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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Versatz-Erfassungseinrichtung,
die die Änderung
eines magnetischen Feldes unter Ausnutzung der Änderung des Widerstands eines
magnetoresistiven Elements (dieses wird nachstehend als MRE bezeichnet)
und den Bewegungszustand eines sich bewegenden oder drehenden Körpers, basierend
auf den Meß-
bzw. Erfassungsergebnissen, erfaßt.
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Eine
herkömmliche
Versatz-Erfassungseinrichtung mit einem MRE, dessen Widerstand sich entsprechend
der magnetischen Änderung ändert, wird
aufgrund von Merkmalen wie z.B. einer zuverlässigen Arbeitsweise, einer
hohen Genauigkeit, einer langen Lebensdauer und einer geringen Baugröße vielfältig angewendet.
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Derartige
Versatz-Erfassungseinrichtungen sind aus der europäischen Patentanmeldung
EP 0 539 602 A1 ,
dem US Patent Nr. 4,712,083 oder dem US Patent Nr. 5,359,287 bekannt.
Letzteres offenbart als ein Beispiel für eine derartige Versatz-Erfassungseinrichtung
einen Meßfühler, der
zwei Paar MRE aufweist und die magnetische Änderung im Ansprechen auf die
Umdrehung oder den Weg bzw. Versatz des sich drehenden, dem Erfassungsgegenstand
entsprechenden Körpers
erfaßt,
der zum Erfassen der Drehzahl oder des Versatzes des Erfassungsgegenstandes
mit einer konstanten Teilung angeordnete Zahnradzähne hat.
Wie es in den
9 und
10 veranschaulicht ist, ist
jedes der im Sensor eingebauten MRE
14a,
14b,
14c und
14d mittels mehrmals
Ende an Ende abwechselnd miteinander verbundenen lang- und kurzstreifigen
Abschnitten so gestaltet, daß die
langstreifigen Abschnitte bezüglich der
Richtung B der von einem vorgeschalteten Magneten ausgehenden Magnetkraftlinien
unter einem Winkel von etwa 45° oder
135° geneigt
sind.
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Andererseits,
da in den letzten Jahren eine starke Nachfrage nach einer Präzisions-Erfassung bestand,
wurde es notwendig, zur Erhöhung
der Anzahl der Impulse pro Umdrehung des sich drehenden Körpers die
Zahnteilungen des Zahnrades des Erfassungsgegenstandes zu verengen.
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Wenn
bei einer in der 9 dargestellten MRE-Anordnung
die Zahnradzahnteilung verengt wird, wird eine Präzisions-Erfassung
erschwert, wenn die durch die jeweiligen MRE 14a (14b)
und 14c (14d) gehenden Magnetkraftlinien verschieden sind.
Andererseits tritt bei der in der 10 dargestellten
MRE-Anordnung ebenfalls
ein Problem auf, wenn die Abstände
zwischen den Zahnradzähnen und
den jeweiligen MRE 14a bis 14d sich voneinander
unterscheiden, nämlich
daß das
resultierende Ausgangssignal klein ist.
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Zur
Behebung dieser Probleme wird im U.S. Patent Nr. 5,359,287 eine
MRE-Anordnung mit einem zweischichtigen Aufbau vorgeschlagen, bei
dem die bezüglich
der Richtung B der Magnetkraftlinien unter einem Winkel von etwa
45° bzw.
etwa 135° angeordneten
MRE Paare 14a und 14c bzw. 14b und 14d übereinander
angeordnet sind, wie es in der 11 dargestellt
ist. Weiterhin wird in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 5-180664
eine Erfassungseinrichtung vorgeschlagen, die so aufgebaut ist,
daß eine
gerade Anzahl von 4 oder mehreren MRE 14e bis 14l parallel
zueinander angeordnet und in Reihe zueinander geschaltet sind, wie
es in der 12 abgebildet
ist.
