DE19680088B4

DE19680088B4 - Kalibrier- und Herstellungsverfahren für einen Magnetsensor

Info

Publication number: DE19680088B4
Application number: DE19680088T
Authority: DE
Inventors: Gustavo L. Freeport Sumcad
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Sensata Technologies Inc
Priority date: 1995-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: DE19680088T1; JP2929238B2; JPH09505410A; US5500589A; WO1996022543A1

Abstract

Kalibrier- und Herstellungsverfahren für einen Magnetsensor mit den Schritten:
Bereitstellen eines Trägers (100);
Anbringen eines Hohlraums (104) im Träger (100), wobei der Hohlraum (104) folgende Merkmale aufweist:
mehrere Führungsrippen (110, 111, 112, 113), um die Ausrichtung eines Magneten (24) zu kontrollieren, wenn dieser in den Hohlraum (104) gedrückt wird,
ein als deformierbare Rippe (120) ausgebildetes Widerstandselement, welches den Magneten (24) im Hohlraum (104) in Position hält, sobald die Kraft entfernt wird,
eine zwischen dem Hohlraum (104) und einer Öffnung positionierte flexible Wand (122), um das Widerstandselement (120) bei der Fixierung des Magneten (24) im Hohlraum (104) zu unterstützen;
Befestigen eines magnetisch empfindlichen Bauteils (10);
Befestigen des Substrats (140) am Träger (100);
Anordnen eines Auslösekörpers (68) innerhalb einer Detektionszone des magnetisch empfindlichen Bauteils (10);
Einsetzen des Magneten (24) in den Hohlraum (104);
Ausüben einer Kraft (F) auf den Magneten (24), um...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Kalibrier- und Herstellungsverfahren für einen Magnetsensor und insbesondere auf ein Verfahren in dem man selektiv einen Magneten in Bezug auf ein magnetempfindliches Bauteil bewegt und den Magneten fest in einer Position befestigt, sobald eine gewünschte Beziehung zwischen dem Magneten und dem magnetempfindlichen Bauteil erreicht ist.

Zahlreiche verschiedene Arten von Magnetsensoren sind dem Fachmann bekannt. Eine spezielle Sensorart weist einen Vormagnetisierungsmagneten auf, der einem magnetempfindlichen Bauteil, beispielsweise einem magnetoresistiven Bauelement oder einem Halleffektelement zugeordnet ist. Sensoren mit einem Vormagnetisierungsmagneten sprechen auf eine Änderung im von einem Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld an, sobald ein ferromagnetisches Objekt sich in eine Detektionszone bewegt. Sollen Sensoren dieser Art als Massenprodukt hergestellt werden, muss die relative Lage von Magnet und magnetempfindlichem Bauteil genau kontrolliert werden, damit ferromagnetische Objekte in der gleichen Weise detektiert werden können, unabhängig von dem speziell benutzten Sensor.

Sensoren dieser Art können entweder magnetoresistive Elemente oder Halleffektelemente haben. Magnetoresistive Fühler sind in einem Aufsatz von B. Pant „Magnetoresistive Sensors" in der Herbst 1987 Ausgabe der Zeitschrift Scientific Honeyweller beschrieben. Der Aufsatz erläutert die Verwendung magnetoresistiven Materials in verschiedenen Sensoranwendungen. Er diskutiert auch den Widerstand der Sensoren sowie die Widerstandsänderung als Antwort auf ein externes Magnetfeld. Verschiedene Entwurfsabwägungen werden durch die Kräfte diktiert, welche konkurrieren, um die Magnetisierungsrichtung in einem dünnen magnetoresistiven Film zu bestimmen, und diese Abwägungen werden beschrieben.

Das für Griebeler am 20.8.91 erteilte US-Patent 5 041 784 offenbart einen Magnetsensor mit einem rechteckförmigen, das Feld störenden Flussblock. Der Sensor wird zum Messen der Position, Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung eines Objekts benutzt, das abwechselnde Zonen magnetischer Leitfähigkeit aufweist, wobei ein Permanentmagnetstück eine Polfläche umfasst, welche dem sich bewegenden Objekt zugewandt ist, und eine Achse hat, welche rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Objekts liegt. Ein ferromagnetischer Streifen hoher Permeabilität ist auf der Stirnfläche des Magneten koaxial mit diesem angeordnet und hat eine Längenausdehnung in der Bewegungsrichtung des Objekts, die größer ist als die Breitenausdehnung quer zur Bewegungsrichtung.

US-Patent 4 725 776, am 16.2.1988 für Onodera u.a. erteilt, beschreibt einen magnetischen Positionsdetektor, welcher ein magnetisches Dünnschichtelement benutzt, das gegenüber einem beweglichen Objekt geneigt ist. Der Detektor weist magnetoresistive Elemente auf und detektiert magnetische Zähne eines zu detektierenden Objekts. Genauer gesagt, wird ein konstantes magnetisches Gleichfeld den magnetoresistiven Elementen derart zugeführt, dass ein nicht-linearer Bereich des magnetischen Gleichfelds vermieden und die Verwendung solcher Elemente in Bereichen mit guter Linearität ermöglicht wird. Die Lehre legt das magnetische Gleichfeld dadurch an die magnetoresistiven Elemente, dass eine einfache Struktur benutzt wird, in der die magnetoresistiven Elemente geneigt in Bezug auf das Magnetfeld angeordnet sind, welches zwischen einem Permanentmagnet und den Magnetzähnen definiert ist.

Das am 22.2.1994 für Shigeno erteilte US-Patent 5 289 122 offenbart Magnetsensoren zum Feststellen magnetischer Grob- und Feinmuster. Mehrere Fühlerteile sind in Dünnschichtform auf einem Elementsubstrat abgeschieden und gebildet. Die inneren beiden Fühlerteile sind zum Lesen von Magnetmustern enger Teilung in Reihe geschaltet und die äußeren beiden Fühlerteile sind zum Lesen mit einer breiteren Teilung ebenfalls in Reihe geschaltet. Die Verbindung des Fühlerteils wird durch Verwendung von Klemmen und Drähten hergestellt. Die Klemmen sind so angeordnet, dass sie die Enden der Fühlerteile kurzschließen.

Ein Aufsatz mit dem Titel „The Permalloy Magnetoresistive Sensor-Properties and Applications" von W. Kwiatkowski und S. Tumanski in der Ausgabe 1986 des „The Institute of Physics" gibt eine Übersicht über die Eigenschaften und Anwendungen von magnetoresistiven Permalloy-Fühlern für magnetische Felder. Er liefert Information über die Herstellung und die in Verbindung mit diesen Fühlern benutzten Vormagnetisierungsverfahren. Die Grundparameter einschließlich Empfindlichkeit, Abmessungen, Linearität, Auflösung und Übertragungsfehler werden analysiert und verschiedene Verfahren zum Verbessern dieser Parameter diskutiert. Die Beispiele von Permalloy-Mikrosensoren, Miniatursensoren und Großflächensensoren werden ebenfalls in diesem Artikel dargestellt. Die Anwendung von Permalloy-Magnetwiderständen zum Messen magnetischer Felder sowie der Aufbau elektrischer und nicht-elektrischer Übertrager ist beschrieben.

Das am 7.7.1992 für Takahashi erteilte US-Patent 5 128 613 beschreibt ein Verfahren zum Inspizieren einer magnetischen Karbonisierung in einem nicht permeablen Material. Eine Sonde wird beschrieben, welche einen Magneten sowie ein Hallelement umfasst, die in einem magnetisch nicht permeablen Gehäuse untergebracht sind. Das Hallelement befindet sich in der Mitte zwischen den Polstücken des Magneten parallel zu den magnetischen Flusslinien. Die Anwesenheit eines karbonisierten Teils in dem zu inspizierenden Bauteil sowie die Tiefe der Karbonisierung werden dadurch festgestellt, dass man einen Gleichstrom durch das Hallelement schickt und die durch den Halleffekt erzeugte elektromagnetische Kraft zwischen den beiden des Elements misst, die sich in einer Richtung senkrecht zum Stromfluss gegenüberstehen.

