CN208591547U - 可重置的磁阻性的旋转传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于将磁阻性的旋转传感器重置到限定状态的方法，其中旋转传感器包括：至少一个传感器元件，所述传感器元件由至少一个铁磁性的敏感层和至少一个铁磁性的参考层构成，所述敏感层和参考层通过非磁性层分开；和可旋转的触发磁体，所述触发磁体具有第一磁场，所述触发磁体可相对于至少一个传感器元件转动，以改变敏感层的至少一个子区域中的磁化。该方法的特征在于，通过施加第二磁场，实现在敏感层中的磁化的重新定向。

Description

可重置的磁阻性的旋转传感器

技术领域

本实用新型涉及一种用于重置磁阻性的旋转传感器的方法以及一种相应的旋转传感器。磁阻性的旋转传感器使用传感器元件，所述传感器元件基于GMR或巨磁阻效应(giant magnetoresistance)。

背景技术

在许多技术领域中，使用旋转的构件。常常必要的是，监控所述构件的旋转或旋转位置，例如在执行器中或在机床中，尤其必须规律地确定所进行的旋转数量。除了机械检测之外，也已知经由传感器进行检测，所述传感器基于薄层的巨磁阻(giantmagnetoresistance)。例如，由 Novotechnik Messwertaufnehmer无限责任公司以名称“Novoturn”销售如下系统，所述系统能够测量大于360°的角度并且所述系统基于磁阻性的传感器。

在这种系统中——以及在其他旋转传感器中——也值得期望的是，参考当前位置，换言之，已经达到的转动角，并且将有故障的旋转传感器再次重置。在本申请的范围中，将重置理解成，关于测量的转数将旋转传感器置于可预设的状态，尤其置于转数n＝0时的状态。

实用新型内容

基于此，本实用新型基于如下目的，至少部分地解决从现有技术中已知的缺点，并且尤其提出一种用于重置磁阻性的旋转传感器的方法和一种相应的旋转传感器。

所述目的通过独立权利要求的特征来实现。有利的改进方案是从属权利要求的主题。

本实用新型涉及一种用于将磁阻性的旋转传感器重置到限定状态的方法，其中旋转传感器包括：至少一个传感器元件，所述传感器元件由至少一个铁磁性的敏感层和至少一个铁磁性的参考层通过非磁性层分开地构成；和可旋转的触发磁体，所述触发磁体具有第一磁场，所述触发磁体可相对于至少一个传感器元件转动，以改变敏感层的至少一个子区域中的磁化。方法的特征在于，通过施加第二磁场，实现在敏感层中的磁化的重新定向。

相应的旋转传感器基于磁阻效应。至少一个传感器元件构造成，使得两个铁磁性的层(参考层和敏感层)通过非磁性层分开，并且层是薄的，尤其具有在纳米范围中的层厚度。在此，非磁性层面状地位于敏感层和参考层之间。此外，层也狭长地或细长地构成，尤其具有在 50-400nm的数量级中的宽度。所述层在磁阻性的传感器元件中是薄的且细长的，使得磁化仅能够沿传感器元件的纵向方向(或与此相反地) 定向。由于非磁性层，在正常运行下，仅敏感层中的磁化能够改变。但是，由于巨磁阻(giant magnetoresistance)，传感器元件的电阻与磁性层中的磁化的相互取向相关。在参考层和敏感层中的磁化反平行地定向时，与在磁化平行定向时相比，电阻明显更高。通过测量相应的电阻，因此能够获取关于敏感层中的磁化相对于参考层中的磁化的信息。如果现在将多个传感器元件彼此组合或者将传感器元件分成多个区段，使得敏感层以不同的角度相对于预设的参考方向定向，那么通过触发磁体相对于至少一个传感器元件的旋转并且通过磁化的随后的改变，能够确定触发磁体的转数。

