JPH06507500A - 複数回転数に亘る回転角度の絶対測定のための角度位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 複数回転数に亘る回転角度の絶対測定のための角度位置センサ本願発明は、角度 位置センサ、すなわち、角度位置のためのセンサあるいは検出器に関する。

たとえばエンジンシャフトの形態において回転する部品の回転角度位置を何回か の回転数にわたって絶対的に計測するために、公知のセンサか採用されている。

それらの技術的な機能は、増加的に作動しかつ計数動作をもって作動するセンサ とは違い、たとえばスイッチ・オンの後、あるいは作動の停止の後といったあら ゆる作動状態においてそれぞれ正確な回転角度あるいは角度位置をもった出力を 提供するものであるという点に見出される。

この種の回転センサの例がトイ゛人うインフェルデンーエヒテルリンゲンのＥＵ ＣＲＯＮの企業刊行物であるＩＭＡＳ（誘導変調型絶対計測システム（［ｎｄｕ ｋｔｉｖｅｓ　Ｍｏｄｕｌａｒｅｓ　Ａｂｓｏｌｕｔｍｅβｓｙｓｔｅｍ　）　 ）に記載されている。この回転センサは、変速機構の手段によって順次互いに連 結されている粗角変位置センサ要素と、細密角度位置センサ要素とからなってい る。一端が上記センサ要素に連結されるとともに他端が処理電子サーキットリに 連結されているマルチプレクサを用い、個々のセンサ要素からの角度情報か順次 的に処理される。上記マルチプレクサの駆動および個々のセンサ要素の選択は、 異なるＤＣレベルによって行われ、この異なるＤＣレベルは上記センサ要素の励 起電圧を変調するために用いられるとともに、処理回路によって上記マルチプレ クサに供給される。上記マルチプレクサは、センサ信号をスイッチングするため の半導体スイッチ、およびＤＣ制陣レベルを検出するための比較器のような半導 体構成要素からできている。上記マルチプレクサを駆動するための補助エネルギ は、整流器の助力によって、上記センサ要素励起電圧から引き出される。この回 転センサの欠点は、計測点において半導体構成要素を集積化する場合に生しる。

このような構成要素は、センサをして、駆動技術においてありがちな干渉電界お よび磁界や温度の極端な変化といった周囲の影響を受けやすくしてしまう。

他の角度位置センサがドイツ特許公開環３．７３４．９３８　ＡＩに記載されて いる。この装置は、変速機構の手段によって互いに連結された複数のレゾルノ（ を備えている。

変速比は、２ＥＸＰ（Ｎ）に設定される。コート゛は、それぞれ、シングル・ス テップ・コードあるいは巡回コードである。個々のセンサ要素からの角度情報の 結合は、冗長ビットの手段によって行われる。この装置の欠点は、処理サーキ・ クトリのために、一定の速度比に限定されるということである。このことは、有 利であるへき小さなユニットの形態において設計を行うことに関して、最適化を なんらかの恰好で損なってしまう。さらに、シングル・ステップ・コードに限定 する場合に欠点がみられる。このようなコートは、標準的な工業上の制御ユニツ ト内て処理するために、コード変換器の手段によって通常の二重コートに変換す る必要かある。さらなる欠点としては、処理回路に因り、個々のセンサ要素から の角度情報の結合のためには、一つのシングル・ビット・ディジットに制限され てしまうということである。これにより、変速機構の変速バックラッシュのため の許容誤差が、各先行する軸の１／４回転に限定されてしまう。その結果、変速 機構の設計に対する機械的な複雑さか必要以上に増大してしまう。そして、レゾ ルノくを用いる必要のために、コストが高騰してしまうという欠点もある。

その他のセンサが、ドイツ特許公開環３．２４６．９５９　Ｃに開示されている 。このセンサの場合、複数個のセンサ要素がステップ・ダウン型微分変速機構を 用いて、小さなステップ・ダウン比をもって直列に連結されている。この微分型 駆動を高速入力軸に対して用いることの欠点は、順次連結される後続のセンサ要 素のロータ速度が高くなるということである。これにより、軸受に高負荷がかか り、機械的設計か高価なものとなる。