Ein am 1.8.1989 für Nagano u.a. erteiltes US-Patent 4 853 632 beschreibt eine Vorrichtung zum magnetischen Detektieren der Position eines beweglichen magnetischen Körpers. Die Vorrichtung umfasst eine durch zwei Magnetwiderstände gebildete Fühlerstruktur mit drei Anschlüssen für die magnetische Feldintensität. Die Fühlerstruktur für die magnetische Feldintensität ist gegenüber einem Magnetkörper angeordnet, welcher zur Bewegung relativ hierzu in einem Magnetfeld vorgesehen ist, und erzeugt ein erstes elektrisches Signal mit Sinusform, wenn sich die Intensität des Magnetfelds aufgrund der Relativbewegung des Magnetkörpers ändert. Dieses erste elektrische Signal tritt an der Vorrichtung als zweites elektrisches Signal von rechteckförmiger Kurvenform oder Sinusform mit verstärkter Amplitude auf. Die Bauteile der Schaltung für die Formgebung der Wellenform oder Verstärkung der Amplitude des ersten elektrischen Signals sind integral zusammen mit den Magnetwiderständen auf einem Substrat angebracht. Vorzugsweise ist der Signalformer- oder Verstärkerkreis in Form eines hybridintegrierten Schaltkreises auf dem Substrat gebildet.

Das am 13.8.1985 für Abe u.a. erteilte US-Patent 4 535 289 offenbart eine Einrichtung zum Messen einer Position eines beweglichen Objekts. Ein aus magnetischem Material hergestelltes Detektionsbauteil ist am beweglichen Körper befestigt, und ein E-förmiger Magnet ist benachbart zum Messglied, quer zur Bewegungsrichtung angeordnet. Ein integrierter Hall-Schaltkreis für die Umwandlung der Änderung der magnetischen Flussdichte des Magneten in eine Spannungsänderung ist am Ende eines Mittelstegs des Magneten befestigt. Das Messglied ist ein langgestreckter Stab und mit einer Reihe von Vorsprüngen auf beiden Seiten des langgestreckten Stabs versehen. Diese Vorsprünge an beiden Seiten sind gegeneinander versetzt angeordnet. Der Hall-IC befindet sich neben einem Innenteil von einem der Vorsprünge, sobald der bewegliche Körper sich in Längsrichtungen bewegt. Der Hall-IC erzeugt ein Ausgangssignal mit einer Kurvenform, welche ein Nullpegelintervall zwischen invertierten Kurven aufweist.

Ein für Wu am 19.4.1994 erteiltes US-Patent 5 304 926 beschreibt einen Zahnrad-Positionssensor mit zwei Halleffektelementen. Der Positionssensor hat zwei magnetisch empfindliche Einrichtungen, welche einem Magneten zugeordnet sind. Der Sensor kann in der Nähe eines rotierenden Bauteils angebracht werden, welches wenigstens eine Diskontinuität auf seiner Oberfläche aufweist. Die beiden magnetisch empfindlichen Einrichtungen, beispielsweise Halleffektübertrager, liefern jeweils Ausgangssignale, welche die Richtung und Größe des Magnetfelds darstellen, in dem der entsprechende Übertrager angeordnet ist. Eine algebraische Summe der ersten und zweiten Ausgangssignale der magnetisch empfindlichen Einrichtung wird als Anzeige für den Ort des drehbaren Bauteils erzeugt, welches sich in der Nähe des Fühlers befindet.

Hochauflösende magnetische Zahnradfühler benötigen üblicherweise für spezielle Anwendungen eine Kalibrierung. Eine dieser Anwendungen ist eine Anordnung mit komplementären Auslösekörpern, wie sie in dem US-Patent 5 444 370 offenbart ist, das für Wu am 22.8.1995 erteilt wurde und auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde.

Diese Art von Zahnradsensor kann ein Magnetsystem verwenden, welches eine Justierung des Magneten braucht, um für einen ordnungsgemäßen Systembetrieb einen magnetischen Nullabgleich zu erreichen. Man verwendet in der Abgleichschaltung eine Nulldurchgangsdetektion, um die größtmögliche Genauigkeit zu erzielen. Früher wurden Prototypen dieser Art um den Nulldurchgangspunkt dadurch kalibriert, dass man einfach den Vormagnetisierungsmagneten hinter einem magnetoresistiven Sensor verstellt, bis das Brückenausgangssignal gleich seinem originalen Brückennullsignal vor der Einführung der Vormagnetisierung ist. Dieses analoge Ausgangssignal der Brücke wurde während eines ersten Teils des Kalibriervorgangs ständig überwacht, welcher abgeschlossen war, sobald die ursprüngliche Nullspannung erreicht war. Die Justierung wurde ohne Anwesenheit eines komplementären Auslösekörpers in der Detektionszone des Magnetfühlers durchgeführt. Der letzte Teil des Kalibriervorgangs sah die Justierung des Schaltkreisnullpunktes vor, um mit dem ursprünglich gemessenen Brückennullpunkt Koinzidenz herzustellen. Obwohl diese Art des Kalibriervorgangs im Allgemeinen erfolgreich war, um Prototypsensoren abzugleichen, wenn die Sensoren getrennte Brücken und Schaltkreiskomponenten hatten, zeigte es jedoch mehrere ernste und nachteilige Begrenzungen, sobald Flexibilität, Herstellbarkeit und Reproduzierbarkeit betrachtet werden. Beispielsweise war ein zweistufiger Kalibriervorgang erforderlich, was nicht kostengünstig ist. Ein Verfahren dieser Art hat nicht nur eine längere Kalibrierzykluszeit zur Folge, sondern erhöht auch die Kosten für die Ausrüstung, welche für duale Justierungen erforderlich ist. Die zweite Einstellung bei dieser Art von Kalibrierungsverfahren kann wegfallen, sofern die Brücke und der Schaltkreis durch geeignete Trimmvorgänge während des IC-Abgleichvorgangs aneinander angepasst werden. Da ferner die meisten integrierten IC-Fühler mit Versorgungsklemmen, negativen Klemmen und Ausgangsklemmen versehen sind, sind zwei zusätzliche Verbindungen notwendig, um für den Sensor-IC Stift-Ausgänge zu schaffen, um das tatsächliche Brückenausgangssignal zu messen. Die Brückenausgangs- oder Differentialspannung an der magnetoresistiven Brücke muss zugängig sein, um die Brückennullspannung zu überwachen. Dies führt zu erhöhtem Raumbedarf für den integrierten Schaltkreis sowie zu zusätzlichen Kosten, wobei angenommen wird, dass der Brückenausgang einer Pufferung bedarf, die von der Steuerschaltung getrennt ist, sowie zusätzliche Anschlussfelder für die erforderlichen Drahtverbindungen nötig sind. Außerdem kann sich eine erhöhte Empfindlichkeit für EMI (elektromagnetische Störungen) und RFI (Hochfrequenzstörungen) ergeben, weil die Brückenausgangsanschlüsse über Drahtverbindungen, Stifte, Leiterbahnen und Felder nach außen geführt sind, welche wie Antennen wirken und verschiedene Arten von Störsignalen empfangen.

Eine fortlaufende Überwachung des analogen Ausgangssignals der Brücke kann ebenfalls zu längeren Kalibrierzykluszeiten führen. Diese Art von Kalibriervorgang erfordert, dass das Brückenausgangssignal abgelesen, mit einer von Sensor zu Sensor variierenden, zuvor bestimmten Nullspannung verglichen und durch eine digitale Logikschaltung geleitet wird, welche letztendlich die Bewegung eines Magneten relativ zum magnetisch empfindlichen Bauteil beendet. Außerdem ist das analoge Brückenausgangssignal wesentlich niedriger als die Systemsteuerspannungen, und wird in Millivolt gemessen. Die Störungsempfindlichkeit in einem Kalibriersystem dieser Art würde natürlich erhöht, sofern nicht das analoge Ausgangssignal hinreichend gefiltert wird. Ein solches Filtern erhöht ebenfalls die Kalibrierzykluszeit.

