DE10222467A1

DE10222467A1 - GMR-Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE10222467A1
Application number: DE2002122467
Authority: DE
Inventors: Peter Apel; Klaus Wilczek
Original assignee: AB Elektronik GmbH
Current assignee: AB Elektronik GmbH
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2003-12-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines veränderlichen Giant-Magnetic-Resistors-(GMR-)Widerstands mit einer Giant- Magnetic-Resistor-(GMR-)Zelle, in der durch ein relativ zu ihr bewegtes Magnetelement wenigstens zwei entgegengesetzt zueinander gerichtete Ströme erzeugt werden als Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Dreh- und/oder Linear- Bewegungen sich relativ zueinander bewegender Teile und eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Dreh- und/oder Linear-Bewegungen sich relativ zueinander bewegender Teile mit einem stationären Teil und einem rotierenden Teil.
Durch Drehwinkelsensoren werden Drehbewegungen erfasst. Ein Drehwinkelsensor ist aus der WO 95 14 911 A1 bekannt. Er besteht aus einer stationären und einer rotierenden Formation. Die stationäre Formation enthält zwei halbmondförmige Statorelemente, zwischen denen sich eine Abstandsausnehmung befindet, in der ein Hallelement angeordnet ist. Die rotierende Formation weist ein ringförmig ausgebildetes Magnetelement auf, das von einer Halteeinheit gehalten wird und unter Belassung einer Luftspalts um die Statorelemente zu bewegen ist.
Ein derartiger Drehwinkelsensor ist darüber hinaus aus der WO 98 25 102 A1, DE 197 16 985 A1, DE 199 03 490 A1 bzw. der EP 1 024 267 A2 der Anmelderin bekannt.
Diese Ausführungsformen des Drehwinkelsensors haben sich bewährt. Allerdings erfordern sie eine genaue Justage. Eine Möglichkeit der Justierung der Ausgangswerte der bekannten Sensoren wird in der WO 98 22 781 A1 angegeben. Der Vorteil dieser Justierung besteht darin, dass die Ausgangswerte zu Ausgangsspannungen justiert werden können, wenn der Sensor bereits gekapselt ist. Darüber hinaus können die Justierungen beliebig oft wiederholt werden.
Aus der DE 197 16 985 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Position rotierender Wellen bekannt. Durch in zwei nebeneinander angeordneten Luftspalten angeordnete Hall-IC- Elemente werden die bei der Bewegung des Rotors erzeugten Hall-Spannungen einer Auswerteeinheit zugeführt, die hieraus eine Ausgangsspannung erzeugt, bei der jedem Stellungswinkel zwischen 0 und 360° ein Ausgangssignal zugeordnet werden kann.
Die Erfassung des Betätigungsgrades von Drosselklappen oder Fahrpedalen ist auch durch Sensoren nach dem Widerstandsprinzip möglich.
Aus der EP 0 457 033 B1 ist es bekannt, hierfür ein Doppel- Potentiometer einzusetzen, das Ausgangsspannungen unterschiedlicher Steigung abgibt. Nachteilig ist, dass sich durch die im Motorraum herrschenden Betriebstemperaturen die Widerstandswerte verändern und zu ungenauen Messwerten führen.
Aus der DE 40 04 085 A1 ist es bekannt, mit Hilfe eines Doppel-Potentiometers in Abhängigkeit von der Stellungsänderung der Drosselklappe oder des Fahrpedals zwei Ausgangskurven mit gegenläufiger Steigung zu erzeugen. Allerdings können mit den Ausgangskurven durch die stark schwankenden Widerstandswerte, die durch die hohen Betriebstemperaturen im Motorraum bedingt sind, nicht die geforderten Fehleranzeigen vorgenommen werden.
Aus der DE 38 20 475 C1 ist ein Magnetfeldsensor mit ferromagnetischer, dünner Schicht mit dazugehörigen Strom- und Spannungskontakten zum Auslesen magnetisch gespeicherter Daten bekannt. Bei diesem sind zwei über eine Zwischenschicht benachbarte ferromagnetische Schichten vorgesehen. Diese bestehen aus Materialien, die bewirken, dass ohne Mitwirkung eines äußeren Magnetfeldes die Magnetisierung der einen ferromagnetischen Schicht antiparallel zu der anliegenden oder benachbarten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist. Die Zwischenschicht besteht aus nichtmagnetischem Metall. Bei dem bekannten Magnetfeldsensor sollten die Änderung des Magnetwiderstandes und damit das Mess-Signal größer sein als bei den bisher bekannten Magnetfeldsensoren. Die Lösung hierfür besteht darin, dass die Zwischenschicht eine Dicke aufweist, die unterhalb der mittleren freien Weglänge der Elektronen liegt.
Ein magnetischer Sensor zur Abgabe von elektrischen Signalen ist aus der DE 36 39 208 A1 bekannt. Hierbei befinden sich mehrere um 90° zueinander angeordnete Widerstände auf einem Substrat. Der Sensor wird relativ zu einem Permanentmagneten in dessen homogenem Magnetfeld bewegt.
Aus der EP 1 089 056 A1 ist eine Anordnung mit einem Bewegungsgeberelement bekannt, die eine zwei magnetempfindliche Halbbrücken umfassende Wheatstonebrücke umfasst. Hierdurch soll eine einfache Bestimmung der Bewegungsrichtung des Bewegungsgeberelements erreicht werden.
Ein nach dem magnetoresistiven Prinzip arbeitender Linearsensor ist aus der EP 1 046 021 A1 bzw. der EP 1 046 022 A1 bekannt, der gleichfalls eine Brückenschaltung verwendet.
Aus Philips Semiconductors, General part 2, November 1994, S. 141-143, ist eine Drehwinkelmesseinrichtung mit einem magnetoresistiven Sensor bekannt. Sie kann Winkel von ±90° messen. Allerdings ist die Ausgangsspannung temperaturanfällig.
