(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性が有り且つ低雑音の信号出力を生じる安価な物理量センサシステムを提供する。【解決手段】センサシステム１００は、第１の電源端子１０２及び第２の電源端子１０４間に直列に接続された３つのハーフブリッジセンサ路１１０、１２０、１３０を有し、３つのハーフブリッジの中間ノード１１５、１２５、１３５と接続された信号処理装置１５０により、中間ノード１１５、１２５、１３５に生じる電気量に基づいて、検出された物理量を表す出力信号を出力する。【選択図】図１
2016008970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量を検出するセンサシステムにおいて、このセンサシステム（１００）が、
第１の電源端子（１０２）及び第２の電源端子（１０４）間に直列に接続された第１の第１検出素子（ＲＡ１）及び第２の第１検出素子（ＲＡ２）、並びに前記第１の第１検出素子（ＲＡ１）及び前記第２の第１検出素子（ＲＡ２）間に設けられた第１の中間ノード（１１５）を有する第１のセンサ路（１１０）と、
前記第１の電源端子（１０２）及び前記第２の電源端子（１０４）間に直列に接続された第１の第２検出素子（ＲＢ１）及び第２の第２検出素子（ＲＢ２）、並びに前記第１の第２検出素子（ＲＢ１）及び前記第２の第２検出素子（ＲＢ２）間に設けられた第２の中間ノード（１２５）を有する第２のセンサ路（１２０）と、
前記第１の電源端子（１０２）及び前記第２の電源端子（１０４）間に直列に接続された第１の第３検出素子（ＲＣ１）及び第２の第３検出素子（ＲＣ２）、並びに前記第１の第３検出素子（ＲＣ１）及び前記第２の第３検出素子（ＲＣ２）間に設けられた第３の中間ノード（１３５）を有する第３のセンサ路（１３０）と、
前記第１の中間ノード（１１５）、前記第２の中間ノード（１２５）及び前記第３の中間ノード（１３５）と接続された信号処理装置（１５０）であって、
(a) 前記第１の中間ノード（１１５）に生じる第１の電気量（vha）と、
(b) 前記第２の中間ノード（１２５）に生じる第２の電気量（vhb）と、
(c) 前記第３の中間ノード（１３５）に生じる第３の電気量（vhc）と
に基づいて、検出された前記物理量を表す出力信号（out ）を処理するように構成された当該信号処理装置（１５０）と
を具えているセンサシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサシステムにおいて、このセンサシステムが更に、測定すべき運動を行う可動要素に結合しうるプローブ装置（１９０）を具えており、このプローブ装置（１９０）は、
(i) 前記３つのセンサ路（１１０、１２０、１３０）に対して空間的に配置されているとともに、
(ii) このプローブ装置（１９０）の運動により前記３つの電気量（vha 、vhb 、vhc ）の時間変化を生ぜしめるように構成されている
センサシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサシステムにおいて、前記プローブ装置は、測定すべき回転を行う回転要素に結合しうるエンコーダホイール（１９０）としたセンサシステム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のセンサシステムにおいて、予め決定した軸線に対して、
前記第１のセンサ路（１１０）が第１の位置（Ａ）に位置され、
前記第２のセンサ路（１２０）が第２の位置（Ｂ）に位置され、
前記第３のセンサ路（１３０）が第３の位置（Ｃ）に位置されている
センサシステム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載のセンサシステムにおいて、前記検出素子（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＣ１、ＲＣ２）の少なくとも１つが磁気検出素子であるセンサシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のセンサシステムにおいて、前記検出素子（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＣ１、ＲＣ２）の各々が磁気検出素子であるセンサシステム。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載のセンサシステムにおいて、前記検出素子（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＣ１、ＲＣ２）が、単一の半導体ダイ上とするのが好ましい単一の基板上に形成されているセンサシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のセンサシステムにおいて、前記検出素子（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＣ１、ＲＣ２）に加えて、前記信号処理装置（１５０）が前記単一の基板上に形成されているセンサシステム。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載のセンサシステムにおいて、前記信号処理装置（１５０）が、
前記第１の中間ノード（１１５）及び前記第２の中間ノード（１２５）に接続された第１の電子ユニット（１６２）であって、前記第１の電気量（vha ）及び前記第２の電気量（vhb ）に応答して第１の出力信号（out1）を生じるように構成された当該第１の電子ユニット（１６２）と、
前記第２の中間ノード（１２５）及び前記第３の中間ノード（１３５）に接続された第２の電子ユニット（１６４）であって、前記第２の電気量（vhb ）及び前記第３の電気量（vhc ）に応答して第２の出力信号（out2）を生じるように構成された当該第２の電子ユニット（１６４）と、
