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Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Winkelsensor zur vereinfachten Auswertung eines Ausrichtungswinkels eines Magnetfeldes.
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STAND DER TECHNIK
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Magnetoresistive Winkelsensoren finden Verwendung zur Erfassung von mechanischen Bewegungen in der Industrieautomatisierung, in Automobilen, Haushaltsgeräten, Medizingeräten, elektronischen Konsumgütern und anderem. Sie erzeugen ein elektrisches Ausgangssignal, das vom Winkel eines Magnetfeldes am Ort des Sensors abhängt, meist beschränkt auf eine Ebene.
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Zur Erzeugung des elektrischen Ausgangssignals werden magnetoresistive Strukturen verwendet, also Strukturen, die auf die Einwirkung eines externen Magnetfeldes mit einer Veränderung des elektrischen Widerstandes reagieren. Einige der grundlegenden physikalischen Effekte, die dazu führen, sind der anisotrope magnetoresistive Effekt (Abk.: AMR), der Riesenmagnetowiderstand (Abk.: GMR) und der magnetische Tunnelwiderstand (Abk.: TMR). Sensoren, die auf den erwähnten Effekten beruhen, sind heute am Markt erhältlich.
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Solche Sensoren werden mit Verfahren der Dünnschicht- und Mikrosystemtechnik auf Silizium-, Glas- oder anderen Substraten hergestellt. Um Temperatureinflüsse auf die Ausgangssignale zu vermindern werden die magnetoresistiven Strukturen meist in Form sogenannter Wheatstonescher Brückenschaltungen verwirklicht (siehe 1).
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Jeder einzelne Widerstand (R1 bis R8) weist dabei eine Vorzugsrichtung auf, die in 1 durch Pfeile angezeigt wird. Sie beschreibt die Richtung des Magnetfeldes, bei dem der entsprechende Widerstand den höchsten Widerstandswert annimmt.
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Das dargestellte Beispiel bezieht sich auf GMR- oder TMR-Strukturen, bei denen die Vorzugsrichtung auch als Pinningrichtung bezeichnet wird. Auf AMR-Strukturen lässt sich die Darstellung übertragen, indem man die doppelte Periodizität der Widerstandsveränderung berücksichtigt. Die Vorzugsrichtung entspricht bei AMR-Strukturen der Richtung des Stromflusses.
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Durch die dargestellte Anordnung der Vorzugsrichtungen erzeugen die zwei Brückenschaltungen um 90° zueinander versetzte, sinusförmige, differenzielle Spannungssignale. In einer nachfolgenden Signalaufbereitung und - verarbeitung wird mittels einer Arcustangens2-Berechnung eine Winkelinformation erzeugt und an einer Schnittstelle zu Verfügung gestellt (siehe ). Die mathematische Funktion Arcustangens2 erzeugt aus zwei Argumenten eine Winkelinformation. So ist Arcustangens2(cos(alpha); sin(alpha)) = alpha, mit einem Winkel alpha zwischen -180° und +180°.
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In kostensensitiven Anwendungen, die andererseits eine geringere Anforderung an die Genauigkeit und den Messbereich stellen, ist die zuvor beschriebene Lösung zu aufwändig und damit zu teuer. Im Folgenden wird daher eine Lösung beschrieben, die mit einer kleineren Anzahl an Bauteilen und mit günstigeren Bauteilen auskommt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom bekannten Stand der Technik einen Winkelsensor mit einer verringerten Bauteilzahl zu günstigeren Kosten bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Winkelsensor nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird ein magnetoresistiver Winkelsensor vorgeschlagen, wobei magnetoresistive Widerstände in Form eines Spannungsteilers oder einer Wheatstoneschen Brückenschaltung angeordnet sind und die magnetoresistiven Widerstände eine magnetische Vorzugsrichtung aufweisen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetische Vorzugsrichtung der einzelnen magnetoresistiven Widerstände derart ausgerichtet sind, dass über einen bestimmten Winkelbereich des Magnetfeldes, kleiner oder gleich 180°, ein lineares Spannungssignal erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß wird mit dem magnetoresistiven Winkelsensor nur ein Signal erzeugt, das bereits über einen eingeschränkten Winkelbereich hinreichend linear ist, um den Anforderungen der Anwendung zu genügen. Dabei kann der Winkelsensor in Form eines Spannungsteilers oder einer Wheatstoneschen Brückenschaltung ausgebildet sein, wodurch entweder ein einzelnes oder ein differentielles Spannungssignal ausgegeben wird. Dieses Signal kann direkt mit einem Analog-Digital-Wandler umgesetzt werden und durch eine lineare Anpassung mit geringem Rechenaufwand in eine Winkelinformation umgewandelt werden. Auf diese Weise wird der magnetoresistive Winkelsensor kleiner und damit günstiger in der Herstellung, aber auch die Auswerteelektronik wird um mehrere diskrete Komponenten oder einen integrierten Halbleiterbaustein vereinfacht und damit ebenfalls günstiger. Die benötigten Funktionalitäten wie Analog-Digital-Wandlung, Spannungsversorgung und lineare Anpassung des Signals können in vielen Fällen durch einen im System bereits vorhandenen Mikrokontroller bereitgestellt werden (siehe ).
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Vorteilhafterweise können die magnetische Vorzugsrichtungen von zumindest einem, insbesondere allen magnetoresistiven Widerständen innerhalb eines Spannungsteilers, auch als Teilbereich einer Wheatstoneschen Brückenschaltung, einen Winkel von 75° bis 115° einschließen.
