DE69011022T2

DE69011022T2 - Weg-/Geschwindigkeitsgeber unter Benutzung des Magnetowiderstandseffektes.

Info

Publication number: DE69011022T2
Application number: DE69011022T
Authority: DE
Inventors: Steven Beringhause; Edward M Gonsalves; Stephen B Offiler; Douglas B Strott
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2010-08-21
Also published as: US5021736A; DE69011022D1; EP0419040A1; JPH03175684A; EP0419040B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein System zur Erfassung der Lage eines ferromagnetischen Gegenstands, wie z.B. eines Zahnes eines sich bewegenden Zahnrads, und eine Magnetowiderstandswandler-Anordnung zur Ermittlung einer solchen Lage sowie der Verwendung einer solchen erfaßten Information zur Erfassung der Geschwindigkeit und/oder Lage des magnetischen Gegenstands. Die Erfindung ist insbesondere geeignet für die verschiedenen Anforderungen hinsichtlich der Messung der Geschwindigkeit und/oder Lage bei Kraftfahrzeugen.

Kurzbeschreibung des Standes der Technik

Die Lage und/oder die Geschwindigkeit eines ferromagnetischen Gegenstands kann magnetisch durch die Messung der Änderung eines magnetischen Feldes erfaßt werden, die durch die Bewegung des ferromagnetischen Gegenstands durch das magnetische Feld hervorgerufen wird. Der bei solchen Meßanordnungen verwendete Sensor enthält allgemein einen Wandler, eine Vorbehandlungseinrichtung und ein Gehäuse.
Die Verwendung von Wandlern zur Messung von Änderungen eines magnetischen Feldes ist allgemein bekannt. Solche Wandler wandeln bestimmte physikalische Erscheinungen in ein elektrisches Signal um, von dem die Messung abgeleitet wird. Typischerweise waren solche Wandler Sensoren variablen magnetischen Widerstands, bei denen die Bewegung eines ferromagnetischen Gegenstands in der Nähe des magnetischen Feldes eines Spulen-/Permanentmagneten und durch dieses hindurch die Induktion einer Spannung in der Spule bewirkt, die auf die Änderung des Magnetflußverlaufs durch die Spule zurückgeht.
Im Stand der Technik sind auch Magnetowiderstandswandler bekannt, die bisher in Verbindung mit weiteren Schaltkreisen verwendet wurden, um die Lage eines magnetischen Gegenstands anzuzeigen und/oder dessen Geschwindigkeit zu messen, wovon ein Beispiel in dem Patent Nr. 4,754,221 angegeben ist. Es gibt verschiedene bekannte Materialien, die magnetoresistive Eigenschaften besitzen, wobei das gebräuchlichste dieser Materialien Permalloy, eine allgemein bekannte Nickel/Eisen-legierung, ist. Filme dieser Materialien reagieren eher auf Magnetfelder entlang der dünnen Ebene des Materials als auf Magnetfelder, die durch deren Dickenabmessung hindurchtreten. Typischer Stand der Technik dafür ist in dem Patent Nr. 4,052,748 von Kuijk und in einem Artikel mit der Bezeichnung "Magnetic Field Sensors Using the Magnetoresistive Effect" von U. Dibbern, Sensors and Actuators, 10 (1986) 127-140 angegeben. Indiumantimonid, ein Halbleitermaterial, ist ein weiteres der Materialien, die magnetoresistive Eigenschaften besitzen, wobei dieses Material jedoch eher auf Magnetfelder durch seine Dickenabmessung als auf Magnetfelder entlang der dünnen Ebene des Materials, wie im Falle von Permalloy, reagiert. Die vorliegende Erörterung ist auf ein Magnetowiderstandselement vom Permalloy-Typ beschränkt.