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Jedoch
bereiten diese Einrichtungen folgende Probleme. Bei der in der 11 veranschaulichten Erfassungseinrichtung,
ist das Herstellverfahren angesichts des komplizierten Aufbaus ebenfalls
derart kompliziert, daß die
Erfassungseinrichtung teuer wird. Bei der in der 12 abgebildeten Erfassungseinrichtung
ist es unvermeidlich, daß die
Erfassungseinrichtung selbst nicht nur größer, sondern auch teurer wird,
da im Vergleich zu der in der 11 veranschaulichten
Erfassungseinrichtung mehrere MRE erforderlich sind, und für die halbe
Anzahl der MRE 14e bis 14l Differenzverstärker-Schaltkreise 12 benötigt werden.
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Eine
Versatz-Erfassungseinrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 ist aus dem US Patent Nr. 3,900,814 bekannt. Die
offenbarte Versatz-Erfassungseinrichtung weist eine Vielzahl von
in Reihe geschalteten magnetoresistiven Elementen auf, die in einem
Magnetfeld zwischen einem stationären Bauteil und einem sich
relativ zu dem stationären
Bauteil bewegenden Bauteil mit Vorsprüngen angeordnet sind. Die Widerstandswerte der
in Reihe geschalteten magnetoresistiven Elemente ändern sich
in Abhängigkeit
von einer Änderung
des Magnetfeldes gleichläufig.
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Hiervon
ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
eine relativ einfach ausgebildete und zuverlässig arbeitende Versatz-Erfassungseinrichtung
vorzusehen.
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Gelöst wird
dieses Aufgabe durch eine Versatz-Erfassungseinrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand abhängiger
Ansprüche.
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Merkmale
und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es
zeigt
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1 eine
strukturelle Ansicht, die den Aufbau bzw. die Gestaltung einer ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
veranschaulicht;
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2 eine
Modellansicht, die die Veränderung
der Magnetkraftlinien veranschaulicht, wenn eine Anordnung bzw.
ein Muster der MRE als ein einzelnes langstreifiges Muster angesehen
wird;
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3 eine
graphische Abbildung, die die Änderung
des Winkels eines MRE zur Richtung der Magnetkraftlinien gemäß der Zahl
der Umdrehungen eines Zahnrades veranschaulicht;
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4 eine
graphische Abbildung, die die Beziehung zwischen dem Widerstandswert
eines MRE und dem Winkel der Richtung der auf das MRE wirkenden
Magnetkraftlinien veranschaulicht;
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5 eine
graphische Abbildung, die die Änderung
des Ausgangssignals des Mittelpunktanschlußes einer Halbbrücke entsprechend
der Zahl der Zahnradumdrehungen veranschaulicht;
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6 eine
Modellansicht, die den Aufbau veranschaulicht, wobei sich ein Magnet
und die MRE an der Innenseite des Zahnrades befinden;
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7 und 8 Modellansichten,
die andere verschiedene Formen von Zahnradzähnen veranschaulichen;
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9 eine
Ansicht, die einen herkömmlichen
Aufbau veranschaulicht, bei dem zwei Paar der MRE symmetrisch angeordnet
sind;
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10 eine
Ansicht, die einen herkömmlichen
Aufbau veranschaulicht, bei dem zwei Paar der MRE in der Richtung
der Magnetkraftlinien angeordnet sind;
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11 eine
Ansicht, die einen herkömmlichen
Aufbau veranschaulicht, bei dem zwei Paar der MRE in einer Schicht
angeordnet sind; und
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12 ein
elektrisches Schaltkreisdiagramm, das einen herkömmlichen Aufbau veranschaulicht,
bei dem acht Paare der MRE parallel zueinander angeordnet und in
Reihe zueinander angeschlossen sind.
