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Die
Erfindung betrifft einen GMR-Sensor zur Erfassung magnetischen Materials,
ein Verfahren zum Einrichten eines solchen GMR-Sensors und eine
Einrichtungsvorrichtung.
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Sensoren
zur Erfassung eines magnetischen Materials werden in unterschiedlichen
Techniken gefertigt. Bei einem einfachen Aufbau kommen Reed-Schalter
zur Anwendung, andere Sensoren sind auf Basis von Hall-Elementen
aufgebaut. GMR-Sensoren nutzen einen so genannten GMR-Effekt (Giant
Magnetoresistance) eines GMR-Elementes. Der Vorteil bei der Verwendung
von GMR-Elementen liegt in deren hoher Empfindlichkeit gegenüber
den vorher angegebenen Techniken von Reed-Schaltern und Hall-Elementen.
Beispielsweise beschreibt die
DE 19739550 C1 eine so genannte Biasmagnetisierung
in einem Mehrschichtensystem eines magnetoresistiven Sensorelementes
mit mindestens einer härteren Biasschicht und einer dazwischen
angeordneten, unmagnetischen Zwischenschicht.
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Ein
weiteres wichtiges Merkmal ist die Erkennung von ferritischen Materialien
durch Verwendung eines Magneten zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannung
und Nutzung von Sensorelementen zur Auswertung. Beispiele zur Illustration
bilden die Schriften
US
20050280411 A1 ,
US
5818685 A und
US
5883763 A , welche die Verwendung von Vorspannmagneten und
die Erkennung von ferriti schem Material bei der Verwendung von GMR-Elementen beschreiben.
Derartige Sensoren finden häufig Anwendung bei einer Abtastung
von Zahnflanken oder strukturierten Stahlscheiben zur Erkennung
von Drehzahlen.
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Als
nachteilig wird dabei gesehen, dass die in zahlreichen Ausführungen
bestehenden Sensoren in der Regel für den Betrieb bis zu
einer Temperatur von +80°C geeignet sind.
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Weiterhin
werden an eine Abtaststelle hohe Anforderungen hinsichtlich Dichtigkeit
des Sensors, Beständigkeit gegen äußere
Medien und hohe Temperaturanforderungen gestellt. Außerdem
sind Einflüsse der Temperatur auf die Abtastelemente und
die Realisierung eines hohen Schaltabstandes zu berücksichtigen.
Zudem soll eine hohe Genauigkeit gewährleistet sein.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserte
GMR-Sensor und ein Einrichtungsverfahren bzw. -vorrichtung für
diesen GMR-Sensor bereitzustellen, wobei die obigen Nachteile des
Standes der Technik deutlich verringert sind.
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Die
Aufgabe wird durch einen GMR-Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum
Einrichten eines derartigen Sensors nach Anspruch 16 und eine Einrichtungsvorrichtung
nach Anspruch 21 gelöst.
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Demgemäß weist
ein GMR-Sensor zur Erfassung magnetischen Materials, Folgendes auf:
zumindest ein Sensorelement zur Erfassung magnetischen Materials
und zumindest ein Temperatursensorelement zur Erfassung einer Temperatur,
wobei das zumindest eine Sensorelement und das zumindest eine Temperatursensorelement
in einem Sensorgehäuse mit einem mehrschichtigen Aufbau,
der zumindest eine Abschlussschicht und eine Einbettungsschicht
aufweist, angeordnet und von der Einbettungsschicht umgeben sind.
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Hiermit
ist es vorteilhaft möglich, den Sensor in einem Bereich
zur Erfassung von magnetischem Material in einer Umgebung mit hoher
Temperatur einzusetzen, wobei der Einsatzbereich sich von –25°C
bis +120°C erstreckt.
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Durch
den Einsatz des Temperatursensorelementes können Nachteile
durch Temperaturdrift des Sensorelementes vermieden werden.
