JP2007518091A - 磁気抵抗速度センサ - Google Patents

Abstract

永久磁石（１０）および磁界用センサ（Ａ、Ｂ）をもつ、ｘ軸の周りを回転する物体速度を検出するための磁気抵抗速度センサ（１００）であって、ある測定方向（ＭＥ）を備え、その方向では外部干渉磁界が測定結果に影響を及ぼさない磁気抵抗速度センサ（１００）を作製するために、測定方向（ＭＥ）がｘ方向と並行となるように位置合わせされること、および２つのセンサ（Ａ、Ｂ）が互いにずれ、かつ測定方向（ＭＥ）に垂直に配置されることが提案される。

Description

本発明は、永久磁石および磁界用センサをもつ、ｘ軸の周りを回転する物体の速度を検出するための磁気抵抗速度センサであって、ある測定方向を備える磁気抵抗速度センサに関する。

当業者は、実際の適用例からのあらゆる多様な実施形態において、磁気抵抗速度センサを知り、それに通じている。磁気抵抗速度センサは、特に自動車工学で、クランク・シャフトまたはカム・シャフトの速度をモニタするために、あるいはＡＢＳシステムにおける車軸の周りの車輪の回転速度をモニタするために使用される。物体の速度を検出する役割を果たすのが、歯および歯溝をもつ外周上に備えられている歯車であり、これは好ましくは等距離で分配され、スキャンされるべき物体の回転軸上を物体とともに回転する。少なくとも、歯車の歯は、強磁性体材料を含んでいる。磁気抵抗速度センサは基本的に、磁界を生成する永久磁石を備える。磁界用センサは、この磁界中に配置される。４つの電気抵抗器Ｒ_ｉ（ｉ＝１、２、３、４）を備えるホイートストン・ブリッジが一般にセンサとして使用され、ホイートストン・ブリッジはそれ自体が知られている。

永久磁石の磁界の磁力線が、歯車の歯の強磁性体材料に向かって引きつけられ、または介在する歯間ギャップによって準反発されるので、永久磁石の磁界は、回転する歯車、すなわちその外周上の歯の移動によってその方向が影響される。したがって、歯車の回転、およびそれによる調査対象の物体の回転により、ホイートストン・ブリッジの場所において一定で周期的に反復した磁界の変化が生じる。

通常、永久磁石は、磁気抵抗速度センサの測定方向がデカルト座標で表されるところのｙ方向を向き、一方、調査対象の物体および歯車がｘ軸の周りを回転するように、位置合わせされる。したがって、歯車の外周上の歯も、磁気抵抗速度センサの領域内で、基本的にｙ方向に、すなわち測定方向と並行に動く。

既知のやり方においては、４つの抵抗器Ｒ_ｉの配置における磁界に関して、次の式を挙げることができる。
Ｈ_ｉ＝Ｈ_Ｏｆｆ＋Ｈ_ｐｋ ^＊ｓｉｎ（ｎ^＊Φ−ｎ^＊ｙ_ｉ／ｒ）＋Ｈ_ｅｘ （１）
ここで、
Ｈ_ｉ＝抵抗器Ｒ_ｉでの磁界
Ｈ_Ｏｆｆ＝磁界パターンのオフセット成分
Ｈ_ｐｋ＝磁界パターンの振幅
ｎ＝歯車上の歯の数
Φ＝歯車の回転角
ｒ＝歯車の半径
ｙ_ｉ＝抵抗器中間点のｙ座標
Ｈ_ｅｘ＝外部磁界（干渉磁界）
である。

正の磁界でＲ_１およびＲ_３がより大きくなり（α_１、α_３＝＋４５°）、正の磁界でＲ_２およびＲ_４がより小さくなり（α_２、α_４＝−４５°）、その場合、αがゼロの磁界強度をもつＭＲ抵抗器を通る電流の流れの方向であるように、４つの抵抗器Ｒ_ｉに対して、いわゆるあめん棒［barber-pole―床屋の看板柱―］構造が使用されてもよい。したがって、抵抗器に対して、
Ｒ_１＝Ｒ_０＋Ｓ^＊（Ｈ_Ｏｆｆ＋Ｈ_ｐｋ ^＊ｓｉｎ（ｎ^＊Φ−ｎ^＊ｙ_１／ｒ）＋Ｈ_ｅｘ） （２）
Ｒ_２＝Ｒ_０−Ｓ^＊（Ｈ_Ｏｆｆ＋Ｈ_ｐｋ ^＊ｓｉｎ（ｎ^＊Φ−ｎ^＊ｙ_２／ｒ）＋Ｈ_ｅｘ） （３）
Ｒ_３＝Ｒ_０−Ｓ^＊（Ｈ_Ｏｆｆ＋Ｈ_ｐｋ ^＊ｓｉｎ（ｎ^＊Φ−ｎ^＊ｙ_３／ｒ）＋Ｈ_ｅｘ） （４）
Ｒ_４＝Ｒ_０＋Ｓ^＊（Ｈ_Ｏｆｆ＋Ｈ_ｐｋ ^＊ｓｉｎ（ｎ^＊Φ−ｎ^＊ｙ_４／ｒ）＋Ｈ_ｅｘ） （５）
が導出され、ここで、Ｓ＝測定磁界、すなわちセンサ・エレメントのＲ−Ｈ特性の傾きまたはセンサ・エレメントｉの感度の関数としての、抵抗値Ｒ_ｉでの抵抗変化である。

ｙ_１＝ｙ_２＝−ｙ_３＝−ｙ_４＝Δｙを使用して、ホイートストン・ブリッジの出力信号は次のようにして計算されてもよい。
Ｕ_ｏｕｔ／Ｕ_Ｂ＝Ｒ_３／（Ｒ_１＋Ｒ_３）−Ｒ_４／（Ｒ_２＋Ｒ_４） （６）
＝−Ｓ^＊Ｈ_ｐｋ／Ｒ_０ ^＊ｓｉｎ（ｎ^＊Φ）ｃｏｓ（ｎ^＊Δｙ／ｒ）−Ｓ^＊Ｈ_ｅｘ （７）
ここで、
Ｕ_Ｂ＝測定ブリッジへの供給電圧
Ｕ_ｏｕｔ＝測定ブリッジの出力信号
である。

外部磁界、すなわち干渉磁界Ｈ_ｅｘが測定結果に直接影響を及ぼすのは、式（７）より明らかである。たとえば自動車工学分野においては、この種の外部干渉磁界は、エンジンの始動動作中、スタータによって生成される電磁界である。したがって、特に変化する干渉磁界のケースにおいては、この種のセンサを使用しても、速度は測定されることができない、または非常に不正確にしか測定されることができない。

外部干渉磁界を抑制する様々な方法が知られている。例えば、ドイツ特許公開（ＤＥ−Ａ）１０１５８０５３号公報に開示されているように、ホイートストン・ブリッジは、２つの半ブリッジに分割されてもよく、その場合、測定方向で見れば、２つの半ブリッジが互いにずれるように配置される。しかし、２つの半ブリッジがこのように配置される場合には、測定方向も基本的に、歯車の外周上の歯の移動する方向に並行に位置合わせされることは、ここに不利であるとみなされるべきである。これは、強磁性体歯車の近傍に配置された場合、速度をモニタするために、歯車の、すなわち強磁性体の歯の位置に応じて、この種のセンサが磁気飽和範囲内で動作させられることを意味する。それによって生じる調波または調波磁界により、２つの半ブリッジの差分信号は、干渉なしで評価され得なくなる。

国際特許出願公開９９／６７６５１号公報では、永久磁石２をもつ磁気位置センサを開示しており、永久磁石２の磁界は、回転する歯車１の歯または歯間ギャップによって偏向され、その偏向がセンサ３によって検出される。図１より明らかなように、磁界は歯車１の回転軸４に垂直に配置され、したがって、ここでも相当な不利点が生じる。

米国特許第４７９１３６５号公報では位置センサについて記載しており、その磁気センサは、永久磁石の磁界の磁束集中器に対して相対的に移動されてよい。これは、高度な設計入力を必要とし、特に自動車工学での使用には適さない。

米国特許第５４７７１４３号公報では、永久磁石４０をもち、それによって生成された磁界の軸４２をその永久磁石４０が備える、磁気抵抗近接センサを開示している。軸４２に沿って物体５８が接近するのが、磁気抵抗センサ３１および３２によって検出される。

既知の磁気抵抗速度センサのケースでは、この場合、測定方向が、上述のようにして、歯車の強磁性体の歯の移動方向と基本的に並行に位置合わせされ、したがって、いくつかの状況においては、速度の正確な検出が不可能であることが、不利とみなされるべきである。ホールの原理に従って動作するセンサが知られており、その場合、測定方向は、基本的に歯の移動方向に垂直に位置合わせされるのは事実である。しかし、これらは小さな出力信号しか示さず、極度に増幅される必要がある。さらに、信号対雑音比が悪いので、それらを用いて正確な測定を行なうことは不可能である。

本発明の目的は、外部干渉磁界の存在にも関わらず正確な測定値を提供する磁気抵抗速度センサを作製することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴によって達成される。

本発明の基本的な概念は、磁気抵抗速度センサの測定方向が歯車の歯の移動方向に垂直となるように位置合わせされること、または測定方向と移動方向が互いに直交することにある。デカルト座標で表された測定方向は、ここにｘ軸と並行となるように位置合わせされ、それにより、歯車および調査対象の物体の回転軸に並行となる。さらに、２つのセンサが永久磁石の磁界の領域内に配置され、測定方向、すなわちｘ軸に垂直で、互いにずれている。これは、永久磁石の磁力線の特性が、歯車の強磁性体の歯の移動によって周期的に変化させられることを意味する。歯がセンサまたは永久磁石の前に位置する場合、磁力線は、この歯に向かって押され、または曲げられ、磁界はｘ方向でその最小となる。歯間ギャップがセンサまたは永久磁石の前に位置する場合、永久磁石の磁力線は、事実上影響を受けず、磁界はｘ方向でその最大となる。磁界中のこの変化は、磁界によって透過される２つのセンサによって検出され、この２つのセンサからの差分信号を使用して、歯車および調査対象の物体の速度を決定してもよい。

本発明の利点は、センサの測定方向に垂直な一方向に２つのセンサの配置がずれていることにより、また測定方向に対して歯車の回転軸が並行であることにより、外部干渉磁界が測定結果に影響を及ぼさない、という事実にある。同様に、測定は、磁気飽和に近いセンサの動作によって歪まされない。

センサｊ（ｊ＝Ａ、Ｂ）で優勢な磁界は、次の式で近似されてもよい。
Ｈ_ｊ＝Ｈ_{Ｏｆｆ，ｘ}−Ｈ_ｐｋ，ｘ ^＊ｃｏｓ（ｎ^＊Φ−ｎ^＊ｙ_ｊ／ｒ）＋Ｈ_ｅｘ （８）

基礎として、２つのセンサのそれぞれが、センサの場所で優勢な磁界に比例する、またはそのｘ方向成分（Ｕ_ｏｕｔ／Ｕ_Ｂ＝Ｓ_Ｂｒ ^＊Ｈ_ｘ）に比例する出力信号を出力すると仮定した場合、２つのセンサの差分信号は、次の式を使用して計算されてもよい。
（Ｕ_{ｏｕｔ，Ａ}−Ｕ_{ｏｕｔ，Ｂ}）／Ｕ_Ｂ＝２^＊Ｓ_Ｂ ^＊Ｈ_ｐｋ，ｘ ^＊ｓｉｎ（ｎ^＊Φ）^＊ｓｉｎ（ｎ^＊ｙ_ｊ／ｒ） （９）

この式は、２つのセンサの差分信号の形成で数学的に排除しているので、外部干渉磁界をもう含んでいない。

磁気抵抗速度センサの動作中、すなわち強磁性体の歯をもつ歯車が回転するとき、永久磁石の磁界がｘ方向でもｙ方向でも変化するので、当業者に知られたＡＭＲセンサでは、ブースタ磁界として知られる、測定方向に垂直の、すなわちこの例ではｙ方向の一定の磁界を必要とすることから、ＡＭＲセンサを使用して、変化する磁界を検出することはできない。しかし、歯車の回転の結果、ｙ方向で磁界が反転されることさえあるので、これらのセンサでは、いわゆる「フリップ」効果、すなわちセンサ特性の反転が生じることがある。磁気抵抗速度センサに好ましく使用されるのは、従来技術より知られたＧＭＲセンサであり、これは、変化する磁界を検出するために、上述のようなブースタ磁界を必要としない。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項で識別される。

請求項２に記載の２つのセンサの配置は、磁気抵抗速度センサの対称的な設計をもたらす。その結果、２つのセンサが互いに対称的にずれ、すなわち両方が測定方向に延びるｘ軸からｙ軸に沿って＋／−ｙの量だけずれ、２つのセンサ差分信号を計算する際、外部干渉磁界が相殺されるので、外部干渉磁界からの独立が実現される。

簡単な対応では、請求項３に記載されるように、従来技術より知られたホイートストン・ブリッジが、各ケースにおいてセンサとして使用される。これらのセンサは信頼性の高い測定結果を出力し、当業者にとって、センサと歯車の歯との間の一様に小さいエア・ギャップを保証するのに十分正確に、回転する歯車に近い永久磁石の磁界中に配置することが可能である。

請求項４に記載される代替実施形態においては、各ケースでセンサとして半ブリッジが使用され、当業者に知られた対応で、互いに接続される。次いで、２つの半ブリッジの差分信号は上述の差分信号を提供するが、この差分信号は、その後、「２」分の１に小さくなる。この信号の大きさが評価に十分である場合、この実施形態は、各センサごとに２つの抵抗器しか必要とされないので、センサが小さくなるという利点を提供する。それによって、磁気抵抗速度センサ全体が小さくなり得る。

永久磁石は、好ましくは、磁界の成分が、強磁性体の歯による偏向なしに、もとよりｘ方向を向くように位置合わせされる。それにより、十分な磁界強度の磁界が、歯車の回転する歯の上に位置合わせされ、互いにずれた２つのセンサを透過することが実現される。次いで、この磁界は、歯の移動によって変化させられ、その変化がセンサで測定される。永久磁石は、その磁界の主な部分がデカルト座標でｚ方向を向くように位置合わせされてもよい。当業者にとって、歯車および調査対象の物体の回転軸に対して相対的な定義された位置合わせを用いた、対応する構成が可能である。

技術のあらゆる多様な領域において、シャフト、スピンドル、車輪など、任意の物体の速度をモニタするために、磁気抵抗速度センサが使用されてよいことは言うまでもない。しかし、好ましくは、この速度センサは、自動車工学で、特に、クランク・シャフトまたはカム・シャフトの速度を測定するために使用される。また、速度センサは、ブレーキ時の車輪の回転をモニタするために、ＡＢＳシステムで使用されてもよい。

本発明は、図面に示された実施形態の例を参照してさらに説明されるが、本発明はそれだけには限定されない。

図１に示される磁気抵抗速度センサ１００は、磁化Ｍが示されているデカルト座標システムのｚ方向を向いた永久磁石１０と、磁界用センサとして４つの抵抗器Ｒ_ｉ（ｉ＝１、２、３、４）をもつホイートストン・ブリッジ１１とを備えている。歯車１２は、その外周上に、等距離で分配された歯１３および歯間ギャップ１４を備え、その歯１３は少なくとも強磁性体材料を含んでいる。歯車１２は、矢印Ｄで示されるように、ｘ方向と並行になるように位置合わせされた軸の周りを回転する。歯１３は、ここに、磁気抵抗速度センサ１００の領域内で、すなわちホイートストン・ブリッジ１１の領域内で、基本的にｙ方向で上から下に回転する。

歯１３の移動により、ホイートストン・ブリッジ１１を透過する永久磁石１０によって生成される磁界が、既知のやり方で周期的に変化させられ、その結果、供給電圧Ｕ_Ｂで動作されるホイートストン・ブリッジ１１は出力信号Ｕ_ｏｕｔを出力し、その出力信号から、歯車１２および関連する物体の速度に関する結果が引き出される。この測定方法は、たとえば、自動車内で生じることがある外部干渉磁界に影響されやすい。

この問題を解決するため、図２に示された磁気抵抗速度センサ１００は、２つのセンサＡ、Ｂを備えており、これらはｙ方向では互いにずれ、ｘ軸に関しては対称的に配置されている。永久磁石１０はさらに、その磁化Ｍ、すなわちそれによって生成される磁界が、ｘ方向を向き、２つのセンサＡ、Ｂを透過する少なくとも１つの成分を示すように、位置合わせされる。磁気抵抗速度センサ１００の測定方向ＭＥは、それによりｘ方向を向き、歯車１２の回転軸に並行となる。基本的にセンサＡ、Ｂの領域内においてｙ方向で上から下に歯車１２の歯１３が移動することにより、永久磁石１０の磁界も変化させられ、この変化がセンサＡ、Ｂによって検出される。それにより得られる差分信号は外部磁界に独立であり、したがって、磁気抵抗速度センサ１００は、特に、自動車工学で使用されてもよい。

従来の速度センサの図である。 本発明による速度センサの図である。

符号の説明

１００ 磁気抵抗速度センサ
１０ 永久磁石
１１ ホイートストン・ブリッジ
１２ 歯車
１３ 歯
１４ 歯間ギャップ
Ａ、Ｂ センサ
ＭＥ 測定方向
Ｍ 磁化
Ｒ_ｉ 測定ブリッジの抵抗器、ｉ＝１、２、３、４
ｘ、ｙ、ｚ デカルト座標
Ｕ_Ｂ 測定ブリッジへの供給電圧
Ｕ_ｏｕｔ 測定ブリッジからの出力信号

Claims (6)

1. 永久磁石および磁界用センサをもつ、ｘ軸の周りを回転する物体の速度を検出するための、ある測定方向を有する磁気抵抗速度センサであって、前記測定方向が、ｘ方向と並行となるように位置合わせされ、２つのセンサが、互いに距離を隔て、前記測定方向に垂直となるように配置されることを特徴とする、磁気抵抗速度センサ。
2. 前記センサが、ｙ軸上で前記ｘ軸に対して対称的に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗速度センサ。
3. 前記センサのそれぞれが、ホイートストン・ブリッジであることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気抵抗速度センサ。
4. 前記センサのそれぞれが、半ブリッジであることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気抵抗速度センサ。
5. 前記永久磁石が、前記ｘ方向で磁界成分を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気抵抗速度センサ。
6. 特に、クランク・シャフトまたはカム・シャフトの速度をモニタするための自動車工学における、あるいはＡＢＳシステムにおける、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気抵抗速度センサの使用。

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