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Nachstehend
erfolgt unter Bezugnahme auf eine spezifische Ausführungsform
die Beschreibung der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 veranschaulicht
den Aufbau der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Eine
Versatz-Erfassungseinrichtung 10 ist eine Umdrehungs-Erfassungseinrichtung,
die zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit, des Drehwinkels, etc.
verwendet wird und ein Zahnrad 1 (dieses entspricht dem
ersten Bauteil) aufweist, das koaxial mit einem Erfassungsgegenstand
(drehender Körper) angeordnet
und auf bzw. an der äußeren Umfangsoberfläche mit
rechteckigen, mit einer Teilung λ ausgebildeten
und aus einem magnetischen Material hergestellten Zähnen 21, 22 ...
(diese entsprechen den Vorsprüngen)
versehen ist, einen Magnet 3 (dieser entspricht dem zweiten
Bauteil) mit einer Weite, die größer ist,
als die Teilung λ des
Zahnrades 1, und derart angeordnet ist, daß sich dessen
N-Pol gegenüber
den Zähnen 21, 22,
... befindet, und ein in einem Spalt zwischen dem Zahnrad 1 und
dem Magneten 3 angeordnetes Paar der MRE 41 und 42 (dies
entspricht den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen).
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Wenn
sich das Zahnrad 1 dreht, wird im Spalt zwischen dem Zahnrad 1 und
dem Magneten 3 in Richtung vom Magneten 3 zum
Zahnrad 1 entspre chend der Änderung der Position der Zähne 21, 22, ...
des Zahnrades 1 ein zyklisches Magnetfeld ausgebildet.
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Die
MRE 41 und 42 sind an Positionen angeordnet, an
denen sie einem gleichphasigen Magnetfeld ausgesetzt sind, und zwar
auch dann, wenn sich das Zahnrad 1 dreht. Die MRE 41 und 42 sind
nämlich
so angeordnet, daß der
Mitte-zu-Mitte-Abstand L zwischen dem MRE 41 und MRE 42 der
Teilung λ der Zähne 21, 22,
... des Zahnrades 1 nahezu gleich ist. Dementsprechend
sind die auf die MRE 41 und 42 wirkenden Winkeländerungen
des magnetischen Feldes identisch, und zwar unabhängig von
der Positionsänderung
der Zähne 21, 22,
... des Zahnrades 1.
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Da
die aus dem Magneten 3 zum Zahnrad 1 emittierten
Magnetkraftlinien nicht auf die Kerben, sondern auf die Zähne 21, 22,
... des Zahnrades 1 wirken, können die Ausgangssignale der
MRE 41 und 42 dadurch erhöht werden, daß die MRE 41 und 42 derart
angeordnet sind bzw. werden, daß der
Mitte-zu-Mitte-Abstand
L zwischen diesen der Teilung λ der
Zähne 21, 22,
... des Zahnrades 1 nahezu gleich ist.
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Die
MRE 41 und 42 sind so zusammengesetzt bzw. aufgebaut,
daß deren
langstreifigen Abschnitte und kurzstreifigen Abschnitte abwechselnd miteinander
verbunden sind, so daß sie
ein Zickzack-förmiges
Muster aufweisen; sie sind außerdem so
angeordnet, daß deren
langstreifigen Abschnitte bezüglich
der aus dem Magneten 3 zum Zahnrad 1 emittierten
Magnetkraftlinien Winkel von etwa 45° bzw. etwa 135° ausbilden.
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Die
MRE 41 und 42 bilden eine Halbbrückenschaltung.
Ein Ende des MRE 41 ist mit einem Anschluß 5 versehen,
und dessen anderes Ende ist an das MRE 42 angeschlossen.
In der Mittelposition zwischen dem MRE 41 und 42 ist
ein Anschluß 7 als
ein Mittelpunktanschluß der
Halbbrückenschaltung
vorgesehen. Das andere Ende des MRE 42 ist mit einem Anschluß 6 versehen.
