-
Die
Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Sensor zum Messen relativer
Verlagerungen von Konstruktionsteilen, mit einem auf einer Oberfläche eines
Substrats gebildeten magnetoresistiven Element und einem Magnetsystem,
mit dem am Ort des magnetoresistiven Elements ein Magnetfeld erzeugt wird,
das eine parallel zur Substratoberfläche gerichtete Komponente hat,
wobei die Komponente bei der relativen Verlagerung der Konstruktionsteile
mit dem magnetoresistiven Element unterschiedliche Winkel bildet
und so groß ist,
dass das magnetoresistive Element während der Verlagerung immer
magnetisch gesättigt
ist,
-
Ein
magnetoresistiver Sensor dieser Art kann zum kontaktlosen Bestimmen
der gegenseitigen Lage von zwei Konstruktionsteilen verwendet werden,
wobei das magnetoresistive Element an einem der Konstruktionsteile
befestigt ist und das Magnetsystem an dem anderen Teil. Die Konstruktionsteile
können
beispielsweise ein Gehäuse
und eine darin drehbare Nockenwelle sein, wie es bei Automotoren üblich ist.
Die Konstruktionsteile können
auch beispielsweise ein Schienensystem sein und ein entlang dieses
Systems bewegbarer Schlitten, wie es bei verschiebbaren Autositzen üblich ist.
Im erstgenannten Fall ist die Verlagerung eine Rotation und in dem
letztgenannten Fall eine Translation.
-
Während der
Verlagerung der Konstruktionsteile ist das magnetoresistive Element
durch die Magnetfeldkomponente, die parallel zur Oberfläche des Substrats
des magnetoresistiven Elements gerichtet ist, immer magnetisch gesättigt. Das
magnetoresistive Element hat dann einen Widerstandswert, der nur von
dem Winkel α abhängt, den
das Element mit der Komponente des Magnetfeldes bildet. Außerdem haben
Veränderungen
der Magnetfeldstärke,
die beispielsweise durch Temperaturschwankungen bewirkt werden können, nahezu
keinen Einfluss auf den Betrieb des Sensors und können magnetische
Toleranzen relativ groß sein,
sowohl bei der Fertigung als auch bei der Verwendung des Sensors.
-
Ein
magnetoresistiver Sensor der oben beschriebenen Art ist aus Philips
Semiconductors Data Handbook SC 17, Product Specification, 6. Dezember
1997, S. 183– 187,
insbesondere 2 und 3 bekannt, wobei dieser Sensor
zum Bestimmen der Rotation einer Welle verwendet wird. Das Magnetsystem
ist ein Permanentmagnet, der am Ende der Welle befestigt ist, und
das magnetoresistive Element ist auf einigem Abstand vom Ende der
Welle angeordnet. Das Magnetfeld bildet mit dem magnetoresistiven
Element einen Winkel α.
Die Zentrallinie der Welle schneidet die Oberfläche, auf der das magnetoresistive
Element gebildet ist, senkrecht. Das magnetoresistive Element hat
einen Widerstandswert, der von sin 2α abhängt. Daher können nur
Rotationen bis zu 90° eindeutig
mit dem Sensor gemessen werden.
-
US-A-5
570 015 offenbart einen linearen Positionsverlagerungsdetektor,
der einen magnetoresistiven Sensor enthält, mit einer magnetischen
Sensorfläche,
die durch ein ferromagnetisches Magnetwiderstandssensorelement,
das ein zuvor bestimmtes Muster aufweist, und einen länglichen
Permanentmagneten mit einer Magnetpolfläche an jedem Ende gebildet
wird.
-
Der
Permanentmagnet kann entlang seiner Längsachse bewegt werden und
mit dem magnetischen Sensor bei auf einer erweiterten Fläche der Magnetsensorfläche positionierter
Längsachse
magnetisch gekoppelt werden. Eine Positionsverlagerung des Permanentmagneten
entlang der Längsachse wird
als Änderung
in Richtung des magnetischen Flusses detektiert, der die magnetische
Sensorfläche parallel
durchquert.
-
Die
Form und der Abstand zu dem magnetoresistiven Element des Permanentmagneten
sind so ausgebildet, dass immer ein gesättigtes Magnetfeld auf das
ferromagnetische magnetoresistive Element wirkt. Um Sättigung
zu erhalten, beträgt
eine Winkeländerung
des die Magnetsensorfläche
des Magnetwiderstandselements durchlaufenden magnetischen Flusses
bezüglich
der Längspositionsverlagerung des
Permanentmagneten 6 ± 3
Grad/mm.
-
Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, einen magnetoresistiven Sensor
zu verschaffen, der Messungen von Verlagerungen erlaubt, bei denen das
Ausmaß der
Verlagerung weniger begrenzt ist als bei den oben erwähnten bekannten
magnetoresistiven Sensoren.
