DE10056515A1

DE10056515A1 - Rotationsdetektor, der einen Brückenschaltkreis mit magnetfeldabhängigen Widerstandselementen verwendet

Info

Publication number: DE10056515A1
Application number: DE10056515A
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Uenoyama
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: US6366079B1; JP2001153683A; DE10056515B4; DE10056515B8; JP3506078B2

Abstract

Eine Rotation eines rotierenden Objektes wie z. B. eines gezahnten Rotors (1) wird auf der Grundlage von Ausgangspotentialen (Va, Vb) eines Brückenschaltkreises (16), der vier magnetfeldabhängige Widerstandselemente (12-15) besitzt, erfaßt. Der Brückenschaltkreis, der auf einem integrierten Schaltkreischip (4) ausgebildet ist, ist in einem Biasmagnetfeld angeordnet, das von einem Magneten (3) erzeugt wird, der in einer Nachbarschaft des gezahnten Rotors angeordnet ist. Ein Paar von magnetfeldabhängigen Widerstandselementen (12, 13) bildet einen ersten Schaltkreis (10) in der Brücke, während das andere Paar (14, 15) einen zweiten Schaltkreis (11) bildet. Um den Einfluß magnetostriktiver Effekte aufgrund einer externen Kraft, mit der der integrierte Schaltkreischip (4) beaufschlagt wird, aufzuheben, sind der erste und zweite Schaltkreis (10, 11) in der Brücke (16) symmetrisch zueinander in Bezug auf eine zentrale Linie (7) des Biasmagnetfeldes angeordnet.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Rotationsdetektor, der eine Winkelposition oder eine Umdrehungsfrequenz bzw. Drehzahl eines rotierenden Objektes erfaßt, wobei der Rotationsdetektor magnetfeldabhängige Widerstandselemente verwendet, die ihren elektrischen Widerstand als Reaktion auf Änderungen in einem Magnetfeldvektor ändern. Der Rotationsdetektor ist geeignet für eine Verwendung in einer Motorsteuerung und einem Antiblockierbremssystem in einem Kraftfahrzeug.

Es ist allgemein bekannt, einen Brückenschaltkreis mit magnetfeldabhängigen Widerstandselementen beim Erfas sen bzw. Messen der Rotation eines rotierenden Objektes wie z. B. eines Rotors mit Zähnen zu verwenden. Das magnetfeldabhängige Widerstandselement (im folgenden als MRE bezeichnet) verändert seinen elektrischen Widerstand als Reaktion auf die Änderungen in einem Vormagnetfeld bzw. Biasmagnetfeld, die durch die Rotation eines gezahn ten Rotors verursacht werden. Ein Paar von MRE-Schalt kreisen sind an beiden Seiten eines Zentrums eines Bias magnetfeldes angeordnet. Eine MRE-Brücke, die aus dem Paar von MRE-Schaltkreisen besteht, erfaßt eine Umdre hungsposition bzw. Drehposition des gezahnten Rotors.

Ein integrierter Schaltkreischip (im folgenden als ein IC-Chip bezeichnet) mit einer MRE-Brücke ist übli cherweise auf einem Kupferfederzungenrahmen angebracht und mit einem hitzehärtbaren Kunstharz wie z. B. Epoxid harz eingegossen. Die Gießform wird auf ein Niveau von 150 bis 160°C aufgeheizt und geschmolzenes Kunstharz von etwa 175°C wird in die Form eingespritzt, um den IC-Chip einzugießen. Durch die Hitze in dem Formprozeß wird im Inneren des IC-Chips eine Verspannung erzeugt. Das heißt, eine Ausdehnungsverspannung wird dem IC-Chip auferlegt, da der Ausdehnungskoeffizient des Kupferfederzungen rahmens viel höher ist als jener des IC-Chips (der aus Silicium besteht). Dann wird der IC-Chip, der zusammen mit dem Kupferfederzungenrahmen eingegossen ist, auf eine Raumtemperatur heruntergekühlt, und der IC-Chip wird durch das Zusammenziehen bzw. Schrumpfen des Kupfer rahmens und Preßharzes mit einer Schrumpfungsverspannung beaufschlagt.

Weiterhin wird der Rotationsdetektor Temperatur änderungen unterworfen, wenn er konkret beispielsweise in einem Automobil verwendet wird. Das Preßharz dehnt sich aus oder zieht sich zusammen entsprechend den Temperatur änderungen. Wenn die Temperatur beispielsweise ansteigt, tendiert die Verspannung, die dem IC-Chip auferlegt ist, dazu, verringert zu werden, da sich die Temperatur der Gießtemperatur annähert.

Solche Temperaturänderungen beeinflussen die MRE- Brücke, die in dem IC-Chip ausgebildet ist, nachteilig aufgrund magnetostriktiver Effekte, die durch eine Ver spannung verursacht werden, mit der ein ferromagnetischer Dünnfilm wie z. B. ein MRE beaufschlagt wird. Die magneto striktiven Effekte umfassen Änderungen der magnetischen Eigenschaften wie z. B. der Magnetfeldsättigung und eines Widerstandsänderungsverhältnisses in dem MRE. Die magnetostriktiven Effekte beeinflussen die beiden MRE- Schaltkreise, aus denen die MRE-Brücke besteht, in dem konventionellen Rotationsdetektor nicht gleichmäßig. So mit werden die Ausgangsspannungen der beiden MRE-Schalt kreise durch die magnetostriktiven Effekte auf verschie dene Weise beeinflußt, und dementsprechend kann die Rotation des Rotors mit Zähnen bzw. gezahnten Rotors nicht präzise erfaßt werden.

Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf das oben erwähnte Problem gemacht worden, und es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesser ten Rotationsdetektor bereitzustellen, der die Rotation eines rotierenden Objektes dadurch präzise erfaßt bzw. mißt, daß er die nachteiligen Effekte der Magneto striktion eliminiert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4 und 6.

Erfindungsgemäß besteht der Rotationsdetektor aus einem Vormagneten bzw. Biasmagneten zum Erzeugen eines Vormagnetfeldes bzw. Biasmagnetfeldes und einer MRE- Brücke, die auf einem integrierten Schaltkreischip bzw. IC-Chip ausgebildet ist. Der Rotationsdetektor ist so an geordnet, daß er einem rotierenden Objekt wie z. B. einem Rotor mit Zähnen bzw. gezahnten Rotor mit einem bestimm ten Luftspalt gegenüberliegt bzw. zugewandt ist. Die MRE- Brücke umfaßt einen ersten MRE-Schaltkreis und einen zweiten MRE-Schaltkreis, wobei jeder Schaltkreis ein Paar von MREs besitzt, die in Reihe zwischen einer Energie quelle bzw. Spannungsquelle und einer Erde bzw. Erdung geschaltet sind. Der Vormagnet bzw. Biasmagnet ist so an geordnet, daß seine zentrale Magnetfeldlinie mit einem Durchmesser des gezahnten Rotors zusammenfällt, und der erste und zweite MRE-Schaltkreis sind symmetrisch zuein ander in Bezug auf die zentrale Magnetfeldlinie angeord net. Der elektrische Widerstand von jedem MRE ändert sich als Reaktion auf die Änderungen in dem Biasmagnetfeld, die durch die Rotation des Rotors mit Zähnen verursacht werden. Die Rotation des gezahnten Rotors wird auf der Grundlage von Ausgangspotentialen der MRE-Brücke erfaßt.

Der Widerstand von jedem MRE wird durch magneto striktive Effekte aufgrund der externen Kraft beeinflußt, mit der der IC-Chip beaufschlagt wird, auf dem das MRE strukturiert ist. Solch eine externe Kraft wird durch Temperaturänderungen oder andere Ursachen erzeugt. Da der erste und zweite MRE-Schaltkreis in der MRE-Brücke symme trisch zueinander in Bezug auf die zentrale Biasmagnet feldlinie angeordnet sind, wird der Einfluß der magneto striktiven Effekte in der MRE-Brücke als Ganzes aufgeho ben.

Die vier MREs in der MRE-Brücke können auf verschie dene Weise strukturiert sein, solange wie der Einfluß der magnetostriktiven Effekte die ersten und zweiten MRE- Schaltkreise gleichermaßen beaufschlagt und ihr Einfluß in der MRE-Brücke als Ganzes aufgehoben wird. Die MREs, die sowohl in dem ersten als auch zweiten MRE-Schaltkreis mit der Energie- bzw. Spannungsquelle verbunden sind, sind symmetrisch zueinander in Bezug auf die zentrale Magnetfeldlinie angeordnet, und die geerdeten MREs in den beiden Schaltkreisen sind ebenfalls symmetrisch positio niert bzw. angeordnet. Ein MRE auf der Seite der Span nungsquelle bzw. Energiequelle in dem ersten MRE-Schalt kreis und ein geerdetes MRE in dem zweiten MRE-Schalt kreis können auf einer Seite des Magnetfeldzentrums strukturiert sein, während ein MRE auf der Seite der Spannungsquelle bzw. Energiequelle in dem zweiten MRE- Schaltkreis und ein geerdetes MRE in dem ersten MRE- Schaltkreis auf der anderen Seite des Magnetfeldzentrums strukturiert sein können. Jedes der vier MREs kann in zwei gleiche Bereiche aufgeteilt sein, und das MRE auf der Seite der Spannungsquelle bzw. Energiequelle und das geerdete MRE in sowohl dem ersten als auch zweiten MRE- Schaltkreis können jeweils in Gestalt eines X struktu riert sein. Es ist nötig, die Richtungen der MRE-Strukturierung in jeder Anordnung so auszuwählen, daß die zwei Ausgangspotentiale der MRE-Brücke sich als Reaktion auf die Biasmagnetfeldänderungen mit einer Phasendifferenz dazwischen ändern.

Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung ein nachteiliger Einfluß der magnetostriktiven Effekte auf die MRE-Brücke als Ganzes aufgehoben wird, wird die Rotation des rotie renden Objektes präzise erfaßt, ohne durch Temperatur änderungen oder andere externe Störungen beeinflußt zu werden.

Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorlie genden Erfindung werden sich sogleich aus einem besseren Verständnis der unten unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Rotationsdetektor, der so positioniert ist, daß er einem Rotor mit Zähnen bzw. gezahnten Rotor zugewandt ist;

Fig. 2A eine Draufsicht auf ein Muster bzw. eine Strukturierung eines MRE-Brückenschaltkreises als einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2B ein Schaltkreisdiagramm, das den in Fig. 2A gezeigten MRE-Brückenschaltkreis zeigt;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Muster bzw. eine Strukturierung eines MRE-Brückenschaltkreises als ein Vergleichsbeispiel;

Fig. 4A eine Draufsicht auf ein Muster- bzw. eine Strukturierung eines MRE-Brückenschaltkreises als einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4B ein Schaltkreisdiagramm, das den in Fig. 4A gezeigten MRE-Brückenschaltkreis zeigt;

