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Die
Erfindung betrifft einen magnetischen Umdrehungszähler
zur Zählung von N Umdrehungen, wobei N insbesondere > 10 sein soll. Derartige Umdrehungszähler
finden vorteilhaft Anwendung bei unterschiedlichsten linearen oder
rotativen Stellantrieben, um die Position einer Antriebsspindel über mehrere
Umdrehungen zu erfassen.
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Ein
bereits vorteilhafter Sensor zur Zählung von Umdrehungen
ist aus
EP 1 740 909
B1 bekannt. Dieser Sensor hat die Form einer lang gestreckten Spirale
mit N Windungen und besteht aus einem Schichtstapel der bevorzugt
den „Giant magnetoresistance effect” (GMR) aufweist.
Das GMR-Schichtsystem des Sensors besteht im Wesentlichen aus einer
hartmagnetischen Schicht und einer weichmagnetischen Schicht, getrennt
durch eine unmagnetische Zwischenschicht. Das äußere,
zu detektierende, sich drehende Magnetfeld ist stark genug, um die Magnetisierungsrichtung
der weichmagnetischen Schicht zu drehen, aber zu schwach für
eine Änderung der Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen
Schicht, die parallel zu den geraden Strecken der lang gestreckten
Spirale verläuft. Die 2N lang gestreckten, parallelen Streifen,
zwischen den mit zwei Elektroden bedeckten Kurvenssegmenten, sind
die Sensorelemente des Sensors. Ein sich drehendes Magnetfeld ändert
innerhalb des zählbaren Bereiches von 0 bis N Umdrehungen
die Magnetisierungsordnung innerhalb der 2N Streifen. Insgesamt
gibt es 2N + 1 verschiedene Magnetisierungsordnungen, die eineindeutig
halben und ganzen Umdrehungen zugeordnet sind, im Sensor gespeichert
werden und über den GMR-Effekt als Widerstandswerte auslesbar sind.
Trägt man den Widerstand gegen den Drehwinkel des Magnetfeldes
auf, so erhält man als Sensorsignal 2N + 1 Widerstandsplateaus.
Besonders vorteilhafte Anordnungen dieses Sensors sehen dessen Einsatz
in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung vor, bei der
zwei Sensoren mit Drehsinn der Spirale im Uhrzeigersinn mit zwei
Sensoren mit entgegen gesetztem Drehsinn der Spirale zu einem gemeinsamen
Sensor miteinander verschaltet sind. Diese Schaltung ergibt 2N +
1 eineindeutige Spannungswerte für die 2N + 1 zählbaren
halben Umdrehungen. Diese Spannungswerte sind im Gegensatz zu den Widerstandswerten
des einzelnen Sensors temperaturunabhängig. Ein idealer
Sensor, bzw. eine Wheatstone-Brückenschaltung aus vier
Sensoren, würde nach jeweils 180° Magnetfelddrehung
in einen anderen Widerstands- bzw. Spannungswert umschalten, so
dass über dem gesamten Zählbereich von 0 bis N
Umdrehungen der Sensor immer ein eindeutiges Signal liefert. Das
reale Sensorelement schaltet dagegen hysteretisch, so dass die Widerstands-
bzw. Spannungs-Plateaus nicht 180° breit sind, sondern
zum Beispiel nur 120°. Der Sensor darf innerhalb der hysteretischen
Umschaltbereiche nicht ausgelesen werden, da die Information dort
nicht eineindeutig ist. Ein Umdrehungszähler nach
EP 1 740 909 B1 ,
der in einem axialen rotierenden Magnetfeld positioniert wird, enthält
somit mindestens zwei eng benachbarte Sensoren, bzw. zwei eng benachbarte Wheatstone-Brückenschaltungen
aus jeweils vier Sensoren, die (näherungsweise) im 90° Winkel
zueinander angeordnet sind, wodurch zwei um 90° versetzte
Signale erzeugt werden. Da die Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen
Schicht nach einem möglichen Ausführungsbeispiel
gemäß
EP
1 740 909 B1 homogen über einen Wafer eingestellt wird
und dann bevorzugt parallel zu den langen Streifen orientiert ist,
erfordert einen Winkelunterschied zwischen den beiden eng benachbarten
Sensoren, so dass diese Sensoren auf zwei getrennten Chips positioniert
sind. Bei einem Umdrehungszähler nach
EP 1 740 909 B1 , der in
einem radialen, rotierenden Magnetfeld positioniert wird, können
die zwei Sensoren bzw. zwei Wheatstone-Brückenschaltungen
aus jeweils vier Sensoren auch räumlich weit voneinander
getrennt auf zwei Chips angeordnet werden und auch andere Winkel
als 90° zueinander einnehmen, z. B. 180°. Im radialen
Magnetfeld bedeutet z. B. eine Winkelposition von 180°,
dass die beiden Chips sich ortsfest gegenüber stehen, mit
der rotierenden Welle in der Mitte. An der Welle ist das Magnetsystem
befestigt, auf das die Sensoren reagieren. Ein Winkelzähler
teilt einer Ausleseelektronik mit, unter welchem Winkel das Magnetfeld
anliegt, und welcher Sensor bzw. welche Wheatstone-Brückenschaltung des
magnetischen Umdrehungszählers sich im eineindeutigen Zustand
befindet und ausgelesen werden darf.
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Zum
besseren Verständnis vorliegender Erfindung wird nachfolgend
zunächst beschrieben, wie der nach dem Stand der Technik
bekannte Sensor des magnetischen Umdrehungszählers nach
EP 1 740 909 B1 Umdrehungen
zählt und in Magnetisierungsmuster speichert. Dabei wird
aus
EP 1 740 909 B1 die
spezielle Ausführung gewählt, bei der der Sensor
die Form einer lang gestreckten Spirale mit N Windungen aufweist,
welche eine vergrößerte Fläche am Spiralanfang
besitzt. Die Spirale hat 2N lang gestreckte Streifen und 2N Krümmungssegmente,
die jeweils zwei Streifensegmente miteinander verbinden.
