【手続補正書】
【提出日】平成16年8月9日(2004.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】磁気抵抗速度及び方向検出方法及び装置
【技術分野】
本発明は移動体の検出方法及び磁気センサに関する。特に、本発明は、移動または回転する目標、例えば、歯車、シャフト、ジョイント、車輪、ファン、タービン、タイヤ、コンベアなどの速度および方向を決定するセンサに関する。
【背景技術】
シャフト、車輪、歯車などの正確な回転速度及び方向の測定をもたらす高性能の車両や軽量のデバイスに対する需要は急速な拡大している。結果として、センシング応用に使用される電子ベースの製品の改善が求められる。例えば、自動車産業では、車輪、トランスミッション、シャフト、歯車、その他の回転体の速度や方向を正確に測定するセンサを使用することが望ましい。この測定情報はセンサと通信するオンボードコンピュータで処理され、オートマティックトランスミッションの燃費およびパワーを向上し、トランスミッションの性能を監視し、または自動車のブレーキシステム（例えば、アンチロックブレーキシステム）を制御する。例えば、アンチロックブレーキを装備した自動車の場合、自動車ブレーキセンサと通信するコンピュータはタイヤの回転速度及び回転方向に関する情報を取得し、処理した後、検知されたスキッドなどの厳しさおよびブレーキの機能不全を緩和する。
多くの速度および方向検出デバイスが存在する。このようなデバイスは、例えば、米国特許第5,880,585号、5,523,679号、5,264,789号、4,789,826号に開示されている。さらに、リング磁石や線形磁石はセンシング技術において周知である。従来のリング磁石１１０が図１Ａと図１Ｂに示され、従来の線形磁石１０９が図１Ｃと図１Ｄに示されている。典型的に、リング磁石１１０は円形パターンに、複数のＮ極とＳ極の永久磁石片を交互に有して形成される。この磁石の「連鎖」が、例えば対象の周りに設置または配置される円またはリングを形成する。同様に、線形磁石１０９は典型的に、ほぼ線形パターンに、複数のＮ極とＳ極の永久磁石片を交互に有して形成される。説明の便宜上、図面において各磁石のＮ極はアイテム１１３で参照されるとともに、Ｓ極は図面においてアイテム１１２で参照される。
図１Ａから図１Ｄに見られるように、各磁石から発生する例示の磁界を表す複数の磁力線１０２が示される。技術上知られているように、使用される座標ディメンションに関わらず、（磁力線で表される）磁界はＮ極から出てＳ極に入るように存在する。例えば、図１Ａと図１Ｂに示される磁力線は、リング磁石１１０の外部、リング磁石の内部にある磁界を描き、あるいは磁石のＮ極から出てＳ極に入る任意の向き（例えば三次元）の磁界を描いている。同様に、図１Ｃと図１Ｄに例示される磁力線は線形磁石１０９近くの磁界を表し、あるいは磁石のＮ極から出てＳ極に入る任意の向き（例えば三次元）の磁界を描いている。各ケースにおいて、磁力線は磁石のＮ極（例えば１１３）から垂直方向（例えば１０３）に出て、磁気的に磁石のＳ極（例えば１１２）にカーブまたは曲がり、ここでは磁石に垂直（例えば１０５）に戻る。磁力線が磁気的にカーブまたは曲がるエリアは、所与の座標位置において磁石の表面とほぼ水平または平行である磁力線の部分（例えば１０４）により表される。このようにして、例えば図１Ｂに見られるように、磁力線１０６は任意の座標軸において磁石の任意のＮ極とＳ極間で発生する可能性がある磁界の一部を表している。
代表的に図２に示される回路のようなホイーストンブリッジは、可変抵抗の抵抗値を決定するのに役立ち、したがってある種の用途でセンシング手段として有効である。典型的なホイーストンブリッジは抵抗素子ＲＡ（２３１）、ＲＢ（２３２）、ＲＣ（２３３）、ＲＤ（２３４）を有し、すべてが電圧源２１０とグランド２４０に電気接続される。４つの抵抗素子ＲＡ（２３１）、ＲＢ（２３２）、ＲＣ（２３３）、ＲＤ（２３４）の各抵抗の変化に応じて変化する電圧信号を得るのに差電圧ＶＢが測定される。図２に示されるようなホイーストンブリッジは、例えば−４０℃から２００℃までの範囲の温度変化に対して自己補償できる利点を有する。このため、ホイーストンブリッジは、例えば熱電対応用に利用される。
