DE10311086A1

DE10311086A1 - Positionsbestimmungsvorrichtung unter Nutzung magnetoresistiver Elemente

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Publication number: DE10311086A1
Application number: DE10311086A
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Uenoyama
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2003-10-02
Also published as: FR2837279A1; JP4190780B2; JP2003269995A; CN1204374C; KR100486149B1; US6924639B2; FR2837279B1; US20030173955A1; KR20030076316A; CN1445512A

Abstract

In einer Positionserfassungsvorrichtung für einen Rotor wie einem Nockenwellenzahnrad wird ein Magnetsensor aus ersten, zweiten, dritten und vierten MRE-Brücken aufgebaut. Die Brücken werden symmetrisch zu einer Magnetachse eines Außenfeldmagneten angeordnet. Die dritte Brücke ist in einem Mittelpunkt zwischen der ersten Brücke und der Magnetachse angeordnet. Die vierte Brücke ist an einem Mittelpunkt zwischen der zweiten Brücke und der Magnetachse angeordnet. Die Ausgaben der Brücken werden einem Differenzialverstärkerschaltkreis eingegeben, um eine einzelne Differenzialausgabe zu erhalten. Eine Position des Rotors wird auf der Grundlage der Differenzialausgabe unabhängig von Zahnradformen des Rotors bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Positionsbestimmungsvorrichtung, um die Position eines bewegten Teils unter Nutzung eines magnetoresistiven Elements (MRE) zu bestimmen, und insbesondere auf eine Rotationserfassungsvorrichtung, die zur Motorsteuerung oder zur Bremssteuerung in einem Fahrzeug genutzt wird.
Die Zündzeitpunkte eines Verbrennungsmotors werden abhängig von einer Kurbelwellenposition und einer Nockenwellenposition bestimmt. Beispielsweise führt eine Nockenwelle eines Viertaktmotors eine Drehung während jeweils zwei Umdrehungen einer Kurbelwelle durch. Daher wird innerhalb einer Drehung der Nockenwelle eine Zylinderidentifikationsinformation bereitgestellt, und während einer Drehung der Kurbelwelle wird Information über die Zündzeitpunkte bereitgestellt.

Herkömmliche Positionserfassungsvorrichtungen nutzen MREs für eine Bestimmung einer Rotorposition. In den Vorrichtungen wird ein Außenmagnetfeld durch einen Außenfeldmagneten auf einen Rotor gerichtet. Die Richtung des Außenmagnetfelds ändert sich, wenn sich die Rotorposition aufgrund der Drehung des Rotors ändert. Daher wird die Rotorposition auf der Grundlage der Änderungen der Richtung des Außenmagnetfelds bestimmt. Unmittelbar nachdem der Rotor die Drehung beginnt, kann jedoch eine genaue Rotorposition nicht bestimmt werden, bis sich die Richtung des Außenmagnetfelds ändert. Daher kann die erste Zylinderbestimmung auf der Grundlage der Rotorposition nicht durchgeführt werden, und eine Zündung wird nicht zum ersten Zündzeitpunkt durchgeführt.

Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Positionserfassungsvorrichtung 1 erfunden und in JP-A-11-237256 offenbart, die eine Rotorposition erfasst, selbst wenn der Rotor steht. Die Positionserfassungsvorrichtung 1 weist, wie in Fig. 13 gezeigt, zwei MRE-Brücken auf. Die MRE- Brücken 6, 16 bestehen aus einem ersten Paar von MREs 4, 5 und einem zweiten Paar von MREs 17, 18, die jeweils in Reihe zusammengeschaltet sind.

Die MREs 4, 5, 17, 18 sind so angeordnet, dass ihre Sensorenachsen mit Bezug auf ein magnetisches Zentrum eines Außenmagnetfelds in Winkeln von 45° und -45° angeordnet sind. Mit dieser Anordnung werden Änderungen der Spannungen an jeweiligen Verbindungspunkten des ersten Paars und des zweiten Paars als Antwort auf Änderungen der Magnetfeldrichtung signifikanter.

Ausgabespannungen der MRE-Brücken 6, 16 werden in den Differenzialverstärkerschaltkreis 20 eingegeben und von ihm verstärkt. Die Differenzialausgabe des Schaltkreises 20 entspricht einem Ablenkungswinkel des Außenmagnetfelds. Die MRE-Brücken 6, 16 sind außerhalb des magnetischen Zentrums des Außenmagnetfelds angeordnet. Als ein Ergebnis erhält man eine unterschiedliche Ausgabe abhängig davon, ob ein Zahnradzahn des Rotors zu den Brücken 6, 16 benachbart oder von ihnen entfernt ist. Daher wird die Rotorposition bestimmt, selbst wenn der Rotor hält.

