专利名称:曲轴转角传感器的制作方法
本发明论及的是一个曲轴转角传感器，它用来检测内燃机曲轴转角的位置，特别是那些使用磁阻元件的内燃机。
在日本专利公布号NO57-133311中公开了使用磁阻元件的曲轴转角传感器。例如，其中所透露的曲轴转角传感器使用三个直径相同的圆盘，圆盘的圆周被分成数个相等的部分n，n×21，n×22，分别与发动机气缸数n相对应。被分成的每一个部分有选择地装有磁极N和磁极S中任一个。这些圆盘同轴地堆叠构成传感器的圆柱形的转子。结果，在圆柱形转子的整个表面上按圆周分布着轴向排列的由3位二进制数组成的码。每一个码由磁极N和S构成，磁极N和S分别与逻辑“1”和“0”对应。由磁组元件构成的传感器定子面向圆柱形转子，以便检测装在每一个圆盘圆周表面上的磁极。由于传感器的转子与发动机曲轴的旋转同步转动，因此，由传感器检测的码指示出曲轴的转角位置。
然而，如上面所描述的装置存在下列问题。即，因为具有不同N-S极距的圆盘被紧密堆叠起来，况且在圆盘之间的N-S极距的差别是很大的，所以，在转子圆盘之间出现相互的磁性干涉。此外，当磁极距较长时，由于信号边界变得不清楚和准确性下降，还存在另一个问题。虽然当上述的磁极距较短时，信号边界变得很清楚和准确性极好，但较短的磁极距使相互磁性干涉更严重。
另外，用于发动机控制的曲轴转角传感器必须不仅能够检测曲轴的转角位置而且还能检测其它信号，例如，指示曲轴的参考位置的参考信号，或用于识别每个气缸的气缸信号。至此，例如，日本专利实用新型公开号NO55-179317中已知的，据此，在圆柱形转子圆周表面的两排分别排列的磁极提供了曲轴转角位置和参考位置的信息。因为用于参考位置信息的N-S磁极距在很大程度上不同于用于转角位置信息的N-S磁极距，所以，在这个装置中，会出现前面应用中的同样问题。如果使两种信息的磁极距相等。将会出现两种信息的输出脉冲被宽度相等的另一个问题。所以，在发动机控制中，使转角位置信息的脉冲被宽度比参考位置信息的脉冲被宽度小数倍是必要的。
本发明的目的是提供一个曲轴转角传感器，其中在发动机曲轴同步旋转的磁记录介质上记录的磁信号，是由与磁记录介质相对的留有适当间隙的磁性传感器检测出来，由此，决定着发动机旋转的各种信号，包括曲轴转角位置信号，可以准确地产生，而不受记录于磁记录介质上的磁信号之间的磁干涉影响。
本发明的一个特点是，由于磁记录介质被分成多个记录道，用作磁信号的磁极组以节距P装在每一个记录道上，全部或所需要部分的记录道的磁极组与曲轴旋转中待测的角度相对应，所以，在某些记录道上的磁极组的磁极与相邻记录道的磁极组的磁极具有相同的排列。
图1图解地表示本发明应用于内燃机曲轴转角传感器的全部结构;
图2是磁记录介质和表示本发明实施方案的磁传感器的设计视图;
图3是用于从图2所示的磁传感器取出信号的电路图;
图4是图3所示的电路输出波形图;
图5是一个框图，表示根据图3所示电路输出用于详细测定发动机特定气缸的装置。
图6是磁记录介质和磁传感器的设计视图，表示本发明的另一个实施方案;
图7是用于从图6所示实施方案的磁传感器取出信号的电路图;
图8是图7所示的电路输出波形图;
图9是磁记录介质和磁传感器的设计视图，表示本发明另一个实施方案;
图10是用于从图9所示实施方案的磁传感器取出信号的电路图;以及图11是图10所示电路输出的波形图。
在图1中，参考数字1表示一根与发动机(未示出)同步旋转的轴，其转速为发动机转速的一半。参考数字2表示一个壳体，数字3表示一个与轴1直接连接的无磁性鼓。磁记录介质30的磁性材料安装于无磁性鼓3的表面上。参考数字4表示由磁阻元件构成的磁性传感器，用装配块5安装于壳体2上。此外，参考数字6表示用于从磁传感器4取出信号的输出终端，7表示轴承。参考数字8表示用于吸收由次电极14，分配电极15和用于分配高压打火的中心电极12产生的磁性噪音或电场噪音的屏蔽板，参考数字11表示分配转子，13表示箱体。