前記第１の電子ユニット（１６２）及び前記第２の電子ユニット（１６４）に接続されたデータ処理ユニット（１７０）であって、前記第１の出力信号（out1）及び前記第２の出力信号（out2）に基づいて、検出された物理量を表すセンサ出力信号（out ）を決定するように構成された当該データ処理ユニット（１７０）と
を具えるセンサシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のセンサシステムにおいて、前記データ処理ユニット（１７０）は、前記第１の出力信号（out1）と前記第２の出力信号（out2）との合計を計算するように構成されているセンサシステム。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のセンサシステムにおいて、前記データ処理ユニット（１７０）は、前記第１の出力信号（out1）と前記第２の出力信号（out2）との差を計算するように構成されているセンサシステム。
【請求項１２】
請求項９〜１１の何れか一項に記載のセンサシステムにおいて、前記データ処理ユニット（１７０）は、前記第１の出力信号（out1）の第１の周期波形と前記第２の出力信号（out2）の第２の周期波形との間の位相差を計算するように構成されているセンサシステム。
【請求項１３】
物理量を請求項１〜１２の何れか一項に記載のセンサシステム（１００）により検出するのが好ましい物理量検出方法において、この物理量検出方法が、
(a) 第１の中間ノード（１１５）に生じる第１の電気量（vha）と、
(b) 第２の中間ノード（１２５）に生じる第２の電気量（vhb）と、
(c) 第３の中間ノード（１３５）に生じる第３の電気量（vhc）と
に基づいて、検出された物理量を表す出力信号（out）を決定するステップを具え、
前記第１の中間ノード（１１５）は、第１のセンサ路（１１０）に割当てられ且つ第１の第１検出素子（ＲＡ１）及び第２の第１検出素子（ＲＡ２）間に位置するようにし、
前記第２の中間ノード（１２５）は、第２のセンサ路（１２０）に割当てられ且つ第１の第２検出素子（ＲＢ１）及び第２の第２検出素子（ＲＢ２）間に位置するようにし、
前記第３の中間ノード（１３５）は、第３のセンサ路（１３０）に割当てられ且つ第１の第３検出素子（ＲＣ１）及び第２の第３検出素子（ＲＣ２）間に位置するようにする
物理量検出方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の物理量検出方法において、
前記出力信号（out）を決定するステップが、前記第１の電気量（vha）、前記第２の電気量（vhb）及び前記第３の電気量（vhc）の冗長処理を有し、
前記物理量検出方法が更に、
前記第１の電気量（vha）、前記第２の電気量（vhb）及び前記第３の電気量（vhc）の冗長性に基づいて、特にこれらの電気量（vha、vhb、vhc）のそれぞれのゼロ交差点の計数、比較及び適格化の何れか又は任意の組合せにより、前記出力信号（out）に対する故障検出を実行するステップ
を具えている物理量検出方法。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載の物理量検出方法において、
前記第１のセンサ路（１１０）が第１の検出位置（Ａ）を規定し、前記第２のセンサ路（１２０）が第２の検出位置（Ｂ）を規定し、前記第３のセンサ路（１３０）が第３の検出位置（Ｃ）を規定し、前記第２の検出位置（Ｂ）が前記第１の検出位置（Ａ）及び前記第３の検出位置（Ｃ）間に位置するようにし、
前記物理量検出方法が更に、
測定すべき運動を行う可動要素に結合されたプローブ装置（１９０）により生ぜしめられる前記３つの電気量（vha、vhb、vhc）の時間変化を測定する測定ステップであって、前記プローブ装置（１９０）は、(i) ３つの前記検出位置（Ａ、Ｂ、Ｃ）に対して空間的に位置しているとともに、(ii)前記プローブ装置（１９０）が運動することにより時間変化を生ぜしめるように構成されるようにする当該測定ステップと、
前記第１の電気量（vha）と前記第２の電気量（vhb）との間の差を表す第１の出力信号（out1）を処理する処理ステップと、
前記第３の電気量（vhc）と前記第２の電気量（vhb）との間の差を表す第２の出力信号（out2）を処理する処理ステップと、
(i) 前記第１の出力信号（out1）と前記第２の出力信号（out2）との合計と、(ii) 前記第１の出力信号（out1）と前記第２の出力信号（out2）との差とを計算する計算ステップと、
計算された前記合計及び計算された前記差に応答して前記第２の検出位置（Ｂ）に対する前記可動要素の運動の方向を検出する検出ステップと
を具えている物理量検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブリッジ構造の各センサ路内でそれぞれ２つの抵抗性検出素子が直列に接続されているこれら抵抗性検出素子を有するセンサシステムに関するものである。本発明は特に、物理量、具体的には磁界や磁界の時間依存性を検出するセンサシステム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサシステムは産業分野において益々重要となってきている。例えば自動車産業においては、駐車センサや、例えばスロットルバルブにおける角度センサや、ＡＢＳ（自動ブレーキシステム）センサや、タイヤ空気圧センサのような種々のセンサシステムが、快適性及び安全性を改善するために最近の車両で採用しうるようになってきている。自動車分野では磁気センサシステムが特に重要である。その理由は、磁界が殆どの材料を容易に透過する為である。又、磁気センサは、例えば、光センサと相違してよごれに対して殆ど感応しない。
【０００３】
