DE19647420B4

DE19647420B4 - Vorrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds

Info

Publication number: DE19647420B4
Application number: DE19647420A
Authority: DE
Inventors: Hideki Umemoto; Naoki Hiraoka; Wataru Fukui; Yutaka Ohashi; Masahiro Yokotani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2016-11-16
Also published as: JPH09329462A; US5789919A; DE19647420A1

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung eines Magnetfeldes, umfassend
– eine Magnetfeld-Generiereinrichtung (4; 58) zum Generieren eines Magnetfeldes;
– eine relativ zur Magnetfeld-Generiereinrichtung (4; 58) verstellbare Induktionseinrichtung (2; 52) zur Änderung des durch die Magnetfeld-Generiereinrichtung erzeugten Magnetfeldes, wobei die Induktionseinrichtung (2; 52) einen ersten Bereich mit einer sich in Richtung einer Relativverstellung der Induktionseinrichtung erstreckenden Abmessung L₁ und einen zweiten Bereich mit einer sich in der Richtung dieser Relativverstellung erstreckenden Abmessung L₂ aufweist und die ersten und zweiten Bereiche einen gegenseitigen Abstand voneinander aufweisen; und
– eine magnetoresistive Einrichtung (10; 57), welche eine Abtastfläche bildet, die im Magnetfeld derart angeordnet ist, dass der Widerstand der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) sich in Abhängigkeit von einer Änderung des Magnetfeldes ändert;
dadurch gekennzeichnet, dass
– eine weitere, sich in Richtung der Relativverstellung der Induktionseinrichtung (2; 52) erstreckende Abmessung L₃ der Abtastfläche der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) gleich oder kleiner ist als...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt aus DE 34 26 784 A1 . Insbesondere wird vorgeschlagen, zur Abgabe von elektrischen Signalen in Abhängigkeit von der Lage oder der Drehzahl eines ferromagnetischen Körpers ferromagnetische Messstreifen auf einem Substrat von einem stationären magnetischen Gleichfeld schräg zu durchsetzen, so dass eine große Feldkomponente senkrecht zu den Messstreifen und eine wesentlich kleinere Feldkomponente in der Ebene der Messstreifen unter einem Winkel von etwa 45° zur Stromrichtung in den Messstreifen verläuft.

In DE 44 27 495 A1 ist eine Sensoreinrichtung mit einem GMR-Sensorelement beschrieben, die vier paarweise zugeordnete diagonale Brückenelemente in zwei parallelgeschalteten Brückenzweigen einer Brückenschaltung enthält.

In DE 40 14 885 A1 ist ein Drehwinkelaufnehmer zur Erfassen des Drehwinkels einer drehbaren Welle beschrieben. Der Drehwinkelaufnehmer enthält ein Substrat und ein Aufnehmerelement mit einer Vielzahl von Blöcken magnetoresistiver Elemente, die auf einer ebenen Oberfläche des Substrats angeordnet sind.

In EP 0 319 737 A1 ist ein Magnetfelddetektor beschrieben, bei dem ein Magnetfeld einen als Magnetfeld-Sensor verwendeten magnetabhängigen Widerstand durchsetzt.

In EP 0 484 859 A2 ist ein System zum Erfassen von Änderungen eines Magnetfelds beschrieben, bei dem sämtliche Widerstände, sowohl Magnetowiderstände MR als auch feste Widerstände FR, gleichzeitig in einem gemeinsamen Herstellungsprozess, ausgehend von einem gemeinsamen magnetoresistiven Material, hergestellt werden.

In DE 44 35 678 A1 ist ein Magnetfeld-Sensor beschrieben, der ein Halleffekt-Element aufweist, dessen Sensorebene senkrecht zu einer zentralen Achse steht, die sich zwischen dem Nord- und dem Südpol eines Magneten erstreckt.

In WO 92/12438 A1 ist ein Magnetsensor beschrieben, bei dem ein Gradientenvorspann-Magnetfeld auf MR-Elemente angewandt wird, um die Genauigkeit einer Detektion zu erhöhen und magnetische Verzerrungen zu vermeiden.

In DE 39 40 345 A1 ist eine Schaltung für einen auf eine Veränderung magnetischer Feldlinien ansprechenden Magnetfeldsensor beschrieben, die lediglich zwei Anschlussleitungen aufweist. Es wird die an einem Spannungsteiler mit wenigstens einem magnetfeldabhängigen Widerstand abgreifbare Spannung zur Steuerung eines Längstransistors einer Steuerstrecke herangezogen.

Magnetoresistive Einrichtungen betreffen allgemein solche Einrichtungen, die ihren Widerstand in Ansprechen auf die Richtung eines Magnetfelds ändern, das an einem dünnen ferromagnetischen Film anliegt, und zwar im Hinblick auf die Richtung eines Stroms, der durch den dünnen ferromagnetischen Film fließt.

Magnetresistive Einrichtungen weisen einen minimalen Widerstand dann auf, wenn ein Magnetfeld in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung des Stroms anliegt. Weist andererseits der Winkel zwischen der Stromrichtung und der Richtung des anliegenden Felds einen Wert von 0 auf, d.h. liegt ein Magnetfeld entlang derselben Richtung oder entgegengesetzt zu der Richtung eines Stroms an, so weist der Widerstand einen maximalen Wert auf. Diese Veränderung des Widerstands wird allgemein als magnetoresistiver Effekt bezeichnet, und die Größe der Veränderung des Widerstands wird als das magnetoresistive Veränderungsverhältnis bezeichnet. Ein typischer Wert des magnetoresistiven Veränderungsverhältnisses beträgt 2 bis 3% bei Ni-Fe und 5 bis 6% bei Ni-Co.

Die 21 zeigt einschematisches Diagramm zum Darstellen eines üblichen Fühlers und dessen Seitenansicht und perspektivische Ansicht sind jeweils in 21a und 21b gezeigt.

Der in 21 gezeigte Fühler enthält: eine Drehwelle 1; ein Rotationselement aus magnetischem Material 2 mit zumindest einem vorstehenden oder ausgesparten Abschnitt, derart, daß das Rotationselement aus Magnetmaterial 2 so ausgebildet ist, daß es sich synchron zu der Drehung der Drehwelle 1 dreht; eine magnetoresistive Einrichtung 3, die an einer Stelle mit festgelegtem Abstand bezogen auf das Rotationselement aus magnetischem Material 2 angeordnet ist; und einen Magneten 4 zum Anlegen eines Magnetfelds an der magnetoresistiven Einrichtung 3. Bei dem obigen Aufbau enthält die magnetoresistive Einrichtung 3 ein magnetoresistives Muster 3a und eine Dünnfilmoberfläche (Magnetfeld-Abtastebene) 3b.

Dreht sich das Rotationselement aus Magnetmaterial 2, so verändert sich das an der Magnetfeld-Abtastebene 3b der magnetoresistiven Einrichtung 3 anliegende Magnetfeld in Ansprechen auf die Drehung des Rotationselements aus Magnetmaterials 2, und im Ergebnis verändert sich der Widerstand des magnetoresistiven Musters 3a in entsprechender Weise.

Die 22 zeigt ein Schaltbild des üblichen Fühlers. Die mit einer Konstantstromquelle verbundene magnetoresistive Einrichtung 3 erzeugt ein Spannungssignal Svv, das sich in Ansprechen auf das Vorbeiführen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus magnetischem Material 2 verändert.

Wie nachfolgend beschrieben, weist der übliche Fühler zahlreiche Nachteile auf.

