DD277529A1 - Magnetoresistive sensoranordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetoresistive Sensoranordnung, insbesondere zur Lagebestimmung eines magnetisch leitfaehigen Objekts. Erfindungsgemaess ist zur Erhoehung der Stoersicherheit gegen entfernte fremde Magnetfelder hinter dem ersten Sensor und fluchtend zur Achse des Permanentmagneten ein ausgangsseitig in Differenz zum ersten Sensor geschalteter zweiter Sensor angeordnet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung wird angewendet zur Lagebestimmung von magnetisch leitfähigen Objekten, z. B. zur Lagebestimmung von Blendenschiebern in Mikroskopen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise Strommessungen, wobei die durch stromdurchflossene Leiter hervorgerufene Änderung des Erregermagnetfeldes ausgewertet wird.

Chcraktcristik des bekannten Standes der Technik

In der DE 3426784 ist eine typische Anordnung zur Lageerkennung mit einem magnetoresistiven Sensor dargestellt.

Dort ist das magnetoresistive Sensorelement in Brückenschaltung auf einem ebenen Substrat aufgebracht und als flaches Bauelement verkappt.

Auf der einen Seite dieses-Bauelementes ist ein beweglicher strukturierter magnetisch leitfähiger Körper (wie z. B. ein Zahnrad) mit einer homogenen und einer strukturierten Ausdehnungsrichtung der Strukturelemente (z. B. der Zähne) so geordnet, daß sich die homogene Ausdehnungsrichtung parallel zur unempfindlichen Koordinatenachse und die Bewegungsrichtung rechtwinklig dazu in Richtung der empfindlichen Koordinatenachse des Sensorelements jeweils erstreckt.

Auf der anderen Seite jenes Bauelements befindet sich ein Dauermagnet. Dieser dient der Durchflutung sowohl des Sensorelements als auch des beweglichen magnetisch leitfähigen Körpers, welcher während seiner Bewegung gegenüber dem Dauermagneten und dem Sensor eine Feldverzerrung in der empfindlichen Achse des Sensorelements verursacht. Die Anordnung des Dauermagneten ist zur Erzeugung eines kräftigen Hauptfeldes so gewählt, daß dessen Magnetachse senkrecht zur Ebene des Sensorelements angeordnet ist, wobei zur Gewinnung der magnetischen Vorspannung das Sensorelement unsymmetrisch in einer Nut des Dauermagneten angebracht ist.

Dieser bei erster Betrachtung vorteilhaften Magnetanordnung haften aber dennoch einige Mängel an.

Zum ersten ist eine relativ große Bauhöhe für beengte Raumverhältnisse nicht akzeptable, die auch durch moderne flache Magnete (z. B. auf Samarium-Kobalt-Basis) nicht ausreichend klein gehalten werden ka in.

Zum anderen ist der magnetische Rückflußweg zum beweglich magnetisch leitfähigen Körper relativ lang und bedingt so entweder wiederum die Bauhöhe vergrößernde magnetische Leitelemente oder auch ein starkes Streufeld, welche weitere in der Nähe befindliche Sensorelemente o.a. ungünstig beeinflussen können.

Zum dritten tritt in Verbindung mit der beschriebenen Anordnung des beweglichen magnetisch leitfähigen Körpers durch die laufende Entfernungsänderung für den magnetischen Rückfluß eine starke Modulation des Magnetflusses selbst ein, die besonders dadurch zusätzlich stört, daß der Nulldurchgang in der Brückenspannung einmal bei der größten Nähe des beispielsweisen Zahnes (der Zahnkamm befindet sich unter dem Sensor) und zum anderen bei der größten Entfernung des Zahnes (die Lücke zwischen zwei Zähnen befindet sich unter dem Sensor) erfolgt. Die größte Verstimmung der Brücke ergibt sich dadurch an einer wenig definierten und stark unsymmetrischen Lage zu den Nulldurchgängen. Periodisch betrachtet entsteht so eine stark verzerrte Sinusfunktion der Brückenspannung als Funktion des Ortes. Die gewünschte Lageerkennung wird somit einmal wegen der prinzipiellen Unsicherheit, die mit dem Schaltpunkt auf einer Flanke des Zahnes auftritt und zum anderen wegen der beschriebenen Modulation noch verstärkt wird, in vielen Fällen nicht genügend reproduzierbar.

