JP6855498B2 - 回転カウンタで把握可能な回転数を決定する際にエラー状態を自己検知する磁気回転カウンタ - Google Patents
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Description
Hdepinn<Hmin≦H<Hmax<HNuk
最大磁界Hmax及び最小磁界Hminは応用によって設定される。これら全ての回転カウンタで更に共通しているのは、センサ要素は応用の最大磁界Hmaxと最小磁界Hminにおいて、例えば10−7より小さい何らかのエラー確率に関して適切にテストされていることである。この磁界窓の内部で磁壁は確実に輸送される。
a.ホイートストン(ハーフ)ブリッジの内部の短絡又は伝導路若しくはセンサウェブの中断に基づく電気的エラー状態
b.DW数の減少(DW対消滅)又は増加(DW核生成)又はDWセンサ要素内におけるDWの(部分的)「不動」(DWピニング)に基づく磁気的エラー状態
短絡又は伝導路中断若しくはセンサウェブ中断による電気的エラー状態は、ホイートストン(ハーフ)ブリッジの許容信号レベルである高レベル、中レベル又は低レベルに合致しない信号レベルを発生させる。電気的エラー状態は、計数された回転の検知を永続的に妨げる。
● オープンスパイラル又は多巻きクローズドループからなる磁壁伝導路を含み、これらの磁壁伝導路はGMR層スタック又は局所的に存在するTMR層スタックを有する軟磁性層によって形成されており、及び
● それらに180度磁壁を導入でき、設定可能なスパイラル部分又はループ部分の電気抵抗を測定することにより−一部公知の先行技術に従って探し出すことができ、
● しかしながら本発明により、磁壁伝導路には1個又は少なくとも2個の磁壁、若しくは好適な実施形態において4個の磁壁が、磁壁の発生、ピニング又は所定の消去を行うための手段によって導入されており、及び
● 磁壁伝導路上に電気接点が設けられ、その際に磁壁伝導路が、対角線状に相対してそれぞれ1個のVcc接点及びgnd接点により協同して、又は多重読出しに対しては複数のVcc接点及びgnd接点の群において覆われるようにされ、及び
● Vcc接点及びgnd接点上にある対角線を基準にして両側に、或いは本発明による好適な実施形態において専ら片側に電気接点が設けられており、
● 上記のVcc接点とgnd接点との間の実質的に中央においてそれぞれ1巻きと接触し、又は多重読出しの場合はこれらの間にある各磁壁伝導路部分の複数の巻きと接触し、
● 上記の接点は、分離した、好ましくは並行に読み出し可能な、又は多重読出しの場合は高速に相次いで、いわば同時に読み出し可能なホイートストンハーフブリッジを形成し、
● ホイートストンハーフブリッジによって把握された抵抗比は信号レベルとしてことごとくメモリに表形式で記憶され、現在の回転数を把握するために、別のメモリに記憶されている具体的な回転数に対応する表形式の目標値パターンと連続的に比較され、及び
● 目標値パターンとホイートストンハーフブリッジによって把握された抵抗比との間に一致が存在しなければ、これらは別のメモリに記憶されている、具体的な回転数及び特定のエラーに対応する、表形式のエラー目標値パターンと比較され、
● 一対一で対応する回転値若しくは移動値、又は補正不可能なエラーとして直ちに出力可能である。
回転数を決定するために最大限必要な比較の数は更に、通常の計数動作においてDW数は一定のままであることによって少なく抑えられる。そうすることによって回転ごと及び磁界角度象限ごとに正確にそれぞれ1個の信号パターンが存在し、それによってまたそれぞれ1個の目標値パターンのみ比較のために記憶されていればよい。
● 測定サイクルの開始後に、
● 電子装置6が第1ステップで角度センサWS3及び回転数センサUS2を読み出し、
● 第2ステップでメモリ8にWS測定値W8(8a)を記憶し、メモリ9にUS測定値を表T9(9a)として記憶し、
● 第3ステップで処理ユニット11により角度センサ測定値から関連する磁界角度象限Q1、Q2、Q3又はQ4が把握され、
● 第4ステップで把握された象限(例えばQ1)に対して、目標値SPFを含むメモリ10から把握された象限に対するサブテーブル(例えばS1Q1(10a))が許容回転i(0≦i≦n)についてロードされ、
● 第5ステップで処理ユニット11により回転インデックスiは0に設定され、
● 第6ステップは回転iについて処理ユニット11による測定値9aと目標値(例えば10a)との反復比較であり、
○ それらの値が一致すれば、電子読出し装置は第7ステップで回転数iを出力して測定サイクルを終了し、又は
○ それらの値が一致しなければ、第7ステップで回転インデックスiは1だけ高められ、及び
