DE102016009005A1

DE102016009005A1 - Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102016009005A1
Application number: DE102016009005.7A
Authority: DE
Inventors: Helmut Koeck; Tobias Werth; Robert Hermann; Frank Heinrichs; Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN106405443B; CN106405443A

Abstract

Es wird ein Bias-Magnetfeldsensor offenbart. In einer Ausführungsform umfasst ein Bias-Magnetfeldsensor eine Magnetfeldsensorbaugruppe, die einen Magnetkörper aufweist, der nur an einer einzigen Seite der Sensorbaugruppe angebracht ist, wobei der Magnetkörper dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld bereitzustellen, und wobei die Sensorbaugruppe dazu ausgelegt ist, eine Modulation des Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen.

Description

Diese Anmeldung ist eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung Nr. 14/812907 mit dem Titel ”Magnetic Field Sensor”, die am 29.07.2015 eingereicht wurde, die eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung Nr. 14/290 780 mit dem Titel ”Magnetic-Field Sensor” ist, die am 29.05.2014 eingereicht wurde, die eine Ausscheidung der US-Patentanmeldung Nr. 12/130 678 mit dem Titel ”Magnetic-Field Sensor” ist, die am 30.05.2008 eingereicht wurde und das Prioritätsrecht der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2007 025 000.4 beansprucht, die am 30.05.2007 eingereicht wurde, wobei alle diese Anmeldungen hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Magnetfeldsensor, der einen Magneten umfasst, der auch als Back-Bias-Magnet bezeichnet wird.
HINTERGRUND
In vielen Bereichen der Technik werden Magnetfeldsensoren beispielsweise eingesetzt, um Bewegungen von Objekten zu detektieren. In einigen Anwendungen wird ein Magnetfeld, das auf den Magnetfeldsensor wirkt, durch die Bewegung der jeweiligen Objekte so beeinflusst, dass Schlussfolgerungen hinsichtlich der Bewegung des Objektes auf der Grundlage der Änderung des Magnetfelds, das durch den Magnetfeldsensor detektiert wird, gezogen werden können.
Beispiele finden sich unter anderem im Bereich von Automobilanwendungen, wobei beispielsweise die Bewegung der Räder im Rahmen einer ABS-Anwendung (ABS = Antiblockiersystem) überwacht wird, beispielsweise unter Verwendung jeweiliger Magnetfeldsensoren. Weitere Anwendungen im Bereich der Automobiltechnik umfassen das Beobachten oder Überwachen der Bewegung von Kurbelwellen, Nockenwellen und anderen Wellen im Bereich von Kraftfahrzeugen.
In Abhängigkeit von der spezifischen Implementierung der jeweiligen Magnetfeldsensoren umfassen sie sogenannte Back-Bias-Magneten, die in einer festen Anordnung in Bezug auf die tatsächlichen Magnetsensorelemente des Magnetfeldsensors angeordnet sind. Bei solch einem Magnetfeldsensor kann das Magnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor selbst detektiert wird, somit zumindest teilweise durch den Back-Bias-Magnet verursacht sein. Das Objekt, dessen Bewegung beispielsweise über den Magnetfeldsensor überwacht werden soll, beeinflusst und/oder ergänzt möglicherweise durch eigene Magneten oder magnetische Komponenten das Gesamtmagnetfeld, das dann durch den Magnetfeldsensor detektiert wird.
In Abhängigkeit von der Technik, die im Zusammenhang mit den tatsächlichen Magnetfeldsensorelementen eingesetzt wird, weisen die Back-Bias-Magneten, die häufig als Permanentmagnete implementiert sind, andere Anforderungen auf. Dies kann unter anderem dadurch berücksichtigt werden, dass einige Magnetfeldsensorelement-Technologien für unterschiedliche magnetische Feldkomponenten empfindlich sind, unterschiedliche Reaktionen auf Magnetfelder zeigen und unterschiedliche Magnetfeldgrenzen, die spezifisch für den jeweiligen Typ sind, umfassen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform eines Magnetfeldsensors umfasst eine Magnetfeldsensoranordnung und einen Magnetkörper, der eine nicht-konvexe Querschnittsfläche in Bezug auf eine Querschnittsebene, die durch den Magnetkörper verläuft, aufweist, wobei der Magnetkörper eine inhomogene Magnetisierung aufweist.
Eine weitere Ausführungsform eines Magnetfeldsensors umfasst eine Magnetfeldsensoranordnung, einen ersten Magnetkörper, der eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist, und einen zweiten Magnetkörper, der eine zweite Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei sich die erste und zweite Magnetisierungsrichtung voneinander unterscheiden.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Magnetfeldsensors umfasst ein Bereitstellen eines Magnetkörpers, der eine nicht-konvexe Querschnittsfläche in Bezug auf eine Querschnittsebene, die durch den Magnetkörper läuft, umfasst, wobei der Magnetkörper eine inhomogene Magnetisierung aufweist, ein erster und ein zweiter Raumbereich in Bezug auf den Magnetkörper vorhanden sind, so dass in dem ersten Raumbereich eine magnetische Flussdichte, die durch den Magnetkörper verursacht wird, in einem ersten Flussdichtebereich in Bezug auf eine vorbestimmte Raumrichtung liegt, und so dass in dem zweiten Raumbereich eine magnetische Flussdichte durch den Magnetkörper in Bezug auf die vorbestimmte Raumrichtung verursacht wird, die innerhalb einer zweiten Flussdichtebereichs liegt, und Anordnen einer Magnetfeldsensoranordnung, die ein erstes und ein zweites Magnetfeldsensorelement umfasst, derart, dass das erste Magnetfeldsensorelement in dem ersten Raumbereich angeordnet ist und das zweite Magnetfeldsensorelement in dem zweiten Raumbereich angeordnet ist.
Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Magnetfeldsensors umfasst ein Bereitstellen eines ersten Magnetkörpers, der eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist, und eines zweiten Magnetkörpers, der eine zweite Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei sich die erste und die zweite Magnetisierungsrichtung unterscheiden, ein erster Raumbereich und ein zweiter Raumbereich in Bezug auf den ersten Magnetkörper und den zweiten Magnetkörper vorhanden sind, so dass in dem ersten Raumbereich eine magnetische Flussdichte durch den ersten Magnetkörper und den zweiten Magnetkörper in Bezug auf eine vorbestimmte Raumrichtung verursacht wird, wobei die magnetische Flussdichte innerhalb eines ersten Flussdichtebereichs liegt, und so dass in dem zweiten Raumbereich eine magnetische Flussdichte durch den ersten Magnetkörper und den zweiten Magnetkörper in Bezug auf eine vorbestimmte Raumrichtung verursacht wird, wobei die magnetische Flussdichte innerhalb eines zweiten Flussdichtebereichs liegt, und ein Bereitstellen einer Magnetfeldsensoranordnung, die ein erstes und ein zweites Magnetfeldsensorelement umfasst, derart, dass das erste Magnetfeldsensorelement in dem ersten Raumbereich angeordnet ist und das zweite Magnetfeldsensorelement in dem zweiten Raumbereich angeordnet ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Bias-Magnetfeldsensor eine Magnetfeldsensorbaugruppe mit einem Magnetkörper, der nur an einer einzigen Seite der Sensorbaugruppe angebracht ist, wobei der Magnetkörper dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld bereitzustellen, und wobei die Sensorbaugruppe dazu ausgelegt ist, eine Modulation des Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen.
Gemäß noch weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Bias-Magnetfeldsensor eine Magnetfeldsensorbaugruppe, die ein Erfassungselement umfasst, das dazu ausgelegt ist, eine Modulation eines Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen, und einen an die Sensorbaugruppe angebrachten Magnetkörper, der dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld bereitzustellen, wobei das Erfassungselement in einem Bereich angeordnet ist, in dem eine z-Komponente des Magnetfelds unter 20 Millitesla liegt, wobei eine x-Komponente des Magnetfelds über 20 Millitesla liegt und wobei die z-Komponente des Magnetfelds im Wesentlichen parallel zu einer Richtung zwischen dem Erfassungselement und dem Geberobjekt ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Bias-Magnetfeldsensor einen Magnetkörper, der dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld bereitzustellen, und eine Magnetfeldsensorbaugruppe, die dazu ausgelegt ist, eine Modulation des Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen, wobei der Magnetkörper an einer Seite der Sensorbaugruppe angebracht ist und wobei kein zusätzlicher Magnetkörper an irgendeiner anderen Seite der Sensorgruppe angebracht ist.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung umfasst die Sensorbaugruppe ein Erfassungselement.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung ist das Erfassungselement ein oben gelesenes Erfassungselement.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung umfasst die Sensorbaugruppe nur ein einzelnes Sensorelement.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung ist der Magnetkörper ein Kubus oder ein Quader.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung umfasst der Magnetkörper einen Ausschnitt und der Ausschnitt ist direkt benachbart zu der Sensorbaugruppe angeordnet.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung umfasst die Sensorbaugruppe eine erste Seitenfläche nahe dem Geberobjekt und eine zweite Seitenfläche entfernt von dem Geberobjekt. Der Magnetkörper umfasst eine erste Seitenfläche nahe dem Geberobjekt und eine zweite Seitenfläche entfernt von dem Geberobjekt. Die erste Seitenfläche der Sensorbaugruppe und die erste Seitenfläche des Magnetkörpers sind versetzt zueinander und die zweite Seitenfläche der Sensorbaugruppe und die zweite Seitenfläche des Magnetkörpers sind versetzt zueinander.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenlegung umfasst die Sensorbaugruppe eine erste Seitenfläche nahe dem Geberobjekt und eine zweite Seitenfläche entfernt von dem Geberobjekt. Die erste und der zweite Seitenfläche sind durch eine dritte und eine vierte Seitenfläche der Sensorbaugruppe verbunden. Der Magnetkörper umfasst eine erste Seitenfläche nahe dem Geberobjekt und eine zweite Seitenfläche entfernt von dem Geberobjekt. Die erste und der zweite Seitenfläche sind durch eine dritte Seitenfläche auf einer Seite des Magnetkörpers und durch eine vierte Seitenfläche und eine fünfte Seitenfläche auf einer anderen Seite des Magnetkörpers verbunden. Die fünfte Seitenfläche des Magnetkörpers weist einen ersten Winkel in Bezug auf die zweiten Seitenfläche des Magnetkörpers und einen zweiten Winkel in Bezug auf die vierte Seitenfläche des Magnetkörpers auf. Der erste und der zweite Winkel sind von 90 Grad verschieden und die vierte Seitenfläche des Magnetkörpers ist an der Sensorbaugruppe angebracht, während es die fünfte Seitenfläche des Magnetkörpers nicht ist.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenlegung sind die erste Seitenfläche der Sensorbaugruppe und die erste Seitenfläche des Magnetkörpers in derselben Ebene angeordnet.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenlegung ist der Bias-Magnetfeldsensor ein Bias-Magnetfeldsensor mit verdrehungsunabhängiger Montage.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenlegung verkapselt eine Abdeckung die Sensorbaugruppe und den Magnetkörper.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenlegung umfasst ein Bias-Magnetfeldsensor eine Magnetfeldsensorbaugruppe und einen Magnetkörper. Die Magnetfeldsensorbaugruppe umfasst ein Erfassungselement, das dazu ausgelegt ist, eine Modulation eines Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen. Der Magnetkörper ist dazu ausgelegt, das Magnetfeld bereitzustellen, und ist an der Sensorbaugruppe angebracht. Das Erfassungselement ist in einem Bereich platziert, in dem eine z-Komponente des Magnetfelds unter 20 Millitesla liegt und eine x-Komponente des Magnetfelds über 20 Millitesla liegt und die z-Komponente des Magnetfelds im Wesentlichen parallel zu einer Richtung zwischen dem Sensorelement und dem Geberelement ist.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung liegt eine y-Komponente des Magnetfelds über 20 Millitesla.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung liegt die z-Komponente des Magnetfelds unter 10 Millitesla und die x-Komponente und die y-Komponente des Magnetfelds liegen jeweils über 50 Millitesla.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung ist der Magnetkörper an der Sensorbaugruppe an nur einer Seite der Sensorbaugruppe befestigt.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung umfasst die Sensorbaugruppe nur ein einzelnes Erfassungselement.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung umfasst ein Bias-Magnetfeldsensor einen Magnetkörper und eine Magnetfeldsensorbaugruppe. Der Magnetkörper ist dazu ausgelegt, ein Magnetfeld bereitzustellen. Die Magnetfeldsensorbaugruppe ist dazu ausgelegt, eine Modulation des Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen. Der Magnetkörper ist auf einer Seite der Sensorbaugruppe angebracht und kein zusätzlicher Magnetkörper ist auf irgendeiner anderen Seite der Sensorbaugruppe angebracht.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung umfasst die Sensorbaugruppe ein einzelnes Erfassungselement.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung ist das Sensorelement ein oben gelesenes Sensorelement.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung ist der Magnetkörper ein Kubus oder ein Quader.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen erklärt, wobei:
1A eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Magnetfeldsensors zeigt;
1B eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Magnetfeldsensors zeigt;
2 eine schematische Darstellung einer möglichen beispielhaften Verwendung einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors zeigt;
3A und 3B Querschnittsansichten von weiteren Ausführungsformen von Magnetfeldsensoren zeigen;
4 ein Ergebnis einer numerischen Simulation einer sich ergebenden Magnetflussdichte in dem Fall einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors und eines zugehörigen Back-Bias-Magneten zeigt;
5 eine Repräsentation einer x-Komponente der Magnetflussdichte in dem Fall des in 4 gezeigten Back-Bias-Magneten zeigt;
6A und 6B Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen von Magnetfeldsensoren zeigen;
7 ein Ergebnis einer numerischen Simulation einer sich ergebenden Magnetflussdichte für eine Ausführungsform eines Magnetfeldsensors oder eines zugehörigen Back-Bias-Magneten zeigt;
8 eine Kurve von x-Komponenten der Magnetflussdichte für die in 7 gezeigte numerische Simulation zeigt;
9 eine vergrößerte Repräsentation der in 8 gezeigten Kurven zeigt;
10A und 10B Querschnittsansichten von weiteren Ausführungsformen von Magnetfeldsensoren zeigen;
11 ein Ergebnis einer numerischen Simulation in Bezug auf eine Magnetflussdichte einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors zeigt;
12A und 12B verschiedene Kurven von x-Komponenten der Magnetflussdichte für die in 11 gezeigte numerische Simulation zeigen;
13 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Magnetfeldsensors zeigt;
14A eine Querschnittsansicht eines weiteren inhomogenen Magneten gemäß der vorliegenden Offenlegung zeigt;
14B eine räumliche Ansicht einer beispielhaften Form des weiteren inhomogenen Magneten zeigt;
14C den inhomogenen Back-Bias-Magneten in Kombination mit einem Nackt-Chip-Sensor zeigt;
14D eine weitere Implementierung des inhomogenen Back-Bias-Magneten gemäß der vorliegenden Offenlegung zeigt;
15 eine B_x-Komponente für ein inhomogenes und ein homogenes Magnetfeld zeigt;
16 eine simulierte Verteilung der Magnetisierung für den weiteren inhomogenen Magneten zeigt;
17 simulierte B_x-Komponenten für verschiedene α-Winkel, die verschiedene Niveaus inhomogener Magnetisierung für den weiteren Magneten angeben, zeigt;
18A einen oben gelesenen Bias-Magnetfeldsensor gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt; und
18B einen oben gelesenen Bias-Magnetfeldsensor gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsformen zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1a bis 13 zeigen schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Magnetfeldsensoren mit ihren Magnetkörpern oder Back-Bias-Magneten sowie Ergebnisse von numerischen Simulationen in Form von Kurven und weiteren Darstellungen. Allerdings wird, bevor eine genauere Beschreibung eines potentiellen Anwendungsszenarios eines Magnetfeldsensors im Zusammenhang mit 2 erfolgt, zuerst eine Beschreibung einer ersten Ausführungsform eines Magnetfeldsensors zusammen mit einem Magnetkörper oder Back-Bias-Magneten im Zusammenhang mit 1a gegeben.
1a zeigt eine erste Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 100, der einen Magnetkörper oder Back-Bias-Magneten 110 und eine Magnetfeldsensoranordnung 120 umfasst. Der Magnetkörper 110 in 1a umfasst eine Aussparung 130, die der Magnetfeldsensoranordnung 120 gegenüberliegt und einen polygonalen Querschnitt in Bezug auf eine Querschnittsebene, die durch den Magnetkörper wie in 1a abgebildet verläuft, aufweist.
Hier weist die Aussparung 130 einen polygonalen Querschnitt mit insgesamt sieben Ecken 140-1 bis 140-7 in der Ausführungsform, die in 1a gezeigt ist, auf. Anders als die Querschnittsform des Magnetkörpers 110, die in 1a gezeigt ist, kann die Aussparung 130 des Magnetkörpers 110 in anderen Ausführungsformen eines Magnetfeldsensors 100 auch eine Anzahl von Ecken 140 umfassen, die von sieben abweicht. Beispielsweise könnte in einem Fall einer dreieckigen Aussparung in Bezug auf die jeweilige Querschnittsebene, die durch den Magnetkörper 110 verläuft, diese auch nur drei Ecken 140 umfassen. Im Allgemeinen kann jedoch eine beliebige Anzahl von Ecken 140 die jeweilige Querschnittsform der Aussparung 130 in Bezug auf die Querschnittsebene definieren.
In Bezug auf die Ausdehnung und die Form des Magnetkörpers 110 senkrecht zu der Querschnittsebene von 1a kann ein jeweiliger Magnetkörper 110 beispielsweise dieselbe Querschnittsform in Bezug auf eine Querschnittsebene, die über die in 1a gezeigte Querschnittsebene hinausragt oder senkrecht dazu ist, umfassen. Mit anderen Worten kann sich in Abhängigkeit von der spezifischen Implementierung der Aussparung 130 dieselbe Form der Aussparung in Bezug auf eine Querschnittsebene, die durch einen Mittelpunkt oder irgendeinen anderen festgelegten Punkt verläuft, ergeben. Beispielsweise würde in einem solchen Fall die Menge aller möglichen Ecken 140 in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der in 1a gezeigten Ecke eine kreisförmige und/oder ellipsenförmige Menge von Punkten oder möglicherweise eine Menge von Punkten, die die Form eines Teilkreises oder einer Teilellipse aufweist, bilden.
