TW384389B - Apparatus for measuring the angle of rotation for rotatable parts - Google Patents

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Bosch Gmbh Robert
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Description

A7 ____ϋ___ 丨. 五、發明説明（丨） 本發明關於申請專利範圍第1項引文的一種用於將可 轉元件的旋轉角度檢出的裝置以及申請專利範圍第9項引 文的一種相關的方法。 此類可作無接觸式的旋轉角度檢出的裝置’舉例而言 ，見於德專利公開案DE-OS 195 43 562，在這種裝置’有 一磁鐵與該可轉動的軸（其角度位置要求出）連接。磁場 (它隨-的旋轉角度改變）利用二個感測器元件測量。這 些感測器元件爲二個霍爾感測器元件（它們互相偏轉了 90 。的角度）或二個磁阻式感測器元件(它們互相偏轉了 45° )。感測器元件利用交流電壓信號（它們互相呈適當方式的 相位移動）供電。感測器元件之輸出信號重疊造成一種信 號走勢，這種走勢可表示角度位置。在此文獻中提到無接 觸式旋轉角度檢出裝置各有二個同類的感測器元件。這點 會導致一些缺點，因爲舉例而言，霍爾感測器受溫度影響 很大，且受應力（Stress)影響很大。反之’磁阻性感測器 元件在溫度及應力的影響方面具有較有利的性質’它們受 溫度及應力的影響比霍爾感測器少，但其缺點爲：由於這 種物理效應，只能明確地檢出180。的角度範圍。舉例而 言，這種角度範圍在檢出內燃機凸輪軸的位置時或在方向 盤角度測量方法中顯得太小。 在專利DE-P 197 22016發表了一種可轉元件的無接觸 式旋轉角度檢出裝置，其中，將具有至少二個感測器元件 的感測器裝置之可受磁性影響的性質分析’在一分析電路 中將由可轉元件產生的磁場強度或受其影響的磁場強度檢 (請先聞讀背面之注f項再 ^丨 订本頁 訂· 9 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 本纸張尺度逍用中國因家標準（€呢）八4規格（210父2和公釐） A7 B7
出，並取出以求出旋轉位置，其中一個感測器元件利用磁 阻效應工作，另一感測器元件利用霍爾效應工作，而將由 一感測器兀件產生的信號互相組合。在實用上，這種磁阻 感測器及霍爾感測器的組合顯得十分繁複昂貴。 本發明的目的在提供一種檢出旋轉角度的裝置或方法 ，藉之可用低成本明確地檢出儘可能大的角度範圍（特別 是 0〇 〜360〇 )。 這種目係利用具有申請專利範圍第1項的特點裝置及 具有申請專利範圍第9項特點的方法達成。 如今’依本發首度可以使用磁阻感測器裝置明確地檢 出0°〜360°之間的角度。在此’不同於背景技術的感測 器裝置，並不需附加之霍爾感測器。如此，準備—種旋轉 角度檢出裝置的成本就減少了。有利的用途舉例而w，係 用在檢出內燃機凸輪軸的位置。此外，本發明可有利地用 於方向盤角度測量方法，因爲比起傳統方法， 圍增大到360° ，使整個系統的容許誤差限度提高. 本發明之有利進一步特點見申請專利範圍副g。 依一種較佳設計，該感測器裝有多數磁阻元彳牛， 至少接成二個橋式電路（特別是惠斯頓電橋），其中之— 產生一個信號，此信號係所要檢出的第〜磁場相對於 一參考面的夾角的餘弦（cosine)値有關，而另—橋接電路 產生的信號則與此角度的正弦（sine)値有關。根據這種 線性獨立的信號，可簡單地作信號分析。 這種磁阻元件設計成AMR測量條帶形式。道種測量 本紙張又度適用中國國家揉率（CNS ) A4規格（210X29、公釐） I-ΟΙ. 1Τ 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明説明（今） 條帶可以用較簡單及廉價的方式以適當方位設到一基質上 〇 最好在二個與橋式電路的一橋分枝相關的磁阻元件中 .的電流方向互相成垂直。 該橋式電路宜設成相偏轉一角度（特別是45° )利用 這種設置，正弦及餘弦信號都能用簡單方式抽離。 在橋式電路中的磁性輔助場Bh宜具不同方向，其中， 這些方向宜夾成45°角。 這些磁阻元件宜設成蜿蜒排列。利用這些措施可達成 較高之感測器信號，它們可以較簡單地分析。 該磁性輔助場Bh宜利用平面線圈產生，該線圈利用一 不導電的中間層和磁阻元件絕緣。利用這種線圈，配線成 本較低，且輔助場BH的童及方向可用想要的方式調整。 