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Diese Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Detektor, der dazu in der Lage ist, die Rotationsposition eines sich bewegenden Magnetkörpers durch Verwendung eines magnetoelektrischen Wandlerelements zu detektieren.
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US 5 640 377 A beschreibt eine Rotationsinformationserfassungsvorrichtung zur Erfassung von Rotationsinformation eines rotierenden Gegenstands, umfassend eine mit einer rotierenden Welle verbundene Messskala.
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US 5 036 319 A beschreibt einen magnetischen Rotations-Enkoder zum Messen eines Drehwinkelabstands einer Welle eines beweglichen Vorrichtungsteils, wobei der magnetische Enkoder einen mit einer Welle verbundenen Magnetrotor und ein magnetoresistives Element umfasst, das aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Teilen aufgebaut ist, die in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind.
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EP 0 977 016 B1 beschreibt einen magnetischen Rotations-Enkoder zum Erfassen einer Bewegung einer Welle, wobei der magnetische Rotations-Enkoder eine mit der Welle verbundene bewegte Scheibe, magnetische Fühler und Dauermagnete zur Beaufschlagung eines magnetischen Flusses auf die magnetischen Fühler umfasst, wobei die magnetischen Fühler der bewegten Scheibe gegenüberliegend angeordnet sind und durch die magnetischen Fühler Orte von magnetischen Polen erfasst werden.
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DE 101 18 819 A1 beschreibt ein Bewegungsfühlerteil zum Erfassen des Ortes eines Zahnrades, wobei der Bewegungsfühler das Zahnrad, einen dem Zahnrad gegenüberliegend angeordneten Magneten und ein Fühlerelement umfasst.
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DE 298 17 719 U1 beschreibt ein Ortmesssystem zum Erfassen einer Bewegung einer Welle eines Motors. Das Ortmesssystem umfasst eine mit der Welle verbundene Teilungsscheibe und eine Abtasteinheit, die aus mindestens drei entlang einer Radialrichtung der Teilungsscheibe angeordneten Abtasteinheiten aufgebaut ist.
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DE 102 54 897 A1 beschreibt ein Ortmesssystem zum Erzeugen von Ortsinformation, wobei das Ortmesssystem einen permanentmagnetisierbaren Grundkörper (Abstandsmarkenträger) umfasst, der eine durch Magnetisierung des Grundkörpers gebildete magnetische Struktur aufweist, und einen Fühler zum Abtasten des Magnetfelds im Bereich des Grundkörpers.
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DE 103 36 558 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Abtasten eines periodisch magnetisierten Maßstabs durch ein Messteil, das gegenüber dem Maßstab bewegt wird, wobei die Abtastvorrichtung den magnetisierten Maßstab und mindestens zwei Hall-Sensoren oder einen magnetoresistiven Fühler umfasst, die dem Maßstab gegenüberliegend und in Maßstabrichtung A hintereinander angeordnet sind, wobei die Sensoren aus einer Halb- oder Vollbrücke elektronischer Bauelemente aufgebaut sind, welche auf Magnetfeldänderungen reagieren.
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Wie in
JP 2004/109113 (Absätze 0007–0010,
3 und
4) gezeigt, weist ein weiterer bekannter ein magnetoelektrisches Wandlerelement verwendender magnetischer Detektor einen sich bewegenden magnetischen Körper mit einer Form zum Beeinflussen eines magnetischen Feldes, einen Magneten und einen Verarbeitungsschaltungsabschnitt auf. Der Magnet ist so angeordnet, dass er gegenüber dem sich bewegenden Magnetkörper liegt und ist in der Rotationsachsenrichtung des sich bewegenden Magnetkörpers magnetisiert. Im Verarbeitungsschaltungsabschnitt sind erste bis vierte magnetische Widerstandssegmente integral aufgebaut und in einem vorgegebenen Intervall in der Rotationsrichtung des sich bewegenden Magnetkörpers angeordnet. Die ersten und zweiten Magnetwiderstandssegmente bilden eine Brückenschaltung, und die dritten und vierten magnetischen Widerstandssegmente bilden eine Brückenschaltung.
