DE19925884C2

DE19925884C2 - Magnetfeldsensor und seine Verwendung

Info

Publication number: DE19925884C2
Application number: DE1999125884
Authority: DE
Inventors: Udo Ollert; Thomas Theel
Original assignee: Tyco Electronics Logistics AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2019-06-08
Also published as: DE19925884A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor, welcher eine Spule, ein Magnetelement und einen Impulsdraht aufweist. Fer ner betrifft die Erfindung die Verwendung des Magnetfeldsen sors.

Solche Magnetfeldsensoren werden verwendet zur berührungs freien Detektion von Bewegungsabläufen, wobei z. B. ein Dau ermagnet auf einer Welle montiert ist. Dabei werden Impuls drähte benutzt, die magnetisch bistabile Elemente sind, deren Magnetisierungsrichtung sich durch Anlegen eines äußeren Ma gnetfeldes, das die Schaltfeldstärke des Impulsdrahtes über schreitet, schlagartig umklappen läßt (Barkhauseneffekt). Dieses Verhalten äußert sich in der magnetischen Hysterese kurve durch unstetige Sprünge. Bei Anordnung des Impulsdrah tes in einer Spule wird durch die schlagartige Magnetisie rungsänderung ein kurzer elektrischer Spannungspuls indu ziert, der von einer Folgeelektronik ausgewertet werden kann.

Aus RAUSCHER, G; RADELOFF, A: Impulsdrähte als magnetische Geber für Bewegungs- und Feldsensoren; in: Siemens Forsch. U. Entwickl.-Ber. Bd. 15, Nr. 3, 1986, Seiten 135 bis 145 ist ein Magnetfeldsensor mit einem Impulsdraht und einem mit letzterem mechanisch verbunde nen Magnetelement bekannt, die von einer Spule umgeben sind. Bei Überschreitung einer bestimmten positiven oder negativen Feldstärke wird ein kurzer elektrischer Span nungsimpuls in der Spule erzeugt, der durch eine an die Spule angeschlossene Leuchtdiode, an die über einen Lichtwellenleiter ein Fototransistor gekoppelt ist, aus gewertet wird. Aus der DE 44 07 474 C1 ist ein Drehwinkelsensor mit drei gleichmäßig über den Umfang einer Welle verteilt angeordneten Impulsdrahtsensoren bekannt, mit deren Hilfe die Winkelstellung der Welle gemessen wird. Die einzelnen Spannungsimpulse von den Impuls drahtsensoren laden über eine Diode einen Kondensator, die Kondensatorladung wird durch eine angeschlossene Auswerteschaltung ausgewertet. Die Ladespannung des Kon densators kann dabei für den Betrieb der Auswerteelek tronik herangezogen werden, so daß ein Betrieb der Aus werteelektronik ohne äußere Versorgungsspannung möglich ist.

Die DE 41 07 847 C1 zeigt einen Impulsdrahtsensor mit einer auf den Impulsdraht aufgebrachten Wicklung, die über einen Schalter kurzschließbar ist. Nach einer er folgten schlagartigen Magnetisierungsänderung des Im pulsdrahtes durch Einwirkung eines äußeren Magnetfelds und der dadurch hervorgerufenen Erzeugung eines kleinen Spannungsimpulses wird durch ein weiteres Magnetfeld entgegengesetzter Polarität ein weiterer Spannungsimpuls erzeugt, jedoch mit bezüglich des ersten Spannungsimpul ses entgegengesetztem Vorzeichen. Bei geschlossenem Schalter wird ein Spannungsimpuls relativ kleiner Ampli tude erzeugt, der die gleiche Polarität hat wie der erste Spannungsimpuls. Hierdurch läßt sich die Schließ stellung des Schalters anhand des erzeugten Spannungs impulses erkennen.