相应的旋转传感器能够在不同的领域中使用，例如在任意的执行器中，通过所述执行器将旋转运动转换成轴向运动，或者在监控旋转构件的情况下，例如在机床上等。

在此因此能够区分两种运行类型。一方面是正常运行，其中通过第一磁场，进行至少一个传感器元件的敏感层的至少一部分的磁化的重新取向。另一方面是重置运行，其中将至少一个传感器元件中的磁化置于可预设的状态。在该重置运行中，使用第二磁场，以便将(多个)敏感层的磁化沿可预设的方向、即平行于参考层中的磁化或与反平行于其重置。

磁场为矢量，使得对于磁化的全部可能的取向始终存在第二磁场的分量，所述分量指向相应的取向的纵向方向(或与此相反)，下述情况除外：传感器元件的区段中的或传感器元件中的磁化垂直于第二磁场。因此，实际上在第二磁场任意定向的情况下，能够实现沿相应的方向上的分量。但是因为在此仅第二磁场的分量指向相应的方向，优选的是，将第二磁场的幅值选择地相应大，以便得到在传感器元件上的磁场的足够大的强度。

根据一个有利的设计方案，第一磁场具有第一幅值并且第二磁场具有第二幅值，其中第二幅值与第一幅值的比值大于1并且大于可预设的重置因数。

为了可能即使在与触发磁体的第一磁场叠加中也实现磁化的重置，有利的是，第二磁场的第二幅值大于第一磁场的第一幅值，即使在其叠加的情况下也能够沿平行方向实现磁化的重新取向。尤其优选的是，将重置因数设置到大于1，以便在最不利的情况下也可靠地实现相应的(多个)磁化的重新取向。

根据一个有利的设计方案，根据至少一个传感器元件的几何构造预设重置因数。

根据几何构造尤其表示根据各个传感器元件或传感器元件的区段的取向。因此，例如可行的是，传感器元件构成为具有多个绕组的平面的螺旋体。每个绕组都能够以规则的多边形的形状构成，即例如构成为等边三角形、正方形、均匀的八边形等。那么，基于传感器元件的已知的形状，能够执行矢量分解，其中确定第二磁场的平行于或反平行于传感器元件的区段或各个传感器元件的分量。如果进行所述分量分解 (Komponentenzerlegen)并且随后考虑，在第一磁场仅沿所述方向的情况下仍应进行相应的敏感层中的磁化的重新取向，那么得到第二磁场的幅值的最小值并进而也得到重置因数的最小值。

根据一个有利的设计方案，可随时间改变地施加第二磁场。

这具有如下优点：例如当需要重置时，第二磁场仅暂时接通，以便避免各个传感器元件或区段的无意的重置。此外，可行的是，能够实现有针对性的重置，其中例如第二磁场的多个源共同随时间可变地使用。

附加地或替选地，旋转地施加第二磁场。

旋转的第二磁场允许各个传感器元件或区段的简单的且有效的重置，因为通过旋转，对于敏感元件的每个取向随着相应的(多个)敏感层磁化出现第二磁场的平行的或反平行的定向，使得能够以简单的方式进行重置。优选地，这与第二磁场的随时间变化组合，使得尤其在旋转的第二磁场的范围中仅能够实现第二磁场的特定的定向。通常，磁阻性的旋转传感器中的传感器元件螺旋体形地构成为在一个平面中具有多个绕组，以便能够实现旋转传感器，所述旋转传感器能够感测多个转。在这种传感器中，相应地，磁畴壁通过第一磁场的旋转生成。现在，借助旋转的第二磁场，可行的是，在传感器和其重置的故障的情况下，仿真相应的感测，即将传感器或传感器元件置于没有故障的状态。