ドイツ特許公開環３．２４６．９５９およびドイツ特許公開環３．７３４．９３ ８の双方には、マルチプレックスの手法によってセンサ要素からの信号を順次的 に処理することか示されている。しかしながら、低価格において不具合のないマ ルチプレクサは提供されてはいない。

ドイツ特許公開環２．９０７．６７２には、１またはそれ以上の角度エンコーダ の情報ビットを順次的に処理するために環状芯チョークを採用することが開示さ れている。これには、磁気的に符号化を行う単一要素を用いた角度エンコーダの デジタル設計が非常に複雑となり、かつ、得ることのできる角度分解能が低いと いう欠点がある。

光学的な絶対角度センサおよび容量型の回転角度センサがドイツ特許公開環２゜ ９３８、３１８　Ｃおよび第３．７１１．０６２　Ｃに開示されている。これら は、光学的に符号化された部分、あるいは、角度情報を符号化するだめの静止コ ンデンサ・プレートおよび回転コンデサ・プレートをそれぞれ有するガラス・デ ィスクを利用している。この光学的および容量型センサの欠点は、集積化された 信号処理電子システムのために、干渉電界および磁界ならびに著しい温度揺らぎ をも検出してしまうということである。この光学的センサの他の欠点は、振動お よびソイリングに関してガラス・ディスクが感度をもつということである。

本願発明の一つの目的は、満足な分解能をもつ一方で、電気的、磁気的、電磁実 質的に受けない複数回転数にわたる回転角度の計測のための角度位置センサを提 供することである。

本願発明は、複数の回転数に亘って回転角度の絶対計測を行うための角度位置セ ンサに関するものであって、細密角度位置センサ要素としてモニタされるべき回 転軸に接続されるレゾルバおよびステップ・ダウン変速機構によってそれぞれ接 続された複数の誘導型組角度位置センサ要素と、上記誘導型センサ要素からのア ナログＡＣ出力信号を変調するとともに２進データ語に変換するためのアナログ ／デジタル変換器と、上記アナログ／デジタル変換器に個々のセンサ要素のアナ ログ信号を順次的に供給する時間マルチプレクサと、２進語として提供される個 々のセンサ要素の角度位置情報を中間的にストアするとともに、この情報を複数 の回転数に亘る絶対的な角度情報として結合する電子処理回路と、を含んでおり 、これにおいて、上記時間マルチプレクサのスイッチング要素として、環状芯チ ョークが設けられており、かつ、この環状芯チョークは、スイッチング巻き線と 、被スイッチング巻き線とを持っている。

本願発明によれば、時間分割マルチプレックス装置のスイチング要素として、環 状芯チョークか採用されている。マルチプレックス技術において誘導型スイッチ ング要素を用いると、センサの強度および感度を弱めることなく、配線を節約で きるという利点がある。

上記環状芯チョークは、スイッチング巻き線と、被スイッチング巻き線ともって いる。上記環状芯チョークの磁性材料は、はぼ一定な高い微分透磁率の部分と、 はぼ一定の低い透磁率の部分とをもつ磁化曲線をもっている。スイッチ・オフさ れた、あるいは遮蔽された状態における充分に高い誘導抵抗の形成により、かつ 、スイッチ・オンされた状態における充分低い誘導抵抗の形成により、このチョ ークをＡＣのためのスイッチ要素として使用することが可能となる。

この環状芯チョークの磁性材料は、低い保磁力をもっている。これにより、チョ ークのｒスイッチ・オンされた」状態におけるスイッチングされるべきＡＣの歪 みを低く保持することが可能になる。

各センサに配線を介して接続される上記電子処理回路は、計測点から離れた位置 に配置することができる。これにより、さもなくば周囲環境の影響を受けやすい 上記処理回路を制御ボックス内で調整することかできる利点が生しる。