1 zeigt
schematisch einen solchen Sensor
1 nach
EP 1 740 909 B1 für
N = 2. Die vergrößerte Fläche am Spiralanfang
fungiert als Domänenwandgenerator
2. Die Spirale
hat 2N lang gestreckte Streifensegmente
3a,
3b,
3c und
3d,
sowie vier Krümmungssegmente
4a,
4b,
4c und
4d.
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Wenn
der Sensor 1 einem drehenden Magnetfeld entsprechender
Intensität ausgesetzt wird, entsteht in dem Domänenwandgenerator 2 für
jede 180°-Magnetfelddrehung eine magnetische 180°-Domänenwand.
Eine magnetische Domänenwand ist ein Bereich, in dem sich
die Magnetisierung innerhalb einer kurzen Strecke von wenigen 100
nm bis einigen μm Länge von einer Richtung in
eine andere Richtung ändert. 2 zeigt
schematisch eine magnetische 180°-Domänenwand,
bei der sich die Magnetisierungsrichtung um 180° dreht.
In 2a sind Magnetisierungsrichtungen
von 1 bis 7 gezeigt, die eine 180°-Domänenwand
ausbilden. Diese entsteht, wenn das Magnetfeld im Uhrzeigersinn
um 180° von rechts nach links gedreht wird. Ein Weiterdrehen
des Magnetfeldes um weitere 180° von links nach rechts erzeugt
eine weitere 180°-Domänenwand mit den Magnetisierungsrichtungen
7–13, wie in 2b gezeigt.
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3 zeigt
in einem Ausschnitt schematisch, wie magnetische Domänenwände
erzeugt und in den Sensor 1 transportiert werden. Die magnetischen
Domänenwände werden im Domänenwandgenerator 2 erzeugt,
weil sich im Domänenwandgenerator 2 die Magnetisierung
nahezu parallel zum sich drehenden Magnetfeld mitdreht und zugleich
die Magnetisierung im angrenzenden schmalen Streifen 3a,
aufgrund der Formanisotropie, über große Winkelbereiche
des sich drehenden Magnetfeldes nahezu unverändert bleibt.
Ausgehend von einer homogenen Magnetisierung (3a)
bildet sich, aufgrund des sich drehenden Magnetfeldes, am Streifenanfang
eine Domänenwand 5 aus (3b).
Wenn eine ausreichend große Magnetfeldkomponente in Streifenrichtung
zeigt (3c), wird diese Domänenwand 5 in
den Streifen transportiert. 3d zeigt
die Position der Domänenwand 5 nach einer 180°-Magnetfelddrehung.
Sie ist durch den Streifen 3a in den hier nicht dargestellten
weiteren Streifenabschnitt transportiert, wodurch sich der dargestellte
Streifen 3a ummagnetisiert.
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Im
Sensor 1 befindet sich am Ende des Streifens 3a die
Krümmung 4a, so dass sich die Domänenwand 5 nach
180°-Magnetfelddrehung in der Krümmung 4a befindet.
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4 zeigt
schematisch die 2N + 1 = 5 Magnetisierungszustände eines
Sensors 1 mit N = 2 Windungen, und wie diese fünf
Magnetisierungszustände mit der Anzahl an magnetischen
Domänenwänden 5 im Sensor 1 korrelieren.
Ausgehend vom leeren Ausgangszustand bei 0° Magnetfelddrehung (4a) wird das Magnetfeld im Uhrzeigersinn
um 180° (4b), 360° (4c), 540° (4d)
und 720° (4e) weiter gedreht,
wodurch nach jeder 180°-Magnetfelddrehung eine 180°-Domänenwand erzeugt
wird. In 4a (0°) gibt es
keine magnetische Domänenwand im Sensor 1. Nach
180° Magnetfelddrehung (4b)
wurde eine neu erzeugte Domänenwand 5a durch den
Streifen 3a in die Krümmung 4a transportiert.
Nach 360° Magnetfelddrehung (4c)
wurde die Domänenwand 5a in die Krümmung 4b transportiert,
wodurch der Streifen 3b ummagnetisiert wurde. Zugleich
wurde eine zweite Domänenwand 5b erzeugt und in
die Krümmung 4a transportiert, wodurch der Streifen 3a wieder
ummagnetisiert wurde. In (4d) nach
540°-Magnetfelddrehung befinden sich drei magnetische Domänenwände 5a, 5b und 5c in
den Krümmungen 4a, 4b und 4c und
nach 720°-Magnetfelddrehung (4e)
vier magnetische Domänenwände 5a, 5b, 5c und 5d in den
Krümmungen 4a, 4b, 4c und 4d.
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Die
in den 4 gezeigten fünf Magnetisierungsordnungen
sind eineindeutig mit fünf verschiedenen Widerstandswerten
verknüpft. 5 zeigt schematisch diese Widerstandswerte über
den Drehwinkel des Magnetfeldes. Die Widerstandswerte sind gezeigt
für einen Sensor 1, bei dem die Referenzrichtung 8 (siehe 4a) von links nach rechts zeigt, d. h.
nach rechts magnetisierte Streifen sind niederohmiger als nach links magnetisierte
Streifen. Zu jedem Widerstandswert ist die zugehörige Magnetisierungsordnung
von 4 (Teilbild) angegeben.
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In 4 und 5 ist
der Magnetisierungszustand mit 0 magnetischen Domänenwänden
als Umdrehungszahl 0 definiert. Er könnte (verallgemeinert
für eine N-windige Spirale) auch als Umdrehungszahl N definiert
sein, wenn von 0 bis N gezählt wird. Er könnte
aber auch als Umdrehungszahl –N/2 oder +N/2 definiert sein,
wenn von –N/2 bis +N/2 gezählt wird. Die Zählung
von –N/2 bis +N/2 ist dann sinnvoll, wenn zwischen Rechts-
und Linksdrehung unterschieden werden muss, z. B. bei einem Lenkrad.
Für diese Zählung sollte N eine durch 2 teilbare Zahl
sein. Die Zählung von 0 bis N bzw. von N nach 0 ist sinnvoll
für Fälle, bei denen ein Objekt nur vor oder zurück
gedreht wird.