In anderen Ausführungsformen eines Magnetfeldsensors 100 kann der Magnetkörper 110 andere Formen der Aussparung 130 in Bezug auf eine Ebene, die nicht die Querschnittsebene ist, aufweisen. Beispielsweise kann eine solche Aussparung 130 in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der in 1a gezeigten Ebene eine Querschnittsform umfassen, die davon abweicht. Somit ist es beispielsweise möglich, dass die jeweilige Aussparung 130 in der Form einer Nut innerhalb des Magnetkörpers 110 umgesetzt ist, so dass in diesem Fall ein jeweiliger Querschnitt durch den jeweiligen Magnetkörper 110 beispielsweise eine rechteckige Form, eine quadratische Form oder irgendeine andere Form, die konvex ist, aufweist.
Natürlich gibt es andere Konfigurationen eines Magnetkörpers 110 einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 100, wobei die jeweiligen Querschnitte senkrecht zu der in 1a gezeigten Ebene auch polygonale, ellipsenförmige oder irgendeine andere Querschnittsform aufweisen.
Darüber hinaus können natürlich auch andere Anordnungen eines Magnetkörpers 110, der auf eine inhomogene Weise magnetisiert ist, in Ausführungsformen eines Magnetfeldsensors 100 eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Magnetkörper 110, der auf eine inhomogene Weise magnetisiert ist, in Bezug auf die gerade verbindende Linie 160, die in 1a als gepunktete Linie gezeichnet ist, und/oder in Bezug auf die nicht-konvexe Querschnittsform, die im Allgemeinen hier definiert ist, auch eine ”als dazu gespiegelt anzusehende” Querschnittsform annehmen, solange der Magnetkörper 110 in einer inhomogenen Weise magnetisiert ist.
Allerdings sollte in den Ausführungsformen, die unten vorgelegt werden, insbesondere Bezug auf nicht-konvexe Magnetkörper 110 genommen werden, um die Beschreibung zu vereinfachen, wobei die folgenden Zeichnungen jedoch im Wesentlichen auf alle Magnetkörper 110, die auf eine inhomogenen Weise magnetisiert sind, anwendbar sind.
Der Magnetkörper 110 wie er beispielsweise in 1a abgebildet ist umfasst somit eine nichtkonvexe Querschnittsfläche 150 in Bezug auf eine Querschnittsebene, die durch den Magnetkörper 110 verläuft. In diesem Zusammenhang ist eine Menge von Punkten innerhalb einer Ebene, das heißt z. B. auch die Querschnittsflächen wie die Querschnittsfläche 150, genau dann konvex, wenn für irgendwelche zwei Punkte der jeweiligen Menge jeweils wahr ist, dass auch die direkte gerade Verbindungslinie zwischen diesen zwei Punkten gänzlich innerhalb der jeweiligen Menge verläuft, d. h. innerhalb der Querschnittsfläche 150. Mit anderen Worten ist eine Menge innerhalb einer Ebene genau dann konvex, wenn alle möglichen geraden Verbindungslinien aller möglichen Punkte der jeweiligen Menge gänzlich innerhalb der Menge verlaufen.
Wie oben erklärt ist die Querschnittsfläche 150 des Magnetkörpers 110 nicht-konvex, da beispielsweise eine gerade Verbindungslinie 160, die als gepunktete Linie in 1a eingezeichnet ist, deren Endpunkte beide innerhalb der Querschnittsfläche 150 angeordnet sind, d. h. Elemente der jeweiligen Menge sind, jedoch nicht gänzlich innerhalb der jeweiligen Menge, d. h. innerhalb der Querschnittsfläche 150, liegt. Vielmehr schneidet die Verbindungslinie 160 die Aussparung 130. Die Querschnittsfläche 150 ist daher nicht-konvex, so dass sie auch als konkav bezeichnet werden kann. Die Begriffe konkav und nicht-konvex können daher gegebenenfalls synonym verwendet werden.
Der Magnetkörper 110 der Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 100 wie er in 1a gezeigt ist kann z. B. aus einem permanentmagnetischen Material hergestellt sein. Je nach Randbedingungen, unter denen eine Ausführungsform eines Magnetfeldsensors eingesetzt wird, also nicht zuletzt in Bezug auf potentielle Einsatztemperaturen, Kosten, nützliche Magnetfelder und andere Parameter, kann der Magnetkörper 110 auch beispielsweise aus Eisen, Kobalt, Nickel oder anderen relativ komplexen Zusammensetzungen und Verbindungen, die möglicherweise die oben erwähnten Metalle als Komponenten umfassen, hergestellt sein. Im Allgemeinen können jeweilige Magnetkörper oder Back-Bias-Magneten 110 aus Ferriten, Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo), auch aus Samarium-Kobalt (SmCo) oder Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) hergestellt sein. Natürlich sind auch andere Materialkombinationen oder Materiale als Einsatzgebiet für die jeweiligen Magnetkörper 110 denkbar.
Wie in 1a durch die Pfeile 170 angezeigt hat der Magnetkörper oder der Back-Bias-Magnet 110 eine inhomogene Magnetisierung. Die Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 wurde hier gezielt inhomogen erzeugt, wobei verschiedene Magnetisierungen an verschiedenen Punkten insbesondere innerhalb der Querschnittsfläche 150 auftreten, die sich mindestens in Bezug auf ihre Größe bzw. Intensität und/oder ihre Richtung unterscheiden.
Mit anderen Worten ist eine Magnetisierung eines Magnetkörpers inhomogen, wenn sie in weiten Teilen nicht homogen ist, wobei unter einer homogenen Magnetisierung im Zusammenhang dieser Anmeldung eine Magnetisierung verstanden wird, die konstant und gleichgerichtet in Bezug auf ihre Richtung und Intensität ist. Anders gesagt weist der Magnetkörper 110 eine inhomogene Magnetisierung auf, wie sie durch die Pfeile 170 gezeigt ist, da seine Magnetisierung im vektoriellen Sinne nicht über den gesamten Magnetkörper bzw. über einen wesentlichen Anteil des gesamten Magnetkörpers eine konstante Richtung und/oder einen konstanten Betrag der Magnetisierung M aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird ein wesentlicher Abschnitt des gesamten Magnetkörpers 110 oder des Magnetkörpers 110 als ein Volumenanteil des Magnetkörpers 110 verstanden, der von 50% bis 100% reicht, d. h. beispielsweise 95%, 90%, 80%, 75%, 70% oder 60%, wobei sich die betreffenden Volumenanteile je nach unterschiedlichem Anwendungsgebiet und Implementierungen eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors ergeben können.
Darüber hinaus sollte an dieser Stelle angemerkt werden, dass bei vielen Magneten, die eine betrags- und richtungsmäßig konstante Magnetisierung im gesamten Volumen aufweisen, die also homogen magnetisiert sind, das daraus resultierende Magnetfeld sowohl im Außenbereich des Magneten als auch im Innenbereich des Magneten inhomogen sein kann. Mit anderen Worten ist somit das Vorhandensein eines inhomogenen Magnetfeldes im Außen- und/oder im Innenbereich eines Magneten nicht notwendigerweise ein Indiz dafür, dass auch die Magnetisierung inhomogen ist. Homogene Magnetisierungen sind in vielen Fällen besonders deshalb schon attraktiv, da diese vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar sind.
Der Magnetkörper 110 oder der Back-Bias-Magnet 110 der Ausführungsform des Magnetfeldsensors 100, wie er beispielsweise in 5a gezeigt ist, umfasst häufig eine remanente Magnetflussdichte, die in Abhängigkeit von dem verwendeten Beispiel zwischen mehreren hundert Millitesla (≥100 mT) bis zu mehreren Tesla (3 T) schwankt. Abhängig von der bestimmten Umsetzung und Spezifikation einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 110 kann der Magnetkörper 100 somit beispielsweise eine ”Magnetisierung” bzw. eine aufgrund der Magnetisierung herrschenden remanenten magnetischen Flussdichte Brem von typischerweise 500 mT oder 1 T aufweisen. Allerdings sollte in diesem Zusammenhang erwähnt werden, dass die oben erwähnten Flussdichtebereiche nicht in einem einschränkenden Sinn betrachtet werden sollen. Vielmehr dienen sie einfach als Beispiele, die in manchen Anwendungsfeldern von Ausführungsformen eines Magnetfeldsensors 100 verwendet werden können. Grundsätzlich können auch andere Magnetisierungen in Abhängigkeit verschiedener Parameter, also etwa der Technologie der einzelnen Magnetfeldsensorelemente, der Abmessungen des betreffenden Magnetfeldsensors und anderer Parameter verwendet werden.
Neben dem Magnetkörper bzw. dem Back-Bias-Magneten 110 umfasst das in 1a gezeigte Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 darüber hinaus auch die Magnetfeldsensoranordnung 120, die beispielsweise als optionale Komponenten ein Substrat bzw. einen Chip 180 und ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente 190 aufweist. Bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel weist so die Sensoranordnung 120 mindestens zwei in 1a eingezeichnete Magnetfeldsensorelemente 190-1, 190-2 auf. Je nach verwendeter Technologie kann es sich bei den Magnetfeldsensorelementen 190 beispielsweise um magnetoresistive Sensorelemente (xMR-Sensorelemente), um Hall-Sensorelemente oder andere auf einen magnetischen Einfluss ansprechende Sensorelemente wie etwa magnetische Dioden oder magnetische Transistoren handeln.
In Bezug auf die vorliegende Erfindung sollte beachtet werden, dass diese vorteilhaft insbesondere mit solchen Sensoren oder Sensorelementen eingesetzt werden kann, die ein Sättigungsverhalten aufweisen, d. h. beispielsweise mit xMR-Sensorelementen.
Dagegen haben beispielsweise Hall-Sonden praktisch keine Sättigung. Da aber die der Hall-Sonde nachgeschalteten Verstärker immer ein Sättigungsverhalten (weil der Verstärker außerhalb seines Aussteuerbereichs in Sättigung geht), kann es auch bei Hall-Sonden von Vorteil sein, die hier beschriebenen Magnetkörper zu verwenden.
Zu den magnetoresistiven Sensorelementen zählen u. a. AMR-Sensorelemente (AMR = anisotropic magneto resistance = anisotroper Magnetwiderstand), GMR-Sensorelemente (GMR = giant magneto resistance = Riesenmagnetwiderstand), CMR-Sensorelemente (CMR = colossal magneto resistance = kolossaler Magnetwiderstand), EMR-Sensorelemente (EMR = extraordinary magneto resistance = außergewöhnlicher Magnetwiderstand), TMR-Sensorelemente (TMR = tunnel magneto resistance = Tunnelmagnetwiderstand) oder Spin-Ventil-Sensorelemente. Hall-Sensoren können horizontale oder vertikale Hall-Sensoren sein.
Abhängig von der spezifischen Umsetzung kann die Magnetfeldsensoranordnung 120 weitere Komponenten wie eine Auswertungsschaltung, eine Sensorschaltung oder ein jeweils bedeckendes Material zum Schutz der individuellen Magnetfeldsensorelemente 190 umfassen.
In manchen Ausführungsformen eines Magnetfeldsensors 100, wie er in 1a gezeigt ist, weist die Magnetisierung M beispielsweise die folgenden symmetrischen Bedingungen in Bezug auf eine in 1a gezeigte Symmetrielinie 195 bei einer x-Koordinate (x = 0) in Bezug auf die x-Komponente M_x der Magnetisierung M und die y-Komponente M_y der Magnetisierung auf: M_x(x) = –M_x(–x) M_y(x) = M_y(x) (1).
Das bedeutet, dass die x-Komponente der Magnetisierung M_x eine ungerade Symmetrie bezüglich der Symmetrielinie 195 bei x = 0 und die y-Komponente M_y eine gerade Symmetrie bezüglich der x-Koordinate und der Symmetrielinie 195 aufweist. Allgemeiner gesagt, weist die Magnetisierung M bei manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors mit Bezug auf den zugehörigen Magnetkörper 110 in Bezug auf eine Komponente eine ungerade Symmetriebeziehung und in Bezug auf eine andere Komponente eine gerade Symmetriebeziehung auf. Genauer gesagt, weist bei einigen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors die Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 bezüglich einer Vektorkomponente eine gerade Symmetriebeziehung auf und bezüglich einer Vektorkomponente senkrecht zu der Vektorkomponente eine ungerade Symmetriebeziehung auf.
Bevor weitere Ausführungsformen von Magnetfeldsensoren beschrieben und in Verbindung mit 1b bis 13 erläutert werden, sollte erwähnt werden, dass Objekte, Strukturen und Komponenten mit identischen oder ähnlichen funktionalen Eigenschaften und Merkmalen durch identische Bezugszeichen angegeben sind. Sollte es nicht explizit anderweitig erwähnt sein, können die Beschreibungen von Objekten, Strukturen und Komponenten mit ähnlichen oder identischen funktionalen Eigenschaften oder Merkmalen ausgetauscht werden. Zusätzlich sollen im weiteren Verlauf der vorliegenden Anwendung zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen und Komponenten, die mehrere Male in einer Ausführungsform auftauchen, in einer identischen oder ähnlichen Weise verwendet werden, es sei denn, dass Merkmale oder Eigenschaften eines/r ganz bestimmten Objekts, Struktur oder Komponente erklärt oder diskutiert werden. Die Verwendung zusammenfassender Bezugszeichen ermöglicht daher eine kompaktere und klarere Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
1b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 100, die nur marginal von der in 1a gezeigten Ausführungsform abweicht. Die Ausführungsform eines in 1b gezeigten Magnetfeldsensors 100 umfasst einen Magnetkörper 110, dessen Magnetisierung M wiederum durch die Pfeile 170 angezeigt ist. Auch in der in 1b dargestellten Ausführungsform ist die Magnetisierung M in einem wesentlichen Teil des Magnetkörpers wie durch die Richtung der Pfeile 170 gezeigt inhomogen. Genauer weist die Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 wiederum die Symmetriebedingungen auf, die in Verbindung mit Gleichung (1) beschrieben sind.
Im Unterschied zu dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Magnetkörper 110 des in 1b gezeigten Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 eine im Hinblick auf eine obere Kante unterschiedlichen Verlauf auf. Genauer gesagt ist bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel eine obere Kante des Magnetkörpers 110 durch eine gerade Linie begrenzt, während bei dem Magnetkörper 110 in 1b der Magnetkörper sich über den in 1b dargestellten Bereich nach oben hinaus erstreckt. Unabhängig davon ist jedoch bei dem in 1b dargestellten Magnetkörper die Querschnittsfläche 150 bezüglich der in 1b wiedergegebenen Querschnittsebene nicht-konvex, da wiederum die direkte Verbindungsgerade 160, deren Endpunkte innerhalb der Querschnittsfläche 150 liegen, selber die Aussparung 130 schneidet und somit innerhalb der Querschnittsfläche 150 liegt. Mit anderen Worten ist unabhängig von der oberen Form bzw. der äußeren Form die Querschnittsfläche 150 des Magnetkörpers 110 unabhängig von der genauen Ausformung der äußeren, der oberen oder der seitlichen Begrenzungsflächen des Magnetkörpers 110 nicht-konvex.
Darüber hinaus unterscheidet sich das in 1b gezeigte Ausführungsbeispiel bezüglich der Aussparung 130. Während bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel diese einen polygonalen Querschnitt aufgewiesen hat, ist bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel der dort gezeigte Querschnitt der Aussparung ellipsenförmig.
Darüber hinaus unterscheiden sich die in 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100 kaum. So kann auch bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel bezüglich einer Ebene senkrecht zu der in 1b gezeigten Querschnittsebene ein Querschnitt des Magnetkörpers 110 andere Formen aufweisen, oder eine ähnliche Form bzw. sogar die gleiche Form aufweisen.
In beiden Ausführungsbeispielen, die in 1a und 1b gezeigt sind, ist die Magnetfeldsensoranordnung 120 so bezüglich des Magnetkörpers 110 angeordnet, dass diese im Idealfall ebenfalls mit einem Schwerpunkt bzw. Mittelpunkt der Magnetfeldsensoranordnung 120 auf der Symmetrielinie 195 liegt. Darüber hinaus ist im Idealfall die Magnetfeldsensoranordnung 120 bezüglich der Symmetrielinie 195 derart ausgerichtet, dass eine in 1a und 1b nicht eingezeichnete Verbindungslinie der beiden dort gezeigten Magnetfeldsensorelemente 190 die Symmetrielinie 195 in einem rechten Winkel schneidet. Anders ausgedrückt, ist die Magnetfeldsensoranordnung 120 idealerweise so angeordnet, dass diese die zuvor beschriebene Symmetrie der Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 nachbildet bzw. übernimmt. Selbstverständlich kann es im Falle realer Implementierungen eines entsprechenden Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 zu Abweichungen hinsichtlich der Verschiebungen in x-Richtung und/oder in y-Richtung sowie hinsichtlich einer Rotation um eine dieser Achsen bzw. eine dazu senkrecht stehende Achse kommen.
Wie im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung noch erläutert werden wird, ermöglicht gerade die zuvor beschriebene inhomogene Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 in Verbindung mit seiner Querschnittsform in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors unter Berücksichtigung der verwendeten Technologie der Magnetfeldsensorelemente 190 eine Verbesserung einer Vergrößerung der Positionstoleranz der Magnetfeldsensoranordnung 120 bezüglich des Magnetkörpers 110. Mit anderen Worten kann in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 eine größere Toleranz bezüglich der genauen Anordnung der Magnetfeldsensoranordnung 120 erreicht werden, ohne dass in einem späteren Betrieb des Ausführungsbeispiels des Magnetfeldsensors 100 nachteilige Effekte hinsichtlich der Messgenauigkeit, der Funktionstüchtigkeit oder anderer Parameter in Kauf genommen werden müssen, die gegebenenfalls durch nachteilig bezüglich des Magnetkörpers 110 positionierte Magnetfeldsensorelemente 190 hervorgerufen werden können.
