DE2532985B2 - Vorrichtung zur ermittlung der richtung eines magnetfeldes - Google Patents
Vorrichtung zur ermittlung der richtung eines magnetfeldesInfo
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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 ρΑ 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
(15 und des Signals gleich groß sind, d. h. Wn - Wa dann Is
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
Hh = |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.
7OB 627/41
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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 Hn,
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 HB 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 Hsauf
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 (11)
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, Hn) gebildete resultierende
Feld (Hv, Hn) 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, Hn) 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.
>5
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.
Applications Claiming Priority (2)
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JP8773274A JPS5613244B2 (de) | 1974-07-31 | 1974-07-31 | |
JP8773274 | 1974-07-31 |
Publications (3)
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DE2532985B2 true DE2532985B2 (de) | 1977-07-07 |
DE2532985C3 DE2532985C3 (de) | 1978-02-23 |
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FR2280906B1 (de) | 1981-10-09 |
CA1037562A (en) | 1978-08-29 |
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GB1492668A (en) | 1977-11-23 |
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