DE2532985B2

DE2532985B2 - Vorrichtung zur ermittlung der richtung eines magnetfeldes

Info

Publication number: DE2532985B2
Application number: DE19752532985
Authority: DE
Inventors: Tsunehiro Yokohama Kanagawa Maruo (Japan)
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-07-31
Filing date: 1975-07-23
Publication date: 1977-07-07
Also published as: US4053829A; JPS5116970A; FR2280906B1; CA1037562A; DE2532985A1; GB1492668A; NL7508989A; ATA597575A; AT368289B; JPS5613244B2; FR2280906A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung der Richtung eines magnetischen Feldes, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.

In der Praxis gibt es viele Fälle, in denen die Richtung eines Magnetfeldes zu ermitteln ist. Ein typischer Anwendungsfall ist die Bestimmung der Winkellage des Läufers eines elektrischen Motors, um dessen Geschwindigkeit oder Winkellage zu steuern, wie zum Beispiel bei Plattenspielern, Magnetbandgeräten und dergleichen.

Seit einiger Zeit werden zur Bestimmung magnetischer Felder magnetoresistive Bauelemente verwendet, die von einem zu ermittelnden Feld durchsetzt werden, so daß an ihnen bei Einschaltung in einen elektrischen Schaltkreis ein feldabhängiger Spannungsabfall auftritt.

(,0 Durch Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes an das magnetoresistive Bauelement läßt sich der Arbeitspunkt auf einer Widerstands/Induktionskennlinie einstellen und die Empfindlichkeit steigern.

Eine bekannte Vorrichtung (DT-AS 20 42 491) arbei-

ds tet mit einem magnetoresistiven Plättchen, das im Luftspalt eines Magnetjochs angeordnet ist und von dem Vormagnetisierungsfeld senkrecht durchsetzt wird. Durch geeignete Formgebung der Komponenten und

iurch zusätzliche Fangbleche, die den Fluß des zu jrmittelnden, das Plättchen ebenfalls senkrecht durchietzenden Magnetfeldes verstärken, wi'd eine im Vergleich zu anderen Vorrichtungen höhere Empfindlichkeit erzielt. Die bekannte Vorrichtung wird zur Messung der Winkellage einer Welle verwendet, indem ein mit der Welle rotierender Magnet das zu ermittelnde Feld liefert.

Eine derartige Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie relativ unempfindlich ist und nur angeben kann, in welcher von zwei möglichen Richtungen das Magnetfeld fließt. Außerdem ist sie temperaturempfindlich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie eine höhere Empfindlichkeit aufweist und die Feststellung von mehr als nur zwei Richtungen für den Fluß des Magnetfeldes zuläßt. Außerdem soll sie möglichst temperaturunempfindlich sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die genaue Richtung eines zu messenden Magnetfeldes festzustellen. Dadurch, daß das Vormagnetisierungsfeld und das zu messende Feld in der gleichen Ebene liegen, ist die Ausgangsspannung von der Winkelstellung des resultierenden Feldes abhängig. Die Ausgangsspannung ist jedoch durch Betreiben im Sättigungsbereich von der Intensität des Feldes unabhängig.

Der Aufbau des magnetoresistiven Bauelementes in Form von schichtförmigen Streifen auf einem Substrat gewährleistet eine hohe Empfindlichkeit und geringe Temperaturabhäiigigkeit.

In Weiterbildung der Erfindung sind in den Unteransprüchen Merkmale angegeben, die die vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung und ferner eine Anwendung zur Ermittlung der Winkelstellung einer Welle betreffen. Bei dieser Anwendung wirkt auf die erfindungsgemäße Vorrichtung ein zu ermittelndes Magnetfeld ein, das von einem rotierenden Magneten herrührt, der in Richtung seiner Dicke magnetisiert ist. Das Feld wirkt unter einem Winkel ein, der sich mit der Rotation gegenüber einem vorgegebenen Winkel ändert. Vorzugsweise ist die Intensität des resultierenden Flusses so groß, daß er zur Sättigung der ferromagnetischen Schichtstreifen ausreicht. Die einzelnen Flüsse des Vormagnetisierungsmagneten und des das Signalfeld liefernden Magneten brauchen dabei nicht zur Sättigung zu führen. Wenn die Flüsse zum Beispiel senkrecht zueinander sind, reicht für jeden der

Wert -^ des Sättigungsflusses (etwa 40 bis 50 Oersted)

aus. Bei gewissen Intensitätsschwankungen und Richtungsabweichungen der Flüsse von der Ebene der magnetoresistiven Elemente bleibt das Ausgangssignal im wesentlichen unbeeinflußt. Man erhält also optimale Ausgangssignale.

