JP2005536758A - 積算回転計用のセンサエレメント - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は特に積算回転計(10)のためにデザインされたセンサエレメント(11)に関する
【解決手段】磁界がセンサエレメント(11)の傍を通過することができる。センサエレメント(11)は積層構造(20)および形体(30)を有する。両者は、磁界がセンサエレメント(11)の傍を通過するとき、センサエレメント(11)に磁化の変化を引き起こし、かつ複数のこのような変化を記憶するために、エネルギの供給なしに適切である。
【解決手段】磁界がセンサエレメント(11)の傍を通過することができる。センサエレメント(11)は積層構造(20)および形体(30)を有する。両者は、磁界がセンサエレメント(11)の傍を通過するとき、センサエレメント(11)に磁化の変化を引き起こし、かつ複数のこのような変化を記憶するために、エネルギの供給なしに適切である。
Description
本発明は、磁界はセンサエレメントの傍を通過することができる、特に、積算回転計のための、センサエレメントに関する。
例えば、自動車両のステアリング・シャフトと関連して、このステアリング・シャフトの正確な角度位置を測定することができる角度センサを設けることは知られている。このような角度センサはEP 0 721 563 B1から公知である。ここには、2つの回動可能な磁石によってドメインウォールが固定式の積層構造に発生されてなる角度センサが記載されている。そのとき、巨大磁気抵抗(GMR)効果によって、2つの磁石が形成する角度位置が算出されることができる。
EP 0 721 563 B1のセンサエレメントは、360°よりも小さい角度範囲内の角度位置を認識するためにのみ適切である。しかし、公知のセンサエレメントは、2つの磁石の複数回の回転を認識することができない。従って、2つの磁石の回転数を算出することができる積算回転計は、公知のセンサエレメントでは実現することができない。
しかし、自動車両のステアリング・シャフトが複数の回転だけ回転されることができるので、角度センサに追加して、ステアリング・シャフトが回転した回転の正確な数を示すことができる積算回転計を設ける必要がある。このような積算回転計がしばしば角度センサと組み合わされる。それ故に、このとき、回転数に関するおよび角度位置に関するステアリング・シャフトの回転位置が示されることができる。
磁界がセンサエレメントの傍を通過してなる、例えば非接触の積算回転計が知られている。磁界は、例えば、自動車両のステアリング・シャフトに取着されており、かつこのステアリング・シャフトと共に回転されることができる永久磁石によって発生される。センサエレメントは、例えばホール・センサである。このホール・センサは、磁界がそのホール・センサの傍を通過する度に、電気信号を発生させる。このような信号に従って、ステアリング・シャフトが回転したその回転数が推論されることができる。
上記公知の積算回転計の欠点は、積算回転計の作動のためにはエネルギ供給がなければならないことにある。例えば、ホール・センサに電圧を供給する必要がある。この目的は、磁界がホール・センサの傍を通過するとき、ホール・センサから信号が発生されることができるためである。
エネルギ供給の停止の際には、公知の積算回転計は、最早機能することができず、更に、エネルギ供給の停止後に、追加の措置によって、場合によっては変化された回転数に新たに調整されねばならない。
ここで、補足のために、当然乍ら磁界がセンサエレメントの傍を通過するだけでないこと、更に、逆に、センサエレメントが磁界の傍を通過することができることを指摘しておく。
本発明の課題は、例えばステアリング・シャフトが回転したときに、例えば回転の、その正確な数を、エネルギの供給なしに常に示すことができる、特に積算回転計のための、センサエレメントを提供することである。
この課題は、本発明では、特に積算回転計のための、センサエレメントであって、磁界がセンサエレメントの傍を通過することができ、センサエレメントは積層構造および形体を有し、両者は、磁界がセンサエレメントの傍を通過するとき、センサエレメントに磁化の変化を引き起こし、かつ複数のこのような変化を記憶するために、エネルギの供給がなしに適切であってなるセンサエレメントによって、解決される。
本発明は、同様に、積算回転計によって実現される。この積算回転計では、本発明に係わるセンサエレメントが用いられる。
本発明では、磁界がセンサエレメントの傍を通過するとき、センサエレメントに磁界の変化が生じる。磁化のこの変化は、センサエレメントによって記憶される。磁界がセンサエレメントの傍を何回も通過するとき、センサエレメントに磁化の複数の変化が記憶される。従って、記憶された変化の数は、磁界が何回センサエレメントの傍を通過したのかを示す数に対応する。これから説明するように、磁化のこのような記憶された変化がセンサエレメントの性質変化を表わし、このような性質変化は、知られた方法によって、認識かつ測定されることができる。
回転の度に磁界が一度センサエレメントの傍を通過してなる積算回転計の場合、かくて、センサエレメントに記憶された、磁化の変化の、その数が、カウントされた回転の数に対応する。
本発明に係わるセンサエレメントの場合に、磁化の変化が、外部からの如何なるエネルギ供給なしに、達成されることは、重要である。その代わりに、センサエレメントの磁化の変化が、センサエレメントの積層構造およびその形体のみによって達成される。
かくて、本発明は、特に積算回転計のための、センサエレメントを用いる。この積算回転計は、例えば回転の、その数を非接触で連続的に検出することができ、この結果、エネルギの供給を必要としない。エネルギの供給の停止の際でも、本発明に係わるセンサエレメントは、更なる措置なしに、機能することができる。従って、エネルギの供給のこのような停止の後でも、センサエレメントの更なる正確な作動のための措置を何等講じる必要はない。
