DE10261612A1

DE10261612A1 - Vorrichtung zur Detektion der Drehzahl eines rotierenden Bauteils

Info

Publication number: DE10261612A1
Application number: DE2002161612
Authority: DE
Inventors: Henrik Siegle; Ulrich May
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Detektion der Drehzahl eines rotierenden Bauteils (1) vorgeschlagen, umfassend ein magnetisches Polrad (4), das mit dem rotierenden Bauteil (1) verbunden ist, und einen Magnetfeldsensor (5, 5'), der in einem konstanten Abstand zu dem Polrad (4) angeordnet ist und der zur Detektion der Änderung der Feldrichtung eines magnetischen Feldes ausgelegt ist. Der Magnetfeldsensor (4) arbeitet nach dem Prinzip eines Spin-Valve-Sensors, so daß er mindestens eine Sensoreinheit (51, 52, 53, 54) umfaßt, der mindestens eine hartmagnetische Referenzschicht, eine nichtmagnetische Zwischenschicht und eine weichmagnetische Meßschicht zugeordnet sind (Figur 2).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Detektion der Drehzahl eines rotierenden Bauteils gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 196 47 420 A1 bekannt und dient zur Detektion der Drehzahl eines rotierenden Bauteils eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors.
Die bekannte Vorrichtung ist als magnetoresistive Einrichtung ausgelegt und stellt einen sogenannten GMR(Giant- magneto-resistance)-Sensor dar, der mithin eine Schichtfolge aus ferromagnetischen und nichtmagnetischen Dünnschichten umfaßt, die mit einem als magnetisches Polrad ausgebildeten Geberrad zusammenwirkt. Der Sensor ist nach dem Prinzip einer Wheatstone'schen Brückenschaltung aufgebaut, wobei die vier Einzelwiderstände der Brücke jeweils von einer GMR-Sensoreinheit gebildet sind. Das Geberrad und der Sensor sind so zueinander angeordnet, daß sich die beiden Brückenhälften der Brückenschaltung in unterschiedlichen Magnetfeldern befinden, so daß eine Differenzspannung am Brückenausgang anliegt. Bei Drehung des Geberrads ändern sich die den beiden Brückenhälften zugeordneten Magnetfelder, so daß sich auch die Differenzspannung am Brückenausgang ändert.
Ferner sind sogenannte Spin-Valve-Sensoren bekannt, die aus mindestens zwei ferromagnetischen Dünnschichten aufgebaut sind, welche über eine nichtmagnetische Zwischenschicht miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt sind. Eine der beiden ferromagnetischen Schichten ist in einer konstanten Raumrichtung magnetisiert bzw. "gepinnt", was durch Ankopplung an eine antiferromagnetische Schicht erfolgen kann. Die andere ferromagnetische Schicht, die auch als freie Schicht oder weichmagnetische Schicht bezeichnet wird, kann hinsichtlich ihrer Magnetisierung in einem von außen angelegten magnetischen Feld frei rotieren, wobei der Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischen Schichten den sogenannten Magnetowiderstand vorgibt. Der elektrische Widerstand des Schichtaufbaus hat den größten Wert, wenn eine antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen der beiden Schichten vorliegt. Bei paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten nimmt der elektrische Widerstand den geringsten Wert an.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion der Drehzahl eines rotierenden Bauteiles mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welcher Vorrichtung der Magnetfeldsensor nach dem Prinzip eines Spin-Valve- Sensors arbeitet, so daß er mindestens eine Sensoreinheit umfaßt, der mindestens eine hartmagnetische Referenzschicht, eine nichtmagnetische Zwischenschicht und eine weichmagnetische Meßschicht zugeordnet sind, bietet die Möglichkeit, die Drehzahl des rotierenden Bauteils anhand eines sich über den Magnetfeldsensor drehenden magnetischen Feldes zu ermitteln, welches durch das Polrad bzw. Geberrad vorgegeben wird. Mithin wird die Richtungsänderung des magnetischen Feldes so zur Signaldetektion ausgenutzt, daß die periodische Änderung der Richtung des äußeren magnetischen Feldes eine periodische Änderung des elektrischen Widerstandes der Sensoreinheit zur Folge hat, woraus wiederum auf die Drehzahl des rotierenden Bauteils geschlossen werden kann. Hierzu kann auch die Ableitung des gemessenen elektrischen Widerstandes herangezogen werden.