依本發月方法一較佳實施例關聯（Korrelierung)係利用一 個以下形式的區域函數實施： F = [ ( 0° S 3 AMR180 ‘ f ( Λ 1，α 2 ) ] AND { { ( <5 Ucos > S )OR ( ( 5Usin<-S) AND ( I (5Uc〇s | <S) ) } } OR { { f(CZl，a2) AMR180 } AND < { δ Ucos〉S } 0R[ ( (5 Ucos > S) AND ( I (5Uc〇s I <S]}} 其中 CC AMR180 爲一種不施輔助場Bh用180°明確範圍檢 出的旋轉角度，S爲一可調整的有效臨限，占或(511心 爲此感測器裝置之與角度有關的變化信號，而爲 在各橋式電路地點的橋式電路或輔.助場相對於—參考方向 的角度對準的一個加法或減法函數。如此可得到一種測定 (請先《讀背面之注$項再本頁)
C 本紙張尺度適用中國國家樑準（CNS ) A4規格（210X2^7公釐） A7 B7 五、發明説明（今） 方法利用電腦以獨立方式在360°的角度範中作明確的旋 轉角度測定。區域函數的形狀依各橋式電路中的磁性輔助 場Bh的方向而定。在輔助場Bh的任意方向時，藉著使用 磁性場Bh可以區別角度範圍Ο$α$180°與角度範圍180 ° $α$360° ，其中要注意，在橋式電路(1)的地點的Bh的 方向與橋式電路(11)地點的Bh的方向不同。如果該二Bh方 向差了 45° ，則特別有利。 依本發明方法之一特佳實施例，函數係爲i +心形式的函數。當輔助場BR在橋式電路(1)的地點沿方 向α =90° ，而在橋式電路(11)的地點沿方向α =45°作用 時，舉例而言，就造成以下之區域函數 F = { { 〇。^ ΑΜΙΠ80 $135° }及{〔 51U>S〕或〔 ((5Usin<-S)及（I (5Uc〇s | <S)〕} } 或 { { 135。< a AMR180 $180。}及{〔 6DS〕或〔（ dUsin>S) R ( I (5Ucos I <S) 3 } } 依本發明方法之一特佳實施例’函數f( α，，a 2)爲I α! - α 形 式的函數，且在橋接電路(11)時，方向α = 135° ，舉例而 言，就造成以下之逦域函數 F= { { 〇〇 ^ AMR180 $45° }及{〔 5U^>S〕或〔（ | (5Uc〇s | <S)及（^UwC-S)〕} }或 { {45〇〈 CK AMR180 $180° }及{〔 51U>S〕或〔（ | 5Uc〇s | <S)及（5Usin>S)〕} } 茲配合附圖利一較佳實施例詳細說明本發明’圖式中 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS > A4规格（210X29?公釐） (請先閲讀背面之注f項再1^本頁)
訂'
C 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 五、發明説明（γ) A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 第一圖係一種將可轉元件的旋轉角度檢出的裝置的一 較佳實施例的示意圖， 第二圖係本發明之旋轉角度檢出裝置所發生的餘弦與 正弦橋接信號電壓在施加磁性輔助場時的改變與所要檢出 的外磁場的關係， 第三圖係本發明之旋轉角度檢出裝置一較佳實施例的 可能構造的上視圖。 第一圖中所示本發明旋轉角度檢出裝置的感測器裝置 有二個惠斯頓電橋(1)(11)，各惠斯頓電橋（1)(11)具有各向 異性（anisotrop)的磁阻薄膜感測器或AMR測量條帶(1/1) 〜（1/4)或(11/1)〜（11/4)，當作磁阻元件。 AMR材料〔例如透磁鋼（permau〇y)的電阻依一角度 而定，此角度係在磁化方向或所施磁場B«t方向與一電流 (I)(它流經此AMR材料）的方向間的夾角。在AMR測量 條帶內的電流方向在第一圖中係利用與各AMR測量條帶相 關的線組作示意表示（此處可看出，惠斯頓電橋的電橋各 分枝有二個AMR測量條帶，它們具有互相垂直的電流方向 。）當電流受到AMR測量條帶的幾何形狀固定時，磁化方 向就循著所要檢出之外磁場之方向。在第一圖中，外磁場 B«t之與旋轉角度相關的方向係利用一長箭頭表示。AMR 測量條帶之電阻和角度的關係圖有180。的週期，其中， 當磁化方向平行於或反向平行於電.流方向時，阻力最大， 而當磁化方向垂直於電流方向時，阻力最小。接到一惠斯 (請先閱讀背面之注$項再
QiJI