本発明の好都合な実施の形態では、磁界がセンサエレメントの傍を通過するとき、センサエレメントには、ドメインウォール、特に360°の壁が発生し、複数の360°の壁はセンサエレメントに記憶可能である。
磁界がセンサエレメントの傍を通過するときに、センサエレメントの磁気的な積層構造で、磁化が変化する。磁化のこのような変化は、例えば、センサにおけるドメインウォールの発生または面の磁化の反転であるかもしれない。ドメインウォールには、磁化が、狭い空間で、例えば90°、180°または360°分回転する(いわゆる90°の壁、180の壁および360°の壁)。これらのドメインウォールのうち、360°の壁は、外の磁界に対し最も安定的な構成である。本発明の特に好都合な実施の形態は、磁気的な積層構造における360°の壁の発生および記憶を提案する。
磁界がセンサエレメントの傍を通過したとき、センサエレメントの幾何学的形状および磁気的性質に基づいて、磁気的な積層構造にドメインウォールが発生される。磁界の回転後に、このドメインウォールは360°の壁に形成される。360°の壁内の磁化の回転方向は、センサエレメントへの磁界の回転方向に従う。磁界が反対方向に回転するとき、360°の壁が生起される。この壁の回転方向は同様に反対である。
既述のように、本発明に係わるこの好ましい解決策で、360°の壁がセンサエレメントに発生および記憶されるのは、磁界がセンサエレメントの回りに回転するときか、(その逆に、センサエレメントが磁界の回りを回転する)ときである。このことは、本発明に係わるこの解決策で、例えば、適切な永久磁石を有するステアリング・シャフトの、その一回転後に、正しく1つの360°の壁がセンサエレメントに発生かつ記憶されたことを意味する。
ドメインウォールの発生および維持または記憶のためには、エネルギの供給は必要ない。センサエレメントの少なくとも諸部分の、十分に大きな磁界、適切な幾何学的形状および適切な磁気的性質のみが必要である。
本発明の好ましい実施の形態では、センサエレメントは、該センサエレメントが複数の360°の壁を記憶することができるように構成されている。このことによって、例えばステアリング・シャフトの、その回転の度ごとに、連続的に、相応に多くの360°の壁がセンサエレメントに発生かつ記憶されることができる。既述のように、360°の壁が生起される。この壁の回転方向は、同様に反対であるのは、磁界が反対方向に回転されるときである。反対の回転方向を有する複数の360°の壁は、衝突すると、消滅する。
本発明に係わるセンサエレメントの幾何学的形状および磁気的性質に基づいて、反対方向に回転する複数の360°の壁が当たるので、反対側で消滅することが保証されている。この性質によって、本発明に係わるセンサエレメントにはゼロ位置が割り当てられることができる。センサエレメントは、このゼロ位置から左回りのおよび右回りの回転をカウントすることができる。センサエレメントはすべての回転を記録するが、常に、実際に残っている回転の、その数のみをカウントする。このことは、本発明に係わるセンサエレメントが、常に、右回りの回転数マイナス左回りの回転数の値を有することを意味する。例えば、センサエレメントには、右回りの4回の回転および続いて左回りの3回の回転の後に、右回りの1回の回転のために正しく1つの360の壁が記憶されている。後者の回転はゼロ位置に関するステアリング・シャフトの実際の回転を示す。
特に360°の壁の、その磁化の変化の発生および記憶のためには、エネルギの供給は必要ない。かくして、エネルギの停止は、例えばステアリング・シャフトの、その回転の記録およびカウントへの影響を有しない。エネルギの停止中に、本発明に係わるセンサエレメントは依然として回転をカウントする。回転の実際の数は、エネルギの停止中に、都合によっては、読み取られることができない。しかし、エネルギの供給が再度あるや否や、実際の回転数が、更なる措置なしに、センサエレメントから再度読み取り可能である。
既述のように、磁化の記憶された変化は、センサエレメントの性質変化を表わす。本発明に係わる好ましい解決策は、この性質変化の認識および測定のために従ってまたセンサエレメントの読み取りのために、センサエレメントの電気抵抗を用いる。
磁化の変化が比較的大きな、従ってまた良好に測定可能な抵抗変化を引き起こしてなる磁気抵抗的な材料および積層構造が知られている。巨大磁気抵抗(GMR)効果またはトンネル磁気抵抗(TMR)効果を有する積層は特に好ましい。このような積層の特徴は、2つの磁気的な層または積層であって、これらのうちの一方の層は、軟磁性、他方の層は強磁性であり、これらの層は、非磁性の金属層によって(GMR効果)または絶縁層によって(TMR効果)互いに分離されている。軟磁性の層の磁化が、外の磁界によって変化される。これに対し、強磁性の層の磁化は変わらない。強磁性の層を非常に強磁性にするために、この層は、反強磁性の層または人口の反強磁性磁石またはフェリ磁性磁石と接触していることができる。
GMR効果およびTMR効果の場合、電気抵抗は、2つの磁性の層相互の磁化方向に従う。抵抗は、磁化が並列であるとき、最小限であり、磁化が逆並列であるとき、最大である。このことの原因は、これらの物質内の電子の、スピンに従う拡散である。それ故に、このような積層は、スピンバルブとも呼ばれる。このことによって引き起こされた磁気抵抗的な抵抗は、例えば、典型的なGMRシステムの場合には10%、典型的なTMRシステムの場合には40%達成することができる。
本発明に係わる好ましい解決策は、磁気的構造として、GMR効果またはTMR効果に基づくスピンバルブを用いる。このことによって、外の磁界の回転によってセンサエレメントに引き起こされた磁化変化、例えば360°の壁が、良好に測定可能な抵抗変化に変換される。