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Mit
einem Vorspannmagnet ist eine zusätzliche Erfassung von
ferritischem Material vorteilhaft möglich. Dabei kann das
Ausgangssignal des Sensorelementes mit Schwellwerten für
das Ein- und Ausschalten des Sensors verglichen werden, wobei so die
Betätigung des Sensors definiert ist.
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Insbesondere
bei flüssigen oder gasförmigen Medien ist eine
gute Wärmeübertragung auf das Sensorelement zur
Erfassung von ferritischem Material gegeben.
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Zur
Erfassung ferritischer Materialien mit hoher Auflösung
kann das Sensorelement in dem durch Temperatur stärker
beanspruchten Bereich des Sensors positioniert werden. Bei Temperaturwechseln kommt
es aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zu mechanischen Spannungen, welche die Lebensdauer des Sensors beeinträchtigen
können. Durch den erfindungsgemäßen GMR-Sensor
ist das Sensorelement vor Schock und Vibration im praktischen Einsatz
geschützt, was auch das Temperatursensorelement betrifft,
welches zum Beispiel ein Thermoelement sein kann. Andere Ausführungen
sind selbstverständlich möglich. Mit dieser Temperaturerfassung
ist eine Temperaturkompensation eines Signals des Sensorelementes
zur Abtastung bzw. Erfassung von ferritischem Material in der Nähe
der Messstelle möglich, wo auch die Temperaturerfassung
stattfindet.
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Im
Bereich der Messstelle ist das Sensorelement so gekapselt, dass
mechanische Spannungen aufgrund thermischer Ausdehnung in homogener Weise
auf ein Gehäuse des Sensorelementes wirken. Mechanische
Scherspannungen an der Oberfläche des Sensorelementes werden
so vermieden. Dies wird zum Beispiel durch den Einbettungsbereich vorgenommen,
welcher das Sensorelement umgibt und zum Beispiel eine gelartige
Substanz ist. Diese Einbettungsschicht ist nach außen hin von
einer weiteren Schicht, einer Abschlussschicht abgeschlossen, welche
eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit und eine hohe
chemische Beständigkeit gegenüber Medien aufweist,
welche an der Messstelle vorkommen können. Andererseits
weist sie eine geringere Steifigkeit als die Einbettungsschicht
auf. Bei thermischer Ausdehnung der Einbettungsschicht, nämlich
der gelartigen Schicht, gibt die Abschlussschicht derart nach, dass
der Druck in der Einbettungsschicht unterhalb einer spezifizierten
Grenze bleibt, die durch das Sensorelement zur Erfassung magnetischer
und/oder ferritischer Materialien vorgegeben ist. Diese Abschlussschicht
kann zum Beispiel aus Metall mit federnden Eigenschaften, aus Kunststoff
oder aus Vergussmaterial in definierter Dicke und Form bzw. aus
einem mehrschichtigen Materialverbund hergestellt sein. Die Abschlussschicht
kann auch ein Druckausgleichelement, zum Beispiel eine Membrane,
aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Abschlussschicht
eine Zugentlastung für eine Zuleitung des GMR-Sensors bildet
und/oder aufweist. Sie kann auch ein Bestandteil des Sensorgehäuses
sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Eigenschaft der gelartigen Einbettungsschicht
besteht darin, die Auswirkung von Schock und Vibration auf den Sensor
zu dämpfen.
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Der
GMR-Sensor kann eine Steuereinheit zur Auswertung der Signale des
zumindest einen Sensorelementes und des zumindest einen Temperatursensorelementes
aufweisen. Dabei kann die Steuereinheit in der Abschlussschicht
integriert bzw. aufgenommen sein. Das Signal des Temperatursensorelementes
kann von dieser Steuereinheit separat neben dem Signal des Sensorelementes
bereitgestellt werden. Die Auswertung wird bevorzugt in der Steuereinheit,
die zum Beispiel mit einem Kontroller ausgerüstet ist,
vorgenommen. Es ist aber auch möglich, dass die Auswertung
der vom Sensorelement erfassten magnetischen Änderungen
im Sensorelement selbst erfolgt.
