DE9215228U1

DE9215228U1 - Magnetfeldempfindlicher Sensor

Info

Publication number: DE9215228U1
Application number: DE9215228U
Authority: DE
Original assignee: Woelke Magnetbandtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Woelke Magnetbandtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1992-11-09
Filing date: 1992-11-09
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2002-11-10

Description

9. November 1992 92-1364 La-gh-mf

Woelke Magnetbandtechnik GmbH & Co. KG 8089 Schweltenkirchen

Magnetfeldempfindlicher Sensor

Die Erfindung betrifft einen magnetfeldempfindlichen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für magnetische Dreh- bzw. Lineargebersysteme, bei denen der Maßstab aus weichmagnetischem Material (z.B. Zahnstange, Zahnrad oder genutetes Band aus weichmagnetischem Stahl) oder aus sinnvoll zueinander angeordneten Dauermagneten (z.B. kleine Dauermagneten auf einer Leiste oder verschieden magnetisierte Bereiche in einem hartmagnetischem Band) besteht, werden als Abtasteinheit Sensoren verwendet, die neben dem eigentlichen magnetfeldempfindlichen Sensorelement mit einer konstanten Magnetquelle (z.B. Dauermagnet) versehen sind. Als magnetfeldempfindliche Sensorelemente werden magnetfeldempfindliche Widerstände (Feldplatte, magnetoresistives Element) eingesetzt.

Derartige magnetfeldempfindliche Sensoren sind bereits bekannt. In der DE 32 40 794 C 2 und in der DE 39 26 328 A 1 werden derartige Sensoren zum Messen von Längen und Winkeln beschrieben. Aus der DE 38 29 390 A 1 ist es bekannt, diese magnetfeldempfindlichen Sensoren zur Drehzahlmessung zu verwenden.

Der jeweilige Widerstand der magnetfeldempfindlichen Widerstände der Sensorelemente ändert sich in Abhängigkeit des Magnetfeldes H beispielsweise eines von außen angelegten Magnetfelds, genauer

gesagt in Abhängigkeit von der durch die Wechselwirkung zwischen Magnetfeldquelle und Maßstab hervorgerufenen Magnetfelddeformation.

Die magnetfeldempfindlichen Widerstände des Sensorelements haben jeweils spezifische R-H-Kennlinien, wobei R für den Widerstand und H für das von außen angelegte Magnetfeld stehen. Durch eine definierte Anordnung der Magnetfeldquelle, d. h. also des Magneten, einerseits zum Sensorelement und andererseits zum Maßstab kann man erreichen, daß die magnetfeldempfindlichen Widerstände des Sensorelements in einem günstigen Arbeitspunkt ihrer R-H-Kennlinie betrieben werden. Bei diesem günstigeren Arbeitspunkt fallen die Widerstandsänderungen der magnetfeldempfindlichen Widerstände bei Änderung des von außen durch den Maßstab wirkenden Magnetfelds größer aus. Die Amplituden der Signale sind daher größer.

Die bekannten magnetfeldempfindlichen Sensoren weisen allerdings den Nachteil auf, daß der Widerstand der Feldplatten sehr stark von der jeweiligen Umgebungstemperatur abhängt. Es tritt erschwerend hinzu, daß eine Abhängigkeit des Temeraturkoeffizienten von der Größe der auf die Feldplatte einwirkenden magnetischen Induktion vorliegt. Das führt bei einem System mit mehreren abhängigen Widerständen dazu, daß abhängig von den jeweiligen lokal auf die magnetfeldempfindlichen Widerstände wirkenden Magnetfeldes eine unterschieldiche Temperaturabhängigkeit vorliegt. Dies kann zu einer Undefinierten Beeinflussung des Meßergebnisses führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Sensor derart weiterzuentwickeln, daß für ein bestimmtes Temperaturintervall, in welchem der magnetfeldempfindliche Sensor eingesetzt werden soll, die Temperaturdrift der Einzelwiderstände proportional erfolgt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem gattungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Sensor erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Demnach wird die aufgrund von Temperaturschwankungen bedingte unterschiedliche Drift der magnetischen Widerstände bei ihrer meßbedingten Magnetisierung für ein gegebenes Temperaturintervall durch Anpassung der Außenkontur des Magneten ausgeglichen. Der Lösungsgedanke basiert auf der Erkenntnis, daß durch eine entsprechende Änderung der Außenkontur des definiert zu dem Sensorelement angeordneten Magneten die Magnetfeldlinien des magnetischen Feldes verändert werden können. Durch diese Änderung der Magnetfeldlinien können die lokal auf die magnetempfindlichen Widerstände einwirkenden Magnetfelder gegenseitig insoweit angeglichen werden, daß für beide eine zumindest nahezu gleiche Abhängigkeit ihres magnetfeldempfindlichen Widerstandes von der Temperatur vorliegt.

Der Sensor kann gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung zwei oder vier magnetfeldabhängige Widerstände aufweisen.

