JPH1082795A - 回転要素の速度検出装置 - Google Patents

回転要素の速度検出装置

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JPH1082795A
JPH1082795A JP9119318A JP11931897A JPH1082795A JP H1082795 A JPH1082795 A JP H1082795A JP 9119318 A JP9119318 A JP 9119318A JP 11931897 A JP11931897 A JP 11931897A JP H1082795 A JPH1082795 A JP H1082795A
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frequency
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rotating element
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James D Seefeldt
ジェームズ・ディー・シーフェルト
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転要素の回転速度を決定するセンサを提供
すること。 【解決手段】 センサ（１８）は、巨大磁気抵抗率を有
する感知デバイス（４２）を有する。感知デバイス（４
２）は、回転要素の回転速度に対応する周波数を有する
信号を出力し、この出力信号は、シュミット・トリガ
（５８）などの波形整形回路によって、同じ周波数のデ
ジタル・スイッチング信号に整形される。更に、フリッ
プフロップ（６２）などの分周器が設けられ、この分周
器は、このデジタル・スイッチング信号に応答して、デ
ューティ・サイクルが５０％であって、所定の除数によ
って分周された周波数を有する矩形波出力を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転している要素
（部材）の角速度を決定するセンサを含む車両に関す
る。更に詳しくは、本発明は、巨大な磁気抵抗率（magn
etoresistive ratio）感知デバイスと信号処理（condit
ioning）回路とを用いて５０％のデューティ・サイクル
を有する電気信号を発生させることに関する。
【０００２】
【従来の技術】回転要素の速度を感知する一般的な方法
は、その外周上に配置された複数の歯を有するトーン・
ホイールに磁気的に結合された磁気抵抗又はホール効果
デバイスのどちらかを用いることである。トーン・ホイ
ールは、回転要素に引き付けられ、感知デバイスが、永
久磁石に沿って、回転要素に対して静止するように、設
置される。感知デバイスは、信号を発生するが、この信
号は、永久磁石とトーン・ホイールの回転とによって生
じる磁界の変動に対する応答である一連の電気パルスか
ら成る。１つの信号パルスが、トーン・ホイールにおけ
るそれぞれの歯が回転の際に感知デバイスを通過する度
に、発生する。そして、感知デバイスからの信号は、ト
ーン・ホイールにおける歯が感知デバイスを通過する速
度に等しい周波数を有する矩形波信号を生じるように、
処理される。処理された信号は、次に、電子制御ユニッ
トに送られて、更に処理がなされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一般に、トーン・ホイ
ールと共に用いられる磁気抵抗及びホール効果感知デバ
イスは、一連のパルスから成る電気信号を発生するが、
その場合に、それぞれのトーン・ホイールの歯の通過の
際に、１つのパルスが、発生される。しかし、電子制御
ユニットに運ばれる結果的な信号のデューティ・サイク
ルは、５０％ではない。これは、電気信号のデューティ
・サイクルは、トーン・ホイールの歯の間隔、温度、ト
ーン・ホイールと感知デバイスとの間のギャップのサイ
ズ、などのファクタに依存するからである。従って、動
作条件が変動することの結果として、電子制御ユニット
に提供される信号のデューティ・サイクルは変化する。
【０００４】応用例によっては、トーン・ホイールの歯
に１つのパルスが対応する一連のパルスから構成されデ
ューティ・サイクルが５０％である電子信号を、電子制
御ユニットに提供することが望まれる。デューティ・サ
イクルが５０％である信号が望ましいのは、長い経路に
亘っての送信の間に信号が劣化する潜在性が最小化され
るからである。更に、そのような信号であれば、電子制
御ユニットが、誤って、位相シフトを周波数シフトとし
て、又は、その逆として、認識することの蓋然性が最小
化される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】巨大磁気抵抗率を有する
抵抗は、この技術分野において、比較的新しい。巨大磁
気抵抗率を有する抵抗は、中間的な離間材料を用いて交
互にサンドイッチ状になっている強磁性材料の薄膜から
構成される。離間材料は、典型的には、非強磁性の遷移
金属（transition metal）又は非磁気的な導電性合金か
ら成る。
【０００６】巨大磁気抵抗率を有する抵抗の抵抗値は、
磁界強度の変化に伴って変動し、磁界強度の増加によっ
