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DE19732616C2 - Magnetfeld-Messgerät zur Messung der Drehung eines sich drehenden Körpers - Google Patents

Magnetfeld-Messgerät zur Messung der Drehung eines sich drehenden Körpers

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DE19732616C2
DE19732616C2 DE19732616A DE19732616A DE19732616C2 DE 19732616 C2 DE19732616 C2 DE 19732616C2 DE 19732616 A DE19732616 A DE 19732616A DE 19732616 A DE19732616 A DE 19732616A DE 19732616 C2 DE19732616 C2 DE 19732616C2
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Germany
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magnetic field
gmr
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magnetoresistance
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Masahiro Yokotani
Izuru Shinjo
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Feststellung einer Änderung eines angelegten Magnetfeldes, und betrifft insbesondere ein Meßgerät, welches besonders gut dazu geeignet ist, Information über eine Drehung zu erlangen, beispielsweise einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung.
Häufig wird ein Magnetoresistanz-Element (MR-Element; Magnetwiderstandselement) zur Feststellung eines Magnetfeldes eingesetzt. Bei einem derartigen Gerät ändert sich der Widerstand in Reaktion auf die Richtung eines Magnetfeldes, welches auf einen Dünnfilm aus einem ferromagnetischen Material (beispielsweise Ni-Fe, Ni-Co) einwirkt, in Bezug auf die Richtung eines Stroms, der durch den ferromagnetischen Dünnfilm fließt. Allerdings ist der Ausgangspegel des MR- Geräts nicht hoch genug, um eine Messung mit hoher Genauigkeit zu erreichen. Zur Lösung dieser Schwierigkeit wurde kürzlich ein Magnetfeldmeßgerät vorgeschlagen, welches ein Riesenmagnetoresistanzelement (GMR-Element) verwendet, welches ein Ausgangssignal mit hohem Pegel erzeugen kann.
Ein GMR-Element weist einen Aufbau aus mehreren Schichten auf, der abwechselnd aus aufgewachsenen Magnetschichten und unmagnetischen Schichten besteht, deren Dicke im Bereich von einigen wenigen Å bis zu einigen wenigen 10 Å reicht (10 Å sind 1 nm). Ein derartiger Mehrschichtaufbau ist als Übergitteraufbau bekannt. Spezielle Anordnungen umfassen (Fe/Cr)n, (Permalloy/Cu/Co/Cu)n, (Co/Cu)n, usw. Diese Übergitteranordnungen zeigen einen erheblich größeren Magnetoresistanzeffekt (eine Änderung der Magnetoresistanz) als konventionelle MR-Geräte. Bei diesen GMR-Bauteilen mit einem Übergitteraufbau hängt der Magnetoresistanzeffekt nur von dem Relativwinkel zwischen der Magnetisierung benachbarter magnetischer Schichten ab, und daher hängt die Änderung des Widerstands nicht von der Richtung des externen Magnetfeldes ab, welches in Bezug auf die Richtung des Stroms angelegt wurde (diese Eigenschaft wird als "Magnetfeldempfindlichkeit in der gleichen Ebene" bezeichnet).
Aufgrund der voranstehenden Vorteile wurde vorgeschlagen, ein Magnetfeldmeßgerät mit GMR-Bauteilen aufzubauen, bei welchem eine Magnetfeldmeßebene zur Erfassung der Änderung des Magnetfeldes im wesentlichen aus GMR-Bauteilen gebildet wird, bei welchen Elektroden so ausgebildet sind, daß die jeweiligen GMR-Bauteile so miteinander verbunden sind, daß eine Brückenschaltung ausgebildet wird. Die Änderung des Widerstands der GMR-Bauteile wird in eine Spannungsänderung über die Brückenschaltung umgewandelt, wodurch die Änderung des Magnetfelds erfaßt wird, welches an die GMR-Bauteile angelegt wird. Bei einem GMR-Bauteil ist es möglich, eine Hysterese bei der Abhängigkeit des Widerstands vom angelegten Magnetfeld dadurch zu erzielen, daß die Dicken der Filme der magnetischen und unmagnetischen Schichten innerhalb des Bereichs von einigen wenigen Å zu einigen wenigen 10 Å optimiert werden.
Bei einem Meßgerät, welches mit einer GMR-Brückenschaltung versehen ist, ändert sich jedoch die voranstehend geschilderte Hysterese von Bauteil zu Bauteil, infolge von Änderungen der Eigenschaften oder des Temperaturkoeffizienten bei den GMR-Bauteilen, welche die Brückenschaltung bilden. Daher tritt ein Ungleichgewicht zwischen der Widerstandsänderung von GMR-Bauteilen, die an einem Paar gegenüberliegender Seiten der Brücke angeordnet sind, und jenen der GMR-Bauteile auf, die sich an dem anderen Paar aus gegenüberliegenden Seiten befinden. Dies erschwert es, bei der Messung ein Signal mit hoher Genauigkeit zu erhalten. Eine bekannte Vorgehensweise zur Lösung des voranstehend geschilderten Problems besteht darin, ein Magnetfeldmeßgerät dadurch aufzubauen, daß GMR-Elemente so angeordnet sind, daß eine Abweichung zwischen dem Zentrum der Magnetfeldmeßebene der GMR-Bauteile und einem Magneten vorhanden ist, wodurch sichergestellt wird, daß das Meßgerät an einem Arbeitspunkt, arbeitet, an welchem eine stärkere Hysterese auftritt.
Fig. 9 zeigt schematisch ein derartiges Meßgerät, wobei in Fig. 9a bzw. 9b eine Seitenansicht bzw. eine Aufsicht dargestellt sind. Dieses Meßgerät weist auf: eine Drehwelle 1; ein Drehteil 2 aus magnetischem Material, welches als Magnetfeldänderungserzeugungsvorrichtung dient, zumindest einen vorspringenden oder ausgenommenen Abschnitt aufweist, und dazu ausgebildet ist, sich synchron zur Drehung der Drehwelle zu drehen; ein GMR-Bauteil 3, welches an einem Ort angeordnet ist, der um eine vorbestimmte Entfernung von dem Drehteil 2 aus magnetischem Material entfernt ist; und einen Magneten 4, der als Magnetfelderzeugungsvorrichtung dient, um ein Magnetfeld dem GMR-Bauteil 3 zuzuführen, wobei das GMR- Bauteil 3 ein Magnetoresistanzmuster 3a aufweist, welches als Magnetfeldmeßmuster dient, welches auf einer Dünnfilmebene (Magnetfeldmeßebene) vorgesehen ist. Weiterhin ist, wie in Fig. 9B gezeigt, das GMR-Bauteil 3 so angeordnet, daß das Zentrum der Magnetfeldmeßebene des GMR-Bauteils 3 um einen vorbestimmten Betrag L gegenüber dem Zentrum des Magneten 4 verschoben ist, beispielsweise in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung des Drehteils 2 aus magnetischen Material. Bei dieser Anordnung ändert sich das Magnetfeld, welches an die Meßebene des GMR-Bauteils angelegt wird, in Reaktion auf die Drehung des Drehteils 2 aus magnetischem Material, und tritt eine entsprechende Änderung des Widerstands bei dem Magnetoresistanzmuster 3a auf.
Fig. 10 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau des Meßgerätes, bei welchem GMR-Bauteile mit Hystereseeigenschaften verwendet werden. Dieses Meßgerät weist auf: eine Wheatstone- Brückenschaltung 11 mit GMR-Bauteilen, die um eine vorbestimmte Entfernung getrennt von dem Drehteil 2 aus magnetischem Material angeordnet sind, so daß von einem Magneten 4 ein Magnetfeld an die GMR-Bauteile angelegt wird; einen Differenzverstärker 12 zum Verstärken des Ausgangssignals der Wheatstone-Brückenschaltung 11; einen Komparator 13 zum Vergleichen des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 12 mit einem Bezugswert, und zur Ausgabe entweder eines Signals "0" oder eines Signals "1" abhängig vom Ergebnis des Vergleichs; eine Signalformschaltung 14 zum Formen der Signalform des Ausgangssignals des Komparators 13, und zum Liefern eines Signals "0" oder "1", welches steil verlaufende Anstiegs- und Abfallsflanken aufweist, an einen Ausgangsanschluß 15, sowie eine Temperaturkompensationsschaltung 20 zum Korrigieren des Betriebswertes (Schwellenwertes), der dem Komparator 13 zugeordnet ist, entsprechend den Temperaturkoeffizienten der GMR-Bauteile.
