DE102013217281B4

DE102013217281B4 - Umdrehungszähler und Verfahren zum Betreiben eines Umdrehungszählers

Info

Publication number: DE102013217281B4
Application number: DE102013217281.8A
Authority: DE
Inventors: Christopher Pohl
Original assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: DE102013217281A1

Abstract

Umdrehungszähler (900)mit einer magnetisch anisotropen Schicht (100),wobei an einer Oberfläche (101) der magnetisch anisotropen Schicht (100) eine ringförmige erste Führungsstruktur (920, 300, 400) zur Führung in der magnetisch anisotropen Schicht (100) ausgebildeter magnetischer Blasendomänen (325) angeordnet ist,wobei die erste Führungsstruktur (400) von einer magnetischen Blasendomäne (325) während einer festgelegten ersten Anzahl von Umdrehungen eines rotierenden magnetischen Feldes (120) umlaufbar ist,wobei der Umdrehungszähler (900) ein erstes Sensorelement (330) aufweist, das ausgebildet ist, ein Vorhandensein einer magnetischen Blasendomäne (325) an einer ersten Position (401) der ersten Führungsstruktur (400) zu detektieren,wobei der Umdrehungszähler (900) eine erste ergänzende Führungsstruktur (500) aufweist, die drehsymmetrisch zu der ersten Führungsstruktur (400) ausgebildet ist, wobei die erste ergänzende Führungsstruktur (500) um einen Winkel (510) gegen die erste Führungsstruktur (400) gedreht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umdrehungszähler gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Umdrehungszählers gemäß Patentanspruch 19.
Umdrehungszähler zur Zählung von Umdrehungen drehbar gelagerter Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Umdrehungszähler werden beispielsweise zur Zählung von Umdrehungen elektrischer Antriebe eingesetzt. Es sind auf Hall-Sonden basierende magnetische Umdrehungszähler bekannt, die Drehungen eines Magnetfelds mittels einer Hall-Sonde detektieren. Ein Nachteil solcher Umdrehungszähler besteht darin, dass eine Anzahl bereits vollendeter Umdrehungen nicht ohne äußere Energiezufuhr in dem Umdrehungszähler gespeichert werden kann. Dadurch geht eine Information über eine Anzahl bereits vollendeter Umdrehungen beispielsweise bei einem Ausfall einer Energieversorgung verloren. Gleichsam sind Umdrehungszähler bekannt, die über eine Getriebeanordnung sicherstellen, dass eine begrenzte Anzahl von Umdrehungen auch über den Ausfall einer Energieversorgung hinaus gezählt wird. Dabei wird das Getriebe so ausgelegt, dass die Position der einzelnen Komponenten Aufschluss über die Gesamtzahl der durchlaufenen Umdrehungen gibt. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass typischerweise nur bis zu 4096 Umdrehungen gezählt werden können, und dass die Lösung durch Getriebe und die benötigte Auswerteelektronik teuer ist. Es ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem durch eine dauerhafte Konstantstromversorgung, etwa durch eine Batterie, die Anzahl der Umdrehungen auch über einen Ausfall der Energieversorgung hinaus gezählt werden können.
Aus der DE 693 12 340 T2 ist eine Drehzähleranordnung mit einer magnetischen Blasenmikroschaltung bekannt. Diese Drehzähleranordnung nutzt eine Verschiebung magnetischer Blasendomänen zur Zählung von Umdrehungen. Zum Auslesen des Detektors wird ein internes Drehmagnetfeld erzeugt, um magnetische Blasendomänen aufeinander folgender Domänenpositionen zu einer Detektorstruktur der Drehzähleranordnung zu führen.
Aus dem Artikel „Revolution Counter Using Magnetic Bubble Device For Multi-turn Absolute Encoder“ von F. Kohsaka at al.. Sensors and Actuators, A21-A23 (1999), S. 803 - 806, ist ein Umdrehungszähler mit einer Magnetblaseneinrichtung bekannt. Zum Auslesen des Umdrehungszählers werden die Magnetblasen ebenfalls mittels eines Drehfeldes propagiert und mit einem magnetoresistiven Sensor detektiert.
Die Druckschrift DE4306487A1 offenbart eine Magnetblaseneinrichtung zur Detektion einer Drehbewegung einer drehenden Welle. Zum Auslesen der Magnetblaseneinrichtung wird eine Magnetblase mittels eines sich drehenden Magnetfeldes zu einem Magnetwiderstandselement verschoben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Umdrehungszähler bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Umdrehungszähler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Umdrehungszählers anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Ein Umdrehungszähler umfasst eine magnetisch anisotrope Schicht, an deren Oberfläche eine ringförmige erste Führungsstruktur zur Führung in der magnetisch anisotropen Schicht ausgebildeter magnetischer Blasendomänen angeordnet ist. Die erste Führungsstruktur ist von einer magnetischen Blasendomäne während einer festgelegten ersten Anzahl von Umdrehungen eines rotierenden magnetischen Feldes umlaufbar. Der Umdrehungszähler weist ein erstes Sensorelement auf, das ausgebildet ist, ein Vorhandensein einer magnetischen Blasendomäne an einer ersten Position der Führungsstruktur zu detektieren. Vorteilhafterweise wird bei diesem Umdrehungszähler eine Anzahl bereits erfolgter Umdrehungen eines rotierenden magnetischen Feldes in einer Position einer magnetischen Blasendomäne gespeichert. Dadurch ist der Umdrehungszähler energieautark und benötigt zur Zählung von Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes keine Energieversorgung. Eine Anzahl bereits erfolgter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes bleibt auch bei Ausfall einer Energieversorgung in dem Umdrehungszähler gespeichert, weitere Umdrehungen werden auch ohne externe Energieversorgung gezählt.
Der Umdrehungszähler weist eine erste ergänzende Führungsstruktur auf, die drehsymmetrisch zu der ersten Führungsstruktur ausgebildet ist. Dabei ist die erste ergänzende Führungsstruktur um einen Winkel gegen die erste Führungsstruktur gedreht. Vorteilhafterweise wird dadurch sichergestellt, dass in einem Fall, in dem sich eine magnetische Blasendomäne an der ersten Führungsstruktur in einer nicht eindeutig detektierbaren Zwischenposition befindet, eine weitere magnetische Blasendomäne sich an der ersten ergänzenden Führungsstruktur in einer eindeutig detektierbaren Position befindet. Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass der Umdrehungszähler zu jedem Zeitpunkt auslesbar ist und stets ein exaktes und eindeutiges Ergebnis zu liefern vermag.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers beträgt der Winkel 180°. Vorteilhafterweise lassen sich die erste Führungsstruktur und die erste ergänzende Führungsstruktur dadurch besonders einfach und Platz sparend anordnen. Durch die um 180° gegeneinander gedrehte Anordnung der ersten Führungsstruktur und der ersten ergänzenden Führungsstruktur ist sichergestellt, dass sich magnetische Blasendomänen zu keinem Zeitpunkt sowohl in der ersten Führungsstruktur als auch in der ersten ergänzenden Führungsstruktur an nicht eindeutig detektierbaren Zwischenpositionen befinden.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers ist die erste ergänzende Führungsstruktur an der Oberfläche der magnetisch anisotropen Schicht angeordnet. Vorteilhafterweise benötigt der Umdrehungszähler dadurch nur eine magnetisch anisotrope Schicht, auf der sowohl die erste Führungsstruktur als auch die erste ergänzende Führungsstruktur angeordnet sind. Dadurch kann der Umdrehungszähler vorteilhafterweise besonders kompakt ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers weist dieser zumindest ein weiteres Sensorelement auf, das ausgebildet ist, ein Vorhandensein einer magnetischen Blasendomäne an zumindest einer weiteren Position der ersten Führungsstruktur zu detektieren. Vorteilhafterweise können dadurch magnetische Blasendomänen an mindestens zwei unterschiedlichen Positionen der ersten Führungsstruktur des Umdrehungszählers detektiert werden. Hierdurch vereinfacht sich vorteilhafterweise ein Auslesen des Umdrehungszählers.