CN1204374C - 采用磁阻元件的位置确定装置 - Google Patents

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Abstract

在例如凸轮轴齿轮的转子位置检测装置中，磁性传感器由第一，第二，第三和第四MRE桥构成。该桥与偏磁磁铁的磁性轴线对称布置。第三桥布在第一桥和磁性轴线之间的中点上。第四桥布在第二桥和磁性轴线之间的中点上。将桥的输出输入至差动放大器电路，以得到单一的差动输出。不论转子的齿轮齿的形状如何，根据差动输出，确定转子的位置。

Description

采用磁阻元件的位置确定装置
相关申请的相互参考
本申请涉及2002年3月18日提出申请的日本专利申请No.2002-73964。本文引用该申请作参考。
发明领域
本发明涉及一种利用磁阻元件(MRE)，确定运动体的位置的位置确定装置；尤其涉及用于车辆发动机控制或制动控制的一种回转检测装置。
发明背景
发动机的点火定时是根据曲轴位置和凸轮轴位置确定的。例如，四冲程发动机的凸轮轴在曲轴每二转时转一转。因此，在凸轮轴一转内就提供鉴别气缸的信息，而在曲轴一转中，则提供点火定时信息。
通常的位置检测装置利用MRE来确定转子位置。在这种装置中，偏磁磁铁向着转子的发射一个偏磁磁场。当随着转子的转动，转子位置改变时，偏磁磁场的方向改变。因此，可根据偏磁磁场方向的改变，确定转子的位置。然而，在转子开始转动以后，在偏磁磁场方向改变之前，不可能立即确定转子的精确位置。这样，不能根据转子的位置确定第一个气缸，因而也不能在第一个点火定时进行点火。
为了解决这个问题，JP-A-11-237256发明和公开了一种甚至当转子停止时也可检测转子位置的位置检测装置1。如图13所示，位置检测装置1包括二个MRE桥。MRE桥6，16由分别串联连接的第一对MRE4，5和第二对MRE17，18构成。
MRE4，5，17，18排列成使其检测轴线与偏磁磁场的磁性中心成45°和-45°的角度。采用这种结构时，随着磁场方向的改变，第一对MRE和第二对MRE的相应连接点上的电压变化更大。
MRE桥6，16的输出电压输入至差动放大器电路20，并被后者放大。电路20的差动输出与偏磁磁场的偏转角相适应。MRE桥6，16布置成偏离磁场的磁性中心。结果，在转子的齿轮齿靠近MRE桥6，16或离开MRE桥6，16的每一种情况下，都可获得不同的输出。因此，即使当转子停止时，也可确定转子的位置。
然而，根据齿轮齿形的不同，转子与MRE桥6，16之间的气隙改变，使电路20的输出改变。为了精确地确实转子的位置，提供了一个用于使电路20的输出两等分的阈值。该阈值是根据气隙(AG)特性曲线的最低点确定的。如图15所示，如果转子位置相同，则不论气隙大小如何，在最低点处电路20的输出总是相等的。
在装置1中，在特性曲线最低点的输出是根据齿轮齿的形状而变化的。结果，如果使用单一阈值，则转子位置确定的精度降低。为了精确地确定转子位置，对于具有不同齿轮齿形的转子，需要设定不同的阈值。这使工作变得繁重。
发明概要
本发明的目的是要提供一种位置检测装置，它不需要对具有不同齿轮齿形状的转子进行任何改变，即可以检测转子位置。本发明的位置检测装置包括一个转子、一个偏磁磁铁、一个磁性传感器和一个差动输出计算电路。
转子的周边上有齿轮齿。偏磁磁铁产生一个向着齿轮齿的偏磁磁场。磁性传感器包括至少4个磁阻元件(MRE)桥，该桥的输出根据偏磁磁场的方向变化。磁性传感器布置在齿轮齿和偏磁磁铁之间。
差动输出计算电路由MRE桥的输出，通过多级计算产生单一一个差动输出。不论齿轮齿的形状如何，单一差动输出在AG特性曲线的最低点基本上为常数。因此，可以根据该差动输出确定具有不同形状的齿轮齿的转子的位置。
附图简要说明
从下面参照附图进行的详细说明中，将可以更好地了解本发明的其他目的、特点和优点。其中：