この電気抵抗は、適切な電気回路によって、直接または間接に算出されることができる。このとき、算出された抵抗、即ち該抵抗から導き出された大きさは、例えばステアリング・シャフトが回転したその回転の数に対応する。電気抵抗のまたはそれから導き出された大きさの算出のためにエネルギの供給が必要である限りは、回転の数は、既述のように、エネルギの停止中には算出されることができない。しかし、エネルギの停止後には、電気抵抗のまたはそれから導き出された大きさの算出が、即座に再度、如何なる追加の措置なしに、回転の正確なかつ実際の数を生じさせる。
本発明の好都合な実施の形態では、センサエレメントは、ウォールジェネレータおよびウォールメモリを有する。この場合、ウォールジェネレータはドメインウォールの、特に360°の壁の発生を担い、ウォールメモリは、発生された壁の記憶を担う。
ウォールジェネレータにおける磁化の方向が、動く外の磁界に容易に従うことができるように、ウォールジェネレータが形成されていることは、特に好都合である。ウォールジェネレータが円形であることは好ましい。更に、ウォールメモリにおける磁化方向が、動く外の磁界によってほとんど回転しないように、ウォールメモリが形成されていることは、特に好都合である。ウォールジェネレータが長めに形成されていることは好ましい。
本発明の特に好都合な実施の形態では、ウォールメモリは、くさび形に先細りになってウォールジェネレータから離隔する。このことは壁の長さの短縮に基づいたエネルギの最小限度の抑えを可能にする。それ故に、実際に形成される360°の壁は、ウォールメモリの先端へと移動される。
本発明の好都合な実施の形態では、ウォールメモリは、少なくとも1つの壁が限定されることができてなる狭隘部を有する。この限定は、壁の長さの短縮およびそれにより達成されたエネルギの節約に基づいてなされる。代わりに、この狭隘部は、ドメインウォールが狭隘部の手前で限定されるほどに細くてもよい。すなわち、磁化は狭隘部内で回転しない。ウォールジェネレータの上記のくさび形は、このことの役に立つ。
本発明の特に好都合な実施の形態は、カウントされる1回転につき、正しく1つの、適切なサイズの狭隘部が、ウォールメモリに設けられており、狭隘部へは正しく1つのドメインウォールが限定されることを提案する。このような狭隘部は、この狭隘部が壁で覆われていない限り、実際に形成されるドメインウォールが狭隘部を通ることができるように、構成されている。
狭隘部の代わりに、本発明の他の好都合な実施の形態は、ウォールメモリが、磁気的性質の、少なくとも1つの、適切に発生された、局所的に限定された変化を有することを提案する。このような変化によって、壁が好ましくは変化の個所に定められることが達成される。
本発明の他の特に好都合な実施の形態は、1つまたは複数の狭隘部の組合せおよび1つまたは複数の壁の限定のための1つのまたは複数の局所的な変化を提案する。
本発明の他の好都合な実施の形態の場合、ウォールメモリは2つのコンタクトを有する。これらのコンタクトを介して、ウォールメモリに記憶された壁の数が、特に、電気抵抗の測定によって、算出されることができる。
ウォールメモリに最大限存在しおよび/または限定されたすべての壁が、コンタクト間にあり、同時に、ドメインウォールが充填されていない領域が該コンタクト間で最大限存在するように複数のコンタクトが配置されていることは好都合である。従って、ウォールメモリに記憶された壁の数の算出の際に、そこに存するすべての壁が実際に検出されること、および測定信号が出来る限り大きいことが保証される。
本発明の他の好都合な実施の形態は、上記の実施の形態の組合せを提案する。それ故に、カウントされる回転毎に、正しく1つの、適切なサイズの狭隘部および/または変化が、ウォールメモリに設けられており、狭隘部へは正しく1つのドメインウォールが限定されること、および各々の狭隘部および/または変化の側方に少なくとも1つのコンタクトがあるので、各々の限定位置が別々に読み取られることができることを提案する。このような実施の形態は、高い測定信号およびカウントされた回転のいわばディジタル式の記憶を可能にする。
本発明の特に好都合な実施の形態は、ウォールメモリが、ウォールジェネレータにおいて磁化変化を引き起こす外の磁界の手前で、シールドされていることを提案する。シールドによって達成されるのは、壁が、ウォールメモリ内で、ウォールメモリの幾何学的形状および磁気的性質に基づきかつウォールジェネレータにおける磁化の影響に基づいて、移動することができることである。
好都合な実施の形態は、このシールドが、ウォールジェネレータを用いて、少なくとも1つの磁性の層によって実現されていることを提案する。
本発明に係わる解決策の代替の実施の形態は、ドメインウォールの代わりに、特に、360°の壁の代わりに、異なった磁化装置、例えば、磁化が反転された、大きさの異なる面を記憶する。これらの面には、このとき、回転が明確に割り当てられることができる。
回転数の算出のために、電気回路が、4つのセンサエレメントを備えたホイートストンブリッジを有することは特に好都合である。かくて、余り費用をかけないで、高い正確性が達成される。
本発明に係わるセンサエレメントのまたは本発明に係わる積算回転計の特に好ましい利用は、自動車両の場合にある。
本発明の他の特徴、利用可能性および利点は、図面の図形に示されている本発明の実施の形態の以下の記述から明らかである。この場合、すべての記述または図示された特徴は、特許請求の範囲における要約および特許請求の範囲の従属関係に係わりなく、ならびに明細書の表現および図面の図示に係わりなく、単独でまたは任意の組合せで、本発明の主題を形成する。