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5 zeigt
die messbaren Spannungshübe am Sensor in Abhängigkeit
der Magnetisierungszustände der einzelnen Streifenleiter
während der Magnetfelddrehung und somit das Schaltverhalten
eines idealen Sensors. Ein realer Sensor schaltet jedoch hysteretisch,
so dass es Winkelbereiche gibt, in denen er nicht ausgelesen werden
darf. Für den magnetischen Umdrehungszähler bedeutet
dies, das ein zweiter Sensor so angeordnet sein muss, dass bei jedem
Winkel mindestens einer der beiden Sensoren nicht im hysteretischen
Zustand ist und ausgelesen werden darf.
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Die
Nachteile des vorliegender Erfindung am nächsten kommenden
magnetischen Umdrehungszählers nach
EP 1 740 909 B1 sind:
- – die Anzahl der zählbaren
Umdrehungen N ist begrenzt auf ca. zehn Umdrehungen, weil sonst die
messbaren Spannungshübe nicht mehr sicher differenzierbar
sind;
- – es werden wegen des hysteretischen Schaltverhaltens
mindestens zwei Sensoren oder mindestens zwei Wheatstone-Brücken
aus jeweils vier Sensoren benötigt;
- – der Umdrehungszähler nach EP 1 740 909 B1 erfordert
zudem zwei räumlich getrennte Chips.
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Typischerweise
weisen obige magnetische Umdrehungszähler je nach Schichtsystem
einen GMR-Effekt von 5% bis 8% auf. Die Größe
des GMR-Effektes und der technisch erforderliche Mindestabstand
zwischen den messbaren Widerstandswerten (bzw. Spannungswerten bei
einer Spannungsmessung) begrenzt die Anzahl der zählbaren Umdrehungen
N auf ca. zehn, da sich die korrespondierenden 2N + 1 Widerstandswerte
(äquidistant) auf den Widerstandsbereich des GMR-Effektes
aufteilen. Bei N > 10
werden die einzelnen Widerstandsstufen so klein, dass eine sichere
Trennung nicht mehr gewährleistet werden kann.
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Der
Sensor des magnetischen Umdrehungszählers weist intrinsisch
eine Hysterese auf. Das heißt, bei Links-Drehung des den
Umdrehungszähler beeinflussenden, externen Magnetfeldes
schaltet der Sensor bei einem anderen Winkel als bei einer Rechts-Drehung
zwischen zwei Magnetisierungszuständen hin und her. Der
Abstand zwischen diesen Schaltwinkeln ist die Hysterese, die von
vielen Parametern abhängt, z. B. von der Stärke
des externen Magnetfeldes, vom GMR-Schichtstapel, von der Dicke
der Sensorschicht, von der Glattheit der Kanten des Sensorelementes.
Die Hysterese erzwingt somit den Einsatz von mindestens zwei Sensoren
bzw. Wheatstonebrücken, die so zueinander angeordnet sind,
dass bei jedem Winkel mindestens ein Sensor bzw. eine Wheatstone-Brücke
sich in einem eineindeutigen Magnetisierungszustand außerhalb
des Hysteresebereiches befindet und ausgelesen werden kann. Würde
man nach
EP 1 740 909
B1 die Hysterese des Umdrehungszählers in ihrem
Einfluss sicher unterdrücken wollen, bräuchte
man bereits acht Sensoren. Diese Vielzahl an Sensoren vergrößert
zusammen mit den erforderlichen Bondflächen die Chipgröße
und erhöht damit die Kosten pro Chip.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen
Umdrehungszähler zu schaffen, der eine gesicherte und differenzierbare Zählung
von prinzipiell wesentlich mehr als zehn Umdrehungen ermöglicht
und der das bei bekannten vergleichbaren Umdrehungssensoren bekannte
Hystereseproblem durch den Einsatz nur noch eines Sensors löst.
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Die
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten
Ansprüche.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Es zeigen schematisch:
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1 ein
Teil eines magnetischen Umdrehungszählers nach dem bekannten
Stand der Technik;
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2 eine
magnetische 180°-Domänenwand, bei der sich die
Magnetisierungsrichtung um 180° dreht;
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3 in
einem Ausschnitt, wie magnetische Domänenwände
erzeugt und in den Sensor 1 transportiert werden;
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4 den
Transport von magnetischen Domänenwänden bei Drehung
einer äußeren Magnetfeldes um 720°;
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5 nach 4 zugehörige
Widerstandswerte über den Drehwinkel des Magnetfeldes;
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6 eine
erste prinzipielle Ausführungsform der Erfindung;
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7 einen
Teilausschnitt nach 6 mit unterschiedlichen Magnetisierungszuständen
bei Anwesen- oder Abwesenheit einer Domänenwand;
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8 Potentialverläufe
und hysteretische Bereiche nach der ersten Ausführungsform
bei Drehung des äußeren Magnetfeldes;
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9 eine
zweite Ausführungsform der Erfindung;
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10 vier
unterschiedlich mögliche Magnetisierungsanordnungen in
einem Teilausschnitt nach 9;
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11 Potentialverläufe
und hysteretische Bereiche nach der zweiten Ausführungsform
bei Drehung des äußeren Magnetfeldes;
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12 eine
vorteilhafte Beschaltungsvariante der zweiten Ausführungsform;
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13 beispielhafte
Sensorsignale bei beidseitiger Auslesung einer Variante nach 12;
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14 eine
erste spezielle Kontaktausbildung für einen Sensor nach 12;
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15 eine
weitere Ausgestaltung einer Variante nach den 12 und 14 in
Rautenform mit weiter differenzierten Kontaktausbildungen und
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16 gesonderte
Streifenabschnitte zur Bildung von Referenzsignalen.
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Der
besseren Übersicht halber und ohne Beschränkung
der mit vorliegender Erfindung zu erreichenden Allgemeinheit, werden
in den nachfolgenden Figuren anstelle von Sensoren für
die Umdrehungszählung von zehn oder mehr Umdrehungen ausschließlich
Beispiele für zwei Umdrehungen beschrieben. Diese unterscheiden
sich von tatsächlich nach der Erfindung realisierbaren
Umdrehungszählern nur in der Windungszahl und den damit
verknüpften elektrischen Kontakten voneinander.