現在、磁気トランジスタ（ＭＴ）や、ホール効果に基づくセンサや、磁気抵抗効果に基づくセンサ、例えば異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）及び巨大（ジャイアント）磁気抵抗（ＧＭＲ）センサのような数種の異なる磁気センサ技術を利用できる。ＡＭＲセンサシステムの検出原理は、強磁性体材料の電気抵抗がＡＭＲ検出素子内における磁化及び電流方向間の角度に依存する物理現象に基づいている。ローレンツ力に依存するＭＴ及びホールセンサでは、感度が比較的低く、従って、精度も低い。
【０００４】
既知のＡＢＳ分野では、車輪又は車両用タイヤに機械的に連結されたエンコーダホイールの磁界変化を検出するためにＡＭＲセンサシステムが用いられている。代表的なＡＭＲセンサシステムは、磁気抵抗検出素子（例えば、NiFe抵抗ストライプ）で構成されたホイーストンフルブリッジ構造を具えている。エンコーダホイールが回転することにより生ぜしめられた磁界変化の検出に応答して、速度パルス情報を発生させることができる。これに加えて、ホイーストンフルブリッジ構造の２つのハーフブリッジの空間的な差を用いることにより、エンコーダホイールの回転方向を認識することができる。エンコーダホイールは磁気的にパッシブな又は磁気的にアクティブな構造として実現しうると言われている。磁気的にアクティブなエンコーダホイールの少なくとも幾つかの部分は永久磁石を有している。常にバイアス磁石と関連して用いられる、磁気的にパッシブなエンコーダホイールは、バイアス磁石により発生されるとともにＡＭＲセンサシステムにより検出される磁界を錯乱させるか又は変化させるか或いはその双方を行う。回転しているアクティブ又はパッシブなエンコーダホイールは検出磁界を周期的に変化させる。
【０００５】
既知の幾つかのＡＭＲセンサシステムは、外部磁界に感応しない抵抗性の基準素子を有する基準ブリッジを更に具えている。しかし、このようなＡＭＲセンサシステムには、出力信号の振幅がほんの僅かしかなく、代表的にはその雑音が極めて大きくなるという問題がある。
【０００６】
より高機能のＡＭＲセンサシステムは２つのホイーストンフルブリッジ構造を具え、各ホイーストンフルブリッジ構造は少なくとも４つのＡＭＲ検出素子から成っている。しかし、このようなＡＭＲセンサシステムは、寸法、電流消費量及び価格の点で更なる努力を要するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方では、信頼性が有り且つ低雑音の信号出力を生じ、他方では製造及び動作の双方又は何れか一方に対し必要とする費用を安くしうる物理量検出センサシステム及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、特許請求の範囲の独立請求項による技術内容により達成しうる。本発明の有利な具体例は、特許請求の範囲の従属請求項に開示した通りである。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、物理量を検出するセンサシステムを提供する。このセンサシステムは、
(a) 第１の電源端子及び第２の電源端子間に直列に接続された第１の第１検出素子及び第２の第１検出素子、並びにこれら第１の第１検出素子及び第２の第１検出素子間に設けられた第１の中間ノードを有する第１のセンサ路と、
(b) 前記第１の電源端子及び前記第２の電源端子間に直列に接続された第１の第２検出素子及び第２の第２検出素子、並びにこれら第１の第２検出素子及び第２の第２検出素子間に設けられた第２の中間ノードを有する第２のセンサ路と、
(c) 前記第１の電源端子及び前記第２の電源端子間に直列に接続された第１の第３検出素子及び第２の第３検出素子、並びにこれら第１の第３検出素子及び第２の第３検出素子間に設けられた第３の中間ノードを有する第３のセンサ路と、
(d) 前記第１の中間ノード、前記第２の中間ノード及び前記第３の中間ノードと接続された信号処理装置であって、(d1)前記第１の中間ノードに生じる第１の電気量と、(d2)前記第２の中間ノードに生じる第２の電気量と、(d3)前記第３の中間ノードに生じる第３の電気量とに基づいて、検出された物理量を表す出力信号を処理するように構成された当該信号処理装置と
を具える。
【００１０】
上述したセンサシステムは、３つのハーフブリッジを有するセンサシステムであって、各ハーフブリッジがそれぞれ３つのセンサ路のうちの１つにより実現されている当該センサシステムにより、それぞれ信号処理装置に対する情報である幾つかの冗長性の測定信号を生じ、これらを物理量の信頼性のある検出に用いるようにすることができ、同時に上述したセンサシステムに対する装置形成努力が比較的少なくて足りるようになるという着想に基づくものである。従って、物理量の正確で冗長性のある測定をも行うこと勿論である２つの別々のフルブリッジセンサ構造を有するセンサシステムに比べて、上述したセンサシステムを実現する努力及び費用がより少なくなる。
【００１１】
冗長性の測定信号は適切な信号処理時に用いて、検出した物理量と、上述したセンサシステムの動作状態との双方又は何れか一方に関する複数の情報要素を得ることができる。以下の非排他的なリストは、通常従来のセンサシステムでは間違った測定結果をもたらすような幾つかの事例を示す。
（Ａ）  信号がいわゆるフリッピングする場合に、故障検出を達成しうる。更に、上述したセンサシステムの測定の質に悪影響を及ぼす欠陥数を低減させることができる。
（Ｂ）  不所望な振動の場合でも、故障検出を行うことができる。多くの場合、このような振動の悪影響を無くすか又は少なくとも著しく低減させることができる。
（Ｃ）  センサシステムの回路内のショート回路（短絡）及びオープン回路（断線）の双方又は何れか一方に対しても故障検出を実行しうる。更に、特にセンサシステムが寿命になりつつあるために生じる不所望なドリフトを検出しうる。従って、寿命による故障を排除でき、可能な場合にはセンサシステムの新たな較正を起動させることができる。
【００１２】
上述した故障検出は、特に２つの出力信号を互いに比較することにより達成しうる。従って、一方の出力信号を第１の電気量及び第２の電気量と関連させ、他方の出力信号を第２の電気量及び第３の電気量と関連させることができる。