Die Ausgabe des Schaltkreises 20 variiert jedoch in Übereinstimmung mit einer Form der Zahnradzähne, die einen Luftspalt zwischen dem Rotor und den MRE-Brücken 6, 16 verändert. Um eine genaue Bestimmung der Rotorposition durchzuführen, wird eine Schwelle vorgesehen, um die Ausgabe des Schaltkreises 20 zu digitalisieren. Die Schwelle wird auf der Grundlage eines Minimalpunkts von charakteristischen Luftspaltkurven (AG) festgelegt. Am Minimalpunkt ist die Abgabe des Schaltkreises 20 unabhängig von der Größe des Luftspalts stets gleich, wenn die Rotorposition, wie in Fig. 15 gezeigt, gleich ist.

In der Vorrichtung 1 variiert die Abgabe am Minimalpunkt in Übereinstimmung mit der Form der Zahnradzähne. Als ein Ergebnis verringert sich eine Genauigkeit der Bestimmung der Rotorposition, wenn ein einzelner Schwellenwert genutzt wird. Um eine genaue Rotorpositionsbestimmung durchzuführen, müssen unterschiedliche Schwellenwerte für Rotoren festgelegt werden, die unterschiedliche Zahnradformen aufweisen. Dies verursacht eine schwere Arbeitsbelastung.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Positionserfassungsvorrichtung zu schaffen, die ohne irgendeine Modifikation eine Rotorposition für Rotoren erfasst, die unterschiedliche Formen von Zahnradzähnen aufweisen. Eine Postionserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung weist einen Rotor, einen Außenfeldmagneten, Magnetsensoren und einen Differenzialausgabeberechnungsschaltkreis auf.

Der Rotor weist Zahnradzähne auf seinem Umfang auf. Der Außenfeldmagnet richtet ein Außenmagnetfeld in Richtung der Zahnradzähne. Der Magnetsensor weist mindestens vier Magnetoresistivelement-(MRE-)Brücken auf, deren Ausgaben in Übereinstimmung mit der Richtung des Außenmagnetfelds variieren. Der Magnetsensor ist zwischen den Zahnradzähnen und dem Außenfeldmagneten angeordnet.

