EP1725837A1 - Magnetsensoranordnung - Google Patents

Magnetsensoranordnung

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Publication number
EP1725837A1
EP1725837A1 EP05701536A EP05701536A EP1725837A1 EP 1725837 A1 EP1725837 A1 EP 1725837A1 EP 05701536 A EP05701536 A EP 05701536A EP 05701536 A EP05701536 A EP 05701536A EP 1725837 A1 EP1725837 A1 EP 1725837A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gap
magnetic
sensor arrangement
magnetic sensor
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05701536A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rasmus Rettig
Christian Bauer
Birgit Vogelgesang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102004063539A external-priority patent/DE102004063539A1/de
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1725837A1 publication Critical patent/EP1725837A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/147—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the movement of a third element, the position of Hall device and the source of magnetic field being fixed in respect to each other

Definitions

  • the invention relates to a magnetic sensor arrangement, in particular for sensing the movement of linearly or rotationally moved elements, according to the generic features of the main claim.
  • magnetic field-sensitive sensors are used in many areas in which contactless detection of a movement is desired. This can be both a rotational movement and a linear movement.
  • the movement can be determined directly by the time-changing magnetic field at the sensor location.
  • passive transmitter elements which consist of a soft magnetic material
  • the magnetic field is generated by a working magnet which is firmly connected to the sensor. The sensor measures the change in the magnetic field of the working magnet, which is caused by the movement of the encoder elements.
  • XMR sensors In addition to the Hall technology for magnetic field measurement which is known per se, so-called XMR technologies, ie magnetoresistive measuring principles, are also increasingly being used in the case of passive sensor elements in the motor vehicle sector. It should be noted that XMR sensors, in contrast to Hall sensors, detect the so-called "in-plane" component of the magnetic field in the sensor element. XMR sensors previously used use a working magnet, the field of which must be adjusted so that the offset at the location of the sensitive element is zero, or a so-called back bias field is generated that defines the working point of the sensor.
  • DE 101 28 135 AI describes a concept in which a hard magnetic layer nearby, i.e. is deposited in particular on and / or under a magnetoresistive layer stack.
  • This hard magnetic layer then couples mainly to the magnetosensitive layers through its stray field and thereby generates a so-called bias magnetic field, which acts as a magnetic field offset, so that even with only a slight variation of an external magnetic field superimposed on the internal magnetic field, a well measurable and relatively large one Change in the actual measured value, which is detected as a change in resistance in the layer arrangement, can be achieved.
  • the sensors described above are often designed in a manner known per se for speed detection, for example in motor vehicle technology, in a so-called gradiometer arrangement.
  • the sensor thus only measures the signal of a magnetic pole wheel whose pole pair spacing corresponds approximately to the predefined gradiometer spacing.
  • the gradiometer principle in contrast to the absolutely measuring XMR elements, the sensitivity of the sensors to homogeneous interference fields can be reduced.
  • a comparison of the magnets previously used so that the offset can be eliminated at both locations of the sensor elements of the gradiometer arrangement can no longer be carried out here; Electronic adjustment is possible in principle, but here there is a relatively small signal with a large offset.
  • the magnetic sensor arrangement according to the invention has two sensor elements in a gradiometer arrangement, each of which is assigned to one of two magnetic regions of a gap permanent magnet arranged at a predetermined distance. These areas and the entire gap permanent magnet are advantageously arranged with regard to the dimensions, the gap width and the gap shape, the gap depth and their positions in relation to the sensor elements such that the offset of the output signal of the sensor elements in the gradiometer alignment is minimized.
  • the design of a magnetic circuit that has a working field for one the gradiometer principle, ie generated with a detection of the field gradient sensor is optimized and thus enables offset-free operation of the sensor with variation of the magnetic field by moving encoder elements, in particular ferromagnetic gearwheels.
  • the magnetic circuit was composed of two areas, the fields of which overlap so that the so-called "in-plane" components of the resulting magnetic field, or the working field in the sensitive x-direction in the case of XMR sensors, at the gradiometer positions be reduced so that they vary around the zero position due to the influence of the passive encoder elements. This means that very small signals can be detected without offset.
  • the single-component gap magnet according to the invention is of simpler construction and less expensive to manufacture.
  • the gap of the gap magnet has a wedge-shaped or another curved contour.
  • This gap shape means that the offset optimization in the magnetic circuit is not reduced to the two gradiometer positions, but takes place over a wide area parallel to the surface of the magnet or a flux guide disk. This results in significantly reduced positioning requirements for the gradiometer position of the XMR sensor element with regard to the magnet arrangement.