Bekannt sind sogenannte Giant-Magnetic-Resistoren (GMR-)Zellen. Werden diese Zellen einem Magnetfeld ausgesetzt, geben sie zwei V-förmig zueinanderliegende Abgabespannungen ab. Verwendet werden die GMR-Zellen allerdings nur als Schalter oder als Leseköpfe für Festplatten.
Es stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Erfassung von Dreh- und Linearbewegungen zu schaffen, die einfach im Aufbau und genau in der Messwerterfassung ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung von GMR-Zellen als Teil eines Drehwinkelsensors größere Nutzsignale abgegeben werden. Die Abgabespannungen sind bis zu 80 bis 90% linear. Nur der letzte Teil der Kurve ist leicht gekrümmt.
Hervorzuheben ist darüber hinaus, die äußerst geringe Flächenausdehnung von nur 4 mm². Der bewegliche Teil, der durch das Magnetelement realisiert wird, braucht nicht mehr genau einjustiert zu werden. Er braucht nur noch gegenüber der GMR-Zelle entsprechend positioniert zu werden. Darüber hinaus ist der aus diesen beiden Teilen aufgebaute Sensor unempfindlich gegenüber Stößen, Schmutz, Feuchtigkeit, Temperatur und dergleichen.
Durch die entgegengesetzt gerichteten Ströme wird eine GMR- Spannung erzeugt, die aus zwei Abgabespannungen mit einem im wesentlichen V-förmigen Verlauf abgegeben wird. Hierdurch ist es möglich, zwei Steilbereiche mit unterschiedlicher Steigung für Messwerterfassungen auszunutzen.
Die Abgabespannungen lassen sich auf unterschiedlichste Art und Weise auswerten.
So kann wenigstens eine Abgabespannung wenigstens teilweise begradigt werden. Da die Abgabespannung im wesentlichen linear ausgebildet ist, kann dieser Teil bereits verwendet werden. Wird ein großer Winkelbereich zu erfassen sein, kann der gekennzeichnete Teil anteilmäßig ebenfalls eingesetzt werden.
Durch die logische Verknüpfung beider Abgabespannungen ist es möglich, die gewünschte Steigung und die gewünschte Form einer Ausgangsspannung zu erzeugen.
Es ist aber auch möglich, beide Abgabespannungen durch entsprechende Verschiebungen gekreuzt übereinander zu legen. Hierdurch sind Ausgangsspannungen mit unterschiedlichen Steigungsverläufen möglich.
Es ist möglich, eine der beiden Abgabespannungen nur eines GMR-Widerstandes in einem Widerstandsnetzwerk als Ausgangsspannung zu verwerten. Es ist aber auch ebenso gut möglich, beide für eine Ausgangsspannung zu verwenden.
Eine der beiden Abgabespannungen wenigstens zweier GMR- Widerstände mit einem Widerstandsnetzwerk können als Ausgangsspannung abgegeben werden. Hierdurch ist es möglich, einen Winkel von 0 bis 360° vollständig zu erfassen.
Es ist auch möglich, beide Abgabespannungen wenigstens zweier GMR-Widerstände mit einem Widerstandsnetzwerk für die Regenerierung eines Ausgangssignals zu verwenden. Hierdurch ist es möglich, die Zahl der eingesetzten GMR-Zellen durch die Doppelnutzung zu verringern.
Die gestellte Aufgabe wird darüber hinaus durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein Drehwinkelsensor einer neuen Generation zur Verfügung gestellt wird. Durch die Verwendung des Giant- Effekts zur Erfassung von Dreh- und Winkelbewegungen ist es möglich, diese Bewegungen sehr, genau und exakt zu erfassen. Dieser neue Sensor ist den besonders extremen Bedingungen im Motorraum gewachsen. Er ist temperatur- schmutz- und feuchteunempfindlich.
Es können wenigstens zwei GMR-Zellen im gleichen Winkel zueinander angeordnet werden. Dieser Winkel kann zwischen 1° und 359° betragen. Welcher Winkel zum Einsatz kommt, hängt von den jeweiligen Anforderungen ab.
Es können aber auch vier GMR-Zellen verwendet werden, die jeweils in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sein können. Hierdurch lässt sich die Drehbewegung des Magnetelements von 0 bis 360° lagegenau erfassen.
Jeder GMR-Zelle kann eine weitere GMR-Zelle zugeordnet werden. Hierdurch ist es möglich, redundante Systeme oder auch Zweifacherfasssungs-Systeme zu schaffen.
Die beiden GMR-Zellen können beliebig zueinander angeordnet sein, d. h. sie können hintereinander, übereinander oder nebeneinander liegen.
Das Magnetelement kann in einer Ebene mit den GMR-Zellen angeordnet sein. Das bedeutet, dass das Magnetelement entweder vor den GMR-Zellen oder unter oder über den GMR-Zellen rotieren kann.
Das Widerstandsnetzwerk enthält außer dem GMR-Widerstand, der in Abhängigkeit vom vorhandenen Magnetfeld veränderlich ist, wenigstens einen weiteren Widerstand.
Eine Ausbildungsmöglichkeit des Widerstandsnetzwerks ist ein Spannungsteiler, der aus der Reihenschaltung eines Widerstandes mit konstantem Widerstand und einem GMR-Widerstand mit einem veränderlichen Widerstand besteht, zwischen dem in bekannter Art und Weise ein Ausgangsspannungsabgriff angeordnet ist. Diese Anordnung stellt die einfachste Realisierungsmöglichkeit zur Erzeugung der Ausgangsspannungen dar.
Eine weitere Ausbildungsform des Widerstandsnetzwerks ist eine Wheatstone-Brücke, die allein oder im Verbund mit weiteren Wheatstone-Brücken positioniert und angeordnet werden kann. Innerhalb der Wheatstone-Brücke ist einer der Brückenwiderstände als ein veränderlicher GMR-Widerstand ausgebildet. Der veränderliche Widerstand erzeugt durch seinen veränderlichen Widerstandswert die entsprechenden Ausgangskennlinien.
Wenigstens eine der GMR-Zellen mit einem Widerstandsnetzwerk ist mit einer Auswerteschaltung verbunden.
Diese Auswerteschaltung kann den jeweiligen Anforderungen entsprechend ausgelegt werden. Sie kann

