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Die
Erfindung betrifft ein Sensorelement insbesondere für einen
Umdrehungszähler
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
derartiges Sensorelement ist aus der WO 2004/020952 A2 bekannt.
Der Schichtaufbau des bekannten Sensorelements sind derart ausgebildet, dass
ohne eine anliegende Energieversorgung in dem Sensorelement eine
Veränderung
der Magnetisierung hervorgerufen wird, wenn ein magnetisches Feld
an dem Sensorelement vorbeibewegt wird. Weiterhin ist das bekannte
Sensorelement dazu geeignet, mehrere derartige Veränderungen
zu speichern. Die Anzahl der gespeicherten Veränderungen kann zum Beispiel
mit Hilfe des Giant Magneto Resistance (GMR) Effekts oder des Tunnel
Magneto Resistance (TMR) Effekts oder des Colossal Magneto Resistance
(CMR) Effekts ermittelt werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Messbarkeit der genannten Veränderungen
bei dem bekannten Sensorelement einen hohen Aufwand erfordert.
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Aufgabe, Lösung und
Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement insbesondere
für einen
Umdrehungszähler
zu schaffen, bei dem die Veränderungen der
Magnetisierung ohne größeren Aufwand
ermittelbar sind.
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Bei
einem Sensorelement der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung schlägt
ein Sensorelement vor, das einen Schichtaufbau besitzt, der ohne
eine Energieversorgung dazu geeignet ist, in dem Sensorelement eine
Veränderung
der Magnetisierung hervorzurufen, wenn ein magnetisches Feld an
dem Sensorelement vorbeibewegt wird. Weiterhin ist der Schichtaufbau
dazu geeignet, mehrere derartige Veränderungen zu speichern. Hinsichtlich
der Gestalt des Sensorelements ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Sensorelement
ein spiralförmiges
Gebilde aufweist.
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Es
hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße spiralförmige Gebilde besonders gut
dazu geeignet ist, die von einem sich vorbeibewegenden magnetischen
Feld hervorgerufene Veränderung
der Magnetisierung des Sensorelements zu speichern. Insbesondere
können
mehrere derartige Veränderungen
besonders gut von dem spiralförmigen
Gebilde gespeichert werden.
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Weiterhin
erfordert es nur einen geringen Aufwand, die in dem spiralförmigen Gebilde
gespeicherten Veränderungen
von Magnetisierungen aus dem spiralförmigen Gebilde wieder auszulesen
und damit zu ermitteln.
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Das
spiralförmige
Gebilde ist deshalb besonders gut für das Einspeichern und Auslesen
von Veränderungen
der Magnetisierung des Sensorelements geeignet.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Ende des
spiralförmigen
Gebildes mit einem als Wandgenerator bezeichneten Bereich verbunden.
Vorzugsweise ist der Wandgenerator als etwa kreisförmige Fläche ausgebildet.
Durch die kreisförmige
Ausbildung des Wandgenerators kann die Magnetisierungsrichtung der
Sensorschicht des Wandgenerators besonders leicht einem sich vorbeibewegenden
magnetischen Feld folgen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der
Wandgenerator mit einem ersten elektrischen Kontakt verbunden. Vorzugsweise
ist das andere, gegebenenfalls sich verjüngende Ende des spiralförmigen Gebildes
mit einem zweiten elektrischen Kontakt verbunden. Über die
beiden Kontakte ist es in besonders einfacher Weise möglich, die
in dem spiralförmigen
Gebilde gespeicherten Veränderungen
der Magnetisierung des Sensorelements auszulesen und damit zu ermitteln.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das
Sensorelement einen Schichtaufbau mit mindestens einer hartmagnetischen
Schicht auf, die eine Referenzschicht darstellt, in der die Magnetisierung
durch das Vorbeibewegen eines magnetischen Feldes nicht verändert wird.
Vorzugsweise besitzt diese Magnetisierung der Referenzschicht eine
Orientierung, die etwa parallel zu dem Verlauf des spiralförmigen Gebildes
und immer in dieselbe Richtung des spiralförmigen Gebildes ausgerichtet
ist.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Umdrehungszählers mit
einem erfindungsgemäßen Sensorelement,
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Sensorelement der 1,
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Sensorelement der 1,
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4a bis 4e zeigen
schematische Draufsichten auf das Sensorelement der 1 mit schematisch
dargestellten Magnetisierungen, und
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5 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Sensorelement der 1 mit
schematisch dargestellten Veränderungen.
