特許 6366830 回転する構成部材の回転角度を非接触式に検出するためのセンサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6366830

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】回転する構成部材の回転角度を非接触式に検出するためのセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/20 20060101AFI20180723BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/20 K

【請求項の数】7

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-519248(P2017-519248)

(86)(22)【出願日】2015年10月1日

(65)【公表番号】特表2017-530368(P2017-530368A)

(43)【公表日】2017年10月12日

(86)【国際出願番号】EP2015072694

(87)【国際公開番号】WO2016055348

(87)【国際公開日】20160414

【審査請求日】2017年4月10日

(31)【優先権主張番号】102014220446.1

(32)【優先日】2014年10月9日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】シュテファン ライディヒ

(72)【発明者】

【氏名】イェアク オーバーレンダー

(72)【発明者】

【氏名】オリヴァー クライル

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−００７７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１３３０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０９７９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２５３５７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１６４８６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１９６０１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００７０３７２１７（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転する構成部材の回転角度を非接触式に検出するためのセンサ装置であって、
前記回転する構成部材は、ディスク状のターゲット（２０）に結合されており、当該ターゲット（２０）は、少なくとも１つの金属面（２４）を有しており、且つ、少なくとも１つの平坦な検出コイル（４２，４４，４６）を備えたコイル装置（４０）と共に、前記回転する構成部材の瞬時回転角度を求めるための少なくとも１つの情報を形成し、
少なくとも１つの測定回路（３）が、回転する前記ターゲット（２０）の前記少なくとも１つの金属面（２４）との重畳度に依存して、渦電流効果によって変化する、対応する平坦な検出コイル（４２，４４，４６）のインダクタンス（Ｌ）を測定信号（Ｕ_M）に変換し、
計算及び制御ユニット（１０）が、前記測定信号（Ｕ_M）を受け取り、当該測定信号（Ｕ_M）に基づいて、前記回転角度が計算される、センサ装置において、
前記少なくとも１つの測定回路（３）は、複数の電子スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を有しており、前記計算及び制御ユニット（１０）は、前記複数の電子スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を対応する制御信号（Ａ１，Ａ２，Ａ３）を介して切り換え、前記計算及び制御ユニット（１０）は、励磁段階中に、第１の制御信号（Ａ１）を介して第１の電子スイッチ（Ｓ１）を切り換え、且つ、第２の制御信号（Ａ２）を介して第２の電子スイッチ（Ｓ２）を切り換え、前記第１の電子スイッチ（Ｓ１）は、前記検出コイル（４２，４４，４６）を動作電圧（Ｕ_B）に接続し、且つ、前記第２の電子スイッチ（Ｓ２）は、前記検出コイル（４２，４４，４６）を基準電位に接続し、
前記計算及び制御ユニット（１０）は、測定過程の開始時に、前記検出コイル（４２，４４，４６）を、前記第２の電子スイッチ（Ｓ２）を切り換えて前記基準電位から切り離す、ことを特徴とする、センサ装置。

【請求項2】

前記測定信号（Ｕ_M）は、電圧信号又は電流信号である、請求項１に記載のセンサ装置。

【請求項3】

前記少なくとも１つの測定回路（３）は、コンデンサ（Ｃ）を含んでおり、当該コンデンサ（Ｃ）は、前記検出コイル（４２，４４，４６）に電気的に並列に接続されており、且つ、測定過程中に前記検出コイル（４２，４４，４６）の前記インダクタンス（Ｌ）によって蓄積されたエネルギを受け取る、請求項１又は２に記載のセンサ装置。

【請求項4】

前記検出コイル（４２，４４，４６）の前記インダクタンス（Ｌ）の磁気エネルギを、整流された電流パルスを用いて、ダイオード（Ｄ）を介して前記コンデンサ（Ｃ）へと伝達することができ、前記コンデンサ（Ｃ）は伝達されたエネルギを電気エネルギとして蓄積する、請求項３に記載のセンサ装置。

【請求項5】

前記コンデンサ（Ｃ）は、蓄積された前記電気エネルギを、計算過程の間に、前記測定信号（Ｕ_M）として前記計算及び制御ユニット（１０）に出力する、請求項４に記載のセンサ装置。