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Das von dem Magneten auf jedes der magnetischen Widerstandssegmente ausgeübte Magnetfeld ändert sich durch Drehen des sich bewegenden Magnetkörpers. Als Ergebnis ändert sich der Widerstandwert jedes magnetischen Widerstandssegmentes entsprechend zur Form des sich bewegenden Magnetkörpers, und es wird ein differenzverstärktes Ausgangssignal eines Ausgangssignals am Mittelpunkt zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Widerstandsegment und eines Ausgangssignals am Mittelpunkt zwischen dem dritten und vierten magnetischen Widerstandssegmente erhalten. Die Wellenform dieses differenzverstärkten Ausgangssignals wird dann geformt, und es kann ein endgültiges Ausgabesignal entsprechend der Form des sich bewegenden magnetischen Körpers erhalten werden.
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Beim obigen konventionellen Magnetdetektor wird das differenzverstärkte Ausgangssignal durch Streuung des Widerstandwertes des magnetischen Widerstandssegmentes, Streuung eines Temperaturkoeffizienten des magnetischen Widerstandssegments oder eine Positionsabweichung, die zur Zeit des Zusammenbaus erzeugt wurde, etc. gestreut. Im Ergebnis tritt das Problem auf, dass in dem endgültigen Ausgangssignal ein Fehler erzeugt wird.
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Unter Erwägung der obigen Punkte ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Magnetdetektor bereitzustellen, der in der Lage ist, die Abweichung von Eigenschaften aufgrund der Streuung des Widerstandwertes des magnetischen Widerstandssegmentes, der Streuung des Temperaturkoeffizienten des magnetischen Widerstandssegmentes oder der Positionsabweichung, die zur Zeit des Zusammenbaus erzeugt wurde, etc. zu reduzieren und einen Einfluss von Widerstandsrauschen zu verringern sowie die Detektorleistung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen magnetischen Detektor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus Anspruch 2.
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Mit Hilfe des Detektors dieser Erfindung kann das Signal/Rausch-Verhältnis durch Einstellen des Abstands P der magnetischen Widerstandssegmente an beiden Enden, die das magnetoelektrische Wandlerelement bilden, der Größe X (Breite) des Magneten in Bewegungsrichtung der sich bewegenden Magnetkörpers und der Größe Y (Länge) des Magneten in Richtung entgegengesetzt zum sich bewegenden Magnetkörper auf eine vorgegebene Beziehung verbessert werden. Weiterhin kann die Abweichung von Eigenschaften aufgrund der Streuung des magnetischen Widerstandselementes ebenso wie der Einfluss von Widerstandsrauschen vermindert werden und die Detektorleistung verbessert werden.
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1 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer Magnetschaltung in einer Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
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2 ist eine Ansicht, die einen Schaltungsaufbau eines Signalverarbeitungsschaltungsabschnitts der Ausführungsform 1 zeigt.
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3 ist eine Ansicht, die Signalwellenformen in der Ausführungsform 1 und für den konventionellen Fall zeigt.
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4 ist eine charakteristische Ansicht, welche die Beziehung einer Magnetgröße und einer differenziellen Verstärkungsausgabeamplitude der Ausführungsform 1 zeigt.
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Ausführungsform 1
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1 zeigt den Aufbau eines Detektors einer Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt. 1A ist eine perspektivische Ansicht des Detektors. 1B ist eine Aufsicht des Detektors. 1C ist eine Musteransicht eines GMR-Elementsegments.
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Dieser Detektor weist einen sich bewegenden Magnetkörper 1 von Zahnradform mit einer Form zum Ändern eines magnetischen Feldes, einen Magneten 2 und einen Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 3 auf. Der Magnet 2 ist so angeordnet, dass er sich gegenüber dem sich bewegenden Magnetkörper 1 befindet und ist in der Richtung orthogonal zu der Richtung magnetisiert, die dem sich bewegenden Magnetkörper 1 entgegengesetzt ist, d. h. in der Rotationsachsenrichtung 1a des sich bewegenden Magnetkörpers 1. Ein magnetoelektrisches Wandlerelement 4 (1C), das aus vier GMR-Elementsegmenten 4a bis 4d aufgebaut ist, die unter einem vorgegebenen Abstand längs der Rotationsrichtung des sich bewegenden Magnetkörpers 1 angeordnet sind, ist in dem Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 3 ausgebildet.
