JP4653379B2 - 磁気マルチポールホイールをスキャンする磁気抵抗センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
従来技術
磁気ゲージないしマルチポールホイールのスキャンによる位置測定ないし角度測定は、従来技術、例えばＤＥ１９５０６９３８Ａ１に記載されている。
【０００２】
発明の課題
実際に磁気センサとゲージとのあいだに存在する間隔では、磁場の特性は考えられているような理想的な正弦波ではなく、矩形波成分を有する。この矩形波成分は一般的によく、正弦波関数の第３高調波および第５高調波によってあらわされる。これによってこの方法の精度は制限されてしまう。高調波のない磁場特性は一般的に作用間隔が比較的大きい場合、従って作用する磁場強度が非常に小さい場合にのみ得られる（磁場強度は、この間隔につれて指数関数状に低下する）。これによってこのシステムは非常に妨害されやすくなる。
【０００３】
本発明は次のようなセンサ構造を提案する。すなわちそのゲオメトリーに基づいて第３および／または第５高調波が信号からフィルタリング除去されて、センサとゲージとの間隔が短い場合にも測定値として正弦波形状の特性が得れるセンサ構造である。さらにこの特性は、上述の高調波補正によって、センサの作用間隔に実質的に依存しない。このためシステム内で生じ得る偏心が測定結果に及ぼす影響は最小化される。
【０００４】
発明の核心および利点
作用間隔が小さい場合の駆動中の精度と妨害の受けにくさが改善された位置検出器。ポールホイールの偏心ないしはその位置ずれの影響を受けない。
【０００５】
構成及び機能の詳細な説明
従来技術では磁気ゲージ（例えばマルチポールホイール）は、いわゆる傾度測定器によってスキャンされる（図１も参照）。ここでこれは４つの同様の磁気抵抗素子からなるホイートストンブリッジ回路のことである。ここで２つのハーフブリッジは空間的に分けられている（図２参照）。ここでブリッジの各素子は、そこに加えられている磁場の関数として電圧を形成する。ブリッジの各素子の出力電圧は、印加磁場の方向角度によって正弦波形状に変えられる。磁気抵抗効果素子として、いわゆる「スピンバルブ（Spin-Valve）」が使用される場合は特にそうしたケースである。この場合、ゲージが極対分センサを通過して動くと、これは個々の抵抗での信号の３６０°の位相に相当する。２つのハーフブリッジ間の間隔ｄは通常は極対の半分の長さ、すなわちλ／２である（図１参照）。なぜならここで２つのハーフブリッジでの信号の位相は、１８０°ずらされ、これによって正弦波形状のブリッジ出力信号が最大の振幅に使用されるからである。
【０００６】
本発明が使用する事実は、
１. ２つのハーフブリッジの間隔ｄがλ／２でない場合にも殆どの場合に正弦波形状のブリッジ信号が供給され；
２. ただし振幅は僅かに低減される；
３. 周期ｄの高調波に対してはブリッジは信号を供給しない。
【０００７】
対称であるから、上述のポールホイールでは奇数の高調波しか生じない。第３高調波を抑えるブリッジを実現させたい場合、間隔ｄ＝λ／３（１２０°）またはその倍数が選択される。この場合ハーフブリッジ間の位相は１２０°である。これはちょうど第３高調波の周期に一致する。この場合ブリッジ電圧は、λ／２を有するブリッジと比べて、９０％に降下する。ブリッジ信号はここで元の信号の基本波長に対して位相が３０°ずらされる（図３参照）。
【０００８】
同じように第５高調波を、ハーフブリッジの間隔ｄ＝λ／５、またはその倍数によって抑圧することができる（図４参照）。
【０００９】
実際には第３および第５高調波が抑圧されると、充分に良好な高調波抑圧が得られる。これは以下の装置および信号評価によって実現される（図５および図６参照）。
【００１０】
１. ｄ＝λ／３を有するブリッジＢ１の信号Ｓ１が、ｄ＝２＊λ／３を有するブリッジＢ２の信号Ｓ２と平均化され、結果として信号Ｓ１２が生じる。
【００１１】
２. さらにｄ＝λ／３を有するブリッジＢ３の信号Ｓ３が用いられる。ここでこれは、Ｂ１およびＢ２と比べて位相が３０°ずれて配置されている。従ってこれは１２０°−ブリッジの位相補正信号である。
【００１２】