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers ist die eine weitere Position so von der ersten Position beabstandet, dass eine magnetische Blasendomäne während einer vollständigen Umdrehung des rotierenden magnetischen Feldes von der ersten Position zur weiteren Position gelangen kann. Vorteilhafterweise ermöglicht der Umdrehungszähler dadurch eine vereinfachte Feststellung, an welchen Positionen der ersten Führungsstruktur sich magnetische Blasendomänen befinden. Dadurch vereinfacht sich vorteilhafterweise ein Auslesen des Umdrehungszählers.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers weist dieser fünf Sensorelemente auf, die ausgebildet sind, ein Vorhandensein einer magnetischen Blasendomäne an fünf Positionen der ersten Führungsstruktur zu detektieren. Dabei sind die fünf Positionen so angeordnet, dass die fünf Positionen während fünf aufeinander folgender vollständiger Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes sequenziell durch eine magnetische Blasendomäne durchlaufbar sind. Dadurch ist es bei diesem Umdrehungszähler möglich, an fünf aufeinander folgenden Positionen der ersten Führungsstruktur ein Vorliegen magnetischer Blasendomänen festzustellen. Befindet sich an der ersten Führungsstruktur des Umdrehungszählers eine geeignete Sequenz magnetischer Blasendomänen in Umlauf, so ermöglichen die fünf Sensorelemente damit zu jedem Zeitpunkt eine vollständige Erfassung der Positionen aller magnetischer Blasendomänen. Dabei kann die erste Anzahl von Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes, innerhalb der die erste Führungsstruktur von einer magnetischen Blasendomäne umlaufbar ist, einen Wert von bis zu 32 annehmen. Eine geeignete Sequenz magnetischer Blasendomänen kann beispielsweise in einer de-Bruijn-Folge bestehen.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers umfasst das erste Sensorelement einen magnetoresistiven Widerstand. Dann ändert sich ein elektrischer Widerstand des ersten Sensorelements bei Anwesenheit einer magnetischen Blasendomäne an der ersten Position der ersten Führungsstruktur, was eine Detektion der magnetischen Blasendomäne ermöglicht.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers umfasst das erste Sensorelement eine Serienschaltung einer Mehrzahl magnetoresistiver Widerstände. Dadurch ändert sich ein elektrischer Widerstand des ersten Sensorelements in Abhängigkeit von der Anwesenheit einer magnetischen Blasendomäne an der ersten Position der ersten Führungsstruktur vorteilhafterweise um einen besonders großen Wert, wodurch eine zuverlässige Detektion der magnetischen Blasendomäne ermöglicht wird.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers umfasst das erste Sensorelement einen GMR-Widerstand oder einen TMR-Widerstand. Vorteilhafterweise ändert sich ein elektrischer Widerstand des ersten Sensorelements dadurch in Abhängigkeit von der Anwesenheit einer magnetischen Blasendomäne an der ersten Position der ersten Führungsstruktur besonders markant, wodurch eine Detektion der magnetischen Blasendomäne besonders einfach möglich ist.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers ist die magnetisch anisotrope Schicht als Granatschicht ausgebildet. Vorteilhafterweise lassen sich in der magnetisch anisotropen Schicht dadurch auf einfache Weise magnetische Blasendomänen erzeugen.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers ist die magnetisch anisotrope Schicht an einer Oberseite eines eine integrierte Schaltung aufweisenden Substrats angeordnet. Die magnetisch anisotrope Schicht kann dabei beispielsweise epitaktisch auf die Oberseite des die integrierte Schaltung aufweisenden Substrats aufgewachsen sein. Alternativ kann die magnetisch anisotrope Schicht auch auf die Oberseite des die integrierte Schaltung aufweisenden Substrats aufgeklebt oder auf andere Weise an der Oberfläche des Substrats angeordnet sein. Vorteilhafterweise weist der Umdrehungszähler dadurch eine besonders kompakte Bauform auf.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers ist die magnetisch anisotrope Schicht epitaktisch auf die Oberseite des Substrats aufgewachsen. Vorteilhafterweise kann die magnetisch anisotrope Schicht dadurch besonders homogen und dünn ausgebildet sein. Außerdem ergibt sich dadurch ein besonders direkter Kontakt zwischen der Oberseite des Substrats und der magnetisch anisotropen Schicht.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers ist das erste Sensorelement in das Substrat integriert. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine kompakte Bauform des Umdrehungszählers, in der das erste Sensorelement unmittelbar an die magnetisch anisotrope Schicht angrenzt und dadurch in der magnetisch anisotropen Schicht ausgebildete magnetische Blasendomänen zuverlässig detektieren kann.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers weist dieser eine zweite Führungsstruktur auf. Dabei kann die zweite Führungsstruktur von einer magnetischen Blasendomäne in einer festgelegten zweiten Anzahl von Umdrehungen eines rotierenden magnetischen Feldes umlaufen werden. Vorteilhafterweise eignet sich dadurch auch die zweite Führungsstruktur des Umdrehungszählers zur Beobachtung von Umdrehungen eines rotierenden magnetischen Feldes sowie zur energieautarken Speicherung einer bereits vollendeten Zahl von Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes. Unterscheidet sich die erste Anzahl von Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes, innerhalb der die erste Führungsstruktur von einer magnetischen Blasendomäne umlaufbar ist, von der zweiten Anzahl von Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes, innerhalb der die zweite Führungsstruktur von einer magnetischen Blasendomäne umlaufbar ist, so können die erste Führungsstruktur und die zweite Führungsstruktur des Umdrehungszählers gemeinsam eine Anzahl bereits vollendeter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes eindeutig unterscheidbar speichern, die größer als die erste Anzahl und/oder die zweite Anzahl ist.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers weisen die erste Anzahl von Umdrehungen und die zweite Anzahl von Umdrehungen keinen gemeinsamen Teiler größer als 1 auf. Vorteilhafterweise können die erste Führungsstruktur und die zweite Führungsstruktur des Umdrehungszählers dadurch gemeinsam eine Anzahl von Umdrehungen zählen, die dem Produkt der ersten Anzahl und der zweiten Anzahl entspricht, bevor es zu einem Überlauf des Umdrehungszählers kommt.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers umfasst dieser einen Kompass. Vorteilhafterweise erlaubt der Kompass des Umdrehungszählers eine Detektion einer momentanen Orientierung eines rotierenden magnetischen Feldes. Dies ermöglicht es beispielsweise, unter der ersten Führungsstruktur und der ersten ergänzenden Führungsstruktur jene auszuwählen, bei der sich eine oder mehrere magnetische Blasendomänen an eindeutig detektierbaren Positionen befinden.
