CN101680777A - 磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁场传感器,其用于无接触探测旋转运动或线性运动,尤其是用于汽车的传动系或用于探测轮子转速的转速传感器和/或位置传感器。所述装置包括位置固定的、在一个三维x/y/z坐标系统(12)的z方向上被磁化的永久磁体(10)和与所述永久磁体(10)相连接的传感器芯片(14),所述传感器芯片具有至少一个磁阻传感器元件,尤其是GMR传感器元件。除了实际的测量元件(22)以外,为了相对于永久磁体(10)和/或发送元件(16)定位,在所述传感器芯片(14)上布置至少一个另外的磁阻传感器元件(24,26)。
Description
现有技术
本发明涉及一种按照独立权利要求所述的用于无接触探测旋转运动或线性运动的磁场传感器。
一个这种类型的传感器由DE10357149A1公开,其例如作为耐用传感器应用于汽车中的转速探测。所述的传感器是GMR(巨磁阻(GiantMagneto Resistance))传感器,其具有至少一个由对磁场敏感的层系统构成的传感器元件,该层系统由薄的、交替呈磁性的和非磁性的金属层构成,它极大地依赖于由自旋相关联的电极漏泄所产生的外部磁场的电阻。在此情况下优选由多个对磁场敏感的传感器元件的布设成一个测量电桥,其中所述传感器元件由至少一个在很大程度上是线性的应变片形成,它基本上垂直于要被探测的磁场的方向延伸。
上述类型的磁场传感器在其中希望无接触地探测某种运动的许多技术领域中得到应用。传感器探测在供给磁体和铁磁性的发送元件之间的取决于该发送元件的位置的间隙中的磁通密度的变化,其中传感器元件相对于在该间隙中产生磁化作用的永久磁体和相对于发送元件的精确定位对于测量结果是重要的。此时优选使用永久磁体的专门的结构形式,尤其是所谓的间隙磁通,其具有或没有用于协调磁场的磁漏盘。这种装置例如也由DE102004063539A1公开,在此处就不必详细解释了。
发明的公开
按照本发明的具有独立权利要求的特征的磁场传感器相对于已知装置所具有的优点在于,可以以很小的费用使传感器元件精确地相对于供给磁体定位,由此尤其是避免在传感器元件中出现饱和效应和有用信号被减小。此外所建议的装置能够实现对传感器元件以及所配属的永久磁体相对于发送元件的安装位置的控制,例如在汽车中。由此保证上级的组件,例如汽车制动系统,的功能完好无缺。
由从属权利要求中的措施可以实现对独立权利要求中所述装置的一些有利的扩展和改进。其中特别有利的是一种设置,在该设置中,在一个传感器芯片上沿着x/y/z坐标系统的y方向与在x测量方向上定向的磁阻测量元件相对称地分别布置至少另一个磁阻定位元件。这样在传感器元件垂直于测量方向的定向情况下能够比差动信号更精确地探测到误差,其中在理想情况下在正确的定向下由供给磁体产生的磁通密度的y分量将相加成零。由正的或负的差值也能够马上识别出错误定位的方向。
优选所有磁阻传感器元件设计成自旋阀元件,因为它们能够探测即使是非常小的场强调制。因此这种实施方案保证了传感器的高的灵敏性并且允许在由永久磁体构成的装置和相邻的铁磁性发送元件之间的空气隙宽度的较大的公差。
附图简述
本发明的实施例在附图中示出并且在以下的说明书中详细描述。
附图所示
图1是磁场传感器的一个透视图,包括在三维x/y/z坐标系统的测量方向x上定向的永久磁体,传感器芯片和铁磁性发送元件,
图2是布置在三维x/y/z坐标系统的x/y平面中的按照本发明的传感器芯片的透视图,
图3是传感器芯片分别在坐标系统的z/y平面中相对于供给磁体的定向的两个示意图,包括在视图a)中传感器芯片精确地在中心部的设置和在视图b)中传感器芯片相对于永久磁体在y方向上错开的设置和
图4是在不同大小的横向磁场情况下磁阻GMR与在测量方向上的磁通密度B相关联的三个特性线。
本发明的实施方式
在图1中示出一个磁场传感器的原理图,其用于无接触探测旋转运动或直线运动,如其在汽车传动系中或在车轮上作为转速传感器使用那样。该示意图示出位置固定的永久磁体10,它在三维x/y/z-坐标系统12的z方向上被磁化。与永久磁体10固定连接有传感器芯片14,它含有多个GMR(Giant Magneto Resistance)传感器元件和一个分析处理电路。在坐标系统12的x方向上要被探测的运动由铁磁性发送元件16探测,它或者在所示的直的齿杆形式下被设计成用于探测线性运动或者设计成齿轮用于探测旋转运动。通过发送元件16的运动,使在产生磁场的永久磁体10和发送元件16之间的空气隙18中的磁通相应于发送元件的形状被调制,从而在发送元件运动时改变的场强分布作为该运动的程度或者作为一个被改变的位置的程度能够被传感器芯片14探测到。
图2也以示意图示出传感器芯片14的测量装置,其布置在一个上层20上,该上层与一个在图中没有示出的、嵌入一个下层22中的评价电路分隔开。该测量装置包括总共12个、分别以短线示出的层系统,其中各四个层系统以已知的方式布设成惠斯通(Wheatstone)电桥形式。在此情况下位于中间的测量电桥形成实际的测量元件22。在测量元件22的两侧是第一定位元件24和第二定位元件26,它们以与测量元件22相同的方式探测场强分布的变化和相应于测量的场强提供传感器芯片14的错误定位的测量值。此时定位元件24和26在坐标系统12的y方向上相对于设置在中间的测量元件22的侧面间距分别是一样大的并且用+y0/-y0表示。在坐标系统12的测量方向x上三个传感器元件22,24和26的成对地设置的层系统分别具有相同的间距x0并且分别在x方向上设置在相同的高度上,从而形成相对于中间的测量元件22的测量电桥的一种对称设置。但是也可以取代图2中示出的电桥装置而利用两个测量元件实施一种简单的差值测量或者甚至一个惟一的附加传感器元件就足够了,如果以合适的方式评价测量元件22的差值的话。
