JP4406509B2 - 回転可能なエレメントの回転角度捕捉装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の回転可能なエレメントの回転角度捕捉装置並びに請求項１０の上位概念に記載の相応の方法に関する。
【０００２】
無接触な回転角度捕捉を実施可能であるこの形式の装置は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４３５６２号公報から公知である。このような装置では、角度位置を求めようとする回転可能な軸に磁石が結合されている。軸の回転角度によって変化する磁界は、２つのセンサエレメントを用いて測定される。これらセンサエレメントは、相互に９０゜の角度だけ回転されている２つのホールセンサエレメントであるか、または相互に４５゜の角度だけ回転されている２つの磁気抵抗センサエレメントである。センサエレメントには、相互に適当な方法で位相がシフトされている交番電圧信号が供給される。センサエレメントの出力信号の重畳の結果、角度位置を表している信号経過が生じる。この刊行物において記載されている無接触の回転角度捕捉装置は、それぞれ２つの同形式のセンサエレメントを有している。このことは不都合を来す可能性がある。というのはホールセンサは例えば大きな温度依存性および大きなストレス依存性を有しているからである。これに対して磁気抵抗センサエレメントは、温度依存性およびストレス依存性に関して比較的有利な特性を有しており、これらは温度およびストレスにホールセンサより僅かしか依存していないが、物理的な効果に基づいて１８０゜の角度領域しか検出することができないという欠点を有している。このような角度領域は例えば内燃機関のカム軸の位置の捕捉の際ないし操舵角の測定方法では小さすぎる。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許第１９７２２０１６号明細書から、少なくとも２つのセンサエレメントを有するセンサ装置の磁気的に影響される特性を評価して、回転可能なエレメントによって生成されるまたは影響を受ける磁界強度が評価回路において検出されかつ回転位置を求めるために用いられるようになっている、回転可能なエレメントの無接触回転角度捕捉装置が公知であり、ここでは１つのセンサエレメントは磁気抵抗効果が利用されて動作しかつ他方のセンサエレメントはホール効果が利用されて動作し、かつ２つのセンサエレメントから送出される信号が相互に組み合わされる。磁気抵抗センサとホールセンサとの組み合わせは実際に非常に煩雑であることが認められている。
【０００４】
本発明の課題は、できるだけ大きな角度領域、殊に０゜〜３６０゜が僅かなコストで一義的に捕捉検出できるようにした、回転角度捕捉装置ないし方法を提供することである。
【０００５】
この課題は、請求項１の特徴部分に記載の構成を有する装置並びに請求項１０の特徴部分に記載の構成を有する方法によって解決される。
【０００６】
そこで本発明によれば、０゜および３６０゜の間の角度を一義的に求めるための磁気抵抗センサ装置を使用することが初めて可能である。この場合、従来技術のセンサ装置とは異なって、付加的なホールセンサは必要でない。これにより、回転角度捕捉装置を用意するためのコストは低減される。例えば内燃機関のカム軸の位置を捕捉する際に有利な用途が生じる。本発明は更に有利には、操舵角測定方法において使用可能である。というのは、従来の方法に比べて実現される、一義的な領域の３６０゜への拡張のために、システム全体の許容偏差限界値が大きくなるからである。
【０００７】
本発明の有利な形態は従属請求項の対象である。
【０００８】