本願発明による上記角度位置センサ、換言すると回転角度センサは、存利にも、 専ら誘導型構成要素からなっており、環境に対するその電磁気的、熱的および機 械的適合性は特に強くかつ耐性がある。

上記レゾルバおよびその出力に連結されたセンサ要素からのデジタル角度情報の 結合は、電子処理回路によって行われる。上記粗センサ要素からの角度情報のア ナログ／デジタル変換が細密センサ要素におけると同様の分解能をもって行われ るので、結合演算のために有効なただ一つ以上の冗長情報ビットか存在する。

これにより、変速機構のバックラッシュに関して許容公差を大きくすることか可 能になる（ただ一つの単一冗長情報ビットを用いる場合、±１／４回転に比較し て、変速機構の入力軸の±１／２回転）か、または、変速機構のバックラッシュ に関するある許容公差のために、より高いステップ・ダウン比を選択することが 可能になる。さらに、上記粗センサ要素の角度情報の分解能が高められるために 、エラー認識が可能となり、このエラー認識により、上記変速機構の等級あるい は磨耗の検出か可能となる。プログラム可能な処理回路のために、変速機構をあ る変速比あるいは互いに等しい変速比に制限する必要はなくなる。このことは、 有利にも、上記変速機構の機械的な全体寸法を最小とすることかできる。全ての 角度位置センサ要素からの信号の処理は、作動状態、たとえば電源に対するスイ ッチングにしたかった形態において行われる。通常の作動の間は、上記細密角度 位置センサ要素からの信号のみが処理され、全回転数は、上記処理量を計数する ことによって増加的に計測される。

本願発明のさらに利点のある改良および都合のよい形態は、添付図面を参照して 以下に行う一つの好ましい実施例の詳細な説明的開示から明らかとなろう。

図１は、角度位置センサとその処理回路の模式図である。

図２は、上記角度位置センサからの出力電圧における振幅の変化を示している。

図３は、誘導型スイッチ要素の好ましい実施例を示している。

図４は、上記誘導型スイッチ要素の特性を示している。

図５は、上記マルチプレクサの概略形態をスイッチ要素とともに示している。

図１は、角度位置センサ１およびこれに接続された電子処理回路ｌＯを示してい る。レゾルバ３は、回転角度の検出のための上記角度位置センサの第一の細密角 度位置センサ要素を提供しており、これは、その機械的な回転角度位置か計測さ れる出力シャフト２に対して直接連結されている。

ステップ・ダウン変速機構４．６を介して、複数の粗角変位置センサ要素５゜７ が上記シャフトに対して順に結合されている。上記センサ要素３．　５．　７の それぞれは、２つの入力線Ｌｅｌ（ｉ）、　Ｌｅ２（ｉ）を介して励起ＡＣＵｅ （ｉ）を受け取る。上記各センサ要素３．　５．　７のそれぞれは、２つの出力 線Ｌｓｌ（ｉ）、　Ｌｓ２（ｉ）を介して出力電圧Ｕｓｉｎ（ｉ）を供給し、カ リ、他の二つの出力線しｃｌ（ｉ）、　Ｌｃ２（２）を介して出力電圧Ｕｃｏｓ （ｉ）を供給する。上記センサ要素３．　５．　７の入力線および出力線は、好 ましくは回転センサの領域内に組み込まれたマルチプレクサ８に接続されている 。このマルチプレクサ８は、ケーブル９を介して上記電子処理回路１０に接続さ れている。上記ケーブルは、好ましくは６本の芯線Ｌｅ１．　Ｌｅ２．　Ｌｓｌ 、　Ｌｓ２．　Ｌｃｌ、　Ｌｃ２とともに複数の制御線５（ｉ）を含んでいる。