センサが磁界内に置かれるとき、センサ抵抗は磁界から影響を受けることがある。図３Ａに示されるように、抵抗素子３０１とほぼ平行に通る磁界（例えば磁力線１０２）は抵抗素子にほとんどあるいは全く電気的な影響を及ぼさない。一方、図３Ｂに示すように、抵抗素子３０１と垂直な磁界１０２は抵抗素子に電気的な影響を及ぼし、素子の抵抗率を変えて見える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の磁気検出素子は多くの欠点を抱えている。例えば、従来の磁気検出素子（例えばシリコンホール集積センサ）は、固有の応力誘導オフセットに依る約２０ガウス最小信号の制限がある。これにより利用可能な信号範囲が狭められ、ひいては利用可能な機械的公差が減少する。２つの独立したセンサを使用すると、製造環境において誤差を生じるであろう。
発明の開示の欄は、本発明に特有な革新的特徴の一部について理解を促すためにあり、完全な記載は意図されていない。本発明の様々な特徴に対する十分な理解は、全明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書を全体として解釈することによって初めて得られる。
本発明の方法及び装置は従来技術の欠点の多くを解決するものであって、とりわけ、回転体の回転速度及び回転方向を発生するという利点を有する。
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態によれば、各ブリッジが抵抗を有する少なくとも２つのブリッジが用意される。これらの抵抗は近接する磁気素子アレーの磁界から電気的な影響を受けるように構成される。別の実施形態において、ブリッジはマイクロプロセッサやマイクロコントローラのような計算手段に電気的に通信される。したがって、例えば、各ブリッジはマイクプロセッサと通信するホイーストンブリッジで構成される。別の実施形態において、計算手段と通信する少なくとも２つのブリッジは磁気アレーに近接して設置され、各ブリッジは磁界から電気的な影響を受ける抵抗を有する。さらに別の実施形態において、本発明は少なくとも２つのブリッジを有し、各ブリッジは、ブリッジが構成される第１の組の抵抗及び第２の組の抵抗を有し、第１の組の抵抗は第２組の抵抗に対してほぼ垂直に配置される。さらの別の実施形態において、本発明は集積回路で形成される少なくとも２つのブリッジを有し、各ブリッジは磁界から電気的な影響を受ける抵抗を有する。さらに別の実施形態において、本発明は集積回路で形成される少なくとも２つのブリッジを含み、各ブリッジは計算手段と通信しそして磁界により電気的に影響される抵抗を有する。
本発明の新規な特徴は、後述される、発明を実施するための最良の形態における記載内容を審査することにより当業者には明らかにされるとともに、本発明の実施を通じて学習される。しかしながら、その記載内容及び提示される特定の具体例は、本発明の一定の実施形態を表す一方で、その記載内容及び特許請求の範囲から当業者には本発明の趣旨、範囲内での様々な変更、変形が明らかである点より、単に例示を目的とするものである、と解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明は、ここでは、各種機能構成要素と各種処理ステップについて説明される。ただし、そのような機能要素は、特定の機能を果たすように構成される任意の数のハードウェアあるいは構造的要素の実現され得ると認識されるべきである。例えば、本発明において、各種集積回路素子、例えば、バッファ、センサ、ブリッジ、電圧および電流の基準、記憶素子などを採用でき、これらは、様々な意図された目的に合わせて適切な値に設定される各種電気デバイス、例えば抵抗、トランジスタ、コンデンサ、ダイオード、その他のデバイスで構成され得る。また、これらの電気デバイスは半導体または集積回路形式であってよい。さらに、本発明は任意の磁石／センサ基礎の応用で実施され得る。本発明の開示内容から当業者には理解し得るそのような応用は、ここでは詳細に説明されない。また、各種要素は、例示の回路内の他の構成要素に適切に結合または接続されるのに対し、このような結合または接続は要素間の直接接続により、あるいは他の構成要素およびその間に置かれたデバイスを介した接続により実現されることが理解されるべきである。
本発明の一実施形態では、或る距離だけ離れて配置され、センサに関して移動する可変磁界から影響を受ける少なくとも２つの各ブリッジからの信号をデコードすることにより、移動部材の速度及び方向が決定される。例えば、一実施形態において、２つのブリッジの出力信号間の位相差のため、進みブリッジまたは遅れブリッジを識別することにより、移動の方向が決定される。別の実施形態において、センサは異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子、あるいは巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子であってよい。
