DE19618509A1

DE19618509A1 - Berührungsloser Drehsensor

Info

Publication number: DE19618509A1
Application number: DE19618509A
Authority: DE
Inventors: Yasuaki Makino; Seiki Aoyama; Toshikazu Arasuna
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1996-05-08
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2016-05-09
Also published as: DE19618509B4; US5841276A; JPH08304432A; JP3605880B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen berüh rungslosen Drehsensor, der die Drehbewegung eines Getrie bes, Antriebs oder dergleichen erfaßt. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verbesserung eines Drehsensors, bei dem ein Vormagnetisierungsfeld in Zahnaus breitungsrichtung an ein magnetisches Getriebe angelegt wird und die Drehbewegung des Getriebes mittels der Ände rungen des Widerstandswertes eines magneto-resistiven Ele ments, das sich innerhalb des Vormagnetisierungsfeldes be findet, entsprechend der Drehbewegung des Getriebes erfaßt.

In herkömmlichen berührungslosen Drehsensoren dieser Art wird die Drehbewegung des zu erfassenden Getriebes, Zahnrads oder dergleichen mittels der Änderung des Wider standswertes eines magneto-resistiven Elements erfaßt, wie es in den Fig. 14A und 14B dargestellt ist.

Wie in Fig. 14A dargestellt, wird beim Stromfluß durch ein auf einem isolierenden Substrat befestigtes magneto-re sistives Element MRE der Widerstandswert des magneto-resi stiven Elements MRE um ca. 0,3% vergrößert, wenn die Inten sität eines magnetischen Feldes Bx parallel zur Stromrich tung ansteigt, während der Widerstandswert des magneto-re sistiven Elements MRE um ca. 4% abnimmt, wenn die Intensi tät des Magnetfeldes By vertikal zur Stromrichtung zunimmt. Wenn jedoch ein Magnetfeld Bz vertikal zum Substrat erhöht wird, so ändert sich der Widerstandswert des magneto-resi stiven Elements MRE nicht. Die Beziehungen zwischen den In tensitäten der magnetischen Felder (der magnetischen Fluß dichten) und die Änderungen der Widerstandswerte sind in Fig. 14B dargestellt.

Aus diesem Grunde wurde hinsichtlich des vorherstehend beschriebenen Drehsensors eine derartige Anordnung vorge schlagen, die die Verwendung des magnetischen Feldes mit der starken Änderung des Widerstandswertes derart ermög licht, daß, wie in Fig. 15 dargestellt, ein zur Veränderung des magnetischen Vektors in der Ebene By-Bz angeordnetes magneto-resistives Element MRE und ein zur Änderung des ma gnetischen Vektors in der Ebene Bx-Bz angeordnetes magneto resistives Element verwendet wurden und das Ausgangssignal einer aus diesen beiden magneto-resistiven Elementen MRE zusammengesetzten Brücke bzw. Brückenschaltung erfaßt wurde. Mit anderen Worten wurde festgestellt, daß die Ebe nenanordnung der magneto-resistiven Elemente MRE parallel zur Ebenenanordnung des Vormagnetisierungsmagneten BM lag (Parallelanordnung), so daß das magneto-resistive Element MRE parallel zum Oberteil eines Zahnes bzw. Zahnkammes des Getriebes G liegen konnte, wodurch die Drehbewegung bzw. Rotation des Getriebes G erfaßt wurde.

Durch das vorherstehend beschriebene parallel Anordnen der magneto-resistiven Elemente MRE weist die Änderung des Widerstandswerts des magneto-resistiven Elements MRE ent sprechend der Winkeländerung des magnetischen Vektors auf grund der Drehbewegung des Getriebes G einen Zusammenhang auf, wie er in den Fig. 16A bis 16C dargestellt ist.

Insbesondere ändert sich gemäß Fig. 16A die Änderung des Widerstandswertes des magneto-resistiven Elements MRE gemäß der Winkeländerung des magnetischen Vektors. Anderer seits ändert sich, wie in Fig. 16B dargestellt, der Winkel des magnetischen Vektors des Vormagnetisierungsfeldes ent sprechend der Drehbewegung des Getriebes G zyklisch in Ab hängigkeit von der Annäherung und dem Zurückweichen eines jeweiligen Zahnes. Der Widerstandswert des magneto-resiti ven Elements MRE ändert sich daher, wie in Fig. 16C darge stellt, zyklisch entsprechend der Rotation bzw. Drehbewe gung des Getriebes G.

Wie in Fig. 16B dargestellt, besitzt hier die Winkelän derung des Magnetvektors sowohl positive als auch negative Änderungen in Drehrichtung des Getriebes G hinsichtlich der zur Zahnoberseite des Getriebes G senkrechten Richtung, d. h. Zentrierung um einen Winkel von 0°, weshalb das erhal tene Ausgangssignal (Fig. 16C) die doppelte Frequenz gegen über der Änderung des magnetischen Vektors aufweist.

Mit der Änderung der Charakteristika des Widerstands wertes des magneto-resistiven Elements MRE ergibt sich je doch ein Problem derart, daß der Sensor ein kleines Sensor ausgangssignal abgibt, da man den Sensorausgang innerhalb eines Bereiches erhält, bei dem die Änderungen des Wider standswertes vergleichsweise gering sind.

In Anbetracht dieses Problems liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen berührungslosen Dreh sensor zu schaffen, der ein großes Sensorsignal liefert, selbst wenn die Größe der Winkeländerung des magnetischen Vektors unverändert bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen berührungslosen Drehsensor mit: einem Vormagnetisierungsma gneten zum Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes an ein zu erfassendes magnetisches Getriebe aus einer einem Zahnvor sprung des Getriebes entsprechenden Richtung; einer ma gneto-resistiven Elementegruppe, die innerhalb des Vorma gnetisierungsfeldes in einer zum Zahnkamm parallelen Ebene und dem Zahnkamm gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die magneto-resistive Elementegruppe aus einer Vielzahl von ma gneto-resistiven Elementen besteht, die parallel zueinander und entlang einer Drehrichtung des Getriebes angeordnet, sowie seriell miteinander elektrisch verbunden sind; und einer Stromversorgungseinrichtung zur Versorgung mit einem Strom, der durch die Vielzahl von miteinander in Serie ge schalteten magneto-resistiven Elementen fließt, wobei ein sich entsprechend der Drehbewegung des Getriebes ändernder magnetischer Vektor des Vormagnetisierungsfeldes auf der Grundlage des zusammengesetzten Wertes aller Änderungen der Widerstandswerte der entsprechenden in Serie miteinander verbundenen magneto-resistiven Elemente erfaßt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be schrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die schema tisch den Aufbau eines durch die Erfinder hergestellten er findungsgemäßen Versuchs-Drehsensors zeigt;

Fig. 2A, 2B, 2C, 2D und 2E zeigen Kurvensignale, welche die Änderungen der Charakteristika der Widerstands werte der gemäß Fig. 1 aufgebauten magneto-resistiven Ele mente darstellt;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Drehsensors gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aus führungsbeispiel darstellt;

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht, die die Anordnung der ma gneto-resistiven Elemente des Sensorteils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 5A und 5B zeigen zeitliche Abläufe, die das Prinzip des Absorbierens eines fehlerhaften Ausgangssignals gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellen;

Fig. 6A, 6B, 6C, 6D und 6E sind zeitliche Abläufe, die die Ausgangscharakteristika des Drehsensors gemäß dem durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung tatsächlich hergestellten ersten Ausführungsbeispiels darstellt;

Fig. 7 ist eine Darstellung, die die Beziehungen zwi schen dem die fehlerhaften Ausgangssignale hervorrufenden Begrenzungsluftspalt und der magneto-resistiven Elementean ordnung zeigt;

Fig. 8 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Änderung des Widerstandswertes des magneto-resistiven Elements und dem Luftspalt zeigt;

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Drehsensors gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 10 ist eine Draufsicht, die die Anordnung der ma gneto-resistiven Elemente des Sensorteils gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 11A, 11B, 11C, 11D und 11E zeigen Zeitabläufe, die die Ausgangscharakteristika des Drehsensors gemäß dem durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung tatsächlich hergestellten zweiten Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Mo difikation des Drehsensors gemäß dem ersten Ausführungsbei spiel zeigt;

Fig. 13 ist ein Schaltbild, das die Äquivalenzschaltung des Sensorteils der Modifikation gemäß Fig. 12 zeigt;

Fig. 14A und 14B sind eine perspektivische Ansichten sowie eine grafische Darstellung, die die Änderung der Cha rakteristika des Widerstandswerts des magneto-resistiven Elements zeigt;

Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht, die den Auf bau eines Drehsensors mit parallel angeordneten magneto-re sistiven Elementen zeigt; und

Fig. 16A, 16B und 16C zeigen grafische Darstellun gen, die die Änderungscharakteristika der Widerstandswerte der magneto-resistiven Elemente des gleichen Aufbaus gemäß Fig. 15 darstellen.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben beobach tet, daß in einem parallel angeordneten Drehsensor gemäß Fig. 15 das Ausgangssignal des Drehsensors in einem Bereich erhalten werden kann, indem die Änderung des Widerstands wertes gegenüber der gleichen Änderung des Winkels erhöht ist, wenn der Mittelpunkt eines Vormagnetisierungsmagneten BM gezielt gegenüber dem Mittelpunkt eines magneto-resisti ven Elements MRE verschoben wird. Fig. 1 zeigt einen derar tigen Aufbau.

Der Drehsensor ist insbesondere derart aufgebaut, daß der Mittelpunkt CTR_BM des Vormagnetisierungsmagneten BM vom Mittelpunkt CTR_MR des magneto-resistiven Elements MRE um eine Mittelpunktsverschiebung Sc verlagert ist. In dieser Anordnung ist die Änderung des Widerstandswertes des ma gneto-resistiven Elements MRE entsprechend der Winkelände rung des magnetischen Vektors aufgrund der Drehbewegung ei nes Getriebes G derart, wie sie in den Fig. 2A bis 2E dargestellt ist.

Da sich demnach der Schwingungswinkel des auf das ma gneto-resistive Element MRE wirkenden magnetischen Vektors innerhalb eines in den Fig. 2A und 2E mit "OSC1" ange zeigten Bereich ändert, zeigt die Kurvensignaländerung des Widerstandswerts des magneto-resistiven Elements MRE eine derartig große Änderung, wie sie in Fig. 2B dargestellt ist. Um den steil abfallenden Teil der Änderungsverhältnis-Charakteristik des vorherstehend beschriebenen Widerstands wertes zu verwenden, wird beim Aufbau gemäß Fig. 1 die Mit telpunktsverschiebung Sc des Mittelpunkts CTR_BM des Vorma gnetisierungsmagneten BM vom Mittelpunkt CTR_MR des magneto resistiven Elements MRE bestimmt.

In diesem Fall wird durch die Verschiebung des Mittel punkts CTR_BM des Vormagnetisierungsmagneten BM die zykli sche Änderung des Magnetvektors und die damit einhergehende zyklische Änderung des Widerstandswertes des magneto-resi stiven Elements MRE hinsichtlich ihrer Frequenz gleich groß.

Beim Aufbau des Drehsensors gemäß Fig. 1 kann der Vor magnetisierungsmagnet BM und ein Substrat, auf dem sich das magneto-resistive Element MR befindet, einstückig herge stellt werden, so daß die positionellen Beziehungen zwi schen den zwei Gliedern bzw. Elementen mit einer hohen Ge nauigkeit eingestellt werden können. Andererseits kann ein Installationsfehler ERi zwischen dem magneto-resistiven Element MRE und dem Getriebe G sehr leicht auftreten, da das Getriebe G getrennt vom Rotator montiert ist.

Beim Aufbau gemäß Fig. 1 wurde darauf hingewiesen, daß der Installationsfehler ERi empfindliche Auswirkungen auf das Ausgangssignal des Drehsensors besitzt. Ferner beinhal tet der Installationsfehler ERi einen Abstandsfehler, d. h. Luftspalt zwischen dem magneto-resistiven Element MRE und dem Getriebe G, und einen lagemäßigen bzw. Positionsfehler in Drehrichtung des Getriebes G, d. h. ein Fehler zwischen dem Mittelpunkt CTR_MR des magneto-resistiven Elements MRE und einer Linie CTR_G in der Projektionsrichtung des Getrie bes G, die beim Rotationsmittelpunkt des Getriebes G be ginnt. Zum einfacheren Verständnis des letzteren Fehlers wird dieser nachfolgend beschrieben.

Wenn der Installationsfehler ERi des magneto-resistiven Elements MRE den Wert "+1 mm" erreicht, so verschiebt sich der Schwingungswinkel des magnetischen Vektors in einen mit "OSC2" bezeichneten Bereich, wie er in den Fig. 2A und 2E dargestellt ist. Aus diesem Grund verringert sich, wie in Fig. 2C dargestellt, die Änderung des Widerstandswerts des magneto-resistiven Elements MRE wesentlich.

Wenn umgekehrt der Installationsfehler ERi des magneto resistiven Elements MRE den Wert "-0,4 mm" erreicht, so ver schiebt sich der Schwingungswinkel des magnetischen Vektors in einen mit "OSC3" bezeichneten Bereich, wie er in den Fig. 2A und 2E dargestellt ist. Wenn in diesem Fall der vorherstehend beschriebene magnetische Vektor auf maximalen Wert (22°) schwingt, so verringert sich der einmal ange stiegene Widerstandswert vom Scheitel bzw. Spitzenwert des charakteristischen Kurvensignals, wodurch ein "fehlerhaftes Ausgangssignal" gemäß Fig. 2D verursacht wird. Mit anderen Worten werden, verglichen mit einem Fall, bei dem kein In stallationsfehler ERi auftritt, die doppelte Anzahl von Im pulsen ausgegeben. Dies bedeutet, daß aufgrund des Größen unterschiedes des Installationsfehlers ERi von Sensor zu Sensor sogar im gleichen Sensor das Erfassungsausgangssi gnal sich ändert, wodurch sich ein ernsthafter Nachteil im praktischen Gebrauch des Drehsensors ergibt.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß bei einem derarti gen Aufbau des Drehsensors mit seinen parallel angeordneten magneto-resistiven Elementen MRE, der magnetische Vektor aufgrund der ansteigenden Winkeländerung sehr leicht das "fehlerhafte Ausgangssignal" verursacht, selbst wenn der Luftspalt zwischen der magnetisch sensitiven Oberfläche des magneto-resistiven Elements MRE und dem Oberteil des Ge triebes G klein ist.

In Anbetracht des vorherstehend beschriebenen Problems liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen berührungs losen Drehsensor zu schaffen, der keine fehlerhaften Aus gangssignale verursacht, und der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, d. h. ein großes Sensorausgangssignal besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen berüh rungslosen Drehsensor gelöst mit: einem Vormagnetisierungs magneten zum Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes an ein zu erfassendes magnetisches Getriebe aus einer einem Zahn vorsprung des Getriebes entsprechenden Richtung; einer ma gneto-resistiven Elementegruppe, die innerhalb des Vorma gnetisierungsfeldes in einer zum Zahnkamm parallelen Ebene und dem Zahnkamm gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die magneto-resistive Elementegruppe aus einer Vielzahl von ma gneto-resistiven Elementen besteht, die parallel zueinander und entlang einer Drehrichtung des Getriebes angeordnet, sowie seriell miteinander elektrisch verbunden sind; und einer Spannungsversorgungseinrichtung zur Versorgung mit einem Strom, der durch die Vielzahl von miteinander in Se rie geschalteten magneto-resistiven Elementen fließt, wobei ein sich entsprechend der Drehbewegung des Getriebes än dernder magnetischer Vektor des Vormagnetisierungsfeldes auf der Grundlage des zusammengesetzten Wertes aller Ände rungen der Widerstandswerte der entsprechenden in Serie miteinander verbundenen magneto-resistiven Elemente erfaßt wird.

Obwohl es, wie vorherstehend beschrieben, im Sensor mit den parallel angeordneten magneto-resistiven Elementen mög lich ist, die Drehbewegung des Getriebes mit einer hohen Empfindlichkeit unter Verwendung einer starken Änderung des Widerstandswerts auf der Grundlage des magnetischen Feldes By zu erfassen, kann abhängig vom Installationsfehler und vom Luftspalt ein fehlerhaftes Ausgangssignal in der Ände rung des Kurvensignals des Widerstandswerts bis zu einem derartigen Ausmaß hervorgerufen werden, daß der Sensor praktisch nicht verwendet werden kann.

Zum Lösen dieses Problems werden gemäß dem grundlegen den Aufbau der vorliegenden Erfindung - obwohl die magneto resistiven Elemente parallel angeordnet sind - eine Viel zahl von gleichen magneto-resistiven Elementen, wie vorher stehend beschrieben, angeordnet und seriell miteinander elektrisch derart verbunden, daß der entsprechend der Dreh bewegung des Getriebes sich ändernde magnetische Vektor des Vormagnetisierungsfeldes auf der Grundlage der zusammenge setzten Werte aller Änderungen der Widerstandswerte der entsprechenden magneto-resistiven Elemente erfaßt werden kann.

Dies bedeutet, daß durch eine derartige Anordnung der Vielzahl von magneto-resistiven Elementen parallel zu den Zähnen des Getriebes, bei der die Vielzahl der magneto-re sistiven Elemente in der Drehrichtung des Getriebes jeweils um eins verschoben sind, selbst wenn ein fehlerhaftes Aus gangssignal bei den Kurvensignaländerungen der Widerstands werte von einigen oder allen magneto-resisitiven Elementen hervorgerufen wird, in der Kurvensignaländerung des Gesamt widerstandswertes der magneto-resistiven Elementegruppe, d. h. das zusammengesetzte Kurvensignal der Widerstandswerte der entsprechenden magneto-resistiven Elemente, die Teile, welche ein fehlerhaftes Ausgangssignal verursachen, gegen seitig kompensiert werden, wobei die Änderung des magneti schen Vektors als bevorzugtes Kurvensignal erfaßt wird, welches kein fehlerhaftes Ausgangssignal entsprechend zu einem jeweiligen Zahn des Getriebes aufweist.

Da ferner gemäß dem vorherstehend beschriebenen Aufbau des Sensors die entsprechenden magneto-resistiven Elemente seriell miteinander verbunden und wie vorherstehend be schrieben parallel angeordnet sind, erreicht man eine sehr empfindliche Erfassung der Drehbewegung, wobei die auf dem Magnetfeld By basierenden starken Änderungen der Wider standswerte verwendet werden. Zusätzlich können in Zusam menarbeit mit einer derartigen hochempfindlichen Dreherfas sungsvorrichtung, welche auf der Kurvensignaländerung der Widerstandswerte von magneto-reisistiven Elementen ohne fehlerhaftes Ausgangssignal basiert, die Amplitudenwerte (der Ausgangssignale) des zusammengesetzten Kurvensignals ebenso erhöht werden.

Da auch in diesem Fall eine Vielzahl von magnetischen Widerstandselementen gegeneinander in Drehrichtung des Ge triebes verschoben angeordnet sind, beinhalten nur die den Widerstandswert ändernden Positionen der magneto-resistiven Elemente eine fehlerhafte Ausgangssignaländerung, selbst wenn irgendein vorherstehend beschriebener Installationsfehler vorhanden ist. Demzufolge sind die Auswirkungen des Installationsfehlers auf das Kurvensignal der Widerstandse lementegruppe gering, weshalb positionelle bzw. lagenmäßige Beschränkungen im wesentlichen entfallen.

Wenn im Fall des vorherstehend beschriebenen Grundauf baus der Abstand und die Anzahl der magnetischen Wider standselemente, die die magnetische Elementegruppe zusam mensetzen, auf derartige Werte eingestellt werden, daß das in der Kurvensignaländerung der Widerstandswerte hervorge rufene fehlerhafte Ausgangssignal durch das zusammengesetz te Kurvensignal absorbiert wird, kann eine noch genauere Absorption des fehlerhaften Ausgangssignals durch das zu sammengesetzte Kurvensignal erreicht werden, das Kurvensi gnal kann eher in eine Hüllkurve eingebettet werden, und folglich kann die Drehbewegung des Getriebes mit einer grö ßeren Genauigkeit erfaßt werden kann.

In diesem Zusammenhang haben die Erfinder der vorlie genden Erfindung bestätigt, daß ein Aufbau, bei dem kein fehlerhaftes Ausgangssignal entsprechend einem jeweiligen Zahn beim Erfassen der Drehbewegung des Getriebes unabhän gig von seiner Form vorhanden ist, dann zum Erhalten des zusammengesetzten Änderungs-Kurvensignals der Widerstands werte wirkungsvoll ist, wenn:

a) die Vielzahl der magneto-resistiven Elemente in nerhalb eines Längenbereichs von 0,15 bis 1,5 mal der Brei te des Zahnkammes des Getriebes in der Drehrichtung (d. h. Zahndicke) ist, wobei der Abstand und die Anzahl wie vor herstehend beschrieben sind oder, wenn alternativ
b) die Vielzahl der magneto-resistiven Elemente in nerhalb eines Längenbereiches von 25% bis 75% des Zahnab stands des Getriebes angeordnet sind, wobei der Abstand und die Anzahl der vorherstehenden Beschreibung entsprechen.

Der vorherstehende beschriebene Aufbau a) erweist sich als wirkungsvoll, wenn das zu erfassende Getriebe quadrati sche oder äquivalent geformte Zähne aufweist, während der Aufbau b) sich als wirkungsvoll erweist, wenn das zu erfas sende Getriebe dreiecksförmige oder äquivalent geformte Zähne aufweist.

In jeder der vorherstehend beschriebenen Ausgestaltun gen kann die Zusammensetzung des Drehsensors im Vergleich zu einem Fall, bei dem eine Brückenschaltung gemeinschaftlich verwendet wird, vereinfacht werden, wenn die Span nungsversorgungseinrichtung als Einrichtung zum Ansteuern der magneto-resistiven Elementegruppe ausgebildet ist, wel che sich aus einer Vielzahl von miteinander in Serie ge schalteten magneto-resistiven Elementen zusammensetzt und durch die ein konstanter Strom fließt. Dies bedeutet in diesem Fall, daß durch die Verwendung des Vormagnetisie rungsmagneten und der als Basisbauteile in Serie miteinan der verbundenen Vielzahl von magneto-resistiven Elementen ein Ausgangssignal entsprechend dem zusammengesetzten Ände rungswert der Widerstandswerte der entsprechenden magneto resistiven Elemente erhalten wird, wobei auf der Grundlage dieses Ausgangssignals die Drehbewegung des Getriebes sehr genau erfaßt werden kann.

Da die Änderungen der Widerstandswerte durch die parallele Anordnung der magneto-resistiven Elemente mit höchster Empfindlichkeit erhalten werden können, kann jedoch gemäß dem vorherstehend beschriebenen Aufbau des Drehsensors selbst dann, wenn der Aufbau eine Brückenschaltung für den gemeinsamen Gebrauch aufweist, die Drehbewegung des Getrie bes mit einer ausreichend hohen Empfindlichkeit erfaßt wer den.

Mit anderen Worten können die magneto-resisitiven Ele mente eine halbe Brückenschaltung dadurch ausbilden, daß sie mit einem geeigneten Widerstand in Serie geschaltet sind. Zum Ansteuern der halben Brückenschaltung wird die Spannungs- bzw. Stromversorgung derart bestimmt, daß an ein Ende der seriell miteinander verbundenen magneto-resistiven Elemente eine bestimmte Spannung angelegt wird, während das andere Ende auf Masse liegt. Auch bei diesem Aufbau erhält man das Ausgangssignal entsprechend dem zusammengesetzten Wert der Widerstandswerte der entsprechenden magneto-resi stiven Elemente über eine Brückenschaltung mit einer hohen Empfindlichkeit, wobei auf der Basis des derart erhaltenen Ausgangssignals die Drehbewegung des Getriebes sehr genau erfaßt werden kann.

Wenn in diesem Fall der vorherstehend beschriebene Wi derstand durch eine zweite magneto-resistive Elementegruppe aufgebaut ist, in der ein oder mehrere magneto-resistive Elemente dem Zahn des Getriebes gegenüberliegend und im rechten Winkel zu den ersten magneto-resistiven Elementen angeordnet sind, so besitzt jedes Widerstandselement, wel ches die halbe Brückenschaltung zusammensetzt, die gleiche Temperaturcharakteristik. Daher kann, wenn die Umgebungs temperatur sich ändert, die Genauigkeit des Ausgangssignals der Brückenschaltung vorzugsweise beibehalten werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 3 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausfüh rungsbeispiel des berührungslosen Drehsensors.

Gemäß Fig. 3 besteht der Drehsensor dieses Ausführungs beispiels aus einem Vormagnetisierungsmagneten 3, der einem aus einer magnetischen Substanz bestehenden Getriebe 2 ein Vormagnetisierungsfeld aus der Richtung der Zähne des Ge triebes 2 anlegt, und aus einem Sensorteil 1, das sich im derart angelegten Vormagnetisierungsfeld befindet und die Drehbewegung des Getriebes 2 erfaßt.

Das Sensorteil 1 ist parallel angeordnet und derart ausgestaltet, daß es den magnetischen Vektor des Vormagne tisierungsfeldes, der sich entsprechend der Drehbewegung des Getriebes 2 verändert, auf der Grundlage der Änderungen der Widerstandswerte der entsprechenden magneto-resistiven Elemente erfaßt. Der Aufbau des Sensorteils 1 in seiner Draufsicht ist in Fig. 4 dargestellt.

Gemäß Fig. 4 besteht das Sensorteil 1 aus einem isolie renden Substrat 11, welches gegenüber dem Zahnoberteil des Getriebes 2 liegt, und aus sechs magneto-resistiven Elemen ten 12 (12a bis 12f), die auf dem isolierenden Substrat 11 gegenüberliegend von den Zähnen des Getriebes 2 befestigt sind und seriell miteinander entlang der Drehrichtung des Getriebes 2 elektrisch verbunden sind.

Ferner ist gemäß Fig. 4 im Sensorteil 1 ein Anschluß A mit einer Konstantstromquelle 4 verbunden, während ein An schluß B auf Masse liegt. Ein Anschluß C stellt einen Aus gangsanschluß dar. Wenn sich das Getriebe 2 bewegt bzw. dreht und die magneto-resistiven Elemente 12 im Vormagneti sierungsfeld liegen und durch einen konstanten Strom ange steuert werden, so erhält man folgende magneto-resistiven Effekte:

(1) Der magnetische Vektor im Vormagnetisierungsfeld ändert sich winkelmäßig entsprechend der Drehbewegung des Getriebes 2. Das bedeutet, daß der vom Vormagnetisierungs magneten 3 erzeugte magnetische Vektor des Magnetfeldes auf den nächsten Zahn des Getriebes 2 gerichtet ist. Unter der Annahme, daß das Getriebe 2 sich in einer durch den Pfeil in Fig. 3 angegebenen Richtung (im Uhrzeigersinn) bewegt, wiederholt daher beispielsweise der magnetische Vektor die Winkeländerung in einer Richtung von "links unten nach rechts unten in der Figur" entsprechend der Bewegung eines jeweiligen Zahnes in einer Richtung von "Annäherung-Zurück weichen".
(2) Gemäß der Winkeländerung des magnetischen Vektors ändern sich die Widerstandswerte der magneto-resistiven Elemente 12. Dies bedeutet, daß vom magneto-resistiven Ele ment 12a bis zum magneto-resistiven Element 12f die Ände rungen der entsprechenden Widerstandswerte, wie bereits be schrieben, entsprechend der "4,0%-Verringerung des Wider standswertes" wiederholt werden.
(3) Da jedoch die magneto-resistiven Elemente 12a bis 12f elektrisch miteinander in Serie verbunden sind, addie ren sich die Änderungen der Widerstandswerte der entspre chenden magneto-resistiven Elemente zueinander auf, weshalb am Anschluß C der zusammengesetzte Wert (Kurvensignal) hiervon anliegt.

Entsprechend diesen magneto-resistiven Effekten der ma gneto-resistiven Elemente 12 (12a bis 12f) wird eine Span nung Vout ausgegeben.

Die Fig. 5A und 5B sind eine schematische Darstellung des Prinzips für das Absorbieren von fehlerhaften Aus gangssignalen beim Drehsensor gemäß dem ersten Ausführungs beispiel.

Wenn sich der gemäß der Drehbewegung des Getriebes 2 im Vormagnetisierungsfeld ändernde magnetische Vektor auf der Grundlage des zusammengesetzten Wertes der Änderungen der Widerstandswerte und der in Serie miteinander verschalteten entsprechenden magnetoresistiven Elemente 12a bis 12f er faßt wird, so wird, wie in Fig. 5B dargestellt, das auf grund der Änderungen der Kurvensignale der Widerstandswer te, die sich aufgrund der vorherstehend beschriebenen pa rallelen Anordnung ergibt, vorzugsweise absorbiert und ver mieden.

Insbesondere, wenn nur ein magneto-resistives Element parallel angeordnet ist, wird ein fehlerhaftes Ausgangssi gnal DW, wie in Fig. 5A dargestellt, hervorgerufen, welches in jedem Zyklus T entsprechend dem Zahnabstand des Getrie bes 2 als Kurvensignal am Ausgang Vout abgegeben wird. Wenn jedoch sechs magneto-resistive Elemente 12a bis 12f in ei nem derartigen Intervall angeordnet sind, so kann das feh lerhafte Ausgangssignal, wie in Fig. 5B dargestellt, gegen seitig kompensiert werden. Durch die Überlagerung der Kur vensignale am Ausgang Vout in jedem Zyklus T kann entspre chend dem Zahnabstand des Getriebes 2 das fehlerhafte Aus gangssignal DW vorzugsweise vermieden werden und ein zusam mengesetztes Kurvensignal Vadd aus den Kurvensignalen Va bis Vf entsprechend den sechs magneto-resistiven Elementen 12a bis 12f zusammengesetzt werden.

Da in diesem Fall die magneto-resistiven Elemente 12a bis 12f jeweils in der Drehrichtung des Getriebes 2 ver schoben angeordnet sind, addieren sich die Änderungen der durch die Verschiebung im Schwingungswinkel des magneti schen Vektors an den entsprechenden magneto-resistiven Ele menten 12a bis 12f hervorgerufenen Widerstandswerte und bilden das zusammengesetzte Kurvensignal Vadd. Demzufolge wird die Veränderung zu jedem Zeitpunkt des zusammengesetz ten Kurvensignals Vadd noch komplizierter. Wenn beispiels weise das fehlerhafte Ausgangssignal im Änderungskurvensi gnal des Widerstandswertes eines bestimmten magneto-resi stiven Elements enthalten ist, so ist das fehlerhafte Aus gangssignal im Änderungskurvensignal des Widerstandswerts eines magneto-resistiven Elements, das sich von diesem be stimmten magneto-resistiven Element entfernt befindet, nicht enthalten. Statt dessen ist die Signalamplitude des anderen magneto-resistiven Elements größer als die Si gnalamplitude des bestimmten magneto-resistiven Elements. Auf diese Weise wird das fehlerhafte Ausgangssignal konti nuierlich kompensiert. Darüberhinaus wird das zusammenge setzte Kurvensignal Vadd neu geformt, wodurch sich das Kur vensignal betragsmäßig vergrößert.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen tatsächlichen Versuchsdrehsensor gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel hergestellt und Messungen an den Ausgangscha rakteristika des Versuchsdrehsensors durchgeführt. Die Er gebnisse weiden nachfolgend beschrieben.

In diesem Versuch wurde als Getriebe 2 zur Verwendung für die Drehbewegungserfassung ein Getriebe mit einem maxi malen Durchmesser von 85 mm und 48 Zähnen verwendet, wobei das Zahnoberflächenverhältnis (das Verhältnis der Kamm breite, d. h. der Zahndicke, zum Zahnabstand) 25% betrug. Wie in Fig. 3 dargestellt, betrug in diesem Fall der Zahn abstand 5,6 mm und die Zahndicke 1,4 mm, wobei die Dicke des Getriebes bzw. Zahnrads 3 mm betrug.

Für ein derartiges Getriebe 2 wurde als Sensorteil 1 ein, wie in Fig. 4 dargestelltes, Sensorteil verwendet, welches magneto-resistive Elemente 12a bis 12f aufweist, die jeweils eine Länge von 2 mm besitzen und parallel auf dem Substrat 11 in einem Abstand von 0,4 mm über eine Breite von 2 mm angeordnet sind.

Der Luftspalt zwischen der Oberfläche der entsprechen den Zähne des Getriebes 2 und der Bodenoberfläche des Sen sorteils 1 (genauer gesagt der Oberfläche der magneto-resi stiven Elemente 12a bis 12f, wobei die Oberflächen dieser magneto-resisitven Elemente 12a bis 12f gegenüber dem Ge triebe 2 angeordnet wurden) wurde jeweils auf 0 mm, 0,25 mm, 0,5 mm, 0,75 mm und 1,0 mm eingestellt, wobei das Ausgangssi gnal Vout mit einem Spannungsmeßgerät (einem Oszilloskop) 5 am Anschluß C gemessen wurde. Als Ergebnis erhielt man die in den Fig. 6A bis 6E dargestellen Charakteristika.

In diesen Fig. 6A bis 6E geben entsprechende Charakteristikalinien V1 die Ausgangssignalcharakteristika an, für den Fall, daß alle sechs magneto-resistiven Elemente 12a bis 12f in Serie miteinander verschaltet verwendet wur den, während die entsprechenden Charakteristikalinien V2 die Ausgangssignalcharakteristika angeben, wenn nur eines der magneto-resistiven Elemente 12a bis 12f (d. h. das ma gneto-resistiven Elemente 12a) verwendet wurde. Wie vorher stehend beschrieben, gibt der Zyklus T die dem Zahnabstand des Getriebes 2 entsprechende Periode an.

Wie sich augenscheinlich aus den Fig. 6A bis 6E er gibt, wurde zumindest innerhalb eines Bereiches des Luft spalts von 0 mm bis 1,0 mm das durch ein einziges magneto-re sistives Element verursachte fehlerhafte Ausgangssignal DM durch Verwendung von sechs in Serie miteinander verschalte ten magneto-resistiven Elementen 12a bis 12f gemäß dem er sten Ausführungsbeispiel vorzugsweise absorbiert.

Darüberhinaus wurde durch die Verwendung der sechs in Serie miteinander verschalteten magneto-resistiven Elemente 12a bis 12f der dynamische Bereich der entsprechenden Aus gangskurvensignale wesentlich verbessert, so daß eine binä re Kurvensignalumformverarbeitung außerordentlich einfach und sehr genau durchgeführt werden kann.

Wie vorherstehend beschrieben, kann mit dem Drehsensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf der Grundlage des zusammengesetzten - Änderungs-Kurvensignals der Widerstands werte der entsprechenden in Serie miteinander geschalteten sechs magneto-resistiven Elemente die Änderung des magneti schen Vektors als bevorzugtes Kurvensignal ohne fehlerhaf tes Ausgangssignal für einen jeweiligen Zahn des Getriebes 2 erfaßt werden.

Im vorherstehend beschriebenen Prototyp sind sechs ma gneto-resistive Elemente 12a bis 12f in einem Abstand von 0,4 mm über eine Breite von 2 mm angeordnet. In Experimenten konnte jedoch festgestellt werden, daß der das fehlerhafte Ausgangssignal hervorrufende Begrenzungsluftspalt sowie der Befestigungsabstand bzw. die Befestigungsbreite der magne to-resistiven Elemente einer in Fig. 7 dargestellten Bezie hung genügen.

Das bedeutet, daß der in Fig. 7 schräg strichlierte Be reich einen Bereich darstellt, in dem ein fehlerhaftes Aus gangssignal auftritt. Aus Fig. 7 ergibt sich, daß selbst bei kleinem Luftspalt das fehlerhafte Ausgangssignal ver mieden werden kann, wenn die Anzahl der angeordneten magne to-resistiven Elemente ausreichend groß ist. Umgekehrt ge nügt bereits eine geringe Anzahl von angeordneten magneto resistiven Elementen, wenn man einen großen Luftspalt vor sieht.

In diesem Ausführungsbeispiel ist bei einem Abstand von 0,4 mm der magneto-resistiven Elemente die Zahnoberflächen länge des Getriebes 2 1,4 mm und äquivalent zur Befesti gungsbreite MW der 3,5 magneto-resistiven Elemente. Gemäß Fig. 7 ist diese Befestigungsbreite mit MW bezeichnet.

Insbesondere wenn eine Luftspalt von ca. 1 mm sicherge stellt werden kann, können ungefähr zwei magneto-resistive Elemente innerhalb einer Breite von ungefähr der halben Zahnkopfdicke bzw. Breite des Zahnkamms befestigt werden, wodurch das Entstehen des fehlerhaften Ausgangssignals ver mieden wird. Wenn der Luftspalt auf ca. 0,5 mm eingestellt wird, so können ungefähr 4 oder 5 magneto-resistive Elemen te innerhalb einer Breite von 1 bis 1,5 mal der Breite der Zahndicke bzw. Zahnkammbreite befestigt werden, wodurch ebenso das Entstehen des fehlerhaften Ausgangssignals ver mieden wird. Beim Drehsensor gemäß diesem Ausführungsbei spiel kann durch die Anordnung von sechs magneto-resistiven Elementen 12a bis 12f oder durch eine größere Anzahl der vorherstehend beschriebenen magneto-resistiven Elemente das Entstehen des fehlerhaften Ausgangssignals zuverlässig und unabhängig von der Größe des Luftspaltes vermieden werden.

In Fig. 7 ist mit "DG" der für die Installation des Drehsensors benötigte "Totspalt" bezeichnet. Tatsächlich kann aufgrund von strukturellen Beschränkungen des Drehsen sorgehäuses der Luftspalt nicht unterhalb von ca. 0,5 mm liegen, was dem Totspalt DG entspricht. Anders gesagt kann das fehlerhafte Ausgangssignal vermieden werden, wenn die magneto-resistiven Elemente, wie vorherstehend beschrieben, mit einem Luftspalt von ca. 0,5 mm, der durch den Totspalt DG verlorengeht, in einem größeren Abstand befestigt werden als die Breite des Kamms bzw. die Zahnbreite ist.

Andererseits kann, wie vorherstehend beschrieben, der dynamische Bereich des Ausgangs-Kurvensignals wesentlich durch den Drehsensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel ver bessert werden. Insbesondere besteht gemäß Fig. 8 eine starke Abhängigkeit des Bereiches, d. h. der Empfindlich keit, vom Luftspalt.

Die Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Betrag der Änderung der Widerstandswerte der magneto-resistiven Ele mente und dem Luftspalt im Drehsensor gemäß diesem Ausfüh rungsbeispiel. Trotz einiger Unterschiede im Zahnkammver hältnis Occ des Getriebes 2 erhält man insbesondere inner halb eines Luftspaltbereichs von 0,5 bis 1,0 mm eine beson ders hohe Empfindlichkeit, wie sich aus Fig. 8 augenschein lich ergibt. Diese Empfindlichkeit entspricht im wesentli chen zwei- bis dreimal der Empfindlichkeit des Drehsensors einer gemeinsam in Fig. 8 dargestellten "45°-Vertikalanord nung" (siehe ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 3-195970). Aufgrund dieser Tatsache versteht sich von selbst, daß der binäre Kurvensignal-Umformprozeß, der nachfolgend auf das Sensorausgangssignal angewendet wird, auf einfache Weise und sehr genau durchgeführt werden kann. In diesem Fall bezeichnet die "45°-Vertikalanordnung" eine Anordnung bei der das Substrat, auf dem die magneto-resistiven Ele mente befestigt sind, vertikal zur Magnetoberfläche zum Än dern des magnetischen Vektors in der Ebene Bx-By gemäß Fig. 14A liegt und die magneto-resistiven Elemente darüberhinaus aus der vertikalen Richtung um 45° schräggestellt sind.

Da die magneto-resistiven Elemente 12a bis 12f jeweils in Drehrichtung des Getriebes 2 gegeneinander verschoben sind, besteht auch im Drehsensor gemäß diesem Ausführungs beispiel, wie vorherstehend beschrieben, ein kleiner In stallationsfehler, wobei jedoch die positionellen Beschrän kungen wesentlich vereinfacht sind.

Zweites Ausführungsbeispiel

Die Fig. 9 zeigt ein erfindungsgemäßes zweites Ausfüh rungsbeispiel des berührungslosen Drehsensors.

Gemäß Fig. 9 ist auch im Drehsensor gemäß diesem Aus führungsbeispiel grundsätzlich ein Vormagnetisierungsmagnet 8 zum Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes an ein zu er fassendes magnetisches Getriebe 7 von der Zahnrichtung des Getriebes 7 vorgesehen, sowie ein Sensorteil 6 innerhalb des Vormagnetisierungsfeldes derart angeordnet ist, daß die Drehbewegung des Getriebes 7 erfaßt werden kann.

Auch in diesem Fall ist das Sensorteil 6 derart ausge staltet, daß es den sich entsprechend der Drehbewegung des Getriebes 7 ändernden magnetischen Vektor des Vormagneti sierungsfeldes auf der Grundlage der Änderungen der Wider standswerte der parallel angeordneten magneto-resistiven Elemente erfaßt. Die Draufsicht des Aufbaus des Sensorteils 6 ist in Fig. 10 dargestellt.

Gemäß Fig. 10 besteht das Sensorteil 6 insbesondere aus einem dem Zahnkamm des Getriebes 7 gegenüberliegenden iso lierenden Substrat und 4 magneto-resistiven Elementen 62 (62a bis 62b), die parallel zum Zahnkamm des Getriebes 7 auf dem isolierenden Substrat 61 angeordnet und seriell miteinander in der Drehrichtung des Getriebes 7 elektrisch verbunden sind.

Gemäß Fig. 10 ist im Sensorteil 6 ebenso der Anschluß A mit der Konstantstromquelle 4 verbunden, während der An schluß B auf Masse liegt. Der Anschluß C ist ein Ausgangs anschluß. Die am Ausgangsanschluß C ausgegebene Spannung Vout entspricht gemäß dem magneto-resistiven Effekt der ma gneto-resistiven Elemente 62 der vom Drehsensor des ersten Ausführungsbeispiels ausgegebenen Spannung. Auf eine erneu te Beschreibung wird daher an dieser Stelle verzichtet.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ebenso einen Versuchsdrehsensor gemäß dem zweiten Ausführungsbei spiel tatsächlich hergestellt und die Versuchsergebnisse der Ausgangscharakteristika des Versuchsdrehsensors aufge nommen. Nachfolgend werden die Ergebnisse beschrieben.

Bei diesem Versuch wurde als Getriebe 7 für die Erfas sung der Drehbewegung ein Getriebe mit einem maximalen Durchmesser von 85 mm verwendet, wobei 64 Zähne vorgesehen wurden, wobei das Zahnkammverhältnis (Verhältnis der Zahn kammbreite zum Zahnabstand) 50% betrug. Wie in Fig. 9 dar gestellt, betrug in diesem Fall der Zahnabstand 2,08 mm, während die Zahnkammbreite 1,04 mm und die Dicke des Getrie bes 3 mm betrug.

Für ein derartiges Getriebe 7 wurde als Sensorteil 6 gemäß Fig. 10 ein Sensorteil verwendet, bei dem magneto-re sistive Elemente 62a bis 62d mit jeweils einer Länge von 2 mm parallel auf dem Substrat 61 mit einem Abstand von 0,4 mm über eine Breite von 1,2 mm angeordnet wurden.

Die Luftspalte zwischen den Zahnkämmen der entsprechen den Zähne des Getriebes 7 und der Bodenoberfläche des Sen sorteils 6 (genauer gesagt der Oberfläche der magneto-resi stiven Elemente 62a bis 62d; tatsächlich wurden die Ober flächen dieser magneto-resistiven Elemente 62a bis 62d dem Getriebe 7 gegenüberliegend angeordnet) wurden auf "0 mm", "0,25 mm", "0,5 mm", "0,75 mm" und "1,0 mm" eingestellt, wobei das Ausgangssignal Vout mit einem am Anschluß C angeschlos senen Spannungsmeßgerät (einem Oszilloskop) 5 gemessen wurde. Als Ergebnis erhielt man die in Fig. 11A bis 11E dargestellten Charakteristika.

Auch in den Fig. 11A bis 11E bezeichnen die Charakteri stiklinien V1 die Ausgangscharakteristika, wenn alle vier in Serie miteinander verbundenen magneto-resistiven Elemen te 62a bis 62d verwendet wurden, während die jeweiligen Charakteristiklinien V2 die Ausgangscharakteristika ange ben, wenn lediglich eines der magneto-resistiven Elemente 62a bis 62d (beispielsweise das magneto-resistive Elemente 62a) verwendet wurde. Wie vorherstehend beschrieben, gibt der Zyklus T die dem Zahnabstand des Getriebes 7 entspre chende Periode an.

Wie aus den Fig. 11A bis 11E klar hervorgeht, kann das Ausgangssignal, aufgrund dessen die Drehbewegung des Ge triebes 7 erhalten wird, leicht erkannt werden, wenn nur ein magneto-resistives Element verwendet wurde, sofern der Luftspalt in einem Bereich von 0 mm bis 0,25 mm gemäß der Fig. 11A und 11B liegt. Wenn jedoch die Luftspalte in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,0 mm gemäß der Fig. 11C bis 11E lie gen, so kann das für das Erkennen der Drehbewegung des Ge triebes 7 zuständige Ausgangssignal nur sehr schwer erhal ten werden.

Darüberhinaus war es bei der Verwendung lediglich eines magneto-resistiven Elements - obwohl man innerhalb eines Bereiches der Luftspalte von 0 mm bis 0,25 mm ein Ausgangssi gnal erhält, mit dem die Drehbewegung des Getriebes 7 er kannt werden kann - schwierig ein fehlerhaftes Ausgangssi gnal DM für den vorherstehend genannten Bereich zu vermei den.

Andererseits konnte bei Verwendung von vier in Serie miteinander geschalteten magneto-resistiven Elemente 62a bis 62d ein Ausgangssignal ohne fehlerhaftes Ausgangssignal über den gesamten Bereich der Luftspalte von 0 mm bis 1,0 mm und mit einem vorzugsweisen Wert zum Erkennen der Drehbewe gung des Getriebes 7 (Änderung des magnetischen Vektors) erhalten werden.

Demzufolge konnte ebenso mit dem Drehsensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel das fehlerhafte Ausgangssignal, wie sich aus den Meßergebnissen gemäß Fig. 11A bis 11E au genscheinlich ergibt, vermieden und der dynamische Bereich der entsprechenden Ausgangs-Kurvensignale wesentlich ver bessert werden.

Beim vorherstehenden Prototyp wurden die vier magneto resistiven Elemente 62a bis 62d mit einem Abstand von 0,4 mm über eine Breite von 1,2 mm dem Getriebe 7 mit seiner Zahn kammlänge von jeweils 1,04 mm gegenüberliegend angeordnet. Die Bedingungen zur Vermeidung des fehlerhaften Ausgangssi gnals gemäß Fig. 7 konnten somit auch durch diese Anordnung erfüllt werden. Auch in diesem Fall kann das fehlerhafte Ausgangssignal vorzugsweise vermieden werden, indem die ma gneto-resistiven Elemente über eine Breite angeordnet wer den, die breiter als die vorherstehend beschriebene Zahn kammlänge ist, wobei ein auftretender Luftspalt von ca. 0,5 mm durch den Totspalt DG verlorengeht. Ferner gelten ge mäß Fig. 7 die gleichen Bedingungen wie beim ersten Ausfüh rungsbeispiel, wonach:

(1) das fehlerhafte Ausgangssignal vermieden werden kann, wenn die Anzahl der angeordneten magneto-resistiven Elemente groß ist, selbst wenn die Luftspalten klein sind, und
(2) wenn die Luftspalten groß sind, kann die Anzahl der angeordneten magneto-resistiven Elemente gering sein.

Auch beim vorherstehend beschriebenen Drehsensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel besitzt der Installations fehler geringe Auswirkungen, weshalb die lagemäßigen Be schränkungen wesentlich vereinfacht werden können, da die magneto-resistiven Elemente 62a bis 62d in der Drehrichtung des Getriebes 7 jeweils verschoben sind.

Drittes Ausführungsbeispiel

Sowohl im vorherstehend beschriebenen ersten als auch im zweiten Ausführungsbeispiel unterliegen die magneto-re sistiven Elemente 12a bis 12f bzw. 62a bis 62d einer Kon stantstromansteuerung durch eine Konstantstromquelle 4.

Verglichen mit einem Fall, bei dem eine Brückenschal tung gemeinsam verwendet wird, kann aus diesem Grund der Aufbau des Drehsensors vereinfacht werden.

Jedoch kann gegenüber dem Aufbau eines Drehsensors die ser Ausführungsbeispiele, bei dem das fehlerhafte Ausgangs signal vermieden werden kann und man eine ausreichende Emp findlichkeit erhält, auch beim Aufbau mit der Brückenschal tung die Drehbewegung des Getriebes mit einer ausreichend hohen Genauigkeit erfaßt werden.

Genauer gesagt kann der Aufbau des ersten Ausführungs beispiels durch beispielsweise eine Anordnung gemäß Fig. 12 realisiert werden. Die Fig. 12 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Modifikation des Drehsensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als ein drittes Ausführungsbeispiel.

In diesem Fall besteht der Drehsensor gemäß Fig. 12 aus einem Sensorteil 1′, bei dem magneto-resistive Elemente 13 im rechten Winkel zu den sechs magneto-resistiven Elementen 12 auf dem isolierenden Substrat angeordnet bzw. befestigt sind, d. h. im rechten Winkel zur Anordnung der Zähne des Getriebes 2. Auch die magneto-resistiven Elemente 13 sind elektrisch mit den magneto-resistiven Elementen 12 in Serie verbunden. Diese magneto-resistiven Elemente 12 und die ma gneto-resistiven Elemente 13 stellen eine Halbbrückenschal tung auf dem isolierenden Substrat 11 dar. Die entspre chende Äquivalenzschaltung ist in Fig. 13 dargestellt.

Gemäß Fig. 13 ist der Anschluß A, der ein offenes Ende des magneto-resistiven Elements 12 darstellt, im Sensorteil 1′ mit der passenden Spannungsversorgung Vcc angeschlossen, während der Anschluß B, der das offene Ende der magneto-re sistiven Elemente 13 darstellt, auf Masse liegt. Am Verbin dungspunkt zwischen den magneto-resistiven Elementen 12 und den magneto-resistiven Elementen 13 liegt der Anschluß C, der einen Ausgangsanschluß darstellt. Am Anschluß C wird der geteilte Spannungswert der Spannungsversorgung Vcc auf grund der Widerstandswerte 12R und 13R der entsprechenden magneto-resistiven Elemente 12 und 13 als Ausgangssignal Vout des Drehsensors ausgegeben.

In diesem Fall besitzt der Widerstandswert 13R, der rechtwinklig zur Anordnung der Zähne des Getriebes 2 ange ordneten magneto-resistiven Elemente 13 einen nahezu kon stanten Wert, während lediglich der Widerstandswert 12R, der parallel zur Anordnung der Zähne des Getriebes 2 ange ordneten magneto-resistiven Elemente 12 entsprechend der Drehbewegung des Getriebes 2 sich gemäß einem Zustand nach Fig. 5B ändert.

Im vorherstehend beschriebenen Drehsensor mit Halb brückenschaltung behält der Widerstandswert 13R der magne to-resistiven Elemente 13 unabhängig von der Drehbwegung des Getriebes 2 einen nahezu konstanten Wert bei. Grund sätzlich kann daher anstelle der magneto-resistiven Elemen te 13 ein fester Widerstand verwendet werden.

Berücksichtigt man jedoch die Temperaturkompensation, die der Drehsensor aufweisen sollte, so besitzt der Aufbau gemäß Fig. 12 gewisse Vorteile. Genauer gesagt, besitzt ge mäß dem Aufbau nach Fig. 12 jedes Widerstandselement der Halbbrückenschaltung die genau gleiche Temperaturcharakte ristik, weshalb selbst bei sich ändernden Umgebungstempera turen die Genauigkeit des Ausgangssignals der Brückenschal tung vorzugsweise beibehalten werden kann.

Ferner sind gemäß dem ersten bzw. zweiten Ausführungs beispiel die sechs magneto-resistiven Elemente 12a bis 12f bzw. die vier magneto-resistiven Elemente 62a bis 62d mit gleichen Abständen angeordnet. Die Anordnung der magneto resistiven Elemente und die Anzahl der magneto-resistiven Elemente sind jedoch auf diese Werte nicht beschränkt.

Genauer gesagt, können die seriell miteinander verbun denen magneto-resistiven Elemente in jedem beliebigen Ab stand voneinander angeordnet sein und jede beliebige Anzahl besitzen, solange die magneto-resistiven Elemente das durch die entsprechenden Änderungs-Kurvensignale der Widerstands werte hervorgerufene fehlerhafte Ausgangssignal absorbie ren.

Da sich die Änderungen der Widerstandswerte bei der Drehbewegung des zu erfassenden Getriebes geringfügig ent sprechend der Positionen der einzelnen magneto-resistiven Elemente ändern, ist es möglich, das Ausgangs-Kurvensignal durch die geeignete Änderung der Abstandsanordnung der ma gneto-resistiven Elemente entsprechend der Form oder dem Zahnkammverhältnis des Getriebes oder durch Einstellung der Anzahl der anzuordnenden magneto-resistiven Elemente zu op timieren.

In der Beschreibung der beiden ersten und zweiten Aus führungsbeispiele wurde für den Fall, bei dem das zu erfas sende Getriebe 2 oder 7 quadratische Zähne oder Zähne von äquivalenter Form aufweist, d. h. die Zahnkammbreite ist gleich der Zahndicke, die zur Zahnkammbreite passende Brei tenanordnung der magneto-resistiven Elemente bereits einge hend diskutiert. Dieser Aufbau des Drehsensors kann jedoch auch in gleicher Weise auf ein zu erfassendes Getriebe an gewendet werden, deren Zähne ein dreieckige oder äquiva lente Form aufweisen.

Bei einem Getriebe mit dreieckiger oder äquivalenter Zahnform konnte festgestellt werden, daß durch die Anord nung einer Vielzahl von in Serie miteinander geschalteter magneto-resistiver Elemente über eine Breite, die der Länge von 20-75% des Zahnabstandes des Getriebes entspricht, ein Ausgangs-Kurvensignal ohne fehlerhaftes Ausgangssignal und mit einer ausreichend großen Empfindlichkeit erhalten wer den kann.

Wenn jedoch - unabhängig vom Typ des Getriebes - das Zahnkammverhältnis groß ist, so kann der magnetische Vektor nur schwer geändert werden. Aus diesem Grunde wird in den meisten Fällen ein Getriebe mit einem Zahnkammverhältnis von 25-50% verwendet.

Demzufolge ist es ausreichend, die Vielzahl von magne to-resistiven Elementen innerhalb eines Bereiches, der der Länge von 25-75% des Zahnabstandes entspricht, parallel an zuordnen, selbst wenn in der praktischen Anwendung auf den Zahnabstand umgewandelt wird.

Ferner wird in einem derartigen Aufbau des erfindungs gemäßen Drehsensors, bei dem der sich entsprechend der Drehbewegung des Getriebes ändernde magnetische Vektor des Vormagnetisierungsfeldes auf der Grundlage des zusammenge setzten Wertes der Änderungen der Widerstandswerte der ent sprechenden seriell miteinander verbundenen magneto-resi stiven Elemente erfaßt wird, die Amplitude der Kurvensi gnalkomponente, die dem fehlerhaften Ausgangssignal ent spricht, minimal im Vergleich zur absoluten Signalamplitude des Ausgangssignals.

Dies bedeutet, daß beim binären Kurvensignal-Umformpro zeß, der auf der Grundlage eines bestimmten Schwellwerts hinsichtlich des Ausgangssignals durchgeführt wird, die Existenz eines derartigen fehlerhaften Ausgangssignals ver nachlässigbar ist.

Wie vorherstehend beschrieben, kompensieren sich erfin dungsgemäß die Teile, bei denen in den Änderungs-Kurvensi gnalen der Widerstandswerte der entsprechenden magneto-re sistiven Elemente fehlerhafte Ausgangssignale erzeugt wer den, gegenseitig, wobei die Änderungen des magnetischen Vektors entsprechend der Drehbewegung des Getriebes erfaßt werden können unter Verwendung dieser Änderungskurvensigna le als Kurvensignale, die den entsprechenden Zähnen des Ge triebes entsprechen, und die kein oder ein vernachlässigba res fehlerhaftes Ausgangssignal aufweisen.

Da darüberhinaus erfindungsgemäß die entsprechenden ma gneto-resistiven Elemente parallel angeordnet sind, erhält man eine sehr empfindliche Erfassung der Drehbewegung des Getriebes (Erfassung des magnetischen Vektors entsprechend der Drehbewegung des Getriebes), wobei die großen Änderun gen der Widerstandswerte verwendet werden.

Ferner sind erfindungsgemäß die entsprechenden magneto resistiven Elemente in Drehrichtung des Getriebes seitlich verschoben, wodurch man einen geringen Einfluß des Instal lationsfehlers usw. erhält, und die positionellen Beschrän kungen im wesentlichen vereinfacht werden.

Während die vorliegende Erfindung im wesentlichen an hand der vorherstehend beschriebenen bevorzugten Ausfüh rungsbeispiele beschrieben wurde, ist es für den Fachmann klar, daß Änderungen in der Form und im Detail möglich sind, ohne hierbei vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Die Erfindung offenbart einen berührungslosen Drehsen sor, der die Drehbewegung eines Getriebes mit hoher Emp findlichkeit und Genauigkeit erfassen kann, ohne dabei ein fehlerhaftes Ausgangssignal zu erzeugen. Einem magnetischen Getriebe wird in Richtung der Zähne des Getriebes ein Vor magnetisierungsfeld über einen Vormagnetisierungsmagneten angelegt. Ein sich innerhalb des Vormagnetisierungsfeldes befindliches Sensorteil besitzt ein Substrat und eine Viel zahl von auf dem Substrat befestigten magneto-resistiven Elementen, die parallel zu den Getriebezähnen angeordnet und elektrisch seriell miteinander verbunden sind. Das Sen sorteil erfaßt den sich gemäß der Drehbewegung des Getrie bes ändernden magnetischen Vektor des Vormagnetisierungs feldes als zusammengesetzten Wert der Änderungen der Wider standswerte der seriell miteinander verbundenen magneto-re sistiven Elemente. Die Vielzahl von magneto-resistiven Ele menten sind mit einem Abstand und einer Breite derart ange ordnet, daß die Vielzahl von magneto-resistiven Elementen dem durch die Änderungs-Kurvensignale der entsprechenden Widerstandswerte während der Spannungsversorgung hervorge rufene Fehlersignal absorbiert wird.

Claims

1. Berührungsloser Drehsensor mit:

einem Vormagnetisierungsmagneten (3; 8) zum Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes an ein zu erfassendes magne tisches Getriebe (2; 7) aus einer einem Zahnvorsprung des Getriebes entsprechenden Richtung;
einer magneto-resistiven Elementegruppe, die innerhalb des Vormagnetisierungsfeldes in einer zum Zahnkamm paralle len Ebene und dem Zahnkamm gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die magneto-resistive Elementegruppe aus einer Viel zahl von magneto-resistiven Elementen (12, 12a-12f; 62, 62a-62d) besteht, die parallel zueinander und entlang einer Drehrichtung des Getriebes angeordnet, sowie seriell mit einander elektrisch verbunden sind; und
einer Stromversorgungseinrichtung (4) zur Versorgung mit einem Strom, der durch die Vielzahl von miteinander in Serie geschalteten magneto-resistiven Elementen fließt, wo bei
ein sich entsprechend der Drehbewegung des Getriebes ändernder magnetischer Vektor des Vormagnetisierungsfeldes auf der Grundlage des zusammengesetzten Wertes aller Ände rungen der Widerstandswerte der entsprechenden in Serie miteinander verbundenen magneto-resistiven Elemente erfaßt wird.

2. Berührungsloser Drehsensor nach Patentanspruch 1, wo bei ein Abstand zwischen den magneto-resistiven Elementen der magneto-resisitiven Elementegruppe derart ausgewählt ist, daß die magneto-resistive Elementegruppe ein durch die Änderungs-Kurvensignale der entsprechenden Widerstandswerte der magneto-resistiven Elemente hervorgerufenes fehlerhaf tes Ausgangssignal durch das als Ganze zusammengesetzte Kurvensignal der magneto-resistiven Elementegruppe absor biert wird, und die Anzahl der magneto-resistiven Elemente entsprechend dem Abstand eingestellt wird.

3. Berührungsloser Drehsensor nach Patentanspruch 2, wo bei die magneto-resistiven Elemente innerhalb eines Berei ches einer Länge von 0,5-1,5 der Breite des Zahnkamms des Getriebes in Drehrichtung hinsichtlich dem Abstand und der Anzahl angeordnet sind.

4. Berührungsloser Drehsensor nach Patentanspruch 2, wo bei die magneto-resistiven Elemente innerhalb eines Längen bereichs von 25-75% eines Zahnabstandes des Getriebes hin sichtlich des Abstandes und der Anzahl angeordnet sind.

5. Berührungsloser Drehsensor nach einem der Patentan sprüche 1 bis 4, wobei die Stromversorgungseinrichtung (4) derart ausgestaltet ist, daß die in Serie miteinander ver bundenen magneto-resistiven Elemente mit einem konstanten Strom angesteuert werden.

6. Berührungsloser Drehsensor nach einem der Patentan sprüche 1 bis 4, wobei:

die magneto-resistiven Elemente eine seriell zu einem Widerstand (13) elektrisch verbundene Halbbrückenschaltung ausbilden; und
die Spannungsversorgungseinrichtung zum Ansteuern der Halbbrückenschaltung ein Ende der Halbbrückenschaltung mit einer bestimmten Spannung (Vcc) versorgt, während das ande re Ende der Halbbrückenschaltung auf Masse liegt.

7. Berührungsloser Drehsensor nach Patentanspruch 6, wo bei der Widerstand (13) aus zumindest einem zweiten ma gneto-resistiven Element (13) besteht, das im rechten Win kel zu den entsprechenden magneto-resistiven Elementen (12) angeordnet ist und sich in der gleichen Ebene wie die ma gneto-resistiven Elemente (12) befindet.

8. Berührungsloser Drehsensor nach Patentanspruch 5, wo bei sich ein Ausgangsanschluß (C) am Verbindungspunkt der magneto-resistiven Elementegruppe und der Spannungsversor gung befindet und zum Erfassen der Drehbewegung des Getrie bes ein elektrisches Potential (Vout) des Ausgangsanschlus ses erfaßt wird.