Fig. 5A eine Draufsicht auf einen MRE-Brückenschalt kreis als einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5B ein Schaltkreisdiagramm, das den in Fig. 5A gezeigten MRE-Brückenschaltkreis zeigt.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2A und 2B be schrieben werden. Der Rotationsdetektor gemäß der vorlie genden Erfindung wird zum Erfassen bzw. Messen eines Rotationswinkels oder einer Umdrehungsfrequenz bzw. Dreh zahl eines rotierenden Objektes wie z. B. eines gezahnten Rotors verwendet. Der Rotationsdetektor wird verwendet als ein Sensor zum Erfassen, zum Beispiel, einer Motor umdrehung, eines Schließwinkels, eines Kurbelwellen winkels, einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Radge schwindigkeit und so weiter.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Gesamtstruktur des Rotationsdetektors beschrieben werden. Der Rotations detektor 2 ist so angeordnet bzw. positioniert, daß er einem rotierenden gezahnten Rotor 1 mit einem bestimmten Luftspalt dazwischen zugewandt ist. Der Rotationsdetektor 2 besteht aus einem Vormagneten bzw. Biasmagneten 3 und einem IC-Chip 4, der auf einem Kupferfederzungenrahmen 6 angebracht ist. Der IC-Chip 4 und der Federzungenrahmen 6 werden zusammen mit einer hitzehärtbaren Formmasse 5 wie z. B. Epoxidharz eingegossen. Der Vormagnet bzw. Bias magnet 3 wird so positioniert, daß eine zentrale Linie 7 eines von dem Biasmagneten 3 erzeugten Biasmagnetfeldes sich in Richtung eines Rotationszentrums des gezahnten Rotors 1 erstreckt. Der IC-Chip 4 in der Formmasse 5 wird so positioniert, daß er dem gezahnten Rotor 1 zugewandt ist bzw. gegenüberliegt, und der Federzungenrahmen 6 er streckt sich von der anderen Seite der Formmasse 5 aus. Nachdem der IC-Chip 4 und der Federzungenrahmen 6 einge gossen sind, wird ein hohler Biasmagnet 3 auf der Form masse 5 angebracht.

Der Biasmagnet 3 ist so magnetisiert, daß ein N-Pol dem gezahnten Rotor 1 zugewandt ist und ein S-Pol an der anderen Seite auftaucht. Das Biasmagnetfeld ändert sich entsprechend der Rotation des gezahnten Rotors 1, d. h., entsprechend ob die zentrale Linie 7 mit einem Zahn des gezahnten Rotors 1 zusammenfällt. Die Änderungen des Biasmagnetfeldes werden durch eine auf dem IC-Chip 4 aus gebildete MRE-Brücke erfaßt.

Die auf dem IC-Chip 4 ausgebildete MRE-Brücke ist in Fig. 2A in einem vergrößerten Maßstab gezeigt. Die MRE- Brücke besteht aus einem ersten MRE-Schaltkreis 10 und einem zweiten MRE-Schaltkreis 11. Die zentrale Linie 4a des IC-Chips 4 fällt mit der zentralen Linie 7 des Bias magnetfeldes zusammen. Der erste MRE-Schaltkreis 10 und der zweite MRE-Schaltkreis 11 sind symmetrisch in Bezug auf die zentrale Linie 4a positioniert bzw. angeordnet. Der erste MRE-Schaltkreis 10 umfaßt ein erstes MRE 12 und ein zweites MRE 13, und der zweite MRE-Schaltkreis 11 um faßt ein drittes MRE 14 und ein viertes MRE 15. Jedes MRE besitzt die Gestalt eines Kammes, mit einer Vielzahl von langen Seiten und kurzen Seiten, die abwechselnd ausge bildet sind. Jedes MRE ist ein ferromagnetisches magnet feldabhängiges Widerstandselement, das aus einer Legie rung auf der Grundlage von Nickel besteht, wie z. B. Ni-Co oder Ni-Fe. Ein Dünnfilm bzw. eine Dünnschicht aus solch einer Legierung wird auf dem IC-Chip 4 mittels eines be kannten Prozesses wie z. B. der Abscheidung aus der Gas phase ausgebildet, und dann wird der Dünnfilm mittels eines Photolithographieprozesses in eine erwünschte Form strukturiert und geätzt.

Das erste MRE 12 und das zweite MRE 13 des ersten MRE-Schaltkreises 10 sind in Reihe geschaltet bzw. ver bunden und entlang der Rotationsrichtung A des gezahnten Rotors 1 ausgerichtet. Das erste MRE 12 ist in der Rich tung strukturiert, die ungefähr einen Winkel von 45° in Bezug auf die zentrale Linie 7 bzw. mit der zentralen Linie 7 des Biasmagnetfeldes bildet. Das zweite MRE 13 ist in der Richtung strukturiert, die im wesentlichen senkrecht zu der Richtung des ersten MRE 12 ist. Mit an deren Worten, die beiden MREs 12 und 13 sind so struktu riert, daß sie die Gestalt eines V bilden. Auf diese Weise wird eine Deformation der Signalform in einer Aus gangsspannung der MREs 12, 13 sogar dann vermieden, wenn die Änderungen des Biasmagnetfeldes bzw. Vormagnetfeldes groß sind.

Die dritten und vierten MREs 14, 15 des zweiten MRE- Schaltkreises 11 sind gleichermaßen strukturiert, so daß der erste und zweite MRE-Schaltkreise 10 und 11 symme trisch zueinander in Bezug auf die zentrale Linie 7 des Biasmagnetfeldes angeordnet sind. Das heißt, das dritte MRE 14 ist in derselben Richtung wie das erste MRE 12 strukturiert und symmetrisch dazu in Bezug auf die zen trale Linie 4a angeordnet. Das vierte MRE 15 ist in der selben Richtung wie das zweite MRE 13 strukturiert und symmetrisch dazu in Bezug auf die zentrale Linie 4a ange ordnet. Die beiden MREs 14 und 15 des zweiten MRE-Schalt kreises 11 bilden eine weitere V-förmige Gestalt, die in Bezug auf die von den MREs 12 und 13 des ersten MRE- Schaltkreises 10 gebildete V-förmige Gestalt auf den Kopf gestellt bzw. umgedreht ist.

