JP2000501514A - 温度安定性零点を有する磁気抵抗センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 無接触磁気抵抗センサ、とりわけ角度センサを記述する。この角度センサは検出すべき角度位置に依存する出力信号を送出し、この出力信号はある種の温度依存性を有する。しかし、この温度依存性は所定の角度では最小である。よって、まず最初にこの角度センサの出力信号を少なくとも２つの異なる温度において角度位置に関して測定し、信号間の偏差が僅少であるような角度のうちの１つを零点として後続の測定の際に選択する。

Description

【発明の詳細な説明】 温度安定性零点を有する磁気抵抗センサ 従来技術 本発明は温度安定性零点を有する磁気抵抗センサ、とりわけ主請求項の上位概 念記載の磁気抵抗角度センサに関する。 状態変化を無接触で検出するための磁気抵抗センサを例えば回転可能に支承さ れた部材の角度測定に使用することが公知である。このような磁気抵抗センサは 通常は磁界に依存する抵抗器を有する。この磁界に依存する抵抗器はブリッジに 接続されており、ブリッジ対角線に給電される制御電流によって通電される。 このような磁気抵抗センサは磁界によって影響を受けると、別のブリッジ対角 線において電圧を発生し、この電圧の大きさは磁界乃至はこのセンサを基準とす る磁界の方向に依存する。ブリッジ電圧と磁界方向との間の関連は無接触ＡＭＲ （Anisotropic Magneto Resistance（異方性磁気抵抗））角度発生器において測 定値検出のために利用される。およそ正確な測定が可能であるためには、まず最 初に零点が設定されなくてはならない乃至はセンサの調整が実施されなくてはな らない。 ドイツ特許出願第４３３６４８２号公報から磁気抵 抗センサの調整方法が公知である。この方法によってオフセット誤差が調整され る。このために、ブリッジ回路として構成される磁気抵抗センサに限定的に配向 された均一な磁界を重畳し、ブリッジ回路の電流接点に所定の制御電流を印加す る。そして他の接点で発生する電圧が継続的に測定される。この磁気抵抗センサ は、磁界が印加された状態でオフセット電圧がゼロに等しくなるまでレーザによ って加工処理される。 磁気抵抗センサは通常は温度に依存する出力信号を送出するので、本発明の課 題は、温度安定性零点を有する磁気抵抗角度センサを構成すること乃至は従来の 磁気抵抗センサに最高の温度安定性が零点で得られることを保証する調整方法を 施すことである。 この課題は請求項１の特徴部分記載の構成を有するセンサによって解決される 。 本発明の利点 温度安定性零点を有する本発明のセンサの利点は、従来の磁気抵抗センサを使 用することができること、そして、それにもかかわらずこの磁気抵抗センサの基 本的構造を変更する必要なしに温度安定性零点が調整可能であることである。 この利点はまず最初に磁気抵抗センサの適当な零点を探すことによって得られ る。このために、例えば角度センサの場合には磁気抵抗センサを回転磁界に曝し 、角度誤差、つまり測定される角度と実際の角度との 間の差を検出する。この角度偏差は異なる温度において検出され、この際２つの 異なる温度が利用される。異なる温度で測定された角度偏差の比較によって、幾 つかの基準角度に対してとりわけ小さい角度偏差が現れることが示される。これ はこの磁気抵抗センサの特性であり、この特性は再現可能であり、シミュレーシ ョンによっても確認することができる。角度偏差が温度にほとんど依存しない角 度を零点角度として選択すれば、この零点の所望の温度安定性が得られる。 本発明のさらに他の有利な実施形態は従属請求項の特徴部分記載の構成から得 られる。 図面 本発明の実施例を図面に示し、以下の記述において詳しく説明する。図１はそ れ自体は既に公知の磁気抵抗センサのブロック回路図である。図２には角度と角 度誤差との関係が示されており、これらの得られた値は測定によって得られた値 である。図３及び４はシミュレーション計算によるさらに別の関係を示す。図５ には角度誤差の導関数と角度位置との関係が示されている。図６は異なる温度に 対して測定された角度偏差と基準角度との関係が示されている。この場合、最小 の温度依存性を有する特別な角度としてふさわしい領域が示されている。 説明 図１には無接触磁気抵抗センサの例が図示されてい る。２つの互いに４５゜だけ回転されてずれているＡＭＲセンサエレメント（An isotropic Magneto Resistance（異方性磁気抵抗））が図示されており、これら ＡＭＲセンサエレメント１０、１１はこの実施例では抵抗器ブリッジとして構成 されているが、別なふうに構成することもできる。