C 訂 本紙張尺度適用中國鬮家標準（CNS > A4規格（210X2釣公釐） Α7 Β7 五、發明説明（b) 頓電橋(1)(11)的AMR測量條帶(1/1)〜（1/4)及(11/1〜11/4)用 於將與角度有關的應用信號抽出。由惠斯頓電橋(1)得到的 信號Uw具有180°週期，且顯示一種餘弦形走勢 Ucos ^ cos(2a)。如上述，角度α顯示出所要測之外磁場的方向。 第二惠斯頓電橋(11)相對於第一惠斯頓電橋(1)轉了 45°。 AMR測量條係對應地設置，因此惠斯頓電橋(11)產生正弦 形輸出信號U&〜sin(2c〇。在一電子分析電路（圖中未示 )中形成tan'1，可得到所要測的角度α。由於電橋電壓與 2α的關係，故有180°的週期，因此角度之絕對値只能在 0° SaS180°的範圍中。 爲了區分二種角度範圍0° $α$180°以及180° 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 360° ，故短時地施一輔助磁場Βη，如第一圖中的白箭頭所 示。在AMR測量條帶(1/1)〜（1/4)或(11/1)〜（11/4)中的磁化 方向稍微受此磁場Bh改變，因此，從惠斯頓電橋(1)(11)導 出的信號1)。。5或Usi»也受到對應的改變。這種相對於無施加 輔助場Bh時的測量的信號或電壓的改變(5U。。:及6Usu以一 種邏輯關聯（所謂的區域函數）作分析。此區域函數（它 在下文中將詳述）可爲邏輯値“0”或“Γ，如此可決定 ，是否所測的角度α在0°〜180°範圍或在180°〜360° 範圍。如此，利用一 AMR角度感測裝置可在整個角度範圍0 °〜360°作絕對角度測量。 在惠斯頓電橋(11)上的磁性輔助場的方向（角度α2) 相對於在惠斯頓電橋(1)上的輔助場Bh (角度呈一種差 了 45°的方向。舉例而言，這點可見於第一圖，其中，惠 本紙張尺度適用中國國家樑準（CNS ) A4规格（210Χ2ί7公釐） 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 A7 ___B7 _ 五、發明説明（q ) 斯頓電橋(11)上的輔助場Bh朝向(22 = 45°方向’而在惠斯 頓電橋(1)上的輔助場朝向〜=90°方向，對於這種輔助場 Bh的對準，在第二圖中顯示相關的信號變化<511咖及51^ 。如果此時A AMR180 表示無輔助場時測量的角度’且由於 180°的週期性而侷限於明確範圍0°〜180° ，此邏輯區域 函數F爲： .F= { {0。SaAMR$135。}及{〔 ^UC<5S>S〕或〔（5 Usin<-S) R ( I 5Uc〇s I <s) ] } } 或{ { 135。< 〇!amr180° }及{〔 <5Uc〇s>S〕或〔（占 Usin>S)及（I 5Uc〇s I <s)〕} } 其中F=僞或“0”則表示：外磁場所要檢出的場 方向的角度α在0°〜180°範圍中，亦即：α = αΑΜ_ ’ ，且 F=真或“Γ則表示：外磁場Be之所要檢出的場方 向的角度α在180。〜360°範圍中，亦即·· a = aAMim〇+180 〇 在以下表1中顯示區域函數的邏輯關聯的細節。要知 道’只有當信號變化(5Uw的値在有效臨限値S以下時，才 將信號改變5Usin取出以作區域的決定。這種情形，依第二 圖特別是發生在角度範圍α=0° 、90° 、180。、270°與 360°或者對 CL AMR180 = 0〇 、 90〇 與 180。。 (請先閱讀背面之注f項再 Γό—. -fr^F^本頁 訂
-Π-· C 本紙張AAit用《ΡΗ目家轉（CNS ) A4^ ( 21GX2?7公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
A7 ___B7_ 五、發明説明（名） δ Uc〇s δ Usin a amr 180 — + ; ? ; — u ; ο + + ; ? ; — u ; ο ? + u ? - u ? - 0 ? + 〇 此處邏輯區域函數F具以下之値： 對於 0° S α $180。 爲 〇， 對於 180° S α $360° 爲 1， 對於 (X AMR180 * . 以下邏輯狀態 u 表7^0。SaAMRi8〇S135〇 ， 0表示135 ° < 0! AMR180 $180。， 函數511。。5及5Usin的邏輯狀態如下定義 對於5U>+S + 對於I <5U丨< + S ? 對於(5UC-S — 第三圖顯示一本發明之36(T AMR角度感測器的較佳 構造，它可利用薄膜技術製造。