図1には、3つの固定式のセンサエレメント11とロータ12とを有する積算回転計10が示されている。このロータは、該ロータに互いに隣り合って取り付けられている2つの永久磁石13を有する。ロータ12は、軸14を中心として回転可能である。前記センサエレメント11は、例えば約120°の角度で相対して設けられている。センサエレメント11は、ロータ12が回転する際に、永久磁石13の磁界がセンサエレメント11の傍を通過し、複数のセンサエレメント11の夫々によって検出されるように、ロータ12に関連して設けられている。
積算回転計10は、センサエレメント11によってロータ12の例えば10までの回転(つまり両方向での5回転)を非接触でカウントするために、設けられている。記述するように、この場合、回転のカウントが、外側からのエネルギ供給なしに可能である。
前記3つのセンサエレメント11は、同様に形成されている。従って、以下、複数のセンサエレメント11のうちの只1つのみを記述する。
図1の積算回転計10の場合に、永久磁石13も固設されており、3つのセンサエレメント11が軸14を中心として回転自在に設けられていることができ、それ故に、この場合、永久磁石13の磁界が、センサエレメント11の傍を通過することは自明である。
センサエレメント11による回転のカウントは、巨大磁気抵抗(GMR)効果またはトンネル磁気抵抗(TMR)効果の活用によってなされる。その代わりに、磁気光学的および/または磁気ひずみ的方法によって、センサエレメント11によってカウントされた回転の数を算出することも同様に可能である。
図2aは、センサエレメント11の本発明に係わる積層構造20を示す。この積層構造は、カウントされた回転を読み取るために、GMR効果を用いる。軟磁性の層21は、薄い非磁性の金属層22によって、強磁性の層23から分離されている。強磁性の層23上に設けられた反強磁性の層24は、強磁性の層を磁気的に更に強くするために用いられている。このことは、強磁性の層23における磁化が、軟磁性の層21の磁化と反対に、永久磁石13の磁界によっては変化されることができないことを意味する。層24上には接着層25があり、該接着層上には2つのコンタクト26が取着されている。試験電流が、2つのコンタクト26間で、水平方向および垂直方向に積層構造20全体の中を、すなわち層21,22,23,24および25の中を流れる。
図2bは、センサエレメント11の本発明に係わる積層構造20´を示す。この積層構造は、カウントされた回転を読み取るために、TMR効果を用いる。図2aに比較して以下の変化が生じる。非磁性の金属層22は、トンネルバリヤを示す絶縁層22´と替えられている。2つのコンタクト26のうちの1がコンタクト26´と替えられている。このコンタクト26´は、軟磁性の層21(図示せず)上に直接にあるか、好ましくは、軟磁性の層21上のコンタクト層25´上にある。すなわち、コンタクト26´を付着させるために、積層構造20´は、軟磁性の層21まで局所的にエッチングされねばならない。このことは、好ましくは側方領域でなされる。試験電流は、例えば、コンタクト26を介して、垂直方向に、複数の層25,24(反強磁性の層)、23(強磁性の層)、22´(トンネルバリヤ)を通って、軟磁性の層21へ流れて、続いて、水平方向にコンタクト層25およびコンタクト26´へ流れる。
これから説明するように、コンタクト26,26´は、カバー層28によって覆われている絶縁層27の中に入れられていてよい。
積層構造20,20´全体は、例えば、(酸化)シリコンの基板に付着されることができる。このような積層構造20,20´は、スピンバルブとも呼ばれる。
図3には、センサエレメント11の、本発明に係わる幾何学的なデザインが平面図で示されている。センサエレメント11は、縦長の、時計の針状の形体30を有し、(図示しない)縦軸に対し鏡面対称的に形成されている。
図3の左側領域では、センサエレメント11は、ウォールジェネレータ(Wandgenerator)31を有する。このウォールジェネレータは、図3では、円形に形成されているが、八角形でも、あるいは全く一般的に四角形に構成されてもいるだろう。ウォールジェネレータ31の領域にはカバー層28はない。
ウォールジェネレータ31の形体および大きさによって、その磁化方向は、永久磁石13の動く外の磁界に従うことができる。このことは、図3のウォールジェレータ31の場合、特にその円形のデザインによって達成される。
ウォールジェネレータ31には、丸くなった移行部をもって、ウォールメモリ(Wandspeicher)32が続く。このウォールメモリは長くかつ細く形成されている。ウォールメモリ32のこの形状およびこのことから結果する形状異方性によって、ウォールメモリ32内の磁化は、永久磁石13の動く外の磁界によってはほとんど回転しない。
ウォールメモリ32の領域にはカバー層28がある。磁界の影響はカバー層28によって一層減少される。ウォールメモリは、例えばパーマロイからなる磁性のシールド層であってもよい。
ウォールメモリ32は、狭隘部33を有し、この狭隘部は、2つのコンタクト26間のほぼ中央にある。ウォールメモリ32の前部34は、狭隘部33までくさび状に細くなっている。狭隘部33の後方には、ウォールメモリの細い先端35がある。この先端35は、その磁化が、例えば形状異方性に基づいて変化しないように、構成されている。ウォールメモリ32のこの形状に基づいて、複数のコンタクト26間にある狭隘部33内にドメインウォールが限定される。このことは、図3では、4つのいわゆる360°の壁40によって示されている。
狭隘部33の代わりに、ウォールメモリ32の磁気的性質の、1つのまたは複数の、適切に発生された、局所的に限定された変化があり、かくして、壁40の限定が達成されることも可能である。この目的のためには、特に、軟磁性の層の磁気的性質が、局所的に変化されることができる。それ故に、壁40は好ましくはこれらの個所に定まる。磁気的性質の変化は、例えば、穴、個々の微結晶または粒度の適切な局所的なドーピングまたは操作であってもよい。ドーピングまたは操作は、例えば、積層構造20の少なくとも1つの層におけるレーザビームを用いた局所的な加熱によって、なされる。
