DE102007023385A1

DE102007023385A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Linear- oder Rotationsbewegungen

Info

Publication number: DE102007023385A1
Application number: DE200710023385
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Welsch; Christian Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-11-20
Also published as: CN101688790A; JP2010527454A; WO2008141860A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Linear- oder Rotationsbewegungen, insbesondere zur Erfassung der Rotation eines Fahrzeugrades. Die Messvorrichtung arbeitet mit einem ortsfesten magnetoresistiven Chipsensor (14) und einer diesem unter Freilassung eines Luftspaltes (13, 23) benachbarten Magnetfeldgebereinrichtung (10, 22), deren einzelne Magnetsegmente (12, 24) in ihrer Polung wechselweise im Wesentlichen in z-Richtung eines dreidimensionalen x/y/z-Koordinatensystems (17, 25, 27) magnetisiert sind, wobei der Chipsensor (14) mit seinen Großflächen (16) im Wesentlichen in der x/y-Ebene oder in der x/z-Ebene des Koordinatensystems (17, 25, 27) oder in einer Zwischenlage zu diesen Ebenen ausgerichtet ist. Hierbei liegen die Messrichtung und die Großfläche (16) des Chipsensors (14) jeweils in x-Richtung des x/y/z-Koordinatensystems.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Linear- oder Rotationsbewegungen, insbesondere zur Erfassung der Rotation eines Fahrzeugrades, mit einem ortsfesten magnetoresitiven Chipsensor und einer diesem unter Freilassung eines Luftspaltes benachbarten, beweglichen Magnetfeldgebereinrichtung.
Aus der DE 103 57 149 A1 ist bereits eine Vorrichtung bekannt, welche eine Magnetsensoranordnung aufweist mit einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht in einem integrierten GMR-Spin-Valve-Mehrschichtsystem, dessen magnetfeldempfindliche Sensorelemente zu einer Messbrücke verschaltet sind und dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld veränderbar ist. Die Sensorelemente sind hierbei jeweils aus Schichtsystemen aufgebaut, welche aus dünnen, abwechselnd magnetisierten und nicht magnetisierten Metallschichten bestehen, bei denen eine starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von einem angelegten Magnetfeld aufgrund spinabhängiger Elektronenstreuung vorliegt. Hierbei wird eine weichmagnetische Detektionsschicht durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht von einer magnetisch härteren Schicht getrennt. Die nichtmagnetische Zwischenschicht weist eine derartige Schichtdicke auf, dass nur eine geringe magnetische Koppelung zwischen den beiden magnetischen Schichten über die nichtmagnetische Zwischenschicht erfolgt, wodurch man erreicht, dass die Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Detektionsschicht schon sehr kleinen externen Magnetfeldern folgt. Die einzelnen Schichtsysteme sind entweder paarweise zur Differenzmessung oder vorzugsweise als Vierergruppe zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet und dabei in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet, derart, dass ein homogenes Magnetfeld kein Brückensignal bewirkt. Eine Veränderung des Magnetfeldes im Bereich des vorgegebenen Abstands erzeugt jedoch ein Brückensignal entsprechend der Magnetisierung einer Magnetfeldgebereinrichtung, deren Polpaarabstand etwa dem vorgegebenen Gradiometerabstand der Brückenschaltung entspricht.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber bekannten Vorrichtungen den Vorteil, dass ein Sensor realisiert werden kann, welcher bei im Wesentlichen identischer Bauform die Detektierung der Drehzahl eines Multipolrades sowohl bei axialer als auch bei radialer Magnetisierung oder auch bei Messungen an einer Multipol-Lineareinheit ermöglicht. Dabei wird vorzugsweise die hohe Empfindlichkeit von grundsätzlich bekannten Sensoren in der Chipebene genutzt, insbesondere von GMR- oder TMR-Sensoren. Hiermit lassen sich Messanordnungen für Linear- oder Rotationsbewegungen realisieren, deren Chipebene parallel oder senkrecht zur Oberfläche der Multipolanordnung oder in einer beliebigen Winkellage dazwischen liegt. Im Falle von Rotationsbewegungen kann die gleiche Sensorausführung sowohl in Verbindung mit axial magnetisierten wie auch mit radial magnetisierten Multipolrädern verwendet werden und hierdurch die Variantenvielfalt der Sensorbauformen verringert werden, wodurch sich höhere Stückzahlen mit niedrigeren Fertigungskosten und eine einfachere Lagerhaltung ergeben. Gegenüber bekannten Messanordnungen mit Hallsensoren, welche nur die Messung der Komponente der magnetischen Flussdichte senkrecht zur Chipebene erlauben, können der Einbauraum verringert und durch den Wegfall der Beinchenbiegung des integrierten Schaltkreises um 90° sowohl Werkzeug- als auch Prozesskosten eingespart werden. Zusätzlich sind eine Qualitätsverbesserung und eine höhere Produktionsausbeute erzielbar, da Beschädigungen am Sensor durch eine notwendige Biegung für unterschiedliche Einbaulagen vermieden werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Um eine hohe Messempfindlichkeit der Vorrichtung zu gewährleisten eignen sich als Sensoren vorzugsweise GMR-Spin-Valve-Sensoren oder hochempfindliche TMR-Sensoren.
