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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung
eines Gegenstandes.
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Aus
der
DE 101 11 949
A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung
eines Gegenstandes mit einem an ein Detektionsobjekt gekoppelten
magnetischen Bewegungskörper,
einem dazu gegenüberliegend
angeordneten Magneten und einer magneto-elektrischen Umsetzereinrichtung bekannt,
welche vier Segmente aufweist, die mit einem vorgegebenen Abstand
entlang einer vorgegebenen Drehrichtung des magnetischen Bewegungskörpers symmetrisch
um eine Mittenlinie des Magneten rechwinklig zur Drehrichtung des
magnetischen Bewegungskörpers
angeordnet sind.
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Aus
der
DE 196 18 509
A1 ist ein Drehsensor bekannt, der die Drehrichtung eines
Getriebes erfasst. Dabei wird dem Getriebe in Richtung der Zähne ein
Vormagnetisierungsfeld angelegt, wobei eine Vielzahl von magnetoresistiven
Elementen eines Sensors parallel zu den Getriebezähnen angeordnet und
elektrisch seriell miteinander verbunden sind.
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Bei
einer im Prinzip ähnlichen
magnetischen Erfassungseinrichtung nach der
DE 101 38 908 A1 ist wenigstens
ein magenetoelektrisches Umwandlungselement auf Zähne und
Ausnehmungen eines Drehelementes gerichtet und ein Magnet vorgesehen,
dessen Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer radialen Richtung
des Drehelementes orientiert ist.
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Ferner
ist aus der
DE 199
06 937 A1 ein Drehzahlgeber bekannt zur Erfassung der Drehzahl eines
Maschinenteils, vorzugsweise eines Fahrzeugrades, wobei ein hiermit
drehbarer Encoder mit magnetisch wirksamen Bereichen, z. B. Zähnen oder
einem Magnetpolring bei Drehung in wenigstens einem feststehenden
Magnetsensor ein Signal erzeugt, dessen Frequenz mit der Drehfrequenz
des Maschinenteils korrespondiert.
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Ein
im Prinzip ähnlicher
Tachogenerator zur Erfassung der Drehzahl eines rotierenden Maschinenteils,
z. B. eines Fahrzeugrades, ist aus der
US 6 417 662 B1 bekannt.
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Eine
Drehdetektionseinrichtung nach der JP 2002-90181 A umfasst ebenfalls
einen Magneten, einen magnetischen Bewegungskörper und eine magnetoresistive
Umsetzereinrichtung, Eine Signalverarbeitungsschaltung besitzt vier
magnetoresistive Elemente, die integriert konstruiert sind und mit
einer vorgegebenen Beabstandung entlang der Drehachsenrichtung des
magnetischen Bewegungskörpers angeordnet
sind. Ein Paar magneto-resistiver
Segmente, angrenzend zu der Drehdichtung des magnetischen Bewegungskörpers, bilden
eine erste Brückenschaltung,
und ein anderes Paar magneto-resistiver Segmente angrenzend in der
Drehrichtung des magnetischen Bewegungskörpers bilde eine zweite Brückenschaltung.
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Es
wird eine feste Spannung bei der ersten Brückenschaltung eingeprägt, und
Widerstandswert-Änderungen
der magneto-resistiven
Segmente, bewirkt durch Änderungen
des Magnetfelds, werden in Spannungsänderungen umgesetzt. Es wird
ein sich ergebendes spannungs-umgesetztes Signal durch eine Verstärkerschaltung
verstärkt
und bei einer ersten Komparatorschaltung eingegeben. Ein Signal,
das durch die erste Komparatorschaltung durch Vergleichen desselben
mit einer vorgegebenen Spannung Vref1 erzeugt wird, wird in eine
abschließende
Ausgangsgröße durch
eine Ausgangsschaltung umgesetzt, und es wird ebenso bei einem D-Anschluss
einer D-Flip-Flop-Schaltung eingegeben. Ähnlich liegt eine feste Spannung
an der zweiten Brückenschaltung
an, und Widerstandswertänderungen dieser
magneto-resistiven Segmente, bewirkt durch Änderungen in dem Magnetfeld,
werden in Spannungsänderungen
umgesetzt. Das sich ergebende spannungsumgesetzte Signal wird durch
eine Verstärkerschaltung
verstärkt
und bei einer zweiten Komparatorschaltung eingegeben. Ein Signal,
das durch die zweite Komparatorschaltung durch Vergleichen desselben
mit einer vorgegebenen Spannung Vref2 erzeugt wird, wird bei einem
CL-Anschluss der D-Flip-Flop-Schaltung eingegeben. Das Ausgangssignal
der D-Flip-Flop-Schaltung wird durch eine Ausgabeschaltung in eine
Drehrichtungs-Detektionsausgabe
umgesetzt.
