DE4219907C2 - Magnetischer Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor.

Aus der DE 25 32 985 B2 ist bereits ein magnetischer Drehwinkelsensor beschrieben, bei welchem in Axialrichtung einer Drehwelle hintereinander angeordnet ein stationärer Magnet für eine Vormagnetisierung, eine gedruckte Schaltung mit magnetoresistiven Elementen, und ein rotierender Magnet vorgesehen sind. Der bekannte magnetische Sensor soll als Drehwinkelsensor für die Drehwelle dienen, welche die Drehwelle eines bürstenlosen Elektromotors ist. Die Platte der gedruckten Schaltung, auf welcher die magnetoresistiven Elemente durch Kunstharz befestigt sind, ist am Gehäuse des bürstenlosen Elektromotors befestigt.

Weiterhin ist aus der DE 40 14 885 A1 ein als Drehwinkelsensor dienender magnetischer Sensor bekannt, bei welchem ein Magnet im wesentlichen in Axialrichtung einer Drehwelle beabstandet von einem mit magnetoresistiven Elementen versehenen Aufnehmerelement angeordnet ist. Der Magnet besteht aus einem stabförmigen Permanentmagneten und zwei seitlich an diesem angebrachten, L-förmigen Magnetarmen, deren nach innen ragende Schenkel das Aufnehmerelement so umschließen, daß dieses radial innerhalb der Magnetpole liegt. Ein Vormagnetisierungsmagnet ist bei diesem bekannten magnetischen Sensor nicht vorgesehen.

Die Anmelderin hat bereits einen magnetischen Sensor vorgeschla­ gen, der in der ihr übertragenen U.S.-Patentanmeldung be­ schrieben ist, auf die das US-Patent 5 278 497 erteilt wurde, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt. Im einzelnen stellt Fig. 3 eine Quer­ schnittsansicht des vorgeschlagenen magnetischen Sensors dar, und Fig. 4 eine schematische An­ sicht mit einer Darstellung der Beziehung zwischen einem Magneten und einem magnetoresistiven Ele­ ment (nachstehend, soweit anwendbar, einfach als MR-Ele­ ment bezeichnet).

Der in Fig. 3 gezeigte magnetische Sensor ist mit einem Kunstharzgestell 1 versehen, einer drehbar in dem Gestell 1 angebrachten Drehwelle 2, einem an einem Ende der Drehwelle 2 befestigten Arm 3, einem zylindrischen Formgehäuse 4, welches auf dem anderen Ende der Drehwelle 2 ausgebildet ist, und mit einem Magne­ ten 6, der in dem Formgehäuse 4 aufgenommen und hieran mit Hilfe eines Klebers 7 befestigt ist.

Weiterhin ist der magnetische Sensor mit einem Keramiksub­ strat 8 versehen, auf welchem ein MR-Element 9 angebracht ist, und welches als Schaltungssubstrat dient, auf welchem ein elektrisches Verdrahtungsmuster ausgebildet ist, und auf welchem unterschiedliche Arten elektronischer Geräte angebracht sind, wenngleich diese auch nicht in der Figur gezeigt sind. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist das MR-Element 9 mit einer rechteckförmigen, magnetisch empfindlichen Ebene 9a versehen, die aus kammartigen Mustern 10a, 10b be­ steht, die aus einem ferromagnetischen (magnetoresistiven) Material gebildet und so angeordnet sind, daß sie einander kreuzen, und weist eine Masseklemme (GND) 11a auf, eine Vcc-Klemme 11b, und eine Ausgangsklemme 11c, so daß die Ebene 9a senkrecht zum Magneten 6 aus­ gerichtet ist. Weiterhin weist der magnetische Sensor eine Eingangs-/Ausgangsklemme 12 auf.

Nachstehend wird der Betriebsablauf des konventionellen magnetischen Sensors beschrieben.