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Jedes dieser vier GMR-Segmentelemente 4a bis 4d wird durch einen Film im Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 3 gebildet, der aus einem IC-Chip aufgebaut ist und wird symmetrisch längs der Rotationsrichtung (Pfeil R) des sich bewegenden Magnetkörpers 1 in Bezug auf die Zentrallinie des Magneten 2 orthogonal zu dieser Rotationsrichtung angeordnet. Weiterhin sind zwei GMR-Elementsegmente 4b, 4c im Zentralbereich von diesen vier GMR-Elementsegmenten 4a bis 4d so ausgebildet, dass sie sich in einer Kammzahnform auf der Zentrallinie des Magneten 2 kreuzen.
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Wenn der Abstand der GMR-Elementsegmente 4a, 4d an beiden, das magnetoelektrische Wandlerelement 4 bildenden Enden auf P eingestellt wird, wird die Beziehung dieses Abstands und die Größe X (Breite) des Magneten 2 in Bewegungsrichtung des sich bewegenden Magnetkörpers 1 so eingestellt, dass er den Bereich von 0,7P ≤ X ≤ P erfüllt, und die Beziehung der Größe Y (Länge) des Magneten in Richtung entgegengesetzt zum sich bewegenden Magnetkörper 1 und der Abstand P des GMR-Elementsegmentes wird so eingestellt, dass er den Bereich von P ≤ Y ≤ 1,6P erfüllt.
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Weiterhin, wie später beschrieben, sind die Paare von GMR-Elementen 4a, 4b und GMR-Elementsegmenten 4c, 4d mit Abstandszentren symmetrisch wechselseitig in Bezug auf die zentrale Linie des Magneten 2 angeordnet, so verbunden, dass sie eine Brückenschaltung bilden.
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Das GMR-Element (großes magnetisches Widerstandselement) ist ein laminierender Körper, ein sogenannter künstlicher Gitterfilm, bei dem eine magnetische Schicht mit einer Dicke von mehreren Angström bis zu mehreren zehn Angström und eine nicht-magnetische Schicht alternativ laminiert sind. (Fe/CR)n, (Permalloy/Cu/Co/Cu)n und (Co/Cu)n sind als GMR-Elemente bekannt. Dieses GMR-Element hat einen sehr großen magnetischen Widerstandseffekt (MR-Wechselverhältnis) im Vergleich zum konventionellen magnetischen Widerstandselement und dieser hängt nur von dem relativen Winkel einer Magnetisierungsrichtung einer angrenzenden magnetischen Schicht ab. Dementsprechend ist dieses GMR-Element ein In-Ebene-Magnetsensorelement, bei dem dieselbe Widerstandwertänderung erhalten wird, selbst wenn die Richtung des externen Magnetfeldes irgendeine Winkeldifferenz in Bezug auf einen elektrischen Strom aufweist. Das GMR-Element ist ebenfalls ein Element, das in der Lage ist, eine anisotrope Eigenschaft durch Einengen der Breite eines magnetischen Widerstandsmusters (n ist eine Laminatanzahl) hinzuzufügen. Weiterhin ist das GMR-Element ein Element mit Merkmalen, bei denen eine Hysterese in der Widerstandswertänderung aufgrund der Änderung des anliegenden Magnetfeldes vorkommt und Temperatureigenschaften, insbesondere ein Temperaturkoeffizient groß ist.
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2 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer Schaltung des Signalverarbeitungsschaltungsabschnitts zeigt. Eine konstante Spannung wird an der Brückenschaltung 11, die aus den GMR-Elementsegmenten 4a–4d gebildet ist, angelegt und die Widerstandswertänderung des GMR-Elementsegments aufgrund der Änderung des Magnetfeldes wird in eine Spannungsänderung gewandelt. Jeweilige in Spannungen gewandelte Signale an den Mittelpunkten A und B werden als ein differenzverstärktes Ausgangssignal OP in einer Verstärkungsschaltung 12 verstärkt und einer Vergleichsschaltung 13 zugeführt. Die Wellenform eines Signals im Vergleich mit einer vorgegebenen Spannung Vref von der Vergleichsschaltung 13 wird durch eine Ausgabeschaltung 14 geformt und dieses Signal wird in ein endgültiges Ausgangssignal FO (final output) umgewandelt, das zur Form des sich bewegenden Magnetkörpers 1 korrespondiert.