Die in dem üblichen Fühler eingesetzte magnetoresistive Einrichtung weist allgemein eine Einschichtstruktur bestehend aus einem dünnen ferromagnetischen Film auf. Bei dieser Struktur variiert der Widerstand in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen dem anliegenden Magnetfeld und dem Strom. In anderen Worten weist die Magnetfeld-Abtastebene eine anisotrope Empfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld auf.

Ferner weist der übliche Fühler die folgenden Nachteile auf: eine geringe Veränderung des Widerstands aufgrund des Einsatzes einer einzigen magnetoresistiven Einrichtung und demnach eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der Veränderung eines Magnetfelds; hiermit verbundene geringe Ausgangsspannung; unzuverlässiger Betrieb aufgrund der Tendenz, einfach durch externes Rauschen gestört zu werden, das oft eine interne Signalkomponente überlagert, die die Bewegung der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial darstellt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Fühlers, der genau eine Veränderung eines Magnetfelds detektieren kann, ohne dass er einfach durch externes Rauschen gestört wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Erfassung eines Magnetfelds mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Somit lässt sich gemäß der vorliegenden Erfindung ein Magnetfeld genau ohne Einfluss durch externes Rauschen detektieren. Ein Ausgangssignal wird präzise gemäß einer vordefinierten Stelle (eines vordefinierten Winkels) eines sich bewegenden Elements aus Magnetmaterial erzeugt.

Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau wird es möglich, eine hochgenaue und hochwirksame Detektion der Veränderung eines Magnetfelds kleiner vorstehender und ausgesparter Abschnitte durchzuführen, und somit ist es möglich, die Detektionsgenauigkeit zu verbessern.

Für eine Form der Erfindung ist kennzeichnend, dass die Magnetfeldveränderungs-Induziervorrichtung aus einem sich bewegenden Element aus magnetischem Material aufgebaut ist, das mit mindestens einem vorstehenden und ausgesparten Abschnitt versehen ist, und dass die Magnetfeld-Generiervorrichtung aus einem Magneten besteht. Gemäß diesem Aufbau wird es möglich, kleinere vorstehende und ausgesparte Abschnitte zu detektieren, und somit ist es möglich, einen Fühler mit geringen Abmessungen und geringen Kosten und verbesserter Detektionsgenauigkeit zu realisieren.

Zudem wird es möglich, eine hochgenaue und hochwirksame Detektion der Veränderung eines Magnetfelds kleiner vorstehender und ausgesparter Abschnitte durchzuführen, und somit ist es möglich, die Detektionsgenauigkeit weiter zu verbessern.

Da eine Größe des Magneten auf einem Wert festgelegt ist, der fünfmal kleiner als der kleinste Wert der Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des sich bewegenden Elements aus Magnetmaterial ist, wird es möglich, eine hochgenaue und hochwirksame Detektion der Veränderungen eines Magnetfelds kleiner vorstehender und ausgesparter Abschnitte zu erreichen, und somit ist es möglich, die Detektionsgenauigkeit weiter zu verbessern.

Da eine Distanz zwischen der magnetoresistiven Großeinrichtung und dem Magneten auf einem Wert festgelegt ist, der fünfmal kleiner als die Größe der Magnetfeld-Abtastebene der magnetoresistiven Großeinrichtung ist, wird es möglich, eine hochgenaue. und hochwirksame Detektion der Veränderung des Magnefelds kleiner vorstehender und ausgesparter Abschnitte zu erreichen, und somit ist es möglich, die Detektionsgenauigkeit weiter zu verbessern.

Bei einer zusätzlichen weiteren Form der Erfindung enthält der Fühler ferner eine Brückenschaltung mit zumindest einem Zweig bestehend aus der magnetoresistiven Großeinrichtung; und eine Signalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten des durch die Brückenschaltung ausgegebenen Signals, wodurch Flanken der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des sich bewegenden Elements aus Magnetmaterial detektiert werden.

Gemäß dem obigen Aufbau wird es möglich, eine hochgenaue und hochwirksame Detektion der Veränderung eines Magnetfelds zu erreichen, und somit ist es möglich, die Detektionsgenauigkeit weiter zu verbessern. Ferner wird es gemäß dem obigen Aufbau aufgrund der Tatsache, daß die Anisotropie im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Magnetfeld-Abtastebene der magnetoresistiven Großeinrichtungen eliminiert ist, somit möglich, eine zuverlässige Detektion der Veränderung des Magnetfelds durchzuführen.

Da sich ferner große Veränderungen der Widerstände der magnetoresistiven Großeinrichtungen erzielen lassen, ist es somit möglich, ein entsprechend großes Signal bei dem Ausgangsanschluss der Signalverarbeitungsvorrichtung zu erhalten, wodurch sich ein großer Randabstand zu dem Signal im Zusammenhang mit dem Referenzpegel bei dem durch die Signalverarbeitungsvorrichtung durchgesetzten Umsetzbetrieb ergibt. Dies dient der Erhöhung der Beständigkeit gegenüber externem Rauschen und somit der Gewährleistung der Tatsache, daß die Signalverarbeitungsvorrichtung ein zuverlässigeres Ausgangssignal mit einem "0"- oder "1"-Pegel ausgeben kann.

Bei einer zusätzlichen weiteren Form der Erfindung ist das sich bewegende Element aus Magnetmaterial ein Rotationselement, das sich synchron mit einer Drehwelle dreht. Dieser Aufbau gewährleistet, dass der Fühler präzise die Veränderung des Magnetfelds aufgrund der Drehung des Rotationselements aus Magnetmaterial erfassen kann.

Für eine zusätzliche weitere Form der Erfindung ist kennzeichnend, dass der Hauptteil des Fühlers ein Gehäuse enthält, in dem die magnetoresistive Großeinrichtung angeordnet ist, und dass das Rotationselement in einem Raum an einer Seite des Gehäuses derart angeordnet ist, dass zumindest der Rand des Rotationselements der magnetoresistiven Großeinrichtung gegenüberliegt. Bei diesem Aufbau wird ein Magnetpfad über das Rotationselement und die magnetoresistive Großeinrichtung gebildet. Demnach weist diese Struktur letztendlich dieselbe Funktion wie das Rotationselement aus magnetischem Material auf, das zumindest teilweise aus einem Magnet geformt ist. Im Ergebnis wird es bei dieser Struktur möglich, die Ausgabe eines korrekten Ausgangssignals, das präzise dem Drehwinkel des Rotationselements entspricht, zu starten, sobald die Energieversorgung des Fühlers angeschaltet wird.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer ersten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 ein Blockschaltbild zum Darstellen des Schaltungsaufbaus der ersten Ausführungsform des Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

3 ein Schaltdiagramm zum Darstellen eines spezifischen Beispiels der in 2 gezeigten Schaltung;

4 ein schematisches Diagramm zum Darstellen von vier GMR-Einrichtungen, die auf einer Struktur gebildet sind, derart, daß diese vier GMR-Einrichtungen die Wheatstone-Brückenschaltung der in 3 gezeigten Schaltung bilden;

5 ein Signalformdiagramm zum Darstellen des Betriebs im Zusammenhang mit der 3;

6 ein schematisches Diagramm zum Darstellen eines Gegenstands der ersten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

7 ein Kenndiagramm zum Darstellen des Gegenstands der ersten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

8 ein schematisches Diagramm zum Darstellen eines Gegenstands einer zweiten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

9 ein Kenndiagramm zum Darstellen des Gegenstands der zweiten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