- eine Verknüpfungseinheit,
- eine Brückenverknüpfungseinheit,
- eine 360°-Verknüpfungseinheit oder
- eine PIN-Justiereinheit

Verwendet werden hier bereits bewährte und bekannte Schaltungen, die genau geforderte und berücksichtigte Ausgangssignale erzeugen können. Hierdurch ist es möglich, den GMR- Drehwinkelsensor ohne große Umbauarbeiten anstelle eines bekannten Drehwinkelsensors einzusetzen. Dabei ist es gleichgültig, ob der bekannte Sensor nach dem Hall- oder nach dem Widerstandsprinzip arbeitet. Es ist auch möglich, die bekannten einfachen Drehwinkelsensoren nach dem magnetoresistiven Prinzip durch die höherwertigen GMR-Drehwinkelsensoren zu ersetzen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen GMR-Widerstand eines GMR-Drehwinkelsensors in einer schematischen, perspektivischen Darstellung,
Fig. 2 eine Abgabespannung eines GMR-Drehwinkelsensors mit einem GMR-Widerstand gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen GMR-Sensor mit einer in einer Spannungsteiler-Schaltung angeordneten GMR-Zelle gemäß Fig. 1,
Fig. 4 einen GMR-Drehwinkelsensor mit zwei mit einer Brückenverknüpfungseinheit verbundene GMR-Zellen gemäß Fig. 1,
Fig. 5 einen GMR-Widerstand eines GMR-Drehwinkelsensors gemäß Fig. 1 in einer schematisch dargestellten Draufsicht,
Fig. 6 einen GMR-Widerstand eines GMR-Drehwinkelsensors gemäß Fig. 1 und Fig. 3 mit einer redundanten GMR- Zelle,
Fig. 7 bis 9b verschiedene Anordnungsvarianten von GMR- Zellen eines GMR-Drehwinkelsensors in schematischer Darstellung,
Fig. 10a einen GMR-Drehwinkelsensor gemäß Fig. 1 und 3 mit angeschlossener Verknüpfungseinheit,
Fig. 10b eine von einer Verknüpfungseinheit gemäß Fig. 10a abgegebene Ausgangsspannung,
Fig. 11 mit vier GMR-Widerständen gemäß Fig. 5 bzw. 9 abgegebene Abgabespannungen,
Fig. 12a vier mit einer 360°-Verknüpfungseinheit verbundene GMR-Zellen gemäß Fig. 5 bzw. 9,
Fig. 12b eine von einer 360°-Verknüpfungseinheit gemäß Fig. 10 abgegebene Ausgangsspannung,
Fig. 13 ein Blockschaltbild einer PIN-Justiereinheit für GMR-Drehwinkelsensoren,
Fig. 14 eine Signalwandungseinheit einer PIN- Justiereinheit gemäß Fig. 13,
Fig. 15 eine weitere Ausführungsform einer Abgabeeinrichtung einer PIN-Justiereinheit,
Fig. 16 eine Arbeitseinheit einer PIN-Justiereinheit gemäß Fig. 13,
Fig. 17a Abgabespannungen eines GMR-Drehwinkelsensors, wie sie bereits in der Fig. 2 dargestellt sind,
Fig. 17b von der PIN-Justiereinheit gemäß Fig. 13 bis 16 justierte Abgabespannungen zu justierten Ausgangsspannungen und
Fig. 17c von der PIN-Justiereinheit gemäß Fig. 13 bis 16 justierte Abgabespannungen zu weiteren Ausgangsspannungen.
In Fig. 1 ist ein GMR-Widerstand R10 gezeigt. Er besteht aus einer stationären Einheit, die durch eine Giant-Magnetic- Resistor-(GMR-)Zelle 10' gebildet wird. Diese GMR-Zelle 10' kann mit einem Drosselklappengehäuse verbunden sein.
Die GMR-Zelle 10' selbst besteht aus zwei sehr dünnen ferromagnetischen Schichten 1, 2, zwischen denen eine ebenfalls sehr dünne Schicht 4 aus einem nicht ferromagnetischen Material angeordnet ist. Die ferromagnetischen Schichten 1, 2 werden aus dünnen Eisenschichtelementen gebildet, zwischen denen als nicht-ferromagnetische Schicht 4 ein Kupferschichtelement angeordnet ist. Die Dicke der einzelnen Schichten 1, 2 und 4 beträgt zwischen 0,2 und 5 nm.
Unterhalb der GMR-Zelle 10' ist in einem Spaltabstand 6 ein Magnetelement 5 angeordnet, das aus einer Nordhälfte N und einer Südhälfte S besteht. Der Spaltabstand 6 beträgt zwischen 2 und 3 mm. Das Magnetelement 5 rotiert um eine Rotorachse 7 und kann mit einer Drosselklappenwelle 8 einer Drosselklappe verbunden sein.
Dreht sich die Drosselklappenwelle 8 in dem Drosselklappengehäuse, wird dabei das Magnetelement 5 gegenüber der GMR- Zelle 10' mit der Drehbewegung R bewegt. Hierbei durchflutet ein magnetisches Feld mit einer Feldstärke H in der entsprechenden Richtung die beiden Eisenschichtelemente 1, 2. Der Spin der freien Elektronen in den Eisenschichtelementen richtet sich durch die magnetische Kopplung antiparallel aus. Durch diese antiparallele Polarisation der Spins entstehen an den Grenzschichten der Eisenschichtelemente 1, 2 häufige Zerstreuungen der Elektronen. Diese Elektronenbewegung resultiert in einem elektrischen Widerstand des Systems. Wird das sich selbst aufbauende magnetische Feld durch ein äußeres Feld überfahren, so dass alle Elektronspins parallel polarisiert werden, verringert sich der Widerstand.