Fig. 11 ist ein Schaltbild für ein spezielles Beispiel der in Fig. 10 dargestellten Schaltung. Die Wheatstone- Brückenschaltung 11 weist GMR-Bauteile 10A, 10B, 10C und 10D auf, die an dem jeweiligen Zweig der Brücke angeordnet sind, wobei ein Ende des GMR-Bauteils 10A und ein Ende des GMR- Bauteils 10C gemeinsam über einen Schaltungsknoten 16 mit einem Stromversorgungsanschluß Vcc verbunden sind, ein Ende des GMR-Bauteils 10B und ein Ende des GMR-Bauteils 10D gemeinsam über einen Schaltungsknoten 7 an Masse angeschlossen sind, das andere Ende des GMR-Bauteils 10A und das andere Ende des GMR-Bauteils 10B mit einem Schaltungsknoten 18 verbunden sind, und das andere Ende des GMR-Bauteils 10C und das andere Ende des GMR-Bauteils 10D mit einem Schaltungsknoten 19 verbunden sind. Obwohl bei einem tatsächlich vorhandenen Gerät die GMR-Bauteile 10A, 10B, 10C und 10D getrennt in dem Magnetoresistanzmuster 3a des GMR- Bauteils 3 vorgesehen sind, werden in Fig. 9 diese GMR- Betriebe 10A, 10B, 10C und 10D insgesamt durch das GMR- Bauteil 3 dargestellt.
Der Schaltungsknoten 18 der Wheatstone-Brückenschaltung 11 ist über einen Widerstand an den invertierenden Eingang eines Verstärkers 12a angeschlossen, der als Differenzverstärker 12 ausgebildet ist. Der Schaltungsknoten 19 ist über einen Widerstand mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 12a verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 12a ist mit dem invertierenden Eingang eines Komparators 13 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Komparators 13 ist über einen Widerstand an einen Spannungsteiler angeschlossen, der als Bezugsspannungsquelle dient, wobei der nicht invertierende Eingang des Komparators 13 weiterhin über einen Widerstand an den Ausgang des Komparators 13 angeschlossen ist. Der Ausgang des Komparators 13 ist an die Basis eines Transistors 14a einer Signalformschaltung 14 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 14a ist mit einem Ausgangsanschluß 15 verbunden, und darüber hinaus an einen Spannungsversorgungsanschluß Vcc über einen Widerstand. Der Emitter des Transistors 14a liegt an Masse.
Der nicht invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 20a der Temperaturkompensationsschaltung 20 ist mit einer Tellerschaltung verbunden, die als Bezugsspannungsquelle dient, die aus Widerständen 20b und 20c besteht. Der invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 20a ist mit der voranstehend geschilderten Teilerschaltung verbunden, die als Bezugsspannungsquelle für den Komparator 13 dient. Die Widerstände 20b und 20c sind so ausgesucht, daß sie einen Temperaturkoeffizienten aufweisen, der nahe an jenem der GMR- Bauteile der Wheatstone-Brücke 11 liegt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 12 wird nachstehend der Betriebsablauf geschildert. Wenn sich das Drehteil 2 aus magnetischem Material dreht, ändert sich das an die GMR- Bauteile 10A bis 10D angelegte Magnetfeld in Reaktion auf den Durchgang der vorstehenden und ausgenommenen Abschnitte des Drehteils 2 aus magnetischem Material, wie in Fig. 12A gezeigt ist, wobei die Magnetfelder, die an die GMR-Bauteile 10A und 10D angelegt werden, phasengleich sind, wogegen die an die GMR-Bauteile 10B und 10C angelegten Magnetfelder eine entgegengesetzte Phase im Vergleich zu jenen Magnetfeldern aufweisen, die an die GMR-Bauteile 10A und 10D angelegt werden. Dies führt dazu, daß die Magnetfeldmeßebenen der GMR- Bauteile 10A, 10D und jene der Bauteile 10B und 10C eine Änderung des Magnetfelds erfahren, welche den vorspringenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2 aus magnetischem Material entspricht. Daher wird die Gesamtgröße der Änderung des Magnetfeldes in der Auswirkung viermal stärker als jene Änderung, die von einem einzigen GMR-Bauteil gemessen werden kann. Daher weisen die GMR-Bauteile 10A und 10D einen maximalen bzw. minimalen Widerstand an Orten entgegengesetzter Phase zu jenen auf, an welchen die GMR- Bauteile 10B und 10C einen maximalen bzw. minimalen Widerstand aufweisen. Die Spannungen an den Schaltungsknoten 18 und 19 (Mittelpunktsspannungen) der Wheatstone- Brückenschaltung ändern sich daher entsprechend.
Die Differenz zwischen den Mittelpunktspannungen wird durch den Differenzverstärker 12 verstärkt. Wie in Fig. 12B gezeigt, gibt daher der Differenzverstärker 12 ein Signal entsprechend dem Durchgang der vorspringenden und ausgenommenen Abschnitte des Drehteils 2 aus magnetischem Material von Fig. 12A ab. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 12 ist im wesentlichen viermal größer als das Signal, welches von einem einzelnen GMR-Bauteil erhalten werden kann. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 12 wird an den Komparator 13 angelegt, und wird mit dem Bezugswert oder Schwellenwert VTH verglichen. Der Komparator 13 gibt ein Signal "0" oder "1" entsprechend dem Vergleichsergebnis aus. Die Temperaturkompensationsschaltung 20 stellt den Bezugswert VTH, welcher der Vergleichsschaltung 13 zugeordnet ist, entsprechend dem Temperaturkoeffizienten der benutzten GMR- Bauteile ein, so daß das Meßgerät nicht durch temperaturabhängige Änderungen der Eigenschaften der GMR- Bauteile beeinflußt wird.
Das Ausgangssignal des Komparators 13 wird durch die Signalformschaltung 14 so geformt, daß ein Ausgangssignal "0" oder "1", welches steil ansteigende Anstiegsflanken und steil abfallende Abfallsflanken aufweist, an dem Ausgangsanschluß 15 erhalten wird, wie in Fig. 12C gezeigt ist, wobei das Ausgangssignal exakt den vorspringenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2 aus magnetischem Material entspricht.
Das voranstehend geschilderte Meßgerät, welches GMR-Bauteile verwendet, weist die nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 13 erläuterten Schwierigkeiten auf, welche wie Fig. 12 die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal der Signalformschaltung 14 und dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 12 entsprechend den vorspringenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2 aus magnetischem Material zeigt. Da die GMR- Bauteile eine Hysterese der Abhängigkeit des Widerstands vom angelegten Magnetfeld aufweisen, ändert sich das Ausgangssignal an den Rändern der vorspringenden und ausgenommenen Abschnitte des Drehteils 2 aus magnetischem Material. Darüber hinaus erzeugt die Hysterese einen Unterschied zwischen dem Ausgangssignal für die ausgenommenen Abschnitte und dem Ausgangssignal der vorspringenden Abschnitte.
Der Widerstand der GMR-Bauteile ändert sich daher entsprechend der Entfernung von dem Drehteil 2 aus magnetischem Material (nachstehend wird diese Entfernung einfach als der Spalt bezeichnet), und daher ändert sich der Widerstand der GMR-Bauteile in Abhängigkeit davon, ob sie einem vorspringenden Abschnitt oder einem ausgenommenen Abschnitt des Drehteils 2 aus magnetischem Material gegenüberliegen. Dies führt dazu, wie in Fig. 13B gezeigt, daß der Pegel des Ausgangssignals VDO des Differenzverstärkers 12 sich entsprechend der Größe des Spaltes ändert. Genauer gesagt nimmt bei diesem Beispiel der Ausgangspegel bei einer Verringerung des Spaltes zu. Wenn daher der Komparator 13 das Ausgangssignal VDO des Differenzverstärkers 12 mit dem Bezugswert VTH vergleicht, ändert sich der Punkt, an welchem das Ausgangssignal den Bezugswert überquert, in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangspegels. Daher ändert sich die Breite eines Impulses, der am Ausgang der Signalformschaltung 14 auftritt, wie in Fig. 13C gezeigt ist. Genauer gesagt verringert sich die Impulsbreite bei einer Verringerung des Spaltes. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Genauigkeit der Feststellung der Entsprechung zwischen dem gemessenen Ausgangssignal und den vorspringenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2 aus magnetischem Material. Um die voranstehend geschilderten, bei dem konventionellen Messgerät auftretende Schwierigkeit zu vermeiden ist es erforderlich, eine Feineinstellung durchzuführen, so dass der Bezugspegel, der dem Komparator 13 zugeordnet ist, auf einen speziellen Wert eingestellt wird, welcher die voranstehend geschilderte spaltabhängige Änderung minimalisiert. Darüber hinaus muss zusätzlich die Temperaturkompensationsschaltung 20 bei dem Messgerät vorgesehen werden, um den Bezugswert, welcher dem Komparator 13 zugeordnet ist, entsprechend dem Temperaturkoeffizienten der GMR-Bauteile zu kontrollieren.
