CN109416263B - 旋转检测装置 - Google Patents

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Abstract

旋转检测装置具备检测部(30)和判定电路部(40)，多个磁阻元件对(31～35)与偏置磁铁(21)中的转子侧的端部(21a)相比远离转子(10)而配置，且多个磁阻元件对中的第1磁阻元件对(31)、第2磁阻元件对(32)以及第3磁阻元件对(33)与多个磁阻元件对中的第4磁阻元件对(34)以及第5磁阻元件对(35)相比远离端部而配置，第2磁阻元件对配置于被第1磁阻元件对、第3磁阻元件对、第4磁阻元件对、以及第5磁阻元件对包围的范围，检测部基于第1磁阻元件对、第2磁阻元件对以及第3磁阻元件对的输出生成主信号，且基于第4磁阻元件对以及第5磁阻元件对的输出生成子信号。

Description

旋转检测装置
技术领域
本申请涉及一种检测转子的旋转方式的旋转检测装置。
背景技术
以往，例如在专利文献1中记载有对转子的旋转方式进行检测的旋转检测装置。具体而言，记载有旋转检测装置的构成，具备形成有多个磁阻元件的传感器芯片、对各磁阻元件施加偏置磁场的偏置磁铁、以及进行基于各磁阻元件的输出的信号处理的处理电路。各磁阻元件配置于与转子对置的位置，构成多个形成半桥电路的磁阻元件对。并且，各磁阻元件对的中点电位与转子的旋转对应地变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4466355号公报
发明内容
这里，考虑根据三个磁阻元件对的输出生成两个第1差动信号以及第2差动信号的构成。若将各磁阻元件对的输出定义为A、B、C，则第1差动信号可根据(A-B)-(B-C)得出。第1差动信号是转子的凸部中心检测用的信号或者转子的凹部中心检测用的信号。另外，第2差动信号可根据(A-C)得出。第2差动信号为凸部凹部辨别用的信号。因此，各磁阻元件对的输出中的A、C成为两个差动信号共用的参数。
在上述的构成中，若旋转检测装置与转子间的间隙变大，则针对转子的齿的偏置磁铁的磁场的变化变得迟钝。因此，第1差动信号以及第2差动信号的各信号振幅变小，所以与转子的齿的长度中心对应的输出信号的精度有可能降低。在此，考虑通过在传感器芯片中变更三个磁阻元件对的任一对的位置来增大第1差动信号以及第2差动信号的信号振幅。
然而，由于三个中的一个磁阻元件对的输出为两个差动信号共用的参数，因此两个差动信号的信号振幅成为权衡(Trade off)的关系。即，由于变更了三个磁阻元件对中的任一对的位置，虽然第1差动信号以及第2差动信号中的一方的信号振幅变大，但另一方的信号振幅变小。这样，由于第1差动信号以及第2差动信号的各信号振幅存在限制，因此难以扩大旋转检测装置针对转子的能够检测的间隙。
本申请的目的在于提供能够扩大针对转子的能够检测的间隙的旋转检测装置。
本申请的一方式的旋转检测装置具备检测部，该检测部具有电阻值伴随在旋转方向上交替设置了凸部与凹部的齿轮型的转子的旋转而变化的多个磁阻元件对、以及对多个磁阻元件对施加偏置磁场的偏置磁铁，基于伴随转子旋转而产生的多个磁阻元件对的电阻值的变化，分别生成与凸部以及凹部的凹凸构造对应的波形的主信号、以及相对于主信号具有相位的波形的子信号。
另外，具备判定电路部，该判定电路部具有用于将主信号以及子信号二值化的二值化阈值，从检测部输入主信号以及子信号，对主信号与二值化阈值进行比较并生成将主信号二值化后的位置信号，且对子信号与二值化阈值进行比较并生成将相位信号二值化后的相位信号，将位置信号设为凸部的中心通过信息，另一方面将相位信号设为转子的旋转方式信息。