有利な形態によれば、センサ装置は複数の磁気抵抗エレメントを有し、該エレメントは少なくとも２つのブリッジ回路、例えばホイートストーンブリッジに接続形成されており、該ブリッジの一方は、検出すべき第１の磁界Ｂ_extの、基準方向に関する角度のコサインに対応付けられている信号を送出し、かつ他方は、角度のサインに対応付けられている信号を送出する。この線形の独立した信号に基づいて、簡単な信号評価が実施可能である。
【０００９】
磁気抵抗エレメントは有利には、長く延びた形状のＡＭＲ素子として実現されている。長く延びた形状のＡＭＲ素子は以下に簡単にＡＭＲ測定ストリップともいう。この形式の測定ストリップは比較的簡単および安価な手法で、適当に配向されて基板に被着させることができる。
【００１０】
ブリッジ回路のブリッジ分岐に配属されている２つの磁気抵抗エレメントそれぞれを流れる電流の方向が相互に垂直に延在していることは好都合である。
【００１１】
ブリッジ回路は有利には、殊に、４５゜の角度だけ相互に回転されて配置されている。この配置によって、サインおよびコサイン信号は簡単に抽出可能である。
【００１２】
補助磁界Ｂ_Hがブリッジ回路において異なった方向を有し、ここでこれらの方向は殊に４５゜の角度を包含していることは好都合である。
【００１３】
磁気抵抗エレメントは有利にはミアンダ形状に実現されている。この措置によって、比較的高いセンサ信号が得られ、これらは比較的簡単に評価可能である。
【００１４】
補助磁界Ｂ_Ｈはプレーナコイルを用いて生成可能であり、該プレーナコイルは非導電性の中間層を介して磁気抵抗エレメントおよび金属化部とも称するその金属被膜に関して電気的に絶縁されて配置されていることが望ましい。この形式のコイルによって、布線コストは比較的僅かであり、更に補助磁界Ｂ_Ｈの絶対値および方向は所望通りに設定可能である。
【００１５】
本発明の方法の有利な実施例によれば、相関は次式の領域関数Ｆ
【００１６】
【数２】

【００１７】
を用いて実施され、ここでα_AMR180は補助磁界Ｂ_Hが印加されていないときに１８０゜の一義性領域を以て捕捉される角度信号であり、Ｓは設定可能な重要度しきい値であり、δＵ_cosないしδＵ_sinはセンサ装置の角度に依存している変化信号であり、かつｆ（α₁，α₂）はブリッジ回路ないしそれぞれのブリッジ回路の当該場所における補助磁界の、基準方向に関する角度配向の加算ないし減算関数である。これにより、計算によりあまり煩雑でない手法で実施することができる、３６０゜の角度領域にわたって一義的な回転角度を求めるため方法が使用可能になる。領域関数の形はそれぞれのブリッジ回路における補助磁界Ｂ_Hの方向に依存している。補助磁界Ｂ_Hの使用による角度領域０≦α≦１８０゜および１８０゜≦α≦３６０゜の区別は、補助磁界Ｂ_Hの任意の方向において可能であり、その際ブリッジ回路１の当該場所におけるＢ_Hの方向はブリッジ回路１１の当該場所におけるＢ_Hの方向とは異なっていることが注目されるべきである。殊に、Ｂ_Hの方向が４５゜だけ異なっていれば有利である。
【００１８】
本発明の方法の特別有利な実施形態によれば、関数ｆ（α₁，α₂）はα₁＋α₂の形の関数である。補助磁界Ｂ_Hが、ブリッジ回路１の当該場所では方向α＝９０゜において印加され、かつブリッジ回路１１の当該場所ではα＝４５゜の方向において印加される場合には、例えば次の領域関数が生じる：
【００１９】
【数３】

【００２０】
本発明の方法の別の特別有利な実施形態によれば、関数ｆ（α₁，α₂）は｜α₁−α₂｜の形の関数である。補助磁界Ｂ_Hが、ブリッジ回路１の当該場所では方向α＝９０゜を有し、かつブリッジ回路１１ではα＝１３５゜の方向を有している場合には、例えば次の領域関数が生じる：
【００２１】
【数４】

【００２２】
次に本発明を有利な実施例に基づいて添付図面を参照して詳細に説明する。これらの図において
図１は、回転可能なエレメントの回転角度捕捉のための装置の有利な実施例の略図を示し、