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Ein
Ausgang des GMR-Sensors kann konfigurierbar sein, zum Beispiel in
Bezug auf Strom oder Spannung bzw. NPN- oder PNP-Funktion oder wiederum
als Öffner- oder Schließerfunktion.
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Die
Schaltausgänge und/oder analoge Ausgänge des GMR-Sensors
können bei einem Einrichtvorgang des GMR-Sensors mit Signalen
beaufschlagt sein, welche den Einrichtvorgang kennzeichnen, wobei
diese Signale zur Kennzeichnung eines Einrichtbereiches mit ungültigen
oder unsicheren Werten vorher festlegbare Signalformen aufweisen.
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In
einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass das
zumindest eine Sensorelement und das zumindest eine Temperatursensorelement
auf einer Sensorleiterplatte angeordnet sind. Diese ist in bevorzugter
Ausführung mit einer Steuereinheit auf einer Steuerleiterplatte über
eine flexible Verbindungsleiterplatte verbunden. Somit kann die
Orientierung des Sensorelementes zu einer Abtastfläche des
Sensors sichergestellt werden.
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Die
Steuereinheit kann zumindest eine Speichereinrichtung zur Speicherung
eines Auswerteprogramms aufweist, wobei das Auswerteprogramm von einer
Montage der Steuereinheit in das Sensorgehäuse oder nach
einer Demontage in die Speichereinrichtung nachladbar ist.
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Ein
hoher Temperaturbereich für die Gesamtkonfiguration wird
bei GMR-Sensoren mit Temperatursensoren und Sensorelementen zur
Erfassung magnetischer oder ferritischer Materialien durch einen
mindestens zweischichtigen bzw. mehrschichtigen Aufbau innerhalb
des Sensors erzielt. Hier werden Komponenten zur Absicherung der Dichtigkeit
und mechanischen Stabilität in den äußeren
Schichten mit Materialien kombiniert, die zur thermischen Stabilisierung
und thermischen Ankopplung an die sensorisch relevante Abtastfläche
dienen. Dies kann beispielsweise im Vergussverfahren durch mindestens
zweischichtigen Verguss in ein Gehäuse aus Metall oder
ein anderes strapazierfähiges Material erfolgen. Das Anspritzen
einer Zuleitung (Kabel) an die thermisch kompensierte Einheit ist
vorteilhaft.
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Die
Realisierung einer hohen Genauigkeit über der Temperatur
kann durch Hinterlegung des Temperaturganges des Sensorelementes
in Verbindung mit dem Temperatursensorelement erfolgen, der in den
Sensor integriert ist. Dazu kann die Steuereinheit mit einem Kontroller
als Auswerteeinheit dienen, wobei der Temperaturgang zum Beispiel
als Tabelle in einem Speicher abgelegt ist.
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Die
magnetische Kompensation des Sensorgehäuses ist innerhalb
des Sensorelementes oder einer Auswerteeinheit möglich.
Dabei kann auch der magnetische Einfluss von Edelstählen
oder anderen schwach ferritischen Gehäusematerialien kompensiert
werden. Dieser Kompensationsvorgang kann durch einen Einrichtvorgang
erfolgen, der in der Produktion oder beim Einbau in eine Umgebung,
in welcher ferritisches Material vorhanden ist, ausgeführt wird.
Die Kompensation kann regelmäßig durch die Auswerteeinheit
durchgeführt werden, um einer Anlagerung ferritischen Materials
in der Umgebung des Sensors entgegenzuwirken. Dazu kann die Steuereinheit
beispielsweise entsprechend ausgebildet sein.
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Die
Auswerteschaltung, zum Beispiel die Steuereinheit, kann ein Meldungssignal
ausgeben, falls die Kompensationsfunktion sich dem Ende eines Aussteuerungsbereiches
des Sensorelementes bis auf einen einstellbaren Schwellwert nähert.