【００１３】
信号処理装置に対する３つの入力信号として用いられる上述した電気量は特に電圧レベルとすることができる。出力信号は如何なる種類の信号にもすることができる。電圧又は電流信号以外に光信号を用いることもできる。
【００１４】
本発明の実施例によれば、センサシステムが更に、運動を測定すべき可動要素に結合可能なプローブ装置を有する。このプローブ装置は、
(i) ３つのセンサ路に対して空間的に配置されているとともに、
(ii) このプローブ装置の運動により３つの電気量の時間変化を生ぜしめるように構成されている
ようにする。
【００１５】
プローブ装置は、運動することにより上述したセンサシステムにより検出すべき物理量を変化させる如何なる物理的構造体にもすることができる。プローブ装置の物理的特性は、検出素子の種類に依存する。このことは、各検出素子を、プローブ装置（の運動）により得られる物理量及びその変化をそれぞれ検出するように構成する必要があることを意味する。
【００１６】
プローブ装置は例えば、光学特性の空間的変化を有する構造とすることができる。この場合、光学パラメータを例えば、プローブ装置のある部分のカラー及び反射率の双方又は何れか一方とすることができる。従って、検出素子はこれらの光学的特性（の変化）を検出するように構成する必要がある。当業者にとって明らかなように、光学量を検出しうる複数の種類の検出素子が存在する。従って、プローブ装置のそれぞれの部分を照明しうる適切な光源を用いる必要がある。
【００１７】
プローブ装置は少なくとも部分的に線形拡張手段（a linear extension）を有するようにしうる。このことは、上述したセンサシステムの好適な適用において、プローブ装置が直接的に又は間接的に機械連結されている可動要素の運動時に、可動要素の空間的な位置の線形運動又は変化を検出しうることを意味している。
【００１８】
各電気量が１つの検出信号を表す３つの電気量の上述した冗長性の為に、信号処理装置により適切な（冗長性の）信号処理を行うことにより紛失速度パルスの検出及び予測の双方又は何れか一方を行うことができる。従って、紛失速度パルスを実質的に加えることができる。更に、過度に多い速度パルスの発生をも検出でき、余計な速度パルスを削除するように信号処理が構成されるようにしうる。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、プローブ装置は、測定すべき回転を行う回転要素に結合しうるエンコーダホイールとする。
【００２０】
エンコーダホイールは、直接的に又は間接的に回転要素に連結しうるようにすることができ、又は回転要素の回転位置の変化を検出するようにしうる。これにより、例えば、ＡＢＳ（自動ブレーキシステム）分野に対するような複数の分野に上述したセンサシステムを用いるようにしうる。又自動車分野における上述したシステムに対する他の可能な適用は、内燃機関におけるクランクシャフトの回転位置及び回転速度の双方又は何れか一方を検出することにある。
【００２１】
又、上述した２つの（自動車の）分野は排他的なものではなく、上述したシステムは主として、３つのセンサ路とこれらに関連するセンサ素子とを有する又はこれらより成るセンサ構造体をエンコーダホイールの付近に配置するための充分な空間が得られる限り如何なる回転要素の回転運動をも測定するために用いることができる。
【００２２】
本発明の他の例によれば、所定の軸線に対して、(a) 第１のセンサ路を第１の位置に配置し、(b) 第２のセンサ路を第２の位置に配置し、(c) 第３のセンサ路を第３の位置に配置する。このことは、所定の軸線（座標軸）と他の（直角の）軸線（座標軸）とにより規定される（デカルト）座標系内では、１つの同じ（同一の）センサ路に割当てられた全ての検出素子がこの所定の軸線に対して同じ座標値を有することを意味する。
【００２３】
プローブ装置が少なくとも部分的に線形拡張手段を有するとともに運動方向に沿って運動する要素に機械的に結合されている場合には、この運動方向は所定の軸線の方向に一致する。プローブ装置が回転可能なエンコーダホイールである場合には、所定の軸線はエンコーダホイールの接線に一致させることができる。このことは、エンコーダホイールの回転軸線はこの所定の軸線に対し直角な方向に向いていることを意味する。
【００２４】
第１の位置と、第２の位置と、第３の位置との間の、所定の軸線に沿う距離の為に、３つの電気量の時間依存性はそれぞれ互いに対する位相差を呈すると言える。この位相差は、上述したセンサシステムの特定の分野に応じて重要な測定情報を得るのに用いることができる。
【００２５】
本発明の他の例によれば、検出素子の少なくとも１つを磁気検出素子とする。このことは、上述した３つのハーフブリッジセンサシステムが磁気センサシステムであることを意味する。
【００２６】
磁気検出素子は磁気抵抗検出素子とするのが好ましい。このようにすることにより、磁界測定を高精度で行うことができる。特に、上述した少なくとも１つを磁気検出素子は、既知の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を生じる動作を行うＡＭＲ検出素子とすることができる。例えば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、コロサル磁気抵抗（ＣＭＲ）及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）の何れか又は任意の組合せの既知の効果を生じる他の検出素子をも用いることができるものである。
【００２７】
上述したエンコーダホイールにより回転要素の回転運動を測定する場合には、このエンコーダホイールが特に複数の磁気素子又は空間的に変化する磁化を有するようにしうる。エンコーダホイールが回転することにより、全てで６つの検出素子の検出領域内で検出磁界が特にその振幅に対して変化するようになる。
【００２８】