Als magnetfeldabhängige Widerstände können Feldplatten aus dotierten Indiumantimonid-Nickelantimonid dienen, die über ein Substrat aus weichmagnetischem Ferrit auf einem Dauermagnet angeordnet sind.

Vorteilhaft besteht der Magnet aus einem Quader. Seine Außenkontur kann besonders vorteilhaft durch seitliche Aussparungen an den Quaderkanten geändert sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: Eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Sensors und

Figur 2: Eine elektrische Brücke, in der zwei magnetfeldempfindliche Sensoren verschaltet sind.

Zur Unterdrückung von homogenen äußeren Einflüssen (z.B. Temperatur T) auf das Sensorsystem und zur Signalverstärkung werden zwei oder vier magnetfeldabhängige Widerstände einer elektrischen Brücke verschaltet. Die zwei bzw. vier magnetfeldabhängigen Widerstände sind so konfektioniert, daß sie sich alle auf einem einheitlichen Trägersubstrat befinden. In dem Ausführungsbeispiel wird beispielhaft ein magnetfeldempfindlicher Sensor betrachtet, bei dem zwei magnetfeldabhängige Widerstände R₁, R2 in einer elektrischen Brücke verschaltet sind (vergl. Fig. 2). Der Fall, bei dem vier magnetfeldempfindliche Widerstände in einer elektrischen Brücke verschaltet sind, ist analog zu behandeln.

Berücksichtigt man die Einwirkung des durch die Geberanordnung bedingten Magnetfeldes H und die Temperatur T auf die zwei magnetfeldempfindlichen Widerstände R₁ und R2 so gilt:

R₁ = R₁ (H₁, T)
R₂ = R₂ (H₂, T),

wobei H₁ und H₂ die Werte des lokal auf die magnetfeldempfindlichen Widerstände R₁ bzw. R₂ wirkenden Magnetfeldes H sind. Es ergibt sich also eine Abhängigkeit der jeweiligen Widerstände nicht nur aufgrund der Temperatur sondern zusätzlich aufgrund des lokal auf sie wirkenden Magnetfeldes.

Die Temperaturabhängikeit der Ri und R2 des Sensors ergibt sich zum einen durch den Temperaturkoeffizienten der jeweiligen magnetfeldabhängigen Widerstände und darüber hinaus durch die Temperaturdrift des Magnetfeldes (H = H (T)).

Bei gegebener geometrischer Anordnung von magnetischem Maßstab, Sensorelement und Magnetfeldquelle zueinander, wird das Temperaturverhalten des Magnetfeldes H durch das thermische Verhalten der Materialien des Maßstabes, des Magnets und des Substrates des Sensorelementes, falls dieses auch magnetisch ist, bestimmt.

Eine für viele Anwendungen relevante Größe des temperaturabhängigen Verhaltens der Sensorsignale (Brückenspannung U) ist deren Temperaturoffset. Für ein offsetfreies Verhalten muß folgende Gleichung gelten:

(H₁, T)>

= const. (T)

<R₂ (H₂, T)>

In dieser Gleichung sind <Ri> = <Ri (Hi, T)> und <R₂> = <R₂ (H₂, T)> die über die Gesamtlänge bzw. über den Gesamtumfang des Maßstabes gemittelten Widerstandswerte Ri und R₂. Die Bedingung der zuvor genannten Gleichung ist jedoch in der Regel nicht erfüllt. Grundsätzlich kann ein offsetfreies Verhalten durch die Korrektur der Sensorsignale in der Nachfolgeelektronik erzielt werden. Alternativ dazu könnten die magnetischen Materialien derart ausgewählt werden, daß der Temperaturkoeffizient der Magnetwiderstände kompensiert wird. Schließlich können die magnetfeldabhängigen Widerstände Ri und R₂ unter Beibehaltung aller anderen Systemparameter so zueinander plaziert werden, daß ihr R = R (H

T)-Verhalten gleich ist, d.h. daß auf sie das gleiche lokale Magnetfeld einwirkt.

Insbesondere die letzte Maßnahme kann allerdings dann nicht ergriffen werden, wenn die Widerstände R^ und R2 im Sensor asymmetrisch angeordnet sein müssen. Hier kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Offsetkompensation zum Zuge. Hier ist vorausgesetzt, daß die geometrische Lage der Einzelkomponenten, d.h. das Sensorelement, die Magnetfeldquelle und auch der Maßstab im Verhältnis zueinander feststehen.

Bei Verwendung handelsüblicher magnetfeldempfindlicher Sensorelemente ist das Temperaturverhalten der magnetfeldempfindlichen Widerstände in entsprechenden Toleranzen vorgegeben. Im hier betrachteten System gibt es mindestens zwei Komponenten, die aus einem magnetischem Material bestehen, deren magnetische Parameter hinreichend verschiedene Temperaturkoeffizienten besitzen.

