Bes chreibung

Titel

Magnetfeldsensor

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Magnetfeldsensor zur berührungslosen Erfassung einer Rotations- oder Linearbewegung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Ein derartiger Sensor ist aus der DE 103 57 149 Al bekannt in der Verwendung beispielsweise als robuster Sensor für die Drehzahlerfassung in Kraftfahrzeugen. Der beschriebene Sensor ist als GMR(Giant Magneto Resistance) -Sensor ausgebildet mit mindestens einem Sensorelement aus einem magnetfeldempfindlichen Schichtsystem aus dünnen, abwechselnd magnetischen und nicht magnetischen Metallschichen, welches eine starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von einem angelegten äußeren Magnetfeld aufgrund spinabhängiger Elektrodenstreuung aufweist. Vorzugsweise sind dabei mehrere magnetfeldempfindliche Sensorelemente zu einer Messbrücke verschaltet, wobei die Sensorelemente aus mindestens einem weitgehend linearen Messstreifen gebildet sind, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des zu erfassenden Magnetfeldes erstreckt.

Magnetfeldsensoren der zuvor erörterten Art finden in vielen technischen Bereichen Anwendung, bei denen eine berührungsfreie Detektierung einer Bewegung gewünscht ist.

Der Sensor erfasst die änderung der magnetischen Flussdichte im Spalt zwischen einem Versorgungsmagneten und einem ferromagnetischen Geberelement in Abhängigkeit von der Position des Geberelementes, wobei eine exakte Positionierung des Sensorelementes gegenüber dem die Magnetisierung im Spalt erzeugenden Dauermagneten und gegenüber dem Geberelement für das Messergebnis wichtig ist. Dabei werden vorzugsweise Sonderbauformen von Permanentmagneten benutzt, insbesondere sogenannte Spaltmagnete mit oder ohne Streuscheibe zur Harmonisierung des Magnetfeldes. Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der DE 10 2004 063 539 Al ebenfalls bekannt und brauchen hier nicht detailliert erörtert werden.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber bekannten Vorrichtungen den Vorteil, dass das Sensorelement relativ zu dem Versorgungsmagneten mit geringem Aufwand präzise positioniert werden kann, wodurch insbesondere vermieden wird, dass Sättigungseffekte in dem Sensorelement auftreten und das Nutzsignal verringert wird. Außerdem ermöglicht die vorgeschlagene Anordnung die Kontrolle der Einbaulage des Sensorelementes und des zugeordneten Permanentmagneten gegenüber einem Geberelement, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Damit wird die einwandfreie Funktion übergeordneter Baugruppen, beispielsweise des Bremssystems eines Fahrzeuges, gewährleistet.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Besonders vorteilhaft ist dabei eine Anordnung, bei der auf einem Sensorchip in y-Richtung eines x/y/z-

Koordinatensystems symmetrisch zu dem in der x-Messrichtung ausgerichteten magnetoresistiven Messelementes jeweils mindestens ein weiteres magnetoresistives Positionierelement angeordnet ist. Auf diese Weise können Ungenauigkeiten bei der Ausrichtung des Sensorelementes senkrecht zur Messrichtung präzise als Differenzsignale erfasst werden, wobei sich im Idealfall bei korrekter Ausrichtung die y- Komponenten der durch den Versorgungsmagnet erzeugten Flussdichte zu Null addieren. Aus einer positiven oder negativen Differenz kann auch sofort die Richtung der Fehlpositionierung erkannt werden.

Vorzugsweise sind alle magnetoresistiven Sensorelemente als Spin-Valve-Elemente ausgebildet, weil diese in der Lage sind, auch sehr kleine Feldstärkemodulationen zu erfassen. Diese Ausführung gewährleistet daher eine hohe Empfindlichkeit der Sensoren und lässt größere Toleranzen der Luftspaltbreite zwischen der Anordnung aus Sensorelementen und Dauermagnet und dem benachbarten ferromagnetischen Geberelement zu.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .

Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines

Magnetfeldsensors mit in der Messrichtung x

eines dreidimensionalen x/y/z-Koordinatensystems ausgerichtetem Dauermagneten, Sensorchip und ferromagnetischem Geberelement,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines in der x/y-Ebene eines dreidimensionalen x/y/z- Koordinatensystems angeordneten, erfindungsgemäßen Sensorchips,

Figur 3 zwei schematische Darstellungen der Ausrichtung des Sensorchips zum Versorgungsmagneten, jeweils in der z/y-Ebene des Koordinatensystems, mit einer exakten mittigen Anordnung des Sensorchips in der Darstellung a) und einer in y-Richtung versetzten Anordnung des Sensorchips gegenüber dem Dauermagnet der Darstellung b) und

Figur 4 drei Kennlinien des magnetoresistiven

Widerstandes GMR in Abhängigkeit der Flussdichte B in Messrichtung bei unterschiedlich großen magnetischen Querfeldern.

Ausführungsform der Erfindung

In Figur 1 ist das Prinzip eines Magnetfeldsensors dargestellt zur berührungslosen Erfassung einer Rotationsoder Linearbewegung, wie er beispielsweise als Drehzahlsensor im Antriebsstrang oder an den Rädern von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Die schematisierte Darstellung zeigt einen ortsfesten Dauermagneten 10, welcher in z-Richtung eines dreidimensionalen x/y/z-

Koordinatensystems 12 magnetisiert ist. Mit dem Dauermagnet 10 ist ein Sensorchip 14 fest verbunden, welcher eine Mehrzahl von GMR(Giant Magneto Resistance) -Sensorelementen

und eine Auswerteschaltung enthält. Die zu detektierende Bewegung in x-Richtung des Koordinatensystems 12 wird mit einem ferromagnetischen Geberelement 16 erfasst, welches entweder in der dargestellten geraden Zahnstangenform zur Erfassung einer Linearbewegung oder als Zahnrad zur

Erfassung einer Rotationsbewegung ausgebildet ist. Durch eine Bewegung des Geberelementes 16 wird der magnetische Fluss im Luftspalt 18 zwischen dem das Magnetfeld erzeugenden Dauermagnet 10 und dem Geberelement 16 entsprechend der Form des Geberelementes moduliert, so dass bei der Bewegung des Geberelementes der veränderliche Feldstärkeverlauf als Maß für die Bewegung oder für eine veränderte Position durch den Sensorchip 14 erfasst werden kann .

Figur 2 zeigt in ebenfalls schematisierter Darstellung die Messanordnung des Sensorchips 14, welche in eine Oberschicht 20, getrennt von einer in der Zeichnung nicht dargestellten, in eine Unterschicht 22 eingebetteten Auswerteschaltung angeordnet ist. Die Messanordnung enthält insgesamt zwölf, jeweils als kurze Linien dargestellte Schichtsysteme, wovon jeweils vier in Form einer Wheatstone-Brücke in bekannter Weise verschaltet sind. Hierbei bildet die in der Mitte liegende Messbrücke das eigentliche Messelement 22. Beidseitig des Messelementes 22 liegen ein erstes

Positionierelement 24 und ein zweites Positionierelement 26, welche in gleicher Weise wie das Messelement 22 Veränderungen des Feldstärkeverlaufs detektieren und entsprechend der gemessenen Feldstärke einen Messwert für die Fehlpositionierung des Sensorchips 14 liefern. Hierbei ist der seitliche Abstand der Positionierelemente 24 und 26 in y-Richtung des Koordinatensystems 12 zum mittig angeordneten Messelement 22 jeweils gleich groß und mit +Yo/~Yo bezeichnet. In der Messrichtung x des

Koordinatensystems 12 haben die paarweise angeordneten Schichtsysteme der drei Sensorelemente 22, 24 und 26 jeweils den gleichen Abstand x ₀ und sind jeweils in x-Richtung auf gleicher Höhe angeordnet, so dass sich eine symmetrische Anordnung zu der mittleren Messbrücke des Messelementes 22 ergibt. Anstelle der in Figur 2 gezeigten Brückenanordnung kann jedoch auch eine einfache Differenzmessung durchgeführt werden mit zwei Messelementen oder es genügt sogar ein einziges zusätzliches Sensorelement, wenn die Differenz zum Messelement 22 in geeigneter Weise ausgewertet wird.