○ 第8ステップでi>nであるかチェックされ、
■ i>nであれば、第9ステップでエラー検知が行われ、
■ そうでない場合は、第6ステップが回転i+1について繰り返され、
● エラー検知に対して処理ユニット11は第9ステップで回転インデックスiを0に設定し、
● 第10ステップで回転iについて目標値エラーSPFを含むメモリ12から予め計算されたエラーmについてのm(i)(0≦j≦m)サブテーブル(例えばSF1Q1(12a))を読み取り、
● 第11ステップで回転インデックスjは0に設定され、
● 第12ステップは、回転iについて測定値9aとエラー状態jに対する目標値エラーSPF(例えばサブテーブルSF1Q1(12a))との比較であり、
○ 値が一致すれば、電子読出し装置は第13ステップで回転数iとエラー状態に対するエラー値を出力して、測定サイクルを終了し、
○ 値が一致しなければ、第14ステップで回転インデックスjは1高められ、
○ 第15ステップでj>mであるかチェックされ、
■ j≦mであれば、予め計算されたエラーj+1について第12ステップが繰り返され、
■ j>mであれば、第16ステップで、回転インデックスi>nであるか質問され、
● そうであれば、第17ステップで1個のエラー値のみが出力されて、測定サイクルが終了し、
● そうでなければ、第17ステップで回転インデックスiは1高められて、ステップ10が繰り返され、
● 測定サイクルは回転数(ステップ7)の出力、又はエラー値を有する回転数の出力(ステップ13)、又は1個のエラー値のみの出力(ステップ17)をもって終了する。
エラー値及び有効な回転数の出力は、MMが初期化済みであり、エラー状態においてもなお有効な回転数の決定が可能であることを前提とする。
スパイラルは「180度接点接触方式」で電気接点を備えている。左上に1個の共通のgnd接点70、右下に1個の共通のVcc接点80、及び右上に3個の中間接点91、93及び95、左下に3個の中間接点90、92及び94、並びにセンサ要素を初期化するための狭隘部26を有する伝導路25がある。センサ要素の磁化状態は6個のホイートストンハーフブリッジを用いる電位測定によって読み出される。左下には、中間接点90、92及び94を有する3個のハーフブリッジがある。
● ホイートストンハーフブリッジW1−1は、中間接点90、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ3l及び32を形成する。
● ホイートストンハーフブリッジW2−1は、中間接点92、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ41及び42を形成する。
● ホイートストンハーフブリッジW3−lは、中間接点94、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ51及び52を形成する。
右上には、中間接点91、93及び95を有する3個のハーフブリッジがある。
● ホイートストンハーフブリッジW1−2は、中間接点91、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ33及び34を形成する。
● ホイートストンハーフブリッジW2−2は、中間接点93、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ43及び44を形成する。
● ホイートストンハーフブリッジW3−2は、中間接点95、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ53及び54を形成する。
● 第1の最も外側の巻きにおいて、DW111はDW位置36に局在し、DW112はDW位置38に局在している。
● 第2の中央の巻きにおいて、DW113はDW位置46に局在し、DW114はDW位置48に局在している。
● 第3の最も内側の巻きにおいて、DW115はDW位置56に局在し、DW116はDW位置58に局在している。
3個のハーフブリッジはこれらのDWポジション及び基準方向28の位置により中央電位にある。ccw方向における磁化方向は濃灰色、cw方向における磁化方向は淡灰色で表現されている。更に各ウェブについて磁化方向は矢印で表示されている。GMR層スタックの基準方向28は正方形スパイラルに対して対角線状であり、左下から右上を指している。
1.スパイラル対角線に沿った磁界方向(例えば左下から右上)の核生成磁界強度より高い磁界強度を有する磁界パルスによるDWの核生成か、又はセンサシステムの磁界の回転、n巻きスパイラルの場合はcw方向若しくはccw方向に少なくともn+1回転(ここでは4回転)。これによりスパイラルは磁壁生成器DWG23(又はDWG24)により完全にDWで満たされる。