DE 195 80 095 C2 bezieht sich auf einen Sensor, der magnetoresistive Elemente verwendet, um die Gegenwart von magnetisch permeablem Material innerhalb einer vorbestimmten Detektionszone in der Nähe eines der magnetischen Pole eines Permanentmagneten zu bestimmen. Dabei sind ein erstes und ein zweites megnetoresistives Element, welche jeweils mindestens einen Magnetfeldwiderstand umfassen, in einer Sensorebene angeordnet, die parallel zur magnetischen Achse verläuft, wobei die Magnetfeldwiderstände eine Wheatstone- Brückenschaltung bilden können. Wenn ein magnetisch permeables Objekt durch die Detektionszone des Sensors läuft, bewirkt dies eine Störung der magnetischen Flusslinien des Permanentmagneten, wodurch sich die Widerstände der Magnetfeldwiderstände ändern. Die Wheatstone-Brücke gibt dadurch Signale mit unterschiedlichen Pegelverläufen aus, um die Anwesenheit oder Abwesenheit eines magnetisch permeablen Objektes in der Detektionszone festzustellen.
WO 96/22543 A1 bezieht sich auf einen Magnetsensor, welcher durch Positionierung eines Magneten relativ zu einer magnetempfindlichen Komponente genau kalibriert werden kann. Der Magnetsensor umfasst mehrere Magnetoresistanzmuster, die in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet sein können. Wird der Magnet entlang einer vorgewählten Achse bewegt, so kann dadurch das Ausgabesignal der Brücke verändert werden. Außerdem umfasst der Magnetsensor eine Arretierungsvorrichtung zum Fixieren des Magneten in einer bestimmten Position.
DE 196 49 400 A1 bezieht sich auf einen Fühler zum. Detektieren der Veränderung eines Magnetfeldes aufgrund der Bewegung eines sich bewegenden Elements aus magnetischem Material. Der Fühler umfasst einen Magneten zum Erzeugen eines Magnetfelds, ein Drehelement aus magnetischem Material zum Verändern des durch den Magneten erzeugten Magnetfelds, eine magnetoresistive Großeinrichtung mit einem einzelnen Magnetoresistanzmuster, welches in einer Wheatstone-Brückenschaltung verschaltet ist, und einen Differentialverstärker. Dreht sich das Drehelement aus magnetischem Material, so verändert sich das an der Magnetfeld-Abtastebene der magnetoresistiven Großeinrichtung anliegende Magnetfeld, und somit ändert sich der Widerstand des Magnetoresistanzmusters entsprechend. Nach Bearbeitung des Ausgabesignals des Magnetoresistanzmusters durch den Differentialverstärker kann durch Untersuchung des Signalpegelverlaufs Information über den Drehzustand des Drehelements aus magnetischem Material ermittelt werden.
In der letztgenannten Anmeldung wird das Bereitstellen eines Ausgangssignals, welches exakt einer vorbestimmten Position (einem vorbestimmten Winkel) des Drehelements aus magnetischem Material entspricht, durch die Temperaturabhängigkeit der Messanordnung erschwert. Diese Temperaturabhängigkeit muß durch eine Temperaturkompensationsschaltung eliminiert werden, wodurch der Schaltungsaufbau aufwendig und teuer ist.
Angesichts der voranstehenden Schwierigkeiten besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Messgerätes mit einem einfachen Schaltungsaufbau, bei welchem ein Ausgangssignal erhalten werden kann, welches exakt einer vorbestimmten Position (einem vorbestimmten Winkel) entspricht, beispielsweise einem vorspringenden oder ausgenommenen Abschnitt eines sich bewegenden Teils aus magnetischem Material, ohne durch Temperaturänderungen beeinflusst zu werden.
Gemäß einer Zielrichtung der Erfindung wird ein Messgerät zur Messung der Drehung eines sich um eine vorgegebene Drehachse 1 drehenden Drehkörpers 2, der auf seinem Umfang mindestens einen vorspringenden Abschnitt 2A aufweist, zur Verfügung gestellt, welches umfasst: eine Magnetfeld- Erzeugungsvorrichtung 4, 4A, 4B zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer Magnetfeldrichtung, die auf die Drehachse 1 des Drehkörper 2 hin weist, wobei die Magnetfeld- Erzeugungsvorrichtung 4, 4A, 4B und der Drehkörper 2 in einer vorgegebenen Entfernung zueinander so angeordnet sind, dass bei der Drehung des Drehkörpers 2 durch den vorspringenden Abschnitt 2a eine Magnetfeldänderung bewirkt wird; eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 3A, 3B, 21 mit mindestens einem GMR-Bauteil 3A, 3B; 21, umfassend jeweils mindestens zwei verschiedene Magnetoresistanzmuster 3a1, 3a2, 3b1, 3b2; 21a; 21a1-21a4 mit einer jeweiligen Magnetfeldmessebene und gebildet jeweils aus einem GMR Element 10A1, 10A2, 10B1, 10B2, die so angeordnet sind, dass durch die Magnetfeldänderung eine Widerstandsänderung bewirkt wird, wobei die GMR Elemente in einer Wheatstone-Brückenschaltung 11A so verschaltet sind, dass zwei Magnetfeldänderungs-Erfassungssignale VD01, VD02 entsprechend der erfassten Magnetfeldänderung unabhängig von der Richtung der Magnetfeldänderung erzeugt werden, und wobei die Magnetoresistanzmuster so angeordnet sind, dass eine senkrechte Mittellinie durch das Zentrum der Magnetfeldmessebene zu der Magnetfeldrichtung um einen vorgegebenen Betrag L1 parallel verschoben ist, und zwar in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene, die durch die Magnetfeldrichtung und die Drehachse 1 gebildet ist; und dass der Pegelverlauf des ersten und zweiten Magnetfeldänderungs- Erfassungssignals in Abhängigkeit von der Magnetfeldänderung gleich ist, aber der Pegel des einen Signals VD01 höher liegt als der Pegel des anderen Signals VD02.
Bei dieser Anordnung wird es möglich, ein Ausgangssignal zu erhalten, welches exakt einer vorbestimmten Position (einem vorbestimmten Winkel) der Magnetfeldänderungsinduktionsvorrichtung entspricht, ohne eine Beeinflussung durch Änderungen der Eigenschaften oder Temperaturkoeffizienten der Magnetfeldmessvorrichtung, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Magnetfelderzeugungsvorrichtung mehrere Magneten 4A, 4B auf; ist jedem der GMR-Bauteile 3A, 3B jeweils ein Magnet zugeordnet; sind die GMR-Bauteile auf solche Weise angeordnet, dass das Zentrum der jeweiligen Magnetfeldmessebene jeweils eines der mehreren GMR-Bauteile gegenüber dem Zentrum des von dem Magneten austretenden Magnetfeldes des jeweils zugeordneten Magneten verschoben ist; und sind die GMR- Bauteile an Orten angeordnet, die sich voneinander in Bezug auf den eine Magnetfeldänderung bewirkenden Drehkörper unterscheiden.