图2表示图1所示的磁传感器4和磁记录介质30的设计图，磁记录介质30被分为两个记录道，磁极组N-S在节距P上连续地被记录在其中一个记录道的全部圆周上。它被称为转角记录道31。在另一个记录道上，发动机气缸号码数的信号记录了相对应的各自的气缸。此记录道被称为气缸记录道32。对于器缸发动机的曲轴转角传感器情况，记录在气缸记录道32上的每一组信号是由2-5个连续的磁极组N-S组成的提供气缸记录道32上的磁极组的磁极N或S，以便与相邻的转角记录道31磁极组的磁极N或S处于相同的排列，转角记录道31与气缸记录道32分层。因此，在转角记录道31和气缸记录道32之间不发生磁干涉。
在面对上述磁记录介质30的磁传感器4中，磁阻元件Re1和Re2与转角记录道31相对而布置，并由P/2的节距分隔，如图2所示，这里P是磁极组的节距，与曲轴旋转中待测的转角相一致。此外，磁阻元件Re1和Re2和气缸记录道32相对而布置，彼此间由P/2的节距分隔，这些磁阻元件Re1、Re2、Rc1和Rc2由很薄的铁磁物质薄膜构成，并且，当施加的磁场与电流方向成直角时，具有较低电阻的性质。所以，当磁记录介质30旋转时，相应于每一个记录道31和32上的磁信号阻抗的变化发生在每一个磁阻元件Re1、Re2、Rc1和Rc2中。
组成磁传感器4的磁阻元件Re1、Re2、Rc1和Rc2的连接如图3所示。磁阻元件Re1和Re2是串联连接，串联连接的两端由电源V相连。磁阻元件Re1、Re2的连接点a连接一个电压比较器33输入端。此电压比较器33的另一个输入端与串联连接的两个固定电阻Rf1和Rf2的连接点b连接，固定电阻Rf1和Rf2与电源V连接。因此，磁阻元件Re1、Re2和固定电阻Rf1、Rf2构成一个电桥。磁阻元件Rc1和固定电阻Rf4的串联电路及固定电阻Rf3和磁阻元件Rc2的串联电路在其两端分别与电源V连接，分别连接这些串联电路的c和d点构成一个电桥，c和d点作为输出端。此电桥的输出端分别与电压比较器34的输入端连接。
当磁记录介质30旋转时，以这种方法连接的由磁传感器的磁阻元件Re1、Re1、Rc1和Rc2的电阻和a与b点间，c与d点间出现的电压，分别取如图4所示的波形。更详细地，磁阻元件Re1和Re2的电阻是随旋转磁记录介质30中的转角记录道31所引起的磁场的变化而变化，如图4中(A)和(B)所示，因而，电阻在磁极组的一次循环中每个节距P中变化。因为在磁阻元件Re1和Re2之间有P/2的节距差，所以电阻的变化以180°的相位差出现。磁阻元件Rc1和Rc2的电阻也与气缸记录道32的信号相一致以与磁阻元件Re1和Re2相同的方式而变化如图4中(C)和(D)所示。
电磁阻元件Re1和Re2及固定电阻Rf1和Rf2构成的电阻电桥电路的a，b两端显示的电压ee是如图4中(E)所示的波形，图3所示的电压比较器33的输出Oe转变成图4中(F)所示的方波输出。因为，图4中(F)所示的输出Oe与转角相对应产生的，而转角是由磁极节距的长度和无磁性鼓3的圆周长度确定的，所以，转角从事先确定的参考点可以测定出来，其方法是，从参考点数出电压比较器33的输出脉冲。
包含磁阻元件Rc1和Rc2的电阻桥电路的c、d两端出现的电压ec是如图4中(G)所示的波形。该电压ec的波形边缘部分对应于磁极组节距P出现徒形，同时获得同样准确度的转角信号。当图4中(G)所示的波形由电压比较器34形成时，从其中输出的OC变成如图4中(H)所示的方形波。图4中(H)所示的输出Oc是对应于一气缸的输出，因而，借助于每一气缸的电压比较器34的输出Oc的脉冲宽度的变化来确定哪一个输出是已知气缸的信号是可能的。
这里需要说明的是，在图4(H)中所示的在气缸信号的脉冲宽度持续期间经常出现转角信号的整数脉冲波，如图4中(F)所示。这将从图2所示的气缸记录道32和转角记录道31的结构中容易明白。因此，在气缸信号Oe的脉冲宽度持续的过程中，通过计测转角信号Oe的脉冲确定特定的气缸，换句话说，借助于转角信号Oe的脉冲来测量气缸信号Oc的脉冲宽度确定特定的气缸。
