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Diese
Anmeldung basiert auf der prioritätsbegründenden
Japanischen Patentanmeldung Nr. 6-218929 ,
die am 13. September 1994 angemeldet wurde, deren Offenbarungsgehalt
hiermit in vollem Umfang in den Offenbarungsgehalt vorliegender
Anmeldung übernommen
wird.
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Magnetismuserfassungsvorrichtung,
die die Bewegung eines Objektes, das der Erfassung ausgesetzt ist,
erfaßt,
indem eine Änderung
der Widerstandswerte eines Magnetowiderstandselements (MRE) verwendet wird,
und die ein Erfassungssignal verarbeitet, um ein Impulssignal zu
erhalten, das die erfaßte
Bewegung des zu erfassenden Objektes anzeigt.
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Magnetismuserfassungsvorrichtungen,
wie diese z. B. in der
US 5,359,287 offenbart
sind, sind aus dem Stand der Technik bekannt. In
12 ist eine
Anordnung dieser Art einer Magnet- oder Magnetismuserfassungsvorrichtung
gezeigt. In dieser Figur erzeugt ein Vormagnetisierungsmagnet
43 ein Vormagnetisierungsfeld
zu einem Zahnrad
40 hin, das die Funktion eines Objektes
hat, das der Erfassung ausgesetzt ist; eine Sensoreinheit
42,
die mit einem MRE (Magnetowiderstandselement) versehen ist, gibt
im Ansprechen auf eine Widerstandsänderung des MRE, die durch
die Rotation dieses Zahnrads
40 oder Magnetismus verursacht
wird, ein Signal aus (d. h. ein Signal, das in
13A angezeigt ist). Im allgemeinen ist eine große Anzahl
an rechteckigen Zähnen
41 am
Zahnrad
40 ausgebildet; das Verhältnis der Teilung zwischen
den aufeinanderfolgenden Zähnen
zur Zahnbreite ist mit 1:1 gewählt. Dann
wird eine Signalwellenform von der Sensoreinheit
42 auf
einem vorbe stimmten Schwellwert VTH basierend in einer Vergleichsschaltung
44 in
ein Binärsignal
umgewandelt (ein Signal, das in
13B gezeigt
ist). Im Anschluß wird
durch eine monostabile Schaltung (einen monostabilen Multivibrator)
45, durch
die Übereinstimmung
mit einer abfallenden Flanke des Binärsignals erzielt wird, ein
Impulssignal, das in
13C gezeigt ist, erzeugt.
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In
dem Fall, in dem das Erfassungssignal von dem MRE digitalisiert
wird, um das Binärsignal zu
erzeugen, und dann nur eine Signalflanke (abfallende Flanke) dieses
Binärsignals
als Rotationserfassungssignal verwendet wird, werden bei konstanter Drehung
die Impulsintervalle T1',
T2' und T3' einander gleich,
wie es in den 13A bis 13C gezeigt
ist. Als Ergebnis kann ein Impulssignal mit konstantem Intervall
erhalten werden.
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Bei
der Verwendung der Magnetismuserfassungsvorrichtung in z. B. einer
Hochdruck-Kraftstoffeinspritzpumpe bestand in der letzten Zeit andererseits
eine starke Forderung dahingehend, die Rotationserfassungssignale
in der Mehrimpulssignalform zu erzeugen. Somit wurde ein solches
Signalverarbeitungsverfahren vorgeschlagen, bei dem das Erfassungssignal
vom MRE auf zwei Schwellwerten des VTH1' und VTH2', die den hohen und niedrigen Pegel
haben, basierend digitalisiert wird; die Impulssignale wurden an
beiden Flanken der Binärsignale erzeugt,
wie es in den 14A bis 14C gezeigt ist.
Bei diesen Binärverarbeitungsverfahren
sind die Schwellwerte VTH1' und
VTH2', die vom Maximalwert
und Minimalwert des MRE-Erfassungssignals mit einer vorgewählten Verhältniszahl
verschoben sind, so eingestellt, daß bei konstanter Rotation die Signalflanke
mit konstantem Intervall erhalten werden kann. In diesem Fall wird,
wie in den 14A bis 14C gezeigt
ist, die Gesamtanzahl der sich ergebenden Impulssignale doppelt
so groß wie
die Impulssignale, die in den 13A bis 13C dargestellt sind.
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Wenn
jedoch der Signalverarbeitungsvorgang, wie es in den 14A bis 14C gezeigt
ist, an beiden Flanken ausgeführt
wird, treten die folgenden Probleme auf. Das heißt, daß die Impulsintervalle T1'' bis T4'' wiederholt
alternativ ”schmal” und ”breit” werden,
so daß selbst
bei konstanter Rotation das Impulssignal mit konstantem Intervall
nicht erhalten werden kann. Dadurch kann verursacht werden, daß das MRE-Erfassungssignal
(das durch die Vollinie in 14A angezeigt
ist) bezüglich
der Sinuswelle (die durch die Strichlinie in 14A angezeigt
ist) verzerrt ist. Von den Erfindern der vorliegenden Erfindung
wurde durch Analyse herausgestellt, daß diese Verzerrung durch die
Korrelation zwischen der Zahnradzahnform und der Magnetvektorkennlinie
und in erster Linie durch die höheren
sekundären
harmonischen Komponenten negativ beeinflußt werden würde. Da die Intervalle zwischen
den Zahnradzähnen und
der Sensoreinheit schwanken, würden
sich ebenfalls die Wellenformen der MRE-Erfassungssignale verzerren, so daß die Impulsintervalle
nicht konstant sind, während
die Impulsintervalle T1' bis
T4', die der Sinuswelle
entsprechen, konstant werden.
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Aus
dem Data Sheet „KMI
10/1 Integrated Rotational Speed Sensor” der Firma Philips, September
1992, Seiten 1–12
ist eine Magnetismuserfassungsvorrichtung mit einem Zahnrad, einem
Magneten und einem Sensor sowie einer Schmitttrigger-Schaltung bekannt,
bei der die Zähne
des Zahnrads der Beziehung genügen
SA/(SA + SB) ≅ 0,3.
