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KR101411137B1 - 증가된 본질 안전을 갖는 차륜 회전속도 검출 장치 - Google Patents

증가된 본질 안전을 갖는 차륜 회전속도 검출 장치 Download PDF

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KR101411137B1
KR101411137B1 KR1020087002853A KR20087002853A KR101411137B1 KR 101411137 B1 KR101411137 B1 KR 101411137B1 KR 1020087002853 A KR1020087002853 A KR 1020087002853A KR 20087002853 A KR20087002853 A KR 20087002853A KR 101411137 B1 KR101411137 B1 KR 101411137B1
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South Korea
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페터 로베르크
볼프강 프리츠
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콘티넨탈 테베스 아게 운트 코. 오하게
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Abstract

본 발명은 자기 인코더 (5, 25) 및 센서 (26) 으로 구성되는, 보디의 증가된본질 안전 선형 및/또는 회전 운동을 갖는 기록용 디바이스에 관한 것이며, 여기서 상기 자기 인코더 (5, 25) 는 상기 보디와 함께 변위가능하고 자기 에어 갭에 의해 센서 (26) 의 적어도 두 개의 센서 요소 (S1, S2) 에 자기적으로 커플링되고, 센서 (26) 는 적어도 하나의 신호 컨디셔닝 스테이지 (28, 29) 를 각각 포함하는 적어도 두 개의 구별된 신호 경로들 (S1, f1; S2, f2) 을 포함하고, 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 는 그것의 출력 신호가 인코더 운동의 단순 주파수를 정상운전시 복구하도록 생성되고, 적어도 하나의 모니터링 신호 경로 (S2, f2) 는 그것의 출력 신호가 인코더 운동 주파수의 두배를 복구하도록 생성된다.
Figure R1020087002853
자기 인코더, 센서, 자기 에어 갭, 신호 컨디셔닝 스테이지, 신호 경로

Description

증가된 본질 안전을 갖는 차륜 회전속도 검출 장치{DEVICE FOR RECORDING THE SPEED OF ROTATION OF A WHEEL WITH AN INCREASED INTRINSIC SAFETY}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전문에 따라, 회전 속도 검출을 위한 및/또는 보디 (body), 특히 차륜의 선형 및/또는 회전 운동의 본질적으로 안전한 검출을 위한 장치의 본질 안전을 증가시키는 방법, 청구범위 제 2 항의 전문에 따라, 본질적으로 안전한 회전 속도 검출을 위한 및/또는 보디, 특히 차륜의 선형 및/또는 회전 운동의 본질적으로 안전한 검출을 위한 장치, 및 자동차에서의 그 방법 및/또는 그 장치의 사용에 관한 것이다.
차륜과 함께 회전하는 자기 인코더 및 적어도 하나의 자계 감지 센서를 갖고, 자기 인코더는 자기 에어 갭을 통해 자계 감지 센서에 자기적으로 커플링되는, 센서 장치에 의해 차륜의 회전 속도를 검출하는 것이 알려져 있다.
자기저항 효과에 기초한 센서, 특히 능동 센서는 그들의 강건성 및 양호한 신호 품질로 인해, 산업에서, 특히 종종 자동차 산업에서 사용된다. 더욱이, 이들 양호한 신호 특성은, 예를 들어 센서의 설치시 또는 장착시, 인코더 트랙과 센서, 특히 그것의 센서 요소/요소들 간의 특정 상대 위치의 허용오차에 부응함으로써 보장된다. 만일, 예시로서, 상기 허용오차가 측방향 상대 오프셋 및 과도하게 큰 근접성 (과도하게 작은 에어 갭 길이 또는 인코더 필드 강도의 과도하게 강한 횡단 컴포넌트) 의 상황의 결과로서 부응되지 않는다면, 센서 출력 신호를 허용불가능한 방식으로 일시적으로 또는 영구적으로 변경하는 신호 교란이 발생할 수 있다. 그러면, 출력 신호의 프로파일은 더이상 인코더 트랙의 극 쌍들 (pole pairs) 의 운동 프로파일에 정밀하게 대응하지 않고, 오히려 통상적으로 우발적인 또는 영구적인 주파수 증식 및/또는 주파수 변동, 특히 주파수 배가가 발생하고, 이것은 예를 들어 자동차의 차륜 회전 속도 센서의 경우에도 발생할 수 있다. 그러한 교란하는 주파수 배가 또는 주파수 증식을 피하기 위해, 적합한 최종 허용 테스트가 수행된다. 작동 동안 그러한 현상에 적절히 반응할 수 있기 위하여, 통상 복잡한 타당성 계산이 수행된다. 이들 에러는 또한 분명해질 수 있고 심지어 다른 신호 처리의 과정에서 증폭될 수도 있다.
문헌 DE 199 06 937 A1 는 회전 속도 센서로서, 인코더의 각도 피치가 그 회전 속도 센서의 각도 분해능 보다 더 코어스 (coarse) 하며, 그 회전 속도 센서는 서로로부터 분리되어 배치되고, 서로에 대해 위상-오프셋되고 필요한 측정 분해능을 달성할 목적으로 출력 신호가 측정 신호에 대해 증가된 주파수를 갖도록 하는 방식으로 결합되는 두 개의 측정 신호를 발생시키는 두 개의 자계 센서를 갖는, 상기 회전 속도 센서를 제안한다. 그러한 회전 속도 센서는 원칙적으로 분해능을 개선하도록 작용하지만, 상기 회전 속도 센서의 본질 안전에 대해서는 어떠한 개선도 달성되지 않는다.
본 발명의 목적은 회전 속도 검출을 위한 및/또는 보디, 특히 차륜의 선형 및/또는 회전 운동의 본질적으로 안전한 검출을 위한 장치의 본질 안전을 증가시키 는 방법, 및 대응하는 장치를 제안하는 것으로 이루어진다.
상기 목적은 청구범위 제 1 항에 따른 방법 및 청구범위 제 2 항에 따른 장치에 의해 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명은 차륜 회전 속도 검출용 장치 및/또는 차륜 또는 몇몇 다른, 특히 회전하는 보디의 운동의 검출용 장치의 본질 안전을 증가시키는 개념에 기초한다. 이러한 경우에, 본 발명에 따른 장치는 자기 인코더 및 적어도 두 개의 센서 요소를 갖는 센서를 가지며, 자기 인코더는 보디, 특히 차륜과 함께 이동 및/또는 회전하고, 자기 에어 갭을 통해 센서의 적어도 두 개의 센서 요소에 자기적으로 커플링된다. 더욱이, 센서는 각각 적어도 하나의 센서 요소 및 각각 신호 컨디셔닝 스테이지를 포함하는 적어도 두 개의, 특히 서로 분리된, 신호 경로를 갖는다. 이러한 경우, 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로는, 정상 작동 동안 그것의 적어도 하나의 출력 신호, 특히 그것의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 인코더의 극 쌍들의 운동의 기본 주파수를 나타내고, 상기 운동은 적어도 하나의 센서 요소에 의해 검출되도록 하는 방식, 및/또는 정상 작동 동안 그것의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 패턴을 가지며, 상기 패턴의 시간적 발생은 본질적으로 센서와 상기 센서에 의해 검출되는 인코더의 극 쌍들 간의 기본 상대 속도에 대응하도록 하는 방식, 및/또는 그것의 하나 이상의 출력 신호가 특히 기본 차륜 회전 속도의 측정치를 나타내도록 하는 방식으로 제공되고 구성되고, 이러한 경우, 또한 적어도 하나의 관찰 신호 경로는, 그것의 적어도 하나의 출력 신호, 특히 그것의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일 들이 인코더의 극 쌍들의 운동의 배가된 주파수를 나타내고, 상기 운동은 적어도 하나의 센서 요소에 의해 검출되도록 하는 방식, 및/또는 정상 작동 동안 그것의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 패턴을 가지며, 상기 패턴의 시간적 발생은 본질적으로 센서와 상기 센서에 의해 검출되는 인코더의 극 쌍들 간의 배가된 상대 속도에 대응하도록 하는 방식, 및/또는 그것의 하나 이상의 출력 신호가 특히 배가된 차륜 회전 속도의 측정치를 나타내도록 하는 방식으로 제공되고 구성된다. 본 발명에 따른 장치는 특히 정상 작동을 손상시키는 교란을 식별하는데 적합하며, 특히 바람직하게는 그 교란에 반응하는데 적합하다.