Wünschenswert ist ein Magnetfeldsensor mit einer Folge elektronik, die mit Hilfe der Energie der Spannungspulse mit Strom versorgt wird und somit ohne zusätzliche Hilfsenergie auskommt, so, wie dies im Prinzip aus der erwähnten DE 44 07 474 C1 bekannt ist. Magnetfeldsensoren mit nur einem Impulsdraht liefern nur sehr geringe Energiemengen im nJ-Bereich. Dies ist für viele Anwendungen nicht aus reichend. Zur Erhöhung der Energie kann die Anzahl der Impulsdrähte bzw. der Magnetfeldsensoren erhöht werden. Ein solcher Magnetfeldsensor ist aus EP 0 156 986 A1 bekannt. Er besteht aus mehreren Spulen, die jeweils einen Impulsdraht aufweisen und zueinander parallel ge schaltet sind.

Problematisch bei der Verwendung mehrerer Impulsdrähte ist die herstellungsbedingte Variation in den Schaltfeldstärken. Die dadurch zeitversetzt auftretenden Spannungspulse müssen durch zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen synchronisiert werden. Aufgrund der Verwendung mehrerer Spulen hat der bekannte Magnetfeldsensor den Nachteil eines großen Bauvolu mens. Er ist daher für die Miniaturisierung nicht geeignet. Zudem ist aufgrund der räumlichen Trennung der Impulsdrähte ein sehr ausgedehntes homogenes äußeres Magnetfeld zur An steuerung erforderlich, was seine praktische Anwendbarkeit stark einschränkt. Ein weiterer Nachteil des bekannten Ma gnetfeldsensors ist sein geringer Wirkungsgrad, da ein erheb licher Teil der zusätzlich gewonnenen Impulsenergie in den parallel geschalteten Spulen verbraucht wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Magnetfeldsensor bereitzustellen, der bei Verwendung mehrerer Impulsdrähte eine kompakte Bauform aufweist, und bei dem die erzeugten Spannungspulse zeitlich zuein ander synchronisiert sind.

Diese Aufgabe wird durch einen Magnet feldsensor nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung sowie die Verwendung der Erfin dung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung besteht in einem Magnetfeldsensor mit einer er sten Spule, einem Magnetelement und mindestens zwei Impuls drähten mit herstellungsbedingt voneinander verschiedenen Schaltfeldstärken, wobei das Magnetelement und die Impuls drähte innerhalb der ersten Spule liegen. Der Impulsdraht mit der kleinsten Schaltfeldstärke löst bei Überschreitung seiner Schaltfeldstärke durch ein mit der Zeit größer werdendes äu ßeres Magnetfeld aus und erfährt dabei eine schlagartige Ma gnetisierungsänderung, wodurch ein erster elektrischer Span nungspuls in der ersten Spule induziert wird. Ein an der er sten Spule angeschlossenes Speicherelement speichert die Energie des Spannungspulses. Ein an dem Speicherelement ange schlossenes Rückkoppelelement erzeugt aus der gespeicherten Energie ein zusätzliches Magnetfeld, das zeitgleich mit dem äußeren Magnetfeld auftritt und dem äußeren Magnetfeld gleichgerichtet ist. Dabei überschreitet das Summenfeld aus äußerem Magnetfeld und Zusatzfeld alle weiteren Schaltfeld stärken, wodurch alle weiteren Impulsdrähte synchron zum Aus lösen gebracht werden. Der damit verbundene zweite Spannungs puls wird gemessen und von einem Element zur Magnetfelderken nung ausgewertet.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Speicherelements und eines Rückkoppelelements ist es möglich, die Impulsdrähte in einer einzigen Spule anzuordnen und die Spannungspulse zu synchronisieren. Besonders vorteilhafterweise verwendet man als Speicherelement einen über eine Diode an der ersten Spule angeschlossenen Speicherkondensator. Die Diode, beispielswei se eine Schottkydiode, verhindert dabei eine Entladung des durch den ersten Spannungspuls aufgeladenen Kondensators. Das Rückkoppelelement ist in diesem Fall eine parallel zur ersten Spule gewickelte zweite Spule, die auf einer Seite über ein Schaltelement und auf der anderen Seite direkt mit dem Spei cherkondensator verbunden ist. Nach Aufladung des Kondensa tors durch den ersten Spannungspuls kann dieser durch Betäti gung des Schaltelementes über die zweite Spule entladen wer den, wodurch ein dem äußeren Magnetfeld gleichgerichtetes Zu satzfeld erzeugt wird.