上記処理回路ＩＯは、上記角度位置センサ要素のための励起電圧Ｕｅを発生する ための発信器１１と、上記センサ信号ｔｌｓｉｎおよび１ｃｏｓを復調するとと もに、アナログ／デジタル変換するためのアナログ／デジタル変換器１２と、上 記マルチプレクサのスイッチ要素を駆動するための駆動回路１３と、上記角度位 置センサ要素からの全ての信号を順次的に処理するためのプログラム可能な演算 制御装置あるいはＣＰＵＩ４と、上記側々のセンサ要素３．　５．　７からの出 力信号を中間的にストアするためのメモ１月５とをもっている。

図１に示されるように、励起ＡＣを供給する線Ｌｅ１．　Ｌｅ２は、上記発信器 １１に接続される一方、上記出力電圧Ｕｓｉｎ（ｉ）、　Ｕｃｏｓ（ｉ）を供給 する上記出力線は、上記アナログ／デジタル変換器１２に連結されている。

参照番号１６は、出力側に信号線１７をもつ駆動回路を示しており、これを介し て、絶対角度値が監視制御および／または調整ユニットに伝達される。

同様に、図１に示されているように、各センサ要素３．　５．　７の出力信号は 、上記マルチプレクサ８に接続されている６つの線を介して、上記処理回路１０ に供給され、処理回路１０は、制御および調整回路を介して上記駆動シャフト２ を駆動するモータ（図示略）を制御しまたは調整するべく、上記角度位置センサ １からの出力信号をこれを処理した後に提供する。

本願発明の図示された実施例における上記マルチプレクサ８から、上記アナログ ／デジタル変換器１２はアナログ信号を受け取り、この信号はデジタル信号に変 換される。上記演算制御装置１４は、個々のセンサ要素３．　５．　７から好ま しくは２進語として回転角度情報（回転位置情報）を受け取り、これを中間的に ストアする。上記演算制御装置１４は、各センサ要素３．　５．　７からの出力 信号を、絶対角度情報を得るべく本来的に公知な手法で結合する。この絶対角度 情報は、好ましくは上記出力シャフトの複数の回転数が考慮される。

図２は、各センサ要素３．　５．　７の出力電圧Ｕｓｉｎ１８およびＵｃｏｓ　 １９の変化を波形としての振幅において、ロータあるいは出力シャフト２の角度 位置に対応するようにして示しており、概して、正弦関数あるいは余弦関数にそ れぞれ対応している。

図３は、上記マルチプレクサ８のためのスイッチ要素の好ましい実施例を示して いる。磁気的に弱い特性をもつ磁性材料からなる環状芯チョーク２０は、スイッ チング巻き線２１と被スイッング巻き線２２とを含んでおり、これらは図３に従 えば、好ましくは上記環状芯２０に互いに反対方向に巻かれている。図３に示さ れたタイプのスイッチング要素ＳｌないしＳ１８か、図３において図示された結 合点Ｋｌないしに６をもつマルチプレクサ８内に配置されており、したがって、 時間マルチプレックス作動において、各センサ３．　５．　７からの線Ｌｅｔ（ ｉ）、　Ｌｅ２（１）・・・・・・・・・Ｌｃ２（ｉ）への出力信号は、それぞ れ処理回路ｌＯに与えられる。別言すると、このことは、本願発明によれば、図 示された実施例において上記マルチプレクサ８は、各センサに対して６つの上記 のようなスイッチ要素をもつということを意味する。そして、このことは、セン サ要素３．　５．　７に接続される入力線の数になんらかの依存をするのである 。

図４は、上記環状芯の磁化特性を参照した上記スイッチ要素の作動形態を示して いる。環状芯チョークの使用には、個々の作用点（作動点）における微分透磁率 に大きな相違を必要とするとともに同時に低磁気反転損失をもつ必要がある。

