JPH09510775A - 回転あるいは角運動を検出するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転運動部分と共に回転するデータ発生器（８）と、静止トランスデューサ（１４，１５，１６）とを備え、この静止トランスデューサは、バイアス磁石（７，１１）を持つ磁気抵抗センサ部材（１，１′）を含む。データ発生器は、回転方向（Ｙ方向）に沿って、極性が交互に変化する一連の永久磁石領域（９）を有するエンコーダ（８）である。バイアス磁石（７，１１）により形成される磁界成分（Ｘ方向）に垂直なセンサ部材（１，１′）の主方向（Ｙ方向）に回転中に、回転運動を表しかつ磁気抵抗センサ部材（１，１′）をＹ方向に通る隣接した永久磁石領域（９）間の磁界成分を変更するように、センサ部材（１，１′）が配置され、バイアス磁石（７，１１）が磁化される。

Description

【発明の詳細な説明】 回転あるいは角運動を検出するための装置 本発明は、特に回転あるいは角運動をなす部分と共に回転するデータ発生器（ Messwertgeber）と、静止のトランスデューサ（Messwetaufnehmer）とを備え、 この静止のトランスデューサは、空隙によりこのデータ発生器に磁気結合されか つバイアス磁石および電子評価回路を持つ磁気抵抗センサ部材を含み、この磁気 抵抗センサ部材は、磁気の２つの直交する主たる方向（Vorzugsrichtung）を有 し、永久磁場成分が、バイアス磁石により、１の主たる方向に形成される。 この形式の装置は、各車輪の回転状態をモニタするために、主として自動車産 業で必要とされている。車輪速度は、アンチロックシステム、トラクションスリ ップ制御システムおよび走行安定制御システム等の制御システムのためのインプ ット変数として極めて重要である。 車輪の回転速度を測定するためのセンサ装置には、多数の方法が知られている 。通常、このようなセンサ装置におけるデータ発生器は、回転を測定すべき部材 あるいは車輪に機械的に連結されたインクリメンタルエンコーダである。更に、 エンコーダをスキャンするトランスデューサあるいはセンサがある。強磁性の歯 付きホイール、リング、および、強磁性の孔付きディスク等がエンコーダとして 使用される。ホイールベアリングに使用するために、例えば機械部材であるキャ リヤ部材に埋設された連続的な環状あるいは円形状のＮ極およびＳ極の配列によ る磁性構造体を、データ発生器として使用することも通常のものである。 今日では、磁気抵抗原理によるいわゆる「受動的」センサが、最も一般的であ る。これらのセンサは、トランスデューサとして永久磁石をもつ銅コイルを用い る。このトランスデューサは、データ発生器として作用する歯付きディスクある いは他のエンコーダに磁気的に連結される。エンコーダは、動きに同期して磁気 カップリング抵抗を調整し、動きを表す交流電圧が、銅コイルに誘導される。交 流電圧の周波数が測定量として評価され、ホイールの回転速度が定められる。誘 導された信号電圧の大きさは、回転速度、および、データ発生器とトランスデュ ーサとの間の空隙、あるいは、歯付きシステムとセンサとの間の空隙の関数であ る。 本発明の主題に含まれる「能動的」センサが、当該技術でよく知られている。 基本的に、これらは静磁気的に感応する部材と、エンコーダに磁気的に連結され る永久磁石とを組合わされている。エンコーダは、動きに同期して磁気カップリ ング抵抗あるいは磁場方向をモジュレートし、センサ部材は磁束密度あるいは磁 場ベクトルの変化に応答する。このように静磁気的に応答する部材の例は、ホー ルプローブ（Hall probe）およびパーマロイをベースにした磁気抵抗体である。 センサ部材上の信号電圧の大きさは、空隙に対応するが、しかし、回転速度ある いは周波数からは独立している。 「磁気抵抗回転速度センサ−信頼できかつ安価な」（Graeger Petersen、Elek tronik 24/1994、48から52ページ）と題する論文は、データ発生器である強磁性 材料で形成された歯付きディスクと互いに作用し合う能動形式の回転速度センサ について記載する。実際のセンサ部材は、歯付きディスクから離隔する側に永久 磁石を備える。この磁石の磁場は、磁気抵抗センサ部材をバイアスし、共に回転 する歯付きホイールに磁気カップリング抵抗を形成する。したがって、実際の作 動に十分な空隙を設けるために、比較的大きなボリュームの永久磁石が必要とさ れる。 