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In
der 1 ist ein Umdrehungszähler 10 dargestellt,
bei dem ein ortsfestes Sensorelement 11 einem Rotor 12 mit
zwei Permanentmagneten 13, 14 zugeordnet ist.
Es versteht sich, dass auch mehrere Sensorelemente vorhanden sein
können,
die beispielsweise in gleichen Abständen zueinander entlang des
Umfangs des Rotors 12 angeordnet sind.
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Der
Rotor 12 ist gemäß dem Pfeil 15 um
eine Achse 16 in beide Richtungen drehbar. Die beiden Permanentmagnete 13, 14 drehen
sich zusammen mit dem Rotor 12. Bei einer Drehung des Rotors 12 werden
die magnetischen Felder der Permanentmagnete 13, 14 an
dem Sensorelement 11 vorbeibewegt und von diesem erfasst.
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Die
Magnetisierung der beiden Permanentmagnete 13, 14 ist
gegensinnig zueinander ausgerichtet. Dies bedeutet, dass bei einer
Drehung des Rotors 12 in dieselbe Richtung der erste Permanentmagnet 13 zum
Beispiel mit einer Nord-Süd-Orientierung an dem
Sensorelement 11 vorbeibewegt wird, während der zweite Permanentmagnet 14 mit
einer Süd-Nord-Orientierung an dem
Sensorelement 11 vorbeibewegt wird.
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Aus
der Sicht des Sensorelements 11 hat das Vorbeibewegen beispielsweise
des Permanentmagneten 13 folgende Wirkungen: Zuerst "sieht" das Sensorelement 11 die
aus dem Nordpol des Permanentmagneten 13 etwa senkrecht
austretenden magnetischen Feldlinien, dann "sieht" das Sensorelement 11 die von
dem Nordpol zum Südpol
etwa parallel verlaufenden magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten 13,
und schließlich "sieht" das Sensorelement 11 die
in den Südpol
des Permanentmagneten 13 etwa senkrecht wieder eintretenden magnetischen
Feldlinien. Insgesamt stellt dies aus der Sicht des Sensorelements 11 eine Drehung
der magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten 13 um
180 Grad während
des Vorbeibewegens dar.
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Die
beiden Permanentmagnete 13, 14 sind in der 1 im
Abstand von 180 Grad am Umfang des Rotors 12 angebracht.
Dieser Abstand kann auch asymmetrisch vorgesehen sein. Beispielsweise
können
die beiden Permanentmagnete 13, 14 auch unmittelbar
benachbart zueinander am Umfang des Rotors 12 angebracht
sein.
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Der
Umdrehungszähler 10 der 1 ist
zur berührungslosen
Zählung
und Speicherung von Umdrehungen des Rotors 10 durch das
Sensorelement 11 vorgesehen. Diese Zählung und Speicherung erfordert
dabei keine äußere Energieversorgung.
Zum Auslesen der gespeicherten Umdrehungen kann zum Beispiel der
Giant Magneto Resistance (GMR) Effekt oder der Tunnel Magneto Resistance
(TMR) Effekt oder der Colossal Magneto Resistance (CMS) Effekt herangezogen
werden.
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In
der 2 ist ein Schichtaufbau 20 des Sensorelements 11 dargestellt,
der zum Auslesen der gespeicherten Umdrehungen den GMR Effekt verwendet.
Eine weichmagnetische Schicht 21 wird durch eine dünne unmagnetische
Schicht 22 von einer hartmagnetischen Schicht 23 getrennt.
Eine antiferromagnetische Schicht 24 verstärkt die
hartmagnetischen Eigenschaften der hartmagnetischen Schicht 23 im
Sinne eines sogenannten "pinning".
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Letzteres
hat zur Folge, dass die Magnetisierung in der hartmagnetischen Schicht 23 im
Gegensatz zur Magnetisierung in der weichmagnetischen Schicht 21 nicht
durch ein sich vorbeibewegendes magnetisches Feld eines der beiden
Permanentmagneten 13, 14 verändert wird. Die weichmagnetische Schicht 21 stellt
deshalb eine Sensorschicht und die hartmagnetische Schicht 23 eine
Referenzschicht dar.
