DE19908361A1

DE19908361A1 - Sensorvorrichtung zur Erfassung von Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Objektes, insbesondere von Drehzahl und -richtung eines rotierenden Objektes

Info

Publication number: DE19908361A1
Application number: DE1999108361
Authority: DE
Inventors: Klemens Gintner
Original assignee: Individual
Current assignee: GINTNER, KLEMENS, 71638 LUDWIGSBURG, DE
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-21

Abstract

Eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Objektes, insbesondere von Drehzahl und -richtung eines rotierenden Objektes auf der Basis des magnetoresistiven Effektes ist versehen mit einem mit dem Objekt (1) gekoppelten Magnetfeldgeber (2, 15), der ein örtlich und zeitlich definiert variierendes Referenzmagnetfeld (H) erzeugt, mit zwei Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) aus einem magnetoresistiven Material, die in einem vorgegebenen Abstand (DELTAy) zueinander derart relativ zum Magnetfeldgeber (2, 15) positioniert sind, daß sie von zueinander phasenverschobenen Magnetfeldkomponenten (H¶1¶, H¶2¶) des Referenzfeldes (H) durchsetzt werden, wobei die Phasenverschiebung (DELTAphi) ungleich ganzzahligen Vielfachen von 90 DEG ist, und mit einer Signalverarbeitungsschaltung (5), die den von den Magnetfeldkomponenten (H¶1¶, H¶2¶) in den Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) abhängigen magnetoresistiven Widerstand (R_MR1, R_MR2) der Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) erfaßt und daraus für die Drehzahl und -richtung repräsentative elektrische Signale (U¶s¶) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Ge schwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Objektes, insbesondere von Drehzahl und -richtung eines rotierenden Objektes auf der Basis des ma gnetoresistiven Effektes.

Zum Hintergrund der Erfindung und zum Stand der Technik ist auszufüh ren, daß der magnetoresistive (AMR-)Effekt, unter den u. a. der sogenannte anisotrope magnetoresistive Effekt und der "Giant magnetoresistive effect" fallen, die Messung von Magnetfeldern ermöglicht. Der AMR-Effekt, der im folgenden stellvertretend für die notwendigen Erläuterungen herangezo gen wird, tritt bei ferromagnetischen Materialien auf, deren elektrische Leitfähigkeit vom Winkel zwischen der elektrischen Stromdichte und der Magnetisierung des ferromagnetischen Materials abhängt. Daher können äußere Magnetfelder den elektrischen Widerstand einer magnetoresistiven Schicht verändern, da die Magnetisierung durch solche äußere Magnetfel der aus der sogenannten "leichten Richtung", d. h. die Richtung der Vor zugsmagnetisierung, herausgedreht wird.

Als Sensoren auf der Basis des AMR-Effektes werden dabei grundsätzlich streifenförmige Schichten aus ferromagnetischem Material verwendet. Aufgrund der durch die Streifenschichtkonfiguration gegebenen Formani sotropie der magnetoresistiven Schicht - es gilt nämlich für den Streifen Länge < Breite << Dicke - liegt der Magnetisierungsvektor immer in der Schichtebene. Im allgemeinen besteht die Schicht aus einer 20 nm bis 80 nm dicken Schicht aus einer Permalloy-Legierung Ni₈₁Fe₁₉. Die maxi mal erreichbaren relativen Widerstandsänderungen betragen ca. 3,5%. Im übrigen wird das äußere Magnetfeld in der sogenannten magnetisch "schweren Richtung" - d. h. der Richtung der Breite des Sensorstreifens - angelegt.

Wird die durch Anlegen eines Magnetfeldes in Breitenrichtung sich erge bende Widerstandsänderung auf einem Magnetfeld-Widerstandsänderungs- Diagramm aufgetragen, so ergibt sich eine typische Glockenkurve um den Wert 0 des Magnetfelds. Der elektrische Widerstand ist für einen Winkel 0 zwischen der elektrischen Stromdichte und der Magnetisierung am größten und für einen Winkelbetrag von 90° am kleinsten. Aufgrund dieser Cha rakteristik ist die Empfindlichkeit des Sensors für kleine Magnetfelder in Breitenrichtung des Streifens sehr klein. Aufgrund der Glockenkurve ist die Kennlinie ferner nicht eindeutig, da für eine bestimmte Widerstandsände rung das zugehörige Magnetfeld parallel oder antiparallel zur Breitenrich tung liegen kann. Somit ist für die Sensoranwendung insbesondere bei Ein satz des Sensors zur Bestimmung des absoluten Wertes eines Magnetfeldes eine Linearisierung notwendig. Wie in der als nächstkommender Stand der Technik heranzuziehenden deutschen Offenlegungsschrift DE 198 10 218 A1 des Anmelders ausführlich erörtert wurde, ist eine sol che Linearisierung durch sogenannte "Barber-Pole" oder durch Anlegen eines das zu messende Magnetfeld überlagernden Magnetfelds in der ma gnetisch "schweren" Richtung möglich. Das überlagerte Magnetfeld kann durch einen Permanentmagneten oder durch einen parallel zur magnetoresi stiven Streifenschicht liegenden, isoliert davon gehaltenen Stromleiter er zeugt werden. Für eine Absolutmessung ist ferner eine Kompensation der Wirkung externer Magnetfelder auf den Sensorstreifen unter Erweiterung des Meßbereichs und eine Verstärkung des Ausgangssignals des Sensors von Vorteil, wie dies ebenfalls in der vorgenannten Druckschrift ausführ lich erörtert wird.