Da die Oberfläche der ferromagnetischen Schichtstreifen parallel zu den Polflächen des Vormagnetisierungsmagneten und des signalgebenden Magneten sind, können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Vielzahl magnetoresistiver Bauelemente auf einem isolierenden Substrat angeordnet oder ausgebildet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine schematische Ansicht des Betriebs eines magnetoresistiven Bauelementes, wie es im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet wird,

F ι g. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild zu F i g. 1,

Fig.3 zeigt eine Aufsicht eines magnetoresistiven Bauelements, das sich für eine Ausführungsform der Erfindung verwenden läßt,

F i g. 4 zeigt ejne graphische Darstellung der Beziehung zwischen Änderung der Ausgangsspannung des magnetoresistiven Bauelementes und der Richtung eines auf das Bauelement einwirkenden Magnetfeldes,

Fig.5A und 5B zeigen schematische Ansichten zu Beispielen magnetischer Felder, die auf ein der Erfindung gemäßes magnetoresistives Bauelement einwirken,

F i g. 6A und 6B zeigen in Aufsicht und im Querschnitt die räumlichen Verhältnisse bezüglich des magnetoresistiven Bauelementes und des stationären Vormagnetisierungsmagneten, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorliegen,

F i g. 7A und 7B zeigen in Aufsicht und im Querschnitt einen rotierbaren Magneten, wie er bei einer Ai.isführungsform der Erfindung zur Anwendung kommt,

Fig.8 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform eines bürstenlosen Motors, in dem gemäß einer Anwendung der Erfindung ein magnetoresistives Bauelement vorgesehen ist,

Fig.9 zeigt eine andere Ausführungsform eines magnetoresistiven Bauelementes, wie es im Rahmen der Anwendung der Erfindung benutzt wird,

Fig. 10 zeigt im Zusammenhang mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung eine Aufsicht der relativen Stellung zwischen einem stationären Vormagnetisierungsmagneten und einem magnetoresistiven Bauelement nach F i g. 9,

Fig. HA und HB zeigen eine Aufsicht und einen Querschnitt, aus denen ersichtlich ist, wie gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung das magnetoresistive Bauelement auf einer gedruckten Schaltungsplatte angebracht bzw. befestigt ist.

Zur Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sei auf die Figuren verwiesen, in denen durchweg übereinstimmende Bezugszeichen verwendet sind. In F i g. 1 ist ein magnetoresistives Bauelement 1 gezeigt, das ein Paar Streifen A und B hat, die aus ferromagnetischem Material gebildet sind und magnetoresistiven Effekt zeigen. Die Longitudinalrichtung des Streifens A ist senkrecht zu derjenigen des Streifens E. Streifen A und B sind elektrisch in Reihe miteinander geschaltet. Stromzuführungsanschlüsse 2 und 3 sind mit den einander gegenüberliegenden Enden der Streifen A und B verbunden. Ein Ausgangsanschluß 4 ist mit einem Verbindungs-Schaltungspunkt verbunden, der durch die Verbindung der Streifen miteinander gebildet ist. Zwischen den Stromzuführungsanschlüssen 2 und 3 liegt eine Versorgungsstromquelle 5. Ein Stromversorgungsanschluß 3 ist mit einem Bezugspotential, wie z. B. Masse, verbunden. Das ganze magnetoresistive Bauelement bildet einen Prüf-Schaltkreis 6 zur Feststellung des Vorhandenseins eines Magnetfeldes.

Es sei angenommen, daß ein Magnetfeld H vorliegt, das eine genügend hohe Intensität hat, um die Streifen A und B zu sättigen und das auf die Streifen in einem Winkel θ bezogen auf die Längsrichtung des Streifens A, einwirkt. Im allgemeinen ist der Widerstand eines gesättigten ferromagnetischen Materials anisotrop. Das heißt, daß der Widerstand eines solchen Materials in der Richtung der Magnetisierung größer ist als in der dazu

senkrechten Richtung. Dementsprechend können die [spezifischen) Widerstände ρ_Α und gsder Streifen A und B durch die Voigt-Thomson-Formel wiedergegeben werden:

= öl S'"² W + ί'ιι

^cos2

W +

c>ii

sin²

(2)

in denen M₁ der Widerstand des ferromagnetischen Streifens /4 oder ß ist, wenn dieser mittels eines Magnetfeldes gesättigt ist, das senkrecht zur Längsrichtung des jeweiligen Streifens gerichtet ist. <>₍| ist der Widerstand des ferromagnetischen Streifens, wenn dieser durch ein Magnetfeld gesättigt ist, das parallel zur Längsrichtung des Streifens ist.

F i g. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des magnetoresistiven Bauelementes nach F i g. 1. Am Ausgangsanschluß 4 läßt sich eine Spannung \\θ) durch Spannungsteilung erhalten, wobei diese Spannung durch die Gleichung gegeben ist:

V(B) = —j

(3)

in der V₀ der Spannungswert der VersorgungsspannungsquetleS ist.

Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) in die Gleichung (3) und durch Umordnung der Ausdrücke erhält man:

(4)

in der

= n.. — ei ist.

¹ C = V

In Gleichung (4) stellt der erste Ausdruck einen konstanten Spannungswert Kv dar, der eine Funktion der Versorgungsspannung K* = Ko/2 ist. Der zweite Ausdruck gibt die Abweichung vom konstanten Spannungswert an, die auf den Einfluß des Magnetfeldes H zurückgeht. Diese Änderung der Ausgangsspannung wird als V(ß) angegeben. Wenn der Widerstand des ferromagnetischen Streifens A bzw. ßbei Abwesenheit des Feldes H mit ρη ausgedrückt wird, und wenn 2ρο <= MD + .I₁ ist, dann kann Δ \\θ) wie folgt geschrieben werden:

IK(W)= - , ^L> cos2« K₀ 4 en

(5)

Es sei darauf hingewiesen, daß gemäß Gleichung (5) V[Q) jeweils maximalen positiven oder negativen Wert, der dem Betrag nach das Maximum der Änderung der Ausgangsspannung ist, bei Winkeln für θ mit 0°, 90°, 180° und 270° annimmt, nämlich dort wo cos 2Θ - ± 1 ist.

Nachfolgend wird an Hand der F i g. 3 eine Ausführungsform eines magnetoresistiven Bauelementes 1 beschrieben, das den obigen Gleichungen genügt. Zum Beispiel durch übliche Vakuum-Aufdampftechnik ist ein dünner Film bzw. eine dünne Schicht aus ferromagnetischem Material auf beispielsweise einem elektrisch isolierenden Substrat 7 abgeschieden. Die Schicht 1st angenähert 600 bis 1000 Angström dicht. Typische Beispiele für das Substrat 7 sind ein Glasplatten, sin Decicplättchen, eine Photo-Trockenplatte od. dgl. Es können auch andere gcoignete Materialien verwendet werden. Die dünne Schicht wird dann so geätzt, daß ferromagnetische Streifen A und B entstehen, die Zick-Zack-Form oder Serpentinenform (wie dargestellt) haben oder in Streifen vorliegen. Die Streifen A und B werden zusammen mit den Anschlüssen 2,3 und 4 gebildet. Die ferromagnetischen Streifen A und B haben eine Anzahl hauptsächlicher Stromleiter 8 und 9 und zugehörige Verbindungsanteile 10 und 11. Die Stromleiter 8 und 9 sind im wesentlichen senkrecht zueinander. Wie aus Fig.3 zu ersehen, leiten die Streifen A elektrischen Strom vorwiegend in Vertikalrichtung und die Streifen B leiten dementsprechend den Strom vorwiegend in Horizontalrichtung. Die Richtungen können auch miteinander vertauscht sein. Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere überwiegend zueinander senkrechte Richtungen für die Stromleitung vorgesehen sein können. Die letzte Leitungsbahn 8a der Stromleiter 8 ist mit der ersten Leitungsbahn 9a der Stromleiter 9 in Reihe geschaltet. Die Verbindung zwischen den D Leitungsbahnen 8a und 9a ist mit dem Anschluß 4 verbunden.

Aufgrund der in F i g. 3 dargestellten Anordnung ist die wirksame Länge und dementsprechend der Widerstand des magnetoresistiven Bauelementes 1 vergrö- <i Bert. Gleichzeitig läßt sich damit die Gesamtgröße des magnetoresistiven Bauelementes auf ein Minimum bringen. Als Folge davon ergibt sich eine Verringerung des Leistungsverbrauches und die Änderung der Ausgangsspannung \\Θ) läßt sich vergrößern. Diese ο Umstände sind besonders vorteilhaft.

Die Art und Weise in der das magnetoresistive Bauelement 1 im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird nachfolgend beschrieben. Die Gleichung (4) läßt sich graphisch wie in F i g. 4 gezeigt ts darstellen. Wie ersichtlich, ist die Ausgangsspannung \\θ) dann gleich Ko/2. wenn das Magnetfeld Win bezug auf die Streifen in einem Winkel von θ = 45° angelegt ist bzw, einwirkt. \\Θ) ist bei θ = 45° gleich 0, da dann cos26 = 0 ist. Die Ausgangsspannung 1{θ) ist ein μ, Minimum oder ein Maximum bei den Winkeln 0 = 0" und =90°.