３. Ｓ１２とＳ３との平均値によって、第３および第５高調波がフィルタリング除去された磁場特性が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 磁気ゲージのスキャンをあらわす図である。
【図２】 傾度測定器ブリッジをあらわす図である。
【図３】 ｄ＝λ／３を有するブリッジ、３０％の第３高調波成分を有する磁場特性へのフィルタリング効果を示す。
【図４】 ｄ＝λ／５を有するブリッジ、２０％の第５高調波成分を有する磁場特性へのフィルタリング効果を示す。
【図５】 個々の信号の基本的な形成および平均化を示す。
【図６】 テクストに記載された装置、３０％の第３高調波成分および３０％の第５高調波成分を有する磁場特性へのフィルタリング効果を示す。
従来技術
磁気ゲージないしマルチポールホイールのスキャンによる位置測定ないし角度測定は、従来技術、例えばＤＥ１９５０６９３８Ａ１に記載されている。
【０００２】
発明の課題
実際に磁気センサとゲージとのあいだに存在する間隔では、磁場の特性は考えられているような理想的な正弦波ではなく、矩形波成分を有する。この矩形波成分は一般的によく、正弦波関数の第３高調波および第５高調波によってあらわされる。これによってこの方法の精度は制限されてしまう。高調波のない磁場特性は一般的に作用間隔が比較的大きい場合、従って作用する磁場強度が非常に小さい場合にのみ得られる（磁場強度は、この間隔につれて指数関数状に低下する）。これによってこのシステムは非常に妨害されやすくなる。
【０００３】
本発明は次のようなセンサ構造を提案する。すなわちそのゲオメトリーに基づいて第３および／または第５高調波が信号からフィルタリング除去されて、センサとゲージとの間隔が短い場合にも測定値として正弦波形状の特性が得れるセンサ構造である。さらにこの特性は、上述の高調波補正によって、センサの作用間隔に実質的に依存しない。このためシステム内で生じ得る偏心が測定結果に及ぼす影響は最小化される。
【０００４】
発明の核心および利点
作用間隔が小さい場合の駆動中の精度と妨害の受けにくさが改善された位置検出器。ポールホイールの偏心ないしはその位置ずれの影響を受けない。
【０００５】
構成及び機能の詳細な説明
従来技術では磁気ゲージ（例えばマルチポールホイール）は、いわゆる傾度測定器によってスキャンされる（図１も参照）。ここでこれは４つの同様の磁気抵抗素子からなるホイートストンブリッジ回路のことである。ここで２つのハーフブリッジは空間的に分けられている（図２参照）。ここでブリッジの各素子は、そこに加えられている磁場の関数として電圧を形成する。ブリッジの各素子の出力電圧は、印加磁場の方向角度によって正弦波形状に変えられる。磁気抵抗効果素子として、いわゆる「スピンバルブ（Spin-Valve）」が使用される場合は特にそうしたケースである。この場合、ゲージが極対分センサを通過して動くと、これは個々の抵抗での信号の３６０°の位相に相当する。２つのハーフブリッジ間の間隔ｄは通常は極対の半分の長さ、すなわちλ／２である（図１参照）。なぜならここで２つのハーフブリッジでの信号の位相は、１８０°ずらされ、これによって正弦波形状のブリッジ出力信号が最大の振幅に使用されるからである。
【０００６】
本発明が使用する事実は、
１. ２つのハーフブリッジの間隔ｄがλ／２でない場合にも殆どの場合に正弦波形状のブリッジ信号が供給され；
２. ただし振幅は僅かに低減される；
３. 周期ｄの高調波に対してはブリッジは信号を供給しない。
【０００７】
対称であるから、上述のポールホイールでは奇数の高調波しか生じない。第３高調波を抑えるブリッジを実現させたい場合、間隔ｄ＝λ／３（１２０°）またはその倍数が選択される。この場合ハーフブリッジ間の位相は１２０°である。これはちょうど第３高調波の周期に一致する。この場合ブリッジ電圧は、λ／２を有するブリッジと比べて、９０％に降下する。ブリッジ信号はここで元の信号の基本波長に対して位相が３０°ずらされる（図３参照）。
【０００８】
同じように第５高調波を、ハーフブリッジの間隔ｄ＝λ／５、またはその倍数によって抑圧することができる（図４参照）。
【０００９】
実際には第３および第５高調波が抑圧されると、充分に良好な高調波抑圧が得られる。これは以下の装置および信号評価によって実現される（図５および図６参照）。
【００１０】