In einer Ausführungsform des Umdrehungszählers umfasst der Kompass eine an der Oberfläche der magnetisch anisotropen Schicht angeordnete Führungsscheibe, die von einer magnetischen Blasendomäne während einer Umdrehung eines rotierenden magnetischen Feldes umlaufbar ist. Dabei umfasst der Kompass eine Mehrzahl von Sensorelementen, die dazu ausgebildet sind, eine Position einer magnetischen Blasendomäne in Umfangsrichtung der Führungsscheibe zu erfassen. Ein solcher Kompass, der zur Erfassung einer Orientierung eines rotierenden magnetischen Feldes magnetische Blasendomänen nutzt, kann vorteilhafterweise eng mit der ersten Führungsstruktur integriert werden. Dies ermöglicht eine kompakte Ausbildung und eine kostengünstige Herstellung des Umdrehungszählers.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Umdrehungszählers umfasst dieser eine ringförmige erste Führungsstruktur zur Führung magnetischer Blasendomänen, wobei die erste Führungsstruktur eine Mehrzahl von Positionen aufweist, die so angeordnet sind, dass eine magnetische Blasendomäne während einer vollständigen Umdrehung eines rotierenden magnetischen Feldes von einer Position zu einer unmittelbar nachfolgenden Position gelangen kann. Das Verfahren weist dabei Schritte auf zum Prüfen eines Vorhandenseins magnetischer Blasendomänen an einer Mehrzahl der Positionen der ersten Führungsstruktur, um ein erstes Blasenpositionsmuster zu erhalten, und zum Ermitteln einer Anzahl erfolgter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes aus dem ersten Blasenpositionsmuster. Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren eine Bestimmung der Anzahl erfolgter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes, ohne dass ein aktives Mitzählen der erfolgten Umdrehungen erforderlich ist. Die Anzahl bereits erfolgter Umdrehungen wird vielmehr automatisch durch die magnetischen Blasendomänen gezählt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Umdrehungszähler eine erste ergänzende Führungsstruktur auf, die drehsymmetrisch zu der ersten Führungsstruktur ausgebildet ist. Dabei ist die erste ergänzende Führungsstruktur um einen Winkel gegen die erste Führungsstruktur gedreht. Es werden, falls eine Prüfung des Vorhandenseins magnetischer Blasendomänen an der Mehrzahl der Positionen der ersten Führungsstruktur nicht möglich ist, weitere Schritte durchgeführt zum Prüfen eines Vorhandenseins magnetischer Blasendomänen an einer Mehrzahl von Positionen der ersten ergänzenden Führungsstruktur, um ein zweites Blasenpositionsmuster zu erhalten, und zum Ermitteln der Anzahl erfolgter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes aus dem zweiten Blasenpositionsmuster. Vorteilhafterweise kann die Anzahl erfolgter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes durch dieses Verfahren auch dann ermittelt werden, wenn sich magnetische Blasendomänen an der ersten Führungsstruktur an nicht eindeutig detektierbaren Zwischenpositionen befinden. In diesem Fall befinden sich magnetische Blasendomänen an der ersten ergänzenden Führungsstruktur an eindeutig detektierbaren Positionen, was durch den Winkel zwischen der ersten Führungsstruktur und der ersten ergänzenden Führungsstruktur sichergestellt ist. Dadurch ermöglicht das Verfahren vorteilhafterweise eine zuverlässige Bestimmung der Anzahl erfolgter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes zu jedem beliebigen Zeitpunkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen in jeweils schematischer Darstellung:

1 eine Aufsicht auf eine Magnetblasenanordnung;
2 eine geschnittene Darstellung der Magnetblasenanordnung;
3 eine Darstellung eines sich in der Magnetblasenanordnung einstellenden effektiven senkrechten Magnetfelds;
4 eine Aufsicht auf eine siebenzählige Führungsstruktur für magnetische Blasendomänen;
5 eine Darstellung eines Führungselements und eines Sensorelements für magnetische Blasendomänen;
6 eine Detailansicht des Sensorelements;
7 eine Aufsicht auf vier Führungsstrukturen für magnetische Blasendomänen;
8 eine Aufsicht auf einen Kompass; und
9 eine geschnittene Darstellung eines Umdrehungszählers.

1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Magnetblasenanordnung 50. 2 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht der Magnetblasenanordnung 50.
Die Magnetblasenanordnung 50 umfasst eine magnetisch anisotrope Schicht 100. Die magnetisch anisotrope Schicht weist eine Oberfläche 101 und eine der Oberfläche 101 gegenüberliegende Unterseite 102 auf. Die Oberfläche 101 und die Unterseite 102 der magnetisch anisotropen Schicht 100 erstrecken sich in einer durch eine x-Richtung 10 und eine y-Richtung 20 aufgespannten Ebene. Eine z-Richtung 30 ist senkrecht zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 orientiert.
Magnetisch anisotrope Materialien besitzen aufgrund ihrer Kristallstruktur eine magnetische Vorzugsrichtung. Magnetisch anisotrope Materialien lassen sich im Wesentlichen nur entlang dieser magnetischen Vorzugsrichtung magnetisieren. Diese Anisotropie liegt in der Gitterstruktur des Materials begründet, wo sich einige atomare magnetische Momente gegenseitig aufheben, andere aufgrund der Gitterstruktur nur in einer Raumrichtung auftreten können. Bekannte magnetisch anisotrope Materialien sind beispielsweise Seltene-Erden-Granate und Orthoferrite.
Die magnetisch anisotrope Schicht 100 der Magnetblasenanordnung 50 weist eine dünne Schicht eines magnetisch anisotropen Materials auf, beispielsweise eine dünne Granatschicht. Die magnetische Vorzugsrichtung ist senkrecht zur Schichtebene orientiert, also in z-Richtung 30. In der magnetisch anisotropen Schicht 100 können sich abgegrenzte magnetische Domänen ausbilden, die in lateraler Richtung, also in x-Richtung 10 und y-Richtung 20, mäanderförmig verlaufen.
Wird an die magnetisch anisotrope Schicht 100 ein externes Ausrichtungs-Magnetfeld 110 in die magnetische Vorzugsrichtung, also in z-Richtung 30, angelegt, so wachsen die Domänen mit in Richtung des Ausrichtungs-Magnetfelds 110 orientierter Magnetisierung auf Kosten der Domänen mit entgegen des Ausrichtungs-Magnetfelds 110 orientierter Magnetisierung. Durch verschiedene Methoden, beispielsweise durch Anlegen magnetischer Pulse in Richtung des Ausrichtungs-Magnetfelds 110, lassen sich aus den Domänen mit entgegen dem Ausrichtungs-Magnetfeld 110 orientierter Magnetisierung stabile magnetische Blasendomänen erzeugen. Solche magnetischen Blasendomänen werden auch als Magnetblasen bezeichnet.
In der magnetisch anisotropen Schicht 100 erzeugte magnetische Blasendomänen sind in der Ebene der magnetisch anisotropen Schicht 100, also in x-Richtung 10 und in y-Richtung 20, verschiebbar. Ist das Ausrichtungs-Magnetfeld 110 in der Ebene der magnetisch anisotropen Schicht 100 nicht konstant, so bewegen sich die magnetischen Blasendomänen in Richtung der geringeren Feldstärke des Ausrichtungs-Magnetfelds 110. Ein zur Ebene der magnetisch anisotropen Schicht 100 paralleles Magnetfeld 120 hat dagegen in erster Ordnung keinen Einfluss auf in der magnetisch anisotropen Schicht 100 gebildete magnetische Blasendomänen.
An der Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 der Magnetblasenanordnung 50 ist eine ferromagnetische Struktur 200 angeordnet. Die ferromagnetische Struktur 200 ist in x-Richtung 10 ausgedehnt und weist eine erste Außenkante 201 und eine der ersten Außenkante 201 in x-Richtung 10 gegenüberliegende zweite Außenkante 202 auf.
Wird das zur Ebene der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallele Magnetfeld 120 angelegt, so bildet sich in der ferromagnetischen Struktur 200 eine Magnetisierung 210 heraus, die eine lokale Veränderung der magnetischen Flussdichte bewirkt.
Insbesondere bilden sich durch die lokale Veränderung der magnetischen Flussdichte an den Rändern der ferromagnetischen Struktur 200 in z-Richtung 30 orientiert Magnetfeldkomponenten aus. Ist das parallele Magnetfeld 120 beispielsweise in x-Richtung 10 orientiert, so bilden sich im Bereich der ersten Außenkante 201 und im Bereich der zweiten Außenkante 202 der ferromagnetischen Struktur 200 in z-Richtung 30 orientierte Magnetfeldkomponenten aus.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines aus der Überlagerung zwischen dem Ausrichtungs-Magnetfeld 110 und dem durch die ferromagnetische Struktur 200 (1 und 2) veränderten parallelen Magnetfeld 120 entstehenden effektiven senkrechten Magnetfelds 130. Das effektive senkrechte Magnetfeld 130 ist in z-Richtung 30 orientiert. Im Bereich der ersten Außenkante 201 ist das effektive senkrechte Magnetfeld 130 gegenüber der Größe des Ausrichtungs-Magnetfelds 110 erhöht. Im Bereich der zweiten Außenkante 202 der ferromagnetischen Struktur 200 ist das effektive senkrechte Magnetfeld 130 gegenüber der Größe des Ausrichtungs-Magnetfelds 110 erniedrigt.
Eine unterhalb der ferromagnetischen Struktur 200 in der magnetisch anisotropen Schicht 100 ausgebildete magnetische Blasendomäne bewegt sich unter dem Einfluss des in 3 skizzierten effektiven senkrechten Magnetfelds 130 in x-Richtung 10 zur zweiten Außenkante 202 der ferromagnetischen Struktur 200.