  • the gap of the gap permanent magnet it is also possible for the gap of the gap permanent magnet to have a rectangular contour.
  • flux guide disks are arranged as homogenizing plates between the sensor elements and the magnetic areas. This homogenizes the field in the plane of the sensor elements and reduces the necessary positioning accuracy of the sensor elements compared to the magnet pair for offset-free operation.
  • the magnetization of the regions is rotated by a predetermined angle ⁇ in each case deviating from its longitudinal direction facing the sensor elements.
  • This premagnetization which is caused by the oblique position of the field, ensures that the sensor elements are located in a magnetic field in which the sensitivity is maximal due to a so-called bias field.
  • an arrangement of the aforementioned homogenizing plates is advantageously possible.
  • the invention can be used particularly advantageously in a magnetic sensor arrangement for detecting the angle of rotation of a wheel as a transmitter element, the wheel, for example as a steel wheel, being provided with teeth on its periphery for influencing the magnetic field in the region of the magnetic sensor arrangement.
  • speed sensors on the wheel or on the crankshaft there are areas of application as speed sensors on the wheel or on the crankshaft, as phase sensors on the camshaft, as speed sensors in the transmission or as other linear travel, angle or proximity sensors in which the magnetic field changes are induced by moving metallic elements , drawing
  • FIG. 1 shows a basic view of a magnetic sensor arrangement with two magnetic areas, which are part of a one-component gap permanent magnet and which are each opposite a magnetoresistive sensor element in a gradiometer arrangement,
  • FIG. 2 shows an arrangement expanded compared to FIG. 1 with flow guide disks as homogenizing plates
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a magnetic sensor arrangement with two individual magnets which, as a modification to FIG. 1, have an angled magnetic field
  • FIG. 4 shows an embodiment according to FIG. 3 with homogenizing plates corresponding to FIG. 2,
  • FIG. 5 shows a view of a magnetic sensor arrangement for a sensor wheel provided with steel teeth
  • FIG. 6 shows a diagram of the course of the magnetic field as a function of the position of a tooth or a tooth gap of the sensor wheel according to FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a basic view of an exemplary embodiment of the magnetic sensor arrangement with a gap permanent magnet, which, in modification of the previously described described embodiments has a wedge-shaped gap,
  • FIG. 8 shows an arrangement with a flux guide disk that is expanded compared to FIG. 7,
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment in which the wedge-shaped gap is arranged in a compact flow guide disk
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment that has magnetic fields angled away from FIG. 7,
  • FIG. 11 shows an arrangement expanded with respect to FIG. 10 with a flow guide disk
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment with an angled magnetic field, in which the wedge-shaped gap is arranged in a compact flux guide disk
  • Figure 13 is a view of a magnetic sensor arrangement with a wedge-shaped gap for a sensor wheel provided with steel teeth and
  • FIG. 14 shows a diagram of the course of the magnetic field as a function of the position of a tooth or a tooth gap of the sensor wheel according to FIG. 13.
  • FIG. 1 shows a basic view of a magnetic sensor arrangement 1 which has a permanent magnet designed as a split magnet 2.
  • the gap magnet 2 has magnetic on both sides of a gap 3 in the same direction. areas 4 and 5, whose respective magnetic field B is aligned with field lines indicated here in the direction of a sensor 6.
  • the sensor 6 is designed here as an XMR sensor and has two magnetoresistive sensor elements 7 and 8.
  • the sensor elements 7 and 8 are shown in a gradiometer arrangement with the gradiometer distance GM and detect the changes in the respective field gradient, which are caused, for example, by a metallic sensor element, for example a gearwheel shown in FIG. 5, which is guided past the magnetic sensor arrangement 1.
  • the optimal working point of the sensor 6 is set via the distance between the individual magnets 4 and 5, defined by the gap width sa and the gap depth st, and can be adapted to the gradiometer distance GM of the sensor elements 7 and 8. Furthermore, the field line profiles depend on the dimensions h, b and t of the gap magnet 2. For a fixed gradiometer distance GM, e.g. 2.5 mm, can be determined here, for example, by the size, material and arrangement of the gap magnet 2 in such a way that the sensor 6 operates without offset and thus can detect signals that are as small as possible in order in turn to allow the greatest possible distance from a transmitter element.
  • GM e.g. 2.5 mm
  • the magnetic field lines of the magnetic sensor arrangement 1 run such that a small so-called “in-plane” component exists to the outside at the location of the sensor elements 7 and 8.
  • the magnetic field is varied, with the "in-plane” components around the zero position be modulated and thus generate an offset-free signal of the gradiometer arrangement.