2.伝導路25の狭隘部26の下で十分に大きいエルステッド磁界を用いた2個のDWの対消滅、それによって2個のDWギャップDWL221及びDWL222が生じ、次にこれらが所望されたゼロ位置に移動される。
● ホイートストンハーフブリッジWHB1は、中間接点91、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ33及び34を形成する。
● ホイートストンハーフブリッジWHB2は、中間接点93、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ43及び44を形成する。
● ホイートストンハーフブリッジWHB3は、中間接点95、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ53及び54を形成する。
● ホイートストンハーフブリッジWHB4は、中間接点97、gnd接点70及びVcc接点80を有するウェブ63及び64を形成する。
4個のホイートストンハーフブリッジWHB1〜WHB4は、同時に巻きW1〜W4と相関関係にある。
● ループS5に対する0Uは回転数0U、5U、10U、15U、20U、25U、30U、35U及び40U(一般式n*5U)
● ループS8に対する2Uは回転数10U、18U、26U及び34U(一般式m*8U+2U)
● ループS9に対する1Uは回転数10U、19U、28U及び37U(一般式k*9U+1U)
ループが互いに素であることに基づいて、個別ループ回転数の各組み合わせについて常に必ず正確な一致が生じ、それが組み合わせの回転数である。ここでは回転数は10Uである。
目標値SPFを作成するために、正しいMMポジション若しくは基準となるDWの正しいポジションが算出されなければならない。正しいDWポジションは回転数(ここでは10U)をループの最大の回転数(ここでは5U、8U又は9U)で除した余りである。
● S5:0U(10/5=2+余り0)
● S8:2U(10/8=1+余り2)
● S9:1U(10/9=1+余り1)
● S5:0U(10/5=2+余り0)
● S8:F+2U(エラー状態並びに10/8=1+余り2)
● S9:1U(10/9=1+余り1)
ループS8のエラー状態に基づいて電子読出し装置は、回転数10UをループS5及びS9の有効な値(S5:0U及びS9:1U)で把握する。4個のDWを含む冗長的MMに基づいて、電子読出し装置はループS8(F)のエラー状態にかかわらず、その個別ループ回転数2Uを把握して使用することができ、その結果としてループ(S5+S8)及び(S8+S9)の組み合わせについても、各個別ループにおける4個の磁壁を含む冗長的磁化パターンに基づいてそれぞれ回転数10Uを合計3倍冗長的に把握する。
● WHB1は、gndトンネル接点71を有するウェブ33、Vccトンネル接点81を有するウェブ34、並びにウェブ33とウェブ34の間の四分円状の角及びこれらのウェブの部分を覆う中間接点91からなる。
● WHB2は、gndトンネル接点72を有するウェブ43、Vccトンネル接点82を有するウェブ44、並びにウェブ43とウェブ44の間の四分円状の角及びこれらのウェブの部分を覆う中間接点93からなる。
● WHB3は、gndトンネル接点73を有するウェブ53、Vccトンネル接点83を有するウェブ54、並びにウェブ53とウェブ54の間の四分円状の角及びこれらのウェブの部分を覆う中間接点95からなる。
● WHB4は、gndトンネル接点74を有するウェブ63、Vccトンネル接点84を有するウェブ64、並びにウェブ63とウェブ64の間の四分円状の角及びこれらのウェブの部分を覆う中間接点97からなる。
外側の第1巻きW1は、gnd接点71及びVcc接点81を有するウェブ3l、32、33及び34を形成する。
第2巻きW2は、gnd接点72及びVcc接点82を有するウェブ41、42、43及び44を形成する。
第3巻きW3は、gnd接点73及びVcc接点83を有するウェブ51、52、53及び54を形成する。
最も内側の第4巻きW4は、gnd接点74及びVcc接点83を有するウェブ61、62、63及び64を形成する。
この例でも2個の隣接する磁壁DW111とDW112の間の間隔は、cw方向に見て540度である。
1a 回転カウンタ
2 回転センサUS
3 角度センサWS
4 磁石システム
4a、4c、4e、4g、4i、4k N極
4b、4d、4f、4h、4j、41 S極
5 回転シャフト
5a 磁極ホイール
5b リニアスケール