好ましい実施の形態は、軟磁性の層または積層構造20の上におよび/またはその下方におよび/またはその脇に、少なくとも1つの局所的に限定された強磁性の層を、例えば、ウォールメモリ32を横切る狭いストリップとして設ける。1つの壁または複数の壁40の限定は、この強磁性の層と、ウォールメモリの軟磁性の層との局所的に限定された相互作用に基づく。
このような360°の壁40は、永久磁石13をロータ12に反対方向に設けることによって、達成される。これらの永久磁石13が、例えば時計回りに、センサエレメント11の傍を通過するとき、第1の磁石は、軟磁性の層21に180°の壁を発生させる。この壁は、センサエレメント11の形状によってウォールメモリ32に運ばれ、そこで狭隘部33に運ばれる。第2の磁石は、軟磁性の層21において、同じ回転方向で、第2の、反対の180°の壁を発生させる。この壁は、同様に、狭隘部33に運ばれる。これらの2つの180°の壁は空間的に密接して並べられているので、これらの壁は360°の壁40のうちの1を形成する。
磁化方向の360°のこのような回転は、図4に略示されている。ここに示された矢印は、360°の壁40の当該部分における磁化方向を示す。360°の壁40の幅は、僅か数10nmないし数100nm、すなわち、数ダースないし数100の微結晶である。長さはウォールメモリ32の幅に従う。
くさび形によって、360°の壁40は、その長さを短縮し、従って、そのエネルギを最小にすることができる。従って、ウォールメモリ32の前部34のくさび形は、360°の壁40を狭隘部33に運ぶ。かくて、狭隘部33内で限定されることは、360°の壁40にとって効果的に最適である。逆に、狭隘部33にあることは、360°の壁40にとって全然最適でない。
360°の壁40の各々は、かくて、自動的に、ウォールジェネレータ31からくさび形の部分34を経てウォールメモリ32へと延びており、そこで、ほぼ狭隘部33に留まっている。このことは、その時々のエネルギ状態に基づいてなされる。360°の壁40がこれらのエネルギ状態を通り抜ける。この場合、360°の壁40は、ウォールジェネレータ31の領域では、ウォールメモリ32の領域においてよりも大きなエネルギを有する。狭隘部33の領域では、360°の壁40は、最小のエネルギを有する。
先端35は360°の壁40にとって障害である。この先端は、360°の壁40が前方に延びておらず、そこで絶滅されることになることを引き起こす。一括すれば、従って、360°の壁40は、既述のように、ウォールジェネレータ31からウォールメモリ32の狭隘部33に移動し、そこに留まる。
永久磁石13が、センサエレメント11の傍を通過した後に、かくて、センサエレメント11の磁化の永続的な変化が、ウォールメモリ32の狭隘部33の領域で生じた。このことは、センサエレメントの性質の変化を従ってまたセンサエレメント11における磁化の変化の記憶を意味する。
図3では、ウォールメモリ32の狭隘部33には、都合4つのこのような360°の壁40が例示されている。この場合、これらの4つの360°の壁40は、例えば、時計回りによるロータ12の4つの連続的な回転から生じる。
図3でウォールメモリ32の狭隘部33に限定された360°の壁40の各々は、結果として、電気抵抗の変化を伴う。この電気抵抗は、図3のコンタクト26間で測定可能である。多くの360°の壁40が狭隘部33にあればあるほど、抵抗の変化は一層大きくなる。各々の360°の壁40は、ほぼ同一の値だけ、抵抗を変化させる。
磁化の反転に基づく、特に、狭隘部33に形成された360°の壁による抵抗変化は、GMR効果またはTMR効果を有するスピンバルブに特徴的であり、スピンバルブにおける磁化方向の配置にのみ基づく。スピンバルブの軟磁性の層21における磁化の変化は、エネルギ供給を何等必要としない。傍を通過する永久磁石13の十分に大きな磁界のみが必要である。
抵抗の測定、従ってまたカウントされた回転の読み取りのみが、抵抗の測定の時間の間、エネルギ供給を必要とする。何故ならば、例えば、コンタクト26に電圧が印加されるからである。かくて、複数のコンタクト26間の電気抵抗が直接または間接に算出されることができる。GMR効果またはTMR効果に基づき、360°の壁40によって引き起こされた抵抗変化が十分に大きい。それ故に、ロータ12の個々の回転は記録されることができる。電気抵抗からは、狭隘部33における360°の壁40の数が推論されることができる。壁の数は、結局、時計周りのロータ12の回転数に対応する。
ロータ12が反時計回りに回転するとき、壁40´(図示せず)が発生される。壁の磁化は壁40に対して反対方向に回転する。この壁40´は、壁40と全く同様に、ウォールメモリ32の狭隘部33へと運ばれる。そこでは、壁40´は現存の壁40に当たる。各々の壁40および40´の反対の回転方向は、結果として、壁40および40´の相互消滅を伴う。かくて、ロータ12の、反対方向における回転は、狭隘部33における現存の壁40の数においても考慮されている。複数のコンタクト26間の電気抵抗は、かくて、現存の壁の数に応じて変化される。それ故に、反対方向におけるロータ12の回転が、測定かつ検出されることができる。
ウォールメモリ32の狭隘部33に壁40がなくて、反対方向におけるロータ12の回転によって壁40´が発生されるとき、この壁40´は、壁40との関連で既述したように、ウォールメモリ32に記憶される。かくて、反対方向でなされたロータ12の回転は、再度、電気抵抗によって測定可能である。このとき、時計回りの回転は、既述の如く、再度、壁40´の消滅をもたらす。