多个磁阻元件对与偏置磁铁中的转子侧的端部相比远离转子而配置，且多个磁阻元件对中的第1磁阻元件对、第2磁阻元件对以及第3磁阻元件对与多个磁阻元件对中的第4磁阻元件对以及第5磁阻元件对相比，远离端部而配置。
第2磁阻元件对配置于被第1磁阻元件对、第3磁阻元件对、第4磁阻元件对以及第5磁阻元件对包围的范围。
检测部基于第1磁阻元件对、第2磁阻元件对以及第3磁阻元件对的输出生成位置信号，且基于第4磁阻元件对以及第5磁阻元件对的输出生成相位信号。
据此，关于主信号，第1磁阻元件对以及第3磁阻元件对越远离转子，信号振幅越变大。另一方面，关于子信号，第4磁阻元件对以及第5磁阻元件对越接近转子，与主信号独立地信号振幅越变大。即，通过以主信号以及子信号的信号振幅双方均变大的方式配置各磁阻元件对，从而能够将主信号以及子信号双方的信号振幅最大化。因此，即使相对于转子的间隙变大，也能够确保主信号以及子信号的信号振幅。因此，能够扩大针对转子的能够检测的间隙。
附图说明
本申请的上述目的以及其他目的、特征、优点通过参照附图以及下述的详细记叙，而更加明确。其附图为：
图1为示出本申请的一实施方式的旋转检测装置与齿轮型的转子的配置关系的图。
图2为示出图1所示的旋转检测装置的电路构成的图。
图3为示出与各磁阻元件对的位置对应的主信号(S1)以及子信号(S2)的信号振幅的图。
图4为用于说明旋转检测装置的动作的时序图。
图5为示出转子的旋转方向的判定条件的图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本申请的实施方式。此外，在以下的各实施方式彼此中，对于彼此相同或均等的部分，在图中赋予相同附图标记。
(第1实施方式)
以下，参照附图说明本申请的第1实施方式。本申请的旋转检测装置例如用作内燃机的曲柄角判定装置。如图1所示，以与固定在作为内燃机的发动机的曲柄轴上的齿轮型的转子10的外周部11对置的方式，配置有旋转检测装置20。在转子10的外周部11，凸部12与凹部13在旋转方向上交替设置。此外，在图1中，将转子10的外周部11的一部分呈直线状展开地示出。
旋转检测装置20构成为检测转子10的旋转方式。旋转检测装置20构成为具备圆筒状的偏置磁铁21、以及相对于该偏置磁铁21配置于规定的位置的传感器芯片22。
偏置磁铁21起到通过对传感器芯片22施加偏置磁场来使传感器芯片22的磁场的检测灵敏度上升一定量的作用。在偏置磁铁21的中空部配置有传感器芯片22。
传感器芯片22构成为半导体芯片。传感器芯片22具备检测部30，该检测部30构成为伴随转子10的旋转而输出与凸部12的位置即曲柄角对应的信号。检测部30具备电阻值伴随转子10的旋转而变化的第1磁阻元件对31、第2磁阻元件对32、第3磁阻元件对33、第4磁阻元件对34、以及第5磁阻元件对35。
各磁阻元件对31～35构成为半桥电路。具体而言，如图2所示，第1磁阻元件对31包括在电源(Vcc)与接地(GND)之间串联连接的2个磁阻元件31a、31b。第1磁阻元件对31对伴随转子10的旋转而各磁阻元件31a、31b受到磁场的影响时的电阻值的变化进行检测。另外，第1磁阻元件对31基于电阻值的变化，将各磁阻元件31a、31b的中点31c的电压作为波形信号进行输出。
关于第2～第5磁阻元件对32～35，也是与第1磁阻元件对31相同的构成。第2磁阻元件对32包括2个磁阻元件32a、32b。并且，将各磁阻元件32a、32b的中点32c的电压作为波形信号进行输出。第3磁阻元件对33包括2个磁阻元件33a、33b。并且，第3磁阻元件对33将各磁阻元件33a、33b的中点33c的电压作为波形信号进行输出。