て減少する。抵抗は、磁界が存在しないときには、標準
的な励起電圧を用いてホイートストン・ブリッジ構成に
おいて十分に用いられる程度に大きな抵抗値を有する。
結果的な巨大磁気抵抗率（ＧＭＲ）感知デバイスは、標
準的な磁気抵抗デバイスの場合以上の磁気抵抗感知係数
を有する。ＧＭＲ感知デバイスは、高い線形性と僅かな
ヒステリシスとを伴って、動作させることができる。ま
た、ＧＭＲデバイスの製造は、主要な半導体処理方法と
互換であるので、信号処理回路を、ＧＭＲデバイス自体
と同じ半導体チップの上に組み入れることが可能であ
る。
【０００７】更に、ＧＭＲ感知デバイスがバイポーラの
態様で動作するように、このデバイスの動作範囲を制限
することができる。これは、与えられた大きさの磁界強
度が加えられると、両方の磁界の方向（正及び負）に、
ＧＭＲ感知デバイスから、同じ出力が、結果的に生じ
る。比較すると、磁気抵抗感知デバイスの動作範囲は、
磁界強度を横軸にとった電圧出力のグラフにおける第１
象限の線形部分に限定される。
【０００８】適切にバイアスされたＧＭＲ感知デバイス
の結果として得られるバイポーラ性は、従って、それぞ
れのトーン・ホイールの歯の通過の際にＧＭＲデバイス
の出力において生じる２つのパルスに翻訳される。本発
明は、ＧＭＲ出力信号の周波数を２で割って、結果的
に、トーン・ホイールの歯に対して１つのパルスが相当
する一連のパルスから成りデューティ・サイクルが５０
％である電気信号を生じる信号処理回路を提供する。
【０００９】本発明の主な効果は、５０％のデューティ
・サイクルを有する出力信号を生じる信号処理回路を含
む回転要素の速度を決定するＧＭＲセンサを提供するこ
とである。
【００１０】本発明のこれ以外の特徴及び効果は、冒頭
の特許請求の範囲と次に述べる実施例の説明と図面とを
検討することにより、当業者には明らかになろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１には、トーン・ホイール１
０、永久磁石１４、及びセンサ１８を有する車両５が図
解されている。任意のタイプの透磁性の材料でも適切で
はあるが、トーン・ホイール１０は、好ましくは、冷間
圧延された鋼材（スチール）から構成され、車両の回転
している車輪（ホイール）や車軸又は車両のトランスミ
ッションの回転要素などの回転要素の上にこのトーン・
ホイール１０を機械的に設置するための円形カットアウ
ト２２を含む。本発明は、車輪付きの乗り物に即して説
明するが、トーン・ホイールを有する任意の回転要素の
回転速度を検出することにも、等しく応用可能である。
トーン・ホイール１０は、その外周２８上に複数の歯２
６が配置されている。センサ１８は、サイズが約４．０
ｍｍＸ２．５ｍｍの永久磁石１４に隣接するホイール・
ベアリング（図示せず）内に取り付けられ、磁石１４に
よって生じた磁界が、回転するトーン・ホイール１０と
相互作用することを可能にする。磁石とセンサとの適切
な取り付けのための配列は、この技術分野では周知であ
る。好適実施例では、約４ｍｍのギャップ３０が、セン
サ１８とトーン・ホイール１０との間に維持される。セ
ンサ１８の出力は、導電性のワイヤすなわち接続用ケー
ブル３４によって、電子制御ユニット３８に接続され、
このユニットが、センサ１８からの出力信号の更なる処
理を行う。
【００１２】センサ１８は、図２に更に図解されてお
り、ＧＭＲ感知デバイス４２と信号処理回路４６とを含
む。好適実施例では、ＧＭＲ感知デバイス４２と信号処
理回路４６とは、同じチップの上に作成される。
【００１３】ＧＭＲ感知デバイス４２は、２つのアクテ
ィブな巨大磁気抵抗率を有する抵抗５０と、半アクティ
ブなホイートストン・ブリッジ構成に配列された２つの
アクティブではない遮蔽（シールド）された抵抗５４と
を含む。好ましくは、アクティブな抵抗５０の抵抗値の
変化は、磁界強度の変化の範囲よりも、約１％大きい
（磁気飽和が生じる前で、約３０エルステッド）。５ボ
ルトのブリッジ供給電圧に対しては、２５ミリボルトの
ブリッジ出力が、与えられた範囲の磁界強度に亘って、
生じる。適切なＧＭＲ感知デバイス４２は、米国ミネソ
タ州Eden PrairieのNonVolatile Electronics社から市
販されている。
【００１４】センサ１８の信号処理回路４６は、シュミ
ット・トリガ５８と、Ｄタイプのエッジ・トリガ式フリ
ップフロップ６２とを含む。シュミット・トリガ５８
は、ノード６６及び７０における感知デバイス４２から
の差動電圧出力信号を、ノード７２におけるデジタル信
号に整形する。コンパレータなどの同様の波形整形素子
を、シュミット・トリガ５８の代わりに、用いることも
できる。
【００１５】ノード７２は、Ｄタイプのフリップフロッ
プ６２のクロック入力に接続される。フリップフロップ
６２のＱ￣（バー）出力は、このフリップフロップのＤ
入力に接続され、それによって、Ｑ出力（ノード７６）
における信号の周波数は、ノード７２におけるシュミッ
ト・トリガ５８からのデジタル信号の周波数の半分にな
っている。信号の周波数を２分の１に分周することので
きる任意の回路を、フリップフロップ６２の代わりに用
いることができる。
【００１６】図３は、感知デバイス４２を通過する磁界