Bei der Herstellung von Magnetsensoren ist es wichtig, den Sensor derart zu kalibrieren, dass er ein vorhersagbares Signal erzeugt, sobald er in eine bestimmte Position relativ zu einem ferromagnetischen Objekt, beispielsweise einem Zahn eines Zahnrads gebracht wird. Bei Anwendungen in Automobilen ist es besonders wichtig, den Sensor derart zu kalibrieren, dass er voraussehbar mit einem vorgewählten Signal bekannter Amplitude reagiert, sobald ein Zahn eine bestimmte Position innerhalb der Detektorzone des Sensors durchläuft. Ist der Fühler nicht ordnungsgemäß kalibriert, so kann er sein Ausgangssignal entweder vorlaufend oder verzögert abgeben und ist dann in Verbindung mit Kraftfahrzeugmotoren ungeeignet, welche präzise Zeitsignale erfordern. Bei der Herstellung der Magnetsensoren erfordert der Kalibriervorgang üblicherweise die Durchführung zweier getrennter Vorgänge. Der eine Vorgang ist die Kalibrierung des magnetisch empfindlichen Bauteils in Bezug auf die zugeordneten Schaltkreiskomponenten. Zusätzlich muss die Position eines Permanentmagneten in Bezug auf das magnetisch empfindliche Bauteil präzise eingehalten werden. Diese beiden Kalibriervorgänge können teuer und zeitaufwendig sein. Außerdem führt die erforderliche Schaltkreiskonfiguration, welche die geeigneten Kalibriermessungen durchzuführen erlaubt, manchmal zu anderen Problemen hinsichtlich der Empfindlichkeit für elektromagnetische Störungen EMI oder Hochfrequenzstörungen RFI. Es wäre deshalb günstig, wenn ein Magnetsensor hergestellt werden könnte, bei dem die Kalibriervorgänge vereinfacht sind, indem man den Magneten erlaubt, während des Kalibriervorgangs relativ zum magnetisch empfindlichen Bauteil bewegt zu werden, und den Magneten dann in der Position festhält, bis er innerhalb einer Sensorstruktur dauerhaft befestigt werden kann.

In der DE 41 41 958 A1 ist schließlich ein Sensor vorgeschlagen, dessen Magnet zur Gewährleistung einer Kalibrierung in einen Halter eingesetzt wird, der gegenüber einem Grundkörper hin und her verschiebbar ist. Der Halter besteht aus zwei Haltlappen, die über einen Bodensteg miteinander verbunden sind. Des Weiteren ist eine Feder vorgesehen, welche eine Verschiebung des Halters ermöglicht. Nach der Kalibrierung wird der Magnet gegenüber einem Hall-IC dadurch fixiert, dass der Halter durch Verstemmen fixiert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat ein Magnetsensor mit einstellbarer Magnetposition einen Träger mit einem darin gebildeten Hohlraum. Er enthält ferner mehrere elektrische Anschlüsse, welche in den Träger eingegossen sind. Der Hohlraum ist so geformt, dass er den Permanentmagneten darin aufnimmt, und der Magnet ist so geformt, dass er unter der Einwirkung einer äußeren Kraft in den Hohlraum hineingleitet. Es sind ferner dem Hohlraum zugeordnete Mittel vorgesehen, um den Magneten längs einer vorgegebenen Achse zu führen, wenn der Magnet unter dem Einflußss der externen Kraft in den Hohlraum hineingleitet. Das Ausführungsbeispiel enthält darüber hinaus dem Hohlraum zugeordnete Mittel, um dem Magneten einen Widerstand entgegenzusetzen, wenn der Magnet unter dem Einfluss der externen Kraft in den Hohlraum hineingleitet. Diese Widerstandsmittel sind bei einem kraftschlüssigen Kontakt mit dem Magneten deformierbar, sobald der Magnet unter dem Einfluss der externen Kraft in den Hohlraum hineingleitet. Die Widerstandsmittel sind so geformt, dass sie den Magneten innerhalb des Hohlraums in Position halten, sobald die externe Kraft nicht länger auf den Magneten ausgeübt wird. Zusätzlich umfasst die Erfindung auch ein magnetisch empfindliches Bauteil sowie ein Substrat. Das magnetisch empfindliche Bauteil ist am Substrat und dieses Substrat am Träger befestigt.