図5aには電気回路50が示されている。この電気回路では、電気的な条導体51がセンサエレメント11に跨って両端に設けられている。条導体の中を電流Iが流れることができる。この電流Iは、電流によって発生された磁界が、条導体51の下方に設けられたセンサエレメント11が360°の壁を形成するのを妨げるように選択されている。永久磁石13を有するロータ12が、今や、回転の任意の数だけ回転されることができる。このことは、センサエレメント11従ってまた積算回転計10におけるカウントをもたらすことはない。この措置は、特に、センサエレメント11のまたは積算回転計10の製造中または製造後に、あるいは積算回転計10の組込み後の初期設定中に用いられることができる。
図5bに電気回路55が示されている。この電気回路の場合、2つの条導体56,57が、約90°の角度でセンサエレメント11に跨って設けられている。2つの条導体56,57の中を電流が流れることができる。これらの電流は、回転磁界を共に発生させる。かくて、前記電流によって360°の壁をセンサエレメント11に発生させることが可能であって、このためには、永久磁石13を有するロータ12の回転は必要ではない。この回路も、特に、積算回転計10の組み込み後に、所望のカウントへの積算回転計の調節のために用いられることができる。
図6にはセンサエレメント60が示されている。このセンサエレメントは、図3のセンサエレメント11の代替の実施の形態を示す。図6のセンサエレメント60の場合、先端61が存在する。この先端は、長めの薄いストリップとして形成されている。かくて、360°の壁40が、この先端61の領域でなくなるという可能性が減じられる。
更に、図6のセンサエレメント60の場合、ストリップ状の空隙62が、ウォールジェネレータ31とウォールメモリ32との間にある。この空隙62は、ウォールジェネレータ31によって発生された漂遊磁界によって、ブリッジされることができる。それ故に、同様に、既述の如く、360°の壁40がウォールメモリ32に発生する。
図7にはセンサエレメント70が示されている。このセンサエレメントは、図3のセンサエレメント11の拡張を示す。図7のセンサエレメント70は、図3のウォールジェネレータ31に対応する只1つのウォールジェネレータ71を有する。しかし、このセンサエレメント70に関連して3つのウォールメモリ72,73,74が設けられている。これらのウォールメモリは、例として、夫々約120°の角度で相対して設けられている。図7のウォールメモリ72,73,74は、図3のウォールメモリ32に対応し、同様に形成されている。
永久磁石13の回転の際には、360°の壁40が順番に3つのウォールメモリ72,73,74に記憶される。永久磁石13を有するロータ12の各回転後に、かくて、3つのウォールメモリ72,73,74すべてが同じカウントを有する。この冗長性は、1つの故障のウォールメモリ72,73,74を認識するために、用いられることができる。かくて、3つのウォールメモリ72,73,74のうちの少なくとも2によって示される同じカウントが、常に、正しいとして認識されることができる。
図1には、3つのセンサエレメント11が示されている。永久磁石13がセンサエレメントの傍を通過する。かくて、3つのセンサエレメント11のうちの、永久磁石13が傍を正しく通過する正しくそのセンサエレメントを、常に評価から除外することは可能である。かくて、永久磁石13が傍を正しく通過するそのセンサエレメントからは誤ったカウントが読み取られることがないことが達成される。換言すれば、3つのセンサエレメント11の評価が、通過する永久磁石13に基づきその時々のセンサエレメント11の故障が生じないとき、常にそのときにのみ行なわれることが保証される。
個々のセンサエレメント11が抑制されなければならないその時々の角度範囲は、予め定めることができる。積算回転計10の作動中に、これらの角度範囲は角度センサによって測定され、かくて、考慮されることができる。このような角度センサは、例えば、自動車両のステアリング・シャフトとの関連で、通常存在する。
3つのセンサエレメント11のうちの1が抑制されている間に、その時々に実際の回転数が、他の2つのセンサエレメントによって算出されることができる。この場合、故障のセンサエレメント11が、3つのセンサエレメント11すべての算出された回転数との比較によって認識されることができる。
図1ないし7に示した個々のセンサエレメント11,60,70の代わりに、複数のこのようなセンサエレメントの相互接続も用いられることができる。かくて、4つのセンサエレメント11,60,70を1つのホイートストンブリッジに接続することも可能である。それならば、図1の積算回転計10は、常に4つのセンサエレメントを有する3つのこのようなホイートストンブリッジを具備するであろう。
回転が2方向でカウントされることができ、従って、右回りの回転と左回りの回転との間の明瞭な区別がなされることができるように、ホイートストンブリッジを適切に調整することは好都合である。ホイートストンブリッジのこのような調整のためには、以下の好ましい実施の形態がある。
ホイートストンブリッジの4つのセンサエレメントには、最大限2nの回転数がカウントされることができる。開始時点の構成(Startkonfigration)として、各センサエレメントには、n回転が記憶されている。対角線上で対向している常に2つのセンサエレメントに関する回転方向は左回りであり、対角線上で対向している他の2つのセンサエレメントに関する回転方向は右回りである。記憶された360°の壁の複数の磁気抵抗的な補助抵抗が著しく同じであり、壁の回転方向に依存しないので、ブリッジは、この状態では、調整されている。外の磁界によって引き起こされた磁化変化は、各々のセンサエレメントで、同じ回転方向においてなされる。360°の壁の付加はすべてのセンサエレメントにおいて同じに電気抵抗を変化させる。ブリッジの調整がなされるのは、対角線上で対向している2つのセンサエレメントにおいて、1回転につき常に1つの360°の壁が付加され、他の2つのセンサエレメントにおいて、常に1つの360°の壁が除去されることによってである。