상기 교란 또는 교란 효과는 특히 바람직하게 주파수 증식 및 특히 주파수-배가 효과 및/또는 바람직하게는 이하에 "플립핑 (flipping)" 으로 기술되는 효과를 포함한다.
본 발명에 따른 장치는 바람직하게는 청구범위 제 1 항에 따른 방법을 수행하기 위해 제공된다.
자계 감지, 특히 능동 센서가 본 발명에 따라 사용된다. 능동 센서는 특히 자동차 분야에 알려져 있다. 능동 센서는 2-와이어 실시형태 및 3-와이어 실시형태로 존재한다. 예시로서, 실시형태들은 제동 시스템에 관습적인 2-와이어 실시형태에 기초하여 기술된다. 그러나, 그 기본 개념을 예를 들어 모터 및/또는 기어 매커니즘 애플리케이션에 널리 퍼져있는 3-와이어 실시형태에 적용하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다.
센서 요소는 다양한 자기저항 효과 중 하나, 특히 이방성 자기저항 효과 또는 거대 자기저항 효과에 기초한 자계 감지 센서 요소인 것으로 이해된다. 바람직하게는, 특히 센서 내로 집적되어 센서 요소를 형성하는 전자 회로는, 센서에 의해 검출되는 변화하는 자계로부터 초래되는 저항 변화를, 출력 신호 자체 또는 더욱 복잡한 출력 신호의 일부로서, 예를 들어 투스 (tooth) 높이 및 투스 갭 또는 북극 및 남극의 연속을 맵핑하는 두 개의 상이한 전류 레벨로 변환한다. 특히 바람직하게는, 본질적으로 안전한 회전 속도 검출을 위한 장치는 적어도 두 개의 센서 요소를 가지며, 이러한 경우에 장치의 환경속에서 상이한 센서 요소를 결합하는 것이 가능하다. 센서 요소는 바람직하게는 이들 자기저항 스트립선로 (stripline) 의 적어도 부분적인 브리지 회로를 포함한다.
자기 인코더는 소정의, 특히 증분적, 자기적 인코딩된 각도 스케일 및/또는 길이 스케일을 지니는 기계 요소인 것으로 이해된다. 영구 자석과 결합하여 가변 자기 에어 갭을 생성하는 강자성체 기어휠 및/또는 톱니모양의 랙 또는 구멍난 디스크 및/또는 구멍난 로드는 또한 인코더로서 작용할 수 있다. 한편, 자기적 인코딩된 패턴을 갖는 인코더 트랙을 갖는 자기 인코더가 있을 수 있으며, 특히 그러한 패턴은, 예를 들어, 교번하는 시퀀스로, 본질적으로 직선적으로 연장되거나 원을 형성하도록 폐쇄되고 휠 베어링 시일로 도입되는 인코더 트랙을 형성하는 영구적으로 자화된 북/남 극 영역들의 일체적 시퀀스일 수도 있다. 특히, 자기 인코더는 회전 속도 검출 시스템 및/또는 회전 속도 검출용 장치 내의 펄스 송신기로서 작용한다.
전자 제어 유닛 (ECU) 은 바람직하게는 자동차 조정 시스템의 전자 제어 유 닛, 특히 분포된 방식으로 프로그램 및 데이터 통신을 함께 처리하는 마이크로제어기들의 네트워크인 것으로 이해된다. 대안적으로, 전자 제어 유닛 (ECU) 이, 특히 바람직하게는 램프를 구동하는, 또는 대안적으로 특히 바람직하게는 산업용 마이크로프로세서 시스템 및/또는 제어 및/또는 조정용 전자 회로를 구동하는 소정의, 특히 간단한 평가 유닛인 것이 적절하다.
정상 작동은 어떠한 중대한 교란 변수도 인코더의 이동 및/또는 회전의 검출을 교란하지 않는 적어도 하나의 센서 요소의 작동을 의미하는 것으로 이해되며, 결과적으로, 어떠한 중대한 교란이 적어도 하나의 센서 요소의 적어도 하나의 출력 신호에서 발생하지 않는다. 이것은 특히 적어도 하나의 출력 신호의 주파수에 대한 교란에 관련된다. 이러한 경우, 적어도 하나의 센서 요소의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들은 패턴을 가지며, 정상 작동으로부터 이탈하는 그러한 교란 작동에서의 상기 패턴의 시간적 발생은 센서와 상기 센서에 의해 검출되는 인코더의 극 쌍들 간의 상대 속도의 배수 및/또는 변동하는 배수, 특히 두 배에 대응하며, 이러한 경우, 센서와 센서에 의해 검출되는 극 쌍들 간의 상대 속도에 대응하지 않는, 상기 패턴의 상기 발생은 특히 신호 중첩으로서 다소 현저한 정도로 순간적으로 및/또는 우발적으로 및/또는 연속적으로 발생할 수 있다. 그러한 교란 효과는 예를 들어 주파수 변동, 주파수 증식, 또는 주파수 배가로 지칭된다. 이들 교란은 "플립핑"으로 지칭되는 효과에 기초할 수 있고, 및/또는 "플립핑"으로 지칭될 수도 있다. 한편, 이것은 바람직하게는 센서와 인코더 간의 상대 위치로부터 초래되는 교란을 수반한다. 따라서, 이동을 검출하는 센서 요소는 종종, 특히 본 발명에 따른 센서 장치의 우선 측정 신호 경로에서, 자기 인코더 필드의 본질적으로 단지 하나의 방향 성분이 검출되고 인코더의 이동 정보는 이러한 하나의 방향 성분의 변화로부터 얻어지는 방식으로 작동된다. 이러한 경우, 적어도 하나의 센서 요소는 바람직하게는 본질적으로 수직으로, 중심으로 배향되고 센서 요소의 측정 영역은 인코더 트랙의 표면에 본질적으로 평행하다. 대조적으로, 각도 측정은 종종 자기 인코더 필드의 두 개의 방향 성분이 검출되는 방식으로 수행되며, 적어도 하나의 센서 요소는 인코더 트랙의 표면에 본질적으로 수직으로 배향된다. 비교할만한 행동이 또한, 인코더 트랙의 표면에 본질적으로 평행하게 배향되지만, 인코더 트랙의 표면에 대해 본질적으로 측방향으로 또는 대각선으로 측방향으로 위치되는 센서 요소에 의해 나타난다. 이러한 경우, 적어도 하나의 센서 요소의 적어도 하나의 출력 신호의 프로파일/프로파일들은 인코더의 이동의 배가된 주파수에 대응하고, 이것은 특히 본 발명의 의미 내에서 교란으로서 간주된다. 덧붙여 말하면, "플립핑"으로서 지칭되는 교란은 인코더 이동에 따라 변하는 두 개의 필드 성분의 상술된 바람직하지 않은 검출로부터 초래되고, 이 경우, 회전 벡터의 이러한 검출은 또한 비례적으로 및 중첩으로서 발생할 수 있으며, 이것은 특정의 정도의 교란으로서 간주된다. 한편, 또한 "플립핑"으로서 지칭될 수 있는 교란은 적어도 하나의 센서 요소의 적어도 하나의 스트립선로의 내부 자화의 배향이 줄곧 변하고 및/또는 갑작스럽게 및/또는 연속적으로 변한다는 사실로부터 초래된다. 바람직하게는, 자기저항 센서 요소의 스트립선로는 내부 자화의 에너지적으로 가장 바람직하고 가장 안정한 방향인 형상 이방성의 방향을 갖는다. 형상 이방성의 방향의 내부 자화의 성분의 배향의 변경 또는 반전의 경우에, 센서 요소의 특성 곡선은 세로 좌표에서 반사되고, 이것은 출력 신호에 대한 소정의, 특히, 주파수-배가 효과를 갖는다. 내부 자화의 배향의 그러한 변경 ("플립핑") 은 서포팅 또는 바이어싱 자석에 의해 인가된 자계가 외부 자계에 의해 보상 및/또는 반전될 때 발생한다. 그러한 효과를 갖는 형상 이방성의 방향 (x 방향) 의 자계의 성분은 바람직하게는 센서 장치 외부의 자기 교란 필드의 부분이다. 특히, "플립핑"으로서 지칭되는 이들 상이한 효과는 결합하여 발생되고, 이것에 의해 교란의 원인이 명확하게 결정될 수 없다. 특히 바람직하게는, 주파수-배가 교란이 센서 요소의 출력 신호에서 발생하는 임의의 경우에 "플립핑"에 대한 언급이 행해진다.