Die hartmagnetische Referenzschicht weist eine im wesentlichen starre Magnetisierungsrichtung auf, die durch das Arbeitsfeld des Polrads kaum veränderbar ist. Jedoch ist die Magnetisierungsrichtung der Meßschicht abhängig von der Stellung des Polrads.
Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Ermittlung der Drehzahl einer Kurbelwelle einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine oder auch zur Ermittlung der Drehzahl eines Rades eines Kraftfahrzeuges, welche häufig für Stabilisierungs- oder Bremsunterstützungsprogramme benötigt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Sensoreinheit Bestandteil einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, so daß eine einfache Ermittlung einer Änderung des elektrischen Widerstands der Sensoreinheit möglich ist, welche einem von vier Halbzweigen der Brückenschaltung zugeordnet ist.
Grundsätzlich ist es denkbar, nur einem der vier Halbzweige der Wheatstone'schen Brückenschaltung eine Sensoreinheit zuzuordnen, die nach dem Prinzip eines Spin-Valve-Sensors arbeitet. Jedoch erweist es sich hinsichtlich des Meßsignals als vorteilhaft, mindestens zwei, vorzugsweise alle vier Halbzweige der Wheatstone'schen Brückenschaltung nach dem Prinzip einer Spin-Valve-Sensoreinheit auszulegen.
Zur Anpassung des Gesamtwiderstandes ist es des weiteren gegebenenfalls zweckmäßig, die Sensoreinheit, vorzugsweise die vier Sensoreinheiten, mäanderförmig an dem Magnetfeldsensor auszubilden, so daß das von dem Polrad erzeugte magnetische Feld jeweils auf eine große Fläche der jeweiligen Sensoreinheit einwirkt.
Wenn, wie üblich, das magnetische Arbeitsfeld des magnetischen Polrads gering ist, weist die Vorrichtung nach der Erfindung vorzugsweise ein magnetisches Hilfsfeld auf, das eine Vormagnetisierung der weichmagnetischen Schicht der jeweiligen Sensoreinheit bewirkt. Das magnetische Hilfsfeld, das durch einen Permanentmagneten, einen elektrischen Leiter oder dergleichen erzeugt sein kann, ist vorzugsweise rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht ausgerichtet, so daß auch die freie Schicht bzw. die weichmagnetische Schicht des jeweiligen Spin-Valve- Systems rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht ausgerichtet und das System maximal sensitiv auf kleine Magnetfeldmodulationen ist, die durch das Polrad bewirkt werden. Ferner arbeitet das System dann in einem Feldbereich, in dem auftretende Hystereseeffekte vernachlässigbar sind. Wenn das Polrad ein hinreichend großes magnetisches Arbeitsfeld hat, das beispielsweise in dem Bereich zwischen 5 mT und 50 mT liegt, ist ein magnetisches Hilfsfeld nicht erforderlich.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Vorrichtung nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Rad eines Kraftfahrzeuges mit einer Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 zwei alternative Ausführungsvarianten einer Vorrichtung nach der Erfindung in einer stark schematisierten Darstellung;
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild eines Magnetfeldsensors der Vorrichtung nach der Erfindung, der als Wheatstone'sche Brückenschaltung ausgelegt ist;
Fig. 4 resultierende Magnetisierungen von Meßschichten der Brückenzweige der Wheatstone'schen Brückenschaltung nach Fig. 3;