Das magnetische Feld mit der Feldstärke H in den einzelnen Eisenschichtelementen 1, 2 erzeugt hierdurch zwei entgegengesetzt gerichtete Ströme I1, I2.
Letztendlich entsteht ein veränderlicher magnetischer Widerstand R10, . . . der mit der Bewegung des Magnetelements 5 seinen Widerstandswert ändert. Dieser Widerstand R10, . . . wird zur Erzeugung einer Abgabespannung U in einem Widerstandsnetzwerk angeordnet.
Ein solches Widerstandsnetzwerk ist insbesondere ein Spannungsteiler, wie er in Fig. 3 gezeigt ist. Der Spannungsteiler besteht dabei aus der Reihenschaltung eines Widerstands R1 und dem veränderlichen magnetischen Widerstand R10, . . .. Am Widerstand R10 liegt eine Versorgungsspannung V_CC von zum Beispiel +5 Volt an, am Widerstand R10 Masse GND. Am Teilerpunkt zwischen R1 und R10 wird eine GMR-Spannung U_GMR abgegeben, die aus zwei Abgabespannungen U1, U2 besteht, und die in Fig. 2 gezeigt ist.
Durch den Nordanteil N des Magnetelements 5 wird der rechte Zweig, d. h. die Abgabespannung U1 erzeugt. Durch den linken Südblock S des Magnetelements 5 hingegen wird die linke Abgabespannung U2, die spiegelbildlich zu U1 liegt, erzeugt. In der Ansicht entsteht eine V-förmige Spannungskonfiguration U_GMR.
Beide Abgabespannungen U1, U2 repräsentieren einen bestimmten Winkel α der Drosselklappenwelle 8 gegenüber dem Drosselklappengehäuse. Wie Fig. 2 zeigt, kann den einzelnen Abgabespannungswerten ein Winkelwert zugeordnet werden. Von besonderem Vorteil ist, dass zwei bis zu 80% weitgehend lineare Spannungsverläufe entstehen, die für weitere Auswertungen bereitstehen kann.
Für einen GMR-Widerstand reicht ein einziger Widerstand R10 mit einer GMR-Zelle 10' aus, wie in den Fig. 1 und 5 dargestellt, der Teil eines Widerstandsnetzwerks ist, das als Spannungsteiler, wie an Hand der Fig. 3 erläutert wurde, ausgebildet sein kann. Da die GMR-Zelle 10' repräsentativ für den GMR-Widerstand ist, mit dem in dem Widerstandsnetzwerk die Abgabespannung U_GMR erzeugt wird, wird im Folgenden auf die GMR-Zellen abgestellt, ohne dabei das Netzwerk jeweils nochmals genau zu erwähnen bzw. zu erläutern.
Um eine Redundanz zu schaffen, kann der GMR-Zelle R10 eine weitere GMR-Zelle zugeordnet werden (vgl. Fig. 6). Beide Zellen können übereinander, hintereinander und nebeneinander liegen. Das Magnetelement kann entsprechend dazu positioniert werden.
Der GMR-Widerstand kann aber auch aus vier in einem Winkel von 90° zueinander angeordneten GMR-Zellen R10, R11, R12, R13 bestehen (vgl. Fig. 7), gegenüber denen sich das Magnetelement 5 bewegt. Diese vier GMR-Zellen können zueinander angeordnet sein, wie hier in der Ebene gezeigt. Die entsprechende Gradzahl zueinander kann aber auch dadurch realisiert werden, dass alle vier GMR-Zellen in einer Ebene übereinander positioniert werden.
Um eine Redundanz zu schaffen, können den vier GMR-Zellen R10, . . ., R13 vier weitere GMR-Zellen R14, R15, R16, R17 zugeordnet werden (vg. Fig. 8). Auch diese acht GMR-Zellen können in unterschiedlichen Ebenen zueinander positioniert werden, d. h. hintereinander, übereinander, nebeneinander und dergleichen.
Aufgabe des GMR-Widerstands ist es aber nicht nur, die jeweiligen Abgabespannungen U1, U2 zu erzeugen, sondern Ausgangsspannungen zu regenerieren, wobei jedem Ausgangspannungswert ein genauer Winkelwert α zugeordnet werden soll.
In Fig. 10a ist eine erste Möglichkeit hierfür angegeben. Hierbei ist der GMR-Widerstand R10 gemäß den Fig. 1 und 3 durch eine Verknüpfungseinheit 21 ergänzt. Die Verknüpfungseinheit 21 verknüpft hierbei logisch die Werte der beiden Abgabespannungen U1 und U2 so miteinander, dass aus den beiden gekrümmten Kurven, eine gerade, d. h. lineare Ausgangsspannung U_A1 abgegeben wird, wie in Fig. 10b dargestellt. Durch programmtechnische Maßnahmen ist es möglich, die Steigung der Ausgangsspannung U_A1 so zu verändern, dass sie für die jeweiligen Einsatzbedingungen sehr genaue Werte anzeigt.