根据一个有利的设计方案，第二磁场通过至少一个电磁体产生。

这能够以简单的方式和方法实现产生施加的第二磁场的随时间的变化，和在正常运行和重置运行之间的严格分离。

根据一个有利的设计方案，第二磁场通过叠加多个电磁体的磁场产生，其中所述电磁体的磁场随时间变化，使得第二磁场旋转。

通过多个相应的电磁体的磁场的叠加，可能简单地并且有效地产生旋转的第二磁场。这尤其在如下情况下是有利的：存在旋转传感器的平面的螺旋体形的设计方案，例如通过相应的传感器元件。在该情况下是多个电磁体的磁场的叠加，例如和特别优选是四个电磁体的磁场的叠加，借助所述电磁体能够产生相应的旋转的第二磁场。

根据本实用新型的另一方面，提出一种可重置的磁阻性的旋转传感器，包括：至少一个磁阻性的传感器元件，所述传感器元件具有铁磁性的参考层和铁磁性的敏感层和将参考层与敏感层分开的非磁性层，所述传感器元件具有多个区段；包括触发磁体，所述触发磁体可相对于区段沿转动方向转动，以改变所述区段中的至少一个区段的敏感层中的磁化。旋转传感器的特征在于，至少一个第二磁体构成为用于产生第二磁场，以在敏感层中的磁化的重新定向。

优选地，在此，至少一个电磁体构成为第二磁体。

根据一个有利的设计方案，电磁体构成为第二磁体，所述电磁体可控制为，使得产生旋转的第二磁场。

此外，优选的是如下设计方案，其中构成多个电磁体，所述电磁体定向成和可控制成，使得其磁场在至少一个传感器元件的区域中叠加成旋转的第二磁场。

对于根据本实用新型的方法公开的细节和优点能够转用和应用于根据本实用新型的旋转传感器，并且反之亦然。

在权利要求中单独详述的特征能够以任意的、技术上合理的方式彼此组合，并且能够由说明书中的事实和附图中的细节补充，其中示出本实用新型的另外的实施变型形式。

附图说明

本实用新型以及技术领域下面根据附图详细阐述。附图示出特别优选的实施例，然而本实用新型不局限于所述实施例。尤其要指出的是，附图和尤其示出的大小关系仅是示意性的。相同的附图标记表示相同的主题。附图示出：

图1示出传感器元件的示意图；

图2示意地示出传感器元件的构造的剖面图；

图3至8示例性地示出电阻的改变；

图9示出用于图1至8中的示例的参考图；

图10至12示出旋转传感器的示例；

图13至20示例性地示出在旋转传感器的旋转重置时(“转回”)电阻的改变；

图21示出在旋转传感器完全转回时的情形；和

图22示意地示出旋转传感器的略图。

具体实施方式

图1示意地示出传感器元件1的图。传感器元件1缠绕成平面的螺旋体并且具有四个正方形的绕组2，所述绕组彼此嵌套连接。每个绕组 2由四个区段3构成，所述区段分别正方形地构成。每两个区段3共同地形成一组4。每个组4具有两个外部电端子5和共同的中间电端子6。各一个外部的电端子5位于第一电势7上，各一个另外的外部电端子5 位于第二电势8上。第一电势7和第二电势8具有限定的电势差，所述电势差在当前的示例中为5V[伏特]。第二电势8限定成接地(Ground，GND)，而第一电势7处于5V。外部电端子5出于概览原因仅示例性地设有附图标记，而中间电端子称作R1至R4和L1至L4。在此，R1和 L1处于最靠外的第一绕组2中，R2和L2处于第二绕组2中，以此类推。

图2示出传感器元件1的原理构造。所述传感器元件由铁磁性的参考层9和同样铁磁性的敏感层10构成，所述参考层和敏感层通过非磁性层11分开。所述层9、10、11是薄的，使得层9、10中的磁化仅能够沿纵向方向12和与纵向方向12相反地定向。所述敏感层10——如图 1示出的那样——与磁畴壁发生器13连接。所述磁畴壁发生器又构造成，尤其不像层9、10那样薄地构造成，使得在磁畴壁发生器中磁化14能够平行于靠外的磁场(未示出)定向。