Bei dieser Anordnung ist es möglich, ein Ausgangssignal zu erhalten, welches exakt einer vorbestimmten Position (einem vorbestimmten Winkel) der Magnetfeldänderungsinduktionsvorrichtung entspricht, ohne durch Änderungen der Eigenschaften oder der Temperaturkoeffizienten der Riesenmagnetoresistanzbauteile beeinflusst zu werden, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Magnetfelderzeugungsvorrichtung einen einzelnen Magneten 4 auf; ist das GMR-Bauteil 21 dem Magneten zugeordnet, wobei das GMR-Bauteil mehrere Magnetoresistanzmuster 21a1-21a4 aufweist, die auf der Magnetfeldmessebene des GMR-Bauteils vorgesehen sind, wobei die mehreren Magnetoresistanzmuster an Positionen angeordnet sind, die unterschiedliche Widerstandsänderungen ergeben und an denen die jeweiligen Magnetoresistanzmuster entsprechende Ausgangssignale mit unterschiedlichen Spitzenwerten erzeugen, wobei das Magnetoresistanzmuster mit dem geringsten Abstand zum Zentrum der Magnetfeldmessebene zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit dem größten Spitzenwert unter den mehreren Magnetoresistanzmustern die größte Änderung des Widerstands erfährt.
Bei dieser Anordnung ist es möglich, ein Ausgangssignal zu erhalten, welches exakt einer vorbestimmten Position (einem vorbestimmten Winkel) der Magnetfeldänderungsinduktionsvorrichtung entspricht, ohne durch Änderungen der Eigenschaften oder des Temperaturkoeffizienten des Riesenmagnetoresistanzbauteils beeinflusst zu werden, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird. Darüber hinaus erfordert bei dieser Anordnung das Messgerät nur einen Satz an GMR-Bauteilen sowie einen Magneten zum Anlegen eines Magnetfelds an die GMR-Bauteile. Dies gestattet eine Vereinfachung des Aufbaus, und eine Verringerung der Abmessungen des Messgeräts.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Magnetfeld an die mehreren Riesenmagnetoresistanzbauteile auf solche Weise angelegt, dass das Magnetfeld, welches an jenes Riesenmagnetoresistanzbauteil angelegt wird, welches sich auf einer Seite der Brückenschaltung befindet, eine unterschiedliche Polarität als jenes aufweist, welches an das Riesenmagnetoresistanzbauteil angelegt wird, welches auf einer anderen Seite der Brückenschaltung angeordnet ist.
Bei dieser Anordnung ist es möglich, ein Ausgangssignal zu erzielen, welches exakt einer vorbestimmten Position (einem vorbestimmten Winkel) der Magnetfeldänderungsinduktionsvorrichtung entspricht. Da der Betrieb auf der Feststellung eines Kreuzungspunktes zweier Signale mit derselben Phase beruht, wird darüber hinaus der Betrieb durch externes Rauschen weniger beeinflusst.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Meßgerät weiterhin eine Vorrichtung 12A, 13 zur Feststellung eines Kreuzungspunktes zwischen den Ausgangssignalen der Riesenmagnetoresistanzbauteile auf, die an den jeweiligen Zweigen der Brückenschaltung angeordnet sind.
Bei dieser Anordnung kann jener Komparator, der in einer hinter der Brückenschaltung angeordneten Stufe vorgesehen ist, den Vergleichsvorgang durchführen, ohne einen Bezugspegel benutzen zu müssen, und daher ist es möglich, ein Ausgangssignal zu erhalten, welches exakt einer vorbestimmten Position (einem vorbestimmten Winkel) der Magnetfeldänderungsinduktionsvorrichtung entspricht, ohne eine Beeinflussung durch Änderungen der Eigenschaften oder des Temperaturkoeffizienten des Riesenmagnetoresistanzbauteils, und daher wird die Messgenauigkeit verbessert. Darüber hinaus gestattet diese Anordnung eine Vereinfachung des Schaltungsaufbaus.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zur Erfassung des Kreuzungspunktes einen Differenzverstärker 12A mit mehreren Verstärkern 12a, 12b auf, um die Mittelpunktsspannung der Brückenschaltung zu verstärken, sowie einen Komparator 13 zum Vergleichen der Ausgangssignale der mehreren Verstärker miteinander.
Bei dieser Anordnung kann jener Komparator, der in einer hinter der Brückenschaltung angeordneten Stufe vorgesehen ist, den Vergleichsvorgang durchführen, ohne einen Bezugspegel benutzen zu müssen, und ist es daher möglich, ein Ausgangssignal zu erzielen, welches exakt einer vorbestimmten Position (einem vorbestimmten Winkel) der Magnetfeldänderungsinduktionsvorrichtung entspricht, ohne eine Beeinflussung durch Änderungen der Eigenschaften oder des Temperaturkoeffizienten des Riesenmagnetoresistanzbauteils, und daher wird die Messgenauigkeit verbessert. Darüber hinaus erlaubt diese Anordnung eine Vereinfachung des Schaltungsaufbaus.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der eine Magnetfeldänderung bewirkende Drehkörper ein Drehteil 2 aus magnetischem Material, welches zumindest einen vorspringenden oder ausgenommenen Abschnitt aufweist, und dazu ausgebildet ist, sich synchron mit einer Drehwelle zu drehen.
Bei dieser Anordnung ist es möglich, ein Ausgangssignal zu erhalten, welches exakt dem vorspringenden oder ausgenommenen Abschnitt des Drehteils aus magnetischem Material entspricht. Darüber hinaus ist es möglich, eine Verringerung der Abmessungen zu erzielen, eine Verbesserung der Messgenauigkeit, und einen verringerten Kostenaufwand.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Meßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild des grundlegenden Schaltungsaufbaus des Meßgerätes, welches GMR- Bauteile verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Schaltbild eines speziellen Beispiels für die in Fig. 2 dargestellte Schaltung;
Fig. 4 ein Signalformdiagramm zur Erläuterung des Betriebsablaufs bei der ersten Ausführungsform des Meßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Meßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Magnetoresistanzmuster eines GMR-Bauteils;
welches bei der zweiten Ausführungsform des Meßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 7 eine vergrößerte schematische Darstellung von Einzelheiten des in Fig. 6 gezeigten Magnetoresistanzmusters;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Magnetoresistanzmuster eines GMR-Bauteils, welches bei einer dritten Ausführungsform eines Meßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Meßgeräts, welches ein GMR-Bauteil verwendet;
Fig. 10 ein Blockschaltbild des grundlegenden Schaltungsaufbaus eines Meßgeräts, welches ein GMR-Bauteil verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ein Schaltbild eines speziellen Beispiels für die in Fig. 10 dargestellten Schaltung;
Fig. 12 ein Signalformdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 11 dargestellten Schaltung; und
Fig. 13 ein Signalformdiagramm zur Erläuterung einiger Schwierigkeiten, die bei dem in Fig. 9 dargestellten Meßgerät auftreten.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Seitenansicht in Fig. 1A und eine Aufsicht in Fig. 1B dargestellt ist, und wobei gleiche Bauteile und Teile wie in Fig. 9 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und insoweit hier nicht unbedingt eine erneute Beschreibung erfolgt. Dieses Meßgerät weist auf: eine Drehwelle 1; ein Drehteil 2A aus magnetischem Material, welches als Magnetfeldänderungsinduktionsvorrichtung dient, und welches zumindest einen vorspringenden oder ausgenommenen Abschnitt aufweist, und dazu ausgebildet ist, sich synchron zur Drehung der Drehwelle 1 zu drehen; GMR-Bauteile 3A und 3B, die als Magnetfeldmeßvorrichtung dienen, und an unterschiedlichen Orten angeordnet sind, die sich in vorbestimmten Abständen gegenüber dem Drehteil 2A aus magnetischem Material befinden; und Magneten 4A und 4B, die als Magnetfelderzeugungsvorrichtung dienen, um an die GMR- Bauteile 3A und 3B ein Magnetfeld anzulegen. Das GMR-Bauteil 3A weist mehrere Magnetoresistanzmuster aal und 3a2 auf, die als Magnetfeldmeßmuster dienen, die auf der Oberfläche eines Dünnfilms (Magnetfeldmeßebene) vorgesehen sind. Entsprechend weist das GMR-Bauteil 3B mehrere Magnetoresistanzmuster 3b1 und 3b2 auf, die als Magnetfeldmeßmuster dienen, die auf der Oberfläche eines Dünnfilms (Magnetfeldmeßebene) vorgesehen sind.
Bei diesem Aufbau sind, wie in Fig. 1B gezeigt, die GMR- Bauteile 3A und 3B so angeordnet, daß die Zentren der Magnetfeldmeßebenen der jeweiligen GMR-Bauteile 3A und 3B um einen vorbestimmten Betrag L1 gegenüber den Zentren der Magneten 4A und 4B verschoben sind, beispielsweise in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung des Drehteils 2A aus magnetischem Material. Der spezielle Wert für L1 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 10 mm, während der Optimalwert von den Abmessungen des GMR-Geräts abhängt.
