DE19580095C2

DE19580095C2 - Sensor mit magnetoresistiven Elementen

Info

Publication number: DE19580095C2
Application number: DE19580095T
Authority: DE
Inventors: Mien T Wu
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1994-01-11
Filing date: 1995-01-11
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2015-01-12
Also published as: WO1995018982A1; JP3529784B2; DE19580095T1; JPH08508105A; US5477143A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Sensor, der magnetoresistive Elemente verwendet, um die Gegenwart von magnetisch permeablem Material innerhalb einer vorbestimmten Detektionszone in der Nähe eines der magnetischen Pole eines Permanentmagneten zu bestimmen.

Ein gattungsgemäßer Sensor ist aus der US 44 01 944 bekannt. Dort sind magnetoresistive Elemente senkrecht zueinander auf einem Substrat angeordnet, das seinerseits auf einem eine magnetische Vorspannung H_B erzeugenden Permanentmagneten angeordnet ist. Ein weiterer Permanentmagnet ist angeordnet und besteht aus zwei entgegengesetzt magnetisierten Hälften, die gegenläufige Magnetfelder H_S erzeugen, welche senkrecht zu dem magnetischen Vorspannungsfeld H_B verlaufen. Bei einer Relativbewegung beider Permanent-Magnetanordnungen zueinander, geben die magnetoresistiven Elemente, die in Brückenschaltung betrieben werden, eine Verstimmung der Brücke und ein entsprechendes Signal vor.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor vorzugeben, der bei Verwendung eines einzigen Permanentmagneten die Anwesenheit oder Abwesenheit eines metallischen Targets zu detektieren gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Permanentmagneten, der einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol mit einer sich dazwischen erstreckenden magnetischen Achse besitzt. Der Permanentmagnet, der rechteckförmig oder kreisförmig im Querschnitt sein kann, besitzt eine seitliche Oberfläche, die sich allgemein parallel zu der magnetischen Achse erstreckt. Eine Detektionszone ist extern von dem Permanentmagneten angeordnet und gegenüber einem ausgewählten Nord- oder Südpol verschoben. Die magnetische Achse erstreckt sich allgemein durch die Detektionszone. Ein erstes magnetoresistives Element ist in einer Sensorebene angeordnet, die allgemein parallel zu der magnetischen Achse verläuft. Ein zweites magnetoresistives Element ist in der Sensorebene angeordnet und die Sensorebene ist gegenüber der seitlichen Oberfläche des Permanentmagneten verschoben. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente gegenüber dem ausgewählten magnetischen Nord- oder Südpol in einer Richtung auf die Detektionszone verschoben. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen für den Vergleich von ersten und zweiten Signalen von den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen und ferner zur Vorgabe eines dritten Signales, welches für den Betrag des magnetisch permeablen Materials innerhalb der Detektionszone repräsentiv ist. Das dritte Signal ist als eine Funktion der ersten und zweiten Signale vorgegeben.

Die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente der vorliegenden Erfindung können Permalloymaterial umfassen. Die Einrichtung zum Vergleich der ersten und zweiten Signale von den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen kann eine Wheatstone- Brückenanordnung umfassen. Zusätzlich kann jedes der ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente mehr als einen Magnetfeldwiderstand umfassen. Beispielsweise können die zwei magnetoresistiven Elemente vier Magnetfeldwiderstände umfassen, wobei das erste magnetoresistive Element die ersten und dritten Magnetfeldwiderstände und das zweite magnetoresistive Element die zweiten und vierten Magnetfeldwiderstände umfaßt. Die ersten und vierten Magnetfeldwiderstände können elektrisch in Reihe geschaltet sein, um einen ersten Zweig einer Wheatstone-Brücke zu bilden und die zweiten und dritten Magnetfeldwiderstände können elektrisch in Reihe geschaltet sein, um einen zweiten Zweig der Wheatstone-Brücke zu bilden. Die ersten und zweiten Zweige der Wheatstone-Brücke können sodann elektrisch zueinander parallelgeschaltet sein, um die Einrichtung für den Vergleich der ersten und zweiten Signale von dem ersten und zweiten magnetoresistiven Element vorzugeben.

In einem besonderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die ersten und dritten Magnetfeldwiderstände in laminarer Zuordnung zueinander angeordnet und die zweiten und vierten Magnetfeldwiderstände sind in laminarer Zuordnung zueinander angeordnet. Wenn diese Magnetfeldwiderstände direkt übereinander in laminarer Zuordnung angeordnet sind, so sind die Einflüsse des magnetischen Feldes nahezu identisch auf die ersten und dritten Magnetfeldwiderstände und nahezu identisch auf die zweiten und vierten Magnetfeldwiderstände. Diese Ähnlichkeit in der magnetischen Feldstärke in der Sensorebene der gepaarten Magnetfeldwiderstände ist vorteilhaft.