적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 및 적어도 하나의 관찰 신호 경로의 출력 신호/신호들이 비교기에서, 특히, 특별히 바람직하게는 주파수 비교기 회로에서 비교되는 것이 적절하고, 그 비교 결과가 전자 제어 유닛 (ECU) 으로 송신되는 것이 적절하다. 이러한 조치는 두 신호 경로의 상이한 신호 프로파일을 식별하고 효력을 나타낸 교란의 존재를 식별하는 것을 가능하게 한다. 매우 특히 바람직하게는, 컨디셔닝된 신호가 직접 ECU 로 송신되어 거기에서 비교되고 그 비교가 평가된다.
바람직하게는, 특히 부가적으로, 예를 들어 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 및 적어도 하나의 관찰 신호 경로의 적어도 하나의 출력 신호의 진폭 등의 다른 신호 파라미터는 비교기에서 비교되고 특히 바람직하게는 평가되고, 매우 특히 바람직하게는, 적어도 하나의 평가 결과는 전자 제어 유닛 ECU로 송신된다. 이러한 경우에, 예시로써, 관찰 신호 경로의 센서 요소의 두 개의 하프-브리지 신호의 진폭이 비교되어 센서 요소의 풀 브리지의 리딩 포인트 (reading point) 와 인코더 트랙의 중심 간의 상대 위치 결정에 대한 정보의 아이템을 얻는다.
적어도 하나의 우선 측정 신호 경로는, 그것의 출력 신호/신호들이 배가된 주파수를 나타내고 및/또는 정상 작동 동안에 그것의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 패턴을 갖는 상황을 배제하지 않도록 하는 방식으로 구성 및/또는 배열되고, 상기 패턴의 시간적 발생은 본질적으로 센서와 상기 센서에 의해 검출되는 인코더의 극 쌍들 간의 배가된 상대 속도에 대응하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로는 그것이 통상적으로 높은 측정 정확성을 가질 수 있는 방식으로 설계될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 관찰 신호 경로는, 그것의 출력 신호/신호들이, 에어 갭 내의 자기 조건에 독립적으로, 특히 또한 인코더 트랙에 대한 적어도 하나의 관찰 신호 경로의 적어도 하나의 센서 요소의 위치에 독립적으로, 배가된 주파수를 나타내고, 및/또는 정상 작동 동안 그것의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 패턴을 갖는 방식으로 구성 및/또는 배열되고, 상기 패턴의 시간적 발생은, 에어 갭 내의 자기 조건에 독립적으로, 특히 또한 인코더 트랙에 대한 적어도 하나의 관찰 신호 경로의 적어도 하나의 센서 요소의 위치에 독립적으로, 센서와 상기 센서에 의해 검출되는 인코더의 극 쌍들 간의 배가된 상대 속도에 본질적으로 대응한다.
이러한 구성에 의하여, 적어도 하나의 관찰 신호 경로는 신뢰성 있게 배가된 주파수의 신호를 출력하고, 이것에 의해 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로의 바람직하지 않은 주파수 배가가 항상 식별될 수 있다.
적어도 하나의 센서 요소, 특히 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로의 센서 요소/ 센서 요소들의 적어도 하나의 출력 신호는, 특히 센서와 인코더 간의 상대 속도에 비례하는 주파수에 대한 정보와 함께, 특히 이동의 방향 및/또는 에어 갭 사이즈에 대한 부가적인 정보 아이템을 제공하는 것이 적절하다. 이들 부가적인 정보 아이템은 장치의 사용의 스펙트럼을 증가시킬 가능성, 또는 장치를 각각의 사용에 유연하게 적응시키고 특히 신호 송신에 대해 부가적인 기능을 집적시키는 가능성을 제공한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 및 적어도 하나의 관찰 신호 경로의 출력 신호는 비교기에서 연속적으로 및/또는 정의된 시점에서 서로 비교되며, 비교기는 특히, 만일 우선 측정 신호 경로 및 관찰 신호 경로의 출력 신호에 의해 나타내지고 특히 센서와 인코더 간의 상대 속도에 비례하는 주파수, 및/또는 인코더의 이동을 나타내는 패턴의 시간 프로파일이 본질적으로 매치한다면, 우선 측정 신호 경로의 에러 함수가 식별되는 방식으로 설계된다.
바람직하게는, 적합한 신호에 의해, 특히 우선 측정 신호 경로/경로들의 출력 신호와 함께, 우선 측정 신호 경로/경로들의 기능적 상태에 대한 정보의 아이템이 전자 제어 유닛 (ECU) 으로 송신되고, 이것에 의해 전자 제어 유닛은 적절히 반응하여 특히 바람직하게는 장치의 정지 (shutdown) 를 수행할 수 있는 것이 사실이 다. 매우 특히 바람직하게는, 이것은 자동차의 차륜 회전 속도 센서에서의 에러 신호 및/또는 에러가 임계 구동 상태를 초래할 수 없도록 안전-관련 요건을 고려하여 행해진다.
신호 컨디셔닝 및 프로세싱을 위한 요소가 전자 회로, 특히 적어도 하나의 집적회로의 일부로서 구성되는 것이 적절하다. 이것은 장치가 상대적으로 비용-효과적 방식으로 실현되는 것을 가능하게 한다.
자기 인코더는 특히 교번하는 자기 북-남 극들을 포함하는 영구적으로 자화된 인코더 트랙을 갖는 것이 바람직하고, 센서 요소는 자기저항 효과, 특히 바람직하게는 이방성 자기저항 효과를 사용하고 특히 퍼멀로이로 구성된 스트립선로의 조합으로서 형성되는 것이 바람직하다. 인코더 및 센서의 이들 실시형태는 매우 신뢰성이 있는 것으로 증명되었다. 더욱이, 그들이 널리 퍼져있기 때문에, 이들 제품은 용이하게 이용가능하며 상대적으로 비용-효과적이다.
바람직하게는, 센서 요소의 평면은 인코더 트랙의 평면 (XY 평면) 에 본질적으로 평행하게 배열된다.