Wenn der Arm 3 entsprechend dem Öffnungs-/Schließzustand eines (nicht gezeigten) Drosselventils gedreht wird, wel­ ches in einer Einlaßleitung vorgesehen ist, die beispiels­ weise als ein Lufteinlaß eines Kraftfahrzeugmotors dient, so wird die Drehung des Arms 3 über die Drehwelle 2 auf den Magneten 6 übertragen, so daß sich daher der Magnet 6 ent­ sprechend mit dem Arm 3 dreht.

Durch die Drehung des Magneten 6 ändert sich der Magnet­ fluß, der von dem Magneten 6 erzeugt wird und die magnetisch empfindliche Ebene 9a kreuzt, und daher ändert sich der Widerstandswert des magnetischen Widerstandsmusters des MR-Elements 9 entsprechend der Variation des Magnetflus­ ses, der die Ebene 9a kreuzt. Das MR-Element 9 gibt eine Spannung entsprechend dem Drehwinkel des Magneten 6 aus.

Die Ausgangsspannung des MR-Elements 9 wird verstärkt und dann über die Eingangs-/Ausgangsklemme 9 an außen angeord­ nete Geräte (nicht gezeigt) ausgegeben, und auf diese Wei­ se wird der Öffnungs-/Schließzustand des Drosselventils ermittelt.

Die Erfassung durch das MR-Element 9 wird nachstehend mit mehr Einzelheiten unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben.

Eine vorbestimmte Spannung wird zwischen die GND-Klemme 11a und die Vcc-Klemme 11b angelegt, und die Ausgangsklem­ me 11c gibt eine Spannung ab, die durch die Widerstands­ teilung der kammartigen Muster 10a und 10b erhalten wird.

Dreht sich der Magnet 6 entlang eines in Fig. 4 gezeigten Pfeils D, so ändert sich entsprechend der Magnetfluß, der die kammartigen Muster 10a und 10b kreuzt, und die Wider­ standswerte der kammartigen Muster 10a und 10b ändern sich ebenfalls, und dies führt dazu, daß sich die Ausgangsspan­ nung oder Ausgangsklemme 11c ändert. Die Ausgangsspan­ nung der Ausgangsklemme 11c ist ein Sinussignal, welches der Drehung des Magneten 6 entspricht, wie durch eine in Fig. 5 gezeigte Linie A angedeutet ist. Wie man aus Fig. 5 erkennt, sind innerhalb eines Winkelbereiches von +/- 35° die Ausgangsspannung der Ausgangsklemme 11c und der Dreh­ winkel des Magneten 6 linear miteinander korreliert. Daher kann der magnetische Sensor den Drehwinkel des Magneten 6 innerhalb des Bereiches von +/-35° ermitteln.

Da die magnetisch empfindliche Ebene 9a des MR-Elements 9 bei dem vorgeschlagenen magnetischen Sensor aus den einan­ der kreuzenden kammartigen Mustern 10a und 10b besteht, ist der zu erfassende Drehwinkel des Magneten 6 auf kleine Werte begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Sensor zur Verfügung zu stellen, der bei einfachem Aufbau den Drehwinkel des Magneten in einem weiten Bereich und mit hoher Genauigkeit ermitteln kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines magnetischen Sensors gemäß Patentanspruch 1. Dieser Sensor weist einen Posi­ tionierungsabschnitt auf, der auf einer Bodenoberfläche des Gestells in einer Position gegenüber dem magnetoresistiven Element und von diesem durch das Keramik­ substrat getrennt angeordnet ist, um den Vormagnetisierungsmagne­ ten in dem Positionierungsabschnitt zu positionieren und zu befestigen.

Bei dem Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung trifft während der Er­ mittlung des Drehwinkels des Magneten die Richtung des die magnetisch empfindliche Ebene kreuzenden Magnetflusses mit einer Verbundmagnetflußrichtung der Richtung des magneti­ schen Flusses des Magneten und der des Vormagnetisierungs­ magneten zusammen. Die Variation der Verbundmagnetfluß­ richtung ist geringer als die Variation der Richtung des Magnetflusses, welche dem Drehwinkel des Magneten ent­ spricht. Daher ergibt sich ein weiter Drehwinkel des Ma­ gneten, der tatsächlich ermittelt werden kann.

