WO2000012957A1 - Anordnung zur drehwinkelerfassung eines drehbaren elements - Google Patents

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Hartmut Kittel
Franz Jost
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Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for detecting the angle of rotation of a rotatable element according to the
  • Arrangements of this type with which a contactless angle of rotation can be carried out, are known for example from DE-OS 195 43 562.
  • a magnet is connected to the rotatable shaft, the angular position of which is to be determined.
  • the magnetic field which changes with the angle of rotation of the shaft, is measured using two sensor elements.
  • These sensor elements are either two Hall sensor elements that are rotated relative to one another by an angle of 90 °, or two magnetoresistive sensor elements that are rotated relative to one another by 45 °.
  • the sensor elements are supplied with alternating voltage signals that are phase-shifted in a suitable manner relative to one another. The superimposition of the output signals of the sensor elements results in a signal curve that is representative of the Angular division.
  • Hall sensors have a large temperature dependency and a large stress dependency, for example.
  • Magnetoresistive sensor elements have more favorable properties with regard to temperature and stress dependency, they are less temperature and stress dependent than Hall sensors, but have the disadvantage that only an angular range of 180 ° can be clearly detected due to the physical effect. Such an angular range is too small, for example when detecting the position of the camshaft of an internal combustion engine or in the case of steering wheel angle measuring methods.
  • an arrangement for contactless rotation angle detection of a rotatable element in which, by evaluating magnetically influenceable properties of a sensor arrangement with at least two sensor elements, a magnetic field strength generated or influenced by the rotatable element is detected in an evaluation circuit and for determining the Rotational position is used, one sensor element using the magnetoresistive effect, and the other sensor element using the Hall effect, and the signals emitted by the two sensor elements are combined.
  • the combination of magnetoresistive sensors and Hall sensors proves to be very complex in practice.
  • the object of the present invention is to create an arrangement or a method for detecting the angle of rotation with which the largest possible angular range, in particular 0 ° -360 °, can be clearly detected with little effort.
  • a magnetoresistive sensor arrangement for clearly determining an angle between 0 ° and 360 °.
  • no additional Hall sensors are required here. This reduces the cost of providing an arrangement for detecting the angle of rotation.
  • Advantageous applications arise, for example, when detecting the position of a camshaft of an internal combustion engine.
  • the present invention can also be used advantageously in steering wheel angle measuring methods, since the enlargement of the unambiguity range to 360 ° compared to conventional methods leads to an increase in the tolerance limits of the overall system.
  • the sensor arrangement has a number of magneto-resistive elements which form at least two bridge circuits, in particular Wheatstone bridges, are connected, one of which supplies a signal assigned to the cosine of the angle of the first magnetic field B ext to be detected with respect to a reference direction, and the other supplies a signal assigned to the sine of this angle.
  • a simple signal evaluation can be carried out on the basis of these linearly independent signals.
  • the magnetoresistive elements are expediently designed as AMR measuring strips. Such measuring strips can be applied to a substrate in a relatively simple and inexpensive manner in a suitable orientation.
  • each of two magnetoresistive elements assigned to a bridge branch of the bridge circuits run perpendicular to one another.
  • the bridge circuits are expediently rotated relative to one another, in particular by an angle of 45 °. With this arrangement, sine and cosine signals can be extracted in a simple manner.
  • auxiliary magnetic field B H have different directions in the bridge circuits, these directions including in particular an angle of 45 °.
  • the magnetoresistive elements are expediently meandered. This measure makes it possible to achieve higher sensor signals that are easier to evaluate. It is preferred to generate the auxiliary magnetic field B H by means of a planar coil which is arranged in an electrically insulated manner with respect to the magnetoresistive elements by means of a non-conductive intermediate layer. With such a coil, the wiring effort is relatively low, and the amount and direction of the auxiliary field B H can be set in the desired manner.
  • the correlation is made using a region function F of the form
  • a distinction between the angular ranges 0 ⁇ ⁇ 180 ° and 180 ° ⁇ ⁇ 360 ° by using a magnetic auxiliary field B H is possible in any direction of the auxiliary field B H , care being taken that the Direction of B H at the location of the bridge circuit 1 differs from that at the location of the bridge circuit 11. It is particularly advantageous if the B H directions differ by 45 °.
  • the function f ⁇ a lt a 2 ) is a function of the form OC J + CC J.
  • the range function results, for example
  • the function f ( ⁇ x , ⁇ 2 ) is a function of the form ,
  • a range function results, for example
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of an arrangement for detecting the angle of rotation of a rotatable element
  • FIG. 3 shows a plan view of a possible layout of a preferred embodiment of an arrangement according to the invention for detecting the angle of rotation.
  • the sensor arrangement shown in FIG. 1 of an arrangement for rotation angle detection according to the invention has two Wheatstone bridges 1, 11.