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Auf
der Schicht 24 befindet sich eine Kontaktierungsschicht 25,
auf der ein erster Kontakt 26 vorgesehen ist. Wie noch
erläutert
wird, ist ein zweiter, in der 2 nicht
dargestellter Kontakt 27 an einer anderen Stelle des Sensorelements 11 vorhanden. Damit
kann ein Messstrom zwischen den beiden Kontakten 26, 27 durch
den Schichtaufbau 20 hindurch fließen. Wie ebenfalls noch erläutert wird,
kann aus dem Messstrom auf die Anzahl der gespeicherten Umdrehungen
geschlossen werden.
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Die
Kontaktierungsschicht 25 kann von einer Isolierschicht 28 abgedeckt
sein. Zum Zwecke des Kontaktierens sind die Kontakte 26, 27 in
diesem Fall zumindest teilweise frei, also nicht von der Isolierschicht 28 bedeckt.
Der gesamte Schichtaufbau 20 kann beispielsweise auf einem
Siliziumsubstrat aufgebracht sein. Der beschriebene Schichtaufbau 20 wird
häufig
auch als Spinventil bezeichnet.
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Im
Zusammenhang mit dem Tunnel Magneto Resistance (TMR) Effekt muss
einer der beiden Kontakte 26, 27 unterhalb der unmagnetischen
Schicht 22 angeordnet sein, und der andere der beiden Kontakte 26, 27 muss
oberhalb der unmagnetischen Schicht 22 angeordnet sein.
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In
der 3 ist eine Gestalt 30 des Sensorelements 11 dargestellt,
die einen Wandgenerator 31 und einen Wandspeicher 32 aufweist.
Weiterhin sind in der 3 die beiden Kontakte 26, 27 dargestellt.
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Der
Wandgenerator 31 ist als kreisförmige Fläche ausgebildet und mit dem
Kontakt 26 verbunden. Der Wandspeicher 32 ist
als Spirale ausgebildet, deren äußerer Anfang
mit dem Wandgenerator 31 verbunden ist, und die sich ausgehend
von ihrem Anfang aus Spiralbögen
zusammensetzt, deren Radien immer kleiner werden. Die äußerste Windung der
Spirale der 3 setzt sich beispielhaft aus
den Spiralbögen 33, 34 zusammen.
Am Ende der Spirale und damit im Inneren derselben ist die Spirale
mit dem Kontakt 27 verbunden.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Wandspeicher 32 nicht
nur um eine Spirale handeln kann, sondern auch um ein anderes spiralförmiges Gebilde.
So kann als Wandspeicher 32 beispielhaft ein aus Geradenstücken zusammengesetztes, spiralartiges
Gebilde vorgesehen sein, bei dem die Länge der Geradenstücke immer
kleiner wird, je weiter die Geradenstücke im Inneren des Gebildes
angeordnet sind. Ebenfalls kann als Wandspeicher 32 beispielhaft
ein aus quadratartigen oder rechteckförmigen Stücken zusammengesetztes, viereckiges oder mehreckiges
spiralförmiges
Gebilde vorgesehen sein, bei dem die Größe der quadratartigen oder rechteckförmigen Stücke immer
kleiner wird, je weiter die Stücke
im Inneres des Gebildes angeordnet sind. Dabei ist es zusätzlich möglich, dass
die Ecken dieser spiralartigen Gebilde abgerundet sind.
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Nachfolgend
wird das vorliegende Ausführungsbeispiel
anhand der in der 3 als Wandspeicher 32 dargestellten
Spirale erläutert.
Diese Erläuterungen
gelten entsprechend jedoch auch für jegliches anderes spiralförmiges Gebilde.
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Die
in der 3 dargestellte Spirale wird von einem Streifen
gebildet, der beispielsweise eine Breite von etwa 2 Mikrometer besitzt
und sich mit einem Abstand von etwa 2 Mikrometer von außen nach
innen windet. Beispielhaft weist die Spirale zehn Windungen auf.
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Am
Ende der Spirale verjüngt
sich der vorgenannte Streifen und läuft spitz aus. Die Breite des Streifens
wird dort also kleiner als etwa 2 Mikrometer. Dieser spitze Endbereich
der Spirale kann sich entweder nur geringfügig in den Bereich des Kontakts 27 erstrecken
oder im wesentlichen vollständig
unter dem Kontakt 27 befinden.
