DE10213508B4

DE10213508B4 - Bewegungserfassungsvorrichtung unter Verwendung einer magnetoresistiven Einheit

Info

Publication number: DE10213508B4
Application number: DE10213508A
Authority: DE
Inventors: Takamasa Aichi Kinpara; Hirofumi Aichi Uenoyama
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: US6954063B2; FR2822946A1; JP3855801B2; US20020140420A1; FR2822946B1; DE10213508A1; JP2002357454A

Abstract

Bewegungserfassungsvorrichtung für einen beweglichen Körper (1), die umfasst: – einen Vormagnetisierungsmagneten (4) zum Erzeugen von magnetischem Fluss, der zu dem beweglichen Körper (1) geht; und – eine magnetoresistive Einheit (2, 2'), die zwischen dem beweglichen Körper (1) und dem Vormagnetisierungsmagneten (4) angeordnet ist zum Erzeugen einer elektrischen Ausgabe, die sich mit einer Bewegung des beweglichen Körpers (1) ändert, wobei – die magnetoresistive Einheit (2, 2') an einer Stelle weg von einer magnetischen Mittellinie (MC) des Vormagnetisierungsmagneten (4) platziert ist, – die magnetoresistive Einheit (2, 2') zur magnetischen Mittellinie (MC) des Vormagnetisierungsmagneten (4) in eine Richtung des magnetischen Flusses geneigt ist, – die magnetoresistive Einheit (2, 2') ein Paar magnetoresistiver Abtastelemente aufweist, die auf einer Seitenoberfläche eines Sensorchips (3) ausgebildet sind, – die Seitenoberfläche des Sensorchips (3) parallel zu einer Seitenoberfläche des beweglichen Körpers (1) verläuft, – das Paar magnetoresistiver Abtastelemente achsensymmetrisch angeordnet ist,...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bewegungserfassungsvorrichtung, die eine magnetoresistive Einheit benutzt, die als eine Umdrehungserfassungsvorrichtung wie zum Beispiel ein Raddrehzahlsensor benutzt werden kann.
Einige Bewegungserfassungsvorrichtungen benutzen ein Paar Abtastelemente als eine magnetoresistive Einheit, wie in U.S Patent Nr. 5,359,287 offengelegt, um die Umdrehung eines scheibenförmigen magnetisierten Rotors im Ansprechen auf Magnetismus zu erfassen, der von einem Vormagnetisierungsmagneten erzeugt wird, der so angeordnet ist, dass er dem magnetisierten Rotor gegenüberliegt. Die Abtastelemente werden angeordnet um 45 Grad relativ zu einer Symmetrieachse geneigt zu sein, die einer radialen Mittellinie des magnetisierten Rotors entspricht. Diese Linie entspricht dem magnetischen Zentrum des Vormagnetisierungsmagneten. Entsprechend dieser Anordnung lenkt der vom Vormagnetisierungsmagneten erzeugte und durch die magnetoresistive Einheit gegangene magnetische Fluss auf einer Ebene parallel zu der kreisförmigen Seitenebene des magnetisierten Rotors ab, wenn der magnetisierte Rotor rotiert. Diese Ablenkung wird benutzt, um die Umdrehung des Rotors zu erfassen.
Es wird manchmal notwendig, die Anordnung der magnetoresistiven Einheit relativ zum Vormagnetisierungsmagneten zur Verbesserung der Leistung der Vorrichtung zu verändern. Wenn die magnetoresistive Einheit in seitliche Richtung parallel verschoben wird, so dass die Symmetrieachse der magnetoresistive Einheit parallel zu der radialen Mittellinie ist, die durch die magnetische Mittellinie des Vormagnetisierungsmagneten und das Rotationszentrum des magnetisierten Rotors geht, ändert die Ausgabe der magnetoresistiven Einheit sich in großem Umfang entsprechend den Temperaturen, bei denen die magnetoresistive Einheit betrieben wird. Diese sehr temperaturabhängige Charakteristik der magnetoresistiven Einheit erfordert unterschiedliche Schwellenwerte für jeweilige Temperaturen, wenn man das Ausgangssignal der magnetoresistiven Einheit in ein Impulssignal formt oder digitalisiert.