本明細書の最初の方で前述したように、常にバイアス磁石と関連して用いられる、磁気的にパッシブなエンコーダホイールにより、変化する磁界を得ることもできる。この場合、バイアス磁石により発生されＡＭＲセンサシステムにより検出される磁界が磁気的にパッシブなエンコーダホイールにより錯乱されるか又は変化されるか或いはその双方が行なわれる。
【００２９】
本発明の他の例によれば、６つの検出素子の各々を磁気検出素子とする。このようにすることにより、センサ素子を対称的に配置しうるという利点が得られる。検出素子の３つのハーフブリッジ路は、フルブリッジ構造を２つ組合せることにより得ることができる。換言すれば、１つのハーフブリッジを共通にした２つのフルブリッジから３つのハーフブリッジを構成することができる。
【００３０】
本発明の他の例によれば、検出素子を単一の基板上に、特に単一の半導体ダイ上に形成する。この本発明の例は、空間的にコンパクトに実現しうる。このことは、上述したセンサシステムを半導体基板上に一体に形成する場合に有利となりうる。
【００３１】
本発明の更なる例によれば、検出素子に加えて信号処理装置の少なくとも一部をも単一の基板上に形成する。
【００３２】
信号処理装置をも単一の基板上に形成することにより、上述したセンサシステムを空間的に極めてコンパクトに実現しうる。その理由は、上述したセンサシステムの適切な出力信号を生ぜしめるのに用いられる回路及びセンサ素子を、いわゆるスマートセンサ内に構成しうる為である。従って、上述したセンサシステムを複数の分野に対して用いることができる。
【００３３】
本発明の他の例によれば、信号処理装置が、
(a) 第１の中間ノード及び第２の中間ノードに接続された第１の電子ユニットであって、第１の電気量及び第２の電気量に応答して第１の出力信号を生じるように構成された当該第１の電子ユニットと、
(b) 第２の中間ノード及び第３の中間ノードに接続された第２の電子ユニットであって、第２の電気量及び第３の電気量に応答して第２の出力信号を生じるように構成された当該第２の電子ユニットと、
(c) 第１の電子ユニット及び第２の電子ユニットに接続されたデータ処理ユニットであって、第１の出力信号及び第２の出力信号に基づいて、検出された物理量を表すセンサ出力信号を決定するように構成された当該データ処理ユニットと
を具えるようにする。
【００３４】
上述した構造の信号処理装置によれば、３つの電気量を容易に且つ信頼的に処理しうるとともに、検出された物理量を極めて正確に表す出力信号を得ることができる。
【００３５】
第１の電子ユニット及び第２の電子ユニットの双方又は何れか一方は、それぞれの電気量間の差を決定する演算増幅器を有するか又はこの演算増幅器を以て構成することができる。特に、第１の電子ユニットにより得られる第１の出力信号は、第１の電気量と第２の電気量との間の差とすることができる。従って、第２の電子ユニットにより得られる第２の出力信号は、第２の電気量と第３の電気量との間の差とすることができる。
【００３６】
簡潔に前述したように、可動要素（例えば、エンコーダホイール）の運動（例えば、回転）を上述したセンサシステムにより測定する場合には、第１の出力信号及び第２の出力信号であって、代表的にこれらの双方がある周期性を有している当該出力信号は相互に対して位相差を呈する。以下に更に詳細に説明するように、この位相差を用いて有用な測定情報を得ることができる。
【００３７】
本発明の更なる例によれば、データ処理ユニットを、第１の出力信号と第２の出力信号との合計（和）を計算するように構成する。
【００３８】
双方の出力信号の加算を計算する結果として信号の振幅を倍加することができる。更に、歪みを低減させることができるとともに、信号対雑音比を高めることができる。このことは全て、上述したセンサシステムの動作を完全に改善させるのに寄与しうる。
【００３９】
所定の軸線に沿うセンサ路の空間位置に関しては、２つの出力信号の合計が、３つのハーフブリッジセンサ路を有する又はこれらより成るセンサ構造体の中心点に関連していると言える。
【００４０】
本発明の他の例によれば、データ処理ユニットを、第１の出力信号と第２の出力信号との差を計算するように構成する。
【００４１】
又、２つの出力信号間の（振幅）差は、３つのハーフブリッジセンサ路（検出路）を有するセンサ構造体の空間的に中心の位置に関連している。
【００４２】
２つの出力信号の合計及び差の双方を計算することにより２つの移相した信号が得られ、これらの信号を用いることにより、検出された運動／回転に関する信頼的な速度情報を得ることと、運動／回転の方向を認識することとの双方又は何れか一方を達成するようにしうる。
【００４３】
本発明の他の例によれば、データ処理ユニットを、第１の出力信号の第１の周期波形と第２の出力信号の第２の周期波形との間の位相差を計算するように構成する。
【００４４】
要素の運動（例えば、回転）を検出するものとした場合、２つの出力信号の各々が速度信号を表す。これらの２つの速度／出力信号間の位相差を計算することにより、信頼性のある信号予測を行い得るという利点が得られる。これにより、例えば、双方の速度信号を互いに又はこれらの予測値と比較するか或いはこれらの双方を行うことにより故障検出を行うことができる。（適切なアルゴリズムにより）故障検出を実行する能力や、場合に応じ故障の修正を行う能力も特に、本発明の好適な例においては２つの出力信号を大きさにおいて少なくともほぼ等しくし且つこれらの位相に対してのみ互いにずらすという事実問題に基づくようにしうる。前述したように、この位相差は特に、３つのハーフブリッジセンサ路の上述した空間的な距離により生ぜしめることができる。
【００４５】
特に、データ処理ユニットが前述した３種類の計算のうちの少なくとも１つ、好ましくは２つ又は全てを実行しうる場合には、複数の信号有効性の適正化を行うことができるとともにこれらを用いて２つの出力信号を有効化することができる。更に、ゼロ交差点の（時間的）最大及び最小位置の双方又は何れか一方を決定しうる。更に、少なくとも１つの速度信号の信号傾斜、静的オフセット及びオフセットジャンプを認識できるとともに、これらを用いて２つの出力信号の処理及びセンサ出力信号の決定の双方又は何れか一方を達成することができる。