１. ｄ＝λ／３を有するブリッジＢ１の信号Ｓ１が、ｄ＝２＊λ／３を有するブリッジＢ２の信号Ｓ２と平均化され、結果として信号Ｓ１２が生じる。
【００１１】
２. さらにｄ＝λ／３を有するブリッジＢ３の信号Ｓ３が用いられる。ここでこれは、Ｂ１およびＢ２と比べて位相が３０°ずれて配置されている。従ってこれは１２０°−ブリッジの位相補正信号である。
【００１２】
３. Ｓ１２とＳ３との平均値によって、第３および第５高調波がフィルタリング除去された磁場特性が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 磁気ゲージのスキャンをあらわす図である。
【図２】 傾度測定器ブリッジをあらわす図である。
【図３】 ｄ＝λ／３を有するブリッジ、３０％の第３高調波成分を有する磁場特性へのフィルタリング効果を示す。
【図４】 ｄ＝λ／５を有するブリッジ、２０％の第５高調波成分を有する磁場特性へのフィルタリング効果を示す。
【図５】 個々の信号の基本的な形成および平均化を示す。
【図６】 テクストに記載された装置、３０％の第３高調波成分および３０％の第５高調波成分を有する磁場特性へのフィルタリング効果を示す。
Claims (7)
- 磁気マルチポールホイール（１）をスキャンする磁気抵抗センサであって、
前記マルチポールホイールは、同様に配置された多数の極対（２）を有しており、
４つの磁気抵抗効果素子（Ｒ１〜Ｒ４）が設けられており、
当該磁気抵抗効果素子は電気的に、２つのハーフブリッジを有するホイートストンブリッジとして接続されており、
ここで一方のブリッジ対角線に電圧Ｕ０が印加されて、他方の対角線で正弦波信号ないしは余弦波信号（Ｓ１）が生じ、
相互に平行に位置する２つの抵抗（Ｒ１）および（Ｒ２）ないし（Ｒ３）および（Ｒ４）間の間隔（ｄ）は、前記マルチポールホイール（１）のスキャン方向に関して、当該間隔が前記極対（２）の波長（λ）の３分の１または５分の１に相当するように選択される形式のものにおいて、
前記抵抗（Ｒ１）と（Ｒ２）との間隔、および抵抗（Ｒ３）と（Ｒ４）との間隔は同じであり、
前記２つのハーフブリッジは空間的に別個にされており、
前記磁気抵抗効果素子（Ｒ１〜Ｒ４）はスピンバルブによって構成されており、
前記磁気マルチポールホイール（１）が、当該磁気抵抗センサを極対分だけ通過する運動は、前記個々の抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）での信号の３６０°の位相に相応する、
ことを特徴とする、磁気マルチポールホイールをスキャンする磁気抵抗センサ。 - 前記間隔（ｄ）は、前記部分波長の倍数に相当するように選択されており、当該部分波長は、前記極対（２）の波長（λ）の３分の１または５分の１である、請求項１記載のセンサ。
- 第２のセンサ（３）が設けられ、当該第２のセンサ（３）は前記第１のセンサと同じように電気的に、２つのハーフブリッジを有するホイートストンブリッジとして構成されており、
前記第１のセンサのハーフブリッジの間隔はｄ＝λ／３であり、前記第２のセンサのハーフブリッジの間隔はｄ＝２＊λ／３である、請求項１または２記載のセンサ。 - 前記第１のセンサのホイートストンブリッジの信号と前記第２のセンサのホイートストンブリッジの信号は平均化される、請求項３記載のセンサ。
- 前記第１のセンサのホイートストンブリッジおよび前記第２のセンサのホイートストンブリッジと同様に構成されたホイートストンブリッジを有する第３のセンサが後置接続されており、
ここで当該第３のセンサのハーフブリッジの間隔はｄ＝λ／３であり、当該第３のセンサは第１のブリッジおよび第２のブリッジに対して位相が３０°ずらされて配置されている、請求項３または４記載のセンサ。 - 前記第１のセンサのホイートストンブリッジの信号と前記第２のセンサのホイートストンブリッジの信号と前記第３のセンサのホイートストンブリッジの信号から平均値を求める、請求項５記載のセンサ。
- 前記センサは、回転角度を求めるのに使用される、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ。
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