图1为表示带有本发明第一个实施例的转子的位置检测装置的示意图；
图2为表示包括在图1和图3所示的位置检测装置中的集成电路(IC)芯片的示意图；
图3A的表示包括在图1和图3所示的位置检测装置中的MRE桥中的一个桥的示意图；
图3B为表示图6A所示的MRE桥的线路的电路图；
图4为表示差动放大器电路的电路图；
图5为表示包括在图1所示的位置检测装置中的差动放大器电路的输出波形的时间图；
图6为带有齿轮齿的形状与图1所示的转子中的齿轮齿形状不同的转子的位置检测装置的示意图；
图7为表示包括在图3所示位置检测装置中的差动放大器电路的输出波形的时间图；
图8为表示MRE桥输出的时间图和磁力线的方向；
图9为表示MRE桥的输出的时间图和差动放大器；
图10为表示包括在根据第二个实施例的位置检测装置中的集成电路芯片的示意图；
图11为表示包括在根据第二个实施例的位置检测装置中的差动放大器电路的电路图；
图12为表示第二个实施例的改进的IC芯片的示意图；
图13为表示根据相关技术的位置检测装置的示意图；
图14A为表示包括在相关技术的位置检测装置中的差动放大器电路的输出波形的时间图；
图14B为表示包括在相关技术的位置检测装置中的差动放大器的输出波形的时间图；和
图15为表示MRE桥输出的时间图和差动放大器。
优选实施例的详细说明
现参照附图来说明本发明的优选实施例。在附图中，相同的标号表示相同的零件和装置。
(第一实施例)
参见图1，位置检测装置30包括转子31、IC芯片40和偏磁磁铁41。转子31的外周边上有齿轮齿，并面向偏磁磁铁41。磁铁的轴线与转子31的回转轴线相对。具有4个磁阻元件(MRE)桥的IC芯片40为一个磁性传感器。
偏磁磁铁41在其中心轴线周围有一个孔，还有第一和第二个末端。该中心轴线也是偏磁磁场的磁性中心。第一个末端靠近转子31，并磁化为N极。第二个末端远离转子31，并被磁化为S极。第一和第二个末端也可按其他方式磁化。
如图2所示，IC芯片40由分布在基片55上的4个MRE桥50、51、52、53构成。虽然图中没有示出，IC芯片40安装在由铜或其他金属制成，并与热固性树脂(例如环氧树脂)模制在一起的引起框架上。IC芯片40的一部分布置在偏磁磁铁41的孔中的一个位置上。在该位置上，基片55的中心线与偏磁磁铁41的中心轴线匹配。
MRE桥50，53与中心线56对称布置。MRE桥51，52也与中心线56对称布置。MRE桥51位于MRE桥50和中心线56之间的中点上，而MRE桥52则位于MRE桥53和中心线56之间的中点上。因此，MRE桥50和51之间，MRE桥51和中心线56之间，中心线56和MRE桥52之间，与MRE桥52和53之间的距离L1，L2，L3，L4都相等(L1＝L2＝L3＝L4)。
从图3A和3B可看出，MRE桥50，包括4个在基片55上排列成梳子状图形的MRE11，12，21，22。MRE11，12，21，22由带有各向异性磁阻的铁磁性材料(例如NiCO合金和NiFe合金)制成。从MRE图形长线的这一端至那一端的磁阻变化，比从MRE图形短线的这一端至那一端的磁阻变化大。因此，MRE11，12，21，22的检测轴线定为沿着MRE图形的长线。在MRE桥50中，尽管MRE11，12，21，22的排列不同长线的长度和数目与短线的长度和数目相同。
在基片55上，MRE11，12，21，22排列成矩阵形状。MRE桥50的第一行包括MRE11和21，而第二行包括MRE12和22。MRE11，12，21，22布置成使第一和第二行与偏磁磁铁41的磁性轴线平行。另一方面，第一列包括MRE11和22，而第二列包括MRE12和21。该列与转子31的回转轴线平行。