【００４６】
本発明の更なる例によれば、特に上述したセンサシステムにより物理量を検出する方法を提供する。この方法は、
(a) 第１の中間ノードに生じる第１の電気量と、
(b) 第２の中間ノードに生じる第２の電気量と、
(c) 第３の中間ノードに生じる第３の電気量と
に基づいて、検出された物理量を表す出力信号を決定するステップを具える。第１の中間ノードは、第１のセンサ路に割当てられ且つ第１の第１検出素子及び第２の第１検出素子間に位置するようにする。第２の中間ノードは、第２のセンサ路に割当てられ且つ第１の第２検出素子及び第２の第２検出素子間に位置するようにする。第３の中間ノードは、第３のセンサ路に割当てられ且つ第１の第３検出素子及び第２の第３検出素子間に位置するようにする。
【００４７】
上述した方法は、３つのハーフブリッジセンサ路を有するセンサシステムを採用し、３つの中間ノードに存在する全ての電気量を用いて、測定した物理量を表すこのセンサシステム全体の出力信号を決定する場合に、信号の冗長性を得ることができるという着想に基づくものである。
【００４８】
上述したセンサシステムは、３つのみのハーフブリッジセンサ路を有する場合、
(a) １つのみのフルブリッジセンサ構造を有し、測定信号の冗長性を生じない極めて簡単なセンサシステムと、
(b) 少なくとも２つの分離されたフルブリッジセンサ構造を有するより高度化したセンサシステムと
の間の極めて魅力的な技術的妥協を呈するものと思われる。
【００４９】
本発明の更なる例によれば、出力信号を決定するステップが、第１の電気量、第２の電気量及び第３の電気量の冗長処理を有するようにする。上述した方法は更に、第１の電気量、第２の電気量及び第３の電気量の冗長性に基づいて、特にこれらの電気量のそれぞれのゼロ交差点の計数、比較及び適格化（qualifying）の何れか又は任意の組合せにより、出力信号に対する故障検出を実行するステップを具える。それぞれのゼロ交差点の計数、比較及び適格化の何れか又は任意の組合せを実行する場合、それぞれの電気量には前もって雑音低減化処理を施しておくことができる。
【００５０】
上述したように、故障検出の場合、種々の故障を検出し、該当する場合には修正することができる。実際的な観点からすれば、修正しうる関連の種類の故障は、
（Ａ）いわゆる、信号フリッピングと、
（Ｂ）不所望な振動により生ぜしめられる故障と、
（Ｃ）センサシステムの回路内のショート回路及びオープン回路の双方又は何れか一方と、
（Ｄ）特にセンサシステムが寿命になりつつあるために生じる不所望なドリフトと
である。更に、並進運動又は回転運動の場合には、
（Ｅ）紛失速度パルスと、
（Ｆ）追加の疑似速度パルス
との双方又は何れか一方を信号処理装置により行う適切な故障検出アルゴリズムにより検出することができる。
【００５１】
本発明の更なる例によれば、第１のセンサ路が第１の検出位置を規定し、第２のセンサ路が第２の検出位置を規定し、第３のセンサ路が第３の検出位置を規定し、第２の検出位置が第１の検出位置及び第３の検出位置間に位置するようにする。本発明による方法は更に、
(a) 測定すべき運動を行う可動要素に結合されたプローブ装置により生ぜしめられる３つの電気量の時間変化を測定する測定ステップであって、プローブ装置は、
(i) ３つの検出位置に対して空間的に位置しているとともに、
(ii)このプローブ装置が運動することにより時間変化を生ぜしめるように構成されるようにする
当該測定ステップと、
(b) 第１の電気量と第２の電気量との間の差を表す第１の出力信号を処理する処理ステップと、
(c) 第３の電気量と第２の電気量との間の差を表す第２の出力信号を処理する処理ステップと、
(d) 
(i) 第１の出力信号と第２の出力信号との合計及び
(ii) 第１の出力信号と第２の出力信号との差
を計算する計算ステップと、
(e) 計算された合計及び計算された差に応答して第２の検出位置（Ｂ）に対する可動要素の運動の方向を検出する検出ステップと
を具える。
【００５２】
プローブ装置は特に、回転が測定される回転要素に結合されたエンコーダホイールとすることができる。前述したように、プローブ装置は、測定時に物理量の変化を上述した方法により検出するようにする如何なる物理構造にもすることができる。
【００５３】
本発明の例は種々の対象に関して記載したものであることに注意すべきである。特に、幾つかの例は装置に関する請求項に記載してあり、他の例は方法に関する請求項に記載してある。しかし、他に断らない限り、１つの種類の対象に属する特徴事項の如何なる組合せにも加えて、異なる対象に関連する特徴事項間の如何なる組合せも、特に装置に関する請求項の特徴事項と方法に関する請求項の特徴事項との間の如何なる組合せもここに開示されているものとみなされるものである。
【００５４】
本発明の上述した態様及びその他の態様は以下に説明する実施例から明らかとなるものであり、この実施例を参照して説明する。本発明は以下に実施例に関して詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、３つのハーフブリッジセンサ路を有し、これらの各ハーフブリッジセンサ路が２つのＡＭＲ磁気センサ素子を有している磁界センサシステムを示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図面は線図的に示してある。“前方”及び“後方”や、“上方”及び“下方”や、“左方”及び“右方”等のような空間的に関連する用語は、図面に示すような他の素子に対する素子の関係を表すのに用いられるものである。従って、空間的に関連する用語は、図面に示す方向とは異なるように使用する方向に適用することができるものである。このような空間的に関連する用語は全て説明を容易にするために図面に示す方向を参照しているが、これに限定されるものではないこと勿論である。その理由は、本発明の実施例によるシステムは、使用に際して図面に示す方向とは異なる方向を採りうる為である。