図２は、検出すべき外部の磁界の方向に依存して補助磁界を印加した際に、回転角度を検出するための本発明の装置において発生するコサインおよびサインブリッジ信号電圧の変化を示し、
図３は、回転角度捕捉のための本発明の装置の有利な実施例の１つの可能なレイアウトの平面図を示す。
【００２３】
回転角度捕捉のための本発明の装置の、図１に図示のセンサ装置は、２つのホイートストンブリッジ１，１１を有している。磁気抵抗エレメントとしてそれぞれのホイートストーンブリッジ１，１１は異方性磁気抵抗薄膜センサないしＡＭＲ測定ストリップ１／１ないし１／４ないし１１／１ないし１１／４を有している。
【００２４】
例えばパーマロイのようなＡＭＲ材料の電気抵抗は、磁化方向ないし印加される磁界Ｂ_extの方向とＡＭＲ材料を流れる電流Ｉの方向との間の角度に依存している。ＡＭＲ測定ストリップ内の電流方向が、図１において、それぞれの測定ストリップに配属されている線群によって略示されている（ホイートストーンブリッジのそれぞれのブリッジ分岐がそれぞれ、相互に垂直方向に延在している電流方向を有する２つのＡＭＲ測定ストリップを有していることがわかる）。電流方向がＡＭＲ測定ストリップの幾何学形状によって決められている一方、磁化の方向は検出すべき外部の磁界の方向に追従する。図１には、回転角度αに相応している、外部磁界Ｂ_extの方向が細長い矢印によって示されている。ＡＭＲ測定ストリップの電気抵抗の角度依存性は１８０゜の周期性を有しており、その際抵抗は、磁化の方向が平行ないし逆平行であるとき最大であり、かつそれが電流方向に対して垂直であるとき最小である。それぞれ、接続されてホイートストーンブリッジ１，１１を形成しているＡＭＲ測定ストリップ１／１ないし１／４ないし１１／１ないし１１／４は角度に依存している有効信号の抽出のために用いられる。ホイートストーンブリッジ１から得られる信号Ｕ_cosは１８０゜の周期性を有しておりかつコサイン形状の経過Ｕ_cos〜ｃｏｓ（２α）を示す。角度αは既述のように、検出すべき外部磁界の方向を指示する。第２のホイートストーンブリッジ１１は第１のホイートストーンブリッジ１に関して４５゜だけ回転されている。ＡＭＲ測定ストリップは相応に配置されているので、ホイートストーンブリッジ１１はサイン形状の出力信号Ｕ_sin〜ｓｉｎ（２α）を送出する。（図示されていない）電子評価回路におけるアークタンジェント形成によって、測定すべき角度αが得られる。ブリッジ電圧の２α依存性に基づいて、１８０゜の周期性が設定されているので、絶対角度指示は領域０゜≦α≦１８０゜でしか可能でない。
【００２５】
２つの角度領域０゜≦α≦１８０゜および１８０゜≦α≦３６０゜を区別するために、短時間、図１においてこのことは幅広の矢印によって示されているように、補助磁界Ｂ_Hが印加される。この磁界Ｂ_Hによって、ＡＭＲ測定ストリップ１／１ないし１／４ないし１１／１ないし１１／４における磁化の方向が僅かに変化するので、ホイートストーンブリッジ１，１１から導出される信号Ｕ_cosないしＵ_sinは相応の変化を受ける。補助磁界Ｂ_Hが印加されていない場合の測定に対して相対的なこの信号ないし電圧変化δＵ_cosおよびδＵ_sinは論理結合、いわゆる領域関数において評価される。後で詳細に説明することになっている領域関数は論理値「０」または「１」をとることができ、これにより測定された角度αが０゜ないし１８０゜の領域にあるかまたは１８０゜ないし３６０゜の領域にあるかを決定することができる。これにより、ＡＭＲ角度センサ装置を用いて、０゜ないし３６０゜の領域全体にわたる絶対角度測定が実現可能である。
【００２６】