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Durch
den spitz auslaufenden Endbereich der Spirale wird erreicht, dass
in diesem Endbereich keine Domänenwand
erzeugt oder abgespeichert werden kann. Durch die Anordnung des
spitzen Endbereichs unter dem Kontakt 27 wird erreicht,
dass sich die elektrische Verbindung zwischen der Spirale und dem
Kontakt 27 nicht verschlechtert.
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Durch
die kreisförmige
Ausbildung des Wandgenerators 31 kann die Magnetisierungsrichtung
der Sensorschicht des Wandgenerators 31 leicht einem sich
vorbeibewegenden magnetischen Feld folgen. Wie bereits erwähnt wurde,
verändert sich
die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht aufgrund eines sich
vorbeibewegenden magnetischen Feldes jedoch nicht.
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In
den 4a bis 4e ist
das Sensorelement 11 in derselben Weise nochmals dargestellt, wie
dies anhand der 3 erläutert wurde. Zusätzlich sind
in den 4a bis 4e jedoch
Pfeile entlang des Verlaufs der Spirale des Wandspeichers 32 eingezeichnet.
Diese Pfeile kennzeichnen die Magnetisierungsrichtung der Spirale,
und zwar beziehen sich die einzelnen Pfeile immer auf denjenigen
Bereich der Spirale, an dem sie jeweils eingezeichnet sind.
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In
der 4a weisen alle im Bereich des Wandspeichers 32 eingezeichneten
Magnetisierungsrichtungen dieselbe Richtung auf, und zwar zeigen
alle Pfeile im Gegenuhrzeigersinn vom Ende der Spirale, also vom
Kontakt 27, in Richtung zum Anfang der Spirale, also in
Richtung zum Wandgenerator 31. Es versteht sich, dass alle
Pfeile auch im Uhrzeigersinn und damit die durch die Pfeile dargestellten
Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt ausgerichtet sein könnten.
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Zum
Zwecke der Erläuterung
der Funktionsweise des Sensorelements 11 wird davon ausgegangen,
dass die in der 4a dargestellte Orientierung der
Magnetisierungsrichtung der Spirale in einem ersten Zeitpunkt in
der weichmagnetischen Schicht 21, also in der Sensorschicht,
und auch in der hartmagnetischen Schicht 23, also in der
Referenzschicht des Wandspeichers 32 vorhanden ist. Dies kann
durch eine entsprechende Formierung des Wandspeichers 32,
also eine Vormagnetisierung der Sensorschicht und der Referenzschicht
der Spirale erreicht werden.
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Die
Orientierung der Referenzschicht ist immer etwa parallel zu dem
Verlauf des Streifens der Spirale und immer in dieselbe Richtung
der Spirale ausgerichtet. Die Richtung, in der die Magnetisierung der
Spirale ausgerichtet ist, also ob dies im Uhrzeigersinn oder im
Gegenuhrzeigersinn erfolgt, ist dabei nicht wesentlich. Wesentlich
ist nur, dass es immer dieselbe Richtung entlang der gesamten Spirale
ist. Diese Orientierung der Magnetisierung bleibt in der hartmagnetischen
Referenzschicht unveränderlich erhalten.
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Es
wird nunmehr beispielsweise der Permanentmagnet 13 aufgrund
einer Drehung des Rotors 12 an dem Sensorelement 11 vorbeibewegt.
Wie erläutert
wurde, hat dies zur Folge, dass das Sensorelement 11 eine
Drehung des magnetischen Felds des Permanentmagneten 13 um
180 Grad "sieht". Wie ebenfalls erläutert wurde,
folgt die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht des Wandgenerators 31 dem
sich vorbeibewegenden magnetischen Feld des Permanentmagneten 13.
Die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht ändert sich jedoch nicht.
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In
der 4b ist die Orientierung der Magnetisierungsrichtung
der Spirale in der weichmagnetischen Schicht 21, also in
der Sensorschicht des Wandspeichers 32 dargestellt, und
zwar in einem zweiten Zeitpunkt, in dem sich der Permanentmagnet 13 an
dem Sensorelement 11 bereits vorbeibewegt hat. Zur Verdeutlichung
ist in der 4b diejenige Magnetisierungsrichtung
als Pfeil 35 eingezeichnet, die das Sensorelement 11 am
Ende der Vorbeibewegung des Permanentmagneten 13 "gesehen hat".