Da der Positionierungsabschnitt zur Befestigung des Vor­ magnetisierungsmagneten auf der Bodenoberfläche des Ge­ stells angeordnet ist, lassen sich die Mon­ tagepositionen des Magneten, des Keramiksubstrats und des Vormagnetisierungsmagneten einfach steuern, so daß die Positionsbeziehung dieser Bauteile mit hoher Genauigkeit festgelegt werden kann, ohne die Positionen von elektronischen Geräten zu beeinflussen, die auf dem Schaltungssubstrat an­ geordnet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus welchem weitere Vorteile hervorgehen. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht mit einer Darstellung eines magnetischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 2 eine schematische Aufsicht mit einer Darstellung der Anordnung des Magneten und des magnetoresistiven Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Darstellung des früher vorgeschlagenen magnetischen Sensors;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Beziehung zwi­ schen einem Magneten und einem magnetoresistiven Element;

Fig. 5 einen Graph mit einer Darstellung einer Beziehung zwischen einem Drehwinkel des Magneten und einer Ausgangsspannung.

Nachstehend wird mit "MR" kurzgefaßt "magnetoresistiv" bezeichnet. In den Fig. 1 und 2 sind gleiche Teile und Bauteile mit den­ selben Bezugsziffern bezeichnet wie in den Fig. 3 und 4, welche den bereits vorgeschlagenen magnetischen Sensor zeigen, und daher wird auf ihre erneute Beschreibung verzichtet.

Der magnetische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Positionierungsabschnitt 13 zum Positionie­ ren und Befestigen eines Vormagnetisierungsmagneten 14 versehen. Der Positionierungsabschnitt 13 ist auf einer Bodenoberfläche des Kunstharzgestells 1 in einer Position gegenüberliegend dem MR-Element, mit dem Keramiksubstrat 8 dazwischen angeordnet. Der Positionierungsabschnitt 13 wird zur selben Zeit ausgebildet, an welcher das Kunstharzge­ stell 1 ausgeformt wird. Die magnetisch empfindliche Ebene 9a des MR-Elements 9 weist kammartige Muster 10a und 10b auf, die in Querrichtung symmetrisch sind und sich senk­ recht zueinander kreuzen.

Die Drehwelle 2, das Keramiksubstrat 8 und der Vormagnetisie­ rungsmagnet 14 sind an vorbestimmten Positionen auf dem Kunstharzgestell 1 angebracht. Daher läßt sich die Posi­ tionsbeziehung des Magneten 6, des MR-Elements 9 und des Vormagnetisierungsmagneten 14 mit hoher Genauigkeit fest­ legen, so daß eine Variation der Positionsbeziehung zwi­ schen dem Magneten 6, dem MR-Element 9 und dem Vormagneti­ sierungsmagneten 14, welche den Nachweiswirkungsgrad für den Drehwinkel des Magneten negativ beeinflußt, wirksam unter­ drückt wird. Daher kann gemäß der Erfindung ein magneti­ scher Sensor stabil hergestellt werden, der eine äußerst genaue Empfindlichkeit aufweist. Da der Vormagnetisie­ rungsmagnet 14 auf der Bodenoberfläche des Kunstharzge­ stells 1 angeordnet und befestigt ist, stört darüber hin­ aus das Vorhandensein des Vormagnetisierungsmagneten 14 nicht die Anordnung solcher elektronischen Geräte, die auf dem Keramiksubstrat 8 angebracht werden sollen.

Nunmehr wird nachstehend der Betriebsablauf des magneti­ schen Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung beschrie­ ben.