個別的AMR測量條帶或電 阻在此處也用（1/1)〜（1/4) (cos電橋）及（11/1〜11/4) (sin 電橋）表示。此電阻層的厚度典型値在20nm〜50nm範圍 。條帶寬度舉例而言爲l〇//m。要把AMR電阻(1/1)〜（1/4) 及（11/1)〜（11/4)配線或鍍金屬成爲二個惠斯頓電橋的方法 ，舉例而言，係用鋁或銅條帶(10)以薄膜技術造成。 本紙張逍用中國國家梯準（CNS > Α· ( 210X2讲公釐） '~ (請先閱讀背面之注f項再_ JOI 订本頁 .9 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 _B7_ , 五、發明説明（1 ) 輔助場Bh係利用一薄膜平面線圈(2)產生。該平面線 圈(2)利用一不導電之中間層（典型厚度200nm〜500nm) 呈電絕緣方式位在AMR電阻(1/1)〜（1/4)及(11/1)〜（11M)或 .其鍍金屬層上。平面線圈(2)的形狀設定成使輔助場Bh依第 一圖在惠斯頓電橋(1) (cos電橋）的範圍中朝向α =90°之 方向，而在惠斯頓電橋(11) (sin電橋）的範圍中朝向α = 450。的方向，而在AMR測量條帶的範圍中則平行於層的 平面延伸。平面線圈(2)的線圈線組特別平行或垂直於AMR 電阻的條帶方向或蜿蜒方向延伸。平面線圈(2)的線圈繞組 的寬度方向在典型的例子係和AMR電阻寬度方向相同。在 圖示之例子，該寬度爲12//m。平面線圈（12)的線圈繞組的 典型層厚度在500nm〜lOOOnm範圍之間。在圖示之例子中 ，該二惠斯頓電橋（1)(11)係並聯。整個感測器元件連同該 二個線圈端子共有八個端子墊（Pad)，即：U«s_ '仏：、 IW、IW、V«、Vs_、Vs+及接地GND。它們可用簡單方式 包裝在一適合殻體，物別是一個SOIC8殼體中。 利用平面線圈(2)產生磁性副場(Bh)的方式並不限於第 三圖的設置及AMR電阻的蜿蜒形狀。AMR電阻的製造或 設置只需確保惠斯頓電橋（1)(11)的電阻中的電流方向沿第 一圖所示方向跑。因此即使在AMR電阻之變更設置方式（ 例如EP 0 671 065A2中所述之星形嵌合電路）也可利用一 平面線圈(2)產生輔助場。同樣地’舉例而言，如不採用蜿 蜒的AMR電阻或電阻條帶，也可以採用任何長方形、方形 、圓形或橢圓形的AMR薄膜構造的串聯電路，例如在WO 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X助公釐） A7 ___B7_ 五、發明説明（） ' 。要求出未施輔助場Bh時的角度 OL AMRI80 (亦即在平面線圈 (2)無電流時），舉例而言，係用一微處理電路依習知方法 依公式asO.Stan1 (USin/U«s)計算tan·1値，或用其他適 合的計算方法。利用其他的數位回路將信號電壓、U,u 及角度aAMR18。儲存。然後施加輔助場Bh〔亦即將平面線圈 (2)通電〕重新測量。用另外的邏輯電路實施上述的區域函 數F，參考有效臨限將電壓變化5仏。8與5Usin的正號或負 號分析出來，並決定是否求出的測量角度等於aAMRI8()+180° 〇 〔圖號說明〕 ⑴(11) 惠斯頓電橋 (1 /1)〜(1 /4)，(11 /1)〜(11 /4) 磁阻薄膜感測器或AMP測量條帶 ⑵ 平面線圈 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 |紙 本 逍 Μ I嗖一祕 !9 12

Claims (1)

  1. ___§_.__ 六、申請專利範固 1·—種用於將可轉元件的旋轉角度檢出的裝置’其 中可將一感測器裝置之可受磁性影響的性質分析而將受— 可轉元件產生或影響的第一磁場Bm在一分析電路中檢出 以及應用以求出旋轉角度，其中該感測器元件利用在一第 一角度範圍（特別是180°的角度範圍）的磁阻效應而產 生一個與磁場B„,方向明確地相關的信號’其特徵在：具 有施加手段(2)以選擇性地把一磁性輔助場Β»施到該感器裝 置，藉之可使該可與一磁場B«t方向相關的信號改變’以 與一第二角度範圍（特別是360° )的一個角度明確地相 關聯。 2. 如申請專利範圍第1項之用於將可轉元件的旋轉 角度檢出的裝置，其中： 該感測器裝置有多數磁阻元件（1/1)〜（1/4) ’（n/1)〜 (11/4)，它們至少接成二個橋式電路’特別是惠斯頓電橋 (1)(11)，其中一電橋產生一個對一參考方式的第一磁場 的角度的餘弦値相關的信號，而另一霄辦產生一個與此角 度的正弦値相關的信號。 