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Wie
erläutert
wurde, ist die Magnetisierungsrichtung des Wandgenerators 31 dem
magnetischen Feld des Permanentmagneten 13 gefolgt, so
dass der Pfeil 35 der 4b auch
die Magnetisierungsrichtung des Wandgenerators 31 repräsentiert.
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Ein
Vergleich der Richtung des die Magnetisierungsrichtung des Wandgenerators 31 darstellenden
Pfeils 35 der 4b und der Magnetisierungsrichtung
des Anfangs der Spirale vor dem Vorbeibewegen des Permanentmagneten 13 gemäß der 4a zeigt,
dass diese Magnetisierungsrichtungen einander entgegengesetzt sind.
Dies hat zur Folge, dass etwa im Bereich der Verbindung des Wandgenerators 31 und
des Anfangs der Spirale eine Domänenwand
entsteht (nicht dargestellt).
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Aufgrund
der einmaligen Veränderung
der Magnetisierungsrichtung handelt es sich dabei um eine 180-Grad-Wand.
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Diese
180-Grad-Wand wandert von ihrem Entstehungsort am Anfang der Spirale
entlang derselben an eine Stelle 41 der Spirale. Dort ist
die vorgenannte 180-Grad-Wand als dunkles Rechteck mit dem Bezugszeichen 42 gekennzeichnet.
An dieser Stelle 41 weist die 180-Grad-Wand 42 einen
energetisch günstigeren
Zustand auf als an ihrem Entstehungsort, da nur dort die benachbarten
Spiralbögen 33, 34 keine
antiparallelen Komponenten zu der durch den Pfeil 35 gekennzeichneten
Magnetisierungsrichtung aufweisen.
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Ein
Vergleich der 4b mit der 4a zeigt,
dass sich die Magnetisierungsrichtung der Spirale in der Sensorschicht
des Wandspeichers 32 im Bereich des ersten Spiralbogens 33 verändert hat,
im Bereich des zweiten Spiralbogens 34 und der nachfolgenden
Spiralbögen
jedoch nicht.
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An
der etwa zwischen dem ersten Spiralbogen 33 und dem zweiten
Spiralbogen 34 vorhandenen Stelle 41 treffen die
einander entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen der beiden
Spiralbögen 33, 34 aufeinander.
Dies ergibt sich aus der 4b dadurch,
dass dort die dargestellten Pfeile in entgegengesetzte Richtungen
zeigen. Etwa an dieser Stelle 41 der Spirale befindet sich
die 180-Grad-Wand 42.
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Es
wird nunmehr der Rotor 12 in dieselbe Richtung weitergedreht,
so dass der Permanentmagnet 14 an dem Sensorelement 11 vorbeibewegt
wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Magnetisierungsrichtung
der Sensorschicht des Wandgenerators 31 dem sich vorbeibewegenden
magnetischen Feld des Permanentmagneten 14 folgt. Die Magnetisierungsrichtung
der Referenzschicht ändert
sich jedoch nicht.
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In
der 4c ist die Orientierung der Magnetisierungsrichtung
der Spirale in der weichmagnetischen Schicht 21, also in
der Sensorschicht des Wandspeichers 32 dargestellt, und
zwar in einem dritten Zeitpunkt, in dem sich der Permanentmagnet 14 an
dem Sensorelement 11 bereits vorbeibewegt hat. Ein Vergleich
der 4c mit der 4b zeigt, dass
sich die Magnetisierungsrichtung der Spirale in der Sensorschicht
des Wandspeichers 32 im Bereich des ersten Spiralbogens 33 und
des zweiten Spiralbogens 34 verändert hat, in den danach folgenden Spiralbögen jedoch
nicht. Die Veränderung
in dem ersten Spiralbogen 33 ist eine Folge einer erneuten Änderung
der Magnetisierungsrichtung des Wandgenerators 31 aufgrund
des Vorbeibewegens des Permanentmagneten 14. Die Veränderung
in dem zweiten Spiralbogen 34 ergibt sich daraus, dass
die 180-Grad-Wand 42 wieder weiter gewandert ist, und zwar
aufgrund der vorstehend genannten erneuten Änderung der Magnetisierungsrichtung
des ersten Spiralbogens 33 und des daraus resultierenden
veränderten
energetischen Zustands der 180-Grad-Wand 42.