壁の除去は、異なった回転方向で2つの壁が衝突することによって、なされる。このことによって、これらの壁は消滅する。右回りの回転後には、対角線上で対向している2つのセンサエレメントにおいて、n+1の360°の壁が右の回転方向で記憶され、他の2つのセンサエレメントにおいて、n−1の360°の壁が左の回転方向で記憶されている。ブリッジは、かくて、2つの360°の壁の抵抗の差の分調整された。左回りの回転の際には、抵抗の差は同一であるが、調整されたブリッジにおける電位差は他の符号を有する。何故ならば、付加および除去は正しく逆になされるからである。すなわち、左回りおよび右回りでカウントされる回転数は明瞭に区別がつく。回転の最大限にカウント可能な数はnである。対角線上で対向している2つのセンサエレメントにおいて、記憶された360°の壁の数がnから2nへカウントされ、他の2つのセンサエレメントにおいて、nから0へカウントダウンされる。
本発明に係わる他の実施の形態では、ブリッジの4つのセンサエレメントにおいて、最大限2nの回転がカウントされることができる。開始時点の構成として、各センサエレメントには、同一の回転方向でnの回転が記憶されている。外の磁界によって引き起こされた磁化変化は、対角線上で対向している常に2つのセンサエレメントに関して、右回りの回転方向でなされ、対角線上で対向している他の2つのセンサエレメントに関して、左回りの回転方向でなされる。360°の壁の付加はすべての各々のセンサエレメントにおいて同じに電気抵抗を変化させる。このことによって、1回転につき、対角線上で対向している2つのセンサエレメントでは、常に1つの360°の壁が付加され、他の2つのセンサエレメントでは、常に1つの360°の壁が除去される。
他の実施の形態では、センサエレメントにおいて、最大限nの回転がカウントされることができる。開始時点の構成として、各センサエレメントには、全然回転数が記憶されていない。対角線上で対向している2つのセンサエレメントでは、1つの回転のカウントがこれらのセンサエレメントにおける電気抵抗を高め、他方、1つの回転のカウントは、対角線上で対向している他のセンサエレメントにおける電気抵抗を低下させる。この目的のためには、GMRシステムまたはTMRシステムにおける2つの層のまたは積層構造の磁化の整列を、一方のハーフブリッジに関しては並列におよび他方のハーフブリッジに関しては逆並列に調整することが必要である。この実施の形態の利点は、最大限nの回転を記憶するためには、360°の壁のためには2nの代わりにnのみの記憶位置が設けられればよいことである。1つの360°の壁従ってまた1つの測定信号につき相対抵抗変化が、かくて、他の2つの実施の形態の場合よりも大きい。
上記の開始時点の構成を調整することができるためには、好ましい実施の形態は、センサエレメントを跨いで、特に、ウォールジェネレータ71を跨いで1つまたは複数の電気的条導体を備える。結局、これらの条導体は、図5aおよび5bとの関連で説明した条導体51,56,57に対応している。これらの条導体を介して、電流または電流パルスによって、場合によっては、回転磁界が発生されることができる。これらの磁界はその時々のセンサエレメントのみにおける回転としてカウントされ、従って、ホイートストンブリッジの隣り合うセンサエレメントにおける磁化を変化させない。例えば、適切な数の開始時点の構成の360°の壁が、その数の360°の壁によって回転をカウントするセンサエレメントに書き込まれる。特に好ましい実施の形態は、常に2つの交差する条導体を、ウォールジェネレータ71を跨いで備える。その目的は、回転磁界を容易に発生させるためである。
これらの好ましい実施の形態は、例えば、積算回転計が高い干渉電界(Stoerfelder)に晒されたとき、本発明に係わるセンサエレメント従ってまた積算回転計を開始時点の構成に戻すことを常に可能にする。
図1に示した積算回転計10の代わりに、センサエレメント11またはその変更の実施の形態60,70またはこれらの形態の相互接続が、直線形のまたは湾曲形の変位検出器の場合にも、用いられることができる。これらの変位検出器の場合、例えば、等間隔で、1つのまたは複数の永久磁石がある。この場合には、通過の際に、常に1つの360°の壁がセンサエレメントに記憶され、壁の数が位置を示す。
Claims (27)
- 特に積算回転計(10)のための、センサエレメント(11)であって、磁界がこのセンサエレメント(11)の傍を通過することができ、このセンサエレメント(11)は、積層構造(20)および形体(30)を有し、両者は、磁界が前記センサエレメント(11)の傍を通過するとき、前記センサエレメント(11)に磁化の変化を引き起こさせ、かつ複数のこのような変化を記憶するために、エネルギの供給なしに適切であるセンサエレメント(11)。
- 前記磁界が、前記センサエレメント(11)の傍を通過するとき、前記センサエレメント(11)には、複数のドメインウォール、特に複数の360°の壁(40)が発生し、これらドメインウォール、特に360°の壁(40)は、前記センサエレメント(11)に記憶可能である、請求項1に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記積層構造(20)は、下方からまたは上方から順番に、少なくとも1つの軟磁性の層(21)、少なくとも1つの非磁性の金属層(22)または少なくとも1つの絶縁装置(22´)、および少なくとも1つの強磁性の層(23)を有する、請求項1または2に記載のセンサエレメント(11)。
