CN101603973B

CN101603973B - 磁检测装置

Info

Publication number: CN101603973B
Application number: CN2008101839564A
Authority: CN
Inventors: 川野裕司; 小林浩; 馆沼义范; 横谷昌广
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: DE102008062079A1; JP2009294172A; US7982456B2; US20090302833A1; DE102008062079B4; JP4646044B2; CN101603973A

Abstract

本发明提供一种在磁性移动体的移动位置和移动方向的检测中、能进行没有延迟等错误的正确的检测的、并进一步具有较高的环境适应能力的磁检测装置。本发明所涉及的磁检测装置中，由于磁检测传感器与磁性移动体的移动方向对应具有传感器输出信号的高电平和低电平不同的电位，计算机单元具有3个比较电路并用3个水平的比较阈值检测所述磁检测传感器的输出信号，因此能够无延迟且正确地检测磁性移动体的移动方向。

Description

磁检测装置

技术领域

本发明涉及一种能够通过检测磁性移动体产生的磁场强度、来检测例如旋转体的转速和旋转角度的磁检测装置，特别涉及一种能够检测磁性移动体的移动方向的磁检测装置。

背景技术

在检测磁性移动体产生的磁场强度的磁检测装置中，关于检测磁性移动体的移动方向的方式，根据磁检测传感器所输出的信号和计算机单元对该信号进行处理的方法，有若干种现有技术。在传感器输出信号为数字信号(矩形波)时，对于磁性移动体的移动方向的检测，大致可区分为将传感器输出信号进行时间调制的方式及进行电位调制的方式。将传感器输出信号进行时间调制的方式中，根据磁性移动体的移动方向，磁检测传感器的输出时刻(时间)不同，例如若将移动方向为正向时信号的时间间隔设为a，将移动方向为反向时信号的时间间隔设为b(≠a)，则计算机单元能够通过测量传感器输出信号的时间间隔来检测移动方向。

该方式中，在时间间隔a或b之间移动方向改变时，原理上会对移动方向的检测产生延迟。另一方面，将传感器输出信号进行电位调制的方式中，根据磁性移动体的移动方向，磁检测传感器的信号电位(高电平、低电平)不同，例如若将移动方向为正向时信号的低电平设为S[low-1]，将移动方向为反向时信号的低电平设为S[low-2](≠S[low-1])，则计算机单元能够通过测量传感器输出信号的电位来检测移动方向。(例如参照专利文献1)

本发明属于将传感器输出信号进行电位调制的方式，如上述专利文献1所披露的，磁检测传感器也通过检测与磁性移动体的移动对应的磁场变化，并根据该移动方向将输出信号的高电平和低电平的至少某一个设为不同的电位，来检测该移动方向，其中该磁检测传感器内置有产生偏置磁场的磁铁；及与磁性移动体相对配置并沿其移动方向排列的第1、第2磁阻效应元件体和各自的输出电路。

专利文献1：日本国专利特开2002-90181号公报

然而所述专利文献1所示的现有技术中，在磁性移动体的检测中处理传感器信号的方法并不是最佳的，会有产生延迟的情况。检测延迟可能在重复进行移动方向中的正向·反向动作时进行累积，不适用于需要根据移动方向的检测来正确地检测移动位置的情况。

作为磁检测装置的适用领域，例如有检测车辆的转速和旋转角度来对发动机或变速器进行控制的车辆用旋转检测装置，但由于一般该车辆用旋转检测装置的安装环境较差，且旋转方向大部分是正转，因此特别是正转时的位置信号，除控制性能之外，必须对应于较大范围的检测条件(转速等)，具有抗干扰性和对于温度变化的鲁棒性等。

例如，对于磁检测传感器的输出及计算机单元的输入，实际上多装入滤波器以作为抗干扰措施，因此由于信号波形中矩形波的上升和下降变得不陡峭，所以在高速旋转时产生上升不充分、或下降不充分的问题。此时希望增大正转时的传感器输出信号的振幅。另外，从抗干扰性的观点来看，充分增大正转时的传感器输出信号的振幅，以确保能够将计算机单元的比较电路中的比较阈值信号的滞后取得较大的裕度，这也是非常重要的。即，在对于车辆用旋转检测装置的利用中，正转时的信号存在避免实用上的风险用的条件。