10 ein schematisches Diagramm zum Darstellen eines Gegenstands einer dritten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

11 ein Kenndiagramm zum Darstellen des Gegenstands der vierten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

12 ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer vierten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

13 eine perspektivische Ansicht zum Darstellen der Relativpositonen des Hauptteils des Fühlers und eines Rotationselements aus Magnetmaterial bei der vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

14 eine perspektivische Ansicht zum Darstellen des Hauptteils des Fühlers der vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

15 eine Explosionsansicht zum Darstellen der Innenstruktur des Hauptteils des Fühlers der vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

16 eine Querschnittsseitenansicht zum Darstellen eines modifizierten Beispiels des Hauptteils des Fühlers auf Basis der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

17 ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer fünften Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

18 eine Querschnittsseitenansicht zum Darstellen einer sechsten Ausführungsform eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

19 eine perspektivische Ansicht zum Darstellen des Hauptteils des Fühlers der sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

20 eine Querschnittsseitenansicht zum Darstellen eines modifizierten Beispiels des Hauptteils des Fühlers auf Basis der sechsten Ausführungsform der Erfindung;

21 ein schematisches Diagramm zum Darstellen eines üblichen Fühlers; und

22 ein vereinfachtes Schaltbild des üblichen Fühlers.

Unter Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen wird der Fühler gemäß der vorliegenden Erfindung detaillierter nachfolgend im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
Ausführungsform 1
1 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer ersten Ausführungsform eines Fühles gemäß der vorliegenden Erfindung, und die 1a und 1b zeigen jeweils eine Seitenansicht und eine perspektivische Ansicht hiervon.
Der Fühler enthält: eine Drehwelle 1; ein Rotationselement aus Magnetmaterial 2, das als Magnetfeldveränderungs-Induktionsvorrichtung dient; das Rotationselement aus Magnetmaterial 2 weist zumindest einen vorstehenden oder ausgesparten Abschnitt auf, und das Rotationselement aus Magnetmaterial 2 ist so angepaßt, daß es sich synchron zur Drehung der Drehwelle 1 dreht; ein Magnetfeld-Abtastelement, beispielsweise eine magnetoresistive Großeinrichtung 10, die in einer Radialrichtung ausgehend von dem Rotationselement aus Magnetmaterial 2 angeordnet ist, bei einer Stelle mit festgelegter Distanz bezogen auf das Rotationselement aus Magnetmaterial 2; und einen Magneten 4, der als Magnetfeld-Generiervorrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds an der magnetoresistiven Großeinrichtung 10 dient, derart, daß die magnetoresistive Großeinrichtung 10 ein magnetoresistives Muster 10a enthält, das als Magnetfeld-Abtastmuster dient, sowie eine Dünnfilmebene (Magnetfeld-Abtastebene) 10b.
Dreht sich das Rotationselement aus Magnetmaterial 2, so verändert sich das an der Magnetfeld-Abtastebene 10b der magnetoresistiven Großeinrichtung 10 anliegende Magnetfeld, und somit verändert sich der Widerstand des magnetoresistiven Musters 10a in entsprechender Weise.
Bei diesem Fühler weist die magnetoresistive Großeinrichtung 10 eine Mehrschichtstruktur auf, bestehend aus alternativ aufgebrachten magnetischen Schichten und nichtmagnetischen Schichten, jeweils mit einer Dicke im Bereich von einigen Å bis einigen zehn Å. Eine derartige Mehrschichtstruktur ist als Übergitterstruktur bekannt, und ein spezielles Beispiel ist in einer Veröffentlichung offenbart, die den Titel "Magnetoresistiver Effekt von Mehrfachschichten" trägt und in Journal of Magnetics Society of Japan, Bd. 15, Nr. 51991, Seiten 813-821, veröffentlicht ist. Spezielle Strukturen enthalten (Fe/Cr)n, (Permalloy/Cu/Co/Cu)n, (Co/Cu)n, usw.. Diese Übergitterstrukturen weisen einen erheblich größeren magnetoresistiven Effekt (magnetoresistiven Großeffekt) auf, als übliche magnetoresistive Einrichtungen. Bei diesen magnetoresistiven Großeinrichtungen mit einer Übergitterstruktur hängt der magnetoresistive Effekt lediglich von dem Relativwinkel zwischen der Magnetisierung benachbarter Magnetschichten ab, und demnach hängt die Veränderung des Widerstands nicht von der Richtung des externen und im Hinblick auf die Stromrichtung anliegenden Magnetfelds ab (diese Eigenschaft wird als magnetische Innenebenen-Feldempfindlichkeit bezeichnet).
In Hinblick auf die obigen Ausführungen wird bei der vorliegenden Erfindung die Magnetfeld-Abtastebene zum Detektieren der Veränderung des Magnetfelds im wesentlichen mit magnetoresistiven Großeinrichtungen 10 gebildet, und Elektroden werden derart gebildet, daß die jeweiligen magnetoresistiven Großeinrichtungen in einer solchen Weise verbunden sind, daß sie eine Brückenschaltung bilden. Zwei entgegengesetzte Knoten der Brückenschaltung sind mit einer Konstantspannungsquelle oder einer Konstantstromquelle derart verbunden, daß die Veränderung des Widerstands der magnetoresistiven Großeinrichtungen 10 in eine Veränderung der Spannung umgesetzt wird, wodurch die Veränderung des Magnetfelds, das an den magnetoresistiven Großeinrichtungen 10 anliegt, detektiert wird.
Die 2 zeigt ein Blockschaltbild zum Darstellen des Aufbaus des oben beschriebenen Fühlers unter Einsatz der magnetoresistiven Großeinrichtungen.
Der Fühler enthält: eine Wheatstone-Brückenschaltung 11 mit magnetoresistiven Großeinrichtungen, die mit einer festgelegten Distanz von dem Rotationselement aus Magnetmaterial 2 derart angeordnet sind, daß ein Magnetfeld ausgehend von einem Magneten 4 an den magnetoresistiven Großeinrichtungen angelegt wird; einen Differenzialverstärker 12 zum Verstärken des Ausgangssignals der Wheatstone-Brückenschaltung 11; eine Wechselstrom-Kopplungsschaltung 20 zum Blockieren der Gleichspannungs-Komponente des Ausgangssignals des Differenzialverstärkers 12, einen Komparator 13 zum Vergleichen des Ausgangssignals der Wechselstrom-Kopplungsschaltung 20 mit einem Referenzwert, sowie zum Ausgeben eines "0"-Signals oder eines "1"-Signals in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis; eine Signalform-Formgebungsschaltung 14 zum Forgeben der Signalform des Ausgangssignals des Komparators 13 sowie zum Zuführen eines "0"- oder "1"-Signals mit deutlich ausgebildeten steigenden oder fallenden Flanken zu dem Ausgangsanschluß 15. Der obige Differenzialverstärker 12, Komparator 13 und die Signalform-Formgebungsschaltung 14 bilden eine Signalverarbeitungsvorrichtung.
Die 3 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen eines speziellen Beispiels der in 2 gezeigten Schaltung.