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Mit
der vorliegenden Erfindung sollen die vorstehend beschriebenen Probleme
gelöst
werden; ihre Aufgabe besteht darin, eine Magnetismuserfassungsvorrichtung
vorzusehen, die dazu in der Lage ist, die Verzerrung zu beseitigen,
die in einer Signalwellenform eines Magnetowiderstandselements (MRE)
enthalten ist und verursacht wird, wenn ein Objekt, das der Erfassung
ausgesetzt wird und Zähne
eines Zahnrades hat, hindurchgeht, selbst wenn die Intervalle zwischen
Zahnradzähnen
und einer Sensoreinheit schwanken, und ferner dazu in der Lage ist,
die Schwankungen, die bei den Intervallen eines Impulssignals vorhanden
sind, das mittels eines Wellenformformungsvorgangs erhalten wird,
zu verringern, selbst wenn die Gesamtanzahl der Rotationserfassungssignale
erhöht
wird.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung bewirkt ein Magnetowiderstandselement
(MRE), daß ein
Widerstandswert von diesem im Ansprechen auf eine Zustandsänderung
eines Vormagnetisierungsfeldes geändert wird. Eine Wellenformformungseinrichtung
digitalisiert eine Ausgangswellenform des Magnetowiderstandselements
auf zwei Gruppen von hohen und niedrigen Schwellwerten basierend
und erzeugt im Ansprechen auf eine steigende Flanke des digitalisierten
Ausgangssignals und eine abfallende Flanke von diesem ein Impulssignal.
Zu diesem Zeitpunkt können,
selbst wenn ein Intervall zwischen diesem Magnetowiderstandselement
und den Zähnen
des Objekts, das der Erfassung ausgesetzt wird, schwankt, die Ausgangswellenformen,
die symmetrische Formen haben, aufrechterhalten werden. Als Ergebnis
kann die Schwankung der Signalintervalle des Impulssignals, das
durch den Wellenformformungsvorgang erhalten wird, verringert werden; somit
kann das Impulssignal, das Intervalle hat, die zur Bewegungsgeschwindigkeit
des Objektes, das der Erfassung ausgesetzt ist, proportional sind,
mit höherer
Genauigkeit erhalten werden.
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Die
Zähne im
Objekt, das der Erfassung ausgesetzt wird, sind trapezförmig ausgebildet,
so daß die
Wellenform mit niedriger Verzerrung schnell ausgebildet werden kann,
selbst wenn sich die Intervalle zwischen dem Magnetowiderstandselement
und den Zähnen
des Objekts, das der Erfassung ausgesetzt ist, ändern.
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Vorzugsweise
können
die sekundären
höheren
harmonischen Komponenten (zweiten Oberschwingungen) weiter verringert
werden; eine höhere Starrheit
des Zahnkopfabschnitts kann aufrechterhalten werden, so daß der Sinter-Herstellungsprozeß einfach
ausgeführt
werden kann.
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Da
die Zähne
des Objekts, das der Erfassung ausgesetzt ist, in einer solchen
Weise hergestellt wer den, daß die
mittlere Zahnbreite nahezu gleich 1/6 der Teilung zwischen den benachbarten Zähnen ist,
treten die Verschiebungen der Magnetvektorkennlinie, die verursacht
werden, wenn die Zähne
durch die Sensoreinheit gehen, nicht einfach auf. Auch werden die
verzerrten Wellenformen, die sich aus höheren harmonischen Komponenten
zusammensetzen, nicht schnell erzeugt. Als Folge können die
Intervalle des Impulssignales, das mittels des Wellenformformungsvorgangs
erhalten wird, verringert werden. Es gibt andere Vorteile bei der
Herstellung der Zähne
mit einer höheren
Starrheit.
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In
den beiliegenden Zeichnungen:
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ist 1 eine
schematische Strukturdarstellung, die eine Magnetismusrotationserfassungsvorrichtung
zeigt,
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ist 2 eine
Schnittansicht, die eine Zahnform eines Zahnrades zeigt,
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sind
die 3A bis 3C Zeitdiagramme, die
einen Signalverarbeitungsvorgang zeigen, wobei 3A einen
MRE-Erfassungsausgang
zeigt, 3B einen Ausgang von einer Vergleichsschaltung
zeigt und 3C einen Ausgang von einer monostabilen
Schaltung zeigt,
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ist 4 eine
Draufsicht, die eine Richtung eines MRE zeigt,
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ist 5 eine
Draufsicht, die eine Richtung eines Magnetvektors zeigt, der an
den MRE angelegt ist,
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sind
die 6A1 bis 6B3 Zeitdiagramme,
die die Änderung
der magnetischen Vektoren erläutert,
die durch die Drehung eines Zahnrades verursacht wird, wobei die 6A1 bis 6A3 Zeitdiagramme
sind, die die Änderungen
des Magnetvektors zeigen, die durch das Zahnrad erzeugt werden, und
die 6B1 bis 6B3 Zeitdiagramme
sind, die die Änderungen
des Magnetvektors zeigen, die durch das Zahnrad nach dem Stand der
Technik verursacht werden.
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sind
die 7A und 7B Diagramme,
die die Beziehung zwischen einer Zahnradzahnform und einer höheren sekundären harmonischen
Komponente zeigen, wobei die 7A eine
Schnittansicht von Zahnradzähnen
ist und 7B eine Darstellung ist, die
die Beziehung zeigt.