Die MRE-Brücke 16, die aus dem ersten und zweiten MRE-Schaltkreis 10, 11 besteht, ist wie in Fig. 2B ge zeigt elektrisch verbunden. In dem ersten MRE-Schaltkreis 10 sind das erste und zweite MRE 12, 13 in Reihe verbun den bzw. geschaltet, und das erste MRE 12 ist mit einer Spannungs- bzw. Energiequelle verbunden, während das zweite MRE 13 geerdet ist. Gleichermaßen, in dem zweiten MRE-Schaltkreis 11, sind das dritte und vierte MRE 14, 15 in Reihe geschaltet, und das dritte MRE 14 ist mit der Spannungs- bzw. Energiequelle verbunden, während das vierte MRE 15 geerdet ist. Ein Ausgangspotential Va wird von einem Verbindungsstück bzw. Anschluß der ersten und zweiten MREs 12, 13 in dem ersten MRE-Schaltkreis 10 ab genommen, während ein Ausgangspotential Vb von einem An schluß bzw. Verbindungsstück der dritten und vierten MREs 14 und 15 in dem zweiten MRE-Schaltkreis 11 abgenommen bzw. herausgenommen wird.

Die Operation bzw. Arbeitsweise des Rotationsdetek tors 2 wird im folgenden beschrieben werden. Wenn der ge zahnte Rotor 1 in der Richtung "A" rotiert, sind die Zähne und Gräben des gezahnten Rotors 1 abwechselnd dem Biasmagneten 3 zugewandt. Wenn sich ein Zahn dem Bias magneten 3 nähert, ändert sich das Biasmagnetfeld, da es von dem Zahn gezogen wird. Zu diesem Zeitpunkt schwingt ein magnetischer Vektor, der durch die MREs 12-14 hin durch geht, in die Rotationsrichtung "A". Der Widerstand der MREs ändert sich als Reaktion auf die Richtungs änderungen des magnetischen Vektors. Dementsprechend ändern sich die Ausgangspotentiale Va und Vb der MRE-Brücke 16 als Reaktion auf die Rotation des gezahnten Rotors 1. Die Ausgangspotentiale Va, Vb werden in einen Differenz verstärker (nicht gezeigt) eingegeben. Die Rotation des gezahnten Rotors 1 wird auf der Grundlage des Ausgangs des Differenzverstärkers erfaßt. Da das Paar von MRE- Schaltkreisen 10, 11 symmetrisch in Bezug auf die zentrale Linie 7 des Biasmagnetfeldes angeordnet ist, gibt es eine Phasendifferenz zwischen den zwei Ausgangs potentialen Va und Vb. Folglich wird die Position des ge zahnten Rotors sogar dann erfaßt, wenn der Rotor 1 nicht rotiert.

Der Einfluß der magnetostriktiven Effekte auf die MRE-Brücke 16 wird im folgenden erläutert werden. Der IC- Chip 4 wird wie oben beschrieben mit der Formmasse 5 ein gegossen und folglich wird der IC-Chip 4 mit einer exter nen Kraft aufgrund von Temperaturänderungen oder anderen Ursachen beaufschlagt und die Magnetostriktion in der MRE-Brücke 16 erzeugt. Insbesondere wird, wie in Fig. 2A gezeigt, eine Verspannung δ1, δ2, δ3 und δ4 dem ersten, zweiten, dritten bzw. vierten MRE 12-15 auferlegt. Auf grund der auferlegten Verspannung ändert sich der Wider stand der entsprechenden MREs 12-15 um Rδ1, Rδ2, Rδ3 bzw. Rδ4, wie in Fig. 2B gezeigt. Das Ausgangspotential Va des ersten MRE-Schaltkreises 10 wird wie folgt ausgedrückt:

Va = (R12 + Rδ1) . E/(R12 + Rδ1 + R13 + Rδ2),

wobei R12 und R13 der Widerstand des ersten bzw. zweiten MRE 12 bzw. 13 und E eine Spannung der Energiequelle bzw. Spannungsquelle ist. Das Ausgangspotential Vb des zweiten MRE-Schaltkreises 11 wird wie folgt ausgedrückt:

Vb = (R14 + Rδ4) . E/(R14 + Rδ4 + R15 + Rδ3),

wobei R14 und R15 der Widerstand des dritten bzw. vierten MRE 14 bzw. 15 ist.

Die Verspannung δ1, δ4, mit der die MREs 12, 14 be aufschlagt werden, die außen angeordnet sind, ist größer als die Verspannung δ2, δ3, mit der die MREs 13, 15 be aufschlagt werden, die innen positioniert sind. Da die MREs 12, 14 symmetrisch in Bezug auf die zentrale Linie 4a angeordnet sind, ist δ1 im wesentlichen gleich δ4. Gleichermaßen, da die MREs 13, 15 symmetrisch in Bezug auf die zentrale Linie 4a positioniert sind, ist 62 im wesentlichen gleich δ3. Folglich gibt es die folgende Be ziehung zwischen den durch die Verspannung verursachten Widerstandsänderungen:

(Rδ1 = Rδ4) < (Rδ2 = Rδ3)

Angenommen R12 = R13 = R14 = R15, dann wird Va gleich Vb (Va = Vb). Auf diese Weise werden sowohl der erste MRE-Schaltkreis 10 als auch der zweite MRE-Schaltkreis 11 gleichermaßen mit den magnetostriktiven Effekten beauf schlagt. Mit anderen Worten, der nachteilige Einfluß der Magnetostriktion wird in der MRE-Brücke 16 als Ganzes eliminiert, und dementsprechend wird die Rotation des ge zahnten Rotors 1 präzise erfaßt.