Um die Haupt- und Nebenachsenkomponente des Magnetfeldes mit einem einzigen Permanentmagneten auf andere Weise zu erzeugen, sind auch Magnetanordnungen bekannt, dio eine leicht geneigte Magnetachse zur Sensorebene besitzen. Von einer stärkeren Neigung des Magneten ohne weitere Maßnahmen wurde offenbar abgesehen, weil sich bei einer Erhöhung der Magnetfeldkompononte in der unempfindlichen Richtung zwar die Hysterese und die Fremdfeldabhängigkeit weiter vorteilhaft verringert, aber die Brückonempfindlichkeit absinkt.

Einon Überblick über die Anwendung magnetoresistor Sonsoren liefert die Veröffentlichung in der Rfo 5/85 (S.31&-319). Der Stand der Entwicklung dor Sonsoron ist fornor im „Valvo Halbloiter-Sensoren Datenbuch" (Hüthig Verlag, Heidelberg 1987) zu solion. Dort ist auch der Trond zu orkonnon, zur Verringerung dor mechanischen Baugröße äußerst dünne Hilfsmagnete zur Erzougung dos Errogungsfoldes oinzusotzen. Donnoch ist auch bei diesen Sensoranordnungen die Bauhöhe zu groß.

Dnrübor hinaus ist boroits vorgeschlagen worden, zur Lügobostimmung von magnetisch leitfähigen Objekten den Pormanontmognoton in dor Ebene dos Sensors anzuordnon, indom dio magnetische Achse dns Permanentmagneten mit der unompfindlichon Koordinate des Sonsors fluchtot. Eino dorartigo magnetoresistive Sensoranordnung zeichnet sich durch goringo Bauhöho und relativ hoho Unompfindlichkoit gegenüber Störfeldern bei uneingeschränkter Auswerteempfindlichkeit aus. Boi Moßanwondungon mit oxtrom hohen Anforderungen an die reproduzierbare Auswertegenauigkeit ist es jedoch orfordorlich, dio Unompfindlichkoit gogon oxterno störonde Magnetfelder weiter zu erhöhen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die weitere Verbesserung der reproduzierbaren Auswertegenauigkeit der Meßanordnung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst aufwandgering und mit geringer konstruktiver Bauhöhe eine Sensoranordnung zu schaffen, die bei der Meßauswertung auf Veränderungen des Erreger-Magnetfeldes sehr empfindlich und auf Veränderungen externer Magnetfelder vernachlässigbar gering reagiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer magnetoresistiven Sensoranordnung, insbesondere zur Lagebestimmung eines magnetisch leitfähigen Objektes, mit einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines beeinflußbaren Magnetfeldes, der mit seiner magnetischen Achse in der Ebene eines ersten Sensors in Richtung seiner unempfindlichen Koordinate angeordnet ist, dadurch gelöst, daß in bezug auf den Permanentmagenten hinter dem ersten Sensor und fluchtend zur magnetischen Achse des I 'ermanentmagneten ein ausgangsseitig in Differenz zum ersten Sensor geschalteter zweiter magnetoresistiver Sensor i ngeordnel Ίεί.

Das Erregarmagnetfeld des Permanentmagneten durchsetzt im wesentlichen den dem Permanentmagneten benachbarten magnetoresistiven Sensor, an dessen Ausgang der Änderung des Erregermagnetfeldes (z. B. durch Bewegung eines magnetisch leitfähigen Körpers) entsprechende elektrische Signale erzeugt werden. Der Einfluß des anderen Sensors zur Auswertesignalbildung ist vernachlässigbar gering, so daß praktisch die Auswertung der Erregermagnetfeldänderung ohne Einbuße an Empfindlichkeit erfolgt. Weiter entfernte störende Magnetfelder (z. B. Störgrößen durch andere Erregermagnetfelder) durchsetzen beide Sensoren richtungsbezogen quasi in gleicher Stärke, so daß der Einfluß dieser Störgrößen auf die Auswertesignalbildung durch die Sensoren gleichgroß ist und durch die ausgangsseitige elektrische Differenzschaltung der Sensoren eliminiert wird. Insofern ergibt sich eine sehr hohe Unempfindlichkeit gegenüber solchen entfernten Störgrößen.

Ausführungsbetspiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines verzerrten Erregermagnetfeldes zu Indikatorzwecken näher erläutert werden

Es zeigen:

Fici. 1: eine Draufsicht dor erfindungsgemäßen Sensoranordnung

Fig. 2: eine geschnittene Seitenansicht von Fig. 1

Fig. 3: die Sensoranordnung nach Fig. 1 mit zugehöriger elektronischer Anordnung als Stromlaufplan.

In Fig. 1 ist auf einer Leiterplatte 1 ein magnetoresistiver Sensor (MRS) 2 in unmittelbarer Nachbarschaft eines Dauermagneten 3 mit einer Achse 7 und ein weiterer MRS 4 auf der jenseitigen Lage vom Dauermagneten 3 gleichachsig in einer Ebene 6 aufgebracht, wobei diese Achse der unempfindlichen Hilfsfeldachse beider MRS 2 und 4 entspricht.

In Fig. 2 ist erkennbar, daß die Achse der MRS 2 und 4 zur Achse 7 des Dauermagneten versetzt ist. Parallel zur Achse 7 ist mit einer Achse 8 ein magnetisch Ieitfähiger Körper 5 bewegbar, der auf Ausschnitt eines magnetischen Schlusses dargestellt ist. Dor Körper 5 kann beispielsweise ein Zahn eines Zahnrades sein, dessen Achse mit der Achse 8 fluchtet, so daß die Bewegungsrichtung in die Zeichenebene hinein verlaufen würde. Es ist anhand der Zeichnung erkennbar, daß der Magentfluß bzw. die Magnetflußdichte, die am MRS 2 wirkt, aufgrund der Abstandsgesetzmäßigkeit des Flusses des Dauermagneten 3 wesentlich höher ist als die am MRS 4. Der Magnetflußvektor schwenkt dann etwa um die Achse 7 mit gleichem Winkel bzw. gleicher Winkelgeschwindigkeit in die Zeichenebene hinein, für beide MRS 2 und 4 aber, wie besagt, mit sehr unterschiedlichem Betrag. Es ist auch möglich, daß die Bewegung des Körpers 5 nicht ausschließlich um die Achse 8 erfolgt, sondern auch eine Bewegungskomponente senkrecht zur Achse 7 aufweist, so daß der Körper 5, wie in Fig. 1 angedeutet, in einer Achse 9 winklig zur Achse 7 bewegt wird. Der um die Achse 7 schwenkende Magnetflußvektor besitzt folglich eine kräftigere Komponente in einer empfindlichen Achse 10 des MRS 2 und eine wesentlich geringere für den MRS 4, durch den eine unterschiedliche Verstimmung der internen Brückenschaltung der jeweiligen MRS verursacht wird. In Fig.3 sind der Dauermagnet 3 und die MRS 2 und 4 gemäß ihrer Anordnung in Fig. 1 in ihrer Lage zueinander durch gestrichelte Flächen dargestellt. Jeder MRS 2 bzw. 4 besteht aus einer Brückenschaltung von Widerstandselementen 11 aus magnetoresistivem Werkstoff mit hochleitfähigen Barberpolon 12, die mit ihrer Richtung auf den Widerstandsstrukturen symbolisch dargestellt sind. Ein unverzerrter Magnetfluß, wie er vom Dauermagneten 3 ausgeht, durchflutet die Widerstandselemente 11 in ihrer Längsausdehnung so, daß die Strompfade, dio zunächst den kürzeren Weg zwischen dan Barberpolen 12 einnehmen, durch die in Längsrichtung vororiontiorton Magnotmaterialstrukturen dor Widerstandselemente 11, die durch den unvarzerrten Magnetfluß in dieser Längsrichtung stabilisiert wordon, spiegelsymmetrisch vorlagert worden und so das Brückengleichgewicht nicht stören. Dioso boidon Brückonschaltungon indon MRS 2 und 4 sind in ihren Eingangsdiagonalanschlüssen 13, Vl sowie 15,16 jeweils parallolgoschiiltot. Ein als Konstantstromquollo goschalteto Operationsverstärker 17, der ein Teil eines üblichen Viorfachoporationsvorstärkcr-Schaltkroisos soin kann, ist mit seinem Ausgang mit diesen Anschlüssen 14 und 16 verbunden, während dio Anschlüsso 13 und 15 über oinon Stromsonsorwidorstand 18 nach Masse und direkt mit dem invertierenden Eingang dos Gporationsvorstärkors 17 in Verbindung stohon. Der nicht invortieronde Eingang des Operationsverstärkers 17 ist übor oinon Konstantspannungsschaltkrois 19, z.B. vom Typ 589 mit einer Nennspannung von 1,35V, mit der Masse und außordom über oinon Widorstand 20 mit dom Botriobsspannungsanschluß 21 für z.B. 5... 10V, durch den außerdem der Oporationsvorstärkorschaltkrois versorgt wird, vorbundon (mit dem Massoanschluß 22). Die Ausgangsdiagonalanschlüsse 23 und 24 dos MF;S 2 sind mit jowoilsclom nicht invertioronclen Eingang dor Ouüir;lionsverstärker25und 26 verbunden, während