4 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine siebenzählige Führungsstruktur 300. Die siebenzählige Führungsstruktur 300 stellt eine Weiterbildung der Magnetblasenanordnung 50 der 1 und 2 dar. Die siebenzählige Führungsstruktur 30 ist an einer Oberfläche 101 einer magnetisch anisotropen Schicht 100 ausgebildet, die der magnetisch anisotropen Schicht 100 der Magnetblasenanordnung 50 aus 1 entspricht.
Die siebenzählige Führungsstruktur 300 umfasst eine Mehrzahl von Führungselementen 310. Die Führungselemente 310 sind durch ferromagnetische Strukturen gebildet, deren Funktionsweise der der ferromagnetischen Struktur 200 der Magnetblasenanordnung 50 gemäß 1 entspricht. Die Führungselemente 310 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 sind so angeordnet, dass sie eine ringförmig geschlossene Führungsbahn 320 bilden.
Die Führungselemente 310 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 umfassen gewinkelte Führungselemente 311 und lineare Führungselemente 312. Die gewinkelten Führungselemente 311 sind jeweils V-förmig mit zueinander senkrechten Schenkeln ausgebildet, die parallel zur x-Richtung 10 und y-Richtung 20 orientiert sind. Dabei sind die Spitzen der V-förmigen gewinkelten Führungselemente 311 zur Mitte der ringförmig geschlossenen Führungsbahn 320 hin orientiert. Die linearen Führungselemente 312 sind T-förmig ausgebildet. Dabei sind die Querbalken der T-förmigen linearen Führungselemente 312 jeweils dem Zentrum der ringförmig geschlossenen Führungsbahn 320 zugewandt und parallel zur x-Richtung 10 bzw. y-Richtung 20 orientiert.
Insgesamt umfassen die Führungselemente 310 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 vier gewinkelte Führungselemente 311 und vier lineare Führungselemente 312. Entlang der Führungsbahn 320 folgen gewinkelte Führungselemente 311 und lineare Führungselemente 312 jeweils abwechselnd aufeinander. Die durch die gewinkelten Führungselemente 311 und die Querbalken der T-förmigen linearen Führungselemente 312 gebildete Führungsbahn 320 folgt somit der Außenkontur eines Kreuzes.
Ein parallel zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 orientiertes Magnetfeld 120 bewirkt im Bereich der Führungselemente 310 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 eine lokale Variation eines senkrecht zur Ebene der magnetisch anisotropen Schicht 100, also in z-Richtung 30, orientierten Ausrichtungs-Magnetfelds 110, die eine Verschiebung einer in der magnetisch anisotropen Schicht 100 angeordneten magnetischen Blasendomäne 325 bewirken kann. Rotiert das zur magnetisch anisotropen Schicht 100 parallele Magnetfeld 120 um eine in z-Richtung 30 orientierte Achse, so wandert die in der magnetisch anisotropen Schicht 100 angeordnete magnetische Blasendomäne 325 entlang der durch die siebenzählige Führungsstruktur 300 gebildeten Führungsbahn 320. Dabei kann die magnetische Blasendomäne 325 die Führungsbahn 320 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 innerhalb von sieben vollständigen Umdrehungen des um eine zur z-Richtung 30 parallele Achse rotierenden parallelen Magnetfelds 120 vollständig umlaufen.
Die siebenzählige Führungsstruktur 300 kann auch mehr als eine magnetische Blasendomäne 325 gleichzeitig entlang der Führungsbahn 320 führen. Die einzelnen magnetischen Blasendomänen 325 folgen einander dabei entlang der Führungsbahn 320. Dabei können die magnetischen Blasendomänen 325 beispielsweise so voneinander beabstandet sein, dass eine Position einer vorauslaufenden magnetischen Blasendomäne 325 nach einer vollständigen Umdrehung des rotierenden parallelen Magnetfelds 120 durch eine nachfolgende magnetische Blasendomäne 325 eingenommen wird.
Die siebenzählige Führungsstruktur 300 umfasst mehrere Sensorelemente 330, die dazu ausgebildet sind, eine Anwesenheit einer magnetischen Blasendomäne 325 im Bereich des jeweiligen Sensorelements 330 zu detektieren. Im dargestellten Beispiel weist die siebenzählige Führungsstruktur 300 vier Sensorelemente 330 auf, die im Bereich der vier gewinkelten Führungselemente 311 angeordnet sind.
5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils der magnetisch anisotropen Schicht 100, eines gewinkelten Führungselements 311 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 und eines Sensorelements 330 der siebenzähligen Führungsstruktur 300. Das gewinkelte Führungselement 311 ist an der Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 angeordnet. Das Sensorelement 330 ist ebenfalls an der Oberseite 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 angeordnet. Es wäre alternativ allerdings auch möglich, das Sensorelement 330 an der Unterseite 102 der magnetisch anisotropen Schicht 100 anzuordnen.
Das Sensorelement 330 ist, wie das gewinkelte Führungselement 311, V-förmig ausgebildet. Die beiden Schenkel des V-förmigen Sensorelements 330 erstrecken sich in z-Richtung 30 parallel zu den Schenkeln des gewinkelten Führungselements 311.
Das Sensorelement 330 ist dazu ausgebildet, eine Anwesenheit einer magnetischen Blasendomäne 325 in der magnetisch anisotropen Schicht 100 im Bereich des gewinkelten Führungselements 311 zu detektieren. Hierzu kann das Sensorelement 330 einen magnetoresistiven Widerstand umfassen. Der magnetoresistive Widerstand weist einen elektrischen Widerstand auf, der sich abhängig davon ändert, ob eine magnetische Blasendomäne 325 im Bereich des gewinkelten Führungselements 311 in der magnetisch anisotropen Schicht 100 vorhanden ist.
6 zeigt eine schematische vergrößerte Darstellung einer möglichen Ausführung des Sensorelements 330. In der beispielhaften Ausführung der 6 umfasst das Sensorelement 330 eine Mehrzahl magnetoresistiver Widerstände 340, die in einer Serienschaltung angeordnet sind. Die einzelnen magnetoresistiven Widerstände 340 sind dabei hintereinander entlang des durch das gewinkelte Führungselement 311 gebildeten Abschnitts der in 4 dargestellten Führungsbahn 320 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 angeordnet.
Die magnetoresistiven Widerstände 340 sind als GMR-Widerstände (Giant Magneto Resistance Effect) ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, die magnetoresistiven Widerstände 340 als TMR-Widerstände (Tunnel Magneto Resistance Effect) oder als andere magnetoresistive Widerstände auszubilden. Die als GMR-Widerstände ausgebildeten magnetoresistiven Widerstände 340 weisen jeweils eine Schicht eines ersten Materials 341, eine Schicht eines zweiten Materials 342 und eine Schicht eines dritten Materials 343 auf, die in z-Richtung 30 aufeinander folgen. Das erste Material 341 und das dritte Material 343 sind ferromagnetische Materialien. Das zweite Material 342 ist ein nichtmagnetisches Material. Die Schichten der Materialien 341, 342, 343 erstrecken sich bandförmig entlang des V-förmigen Sensorelements 330. Die einzelnen magnetoresistiven Widerstände 340 des Sensorelements 330 sind durch mäanderförmig aufeinanderfolgende Abschnitte des bandförmigen Schichtstapels gebildet.
Die Sensorelemente 330 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 der 4 weisen zusätzlich jeweils in 4 nicht genauer dargestellte Auswertschaltungen auf, die dazu ausgebildet sind, die elektrischen Widerstände der magnetoresistiven Widerstände 340 der Sensorelemente 330 zu ermitteln, um die Anwesenheit einer magnetischen Blasendomäne 325 im Bereich des jeweiligen Sensorelements 330 zu detektieren.
Die siebenzählige Führungsstruktur 300 der 4 lässt sich durch Hinzunahme weiterer Führungselemente zu Führungsstrukturen mit längeren Führungsbahnen erweitern. 7 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung mit einer ersten Führungsstruktur 400, einer ersten ergänzenden Führungsstruktur 500, einer zweiten Führungsstruktur 600 und einer zweiten ergänzenden Führungsstruktur 700. Die Führungsstrukturen 400, 500, 600, 700 sind nebeneinander an der Oberfläche 101 einer magnetisch anisotropen Schicht 100 angeordnet.
