DE10210184A1

DE10210184A1 - Anordnung zum Bestimmen der Position eines Bewegungsgeberelements

Info

Publication number: DE10210184A1
Application number: DE10210184A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2003-09-18
Also published as: US20030222642A1; US6956366B2

Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zum Bestimmen der Position eines die Ausbildung eines Arbeitsmagnetfeldes periodisch entlang seiner Bewegungskoordinate beeinflussenden Bewegungsgeberelements, DOLLAR A - mit einer mit dem Arbeitsmagnetfeld beaufschlagten Sensoranordnung, welche entlang einer wenigstens weitgehend parallel zur Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements ausgerichteten Meßrichtung gegenüber wenigstens der Polarität des der Sensoranordnung beaufschlagten Arbeitsmagnetfeldes empfindlich und zum Abgeben eines Meßsignals in Abhängigkeit von einer in der Meßrichtung gemessenen, als Meßfeld bezeichneten Feldkomponente des der Sensoranordnung beaufschlagten Arbeitsmagnetfeldes ausgebildet ist, DOLLAR A - worin das Bewegungsgeberelement in einer streifenförmigen Zone einer sich entlang der Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements erstreckenden Hauptfläche angeordnete, periodisch wiederkehrende Bereiche wechselnder Beeinflussung des sich parallel zur Hauptfläche und wenigstens weitgehend parallel zur Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements ausbildenden Meßfeldes aufweist und die Meßrichtung der Sensoranordnung wenigstens nahezu prallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements ausgerichtet ist, DOLLAR A - wobei das der Sensoranordnung beaufschlagte Arbeitsmagnetfeld mit seiner durch die hauptsächliche Richtung der magnetischen Feldlinien bestimmten Hauptkomponente im wesentlichen senkrecht zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements ausgerichtet ist, DOLLAR A - worin die ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestimmen der Position eines die Ausbildung eines Arbeitsmagnetfeldes periodisch entlang seiner Bewegungskoordinate beeinflussenden Bewegungsgeberelements,

- mit einer mit dem Arbeitsmagnetfeld beaufschlagten Sensoranordnung, welche entlang einer wenigstens weitgehend parallel zur Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements ausgerichteten Meßrichtung gegenüber wenigstens der Polarität des der Sensoranordnung beaufschlagten Arbeitsmagnetfeldes empfindlich und zum Abgeben eines Meßsignals in Abhängigkeit von einer in der Meßrichtung gemessenen, als Meßfeld bezeichneten Feldkomponente des der Sensoranordnung beaufschlagten Arbeitsmagnetfeldes ausgebildet ist,
- worin das Bewegungsgeberelement in einer streifenförmigen Zone einer sich entlang der Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements erstreckenden Hauptfläche angeordnete, periodisch wiederkehrende Bereiche wechselnder Beeinflussung des sich parallel zur Hauptfläche und wenigstens weitgehend parallel zur Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements ausbildenden Meßfeldes aufweist und die Meßrichtung der Sensoranordnung wenigstens nahezu parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements ausgerichtet ist,
- wobei das der Sensoranordnung beaufschlagte Arbeitsmagnetfeld mit seiner durch die hauptsächliche Richtung der magnetischen Feldlinien bestimmten Hauptkomponente im wesentlichen senkrecht zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements ausgerichtet ist,
- worin die Sensoranordnung als magnetoresistive Sensoranordnung ausgebildet ist mit wenigstens einer Teilbrücke, die wenigstens zwei magnetoresistive Sensorelemente aufweist, welche Sensorelemente entlang der Meßrichtung gegenüber der magnetischen Feldstärke des Arbeitsmagnetfeldes empfindlich und zum Abgeben des Meßsignals in Abhängigkeit vom Meßfeld ausgebildet sind, wobei in jeder der Teilbrücken wenigstens zwei der Sensorelemente Barberpol-Strukturen mit zueinander unterschiedlicher Ausrichtung aufweisen.