另外，第4磁阻元件对34包括2个磁阻元件34a、34b。并且，将各磁阻元件34a、34b的中点34c的电压作为波形信号进行输出。第5磁阻元件对35包括2个磁阻元件35a、35b。并且，第5磁阻元件对35将各磁阻元件35a、35b的中点35c的电压作为波形信号进行输出。
另外，检测部30除了各磁阻元件对31～35之外还具备第1～第4运算放大器36～39。将第1磁阻元件对31的中点31c的中点电位定义为A、且将第2磁阻元件对32的中点32c的中点电位定义为B，则第1运算放大器36是构成为运算A-B并输出其结果的差动放大器。另外，若将第3磁阻元件对33的中点33c的中点电位定义为C，则第2运算放大器37是构成为运算B-C并输出其结果的差动放大器。
第3运算放大器38是构成为从第1运算放大器36输入A-B且从第2运算放大器37输入B-C，运算(A-B)-(B-C)并将其结果作为S1(＝A+C-2B)进行输出的差动放大器。该S1的信号是与转子10的凸部12以及凹部13的凹凸构造对应的波形的主信号。例如，主信号S1是振幅在转子10的凹部13、凸部12、边缘部分成为最大或者最小的波形的信号。
主信号S1是较大反映出-2B这项的影响的信号。这是因为，第1磁阻元件对31以及第3磁阻元件对33的各自由磁性层(free magnetic layer)的磁化方向相对于转子10的凹凸构造而言波动较小，另一方面，第2磁阻元件对32的自由磁性层的磁化方向相对于转子10的凹凸构造而言波动较大。
若将第4磁阻元件对34的中点34c的中点电位定义为L且将第5磁阻元件对35的中点35c的中点电位定义为R，则第4运算放大器39是构成为运算L-R并将其结果作为S2进行输出的差动放大器。该S2的信号是相对于主信号S1具有相位差的波形的子信号。例如，子信号S2是振幅在转子10的凸部12的旋转方向中心成为最大、在凹部13的旋转方向中心成为最小的波形的信号。
这样，检测部30基于第1磁阻元件对31、第2磁阻元件对32、以及第3磁阻元件对33的输出，生成主信号S1(＝(A-B)-(B-C))。另外，检测部30基于第4磁阻元件对34以及第5磁阻元件对35的输出，生成子信号S2(＝L-R)。此外，各运算放大器36～39构成为对信号进行偏置调整来输出。
并且，旋转检测装置20具备判定电路部40，判定电路部40生成与由检测部30检测出的转子10的旋转方式对应的信号。判定电路部40既可以形成于上述的传感器芯片22，也可以形成于未图示的其他半导体芯片。
判定电路部40具备阈值生成部41、第1比较器42、第2比较器43、以及控制部44。阈值生成部41包括在电源(Vcc)与接地(GND)之间串联连接的2个电阻41a、41b。各电阻41a、41b的中点41c的电位被设为二值化阈值。二值化阈值作为用于将主信号S1以及子信号S2二值化的阈值来使用。
第1比较器42从检测部30的第3运算放大器38输入主信号S1且从阈值生成部41输入二值化阈值。并且，第1比较器42对主信号S1与二值化阈值进行比较并生成将主信号S1二值化后的位置信号。
第2比较器43从检测部30的第4运算放大器39输入子信号S2且从阈值生成部41输入二值化阈值。并且，第2比较器43对子信号S2与二值化阈值进行比较并生成将子信号S2二值化后的相位信号。