Für die Anwendung als Drehzahlsensor genügt es an sich, zwei allenfalls linearisierte Magnetfeld-Sensorstreifen ortsfest einem relativ dazu drehba ren magnetischen Multipolrad zuzuordnen, wobei die Sensorstreifen in ei nem Winkel zueinander angeordnet sind, der einem ganzzahligen Vielfa chen der Polteilung des Multipolrades entspricht. Damit werden die beiden Magnetfeldsensoren vom gleichen Magnetfeld durchsetzt, das aufgrund der Rotation des zu erfassenden Objektes oszilliert. Es herrscht also keine Pha senverschiebung zwischen den in den Sensorstreifen erzeugten Wider standsänderungen. Letztere können durch Umsetzung in Spannungssignale und Digitalisierung schließlich in entsprechende Frequenzen und damit eine Drehzahl des Multipolrades umgesetzt werden.

Nachteilig bei der aus der DE 198 10 218 A1 gezeigten Drehzahl-Erfas sungseinrichtung ist die Tatsache, daß eine Drehrichtungserkennung nicht stattfindet. Für viele Anwendungen solcher Drehzahlsensoren ist es jedoch gerade wichtig, die Drehrichtung zu erkennen, z. B. um zu selektieren, ob eine Maschine oder ein Fahrzeug vorwärts oder rückwärts laufen.

Ferner ist festzuhalten, daß bei der in der DE 198 10 218 A1 gezeigten Be schaltungstechnik Spannungssignale erzeugt und übertragen werden. Damit sind die dort gezeigten Sensorvorrichtungen und ihre Schaltungen nur be dingt für die moderne Fahrzeugtechnik geeignet, die zunehmend auf die Übermittlung von Stromsignalen mit einem Signalniveau von beispielswei se 7 mA und 14 mA umstellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Objektes, insbesondere der Dreh zahl eines rotierenden Objektes auf der Basis des magnetoresistiven Effek tes anzugeben, die auch eine Erkennung der Bewegungsrichtung, insbeson dere der Drehrichtung des Objektes erlaubt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 ge geben. Das Kernmerkmal ist dabei die Positionierung der beiden Magnet feldsensoren in einem vorgegebenen Abstand derart relativ zu Magnetfeld geber zueinander, daß die beiden Sensoren von zueinander phasenverscho benen Magnetfeldkomponenten des Referenzfeldes durchsetzt werden. Die Phasenverschiebung soll dabei vorzugsweise ungleich 0°, 90°, 180° . . ., also ungleich ganzzahligen Vielfachen von 90° sein.

Aufgrund der angegebenen Phasenverschiebung der Magnetfeldkompo nenten in den beiden Sensorstreifen ergeben sich zu jedem Meßzeitpunkt unterschiedliche Größen der Magnetfeldkomponenten in den Sensorstrei fen, so daß über eine entsprechende Signalverarbeitung eine selektive Aus wertung der Drehrichtung möglich wird. Zum besseren Verständnis wird in diesem Zusammenhang auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels verwiesen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprü chen angegeben. Hierbei ist besonders die elektrisch serielle Schaltung der von einem Konstantstrom durchflossenen Magnetfeldsensoren hervorzuhe ben, die einen Betrieb der Sensorvorrichtung mit der sogenannten Zwei- Leiter-Technik erlaubt. Auch hierbei wird zum näheren Verständnis auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele verwiesen, die im folgenden an hand der beigefügten Zeichnungen gegeben wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Multipolrades mit Sen sorvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Perspektivdarstellung von zwei Magnet feldsensorstreifen auf einem Chipträger in einer ersten Aus führungsform,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Magnetfeldver laufes des Multipolrades gemäß Fig. 1,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Sensorvorrichtung mit zwei Magnet feldsensoren und Signalverarbeitungsschaltung in Zwei- Leiter-Technik,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm eines Magnetfeldes eines Multipolrades,