Fig. 3 zeigt eine MRE-Brückenstrukturierung als ein Vergleichsbeispiel, in der das erste MRE 12 und das drit te MRE 14, die beide mit der Spannungs- bzw. Energie quelle verbunden sind, nicht symmetrisch in Bezug auf das Biasmagnetfeldzentrum 7 angeordnet sind. Gleichermaßen sind das zweite MRE 13 und das vierte MRE 15, die beide geerdet sind, nicht symmetrisch in Bezug auf das Bias magnetfeldzentrum angeordnet. In dieser Struktur wird die Verspannung nicht gleichmäßig dem ersten MRE-Schaltkreis 10 und dem zweiten MRE-Schaltkreis 11 auferlegt. Somit können die nachteiligen Effekte der Magnetostriktion nicht eliminiert werden, und dementsprechend wird die Rotation des rotierenden Objektes nicht präzise erfaßt.

In der in Fig. 2A gezeigten MRE-Brücke 16 sind das erste MRE 12 und das dritte MRE 14 in derselben Richtung strukturiert, und das zweite MRE 13 und das vierte MRE 15 sind in derselben Richtung, die von der vorigen verschie den ist, strukturiert. Folglich, wenn die MRE-Brücke 16 wie in Fig. 2B gezeigt verbunden bzw. geschaltet ist, än dern sich die Ausgangspotentiale Va und Vb als Reaktion auf die Rotation des gezahnten Rotors 1 mit einer Phasen differenz dazwischen. Somit wird die Rotation auf der Grundlage des Ausgangs des Differenzverstärkers erfaßt, zu dem Va und Vb eingegeben werden. Falls die MREs 12 und 14 in verschiedenen Richtungen zueinander strukturiert werden und die MREs 13 und 15 in verschiedenen Richtungen zueinander strukturiert werden, ändern sich Va und Vb in Phase, und von dem Ausgang des Differenzverstärkers wer den keine Informationen über die Rotation erhalten.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4A und 4B beschrieben werden. In dieser Ausführungsform ist die MRE-Brücke 16 verschieden von jener der ersten Ausfüh rungsform strukturiert, aber der nachteilige Einfluß der magnetostriktiven Effekte wird auf ähnliche Weise elimi niert.

Der erste MRE-Schaltkreis 10, der aus den ersten und zweiten MREs 12, 13 besteht, und der zweite MRE-Schalt kreis 11, der aus den dritten und vierten MREs 14, 15 be steht, sind symmetrisch in Bezug auf die zentrale Bias magnetfeldlinie 7 angeordnet. Alle MREs 12-15 sind in derselben Richtung strukturiert, die in Bezug auf die zentrale Linie 7 um ungefähr 45° geneigt ist. Die MREs 12-15 sind wie in Fig. 4B gezeigt verbunden, um die MRE- Brücke 16 zu bilden. Das erste MRE 12 und das vierte MRE 15 sind auf derselben Seite der zentralen Linie 4a (rechte Seite in Fig. 4A) strukturiert und in Gestalt eines Kammes angeordnet, so daß sie sich nicht berühren bzw. in Kontakt stehen. Gleichermaßen sind das zweite MRE 13 und das dritte MRE 14 auf der anderen Seite der zen tralen Linie 4a (linke Seite in Fig. 4A) strukturiert und in Gestalt eines Kammes angeordnet, so daß sie sich nicht berühren.

Der Einfluß der magnetostriktiven Effekte auf die MRE-Brücke 16 wird im folgenden erläutert werden. Die Verspannung δ3, δ4 aufgrund der externen Kraft wird den auf dem IC-Chip 4 ausgebildeten MREs 12 und 15 gleicher maßen auferlegt, und die MREs 13 und 14 werden gleicher maßen mit der Verspannung δ1, δ2 beaufschlagt, wie in Fig. 4A gezeigt. Der Widerstand der MREs 12, 15 wird auf grund der Magnetostriktion, die von der Verspannung ver ursacht wird, um (Rδ3 + Rδ4) geändert, während der Wider stand der MREs 13, 14 um (Rδ1 + Rδ2) geändert wird. Die Ausgangspotentiale Va und Vb der MRE-Brücke 16 werden je weils durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:

Va = (R12 + Rδ3 + Rδ4) . E/(R12 + Rδ3 + Rδ4 + R13 + Rδ1 + Rδ2) und

Vb = (R14 + Rδ1 + Rδ2) . E/(R14 + Rδ1 + Rδ2 + R15 + Rδ3 + Rδ4),

wobei R12, R13, R14 und R15 der Widerstand des MRE 12, 13, 14 bzw. 15 und E eine Spannung der Energiequelle bzw. Spannungsquelle ist.

Da ein Paar aus den MREs 12, 15 und das andere Paar 13, 14 symmetrisch in Bezug auf die zentrale Linie 4a strukturiert sind, ist die Verspannung (δ3 + δ4), die den MREs 12, 15 auferlegt wird, gleich der Verspannung (δ1 + d2), mit der die MREs 13, 14 beaufschlagt werden. Dement sprechend sind die Widerstandsänderungen in beiden Paaren ebenfalls gleich, das heißt:

(Rδ1 + Rδ2) = (Rδ3 + Rδ4)

Angenommen R12 = R13 = R14 = R15, dann sind die bei den Ausgangspotentiale Va und Vb einander gleich (Va = Vb). Dies bedeutet, daß der Einfluß der magnetostriktiven Effekte gleichermaßen an sowohl den ersten MRE-Schalt kreis 10 als auch den zweiten MRE-Schaltkreis 11 überge ben wird. Folglich wird der nachteilige Einfluß auf die MRE-Brücke 16 als Ganzes aufgehoben, und dementsprechend wird die Rotation des gezahnten Rotors 1 präzise erfaßt.