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Bei
der Drehdetektionseinrichtung nach diesem Stand der Technik besteht
ein Problem dahingehend, dass es nicht möglich ist, die Drehrichtungsdetektion
genau auszuführen,
da sie so, wie oben beschrieben konstruiert ist, und zwar dann,
wenn Abweichungen in dem Vergleichspegel Vref1 der ersten Komparatorschaltung
und dem Vergleichspegel Vref2 der zweiten Komparatorschaltung in
dem Signalverarbeitungs-Schaltungsteil 3 auftreten,
oder wenn Abweichungen in den Verstärkerschaltungs-Ausgangsgrößen auftreten.
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Demnach
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung
einer Drehdetektionseinrichtung, mit der es möglich ist, die Phasendifferenz
zwischen zwei Signalen, die zum Detektieren der Drehrichtung eines
magnetischen Bewegungskörpers
verwendet werden, zu 1/4 einer Periode auszubilden, und es ist möglich, die
Toleranz im Hinblick auf Abweichungen der Vergleichspegel von Komparatorschaltungen
in einem Signalverarbeitungs-Schaltungsteil
zu erhöhen
und ebenso im Hinblick auf Abweichungen bei den Ausgangsgrößen der
Verstärkerschaltungen,
und einen stabilen und sicheren Betrieb auszuführen.
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Erfindungsgemäß wird die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine Vorrichtung nach
dem Patentanspruch 1 gelöst.
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Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Drehdetektionseinrichtung
hat einen magnetischen Bewegungskörper, der mit einem Detektionsobjekt
gekoppelt ist, einen Magneten, der gegenüberliegend diesem magnetischen
Bewegungskörper
angeordnet ist, und eine magneto-elektrische Umsetzereinrichtung,
gebildet aus einer Vielzahl magnetoresistiver Segmente, die mit
einem vorgegebenen Abstand entlang eines Drehrichtung des magnetischen
Bewegungskörpers angeordnet
sind. Änderungen
bei einer eingeprägten Magnetfeldstärke, die
die Drehung des magnetischen Bewegungskörpers begleiten, werden durch die
magneto-elektrische Umsetzereinrichtung zum Detektieren der Drehrichtung
des magnetischen Bewegungskörpers
detektiert.
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Bei
dieser gemäß der Erfindung
vorgesehenen Drehdetektionseinrichtung besteht die magneto-elektrische
Umsetzereinrichtung aus zumindest sechs Segmenten, angeordnet mit
einem vorgegebenen Abstand entlang einer vorgegebenen Drehrichtung
des magnetischen Bewegungskörpers,
symmetrisch um eine Mittenlinie des Magneten rechtwinklig zu der
Drehrichtung des magnetischen Bewegungskörpers, diese umfassen zumindest
zwei Paare an Segmenten, deren Abstandszentren symmetrisch um die Mittenlinie
des Magneten angeordnet sind und die erste und zweite Brückenschaltungen
bilden, zum Erzeugen von Ausgangsgrößen zusammen mit der Drehung
des magnetischen Bewegungskörpers, und
zumindest ein Paar weist seine Abstandsmitte bei der Mittenlinie
des Magneten auf, und bildet eine dritte Brückenschaltung zum Erzeugen
einer Ausgabe zusammen mit der Drehung des magnetischen Bewegungskörpers, und
die Drehrichtung des magnetischen Bewegungskörpers wird auf der Grundlage einer
Kombination dieser Brückenschaltungs-Ausgangsgrößen detektiert.