これは、それぞれＺ聖母化特性をもつ低残磁性の、あるいは弱磁特性の磁性材料 を用いることにより達成される。上記磁界強度Ｈの関数としての磁束密度りを示 す上記磁化特性は、図４に示されるように、はぼ直線状の急勾配部分２３と、２ つのほぼ直線状のゆるやかな勾配の部分２４．２５とをもっている。角度回転す る材料の保磁力は低い。したがって、磁性材料からなる環状芯は、実際上ヒステ リシスかなく、かっ、はんの小さな磁気反転損失を生じるだけになる。

上記被スイッチング巻き線２２のスイッチング効果は、その誘導抵抗の変化によ って得られる。これは、上記被スイッチング巻き線２２の駆動電流によって生し る磁界を用いた上記環状芯の予磁化によって達成される。上記スイッチング巻き 線に電流か流れていないとき、被スイッチング巻き線２２の「オフ」作用点２６ か高い微分透磁率をもった上記磁化特性の座標原点に表れる。次いで、高い誘導 抵抗の「オンＪスイッチング状態か生じる。もし上記スイッング巻き線２１に充 分に高いレベルのＤＣか流れると、上記予磁化により、低い微分透磁率をもった 特性で作用するゆるやかな傾斜上に上記被スイッチ巻き線のＦオン」作用点２７ か生しる。続いて、同様に、スイッチングの「オン」状態のためのより小さな誘 導抵抗か生しる。上記被駆動コイル２２は、専ら前述した「オン」作用点および 「オフ」作用点において作動させられる。スイッチ・オン状態における上記被ス イッチング巻き線２２のインピーダンスによる電圧降下は、計測されたデータ信 号に誤りを生しさせる。上記Ｕｓｉｎ（ｉ）およびＵｃｏｓ（ｉ）信号のレシオ メトリックな処理を行っていることから、上記のようなことはなくなり、同様に 電源ラインの抵抗に起因するエラーもなくなる。

図５は、出力電圧Ｕｓｉｎ（１）、　Ｕｃｏｓ（１）、　Ｕｓｉｎ（２）、およ びＵｃｏｓ（２）および励起電圧Ｕｅ（１）およびＵｅ（２）をそれぞれもつ２ つのセンサ要素２８．２９についての回路設計の一例を示している。上記２つの グループのひとつはそれぞれ制御線３２，３４および制御線３３．３４を介した 電流によって駆動される。センサ要素２８または２９を選択することによって選 択された出力電圧は、接続線を介して、低抵抗で、すなわち低インピーダンスで 上記処理電子回路１０に切替え接続される。

図５に示されることから、制御線３２．３３．３４に対する電流信号を適当とす ることによって、それぞれのスイッチング巻き線２１ａ、２１ｂ・・・・・・・ ・・２＋ｆおよび２１ａ′・・・・・・・・２１ｆ’か駆動され、このようにし て、各被スイッチング巻き線２２ａ、２２ｂ・・・の信号か誘導のためにオンに 切り替えられる、ということが理解されよう。したがって、制御線３２．３４に 対するオン切り替え信号により、図５の上方のグループのスイッチング要素のス イッチング巻き線２１ａ。

２１ｂ・・・・・・・・・か駆動され、制御線３３．３４に対するオン切り替え 信号により、図５の下方のグループのスイッチング要素のスイッチング巻き線２ １ａ’、２１ｂ’・・・・・・・・・が駆動される。上方のグループは本願発明 の実施例として、センサ要素の２８に連係させられており、下方のグループは、 センサ要素２９に連係させられている。