Vor der Montage des Vormagnetisierungsmagneten 14 variiert in dem ersten Schritt der die magnetisch empfindliche Ebe­ ne 9a kreuzende magnetische Fluß entsprechend der Drehung des Magneten 6, und die Widerstandswerte der kammartigen Muster 10a und 10b ändern sich entsprechend, und dann gibt die Klemme 12 eine Ausgangsspannung ab, die einer Wider­ standsteilung durch die kammartigen Muster 10a und 10b unterworfen wird. Die Ausgangsspannung der Klemme 12 weist einen sinusförmigen Verlauf auf, wie durch eine in Fig. 5 durch B bezeichnete Kurve angedeutet ist. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird der Drehwinkel des Magneten 6, der festgestellt werden kann, auf den Bereich von +/-45° erweitert.

In dem nächsten Schritt wird der Vormagnetisierungsmagnet 14 in dem Positionierungsabschnitt 13 angebracht und an diesem befestigt, und die Richtung des Magnetflusses der die magnetisch empfindliche Ebene 9a kreuzt, fällt mit einer Verbundmagnetflußrichtung zusammen, die sich aus der Richtung des Magnet­ flusses des Magneten 6 und der Richtung des Vormagnetisie­ rungsmagneten 14 zusammensetzt. Die Variation des Drehwinkels der Verbundmagnetflußrichtung, welche der Drehung des Ma­ gneten 6 entspricht, wird kleiner als die Variation des Drehwinkels der Richtung des magnetischen Flusses von dem Magneten 6 entsprechend der Drehung des Magneten 6. Daher wird der zu ermittelnde Drehwinkel des Magneten auf einen Bereich von +/-60° verbreitert, wie in Fig. 5 durch C angedeutet ist, da das MR-Element 9 tatsächlich die Variation des Verbund-Magnetflusses ermittelt, welcher dessen magnetisch empfindliche Ebene 9a kreuzt.

Abgesehen von den voranstehenden Ausführungen ist der Be­ triebsablauf des magnetischen Sensors gemäß der Erfindung derselbe wie der des in Fig. 3 gezeigten, bereits früher vorgeschlagenen magnetischen Sensors.

Zwar verwendet die voranstehende Ausführungsform die kamm­ artigen Muster 10a und 10b, die in Querrichtung symme­ trisch sind und einander senkrecht kreuzen, wie in Fig. 2 gezeigt ist, jedoch können die kammartigen Muster auch so wie in Fig. 4 gezeigt angeordnet sein, um dieselben Wir­ kungen zu erreichen.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung - wie voranstehend be­ schrieben - ein Positionierungsabschnitt auf einer Boden­ oberfläche eines Gestells in einer Position gegenüberlie­ gend einem magnetoresistiven Element, mit dazwischen angeordnetem Keramiksubstrat, angeordnet ist, um einen Vormagne­ tisierungsmagneten zu positionieren und zu befestigen, wird der nachweisbare Bereich des Drehwinkels des Magneten breit, und darüber hinaus läßt sich der magnetische Sensor gemäß der Erfindung in der Massenproduktion herstellen.

Claims (2)

1. Magnetischer Sensor mit einem aus Kunstharz bestehenden Gestell (1), einer drehbar in dem Gestell (1) angeordneten Drehwelle (2), einem im Gestell (1) angeordneten und an einem Axialende der Drehwelle (2) angebrachten Magneten (6), einem radial außerhalb des Magneten (6) angeordneten magnetoresistiven Element (9), das auf einem Keramiksubstrat (8) angeordnet ist, mit einem auf einer Bodenoberfläche des Gestells (1) vorgesehenen Positionierungsabschnitt (13), der dem magnetoresistiven Element (9) gegenüberliegend und von dem Element (9) durch das Keramiksubstrat (8) getrennt angeordnet ist, und mit einem in dem Positionierungsabschnitt (13) angeordneten Vormagnetisierungsmagneten (14).

2. Magnetischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch empfindliche Ebene (9a) des magnetoresistiven Elements (9) kammartige Muster (10a, 10b) aufweist, die so angeordnet sind, daß sie einander kreuzen.