Bei der Bildung von Magnetowiderstandselementen aus Permalloy wird das Permalloy normalerweise als dünne Schicht oder als Film auf ein Substrat, z.B. Silizium aufgesprüht, wobei der Permalloyfilm auf dem Substrat verbleibt und eine Dicke von 20 bis 200 Nanometer, vorzugsweise etwa 50 Nanometer, besitzt. Das Permalloy wird entweder während oder nach dem Aufsprühen weiterbehandelt, um eine permanente Magnetisierung in den Film einzubringen. Der Permalloyfilm wird oft in einer Anordnung verwendet, bei der das Muster einer Wheatstone- Vollbrücke oder Wheatstone-Halbbrücke auf den Film geätzt wird, um ein Spannungsteilernetzwerk zu erzeugen. Widerstandsänderungen in dem Film werden dadurch in eine Ausgangsspannung umgewandelt. Permalloy-Magnetowiderstandwandler reagieren auf Änderungen des Magnetfeldvektors in der Ebene des Films, und sie reagieren nicht auf Magnetfeldkomponenten, die dazu normal sind. Diese Antwort wird durch eine Änderung des elektrischen Widerstands des Permalloys in Abhängigkeit von dem Winkel repräsentiert, der zwischen dem durch es hindurchtretenden Magnetfeldvektor in dessen Ebene und einem Vektor des elektrischen Stroms in der gleichen Ebene vorliegt.
Die bekannten Systeme, bei denen die Sensoren variablen Magnetwiderstands verwendet werden, leiden unter den Einschränkungen, daß deren Ausgangsspannung bei geringen Geschwindigkeiten klein wird und schwieriger genutzt werden kann, und daß der Sensor stark von dem Spalt zwischen dem Ziel und der betreffenden Seite des Sensors abhängt.
Die Antwort des Wandlers wird ausgelöst, wenn eine externe Feldkomponente in der Ebene des Films die interne Magnetisierung des Filmes dreht. Felder in der Ebene des Films können als Felder mit zwei orthogonalen Komponenten betrachtet werden, wobei eine parallel zu der anfänglichen Magnetisierung ist, als Vorbelastungsfeld bezeichnet, und eine senkrecht zu der anfänglichen Magnetisierung ist, die als das Meßfeld bezeichnet wird. Das Vorbelastungsfeld ist erforderlich, um sicherzustellen, daß die anfängliche Magnetisierungsrichtung in dem Film unter dem Einfluß externer magnetischer Störungen stabil ist. Überdies hängt die Empfindlichkeit des Wandlers gegenüber dem Meßfeld von der Größe des Vorbelastungsfeldes ab. Das Vorbelastungsfeld sollte daher so gleichförmig wie möglich und so weit wie möglich über die gesamte Filmoberfläche konstant sein. Beim Stand der Technik (gezeigt in Fig. 2) wird ein Permanentmagnet mit einer Magnetisierung unter einem Winkel gegenüber der Magnetowiderstandsoberfläche verwendet, um das Vorbelastungsfeld zu schaffen. Eine solche Erzeugung eines Vorbelastungsfeldes leidet unter dem Nachteil, daß die Feldlinien auf einer Seite der Achse des Magneten dazu neigen, in einer Richtung entgegengesetzt zu dem gewünschten Vorbelastungsfeld zurückzukehren, was zu einer Ungleichförmigkeit des Vorbelastungsfeldes und einer Anfälligkeit gegenüber äußeren Störungen führt (so wie naheliegende ferromagnetische Gegenstände).
In der EP-A-0 151 002 ist ein Magnetowiderstandsdetektor für Zänne beschrieben, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist und bei dem das Erfassungselement eine nichtlineare Magnetowiderstandscharakteristik aufweist und mit einem stetigen magnetischen Vorbelastungsfeld versehen ist, so daß es in einem linearen Teil seiner Charakteristik arbeitet. Das Vorbelastungsfeld wird dadurch erzeugt, daß das Erfassungselement diagonal in dem Magnetfeld zwischen einem Permanentmagneten und den zu erfassenden magnetischen Zähnen angebracht wird.
Überdies ist es wünschenswert, daß die Wandlerbrücke nach dem Zusammenbau kalibriert werden kann, um Änderungen von Eigenschaften des Magnetowiderstandselements und des Magneten zu kompensieren. Eine solche Kalibrierung sollte es zulassen, daß die Ausgangsspannung der Wandlerbrücke auf einen gewünschten Pegel eingestellt wird, um für den Wandler eine optimale Funktion in Übereinstimmung mit zugeordneten Einrichtungen für eine elektronische Signalaufbereitung zu erhalten. Im Stand der Technik findet dieses Problem keine Beachtung, indem weder das Erfordernis einer Kalibrierung noch das Mittel zur Durchführung einer Kalibrierung erwähnt werden.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Lösung für das oben genannte Problem anzubieten.

Kurzfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetowiderstandswandlers geschaffen, das die folgenden Schritte enthält:
(a) Bereitstellen eines Magneten mit einer Langsachse und einer Außenfläche, die in einer zu der Achse senkrechten Ebene liegt, und mit einem von dieser Oberfiäche ausgehenden Magnetfeld; und
(b) Vorsehen eines dünnen, im wesentlichen ebenen Magnetowiderstandselement-Mittels an der Außenfläche des Magneten, das auf einen in einer vorbestimmten Richtung durch es hindurchtretenden Magnetfluß anspricht, um seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetflusses in der vorbestimmten Richtung zu andern, wobei das Element-Mittel ein Substrat und ein Spannungsteilernetzwerk mit einer Wheatstone-Halbbrücke oder einer Wheatstone-Vollbrücke enthält, die auf dem Substrat angeordnet ist und zwei miteinander verbundene Stromzweige mit zwei Endanschlüssen und einem Mittelanschluß enthält, und wobei jeder Stromzweig ein Magnetowiderstandsfilmelement enthält, die beiden Endanschlüsse an eine Spannungsquelle angeschlossen sind und der Mittelanschluß eine Ausgangsspannung liefert;
und gekennzeichnet ist, durch
(c) das Anordnen des Magnetowiderstandselement-Mittels entweder auf der Langsachse unter einem vorbestimmten Winkel gegenüber dieser oder um ein bestimmtes Maß gegenüber der Langsachse versetzt, um in der Ebene des Element- Mittels ein Vormagnetfeld zu schaffen; und
(d) das Einstellen des Winkels, den das Magnetowiderstandselement-Mittel mit der Langsachse bildet, in einer Richtung quer zu der des Vormagnetfeldes, um Änderungen des Magnetowiderstandselement-Mittels, des Magneten und deren Zusammenbaus zu kompensieren und dadurch den Wandler so zu kalibrieren, daß die Ausgangsspannung mittig auf einen ausgewählten Pegel eingestellt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung einen Magnetowiderstandswandler mit:
(a) einem Magnetmittel mit einer Langsachse und einer Außenfläche, die allgemein in einer zu der Achse senkrechten Ebene liegt, das ein von der Oberfläche ausgehendes Magnetflußfeld liefert; und
(b) einem dünnen, im wesentlichen ebenen Magnetowiderstandselement-Mittel, das auf der Außenfläche des Magnetmittels angeordnet ist und auf den in einer vorbestimmten Richtung durch es hindurchtretenden Magnetfluß anspricht, um seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetflusses in der vorbestimmten Richtung zu ändern, wobei das Element-Mittel ein Substrat und ein Spannungsteilernetzwerk mit einer Wheatstone-Halbbrücke oder einer Wheatstone-Vollbrücke enthält, die auf dem Substrat angeordnet ist und zwei miteinander verbundene Stromzweige mit zwei Endanschlüssen und einem Mittelanschluß enthält, und wobei jeder Stromzweig ein Magnetowiderstandsfilmelement besitzt, die beiden Endanschlüsse an eine Spannungsquelle angeschlossen sind und der Mittelanschluß eine Ausgangsspannung liefert;
der dadurch gekennzeichnet ist, daß
(c) das Element-Mittel entweder auf der Längsachse unter einem bestimmten Winkel gegenüber dieser oder um ein vorbestimmtes Maß gegenüber dieser Längsachse versetzt angeordnet ist, um in der Ebene des Element-Mittels ein Vormagnetfeld zu schaffen; und daß es so unter einem Winkel zu der Längsachse in einer Richtung quer zu der des Vormagnetfeldes angeordnet ist, daß die Ausgangsspannung des Wandlers auf einen ausgewählten Pegel mittig eingestellt ist.
Mit der Verwendung eines Magnetowiderstandwandlers anstelle der Einrichtung variablen Magnetwiderstands ist der Ausgangspegel des Wandlers im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit des Zieles, und er ist weniger empfindlich gegenüber dem Spalt zwischen dem Ziel und dem Sensor, wodurch dessen Verwendung in solchen Fällen gestattet ist, wo eine größere Variation des Spaltes erforderlich ist.
Zur Messung der Lage oder der Geschwindigkeit eines magnetischen Elements oder Zieles unter Verwendung eines Magnetowiderstandwandlers ist ein Permanentmagnet vorgesehen, der ein konstantes Magnetfeld mit einem darauf vorgesehenen Magnetowiderstandswandler erzeugt. Das Ziel besitzt die Eigenschaft, einen Magnetfluß besser als die umgebende Luft zu führen, so daß die Flußlinien zu dem Ziel gezogen werden (z.B. ein Zahn eines Zahnrades). Dies führt zu einem Abbiegen der Flußlinien in Richtung auf den Zahn. Die Magnetowiderstandsvorrichtung, die eine Anordnung von vorzugsweise Permalloy-Elementen enthält, die den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von Änderungen der durch sie hindurchgehenden Magnetfeldern ändert, kann die Abbiegung des Feldes erfassen. Solche Elemente können aus Permalloy- oder anderen magnetoresistiven Materialien zusammengesetzt sein. Diese Permalloy-Elemente sind so in einem Brückenaufbau angeordnet, entweder einer Wheatstone-Halbbrücke oder einer Wheatstone- Vollbrücke, daß ein Spannungsteilernetzwerk erzeugt wird. Widerstandsänderungen in den Magnetowiderstandselementen werden durch den Brückenaufbau in eine Ausgangsspannung umgewandelt.
