｄ４）よりも小さく、
・前記測定値発信器（３２，３４）の前記強制ガイド部（３２．１，３４．１）は、前記回転軸線（Ｄ）に沿った投影図において、前記第１の角度範囲（ａ１）と前記第２の角度範囲（ａ２）との間に配置されており、前記第１の角度範囲（ａ１）および前記第２の角度範囲（ａ２）は、それぞれ前記強制ガイド部（３２．１，３４．１）に対して最大４５°の距離を有し、
・前記少なくとも１つの最小値発信器トラック（３６）および前記少なくとも１つの最大値発信器トラック（３８）は、前記本体の回転運動中、前記磁界センサ装置（２０）にそれぞれ１つの限界値を供給する、
ことを特徴とする測定システム（１０）。
前記第３の距離（ｄ３）は、前記第１の距離（ｄ１）以下であり、
前記第４の距離（ｄ４）は、前記第２の距離（ｄ２）以上である、
請求項１記載の測定システム（１０）。
前記第１の角度範囲（ａ１）および前記第２の角度範囲（ａ２）は、前記回転軸線（Ｄ）に沿った投影図において、それぞれ前記強制ガイド部（３２．１，３４．１）に対して最大１５°または最大５°の距離を有する、
請求項１または２記載の測定システム（１０）。
前記発信器ユニット（３０）は、少なくとも２つの測定値発信器（３２，３４）を有する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の測定システム（１０）。
前記測定値発信器（３２，３４）は、前記回転軸線（Ｄ）に対して点対称に配置されている、
請求項４記載の測定システム（１０）。
前記発信器ユニット（３０）は、少なくとも２つの最小値発信器トラック（３６）および少なくとも２つの最大値発信器トラック（３８）を有する、
請求項１から５までのいずれか１項記載の測定システム（１０）。
前記磁界センサ装置（２０）の前記第１の磁界センサ（２４）および前記第２の磁界センサ（２６）は、それぞれ前記回転軸線（Ｄ）に対して離間されて配置されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の測定システム（１０）。
前記発信器ユニット（３０）は、少なくとも１つの制御された測定値発信器を有し、
前記測定値発信器（３２，３４）は、制御ユニットと液圧的および／または電気的および／または電気機械的に作用接続されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の測定システム（１０）。
前記制御ユニットによって発生された位置調節力によって、前記少なくとも１つの測定値発信器の位置を、回転数に依存しても回転数に依存せずとも、前記線形の強制ガイド部内で調整することができる、
請求項８記載の測定システム（１０）。
前記発信器ユニット（３０）は、少なくとも１つのばね要素（４０）を有し、
前記少なくとも１つのばね要素（４０）の第１の端部は、前記少なくとも１つの測定値発信器（３２，３４）に取り付けられており、
前記ばね要素（４０）の第２の端部は、前記測定値発信器（３２，３４）から前記回転軸線（Ｄ）を通って延在する放射に沿った位置で保持されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の測定システム（１０）。
前記少なくとも１つの測定値発信器（３２，３４）は、前記回転軸線へ向かう方向に復元力を受け、
前記復元力は、遠心力の大きさに依存している、
請求項１０記載の測定システム（１０）。