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Eine übersichtliche,
wenn auch nicht bevorzugte erste erfindungsgemäße
Ausführungsform sieht vor, einen speziellen, grundsätzlich
aus
EP 1 740 909 B1 bekannten
Sensor zu verwenden, bei dem jedoch neuartig eine lang gestreckte
Spirale, als Spannungsteiler beschaltet wird. Wie bei der klassischen
Wheatstone-Brückenschaltung wird hierdurch das Sensorsignal
temperaturunabhängig. Bei dieser erfindungsgemäßen
Ausführung wird der Sensor – die lang gestreckte
Spirale mit N Windungen und 2N Streifen – über
zwei gemeinsame Kontakte über jeweils N Streifen mit einem
Potential beaufschlagt und der Potentialabfall für jede
Windung zwischen einem dieser gemeinsamen Kontakte und weiteren
in den Krümmungen vorgesehenen Einzelkontakten gemessen.
Der Potentialabfall hängt dabei von der Magnetisierung
der jeweiligen Windung und von der Lage der Referenzrichtung ab.
Zum besseren Verständnis dieser Lösung wird der
Sensor nachfolgend so betrachtet, dass die lang gestreckten Streifen,
wie in
6 dargestellt, horizontal verlaufen und dass sich
die Streifen verbindenden Krümmungen rechts bzw. links
von den Streifen befinden.
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Der
Sensor 1, gemäß 6, ist erfindungsgemäß mit
zwei elektrischen Kontakten 6a und 6b versehen,
die in diesem Beispiel jeweils die Streifen 3b und 3d und 3a und 3c oben
oder unten gemeinsamen kontaktieren. Bei bevorzugten Ausführungen befinden
sich diese Kontakte 6a, 6b jeweils in der Mitte
der dargestellten lang gestreckten Streifen. Über diese
zwei Kontakte 6a, 6b wird der Sensor mit einem
elektrischen Potential beaufschlagt. In den Krümmungen 4b, 4d der
Spirale sind im Beispiel links weitere elektrische Einzelkontakte 7a, 7b vorgesehen,
die jeweils eine Windung kontaktieren. Das bevorzugte Ausleseprinzip
dieses so beschalteten magnetischen Sensors sieht vor, dass alle
Windungen über die gemeinsamen Kontakte 6a, 6b mit
einem Potential beaufschlagt werden und dass der Potentialabfall
für jede Windung sequentiell ausgelesen wird. Dies geschieht
bevorzugt über eine an sich übliche und deshalb
hier nicht weiter zu beschreibende Multiplexerschaltung, die von
einem gemeinsamen Kontakt 6a oder 6b nacheinander
die Verbindung zu den Einzelkontakten 7a, 7b in
den Krümmungen herstellt. Der Spannungsabfall wird somit
gemessen in den im Wesentlichen lang gestreckten Streifenabschnitten
(3b oder 3d, bzw. 3a oder 3c)
(Windungssegmente). Im Rahmen der Erfindung sollen die Kontakte 7a und 7b flächenmäßig
bevorzugt so groß ausgeführt sein, dass die konkrete
Lage einer Domänenwand innerhalb des gekrümmten
Streifenbereichs bedeutungslos ist. Prinzipiell existieren in jeder
Windung zwischen den Kontakten 6a und 6b in den
dazwischen liegenden Streifenabschnitten 3a und 3b, bzw. 3c und 3d genau
vier magnetische Zustände, wie in 7 schematisch
für die erste Windung gezeigt:
- 1.
es existiert keine magnetische Domänenwand in der Krümmung 4a,
die beiden lang gestreckten Streifenabschnitte 3a, 3b sind
im Uhrzeigersinn magnetisiert (Streifen-Abschnitt 3a nach
rechts und Streifenabschnitt 3b nach links, 7a);
- 2. es existiert eine magnetische Domänenwand in der
Krümmung 4a, so dass die lang gestreckten Streifenabschnitte 3a und 3b nach
links magnetisiert sind (7b)
- 3. es existiert keine magnetische Domänenwand in der
Krümmung 4a, die beiden lang gestreckten Streifenabschnitte 3a und 3b sind
im Gegenuhrzeigersinn magnetisiert (7c);
- 4. es existiert eine magnetische Domänenwand in der
Krümmung 4a, so dass die lang gestreckten Streifen 3a und 3b nach
rechts magnetisiert sind (7d).
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Wenn
die Referenzrichtung 8 im Sensor 1, wie in 7 nach
rechts zeigt und der Potentialabfall über den Streifenabschnitt 3a gemessen
wird, ergeben sich somit folgende Potentialabfälle für
die Magnetisierungszustände 1–4:
- 1. < 50% (im
Folgenden L (= low)), da Streifenabschnitt 3a einen geringeren
Widerstand aufweist als Streifenabschnitt 3b;
- 2. 50% (im Folgenden auch als M (= median), da die Widerstände
der Streifenabschnitte 3a und 3b gleich groß sind;
- 3. > 50%, (im
Folgenden H (= high)), da Streifenabschnitt 3a einen größeren
Widerstand aufweist als Streifenabschnitt 3b;
- 4. 50%, da die Widerstände der Streifenabschnitte 3a und 3b gleich
groß sind.
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Die
Abweichung vom Potentialwert 50% für die Magnetisierungszustände
1 und 3 hängt ab von der Größe des GMR-Effektes
und vom Cosinus des Winkels zwischen Referenzrichtung 8 und
Streifenabschnitt 3a.
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Der
Ausgangszustand des Sensors 1 ist, wie bspw. in 4a gezeigt, frei von magnetischen Domänenwänden.
Das heißt, jede Windung befindet sich im ersten magnetischen
Zustand, so dass der Potentialabfall < 50% ist. (Wenn die Referenzrichtung
in die andere Richtung zeigt, ist der Potentialabfall > 50%.)