图3a示出传感器芯片14相对于永久磁体10的正确的中心位置。永久磁体的对称平面用M表示。箭头束28此时表示在y/z平面中磁通密度的各分量。相反,图3b示出一种具有从永久磁体10的中心部沿着坐标系统12的y方向被偏移的传感器芯片14的装置,其中由传感器芯片14相对于箭头束28的位置中可以明显看见磁通密度的变化。在该视图中出于清楚的原因没有示出各单个传感器元件22,24和26。在图3a)的视图中在没有示出的测量元件22的位置上通过永久磁体10产生的磁通密度的y分量在理想情况下=0,而对应于图3b)中的设置,在+y或-y方向上的位置与永久磁体10的对称平面的距离越远,则By分量增加越大。由此在GMR测量电桥24和26中相应于By分量的大小测量灵敏性减小,如这还要依据图4解释的那样。如果相应于图2和3中的视图以定位元件24或26的形式在与永久磁体10的对称平面之间的间距y0处加入一个附加的测量电桥,那么在发送元件16运动过去时由该测量电桥获得一个信号,该信号相对于形式为测量元件22的实际的测量电桥的信号其幅值被减小了一定的倍数。如果在对称于永久磁体10的中部的间距-y0处存在形式为第二定位元件26的另一个测量电桥,那么在传感器芯片14的理想的定位情况下由该形式为第二定位元件26的另一个测量电桥获得一个信号,当发送元件16的齿运动过去时该信号与第一定位元件24的第一测量电桥的信号是完全相同的。相反,如果传感器芯片14和GMR-测量元件22在y方向没有被最佳地定位,那么两个附加的定位元件24和26的两个信号是不同的并且通过评价这两个附加的传感器元件24和26的信号可以精确地确定和调整测量元件22的位置。如果此时来自定位元件24和26的信号的幅值在传感器芯片14的没有示出的评价电路中具有与测量元件的信号22相同的开关阈,那么可以通过附加的定位元件24和26到达比主信号情况下更小的极限空气隙,亦即更早的信号中断。反向推断地,附加的定位元件24或26中之一的开关阈的实现总是保证了一个对于传感器元件22的原始测量信号的高的测量安全性。通过合适地设计永久磁体10和间距y0,可以实现相应于各种要求所限定的安全性,由该安全性可以控制GMR-测量元件22相对于发送元件16的正确的空气隙位置。反过来,也可以借助于附加的定位元件24和26的信号控制发送元件16相对于具有GMR测量元件22的传感器芯片14的正确安装。
在图4的视图中对于GMR-自旋阀传感器元件22,24和26的优选应用,示出了GMR效应和磁通密度B之间的关系。此时特性线A,B和C示出了GMR效应在横向磁场情况下在y方向上从0mT,1mT和2mT依赖于测量场在x方向上的磁通密度B的变化。由该视图中可以清楚地看见在偏离中心的设置情况下GMR传感器元件的测量灵敏性的降低。
Claims (8)
1.磁场传感器,其用于无接触探测旋转运动或线性运动,尤其是用于汽车的传动系的和/或用于探测轮子转速的转速传感器和/或位置传感器,所述磁场传感器包括位置固定的、在一个三维x/y/z坐标系统(12)的z方向上被磁化的永久磁体(10),包括与所述永久磁体(10)相配置的传感器芯片(14),所述传感器芯片具有至少一个磁阻传感器元件,尤其是GMR(巨磁阻(Giant Magneto Resistance))传感器元件(22),和包括可以在测量方向(x方向)运动的铁磁性发送元件(16),所述发送元件在运动时在传感器元件中产生变化的场强分布,其特征在于,为了相对于永久磁体(10)和/或发送元件(16)定位,在所述传感器芯片(14)上布置至少一个另外的、相对于第一传感器元件在y方向上被偏移的磁阻传感器元件(24,26)。
2.按照权利要求1所述的磁场传感器,其特征在于,在传感器芯片(14)上沿着坐标系统(12)的y方向在所述磁阻测量元件(22)的两侧分别安装至少一个另外的磁阻定位元件(24,26)。
3.按照权利要求1或2所述的磁场传感器,其特征在于,所述另外的磁阻传感器元件(24,26)分别对称地以与测量元件(22)相同的间距(y0)设置。
4.按照前述权利要求之一所述的磁场传感器,其特征在于,所述另外的传感器元件(24,26)在测量方向(x)上以与测量元件(22)相同的高度设置。
5.按照前述权利要求之一所述的磁场传感器,其特征在于,所述磁阻传感器元件(22,24,26)设计成GMR-自旋阀元件。
6.按照前述权利要求之一所述的磁场传感器,其特征在于,所述传感器元件(22,24,26)分别具有被布设成惠斯通电桥的四个测量电阻。
7.按照前述权利要求之一所述的磁场传感器,其特征在于,所述传感器芯片(14)的测量元件(22)布置在永久磁体(10)的对称平面(M)中。
8.按照前述权利要求之一所述的磁场传感器,其特征在于,全部传感器元件(22,24,26)布置在传感器芯片(14)上的一个位于评价电路的平面(22)上方的平面(20)中。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120808 Termination date: 20140411 |