In einer vereinfachten Ausführungsform ist die zweite Spule identisch mit der ersten und das Schaltelement überbrückt die Diode. Eine Entladung des durch den ersten Spannungspuls ge ladenen Kondensators über die erste Spule wird dabei durch Betätigung des Schaltelements gesteuert.

Vorzugsweise verwendet man als Schaltelement einen Rückkop pelkondensator. Der Rückkoppelkondensator ist für zeitlich veränderliche Ströme durchlässig, während er zeitlich kon stante Ströme sperrt. Die Entladung des einmal aufgeladenen Speicherkondensators wird dadurch verhindert. Bei Auftreten der ersten pulsartigen Spannung am Speicherkondensator wirkt der Rückkoppelkondensator jedoch wie ein Kurzschluß und erlaubt die Entladung des Speicherkondensators über die zweite Spule, wodurch ein dem äußeren Magnetfeld gleichgerichtetes Zusatzfeld erzeugt wird.

Der Rückkoppelkondensator soll lediglich als Sperre für Gleichstrom wirken, jedoch keine nennenswerte elektrische Energie speichern. Demnach ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kapazität des Rückkoppelkondensators klein ist gegenüber der Kapazität des Speicherkondensators.

In einer weiter vereinfachten Ausführungsform besteht das Speicherelement und das Rückkoppelelement aus einem an der ersten Spule angeschlossenen Speicherkondensator. Dadurch entsteht ein bedämpfter Schwingkreis, dessen Eigenschaften durch die Induktivität der Spule und die Kapazität des Spei cherkondensators gegeben sind. Um ein ausreichend starkes Zu satzfeld zu erzeugen, ist eine geeignete Kombination von In duktivität und Kapazität erforderlich. Eine Spule der Induk tivität von etwa 100 mH und ein Speicherkondensator einer Ka pazität von etwa 15 nF haben sich als geeignet erwiesen. Bei Verwendung eines Rückkoppelkondensators verwendet man vor zugsweise einen mit einer Kapazität von etwa 5 nF.

In einem durchgeführten Experiment mit einem Magnetfeldsensor mit zwei Impulsdrähten konnte mit Hilfe der Impulssynchroni sation eine Verkürzung der Pulsabstände von 420 µs auf 12 µs erreicht werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemä ßen Magnetfeldsensors in einer Magnetsensorik, wobei das Ele ment zur Magnetfelderkennung und eventuell weitere Elemente zur Signalverarbeitung ausschließlich von der im Speicherele ment gespeicherten Energie des zweiten Spannungspulses mit Strom versorgt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor mit zweiter Spule.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor ohne zweite Spule.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor mit einem Rückkoppelkondensator als Schaltelement.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor, bei dem der Speicherkondensator zugleich Speicherelement und Rückkoppelelement ist.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Magnetfeldsensor mit ei ner ersten Spule 1 dargestellt, in der sich zwei Impulsdrähte 3 und ein Magnetelement 4 befinden. Parallel zur ersten Spule 1 ist eine zweite Spule 2 gewickelt. Auf den Magnetfeldsensor wirkt ein äußeres Magnetfeld H ein. Das Magnetelement 4 ist entweder weich- oder hartmagnetisch. Für den Fall eines uni polaren äußeren Magnetfeldes H wird das hartmagnetische Ma gnetelement 4 als Rückstellelement benötigt, das das Zurück klappen der Magnetisierung der Impulsdrähte bewirkt. Dadurch sind nach Überschreiten der Schaltfeldstärken die Impulsdräh te für einen neuen Impuls bereit. Für den Fall, daß äußere Magnetfelder mit positiven und negativen Werten detektiert werden sollen, verwendet man ein weichmagnetisches Magnetele ment 4, das das äußere Feld auf den Bereich innerhalb der er sten Spule 1 konzentriert. An die erste Spule 1 ist eine Rei henschaltung einer Diode D und eines Speicherkondensators C_S angeschlossen. Die zweite Spule 2 ist an einem Ende direkt mit dem Speicherkondensator C_S und am anderen Ende über einen Schalter S mit dem Speicherkondensator C_S verbunden.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor mit einer ersten Spule 1, in der zwei Impulsdrähte 3 und ein Ma gnetelement 4 angeordnet sind. Auf den Magnetfeldsensor wirkt ein äußeres Magnetfeld H ein. In diesem Fall übernimmt die erste Spule 1 die Funktion der zweiten Spule aus Fig. 1. Die erste Spule 1 ist an eine Reihenschaltung aus einer Diode D und einem Speicherkondensator C_S angeschlossen. Die Diode D wird mit dem Schalter S überbrückt.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor mit einer ersten Spule 1, in der zwei Impulsdrähte 3 und ein Ma gnetelement 4 angeordnet sind. Auf den Magnetfeldsensor wirkt ein äußeres Magnetfeld H ein. An die erste Spule 1 ist eine Reihenschaltung von einer Diode D und einem Speicherkondensa tor C_S angeschlossen. Die Diode D wird von einem Rückkoppel kondensator C_K überbrückt.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor mit einer ersten Spule 1, in der zwei Impulsdrähte 3 und ein Ma gnetelement 4 angeordnet sind. Auf den Magnetfeldsensor wirkt ein äußeres Magnetfeld H ein. An die erste Spule 1 ist ein Speicherkondensator C_S angeschlossen.