Bei dem speziellen, in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind die GMR-Bauteile 3A und 3B an Orten angeordnet, die um vorbestimmte Entfernungen von dem Drehteil 2A aus magnetischem Material getrennt angeordnet sind, so daß der Spalt zwischen dem GMR-Bauteil 3B und dem Drehteil 2A aus magnetischem Material kleiner ist als der Spalt zwischen dem GMR-Bauteil 3A und dem Drehteil 2A aus magnetischem Material, wobei die GMR-Bauteile 3A und 3B ebenfalls voneinander um einen vorbestimmten Betrag L2 beabstandet angeordnet sind, so daß keine gegenseitige Störung der Eigenschaften zwischen den Bauteilen auftritt. Berücksichtigt man die Tatsache, daß mehrere GMR-Bauteile vorgesehen sind, so ist es wünschenswert, daß das Drehteil 2A aus magnetischem Material eine Dicke aufweist, die größer ist als jene des Drehteils 2 aus magnetischem Material, welches in Fig. 9 gezeigt ist. Alternativ hierzu kann die Dicke der jeweiligen GMR-Bauteile 3A und 3B verringert werden, statt die Dicke des Drehteils 2A aus magnetischem Material zu erhöhen. Die anderen Teile sind ebenso wie in Fig. 9 aufgebaut.
Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild ein Meßgerät, welches die voranstehend geschilderten GMR-Bauteile verwendet, welche Hystereseeigenschaften haben. Dieses Meßgerät weist auf: eine Wheatstone-Brückenschaltung 11A mit mehreren GMR-Bauteilen, die um vorbestimmte Entfernungen getrennt von dem Drehteil 2A aus magnetischem Material angeordnet sind, so daß Magnetfeld von Magneten 4A und 4B an das jeweilige GMR-Bauteil angelegt wird; eine Differenzverstärker 12A zum Verstärken des Ausgangssignals der Wheatstone-Brückenschaltung 11A, einen Komparator 13 zum Vergleichen des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 12A mit einem Bezugswert, und zur Ausgabe eines Signals "0" oder eines Signals "1" in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs; eine Signalformschaltung 14 zum Formen der Signalform des Ausgangssignals des Komparators 13, und zum Liefern eines Signals "0" oder "1", welches eine steil ansteigende bzw. steil abfallende Anstiegs- bzw. Abfallsflanke aufweist, an den Ausgangsanschluß 15.
Fig. 3 ist ein Schaltbild, welches ein spezielles Beispiel für die in Fig. 2 dargestellte Schaltung angibt. Die Wheatstone-Brückenschaltung 11A weist GMR-Bauteile 10A1, 10A2, 10B1, 10B2 auf, die an den jeweiligen Zweigen der Brückenschaltung angeordnet sind, wobei ein Ende des GMR- Elements 10A1 und ein Ende des GRM-Elements 10B1 gemeinsam an einen Spannungsversorgungsanschluß Vcc über einen Schaltungsknoten 16 angeschlossen sind, ein Ende des GRM- Bauteils 10A2 und ein Ende des GMR-Bauteils 10B2 gemeinsam über einen Schaltungsknoten 7 an Masse gelegt sind, das andere Ende des GMR-Bauteils 10A1 und das andere Ende des GMR-Bauteils 10A2 an einen Schaltungsknoten 18 angeschlossen sind, und das andere Ende des GMR-Bauteils 10B1 und das andere Ende des GMR-Bauteils 10B2 an einen Schaltungsknoten 19 angeschlossen sind. Die GMR-Bauteile 10A1 und 10A2 entsprechen dem Magnetoresistanzmuster 3a1 bzw. 3a2, die in Fig. 1 gezeigt sind. In entsprechender Weise entsprechen die GMR-Bauteile 10B1 und 10B2 dem Magnetoresistanzmuster 3b1 bzw. 3b2, die in Fig. 1 gezeigt sind. In Fig. 1 sind jedoch die Magnetoresistanzmuster 3a1 und 3a2 insgesamt als GMR-Bauteile 3A bezeichnet, und sind die Magnetoresistanzmuster 3b1 und 3b2 insgesamt als GMR-Bauteile 3B bezeichnet.
Der Schaltungsknoten 18 der Wheatstone-Brückenschaltung 11A ist über einen Widerstand an den invertierenden Eingang eines Verstärkers 12a angeschlossen, der einen Differenzverstärker 12A bildet. Der Schaltungsknoten 19 ist über einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 12b verbunden. Die nicht invertierenden Eingänge der Verstärker 12a und 12b liegen beide an Masse. Der Ausgang des Verstärkers 12a ist mit dem invertierenden Eingang eines Komparators 13 verbunden, und der Ausgang des Verstärkers 12b ist an den nicht invertierenden Eingang des Komparators 13 angeschlossen. Der nicht invertierende Eingang des Komparators 13 ist ebenfalls über einen Widerstand an den Ausgang des Komparators 13 selbst angeschlossen. Der Ausgang des Komparators 13 ist mit der Basis eines Transistors 14a einer Signalformschaltung 14 verbunden. Der Kollektor des Transistors 14a ist mit einem Ausgangsanschluß 15 verbunden, sowie über einen Widerstand mit einem Spannungsversorgungsanschluß Vcc. Der Emitter des Transistors 14a liegt an Masse.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird nachstehend der Betriebsablauf beschrieben. Wenn sich das Drehteil 2A aus magnetischem Material dreht, ändert sich das Magnetfeld, welches an die jeweiligen GMR-Bauteile angelegt wird, in Reaktion auf den Durchgang der vorstehenden und ausgenommenen Abschnitte des Drehteils 2 aus magnetischem Material, wie in Fig. 4A gezeigt ist, wobei die Magnetfelder, die an die GMR- Bauteile 10A1 und 10B1 angelegt werden, phasengleich sind, während die Magnetfelder, die an die GMR-Bauteile 10A2 und 10B2 angelegt werden, eine entgegengesetzte Phase zu jenen aufweisen, die an die GMR-Bauteile 10A1 und 10B1 angelegt werden. Dies führt dazu, daß die Magnetfeldmeßebenen der GMR- Bauteile 10A1, 10B1 und jene von 10A2 und 10B2 eine Änderung des Magnetfelds erfahren, welche den vorstehenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2A aus magnetischem Material entsprechen. Diese Bauteile zeigen daher eine entsprechende Widerstandsänderung, und daher weisen die GMR- Bauteile 10A1 und 10B1 einen maximalen und minimalen Widerstand an Orten auf, die eine entgegengesetzte Phase in Bezug auf jene Orte aufweisen, an welchen die GMR-Bauteile 10A2 und 10B2 einen maximalen bzw. minimalen Widerstand aufweisen. Die Spannungen an den Schaltungsknoten 18 und 19 (Mittelpunktspannungen) der Wheatstone-Brückenschaltung 11A ändern sich daher in entsprechender Weise.
Es wird darauf hingewiesen, daß infolge der Tatsache, daß das GMR-Bauteil 3A entsprechend den GMR-Bauteilen 10A1 und 10A2 (Magnetoresistanzmuster 3a1 und 3a2) der Wheatstone- Brückenschaltung 11A an einem Ort angeordnet sind, der weiter entfernt von dem Drehteil 2A aus magnetischem Material ist als das GMR-Bauteil 3B entsprechend den GMR-Bauteilen 10B1 und 10B2 (Magnetoresistanzmuster 3b1 und 3b2), sich die Spannung, die zwischen den Knoten 18 und 17 der Wheatstone- Brückenschaltung 11A erhalten wird, von der Spannung unterscheidet, die zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17 erhalten wird. Bei diesem speziellen Beispiel ist die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17 größer als die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 18 und 19.
Die Spannung, die zwischen den Schaltungsknoten 18 und 17 erhalten wird, wird dem Verstärker 12a des Differenzverstärkers 12A zugeführt, und mit der Bezugsspannung (Massespannung) verglichen. Die Differenz zur Bezugsspannung wird verstärkt, und daher wird eine Ausgangsspannung VDO1 entsprechend den vorstehenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2A aus magnetischem Material gemäß Fig. 4A erhalten, wie in Fig. 4B gezeigt ist.