Es sind Anordnungen zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Bewegungsgeberelements mit einer Sensoranordnung beschrieben worden, welche den magnetoresistiven Effekt ausnutzt. Darin umfaßt diese magnetoresistive Sensoranordnung vier Permalloy-Streifen, die in Mäanderform auf einem Siliziumsubstrat angeordnet und in Wheatstonescher Brückenanordnung verschaltet sind. Die magnetoresistive Sensoranordnung ist entlang einer Meßrichtung gegenüber der Polarität und der Feldstärke eines äußeren Magnetfeldes empfindlich und zum Abgeben eines Meßsignals in Abhängigkeit von einer in der Meßrichtung gemessenen, als Meßfeld bezeichneten Feldkomponente des Magnetfeldes ausgebildet.
Da durch den magnetoresistiven Effekt unmittelbar eine Drehbewegung des Bewegungsgeberelements nicht direkt gemessen werden kann, ist an der beschriebenen magnetoresistiven Sensoranordnung zusätzlich ein als Arbeitsmagnet bezeichneter Permanentmagnet montiert. Dieser Arbeitsmagnet ist auf die Rückseite der magnetoresistiven Sensoranordnung bzw. ihres Gehäuses geklebt, so daß die magnetoresistive Sensoranordnung vom Magnetfeld des Arbeitsmagneten durchsetzt wird, allerdings in dieser Zusammenstellung für sich genommen ohne das Bewegungsgeberelement noch keine Feldkomponente des Magnetfeldes in der Meßrichtung auftritt. Das von der magnetoresistiven Sensoranordnung abgegebene Meßsignal ist in dieser Konfiguration gleich Null.
Wird ein mit zahnradartig ausgeformtem, ferromagnetischem Material ausgebildetes Bewegungsgeberelement in der Nähe der Sensoranordnung angeordnet, führt dies zu einer Veränderung des Feldverlaufs des Magnetfelds des Arbeitsmagneten. Dazu ist die magnetoresistive Sensoranordnung gegenüber den Zähnen des mit zahnradartig ausgeformtem, ferromagnetischem Material ausgebildeten Bewegungsgeberelements mit seiner Meßrichtung in der Bewegungsrichtung des Bewegungsgeberelements ausgerichtet. Die Zähne des Bewegungsgeberelements bewegen sich somit in dieser Meßrichtung an der Sensoranordnung vorbei. Dies führt entlang der mit der Meßrichtung zusammenfallenden Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements zu einer mit dem Abstand der Zähne der zahnradartigen Ausformungen des Bewegungsgeberelements periodisch auftretenden Verformung der Feldlinien des Magnetfelds des Arbeitsmagneten in der Meßrichtung der Sensoranordnung. An einer "symmetrischen" Position, in der sich die Sensoranordnung mittig vor einem Zahn oder einer Lücke zwischen zwei Zähnen befindet, wird dabei das Magnetfeld nicht in der Bewegungsrichtung des Bewegungsgeberelements verformt; somit ist in dieser Position das Ausgangssignal der Sensoranordnung gleich Null. An einer "nicht symmetrischen" Position, in der die Sensoranordnung sich weder mittig vor einem Zahn noch vor einer Lücke befindet, ergibt sich eine Feldverformung des Magnetfelds in der Bewegungsrichtung des Bewegungsgeberelements, die von der Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements abhängt. Damit wird durch die Sensoranordnung ein von dieser Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements abhängiges Ausgangssignal erzeugt, welches vorzugsweise wenigstens nahezu sinusförmig über der Bewegungskoordinate sein kann.
Wahlweise ist auch ein magnetisiertes Bewegungsgeberelement beschrieben worden, entlang dessen Bewegungsrichtung magnetische Nord- und Südpole abwechselnder Polarität angeordnet sind. In dieser Ausbildung stellt das Bewegungsgeberelement selbst das Magnetfeld und damit auch das Meßfeld bereit.
Derartige magnetoresistive Sensoranordnungen werden mit rotierenden Bewegungsgeberelementen in vielfältigen Systemen zur Erfassung der Drehzahl von mit den Bewegungsgeberelementen gekoppelten Rädern, Wellen oder dergleichen eingesetzt. Zu den häufigsten Anwendungen gehört der Einsatz in Antiblockiersystemen oder als Kurbelwellendrehzahlsensor für Kraftfahrzeuge. Üblicherweise wird hierbei die Sensoranordnung vor einem Zahnrad aus magnetisierbarem Werkstoff mit vier zu einer Wheatstonebrücke der eingangs genannten Art verbundenen Widerständen betrieben, wobei die Meßrichtung, d. h. die magnetisch empfindliche Richtung der Sensoranordnung in beschriebener Weise parallel zur Drehrichtungskoordinate des Zahnrads liegt.
Wie beschrieben kann hierbei das Ausgangssignal der Wheatstonebrücke in erster Näherung durch ein über der Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements sinusförmiges Signal dargestellt werden, wobei die Nulldurchgänge im Ausgangssignals jeweils vor der Mitte eines Zahns bzw. vor der Mitte einer Lücke zwischen je zwei Zähnen des Bewegungsgeberelements erfolgen. Bei bewegtem Bewegungsgeberelement kann aus dem Ausgangssignal die Stellung des Bewegungsgeberelements gegenüber dem Sensorelement eindeutig bestimmt werden.
Ein Beispiel für eine derartige Anordnung zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Bewegungsgeberelements mit einer Sensoranordnung der beschriebenen Art ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Darin enthält die magnetoresistive Sensoranordnung vier Sensorelemente 1, 2, 3, 4, die in der beschriebenen Art je einen der genannten, in Mäanderform auf Siliziumsubstrat angeordneten Permalloy-Streifen umfassen und als Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Diese Wheatstone-Brücke ist zwischen einem ersten Speisespannungsanschluß 5, an den im Betrieb ein erstes Speisespannungspotential UB angelegt wird, und einem zweiten Speisespannungsanschluß 6, an den im Betrieb ein zweites Speisespannungspotential M, vorzugsweise Massepotential, angelegt wird, angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist die Sensoranordnung in einer durch die x-Koordinatenachse und die y- Koordinatenachse eines kartesischen Koordinatensystems aufgespannten Ebene flächig angeordnet, zu welcher Ebene eine z-Koordinatenachse senkrecht steht. Diese magnetoresistive Sensoranordnung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet.
An der Sensoranordnung 7 ist weiterhin ein als Arbeitsmagnet 8 bezeichneter, quaderförmiger Permanentmagnet montiert. Dieser Arbeitsmagnet 8 ist in einer praktischen Ausführung bevorzugt auf die Rückseite der Sensoranordnung 7 bzw. ihres Gehäuses geklebt, so daß die Sensoranordnung 7 von dem weiterhin auch als Arbeitsmagnetfeld bezeichneten Magnetfeld H des Arbeitsmagneten 8 durchsetzt wird. Die Hauptrichtung der Feldlinien dieses Magnetfeldes H verläuft entlang der z-Koordinatenachse.
Die magnetoresistive Sensoranordnung 7 weist eine Meßrichtung entlang der y-Koordinatenachse auf. Sie ist entlang dieser Meßrichtung gegenüber der Polarität und der Feldstärke eines äußeren Magnetfeldes empfindlich und zum Abgeben eines Meßsignals in Abhängigkeit von einer in der Meßrichtung gemessenen, als Meßfeld bezeichneten Feldkomponente dieses Magnetfeldes ausgebildet. Für den Betrieb soll das äußere Magnetfeld vorzugsweise ausschließlich durch das Magnetfeld H des Arbeitsmagneten 8 gebildet werden.
Zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Bewegungsgeberelements mit der vorbeschriebenen Sensoranordnung 7 ist ein solches rotierendes Bewegungsgeberelement 9in Richtung der z-Koordinatenachse vor der Sensoranordnung 7 positioniert. Das Bewegungsgeberelement 9 ist mit zahnradartig ausgeformtem, ferromagnetischem Material ausgebildet und rotiert im Betrieb in Richtung einer Bewegungskoordinate Φ. Dies führt entlang der Bewegungskoordinate Φ des Bewegungsgeberelements 9 zu einer mit dem Abstand der Zähne der zahnradartigen Ausformungen des Bewegungsgeberelements 9 periodisch auftretenden Verformung der Feldlinien des Magnetfelds H des Arbeitsmagneten 8 in der in Richtung der y-Koordinatenachse liegenden Meßrichtung der Sensoranordnung 7. Die Feldkomponente des Magnetfelds H in der in Richtung der y-Koordinatenachse liegenden Meßrichtung wird dabei als Meßfeld bezeichnet. Durch das Meßfeld wird in der Sensoranordnung 7 ein von dieser Bewegungskoordinate Φ des Bewegungsgeberelements 9 abhängiges, über der Bewegungskoordinate Φ vorzugsweise wenigstens nahezu sinusförmiges Ausgangssignal UA erzeugt.
Fig. 2 zeigt zur näheren Erläuterung ein Schaltbild der Sensoranordnung 7 aus Fig. 1, wobei übereinstimmende Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Darin ist durch unterschiedliche Schraffuren der einzelnen Sensorelemente 1, 2, 3, 4 angedeutet, daß diese mit Barberpol-Strukturen ausgestattet sind, wobei die Ausrichtungen der Barberpol-Strukturen bezüglich der Flußrichtungen von durch das Speisespannungspotential UB hervorgerufenen, die Sensorelemente 1, 2, 3 bzw. 4 durchfließenden elektrischen Strömen durch die Richtungen der Schraffuren angedeutet sind. Die Wahl der Barberpol-Strukturen der Sensorelemente 1, 2, 3, 4 wird so vorgenommen, daß sich die Widerstandswerte R1 und R4 des ersten bzw. vierten Sensorelements 1 bzw. 4 mit positivem Wert der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes erhöhen und daß sich die Widerstandswerte R2 und R3 des zweiten bzw. dritten Sensorelements 2 bzw. 3 mit positivem Wert der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes verringern. Dazu wird der Winkel α_i der Stromflußrichtung durch das Sensorelement i bei verschwindendem Meßfeld H_i am Ort des Sensorelements i, mit i = 1, 2, 3, 4, wie folgt gewählt:

α₁ = +45°, α₂ = -45°, α₃ = -45°, α₄ = +45°.
Fig. 3 zeigt eine mögliche räumliche Gestaltung für die in Fig. 2 wiedergegebene Sensoranordnung 7 in einer Draufsicht auf die durch die x-Koordinatenachse und die y-Koordinatenachse aufgespannte Ebene. Darin sind schematisch die Barberpol-Strukturen eingezeichnet, und der Deutlichkeit halber sind deren Ausrichtungen in den einzelnen Sensorelementen 1, 2, 3, 4 durch neben die einzelnen Sensorelemente 1, 2, 3 bzw. 4 gezeichnete Symbole 51, 52, 53 bzw. 54 dargestellt.
Für das Meßfeld am Ort der einzelnen Sensorelemente i = 1, 2, 3, 4 gilt in erster Näherung:
Dabei ist:
H_i: Magnetische Feldstärke des Meßfeldes am Sensorelement i mit dem Widerstand Ri
H_Offi: Offsetanteil der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes am Sensorelement i, hervorgerufen z. B. durch Inhomogenitäten des Meßfeldes entlang der Meßrichtung und z. B. abhängig vom Abstand zwischen dem Bewegungsgeberelement 9 und der Sensorenordnung 7 in Richtung der z-Koordinatenachse
H_pk: Amplitude der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes am Sensorelement i
n: Anzahl der Zähne auf dem als Geberrad ausgebildeten Bewegungsgeberelement 9
Φ: Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements 9 (z. B. Kurbelwellendrehwinkel)
r: Radius des als Geberrad ausgebildeten Bewegungsgeberelements 9
y_i: Ortskoordinate des Sensorelements i entlang der y-Koordinatenachse (vorzugsweise des Mittelpunkts der räumlichen Ausdehnung des Sensorelements i entlang der in Meßrichtung verlaufenden y-Koordinatenachse)
H_ex: Magnetische Feldstärke eines der Sensoranordnung 7 großflächig überlagerten äußeren Magnetfeldes, insbesondere eines Störfeldes, am Sensorelement i
i: Laufindex mit i = 1, 2, 3, 4
Für die Widerstandswerte Ri der einzelnen Sensorelemente i gilt die Beziehung:

d. h.