Der Differenzialausgabeberechnungsschaltkreis erzeugt eine einzelne Differenzialausgabe über mehrstufige Berechnungen aus den Ausgaben der MRE-Brücken. Die einzelne Differenzialausgabe ist im Wesentlichen am Minimalpunkt der AG-charakteristischen Kurven unabhängig von den Formen der Zahnradzähne konstant. Daher werden Positionen von Rotoren mit unterschiedlichen Formen von Zahnradzähnen auf der Grundlage der Differenzialausgabe bestimmt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaubild, das eine Positionserfassungsvorrichtung mit einem Rotor nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein schematisches Schaubild, das einen IC-Chip zeigt, der in der Positionserfassungsvorrichtung enthalten ist, die in den Fig. 1 und 3 gezeigt wird;
Fig. 3A ein schematisches Schaubild, das eine der MRE-Brücken zeigt, die in der Positionserfassungsvorrichtung enthalten sind, welche in den Fig. 1 und 3 gezeigt wird;
Fig. 3B ein Schaltbild, das die Verdrahtung der in Fig. 3A gezeigten MRE-Brücken zeigt;
Fig. 4 ein Schaltkreisbild, das den Differenzialverstärkerschaltkreis zeigt;
Fig. 5 ein Zeitschaubild, das Ausgabewellenformen eines Differenzialverstärkerschaltkreises zeigt, der in der in Fig. 1 gezeigten Positionserfassungsvorrichtung enthalten ist;
Fig. 6 ein schematisches Schaubild der Positionserfassungsvorrichtung mit einem Rotor, der eine gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Rotor unterschiedliche Form der Zahnradzähne aufweist;
Fig. 7 ein Zeitschaubild, das Ausgabewellenformen eines Differenzialverstärkerschaltkreises zeigt, der in der Positionserfassungsvorrichtung enthalten ist, die in Fig. 3 gezeigt ist;
Fig. 8 ein Zeitschaubild, das Ausgaben einer MRE- Brücke und eine Richtung von magnetischen Kraftlinien zeigt;
Fig. 9 ein Zeitschaubild, das Ausgaben der MRE-Brücken und des Differenzialverstärkers zeigt;
Fig. 10 ein schematisches Schaubild, das einen IC- Chip zeigt, der in einer Positionserfassungsvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform enthalten ist;
Fig. 11 ein Schaltkreisdiagramm, das einen Differenzialverstärkerschaltkreis zeigt, der in der Positionserfassungsvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform enthalten ist;
Fig. 12 ein schematisches Schaubild, das einen modifizierten IC-Chip der zweiten Ausführungsform zeigt;
Fig. 13 ein schematisches Schaubild, das eine Positionserfassungsvorrichtung nach einem Stand der Technik zeigt;
Fig. 14A ein Zeitschaubild, das Ausgabewellenformen eines Differenzialverstärkerschaltkreises zeigt, der in der Positionserfassungsvorrichtung des Stands der Technik enthalten ist;
Fig. 14B ein Zeitschaubild, das Ausgabewellenformen des Differenzialverstärkerschaltkreises zeigt, der in der Positionserfassungsvorrichtung des Stands der Technik enthalten ist; und
Fig. 15 ein Zeitschaubild, das Ausgaben der MRE-Brücken und des Differenzialverstärkers zeigt.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung werden dieselben Bezugszeichen für die gleichen Komponenten und Vorrichtungen verwendet.
Mit Bezug auf Fig. 1 weist eine Positionserfassungsvorrichtung 30 einen Rotor 31, einen IC-Chip und einen Außenfeldmagneten 41 auf. Der Rotor 31 weist Zahnradzähne an seinem äußeren Umfang auf und liegt dem Außenfeldmagneten 41 gegenüber, dessen eine Achse einer Drehachse des Rotors 31 gegenüberliegt. Der IC-Chip 40, der vier Magnetoresistivelementbrücken (MRE-Brücken) aufweist, ist ein magnetischer Sensor.
Der Außenfeldmagnet 41 weist ein Loch um seine zentrale Achse, die zugleich ein magnetisches Zentrum eines Außenmagnetfelds ist, und ein erstes und ein zweites Ende auf. Das erste Ende ist benachbart zu dem Rotor 31 und als ein Nordpol magnetisiert. Das zweite Ende ist vom Rotor 31 weg angeordnet und als Südpol magnetisiert. Die ersten und zweiten Enden können auch umgekehrt magnetisiert sein.
Der IC-Chip 40 ist aus vier MRE-Brücken 50, 51, 52, 53 aufgebaut, die, wie in Fig. 2 gezeigt, auf einem Substrat 55 angeordnet sind. Obwohl dies nicht in den Fign. gezeigt ist, ist der IC-Chip 40 auf einem Führungsrahmen montiert, der aus Kupfer oder anderen Metallarten hergestellt ist, und mit einem thermisch härtenden Kunstharz, wie einem Epoxydharz, umgossen. Ein Teil des IC- Chips 40 ist im Loch des Außenfeldmagneten 41 an so einer Position angeordnet, dass eine Mittellinie des Substrats 55 mit der Mittenachse des Außenfeldmagneten 41 zusammenfällt.
Die MRE-Brücken 50, 53 sind mit Bezug auf die Mittellinie 56 symmetrisch angeordnet. Die MRE-Brücken 51, 52 sind mit Bezug auf die Mittellinie 56 symmetrisch angeordnet. Die MRE-Brücke 51 ist an einem Mittelpunkt zwischen der MRE-Brücke 50 und der Mittellinie 56 angeordnet, und die MRE-Brücke 52 ist an einem Mittelpunkt zwischen der MRE-Brücke 53 und der Mittellinie 56 angeordnet. Die Abstände L1, L2, L3, L4 jeweils zwischen den MRE-Brücken 50 und 51, den MRE-Brücken 51 und der Mittellinie 56, der Mittellinie 56 und der MRE-Brücke 52, und den MRE-Brücken 52 und 53 sind daher alle gleich (L1 = L2 = L3 = L4).
Mit Bezug auf die Fig. 3A und 3B weist die MRE- Brücke 50 vier MREs 11, 12, 21, 22 auf, die in kammartigen Mustern auf dem Substrat 55 vorgesehen sind. Die MREs 11, 12, 21, 22 sind aus ferromagnetischen Materialien mit anisotropem Magnetwiderstand aufgebaut, wie einer NiCo- Legierung oder einer NiFe-Legierung. Änderungen des Widerstands entlang von Längslinien der MRE-Muster sind größer als die in kurzen Querlinien der MRE-Muster. Daher sind die Sensorenachsen der MREs 11, 12, 21, 22 entlang der Längslinien der MRE-Muster definiert. In der MRE- Brücke 50 sind die Längen und Anzahlen von Längslinien und kurzen Linien alle gleich, obwohl die MREs 11, 12, 21, 22 unterschiedlich angeordnet sind.
Die MRES 11, 12, 21, 22 sind in einer Matrix auf dem Substrat 55 angeordnet. Die erste Zeile der MRE-Brücke 50 weist die MREs 11 und 21 auf, und die zweite Zeile weist die MREs 12 und 22 auf. Die MREs 11, 12, 21, 22 sind so angordnet, dass die ersten und zweiten Zeilen parallel zu einer magnetischen Achse des Außenfeldmagneten 41 sind. Andererseits weist die erste Spalte die MREs 11 und 22 auf, und die zweite Spalte weist die MREs 12 und 21 auf. Die Spalten sind parallel zur Drehachse des Rotors 31.
Die Sensorenachsen der MREs 11 und 12 bilden ungefähr 45° mit der Magnetachse, und die Sensorenachsen der MREs 21 und 22 bilden ungefähr -45° mit der Magnetachse. Daher sind die Sensorenachsen der MREs 11 und 12 orthogonal zu den Sensorenachsen der MREs 21 und 22. In anderen Worten ändert sich der Widerstand über die Sensorenachsen der MREs 11 und 12, wenn sich die Richtung des Magnetfelds ändert, unterschiedlich von dem über die Sensorenachsen der MREs 21 und 22.
Die MREs 11, 12, 21, 22 sind elektrisch in dieser Reihenfolge in Reihe zwischen der Stromquelle und der Erde geschaltet. Die Ausgabe der MRE-Brücke 50 wird am Verbindungspunkt zwischen den MREs 12 und 21 gemessen und als eine Mittelpunktsspannung V1 bezeichnet. Die MREs 11, 12, 21, 22 können in der umgekehrten Reihenfolge angeordnet sein. Die Ausgabe der MRE-Brücke 50, die eine Mittelpunktsspannung V1 ist, wird am Verbindungspunkt des MRE 12 mit dem MRE 21 gemessen.
Da der IC-Chip 40 und der Führungsrahmen mit warmaushärtenden Kunstharzen vergossen sind, werden externe Kräfte auf unterschiedliche Teile des IC-Chips 40ausgeübt. Wenn der Führungsrahmen zum Umgießen in eine Form eingelegt wird, die bis zu 150°C bis 160°C aufgeheizt wird, dehnt sich der Führungsrahmen stärker als der IC- Chip aus, der aus Silikon hergestellt ist. Wenn der Führungsrahmen auf die Raumtemperatur abkühlt, werden Schrumpfspannungen, die von der Schrumpfung des Führungsrahmens herrühren, als externe Kräfte auf den IC-Chip übertragen.
Die externen Kräfte wachsen normalerweise mit dem Abstand zur Mittellinie 56. Daher ist die Größe der externen Kräfte an den Punkten ungefähr gleich, an denen der Abstand von der Mittellinie 56 gleich ist. Wenn die auf die MREs 11, 21 wirkende externe Kraft σ1 ist, wird der Widerstand über die MREs 11, 21 sich um den Betrag von Rσ1 ändern, wie in Fig. 3B gezeigt. In gleicher Weise wird sich der Widerstand über die MREs 12, 22 um den Betrag von Rσ2 ändern, wenn die auf die MREs 12, 22 wirkende externe Kraft σ2 ist.
Wenn die Widerstände der MREs 11, 12, 21, 22 jeweils R11, R12, R21 und R22 betragen, und eine auf die MRE- Brücke 50 angewandte Spannung E ist, kann die Spannung V1 nach der nachstehenden Formel berechnet werden:

V1 = (R21 + Rσ1 + R22 + Rσ2) × E/(R11 + Rσ1 + R12 + Rσ2 + R21 + Rσ1 + R22 + Rσ2)
Obwohl die externen Kräfte Rσ1 und Rσ2 unterschiedlich sind, ist die Summe von Rσ1 und Rσ2 im Zähler und im Nenner enthalten, und zumindest die Widerstände R11, R12, R21 und R22 sind gleich. Daher beeinflussen die externen Kräfte Rσ1 und Rσ2 die Mittelpunktsspannung V1 nicht.
Die MREs 11, 12 und die MREs 21, 22 sind in den unterschiedlichen Zeilen der Matrix vorgesehen. Daher sind die gesamten Magnetostriktionseffekte auf die ersten und die zweiten Zeilen im Wesentlichen gleich, selbst wenn die unterschiedlichen großen externen Kräfte σ1 und σ2 wirken. In anderen Worten können die Magnetostriktionseffekte auf jedes MRE 11, 12, 21, 22 annulliert werden. Als ein Ergebnis kann die MRE-Brücke 50 ein Signal genau ausgeben, das der Richtung des Außenmagnetfelds entspricht. Die MRE-Brücken 51, 52, 53 weisen denselben Aufbau wie die MRE-Brücke 50 auf.
Weil die vier MRE-Brücken 50 bis 53 auf dem Substrat 55 gebildet werden, können die Brücken 50 und 53 nicht benachbart zur Mittellinie des Substrats 55 angeordnet werden. Selbst in einem solchen Fall wird eine genaue Position des Rotors 31 auf der Grundlage einer Differenzialausgabe bestimmt, die aus den Ausgaben der Brücken 50 bis 53 berechnet wird.
Mit Bezug auf Fig. 4 weist ein Differenzialverstärkerschaltkreis drei Differenzialverstärker auf. Der Schaltkreis 42 führt mehrstufige Differenzialberechnungen mit den Ausgaben V1, V3, V4 und V2 der Brücken 50, 51, 52, 53 durch, und stellt eine einzelne Differenzialausgabe Vd her. Die Ausgabe Vd wird durch die folgende Formel berechnet:

Vd = (V1 - V2) - 2 × (V3 - V4)
Ein invertierender Eingangsanschluss und ein nichtinvertierender Eingangsanschluss, die für die Differenzialberechnung der ersten Stufe genutzt werden, können auch umgekehrt angeordnet werden. In diesem Fall wird die Ausgabe durch die folgende Formel berechnet:

Vd = (V2 - V1) - 2 × (V4 - V3)
Fig. 5 zeigt eine Ausgabe Vd des Differenzialverstärkerschaltkreises 42. Wellenformen Vd1, Vd2, Vd3 zeigen die Ausgabe Vd, die gemessen wird, wenn ein Luftspalt zwischen dem Rotor 31 und dem IC-Chip 40 jeweils groß, mittel und klein ist. Die Ausgabe vd nimmt ab, wenn der Luftspalt größer wird. Die Ausgabe vd ist jedoch an der gleichen Rotorposition unabhängig von der Größe des Luftspalts ungefähr gleich. In anderen Worten werden Minimalpunkte der AG-charakteristischen Kurven, die durch gestrichelte Linien angezeigt werden, bestimmt.
Mit Bezug auf Fig. 6 weist ein Rotor 32 verglichen mit dem Rotor 31 weniger Zahnradzähne auf, aber jeder Zahn ist in der Umfangsrichtung größer. Wellenformen Vd4, Vd5, Vd6 in der Fig. 7 zeigen die Abgabe Vd in Übereinstimmung mit dem Rotor 32, wenn der Luftspalt jeweils groß, mittel und klein ist. Wie in den Fig. 5 und 7 gezeigt, sind Minimalpunkte der AG-charakteristischen Kurven ungefähr gleich den Minimalpunkten des Rotors 31. Der Grund, warum diese Ausgaben, das heißt, die Ablenkungswinkel des Magnetfelds, an den Minimalpunkten im Wesentlichen konstant sind, wird nachstehend diskutiert.
Fig. 8 zeigt eine Änderung der Richtung der magnetischen Kraftlinien H, die durch den IC-Chip 40 während der Drehung des Rotors 31 hindurchgehen, das heißt, die Änderung des Ablenkwinkels. Zum Zwecke der Erläuterung ist nur eine MRE-Brücke in der Mitte des IC-Chips 40 vorgesehen. Wellenformen in durchgezogener Linie und in einer gestrichelten Linie zeigen jeweils Ausgaben der MRE-Brücke an, wenn der Luftspalt klein und groß ist. Weil vier MRE-Brücken 50, 51, 52, 53 in dieser Ausführungsform außermittig angeordnet sind, können sich die Ausgaben der Brücken 50, 51, 52, 53 von den in Fig. 8 gezeigten Wellenformen unterscheiden.
Der Rotor 31 dreht sich in der Richtung, die durch einen Pfeil X angezeigt ist. Die Ausgabe der MRE-Brücke erhöht sich, wenn das Magnetfeld nach rechts abgelenkt wird, und sie fällt, wenn das Magnetfeld nach links abgelenkt wird. Wenn die MRE-Brücke 60 einem Tal zwischen dem Zahnradzähnen gegenüberliegt (Position A), gehen die magnetischen Feldlinien H, die vom Außenfeldmagnet 41 bereitgestellt werden, gerade in Richtung der Lücke. Somit ist die Ausgabe Vd in der Mitte des Bereichs.
Wenn sich die Zahnradposition vom Tal zum nächsten Zahn (Position B) ändert, gehen die Magnetfeldlinien H in Richtung der Mitte des Zahns, das heißt, sie drehen sich zur rechten Seite der Fig. 8. Die Kurve bzw. Ablenkung der magnetischen Feldlinien H wird größer, wenn der Luftspalt kleiner wird. Zwei Pfeile an der Position B zeigen die Magnetfeldlinien H in dem Fall von zwei unterschiedlichen Größen von Luftspalten an, An der Position B wird die Kurve bzw. Ablenkung der magnetischen Feldlinien H maximal. Daher wird die Ausgabe Vd maximal.
Wenn sich die Zahnradposition zur Mitte des Zahns (Position C) ändert, gehen die Magnetfeldlinien H geradeaus zum Zahn. Somit ist die Ausgabe Vd in der Mitte des Bereichs. Wenn sich die Zahnradposition vom Zahn zum nächsten Tal ändert (Position D) gehen die Magnetfeldlinien H zur Mitte des Zahns, das heißt, sie drehen sich zur linken Seite der Fig. 8. Die Kurve bzw. Ablenkung der Magnetfeldlinien H wird größer, wenn der Luftspalt kleiner wird. Daher wird die Kurve der Magnetfeldlinien H in Position D maximal. Als ein Ergebnis wird die Ausgabe Vd minimal.
Die MRE-Brücken 6, 16 des Stands der Technik, die in Fig. 13 gezeigt sind, erzeugen im Wesentlichen Ausgaben ähnlich der MRE-Brücke 60. Ausgaben Vd' des Differenzialverstärkerschaltkreises 20 werden in den Fig. 14A und 14B für jeden Fall gezeigt, in dem der Luftspalt klein oder groß ist, und für unterschiedliche Formen von Zahnradzähnen. Die Ausgaben der MRE-Brücken 6, 16 im Fall eines schmalen Luftspalts und die Differenzialausgabe zwischen den MRE-Brücken 6, 16 werden in Fig. 15 gezeigt.