Die Wheatstone-Brückenschaltung 11 enthält Zweige 10A, 10B, 10C und 10D, die jeweils mit einer magnetoresistiven Großeinrichtung gebildet sind. Ein Ende der magnetoresistiven Großeinrichtung 10A und ein Ende der magnetoresistiven Großeinrichtung 10C sind gemeinsam miteinander verbunden, und der Knoten 16 zwischen diesen Einrichtungen 10A und 10C ist mit dem Stromversorgungsanschluß Vcc verbunden. Ein Ende der magnetoresistiven Großeinrichtung 10B und ein Ende der magnetoresistiven Großeinrichtung 10D sind gemeinsam miteinander verbunden, und der Knoten 17 zwischen diesen Einrichtungen 10B und 10D ist geerdet. Die anderen Enden der magnetoresistiven Großeinrichtungen 10A und 10B sind mit einem Knoten 18 verbunden, während die anderen Enden der magnetoresistiven Großeinrichtungen 10C und 10D mit einem Knoten 19 verbunden sind.
Der Knoten 18 der Wheatstone-Brückenschaltung 11 ist über einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 12a verbunden, der den Differenzialverstärker 12 bildet. Der Knoten 19 ist über einen Widerstand mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 12a verbunden, und der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 12a ist ferner über einen Widerstand mit einem Spannungsteiler verbunden, der eine Referenzspannungsversorgung bildet.
Der Ausgangsanschluß des Verstärkers 12a ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 13 verbunden. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Komparators 13 ist mit einem Spannungsteiler verbunden, der eine Referenzspannungsversorgung bildet, die aus den Widerständen 21 und 22 besteht, und weiterhin ist dieser über einen Widerstand mit dem Ausgangsanschluß des Komparators 13 verbunden.
Der Ausgangsanschluß des Komparators 13 ist auch mit der Basis eines Transistors 14a verbunden. Der Kollektor des Transistors 14a ist mit dem Ausgangsanschluß 15 und ebenso mit einem Stromversorgungsanschluß Vcc über einen Widerstand verbunden. Der Emitter des Transistors 14a ist geerdet.
4 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen magnetoresistiver Großeinrichtungen 10A, 10B, 10C und 10D, die auf einem Substrat 20 derart gebildet wird, daß durch diese Einrichtungen eine Wheatstone-Brückenschaltung 11 aufgebaut wird.
Nun wird zunächst der Betrieb nachfolgend unter Bezug auf die 5 beschrieben.
Bei Drehung des Rotationselements aus Magnetmaterial 2 verändert sich das an den magnetoresistiven Großeinrichtungen 10A bis 10D anliegende Magnetfeld in Ansprechen auf das Vorbeiführen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial 2, wie in 5a gezeigt ist, und das an den magnetoresistiven Einrichtungen 10A und 10D anliegende Magnetfeld weist tatsächlich im Vergleich zu den an den magnetoresistiven Einrichtungen 10B und 10C anliegenden eine entgegengesetzte Phase auf. Die obige Veränderung des Magnetfelds wird durch die magnetoresistiven Einrichtungen 10A und 10D detektiert, und ebenso durch die magnetoresistiven Einrichtungen 10B und 10C, und die Phase der durch die magnetoresistive Einrichtungen 10A und 10D detektierten Phase wird umgekehrt zu derjenigen, die durch die magnetoresistiven Einrichtungen 10B und 10C detektiert wird. Im Ergebnis wird die Gesamtamplitude der Veränderung des Magnetfeldes effektiv viermal größer als diejenige, die sich durch eine einzige magnetoresistive Großeinrichtung erfassen läßt.
Eine entsprechende Veränderung des Widerstands tritt in jeder magnetoresistiven Großeinrichtung auf. Demnach weisen die magnetoresistiven Großeinrichtungen 10A und 10D maximalen und minimalen Widerstand an den Stellen auf, die eine entgegengesetzte Phase zu den Stellen aufweisen, bei denen die magnetoresistiven Großeinrichtunge 10B und 10C maximalen und minimalen Widerstand aufweisen. Im Ergebnis verändern sich auch die Spannungen bei den Knoten 18 und 19 (Mittenpunktspannungen) der Wheatstone-Brückenschaltung 11 in ähnlicher Weise.
Die Differenz der Mittenpunktspannung wird durch den Differenzialverstärker 12 vestärkt. Wie in 5b gezeigt ist, gibt der Differenzialverstärker 12 ein Signal V_D0 aus, entsprechend den vorstehenden und ausgesparten Abschnitten des Rotationselements 2 aus Magnetmaterial, wie in 5a gezeigt. Demnach wird das Ausgangssignal des Differenzialverstärkers 12 im wesentlichen viermal größer als dasjenige, das durch eine einzige GMR-Einrichtung erhalten wird.
Das Ausgangssignal V_D0 dieses Differenzialverstärkers 12 wird dem Komparator 13 so zugeführt, daß ein Vergleich mit der Referenzspannung erfolgt. Der Komparator 13 gibt ein "0"- oder "1"-Signal in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis aus. Die Signalform dieses Signals wird dann durch die Signalform-Formgebungsschaltung 14 geformt. Im Ergebnis wird ein Ausgangssignal mit einem "0"- oder "1"-Pegel und mit steilen ansteigenden und fallenden Flanken über den Ausgangsanschluß 15 gebildet, wie in 5c gezeigt.
Mit dem oben beschriebenen Aufbau wird die Differenz zwischen den Mittenpunktspannungen in differentieller Weise verstärkt, und die Veränderung des durch die zugeordneten magnetoresistiven Einrichtungen detektierten Magnetfelds wird wirksam auf einen im Vergleich zu dem mit einer einzigen magnetoresistiven Einrichtung erhältlichen viermal größeren Pegel angehoben. Dies bedeutet, daß der Aufbau mit Einsatz einer Brückenschaltung eine zuverlässige Vorrichtung zum Umsetzen der Veränderung des Magnetfelds aufgrund der Drehung des Rotationselements aus Magnetmaterial 2 in eine große Veränderung eines Widerstands bilden kann.
Somit ist es möglich, ein entsprechend großes Signal an dem Ausgang des Differenzialverstärkers 12 zu erhalten, was zu einem großen Randabstand bei dem Signal im Hinblick auf den Referenzpegel bei dem durch den Komparator 13 durchgeführten Vergleichsbetrieb, wodurch die Beständigkeit gegenüber einer Störung aufgrund eines externen Rauschens erhöht wird, und somit gewährleistet ist, daß der Komparator ein zuverlässigeres Ausgangssignal mit einem "0"- oder einem "1"-Pegel ausgeben kann.
Bei der obigen Struktur kann die GMR-Einrichtung 10 wirksam die Veränderung des Magnetfelds gemäß den vorstehenden und ausgesparten Abschnitten des Rotationselements 2 aus Magnetmaterial dann detektieren, wenn die Abmessungen der Elemente so ausgewählt sind, daß gilt L₃ ≤ L₁ und L₃ ≤ L₂ derart, daß L₁ und L₂ jeweils, wie in 6 gezeigt, die Größen der ausgesparten Abschnitte und der vorstehenden Abschnitte des Rotationselements 2 aus Magnetmaterial kennzeichnen und L₃ die Größe der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtung 10 kennzeichnet. Im Ergebnis ist es möglich, ein präzises Detektionssignal mit hoher Zuverlässigkeit zu erhalten.
Die 7 zeigt Beispiele der Widerstandsveränderungen der GMR-Einrichtungen 10A und 10B, die wie in 3 gezeigt, die Brückenschaltung bilden, und zwar für vier unterschiedliche Bedingungen im Hinblick auf die Größe L₃ der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtung 10 sowie der Größen L₁, L₂ der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements 2 aus Magnetmaterial.