控制部44是从第1比较器42输入位置信号作为凸部12的中心通过信息、且从第2比较器43输入相位信号作为转子10的旋转方式信息的控制电路。另外，控制部44具有基于中心通过信息以及旋转方式信息来判定转子10的旋转方向为正转或是反转的功能。控制部44经由输出端子23(Vout)向未图示的外部设备输出位置信号以及转子10的旋转方向的信息。
以上为本实施方式的旋转检测装置20的整体构成。此外，旋转检测装置20具备与外部设备连接的电源端子24(Vcc)以及接地端子25(GND)。并且，旋转检测装置20经由这些端子24、25由外部机器进行电源供给。
接下来，对传感器芯片22中的各磁阻元件对31～35的配置关系进行说明。如图1所示，各磁阻元件对31～35与偏置磁铁21中的转子10侧的端部21a相比远离转子10而配置。换句话说，全部的磁阻元件对31～35配置于偏置磁铁21的中空部。
另外，各磁阻元件对31～35中的第1磁阻元件对31、第2磁阻元件对32、以及第3磁阻元件对33与多个磁阻元件对31～35中的第4磁阻元件对34以及第5磁阻元件对35相比，远离偏置磁铁21的端部21a地配置。即，用于生成主信号S1的各磁阻元件对31～33与用于生成子信号S2的各磁阻元件对34、35相比，远离偏置磁铁21的端部21a。
并且，第2磁阻元件对32配置于被第1磁阻元件对31、第3磁阻元件对33、第4磁阻元件对34、以及第5磁阻元件对35包围的范围。该范围在构成传感器芯片22的半导体芯片的一面上是通过连结各磁阻元件对31、33～35而形成的最大的范围。
并且，第2磁阻元件对32与第1磁阻元件对31以及第3磁阻元件对33相比，配置于第4磁阻元件对34以及第5磁阻元件对35侧。由此，主信号S1较大反映出-2B这项的影响。即，在X方向上，提高齿的中心配置处的精度。另外，在Y方向上，在各磁阻元件对34、35侧，振幅提高。因此，能够实现扩大旋转检测装置20的能够检测的间隙(gap)。
这里，优选的是第4磁阻元件对34、第2磁阻元件对32、以及第5磁阻元件对35配置于在偏置磁铁21的中空部中的端部21a侧所形成的磁场的磁通密度为一定以上的位置。由此，能够提高第4磁阻元件对34、第2磁阻元件对32、以及第5磁阻元件对35的检测灵敏度。
并且，在旋转检测装置20未受到转子10的影响的状况下，对第2磁阻元件对32施加沿着偏置磁铁21的中心轴的偏置磁场。另一方面，对其他的各磁阻元件对31、33～35施加围绕偏置磁铁21的端部的偏置磁场。
具体而言，在其他的各磁阻元件对31、33～35中施加从偏置磁铁21的中心轴朝向外侧的磁场。在第1磁阻元件对31与第3磁阻元件对33中，施加以偏置磁铁21的中心轴为中心呈对称的偏置磁场。并且，在第4磁阻元件对34与第5磁阻元件对35中，施加以偏置磁铁21的中心轴为中心呈对称的偏置磁场。
上述的各磁阻元件对31～35的配置基于以下的发明人们的研究。首先，以偏置磁铁21的端部21a为基准，在作为转子10的径向的Y方向上，将各磁阻元件对31～35的距离定义为D。此外，如图1所示，将与Y方向垂直的方向设为X。
然后，发明人们调查了使第1磁阻元件对31以及第3磁阻元件对33的距离D的值变化时的主信号S1的信号振幅的变化。另外，发明人们调查了使第4磁阻元件对34以及第5磁阻元件对35的距离D的值变化时的子信号S2的信号振幅的变化。
其结果，如图3所示，对于主信号S1，距离D越变大、即第1磁阻元件对31以及第3磁阻元件对33越远离偏置磁铁21的端部21a，信号振幅越变大。另一方面，对于子信号S2，距离D越变小、即第4磁阻元件对34以及第5磁阻元件对35越接近偏置磁铁21的端部21a，信号振幅越变大。