Weitere Bewegungserfassungsvorrichtungen sind aus der DE 198 54 890 A1 , der DE 197 38 361 A1 , der EP 0 957 343 A1 , der DE 198 16 696 A1 und der DE 690 11 022 T2 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bewegungserfassungsvorrichtung bereitzustellen, die einen einzelnen Schwellenwert über einem weiten Bereich von Temperaturen benötigt und dazu ausgelegt ist, sowohl die Geschwindigkeit als auch die Bewegungsrichtung eines beweglichen Körpers zu erfassen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bewegungserfassungsvorrichtung nach dem Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Obige und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus folgender detaillierter Beschreibung deutlicher, die mit Bezug auf beiliegende Zeichnungen gemacht wurde. Die Zeichnungen:
1A ist eine schematisierte Draufsicht, die eine Bewegungserfassungsvorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
1B ist eine schematisierte Seitenansicht, die die in 1A gezeigte Bewegungserfassungsvorrichtung zeigt;
2A ist eine schematisierte Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem magnetischen Fluss und einer magnetoresistiven Einheit zeigt;
2B ist eine schematisierte Ansicht, die einen Ablenkungswinkel des magnetischen Flusses an der magnetoresistiven Einheit zeigt;
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Ablenkungswinkel des magnetischen Flusses und dem Ausgangssignal der magnetoresistiven Einheit in der ersten Ausführungsform zeigt;
4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Ablenkungswinkel des magnetischen Flusses und dem Ausgangssignal der magnetoresistiven Einheit entsprechend einem Stand der Technik zeigt.
5 ist eine schematisierte Ansicht, die eine Bewegungserfassungsvorrichtung entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
6 ist ein Signal-Diagramm, das das Ausgangssignal der magnetoresistiven Einheit in der zweiten Ausführungsform zeigt.
(Erste Ausführungsform)
Zunächst bezugnehmend auf 1A und 1B, dient eine Bewegungserfassungsvorrichtung der Erfassung einer Bewegung eines beweglichen Körpers wie ein Rad eines Fahrzeuges. In dieser ersten Ausführungsform ist ein magnetisierter Rotor 1 am Rad befestigt. Der magnetisierte Rotor 1 ist abwechselnd zu einem Nordpol (N) und einem Südpol (S) bei einem festen Winkelabstand in Umfangsrichtung magnetisiert.
Die Bewegungserfassungsvorrichtung umfasst eine magnetoresistive Einheit 2 einschließlich eines Paares von magnetoresistiven Abtastelementen, die auf einem Sensorchip 3 ausgebildet sind, und einen Vormagnetisierungsmagneten 4, der magnetischen Fluss MF erzeugt. Die magnetoresistive Einheit 2 ist auf einer Seitenoberfläche des Sensorchips 3 ausgebildet. Der Sensorchip 3 ist im Allgemeinen als Quader geformt und so plaziert, dass seine Seitenoberfläche, die mit der magnetoresistiven Einheit 2 ausgebildet ist, parallel mit der kreisförmigen Seitenoberfläche des magnetisierten Rotors 1 ist. Die magnetoresistive Einheit 2 ist auf der rechten Seite der magnetischen Mittellinie MC des Vormagnetisierungsmagneten 4 plaziert.
Der Vormagnetisierungsmagnet 4 ist im Allgemeinen als Quader oder Zylinder geformt, und ist zu einem Nordpol (N) und einem Südpol (S) in der axialen Richtung magnetisiert. Der Vormagnetisierungsmagnet 4 ist plaziert, so dass seine magnetische Mittellinie MC einer imaginären radialen Linie entspricht, die sich vom Rotationszentrum des magnetisierten Rotors 1 in radialer Richtung ausdehnt. Der Vormagnetisierungsmagnet 4 ist plaziert, so dass der vom Vormagnetisierungsmagneten 4 erzeugte magnetische Fluss MF zur runden Oberseitenfläche des magnetisierten Rotors 1 in einer parabolischen Form durch die magnetoresistive Einheit 2 geht.
In dieser ersten Ausführungsform wird der die magnetoresistive Einheit 2 aufweisende Sensorchip 3 über dem magnetisierten Rotor 1 plaziert, wie in 1B gezeigt, um die Entfernung zwischen dem magnetisierten Rotor 1 und dem Vormagnetisierungsmagneten 4 in der radialen Richtung des magnetisierten Rotors 1 zu verkürzen. Allerdings ist es möglich den die magnetoresistive Einheit 2 aufweisenden Sensorchip 3 auf die gleiche Ebene zu plazieren wie den magnetisierten Rotor 1 und den Vormagnetisierungsmagneten 4, zwischen dem magnetisierten Rotor 1 und dem Vormagnetisierungsmagneten 4.