Fig. 5 den elektrischen Widerstand eines Spin-Valve- Schichtsystems in Abhängigkeit des Winkels zwischen den Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten des Systems;
Fig. 6 die Winkeländerung des Magnetfeldes der weichmagnetischen Schicht eines Spin-Valve-Systems unter dem Einfluß eines Polrades; und
Fig. 7 ein Meßsignal der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvarianten.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Rad 1 eines ansonsten nicht näher dargestellten Personenkraftwagens dargestellt, das mit einer Achse 2 verbunden ist, welche zu einem Radlager 3 führt. Im Bereich des Radlagers 3 ist ein magnetisches Polrad 4 angeordnet, das konzentrisch zu der Achse 2 bzw. dem Rad 1 ausgerichtet ist und mit einem Magnetfeldsensor 5 zusammenwirkt, der über eine Leitung 6 mit einer nicht näher dargestellten Steuereinheit verbunden ist.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, besteht das ein Geberrad darstellende Polrad 4 aus alternierend angeordneten magnetischen Nordpolen N und Südpolen S. Stellvertretend für die anderen Bereiche des Polrades 4 sind in dem Bereich 7 Feldlinienverläufe zwischen jeweils benachbarten Nord- und Südpolen dargestellt.
Der Magnetfeldsensor 5, der mit dem Polrad 4 zusammenwirkt, ist in radialer Richtung der Achse 2 gegenüber dem Polrad 4 versetzt und hat von letzterem einen Abstand von annähernd 0 mm bis 7 mm. Der Magnetfeldsensor 5 arbeitet nach dem Prinzip eines Spin-Valve-Sensors und umfaßt vier als elektrische Widerstände wirkende Sensoreinheiten 51, 52, 53 und 54, die dem Polrad 4 gegenüberliegend an einem Meßkopf des Magnetfeldsensors 5 angeordnet sind, wobei die Sensoreinheiten 51 und 52 ein erstes Widerstandspaar und die Sensoreinheiten 53 und 54 eine zweites Widerstandspaar bilden. Die Sensoreinheiten 51 bis 54 sind im vorliegenden Fall jeweils mäanderförmig an dem Meßkopf des Magnetfeldsensors 5 ausgebildet.
Den Sensoreinheiten 51 bis 54 des als Gradiometer ausgelegten Magnetfeldsensors 5 ist eine hartmagnetische Referenzschicht, eine nichtmagnetische Zwischenschicht und eine weichmagnetische Meßschicht zugeordnet. Die hartmagnetische Referenzschicht, die mit einer darunter angeordneten antiferromagnetischen gemäß dem sogenannten Exchange Bias- Effekt in Wechselwirkung steht, ist eine ferromagnetische Dünnschicht, die eine eingeschriebene Magnetisierungsrichtung bzw. "Pinning"-Richtung hat. Sie stellt mithin eine "festgehaltene" Schicht dar. Die weichmagnetische Meßschicht, die ebenfalls aus einer ferromagnetischen Dünnschicht gebildet ist, ist hinsichtlich ihrer Magnetisierungsrichtung durch das Magnetfeld des Polrads 4 einstellbar. Dieses System stellt ein "einfaches" Spin Valve dar.
Bei einer alternativen Ausführungsform, die ein sogenanntes Spin Valve mit künstlichem Antiferromagneten darstellt, besteht der "gepinnte" Teil der Vielfachschicht aus zwei ferromagnetischen Lagen, die die Referenzschichten bilden und über eine nichtmagnetische Zwischenschicht stark antiferromagnetisch gekoppelt sind. Zwischen den beiden Referenzschichten kommt es zu einer sogenannten antiferromagnetischen Zwischenschichtaustauschkopplung, die zu einer geringen Beeinflußbarkeit der Pinning-Richtung in einem äußeren Magnetfeld führt. Eine der beiden Schichten wird beispielsweise durch Ankopplung an eine darunterliegende antiferromagnetische Schicht gepinnt, wobei es zum sogenannten Exchange Bias-Effekt kommt.