6 電子装置
7 電圧供給源
8 角度センサ測定値用メモリ
8a 角度センサ測定値W8
9 回転センサ測定値用メモリ
9a 回転センサ測定値の表T9
10 回転センサの表形式で記憶された目標値のメモリ
10a−10d 第1〜第4磁界角度象限に対する目標値のサブテーブル
11 処理ユニット
12 第1〜第4磁界角度象限に対する目標値エラーSPFの目標値の表形式で記憶された目標値エラーSPF12a〜12dに対するサブテーブル
20 スパイラル
21、22 スパイラルの尖端
25 磁化パターンを初期化するための伝導路
26 伝導路25内の狭隘部
27 多巻きクローズドループ
28 基準磁化の方向
3l、32、33、34 最も外側の第1巻きのウェブ
35、36、37、38 最も外側の第1巻き内のDW位置
41、42、43、44 第2巻きのウェブ
45、46、47、48 第2巻き内のDW位置
51、52、53、54 第3巻きのウェブ
55、56、57、58 第3巻き内のDW位置
63、64 第4巻きのウェブ
65 第4巻き内のDW位置
70、71、72、73、74 gnd接点
80、81、82、83、84 Vcc接点
91、93、95、97、99 種々の巻きの中間接点
111−116 磁壁(DW)
221、222 DWギャップ
301 ウェブ51とウェブ44の角の拡大図
302 四分円状の多角線
400 手順図
501 軟磁性層
502 トンネルバリア
503 硬磁性層スタック
504a 絶縁層
504b 絶縁層
505 トンネル接点上の金電極
Claims (7)
- 回転カウンタで設定できる測定可能な回転数nを決定する際にエラー状態を自己検知する磁気回転カウンタであって、回転数nは回転する磁気要素(4)、若しくは回転する磁極ホイール(5a)若しくは通過移動可能なリニア磁気スケール(5b)の通過移動可能な数nの磁極によって生み出され、この磁気回転カウンタはセンサ(2)を有しており、このセンサは各巻きが略菱形に形成されたオープンスパイラル(20;20a、20b)又は多巻きクローズドループ(27)からなる磁壁伝導路を含み、これらの磁壁伝導路はGMR層スタック又は局所的に存在するTMR層スタックを有する軟磁性層によって形成され、それらに少なくとも2個の磁壁(111、112)を導入でき、これら少なくとも2個の磁壁は、オープンスパイラル(20;20a、20b)又は多巻きクローズドループ(27)の角に位置していると共に互いに180度の角度間隔で配置されており、設定可能なスパイラル部分又はループ部分の電気抵抗を磁壁伝導路上に設けた接点(70、80;91、93、95、90、92、94又は70、80;91、93、95、97又は71、81;91、93、95、97−72、82;99、101、103、l05、107又は71、81;91、93−72、82;95、97、99又は71、81;91〜74、84;95)で測定することによって、磁壁のポジションを探し出すことができるものにおいて、
−磁壁伝導路は磁壁(DW)及び/又は磁壁ギャップ(DWL)の設定可能な一対一で対応する磁化パターン(MM)を有しており、
−前記接点は、これらによって覆われている磁壁伝導路の関連する部分と共に、並行に又は同時に読み出し可能なホイートストンブリッジ若しくはホイートストンハーフブリッジを形成し、ホイートストンブリッジ若しくはホイートストンハーフブリッジによって測定された抵抗比は信号レベルとして信号レベルシーケンス(SPF)の形で全て第1のメモリ(9)に表形式で記憶し、その信号レベルは現在の回転数若しくは移動数を把握するために、各回転数i(0≦i≦n)について第2のメモリ(10)に表形式で記憶された信号レベルシーケンスの目標値パターン(10a、10b、10c及び10d)と連続的に比較可能であり、及び
−第3のメモリ(12)が設けられており、第3のメモリには、各回転数及び各想定可能な計数エラーに対応する信号レベルシーケンスのエラー目標値パターン(12a、12b、12c、12d)が表形式で記憶されおり、第1のメモリ(9)に記憶された信号レベルシーケンスと目標値パターン(10a、10b、10c及び10d)との比較によって、目標値パターン(10a、10b、10c及び10d)と測定された前記抵抗比との間に一致が存在しなければ、第1のメモリ(9)に記憶された信号レベルシーケンスとエラー目標値パターン(12a、12b、12c、12d)との比較が行われ、発生したエラーに依存して、なおも回転数に対して妥当な値を出力することができ、
−処理ユニット(11)によって第1のメモリ(9)に記憶されている測定された信号レベルシーケンスと、第2のメモリ(10)及び第3のメモリ(12)に記憶されている信号レベルシーケンスとの連続的比較を行うことができ、及び