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sind
die 8A und 8B Diagramme,
die die Beziehung zwischen der Zahnradzahnform und einem Sensorausgangsverhältnis zeigen,
wobei 8A eine Schnittansicht der Zahnradzähne und 8B ein
Diagramm ist, das die Beziehung zeigt,
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ist 9A ein
Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zahnradzahnform und einem
Betrag der Wellenformverzerrung (höheren sekundären harmonischen
Komponente) zeigt, und zeigen 9B und
die 9C(a) bis 9C(e) solche Beziehungen, bei denen die mittleren
Zahnbreiten geändert sind
und ein Zahnlückenfaktor
bezüglich
der Teilungen zwischen den benachbarten Zähnen geändert ist,
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ist 10 ein
Schaltbild, das die Schwellwertsetzschaltung zeigt,
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ist 11 ein
Schaltbild, das eine weitere Schwellwertsetzschaltung zeigt,
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ist 12 eine
schematische Strukturansicht, die eine herkömmliche Magnetismuserfassungsvorrichtung
zeigt,
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sind
die 13A bis 13C Zeitdiagramme,
die den herkömmlichen
Signalverarbeitungsvorgang zeigen, wobei 13A einen
MRE-Erfassungsausgang zeigt, 13B einen
Ausgang von einer Vergleichsschaltung zeigt und 13C einen Ausgang von einer monostabilen Schaltung
zeigt,
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sind
die 14A bis 14C Zeitdiagramme,
die einen herkömmlichen
Signalverarbeitungsvorgang zeigen, wobei 14A den
MRE-Erfassungsausgang zeigt, 14B den
Ausgang von der Vergleichsschaltung zeigt und 14C den Ausgang von der monostabilen Schaltung
zeigt,
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sind
die 15A bis 15E Zeitdiagramme,
die die Änderungen
der Impulsintervalle erläutern,
wenn ein Spalt beim Stand der Technik geändert wird,
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sind
die 16A bis 16E Zeitdiagramme,
die Änderungen
der Impulsintervalle erläutern, wenn
ein Spalt geändert
wird,
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sind
die 17A bis 17E Zeitdiagramme,
die Änderungen
der Impulsintervalle erläutern, wenn
ein Spalt in einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung geändert
wird, und
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ist 18 eine
graphische Darstellung, die Schwankungen der Winkelgenauigkeit bezüglich den Spalten
zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird eine Magnetismusrotationserfassungsvorrichtung,
auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird, beschrieben.
Die Magnetismusrotationserfassungsvorrichtung entsprechend diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erzeugt ein Signal, das zum Beispiel
der Rotation einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors entspricht.
Die Magnetismusrotationserfassungsvorrichtung besteht aus einer
Sen soreinheit, die durch ein Magnetowiderstandselement (MRE) die Drehung
eines zu erfassenden Objektes (Zahnrads), die durch den Antrieb
des Verbrennungsmotors bewirkt wird, erfaßt, und einer Signalverarbeitungseinheit,
die den Sensorausgang von der Sensoreinheit als Wellenform ausbildet.
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1 zeigt
schematisch eine Anordnung der Magnetismusrotationserfassungsvorrichtung.
In 1 ist eine Fläche
eines Vormagnetisierungsmagneten 3, der aus einem Dauermagnet
aufgebaut ist, als ein N-Pol magnetisiert; seine andere Fläche ist als
ein S-Pol magnetisiert. Der Vormagnetisierungsmagnet 3 erzeugt
das Vormagnetisierungsfeld in einer Richtung, die zur magnetisierten
Fläche 3a im wesentlichen
senkrecht verläuft.
MREs (Magnetowiderstandselemente) 1 und 2 sind
auf eine Platte oder ein Substrat (nicht gezeigt) aufgedampft. Ein
Paar von diesen MREs 1 und 2 ist in einer Ebene,
die die Vormagnetisierungsfeldrichtung einschließt, die durch den Vormagnetisierungsmagneten 3 erzeugt wird,
und in einer Richtung, in die sich die Zähne fortsetzen, in einer solchen
Weise angeordnet, daß sich diese
MREs in Winkeln von +45 Grad und –45 Grad bezüglich dieser
Magnetfeldrichtung befinden. Zwischen die beiden Enden der MREs 1 und 2 ist
eine Konstantspannung Vcc angelegt. Eine Spannung, die am mittleren
Punkt dieser MREs 1 und 2 auftritt, wird als Sensorausgang
abgeleitet (auf diesen wird sich nachfolgend als ”MRE-Ausgang” bezogen).
Es ist festzuhalten, daß obwohl
der Vormagnetisierungsmagnet 3 hohl gestaltet ist und die
Platte durch diesen Vormagnetisierungsmagneten 3 geht,
der Vormagnetisierungsmagnet auch nicht hohl gestaltet sein kann,
sondern entweder an einer vorderen Fläche der Platte oder an einer
hinteren Fläche
von dieser angeordnet sein kann.
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Andererseits
ist ein Zahnrad 4, das dem zu erfassenden Objekt entspricht,
aus einem magnetischen Material hergestellt. Eine große Anzahl
an Zähnen 5,
deren Querschnittsform bei Betrachtung in Axialrichtung des Zahnrads 4 lini ensymmetrisch
ist, ist am Zahnrad 4 kontinuierlich ausgebildet. Zwischen
einer Vielzahl von Zähnen 5 sind
Zahnkerbabschnitte ausgebildet. Außerdem sind die vorstehend beschriebenen
MREs 1 und 2 in einem vorgewählten Intervall in einer solchen
Weise angeordnet, daß sich diese
MREs den Zähnen 5 gegenüber befinden.
Wie es in 2 dargestellt ist, sind die
Zähne 5 als
gleichschenkliges Dreieck ausgebildet, das zwei Seiten hat, die
sich mit gleichen Winkeln erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Teilung zwischen den benachbarten Zähnen mit 4,6 mm gewählt, die Höhe eines
Zahnes mit 2,3 mm gewählt
und Winkel, die durch die jeweiligen Seiten bezüglich der Zahnradrotationsrichtung
definiert sind, werden 45 Grad; ein Scheitelwinkel ist mit 90 Grad
gewählt.
Als Folge tritt die Magnetkraftlinie, die vom N-Pol dieses Vormagnetisierungsmagneten 3 stammt,
durch die MREs 1 und 2 und das Zahnrad 4 aus
dem Magnetmaterial durch und wird umgekehrt, um erneut zum S-Pol
dieses Vormagnetisierungsmagneten 3 zurückgeführt zu werden.