ＡＭＲセンサエレメント１０ 、１１には電流Ｉが供給される。 ２つの互いに角度４５゜だけ回転されてずれているセンサエレメント１０、１ １が電流Ｉによって導通されると、これらセンサエレメント１０、１１のブリッ ジ対角線に電圧Ｕ１，Ｕ２が発生する。これらの電圧Ｕ１，Ｕ２は例えば角度測 定用の評価回路１２で評価される。 図１に図示されているようなセンサが無接触角度センサとして例えばスロット ルバルブ位置測定のために又はぺダル値発生器として使用される場合、評価のた めにはこのセンサの零点位置が温度安定性を持つことを保証する必要がある。こ の角度センサの零点は制御機器によって所定の温度に固定される。こうして固定 された電子的零点はほんの僅かしか温度によって変化しない。というのも、そう でなければアイドル走行制御乃至は機械的ストッパによる問題が発生しうるから である。 零点における温度依存性の低減はＡＭＲセンサを従来のように使用する場合に は例えばコスト高な回路に よって又は特殊なフィルタを使用することによって得られる。本発明では別の方 法を実施する。この別の方法は、角度誤差乃至は角度誤差の温度依存性が最小に なる決まった角度が存在する、という認識に基づく。最小の温度依存性が現れる ような特別な角度が存在するということは、シミュレーションによっても測定に よっても検出できる。このような特別な角度を零点角度として固定すれば、所望 の温度安定性が得られる。 この特別な角度、つまり後で零点角度として使用される角度を検出する方法は 次のように説明される。すなわち、回転磁界においてまず最初に空間温度Ｔ１で 角度偏差を求める。このために磁界方向に依存する出力電圧Ｕ（Φ,ｔ)を測定す る。この際例えば３６０゜全体に亘って測定する。 センサエレメントは磁気抵抗性抵抗器から成っているので、より大きい電流を センサ乃至はセンサブリッジに印加することによってこれらのセンサ乃至はセン サエレメントはより高い温度Ｔ２にまで熱せられる。この第２の温度Ｔ２に到達 した後で、あらためて角度偏差を検出する。この際、このセンサによって測定さ れる磁界方向と実際の磁界方向との差の大きさが角度偏差として検出される。両 方の角度偏差と角度との関係をプロットすると、両方の曲線の複数の交点が得ら れる。これらの各交点が電子的な零点として使用しうる特別な角度を表す。 異なる温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３...における測定を繰り返すと、図２に図示され ているような角度偏差と基準角度乃至は特別な角度との間の関係が得られる。こ の基準角度乃至は特別な角度は磁界の方向に相応する。異なる温度に対して得ら れる曲線は全て上述の特別な角度である所定の角度で互いに交差している。 ケーシングにこのセンサを取り付ける際又はこのセンサに対して相対的に乃至 はこのセンサケーシングに対して相対的に磁石を取り付ける際に、零点としてこ れらの得られた特別な角度のうちの１つを使用することを顧慮する。正確な調整 は場合によっては電子的な補正によって行われる。 温度安定性零点位置を求め、続いてセンサと走査すべき磁石とを取り付けるた めの上記の方法によって、原理的には所定の角度領域におけるオフセットの線形 補正も行うことができる。これによって角度の正確さがさらに向上する。 原理的にはこの方法は経路測定にも拡張することができる。この場合にはまた センサの出力信号の電圧経過が異なる温度で経路に依存して測定され、互いに比 較される。この結果、僅少な温度依存性を有する特別なポイントを少なくとも１ つ検出する。 コンピュータシミュレーションで示されるように、磁気抵抗センサの出力信号 の温度依存性が最小になるようなある種の有利な位置乃至は有利な角度が存在す る。このようなシミュレーション計算の例をこれから記述する。この場合次のよ うな省略記号乃至は関係式を使用する。 Φ＝O＊π /180,1＊π /180,...,180＊π /180 ｔ＝−40,20,...,120℃ α＝0.001 β＝O,001 Ａ１＝１ Ａ２＝１ γ＝0.001 δ＝0.001 Ｏ１＝0.005 Ｏ２＝0.005 σ＝0．００１ ただしこの場合、Φ：測定すべき機械的な角度 ｔ：センサの温度、ただし単位は℃ α，β,Ａ１，Ａ２，γ，δ，Ｏ１，Ｏ２， σ：係数の例 である。 電圧に対して次の関係式が成り立つ。 