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Der
bevorzugte Ausleseprozess des erfindungsgemäßen
Sensors 1 sieht vor, dass über einen Multiplexer
gesteuert, nacheinander eine elektrische Verbindung vom Kontakt 6a zu
den Kontakten 7a und 7b geschlossen wird und jeweils
der Potentialabfall gemessen wird. Wenn der Potentialabfall der
ersten Windung < 50%
der Spannung zwischen den Kontakten 6a und 6b ist
(Spannungsabfall zwischen Kontakt 6a nach Kontakt 7a),
ist der Sensor 1 frei von magnetischen Domänenwänden
und somit im Ausgangszustand = Null Umdrehungen. Wenn der Potentialabfall der
ersten Windung = 50% ist kann nur noch der Magnetisierungszustand
360° oder 720° vorliegen. Welcher der beiden Zustände
vorliegt, wird durch Messen des Potentialabfalls vom Kontakt 6a zum
Kontakt 7b der zweiten Windung ermittelt. Ist hier der
Potentialabfall < 50%,
so wurde eine Umdrehung gezählt, ist der Potentialabfall
= 50% so wurden zwei Umdrehungen gezählt.
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8 zeigt
Vorstehendes schematisch. In 8a) ist
das Signal der äußersten ersten Windung (in 8 mit
W1 bezeichnet; Spannung am Kontakt 7a) und in 8b) das Signal der zweiten Windung (W2;
Spannung am Kontakt 7b) über den Drehwinkel des
Magnetfeldes aufgetragen. Bei einem idealen Sensor würde
das Signal in 8a) bei exakt 360° vom
niedrigem low-Level auf den mittleren 50%-Level springen. Bei der
zweiten Windung würde der Spannungshub in 8b)
exakt bei einer weiteren Drehung um 360°, also bei 720° Magnetfelddrehung, erfolgen.
Da der reale Sensor hysteretisch ist, erfolgen die Sprünge
je nach Drehrichtung bei einem Winkel > 360° bzw. > 720° (Magnetfelddrehung im Spiralendrehsinn)
oder bei einem Winkel < 360° bzw. < 720° (Magnetfelddrehung
entgegen Spiralendrehsinn). Als Folge darf der Sensor nicht in einem
der hysteretischen Winkelbereiche (10 bzw. 10a)
ausgelesen werden, die durch Rechtecke in 8 symbolisiert
sind. Diese Winkelbereiche haben eine Periodizität von
180°. Im ersten hysteretischen Winkelbereich 10a kann
das Spannungssignal jeden Wert zwischen dem L-Level und dem M-Level
einnehmen, in den hysteretischen Winkelbereichen 10 jeden
Wert zwischen dem L-Level und dem H-Level.
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Um
trotzdem jederzeit den Umdrehungszähler auslesen zu können,
wird ein zweiter Sensor 1 benötigt, der um 90° gedreht
zum ersten Sensor im magnetischen Umdrehungszähler positioniert
ist. Dieser liefert ein um 90° phasenverschobenes Signal,
das dann ausgelesen werden muss, wenn sich der erste Sensor in einem
hysteretischen Winkelbereich (10 bzw. 10a) befindet.
Wenn der erste Sensor auslesbar ist, darf der zweite Sensor nicht
ausgelesen werden, da er sich dann in einem der hysteretischen Winkelbereiche
(10 bzw. 10a) befindet. Da die Hysterese < 90° ist,
gibt es auch Winkelbereiche, in denen beide Sensoren ausgelesen
werden dürfen. Die Information über den Winkel
liefert ein nicht dargestellter, üblicher Winkelsensor
an die Ausleseelektronik, die dann entscheidet, welcher Sensor ausgelesen
werden darf.
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Sobald
in einem Sensor 1 eine Windung domänenwandfrei
ist, dann sind auch die weiter innen liegenden Windungen domänenwandfrei,
da die magnetischen Domänenwände sukzessive vom
außen liegenden Anfang der Spirale, vom Domänenwandgenerator 2,
bis zum Ende der Spirale transportiert werden. Das bevorzugte Ausleseverfahren
des Sensors sieht vor, dass
- 1. Winkelsensor-kontrolliert
nur dann ausgelesen wird, wenn der Sensor nicht in einem hysteretischen
Winkelbereich ist,
- 2. das zuerst das Spannungssignal der ersten Windung, die an
den Domänenwandgenerator sich anschließt ausgelesen
wird
- 3. und danach nacheinander die zweite Windung bis zur N. Windung
ausgelesen wird.
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Das
heißt, die Windungen des Sensors 1 werden von
außen nach innen ausgelesen. Das Auslesen der Windungen
kann beendet werden, sobald eine Windung ein Low-Level-Spannungssignal
liefert. Das Low-Level-Signal bedeutet, dass keine Domänenwand
unter dem ausgelesenen Einzelkontakt hindurch gelaufen ist und damit
auch keine Domänenwand in weiter innen liegenden Windungen
vorhanden sein kann. In 8 reicht es z. B. aus, bei 270° Magnetfelddrehung
nur die erste Windung auszulesen, da diese im Low-Level-Zustand
ist. Bei 450° Magnetfelddrehung ist die erste Windung im
Median-Zustand, so dass auch die zweite Windung ausgelesen werden
muss, die bei diesem Winkel sich im Low-Level-Zustand befindet.
Erst bei einer Magnetfelddrehung von 720° sind beide Windungen
im M-Zustand.
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Bereits
diese erste erfindungsgemäße Lösung hat
gegenüber dem bekannten Stand der Technik mehrere Vorteile:
- 1. Durch die Messung des Potentialabfalls in
jeder Windung ist der dort messbare Potentialhub unabhängig
von der Anzahl der Umdrehungen. Dadurch ist die Anzahl an zählbaren
Umdrehungen nicht mehr durch die Größe des GMR-Effektes
auf ca. zehn Umdrehungen begrenzt. Die einzige Begrenzung ist herstellungsbedingt,
denn jede Windung verlängert den Sensor und erhöht
damit die Wahrscheinlichkeit, dass die Spirale, aufgrund eines Defektes,
unterbrochen ist. Mit guter Ausbeute realisierbare Spirallängen
ermöglichen Sensoren, die 40–50 Umdrehungen zählen
könnten, welche aber nach EP 1 740 909 B1 , wie oben erläutert,
nicht mehr ausgewertet werden könnten.