由于巨磁阻效应(giant magneto resistance)，在此这种传感器元件 1的电阻——以及这种传感器元件1的区段4的电阻——与参考层9和敏感层10中的磁化14的定向相关。在参考层9和敏感层10中的磁化 14如在图2中示出的那样反平行定向时，与在磁化14平行定向时相比，电阻明显更高。在图1中，区段3的不同的电阻用符号表示，其中一些区段3具有低电阻15并且其他区段具有高电阻16。敏感层10在此与磁畴壁发生器13连接。

在图3至8中现在描述旋转传感器的功能原理。出于概览原因，并非全部元件都设有附图标记，其中相同的元件设有相同的附图标记，并且参考在本文中的其他描述。

图3示出在n＝0转的情况下的初始位置。触发磁体的磁场17在此指向标明的方向。在中间的测量点L1、L2、L3、L4、R1、R2、R3、 R4上测量到低的组电压。这在图9中作为在各个测量点处的“-”示出。磁畴壁发生器13中的磁化在此平行于触发磁体的磁场17。在第一区段18中不出现磁化的翻转，因为磁场17在所述第一区段18中不平行于或反平行于纵向方向定向，并因此出自磁畴壁发生器的磁化不能够“游移”到第一区段18中。这在第一个四分之一转结束时改变，即在n＝0.25时，如在图4中示出的那样。在此，第一区段的电阻变化成高电阻16。这引起在相应的中间电端子R1处的中等组电压(见图9中的符号“o”)。此外，出现磁畴壁19(见图4)。在中间电端子L1、R2、L2、R3、L3、 R4、L4处的其余的组电压保持为低的。

在另一个四分之一转(n＝0.5，见图5)之后，在第一区段18之前已经出现磁畴壁19，而之前出现的磁畴壁19由于第二区段20的另一电阻因敏感层10中的磁化的翻转引起的改变已经在所述区段中继续移动。在中间电端子R1上的组电压由此跳变到高值(图9中的符号“+”)，而全部其他组电压保持为低电压(“-”)。

在另一个四分之一转(n＝0.75，图6)之后，第一区段18中和第三区段21中的电阻朝向低电阻15变化，而第二区段20中的电阻保持在低电阻15上。这基于在相应的区段的敏感层10中的相应的磁化由于敏感层10和参考层9中的相应的磁化的现在平行的定向引起的翻转。相应地，组电压改变成在中间电端子R1和L1处的中等电压(图9中的“o”)，而全部其他组电压保持在低的电压(“-”)上。相应的两个磁畴壁19与图5中的情形相比继续转动了90°。

图7示出用于整转(n＝1)的情形，图8针对n＝1.25转。磁化的相应的翻转、与此关联的电阻改变和相应的磁畴壁的运动相应地进行。在图9中的表格中，对于这些旋转和n＝1.5至n＝4的其他旋转读出相应的组电压。

从图9中的图表可见，在中间电阻R1、L1、R2、L2、R3、L3、R4、L4处的组电压与转数n的相关关系是一一对应的。因此，在测量相应的组电压时，通过与参考模式21的比较，如示意地在图9中用符号表示的那样，直接确定转数n是可行的。

此外，也可行的是，基于在中间电端子R处测量组电压和确定加和结果，确定转数n。当在R1处存在中等电压(“o”)时，例如下述关系适用：

其中n_o表示所测量的中等电压(“o”)的数量。

如果在R1处存在高电压(“+”)，那么下述关系适用：

n＝2x-n_-＝n₊-0.5

其中在此处描述的示例四的情况下，n_表示所测量的低电压(“-”)的数量，n₊表示所测量的高电压(“+”)的数量，并且x表示触发磁体的最大转数。

如果在R1处施加低电压(“-”)，那么下述关系适用：

n＝2x-n_{_}＝n₊

其中在此处描述的示例四的情况下，n_-表示所测量的低电压(“-”)的数量，n₊表示所测量的高电压(“+”)的数量，并且x表示触发磁体的最大转数。

通过在此说明的关系，因此可行的是，在已知中间电端子R1上的组电压和已知所测量的高电压和低电压的数量的情况下简单地计算转数n。此外，图9中的行也示出限定的状态，所述状态可借助在此介绍的方法再次调节。