強度を横軸にとり、ホイートストン・ブリッジからの電
圧出力信号を縦軸にとったグラフを図解している。この
グラフは、ＧＭＲ感知デバイスのバイポーラの性質を示
している。図３に示されているように、＋ＨAである加
えられた磁界強度は、結果として、感知デバイスの出力
において、電圧ＶAを生じる。同様に、−ＨAである加え
られた磁界強度は、結果として、感知デバイスの出力に
おいて、電圧ＶAを生じる。
【００１７】センサの一般的な動作は、図４に図解され
たタイミング図（タイムチャート）を参照することによ
って、最もよく、説明することができる。図４ａは、時
間経過に伴うセンサに対する連続的なトーン・ホイール
の歯の位置を示し、以下の図に対するベースラインを提
供する。それぞれのトーン・ホイールの歯（ｎ、ｎ＋
１、等）が回転してセンサ１８を通過すると、歯は、永
久磁石１４によって生じる磁界を変調する。ＧＭＲ感知
デバイス４２は、トーン・ホイールの半径方向に対して
横向きの方向の磁界強度の変化に応答する。感知デバイ
ス４２は、ノード６６とノード７０との間に差動電圧出
力を生じ、これは、図４ｂに示すように、時間の進行に
伴って変動する。示されているように、感知デバイス４
２からの信号は、それぞれのトーン・ホイールの歯の通
過の際に生じる２つのパルスから構成される。従って、
ノード６６とノード７０との間の差動信号の周波数は、
回転要素の角速度（１秒当たりの回転数、ｒｐｓで測定
する）に歯の数の２倍を乗じたものに等しい。
【００１８】図４ｃは、シュミット・トリガ５８からの
デジタル信号出力を図解しており、図４ｄは、ノード７
６におけるフリップフロップのＱ出力からの信号を図解
している。フリップフロップ６２は、シュミット・トリ
ガ５８からのデジタル信号の周波数を２分の１に分周す
るように動作する。従って、ノード７６における結果的
な信号は、５０％のデューティ・サイクルを有し、その
周波数は、回転要素の周波数にトーン・ホイールの歯の
数を乗じた値に等しい。このデューティ・サイクルは、
一般に、ギャップの離間、温度、回転要素の速度などの
変化に影響されない。
【００１９】図５は、本発明の別の実施例を図解してい
る。同じ部分には、同じ参照番号を付してある。図５に
は、磁化されたエンコーダ・ホイール１００、そして、
センサ１８、センサ１８に接続された電子制御ユニット
３８が示されている。エンコーダ・ホイール１００は、
このホイール１００の外周１０６の周囲に規則的で交互
に分散している多数の分極した磁気切片（セグメント）
１０４を有する。図５に示されたエンコーダ・ホイール
は半径方向読み出しエンコーダ・ホイールである、すな
わち、磁化された領域の極は半径方向に整列している
が、軸方向読み出しエンコーダ・ホイール、すなわち、
軸方向に整列した極を有するエンコーダ・ホイールを用
いることもできる。感知デバイス４２によって感知され
る磁界強度は、上述の場合と同様の態様でエンコーダ・
ホイール１００が回転要素（図示せず）と共に回転する
際に、変動する。
【００２０】本発明のこの他の種々の特徴及び効果は、
冒頭の特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】トーン・ホイール、センサ、永久磁石、及び電
子制御ユニットの配列を図解する概略図である。
【図２】ＧＭＲ感知デバイスと信号処理回路との回路図
である。
【図３】ＧＭＲ感知デバイスに対する、加えられた磁界
強度を横軸にとった出力ブリッジ電圧を示している。
【図４】図２の回路における種々の点に対するタイミン
グ図を示す。
【図５】磁化されたエンコーダ・ホイールとセンサとの
配列を図解している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595108147 3200 Ｐａｌｍｅｒ Ｄｒｉｖｅ，Ｊａｎ ｅｓｖｉｌｌｅ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ 53546，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏ ｆ Ａｍｅｒｉｃａ

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転要素の回転速度を決定するセンサで
    あって、 前記回転要素に磁気的に結合され出力端子を含み、この
    出力端子において、前記回転要素の回転速度に対応する
    周波数を有する出力信号を発生する巨大な磁気抵抗率感
    知デバイスと、 前記出力端子に接続されており、前記出力信号を受け取
    り、前記出力信号の周波数に等しい周波数を有するデジ
    タル・スイッチング信号を発生する波形整形回路と、 前記波形整形回路に接続された入力を有し、前記デジタ
    ル・スイッチング信号を受け取り、前記デジタル・スイ
    ッチング信号に応答して、５０％のデューティ・サイク
    ルと前記デジタル・スイッチング信号の周波数を所定の
    除数で割ったものに等しい周波数とを有する矩形波出力
    を発生する分周器と、 を備えることを特徴とするセンサ。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のセンサにおいて、前記巨