ホイートストーンブリッジ１１に印加される補助磁界の方向（角度α₂）は、ホイートストーンブリッジ１に印加される補助磁界（角度α₁）に対して４５゜だけ異なった方向を有している。このことは例えば図１に示されている。ここでは補助磁界Ｂ_Hはホイートストーンブリッジ１１に対して方向α₂＝４５゜に配向されておりかつホイートストーンブリッジ１に対して方向α₁＝９０゜に配向されている。補助磁界Ｂ_Hのこの配向によって、図２には、所属の信号変化δＵ_cosおよびδＵ_sinが示されている。電圧変化を確実に評価するために、重要度しきい値Ｓが定義される。重要度しきい値Ｓは例えば０．０５＊δＵ_max≦Ｓ≦０．３５＊δＵ_maxの大きな帯域幅内で選択することができる。図２では、重要度しきいＳ＝０．３３＊δＵ_maxが選択されている。そこでα_AMR180を、補助磁界なしに測定されかつ、１８０゜の周期性に基づいて、一義性領域０゜〜１８０゜に制限されている角度と表すとすれば、論理的な領域関数Ｆは次の通りである：
【００２７】
【数５】

【００２８】
ここで、Ｆ＝FALSCH（false）ないし「０」は、外部磁界Ｂ_extの検出すべき磁界方向の角度αが領域０゜ないし１８０゜にあり、すなわちα＝α_AMR180であることを意味しており、かつ
Ｆ＝WAHR（true）ないし「１」は、外部磁界Ｂ_extの検出すべき磁界方向の角度αが領域１８０゜ないし３６０゜にあり、すなわちα＝α_AMR180＋１８０゜であることを意味している。
【００２９】
次の表１に、領域関数の論理結合が詳細に示されている。信号変化δＵ_ｃｏｓの絶対値が重要度しきい値Ｓの下方にあるときだけ、信号変化δＵ_ｓｉｎが領域判定のために用いられることがわかる。この例は、図２に示されているように殊に、α＝０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜および３６０゜の周りの角度領域に対してないしα_{ＡＭＲ１８０}＝０゜、９０゜および１８０゜に対して生じる。
【００３０】
【表１】

【００３１】
この場合論理的な領域関数Ｆは次の値をとる：
０゜≦α＜１８０゜の場合０、および
１８０゜≦α＜３６０゜の場合１。
【００３２】
α_AMR180に対して、論理状態：
０゜≦α_AMR180≦１３５゜の場合ｕ、および
１３５゜≦α_AMR180≦１８０゜の場合ｏ
が基準である。
【００３３】
関数δＵ_cosおよびδＵ_sinの論理状態は次のように定義されている：
δＵ＞＋Ｓの場合＋
｜δＵ｜＜＋Ｓの場合？、および
δＵ＜−Ｓの場合−。
【００３４】
図３には、本発明の３６０゜ＡＭＲ角度センサの有利なレイアウトが示されており、これは薄膜技術を用いて製造可能である。個々のＡＭＲ測定ストリップないし抵抗はここでも参照番号１／１ないし１／４（ＣＯＳブリッジ）および１１／１ないし１１／４（ＳＩＮブリッジ）によって示されている。これらの抵抗の厚さは典型的には２０ｎｍないし５０ｎｍの領域にある。ストリップ幅は例えば１０μｍである。ＡＭＲ抵抗１／１ないし１／４および１１／１ないし１１／４の、２つのホイートストーンブリッジへの接続形成ないし金属化は例えばアルミニウムまたは銅ストリップ１０によって薄膜技術において実現されている。
【００３５】
補助磁界Ｂ_Hは薄膜プレーナコイル２によって生成される。このコイルは、典型的には２００ｎｍないし５００ｎｍの厚さの非導電性の中間層によって電気的に絶縁されて、ＡＭＲ抵抗１／１ないし１／４および１１／１ないし１１／４ないしこれらの金属化部の上に存在している。プレーナコイル２の形状は、補助磁界Ｂ_Hが図１に示されているようにホイートストーンブリッジ１（ＣＯＳブリッジ）の領域において方向α＝９０゜において配向されており、かつホイートストーンブリッジ１１（ＳＩＮブリッジ）の領域において方向α＝４５゜において配向されておりかつＡＭＲ測定ストリップの領域において層平面に対して平行に延在しているように、選択されている。殊に、プレーナコイル２の巻回はＡＭＲ抵抗のストリップないしミアンダ方向に対して平行ないし垂直に延在している。プレーナコイル２の巻回の幅は典型的には、ＡＭＲ抵抗の幅に合わせて定められている。図示の例において、それは１２μｍである。プレーナコイル２の巻回の層厚は典型的には、領域５００ｎｍないし１０００ｎｍにある。図示の例において、ホイートストーンブリッジ１，１１は並列に接続されている。全体のセンサエレメントは２つのコイル接続端子を含めて８つの接続パッド、すなわちＵ_cos−，Ｕ_cos＋，Ｕ_sin−，Ｕ_sin＋，Ｖ_cc，Ｖ_s−，Ｖ_s＋およびＧＮＤを有している。適当なケーシング、殊にＳＯＩＣ８ケーシングでのパッケージは簡単な手法で可能である。