Fig. 6 und 7 Oszilloskop-Darstellungen der von der Signalverarbeitungs vorrichtung erzeugten analogen und digitalen Spannungs signale bei unterschiedlichen Drehrichtungen,

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung mit Signalverar beitungsschaltung in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 9 eine schematische Perspektivdarstellung zweier auf einem Chipträger angeordneter Magnetfeldsensoren mit Stromleitern zur Erzeugung eines Hilfsmagnetfeldes,

Fig. 10 und 11 Blockschaltbilder von Sensorvorrichtungen gemäß Fig. 9 mit Signalverarbeitungsschaltungen in Zwei-Leiter-Technik bzw. herkömmlicher Technik,

Fig. 12 eine schematische Perspektivdarstellung eines Magnetfeld sensors mit spiralförmig angelegtem Stromleiter zur Erzeu gung eines Hilfsmagnetfeldes,

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Magnetfeldgebers mit profiliertem Geberrad und Permanentmagneten,

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Multipolrades mit Sen sorvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 15 ein Zeitdiagramm des Magnetfeldes des Multipolrades gemäß Fig. 14,

Fig. 16 eine Oszilloskop-Darstellung der von der Signalverarbei tungsvorrichtung erzeugten analogen und digitalen Span nungssignale bei der Anordnung gemäß Fig. 14,

Fig. 17 eine schematische Darstellung eines Einzel-Permanent magneten als Magnetfeldgeber mit Sensorvorrichtung, und

Fig. 18 eine Oszilloskop-Darstellung der von der Signalverarbei tungsvorrichtung erzeugten analogen und digitalen Span nungssignale bei der Anordnung gemäß Fig. 17.

Aus Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer Sensorvorrichtung zur Erfas sung von Drehzahl und -richtung eines rotierenden Objektes zu erläutern. Rotierendes Objekt kann beispielsweise ein Fahrzeugrad oder ein Maschi nenteil sein. Für die vorliegende Beschreibung wird der Einfachheit davon ausgegangen, daß es sich um eine Welle 1 handelt. Mit dieser Welle 1, die in Richtung z liegt, ist ein sogenanntes Multipolrad 2 drehfest oder über eine entsprechende Getriebekopplung mit einem bestimmten Übersetzungs verhältnis gekoppelt, das als Magnetfeldgeber ein örtlich und zeitlich defi niert variierendes Referenzmagnetfeld H durch sich abwechselnde Nord- und Südpole N, S an seinem Umfang erzeugt. Diese ungleichnamigen Ma gnetpole wechseln sich am Umfang des Multipolrades 2 mit konstantem Abstand λ einander ab. So entsteht ein in Umfangsrichtung ϕ, also örtlich sinus- oder kosinusartig variierendes Referenzmagnetfeld H, das durch die Rotation des Multipolrades zeitlich variiert.

Das vorstehend angerissene Beispiel betrifft die Erfassung der Drehzahl- und -richtung eines rotierenden Objektes. Ganz generell kann die erfin dungsgemäße Sensorvorrichtung jedoch auch für linear bewegte Objekte zur Erfassung deren Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung herangezo gen werden. Als Beispiel sind linear bewegte Supporte und Schlitten von Werkzeugmaschinen zu nennen. Bei diesen wird als Magnetfeldgeber dann eine lineare Anordnung von sich abwechselnden Magnetpolen gewählt, die dann ebenfalls sinus- oder kosinusartig entlang des Maßstabes variieren. Durch die Bewegung des Objektes mit dem daran befestigten Maßstab va riiert dann das Referenzmagnetfeld auch zeitlich. Damit liest sich die fol gende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 auch auf den vorstehenden Fall.

In Radialrichtung r ist in einem Abstand a ein Chipträger 3 angeordnet, auf dem zwei übliche Magnetfeldsensoren SE1, SE2 aus einem magnetoresisti ven Material in einem vorgegebenen Abstand Δy zueinander angeordnet sind. Die Richtung des Abstandes Δy verläuft in Umfangsrichtung ϕ.