Der besondere Vorteil der Schaltung gemäß Fig. 10a besteht darin, dass die eine der Abgabespannungen U1, U2 benutzt wird, um die andere entsprechend zu begradigen und entsprechend zu neigen. Hierdurch werden zusätzliche Kompensationseinheiten eingespart. Durch diese sehr einfache, aber sehr genaue Form der Generierung einer sehr geraden Ausgangsspannung U_A1 werden die Einsatzkosten gesenkt.
Eine wesentlich komfortableres Widerstandsnetzwerk 22 ist in Fig. 4 gezeigt. Es umfasst zwei Wheatstone-Vollbrücken 22.1, 22.2. Die Wheatstone-Brücke 22.1 ist aus den Brückenwiderständen R11, R21, R31 und R41 aufgebaut. Hierbei kann der Widerstand R21 der Wheatstone-Brücke 22.1 als GMR-Widerstand R10 ausgebildet sein. Die Wheatstone-Brücke 22.2 besteht aus den Brückenwiderständen R12, R22, R32 und R42. Hier kann der Widerstand R22 als GMR-Widerstand ausgebildet sein. Durch die Rotation eines oder zweier Magnetelemente 5 werden in bekannter Art und Weise von der Wheatstone-Brücke 22.1 und 22.2 die Abgabespannungen U1, U2 erzeugt. Die Anschlüsse T31, T41 der Wheatstone-Brücke 22.1 und die Anschlüsse T32, T42 der Wheatstone-Brücke 22.2 sind über Anschlusselemente V- und V+ zu Verstärkergliedern 23, 24 und einem Mehrfachverstärkerglied 25 geführt. Der Ausgang der Verstärkerglieder 23, 24, 25 ist sowohl direkt auf ein Endglied 28 als auch über NOR-Glieder 26, 27, 33 auf ein AND-Glied 29 geführt. Der Ausgang des AND-Glieds 28 und der Ausgang des AND-Glieds 29 ist mit einem Flip-Flop 31 verbunden, der an eine Ausgangsklemme 32 angeschlossen ist. Mit einem Flip- Flop 30 ist der Ausgang des AND-Glieds 28 und der Ausgang der Verstärkerglieder 23, 24 verbunden.
Bewegt sich das Magnetelement 5 vor den beiden GMR-Zellen, die die Widerstände R21, R22 bilden (vgl. Fig. 6), wird durch die Abgabespannungen U1, U2 in den Anschlüssen T31, . . ., T42 ein Summensignal erzeugt, das durch die Verstärkerglieder 23, 24, 25 und die NOR-Glieder 26, 27, 33 mit Hilfe des Flip-Flops als eine Ausgangsspannung U_A2 ausgegeben wird. Durch den Vergleich bzw. die Differenzbildung der Abgabespannungen U1, U2 beider GMR-Widerstände kann ein entsprechend konfiguriertes Ausgangssignal regeneriert werden.
Anstelle des sich bewegenden Magnetelements ist es möglich, dass durch ein stehendes Magnetelement ein Magnetfeld erzeugt wird, das die GMR-Zellen durchfließt. Vor den beiden GMR-Zellen kann dann eine Welle mit einem aufgesetzten Signalklotz oder ein Zahnrad rotieren, die durch die Magnetfeldveränderungen die entsprechenden Abgabespannungen erzeugen.
Der besondere Vorteil dieser Art der Signalaufbereitung besteht darin, dass eine Differential-Signal-Ausfederung zur Verfügung steht. Diese ist zur Erfassung einer Drehzahl einer rotierenden Welle oder dergleichen möglich. Der Einsatz zweier Wheatstone-Brücken 22.1, 22.2 erlaubt es darüber hinaus, die Drehrichtung R und zugleich die Stellung der Welle 8 festzustellen.
In Fig. 11 sind die Ausgangsspannungen von vier GMR- Widerständen dargestellt.
Räumlich sind die vier GMR-Widerstände R11, . . ., R14 so angeordnet, wie in Fig. 7 gezeigt. Im Zentrum der Vierer-GMR- Anordnung rotiert das Magnetelement 5.
Wie Fig. 12a zeigt, sind diese vier GMR-Widerstände R11, R12, R13, R14 mit einer 360°-Verknüpfungseinrichtung 40 verbunden. Der GMR-Widerstand R11 eines Widerstandsnetzwerks ist über einen A/D-Wandler 41, der GMR-Widerstand R12 über einen A/D-Wandler 42, der GMR-Widerstand R13 über einen A/D- Wandler 43 und der GMR-Widerstand R14 über einen A/D- Wandler 44 mit einer CPU 45 verbunden (vgl. Fig. 12a). An der CPU 45 ist ein Feststellspeicher 47 angeschlossen, der als E²PROM ausgebildet ist. Ein Ausgang der CPU 45 führt über einen D/A-Wandler 46, der andere Ausgang direkt nach außen, so dass an einem Ausgang ein Analog-Signal und am anderen Ausgang ein Digital-Signal für eine entsprechende Auswertung ansteht.
In dem E²PPROM 47 ist das Bedienprogramm der 360°- Verknüpfungseinrichtung 40 abgelegt, das wie folgt abläuft:

a) Aufnahme der mit Hilfe der GMR-Widerstände R11, R12, R13, R14 erzeugten Abgabespannungen U1, U2;
b) Zuordnen der einzelnen Werte der Abgabespannungen U1, U2 zu einem Stellungswinkel; und
c) Errechnen einer Ausgangsspannung U_A3 aus den einzelnen Abgabespannungen der GMR-Widerstände R11 bis R14 und Abgabe der Ausgangsspannung U_A3.

Dreht sich das Magnetelement 5 gegenüber den GMR-Zellen der Widerstände R11, R12, R13 und R14 gemäß Fig. 7 werden die in Fig. 11 gezeigten Abgabespannungsverläufe U1, U2 für jede GMR-Zelle erzeugt.
Die CPU 45 greift aus dem positiven Zweig die gerade Strecke der Abgabespannung U1 jeder GMR-Zelle ab und fügt sie so aneinander, dass die Ausgangsspannung U_A3 in Form einer Geraden gemäß Fig. 12b abgegeben wird. Die Form der Abgabespannung U_A3 sichert, dass jeder Stellung zwischen -180° und +180° ein genauer und präziser Wert der Ausgangsspannung U_A3 entspricht.
Die Kurvenverläufe in Fig. 11 machen deutlich, dass es für die Aufnahme der Drehbewegungen des Winkels α zwischen 0 und 360° ausreicht, wenn die GMR-Zelle 10 und die um 90° zu dieser versetzt angeordnete GMR-Zelle 11 installiert wird.
Dreht sich vor diesen beiden GMR-Zellen das Magnetelement 5, wird für die Drehung zwischen 0 und 90° die positive Abgabespannung U1 der GMR-Zelle 10 aufgenommen und hieraus das gerade Stück der Ausgangsspannung U_A3 zwischen 0 und 90° regeneriert.
Bei einem Drehen des Magnetelements 5 zwischen -180° und -90° wird der entsprechende Abgabezweig der GMR-Zelle R10 und bei einem weiteren Drehen von -0° bis 0° der entsprechende Zweig der Abgabespannung der GMR-Zelle R11 genommen und hieraus die ersten beiden geraden Abschnitte er Ausgangsspannung U_A3 zwischen -80° und 0° errechnet und abgegeben.
Bei einem Weiterdrehen von 90° bis 180° wird aus dem positiven Zweig U1 der GMR-Zelle 11 der gerade Signalverlauf zwischen 90° und 180° der Abgabespannung U_A3 erzeugt.
In den Fig. 13 bis 16 ist eine PIN-Justiereinheit 51 angegeben, die die Möglichkeit bietet, ein Justieren der Ausgangsspannung bei einem bereits gekapselten GMR-Widerstand vorzunehmen.
Die PIN-Justiereinheit 51 besteht aus der Reihenschaltung einer Veränderungseinheit 52, eines Permanentspeichers 53, einer Arbeitseinheit 54 und einer Ausgabeeinrichtung 56. Parallel zum Permanentspeicher 53 ist ein Temporärspeicher 55 angeordnet, der mit der Veränderungseinheit 52 und der Arbeitseinheit 54 verbunden ist. Die Veränderungseinheit 52 ist darüber hinaus direkt mit der Arbeitseinheit 54 verbunden. Die Arbeitseinheit 54 ist dabei an einer GMR-Zelle R10, . . . angeordnet.
Die Ausgabeeinrichtung 56 besteht aus der Hintereinanderschaltung einer Signalwandlungseinheit 57 und einer Ausgabeeinheit 58.
An der Veränderungseinheit 52 ist eine Steckerleiste angeordnet, die wenigstens einen Spannungsstift V_CC, einen Massestift E und einen Ausgangsstift OUT aufweist. Der Ausgangsstift OUT ist mit der Ausgabeeinheit 58 verbunden. Die Veränderungseinheit ist ein digitales Rechenwerk oder ein Einschubrechner mit einer Zentralprozessoreinheit, in den ein Justier- und Arbeitsprogramm eingeschrieben ist.
Die Signalwandlungseinheit 57 besteht gemäß Fig. 14 aus einer Reihenschaltung eines Digital-Analog-Wandlers 571 und eines Verstärkers 572.
Eine andere Ausführungsform der Signalwandlungseinheit 57 ist in Fig. 15 dargestellt, die aus der Reihenschaltung eines Optokopplers 573, eines Referenzspannungsglieds 574 und eines Komparators 575 besteht.
In Fig. 16 ist ein Blockschaltbild der Arbeitseinheit 54 dargestellt. Ihr gegenüber liegen die Veränderungseinheit 52, der Permanentspeicher 53 und der Temporärspeicher 55. Die Weiterverarbeitung der Ausgabeeinrichtung 56 ist mit einem Pfeil angezeigt.
Der Spannungsquelle mit Temperatur-Kompensation 547 gegenüberliegend sind in Reihe folgende Teile angeordnet:

- ein Vorverstärker 541.1
- ein Offsetverstärker 541.2, der mit einem Offset- Digital/Analog-Konverter verbunden ist
- eine Schaltkondensatorstufe 542,
- eine Sample & Hold-Einheit 543,
- ein Verstärker 544.1, der mit einem Gainbit- Digital/Analog-Konverter verbunden ist,
- ein Kennlinienbegrenzer 544.2 und
- eine Endstufe 545.