【００３６】
プレーナコイル２による補助磁界Ｂ_Hの生成は、図３に示されているＡＭＲ抵抗の配置およびミアンダ化された形状には制限されていない。ＡＭＲ抵抗の実現もしくは配置により、ホイートストーンブリッジ１，１１の抵抗における電流方向が図１に示されている方向において延在していることが保証されていればよいだけである。すなわち、プレーナコイル２による補助磁界Ｂ_Hの生成は、例えばヨーロッパ特許出願第０６７１６０５号公報に記載されているスター形状の相互にかみ合わされている形式の接続のような択一的な配置においても可能である。同様に、例えばミアンダ化されたＡＭＲ抵抗ないし抵抗ストリップに代わって、例えばＷＯ９７００４２６Ａ１およびドイツ連邦共和国特許第４３２７４５８号明細書に記載されているような、任意の方形、正方形、円形または楕円形のＡＭＲ薄膜ストラクチャの直列接続も可能である。
【００３７】
（詳しく図示されていない）評価回路には領域関数を実現するために必要である量が供給される。補助磁界Ｂ_Hが印加されていない場合の、すなわちプレーナコイル２に電流が流れていない状態において角度α_AMR180の算出は例えば、マイクロプロセッサ回路を介して公知の方法により式α＝０．５＊ａｒｃｔａｎ（Ｕ_sin／Ｕ_cos）によるアークタンジェントの計算によりまたは別の適当な計算方法を介して行われる。別のデジタル回路網を用いて、信号電圧Ｕ_sin，Ｕ_cosおよび角度α_AMR180が記憶される。引き続いて、印加される補助磁界Ｂ_H、すなわち電流が流れているプレーナコイル２を用いた新たな測定が実施される。別の論理回路網を介して上に述べた領域関数Ｆの実現が行われる。この関数は重要度しきい値Ｓを使用して電圧変化δＵ_cosおよびδＵ_sinの極性を評価しかつ出力すべき測定角度がα_AMR180に等しいのかまたはα_AMR180＋１８０゜に等しいのかを決定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 回転可能なエレメントの回転角度捕捉のための装置の有利な実施例の略図である。
【図２】 検出すべき外部の磁界の方向に依存して補助磁界を印加した際に、回転角度を検出するための本発明の装置において生成するコサインおよびサインブリッジ信号電圧の変化を示す線図である。
【図３】 回転角度捕捉のための本発明の装置の有利な実施例の可能なレイアウトの平面図である。

Claims (15)

1. 回転可能なエレメントの回転角度捕捉装置であって、
   センサ装置の磁気的に影響される特性が評価されて、回転可能なエレメントによって生成されるまたは影響される第１の磁界Ｂ_ｅｘｔが評価回路において検出されかつ回転角度を求めるために用いられ、ここでセンサ装置は磁気抵抗効果を利用して、１８０゜である第１の角度領域にわたって、前記第１の磁界Ｂ_ｅｘｔの方向に一義的に対応している信号を送出する形式のものにおいて、
   センサ装置に補助磁界Ｂ_Ｈを選択的に印加するための手段（２）が設けられており、該補助磁界を用いて、前記第１の磁界Ｂ_ｅｘｔの方向に対応している信号を変形して、３６０゜である第２の角度領域にわたる角度を一義的に求めることができるようにした
   ことを特徴とする装置。