MRE11和12的检测轴线与磁性轴线大约成45°，而MRE21和22的检测轴线与磁性轴线大约-45°。这样，MRE11和12的检测轴线与MRE21和22的检测轴线正交。换句话说，当磁场方向改变时，以MRE11和12的检测轴线这一端至另一端的磁阻变化，与从MRE21和22的检测轴线这一端至另一端的磁阻变化不同。
MRE11，12，21，22在电源和地面之间按这个次序电气上串联连接。MRE桥50的输出在MRE12和21之间的中点测量。称为中点电压V1。MRE11，12，21，22可按相反次序排列。MRE桥50的输出在MRE12和MRE21的连接点测量，它即为中点电压V1。
由于IC芯片40和引线框用热固性树脂模制而成，外力加在IC芯片40的不同部分上。当将引线框安装在加热至150℃～160℃的模具中进行模制时，引线框膨胀得比由硅制成的IC芯片多。当引线框冷却至室温时，由引线框收缩产生的收缩应力，作为外力作用在IC芯片40上。
通常，离中心线56的距离越大，则外力越大。因此，在与中心线56的距离相等的点上，外力大小大致相等。如图3B所示，当加在MRE11，21上的外力为.1时，横跨MRE11，21的电阻将改变一个量R.1。同样，当加在MRE12，22上的外力为.2时，横跨MRE12，22的电阻改变一个量R.2。
当MRE11，12，21，22的电阻分别为R11，R12，R21和R22时，加在MRE桥50上的电压为E时，电压V1可用下式计算：V1＝(R21+R.1+R22+R.2)×E/(R11+R.1+R12+R.2+R21+R.1+R22+R.2)
虽然外力R.1和R.2不同，R.1和R.2的和包括在分子和分母中，因此，至少电阻R11，R12，R21和R22相等。这样，外力R.1和R.2不影响中点电压V1。
MRE11，12和MRE21，22设在矩阵的不同行中。因此，即使当所加的外力.1和.2大小不同时，总磁致伸缩对第一和第二行的影响基本上相同。换句话说，磁致伸缩对每一个MRE11，12，21，22的影响可以抵消。结果，MRE桥50可以精确地输出与偏磁磁场的方向相应的信号。MRE桥51，52，53的结构与MRE桥50的结构相同。
由于4个MRE桥50～53在基片55上形成，因此，桥50和53不能靠近基片55的中心线。即使在这种情况下，也可以根据从桥50～53的输出计算的差动输出，确定转子31的精确位置。
参见图4可看出，差动放大器电路42包括三个微分放大器。电路42由桥50、51、52、53的输出V1，V3，V4，V2进行多级的微分计算，形成单一一个差动输出Vd。输出Vd由下式计算：
Vd＝(V1-V2)-2×(V3-V4)。
用于第一级微分计算的反向输入终端和非反向输入终端可以按另一种方式设置。在这种情况下，输出按下式计算：
Vd＝(V2-V1)-2×(V4-V3)。
图5表示差动放大器电路42的输出Vd。波形Vd1，Vd2，Vd3分别表示当转子31和IC芯片40之间的气隙大、中等和小时，所测量的输出Vd。当气隙增大时，输出Vd减小。然而，不论气隙大小如何，在同一个转子位置上，输出Vd大致相等。换句话说，可以确定由虚线表示的AG特征曲线的最低点。
参见图6可看出，转子32的齿轮齿比转子31的齿轮齿少，但在每一个齿圆周方向较大。图7中的波形Vd4，Vd5，Vd6分别表示当气隙大、中等和小时，转子32的输出Vd。如图5和图7所示，转子32的AG特征曲线的最低点大致与转子31的最低点相同。下面将说明输出，而磁场的偏转角在AG特征曲线最低点基本上固定不变的理由。
图8表示在转子31转动过程中，通过IC芯片40的磁力线H的方向改变，即偏转角的改变。为了说明的目的，在IC芯片40的中心只设置了一个MRE桥60。实线与点划线表示的波形分别表示在气隙小和大时的REM桥60的输出。由于在这个实施例中4个MRE桥50，51，52，53偏离中心装置，因此桥50，51，52，53的输出可以与图8所示的波形不同。