Die Schaltkondensatorstufe 542 dient der automatischen Kompensation des Offsets der jeweiligen GMR-Zelle.
Die Sample & Hold-Einheit 543 übernimmt die Aufgabe, die Spannungswerte während der Erzeugung des Folgewertes zwischenzuspeichern.
Zur Arbeitseinheit 54 gehört ein Taktgenerator 546, der mit der GMR-Zelle, dem Vorverstärker 541.1, der Schaltkondensatorstufe 542 und der Sample & Hold-Einheit 543 verbunden ist.
Die Veränderungseinheit 52, der Permanentspeicher und der Temporärspeicher 55 sind mit einem Bus-System Bus verbunden. Das Bus-System Bus weist bekannterweise einen Daten- Adress- und einen Steuer-Bus auf. Im speziellen Fall handelt es sich um einen reinen Datenbus.
Vom Bus-System Bus zweigt ein Grobjustierpegel GSC ab, der zum Vorverstärker 541.1 führt. Daneben liegt eine Abzweigung Grob-Bits Offset-Bits, die zum Offset-Digital/Analog- Konverter 541.3 führt.
Vom Bus-System Bus führt darüber hinaus ein Abzweig- Feinjustierpegel FGB zum Gainbits-Digital-Analog-Konverter. Daneben liegt ein Abzweig-Fein-Bit-Feinbits, der zum Kennlinienbegrenzer 544.2 führt.
Der Grobjustierpegel GSC mit den Grob-Bits Offset-Bits ist eine Grobjustiereinstellung. Der danebenliegende Feinjustierpegel FGB mit den Kennlinien-Begrenzungs-Bits Fin-Bis hingegen stellt eine Feinjustiereinstellung dar.
Das Bus-System BUS kann darüber hinaus eine Abzweigung- Temperatur-Koeffizienz-Bits TCB aufweisen, mit der der Temperaturgradient der Spannungsquelle 547 z. B. von der Veränderungseinheit 52 gesteuert werden kann.
Zur Einjustierung der Abgabespannung U1, U2 werden über den Ausgangsstift OUT und die Veränderungs-Einheit 52 Justierdaten in den Temporärspeicher 55 eingegeben. Hierbei wird zuerst die Grobeinstellung mit dem Grobjustierpegel GSC zwischen 2 und 4 Bits, z. B. 3 Bits und den Grob-Bits Offset- Bits zwischen 8 und 15 Bits, z. B. 10 Bits, und danach die Feineinstellung mit dem Feinjustier-Pegel FGP zwischen 7 und 14 Bits, z. B. 9 Bits und den Kennlinien-Begrenzungs-Bits Fin-Bits zwischen 1 und 4 Bits, z. B. 2 Bits, vorgenommen. Die Veränderungs-Einheit sorgt dafür, dass diese Daten für die Grob- und Feinjustiereinstellung aus dem Temporärspeicher 55 abgerufen werden.
Durch das Eingeben von Justierdaten wird eine der Abgabespannungen U1, U2 soweit angehoben oder geneigt, dass sie den gewünschten Verlauf einnimmt.
Ergibt die protokollarische Auswertung der Justierung, dass die Abgabespannung der Normlinie entspricht, werden deren Justierdaten von dem Temporärspeicher 55 in den Permanentspeicher 53 durch die Veränderungs-Einheit 53 eingeschrieben. Der Permanentspeicher 53 ist ein ROM-Speicher, ein PROM-Speicher, ein E²PROM-Speicher oder ein anderer Festwertspeicher, während dessen der Temporärspeicher 55 ein RAM-Speicher oder ein ähnlich ausgebildeter Schreib-/Lesespeicher ist.
Der in der PIN-Justiereinheit 51 einjustierte GMR-Drehwinkelsensor greift bei laufendem Betrieb die in dem Permanentspeicher 53 eingeschriebenen Grob-Bits Offset-Bits und Fein-Bits Feinbits als Justierdaten ab. Insbesondere der Offset-Verstärker 541.2, die Schaltkondensator-Stufe 542 und die Sample & Hold-Einheit 543, sowie der Kennlinienbegrenzer 544.2 sorgen dafür, dass die eingegebenen Bits in einen gleichbleibenden Spannungspegel umgesetzt werden, und der abgegebenen Abgabespannung ständig zugegeben werden.
In den Fig. 17a bis 17c ist gezeigt, wie aus den beiden Abgabespannungen U1 und U2 Ausgangsspannungen regeneriert werden können, die unterschiedliche Steigungen aufweisen:
Mit Hilfe der PIN-Justiereinheit 51 und der vorgenommenen Justierung wird die Abgabespannung U1 zu der Ausgangsspannung U_A5 regeneriert. Aus der Abgabespannung U2 hingegen wird die Abgabespannung U_A4 erzeugt, die gegenläufig zur Abgabespannung U_A5 verläuft. Beide Kurven können bei der Betätigung eines Gaspedals oder einer Drosselklappe erzeugt werden. Die beiden Ausgangsspannungen können zur Detektierung von Fehlern in den Versorgungsleitungen, bei der Versorgungsspannung sowie auf das Vorliegen von Einzelfehlern verwendet werden. Dadurch, dass beide Ausgangsspannungen U_A4, U_A5 eine starke Steigung aufweisen, ist eine Fehlerdetektierung auch im Kreuzungsbereich beider Kennlinien noch gegeben, wenn der resultierende Wert zwischen beiden Kennlinien als Ausgangssignal ausgewertet werden soll.
Der erfindungsgemäße GMR-Widerstand ist nicht nur auf die Überwachung des Fahrpedals und deren Versorgung sowie die Überwachung der Drosselklappe und deren Versorgung beschränkt. Vielmehr können auch alle anderen Teile im Fahrzeug wirkungsvoll überwacht werden.
Durch die PIN-Justiereinheit 52 ist es aber auch möglich, die beiden Abgabespannungen U1 und U2 in Ausgangsspannungen U_A6 und U_A7 umzuformen (vgl. Fig. 17c), die linear verlaufen und eine unterschiedliche Steigung zwischen einem unteren und einem oberen Maximalwert aufweisen. Die sehr geraden und kräftigen Signalverläufe gestatten es, sehr wirkungsvoll die Überwachungsaufgaben aufzugreifen, die zur weiteren Verbesserung der Betriebssicherheit der Versorgungssysteme notwendig und erforderlich sind.
Ist z. B. die Spannungsversorgung für das Fahrpedal oder die Drosselklappe gestört oder unterbrochen, wird mit Hilfe der beiden unterschiedlich verlaufenden Ausgangsspannungen U_A6 und U_A7 mit Hilfe eines Plausibilitätsvergleichs diese Störung festgestellt, einer Auswerteeinheit das Ergebnis zugeführt und entsprechende Meldungen durchgeführt. Mit Hilfe der Meldungen lassen sich dann die entsprechenden Maßnahmen zur Behebung des Fehlers einleiten.

