WO2016198062A1 - Verfahren zum betrieb eines umdrehungssensors und entsprechender umdrehungssensor - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines umdrehungssensors und entsprechender umdrehungssensor Download PDF

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WO2016198062A1
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sensor
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rotation
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sensor element
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Markus Dietrich
Oliver RINK
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a revolution sensor and a corresponding revolution sensor, which on a
  • magnetoresistive effect is based.
  • Such sensors are used in many fields where it is necessary to monitor the rotation of elements. If the revolution sensors can also monitor rotations of more than 360 °, they are used as multi-turn sensors.
  • the present invention has the object, at least partially overcome the disadvantages known from the prior art and in particular to provide a method for operating a magnetoresistive revolution sensor and a corresponding revolution sensor, in which a corresponding readout of the data is easily possible.
  • the invention relates to a method for operating a revolution sensor, which has at least four magnetoresistive sensor elements, each sensor element having a packet of a ferromagnetic reference layer and a sensitive ferromagnetic layer, and a nonmagnetic layer separating the reference layer from the sensitive layer, the layers thus are designed such that an orientation of the magnetization in the respective layer only in the longitudinal direction of the layer is possible, wherein the at least one sensor element is formed in a plane spiraling with at least one complete turn, wherein the windings are formed concentrically, wherein the sensor element in a turn is bent into different segments, wherein adjacent segments form an angle with each other and each complete turn has a predetermined segment number of segments, wherein a domain wall generator is formed, which consists of a ferromagnetic material is formed with a thickness that allows a free orientation of the magnetization in the domain wall generator, wherein the sensitive layer is connected in a first segment of the
  • the sensor element consists of three layers arranged one above the other in a height direction. These are especially thin, “thin” here denotes the expansion of the layers in the height direction, in particular, the expansion is in the
  • the sensor element further has a longitudinal direction that is aligned perpendicular to the height direction.
  • this longitudinal direction which represents the extension direction of the sensor element, the sensor element can be subdivided into a plurality of segments.
  • Transverse to the longitudinal direction and the height direction the sensor element has a width direction. In this width direction, the sensor element is narrow, in particular in the range of 50 to 400 nanometers.
  • the corresponding revolution sensor is based on the magnetoresistive effect.
  • the at least one sensor element is designed so that two ferromagnetic layers (the reference layer and the sensitive layer) are separated by a non-magnetic layer and the layers are thin, in particular have layer thicknesses in the nanometer range.
  • the non-magnetic layer lies flat between the sensitive layer and the reference layer.
  • These layers are designed in magnetoresistive sensor elements, in particular preferably so thin and so narrow that the magnetization can be aligned only in the longitudinal direction of the sensor element (or opposite thereto).
  • the thicknesses are usually in the nanometer range, while the width of the sensor element is in the range of 50 to 400 nm [nanometer].
  • the electrical resistance of the sensor element depends on the mutual orientation of the magnetization in the magnetic layers. In antiparallel alignment of the magnetization in the reference layer and the sensitive layer, the electrical resistance is significantly higher than in a parallel orientation of the magnetizations.
  • helical is understood in particular to mean that there is a structure with more than one turn, with the individual turns having similar structures but a different extent
  • the turns are formed concentrically
  • Each complete turn consists of a predetermined number of segments of segments Neighboring segments each enclose an angle with each other Preferred configurations are those in which equal angles are present Preferred are also designs with the segment number -n - of four, six, or eight In the case of n segments per turn the angular quantity a to be detected with the revolution sensor:
  • the spiral-like structure can contain only complete turns. But it is also possible that one turn (the innermost or outermost) contains fewer segments than the at least one complete turn.
  • the rotation sensor is designed so that in each case the sensitive layer of the first segment of each sensor element is connected to the domain wall generator.
  • the domain wall generator is understood as an area that is formed from a ferromagnetic material and that has such a dimensioning that the magnetization in the domain wall generator can align itself freely with an external magnetic field.
  • the magnetization in the domain wall generator is always aligned parallel to the magnetic field of the trigger magnet. If the magnetic field of the trigger magnet is now aligned in the longitudinal direction of the segment connected to the domain wall generator, this segment will reorient the magnetization in this segment if it is aligned of the magnetic field was oriented in the opposite direction.
  • the magnetization of the adjacent second segment can not change because the magnetic field of the trigger magnet can not be aligned parallel or antiparallel due to the angle between the first segment and the second segment.
  • a so-called domain wall is formed between the magnetizations, which migrates through the sensor element during further rotations of the trigger magnet, whereby a further domain wall is formed in each case in the case of a reorientation of the magnetization in the first segment.
  • the segment number is an integer multiple of two.
  • the group voltages can be assigned to three potential levels.
  • each individual segment can assume two identical resistance values for all segments, which correspond to a parallel or antiparallel alignment of the magnetizations in the sensitive layer and the reference layer.
  • in a group of two segments can be closed by the voltage drop from the middle electrical connection with known possible resistances of the individual segments to both resistors of the segments. It is thus clear, with the measurement of a voltage drop per group, which resistances the individual segments of the group have. This makes it easy and reliable to measure the resistance of the segments.
  • the group voltages of all groups are compared with a predefinable reference scheme to read the rotation angle of the trigger magnet.
  • the rotation of the trigger magnet leads to a change in the magnetization in the sensitive layer and to the formation of the different orientations of the magnetization (in the longitudinal direction / against the longitudinal direction) separating Dom walls, which are transported by the sensor element with continuous operation of the revolution sensor.
  • each specific rotation angle so in a square as the basic shape of the spiral-like structure, for example, at rotation angles of the trigger magnet of 90 °, 180 °, 270 °, 360 °, 450 °, 540 °, etc., each one unique assignable Magnetization in the sensitive layer of the individual segments before, so that it is thus easily possible, from the measured group voltages of the individual groups by comparison with a reference scheme, the rotation angle of the trigger magnet of 90 °, 180 °, 270 °, 360 °, 450 °, 540 °, etc., each one unique assignable Magnetization in the sensitive layer of the individual segments before, so that it is thus easily possible, from the measured group voltages of the individual groups by comparison with a reference scheme, the rotation angle of the
  • an error signal is output if there is at least one group voltage which indicates a measurement error.
  • an error signal is output, for example, a corresponding indication issued to the user of the revolution sensor, for example to the driver of a motor vehicle, for example via the activation of an LED or the like.
  • a reset of the revolution sensor can be triggered to the correct value. According to an advantageous embodiment, it is analyzed whether the group voltages contain at least one error voltage.
  • At least one turn has a number of segments which is an integer multiple of four.
  • an integer multiple also means the product with the number 1, so that integer multiples of four thus include four, eight, twelve, sixteen, and so on.
  • an embodiment with four segments in at least one or a plurality of turns is preferred, since thus quarter turns of the trigger magnet can be monitored.
  • Full turns thus preferably have a segment number which is an integer multiple of four.
  • the rotation angle of a second revolution sensor which can detect revolutions up to 360 °, is recorded and correlated with the group voltages present.
  • a revolution sensor has at least one magnetoresistive sensor element, each sensor element having a packet of a ferromagnetic reference layer and a sensitive ferromagnetic layer, and a non-magnetic layer separating the reference layer from the sensitive layer, wherein the layers are designed so that an orientation of the magnetization in the respective layer is possible only in the longitudinal direction of the layer, wherein the at least one sensor element is formed in a plane spiraling with at least one complete turn, wherein the windings are concentric, wherein the sensor element in a Winding is bent into different segments, wherein adjacent segments form an angle with each other and each complete turn has a predetermined segment number of segments, wherein a domain wall generator is formed is formed of a ferromagnetic material having a thickness that allows a free orientation of the magnetization in the domain wall generator, wherein the sensitive layer is connected in a first segment of the sensor element with the domain wall generator, wherein the rotation sensor comprises a trigger magnet, which is rot
  • the evaluation means can particularly preferably implement the method according to the invention.
  • at least one turn is formed which has a number of segments which is an integer multiple of four and in particular is four.
  • quarter turns of the trigger magnet can be detected relative to the sensor element.
  • Preferred is an embodiment in which all windings have an identical number of segments which is an integer multiple of four, but embodiments according to the invention in which one turn has a different number of segments, for example the outermost or innermost turn, are also suitable.
  • the total number of revolutions to be detected may deviate from multiples of 360 °, if desired or necessary.
  • the trigger magnet is rotatable about an axis of rotation and the revolution sensor is either arranged so that the axis of rotation passes through the revolution sensor, in particular an alignment of the rotational axis and revolution sensor is present, or the revolution sensor is arranged outside the axis of rotation.
  • axis of rotation Under the axis of rotation is here the axis - an imaginary line - understood by the rotating the trigger magnet.
  • the rotation sensor is mounted in the direction of the axis of rotation above or below the trigger magnet, wherein the axis of rotation either "cuts" the trigger magnet ("on axis") or the axis of rotation adjacent to the trigger magnet ("off axis”).
  • Preferred is a flush configuration, in which therefore the axis of rotation passes through the center of the revolution sensor.
  • the revolution sensor comprises a second revolution sensor, which can detect revolutions up to 360 °, which is connected to the evaluation means via at least one signal line.
  • FIGS. show particularly preferred embodiments, to which the invention is not limited.
  • the figures and in particular the illustrated proportions are only schematic.
  • Like reference numerals designate like objects. Show it:
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a sensor element
  • FIGS. 3 to 8 show, by way of example, the change in the resistances
  • FIGS. 1 to 8 show a reference scheme for the example from FIGS. 1 to 8.
  • FIG. 13 is a reference diagram for the example of FIGS. 10 to 12; FIG.
  • Fig. 14 schematically shows a revolution sensor
  • 15 and 16 schematically show a first example of an arrangement of a revolution sensor relative to a trigger magnet
  • 17 and 18 schematically show a second example of an arrangement of a rotation sensor relative to a trigger magnet.
  • the sensor element 1 shows schematically an image of a sensor element 1.
  • the sensor element 1 is spirally wound in a plane and has four windings 2, which are nested in one another and concentric.
  • Each turn 2 consists of four segments 3, wherein the angles between two adjacent segments are identical.
  • Each two segments 4 together have a group 4.
  • Each group 4 has two external electrical connections 5 and a common central electrical connection 6. In each case one external electrical connection 5 lies on a first electrical potential 7, the other external electrical connection 5 lies on a second electrical potential 8.
  • First 7 and second electrical potential 8 have a defined potential difference, which in the present example is 5 V [volts].
  • the second electrical potential 8 is defined as ground (GND) while the first electrical potential 7 is at 5V.
  • middle electrical connections 6 and the outer electrical connections 5 are provided only by way of example with reference symbols, while the middle electrical connections are also designated as R1 to R4 and L1 to L4.
  • R1 and L1 are in the outermost, first turn 2, R2 and L2 in the second turn 2, etc.
  • This consists of a ferromagnetic reference layer 9 and also a ferromagnetic sensitive layer 10, which are separated by a non-magnetic layer 11. These layers 9, 10, 11 are so thin that the magnetization in the layers 9, 10 can only align in the longitudinal direction 12 and counter to the longitudinal direction 12. Other possibilities for limiting the orientation of the magnetization in the layers 9, 10 are possible according to the invention.
  • the sensitive layer 10 is - as shown in FIG. 1 - connected to a domain wall generator 13. This in turn is configured, in particular not as thin as the layers 9, 10, that in it the magnetization 14 can align parallel to an external applied magnetic field (not shown).
  • the electrical resistance is significantly higher than in a parallel orientation of the magnetizations 14.
  • the different resistances of the segments 3 are symbolized, with some segments a low resistance 15 and others have a high resistance 16.
  • the sensitive layer 10 is connected to the domain wall generator 13.
  • Trigger magnet points in the designated direction At the middle measuring points L1, L2, L3, L4, R1, R2, R3, R4, a low group voltage is measured. This is shown as “-" at the individual measuring points in Fig. 9.
  • the magnetization in the domain wall generator 13 is parallel to the magnetic field of the trigger magnet 17.
  • the magnetization in the first segment 18 does not flip over because the magnetic field 17 is not aligned parallel or antiparallel to the longitudinal direction in this first segment 18 and consequently the magnetization from the domain wall generator can not "wander" into the first segment 18.
  • This changes with completion of the first quarter turn, that is at n 0.25 as shown in FIG.
  • the electrical resistance of the first segment changes to a high electrical resistance 16. This leads to an average group voltage at the corresponding central electrical connection R1 (see symbol "o" in FIG. 4).
  • the remaining group voltages at the middle electrical connections L1, R2, L2, R3, L3, R4, L4 remain low.
  • Fig. 8 for n 1, 25 rotations.
  • the corresponding folding of the magnetizations, the associated resistance changes and the movement of the corresponding domain walls takes place accordingly.
  • n denotes the number of measured low voltages ("-"), n + the number of measured high voltages ("+”) and x the maximum number of revolutions of the trigger magnet, in the case of the example described here four.
  • the reference scheme 21 in the right part shows an area in which the corresponding center electrical terminals show consistently low group voltages. It is clear, for example, that as soon as a group voltage different from "low” is detected in this area there is a malfunction of the sensor element, it is also clear that there is a malfunction if at the same time all possible voltages at all middle electrical connections R1, L1, R2 , L2, R3, L3, R4, L4 are tapped, so high ("+"), medium (“o") and low (“-”) must be a malfunction, as well as at the same time an average group voltage and a high group voltage , FIGS.
  • the measured group voltages are identical to the reference scheme 21 in FIG. 13 for this example shows.
  • the defect 22 represents, for example, a domain wall that arises unintentionally.
  • FIGS. 9 and 13 As further shown in FIG. 13, this behavior continues.
  • the defect 22 leads to faulty group voltages in the region of the central electrical connection L3, but also to the following central electrical connections R4, L4, as the correspondingly marked faulty regions 23 in reference scheme 21 of FIG. 13 show.
  • the comparison of the reference schemes 21 in Figures 9 and 13 also shows other possibilities for error detection.
  • the reference schemes 21 show the group voltages as a function of the number of revolutions n, with the individual average electrical connections R1, L1, R2, L2, R3, L3, R4, L4 in the columns of the table of reference schemes 21 as a function of their distance from the first segment 18 or the domain wall generator 13 are listed.
  • middle electrical connections listed in adjacent columns are also adjacent middle electrical connections, which thus belong to adjacent groups 4 of segments 3.
  • a middle electrical connection R1, L1, R2, L2, R3, L3, R4, L4 has a high group voltage
  • an adjacent one ter average electrical connection R1, L1, R2, L2, R3, L3, R4, L4 has an average group voltage.
  • a fault exists when a middle electrical connection R1, L1, R2, L2, R3, L3, R4, L4 has an average group voltage
  • an adjacent middle electrical connection R1, L1, R2, L2, R3, L3, R4, L4 has a high group voltage.
  • Another rule for finding errors is that when two successive center electrical connections R1, L1, R2, L2, R3, L3, R4, L4 have a low group voltage and subsequent average electrical connections have a different group voltage than a low group voltage have an error must exist.
  • FIG. 14 schematically illustrates a rotation sensor 24 that monitors rotation in an actuator 25.
  • the rotation sensor 24 is connected to an evaluation means 26, to which the group voltages are transmitted.
  • the evaluation means 26 is then carried out a calculation of the number of revolutions n based on the sensed group voltages, a lookup of the number of revolutions n based on the sensed group voltages, for example in a reference scheme 21 and / or error detection as set forth above.
  • a second rotation sensor 27 is formed, which is a so-called single-turn sensor, that is to say a sensor which can only sense revolutions of a maximum of 360 °.
  • the second rotation sensor 27 is also connected to the evaluation means 26, so that the data of the second rotation sensor 27 can also be processed in the evaluation means 26.
  • the data of the second revolution sensor 27 may be correlated with the data of the revolution sensor 22.
  • Both the rotation sensor 22, and the second rotation sensor 27 thereby sense the rotation of a trigger magnet 28, which is designed as a permanent magnet. This is connected to the rotatable component (here a part of the actuator 25) whose rotation is to be monitored.
  • Rotation sensor 22, second Rotation sensor 27 and the evaluation means 26 can be preassembled as a structural unit 29 in order to allow a simpler mounting of the rotation sensor 22.
  • FIGS. 15 and 16 schematically show a first example of a revolution sensor 24 which is part of a unit 29. This senses as described above, the rotation of a trigger magnet 28 which is rotatably connected to a rotatable member 30.
  • the rotation of the rotatable member 30 is indicated as an arrow in Fig. 15.
  • the rotation sensor 24 is not arranged ("off-axis") in alignment with the axis of rotation 31 of the rotatable member 30.
  • the trigger magnet 28 is circular in shape. Circular, square or rectangular configurations of the trigger magnet 28 are also possible according to the invention.
  • 16 shows the arrangement of the rotation sensor 24 relative to the trigger magnet 28.
  • FIG. 16 and 17 schematically show a second example of a rotation sensor 24 as part of a structural unit 29.
  • the latter senses the rotation of a trigger magnet 28, which is connected in a rotationally fixed manner to a rotatable component 30.
  • the rotation of the rotatable member 30 is indicated as an arrow in Fig. 17.
  • the rotation sensor 24 is arranged ("on-axis") in alignment with the rotation axis 31 of the rotation of the rotatable component 30.
  • the trigger magnet 28 is circular in this case, and a square or rectangular configuration is also possible according to the invention of the rotation sensor 24 relative to the trigger magnet 28.
  • the revolution sensor described here and the correspondingly described method advantageously permit both the rapid read-out or look-up of the currently achieved number of revolutions n and the finding of errors. After an error has been detected, either the user can be alerted to the presence of an error by an error signal, or an error correction can be initialized by the error signal.
  • the revolution sensor described here as well as the corresponding method can always be used if the number of revolutions of rotating parts, in particular over a range of 360 °, must be detected, for example at Actuators in the automotive industry, but also in particular in the automotive industry
  • Angle measurement for example, the steering angle (especially in power steering), in the measurement of deflections of headlights, in the seat position adjustment and the like.
  • the steering angle especially in power steering
  • monitoring the rotation of axes of production lines or machine tools is possible, as well as the monitoring of Gabelhub too in forklifts.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Umdrehungssensors mit mindestens einem magnetoresistiven Sensorelement mit einer Referenzschicht und einer sensitiven Schicht, die so gestaltet sind, dass eine Ausrichtung der Magnetisierung in der Schicht nur in Längsrichtung möglich ist. Das Sensorelement ist in einer Ebene spiralartig mit mindestens einer vollständigen Windung ausgebildet ist, wobei die Windungen konzentrisch ausgebildet sind. In einer Windung ist das Sensorelement in verschiedene Segmente gebogen, benachbarte Segmente schließen einen Winkel miteinander ein. Ein mit der sensitiven Schicht in einem ersten Segment verbundener Domain Wall Generator ist aus einem ferromagnetischen Material miteiner Dicke ausgebildet, die eine freie Orientierung der Magnetisierung erlaubt. Der Sensor hat einen zur Änderung der Magnetisierung in der sensitiven Schicht zumindest eines der Segmente verdrehbaren Magneten. Jeweils zwei benachbarte Segmente sind als Gruppe mit zwei äußeren elektrischen Anschlüssen und einem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss ausgebildet. Ein äußerer elektrischer Anschluss der Gruppe liegt auf Masse und der andere äußere elektrische Anschluss auf einem zweiten Potential mit einem definierten Potentialunterschied zur Masse. Für eine Gruppe wird eine Gruppenspannung zwischen dem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss und der Masse gemessen. Zur Analyse des Zustandes des Sensors werden die Gruppenspannungen aller Gruppen aufgenommen.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Umdrehungssensors
und entsprechender Umdrehungssensor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Umdrehungssensors und einen entsprechenden Umdrehungssensor, der auf einem
magnetoresisitiven Effekt beruht. Solche Sensoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, in denen es notwendig ist, die Rotation von Elementen zu überwachen. Sofern die Umdrehungssensoren auch Rotationen von mehr als 360° überwachen können, werden sie als Multiturnsensoren eingesetzt.
In vielen Bereichen der Technik werden rotierende Bauteile eingesetzt. Oft ist es notwendig, die Rotation beziehungsweise die rotatorische Position dieser Bauteile zu überwachen, beispielsweise bei Aktuatoren oder in Werkzeugmaschinen, insbesondere muss regelmäßig die durchgeführte Zahl der Rotationen bestimmt werden. Neben einer mechanischen Detektion ist auch eine Detektion über Sensoren bekannt, die auf dem Riesenmagnetowiderstand (giant magneto resistance) dünner Schichten beruhen. Beispielsweise wird von der Novotechnik Messwertaufnehmer OHG unter dem Namen„Novoturn" ein System vertrieben, welches Winkel messen kann, die größer als 360° sind und welches auf magnetoresistiven Sensoren beruht.
Auch in solchen Systemen - wie auch in anderen Umdrehungssensoren - ist es wünschenswert, die aktuelle Position, sprich den bereits getätigten Drehwinkel, zu refe- renzieren.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines magnetoresistiven Umdrehungssensors und einen entsprechenden Umdrehungssensor anzugeben, bei welchem ein entsprechendes Auslesen der Daten einfach möglich ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Umdrehungssensors, der mindestens vier ein magnetoresistives Sensorelemente aufweist, wobei jedes Sensorelement ein Paket aus einer ferromagnetischen Referenzschicht und einer sensitiven ferromagnetischen Schicht, sowie einer die Referenzschicht von der sensitiven Schicht trennenden nichtmagnetischen Schicht aufweist, wobei die Schichten so gestaltet sind, dass eine Ausrichtung der Magnetisierung in der jeweiligen Schicht nur in Längsrichtung der Schicht möglich ist, wobei das mindestens eine Sensorelement in einer Ebene spiralartig mit mindestens einer vollständigen Windung ausgebildet ist, wobei die Windungen konzentrisch ausgebildet sind, wobei das Sensorelement in einer Windung in verschiedene Segmente gebogen ist, wobei benachbarte Segmente einen Winkel miteinander einschließen und jede vollständige Windung eine vorbestimmte Segmentzahl von Segmenten aufweist, wobei ein Domain Wall Generator ausgebildet ist, der aus einem ferromagnetischen Material mit einer Dicke ausgebildet ist, die eine freie Orientierung der Magnetisierung im Domain Wall Generator erlaubt, wobei die sensitive Schicht in einem ersten Segment des Sensorelements mit dem Domain Wall Generator verbunden ist, wobei jedes Sensorelement einen ersten elektrischen Anschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss aufweist, zwischen denen das Paket ausgebildet ist, wobei der Umdrehungssensor einen Triggermagneten umfasst, der relativ zu den Sensorelementen Segmenten in einer Drehrichtung zur Änderung der Magnetisierung in der sensitiven Schicht zumindest eines der Segmente verdrehbar ist und dadurch die Magnetisierung in der sensitiven Schicht zumindest eines der Sensorelemente verändert, wobei die Sensorelemente in Form eines Streifens über ihre Anschlüsse elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind und ein erstes Sensorelement, wobei jeweils zwei benachbarte Sensorelemente Segmente als Gruppe mit zwei äußeren elektrischen Anschlüssen und einem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss ausgebildet sind, wobei ein äußerer elektrischer Anschluss der Gruppe auf einem ersten elektrischen Potential und der jeweils andere äußere elektrische Anschluss der Gruppe auf einem zweiten elektrischen Potential liegt, welches einen definierten Potentialunterschied zum ersten elektrischen Potential aufweist, wobei das erste elektrische Potential oder das zweite elektrische Potential als elektrische Masse definiert wird, wobei für alle Gruppen des Streifens Sensorelements eine für die jeweilige Gruppe spezifische Gruppenspannung zwischen dem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss und der Masse gemessen wird, wobei zur Analyse des Zustandes des Umdrehungssensors die Gruppenspannungen aller Gruppen des Sensorelements aufgenommen werden.
Das Sensorelement besteht aus drei in einer Höhenrichtung übereinander angeordneten Schichten. Diese sind insbesondere dünn,„dünn" bezeichnet hier die Ausdehnung der Schichten in Höhenrichtung, insbesondere liegt die Ausdehnung im
Nanonmeterbereich. Das Sensorelement hat ferner eine Längsrichtung, die senkrecht zur Höhenrichtung ausgerichtet ist. In dieser Längsrichtung, die die Erstreckungsrich- tung des Sensorelementes darstellt, kann das Sensorelement in mehrere Segmente unterteilt sein. Quer zur Längsrichtung und zur Höhenrichtung weist das Sensorelement eine Breitenrichtung auf. In dieser Breitenrichtung ist das Sensorelement schmal, insbesondere im Bereich von 50 bis 400 Nanometern.
Der entsprechende Umdrehungssensor basiert auf dem magnetoresistiven Effekt. Das mindestens eine Sensorelement ist so gestaltet, dass zwei ferromagnetische Schichten (die Referenzschicht und die sensitive Schicht) durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind und die Schichten dünn sind, insbesondere Schichtdicken im Nanometerbereich aufweisen. Dabei liegt die nichtmagnetische Schicht flächig zwischen der sensitiven Schicht und der Referenzschicht. Diese Schichten sind in magnetoresistiven Sensorelementen so gestaltet, insbesondere bevorzugt so dünn und so schmal ausgebildet, dass sich die Magnetisierung nur in Längsrichtung des Sensorelements (oder entgegengesetzt dazu) ausrichten kann. Die Dicken liegen üblicherweise im Nanometerbereich, während die Breite des Sensorelementes im Bereich von 50 bis 400nm [Nanometer] liegt. Alternativ Aufgrund der nichtmagnetischen Schicht kann sich im normalen Betrieb lediglich die Magnetisierung in der sensitiven Schicht ändern. Aufgrund des Riesenmagnetowiderstands (giant magneto resistance) hängt aber der elektrische Wiederstand des Sensorelementes von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung in den magnetischen Schichten ab. Bei antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierung in der Referenzschicht und der sensitiven Schicht ist der elektrische Widerstand deutlich höher als bei einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungen. Durch die Zusammenfassung in Gruppen und die Messung der Gruppenspannung ist es möglich, den Widerstand beider Segmente der jeweiligen Gruppe bestimmt werden, da der Spannungsabfall von beiden Widerständen abhängig ist. Unter dem Begriff„spiralartig" wird insbesondere verstanden, dass eine Struktur mit mehr als einer Windung vorhanden, wobei die einzelnen Windungen ähnliche Strukturen aber eine unterschiedliche Ausdehnung aufweisen. Die Windungen sind konzentrisch ausgebildet. Jede vollständige Windung besteht aus iner vorbestimmten Segmentzahl von Segmenten, die im wesentlichen gerade Abschnitte des Sensorelementes darstellen. Benachbarte Segmente schließen jeweils einen Winkel miteinander ein. Bevorzugt sind Ausgestaltungen, bei denen gleiche Winkel vorliegen. Bevorzugt sind ferner Ausgestaltungen mit der Segmentzahl - n - von vier, sechs oder acht. Bei n Segmenten pro Windung beträgt die mit dem Umdrehungssensor zu detektierende Winkelgröße a:
360°
a =
n
Für eine Windung mit n=4 bedeutet dies eine zu detektierende Winkelgröße a=90°, entsprechend für ein eine Windung mit drei Segmenten 120°, für sechs Segmente 60° und für acht Segmente 45°
Die spiralartige Struktur kann ausschließlich vollständige Windungen enthalten. Es ist aber auch möglich, dass eine Windung (die innerste oder äußerste) weniger Segmente enthält als die mindestens eine vollständige Windung.
Der Umdrehungssensor ist dabei so gestaltet, dass jeweils die sensitive Schicht des ersten Segments jedes Sensorelements mit dem Domain Wall Generator verbunden ist. Der Domain Wall Generator wird dabei als Bereich verstanden, der aus einem fer- romagnetischen Material ausgebildet ist und der eine solche Dimensionierung hat, dass sich die Magnetisierung im Domain Wall Generator frei nach einem äußeren Magnetfeld ausrichten kann. So ist die Magnetisierung im Domain-Wall Generator immer parallel zum Magnetfeld des Triggermagneten ausgerichtet. Wird nun das Magnetfeld des Triggermagneten in Längsrichtung des mit dem Domain Wall Generator verbundenen Segments ausgerichtet, so kommt es in diesem Segment zu einer Umorientierung der Magnetisierung in diesem Segment, wenn es vor der Ausrichtung des Magnetfeldes in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet war. Die Magnetisierung des benachbarten zweiten Segments kann sich nicht ändern, da das Magnetfeld des Triggermagneten aufgrund des Winkels zwischen ersten Segment und zweitem Segment nicht parallel oder antiparallel ausgerichtet sein kann. Zwischen dem ersten und dem zweiten Segment bildet sich daher eine so genannte Domänenwand zwischen den Magnetisierungen aus, die bei weiteren Rotationen des Triggermagneten durch das Sensorelement wandert, wobei sich jeweils bei einer Umorientierung der Magnetisierung im ersten Segment eine weitere Domänenwand bildet. Vorteilhafter Weise ist die Segmentzahl ein ganzzahliges Vielfaches von zwei.
Weist die spiralartige Struktur des Sensorelementes nur eine Windung auf, so ist nur eine Maximaldrehung des Triggermagneten von 360° zu detektieren. Bei x vollständigen Windungen beträgt der gesamte zu detektierende Rotationswinkel des
Triggermagneten x*360°. Bei beispielsweise 4 Windungen kann so ein gesamter Rotationswinkel von 1440° detektiert werden, bei 4,5 Windungen 1620°.
Vorteilhafterweise können die Gruppenspannungen drei Potentialniveaus zugeordnet werden.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn identische Segmente zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann jedes einzelne Segment zwei für alle Segmente identische Widerstandswerte annehmen, die einer parallelen oder antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen in der sensitiven Schicht und der Referenzschicht entsprechen. In diesem Fall kann in einer Gruppe von zwei Segmenten durch den Spannungsabfall vom mittleren elektrischen Anschluss bei vorbekannten möglichen Widerständen der einzelnen Segmente auf beide Widerstände der Segmente geschlossen werden. Es ist also mit der Messung eines Spannungsabfalls pro Gruppe klar, welche Widerstände die einzelnen Segmente der Gruppe aufweisen. So kann einfach und zuverlässig eine Widerstandsmessung der Segmente erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Gruppenspannungen aller Gruppen mit einem vorgebbaren Referenzschema verglichen, um den Rotationswinkel des Triggermagneten auszulesen. Durch die Drehung des Triggermagneten kommt es zu einer Veränderung der Magnetisierung in der sensitiven Schicht und zur Ausbildung von die unterschiedlichen Orientierungen der Magnetisierung (in Längsrichtung/entgegen der Längsrichtung) trennenden Domändenwänden, die bei immer weiterlaufenden Betrieb des Umdrehungssensors durch das Sensorelement transportiert werden. Über alle Windungen betrachtet liegt bei jedem spezifischen Drehwinkel, also bei einem Viereck als Grundform der spiralartigen Struktur beispielsweise bei Rotationswinkeln des Triggermagneten von 90°, 180°, 270°, 360°, 450°, 540°, usw., jeweils eine eindeutig zuordnenbare Magnetisierung in der sensitiven Schicht der einzelnen Segmente vor, so dass es dadurch einfach möglich ist, aus den gemessenen Gruppenspannungen der einzelnen Gruppen durch Vergleich mit einem Referenzschema den Rotationswinkel des
Triggermagneten in ganzzahligen Vielfachen der zu detektierenden Winkelgröße α einfach und schnell zu bestimmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Fehlersignal ausgegeben, wenn mindestens eine Gruppenspannung vorliegt, die auf einen Messfehler hinweist.
Wie bereits oben beschrieben liegt für jeden Rotationswinkel des Triggermagneten in ganzzahligen Vielfachen der zu detektierenden Winkelgröße α ein bestimmtes Schema der Magnetisierungen in dem Sensorelement und damit auch ein bestimmtes Schema der Widerstände in den Segmenten des Sensorelementes vor. Weiterhin ist aber aufgrund des beschriebenen Messprinzips des Umdrehungssensors auch bekannt, dass bestimmte Abfolgen von Magnetisierungen physikalisch nicht auftreten können, da beispielsweise an einer bestimmten Stelle keine Domänenwand zwischen benachbarten Segmenten bei diesem Rotationswinkel entstehen kann und damit bestimmte Magnetisierungen und, folglich, bestimmte Widerstände in bestimmten Gruppen des Sensorelements nicht auftreten können, ohne dass ein Fehler vorgelegen hat. In einem solchen Fall wird ein Fehlersignal ausgegeben, beispielsweise ein entsprechender Hinweis an den Benutzer des Umdrehungssensors ausgegeben, beispielsweise an den Fahrer eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise über die Aktivierung einer LED oder ähnliches. Alternativ oder zusätzlich kann ein Rücksetzen des Umdrehungssensors auf den korrekten Wert ausgelöst werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird analysiert, ob die Gruppenspannungen mindestens eine Fehlerspannung enthalten.
Aufgrund des bekannten Messprinzips ist es klar, dass bei normalem Betrieb gewisse Gruppenspannungen nicht auftreten können. Sofern eine solche Gruppenspannung vorliegt, kann ebenfalls ein Fehlersignal ausgelöst werden. Alternativ oder kumulativ kann ein Rücksetzen des Umdrehungssensors auf den korrekten Wert ausgelöst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist mindestens eine Windung eine Segmentzahl auf, die ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist.
Im Rahmen dieses Textes wird unter einem ganzzahligen Vielfachen auch das Produkt mit der Zahl 1 verstanden, so dass ganzzahlige Vielfache von vier also vier, acht, zwölf, sechzehn, usw. umfassen. Insbesondere eine Ausgestaltung mit vier Segmenten zumindest in einer oder einer Vielzahl von Windungen ist bevorzugt, da damit Vierteldrehungen des Triggermagneten überwacht werden können. Vollständige Windungen weisen damit bevorzugt eine Segmentzahl auf, die ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Umdrehungswinkel eines zweiten Umdrehungssensors, der Umdrehungen bis 360° detektieren kann, aufgenommen und mit den vorliegenden Gruppenspannungen korreliert.
So kann beispielsweise anhand der Gruppenspannungen eine Umdrehungszahl von n=1 ,25 erhalten werden. Korreliert man diese Information nun mit einem durch den zweiten Umdrehungssensor (einem sogenannten Single Turn Sensor) gewonnenen Umdrehungswinkel, so kann beispielsweise ein Fehler detektiert werden, wenn der zweite Umdrehungssensor eine Position entsprechend 180° (also n=0,5, 1 ,5, 2,5, usw.) angibt. Liegt jedoch vom zweiten Umdrehungssensor ein Umdrehungswinkel von 90° vor (also n=0,25, 1 ,25, 2,25, usw.) so ergibt die Korrelation keinen vorliegenden Fehler. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Umdrehungssensor vorgeschlagen, der mindestens ein magnetoresistives Sensorelement aufweist, wobei jedes Sensorelement ein Paket aus einer ferromagnetischen Referenzschicht und einer sensitiven ferromagnetischen Schicht, sowie einer die Referenzschicht von der sensitiven Schicht trennenden nichtmagnetischen Schicht aufweist, wobei die Schichten so gestaltet sind, dass eine Ausrichtung der Magnetisierung in der jeweiligen Schicht nur in Längsrichtung der Schicht möglich ist, wobei das mindestens eine Sensorelement in einer Ebene spiralartig mit mindestens einer vollständigen Windung ausgebildet ist, wobei die Windungen konzentrisch ausgebildet sind, wobei das Sensorelement in einer Windung in verschiedene Segmente gebogen ist, wobei benachbarte Segmente einen Winkel miteinander einschließen und jede vollständige Windung eine vorbestimmte Segmentzahl von Segmenten aufweist, wobei ein Domain Wall Generator ausgebildet ist, der aus einem ferromagnetischen Material mit einer Dicke ausgebildet ist, die eine freie Orientierung der Magnetisierung im Domain Wall Generator erlaubt, wobei die sensitive Schicht in einem ersten Segment des Sensorelements mit dem Domain Wall Generator verbunden ist, wobei der Umdrehungssensor einen Triggermagneten umfasst, der relativ zu den Segmenten in einer Drehrichtung zur Änderung der Magnetisierung in der sensitiven Schicht zumindest eines der Segmente verdrehbar ist, wobei jeweils zwei benachbarte Segmente als Gruppe mit zwei äußeren elektrischen Anschlüssen und einem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss ausgebildet sind, wobei ein äußerer elektrischer Anschluss der Gruppe auf einem ersten elektrischen Potential und der jeweils andere äußere elektrische Anschluss der Gruppe auf einem zweiten elektrischen Potential liegt, welches einen definierten Potentialunterschied zum ersten elektrischen Potential aufweist, wobei das erste elektrische Potential oder das zweite elektrische Potential als elektrische Masse definiert wird, wobei für alle Gruppen des Sensorelements eine für die jeweilige Gruppe spezifische Gruppenspannung zwischen dem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss und der Masse durch mindestens ein Spannungsmessgerät messbar ist, weiterhin umfassend ein Auswertungsmittel geeignet und bestimmt zur Analyse des Zustandes des Umdrehungssensors basierend auf den Gruppenspannungen aller Gruppen des Sensorelements.
Das Auswertungsmittel kann besonders bevorzugt das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens eine Windung ausgebildet, die eine Segmentzahl aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist und insbesondere vier beträgt. Hierdurch sind Vierteldrehungen des Triggermagneten relativ zum Sensorelement detektierbar. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der alle Windungen eine identische Segmentzahl aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist, jedoch sind auch Ausgestaltungen erfindungsgemäß, bei denen eine Windung eine andere Segmentzahl aufweist, beispielsweise die äußerste oder innerste Windung. Hier liegt quasi eine nicht vollständige Windung zusätzlich zu einer oder mehreren vollständigen Windungen vor. Hierdurch kann die Gesamtzahl der zu detektieren- den Umdrehungen von Vielfachen von 360° abweichen, wenn dies gewünscht oder notwendig ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Triggermagnet um eine Rotationsachse drehbar und der Umdrehungssensor entweder so angeordnet ist, dass die Rotationsachse den Umdrehungssensor durchdringt, insbesondere eine fluchtende Ausrichtung von Rotationsachse und Umdrehungssensor vorliegt, oder der Umdrehungssensor außerhalb der Rotationsachse angeordnet ist.
Unter der Rotationsachse wird hier die Achse - eine gedachte Linie - verstanden, um die der Triggermagnet rotiert. Der Umdrehungssensor ist in Richtung der Rotationsachse ober- oder unterhalb des Triggermagneten angebracht, wobei die Rotationsachse den Triggermagneten entweder schneidet („on axis") oder die Rotationsachse neben dem Triggermagneten liegt („off axis"). Bevorzugt ist eine fluchtende Ausgestaltung, bei der also die Rotationsachse durch den Mittelpunkt des Umdrehungssensors tritt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Umdrehungssensor einen zweiten Umdrehungssensor, der Umdrehungen bis 360° detektieren kann, der über mindestens eine Signalleitung mit dem Auswertungsmittel verbunden ist.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf den erfindungsgemäßen Umdrehungssensor übertragen und anwenden und umgekehrt. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebi- ger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Bild eines Sensorelementes;
Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Sensorelementes im Schnitt;
Fig. 3 bis 8 exemplarisch die Veränderung der Widerstände;
Fig. 9 ein Referenzschema für das Beispiel aus Figuren 1 bis 8;
Fig. 10 bis 12 schematisch ein Abbild der Widerstände im Sensorelement aus Fig. 1 beim Vorliegen einer Fehlstelle für n=1 , 1 ,25, 1 ,5, 1 ,75; und
Fig. 13 ein Referenzschema für das Beispiel aus den Figuren 10 bis 12;
Fig. 14 schematisch einen Umdrehungssensor;
Fig. 15 und 16 schematisch ein erstes Beispiel einer Anordnung eines Umdrehungssensors relativ zu einem Triggermagneten;
Fig. 17 und 18 schematisch ein zweites Beispiel einer Anordnung eines Umdrehungssensors relativ zu einem Triggermagneten.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Bild eines Sensorelementes 1. Das Sensorelement 1 ist in einer Ebene spiralförmig aufgewickelt und weist vier Windungen 2 auf, die ineinander geschachtelt und konzentrisch sind. Jede Windung 2 besteht aus vier Segmenten 3, wobei die Winkel zwischen zwei benachbarten Segmenten identisch sind. Je zwei Segmente 3 bilden gemeinsam eine Gruppe 4. Jede Gruppe 4 hat zwei äußere elektrische Anschlüsse 5 und einen gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss 6. Jeweils ein äußerer elektrischer Anschluss 5 liegt auf einem ersten elektrischen Potential 7, der jeweils andere äußere elektrische Anschluss 5 liegt auf einem zweiten elektrischen Potential 8. Erstes 7 und zweites elektrisches Potential 8 weisen einen definierten Potentialunterschied auf, der im hier vorliegenden Beispiel 5 V [Volt] beträgt. Das zweite elektrische Potential 8 ist als Masse (Ground, GND) definiert, während das erste elektrische Potential 7 bei 5V liegt. Die mittleren elektrischen Anschlüsse 6 und die äußeren elektrischen Anschlüsse 5 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur exemplarisch mit Bezugszeichen versehen, während die mittleren elektrischen Anschlüsse auch als R1 bis R4 und L1 bis L4 bezeichnet sind. Hierbei liegen R1 und L1 in der äußersten, ersten Windung 2, R2 und L2 in der zweiten Windung 2, usw.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Sensorelementes 1. Dieses besteht aus einer ferromagnetischen Referenzschicht 9 und einer ebenfalls ferromagnetischen sensitiven Schicht 10, die durch eine nicht magnetische Schicht 11 getrennt sind. Diese Schichten 9, 10, 11 sind so dünn, dass die Magnetisierung in den Schichten 9, 10 nur in Längsrichtung 12 und entgegen der Längsrichtung 12 ausrichten können. Auch andere Möglichkeiten, die Ausrichtung der Magnetisierung in den Schichten 9, 10 einzuschränken, sind erfindungsgemäß möglich. Die sensitive Schicht 10 ist - wie Fig. 1 zeigt - mit einem Domain Wall Generator 13 verbunden. Dieser ist wiederum so ausgestaltet, insbesondere nicht so dünn wie die Schichten 9, 10, dass sich in ihm die Magnetisierung 14 parallel zu einem äußeren anliegenden magnetischen Feld (nicht gezeigt) ausrichten kann.
Aufgrund des Riesenmagnetowiderstandseffekts (giant magneto resistance) ist dabei der elektrische Widerstand eines solchen Sensorelementes 1 - wie auch der eines Segmentes 4 eines solchen Sensorelementes 1 - abhängig von den Ausrichtungen der Magnetisierungen 14 in der Referenzschicht 9 und der sensitiven Schicht 10. Bei antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierung 14 in der Referenzschicht 9 und der sensitiven Schicht 10 wie in Fig. 2 gezeigt ist der elektrische Widerstand deutlich höher als bei einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungen 14. In Fig. 1 sind die unterschiedlichen Widerstände der Segmente 3 symbolisiert, wobei einige Segmente 3 einen niedrigen Widerstand 15 und andere einen hohen Widerstand 16 aufweisen. Die sensitive Schicht 10 ist dabei mit dem Domain Wall Generator 13 verbunden.
In den Figuren 3 bis 8 wird nunmehr das Funktionsprinzip des Umdrehungssensors beschrieben. Hier sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Elemente mit Bezugszeichen versehen, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und auf die übrige Beschreibung in diesem Dokument Bezug genommen wird. Fig. 9 zeigt eine Tabelle, in der die gemessenen Gruppenspannungen an den unterschiedlichen mittleren Messpunkten L1 , L2, L3, L4, R1 , R2, R3, R4 aufgeführt wird.
Fig. 3 zeigt eine Startposition mit n=0 Umdrehungen. Das Magnetfeld 17 des
Triggermagneten weist hierbei in die bezeichnete Richtung. An den mittleren Messpunkten L1 , L2, L3, L4, R1 , R2, R3, R4 wird einen niedrige Gruppenspannung gemessen. Dies zeigt sich in Fig. 9 als„-" bei den einzelnen Messpunkten. Die Magnetisierung im Domain Wall Generator 13 ist dabei parallel zum Magnetfeld 17 des Triggermagneten. Zu einem Umklappen der Magnetisierung in dem ersten Segment 18 kommt es nicht, da das Magnetfeld 17 nicht parallel oder antiparallel zur Längsrichtung in diesem ersten Segment 18 ausgerichtet ist und folglich die Magnetisierung aus dem Domain Wall Generator nicht in das erste Segment 18„wandern" kann. Dies ändert sich mit Abschluss der ersten Vierteldrehung, also bei n=0,25 wie in Fig. 4 gezeigt. Hier ändert sich der elektrische Widerstand des ersten Segments zu einem hohen elektrischen Widerstand 16. Dies führt zu einer mittleren Gruppenspannung am entsprechenden mittleren elektrischen Anschluss R1 (siehe Symbol„o" in Fig. 9). Weiterhin ist eine Domänenwand 19 entstanden (siehe Fig. 4). Die übrigen Gruppenspannungen an den mittleren elektrischen Anschlüssen L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 bleiben niedrig.
Nach einer weiteren Vierteldrehung (n=0,5, siehe Fig. 5) entsteht bereits eine Domänenwand 19 vor dem ersten Segment 18, während sich die vorher entstandene Domänenwand 19 durch die Änderung eines weiteren Widerstandes des zweiten Segmentes 20 durch das Umklappen der Magnetisierung in der sensitiven Schicht 10 in diesem Segment weiterbewegt hat. Die Gruppenspannung am mittleren elektrischen Anschluss R1 ist dadurch auf einen hohen Wert (Symbol„+" in Fig. 9) gesprungen, während alle anderen Gruppenspannungen auf niedriger Spannung („-") verbleiben. Nach einer weiteren Vierteldrehung (n=0,75, Fig. 6) ändern sich die Widerstände im ersten Segment 18 und im dritten Segment 21 hin zu einem niedrigen elektrischen Widerstand 15, während der elektrische Widerstand im zweiten Segment 20 auf einem niedrigen elektrischen Widerstand 15 verbleibt. Dies beruht auf dem Umklappen der entsprechenden Magnetisierung in den sensitiven Schichten 10 der entsprechenden Segmente aufgrund der nunmehr parallelen Ausrichtung der entsprechenden Magnetisierungen in sensitiver Schicht 10 und Referenzschicht 9. Entsprechend ändern sich die Gruppenspannungen zu einer mittleren Spannung („o" in Fig. 9) bei den mittleren elektrischen Anschlüssen R1 und L1 , während alle anderen Gruppenspannungen auf niedriger Spannung („-") verbleiben. Die entsprechenden zwei
Domändenwände 19 sind weiter um 90° verschoben im Vergleich zur Situation in Fig. 5.
Fig. 7 zeigt die Situation für eine ganze Drehung (n=1 ), Fig. 8 für n=1 ,25 Drehungen. Das entsprechende Umklappen der Magnetisierungen, die damit verbundenen Widerstandsänderungen und die Bewegung der entsprechenden Domänenwände erfolgt entsprechend. In der Tabelle in Fig. 9 lassen sich die entsprechenden Gruppenspannungen für diese Umdrehungen und für die weiteren Umdrehungen von n=1 ,5 bis n=4 ablesen.
Aus dem Schema in Fig. 9 ist ersichtlich, dass die Zuordnung der Gruppenspannungen bei den mittleren elektrischen Widerständen R1 , L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 zu der Umdrehungszahl n eineindeutig ist. So ist bei Messung der entsprechenden Gruppenspannungen durch einen Vergleich mit einem Referenzschema 21 , wie es schematisch in Fig. 9 symbolisiert ist, die direkte Bestimmung der Umdrehungszahl n möglich.
Weiterhin ist es auch möglich, aus der Messung der Gruppenspannung am mittleren elektrischen Anschluss R1 und bestimmter summarischer Ergebnisse die Umdrehungszahl n zu bestimmen. So gilt beispielsweise, wenn an R1 eine mittlere Spannung anliegt („o") folgender Zusammenhang: wobei n0 die Anzahl der gemessenen mittleren Spannungen („o") angibt. Liegt an R1 eine hohe Spannung („+") an, so gilt folgender Zusammenhang: n = 2x-n_ = n+ -0,5
wobei n. die Anzahl der gemessenen niedrigen Spannungen („-"), n+ die Anzahl der gemessenen hohen Spannungen („+") und x die maximale Anzahl der Umdrehungen des Triggermagneten angibt, im Fall des hier beschreibenen Beispiels vier.
Liegt an R1 eine niedrige Spannung („-") an, so gilt folgender Zusammenhang: n = 2x-n_ = n+ wobei n. die Anzahl der gemessenen niedrigen Spannungen („-"), n+ die Anzahl der gemessenen hohen Spannungen („+") und x die maximale Anzahl der Umdrehungen des Triggermagneten angibt, im Fall des hier beschreibenen Beispiels vier.
Durch die hier angegebenen Zusammenhänge ist es also möglich, die Umdrehungszahl n bei Kenntnis der Gruppenspannung am mittleren elektrischen Anschluss R1 und Kenntnis der Anzahlen der gemessenen hohen Spannungen und niedrigen Spannungen einfach zu berechnen.
Weiterhin ist es auch möglich, Fehlfunktionen des Sensorelementes 1 zu detektieren. Zum Beispiel zeigt das Referenzschema 21 im rechten Teil einen Bereich, in dem die entsprechenden mittleren elektrischen Anschlüsse durchgehend niedrige Gruppenspannungen zeigen. Es ist beispielsweise klar, dass sobald in diesem Bereich eine von„niedrig" verschiedene Gruppenspannung detektiert wird, eine Fehlfunktion des Sensorelementes vorliegt. Ebenso ist klar, dass eine Fehlfunktion vorliegt, wenn gleichzeitig sämtliche mögliche Spannungen an allen mittleren elektrischen Anschlüssen R1 , L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 abgegriffen werden, also hoch („+"), mittel („o") und niedrig („-„) eine Fehlfunktion vorliegen muss, ebenso wenn gleichzeitig eine mittlere Gruppenspannung und eine hohe Gruppenspannung vorliegen. Die Figuren 10 bis 12 zeigen schematisch einen Betrieb des Sensorelementes 1 bei Umdrehungszahlen von n=1 (Fig. 10), n=1 ,25 (Fig. 11 ) und n=1 ,5 (Fig. 12). Bei n=1 entwickelt beziehungsweise zeigt sich hier eine Fehlstelle 22. Diese wirkt sich noch nicht auf die gemessenen Widerstände aus, diese entsprechen denen von Fig. 7. Auch die gemessenen Gruppenspannungen sind identisch, wie das Referenzschema 21 in Fig. 13 für dieses Beispiel zeigt. Für n=1 sind die Werte aus Fig. 13 und Fig. 9 identisch. Die Fehlstelle 22 stellt beispielsweise eine Domänenwand dar, die ungewollt entsteht.
Bei einer weiteren Vierteldrehung (vgl. Fig. 11 ) ist nun ein Unterschied zu erkennen, wie der Vergleich mit Fig. 8 und ein Vergleich der Zeilen für n=1 ,25 zwischen den Referenzschemata 21 in Fig. 9 und 13 zeigt. Am mittleren elektrischen Anschluss L3 liegt mit der Fehlstelle 22 eine mittlere Gruppenspannung an, während ohne die Fehlstelle eine niedrige Gruppenspannung anliegt. Diese Fehlstelle 22 wird weiter durch das Sensorelement 1 bewegt, wie Fig. 12 für n=1 ,5 zeigt. Hierdurch wird am mittleren elektrischen Anschluss L3 eine hohe Gruppenspannung gemessen, während ohne Fehler eine niedrige Gruppenspannung gemessen würde. Dies zeigt auch ein Vergleich der Referenzschemata in Fig. 9 und 13. Wie Fig. 13 ferner zeigt, setzt sich dieses Verhalten fort. Die Fehlstelle 22 führt zu fehlerhaften Gruppenspannungen im Bereich des mittleren elektrischen Anschlusses L3, aber auch den folgenden mittleren elektrischen Anschlüssen R4, L4, wie die entsprechend markierten fehlerhaften Bereiche 23 im Referenzschema 21 von Fig. 13 zeigen.
Der Vergleich der Referenzschemata 21 in den Figuren 9 und 13 zeigt auch weitere Möglichkeiten zur Fehlererkennung. Die Referenzschemata 21 zeigen die Gruppenspannungen in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl n, wobei die einzelnen mittleren elektrischen Anschlüsse R1 , L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 in den Spalten der Tabelle der Referenzschemata 21 in Abhängigkeit von ihrem Abstand zum ersten Segment 18 oder zum Domain Wall Generator 13 aufgeführt sind. Insofern sind hierbei in benachbarten Spalten aufgeführte mittlere elektrische Anschlüsse auch benachbarte mittlere elektrische Anschlüsse, die also zu benachbarten Gruppen 4 von Segmenten 3 gehören. So liegt beispielsweise ein Fehler vor, wenn ein mittlerer elektrischer Anschluss R1 , L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 eine hohe Gruppenspannung aufweist, ein benachbar- ter mittlerer elektrischer Anschluss R1 , L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 eine mittlere Gruppenspannung aufweist. Genauso gilt, dass ein Fehler vorliegt, wenn ein mittlerer elektrischer Anschluss R1 , L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 eine mittlere Gruppenspannung aufweist, ein benachbarter mittlerer elektrischer Anschluss R1 , L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 eine hohe Gruppenspannung aufweist. Eine weitere Regel zur Auffindung von Fehlern ist, dass dann, wenn zwei aufeinander folgende mittlere elektrische Anschlüsse R1 , L1 , R2, L2, R3, L3, R4, L4 eine niedrige Gruppenspannung aufweisen und nachfolgende mittlere elektrische Anschlüsse eine andere Gruppenspannung als eine niedrige Gruppenspannung aufweisen, ein Fehler vorliegen muss.
Dies zeigt auch, dass anhand dieser Regeln der Fehler in Fig. 13 leicht und frühzeitig auffindbar ist. Bereits bei n=1 ,25 wird der Fehler nach der letztgenannten Regel de- tektiert, ab n=1 ,75 auch durch die vorbenannten Regeln.
Fig. 14 zeigt schematisch einen Umdrehungssensor 24, der die Rotation in einem Aktor 25 überwacht. Der Umdrehungssensor 24 ist mit einem Auswertungsmittel 26 verbunden, an welches die Gruppenspannungen übertragen werden. Im Auswertungsmittel 26 erfolgt dann eine Berechnung der Umdrehungszahl n basierend auf den sensierten Gruppenspannungen, ein Nachschlagen der Umdrehungszahl n basierend auf den sensierten Gruppenspannungen, beispielsweise in einem Referenzschema 21 und/oder eine Fehlerdetektion wie oben dargelegt.
Weiterhin ist ein zweiter Umdrehungssensor 27 ausgebildet, bei dem es sich um einen so genannten Single-Turn Sensor handelt, also einen Sensor, der nur Umdrehungen von maximal 360° sensieren kann. Auch der zweite Umdrehungssensor 27 ist mit dem Auswertungsmittel 26 verbunden, so dass die Daten des zweiten Umdrehungssensors 27 auch im Auswertungsmittel 26 verarbeitet werden können. Insbesondere können die Daten des zweiten Umdrehungssensors 27 mit den Daten des Umdrehungssensors 22 korreliert werden.
Sowohl der Umdrehungssensor 22, als auch der zweite Umdrehungssensor 27 sensieren dabei die Rotation eines Triggermagneten 28, der als Permanentmagnet ausgeführt ist. Dieser ist mit dem rotierbaren Bauteil verbunden (hier ein Teil des Aktors 25), dessen Rotation überwacht werden soll. Umdrehungssensor 22, zweiter Umdrehungssensor 27 und das Auswertungsmittel 26 können als Baueinheit 29 vormontiert werden, um eine einfachere Montage des Umdrehungssensors 22 zu ermöglichen.
Fig. 15 und 16 zeigen schematisch ein erstes Beispiel eines Umdrehungssensors 24, der Teil einer Baueinheit 29 ist. Dieser sensiert wie oben beschrieben die Rotation eines Triggermagneten 28, der mit einem drehbaren Bauteil 30 drehfest verbunden ist. Die Rotation des drehbaren Bauteils 30 ist dabei als Pfeil in Fig. 15 angedeutet. In diesem Beispiel ist der Umdrehungssensor 24 nicht fluchtend zur Rotationsachse 31 der Rotation des drehbaren Bauteils 30 angeordnet („off-axis"). Der Triggermagnet 28 ist kreisringförmig ausgebildet. Auch kreisförmige, quadratische oder rechteckige Gestaltungen des Triggermatneten 28 sind erfindungsgemäß möglich. Fig. 16 zeigt die Anordnung des Umdrehungssensors 24 relativ zum Triggermagneten 28.
Fig. 16 und 17 zeigen schematisch ein zweites Beispiel eines Umdrehungssensors 24 als Teil einer Baueinheit 29. Dieser sensiert wie oben beschrieben die Rotation eines Triggermagneten 28, der mit einem drehbaren Bauteil 30 drehfest verbunden ist. Die Rotation des drehbaren Bauteils 30 ist dabei als Pfeil in Fig. 17 angedeutet. In diesem Beispiel ist der Umdrehungssensor 24 fluchtend zur Rotationsachse 31 der Rotation des drehbaren Bauteils 30 angeordnet („on-axis"). Der Triggermagnet 28 ist hier kreisförmig ausgebildet, auch eine quadratische oder rechteckige Ausbildung ist erfindungsgemäß möglich. Fig. 18 zeigt die Anordnung des Umdrehungssensors 24 relativ zum Triggermagneten 28.
Der hier beschriebene Umdrehungssensor und das entsprechend beschriebene Verfahren erlauben in vorteilhafter Weise sowohl das schnelle Auslesen beziehungsweise Nachschlagen der aktuell erreichten Umdrehungszahl n als auch das Auffinden von Fehlern. Nachdem ein Fehler detektiert wurde, kann entweder der Benutzer durch ein Fehlersignal auf das Vorliegen eines Fehler aufmerksam gemacht werden, oder durch das Fehlersignal eine Fehlerbehebung initialisiert werden. Der hier beschriebene Umdrehungsssensor sowie das entsprechende Verfahren können immer dann eingesetzt werden, wenn die Anzahl von Umdrehungen von rotierenden Teilen, insbesondere über einen Bereich von 360° hinaus, detektiert werden muss, beispielsweise bei Aktoren im Automobilbau, aber auch insbesondere im Automobilbau zur
Verdrehwinkelmessung, beispielsweise beim Lenkwinkel (insbesondere beim Power Steering), bei der Messung von Auslenkungen von Scheinwerfern, bei der Sitzpositionseinstellung und ähnliches. Außerhalb des Automobilbaus ist beispielsweise in industriellen Anwendungen die Überwachung der Rotation von Achsen von Produktionsbändern oder von Werkzeugmaschinen möglich, ebenso die Überwachung der Gabelhubstellung bei Gabelstaplern.
Bezuqszeichenliste
Sensorelement
Windung
Segment
Gruppe
äußerer elektrischer Anschluss
mittlerer elektrischer Anschluss
erstes elektrisches Potential
zweites elektrisches Potential
ferromagnetische Referenzschicht ferromagnetische sensitive Schicht nicht magnetische Schicht
Längsrichtung
Domain Wall Generator
Magnetisierung
niedriger elektrischer Widerstand hoher elektrischer Widerstand
Magnetfeld
erstes Segment
Domänenwand
zweites Segment
Referenzschema
Fehlstelle
fehlerhafter Bereich
Umdrehungssensor
Aktor
Auswertungsmittel
zweiter Umdrehungssensor
Triggermagnet
Baueinheit
drehbares Bauteil
Rotationsachse Winkelgröße
Umdrehungszahl Anzahl der Windungen

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb eines Umdrehungssensors (24), der mindestens ein magnetoresistives Sensorelement (1 ) aufweist,
wobei jedes Sensorelement (1 ) ein Paket aus einer ferromagnetischen Referenzschicht (9) und einer sensitiven ferromagnetischen Schicht (10), sowie einer die Referenzschicht (9) von der sensitiven Schicht (10) trennenden nichtmagnetischen Schicht (11 ) aufweist, wobei die Schichten (9, 10) so gestaltet sind, dass eine Ausrichtung der Magnetisierung in der jeweiligen Schicht (9, 10) nur in Längsrichtung (12) der Schicht (9, 10) möglich ist,
wobei das mindestens eine Sensorelement (1 ) in einer Ebene spiralartig mit mindestens einer vollständigen Windung (2) ausgebildet ist, wobei die Windungen konzentrisch ausgebildet sind, wobei das Sensorelement (1 ) in einer Windung (2) in verschiedene Segmente (3) gebogen ist, wobei benachbarte Segmente (3) einen Winkel miteinander einschließen und jede vollständige Windung (2) eine vorbestimmte Segmentzahl von Segmenten (3) aufweist,
wobei ein Domain Wall Generator (13) ausgebildet ist, der aus einem ferromagnetischen Material mit einer Dicke ausgebildet ist, die eine freie Orientierung der Magnetisierung im Domain Wall Generator (13) erlaubt,
wobei die sensitive Schicht (10) in einem ersten Segment (18) des Sensorelements (1 ) mit dem Domain Wall Generator (13) verbunden ist,
wobei der Umdrehungssensor (24) einen Triggermagneten (28) umfasst, der relativ zu den Segmenten (3) in einer Drehrichtung zur Änderung der Magnetisierung in der sensitiven Schicht (10) zumindest eines der Segmente (3) verdrehbar ist,
wobei jeweils zwei benachbarte Segmente (3) als Gruppe (4) mit zwei äußeren elektrischen Anschlüssen (5) und einem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss (6, L1 , R1 , L2, R2, L3, R3, L4, R4) ausgebildet sind, wobei ein äußerer elektrischer Anschluss (5) der Gruppe (4) auf einem ersten elektrischen Potential (7) und der jeweils andere äußere elektrische Anschluss (5) der Gruppe (4) auf einem zweiten elektrischen Potential (8) liegt, welches einen definierten Potentialunterschied zum ersten elektrischen Potential (7) aufweist,
wobei das erste elektrische Potential (7) oder das zweite elektrische Potential (8) als elektrische Masse (GND) definiert wird,
wobei für alle Gruppen (4) des Sensorelements (1 ) eine für die jeweilige Gruppe (4) spezifische Gruppenspannung zwischen dem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss (6, L1 , R1 , L2, R2, L3, R3, L4, R4) und der Masse (GND) gemessen wird,
wobei zur Analyse des Zustandes des Umdrehungssensors (24) die Gruppenspannungen aller Gruppen (4) des Sensorelements (1 ) aufgenommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Gruppenspannungen drei Potentialniveaus zugeordnet werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gruppenspannungen aller Gruppen mit einem vorgebbaren Referenzschema (21 ) verglichen werden, um den Rotationswinkel des Triggermagneten (28) auszulesen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn mindestens eine Gruppenspannung vorliegt, die auf einen Messfehler hinweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mindestens eine Windung (2) eine Segmentzahl aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Umdrehungswinkel eines zweiten Umdrehungssensors (27), der Umdrehungen bis 360° detektieren kann, aufgenommen und mit den vorliegenden Gruppenspannungen korreliert wird.
7. Umdrehungssensor (24), der mindestens ein magnetoresistives Sensorelement (1 ) aufweist, wobei jedes Sensorelement (1 ) ein Paket aus einer ferromagneti- schen Referenzschicht (9) und einer sensitiven ferromagnetischen Schicht (10), sowie einer die Referenzschicht (9) von der sensitiven Schicht (10) trennenden nichtmagnetischen Schicht (11 ) aufweist, wobei die Schichten (9, 10) so gestaltet sind, dass eine Ausrichtung der Magnetisierung in der jeweiligen Schicht (9, 10) nur in Längsrichtung (12) der Schicht (9, 10) möglich ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (1 ) in einer Ebene spiralartig mit mindestens einer vollständigen Windung (2) ausgebildet ist, wobei die Windungen konzentrisch ausgebil- det sind, wobei das Sensorelement (1 ) in einer Windung (2) in verschiedene Segmente (3) gebogen ist, wobei benachbarte Segmente (3) einen Winkel miteinander einschließen und jede vollständige Windung (2) eine vorbestimmte Segmentzahl von Segmenten (3) aufweist, wobei ein Domain Wall Generator (13) ausgebildet ist, der aus einem ferromagnetischen Material mit einer Dicke ausgebildet ist, die eine freie Orientierung der Magnetisierung im Domain Wall Generator (13) erlaubt, wobei die sensitive Schicht (10) in einem ersten Segment (18) des Sensorelements (1 ) mit dem Domain Wall Generator (13) verbunden ist, wobei der Umdrehungssensor (22) einen Triggermagneten (28) umfasst, der relativ zu den Segmenten (3) in einer Drehrichtung zur Änderung der Magnetisierung in der sensitiven Schicht (10) zumindest eines der Segmente (3) verdrehbar ist, wobei jeweils zwei benachbarte Segmente (3) als Gruppe (4) mit zwei äußeren elektrischen Anschlüssen (5) und einem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss (6, L1 , R1 , L2, R2, L3, R3, L4, R4) ausgebildet sind, wobei ein äußerer elektrischer Anschluss (5) der Gruppe (4) auf einem ersten elektrischen Potential (7) und der jeweils andere äußere elektrische Anschluss (5) der Gruppe (4) auf einem zweiten elektrischen Potential (8) liegt, welches einen definierten Potentialunterschied zum ersten elektrischen Potential (7) aufweist, wobei das erste elektrische Potential (7) oder das zweite elektrische Potential (8) als elektrische Masse (GND) definiert wird, wobei für alle Gruppen (4) des Sensorelements (1 ) eine für die jeweilige Gruppe (4) spezifische Gruppenspannung zwischen dem gemeinsamen mittleren elektrischen Anschluss (6, L1 , R1 , L2, R2, L3, R3, L4, R4) und der Masse (GND) durch mindestens ein Spannungsmessgerät messbar ist, weiterhin umfassend ein Auswertungsmittel (26) geeignet und bestimmt zur Analyse des Zustandes des Umdrehungssensors (24) basierend auf den Gruppenspannungen aller Gruppen (4) des Sensorelements (1 ).
8. Umdrehungssensor (24) nach Anspruch 7, bei dem mindestens eine Windung (2) ausgebildet ist, die eine Segmentzahl der aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist.
9. Umdrehungssensor (24) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem der
Triggermagnet (28) um eine Rotationsachse (31 ) drehbar ist und der Umdrehungssensor (24) entweder so angeordnet ist, dass die Rotationsachse (31 ) den Umdrehungssensor (24) durchdringt, insbesondere eine fluchtende Ausrichtung von Rotationsachse (31 ) und Umdrehungssensor (24) vorliegt, oder der Umdrehungssensor (24) außerhalb der Rotationsachse (31 ) angeordnet ist.
10. Umdrehungssensor (24) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, weiterhin umfassend einen zweiten Umdrehungssensor (27), der Umdrehungen bis 360° detek- tieren kann, der über mindestens eine Signalleitung mit dem Auswertungsmittel (26) verbunden ist.
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