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Mit
dieser Erfindung ist es möglich,
die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen, die zum Detektieren
der Drehrichtung des magnetischen Bewegungskörpers verwendet werden, zu
1/4 einer Periode auszubilden, wodurch die Toleranz im Hinblick
auf Abweichung von Vergleichspegeln der Komparatorschaltungen und
Abweichungen der Ausgangsgrößen der
Verstärkerschaltungen
erhöht
werden können
und ein stabiler und sicherer Betrieb ausgeführt wird.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben.
Darin zeigen:
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1A bis 1C Ansichten
zum Darstellen einer Magnetschaltungs-Konstruktion gemäß einer
Ausführungsform
1 der Erfindung;
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2 ein
Schaltbild eines Signalverarbeitungs-Schaltungsteils der Ausführungsform
1;
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3A bis 3F ein
Signalwellenformdiagramm betreffend die Vorwärtsdrehung in einem normalen
Zustand bei der Ausführungsform
1;
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4A bis 4F ein
Signalwellenformdiagramm betreffend die Rückwärtsdrehung in dem normalen
Zustand für
die Ausführungsform
1;
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5A bis 5F ein
Signalwellenformdiagramm betreffend die Vorwärtsdrehung, wenn eine Abweichung
bei einem Vergleichspegel aufgetreten ist, für die Ausführungsform 1;
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6A bis 6F ein
Signalwellenformdiagramm betreffend die Umkehrdrehung, wenn eine Abweichung
bei einem Vergleichspegel aufgetreten ist, für die Ausführungsform 1;
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7A bis 7D ein
Signalwellenformdiagramm zum Darstellen des Vergleichs zwischen
einem Fall für
den betreffenden Stand der Technik und dem Fall der Ausführungsform
1 der Erfindung;
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8 eine
MR-Schleifencharakteristik einer GMR Einrichtung;
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9A bis 9C Ansichten
zum Darstellen einer Magnetschaltungskonstruktion für die Ausführungsform
2 der Erfindung;
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10 ein
Musters der magneto-resistenten Segmente für die Ausführungsform 3 in der Draufsicht;
und
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11 ein
Muster der magneto-resistenten Segmente für die Ausführungsform 4 in der Draufsicht.
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Die 1A bis 1C sind
Konstruktionsansichten zum Darstellen einer Drehdetektionseinrichtung
der Ausführungsform
1, wobei die 1A eine perspektivische Ansicht
ist, die 1B eine Draufsicht ist und die 1C eine
Musteransicht für magnetoresistive
Segmente ist. Die 2 zeigt ein Diagramm eines Signalverarbeitungs-Schaltungsteils.
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Diese
Drehdetektionseinrichtung hat einen zahnradartigen magnetischen
Bewegungskörper bzw.
Magnet-Bewegungskörper 1,
geformt, um Änderungen
in einem Magnetfeld zu bewirken; einen Magneten 2, angeordnet
gegenüberliegend
zu dem magnetischen Bewegungskörper 1 und
magnetisiert in der Drehachsrichtung 1a des magnetischen
Bewegungskörpers 1;
und einen Signalverarbeitungs-Schaltungsteil 3, an dem
eine magnetoelektrische Umsetzereinrichtung 4 gebildet
ist, ausgebildet aus sechs magneto-resistiven Segmenten 4a bis 4f mit
einem vorgegebenen Abstand in der Drehrichtung des magnetischen
Bewegungskörpers 1.
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Diese
sechs magneto-resistiven Segmente 4a bis 4f sind
gebildet durch eine Filmbildung auf dem Signalverarbeitungs- Schaltungsteil 3,
der aus einem IC Chip besteht, und sie sind entlang einer vorgegebenen
Drehrichtung des magnetischen Bewegungskörpers 1 angeordnet,
beispielsweise entlang der Vorwärtsrichtung,
gezeigt durch den Pfeil R, symmetrisch um eine Mittenlinie CL des
Magneten 2, der rechtwinklig zu dieser Drehrichtung vorliegt.
Von diesen sechs sind zwei magneto-resistive Segmente 4b und 4c überlappend
wie ein Kammzahn an der Mittenlinie CL des Magneten 2 gebildet.