Die mechanischen Einstellpunkte des Sensors können einstellbar
ausgeführt sein, wobei die Einstellung mit Hilfe der Auswerteeinheit
erfolgt. Zur Aktivierung des Einstellvorgangs kann ein speziell
auf den Sensor abgestimmter Magnet verwendet werden. Eine weitere
Einstellmöglichkeit ist durch die Verwendung einer Signalisierung über
die Ausgänge bzw. die Zuleitung gegeben. Dabei kann das
Festlegen und Abspeichern einer Schaltschwelle mittels einer definierten
Codierung vorgenommen werden, welche über eine Betätigung
an den Anschlusskabeln (Zuleitung) erfolgt. Als Betätigungsmöglichkeiten
kann ein Anlegen definierter Spannungen außerhalb des typischen Betriebsspannungsbereiches
oberhalb oder deutlich unterhalb der Betriebsspannung durchgeführt
werden. Eine weitere Möglichkeit der Signalisierung entsteht
durch das definierte Einprägen von Strömen. Die
Signalisierung wird bevorzugt in codierter Form vorgenommen, so
dass eine Absicherung gegen ungewollte Parametrierung erzielt wird.
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Eine
Einrichtvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum
Einrichten kann mit einer Justiereinrichtung, welche codierbare
Elektro- und/oder Permanentmagnete aufweist, erfolgen. Dabei kann die
Justiereinrichtung eine Markierung zur Anzeige einer Richtung eines
einzustellenden Schaltpunktes aufweisen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei zeigt:
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1 eine
schematische Seitenansicht mit Funktionsblöcken eines ersten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
GMR-Sensors;
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2 eine
schematische Schnittansicht längs Linie A-A gemäß 1;
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3 eine
schematische Schnittansicht einer Variation des ersten Ausführungsbeispiels
längs Linie A-A nach 1;
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4 eine
schematische Schnittansicht einer weiteren Variation des ersten
Ausführungsbeispiels längs Linie A-A nach 1;
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5 eine
schematische Schnittansicht eines noch weiteren Variation des ersten
Ausführungsbeispiels längs Linie A-A nach 1;
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6 eine
schematische Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels
bei einem Einrichtvorgang; und
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7 eine
schematische Seitenansicht mit Funktionsblöcken eines zweiten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
GMR-Sensors.
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Gleiche
Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit
gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine schematische Seitenansicht mit Funktionsblöcken eines
ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
GMR-Sensors 1. Der GMR-Sensor 1 weist ein Sensorgehäuse 2 mit einer
Zuleitungsseite und einer ihr gegenüberliegenden Stirnseite
auf, wobei eine Oberseite einer Unterseite gegenübersteht
und die Unterseite als Abtastseite 3 des Sensors 1 ausgebildet
ist. Das Sensorgehäuse 2 ist hier rechteckig im
Längsschnitt und zum Beispiel quaderförmig. Andere
Ausführungen, zum Beispiel würfelförmig,
sind möglich.
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Innerhalb
des Sensorgehäuses 2 befindet sich ein mehrschichtiger
Aufbau, welcher in diesem Beispiel zweischichtig ist. Unter der
Oberseite ist eine Abschlussschicht 4 angeordnet, welcher
sich nach unten zur Abtastseite 3 eine Einbettungsschicht 5 anschließt,
in welcher dicht an der Abtastseite 3 ein Sensorelement 10 und
ein Temperatursensorelement 11 eingebettet sind. Diese
Sensorelemente 10 und 11 sind von der Einbettungsschicht 5,
welche hier gelartig ist, umhüllt. Diese Sensorelemente 10 und 11 können
auch als Primärelemente bezeichnet werden.
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In
der Abschlussschicht 4 ist eine Steuereinheit 7 angeordnet,
welche über eine Zuleitungsverbindung 12 mit einer
Zuleitung 6 verbunden ist, die an dem Sensorgehäuse 2 angebracht
ist. Die Zuleitung 6 kann in der Abschlussschicht 4 eingespritzt
sein oder in einer Zugentlastung (nicht gezeigt) am Sensorgehäuse 2 oder
in der Abschlussschicht 4 befestigt sein.