Ein Minimalpunkt Pa der AG-charakteristischen Kurve wird ebenfalls in Fig. 15 gezeigt. Der Minimalpunkt Pa ist eine Differenzialausgabe zwischen einem Extrempunkt Pe und der MRE-Brücke 6 und einem Wendepunkt Pi der MRE- Brücke 16. Der Extrempunkt Pe bezieht sich auf einen Punkt, an dem die Ausgabe des Differenzialverstärkers maximal oder minimal ist. Der Wendepunkt Pi bezieht sich auf einen Punkt, an dem sich die Rate der Änderung des Gradienten der Ausgangskurve des Differenzialverstärkerschaltkreises 20 von Erhöhen zu Verringern oder von Verringern zu Erhöhen dreht.
In der Vorrichtung 1 wird der Minimalpunkt Pa der AGcharakteristischen Kurve auf der Grundlage der Differenzialausgabe zwischen dem Extrempunkt Pe der MRE-Brücke 6 und dem Wendepunkt Pi der MRE-Brücke 16 bestimmt. Der Extrempunkt Pe der MRE-Brücke 6 wird durch eine Größe des Luftspalts und einem Schaltpunkt zwischen dem Tal und dem Zahn des Zahnrads bestimmt. Die Größe des Zahns beeinflusst die Bestimmung des Extrempunkts Pe nicht.
Der Wendepunkt Pi der MRE-Brücke 16 wird von der Größe des Luftspalts, einer Kante des Zahns und der Größe des Zahns bestimmt. Genauer gesagt, erhält man die Ausgabe um den Wendepunkt Pi, wenn sich das Zahnrad um einen bestimmten Winkel zu einer Kante des Zahns oder einen bestimmten Winkel zur anderen Kante des Zahns dreht. In anderen Worten wirkt die Position der Kante auf die Bestimmung des Wendepunkts Pi.
Weiterhin beeinflusst die Größe der Zahnradzähne die Bestimmung, weil sich der Winkel zwischen der Kante und dem Wendepunkt Pi ändert, wenn sich die Größe der Zahnradzähne ändert. Als ein Ergebnis ändert sich die Differenzialausgabe zwischen dem Extrempunkt Pe und dem Wendepunkt Pi, wenn sich die Größe der Zahnradzähne ändert. Das heißt, der Minimalpunkt Pa der AG-charakteristischen Kurve unterscheidet sich abhängig von den Formen der Zahnradzähne.
Um dieses Problem zu lösen, sind, wie in Fig. 2 gezeigt, vier MRE-Brücken 50, 51, 52, 53 vorgesehen, und man erhält durch mehrstufige Differenzialberechnungen eine einzelne Differenzialausgabe Vd aus den Ausgaben V1, V2, V3, V4. Indem dies getan wird, wird der Ablenkungswinkel am Minimalpunkt Pa der AG-charakteristischen Kurve unabhängig von Formen der Zahnradzähne konstant. Die Ausgabe vd am Minimalpunkt Pa der AG-charakteristischen Kurve wird auf der Grundlage der Ausgaben V1, V2, V3, V4 an den oder um die Wendepunkte Pi1, Pi2, Pi3, Pi4 erhalten, wie in Fig. 9 gezeigt. Fig. 9 zeigt die Ausgaben V1 bis V4 im Fall eines kleinen Luftspalts.
Im Gegensatz zur Vorrichtung 1 nutzt die Vorrichtung 30 die Ausgaben V1 bis V4 an den Extrempunkten nicht. Daher bleibt die Ausgabe Vd am Minimalpunkt Pa der AG-charakteristischen Kurve unabhängig von Formen der Zahnradzähne der Rotoren 31 und 32 konstant. Durch Digitalisieren der Ausgaben Vd des Differenzialverstärkerschaltkreises 42 mit einem Schwellenwert, der auf der Grundlage der Ausgabe Vd am Minimalpunkt Pa bestimmt wird, können die Zahnradpositionen der Rotoren 31 und 32 genau bestimmt werden. Als ein Ergebnis ist es nicht notwendig, unterschiedliche Positionserfassungsschaltkreise für Rotoren bereitzustellen, die unterschiedliche Formen von Zahnradzähnen aufweisen.
Mit Bezug auf Fig. 10 weist der IC-Chip 40a nach einer zweiten Ausführungsform fünf MRE-Brücken 50, 51, 52, 53, 54 auf dem Substrat 55 auf. Ein Teil des IC-Chips 40a ist im Loch des Außenfeldmagneten 41 an dem Abschnitt angeordnet, an dem die Mittellinie 56 des Substrats 55 mit der Mittelachse des Außenfeldmagneten 41 zusammenfällt. Die MRE-Brücken 50 und 53 sind mit Bezug auf die Mittellinie 56 symmetrisch angeordnet. Die MRE-Brücken 51 und 52 sind jeweils symmetrisch mit Bezug auf die Mittellinie 56 und die Mittelpunkte zwischen der MRE-Brücke 50 und der Mittellinie 56 und zwischen der MRE-Brücke 53 und der Mittellinie 56 angeordnet. Die MRE-Brücke 54 ist so angeordnet, dass ihre Mittellinie auf der Mittellinie 56 liegt. Somit sind die Abstände L1 bis L4 zwischen den MRE-Brücken 50 bis 53 alle gleich (L1 = L2 = L3 = L4).
Mit Bezug auf Fig. 11 weist der Differenzialverstärkerschaltkreis 42a sieben Differenzialverstärker auf. Der Schaltkreis 42a führt dreistufige Differenzialberechnungen aus den Ausgaben V1 bis V5 durch, die von den MRE- Brücken 50 bis 54 bereitgestellt werden. Die dreistufigen Differenzialberechnungen werden nach der folgenden Formel durchgeführt:

Vd = {(V1 - V3) - (V3 - V5)} - {(V5 - V4) - (V4 - V2)}
Der invertierende Eingang und der nichtinvertierende Eingang können andersherum vorgesehen werden. In diesem Fall wird die folgende Gleichung genutzt:

Vd = {(V5 - V4) - (V4 - V2)} - { (V1 - V3) - (V3 - V5)}
Mit dieser Anordnung werden die Positionen der Rotoren 31, 32 in gleicher Weise wie in der ersten Ausführungsform genau bestimmt.
Mit Bezug auf Fig. 12 wird in anderen Ausführungsformen jede MRE-Brücke 70, 71, 72, 73 durch zwei MREs gebildet. Je ein MRE auf der Stromquellenseite und auf der Erdungsseite ist mit Bezug auf eine Mittellinie 76 eines Substrats 75 symmetrisch angeordnet. Daher werden die Ausgaben V1 und V2 und die Ausgaben V3 und V4 von der magnetischen Verzerrung gleich betroffen. Der magnetische Verzerrungseffekt kann durch die Differenzialberechnung ausgeglichen werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen und Abänderungen beschränkt, sondern soll auch andere unter die Ansprüche fallende Variationen abdecken. Beispielsweise kann der Außenfeldmagnet eine Vollzylinderform oder eine rechteckige parallelepipetische Form aufweisen.
Zusammengefasst leistet die Erfindung Folgendes:
In einer Positionserfassungsvorrichtung für einen Rotor wie einem Nockenwellenzahnrad wird ein Magnetsensor aus ersten, zweiten, dritten und vierten MRE-Brücken aufgebaut. Die Brücken werden symmetrisch zu einer Magnetachse eines Außenfeldmagneten angeordnet. Die dritte Brücke ist an einem Mittelpunkt zwischen der ersten Brücke und der Magnetachse angeordnet. Die vierte Brücke ist an einem Mittelpunkt zwischen der zweiten Brücke und der Magnetachse angeordnet. Die Ausgaben der Brücken werden einem Differenzialverstärkerschaltkreis eingegeben, um eine einzelne Differenzialausgabe zu erhalten. Eine Position des Rotors wird auf der Grundlage der Differenzialausgabe unabhängig von Zahnradformen des Rotors bestimmt.