本発明の目的は、従来のものに比して構造的に可能な限り小形化し、自動車の ホイールベアリング内に収容可能で、例えば更に空隙あるいはデータ発生器とト ランスデューサとの間の距離を最大とすることが可能な能動的センサ部材を含む 上記形式の装置を提供することである。 この目的は、添付の請求項１に記載の装置により達成できることが判明した。 本発明の装置の特別な特徴は、データ発生器が、回転方向に沿って極性を交互に 配置した連続的な永久磁石領域を有し、センサ部材が配置され、バイアス磁石が 、センサ部材の主たる方向においてデータ発生器の移動方向に垂直に延びる磁界 成分を形成するように磁化され、回転中に、バイアス磁石で形成された磁界成分 に垂直であるセンサ部材の主たる方向において、磁石領域が、回転方向にセンサ 部材を通りかつ回転動を現す隣接永久磁石領域間の磁路を変更させる。 本発明では、磁気抵抗センサ部材を用いており、これは比較可能な状況下にお いて、ホール部材に比較して、エンコーダとセンサとの間により大きな空隙を許 容することが知られているからである。上記の論文（Elektronik 24/1992）で引 用されているセンサ部材ＫＭＩ １０／１は、能動的回転速度センサ部材等の一 例である。上記のセンサ部材は、適宜の強磁性材料のエンコーダと組合わせて用 いることを意図したものである。添付の第１図に示すように、センサは、磁気抵 抗のホイートストンブリッジ１と、電子評価回路２と、永久磁石３とを備え、こ の永久磁石はＸＺ平面の方向に磁化されている。作動中、センサは強磁性材料で 形成された歯付きホイールに小さな空隙を介して磁気的に連結されている。歯幅 は、Ｘ方向（第１図参照）に沿い、Ｙ方向に歯付きホイールが回転したときに、 磁気抵抗部材の抵抗を備えて永久磁石３に対向するブリッジの側部を越えて移動 する。これにより、Ｙ方向に加え、ＸＺ平面の磁界も交互に変形する。磁気抵抗 のホイートストンブリッジは、偏向（Verstimmung）により、Ｙ方向の磁界成分 と反応するように形成されかつ配置されている。電子評価回路２は、主としてブ リッジ信号増幅器を備え、このブリッジ信号増幅器は続くトリガー回路を有し、 このトリガー回路は、空隙の大きさにかかわらずにその呼び空隙の領域に２つの 一定の振幅値を持つバイナリ出力信号を生成する。振幅値の側部の変化は、デー タ発生器の歯付きホイールの間隔を現す。評価回路は、端子４を通じて電流の形 態の信号を送るように形成されている。センサ部材と信号処理回路との双方は、 集積回路であり、それぞれプラスチックハウジング内に封入されている。２つの ハウジングは、システムのキャリア部材１０により機械的に連結される。更に、 システムキャリア部材は、導電結合を形成する。 本発明の装置は、所要の低減された構造的ボリュームおよび更により大きな空 隙を許容可能なことは、磁気構造体をバイアス磁石に分割することにより達成す ることができ、このバイアス磁石は、エンコーダの移動方向（Ｙ方向）およびデ ータ発生器の永久磁石の領域に垂直に延びるＸ方向すなわち磁気抵抗センサ部材 の主たる磁気方向の１のなかに、磁界を形成する。 本発明の装置の好ましい実施例では、データ発生器は回転動するディスクの形 状を有する。永久磁石領域は、ディスクの周部に均等に分布される。永久磁石領 域は、ディスクの回転面内あるいはディスクの周部で機械的なキャリア材料内に 埋設され、あるいは、所要領域内の磁化により形成される。トランスデューサは 、ディスクに平行に、あるいは、領域の配置にしたがって軸線を平行にした状態 に整列されるのが好ましい。 更に、本発明の好ましい他の実施例は、従属形式の請求項に記載されている。 例えば、トランスデューサは１ハウジング形式あるいは２ハウジング形式のベー ス部材として形成することができ、バイアス磁石はハウジング上、特にエンコー ダから離隔した側に配置することができ、あるいは、ハウジング内に埋設しても よい。 本発明の他の詳細な点については、添付図面を参照する以下の実施例に関する 説明から明らかとなる。 図中、 第１図は、能動センサ部材を含む上述の従来のトランスデューサの基本構造の 平面図および側面図である。 第２図は、本発明によるトランスデューサの実施例の外部構造を概略的に簡略 化した斜視図である。 第３図は、本発明の装置の他の実施例をエンコーダと組合わせて示す第２図と 同様な図である。 第４図は、第２図のトランスデューサの実施例の基本構造の概略的な断面図で ある。 第５図は、本発明によるトランスデューサの他の実施例の第４図と同様な図で ある。 第６図は、従来技術による測定装置におけるデータ発生器（ａ）および本発明 による測定装置（ｂ）に対するトランスデューサの配置の概略的な部分断面図で ある。 