Wie aus Fig. 2 deutlich wird, handelt es sich bei den beiden Magnetfeld sensoren SE1, SE2 jeweils um Streifen eines ferromagnetischen Materials, die eine starke Formanisotropie aufweisen. Es gilt also Länge l < Breite b << Dicke d für jeden Streifen. Wird nun durch eine solche Schicht in Richtung der Länge l ein elektrischer Strom IMR1, IMR2 geschickt, so hängt der Widerstand vom Winkel Θ zwischen den Vektoren der elektri schen Stromdichte J und der Magnetisierung M ab. Dadurch können äußere Magnetfelder H₁, H₂ den elektrischen Widerstand R_MR1, R_MR2 in der Schicht ändern. Dies resultiert aus einer Drehung der Magnetisierung M aus der sogenannten magnetisch "leichten" Richtung, d. h. der Richtung der Vorzugsmagnetisierung, bei der es sich in Fig. 2 um die x-Richtung des eingezeichneten Koordinatensystems handelt. Die y-Richtung ist die ma gnetisch "schwere" Richtung. Durch die Messung des magnetoresistiven Widerstandes R_MR1 bzw. R_MR2 über eine entsprechende Signalverar beitungsschaltung, wie sie anhand von u. a. Fig. 4 noch näher erläutert wird, können für die Drehzahl des Multipolrades 2 und folglich der Welle 1 repräsentative elektrische Signale erzeugt werden.

Wie aus Fig. 1 und 3 in diesem Zusammenhang deutlich wird, werden durch die Positionierung der beiden Magnetfeldsensoren SE1, SE2 in ei nem Abstand Δy vor der Stirnseite der ungleichnamigen Magnetpole N, S des Multipolrades 2 diese Sensoren von zwei zueinander phasenverschobe nen Magnetfeldkomponenten H₁, H₂ durchsetzt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt t_o ist das Magnetfeld H₁(t_o) beispielsweise maximal, während das Magnetfeld H₂(t_o) im zweiten Magnetfeldsensor SE2 in diesem Zeitpunkt gerade 0 ist. Die jeweiligen Magnetfeldkomponenten H₁ und H₂ sind also um eine bestimmte Phasenverschiebung "Δϕ,Ort" zueinander verschoben. Zu einem Zeitpunkt t₁ herrscht im Magnetfeldsensor SE1 das negative - also entgegengerichtete - Magnetfeld H₁(t₁), wogegen im Sensor SE2 das positive Magnetfeld H₂(t₁) vorliegt. Durch die Drehung des Multipolrades mit einer bestimmten Drehzahl ergibt sich also in jedem Magnetfeldsensor SE1, SE2 ein Widerstandsverlauf, der durch das aufgrund der Drehung zeitlich definiert variierende Differenzmagnetfeld bestimmt ist.

Mit der in Fig. 4 dargestellten Signalverarbeitungsschaltung, die integral auf dem Chipträger 3 realisiert sein kann, läßt sich der von den Magnet feldkomponenten H₁, H₂ in den beiden Magnetfeldsensoren SE1, SE2 va riierte magnetoresistive Widerstand R_MR1, R_MR2 erfassen und daraus für die Drehzahl und -richtung des Multipolrades 2 bzw. der Welle 1 reprä sentative elektrische Signale erzeugen. Dazu sind die beiden magnetoresi stiven Widerstände R_MR2, R_MR2 in Reihe an eine Konstantstromquelle 4 geschaltet, so daß die Ströme IMR1, IMR2 (Fig. 2) durch die Widerstän de R_MR1, R_MR2 zueinander gleich sind und dem Gesamtstrom IMR_ges entsprechen.

Die Signalverarbeitungsschaltung 5 mißt die über die Widerstände R_MR1 und R_MR2 abfallende Spannung U₁, U₂ und führt sie einer Spannungsdif ferenzbildungsschaltung 6 und einem Meßverstärker 7 zu. Dadurch wird eine Spannung U_a = v (U₁-U₂) gebildet, wobei v der Verstärkungsfaktor ist. Diese Differenzspannung U_a wird auf eine nachgeordnete Digitalisie rungsschaltung 8 in Form eines Schmitt-Triggers gegeben, so daß die Aus gangsspannung U_s anfällt. Mit deren Hilfe kann eine schaltbare Strom quelle 9 geschaltet werden, deren Low-Pegel beispielsweise 0 mA und de ren High-Pegel beispielsweise 7 mA betragen. Dieses digitalisierte Strom signal I_p überlagert sich mit dem Gesamtstrom IMR_ges zu einem digitali sierten Stromsignal I_ges mit zwei Pegeln von 7 mA bzw. 14 mA, das bei spielsweise in einem Kraftfahrzeug von einer zentralen Steuereinheit aus gewertet werden kann. Diese Art der Signalübertragung wird im übrigen als Zwei-Leiter-Technik bezeichnet, da bei ihr zur Versorgung der entspre chenden Komponenten und zur Signalübertragung lediglich zwei Leitungs verbindungen notwendig sind.