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Vorteilhafterweise können die magnetoresistiven Widerstände in Teilbereiche mit voneinander abweichenden magnetischen Vorzugsrichtungen aufgespalten sein, insbesondere in Teilbereiche mit voneinander abweichenden Vorzugsrichtungen aufgespalten werden sein, die einen Winkel von 30° einschließen, und die Vorzugsrichtungen von Widerständen innerhalb eines Spannungsteilers, auch als Teilbereich einer Wheatstoneschen Brückenschaltung, einen Winkel von 115° einschließen.
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Durch die vorgenannten Ausrichtungen der Vorzugsrichtungen kann zum einen ein größerer nutzbarer Winkelbereich und zum anderen eine verringerte Abweichungen von dem erwünschten linearen Verhalten des Ausgangssignals erreicht werden.
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Vorteilhafterweise können die magnetoresistiven Widerstände aus TMR-Elementen aufgebaut sein. Durch die Verwendung von TMR-Elementen als magnetoresistive Widerstände werden weitere Vorteile erzielt: Einerseits zeichnen sich TMR-Elemente durch besonders große Widerstandsveränderungen im Vergleich zu AMR- und GMR-Elementen aus, wodurch große Ausgangssignale erzielt werden. Das führt bei gleicher Analog-Digital-Wandlung zu einer höheren Signalauflösung. Andererseits weisen TMR-Elemente im Vergleich zu AMR- und GMR-Elementen auch geringere Veränderungen der Signalamplitude bei Änderungen der Temperatur auf. Aufgrund dieser Eigenschaft wird die Abweichung der Winkelinformation bei Veränderungen der Umgebungstemperatur minimiert.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 Schaltbild eines Winkelsensors des Stands der Technik;
- 2 Blockschaltbild einer Auswertung der Brückensignale des in 1 dargestellten Winkelsensors;
- 3 Eine erste Ausführungsform einer Brückenschaltung und eines Spannungsteilers eines erfindungsgemäßen Winkelsensors;
- 4 Eine weitere Ausführungsform einer Brückenschaltung und eines Spannungsteilers eines erfindungsgemäßen Winkelsensors;
- 5 Blockschaltbild einer Auswertung der Sensorsignale eines erfindungsgemäßen Winkelsensors (Wheatstoneschen Brücke oder Spannungsteiler);
- 6 Schematischer Kennlinienverlauf des Spannungssignals eines Spannungsteilers bzgl. einer Magnetfeldwinkeländerung gemäß eines Ausführungsbeispiels.
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In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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In der 1 ist eine an sich aus dem Stand der Technik bekannter Winkelsensor dargestellt, der eine Wheatstonesche Brücke für eine X- und zweite Wheatstonesche Brücke für eine Y-Koordinate umfasst. Die erste Brücke umfasst vier magnetoresistive Widerstände R1-R4, die eine mit Pfeilen angedeutete Vorzugsrichtung aufweist, und liefert ein Ausgangssignal Vout1+/-. Die zweite Brücke umfasst Widerstände R5-R8 und liefert ein Ausgangssignal Vout2+/-. Alle Vorzugsrichtungen der Widerstände einer Brücke sind in dieselbe Richtung ausgerichtet, unterscheiden sich allerdings von der Orientierung bzgl. dieser Richtung. Die Vorzugsrichtungen der Widerstände der beiden Brücken sind jeweils um 90° versetzt. In der 2 ist schematisch anhand eines Blockdiagrams eine Auswerteeinrichtung dargestellt, die die beiden Ausgangssignale Vout1 +/- und Vout2+/- des in 1 dargestellten Winkelsensors auswerten kann.
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In der 3 ist eine Vollbrücke und ein Spannungsteiler (Halbbrücke) einer ersten Ausführungsform dargestellt. Dabei sind die Vorzugsrichtung der Widerstände JEDES Spannungsteilers / jeder Halbbrücke gegenüber in einem Winkel >0° und kleiner 180° abgewinkelt, in diesem Fall beispielsweise u m 90° zueinander abgewinkelt.
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In der 4 ist eine Vollbrücke und ein Spannungsteiler (Halbbrücke) einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Dabei ist in Fortsetzung der Ausführungsform aus 3 jeder Widerstand in zwei Teilbereiche aufgeteilt, und die Vorzugsrichtungen der Teilbereiche unterscheiden sich nochmals in einem Winkel bis zu 30°.
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Nach wie vor entsprechen sich die Vorzugsrichtungen der Widerstände / Teilwiderständen diagonal angeordneter Brückenwiderstände der Vollbrücke. Dies führt zu einem größeren nutzbaren Winkelbereich und verringerten Abweichungen von dem erwünschten linearen Verhalten des Ausgangssignals.
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In der 5 ist hierfür eine geeignete Auswerteschaltung schematisch als Blockschaltung dargestellt, durch die ein Ausgangssignal eines Spannungsteilers oder einer Vollbrücke auswertbar sind.
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In den Darstellungen ist nur jeweils eine Vollbrücke oder ein Spannungsteiler dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass für ein 2- oder 3-Achsen Winkelsensor mehrere Vollbrücken bzw. Spannungsteiler einer erfindungsgemäßen Ausführungsform vorzusehen sind, und die jeweiligen Vorzugsrichtungen an die zu messende Feldkomponentenorientierung anzupassen sind.
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In der 6 ist ein Spannungsverlaufs eines Spannungsteilers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Durch die unterschiedlichen Vorzugsrichtungen der beiden Widerstände des Spannungsteilers, die abgewinkelt zueinander sind, kann ein mittlerer Kennlinienverlauf im Bereich von 110° bis 230° geglättet und verlängert werden, so dass größere Winkelbereiche erfasst und eine Linearisierung des Ausgangssignals erreicht werden.