Wenn ein magnetisch permeables Objekt in die oder aus der Detektionszone des Sensors läuft, so wird die Form des magnetischen Feldes, das durch den Permanentmagneten vorgegeben wird, beeinflußt und der genaue Winkel zwischen den magnetischen Flußlinien und der Sensorebene, in der die magnetoresistiven Elemente angeordnet sind, wird verändert. Diese Änderung spiegelt sich wieder in einer Widerstandsänderung der magnetoresistiven Elemente. Aufgrund der physikalischen Anordnung der Magnetfeldwiderstände in der Wheatstone-Brückenanordnung der Widerstände in bezug auf den Permanentmagneten, wie in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, können relativ geringe Störungen der magnetischen Flußlinien von dem Permanentmagneten merkliche Signale von der Wheatstone-Brücke vorgeben, um die Anwesenheit oder Abwesenheit eines magnetisch permeablen Objektes in der Detektionszone festzustellen. Es versteht sich ebenfalls, daß bis zu einem bestimmten Grad der relative Abstand eines magnetisch permeablen Objektes von der Fläche eines ausgewählten magnetischen Poles des Permanentmagneten bestimmt werden kann.

Die vorliegende Erfindung wird besser und vollständig durch ein Lesen der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen verstanden, in welchen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines magnetoresistiven Elementes ist;

Fig. 2 eine Darstellung von vier Magnetfeldwiderständen ist, die in Serpentinenmustern angeordnet sind und gepaart sind, um zwei magnetoresistive Elemente zu definieren;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Wheatstone-Brückenanordnung von vier Magnetfeldwiderständen ist;

Fig. 4 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 5 eine graphische Darstellung einer Ansprechkurve für magnetoresistive Elemente ist;

Fig. 6 und 7 die Effekte eines magnetischen Feldes auf Magnetfeldwiderstände in Abhängigkeit von ihrem Abstand von der Polfläche des Permanentmagneten zeigen;

Fig. 8 eine Anwendung der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem drehbaren Zahnrad zeigt;

Fig. 9 ein besonderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, bei dem die Magnetfeldwiderstände in laminar einander zugeordneten Paaren angeordnet sind;

Fig. 10 zwei repräsentative Flußlinien veranschaulicht, die von einem Permanentmagneten ausgehen und durch magnetoresistive Elemente verlaufen;

Fig. 11 eine Schnittansicht einer speziellen physikalischen Konfiguration der vorliegenden Erfindung ist, die innerhalb eines zylindrischen Gehäuses angeordnet ist;

Fig. 12 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal einer Wheatstone-Brücke und dem Abstand eines eisenhaltigen Objektes von der Fläche eines Permanentmagneten zeigt;

Fig. 13 eine graphische Darstellung des Ausgangssignales einer Wheatstone- Brücke in Abhängigkeit von der Drehung mehrerer Zähne und Lücken durch eine Detektionszone gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 14 im wesentlichen ähnlich zur Fig. 8 ist, aber mit dem Sensor um die magnetische Achse gedreht; und

Fig. 15 ein beispielhafter elektrischer Schaltkreis ist, der ein mögliches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt und der zwei Signale von einer Wheatstone-Brücke in ein drittes Signal umformt, das die Anwesenheit oder Abwesenheit eines magnetisch permeablen Objektes in der Detektionszone des Sensors repräsentiert.

Innerhalb der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles werden gleiche Komponenten durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.

In Fig. 1 ist ein magnetoresistives Element 10 gezeigt, das in einer Sensorebene angeordnet ist. Der magnetische Fluß, der eine Komponente in Richtung der Sensorebene besitzt, wie dies durch den Pfeil M dargestellt ist, beeinflußt den elektrischen Widerstand des magnetoresistiven Elementes 10. Durch geeignete Anordnung des magnetoresistiven Elementes in einem Sensorschaltkreis kann die Widerstandsänderung gemessen und verwendet werden, um ein Signal vorzugeben, welches die magnetische Feldstärke in der Sensorebene repräsentiert.

Fig. 2 zeigt eine mögliche physikalische Konfiguration, bei der vier Magnetfeldwiderstände angeordnet sind. Ein erster Magnetfeldwiderstand 11 ist in einer Serpentine oder in einer meanderförmigen Konfiguration angeordnet. Die zwei Enden des ersten Magnetfeldwiderstandes 11 sind mit Leiterkissen 21 und 21′ versehen. Ein zweiter Magnetfeldwiderstand 12 ist ähnlich konfiguriert und mit Leiterkissen 22 und 22′ an seinen Enden versehen. Ein dritter Magnetfeldwiderstand 13 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, mit dem ersten Magnetfeldwiderstand 11 verschachtelt und mit Leiterkissen 23 und 23′ versehen. In einer ähnlichen Weise ist ein vierter Magnetfeldwiderstand 14 in Zuordnung zu dem zweiten Magnetfeldwiderstand 12 verschachtelt und mit Leiterkissen 24 und 24′ versehen. Es versteht sich, daß obgleich die Magnetfeldwiderstände 11, 12, 13 und 14 in Fig. 2 als Linien veranschaulicht sind, sie tatsächlich in der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 mit einer vorgewählten Breite und Dicke aufgebracht sind, die in Abhängigkeit der speziellen Charakteristik des Schaltkreises, die für eine spezielle Anwendung erforderlich ist, festgelegt werden. Die Leiterkissen an den Enden der Magnetfeldwiderstände werden benutzt, um die Verbindungen zwischen den Magnetfeldwiderständen zu ermöglichen, die zu einer Wheatstone-Brückenanordnung führen, wie sie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist.