Ein Beispiel für den Signalverlauf der in Fig. 4 dargestellten Sensorvor richtung ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt. Damit kann die Wirkung und der Einfluß der Abstandshaltung Δy und der damit verbundenen Phasenver schiebung Δϕ,Ort zwischen den beiden Magnetfeldsensoren SE1, SE2 bzw. R_MR1, R_MR2 veranschaulicht werden. Ausgegangen wird von einem kosinusförmigen Magnetfeld H_ϕ, dessen Maximalamplitude 3000 A/m be trägt (s. Fig. 5). Die Frequenz des Magnetfelds beträgt 50 Hz, dies bedeu tet, daß unter der Annahme, daß 10 Magnetpolpaare N-S auf dem Umfang verteilt vorliegen, sich das Multipolrad mit einer Frequenz von 5 Hz dreht. Der Abstand ist so eingestellt, daß die Phasenverschiebung Δϕ bei +20° liegen soll. Damit ergibt sich als analoge Ausgangsspannung U_a der in Fig. 6 gezeigte strichlierte Kurvenverlauf. Bei einer Digitalisierung dieser Spannung U_a mit Hilfe eines Schmitt-Triggers wird das in Fig. 6 durchge zogen gezeichnete digitale Signal U_s erzeugt. Die Schaltschwellen des Schmitt-Triggers bei der Umwandlung in das digitale Signal U_s liegen da bei bei 1,55 V von LOW auf HIGH-Pegel für ansteigendes U_a und bei 1,20 V für den Übergang von HIGH auf LOW für fallendes U_a. Wie aus Fig. 6 deutlich wird, führt der "unsymmetrische" Verlauf von U_a, d. h. daß die Phasendifferenz Δϕ,Ort ≠ 90° sein muß, zu unterschiedlich langen HIGH- bzw. LOW-Phasen von U_s. Im Ausgangssignal ergibt sich also für die bei den Pegel ein unterschiedliches Tastverhältnis (d. h. t_high/t_low). So ergibt sich bei Drehrichtung D1 (Fig. 1) eine Tastzeit t_high von zirka 8 ms und t_low von zirka 2 ms. Das Tastverhältnis t_high/t_low beträgt also 4.

Bei einer Drehrichtung D2 (Fig. 1) in die Gegenrichtung ergibt sich eine Phasenverschiebung Δϕ,Ort = -20°, wodurch der in Fig. 7 angedeutete Si gnalverlauf des analogen Ausgangssignals U_a (strichlierte Linie) und des daraus gebildeten digitalen Signales U_s (durchgezogene Linie) entsteht. Es wurden dabei wieder die gleichen Schaltschwellen verwendet. Wie sich aus Fig. 7 entnehmen läßt, beträgt die Tastzeit für hohes Pegelniveau t_high in diesem Falle zirka 2 ms und t_low zirka 8 ms, damit t_high/t_low = 0,25.

Wie aus einem Vergleich von Fig. 6 und 7 deutlich wird, läßt sich einer seits aus der übereinstimmenden Frequenz der digitalen Signale U_s die Drehzahl des Multipolrades 2 ermitteln. Folgende Näherung soll dabei stets gelten: Die Drehzahl bleibt während eines Polwechsels - d. h. t_high + t_low - in etwa konstant. Über das Tastverhältnis ergibt sich ein repräsentatives elek trisches Signal für die Drehrichtung, das entsprechend auswertbar ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Fig. 5 bis 7 lediglich Beispiele wiedergeben.

Die Größe des Magnetfelds H_ϕ muß dabei nicht 3000 A/m betragen, um eine eindeutige Detektion der Drehzahl und -richtung zu ermöglichen. Dies hängt vor allem von der Magnetfeld-Empfindlichkeit der Sensorelemente SE1, SE2 ab, die beim AMR-Effekt vor allem durch die Geometrie der bei den Magnetoresistivstreifen vorgegeben ist. Bis zu einem Sättigungspunkt steigen allerdings die Amplitude der Spannung U_a mit steigendem Magnet feld an.