Claims

1. Verwendung eines veränderlichen Giant-Magnetic- Resistors-(GMR-)Widerstands (R10, . . .) mit einer Giant- Magnetic-Resistor-(GMR-)Zelle (10'), in der durch ein relativ zu ihr bewegtes Magnetelement (5) wenigstens zwei entgegengesetzt zueinander gerichtete Ströme (I1, I2) erzeugt werden,
als Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Dreh- und/oder Linear-Bewegungen sich relativ zueinander bewegender Teile (8, 9) derart,

- dass das eine Teil (8) an der GMR-Zelle (10) und das andere Teil (9) an dem Magnetelement (5) angeordnet wird, und

- dass mit einer Anordnung des GMR-Widerstands (R10, . . .) in einem Widerstandsnetzwerk wenigstens eine Abgabespannung (U1, U2) und mit dieser eine Ausgangsspannung erzeugt wird, mit der die Relativbewegung (R) erfasst wird.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die entgegengesetzten Ströme (I1, I2) jeweils eine GMR-Spannung (U_GMR) erzeugt wird, die als zwei Abgabespannungen (U1, U2) mit im wesentlichen V-förmigen Verlauf abgegeben wird.

3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Abgabespannung (U1, U2) wenigstens teilweise begradigt wird.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abgabespannungen (U1, U2) logisch miteinander verknüpft werden.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabespannungen (U1, U2) gekreuzt übereinander gelegt werden.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Abgabespannungen (U1, U2) mit Hilfe eines GMR-Widerstandes (R10, . . .) als Ausgangsspannungen abgegeben werden.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abgabespannungen (U1, U2) mit Hilfe eines GMR-Widerstandes (R10, . . .) als Ausgangsspannungen abgegeben werden.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Abgabespannungen (U1, U2) mit Hilfe wenigstens zweier GMR-Widerstände (R10, R14) als Ausgangsspannungen abgegeben werden.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abgabespannungen (U1, U2), mit Hilfe wenigstens zweier GMR-Widerstände (R10, R14) als Ausgangsspannung abgegeben wird.

10. Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Dreh- und/oder Linear-Bewegungen sich relativ zueinander bewegender Teile (8, 9) mit

- einem stationären Teil (10, . . .) und

- einem rotierenden Teil (5),

dadurch gekennzeichnet,

- dass der stationäre Teil wenigstens eine Giant- Magnetic-Resistor-(GMR-)Zelle (10, . . ., 17) eines veränderlichen GMR-Widerstandes (R10, . . .) und der rotierende Teil wenigstens ein Magnetelement (5) ist, die unter Belassung eines Spaltabstandes (6) zueinander beweglich angeordnet sind, und

- dass der veränderliche GMR-Widerstand (R10, . . .) in einem Widerstandsnetzwerk angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei GMR-Zellen (R10, . . .) mit je einem Widerstandsnetzwerk im gleichen Winkel zueinander angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass vier GMR-Zellen (R10, . . ., R13) mit je einem Widerstandsnetzwerk in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder GMR-Zelle (R10, . . .) eine weitere GMR-Zelle (R14, . . .) zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden GMR-Zellen hintereinander angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden GMR-Zellen übereinander angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (5) in einer Ebene mit den GMR-Widerständen (R10, . . .) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsnetzwerk als Spannungsteiler ausgebildet ist, der aus der Reihenschaltung eines Widerstandes (R1) und eines GMR-Widerstands (R10) besteht, zwischen dem ein Ausgangsspannungsabgriff angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsnetzwerk als wenigstens eine Wheatstone-Brücke (21, 22) ausgebildet ist, bei der jeweils wenigstens einer der Brückenwiderstände (R21, R22) ein veränderlicher GMR-Widerstand (R10, . . .) ist.

2. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der GMR- Widerstände (R10, . . .) mit einem Widerstandsnetzwerk (22.1) mit einer Auswerteschaltung (21, 22, 40, 51) verbunden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung

- eine Verknüpfungseinheit (21)

- eine Brücken-Verknüpfungseinheit (22)

- eine 360°-Verknüpfüngseinheit (40) oder

- eine PIN-Justiereinheit (51)

ist.