Die erste Führungsstruktur 400 und die zweite Führungsstruktur 600 sind jeweils durch Hinzunahme weiterer gewinkelter Führungselemente 310, 311 aus der siebenzähligen Führungsstruktur 300 der 4 gebildet. Die erste Führungsstruktur 400 ist dabei gegenüber der siebenzähligen Führungsstruktur 300 um acht gewinkelte Führungselemente 311 ergänzt worden. Die zweite Führungsstruktur 600 ist gegenüber der siebenzähligen Führungsstruktur 300 um sechs gewinkelte Führungselemente 311 ergänzt worden. Die zusätzlichen gewinkelten Führungselemente 311 sind jeweils an zwei einander gegenüberliegenden Außenkanten der Führungsstrukturen 400, 600 eingefügt worden. Somit folgen bei der ersten Führungsstruktur 400 aufeinander ein lineares Führungselement 312, fünf gewinkelte Führungselemente 311, ein lineares Führungselement 312, ein gewinkeltes Führungselement 311, ein lineares Führungselement 312, fünf gewinkelte Führungselemente 311, ein lineares Führungselement 312 und ein gewinkeltes Führungselement 311. Hieran schließt sich wiederum das erste lineare Führungselement 312 an. Bei der zweiten Führungsstruktur 600 folgen aufeinander ein lineares Führungselement 312, vier gewinkelte Führungselemente 311, ein lineares Führungselement 312, ein gewinkeltes Führungselement 311, ein lineares Führungselement 312, vier gewinkelte Führungselemente 311, ein lineares Führungselement 312 und ein gewinkeltes Führungselement 311, an das sich wiederum das erste lineare Führungselement 312 anschließt. Es ist jedoch auch möglich, die zusätzlichen gewinkelten Führungselemente 311 bei der ersten Führungsstruktur 400 und bei der zweiten Führungsstruktur 600 an anderen Positionen einzufügen.
Jedes zusätzliche gewinkelte Führungselement 311 der ersten Führungsstruktur 400 und der zweiten Führungsstruktur 600 erhöht die Anzahl der Umdrehungen eines zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallelen Magnetfelds 120, die erforderlich sind, um eine magnetische Blasendomäne einmal vollständig um die durch die jeweilige Führungsstruktur 400, 600 gebildete Führungsbahn 320 herum zu bewegen, um den Wert 1. Somit weist die Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 eine Bahnperiode von 15 und die Führungsbahn 320 der zweiten Führungsstruktur 600 eine Bahnperiode von 13 auf. Durch Veränderung der Anzahl der gewinkelten Führungselemente 311 können weitere Führungsstrukturen mit Führungsbahnen mit anderer Bahnperiode gebildet werden.
Befinden sich auf der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 eine oder mehrere magnetische Blasendomänen 325 im Umlauf, so erreichen diese magnetischen Blasendomänen 325 nach 15 vollständigen Umdrehungen des zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallelen Magnetfelds 120 wieder ihre Ausgangspositionen. Im Verlauf der 15 vollständigen Umdrehungen des zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallelen Magnetfelds 120 gibt die Position der einen oder mehreren magnetischen Blasendomänen 325 auf der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 eindeutige Auskunft über die Anzahl der bereits erfolgten Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120.
Befinden sich auf der Führungsbahn 320 der zweiten Führungsstruktur 600 eine oder mehrere magnetische Blasendomänen 325 in Umlauf, so erreichen diese magnetischen Blasendomänen 325 nach 13 vollständigen Umdrehungen des zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallelen Magnetfelds 120 wieder ihre Ausgangspositionen. Während der 13 Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 gibt die momentane Position der einen oder mehreren magnetischen Blasendomänen 325 auf der Führungsbahn 320 der zweiten Führungsstruktur 600 eindeutige Auskunft über die Anzahl der bereits vollendeten Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120.
Da die magnetischen Blasendomänen 325 auf der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 nach 15 Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 wieder ihre Ausgangspositionen erreichen und die magnetischen Blasendomänen 325 auf der Führungsbahn 320 der zweiten Führungsstruktur 600 nach 13 Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 wieder ihre Ausgangspositionen erreichen, erreichen die magnetischen Blasendomänen 325 auf den Führungsbahnen 320 beider Führungsstrukturen 400, 600 gleichzeitig ihre Ausgangspositionen erst wieder nach 13 x 15 = 195 Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120. Während dieser 195 Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 lässt sich aus einer Kenntnis der Positionen der magnetischen Blasendomänen 325 auf den Führungsbahnen 320 der ersten Führungsstruktur 400 und der zweiten Führungsstruktur 600 stets eindeutig auf die Anzahl der bereits erfolgten Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 rückschließen.
Allgemein gesprochen erreichen magnetische Blasendomänen 325 auf Führungsbahnen 320 mehrerer Führungsstrukturen 400, 600 erst nach einer Anzahl von Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 wieder gleichzeitig ihre Ausgangspositionen, die dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Bahnperioden der Führungsbahnen 320 der Führungsstrukturen 400, 600 entspricht. Das kleinste gemeinsame Vielfache der Bahnperioden weist einen besonders großen Wert auf, wenn die Bahnperioden keine gemeinsamen Teiler größer als 1 aufweisen. Mit sechs Führungsstrukturen mit Führungsbahnen 320 mit den Bahnperioden 5, 7, 8, 9, 11 und 13 ließen sich daher beispielsweise 360360 Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 zählen, bevor sich die magnetischen Blasendomänen 325 auf den Führungsbahnen 320 aller Führungsstrukturen wieder gleichzeitig an ihren Ausgangspositionen befinden.
Zur Ermittlung einer Anzahl von Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 wäre es möglich, auf den Führungsbahnen 320 jeder der Führungsstrukturen 400, 600 jeweils eine magnetische Blasendomäne 325 umlaufen zu lassen. In diesem Fall müsste jede Führungsstruktur 400, 600 mit einer Anzahl von Sensorelementen 330 ausgestattet werden, die der Bahnperiode der Führungsbahn 320 der jeweiligen Führungsstruktur 400, 600 entspricht. Damit könnten die Positionen der magnetischen Blasendomänen 325 auf den Führungsbahnen 320 der Führungsstrukturen 400, 600 zu jedem Zeitpunkt ermittelt und dadurch die Anzahl der bereits erfolgten Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 berechnet werden. Die erste Führungsstruktur 400 müsste hierzu beispielsweise mit 15 Sensorelementen 330, die zweite Führungsstruktur 600 mit 13 Sensorelementen 330 ausgestattet werden.
Um eine Reduzierung der Anzahl der benötigten Sensorelemente 330 zu erreichen, können auf den Führungsbahnen 320 der Führungsstrukturen 400, 600 jeweils mehr als eine magnetische Blasendomäne 325 gleichzeitig in Umlauf gebracht werden. Die Führungsbahnen 320 werden hierzu in einzelne Positionen unterteilt, deren Anzahl der Bahnperiode der jeweiligen Führungsbahn 320 entspricht. Eine auf der Führungsbahn 320 umlaufende magnetische Blasendomäne 325 gelangt dann während einer vollständigen Umdrehung des zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallelen Magnetfelds 120 von einer Position zur nächsten nachfolgenden Position. Werden auf die einzelne Positionen einer Führungsbahn 320 einer Führungsstruktur 400, 600 magnetische Blasendomänen 325 in Form einer De-Bruijn-Folge der Ordnung n verteilt, so sind zur eindeutigen Feststellung der Positionen aller magnetischer Blasendomänen 325 auf der Führungsbahn 320 der Führungsstruktur 400, 600 lediglich n Sensorelemente 330 an n aufeinander folgenden Positionen der Führungsbahn 320 der Führungsstruktur 400, 600 erforderlich. Eine De-Bruijn-Folge der Ordnung n kann dabei für Führungsbahnen 320 mit Bahnperioden von bis zu 2ⁿ genutzt werden.