根据以上的结果，能够通过使生成主信号S1的第1磁阻元件对31以及第3磁阻元件对33远离偏置磁铁21的端部21a，来放大主信号S1的信号振幅。另外，通过使生成子信号S2的第4磁阻元件对34以及第5磁阻元件对35接近偏置磁铁21的端部21a，能够与主信号S1的信号振幅无关地放大子信号S2的信号振幅。换句话说，能够与主信号S1的信号振幅独立地对子信号S2的信号振幅进行调整。
接下来，对旋转检测装置20的工作进行说明。首先，如图4所示，若转子10旋转，则基于检测部30与转子10的外周部11间的间隙的变化，在检测部30中取得主信号S1以及子信号S2。
主信号S1成为在转子10的凸部12的旋转方向中心超过二值化阈值那样的波形的信号。另一方面，子信号S2成为相对于主信号S1具有相位差的波形，具体而言成为振幅在转子10的凸部12的旋转方向中心为最大的波形的信号。
并且，由检测部30取得的主信号S1通过判定电路部40的第1比较器42，与二值化阈值进行比较。在主信号S1的信号振幅大于二值化阈值的情况下，例如Hi的位置信号由第1比较器42生成，在主信号S1的信号振幅小于二值化阈值的情况下，例如Lo的位置信号由第1比较器42生成。
由检测部30取得的子信号S2通过判定电路部40的第2比较器43与二值化阈值进行比较。在子信号S2的振幅大于二值化阈值的情况下，例如Hi的相位信号由第2比较器43生成，在子信号S2的振幅小于二值化阈值的情况下，例如Lo的相位信号由第2比较器43生成。
如上述那样，伴随转子10的旋转，随时生成主信号S1、子信号S2、位置信号、以及相位信号，位置信号以及相位信号被向控制部44输入。伴随于此，在判定电路部40中，进行用于将位置信号作为输出信号向外部设备输出的处理。
另外，控制部44基于位置信号的中心通过信息以及相位信号的旋转方式信息，判定转子10的旋转方向为正转或是反转。
首先，在转子10的旋转方向为正转的情况下，在时刻T1的前后，主信号S1的振幅变得小于二值化阈值。因此，位置信号由Hi变为Lo。另外，由于子信号S2的信号振幅大于二值化阈值，因此二值化后的相位信号成为Hi。因此，由于满足了位置信号由Hi下降为Lo、以及相位信号为Hi双方，控制部44判定为转子10正转。
另一方面，在转子10的旋转方向为反转的情况下，在时刻T1的前后，主信号S1的振幅变得大于二值化阈值。因此，位置信号由Lo变为Hi。另外，由于子信号S2的信号振幅大于二值化阈值，因此二值化后的相位信号成为Hi。因此，由于满足了位置信号由Lo上升为Hi、以及相位信号为Hi双方，控制部44判定为转子10反转。
上述的判定在时刻T2的前后也相同。换句话说，控制部44通过判定是否满足图5示出的条件，判定转子10的旋转方向。
如以上说明那样，成为将主信号S1的生成所需的第1～第3磁阻元件对31～33、子信号S2的生成所需的第4磁阻元件对34以及第5磁阻元件对35分别分开的构成。因此，能够以主信号S1以及子信号S2的信号振幅双方均变大的方式配置各磁阻元件对31～35。伴随于此，能够将主信号S1以及子信号S2双方的信号振幅最大化。
如上述那样，由于能够增大主信号S1以及子信号S2双方的信号振幅，因此即使旋转检测装置20相对于转子10的间隙变大，主信号S1以及子信号S2的信号振幅也不必减小。因此，能够扩大旋转检测装置20相对于转子10的能够检测的间隙。
(其他实施方式)
上述各实施方式示出的旋转检测装置20的构成为一个例子，不限于上述示出的构成，也能够采用能够实现本申请的其他的构成。例如，也可以按每个比较器42、43设定二值化阈值。