Die grundlegende Theorie der Betriebsweise der Einrichtung, wie sie in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht ist, ist die, daß eine Veränderung in der Form und Richtung der magnetischen Flußlinien, die von einem Permanentmagneten austreten, das Bestreben besitzt, die Magnetfeldwiderstände 11 und 13 in einer im wesentlichen identischen Weise zu beeinflussen und die Magnetfeldwiderstände 12 und 14 in einer allgemein identischen Weise zu beeinflussen. Der Einfluß auf das erste magnetoresistive Element 31 kann jedoch beträchtlich unterschiedlich gegenüber dem Einfluß auf das zweite magnetoresistive Element 32 sein. Wenn diese Änderung in der Form und Richtung des magnetischen Feldes auftritt, so wird der Einfluß auf die Magnetfeldwiderstände 11 und 13 im allgemeinen ähnlich sein, aber meßbar unterschiedlich gegenüber dem Einfluß auf die Magnetfeldwiderstände 12 und 14. Wenn eine Versorgungsspannung V_S über der Wheatstone-Brücke angelegt wird, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, so führen Änderungen in den relativen Widerständen der Magnetfeldwiderstände zu Änderungen in dem Spannungspotential, das mit V_OUT bezeichnet ist. Wenn beispielsweise die Widerstände der Magnetfeldwiderstände 11 und 13 in bezug auf die Widerstände der Magnetfeldwiderstände 12 und 14 erhöht werden, so wird das Spannungspotential im Punkt 34 bezogen auf das Spannungspotential im Punkt 36 anwachsen. Wenn umgekehrt die Widerstände der Magnetfeldwiderstände 12 und 14 in bezug auf die Widerstände der Magnetfeldwiderstände 11 und 13 anwachsen, so wird der umgekehrte Effekt an den Punkten 34 und 36 erfaßt. Die Ausgangsspannung der Brücke kann sodann gemessen werden und als ein Hinweis auf den Betrag bzw. den Ort des magnetisch permeablen Materiales innerhalb der Detektionszone dienen. Bei der unten verwendeten Terminologie ist das erste Signal das Spannungspotential im Punkt 34 und das zweite Signal das Spannungspotential im Punkt 36. Der Unterschied zwischen diesen zwei Spannungspotentialen gibt das dritte Signal vor, welches als ein Hinweis auf den Betrag des magnetisch permeablen Materials innerhalb der Detektionszone verwendet werden kann.

Fig. 4 veranschaulicht eine Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Permanentmagnet 40 besitzt einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol mit einer sich dazwischen erstreckenden magnetischen Achse 42. Das erste magnetoresistive Element 31 und das zweite magnetoresistive Element 32 sind in einer gemeinsamen Sensorebene angeordnet, die von einer seitlichen Oberfläche 46 des Magneten 40 um einen Abstand S, wie dargestellt, beabstandet ist. Die zwei magnetoresistiven Elemente 31 und 32 sind voneinander in einer im wesentlichen symmetrischen Weise um eine Mittellinie C beabstandet. Die Mittellinie ist von einer ausgewählten magnetischen Polfläche um einen Abstand R beabstandet, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Da es oftmals erforderlich ist, irgendeine Art von elektrischem Schaltkreis in Verbindung mit den Magnetfeldwiderständen vorzugeben, ist ein Siliziumchip 50 vorgesehen, und die Magnetfeldwiderstände sind auf dem Chip 50 niedergelegt. Der Chip ist seinerseits auf einem keramischen Substrat 54 befestigt. Das keramische Substrat 54 ist sodann mit einer seitlichen Oberfläche 46 des Magneten befestigt. Es versteht sich jedoch klar, daß alternative Einrichtungen verfügbar sind, um die relativen Positionen zwischen den Magnetfeldwiderständen und dem Permanentmagneten festzulegen, die keine direkte Befestigung eines keramischen Substrates 54 mit einer seitlichen Oberfläche 46 des Magneten erfordern.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 4 kann ein magnetisch permeables Objekt 58 die Form des magnetischen Feldes verändern, das von dem Permanentmagneten 40 austritt, wenn es sich in die Detektionszone bewegt, und es kann daher die Größe der Komponenten des magnetischen Feldes in der Sensorebene an den Orten der ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente 31 und 32 verändern. Wie weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben, erfahren bestimmte Anwendungen der vorliegenden Erfindung eine nützliche Unterstützung durch Anordnung der magnetoresistiven Elemente an Orten, die zu gleichen und entgegengesetzten magnetischen Feldern führen, die ihnen auferlegt werden. Diese Art der abgeglichenen Anordnung ist allgemein vorzuziehen, wenn die vorliegende Erfindung für die Verwendung als Näherungssensor beabsichtigt ist, wobei sich das magnetisch permeable Objekt 58 in eine Richtung im wesentlichen parallel zu der magnetischen Achse 42 entweder in Richtung oder von der Polfläche 49 hinweg bewegt. Wenn die Position der magnetoresistiven Elemente in bezug auf den Permanentmagneten 40 in geeigneter Weise ausgewählt ist, so können die Komponenten des magnetischen Feldes in der Sensorebene der Magnetfeldwiderstände in entgegengesetzten Richtungen voneinander ausgewählt werden, wenn sich kein Objekt in der Detektionszone befindet. Dies führt dazu, daß die magnetische Feldkomponente, die sich durch das erste magnetoresistive Element 31 erstreckt, in einer Richtung entgegengesetzt zu der Feldkomponente liegt, die sich durch das magnetoresistive Element 32 erstreckt. Die Abstände S und R werden in Abhängigkeit von den Abmessungen des Permanentmagneten, der remanenten magnetischen Flußdichte und den Brückendimensionen in einer Weise festgelegt, welche dazu führt, daß die Magnetfeldwiderstände 11 und 13 gegenüber den Magnetfeldwiderständen 12 und 14 mit einem magnetischen Feld mit entgegengesetzter Richtung vorgespannt werden. Idealerweise wird die entgegengesetzte magnetische Vorspannung der magnetoresistiven Elemente mit einer Größe erfolgen, die dem Mittelpunkt ihrer Ansprechkurve entspricht, die in Fig. 5 veranschaulicht ist. Die in Fig. 5 gezeigte Ansprechkurve 60 soll eine beispielhafte Darstellung eines speziellen Magneten sein. Es versteht sich jedoch, daß die Form der Ansprechkurve 60 beträchtlich variieren kann, basierend auf der Breite und Dicke des magnetoresistiven Elementes 31 und 32. Zusätzlich sollte erkannt werden, daß die abgeglichenen magnetischen Felder über den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen 31 und 32 kein Erfordernis in allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellen. Wenn die vorliegende Erfindung als ein Getriebezahnsensor verwendet wird, so können tatsächlich bestimmte Vorteile verwirklicht werden, indem die magnetoresistiven Elemente relativ zu dem Permanentmagneten angeordnet werden, so daß beide magnetoresistive Elemente in einer gemeinsamen Richtung vorgespannt sind, aber mit unterschiedlichen Größen, wenn sich kein Getriebezahn in der Detektionszone befindet.