  • FIG. 2 An exemplary embodiment can be seen in FIG. 2, in which, in a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 1, additional homogenizing plates 9 and 10 are attached between the surfaces of the magnetic regions 4 and 5 and the sensor 6.
  • the field in the plane of the sensor 6 is homogenized with the homogenizing plates 9 and 10 and the necessary positioning accuracy of the sensor 6 with respect to the magnet pair or the areas 4 and 5 is reduced for offset-free operation.
  • the sensor elements 7 and 8 require constant bias. This premagnetization ensures that the sensor elements 7 and 8 are in a magnetic field in which the sensitivity is at a maximum. This so-called bias field is realized in each case with an embodiment shown in FIGS. 3 and 4.
  • this bias field is generated by rotating the magnetization B in the regions
  • FIG. 5 shows a section of a model in which the magnetic sensor arrangement 1 according to the invention, for example according to FIG. 1, is used in connection with a sensor wheel 11 which is provided with teeth 12. -lü ⁇
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a gap magnet 20 which is particularly favorable for achieving the advantages according to the invention and which has a wedge-shaped gap 21.
  • FIG. 7 shows the gap magnet 20 and its position relative to the sensor elements 7 and 8 in a gradiometer arrangement in a manner comparable to that in FIG. 1. The optimum working point is set here via the special shape and the dimensions of the wedge-shaped gap 21.
  • a variant of the gap magnet 20, which is provided with a flux guide disk 22 which adapts to the shape of the gap 21, can be seen from FIG.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a magnet 23, in which, instead of a suitably shaped gap 21 in the gap magnet, a specially shaped flux guide disk 24 on the surface of the rectangular magnet 23 for insertion sentence is coming. Due to the properties of the soft magnetic material of the flux guide disk 24, the field in the plane of the sensor elements 7 and 8 is shaped differently than in the case of a pure magnet, the x component (cf. FIG. 7) of the magnetic field being minimized over wide x ranges.
  • the sensor elements 7 and 8 may cause a constant premagnetization.
  • This premagnetization ensures that the sensor elements 7 and 8 are in a magnetic field in which the sensitivity is at a maximum. This can be brought about by a “bias field” according to FIG. 10 and subsequently also according to FIGS. 11 and 12 by rotating the magnetization B in the magnets 20 and 23, respectively.
  • FIG. 10 shows an arrangement without a flow guide disk (see FIG. 7)
  • FIG. 11 shows an arrangement with a flow guide disk 22 (see FIG. 8)
  • FIG. 12 shows an arrangement with a compact flow guide disk 24 with an integrated gap 21 (see FIG. 9).
  • FIG. 13 shows a section of an arrangement that is comparable to FIG. 5 and with which magnetic field simulations for designing the wedge shape of the gap 21 of the flux guide disk 24 can be carried out.
  • the shape of the gap 21 is of great importance, geometries which differ from the rectangular shape being particularly advantageous. As shown in FIGS. 7 to 14, this can be a wedge-shaped gap 21 or any curved shape of the gap.
  • the optimized shape of the gap 21 ensures an offset reduction of the magnetic field B in the gradiometer direction not only at the two positions of the sensor elements 7 and 8 but also over a wide range, so that the required positioning accuracy of the gradiometer in relation to the magnet 20 can be significantly reduced.
  • a simulation result is again shown in FIG. 14 as an example.
  • the x component of the B field (Bx) is plotted here over the gradiometer position x relative to the center of the sensor. It can be seen that the amount of the offset of the magnetic field B is smaller than lmT over a wide range. It can also be seen here that the course of the magnetic field Bx for the two simulated positions of the encoder wheel 11 (tooth 12, course 25) and the gap (course 26)) takes place symmetrically around the zero position, that is to say that the signal of the respective one Sensor element 7,8 is offset-free. The magnetic stroke as the difference between the tooth and gap position, however, remains high.

Abstract

Es wird eine Magnetsensoranordnung (1) vorgeschlagen, bei der magnetfeldempfindlichen Sensorelemente (7,8) angeordnet sind, deren elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von einem Magnetfeld veränderbar sind, das durch ein bewegtes passives Geberelement (11) beeinflussbar ist. Die Magnetsensoranordnung (1) weist zwei Sensorelemente (7,8) in einer Gradiometeranordnung auf, die jeweils einem von zwei in einem vorgegebenen Abstand (sa) angeordneten magnetischen Bereichen (4,5) eines als Spaltmagneten (2;20;23) ausgeführten Permanentmagneten zugeordnet sind. Die Bereiche (4,5) und der Spaltmagnet (2;20;23) sind hinsichtlich der beispielsweise keilförmigen Formgebung, der Abmaße (h,b,t), der Spaltbreite (sa) sowie der Spalttiefe (st) und ihrer Positionen zu den Sensorelementen (7,8) so angeordnet, dass der Offset des Ausgangssignals der Sensorelemente (7,8) in der Gradiometeranordnung minimiert ist.

Description

Magnetsensoranordnung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung, insbesondere zur Sensierung der Bewegung von linear oder rota- torisch bewegten Elementen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs .
Es ist an sich bekannt, dass magnetfeldempfindliche Sensoren in vielen Bereichen Anwendung finden, bei denen eine berührungsfreie Detektierung einer Bewegung gewünscht ist. Dabei kann es sich sowohl um eine Rotationsbewegung als auch eine Linearbewegung handeln. Zu unterscheiden sind hier zwei grundlegend verschiedene Messprinzipien. Zum einen lasst sich durch Anbringen eines oder mehrerer magnetischer Dipole als aktive Elemente auf dem zu detek- tierenden Element die Bewegung direkt durch das sich zeitlich ändernde Magnetfeld am Sensorort bestimmen. Im Gegensatz dazu wird bei passiven Geberelementen, die aus einem weichmagnetischen Material bestehen, das magnetische Feld durch einen Arbeitsmagneten erzeugt, der fest mit dem Sensor verbunden ist. Der Sensor misst die Änderung des Magnetfeldes des Arbeitsmagneten, die durch die Bewegung der Geberelemente hervorgerufen wird. Neben der an sich bekannten Hall-Technologie zur Magnetfeldmessung werden vermehrt auch bei passiven Geberelementen im Kraftfahrzeugbereich alternativ sog. XMR- Technologien, d.h. magnetoresistive Messprinzipien, eingesetzt. Dabei ist zu beachten, dass XMR-Sensoren im Gegensatz zu Hall-Sensoren die sog. "in-plane"-Komponente des Magnetfeldes im Sensorelement detektieren. Bisher übliche XMR-Sensoren verwenden dazu einen Arbeitsmagneten, dessen Feld so abgeglichen werden muss, dass der Offset am Ort des sensitiven Elementes Null ist oder es wird ein sogenanntes Backbias-Feld erzeugt, das den Arbeitspunkt des Sensors definiert.
Beispielsweise ist in der DE 101 28 135 AI ein Konzept beschrieben, bei dem eine hartmagnetische Schicht in der Nähe, d.h. insbesondere auf und/oder unter einem magneto- resistiven Schichtstapel, deponiert wird. Diese hartmagnetische Schicht koppelt dann vorwiegend durch ihr Streufeld an die magnetosensitiven Schichten und erzeugt dabei ein sogenanntes Bias-Magnetfeld, das als Magnetfeld- Offset wirkt, so dass auch bei einer nur schwachen Variation eines dem internen Magnetfeld überlagerten externen Magnetfelds eine gut messbare und relativ große Veränderung des eigentlichen Messwertes, der als Widerstandsänderung in der Schichtanordnung detektiert wird, erreichbar ist.
Die zuvor beschriebenen Sensoren werden in an sich bekannter Weise zur Drehzahlerfassung, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik, oft in einer sogenannten Gradiometeranordnung ausgeführt. Das heißt je zwei Zweige einer Wheatstoneschen Messbrücke sind in vorgegebenem Abstand angeordnet, so dass ein homogenes Magnetfeld kein Brückensignal bewirkt. Eine Variation des Magnetfelds im Bereich des vorgegebenen Abstands hingegen erzeugt ein Brückensignal. Damit misst der Sensor nur das Signal eines magnetischen Polrads, dessen Polpaarabstand in etwa dem vorgegebenen Gradiometerabstand entspricht.
Durch den Einsatz des Gradiometerprinzips in einer magne- toresistiven XMR-Messbrücke lässt sich im Gegensatz zu den absolut messenden XMR-Elementen eine Reduzierung der Empfindlichkeit der Sensoren gegenüber homogenen Störfeldern erreichen. Ein Abgleich der bisher eingesetzten Magnete, so dass an beiden Orten der Sensorelemente der Gradiometeranordnung der Offset eliminiert werden kann, lässt sich hier jedoch nicht mehr durchführen; eine e- lektronischer Abgleich ist zwar prinzipiell möglich, aber hier ist ein relativ kleines Signal auf großem Offset vorhanden .
Vorteile der Erfindung
Bei einer Weiterbildung einer Magnetsens,oranordnung der eingangs angegebenen Art weist die Magnetsensoranordnung erfindungsgemäß zwei Sensorelemente in einer Gradiometeranordnung auf, die jeweils einem von zwei in einem vorgegebenen Abstand angeordneten magnetischen Bereiche eines Spaltpermanentmagneten zugeordnet sind. Diese Bereiche und der gesamte Spaltpermanentmagnet sind in vorteilhafter Weise hinsichtlich der Abmaße, der Spaltbreite sowie der Spaltform, der Spalttiefe und ihrer Positionen zu den Sensorelementen so angeordnet, dass der Offset des Ausgangssignals der Sensorelemente in der Gradiometera- nordung minimiert ist.
Mit der Erfindung wird somit erreicht, dass die Auslegung eines Magnetkreises, der ein Arbeitsfeld für einen auf dem Gradiometerprinzip, d.h. mit einer Erfassung des Feldgradienten arbeitenden Sensors erzeugt, optimiert ist und somit einen offsetfreien Betrieb des Sensors bei Variation des magnetischen Feldes durch sich bewegende Geberelemente, insbesondere ferromagnetische Zahnräder, ermöglicht. Dazu wurde der Magnetkreis aus zwei Bereichen zusammengesetzt, deren Felder sich so überlagern, dass die sog. "in-plane"-Komponenten des resultierenden magnetischen Feldes, bzw. das Arbeitsfeld in der sensitiven x- Richtung bei XMR-Sensoren, an den Gradiometerpositionen soweit reduziert werden, dass sie durch den Einfluss der passiven Geberelemente um die Nulllage variieren. Somit können sehr kleine Signale offsetfrei detektiert werden.
Dies ist besonders bei sehr empfindlichen magnetoresisti- ven XMR-Sensoren von Vorteil, die möglichst ohne eine Offset-Korrektur einen großen Arbeitsbereich, d.h. sehr große bis sehr kleine Feldstärken, abdecken sollen. Im Vergleich zu Magnetkreisen, die aus mehreren separaten Komponenten bestehen, "'ist der erfindungsgemäße einkompo- nentige Spaltmagnet einfacher aufgebaut und kostengünstiger in der Herstellung.
In besonders vorteilhafter Weise weist der Spalt des Spaltmagneten eine keilförmige oder auch eine sonstige kurvenförmige Kontur auf. Diese Spaltform bewirkt, dass bei dem Magnetkreis die Offset inimierung nicht auf die beiden Gradiometerpositionen reduziert ist, sondern über einen weiten Bereich parallel zur Oberfläche des Magneten bzw. einer Flussleitscheibe stattfindet. Somit ergeben sich deutlich reduzierte Positionierungsanforderungen an die Gradiometerposition des XMR-Sensorelements hinsichtlich der Magnetanordnung. Weiterhin ist es jedoch auch möglich, dass der Spalt des Spaltpermanentmagneten eine rechteckige Kontur aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind zwischen den Sensorelementen und den magnetischen Bereichen Flussleit- scheiben als Homogenisierungsplatten angeordnet. Damit wird das Feld in der Ebene der Sensorelemente homogenisiert und die notwendige Positioniergenauigkeit der Sensorelemente gegenüber dem Magnetpaar zum offsetfreien Betrieb reduziert.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform die Magnetisierung der Bereiche abweichend von ihrer den Sensorelementen zugewandten Längsrichtung jeweils um einen vorgegebenen Winkel α gedreht ist.
Durch diese, durch die Schräglage des Feldes bedingte Vormagnetisierung wird erreicht, dass sich die Sensorelemente in einem Magnetfeld befinden, bei dem die Sensiti- vität durch ein sogenanntes Bias-Feld maximal ist. Auch hierbei ist eine Anordnung von den zuvor erwähnten Homogenisierungsplatten in vorteilhafter Weise möglich.
Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung bei einer Magnetsensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels eines Rades als Geberelement einsetzen, wobei das Rad, z.B. als Stahlrad, an seinem Umfang mit Zähnen zur Beeinflussung des Magnetfeldes im Bereich der Magnetsensoranordnung versehen ist. Insbesondere bei einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug ergeben sich Einsatzgebiete als Drehzahlfühler am Rad oder an der Kurbelwelle, als Phasengeber an der Nockenwelle, als Drehzahlsensor im Getriebe oder als sonstige Linearweg-, Winkel- oder Näherungssensoren, bei denen die Magnetfeldänderungen durch bewegte metallische Elemente induziert werden. Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipansicht einer Magnetsensoranordnung mit zwei magnetischen Bereichen, die Bestandteil eins einkomponentigen Spaltpermanentmagneten sind und die jeweils einem magnetoresistiven Sensorelement in einer Gradiometeranordnung gegenüberliegen,
Figur 2 eine gegenüber der Figur 1 erweiterte Anordnung mit Flussleitscheiben als Homogenisierungsplatten,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer Magnetsensoranordnung mit zwei Einzelmagneten, die in Abwandlung zur Figur 1 ein abgewinkelt liegendes Magnetfeld aufweisen,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 mit Homogenisierungsplatten entsprechend der Figur 2,
Figur 5 eine Ansicht einer Magnetsensoranordnung für ein mit Stahlzähnen versehenes Geberrad,
Figur 6 ein Diagramm des Verlaufs des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Position eines Zahnes bzw. einer Zahnlücke des Geberrades nach der Figur 5,
Figur 7 eine Prinzipansicht eines Ausführungsbei- spiels der Magnetsensoranordnung mit einem Spaltpermanentmagneten, der in Abänderung von den vorher be- schriebenen Ausführungsbeispielen einen keilförmigen Spalt aufweist,
Figur 8 eine gegenüber der Figur 7 erweiterte Anordnung mit einer Flussleitscheibe,
Figur 9 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der keilförmige Spalt in einer kompakten Flussleitscheibe angeordnet ist,
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel, das in Abwandlung von der Figur 7 abgewinkelt liegende Magnetfelder aufweist,
Figur 11 eine gegenüber der Figur 10 erweiterte Anordnung mit einer Flussleitscheibe,
Figur 12 ein Ausführungsbeispiel mit einem abgewinkelten Magnetfeld, bei dem der keilförmige Spalt in einer kompakten Flussleitscheibe angeordnet ist,
Figur 13 eine Ansicht einer Magnetsensoranordnung mit keilförmigem Spalt für ein mit Stahlzähnen versehenes Geberrad und
Figur 14 ein Diagramm des Verlaufs des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Position eines Zahnes bzw. einer Zahnlücke des Geberrades nach der Figur 13.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine Prinzipansicht einer Magnetsensoranordnung 1 gezeigt, die einen als Spaltmagnet 2 ausgeführten Permanentmagneten aufweist. Der Spaltmagnet 2 weist beiderseits eines Spaltes 3 in gleicher Richtung magneti- sierte Bereiche 4 und 5 auf, deren jeweiliges magnetisches Feld B mit hier angedeuteten Feldlinien in Richtung auf einen Sensor 6 ausgerichtet ist. Der Sensor 6 ist hier als XMR-Sensor ausgeführt und weist zwei magnetore- sistive Sensorelemente 7 und 8 auf. Die Sensorelemente 7 und 8 sind in einer Gradiometeranordnung mit dem Gradiometerabstand GM dargestellt und erfassen die Änderungen des jeweiligen Feldgradienten, die z.B. durch ein metallisches Geberelement, z.B. ein in Figur 5 gezeigtes Zahnrad, das an der Magnetsensoranordnung 1 vorbeigeführt wird, verursacht wird.
Die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes des Sensors 6 erfolgt über den Abstand der Einzelmagnete 4 und 5, definiert durch die Spaltbreite sa und die Spalttiefe st, zueinander und kann an den Gradiometerabstand GM der Sensorelemente 7 und 8 angepasst werden. Weiterhin hängen die Feldlinienverläufe von den Abmaßen h, b und t des Spaltmagneten 2 ab. Für einen festen Gradiometerabstand GM, z.B. 2,5 mm, kann hier beispielsweise durch Größe, Material und Anordnung des Spaltmagneten 2 so bestimmt werden, dass der Sensor 6 offsetfrei arbeitet und somit möglichst kleine Signale detektieren kann um wiederum einen möglichst großen Abstand zu einem Geberelement zu ermöglichen.
Ohne ein außen vorbeigeführtes Geberelement, z.B. ein Zahnrad, verlaufen die magnetischen Feldlinien der Magnetsensoranordnung 1 so, dass am Ort der Sensorelemente 7 und 8 eine kleine sogenannte "in-plane"-Komponente nach außen existiert. Durch den Einsatz z.B. eines sich bewegenden Zahnrads kommt es zu einer Variation des Magnetfeldes, wobei die "in-plane"-Komponenten um die Nulllage moduliert werden und damit ein offsetfreies Signal der Gradiometeranordnung erzeugen.
Aus Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem in Abwandlung zu dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 zusätzliche Homogenisierungsplatten 9 und 10 zwischen den Oberflächen der magnetischen Bereiche 4 und 5 und dem Sensor 6 angebracht sind. Bei diesem Ausführungs- beispiel wird mit den Homogenisierungsplatten 9 und 10 das Feld in der Ebene des Sensors 6 homogenisiert und damit die notwendige Positioniergenauigkeit des Sensors 6 gegenüber dem Magnetpaar bzw. der Bereiche 4 und 5 zum offsetfreien Betrieb reduziert.
Bei einigen Anwendungsbeispielen mit den zuvor beschriebenen magnetoresistiven XMR-Sensorelementen 7 und 8 benötigen die Sensorelemente 7 und 8 eine konstante Vormagnetisierung. Durch diese Vormagnetisierung wird erreicht, dass sich die Sensorelemente 7 und 8 in einem Magnetfeld befinden, bei dem die Sensitivität maximal ist. Realisiert wird dieses sogenannte Bias-Feld jeweils mit einem aus Figur 3 und 4 zu entnehmenden Ausführungsbeispiel.
Wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, wird dieses Bias-Feld durch eine Drehung der Magnetisierung B in den Bereichen
4 und 5 um den Winkel CC realisiert. Dabei lassen sich auch hier, wie zuvor beschrieben, wiederum zwei Aufbauvarianten ohne (Figur 3) und mit einer Justageverbesserung durch Homogenisierungsplatten 9 und 10 (Figur 4) realisieren.
In Figur 5 ist ein Ausschnitt eines Modells dargestellt, bei dem die erfindungsgemäße Magnetsensoranordnung 1, beispielsweise nach der Figur 1, im Zusammenhang mit einem Geberrad 11, das mit Zähnen 12 versehen ist, angewen- -lü¬
det wird. Als Beispiel ist in einem Diagramm nach Figur 6 ein Messergebnis dargestellt. Aufgetragen ist hier die sogenannte "in-plane"-Komponente des magnetischen Feldes Bx über der Gradiometerposition relativ zur Mitte des Sensors 6, jeweils für einen Zahn 12 (Verlauf 13) und für eine Zahnlücke (Verlauf 14) .
Es ist hier bei einem vorgegeben konstruktiven Versuchsaufbau mit einem Gradiometerabstand GM von 2,5 mm zu erkennen, dass der Verlauf des Magnetfeldes Bx an der Sensorelementposition 1,25 mm für die zwei simulierten Positionen des Geberrades 11 (Zahn 12, Verlauf 13) und der Lücke (Verlauf 14) ) symmetrisch um die Nulllage erfolgt, das heißt, dass das Signal des jeweiligen Sensorelementes 7,8 offsetfrei ist.
In Figur 7 ist ein für die Erreichung der erfindungsgemäßen Vorteile besonders günstiges Ausführungsbeispiel eines Spaltmagneten 20 gezeigt, der einen keilförmigen Spalt 21 aufweist. Die Figur 7 zeigt hier in vergleichbarer Weise wie bei der Figur 1 den Spaltmagneten 20 und dessen Position relativ zu den Sensorelementen 7 und 8 in einer Gradiometeranordnung. Die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes erfolgt hier über die spezielle Formgebung und die Abmaße des keilförmigen Spalts 21.
Aus Figur 8 ist in Abwandlung zu der Figur 7 eine Variante des Spaltmagneten 20 zu entnehmen, die mit einer Flussleitscheibe 22 versehen ist, die sich der Form des Spaltes 21 anpasst.
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Magneten 23, bei dem anstelle eines geeignet geformten Spaltes 21 im Spaltmagneten eine speziell geformte Flussleitscheibe 24 auf der Oberfläche des rechteckigen Magneten 23 zum Ein- satz kommt. Durch die Eigenschaften des weichmagnetischen Materials der Flussleitscheibe 24 wird das Feld in der Ebene der Sensorelemente 7 und 8 anders geformt als bei einem reinen Magneten, wobei die x-Komponente (vgl . Figur 7) des Magnetfelds über weite x-Bereiche minimiert wird.
Es kann eventuell vorteilhaft sein, wenn bei der Verwendung von sogenannten XMR-Sensoren die Sensorelemente 7 und 8 eine konstante Vormagnetisierung bewirkt wird. Durch diese Vormagnetisierung wird erreicht, dass sich die Sensorelemente 7 und 8 in einem Magnetfeld befinden, bei dem die Sensitivität maximal ist. Dies kann durch ein „Bias-Feld" gemäß Figur 10 und daran anschließend auch gemäß Figur 11 und 12 durch eine Drehung der Magnetisierung B in den Magneten 20 bzw. 23 bewirkt werden.
In der Figur 10 ist eine Anordnung ohne Flussleitscheibe (vgl. Figur 7), in der Figur 11 ist eine Anordnung mit einer Flussleitscheibe 22 (vgl. Figur 8) und in der Figur 12 ist eine Anordnung mit einer kompakten Flussleitscheibe 24 mit eingearbeitetem Spalt 21 (vgl. Figur 9) gezeigt.
Aus Figur 13 ist ein mit der Figur 5 vergleichbarer Ausschnitt einer Anordnung zu entnehmen, mit dem Magnetfeldsimulationen zur Auslegung der Keilform des Spaltes 21 der Flussleitscheibe 24 durchgeführt werden können.
Mit dieser Anordnung können für einen festen Gradiometerabstand, als Beispiel wurden 2,5 mm gewählt, Magnetfeld- simulationen durchgeführt und die Größe, das Material und die Form des Spalts 21 so bestimmt werden, dass der Sensor bei hoher Sensitivität offsetminimiert arbeitet und somit möglichst kleine Signale detektieren kann. Damit erreicht man in einer Anwendung große Abstände zum einem ferromagnetischen Geberrad.
Wie schon in der Beschreibungseinleitung erwähnt, ist die Form des Spaltes 21 von großer Bedeutung, wobei insbesondere von der Rechteckform abweichende Geometrien vorteilhaft sind. Dabei kann es sich, wie anhand der Figuren 7 bis 14 dargestellt, um einen keilförmigen Spalt 21 oder auch um eine beliebige kurvenartige Ausformung des Spalts handeln. Die optimierte Formgebung des Spaltes 21 gewährleistet eine Offsetreduktion des Magnetfeldes B in Gradi- ometerrichtung nicht nur an den zwei Positionen der Sensorelemente 7 und 8 sondern über einen weiten Bereich hinaus, so dass die erforderliche Positioniergenauigkeit des Gradiometers gegenüber dem Magneten 20 deutlich herabgesetzt werden kann.
Als Beispiel ist in Figur 14 wiederum ein Simulationsergebnis dargestellt. Aufgetragen ist hier die x-Komponente des B-Feldes (Bx) über der Gradiometerpositipn x relativ zur Sensormitte. Es ist zu erkennen, dass hier der Betrag des Offsets des Magnetfeldes B über einen weiten Bereich kleiner als lmT ist. Es ist auch hier zu erkennen, dass der Verlauf des Magnetfeldes Bx für die zwei simulierten Positionen des Geberrades 11 (Zahn 12, Verlauf 25) und der Lücke (Verlauf 26) ) symmetrisch um die Nulllage erfolgt, das heißt, dass das Signal des jeweiligen Sensorelementes 7,8 offsetfrei ist. Der magnetische Hub als Unterschied zwischen der Position Zahn und Lücke, bleibt jedoch unverändert hoch.

Claims

Patentansprüche
1) Magnetsensoranordnung mit magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (7,8) deren elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von einem Magnetfeld veränderbar sind, das durch ein bewegtes passives Geberelement (11) beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoranordnung (1) zwei Sensorelemente (7,8) in einer Gradiometeranordnung aufweist, die jeweils einem von zwei in einem vorgegebenen Abstand (sa) angeordneten Bereichen (4,5) eines als Spaltmagneten (2) ausgeführten Permanentmagneten zugeordnet sind, wobei die magnetischen Bereiche (4,5) und der Spaltpermanentmagnet (2; 20) hinsichtlich der Abmaße (h,b,t), der Spaltbreite (sa) sowie der Spalttiefe (st) und ihrer Positionen zu den Sensorelementen (7,8) so angeordnet sind, dass der Offset des Ausgangssignals der Sensorelemente (7,8) in der Gradiometeranordung minimiert ist. 2) Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (21) in Richtung der Spalttiefe (st) des Spaltpermanentmagneten (20; 23) eine Kontur mit einer keilförmigen Verengung aufweist.
3) Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt des Spaltpermanentmagneten (2) eine rechteckige Kontur aufweist.
4) Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt in Richtung der Spalttiefe (st) des Spaltpermanentmagneten eine vorgegebene kurvenförmige Kontur aufweist.
5) Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Sensorelementen (7,8) und den magnetischen Bereichen (4,5) Flussleitscheiben (9,10) angeordnet sind.
6) Magnetsensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Flussleitscheibe (24) ein kompakter Körper angeordnet ist, in den der Spalt (21) eingeformt ist.
7) Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der Bereiche (4,5) abweichend von ihrer den Sensorelementen (7,8) zugewandten Längsrichtung jeweils um einen vorgegebenen Winkel (α) gedreht ist.
8) Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoranordnung (1) zur Erfassung des Drehwinkels eines Rades (11) als Geberelement eingesetzt ist, wobei das Rad (11) an seinem Umfang mit Zähnen (12) zur Beeinflussung des Magnetfeldes im Bereich der Magnetsensoranordnung (1) versehen ist.
9) Magnetsensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad (11) ein Stahlrad ist.
10) Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (7,8) magnetoresistive XMR-Sensoren sind.
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