Der Träger kann aus Gießkunststoff hergestellt, und der Magnet ein Permanentmagnet sein. Die Führungsmittel sind mehrere in den Wänden des Hohlraums gebildete Führungsrippen. Die Rippen sind parallel zur vorgegebenen Achse ausgerichtet, längs der der Magnet sich bewegt, wenn er in den Hohlraum hineingleitet. Die Widerstandsmittel bestehen aus einer deformierbaren Rippe. Das magnetisch empfindliche Bauteil kann mehrere in einer Brückenanordnung vorgesehene magnetoresistive Elemente umfassen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Träger, das Substrat, der Magnet und das magnetisch empfindliche Bauteil in einer Gießstruktur eingekapselt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird besser und vollständig verständlich beim Lesen der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Darstellung an einer Plattform befestigter, magnetoresistiver Elemente ist;
2 eine schematische Darstellung an einer Plattform befestigter, magnetoresistiver Elemente ist;
3 die Sensoranordnung nach den 1 und 2 in Verbindung mit einem Permanentmagneten wiedergibt;
4 eine Brückenstruktur zeigt, welche aus mehreren magnetoresistiven Elementen und einer Spannungsversorgung besteht;
6 die Sensoranordnung in einer von 5 verschiedenen Position in Bezug auf einen Permanentmagneten wiedergibt.
5 die Sensoranordnung in einer verschiedenen Position in Bezug auf einen Permanentmagneten wiedergibt;
7 einen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung benutzten Auslösekörper zeigt;
8 eine Ansicht des Auslösekörpers nach 7 wiedergibt;
9 eine Ansicht des Auslösekörpers nach 7 wiedergibt;
10 eine Ansicht des Auslösekörpers nach 7 wiedergibt;
11 die Arten von Brückenausgangssignalen zeigt, welche die in 4 gezeigte Brücke bei zwei Abständen zwischen Sensor und Auslösekörper liefert;
12 in Explosionsdarstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergibt;
13 eine Draufsicht auf die Erfindung zeigt;
14 einen Schnitt durch das Gerät gemäß 13 wiedergibt;
15 eine Ansicht des Geräts nach 13 von unten zeigt;
16 die Notwendigkeit der Bewegung eines Magneten längs einer genauen Achse bezogen auf die Sensoranordnung darstellt;
17 ein exemplarisches Ausgangssignal der Brückenschaltung gemäß 4 zusammen mit einem aus dem Brückensignal abgeleiteten digitalen Ausgangssignal zeigt;
18 die Änderung des Brückenausgangssignals in Folge einer Bewegung des Sensors gegenüber einem Auslösekörper während der Kalibrierung darstellt;
19 eine alternative Bewegung des Fühlers gegenüber einem Auslösekörper während der Kalibrierung wiedergibt; und
20 die Erfindung nach dem Vergießen zeigt.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
In der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels werden gleiche Bauteile mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt eine schematische Wiedergabe einer Sensoranordnung 10, welche eine Gruppe magnetoresistiver Elemente auf einem Substrat 12 anordnet. Die magnetoresistiven Elemente sind mit den Bezugszeichen 14, 16, 18 und 20 bezeichnet. Die elektrischen Anschlüsse zwischen den magnetoresistiven Elementen sind in 1 wegen deren schematischer Darstellung nicht wiedergegeben. Die elektrischen Anschlüsse zwischen den magnetoresistiven Elementen werden jedoch im Einzelnen weiter unten in Verbindung mit 4 beschrieben. Die magnetoresistiven Elemente sind auf dem Substrat 12 angeordnet, um sie relativ zu einem Magneten positionieren zu können.
2 zeigt eine Seitenansicht der Sensoranordnung 10. Es versteht sich, dass die magnetoresistiven Elemente Dünnschichtstrukturen sind, welche auf der Oberfläche des Substrats 12 aufgebracht sind. Außerdem sind die magnetoresistiven Elemente, obwohl sie in den 1 und 2 einfach als Blöcke dargestellt sind, üblicherweise serpentinenartige Muster ineinander verschachtelter Streifen von Permalloy-Material. Obwohl die Verschachtelung bei Sensoren dieser Art nicht ein absolutes Erfordernis ist, erhöht sie die Wahrscheinlichkeit, dass die magnetempfindlichen Widerstände 14 und 18 zur gleichen Zeit einem ähnlichen Magnetfeld ausgesetzt sind und zusätzlich, dass die Magnetwiderstände 16 und 20 zur gleichen Zeit dem gleichen Magnetfeld unterworfen sind.
3 zeigt die Sensoranordnung 10 im Magnetfeld eines Magneten 24. Der Magnet 24 ist ein Permanentmagnet, der ein in 3 schematisch durch Pfeile wiedergegebenes Magnetfeld erzeugt. Wegen der elektrischen Verbindung der Magnetwiderstände wird eine symmetrische Position der Sensoranordnung 10 innerhalb des Magnetfelds im Allgemeinen ein abgeglichenes Signal liefern.
4 zeigt die vier magnetoresistiven Elemente in einer Brückenschaltung. Eine Versorgungsspannung V_Versorgung ist, wie gezeigt, an die Brücke angeschlossen und eine Signalspannung V_Signal kann an den in 4 gezeigten Schaltkreispunkten überwacht werden. Diese Anordnung verbessert die Empfindlichkeit der magnetoresistiven Fühleranordnung. Wenn beispielsweise das die magnetoresistiven Elemente 14 und 18 beeinflussende magnetische Feld im Vergleich zu dem die Magnetwiderstände 16 und 20 beeinflussenden magnetischen Feld zunimmt, wird diese Differenz durch die in 4 gezeigte elektrische Verbindung zu einer Brückenanordnung unterstützt. Die Verwendung magnetoresistiver Elemente in Zahnradsensoren ist, wie oben bei der Diskussion des Standes der Technik erläutert, den Fachleuten bekannt.
Die 5 und 6 zeigen eine Art der Kalibrierung. In 5 ist die Sensoranordnung 10 dem vom Magneten 24 erzeugten Magnetfeld unsymmetrisch zugeordnet. Obwohl zu beachten ist, dass die in 5 wiedergegebene Situation übertrieben ist, lässt sich feststellen, dass diese Art der Zuordnung zwischen Sensoranordnung 14 und Permanentmagnet 24 wegen der unsymmetrischen Anordnung ein gestörtes Signal liefern würde. Da viele Arten von Zahnradfühlern eine Nulldurchgangsdetektion erfordern, würde die in 5 wiedergegebene Situation wegen der unipolaren Natur der Magneteffekte auf alle magnetoresistiven Elemente sehr unvorteilhaft sein. Wie man aus 5 erkennt, beeinflussen die magnetischen Flußlinien alle Magnetwiderstände in der gleichen Richtung. Da magnetoresistive Elemente besonders für die Komponente des Magnetfelds innerhalb der Ebene des Fühlers selbst empfindlich sind, kann man sehen, dass die Horizontalkomponente eines Magnetfelds alle Magnetwiderstände in 5 in einer Richtung nach rechts beaufschlagen würde. Dies ist ein Nachteil für Sensoren, welche eine bipolare Beziehung zwischen den magnetoresistiven Elementen und dem Magneten anstreben.
Weiterhin ist aus 5 ersichtlich, dass eine äußere Kraft F dazu dienen kann, den Magneten 24 in Bezug auf den Ort der Sensoranordnung 10 nach rechts zu bewegen. Wird diese Bewegung des Magneten 24 durch Anlegen einer externen Kraft F ausgeübt, so kann die Relativposition gemäß 6 erreicht werden. Es ist zu beachten, dass das Ziel nicht notwendigerweise die Herstellung einer physikalischen Symmetrie zwischen der Fühleranordnung 10 und der Mittelachse des Magneten 24 ist. Absicht ist es vielmehr, den Magneten 24 in Bezug auf die Fühleranordnung an einer Stelle zu lokalisieren, welche ein vorgegebenes Ausgangssignal der magnetoresistiven Elemente liefert. Wenn also, mit anderen Worten, eine leichte Nullverschiebung in der magnetoresistiven Brückenanordnung und den zugeordneten Komponenten vorhanden ist, kann die Lage des Magneten 24 an einer Stelle vorgesehen sein, welche nicht physikalisch symmetrisch in Bezug auf die magnetoresistiven Elemente ist, sondern ein gewünschtes Ausgangssignal als Funktion der Position des Magneten mit den magnetoresistiven Elementen und den anderen eine Brückenstruktur bildenden Faktoren erzielt, die nicht vollständig abgeglichen ist.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für die Verwendung in Verbindung mit einem ferromagnetischen Auslösekörper bestimmt, der mehrere Zähne und dazwischenliegende Lücken aufweist. Insbesondere ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Verwendung bei einem rotierenden Auslösekörper gedacht, welcher zwei Spuren komplimentärer Auslösekörperelemente aufweist. 7 zeigt eine lineare Anordnung von Zähnen und Zwischenräumen mit zwei komplimentären Auslösekörperspuren. Obwohl die in 7 gezeigte Konfiguration linear und nicht wie bei einem drehbaren Zahnrad in Kreisform angeordnet ist, lässt sich erkennen, dass die Auswirkung auf den magnetischen Sensor praktisch die gleiche ist, wenn komplimentäre Auslösekörper entweder in einem linearen Muster oder um den Umfang eines drehbaren Körpers angeordnet sind. Das in 7 gezeigte Bauteil enthält eine erste Auslösekörperspur, die ihrerseits Zähne 70, 72 und 74 aufweist. Zwischen diesen Zähnen befinden sich Zwischenräume 71, 73 und 75. Die andere Auslösekörperspur hat Zähne 80, 82 und 84. Zwischen diesen Zähnen der zweiten Spur liegen Zwischenräume 79, 81 und 83. Die beiden Auslösekörperspuren sind komplimentär zueinander. Mit anderen Worten, jeder Zahn in der ersten Auslösekörperspur befindet sich längs eines Zwischenraums in der zweiten Auslösekörperspur. Außerdem ist jeder Zahn in der zweiten Auslösekörperspur längs eines Zwischenraums in der ersten Auslösekörperspur angeordnet. Diese Art von Vorrichtung ist den Fachleuten bekannt. Das in 7 gezeigte Bauteil kann in Verbindung mit einem Magnetsensor zum Kalibrieren des Sensors verwendet werden, indem man einen tatsächlichen Auslösekörper simuliert, dem der Sensor nach seiner Herstellung und zu seinem Zusammenbau in einer Vorrichtung zugeordnet wird.