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In 1 wird
das Erfassungssignal, das von den MREs 1 und 2 ausgegeben
wird, (und zwar das MRE-Ausgangssignal) über einen Verstärker 6 einem
invertierenden Ausgangsanschluß einer
Vergleichsschaltung 7 zugeführt und dann auf vorbestimmten
Schwellwerten VTH1 und VTH2 basierend, die durch eine Schwellwertsetzschaltung 9 eingestellt
sind, digitalisiert, um Binärsignale
zu erzeugen. In der Schwellwertsetzschaltung 9 werden sowohl ein
Maximalwert (Spitzenwert) als auch ein Minimalwert (unterer Wert)
des MRE-Ausgangssignals als erster Schwellwert VTH1 und zweiter
Schwellwert VTH2 verwendet, indem diese Maximal- und Minimalwerte
um ein vorgewähltes
Verhältnis
entsprechend einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden Maximal/Minimal-Werten
verschoben werden. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Signalflanke, die
zur Bewegungsgeschwindigkeit des Zahnrads 4 proportional
ist, erhalten, indem das MRE-Ausgangssignal in der Vergleichsschaltung 7 digitalisiert
wird. Ein Ausgangssignal von der Vergleichsschaltung 7 wird in
eine monosta bile Schaltung (monostabilen Multivibrator) 8 eingegeben,
so daß kurze
Impulssignale erzeugt werden, die der steigenden Flanke des Binärsignals
und der abfallenden Flanke von diesem entsprechen, das von der Vergleichsschaltung 7 ausgegeben
wird.
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Nun
wird eine detaillierte Beschreibung der vorstehend beschriebenen
Schwellwertsetzschaltung 9 vorgenommen. Das MRE-Ausgangssignal, das
durch den Verstärker 6 gegangen
ist, wird in eine Maximalwerthalteschaltung 10 und eine
Minimalwerthalteschaltung 11 in der Schwellwertsetzschaltung 9 eingegeben.
Widerstände 12 bis 15 sind
in Reihe miteinander verbunden; Ausgangsspannungen von der Maximalwerthalteschaltung 10 und
der Minimalwerthalteschaltung 11 werden beiden Enden der
Reihenschaltung der Widerstände 12 bis 15 zugeführt. Der Widerstand 12 und
der Widerstand 15 haben den gleichen Widerstandswert; der
Widerstand 13 und der Widerstand 14 haben den
gleichen Widerstandswert. Zwischen die beiden Enden des Widerstands 13 und
ebenfalls zwischen die beiden Enden des Widerstands 14 sind
Digitalschalter 16 bzw. 17 geschaltet. Diese Digitalschalter 16 und 17 sind
im Ansprechen auf die Ausgangssignalpegel von der Vergleichsschaltung 7 alternativ
leitend oder unterbrechend. Außerdem
ist ein mittlerer Punkt zwischen dem Widerstand 13 und
dem Widerstand 14 mit einem nicht invertierenden Eingangsanschluß der Vergleichsschaltung 7 verbunden.
Der Ausgangsanschluß der
Vergleichsschaltung 7 ist über einen Inverter 18 mit
dem Digitalschalter 16 verbunden und ist mit dem Digitalschalter 17 direkt
verbunden. Als Ergebnis wird entweder der Digitalschalter 16 oder der
Digitalschalter 17 im Ansprechen auf das Ausgangssignal
von der Vergleichsschaltung 7 eingeschaltet.
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Entsprechend
dieser Schwellwertsetzschaltung 9 wird der erste Schwellwert
VTH1 erhalten, der um ein konstantes Verhältnis eines Änderungswertes ”A(VP – VB)” kleiner
als der Maximalwert VP ist, und ebenfalls der zweite Schwellwert VTH2
erhalten, der um dieses konstante Verhältnis des Änderungswertes ”A(VP – VB)” größer als
der Minimalwert VB ist; wobei der Koeffizient ”A” als 0 < A < 1
definiert ist. Und zwar sind VTH1 = VP – A(VP – VB) und VTH2 = VB + A(VP – VB). Dieser Änderungswert ”A(VP – VB)” wird auf
einer Differenz zwischen dem Maximalwert VP und dem Minimalwert
VB des MRE-Ausgangssignals basierend bestimmt.
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Außerdem wird
in der Magnetismusrotationserfassungsvorrichtung in der vorstehend
beschriebenen Schaltungsanordnung, wenn das Zahnrad 4 gedreht
wird, der Magnetvektor B zu den Zähnen 5 des Zahnrads 4 ausgerichtet,
um dadurch in Verbindung mit dieser Rotation zu vibrieren. Somit
erzeugen die MREs 1 und 2 Widerstandsänderungen im
Ansprechen auf eine Änderung
der Richtungen des Magnetvektors B, so daß ein Paar von MREs 1 und 2 Magnetkräfte mit
zueinander entgegengesetzten Phasen ausüben. Zu diesem Zeitpunkt stellt
das MRE-Ausgangssignal eine im wesentlichen sinusförmige Welle
dar, wie diese in 3A angezeigt ist. Da die MREs 1 und 2 mit
Winkeln von +45 Grad und –45 Grad
bezüglich
der Vormagnetisierungsfeldrichtung angeordnet sind, hat dieses MRE-Ausgangssignal ferner
eine stärker
ausgeprägte
im wesentlichen sinusförmige
Welle.
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Im
Anschluß wird
dieses MRE-Ausgangssignal mit den zwei Schwellwerten VTH1 und VTH2
verglichen, die durch die Schwellwertsetzschaltung 9 eingestellt
wurden, so daß von
der Vergleichsschaltung 7 ein in 3B gezeigtes
Binärsignal
ausgegeben wird. Ferner wird in der monostabilen Schaltung 8 ein
Impulssignal erzeugt und ausgegeben, das der steigenden Flanke des
Binärsignals
und der abfallenden Flanke von diesem entspricht, das von der Vergleichsschaltung 7 ausgegeben
wurde, wie es in 3C gezeigt ist. Der Kurbelwinkel
oder der Rotationswinkel des Verbrennungsmotors kann auf dem Intervall
dieses Impulssignals basierend bestimmt werden, so daß die Motorumdrehungsinformation
erhalten werden kann. Entsprechend der Magnetismusrotations erfassungsvorrichtung
dieses Ausführungsbeispiels
kann die Verzerrung, die im MRE-Ausgangssignal enthalten ist, wie
es in 3A gezeigt ist, verhindert werden;
während
das Zahnrad 4 mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit gedreht
wird, können
die Signalintervalle des Impulssignals auf konstanten Werten aufrechterhalten
werden, wie es in 3C gezeigt ist, (T1 = T2 = T3
= T4).