Falls das erste MRE 12 und das dritte MRE 14 in ver schiedenen Richtungen zueinander in Bezug auf die zentra le Biasmagnetfeldlinie 7 strukturiert werden, und das zweite MRE 13 und das vierte MRE 15 in den verschiedenen Richtungen strukturiert werden, ändern sich die beiden Ausgangspotentiale Va und Vb in Phase und über die Rota tion werden keine Informationen erhalten. Da jene Paare von MREs, d. h., 12 und 14, und 13 und 15, in dieser Aus führungsform in derselben Richtung strukturiert sind, än dern sich die Ausgangspotentiale Va und Vb als Reaktion auf die Rotation des gezahnten Rotors 1 mit einer Phasen differenz dazwischen, und dementsprechend repräsentiert der Ausgang von dem Differenzverstärker auf korrekte Weise die Informationen über die Rotation.

Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 5A und 5B beschrieben werden. Diese Ausführungsform ist ähnlich zu der ersten Ausführungsform, ausgenommen, daß jedes MRE 12-15 gleichermaßen in zwei Bereiche aufgeteilt ist. So mit werden nur die Merkmale der dritten Ausführungsform, die verschieden von jenen der ersten Ausführungsform sind, im folgenden beschrieben werden.

Der erste MRE-Schaltkreis 10 besteht aus dem ersten und zweiten MRE 12, 13, und der zweite MRE-Schaltkreis 11 besteht aus dem dritten MRE 14 und dem vierten MRE 15, auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform. Das erste MRE 12 ist in zwei gleiche Bereiche 12a und 12b aufgeteilt, und das zweite MRE 13 ist in zwei gleiche Be reiche 13a und 13b aufgeteilt. Jene vier aufgeteilten MREs sind wie in Fig. 5A gezeigt strukturiert. Die Struk turierungsrichtung der MREs 12a, 12b und jene der MREs 13a und 13b kreuzen einander in Gestalt eines X. Glei chermaßen ist das dritte MRE 14 in 14a und 14b aufge teilt, und das vierte MRE 15 ist in 15a und 15b aufge teilt. Diese aufgeteilten Bereiche sind wie in Fig. 5A gezeigt strukturiert. Die Strukturierungsrichtung der MREs 14a, 14b kreuzt die Strukturierungsrichtung der MREs 15a, 15b in Gestalt eines X.

Alle die aufgeteilten MREs sind wie in Fig. 5B ge zeigt verbunden und bilden eine MRE-Brücke 16. Der erste MRE-Schaltkreis 10 in der Brücke 16 besteht aus den MREs 12a, 12b, 13a und 13b, die alle in Reihe zwischen der Spannungs- bzw. Energiequelle und der Erde bzw. Erdung verbunden sind. Gleichermaßen besteht der zweite MRE- Schaltkreis aus den MREs 14a, 14b, 15a und 15b, die alle in Reihe zwischen der Energiequelle und der Erde verbun den bzw. geschaltet sind.

Der Einfluß der magnetostriktiven Effekte auf die MRE-Brücke 16 wird erläutert werden. Wie in Fig. 5A ge zeigt werden die MREs 12a-15b auf ähnliche Weise wie in der ersten Ausführungsform mit der Verspannung δ1, δ2, δ3 und δ4 beaufschlagt. Aufgrund der auferlegten Verspannung ändern sich die Widerstände der MREs 12a-15b zu

(R12a + Rδ1), (R12b + Rδ2), (R13a + Rδ1), (R13b + Rδ2), (R14a + Rδ3), (R14b + Rδ4), (R15a + Rδ3) bzw. (R15b + Rδ4).

Die Ausgangspotentiale Va und Vb der MRE-Brücke 16 werden wie folgt ausgedrückt:

Va = (R12a + Rδ1 + R12b + Rδ2) . E/(R12a + Rδ1 + R12b + Rδ2 + R13a + Rδ1 + R13b + Rδ2)

Vb = (R14a + Rδ3 + R14b + Rδ4) . E/(R14a + Rδ3 + R14b + Rδ4 + R15a + Rδ3 + R15b + Rδ4)

Aus demselben Grund wie in der ersten Ausführungsform werden die Widerstandsänderungen wie folgt ausgedrückt:

(Rδ1 = Rδ4) < (Rδ2 = Rδ3)

Angenommen, die Widerstände R12a-R15b sind alle gleich, dann wird Va gleich Vb.

Somit wird der nachteilige Einfluß der Magneto striktion auf die MRE-Brücke 16 als Ganzes eliminiert. Zusätzlich kann in dieser Ausführungsform der Einfluß der Verspannung δ1, δ2 auf das Ausgangspotential Va konstant gehalten werden. Gleichermaßen kann der Einfluß der Ver spannung δ3, δ4 auf das Ausgangspotential Vb konstant ge halten werden. Mit anderen Worten, der Einfluß der Ver spannung auf den ersten MRE-Schaltkreis 10 und den zwei ten MRE-Schaltkreis 11 wird individuell in sich selbst eingestellt. Folglich, sogar falls alle Verspannungen δ1-δ4 voneinander verschieden sind, kann in dieser Aus führungsform der nachteilige Einfluß eliminiert werden, wodurch die Informationen über die Rotation präzise er faßt werden. Weiterhin, da jedes Paar von aufgeteilten MREs (zum Beispiel 12a und 12b) so strukturiert ist, daß ein aufgeteilter Bereich von dem anderen aufgeteilten Bereich entlang der zentralen Biasmagnetfeldlinie 7 ver schoben ist, kann der Einfluß der Magnetostriktion ent lang der zentralen Linie 7 eliminiert werden, zusätzlich zu der Elimination des Einflusses entlang der Rotations richtung "A".