Der Vormagnetisierungsmagnet 4 erzeugt den magnetischen Fluss MF, der von den magnetischen Polen des magnetisierten Rotors 1 abgelenkt wird. Jedes magnetoresistive Abtastelement der magnetoresistiven Einheit 2 verändert die elektrischen Widerstände in Übereinstimmung mit der Richtung des vom Vormagnetisierungsmagneten 4 erzeugten und dadurch durchgehenden magnetischen Flusses MF. Da die Richtung des magnetischen Flusses MF, der vom Vormagnetisierungsmagneten 4 zu den magnetischen Polen des magnetisierten Rotors 1 verläuft, im Ansprechen auf die Umdrehung der magnetischen Pole des magnetisierten Rotors 1 abgelenkt wird, kann die Umdrehung des magnetisierten Rotors 1 von den elektrischen Widerständen der magnetoresistiven Einheit 2 erfasst werden.
In der Praxis werden die magnetoresistiven Abtastelemente in Serie geschaltet, wie in 2A gezeigt, und der Widerstand der magnetoresistiven Einheit 2 wird erfasst als eine elektrische Ausgangspannung Vc, die an der Verbindungsstelle zwischen den magnetoresistiven Abtastelementen entsteht.
Genauer gesagt, wie in 2B ausführlich gezeigt, werden die Abtastelemente der magnetoresistiven Einheit 2 in Achsensymmetrie in Bezug auf die Symmetrieachse S', die von der magnetischen Mittellinie MC mit einem Winkel Y geneigt ist, angeordnet. Die magnetische Mittellinie MC verläuft in Richtung des vom Vormagnetisierungsmagneten 4 in der Mitte des Vormagnetisierungsmagneten 4 erzeugten magnetischen Flusses MF, und entspricht einer imaginären Linie, die sich von der Drehachse des magnetisierten Rotors 1 in der radialen Richtung ausdehnt. Die Symmetrieachse S' entspricht im Allgemeinen dem magnetischen Fluss MF, der durch das Zentrum der magnetoresistiven Einheit 2 geht. Da der magnetische Fluss MF, der durch die magnetoresistive Einheit 2 geht, fort von der magnetischen Mittellinie MC gerichtet ist, da die Lage der magnetoresistiven Einheit 2 weg von der magnetischen Mittellinie MC ist, wird der Winkel Y vergrößert, wenn die magnetoresistive Einheit 2 von der magnetischen Mittellinie MC verschoben ist. Das heißt, die Symmetrieachse S' ist tangential zu dem magnetischen Fluss MF, der an selber Stelle vorübergeht. Dies wird unter der Bedingung bestimmt, dass kein magnetisierter Rotor existiert.
Damit wird der magnetische Fluss MF um einem Winkel X um die Symmetrieachse S' abgelenkt, wenn der Nordpol N und der Südpol S an der magnetoresistiven Einheit 2 aufgrund der Umdrehung des Rotors 1 vorübergehen. Man bemerkt, dass die Symmetrieachse S' mit der Mittellinie des magnetischen Ablenkungswinkels X zusammenfällt. Entsprechend dieser Anordnung ändert sich das Magnetfeld, wenn die magnetischen Pole des magnetisierten Rotors 1 abwechselnd an der magnetoresistiven Einheit 2 vorübergehen, in senkrechter Richtung relativ zu den Oberflächen der magnetoresistiven Einheit 2.
Gemäß dieser ersten Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, ändert sich die Ausgangspannung Vc der magnetoresistiven Einheit 2 im Verhältnis zu dem magnetischen Ablenkungswinkel. In 3 zeigt die durchgezogene Linie die Charakteristik bei Raumtemperatur an und die strichgepunktete Linie zeigt die Charakteristik bei hoher Temperatur an. Desweiteren wird das Ausgangssignal Vc gezeigt, wobei die magnetische Mittellinie MC des Vormagnetisierungsmagneten 4 als die Mitte des magnetischen Ablenkungswinkels (0) genommen wird. Damit unterscheidet sich der Bezugspunkt (0) in 3 von der Mittellinie des in 2B gezeigten magnetischen Ablenkungswinkels.