Die erste Führungsstruktur 400 der 7 weist eine Sensorstruktur 410 mit fünf Sensorelementen 330 auf, die an einer ersten Position 401, einer zweiten Position 402, einer dritten Position 403, einer vierten Position 404 und einer fünften Position 405 der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 angeordnet sind. Die fünf Positionen 401, 402, 403, 404, 405 folgen dabei an der Führungsbahn 320 derart aufeinander, dass eine magnetische Blasendomäne 325 während einer vollständigen Umdrehung des zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallelen Magnetfelds 120 von einer Position 401, 402, 403, 404 zur jeweils nachfolgenden Position 402, 403, 404, 405 gelangen kann. Die fünf Sensorelemente 330 an den fünf Positionen 401, 402, 403, 404, 405 ermöglichen eine eindeutige Feststellung der Position einer De-Bruijn-Folge von magnetischen Blasendomänen 325 auf der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400.
Zusätzlich umfasst die Sensorstruktur 410 der ersten Führungsstruktur 400 ein weiteres Sensorelement 330 an einer weiteren Position 406, die von den übrigen fünf Positionen 401, 402, 403, 404, 405 bevorzugt durch zusätzliche zwischenliegende Positionen beabstandet ist. Das weitere Sensorelement 330 an der weiteren Position 406 kann zur redundanten Kontrolle der von den Sensorelementen 330 an den Positionen 401, 402, 403, 404, 405 gelieferten Ergebnisse und zur Fehlererkennung dienen. Das weitere Sensorelement 330 an der weiteren Position 406 kann aber auch entfallen.
Die Sensorstruktur 410 der ersten Führungsstruktur 400 umfasst zusätzlich zu den Sensorelementen 330 ein Referenzelement 420, das wie die Sensorelemente 330 ausgebildet ist. Das Referenzelement 420 ist von der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 beabstandet angeordnet. Im Bereich des Referenzelements 420 kann auch ein zusätzliches weiteres gewinkeltes Führungselement 311 angeordnet sein. Am Ort des Referenzelements 420 befinden sich zu keinem Zeitpunkt magnetische Blasendomänen. Das Referenzelement 420 ermöglicht dadurch eine differenzielle Auswertung der Sensorelemente 330 der Sensorstruktur 410 der ersten Führungsstruktur 400.
Die Sensorstruktur 410 der ersten Führungsstruktur 400 weist eine Spannungsquelle 411 auf, die dazu vorgesehen ist, eine elektrische Spannung über die Sensorelemente 330 und das Referenzelement 420 anzulegen. Mittels einer nicht genauer dargestellten Auswertschaltung der Sensorstruktur 410 werden durch die Sensorelemente 330 und das Referenzelement 420 fließende elektrische Ströme ermittelt, um die elektrischen Widerstände der Sensorelemente 330 zu vergleichen. Die Auswertschaltung kann dabei beispielsweise einen Differenzverstärker umfassen. Da die Auswertung der einzelnen Sensorelemente 330 der Sensorstruktur 410 in sehr kurzer Zeit erfolgen kann, ist es möglich, die einzelnen Sensorelemente 330 der Sensorstruktur 410 zeitlich nacheinander auszuwerten. Zu diesem Zweck kann die Sensorstruktur 410 einen Multiplexer 412 umfassen.
Aus den ermittelten elektrischen Widerständen der Sensorelemente 330 der Sensorstruktur 410 kann jeweils geschlossen werden, ob sich an der jeweiligen Position 401, 402, 403, 404, 405 der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 eine magnetische Blasendomäne 325 befindet. Aus den Informationen über ein Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer magnetischen Blasendomäne 325 an den fünf Positionen 401, 402, 403, 404, 405 der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 ergibt sich eindeutig die Position der De-Bruijn-Folge auf der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400.
Die zweite Führungsstruktur 600 weist eine Sensorstruktur 410 auf, die wie die Sensorstruktur 410 der ersten Führungsstruktur 400 ausgebildet ist. Damit ist auch bei der zweiten Sensorstruktur 600 eine eindeutige Ermittlung einer Position einer auf der Führungsbahn 320 der zweiten Sensorstruktur 600 umlaufenden De-Bruijn-Folge von magnetischen Blasendomänen 325 möglich.
Zu manchen Zeitpunkten während einer Drehung des zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallelen Magnetfelds 120 befinden sich magnetische Blasendomänen 325 auf der Führungsbahn 320 der ersten Führungsstruktur 400 zwischen den mit Sensorelementen 330 ausgestatteten Positionen 401, 402, 403, 404, 405 der Führungsbahn 320. Dies gilt entsprechend auch für auf der Führungsbahn 320 der zweiten Führungsstruktur 600 umlaufende magnetische Blasendomänen 325. Zu diesen Zeitpunkten ist eine eindeutige Bestimmung der Positionen der magnetischen Blasendomänen 325 nicht möglich.
Um eine Ermittlung einer Anzahl bereits erfolgter Umdrehungen des parallelen Magnetfelds 120 auch zu diesen Zeitpunkten zu ermöglichen, sind bei der in 7 dargestellten Anordnung zusätzlich zu der ersten Führungsstruktur 400 und der zweiten Führungsstruktur 600 die erste ergänzende Führungsstruktur 500 und die zweite ergänzende Führungsstruktur 700 vorgesehen. Die erste ergänzende Führungsstruktur 500 ist drehsymmetrisch zur ersten Führungsstruktur 400 ausgebildet und um einen Winkel 510 um eine zur z-Richtung 30 parallele Achse gegen die erste Führungsstruktur 400 gedreht. Die zweite ergänzende Führungsstruktur 700 ist drehsymmetrisch zur zweiten Führungsstruktur 600 ausgebildet und um einen Winkel 710 um eine zur z-Richtung 30 parallele Achse gegen die zweite Führungsstruktur 600 gedreht.
Die Winkel 510, 710 sind so gewählt, dass sich zu Zeitpunkten, zu denen die Positionen von auf den Führungsbahnen 320 der ersten Führungsstruktur 400 bzw. der zweiten Führungsstruktur 600 umlaufender magnetischer Blasendomänen 325 nicht eindeutig feststellen lassen, die Positionen auf den Führungsbahnen 320 der ersten ergänzenden Führungsstruktur 500 bzw. der zweiten ergänzenden Führungsstruktur 700 umlaufender magnetischer Blasendomänen 325 eindeutig festgestellt werden können. Somit kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt zumindest für die erste Führungsstruktur 400 oder die erste ergänzende Führungsstruktur 500 sowie zumindest für die zweite Führungsstruktur 600 oder die zweite ergänzende Führungsstruktur 700 die Position einer auf der jeweiligen Führungsbahn 320 umlaufenden De-Bruijn-Folge von magnetischen Blasendomänen 325 eindeutig bestimmt werden. Im in 7 gezeigten Beispiel betragen der Winkel 510 und der Winkel 710 jeweils 180°. Die Winkel 510, 710 könnten aber auch anders gewählt sein.
Eine Feststellung, ob zur Bestimmung einer Anzahl bereits erfolgter Umdrehungen des rotierenden parallelen Magnetfelds 120 die erste Führungsstruktur 400 oder die erste ergänzende Führungsstruktur 500 sowie die zweite Führungsstruktur 600 oder die zweite ergänzende Führungsstruktur 700 ausgelesen werden sollte, kann auf Grundlage einer versuchsweisen Auslesung der ersten Führungsstruktur 400 und der zweiten Führungsstruktur 600 mittels der Sensorstrukturen 410 erfolgen. Im Fall sich zwischen den Positionen 401, 402, 403, 404, 405 befindlicher magnetischer Blasendomänen 325 liefern die an diesen Positionen 401, 402, 403, 404, 405 angeordneten Sensorelemente 330 der Sensorstruktur 410 der ersten Führungsstruktur 400 beispielsweise Messwerte, die zwischen den Messwerten liegen, die zu erwarten sind, falls sich magnetische Blasendomänen 325 an den jeweiligen Positionen 401, 402, 403, 404, 405 befinden, und jenen Messwerten, die zu erwarten sind, falls sich keine magnetische Blasendomänen 325 an den jeweiligen Positionen 401, 402, 403, 404, 405 befinden. Werden entsprechende Zwischenwerte gemessen, so kann daraus geschlossen werden, dass zur Ermittlung der Anzahl der Umdrehungen des rotierenden parallelen Magnetfelds 120 die erste ergänzende Führungsstruktur 500 bzw. die zweite ergänzende Führungsstruktur 700 ausgelesen werden müssen. Bei einer rein differentiellen Auswertung kann das Vorliegen einer Zwischenposition dadurch erkannt werden, dass eine Folge erkannt wird, die nicht im de-Bruijn-Zyklus auftritt. Andernfalls wird die Anzahl der Umdrehungen des rotierenden parallelen Magnetfelds 120 auf Grundlage der Messung an der ersten Führungsstruktur 400 oder der zweiten Führungsstruktur 600 bestimmt.