Figur 3a zeigt die korrekte mittige Lage des Sensorchips 14 zum Dauermagnet 10. Die Symmetrieebene des Dauermagneten ist mit M bezeichnet. Das Pfeilebündel 28 bezeichnet dabei die jeweiligen Komponenten der magnetischen Flussdichte in der y/z-Ebene. Die Figur 3b zeigt dagegen eine Anordnung mit einem aus der Mitte des Dauermagneten 10 in y-Richtung des Koordinatensystems 12 verschobenen Sensorchip 14, wobei aus der Lage des Sensorchips 14 gegenüber dem Pfeilebündel 28 deutlich die Veränderung der magnetischen Flussdichte ersichtlich ist. Auf die Darstellung der einzelnen Sensorelemente 22, 24 und 26 ist in dieser Ansicht aus Gründen der übersichtlichkeit verzichtet worden. Während in der Darstellung von Figur 3a) am Ort des nicht gezeigten Messelementes 22 die y-Komponenten der magnetischen

Flussdichte, die durch den Dauermagnet 10 erzeugt werden, im Idealfall =0 sind, wächst die By-Komponente entsprechend der Anordnung in Figur 3b) umso stärker an, je weiter sich die Position in +y- oder -y-Richtung von der Symmetrieebene des Dauermagneten 10 entfernt. Hierdurch wird in den GMR- Messbrücken 24 und 26 entsprechend der Größe der By- Komponenten die Messempfindlichkeit reduziert, wie dies anhand der Figur 4 noch erläutert wird.

Bringt man entsprechend den Darstellungen in den Figuren 2 und 3 eine zusätzliche Messbrücke in Form der Positionierelemente 24 oder 26 in einem Abstand y ₀ von der Symmetrieebene des Dauermagneten 10 an, so erhält man von dieser Messbrücke beim Vorbeibewegen des Geberelementes 16 ein Signal, das in seiner Amplitude gegenüber dem Signal der eigentlichen Messbrücke in Form des Messelementes 22 um einen bestimmten Faktor reduziert ist. Ist eine weitere Messbrücke in Form des zweiten Positionierelementes 26 in einem Abstand -yo symmetrisch zur Mitte des Dauermagneten 10 vorhanden, so erhält man bei idealer Positionierung des Sensorchips 14 von dieser weiteren Messbrücke in Form des zweiten Positionierelementes 26 ein Signal, welches beim Vorbeibewegen eines Zahns des Geberelementes 16 exakt gleich dem Signal der ersten Messbrücke des ersten

Positionierelementes 24 ist. Ist dagegen der Sensorchip 14 und das GMR-Messelement 22 in y-Richtung nicht optimal positioniert, so sind die beiden Signale der zusätzlichen Positionierelemente 24 und 26 unterschiedlich und es lässt sich durch die Auswertung der Signale der zwei zusätzlichen Sensorelemente 24 und 26 die Position des Messelementes 22 exakt bestimmen und einstellen. Wenn hierbei die Amplituden der Signale aus den Positionierelementen 24 und 26 in der nicht dargestellten Auswerteschaltung des Sensorchips 14 die gleichen Schaltschwellen aufweisen wie bei den Signalen des Messelementes 22, so kann mit den zusätzlichen Positionierelementen 24 und 26 ein geringerer

Grenzluftspalt, das heißt ein früherer Signalabriss als beim Hauptsignal erreicht werden. Im Umkehrschluss garantiert das Erreichen der Schaltschwellen eines der zusätzlichen Positionierelemente 24 oder 26 immer eine hohe Messsicherheit für das ursprüngliche Messsignal des Sensorelementes 22.

Durch geeignete Gestaltung des Dauermagneten 10 und der Abstände y ₀ können entsprechend den jeweiligen Anforderungen definierte Sicherheiten realisiert werden, mit denen die korrekte Luftspaltposition des GMR-Messelementes 22 gegenüber dem Geberelement 16 kontrolliert werden kann. Umgekehrt ist es auch möglich, mit Hilfe der Signale der zusätzlichen Positionierelemente 24 und 26 den korrekten Einbau des Geberelementes 16 zum Sensorchip 14 mit dem GMR- Messelement 22 zu kontrollieren.

In der Darstellung der Figur 4 ist für die bevorzugte Verwendung von GMR-Spin-Valve-Sensorelementen 22, 24 und 26 der Zusammenhang zwischen dem GMR-Effekt und der magnetischen Flussdichte B dargestellt. Hierbei zeigen die Kennlinien A, B und C die änderung des GMR-Effekts bei Querfeldern in y-Richtung von 0 mT, 1 mT und 2 mT in Abhängigkeit der Flussdichte B des Messfeldes in x-Richtung. Die Reduzierung der Messempfindlichkeit des GMR- Sensorelementes bei außermittiger Anordnung ist aus dieser Darstellung deutlich zu erkennen.