-
Gemäß der Erfindung
ist daher der magnetoresistive Sensor zum Messen relativer Verlagerungen
von Konstruktionsteilen, mit einem auf einer Oberfläche eines
Substrats gebildeten magnetoresistiven Element und einem Magnetsystem,
mit dem am Ort des magnetoresistiven Elements ein Magnetfeld erzeugt
wird, das eine parallel zur Sub stratoberfläche gerichtete Komponente hat,
wobei die Komponente bei der relativen Verlagerung der Konstruktionsteile
mit dem magnetoresistiven Element unterschiedliche Winkel α bildet und
so groß ist,
dass das magnetoresistive Element während der Verlagerung immer
magnetisch gesättigt
ist, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Element zum Bestimmen
einer gegenseitigen Rotation der Konstruktionsteile eine kreisförmige Bahn
in Bezug auf das Magnetsystem beschreibt, mit einem Mittelpunkt, auf
den bezogen das magnetoresistive Element eine feste Lage einnimmt.
-
Bei
dem in dem oben genannten Handbuch beschriebenen Sensor schneidet
die Zentrallinie der Welle, auf der der Magnet befestigt ist, die
Oberfläche,
auf der das magnetoresistive Element gebildet wird, senkrecht. Bei
Rotation der Welle dreht sich das Magnetfeld um diesen Schnittpunkt.
In Bezug auf das Magnetsystem dreht sich das magnetoresistive Element
um den gleichen Schnittpunkt und ändert seine Lage nicht.
-
In
dem erfindungsgemäßen Sensor
behält das
magnetoresistive Element seine Lage in Bezug auf das Magnetsystem
nicht bei, sondern beschreibt in Bezug auf das Magnetsystem eine
Bahn. In der Praxis wird das magnetoresistive Element im Allgemeinen
stationär
sein, während
das Magnetsystem seine Lage ändert,
aber für
ein besseres Verständnis der
Erfindung wird es deutlicher sein, wenn die relative Verlagerung
als eine Verlagerung des magnetoresistiven Elementes in Bezug auf
das Magnetsystem beschrieben wird. Da das magnetoresistive Element
in Bezug auf das Magnetsystem eine Bahn beschreibt, kann das Magnetsystem
in solcher Weise entworfen sein, dass an jedem Punkt der Bahn ein gewünschtes
Magnetfeld erzeugt wird. Große
Translationen und große
Rotationen bis zu nahezu 360° können mit
einem solchen Sensor eindeutig gemessen werden. Bei der relativen
Verlagerung der Konstruktionsteile bildet die Komponente des Magnetfeldes
vorzugsweise mit dem magnetoresistiven Element Winkel, welche Winkel
in einem Arbeitsbereich liegen, in dem das magnetoresistive Element
einen Widerstandswert hat, der nahezu linear von diesen Winkeln
abhängt.
Das Magnetsystem kann dann in solcher Weise entworfen werden, dass
große
Translationen und große
Rotationen bis zu nahezu 360° linear
gemessen werden können.
-
Bei
einem magnetoresistiven Sensor beschreibt das magnetoresistive Element
zum Bestimmen einer gegenseitigen Rotation der Konstruktionsteile
in Bezug auf das Magnetsystem eine kreisförmige Bahn, mit einem Mittelpunkt,
auf den bezogen das magnetoresistive Element eine feste Lage einnimmt. Eines
der Konstruktionsteile ist beispielsweise fest angeordnet, während das
andere Konstruktionsteil in Bezug auf das feste Konstruk tionsteil
rotieren kann. Entweder das magnetoresistive Element oder das Magnetsystem
ist dann an dem rotierenden Konstruktionsteil befestigt. Wenn das
magnetoresistive Element oder das Magnetsystem direkt an dem rotierenden
Konstruktionsteil befestigt ist, beispielsweise mit Hilfe eines
festen Arms, dann beschreibt es automatisch in Bezug auf das feste
Konstruktionsteil eine kreisförmige
Bahn. Getriebe mit beispielsweise Zahnrädern sind zum Realisieren der
kreisförmigen Bahn
nicht erforderlich. Rotationen bis zu nahezu 360° können gemessen werden.
-
In
dem erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Sensor erzeugt das Magnetsystem am Ort der Bahn des magnetoresistiven
Elements ein Magnetfeld, das Feldlinien hat, die in der Ebene der
Bahn in Bezug auf eine quer zur Ebene der Bahn gerichtete Symmetrieachse,
die die Ebene der Bahn nahe dem Mittelpunkt der Bahn schneidet,
radial verlaufen. Die parallel zur Oberfläche des Substrats gerichtete
Magnetfeldkomponente bildet entlang der kreisförmigen Bahn mit dem magnetoresistiven
Element unterschiedliche Winkel α.
Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Bahn und dem Schnittpunkt
der Symmetrieachse mit der Ebene der Bahn bestimmt den Arbeitsbereich,
in dem der Winkel α sich
während
der Rotation der Konstruktionsteile ändert. Dieser Abstand kann
in einfacher Weise so gewählt
werden, dass dieser Winkel α während der
Rotation in dem genannten Arbeitsbereich bleibt.