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Die
180-Grad-Wand 42, die im zweiten Zeitpunkt der 4b an
der Stelle 41 vorhanden war, befindet sich damit im dritten
Zeitpunkt der 4c an einer Stelle 43,
die etwa 180 Grad nach der Stelle 41 im Verlauf der Spirale
des Wandspeichers 32 angeordnet ist.
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An
der Stelle 41 der 4c treffen
wiederum die einander entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen
der beiden Spiralbögen 33, 34 aufeinander.
Etwa an dieser Stelle 41 der Spirale befindet sich somit
eine weitere 180-Grad-Wand 44, die in der 4c als
dunkles Rechteck kenntlich gemacht ist. Diese 180-Grad-Wand entsteht
auf die bereits erläuterte
Weise im Bereich des Anfangs der Spirale und wandert dann zu der
Stelle 41.
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Es
wird nunmehr der Rotor 12 in dieselbe Richtung weitegedreht,
so dass nunmehr wiederum der Permanentmagnet 13 an dem
Sensorelement 11 vorbeibewegt wird. Dies hat zur Folge,
dass die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht des Wandgenerators 31 dem
sich vorbeibewegenden magnetischen Feld des Permanentmagneten 13 folgt.
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In
der 4d ist die Orientierung der Magnetisierungsrichtung
der Spirale in der weichmagnetischen Schicht 21, also in
der Sensorschicht des Wandspeichers 32 dargestellt, und
zwar in einem vierten Zeitpunkt, in dem sich der Permanentmagnet 13 an
dem Sensorelement 11 bereits vorbeibewegt hat.
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In
der 4d ist die 180-Grad-Wand 42 erneut weiter
gewandert, und zwar zu der Stelle 41 der Spirale. Dort
befindet sich die 180-Grad-Wand 42 jedoch in der zweiten
Windung der Spirale und nicht wie in der 4b in
der ersten äußeren Windung. Weiterhin
ist die 180-Grad-Wand 44 in der äußeren Windung der Spirale von
der Stelle 41 zu der Stelle 43 weiter gewandert.
Und schließlich
ist an der Stelle 41 in der ersten, äußeren Windung der Spirale eine weitere
180-Grad-Wand 45 entstanden.
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Es
wird nunmehr der Rotor 12 in dieselbe Richtung weitergedreht,
so dass der Permanentmagnet 14 an dem Sensorelement 11 erneut
vorbeibewegt wird. Dies hat zur Folge, dass die Magnetisierungsrichtung
der Sensorschicht des Wandgenerators 31 dem sich vorbeibewegenden
magnetischen Feld des Permanentmagneten 14 folgt.
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In
der 4e ist die Orientierung der Magnetisierungsrichtung
der Spirale in der weichmagnetischen Schicht 21, also in
der Sensorschicht des Wandspeichers 32 dargestellt, und
zwar in einem fünften
Zeitpunkt, in dem sich der Permanentmagnet 14 an dem Sensorelement 11 bereits
vorbeibewegt hat.
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In
der 4e ist die 180-Grad-Wand 42 erneut weiter
gewandert, und zwar zu der Stelle 43 der zweiten Windung
der Spirale. Weiterhin ist die 180-Grad-Wand 44 zu der
Stelle 41 der zweiten Windung der Spirale weiter gewandert.
Entsprechend ist die 180-Grad-Wand 45 zu der Stelle 43 der äußeren Windung
weiter gewandert. Und schließlich
ist an der Stelle 41 in der ersten, äußeren Windung der Spirale eine
weitere 180-Grad-Wand 46 entstanden.
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Vom
ersten Zeitpunkt der 4a bis zum fünften Zeitpunkt der 4e wurde
jeder der beiden Permanentmagnete 13, 14 zwei
Mal an dem Sensorelement 11 vorbeibewegt. Der Rotor 12 hat
sich damit um zwei Umdrehungen gedreht. Wie erläutert wurde, sind bei diesen
beiden Umdrehungen des Rotors 12 in der Spirale des Wandspeichers 32 insgesamt
vier Domänenwände entstanden,
nämlich
die vier 180-Grad-Wände 42, 44, 45, 46.
Es versteht sich, dass bei einer weiteren Drehung des Rotors 12 in
derselben Richtung in entsprechender Weise weitere Domänenwände entstehen
würden.