R_i = R₀ + S H_i bzw. R_i = R₀ - S H_i,

wobei
R₀ der Widerstandswert der einzelnen Sensorelemente i im Arbeitspunkt, d. h. bei verschwindendem Meßfeld H_i,
S die Widerstandsänderung der Widerstandswerte Ri in Abhängigkeit vom Meßfeld, d. h. die Steilheit der R-H-Kennlinie der Sensorelemente i oder die Sensitivität der Sensorelemente i,
sign(α_i) Vorzeichenfunktion, deren Wert +1 oder -1 vom Winkel α_i der Stromflußrichtung abhängt und
i der Laufindex mit i = 1, 2, 3, 4
ist und das Vorzeichen vor dem zweiten Summanden in diesen Gleichungen, d. h. der Wert der Vorzeichenfunktion sign(α_i), von der Wahl der Winkel α_i der Stromflußrichtung durch das Sensorelement i bei verschwindendem Meßfeld H_i am Ort des Sensorelements i, mit i = 1, 2, 3, 4, d. h. von der Wahl der Ausrichtung der Barberpol-Strukturen bezüglich der die Sensorelemente 1, 2, 3 bzw. 4 durchfließenden elektrischen Ströme, abhängt.
Für die Widerstandswerte R1, R2, R3, R4 der einzelnen Sensorelemente 1, 2, 3, 4 der Sensoranordnung 7 gemäß Fig. 2 ergibt sich:
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 gilt für die Ortskoordinaten y₁, y₂, y₃ und y₄ der Sensorelemente 1, 2, 3, 4 bei einem angenommenen, zur x-Koordinatenachse symmetrischen Aufbau der Sensoranordnung 7 die Beziehung

y₁ = y₂ = -y₃ = -y₄ = Δy,

wobei mit Δy der Betrag der Ortskoordinate der Sensorelemente 1, 2, 3, 4 der magnetoresistiven Sensoranordnung 7 bezeichnet ist. Das heißt, daß die Sensorelemente 1, 2, 3, 4 in Richtung dieser zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements 9 und zur Meßrichtung im wesentlichen parallelen y-Koordinatenachse wenigstens weitgehend übereinstimmende Ortskoordinaten aufweisen. Unter derselben Annahme gilt für die Offsetanteile H_Offi der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes

H_Off1 = H_Off2 = -H_Off3 = -H_Off4 = H_Off
Damit ergibt sich das Ausgangssignal UA der Sensoranordnung 7 in erster Näherung zu:
Diese Gleichung zeigt, daß einerseits zwar der Offsetanteil der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes an den Sensorelementen 1, 2, 3, 4 keinen Einfluß auf das Ausgangssignal UA ausübt, daß aber ein äußeres Feld Hex in voller Größe das Ausgangssignal UA beeinflußt. Hinzu kommt in der Realität noch eine Offsetspannung U_Off, die aus den Fertigungstoleranzen der vier einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente 1, 2, 3, 4 mit den Widerstandswerten R1 bis R4 resultiert. Die vorstehende Gleichung muß also ergänzt werden zu:
Wird eine derartige Sensoranordnung in einer Umgebung eingesetzt, in der ein äußeres Magnetfeld H_ex der beschriebenen Art auftritt, entstehen Störungen in der durch die Sensoranordnung vorgenommenen Messung, da dem Ausgangssignal UA der genannte Feldanteil H_ex als Störfeld überlagert ist. Ein solcher Fall tritt z. B. beim Einsatz als Kurbelwellendrehzahlsensor für Kraftfahrzeuge auf, wo insbesondere die Starterströme beträchtliche äußere Magnetfelder hervorrufen können.
In einer derartigen Einsatzumgebung führt die Verwendung einer Sensoranordnung der beschriebenen Art zu nicht hinnehmbaren Beeinträchtigungen der Betriebsfähigkeit.
Eine Möglichkeit zur Erzeugung eines störfeldunabhängigen Ausgangssignals bietet der sog. Gradientensensor, der allerdings ein offsetbehaftetes Ausgangssignal erzeugt.
So ist aus der EP-A 0 607 595 ein Sensorchip bekannt, der insbesondere zur Strom- und Spannungsmessung mit einer Brückenschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke zur Messung von Gradienten der magnetischen Feldstärke dienen soll und aus vier magnetoresistiven Widerständen besteht, die parallel und in zwei Bereichen mit Abstand zu einer Mittelachse angeordnet sind. Von diesen Widerständen bilden je zwei in Reihe geschaltete Widerstände jeweils einen Brückenzweig der Wheatstone-Brücke, wobei die zwei genannten Bereiche jeweils einen magnetoresistiven Widerstand eines Brückenzweiges und einen magnetoresistiven Widerstand des jeweils anderen Brückenzweiges umfassen. Die Widerstände der beiden Bereiche sind dabei symmetrisch zur Mittelachse angeordnet. Sie bestehen aus jeweils zwei unter sich und zu den übrigen parallelen Schichtstreifen, die mit Barberpol-Strukturen versehen sind. Diese Barberpol-Strukturen sind bei allen Widerständen gleich, wodurch dafür gesorgt sein soll, daß nur ein anliegender Feldgradient die Brücke aussteuert. Weil bei diesem Sensorchip der Abstand der beiden Bereiche, d. h. die Basislänge des Gradiometers, klein gehalten wird, ist gemäß den Ausführungen der EP-A 0 607 595 auch die Beeinflussung durch Störmagnetfelder unerheblich, deren Quellen einen von der Meßanordnung dagegen großen Abstand haben.
Das Ausgangssignal des Gradientensensors ergibt sich in erster Näherung gemäß der folgenden Gleichung:
Es ist zu erkennen, daß durch den Einsatz eines derartigen Gradientensensors zwar der Einfluß äußerer Magnetfelder, somit auch äußerer Störfelder, wenigstens in erster Näherung beseitigt werden kann, daß dagegen jedoch der Einfluß der Offsetanteile der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes an den Sensorelementen verbleibt. Diese Offsetanteile der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes an den Sensorelementen erweisen sich zudem als abhängig vom Abstand der Sensoranordnung vom Bewegungsgeberelement 9 entlang der z-Koordinatenachse. Die dadurch sich ergebenden Beeinträchtigungen des Ausgangssignals UA sind für einen reibungslosen Betrieb der Sensoranordnung nicht tragbar. Darüber hinaus zeigt das Ausgangssignal UA des Gradientensensors ein Maximum, wenn sich ein Zahn des als Geberrad (Zahnrad) ausgebildeten rotierenden Bewegungsgeberelements mittig vor der Sensoranordnung befindet, bzw. ein Minimum, wenn sich ein Rücksprung (d. h. eine Lücke) zwischen zwei Zähnen des als Geberrad (Zahnrad) ausgebildeten rotierenden Bewegungsgeberelements 9 mittig vor der Sensoranordnung befindet. Eine exakte Detektion dieser Stellungen des Bewegungsgeberelements 9 entlang seiner Bewegungskoordinate Φ ist damit nur sehr schwierig durchzuführen.
In der Deutschen Patentanmeldung 101 58 053.3 ist eine Sensoranordnung mit wenigstens zwei Teilbrücken beschrieben, die zu wenigstens einer Wheatstone-Brücke miteinander gekoppelt sind und in jeder der Teilbrücken wenigstens zwei magnetoresistive Sensorelemente aufweist, welche Sensorelemente entlang einer Meßrichtung gegenüber der magnetischen Feldstärke eines angelegten Magnetfeldes empfindlich und zum Abgeben eines Meßsignals in Abhängigkeit von einer in der Meßrichtung gemessenen, als Meßfeld bezeichneten Feldkomponente des Magnetfeldes ausgebildet sind, wobei in jeder der Teilbrücken wenigstens zwei der Sensorelemente Barberpol-Strukturen mit zueinander unterschiedlicher Ausrichtung aufweisen und wobei die Ortskoordinaten der Sensorelemente wenigstens einer der Teilbrücken und die Ortskoordinaten der Sensorelemente wenigstens einer anderen der Teilbrücken entlang einer in Meßrichtung verlaufenden Koordinatenachse in vorbestimmtem Maß voneinander unterschiedlich gewählt sind. Dabei beschreibt die Ortskoordinate eines Sensorelements die Lage eines räumlichen Bezugspunktes an diesem Sensorelement entlang der genannten Koordinatenachse, vorzugsweise die Lage eines Mittelpunktes der räumlichen Ausdehnung des betreffenden Sensorelementes in Richtung dieser Koordinatenachse.
Die Ausgangssignale der vorstehend beschriebenen Sensoranordnungen sind jedoch auch weiterhin trotz der beschriebenen Maßnahmen aufgrund der genannten Fertigungstoleranzen der vier einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente 1, 2, 3, 4 mit den Widerstandswerten R1 bis R4 mit Offsets behaftet, die zu der bereits erwähnten Offsetspannung U_Off führen. Da die Amplituden der Ausgangssignale der vorgestellten Sensoranordnungen jedoch an sich klein sind, wirken sich dieser Offset und der Offset von Eingangsverstärkern nachfolgender Stufen zur Verstärkung und Verarbeitung der Ausgangssignale der Sensoranordnungen sehr stark auf die Meßgenauigkeit der Sensoranordnungen aus, d. h. die Genauigkeit, mit welcher der Wert der Bewegungskoordinate Φ des Bewegungsgeberelements, der die Mitte eines seiner Zähne bzw. die Mitte einer Zahnlücke beschreibt, mit einem Nulldurchgang im Ausgangssignal der Sensoranordnung, d. h. einem Übergang im Ausgangssignal der Sensoranordnung zwischen hohem und niedrigem Signalpegel, zusammenfällt.
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Anordnung zum Bestimmen der Position eines Bewegungsgeberelements zu schaffen, die unempfindlich gegenüber den beschriebenen Fertigungstoleranzen ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anordnung zum Bestimmen der Position eines Bewegungsgeberelements der eingangs genannten Art, welche ferner aufweist:

- eine Anordnung zum Erzeugen eines Zusatzmagnetfeldes veränderbarer magnetischer Feldstärke, welches Zusatzmagnetfeld wenigstens weitgehend im Bereich der Erstreckung der Sensorelemente mit seiner durch die hauptsächliche Richtung seiner magnetischen Feldlinien bestimmten Hauptkomponente im wesentlichen parallel zum Arbeitsmagnetfeld ausgerichtet ist, und zum Überlagern dieses Zusatzmagnetfeldes mit dem Arbeitsmagnetfeld zu einem resultierenden Magnetfeld, welches ein resultierendes Meßfeld hervorruft,
- eine Anordnung zum zeitlichen Variieren der magnetischen Feldstärke des Zusatzmagnetfeldes, zum Detektieren von Werten des Meßsignals in Abhängigkeit von diesen Variationen des Zusatzmagnetfeldes und zum Speichern dieser Werte des Meßsignals sowie
- eine Auswerteeinheit zum Bilden eines ein Maß für die Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements darstellenden Ausgangssignals durch Subtrahieren wenigstens zweier aufeinanderfolgend detektierter Werte des Meßsignals.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht mit einem einfachen Aufbau eine zuverlässige Betriebsweise auch unter den genannten Bedingungen und weist somit in Verbindung mit einer hohen Störsicherheit auch eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen auf. Damit lassen sich auch mit Sensoranordnungen noch gute Meßergebnisse erzielen, an deren Fertigung keine engen Toleranzanforderungen gestellt werden und die somit preiswerter herstellbar sind. Auf diese Weise lassen sich die Produktionskosten für derartige Anordnungen zum Bestimmen der Position eines Bewegungsgeberelements ohne Qualitätseinbußen bedeutsam verringern. Insbesondere wird dabei die Frequenz, mit der die zeitlichen Variationen der magnetischen Feldstärke des Zusatzmagnetfeldes erfolgen, deutlich größer gewählt als die Frequenz, mit der das Bewegungsgeberelement im Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung durch Veränderung seiner Position entlang seiner Bewegungskoordinate die Ausbildung des Meßfeldes periodisch beeinflußt.
Vorteilhaft umfaßt in einer Weiterbildung der Erfindung die Anordnung zum Erzeugen des Zusatzmagnetfeldes eine mit einem zeitlich variablen Spulenstrom beaufschlagbare Spulenanordnung. Damit kann das gewünschte Zusatzmagnetfeld einfach, genau und kostengünstig erzeugt werden.
Eine bevorzugte Fortbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Spulenanordnung entlang ihrer räumlichen Erstreckung parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements die Sensorelemente wenigstens weitgehend umschließt. Damit wird eine gute und möglichst gleichmäßige Einwirkung des Zusatzmagnetfeldes auf die Sensoranordnung erreicht.
In einer anderen, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Spulenanordnung wenigstens weitgehend flächig parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements ausgebildet. Damit kann eine sehr flache Bauform der gesamten Sensoranordnung einschließlich der Spulenanordnung erhalten werden, was sich günstig auf eine anzustrebende Miniaturisierung der erfindungsgemäßen Anordnung und auf ihre mechanische Robustheit auswirkt. Auch kann so eine günstige Formung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien des Zusatzmagnetfeldes erreicht werden.
Bevorzugt sind gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung die Spulenanordnung und wenigstens die Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Dies stellt bezüglich der Herstellungskosten, der mechanischen Kompaktheit und Robustheit sowie der elektrischen Funktionssicherheit eine besonders günstige Lösung dar.
Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Sensoranordnung mit zwei Teilbrücken aus je zwei Brückenzweigen, von denen jeder wenigstens eines der magnetoresistiven Sensorelemente aufweist, ausgebildet. Diese Brückenzweige bilden in bevorzugter Weise eine Wheatstonesche Brückenschaltung, die in der eingangs beschriebenen Art mit zwei Speisespannungsanschlüssen zum Zuführen einer Speisespannung sowie mit zwei Anschlüssen zum Abgreifen des Ausgangssignals der Sensoranordnung versehen ist.
Werden, wie in einer vorstehend beschriebenen, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die z. B. als Spulenanordnung gestaltete Anordnung zum Erzeugen des Zusatzmagnetfeldes und wenigstens die Sensorelemente z. B. auf einem gemeinsamen Substrat und damit oder durch eine andere, im Ergebnis gleichwirkende konstruktive Maßnahme in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, muß dieses gemeinsame Gehäuse mit einer ausreichenden Anzahl elektrischer Anschlüsse versehen sein, um sowohl die Sensoranordnung als auch die z. B. als Spulenanordnung gestaltete Anordnung zum Erzeugen des Zusatzmagnetfeldes mit den übrigen Bestandteilen der erfindungsgemäßen Anordnung elektrisch verbinden zu können. Wird insbesondere die Anordnung zum Erzeugen des Zusatzmagnetfeldes z. B. als Spulenanordnung gestaltet, benötigt diese Spulenanordnung zwei weitere Anschlüsse. Selbst, wenn einer dieser Anschlüsse mit einem der Speisespannungsanschlüsse der Sensoranordnung verbunden wird, benötigt ein dafür eingerichtetes Gehäuse eine höhere Anzahl elektrischer Anschlüsse als ein Gehäuse für die Aufnahme lediglich der obengenannten Wheatstoneschen Brückenschaltung. In einem konkreten Anwendungsfall steht für die Aufnahme der Sensoranordnung ein vierpoliges Gehäuse zur Verfügung, wohingegen eine gemäß der Erfindung ausgebildete Sensoranordnung ein wenigstens fünfpoliges Gehäuse erfordern würde, was mit erhöhtem Fertigungsaufwand und damit erhöhten Kosten verbunden wäre.
In einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist daher die Sensoranordnung mit einer Teilbrücke aus zwei Brückenzweigen, von denen jeder wenigstens eines der magnetoresistiven Sensorelemente aufweist, ausgebildet. Eine derart ausgestaltete Sensoranordnung benötigt lediglich einen einzigen Anschluß zum Abgreifen des Ausgangssignals. Damit lassen sich die beschriebene Anordnung zum Erzeugen des Zusatzmagnetfeldes - z. B. als Spulenanordnung gestaltet - und wenigstens die Sensorelemente in einem gemeinsamen, lediglich vierpoligen Gehäuse unterbringen. Es ergibt sich so eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung des Aufbaus der gesamten Anordnung, da sie in dieser Ausgestaltung nur mit vier äußeren Anschlüssen ausgestattet sein muß. Ungeachtet dessen zeigt jedoch auch diese Ausgestaltung der Erfindung, die eine Sensoranordnung mit nur einer Teilbrücke aufweist, dieselben Eigenschaften und Vorteile wie die Ausbildung mit einer Sensoranordnung mit zwei Teilbrücken, nämlich ein vom Einfluß äußerer Magnetfelder sowie vom Einfluß der beschriebenen Offsets unabhängiges Ausgangssignal.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Arbeitsmagneten zum Erzeugen des Arbeitsmagnetfeldes ausgebildet. Dieser Arbeitsmagnet kann insbesondere als Permanentmagnet ausgestaltet sein. Damit wird eine einfache und robuste Konfiguration erreicht.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Arbeitsmagnetfeld eine magnetische Feldkomponente auf, die im wesentlichen parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements und senkrecht zur Meßrichtung ausgerichtet ist. Damit werden Instabilitäten des Kennlinienverlaufs der Sensoranordnung - das sogenannte "Flippen" der Kennlinie - wirksam vermieden.
In der Praxis zeigt sich nämlich, daß es bei den beschriebenen Anordnungen vorteilhaft ist, dem Magnetfeld des Arbeitsmagneten, welches im idealen Fall am Ort der Sensoranordnung lediglich eine Magnetfeldkomponente entlang der eingangs als z-Koordinatenachse bezeichneten Richtung aufweist und durch die Positionierung der Sensoranordnung vor dem Bewegungsgeberelement eine Auslenkung in der Meßrichtung erfährt, eine zusätzliche Magnetfeldkomponente in Richtung wenigstens einer weiteren, zur Meßrichtung wenigstens weitgehend orthogonalen Koordinatenachse zu überlagern. Diese Richtung wird in den eingangs beschriebenen Anordnungen vorzugsweise durch die x-Koordinatenachse gebildet. Diese zusätzliche Magnetfeldkomponente vorzugsweise in Richtung der x-Koordinatenachse wird auch als Stützfeld der Sensoranordnung bezeichnet. Es zeigt sich, daß bei einer Richtungsumkehr (d. h. Vorzeichenumkehr der magnetischen Feldstärke) dieser zusätzlichen Magnetfeldkomponente auch die Kennlinie der Sensoranordnung, insbesondere der Zusammenhang zwischen dem Meßfeld bzw. der Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements und dem Ausgangssignal der Sensoranordnung, invertiert wird. Da eine derartige Kennlinieninversion eine korrekte Auswertung des Ausgangssignals der Sensoranordnung nicht mehr gewährleistet, wird vorteilhaft ein solches Stützfeld vorgesehen.
Allerdings kann der Fall auftreten, daß das beschriebene Stützfeld innerhalb des von der Sensoranordnung beanspruchten räumlichen Bereichs, d. h. in den beschriebenen Anordnungen entlang der x-Koordinatenachse, Divergenzen aufweist, d. h. inhomogen ist. Damit sind entlang dieser x-Koordinatenachse an unterschiedlichen Ortskoordinaten befindliche Sensorelemente der Sensoranordnung auch unterschiedlichen Feldstärken des Stützfeldes ausgesetzt, was zu unterschiedlichen Empfindlichkeiten dieser Sensorelemente bezüglich des Meßfeldes führt.
Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung weisen die Sensorelemente in Richtung wenigstens einer weiteren, zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements im wesentlichen parallelen und zur Meßrichtung wenigstens weitgehend senkrechten Koordinatenachse wenigstens weitgehend übereinstimmende Ortskoordinaten auf. Eine derartige Fortbildung kann sowohl für die mit zwei Teilbrücken ausgebildete Ausgestaltung der Erfindung als auch für diejenige mit nur einer Teilbrücke vorteilhaft sein. Insbesondere ist dabei die zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements im wesentlichen parallele und zur Meßrichtung wenigstens weitgehend senkrechte Koordinatenachse wenigstens weitgehend senkrecht zur Hauptrichtung der Feldlinien des angelegten Magnetfeldes ausgerichtet.
Damit werden die Empfindlichkeiten der Sensorelemente der unterschiedlichen Teilbrücken bezüglich des Meßfeldes einander angeglichen und somit die Robustheit der Sensoranordnung gegenüber äußeren Magnetfeldern, somit auch gegenüber äußeren Störfeldern, deutlich verbessert.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ermöglicht somit auf einfache Weise einen gegen alle Störeinflüsse sicheren Betrieb und liefert ein genau auswertbares Ausgangssignal.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher beschrieben. In diesen Zeichnungen, in deren Figuren übereinstimmende Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind, zeigen
Fig. 1 ein Beispiel für eine Anordnung zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Bewegungsgeberelements,
Fig. 2 ein Schaltbild einer Sensoranordnung aus Fig. 1,
Fig. 3 eine mögliche räumliche Gestaltung für die Sensoranordnung aus Fig. 2,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Bewegungsgeberelements,
Fig. 5 eine erste beispielhafte räumliche Gestaltung einer mit einer Spulenanordnung verbundenen Sensoranordnung für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 4, und
Fig. 6 eine zweite beispielhafte räumliche Gestaltung einer mit einer Spulenanordnung verbundenen Sensoranordnung für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 4.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Bewegungsgeberelements weist zusätzlich zu den bereits in Fig. 1 gezeigten und im dortigen Zusammenhang erläuterten Elementen eine Spulenanordnung 11 auf, die als Anordnung zum Erzeugen eines Zusatzmagnetfeldes dient und in diesem Beispiel bevorzugt planar ausgestaltet und parallel zu der durch die x- und die y-Koordinatenachse aufgespannten Ebene ausgerichtet ist. Diese Spulenanordnung 11 bildet zusammen mit den Elementen einer gemäß Fig. 1 ausgebildeten Sensoranordnung 7 eine Konfiguration, die als mit dieser Spulenanordnung 11verbundene Sensoranordnung benannt und mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Spulenanordnung 11 wird über Anschlüsse 12, 13 ein Spulenstrom I_Sp zugeführt, durch den ein Zusatzmagnetfeld hervorgerufen wird, welches im Bereich der Erstreckung der Sensorelemente 1, 2, 3, 4 mit seiner Hauptkomponente, die durch die hauptsächliche Richtung seiner magnetischen Feldlinien bestimmt wird, im wesentlichen parallel zum Arbeitsmagnetfeld H ausgerichtet ist. Dieses Zusatzmagnetfeld überlagert sich im Bereich der Erstreckung der Sensorelemente 1, 2, 3, 4 additiv mit dem Arbeitsmagnetfeld H zu einem resultierenden Magnetfeld H', welches in der Meßrichtung eine als resultierendes Meßfeld bezeichnete Feldkomponente hervorruft. Im resultierenden Meßfeld werden die entsprechend ausgerichteten Feldkomponenten des Arbeitsmagnetfeldes H und des Zusatzmagnetfeldes gemeinsam durch die Bewegung des hier als Zahnrad ausgebildeten Bewegungsgeberelementes 9 vor der Sensoranordnung 10 moduliert. Die dabei in Richtung der als Meßfeld bezeichneten Feldkomponente des Arbeitsmagnetfeldes H auftretende Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes weist eine magnetische Feldstärke mit der Amplitude H_Sp auf. Diese Amplitude H_Sp der magnetischen Feldstärke der durch die Spulenanordnung 11 hervorgerufenen Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes in Richtung des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes überlagert sich somit additiv der obengenannten Amplitude H_pk der magnetischen Feldstärke des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes. Diese Überlagerung liefert die im folgenden mit H_res bezeichnete Amplitude der magnetischen Feldstärke des resultierenden Meßfeldes, welche an die Stelle der obengenannten Amplitude H_pk der magnetischen Feldstärke des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes tritt:

H_res = H_pk + H_Sp
Unter Berücksichtigung dieser Amplitude H_res, der magnetischen Feldstärke des resultierenden Meßfeldes gilt entsprechend der zu der Anordnung nach Fig. 1 aufgestellten Formel in erster Näherung für das Meßfeld H_resi am Ort der einzelnen Sensorelemente i = 1, 2, 3, 4:
Dabei treten im übrigen wieder die bereits zu Fig. 1 erläuterten physikalischen Größen auf.
Für die Widerstandswerte Ri der einzelnen Sensorelemente i gilt dann entsprechend die Beziehung:
Für die Widerstandswerte Ri = R1, R2, R3 bzw. R4 der einzelnen Sensorelemente i = 1, 2, 3, 4 der Sensoranordnung 10 gemäß Fig. 4 ergibt sich somit:

und daraus nach einem zu den zu Fig. 1 aufgeführten Gleichungen entsprechenden Rechengang in erster Näherung:
Die Amplitude H_Sp, der magnetischen Feldstärke der durch die Spulenanordnung 11 hervorgerufenen Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes in Richtung des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes findet also unmittelbaren Eingang in das zu messende Ausgangssignal UA der Sensoranordnung 10. Zeitliche Variationen dieser Amplitude H_Sp rufen somit entsprechende zeitliche Variationen des Ausgangssignals UA hervor.
Wird nun vorzugsweise die Frequenz, mit der die zeitlichen Variationen der magnetischen Feldstärke des Zusatzmagnetfeldes erfolgen d. h. die Frequenz dieser zeitlichen Variationen der Amplitude H_Sp, deutlich größer gewählt als die Frequenz, mit der das Bewegungsgeberelement 9 im Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung durch Veränderung seiner Position entlang seiner Bewegungskoordinate 4 die Ausbildung des Meßfeldes H_resi periodisch beeinflußt, kann der Anteil des Ausgangssignals UA, der auf die Bewegung des Bewegungsgeberelements 9 zurückzuführen ist und im folgenden auch als Nutzsignal bezeichnet wird, über den zeitlichen Variationen der magnetischen Feldstärke des Zusatzmagnetfeldes und damit der Amplitude H_Sp als wenigstens nahezu konstant betrachtet werden. Wird insbesondere eine solche zeitliche Variation der Amplitude H_Sp angenommen, bei der die Spulenanordnung 11 zu aufeinander folgenden Zeitpunkten abwechselnd einen von Null verschiedenen Spulenstrom I_Sp führt bzw. stromlos ist, so ergibt sich für einen als