【００５７】
図１は、現在好適な本発明の実施例による、検出構造を有する磁気センサシステム１００を示す。この検出構造は、３つのセンサ路（検出路）１１０、１２０及び１３０より成っている。図１から明らかなように、各センサ路は、
(ｉ)互いに直列に接続された２つの検出素子と、
(ii)これらの２つの検出素子間の中間ノードと
を具えている。更に図１から明らかなように、３つのセンサ路１１０、１２０及び１３０は第１の電源端子１０２と第２の電源端子１０４との間で互いに並列に接続されている。ここに記載した実施例によれば、第１の電源端子１０２は正の電源電圧vbr を有し、第２の電源端子１０４は接地電圧gnd で規定してある。
【００５８】
特に、第１のセンサ路１１０は、第１の第１検出素子ＲＡ１と、第１の中間ノード１１５と、第２の第１検出素子ＲＡ２とを具えている。第２のセンサ路１２０は、第１の第２検出素子ＲＢ１と、第２の中間ノード１２５と、第２の第２検出素子ＲＢ２とを具えている。従って、第３のセンサ路１３０は、第１の第３検出素子ＲＣ１と、第３の中間ノード１３５と、第２の第３検出素子ＲＣ２とを具えている。
【００５９】
ここに記載する実施例では、全ての検出素子を、特にNiFe抵抗ストライプから形成しうるＡＭＲ検出素子とする。好ましくは、全ての検出素子を、半導体処理技術によりウエハ（図示せず）上に直接形成する。
【００６０】
全ての検出素子ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＣ１及びＲＣ２を必ずしもＡＭＲ検出素子として構成する必要はないことを銘記すべきである。例えば、中央のハーフブリッジを、磁気抵抗性でない複数の抵抗素子を有するブリッジとすることができる。
【００６１】
更に、NiFe抵抗ストライプの方向、すなわち検出素子ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＣ１及びＲＣ２内に形成されたバーバーポール構造の方向（ねじり巻の方向）をそれぞれ異なるようにしうることを銘記すべきである。
【００６２】
磁気センサシステム１００は、図１に点線で示すエンコーダホイール１９０の回転位置及び回転速度の双方又は何れか一方を決定するのに用いる。このエンコーダホイール１９０は、回転を測定することが求められている回転要素に機械的に結合されている。磁気エンコーダホイールを有する磁気センサシステムの既知の設計によれば、エンコーダホイール１９０は回転軸を中心に回転するようになっている。この回転軸は、図１に示すＸ軸線に対し平行な向きであり且つ第２の位置Ｂで図１に示すＹ軸線と交差するようになっている。
【００６３】
エンコーダホイール１９０は、幾つかの磁気素子又は磁気部分を有する、いわゆるアクティブなエンコーダホイール１９０とし、このエンコーダホイール１９０が回転すると、磁気センサシステム１００の検出領域内の磁界（の強さ）が明白な時間依存性を示すようにしうる。この時間依存性は磁気センサシステム１００により検出され、検出されたこの時間依存性に応答して回転要素の回転位置及び回転速度の双方又は何れか一方が決定される。前述したように、エンコーダホイール１９０は、いわゆるパッシブなエンコーダホイールとし、このエンコーダホイールがバイアス磁石（図示せず）から生じる磁界を錯乱させる材料から形成された複数の歯部を有するようにすることもできる。回転要素の回転位置及び回転速度の双方又は何れか一方を決定するために、この錯乱の時間依存性を評価する。
【００６４】
図１から明らかなように、磁気センサシステム１００は更に、３つの入力信号を受信する信号処理装置１５０を具えている。これらの３つの入力信号は、第１の中間ノード１１５に存在する第１の電気量（変量）vha と、第２の中間ノード１２５に存在する第２の電気量vhb と、第３の中間ノード１３５に存在する第３の電気量vhc とにより与えられる。
【００６５】
特に、ここに記載する実施例によれば、信号処理装置１５０の第１の電子回路１６２が第１の電気量vha と第２の電気量vhb とを受信し、第１の電気量vha と第２の電気量vhb との間の差により与えられる第１の（差分）出力信号out1を生じる。この第１の電子回路１６２は、簡単な演算増幅器及びアナログ‐デジタルコンバータの双方又は何れか一方により形成する。従って、信号処理装置１５０の第２の電子回路１６４が第２の電気量vhb と第３の電気量vhc とを受信し、第２の電気量vhb と第３の電気量vhc との間の差により与えられる第２の（差分）出力信号out2を生じる。又、この第２の電子回路１６４は、簡単な演算増幅器及びアナログ‐デジタルコンバータの双方又は何れか一方により形成する。
【００６６】
２つの（差分）出力信号out1及びout2はデータ処理ユニット１７０に供給され、このデータ処理ユニットが第１の（差分）出力信号out1及び第２の（差分）出力信号out2に応答してセンサ出力信号out を発生する。ここに述べた実施例によれば、データ処理ユニット１７０は、２つの（差分）出力信号out1及びout2に対する複数の異なる処理アルゴリズムを実行しうるマイクロプロセッサとする。適切な処理アルゴリズムは例えば、アナログ‐デジタル変換としうる。
【００６７】
各ハーフブリッジセンサ路が２つのＡＭＲ検出素子を有する３つのハーフブリッジセンサ路１１０、１２０及び１３０を具える上述したセンサシステム１００の基本原理を以下に詳細に説明する。
【００６８】
図１から明らかなように、３つのハーフブリッジセンサ路１１０、１２０及び１３０はＹ方向に対して３つの異なる位置に配置されている。具体的には、第１のセンサ路１１０が第１の位置Ａに配置され、第２のセンサ路１２０が第２の位置Ｂに配置され、第３のセンサ路１３０が第３の位置Ｃに配置されている。各々がセンサ路１１０、１２０及び１３０の１つに割当てられている３つの中間ノード１１５、１２５及び１３５からは、２つの演算増幅器１６２及び１６４により２つの出力信号out1及びout2で表される２つの（差分）速度信号が発生させられる。これらの２つの（差分）速度信号out1及びout2は以下のように発生させられる。