적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 내의 센서 요소/요소들은 스트립선로의 하프-브리지 또는 풀-브리지 조합인 것이 적절하며, 그 스트립 선로는, 특히 각각의 경우에, 만일 그들이 바버-극 (Barber-pole) 을 갖지 않는다면, 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 대해 본질적으로 +45°또는 -45°의 각도로, 특히 또한 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 대해 대응하는 배향으로 반사되는 방식으로 배향되고, 또는 만일 그들이 바버-극이 제공된다면, 인코더의 이동의 방향 (Y 방향) 에 본질 적으로 수직하거나 평행하게 배향된다. 이것에 의해 달성되는 것은 정상 작동동안 그러한 센서 요소는 1:1 의 비율로 그들의 출력 신호의 주파수에 대해 주파수 및/또는 인코더의 이동 속도를 맵핑한다는 것이다. 특히, 상기 스트립선로는 이방성 자기저항 원리에 따라 기능한다. 스트립선로의 배향에 대한 방향 표시는 또한 +/-15°의 허용 오차로써 고려될 수 있고, 또는 우선 측정 신호 경로의 스트립선로의 배향은 상술된 배향에 대해 +/-15°만큼 편향할 수 있으며, 이것은 한편 제조 및 설치 허용오차 및 배향에 대한 의도적 변경 역시 커버한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 관찰 신호 경로 내의 센서 요소/요소들은 스트립선로의 하프-브리지 또는 풀-브리지 조합인 것이 사실이며, 그 스트립 선로는, 특히 각각의 경우에, 만일 그들이 바버-극을 갖지 않는다면, 인코더의 이동의 방향 (Y 방향) 에 본질적으로 수직하거나 평행하게 배향되고, 또는 만일 그들이 바버-극이 제공된다면, 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 대해 본질적으로 +45°또는 -45°의 각도로, 특히 또한 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 대해 대응하는 배향으로 반사되는 방식으로 배향된다. 회전 보디에 대한 예시로써 기술된 센서 요소의 이러한 배열 및/또는 실시형태 및 배향에 의해 달성되는 것은 상기 센서 요소의 출력 신호가 항상 인코더의 배가된 주파수에 본질적으로 대응한다는 것이다. 이것에 의해 달성되는 것은 그러한 센서 요소는 1:2 의 비율로 그들의 출력 신호의 주파수에 대해 주파수 및/또는 인코더의 이동 속도를 신뢰성 있게 맵핑하며, 이것에 의해 주파수 배가가 센서 요소를 통해 발생한다는 것이다. 특히, 상기 스트립선로는 이방성 자기저항 원리에 따라 기능한다. 스트립선로의 배향에 대한 방향 표시 는 또한 +/-15°의 허용 오차로써 고려될 수 있고, 또는 관찰 신호 경로의 스트립선로의 배향은 상술된 배향에 대해 +/-15°만큼 편향할 수 있으며, 이것은 한편 제조 및 설치 허용오차 및 배향에 대한 의도적 변경을 커버한다. 적어도 하나의 관찰 신호 경로는 특히 그것의 적어도 하나의 출력 신호의 주파수에 대해, 정상 작동 및 정상 작동 이외 (교란 작동) 동안 적절히 기능한다.
바람직하게는, 두 개의 상이한 신호 경로의 적어도 두 개의 센서 요소는, 우선 측정 신호 경로의 각각의 센서 요소의 각각의 스트립선로의 전류 방향과 각각의 바이어싱 자석의 필드 방향 (x 방향) 간의 각도가 특히 +/-15°의 허용 오차를 가지고 본질적으로 45°+n*90°이고, 관찰 신호 경로의 각각의 센서 요소의 각각의 스트립선로의 전류 방향과 각각의 바이어싱 자석의 필드 방향 (x 방향) 간의 각도가 특히 +/-15°의 허용 오차를 가지고 본질적으로 n*90°이도록 구성 및 배열된다.
정의된 각도에 대한 출력 신호의 선형화를 달성하기 위해 바버-극을 갖는 스트립선로를 제공하는 것이 적절하다.
적어도 하나의 서포팅 자석이 인코더의 이동의 방향에 수직으로 배열되고 특히 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 및 적어도 하나의 관찰 신호 경로의 적어도 하나의 센서 요소 상에 작용하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 센서 요소의 하나 또는 복수, 특히 모두는 영구 자석 및/또는 코일이 제공된다. 이것에 의해, 자화의 내부 바람직한 방향은 스트립선로에 대해 미리 정의되고, 이로써 마찬가지로 출력 신호의 특성 곡선의 선형화가 달성될 수 있고 그러한 센서 요소를 형상 이방성의 방향에서의 내부 자화의 필드 성분의 배향의 변경/반전에 상대적으로 무감각하게 만드는 자기 서포팅 필드 또는 바이어싱 필드가 생성된다. 특히 부가적으로 신호 컨디셔닝 및 프로세싱을 위한 요소와 함께, 상이한 신호 경로의 센서 요소가 공통의 칩 상에 집적되는 것이 적절하다. 이로 인해, 비용이 절감될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 또한 자동차, 특히 적어도 하나의 차륜 회전 속도 센서 시스템에서 본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 장치의 사용에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치는 자기 인코더를 갖는 보디의 이동이 센서에 의해 검출되는 모든 영역에서 사용될 수 있다. 이것은 선형 이동의 방향 및 회전 이동의 방향 및 조합 이동, 예를 들어 컨베이어 벨트의 이동에 관련된다. 바람직하게는 자동화 기술, 특히 산업적 애플리케이션, 특히 바람직하게는 로보틱스에서 본 발명에 따른 방법의 사용 및 본 발명에 따른 애플리케이션이 제공된다. 이러한 경우, 이것은 특히 회전 속도 검출용 장치 및 매우 특히 바람직하게는 차량 회전 속도 검출용 장치 및/또는 시스템에서 본질 안전을 증가시키는데 유용하다. 이러한 경우, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치는, 그들의 안전-필수 애플리케이션을 위한 설계로 인하여, 자동차에서, 특히 자동차, 모터사이클, 트럭 및 트레일러의 차륜 회전 속도 검출 시스템에서의 사용에 매우 특히 바람직하게 적합하다.
바람직하게는, 장치 내에 포함되는 본 발명에 따른 센서는 직접 하드웨어 실시형태에 기초하고, 이 경우 그 실시형태는 특히 집적회로로서 하나 이상의 칩 상에 배열될 수 있다. 또한, 본 발명, 특히 본 발명에 따른 센서, 특히 바람직하게는 센서의 부분은 또한 회로의 등가인 기능 모드 및/또는 행동 모드가 소프트웨어 수단에 의해 생성 및/또는 맵핑되도록 하는 방식으로 소프트웨어의 사용에 의해 구동 및/또는 작동 및/또는 연결되는 하드웨어 구조에 관련된다. 이러한 경우, 본 발명, 특히 본 발명에 따른 센서, 특히 바람직하게는 센서의 부분은, 또한 매우 특히 바람직하게는 PLD (프로그램어블 로직 디바이스) 또는 FPGA (필드 프로그램어블 게이트 어레이) 등의 그들에 적합한 하드웨어 구조상의 회로, 특히 집적회로의 상술된 등가 맵팽에 적합한 소프트웨어에 관련된다.
다른 바람직한 실시형태가 도면을 참조로 예시적인 실시형태의 다음의 상세한 설명 및 서브클레임 (subclaims) 으로부터 나온다.
개략적이고 예시적인 설명의 도면에서,
도 1은 종래의 기술에 따른 차륜 회전 속도 검출 시스템을 나타낸다.
도 2는 통상의 센서 모듈의 개략적 구성을 나타낸다.
도 3은 회전 속도 검출용 장치의 상황에서 기준 방향을 나타낸다.
도 4는 교번하여 자화된 스케일 상의 필드 라인 프로파일을 나타낸다.
도 5는 인코더 트랙에 대한 측정 위치 및 센서 배향의 상이한 변수들을 나타낸다.
도 6은 Y 방향의 필드 강도 측정의 물리적 관계를 나타낸다.
도 7은 상이한 특성 곡선을 인코더 트랙에 대한 센서 요소의 스트립 배향의 함수로서 나타낸다.
도 8은 자계가 센서 영역의 양 방향 성분에 대해 주기적으로 회전하도록 하는 방식으로 그 센서 영역이 배향되는 센서 요소의 출력 신호의 시간 프로파일을 나타낸다.
도 9는 본질적으로 안전한 회전 속도 검출을 위한 예시적인 장치를 나타낸다.
도 10은 상이한 신호 프로토콜을 나타낸다.
도 11은 인코더 트랙에 대한 스트립선로의 배향에 대한 센서 요소의 등가 구조를 나타낸다.
도 12는 장치에 대한 실시형태들 및 센서 요소의 스트립선로의 실시형태를 나타낸다.