Sie sich anhand von 7 erkennen läßt, wird ein maximaler Wirkungsgrad bei der Detektion der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial in dem Fall erzielt, in dem die Veränderungen der Widerstände der GMR-Einrichtungen 10A und 10B groß sind und die GMR-Einrichtung 10B einen minimalen Widerstand dann aufweist, wenn die GMR-Einrichtung 10A einen maximalen Widerstand aufweist, oder umgekehrt die GMR-Einrichtung 10B einen maximalen Widerstand aufweist, wenn die GMR-Einrichtung 10A einen minimalen Widerstand aufweist.
Anhand von 7 läßt sich ebenfalls erkennen, daß die Detektion mit hohem Wirkungsgrad dann möglich ist, wenn die oben beschriebenen Bedingungen L₃ ≤ L₁, L₃ ≤ L₂ erfüllt sind.
Bei den anderen vier Beispielen liegt im Fall von 7a, in dem L₃ = L₁/2 und L₃ = L₂/2 gilt, keine Symmetrie der Widerstandsveränderung zwischen den GMR-Einrichtungen 10A und 10B vor, obgleich eine große Widerstandsveränderung erhalten wird. Andererseits wird im Fall der 7b, in dem L₃ = L₁ × (2/3) und L₃ = L₂ × (2/3) gilt, nicht nur eine große Widerstandsveränderung erhalten, sondern auch eine gute Symmetrie der Widerstandsveränderung. Im Fall der 7c, in dem L₃ = L₁ und L₃ = L₂ gilt, wird keine große Veränderung des Widerstands erhalten, obgleich eine gute Symmetrie der Widerstandsveränderung vorliegt. Im Fall der 7d, in dem L₃ > L₁ und L₃ > L₂ gilt, wird weder eine große Widerstandsveränderung noch eine gute Symmetrie der Widerstandsveränderung erhalten.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, die Abmessungen der GMR-Einrichtungen relativ zu den Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial zu optimieren. In anderen Worten ausgedrückt ist es möglich, den Detektionswirkungsgrad dadurch zu maximieren, daß die Abmessungen der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtungen relativ zu den Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial optimiert werden (bei den speziellen oben beschriebenen Beispielen gehören die in 7b gezeigten Bedingungen zu der besten Eigenschaft).
Obgleich bei dieser spezifischen Ausführungsform die mit GMR-Einrichtungen aufgebaute Wheatstone-Brückenschaltung eingesetzt wird, lassen sich andere ähnliche Brückenschaltungsaufbauten ebenfalls einsetzen.
Bei dieser Ausführungsform wird, wie oben beschrieben, eine hochgenaue und hochwirksame Detektion der Veränderung eines Magnetfelds dadurch erhalten, daß die Abmessungen der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtungen relativ zu den Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial optimiert werden.
Ferner lassen sich die Flanken der vorstehenden ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial präzise über die mit GMR-Einrichtungen aufgebaute Brückenschaltung detektieren. Hierdurch ist es möglich, eine größere Genauigkeit für das abschließende Ausgangssignal zu erreichen.
Ausführungsform 2
8 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dieser Figur sind ähnliche Elemente und Teile im Vergleich zu den in 6 gezeigten anhand gleicher Bezugszeichen gekennzeichnet, und sie werden hier nicht weiter detailliert beschrieben. Ferner ist bei dieser vorliegenden Ausführungsform die Gesamtstruktur, die geometrische Struktur der auf einem Substrat aufgebrachten GMR-Einrichtungen und der Schaltungsaufbau einschließlich der Wheatstone-Brückenschaltung ähnlich zu derjenigen der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben sind, und somit werden sie hier nicht weiter detailliert beschrieben.
Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird eine hochgenaue und hochwirksame Detektion eines Magnetfelds dadurch erreicht, daß die Abmessungen der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtungen innerhalb des spezifischen Bereichs relativ zu den Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial gehalten werden. Im Gegensatz hierzu wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Abmessung des Magneten relativ zu den Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial begrenzt, und zwar innerhalb eines optimalen Bereichs.
Dies bedeutet, daß dann, wenn der Magnet eine Größe L₄ aufweist, die die Bedingungen L₄ ≤ 5L₁ und L4 ≤ 5L₂ aufweist, es möglich ist, eine hochwirksame Detektion der vorstehenden ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial zu erzielen.
9 zeigt Beispiele der Widerstandsveränderungen der GMR-Einrichtungen 10A und 10B, die die in 3 gezeigte Brückenschaltung bilden, und zwar für zwei unterschiedliche Bedingungen im Hinblick auf die Größe L₄ des Magneten relativ zu den Größen L₁, L₂ der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements 2 aus Magnetmaterial.
Weiterhin wird in diesem Fall ein maximaler Wirkungsgrad bei der Detektion der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements 2 aus Magnetmaterial dann erzielt, wenn die Veränderungen der Widerstände der GMR-Einrichtungen 10A und 10B groß sind und wenn die GMR-Einrichtung 10B einen minimalen Widerstand dann aufweist, wenn die GMR-Einrichtung 10A einen maximalen Widerstand aufweist, oder umgekehrt die GMR-Einrichtung 10B einen maximalen Widerstand aufweist, wenn die GMR-Einrichtung 10A einen minimalen Widerstand aufweist.
Insbesondere werden, wie sich anhand von 9 erkennen läßt die obigen Anforderungen erfüllt, wenn gilt L₄ ≤ 5L₁ und L₄ ≤ 5L₂.
Das heißt, daß im Fall der 9a, in dem L₄ ≤ 5L₁ und L₄ ≤ 5L₂ gilt, nicht nur eine große Widerstandsveränderung erhalten wird, sondern ebenfalls eine gute Symmetrie der Widerstandsveränderung. Andererseits ist in dem Fall der 9b, in dem L₄ > 5L₁ und L₄ > 5L₂ gilt, die Veränderung des Widerstands klein, obgleich eine gute Symmetrie der Widerstandsveränderung vorliegt.
Wie oben beschrieben, läßt sich der Detektionswirkungsgrad maximieren, indem die Größe des Magneten relativ zu den Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial optimiert werden (in den spezifischen, oben beschriebenen Beispielen führen die in 9a gezeigten Bedingungen zu dem besten Ergebnis).
Obgleich in dieser spezifischen Ausführungsform die mit den GMR-Einrichtungen aufgebaute Wheatstone-Brückenschaltung eingesetzt wird, können andere ähnliche Brückenschaltungs-Aufbauten ebenfalls eingesetzt werden.
Demnach läßt sich eine hohe Genauigkeit und ein hoher Wirkungsgrad bei der Detektion der Veränderung des Magnetfelds erreichen, indem die Größe des Magneten relativ zu den Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial optimiert werden.
Ferner lassen sich die Flanken der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial präzise durch die mit GMR-Einrichtungen aufgebaute Brückenschaltung detektieren. Hierdurch wird es möglich, eine größere Genauigkeit bei dem abschließenden Ausgabesignal zu erreichen.
Ausführungsform 3