Des weiteren umfaßt der Magnetfeldsensor 5 ein magnetisches Hilfsfeld, das durch einen aufgeklebten, hier nicht näher dargestellten Permanentmagneten erzeugt ist und die weichmagnetische Meßschicht rechtwinklig zur Pinning-Richtung der Referenzschicht ausrichtet. Das magnetische Hilfsfeld kann hier eine Stärke von 5 mT haben.
Das aus den Sensoreinheiten 51 und 52 bestehende erste Widerstandspaar und das aus den Sensoreinheiten 53 und 54 bestehende zweite Widerstandspaar sind im vorliegenden Fall im wesentlichen so angeordnet bzw. beabstandet, daß sie stets gegenüber einem Magnetpol entgegengesetzter Polung liegen.
Bei einer ebenfalls in Fig. 2 dargestellten, alternativen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist ein Magnetfeldsensor 5' axial versetzt gegenüber dem Polrad 4 angeordnet. Der Aufbau des Magnetfeldsensors 5' entspricht im übrigen dem Aufbau des Magnetfeldsensors 5.
Die Sensoreinheiten 51 bis 54, die jeweils einen elektrischen Widerstand bilden, sind Bestandteil einer Wheatstone'schen Brückenschaltung 30, welche prinzipmäßig in Fig. 3 dargestellt ist, und jeweils einem Halbzweig der Brückenschaltung zugeordnet, wobei die Sensoreinheiten 51 und 54 sowie die Sensoreinheiten 52 und 53 jeweils einem Zweig der Brückenschaltung zugeordnet sind und sich die beiden Zweige kreuzen.
Ferner ist in Fig. 3 die Pinning-Richtung der Referenzschicht der Sensoreinheiten 51 bis 54 anhand von Pfeilen X dargestellt. Die Richtung der mittels des magnetischen Hilfsfelds erzeugten Vormagnetisierung der weichmagnetischen Meßschichten der Sensoreneinheiten 51 bis 54 ist in Fig. 3 anhand eines Pfeiles Y dargestellt und liegt rechtwinklig zur Pinning-Richtung X. Die Vormagnetisierung ist erforderlich, da das Arbeitsfeld des Polrades 4, wie üblich, gering ist, so daß keine volle Rotation der Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Meßschicht beim Durchlaufen einer Polpaarperiode des Polrads 4 zu erreichen wäre. Die beiden Widerstandspaare sind so voneinander beabstandet, daß die Sensoreinheiten 51 und 52 in einem ersten äußeren von dem Polrad 4 erzeugten Magnetfeld 31 und die Sensoreinheiten 53 und 54 in einem zweiten äußeren, von dem Polrad 4 erzeugten Magnetfeld 32 liegen.
Das Signal eines derartig vormagnetisierten Schichtsystems ist auf Richtungsänderungen des Magnetfeldvektors der Meßschicht maximal sensitiv, was insbesondere Fig. 5 zu entnehmen ist. Eine Spin-Valve-Sensoreinheit hat einen maximalen Widerstand bei antiparalleler Stellung der Magnetisierungsrichtungen und einen minimalen Widerstand bei Parallelstellung der Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischen Schichten. Für andere Winkel zwischen den beiden Magnetisierungsrichtungen ergibt sich ein kosinusartiger Verlauf des Widerstands.
Ferner ist in Fig. 4 zum einen eine resultierende Magnetisierung 41 für in dem äußeren Magnetfeld 31 des Polrads 4 angeordnete Meßschichten der Sensoreinheiten 51 und 52 und zum anderen eine resultierende Magnetisierung 42 von in dem äußeren Magnetfeld 32 des Polrads 4 liegenden Meßschichten der Sensoreinheiten 53 und 54 unter Berücksichtigung des durch den Permanentmagneten erzeugten elektrischen Hilfsfeldes 43 anhand einer Vektordarstellung schematisch und beispielhaft gezeigt. Das durch das Polrad erzeugte äußere Feld vollführt eine Rotation in der Ebene des Magnetfeldsensors 5 und der resultierende Feldvektor 41 bzw. 42 ergibt sich aus Addition des Feldvektors des Hilfsfeldes 43 und des Feldvektors 31 bzw. 32 des durch das Polrad 4 erzeugten Magnetfeldes.