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Als
Nächstes
wird die Änderung
des Widerstands der MRE 41 und 42 entsprechend
der Umdrehung des Zahnrades 1 in der Versatz-Erfassungseinrichtung 10 des
obigen Aufbaus beschrieben.
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Um
die Beschreibung zu vereinfachen, wird, unter Bezugnahme auf 2,
angenommen, daß die MRE 41 und 42 bezüglich den
aus dem Magneten 3 emittierten Magnetkraftlinien einzelne,
lineare etwa um einen Winkel von 45° bzw. etwa 135° geneigte MRE
sind.
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In
der 2 verschieben sich die Zähne 21 und 22 aus
einer Position A (die mittels einer gestrichelten Linie angedeutet
ist) in eine Position B (die mittels einer durchgezogenen Linie
angedeutet ist), wenn sich das Zahnrad 1 in eine durch
einen Pfeil angezeigte Richtung dreht und wenn eine bestimmte Zeit
verstrichen ist. Zugleich mit dieser Verschiebung werden die Magnetkraftlinien
durch die verschobenen Zähne 21 und 22 angezogen,
und die Richtungen der Magnetkraftlinien ändern sich von H1 zu H2. Dementsprechend ändern sich
die Winkel der MRE 41 bzw. 42 bezüglich der
Richtung der Magnetkraftlinien H1 bzw. H2 von θ11 zu θ12 bzw. von θ21 zu θ22.
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Die 3 veranschaulicht
die Winkeländerungen
der MRE 41 bzw. 42 bezüglich der Richtungen der Magnetkraftlinien
in Bezug auf die Größe der Bewegung
(Zahl der Umdrehungen) der Zähne 21 und 22 des
Zahnrades 1, wenn das Zahnrad 1 auf die oben beschriebene
Weise gedreht wird.
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Aus
der 3 geht hervor, daß sich die Winkel der MRE 41 und 42 bezüglich der
Richtungen der Magnetkraftlinien im Ansprechen auf die Drehung des
Zahnrades 1 ändern,
wobei sie um Winkel von 45° bzw.
135° zentrieren.
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4 veranschaulicht
die Beziehung zwischen dem Widerstandswert des MRE und dem Winkel
des auf die langstreifigen Abschnitte aufgebrachten magnetischen
Feldes. Hier veranschaulicht die 4 auch den
Zustand der Änderung
der Winkel des aufgebrachten bzw. wirkenden magnetischen Feldes
(in der gleichen Phase) in den jeweiligen Positionen der MRE 41 und 42,
und den Zustand der Änderung
der jeweiligen Widerstandwerte der MRE 41 und 42 entsprechend
der Änderung
solcher Winkel. Wie in der 4 dargestellt
ist, ändern
sich die Winkel der auf die jeweiligen MRE 41 und 42 aufgebrachten
magnetischen Felder in der gleichen Phase, wobei sie sich um Winkel
von 45° bzw.
135° zentrieren;
dementsprechend schwanken die Widerstandswerte der jeweiligen MRE 41 und 42.
Gleichzeitig schwanken die Widerstandswerte der MRE 41 und 42 auf
charakteristische Art und Weise in derartige Richtungen, so als
ob sie einander entgegenlaufen, d.h. der Widerstandswert des MRE 41 erhöht sich,
wogegen sich der Widerstandswert des MRE 42 verringert.
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Die 5 zeigt
die Änderung
des Ausgangssignals des Mittelpunktanschlußes 7 des Halbbrücken-Schaltkreises
in Bezug auf die Anzahl der Umdrehungen des Zahnrades 1,
wenn der Anschluß 5 des
MRE 41 (1) einer Spannung V unterworfen ist,
und der Anschluß 6 des
MRE 42 (1) geerdet ist, und zeigt auch
die Änderung
des Ausgangssignals des Vergleichsbeispiels, bei dem zwei Paar der MRE
gegenüber
einem kleinen, einzelnen Zahn des Zahnrades 1 angeordnet
sind, wie bei einer in der 11 oder 12 gezeigten
Anordnung.
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Aus
der 5 geht hervor, daß diese Ausführungsform
ein drei- oder mehrfaches des Ausgangssignals des Vergleichsbeispiels
erreicht, und auch, daß die
Durchführung
bzw. die Leistung der Versatz-Erfassungseinrichtung erhöht bzw.
verbessert werden kann, auch wenn der Abstand verengt ist. Weiterhin
kann die Versatz-Erfassungseinrichtung verkleinert werden, da nur
ein Paar der MRE ausreichend ist, und daher können deren Kosten verringert
werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind die Zähne 21, 22,
... auf der äußeren Umfangsoberfläche des Zahnrades 1 ausgebildet,
und der Magnet 3 und die MRE 41 und 42 befinden
sich an der Außenseite
des Zahnrades. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht auf
die obige Ausführungsform
beschränkt
sein, sondern kann auch so gestaltet sein, wie es in der 6 veranschaulicht
ist, und zwar daß das
Zahnrad 1 eine ringförmige
oder zylindrische Form hat, wobei die Zähne 21, 22,
... auf dessen innerer Umfangsoberfläche ausgebildet sind und der
Magnet 3 und die MRE 41 und 42 sich im
Inneren des Zahnrades 1 befinden.
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Weiterhin
wird bei der obigen Ausführungsform
das aus magnetischem Material hergestellte Zahnrad 1 gedreht,
und der Magnet 3 und die MRE 41 und 42 sind
bei der Erfassung des Versatzes des Zahnrads 1 fest angebracht.
Jedoch sollte die Erfindung nicht auf diese Anordnung bzw. Gestaltung
beschränkt
sein, sondern kann auch so gestaltet sein, daß das Zahnrad 1 fest
angebracht ist und der Magnet 3 und die MRE 41 und 42 bei
der Versatz-Erfassung
des Magneten 3 um das fest angebrachte Zahnrad 1 gedreht
werden. Zudem sind bei der obigen Ausfürungsform die Zähne und
Kerben, die nahezu die gleiche Teilung und Form aufweisen, an dem
aus magnetischem Material hergestelltem Zahnrad 1 ausgebildet.
Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht auf diese Gestaltung
beschränkt
sein, sondern kann so gestaltet sein, daß die vorgespannten Magneten
an den jeweiligen Zähnen
des Zahnrades 1 eingebaut sind, oder daß am Magneten 3 Vorsprünge bzw.
vorstehende Teile ausgebildet sind.
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Zusätzlich wird
bei der obigen Ausführungsform
das Zahnrad 1, das an der äußeren oder inneren Umfangsoberfläche mit
Zähnen
und Kerben versehen ist und gedreht wird, als das erste Bauteil
verwendet. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht auf eine
derartige Ausführungsform
beschränkt
sein, sondern kann auch so ausgeführt sein, daß ein sich bewegender
Körper,
der mit wenigstens zwei Vorsprüngen
oder magnetischen Abschnitten bzw. Bereichen bzw. Teilstücken auf
der Ebene versehen ist und deren Position linear verschiebt, als
das erste Bauteil verwendet wird und deren Größe bzw. Zahl der Bewegung erfaßt wird.
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Ebenfalls
ist bei der obigen Ausführung
die Teilung λ der
Zähne des
Zahnrads 1 so eingestellt, daß sie dem Mitte-zu-Mitte-Abstand
L zwischen den MRE 41 und 42 gleich ist.