- 2. Ein weiterer Vorteil ist, dass nicht mehr vier Spiralen in
einer Wheatstone-Brücke zusammen geschaltet werden müssen,
sondern durch die Art der Beschaltung schon eine Spirale als Sensor
allein, wie eine Wheatstone-Brücke, ein temperaturunabhängiges
Signal liefert.
- 3. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
ist, dass der Sensor 1 überdreht werden darf.
Bei der Verwendung von vier Spiralen, die in einer Wheatstonebrücke
geschaltet sind, hat man nämlich das große Problem,
dass bei einer Überdrehung die sich in dem innersten Spiralenarm befindlichen
Domänen an die Enden der Spiralen wandern und dort verschwinden.
Wenn dies bei allen Spiralen einer Wheatstonebrücke erfolgt,
erhält man wieder definierte Verhältnisse. Wenn aber,
was prinzipiell nicht auszuschließen ist, dies nicht an
allen vier Spiralen erfolgt, ist die Kennlinie undefiniert geändert
und der Sensor liefert keine gültigen Signale mehr. Deshalb
muss bei der Wheatstonebrückenlösung nach dem
Stand der Technik immer ein mechanischer Anschlag vorhanden sein,
der ein Überdrehen sicher verhindert. Die hier vorgeschlagene
Lösung funktioniert jedoch selbst bei nur einer Spirale,
so dass deshalb auf einen mechanischen Anschlag verzichtet werden
kann.
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Eine
zweite erfindungsgemäße Ausführung sieht
vor, dass die lang gestreckte Spirale zu einer symmetrischen Raute
verzerrt ist, bei der jede Windung aus vier Streifensegmenten besteht,
die jeweils im 90°-Winkel hintereinander angeordnet sind,
und bei der jeweils zwei Streifensegmente als Spannungsteiler bzw.
Wheatstone-Halbbrücke beschaltet sind. 9 zeigt
einen solchen Sensor 11. Der Sensor 11 weist einen
Domänenwandgenerator 12 auf, an den sich im Beispiel
bei N = 2 Windungen 4N + 1 = 9 Streifensegmente (13a bis 13i)
mit 4N = 8 Krümmungen (14a bis 14h) anschließen.
In der praktischen Realisierung besitzen diese Krümmungen Krümmungsradien
in der Größenordnung von 1 μm, was deshalb
nicht gesondert dargestellt ist. Zwei große Kontakte 16a und 16b dienen
zur Potentialeinspeisung. Im Beispiel sind in den Krümmungen
links, zwischen den großen ersten Kontakten 16a und 16b, einzelne
Kontakte 17a und 17b vorgesehen, die jeweils nur
eine Windung kontaktieren.
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Der
Sensor wird ausgelesen, indem die Potentialdifferenz zwischen einem
der beiden großen Kontakte 16a oder 16b und
den Kontakten 17a und 17b sequenziell oder parallel
(wenn bspw. N das Spannungspotential messende AD-Wandler vorgesehen
sind) bestimmt wird, um die Potentialabfälle in den Streifensegmenten
(13e bzw. 13i) zu messen. Bevorzugte, weiter unten
beschriebene Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen
zweiten Ausführung sehen vor, dass die Streifensegmente 13a bis 13i zwischen
allen elektrischen Kontakten gleichlang sind.
-
In
jeder Windung gibt es folgende, in 10 beispielhaft
dargestellte, vier Magnetisierungsordnungen in den Streifensegmenten
links zwischen den Kontakten 16a und 16b (gezeigt
für 13d und 13e):
- 1.
es existiert keine magnetische Domänenwand in der Krümmung 14d,
die beiden langgestreckten Streifenabschnitte 13d, 13e sind
im Uhrzeigersinn magnetisiert (Streifen-Abschnitt 13d nach
rechts und Streifenabschnitt 13e nach links, 10a);
- 2. es existiert eine magnetische Domänenwand in der
Krümmung 14d, so dass die langgestreckten Streifenabschnitte 13d und 13e nach
links magnetisiert sind (10b);
- 3. es existiert keine magnetische Domänenwand in der
Krümmung 14d, die beiden langgestreckten Streifenabschnitte 13d und 13e sind
im Gegenuhrzeigersinn magnetisiert (10c);
- 4. es existiert eine magnetische Domänenwand in der
Krümmung 14d, sodass die langgestreckten Streifen 13d und 13e nach
rechts magnetisiert sind (10d).
-
Wenn
die Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht 18 im
Sensor 11, wie in 9 angedeutet,
nach rechts zeigt (im bevorzugten 45°-Winkel zu den Streifen)
und der Potentialabfall über den Streifenabschnitt 13e gemessen
wird, ergeben sich somit folgende Potentialabfälle für
die Magnetisierungszustände 1–4:
- 1. < 50%, (L
= low), da Streifenabschnitt 13e einen geringeren Widerstand
aufweist als Streifenabschnitt (13d;
- 2. 50% (M = median), da die Widerstände der Streifenabschnitte 13d und 13e gleich
groß sind;
- 3. > 50%, (H =
high), da Streifenabschnitt 13e einen größeren
Widerstand aufweist als Streifenabschnitt 13d;
- 4. 50%, da die Widerstände der Streifenabschnitte 13d und 13e gleich
groß sind.
-
Während
einer vollen Umdrehung des äußeren Magnetfeldes
läuft eine magnetische 180°-Domänenwand
durch eine volle Windung des Sensors 11 und schaltet somit
alle 90° die vier Magnetisierungszustände in dieser
Windung nacheinander um. Das bevorzugte Ausleseprinzip dieser zweiten
erfindungsgemäßen Ausführung ist ähnlich
der ersten erfindungsgemäßen Lösung.
Man misst, bevorzugt Multiplexer-gesteuert, alle Windungen nacheinander, beginnend
bei der ersten Windung nach dem Domänenwandgenerator (Kontakt 17a in
der Krümmung 14d). Die Messung kann in der Windung
beendet werden, in der erstmals der Potentialabfall < 50% ist. Verallgemeinert
für N-windige Spiralen zur Zählung von N Umdrehungen
ist bei diesem Ausleseprinzip die gezählte Umdrehungszahl,
die in einem eineindeutigen Magnetisierungsmuster im Sensor 11 gespeichert
ist:
Umdrehungszahl = erste Windungszahl (mit Low-Level-Signal) – Eins
oder
Umdrehungszahl
= N, wenn kein Low-Level-Signal detektiert wird.