Die 8 und 9 zeigen zwei Ansichten des oben in Verbindung mit 7 beschriebenen Auslösekörpers 68. Er besteht aus ferromagnetischem Material und dient der Simulierung der Zähne und Zwischenräume eines drehbaren komplimentären Auslösekörpers. In 8 ist eine Sensoranordnung 10 gezeigt, welche oberhalb einer Übergangsposition beider Auslösekörperspuren angeordnet und diesem zugewandt ist. Mit anderen Worten, die am Fühler befestigten magnetempfindlichen Komponenten befinden sich, obwohl in 8 nicht gezeigt, über den Übergangslinien zwischen Zahn 72 und Zwischenraum 71 sowie zwischen Zahn 80 und Zwischenraum 81. In dieser Stellung wird ein bestimmtes Signal aus der Brückenanordnung magnetoresistiver Elemente erwartet.
10 zeigt die Endansicht des Auslösekörpers 68 zusammen mit der Sensoranordnung 10, welche oberhalb des Auslösekörpers liegt. Der Magnet 24 ist in Bezug auf die Fühleranordnung 10 dargestellt. Ein Pfeil F stellt eine Kraft in einer möglichen 20 Bewegungsrichtung des Magneten 24 in Bezug auf die Sensoranordnung 10 dar.
Während des Kalibriervorgangs werden die magnetoresistiven Elemente an vorgegebenen Positionen in Bezug auf den Auslösekörper 68 angeordnet, und der Magnet 24 wird durch eine äußere Kraft F solange verschoben, bis ein bestimmtes Signal aus dem Sensor erhalten wird. Beim Empfang dieses Signals wird die externe Kraft F weggenommen und der Magnet 24 in der genauen Position festgehalten, welche er eingenommen hat als die Kraft weggenommen wurde. Der Magnet wird in dieser Position festgehalten, während weitere Herstellungsprozesse mit dem Fühler ablaufen. Einer dieser Prozesse kann das Einkapseln der gesamten Struktur magnetoresistiver Elemente, eines Trägers und des Magneten in eine eingekapselte Kunststoffstruktur sein. Bei Durchführung dieser Einkapselung wird die Position des Magneten 24 dauerhaft an der Stelle gehalten, wo sich der Magnet befand als er den Empfang des gewünschten Sensorsignals während des Kalibriervorgangs ausgelöst hat.
Eine typische Anwendung eines Magnetsensors ist, wie man weiß, ein Zahnradsenor in einem Kraftfahrzeugmotor. Zweck des Zahnradsensors in einem Kfz-Motor ist die Bestimmung des Vorbeilaufs von Zähnen und Zwischenräumen eines rotierenden Auslösekörpers und die Bereitstellung von Signalen zu genau jener Zeit, wenn die Kante eines Zahns durch eine vorgegebene Position innerhalb der Detektionszone des Fühlers hindurchläuft. Diese Art einer präzisen Positionsdetektion ist bei Anwendungen erforderlich, wo der Zahnradfühler dazu benutzt wird, um Zeitsignale an einen Mikroprozessor zu liefern, welcher den Betrieb des Motors steuert. Verschiedene Probleme können beim Einbau des Zahnradsensors in den Motor auftreten. Bei den meisten Anwendungen dieser Art wird der Zahnradsensor mit seinem freien Ende in der Nähe des äußeren Umfangs der Zähne eines Zahnrads angeordnet. Der Abstand zwischen dem freien Ende des Magnetsensors und den Zähnen bestimmt deshalb in bestimmtem Maße die Zeitgabe des Ausgangssignals. Mit anderen Worten, wenn das freie Ende des Sensors zu nahe am Zahnrad steht, wird die Zeitgabe des Ausgangssignals beeinflusst. In ähnlicher Weise wird die Zeitgabe ebenfalls beeinflusst, wenn das freie Ende des Zahnradsensors sich zu weit vom Zahnrad entfernt befindet. Als Beispiel zeigt 11 das Ausgangssignal V_Signal in 4. Die in 11 dargestellte Kurvenform ist das Brückenausgangssignal einer Anordnung, wie in 4 gezeigt, wenn das freie Ende des Magnetsensors an zwei verschiedenen Abstandspositionen angebracht wird. Die Kurve 90 stellt das Ausgangssignal der Brücke dar, wenn das freie Ende des Magnetsensors mit einem Abstand von 0,1 mm zwischen ihm und der Außenfläche des Zahnrads angeordnet ist. Die Kurve 92 zeigt einen ähnlichen Signalverlauf, wenn das freie Ende mit einem Abstand von 1,25 mm vom äußeren Umfang des Zahnrads vorgesehen ist. Wie man sieht, sind die beiden Kurven nicht identisch zueinander. Da jedoch die meisten Anwendungen für Fahrzeugzwecke fordern, dass der Magnetsensor innerhalb eines Bereichs von Abständen arbeiten kann, müssen Schritte unternommen werden, um sicherzustellen, dass die vom Magnetsensor bereitgestellten Signale für jegliche Position innerhalb des Abstandsbereichs angemessen sind.
Weiterhin mit Bezug auf 11 ist ersichtlich, dass die Kurven 90 und 92 jedesmal einander kreuzen, wenn sie von einem positiven Ausgangssignal in ein negatives Ausgangssignal übergehen. Diese Kreuzungspunkte der Kurven 90 und 92 liegen nicht genau koinzident mit den Kreuzungen jener beiden Signale mit der Nullachse 93 in 11. Wenn der Schaltkreis-Nullwert mit der Amplitude des Sensorausgangssignals übereinstimmt, wenn die Kurven 90 und 92 einander auf der Linie 95 kreuzen, sind Fehler aufgrund einer Verschiebung des Luftspalts auf ein Minimum reduziert. Wie unten noch im Einzelnen beschrieben wird, besteht die Möglichkeit, den Magneten relativ zu den magnetoresistiven Elementen derart zu bewegen, dass während der Kalibrierung in vorteilhafter Weise Einflüsse auf die Nullwertkreuzungspunkte der Kurven in 11 zur Verfügung gestellt werden.
Um den Magneten 24 unter dem Einfluss einer externen Kraft zu bewegen und den Magneten in seiner Position festzuhalten, wenn die externe Kraft nach der Kalibrierung entfernt wird, sind innerhalb des Hohlraums Mittel vorgesehen, um die Bewegung des Magneten längs einer ersten Achse zu führen und dann die Position des Magneten festzuhalten, wenn die Kraft entfernt wird. 12 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Explosionsdarstellung. Ein Träger 100 ist mit einem darin gebildeten Hohlraum 104 versehen. Der Hohlraum 104 ist derart geformt, dass er den Magneten 24 aufnimmt, wenn dieser unter dem Einfluss einer äußeren Kraft F in den Hohlraum eingedrückt wird. Mittel sind vorgesehen, um den Magneten 24 beim hineingleiten in den Hohlraum 104 aufgrund der externen Kraft F längs einer vorgewählten Achse zu führen. In 12 umfassen die Führungsmittel Vorsprünge 110 und 112, welche an einer Wand der Hohlraums 104 gebildet sind. Die vorgewählte Achse liegt, obwohl in 12 nicht dargestellt, vertikal und parallel zur Richtung der externen Kraft F. Der Zweck der Führungsmittel wird später noch im Einzelnen beschrieben. Die Erfindung sieht auch dem Hohlraum 104 zugeordneten Mittel vor, um der Bewegung des Magneten entgegenzuwirken, wenn dieser in den Hohlraum 104 hineingleitet. In dem Ausführungsbeispiel umfassen diese Widerstandsmittel eine deformierbare Rippe 120. Die deformierbare Rippe 120 wird vom Magneten 24 zusammengedrückt, wenn sich dieser in den Hohlraum 104 bewegt. Die Deformation der Rippe 120 stellt sicher, dass der Magnet 24 während seiner Abwärtsbewegung gemäß 12 im Presssitz am Hohlraum anliegt, Wegen der deformierbaren Rippe 120 behält der Magnet 24 seine augenblickliche Position bei, wenn die externe Kraft F weggenommen wird. Der Träger 100 ferner mit einer dünnen flexiblen Wand 122 versehen, welche mit der deformierbaren Rippe 120 zusammenwirkt, um eine Druckkraft gegen den Magneten 24 aufrechtzuerhalten, wenn er in den Hohlraum 104 hineingleitet.
Wie 12 weiterhin zeigt, sind mehrere elektrische Anschlussleitungen 130, 132 und 134 in den Körper des Trägers 100 eingegossen und erstrecken sich durch den Träger. Ein Substrat 140 kann am Träger 100 mit Hilfe von Kunststoffzapfen 141 und 142 befestigt werden, welche sich, wie gezeigt, durch Löcher im Substrat 140 erstrecken. Nachdem das Substrat 140 mit dem Ende des Trägers 100 in Kontakt gebracht ist und die Kunststoffzapfen durch ihre zugeordneten Löcher im Substrat 140 gesteckt sind, können die Kunststoffzapfen durch Wärmezufuhr geschmolzen werden, um das Substrat dauerhaft am Träger zu befestigen. Im Substrat 140 sind drei Löcher für die Aufnahme der elektrischen Durchführungen vorgesehen. Zwei dieser Löcher 144 und 146 sind in der Explosionsdarstellung zu sehen. Mit anderen Worten, die elektrische Leitung 134 erstreckt sich durch das Loch 144, und die elektrische Leitung 132 erstreckt sich durch das Loch 146. Ein weiteres in 12 nicht sichtbares Loch nimmt die elektrische Leitung 130 auf. Nach dem Zusammenbau von Substrat 140 und Träger 100 werden die elektrischen Leitungen am Ort verlötet, um eine elektrische Kommunikation zwischen den elektrischen Leitungen und den Bauteilen herzustellen, die am Substrat 140 befestigt sind. Die Sensoranordnung 10 ist am Substrat 140 befestigt und elektrisch mit mehreren elektrischen Bauteilen verbunden, welche ebenfalls am Substrat gehalten sind. Die elektrischen Leitungen 130, 132 und 134 stehen deshalb in elektrischer Verbindung mit der Sensoranordnung 10 und den zugehörigen elektrischen Bauteilen auf dem Substrat. Löcher 150 und 152 sind vorgesehen, um eine Verbindung zwischen dem wärmeaushärtbaren Vergussmaterial und den elektrischen Leitungen 130, 132 und 134 herzustellen, um Träger 100, Magnet 24, Substrat 140 und die elektrischen Bauteile gegenüber der äußeren Umgebung zu schützen. Ein Loch 160 im Träger dient der Positionierung des Trägers in einer Gießform für Wärmeaushärtung.
Aus 12 ersieht man ferner, dass die im Hohlraum 104 des Trägers 100 vorgesehene Struktur, das Einschieben des Magneten 24 nach unten in den Hohlraum mit Hilfe einer äußeren Kraft ermöglicht, bis ein geeignetes Digitalsignal aus dem auf dem Substrat 140 befindlichen Schaltkreis empfangen wird. Verschiedene Schaltungen sind dem Fachmann bekannt, welche ein Digitalsignal liefern, welches dem Kreuzungspunkt des Brückenausgangssignals mit Schwellwertamplituden entspricht. Sobald dieses Digitalsignal empfangen wird, kann die externe Kraft F sofort weggenommen werden, und der Magnet 24 behält seine Position innerhalb des Hohlraums genau an der exakten Stelle bei, die sich aus dem Signal vom Schaltkreis ergibt.