電圧経過： 例： Ｕ１ｄ（ｔ）＝（Ａ１）＊（1＋α＊（ｔ−20）） Ｕ１ｄ（20）＝１ Ｕ２ｄ（ｔ）＝（Ａ２）＊（1＋β＊（ｔ−20）） Ｕ２ｄ（20）＝１ Ｕ10（ｔ）＝（０１）＊（1＋γ＊（ｔ−20）） Ｕ10（20）＝0.005 Ｕ20（ｔ）＝（Ｏ２）［1＋δ＊（ｔ−20）＋σ（ｔ−20）²］ Ｕ20（30）＝−0.00555 Ｕ１（Φ，ｔ）＝Ｕ10（ｔ）＋Ｕ１ｄ（ｔ）＊cos（2Φ） Ｕ２（Φ，ｔ）＝Ｕ20（ｔ）＋Ｕ２ｄ（ｔ）＊Sin（2Φ） Ｕ（Φ，ｔ）＝Ｕ１（Φ，ｔ）＋ｊ＊Ｕ２（Φ，ｔ） この場合、 Ｕ１ｄ（ｔ）：第１のセンサエレメント１０の温度に依存する電圧の振幅 Ｕ２ｄ（ｔ）：第２のセンサエレメント１１の温度に依存する電圧の振幅 Ｕ１０（ｔ）：第１のセンサエレメント１０のオフセット電圧 Ｕ２０（ｔ）：第２のセンサエレメント１１のオフセット電圧 Ｕ１（Φ，ｔ）：第１のセンサエレメント１０のセンサ信号 Ｕ２（Φ，ｔ）：第２のセンサエレメント１１のセンサ信号 Ｕ（Φ，ｔ）：センサの全出力電圧（複素平面において楕円） である。 ２つの複素数の位相差が積の位相に等しい［argz1−argz2＝arg(z1＊z2)］こ とを顧慮すると、次式が得られる。 Δ（Φ，ｔ）によって角度誤差が示される。この角度誤差は電気的に測定される 角度と機械的な角度の２倍の角度との間の差である。この機械的な角度は検出す べ き機械的な角度を意味する。この機械的な角度を２倍にするのは、電圧Ｕ１（Φ ，ｔ）及びＵ２（Φ，ｔ）がsin（２Φ）及びcos（２Φ）に依存するからである 。 シミュレーション計算の結果は図３、４、５及び６に示されている。この場合 、図３及び図５は様々な温度における角度誤差と角度との関係を曲線で示してい る。図４には様々な温度におけるＵ１とＵ２との間の関係が示されている。図６ には角度誤差の導関数 はこの導関数はゼロに等しい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 無接触磁気抵抗センサ、とりわけ角度センサであって、該角度センサによ ってセンサエレメントと磁界との間の角度位置が検出され、 前記角度センサは測定すべき角度位置に依存する出力信号を送出する、無接 触磁気抵抗センサ、とりわけ角度センサにおいて、 前記センサの出力信号の経過は所定の角度領域に亘って少なくとも２つの異 なるセンサ温度において検出され、 出力信号経過は相互に基準角度を検出するために関係づけられ、該基準角度 において出力信号は僅かな温度依存性によって相互にほんの少しだけしか偏差し ておらず、 こうして見い出された前記基準角度は後続の測定の際には零点として選択さ れることを特徴とする、無接触磁気抵抗センサ、とりわけ角度センサ。 ２． 角度センサは給電電圧に接続された少なくとも１つのセンサエレメントを 含み、該センサエレメントはブリッジに接続された磁気抵抗性抵抗器を含み、さ らに前記センサエレメントはブリッジ対角線において出力電圧を送出し、該出力 電圧は検出すべき角度位置に依存することを特徴とする請求項１記載の無接触磁 気抵抗角度センサ。 ３． センサは互いに所定の角度だけ回転されてずれている２つのセンサエレメ ントを含み、該センサエレメントはそれぞれ磁気抵抗性抵抗器を有し、該磁気抵 抗性抵抗器はブリッジに接続され、該ブリッジの一方の対角線に電圧が印加され 、他方でそれぞれもう一方の対角線は角度に依存する出力信号を送出し、該出力 信号は重畳されて共通の出力信号になることを特徴とする請求項２記載の無接触 磁気抵抗角度センサ。 ４． 供給される給電電圧は可変であり、これにより抵抗ブリッジに供給される 電流も可変であることを特徴とする請求項１〜３までのうちの１項記載の無接触 磁気抵抗角度センサ。 ５． 少なくとも２つの異なるセンサ温度を形成するために、供給される電流強 度は第１の値及び第２の値に調整されることを特徴とする請求項４記載の無接触 磁気抵抗角度センサ。 ６． 検出された基準角度はセンサ及び磁界発生器の取り付けの際に顧慮され、 前記基準角度がセンサエレメントと磁界との間の零度位置に相応するように この取り付けは行われることを特徴とする請求項１〜５までのうちの１項記載の 無接触磁気抵抗角度センサ。 ７． 零位置は、電子的な方法で定められ、さらにセンサの出力信号から角度計 算する際に顧慮されるこ とを特徴とする請求項５又は６記載の無接触磁気抵抗角度センサ。 ８． 評価手段が設けられており、該評価手段は少なくとも１つのマイクロプロ セッサならびにこれに属するメモリを含み、 該メモリには１つ又は複数の基準角度が格納されており、角度計算は前記マ イクロプロセッサを用いて実施されることを特徴とする請求項１〜７までのうち の１項記載の無接触磁気抵抗角度センサ。