发明内容

本发明提供一种在磁性移动体的移动方向的检测中没有产生检测延迟的情况的、能够正确地检测磁性移动体的移动方向的磁检测装置。

另外本发明提供一种在装置的安装环境恶劣且磁性移动体的移动方向大部分为正向的使用领域中、力图兼顾磁性移动体的移动方向的检测性和移动方向为正向时的信号的利用性·可靠性的、实用性较高的磁检测装置。

本发明所涉及的磁检测装置包含：磁检测传感器，该磁检测传感器具有检测磁场强度的磁电转换元件、和处理所述磁电转换元件的输出信号并输出矩形波信号的信号处理电路，且检测对施加到所述磁电转换元件的磁场带来变化的磁性移动体的移动位置和移动方向；及计算机单元，该计算机单元处理所述磁检测传感器的输出信号并检测所述磁性移动体的移动位置和移动方向，所述磁检测传感器与所述磁性移动体的移动方向对应具有输出信号的高电平和低电平不同的电位，所述计算机单元具有3个比较电路，并用3个水平的比较阈值来检测所述磁检测传感器的输出信号。

根据本发明，能够检测磁性移动体的移动位置和移动方向，特别是由于在移动方向的检测中也没有延迟，因此能正确地检测移动位置。另外，还可在移动方向为正向时对应较大范围的检测条件，同时实现较高的抗干扰性。

附图说明

图1是示出表示本发明的实施方式的磁检测装置的结构图。

图2是示出表示本发明的另一实施方式的磁检测装置的结构图。

图3是本发明的实施方式1的磁检测装置的信号处理电路。

图4是图3所示的信号处理电路的动作波形图。

图5是表示本发明的实施方式1的磁检测装置的移动方向检测全部波形的动作波形图。

图6是本发明的实施方式2的磁检测装置的信号处理电路。

图7是表示本发明的实施方式2的磁检测装置的移动方向检测全部波形的动作波形图。

图8是表示本发明的实施方式3的磁检测装置的移动方向检测全部波形的动作波形图。

图9是本发明的实施方式4的磁检测装置的信号处理电路。

图10是表示本发明的实施方式4的磁检测装置的移动方向检测全部波形的动作波形图。

图11是本发明所涉及的磁检测装置的比较例的信号处理电路图。

图12是表示本发明所涉及的磁检测装置的比较例的移动方向检测全部波形的动作波形图。

标号说明

1a、1b磁检测元件；2信号处理电路；3磁铁；4磁性移动体；10a、10b电桥电路；11、12比较电路；20D-FF电路；21逻辑电路；30、31、32输出晶体管；40第1比较电路；41第2比较电路；42第3比较电路

具体实施方式

实施方式1

图1是示出表示本发明的实施方式的磁检测装置的结构图，图1(a)是立体图，图1(b)是正视图。在磁电转换元件1a、1b和单片结构的信号处理电路芯片2的下表面配置产生偏置磁场的磁铁3。使其与磁性移动体4相对并接近该磁性移动体4，磁电转换元件1a、1b对由磁铁3产生的磁场因接近磁性移动体4及该磁性移动体4的移动而形成的磁场分布进行检测，并作为电阻及该电阻的变化来输出。

磁电转换元件1a、1b为了检测磁性移动体4的移动方向，需要随其移动产生具有时间差的、即具有相位差的电阻变化，例如沿磁性移动体4的移动方向排列配置。本发明的磁路只要是使磁电转换元件1a、1b能够检测因接近磁性移动体4及该磁性移动体4的移动而形成的磁场分布的结构即可，也可为如图2所示将磁性移动体4以某一间隔来配置的磁铁的集成体。此时还能够省去磁铁3。