13 zeigt eine Draufsicht auf den Träger 100. Wie 13 erkennen lässt, erstrecken sich die elektrischen Leitungen 130, 132 und 134 durch den Träger 100 und sind in diesen eingegossen. Der Hohlraum 104 hat vier Rippen 110 bis 113, welche den Zweck haben, den Magneten zu führen, wenn er durch die externe Kraft nach unten in den Hohlraum gedrückt wird. Die deformierbare Rippe 120 stellt das Mittel dar, der Bewegung des Magneten 24 (in 13 nicht gezeigt) einen Widerstand entgegenzusetzen, wenn dieser nach unten in den Hohlraum 104 hineingedrückt wird. Wie oben beschrieben, ist die flexible Wand 122 zwischen dem Hohlraum 104 und einer Öffnung 170 gebildet. Die flexible Wand ist deformierbar und kann durch die Kraft des Magneten 24 gegen die deformierbare Rippe 120 in Richtung auf die Öffnung 170 bewegt werden.
14 ist ein Schnitt durch die Darstellung von 13. Sie zeigt die relative Anordnung der Führungsrippen 111 und 113 in Bezug auf den Hohlraum 104 und die deformierbare Rippe 120. Außerdem ist die flexible Wand 122 in ihrer Lage zwischen Hohlraum 104 und Öffnung 170 dargestellt. Obwohl in den 13 und 14 nicht besonders gezeigt, ist zu erwähnen, dass die elektrischen Leitungen abgebogen sind, wenn sie durch den Körper des Trägers 100 hindurchragen. Dies geschieht aus zwei Gründen. Zum einen sorgt das Abbiegen der elektrischen Leitungen dafür, dass ein Ende der Leitungen an einem bestimmten Platz zu liegen kommt, um in die Öffnungen im Substrat zu passen, während die gegenüberliegenden Enden der drei Leitungen in geeignete Positionen für das Befestigen an externen Komponenten gebracht werden. Außerdem stellt die doppelte Abbiegung der Anschlussleitungen eine zusätzliche Abdichtmaßnahme dar, indem ein krummer Weg entsteht, längs dem ein Fluid nicht leicht in den Zwischenraum zwischen den metallischen Anschlüssen und dem Kunststoffkörper des Trägers 100 eindringt.
Bei weiterer Betrachtung von 14 sieht man, dass die Aufwärtsbewegung eines Magneten in den in 14 gezeigten Hohlraum 104 ein Deformieren der deformierbaren Rippe 120 zur Folge hat. Außerdem kann die flexible Wand 122 in die Öffnung 170 ausweichen und eine Druckkraft gegen den Magneten ausüben, welche in 14 nach links gerichtet ist. Die Kombination der deformierbaren Rippe 120 und der flexiblen Wand 122 hält den Magneten an seinem Platz fest, wenn die externe Kraft weggenommen wird.
Die Festlegung des Magneten hält ihn auf diese Weise genau in seiner Position, die er eingenommen hat, als die externe Kraft weggenommen wurde.
15 zeigt das in 13 wiedergegebene Ausführungsbeispiel von unten gesehen. Sie läßt die 5 relativen Positionen der elektrischen Leitungen 130, 132, und 134 erkennen sowie die relative Lage der Kunststoffzapfen 140 und 142.
16 ist eine schematische Darstellung von Sensoranordnung 10 und Magnet 24. 16 zeigt die Bedeutung der Tatsache, dass gewährleistet ist, dass der Magnet 24 längs einer vorgewählten Achse 200 bewegt wird. Die Rippen 110 bis 113 sind im Hohlraum 104 vorgesehen, um diese ordnungsgemäße Bewegung sicherzustellen. Wird der Magnet 24 nicht in der durch den Pfeil auf dem Magneten in 16 dargestellten Richtung bewegt, werden die gewünschten Auswirkungen auf das Ausgangssignal der durch die magnetoresistiven Elemente 14, 16, 18 und 20 gebildeten Brücke nicht erreicht. Die vier Rippen im Hohlraum 104 des Trägers sind Führungsmittel für den Magneten in dieser geeigneten Richtung längs der vorgewählten Achse 200.
17 ist eine schematische Darstellung einer Kurve, welche das Ausgangssignal V_Signal beschreibt, welches, wie oben erwähnt, das Ausgangssignal der in 4 gezeigten Brückenschaltung ist. Da viele Magnetsensoren ein digitales Ausgangssignal liefern, ist eine geeignete Schaltung vorgesehen, welche von einem Hochpegelsignal auf ein Niedrigpegelsignal und umgekehrt umschaltet, sobald das Ausgangssignal 208 der Brücke eine Null-Bezugslinie kreuzt. Im Idealfall könnte für diese Zwecke eine einzige Bezugslinie 210 benutzt werden. Wegen des Vorhandenseins elektrischen Rauschens in den meisten Systemen ist jedoch eine Hysterese vorgesehen, um sicherzustellen, dass ein ordnungsgemäßes Signalumschalten auftritt. Ein oberer Schwellwert 220 sowie ein unterer Schwellwert 222 sind üblicherweise oberhalb und unterhalb des Bezugswertes 210 vorgesehen. Sobald das Signal 208 im Punkt P1 durch den unteren Schwellwert 222 läuft, wird ein digitales Ausgangssignal 230 von einem Hochpegel auf einen Niedrigpegel umgeschaltet. Wenn das Signal 208 der Brücke ansteigt und im Punkt P2 den oberen Schwellwert 220 kreuzt, ändert sich das digitale Ausgangssignal 240 vom Niedrigpegelwert auf einen Hochpegelwert. Wenn sich das Signal 208 weiterhin oberhalb und unterhalb der Schwellwerte verändert, hält auch die Änderung des digitalen Ausgangssignals an. Wie man aus 17 sieht, bewirkt ein Unterschreiten des unteren Schwellwerts 222 im Punkt P3, dass das Signal einen Niedrigpegelzustand annimmt, und ein Überschreiten des oberen Schwellwerts 220 im Punkt P4 führt wiederum dazu, dass das digitale Ausgangssignal 250 einen Hochpegelwert erreicht. Schließlich nimmt das digitale Ausgangssignal wieder einen niedrigen Pegel an, sobald das Signal 208 im Punkt P5 den unteren Schwellwert 222 unterschreitet. Aus der weiteren Betrachtung von 17 ist zu ersehen, dass eine geeignete vertikale Positionierung des Signals 208 in Bezug auf die Größe 210 und die oberen und unteren Schwellwerte 220 und 222 eine Funktion des Null-Offset der Schaltung in Kombination mit dem Offset ist, welcher durch die Lage des Magneten 24 in Bezug auf die magnetisch empfindlichen Bauteile entsteht.
18 ist eine stark schematisierte Darstellung des Signals 208. Das Signal 208 ist das Ausgangssignal V_Signal der Brückenschaltung in 4 als Funktion der linearen Position längs des Auslösekörpers 68 von 7. Wenn der Magnet 24 längs der vorgewählten Achse 200 aufgrund einer externen Kraft F bewegt wird, kann das Ausgangssignal der Brücke von dem mit dem Bezugszeichen 208 bezeichneten Signal, zu dem Signal verändert werden, welches in 18 mit dem Bezugszeichen 208' benannt ist.
Beim Bewegen des Magneten 24 längs der vorgewählten Achse 200 kann somit der Augenblickswert der Amplitude des Ausgangssignals der Brücke verändert werden. Mit anderen Worten, in Abhängigkeit von der Richtung, in welcher der Magnet 24 bewegt wird, lässt sich der Augenblickswert des Ausgangssignals der Brücke von dem mit P6 bezeichneten Wert auf den in 18 mit P7 bezeichneten Wert ändern. Obwohl 18 nicht eine genaue Größe der Änderung des Signals V_Signal wiedergeben soll, zeigt sie doch die relative Art der Änderung, welche durch Bewegen des Magneten 24 in Bezug auf die magnetisch empfindlichen Bauteile erzielbar ist. Die vorliegende Erfindung erlaubt ein Bewegen des Magneten in dieser Art und sieht ferner Mittel vor, um den Magneten genau in seiner Position festzuhalten, sobald die äußere Kraft weggenommen wird.
20 zeigt einen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellten Magnetsensor nach seiner Einkapselung in einen Kunststoffgießkörper. Nachdem der Träger 100 fest am Substrat 140 befestigt und der Magnet 24 in seine Kalibriertiefe innerhalb des Hohlraums 104 eingesetzt ist, wird das digitale Ausgangssignal der Schaltung überwacht, um sicherzustellen, dass sich der Magnet 24 in der richtigen Lage befindet und dort durch die deformierbare Rippe 120 festgehalten wird. Die gesamte Anordnung kann dann mit bekannten Verfahren vergossen werden. Das wärmehärtbare Epoxydharz, welches zum Vergießen des Magnetsensors verwendet wird, hält dann den Magneten in seiner Kalibrierposition fest.
Die von der Erfindung vorgeschlagene Struktur ermöglicht die Durchführung eines Kalibriervorgangs in einer Weise, die nachstehend in Verbindung mit den verschiedenen oben erläuterten Komponenten und Konfigurationen beschrieben wird.
Um möglichst genaue Fühlerkennlinien in einem magnetischen Sensor zu erzielen, müssen im Allgemeinen Feinjustierungen vorgenommen werden. Die Justierung einer magnetoresistiven Sensorbrücke wird direkt durch Bewegen eines Magneten in Bezug auf die magnetoresistive Brücke durchgeführt. Da die magnetoresistive Brücke sehr empfindlich ist und ihr Ausgangssignal in Millivolt gemessen wird, ist eine genaue Positionierung des Magneten kritisch, wenn man eine hohe Genauigkeit erzielen will. Um eine solche Art von Kalibrierung eines Magnetsensors zu erreichen und dann sicherzustellen, dass das Kalibrierergebnis dauerhaft ist, wird eine Kombination eines Presssitzes zwischen dem Magneten 24 und einem Träger 100 vorgesehen und ein wärmehärtbares Vergießen angewandt. Als anfänglicher Schritt wird das Formnest, welches die magnetoresistive Brücke enthält, zu einem integrierten Schaltkreisbaustein ausgegossen. Dieser Baustein ist in 12 dargestellt und am Substrat 140 befestigt. Der Baustein enthält die Sensoranordnung 10. Der IC-Baustein wird dann mit einer gedruckten Schaltungsplatine, wie dem Substrat 140 sowie anderen Komponenten und Leiterbahnen, verlötet, um die erforderliche Sensorschaltung herzustellen. Um den Magneten und das Substrat 140 genau zu positionieren, wird ein gegossener Thermoplastträger 100 benutzt. Das Substrat 140 wird dann an der Frontseite des Trägers in geeigneter Weise befestigt, beispielsweise durch