out1＝vha −vhb                     （１）
out2＝vhc −vhb                     （２）
【００６９】
図１から明らかなように、２つの（差分）速度信号out1及びout2はそれぞれ仮想の測定ポイントＹ１及びＹ２に対し空間的に関連している。
【００７０】
２つの（差分）速度信号out1及びout2を発生させるために３つの入力信号vha 、vhb 、vhc を用いることは、３つのハーフブリッジによる差分信号処理に対して冗長性を与えることを意味する。この冗長性は、信号振幅を増大させるか又は最大にすることと、信号体雑音比を高くすることと、正の電源電圧vbr 上に存在するリプル雑音の排除を優れたものにすることとの任意の組合せを達成させる上で、有利に利用されるものである。
【００７１】
例えば、回転しているエンコーダホイールの速度情報及び方向認識情報は、双方の速度信号の合計及び差（以下の式（３）及び（４）を参照）を評価することにより発生させることができる。
合計＝out1＋out2＝vha ＋vhc −２vhb           （３）
差＝out1−out2＝vha −vhc                     （４）
【００７２】
双方の処理された信号の合計及び差は、図１に示す第２の仮想の測定ポイントＢに関連する。
【００７３】
センサシステム１００の寿命に亘る故障検出は、双方の（差分）出力信号out1及びout2を比較して種々の信号路内の“オープニング（断線）”又は“ショートカット（短絡）”を検出することにより達成しうる。
【００７４】
更に、規定のヒステリシスレベルに関連するスタティックオフセットとピーク‐ピーク振幅とを比較することにより寿命に亘るパラメータドリフトを表すことができる。これにより、各（差分）速度信号out1及びout2と、これら双方の速度信号の合計及び差とを解析しうる。その結果をその後の信号処理でデータ処理ユニット１７０により用いて、パルスの不足、パルスの過多のような装置の不具合や、又は間違った信号のゼロ交差点により生じる誤った方向認識を表すようにしうる。
【００７５】
上述した磁気センサシステム１００の回路によれば、回転するエンコーダホイールに対する磁界変化を検出し、回転数及び回転方向に応じて電気速度信号を発生させることができる。パッシブ又はアクティブエンコーダホイールは、ＡＢＳシステム又は変速ギヤ内の種々の用途に対して用いることができる。しかし、上述したセンサシステムは自動車の用途以外の用途に対しても用いることもできる。例えば、磁気的にアクティブな又は磁気感受性の線形プローブを距離の測定又は線形加速器に対して用いている分野に対し磁気センサシステムを用いることができる。磁気センサシステムは、例えば、磁気素子又は磁化可能な素子に対するカウンタ（車軸カウンタ）としても用いることができる。更に、ホイーストンフルブリッジ構造を用いて測定しうる他の全ての物理的作用は、上述した磁気センサシステム１００の空間的な構造を有する本発明の他の実施例によるセンサシステムに対し適用可能となる。
【００７６】
上述した本発明又は本発明の実施例は以下の通りに要約して記述しうる。すなわち、上述したセンサシステム１００は、２つの（差分）速度信号out1及びout2を発生させる３つのハーフブリッジを有するホイール速度センサである。速度信号out1及びout2は、中央のハーフブリッジに対する２つの外側のハーフブリッジの空間的な差に関連している。これらの速度信号out1及びout2の合計及び差を用いて、速度及び方向情報を発生させることができる。これらの双方の速度信号out1及びout2は互いに等しく、３つのハーフブリッジの空間的な距離により位相においてのみずれている為、故障検出及び故障低減アルゴリズムを適用しうる。従って、上述したセンサシステム１００は、国際規格ＩＳＯ262262による改善された機能安全に関する故障検出及び故障低減方法を用いている全てのシステムに対して用いることができる。
【００７７】
上述したセンサシステム１００の回路は、空間的に異なる位置にあるセンサ素子により物理量の時間変化を検出するためにホィーストンブリッジ構造を用いているあらゆる種類のセンサに対しても用いることができることを銘記すべきである。
【符号の説明】
【００７８】
１００……センサシステム
１０２……第１の電源端子
１０４……第２の電源端子
１１０……第１のセンサ路
１１５……第１の中間ノード
１２０……第２のセンサ路
１２５……第２の中間ノード
１３０……第３のセンサ路
１３５……第３の中間ノード
１５０……信号処理装置
１６２……第１の電子装置／演算増幅器
１６４……第１の電子装置／演算増幅器
１７０……データ処理ユニット
１９０……プローブ装置／（磁気）エンコーダホイール
ＲＡ１……第１の第１検出素子（ＡＭＲ素子）
ＲＡ２……第２の第１検出素子（ＡＭＲ素子）
ＲＢ１……第１の第２検出素子（ＡＭＲ素子）
ＲＢ２……第２の第２検出素子（ＡＭＲ素子）
ＲＣ１……第１の第３検出素子（ＡＭＲ素子）
ＲＣ２……第２の第３検出素子（ＡＭＲ素子）
vbr ……正の電源電圧
gnd ……接地電圧
vha ……第１の電気量／第１の入力信号
vhb ……第２の電気量／第２の入力信号
vhb ……第３の電気量／第３の入力信号
out1……第１の出力信号／第１の（差分）速度信号
out2……第２の出力信号／第２の（差分）速度信号
out ……センサ出力信号
Ａ……第１の位置／第１の仮想の測定ポイント
Ｂ……第２の位置／第２の仮想の測定ポイント
Ｃ……第３の位置／第３の仮想の測定ポイント
Ｙ１／Ｙ２……仮想の測定ポイント
【図１】
2016008970.tif 000003
【外国語明細書】
2016008970000001.pdf