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Die
zwei Paare der magneto-resistiven Segmente 4a, 4b und 4c, 4d,
deren Abstandsmitten symmetrisch im Hinblick auf die Mittenlinie
CL des Magneten 2 positioniert sind, bilden eine erste
und zweite Brückenschaltung 11, 21;
und das verbleibende Paar der magneto-resistiven Segmente 4e, 4f,
das seine Abstandsmitte an der Mittenlinie CL des Magneten 2 aufweist,
bildet eine dritte Brückenschaltung 31.
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Wie
in 2 gezeigt, wird eine feste Spannung an der ersten
Brückenschaltung 11,
gebildet durch die magneto-resistiven Segmente 4a und 4b, eingeprägt, und Änderungen
der Widerstandswerte der magneto-resistiven Segmente, bewirkt durch
Magnetfeldänderungen,
werden in Spannungsänderungen
umgesetzt. Ähnlich
wird eine feste Spannung bei der zweiten Brückenschaltung 21,
gebildet durch magneto-resistiven Segmente 4c, 4d,
eingeprägt,
und Änderungen
der Widerstandswerte dieser magneto-resistiven Segmente, bewirkt
durch Magnetfeldänderungen,
werden in Spannungsänderungen
umgesetzt. Die sich ergebenden spannungsumgesetzten Mittenpunkt-Ausgangsgrößen A und
B werden in eine Differenzausgabe umgewandelt und durch eine Verstärkerschaltung 12 verstärkt, und
bei einer Komparatorschaltung 13 eingegeben. Ein Signal,
das durch die Komparatorschaltung 13 durch Vergleichen desselben
mit einer vorgegebenen Spannung Vref1 erzeugt wird, wird durch eine
Ausgabeschaltung 14 in eine abschließende Ausgangsgröße FO umgesetzt, und
es wird ebenso bei einem D-Anschluss einer D-Flip-Flop-Schaltung 24 eingegeben.
Die abschließende
Ausgangsgröße FO wird
zum Detektieren einer Winkelposition wie einem Kurbelwinkel oder
einem Nockenwinkel für
eine Motorsteuerung verwendet.
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Ähnlich wird
wiederum eine feste Spannung an der dritten Brückenschaltung 31,
gebildet durch die magneto-resistiven Segmente 4e und 4f,
eingeprägt,
und Änderungen
der Widerstandswerte dieser magneto-resistiven Segmente, bewirkt
durch Magnetfeldänderungen,
werden in Spannungsänderungen
umgesetzt. Es wird eine sich ergebende spannungsumgesetzte Mittenpunkt-Ausgangsgröße 22 als
Differenz-Ausgangsgröße ausgegeben,
jeweils an den Ausgang D einer Spannungsteilerschaltung 41,
bestehend aus magneto-resistiven Segmenten oder festen Widerständen und
bei einer Komparatorschaltung 23 eingegeben. Ein Signal,
das durch die Komparatorschaltung 23 durch Vergleichen
desselben mit einer vorgegebenen Spannung Vref2 erzeugt wird, wird
bei einer D-Flip-Flop-Schaltung 24 eingegeben.
Das Ausgangssignal der D-Flip-Flop-Schaltung 24 wird
durch eine Ausgabeschaltung 25 in eine Drehrichtung-Detektions-Ausgangsgröße RO umgesetzt.
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Die 3 und 4A bis 4F zeigen
Betriebswellenformen des Signalverarbeitungs-Schaltungsteils 3 jeweils
während
der Vorwärtsdrehung und
der Rückwärtsdrehung
des magnetischen Bewegungskörpers 1 in
einem Normalzustand, die 3A und 4A zeigen
diese Widerstandswerte der magneto-resistiven Segmente 4a bis 4f,
die 3B und 4B zeigen
die Brücken-Mittenpunktspannungen A
und B der ersten und zweiten Brückenschaltungen 11 und 21,
die 3C und 4C zeigen
die Ausgangsgrößen OP1
und OP2 der Verstärkerschaltungen 11 und 22,
die 3D und 4D zeigen
die Ausgangsgrößen Vout1,
Vout2 der Komparatorschaltungen 13 und 23, die 3E und 4E zeigen
die Drehrichtungs-Detektions-Ausgangsgröße RO der Ausgangsschaltung 25,
und die 3F und 4F zeigen
die abschließende
Ausgangsgröße FE der Ausgangsschaltung 14.