wärmeverformbare Plastikzapfen, die durch Öffnungen im Substrat ragen. Dies stellt sicher, dass das Substrat 140 nicht kippt, sich dreht oder sich anderweit während der nachfolgenden Verarbeitung und während des Vergießens bewegt. Die notwendigen Sensoranschlüsse werden anschließend durch Verlöten der Leitungen mit der Platine hergestellt. Die Anordnung wird in eine Halterung eingesetzt, wobei ein Übergangsabschnitt eines Auslösekörpers an demjenigen Punkt angebracht ist, an dem der Sensor ein Übergangssignal liefern soll. Dieses Abschnitt des Auslösekörpers ist ein Übergang zwischen einem Zahn und einer Lücke auf zwei parallelen Spuren. Das Auslösekörpermerkmal kann etwas gegenüber dem Zentrum versetzt werden, um eine bekannte Hysterese des Fühlers zu berücksichtigen, wie dies oben in Verbindung mit 18 beschrieben wurde. Der Träger ist mit einem Hohlraum 104 versehen, der etwas größer ist als die Abmessungen des Magneten 24. Wenigstens eine deformierbare Rippe 120 aus thermoplastischem Kunststoff ist im Hohlraum 104 vorgesehen. Wird der Magnet 24 in den Hohlraum 104 eingeschoben, so wird die deformierbare Rippe 120 gedrückt oder abgeschert. Diese Deformation der Rippe ergibt einen kontrollierbaren Presssitz zwischen Hohlraum und Magnet 24. Um das Entstehen eines solchen Presssitzes zu unterstützen, eine flexible Wand 122 vorgesehen sein, welche die deformierbare Rippe 120 trägt und wobei die Wand nach außen flexibel verformbar ist, um zu verhindern, dass durch das Einsetzen des Magneten 24 irgendeine Kraft auf das Substrat selbst ausgeübt wird. Der Magnet wird in den Hohlraum eingesetzt und durch Verwendung einer eine externe Kraft F erzeugenden, mit einem linearen Spindeltrieb mit Feingewinde langsam in den Träger hineingedrückt. Das digitale Ausgangssignal des Sensors wird beim Hineinbewegen des Magneten 24 in den Hohlraum 104 fortlaufend überwacht. Sobald der Sensor das gewünschte Ausgangssignal liefert, wird der Magnet nicht weiter in den Hohlraum vorgeschoben, und die externe Kraft wird weggenommen. Der Magnet 24 wird in seiner Position durch die kombinierten Wirkungen der deformierbaren Rippe 120 und der flexiblen Wand 122 festgehalten.
Die Anordnung kann dann in eine Form für Wärmeaushärtung eingesetzt und dort am Ort gesichert werden, indem man Kernstifte in zwei Löcher des Trägers 100 einführt. Diese beiden Löcher sind in 13 wiedergegeben, wobei eines mit dem Bezugszeichen 160 versehen ist. Die Anordnung wird mit einem wärmehärtbaren Epoxydmaterial vergossen, welches die Brücke und den Magneten vollständig einkapselt. Dies hält den Magneten, die magnetisch empfindlichen Bauteile, das Substrat sowie den Träger dauerhaft zusammen. Die Kernstifte können herausgezogen werden, nachdem ein ausreichender Teil des wärmehärtbaren Materials ausgehärtet ist, um die eingesetzte Anordnung festzuhalten. Dies geschieht jedoch auf bekannte Weise, ehe das gesamte thermisch aushärtbare Material ausgehärtet ist. Dies ermöglicht es dem wärmehärtbaren Epoxydmaterial, den Raum zu füllen, wo die Kernstifte gewesen sind. Dünne wärmehärtbare Wandstücke in Bereichen entfernt von den Kernstiften helfen, das Material in jenen Bereichen schneller auszuhärten und damit ein zeitiges Zurückziehen der Kernstifte zu ermöglichen. Die Befestigung der gedruckten Leiterplatte und des Magneten am Einsatz muss nur stark genug sein, um sicherzustellen, dass diese Komponenten während der Behandlungsschritte und dem Umgießen sich nicht bewegen.
Ein Kalibrierverfahren, welches durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird, verwendet eine angepasste Brücke und Schaltung in integriertem Aufbau, die entweder durch Trimmen der Brücke oder Trimmen des Schaltkreisoffsets erzielt wird. Dies erreicht man durch Prüfen des integrierten Schaltkreises vor seiner Einbettung in ein Bauteil, wie jenes das in 12 mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Nur drei Ausgangsstifte sind für den IC erforderlich. Diese sind der Versorgungsanschluss, ein negativer Anschluss sowie ein digitaler Ausgangsanschluss. Eine Kalibrierhalterung ist vorgesehen, welche den Magneten 24 relativ zu den magnetisch empfindlichen Komponenten bewegt, bis ein digitales Ausgangssignal des Fühlers seinen Schaltzustand umschaltet. Ein Auslösekörper 18 findet in Verbindung mit einer Halterung Anwendung, und der Sensor wird mit seinen magnetisch empfindlichen Bauteilen an einem Platz in der Nähe eines Übergangs zwischen einem Zahn und einer Lücke des Auslösekörpers platziert. Da in Triggerschaltungen, wie denjenigen in Magnetsensoren, typischerweise eine begrenzte Hysterese angewandt wird, können sich bei dieser Kalibrierart einige Fehler hinsichtlich Kantengenauigkeit und Wiederholbarkeit ergeben. Wegen der oben in Verbindung mit 17 beschriebenen Hysterese würde der Magnet 24 nicht vollständig auf den wahren Nullwert des Schaltkreises justiert werden, weil zu erwarten ist, dass das digitale Ausgangssignal verschwindet, ehe es den tatsächlichen Wert Null erreicht. Mit anderen Worten, das digitale Ausgangssignal würde seinen Zustand ändern, wenn das Signal 208 den nächsten Schwellwert durchläuft. Diese Fehler hinsichtlich Kantenwiederholbarkeit und Genauigkeit können dadurch verringert werden, dass man komplementäre Auslösekörper im Abstand von oder jenseits davon anordnet, um eine bessere Justierauflösung zu erreichen. Dies ergibt sich in erster Linie aus der flacheren Neigung des Brückenausgangssignals bei weiteren Luftspalten zwischen dem freien Ende des Fühlers und dem Auslösekörper 68. Wenn sich aus dieser Justierung ein Wiederholbarkeitsfehler nicht akzeptierbarer Größe ergibt, kann der komplementäre Auslösekörper 68 in einer Richtung längs seiner geringsten Breite justiert werden. Mit anderen Worten, die magnetoresistive Brücke kann in Richtung auf eine der beiden Spuren des Auslösekörpers bewegt werden. Wenn dies durchgeführt ist, kann der IC-Schaltkreis eher oder später als beim Schwellwert zum Abschalten gebracht werden und zwar abhängig von der axialen Stellung des Auslösekörpers während der magnetischen Kalibrierung. Wenn auch die Kantengenauigkeit justiert werden soll, kann der Auslösekörper 68 in seiner Längsrichtung verschoben werden. Diese Justierung ergibt eine Phasenverschiebung im Brückenausgangssignal, wie dies oben in Verbindung mit 19 erläutert wurde. Diese Art der Justierung ergibt eine Phasenverschiebung im Brückenausgangssignal und beeinflusst unmittelbar die Kantengenauigkeit während der Kalibrierung.
Der Magnetsensor wird also in der Nähe einer Übergangsregion des Auslösekörpers 68 zwischen den Zähnen und Lücken beider Auslösekörper angeordnet. Abhängig von den speziellen, zu erzielenden Kennlinien kann der Auslösekörper entweder in seinen Längsrichtungen, wie in 19 gezeigt oder in bezug auf seine Breite, wie in 18 gezeigt, verschoben werden und zwar vor der Justierung des Magneten 24 bezüglich des Trägers 100 und der magnetisch empfindlichen Komponenten. Sodann wird der Magnet 24 bei in seiner Position relativ zum Auslösekörper festgehaltenen Sensor durch eine externe Kraft in den Hohlraum 104 gedrückt bis ein digitales Ausgangssignal seinen Schaltzustand ändert. Wenn das Ausgangssignal umschaltet, wird die externe Kraft sofort weggenommen und der Magnet 24 in seiner genauen Position innerhalb des Hohlraums 104 festgehalten. Der Magnet verbleibt in dieser Position bis die gesamte Anordnung, wie oben beschrieben, umgossen ist.
Der Kalibriervorgang gemäß der Erfindung wird als einstufiger Prozess durchgeführt. Nur das Stromversorgungs-, das negative und das Ausgangssignal werden während der Kalibrierung benötigt. Keine zusätzliche Pufferung ist für die Isolation der Brücke von der Kalibrierschaltung erforderlich, und keine frei liegenden Sensorbrückenausgangsantennen zur Umwelt entstehen. Als Ergebnis wird die Empfindlichkeit für elektromagnetische Störungen EMI und Hochfrequenzstörungen RFI verringert. Die Kalibrierzykluszeit wird erheblich verringert, weil es nicht länger erforderlich ist, das aktuelle analoge Ausgangssignal V_SIGNAL zu überwachen, wie bei früheren Kalibriermethoden. Das digitale Ausgangssignal des Sensors kann selbst zum Triggern des Systems und zum Anhalten der Bewegung des Magneten gegenüber dem Träger 100 dienen. Da das digitale Ausgangssignal verwendet wird, sind die Spannungspegel wesentlich höher als die Millivoltpegel des Brückenausgangssignals, und die Signal/Rausch-Verhältnisse werden drastisch verbessert. Der Ausgang schaltet von der Vorsorgungsspannung auf Masse um, wenn die erfolgreiche Kalibrierung angezeigt wird. Das Kalibrierverfahren gemäß der Erfindung hat auch die Fähigkeit, den magnetischen Brückennullwert aktuell auf den Nulldurchgang zu justieren und das Vorhandensein einer Schaltkreishysterese zu beseitigen. Dies geschieht durch Justieren der Startposition des Auslösekörpers 68 gegenüber dem Sensor vor der Bewegung des Magneten 24 gegenüber dem Gehäuse 100. Außerdem hat das Kalibrierverfahren der Erfindung die Fähigkeit, den Nullwert der magnetischen Brücke in bezug auf die festen Kippunkte der Schaltung zu justieren, um spezielle Anwendungen zu ermöglichen. Mit anderen Worten, falls eine Anwendung erfordert, dass die negativen Kantenübergänge des Ausgangssignals genauer sein sollen als die positiven Kantenübergänge, so kann die magnetische Brücke mehr in Richtung des negativen Schwellwerts vorgespannt werden. Dies wird erreicht, ohne das Erfordernis einer Trimmjustierung der Schaltkreisschwellwerte.