Zu beachten ist ferner die Frequenzverdoppelung aufgrund der nicht linea ren Kennlinie des AMR-Effekts, d. h. f_Ua = f_Us = 2.(fH_ϕ). Ferner ist darauf hinzuweisen, daß die Magnetfeldsensoren SE1 und SE2 so anzuordnen sind, daß jeweils am Ort der Magnetoresistivschichten das zu messende Magnetfeld H unterschiedlich groß ist.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrich tung sind die beiden Magnetfeldsensoren SE1, SE2 mit ihren Magnetoresi stivschichten R_MR1 bzw. R_MR2 elektrisch parallel geschaltet und wer den jeweils von einer Konstantstromquelle 4, 4' mit einem Konstantstrom I_MR1 bzw. I_MR2 versorgt. Der Spannungsabfall über den beiden Magnetfeld sensoren R_MR1, R_MR2 wird jeweils durch Abgriffe 10, 11 ermittelt, zwischen denen die Differenzspannung U_d herrscht. Insoweit entfällt die Spannungsdifferenzbildungsschaltung aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4. Es ist lediglich wiederum ein Meßverstärker 7 und eine Digitalisie rungsschaltung 8 vorgesehen, um ein digitales Ausgangssignal U_s zu erzeu gen. Dieses ist wiederum entsprechend auswertbar, um die Drehzahl und -richtung des Multipolrades 2 zu ermitteln.

Wie aus der eingangs bereits erwähnten DE 198 10 218 A1 grundsätzlich bereits bekannt ist, können die Magnetfeldsensoren SE1, SE2 auch mit ei ner Linearisierung versehen sein, indem über eine Isolationsschicht 12 ge trennt jeweils Hilfsstromleiter Al1 und Al2 parallel zu den Magnetoresis tivwiderständen R_MR1 und R_MR2 angeordnet werden. Diese Hilfsleiter sind so beschaltet, daß sie von einander entgegengesetzten Strömen I_k1 und I_k2 durchflossen werden, die ein den Magnetfeldkomponenten H₁, H₂ in den beiden Sensorstreifen SE1, SE2 überlagertes Magnetfeld H_Ik1 bzw. H_Ik2 erzeugen. Wie in Fig. 9 angedeutet ist, sind aufgrund der entgegen gesetzten Richtungen der Ströme I_k1 und I_k2 die beiden Hilfsmagnetfelder H_Ik1 und H_Ik2 entgegengesetzt gerichtet. Somit müssen die vom Multi polrad herrührenden Magnetfeldkomponenten H₁ und H₂ nicht mehr unter schiedlich groß sein, um eine drehzahl- und -richtungssensitive Messung vornehmen zu können. Die Magnetfelder H_Ik1 und H_Ik2 überlagern sich nämlich einmal additiv (H_Ik2) und einmal subtraktiv (H_IK1) mit dem Magnetfeld H. Damit ergeben sich insgesamt unterschiedliche Werte für H_ges1 und H_ges2. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn z. B. aus Platz gründen kein geeigneter Wert für die Phasendifferenz Δϕ,Ort der Sensoren SE1, SE2 auf einem Chipträger 3 erreicht werden kann. Aufgrund der Ma gnetfelder H_Ik1 und H_Ik2 kann die gemäß Anspruch 1 vorgesehene Pha senverschiebung Δϕ,Ort zwischen den zueinander phasenverschobenen Magnetfeldkomponenten auch ein ganzzahliges Vielfaches von 90° sein.

Eine Beschaltung und Auswerteschaltung für die in Fig. 9 gezeigte Ausfüh rungsform der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Hier sind wiederum in Reihe in einer Konstantstromquelle 4 die durch Widerstände R_k1 und R_k2 symbolisierten Hilfsleiter Al1, Al2 sowie die magnetoresistiven Wi derstände R_MR2 und R_MR1 der beiden Magnetfeldsensoren SE1, SE2 dargestellt. Über letzteren fallen wiederum die Meßspannungen U1, U2 ab, die durch eine Spannungsdifferenzbildungsschaltung 6, einen Meßverstär ker 7 und eine Digitalisierungsschaltung 8 in Form eines Schmitt-Triggers aufbereitet werden. Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 8 steuert eine schaltbare Stromquelle 9 in der bereits erwähnten Weise. Durch einen Parallelzweig 13 zu den beiden Hilfsleitern Al1, Al2 können diese Hilfs leiter durch Schließen des Schalters S im parallelen Zweig 13 überbrückt werden. Die Situation entspricht dann der Schaltung gemäß Fig. 4.

Analog Fig. 8 können wiederum auch bei parallel geschalteten Magneto resistivwiderständen R_MR1 und R_MR2 Hilfsleiter Al1, Al2 verwendet werden, die in Fig. 11 durch die in Reihe geschalteten Widerstände R_k1 und R_k2 symbolisiert werden. Diese beiden Widerstände sind über einen Parallelzweig 13 mit Schalter S wiederum zu überbrücken. Im übrigen kann im Zusammenhang mit der restlichen Schaltung auf die Beschreibung der Fig. 8 verwiesen werden, wobei übereinstimmende Baugruppen mit identi schen Bezugszeichen versehen sind.