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Nun
wird das Erfassungsprinzip der Magnetismuserfassungsvorrichtung
erläutert.
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Das
MRE-Ausgangssignal wird im Verhältnis zu
einem Vibrationswinkel ”θ” des Magnetvektors
B geändert.
Anders ausgedrückt
sind, wie es in 4 dargestellt ist, in dem Fall,
in dem der Magnetvektor B, der zur Richtung des durch die MREs 1 und 2 fließenden Stromes
parallel verläuft,
auf Bx eingestellt ist und der Magnetvektor B, der zur Stromrichtung senkrecht
verläuft,
auf By eingestellt ist, unter der Annahme, daß die Widerstandswerte im Sättigungsbereich
mit Rx und Ry ausgewählt
sind, die Widerstandswerte R1 und R2 der MREs 1 und 2,
die in 5 gezeigt sind, aus der Viogt-Thomson-Formel wie
folgt definiert: R1 = Rx·cos2(45° + θ) + Ry·sin2(45° + θ) R2 = Rx·cos2(45° – θ) + Ry·sin2(45° – θ)
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Außerdem ist
das MRE-Ausgangssignal wie folgt gegeben: MRE-Ausgangssignal
(Gleichstromkomponente) = (Rx – Ry)·Vcc·θ/(Rx + Ry)
= K·θ.
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Gemäß Vorbeschreibung
hängt,
wenn das Zahnrad 4 gedreht wird, das MRE-Ausgangssignal von
der Kennlinie des Ablenkungs(Vibrations)-Winkels θ ab. Um
eine gewünschte
MRE-Wellenform zu erhalten, ist es sehr wichtig, mit diesem Ablenkungswinkel θ des Magnetvektors
B zurechtzukommen.
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Die 6A1 bis 6B3 zeigen
das Verhältnis
zwischen den Ablenkungen des Magnetvektors B bezüglich der Zahnformen des Zahnrades 4 und
den Signalformen, die diesen entsprechen. 6A1 zeigt
eine Zahnform (Dreieckszähne)
entsprechend diesem Ausführungsbeispiel; 6B1 zeigt die herkömmliche Zahnform (Rechteckzähne). In
diesen Figuren zeigen die Positionen P1, P3 und P5 solche Positionen
an, in denen der Ablenkungswinkel θ des Magnetvektors ”0” wird,
wohingegen die Positionen P2 und P4 solche Positionen anzeigen,
in denen der Ablenkungswinkel θ in
jede der Plus- und Minus-Richtungen
maximal wird.
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In
dem in den 6A1 bis 6A3 gezeigten
Fall sind die Positionen P1 bis P5 im wesentlichen mit gleichem
Abstand angeordnet. Da die Maximalposition des MRE-Ausgangssignals,
das der Position P2 entspricht, und die Minimalposition des MRE-Ausgangssignals,
das der Position P4 entspricht, nicht zu einer der Position P1,
P3 und P5 abgelenkt sind, kann als Folge die Sinuswelle von 6A3 erhalten werden, die eine geringere Verzerrung
enthält.
Im Gegensatz dazu wird im herkömmlichen
Fall, der in den 6B1 bis 6B3 gezeigt ist,
die Position P2 des maximalen Ausgangspegels zur P1-Positionsseite
abgelenkt; die Position P4 des minimalen Ausgangspegels wird zu
P5-Positionsseite abgelenkt. Als Folge werden sowohl die Maximalposition
des MRE-Ausgangssignals als auch die Minimalposition von diesem
abgelenkt, so daß ein
Ausgangssignal erzeugt wird, das die Verzerrung enthält. Anders
ausgedrückt
kann die Sinuswelle als MRE-Ausgangssignal bezüglich der Magnetvektorkennlinie,
die in den 6A1 bis 6A3 gezeigt
ist, erhalten werden, wohingegen die verzerrte Signalwelle bei der
herkömmlichen
Magnetvektorkennlinie, die in den 6B1 bis 6B3 gezeigt ist, erhalten wird.
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Als
Ursachen für
die Verzerrung, die im MRE-Ausgangssignal enthalten ist, werden
die nachteiligen Einflüsse
der höheren
sekundären
harmonischen Komponenten angesehen. Das heißt, daß das MRE-Ausgangssignal einer
synthetisierten Welle entspricht, die aus einer Basiswelle und einer
höheren
harmonischen Welle erzeugt ist, so daß mit wachsender höherer harmonischer
Welle der Verzerrungsgrad größer wird.
Als experimentelles Ergebnis konnte jedoch, da die Zahnform des
Zahnrads dreieckig gestaltet ist, festgestellt werden, daß die höhere sekundäre harmonische
Komponente beträchtlich verringert
werden kann.
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Andererseits
zeigen die 7A und 7B ein
Verhältnis
zwischen der Zahnform des Zahnrads und der höheren sekundären harmonischen
Komponente (zweiten Oberschwingungen); die 8A und 8B zeigen
ein Verhältnis
zwischen der Zahnform des Zahnrads und dem Sensorausgangsverhältnis. Den 7A und 7B kann
entnommen werden, daß mit
abnehmender Zahnbreite W der Betrag (%) der höheren harmonischen Komponente
niedriger wird. In den 7A und 7B wird,
wenn W = 2,3 mm (und zwar in diesem Ausführungsbeispiel) ist, die höhere sekundäre harmonische
Komponente im wesentlichen 1%, wohingegen bei W < 2,3 mm die höhere sekundäre harmonische Komponente kleiner als
1% wird. Im Fall der 8A und 8B wird, wenn
die Zahnhöhe
H geändert
wird, während
das Intervall zwischen den MREs und den Zahnradzähnen konstant gehalten wird,
das Sensorausgangsverhältnis
mit abnehmender Zahnhöhe
H kleiner. Das heißt,
daß entsprechend
dem Zahnrad dieses Ausführungsbeispiels
die höhere
sekundäre
harmonische Komponente verringert werden kann und das MRE-Ausgangssignal
auf einem höheren
Pegel aufrechterhalten werden kann. Es ist verständlich, daß die vorstehend beschriebene
Abmessung des Dreieckszahns in diesem Ausführungsbeispiel unter Berücksichtigung
zahlreicher Faktoren willkürlich
geändert
werden kann. Ein Vorzug besteht z. B. im einfachen Sinterprozeß, wenn
die Dreieckzahnform aus einem rechtwinkligen gleichschenkligen Dreieck
gefertigt wird.