Wie 3 entnommen wird, verändert sich die Ausgangspannung Vc weniger bei Hochtemperaturbedingung als bei Raum-(niedrig)Temperaturbedingung, und ändert sich symmetrisch in Bezug auf einen Punkt, der vom Bezugspunkt um den Winkel Y verschoben ist. An diesem Punkt ist die temperaturabhängige Charakteristik (Ausgangsdifferenz) der Ausgangspannung Vc null.
Da die magnetoresistive Einheit 2 nicht in Achsensymmetrie in Bezug auf die magnetische Mittellinie MC des Vormagnetisierungsmagneten 4 ist, sondern in Achsensymmetrie in Bezug auf die Linie S', die zu der magnetischen Mittellinie MC geneigt ist, ist der magnetische Fluss MF, der auf die magnetoresitive Einheit 2 angelegt wird, als eine Eingangswellenform H in 3 gezeigt. Dadurch ändert sich die Ausgangspannung Vc, wie von h1 beziehungsweise h2 bei Raumtemperaturbedingung und Hochtemperaturbedingung gezeigt. Indem man den Schwellenwert TH zum Formen oder Digitalisieren der Ausgangspannung Vc in ein Impulssignal auf eine Stufe einstellt, wo. die Spannungspegel der Wellenformen h1 und h2 gleich sind, das heißt, wo die Wellenformen h1 und h2 sich kreuzen, kann die Ausgangspannung Vc zum Impulssignal ungeachtet der temperaturabhängigen Ausgabecharakteristik der magnetoresistiven Einheit 2 geformt werden.
4 zeigt eine vergleichende Ausgabecharakteristik einer magnetoresistiven Einheit 2 im Fall des Standes der Technik, bei dem die magnetoresistive Einheit 2 in seitliche Richtung vom Vormagnetisierungsmagneten 4 verschoben ist. D. h., die magnetoresistive Einheit 2 ist in solch einer Weise plaziert, dass die Symmetrieachse S' der magnetoresistiven Einheit 2 parallel zur magnetischen Mittellinie MC ist. In diesem Fall ändert sich der zur magnetoresistiven Einheit 2 eingegebene magnetische Fluss MF, wie durch Wellenform A gezeigt. Dadurch ändert sich die Ausgangspannung Vc, wie von Wellenform a1 beziehungsweise a2 bei Raumtemperaturbedingung und Hochtemperaturbedingung gezeigt. In diesem Fall kann die Ausgangspannung Vc der magnetoresistiven Einheit 2 zu einem Impulssignal mit einem einzelnen Schwellenwert THA ungeachtet der Temperaturen geformt werden.
Wenn die magnetoresistive Einheit 2 nicht in Achsensymmetrie mit der magnetischen Mittellinie MC plaziert ist, das heißt die Symmetrieachse S' der magnetoresistive Einheit 2 nicht mit der magnetischen Mittellinie MC zusammenfällt, ändert sich der zur magnetoresistiven Einheit 2 eingegebene magnetische Fluss MF allerdings, wie von Wellenform B gezeigt. Dadurch ändert sich die Ausgangspannung Vc, wie von Wellenformen b1 beziehungsweise b2 in der Raumtemperaturbedingung und der Hochtemperaturbedingung gezeigt. In diesem Fall muss der Schwellenwert THB zum Formen der Ausgangspannung Vc der magnetoresistiven Einheit 2 zu einem Impulssignal, getrennt auf unterschiedlichen Stufen je nach Temperaturen gesetzt werden.
(Zweite Ausführungsform)
In der zweiten Ausführungsform, wie in 1A gezeigt, wird noch eine andere magnetoresistive Einheit 2' auf der linken Seite der magnetischen Mittellinie MC des Vormagnetisierungsmagneten 4 plaziert. Die magnetoresistive Einheit 2' wird in Achsensymmetrie mit der magnetoresistiven Einheit 2 angeordnet. Die magnetoresistiven Einheiten 2 und 2' erzeugen jeweilige Ausgangspannungen Vc und Vc', die unterschiedlich in der Phase sind. Das heißt, die Ausgangspannung Vc der magnetoresistiven Einheit 2 ist relativ zur Ausgangspannung Vc' der magnetoresistiven Einheit 2' je nach der Richtung von Umdrehung des magnetisierten Rotors 1 vorgeschoben oder verzögert. Deswegen werden, in dieser zweiten Ausführungsform, die Ausgangspannungen Vc und Vc' der magnetoresistiven Einheiten 2 und 2' benutzt, um die Richtung von Umdrehung des magnetisierten Rotors 1 in einer in 5 und 6 gezeigten Weise zu erfassen.