도 1은 차륜 회전 속도 검출을 위한 두 개의 기지의 장치를 예시로써 도시한다. 도 1a) 에서, 센서 (1) 및 자동차 조정 시스템 (ABS 조정기의 전자 제어기) 의 전자 제어 유닛 ECU (2) 는 2-와이어 라인 (3, 4) 을 통해 서로 전기적으로 접속된다. 동작 전압 (VB) 이 센서의 동작을 위해 요구되고, 상기 동작 전압은 단자 (K1, K2) 에서 ECU 에 의해 제공된다. 따라서, 능동 센서 (1) 는 2-와이어 라인 (3, 4) 을 통해 에너지가 공급된다. 자기 인코더 (5) 는 그것의 회전에 의해 그것을 둘러싸고 있는 자계를 변조하며, 상기 자계는 센서 (1) 에 의해 검출된다. 이러한 경우, 센서 (1) 는 인코더 회전에 따라 신호 전류 (Is) 의 진폭을 변조하며, 이것에 의해 차륜 회전 속도 정보 아이템이 코딩된 형태로 ECU (2) 로 송신되고, 여기서 상기 차륜 회전 속도 정보 아이템은 다시 디코딩된다. 도 1b) 는 3-와이어 라인 (8, 9, 10) 을 통해 ECU (7) 에 전기적으로 접속되는 또 다른 센서 (6) 를 나타낸다. 능동 센서 (6) 는 또한 그것의 에너지를 ECU (7) 로부터 끌어온다. 센서 (6) 는 라인 (9, 10) 사이에 제공되는 전압 (Vs) 에 의해 ECU (7) 로 차륜 회전 속도 정보 아이템을 송신한다.
도 2는 2-와이어 인터페이스를 갖는 능동 차륜 회전 속도 센서의 두 개의 통상적 기지의 변수의 내부 시스템 구성을 나타낸다. 이러한 경우, 도 2a) 는 부가적 기능이 없는 차륜 회전 속도 센서를 나타낸다. 차륜 회전 속도 센서 (1) 는 전자 신호 컨디셔닝 스테이지 (SC) 를 갖는 체인 속에 자기저항 센서 요소 (S) 를 포함한다. 센서 요소는 자계 (H) 를 통해 인코더에 커플링된다. 차륜 회전 속도로 회전하는 인코더는 차륜 회전 속도 정보를 포함하는 증분적 패턴을 갖는 에어 갭 필드 (H) 를 변조한다. 센서 요소 (S) 및 신호 컨디셔닝 스테이지 (SC) 는 이러한 에어 갭 필드 변조로부터 변조기 스테이지 (M) 를 제어하는 신호 전압을 발생시키며, 이것은, 그것의 일부에 대해, 전류원 (11) 을 제어하여, 인코더의 증분적 패턴이 임프레싱된 신호 전류 (IS1) 로서 맵핑되도록 한다. 도 2b) 는 부가적인 기능을 갖는 기지의 차륜 회전 속도 센서의 구성을 도시한다. 상기 도 2a) 의 실시형태와 대조적으로, 여기서는 신호 컨디셔닝 스테이지는 경로 (WS 및 ZI) 로 둘로 분할된다. 스테이지 (WS) 는 인코더 신호로부터 차륜 회전 속도 정보를 컨디셔닝하기 위해 작용하는 반면, ZI 는 센서/인코더 인터페이스로부터 부가적인 정보 아이템의 개별적인 컨디셔닝을 위해 작용한다. 그러한 부가 적인 정보 아이템은 예시로써 회전의 방향 및 에어 갭 사이즈이다. 신호 스테이지 (SL) 에서, WS 및 ZI 에 의해 컨디셔닝된 신호는 처리되고 결합되어 변조기 스테이지 (M) 를 위한 제어 신호를 형성하고, 이것은, 그것의 일부에 대해, 전류원 (11) 을 제어하여, 제어 신호 내에 포함되는 차륜 회전 속도 및 부가적인 기능의 프로토콜이 임프레싱된 신호 전류 (IS2) 로서 맵핑되도록 한다. 데이터를 송신하기 위하여, 3-레벨 프로토콜 또는 PWM 프로토콜 (펄스 폭 변조) 를 사용하는 것이 알려져 있다.
도 3은 인코더 트랙 (13) 에 관련되고 센서 모듈 (12) 에 관한 데카르트 좌표의 시스템을, 도면에 도시된 예시들에 대해, 정의한다. 도 3a) 는 기지의 형태의 자기저항 센서 모듈 (12) 을 나타내며, 이것은 교번적으로, 영구적으로 자화된 인코더 트랙 (13) 에 대한 지오메트리 배향으로, 도 2a) 에 따른 예시에 따라 구성된다. 인코더 트랙 (13) 의 영역은 XY 평면에 있고 인코더 및 따라서 인코더 트랙 (13) 은 센서 요소에 대해 Y 방향으로 이동한다. 센서 요소의 부분 (14) 은 도 3b) 에 도시된 바와 같이 네 개의 자기저항 퍼멀로이 바버-극 저항기 (17) 를 포함하는 브리지 회로 (16) 를 포함한다. 인코더의 평면과 마찬가지로 저항 층의 평면은 XY 평면에 평행하게 배향된다.
도 4는 교번하여 자화된 인코더의 자계 라인의 위치-종속 프로파일을 예시로써 설명 및 도시한다. 후자는 이경우 그 곡률이 무시되는 회전 대칭적인 실시형태로서, 또는 곧은 막대 형태 실시형태로서 간주될 수 있다. 이러한 경우, 도 4a) 는 좌표의 XYZ 시스템에서의 인코더의 전개를 나타낸다. 인코더 트랙, 및 따라서 그것의 표면은 XY 평면에 평행하게 놓이고 Y 방향으로 교번하는 북/남 극들의 균일한 시퀀스를 갖는다. 인코더 트랙에 의해 생성된 자계의 필드 라인은 인코더의 중심 영역 (대략 X = 0) 에, 본질적으로 단지 YZ 평면에만 있다. 즉, 상기 필드 라인은 단지 Y 방향 및 Z 방향의 성분만을 갖는다. 자계 라인과 Y 방향의 인코더의 중심 라인 간의 거리를 증가시킴에 따라, 그들의 출현 각도는 X 방향으로 부가적으로 기울어지며, 즉 모든 세 방향의 성분을 갖는다. 대조적으로, 인코더 트랙으로부터 측방향으로 출현하는 필드 라인은 단지 X 및 Y 방향의 성분들만 가지며, 즉 상기 필드 라인은 XY 평면에서 연장되고 회전한다. 도 4b) 는 그 자계 분포의 기본 프로파일을 갖는 인코더 트랙을 정면도 및 평면도로 도시한다. 도트 심볼을 갖는 원은 나오는 필드 라인을 나타내고 크로스 심볼을 갖는 원은 들어가는 필드 라인을 나타낸다. 정면도는 인터페이스 (-x) - (x) 에서의 필드 라인의 방향 다이어그램을 나타내며 필드 라인 (H00) 은 X 성분이 없고, 필드 라인 (H10, H20) 은 작은 X 성분을 갖고, 필드 라인 (H30) 은 큰 X 성분을 갖는다.
도 5a) 는 예시로써 자기 인코더 필드의 두 개의 구별된 영역의 XY 평면에 대해 평행한 배향으로, 도 3b) 에 따른 두 개의 동일하게 구현된 자기저항 센서형 영역 구조체 (18, 19) 또는 두 개의 센서 요소의 영역과 결합하여 도 4 에 따른 인코더 트랙을 도시한다. 이러한 경우, 영역 구조체 (18) 는 그것의 중심 위의 인코더 트랙에 본질적으로 평행하게 배열되고 영역 구조체 (19) 는 인코더 트랙의 측면으로 인코더 트랙의 표면에 평행하게 배열된다. Y 방향으로의 인코더 트랙과 센서 요소 (18, 19) 간의 상대 이동의 경우에, 센서 (18) 는 YZ 평면에서 회전하는 자기 벡터의 Y 필드 강도 성분에 대해 배타적으로 반응하는 반면, 센서 (19) 는 XY 평면에서 회전하는 자기 인코더 필드의 X 성분 및 Y 성분 양자에 반응한다.
도 5b) 는 인코더 트랙에 관련된 센서 요소의 가능한 로컬 배열의 다양성을 나타내며, 이것은 장치 (18, 19) 의 혼합된 형태로서 간주될 수 있다. 공간 영역 (22) 에 있는 장치의 경우에, 센서 요소 및 회전 자계 벡터의 평면들은 사실상 서로 수직이다. 이러한 형태의 장치는 예를 들어 필드 강도 측정 및 차륜 회전 속도 검출을 위해 사용된다.