Gerade im Falle magnetoresistiver Magnetfeldsensorelemente 190 kann es so in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 ein Vorteil sein, einen Magnetkörper 110 zu implementieren, wie er im Rahmen eines Ausführungsbeispiels enthalten ist. So kann, wie später noch erläutert wird, gegebenenfalls in manchen Ausführungsbeispielen eine Übersteuerung der betreffenden magnetoresistiven Sensorelemente 190 unterbunden werden bzw. die Positionierungstoleranz der betreffenden Sensorelemente vergrößert werden, während für den eigentlichen Messbetrieb keine bzw. kaum negative Folgen zu befürchten sind.
2 zeigt ein typisches Anwendungsgebiet eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 im Zusammenhang mit einer Bestimmung einer Drehrate bzw. Drehzahl einer Welle. Genauer gesagt ist in 2 ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 gezeigt, der neben einem beispielsweise als Permanentmagnet ausgeführtem Magnetkörper 110 und der Magnetfeldsensoranordnung 120 auch über ein Schutzgehäuse verfügt, das in dem Magnetfeldsensor 100 enthalten ist. Wie bereits zuvor erläutert weist darüber hinaus die Magnetfeldsensoranordnung 120 wiederum zwei Magnetfeldsensorelemente 190 auf, bei denen es sich beispielsweise um magnetoresistive magnetisch-sensitive Sensorelemente handeln kann. Wie zuvor erläutert ist in 2 der Magnetkörper 110 vereinfacht gezeichnet worden, ohne dass die zuvor erläuterten Merkmale des Magnetkörpers hinsichtlich der Magnetisierung und des Querschnitts bezüglich der in 2 gezeigten Querschnittsebene dargestellt sind. Diese Merkmale sind in 2 lediglich zur Vereinfachung der Darstellung nicht wiedergeben worden.
In einem Abstand von einer Ebene der Magnetfeldsensorelemente 190, der durch einen Pfeil 200 in 2 markiert ist und der auch als magnetischer Luftspalt bzw. Luftspalt bezeichnet wird, ist ein Geberobjekt 210 unterhalb des Ausführungsbeispiels des Magnetfeldsensors 100 angebracht, bei dem es sich um ein Zahnrad handelt, das gelegentlich auch als permeables Geberrad bezeichnet wird. Andere Geberobjekte 210 umfassen Lochräder, Polräder und andere runde oder ellipsenförmige Objekte, die geeignet sind, aufgrund ihrer Materialwahl und/oder ihrer Topologie ein von dem Magnetkörper 110 hervorgerufenes Magnetfeld bei einer Bewegung des Geberobjekts 210 zu beeinflussen bzw. gegebenenfalls im Falle eines Polrades selbst eine magnetische Flussdichte zu erzeugen.
Je nach konkreter Implementierung und Anwendungsszenario kann ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 auch im Zusammenhang mit anderen Geberobjekten 210 zum Einsatz kommen. So kann beispielsweise ein entsprechendes Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit einer Polstange, Lochstange oder Zahnstange als Geberobjekt 210 verwendet werden, um beispielsweise eine lineare Bewegung zu detektieren bzw. detektierbar zu machen. In sehr vielen Fällen weisen die Geberobjekte 210 hierbei eine periodische Struktur bezüglich der Magnetisierung, der Topologie oder anderer Merkmale auf, so dass im Falle einer Bewegung der Geberobjekte 210 eine periodische Änderung des Magnetfeldes (u. a. das des Magnetkörpers 110) hervorgerufen wird. Die betreffenden Geberobjekte 210 sind häufig entweder als Teil einer entsprechenden sich bewegenden Komponente ausgeführt oder sind mit dieser verbunden.
Im Falle eines Zahnrades als Geberobjekt 210, wie es in 2 gezeigt ist, kann dieses beispielsweise mit einer Welle, also etwa einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, gekoppelt sein oder auch mit einem Rad. Wird so das Geberobjekt 210 bewegt, also im Falle des in 2 dargestellten Zahnrades gedreht, wie dies der Pfeil 220 andeutet, kommt es zu einer Änderung des Magnetfeldes, was der Magnetfeldsensor 100 detektieren kann.
Somit kann je nach Aufgabenstellung im Bereich des Einsatzes eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 beispielsweise eine Bewegung von Rädern mittels magnetischer Sensoren detektiert werden, wie es beispielsweise im Rahmen eines ABS-Systems erwünscht sein kann. Andere Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100 können beispielsweise im Bereich einer Motorsteuerung und -überwachung, beispielsweise als Kurbelwellensensoren oder Nockenwellensensoren, eingesetzt werden. Hierbei werden u. a. Zahnräder 210 im Zusammenhang mit kleinen Permanentmagneten als Magnetkörper 110 an der Rückseite der eigentlichen Sensoren bzw. der Magnetfeldsensoranordnung 120 verwendet. Durch Bewegen bzw. Drehen des Rades entsteht dann im Bereich der Magnetfeldelemente 190 ein sinusförmiges Magnetfeld, wobei im Falle magnetoresistiver Sensoren (xMR-Sensoren) dabei die Komponente des Magnetfeldes in der Chip-Ebene bzw. Substratebene ausgewertet wird. Zugleich kann gegebenenfalls durch einen weiteren Sensor oder durch andere technische Maßnahmen auch die Richtung der Drehbewegung des Rades ausgewertet und erfasst werden.
In vielen Anwendungen ist also ein kleiner Permanentmagnet als Magnetkörper 110 an einer Magnetfeldsensoranordnung 120 angebracht, so dass beide vor einer zahnradförmigen permeablen Scheibe angeordnet sein können, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist. Wird die Scheibe gedreht, durchlaufen die Zähne des Zahnrades 210 die Ebene der Magnetfeldsensorelemente 190 in dem Abstand des magnetischen Luftspalts und erzeugen so eine kleine Feldvariation, die von dem Ausführungsbeispiel des Magnetfeldsensors 100 detektiert werden kann und die Informationen bezüglich der Winkelposition und der Drehgeschwindigkeit der Scheibe umfasst. Hierbei ist in vielen Fällen die Wellenform der Magnetfeldvariation nahezu sinusförmig und ihre Amplitude verringert sich drastisch als Funktion eines wachsenden (magnetischen) Luftspalts.
Im Falle eines Zahnrades als Geberobjekt 210, wie dies in 2 gezeigt ist, nimmt die Amplitude der Wellenform häufig etwa exponentiell, proportional zu einem Verhältnis des magnetischen Luftspalts und der sogenannten Teilung (gegebenenfalls multipliziert mit dem Faktor 2^π) ab. Hierbei ist die sogenannte Teilung als der Quotient des halben Umfangs des Zahnrads dividiert durch die Zahl der Zähne definiert, wenn diese äquidistant über den Umfang des Zahnrades verteilt sind. Die Teilung stellt somit die halbe Periode des Zahnrades dar. Aus diesem Grund kann es in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 und in verschiedenen Anwendungsgebieten derselben ratsam sein, Ausführungsbeispiele möglichst nah an dem Geberobjekt 190 zu betreiben, um beispielsweise magnetische Luftspalte, die größer sind als etwa eine Zahnbreite, zu umgehen und zu verhindern. Eine Vergrößerung des magnetischen Luftspalts von etwa einer Zahnbreite zu etwa 150% der Zahnbreite kann so beispielsweise je nach den genauen Umständen eine magnetische Feldamplitude um mehr als einen Faktor 5 reduzieren. So geht beispielsweise die Amplitude mit exp(–2Pi·z/lamda) ein, wobei lamda die magnetische Periode ist, d. h. also lamda/2 ist eine Zahnbreite bzw. eine Zahnlückenbreite. Wenn z = lamda/2 auf z = 1.5·lamda/2, so ändert sich die Amplitude folglich um Faktor exp(–Pi)/exp(–Pi·1.5) = 4,8.
Im Falle magnetoresistiver Sensorelemente, also beispielsweise GMR-Sensorelementen 190, kann es dazu kommen, dass eine entsprechende Magnetanordnung bezüglich der Magnetfeldkomponenten in der Ebene des Substrats bzw. des Chips die einzelnen GMR-Sensorelemente 190 übersteuert. In einem solchen Fall kann es dazu kommen, dass der oder die betroffenen Magnetfeldsensorelemente 190 keine verwertbare oder kaum noch verwertbare Messsignale liefern.
Selbst wenn also beispielsweise das Zahnrad 210 symmetrisch zu dem Chip der Magnetfeldsensoranordnung 120 angeordnet ist, wenn also zum Beispiel eine Zahnmitte oder eine Lückenmitte des Zahnrads 210 direkt in einer in 2 auch eingezeichneten Position (xx = 0) ist, kann es passieren, dass die Flusslinien des Magneten divergieren, wodurch unzulässig große Bx-Komponenten auf die beiden in 2 gezeigten (magnetoresistiven) Magnetfeldsensorelemente 190 einwirken. Wie bereits im Zusammenhang mit 1a und 1b erläutert ist hierbei die Position (x = 0) durch die Symmetrielinie 195 definiert, die sich im Zusammenhang mit 2 auf die Position exakt zwischen die beiden in 2 gezeigten magnetoresistiven Sensorelementen 190 bezieht.
In einem solchen Fall werden beide magnetoresistiven Sensorelemente 190 in die Sättigung getrieben und können kein (verwertbares) Signal mehr abgeben. In manchen Anwendungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 eingesetzt wird, liegt eine übliche Remanenz der verwendeten Magnetkörper bzw. Back-Bias-Magnete 110 in einem Bereich von knapp über einem Tesla (T). Typische Zahnräder als Geberobjekte 210 weisen etwa 3 mm breite Zähne und Lücken auf, wobei die Lückentiefe ebenfalls etwa 3 mm entspricht. Selbstverständlich können in anderen Anwendungsbeispielen andere Abmessungen entsprechender Zahnräder oder anderer Geberobjekte auftreten. Ebenfalls sind die entsprechenden Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100 nicht auf diese Werte beschränkt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird darauf hingewiesen, dass große Magnetfelder an dem xMR-Element beispielsweise mit großen Magneten oder auch mit großen Remanenzen oder mit kleinem Entmagnetisierungsfaktor erzielt werden können.
Je nach konkreter Anwendung sind hierbei die magnetoresistiven Sensorelemente 190 typischerweise etwa im Bereich von etwa 1 mm vor dem Magneten bzw. Magnetkörper 110 angeordnet und das Zahnrad selber ist etwa 1 bis 4 mm vor dem magnetoresistiven Sensorelementen 190 angeordnet, so dass der magnetische Luftspalt ebenfalls in diesem Bereich liegt. Der Magnet bzw. Magnetkörper 110 hat in manchen Anwendungen und damit in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 einen Querschnitt von 5 mm in x-Richtung und 6 mm in y-Richtung, wobei die magnetoresistiven Sensorelemente 190 an dem Chip etwa 2,5 mm voneinander beabstandet sind. In einem solchen Fall kann es passieren, dass die Bx-Komponente der magnetischen Feldstärke auf dem rechten der beiden Magnetfeldelemente 190 im Bereich von ca. 95 bis 117 mT liegt, wobei sich die unterschiedlichen Werte als Funktion des (magnetischen) Luftspalts ergeben. Entsprechend wirken im Falle einer symmetrischen Auslegung auf das linke Sensorelement 190 Bx-Komponenten im Bereich zwischen –95 bis –117 mT. Je nach konkreter Implementierung des Magnetfeldsensorelements 190, insbesondere im Falle eines GMR-Magnetfeldsensorelements, hat ein solches Sensorelement häufig einen linearen Ansteuerbereich im Bereich von bis zu +/–15 mT. Wird ein solches GMR-Sensorelement 190 durch den Magneten weit übersteuert, so funktioniert dieses nicht mehr sinnvoll und ist nicht mehr in der Lage, sinnvolle Messsignale zu liefern.
Bei anderen GMR-Sensorelementen 190 kann es passieren, dass diese bereits bei einer magnetischen Flussdichte von etwa 10 mT in Sättigung gehen. Liegen also beispielsweise Magnetfeldkomponenten bzw. magnetische Flussdichtkomponenten von mehr als 100 mT an dem Ort der GMR-Sensorelemente 190 vor, so werden diese in die Sättigung getrieben, so dass kleine überlagerte magnetische Wechselfelder, wie sie von dem Geberobjekt 210 hervorgerufen werden können, nicht mehr detektierbar sind. In einem solchen Fall kann es daher notwendig sein, die zuvor beschriebene magnetische Flussdichte um einen Faktor von 15 zu reduzieren.
Wird also beispielsweise bei einer Sättigungsfeldstärke von etwa 10 mT eines GMR-Sensorelements durch einen Zahn lediglich eine Modulation zwischen 12 mT und 14 mT hervorgerufen, kann in vielen Fällen das betreffende GMR-Sensorelement kein verwertbares Ausgangssignal mehr liefern, so dass der Sensor insgesamt möglicherweise nicht mehr in der Lage ist, die Drehung des Geberobjekts 210 zu detektieren.
Wie bereits zuvor erläutert dienen die zuvor gemachten numerischen Angaben insbesondere der Illustration und sind nicht als einschränkend zu verstehen. So können Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100 für eine sehr breite Auswahl von Magneten bzw. Magnetkörpern 110 und für eine sehr breite Auswahl verschiedener Magnetfeldsensorelementen 190 eingesetzt werden. Ebenso können im Falle entsprechender Anwendungsszenarien Ausführungsbeispiele mit sehr vielen verschiedenen Geberobjekten 210 kombiniert werden, um beispielsweise Geschwindigkeitssensoren oder andere magnetbasierte Sensoren zu bilden.
3a und 3b zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100. Genauer sind die beiden Ausführungsbeispiele zusammen jeweils mit einem Geberobjekt 210 dargestellt, wobei es sich bei dem Geberobjekt 210 beispielsweise um eine Zahnstange oder um ein Zahnrad handeln kann, das zur Vereinfachung der Darstellung in 3a und in 3b ohne Krümmung dargestellt ist.
Die in 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100 weisen somit jeweils einen Magnetkörper 110 auf, der wiederum bezogen auf die in 3a und 3b gezeigte Querschnittsebene einen nicht-konvexen Querschnitt mit einer Aussparung 130 aufweist, die im Falle der in 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiele kreisförmig ausgebildet ist. Selbstverständlich ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die Bezeichnung kreisförmig bzw. ellipsenförmig auch auf entsprechende Sektoren und Abschnitte der betreffenden geometrischen Figuren, also eines Kreises oder einer Ellipse, anzuwenden ist.
Bei den in 3a und 3b dargestellten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 weisen die Magnetkörper 110 bzw. die beiden Back-Bias-Magneten 110 wiederum eine inhomogene Magnetisierung auf, wie dies in beiden Figuren durch die Pfeile 170 dargestellt ist. Je nach konkreter Ausgestaltung eines Ausführungsbeispiels kann auch hier wiederum die Magnetfeldsensoranordnung 120 gegebenenfalls neben dem Chip bzw. Substrat 180 und den (magnetoresistiven) Magnetfeldsensorelementen 190, also beispielsweise GMR-Magnetfeldsensorelementen, ein Gehäuse, das auch als Package bezeichnet wird, umfassen.
Der Magnet bzw. Magnetkörper 110 ist bei den in 3a und 3b dargestellten Ausführungsbeispielen als Teil eines Rings ausgebildet und im Wesentlichen radial magnetisiert, wie dies die Pfeile 170 zeigen. Genauer gesagt ist hier der Magnetkörper 110 kreisringförmig, kann jedoch in anderen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 auch andere Formen, etwa eine flache oder aufgestellte Ellipse, haben. Wie bereits im Zusammenhang mit 1b erläutert kann es genügen, dass der Magnetkörper 110 eine innere Aussparung aufweist, damit die zuvor beschriebene Magnetisierung des Magnetkörpers 110 vorgenommen werden kann. Grundsätzlich kann so im Prinzip eine beliebige äußere Begrenzungskurve vorgesehen werden. Wie zuvor erläutert kann in einigen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 die innere Aussparung kreisrund, elliptisch oder polygonförmig sein. Mit anderen Worten kann in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors der Magnetkörper bezüglich einer Querschnittsebene einen nicht-konvexen Querschnitt oder eine nicht-konvexe Querschnittsfläche aufweisen.
So zeigt 3a ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Magnetkörper 110 sich über 180° erstreckt und als Kreisring ausgebildet ist. Im Unterschied hierzu erstreckt sich bei dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel der als Kreisring dargestellte Magnetkörper 110 über weniger als 180°. Je nach konkreter Implementierung kann sich der Magnetkörper 110 auch über mehr als 180° erstrecken.
Der Sensor-IC (IC = integrated circuit = integrierte Schaltung) bzw. die Magnetfeldsensoranordnung 120 kann dabei sowohl ”in das Innere des Magneten” als auch in den Bereich der Aussparung 130 geschoben oder verlagert werden, wie dies in 3a gezeigt ist. Im Falle kleinerer Magneten 110 oder auch im Falle eines begrenzten Bauraums kann der Magnet 110 auch auf der Hinterseite des Sensors-IC platziert werden, wobei je nach konkreter Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 eine Vorderseite und eine Unterseite des ICs 120 im Hinblick auf die beschriebene Fixierung in vielen Fällen gleich gut verwendet werden können.
In vielen Anwendungsfällen mag es jedoch ratsam sein, die GMR-Sensorelemente 190 möglichst nahe an das Zahnrad bzw. das Geberobjekt 210 zu bewegen, so dass es in einem solchen Fall gegebenenfalls ratsam sein kann, den Magneten 110 auf jener Seite des Chips 120, der keine Bauteile (z. B. die Magnetfeldsensorelemente 190) enthält, zu befestigen. In einem solchen Fall kann es also ratsam sein, die Magnetfeldsensoranordnung 120 im Vergleich zu der Darstellung von 3a und 3b um 180° gedreht im Hinblick auf den Magnetkörper 110 an diesem zu befestigen, also genau umgekehrt zu der Darstellung in 3a und 3b. Die Magnetfeldsensorelemente 190 können so also in Bezug auf das Substrat 180 und das Geberobjekt 210 um 180° gedreht liegen.
Je nach konkreter Implementierung kann so eine typische Abmessung im Falle von Ausführungsbeispielen, wie sie in 3a und 3b gezeigt sind, einen Außendurchmesser von etwa 9 mm und einen Innendurchmesser von etwa 5 mm, bezogen auf die Form des Magnetkörpers 110, aufweisen. Eine Stärke der remanenten Magnetisierung mag wiederum, je nach konkreter Ausgestaltung eines Ausführungsbeispiels, oberhalb von etwa 500 mT oder oberhalb von etwa 1 mT liegen.