-
11 zeigt
dies wiederum schematisch. In 11a)
ist das Potential der ersten Windung (gemessen am Kontakt 17a)
und in 11b) das Potential der zweiten
Windung (gemessen am Kontakt 17b) über der Magnetfelddrehung
aufgetragen. Bei einem idealen Sensor würde das Signal
in 11a) erstmals bei exakt 360° vom niedrigem
low-Level auf den mittleren 50%-Level springen. Bei der zweiten Windung
würde der Sprung in 11b)
nach weiteren 360° erstmals bei exakt 720° Magnetfelddrehung erfolgen.
Nach dem ersten Signalsprung erfolgt alle 90° wieder ein
Signalsprung, da die magnetische Domänenwand in die nächste
Krümmung transportiert wird, wodurch der dazwischen liegende
Streifen ummagnetisiert wird. Bei einem idealen Sensor würden in
der ersten Windung Signalsprünge bei 450° Magnetfelddrehung
vom 50%-Level in den High-Level, bei 540° Magnetfelddrehung
vom High-Level in den 50%-Level und bei 630° Magnetfelddrehung
vom 50%-Level in den Low-Level erfolgen. Das Signal ist somit ab
der ersten Umdrehung (360°) periodisch mit einer Periodizität
von 360°. In der zweiten Windung ist das Signal periodisch
ab der zweiten Umdrehung (720°).
-
Da
der reale Sensor hysteretisch schaltet, erfolgen die erstmaligen
Sprünge je nach Drehrichtung bei einem Winkel > 360° bzw. > 720° (Magnetfelddrehung
im Spiralendrehsinn) oder bei einem Winkel < 360° bzw. < 720° (Magnetfelddrehung
entgegen Spiralendrehsinn).
-
Als
Folge darf der Sensor nicht in den hysteretischen Winkelbereichen
ausgelesen werden, in denen er vom niedrigen Level in den 50%-Level schaltet.
-
In 11 sind
die hysteretischen Winkelbereiche durch Rechtecke (20, 21)
symbolisiert. Um trotzdem jederzeit den Umdrehungszähler
auslesen zu können, wird entweder ein zweiter Sensor 11 benötigt,
der um 90° gedreht zum ersten Sensor im magnetischen Umdrehungszähler
positioniert ist, oder der Sensor 11 ist, wie in 12 gezeigt,
bevorzugt mit weiteren Einzelkontakten (17c und 17d)
in den Krümmungen (14b und 14f) versehen.
Diese beiden Lösungen liefern zwei um 180° phasenverschobene Signale.
-
13 zeigt
schematisch die Sensorsignale, wenn der Sensor nach 12 auf
beiden Seiten ausgelesen wird. In 13a)
und 13b) sind Signale der ersten Windung
und in 13c) und 13d)
Signale der zweiten Windung aufgetragen:
- – 13a) zeigt das Spannungssignal des Kontaktes 17c,
bei dem der erstmalige Signalsprung bei 180° erfolgt,
- – 13b) zeigt das dazu
um 180° phasenverschobene Spannungssignal des Kontaktes 17a, bei
dem der erstmalige Signalsprung bei 360° erfolgt,
- – 13c) zeigt das Spannungssignal
des Kontaktes 17d, bei dem der erstmalige Signalsprung bei
540° erfolgt,
- – 13d) zeigt das dazu
um 180° phasenverschobene Spannungssignal des Kontaktes 17b, bei
dem der erstmalige Signalsprung bei 720° erfolgt.
-
Das
Signal vom Kontakt 17d ist gegenüber dem Signal
des Kontaktes 17c ab 540° Magnetfelddrehung phasengleich
und das Signal vom Kontakt 17b ist gegenüber dem
Signal vom Kontakt 17a ab 720° Magnetfelddrehung
phasengleich. Durch die Phasenverschiebung um 180° zwischen
den Spannungssignalen von den linken Kontakten (17a und 17b)
zu den Spannungssignalen von den rechten Kontakten (17c und 17d)
kann dieser Sensor vorteilhaft immer ausgelesen werden, ohne dass
es eines gesonderten zweiten Sensors bedarf.
-
Das
Ausleseprinzip des erfindungsgemäßen Sensors 11 untersucht,
ob ein Schwellwert 19 zwischen Low-level-Zustand und 50%-Level
(median-Level) überschritten wird. Das Low-Level-Signal bedeutet,
dass keine Domänenwand unter dem ausgelesenen Einzelkontakt
hindurch gelaufen ist und damit auch keine Domänenwand
in weiter innen liegenden Windungen vorhanden ist. Das Spannungssignal
dieses Kontaktes darf nur dann nicht ausgelesen werden, wenn die
Magnetfelddrehung sich in einem hysteretischen Winkelbereich 20 befindet,
bei dem das Spannungssignal vom Low-level-Zustand in den M-Level-Zustand
schaltet. Ansonsten darf dieses Spannungsignal immer ausgelesen
werden, auch in den hysteretischen Winkelbereichen 21,
bei denen das Spannungssignal vom M-Level in den High-Level schaltet.
Da sämtliche Spannungswerte zwischen M-Level und H-Level
oberhalb des zu detektierenden Schwellwertes 19 liegen,
ist die relevante Information, dass eine Domänenwand den
betreffenden Einzelkontakt passiert hat immer gegeben. Somit ermöglicht
die Phasenverschiebung der Spannungssignale zwischen linken und
rechten Kontakten im Sensor 11 dass jederzeit die Spannungssignale entweder über
die linken oder über die rechten Einzelkontakte auslesbar
sind. Das heißt, der magnetische Umdrehungszähler
benötigt nur noch einen Sensor 11 mit Einzelkontakten
links und rechts, anstelle von zwei Sensoren 11 mit Einzelkontakten
entweder links oder rechts im Sensor 11 oder mit zwei Sensoren 1 nach
der ersten erfindungsgemäßen Ausführung.