Entsprechend wird die Spannung, die zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17 erhalten wird, dem Verstärker 12b des Differenzverstärkers 12A zugeführt, und mit der Bezugsspannung (Massespannung) verglichen. Die Differenz zur Bezugsspannung wird verstärkt, und daher wird eine Ausgangsspannung VDO2 entsprechend den vorstehenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2A aus magnetischem Material gemäß Fig. 4A erhalten, wie in Fig. 4B gezeigt ist. Wie aus Fig. 4B deutlich wird, weist die Ausgangsspannung VDO2 des Verstärkers 12b einen größeren Spitzenwertpegel auf als die Ausgangsspannung VDO1 des Verstärkers 12a, und zwar um einen Betrag, der von der Tatsache herrührt, daß das GMR-Bauteil 3B näher an dem Drehteil 2A aus magnetischem Material angeordnet ist als das GMR-Bauteil 3A.
Die Ausgangsspannungen VDO1 und VDO2 der Verstärker 12a und 12b des Differenzverstärkers 12A werden dem nicht invertierenden und dem invertierenden Eingang des Komparators 13 zugeführt, und miteinander verglichen. Dies führt dazu, daß der Komparator 13 den Kreuzungspunkt zwischen den Ausgangsspannungen VDO1 und VDO2 der Verstärker 12a und 12b entsprechend den vorstehenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2A aus magnetischem Material feststellt, wobei dann, wenn die Ausgangsspannung VDO1 größer als die Ausgangsspannung VDO2 ist, der Komparator 13 ein positives Signal ausgibt, wogegen ein negatives Signal ausgegeben wird, wenn die Ausgangsspannung VDO1 kleiner als die Ausgangsspannung VDO2 ist. Dies bedeutet, daß der Komparator 13 keinen speziellen Bezugspegel benötigt, verglichen mit dem in Fig. 11 gezeigten Beispiel. Der Differenzverstärker 12A und der Komparator 13 bilden daher eine Einrichtung zur Feststellung des Kreuzungspunktes zwischen den Ausgangssignalen, die von der Wheatstone-Brückenschaltung 11A geliefert werden.
Selbst wenn es Änderungen der Eigenschaften und der Temperaturkoeffizienten bei GMR-Bauteilen gibt, welche die Wheatstone-Brückenschaltung 11A bilden, kreuzen sich die Ausgangssignale VDO1 und VDO2 der Verstärker 12a und 12b an einem Punkt, welcher exakt jedem vorspringenden und ausgenommenen Abschnitt des Drehteils 2A aus magnetischem Material entspricht, und daher kann der Komparator hinter dem Differenzverstärker eine exakte Erfassung dadurch durchführen, daß er die Ausgangssignale VDO1 und VDO2 miteinander vergleicht, unabhängig von Änderungen der Temperaturkoeffizienten der GMR-Bauteile. Daher ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Temperaturkompensationsschaltung 20 nicht mehr erforderlich, die bei der in Fig. 11 dargestellten Schaltung dazu verwendet wird, die Bezugspegel zu steuern, welche dem Komparator 13 zugeordnet sind.
Das von dem Komparator 13 ausgebene Signal wird dann einer Signalformschaltung 14 zugeführt, und in ein Rechtecksignal umgeformt. Wenn das Ausgangssignal des Komparators 13 positiv ist, wird ein Transistor 14a in der Signalformschaltung 14 eingeschaltet, und daher wird der Ausgangspegel der Signalformschaltung 14 gleich Null. Wenn andererseits das Ausgangssignal des Komparators 13 negativ ist, so wird der Transistor 14a in der Signalformschaltung 14 ausgeschaltet, und daher weist das Ausgangssignal der Signalformschaltung 14 einen positiven Pegel mit einem bestimmten Wert auf. Dies führt dazu, daß ein Ausgangssignal mit dem Pegel 0 oder 1, welches scharf ansteigende bzw. scharf abfallende Flanken aufweist, an dem Ausgangsanschluß 15 erhalten wird, wie in Fig. 4c gezeigt ist, entsprechend den vorstehenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2A aus magnetischem Material.
Wie voranstehend geschildert sind bei der vorliegenden Ausführungsform mehrere GMR-Bauteile, die jeweils eine Hysterese bei der Abhängigkeit des Widerstands vom angelegten Magnetfeld aufweise, so angeordnet, daß die Zentren der Magnetfeldmeßebenen der jeweiligen GMR-Bauteile gegenüber den Zentren der Magneten verschoben sind, und weiterhin so, daß die Entfernungen der mehreren GMR-Bauteile von einem Drehteil aus magnetischem Material voneinander verschieden sind, wodurch ein Ausgangssignal, welches exakt den vorstehenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils aus magnetischem Material entspricht, dadurch erhalten werden kann, daß mehrere Ausgangssignale von Differenzverstärkern verglichen werden, die in einer Stufe angeordnet sind, welche einer Brückenschaltung nachgeschaltet ist, die aus den GMR- Bauteilen gebildet wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist daher der Bezugspegel im Betrieb nicht mehr erforderlich, und daher ist die voranstehend erwähnte Feineinstellung des Bezugspegels auf einen Optimalwert, der zu einer minimalen Abhängigkeit vom Spalt führt, nicht erforderlich.
Selbst wenn Änderungen der Eigenschaften und der Temperaturkoeffizienten bei GMR-Bauteilen vorhanden sind, welche die Wheatstone-Brückenschaltung bilden, kreuzen die Ausgangssignale der mehreren Verstärker des Differenzverstärkers sich an einem Punkt, welcher exakt jedem vorstehenden und ausgenommenen Abschnitt des Drehteils aus magnetischem Material entspricht, und daher kann der dem Differenzverstärker nachgeschaltete Komparator eine exakte Erfassung durchführen, unabhängig von den Änderungen der Eigenschaften oder der Temperaturkoeffizienten der GMR- Bauteile. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist daher die Temperaturkompensationsschaltung nicht mehr erforderlich, die bei der konventionellen Vorgehensweise nötig ist.
Da der Betrieb auf der Grundlage der Feststellung eines Kreuzungspunktes von zwei Signalen mit derselben Phase beruht, wird der Betrieb durch externes Rauschen weniger beeinflußt. Daher ist es möglich, ein Meßgerät mit kleinen Abmessungen, niedrigem Kostenaufwand, und hoher Genauigkeit zu erzielen, welches ein Ausgangssignal zur Verfügung stellen kann, das exakt den vorstehenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils aus magnetischem Material entspricht.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
Fig. 5 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei in Fig. 5a eine Seitenansicht und in Fig. 5b eine Aufsicht dargestellt ist, und ähnliche Bauteile und Teile wie in Fig. 9 mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet sind, und hier insoweit keine erneute Beschreibung erfolgt. Bei der vorherigen Ausführungsform sind mehrere GMR-Bauteile, die jeweils eine Hysterese der Abhängigkeit des Widerstands vom angelegten Magnetfeld aufweisen, so angeordnet, daß die Zentren der Magnetfeldmeßebenen der jeweiligen GMR-Bauteile gegenüber den Zentren der Magneten verschoben sind, und weiterhin so, daß die Entfernungen der mehreren GMR-Bauteile von einem Drehteil aus magnetischem Material voneinander verschieden sind. Stattdessen werden bei der vorliegenden Ausführungsform entsprechende Auswirkungen dadurch erzielt, daß Magnetoresistanzmuster auf der Magnetfeldmeßebene von GMR- Bauteilen entsprechend angeordnet werden.