die entsprechenden Ausgangsdiagonalanschlüsse 27 und 28 mit deren invertierenden Eingängen verbunden sind, die ihrerseits über Widerstände 29,30 mit deren Ausgängen in Verbindung stehen. Diese Ausgänge der Operationsverstärker 25 und 26 sind über weitere Widerstände 31 und 32 mit den Eingängen eines vierten Operationsverstärkers 33 verbunden und dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 34 mit dessen Ausgang und der Ausgangsklemme 35.

Wenn, wie beabsichtigt, quer zur Längsrichtung des MRS 2 eine wesentlich größere Magnetflußkomponente als beim MRS 4 vorliegt durch eine Feldverzerrung des Feldes vom Dauermagneten 3, üie wegen des Abstandsgesetzes vorwiegend auf den MRS 2 wirkt, so wird durch eine entsprechende Brückenverstimmung die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 23 und 24 erscheinen, während die Spannung an den Anschlüssen 27 und 28 im wesentlichen unverändert bleibt. Somit wirken diese Spannungen an den Anschlüssen 27 und 28 als Referenzspannungen an den nicht invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 25 und 26, für welche die Brückenwiderstände des MRS 4 als Rechenwiderstände die Verstärkung mitbestimmen in Verbindung mit den Widerständen 29,30. Brückenstrom- und Widerstandsänderungen infolge von Temperaturänderungen wirken voll symmetrisch und im Gleichtakt auf die beiden Operationsverstärker 25,26 ein im Sinne einer erheblichen Reduzierung des Temperatureinflusses. Im gleichen Sinne wirkt die Konstantstromeinspeisung des als Regelkreis für die Referenzspannung am Schaltkreis 19 wirkenden Operationsverstärkers 17. Bei ausreichend hoher Verstärkung sind auch die äußeren Eingangswiderstände, die dann fast identisch sind mit den Brückenwiderständen der MRS 2 und 4, im wesentlichen gleich, so daß ein Offsetstromeinfluß auch bei bipolaren Operationsverstä kern ausreichend niedrig ist. Der Operationsverstärker 33 dient der Erzeugung einer massebezogenen Ausg.'nysspannung, deren Pegel durch nicht dargestellte übliche Offseteinstellmittel in einen gewünschten Bereich gebracht werden kann.

Es ist ferner denkbar, diese Anordnung ohne Bewegung des Körpers 5 zur Verzerrung des Erregermagnetfeldes für eine Strommessung einzusetzen. Für diesen Fall, für den ein Strompfad unter dem MRS 2, nicht aber unter dem MRS 4, auszuwerten ist, kann der Körper 5 ein magnetisch schirmendes Blech sein oder auch ganz entfallen. Infolge des Stromflusses unter dem MRS 2 würde ebenfalls, wie vorgenannt, eine größere Magnetflußkomponente beim MRS 2 im Gegensatz zum MRS 4 ausgewertet werden.

Claims (1)

1. Magnetoresistive Sensoranordnung, insbesondere zur Lagebestimmung eines magnetisch leitfähigen Objektes, mit einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines beeinflußbaren Magnetfeldes, der mit seiner magnetischen Achse in der Ebene eines ersten Sensors in Richtung seiner unempfindlichen Koordinate angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß in bezug auf den Permanentmagneten (3) hinter dem ersten Sensor (2) und fluchtend zur magnetischen Achse (7) des Permanentmagneten (3) ein ausgangsseitig in Differenz zum ersten Sensor (2) geschalteter zweiter magnetoresistor Sensor (4) angeordnet ist.

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