- 最上のまたは最下の前記強磁性の層(23)には、少なくとも1つの反強磁性の層(24)が続き、あるいは、前記強磁性の層(23)と共に人工の反強磁性磁石を形成する少なくとも1つの非磁性の金属層および少なくとも1つの強磁性の層が続き、あるいは、好ましくは、前記強磁性の層(23)と共に人工の反強磁性磁石を形成する少なくとも1つの非磁性の金属層および少なくとも1つの強磁性の層ならびに少なくとも1つの反強磁性の層(24)が続く、請求項3に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記センサエレメント(11)は、ウォールジェネレータ(31)と呼ばれる少なくとも1つの第1の領域と、ウォールメモリ(32)と呼ばれる少なくとも1つの第2の領域とを有する、請求項1ないし4のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールジェネレータ(31)は、このウォールジェネレータ(31)における磁化が、動く磁界に容易に従うことができるように形成されている、請求項5に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールジェネレータ(31)は、ほぼ円形に形成されている、請求項5または6に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)は、このウォールメモリ(32)における磁化が、動く磁界によって実質的に変化されないように形成されている、請求項5ないし7のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)は、長めに形成されており、特にくさび形である、請求項8に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)は、少なくとも1つの狭隘部(33)、特に、1つのカウントされる回転につき1つの狭隘部(33)を有する、請求項8または9に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)は、特に、カウントされる1回転につき、磁気的性質の、少なくとも1つの、適切に発生された、局所的に限定された変化を有する、請求項8または9に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)の磁気的性質の局所的に限定された変化を引き起こすように、少なくとも1つの局所的に限定された強磁性の層が設けられている、請求項11に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)は、少なくとも2つのコンタクト(26,26´)を有する、請求項8ないし12のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)は、1つの狭隘部(33)および/または局所的に限定された変化につき、2つのコンタクト(26,26´)を有する、請求項10または11に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記狭隘部(33)および/または前記変化は、前記コンタクト(26,26´)間のほぼ中央にある、請求項10、11または13に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールジェネレータ(31)は、くさび形の部分(34)によって、前記ウォールメモリ(32)に移行する、請求項5ないし15のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)は、先端(35)を、特に、長めのストリップとして形成された先端(61)を有する、請求項5ないし16のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記ウォールメモリ(32)は、カバー層(28)、特に、磁気性のシールド層、特にパーマロイ層で被覆されている、請求項5ないし17のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 複数のウォールメモリ(72,73,74)が、個々のウォールジェネレータ(71)に関連して設けられている、請求項5ないし18のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 少なくとも1つの電気的な条導体(51;56,57)が、前記センサエレメント(11)に跨って設けられている、請求項1ないし19のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記磁化の記憶された変化の数が、巨大磁気抵抗(GMR)効果および/またはトンネル磁気抵抗(TMR)効果および/または磁気光学的方法および/または磁気ひずみ的方法によって、算出可能である、前記すべての請求項のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 前記コンタクト(26,26´)間の前記電気抵抗は、磁化の記憶された変化の数に従って変化する、請求項13,14,15または21のいずれか1に記載のセンサエレメント(11)。
- 請求項1ないし22のいずれか1に記載の4つのセンサエレメント(11)の使用を特徴とするホイートストンブリッジ。
- 請求項1ないし22のいずれか1に記載の1つのセンサエレメント(11)のまたは請求項23に記載のホイートストンブリッジの使用を特徴とする積算回転計(10)。
- 磁界が1つの、特に2つの永久磁石(13)によって発生可能である、請求項24に記載の積算回転計(10)。
- 互いにほぼ同一の角度間隔をあけて設けられており、磁界が傍を通過することができる複数のセンサエレメント(11)が設けられている、請求項24または25に記載の積算回転計(10)。
- 前記積算回転計を自動車両で使用することを特徴とする請求項24ないし26のいずれか1に記載の積算回転計(10)であって、磁界は、特に前記自動車両のステアリング・シャフトによって結合されている。
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