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Obwohl
sich dieses Ausführungsbeispiel
auf die Zahnradzahnform bezieht, die Dreiecksform hat, kann die
Zahnradzahnform auf viele andere Weisen abgewandelt werden. 9A ist
eine experimentelle graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen
der Zahnradzahnform und dem Wellenformverzerrungsbetrag (der höheren sekundären harmonischen
Komponente) im Zusammenhang mit dem Zahnlückenfaktor des Kopfabschnitts
des Zahnrads von Zahn zu Zahn zeigt.
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Der
Zahnlückenfaktor ”SA/(SA
+ SB)(%)” des
Zahnes, der auf der Abszisse von 9A aufgetragen
ist, bezeichnet ein Verhältnis
von SA zu (SA + SB) unter der Annahme, daß, wie es in 9B gezeigt
ist, ein Querschnittsbereich eines Kopfabschnitts des Zahnes, der
von einem Kopf von diesem beim 10%-Höhen-Abschnitt eingenommen wird,
als ”SA” definiert
ist (und zwar bezeichnet der Querschnittsbereich einen Bereich,
der bei Betrachtung in Axialrichtung durch Legen einer Achse senkrecht
zur Vormagnetisierungsfeldrichtung durch die Zahnradbewegungsrichtung
definiert ist), und ein anderer Querschnittsbereich eines Abschnitts
innerhalb eines Zahnkerbabschnitts, der dem Kopfabschnitt entspricht,
als SB definiert ist.
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Andrerseits
zeigt der Wellenformverzerrungsbetrag (%) der Ordinate in 9A die
Größe der höheren sekundären harmonischen
Komponente. Es ist festzuhalten, daß die Werte Lp/2, Lp/3, Lp/4 in
(a) bis (e) von 9A mittlere Zahnbreiten dieser Zähne anzeigen
und die gemittelte Zahnbreite einen Mittelwert zwischen der Zahnbreite
W1 des Kopfabschnitts und der Zahnbreite W2 des Fußabschnitts anzeigt.
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Die
Symbole (a) bis (e), die in 9A gezeigt
sind, stellen dar, daß die
Zahnform geändert wird,
während
die Teilung Lp zwischen den benachbarten Zähnen auf einem konstanten Wert
gehalten wird. Genauer gesagt zeigt das Beispiel (a) eine Teilung
zu (:) einer gemittelten Zahnbreite bei einem Rechteckzahn von 2:1
[Zahnlückenfaktor
ist 50%]. Das Beispiel (b) zeigt eine Teilung zu einer gemittelten
Zahnbreite bei einem trapezförmigen
Zahn von 2:1 [Zahnlückenfaktor
ist 35%]. Das Beispiel (c) zeigt eine Teilung zu einer gemittelten
Zahnbreite bei einem trapezförmigen
Zahn von 3:1 [Zahnlückenfaktor ist
18%]. Das Beispiel (d) zeigt eine Teilung zu einer gemittelten Zahnbreite
bei einem trapezförmigen Zahn
von 6:1 [Zahnlückenfaktor
11%]. Beispiel (e) zeigt eine Teilung zu einer gemittelten Zahnbreite
bei einem Dreieckzahn von 2:1 [Zahnlückenfaktor ist 5%]. In den 9C(a) bis 9C(e) sind
detaillierte Abmessungen der jeweiligen Zähne in den Beispielen (a) bis
(e) in 9A gezeigt. Die Bezeichnung ”W1” bezeichnet
die Zahnbreite eines Kopfabschnitts und die Bezeichnung ”W2” bezeichnet
die Zahnbreite eines Fußabschnitts.
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In 9A können die
Zahnformen, die in den Beispielen (a) bis (c) gezeigt sind, verursachen, daß die MRE-Ausgangssignale
verzerrt werden, da die höhere
sekundäre
harmonische Komponente erhöht
wird. Im Gegensatz dazu können
die Zahnformen, die in den Beispielen (d) und (e) gezeigt sind, die
Verzerrung, die im MRE-Ausgangssignal erzeugt wird, deutlich unterdrücken, da
die höhere
sekundäre harmonische
Komponente verringert wird. Es ist festzuhalten, daß das Beispiel
(e) das gleiche wie die vorstehend beschriebenen Dreieckszähne ist.
Ferner wurde erkannt, daß,
wenn die Zahnbreite kleiner als die des Beispiels (d) gestaltet
wird, die höhere
sekundäre
harmonische Komponente weiter verringert werden kann. Wenn jedoch
die gemittelte Breite des Zahnradzahnes geringer als 1/6 gestaltet
wird, d. h. die Teilung zwischen den benachbarten Zähnen, wird die
Starrheit (Steifigkeit) des Zahnrads verringert, so daß sich die
Bearbeitung dieses Zahnrads schwierig gestaltet. Ferner konnte festgestellt
werden, daß bei einer
Verwendung des Zahnlückenverhältnisses,
das im Beispiel (d) gezeigt ist, selbst wenn der Zahnradzahn Rechteckform
hat, die höhere
sekundäre
harmonische Komponente ausreichend verringert werden konnte.
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Anders
ausgedrückt
kann, wie es aus der graphischen Darstellung in 9A ersichtlich
ist, wenn die gemittelte Breite des Zahnrades 1/6 der Zahnteilung
beträgt,
die Verzerrung, die im MRE-Ausgangssignal enthalten ist, beseitigt
werden und Schwankungen bei den Intervallen des Impulssignals können verringert
werden.