Obwohl jedes MRE in der dritten Ausführungsform in zwei Bereiche aufgeteilt ist, ist es ebenfalls möglich, es in mehr als zwei Bereiche aufzuteilen. Beispielsweise kann jedes MRE 12-15 in vier Bereiche aufgeteilt sein, um 16 Bereiche zu bilden, und sie können in Bezug auf die zentrale Biasmagnetfeldlinie 7 symmetrisch strukturiert sein.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die vorhergehenden bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, wird es für Fachleute offen sichtlich sein, daß Änderungen in Form und Detail daran gemacht werden können, ohne vom Anwendungsbereich der Er findung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert wird, abzuweichen.

Zusammengefaßt wird eine Rotation eines rotierenden Objektes wie z. B. eines gezahnten Rotors 1 wird auf der Grundlage von Ausgangspotentialen Va, Vb eines Brücken schaltkreises 16, der vier magnetfeldabhängige Wider standselemente 12-15 besitzt, erfaßt. Der Brückenschalt kreis, der auf einem integrierten Schaltkreischip 4 aus gebildet ist, ist in einem Biasmagnetfeld angeordnet, das von einem Magneten 3 erzeugt wird, der in einer Nachbar schaft des gezahnten Rotors angeordnet ist. Ein Paar von magnetfeldabhängigen Widerstandselementen 12, 13 bildet einen ersten Schaltkreis 10 in der Brücke, während das andere Paar 14, 15 einen zweiten Schaltkreis 11 bildet. Um den Einfluß magnetostriktiver Effekte aufgrund einer externen Kraft, mit der der integrierte Schaltkreischip 4 beaufschlagt wird, aufzuheben, sind der erste und zweite Schaltkreis 10, 11 in der Brücke 16 symmetrisch zueinan der in Bezug auf eine zentrale Linie 7 des Biasmagnet feldes angeordnet.

Claims

1. Rotationsdetektor mit:
einem Biasmagneten (3), der so angeordnet ist, daß er einem gezahnten Rotor (1) mit einem Luftspalt dazwi schen zugewandt ist, zum Erzeugen eines Biasmagnet feldes; und
einer MRE-Brücke (16), die auf einem IC-Chip (4) strukturiert und so in dem Biasmagnetfeld angeordnet ist, daß sie dem gezahnten Rotor mit einem Luftspalt dazwischen zugewandt ist, wobei die MRE-Brücke (16) einen ersten MRE-Schaltkreis (10) und einen zweiten MRE-Schaltkreis (11) umfaßt, wobei der erste MRE- Schaltkreis (10) ein erstes MRE (12) und ein zweites MRE (13) besitzt, die in dieser Reihenfolge zwischen einer Spannungsquelle und einer Erde in Reihe ge schaltet sind, wobei der zweite MRE-Schaltkreis (11) ein drittes MRE (14) und ein viertes MRE (15) be sitzt, die in dieser Reihenfolge zwischen der Span nungsquelle und der Erde in Reihe geschaltet sind, wobei sich der Widerstand des ersten MRE (12) und des zweiten MRE (13) als Reaktion auf Änderungen des Biasmagnetfeldes mit einer Phasendifferenz dazwischen ändern, wobei sich der Widerstand des dritten MRE (14) und des vierten MRE (15) als Reaktion auf Ände rungen des Biasmagnetfeldes mit einer Phasendifferenz dazwischen ändern, wobei die MRE-Brücke (16) eine Rotation des gezahnten Rotors auf der Grundlage einer Ausgangsspannung davon erfaßt, wobei:
das erste MRE (12) in dem ersten MRE-Schaltkreis (10) und das dritte MRE (14) in dem zweiten MRE-Schaltkreis (11) symmetrisch in Bezug auf eine zentrale Linie (7) des Biasmagnetfeldes angeordnet sind; und
das zweite MRE (13) in dem ersten MRE-Schaltkreis (10) und das vierte MRE (15) in dem zweiten MRE- Schaltkreis (11) symmetrisch in Bezug auf die zentrale Linie (7) des Biasmagnetfeldes angeordnet sind.

2. Rotationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß
das erste MRE (12) und das dritte MRE (14) parallel zueinander strukturiert sind, wobei sie einen vorbe stimmten schrägen Winkel relativ in Bezug auf die zentrale Linie (7) des Biasmagnetfeldes bilden; und
das zweite MRE (13) und das vierte MRE (15) parallel zueinander strukturiert sind, wobei sie einen vorbe stimmten schrägen Winkel relativ in Bezug auf die zentrale Linie (7) des Biasmagnetfeldes bilden.

3. Rotationsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß
die ersten und zweiten MREs (12, 13) in dem ersten MRE-Schaltkreis (10) so strukturiert sind, daß sie die Gestalt eines V bilden, deren zentrale Linie parallel zu der zentralen Linie (7) des Biasmagnet feldes ist und die einen vorbestimmten Winkel zwi schen den beiden Seiten der V-förmigen Gestalt be sitzt; und
die dritten und vierten MREs (14, 15) in dem zweiten MRE-Schaltkreis (11) so strukturiert sind, daß sie die Gestalt eines umgedrehten V bilden, die dieselbe Gestalt wie die V-förmige Gestalt in dem ersten MRE- Schaltkreis besitzt und um 180° in Bezug auf eine Linie senkrecht zu der zentralen Linie (7) des Bias magnetfeldes gedreht ist.