另外，在各比较器42、43还可以分别具有磁滞特性的情况下，第1比较器42可以设定为，在主信号S1变得小于二值化阈值时，二值化阈值变为第1值，在主信号S1变得大于二值化阈值时，二值化阈值变为小于第1值的第2值。换句话说，第1比较器42根据主信号S1将二值化阈值切换为第1值或者第2值。由此，即使在主信号S1中混入噪声等，也由于主信号S1难以超过二值化阈值，因此抗噪性提高。
同样，第2比较器43设定为，在子信号S2变得小于二值化阈值时，二值化阈值变为第1值，在子信号S2变得大于二值化阈值时，二值化阈值变为小于第1值的第2值。
在上述的实施方式中，第2磁阻元件对32与第1磁阻元件对31以及第3磁阻元件对33相比，配置于更靠第4磁阻元件对34以及第5磁阻元件对35侧，但这是配置的一个例子。因此，第2磁阻元件对32的位置也可以是其他的位置。
在上述的实施方式中，转子10是固定于作为内燃机的发动机的曲柄轴的部件，但旋转检测装置20的适用不限于内燃机。
在上述的实施方式中，表示转子10的旋转方式信息的相位信号用于转子10的旋转方向的判定，但这是相位信号的利用的一个例子。因此，例如，相位信号也可以用于在控制部44将位置信号向外部装置输出时的许可或者禁止的判定。
本申请以实施例为基准进行了记叙，但应理解为本申请不限于该实施例、构造。本申请也包含各种变形例、及均等范围内的变形。并且，各种组合、形态、进而包含仅其中一要素、一个以上或一个以下的其他组合、形态，也进入本申请的范畴及思想范围。

Claims (3)

1.一种旋转检测装置，其特征在于，具备：
检测部(30)，具有电阻值伴随着在旋转方向上交替设置有凸部(12)及凹部(13)的齿轮型的转子(10)的旋转而变化的多个磁阻元件对(31～35)、以及对所述多个磁阻元件对施加偏置磁场的偏置磁铁(21)，基于伴随着所述转子旋转而产生的所述多个磁阻元件对的电阻值的变化，分别生成与所述凸部以及所述凹部的凹凸构造对应的波形的主信号、以及相对于所述主信号具有相位的波形的子信号；以及
判定电路部(40)，具有用于将所述主信号以及所述子信号二值化的二值化阈值，从所述检测部输入所述主信号以及所述子信号，对所述主信号与所述二值化阈值进行比较并生成将所述主信号二值化后的位置信号，且对所述子信号与所述二值化阈值进行比较并生成将所述子信号二值化后的相位信号，将所述位置信号设为所述凸部的中心通过信息，另一方面将所述相位信号设为所述转子的旋转方式信息，
所述多个磁阻元件对与所述偏置磁铁中的所述转子侧的端部(21a)相比远离所述转子而配置，且所述多个磁阻元件对中的第1磁阻元件对(31)、第2磁阻元件对(32)以及第3磁阻元件对(33)与所述多个磁阻元件对中的第4磁阻元件对(34)以及第5磁阻元件对(35)相比，远离所述端部而配置，
所述第2磁阻元件对配置于被所述第1磁阻元件对、所述第3磁阻元件对、所述第4磁阻元件对以及所述第5磁阻元件对包围的范围，
所述检测部基于所述第1磁阻元件对、所述第2磁阻元件对以及所述第3磁阻元件对的输出，生成所述主信号，且基于所述第4磁阻元件对以及所述第5磁阻元件对的输出，生成所述子信号。
2.如权利要求1所述的旋转检测装置，其中，
所述第2磁阻元件对与所述第1磁阻元件对以及所述第3磁阻元件对相比，配置于所述第4磁阻元件对以及所述第5磁阻元件对一侧。
3.如权利要求1或2所述的旋转检测装置，其中，
所述判定电路部基于所述中心通过信息以及所述旋转方式信息，判定所述转子的旋转方向为正转或是反转。
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