Claims

Kalibrier- und Herstellungsverfahren für einen Magnetsensor mit den Schritten: Bereitstellen eines Trägers (100); Anbringen eines Hohlraums (104) im Träger (100), wobei der Hohlraum (104) folgende Merkmale aufweist: mehrere Führungsrippen (110, 111, 112, 113), um die Ausrichtung eines Magneten (24) zu kontrollieren, wenn dieser in den Hohlraum (104) gedrückt wird, ein als deformierbare Rippe (120) ausgebildetes Widerstandselement, welches den Magneten (24) im Hohlraum (104) in Position hält, sobald die Kraft entfernt wird, eine zwischen dem Hohlraum (104) und einer Öffnung positionierte flexible Wand (122), um das Widerstandselement (120) bei der Fixierung des Magneten (24) im Hohlraum (104) zu unterstützen; Befestigen eines magnetisch empfindlichen Bauteils (10); Befestigen des Substrats (140) am Träger (100); Anordnen eines Auslösekörpers (68) innerhalb einer Detektionszone des magnetisch empfindlichen Bauteils (10); Einsetzen des Magneten (24) in den Hohlraum (104); Ausüben einer Kraft (F) auf den Magneten (24), um diesen in den Hohlraum (104) hinein zu schieben; Überwachen eines vorgewählten Signals (208, 240, 250) des magnetisch empfindlichen Bauteils (10); Entfernen der Krafteinwirkung, sobald ein vorbestimmter Zustand des vorgewählten Signals (208, 240, 250) festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Auslösekörper (68) mehrere Zähne (70, 72, 74, 80, 82, 84) und dazwischenliegende Lücken (71, 73, 75, 79, 81, 83) aufweist und wobei der Schritt der Anordnung des Auslösekörpers (68) den Schritt einer Platzierung des magnetisch empfindlichen Bauteils (10) in der Nähe einer Übergangsregion zwischen einem Zahn (70, 72, 74, 80, 82, 84) und einer Zahnlücke (71, 73, 75, 79, 81, 83) des Auslösekörpers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vorgewählte Signal ein Digitalsignal (240, 250) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein Zahnradsensor ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das magnetisch empfindliche Bauteil ein Magnetwiderstand (14, 16, 18, 20) ist.