图10示意地示出具有传感器元件1的旋转传感器22的第一示例，所述传感器元件在四个绕组4中形成为多个区段3。除了在图1至8中示出的传感器元件1的细节之外，旋转传感器22也包含第二磁体23。所述第二磁体包括线圈24和容纳在螺线管形构造的线圈24中的铁芯25。通过所述第二磁体23，能够产生第二磁场26。通过施加第二磁场26，能够在传感器元件1的区段3的敏感层10中进行磁化的重新取向。在区段2的参考层9中不进行重新取向，因为所述区段通过非磁性层11 与第二磁场26屏蔽。第二磁场26在此定向成，使得所述第二磁场不垂直于区段3中的一个区段取向，使得在矢量上始终存在第二磁场26的分量，所述分量平行于相应的区段3取向。第二磁场26的所需的幅值在此能够基于传感器元件1的几何构造确定。在当前的示例中，所述传感器元件由正方形的绕组2构成。改变区段3的敏感层10中的磁化所需要的幅值通常是已知的或者可容易确定。基于正方形的绕组2的几何构造，于是可简单确定，第二磁场26的幅值必须以因数增大。

图11示出旋转传感器22的另一示例，其中构成四个第二磁体23。在当前的示例中，第二磁体23构成在传感器元件1外部。在该示例中，每个第二磁体23都构成为具有相应的线圈24与容纳在螺旋管形的线圈 24中的铁芯25的电磁体。在该示例中，四个第二磁体23分别垂直于传感器元件1的外部的绕组2的区段3。第二磁体23的磁场的叠加形成第二磁场26。如果现在第二磁体23相应地被控制，即通过线圈24引导的电流变化，那么第二磁场26能够相应地预设幅值和方向。尤其能够通过相应的控制来实现第二磁场26的旋转。

在此，第二磁体23垂直于外部绕组2的定向不是强制必需的，其他的定向同样是可行的。因此，例如如在图12中的设计方案也是可行的，其中各个第二磁体23平行于最靠外的绕组2的区段3定向。在此也可行的是，让叠加的第二磁场26旋转，其中第二磁体23的相应的线圈24被相应地时间相关地控制。

图13至20示出传感器元件1的各个区段3的电阻由于第二磁场26 的旋转引起的改变，例如由于例如在根据图11或12的示例中随时间变化的磁场引起第二磁场旋转，而在此未绘制第二磁体23。

在图13中，全部区段3具有高电阻16，磁畴壁19位于(在此未示出的)中间电端子处。通过第二磁场26沿重置方向27的旋转，进行磁畴壁19的分级的“转回”。图14示出在m＝0.25转之后的情形。磁畴壁 19相应地在重置方向27上移动，区段3中的一些区段现在具有低电阻 15。各个区段3的敏感层10中的磁化的相应的重新取向再次经由第二磁场26在相应的区段3的纵向方向上的矢量分量进行。为了更好的理解，在图13和14中象征性地绘制第二磁场26的矢量分量28。在比较图13和14时，明显的是，两个矢量分量28中的一个改变其方向，而另一矢量分量28保持不变。因此，仅对于区段3的一部分，敏感层10 中的磁化并进而电阻也改变。相应地，磁畴壁19的移动从图13至图14 进行。在比较图14和图15时(对于反向转速m＝0.5)清楚的是，在此另外的矢量分量28的方向改变，使得现在各另外的区段3的敏感层10 中的磁化和进而相应的电阻改变。