转子31在箭头X所示方向转动。当磁场向右偏转时，MRE桥60的输出增大，而当磁场向左偏转时，MRE桥60的输出减小。当MRE桥60面对齿轮齿之间的齿谷(位置A)时，由偏磁磁铁41产生的磁力线H直接指向气隙。这样，输出Vd处在其数值范围的中间。
当齿轮位置从齿谷改变至下一个齿(位置B)时，磁力线H指向齿的中心，即向图8的右侧弯曲。当气隙较小时，磁力线H弯曲较大。位置B上的二个箭头表示在气隙的二个不同尺寸情况下的磁力线H。在位置B，磁力线H弯曲最大。因此，输出Vd最大。
当齿轮位置改变至齿的中心(位置C)时，磁力线H直接指向齿。这样，输出Vd处在数值的中间。当齿轮位置从齿改变至下一个齿谷(位置D)时，磁力线H指向齿的中心，即向图8的左侧弯曲。当气隙较小时，磁力线H弯曲较大。因此，磁力线H的弯曲在位置D达到最大，结果，输出Vd最大。
图13中相关技术的MRE桥6，16所产生的输出基本上与MRE桥60的输出相同。对于气隙小或大的每一种情况和不同形状的齿轮齿，差动放大器电路20的输出Vd’表示在图14A和14B中。气隙小时的MRE桥6，16的输出和MRE桥6，16之间的差动输出表示在图15中。
在图15中还表示了AG特性曲线的最低点Pa。最低点Pa为MRE桥6的极端点Pe和MRE桥16的弯曲点Pi之间的差动输出。极端点Pe是指差动放大器的输出为极大或极小的点。弯曲点Pi是指差动放大器电路20的输出曲线的梯度变化速率从增大转至减小，或从减小转至增大的点。
在装置1中，AG特性曲线的最低点Pa根据MRE桥6的极端点Pe和MRE桥16的弯曲点Pi之间的差动输出确定。MRE桥6的极端点Pe由气隙大小和齿轮齿的齿谷和齿之间的切换点确定，齿的大小不影响极端点Pe的确定。
MRE桥16的弯曲点Pi由气隙尺寸，齿的一个边缘和齿的尺寸确定。更具体地说，当齿轮从齿的一个边缘转动一定度数，或向齿的另一个边缘转动一定度数时，可以得到围绕弯曲点Pi的输出。换句话说，边缘的位置影响弯曲点Pi的确定。
另外，因为当齿轮齿的大小改变时，齿的边缘和弯曲点Pi之间的角度改变，因此，齿轮齿的尺寸影响弯曲点Pi位置的确定。结果，当齿轮齿的尺寸改变时，极端点Pe和弯曲点Pi之间的差动输出改变。即：AG特性曲线的最低点Pa根据齿轮齿形状的不同而不同。
为了解决这个问题，如图2所示，设置4个MRE桥50，51，52，53，并且通过从输出V1，V2，V3，V4进行的多级微分计算得到单一一个差动输出Vd。当这样做时，不论齿轮齿的形状如何，AG特性曲线最低点Pa处的偏转角固定不变。如图7所示，根据在弯曲点Pi1，Pi2，Pi3，Pi4上或其周围的输出V1，V2，V3，V4可得到AG特性曲线的最低点Pa处的输出Vd。图9表示在气隙小的情况下的输出V1～V4。
与装置1不同，装置30不使用在极端点处的输出V1～V4。因此，不论转子31和32的齿轮齿的形状如何、在AG特性曲线最低点Pa处的输出Vd保持固定不变。通过将差动放大器电路42的输出Vd二等分，并根据在最低点Pa处的输出Vd确定阈值，可以精确地确定转子31和32的齿轮位置。因此不需要为具有不同形状的齿轮齿的转子，提供不同的位置检测电路。
(第二个实施例)
参见图10可看出，IC芯片40a包括5个在基片55上的MRE桥50，51，52，53，54。IC芯片40a的一部分布置在偏磁磁铁41的孔中，使基片55的中心线56与偏磁磁铁41的中心轴线匹配的位置上。MRE桥50和53与中心线56对称布置。MRE桥51和52与中心线56，和MRE桥50与中心线56，MRE桥53与中心线56之间的中点对称布置。MRE桥54的中心线在中心线56上。这样，每一个MRE桥50～53之间的距离L1～L4都相等(L1＝L2＝L3＝L4)。
参见图11可看出，差动放大器电路42a包括7个微分放大器。电路42a从由MRE桥50～54所产生的输出V1～V5，进行三级的微分计算。三级的微分计算可用下式进行：