Tritt eine Folge von Zähnen durch den Magneten, so werden die Flußlinien zu jedem einzelnen Zahn hin gezogen und abgebogen, bis dieser Zahn den betreffenden Bereich verläßt. Zur gleichen Zeit nähert sich gerade der folgende Zahn dem Feld, und das Feld wird dann in die entgegengesetzte Richtung auf den sich nähernden Zahn zu abgebogen. Das Magnetowiderstandselement ist so ausgelegt, daß es ein polarisiertes Ausgangssignal liefert, z.B. ein positives Ausgangssignal bei einem Abbiegen durch einen sich entfernden Zahn und ein negatives Ausgangssignal bei einem Abbiegen durch einen sich nähernden Zahn (das umgekehrte kann ebenso zutreffen). Das Ausgangssignal, das sich für eine Aufeinanderfolge von gleichartigen Zähnen ergibt, ist annähernd eine Sinuswelle, deren Impulse für den Fall der Erfassung einer Geschwindigkeit gezählt werden können.
Ein einzelner Zahn, eine einzige ferromagnetische Abweichung oder ein einziges Ziel wird verwendet, um die Lage eines sich drehenden Teils zu erfassen. Läuft das magnetische Ziel an dem Magneten und dem Wandler vorbei, so wird das durch den Wandler hindurchtretende Magnetfeld gestört oder abgebogen. Der Wandler erfaßt die Änderung des hindurchtretenden Magnetfeldes, die durch den Durchgang des Ziels durch das Magnetfeld hervorgerufen wurde, und er führt eine Änderung seines Widerstandes in Übereinstimmung mit der momentanen Vektorstärke des Magnetfeldes herbei, das durch ihn hindurchgeht und in seiner Ebene vorliegt. Das gemäß einer ersten Wandlerausführung verwendete Wandlerelement enthält einen Permanentmagneten und das Magnetowiderstandselement. Das Magnetowiderstandselement ist auf dem Magneten unter einem spitzen Winkel bezüglich der ihm am nächsten gelegenen Magnetoberfläche so angeordnet, daß die von dem Magneten ausgehenden Feldlinien im wesentlichen zu der Oberfläche normal sind, von der sie ausgehen und gegenüber der Normalen durch die Achse des Magnetowiderstandselements einen Winkel aufweisen, und zu einer Nutzfeldkomponente des Magnetowiderstandselements führen.
Die Feldkomponente in der Ebene des Magnetowiderstandselements kann als aus zwei orthogonalen Komponenten zusammengesetzt angesehen werden, eine in der Richtung des Vorbelastungsfeldes und eine in der Richtung des Meßfeldes. Durch ein geeignetes Einstellen der Winkelorientierung des Magnetowiderstandselements bezüglich des Magneten können die Größen des Vorbelastungsfeldes und des Meßfeldes passend gemacht werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Magnetowiderstandselement gegenüber der Mittellinie des Magneten versetzt. Bekanntlich liegen die von der Oberfläche des Magneten ausgehenden Felder in der Form eines Dipolfeldes vor. Von der Mittellinie abgelegene Feldlinien sind unter einem Winkel zu der Magnetoberfläche angeordnet und sie besitzen eine Komponente, die parallel zu der Ebene der Magnetoberfläche ist. Ist das Magnetowiderstandselement in geeigneter Weise gegenüber der Mittellinie des Magneten versetzt, so ist die zu dem Magnetowiderstandselement parallele Feldkomponente das Vorbelastungsfeld. Das Magnetowiderstandselement ist dann winkelmäßig so angeordnet, daß das Meßfeld kalibriert werden kann, indem der Winkel zwischen dem Magnetowiderstandselement und der Magnetseite eingestellt wird.
Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist ein ferromagnetisches Polstück zwischen dem Magneten und dem Magnetowiderstandselement eingesetzt, was zu einer erhöhten Gleichförmigkeit des Feldes durch das ganze Magnetowiderstandselement führt.