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Der
Wellenformverzerrungsbetrag oder der Wellenformverzerrungskoeffizient
ist kleiner oder gleich 2%; für
die praktische Verwendung von diesem bei der Magnetismusrotationserfassungsvorrichtung besteht
jedoch Eignung. Die Ursache dafür
liegt darin, daß bei
großem
Wellenformverzerrungsbetrag, und zwar der höheren sekundären harmonischen Komponente,
wenn die MREs tatsächlich
gegenüber den
Zahnradzähnen
montiert ist, die Intervalle zwischen den MREs und den Zahnradzähnen schwanken.
Als Ergebnis wird die Wellenform des MRE-Ausgangssignals verzerrt
und somit die Intervalle des Impulssignals verschoben. Dementsprechend
können die
Drehungen der Zahnradzähne
nicht mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.
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Unter
solchem Umstand ist, wie es in 9A gezeigt
ist, eine solche Zahnform vorzuziehen, bei der der Wert des Zahnlückenfaktors
SA/(SA + SB) die folgende Bedingung erfüllt: SA/(SA + SB) < 12,5%. Es ist festzuhalten,
daß entsprechend
der vorliegenden Erfindung die Zahnform als trapezförmiger Zahn,
wie es in (d) gezeigt ist, ausgestaltet ist. Eine elliptische Zahnform
ist möglich.
Außerdem kann
eine andere Zahnform, bei der nur der Kopfabschnitt scharf gestaltet
ist, verwendet werden und eine weitere Zahnform verwendet werden,
deren mittlerer Abschnitt konkav ist.
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Andererseits
wird, bei kleiner werdendem Wellenformverzerrungsbetrag, wenn die
Intervalle zwischen den MREs und den Zahnradzähnen schwanken, die Schwankung
bei den Impulsintervallen klein. Die Ursache dafür besteht in folgendem.
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Das
heißt,
daß in
einem solchen Fall dieses Ausführungsbeispiels,
bei dem die höhere
sekundäre harmonische
Komponente verringert ist und die Wellenform des MRE-Ausgangssignals
in rechte und linke Richtung symmetrisch gestaltet ist, wenn die
Intervalle (auf die sich im folgenden als ”Spalte” bezogen wird) zwischen dem
Zahnradzahn und dem MRE kleiner als ein vorbestimmter Wert (und
zwar ein großer Spalt)
werden, die Wellenformverzerrung und Impulssignalintervalle bei
Verzerrung der Wellenform in den 15A bis 17E dargestellt sind.
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In
den 15B, 16B und 17B sind die Wellenform, deren Spalte vorgewählte Werte
haben, durch eine Vollinie angezeigt, wohingegen die Wellenform,
deren Spalte klein werden, durch eine gestrichelte Linie angezeigt
sind.
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Die 15A bis 15E entsprechen
der Zahnform des Beispiels (a), die 16A bis 16E entsprechen der Zahnform des Beispiels (e)
und die 17A bis 17E entsprechen
der Zahnform des Beispiels (d).
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Wenn
der Spalt im rechteckigen Zahn, der in den 15A bis 15E gezeigt ist, klein wird, werden die Positionen
P1, P3 und P4 nicht verändert, sondern
die Spitzenwert- oder
Maximalwertposition P2 und die untere oder Minimalwertposition P4
des Ablenkungswinkels des Magnetvektors B wird an die mittleren
Position der Zahnbreite angenähert.
Als Folge wird die Wellenform in Richtung nahe an die mittlere Position
P3 der Zahnbreite verschoben. Zwischen dem Signalverschiebebetrag
zwischen dem steigenden Signal und dem abfallenden Signal, die jeweils
auf dem Schwellwert VTH(+) nahe der mittleren Position P3 der Zahnbreite
und dem Schwellwert VTH(–)
von der mittleren Position P3 entfernt basierend erzeugt werden,
wird ein Vergleich vorge nommen. Als Ergebnis dieses Vergleiches
ist das letztgenannte größer als
das erstgenannte. Als Folge wird θB < θA; der Impulsintervall schwankt. Im Gegensatz dazu
werden beim Dreieckszahn, der in den 16A bis 16E gezeigt ist, und beim trapezförmigen Zahn,
der in 17A bis 17E gezeigt
ist und ein Verhältnis
von Teilung zu Zahnbreite von 6:1 hat, selbst wenn der Spalt klein
wird, die Wellenformen nicht verzerrt. Als Folge tritt keine Verschiebung
des steigenden Signals und des abfallenden Signals des Binärsignals
auf. Daher schwankt bei θB = θ der
Impulsintervall nicht. Es ist festzuhalten, daß bei klein werdendem Spalt
die Amplitude der Ist-Wellenform groß wird. In Verbindung damit
sind die Schwellwerte VTH(+) und VTH(–) voneinander verschieden.
In diesem Fall sind jedoch aus Gründen der Einfachheit die Wellenformen,
die die gleichen Amplituden und die gleichen Schwellwerte haben,
dargestellt.
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Damit
der erste Schwellwert VTH1 und der zweite Schwellwert VHT2 bezüglich des
Rechteckzahnes, der in Beispiel (a) gezeigt ist, an den mittleren
Werten auf θB = θA eingestellt werden kann, werden die Differenzen
zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert nicht konstant gestaltet.
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18 ist
eine graphische Darstellung von Experimenten, die die Schwankungen
oder Änderungen
der Genauigkeit der Rotationswinkelerfassung bezüglich den Spaltschwankungen
zeigt, während die
entsprechenden Zahnformen z. B. (a) bis (e) als Parameter verwendet
werden.
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In
dieser graphischen Darstellung wird 1/4 einer Differenz zwischen
dem Maximalwert Vp des MRE-Ausgangssignals und dem Minimalwert VB, und
zwar (Vp – VB)/4,
vom Maximalwert Vp abgezogen, um den ersten Schwellwert VTH1 zu
erhalten; die Differenz wird zum Minimalwert VB addiert, um den
zweiten Schwellwert VTH2 zu erhalten.
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Das
heißt VTH1 = Vp – (Vp – VB)/4
=
3Vp/4 – VB/4 VTH2 = VB + (Vp – VB)/4
= Vp/4 + 3VB/4
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Wie
es aus 18 deutlich wird, ist bezüglich des
Rechteckzahns des Beispiels (a) bei größer werdendem Spalt die Winkelerfassungsgenauigkeit hoch
und wird eine Schwankung ausgeführt.