图3是本实施方式1的信号处理电路。所述磁电转换元件1a、1b分别构成电桥电路10a、10b，因所述磁性移动体4的移动而使得磁电转换元件1a、1b的电阻变化时，得到作为电压变化的电桥信号a、b。电桥信号a、b在比较电路11、12被转换成矩形波信号c、d。矩形波信号c、d被输入至由延迟触发器(D-FF)电路和逻辑电路构成的电路20，得到移动方向信号e。移动方向信号e与所述矩形波信号c一起被输入至逻辑电路21，逻辑电路21的3个输出分别与输出晶体管30、31、32的基极端子连接。

输出晶体管30、31、32的发射极端子接地，输出晶体管31、32的集电极端子分别通过电阻r1、r2与输出晶体管30的集电极端子同样地成为传感器输出信号f。传感器输出信号f被传送至计算机单元50，且被上拉到电源电压Vcc。传感器输出信号f被输入至计算机单元50的3个比较电路40、41、42，在第1比较电路40与比较阈值信号C1比较而得到比较电路输出信号g，在第2比较电路41与比较阈值信号C2比较而得到比较电路输出信号h，在第3比较电路43与比较阈值信号C3比较而得到比较电路输出信号i。

图4是上述磁检测传感器的信号处理电路的动作波形。图中示出信号处理电路的上述各部分的信号c、d、e、f；和计算机单元50的3个比较电路输出信号g、h、i(仅示出矩形波信号，省略电桥信号a、b)，波形表示磁性移动体4的移动方向从正向切换成反向的情况。将电桥信号a、b转换后的矩形波信号c、d中存在相位差，由于该组合根据磁性移动体4的移动方向而不同，因此移动方向信号e在移动方向为正向时成为低电平，为反向时成为高电平。移动方向信号e与矩形波信号c一起被输入至逻辑电路21，并进行处理，对作为其输出的传感器输出信号f与矩形波信号c同步地实施与移动方向对应的电位调制。此时，相对于正向，在反向成为高电位。

传感器输出信号f被传送至计算机单元50，计算机单元50用3个水平的比较阈值(3个比较电路40、41、42)检测传感器输出信号。磁性移动体4的移动方向为正向时，第1比较电路40的输出信号g为高电平，第3比较电路42的输出信号i为低电平，第2比较电路41的输出信号h为与矩形波信号c同步的、即与磁性移动体4的凹凸对应的矩形波信号。另一方面，磁性移动体4的移动方向为反向时，3个比较电路输出信号g、h、i的任一个都为与磁性移动体的凹凸对应的矩形波信号。这样用计算机单元50的3个比较电路输出信号g、h、i能判断磁性移动体的移动方向。

图4的波形表示磁性移动体4的移动方向从正向切换成反向的情况，而图5示出本实施方式1的传感器输出信号f及比较电路输出信号g、h、i中的移动方向检测的全部波形。模式1和模式2、模式3和模式4分别表示各自的波形反相后的情况。所有的模式中，传感器输出信号f在移动方向刚切换后的上升或下降处改变电位，比较电路输出信号g、h、i在移动方向刚切换后改变3个信号波形的组合。这样本发明在磁性移动体的移动方向的检测中没有产生检测延迟的情况，能够进行正确的检测。

实施方式2

图6是本实施方式2的信号处理电路图。与前述实施方式1相同，采用如下结构，即具有：电桥电路10a、10b；比较电路11、12；由D-FF电路和逻辑电路构成的电路20；逻辑电路21；输出晶体管30、31、32；及比较电路40、41、42，由各电路分别生成电桥信号a、b；矩形波信号c、d；旋转方向信号e；传感器输出信号f；及比较电路输出信号g、h、i。由于没有逻辑电路21的输入前的反相器，旋转方向信号e相对于前述实施方式1变为反相。因而，和前述实施方式1相比，与移动方向对应的传感器输出信号f的电位不同，与移动方向对应的比较输出信号g、h、i的波形不同。

图7示出本实施方式2的传感器输出信号f及比较电路输出信号g、h、i中的移动方向检测的全部波形。所有的模式中，传感器输出信号f在移动方向刚切换后的上升或下降处改变电位，比较电路输出信号g、h、i在移动方向刚切换后改变3个信号波形的组合。可知本实施方式2中也与前述实施方式1相同，在磁性移动体的移动方向的检测中没有产生检测延迟的情况，能够进行正确的检测。