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Wie
ebenfalls erläutert
wurde und wie insbesondere aus der 4e hervorgeht,
sind die Magnetisierungsrichtungen in der Sensorschicht der Spirale zwischen
den einzelnen 180-Grad-Wänden immer einander
entgegengesetzt. Dies bedeutet, dass sich in den beiden äußeren Windungen
der Spirale die Magnetisierungsrichtungen nach jeder 180-Grad-Wand 42, 44, 45, 46 immer
umkehren.
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In
der 5 ist das Sensorelement 11 in derselben
Weise nochmals dargestellt, wie dies anhand der 3 sowie
der 4a bis 4e erläutert wurde.
In der 5 sind die unterschiedlichen Magnetisierungen
der Spirale des Wandspeichers 32 jedoch nicht wie in den 4a bis 4e mit
Pfeilen dargestellt, sondern es sind diejenigen Spiralbögen dunkel gekennzeichnet,
deren Magnetisierung sich in der 4e von
der Magnetisierung der 4a unterscheidet. Ein Vergleich
der beiden genannten Figuren zeigt, dass es sich dabei um den Spiralbogen 34 der äußeren, ersten
Windung der Spirale handelt, sowie um einen Spiralbogen 36,
der benachbart zu dem Spiralbogen 34 in der zweiten, nächst inneren
Windung der Spirale verläuft.
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Die
veränderte
Magnetisierungsrichtung der Spiralbögen 34, 36 der 5 bezieht
sich, wie erläutert
wurde, nur auf die Sensorschicht des Wandspeichers 32.
In der Referenzschicht der jeweiligen Spiralbögen 34, 36 findet
jedoch keine Veränderung
der Magnetisierungsrichtung statt. Dies hat zur Folge, dass im Bereich
der Spiralbögen 34, 36 die
Magnetisierung der Sensorschicht antiparallel ausgerichtet ist zur
Magnetisierung der Referenzschicht. Dies ist gleichbedeutend damit,
dass die beiden Spiralbögen 34, 36 einen
elektrischen Widerstand bilden, der im Vergleich zu den anderen
Spiralbögen,
in denen die Magnetisierung der Sensorschicht und der Referenzschicht
parallel zueinander ausgerichtet sind, hoch ist.
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Der
elektrische Widerstand der gesamten Spirale kann mit Hilfe des eingangs
bereits erwähnten, über die
Kontakte 26, 27 fließenden Messstromes ermittelt
werden. Ist ein Spiralbogen innerhalb der Spirale vorhanden, in
dem die Sensorschicht und die Referenzschicht antiparallel magnetisiert
sind, so führt
dies zu einem erhöhten
Widerstand. Sind mehrere derartige Spiralbögen vorhanden, so führt dies zu
einem entsprechend mehrfach erhöhten
Widerstand.
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Damit
ein Spiralbogen in einer äußeren Windung
der Spirale etwa dieselbe Widerstandsänderung hervorruft wie ein
Spiralbogen in einer inneren Windung, kann vorgesehen sein, dass
sich die Breite des die Spirale bildenden Streifens über den
gesamten Verlauf ändert.
Beispielsweise kann die Breite des Streifens im Zusammenhang mit
dem Giant Magneto Resistance (GMR) Effekt von außen nach innen immer kleiner
werden.
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Wie
erläutert
wurde, sind die beiden in der 5 dargestellten,
antiparallel magnetisierten Spiralbögen 34, 36 durch
zwei Umdrehungen des Rotors 12 entstanden. Bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel
entspricht also ein antiparallel magnetisierter Spiralbogen des
Wandspeichers 32 genau einer Umdrehung des Rotors 12.
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Insgesamt
kann somit über
die Kontakte 26, 27 des Sensorelements 11 auf
den elektrischen Widerstand der Spirale geschlossen werden. Daraus kann
auf die Anzahl der vorhandenen, antiparallel magnetisierten Spiralbögen und
damit auf die Anzahl der durchgeführten Umdrehungen des Rotors 12 geschlossen
werden.
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Wird
der Rotor 12 in seine Gegenrichtung gedreht, so bewirkt
dies eine Änderung
des energetischen Zustands der in dem Wandspeicher 32 vorhandenen
180-Grad-Wände.