２つのブリッジの片方の動作は図４に示される実施形態を参照して理解される。ブリッジ１３０は、複数の抵抗素子、要素またはランナー１３１、１３２、１３３及び１３４を有し、これらは近接する磁界から電気的な影響を受けるように構成され得る。一実施形態において、ランナー１３１と１３３はランナー１３２と１３４に対して垂直にブリッジ１３０内に配置され、ランナー１３１と１３３に垂直な磁界の部分からランナー１３１と１３３は電気的な影響を受け、ランナー１３２と１３４はランナー１３２と１３４に垂直な磁界の部分から電気的な影響を受ける。例えば、例示のブリッジは、或るブリッジ構成（例えばホイーストンブリッジ）において電気的に接続された複数の抵抗素子またはランナーを含んで構成され、その第１の組のランナーＲａ及びＲｃは第２の組のランナーＲｂ及びＲｄに対してほぼ垂直に指向される。
図４に示されるように、表示のブリッジ１３０は、一実施形態において、計算手段１６０と通信し、例えば、リングのような磁石アレーに隣接して配置される。この実施形態において、未知の方向にそして未知の速度でリング磁石１１０が回転する。このリング磁石１１０が回転すると、個々のＮ極及びＳ極の磁石（例えば１１３、１１２）の各交番するＮ極とＳ極が通過し、ブリッジ１３０内に第１の組のランナーＲａとＲｃそして第２の組のランナーＲｂとＲｄに電気的に影響する。上述されたように、磁界は、向きが抵抗素子またはランナーと平行に指向されているなら、各ランナーに電気的に影響しない。しかしながら、磁界は、向きが抵抗素子またはランナーに対して垂直に指向されると、ランナーに電気的に影響され得る。このように、この実施形態では、磁界の向きが第１の組のランナーＲａ及びＲｃと平行に指向される時に、磁界はこれらのランナーに電気的な影響しない。しかし、磁界がこれらのランナーに対して垂直に指向されると、ランナーは磁界から電気的な影響を受ける。同様に、この実施形態において、磁界が第２の組のランナーＲｂ及びＲｄと平行に指向される時に、磁界はこれらのランナーを電気的に影響しない。しかし、磁界がこれらのランナーに対して垂直に指向されると、磁界はランナーに電気的に影響する。
本発明の別の側面では、図５に示されるように、ブリッジ１３０から差電圧信号Ｖｂが発生し、計算手段１６０に供給される。この点に関し、計算手段１６０に受信されるこの差電圧信号Ｖｂは、ブリッジ１３０が個々の磁石上に磁極（例えば北または南）と直接対面する関係５１０にあるとき、ブリッジ１３０が極間の直接遷移関係（例えばＮ極からＳ極への遷移、あるいはＳ極からＮ極への遷移）にある時、またはブリッジ１３０が極間の間接遷移関係（例えば、直接対面関係５１０および直接遷移関係５２０の間のどこか）にある時を表す。したがって、例えば、ブリッジ１３０が図４に示されるような極と直接対面関係にあるとき、磁界は、該磁界と実質的に平行にあるランナーＲａ及びＲｃに影響を及ぼさない。しかし、磁界は、該磁界に実質的に垂直であるランナーにＲａ及びＲｃに電気的に影響できる。全ての４つのランナーに対する磁界の影響はブリッジ１３０で検知され、図５に示される差電圧信号Ｖｂ５１０を作成し、計算手段１６０にて処理される。
同様に、ブリッジ１３０が極間直接遷移関係になると、ランナーＲａ及びＲｃは該ランナーと垂直な磁界により電気的に影響を受け、これに対しランナーＲｂ及びＲｄは磁界から電気的な影響を受けないため、結果として図５に示されるような電圧信号５２０を作成する。また、ブリッジ１３０が磁極間に間接遷移関係になると、ランナーＲａ及びＲｃ、ランナーＲｂ及びＲｄは磁界から部分的に影響され、あるいは影響を受けなくなり、図５に示されるような電圧信号５３０を作成する。
本発明の一実施形態によれば、目標物の回転方向を決定するのに少なくとも２つのブリッジが使用される。図６は第２のブリッジ１４０を付加した本発明の一実施形態を示す。第２のブリッジ１４０は、第１のブリッジと同様な配向とランナーを有し、計算手段１６０と同様に通信する。この第２のブリッジ１４０は、一実施形態において、第１のブリッジ１３０から所定の距離だけ隔てられ、第２のブリッジ１４０の信号Ｖｂは第１のブリッジ１３０の信号Ｖｂに対し移相される。この実施形態では、図７を参照し、計算手段１６０は第１のの信号Ｖｂ７３０と第２の信号Ｖｂ７４０を処理し、両信号間の移相７１０に基づき、そしてどちらの信号の位相が進んでいるかによって目標物（図示せず）の回転方向を決定する。両信号は排他的ＯＲ素子などの論理素子により、あるいはその他の集積処理回路処理装置またはプログラムを通して処理され得る。