Um aus dem magnetoresistiven Element maximale Ausgangsleistung herauszuholen, wird ein stationärer Vormagnctisicrungsfluß (Grundwert des Flusses) mit 4s einer Feldstärke Wh vorgesehen, der auf das magnetoresistive Bauelement mit einem Winkel von θ = 45" einwirkt. Es sei angenommen, daß ein einem Signal entsprechender Magnetfluß eine Feldstärke Wn hat, der auf das Bauelement in einer Richtung einwirkt, die so vorzugsweise senkrecht zu dem Feld W/jdes Vormagnetisierungsflusses ist, wie dies in F i g. 5A geneigt ist. Da: Feld der Vormagnetisierung und das des Signals bilder ein resultierendes Feld mit der Richtung θ ν und dei Feldstärke Hv. Der Winkel θ vdes resultierenden Feldes und die Feldstärke desselben können ausgedrück werden durch:

W₁, . tun"¹ -£" +45 I"» I

und

H₁

Wenn die Feldstärkowerte der Vormngneiisieruni

(15 und des Signals gleich groß sind, d. h. Wn - Wa dann Is

B v- 90°. Die resultierende Feldstärke Hv ist dann gleicl

Es sei nunmehr angenommen (siehe F i g. 5B), daß der Magnetfluß des Signals eine Feldstärke Hs hat, mit der er auf das magnetoresistive Bauelement 1 in einer Richtung einwirkt, die entgegengesetzt derjenigen des Feldes Hh ist. Das sich bei dieser Vormagnetisierung und Feldstärkewert des Signals ergebende resultierende Feld hat jetzt eine Richtung Qh und einen Feldstärkewert Hh- Der Winkel Θ/, und der Feldstärkewert Hh des resultierenden Flusses können ausgedrückt werden durch:

(•)_h = tan

H_h = |H² _B

(7)

(8)

Wenn die Feldstärkewerte der Vormagnetisierung und des Signals gleich groß sind, d. h. Hs = H& dann ist θ/, = 0°, und die resultierende Feldstärke

Es sei nunmehr auf die F i g. 6A und 6B verwiesen, in denen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem magnetoresistiven Bauelement beschrieben ist, auf das man einen stationären Vormagnetisierungsfluß mit einer Feldstärke Hp einwirken läßt und das tiazu verwendet wird, Signal-Flüsse Hh, Hs festzustellen. F i g. 6A zeigt die zueinander relativen Stellungen von drei magnetoresistiven Bauelementen la, Ibund lcund eines stationären Vormagnetisierungsmagneten 12. Fig.6B zeigt einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie VIB-VIB. Einem Beispiel gemäß ist der Magnet 12 eine Scheibe, die aus plastischem magnetischem Material hergestellt ist, z. B. aus einem magnetischem Pulver, das in einem Polyester fein verteilt ist, wobei das Pulver in Dickenrichtung magnetisch ausgerichtet ist. Damit ergibt sich, daß, wie in Fig.6A gezeigt, die obere Oberfläche von Anteilen des Magneten die eine Polarität und die untere Oberfläche desselben der Anteile dazu entgegengesetzte Polarität hat. In einer Ausführungsform ist der Magnet 12 kreisrund und hat propcllcrförmige Sektoren, wobei die »Propellcrblätter« von fächerförmigen Sektoren unterbrochen sind, wie dies bildlich aus F i g. 6 zu ersehen ist. Auf der oberen Oberfläche sind die Nordpolc auf den PropcllerbltUtern ausgebildet und die Südpole liegen benachbart und wechseln sich mit den Nordpolcn ab. Auf der unteren Oberfläche des Magneten 12 liegen die Nord- und SUdpole in denjenigen Bereichen, in denen auf der oberen Oberfläche Süd- und Nordpole jeweils gegenüberliegen. Auf diese Weise ist ein stationärer Vormagnetisicrungszufluß über eine jede der Grenzen zwischen benachbarten Nordpol- und Südpolflächen erzeugt, wie dies durch die Pfeile H/iin der Figur gezeigt ist. Dk; drei magnetoresistiven Bauelemente la, Ib und Ic sind in der Nachbarschaft dieses stationären Vormngnetisierungsmagneten 12 in regelmäßigen Winkelabständen voneinander mit 120" an ausgewählten Grenzen angeordnet, wie dies in Fig.bA zu sehen ist. Die Oberflächen der ferromagnetischen Metallstreifen A und Bder drei magnetoresistiven Bauelemente la, Ib und Ic, und dementsprechend auch die Oberflächen der Substrate, sind parallel zur Oberfläche des Magneten 12, d. h. parallel zu dessen Polflächen. Die drei Bauelemente ta, Ib und Ic sind in bezug auf die Grenzen zwischen den Filichen der Nordpole und der Südpole winkelmäßig derart verteilt, daß der konstante Vormagnetisie-

rungsfluß Hn auf ein jedes der drei Bauelemente bezüglich eines Stromleiters, wie ?.. B. der Stromleitungsbahn 8, in einem Winkel von 45° einwirkt. Das Vormagnetisierungsfeld wirkt (in der Ebene) parallel auf die Streifen Λ und Sein.