Wie Fig. 6 zu entnehmen ist, führt das in Fig. 4 anhand der Feldvektoren 31 bzw. 32 beispielhaft dargestellte Arbeitsfeld des Polrades 4 bei einer Drehung des Polrades 4 zu einer Lageänderung des Magnetfeldvektors von etwa +/-6° und zwar bei einem magnetischen Hilfsfeld von etwa 5 mT. Die Winkeländerung des resultierenden Magnetfeldvektors führt am Ausgang U_out der Wheatstone'schen Brückenschaltung 30 zu einer in Fig. 7 dargestellten Spannungsänderung, wobei an den Knotenpunkten der Brückenschaltung eine konstante Spannung anliegt. Aus der Ableitung der Spannungsänderung oder auch aus dem Abstand aufeinanderfolgender Spannungsspitzen kann wiederum auf die Drehzahl des Reifens 1 geschlossen werden.
Alternativ kann ein Polrad eingesetzt werden, das mit rotierenden Magnetfeldern einer Größenordnung zwischen 5 mT und 50 mT arbeitet, so daß ein durch einen Permanentmagneten erzeugtes magnetisches Hilfsfeld entbehrlich ist. Die weichmagnetische Meßschicht der Sensoreinheiten vollführt dann eine volle Rotation beim Überstreifen eines Polpaares, was zu einem hinreichend hohen Ausgangssignal führt.
Durch Auswertung der mittels des Magnetfeldsensors 5 bzw. 5' ermittelten Einzelsignale ist eine True-Power-On- Funktion realisierbar, so daß schon direkt beim Anfahren des betreffenden Kraftfahrzeuges die Drehzahl des Reifens ermittelbar ist. Bei genügend starkem Geberfeld ist des weiteren eine Winkelpositionsbestimmung innerhalb des Polradraumwinkels mit erhöhter Genauigkeit möglich.

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion der Drehzahl eines rotierenden Bauteils (1), umfassend ein magnetisches Polrad (4), das mit dem rotierenden Bauteil (1) verbunden ist, und einen Magnetfeldsensor (5, 5'), der in einem konstanten Abstand zu dem Polrad (4) angeordnet ist und der zur Detektion der Änderung der Feldrichtung eines magnetischen Feldes ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (4) nach dem Prinzip eines Spin-Valve-Sensors arbeitet, so daß er mindestens eine Sensoreinheit (51, 52, 53, 54) umfaßt, der mindestens eine hartmagnetische Referenzschicht, eine nichtmagnetische Zwischenschicht und eine weichmagnetische Meßschicht zugeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (51, 52, 53, 54) Bestandteil einer Wheatstone'schen Brückenschaltung ist.

3. Vorrichtung nach Ansprüch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wheatstone'schen Brückenschaltung vier Sensoreinheiten (51, 52, 53, 54) zugeordnet sind, die nach dem Prinzip eines Spin-Valve-Sensors arbeiten.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein magnetisches Hilfsfeld (54).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Hilfsfeld (43) rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung (X) der Referenzschicht ausgerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Hilfsfeld (43) eine Stärke zwischen 5 mT und 50 mT hat.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Sensoreinheit (51, 52, 53, 54) mäanderförmig an dem Magnetfeldsensor (5, 5') ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßebene des Magnetfeldsensors (5) parallel oder rechtwinklig zur Ebene des Polrades (4) ausgerichtet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (5') gegenüber dem Polrad (4) radial versetzt angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Drehzahlmessung bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Drehzahlmessung eines Rades (1) eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist.