JP2005536758A - 積算回転計用のセンサエレメント - Google Patents

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。

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。

本発明に係わる３つのセンサエレメントを有する積算回転計の実施の形態の略平面図を示す。 図１の複数のセンサエレメントの１の略平面図を示す。 図１の複数のセンサエレメントの他の１の略平面図を示す。 図２のセンサエレメントの略平面図を示す。 図２のセンサエレメントのいわゆる３６０°の壁における磁化の略図を示す。 図１のセンサエレメントのための電気回路の実施の形態の略ブロック図を示す。 図１のセンサエレメントのための電気回路の他の実施の形態の略ブロック図を示す。 図１のセンサエレメントの代替の実施の形態の略平面図を示す。 図１のセンサエレメントの他の代替の実施の形態の略平面図を示す。

Claims (27)

1. 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）。
2. 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）。
3. 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）。
4. 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）。
5. 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）。
6. 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）。
7. 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）。
8. 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）。
9. 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）。
10. 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）。
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）。
12. 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）。
13. 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）。
14. 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）。
15. 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）。
16. 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）。
17. 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）。
18. 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）。
19. 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）。
20. 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）。
21. 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）。
22. 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）。
23. 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。
24. 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）。
25. 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）。
26. 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）。
27. 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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