JP2007518091A - 磁気抵抗速度センサ - Google Patents
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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Ri(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Ri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。
Hi=HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*yi/r)+Hex (1)
ここで、
Hi=抵抗器Riでの磁界
HOff=磁界パターンのオフセット成分
Hpk=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
yi=抵抗器中間点のy座標
Hex=外部磁界(干渉磁界)
である。
Hi=HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*yi/r)+Hex (1)
ここで、
Hi=抵抗器Riでの磁界
HOff=磁界パターンのオフセット成分
Hpk=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
yi=抵抗器中間点のy座標
Hex=外部磁界(干渉磁界)
である。
正の磁界でR1およびR3がより大きくなり(α1、α3=+45°)、正の磁界でR2およびR4がより小さくなり(α2、α4=−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Ri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、
R1=R0+S*(HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*y1/r)+Hex) (2)
R2=R0−S*(HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*y2/r)+Hex) (3)
R3=R0−S*(HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*y3/r)+Hex) (4)
R4=R0+S*(HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*y4/r)+Hex) (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Riでの抵抗変化である。
R1=R0+S*(HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*y1/r)+Hex) (2)
R2=R0−S*(HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*y2/r)+Hex) (3)
R3=R0−S*(HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*y3/r)+Hex) (4)
R4=R0+S*(HOff+Hpk *sin(n*Φ−n*y4/r)+Hex) (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Riでの抵抗変化である。
y1=y2=−y3=−y4=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。
Uout/UB=R3/(R1+R3)−R4/(R2+R4) (6)
=−S*Hpk/R0 *sin(n*Φ)cos(n*Δy/r)−S*Hex (7)
ここで、
UB=測定ブリッジへの供給電圧
Uout=測定ブリッジの出力信号
である。
Uout/UB=R3/(R1+R3)−R4/(R2+R4) (6)
=−S*Hpk/R0 *sin(n*Φ)cos(n*Δy/r)−S*Hex (7)
ここで、
UB=測定ブリッジへの供給電圧
Uout=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Hex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。
Hj=HOff,x−Hpk,x *cos(n*Φ−n*yj/r)+Hex (8)
Hj=HOff,x−Hpk,x *cos(n*Φ−n*yj/r)+Hex (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(Uout/UB=SBr *Hx)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。
(Uout,A−Uout,B)/UB=2*SB *Hpk,x *sin(n*Φ)*sin(n*yj/r) (9)
(Uout,A−Uout,B)/UB=2*SB *Hpk,x *sin(n*Φ)*sin(n*yj/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Ri(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UBで動作されるホイートストン・ブリッジ11は出力信号Uout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。
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
Ri 測定ブリッジの抵抗器、i=1、2、3、4
x、y、z デカルト座標
UB 測定ブリッジへの供給電圧
Uout 測定ブリッジからの出力信号
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
Ri 測定ブリッジの抵抗器、i=1、2、3、4
x、y、z デカルト座標
UB 測定ブリッジへの供給電圧
Uout 測定ブリッジからの出力信号
Claims (6)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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