【請求項6】

前記計算及び制御ユニット（１０）は、計算過程の開始時に、前記第１の電子スイッチ（Ｓ１）を切り換えて、前記少なくとも１つの検出コイル（４２，４４，４６）を動作電圧（Ｕ_B）から切り離し、且つ、第３の制御信号（Ａ３）を介して第３の電子スイッチ（Ｓ３）を切り換え、前記コンデンサ（Ｃ）の接続点を基準電位に接続し、
前記計算及び制御ユニット（１０）は、前記コンデンサ（Ｃ）及び対応する前記検出コイル（４２，４４，４６）の１つの共通の接続点において、前記測定信号（Ｕ_M）を取り出す、請求項３から５までのいずれか１項に記載のセンサ装置。

【請求項7】

前記計算及び制御ユニット（１０）は、前記測定信号（Ｕ_M）を計算する、Ａ／Ｄ変換器を備えたマイクロコントローラを有している、請求項６に記載のセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、独立請求項１の上位概念に記載されている、回転角度を非接触式に検出するためのセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

回転する構成部材の回転角度の測定は、通常の場合、磁気センサを使用して行われる。その際、測定すべき、回転する構成部材には、永久磁石が設けられる。例えば集積回路に集積することができる、対応する磁場センサは、磁場強度を２つ又は３つの空間方向において測定して、角度方向を導出する。

【0003】

更に、従来技術からは、種々の誘導性角度センサが公知である。多くの場合、１つの励磁コイルと１つ又は複数のセンサコイルの結合は、結合素子（ターゲット）の回転角度位置によって影響を受ける。結合係数の評価は、複雑な電子装置を必要とする。

【0004】

独国特許出願公開第１９７３８８３６号明細書（DE 197 38 836 A1）には、例えば、ステータ部材、ロータ部材及び評価回路を備えた、誘導性角度センサが開示されている。ステータ部材は、周期的な交流電圧が印加される１つの励磁コイル及び複数の受信コイルを有している。ロータ部材は、ステータ部材に対して相対的な自身の角度位置に依存して、励磁コイルと受信コイルの誘導結合の強さを設定する。評価回路は、受信コイルに誘導された電圧信号から、ステータ部材に対して相対的なロータ部材の角度位置を特定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】独国特許出願公開第１９７３８８３６号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

発明の開示
独立請求項１の特徴を備えている、回転角度を非接触式に検出するための本発明に係るセンサ装置は、これに対して、コイルインダクタンス乃至金属製カバーの少なくとも１つの検出コイルへの作用の評価乃至測定技術的な特定が、コイルインダクタンスの測定信号への変換を介して、有利にはアナログ電圧への変換を介して行われるといる利点を有している。実施される測定原理は、磁気エネルギを電気エネルギに変換する。このことは、検出コイルのインダクタンスの測定技術的な特定を、有利には、僅かなハードウェアコストで実現する。

【0007】

本発明に係るセンサ装置の実施の形態は、アナログ／ディジタル変換器を備えたマイクロコントローラと接続されている廉価な標準的構成部材を使用した、例えばトランジスタ、ダイオード及びコンデンサを使用した、本発明による測定原理の実施を実現する。その種のマイクロコントローラは、既に、大部分の車両に設けられているので、その種の誘導測定を簡単且つ廉価に実施することができる。更に、測定回路を、他の機能のために既にマイクロコントローラを含んでいるコンセプトに随時容易に組み込むことができる。構成部材の数が少ないことに基づき、特別なＡＳＩＣの開発は可能であるが、しかしながら不可欠ではない。従って、測定原理の使用は非常にフレキシブルに実現される。

【0008】

本発明の種々の実施の形態は、回転する構成部材の回転角度を非接触式に検出するためのセンサ装置を提供し、回転する構成部材は、ディスク状のターゲットに結合されており、このターゲットは、少なくとも１つの金属面を有しており、且つ、少なくとも１つの平坦な検出コイルを備えたコイル装置と共に、回転する構成部材の瞬時回転角度を求めるための少なくとも１つの情報を形成する。本発明によれば、少なくとも１つの測定回路が、回転するターゲットの少なくとも１つの金属面との重畳度に依存して、渦電流効果によって変化する、対応する平坦な検出コイルのインダクタンスを測定信号に変換し、評価及び制御ユニットが、この測定信号を測定技術的に検出し、回転角度を計算するために評価する。