Eine Entscheidung zwischen einem Auslesen der ersten Führungsstruktur 400 oder der ersten ergänzenden Führungsstruktur 500 sowie einem Auslesen der zweiten Führungsstruktur 600 oder einem Auslesen der zweiten ergänzenden Führungsstruktur 700 kann aber auch auf Grundlage einer momentanen Orientierung des rotierenden parallelen Magnetfelds 120 getroffen werden. Zur Bestimmung der momentanen Orientierung des parallelen Magnetfelds 120 kann an der Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 ein Kompass angeordnet werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplarischen Kompasses 800, der an der Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 ausgebildet ist. Der Kompass 800 ist als Blasenkompass ausgebildet und nutzt eine umlaufende magnetische Blasendomäne 325 zur Bestimmung der Orientierung des parallelen Magnetfelds 120.
Der Kompass 800 umfasst eine Führungsscheibe 810 aus ferromagnetischem Material. Die Führungsscheibe 810 ist als Kreisscheibe ausgebildet und an der Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 angeordnet. Eine am Rand der Führungsscheibe 810 in der magnetisch anisotropen Schicht 100 befindliche magnetische Blasendomäne 325 läuft unter dem Einfluss einer Drehung des zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 parallelen Magnetfelds 120 um die zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 senkrechte z-Richtung 30 um die Führungsscheibe 810 herum. Dabei umrundet die magnetische Blasendomäne 325 die Führungsscheibe 810 bei einer vollständigen Drehung des parallelen Magnetfelds 120 genau einmal.
Der Kompass 800 umfasst ferner eine Anzahl von Sensorelementen 820, die in Umfangsrichtung um die Führungsscheibe 810 herum angeordnet sind. Die Sensorelemente 820 können wie die Sensorelemente 330 der siebenzähligen Führungsstruktur 300 der 4 ausgebildet und an der Unterseite 102 der magnetisch anisotropen Schicht 100 angeordnet sein. Alternativ können die Sensorelemente 820 an der Oberseite 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 radial außen um die Führungsscheibe 810 herum angeordnet sein. Im in 8 gezeigten Beispiel weist der Kompass 800 acht Sensorelemente 820 auf, die jeweils einen Bereich von 45° der Führungsscheibe 810 abdecken. Der Kompass 800 könnte jedoch auch mehr oder weniger als acht Sensorelemente 820 umfassen. Die Sensorelemente 820 könnten auch einander überlappende Winkelbereiche abdecken. Die Sensorelemente eignen sich jeweils dazu, festzustellen, ob sich eine um die Führungsscheibe 810 umlaufende magnetische Blasendomäne 325 im Bereich des jeweiligen Sensorelements 820 befindet. Dadurch ermöglicht der Kompass 800 eine Ermittlung einer momentanen Orientierung des rotierenden parallelen Magnetfelds 120.
9 zeigt eine schematische geschnittene Darstellung eines Umdrehungszählers 900. Der Umdrehungszähler 900 eignet sich zur Zählung von Umdrehungen einer Motorwelle und kann beispielsweise in einem elektrischen Antrieb verwendet werden.
Der Umdrehungszähler 900 weist ein Gehäuse 950 auf. Das Gehäuse 950 des Umdrehungszählers 900 kann in der Umgebung einer Motorachse 960 angeordnet werden, deren Umdrehungen gezählt werden sollen. Die Motorachse 960 ist mit einem Diametralmagneten 970 verbunden. Eine Drehung der Motorachse 960 bewirkt eine Drehung eines durch den Diametralmagneten 970 erzeugten Magnetfelds 120 um die Motorachse 960.
Im Gehäuse 950 des Umdrehungszählers 900 ist ein Substrat 910 angeordnet. Das Substrat 910 kann beispielsweise ein Silizium-Substrat sein. An einer Oberseite 911 des Substrats 910 ist eine magnetisch anisotrope Schicht 100 ausgebildet. Die magnetisch anisotrope Schicht 100 kann beispielsweise als Granat-Einkristall ausgebildet sein. Die magnetisch anisotrope Schicht 100 kann an der Oberseite 911 des Substrats 910 epitaktisch aufgewachsen worden sein. Die magnetisch anisotrope Schicht 100 kann jedoch auch getrennt von dem Substrat 910 hergestellt und anschließend an der Oberseite 911 des Substrats 910 befestigt worden sein, beispielsweise durch Aufkleben. Es ist auch möglich, das Substrat 910 auf der magnetisch anisotropen Schicht 100 aufzubauen.
An einer von dem Substrat 910 abgewandten Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 sind eine oder mehrere Führungsstrukturen 920 angeordnet. Die Führungsstrukturen 920 sind zur Führung von in der magnetisch anisotropen Schicht 100 ausgebildeten magnetischen Blasendomänen vorgesehen. Die Führungsstrukturen 920 können beispielsweise wie die erste Führungsstruktur 400, die erste ergänzende Führungsstruktur 500, die zweite Führungsstruktur 600 und die zweite ergänzende Führungsstruktur 700 ausgebildet sein. Bevorzugt umfassen die Führungsstrukturen 920 an der Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 des Umdrehungszählers 900 mehrere Führungsstrukturen mit Führungsbahnen mit unterschiedlichen Bahnperioden, sowie zu den Führungsstrukturen drehsymmetrisch ausgebildete und unter einem Winkel angeordnete ergänzende Führungsstrukturen.
Das Substrat 910 weist eine integrierte Schaltung 912 und an der Oberseite 911 des Substrats 910 ausgebildete Sensorstrukturen 925 auf. Die Sensorstrukturen 925 sind den Führungsstrukturen 920 zugeordnet und können beispielsweise wie die Sensorstruktur 410 der ersten Führungsstruktur 400 der 7 ausgebildet sein. Die Sensorstrukturen 925 dienen zur Ermittlung von Positionen von durch die Führungsstrukturen 920 geführten magnetischen Blasendomänen in der magnetisch anisotropen Schicht 100. Die Sensorstrukturen 925 sind mit der integrierten Schaltung 912 verbunden. Die integrierte Schaltung 912 kann Schaltungsteile zur Auswertung der durch die Sensorstrukturen 925 ermittelten Messwerte umfassen. Die integrierte Schaltung 912 und die Sensorstrukturen 925 können beispielsweise als ASIC ausgebildet sein. Die Sensorstrukturen 925 könnten auch an der Oberseite oder Unterseite der magnetisch anisotropen Schicht 100 aufgebaut sein.
Das Gehäuse 950 des Umdrehungszählers 900 weist eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 951 auf, die aus dem Gehäuse 950 herausführen. Die elektrischen Kontakte 951 sind elektrisch leitend mit der integrierten Schaltung 912 verbunden und dienen dazu, die integrierte Schaltung 912 aus der Umgebung des Gehäuses 950 des Umdrehungszählers 900 elektrisch zu kontaktieren.
Die Führungsstrukturen 920 an der Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 des Umdrehungszählers 900 und die Sensorstrukturen 925 an der Oberseite 911 des Substrats 910 können auch einen Kompass umfassen, der wie der Kompass 800 der 8 ausgebildet ist. Die integrierte Schaltung 912 des Umdrehungszählers 900 kann auch weitere Schaltungsteile und Sensoren, beispielsweise Hall-Sensoren, umfassen.
Der Umdrehungszähler 900 umfasst weiter einen über der Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 angeordneten Haltemagnet 930. Der Haltemagnet 930 ist dazu ausgebildet, ein senkrecht zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 orientiertes Ausrichtungs-Magnetfeld 110 zu erzeugen. Zusätzlich umfasst der Umdrehungszähler 900 einen unter einer der Oberseite 911 gegenüberliegenden Unterseite des Substrats 910 innerhalb des Gehäuses 950 angeordneten Homogenisiermagneten 940, der dazu vorgesehen ist, das durch den Haltemagnet 930 generierte Ausrichtungs-Magnetfeld 110 zu homogenisieren. Anstelle des Homogenisiermagneten 940 könnte auch eine ferromagnetische Schicht vorgesehen sein.