Fig. 7A zeigt eine Aufsicht eines rotierbaren Magneten 13, der so ausgebildet ist, daß er einen einem Signal entsprechenden Magnetfluß liefert. Der Magnet

13 kann auf einem rotierbaren Teil befestigt sein, dessen (Winkel-)Stellung somit zu ermitteln ist. Fig.7B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie VlIB-VIIB. Der Magnet 13 ist scheibenförmig und besteht aus einem kreisförmigen, magnetischen Plastikmaterial, das in Dickenrichtung magnetisiert ist. Es sei darauf hingewiesen, daß der Magnet 13 gleich bzw. ähnlich dem Magneten 12 für die Vormagnetisierung ist und somit mit Polflächen ausgerüstet ist, die in einer Oberflächenebene des Magneten 13 derart angeordnet sind, daß sie ein Magnetfeld Hs, Hn erzeugen. Dieses Feld entspricht dem voranstehend erwähnten Signalfeld und verläuft quer zu den Magnetpolflächen und ist so angeordnet, daß es auf die magnetoresistiven Bauelemente la, Ib und Ic parallel zu deren jeweiligem Substrat einwirkt. Wie zu sehen, unterscheidet sich die Konfiguration des Magneten 13 der dargestellten Ausführungsform von derjenigen des Magneten 12 nach den Fig.6A und 6B. Der Magnet 13 ist zirkulär und ist hier mit zwei Sätzen oder Paaren halbkreisförmiger Magneten entgegengesetzter Polarität ausgebildet. Diese Paare sind konzentrisch zueinander. Es ergeben sich somit Grenzen zwischen der einander benachbarten Nord- und Südpolfläche des äußeren ringförmigen Paares und Grenzen zwischen der Süd- und Nordpolfläche des inneren Ringpaares. Außerdem liegen Grenzen zwisehen den einander konzentrischen halbkreisförmigen Nord- und Südpolflächen und Süd- und Nordpolflächen vor, wie diese auf der linken und der rechten Seite der Fig. 7 A zu sehen sind.

In F i g. 8 ist eine Ausführungsform eines bürstenlosen Motors 16 dargestellt, der eine Detektoreinrichtung für die Rotation- oder Winkelstellung hat, wobei diese Einrichtung drei magnetoresistive Bauelemente la, Ib und Ic aufweist. Bei dieser Ausführungsform sind der stationäre Magnet 12 für die Vormagnetisierung und der rotierende Signalmagnct 13 konzentrisch oder auf einer Achse zueinander und befinden sich in einem Abstand mit ihren Seiten einander parallel gegenüberliegend angeordnet. Die drei Bauelemente 1«, !bund Ic befinden sich zwischen dem Magneten 12 und den-Magneten 13 derart, daß die Oberflächen der fcrroma gnetischen Metallstreifen A und β der drei Bauelemente la, 16, Ic parallel zu den Magnetfeldern sind, die vor den beiden Magneten 12, 13 erzeugt werden. Di< Bauelemente sind auf einer gedruckten Schaltungsplatu

14 angebracht und liegen in ihrer Stellung durcl synthetisches Kunstharz 15 befestigt fest. Die Schal tungsplatte 14 ist an einem Gehäuse 17 des bürstcnlosei Motors 16 befestigt. Der permanentmagnetische Roto oder Läufer 18 ist auf einer Welle 21 befestigt und Heg in dem Motorgehäuse 17 befindlichen Feldmagnete 19a und 19b gegenüber. Um die Fcldmagnctcn 19a un 19b sind Magnetspulen 20a und 20b herumgcwickel Die Läuferwelle 21 Ist mittels der Lager 22a und 22 rotierend gelagert und sie trägt den Signalmngnctcn 13

Die wie in den F i g. 7A und 7B gezeigten SignalflUss /-/λ/und Hs des rotierenden Magneten 13 wirken auf di magnetoresistiven Bauelemente \a, Ib, und Ic cii Sobald der Magnet 13 von der Welle 21 der in Fist.

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ίο

dargestellten Ausführungsform rotiert, wirken die dem Signal entsprechenden Magnetflüsse Hn und Hs abwechselnd auf jedes der drei Bauelemente la, 16 und Icein. Dementsprechend wirken auf die magnetoresistiven Bauelemente abwechselnd die resultierenden Flüsse s Hv und Hh ein, die die resultierenden Vektoren des Vormagnetisierungsflusses W₀ und des Signalflusses H_n, Hs sind. Diese sind gleich den in den Fig.5A und 5B gezeigten resultierenden Flüssen.