另外，图7中将计算机单元50的比较电路的比较阈值信号C1、C2、C3还包含其滞后与传感器输出信号f一起示出。移动方向为正向时，各比较阈值信号的滞后相互交叉，但通过使传感器输出信号f的高电平S[high-1]和低电平S[low-1]成为输出电位范围的最大值和最小值，从而各比较阈值信号、包含其滞后可取得从输出电位范围减去高电平S[high-1]和低电平S[low-1]的电位偏差量的范围的任意的电位。

另一方面，移动方向为反向时，由于需要使第1比较电路40的输出信号g为高电平，使第3比较电路42的输出信号i为低电平，使第2比较电路41的输出信号h为与矩形波信号c同步的、即与磁性移动体的凹凸对应的矩形波信号，因此对于传感器输出信号f的高电平S[high-2](＜S[high-1])和低电平S[low-2](＞S[low-1])，在各比较阈值信号及包含其滞后的设定中设置条件。

若将比较阈值信号C1、C2、C3中的各比较阈值信号的滞后的高电位侧分别设为C1[high]、C2[high]、C3[high]，将低电位侧分别设为C1[low]、C2[low]、C3[low]，则通过满足下述关系：

S[high-1]＞C1[high]＞S[high-2]

C1[high]＞C1[low]＞S[low-2]

S[high-2]＞C2[high]＞C2[low]＞S[low-2]

S[high-2]＞C3[high]＞C3[low]

S[low-2]＞C3[low]＞S[low-1]

能够对磁性移动体的移动方向进行正确的检测。

进一步设为；

S[high-1]＞C1[high]＞S[high-2]＞C1[low]＞S[low-2]

S[high-2]＞C2[high]＞C2[low]＞S[low-2]

S[high-2]＞C3[high]＞S[low-2]＞C3[low]＞S[low-1]

通过这样将比较阈值信号C1、C2、C3的滞后设定得较大。

这样在根据磁性移动体的移动方向的传感器输出信号的电位调制中，由于移动方向为正向时的信号成为输出电位范围的最大值和最小值，所以由于移动方向为正向时对应较大范围的检测条件(信号频率等)，具有能将计算机单元的比较电路中的比较阈值信号的滞后取得较大的裕度，因此能实现较高的抗干扰性。

实施方式3

本实施例将实施方式2所示的、磁性移动体的移动方向为正向时的比较阈值信号的滞后最大限度地设定得较大。若将比较阈值信号C1、C2、C3中的各比较阈值信号的滞后的高电位侧分别设为C1[high]、C2[high]、C3[high]，将低电位侧分别设为C1[low]、C2[low]、C3[low]，则通过设为

S[high-1]＞C1[high]＞S[high-2]＞C3[high]＞C1[low]＞S[low-2]＞C3[low]＞S[low-1]

S[high-2]＞C2[high]＞C2[low]＞S[low-2]，从而将比较阈值信号C1、C2、C3的滞后设定得更大。

图8表示本实施方式3的传感器输出信号f及比较电路输出信号g、h、i中的移动方向检测的全部波形。图中，与传感器输出信号f一起示出的比较阈值信号C1、C2、C3的滞后比所述实施方式2更大。

实施方式4

图9是本实施方式4的信号处理电路。与所述各实施方式相同，采用如下结构，即具有：电桥电路10a、10b；比较电路11、12；由D-FF电路和逻辑电路构成的电路20；逻辑电路21；输出晶体管30、31、32；及比较电路40、41、42，由各自的电路分别生成电桥信号a、b；矩形波信号c、d；旋转方向信号e；传感器输出信号f；及比较电路输出信号g、h、i。磁检测传感器的信号处理输出与所述实施方式2相同。

将传感器输出信号f作为输入的比较电路的结构与所述各实施方式不同，在第1比较电路40与比较阈值信号C1比较而得到比较电路输出信号g，在第2比较电路41与比较阈值信号C2比较而得到比较电路输出信号h，在第3比较电路42与比较阈值信号CR比较而得到比较电路输出信号i。比较阈值信号CR是使第1比较电路41的输出信号反相的信号。