Die Beabstandung zwischen den beiden Sensorelemente 190 ist in manchen Ausführungsbeispielen etwa so weit wie ein Zahn oder eine Zahnlücke eines Geberobjekts 210 groß ist. In manchen Ausführungsbeispielen bzw. in manchen Anwendungsfällen können dies beispielsweise 2,5 mm für den Abstand der beiden in 3a und 3b gezeigten äußeren Sensorelemente sein. Je nach konkreter Implementierung kann beispielsweise ein mittleres Sensorelement zur Richtungserkennung eingesetzt werden, dass gegebenenfalls in der Mitte zwischen dem linken und dem rechten Sensorelement angeordnet sein kann. Allerdings sind in manchen Anwendungsgebieten auch andere Abstände zwischen den Sensorelementen 190 sinnvoll. So können beispielsweise auch andere Entfernungen, etwa 1,7 mm, verwendet werden.
Die Oberfläche des Chips 180 ist in vielen Fällen im Bereich von ca. 0,5 mm bis ca. 2 mm vor dem Magneten 110 angeordnet, wobei Entfernungen von etwa 0,7 mm häufig einen brauchbaren Kompromiss darstellen, da einerseits der Magnet 110 möglichst nahe an dem Chip 180 und somit an dem Polrad 210 sein sollte und andererseits eine Dicke von Montagekomponenten (Gehäuseunterseite, Leiterrahmendicke, Chipanbringungs-Dicke und Siliciumdicke) häufig im Bereich von etwa 0,7 mm liegt. Ein Abstand des Chips 180 von dem Geberobjekt 210, der auch als Luftspalt bezeichnet wird, kann minimal einige Zehntel mm betragen, sollte in manchen Anwendungsgebieten maximal jedoch einem Abstand von etwa vier Zahnbreiten bzw. vier Zahnlücken nicht überschreiten, da bei größeren Luftspalten die Magnetfeldsignalamplitude exponentiell absinkt.
4 zeigt ein Ergebnis einer numerischen Simulation eines magnetischen Feldstärkeverlaufs und magnetischer Feldlinien, wie sich diese im Falle eines Magnetkörpers 110 ergeben, wie er im Zusammenhang mit 3a und dem dort diskutierten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Eine Berechnung von Magnetfeldern, wie sie beispielsweise den in 4 gezeigten Magnetfeldverlaufs bewirkt haben, ist in vielen Fällen alles andere als trivial und läuft grundsätzlich immer auf die Lösung der vier Maxwell'schen Differenzialgleichungen für elektromagnetische Felder hinaus. Es gibt zwar für Spezialfälle vereinfachte Formen, die gegebenenfalls in geschlossener Form gelöst werden können, aber gerade für die Berechnung von Magnetfeldern, magnetischen Flussdichten und anderen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung erörterten Verläufen und Kennzahlen ist im Allgemeinen eine numerische Simulation unabdingbar, die beispielsweise auf Basis einer 2-dimensionalen oder 3-dimensionalen Simulation unter Verwendung der Methode finiter Elemente durchgeführt werden kann. Entsprechende Simulationen und Berechnungen können unter Berücksichtigung der entsprechenden Randbedingungen beispielsweise auf Basis der Gleichung
durchgeführt werden, wobei B die magnetische Induktion bzw. die magnetische Flussdichte als vektorielle Größe, μ₀ die Permeabilität des Vakuums, rot M die Rotation der (vektoriellen) Magnetisierung, grad_A r den Gradienten der Ortskoordinate bezüglich des Aufpunkts A und wobei r den Abstand zwischen dem Aufpunkt und dem Quellpunkt bezeichnet. Die Integration wird hierbei über den gesamten Raum durchgeführt, also nicht nur im Innern des Materials des Magnetkörpers 110, sondern auch über dessen Oberfläche, was durch die ”Integrationsgrenze” V in Gleichung (2) angedeutet ist.
Neben dem Magnetkörper 110 ist in 4 darüber hinaus schematisch das in 3a und 3b gezeigte Geberobjekt 210 dargestellt. Neben einer Vielzahl von Feldlinien 230 ist darüber hinaus in 4 für einige Bereiche die jeweilige magnetische Flussdichte zwischen 0,2 T bis maximal 0,5 T dargestellt. Hierbei kennzeichnet ein Pfeil 240 im Inneren der Darstellung in 4 eine Abnahme der magnetischen Feldstärke, wie sie durch einen Pfeil 250 im Bereich der Legende dargestellt ist.
4 stellt somit also den Querschnitt des Magnetkörpers in Form eines Kreisrings dar, der sich über 180° erstreckt und in radialer Richtung magnetisiert ist, wie dies bereits im Zusammenhang mit 3a beschrieben wurde. Das Zahnrad als Geberobjekt 210 ist hierbei symmetrisch zu dem Magneten 110 positioniert. In dieser Position sollte idealerweise die Bx-Komponente der magnetischen Flussdichte an dem Ort der Magnetfeldsensorelemente 190 (nicht gezeigt in 4) möglichst nahe bei null liegen, zumindest jedoch innerhalb des linearen Ansteuerbereichs eines GMR-Sensorelements, also beispielsweise zwischen ca. –15 mT und +15 mT.
Das in 4 gezeigte Ergebnis einer numerischen Simulation basiert im Hinblick auf den Magnetkörper 110 auf einer Remanenz des Magnetkörpers 110 von 1 T, die sich betragsmäßig homogen über den gesamten Magnetkörper 110 erstreckt. Ausgenommen hiervon ist jedoch die Richtung der Magnetisierung, die aufgrund ihrer radialen Ausprägung inhomogen ist.
Darüber hinaus sind in 4 zwischen den Endflächen des Magneten waagerechte Linien 260 eingezeichnet, im Bereich derer die magnetische Feldstärke Bx als Funktion der x-Koordinate im Rahmen in der in der nachfolgenden 5 dargestellten Verläufe ausgewertet wurde.
5 zeigt so insgesamt elf Verläufe 270-1 bis 270-11, die die magnetische Flussdichte Bx in Tesla (T) für die in 4 dargestellten Linien 260 wiedergeben. Die Kurven bzw. Verläufe 270 entsprechen hierbei in aufsteigender Reihenfolge ihrer Nummern, die hinter dem Bindestrich im Rahmen des Bezugszeichens angegeben sind, den y-Positionen y = –0,5 mm, –0,4 mm, –0,3 mm, –0,2 mm, –0,1 mm, 0 mm, +0,1 mm, +0,2 mm, +0,3 mm, +0,4 mm und +0,5 mm.
Die Verläufe 270 zeigen somit, dass aufgrund der Symmetrie der Anordnung die x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx als Funktion der x-Koordinate x für den Fall y = 0 (Verlauf 270-6) nahezu identisch verschwindet und somit eine im Prinzip ideale Position für die GMR-Sensorelemente darstellen würde. Liegen beispielsweise die Magnetfeldsensorelemente 190 symmetrisch verteilt um x = 0 in einem Abstand von 1,25 mm, also bei den x-Positionen x = +/–1,25 mm, so sind y-Positionen im Bereich zwischen y = –0,1 mm und y = +0,1 mm durchaus geeignet, um x-Komponenten der magnetischen Feldstärke von betragsmäßig weniger als 20 mT sicherzustellen (^|Bx| < 20 mT), wie die Verläufe 270-5, 270-6, 270-7 für die y-Positionen y = –0,1 mm, 0 mm, +0,1 mm zeigen. Die Verläufe 270 weisen hierbei im Wesentlichen eine Spiegelsymmetrie bezüglich des Punktes (x, Bx) = (0m, 0T). Gegenüber einem einfachen quaderförmigen Magneten mit einer durchgängig homogenen Magnetisierung kann so durch Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 eine Reduktion der x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx erzielt werden, die manchmal sogar eine Größenordnung betragen kann.
6a und 6b zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100, die den Ausführungsbeispielen von 3a und 3b ähneln, sich jedoch von diesen dadurch unterscheiden, dass die Magnetkörper 110 in azimutaler Weise magnetisiert sind, wie dies die Pfeile 170 zeigen. Bei dieser Möglichkeit eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 kann wie beispielsweise in 6a gezeigt der Magnetkörper 110 einen ringförmigen Querschnitt aufweisen, der sich über 180° erstreckt. Ebenso kann er wie in 6b gezeigt einen Querschnitt aufweisen, der sich über weniger als 180° erstreckt. Der Magnet 110 aus dem in 6b gezeigten Ausführungsbeispiel kann daher als ”in radialer Richtung abgeschnitten” betrachtet werden, wobei selbstverständlich auch andere Formen des Magnetkörpers 110 möglich sind. So sind beispielsweise auch Magnetkörper 110 denkbar, bei denen die Endflächen beispielsweise in x-Richtung oder auch in y-Richtung abgeschnitten sind. Wie bereits zuvor im Zusammenhang mit 1a, 1b, 3a und 3b erläutert wurde, ist in diesem Zusammenhang die äußere Form des Magnetkörpers weniger ausschlaggebend. Daher sind selbstverständlich auch andere, zu den zuvor genannten Richtungen schiefe, Richtungen als ”Schnittrichtungen” des Magnetkörpers 110 möglich.
Abgesehen von der Magnetisierung M, wie sie durch die Pfeile 170 in 6a und 6b gezeigt ist, unterscheiden sich die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100 hinsichtlich der weiteren Komponenten nicht bzw. kaum von den in 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispielen. Aus diesem Grund wird insbesondere im Hinblick auf die weiteren Komponenten auf die betreffende Beschreibung derselben verwiesen.
Die Magnetisierung des Magnetkörpers 110, wie er in 6a und 6b gezeigt ist, gehorcht somit hinsichtlich der x-Komponente M_x(x) und der y-Komponente M_y(x) den folgenden Symmetriebedingungen: M_x(x) = M_x(–x) M_y(x) = –M_y(–x) (3).
Das heißt, dass in diesem Fall die x-Komponente der Magnetisierung eine gerade Symmetriebeziehung bezüglich der Symmetrielinie 195 (x = 0) aufweist, während die y-Komponente der Magnetisierung in diesem Fall eine ungerade Symmetriebeziehung bezüglich x erfüllt. Auch in diesem Fall kann also in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 gesagt werden, dass eine der beiden Magnetisierungskomponenten M_x und M_y eine ungerade Symmetriebeziehung bezüglich x erfüllt, während die andere eine gerade Symmetriebeziehung bezüglich der x-Koordinate erfüllt.
7 zeigt eine Darstellung eines Ergebnisses einer numerischen Simulation, der ein Magnetkörper 110 mit einer Erstreckung von mehr als 180°, der in azimutaler Richtung magnetisiert ist, zugrundeliegt, wobei der Betrag der Magnetisierung über das Volumen des Magnetkörpers 110 als konstant angesetzt ist. Anders ausgedrückt basieren die Ergebnisse der in 7 gezeigten Simulation auf einem Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors mit einem Magnetkörper 110, der mit einem konstanten Betrag in azimutaler Richtung magnetisiert ist, so dass ebenfalls wiederum aufgrund der sich verändernden Richtung der Magnetisierung diese inhomogen ist. Hierbei zeigt 7 wiederum mehrere Feldlinien 230 sowie einen Pfeil 240 im Inneren der Darstellung, der eine Richtung entlang einer geringer werdenden magnetischen Flussdichte im Bereich zwischen 0,5 T und 0,2 T entspricht, wie dies durch den Pfeil 250 angezeigt ist. Darüber hinaus sind in 7 wiederum verschiedene Linien 260 eingezeichnet, auf die sich die in 8 und 9 wiedergegebenen Verläufe 270 beziehen. Anders ausgedrückt wird also im Rahmen der folgenden 8 und 9 eine Eignung der verschiedenen Linien 260 im Hinblick auf eine mögliche Position für die Magnetfeldsensorelemente 190 untersucht.
8 zeigt Verläufe 270-1 bis 270-8 der x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx als Funktion der x-Koordinate für verschiedene y-Koordinaten. Genauer gesagt entspricht hierbei der Verlauf 270-1 einer y-Koordinate von y = –0,8 mm, wobei mit steigender Nummer des betreffenden Verlaufs, die hinter dem Bindestrich im Rahmen des Bezugszeichens wiedergegeben ist, die y-Koordinate jeweils um 0,1 mm verringert wird. Folglich entspricht also der Verlauf 270-2 einer y-Koordinate von y = –0,9 mm und beispielsweise der Verlauf 270-8 einer y-Koordinate von y = –1,5 mm. Hierbei zeigt 8 zunächst die betreffenden Verläufe 270 in einem groben Maßstab in einem Bereich zwischen x = –2 mm bis x = +2 mm, während in 9 eine Vergrößerung des dargestellten Bereichs von etwa x = 1,0 mm bis x = 1,85 mm dargestellt ist.
Somit zeigt 8 zunächst, dass fast unabhängig von dem jeweilig gewählten y-Parameter alle Verläufe bzw. Kurven 270 im Bereich zwischen etwa x = 1,3 mm und x = 1,4 mm eine x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx im Bereich zwischen etwa +/–(20 mT – 40 mT) aufweisen. In geringerem Abstand von dem Magneten bzw. Magnetkörper 110, also für größere y-Werte, laufen die Verläufe 270 im Bereich bei etwa x = +/–1,4 mm durch die Linie B_x = 0, so dass dies einen durchaus geeigneten Ort für magnetoresistive Sensorelemente 190, also beispielsweise GMR-Sensorelemente 190, darstellen kann.
Dementsprechend ist in 9 der Bereich der in 8 gezeigten Verläufe im Bereich um x = 1,4 mm vergrößert dargestellt. So zeigt 9 beispielsweise, dass insbesondere die Verläufe 270-2, 270-3 und 270-4, die den y-Parametern y = –0,9 mm, –1,0 mm und –1,1 mm entsprechen, im Bereich um x = 1,4 mm die Linie ”Bx = 0” schneiden, wie dies das Detailbild in 9 zeigt.
Bevor im Zusammenhang mit 10a und 10b weitere Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100 beschrieben werden, soll zunächst ein Verfahren, mit dem die in den vorangegangenen Figuren erläuterten inhomogenen Magnetisierungen realisiert werden können, kurz skizziert werden. Im Falle der Magnetkörper 110, die eine radiale oder quasi radiale Magnetisierung aufweisen, wie sie also beispielsweise in 1a, 1b, 3a und 3b gezeigt sind, kann in die Aussparung 130 des jeweiligen Magnetkörpers ein entsprechend geformtes Gegenstück, beispielsweise aus Eisen, eingesetzt werden, das nahtlos an die entsprechend geformte Oberfläche des Magnetkörpers 110 ansetzt. Ebenso kann von außen ein entsprechend geformtes Eisenteil an der äußeren Oberfläche platziert werden, so dass der spätere Magnetkörper 110 von außen und innen durch entsprechende Eisenteile bedeckt wird. Anschließend können die beiden Eisenteile durch einen fast beliebig geformten Bügel miteinander verbunden werden. Um den Bügel kann dann eine Wicklung gewickelt werden, die zur Erzeugung der Magnetisierung dann bestromt wird.
Im Falle eines Magnetkörpers mit einer azimutalen Magnetisierung kann ein kreisrunder Leiter in das Innere des Magneten, also in die Aussparung 130 des Magnetkörpers 110, gesetzt werden und ein kreisförmiger Leiter kann auf der Außenseite idealerweise nahtlos an den Magnetkörper 110 angeschmiegt werden. Wird nun ein Strom in dem innenliegenden metallischen Leiter aus der jeweils in 6a bzw. 6b gezeichneten Zeichenebene heraus und im Außenleiter ein entsprechender Strom in die Zeichenebene hineingeschickt, so wird die betreffende Magnetisierung in dem Magneten 110 in azimutaler Richtung im Gegenuhrzeigersinn ausgerichtet.
10a und 10b zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300, der sich von den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen entsprechend der Magnetfeldsensoren 100 darin unterscheidet, dass die hier gezeigten Ausführungsbeispiele einen ersten Magnetkörper 310 und einen zweiten Magnetkörper 320 aufweisen, wobei der erste Magnetkörper 310 eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist, die in 10a und 10b jeweils durch einen Pfeil 330 gekennzeichnet ist. Der zweite Magnetkörper 320 weist ebenso eine Magnetisierungsrichtung auf, die in 10a und 10b durch jeweils einen Pfeil 340 eingetragen ist. Die beiden Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetkörper 310, 320 sind hierbei hinsichtlich ihrer Magnetisierungsrichtungen unterschiedlich und schließen einen Winkel miteinander ein.
Bezüglich einer Symmetrielinie 195, die wiederum einer x-Koordinate von x = 0 entspricht, schließen die Magnetisierungsrichtungen (Pfeile 330, 340) der beiden Magnetkörper 310, 320 mit der Symmetrielinie 195 jeweils einen Winkel ein, der betragsmäßig für die beiden Magnetkörper 310, 320 identisch ist bzw. voneinander um nicht mehr als typischerweise 20°, 10°, 5° oder 2° abweicht, je nach konkreter Ausgestaltung eines entsprechenden Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300 und seiner Spezifikationen. Mit anderen Worten weisen die beiden Magnetkörper 310, 320 bezogen auf die Symmetrielinie 195 in vielen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 eine symmetrische Magnetisierung bezüglich der Symmetrielinie 195 auf.
Darüber hinaus weisen die in 10a und 10b dargestellten Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300 wiederum eine Magnetfeldsensoranordnung 120 mit einem Substrat 180 und einem oder mehreren Magnetfeldsensorelementen 190 auf. Wie bereits im Zusammenhang mit den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 beschrieben wurde, kann die Magnetfeldsensoranordnung ein einzelnes Magnetfeldsensorelement 190 oder auch mehrere entsprechende Magnetfeldsensorelemente 190 aufweisen. Bei den in 10a und 10b dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Magnetfeldsensoranordnung 120 jeweils zwei, im Wesentlichen symmetrisch zur Symmetrielinie 195 angeordnete Magnetfeldsensorelemente 190, bei denen es sich beispielsweise um die bereits zuvor erläuterten möglichen Magnetfeldsensorelement-Technologien handelt. So können auch in diesem Fall die Magnetfeldsensorelemente Hall-Sensorelemente, magnetoresistive Sensorelemente oder andere entsprechende Magnetfeldsensorelemente umfassen.