Vd＝{(V1-V3)-(V3-V5)}-{(V5-V4)-(V4-V2)}
反向输入和非反向输入可用其他方法形成。在这种情况下，因下列方程式进行计算：
Vd＝{(V5-V4)-(V4-V2)}-{(V1-V3)-(V3-V5)}。
利用这种结构，可以与第一个实施例相同的方式，精确地确定转子31、32的位置。
(其他实施例)
参见图12，每一个MRE桥70，71，72，73由二个MRE构成。在电源侧的每一个MRE和在接地侧的一个MRE都相对于基片75的中心线76对称。因此，输出V1和V2与输出V3和V4都受到磁场扭曲的相同的影响。通过微分计算可以抵消磁场扭曲的影响。
本发明不应限于所公开的实施例及其改进，而应包括在不背离本发明精神前提下所获得的其他各种变型。例如，偏磁磁铁可以是实心的圆筒形状或矩形平行六面体形状。

Claims (7)

1.一种位置检测装置，它包括：
一个在外周边周围有齿轮齿的转子；
一个偏磁磁铁，它向齿轮齿发射偏磁磁场；
一个磁性传感器，它在转子和偏磁磁铁之间至少有第一、第二、第三和第四磁阻元件桥，该磁阻元件桥产生的输出按照偏磁磁场的方向改变；和
差动输出计算装置，它根据磁阻元件桥的输出进行多级微分计算，并得到单一的差动输出；
其中，第一和第二桥与偏磁磁铁的磁性轴线对称布置，第三桥布置在第一桥和磁性轴线之间的中点上，而第四桥布在第二桥和磁性轴线的中点上。
2.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征为，磁性传感器具有第一，第二，第三和第四磁阻元件桥；差动输出计算装置接收第一、第二、第三、和第四桥的输出V1，V2，V3，V4；差动输出计算装置由公式Vd＝(V1-V2)-2(V3-V4)计算差动输出Vd。
3.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征为，磁性传感器具有第一、第二、第三和第四磁阻元件桥；差动输出计算装置接收第一、第二、第三和第四桥的输出V1，V2，V3和V4；差动输出计算装置由公式Vd＝(V2-V1)-2(V4-V3)计算差动输出Vd。
4.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征为它还包括布置在偏磁磁铁的磁性轴线上的第5磁阻元件桥。
5.如权利要求4所述的位置检测装置，其特征为，差动输出计算装置接收第一、第二、第三、第四和第五桥的输出V1，V2，V3，V4，V5；差动输出计算装置由公式Vd＝{V1-V3)-(V3-V5)}-{(V5-V4)-(V4-V2)}计算差动输出Vd。
6.如权利要求4所述的位置检测装置，其特征为，差动输出计算装置接收第一、第二、第三、第四和第五桥的输出V1，V2，V3，V4，V5；差动输出计算装置由公式Vd＝{(V5-V4)-(V4-V2)}-{(V1-V3)-(V3-V5)}计算差动输出。
7.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征为，每一个磁阻元件桥包括布置成矩阵形式的第一、第二、第三和第四磁阻元件，矩阵的行与偏磁磁铁的磁性轴线平行；第一和第二磁阻元件处于矩阵的不同行中；第三和第四磁阻元件处于矩阵的不同行中；每一个磁阻元件布置成使其检测轴线与偏磁磁铁的磁性轴线成45°；第一和第二个磁阻元件的检测轴线与第三和第四磁阻元件的检测轴线正交。磁阻元件按第一、第二、第三和第四磁阻元件的次序串联连接；每一个磁阻元件桥产生的输出按照磁阻元件磁阻的变化而改变，该输出在第二和第三磁阻元件之间的连接点上测量。
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