图10表示本实施方式4的传感器输出信号f及比较电路输出信号g、h、i中的移动方向检测的全部波形。所有的模式中，传感器输出信号f在移动方向刚切换后的上升或下降处改变电位，比较电路输出信号g、h、i在移动方向刚切换后改变3个信号波形的组合。本实施例中也与所述各实施方式相同，可知在磁性移动体的移动方向的检测中没有产生检测延迟的情况，能够进行正确的检测。

另一方面，图中将计算机单元50的比较电路40、41、42的比较阈值信号C1、C2、CR还包含其滞后与传感器输出信号f一起示出。移动方向为正向时，由于通过使传感器输出信号f的高电平S[high-1]和低电平S[low-1]成为输出电位范围的最大值和最小值，从而各比较阈值信号、包含其滞后可取得从输出电位范围减去高电平S[high-1]和低电平S[low-1]的电位偏差量的范围的任意的电位，因此以抗干扰性为目的将比较阈值信号C1的滞后尽量设定得较大。

另一方面，移动方向为反向时，由于比较电路输出信号h需要是与矩形波信号c同步的、即与磁性移动体的凹凸对应的矩形波信号，因此对于传感器输出信号f的高电平S[high-2](＜S[high-1])和低电平S[low-2](＞S[low-1])，在比较阈值信号C2及包含其滞后的设定中设置条件。即，仅对第2比较电路41的比较阈值信号C2设定条件，而对于第1比较电路40的比较阈值信号C1不特别设定在增大其滞后的方向的条件，给设定带来较大的自由度。

若将比较阈值信号C1、C2中的各比较阈值信号的滞后的高电位侧分别设为C1[high]、C2[high]；将低电位侧分别设为C1[low]、C2[low]，则满足下述关系：

S[high-1]＞C1[high]＞S[high-2]＞S[low-2]＞C1[low]＞S[low-1]

S[high-2]＞C2[high]＞C2[low]＞S[low-2]

此时，进一步需要将移动方向为反向时的比较电路输出信号g、h设为互补关系，使得没有移动方向的检测延迟，但第3比较电路42的比较阈值信号CR因此采用使第1比较电路的输出信号g反相的信号。

比较阈值信号CR不是在固定的电位具有滞后的信号，而是在有振幅的电位(比较电路输出信号g的反相)具有滞后的信号。根据本实施例，第1比较电路40的比较阈值信号C1及包含其滞后的设定与传感器输出信号的没有电位调制的磁检测装置中的设定条件无异，和没有磁性移动体的移动方向检测的现有装置具有兼容性，可在具有实际效果的方法中使用。

本发明的实施中，对磁检测装置的构成要素和结构的选择不存在限制。例如，作为磁电转换元件，只要为霍尔元件、磁阻(MR)元件、巨磁阻元件(GMR)、穿隧型磁阻(TMR)元件等检测磁场强度的元件即可，对于元件的个数及配置，也可在能够检测磁性移动体的移动位置和移动方向的范围内任意选择(例如也可为2个磁检测传感器)。另外作为信号处理电路，也可为双极型(bipolar)、MOS(Metal-Oxide Semiconductor：金属氧化物半导体)等。

比较例

下面，对于所述各实施方式说明比较例。

本比较例的磁检测装置为采用2个所述实施方式1中的计算机单元50的比较电路的结构。图11是本比较例的信号处理电路。在第1比较电路40与比较阈值信号C1比较而得到比较电路输出信号g，在第2比较电路41与比较阈值信号C2比较而得到比较电路输出信号h。

图12表示本比较例的传感器输出信号f及比较电路输出信号g、h中的移动方向检测的全部波形。所有的模式中，传感器输出信号f在移动方向刚切换后的上升或下降处改变电位。另一方面，比较电路输出信号g、h具有在移动方向刚切换后有延迟、改变2个信号波形的组合的模式。本比较例中，在磁性移动体的移动方向的检测中存在产生检测延迟的情况，无法实现本发明的各实施例那样的正确的检测。