통상, 이러한 경우, 주로 선형 특성 곡선 프로파일을 갖는 센서들이 사용되어 센서 출력 신호의 주기가 본질적으로 1:1의 비율로 인코더의 극 피치 (투스/갭 또는 북/남 극) 를 맵핑하는 효과를 갖도록 한다. 이것은 예를 들어 만일 도 6b) 에 따라, α= 45°의 각도 오프셋이 자기저항 스트립선로 (24) 를 통한 전류 흐름 방향 (J) 과 상기 스트립선로의 길이방향 축 (내부 자기 바람직한 방향에 의해 미리 정의된 이지 축 (easy axis)) 간에 설정되고 상기 길이방향 축이 X 좌표의 방향으로 동시에 배향된다면, 달성된다는 것이 알려져 있다. 도 6a) 의 공식은 이방성 자기저항 저항기의 상대 저항 변화와 외부 자기 변조 간의 관계를 설명한다. 자기 변조는 이방성 필드 강도에 대한 Y 방향의 외부 자계 강도의 비를 의미하도록 취해진다.
이하의 참조 심볼은 다음을 나타낸다:
Figure 112008008718422-pct00001
dR/dRmax = ΔR/ΔRmax = 자기저항 스트립선로의 상대 저항 변화
Figure 112008008718422-pct00002
Hx, Hy = X, Y 방향의 자계 성분
Figure 112008008718422-pct00003
H0 = 이방성 필드 강도
Figure 112008008718422-pct00004
Hy/H0 = 자기 변조
Figure 112008008718422-pct00005
Y/λ = 인코더의 자기 파장 (λ) (N/S 극 쌍) 에 대한 Y 축을 따른 공간 시프트
Figure 112008008718422-pct00006
α = 스트립선로의 (바람직하게는 형상 이방성의 방향에 의해 정의되는) 이지 축에 대한 전류 흐름 각도
Figure 112008008718422-pct00007
Θ = 스트립선로의 내부 자화와 전류 흐름 간의 각도
도 7b) 는 안정화 필드 (Hx = 0 kA/m) 없이 그리고 각도 α= 45°에 대해 도 6a) 로부터의 공식에 따라 발생하는 센서형 특성 곡선을 나타내고, 그것은 인코더의 이동 과정에 있어서 센서에 의해 검출되는 극 쌍들에 관한 주기적 저항 변화 및 내부 자화에서의 그와 관련된 각도 변화를 의미하는, 자기 변조 (Hy/H0) 의 공간 주파수를 주파수 동일성 저항 변화 (dR/dRmax) 로 전환한다. 이 특성 곡선은 센서 요소의 소정 한계 내 선형 행동을 나타낸다. 이러한 행동은 종종 차륜 회전 속도 센서에서 인코더 회전을 검출하는데 사용된다. 각도 α= 45°로부터 기원하는 그러한 선형 곡선은 종종 바버-극 구조체에 의해 실현된다. 이러한 경우, 전류가 상대적으로 큰 저항을 나타내는 퍼멀로이를 통해, 교번하여 고전도성의 금속 스트립을 통해 흐르며, 상기 금속 스트립은 스트립선로 상에 45°의 각도로 비스듬히 피팅된다. 이후, 전류는 가장 작은 저항의 경로, 즉 퍼멀로이의 마찬가지로 비스듬한 스트립을 통한 가장 짧은 가능한 경로를 통해 흐르며, 이것에 의해 거의 45°의 전류 흐름의 바람직한 방향이 금속 스트립을 통한 전류의 경로에 대조적으로 달성된다.
그 유효 평면이 회전 필드 강도 벡터의 평면 (XY 평면) 에 있는, 도 5a) 에 따라 위치 (19) 에서 각도 α= 45°를 갖는 그러한 센서 요소에 대해, 도 8a) 에 따른 단순화된 방식으로 기술될 수 있는 저항 변화의 프로파일이 발생하며, 인코더 필드의 공간 주파수는 도 8b) 에 도시된 바와 같이 배가된 주파수로 전환된다. 센서 요소 출력 신호에 대해 기술된 주파수-배가 특성을 갖는 그러한 센서 요소의 이러한 위치 결정은 각도 측정용 장치에 비교할만하다.
따라서, 만일 센서 요소가 도 5b) 에 따라 공간 영역 (23) 에서 작동된다면, 인코더 필드의 공간 주파수의 의도된 선형 전환이 배가된 주파수를 갖는 신호 성분의 중첩에 의해 교란되는 것이 발생할 수 있다. 회전 자계 벡터의 과도하게 큰 Hx 성분, 특히 교란으로서 장치 밖으로부터 작용하는 Hx 성분은, 상기 특성 곡선의 주기적 돌발적 및/또는 연속적 미러링 (mirroring) 이 발생하도록 하는 정도로 도 7b) 에 따른 특성 곡선을 안정화하는데 통상 사용되는, 도 3a) 에 도시된 부가적인 영구 자석 (15) 의 Hx 서포팅 필드 강도를 동시에 보상할 수 있으며, 이것은 마찬가지로 검출된 인코더 이동에 대한 센서 요소의 출력신호의 바람직하지 않은 교란, 특히 배가에 영향을 준다. 센서 요소 출력 신호의 이러한 작동 또는 그러한 행동은 또한 "플립핑"으로서 지칭된다. 상술된 상이한 교란, 특히 "플립핑"으로 지칭되는 교란의 결합 및 중첩이 또한 발생할 수 있다. 기술된 상기 원인들의 하나 또는 조합으로 인한 그러한 주파수 배가의 발생은 예를 들어,
- 인코더가 단지 하나의 좁은 자기 리딩 (reading) 트랙을 가지며
- 강한 자화를 가지며
- 센서 모듈이 리딩 트랙의 중심으로부터 상대적으로 멀리 위치되며
- 센서 모듈이 인코더 표면에 매우 가깝게 위치될 때 분명해진다.
기술적으로, 특히 차륜 회전 속도 검출에 대한 모든 의도하지 않은 주파수 배가 동작은 교란 및 바람직하지 않은 것으로 간주된다.
도 9는 인코더 (25) 및, 2-와이어 라인을 통해 ECU (27) 에 전기 전도적으로 접속되는 본질적으로 안전한 센서 (26) 를 포함하는, 본질적으로 안전한 차륜 회전 속도 검출을 위한 예시적인 장치를 나타낸다. 센서 (26) 는 두 개의 자기저항성, 특히 이방성 자기저항성, 센서 요소 (S1 및 S2) 를 포함하며, 이들은 인코더 (25) 에 자기적으로 커플링된다. 차륜 회전 속도 신호는 관련된 신호 컨디셔닝 스테이지 (28, 29) 에 의해 센서 요소 (S1, S2) 의 출력 신호로부터 컨디셔닝된다. 센서 요소 (S1, S2) 및 신호 컨디셔닝 스테이지 (28, 29) 는 각각 두 개의 개별적 신호 경로의 부분이다. 센서 요소 (S1) 및 신호 컨디셔닝 스테이지 (28) 를 포함하는 우선 측정 신호 경로와 센서 요소 (S2) 및 신호 컨디셔닝 스테이지 (29) 를 포함하는 관찰 신호 경로가 이 경우에 존재한다. 도 2b) 에 따른 형태의 차륜 회전 속도 센서의 예시적인 경우에 대하여, 일반적인 예로서 여기에 도시된 바와 같이, 센서 요소 (S1) 로부터, 기능성 면에서, 도 2b) 에서 ZI로 기재된 것에 대응하는 부가적인 정보 아이템 (ZI1) 이 도출된다. 신호 컨디셔닝 스테이지 (28 및 29) 의 신호 주파수는 비교기 내에서, 여기서는 예를 들어 주파수 비교기 스테이지 (30) 내에서 그들의 매칭에 대해 비교된다. 비교기 스테이지 (30) 는 신호 주파수의 매칭 또는 비매칭에 대한 상태 비트를 결과 프로토콜로서 발생시킨다. 예를 들어 부가적 진단 정보가 신호 비교로부터 도출되어 송신되는 것이 제공된다. 비교기 스테이지의 신호는 신호 로직 (31) 으로 급송된다. 특히, 전기 회로로서 구현되는 신호 로직 (31) 은 주파수 비교기 (30) 의 정보 및 , 특히 부가적으로, 부가 정보 아이템을 포함하는 신호 프로토콜을 발생시킨다. 변조기 (M) 및 전류원 (11) 에 의해, 신호 프로토콜은, 이후에 신호 전류 패턴으로서 맵핑되고 ECU (27) 로 송신된다.