Der an der Motorachse 960 angeordnete Diametralmagnet 970 erzeugt ein zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 paralleles Magnetfeld 120. Wird der Diametralmagnet 970 um die Motorachse 960 gedreht, so rotiert das durch den Diametralmagnet 970 erzeugte parallele Magnetfeld 120 um die zur Oberfläche 101 der magnetisch anisotropen Schicht 100 senkrecht orientierte Motorachse 960. Dadurch bewirken Drehungen des Diametralmagneten 970 eine Bewegung von in der magnetisch anisotropen Schicht 100 ausgebildeten magnetischen Blasendomänen entlang der durch die Führungsstrukturen 920 gebildeten Führungsbahnen. Ein Auslesen der Positionen der magnetischen Blasendomänen auf den Führungsbahnen der Führungsstrukturen 920 mittels der Sensorstrukturen 925 gestattet eine Bestimmung der bereits erfolgten Umdrehungen des Diametralmagneten 970 und somit der Motorachse 960.

Claims

Umdrehungszähler (900) mit einer magnetisch anisotropen Schicht (100), wobei an einer Oberfläche (101) der magnetisch anisotropen Schicht (100) eine ringförmige erste Führungsstruktur (920, 300, 400) zur Führung in der magnetisch anisotropen Schicht (100) ausgebildeter magnetischer Blasendomänen (325) angeordnet ist, wobei die erste Führungsstruktur (400) von einer magnetischen Blasendomäne (325) während einer festgelegten ersten Anzahl von Umdrehungen eines rotierenden magnetischen Feldes (120) umlaufbar ist, wobei der Umdrehungszähler (900) ein erstes Sensorelement (330) aufweist, das ausgebildet ist, ein Vorhandensein einer magnetischen Blasendomäne (325) an einer ersten Position (401) der ersten Führungsstruktur (400) zu detektieren, wobei der Umdrehungszähler (900) eine erste ergänzende Führungsstruktur (500) aufweist, die drehsymmetrisch zu der ersten Führungsstruktur (400) ausgebildet ist, wobei die erste ergänzende Führungsstruktur (500) um einen Winkel (510) gegen die erste Führungsstruktur (400) gedreht ist.
Umdrehungszähler (900) gemäß Anspruch 1, wobei der Winkel (510) 180° beträgt.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die erste ergänzende Führungsstruktur (500) an der Oberfläche (101) der magnetisch anisotropen Schicht (100) angeordnet ist.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umdrehungszähler (900) zumindest ein weiteres Sensorelement (330) aufweist, das ausgebildet ist, ein Vorhandensein einer magnetischen Blasendomäne (325) an zumindest einer weiteren Position (402,403,404,405) der ersten Führungsstruktur (400) zu detektieren.
Umdrehungszähler (900) gemäß Anspruch 4, wobei eine weitere Position (402,403,404,405) so von der ersten Position (401) beabstandet ist, dass eine magnetische Blasendomäne (325) während einer vollständigen Umdrehung des rotierenden magnetischen Feldes (120) von der ersten Position (401) zur weiteren Position (402,403,404,405) gelangen kann.
Umdrehungszähler (900) gemäß Anspruch 5, wobei der Umdrehungszähler (900) fünf Sensorelemente (330) aufweist, die ausgebildet sind, ein Vorhandensein einer magnetischen Blasendomäne (325) an fünf Position (401, 402, 403, 404, 405) der ersten Führungsstruktur (400) zu detektieren, wobei die fünf Positionen (401, 402, 403, 404, 405) so angeordnet sind, dass die fünf Positionen (401, 402, 403, 404, 405) während fünf aufeinanderfolgender vollständiger Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes (120) sequentiell durch eine magnetische Blasendomäne (325) durchlaufbar sind.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Sensorelement (330) einen magnetoresistiven Widerstand (340) umfasst,
Umdrehungszähler (900) gemäß Anspruch 7, wobei das erste Sensorelement (330) eine Serienschaltung einer Mehrzahl magnetoresistiver Widerstände (340) umfasst.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der Ansprüche 7 und 8, wobei das erste Sensorelement (330) einen GMR-Widerstand oder einen TMR-Widerstand umfasst.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetisch anisotrope Schicht (100) als Granatschicht ausgebildet ist.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetisch anisotrope Schicht (100) an einer Oberseite (911) eines eine integrierte Schaltung (912) aufweisenden Substrats (910) angeordnet ist.
(900) gemäß Anspruch 11, wobei die die erste Führungsstruktur (400) aufweisende Oberfläche (101) der magnetisch anisotropen Schicht (100) von dem Substrat (910) abgewandt ist.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der Ansprüche 11 und 12, wobei die magnetisch anisotrope Schicht (100) epitaktisch auf die Oberseite (911) des Substrats (910) aufgewachsen ist.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das erste Sensorelement (330) in das Substrat (910) integriert ist.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umdrehungszähler (900) eine zweite Führungsstruktur (600) aufweist, wobei die zweite Führungsstruktur (600) von einer magnetischen Blasendomäne (325) in einer festgelegten zweiten Anzahl von Umdrehungen eines rotierenden magnetischen Feldes (120) umlaufen werden kann.
Umdrehungszähler (900) gemäß Anspruch 15, wobei die festgelegte erste Anzahl von Umdrehungen und die festgelegte zweite Anzahl von Umdrehungen keinen gemeinsamen Teiler größer als 1 aufweisen.
Umdrehungszähler (900) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umdrehungszähler (900) einen Kompass (800) umfasst.
Umdrehungszähler (900) gemäß Anspruch 17, wobei der Kompass (800) eine an der Oberfläche (101) der magnetisch anisotropen Schicht (100) angeordnete Führungsscheibe (810) umfasst, die von einer magnetischen Blasendomäne (325) während einer Umdrehung eines rotierenden magnetischen Feldes (120) umlaufbar ist, wobei der Kompass (800) eine Mehrzahl von Sensorelementen (820) umfasst, die dazu ausgebildet sind, eine Position einer magnetischen Blasendomäne (325) in Umfangsrichtung der Führungsscheibe (810) zu erfassen.
Verfahren zum Betreiben eines Umdrehungszählers (900) mit einer ringförmigen ersten Führungsstruktur (920, 300, 400) zur Führung magnetischer Blasendomänen (325), wobei die erste Führungsstruktur (920, 300, 400) eine Mehrzahl von Positionen (401, 402, 403, 404, 405) aufweist, die so angeordnet sind, dass eine magnetische Blasendomäne (325) während einer vollständigen Umdrehungen eines rotierenden magnetischen Feldes (120) von einer Position (401, 402, 403, 404) zu einer unmittelbar nachfolgenden Position (402, 403, 404, 405) gelangen kann, wobei der Umdrehungszähler (900) eine erste ergänzende Führungsstruktur (500) aufweist, die drehsymmetrisch zu der ersten Führungsstruktur (400) ausgebildet ist, wobei die erste ergänzende Führungsstruktur (500) um einen Winkel (510) gegen die erste Führungsstruktur (400) gedreht ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Prüfen eines Vorhandenseins magnetischer Blasendomänen (325) an einer Mehrzahl der Positionen (401, 402, 403, 404, 405) der ersten Führungsstruktur (920, 300, 400), um ein erstes Blasenpositionsmuster zu erhalten; - Ermitteln einer Anzahl erfolgter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes (120) aus dem ersten Blasenpositionsmuster, wobei die folgenden weiteren Schritte durchgeführt werden, falls eine Prüfung des Vorhandenseins magnetischer Blasendomänen (325) an der Mehrzahl der Positionen (401, 402, 403, 404, 405) der ersten Führungsstruktur (400) nicht möglich ist: - Prüfen eines Vorhandenseins magnetischer Blasendomänen (325) an einer Mehrzahl von Positionen (401, 402, 403, 404, 405) der ersten ergänzenden Führungsstruktur (500), um ein zweites Blasenpositionsmuster zu erhalten; - Ermitteln der Anzahl erfolgter Umdrehungen des rotierenden magnetischen Feldes (120) aus dem zweiten Blasenpositionsmuster.