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Zudem
zeigen die 5 und 6A bis 6F Betriebswellenformen
derselben Teile des Signalverarbeitungs-Schaltungsteils 3 jeweils
während der
Vorwärtsdrehung
und der Rückwärtsdrehung
des magnetischen Bewegungskörpers
dann, wenn eine Abweichung in dem Vergleichspegel Vref1 der Komparatorschaltung 13 und
in dem Verglelichspegel Vref2 der Komparatorschaltung 23 aufgetreten
ist, und die 5 und 6A bis 6F entsprechen jeweils
den 3 und 4A bis 4F.
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Wie
sich anhand dieser Figuren erkennen lässt, lässt sich bei dieser bevorzugten
Ausführungsform
die Richtung der Drehung des magnetischen Bewegungskörpers 1 immer
noch detektieren, da die Phasendifferenz zwischen dem Signal Vout1,
eingegeben zu dem D-Anschluss der D-Flip-Flop-Schaltung 24,
und dem Signal Vout2, eingegeben bei dem CL-Anschluss, zu 1/4 einer
Periode gehalten werden, selbst wenn eine Abweichung in den Vergleichspegeln
Vref1 und Vref2 der Komparatorschaltungen 13 und 23 aufgetreten
ist.
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Die 7A bis 7D vergleichen
Abweichungen der abschließenden
Ausgangsgröße in einem
Beispiel des entsprechenden Stands der Technik und für die Ausführungsform
1, wenn eine Abweichung in dem Vergleichspegel Vref1 der Komparatorschaltung 13 aufgetreten
ist, und die 7A und 7B zeigen
jeweils einen Fall, bei dem es keine Abweichung gibt, und einen
Fall, bei dem es eine Abweichung in dem Vergleichspegel Vref1 der
Komparatorschaltung 13 in dem Beispiel des entsprechenden
Stands der Technik gibt, und die 7C und 7D zeigen
jeweils einen Fall, in dem es keine Abweichung gibt, und einen Fall,
bei dem es eine Abweichung in dem Vergleichspegel Vref1 der Komparatorschaltung 13 nach
Ausführungsform
1 gibt. Wie sich anhand dieser Figuren erkennen lässt, lässt sich für die Ausführungsform
1 ebenso die Abweichung der abschließenden Ausgangsgröße FO niedrig
halten.
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Demnach
ist es mit einer Drehdetektionseinrichtung gemäß dieser ersten bevorzugten
Ausführungsform
möglich,
die Phasendifferenz der zwei Signale, die zum Detektieren der Drehrichtung
des magnetischen Bewegungskörpers 1 verwendet
werden, bei 1/4 einer Periode zu halten; die Toleranz im Hinblick
auf Abweichung der Vergleichspegel Vref1, Vref2 der Komparatorschaltungen 13, 23 in
dem Signalverarbeitungs-Schaltungsteil 3 und
Abweichungen in den Ausgangsgrößen der Verstärkerschaltungen 12, 23 lässt sich
erhöhen;
und es lässt
sich ein stabiler sicherer Betrieb ausführen.
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In
der magneto-elektrischen Umsetzereinrichtung 4, hergestellt
aus den magneto-resistenten Segmenten 4a bis 4f,
ist es ebenso möglich,
eine Giant-magneto-resistive Einrichtung zu verwenden (hiernach
GMR, Engl.: giant magneto-resistance device).
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Eine
GMR Einrichtung ist ein geschichteter sogenannter künstlicher
Gitterfilm, hergestellt durch abwechselndes Stapeln von Magnetschichten
und nicht-magnetischen Schichten von einigen Angstrom bis zu einigen
zehn Angstrom in der Dicke, beispielsweise (Fe/Cr)n, (Permalloy/Cu/Co/Cu)n,
(Co/Cu)n, und sie hat vergleichen mit einer üblichen magneto-resistiven Einrichtung
(hiernach MR Einrichtung) einen viel größeren MR Effekt (MR-Änderungsrate), und
sie ist, da sie lediglich von den Relativwinkeln der Orientierung
der Magnetisierung und angrenzender Magnetschichten abhängt, ein
Magnetfeldsensor in derselben Ebene mit dem sich dieselbe Widerstandswertänderung
erhalten lässt,
wie auch immer die Winkeldifferenz der Orientierung des äußeren Magnetfelds
im Hinblick auf den Strom ist. (n ist die Zahl der Schichten). Jedoch
ist es auch eine Einrichtung, der Anisotropie verleiht werden kann,
indem die Breite des Magnetwiderstandsmusters eng ausgebildet ist.
Zudem ist es eine Einrichtung mit den Charakteristiken dahingehend,
dass eine Hysterese in den Widerstandswertänderungen, bewirkt durch Änderungen
des eingeprägten
Magnetfelds, und in ihrer Temperaturcharakteristik vorliegt, und
insbesondere ist ihr Temperaturkoeffizient groß. Die MR Schleifencharakteristik
einer GMR Einrichtung ist in 8 gezeigt.
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Durch
Verwenden einer GMR Einrichtung für die magneto-elektrische Umsetzereinrichtung,
wie dieser, ist es möglich,
das S/N Verhältnis
anzuheben und eine Rauschtoleranz zu verbessern.
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Die 9 zeigt ein Beispiel einer anderen magnetischen
Schaltungskonstruktion, die sich auf diese Erfindung anwenden lässt, bei
der ein Magnet 2 gegenüberliegend
zu einem magnetischen Bewegungskörper
angeordnet ist, mit seiner Magnetisierungsrichtung rechtwinklig
ausgebildet zu der Drehachsrichtung 1a des magnetischen
Bewegungskörpers 1,
und zwischen dem Magneten 2 und dem magnetischen Bewegungskörper 1 ist
eine magneto-elektrische Umsetzereinrichtung 4, ausgebildet aus
sechs magneto-resistiven Segmenten 4a bis 4f, rechtwinklig
zu der Magnetisierungsrichtung des Magneten 2 angeordnet.
Die Muster der magneto-resistiven Segmente 4a bis 4f können dieselben
sein wie die der Ausführungsform
1.
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Auch
mit dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform lassen sich dieselben
Wirkungen wie diejenigen der Ausführungsform 1 erzielen.
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Die 10 zeigt
ein anderes Beispiel eines Musters magnetoresistiver Segmente, das
sich auf die Erfindung anwenden lässt, und hier besteht eine magneto-elektrische
Umsetzereinrichtung 4 aus sechs magneto-resistiven Segmenten 4a bis 4f,
gebildet mit einem vorgegebenen Abstand, und von diesen magneto-resistiven
Segmenten bilden das erste und das dritte entlang einer vorgegebenen
Drehrichtung des magnetischen Bewegungskörpers 1 eine erste
Brückenschaltung 11,
und das vierte und sechste bilden eine zweite Brückenschaltung 2, und das
zweite und fünfte
bilden eine dritte Brückenschaltung 31.
Auf diese Weise lassen sich ebenso dieselben Wirkungen wie diejenigen
der Ausführungsform 1
erzielen.
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Die 11 zeigt
ein anderes Beispiel eines Musters von magneto-resistiven Segmenten,
das sich auf die vorliegenden Erfindung anwenden lässt, und
hier besteht eine magneto-elektrische
Umsetzereinrichtung aus sechs magneto-resistiven Segmenten 4a bis 4f,
gebildet mit einem vorgegebenen Abstand, und von diesen magneto-resistiven
Segmenten bilden das erste und das vierte entlang einer vorgegebenen
Drehrichtung des magnetischen Bewegungskörpers 1 eine erste
Brückenschaltung 11,
und das dritte und sechste bilden eine zweite Brückenschaltung 21,
und das zweite und fünfte
bilden eine dritte Brückenschaltung 31.
Auf diese Weise lassen sich ebenso dieselben Wirkungen wie diejenigen
der Ausführungsform
1 erzielen.
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Eine
Drehdetektionseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung lässt
sich bei zahlreichen Anwendungen verwenden, einschließlich einer
Motorsteuerung.