-
Wenn
die Konstruktionsteile unter einem Winkel β in Bezug zueinander rotieren,
dann ändert sich
in einem solchen Magnetfeld der Widerstandswert des magnetoresistiven
Elements linear mit dem Winkel α,
aber nicht mit dem Winkel β.
Der Winkel α ist
nicht linear von dem Winkel β abhängig. Für das beschriebene
Magnetfeld, in dem das magnetoresistive Element eine kreisförmige Bahn
beschreibt, zeigt sich, dass der Widerstandswert nicht direkt proportional
zum Winkel β verläuft, sondern
nahezu zum Sinus des Winkels β.
Eine Rotation von 180° kann
also mit dem Sensor eindeutig gemessen werden.
-
Ein
Magnetsystem, mit dem ein solches Feld in einfacher Weise realisiert
wird, umfasst zwei konzentrisch angeordnete Ringmagnete, deren Polflächen in
einer parallel zur Ebene der Bahn verlaufenden Ebene liegen und
die eine gemeinsame Zentrallinie aufweisen, die die Symmetrieachse
des Magnetsystems bildet, wobei beide Ringmagnete in entgegengesetztem
Sinn quer zur Ebene der Bahn magnetisiert sind. Ein solches Magnetsystem
mit zwei Ringmagneten kann um eine Welle herum montiert sein, wobei
die Zentrallinie der Welle dann durch den Mittelpunkt der Bahn des
magnetoresistiven Elements läuft.
Um dafür
zu sorgen, dass das magnetoresistive Element während der gegenseitigen Rotation
der Konstruktionsteile immer gesättigt
ist, genügt
ein möglichst
kleines Magnetfeld, wenn die Oberfläche des Substrats, auf dem
das magnetoresistive Element gebildet ist, Rotation in der Ebene
der Bahn des magnetoresistiven Elements liegt.
-
Es
sei bemerkt, dass die nicht vorveröffentlichte EP-A-0997706 eine
Anordnung zum Messen einer relativen linearen Lage zwischen einem
magnetoresistiven Winkelsensor und einem Magnetkörper offenbart, deren Lage
relativ zueinander linear in einer zuvor definierten Richtung geändert werden kann.
Ein Magnetstreifen ist als magnetischer Körper angeordnet. Der Streifen
hat ein Paar Magnetpole und ein Magnetfeld, das über seine Länge unter verschiedenen Winkeln
verläuft,
sodass der Winkel des Magnetfeldes, das den magnetoresistiven Winkelsensor
durchdringt, von der relativen Lage des magnetoresistiven Winkelsensors
zu dem Magnetstreifen abhängt.
Die relative Lage kann aus dem Ausgangssignal des magnetoresistiven
Winkelsensors berechnet werden. Indem zwei Sensorelemente konzentrisch
zueinander unter einem Winkel von 45° positioniert werden, kann ein
Magnetfeldwinkelbereich von ±90
Grad gemessen werden.
-
Bei
einer Ausführungsform
des magnetoresistiven Sensors erzeugt das Magnetsystem ein Magnetfeld
mit nahezu parallelen Feldlinien, die die Ebene der Bahn am Ort
der kreisförmigen
Bahn unter einem Winkel schneiden. Die parallel zum Substrat gerichtete
Magnetfeldkomponente verläuft
dann entlang der kreisförmigen
Bahn unter unterschiedlichen Winkeln zum magnetoresistiven Element.
Die Größe des Winkels,
den die Feldlinien mit der Ebene der Bahn bilden, bestimmt den Arbeitsbereich,
in dem der Winkel α sich
während
der Rotation der Konstruktionsteile ändert. Dieser Winkel kann so
gewählt
werden, dass der Winkel α während der
Rotation in diesem Arbeitsbereich bleibt. Auch in diesem Fall gilt, dass
der Widerstandswert des magnetoresistiven Elements sich im Wesentlichen
mit dem Sinus des Winkels β ändert, wenn
die Konstruktionsteile in Bezug zueinander unter einem Winkel β rotieren,
sodass eine Rotation von 180° auch
mit diesem Sensor eindeutig gemessen werden kann. Ein Magnetsystem,
in dem ein solches Feld in einfacher Weise realisiert ist, umfasst
zwei Ringmagnete, die, bei einander zugewandten Polflächen, zu
beiden Seiten und auf gleichem Abstand zur Ebene der Bahn angeordnet
sind, mit Zentrallinien, die die Ebene der Bahn an Punkten, die
auf gleichen Abständen
zu beiden Seiten des Mittelpunktes der Bahn liegen, schneiden, wobei
beide Ringmagnete in gleichem Sinn quer zur Ebene der Bahn magnetisiert
sind. Auch dieses Magnetsystem, wieder mit zwei Ringmagneten, kann um
eine Welle montiert sein, in der die Zentrallinie der Welle dann
durch den Mittelpunkt der Bahn des magnetoresistiven Elements verläuft. Um
dafür zu
sor gen, dass das magnetoresistive Element während der gegenseitigen Rotation
der Konstruktionsteile immer magnetisiert ist, genügt ein möglichst
kleines Magnetfeld, wenn die Substratoberfläche, auf der das magnetoresistive
Element gebildet ist, quer zur Bahn des magnetoresistiven Elements
verläuft.