個々の線の結合点はしたかって、図１および図５においてに１ないしに６として 示されており、これらは、各センサ要素におけるそれぞれ交互に連係される被ス イッチング巻き線２２の出力線を連結している。スイッチ・オンされた状態にお ける環状芯の微分透磁率とスイッチ・オフされた状態における微分透磁率との間 の比は、「オン」スイッチングする状態と「オフ」スイッチングする状態のため の被スイッチング巻き線のスイッチング比５Ｖ＝Ｚｏｆｆ　／Ｚｏｎを決定する （ＳＶニスイツチング比、Ｚｏｆｆ　・　「オフ」状態でのＡＣ抵抗、Ｚｏｎ： ｒオン」状態てのＡＣ抵抗）。スイッチ・オン状態にあるＡＣ抵抗は無制限に大 きくならず、かつスイッチ・オン状態において無制限に小さくならないので、ス イッチング要素のスイッチング比ＳＶにしたかってスイッチ・オンされたセンサ 要素およびスイッチ・オフされたセンサ要素により供給される電圧は、上記結合 点において互いに加算される。本願発明の図５に示す実施例において、スイッチ ング要素の２２ａないし２２ｆがスイッチ・オンされ、スイッチング要素の２２ ａ′ないし２２ｆ’かスイッチ・オフされたとすると、該当する各スイッチ要素 のスイッチング比Ｓｖにしたかって上記結合点Ｋｌ−に２間の電圧Ｕｓｉｎは比 例的に立ち上がる。

計測結果のエラーを低くおさえるために、Ｓｖは充分に大きくしておく必要があ る。これは、適当な磁性材料を選択することにより、および、被スイッチング環 状芯チョークの巻き線（２２ａおよび２２ｆ、２２ａ’ないし２２ｆ’）の長さ を適当とすることにより行われる。

計測信号ＵｓｉｎおよびＵｃｏｓの処理電子装置１０への適合は抵抗Ｒａを介し て高抵抗で（すなわち高インピーダンスをもって）行われるため、計算回路に対 する付加的な電流負荷に因るエラーは発生しない（図５参照）。

上記保磁力は、磁石材料のヒステリシスを表す。このヒステリシスは、「オフ」 スイッチング状態のための被動コイルの誘導抵抗に影響を及ぼす。さらに磁気反 転損失により、エネルギが計測技から引き出され、その結果、信号振幅が減しら れる。上記環状芯の磁性材料の保磁力はしたがって、計測信号においてこれより 生じるエラーを上記センサ要素の計測の正確さと同程度にするべく、十分に小さ くする必要がある。

本願発明の利へは、作動環境に対する電磁的、熱的および機械的適合性について の実質的な強さのためにあり、かつ、製造価格の安さと計測の高い正確性にある 。

本願発明の実施例の利点によれば、処理回路１０を計測点から離れた位置に配置 することかできる。すなわち、モータやセンサ要素のすぐ近くに配置しなくても よくなるのである。

Ｎ＼ Ｆｉｑ、３ Ｆｉｇ、→ 国際調査報告

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．細密角度位置センサ要素のとしてモニタされるべき回転軸に接続されるレゾ ルバおよびステップ・ダウン変速機構によってそれぞれ接続された複数の粗角度 位置センサ要素と、ここにおいて上記粗角度位置センサ要素は誘導センサ要素で あり、上記誘導型センサ要素からのアナログＡＣ出力信号を変調するとともに２ 進データ語に変換するためのアナログ／デジタル変換器と、上記アナログ／デジ タル変換器に個々のセンサ要素のアナログ信号を順次的に供給する時間マルチプ レクサと、２進語として提供される個々のセンサ要素の角度位置情報を中間的に ストアするとともに、この情報を複数の回転数に亘る絶対的な角度情報として結 合する電子処理回路と、を含んでおり、これにおいて、上記時間マルチプレクサ はスイッチング要素を含んでおり、これにおいてスイッチング要素として環状芯 チョークが用いられており、かつ、この環状芯チョークは、スイッチング巻き線 と被スイッチング巻き線とを持っている、複数の回転数に亘って回転角度の絶対 計測を行うための角度位置センサ。
2. ２．上記環状芯チョークの磁性材料は、ほぼ一定な高微分透磁率の部分と、ほぼ 一定の低微分透磁率の部分とをもつ磁化特性をもっている、請求項１のセンサ。
3. ３．上記環状芯チョークの磁性材料は、低保磁力をもっている、請求項１または ２のセンサ。
4. ４．上記処理回路は、計測点から離れた位置に配置されている、請求項１ないし ３のいずれかのセンサ。