【0009】

本発明において、評価及び制御ユニットとは、例えば検出されたセンサ信号を処理乃至評価する電気装置、例えば制御装置であると解することができる。評価及び制御ユニットは、ハードウェア及び／又はソフトウェアによって形成することができる、少なくとも１つのインタフェースを有することができる。ハードウェアによって形成される場合には、インタフェースは、例えばいわゆるシステムＡＳＩＣの一部であってよく、このシステムＡＳＩＣは評価及び制御ユニットの種々の機能を含んでいる。しかしながら、インタフェースは固有の集積回路であってもよいし、少なくとも部分的に離散的な構成要素から形成されていてもよい。ソフトウェアによって形成される場合には、インタフェースはソフトウェアモジュールであってよく、このソフトウェアモジュールは、例えばマイクロコントローラにおいて別のソフトウェアモジュールと一緒に設けられている。機械可読担体、例えば半導体メモリ、ハードディスクメモリ又は光学メモリに記憶されている、プログラムが評価及び制御ユニットによって実行されると、評価を実施するために使用されるプログラムコードを備えているコンピュータプログラム製品も有利である。

【0010】

従属請求項に記載されている措置及び発展形態によって、独立請求項１に記載されている、回転角度を非接触式に検出するためのセンサ装置の有利な改善が実現される。

【0011】

特に有利には、少なくとも１つの測定回路がコンデンサを含むことができ、このコンデンサは、評価すべき検出コイルに並列に接続され、また、測定過程中に検出コイルのインダクタンスによって蓄積されたエネルギを受け取ることができる。検出コイルのインダクタンスの磁気エネルギを、有利には、整流された電流パルスを用いて、ダイオードを介してコンデンサへと伝達することができ、このコンデンサは伝達されたエネルギを電気エネルギとして蓄積することができる。評価過程の間に、コンデンサは蓄積された電気エネルギを測定信号として評価及び制御ユニットに出力することができる。有利には、測定信号は、電圧信号又は電流信号である。

【0012】

本発明に係るセンサ装置の有利な構成においては、少なくとも１つの測定回路が、複数の電子スイッチを有することができ、評価及び制御ユニットはそれらの電子スイッチを、対応する制御信号を介して切り替えることができる。電子スイッチは、例えば、トランジスタとして、有利には電界効果トランジスタとして形成することができる。対応する電子スイッチの制御によって、評価及び制御ユニットは、評価すべき検出コイルを、励磁段階中に、動作電圧及び基準電位に接続することができる。測定過程の開始時に、評価及び制御ユニットは、例えば対応する電子スイッチを再度切り替えることによって、評価すべき検出コイルを基準電位から切り離すことができる。評価過程の開始時に、評価及び制御ユニットは、例えば対応する電子スイッチを再度切り替えることによって、少なくとも１つの検出コイルを動作電圧から切り離して、コンデンサの接続点を基準電位に接続することができる。評価及び制御ユニットは、コンデンサ及び対応する検出コイルの１つの共通の接続点において、測定信号を評価のために取り出すことができる。

【0013】

本発明に係るセンサ装置の別の有利な構成において、評価及び制御ユニットは、測定信号を評価することができる、Ａ／Ｄ変換器を備えたマイクロコントローラを有することができる。

【0014】

本発明の実施例は図面に示されている。以下の記述において、実施例を詳細に説明する。図中、同一の参照番号は、同一乃至類似の機能を実施する構成部分乃至構成要素を表している。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】回転角度を非接触式に検出するための本発明に係るセンサ装置の実施例の概略的な平面図を示す。

【図2】図１に示した本発明に係るセンサ装置のための測定回路の１つの実施例の概略的な回路図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施の形態
図１及び図２から見て取れるように、回転する構成部材の回転角度を非接触式に検出するための本発明に係るセンサ装置１の図示されている実施例は、回転する構成部材に結合されており、且つ、少なくとも１つの金属面２４を備えたリングディスク状のベースボディ２２を有しているターゲット２０と、少なくとも１つの平坦な検出コイル４２，４４，４６を備えており、且つ、円形の導体板３０に配置されているコイル装置４０と、を含んでいる。勿論、導体板３０は円形である必要はなく、導体板３０は他の適当な形状を有していてもよい。ターゲット２０は、コイル装置４０と共に、回転する構成部材の瞬時回転角度を求めるための少なくとも１つの情報を形成する。本発明によれば、少なくとも１つの測定回路３が、回転するターゲット２０の少なくとも１つの金属面２４との重畳度に依存して、渦電流効果によって変化する、対応する平坦な検出コイル４２，４４，４６のインダクタンスＬを測定信号Ｕ_Mに変換し、評価及び制御ユニット１０がこの測定信号Ｕ_Mを測定技術的に検出し、回転角度を計算するために評価する。

【0017】

図示されている実施例において、コイル装置４０は、３つの平坦な検出コイル４２，４４，４６を含んでおり、それらの検出コイル４２，４４，４６は円周部に均等に分散されて配置されており、また、回転するターゲット２０は、２つの金属面２４を含んでおり、それらの金属面２４は、渦電流効果によって、平坦な検出コイル４２，４４，４６のインダクタンスＬに、重畳度に依存する影響を及ぼす。この際、測定回路３は、各検出コイル４２，４４，４６のインダクタンス変化を表す測定信号Ｕ_Mを形成する。図示されている実施例において、センサ装置１は３つの測定回路３を含んでおり、各測定回路３は検出コイル４２，４４，４６のうちの１つに対応付けられている。

【0018】

図１から更に見て取れるように、コイル装置４０は、図示されている実施の形態において、円形の導体板３０に配置されており、且つ、評価及び制御ユニット１０と電気的に接続されている。図面においては透明なものとして表されている、ターゲット２０のリングディスク状のベースボディ２２は、軸線方向において所定の一定の距離を置いて、導体板３０の上又は下に配置されている。検出コイル４２，４４，４６と導電性の金属面２４との重畳によって、交流電流による検出コイル４２，４４，４６の励磁段階中に、誘導電圧が形成され、この誘導電圧が金属によって短絡される。電流は磁場を形成し、この磁場はその原因に反して作用する。これによって、最終的に、検出コイル４２，４４，４６のインダクタンスＬはより小さくなる。インダクタンスＬの測定によって、重畳度を特定することができ、従って、回転角度を特定することができる。図示されている実施例において、詳細には図示していない回転する構成部材は、十分な側方の遊びを伴って、導体板３０における円形の開口部を通って案内されており、且つ、ターゲット２０のベースボディ２２と相対回動不能に接続されている軸であってよい。

【0019】

図２から更に見て取れるように、少なくとも１つの測定回路３はコンデンサＣを含んでおり、このコンデンサＣは、評価すべき検出コイル４２，４４，４６に電気的に並列に接続されており、また、測定過程中に検出コイル４２，４４，４６のインダクタンスＬによって蓄積されたエネルギを受け取る。図示されている実施例において、検出コイル４２，４４，４６のインダクタンスＬの磁気エネルギを、整流された電流パルスを用いて、ダイオードＤを介してコンデンサＣへと伝達することができ、このコンデンサＣは、伝達されたエネルギを電気エネルギとして蓄積する。評価過程の間に、コンデンサＣは、蓄積された電気エネルギを測定信号Ｕ_Mとして評価及び制御ユニット１０に出力する。更に、少なくとも１つの測定回路３は、複数の電子スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３を有しており、評価及び制御ユニット１０は、それらの電子スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３を、対応する制御信号Ａ１，Ａ２，Ａ３を介して切り替える。電子スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、図示されている実施例において、トランジスタとして、有利には電界効果トランジスタとして形成されている。

【0020】

図２から更に見て取れるように、検出コイル４２，４４，４６は、それぞれ、評価及び制御ユニット１０によって第１の制御信号Ａ１を介して切り替え可能である第１の電子スイッチＳ１を介して、動作電圧Ｕ_Bと接続されており、また、評価及び制御ユニット１０によって第２の制御信号Ａ２を介して切り替え可能である第２の電子スイッチＳ２を介して基準電位と、ここではアース電位と接続可能である。励磁段階中に、評価及び制御ユニット１０は、評価すべき検出コイル４２，４４，４６を、第１の電子スイッチＳ１の切り替えによって動作電圧Ｕ_Bに接続し、また、第２の電子スイッチＳ２の切り替えによって基準電位に接続する。測定過程の開始時に、評価及び制御ユニット１０は、第２の電子スイッチＳ２を再度切り替えることによって、評価すべき検出コイル４２，４４，４６を基準電位から切り離す。第２のスイッチＳ２の再度の切り替え過程後に、対応する検出コイル４２，４４，４６のエネルギは、ダイオードＤによってコンデンサＣに伝達される。コンデンサＣにおける電圧Ｕ_Mは、次式（１）及び（２）によっておおよそ計算することができる。