In diesem Zusammenhang sollte darauf hingewiesen werden, dass aufgrund der zuvor geschilderten Problematik der Positionierungstoleranz im Falle realer Implementierungen von Ausführungsbeispielen von Magnetfeldsensoren 100, 300 die zuvor beschriebenen Symmetrieeigenschaften der verschiedenen Komponenten hinsichtlich der Symmetrielinie 195 nur innerhalb einer vorgegebenen Toleranzgrenze, also beispielsweise innerhalb einer je nach Anwendung abhängigen Positionierungstoleranz in lateraler Richtung oder auch in vertikaler Richtung, abweichen darf. Anders ausgedrückt bezieht sich die Symmetrielinie 195 auf eine Mitte beispielsweise zweier Magnetfeldsensorelemente 190 auf dem Substrat 180 der Magnetfeldsensoranordnung 120. Sie beiden Magnetkörper 310, 320, die zusammen den Back-Bias-Magneten bilden, können gegebenenfalls innerhalb vorgegebener Positionierungstoleranzen von ihrer jeweiligen Position abweichen. Die entsprechenden Positionierungstoleranzen sind hierbei in vielen Fällen anwendungsspezifisch und werden beispielsweise gewiss von der Technologie der verwendeten Magnetfeldsensorelemente 190 beeinflusst.
In 10a und 10b ist darüber hinaus wiederum das Geberobjekt 210 eingezeichnet, bei dem es sich beispielsweise wiederum um eine Zahnstange, eine Polstange, eine Lochstange, ein Zahnrad, ein Lochrad oder ein Polrad handeln kann. Je nach konkreter Anwendung können auch andere Geberobjekte 210 zum Einsatz kommen, wobei es je nach konkreter Ausgestaltung in vielen Fällen gegebenenfalls hilfreich sein kann, das betreffende Geberobjekt 210 derart auszubilden, dass dieses in der Lage ist, eine Modulation, etwa eine periodische oder sinusförmige Modulation, eines Magnetfeldes hervorzurufen, das (unter anderem) in diesem Fall von dem häufig als Permanentmagneten ausgeführten ersten Magnetkörper 310 und dem zweiten Magnetkörper 320 der Back-Bias-Magnetanordnung bzw. des Back-Bias-Magneten erzeugt wird.
Bezogen auf die Symmetrielinie 195 sind in vielen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 der erste Magnetkörper 310 und der zweite Magnetkörper 320 symmetrisch zu dieser ausgebildet bzw. angeordnet. Neben der zuvor erwähnten Möglichkeit, eine Definition der Symmetrielinie 195 bezüglich einer Mittenposition von Magnetfeldsensorelementen 190 vorzunehmen, wenn diese in einer entsprechenden Anzahl und Anordnung vorhanden sind, besteht natürlich ebenfalls die Möglichkeit, die Symmetrielinie 195 bezüglich eines Mittenpunkts oder einer anderen entsprechenden Linie oder Markierung bezogen auf das Substrat 180 zu definieren. Unter Berücksichtigung der beispielsweise durch Fertigungstoleranzen hervorgerufenen Positionierungsabweichungen bzw. Positionierungstoleranzen der einzelnen Magnetkörper 310, 320 weisen sie jeweils eine symmetrische Einbauposition bezüglich der Symmetrielinie 195 auf.
Hierbei können wie zuvor erläutert je nach konkreter Definition des Orts der Symmetrielinie 195 die beiden Magnetkörper 310, 320 und/oder die Orte der einzelnen Magnetfeldsensorelemente 190 entsprechende Einbautoleranzen oder Positionierungstoleranzen bezüglich der Symmetrielinie 195 aufweisen. Anders ausgedrückt kann beispielsweise ein Schwerpunkt der beiden Magnetkörper 310, 320 um einen Abstand von der Symmetrielinie 195 entfernt liegen, der typischerweise kleiner als eine entsprechende Positionierungstoleranz ist.
Entsprechendes gilt nicht nur in der x-Richtung, sondern ebenso in der senkrecht dazu verlaufenden y-Richtung, wie dies in 10a und 10b eingezeichnet ist. Je nach verwendeter Fertigungstechnik, insbesondere der Befestigungstechnik der Magnetkörper bezogen auf die Magnetfeldsensoranordnung 120, können so in x-Richtung und/oder y-Richtung sowie in der in 10a und 10b nicht gezeigten z-Richtung Positionierungsfehler auftreten, die im Bereich einiger 100 μm bis in den Bereich einiger weniger Millimeter liegen. Mit anderen Worten können die entsprechenden Positionierungstoleranzen im Bereich bis einige 100 μm bzw. im Bereich bis einige wenige Millimeter, also im Bereich bis etwa 1000 μm oder im Bereich bis etwa 2 mm liegen.
Bezogen auf die Positionierung der einzelnen Magnetfeldsensorelemente 190 relativ zu jeweils einem Magnetkörper der beiden Magnetkörper 310, 320 gilt, dass in vielen Ausführungsbeispielen eines entsprechenden Magnetfeldsensors 300, eine symmetrische Anordnung der Magnetfeldsensorelemente 190 und/oder der Magnetkörper 310, 320 vorausgesetzt, die Magnetfeldsensorelemente 190 jeweils x-Koordinaten aufweisen, die in dem Bereich der x-Koordinaten eines der beiden Magnetkörper 310, 320 liegen. Mit anderen Worten liegen in solchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 die zugehörigen Magnetfeldsensorelemente 190 oberhalb oder unterhalb der betreffenden Magnetkörper 310, 320.
Hinsichtlich der Winkel, die die Magnetisierungsrichtung der einzelnen Magnetkörper 310, 320 mit der Symmetrielinie 195 bzw. der ebenfalls in 10a und 10b eingezeichneten, dazu senkrecht verlaufenden Linie 350 einschließen, gilt für viele Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300, dass ein Winkel der Magnetisierung eines der beiden Magnetkörper 310 mit der Symmetrielinie 195 in vielen Fällen betragsmäßig einen Winkel zwischen 10° und 80° einschließt. In vielen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 verläuft die Symmetrielinie 195 senkrecht zu einer Hauptoberfläche oder Oberfläche des Substrats 180, auf der die Magnetfeldsensorelemente 190 angeordnet sind. Entsprechend schließen die betreffenden Magnetisierungen bezüglich der Linie 350 ebenfalls betragsmäßig einen Winkel im Bereich zwischen 10° und 80° ein. Darüber hinaus schließen im Falle einer symmetrischen Auslegung der beiden Magnetkörper 310, 320 die betreffenden Magnetisierungen jeweils zueinander einen Winkel ein, der betragsmäßig im Bereich zwischen 20° und 160° liegt. Je nach konkretem Anwendungsgebiet, können in Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 auch andere Winkelbereiche auftreten, die im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung im Rahmen von numerischen Simulationen noch näher erläutert werden.
Die in 10a und 10b dargestellten Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300 unterscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich der Anordnung der beiden Magnetkörper 310, 320 zueinander. Während bei dem in 10a gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden Magnetkörper 310, 320 direkt unmittelbar aneinander angrenzen, indem sie beispielsweise aneinander durch eine Verklebung fixiert sind, sind bei dem in 10b gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden Magnetkörper 310, 320 durch einen entsprechenden Spalt voneinander getrennt. Der Spalt zwischen den beiden Magnetkörpern 310, 320 kann beispielsweise mit einem magnetischen oder nichtmagnetischen Material gefüllt sein, das beispielsweise der Befestigung oder dem Gesamtaufbau des Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300 dient. So kann beispielsweise teilweise oder vollständig zwischen den beiden Magnetkörpern 310, 320 eine Kunststoffbefestigung eingebracht werden, an die die beiden Magnetkörper 310, 320 geklebt oder anderweitig befestigt werden. Alternativ oder ergänzend können auch im Rahmen der Gesamtmontage der Magnetfeldsensoranordnung 120 die beiden Magnetkörper 310, 320 durch ein Vergießen aneinander fixiert werden, so dass in den Spalt zwischen den beiden Magnetkörpern 310, 320 wenigstens teilweise Verkapselungsmaterial gelangt.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem in 3a, 3b gezeigten Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 dargelegt kann auch bei Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 die Magnetfeldsensoranordnung 120 mit ihrem Substrat 180 und den Magnetfeldsensorelementen 190 ihrerseits eine Baugruppe (Package) umfassen.
Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch möglich, dass zwischen den beiden Magnetkörpern 310, 320, wie dies in 10b gezeigt ist, kein festes Material eingefügt ist, sondern dass vielmehr die beiden Magnetkörper 310, 320 mit der Magnetfeldsensoranordnung 120 direkt verbunden oder verklebt sind. In einem solchen Fall kann gegebenenfalls ein Einbringen eines Materials zwischen die beiden Magnetkörper 310, 320 entfallen.
Bei den in 10a und 10b gezeigten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 werden also zwei einzelne Magnete als Magnetkörper 310, 320 zu einem neuen Magneten bzw. Back-Bias-Magneten so zusammengesetzt, dass wiederum für die Magnetisierungskomponenten der Gesamtanordnung der beiden Magnetkörper die in Gleichung (1) gegebenen Symmetriebedingungen gelten. Auch dies entspricht wiederum bezogen auf die Gesamtanordnung der beiden Magnetkörper 310, 320 einer inhomogenen (Gesamt-)Magnetisierung. Genauer gesagt entspricht dies einem inhomogen magnetisierten Gesamtmagneten, der jeweils etwa zur Hälfte des Volumens aus zwei homogen magnetisierten Magnetkörpern bzw. zwei homogenen Bereichen besteht. In 10a und 10b ist bei den dort gezeigten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors als viel leicht einfachstes Beispiel jeweils ein zweiter Quader mit einer schiefen Magnetisierung hinzugefügt.
Je nach konkreter Implementierung, können beispielsweise die beiden Magnetkörper 310, 320 als zwei Blockmagnete mit einer Breite von etwa 2 mm und einer Höhe von etwa 5 mm ausgebildet sein und Rücken an Rücken aneinander geklebt sein. Beide einzelnen Magnetkörper 310, 320 sind hierbei homogen magnetisiert, wobei wiederum je nach konkreter Ausführung beispielsweise eine Remanenz von etwa Brem = 1 T in der betreffenden Richtung vorherrscht, die durch die Magnetisierung bzw. die Pfeile 330, 340 gezeigt ist. In manchen Ausführungsbeispielen kann so beispielsweise die Magnetisierungsrichtung einen Winkel von +/–50° bezogen auf die Symmetrielinie 195, also die vertikale Richtung, aufweisen.
Manche Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300, die den Anordnungen aus 10a und 10b entsprechen, liefern sehr gute Ergebnisse im Hinblick auf eine Kombination mit einer Magnetfeldsensoranordnung mit magnetoresistiven Sensorelementen. Darüber hinaus können diese häufig besonders einfach hergestellt werden, da die betreffenden Magnetkörper 310, 320 als homogen magnetisierte einzelne Magnete vergleichsweise leicht herstellbar sind.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem in 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300, kann es auch in diesem Fall je nach konkreter Implementierung sinnvoll sein, die Magnetfeldsensoranordnung 120 bezüglich der Linie 350 gespiegelt zu implementieren, so dass die Magnetfeldsensorelemente 190 im Rahmen des fertigen Magnetfeldsensors dem Geberobjekt 210 zugewandt sind.
Wie in 10b schematisch dargestellt können die beiden Magnetkörper 310, 320 auch durch einen nichtmagnetischen Spalt voneinander beabstandet sein. Je nach konkreter Implementierung kann dies beispielsweise der Montage dienlich sein, da ein entsprechender Abstand als Klebefläche ausgebildet sein kann. Darüber hinaus besteht ebenfalls die Möglichkeit, durch das Einbringen eines solchen nichtmagnetischen Spalts eine Wechselwirkung der beiden Magnetkörper 310, 320 so zu beeinflussen, dass diese sich beispielsweise nicht so stark überlagern bzw. beeinflussen können.
Manche Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300 basieren im Hinblick auf den durch die beiden Magnetkörper 310, 320 gebildeten Back-Bias-Magneten auf der Idee, dass, wenn die Feldlinien eines Magneten divergieren, ein zweiter Magnet daneben angeordnet werden kann, der die unerwünschten Komponenten des ersten Magneten aufhebt.
11 zeigt ein Ergebnis einer numerischen Simulation einer magnetischen Flussdichteverteilung eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300, wie er in 10a schematisch gezeigt ist. 11 zeigt neben einer Anzahl von Feldlinien 230 eine im Bereich der beiden Magnetkörper 310, 320 berechnete magnetische Flussdichteverteilung in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,5 T. Wie dies bereits in 10a schematisch gezeigt ist, weisen hierbei die beiden Magnetkörper 310, 320 eine Magnetisierung mit einer magnetischen Remanenz von Brem = 1 T auf, die durch die Pfeile 330, 340 in 11 ebenfalls angedeutet ist. Die hieraus resultierende magnetische Flussdichteverteilung ist gemäß der rechts in 11 dargestellten Graustufenverteilung wiedergegeben, wobei an einer Berührungsfläche der beiden Magnetkörper 310, 320 eine maximale magnetische Flussdichte herrscht, während außerhalb der beiden Magnetkörper 310, 320 eine deutlich kleinere magnetische Flussdichte vorherrscht.
Darüber hinaus zeigt 11 eine Linie 260, bezüglich der in 12a eine x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx in einem Bereich von x = –2 mm bis x = +2 mm für eine y-Koordinate von y = –1 mm dargestellt ist. Hierbei liegen der in 11 gezeigten numerischen Simulation zwei quaderförmige Magnete bzw. Magnetkörper 310, 320 mit jeweils einer homogenen Magnetisierung zugrunde, die jedoch mit der vertikal nach unten laufenden y-Achse bzw. By-Achse einen Winkel von +/–35° einschließt. Folglich liegt zwischen den beiden Magnetisierungen der beiden Magnetkörper 310, 320 und der Horizontalen betragsmäßig ein Winkel von 55° vor.
Wie zuvor kurz angedeutet zeigt 12a die x-Komponente Bx als Funktion der x-Koordinate für einen y-Wert von y = –1 mm, was der in 11 gezeigten Linie 260 entspricht. In 12b sind anschließend die entsprechenden x-Komponenten der magnetische Flussdichte Bx als Funktion der x-Koordinate für einen y-Wert von y = –1,5 mm dargestellt, der jedoch in 11 nicht eingezeichnet ist.
Für den Fall eines y-Wertes y = –1 mm zeigt 12a die x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx im Bereich von x = –2 mm bis x = +2 mm für verschiedene Winkel der Magnetisierung der beiden Magnetkörper 310, 320. Hierbei liegt den Simulationen die zuvor erläuterte Symmetrie der Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetkörper 310, 320 zugrunde, wobei diese betragsmäßig jeweils mit der Horizontalen die im Rahmen der Bezugszeichen der einzelnen Verläufe 270 wiedergegebenen Winkel einschließen. Der Verlauf 270-70 basiert auf einem Winkel der Magnetisierungen der beiden Magnetkörper 310, 320 mit der Horizontalen von 70°, so dass für diese Simulation bzw. Berechnung die Magnetisierungen der beiden Magnetkörper mit der Symmetrielinie 195 aus 10a einen Winkel von 20° einschließen. Dementsprechend entspricht der Verlauf 270-55 dem in 11 gezeigten Fall eines Winkels zwischen der senkrecht verlaufenden Symmetrielinie 195 von 35° bzw. einem Winkel der Magnetisierung mit der Horizontalen von 55°.
12b zeigt dementsprechend mehrere Verläufe 270 für Winkel zwischen 40° und 70°, die die Magnetisierungen der beiden Magnetkörper 310, 320 mit der Horizontalen einschließen. Folglich entsprechen die in 12b dargestellten Verläufe 270-40 bis 270-70 Winkeln der Magnetisierungen der Magnetkörper 310, 320 bezüglich der in 10a gezeigten vertikalen Symmetrielinie 195 zwischen 20° (Verlauf 270-70) und 50° (Verlauf 270-40). Gerade bei dem in 12b gezeigten Fall eines vertikalen Abstands der Magnetfeldsensorelemente 190 von der Unterkante der beiden Magnetkörper 310, 320 von 1,5 mm (y = –1,5 mm; der Magnet endet bei y = 0 mm) ist ersichtlich, dass die Bedingung ^|Bx| < 20 mT für weite Bereiche der x-Koordinaten im Fall y = –1,5 mm erfüllt werden kann. Da dies auch für den in 12a gezeigten Fall im Bereich weiterer x-Koordinaten erfüllt werden kann, besteht somit insbesondere die Möglichkeit, unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300, wie er schematisch beispielsweise in 10a oder 10b gezeigt ist, magnetoresistive Magnetfeldsensorelemente 190 zu implementieren, ohne dass die Magnetfeldsensorelemente 190 durch die betreffenden x-Komponenten der durch die Magnetkörper 310, 320 hervorgerufenen Magnetfelder in die Sättigung getrieben werden.
Anders ausgedrückt kann somit mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300 in einem vergleichsweise weiten Bereich von x-Koordinaten und y-Koordinaten eine horizontale Komponente einer magnetischen Flussdichte (zum Beispiel x-Komponente) Bx erzeugt werden, die nicht zu einer Sättigung magnetoresistiver Sensorelemente 190 führt. Im Falle von GMR-Sensorelementen zeigen somit also 12a und 12b, dass eine für viele GMR-Sensorelemente gültige Bedingung |Bx| <20 mT für weite Bereiche von x-Koordinaten und y-Koordinaten erfüllt werden kann.