Diese anfängliche Kalibrierung mit einer vorbestimmten Vormagnetisierung kann bei Getriebezahnsensoren vorteilhaft sein.

Die in Fig. 5 gezeigte Ansprechkurve 60 repräsentiert die Widerstandsänderung der Magnetfeldwiderstände als ein Prozentsatz ihres Widerstandes im Vergleich zu der maximalen möglichen Widerstandsänderung als ein Prozentsatz ihres Widerstandes. In Fig. 5 repräsentiert die horizontale Achse die magnetische Feldstärke und die Richtung in der Sensorebene der Magnetfeldwiderstände. Die in Fig. 5 dargestellte vertikale Achse repräsentiert die Beziehung zwischen der prozentualen Widerstandsänderung im Vergleich zu der maximal möglichen prozentualen Widerstandsänderung. Wenn das magnetische Feld in der Sensorebene abgeglichen werden kann, so daß es sich in entgegengesetzten Richtungen durch die zwei magnetoresistiven Elemente 31 und 32 erstreckt, so können die anfänglichen magnetischen Feldwerte, die die zwei magnetoresistiven Elemente beeinflussen, durch die Punkte 71 und 72 repräsentiert werden. Diese zwei Punkte zeigen die relative Widerstandsänderung der Magnetfeldwiderstände, wenn kein magnetisch permeables Objekt innerhalb der Detektionszone des Sensors angeordnet ist. Wenn ein magnetisch permeables Objekt, wie beispielsweise ein eisenhaltiger Gegenstand sich in die Detektionszone bewegt, so verändert sich das negativ gerichtete magnetische Feld, das das zweite magnetoresistive Element 32 beeinflußt, von dem Punkt 71 zu dem Punkt 75. Diese Änderung wird hervorgerufen durch eine Abnahme in der Größe der Komponente des magnetischen Feldes, das sich in einer negativen Richtung innerhalb der Sensorebene der Magnetfeldwiderstände erstreckt. Gleichzeitig wird das positive magnetische Feld, das die Magnetfeldwiderstände 11 und 13 beeinflußt, vom Punkt 72 zu dem Punkt 76 anwachsen.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 5 versteht es sich, daß die Punkte 71 und 72 eine Abwesenheit von jeglichem magnetischem Material in der Detektionszone repräsentieren und die Punkte 75 und 76 das Vorliegen von magnetischem Material repräsentieren, wie beispielsweise eines eisenhaltigen Gegenstandes innerhalb der Detektionszone. Die Pfeile veranschaulichen die übereinstimmende Änderung zwischen den Punkten 71 und 75 und den Punkten 72 und 76 für die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente. Wie zuvor beschrieben, wird diese Änderung in einer Abnahme des Widerstandes der Magnetfeldwiderstände 11 und 13 und einer entsprechenden Zunahme des Widerstandes der Magnetfeldwiderstände 12 und 14 resultieren. Aufgrund der in Fig. 3 gezeigten Anordnung wird die Ausgangsspannung V_OUT ein robustes Signal vorgeben, das diese Widerstandsänderungen repräsentiert.

Wie zuvor im Zusammenhang mit den Fig. 3, 4 und 5 beschrieben, ist es manchmal vorteilhaft, magnetische Felder in gleichen und entgegengesetzten Richtungen durch die Sensorebenen der ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente 31 und 32 vorzugeben, speziell bei Anwendungen, wo die vorliegende Erfindung als ein Näherungssensor verwendet wird, um die relative Position eines magnetisch permeablen Objektes festzustellen, wenn es sich zu oder von einer Polfläche des Permanentmagneten hinweg in einer Richtung im allgemeinen parallel zu der magnetischen Achse 42 bewegt. Dies gestattet eine leichtere Kalibrierung der Einrichtung, wenn sich kein Gegenstand in der Detektionszone befindet und führt zu einem allgemeinen Abgleich der Widerstandsänderungen zwischen den zwei magnetoresistiven Elementen, wie dies durch die allgemeinen Punkte 71 und 72 der Gleichheit in Fig. 5 repräsentiert ist. Wie unten beschrieben wird, kann der Abgleich der magnetischen Feldkomponenten relativ zu den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen 31 und 32 verwirklicht werden durch Bewegung des Magneten 40 relativ zu den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen in einer Richtung parallel zu der magnetischen Achse 42.

Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen die Weise, in der die relativen magnetischen Feldkomponenten, die die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente beeinflussen, eingestellt werden können bzw. kalibriert werden können, um einen bestimmten Zweck zu erfüllen. Beispielsweise zeigt Fig. 6 die allgemeine Art der Anordnung, die besonders vorteilhaft ist, wenn die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem Getriebezahnsensor verwendet wird. Bei Getriebezahn-Anwendungen ist es vorteilhaft, die magnetoresistiven Elemente auf unterschiedliche Größen vorzuspannen, auch dann wenn sie beide in der gleichen Richtung vorgespannt sind. Bei Getriebezahnsensoren ist es vorzuziehen, daß das magnetoresistive Element 32 in einem absoluten Sinn mehr vorgespannt ist als das magnetoresistive Element 31 unabhängig von ihrer Richtung der magnetischen Vorspannung, wenn sich kein Gegenstand in der Detektionszone befindet. Dies erlaubt dem Getriebezahnsensor die Fähigkeit der Erkennung einer Spannungseinschaltung. Um dies zu verwirklichen, wird die Abmessung R so ausgewählt, daß die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente an dem in Fig. 6 gezeigten Ort angeordnet sind. Aufgrund der durch die Kurve 83 vorgegebenen magnetischen Beziehung und der relativen Position des Magneten und der magnetoresistiven Elemente sind beide magnetoresistiven Elemente in einer negativen Richtung mit unterschiedlichen magnetischen Feldgrößen vorgespannt. Wenn die magnetoresistiven Elemente 31 und 32 von der Polfläche 49 zu dem mit R′ bezeichneten Abstand wegbewegt werden, so werden die magnetischen Feldkomponenten, die die Magnetfeldwiderstände beeinflussen, entlang der Kurve 83 verschoben, um in allgemein gleichen magnetischen Feldern zu resultieren, die in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist. Die in Fig. 7 dargestellte Konfiguration ist höchst wünschenswert in Anwendungen, bei der die vorliegende Erfindung als ein Näherungssensor verwendet wird, um auf ein magnetisches Objekt anzusprechen, das zu oder von der Polfläche des Permanentmagneten hinweg in einer Richtung bewegt wird, die allgemein parallel zu der magnetischen Achse liegt, und die in Fig. 6 dargestellte Konfiguration ist vorteilhafter bei Anwendungen der vorliegenden Erfindung als ein Getriebezahnsensor, wo sich ein magnetisch permeables Objekt durch eine Detektionszone in der Nähe einer magnetischen Polfläche eines Permanentmagneten in einer Richtung bewegt, die im allgemeinen senkrecht zu der magnetischen Achse liegt.

Fig. 8 veranschaulicht eine Teilansicht der vorliegenden Erfindung, bei der gezeigt sind der Permanentmagnet 40 mit seiner Polfläche 49 und seiner magnetischen Achse 42, das keramische Substrat 54, das mit einer seitlichen Oberfläche 46 des Permanentmagneten 40 befestigt ist, der Siliziumchip 50, der mit dem keramischen Substrat 54 befestigt ist und die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente 31 und 32. Zusätzlich ist ein drehbares Element 80 veranschaulicht, das mehrere Zähne 81, 82 und 83 aufweist, die positioniert sind, um sich in und aus einer Detektionszone 90 aufgrund der Drehung in der Richtung zu bewegen, die durch den Pfeil A angezeigt ist. Obgleich ein gestrichelter Kreis verwendet worden ist, um die Detektionszone 90 in Fig. 8 zu repräsentieren, versteht es sich klar, daß die Detektionszone des Sensors nicht tatsächlich innerhalb einer Kreisform eingegrenzt ist. Der gestrichelte Kreis in Fig. 8 wird lediglich verwendet, um den allgemeinen Bereich anzuzeigen, durch den ein eisenhaltiger Getriebezahn sich bewegen kann, der durch den Getriebezahnsensor detektiert wird. Durch Vergleich der Fig. 4 und 8 ist ersichtlich, daß der eisenhaltige Gegenstand, der durch die vorliegende Erfindung erfaßt wird, ein magnetisch permeables Objekt 58 sein kann, das sich zu oder von der Fläche 49 des Magneten 40 hinwegbewegt oder alternativ ein Getriebezahn sein kann, der sich durch die Detektionszone 90 in einer Richtung bewegt, die allgemein parallel zu der Fläche 49 des Magneten verläuft.

Die in Fig. 8 veranschaulichte Anordnung zeigt eine spezielle physikalische Beziehung zwischen dem Getriebezahnsensor und einem rotierenden Element 80. Fig. 14 zeigt eine alternative Anordnung, bei der der Getriebezahnsensor um 90° um die magnetische Achse 42 bezogen auf das rotierbare Element 80 gedreht ist. In vielen Anwendungsfallen ist die in Fig. 14 gezeigte Anordnung derjenigen vorzuziehen, die in Fig. 8 gezeigt ist.