−回転要素(4)の全回転又は半回転、又は回転する磁極ホイール(5a)若しくは通過移動可能なリニア磁気スケール(5b)の移動ステップの間に、第3のメモリに記録された発生したエラーに対応するエラー値又は第3のメモリ(12)に記録されたエラー値及び有効な回転数を出力可能である磁気回転カウンタ。 - 回転カウンタ(2)の他に、回転要素(4)若しくは磁極ホイール(5a)の角度位置又はリニアスケール(5b)の直線移動を検知するための別の角度センサ又は象限センサ(3)が設けられており、角度センサ又は象限センサ(3)の信号は処理ユニット(11)による比較のために、象限若しくは角度部分又はリニアスケール部分に割り当てられた第2のメモリ(10)内のどのサブテーブル(10a−10d)と、第3のメモリ(12)内のどのサブテーブル(12a−12d)を使用すべきか指定することを特徴とする、請求項1に記載の磁気回転カウンタ。
- 磁壁伝導路は多数巻きスパイラル(20)から形成されており、このスパイラルは両側が2個の尖端部(21、22)で終わり、又は尖端箇所に1個若しくはそれぞれ1個の磁壁生成器(23、24)が設けられており、各巻きが略菱形に形成されたスパイラル(20)に所定の磁化パターン(MM)を2個の隣接する磁壁(DW)若しくは磁壁ギャップ(DWL)との間の設定可能な間隔で有しており、磁壁伝導路上に電気接点が設けられていて、スパイラル(20)の各巻きは、対角線状に相対して、それぞれ1個のgnd接点(70)とそれぞれ1個のVcc接点(80)と接触し、又は多重読出しの場合は1個の共通のgnd接点及びそれぞれ1個のVcc接点若しくは1個の共通のVcc接点群及びそれぞれ1個のgnd接点と接触しており、スパイラル(20)の各巻きの角と接触する中間接点(91、93、95及び90、92、94)が、Vcc接点及びgnd接点上にある対角線を基準にして専ら片側に局在化して設けられており、若しくは多重読出しの場合はホイートストン(ハーフ)ブリッジ中間接点として複数の巻きと接触する接点に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の磁気回転カウンタ。
- 磁壁伝導路は、各巻きが略菱形に形成された多数巻きのクローズドループ(27)から作られており、その中に少なくとも2個の磁壁が導入されて、その際に少なくとも2個の磁壁(111、112)が、磁壁の発生、ピニング又は所定の消去を行うための手段(25、26)によって、外部磁界が360度回転する際にクローズドループ(27)を1巻き分だけ更に移動するようになっており、磁壁伝導路上に電気接点が設けられて、磁壁伝導路が、対角線状に相対してクローズドループ(27)1巻き当りそれぞれ1個のgnd接点とそれぞれ1個のVcc接点と、又は多重読出しの場合はそれぞれ1個の共通のgnd接点(70)とVcc接点(80)により、前記接点(70、80)の間で片側に配置された中間接点(91、93、95及び97)により各ループ部分上で接触していることを特徴とする、請求項1に記載の磁気回転カウンタ。
- 磁壁伝導路は、巻き回転方向の等しい2個の互いに並置され各巻きが略菱形に形成された多数巻き部分スパイラル(20a、20b)から形成されており、部分スパイラル(20a、20b)の各々は相対してそれぞれ1個の共通のgnd接点(71;72)とVcc接点(81;82)と接触しており、前記gnd接点とVcc接点の間で片側に中間接点(91、93、95、97;99、101、103、l05、107)が設けられており、磁壁伝導路には磁壁の所定の磁化パターンを有しており、これらの隣接する磁壁は磁壁の発生、ピニング又は所定の消去を行うための手段(25、26)により、外部磁界が360度回転する際にそれぞれ部分スパイラル(20a,20b)を1巻き分だけ更に移動するようになっていることを特徴とする、請求項1又は3に記載の磁気回転カウンタ。
- 全ての磁壁伝導路は、互いに並行に延び及び前記接点を通して並行に又は同時に読出し可能な磁壁伝導路として構成されており、これらの磁壁伝導路はそれぞれ初期化の時点で同一の磁化パターンを有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の磁気回転カウンタ。
- 複数の互いに分離された多巻きクローズドループ(S5、S8、S9)が設けられており、それらのそれぞれ一対一に対応して決定可能な最大回転数は、設定可能な磁壁生成時に、互いに素に規定されていることを特徴とする、請求項1及び4に記載の磁気回転カウンタ。
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