Da H^ und H2 als eine Summe der Einwirkung der magnetischen Komponenten des Systems auf die magnetfeldempfindlichen Widerstände zu verstehen sind, kann man die relative Größe des Einwirkens der einzelnen magnetischen Komponenten mit hinreichend unterschielichem Temperaturkoeffizienten auf R^ und R2 so gestalten, daß die lokalen Magnetfelder H^ und H2 durch unterschiedliche Temperaturdriften charakterisiert werden. Im allgemeinen ist es möglich, den Absolutwert H^ und H2 sowie ihre Temperaturdrift derart einzustellen, daß sich ein offsetfreies Verhalten des Sensors ergibt. Dies kann erfindungsgemäß bei vorgegebenen Materialien durch eine gezielte Veränderung der für die Funktionsweise des Gebers relevanten geometrischen Gestalt der magnetischen Einzelkomponenten erreicht werden.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Als Magnet

ist hier ein Dauermagnet (Material Sm Co) in Form eines Quaders mit den Maßen 4x4x2 mm dargestellt, der parallel zur kurzen Achse des Magneten magnetisiert ist. Auf dem Dauermagneten 1 ist ein Substrat 2 aus Ferrit aufgebracht. Auf diesem Substrat sind symmetrisch zueinander zwei Feldplatten 3 und versetzt zu den Feldplatten 3 aber zu sich selbst symmetrisch zwei Feldplatten angeordnet. Es handelt sich bei dem Ausführungsbeispiel um Feldplatten FP 410 der Firma Siemens. Das Sensorelement ist zentrisch so auf dem Magneten aufgebracht, daß die Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Feldplattenebene orientiert ist. Die geometrischen Abmaße des magnetischen Substrats der Feldplatte sind festgelegt. Im hier erläuterten Ausführungsbeispiel wird als magnetischer Maßstab ein Zahnrad (in Figur 1 nicht dargestellt) mit Modul m = 0,3 aus weichmagnetischen Stahl eingesetzt. Der Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Zahnrad beträgt ca. 0,15 mm. Die Temperaturdrift der magnetischen Parameter des Zahnrades kann vernachlässigt werden. Die Temperaturkoeffizienten des Trägerferrits der Feldplatte und des Dauermagneten unterscheiden sich um den Faktor 10.

Erfindungsgemäß wird die geometrische Gestalt des Dauermagneten 1 durch Vorsehen seitlicher Aussparungen verändert. Hierdurch wird erreicht, daß bei Erzeugen der jeweiligen Widerstandsänderungen in den magnetfeldempfindlichen Widerständen 3 und 4, die ja asymmetrisch zueinander angeordnet sind, das jeweils lokal auf diese wirkende Magnetfeld für einen bestimmten Temperaturbereich, beispielsweise zwischen 20⁰C und 85°C, angeglichen ist. Da die Temperaturkennlinien der Feldplatten fertigungsbedingt relativ stark variieren, muß man die seitlichen Aussparungen des Dauermagneten für jede Feldplatte individuell vornehmen.

Eine fertigungstechnisch einfachere Lösung besteht nun darin, daß die seitlichen Aussparungen des Dauermagneten konfektioniert

vorgegeben werden. Hierdurch ist zumindest eine Grobanpassung
erreicht. Um nun ein vollständig offsetfreies Verhalten der Feldplatten zu erreichen wird nun eine Feineinstellung dadurch erhalten, daß individuell der Abstand zwischen dem Sensorelement und
dem Zahnrad verändert wird. Im hier dargestellten Beispiel muß
der Abstand zwischen dem Senesorelement und dem Zahnrad in einem Abstand zwischen ungefähr 0,1 und 0,3 mm variiert werden, um
eine entsprechende Feineinstellung zu erreichen.

Claims

9. November 1992 92-1364 La-gh-mf Woelke Magnetbandtechnik GmbH & Co. KG 8069 Schweitenkirchen Magnetfeldempfindlicher Sensor Ansprüche

1. Sensor für magnetische Dreh- bzw. Lineargebersysteme, die
einen im gegebenen Abstand vom Sensor angeordneten Maßstab aufweisen, mit einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement bestehend aus magnetfeldempfindlichen Widerständen, die auf einem Träger zu einer konstanten Magnetfeldquelle, vorzugsweise einem Permanentmagnet, angeordnet sind, wobei eine gerade Anzahl von magnetfeldempfindlichen Widerständen in
einer Brücke verschaltet sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine aufgrund von Temperaturschwankungen bedingte unterschiedliche Drift der magnetischen Widerstände (3, 4) bei
ihrer meßbedingten Magnetisierung für ein gegebenes Temperaturintervall durch Anpassung der Außenkontur des Magneten
ausgeglichen ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei oder vier magnetfeldabhängige Widerstände aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetfeldabhängige Widerstände Feldplatten aus dotierten Indiumantimonid - Nickelantimonid dienen, die über ein Substrat aus weichmagnetischem Ferrit auf einem Dauermagnet angeordnet sind.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Manget aus einem Quader besteht und daß die Außenkontur durch seitliche Aussparungen (5) an den Quaderkanten geändert ist.