-
Rotationen
bis zu 180° können in
eindeutiger Weise mit den Sensoren der ersten und der zweiten Ausführungsform
gemessen werden. Der Anwendungsbereich wird erweitert, wenn der
Sensor zwei magnetoresistive Elemente umfasst, die in Bezug auf das
Magnetsystem die gleiche kreisförmige
Bahn beschreiben, die gleiche feste Lage in Bezug auf den Mittelpunkt
der Bahn einnehmen und, vom Mittelpunkt aus gesehen, einen Winkel
von 90° einschließen. Der
Widerstand des einen magnetoresistiven Elements ändert sich dann bei einer gegenseitigen Drehung
der Konstruktionsteile um sin β,
während der
Widerstandswert des zweiten magnetoresistiven Elements, das in Bezug
auf das erste Element um 90° gedreht
ist, sich um den Winkel cos β ändert. Der Winkel β kann dann
aus diesen beiden Widerstandswerten über eine Spanne von 360° berechnet
werden. Durch Hinzufügen
einer geeigneten-elektronischen Schaltung kann die Rotation um 360° sogar linear
gemessen werden.
-
Bei
einem magnetoresistiven Sensor zum Bestimmen einer gegenseitigen
Translation der Konstruktionsteile beschreibt das magnetoresistive
Element vorzugsweise eine geradlinige Bahn in Bezug auf das Magnetsystem,
welche Bahn in einer Referenzebene liegt, auf die bezogen das magnetoresistive
Element eine feste Lage einnimmt. Entweder das magnetoresistive
Element oder das Magnetsystem ist dann an dem sich bewegenden Konstruktionsteil befestigt
und bewegt sich dann entlang einer geradlinigen Bahn. Getriebe mit
beispielsweise Zahnrädern sind
dann nicht erforderlich, um die gewünschte geradlinige Bahn zu
realisieren. Die Translation kann groß sein.
-
Bei
einem solchen magnetoresistiven Sensor erzeugt das Magnetsystem
ein Magnetfeld mit Feldlinien, die die Referenzebene unter unterschiedlichen
Winkeln am Ort der geradlinigen Bahn schneiden. Dadurch wird realisiert,
dass die zur Oberfläche des
Substrats gerichtete Komponente des Magnetfeldes entlang der Bahn
mit dem magnetoresistiven Element unterschiedliche Winkel α bildet.
Die Winkel, unter denen die Feldlinien die Referenzebene schneiden,
können
in einfacher Weise so gewählt werden,
dass der Winkel α während der
Translation in dem genannten Arbeitsbereich bleibt. Ein Magnetsystem,
mit dem ein solches Magnetfeld in einfacher Weise realisiert werden
kann, umfasst zwei längliche Magnete,
die bei einander zugewandten Polflächen zu beiden Seiten der Referenzebene angeordnet sind
und, in Projektion auf die Referenzebene gesehen, einander im Mittelpunkt
der Bahn schneiden und einen gleich großen, aber entgegengesetzten
Winkel mit der geradlinigen Bahn einschließen, wobei beide Magnete in
gleicher Richtung quer zur Referenzebene magnetisiert sind. Die
beiden entgegengesetzten Winkel können so gewählt werden, dass der Winkel α in dem gewünschten
Arbeitsbereich bleibt. Um dafür
zu sorgen, dass das magnetoresistive Element während der gegenseitigen Translation
der Konstruktionsteile immer magnetisiert ist, genügt ein möglichst
kleines Magnetfeld, wenn die Substratoberfläche, auf der das magnetoresistive
Element gebildet wird, quer zur Bahn des magnetoresistiven Elements verläuft.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
-
1 schematisch eine erste
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Sensors,
-
2 schematisch eine zweite
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Sensors,
-
3 schematisch ein magnetoresistives Element,
das in dem magnetoresistiven Sensor verwendet wird,
-
4 schematisch die von dem
magnetoresistiven Element bei einer gegenseitigen Rotation der Konstruktionsteile
in Bezug auf das Magnetsystem beschriebene Bahn,
-
5 schematisch das Magnetsystem
der ersten Ausführungsform
des magnetoresistiven Sensors,
-
6 schematisch das Magnetsystem
der zweiten Ausführungsform
des magnetoresistiven Sensors,
-
7 schematisch die von dem
magnetoresistiven Element bei einer gegenseitigen Translation der
Konstruktionsteile in Bezug auf das Magnetsystem beschriebene Bahn,
-
8 schematisch zur Veranschaulichung ein
Beispiel für
einen Sensor zum Messen einer gegenseitigen Translation der Konstruktionsteile.