10 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dieser Figur sind im Vergleich zur 6 ähnliche Elemente und Teile anhand derselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und sie werden hier nicht weiter detailliert beschrieben. Ferner stimmen bei dieser vorliegenden Ausführungsform die Gesamtstruktur, die geometrische Struktur der auf einem Substrat aufgebrachten GMR-Einrichtungen und der Schaltungsaufbau einschließlich der Wheatstone-Brückenschaltung mit dem bei der ersten und oben beschriebenen Ausführungsform eingesetzten überein, und somit werden sie hier nicht weiter detailliert beschrieben.
Bei der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform wird eine hochgenaue und hochwirksame Detektion des Magnetfelds dadurch erreicht, daß die Größe des Magneten oder die Abmessungen der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtungen relativ zu den Abmessungen der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial optimiert werden. Im Gegensatz hierzu wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Stelle des Magneten relativ zu der Feldabtastebene der GMR-Einrichtung optimiert.
Dies bedeutet, daß es dann, wenn die Distanz L₅ zwischen dem Magneten und der Magnetfeld-Abtastebene zu L₅ ≤ 5L₃ bestimmt ist, möglich ist, einen hohen Wirkungsgrad bei der Detektion der vorstehenden ausgesparten Abschnitte des Rotationselements des Magnetmaterials zu erreichen.
Die 11 zeigt Beispiele von Widerstandsveränderungen bei den die in 3 gezeigte Brückenschaltung bildenden GMR-Einrichtungen 10A und 10B, für drei unterschiedliche Bedingungen im Hinblick auf die Größe L₃ der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtung 10 und der Distanz L₅ zwischen dem Magneten und der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtung.
Weiterhin wird in diesem Fall ein maximaler Wirkungsgrad bei der Detektion der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements 2 aus Magnetmaterial dann erreicht, wenn die Veränderungen der Widerstände der GMR-Einrichtungen 10A und 10B groß sind, und wenn die GMR-Einrichtung 10B einen minimalen Widerstand dann aufweist, wenn die GMR-Einrichtung 10A einen maximalen Widerstand aufweist, oder andererseits die GMR-Einrichtung 10B einen maximalen Widerstand dann aufweist, wenn die GMR-Einrichtung 10B einen minimalen Widerstand aufweist.
Wie insbesondere anhand von 11a gezeigt ist, sind die obigen Bedingungen dann erfüllt, wenn L₅ ≤ 5L₃ gilt.
Bei den obigen Beispielen liegt in dem Fall der 11b, in dem L₅ = L₃ gilt, keine Symmetrie der Widerstandsveränderung vor, obgleich eine große Widerstandsveränderung erhalten wird. Andererseits wird im Fall der 11c, in dem L₅ = 3L₃ gilt, nicht nur eine große Widerstandsveränderung erhalten, sondern ebenfalls eine gute Symmetrie der Widerstandsveränderung. Im Fall der 11d, in dem L₅ = 2L₃ gilt, liegt keine Symmetrie der Widersandsveränderung vor, obgleich eine große Widerstandsveränderung erhalten wird.
Wie oben beschrieben, läßt sich der Detektionswirkungsgrad dadurch maximieren, daß die Distanz zwischen Magneten und der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtung in dem Bereich von L₅ ≤ 5L₃ optimiert wird (bei den spezifischen oben beschriebenen Beispielen führen die in 11c gezeigten Bedingungen zu dem besten Ergebnis).
Obgleich die mit den GMR-Einrichtungen aufgebaute Wheatstone-Brückenschaltung bei dieser spezifischen Ausführungsform eingesetzt wird, können andere ähnliche Brückenschaltungs-Aufbauten ebenfalls eingesetzt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird, wie oben beschrieben, eine hochgenaue und hochwirksame Detektion der Veränderung eines Magnetfelds dadurch erreicht, daß die Distanz zwischen dem Magneten und der Magnetfeld-Abtastebene der GMR-Einrichtung optimiert wird.
Ferner lassen sich die Flanken der vorstehenden und ausgesparten Abschnitte des Rotationselements aus Magnetmaterial präzise über die Brückenschaltung detektieren, die mit GMR-Einrichtungen aufgebaut ist. Somit ist es möglich, eine größere Genauigkeit für das abschließende Ausgangssignal zu erreichen.
Ausführungsform 4
Die 12 bis 15 zeigen die vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Erfindung bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Die 12 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen des Aufbaus des Gesamtsystems der Ausführungsform. Die 13 zeigt eine perspektivische Ansicht zum Darstellen der Relativpositionen des Hauptteils eines Fühlers und eines Rotationselements aus Magnetmaterial. Die 14 zeigt eine perspektivische Ansicht zum Darstellen des Hauptteils des Fühlers, und die 15 zeigt die Innenstruktur hiervon. Wie anhand dieser Figuren gezeigt ist, ist der Hauptteil des Fühlers 50 an einer Stelle benachbart zu dem Verbrennungsmotor 60 angeordnet. Ein Rotationselement aus Magnetmaterial 52 dient als Signalplatte, und ist auf einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle des Motors 60 angeordnet, die als Drehwelle 51 derart eingesetzt wird, daß das Rotationselement aus Magnetmaterial 52 sich synchron mit der Drehwelle 51 drehen kann, und das Rotationselement aus Magnetmaterial 52 weist zumindest einen vorstehenden oder ausgesparten Abschnitt auf, wie bei dem oben beschrietenen Rotationselement aus Magnetmaterial 2.
Eine Steuereinheit 61 ist mit einer Schaltungseinheit des Hauptteils des Fühlers 50 verbunden. Die Steuereinheit 61 ist ebenfalls mit einer Drosselklappe verbunden, die im Ansaugstutzen 62 des Verbrennungsmotors 60 angeordnet ist.
Der Hauptteil des Fühlers 50 ist in der Nähe des Verbrennungsmotors 60 derart angeordnet, daß die Magnetfeld-Abtastebene der magnetoresistiven Großeinrichtungen des Hauptteils des Fühlers 50 dem Rotationselement aus Magnetmaterial 52 gegenüberliegen.
Wie in 14 gezeigt enthält der Hauptteil des Fühlers 50: ein Gehäuse 53, das aus Harz oder einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist; einen Befestigungsteil 54; und Eingabe/Ausgabe-Leitungsanschlüsse 55 wie einen Stromversorgungsanschluß, einen Masseanschluß und einen Ausgangsanschluß, die sich von dem Unterabschnitt des Gehäuses 52 erstrecken.
Wie in 15 gezeigt, liegt in der Innenseite des Gehäuses 53 ein Substrat 56 vor, auf dem eine Schaltung angeordnet ist, beispielweise diejenige, die zuvor unter Bezug auf die 3 beschrieben wurde. Auf dem Substrat 56 sind auch magnetoresistive Großeinrichtungen 57 vorgesehen, sowie ein Magnet 58, die/der beispielsweise jeweils der oben beschriebenen magnetoresistiven Großeinrichtung 10 und dem Magneten 4 ähnlich sind.
Nachfolgend wird der Betrieb beschrieben.
Bei Start des Verbrennungsmotors 60 und dem hiermit verbundenen Start der Drehbewegung des Rotationselements aus Magnetmaterial 52 synchron zu der Drehung der Drehwelle 51 verändert sich das an der Magnetfeld-Abtastebene der magnetoresistiven Großeinrichtungen 57 des Hauptteils des Fühlers 50 anliegende Magnetfeld in Ansprechen auf die vorstehenden und ausgesparten Abschnitte, und eine entsprechende Veränderung tritt bei dem Widerstand der magnetoresistiven Großeinrichtungen 57 auf. Im Ergebnis verändert sich eine Spannungsdifferenz zwischen den Mittenpunktspannungen einer Wheatstone-Brückenschaltung mit den magnetoresistiven Großeinrichtungen 57 in entsprechender Weise. Die Spannungsdifferenz wird durch einen Differenzialverstärker verstärkt, und das Ausgangssignal des Differenzialverstärkers wird einem Komparator zugeführt, der selbst wiederum das Ausgangssignal, des Differenzialverstärkers mit einer Referenzspannung vergleicht, und ein "0"- oder ein "1"-Signal in Ansprechen auf das Vergleichsergebnis ausgibt. Das Ausgangssignal des Komparators wird dann durch eine Signalform-Formgebungsschaltung geformt. Das sich ergebende Signal mit einem "0"- oder einem "1"-Pegel wird der Steuereinheit 61 zugeführt. Anhand dieses Signals kann die Steuereinheit 61 die Information über den Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle und der Nockenwelle im Zusammenhang mit jedem Zylinder des Verbrennungsmotors 60 ableiten.
Auf Basis des Ausgangssignals des Fühlers, das entweder einen "0"- oder einen "1"-Pegel aufweist, und ebenfalls auf Basis der Information über das Öffnungsverhältnis der Drosselklappe 63 generiert die Steuereinheit 61 Steuersignale, durch die der Zündzeitpunkt der (nicht gezeigten) Zündkerzen und der Einspritzzeitpunkt der Benzineinspritzventile gesteuert wird.
Obgleich bei dem oben beschriebenen speziellen Beispiel der Hauptteil des Fühlers 50 Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse 55 in der Form von Leitern aufweist, läßt sich auch ein Verbinder 59 einsetzen, beispielsweise der in 16 gezeigte, der sich in lösbarer Weise an dem Gehäuse 53 befestigen läßt.
In diesem Fall sind die Anschlüsse 55 in dem Verbinder 59 derart enthalten, daß dann wenn der Verbinder 59 an das Gehäuse 53 angepaßt ist, die Anschlüsse 55 in Kontakt mit der auf dem Substrat 56 aufgebrachten Schaltung gelangen. Der Verbinder 59 erleichtert die Handhabung des Fühlers mit einem einfachen Mechanismus, und er erleichtert auch die Befestigung des Fühlers bei einem Verbrennungsmotor.
Wie oben beschrieben, bildet die vorliegende Ausführungsform einen hochpräzisen Fühler mit geringen Abmessungen, der präzise den Drehwinkel (die Drehgeschwindigkeit) der Kurbelwelle oder der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors detektieren kann. Dies ermöglicht die präzise Steuerung des Verbrennungsmotors. Ferner läßt sich der Fühler der vorliegenden Ausführungsform einfach in hochzuverlässiger Weise bei einem Verbrennungsmotor montieren, ohne daß ein großer Montageraum erforderlich ist.
Ausführungsform 5
17 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, und 17a zeigt eine perspektivische Ansicht zum Darstellen der Relativpositionen des Hauptteils eines Fühlers und eines Rotationselements aus Magnetmaterial, und 17b zeigt eine Seitenansicht hiervon. In 17 sind im Vergleich zur 13 ähnliche Elemente und Teile anhand gleicher Bezugszeichen gekennzeichnet, und sie werden hier nicht weiter detailliert beschrieben.
Bei allen vorhergehenden Ausführungsformen ist der Hauptteil des Fühlers in einer rechtwinklig zur Drehachse verlaufenden Position angeordnet. Im Gegensatz hierzu ist bei dieser zehnten Ausführungsform der Hauptteil des Fühlers in einer parallel zur Drehachse liegenden Position angeordnet.
Dies bedeutet, daß wie in 17 gezeigt, der Hauptteil des Fühlers 50 entlang einer Richtung der Drehachse 51 derart verschoben ist, daß die Magnetfeld-Abtastebene der magnetoresistiven Großeinrichtung des Hauptteils des Fühlers 50 den vorstehenden und ausgesparten Abschnitten 52a des Drehelements aus Magnetmaterial 52 gegenüberliegt.
Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht nicht nur die ähnlichen Wirkungen, wie sie mit der oben beschriebenen fünften Ausführungsform erreicht werden, sondern sie weist auch einen zusätzlichen Vorteil dahingehend auf, daß sich der Raum in der Nähe der Drehachse wirksam zum Anordnen des Hauptteils des Fühlers nützen läßt. Bei diesem Aufbau ist kein zusätzlicher Raum in Radialrichtung zum Installieren des Hauptteils des Fühlers erforderlich, und somit ist es möglich, die Größe des Fühlers weiter zu reduzieren.
Ausführungsform 6
Die 18 und 19 zeigen eine sechste Ausführungsform der Erfindung, und die 18 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen des Hauptteils eines Fühlers 19, und die 19 zeigt eine Seitenansicht hiervon.
In diesen Figuren sind im Vergleich zur 13 oder 15 ähnliche Elemente und Teile anhand gleicher Bezugszeichen gekennzeichnet, und sie werden hier nicht weiter detailliert beschrieben.
Bei allen vorhergehenden Ausführungsformen sind die magnetoresistiven Großeinrichtungen des Hauptteils des Fühlers mit einem festgelegten Abstand getrennt von dem Drehelement aus Magnetmaterial angeordnet. Im Gegensatz hierzu ist bei dieser zwölften Ausführungsform das Rotationselement aus Magnetmaterial zwischen einem Magneten und der magnetoresistiven Großeinrichtung des Hauptteils des Fühlers derart angeordnet, daß das Rotationselement aus Magnetmaterial gemäß einer festgelegten Distanz bezogen auf den Magnet und die magnetoresistive Großeinrichtung beabstandet ist.
Der Hauptteil des Fühlers 50A enthält: ein Gehäuse 70, das beispielsweise aus einem Harz oder einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist; eine Abdeckung 71 zum Schützen einer magnetoresistiven Großeinrichtung 57, die ähnlich zu der oben beschriebenen magnetoresistiven Großeinrichtung 10 ist, derart, daß die magnetoresistive Großeinrichtung 57 in einem Hohlraum 70a im Inneren des Gehäuses 70 angeordnet ist; und einen Befestigungsteil. In dem Hohlraum 70a im Inneren des Gehäuses 70 ist ein (nicht gezeigtes) Substrat vorgesehen, auf dem eine Schaltung montiert ist, die ähnlich zu der oben unter Bezug auf die 3 beschriebenen ist. Die magnetoresistive Großeinrichtung 57 ist auf dem oben beschriebenen Substrat montiert. Die magnetoresistive Großeinrichtung 57 ist elektrisch mit den Anschlüssen 72 verbunden, die sich zu dessen Unterabschnitt hin über die Innenseite des Hauptteils des Fühlers 50A erstrecken. Die anderen Enden der Anschlüsse 72 sind mit Eingabe/Ausgabe-Leitungsanschlüssen 73 verbunden, einschließlich einem Stromversorgungsanschluß, einem Masseanschluß und einem Ausgangsanschluß, die sich zur Außenseite über die Verbindung mit einer externen Schaltung erstrecken.
Ein Magnet 58 ist an der Unterseite des Raums 70b bei einer Seite des Gehäuses 70 derart angeordnet, daß der Magnet 58 der Magnetfeld-Abtastebene der in dem Hohlraum 70a angeordneten magnetoresistiven Großeinrichtung 57 gegenüberliegt. Das Rotationselement aus Magnetmaterial 52, das so ausgebildet ist, daß es sich synchron mit der Drehwelle 51 dreht, ist in einer solchen Weise angeordnet, daß zumindest dessen vorstehende und ausgesparte Abschnitte durch die Lücke zwischen der magnetoresistiven Großeinrichtung 57 und dem Magneten 58 hindurchtreten.