Wenn man die Kombination des in den Fig.6A und 6B gezeigten stationären Vormagnetisierungsmagneten 12 und in den Fig. 7A und 7B gezeigten rotierenden Magneten 13 betrachtet, stellt man fest, daß dann, wenn der resultierende Fluß λ/ν auf das eine magnetoresistive Bauelement, beispielsweise auf das Bauelement la, is einwirkt, der resultierende Fluß Hh auf die anderen Bauelemente 16 und Ic einwirkt. Dementsprechend erhält man das maximale Ausgangssignal aus dem Bauelement la dann, wenn der Signalfluß Hn auf das Bauelement la in einem Winkel von 90°, bezogen auf den Vormagnetisierungsfluß H_B einwirkt, so daß θ ν= 90° ist. Zur gleichen Zeit erhält man aus den Bauelementen 16 und Ic (siehe Fig. 4 und 5A und 5B) das minimale Ausgangssignal, weil der Signalfluß H_sauf die Bauelemente 16und lemit einem Winkel von -90°, bezogen auf den Vormagnetisierungsfluß Hn, einwirkt, so daß Θλ = 0° beträgt. Maximales Ausgangssignal und minimale Ausgangssignale treten abwechselnd an den Bauelementen la, 16 und Ic auf und sind somit Funktionen der Winkelstellung der Läuferwelle 21, da diese den Magneten 13 dreht. Aus den magnetoresistiven Bauelementen la, 16 und Ic können dementsprechende Impuls-Ausgangssignale entnommen werden.

Im Hinblick auf die vorangehend dargelegte Grundlage des Betriebs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ersichtlich, daß die Anordnung der Magnetpole des stationären Vormagnetisierungsmagneten 12 und des rotierenden Signalmagneten 13, die jeweils in Dickenrichtung magnetisiert sind, nicht auf die in den F i g. 6A, 6B, 7A und 7B dargestellte Ausführungsformen .(o beschränkt ist. Es können zahlreiche Abwandlungen und Abänderungen ins Auge gefaßt werden.

F i g. 9 zeigt eine andere Ausführungsform eines magnetoresistiven Bauelementes, das zusammen mit der Erfindung verwendbar ist. Bei dieser Ausführiingsform hat das magnetoresistive Bauelement zwei Paare ferromugnetischer Metallstreifen A und ß, die miteinander in Brückcnschaltupg verbunden sind. Die zwei Paare des fcrromagnctischcn Metallstreifen A und O sind auf einem gemeinsamen isolierenden Substrat abgeschic- so den. Stromzuführungsanschlüsse 101 und 102 und Ausgangsanschlüsse 103 und 104 sind mit dem Bauelement 100 verbunden, wie dies schematisch dargestellt ist.

Wenn man das magnetoresistive Bauelement 100 zum Feststellen eines Magnetfeldes verwendet, haben die Ausgangssignale an den Ausgangsanschlüssen 103 und 104 zueinander entgegengesetzte Phase. Dementsprechend ist es für viele Anwendungen ausreichend, lediglich den einen oder den anderen AusgangsanschluU (>o zu verwenden, und zwar unabhängig von der gewünschten Polarität des Ausgangssignals. Einem Beispiel gemäß kann das Ausgangssignal, ζ. B. des Ausgangsanschlusses 104, bezüglich seiner Phase invertiert werden und dann dem Ausgangssignal des Ausgangsanschlusscs f>5 103 addiert werden, um ein resultierendes Ausgangssignal vorgegebener Polarität, jedoch mit gegenüber der normalen Amplitude doppeltem Wert zu erzeugen.

Sinngemäß kann auch das Ausgangssignal des Anschlusses 103 in seiner Phase invertiert und dem Ausgangssignal des Anschlusses 104 addiert werden.

Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform eines stationären Vormagnetisierungsmagneten, der dazu verwendet werden kann, den magnetoresistiven Bauelementen 100 ein Vormagnetisierungsfeld zuzuführen. Ein scheibenförmiger stationärer Vormagnetisierungsmagnet 105, der in seiner Dickenrichtung magnetisiert ist, hat, wie hier gezeigt, Halbkreisform und ist mit abwechselnden Polflächen auf seiner Oberfläche ausgerüstet, wie dies zu sehen ist. Benachbart dem Magneten 105 und in einem Winkel von 60° voneinander getrennt, sind drei magnetoresistive Elemente 100a, 1006. 100c derart angeordnet, daß sie sich an jeweils einer der Grenzen der Polflächen dieses Vormagnetisierungsmagneten befinden. Außerdem sind diese Bauelemente in bezug auf die Grenzen jeweils in einem Winkel von 45° angeordnet und das Brücken-Ausgangssignal des jeweiligen magnetoresistiven Bauelementes wird von den Ausgangsanschlüssen 103 und 104 mit entgegengesetzten Polaritäten abgenommen. Mit der Ausführungsform nach Fig. 10 kann ein Betrieb ausgeführt werden, der äquivalent demjenigen der Ausfuhrungsform nach F i g. 6A ist, bei der die drei Bauelemente la, 16, ledern Grundwert-Magneten benachbart in regelmäßigen Winkelintervallen von 120° angeordnet sind. Bei Verwenudng der Konfiguration nach Fig. 10 können die drei magnetoresistiven Bauelemente 100a, lOOö, 100c auf einer gedruckten Schaltungsplatte aufgebaut sein, womit die Stromzuführung und die Signalabnahme vereinfacht ist und womit der dafür erforderliche Raum auf ein Minimum gebracht ist, so daß eine günstige Raumausnutzung erreicht ist.