t = t_strom

bezeichneten ersten dieser Zeitpunkte für das Ausgangssignal UA der Sensoranordnung 10:

wohingegen sich im stromlosen Zustand der Spulenanordnung 11 in einem als

t = t₀

bezeichneten zweiten dieser Zeitpunkte mit

I_Sp = 0 ⇔ H_Sp = 0

für das Ausgangssignal UA der Sensoranordnung 10 ergibt:
Wird nun nach dem Prinzip eines sogenannten Chopper-Verstärkers aus den Meßwerten des Ausgangssignals UA zweier aufeinanderfolgender Messungen zum ersten Zeitpunkt t_Strom und zum zweiten Zeitpunkt t₀ die Differenz ΔUA gebildet, ergibt sich:
Diese Gleichung beschreibt die Position des Bewegungsgeberelements 9 entlang seiner Bewegungskoordinate Φ. Es ist zu erkennen, daß die so gewonnene Differenz ΔUA aus den Meßwerten zweier aufeinanderfolgender Messungen des Ausgangssignals UA ein sowohl von äußeren Störfeldern als auch von Offsets durch Fertigungstoleranzen unabhängiges Signal liefert. Diese Differenz ΔUA ist ferner auch unabhängig von der Amplitude H_pk der magnetischen Feldstärke des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes an der Sensoranordnung 10. Ihre Amplitude kann durch Wahl der Amplitude H_Sp der magnetischen Feldstärke der durch die Spulenanordnung 11 hervorgerufenen Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes in Richtung des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes einfach eingestellt und damit den Anforderungen an die weitere Signalverarbeitung der Meßwerte angepaßt werden.
Die zeitliche Variation des Spulenstromes I_Sp und damit der Amplitude H_Sp der magnetischen Feldstärke der durch die Spulenanordnung 11 hervorgerufenen Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes in Richtung des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes kann gemäß unterschiedlicher Signalformen vorgenommen werden. Als Beispiel seien Sinussignale oder Rechtecksignale angeführt, die außerdem wahlweise unipolar oder bipolar entsprechend einem Wechselsignal oder einem gepulsten Gleichsignal ausgebildet sein können. In Abwandlung der vorstehenden Herleitung für den Ausdruck für die Differenz ΔUA aus den Meßwerten zweier aufeinanderfolgender Messungen des Ausgangssignals UA kann diese Differenz ΔUA auch aus zwei Meßwerten gebildet werden, für die der Augenblickswert des Spulenstromes I_Sp und damit der Augenblickswert magnetischen Feldstärke der durch die Spulenanordnung 11 hervorgerufenen Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes in Richtung des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes beidesmal von Null verschieden ist.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt mit dem Bezugszeichen 14 eine Steuerstufe, die eine Anordnung zum zeitlichen Variieren der magnetischen Feldstärke der durch die Spulenanordnung 11 hervorgerufenen Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes in Richtung des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes umfaßt. Durch diese Anordnung wird der Spulenstrom I_Sp in die Spulenanordnung 11 eingespeist und damit der Augenblickswert der genannten magnetischen Feldstärke gesteuert. Eine Anordnung zum Detektieren von Werten des hier das Meßsignal bildenden Ausgangssignals UA in Abhängigkeit von den beschriebenen Variationen des Zusatzmagnetfeldes gemäß Fig. 4 umfaßt eine Verstärkerstufe 15, der das Ausgangssignal UA von zwei Anzapfungen 16 bzw. 17 der die Sensorelemente 1, 2, 3, 4 umfassenden Sensoranordnung 10 an zwei Eingangsanschlüssen 18, 19 zugeleitet wird. Ein verstärktes Ausgangssignal wird von der Verstärkerstufe 15 an ihrem Ausgangsanschluß 20 abgegeben und Eingangsanschlüssen 21 bzw. 22 zweier Abtast- und Halteglieder 23 bzw. 24 zugeführt, die von einer Anordnung zum Speichern der detektierten Werte des hier das Meßsignal bildenden Ausgangssignals UA umfaßt sind. Diese Abtast- und Halteglieder 23 bzw. 24 werden von der Steuerstufe 14 zum Abspeichern je zweier aufeinanderfolgender detektierter Werte des Ausgangssignals UA beispielsweise zu den obengenannten Zeitpunkten t₀ und t_strom, durch Speicherbefehlssignale auf Steuerleitungen 25 bzw. 26 angesteuert. Die gespeicherten Werte UA(t₀) bzw. UA(t_strom) des Ausgangssignals UA stehen dann an Ausgangsanschlüssen 27 bzw. 28 der Abtast- und Halteglieder 23 bzw. 24 zur weiteren Signalverarbeitung an.
Für diese weitere Signalverarbeitung umfaßt die Anordnung gemäß Fig. 4 weiterhin eine Auswerteeinheit zum Bilden eines ein Maß für die Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements darstellenden Ausgangssignals durch Subtrahieren wenigstens zweier aufeinanderfolgend detektierter Werte des das Meßsignal bildenden Ausgangssignals UA. In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt diese Auswerteeinheit eine Subtraktionsstufe 29, der an einem ersten Eingangsanschluß 30 ein erster - z. B. UA(t₀) - der gespeicherten Werte UA(t₀) bzw. UA(t_strom) des Ausgangssignals UA und an einem zweiten Eingangsanschluß 31 ein zweiter - z. B. UA(t_strom) - der gespeicherten Werte UA(t₀) bzw. UA(t_strom) des Ausgangssignals UA zugeführt wird. In der Subtraktionsstufe 29 wird nun gemäß der obengenannten Gleichung die Differenz ΔUA dieser Werte UA(t₀) und UA(t_strom) gebildet und als ein Ausgangssignal, welches ein Maß für die Bewegungskoordinate Φ des Bewegungsgeberelements 9 darstellt, über einen Ausgang 32 abgegeben.
Das vorstehend zu Fig. 4 beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist mit einer Sensoranordnung 10 aufgebaut, die eine sogenannte Standard-Vollbrücke, wie sie in an sich bekannten Sensoranrdnungen eingesetzt wird, verwendet, d. h. eine Anordnung von Sensorelementen 1, 2, 3, 4 in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung. Gemäß der Erfindung ist diese Sensoranordnung zusätzlich 2 von einer Spulenanordnung 11 umgeben ist. Durch Variation des Spulenstromes I_Sp durch die Spulenanordnung 11 wird eine Variation des auch als - lokales - Arbeitsfeld zu bezeichnenden Meßfeldes erreicht, was eine Trennung von sogenanntem Nutzfeld (das magnetische Feld, welches für die Messung benötigt wird) und externem magnetischem Störfeld durch die nachfolgende Signalverarbeitung und damit eine hohe Unterdrückung externer Störfelder ermöglicht. Durch eine hochfrequente Variation des Spulenstroms I_Sp können dann auch gleichzeitig andere Störgrößen, wie insbesondere fertigungsbedingte Offsets, eliminiert werden.
Der Aufbau der Spulenanordnung 11 erfolgt vorzugsweise in integrierter Form auf dem Substrat, auf dem auch die Sensorelemente 1, 2, 3, 4 der Sensoranordnung 10 angeordnet sind. Er kann aber auch in diskreter Form erfolgen, z. B. durch einen Leiterrahmen (sogenannten "Lead-Frame") innerhalb eines Gehäuses, in dem die gesamte Sensoranordnung 10 untergebracht ist.
Fig. 5 zeigt eine erste beispielhafte räumliche Gestaltung einer mit einer Spulenanordnung 11 verbundenen Sensoranordnung 10 für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 4. Darin sind bereits erläuterte und insbesondere im Zusammenhang mit Fig. 1, 2 und 3 bereits beschriebene Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Mit 33 ist dabei die räumliche Mittelachse der magnetoresistiven Sensoranordnung 10 bezeichnet, von der aus die Ortskoordinaten y_i der Sensorelemente i entlang der y-Koordinatenachse bzw. deren Betrag Δy gerechnet werden. Sensorelemente 1, 2, 3, 4 und Spulenanordnung 11 sind gemeinsam planar auf einem Substrat bevorzugt in einer Ebene angeordnet, wobei die Spulenanordnung 11 die Sensorelemente 1, 2, 3, 4 in dieser Ebene umschließt. Die genannte Ebene ist in einer Anordnung gemäß Fig. 4 vorzugsweise wenigstens nahezu parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements 9 ausgerichtet.
Die Sensoranordnung nach Fig. 5 umfaßt sechs Anschlüsse, nämlich den ersten Speisespannungsanschluß 5 (für das erste Speisespannungspotential UB), den zweiten Speisespannungsanschluß 6 (für das Massepotential M), die erste Anzapfung 16 der Sensoranordnung 10, die zweite Anzapfung 17 der Sensoranordnung 10 sowie den ersten Anschluß 12 und den zweiten Anschluß 13 der Spulenanordnung 11. Selbst wenn von diesen Anschlüssen z. B. der erste Speisespannungsanschluß 5 und der zweite Anschluß 13 der Spulenanordnung 11 miteinander verbunden werden (bzw. der zweite Speisespannungsanschluß 6 mit dem zweiten Anschluß 13 der Spulenanordnung 11), verbleiben für die gesamte Sensoranordnung 10 mindestens 5 voneinander getrennte Anschlüsse, die aus einem gemeinsamen Gehäuse herausgeführt werden müssen. Dies kann dem Bestreben hinderlich sein, ein genormtes, vierpoliges Gehäuse zu verwenden.
Um die Erfindung auch in gegenwärtig benutzten Gehäusen, die höchstens vier Anschlußkontakte aufweisen, anwenden zu können, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung anstelle einer Vollbrücke auch nur eine Halbbrücke, die von einer Spulenanordnung umgeben ist, verwendet werden. Ein Ausführungsbeispiel für eine derartig ausgestaltete Sensoranordnung 40 ist in Fig. 6 dargestellt. Für das Brückenausgangssignal UA_HB der Halbbrücke aus beispielsweise den Widerständen R1 und R3 - wie in Fig. 6 dargestellt - ergibt sich analog zu den für die Vollbrücke oben beschriebenen Berechnungen