Claims

1. Magnetfeldsensor mit

- einer ersten Spule (1),
- einem Magnetelement (4),
- mindestens zwei Impulsdrähten (3) mit herstellungs bedingt voneinander verschiedenen Schaltfeldstärken,
- einem an die erste Spule (1) angeschlossenen Spei cherelement (C_S), und
- einem Rückkoppelelement

bei dem das Magnetelement (4) und die Impulsdrähte (3) in nerhalb der ersten Spule (1) liegen,
bei dem der Impulsdraht (3) mit der kleinsten Schaltfeld stärke bei Überschreitung seiner Schaltfeldstärke durch ein mit der Zeit größer werdendes äußeres Magnetfeld (H) auslöst, dabei eine schlagartige Magnetisierungsänderung erfährt und einen ersten elektrischen Spannungspuls in der ersten Spule (1) induziert, dessen Energie von dem Speicherelement (C_S) gespeichert wird,
wobei das Rückkoppelelement aus der gespeicherten Energie ein zeitgleich mit dem äußeren Magnetfeld auftretendes und dem äußeren Magnetfeld gleichgerichtetes Zusatzfeld er zeugt,
und das Summenfeld aus äußerem Magnetfeld und Zu satzfeld alle weiteren Schaltfeldstärken überschreitet, wodurch alle weiteren Impulsdrähte (3) synchron zum Auslö sen gebracht werden und der damit verbundene zweite Span nungspuls ausgewertet wird.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, bei dem das Speicherelement ein über eine Diode (D) an der ersten Spule (1) angeschlossener Speicherkondensator (C_S) ist und das Rückkoppelelement eine parallel zur er sten Spule (1) gewickelte zweite Spule (2) ist, die auf einer Seite über ein Schaltelement (S) und auf der anderen Seite direkt mit dem Speicherkondensator (C_S) verbunden ist.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, bei dem die zweite Spule (2) mit der ersten Spule (1) identisch ist und bei dem das Schaltelement die Diode (D) überbrückt.

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 3, bei dem das Schaltelement ein Rückkoppelkondensator (C_K) ist.

5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 4, bei dem die Kapazität des Rückkoppelkondensators (C_K) klein ist gegenüber der Kapazität des Speicherkondensators (C_S).

6. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, bei dem das Speicherelement und das Rückkoppelelement durch einen an der ersten Spule (1) angeschlossenen Speicherkondensator (C_S) gebildet werden.

7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Diode (D) eine Schottkydiode ist.

8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem die Spulen (1, 2) eine Induktivität von etwa 100 mH und der Speicherkondensator (C_S) eine Kapazität von et wa 15 nF haben.

9. Magnetfeldsensor nach Anspruch 5, bei dem die Spulen eine Induktivität von etwa 100 mH und der Rückkoppelkondensator (C_K) eine Kapazität von etwa 5 nF haben.

10. Verwendung des Magnetfeldsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Magnetsensorik, wobei ein Element zur Magnetfelderkennung ausschließlich von der im Speicher element gespeicherten Energie mit Strom versorgt wird.