Nachfolgend wird ein Stellungsdetektor mit einer magnetoresistiven Vorrichtung nach Fig. 10 an Hand der Fig. 11A und 11B beschrieben. Fig. 11Λ zeigt eine Aufsicht auf eine magnetoresistive Vorrichtung und Fig. 11B ist ein Querschnitt gemäß der Linie XlB-XIB nach Fig. 11A. Mit elektrischen Leitern sind Drahtmuster oder Verdrahtungen 106a und 1066 ausgebildet, die auf einer keramischen Grundplatte 107 abgeschieden oder aufgebracht sind. Die elektrischen Leiter können durch Ätzung oder in anderer Weise auf der Platte 107 gemäß üblicher Technologie hergestellt sein. Die magnetoresistiven Bauelemente 100«, 1006, lOOcsind an vorgegebenen Stellen auf der Grundolatte 107 durch irgendeinen üblichen Herstellungsprozcß räumlich fest angebracht. Dies kann z. B. durch eine Facc-Down-Bondingtechnik ausgeführt sein. Auf diese Weise sind die Anschlüsse 101, 102, 103 und 104 eines jeden der Bauelemente 100a, 1006, 100c elektrisch mit den Verdrahtungsmustern 106a und 1066 mit mechanischen Verbindungen 108a und 1086 verbunden, wie dies auch näher aus der F i g. 11B zu ersehen ist.

Der stationäre Vormagnetisieriingsmagnet 103 ist auf der Grundplatte 107 unter Verwendung eines Abstandsstückes 109 befestigt. Das Abstandsstück kann aus einem Acryl-Kunstharz bestehen und die ^porm eines Halbkreises haben, der der Form des Magneten 105 entspricht. In dem Abstandsstück 109 sind Aussparungen 109fl, 1096 und 109czur Aufnahme der Bauelemente 100/?, 1006 und 100c vorgesehen. Es sind zusätzliche Leiter 120 zur Verdrahtung vorgesehen, die die Verdrahtungen 106a und 1066 mit einem integrierten Schaltkreis 12 verbinden. Die Verdrahtungen 120 können auf der Grundplatte 107 abgeschieden sein. Der Schaltkreis 121 kann einen die Wellenform bildenden

Schaltkreis, einen Verstärker und/oder einen anderen signalverarbeitenden Schaltkreis haben. Weitere Leiter bilden Verdrahtungen 122, die aus dem Schaltkreis 121 herausführen, um das Ausgangssignal des Schaltkreises 121 einer weiteren Vorrichtung zuzuführen und den Schaltkreis mit einer zugehörigen Versorgungsspannungsquelle zu verbinden.

Wie aus Fig. 11B zu ersehen, befindet sich der rotierende Magnet 123 der gleich dem zusammen mit der Fig.7A beschriebenen Signalmagneten 13 sein kann, mit vorgegebener Entfernung im Abstand von und parallel zur Grundplatte 107. Der Magnet 123 rotiert zusammen mit irgendeinem Teil, dessen Position zu ermitteln ist. Für einen Anwendungsfall kann der Magnet 123 beispielsweise an der Läuferwelle eines bürstenlosen Motors befestigt sein. Die Betriebsweise einer Ausführungsform nach Fig. 1IB ist gleich derjenigen anderer erfindungsgemäßer Ausführungsformen. Eine weitere diesbezügliche Beschreibung erübrigt sich somit.

Die im Zusammenhang mit den dargestellten Ausführungsformen gegebene Beschreibung stellt keine s Beschränkung der Erfindung auf derartige Ausführungsformen dar. Der einschlägige Fachmann vermag mit Kenntnis der vorangehenden Beschreibung weitere Ausgestaltungen der Erfindung vorzunehmen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen und selbst

ίο erfinderisch tätig werden zu müssen. Die Anwendung der Erfindung auf die Feststellung der Winkellage eines Läufers eines Motors ist nur ein Anwenduingsbeispie und stellt ebenfalls keine Beschränkung der Erfindung dar. Es ist ersichtlich, daß die Erfindung auch für andere

is Anwendungen in Frage kommt, in denen die Richtung eines Magnetfeldes für irgendeinen Zweck zu ermittelr ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