Claims

1. Positionserfassungsvorrichtung, die aufweist:
einen Rotor, der Zahnradzähne am äußeren Umfang aufweist, einen Außenfeldmagneten, um ein Außenmagnetfeld auf die Zahnradzähne zu richten;
einen magnetischen Sensor, der mindestens erste, zweite, dritte und vierte Magnetoresistivelementbrücken aufweist, die zwischen dem Rotor und dem Außenfeldmagneten angeordnet sind, wobei die Magnetoresistivelementbrücken Ausgaben erzeugen, die in Übereinstimmung mit einer Richtung des Außenmagnetfelds variieren; und
eine Differenzialausgabeberechnungseinrichtung, die eine mehrstufige Differenzialberechnung von den Ausgaben der Magnetoresistivelementbrücken durchführt und eine einzelne Differenzialausgabe erhält,
wobei die ersten und zweiten Brücken symmetrisch zu einer Magnetachse des Außenfeldmagneten angeordnet sind, die dritte Brücke an einem Mittelpunkt zwischen der ersten Brücke und der Magnetachse angeordnet ist, und die vierte Brücke an einem Mittelpunkt zwischen der zweiten Brücke und der Magnetachse angeordnet ist.

2. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei:
der Magnetsensor die ersten, zweiten, dritten und vierten Magnetoresistivelementbrücken aufweist;
die Differenzialausgabeberechnungseinrichtung die Ausgaben der ersten, zweiten, dritten und vierten Brücken empfängt, die als V1, V2, V3, V4 angegeben sind; und
die Differenzialausgabeberechnungseinrichtung eine Differenzialausgabe Vd über eine Formel Vd = (V1 - V2) - 2(V3 - V4) berechnet.

3. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei:
der Magnetsensor die ersten, zweiten, dritten und vierten Magnetoresistivelementbrücken aufweist;
die Positionserfassungseinrichtung die Ausgaben der ersten, zweiten, dritten und vierten Brücken empfängt, die als V1, V2, V3, V4 angegeben sind; und
die Differenzialausgabeberechnungseinrichtung eine Differenzialausgabe Vd über eine Formel Vd = (V2 - V1) - 2(V4 - V3) berechnet.

4. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine fünfte magnetoresistive Elementbrücke aufweist, die auf einer Magnetachse des Außenfeldmagneten angeordnet ist.

5. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Differenzialausgabeberechnungseinrichtung die Ausgaben der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Brücken empfängt, die als V1, V2, V3, V4, V5 angegeben sind; und
die Differenzialausgabeberechnungseinrichtung eine Differenzialausgabe Vd über eine Formel Vd = {(V1 - V3) - (V3 - V5)} - {(V5 - V4) - (V4 - V2)} berechnet.

6. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Differenzialausgabeberechnungseinrichtung die Ausgaben der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Brücke empfängt, die als V1, V2, V3, V4, V5 angegeben sind; und
die Differenzialausgabeberechnungseinrichtung eine Differenzialausgabe Vd über eine Formel Vd = {(V5 - V4) - (V4 - V2)} - {(V1 - V3) - (V3 - V5)} berechnet.

7. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei:
jede Magnetoresistivelementbrücke erste, zweite, dritte und vierte magnetoresistive Elemente aufweist, die in einer Matrix angeordnet sind, deren Zeilen parallel zur Magnetachse des Außenfeldmagneten sind;
die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente in unterschiedlichen Zeilen der Matrix angeordnet sind;
die dritten und vierten magnetoresistiven Elemente in unterschiedlichen Zeilen der Matrix angeordnet sind;
jedes magnetoresistive Element so angeordnet ist, dass seine Sensorenachse im Wesentlichen im 45°-Winkel zur Magnetachse des Außenfeldmagneten angeordnet ist;
die Sensorenachse der ersten und der zweiten magnetoresistiven Elemente orthogonal zur Sensorenachse der dritten und der vierten magnetoresistiven Elemente ist;
die magnetoresistiven Elemente in einer Reihenfolge der ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Elemente in Serie geschaltet sind;
jede magnetoresistive Brücke eine Ausgabe erzeugt, die in Übereinstimmung mit Änderungen des Widerstandes der magnetoresistiven Elemente variiert, wobei die Ausgabe an einem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dem dritten magnetoresistiven Element gemessen wird.