Darüber hinaus zeigen 12a und 12b, dass durch eine Variation der Richtung der beiden Magnetkörper 310, 320 die betreffenden Bereiche so verschoben werden können, dass unterschiedliche Abstände zwischen Magnetfeldsensorelementen 190 realisiert werden können. Somit ist es möglich, verschiedene Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 300 zu schaffen, die unterschiedliche Abstände der Magnetfeldsensorelemente 190 zueinander aufweisen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch den Einsatz entsprechender Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 300 mit (wenigstens) zwei Magnetkörpern 310, 320, Magnetsysteme so aufgebaut werden können, dass die entsprechenden Magnetfeldsensorelemente 190 auch im Falle empfindlicher magnetoresistiver Sensorelemente, also etwa GMR-Sensorelemente, nicht in eine Sättigung getrieben werden.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 300, das sich von den in 10a und 10b dargestellten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die beiden Magnetkörper 310, 320 bezogen auf ihre geometrische Form nicht mehr eine schiefe Magnetisierung aufweisen, sondern dass diese vielmehr bezogen auf eine Stirnfläche senkrecht magnetisiert sind. In diesem Fall sind die beiden Magnetkörper 310, 320 nicht mehr parallel bezüglich ihrer Seitenflächen angeordnet, wie dies der Fall in den Ausführungsbeispielen in 10a und 10b war. Vielmehr sind zum Erzielen der zwei unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetkörper 310, 320 diese nunmehr ihrerseits in einem entsprechenden Winkel bezüglich der Symmetrielinie 195 bzw. der dazu senkrechten Linie 350 angeordnet.
Somit weisen auch in diesem Fall der erste Magnetkörper 310 und der zweite Magnetkörper 320 eine erste Magnetisierungsrichtung bzw. eine zweite Magnetisierungsrichtung auf, die sich unterscheiden. Somit wird auch im Falle einer solchen Anordnung von Magnetkörpern 310, 320 eine inhomogene Gesamtmagnetisierung durch Überlagern der Magnetfelder der beiden (homogen magnetisierten) Magnetkörper 310, 320 erzielt.
Mit anderen Worten, lassen sich entsprechende Anordnungen von Magnetkörpern 310, 320 mit entsprechend unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen dadurch finden, dass anstelle zweier schräg oder schief magnetisierter Magnetkörper 310, 320 zwei quaderförmige Magnete bzw. Magnetkörper zum Einsatz kommen, die in Längsrichtung magnetisiert sind und um einen entsprechenden Winkel, beispielsweise +/–35° relativ zur y-Achse gekippt, implementiert und eingebaut sind. Mit anderen Worten ist es für Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 300 unerheblich, ob die zwei unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetkörper 310, 320, wie sie durch die Pfeile 330 und 340 dargestellt werden, dadurch erzeugt werden, dass Magnetkörper mit unterschiedlicher, schräger Magnetisierung eingesetzt werden oder ob Magnetkörper mit identischer Magnetisierung verwendet werden, die jedoch im Rahmen des jeweiligen Ausführungsbeispiels des Magnetfeldsensors 300 entsprechend schräg bzw. mit entsprechenden Einbaurichtungen eingebaut sind.
Hinsichtlich der genaueren Einbaupositionen der einzelnen Magnetkörper 310, 320 bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in 13 gezeigt ist, gelten selbstverständlich die vorherigen Erläuterungen ebenso, wobei in diesem Fall der einzige Unterschied darin besteht, dass die betreffenden Magnetkörper 310, 320 nunmehr entsprechend gedreht sind.
Tatsächlich gibt es hinsichtlich der genauen Ausformung der einzelnen Magnetkörper 310, 320 sehr große Freiheiten. So können grundsätzlich alle erdenklichen Formen entsprechender Magnetkörper eingesetzt werden. So sind beispielsweise quaderförmige, zylinderförmige oder andere, beispielsweise spitz zulaufende, Magnetkörper denkbar. Darüber hinaus können selbstverständlich im Rahmen der beiden Magnetkörper 310, 320 nicht nur homogen magnetisierte Magnetkörper eingesetzt werden, wie dies implizit bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen angenommen wurde, sondern es können selbstverständlich auch inhomogen magnetisierte Magnetkörper Verwendung finden. Anders ausgedrückt, können die Magnetkörper 310, 320 auch hinsichtlich ihrer Magnetisierungsrichtungen und/oder ihrer Magnetisierungsstärke inhomogen ausgeführt sein.
Ausführungsbeispiele von Magnetfeldern 100, 300 erlauben es also, horizontale Magnetfeldkomponenten bzw. horizontale Komponenten der magnetischen Flussdichte durch Verwendung einer inhomogenen Magnetisierung des Magnetkörpers 110 bzw. des Back-Bias-Magneten, der mindestens die beiden Magnetkörper 310, 320 umfasst, so weit zu reduzieren, dass beispielsweise magnetoresistive Sensoren (xMR-Sensoren) nicht mehr übersteuert, also in die Sättigung getrieben werden. Wie zuvor erläutert ermöglichen es Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100 daher, die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung etwas salopp als Bx-Feld des Back-Bias-Magneten bezeichnete Flussdichtekomponente durch die beschriebenen inhomogenen Magnetisierungen so weit zu reduzieren, dass eine entsprechende Übersteuerung der Sensoren bzw. Sensorelemente nicht auftritt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Form von Magnetfeldsensoren 100, 300 erzielen einen gewünschten Feldlinienverlauf also unter anderem dadurch, dass durch eine inhomogene Magnetisierung der Magnetkörper 110, 310, 320 die betreffenden Komponenten der resultierenden magnetischen Flussdichte beschränkt werden. Entsprechend können Ausfühungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100, 300 gegebenenfalls auch ohne eine Implementierung von Magnetkörpern mit extrem filigranen Ausformungen oder Aussparungen erzeugt werden, bzw. es können entsprechende Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100, 300 gegebenenfalls auch ohne einen Einsatz hochpermeabler Teile als magnetische Linsen für Feldlinienverformung entwickelt und gebaut werden. Ausführungsbeispiele von entsprechenden Magnetfeldsensoren 100, 300 können so unter Verwendung entsprechender Back-Bias-Magnet-Schaltungen in Form der Magnetkörper 110, 310, 320 unter anderem für magnetoresistive Geschwindigkeitssensoren herangezogen werden. Anwendungsbeispiele entsprechender Ausführungsformen von Magnetfeldsensoren finden sich im Automobilsektor ebenso wie in anderen Sektoren wie dem Maschinenbau, dem Anlagenbau, dem Flugzeugbau, dem Schiffsbau und anderen Technologiebereichen, in denen Magnetfelder detektiert werden müssen.
14A zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines inhomogenen Magneten 400, der als Back-Bias-Magnet geeignet ist, der wie oben erörtert in Kombination mit dem Magnetsensor 120 verwendet werden soll. Der inhomogene Magnet 400 ähnelt ein wenig dem Magneten 110 oder dem Magnetkörper 310, 320. Es ist jedoch zu beachten, dass der inhomogen Magnet 400 nicht zwei verschiedene magnetische Körper von im Wesentlichen homogener Magnetisierung umfasst, die zusammengefügt sind oder sich unter einem bestimmten Winkel treffen, der zu dem oben beschriebenen Grad an inhomogener Magnetisierung führt. Im Gegenteil ist der inhomogene Magnet 400 als ein einheitliches Element formbar, besitzt aber die inhomogene Magnetisierung, wie es durch die Pfeile 14-1, 14-2, 14-3 angedeutet ist, die eine Magnetisierungsrichtung in einer bestimmten Position innerhalb der Querschnittsansicht des Magneten 400 darstellen. Die Querschnittsansicht von 14A ist entlang der x-z-Ebene dargestellt, d. h. eine B_x-Komponente der Magnetisierung ist im unteren Teil der Figur angedeutet, während eine B_y-Komponente der Magnetisierung auf der linken Seite der Figur angedeutet ist. Es versteht sich, dass diese Wahl illustrativen Zwecken dient und der Magnet 400 anstelle dessen eine inhomogen Magnetisierung innerhalb anderer Querschnitte aufweisen kann. Die Magnetisierung, die in 14A dargestellt ist, ist symmetrisch zu einer Symmetrielinie 14-0 abgebildet, wie es durch die Strichpunktlinie dargestellt ist.
Obwohl die inhomogene Magnetisierung von 14A als vollständig symmetrisch zu der Symmetrielinie 14-0 veranschaulicht ist, wird erkannt werden, dass für einen echten Querschnitt des inhomogenen Magneten 400 verschiedene Effekte eine Symmetrie der Magnetisierung im Querschnitt brechen können, so dass diese Magnetisierung nicht mehr vollständig symmetrisch ist. Solche Effekte können Flächen, die den Magneten 400 begrenzen, (magnetische) Verunreinigungen innerhalb des Magneten 400 und/oder magnetische Stoffe, die ausreichend nahe an dem Magneten sind, sein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Für die vorliegende Offenbarung soll eine Magnetisierung innerhalb eines Querschnitts auch als symmetrisch betrachtet werden, wenn nur 90%, 80% oder 50% der Querschnittsfläche in der Tat eine symmetrische Magnetisierung in Bezug auf die Symmetrielinie 14-0 innerhalb des Querschnitts aufweisen.
Für diese Offenbarung der Magnetisierung (wie in 14 dargestellt) gilt es zu verstehen, dass diese Symmetrielinie 14-0 eine spiegelsymmetrische Magnetisierung des Magneten 400 angeben kann. Ohne Einschränkung kann die Symmetrielinie 14-0, wie sie in dem Querschnitt von 14A angedeutet ist, eine Symmetrie höherer Ordnung des Magneten 400 andeuten, beispielsweise eine dreifache oder höhere Ordnung von Symmetrie. Ein Objekt von höherer Ordnung der Symmetrie umfasst mehr als eine Querschnittsebene, zu der oder in der einige Eigenschaften des Objekts symmetrisch sind, wie zum Beispiel eine Magnetisierung des Objekts oder die Kristallstruktur eines Minerals. Also kann es für eine Symmetrielinie höherer Ordnung mehr als einen Querschnitt geben, zu dem oder in dem die Eigenschaft des symmetrischen Objekts symmetrisch ist, während sich die mehreren Querschnitte tatsächlich bei der Symmetrielinie höherer Ordnung schneiden.
Es wird ferner erkannt werden, dass die Symmetrielinie 14-0 des Magneten 400, wie sie in 14A dargestellt ist, in der Tat eine Rotationssymmetrieachse oder eine ellipsoide Symmetrieachse sein. Fachleute werden somit leicht erkennen, dass der Back-Bias-Magnet 400 auch rotationssymmetrisch sein kann. Daher kann jede Offenlegung, die den inhomogenen (Back-Bias-)Magneten wie etwa den Back-Bias-Magneten 400 betrifft, auf Objekte von Rotationssymmetrie übertragen werden. Eine Rotationssymmetrie oder ellipsoide Symmetrie des Magneten kann in Abhängigkeit von den Umständen von Interesse sein. Es versteht sich, dass eine ellipsoide Symmetrieachse einer Rotationssymmetrie mit nicht nur einem Radius, jedoch einer Rotation zwischen einem ersten und einem zweiten Radius, die insgesamt eine ellipsoide Charakteristik ergibt, wenn sie in einem Querschnitt im Wesentlichen senkrecht zu der Symmetrielinie 14-0 betrachtet wird, entspricht.
Wie zuvor soll eine Magnetisierung mit einer Symmetrie höherer Ordnung, einer Rotationssymmetrie oder einer ellipsoiden Symmetrie innerhalb eines Querschnitts noch als symmetrisch zur Symmetrie höherer Ordnung, Rotationssymmetrie oder ellipsoiden Symmetrie betrachtet werden, auch wenn nur 90%, 80% oder 50% der Querschnittsfläche in der Tat eine Magnetisierung von höherer Symmetrie in Bezug auf die Symmetrielinie 14-0 aufweisen. In ähnlicher Weise soll die Magnetisierung des Back-Bias-Magneten als von Symmetrie höherer Ordnung, Rotationssymmetrie oder ellipsoide Symmetrie betrachtet werden, auch wenn nur 90%, 80% oder 50% des Volumens des Magneten in der Tat eine Magnetisierung von höherer Symmetrie in Bezug auf die Symmetrielinie 14-0 aufweisen.
Es ist zu beachten, dass in einem unteren Abschnitt der Querschnittsansicht (niedrigere z-Werte oder z-Werte gleich null) die Magnetisierung des Magneten 400 fast vollständig entlang der z-Achse ausgerichtet ist. Mit zunehmender z-Koordinate ist die Magnetisierung jedoch zunehmend inhomogen. Das heißt, umso höher die z-Koordinate ist, umso größer ist ein Winkel α zwischen der z-Richtung und der Orientierung der Magnetisierung, wie aus 14A beim Vergleich der Winkel α für steigende z-Koordinaten ersichtlich ist. Offensichtlich ist die Magnetisierung parallel entlang der Symmetrieachse 140-0 ausgerichtet. Parallel zu der Symmetrielinie 14-0, aber nicht auf der Symmetrielinie, was für eine gegebene x-Koordinate in der z-Richtung wäre, wird der Winkel α mit zunehmendem z-Werte deutlich steigen. Ein solches Verhalten kann als monoton, genauer monoton steigend, bezeichnet werden.
Entlang eines Weges senkrecht zu der Symmetrielinie 14-0 kann ein nicht-monotones Verhalten des Winkels α auftreten. Das heißt, senkrecht zu der Symmetrielinie 14-0 kann der Winkel α zunächst sinken, bis die Symmetrielinie 14-0 erreicht wird, und wieder steigen, nachdem die Symmetrielinie passiert ist. Ein Verlauf senkrecht zu der Symmetrielinie 14-0 würde in 14A dem Verlauf in x-Richtung entlang dem Querschnitt für einen gegebenen z-Wert entsprechen.
Ebenso nimmt der Winkel α der Magnetisierung im Verlauf weg von der Symmetrielinie in einer horizontalen Richtung (konstante z-Koordinate) für jene Teile des Magneten 400 zu, die nicht in dem unteren Teil von 14 sind. Die zunehmend inhomogene Magnetisierung ist am besten zu sehen, wenn der Winkel α für Pfeile 14-1, 14-2 und 14-3 verglichen wird. Eine alternative Möglichkeit, die zunehmend inhomogene Magnetisierung im Verlauf entlang der z-Richtung (mit Ausnahme entlang der Symmetrielinie 14-0) zu beschreiben, ist es, sie zunehmend divergent zu nennen. Es versteht sich, dass die Querschnittsverteilung der Magnetisierung zu illustrativen Zwecken dient und die Lehre der vorliegenden Offenbarung nicht in irgendeiner Weise beschränken soll.
Fachleute werden erkennen, dass es möglich ist, einen Gesamtmagneten unter Verwendung eines Formprozesses herzustellen, der eine inhomogene Magnetisierung aufweist, wie sie in 14A dargestellt ist. Gemäß einer ersten Variante eines solchen Formprozesses und ähnlich zu der Diskussion mit Bezug auf eine Herstellung von radial magnetisierten Magneten (jeweils 3a, 3b) kann das Formwerkzeug dazu ausgelegt sein, eine räumlich variierende magnetische Flussdichte im Inneren des Werkzeugs zu erzeugen, während ein magnetisierbares Formmaterial eingespritzt wird und/oder im Inneren des Formwerkzeuges geschmolzen wird. Die räumlich variierende magnetische Flussdichte im Inneren des Formwerkzeugs wird auf das magnetisierbare Formmaterial projiziert und soll fortdauern, sobald der Formprozess abgeschlossen ist, was den Gesamtmagneten 400 mit inhomogener Magnetisierung als ein einheitliches Element ergibt. Tatsächlich können das Formwerkzeug, das magnetisierbare Formmaterial und die räumlich variierende magnetische Flussdichte innerhalb des Werkzeugs ausgewählt werden, um praktisch jede gewünschte räumlich variierende magnetische Flussdichte innerhalb des Magneten 400 zu erreichen, wenn der Formprozess abgeschlossen ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein alternativer Formprozess verwendet werden kann, einen Gesamtmagneten zu erzeugen, der eine inhomogene Magnetisierung aufweist, wie sie in 14A dargestellt ist. Das Formwerkzeug kann mit einem herkömmlichen magnetisierbaren oder magnetischen Formmaterial gefüllt werden und kann in der gewünschten Form des inhomogenen Magneten, die erzeugt werden soll, aushärten. Es ist denkbar, dass während des Härtens des inhomogenen Magneten, der hergestellt werden soll, kein externes Magnetfeld oder ein homogenes externes Magnetfeld angelegt wird. Dies würde zu einem Magneten führen, der eine mehr oder weniger verschwindende Magnetisierung oder eine gleichmäßige Magnetisierung zeigt. Sobald das magnetisierbare Formmaterial ausgehärtet ist, kann ein inhomogenes externes Magnetfeld an das ausgehärtete Formmaterial in die Form des inhomogenen Magneten, der erzeugt werden soll, angelegt werden. Es kann von Vorteil sein, das inhomogene Magnetfeld an das ausgehärtete Formmaterial anzulegen, während es noch in dem Formwerkzeug ist. Ein solcher Ansatz kann von Vorteil sein, wenn der inhomogene Magnet 400 das Formwerkzeug verlässt. Eine Austauschzeit pro Einheit, die in dem Formwerkzeug benötigt wird, kann mit diesem Ansatz erhöht werden. Je nach Umständen kann es jedoch von Interesse sein, das ausgehärtete Formmaterial in die Form des inhomogenen Magneten in eine Magnetisierungsvorrichtung, die ein ausreichend großes inhomogenes Magnetfeld bereitstellt, zu bewegen, um es auf das magnetisierbare ausgehärtete Formmaterial in der Form des inhomogenen Magneten zu projizieren; dadurch wird die Herstellung des inhomogenen Magnet 400 gemäß der vorliegenden Offenbarung abgeschlossen.
14B veranschaulicht eine beispielhafte Form des inhomogenen Magneten 400 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Es kann zweckmäßig sein, den Magneten 400 ziegelartig bereitzustellen, d. h. quaderförmig oder in einer leicht konischen ziegelartigen Form, wie es in 14B dargestellt ist. Eine solche Form kann von Interesse sein, um bekannte Back-Bias-Magneten mit dem inhomogenen Magneten 400, der formbar ist, zu ersetzen. Ein Back-Bias-Magnet-Lieferant würde in der Regel den Back-Bias-Magneten 400 und die Sensoranordnung 120 (nicht dargestellt) überformen, um ein Modul zu erstellen, das an einen Kunden des Lieferanten verkauft wird, wobei das Modul nun Kommunikationsmittel von den Sensorelementen zu einer ECU umfasst, die in Bezug auf diese Offenbarung nicht im Detail diskutiert werden.