Dies hat zur Folge, dass diese vorhandenen 180-Grad-Wände, wie
bereits erläutert
wurde, sich entlang der Spirale in Richtung eines möglichst
günstigen
energetischen Zustands bewegen. Aufgrund der Drehung des Rotors 12 in
Gegenrichtung, wandern auch die vorhandenen 180-Grad-Wände in Gegenrichtung.
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Weiterhin
entstehen entsprechend der bereits beschriebenen Funktionsweise
wiederum 180-Grad-Wände
in dem Wandgenerator 31, die jedoch entgegengesetzt zu
den vorstehend erläuterten 180-Grad-Wänden ausgerichtet
sind. Dies hat zur Folge, dass die nunmehr nacheinander entstehenden
180-Grad-Wände
die vorhandenen und in Gegenrichtung wandernden 180-Grad-Wände nacheinander
auslöschen.
Die in der 5 dargestellten antiparallel
magnetisierten Spiralbögen
verschwinden damit von innen nach außen, bis der Zustand der 4a wieder
erreicht ist.
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Während dieser
Rückwärtsdrehung
des Rotors 12 kann die Anzahl der vorhandenen antiparallel magnetisierten
Spiralbögen,
wie erläutert
wurde, über
die Kontakte 26, 27 auf die bereits erläuterte Weise
ermittelt werden.
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Wird
der Rotor 12 auch dann noch in Gegenrichtung weitergedreht,
nachdem alle in dem Wandspeicher 32 vorhandenen 180-Grad-Wände ausgelöscht sind,
so entstehen neue 180-Grad- Wände, die auf
die beschriebene Weise in den Wandspeicher 32 hinein wandern.
Der Drehsinn dieser neuen 180-Grad-Wände ist dabei entgegengesetzt
zu dem Drehsinn der ausgelöschten
180-Grad-Wände.
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Wird
der Rotor 12 so lange weitergedreht, bis alle Windungen
der Spirale des Wandspeichers 31 mit 180-Grad-Wänden besetzt
sind, so entstehen bei einem Weiterdrehen des Rotors 12 keine
weiteren 180-Grad-Wände.
Die Anzahl der vorhandenen 180-Grad-Wände
bleibt dann konstant erhalten.
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Die
erläuterte
Funktionsweise des Sensorelements 11 ist hinsichtlich der
Entstehung von Domänenwänden und
daraus resultierenden antiparallel magnetisierten Spiralbögen unabhängig von
einer Energieversorgung. Dies bedeutet, dass eine Drehung des Rotors 12 immer
zu einer Veränderung
der Magnetisierungsrichtungen führt,
und zwar auch dann, wenn an den Kontakten 26, 27 keine
elektrische Anbindung vorhanden ist. Die Anzahl der durchgeführten Umdrehungen
des Rotors 12 wird also ohne eine Energieversorgung in
der Spirale des Wandspeichers 32 gezählt und gespeichert.
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Nur
zum Auslesen des Wandspeichers 32, also zum Auslesen der
Anzahl der durchgeführten Umdrehungen
des Rotors 12, ist es erforderlich, einen Messstrom über die
Kontakte 26, 27 fließen zu lassen. Wie erwähnt, ist
dieser Messstrom jedoch für die
Zählung
der Umdrehungen nicht erforderlich.
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Bei
dem beschriebenen Sensorelement 11 ist der Wandgenerator 31 am
Anfang der den Wandgenerator 32 bildenden Spirale angeordnet,
während am
Ende der Spirale nur der Kontakt 27 vorhanden ist. Alternativ
ist es möglich,
den Wandgenerator nicht am Anfang, sondern nur am Ende der Spirale vorzusehen.
Ebenfalls ist es alternativ möglich,
am Anfang und am Ende der Spirale jeweils einen Wandgenerator vorzusehen.
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Der
beschriebene Umdrehungszähler 10 kann
insbesondere bei einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Beispielsweise
kann der Rotor 12 des Umdrehungszählers 10 mit einer
Lenkwelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt werden. Wird diese Lenkwelle
gedreht, so wird dies von dem Umdrehungszähler erfasst. Diese erfasste
Anzahl der Umdrehungen bleibt dabei auch dann in dem Umdrehungszähler erhalten,
wenn das Kraftfahrzeug abgestellt wird, oder wenn ein Defekt in
der Energieversorgung des Kraftfahrzeugs auftritt.