Fig. 9 veranschaulicht ebenfalls ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der die Magnetfeldwiderstände in laminarer Zuordnung zueinander angeordnet sind, um die möglichen Unterschiede in den magnetischen Effekten auf jeden der gepaarten Magnetfeldwiderstände zu reduzieren. Beispielsweise ist der Magnetfeldwiderstand 14 über dem Magnetfeldwiderstand 12 in einer laminaren Zuordnung aufgebracht. Zusätzlich ist der Magnetfeldwiderstand 13 in einer laminaren Zuordnung auf dem Magnetfeldwiderstand 11 aufgebracht. Diese Anordnung führt zu einem nahezu identischen magnetoresistiven Effekt der gepaarten Magnetfeldwiderstände, wenn sich das magnetische Feld verändert. Wenn mit anderen Worten das magnetische Feld seine Form verändert, so ist der durch den Magnetfeldwiderstand 11 erfaßte Effekt nahezu identisch zu dem durch den Magnetfeldwiderstand 13 erfaßten Effekt. In gleicher Weise ist der magnetische Effekt auf den Magnetfeldwiderstand 12 im wesentlichen identisch zu dem magnetischen Effekt auf den Magnetfeldwiderstand 14. Diese virtuelle Identität der magnetischen Feldstärken in den gepaarten Magnetfeldwiderständen wird durch die enge Nachbarschaft verwirklicht, wie durch die laminare Zuordnung erzielt wird, wie sie in Fig. 9 veranschaulicht ist. Zwischen den gepaarten Magnetfeldwiderständen wird eine dünne Isolatorschicht, beispielsweise Siliziumnitrid, verwendet, um die gepaarten Widerstände voneinander elektrisch zu isolieren. Die Siliziumnitrid-Isolierschicht ist in Fig. 9 durch die Bezugsziffer 104 bezeichnet. Die elektrischen Leiterkissen 21, 22, 23, 24, 21′, 22′, 23′ und 24′ sind in Fig. 9 nicht veranschaulicht.

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung der Effekte, die durch die magnetoresistiven Elemente 31 und 32 infolge ihrer Zuordnung zu einem Permanentmagneten 40 erfaßt werden. Für die Zwecke der Darstellung sind nur zwei Linien des magnetischen Flusses 170 und 172 in Fig. 10 gezeigt. Diese zwei magnetischen Flußlinien repräsentieren jedoch die allgemeine Form des gesamten magnetischen Feldes in dem Bereich der ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente. Wie erkennbar, verläuft die magnetische Flußlinie 170 durch das magnetoresistive Element 31 in einer Richtung, die einen resultierenden Vektor V₃₁ besitzt und die magnetische Flußlinie 172 durchläuft das magnetoresistive Element 32 in einer Richtung, die einen resultierenden Vektor V₃₂ besitzt. Diese zwei resultierenden Vektoren besitzen Komponenten innerhalb der Sensorebene der magnetoresistiven Elemente, die sich in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Die relevante Komponente des Vektors V₃₁ erstreckt sich in eine Richtung in der Sensorebene des magnetoresistiven Elementes 31, die allgemein von dem Permanentmagneten 40 hinwegverläuft. Die Komponente des resultierenden Vektors V₃₂ erstreckt sich in der Ebene des magnetoresistiven Elementes 32 in eine Richtung, die allgemein zu dem Permanentmagneten 40 gerichtet ist. Durch Bewegung der magnetoresistiven Elemente relativ zu dem Permanentmagneten 40 in einer Richtung parallel zu der magnetischen Achse 42 kann die Beziehung zwischen den magnetischen Feldstärken innerhalb der Sensorebene der magnetoresistiven Elemente verändert werden. Dieses Phänomen wurde zuvor im Zusammenhang mit den Fig. 6 und 7 beschrieben.

Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht eines speziellen physikalischen Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung. Der Permanentmagnet ist von den magnetoresistiven Elementen 31 und 32 durch einen Halter 120 beabstandet, der aus Kunststoff oder irgendeinem anderen geeigneten, nicht-magnetischen Material hergestellt sein kann. Die Abmessungen des Halters 120 sind so gewählt, um den Permanentmagneten 40 in einer geeigneten Position zu halten und die magnetoresistiven Elemente 31 und 32 in einen vorgewählten Abstand S von einer seitlichen Oberfläche 46 des Permanentmagneten 40 zu verschieben. Ein geeignetes elastomeres Material 124 kann über den magnetoresistiven Elementen und ihren zugehörigen Schaltkreis und Drahtverbindungen angeordnet sein, um jene Komponenten während des Zusammenbaus zu schützen. Wenn der Halter 120, der Permanentmagnet 40 und die zugehörigen magnetoresistiven Elemente, wie in Fig. 11 gezeigt, angeordnet sind, kann die Anordnung in ein geeignetes Gehäuse 130, wie beispielsweise in ein Plastikrohr, eingesetzt werden.

Die in Fig. 11 gezeigte Anordnung gestattet dem Permanentmagneten und dem Keramiksubstrat 54 eine Relativbewegung zueinander entlang der Richtung parallel zu der magnetischen Achse 42, um die Signale zu kalibrieren, die von den magnetoresistiven Elementen 31 und 32 empfangen werden und um die gewünschten Beziehungen zwischen den magnetischen Feldstärken zu erzielen, die jedes der magnetoresistiven Elemente beeinflussen. Wenn diese gewünschte Beziehung erzielt ist, können die in Fig. 11 gezeigten Komponenten starr miteinander befestigt werden. Wenn der Magnet 40 und die magnetoresistiven Elemente 31 und 32 starr miteinander befestigt sind und die Anordnung innerhalb eines Gehäuses 130 angeordnet ist, so kann der verbleibende Raum zwischen der inneren Oberfläche des Gehäuses 130 und den Komponenten des Sensors mit einem geeigneten Vergußmaterial ausgefüllt werden, um alle Komponenten miteinander starr und permanent zu verbinden. Die Räume, die in Fig. 11 mit der Bezugsziffer 134 bezeichnet sind und die den Magneten und die magnetoresistiven Komponenten umgeben, werden mit diesem Vergußmaterial ausgefüllt.