Ohne Einschränkung kann auch der Sensor 100 (siehe 2), der von dem Automobillieferanten gebaut wird, eine ziegelartige Form aufweisen, wie sie in 14B gezeigt ist, während die Kommunikationsmittel von den Sensorelementen zu der ECU nicht gezeigt sind. Der Sensor 100 kann auch eine rotationssymmetrische oder ellipsoid-symmetrische Form aufweisen. Der rotationssymmetrische oder ellipsoid-symmetrische Sensor 100 kann abhängig von den Umständen gegebenenfalls eine Kegelstumpfform annehmen. Fachleute werden einsehen, dass eine ellipsoide Form des Sensors 100 den Vorteil haben kann, dass eine Drehung des Sensors 100 bei der Installation leicht nur durch irgendein Gehäuse, das in dem Fahrzeug bereitgestellt ist und der ellipsoiden Form entspricht und dadurch den Sensor 100 in einer vorgesehenen Position anordnet, verhindert werden kann.
Wenn der Sensor 100 jedoch rotationssymmetrisch wäre, könnte eine Nut oder eine Kerbe an einer Fläche des Sensors bereitgestellt werden, um eine Anordnung des Sensors bereitzustellen, wie es für die ellipsoide Form erreichbar ist. Es kann vorteilhaft sein, die Nut oder die Kerbe entfernt von der Magnetfeldsensoranordnung 120 anzuordnen, damit die Nut oder Kerbe die Magnetfeldverteilung in der Nähe der Magnetfeldsensoranordnung 120 nicht beeinflusst (nicht gezeigt).
14C veranschaulicht eine solche Form für den Sensor 100, die eine Nut 101 entfernt von den Erfassungselementen 190 umfasst. Eine derartige Kerbe kann mit einem Vorsprung in dem Gehäuse für den Sensor 100 zusammenpassen, der in einer Vorrichtung, die den Sensor verwendet, wie beispielsweise einem Fahrzeug vorgesehen ist. Als Alternative zu der Kerbe kann ein kegelstumpfförmiger Sensor 100 nicht-parallele obere und untere Flächen umfassen (allgemeiner nicht-parallele Nicht-Umfangsflächen), so dass der Sensor 100 nur mit einem entsprechenden Gehäuse in einer definierten Umfangsposition zusammenpasst. Andere Möglichkeiten der Positionierung des rotationssymmetrischen Sensors 100 innerhalb des entsprechenden Gehäuses werden für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein und werden daher nicht weiter hier erläutert.
14C offenbart eine weitere Alternative des Implementierens des Sensors 100. In der Implementierung von 2 sind die Sensorelemente 190 in einer Sensorbaugruppe angeordnet, die die Magnetfeldsensoranordnung 120 bildet. Anders als in 2 umfasst der Sensor 100 von 14C nicht die Baugruppe, die die Magnetfeldsensoranordnung 120 bildet. Man wird feststellen, dass ein Verpackungs-/Formschritt durch die Implementierung des Sensors 100 mit einem Nackt-Chip 195, der die Sensorelemente 190 trägt, ohne die Baugruppe eingespart werden kann. Eine solche Implementierung des Sensors 100 wird für den (Automobil-)Lieferanten kostengünstiger. Im Austausch muss darauf geachtet werden, dass die Sensorelemente 190 und folglich der Nackt-Chip 195 räumlich in Bezug auf den Back-Bias-Magneten 400 korrekt angeordnet sind. Während für ihre korrekte Ausrichtung in den vorhergehenden Implementierungen des Sensors 100 durch den Chiphersteller gesorgt wurde, ist die korrekte Ausrichtung nun eine Aufgabe, die dem Lieferanten zufällt.
Obwohl zwischen dem Nackt-Chip 195 und dem Back-Bias-Magnet 400 in 14C eine räumliche Distanz ist, wird erkannt werden, dass die inhomogene Magnetisierung des Back-Bias-Magnet 400 so ausgebildet sein kann, dass der Nackt-Chip 195 direkt auf dem Back-Bias-Magneten 400 angeordnet werden kann. Fachleute werden erkennen, dass der Nackt-Chip 195 typischerweise gewisse Kopplungsmittel benötigt, um eine elektrische Verbindung von dem Nackt-Chip 195 zu einer Außenseite davon zu schaffen. Solche Mittel zum Bereitstellen von elektrischer Kommunikation können die Form eines Leiterrahmens annehmen, sind aber nicht darauf beschränkt. Fachleute werden andere Optionen zum Bereitstellen der elektrischen Kommunikation erkennen, die nicht die Lehre der vorliegenden Offenbarung einschränken und werden daher nicht weiter im Detail beschrieben werden. Für den Rest der vorliegenden Offenbarung soll der Nackt-Chip 195 als optional die Kopplungsmittel umfassend betrachtet werden. In verschiedenen Ausführungsformen erleichtert die Gestaltung des Back-Bias-Magneten 400 mit dem Nackt-Chip 195 die korrekte räumliche Anordnung des Nackt-Chips 195 in Bezug auf den Back-Bias-Magneten 400.
14D veranschaulicht eine weitere Alternative des Implementierens des Sensors 100, der den Back-Bias-Magneten 400 umfasst. In der Tat dient zur Implementierung von 14D der inhomogene Magnet 400 auch als das Gehäuse des Sensors 100. Durch geeignetes Steuern sowohl einer räumlichen Verteilung der inhomogenen Magnetisierung des Magneten 400 als auch der Positionierung des Nackt-Chips 195 relativ zu der inhomogenen Magnetisierung, kann die Baugruppe, die die Erfassungselemente 190 bedeckt, und das weitere Formmaterial, dass das Gehäuse bereitstellt, eingespart werden. In 14D ist die räumliche Verteilung der Magnetisierung im Wesentlichen symmetrisch zu der Symmetrielinie 14-0 und zeigt verschiedene Grade an Inhomogenität 14-1, 14-2, 14-3, die sich auf den Winkel α beziehen, wie es in Bezug auf 14A erläutert wurde.
Es ist ersichtlich, dass der inhomogene Magnet 400 von Vorteil ist, wenn er zusammen mit einer Magnetfeldsensoranordnung 120 verwendet wird, da weniger magnetisches Material erforderlich ist, um eine vergleichbare inhomogen magnetische Flussdichte an den Sensorelementen 190 zu erreichen. Dies rührt von der Tatsache her, dass der Magnet 400 (siehe 14A, C, D) näher an der Magnetfeldsensor-Anordnung 120, wobei beispielsweise ein erstes und ein zweites Sensorelement 190-1, 190-2 (siehe 2, 14C, 14D) angeordnet sind, als für die Magnetanordnungen angeordnet sein kann, die keine konvexe Form wie der Magnet 400 aufweisen.
Als weiterer Vorteil des Magneten 400 erfordern der Sensor 100 und/oder der Magnet 400 weniger Platz als jene Systeme, die nichtkonvexe Magneten umfassen (wie beispielsweise den Magneten 150 von 1A, den Magneten 110 von 3A, 3B, 6A oder 6B). In räumlich beschränkten Umgebungen wie beispielsweise einem Motorraum eines Verbrennungsmotors auf dem Automobilgebiet ist die kleinere Größe des Back-Bias-Sensorsystems von Interesse.
Es ist anzumerken, dass ein sich bewegendes Zielrad, das sich in Richtung 220 dreht, nur zu Darstellungszwecken in 14C und 14D gezeigt ist und keinen Teil des beschriebenen (Back-Bias-)Sensors 100 bildet.
Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, dass der inhomogen Magnet 400 unter Verwendung eines harten Ferritmaterials oder seltener Erden als magnetisierbarem Formmaterial ausgebildet sein kann, wie beispielsweise Ferriten, Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo) oder Samarium-Kobalt (SmCo) oder Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), um einige nicht beschränkende Beispiele zu nennen.
Im Allgemeinen sind Hartferritmagneten billiger als auf seltenen Erden basierende Magnete und würden an sich Magnetkosten reduzieren. Hartferritmagneten haben jedoch ein schwächeres magnetisches Moment und werden daher schwächere homogene Magnetfelder im Vergleich zu auf seltenen Erden basierenden Magneten für homogene Magneten gleicher Größe produzieren. Um diesen Nachteil zu kompensieren, trägt die Verwendung von inhomogenen Hartferritmagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Erhöhung ihres jeweiligen Magnetfelds bei, um der Magnetfeldstärke der auf seltenen Erden basierenden Magneten bei Kostenvorteil für Hartferritmagneten zu entsprechen. In der Vergangenheit wurden auf seltenen Erden basierende Magneten zweckmäßigerweise für die oben beschriebenen nicht-konvexen Magneten verwendet (siehe beispielsweise Magnet 150 von 1A, Magnet 110 von 3A, 3B, 6A oder 6B). Deshalb bringt der inhomogene Magnet 400, der Hartferritmaterialien nutzt, mit einem weiteren Vorteil gegenüber nicht-konvexen Magneten aus auf seltenen Erden basierenden Magnetmaterialien, wie beispielsweise Samarium-Kobalt (SmCo) oder Neodym-Eisen-Bor (NdFeB).
15 veranschaulicht schematisch die B_x-Komponente in Bezug auf die Symmetrielinie eines Magneten (x = 0) für eine gegebene y-Koordinate. In dieser Hinsicht entspricht die Darstellung von 15 etwa dem Szenario in 5, wie es oben erläutert ist. Es wird deutlich, dass, während die B_x-Komponente für einen homogenen Magneten (siehe durchgezogene Linie 15-3) eine ungerade Symmetrie in Bezug auf x = 0 aufweist, die B_x-Komponente für einen inhomogenen Magneten (z. B. den Magnet 400 wie oben erörtert) über einen erheblichen Bereich von x-Koordinaten nahezu verschwindet, wie aus der langgestrichelten Linie 15-4 ersichtlich ist. Die kurzgestrichelten Linien 15-1 und 15-2 zeigen typische Positionen für magnetoresistive Sensoren, beispielsweise GMR-Erfassungselemente.
Wie zuvor in Bezug auf den Verlauf 270-6 diskutiert (siehe 5), zeigt die B_x-Komponente des inhomogenen Magneten 400 einen erhöhten linearen Bereich und würde daher eine bevorzugte Position für GMR-Sensorelemente darstellen. Die Magnetfeldsensorelemente 190 (d. h. 2) können, wie es durch Positionslinien 15-1, 15-2 angedeutet ist, jeweils über einen breiteren x-Bereich als für den homogenen Magneten (siehe Linie 15-3 von 15) bequem symmetrisch um x = 0 positioniert werden. In 15 ist für die simulierten Magnetfeldkomponenten für den homogenen und den inhomogenen Magneten (siehe Linien 15-3 und 15-4) ein Abstand von der Sensorebene mit den Sensorelementen 0,7 mm über dem Magneten in z-Richtung. Wie angegeben zeigen die Sensorelemente eine Sensorteilung oder einen Abstand von 2,5 mm in x-Richtung.
16 zeigt eine 3D-Darstellung einer beispielhaften Simulation der Magnetisierung für den inhomogenen Magneten 400 von 14 unter Verwendung eines polymergebundenen Standard-Hartferrit-Formmaterials. Diese Formmaterialien zeigen typischerweise ein Remanenz-Magnetfeld von etwa 270 bis 280 mT und eine entsprechende Koerzitivfeldstärke von 180 kA/m. Wie deutlich ersichtlich ist, ist eine räumliche Verteilung der Magnetisierung innerhalb des Magneten 400 inhomogen, wie es bereits schematisch mit Bezug auf 14A erörtert wurde. Die Farbcodierung, wie sie auf der Skala auf der rechten Seite von 16 angegeben ist, zeigt eine Stärke und Richtung der Magnetisierung. Es wird erkannt werden, dass die Magnetisierung des inhomogenen (Back-Bias-)Magneten 400 eine magnetische Flussdichte außerhalb des Magneten 400 auslösen wird, die anders als sogenannte Halbach-Magnetanordnungen ist, die Magnetkonfigurationen darstellen, bei denen nahezu die gesamte magnetische Flussdichte innerhalb des Halbach-Magneten eingeschlossen ist. Eine solche Beschränkung des Magnetflusses auf das Innere des Magneten würde mit Nicht-Halbach-Magneten erreichbar sein, wenn der Magnet unendlich lang, hoch, und/oder breit wäre. Aus 16 werden Fachleute auf dem Gebiet auch leicht erkennen, dass wie bereits oben erläutert praktisch jede gewünschte inhomogene Verteilung der Magnetisierung innerhalb des Magneten 400 erzeugt werden kann.
17 veranschaulicht weitere Einzelheiten, die aus der Simulation von 16 entnommen sind. Gezeigt ist die simulierte B_x-Komponente des magnetischen Feldes in mT, die durch den Magneten 400 erzeugt wird, der an der Symmetrielinie (siehe 14-0 von 14) zentriert ist, für realistische Abstände der Sensorelemente von der Oberfläche des Magneten 400 jeweils in y- und z-Richtung. Die angenommenen Abstände sind 0,7 mm in z-Richtung und eine zentrale Anordnung in y-Richtung (y = 0 mm).
Linie 17-1 zeigt die B_x-Komponente für einen im Wesentlichen homogenen Magneten, während die Linien 17-2, 17-3 und 17-4 die B_x-Komponente für einen zunehmend inhomogenen Magneten 400 zeigen. Die zunehmende Inhomogenität, die für die Linien 17-2, 17-3 und 17-4 gezeigt ist, kann durch eine Erhöhung eines Winkels α (siehe 14) in Verbindung mit der Linie 14-0 bis 14-1, 14-2 und 14-3 dargestellt werden. Wie bereits für 15 erörtert erhöht die zunehmend inhomogene Magnetisierung, wie in 17 für die Linien 17-2, 17-3 und 17-4 gezeigt, einen linearen Bereich der magnetoresistiven Sensorelemente 190 (nicht gezeigt), die in x-Richtung platziert werden sollen, wie es jeweils durch die gepunkteten Linien 15-1, 15-2 angegeben ist.
Da die B_x-Komponente für die stärkste Inhomogenität, die durch die Linie 17-4 dargestellt ist, an den Sensorpositionen 15-1 bzw. 15-2 fast verschwindet, würde dieser Grad an Inhomogenität der B_x-Komponente die Sensorpositionen 15-1 und 15-2 zu idealen Positionen zum Anordnen der Sensorelemente in der x-Richtung machen, wie es zuvor mit Bezug auf 5 beschrieben wurde.
Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet beschrieben wurde, dass die vorliegende Offenbarung eine inhomogene Magnetisierung des Magneten 400 (siehe 1A, 1B, 3A, 3B, 4–14, 14A, 14D, 15–17) in Querschnitten des inhomogenen Magneten wie beispielsweise der xy- oder xz-Ebene nur zu Veranschaulichungszwecken darstellt. Der inhomogene Magnet der vorliegenden Offenbarung ist jedoch in keiner Weise auf ein solches Szenario beschränkt. Der Magnet kann daher weitere inhomogene Magnetisierungsbeiträge innerhalb weiterer Querschnitte des Magneten umfassen, wobei die weiteren Querschnitte senkrecht zu den in den Figuren der vorliegenden Offenbarung dargestellten sind.
Abhängig von den Gegebenheiten können Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette, CD oder DVD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wird. Allgemein besteht ein Ausführungsbeispiel einer Erfindung somit auch in einem Softwareprogrammprodukt bzw. einem Computerprogrammprodukt bzw. einem Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Softwareprogrammprodukt auf einem Rechner oder einem Prozessor abläuft. Mit anderen Worten kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung somit als ein Computerprogramm bzw. ein Softwareprogramm bzw. Programm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens realisiert werden, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft. Der Prozessor kann jeweils von einem Computer, einer Chipkarte (Smartcard), einem Zentralprozessor (CPU), einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder einer anderen integrierten Schaltung gebildet sein.
Computerprogramme, Softwareprogramme oder Programme können hierbei beispielsweise im Rahmen des Herstellungsverfahrens, also beispielsweise zur Steuerung der Herstellung entsprechender Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren eingesetzt werden. Entsprechende Programme können also im Rahmen von Fertigungsanlagen zur Steuerung dieser, jedoch auch im Rahmen des Entwurfs und im Rahmen der Auslegung entsprechender Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren eingesetzt und verwendet werden. Prozessoren werden also, wie bereits die vorangegangene Aufstellung gezeigt hat, nicht nur im Sinne klassischer Computerprozessoren verstanden, sondern auch im Sinne von anwendungsspezifischen Prozessoren, wie sie beispielsweise im Rahmen von Werkzeugmaschinen und anderen fertigungsrelevanten Anlagen auftreten.
Ausführungsformen sehen einen Bias-Magnetfeldsensor und insbesondere einen oben ausgelesenen CAM-Bias-Magnetfeldsensor (dabei steht oben ausgelesener Sensor für einen im Englischen als top read sensor bezeichneten Sensor) vor. Der Bias-Magnetfeldsensor verbessert die Messung eines modulierten Magnetfeldes, das durch einen magnetischen Körper und ein Geberobjekt bereitgestellt wird.
18A zeigt einen oben ausgelesenen Bias-Magnetfeldsensor gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 18A zeigt eine typische Anwendung eines Bias-Magnetfeldsensors 500, der dazu ausgelegt ist, eine Drehrate oder Drehzahl eines rotierenden Objekts wie beispielsweise einer Welle, eines Zahnrads, eines Getrieberads, eines verzahnten Rads oder eines Rads mit Zahnsegmenten und Abstandssegmenten (Lückensegmenten) zu bestimmen. Der Bias-Magnetfeldsensor 500 umfasst einen Magnetkörper 510, der als Permanentmagnet ausgeführt sein kann, und eine Magnetfeldsensorbaugruppe 520. Der Magnetkörper 510 kann eine vertikale Magnetisierung aufweisen (gemäß der Definition in den Zeichnungen in z-Richtung). Die Sensorbaugruppe 520 umfasst einen Magnetsensorchip 525, der in einer Formmasse eingebettet ist (einen verpackten Magnetsensorchip). Der Sensorchip 525 kann ein Erfassungselement 530 wie etwa einen vertikalen Hall-Sensor oder einen oder mehrere magnetoresistive Sensoren (xMR-Sensoren wie beispielsweise GMR- oder xMR-Wirbelsensoren) umfassen. Der Sensorchip 525 kann ein Ebenen-Sensorchip sein, der Sensorelemente 530 enthält, die empfindlich für die Magnetfeldkomponente in der z-Richtung in einer Ebene ist.