    大な磁気抵抗率感知デバイスは、ホイートストン・ブリ
    ッジ構成に配列された４つの抵抗を含むことを特徴とす
    るセンサ。
  3. 【請求項３】 請求項１記載のセンサにおいて、前記所
    定の除数は、１以上であることを特徴とするセンサ。
  4. 【請求項４】 請求項１記載のセンサにおいて、前記所
    定の除数は、２に等しいことを特徴とするセンサ。
  5. 【請求項５】 請求項１記載のセンサにおいて、前記出
    力信号は、前記回転要素の周波数の２倍の周波数を有す
    る電気出力信号であることを特徴とするセンサ。
  6. 【請求項６】 請求項１記載のセンサにおいて、前記波
    形整形回路は、双安定パルス発生器を含むことを特徴と
    するセンサ。
  7. 【請求項７】 請求項１記載のセンサにおいて、前記波
    形整形回路は、コンパレータを含むことを特徴とするセ
    ンサ。
  8. 【請求項８】 請求項１記載のセンサにおいて、前記波
    形整形回路は、シュミット・トリガを含むことを特徴と
    するセンサ。
  9. 【請求項９】 請求項１記載のセンサにおいて、前記デ
    ジタル・スイッチング信号は、５０％ではないデューテ
    ィ・サイクルを有することを特徴とするセンサ。
  10. 【請求項１０】 請求項１記載のセンサにおいて、前記
    分周器は、前記デジタル・スイッチング信号に接続され
    たクロック入力と、Ｄ入力と、Ｑ出力と、前記Ｄ入力に
    接続されたＱ￣（バー）出力とを有し前記Ｑ出力におい
    て前記矩形波信号を発生するＤタイプのエッジ・トリガ
    式フリップフロップを含むことを特徴とするセンサ。
  11. 【請求項１１】 回転要素の回転速度を決定するセンサ
    であって、 出力端子を含み、この出力端子において前記回転要素の
    回転速度に対応する周波数を有する第１の電気出力信号
    を発生する巨大磁気抵抗率感知デバイスと、 前記出力端子に接続され、前記第１の電気出力信号を受
    け取り、前記第１の電気出力信号に応答して第２の電気
    出力信号を発生する双安定パルス発生器であって、前記
    第２の電気出力信号は、前記第１の電気出力信号の周波
    数に等しい周波数と５０％ではないデューティ・サイク
    ルを有するパルス信号を含む、双安定パルス発生器と、 前記第２の電気出力信号に接続されたクロック入力と、
    Ｄ入力と、Ｑ出力と、前記Ｄ入力に接続されたＱ￣（バ
    ー）出力とを有し、前記Ｑ出力において５０％のデュー
    ティ・サイクルと前記回転要素の回転速度に対応する周
    波数とを有する第３の電気出力信号を発生する、Ｄタイ
    プのエッジ・トリガ式フリップフロップと、 を備えることを特徴とするセンサ。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載のセンサにおいて、前
    記第３の電気出力信号は、前記第２の電気出力信号の周
    波数を２で割ったものに等しい周波数を有することを特
    徴とするセンサ。
  13. 【請求項１３】 巨大磁気抵抗率感知デバイスと組み合
    わせて回転要素の速度を検出するのに使用される信号処
    理回路であって、 前記巨大磁気抵抗感知デバイスに接続され、前記デバイ
    スの出力信号を受け取り、前記出力信号に応答してデジ
    タル・スイッチング信号を発生する波形整形手段であっ
    て、前記デジタル・スイッチング信号は前記デバイスの
    前記出力信号の周波数に等しい周波数を有する、波形整
    形手段と、 前記波形整形手段に接続された入力を有し、前記デジタ
    ル・スイッチング信号を受け取り、前記デジタル・スイ
    ッチング信号に応答して、５０％のデューティ・サイク
    ルと前記デジタル・スイッチング信号の周波数を所定の
    除数で割ったものに等しい周波数とを有する矩形波出力
    を発生する分周器と、 を備えることを特徴とする信号処理回路。
JP9119318A 1996-05-09 1997-05-09 回転要素の速度検出装置 Pending JPH1082795A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US647308 1996-05-09
US08/647,308 US5744950A (en) 1996-05-09 1996-05-09 Apparatus for detecting the speed of a rotating element including signal conditioning to provide a fifty percent duty cycle

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JPH1082795A true JPH1082795A (ja) 1998-03-31

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EP (1) EP0806673A3 (ja)
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