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Ein ähnlicher Vorgang wird auch dann ausgeführt, wenn ein Paar von den vier obigen GMR-Elementsegmenten 4a, 4b und 4c, 4d, z. B. die GMR-Elementsegmente 4a, 4b oder 4c, 4d auf feste Widerstände eingestellt werden und die Brückenschaltung 11 aufgebaut wird.
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3 ist ein Wellenformdiagramm, welches das differenzverstärkte Ausgangssignal OP und das endgültige Ausgangssignal FO zeigt. 3A zeigt das differenzverstärkte Ausgangssignal OP und die Wellenform des endgültigen Ausgangssignals FO, wenn in den Widerstandwerten und den Temperaturkoeffizienten der GMR-Elementsegmente 4a–4d, welche das magnetoelektrische Wandlerelement 4 im Falle der Ausführungsform 1 dieser Erfindung bilden, Streuung auftritt. 3B zeigt das differenzverstärkte Ausgangssignal OP und die Wellenform des endgültigen Ausgangssignals FO im konventionellen Fall.
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4 ist eine charakteristische Ansicht, welche die Änderung der Amplitude des differenzverstärkten Ausgangssignals in Bezug auf den Abstand P der GMR-Elementsegmente an beiden, das magnetoelektrische Wandlerelement bildenden Enden und die Magnetgrößen X und Y zeigt. In 4 zeigt A den Fall von X = 0,6 × P, B den Fall von X = 0,7 × P, C den Fall von X = 0,8 × P, D den Fall von X = 0,9 × P, E X = P und F zeigt den Fall von X = 1,1 × P (konventionelles Beispiel). Weiterhin zeigt die Amplitude des differenzverstärkten Ausgangssignals auf der Ordinatenachse ein Ausgangssignalverhältnis, wenn eine Peak-Ausgabe (in der Nähe von 0,9P bei Magnetgröße Y in 4) von F (X = 1,1 × P) im konventionellen Beispiel auf 1 eingestellt wird.
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Wie in 4 gezeigt, ist, falls die Beziehung der Größe X des Magneten 2 in Bewegungsrichtung des sich bewegenden Magnetkörpers und der Abstand P des GMR-Elementsegmentes auf den Bereich von 0,7P ≤ X ≤ P eingestellt wird und die Beziehung der Größe Y des Magneten 2 in Richtung entgegengesetzt dem sich bewegenden Magnetkörper und der Abstand des P des GMR-Elementsegmentes im Bereich von P ≤ Y ≤ 1,6P eingestellt werden, bekannt, dass die Amplitude des differenzverstärkten Ausgangssignals im Vergleich zu F (X = 1,1 × P) steigt. Dementsprechend ist bekannt, dass, wie in 3A gezeigt, die Abweichungen des differenzverstärkten Ausgangssignals OP und des endgültigen Ausgangssignals FO in diesem Fall der Erfindung im Vergleich zu in 3B gezeigten konventionellen Fall vermindert werden können.
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Wie oben erwähnt, kann bei dieser Erfindung aus SN-Verhältnis durch Einstellung der Magnetisierungsrichtung des Magneten auf die Richtung orthogonal zur Richtung entgegengesetzt zum sich bewegenden Magnetkörper und Einstellen von 0,7P ≤ X ≤ P und P ≤ Y ≤ 1,6P, wenn die Größe des Magneten in Bewegungsrichtung des sich bewegenden Magnetkörpers auf X eingestellt wird und die Größe des Magneten in der Richtung entgegengesetzt dem sich bewegenden Magnetkörper auf Y eingestellt wird und der Abstand der magnetischen Widerstandssegmente an beiden, das obige magnetoelektrische Wandlerelement bildenden Enden auf P eingestellt ist, verbessert werden. Weiterhin kann die Abweichung von Eigenschaften aufgrund der Streuung des GMR-Elementsegmentes ebenso wie der Einfluss von Widerstandsrauschen vermindert werden und die Detektionsleistung verbessert werden.