Bei einer vierten Ausführungsform der Erflnoung ist ein Gehäuse für die Magnetowiderstandswandler-Schaltung vorgesehen, das die dieser zugeordneten elektronischen Komponenten gegenüber in der Umgebung vorgesehenen Quellen hoher Temperatur isoliert, indem ein diese umschließendes Kunststoffgehäuse mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Es ist auch erforderlich, einen Kühlkörper für die elektronischen Komponenten so nahe wie möglich an einer relativ kühlen Stelle eines Montageträgers vorzusehen, bei der etwa 135ºC oder weniger vorherrschen können. Dies erfolgt durch das Vorsehen eines L-förmigen Montageträgers, an dem eine Schaltkarte oder eine flexible gedruckte Schaltung mit darauf vorhandenen integrierten Schaltkreisen und diskreten Komponenten vorgesehen wird. Der Montageträger wird an einer Stefle befestigt, die bei 135ºC oder darunter gehalten werden kann. Der Montageträger ist aus einem Material sehr hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Aluminium, gebildet, um die Temperatur des Montageträgers sehr nahe bei der der Montagestelle bei dem Fahrzeug zu halten. Entsprechend werden die darauf vorgesehene Schaltkarte und die integrierten Schaltkreise sehr nahe bei der Temperatur des Montageträgers gehalten, der als Kühlkörper für die Schaltkate und die darauf vorgesehenen Komponenten dient. Dies hält die Anschlüsse der integrierten Schaltung bei etwa 150º bis 160ºC, wobei diese Werte innerhalb deren Betriebstemperaturen liegen, wodurch die Zuverlässigkeit der Schaltung, von der sie einen Teil bilden, erhöht wird. Der Magnet mit den darauf vorgesehenen Magnetowiderstandswandlern ist an dem Endabschnitt der Klammer befestigt, der von dem Flansch zur Anbringung an dem Fahrzeug abgelegen ist und der oft Temperaturen über 150ºC und oft Temperaturen in der Höhe von 180ºC ausgesetzt ist. Der gesamte Träger einschließlich der elektronischen Komponenten, der Schaltkarte, des Magneten und des Wandlers wird in einem Kunststoff eingeschlossen, der eine sehr gute mechanische Festigkeit und Fluidbeständigkeit gegenüber in der besonderen Umgebung anzutreffenden Fluiden aufweist. Es hat sich gezeigt, daß Epoxidharze diese Eigenschaften besitzen. Der Träger kann an seinem Ende niedriger Temperatur mit einem elektrischen Verbinder oder einem Kabel versehen sein, um Signaldrähte von dem Sensor zu einer abgelegenen Vorrichtung zu führen. Der Verbinder oder das Kabel ist ebenfalls in dem Kunststoff eingekapselt, um eine zufriedenstellende Fluidabdichtung zu schaffen und zu verhindern, daß irgendwelche Schmutzstoffe oder Fluide eindringen und die elektronischen Komponenten beeinträchtigen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Meßanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer ersten Magnetowiderstandswandler-Anordnung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3a, 3b und 3c sind schematische Darstellungen einer ersten Magnetowiderstandswandler-Anordnung gemäß der Erfindung in Draufsicht, Vorderansicht bzw. Seitenansicht;
Fig. 4a, 4b und 4c sind schematische Darstellungen einer zweiten Magnetowiderstandswandler-Anordnung gemäß der Erfindung in Draufsicht, Vorderansicht bzw. Seitenansicht;
Fig. 5 und 5b sind schematische Darstellungen eines Magnetowiderstandswandlers mit einem darauf vorgesehenen Polstück.
Fig. 6 ist ein Schaltdiagramm einer typischen Magnetowiderstandswandlerschaltung des Standes der Technik, bei der die hier im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 5 beschriebenen Wandler verwendet werden können; und
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer Unterbringung der Magnetowiderstandswandlerschaltung der Fig. 6 zusammen mit zugeordneten Stromkreisen. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Zunächst ist in Fig. 1 eine typische Anordnung zum Messen der Position und/oder Geschwindigkeit eines ferromagnetischen Ziels gezeigt. Das System enthält ein Ziel 11, das in der Form eines drehbaren Zahnrads mit einer Mehrzahl von Zähnen 13 gezeigt ist. Ein Magnetowiderstandswandler 15 ist auf einem Permanentmagneten 17 angeordnet, wobei der Wandler im Abstand von dem Zahnrad angeordnet ist, um dazwischen einen Spalt 19 zu bilden. Das hier wiedergegebene System spricht weniger auf Änderungen des Spalts 19 an. Das Vorbelastungsmittel spricht auch weniger auf den Platz des Magnetowiderstandswandlers 15 auf dem Magneten 17 an.
Der Magnetowiderstandswandler 15 ist eine allgemein bekannte Vorrichtung in Form einer Brücke, wobei jeder Stromzweig der Brücke ein Magnetowiderstandselement enthält. Ein Paar von einander gegenüberliegenden Anschlüssen der Brücke ist an eine Spannungsquelle angeschlossen, und das andere Paar von einander gegenüberliegenden Anschlüssen liefert das dazwischenliegende Brückenausgangssignal. Das Ausgangssignal an einem der Ausgangsanschlüsse ist allgemein (Ro + delta R) /2Ro, und das Ausgangssignal des gegenüberliegenden Ausgangsanschlusses ist allgemein + (Ro - delta R) /2Ro, worin delta R proportional zu dem Magnetfeld über dem Wandler ist.