Bei diesem Aufbau wird ein magnetischer Pfad über den Magneten 58, das Rotationselement aus Magnetmaterial 52 und der magnetoresistiven Großeinrichtung 57 gebildet. Ist ein ausgesparter Abschnitt des Rotationselements aus Magnetmaterial 52 zwischen der magnetoresistiven Großeinrichtung 57 und dem Magneten 58 angeordnet, so liegt das von dem Magneten 58 ausgehende Magnetfeld direkt an der Magnetfeld-Abtastebene der magnetoresistiven Großeinrichtung 57 an. Andererseits wird dann, wenn ein vorstehender Abschnitt des Rotationselements aus Magnetmaterial 52 zwischen der magnetoresistiven Großeinrichtung 57 und dem Magneten 58 angeordnet ist, das von dem Magneten 58 ausgehende Magnetfeld in dem Rotationselement aus Magnetmaterial 52 absorbiert, und im Ergebnis liegt im wesentlichen kein Feld an der Magnetfeld-Abtastebene der magnetoresistiven Großeinrichtung 57 an.
Demnach weist die obige Struktur tatsächlich dieselbe Funktion wie das Rotationselement aus Magnetmaterial 52 auf, von dem zumindest ein Teil als Magnet ausgebildet ist, wie bei den oben im Zusammenhang mit den 11 und 14 beschriebenen Ausführungsformen. Im Ergebnis ist es mit dieser Struktur auch möglich, einen Detektionsbetrieb unmittelbar nach dem Anschalten der Stromversorgung zu starten.
Bei dem oben speziell beschriebenen Beispiel ist der Magnet 58 an der Unterseite des Raums 70b auf der Seite des Gehäuses 70 derart angeordnet, daß der Magnet 58 der Magnetfeld-Abtastebene der in dem Hohlraum 70a angeordneten magnetoresistiven Großeinrichtung 57 gegenüberliegt. Jedoch kann ferner ein Kern 75 zwischen der Unterseite des Raums 70b und dem Magneten 58 vorgesehen sein, wie in 29 gezeigt, wodurch eine Magnetschaltung gebildet wird. In diesem Fall wird ein geschlossener magnetischer Pfad gebildet, der von dem Magneten 58 ausgeht, und über das Rotationselement aus Magnetmaterial 52 verläuft, sowie die magnetoresistive Großeinrichtung 57, das Rotationselement aus Magnetmaterial 52, den Kern 75 und schließlich bei dem Magneten 58 endet. Die magnetische Schaltung führt zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Meßbetriebs.
Demnach gewährleistet die vorliegende Ausführungsform nicht nur Wirkungen ähnlich denjenigen der oben beschriebenen vierten Ausführungsform, sondern es ergibt sich auch ein zusätzlicher Vorteil dahingehend, daß es möglich ist, einen Meßbetrieb unmittelbar dann zu starten, wenn die Stromversorgung angeschaltet wird, selbst wenn das Rotationselement aus Magnetmaterial genau zwischen der magnetoresistiven Großeinrichtung und dem Magneten angeordnet ist.
Ausführungsform 17
Bei all den vorhergehenden Ausführungsformen ist das sich bewegende Element aus Magnetmaterial, das als Magnetfeldveränderungs-Induktionsvorrichtung dient, so ausgebildet, daß sie sich synchron mit der Drehwelle dreht. Jedoch kann das sich bewegende Element aus Magnetmaterial auch so ausgebildet sein, daß es sich entlang einer geraden Linie bewegt. Ein derartiges sich bewegendes Element kann beispielsweise bei der Detektion des Öffnungsumfangs eines EGR-Ventils in einem Verbrennungsmotor Anwendung finden.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung eines Magnetfeldes, umfassend – eine Magnetfeld-Generiereinrichtung (4; 58) zum Generieren eines Magnetfeldes; – eine relativ zur Magnetfeld-Generiereinrichtung (4; 58) verstellbare Induktionseinrichtung (2; 52) zur Änderung des durch die Magnetfeld-Generiereinrichtung erzeugten Magnetfeldes, wobei die Induktionseinrichtung (2; 52) einen ersten Bereich mit einer sich in Richtung einer Relativverstellung der Induktionseinrichtung erstreckenden Abmessung L₁ und einen zweiten Bereich mit einer sich in der Richtung dieser Relativverstellung erstreckenden Abmessung L₂ aufweist und die ersten und zweiten Bereiche einen gegenseitigen Abstand voneinander aufweisen; und – eine magnetoresistive Einrichtung (10; 57), welche eine Abtastfläche bildet, die im Magnetfeld derart angeordnet ist, dass der Widerstand der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) sich in Abhängigkeit von einer Änderung des Magnetfeldes ändert; dadurch gekennzeichnet, dass – eine weitere, sich in Richtung der Relativverstellung der Induktionseinrichtung (2; 52) erstreckende Abmessung L₃ der Abtastfläche der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) gleich oder kleiner ist als die Abmessung L₁ bzw. L₂ des ersten und/oder zweiten Bereiches der Induktionseinrichtung in Richtung der Relativverstellung der Induktionseinrichtung (2; 52) [L₃ ≤ L₁ und/oder L₃ ≤ L₂]; und – eine weitere, sich in Richtung der Relativverstellung der Induktionseinrichtung (2; 52) erstreckende Abmessung L₄ der Magnetfeld-Generiervorrichtung (4; 58) mindestens fünfmal kleiner ist als die Abmessungen L₁ bzw. L₂ des ersten und zweiten Bereiches der Induktionseinrichtung (2; 52) [L₄ ≤ 5L₁ und L₄ ≤ 5L₂].
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand L₅ der Abtastfläche der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) von der Magnetfeld-Generiereinrichtung (4; 58) mindestens fünfmal kleiner ist als die Abmessung L₃ der Abtastfläche der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) [L₅ ≤ 5L₃].
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistive Einrichtung (10; 57) durch eine magnetoresistive Großeinrichtung (GMR) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistive Einrichtung (10; 57) mindestens zwei magnetoresistive Elemente (10A, 10B, 10C, 10D) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei magnetoresistiven Elemente (10A, 10B, 10C, 10D) der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) nebeneinander längs einer parallel zur Richtung der relativen Verstellung der Induktionseinrichtung (2; 52) verlaufenden Linie angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei magnetoresistiven Elemente (10A, 10B, 10C, 10D) der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) Teile einer Wheatstone-Brückenschaltung (11) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei magnetoresistiven Elemente (10A, 10B, 10C, 10D) der magnetoresistiven Einrichtung (10; 57) mindestens einen Zweig der Wheatstone-Brückenschaltung (11) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Signalverarbeitungseinrichtung (12, 13, 14; 61) umfasst, welche aus einem von der Wheatstone-Brückenschaltung (11) ausgegebenen Signal Flanken des ersten und zweiten Bereichs der Induktionseinrichtung (2; 52) erfasst, wenn diese Bereiche bei einer Bewegung relativ zur Magnetfeld-Generiereinrichtung die magnetoresistive Einrichtung (10; 57) passieren.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionseinrichtung (52) ein synchron mit einer Drehwelle (51) rotierendes Glied bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ein rotierendes Glied bildende Induktionseinrichtung (52) auf einer Kurbelwelle oder Nockenwelle einer Brennkraftmaschine (60) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-Generiereinrichtung (58) und die magnetoresistive Einrichtung (57) in einem Gehäuse (53) angeordnet sind und die Induktionseinrichtung (52) außerhalb des Gehäuses an einer seiner Seitenfläche derart angeordnet ist, dass ein Endbereich der Induktionseinrichtung (52) zur magnetoresistiven Einrichtung (57) weist.