第１図に示す従来技術によるトランスデューサについては、上記で説明してあ る。 第１図に対し、第２図は本発明によるトランスデューサ１４を示す。第２図の 実施例は、センサハウジング５′内に磁気抵抗センサ部材と従来のものに比して 極めて小さなサイズのバイアス磁石とを収容し、ＩＣハウジング６内に集積回路 により好適に設けられた評価回路を収容する２ハウジング形式のトランスデュー サに関する。全体ユニットは、第１図のシステムキャリア部材と同様な共通のシ ステムキャリア１０に装架される。本発明をより詳細に説明するために使用され る基準方向Ｘ，Ｙ，Ｚは、第２図に示してある。「Ｙ」は関連するエンコーダ（ 第３図参照）の移動あるいは回転方向を示し、「Ｘ」はセンサ部材１の磁気の主 方向（Vorzugsrichtung）を示し、これは方向Ｙに垂直であり、バイアス磁石（ ７，１１；第３図から第５図参照）に極性を与える方向を規定する。最後に、「 Ｚ」はここで使用される座標システムの第３の基準方向を示す。 第３図は、本発明によるトランスデューサ１５と関連するデータ発生器８との 相対配置を示す。第２図の実施例に比し、第３図では、Ｘ方向に極性を与えられ ているバイアス磁石７がセンサハウジング５の外側に配置されている。センサハ ウジング５はセンサ部材１（図示しない）を収容する。 第３図に示すように、磁気エンコーダ８が本発明のデータ発生器（Messwertge ber）として使用されている。エンコーダ８はディスクであり、このディスクは 、回転平面内においてディスクの周部で均等に離隔しかつ均等に分布された複数 の永久磁石領域９を有する。キャリア材料１７内で磁化されあるいは埋設された この領域９は、移動方向あるいはＹ方向に沿ってＮ極とＳ極Ｎ／Ｓを交互に順に 形成されている。本発明の装置がベアリングセンサとして形成された場合は、エ ンコーダは第３図のように磁化されたホイールベアリングのシールリングである のが好適である。 第３図に示す実施例の磁気エンコーダ８がＹ方向に移動すると、電圧信号が端 子Ａ／Ｂに発生し、この周波数はＮ極／Ｓ極の一連の交替で定まる。この装置に おけるセンサは能動センサであるため、電気エネルギ源が必要であり、これをエ ネルギ源Ｑで示してある。 第４図は、第２図に斜視図で示すトランスデューサ（Messwetaufnehmer）の内 部構造の概略図である。２ハウジング形式のベース部材がキャリア構造部材１０ 上に密に装着されている。ハウジング部５′は磁気抵抗部材１とバイアス磁石１ １とを収容する。バイアス磁石１１はＸ方向に磁化されており、磁化されたエン コーダ８（第３図参照）から離隔した側に配置されている。したがって、センサ 部材１は、バイアス磁石１１とエンコーダの磁石領域９あるいはデータ発生器８ との間に配置される。評価回路２は、第２ハウジング部６内に収容される。 第５図のトランスデューサは、第４図の実施例とは、評価回路２′の位置が相 違する。この実施例における電子回路２は、センサ部材１′とバイアス磁石１１ との間に収容されている。キャリア構造部材１０′は、電気結合部を含んでおり 、回路２′とバイアス磁石１１との間に介挿される。他の配置も可能である。結 局、バイアス磁石１１の永久磁界はセンサ部材１′をＸ方向に通り、このセンサ 部材１′がエンコーダ８の磁石領域９のＹ方向の磁界（図示せず）に晒されるこ とが重要である。 バイアス磁石１１の外部構造は、個々に記載の所定形状に制限されない。重要 なことはＸ方向に予め磁化することである。形状のタイプは、トランスデューサ の製造あるいは装着方法を考慮して選択することができる。バイアス磁石はその 磁界がセンサ部材１，１′を通ることだけが必要で、データ発生器８に対する空 隙の架橋を防止する必要があるため、小さな体積のもので十分である。 能動的センサ部材と強磁性データ発生器とを有する従来の装置に比した本発明 の測定装置の主たる利点は、少ない構造的容積で十分なことである。この容積の 減少により、この原理にしたがうホイールベアリングセンサの構造を実際に作動 可能とする。 第６図は、従来技術と本発明との間の相違を示す。第６図のａ）における従来 の原理では、大きな容積お永久磁石３が必要であり、そのＺ方向における磁界は 空隙Ｌ１を越え、強磁性データ発生器１８に至る。本発明の装置を示す第６図の ｂ）では、より小さなサイズのバイアス磁石１１で十分である。実際の作動にお いて、因数１００だけそのサイズを減少した永久磁石が、本発明の装置に対して 十分であることが示されている。 