Hinsichtlich der Bauweise des Chipsensors ist es besonders zweckmäßig, wenn der IC des Sensors in dessen vorderem Bereich nahe der von den elektrischen Anschlussleitungen abgewandten Kante des Sensors angeordnet ist, sodass auch bei einer Einbaulage des Chips mit seinen Großflächen senkrecht zur Ausrichtung der magnetischen Geberelemente ein kleiner Luftspalt und eine hohe Messempfindlichkeit realisierbar werden.
Zur Erzielung einer besonders kompakten, Raum sparenden Bauform bei der Erfassung von Rotationsbewegungen, beispielsweise innerhalb eines Radlagers, ist es vorteilhaft, wenn die Magnetfeldgebereinrichtung als axial magnetisiertes Polrad ausgebildet ist, wodurch sich die Erstreckung des Sensors in dieser Richtung deutlich verkürzen lässt. Andererseits kann durch eine radiale Magnetisierung von flachen Magnetsegmenten der Durchmesser der Sensoreinheit reduziert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 das Prinzip einer Messvorrichtung mit einer axial ausgerichteten Magnetfeldgebereinrichtung in Form eines axial magnetisierten Multipolrades,
2 das Prinzip einer Messvorrichtung mit einer radial ausgerichteten Magnetfeldgebereinrichtung und
3 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer Messvorrichtung, welche die Anordnung eines Chipsensors wahlweise parallel oder senkrecht zur Ausrichtung der Elemente der Gebereinrichtung zeigt, wobei die Großfläche des Chipsensors jeweils in Messrichtung ausgerichtet ist.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist das Prinzip einer Messvorrichtung mit einer axial wirkenden Magnetfeldgebereinheit in Form eines axial magnetisierten Multipolrades 10 dargestellt, dessen einzelne Magnetsegmente 12 senkrecht zur Zeichenebene eine geringe Dicke aufweisen und in ihrer trapezförmigen Gestalt kreisringförmig angeordnet sind. Von dem gesamten Multipolrad 10 ist nur ein Ausschnitt dargestellt, wobei sich die einzelnen Magnetsegmente 12 mit jeweils wechselnder Polung aneinander reihen. Ein magnetoresistiver Chipsensor 14 ist etwa mittig über den Magnetsegmenten 12 angeordnet, derart, dass er unter Freilassung eines axialen Luftspaltes 13 mit seinen Großflächen parallel zu den Oberflächen der Magnetsegmente 12 in Messrichtung ausgerichtet ist. Der für die Messung relevante, von den Magnetsegmenten 12 erzeugte Fluss ist mit Bx bezeichnet und parallel zu den Großflächen 16 des Chipsensors 14 gerichtet. Die Bezeichnung des magnetischen Flusses Bx entspricht der x-Achse eines x/y/z-Koordinatensystems 17, wobei die Magnetisierungsrichtung der Segmente 12 der z-Richtung und die Ausrichtung der Großflächen 16 des Chipsensors 14 der x/y-Ebene entspricht.
Die in 1 nur anhand ihrer wesentlichen Messelemente dargestellte Vorrichtung ermöglicht die berührungslose Erfassung von Rotationsbewegungen, insbesondere die Erfassung der Rotation eines Fahrzeugrades, welche beispielsweise zur Steuerung der Bremswirkung in Antiblockiersystemen oder bei der elektronischen Fahrzeugstabilisierung benötigt werden. Anstelle einer kreisringförmigen Anordnung der Magnetsegmente 12 ist jedoch auch eine lineare Ausrichtung der Segmente möglich zur Erfassung von Linearbewegungen. Die Stromversorgung des Chipsensors 14 erfolgt über zwei Zuleitungen 18 und 20 über die in bekannter Weise auch die Sensorsignale bereitgestellt werden.
2 zeigt eine ähnliche Anordnung wie 1, wobei der Chipsensor 14 gleich aufgebaut und gestaltet ist wie in 1. In dieser Anordnung mit einem radial magnetisierten Multipolrad 22 mit wechselnd gepolten Magnetsegmenten 24 ist der Chipsensor 14 unter Freilassung eines Luftspaltes 23 mit seinen Großflächen 16 in der x/z-Ebene des x/y/z-Koordinatensystems 25 ausgerichtet, wobei die Messrichtung und der von dem Chipsensor 14 erfasste Magnetfluss Bx wiederum in x-Richtung des Koordinatensystems weisen. Bei dieser radialen Ausrichtung der Magnetsegmente 24 kann der Chipsensor 14 in unveränderter Bauform wie bei einer axialen Magnetisierung der Magnetsegmente 12 gemäß 1 benutzt werden. Der Sensor 14 ist in beiden Anwendungen bei 1 und 2 vorzugsweise als GMR-(Giant Magneto Resistance)-Sensor in bekannter Weise aufgebaut und wird daher hier nicht näher beschrieben. Die Schichtsysteme des Sensors sind vorzugsweise in der ebenfalls bekannten Spin-Valve-Ausführung gestaltet, wodurch sich eine erhöhte Empfindlichkeit des Sensors realisieren lässt. Eine sehr vorteilhafte Gestaltung des Chipsensors 14 ist auch die Bauform als TMR-(Tunnel Magneto Resistance)-Sensor, welcher ebenfalls eine sehr hohe Messgenauigkeit aufweist. Grundsätzlich sind jedoch für die Messungen auch Sensoren in der AMR-(Anisotrop Magneto Resistance)-Bauform verwendbar.