【数1】

【0021】

評価過程の開始時に、評価及び制御ユニット１０は、第１のスイッチＳ１を再度切り替えることによって、少なくとも１つの検出コイル４２，４４，４６を動作電圧Ｕ_Bから切り離す。この際、第２のスイッチＳ２は、既に開かれている。第３のスイッチＳ３の切り替えによって、評価及び制御ユニット１０は、コンデンサＣの接続点を基準電位に接続する。これによって、評価及び制御ユニット１０は、コンデンサＣ及び対応する検出コイル４２，４４，４６の１つの共通の接続点において、測定信号Ｕ_Mを取り出すことができる。従って、測定信号Ｕ_Mを、基準電位に対する、検出コイル４２，４４，４６とコンデンサＣとの間の接続点におけるアナログ電圧信号として測定することができる。測定信号Ｕ_Mを評価するために、評価及び制御ユニット１０は、アナログ測定信号Ｕ_Mをディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を備えたマイクロコントローラを有している。

【0022】

上述の測定原理の利点は、好適な標準的構成部材を使用することによって、例えばトランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３、ダイオードＤ及びコンデンサＣを使用することによって、Ａ／Ｄ変換器を備えたマイクロコントローラを用いて、既に、インダクタンスＬの測定を実施することができ、従って、インダクタンスＬの測定を、他の機能のために既にマイクロコントローラを含んでいる構想に随時容易に組み込めるということである。構成部材の数が少ないことに基づき、特別なＡＳＩＣの開発は可能であるが、しかしながら不可欠ではない。従って、測定原理の使用は非常にフレキシブルである。

【0023】

７０°の回転角度にわたり、且つ、１００ｐＦの蓄積コンデンサＣを介して、インダクタンスＬが例えば１．２５μＨから１．０μＨに変化した場合、対応する検出コイル４２，４４，４６における５６ｍＡの電流Ｉは、約４．３８Ｖ乃至５．０Ｖの、コンデンサＣにおける電圧Ｕ_Mをもたらすことになる（−６０％の変換効率）。電流Ｉを前置抵抗Ｒによって制限することができ、この前置抵抗Ｒは、例えば約５０Ωの値を有している。再充電過程は約１μｓである。従って、測定時間は潜在的に非常に短い。０．１°の角度を分解するために、約１ｍＶの電圧差を検出することが重要である。Ａ／Ｄ変換器の測定範囲が、約４．０から５．０Ｖの必要範囲に限定されない場合には、１３ビットの分解能を使用することができる。

【0024】

コンデンサにおける直流電圧の測定は、有利には、比較的ノイズが少なく実現される。１ｍＶ以下へのノイズ振幅の低減が実現される。しかしながら、測定信号はコンデンサＣの容量に直接的に依存し、このコンデンサＣは、温度計数（＜３０ｐｐｍ／Ｋ）の影響を受ける。コンデンサＣの容量の電圧依存性及び経年変化は、ＮＰ０誘電体の使用によって十分に最小化することができる。測定中、有利にはショットキーダイオードとして形成されているダイオードＤは、コンデンサＣに並列に接続されている。ダイオードＤの対応する漏れ電流は、温度に強く依存しており、また、例えば−２５°において１０^-4μＡ及び１２５°において１００μＡの値を取る可能性がある。測定電圧が５Ｖの場合には、このことは、最小で５０ｋΩの放電抵抗に相当する。従って、対応するＲＣ素子の時定数は、最小で５μｓである。Ａ／Ｄ変換器は、有利には２００ｋＳを超える（＞２００ｋＳの）サンプリングレートを有している。２つ又はそれ以上のサンプルを採用することによって、指数関数的な電圧降下を特定することができ、また、本来の測定電圧を外挿することができる。更には、ダイオード漏れ電流と温度との公知の関係を介して、温度を特定することができる。この情報を有利には、十分な温度補正のために使用することができる。

【0025】

対応する検出コイル４２，４４，４６の磁気エネルギの、コンデンサＣの電気エネルギへの変換は、整流された電流パルスによって行われ、この際、ダイオードＤは還流を阻止する。ＥＭＣノイズは、交流信号によって生じる。これを、ダイオードＤによって整流することが可能である。場合によっては、ダイオードの効果が打ち消されることなく、交流磁場に関するバイパスを実現することができる。システムは原則として、ノイズを識別することができる。コンデンサ電圧の測定は、コイル励磁が不活性である際に行われるので、誘導されたノイズ信号の電圧を、有利には、測定信号Ｕ_Mと区別することができる。

【図1】

【図2】