センサ部材１と磁化されてないエンコーダ８の表面との間の許容可能な空隙は 、本発明により、第６図のａ）の従来の回転速度測定装置のものよりもかなり大 き くすることができる。 したがって、従来の装置の永久磁石３は、距離Ｌ２だけが利用可能な空隙とし て利用可能な状態で（センサ部材１が収容されたハウジングを無視したときに） 、距離Ｌ１を越える磁界を形成する必要がある。これに対し、本発明の装置では 、Ｌ１−Ｌ２が適用される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 回転あるいは角運動をなす部分を共に回転するデータ発生器と、静止トラ ンスデューサとを備え、この静止トランスデューサは、空隙によりこのデータ発 生器に磁気結合されかつバイアス磁石および電子評価回路を持つ磁気抵抗センサ 部材を含み、この磁気抵抗センサ部材には、２つの直交する主たる磁気方向（Ｘ ，Ｙ）を有し、永久的な磁場成分は、バイアス磁石により、１の主方向（Ｘ方向 ）に形成される回転あるいは角運動を検出するための装置であって、 データ発生器（８）は回転方向（Ｙ方向）に交互に極性（Ｎ／Ｓ）を配置した 連続的な永久磁石領域（９）を有し、データ発生器（８）の移動方向（Ｙ方向） に垂直に延びる磁界成分をセンサ部材（１，１′）の主方向（Ｘ方向）に形成す るように、センサ部材（１，１′）が配置されかつバイアス磁石（７，１１）が 磁化され、バイアス磁石（７，１１）により形成される磁界成分にほぼ垂直であ るセンサ部材の主方向（Ｙ方向）にデータ発生器（８）が回転しているときに、 磁気領域（９）は、センサ部材（１，１′）を回転方向（Ｙ方向）に通る、隣接 する永久磁石領域（９）間の磁路を変更させることを特徴とする装置。 ２． データ発生器（８）は、ディスクの形状を有し、永久磁石領域（９）はデ ィスクの周部に均等に分布されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ３． 永久磁石領域（９）はディスクの回転平面内に配置され、トランスデュー サ（１４，１５，１６）がディスクに平行に配置されていることを特徴とする請 求項２に記載の装置。 ４． 永久磁石領域（９）はディスクの周部に配置され、トランスデューサは周 部に軸平行状態に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。 ５． 永久磁石領域（９）は、機械的なキャリア材料（１７）内に磁性部材を埋 設することにより、あるいは、キャリアの領域（９）を磁化することにより、設 けられることを特徴とする請求項1から４のいずれか１に記載の装置。 ６． トランスデューサ（１４，１５）は、装着キャリア（１０）上に配置され た２ハウジング形式のベース部材として形成され、Ｘ方向に磁界成分を形成する バイアス磁石（７）は、磁気抵抗センサ部材（１）のハウジング（５）の外側に 配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の装置。 ７． トランスデューサ（１６）は、１ハウジング形式のベース部材として形成 され、バイアス磁石（１１）は磁気抵抗センサ部材（１１）のハウジング（５′ ）の内側に配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の装 置。 ８． トランスデューサ（１４）は、２ハウジング形式のベース部材として形成 され、バイアス磁石（１１）は、磁気抵抗センサ部材（１）のハウジング（５′ ）の内側に配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の装 置。 ９． トランスデューサ（１６）は、１ハウジング形式のベース部材（１２）と して形成され、バイアス磁石（１１）はベース部材の内側に配置されていること を特徴とする請求項1から５のいずれか１に記載の装置。 １０． Ｘ方向に磁界成分を形成するバイアス磁石（７，１１）は、データ発生 器（８）から離隔した側で、磁気抵抗センサ部材（１，１′）に対してハウジン グの内側あるいは外側に配置されることを特徴とする請求項１から９のいずれか １に記載の装置。 １１． ホイールベアリングセンサとして設けられる請求項１から１０のいずれ か１に記載の装置。 １２． データ発生器（８）は、ホイールベアリングのシールリングに永久磁石 領域（９）を取込むことにより、あるいは、対応する領域（９）を磁化すること により設けられることを特徴とする請求項１１に記載の装置。