另外，在装置的安装环境恶劣且磁性移动体的移动方向大部分为正向的那样的利用领域中，特别是，正向时的信号对应较大范围的检测条件(转速等)，需要具有抗干扰性和对于温度变化的鲁棒性等，而根据本发明可力图兼顾对磁性移动体的移动位置的正确的检测、和移动方向为正向时的信号的利用性·可靠性。

在作为本发明的适用例的车辆用旋转检测装置的情况下，旋转位置的信息例如为提供发动机的活塞的位置而用于点火控制。根据旋转方向的检测，不仅能够在发动机正常旋转时、而且能够在停止动作时等也正确地检测活塞的位置，能在所有的动作中进行点火控制。另外，即使在发动机内的噪声、温度等较差的环境下也具有较高的可靠性。因此有助于实现在使用中实用上无风险的、低燃耗·高效率的发动机。

Claims

1.一种磁检测装置，其特征在于，包含：

磁检测传感器，该磁检测传感器具有检测磁场强度的磁电转换元件、及处理所述磁电转换元件的输出信号并输出矩形波信号的信号处理电路，且检测对施加到所述磁电转换元件的磁场带来变化的磁性移动体的移动位置和移动方向；及

计算机单元，该计算机单元处理所述磁检测传感器的输出信号，并进一步检测所述磁性移动体的移动位置和移动方向，

与所述磁性移动体的移动方向对应，所述磁检测传感器的输出信号的高电平和低电平具有不同的电位，

所述计算机单元具有3个比较电路，并用3个水平的比较阈值来检测所述磁检测传感器的输出信号，基于所述磁性移动体的正向移动的所述磁检测传感器的输出信号成为输出电位范围的最大值和最小值。

2.如权利要求1所述的磁检测装置，其特征在于，

基于所述磁性移动体的正向移动的所述磁检测传感器的输出信号的高电平S[high-1]和低电平S[low-1]、和

基于所述磁性移动体的反向移动的所述磁检测传感器的输出信号的高电平S[high-2]和低电平S[low-2]、和

所述3个比较电路各自的比较阈值信号C1、C2、C3的滞后的电位C1[high]、C1[low]、C2[high]、C2[low]、C3[high]、C3[low]满足下述关系：

S[high-1]＞C1[high]＞S[high-2]

C1[high]＞C1[low]＞S[low-2]

S[high-2]＞C2[high]＞C2[low]＞S[low-2]

S[high-2]＞C3[high]＞C3[low]

S[low-2]＞C3[low]＞S[low-1]。

3.如权利要求2所述的磁检测装置，其特征在于，所述计算机单元的3个水平的比较阈值信号C1、C2、C3中，各比较阈值信号的滞后的电位C1[high]、C1[low]、C2[high]、C2[low]、C3[high]、C3[low]满足下述关系：

S[high-1]＞C1[high]＞S[high-2]＞C1[low]＞S[low-2]

S[high-2]＞C2[high]＞C2[low]＞S[low-2]

S[high-2]＞C3[high]＞S[low-2]＞C3[low]＞S[low-1]。

4.如权利要求3所述的磁检测装置，其特征在于，所述计算机单元的3个水平的比较阈值信号C1、C2、C3中，比较阈值信号C1、C3的滞后的电位C1[low]、C3[high]满足下述关系：

C3[high]＞C1[low]。

5.如权利要求1所述的磁检测装置，其特征在于，基于所述磁性移动体的正向移动的所述磁检测传感器的输出信号成为输出电位范围的最大值和最小值，

所述计算机单元具有的第1、第2、第3比较电路各自的比较阈值信号C1、C2、CR中的比较阈值信号C1、C2的滞后的电位C1[high]、C1[low]、C2[high]、C2[low]满足下述关系：

S[high-1]＞C1[high]＞S[high-2]＞S[low-2]＞C1[low]＞S[low-1]

S[high-2]＞C2[high]＞C2[low]＞S[low-2]，

另一个比较阈值信号CR是使所述第1比较电路的输出信号反相的信号。

6.如权利要求1至5的任一项所述的磁检测装置，其特征在于，所述装置作为车辆用旋转检测装置来使用。