25 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Richtung eines magnetischen Feldes, mit einem magnetoresistiven Bauelement aus ferromagnetische!!! Material, dessen Enden mit Stromzuführungsanschlüssen verbunden sind, und mit einem stationären Vormagnetisierungsmagneten, der benachbart dem magnetoresistiven Bauelement angeordnet ist und dieses mit einem Vormagnetisierungsfeld beaufschlagt, d a durch gekennzeichnet, daß das magnetoresistive Bauelement auf einem isolierenden Substrat (7) angeordnet ist und aus ersten und zweiten schichtförmigen Streifen (8, 9) besteht, die jeweils einen ersten Hauptstrompfad (A) und einen zweiten dazu senkrechten Hauptstrompfad (B) bilden, daß die beiden Hauptstrompfade (A, ß^jeweils mit einem Ende verbunden und mit ihrem anderen Ende an die Stromzuführungsanschlüsse (2, 3, 103, 104) angeschlossen sind, daß der Verbindungspunkt zwischen den Hauptstrompfaden (A, B) zur Abnahme eines Ausgangssignals mit einem Ausgangsanschluß (4) verbunden ist, daß der Vormagnetisierungsmagnet (12,105) so in bezug auf das Substrat (7) angeordnet ist, daß das Vormagnetisierungsfeld (Hb) parallel zu dem Substrat (7) und unter einem Winkel (Θ) von 45" bezogen auf einen der Hauptstrompfade (A, B) verläuft, und daß die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes (Hb) so gewählt wird, daß das mit dem zu ermittelnden Feld (Hs, H_n) gebildete resultierende Feld (Hv, H_n) zur Sättigung des magnetoresistiven Bauelements (1,100) ausreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoresistive Bauelement (100) auf einer gedruckten Schaltungsplatte (14, 107) ausgebildet oder aufgebracht ist und auf diese Platte mittels synthetischem Kunstharz fixiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormagnetisierungsmagnet (12, 105) scheibenförmig ist und in Richtung seiner Dicke magnetisiert ist (Fig.6, 10, 11), wobei die Ebenen dieses Vormagnetisierungsmagneten (12,105) parallel zum magnetoresistiven Bauelement (1, 100) ist und einander abwechselnde Magnetpole (N, S) hat, die auf der Oberfläche des Magneten vorliegen und wobei wenigstens ein magnetoresistives Bauelement (1, 100) sich benachbart einer Grenze befindet, die durch zwei dieser Magnetpole gebildet ist (N, S, F i g. 6,10,11).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld (Hs, Hn), dessen Richtung zu ermitteln ist, durch einen rotierbaren Magneten (13) erzeugt ist, der auf einer rotierenden Welle (21) angebracht ist und mit dieser rotiert, wobei dieser Rotationsmagnet (13) einen magnetischen Fluß (Hs, Hn) liefert und in dem magnetoresistiven Bauelement (1,100) abhängig von der Winkelstellung der Welle (21) einwirken laut, und wobei das Ausgangssignal [ V(Q)] des magnetoresistiven Bauelementes (1, 100) eine Funktion des resultierenden Vektors (Hv) ist, der sich aus den magnetischen Flüssen des Vormagnetisierungsmagneten (12, 105) und des rotierbaren Magneten (13) ergibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierbare Magnet (13) benachbart dem magnetoresistiven Element (1, 100) ist und sein Magnetfluß (Hs, H_n) auf das Bauelement (1, 100) parallel zu dessen Substrat (7) einwirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoresistive Bauele-

s ment (1, 100) zwischen dem Vormagnetisierungsmagneten (12, 105) und dem rotierbaren Magneten (13) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierbare Magnet

,ο (13) einander benachbarte Nordpol- und Südpolflächen (Fig.7) hat, die im wesentlichen parallel zum Substrat (7) sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere magnetoresistive Bauelemente (la, 16, Ic, 100a, 1006, 100c; vorgesehen sind, die ein jedes auf einem isolierenden Substrat (7) angeordnet sind.

9. Aufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormagnetisierungsmagnet (12) kreisförmig und stationär ist (F i g. 6,8).

10. Aufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormagnetisierungsmagnet (105) ein Sektor eines Kreises ist (Fig.8, 10, 11) und stationär angeordnet ist.

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11. Aufbau nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch

gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente (la, 16, Ic, 100a, 1006, 100c; auf einer gemeinsamen gedruckten Schaltungsplatte (14, 107) angeordnet sind und daß der Vormagnetisierungsmagnet (12,105) auf dieser Schaltungsplatte (14,107) über diesen magnetoresistiven Bauelementen liegend angebracht ist, wobei die Verbindungen (4) und die Stromzuführungsanschlüsse der magnetoresistiven Bauelemente in Kontakt (108a, 1086) mit

\5 Stromzuführungen (106a, 1066; sind, die sich auf der Schaltungsplatte (107) befinden.