도 10은 주파수 교란에 대한 진단 정보를 ECU 에 송신하는 오늘날의 종래의 신호 프로토콜 및 가능성을 나타낸다.
도 10a)는 단방향 차륜 회전 속도 검출을 위한 표준으로서 설정된 2-레벨 프로토콜을 나타낸다. 여기서는, 예시로서, 교란 주파수 배가의 상태가 일정한 정지 레벨로써 ECU 에 나타내진다.
도 10b) 는 자동차 산업에 의해 마찬가지로 사용되는 3-레벨 프로토콜을 나타낸다. 회전 속도 정보가 레벨 (Jh) 에 의해 식별되는 반면, 회전의 방향, 에어 갭 사이즈 등의 다양한 부가 정보 아이템이 레벨 범위 Im 및 Jl 에서 비트들의 시리얼 시퀀스로 인코딩된다. 배가 진단 (doubling diagnosis) 을 인코딩하기 위해 상기 비트들 중 하나를 사용하는 유익한 가능성이 존재한다. 이미 제공된 에어 갭 진단과 함께, 매우 개선된 설치 안전을 감시하는 것이 가능하다.
도 10c) 는 또한 자동차 산업에 사용되는 PWM 프로토콜을 나타낸다. 여기서, 배가 상태는 특정 펄스 폭 비에 의해 ECU 에 나타내질 수 있다.
도 9 와 관련하여, S1 의 신호 경로, 즉 우선 측정 신호 경로는 1:1 의 인코더 주파수의 맵핑으로 형성되고 S2 의 신호 경로, 즉 관찰 신호 경로는 2:1 의 인코더 주파수의 맵핑, 즉 주파수 배가로 형성된다.
본 발명에 따른 장치의 예시적인 실시형태에서, 스테이지 (28, 29, 30, 31, M, 11) 는 집적 전자 회로로서 형성되고 이방성 자기저항 효과를 사용하는 센서 요소 (S1 및 S2) 는 퍼멀로이로 구성되는 스트립선로의 조합으로서 형성되고, 그 일부 또는 전부에 대해 함께 집적된 영구 자석의 서포팅 필드가 인가된다. 센서 요소 (S1, S2) 는 그들이 칩 평면 상에 함께 집적되도록 제조될 수 있다. 센서형 스트립선로의 적합한 배열을 고려할 때, 인코더 (5, 25) 에 대한 센서 요소 (S1) 의 허용할 수 없는 위치 시프트가 센서 요소 (S2) 의 내부 부분 신호로부터 진단적으로 식별될 수 있다. 또한 이러한 부가적인 정보는 예를 들어 도 10b) 에 따르는 프로토콜을 사용하여, ECU로 송신되는 것이 바람직하다.
도 7b) 에 따른 선형화된 특성 곡선을 갖는 스트립선로의 하프-브리지 또는 풀-브리지 조합은 바람직하게는 센서 요소 (S1), 즉 우선 측정 신호 경로의 센서 요소의 센서 구조의 예시적인 실현을 위해 사용된다. 도 3a) 에 따른 기준 좌표의 공통 시스템에 따라, 이 경우, 도 11b) 에 따라, 인코더 (5, 25) 의 이동 방향에 대해 45°로 배향된 바버-극 (34) 을 갖지 않은 스트립선로 및 대안적으로 바버-극 (35) 을 갖는 인코더 (5, 25) 의 이동 방향에 대해 평행하게 배향된 스트립선로는 그들의 기능성면에서 등가이다. 동일한 것이 X 축에 대한 상기 스트립선로의 미러링에 적용된다. 좌표 시스템의 원점에 대해 90°를 통한 스트립선로의 회전, 즉 Y 축을 따르는 인코더 (5, 25) 의 이동 방향은 특히 스트립선로의 기능성을 변경하지 않는다. α= 90°및 Hx = 0 kA/m (무 안정화 필드) 에 대해 발생하는 도 7a) 에 따른 2차 특성 곡선을 갖는 스트립선로의 하프-브리지 및 풀-브리지 조합은 바람직하게는 센서 요소 (S2), 즉 관찰 신호 경로의 센서 요소의 센서 구조의 예시적인 실현을 위해 사용된다. 도 7a) 는 자기 변조 (Hy/H0) 의 공간 주파수가 배가된 주파수를 사용하여 저항 변화 (dR/dRmax) 로 전환된다. 이러한 신호 프로파일은 플립핑에 의해서 또는 도 8 에 대해 토의된 영향에 의해 교란될 수 없고 따라서 바람직하게 관찰 신호 경로의 요건을 충족한다. 도 3a) 에 따른 기준 좌표의 통상 시스템에 따라, 이 경우, 도 11a) 에 따르면, 인코더 (5, 25) 의 이동 방향에 대해 90°로 배향된 바버-극 (32) 을 갖지 않은 스트립선로 및 인코더 (5, 25) 의 이동 방향에 대해 45°로 배향된 바버-극 (33) 을 갖는 스트립선로는 그들의 기능성 면에서 등가이다. 동일한 것이 X 축에 대한 상기 스트립선로의 미러링에 적용된다. 좌표 시스템의 원점에 대해 90°를 통한 스트립선로의 회전, 즉 Y 축을 따르는 인코더 (5, 25) 의 이동 방향은 특히 스트립선로의 기능성을 변경하지 않는다.
도 12는 센서 요소 (S1, S2) 의 센서 구조를 실현하는 브리지 조합의 세 개의 예시적인 실시형태를 나타낸다. 각각의 경우에 8개의 자기저항 저항기가 개개의 스트립 (스트립선로) 로 스타일화되어 도 12d) 의 좌표 시스템에 대해 요구된 스트립 배향을 동시에 식별한다. 스트립선로의 해칭은 바버-극을 갖는 실시형태를 식별하고 해칭이 없는 스트립선로는 바버-극을 갖지 않는 실시형태를 식별한 다. 브리지의 전압 또는 전류 공급은 각각의 경우에 단자 (VB, GND) 를 통해 실시된다. 센서 요소 (S1) 를 포함하는 우선 측정 신호 경로의 신호는 각각의 경우 단자 (V1, V2) 에서 탭 오프된다. 배가 주파수를 갖는 센서 요소 (S2) 를 포함하는 관찰 신호 경로의 신호는 각각의 경우에 단자 (V3, V4) 에서 탭 오프된다. 도 12a) 는 바버-극 스트립을 배타적으로 사용하는 구성을 나타낸다. 도 12b) 는 바버-극을 갖지 않은 스트립선로를 배타적으로 사용하는 구성을 나타낸다. 도 12c) 는 바버-극을 가진 및 가지지 않은 스트립선로의 혼합 구성을 나타낸다. 이들 구조의 각각은 X 축의 방향으로 성극 (polarization) 을 갖는 영구 서포팅 자석 (도시하지 않음) 에 의해 지지된다. 서포팅 자석의 자계 강도는 도 7a) 및 도 7b) 에 대해 설명된 센서형 특성이 단지 미미하게 영향을 받는 방식으로 선택된다. 이들 브리지 구조는 공통 XYZ 기준 시스템에 대해 직교 배향을 갖는 인코더 트랙에 대해 평면-평행 방식으로 동작된다. 도 12에서, 예시로써, 관찰 경로의 두 개의 각각의 하프-브리지의 진폭이 단자 (V3 및 V4) 에서 탭 오프될 수 있다.