  • the respective Wheatstone bridges 1, 11 have anisotropic magnetoresistive thin-film sensors or AMR measuring strips 1/1 to 1/4 or 11/1 to 11/4 as magnetoresistive elements.
  • AMR materials e.g. Permalloy depends on the angle between the
  • AMR measuring strips with mutually perpendicular current directions). While the current direction is determined by the geometry of the AMR measuring strips, the direction of the magnetization follows that of the external magnetic field to be detected. 1 shows the direction of the external magnetic field B ext corresponding to an angle of rotation by means of an elongated arrow.
  • the angular dependence of the electrical resistance of the AMR measuring strips has a 180 ° periodicity, the resistance being maximum if the direction of the magnetization is parallel or antiparallel to the current direction, and minimal if it is perpendicular to the current direction.
  • the signal U cos obtained from the Wheatstone bridge 1 has a 180 ° periodicity and shows a cosine curve U cos ⁇ cos (2 ⁇ ).
  • the angle ⁇ indicates the direction of the external magnetic field to be detected.
  • the second Wheatstone bridge 11 is rotated by 45 ° with respect to the first Wheatstone bridge 1.
  • the AMR measuring strips are arranged accordingly, so that the Wheatstone bridge 11 supplies a sinusoidal output signal U Bitl ⁇ sin (2 ⁇ ).
  • the arc ⁇ to be measured is obtained by forming arctangent in an electronic evaluation circuit (not shown). Due to the 2 ⁇ dependence of the bridge voltages, there is a 180 ° periodicity, so that an absolute angle can only be specified in the range 0 ° ⁇ ⁇ 180 °.
  • an auxiliary magnetic field B H is briefly applied, as indicated by the broader arrows in FIG. 1.
  • This magnetic field B H slightly changes the direction of the magnetization in the AMR measuring strips 1/1 to 1/4 or 11/1 to 11/4, so that the signals U cos derived from the Wheatstone bridges 1, 11 also change or U I have experienced a corresponding change.
  • These signal or voltage changes ⁇ U cos and ⁇ U sin relative to the measurement without the auxiliary field B H being applied are evaluated in a logical combination, the so-called area function.
  • the range function which is explained in more detail below, can assume the logical values "0" or "1", as a result of which it can be decided whether the measured angle ⁇ is in the range from 0 ° to 180 ° or from 180 ° to 360 ° .
  • An AMR angle sensor arrangement can thus achieve an absolute angle measurement over the entire range from 0 ° to 360 °.
  • the associated signal changes ⁇ U cos and ⁇ U sin are shown in FIG. 2.
  • a significance threshold S is defined for reliable evaluation of the voltage changes.
  • the significance threshold S can be within a wide range of, for example 0.05 * ⁇ U ,, ⁇ ⁇ S ⁇ 0.35 * ⁇ U max can be selected.
  • the angle which is measured without an auxiliary field and, due to the 180 ° periodicity, is limited to the uniqueness range 0 ° -180 °, the logical range function F is:
  • ⁇ U cos ⁇ U sin O-AMR1B0 F
  • the logical range function F assumes the following values: 0 for 0 ° ⁇ ⁇ 180 °, and 1 for 180 ° ⁇ ⁇ 360 °.
  • the logical states are: u for 0 ° ⁇ AMR180 ⁇ 135 °, and o for 135 ° ⁇ AME1B0 ⁇ 180 °.
  • FIG. 3 shows a preferred layout of a 360 ° AMR angle sensor according to the invention, which can be produced using thin-film technology.
  • the individual AMR measuring strips or resistors are also designated here with reference numerals l / l to 1/4 (COS bridge) and ll / l to 11/4 (SIN bridge).
  • the thickness of these resistors is typically in the range from 20 nm to 50 n.
  • the strip width is, for example, 10 ⁇ m.
  • the interconnection or metallization of the AMR resistors 1/1 to 1/4 and 11/1 to 11/4 to form two Wheatstone bridges is realized, for example, by aluminum or copper strips 10 using thin-film technology.
  • the auxiliary field B H is generated by a thin-film planar coil 2, which is electrically insulated by a non-conductive intermediate layer of typically 200 nm to 500 nm thickness over the AMR resistors l / l to 1/4 and ll / l to 11/4 or whose metallization lies.
  • the coil turns of the planar coil 2 run parallel or perpendicular to the strip or meandering direction of the AMR resistors.
  • the width of the coil turns of the planar coil 2 is typically based on the width of the AMR resistors. In the example shown, it is 12 ⁇ m.
  • the layer thickness of the coil turns of the planar coil 2 is typically in the range 500 nm to 1,000 nm.
  • the Wheatstone bridges 1, 11 are connected in parallel.
  • the entire sensor element, including the two coil connections, has eight connection pads, namely U cos -, U cos +, u _i n ⁇ u s- n + ' v cc V ⁇ ⁇ V s + and - GND.
  • auxiliary magnetic field B H by a planar coil 2 is not limited to the arrangement and the meandered shape of the AMR resistors according to FIG. 3.
  • the design or arrangement of the AMR resistors only has to ensure that the
  • the evaluation circuit (not shown in detail) is supplied with the quantities required to implement the area function.
  • the signal voltages U cos , U sin and the angle AMR1B0 are stored by means of further digital circuits.
  • a new measurement is then carried out with the auxiliary field B H applied , ie the current-carrying planar coil 2.
  • Range function F which, taking into account the significance threshold S, evaluates the signs of the voltage changes ⁇ U cos and ⁇ U sin and decides whether the measurement angle to be output is 0 ⁇ - ⁇ ,, or ⁇ ⁇ eo +180 0 .

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Abstract

Anordnung zur Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements, bei der unter Auswertung von magnetisch beeinflußbaren Eigenschaften einer Sensoranordnung ein von einem drehbaren Element erzeugtes oder beeinflußtes erstes Magnetfeld (Bext) in einer Auswerteschaltung detektierbar und zur Ermittlung des Drehwinkels heranziehbar ist, wobei die Sensoranordnung unter Ausnutzung des magnetoresistiven Effekts über einen ersten Winkelbereich, insbesondere einen Winkelbereich von 180°, einer Richtung des Magnetfeldes (Bext) eindeutig zuordenbare Signale liefert, mit Mitteln zum Anlegen eines magnetischen Hilfsfeldes (BH) an die Sensoranordnung, mittels dessen eine Modifikation der der Richtung des ersten Magnetfeldes (Bext) zuordnenbaren Signale zur eindeutigen Zuordnung eines Winkels über einen zweiten Winkelbereich, insbesondere 360°, erzielbar ist.

Description

Anordnung zur Dreh inkelerfassun eines drehbaren Elements
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Anordnungen dieser Art, mit denen eine berührungslose Drehwinkelerf ssung durchführbar ist, sind beispielsweise aus der DE-OS 195 43 562 bekannt. Bei diesen Anordnungen ist mit der drehbaren Welle, deren Winkelstellung ermittelt werden soll, ein Magnet verbunden. Das Magnetfeld, das sich mit dem Drehwinkel der Welle ändert, wird mit Hilfe zweier Sensorelemente gemessen. Diese Sensorelemente sind entweder zwei Hallsensorelemente, die gegeneinander um einen Winkel von 90° verdreht sind, oder zwei magnetoresistive Sensorelemente, die gegeneinander um 45° verdreht sind. Die Sensorelemente werden mit gegeneinander in geeigneter Weise phasenverschobenen Wechselspannungssignalen versorgt . Die Überlagerung der AusgangsSignale der Sensorelemente ergibt einen Signalverlauf, der repräsentativ ist für die Winkelsteilung. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Anordnungen zur berührungslosen Drehwinkelerfassung weisen jeweils zwei gleichartige Sensorelemente auf. Dies kann zu Nachteilen führen, da Hall-Sensoren beispielsweise eine große Temperaturabhängigkeit und eine große Streßabhängigkeit aufweisen. Magnetoresistive Sensorelemente weisen dagegen bezüglich der Temperatur- und Streßabhängigkeit günstigere Eigenschaften auf, sie sind weniger temperatur- und streßabhängig als Hall-Sensoren, haben jedoch den Nachteil, daß aufgrund des physikalischen Effekts nur ein Winkelbereich von 180° eindeutig erfaßt werden kann. Ein solcher Winkelbereich ist beispielsweise bei der Erfassung der Stellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine bzw. bei Lenkradwinkel-Meßverfahren zu klein.
Aus der DE-P 197 22 016 ist eine Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements bekannt, bei der unter Auswertung von magnetisch beeinflußbaren Eigenschaften einer Sensoranordnung mit wenigstens zwei Sensorelementen eine vom drehbaren Element erzeugte oder beeinflußte magnetische Feldstärke in einer Auswerteschaltung detektiert und zur Ermittlung der Drehlage herangezogen wird, wobei ein Sensorelement unter Ausnutzung des magnetoresistiven Effekts, und das andere Sensorelement unter Ausnutzung des Halleffekts arbeitet, und die von den beiden Sensorelementen abgegebenen Signale miteinander kombiniert werden. Die Kombination von magnetoresistiven Sensoren und Hall-Sensoren erweist sich in der Praxis als sehr aufwendig. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung bzw. eines Verfahrens zur Drehwinkelerfassung, mit welcher bzw. welchem ein möglichst großer Winkelbereich, insbesondere 0°-360°, mit geringem Aufwand eindeutig erfaßbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Erfindungsgemäß ist es nun erstmals möglich, eine magnetoresistive Sensoranordnung zur eindeutigen Bestimmung eines Winkels zwischen 0° und 360° zu verwenden. Hierbei werden, im Gegensatz zu Sensoranordnungen gemäß dem Stand der Technik, keine zusätzlichen Hall-Sensoren benötigt. Hierdurch ist der Kostenaufwand zur Bereitstellung einer Anordnung zur Drehwinkelerfassung vermindert. Vorteilhafte Anwendungen ergeben sich beispielsweise bei der Erfassung der Stellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Die vorliegende Erfindung ist ferner in vorteilhafter Weise bei Lenkradwinkel-Meßverfahren einsetzbar, da die gegenüber herkömmlichen Verfahren geschaffene Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereiches auf 360° zu einer Erhöhung der Toleranzgrenzen des Gesamtsystems führt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Sensoranordnung eine Anzahl von magnetorestistiven Elementen auf, welche zu wenigstens zwei Brückenschaltungen, insbesondere Wheatstone-Brücken, verschaltet sind, von denen die eine ein dem Cosinus des Winkels des zu detektierenden ersten Magnetfeldes Bext bezüglich einer Referenzrichtung zugeordnetes, und eine weitere ein dem Sinus dieses Winkels zugeordnetes Signal liefert. Auf der Grundlage dieser linear unabhängigen Signale ist eine einfache Signalauswertung durchführbar.
Zweckmäßigerweise sind die magnetoresistiven Elemente als AMR-Meßstreifen ausgebildet. Derartige Meßstreifen sind in relativ einfacher und preiswerter Weise in geeigneter Orientierung auf ein Substrat aufbringbar.
Es ist bevorzugt, daß die Stromflußrichtungen in jeweils zwei einem Brückenzweig der Brückenschaltungen zugeordneten magnetoresistiven Elementen senkrecht zueinander verlaufen.
Zweckmäßigerweise sind die Brückenschaltungen, insbesondere um einen Winkel von 45°, verdreht zueinander angeordnet. Mit dieser Anordnung sind Sinus- und Cosinussignale in einfacher Weise extrahierbar.
Es ist bevorzugt, daß das magnetische Hilfsfeld BH in den Brückenschaltungen unterschiedliche Richtungen aufweist, wobei diese Richtungen insbesondere einen Winkel von 45° einschließen.
Zweckmäßigerweise sind die magnetoresistiven Elemente mäandriert ausgebildet. Durch diese Maßnahme lassen sich höhere Sensorsignale erzielen, die einfacher auswertbar sind. Es wird bevorzugt, das magnetische Hilfsfeld BH mittels einer Planarspule zu erzeugen, die durch eine nichtleitende Zwischenschicht elektrisch isoliert bezüglich den magnetoresistiven Elementen angeordnet ist. Mit einer derartigen Spule ist der Verdrahtungsaufwand relativ gering, ferner sind Betrag und Richtung des Hilfsfeldes BH in gewünschter Weise einstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Korrelierung mittels einer Bereichsfunktion F der Form
F = ( ( 0 °≤amκ t)o≤f (α^ α- UND ( (δüC05>S ) ODER ( ( δüsin<- S ) UND (|δUcos|<S ) ) ) ) ODER ( ( f (α1 , α2 ) <αMRlβ0≤180 ° ) U D { (δU_os>S ) ODER ( (δUsin>S ) UND (|δUC0S|<S) ) ) )
durchgeführt, wobei amR1B0 ein ohne Anliegen des Hilfsfeldes BH mit 180° -Eindeutigkeitsbereich erfaßter Drehwinkel, S eine einstellbare Signifikanzschwelle, δUcos bzw. δUsirl die winkelabhängigen Änderungssignale der Sensoranordnung, und f (αι;α2) eine Additions- bzw. Subtraktionsfunktion der Winkelausrichtungen der Brückenschaltungen bzw. des Hilfsfeldes am Ort der jeweiligen Brückenschaltungen bezüglich einer Referenzrichtung ist. Hiermit ist ein rechnerisch in unaufwendiger Weise durchzuführendes Verfahren zur eindeutigen Drehwinkelbestimmung über einen Winkelbereich von 360° zur Verfügung gestellt. Die Form der Bereichsfunktion hängt von der Richtung des magnetischen Hilfsfeldes BH in den jeweiligen Brückenschaltungen ab. Eine Unterscheidung der Winkelbereiche 0 < α < 180° und 180° < α < 360° durch Verwendung eines magnetischen Hilfsfeldes BH ist bei beliebigen Richtungen des Hilfsfeldes BH möglich, wobei darauf zu achten ist, daß die Richtung von BH am Ort der Brückenschaltung 1 sich von derjenigen am Ort der Brückenschaltung 11 unterscheidet. Vorteilhaft ist insbesondere, wenn die BH-Richtungen sich um 45° unterscheiden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Funktion f {alta2) eine Funktion der Form OCJ+CCJ . Für den Fall, daß das Hilfsfeld BH am Ort der Brückenschaltung 1 in Richtung α=90°, und am Ort der Brückenschaltung 11 in Richtung α=45° angelegt wird, ergibt sich beispielsweise die Bereichsfunktion
F = ((0°< MR1B0<135o)UND((δUco->S)θDER((δUsin<-S)UND(|δUCOB|<S)))) ODER ( (lSδ^α^ao≤lBO^UNDC (δUcos>S)0DER( (δüsin>S) UND (|δüCOB|<S) ) ) ) .
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Funktion f (αx,α2) eine Funktion der Form
Figure imgf000008_0001
. Für den Fall, daß das magnetische Hilfsfeld BH am Ort der Brückenschaltung 1 eine Richtung von α=90°, und bei der Brückenschaltung 11 eine Richtung von α=135° aufweist, ergibt sich beispielsweise eine Bereichsfunktion
F = ((0o≤αAMElβ0<45o)UND((δUco->S)ODER((|δUcos|<S)UND(δU_in<-S) ))) ODER ( (45°<αAHR180<180°) UND ( (δUcos>S) ODER ( (|δUC0B|<S) UND (δUεin>S) ) ) ) .
Die Erfindung wird nun anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Anordnung zur Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements,
Fig. 2 Änderungen von bei der erfindungsgemäßen
Anordnung zur Drehwinkelerfassung auftretenden Cosinus- und Sinus-Brückensignalspannungen bei Anlegen eines magnetischen Hilfsfeldes in Abhängigkeit von der Richtung des externen, zu detektierenden Magnetfeldes, und
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein mögliches Layout einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Drehwinkelerfassung.
Die in Fig. 1 dargestellte Sensoranordnung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Drehwinkelerf ssung weist zwei Wheatstone-Brücken 1, 11 auf. Als magnetoresistive Elemente weisen die jeweiligen Wheatstone-Brücken 1, 11 anisotrope Magnetowiderstands-Dünnschichtsensoren bzw. AMR- Meßstreifen l/l bis 1/4 bzw. 11/1 bis 11/4 auf.
Der elektrische Widerstand von AMR-Materialien, wie z.B. Permalloy, hängt ab von dem Winkel zwischen der
Magnetisierungsrichtung bzw. der Richtung eines angelegten magnetischen Feldes Bext und der Richtung eines durch die AMR-Materialien fließenden elektrischen Stromes I ab. Die Stromrichtung innerhalb der AMR-Meßstreifen ist in Fig. 1 schematisch durch die den jeweiligen AMR-Meßstreifen zugeordneten Linienscharen dargestellt (es ist zu erkennen, daß die jeweiligen Brückenzweige der Wheatstone-Brücken je - o -
zwei AMR-Meßstreifen mit senkrecht zueinander verlaufenden Stromrichtungen aufweisen) . Während die Stromrichtung durch die Geometrie der AMR-Meßstreifen festgelegt ist, folgt die Richtung der Magnetisierung derjenigen des zu detektierenden äußeren Magnetfeldes. In der Darstellung der Fig. 1 ist die einem Drehwinkel entsprechende Richtung des externen Magnetfeldes Bext mittels eines länglichen Pfeiles dargestellt. Die Winkelabhängigkeit des elektrischen Widerstandes der AMR-Meßstreifen besitzt eine 180°-Periodizität , wobei der Widerstand maximal ist, wenn die Richtung der Magnetisierung parallel bzw. antiparallel zur Stromrichtung liegt, und minimal, wenn sie senkrecht zur Stromrichtung steht. Die jeweils zu einer Wheatstone- Brücke 1, 11 verschalteten AMR-Meßstreifen 1/1 bis 1/4 und ll/l bis 11/4 dienen zur Extraktion des winkelabhängigen Nutzsignals. Das aus der Wheatstone-Brücke 1 erhaltene Signal Ucos besitzt eine 180° -Periodizität und zeigt einen cosinusförmigen Verlauf Ucos ~ cos(2α) . Der Winkel α gibt, wie gesagt, die Richtung des zu detektierenden äußeren Magnetfeldes an. Die zweite Wheatstone-Brücke 11 ist bezüglich der ersten Wheatstone-Brücke 1 um 45° verdreht. Die AMR-Meßstreifen sind entsprechend angeordnet, so daß die Wheatstone-Brücke 11 ein sinusförmiges Ausgangssignal UBitl ~ sin(2α) liefert. Durch Arcustangens-Bildung in einer (nicht dargestellten) elektronischen Auswerteschaltung erhält man den zu messenden Winkel α. Aufgrund der 2α- Abhängigkeit der Brückenspannungen liegt eine 180°- Periodizität vor, so daß eine absolute Winkelangabe nur im Bereich 0° < α < 180° möglich ist. Zur Unterscheidung der beiden Winkelbereiche 0° < α < 180° und 180° < α < 360° wird kurzfristig ein Hilfsmagnetfeld BH angelegt, wie dies in Fig. 1 durch die breiteren Pfeile angedeutet ist. Durch dieses Magnetfeld BH ändert sich geringfügig die Richtung der Magnetisierung in dem AMR- Meßstreifen 1/1 bis 1/4 bzw. ll/l bis 11/4, so daß auch die von den Wheatstone-Brücken 1, 11 abgeleiteten Signale Ucos bzw. UBin eine entsprechende Änderung erfahren. Diese Signal- bzw. Spannungsänderungen δUcos und δUsin relativ zu der Messung ohne angelegtes Hilfsfeld BH werden in einer logischen Verknüpfung, der sogenannten Bereichsfunktion ausgewertet. Die Bereichsfunktion, welche weiter unten im einzelnen erläutert ist, kann die logischen Werte "0" oder "1" annehmen, wodurch entschieden werden kann, ob der gemessene Winkel α im Bereich von 0° bis 180° oder von 180° bis 360° liegt. Damit ist mittels einer AMR- Winkelsensoranordnung eine absolute Winkelmessung über den Gesamtbereich 0° bis 360° erzielbar.
Die Richtung des an der Wheatstone-Brücke 11 anliegenden magnetischen Hilfsfeldes (Winkel α2) weist gegenüber dem an der Wheatstone-Brücke 1 anliegenden Hilfsfeld BH (Winkel αx) eine um 45° unterschiedliche Richtung auf. Dies zeigt beispielhaft Fig. 1, in der das Hilfsfeld BH an der Wheatstone-Brücke 11 in Richtung α2 = 45° und an der
Wheatstone-Brücke 1 in Richtung oq = 90° orientiert ist. Für diese Ausrichtung des Hilfsfeldes BH sind in Fig. 2 die zugehörigen Signaländerungen δUcos und δUsin dargestellt. Zur sicheren Auswertung der Spannungsänderungen wird eine Signifikanzschwelle S definiert. Die Signifikanzschwelle S kann innerhalb einer großen Bandbreite von beispielsweise 0,05 * δU,,^ < S < 0,35 * δUmax gewählt werden. In Fig. 2 ist eine Signifikanzschwelle S = 0,33 * δUmax gewählt. Bezeichnet nun
Figure imgf000012_0001
den Winkel, der ohne Hilfsfeld gemessen wird und, aufgrund der 180°-Periodizität, auf den Eindeutigkeitsbereich 0°-180° beschränkt ist, so lautet die logische Bereichsfunktion F:
F = ((0°<αMR1B0<135o)UND((δUCOB>S)ODER((δUεin<-S)UND(|δU-os|<S) ))) ODER ( ( 135 °<αÄME180<180°) UND ( (δU-OB>S) ODER ( (δUBin>S) UND <|δUCOB|<S) ) ) )
wobei F = FALSCH bzw. "0" bedeutet, daß der Winkel der zu detektierenden Feldrichtung des externen Magnetfeldes Bext im Bereich 0° bis 180° liegt, d.h. α=αAMR1B0, und F = WAHR bzw. "1" bedeutet, daß der Winkel α der zu detektierenden Feldrichtung des Magnetfeldes B^,. im Bereich 180° bis 360° liegt, d.h. α=αAMR180+180° .
In der nachfolgenden Tabelle 1 ist die logische Verknüpfung der Bereichsfunktion im einzelnen dargestellt. Zu erkennen ist, daß die Signalanderung δUsiIl nur dann für die Bereichsentscheidung herangezogen wird, wenn der Betrag der Signaländerung δUC0S unterhalb der Signifikanzschwelle S liegt. Dieser Fall tritt gemäß Fig. 2 insbesondere für
Winkelbereiche um α=0°, 90°, 180°, 270° und 360° bzw. für α AMiβo = 0°, 90° und 180° auf. δUcos δUsin O-AMR1B0 F
- + ; ? ; - u; o 0
+ + . ■? . _ u; o 1
? + u 0
■? - u 1
? - o 0
? + o 1
Die logische Bereichsfunktion F nimmt hierbei folgende Werte an: 0 für 0°<α<180°, und 1 für 180°<α<360° .
Für sind die logischen Zustände: u für 0°<αAMR180<135°, und o für 135°<αAME1B0<180° maßgeblich.
Die logischen Zustände der Funktionen δUcos und δUsin sind wie folgt definiert:
+ für δU>+S, ? für |δU|<+S, und
- für δU<-S.
In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Layout eines erfindungsgemäßen 360°-AMR-Winkelsensors dargestellt, welcher mittels Dünnschichttechnologie herstellbar ist. Die einzelnen AMR-Meßstreifen bzw. Widerstände sind auch hier mit Bezugszeichen l/l bis 1/4 (COS-Brücke) und ll/l bis 11/4 (SIN-Brücke) bezeichnet. Die Dicke dieser Widerstände liegt typischerweise im Bereich von 20 nm bis 50 n . Die Streifenbreite beträgt beispielsweise 10 μm. Die Verschaltung bzw. Metallisierung der AMR-Widerstände 1/1 bis 1/4 und 11/1 bis 11/4 zu zwei Wheatstone-Brücken ist z.B. durch Aluminium oder Kupferstreifen 10 in Dünnschichttechnologie realisiert.
Das Hilfsfeld BH wird durch eine Dünnschicht-Planarspule 2 erzeugt, die durch eine nichtleitende Zwischenschicht von typischerweise 200 nm bis 500 nm Dicke elektrisch isoliert über den AMR-Widerständen l/l bis 1/4 und ll/l bis 11/4 bzw. deren Metallisierung liegt. Die Form der Planarspule 2 ist so gewählt, daß das Hilfsfeld BH entsprechend der Fig. 1 im Bereich der Wheatstone-Brücke 1 (COS-Brücke) in Richtung α=90°, und im Bereich der Wheatstone-Brücke 11 (SIN-Brücke) in Richtung α=45° orientiert ist und im Bereich der AMR-Meßstreifen parallel zur Schichtebene verläuft. Insbesondere verlaufen die Spulenwindungen der Planarspule 2 parallel bzw. senkrecht zur Streifen- bzw. Mäanderrichtung der AMR-Widerstände. Die Breite der Spulenwindungen der Planarspule 2 orientiert sich typischerweise an der Breite der AMR-Widerstände. Im gezeigten Beispiel beträgt sie 12 μm. Die Schichtdicke der Spulenwindungen der Planarspule 2 liegt typischerweise im Bereich 500 nm bis 1.000 nm. Im dargestellten Beispiel sind die Wheatstone-Brücken 1, 11 parallel geschaltet. Das gesamte Sensorelement weist einschließlich der beiden Spulenanschlüsse acht Anschlußpads , nämlich Ucos-, Ucos+, u_in ~ us-n +' v cc Vε~ Vs+ und- GND , auf . Eine Verpackung in einem geeigneten Gehäuse, insbesondere einem S0IC8-Gehäuse, ist in einfacher Weise möglich. Die Erzeugung des magnetischen Hilfsfeldes BH durch eine Planarspule 2 ist nicht auf die Anordnung und die mäandrierte Form der AMR-Widerstände gemäß Fig. 3 beschränkt. Die Ausführung bzw. Anordnung der AMR- Widerstände muß lediglich gewährleisten, daß die
Stromrichtung in den Widerständen der Wheatstone-Brücken 1, 11 in den in Fig. 1 eingezeichneten Richtungen verläuft. So ist die Hilfsfeiderzeugung durch eine Planarspule 2 auch bei alternativen Anordnungen der AMR-Widerstände, wie beispielsweise der in der EP 0 671 605 A2 beschriebenen sternförmigen Ineinanderschachtelung möglich. Ebenso ist beispielsweise anstelle der mäandrierten AMR-Widerstände bzw. Widerstandsstreifen auch eine Reihenschaltung von beliebigen rechteckigen, quadratischen, kreisförmigen oder elliptischen AMR-Dünnschichtstrukturen, wie sie beispielsweise in der WO 97 00 426 AI und der DE 43 27 458 C2 beschrieben sind, möglich.
Der (nicht im einzelnen dargestellten) Auswerteschaltung werden die zur Realisierung der Bereichsfunktion notwendigen Größen zugeführt . Die Ermittlung des Winkels α AMRiβo ohne angelegtes Hilfsfeld BH, d.h. bei stromloser Planarspule 2, erfolgt beispielsweise über eine Mikroprozessor-Schaltung nach bekanntem Verfahren durch Berechnung des Arcustangens gemäß der Formel α=0, 5*arctan(Usin/UC0S) oder über ein anderes geeignetes Berechnungsverfahren. Mittels weiterer digitaler Schaltkreise werden die SignalSpannungen Ucos, Usin und der Winkel AMR1B0 gespeichert. Anschließend wird eine erneute Messung mit angelegtem Hilfsfeld BH, d.h. stromführender Planarspule 2, durchgeführt. Über weitere logische Schaltkreise erfolgt die Realisierung der oben angegebenen Bereichsfunktion F, die unter Einbeziehung der Signifikanzschwelle S die Vorzeichen der Spannungsänderungen δUcos und δUsin auswertet und entscheidet, ob der auszugebende Meßwinkel gleich 0^-^,, oder α^eo+1800 ist.

Claims

Ansprüche
1. Anordnung zur Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements, bei der unter Auswertung von magnetisch beeinflußbaren Eigenschaften einer Sensoranordnung ein von einem drehbaren Element erzeugtes oder beeinflußtes erstes Magnetfeld Bext in einer Auswerteschaltung detektierbar und zur Ermittlung des Drehwinkels heranziehbar ist, wobei die Sensoranordnung unter Ausnutzung des magnetoresistiven Effekts über einen ersten Winkelbereich, insbesondere einen Winkelbereich von 180°, einer Richtung des Magnetfeldes Bext eindeutig zuordnenbare Signale liefert, gekennzeichnet durch Mittel (2) zum wahlweisen Anlegen eines magnetischen Hilfsfeldes BH an die Sensoranordnung, mittels derer eine Modifikation der der Richtung des ersten Magnetfeldes Bext zuordnenbaren Signale zur eindeutigen Zuordnung eines Winkels über einen zweiten Winkelbereich, insbesondere 360°, erzielbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung eine Anzahl von magnetorestistiven Elementen (1/1-1/4; 11/1-11/4) aufweist, welche zu wenigstens zwei Brückenschaltungen, insbesondere
Wheatstone-Brücken (1,11), verschaltet sind, von denen die eine ein dem Cosinus des Winkels des ersten Magnetfeldes Bext bezüglich einer Referenzrichtung zugeordnetes, und eine weitere ein dem Sinus dieses Winkels zugeordnetes Signal liefert .
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente AMR-Meßstreifen (1/1-1/4; 11/1-11/4) sind.
4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromflußrichtungen in jeweils zwei einem Brückenzweig der Brückenschaltungen (1,11) zugeordneten magnetoresistiven Elementen senkrecht zueinander verlaufen.
5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltungen (1,11), insbesondere um einen Winkel von 45°, verdreht zueinander angeordnet sind.
6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Hilfsfeld BH in den Brückenschaltungen (1,11) unterschiedliche Richtungen aufweist, wobei diese Richtungen insbesondere einen Winkel von 45° einschließen.
7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente (1/1- 1/4; 11/1-11/4) mäandriert ausgebildet sind.
8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Hilfsfeld BH mittels einer Planarspule (2) erzeugbar ist, die durch eine nichtleitende Zwischenschicht elektrisch isoliert bezüglich den magnetoresistiven Elementen (1/1-1/4; 11/1-11/4) und deren Metallisierung angeordnet ist.
9. Verfahren zur Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements, bei dem unter Auswertung von magnetischen Eigenschaften einer Sensoranordnung ein von dem drehbaren Element verursachtes oder beeinflußtes erstes magnetisches Feld Bext in einer Auswerteschaltung detektiert und zur Ermittlung des Drehwinkels herangezogen wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bestimmung der von der Sensoranordnung erfaßten Signale bei Anliegen des ersten Feldes Bext, b) zeitweises Anlegen eines zusätzlichen magnetischen Hilfsfeldes BH an die Sensoranordnung, c) Bestimmung der Änderung der von der Sensoranordnung erfaßten Signale bezüglich der bei Nicht-Anliegen des Hilfsfeldes BH erfaßten Signale zum Erhalt von drehwinke1abhängigen ÄnderungsSignalen, und d) Korrelierung der Änderungssignale und der bei Nicht- Anliegen des Hilfsfeldes BH erfaßten Signale zur eindeutigen Bestimmung von Drehwinkeln bis zu 360°.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung zwei insbesondere um 45° gegeneinander verdrehte Brückenschaltungen, insbesondere Wheatstone- Brücken, aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelierung mittels einer Bereichsfunktion F der Form
F = ( ( Q "≤ mR1B0≤f { 1 ( α2 ) ) UND ( (δUCOB>S ) ODER ( (δUEin<-S) UND ( |δUCOB|<S ) ) ) ) ODER ( ( f (αl f α2 ) <αÄMR180≤180 ° ) UND ( ( δUCOB>S ) ODER ( ( δU.in>S ) UND ( |δUCOB|<S ) ) ) ) durchgeführt wird, wobei oc,^.^- ein ohne Anliegen des Hilfsfeldes BH erfaßter Drehwinkel, S eine einstellbare Signifikanzschwelle, δUcos bzw. δUsin die winkelabhängigen Änderungssignale der Sensoranordnung, und f (αlfα2) eine Additions- bzw. Subtraktionsfunktion der
Winkelausrichtungen der Brückenschaltungen bzw. des Hilfsfeldes in den Brückenschaltungen bezüglich einer Referenzrichtung darstellen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß f (αx,α2) eine Funktion der Form αx+ 2 ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß f (α-^oq) eine Funktion der Form |α1-α2| ist.
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