Fig. 12 veranschaulicht den Ausgang V_OUT der Wheatstone-Brücke gemäß Fig. 3 als eine Funktion des Abstandes D zwischen der Fläche des Gehäuses und dem magnetisch permeablen Objekt 58. Fig. 12 veranschaulicht, daß die vorliegende Erfindung für die Verwendung bei der Feststellung der Gegenwart eines magnetisch permeablen Objektes 58 in der Detektionszone und in bestimmten Anwendungsfallen für die Feststellung des tatsächlichen Abstandes zwischen dem magnetisch permeablen Objekt 58 und der Fläche 49 des Permanentmagneten 40 geeignet ist. Die in Fig. 12 gezeigte Beziehung veranschaulicht, daß die vorliegende Erfindung als ein Näherungssensor arbeiten kann, der ein bestimmtes Maß an Fähigkeit aufweist, den Abstand zwischen magnetisch permeablen Objekten und der Fläche des Sensorgehäuses zu identifizieren.

Fig. 13 veranschaulicht die Ergebnisse einer alternativen Anwendung der vorliegenden Erfindung, die allgemein ähnlich zu derjenigen ist, wie sie in Fig. 8 veranschaulicht ist. Wenn ein gezahnter Gegenstand hinter dem Sensor vorbeibewegt wird und die Zähne eines Zahnrades durch die Detektionszone gedreht werden, so gestattet die vorliegende Erfindung die Ergebnisse zu erhalten, wie sie in Fig. 13 gezeigt sind. Das gezahnte Objekt 80 ist in einer linearen Anordnung veranschaulicht anstelle einer drehbaren Zahnradkonfiguration zum Zwecke der Vereinfachung der Darstellung und um den Ort der Zähne zu den Veränderungen in dem Sensorausgang klarer in Beziehung zu setzen. Die Fig. 12 und 13 veranschaulichen die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung entweder als ein Näherungssensor oder als ein Getriebezahnsensor zu arbeiten. Wie zuvor erläutert, werden, wenn die vorliegende Erfindung für die Verwendung als Näherungssensor beabsichtigt ist, die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente vorteilhaft in Positionen bezüglich des Permanentmagneten angeordnet, um einen allgemeinen Abgleich der magnetischen Feldkomponenten zu erzielen, wie dies in Fig. 7 repräsentiert ist. Wenn andererseits die vorliegende Erfindung für die Verwendung als Getriebezahnsensor beabsichtigt ist, so werden die relativen Positionen der magnetoresistiven Elemente in bezug auf den Permanentmagneten so gewählt, daß sie zu den Beziehungen führen, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind.

Bei einer Verwendung als Getriebezahnsensor zeigt es sich bei der vorliegenden Erfindung von Nutzen, den zwei magnetoresistiven Elementen eine magnetische Vorspannung mit unterschiedlichen Größen aufzuprägen. Mit anderen Worten werden die zwei magnetoresistiven Elemente durch magnetische Felder mit unterschiedlichen Größen unabhängig von ihrer Richtung beeinflußt. Durch Vorgabe dieser unterschiedlichen magnetischen Feldstärke, die jedem der zwei magnetoresistiven Elemente aufgeprägt wird, kann der Getriebezahnsensor mit der Fähigkeit der Erkennung einer Spannungseinschaltung versehen werden. Dies bedeutet, daß der Getriebezahnsensor die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Zahnes innerhalb der Detektionszone feststellen kann, ohne daß der Zahn bewegt werden muß. Die unterschiedlichen magnetischen Felder, die den zwei magnetoresistiven Elementen aufgeprägt werden, wenn sich kein eisenhaltiges Objekt in der Detektionszone befindet, schafft die Basis, welche die Fähigkeit für den Getriebezahnsensor vorgibt, bei der Spannungseinschaltung die Erkennung durchzuführen.

Mit vorgesetzter Bezugnahme auf Fig. 13 ist erkennbar, daß eine Gruppe von Kurven dargestellt ist, die den Sensorausgang als eine Funktion der Gegenwart oder Abwesenheit von Zähnen in der Detektionszone repräsentieren. Die Kurven repräsentieren unterschiedliche Luftspalten zwischen den Zähnen und der Fläche des Sensors. Beispielsweise repräsentiert die Kurve 141 einen Spalt von 2,54 mm (0,1 inches) zwischen der Sensorfläche und dem Zahn, die Kurve 142 repräsentiert einen Spalt von 2 mm (0,08 inches) und die Kurve 143 repräsentiert einen Spalt von 1,5 mm (0,06 inches). Die in Fig. 13 veranschaulichten Kurven sollen den Einfluß auf die Intensität des Signales zeigen, den eine Spaltänderung hervorrufen kann. Natürlich werden sich die tatsächlichen genauen Größen der Ausgangssignale V_OUT beträchtlich verändern in Abhängigkeit von vielen unterschiedlichen Parametern, wie beispielsweise der magnetischen Stärke, des Abstandes S, der Magnetabmessungen, der magnetischen Permeabilität des Objektes und vielen anderen Variablen. Die Darstellung in Fig. 13 zeigt jedoch, daß die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um zwischen Zähnen und Lücken zu unterscheiden und zusätzlich diese Information vorgeben kann, ohne das Erfordernis der Bewegung der Getriebezähne bzw. des Objektes.