다른 실시형태 제안은 MR 각도 또는 변위 센서의 수정된 애플리케이션에 기초한다. 통상, 서포팅 자석의 적용 없이, 각도/길이 측정의 목적으로, 상기 센서의 평면은 YZ 평면으로, 자기 인코더로서 구현되는, 길이 스케일의 구조에 대해 수직으로 배향되며 (즉, 도 5 의 18 에 대해 90°를 통해 회전), 필드 벡터의 회전은 도 8 에 따라 평가된다. 예시로써, 인코더 트랙에 대해 평행한 배향에서 X 방향으로 극성화된 서포팅 자석을 갖는 그러한 요소를 동작시키고 S1 에 대해 sin 브리지 및 S2 에 대해 cos 브리지를 사용하는 것이 제안되고, 이 경우, 스트립 배향은 상술된 좌표 배향을 만족시켜야 한다.

Claims (15)

  1. 자기 인코더 (5, 25) 및 상기 자기 인코더 (5, 25) 에 자기적으로 커플링되는 적어도 두 개의 센서 요소 (S1, S2) 를 갖는 센서 (26) 를 포함하고, 보디 (body) 의 선형 또는 회전 운동을 검출하기 위한 장치의 본질 안전을 증가시키는 방법으로서,
    각각 적어도 하나의 센서 요소 (S1, S2) 를 포함하는 적어도 두 개의 상호 분리 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 신호들이 서로 비교되고,
    상기 적어도 두 개의 상호 분리 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 는 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 및 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 는, 정상 작동 동안 상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 패턴을 가지며, 상기 패턴의 시간적 발생은 본질적으로 센서와 상기 센서에 의해 검출되는 인코더의 극 쌍들 간의 기본 상대 속도에 대응하도록 하는 방식, 또는 정상 작동 동안 상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 의 하나 이상의 출력 신호가 기본 차륜 회전 속도를 나타내도록 하는 방식으로 구성되고,
    상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 는, 상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 패턴을 가지며, 상기 패턴의 시간적 발생은 본질적으로 센서와 상기 센서에 의해 검출되는 인코더의 극 쌍들 간의 배가된 상대 속도에 대응하도록 하는 방식, 또는 상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 의 하나 이상의 출력 신호가 배가된 차륜 회전 속도를 나타내도록 하는 방식으로 구성되고,
    비교 결과는 전자 제어 유닛 (ECU) 으로 송신되는 것을 특징으로 하는 본질 안전 증가 방법.
  2. 보디 (body) 의 선형 또는 회전 운동의 본질적으로 안전한 검출 장치로서, 자기 인코더 (5, 25) 및 센서 (26) 를 포함하고, 상기 자기 인코더 (5, 25) 는 상기 보디와 함께 이동 또는 회전하고, 자기 에어 갭을 통해 상기 센서 (26) 의 적어도 두 개의 센서 요소 (S1, S2) 에 자기적으로 커플링되고,
    상기 센서 (26) 는, 각각 적어도 하나의 센서 요소 (S1, S2) 및 신호 컨디셔닝 스테이지 (28, 29) 를 포함하는, 적어도 두 개의 상호 분리 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 를 갖고,
    상기 적어도 두 개의 상호 분리 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 는 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 및 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 는, 정상 작동 동안 상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 의 적어도 하나의 출력 신호가 인코더 운동의 기본 주파수를 나타내도록 하는 방식, 또는 정상 작동 동안 상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 패턴을 가지며, 상기 패턴의 시간적 발생은 본질적으로 상기 센서 (26) 와 상기 센서에 의해 검출되는 상기 인코더 (5, 25) 의 극 쌍들 간의 기본 상대 속도에 대응하도록 하는 방식으로 구성되고,
    상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 는, 상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 의 적어도 하나의 출력 신호가 상기 인코더 운동의 배가된 주파수를 나타내도록 하는 방식, 또는 정상 작동 동안 상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 의 적어도 하나의 출력 신호의 시간 프로파일/프로파일들이 패턴을 가지며, 상기 패턴의 시간적 발생은 본질적으로 상기 센서 (26) 와 상기 센서에 의해 검출되는 상기 인코더 (5, 25) 의 극 쌍들 간의 배가된 상대 속도에 대응하도록 하는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 및 상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 의 출력 신호/신호들은 비교기 (30) 에서 서로 비교되고, 비교 결과가 전자 제어 유닛 (ECU)(27) 로 송신되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 요소, 상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 의 센서 요소/센서 요소들 (S1) 의 적어도 하나의 출력 신호는, 상기 인코더 운동의 주파수에 대한 정보와 함께, 회전 방향 및 에어 갭 사이즈 중 적어도 하나에 대한 부가적인 정보 아이템 (ZI1) 을 제공하는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 (S1, f1) 및 상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 (S2, f2) 의 출력 신호는 상기 비교기 (30) 에서 연속적으로 또는 정의된 시점에서 서로 비교되며,
    상기 비교기 (30) 는 우선 측정 신호 경로/경로들 및 관찰 신호 경로/경로들의 출력 신호에 의해 나타내지는 주파수들이 본질적으로 매치한다면, 상기 우선 측정 신호 경로/경로들 (S1, f1) 의 에러 함수가 식별되도록 하는 방식으로 설계되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    신호에 의해, 우선 측정 신호 경로/경로들의 출력 신호(들)과 함께, 상기 우선 측정 신호 경로/경로들 (S1, f1) 의 기능 상태에 대한 정보의 아이템이 전자 제어 유닛 (ECU)(27) 으로 송신되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 및 상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로의 적어도 하나의 출력 신호의 부가적인 신호 파라미터들이 비교기에서 비교되고 평가되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    신호 컨디셔닝 및 프로세싱을 위한 요소들 (28, 29, 30, 31, M, 11) 이 전자 회로로서 구성되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 자기 인코더 (5, 25) 는 교번하는 자기 북-남 극들을 포함하는 영구적으로 자화된 인코더 트랙을 갖고,
    상기 센서 요소 (S1, S2) 는 하나의 자기저항 효과를 이용하고 퍼멀로이로 구성된 스트립선로의 조합으로서 형성되고,
    이러한 경우의 상기 스트립선로는 영역적으로 상기 센서 요소의 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  10. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 요소 (14, S1, S2) 의 평면들은 인코더 트랙 (13) 의 평면 (XY 평면) 에 본질적으로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  11. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 우선 측정 신호 경로 내의 센서 요소/요소들 (S1) 은 스트립선로의 하프-브리지 또는 풀-브리지 조합이고,
    상기 스트립 선로는, 각각의 경우에, 그들이 바버-극 (Barber-pole) 을 갖지 않는다면, 상기 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 대해 본질적으로 +45°또는 -45°의 각도로, 또한 상기 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 대해 대응하는 배향으로 반사되는 방식으로 배향되고, 또는 그들이 바버-극이 제공된다면, 상기 인코더의 이동의 방향 (Y 방향) 에 본질적으로 수직하거나 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  12. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 관찰 신호 경로 내의 센서 요소/요소들 (S2) 은 스트립선로의 하프-브리지 또는 풀-브리지 조합이고,
    상기 스트립 선로는, 각각의 경우에, 그들이 바버-극을 갖지 않는다면, 상기 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 본질적으로 수직하거나 평행하게 배향되고, 또는 그들이 바버-극이 제공된다면, 상기 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 대해 본질적으로 +45°또는 -45°의 각도로, 또한 상기 인코더의 이동의 방향 (Y 축) 에 대해 대응하는 배향으로 반사되는 방식으로 배향되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  13. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 요소(들) (S1, S2) 의 하나 또는 복수는 영구 자석 및 바이어싱 자계를 형성하는 코일 중 적어도 하나가 제공되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  14. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    부가적으로 신호 컨디셔닝 및 프로세싱을 위한 요소들 (28, 29, 30, 31, M, 11) 과 함께, 상이한 신호 경로들의 센서 요소들 (S1, S2) 은 공통의 칩상에 집적되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
  15. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 장치는 자동차에서 이용되는 것을 특징으로 하는 본질적으로 안전한 검출 장치.
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