3. 如申請專利範圍第2項之用於將可轉元件的旋轉 角度檢出的裝置，其中： 該磁阻元件爲AMR測量條帶（1/1)〜（1/4) ’（11/1)〜 (11/4)。 4. 如申請專利範圍第1或第2項之用於將可轉元件 的旋轉角度檢出的裝置，其中： 該在二個與構式電路（1)(11) 一橋分枝相關聯的磁阻元 ___—I-—- 良乐尺度埴用中两圃家裸準（CNS M4规格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注f項再填寫本頁) -订- -Γ 經濟部智慧財產局負工消費合作社印t S84389 B8 C8 , D8 六、申請專利範園 件的電流方向互相垂直。 5·如申請專利範圍第1或第2項之用於將可轉元件 的旋轉角度檢出的裝置，其中： 該二橋式電路(1)(11)設成互相轉一角度，特別是45。。 6♦如申請專利範圍第1或第2項之用於將可轉元件 的旋轉角度檢出的裝置，其中： <該橋式電路(1)(11)中的磁性輔助場Bh有不同的方向， 這'二個方向夾成一角度，特別是45°。 7·如申請專利範圍第1或第2項之用於將可轉元件 的旋轉角度檢出的裝置，其中： 該磁阻元件(1/1)〜（1/4)，（11/1卜（11/4)設計成蜿蜒狀 〇 8·如申請專利範圍第1或第2項之用於將可轉元件 的旋轉角度檢出的裝置，其中： 該磁性輔助場Bh可利用一平面線圈(2)產生，該平面 線圈利用一不導電的中間層相對於磁阻元件(1/1)〜（1M)， (11/1)〜（11/4)及其鍍金屬層設成電絕緣。 9·一種用於將可轉元件的旋轉角度檢出的方法’其 中把一感測器裝置的磁性之性質分析’把一個受該元件產 生或影響的第一磁場B«t在一分析電路中檢出’並應用以 求出旋轉角度，其特徵在以下步驟： a) 在施第一磁場Βπ時測定由該感測器裝置檢出的信號 b) 將一附加磁性輔助場Bh間歇地施加到感測器裝置’ 2___ 本紙張尺度逋用中國鬮家榡準（CNS > A4规格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填窝本頁) 訂 4, 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 38438^ 六、申請專利範園 (請先閱讀背面之注$項再填寫本資) C)測定由感測器裝置檢出之信號相對於未施加輔助場 Bh時所檢出之信號的變化，以得到與旋轉角度有關的變化 信號， ‘ d)將此變化信號與未施輔助場(Bh)時檢出的信號相關聯 ，以明確地測定達360°角度範圍的旋轉角度。 1〇·如申請專利範圍第9項之用於將可轉元件的旋 轉角度檢出的方法，其中該感測器裝置有二個橋式電路’ 特別是惠斯頓電橋，二者互相轉一角度，特別是45°。 1 1 ·如申請專利範圍第1 〇項之用於將可||元件的 旋轉角度檢出的方法，其中： 該關聯作業係利用以下形式的區域函數F實施： F= { {0° ^ CL AMR180 ^f(ai,a2) }S{[ (5Uc〇s<-S 〕或〔（5Usu<-S)及（I 5Uc〇s<S)〕} }或 { {f(ai，0：2) <a AMR180 $180° }及{〔 5Usin>S〕 及（I <5 Uc〇s I < S) } } } 其中 OL AMR180 爲末施輔助場Bh時檢出的旋轉角度， S爲可調整的有效臨限値， 51]«^或5Usin爲感測器裝置之與角度有關的變化信號 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 f ( ascu)爲橋式電路之角度對準或橋式電路輔助場相 對於一參考方向的加法或減法函數。 1 2 ·如申請專利範圍第1 1項之方法，其中： f(ai，o：2)爲αι+αζ形式的函數。 1 3 ·如申請專利範圍第1 1項之方法，其中： 3 本紙張尺度適用中固國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐） S84389 ?g D8 六、申請專利範園 f(ai，a2)爲| αι_α2|形式的函數。 (請先閱讀背面之注^'項再填寫本I') b 裝- 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 本紙張尺度逍用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
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