図６を参照して、リング磁石に対するブリッジの向きについて注目する。ブリッジ１３０及び１４０は、一実施形態において、リング磁石の中心から放射線に平行に配向された各ブリッジにおける第１のグループランナーと、リング磁石の中心から放射線に垂直に配向された各ブリッジにおける第２のグループランナーとに配向される。このように、ブリッジ１３０と１４０は、リング磁石１１０の曲率または特定の設計を考慮して互いに角度をなしている。別の実施形態では、例えば図８に示すように、ブリッジ１３０と１４０は、リング磁石の曲率の影響を無視して、同一に配向される。リング磁石の曲率を無視することは、任意の径、サイズあるいは形状のリング磁石に適した単一のセンサを製作する効率により有利であり得る。また、この配向の場合、半導体実施形態または電子部品で作られたデバイスにいずれかにおいて容易に本発明を構成できる。しかし、リング磁石の中心からの放射線に関してブリッジ１３０と１４０は角度付けられることができ、また抵抗素子はリング磁石の中心からの放射線に関して角度付けられられることができ、またこれらの任意の組合せができることが理解されよう。
さらに別の実施形態において、本発明はリング磁石の（端面に対向するものとして）頂部側か底部側と通信する２以上のブリッジを有する。図９に示される一実施形態において、２つのブリッジはリング磁石１１０の側部に近接して示される。この実施形態において、ブリッジはリング磁石１１０の側面（例えば、頂部または底部）の平面とほぼ平行な平面上に配向される。この例示的実施形態において、磁界は、例えば９１０で示されるように、リング磁石１１０の側面に垂直なＮ極１１３存在し、例えば９２０で示すようにリング磁石１１０の側面に垂直なＳ極に入る。この実施形態において、ブリッジ１３０が図９の位置「Ａ」で示されるように磁極と直接対面関係になるとき、磁界は、（紙面を出る方向の）磁界に対して垂直なランナーＲａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄに等しく影響する。しかし、位置「Ｂ」で示される極間の直接遷移関係にある時に、極間の直接遷移関係にブリッジ１４０があるとき、ランナーは、これらのランナーの面に対して平行であって、ランナーＲａ、Ｒｃに対しては垂直である磁界により電気的に影響される。これに対しランナーＲｂ、Ｒｄは、これらのランナーと平行に通る磁界から電気的に影響を受けない。
一実施形態において、図９に示される配向のセンサは、図１０に示されるような信号Ｖｂを、例えば第１のブリッジ１３０から発生する。さらに図１０を参照すると、この信号は、ブリッジ１３０が磁極と直接対面関係になってすべての４ランナーが等しく影響を受けるとき、例えばゼロボルト（例えば基準点１０００）を描く。また、この信号Ｖｂは、ブリッジ１４０が磁極間の直接遷移関係になるとき、最大の電圧レベル（例えば基準点１０１０）になる。また、ブリッジ１３０が磁極間に間接遷移関係になるとき、ランナーＲａ、ＲｃとＲｂ、Ｒｄは磁界から部分的に影響を受けるか、あるいは磁界作成電圧信号（例えば図１０に示す基準点１０３０）により影響を受けない。
本発明の実施形態は、各種用途や使用形態に合わせて設計、変更され得る。例えば、ある種の用途は様々なサイズ、形状、向きの磁石を要求する。また、ある種の用途では同じサイズのＮ極とＳ極の磁石片が使用され、別の用途ではサイズが異なる磁石片が使用される。あるいはある用途は、リング磁石の外側、リング磁石の内側に位置され、リング磁石の側部の表面に向かって配向され、あるいはリング磁石に近接する別の位置にあるセンサを含む。さらにまた、例えば、油圧設備、コンベアベルト、その他の線形運動機械のように、線形運動する物体の速度及び方向を検知するリニアアレーにおいて磁石が使用されることもある。
本発明は様々な実施形態で使用され得る。例えば、一実施形態において、センサはリング磁石１１０からほぼ３ｍｍから２０ｍｍに置かれる。別の実施形態では、第１のブリッジ１３０は、各信号Ｖｂが互いに１．５°離れた位相にあるように第２のブリッジ１４０からの距離、例えば１．４−１．５ｍｍ離れて配置される。両ブリッジ間の間隔は、各種因子、例えばシャフトの大きさ、ブリッジの感度、リング磁石の直径などにも依存できる。
本発明の各側面には様々な利点がある。一実施形態では、２つのブリッジは単一の集積回路上に形成、または実装され、これによりセンサの感度及び精度を上げ、センサのサイズを小さくし、製造コストを下げ、センサの生産効率を上げ、製造プロセスを単純化できる。全半導体の環境では、ブリッジを（２千から１万インチのオーダーで）離して配置したときに無理なく達成できる公差に比べ、より厳しい製造公差（数ミクロンのオーダー）が達成される。図６は両ブリッジを含む半導体１７０を例示する。また、計算手段１６０についても同じ半導体１７０上に含まれ得る。センサをバイポーラ回路に組み合わせる背景については、本出願人が所有する米国特許第5,667,879号に記載があり、本特許の全体的な機能はレファレンスとして組み込まれる。