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Weiterhin
werden bei der obigen Ausführungsform
die rechteckigen Zähne 21, 22,
... als die auf dem ersten Bauteil ausgebildeten vorstehenden Teile
verwendet. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht auf diese
Gestaltung beschränkt
sein, sondern kann auch irgendeine Form annehmen, wie z.B. Zahnradform,
Sägezahnform,
Bogenform und dreieckige Form, wie es in den 7 und 8 veranschaulicht
ist. Zusammenfassend gesagt, können die
Zähne 2 irgeneine
Form einnehmen, so lange wie die Zähne 2 derart ausgebildete
Zähne und
Kerben vorsehen, so daß sie
nahezu den gleichen Abstand und die gleiche Form haben.
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Dadurch
daß die
spitzen Endteile der sich gegenüber
dem Magneten 3 befindlichen Zähne 2 klein geformt
bzw. gestaltet sind, wie es in der 7 und 8 veranschaulicht
ist, kann das Brückenausgangssignal
ungeachtet des Spaltabstands zwischen den Zähnen 2 und den MRE 41 und 42 in
einer Sinuswelle mit geringer bzw. schwacher Verzerrung erreicht
bzw. ausgeführt
werden. Dies kann vorteilhafterweise verhindern, daß die erhaltenen
Impulssignale sich ent sprechend dem Spaltabstand zwischen den Zähnen 2 und
den MRE 41 und 42 ändern, wenn das Brückenausgangssignal
binär-codiert
ist.
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Zudem
ist bei der obigen Ausführungsform der
Mitte-zu-Mitte-Abstand L zwischen den MRE 41 und 42 gleich
der Teilung λ der
Zähne 21, 22,
... des Zahnrads 1 eingestellt. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung
nicht auf diese Gestaltung beschränkt sein, sondern kann auch
so gestaltet bzw. aufgebaut sein, daß der Mitte-zu-Mitte-Abstand
L so eingestellt ist, daß er
Nλ beträgt (N: positive
ganze Zahl). In diesem Fall wird den MRE 41 und 42 die
gleiche Phase des zyklischen Magnetfeldes verliehen, das innerhalb
des Spalts zwischen dem Zahnrad 1 und dem Magneten 3 ausgebildet
ist; somit kann die gleiche Auswirkung bzw. der gleiche Effekt erreicht
werden.
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Außerdem ist
bei der obigen Ausführungsform
das MRE 41 bezüglich
der Richtung der aus dem Magneten 3 emittierten Magnetkraftlinien
um einen Winkel von etwa 45° geneigt,
und das MRE 42 bezüglich
der Richtung der aus dem Magneten 3 emittierten Magnetkraftlinien
um einen Winkel von etwa 135°.
Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht auf diese Gestaltung
beschränkt
sein, sondern kann auch so gestaltet sein, daß das MRE 41 bezüglich der
Richtung der aus dem Magneten 3 emittierten Magnetkraftlinien
um einen Winkel von etwa 135° geneigt
ist, und das MRE 42 bezüglich
der Richtung der aus dem Magneten 3 emittierten Magnetkraftlinien um
einen Winkel von etwa 45°.
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Weiterhin
wird bei der Ausführungsform
ein Paar der MRE verwendet, und jedes MRE ist an einem Ende elektrisch
angeschlossen, so daß ein Halbbrücken-Schaltkreis
ausgebildet wird. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht
auf diese Gestaltung beschränkt
sein, sondern kann auch so gestaltet sein, daß zwei Paar der MRE verwendet
werden und jedes Paar der MRE so angeordnet ist, daß ein Halbbrücken-Schaltkreis
ausgebildet wird, und ein Vollbrücken-Schaltkreis
durch elektrisches Verbinden bzw. Anschließen der Anschlüße der jeweiligen
Halbbrücken-Schaltkreise
miteinander ausgeführt
wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme der vorhergehenden Ausführungsformen dargestellt
und beschrieben wurde, ist es für
die technisch begabten Menschen klar bzw. offensichtlich, daß Veränderungen
in der Form bzw. der Gestalt und im Detail angestellt werden können, ohne
aus dem Rahmen der Erfindung, so wie sie in den angefügten Ansprüchen festgelegt
wird, abzuweichen.