DE19854890A1 - Magnetoresistive Positionserfassungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionserfassungsvorrichtung zur Erfassung der Position eines beweglichen Körpers unter Verwen­ dung eines magnetoresistiven Elements (MRE) und im einzelnen eine Positionserfassungsvorrichtung zur Verwendung bei der Steuerung einer Brennkraftmaschine oder der Bremsen in einem Fahrzeug.

Die Zündzeitpunkte einer Brennkraftmaschine werden auf der Ba­ sis einer Drehwinkelposition (Drehstellung, Position) der Kur­ belwelle und der Nockenwelle bestimmt. Da beispielsweise bei einer Vier-Takt-Brennkraftmaschine die Nockenwelle eine Umdre­ hung während zweier Umdrehungen der Kurbelwelle durchführt, wird eine Zylinderbestimmungsinformation während einer Umdre­ hung der Nockenwelle bereitgestellt, während eine Zündzeitin­ formation während einer Umdrehung der Kurbelwelle bereitge­ stellt wird.

Bekannte Rotations- bzw. Positionserfassungsvorrichtungen ver­ wenden gemäß der Darstellung in den Fig. 9A und 9B einen Vormagnetisierungsmagneten 102 zur Ausrichtung eines Vormagne­ tisierungsmagnetfelds in Richtung eines Nockenwellenzahnrads 101 zur Erfassung der Drehstellung des Nockenwellenzahnrads 101 durch Erfassen mittels eines magnetoresistiven Elements 103 der Richtung des Magnetfelds, wenn sich dieses auf der Basis von Erhöhungen (Vorsprüngen bzw. Zähnen des Nockenwellenzahnrads) 101a und Vertiefungen (Rücksprüngen bzw. Zahnlücken des Nocken­ wellenzahnrads) 101b des Nockenwellenzahnrads 101 von einem Zahn zu einer Zahnlücke und von einer Zahnlücke zu einem Zahn ändert.

In den Fig. 9A und 9B ist jeweils dargestellt, daß sich das Nockenwellenzahnrad 101 in einer Zahnlückenposition und in ei­ ner Zahnposition bei der Erfassungsposition in einem statischen Zustand unmittelbar vor dem Beginn der Drehung des Nockenwel­ lenzahnrads 101, d. h. vor dem Starten der Brennkraftmaschine befindet. In den Figuren ist das in Richtung des Nockenwellen­ zahnrads 101 ausgerichtete und mittels des Vormagnetisierungs­ magneten 102 gebildete Magnetfeld durch Pfeile angedeutet.

Der Verlauf der Linien der magnetischen Kräfte (magnetische Feldlinien, Richtung des magnetischen Felds), die durch das ma­ gnetoresistive Element 103 verlaufen, ist jeweils in den Fällen gleich, in denen sich das Nockenwellenzahnrad 101 in der Zahn­ position und in der Zahnlückenposition befindet. In Fig. 10 sind die Zeitverläufe der Ausgangssignale des magnetoresistiven Elements 103 entsprechend der angegebenen jeweiligen Position dargestellt. Während der Zeitdauer vom Einschalten der Lei­ stungsversorgung bis zum ersten Änderungszeitpunkt (Änderungszeitpunkt von einem Zahn zu einer Zahnlücke oder ei­ nem Änderungszeitpunkt von einer Zahnlücke zu einem Zahn des Nockenwellenzahnrads 101 (Zeitdauer T)) sind die Ausgangs­ signalzeitverläufe des magnetoresistiven Elements 103 für beide Positionen gleich.

Somit kann während der Zeitdauer T nicht ermittelt werden, ob sich das Nockenwellenzahnrad 101 in einer Zahnposition oder in einer Zahnlückenposition befindet, so daß die korrekte Position (Drehstellung) des Nockenwellenzahnrads 101 nicht ermittelt werden kann. Es ist daher unmöglich, aus der Position des Noc­ kenwellenzahnrads 101 die Zündzeitpunkte zu bestimmen, d. h. zu bestimmen, welcher Zylinder gezündet werden soll, so daß der erste während des Startens der Brennkraftmaschine zu zündende Zylinder nicht identifizierbar ist und somit bezüglich der er­ sten Zündung nicht gezündet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine magnetore­ sistive Positionserfassungsvorrichtung der Eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß die Position eines beweglichen Körpers aus dem statischen Zustand unmittelbar vor dem Beginn der Bewegung des beweglichen Körpers erfaßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mittels gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das magnetoresistive Ele­ mente in einer versetzten Position bezüglich der Bewegungsrich­ tung eines Zahnrads eines beweglichen Körpers von der magneti­ schen Mitte eines Vormagnetisierungsfelds versetzt, das mittels eines Vormagnetisierungsmagneten gebildet ist. Somit ist die Richtung des Vormagnetisierungsfelds unterschiedlich, wenn sich die Position (Drehstellung) des Zahnrads von einer Zahnlücken­ position zu einer Zahnposition ändert. Diese Änderung im Vorma­ gnetisierungsfeld wird zur Bildung eines Ausgangssignals des magnetoresistiven Elements in Form einer magnetoresistiven Ele­ menteneinheit verwendet. Dabei ist es möglich, einen Ausgangs­ signalwert zu erhalten, der jeweils unterschiedlich in den Fäl­ len ist, in denen sich das Zahnrad in einer Zahnlückenposition oder in einer Zahnposition befindet. Dies ermöglicht die Unter­ scheidung zwischen der Zahnposition und der Zahnlückenposition des Zahnrads aus dem statischen Zustand unmittelbar nach dem Einschalten der Leistungszufuhr, d. h. vor Beginn der Bewegung des beweglichen Körpers.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ferner eine weitere ma­ gnetoresistive Elementeneinheit vorgesehen. Die erste magneto­ resistive Elementeneinheit besteht aus ersten und zweiten ma­ gnetoresistiven Elementen, und die zweite magnetoresistive Ele­ menteneinheit besteht aus dritten und vierten magnetoresistiven Elementen. Die erste magnetoresistive Elementeneinheit ist in einer versetzten Position bezüglich der magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds in einer Bewegungsrichtung des Zahnrads des beweglichen Körpers angeordnet. Die zweite magnetoresistive Elementeneinheit ist in einer versetzten Position bezüglich der magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds in der entgegen­ gesetzten Richtung zur ersten magnetoresistiven Elementenein­ heit angeordnet. Die Ausgangssignale der dritten und vierten magnetoresistiven Elemente zusätzlich zu denjenigen der ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente werden zur Erfassung der Bewegung des beweglichen Körpers verwendet.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b eine schematische Darstellung einer Po­ sitionserfassungsvorrichtung und eine elektrische Schaltungsan­ ordnung zur Verarbeitung eines Ausgangssignals eines magnetore­ sistiven Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Richtung der magnetischen Feldlinien (Magnetkraftlinie), wenn sich gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein Zahnrad in einer Zahnposition befindet,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Richtung der magnetischen Feldlinien, wenn sich das Zahnrad in einer Zahnlückenposition befindet,

Fig. 4A und 4B eine schematische Darstellung sowie eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Änderung des magnetischen Widerstands gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung eines Ausgangssignalzeitverlaufs einer magnetoresistiven Ele­ mentenbrücke gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6A, 6B und 6C eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Positionserfassungsvorrichtung und ei­ ner elektrischen Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Aus­ gangssignale von magnetoresistiven Elementen gemäß einem zwei­ ten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 Signalzeitverläufe zur Veranschaulichung von Ausga­ besignalen von magnetoresistiven Elementenbrücken gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 9A und 9B schematische Darstellungen zur Veran­ schaulichung von ein magnetoresistives Element durchlaufenden magnetischen Feldlinien in einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, und

Fig. 10 Signalzeitverläufe von Ausgangssignalen der Vor­ richtung gemäß dem Stand der Technik.

ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Eine Positionserfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel wird nachstehend im einzelnen beschrieben und dient als eine Dreherfassungsvorrichtung zur Erfassung der Drehstellung (Position) der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschi­ ne.

Gemäß Fig. 1A umfaßt die Positionserfassungsvorrichtung ein aus einem magnetischen Material bestehendes Zahnrad 1, einen Vorma­ gnetisierungsmagneten 2 und eine integrierte Schaltung (IC-Chip) 3. Das Zahnrad 1 umfaßt Zähne (Vorsprünge, Erhöhungen) 2 und Zahnlücken (Rücksprünge, Vertiefungen) 1b, die regelmäßig an dessen Außenumfang angeordnet sind. Das Zahnrad 1 ist in der Weise angeordnet, daß seine äußere Umfangsfläche dem Vormagne­ tisierungsmagneten 2 gegenübersteht, und der Vormagnetisie­ rungsmagnet 2 richtet ein Vormagnetisierungsfeld in Richtung der äußeren Umfangsfläche des Zahnrads 1.

Der Vormagnetisierungsmagnet 2 ist hohl ausgeführt und die Mit­ telachse des Vormagnetisierungsmagneten 2 bildet die magneti­ sche Mitte des Vormagnetisierungsfelds. Der Vormagnetisierungs­ magnet 2 ist in der Weise magnetisiert, daß eine Endfläche des­ selben einen Nordpol N und die andere Endfläche einen Südpol S bildet. Der Vormagnetisierungsmagnet 2 ist in der Weise ange­ ordnet, daß die näher bei dem Zahnrad 1 angeordnete Oberfläche des Vormagnetisierungsmagneten 2 den Nordpol N bildet und die vom Zahnrad 1 weiter entfernte Oberfläche den Südpol S bildet, und wobei die Drehachse des Zahnrads 1 (in Fig. 1 als eine senkrechte strichpunktierte Linie angegeben) etwa in der Mitte­ lachse des Vormagnetisierungsmagneten 2 (in Fig. 1 mittels ei­ ner strich-doppelpunktierten Linie angedeutet) angeordnet ist.

Die beiden magnetoresistiven Elemente 4 und 5 sind mit unter­ schiedlichen Ausrichtungen in einer oberen (vorderen) Oberflä­ che des IC-Chips 3 als magnetoresistive Einheit ausgebildet. Die beiden magnetoresistiven Elemente 4 und 5 sind derart ange­ ordnet, daß ihre jeweiligen Längsrichtungen Winkel von etwa 45° und -45° zur magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds (Mittelachse des Vormagnetisierungsmagneten 2) in Richtungen parallel zu einer Endfläche 1b des Zahnrads 1 bilden, so daß hierdurch die Form eines regelmäßigen Trapezes mit nicht­ parallelen Seiten gebildet wird. Dabei ist sichergestellt, daß auch bei einer großen Änderung im Ablenkungswinkel des Vorma­ gnetisierungsfelds kein Einbruch im Signalzeitverlauf der Aus­ gangssignale der magnetoresistiven Elemente 4 und 5 auftritt.

Zur Erfassung der Richtung des vom Vormagnetisierungsmagneten 2 ausgerichteten Vormagnetisierungsfelds ist der IC-Chip 3 zwi­ schen dem Vormagnetisierungsmagneten 2 und der äußeren Umfangs­ fläche des Zahnrads 1 angeordnet. Dabei sind die beiden magne­ toresistiven Elemente 4 und 5 entsprechend einem Versatz bezüg­ lich der magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds in Drehrichtung des Zahnrads 1 angeordnet. Es bestehen hierbei keinen besonderen Beschränkungen hinsichtlich des Betrags, um welchen die beiden magnetoresistiven Elemente 4 und 5 in Bezug auf die magnetische Mitte des Vormagnetisierungsfelds versetzt werden. Vorzugsweise ist auf der Basis der Stärke und Richtung des Mittels des Vormagnetisierungsmagneten 2 ausgerichteten Vormagnetisierungsfelds der Betrag des Versatzes jedoch derart gewählt, daß die beiden magnetoresistiven Elemente 4 und 5 die Richtung des Vormagnetisierungsfelds sicher erfassen können. Der IC-Chip 3 ist derart angeordnet, daß die beiden magnetore­ sistiven Elemente 4 und 5 zwischen den Ebenen angeordnet sind, die durch die seitlichen Endflächen des Zahns 1 gebildet wer­ den.

Die magnetoresistiven Elemente 4 und 5 sind mit einer Verdrah­ tung versehen, so daß ein Strom durch diese in ihrer jeweiligen Längsrichtung fließt. Die beiden magnetoresistiven Elemente 4 und 5 sind zueinander in Reihe geschaltet zur Bildung einer einzigen magnetoresistiven Elementenbrücke 6. In dieser magne­ toresistiven Elementenbrücke 6 fließt ein Strom vom magnetore­ sistiven Element 5 zum magnetoresistiven Elementen 4. Eine Än­ derung des Mittels des Vormagnetisierungsmagneten 2 ausgerich­ teten Magnetfelds, d. h. eine Drehung des Zahnrads 1 wird unter Verwendung eines Mittelpotentials der beiden zueinander in Rei­ he geschalteten magnetoresistiven Elemente 4 und 5 als Aus­ gangssignal der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 erfaßt.

Insbesondere wird gemäß Fig. 1B das Ausgangssignal der magneto­ resistiven Elementenbrücke 6 einem nicht invertierenden Ein­ gangsanschluß eines Komperators 7 zugeführt und wird in einem binären Wert umgewandelt durch einen Vergleich mit einer vorbe­ stimmten Schwellenspannung Vr, die dem invertierenden Eingangs­ anschluß des Komperators 7 zugeführt wird. Auf der Basis des Ausgangssignals des Komperators 7 wird die Drehung des Zahnrads 1 erfaßt, d. h. es wird im einzelnen erfaßt, ob der Zahn 1a der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 gegenübersteht (Zahnposition) oder ob die Zahnlücke 1b der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 gegenübersteht (Zahnlückenposition).

Der IC-Chip 3 wird vom Innenraum des hohlen Vormagnetisierungs­ magneten 2 aufgenommen und wird mittels eines (nicht gezeigten) Vergußharzes zusammen mit dem Vormagnetisierungsmagneten 2 ver­ kapselt. Das Ausgangssignal der magnetoresistiven Elementen­ brücke 6 wird mittels Anschlüssen nach außen geführt, wobei sich die Anschlüsse durch das Vergußharz nach außen erstrecken.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die magnetische Kraft (magnetische Feldstärke) H, wie sie vom Vormagnetisierungsmagneten 2 erzeugt und ausgerichtet wird. Gemäß der Darstellung mittels eines Pfeils in Fig. 2 wird der Verlauf der vom Vormagnetisierungsma­ gneten 2 erzeugten magnetischen Feldstärke H in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Mittelachse des Vormagnetisie­ rungsmagneten 2 (strich-doppelpunktierte Linie in der Figur) abgelenkt, wenn sich das Zahnrad 1 in der Zahnposition befin­ det. Dies wird dadurch bewirkt, daß sich der Zahn 1a näher bei dem Vormagnetisierungsmagneten 2 befindet als die Zahnlücke 1b, und es werden sämtliche Feldlinien der magnetischen Feldstärke H in Richtung des Zahns 1a gezogen und abgelenkt.

Befindet sich gemäß der Darstellung in Fig. 3 das Zahnrad 1 in der Zahnlückenposition, dann werden die magnetischen Feldlinien der vom Vormagnetisierungsmagneten 2 erzeugten magnetischen Feldstärke H von der Mittelachse des Vormagnetisierungsmagneten 3 weg gedrückt in eine Ebene parallel zur oberen und unteren Oberfläche des Zahnrads 1. Dies wird dadurch bewirkt, daß sich der Zahn 1a vom Vormagnetisierungsmagneten 2 wegbewegt hat und das Zahnrad 1 nun weiter vom Vormagnetisierungsmagneten 2 ent­ fernt ist und somit die magnetischen Feldlinien der magneti­ schen Feldstärke H einen Verlauf annehmen ähnlich einem Zu­ stand, bei dem sie sich vom Nordpol N in Richtung des Südpols S erstrecken.

Somit bewegen sich infolge der Drehung des Zahnrads 1 die ma­ gnetischen Feldlinien der vom Vormagnetisierungsmagneten 2 er­ zeugten magnetischen Feldstärken H in einer Ebene parallel zur oberen und unteren Oberfläche des Zahnrads 1. Wird nun die obe­ re Oberfläche des IC-Chips 3 als eine X-Y-Ebene und werden X-, Y- und Z-Achsen mit einem Schnittpunkt auf den magnetoresisti­ ven Elementen 4 und 5 angenommen, dann verlaufen die magneti­ schen Feldlinien der magnetischen Feldstärke H in der X-Y-Ebene gemäß der Darstellung in Fig. 4A. Die Widerstandsänderungsrate der magnetoresistiven Elemente 4 und 5 in Verbindung mit der Bewegung der magnetischen Feldlinien der magnetischen Feldstär­ ke H in der X-Y-Ebene ist in Fig. 4B gezeigt. Der Ausgangs­ signalzeitverlauf der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 in Verbindung mit der Drehung des Zahnrads 1 ist in Fig. 5 ge­ zeigt. Zu Vergleichszwecken ist ein Ausgangssignalverlauf der magnetoresistiven Elementenbrücke gemäß dem Stand der Technik ebenfalls in Fig. 5 dargestellt.

Befindet sich zuerst gemäß Fig. 2 das Zahnrad 1 in der Zahnpo­ sition, so erstrecken sich die magnetischen Feldlinien der ma­ gnetischen Feldstärke H im wesentlichen parallel zur Mittelach­ se des Vormagnetisierungsmagneten 2, und ihr magnetischer Vek­ torwinkel θ zu dem magnetoresistiven Element 4 beträgt etwa 135° und ihr magnetischer Vektorwinkel θ zu dem magnetoresisti­ ven Elementen 5 beträgt etwa 45°.

Befindet sich sodann gemäß der Darstellung in Fig. 3 das Zahn­ rad 1 in der Zahnlückenposition, dann werden die magnetischen Feldlinien der magnetischen Feldstärke H in einer derartigen Richtung ausgebildet, daß sie sich von der Mittelachse des Vor­ magnetisierungsmagneten 2 wegbewegen, und ihr magnetischer Vek­ torwinkel θ zum magnetoresistiven Element 4 ist kleiner als 135° und ihr magnetischer Vektorwinkel θ zu dem magnetoresisti­ ven Element 5 ist ebenfalls kleiner als 45°.

In diesem Fall wird der Widerstand des magnetoresistiven Ele­ ments 4 vermindert und der Widerstand des magnetoresistiven Elements 5 vergrößert. Infolgedessen wird das Mittelpotential der magnetoresistiven Elementenbrücke 6, d. h. das Ausgangs­ signal der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 vermindert. Da­ her ist das Ausgangssignal der magnetoresistiven Elementenbrüc­ ke 6 unterschiedlich, je nach dem ob sich das Zahnrad 1 in der Zahnlückenposition oder in der Zahnposition befindet.

Gemäß Fig. 5 weist der Ausgangssignalverlauf der magnetoresi­ stiven Elementenbrücke gemäß dem Stand der Technik (strichpunktierte Linie in der Figur) im wesentlichen den glei­ chen Wert auf, wenn sich das Zahnrad 1 in der Zahnposition be­ findet oder wenn sich das Zahnrad 1 in der Zahnlückenposition befindet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch wies der Ausgangssignalverlauf der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 (durchgezogene Linie in der Figur) in Abhängigkeit vom ein­ zelnen Fall einen unterschiedlichen Wert an. Es ist daher im Rahmen des vorliegenden Ausführungsbeispiels möglich, zu be­ stimmen, ob sich das Zahnrad 1 in der Zahnposition oder in der Zahnlückenposition befindet, wobei die Bestimmung auf der Basis eines Vergleichs des Ausgangssignals der magnetoresistiven Ele­ mentenbrücke 6 und der Schwellenspannung Vr vorgenommen wird. Dies bietet die Möglichkeit, die Position (Drehstellung) der Zähne 1a korrekt auch in einem stationären Zustand unmittelbar vor der Drehung des Zahnrads 1 zu bestimmen.

ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 6A bis 6C erfolgt die Erfassung der Drehstellung (Position) unter Ver­ wendung zweier Einheiten von magnetoresistiven Elementenbrücken 6 und 16. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist somit zusätzlich zur magnetoresistiven Elementenbrücke 6 eine weitere magnetoresistiven der Elementenbrücke 16 vorgesehen.

Die magnetoresistive Elementenbrücke 16 ist spiegelsymmetrisch bzgl. der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 um die Mittelach­ se des Vormagnetisierungsmagneten 2 (magnetische Mitte des Vor­ magnetisierungsfelds) angeordnet. Die magnetoresistive Elemen­ tenbrücke 16 besteht somit aus einem spiegelsymmetrisch zum ma­ gnetoresistiven Element 4 angeordneten magnetoresistiven Ele­ ment 17 und einem spiegelsymmetrisch zum magnetoresistiven Ele­ ment 5 angeordneten magnetoresistiven Element 18.

Die magnetoresistiven Elemente 17 und 18 sind zueinander in Reihe geschaltet, so daß ein Strom vom magnetoresistiven Ele­ ment 17 zum magnetoresistiven Element 18 fließt. Das Mittelpo­ tential der magnetoresistiven Elemente 17 und 18 wird als Aus­ gangssignal der magnetoresistiven Elementenbrücke 16 herangezo­ gen.

Die Ausgangssignale der magnetoresistiven Elementenbrücken 6 und 16 werden beide einer Differenzverstärkerschaltung 20 zuge­ führt. Gemäß Fig. 6B ist die Differenzverstärkerschaltung 20 in der Weise aufgebaut, daß die Mittelpotentiale der beiden ma­ gnetoresistiven Elementenbrücken 6 und 16 mittels eines Kompa­ rators 21 verglichen werden, und das Ausgangssignal des Kompa­ rators 21 jetzt zur Erfassung der Drehstellung (Position) des Zahnrads 1 verwendet.

Die jeweiligen Ausgangssignalverläufe der beiden magnetoresi­ stiven Elementenbrücken 6 und 16 und ein Signalverlauf zur Ver­ anschaulichung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen bei­ der magnetoresistiven Elementenbrücken 6 und 16 sind in Fig. 7 gezeigt. Im einzelnen ist das Ausgangssignal der magnetoresi­ stiven Elementenbrücke 16 mittels einer durchgezogenen Linie gezeigt und das Ausgangssignal der magnetoresistiven Elementen­ brücke 16 ist mittels einer strich-doppelpunktierten Linie ge­ zeigt. Die Differenz zwischen beiden Ausgangssignalen ist mit­ tels einer gestrichelten Linie dargestellt. Wie es aus dieser Figur erkennbar ist kann der Umwandlungsvorgang in einer Binär­ größe in der Differenzverstärkerschaltung 20 in genauerer Weise durchgeführt werden, da die Differenz zwischen den Ausgangs­ signalen der magnetoresistiven Elementenbrücken 6 und 16 groß ist. Auf diese Weise kann die Erfassung, ob sich das Zahnrad 1 in der Zahnposition oder in der Zahnlückenposition befindet, in verläßlicherer Weise durchgeführt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise die Beziehung zwischen einem Abstand LM der beiden magnetoresistiven Elemen­ tenbrücken 6 und 16 und einer Lückenbreite LG der Zahnlücke 1b zwischen den Zähnen 1a derart bestimmt, daß gemäß der Darstel­ lung in Fig. 8 die Beziehung LG<LM erfüllt ist. Es wird hierbei angenommen, daß der Abstand LM zwischen beiden magneto­ resistiven Elementenbrücken 6 und 16 definiert ist als der Ab­ stand zwischen dem Verbindungspunkt C1 der Muster der magneto­ resistiven Elemente 4 und 5 und dem Verbindungspunkt C2 der Mu­ ster der magnetoresistiven Elemente 17 und 18.

Obwohl die Vormagnetisierungsrichtung durch das Vormagnetisie­ rungsfeld teilweise durch die Zähne 1a beeinflußt wird, kann mit der vorstehenden Beziehung im wesentlichen ein offener Ma­ gnetflußzustand (Zustand der magnetischen Feldlinien der magne­ tischen Feldstärke H gemäß Fig. 3) erhalten werden, und die Ausgangssignale der Verbindungspunkte der magnetoresistiven Elementenbrücken 6 und 16 können sicher in ihrer Phase umge­ kehrt werden. Somit kann das Ausgangssignal der Differenzver­ stärkerschaltung 20 gemäß der Darstellung in Fig. 7 groß ge­ macht werden.

Die Differenzverstärkerschaltung 20 kann alternativ die in Fig. 6C gezeigte Anordnung annehmen, falls die Differenz zwi­ schen dem Ausgangssignal der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 und dem Ausgangssignal der magnetoresistiven Elementenbrücke 16 klein ist und Fälle auftreten können, in welchen ein ausrei­ chendes Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung 20 nicht erhalten werden kann.

Befindet sich gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel das Zahnrad 1 in der Zahnposition, dann verlaufen die magnetischen Feldli­ nien der magnetischen Feldstärke H im wesentlichen parallel zur Mittelachse des Vormagnetisierungsmagneten 2. In diesem Fall sind die Ausgangssignale der beiden magnetoresistiven Elemen­ tenbrücken 6 und 16 etwa gleich, so daß es nicht möglich sein kann, ein ausreichendes Ausgangssignal der Differenzverstärker­ schaltung 20 zu erhalten.

Im Fall des Schaltungsaufbaus gemäß Fig. 6C ist es möglich, ein ausreichendes Ausgangssignal der Differenzverstärkerschal­ tung 20 zu erhalten durch ein erstes Verstärken der Differenz mittels eines Verstärkers 22 und nach folgendes Umwandeln des betreffenden Ausgangssignals in einen binären Wert durch Ver­ gleichen des Ausgangssignals mit einer vorbestimmten Schwellen­ spannung in einem Komperator 23.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die magnetischen Feldlinien der magnetischen Feldstärke H im wesentlichen parallel zur Mittelachse des Vormagnetisierungsma­ gneten 2 verlaufen, wenn sich das Zahnrad 1 in der Zahnposition befindet. Tatsächlich ist jedoch die Orientierung der magneti­ schen Feldlinien der magnetischen Feldstärke H bestimmt durch die Form des Vormagnetisierungsmagneten 2 und seiner Positions­ beziehung zum Zahnrad 1. Es gibt daher Fälle, in denen die vor­ stehende Annahme nicht möglich ist.

Hat sich beispielsweise das Zahnrad 1 von der Zahnlückenpositi­ on zur Zahnposition bewegt, dann liegt eine Orientierung der magnetischen Feldlinien der magnetischen Feldstärke H in der Weise vor, daß diese eine Linie parallel zur Mittelachse des Vormagnetisierungsmagneten 2 kreuzen und ferner in Richtung der Mittelachsenseite konvergieren. Da in diesem Fall die Richtun­ gen der die jeweiligen magnetoresistiven Elementenbrücken 6 und 16 durchdringenden Feldlinien der magnetischen Feldstärke H un­ terschiedlich sind, erzeugt die Differenzverstärkerschaltung 20 ein reichlich bemessenes Ausgangssignal. Es ist daher in diesem Fall möglich, die Drehstellungserfassung in genauer Weise unter Verwendung der in Fig. 6B gezeigten Differenzverstärkerschal­ tung durchzuführen.

Ist demgegenüber die Beziehung zwischen dem Abstand LM und der Lückenbreite LG als LG<LM bestimmt, dann wird keine Ausgangs­ signaldifferenz zwischen der magnetoresistiven Elementenbrücke 6 und der magnetoresistiven Elementenbrücke 16 erhalten, da auch in dem Fall, daß eine Zahnlücke (Rücksprung, Vertiefung) 1c des Zahnrads gegenüber jedem der magnetoresistiven Elemen­ tenbrücken 6 und 16 angeordnet ist, das Vormagnetisierungsfeld in Richtung der Zähne 1a an beiden Enden der Zahnradrücksprünge 1c verläuft. Infolgedessen wird in diesem Fall kein Diffe­ renzausgangssignal erhalten.

WEITERE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen erfolgt die Erfas­ sung, ob sich das Zahnrad 1 in der Zahnposition oder in der Zahnlückenposition befindet mittels der magnetoresistiven Ele­ mentenbrücken 6 und 16, die von der magnetischen Mitte des Vor­ magnetisierungsfelds in einer Ebene parallel zu den Endoberflä­ chen 1b des Zahnrads 1 versetzt sind. Die gleiche Wirkung kann jedoch auch erzielt werden durch Anordnen der magnetoresistiven Elementenbrücken 6 und 16 weg von der magnetischen Mitte, auch wenn sie sich nicht in einer Ebene parallel zur oberen oder un­ teren Oberfläche des Zahnrads 1 befinden.

Beispielsweise kann die magnetoresistive Elementenbrücke 6 in einer Versatzposition von der magnetischen Mitte des Vormagne­ tisierungsfelds in einer Ebene parallel zur oberen Oberfläche des Zahnrads 1 und ferner mit einem Versatz um einen vorbe­ stimmten Betrag in einer Richtung senkrecht zur oberen Oberflä­ che des Zahnrads 1 angeordnet sein.

Ist die magnetoresistive Elementenbrücke 6 zur magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds in einer Ebene parallel zur oberen Oberfläche des Zahnrads 1 versetzt, dann kann der IC-Chip 3 um einen vorbestimmten Winkel bzgl. einer Ebene parallel zur oberen Oberfläche des Zahnrads 1 versetzt werden.

In diesen Fällen ist es jedoch ebenfalls für die jeweiligen Po­ sitionen der magnetoresistiven Elemente 4 und 5 erforderlich, daß sie nicht äquidistant zur magnetischen Mitte des Vormagne­ tisierungsfelds angeordnet sind.

Der Vormagnetisierungsmagnet 2 muß nicht notwendigerweise in einer hohlen Form vorgesehen sein. Er kann alternativ auch eine massive, zylindrische Form oder eine rechtwinklige Parallel­ epipedform aufweisen.

Bei der Positionserfassungsvorrichtung für ein bewegliches Ob­ jekt 1 wie ein Nockenwellenzahnrad mit Zähnen 1a und Zahnlücken 1b sind magnetoresistive Elemente 4 und 5 in einem Positions­ versatz bezüglich der Drehrichtung des beweglichen Objekts 1 aus der magnetischen Mitte eines mittels eines Vormagnetisie­ rungsmagneten 2 gebildeten Vormagnetisierungsfelds angeordnet. Die Richtung des Vormagnetisierungsfelds wird unterschiedlich, wenn sich das bewegliche Objekt 1 in einer Zahnposition befin­ det und sich zu einer Zahnlückenposition bewegt. Ein Mittelpo­ tential der magnetoresistiven Elemente 4 und 5 wird als Aus­ gangssignal einer magnetoresistiven Elementenbrücke 6 verwendet zur Erzielung eines Ausgangswerts, der in Abhängigkeit davon unterschiedlich ist, daß sich das bewegliche Objekt in der Zahnposition oder in der Zahnlückenposition befindet. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen einer Zahnposition und der Zahn­ lückenposition des beweglichen Objekts 1 zu unterscheiden.

Claims (11)

1. Positionserfassungsvorrichtung mit
einem beweglichen Objekt (1) mit einem Zahn (1a) und einer Zahnlücke (1b), die am beweglichen Objekt (1) alternierend angeordnet sind,
einem Vormagnetisierungsmagneten (2) zur Bildung eines Vormagnetisierungsfelds in Richtung des Zahns (1a) und der Zahnlücke (1b) des beweglichen Objekts (1), und
einer zwischen dem beweglichen Objekt (1) und dem Vormagnetisierungsmagneten (2) angeordneten magnetoresistiven Elementeneinheit (6), die auf eine Änderung des Vormagnetisierungsmagnetfelds infolge einer Bewegung des beweglichen Körpers (1) reagiert, wobei
die magnetoresistive Elementeneinheit (6) in einer Position in der Bewegungsrichtung des beweglichen Objekts (1) von einer magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds versetzt angeordnet ist.

2. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die magnetoresistive Elementeneinheit (6) ein erstes magnetoresistives Element (4) und ein zweites magnetoresistives Element (5) umfaßt, die auf einer Ebene im wesentlichen parallel zu einer Oberflächenebene des beweglichen Objekts (1) angeordnet sind.

3. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das bewegliche Objekt (1) ein drehbares Zahnrad ist, und das erste und zweite magnetoresistive Element (4, 5) in einer versetzten Position bezüglich der magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds in der Bewegungsrichtung des drehbaren Zahnrads (1) angeordnet sind.

4. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste magnetoresistive Element (4) und das zweite magnetoresistive Element (5) derart angeordnet sind, daß sie einen Winkel von etwa 45° zur magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds bilden und die äußere Form der nicht­ parallelen Seiten eines regelmäßigen Trapezes einnehmen, und wobei die Mittelachse des regelmäßigen Trapezes, dessen nicht­ parallele Seiten mittels des ersten magnetoresistiven Elements (4) und des zweiten magnetoresistiven Elements (5) gebildet wird, in einer Position angeordnet ist, die von der magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds in der Bewegungsrichtung des beweglichen Objekts (1) versetzt ist.

5. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das erste magnetoresistive Element (4) und das zweite magnetoresistive Element (5) zur Bildung einer ersten magnetoresistiven Elementenbrücke (6) in Reihe zueinander geschaltet sind, und wobei ein Potential zwischen dem ersten magnetoresistiven Element (4) und dem zweiten magnetoresistiven Element (5) als Ausgangssignal der ersten magnetoresistiven Elementenbrücke (6) verwendet wird.

6. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit:
einer weiteren magnetoresistiven Elementeneinheit (16), die zwischen dem beweglichen Objekt (1) und dem Vormagnetisierungsmagneten (2) angeordnet ist und dritte und vierte magnetoresistive Elemente (17, 18) aufweist und auf eine Änderung im Vormagnetisierungsfeld infolge der Bewegung des beweglichen Objekts (1) reagiert, wobei
die weitere magnetoresistive Elementeneinheit (16) in einer Position angeordnet ist, die von der magnetischen Mitte des Vormagnetisierungsfelds in der entgegengesetzten Richtung zur ersten magnetoresistiven Elementeneinheit (6) versetzt ist.

7. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das dritte magnetoresistive Element (17) und das vierte magnetoresistive Element (18) in Reihe zueinander geschaltet sind und ein Potential zwischen dem dritten magnetoresistiven Element (17) und dem vierten magnetoresistiven Element (18) herausgegriffen wird, und die beiden Ausgangssignale der magnetoresistiven Elementeneinheiten (6, 16) einer Schaltungsanordnung (20) zu Vergleichszwecken zwischen den Ausgangssignalen zugeführt wird.

8. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Schaltungsanordnung (20) umfaßt:
eine Einrichtung (22) zur Verstärkung einer Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen, und
eine Einrichtung (23) zum Vergleichen der verstärkten Differenz mit einem vorbestimmten Schwellenwert (Vr).

9. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das von der magnetoresistiven Elementeneinheit (6) gebildete Ausgangssignal, wenn die Zahnlücke (1b) des drehbaren Objekts (1) eine Position gegenüber dem Vormagnetisierungsmagneten (2) erreicht, und das mittels der magnetoresistiven Elementeneinheit (6) gebildete Ausgangssignal, wenn der Zahn (1a) die Position gegenüber dem Vormagnetisierungsmagneten (2) erreicht, in ihrem Signalpegel unterschiedlich sind.

10. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Vormagnetisierungsmagnet (2) eine hohle Form aufweist, und die magnetoresistive Elementeneinheit (6) auf einem im Vormagnetisierungsmagneten (2) gehaltenen Substrat (3) ausgebildet ist.

11. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Breite (LG) der Zahnlücke (1b) größer ist als der Abstand (LM) zwischen den beiden magnetoresistiven Elementeneinheiten (6, 16).