In Fig. 2 ist eine herkömmliche Ausführungsform eines Wandlers mit einem Magnetowiderstandswandler 21 gezeigt, der auf einem Magneten 23 angeordnet ist. Felder, die in positiver oder negativer "Y"-Richtung (in das oder aus dem Papier) gebogen sind, werden ein Ausgangssignal aus dem Magnetowiderstands wandler 21 erzeugen, da Feldkomponenten in der "Y"-Richtung die größte Wirkung auf den Widerstand des Magnetowiderstandswandlers besitzen. Der Magnetowiderstandswandler 21 läßt Magnetfeldkomponenten in der "Z"-Richtung (vertikal in der Ebene des Papiers) außer Betracht. Wie zu sehen ist, ist der Permanentmagnet 31 unter einem Winkel zu seiner Achse, der "Z"-Achse, magnetisiert.
Diese Methode gemäß dem Stand der Technik leidet an einer großen Variation der Amplitude des Vorbelastungsfeldes. Diese Methode enthält auch kein Mittel für eine Kalibrierung. Es gibt keinen Weg, die Nennbetriebsbedingung des gemessenen Feldes auf einen optimalen Wert einzustellen. Offensichtlich sind daher eine stärkere Kontrolle über das Vorbelastungsfeld sowie Mittel zur Kalibrierung erforderlich.
In den Fig. 3a, 3b und 3c ist eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigt. Wie zu sehen ist, ist ein Permanentmagnet 41 vorgesehen, der in einer zu seiner Achse parallelen Richtung oder in einer vertikalen Richtung in der Ebene des Blattes magnetisiert ist, wie dies in Fig. 3b gezeigt ist. Das Magnetowiderstandselement 43 ist in dem Magnetfeld des Magneten 41 und unter einem Winkel bezüglich der Oberfläche des Magneten angeordnet, und es ist von der Magnetachse weg positioniert, wodurch eine Komponente des Magnetfeldes H entlang der Ebene des Magnetowiderstandselementes liegt, um die erforderliche Vorbelastung dafür zu schaffen. Der Winkel Theta ist so eingestellt, daß eine Kalibrierung der Nennbetriebsbedingung erhalten wird.
Bezüglich einer weiteren Ausführungsform der Anordnung der Fig. 3a, 3b und 3c ist festzustellen, daß die Oberfläche des Magneten 41 unter dem Element 43 konkav sein kann, wobei das Ausmaß der Konkavität so ist, daß im wesentlichen parallele Flußlinien an allen Stellen geschaffen werden, wo diese durch das Element 43 hindurchtreten.
In den Fig. 4a, 4b und 4c ist eine zweite Ausführungsform einer Magnetowiderstandswandler-Anordnung gemäß der Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform enthält einen Permanentmagneten 51, der in einer Richtung parallel zu seiner Achse magnetisiert ist, die entlang der in Fig. 4c gezeigten Linie verläuft. Das Magnetowiderstandselement 53 ist über der Achse des Magneten angeordnet und in zwei Richtungen bezüglich der Oberfläche des Magneten 51 geneigt, um das Vorbelastungsfeld und die Kalibrierung zu erzielen. Wie in Fig. 4c zu sehen ist, ist das Element 53 unter einem Winkel Theta bezüglich der Oberfläche des Magneten 51 geneigt, um eine Kalibrierung zu bewirken, und, wie in Fig. 4b gezeigt ist, unter einem Winkel Alpha bezüglich der Oberfläche des Magneten, wie gezeigt, um eine Vorbelastung zu erzielen.
In den Fig. 5a und 5b ist ein System zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors gezeigt. Bei dieser Ausführungsform führt das Problem einer Variation aufgrund von Ungleichförmigkeiten der Magneten zu einer gewissen Feldstreuung an den Magnetpolseiten. Dieses Problem wird auf ein Minimum zurückgeführt, indem die Seite des Magneten 51 von einem hochpermeablen Polstück 93 (z.B. Stahl) bedeckt wird. Ein Magnetowiderstandselement 95 ist über dem Po1stück angeordnet. Das Polstück dient dazu, eine Streuung der Magnetfeldrichtung aufgrund von Magnet-Ungleichförmigkeiten auf ein Minimum zurückzuführen. Bei der Ausführung, bei der kein Stahl verwendet wird, bewirken die Änderungen der Richtung und der Amplitude des Feldes von dem Magneten eine Verringerung des Magnetowiderstands-Ausgangssignals. Änderungen des Vorbelastungsfeldes und Änderungen des gemessenen Feldes werden über den Bereich des Magnetowiderstandselements so gemittelt, daß eine gewisse Auslöschung auftritt, die den Ausgangspegel herabsetzt.
Das Stahl- oder anderweitig hochpermeable Polstück bewirkt durch seine hohe Permeabilität, daß alle Feldlinien das Stahlteil annähernd in Normalrichtung bezüglich der Oberfläche bei geringer Richtungsstreuung verlassen. Damit sind Änderungen der Feldrichtung wirksam beseitigt. Dies führt zu einer höheren Funktionsfähigkeit des Sensors, insbesondere bei großen Ziel/Sensor-Spalten.
Das Stahlpolstück besitzt einen kleineren Durchmesser als der Magnet, um Flußverluste zu minimieren.