und daraus in erster Näherung für den stromlosen Zustand
Dabei ist
U_OffHB die fertigungsbedingte Offsetspannung der Halbbrücke.
Zu den Zeitpunkten t_Strom, in denen die Spule vom Strom I_Sp durchflossen wird, gilt entsprechend
Somit folgt durch Differenzbildung analog (14):

wobei
ΔUA_HB die Differenz, gebildet aus den Meßwerten des Ausgangssignals UA_HB zweier aufeinanderfolgender Messungen zum ersten Zeitpunkt t_Strom und zum zweiten Zeitpunkt t₀ nach dem Prinzip eines sogenannten Chopper-Verstärkers darstellt.
Dieses Ergebnis entspricht bis auf einen Faktor 0,5 demjenigen der Vollbrücke. Die Erfindung läßt sich somit vorteilhaft auch unmittelbar auf eine Halbbrücke anwenden.
Bei einem Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit sogenannten AMR-Sensorelementen ist der beschriebene Arbeitsmagnet 8 erforderlich. Insbesondere ist dieser Arbeitsmagnet 8 derart ausgebildet und magnetisiert, daß das von ihm erzeugte Arbeitsmagnetfeld eine magnetische Feldkomponente aufweist, die im wesentlichen parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements und senkrecht zur Meßrichtung ausgerichtet ist. Das heißt, diese auch als Stützfeld bezeichnete magnetische Feldkomponente ist in Richtung der x- Koordinatenachse ausgerichtet. Diese Maßnahme dient dazu, ein sogenanntes "Flippen" des Sensors, d. h. eine Instabilität seiner Kennlinie, zu verhindern.
Bei einem Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit sogenannten GMR-Sensorelementen kann dieser Arbeitsmagnet entfallen. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Erstes Sensorelement der magnetoresistiven Sensoranordnung 7
2 Zweites Sensorelement der magnetoresistiven Sensoranordnung 7
3 Drittes Sensorelement der magnetoresistiven Sensoranordnung 7
4 Viertes Sensorelement der magnetoresistiven Sensoranordnung 7
5 Erster Speisespannungsanschluß (für erstes Speisespannungspotential UB)
6 Zweiter Speisespannungsanschluß (für Massepotential M)
7 Magnetoresistive Sensoranordnung
8 Arbeitsmagnet
9 Rotierendes Bewegungsgeberelement
10 Mit der Spulenanordnung 11 verbundene Sensoranordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung: Verbindung einer magnetoresistiven Sensoranordnung 7 nach Fig. 1 mit einer Spulenanordnung 11
11 Spulenanordnung
12 Erster Anschluß der Spulenanordnung 11
13 Zweiter Anschluß der Spulenanordnung 11
14 Steuerstufe, umfaßt eine Anordnung zum zeitlichen Variieren der magnetischen Feldstärke der durch die Spulenanordnung 11 hervorgerufenen Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes in Richtung des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes
15 Verstärkerstufe
16 Erste Anzapfung der Sensoranordnung 10
17 Zweite Anzapfung der Sensoranordnung 10
18 Erster Eingangsanschluß der Verstärkerstufe 15
19 Zweiter Eingangsanschluß der Verstärkerstufe 15
20 Ausgangsanschluß der Verstärkerstufe 15 für verstärktes Ausgangssignal
21 Eingangsanschluß des ersten Abtast- und Haltegliedes 23
22 Eingangsanschluß des zweiten Abtast- und Haltegliedes 24
23 Erstes Abtast- und Halteglied
24 Zweites Abtast- und Halteglied
25 Steuerleitung für Speicherbefehlssignale von der Steuerstufe 14 an das erste Abtast- und Halteglied 23 zum Abspeichern eines von je zwei aufeinanderfolgenden detektierten Werten des Ausgangssignals UA z. B. zu den Zeitpunkten t₀ und t_strom
26 Steuerleitung für Speicherbefehlssignale von der Steuerstufe 14 an das zweite Abtast- und Halteglied 24 zum Abspeichern eines von je zwei aufeinanderfolgenden detektierten Werten des Ausgangssignals UA z. B. zu den Zeitpunkten t₀ und t_strom
27 Ausgangsanschluß des ersten Abtast- und Haltegliedes 23, an dem die gespeicherten Werte UA(t₀) bzw. UA(t_strom) des Ausgangssignals UA zur weiteren Signalverarbeitung anstehen
28 Ausgangsanschluß des zweiten Abtast- und Haltegliedes 24, an dem die gespeicherten Werte UA(t_strom) bzw. UA(t₀) des Ausgangssignals UA zur weiteren Signalverarbeitung anstehen
29 Subtraktionsstufe
30 Erster Eingangsanschluß der Subtraktionsstufe 29 zum Zuführen eines ersten - z. B. UA(t₀) - der gespeicherten Werte UA(t₀) bzw. UA(t_strom) des Ausgangssignals UA
31 Zweiter Eingangsanschluß der Subtraktionsstufe 29 zum Zuführen eines zweiten - z. B. UA(t_strom) - der gespeicherten Werte UA(t₀) bzw. UA(t_strom) des Ausgangssignals UA
32 Ausgang der Subtraktionsstufe 29 zum Abgeben des Ausgangssignals, welches ein Maß für die Bewegungskoordinate Φ des Bewegungsgeberelements 9 darstellt
33 räumliche Mittelachse der magnetoresistiven Sensoranordnung 10
40 Mit der Spulenanordnung 11 verbundene, als Halbbrücke aus beispielsweise den Widerständen R1 und R3 ausgeführte magnetoresistive Sensoranordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 6)
51 Symbol für die Ausrichtung der Barberpol-Strukturen im Sensorelement 1
52 Symbol für die Ausrichtung der Barberpol-Strukturen im Sensorelement 2
53 Symbol für die Ausrichtung der Barberpol-Strukturen im Sensorelement 3
54 Symbol für die Ausrichtung der Barberpol-Strukturen im Sensorelement 4
H Magnetfeld des Arbeitsmagneten 8: Arbeitsmagnetfeld
H' Aus der additiven Überlagerung des Arbeitsmagnetfeldes H mit dem Zusatzmagnetfeld resultierendes Magnetfeld
H_i Magnetische Feldstärke des Meßfeldes am Sensorelement i mit dem Widerstand Ri
H_ex Magnetische Feldstärke eines der Sensoranordnung 7 großflächig überlagerten äußeren Magnetfeldes, insbesondere eines Störfeldes, am Sensorelement i
H_Offi Offsetanteil der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes am Sensorelement i
H_Off Betrag des Offsetanteils der magnetischen Feldstärke des Meßfeldes am Sensorelement i
H_pk Amplitude der magnetischen Feldstärke des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes am Sensorelement i
H_res Amplitude der magnetischen Feldstärke des resultierenden Meßfeldes
H_resi Amplitude der magnetischen Feldstärke des resultierenden Meßfeldes am Sensorelement i
H_Sp Amplitude der magnetischen Feldstärke der durch die Spulenanordnung 11 hervorgerufenen Feldkomponente des Zusatzmagnetfeldes in Richtung des durch den Arbeitsmagneten 8 erzeugten Meßfeldes
i Laufindex mit je nach Fall i = 1, 2, 3, 4
I_Sp Spulenstrom in der Spulenanordnung 11
M Zweites Speisespannungspotential (= Massepotential)
n Anzahl der Zähne auf dem als Geberrad ausgebildeten Bewegungsgeberelement 9
r Radius des als Geberrad ausgebildeten Bewegungsgeberelements 9
R₀ Widerstandswert der einzelnen Sensorelemente i im Arbeitspunkt
R_i Widerstandswert des Sensorelements mit dem Bezugszeichen i
S Widerstandsänderung der Widerstandswerte Ri in Abhängigkeit vom Meßfeld, d. h. Steilheit der R-H-Kennlinie der Sensorelemente mit dem Bezugszeichen i oder Sensitivität der Sensorelemente mit dem Bezugszeichen i
sign(α_i) Vorzeichenfunktion, deren Wert +1 oder -1 vom Winkel α_i der Stromflußrichtung im Sensorelement i abhängt
t Zeit
t₀ Zweiter Zeitpunkt, zu dem sich die Spulenanordnung 11 in einem stromlosen Zustand befindet
t_Strom Erster Zeitpunkt, zu dem die Spulenanordnung 11 einen von Null verschiedenen Spulenstrom I_Sp führt
UA Ausgangssignal der Sensoranordnung 7
UA_HB Brückenausgangssignal der Sensoranordnung 40
UB Erstes Speisespannungspotential
U_Off Offsetspannung (der Vollbrücke nach Fig. 1, 2, 3, 4 oder 5), die aus den Fertigungstoleranzen der einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente i mit den Widerstandswerten Ri resultiert
U_offHB Offsetspannung (der Halbbrücke nach Fig. 6), die aus den Fertigungstoleranzen der einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente i mit den Widerstandswerten Ri resultiert
x Koordinatenachse
y Koordinatenachse
y_i Ortskoordinate des Sensorelements i entlang der y-Koordinatenachse
z Koordinatenachse
α_i Winkel der Stromflußrichtung durch das Sensorelement i bei verschwindendem Meßfeld H_i am Ort des Sensorelements mit dem Bezugszeichen i
ΔUA Differenz, gebildet aus den Meßwerten des Ausgangssignals UA zweier aufeinanderfolgender Messungen zum ersten Zeitpunkt t_Strom und zum zweiten Zeitpunkt t₀ nach dem Prinzip eines sogenannten Chopper-Verstärkers
ΔUA_HB Differenz, gebildet aus den Meßwerten des Ausgangssignals UA_HB zweier aufeinanderfolgender Messungen zum ersten Zeitpunkt t_Strom und zum zweiten Zeitpunkt t₀ nach dem Prinzip eines sogenannten Chopper-Verstärkers
Δy Betrag der Ortskoordinate der Sensorelemente 1, 2, 3, 4 der magnetoresistiven Sensoranordnungen 7, 10, 40
Φ Bewegungskoordinate des rotierenden Bewegungsgeberelements 9 (z. B. Kurbelwellendrehwinkel)