-
1 und 2 zeigen schematisch eine erste und eine
zweite Ausführungsform
eines magnetoresistiven Sensors 1 zum Messen relativer
Verlagerungen von Konstruktions teilen 2 und 3,
mit einem magnetoresistiven Element, das mit einem ersten Konstruktionsteil 2 verbunden
ist und einem Magnetsystem 5, das mit einem zweiten Konstruktionsteil 3 verbunden
ist. Die Konstruktionsteile 2 und 3, in 1 und 2 gezeigt, können in Bezug zueinander um
die Welle 6 rotieren. Das Konstruktionsteil 2 ist
stationär, die
Welle 3 ist drehbar.
-
3 zeigt schematisch das
magnetoresistive Element 4, das in dem in 1 und 2 gezeigten Sensor
verwendet wird. Das magnetoresistive Element 4 ist auf
einer Oberfläche 7 eines
Substrats 8 gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird das magnetoresistive
Element 4 durch eine große Anzahl paralleler Permalloystreifen 9 gebildet,
die mittels leitender Streifen 10 in Reihe geschaltet sind.
Für äußere Kontakte
sind die Anschlussstifte 11 vorgesehen, die mit den Streifen 9 mittels
elektrischer Leiter 12 verbunden sind.
-
Ein
Magnetfeld 13 mit einer zur Oberfläche 7 des Substrats 8 gerichteten
Komponente 14, von dem eine der Komponenten in 3 gezeigt wird, wird mit
dem Magnetsystem 5 am Ort des magnetoresistiven Elements 4 erzeugt.
Bei der relativen Verlagerung der Konstruktionsteile 2 und 3 bildet
diese Komponente 14 mit dem magnetoresistiven Element unterschiedliche
Winkeln α,
mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet, und ist so groß, dass
das magnetoresistive Element während
der Verlagerung immer magnetisch gesättigt ist. Der Widerstandswert
des dargestellten magnetoresistiven Elements ist dann von sin 2α abhängig.
-
Wie
in 4 und 7 gezeigt, beschreibt das erfindungsgemäße magnetoresistive
Element 4 bei einer relativen Verlagerung der Konstruktionsteile 2 bzw. 3 in
Bezug auf das Magnetsystem 5 eine Bahn 20, 21.
Das Magnetfeld 13, das von dem Magnetsystem 5 erzeugt
wird, hat Feldlinien 16, die mit der Längsachse 17 des magnetoresistiven
Elements 4 unterschiedliche Winkel 18 bilden.
Der Winkel α ist hier
45° minus
dem Winkel 18.
-
Bei
dem Sensor 1 beschreibt das magnetoresistive Element 4 in
Bezug auf das Magnetsystem 5 eine Bahn 20, 21.
In der Praxis und wie in 1 und 2 gezeigt, wird das magnetoresistive
Element 4 stationär
sein, während
das Magnetsystem 5 seine Lage ändert, aber für ein besseres
Verständnis
der Erfindung wird es deutlicher sein, die relative Verlagerung
als eine Verlagerung des magnetoresistiven Elements 4 in
Bezug auf das Magnetsystem 5 zu beschreiben. In den 4, 5 und 6 wird
das Element 4 in einer Anzahl von Lagen in Bezug auf das
Magnetfeld für
eine gegenseitige Rotation der Konstruktionsteile 2 und 3 gezeigt
und in 7 für eine gegenseitige
Translation.
-
Da
das magnetoresistive Element 4 in Bezug auf das Magnetsystem 5 eine
Bahn 20, 21 beschreibt, kann das Magnetsystem 5 so
entworfen werden, dass bei einem beliebigen Punkt der Bahn ein gewünschtes
Magnetfeld erzeugt wird.
-
4 zeigt ein Beispiel. Bei
der Verlagerung des magnetoresistiven Elements 4 entlang
der Bahn 20 ändert
sich der Winkel 18 zwischen den Feldlinien 16 und
der Längsachse 17 des
magnetoresistiven Elements 4 entgegen dem Uhrzeigersinn
von beispielsweise –15° bei Position 22 über 0° bei Position 23 auf
+15° bei
Position 24. Mit einem solchen Sensor kann eine Rotation
von nahezu 360° linear
gemessen werden.
-
7 zeigt ein anderes Beispiel.
Bei Translation des magnetoresistiven Elements 4 entlang
der Bahn 21 ändert
sich der Winkel zwischen den Feldlinien 16 und einer Achse 19 quer
zur Längsachse 17 des
Elements 4 von beispielsweise –15° bei Position 25 über 0° bei Position 26 auf
+15° bei
Position 27. Mit einem solchen Sensor kann eine Translation über einen
großen
Abstand gemessen werden.
-
Bei
der relativen Verlagerung der Konstruktionsteile 2 und 3 bildet
die Komponente 15 des Magnetfelds 14 vorzugsweise
Winkel mit dem magnetoresistiven Element 4 innerhalb eines
Arbeitsbereichs, in dem das magnetoresistive Element einen Widerstandswert
hat, der nahezu linear von diesen Winkeln abhängt. Das Magnetsystem kann
dann in solcher Weise entworfen werden, dass große Translationen und große Rotationen
bis zu nahezu 360° linear
gemessen werden können.
Bei dem in 3 gezeigten Sensor
hängt der
Widerstandswert von sin 2α ab.
Der Arbeitsbereich beträgt
in diesem Fall ungefähr
30°. Die
in 4 und 7 gezeigten Beispiele erfüllen diese Bedingung.
In beiden Fällen
wird die Verlagerung, in 4 eine
Rotation und in 7 eine
Translation, linear gemessen.
-
Bei
der ersten Ausführungsform
des in 1 und 5 gezeigten Sensors, der
zum Messen von Rotationen bestimmt ist, beschreibt das magnetoresistive Element 4 in
Bezug auf das Magnetfeld eine kreisförmige Bahn 20, mit
einem Mittelpunkt 30, auf den bezogen das magnetoresistive
Element eine feste Lage einnimmt; mit seinen Anschlussstiften 12 weist
das Element immer zum Mittelpunkt 30. In diesem Beispiel
ist das Magnetsystem 5 an dem rotierenden Konstruktionsteil,
der Welle 3, befestigt und das magnetoresistive Element 4 ist
an dem festen Konstruktionsteil befestigt. Dieses Element 4 ist
nahe der Zentrallinie 6 der Welle 3 angeordnet,
sodass das Element 4 und das Magnetsystem automatisch in
Bezug zueinander eine kreisförmige
Bahn 20 beschreiben.
-
Bei
der ersten Ausführungsform
des in 1 und 5 gezeigten Sensors erzeugt
das Magnetsystem 5 ein Magnetfeld 13 mit Feldlinien 16,
die in der Ebene der Bahn 20 in Bezug auf eine quer zur
Ebene der Bahn gerichtete Symmetrieachse 31, die die Ebene der
Bahn nahe dem Mittelpunkt 30 der Bahn 20 am Punkt 32 schneidet,
radial verlaufen. In Abhängigkeit von
Abstand zwischen dem Mittelpunkt 30 der Bahn 20 und
dem Schnittpunkt 32 ändert
sich der Winkel α während der
Rotation der Konstruktionsteile 2 und 3. Dieser
Abstand kann in einfacher Weise so gewählt werden, dass der Winkel α während der
Rotation in dem genannten Arbeitsbereich bleibt.
-
Wenn
bei dieser ersten Ausführungsform
die Konstruktionsteile 2 und 3 in Bezug zueinander
unter einem Winkel β rotieren, ändert sich
der Widerstandswert des magnetoresistiven Elements nicht linear
mit dem Winkel β.
Der Winkel α hängt nicht
linear vom Winkel β ab.
Es zeigt sich, dass der Widerstandswert vom Sinus des Winkels β abhängig ist. Dies
bedeutet, dass Rotationen bis zu 180° eindeutig mit diesem Sensor
gemessen werden können.
-
Das
Magnetsystem, das in der in 1 und 5 gezeigten ersten Ausführungsform
verwendet wird, umfasst zwei konzentrisch angeordnete Ringmagnete 33 und 34,
deren Polflächen 35 in
einer Ebene liegen, die parallel zur Ebene der Bahn 20 verläuft, und die
eine gemeinsame Zentrallinie 31 aufweisen, die die Symmetrieachse
des Magnetsystems bildet, wobei beide Ringmagnete 33 und 34,
durch Pfeile 36 angedeutet, in entgegengesetztem Sinn quer
zur Ebene der Bahn 20 magnetisiert sind. Ein solches Magnetsystem,
mit zwei Ringmagneten 33 und 34, kann um die Welle 3 montiert
sein, wobei die Zentrallinie 6 der Welle 3 dann
durch den Mittelpunkt der Bahn des magnetoresistiven Elements verläuft. Das Element 4 und
der Winkel 37, den die Feldlinien mit der Längsachse
des Elements 4 bilden, wird bei drei Positionen 38, 39, 40 in
Bezug auf dieses Feld gezeigt, wobei der Winkel 37 dann
hintereinander 0°, 15° und 0° ist. Die
Richtung der Komponente 14 des parallel zur Oberfläche 9 des
Substrats 8 des magnetoresistiven Elements verlaufenden
Magnetfeldes fällt
in diesem Beispiel mit der Richtung der Feldlinien 16 zusammen.
-
Um
dafür zu
sorgen, dass das magnetoresistive Element 4 in dieser ersten
Ausführungsform während der
gegenseitigen Drehung der Konstruktionsteile 2 und 3 immer
magnetisiert ist, genügt
ein möglichst
kleines Magnetfeld, wenn die Oberfläche 9 des Substrats 8,
auf dem das magnetoresistive Element 4 aufgebracht ist,
in der Ebene der Bahn 20 liegt.
-
2 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform
des magnetoresistiven Sensors, die ebenfalls zum Messen von Rotationen
bestimmt ist. Auch in dieser Ausführungsform beschreibt das magnetoresistive
Element 4 in Bezug auf das Magnetfeld eine kreisförmige Bahn 20,
mit einem Mittelpunkt 30, auf den bezogen das magnetoresistive
Element 4 eine feste Lage einnimmt, wobei seine Anschlussstifte 12 immer
zum Mittelpunkt 30 weisen. Das Magnetsystem 5 ist
an der Welle 3 befestigt und das magnetoresistive Element 4 ist
an dem festen Konstruktionsteil 2 befestigt.
-
Bei
der zweiten Ausführungsform
erzeugt das Magnetsystem 5 ein Magnetfeld mit nahezu parallelen
Feldlinien 16, die die Ebene der Bahn 20 am Ort
der kreisförmigen
bahn 20 unter einem Winkel 41 schneiden. Die Größe des Winkels 41 ändert sich während der
Rotation der Konstruktionsteile. Der Winkel 41 kann so
gewählt
werden, dass der Winkel α während der
Rotation in dem genannten Arbeitsbereich bleibt.
-
Auch
in diesem Fall gilt, dass der Widerstandswert des magnetoresistiven
Elements sich nahezu mit dem Sinus des Winkels β ändert, wenn die Konstruktionsteile 2 und 3 in
Bezug zueinander unter einem Winkel β rotieren, sodass eine Rotation
von 180° auch
mit diesem Sensor eindeutig gemessen werden kann.
-
Das
Magnetsystem, das in der in 2 und 6 gezeigten Ausführungsform
verwendet wird, umfasst zwei Ringmagnete 42 und 43,
die bei einander zugewandten Polflächen 44 zu beiden
Seiten und auf gleichem Abstand von der Ebene der Bahn 20 angeordnet
sind, mit Zentrallinien 45, 46, die die Ebene der
Bahn 20 bei Punkten 45, 46 schneiden,
die auf gleichen Abständen
zu beiden Seiten des Mittelpunktes 30 der Bahn 20 liegen,
wobei beide Ringmagnete 42 und 43 in gleichem
Sinn magnetisiert sind, in einer durch Pfeile 47 angegebenen
Richtung, quer zur Ebene der Bahn 20. Ein solches Magnetsystem
mit zwei Ringmagneten 42 und 43 kann um eine Welle 3 herum
montiert sein, wobei die Zentrallinie 6 der Welle 3 dann
durch den Mittelpunkt 30 der Bahn des magnetoresistiven
Elements 4 verläuft.
Das Element 4 und der von den Feldlinien und der Längsachse 17 des
Elements 4 gebildete Winkel 48 werden in drei Positionen 49, 50 und 51 in
Bezug auf dieses Feld gezeigt, wobei der Winkel 37 hintereinander
75°, 90° und 105° ist. Die
Richtung der Komponente 14 des parallel zur Oberfläche 9 des
Substrats des magnetoresistiven Elements verlaufenden Magnetfeldes fällt bei
dieser Ausführungsform
in den Positionen 49 und 51 mit der Richtung der
Feldlinien 16 zusammen und in den anderen Positionen nicht.
In der Position 50 steht die Feldlinie 16 senkrecht
zur Längsachse 17,
aber verläuft
nicht parallel zur Oberfläche 7 des Substrats 8.
Der Widerstandswert des magnetoresistiven Ele ments 4 wird
hier durch die Komponente 14 bestimmt, die parallel zu
dieser Oberfläche 7 gerichtet
ist. Wie bereits vorstehend erwähnt,
ist sie groß genug,
um das Element magnetisch zu sättigen.
Der Widerstandswert ist in der Position 50 minimal und die
Komponente 14 ist senkrecht zur Längsachse 17, während der
Winkel α gleich
45° ist.
-
Um
dafür zu
sorgen, dass bei dieser zweiten Ausführungsform das magnetoresistive
Element 4 während
der gegenseitigen Drehung der Konstruktionsteile 2 und 3 immer
gesättigt
ist, genügt
ein möglichst
kleines Magnetfeld, wenn die Oberfläche 9 des Substrats 8,
auf dem das magnetoresistive Element 4 aufgebracht ist,
quer zur Bahn 20 liegt.
-
Rotationen
bis zu 180° können mit
den in der ersten und der zweiten Ausführungsform beschriebenen Sensoren 1 eindeutig
gemessen werden. Der Anwendungsbereich wird erweitert, wenn der
Sensor 2 magnetoresistive Elemente umfasst, die in Bezug auf
das Magnetsystem die gleiche kreisförmige Bahn beschreiben, die
gleiche feste Lage in Bezug auf dem Mittelpunkt der Bahn einnehmen
und vom Mittelpunkt aus gesehen einen Winkel von 90° bilden.
Dies ist in 4 beispielsweise
bei den Positionen 38 und 39 der Fall und in 6 beispielsweise bei den
Positionen 49 und 50. Der Widerstandswert des
einen magnetoresistiven Elements ändert sich bei gegenseitiger
Rotation der Konstruktionsteile dann um sin β und der Widerstandswert des
zweiten magnetoresistiven Elements, das in Bezug auf das erste Element um
90° gedreht
ist, ändert
sich um cos β.
Aus diesen beiden Widerständen
kann der Winkel β dann über eine
Spanne von 360° berechnet
werden. Durch Hinzufügen
einer geeigneten elektronischen Schaltung kann sogar die Rotation
um 360° linear
gemessen werden.
-
7 zeigt zur Veranschaulichung
ein Beispiel eines magnetoresistiven Sensors 1, der geeignet
ist, eine gegenseitige Translation von Konstruktionsteilen zu bestimmen.
In Bezug auf das Magnetfeld beschreibt das magnetoresistive Element 4 eine geradlinige
Bahn 21, die in einer Bezugsebene 52 liegt, in
Bezug auf welche das magnetoresistive Element 4 eine feste
Lage einnimmt. Entweder das magnetoresistive Element 4 oder
das Magnetsystem 5 ist an dem sich bewegenden Konstruktionsteil
befestigt und bewegt sich dann entlang einer geradlinigen Bahn.
-
Die
Feldlinien 16 des Magnetfeldes bilden entlang der geradlinigen
Bahn 21 mit der Richtung 19 quer zur Längsachse 17 des
Elements 4 unterschiedliche Winkel 53. Das Magnetsystem 5 erzeugt
ein Magnetfeld mit Feldlinien 16, die die Referenzebene 52 am
Ort der geradlinigen Bahn 21 unter unterschiedlichen Winkeln
schneiden. Diese Winkel können
in einfacher Weise so gewählt
werden, dass der Winkel α während der
Translation in dem genannten Arbeitsbereich bleibt.
-
In
dem in 8 zur Veranschaulichung
gezeigten Beispiel wird ein Magnetfeld 5 mit zwei länglichen
Magneten 54 und 55 verwendet, die bei einander
zugewandten Polflächen 56 zu
beiden Seiten der Referenzebene 52 angeordnet sind und
in Projektion auf die Referenzebene 52 gesehen einander
im Mittelpunkt der Bahn 21 schneiden und mit der geradlinigen
Bahn 21 einen gleich großen, aber entgegengesetzt gerichteten
Winkel 57 bilden, wobei beide Magnete 54 und 55,
wie durch die Pfeile 58 gezeigt, in gleicher Richtung quer
zur Referenzebene 52 magnetisiert sind. Die beiden entgegengesetzten
Winkel 57 können
so gewählt
werden, dass der Winkel α innerhalb
des gewünschten
Arbeitsbereichs bleibt.
-
Um
dafür zu
sorgen, dass das magnetoresistive Element 4 bei diesem
Beispiel zur Veranschaulichung während
der gegenseitigen Translation der Konstruktionsteile 2 und 3 immer
gesättigt
ist, genügt ein
möglichst
kleines Magnetfeld, wenn die Oberfläche 7 des Substrats 8,
auf dem das magnetoresistive Element 4 aufgebracht ist,
quer zur Bahn 21 des magnetoresistiven Elements 4 liegt.
-
Bei
diesem Sensor können
zwei magnetoresistive Elemente verwendet werden, die in nahezu gleicher
Position zueinander um 45° gedreht
angeordnet sind. Der Widerstandswert eines der Elemente hängt dann
von sin α ab
und der Widerstandwert des anderen Elements hängt von cos α ab. Die
Lage kann aus den beiden Widerstandsänderungen berechnet werden.
Diese Bestimmung der Lage ist nahezu unabhängig von der Temperatur der
beiden Elemente, weil Änderungen
des Widerstandswertes beider Elemente gleich stark mit der Temperatur
zunehmen oder abnehmen.
-
Die
Erfindung ist vorstehend als Beispiel anhand einige Ausführungsformen
beschrieben worden. Es wird deutlich sein, dass im Rahmen der Erfindung
viele Varianten möglich
sind. Beispielsweise ist das magnetoresistive Element 4 als
Element vom AMR-Typ
beschrieben worden (AMR: anistropic magnetoresistive), aber andere übliche magnetoresistive
Elemente, wie die vom GMR-Typ (GMR: giant magnetoresistive) oder
Spin-Tunnel-Übergang-Elemente
können
in den beschriebenen Sensoren ebenfalls vorteilhaft verwendet werden.
Statt des beschriebenen magnetoresistiven Elements, das einen einzigen zusammengesetzten
Streifen aus magnetoresistivem Material 9 umfasst, können übliche magnetoresistive
Elemente verwendet werden, die mehr Streifen umfassen, beispielsweise
in einer Brückenschaltung.
Mit Elementen dieser Zusammensetzung können Verlagerungen gemessen
werden, bei denen die Messung nahezu unabhängig von der Temperatur des
Sensors ist. Der Widerstandswert der Streifen in der Brückenschaltung
ist temperaturabhängig,
aber der Quotient, der durch eine solche Brückenschaltung bestimmt wird,
nicht. Anstelle der dargestellten Permanentmagnete können auch
Elektromagnete verwendet werden und die Magnete können mit weichmagnetischen
Polschuhen versehen werden, sodass eine homogenere Feldverteilung
erhalten werden kann.