各種実施形態において、ランナーの個数、ホイーストンブリッジの抵抗素子の個数、抵抗素子の組の個数、ランナーの配向は変わり得る。ブリッジの感度は多くの因子、例えば、ランナーの配向、ブリッジの位置、ランナーの抵抗、ランナーの寸法、ランナーの個数、回路の所望電流、所望電圧、フィルムの厚み、磁気センサフィルムの組成などに依存する。また、各抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄは、個々の素子であっても、所望の仕様を満たすように組み合わせた多数の構成要素であっても構わない。例えば、抵抗Ｒａは並列抵抗、直列抵抗、あるいは並列と直列の抵抗を組み合わせたもので構成され得る。これらの素子は、抵抗であるとして説明されたが、他の素子、あるいはこれらの抵抗器または構成要素の半導体版で実現したものであってよい。
ランナーＲａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄに関して、これらのランナーの配向維持するにしても、ブリッジ上のランナーの組の配置は変えることができる。例えば、ＲａとＲｄを入れ替えたり、あるいは、Ｒａ、ＲｃとＲｂ、Ｒｄを入れ替えてもよい。また、任意のレイアウトのランナーの組も許容される。。また、本発明の一実施形態において、Ｒａ及びＲｃのランナーの組はＲｂ及びＲｄのランナーの組に対して垂直になっているが、別の実施形態では、両組のランナーがリング磁石に対して様々な方向に配向されるようにしてもよい。例えば、すべての組のランナーは、互いに平行に差動ブリッジに配置され、回転体の速度及び方向を決定するための信号をランナーの空間的配置を利用して発生することができる。
本発明は、移動体の速度及び方向を検知するデュアルブリッジセンサについて説明されてきたが、本発明の別の側面によれば、シングルブリッジ速度センサも開示される。また、任意の個数のセンサが使用され得る、図４に示されるように、シングルブリッジ１３０を含むセンサから、各個々の磁石片の通過または磁石片間の遷移を表す信号が計算手段１６０に与えられる。したがって、標準の計算手法が使用でき、速度および方向センサに対しここで説明されたのと同様の方法や構成に基づいて回転速度を決定し得る。
以上、実施形態について本発明は説明されてきた。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更、変形を上記実施形態に施し得る。例えば、種々の要素は、同一の結果を得る目的で、ステップを異なる順序に変更し、または入れ替え、あるいは、センサ、ブリッジ及びランナーの物理的な配置や配向を変更するなどの様々な選択肢で実現され得る。これらの代替は、特定の用途に応じて、あるいは本発明の動作に関連する多数の因子を考慮して、適宜選択され得る。さらに、ここで説明した技術は、リング磁石センサ装置に限らず、他の種類の装置にも拡張され、あるいは変更され得る。例えば、本発明は、コンベアベルト、ロボティックス、自動操縦、サスペンション、その他の装置などの線形速度検出装置に実施し得る。これら及びその他の変更、変形は本発明の範囲内に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】複数の力線で表した磁界を表す従来のリング磁石を示す。
【図１Ｂ】複数の力線で表した磁界を示す従来のリング磁石を示す。
【図１Ｃ】複数の力線で表した磁界を示す従来の線形磁石を示す。
【図１Ｄ】複数の力線で表した磁界を示す従来の線形磁石を示す。
【図２】ホイーストンブリッジの従来の回路図を例示する。
【図３Ａ】様々な磁界の配向に置かれる抵抗素子を示す。
【図３Ｂ】様々な磁界の向きに置かれる抵抗素子を示す。
【図４】本発明の一側面に基づいたブリッジを例示する。
【図５】本発明の一側面に基づいたホイーストンブリッジの差電圧測定を表す信号図である。
【図６】本発明の別の側面に基づいた対のブリッジを例示する。
【図７】本発明の別の側面に基づいたホイーストンブリッジの差電圧測定を表す信号図である。
【図８】本発明の別の側面に基づいた対のブリッジを例示する。
【図９】本発明の別の側面に基づいた対のブリッジを例示する。
【図１０】本発明の別の側面に基づいたホイーストンブリッジの差電圧測定を表す信号図である。