-
Ein
weiterer Vorteil dieser zweiten erfindungsgemäßen
Ausführung ist, dass die 180°-Domänenwand
alle 90° Magnetfelddrehung in den nächsten Streifen
läuft. Hierdurch wird die beim realen Sensor intrinsisch
vorhandene Hysterese schmaler, als bei dem Sensor nach der ersten
erfindungsgemäßen Ausführung. Bei dieser
Lösung läuft die magnetische Domänenwand
nur für alle 180° Magnetfelddrehung in den benachbarten
Streifen, so dass die Hysterese bei gleichem Magnetfeld größer
ist. Als Folge kann von dem theoretisch nutzbaren Arbeitsfenster
Hmin bis Hmax, in
dem der Sensor fehlerfrei zählt, bei der zweiten erfindungsgemäßen
Ausführung die obere Hälfte und bei der ersten
Ausführung nur das obere Drittel genutzt werden. Hmin bezeichnet das Magnetfeld, bei dem die
Domänenwände fehlerfrei durch die Spirale transportiert
werden, d. h. nicht an Defekten ungewollt gepinnt werden. Hmax ist das Magnetfeld, bei dem gerade noch
nicht unkontrolliert im Streifen eine magnetische Domänenwand
gebildet wird.
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In 14 ist
eine Ausführung des Sensors dargestellt, bei dem die Einzelkontakte 37a und 37b so
ausgebildet sind, dass die langen geraden Stege dazwischen für
alle Teile der Spirale die gleiche Länge aufweisen.
-
Dies
hat den Vorteil, dass die Strombelastung bei allen Zweigen identisch
ist. 14 ist dabei selbstredend und bedarf deshalb keiner
weiteren Erläuterung.
-
Eine
weitere erfindungsgemäße, in 15 dargestellte
Ausführung sieht vor, dass die vorstehend beschriebene
Raute innerhalb einer Windung mindestens einen von 90° abweichenden
Winkel aufweist. Bevorzugte Ausgestaltungen sehen symmetrische Rauten
mit alternierend stumpfen und spitzen Winkeln vor, z. B. 25°/155°/25°/155°.
Die bevorzugte Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen
Lösung sieht vor, dass die Referenzrichtung 38 entlang
der langen Seite der Raute verläuft und die Einzelkontakte
an den stumpfen Winkeln positioniert sind. Hierdurch wird der GMR-Effekt
besser ausgenutzt als bei der zweiten Lösung (90% des GMR-Hubes
stehen bei einem spitzen Winkel von 25° zur Verfügung
anstelle von 71% bei einem Winkel von 90°). Durch den Winkelunterschied
zwischen spitzen und stumpfen Winkel in der Raute, wird eine „geometrische
Hysterese” in das Sensorsignal eingebaut, die der Differenz
der beiden Winkel entspricht. Der Sensor in 15 weist
die Besonderheit auf, dass auch die Kontakte 36a und 36b der 14 jetzt
für jede Schleife einzeln ausgeführt sind. Damit
hat der Anwender die Möglichkeit, als gemeinsame Elektroden entweder
die Elektroden bei 36a und 36b oder 37a oder 37b auszugestalten.
Dies führt nicht zu einer prinzipiell anderen Charakteristik
und kann auch bei der in 14 dargestellten
Lösung zur Anwendung kommen.
-
Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung, wie sie in 16 dargestellt
ist, sieht vor, dass zusätzlich zum Sensor ein oder mehrere
vom Rest der Spirale separierte einzelne Streifen 39a und 39b vorgesehen
sind, die im Beispiel jeweils parallel zum Streifen 33a und 33b und/oder 33c und 33d positioniert
sind. Diese Streifen können mangels Verbindung zum Domänenwandgenerator 32 nicht
ummagnetisiert werden, d. h. die Magnetisierung der Sensorschicht
in diesen Streifen weist immer in die gleiche Richtung. Dadurch
weist der Mittelkontakt den Potentialabfall von 50% auf, wenn er
an seinen Enden mit dem Potential beaufschlagt wird, wie der Sensor 1 oder 11 in
den vorhergehenden Beispielen. Dieses Signal kann als Referenzsignal
bei der Messung der Potentialabfälle in den einzelnen Windungen
des Sensors dienen.
-
Weitere
erfindungsgemäße Lösungen sehen vor,
dass anstelle des in 6 gezeigten Sensors eine Variante
verwendet wird, bei der auf beiden Seiten der Spirale Einzelkontakte
in allen Krümmungen vorgesehen sind. Dieser Sensor liefert ähnlich
wie bei der zweiten erfindungsgemäßen Lösung
mit beidseitigen Einzelkontakten zwei um 180° phasenverschobene
Signale. Diese Signale sind nützlich, wenn man statt eines
360°-Winkelsensors einen 180°-Winkelsensor verwenden
will.
-
Alle
in der Beschreibung, den speziellen Ausführungsbeispielen,
der Patentansprüche und/oder Zeichnungen erkennbaren Merkmale
können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination
miteinander erfindungswesentlich sein.
-
- 1,
11, 31
- Magnetischer
Umdrehungszähler
- 2,
32
- Domänenwandgenerator
- 3a,
3b, 3c, 3d
- langgestreckte
Streifensegmente einer ersten Ausführungsform
- 4a,
4b, 4c, 4d
- Krümmungssegmente einer
ersten Ausführungsform
- 5a,
5b, 5c, 5d
- Domänenwände
- 6a,
6b, 16a, 16b, 36a, 36
- bmehrere
gestreckte Streifenabschnitte erfassende Kontakte
- 7a,
7b, 17a, 17b, 37a, 37b
- Einzelkontakte
- 8,
18, 38
- eingeprägte
Referenzrichtung im GMR-Sensor
- 10,
10a, 20, 21
- Hysteresebereiche
- 13a
bis 13i
- gerade
Streifensegmente in einer zweiten Ausführungsform
- 14a
bis 14h
- Krümmungen
- 33a
bis 33d
- gleichlang
ausgeführte Streifensegmente
- 39a
bis 39
- dnicht
ummagnetisierbare Streifenabschnitte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1740909
B1 [0002, 0002, 0002, 0002, 0003, 0003, 0003, 0011, 0011, 0013, 0034, 0044]