Claims

1. Anordnung zum Bestimmen der Position eines die Ausbildung eines Arbeitsmagnetfeldes periodisch entlang seiner Bewegungskoordinate beeinflussenden Bewegungsgeberelements,
mit einer mit dem Arbeitsmagnetfeld beaufschlagten Sensoranordnung, welche entlang einer wenigstens weitgehend parallel zur Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements ausgerichteten Meßrichtung gegenüber wenigstens der Polarität des der Sensoranordnung beaufschlagten Arbeitsmagnetfeldes empfindlich und zum Abgeben eines Meßsignals in Abhängigkeit von einer in der Meßrichtung gemessenen, als Meßfeld bezeichneten Feldkomponente des der Sensoranordnung beaufschlagten Arbeitsmagnetfeldes ausgebildet ist,
worin das Bewegungsgeberelement in einer streifenförmigen Zone einer sich entlang der Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements erstreckenden Hauptfläche angeordnete, periodisch wiederkehrende Bereiche wechselnder Beeinflussung des sich parallel zur Hauptfläche und wenigstens weitgehend parallel zur Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements ausbildenden Meßfeldes aufweist und die Meßrichtung der Sensoranordnung wenigstens nahezu parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements ausgerichtet ist,
wobei das der Sensoranordnung beaufschlagte Arbeitsmagnetfeld mit seiner durch die hauptsächliche Richtung der magnetischen Feldlinien bestimmten Hauptkomponente im wesentlichen senkrecht zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements ausgerichtet ist,
worin die Sensoranordnung als magnetoresistive Sensoranordnung ausgebildet ist mit wenigstens einer Teilbrücke, die wenigstens zwei magnetoresistive Sensorelemente auf weist, welche Sensorelemente entlang der Meßrichtung gegenüber der magnetischen Feldstärke des Arbeitsmagnetfeldes empfindlich und zum Abgeben des Meßsignals in Abhängigkeit vom Meßfeld ausgebildet sind, wobei in jeder der Teilbrücken wenigstens zwei der Sensorelemente Barberpol-Strukturen mit zueinander unterschiedlicher Ausrichtung aufweisen,
gekennzeichnet durch
eine Anordnung zum Erzeugen eines Zusatzmagnetfeldes veränderbarer magnetischer Feldstärke, welches Zusatzmagnetfeld wenigstens weitgehend im Bereich der Erstreckung der Sensorelemente mit seiner durch die hauptsächliche Richtung seiner magnetischen Feldlinien bestimmten Hauptkomponente im wesentlichen parallel zum Arbeitsmagnetfeld ausgerichtet ist, und zum Überlagern des Arbeitsmagnetfeldes mit diesem Zusatzmagnetfeld zu einem resultierenden Magnetfeld, welches ein resultierendes Meßfeld hervorruft,
eine Anordnung zum zeitlichen Variieren der magnetischen Feldstärke des Zusatzmagnetfeldes, zum Detektieren von Werten des Meßsignals in Abhängigkeit von diesen Variationen des Zusatzmagnetfeldes und zum Speichern dieser Werte des Meßsignals sowie
eine Auswerteeinheit zum Bilden eines ein Maß für die Bewegungskoordinate des Bewegungsgeberelements darstellenden Ausgangssignals durch Subtrahieren wenigstens zweier aufeinanderfolgend detektierter Werte des Meßsignals.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen des Zusatzmagnetfeldes eine mit einem zeitlich variablen Spulenstrom beaufschlagbare Spulenanordnung umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung entlang ihrer räumlichen Erstreckung parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements die Sensorelemente wenigstens weitgehend umschließt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung wenigstens weitgehend flächig parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung und wenigstens die Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung mit einer Teilbrücke aus zwei Brückenzweigen, von denen jeder wenigstens eines der magnetoresistiven Sensorelemente aufweist, ausgebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung mit zwei Teilbrücken aus je zwei Brückenzweigen, von denen jeder wenigstens eines der magnetoresistiven Sensorelemente aufweist, ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit einem Arbeitsmagneten ausgebildete Anordnung zum Erzeugen des Arbeitsmagnetfeldes.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmagnetfeld eine magnetische Feldkomponente aufweist, die im wesentlichen parallel zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements und senkrecht zur Meßrichtung ausgerichtet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente in Richtung wenigstens einer weiteren, zur Hauptfläche des Bewegungsgeberelements im wesentlichen parallelen und zur Meßrichtung wenigstens weitgehend senkrechten Koordinatenachse wenigstens weitgehend übereinstimmende Ortskoordinaten aufweisen.