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Die
Steuereinheit 7 ist mit dem Sensorelement 10 über
einen Sensorelementanschluss 13 und mit dem Temperatursensorelement über
einen Temperatursensorelementanschluss verbunden. Die Steuereinheit 7 versorgt
die Sensorelemente 10 und 11 mit elektrischer
Energie aus der Zuleitung 6, die von außen eingespeist
wird. Weiterhin empfängt die Steuereinheit 7 Signale
des Sensorelementes 10, welches ein GMR-Sensorelement ist,
in Abhängigkeit von abgetasteten magnetischen und/oder
ferritischen Materialien, wertet diese Signale zum Beispiel anhand
von gespeicherten Tabellenwerten aus und gibt entsprechende Ausgangssignale,
zum Beispiel „EIN”, „AUS” über
die Zuleitung 6 an eine übergeordnete Steuerung
als Signale 20 aus. Signale des Temperatursensorelementes 11 wertet
die Steuereinheit 7 zur Temperaturkompensation des Sensorelementes 10 mit
aus und passt, beispielsweise mittels gespeicherter Tabellenwerte
oder geeigneter Kompensationsalgorithmen, die Signale des Sensorelementes 10 entsprechend
an.
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2 illustriert
eine schematische Schnittansicht längs Linie A-A gemäß 1.
Hier umschließt das Sensorgehäuse 2,
zum Beispiel aus Metall, Abschlussschicht 4 und die Einbettungsschicht 5 seitlich.
Die Abtastseite 3 kann eine zusätzliche Schutzschicht
aufweisen oder aus dem Sensorgehäuse 2 gebildet
sein. In dieser Ausführung ist der GMR-Sensor 1 zur
Abtastung bzw. Erfassung magnetischer Materialien vorgesehen.
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Bei
ferritischen Materialien ist eine Abtastung möglich, wenn
die Variation gemäß 3 mit einem
Vorspannmagneten 8, der sich hier in der Abschlussschicht 4 befindet,
eingesetzt wird. Das Sensorgehäuse 2 ist nicht
mit gezeigt. Der Vorspannmagnet 8 ist vorzugsweise ein
Permanentmagne, welcher eine magnetisches Feld erzeugt, das das
Sensorelement 10 durchdringt und von ferritischem (auch
magnetischem) Material so verändert wird, dass diese Veränderung
von dem Sensorelement 10 abtastbar ist. Hier wird dessen
Ausgangssignal mit Schwellwerten für das Ein- und Ausschalten
des Sensors 1 verglichen und so die Betätigung
des Sensors 1 definiert.
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Die
Einbettungsschicht 5 ist gelartig und kann sich bei Erwärmung
durch die Umgebungstemperatur ausdehnen. Dabei ist es vorteilhaft,
dass die Abschlussschicht 4 eine Federsteifigkeit aufweist,
die geringer als die des Sensorgehäuses 2 und
der Gehäuse ist, in welchen die Sensorelemente 10 und 11 angeordnet
sind. Es ist bevorzugt, dass die Federsteifigkeit um einen Faktor
von mindesten 0,1 geringer ist als die Federsteifigkeit eines der
Gehäuse der Sensorelemente 10 und 11. 4 zeigt
eine Variation, bei welcher ein Druckausgleichelement 9,
zum Beispiel eine Membran, in die Abschlussschicht 4 eingesetzt
ist, hier an der Grenze zwischen Abschlussschicht 4 und
Einbettungsschicht 5.