Wie in 5 gezeigt, sind die magnetoresistiven Einheiten 2 und 2' verschoben von der magnetischen Mittellinie MC, so dass die Ausgangspannungen Vc und Vc' dazwischen eine Phasenwinkeldifferenz von 90 Grad haben. Wenn der magnetisierte Rotor 1 in 5 in der Vorwärtsrichtung rotiert (rechtsdrehende Richtung in 1A), eilt die Ausgangspannung Vc 90 Grad der Ausgangspannung Vc' voraus. Wenn der magnetisierte Rotor 1 in 5 in die umgekehrte Richtung rotiert (gegen den Uhrzeigersinn drehende Richtung in 1A) eilt die Ausgangspannung Vc der Ausgangspannung Vc' andererseits 90 Grad nach. Die Ausgangspannungen Vc und Vc' werden in jeweilige Impulssignale digitalisiert, durch Vergleichen mit dem Schwellenwert TH in einer Weise, die der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform ähnlich ist. Die Richtung der Umdrehung des magnetisierten Rotors 1 kann durch die Erfassung erfasst werden, welche der ansteigenden oder der fallenden Flanke der Impulssignale zuerst erscheint.
Die vorliegende Erfindung sollte nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt werden, sondern kann auf verschiedene Wege verändert werden. Zum Beispiel kann die Phasendifferenz zwischen den Ausgangspannungen der magnetoresistiven Einheiten sich von 90 Grad unterscheiden. Zwei oder mehrere magnetoresistive Einheiten können auf der rechten oder linken Seite der magnetischen Mittellinie des Vormagnetisierungsmagneten bereitgestellt werden. Zwei Abtastelemente jeder magnetoresistiven Einheit können angeordnet werden, um einen Winkel anders als 90 Grad dazwischen zu bilden. Der Rotor kann ein nichtmagnetisierter gezahnter Rotor sein.

Claims

Bewegungserfassungsvorrichtung für einen beweglichen Körper (1), die umfasst: – einen Vormagnetisierungsmagneten (4) zum Erzeugen von magnetischem Fluss, der zu dem beweglichen Körper (1) geht; und – eine magnetoresistive Einheit (2, 2'), die zwischen dem beweglichen Körper (1) und dem Vormagnetisierungsmagneten (4) angeordnet ist zum Erzeugen einer elektrischen Ausgabe, die sich mit einer Bewegung des beweglichen Körpers (1) ändert, wobei – die magnetoresistive Einheit (2, 2') an einer Stelle weg von einer magnetischen Mittellinie (MC) des Vormagnetisierungsmagneten (4) platziert ist, – die magnetoresistive Einheit (2, 2') zur magnetischen Mittellinie (MC) des Vormagnetisierungsmagneten (4) in eine Richtung des magnetischen Flusses geneigt ist, – die magnetoresistive Einheit (2, 2') ein Paar magnetoresistiver Abtastelemente aufweist, die auf einer Seitenoberfläche eines Sensorchips (3) ausgebildet sind, – die Seitenoberfläche des Sensorchips (3) parallel zu einer Seitenoberfläche des beweglichen Körpers (1) verläuft, – das Paar magnetoresistiver Abtastelemente achsensymmetrisch angeordnet ist, und – eine Symmetrieachse (S') der Abtastelemente zu der magnetischen Mittellinie (MC) des Vormagnetisierungsmagneten (4) geneigt ist.
Bewegungserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss um einen Winkel bei der magnetoresistiven Einheit (2, 2') abgelenkt wird, im Ansprechen auf die Bewegung des beweglichen Körpers (1), und eine Mittellinie des Winkels (X) an der Symmetrieachse (S') der Abtastelemente ausgerichtet ist.
Bewegungserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistive Einheit (2) geneigt ist, ausgerichtet an einer tangentialen Linie (S') des magnetischen Flusses, der an selber Stelle vorbeigeht.
Bewegungserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (S') der Abtastelemente identisch mit einer tangentialen Linie (S') des magnetischen Flusses ist, der an selber Stelle vorbeigeht.
Bewegungserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetoresistive Einheit (2, 2') an jeder Seite der magnetischen Mittellinie (MC) des Vormagnetisierungsmagneten (4) platziert ist.
Bewegungserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistive Einheit (2, 2') so angeordnet ist, dass sie einer Ebene gegenübersteht, in der der bewegliche Körper (1) sich bewegt.