3 zeigt nochmals in schematisierter Darstellung die beiden Möglichkeiten der Anordnung der Chipsensoren 14 einerseits parallel zur Oberfläche der Magnetfeldgebereinrichtung gemäß 1 und andererseits senkrecht zur Oberfläche der Magnetfeldgebereinrichtung gemäß 2. In beiden Anordnungen ist der für die Messung relevante Fluss Bx, beziehungsweise die Flussänderung, in x-Richtung des x/y/z Koordinatensystems 27 ausgerichtet und verläuft parallel zu den Großflächen 16 der Chipsensoren 14.
Beim Einbau des Chipsensors 14 in der senkrechten Ausrichtung zur Oberfläche der Magnetsegmente 12 entsprechend der rechten Darstellung in 3 ist es wichtig, dass der in dem Chipsensor 14 verbaute IC möglichst weit vorne nahe der Kante 26 im Sensor liegt. Er kann so einen großen Luftspaltbereich abdecken, obwohl sich entsprechend der Position des IC gegenüber der Magnetoberfläche im Gegensatz zur parallelen Ausrichtung der Luftspalt vergrößert. Durch eine entsprechende Gestaltung und die hohe Empfindlichkeit, insbesondere von GMR-Sensoren, kann jedoch im Vergleich zu Hallsensoren eine Reduktion des Messbereichs bei der senkrechten Montage über der Messoberfläche praktisch vollständig ausgeglichen werden.
In der Ausführung gemäß 3 ist der Chipsensor 14 mit jeweils vier Anschlussleitungen 28, 30, 32, 34 dargestellt zur Verdeutlichung eines inneren Aufbaus mit einer Wheatstone-Brückenschaltung mit vier Widerstandsbereichen, welchen an zwei Verbindungspunkten eine Versorgungsspannung zugeführt wird und zwischen zwei weiteren Verbindungspunkten in der Brückendiagonale in bekannter Weise ein Messwert abgegriffen wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine Ausführungsform eines magnetoresistiven Chipsensors 14 dar, welche bei der Bewegung gegenüber den Magnetsegmenten 12 oder 24 in x-Richtung der angegebenen Koordinatensysteme die Messung sowohl bei radialer als auch bei axialer oder linearer Ausrichtung der Magnetsegmente ermöglicht. Dadurch lassen sich unter Beibehaltung der Messrichtung die in den 1 bis 3 gezeigten Messanordnungen zur Erfassung der Änderung der magnetischen Flussdichte Bx mit ein und demselben Sensor 14 realisieren. Hierdurch können Einbausituationen bedient werden, für die bisher unterschiedliche Sensorausführungen erforderlich waren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10357149 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Linear- oder Rotationsbewegungen, insbesondere zur Erfassung der Rotation eines Fahrzeugrades, mit einem ortsfesten magnetoresitiven Chipsensor (14) und einer diesem unter Freilassung eines Luftspaltes (13, 23) benachbarten, beweglichen Magnetfeldgebereinrichtung, deren einzelne Magnetsegmente (12, 24) in ihrer Polung wechselweise im Wesentlichen in z-Richtung eines dreidimensionalen x/y/z-Koordinatensystems (17, 25, 27) magnetisiert sind, wobei der Chipsensor (14) mit seinen Großflächen (16) im Wesentlichen in der x/y-Ebene oder in der x/z-Ebene des Koordinatensystems (17, 25, 27) oder in einer Zwischenlage zu diesen Ebenen ausgerichtet ist, derart, dass die Messrichtung und die Großfläche (16) des Chipsensors (14) in x-Richtung des Koordinatensystems (17, 25, 27) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipsensor (14) ein GMR(Giant Magneto Resistance)-Sensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipsensor (14) als GMR-Spin Valve-Sensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipsensor (14) ein TMR(Tunnel Magneto Resistance)-Sensor ist
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldgebereinrichtung als radial magnetisiertes Mulipolrad (22) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldgebereinrichtung als axial magnetisiertes Multipolrad (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der IC des Chipsensors (14) in dessen vorderem Bereich nahe der von den elektrischen Anschlussleitungen (18, 20; 28–34) abgewandten Kante (26) des Sensors angeordnet ist.