用于该目的的装置实例如图5所示。装置包括计数器61，用来计测通过“与”门62的转角信号Oe的脉冲。就图2所示的例子而论，2-5个磁极对应于气缸发动机的各个气缸组布置在气缸记录道32内，有5个转角信号的脉冲，用于气缸信号Oc的最宽脉冲。因此，3位二进制计数器用于计数器61已足够。所提供的“与”门是作为气缸信号Oc脉冲的门信号。还提供一个双稳态触发器63。双稳态触发器63由气缸信号脉冲Oc后沿触发，计数器61的复位脉冲由触发器63的输出脉冲后沿产生。相应地，计数器61的复位脉冲从气缸信号脉冲的未端由触发器63的时间常数抑制。所以，计数器61反复地计测在每一个气缸信号Oc的脉冲持续期间存在的转角信号Oe的脉冲。计数器61的存储信息通向译码器64，其中，计测数值经过编译，其结果显示在输出端65上，在每一个输出端65上显示出的信号就可确定一个气缸。
气缸信号Oc的持续时间由转角信号Oe的脉冲测量的方法具有下述的优点。气缸信号Oc的持续时间根据发动机的转速而变化，因此，如果这个信号Oc的持续时间由时间测量的话，例如，使用时钟脉冲，就同一气缸而论，测试的数值随着发动机转速的变化而变化，所以，确定每一个特定的气缸是很困难的。然而，在该实施方案中，尽管发动机转速变化，确定一个特定的气缸是容易的，因为象前面所提到的，总存在着用于气缸信号Oc各个脉冲的固定数量的转角信号Oe的脉冲。
本发明的另一个实施方案如图6所示。这个实施方案不同于图2所示的实施方案。除了转角记录道表示与转角成比例的转角信息和代表气缸信息的气缸记录道以外。用于检测曲轴每转的参考位置信息的参考位置记录道设置在磁记录介质40上，图6表示磁记录介质40和磁传感器100的设计图。在磁记录介质40中，转角记录道41和气缸记录道42以如图2的磁记录介质30相同的方式设置，转角信号和气缸信号也以如图2的磁记录介质30的相同方式记录在这两个记录道中。然而，在该实施方案中，气缸记录道42上提供数量相等的用于每个气缸的磁极组。即，如图6所示，四个磁极组被提供于每个气缸。这个原因随后将会明白。
此外，参考位置记录道43作为第三个记录道而设置，当一个参考信号作为每一信号的参考时，用于调制曲轴每转的一个信号。在此参考位置记录道43上，磁极组具有在前面叙述的两个记录道41和42上所使用的磁极组相同的节距P，连续地设置在半个圆周内，而另一半不记录任何信息。在面对着的磁记录装置40的磁传感器100中，磁阻元件Re1和Re2对应于转角记录道41设置，磁阻元件Rc1和Rc2对应于气缸记录道42设置，以图2中的相同方式，而磁阻元件Ro1和Ro2对应于参考位置记录道43以这样的方式设置。即，由P/2的节距将它们彼此分隔开，P/2的节距是磁极组节距P的一半。这些磁阻元件Re1、Rc2、Rc1Rc2Ro1、Ro2连接起来，因此与固定电阻Rf1至Rf6一起形成3个电阻桥式电路，如图7所示。
磁阻元件Re1、Rc1和Ro1及固定电阻Rf1、Rf3和Rf5的一端共同与电源V的一个输出端连接。磁阻元件Re2连接到磁阻元件Re1的另一端，固定电阻Rf2与固定电阻Rf1连接，固定电阻Rf4与磁阻元件Rc1连接，磁阻元件Rc2与固定电阻Rf3连接，固定电阻Rf6与磁阻元件的Ro1连接，磁阻元件Ro2与固定电阻的Rf5连接。磁阻元件Re2、Rc2和Ro2及固定电阻Rf2、Rf4、Rf6的另一端与电源V的另一端连接。
电压比较器44的一个输入端与磁阻元件Re1和Re2的节点a连接，而其另一个输入端与固定电阻Rf1和Rf2的节点b连接。磁阻元件Re1和Re2及固定电阻Rf1和Rf2构成一个桥式电路。电压比较器45的一个输入端与磁阻元件Rc1和固定电阻Rf4的节点c连接，而其另一个输入端与固定电阻Rf3和磁阻元件Rc2的节点d连接。因而，磁阻元件Rc1和Rc2及固定电阻Rf3和Rf4构成一个桥式电路。相似地，电压比较器46的一个输入端与磁阻元件Ro1和固定电阻Rf6的节点e连接，而固定电阻Rf5和磁阻元件Ro2的节点f与电压比较器46的另一个输入端连接。磁阻元件Ro1和Ro2及固定电阻Rf5和Rf6构成一个桥式电路。