Bezüglich
des Dreieckzahns von Beispiel (e) und des trapezförmigen Zahns
des Beispiels (d), das das Verhältnis
von Teilung zu Zahnbreite von 6:1 hat, ist die Schwankung der Winkelgenauigkeit
gering. Da der Spalt in einem Bereich zwischen 0 und 1,6 mm schwankt,
wird die Schwankung bei der Winkelerfassungsgenauigkeit der Beispiele
(d) und (e), die kleine Wellenformverzerrungsbeträge enthalten,
im Vergleich mit der der anderen Formen der Beispiele (a), (b) und
(c) klein. Daher können,
wie es aus 18 ersichtlich ist, die Rotationswinkel
mit hoher Genauigkeit erfaßt
werden.
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Dann
kann ein Kraftstoffeinspritzbetrag mit höherer Genauigkeit gesteuert
werden, indem diese Struktur auf eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
entweder von einem Dieselmotor oder einem Direkteinspritz-Verbrennungsmotor
angewendet wird.
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Alternativ
dazu können
die folgenden alternativen Formen angewendet werden, die sich von denen
des vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispiels
unterscheiden.
- (1) Die Schwellwertsetzschaltung 9 kann
in solchen Schaltungsanordnungen angeordnet sein, wie diese in z.
B. den 10 und 11 gezeigt sind;
die Schwellwerte dieser Schwellwertsetzschaltung 9 können auf
von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel unterschiedliche
Werte gesetzt sein. Das heißt,
daß in
der Schwellwertsetzschaltung 9, die in 10 gezeigt ist,
eine Konstantstromschaltung 21 über einen Widerstand 20 mit
der Maximalwerthalteschaltung 10 verbunden ist. Eine weitere
Konstantstromschaltung 23 ist über einen Widerstand 22 mit
der Minimalwerthalteschaltung 11 verbunden. Entsprechend
dieser Schaltung wird, wenn der Digitalschalter 16 leitfähig wird,
ein Wert, der durch die Subtraktion eines vorgewählten Spannungswertes VO vom
Maximalwert VP des MRE-Ausgangssignals erzeugt wird, als erster
Schwellwert VTH1 eingestellt (VTH1 = VP – VO). Wenn der Digitalschalter 17 leitfähig wird,
wird ein Wert, der durch die Addition eines vorbestimmten Spannungswertes
VO zum Minimalwert VB des MRE-Ausgangssignals erhalten wird, als
der zweite Schwellwert VTH2 eingestellt (VTH2 = VB + VO).
Andererseits
wird in der Schwellwertsetzschaltung 9, die in 11 gezeigt
ist, eine mittlere Spannung aus der Maximalspannung der Maximalwerthalteschaltung 10 und
der Minimalspannung der Minimalwerthalteschaltung 11 mittels den
Widerständen 30 und 31 erfaßt. Dann
wird diese mittlere Spannung über
einen Verstärker 32 an
dem mittleren Punkt zwischen den Widerständen 33 und 34 angelegt.
Eine Konstantstromschaltung 35 ist zwischen einen Widerstand 33 und
den Digitalschalter 16 geschaltet, wohingegen eine andere
Konstantstromschaltung 36 zwischen den anderen Widerstand 34 und
dem Digitalschalter 17 geschaltet ist. Entsprechend dieser Schaltung
wird, wenn der Digitalschalter 16 leitfähig ist, ein Wert, der durch
die Addition eines vorgewählten
Spannungswertes V1 zur mittleren Spannung des MRE-Ausgangssignals
erhalten wird, als der erste Schwellwert VTH1 eingestellt (VTH1
= (VP + VB)/2 – V1).
Wenn der Digitalschalter 17 leitfähig ist, wird ein Wert, der
durch die Subtraktion eines vorbestimmten Wertes V1 von der mittleren
Spannung des MRE-Ausgangssignals erhalten wird, als der zweite Schwellwert VTH2
eingestellt (VTH2 = (VP + VB)/2 – V1).
- (2) Ein ”R
(Rundabschnitt)” kann
im Kopfabschnitt des Dreieckzahns ausgebildet sein. Zum Beispiel ist
im Fall von 2 die Ausbildung des ”R” mit Abmessung
von kleiner als 0,4 bis 0,6 mm gestattet.
- (3) Obwohl die vorliegende Erfindung als Rotationsbewegungs-Magnetismuserfassungsvorrichtung
ausgeführt
ist, kann die vorliegende Erfindung alternativ als Linearbewegungs-Magnetismuserfassungsvorrichtung
ausgeführt
sein.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung liegen zahlreiche Vorteile vor. Das heißt, das
die Verzerrung, die in den Signalwellenformen enthalten ist, die
aus dem Magnetowiderstandselement abgeleitet sind, und die verursacht
wird, wenn beim Objekt, daß der
Erfassung ausgesetzt ist, über
die Zähne
des Zahnrads gegangen wird, verhindert werden kann. Darüber hinaus
können
Schwankungen bei den Intervallen des Impulssignales, das durch das
Ausführen
des Wellenformformungsvorgangs erhalten wird, verringert werden,
selbst wenn die Intervalle zwischen den Zahnradzähnen und dem Sensor schwanken.
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Somit
befindet sich in einer Magnetismuserfassungsvorrichtung ein Magnetowiderstandselement
nahe einem Zahnrad mit Zähnen,
um auf ein Magnetfeld, das an dieses angelegt wird, anzusprechen.
Durch die Ausbildung von jedem der Zähne als gleichschenkliges Dreieck
(9C(e)) oder als Trapez (9C(d)), kann die Verzerrung, die im Ausgangssignal
vom Magnetowiderstandselement enthalten ist, beseitigt werden. Darüber hinaus
können Änderungen
bei den Intervallen eines Impulssignals, das durch die Ausführung eines
Wellenformformungsvorgangs erhalten wird, verringert werden, selbst
wenn ein Abstand zwischen den Zahnradzähnen und dem Magnetowiderstandselement
verändert wird.