其他的图16(m＝0.75)、图17(m＝1)、图18(m＝1.25)、图19(m＝1.5) 和图20(m＝1.75)示出重置过程的继续进程以及磁畴壁19的相应的运动和区段3的改变的电阻。如图15和图16的比较可见的是，最靠内的区段3的电阻不改变。该区段还具有低电阻15。所述电阻在继续回转时也不改变。接下来靠内的区段的电阻在从图16(m＝0.75)过渡到图17 (m＝1)时也保持在低电阻15。原因在于，现在在该区域中不再存在必须经过相应的区段3的磁畴壁19。这就是为什么，所述电阻不再改变。所述效应随着最近的磁畴壁19在回转的过程中越来越向外游移。

图21示出在完全回转(m＝4.25)之后的情形。在磁畴壁发生器14 和第一区段18之间仅还存在唯一的畴壁19。

图22示意地示出执行器29，通过所述执行器能够将旋转运动转换成平移运动。所述执行器包括旋转传感器22，所述旋转传感器具有评估单元32，测量到的组电压被传输到所述评估单元中。在所述评估单元 30中于是能够基于所述组电压确定转数n。

与执行器29连接有触发磁体31，其旋转引起第一磁场的改变。触发磁体31是永磁体。旋转传感器22在此构成为所谓的多圈传感器 (Multiturn-Sensor)，所述多圈传感器能够检测大于360°的旋转角度。此外，构成有单圈传感器32，所述单圈传感器仅能够检测0°至360°的旋转角度。所述单圈传感器32的信号例如用作为用于补偿旋转角度的修正信号，所述信号也被传输给评估单元30。此外，通常构成为霍尔传感器的单圈传感器32能够用于测量第二磁场26。旋转传感器22、单圈传感器32和评估单元30能够组成结构单元33，所述结构单元能够预安装并进而作为整体安装。

在此介绍的旋转传感器22能够在汽车制造中以有利的方式用于检测例如执行器中的转数。旋转传感器22能够以简单的方式重置，以便在故障的情况下能够确保继续使用旋转传感器22。

附图标记列表：

1 传感器元件

2 绕组

3 区段

4 组

5 外部电端子

6 中间电端子

7 第一电势

8 第二电势

9 铁磁性的参考层

10 铁磁性的敏感层

11 非磁性层

12 纵向方向

13 磁畴壁发生器

14 磁化

15 低电阻

16 高电阻

17 磁场

18 第一区段

19 磁畴壁

20 第二区段

21 参考图

22 旋转传感器

23 第二磁体

24 线圈

25 铁芯

26 第二磁场

27 重置方向

28 矢量分量

29 执行器

30 评估单元

31 触发磁体

32 单圈传感器

33 结构单元

Claims (4)

1.一种可重置的磁阻性的旋转传感器(22)，包括：至少一个磁阻性的传感器元件(1)，所述传感器元件具有铁磁性的参考层(9)和铁磁性的敏感层(10)和将所述参考层(9)与所述敏感层(10)分开的非磁性层(11)，所述传感器元件具有多个区段(3)；触发磁体(31)，所述触发磁体可相对于所述区段(3)沿转动方向转动，以改变所述区段(3)中的至少一个区段的所述敏感层(10)中的磁化(14)，

其特征在于，

至少一个第二磁体(23)构成为用于产生第二磁场(26)，用于所述敏感层(10)中的磁化(14)的重新定向。

2.根据权利要求1所述的旋转传感器(22)，

其中至少一个电磁体构成为第二磁体(23)。

3.根据权利要求2所述的旋转传感器(22)，

其中电磁体构成为第二磁体(23)，所述电磁体能被控制为使得形成旋转的第二磁场(26)。

4.根据权利要求3所述的旋转传感器(22)，其中构成有多个电磁体，所述电磁体定向成和能够控制为，使得所述电磁体的磁场在至少一个所述传感器元件(1)的区域中叠加成旋转的第二磁场(26)。