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In
einer weiteren Variation, die 5 in Schnittdarstellung
längs Linie A-A nach 1 zeigt, sind
die Sensorelemente 10 und 11 auf einer Sensorleiterplatte 15 aufgebracht,
welche hier parallel zur Abtastseite 3 im Sensorgehäuse 2 angeordnet
ist. Senkrecht dazu ist eine Steuerleiterplatte 17 mit
der Steuereinheit 7 (zum Beispiel ein Kontroller mit Speicherbausteinen)
positioniert. Eine elastische Verbindung zwischen der Sensorleiterplatte 15 und der
Steuerleiterplatte 17 wird durch eine Verbindungsleiterplatte 16 gebildet,
welche zum Beispiel eine flexible Leiterplatte ist.
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6 zeigt
eine schematische Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels
bei einem Einrichtvorgang. Unterhalb des GMR-Sensors 1 ist
an der Abtastseite 3 eine Einrichtvorrichtung mit einer
Justiereinrichtung 18 mit zwei Permanentmagneten 19, 19' angeordnet.
Diese Magnete können auch steuerbare Elektromagnete sein.
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Weiterhin
kann die Polung bzw. Codierung der Permanentmagnete 19, 19' eingestellt
werden, zum Beispiel durch Verdrehen. Die Magnete 19, 19' aktivieren
einen Einrichtvorgang des Sensors 1. Über ihre
Codierung kann entschieden werden, welcher Schaltpunkt, zum Beispiel
in die Steuereinheit 7, eingelernt wird. Die Justiereinrichtung 18 kann
eine Markierung aufweisen, welche die Richtung des einzurichtenden
Schaltpunktes anzeigt. Damit ist der neu einzurichtende Schaltpunkt
anwählbar. Der Sensor 1 kann so ausgebildet sein,
dass bei einem Einrichtvorgang einer oder mehrere oder alle Schaltpunkte
einrichtbar sind. Durch Betätigung mit der Justiereinrichtung 18 kann
die Auswerteeinheit bzw. Steuereinheit 7 das Einlernen
der Schaltpunkte in einer festgelegten Abfolge oder entsprechend
der Codierung der in der Justiereinrichtung 18 vorhandenen
Magnete 19, 19' durchführen.
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7 illustriert
schließlich eine schematische Seitenansicht mit Funktionsblöcken
eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen GMR-Sensors 1.
In dieser Ausführung ist die Abtastfläche 3 nicht
unterhalb des Sensorgehäuses 2, sondern an der
Vorderseite. Weitere Variationen sind selbstverständlich
denkbar.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten
Ansprüche modifizierbar.
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Es
ist zum Beispiel denkbar, dass die Abschlussschicht 4 mit
dem Sensorgehäuse 2 kombiniert oder ein Bestandteil
davon ist.
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Die
Leiterplatten 15, 16 und 17 können
auch aus einer vollständigen flexiblen Leiterplatte bestehen.
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Ein
Programm für die Auswerteeinheit bzw. Steuereinheit 7 kann
vor deren Montage in den Sensor 1 oder nach Entnahme eingespeist
werden. Es kann auch möglich sein, diese Programmierung
von außen über die Zuleitung mittels bestimmter
Signale/Signalformen oder drahtlos, z. B. über Funk, Induktionsspule
oder Infrarot vorzunehmen.
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- 1
- GMR-Sensor
- 2
- Sensorgehäuse
- 3
- Abtastseite
- 4
- Abschlussschicht
- 5
- Einbettungsschicht
- 6
- Zuleitung
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Magnet
- 9
- Druckausgleichelement
- 10
- Sensorelement
- 11
- Temperatursensorelement
- 12
- Zuleitungsverbindung
- 13
- Sensorelementanschluss
- 14
- Temperatursensorelementanschluss
- 15
- Sensorleiterplatte
- 16
- Verbindungsleiterplatte
- 17
- Steuerleiterplatte
- 18
- Justiereinrichtung
- 19,
19'
- Permanentmagnet
- 20
- Signal
- N,
S
- Nord-/Südpol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19739550
C1 [0002]
- - US 20050280411 A1 [0003]
- - US 5818685 A [0003]
- - US 5883763 A [0003]