Fig. 15 veranschaulicht einen beispielhaften Schaltkreis, der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um auf die ersten und zweiten Signale anzusprechen und um ein drittes Signal zu liefern, das das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines magnetischen Objektes in der Detektionszone repräsentiert oder alternativ den relativen Abstand zwischen einem magnetisch permeablen Objekt und der Fläche eines Sensors repräsentieren kann, der die vorliegende Erfindung beinhaltet. Die in Fig. 15 gezeigte Wheatstone-Brückenanordnung liefert ein erstes Signal auf der Leitung 34 und ein zweites Signal auf der Leitung 36 zu einem Differentialverstärker 176. Der Differentialverstärker liefert ein Signal auf der Leitung 180, welches als ein Eingangssignal zu einem Temperatur-Kompensationsteil 182 des Schaltkreises verwendet wird. Das Ausgangssignal von dem Temperatur-Kompensationsteil 182 des Schaltkreises wird auf einer Leitung 184 einem Komparator 190 vorgegeben. Der Komparator besitzt ebenfalls einen mit einer Referenz verbundenen Eingang, die durch die Leitung 192 repräsentiert wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Komparator 190 mit einer Hysterese versehen, um die Vorgabe eines Ausgangssignales auf der Leitung 194 zu erleichtern, das verwendbar ist, um das Vorliegen oder die Abwesenheit eines Getriebezahnes innerhalb der Detektionszone des Sensors festzustellen. Die der Wheatstone-Brücke zugeordneten und in Fig. 15 gezeigten Komponenten sind dem Fachmann wohl bekannt und stellen nur eine von vielen Kombinationen von Komponenten dar, die verwendet werden können, um ein drittes Signal in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Signalen vorzugeben, das das Vorliegen oder die Abwesenheit einer magnetisch empfindlichen Komponente innerhalb der Detektionszone repräsentiert oder alternativ den relativen Abstand zwischen einem magnetisch permeablen Objekt und einer Fläche des Sensors repräsentiert.

Obgleich die vorliegende Erfindung mit spezieller Eigentümlichkeit veranschaulicht worden ist und beschrieben worden ist, um bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in ausführlichen Einzelheiten zu erläutern, sollte es verstanden werden, daß alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ebenfalls in ihrem Rahmen liegen.

Claims

1. Sensor, aufweisend:
einen Permanentmagneten (40) mit einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol und einer sich dazwischen erstreckenden magnetischen Achse (42);
eine extern von dem Permanentmagneten (40) angeordnete Detektionszone (90), die gegenüber dem im voraus ausgewählten magnetischen Nord- oder Südpol versetzt ist;
ein erstes in eine Sensorebene angeordnetes magnetoresistives Element (31);
ein zweites in der Sensorebene angeordnetes magnetoresistives Element (32); und
eine Einrichtung zum Vergleich (176, 190) von ersten und zweiten Signalen von den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen (31, 32) und zur Vorgabe eines dritten Signales, welches dem Betrag an magnetisch permeablem Material (58, 80) in der Detektionszone entspricht, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die magnetische Achse (42) des Permanentmagneten (40) durch die Detektionszone (90) erstreckt;
daß das erste und zweite magnetoresistive Element (31, 32) parallel zueinander ausgerichtet und voneinander in einer im wesentlichen symmetrischen Weise um eine Mittellinie (C) beabstandet sind, wobei die Mittellinie (C) gegenüber dem im voraus ausgewählten magnetischen Nord- oder Südpol in Richtung auf die Detektionszone (90) um einen Abstand (R)verschoben ist; und
daß eine durch die magnetoresistiven Elemente (31, 32) aufgespannte Sensorebene von dem Permanentmagneten (40) in einer Richtung senkrecht zu der magnetischen Achse (42) um einen Abstand (s) versetzt ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung eine Wheatstone-Brücke ist, die die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente (31, 32) umfaßt.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste magnetoresistive Element (31) erste und dritte Magnetfeldwiderstände (11, 13) umfaßt.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite magnetoresistive Element (32) zweite und vierte Magnetfeldwiderstände (12, 14) umfaßt.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und vierten Magnetfeldwiderstände (11, 14) elektrisch in Reihe geschaltet sind, um einen ersten Zweig einer Wheatstone-Brücke zu bilden.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten und dritten Magnetfeldwiderstände (12, 13) elektrisch in Reihe geschaltet sind, um einen zweiten Zweig der Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei die ersten und zweiten Zweige der Wheatstone-Brücke elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.

7. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Magnetfeldwiderstände (11, 13) in laminarer Zuordnung zueinander angeordnet sind und daß die zweiten und vierten Magnetfeldwiderstände (12, 14) in laminarer Zuordnung zueinander angeordnet sind.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente Permalloy-Material umfassen.

9. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch ein drehbares Zahnrad (80) mit mehreren magnetisch permeablen Zähnen (81, 82, 83) als durch den Sensor in der Detektionszone (90) zu detektierender Gegenstand.