In Fig. 12 ist schematisch dargestellt, daß ein Hilfsleiter Al1 über einem Magnetoresistivwiderstand R_MR1 auch durch eine auf der Isolations schicht 12 in mehreren Schleifen aufgebrachte Leiterbahn realisiert werden kann. Dadurch tritt eine Stromvervielfachung und damit Erhöhung des ad ditiven Magnetfeldes ein.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Magnetfeld geber verwendet, bei dem ein magnetisches Geberrad 15 mit einer gezack ten Außenprofilierung 14 sich im Feld eines Permanentmagneten 16 be wegt. Das Material das Geberrades 15 variiert das Feld des Permanentma gneten 16, wodurch bei Drehung des Geberrades 15 wiederum ein örtlich und zeitlich definiert variierendes Referenzmagnetfeld erzeugt wird. Dieses kann von den Magnetfeldsensoren SE1, SE2 in gleicher Weise, wie vorste hend beschrieben, detektiert werden.

Fig. 14 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, bei der die Absolutposition des Multipolrades 2' und damit der Welle 1' erkennbar wird. Wie aus der Darstellung erkennbar wird, sind die Magnetpole nicht mehr äquidistant, sondern mit ungleichmä ßigen Abständen bzw. Breiten über den Umfang des Multipolrades 2' ver teilt. So nimmt die Umfangslänge der Magnetpole N1, S1 über N2, S2 zu N3, S3 usw. stetig ab. Ein derart geschickt magnetisch kodiertes Multipol rad 2' erzeugt das in Fig. 15 dargestellte Magnetfeld Hϕ bei Drehung DR in Umfangsrichtung ϕ. Wird dieses Magnetfeld mit Hilfe der Magnetfeld sensoren SE1, SE2 auf den Chipträger 3 mit einer Auswerteschaltung ana log Fig. 3 bis 7 ausgewertet, so ergibt sich der in Fig. 16 dargestellte Si gnalverlauf der Spannungen U_a bzw. U_s bei einer Phasenverschiebung von Δϕ,Ort = +20°. Wie aus der zeitlich aufgelösten Darstellung hervorgeht, variiert die zeitliche Länge t_high, während der sich das Signal sich auf ho hem Pegel befindet. Durch die damit einhergehende Variation des Tastver hältnisses kann auf die absolute Position des Multipolrades geschlossen werden. Dabei soll wieder die Näherung einer etwa konstanten Drehzahl während der Periode t_high + t_low gelten.

Schließlich ist in Verbindung mit Fig. 17 und 18 noch eine Sonderanwen dung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zu erläutern, die eigentlich als Grenzfall der erfindungsgemäß vorgesehenen Geschwindigkeits- und Bewegungsrichtungserfassung gelten kann. So kann im Extremfall der Si gnalverlauf beim Vorbeilaufen eines Magnetpoles N eines Magnetfeldge bers, beispielsweise eines einzigen Permanentmagneten 17, zeitlich so hochauflösend erfaßt werden, daß die Absolutposition des Gebers zumin dest in gewissen Grenzen erkannt werden kann. Bei der in Fig. 17 mit dem Pfeil 18 angedeuteten Vorbeiführen des Permanentmagneten 17 an den beiden im "Phasenverschiebungsabstand" Δy angeordneten Magnetfeldsen soren ergibt sich wiederum bei einer Auswertung analog den Fig. 4 bis 7 der in Fig. 18 gezeigte Signalverlauf der Spannungen U_a bzw. U_s. Über die zeitliche Abfolge des Signals kann auf die "Mikroposition" geschlossen werden, wobei die Ausgangsspannung U_a in charakteristischer Weise zwi schen den Endpositionen A und B drei Positionen 1, 2 und 3 erkennen läßt. Dadurch kann z. B. eine Linearbewegung eines Permanentmagneten in der Nähe der Magnetfeldsensoren SE1, SE2 mit unterschiedlichen Positionen detektiert werden, wenn die Ausgangslage, nämlich die Positionen A bzw. B bekannt sind. Die genaue Anzahl der unterscheidbaren Positionen hängt von der Anzahl und Orientierung der verwendeten Permanentmagneten bzw. deren Magnetfelder ab. Im übrigen können durch Verwendung weite rer Sensoren und deren geeigneter Anordnung weitere Positionen erkannt werden. Ferner kann der Permanentmagnet 17 auch um 90° gedreht an den Magnetfeldsensoren SE1, SE2 vorbeigeführt werden, so daß die "Achse Nord-/Südpol" in Bewegungsrichtung liegt.