Die Sensorbaugruppe 520 kann ein einzelnes Erfassungselement 530 (oder einen einzelnen Erfassungsbereich) oder mehrere Erfassungselemente 530, die nahe beieinander in einem geschlossenen spezifizierten Bereich angeordnet sind, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Sensorbaugruppe 520 keinen Differenzsensor aufweisen. Die Sensorbaugruppe 520 kann ferner einen Chipträger umfassen, wie beispielsweise einen Leiterrahmen 527 und Pins 535. Der Sensorchips 525 kann auf dem Leiterrahmen 527 angeordnet sein und der Leiterrahmen 527 und der Sensorchip 525 sind zumindest teilweise durch das Verkapselungsmaterial so verkapselt, dass die Pins 535 aus dem Verkapselungsmaterial ragen. Das Sensorgehäuse 520 kann zwei, drei oder mehr Pins 535 umfassen.
Das Erfassungselement 530 kann in einer oberen Lesekonfiguration angeordnet sein. In einer oberen Lesekonfiguration ist das Erfassungselement 530 (insbesondere der Erfassungsbereich) in der xz-Ebene (Sensorbaugruppen-Seitenfläche 534) und nicht in einer xy-Ebene (Sensorbaugruppen-Seitenfläche 539) angeordnet, die auch als ein Sensorelement in einer Flächenlesekonfiguration bekannt ist. Das Erfassungselement 530 kann auch in der yz-Ebene (Sensorbaugruppen-Seitenfläche 537) angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Erfassungselement 530 in einer beliebigen Ebene um die z-Achse angeordnet sein, oder in anderen Worten in einer beliebigen Ebene unabhängig von ihrem Winkel um die z-Achse angeordnet sein. Der Bias-Magnetfeldsensor 500 mit einer solchen Konfiguration kann als verdrehungsunabhängiger Bias-Magnetfeldsensor bekannt sein.
Der Erfassungschip 525 oder des Erfassungselements 530 kann durch das Verkapselungsmaterial der Sensorbaugruppe 520 vollständig verkapselt sein oder teilweise verkapselt sein, so dass die obere Oberfläche (mit dem Erfassungsbereich) freigelegt ist und nicht von dem Verkapselungsmaterial bedeckt ist. Mit Ausnahme des Leiterrahmens 535 umfasst die Sensorbaugruppe 520 vielleicht kein zusätzliches Blech in der Nähe des Erfassungschips 525 oder Erfassungselements 530 oder zwischen dem Erfassungschip 525/Erfassungselement 530 und dem Verkapselungskörper in einigen Ausführungsformen.
In einigen Ausführungsformen ist das Erfassungselement 530 in einem Bereich angeordnet, in dem die z-Komponente des (Bias-)Magnetfeldes (z-Komponente der Flusslinien) des Magnetkörpers bei oder nahe bei einem Minimum ist (beispielsweise etwa 0 Millitesla oder max. bis zu 10 oder 20 Millitesla). In verschiedenen Ausführungsformen können die x-Komponente und die y-Komponente des Magnetfeldes auch bei oder nahe bei einem Minimum sein, dies ist jedoch nicht erforderlich. Dementsprechend kann das Erfassungselement 530 dort angeordnet sein, wo das Magnetfeld eine z-Komponente von 0–10 Millitesla, 0–20 Millitesla, 5–10 Millitesla oder 5–15 Millitesla aufweist und die x- oder z-Komponente Werte größer als 20 Millitesla wie beispielsweise 20–50 Millitesla, 40–80 Millitesla oder 50–100 Millitesla aufweist.
Der Bias-Magnetfeldsensor 500 kann einen Magnetkörper 510 umfassen, der nur auf einer einzigen Seite der Sensorbaugruppe 520 angeordnet ist. Der Magnetkörper 510 kann ein magnetisches Feld bereitstellen, das durch das Geberobjekt 590 moduliert wird. Der Magnetkörper 510 kann eine einfache geometrische Struktur wie einen Würfel oder Quader aufweisen. Der Magnetkörper 510 kann an einer ersten Seitenfläche 536 der Sensorbaugruppe 520 angeordnet sein. Der Bias-Magnetfeldsensor 500 umfasst vielleicht keinen anderen Magnetkörper 510 an irgendeiner anderen Seitenfläche der Sensorbaugruppe 520. Der Bias-Magnetfeldsensor 500 umfasst vielleicht nicht einen Magnetkörper 510 auf mehr als einer Seitenfläche. Der Magnetkörper 510 kann ein einzelner magnetischer Körper sein oder kann mehrere Magnetkörper umfassen, diese Magnetkörper können jedoch alle auf einer einzelnen Seite der Sensorbaugruppe 520 angeordnet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen weist der Magnetkörper 510 eine Länge zwischen etwa 2 mm und etwa 6 mm in z-Richtung, oder alternativ zwischen etwa 5,5 mm und 4,5 mm in der z-Richtung, und eine Länge zwischen etwa 2 mm und etwa 6 mm in x-Richtung oder alternativ zwischen etwa 4,5 mm und 5,5 mm in der x-Richtung auf. In einigen Ausführungsformen weist der Magnetkörper 510 eine Länge zwischen etwa 0,5 mm und 1,5 mm in y-Richtung auf.
Die Sensorbaugruppe 520 kann neben dem Magnetkörper 510 angeordnet sein, so dass der Seitenflächenbereich 538 der Sensorbaugruppe 520 und der Seitenflächenbereich 513 des Magnetkörpers 510 voneinander versetzt sind. Der Versatzabstand d₁ kann etwa 0,5 mm bis etwa 3 mm oder etwa 1 mm bis etwa 2 mm betragen. Außerdem kann die Sensorbaugruppe 520 so angeordnet sein, dass der Seitenflächenbereich 539 der Sensorbaugruppe 520 von dem Seitenflächenbereich 514 des Magnetkörpers 510 versetzt ist. Der Versatzabstand d₂ kann etwa 0,5 mm bis etwa 3 mm betragen. In einigen Ausführungsformen ist die Sensorbaugruppe 520 an dem Magnetkörper 510 so montiert, dass weder die Seitenfläche 538 noch die Seitenfläche 539 mit den jeweiligen Seitenflächen 513, 514 des Magnetkörpers 510 fluchtet. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass das Erfassungselement 530 an einer geeigneten Position angeordnet ist, um die Änderungen in dem Magnetfeld zu messen, die gemessen werden sollen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist das Erfassungselement 530 typischerweise in einem Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 1,5 mm oder alternativ etwa 1 mm von einer Oberfläche 512 des Magnetkörpers 510 angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist das Erfassungselement (oder der Erfassungsbereich) unterhalb der unteren Fläche 514 des Magnetkörpers 510 angeordnet.
In einigen Ausführungsformen können die Sensorbaugruppe 520 und der Magnetkörper 510 durch einen Verkapselungskörper oder einer Schutzhülle verkapselt sein. Das Verkapselungsmaterial kann ein anderes sein als das Verkapselungsmaterial der Sensorbaugruppe 520.
Ein Geberobjekt 590 ist in einem Abstand d₃ 580 von Bias-Magnetfeldsensor 500 und dem Sensorelement 530 montiert. Der Abstand d₃ 580 kann zwischen dem Sensorelement 530 und dem Geberobjekt 590 sein. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand d₃ 580 zwischen der Mitte des Erfassungselements 530 und der oberen Oberfläche eines Zahnes des Geberobjekts 590 sein. Der Abstand 580 kann hier auch als Magnetluftspalt oder Luftspalt bezeichnet werden.
Das Geberobjekt 590 kann ein Rad mit erhöhten Segmenten (Zahnsegmente) und Abstandssegmenten (Spaltsegmenten zwischen den erhöhten Segmenten) oder irgendein anderes Rad mit einer modifizierten Außenfläche sein. Das Geberobjekt 590 kann ein Lochrad, ein Polrad und andere runde oder ellipsoide Objekte umfassen, die geeignet sind, um ein Magnetfeld zu beeinflussen, das durch den Magnetkörper 510 erzeugt worden ist, wenn eine Bewegung des Geberobjekts 590 auftritt. Wenn das Geberobjekt 590 ein magnetisches Rad ist, kann es selbst eine magnetische Flussdichte erzeugen. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Geberobjekt 590 ein Zahnrad, das mit einer Welle gekoppelt ist, das heißt einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle. Wenn das Geberobjekt 590 gedreht wird, wird das Zahnrad gedreht, wie es durch den Pfeil 585 angegeben ist, wodurch eine Änderung in dem Magnetfeld verursacht wird, die durch die Sensorbaugruppe 520 detektiert werden kann.
In anderen Ausführungsformen umfasst das Geberobjekt 590 eine periodische Struktur, die das Magnetfeld, das durch den Magnetkörper 510 geliefert wird, moduliert. Die Bewegung des Geberobjekts 590 kann eine periodische Änderung in dem Magnetfeld des Magnetkörpers 510 verursachen.
In Abhängigkeit von der Anwendung kann der Bias-Magnetfeldsensor 500 Bewegungen des einen oder der mehreren Räder im Rahmen eines ABS-Systems detektieren. Andere Ausführungsformen des Bias-Magnetfeldsensors 500 können beispielsweise auf dem Gebiet der Motorsteuerung und -überwachung, beispielsweise als Kurbelwellensensoren oder Nockenwellensensoren, verwendet werden.
Im Betrieb wird das Geberobjekt 590 gedreht und die Zähne (beispielsweise des Zahnrads) drehen sich 585 in Richtung der x-Richtung der x-z-Ebene. Das Erfassungselement 530 ist in einem Abstand d₃ 580 von dem Geberobjekt 590 und auch in der x-z-Ebene angeordnet (oder in einer Ebene, zu der die z-Achse ist orthogonal ist). Der Abstand d₃ 580 kann zwischen etwa 1 mm und etwa 4 mm betragen. Die Drehung 585 des Geberobjekts 590 erzeugt ein veränderliches Magnetfeld. Wenn beispielsweise eine Ausdehnung (beispielsweise ein Zahn) des Geberobjekts 590 den magnetischen Luftspalt passiert, kann das Magnetfeld ansteigen, und wenn sich eine Lücke durch den magnetischen Luftspalt bewegt, kann das Magnetfeld sinken. Das Geberobjekt 590 kann unterschiedliche Zähne (beispielsweise unterschiedliche Längen und Formen) und unterschiedliche Lücken (beispielsweise unterschiedliche Längen und Formen) aufweisen. Doch in verschiedenen Ausführungsformen kann das Muster regelmäßig sein (z. B. Zahn 1 mit Form 1, Spalt 1 mit Form 1, Zahn 2 mit Form 2 und Spalt 2 mit Form 2, und dann wieder Zahn 1 mit Form 1 usw.). In vielen Fällen ist die Wellenform der Magnetfeldvariation nahezu sinusförmig und ihre Amplitude verringert sich drastisch als Funktion eines zunehmenden (magnetischen) Luftspalts.
18B zeigt einen oben ausgelesenen Bias-Magnetfeldsensor gemäß verschiedenen anderen Ausführungsformen. Die Ausführungsform von 18B ist ähnlich zu der Ausführungsform von 18A. Dementsprechend bezeichnen die Bezugszeichen mit der gleichen Zahl in 18A und 18B die gleichen oder ähnliche Elemente. Die Ausführungsform von 18B unterscheidet sich von der Ausführungsform von 18A durch eine Anordnung der Sensorbaugruppe 520 relativ zu dem Magnetkörper 510 und der Form des Magnetkörpers 510. Hier umfasst der Magnetkörper 510 einen Ausschnitt. Der ausgeschnittene Flächenbereich 516 verbindet die Seitenflächenbereiche 512 und 514. Der Winkel zwischen dem Seitenflächenbereich 512 und dem ausgeschnittenen Flächenbereich 516 und der Winkel zwischen dem ausgeschnittenen Flächenbereich 516 und dem Seitenflächenbereich 514 können in jedem Fall etwa 30 Grad bis etwa 60 Grad betragen. Der Ausschnitt 515 ändert das magnetische Feld so, dass das Erfassungselement 530 in einem Abstand von dem Geberobjekt angeordnet sein kann, der weiter weg ist, wodurch der magnetische Luftspalt 590 vergrößert wird. Beispielsweise kann das Erfassungselement 530 (oder die Mitte des Erfassungselements) mit der unteren Fläche 514 des Magnetkörpers 510 ungefähr auf einer Höhe angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen ist der Seitenflächenbereich 538 des Magnetfeldsensors 520 bündig mit oder in der gleichen Ebene mit dem Seitenflächenbereich 513 des Magnetkörpers 510 angeordnet.
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf mehrere Ausführungsformen beschrieben worden ist, gibt es Abänderungen, Permutationen und Äquivalente, die in den Schutzbereich dieser Erfindung fallen. Es ist auch zu beachten, dass es viele alternative Möglichkeiten gibt, um die Verfahren und Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Es ist daher beabsichtigt, dass die folgenden beigefügten Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie alle derartigen Abänderungen, Permutationen und Äquivalente, die unter den wahren Gedanken und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen, umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007025000 [0001]

Claims

Bias-Magnetfeldsensor, der eine Magnetfeldsensorbaugruppe umfasst, die einen Magnetkörper aufweist, der nur an einer einzigen Seite der Sensorbaugruppe angebracht ist, wobei der Magnetkörper dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld bereitzustellen, und wobei die Sensorbaugruppe dazu ausgelegt ist, eine Modulation des Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen.
Bias-Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, wobei die Sensorbaugruppe ein Erfassungselement umfasst.
Bias-Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erfassungselement ein oben ausgelesenes Erfassungselement ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, wobei die Sensorbaugruppe nur ein einzelnes Sensorelement umfasst.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetkörper ein Kubus oder ein Quader ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetkörper einen Ausschnitt umfasst und der Ausschnitt direkt benachbart zu der Sensorbaugruppe angeordnet ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorbaugruppe eine erste Seitenfläche nahe dem Geberobjekt und eine zweite Seitenfläche entfernt von dem Geberobjekt umfasst, wobei der Magnetkörper eine erste Seitenfläche nahe dem Geberobjekt und eine zweite Seitenfläche entfernt von dem Geberobjekt umfasst, wobei die erste Seitenfläche der Sensorbaugruppe und die erste Seitenfläche des Magnetkörpers versetzt zueinander sind und die zweite Seitenfläche der Sensorbaugruppe und die zweite Seitenfläche des Magnetkörpers versetzt zueinander sind.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorbaugruppe eine erste Seitenfläche nahe dem Geberobjekt und eine zweite Seitenfläche entfernt von dem Geberobjekt umfasst, wobei die erste und die zweite Seitenfläche durch eine dritte und eine vierte Seitenfläche der Sensorbaugruppe verbunden sind, wobei der Magnetkörper eine erste Seitenfläche nahe dem Geberobjekt und eine zweite Seitenfläche entfernt von dem Geberobjekt umfasst, wobei die erste und die zweite Seitenfläche durch eine dritte Seitenfläche auf einer Seite des Magnetkörpers und durch eine vierte Seitenfläche und eine fünfte Seitenfläche auf einer anderen Seite des Magnetkörpers verbunden sind, wobei die fünfte Seitenfläche des Magnetkörpers einen ersten Winkel in Bezug auf die zweite Seitenfläche des Magnetkörpers und einen zweiten Winkel in Bezug auf die vierte Seitenfläche des Magnetkörpers aufweist, wobei der erste und der zweite Winkel von 90 Grad verschieden sind und die vierte Seitenfläche des Magnetkörpers an der Sensorbaugruppe angebracht ist, während es die fünfte Seitenfläche des Magnetkörpers nicht ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach Anspruch 8, wobei die erste Seitenfläche der Sensorbaugruppe und die erste Seitenfläche des Magnetkörpers in derselben Ebene angeordnet sind.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bias-Magnetfeldsensor ein Bias-Magnetfeldsensor mit verdrehungsunabhängiger Montage ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin eine Abdeckung umfasst, die die Sensorbaugruppe und den Magnetkörper verkapselt.
Bias-Magnetfeldsensor, der Folgendes umfasst: eine Magnetfeldsensorbaugruppe, die ein Erfassungselement umfasst, das dazu ausgelegt ist, eine Modulation eines Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen; und einen Magnetkörper, der dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld bereitzustellen und der an der Sensorbaugruppe angebracht ist, wobei das Erfassungselement in einem Bereich angeordnet ist, in dem eine z-Komponente des Magnetfelds unter 20 Millitesla beträgt, wobei eine x-Komponente des Magnetfelds über 20 Millitesla beträgt und wobei die z-Komponente des Magnetfelds im Wesentlichen parallel zu einer Richtung zwischen dem Erfassungselement und dem Geberobjekt ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach Anspruch 12, wobei eine y-Komponente des Magnetfelds über 20 Millitesla beträgt.
Bias-Magnetfeldsensor nach Anspruch 12 oder 13, wobei die z-Komponente des Magnetfelds unter 10 Millitesla beträgt und die x-Komponente und die y-Komponente des Magnetfelds jeweils über 50 Millitesla betragen.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Magnetkörper an der Sensorbaugruppe an nur einer Seite der Sensorbaugruppe angebracht ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Sensorbaugruppe nur ein einzelnes Erfassungselement umfasst.
Bias-Magnetfeldsensor, der Folgendes umfasst: einen Magnetkörper, der dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld bereitzustellen; und eine Magnetfeldsensorbaugruppe, die dazu ausgelegt ist, eine Modulation des Magnetfelds durch ein Geberobjekt zu messen, wobei der Magnetkörper an einer Seite der Sensorbaugruppe angebracht ist und kein zusätzlicher Magnetkörper an irgendeiner anderen Seite der Sensorbaugruppe angebracht ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach Anspruch 17, wobei die Sensorbaugruppe ein einzelnes Erfassungselement umfasst.
Bias-Magnetfeldsensor nach Anspruch 18, wobei das Sensorelement ein oben ausgelesenes Sensorelement ist.
Bias-Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Magnetkörper ein Kubus oder ein Quader ist.