4. Rotationsdetektor mit:
einem Biasmagneten (3), der so angeordnet ist, daß er einem gezahnten Rotor (1) mit einem Luftspalt dazwi schen zugewandt ist, zum Erzeugen eines Biasmagnet feldes; und
einer MRE-Brücke (16), die auf einem IC-Chip (4) strukturiert und so in dem Biasmagnetfeld angeordnet ist, daß sie dem gezahnten Rotor mit einem Luftspalt dazwischen zugewandt ist, wobei die MRE-Brücke (16) einen ersten MRE-Schaltkreis (10) und einen zweiten MRE-Schaltkreis (11) umfaßt, wobei der erste MRE- Schaltkreis (10) ein erstes MRE (12) und ein zweites MRE (13) besitzt, die in dieser Reihenfolge zwischen einer Spannungsquelle und einer Erde in Reihe ge schaltet sind, wobei der zweite MRE-Schaltkreis (11) ein drittes MRE (14) und ein viertes MRE (15) be sitzt, die in dieser Reihenfolge zwischen der Span nungsquelle und der Erde in Reihe geschaltet sind, wobei sich der Widerstand des ersten MRE (12) und des zweiten MRE (13) als Reaktion auf Änderungen des Biasmagnetfeldes mit einer Phasendifferenz dazwischen ändern, wobei sich der Widerstand des dritten MRE (14) und des vierten MRE (15) als Reaktion auf Ände rungen des Biasmagnetfeldes mit einer Phasendifferenz dazwischen ändern, wobei die MRE-Brücke (16) eine Rotation des gezahnten Rotors auf der Grundlage einer Ausgangsspannung davon erfaßt, wobei:
das erste und vierte MRE (12, 15) parallel zueinander auf einer Seite der zentralen Linie (7) des Bias magnetfeldes mit einem vorbestimmten schrägen Winkel relativ in Bezug auf die zentrale Linie strukturiert sind, wobei sie eine Gestalt eines Kammes bilden, in der der erste und vierte MRE so verschränkt sind, daß sie sich nicht berühren;
das zweite und dritte MRE (13, 14) parallel zuein ander auf der anderen Seite der zentralen Linie (7) des Biasmagnetfeldes mit demselben schrägen Winkel wie jener von den ersten und vierten MREs struktu riert sind, wobei sie eine Gestalt eines Kammes bil den, in der das zweite und dritte MRE so verschränkt sind, daß sie sich nicht berühren;
das erste MRE (12) in dem ersten MRE-Schaltkreis (10) und das dritte MRE (14) in dem zweiten MRE-Schalt kreis (11) symmetrisch in Bezug auf eine zentrale Linie (7) des Biasmagnetfeldes angeordnet sind; und
das zweite MRE (13) in dem ersten MRE-Schaltkreis (10) und das vierte MRE (15) in dem zweiten MRE- Schaltkreis (11) symmetrisch in Bezug auf die zentra le Linie (7) des Biasmagnetfeldes angeordnet sind.

5. Rotationsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß
jedes MRE (12-15) eine Vielzahl von kurzen Seiten und eine Vielzahl von langen Seiten besitzt;
die kurzen Seiten des ersten und vierten MRE (12, 15) parallel zueinander strukturiert sind, und ihre lan gen Seiten parallel zueinander strukturiert sind; und
die kurzen Seiten des zweiten und dritten MRE (13, 14) parallel zueinander strukturiert sind, und ihre langen Seiten parallel zueinander strukturiert sind.

6. Rotationsdetektor mit:
einem Biasmagneten (3), der so angeordnet ist, daß er einem gezahnten Rotor (1) mit einem Luftspalt dazwi schen zugewandt ist, zum Erzeugen eines Biasmagnet feldes; und
einer MRE-Brücke (16), die auf einem IC-Chip (4) strukturiert und in dem Biasmagnetfeld so angeordnet ist, daß sie dem gezahnten Rotor mit einem Luftspalt dazwischen zugewandt ist, wobei die MRE-Brücke (16) einen ersten MRE-Schaltkreis (10) und einen zweiten MRE-Schaltkreis (11) umfaßt, wobei der erste MRE- Schaltkreis (10) ein erstes MRE (12) und ein zweites MRE (13) besitzt, die in dieser Reihenfolge zwischen einer Spannungsquelle und einer Erde in Reihe ge schaltet sind, wobei der zweite MRE-Schaltkreis (11) ein drittes MRE (14) und ein viertes MRE (15) be sitzt, die in dieser Reihenfolge zwischen der Span nungsquelle und der Erde in Reihe geschaltet sind, wobei die MRE-Brücke (16) eine Rotation des gezahnten Rotors auf der Grundlage einer Ausgangsspannung davon erfaßt, wobei:
der erste und zweite MRE-Schaltkreis (10, 11) symme trisch in Bezug auf eine zentrale Linie (7) des Bias magnetfeldes angeordnet sind;
jedes MRE (12-15) in zwei gleiche Bereiche aufgeteilt ist;
die ersten und zweiten MREs (12, 13) in dem ersten MRE-Schaltkreis (10) in Gestalt eines X strukturiert sind, wobei sie sich an einem Punkt kreuzen, der je des MRE gleichermaßen aufteilt; und
die dritten und vierten MREs (14, 15) in dem zweiten MRE-Schaltkreis (11) in derselben Gestalt eines X wie in dem ersten MRE-Schaltkreis strukturiert sind und sich an einem Punkt kreuzen, der jedes MRE gleicher maßen aufteilt.