Claims

1. Sensorvorrichtung zur Erfassung von Geschwindigkeit und Bewe gungsrichtung eines Objektes, insbesondere von Drehzahl und -richtung eines rotierenden Objektes auf der Basis des magnetoresisti ven Effektes mit

- einem mit dem Objekt (1) gekoppelten Magnetfeldgeber (2, 15), der ein örtlich und zeitlich definiert variierendes Referenzma gnetfeld (H) erzeugt,
- zwei Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) aus einem magnetoresisti ven Material, die in einem vorgegebenen Abstand (Δy) zueinan der derart relativ zum Magnetfeldgeber (2, 15) positioniert sind, daß sie von zueinander phasenverschobenen Magnetfeldkompo nenten (H₁, H₂) des Referenzfeldes (H) durchsetzt werden, wobei vorzugsweise die Phasenverschiebung (Δϕ) ungleich ganzzahli gen Vielfachen von 90° ist, und
- einer Signalverarbeitungsschaltung (5), die den von den Magnet feldkomponenten (H₁, H₂) in den Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) abhängigen magnetoresistiven Widerstand (R_MR1, R_MR2) der Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) erfaßt und daraus für die Ge schwindigkeit und Bewegungsrichtung, insbesondere die Dreh zahl und -richtung des Objektes (1) repräsentative elektrische Si gnale (U_s) erzeugt.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Magnetfeldgeber ein Multipolrad (2) mit einander abwechselnden Magnetpolen (N, S) zur Er zeugung eines im wesentlichen sinusartig um den Radumfang variierenden Magnetfelds (H) ist.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Magnetfeldgeber ein sich im Feld eines Permanentmagneten (16) drehendes Geberrad (15) mit einer das Magnetfeld (H) variierenden Profilierung (14) ist.

4. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) im wesentlichen parallel nebeneinander auf einem gemeinsamen Chipträger (3) positioniert sind.

5. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die beiden von einem Konstantstrom (I_MR) durchflossenen Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) elektrisch seriell geschaltet sind.

6. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Signal verarbeitungsschaltung (5) eine Spannungsdifferenzbildungsschaltung (6) zur Bildung der Differenz (U_d) der an den Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) abfallenden, magnetfeldabhängigen Spannungen (U₁, U₂) und eine der Spannungsdifferenzbildungsschaltung (6) nachgeordnete Digitalisierungs schaltung (8) für die Differenzspannung (U_d) aufweist.

7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Tastverhältnis des von der Digitalisierungsschaltung (8) erzeugten Digitalsignals (U_s) von einer Auswerteschaltung als Kriterium für die Drehrichtung (D1, D2) des Ob jektes (1) auswertbar ist.

8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Signalverarbeitungs schaltung (5) eine vom Digitalsignal (U_s) der Digitalisierungsschaltung (8) gesteuerte, schaltbare Stromquelle (9) zur Signalübertragung in Zwei- Leiter-Technik nachgeschaltet ist.

9. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Magnet feldsensoren (SE1, SE2) mit der Signalverarbeitungsschaltung (5) auf ei nem gemeinsamen Chipträger (3) angeordnet sind.

10. Sensorvorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jeder Magnetfeldsensor (SE1, SE2) mit einem Stromleiter (Al1, Al2) zur Führung eines Hilfsstroms (I_k1, I_k2) versehen ist, der im zugehörigen Magnetfeldsensor (SE1, SE2) ein dem zu erfassenden Magnetfeld (H) überlagertes Konstantmagnetfeld (H_Ik1, H_Ik2) erzeugt.

11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Stromleiter (Al1, Al2) zur Erzeugung des Konstantmagnetfeldes schleifenförmig angelegt ist.

12. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Ma gnetfeldgeber (2') mit ungleichmäßig ausgelegten Magnetpolen (N1, N2, N3; S1; S2, S3) zur Erkennung der Absolutposition des Gebers (2') verse hen ist.

13. Sensorvorrichtung insbesondere nach Ansprüche 1 bis 12, wobei die Magnetfeldsensoren (SE1, SE2) den Signalverlauf beim Vorbeilaufen eines Magnetpoles (N) des Magnetfeldgebers (17) zeitlich hochauflösend zur Erkennung der Absolutposition des Gebers (17) erfaßt.

14. Sensorvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Magnetfeldgeber einen einzigen Permanentmagneten (17) umfaßt.