2. センサ装置は複数の磁気抵抗エレメント（１／１〜１／４；１１／１〜１１／４）を有し、該エレメントは相互接続されて少なくとも２つのブリッジ回路を形成しており、該ブリッジの一方は、第１の磁界Ｂ_ｅｘｔの、基準方向に関する角度のコサインに対応している信号を送出し、かつ他方は、角度のサインに対応している信号を送出する
   請求項１記載の装置。
3. ブリッジ回路はホイートストーンブリッジ（１，１１）である
   請求項２記載の装置。
4. 磁気抵抗エレメントは長く延びた形状のＡＭＲ素子（１／１〜１／４；１１／１〜１１／４）である
   請求項３記載の装置。
5. ブリッジ回路（１；１１）のブリッジ分岐に配属されている２つの磁気抵抗エレメントそれぞれを流れる電流の方向は相互に垂直に延在している
   請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. ブリッジ回路（１；１１）は４５゜の角度だけ相互に回転されて配置されている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 補助磁界Ｂ_Ｈはそれぞれのブリッジ回路（１；１１）において異なった方向を有し、ここで異なっている方向は相互に４５゜の角度を成している
   請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 磁気抵抗エレメント（１／１〜１／４；１１／１〜１１／４）はミアンダ形状に実現されている
   請求項１記載の装置。
9. 補助磁界Ｂ_Ｈはプレーナコイル（２）を用いて生成可能であり、該プレーナコイルは非導電性の中間層を介して磁気抵抗エレメント（１／１〜１／４；１１／１〜１１／４）およびその金属被膜に関して電気的に絶縁されて配置されている
   請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 回転可能なエレメントの回転角度捕捉方法であって、
    センサ装置の磁気的な特性が評価されて、回転可能なエレメントによって引き起こされるまたは影響される第１の磁界Ｂ_ｅｘｔを評価回路において検出しかつ回転角度を求めるために用いる形式の方法において、
    ａ）第１の磁界Ｂ_ｅｘｔが印加されているときにセンサ装置によって捕捉される信号を求め、
    ｂ）センサ装置に付加的な補助磁界Ｂ_Ｈを一時的に印加し、
    ｃ）センサ装置によって捕捉された信号の、補助磁界Ｂ_Ｈが印加されていないときに捕捉される信号に関する変化を求めて、回転角度に依存した変化信号が得られるようにし、かつ
    ｄ）該変化信号と、補助磁界Ｂ_Ｈが印加されていないときに捕捉される信号とを相関して、３６０゜までの回転角度が一義的に求められるようにする
    ことを特徴とする方法。
11. センサ装置は２つの、４５゜だけ相互に回転されているブリッジ回路を有している
    請求項１０記載の方法。
12. ブリッジ回路はホイートストーンブリッジである
    請求項１１記載の方法。
13. 相関を次式の領域関数Ｆ
    

    

    を用いて実施し、ここでα_{ＡＭＲ１８０}は補助磁界Ｂ_Ｈが印加されていないときに捕捉される角度信号であり、Ｓは設定可能な重要度しきい値であり、δＵ_ｃｏｓないしδＵ_ｓｉｎはセンサ装置の角度に依存している変化信号であり、かつｆ（α_１，α_２）はブリッジ回路ないしブリッジ回路における補助磁界の、基準方向に関する角度の配向の加算関数ないし減算関数を表している
    請求項１１または１２記載の方法。
14. ｆ（α_１，α_２）はα_１＋α_２の形の関数である
    請求項１３記載の方法。
15. ｆ（α_１，α_２）は｜α_１−α_２｜の形の関数である
    請求項１３記載の方法。

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