当磁记录介质旋转时，磁阻元件Re1、Re2、Rc1、Rc2Ro1和Ro2的电阻发生变化，如图8(A)，(B)、(C)、(D)、(E)和(F)中所示。结果，获得如图6所示的电桥交义点a和b，c和d，e和f和如图8(G)，(I)和(K)中所示的输出电压ee，ec和eo。在图8(G)、(I)和(K)中所示的信号ee、ec、和eo分别被输入到电压比较器44、45和46中。从电压比较器44的输出端输出的信号Oe是方形波，如图8(H)中所示。从电压比较电路45的输出端输出的信号Oc是方形波，如图8(J)中所示。此外，在交义点e和f两端显示的电压取前面描述的如图8(K)所示的波形，以至波形的边缘部分与转角信号波形的边缘部分相同，因而获得的信号是非常准确的。图8(K)中所示的信号是从电压比较器46的输出端获得的，作为信号Oo如图8(L)所示。因为转角信息Oe具有很高的精确度和不受磁干涉的影响，象上面描述的，获得了气缸信息Oc和参考信息O0，所以精确地控制内燃机是可能的。
在图2的实施方案中，特定的气缸是由转角信息脉冲的数量测定气缸信号的脉冲宽度的方法确定的。然而，在该实施方案中，借助于这样的方法，确定特定的气缸是不可能的，因为从电压比较器45输出的每一个气缸信号的脉冲具有如图8(J)所示的相同的脉冲宽度。这是由于在该实施方案的气缸记录道42上提供有相等数量的用于每一气缸的磁极组。因此，在该实施方案中如图8(L)，利用参考信号O0，来确定特定的气缸。这就是说，气缸信号Oc的脉冲数量是从参考信号O0的出现或消失的时间点来计数的，所以，由计数可以确定特定的气缸。
本发明的另一个实施方案如图9所示，此实施方案不同于图6的实施方案的方式，即，它给磁记录介质和置于磁传感器中的磁阻元件图形中的气缸记录道和参考位置记录道提供信息，图9表示磁记录介质50和磁传感器200的设计图。在图6的磁记录介质40中以相同方式在这个磁记录装置50中提供转角记录道51和气缸记录道52，并且，转角信号和气缸信号以如同图6的磁记录介质40的相同方式被记录在转角记录道和气缸记录道上。如图9所示，又提供一个记录道53作为第三个记录道，在某与气缸记录道52的未设置磁极组的那部分相对应的部分具有磁极组。
在磁记录介质50的相对的磁传感器200中，以P/2节距间隔设置了磁阻元件Rea、Reb、Rec和Red，P/2为磁极组节距P的一半，它们以如图6的相同方式与转角记录道51相对应同样，设置的磁阻元件Rca和Rcb以P/2节距的间隔，对应于气缸记录道52。由设置的磁阻元件Rcc和Rcd以P/2节距间隔，对应于第三个记录道53。由磁阻元件Rea、Reb、Rec和Red构成一个电阻电桥，如图10所示。从同一图(图10)可明显看到，由磁阻元件Rca、Rcb、Rcc和Rcd也形成一个电阻电桥。此两个电桥均与电源V连接。此外，元件Rea和Red的节点和元件Reb和Rec的节点b被连接到电压比较器54的两个输入端，相似地，元件Rce和Rcc的节点C及元件Rcd和Rcb的节点d与电压比较器55的两个输入端连接。
当磁记录介质50旋转时，磁阻元件Rea、Reb、Rec、Red、Rca、Rcb、Rcc和Rcd的电阻发生变化，如图(A)、(B)、(C)、(D)、(E)和(F)所示。结果，在图10所示的电桥的交义点a和b、c和d的两端显示出如图11(G)和(I)所示的输出电压ee和ec。因为磁阻元件Rea、Reb、Rec和Red以P/2节距的间隔，相应于磁记录介质50的转角记录道51，设置在磁传感器上，如图9所示，并且，电桥的四个臂都是由磁阻元件Rea、Reb、Rec和Red形成的，如图10所示，所以，获得的输出电压ee可以比图3和图7的电桥输出电压更大，这种结构使S/N的比得到改进和获得更精确的方形波。输出电压ee连接到电压比较器54，所以，从电压比较器54输出端的输出信号Oeo成为矩形波，如图(H)所示，交义点C和d两端出现的电压ec具有如图11(I)所示的波形。获得的电压ec的振幅大到如图8(I)所示的振幅的两倍，并且，其边缘锐度比图7的电桥输出的尖锐度好。输出电压ec加到电压比较器55上。所以，从电压比较器55的输出端输出的信号Oco成为图11(T)中所示的矩形波。因而，所以获得具有尖锐边缘的精确信号。