Eine Magnetowiderstandswandler.Schaltung besitzt typischerweise die Form einer Brückenschaltung, wie in Fig. 6 gezeigt. Wie zu sehen ist, ist eine Brückenschaltung vorgesehen, bei der jeder Stromzweig eine Magnetowandlereinrichtung R1, R2, R3 und R4 enthält. Eine Energiequelle, die in Form einer Batterie und einer Bezugsspannungsquelle dargestellt ist, ist zwischen einem Paar von einander gegenüberliegenden Anschlüssen der Brücke vorgesehen, während das Ausgangssignal an dem anderen Paar von einander gegenüberliegenden Anschlüssen der Brücke abgegriffen wird, wobei diese Anschlüsse mit Vaus1 und Vaus2 bezeichnet sind.
Wird ein Magnetfeld an die Magnetowiderstandswandler-Schaltung der Fig. 6 angelegt, so besitzt der Widerstand R1 einen Widerstandswert R1 = Ro + delta R, der Widerstand R2 einen Widerstandswert R2 = Ro - delta R, der Widerstand R3 einen Widerstandswert R3 = Ro + delta R und der Widerstand R4 einen Widerstandswert R4 = Ro - delta R. Entsprechend wird die Ausgangsspannung an der Anschlußklemme Vausl gleich (Ro + delta R)/2Ro, und die Ausgangsspannung an der Anschlußklemme Vaus2 wird + (Ro - delta R)/Ro. Entsprechend ist das Ausgangssignal der Brücke proportional zu delta R.
In der Praxis ist der Sensor oder Magnetowiderstandwandler oft in einer rauhen Umgebung angeordnet, in der beispielsweise hohe Temperaturen in der Größenordnung von etwa 150º bis 180ºC vorherrschen. Die in Verbindung mit dem Sensor verwendeten elektronischen Vorrichtungen, wie Halbleitervorrichtungen, können jedoch bei diesen Temperaturen nicht zuverlässig arbeiten. Überdies erzeugen solche elektronischen Vorrichtungen während des Betriebs ebenfalls Wärme. Es ist daher erforderlich, die elektronischen Komponenten gegenüber der Hochtemperatur-Wärmequelle zu isolieren, indem ein dieses umgebendes Kunststoffgehäuse verwendet wird, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Es ist auch erforderlich, einen Kühlkörper für die elektronischen Komponenten möglichst nahe an einer Stelle eines Kühlmontageträgers vorzusehen, an dem etwa 135ºC oder weniger vorliegen können.
Dies wird, wie in Fig. 7 gezeigt, dadurch erreicht, daß ein L-förmiger Montageträger 61 verwendet wird, an dem eine Schaltkarte oder eine Flexschaltung (eine flexible gedruckte Schaltung) 63 mit darauf vorgesehenen integrierten Schaltungen befestigt wird. Der Montageträger ist über einen ihm zugeordneten Flanschabschnitt 65 an einem Flansch oder dergleichen befestigt, der bei 135ºC oder darunter gehalten werden kann. Der Montageträger 61 ist aus einem Material sehr hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet, vorzugsweise aus Aluminium, um die Temperatur der Montagekammer möglichst nahe bei der des Flansches des Fahrzeuges zu halten. Entsprechend werden die Schaltkarte 63 und die darauf vorgesehenen integrierten Schaltungen nahe bei der Temperatur der Montagekammer gehalten, die als Kühlkörper für die Schaltkarte und die darauf vorgesehenen Komponenten wirkt. Dies hält die Anschlüsse der integrierten Schaltung bei etwa 150º bis 160ºC, innerhalb deren Betriebstemperaturen, wodurch die Zuverlässigkeit der Schaltung, von denen sie einen Teil bilden, erhöht wird. Der Magnet 67 ist der gleiche wie der bei den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 beschriebene Magnet und, er ist an dem von dem Flansch 65 abgelegenen Endabschnitt des Trägers 61 befestigt, wobei dieser Endabschnitt oft Temperaturen über 150ºC und oft solchen bis 180ºC ausgesetzt ist. Ein Magnetowiderstandswandler 69 ist an dem Magneten 67 befestigt, wie oben beschrieben, und Drähte 71 davon sind mit der elektronischen Schaltung auf der Schaltkarte 63 verbunden. Der gesamte Träger einschließlich der elektronischen Komponenten, der Schaltkarte, des Magneten und des Wandlers werden von einem Kunststoffgehäuse 73 umgeben, das eine sehr hohe mechanische Festigkeit besitzt und in hohem Maße gegenüber in der besonderen Umgebung anzutreffenden Fluiden resistent ist. Der Träger 61 kann mit einem elektrischen Verbinder oder einem Kabel 75 am Flanschabschnitt 65 versehen sein, um die Signaldrähte von dem Sensor zu einer abgelegenen Einrichtung zu führen. Der Verbinder oder das Kabel 75 ist ebenfalls von dem Kunststoff 73 ummantelt, um eine zufriedenstellende Fluidabdichtung zu schaffen und zu verhindern, daß Schmutzstoffe eindringen und die elektronischen Komponenten beeinträchtigen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Magnetowiderstandswandlers, das die folgenden Schritte enthält:

(a) Bereitstellen eines Magneten (41, 51) mit einer Längsachse und einer Außenfläche, die in einer zu der Achse senkrechten Ebene liegt, und mit einem von dieser Oberfläche ausgehenden Magnetfeld; und

(b) Vorsehen eines dünnen, im wesentlichen ebenen Magnetowiderstandselement-Mittels (43, 53) an der Außenfläche des Magneten (41, 51), das auf einen in einer vorbestimmten Richtung durch es hindurchtretenden Magnetfluß anspricht, um seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetflusses in der vorbestimmten Richtung zu ändern, wobei das Element-Mittel (43, 53) ein Substrat und ein Spannungsteilernetzwerk mit einer Wheatstone-Halbbrücke oder einer Wheatstone-Vollbrücke enthält, die auf dem Substrat angeordnet ist und zwei miteinander verbundene Stromzweige mit zwei Endanschlüssen und einem Mittelanschluß enthält, und wobei jeder Stromzweig ein Magnetowiderstandsfilmelement enthält, die beiden Endanschlüsse an eine Spannungsquelle angeschlossen sind und der Mittelanschluß eine Ausgangsspannung liefert;

gekennzeichnet durch

(c) das Anordnen des Magnetowiderstandselement-Mittels (43, 53) entweder auf der Längsachse unter einem vorbestimmten Winkel (α) gegenüber dieser oder um ein bestimmtes Maß gegenüber der Längsachse versetzt, um in der Ebene des Element-Mittels ein Vormagnetfeld zu schaffen; und

(d) das Einstellen des Winkels (θ), den das Magnetowiderstandselement-Mittel (43, 53) mit der Langsachse bildet, in einer Richtung quer zu der des Vormagnetfeldes, um Änderungen des Magnetowiderstandselement-Mittels, des Magneten und deren Zusammenbaus zu kompensieren und dadurch den Wandler so zu kalibrieren, daß die Ausgangsspannung mittig auf einen ausgewählten Pegel eingestellt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Spannungsteilernetzwerk eine Wheatstone-Vollbrücke enthält, die auf dem Substrat angeordnet ist und vier miteinander verbundene Stromzweige enthält sowie zwei Paare von einander gegenüberliegenden Anschlüssen besitzt, wobei jeder Stromzweig ein Magnetowiderstandsfilmelement besitzt, ein Paar von einander gegenüberliegenden Anschlüssen an die Spannungsquelle angeschlossen ist und das andere Paar von einander gegenüberliegenden Anschlüssen die zwischen diesen liegende Ausgangsspannung liefert.

3. Magnetowiderstandswandler mit:

(a) einem Magnetmittel (41, 51) mit einer Langsachse und einer Außenfläche, die allgemein in einer zu der Achse senkrechten Ebene liegt, das ein von der Oberfläche ausgehendes Magnetflußfeld liefert; und

(b) einem dünnen, im wesentlichen ebenen Magnetowiderstandselement-Mittel (43, 53), das auf der Außenfläche des Magnetmittels (41, 51) angeordnet ist und auf den in einer vorbestimmten Richtung durch es hindurchtretenden Magnetfluß anspricht, um seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetflusses in der vorbestimmten Richtung zu ändern, wobei das Element-Mittel (43, 53) ein Substrat und ein Spannungsteilernetzwerk mit einer Wheatstone-Halbbrücke oder einer Wheatstone-Vollbrücke enthält, die auf dem Substrat angeordnet ist und zwei miteinander verbundene Stromzweige mit zwei Endanschlüssen und einem Mittelanschluß enthält, und wobei jeder Stromzweig ein Magnetowiderstandsfilmelement besitzt, die beiden Endanschlüsse an eine Spannungsquelle angeschlossen sind und der Mittelanschluß eine Ausgangsspannung liefert;

dadurch gekennzeichnet, daß

(c) das Element-Mittel (43, 53) entweder auf der Längsachse unter einem bestimmten Winkel gegenüber dieser oder um ein vorbestimmtes Maß gegenüber dieser Langsachse versetzt angeordnet ist, um in der Ebene des Element-Mittels ein Vormagnetfeld zu schaffen; und daß es so unter einem Winkel zu der LÄngsachse in einer Richtung quer zu der des Vormagnetfeldes angeordnet ist, daß die Ausgangsspannung des Wandlers auf einen ausgewählten Pegel mittig eingestellt ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, bei dem das Spannungsteilernetzwerk eine Wheatstone-Vollbrücke enthält, die auf dem Substrat angeordnet ist und vier miteinander verbundene Stromzweige enthält und zwei Paare von einander gegenüberliegenden Anschlüssen besitzt, wobei jeder Stromzweig ein Magnetowiderstandsfilmelement aufweist, ein Paar von einander gegenüberliegenden Anschlüssen an die Spannungsquelle angeschlossen ist und das andere Paar von einander gegenüberliegenden Anschlüssen die zwischen diesen liegende Ausgangsspannung liefert.

5. Wandler nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Magnetmittel (41, 51) einen Permanentmagneten enthält, bei dem die Außenfläche eine konkave Oberfläche mit einer solchen Krümmung ist, daß ein Magnetflußfeld mit Magnetflußlinien erzeugt wird, die nahe dem Magnetowiderstandselement-Mittel (43, 53) im wesentlichen parallel sind.

6. Wandler nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Magnetmittel (41, 51) ein ferromagnetisches Polstück in der Nähe der Außenfläche enthält, um eine höhere Gleichförmigkeit des Magnetfeldes durch das Magnetowiderstandselement-Mittel zu erzielen.