Das vorliegende Meßgerät weist auf: eine Drehwelle 1; ein Drehteil 2 aus magnetischem Material, welches zumindest einen vorstehenden oder ausgenommenen Abschnitt aufweist, und dazu ausgebildet ist, sich synchron zur Drehung der Drehwelle 1 zu drehen; ein GMR-Bauteil 21, welches an einem Ort eine vorbestimmte Entfernung entfernt von dem Drehteil 2 aus magnetischem Material angeordnet ist; und einen Magneten zum Anlegen eines Magnetfeldes an das GMR-Bauteil 21. Wie in Fig. 6 gezeigt weist das GMR-Bauteil 21 ein Magnetfeldmeßmuster auf, welches mehrere Magnetoresistanzmuster 21a umfaßt, die auf der Oberfläche eines Dünnfilms (einer Magnetfeldmeßebene) 21b vorgesehen sind. Wie in Fig. 5B gezeigt, ist bei diesem Aufbau das GMR- Bauteil 21 so angeordnet, daß das Zentrum der Magnetfeldmeßebene des GMR-Bauteils 21 um einen vorbestimmten Betrag L1 gegenüber dem Zentrum des Magneten 4 verschoben ist, beispielsweise in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung des Drehteils 2 aus magnetischem Material. Der spezielle Wert für L1 kann auf ähnliche Weise wie bei der vorherigen Ausführungsform ausgewählt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Magnetoresistanzmuster 21a auf der Magnetfeldmeßebene 21b des GMR-Bauteils 21 so ausgebildet, daß ein Magnetoresistanzmuster, welches als ein GMR-Bauteil zur Erzeugung eines größeren Ausgangssignalspitzenwertes dient, an einem Ort auf der Magnetfeldmeßebene 21b angeordnet ist, welcher die größte Widerstandsänderung ergibt, und das andere Magnetoresistanzmuster, welches als ein GMR-Bauteil zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit niedrigerem Spitzenwert dient, an einem Ort auf der Magnetfeldmeßebene 21b angeordnet ist, der eine kleinere Widerstandsänderung ergibt, wodurch es ermöglicht wird, mehrere Ausgangssignale mit unterschiedlichen Spitzenwerten über einen Differenzverstärker eines Meßgeräts zu erhalten. Die Schaltung für die vorliegende Ausführungsform kann ebenso wie in Fig. 2 und 3 gezeigt aufgebaut sein, und daher werden bezüglich der vorliegenden Ausführungsform keine weiteren Figuren vorgesehen. Anders als bei der vorherigen Ausführungsform, bei welcher zwei Magneten 4A und 4B verwendet werden, wie in dem Blockschaltbild von Fig. 2 gezeigt ist, wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein einzelner Magnet 4 verwendet. Der Betriebsablauf bei der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich wie bei der vorherigen Ausführungsform, wie dies unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben wurde, und daher erfolgt hier nicht eine erneute Beschreibung.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für das Layout der Magnetoresistanzmuster des GMR-Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in Fig. 7 gezeigt, sind Magnetoresistanzmuster 21a1, 21a2, 21a3 und 21a4 auf der Magnetfeldmeßebene des entsprechenden GMR-Bauteils so vorgesehen, daß die Magnetoresistanzmuster 21a3 und 21 4 entsprechend den GMR-Bauteilen 10B1 und 10B2 der Wheatstone- Brückenschaltung 11A in Fig. 3 an der Position der Magnetfeldmeßebene angeordnet sind, welche die stärkste Änderung des Widerstands ergibt, also im Zentrum der Magnetfeldmeßebene. Andererseits sind die Magnetoresistanzmuster 21a1 und 21a2 entsprechend den GMR- Bauteilen 10A1 und 10A2 an Positionen angeordnet, welche die Magnetoresistanzmuster 21a3 und 21a4 umgeben.
Die GMR-Bauteile, welche aus den voranstehend geschilderten Magnetoresistanzmustern bestehen, sind so angeordnet, daß das Zentrum der Magnetfeldmeßebene 21b um einen vorbestimmten Betrag L1 gegenüber dem Zentrum des Magneten 4 in einer bestimmten Richtung in Bezug auf das Drehteil 2 aus magnetischem Material verschoben ist. Wie voranstehend geschildert sind die GMR-Bauteile jeweils in einem zugehörigen Zweig der Wheatstone-Brückenschaltung 11A von Fig. 3 so angeordnet, daß das GMR-Bauteil entsprechend dem Magnetoresistanzmuster 21a1 zwischen den Schaltungsknoten 16 und 18 angeordnet ist, das GMR-Bauteil entsprechend dem Magnetoresistanzmuster 21a2 zwischen den Schaltungsknoten 18 und 17 angeordnet ist, das GMR-Bauteil entsprechend dem Magnetoresistanzmuster 21a3 zwischen den Schaltungsknoten 16 und 19 angeordnet ist, und das GMR-Bauteil entsprechend dem Magnetoresistanzmuster 21a4 zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17 angeordnet ist. Als Ergebnis der voranstehenden Anordnung wird die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 18 und 17 anders als die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17. Genauer gesagt wird die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 19 und 71 größer als die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 18 und 17.
Auch bei der vorliegenden Ausführungsform gibt daher der Verstärker 12a des Differenzverstärkers 12A einen Spannung VDO1 aus, die einen größeren Spitzenwertpegel hat, wogegen der Verstärker 12b eine Spannung VDO2 mit kleinerem Spitzenwertpegel ausgibt. Die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17 oder die Ausgangsspannung VDO2 des Verstärkers 12b weist daher einen größeren Spitzenwertpegel auf als die Ausgangsspannung VDO1 des Verstärkers 12a, und zwar um einen Betrag, der von der Tatsache herrührt, daß das Magnetoresistanzmuster 21a3, welches als das GMR-Bauteil dient, das zwischen den Schaltungsknoten 16 und 19 angeordnet ist, und das Magnetoresistanzmuster 21a4, welches als das GMR-Bauteil dient, das zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17 angeordnet ist, an der Position auf der Magnetfeldmeßebene angeordnet sind, welche die größte Änderung des Widerstands ergibt, wogegen das Magnetoresistanzmuster 21a1, das als das GMR-Bauteil dient, das zwischen den Schaltungsknoten 16 und 18 angeordnet ist, und das Magnetoresistanzmuster 21a2, das als das GMR-Bauteil dient, das zwischen den Schaltungsknoten 18 und 17 angeordnet ist, an der Position angeordnet sind, welche eine kleinere Widerstandsänderung ergibt.
Der Komparator 13 vergleicht die Ausgangsspannungen VDO1 und VDO2 der Verstärker 12a und 12b in dem Differenzverstärker 12A miteinander. Das Ausgangssignal, welches das Ergebnis des Vergleichs darstellt, wird durch die Signalformschaltung 14 geformt. Daher ist es möglich, ein Ausgangssignal mit dem Pegel 0 oder 1 zu erhalten, welches steile Anstiegs- und Abfallsflanken aufweist, die exakt den vorspringenden und ausgenommenen Abschnitten des Drehteils 2A aus magnetischem Material entsprechen.
Wie voranstehend geschildert sind bei der vorliegenden Ausführungsform die GMR-Bauteile, die eine Hysterese bei der Abhängigkeit des Widerstands vom angelegten Magnetfeld aufweisen, so angeordnet, daß das Zentrum der Magnetfeldmeßebene der GMR-Bauteile gegenüber dem Zentrum des Magneten verschoben ist, wobei die Magnetoresistanzmuster auf der Magnetfeldmeßebene der GMR-Bauteile auf solche Weise angeordnet sind, daß das Magnetoresistanzmuster, welches als das GMR-Bauteil zur Erzeugung eines größeren Ausgangssignalspitzenwertes dient, an einem Ort auf der Magnetfeldmeßebene angeordnet ist, der die größte Widerstandsänderung ergibt, und das andere Magnetoresistanzmuster, welches als das GMR-Bauteil zur Erzeugung eines niedrigeren Ausgangssignalspitzenwertes dient, an einem Ort auf der Magnetfeldmeßebene angeordnet ist, der einen kleinere Widerstandsänderung ergibt, wodurch es ermöglicht wird, mehrere Ausgangssignale zu erhalten, die unterschiedliche Spitzenwerte haben, über den Differenzverstärker des Meßgeräts, wodurch ähnliche Auswirkungen wie bei der vorherigen Ausführungsform erzielt werden können. Anders als bei der vorherigen Ausführungsform erfordert die vorliegende Ausführungsform nur eine Gruppe an GMR-Bauteilen und einen Magneten zum Anlegen eines Magnetfeldes an die GMR-Bauteile. Dies gestattet eine Vereinfachung des Aufbaus, und eine Verringerung der Abmessungen des Meßgeräts.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
Fig. 8 ist eine Aufsicht auf eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher ähnliche Bauteile und Teile wie in Fig. 7 durch entsprechende Bezugszeichen bezeichnet sind, und diese hier nicht unbedingt erneut beschrieben werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind einige der Magnetoresistanzmuster, die auf der Magnetfeldmeßebene von in Fig. 7 gezeigten GMR-Bauteilen vorgesehen sind, in Untermuster unterteilt. Bei dem speziellen Beispiel von Fig. 8a sind die Magnetoresistanzmuster 21a1 und 21a2 jeweils in zwei Teile unterteilt, und sind die Magnetoresistanzmuster horizontal in folgender Reihenfolge angeordnet: 21a2, 21a3, 21a2, 21a1, 21a4 und 21a1. Bei dem in Fig. 8b gezeigten Beispiel sind die Magnetoresistanzmuster 21a1 und 21a2 jeweils in zwei Teile unterteilt, und sind die Magnetoresistanzmuster 21a1, 21a4 und 21a1 von oben nach unten auf der rechten Seite angeordnet, und sind die Magnetoresistanzmuster 21a2, 21a3 und 21a2 von oben nach unten auf der linken Seite angeordnet.
Die GMR-Bauteile, welche aus den voranstehend geschilderten Magnetoresistanzmustern bestehen, sind so angeordnet, daß das Zentrum der Magnetfeldmeßebene 21b um einen vorbestimmten Betrag L1 gegenüber dem Zentrum des Magneten 4 in einer bestimmten Richtung in Bezug auf das Drehteil 2 aus magnetischem Material verschoben ist. Wie voranstehend geschildert sind die GMR-Bauteile auf den jeweiligen Zweigen der Wheatstone-Brücke 11A von Fig. 3 so angeordnet, daß das GMR-Bauteil, welches aus zwei Magnetoresistanzmustern 21a1 besteht, zwischen den Schaltungsknoten 16 und 18 angeordnet ist, das GMR-Bauteil, welches aus zwei Magnetoresistanzmustern 21a2 besteht, zwischen den Schaltungsknoten 18 und 17 angeordnet ist, das GMR-Bauteil entsprechend dem Magnetoresistanzmuster 21a3 zwischen den Schaltungsknoten 16 und 19 angeordnet ist, und das GMR- Bauteil entsprechend dem Magnetoresistanzmuster 21a4 zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17 angeordnet ist. Infolge der voranstehend geschilderten Anordnung wird die Spannung zwischen den Knoten 18 und 17 anders als die Spannung zwischen dem Schaltungsknoten 19 und 17. Genauer gesagt wird die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 19 und 17 größer als die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 18 und 17.
Bei der in Fig. 8a gezeigten Anordnung der Muster sind die Magnetoresistanzmuster 21a3 und 21a4 an einer Position entsprechend dem Spitzenwert der Widerstandsänderung angeordnet, und sind die Magnetoresistanzmuster 21a2 und 21a1, die auf beiden Seiten der Magnetoresistanzmuster 21a3 und 21a4 angeordnet sind, an Positionen angeordnet, welche einen bestimmten Bereich der Widerstandseigenschaften entsprechen, in welchem sich der Widerstand mit einem bestimmten Gradienten ändert. Die vorliegende Ausführungsform kann daher ähnliche Auswirkungen erzielen wie jene, die bei der voranstehend geschilderten zweiten Ausführungsform erreicht werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
Obwohl bei den vorherigen Ausführungsformen ein Drehteil aus magnetischem Material, welches sich synchron zur Drehung einer Drehwelle dreht, als bewegliches Teil aus magnetischem Material verwendet wird, welches als Magnetfeldanlegungsvorrichtung dient, können entsprechende Auswirkungen auch durch Verwendung eines sich bewegenden Teils aus einem magnetischen Material erzielt werden, welches sich linear bewegt.

Claims (7)

1. Meßgerät zur Messung der Drehung eines sich um eine vorgegebene Drehachse (1) drehenden Drehkörpers (2), der auf seinem Umfang mindestens einen vorspringenden Abschnitt (2A) aufweist, umfassend:
  • 1. eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung (4, 4A, 4B) zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer Magnetfeld­ richtung, die auf die Drehachse (1) des Drehkörper (2) hin weist;
  • 2. wobei die Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung (4, 4A, 4B) und der Drehkörper (2) in einer vorgegebenen Entfernung zueinander so angeordnet sind, daß bei der Drehung des Drehkörpers (2) durch den vorspringenden Abschnitt (2a) eine Magnetfeldänderung bewirkt wird;
  • 3. eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung (3A, 3B, 21) mit mindestens einem GMR-Bauteil (3A, 3B; 21), umfassend jeweils mindestens zwei verschiedene Magnetoresistanzmuster (3a1, 3a2, 3b1, 3b2; 21a; 21a1-21a4) mit einer jeweiligen Magnetfeldmeßebene und gebildet jeweils aus einem GMR Element (10A1, 10A2, 10B1, 10B2), die so angeordnet sind, daß durch die Magnetfeldänderung eine Widerstandsänderung bewirkt wird;
  • 4. wobei die GMR Elemente in einer Wheatstone- Brückenschaltung (11A) so verschaltet sind, daß zwei Magnetfeldänderungs-Erfassungssignale (VD01, VD02) entsprechend der erfassten Magnetfeldänderung unabhängig von der Richtung der Magnetfeldänderung erzeugt werden; und
  • 5. wobei die Magnetoresistanzmuster so angeordnet sind,
  • - daß eine senkrechte Mittellinie durch das Zentrum der Magnetfeldmeßebene zu der Magnetfeldrichtung um einen vorgegebenen Betrag (L1) parallel verschoben ist, und zwar in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene, die durch die Magnetfeldrichtung und die Drehachse (1) gebildet ist; und
  • - daß der Pegelverlauf des ersten und zweiten Magnetfeldänderungs-Erfassungssignals in Abhängigkeit von der Magnetfeldänderung gleich ist, aber der Pegel des einen Signals (VD01) höher liegt als der Pegel des anderen Signals (VD02).
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Magnetfelderzeugungsvorrichtung mehrere Magneten (4A, 4B) aufweist;
jedem der GMR-Bauteile (3A, 3B) jeweils ein Magnet zugeordnet ist;
die GMR-Bauteile auf solche Weise angeordnet sind, daß das Zentrum der jeweiligen Magnetfeldmessebene jeweils eines der mehreren GMR-Bauteile gegenüber dem Zentrum des von dem Magneten austretenden Magnetfeldes des jeweils zugeordneten Magneten verschoben ist; und
die GMR-Bauteile an Orten angeordnet sind, die sich voneinander in Bezug auf den eine Magnetfeldänderung bewirkenden Drehkörper unterscheiden.
3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Magnetfelderzeugungsvorrichtung einen einzelnen Magneten (4) aufweist;
das GMR-Bauteil (21) dem Magneten zugeordnet ist, wobei
das GMR-Bauteil mehrere Magnetoresistanzmuster (21a1-­ 21a4) aufweist, die auf der Magnetfeldmeßebene des GMR- Bauteils vorgesehen sind, wobei die mehreren Magnetoresistanzmuster an Positionen angeordnet sind, die unterschiedliche Widerstandsänderungen ergeben und an denen die jeweiligen Magnetoresistanzmuster entsprechende Ausgangssignale mit unterschiedlichen Spitzenwerten erzeugen, wobei das Magnetoresistanzmuster mit dem geringsten Abstand zum Zentrum der Magnetfeldmessebene zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit dem größten Spitzenwert unter den mehreren Magnetoresistanzmustern die größte Änderung des Widerstands erfährt.
4. Meßgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß:
ein Magnetfeld an die mehreren Riesenmagnetoresistanzbauteile auf solche Weise angelegt wird, daß das Magnetfeld, welches an jenes Riesenmagnetoresistanzbauteil angelegt wird, welches sich auf einer Seite der Brückenschaltung befindet, eine unterschiedliche Polarität als jenes aufweist, welches an das Riesenmagnetoresistanzbauteil angelegt wird, welches auf einer anderen Seite der Brückenschaltung angeordnet ist.
5. Meßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (12A, 13) zur Feststellung eines Kreuzungspunktes zwischen den Ausgangssignalen der Riesenmagnetoresistanzbauteile vorgesehen ist, die an den jeweiligen Zweigen der Brückenschaltung angeordnet sind.
6. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erfassung des Kreuzungspunktes einen Differenzverstärker (12A) mit mehreren Verstärkern (12a, 12b) aufweist, um die Mittelpunktsspannung der Brückenschaltung zu verstärken, sowie einen Komparator (13) zum Vergleichen der Ausgangssignale der mehreren Verstärker miteinander.
7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Magnetfeldänderung bewirkende Drehkörper ein Drehteil (2) aus magnetischem Material ist, welches zumindest einen vorspringenden oder ausgenommenen Abschnitt aufweist, und dazu ausgebildet ist, sich synchron mit einer Drehwelle zu drehen.
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