以这种方式，根据本发明，可以获得高精度和免干磁干涉的转角信息Oeo气缸信号Oco，若通过改变每缸的气缸信息Oco的输出脉冲长度而使每个气缸有一参考，在这种情况下，就不需要图8(L)中所示的参考信号。
在上面描述的所有实施方案中，磁记录介质是在旋转的鼓中形成的，通过在旋转的盘中形成上述的介质，同心地制作每一个记录道，并面对磁记录介质同心地设置磁传感器4，可以产生很多相同的效果。
根据本发明，如上面所描述的，由于可以使被测信号边缘的尖锐度提高而不产生任何的磁干涉，所以，具有不同输出脉冲宽度的信号可以被精确地检测，因而，本发明具有这样的效果，即，能精确地测定曲轴的转角信号，气缸信号和进一步的曲轴参考信号。
权利要求
1.曲轴转角传感器具有与内燃机曲轴同步旋转的磁记录介质，磁信号记录在该介质上，磁传感器相对于磁记录介质留有适当的间隙，并检测磁信号，以产生旋转角信息，其特征在于磁记录介质被分为多个记录道，至少有一个记录道(第一个记录道)，与曲轴旋转中待测的转角相对应，作为磁信号的磁极组设置在一个节距P内；在其余的记录槽上的每一个磁信号，象在第一个记录道上的磁信号一样，是由相同的磁极组记录，在第一个记录道上的预定位置的节距P内连续地给出每一个磁信号，以这样的方式即，在某些记录道上的磁极组的极性，与相邻记录道的磁极组的极性排列相同，和磁传感器具有第一对磁阻元件，留有大约半个节距P的间隔来排列每一个记录道。
2.根据权利要求
1所表明的曲轴转角传感器，其中，上述的余下的记录道之一(第二个记录道)被划分到相应的发动机的气缸上，在第二个记录道的每一个划分的位置上记录了磁信号。
3.根据权利要求
2所表明的曲轴转角传感器，其中，在第二个记录道的各个划分的位置上，提供有不同数量的磁极组，借此，特定的气缸通过测量相应于第二个记录道的磁传感器输出的持续时间而精确测定。测定相应于第二个记录道的磁传感器输出的持续时间是由相应的第一个记录道的磁传感器的输出而测定的。
4.根据权利要求
2所表明的曲轴转角传感器，其中，在另一个上述的余下的记录道(第三个记录道)上，记录了表示曲轴参考位置的磁信号，由此，特定的气缸通过计算相应于第二个记录道的磁传感器输出的数值而精确测定，相应于第二部记录道的磁传感器的输出是从相应于第三个记录道的磁传感器输出的出现或消失的时间点测定的。
5.根据权利要求
1所表明的曲轴转角传感器，其中，磁传感器具有另一对(第二对)磁阻元件，大约彼此间隔节距P的一半，从第一对磁阻元件在磁传感器相对运动的方向，上述两对的，四个磁阻元件从被测输出电压的输出端形成一个桥式电路。
6.根据权项要求1所表明的曲轴转角传感器，其中，余下的记录道之一在其预定的位置装有作为磁信号的磁极组，另一个余下的记录道，在某一部分，即在相应于上述的一个未提供磁极组记录道的那部分装有磁极组，并且，相应于上述的两个记录道的磁传感器的四个磁阻元件，从被测输出电压的输出端形成一个桥式电路。
专利摘要
曲轴转角传感器包括与曲轴同步旋转的在该轴上记录磁信号的磁介质和与之相对置的磁传感器，并能检测产生出转角信息的磁信号。磁记录介质被分成转角记录道和气缸记录道。前者在一个节距P内提供了磁极组，后者如前者一样在节距P内在预定的位置连续地提供了相同的磁极组。这两种记录道上磁极组极性排列相同，由于在转角和气缸而种记录道之间未出现磁干涉，因此可以获得高精度的转角信号和气缸信号。
文档编号G01D5/245GK86100488SQ86100488
公开日1986年9月24日 申请日期1986年2月6日
发明者高桥正, 宫下邦夫, 川又昭一 申请人:株式会社日立制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan