DE19640695A1

DE19640695A1 - Magnetoresistiver Sensor mit temperaturstabilem Nullpunkt

Info

Publication number: DE19640695A1
Application number: DE19640695A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Marx; Franz Dr Jost
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1998-04-09
Also published as: WO1998014792A1; EP0864101A1; KR19990071701A; JP2000501514A; US6104187A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Sensor mit temperaturstabilem Nullpunkt, insbesonders einen magnetoresistiven Winkelsensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, magnetoresistive Sensoren zur berührungslosen Erfassung von Zustandsänderungen, beispielsweise zur Winkelmessung an einem drehbar gelagerten Teil zu verwenden. Solche magnetoresistiven Sensoren umfassen üblicherweise magnetfeldabhängige Widerstände, die in einer Brücke geschaltet sind und von einem Steuerstrom, der an einer Brückendiagonale eingespeist wird, durchflossen werden.

Wird ein solcher magnetoresistiver Sensor durch ein Magnetfeld beeinflußt, stellt sich an der anderen Brückendiagonale eine Spannung ein, deren Höhe vom Magnetfeld bzw. von der Richtung des Magnetfeldes bezogen auf den Sensor abhängt. Der Zusammenhang zwischen der Brückenspannung und der Magnetfeldrichtung wird bei den berührungslosen AMR (Anisotropic Magneto Resistance)- Winkelgeber zur Meßwerterfassung ausgenutzt. Damit eine genaue Messung überhaupt möglich ist, muß zunächst ein Nullpunkt definiert werden bzw. es muß ein Abgleich des Sensors durchgeführt werden.

Aus der DE 05 43 36 482 ist ein Verfahren zum Abgleich eines magnetoresistiven Sensors bekannt, mit dem der Offsetfehler ausgeglichen werden kann. Dazu wird der magnetoresistive Sensor, der als Brückenschaltung aufgebaut ist, mit einem homogenen definiert ausgerichteten Magnetfeld beaufschlagt und an den Stromkontakten der Brückenschaltung wird ein definierter Steuerstrom angelegt. Die sich dann einstellende Spannung an den anderen Kontakten wird laufend gemessen, wobei der magnetoresistive Sensor mit Hilfe eines Lasers solange bearbeitet wird, bis die Offsetspannung bei angelegtem Magnetfeld gleich Null wird.

Da magnetoresistive Sensoren üblicherweise eine temperaturabhängige Ausgangsspannung liefern, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen magnetoresistiven Winkelsensor mit temperaturstabilem Nullpunkt aufzubauen bzw. einen herkömmlichen magnetoresistiven Sensor einem Abgleichverfahren zu unterziehen, das sicherstellt, daß eine maximale Temperaturstabilität am Nullpunkt erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Sensor mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit temperaturstabilem Nullpunkt hat den Vorteil, daß ein herkömmlicher magnetoresistiver Sensor eingesetzt werden kann und daß dennoch ein temperaturstabiler Nullpunkt einstellbar ist, ohne daß der grundsätzliche Aufbau des magnetoresistiven Sensors verändert werden muß.

Erzielt wird dieser Vorteil, indem zunächst der geeignete Nullpunkt des magnetoresistiven Sensors gesucht wird. Dazu wird z. B. bei einem Winkelsensor der magnetoresistive Sensor einem sich drehenden Magnetfeld ausgesetzt und es wird der Winkelfehler, also die Differenz zwischen dem gemessenen Winkel und dem tatsächlich vorhandenen Winkel ermittelt. Diese Winkelabweichung wird bei verschiedenen Temperaturen ermittelt, wobei zwei verschiedene Temperaturen genügen. Ein Vergleich der bei verschiedenen Temperaturen gemessenen Winkelabweichungen zeigt, daß für einige Referenzwinkel eine besonders kleine Winkelabweichung auftritt. Dies ist eine Eigenschaft der magnetoresistiven Sensoren, die reproduzierbar ist und sich auch mittels Simulation bestätigen läßt. Wird ein Winkel, bei dem die Winkelabweichung nur wenig von der Temperatur abhängt als Nullpunktswinkel ausgewählt, wird die gewünschte Temperaturstabilität des Nullpunkts erhalten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen im einzelnen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines an sich bereits bekannten magnetoresistiven Sensors. In Fig. 2 ist der Winkelfehler abhängig vom Winkel aufgetragen, wobei die erhaltenen Werte für eine Messung gelten. Die Fig. 3 und 4 zeigen weitere Zusammenhänge aus einer Simulationsrechnung. In Fig. 5 ist die Ableitung des Winkelfehlers über der Winkelstellung aufgetragen und Fig. 6 zeigt gemessene Winkelabweichungen über dem Referenzwinkel aufgetragen für verschiedene Temperaturen, wobei die als Sonderwinkel geeigneten Bereiche mit minimaler Temperaturabhängigkeit gekennzeichnet sind.

Beschreibung

In Fig. 1 ist ein Beispiel eines berührungslosen magnetoresistiven Sensors dargestellt, mit zwei gegeneinander um 45° verdrehten AMR-Sensorelementen (Anisotropic Magneto Resistance), die beim Ausführungsbeispiel als Widerstandsbrücken aufgebaut sind, jedoch auch anders ausgeführt sein könnten 10, 11. Den AMR-Sensorelementen 10, 11 wird ein Strom I zugeführt.

Werden die beiden gegeneinander um einen Winkel von 45° verdrehten Sensorelemente 10, 11 vom Strom I durchflossen, stellen sich an den Brückendiagonalen der Sensorelemente 10, 11 die Spannungen U1, U2 ein, die z. B. in einer Auswerteschaltung 12 zur Winkelmessung auswertbar sind.

Wird ein Sensor wie er in Fig. 1 dargestellt ist, als berührungsloser Winkelsensor eingesetzt, beispielsweise zur Messung der Drosselklappenstellung oder als Pedalwertgeber, ist es für die Auswertung erforderlich, sicherzustellen, daß die Nullpunktlage des Sensors temperaturstabil ist. Der Nullpunkt des Winkelsensors wird durch das Steuergerät bei einer bestimmten Temperatur festgelegt. Der so festgelegte elektronische Nullpunkt sollte sich nur geringfügig mit der Temperatur ändern, da andernfalls Probleme mit der Leerlaufregelung bzw. mit einem mechanischen Anschlag auftreten können.

Die Verringerung der Temperaturabhängigkeit am Nullpunkt wird bei herkömmlichem Einsatz von AMR-Sensoren beispielsweise durch eine aufwendige Beschaltung oder durch den Einsatz spezieller Filter erzielt. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein anderer Weg beschritten, der auf der Erkenntnis beruht, daß es bestimmte Winkel gibt, bei denen der Winkelfehler bzw. die Temperaturabhängigkeit des Winkelfehlers minimal ist. Daß es solche Sonderwinkel gibt, bei denen minimale Temperaturabhängigkeit auftritt, kann sowohl durch Simulation als auch durch Messungen ermittelt werden. Wird ein solcher Sonderwinkel als Nullpunktswinkel festgelegt, wird die gewünschte Temperaturstabilität erhalten.

Das Verfahren, nach dem der Sonderwinkel, also der Winkel, der später als Nullpunktswinkel dient, ermittelt wird, läßt sich wie folgt beschreiben: In einem drehenden Magnetfeld wird zunächst bei Raumtemperatur T1 die Winkelabweichung bestimmt, dazu wird die Ausgangsspannung U(Φ, t) in Abhängigkeit von der Magnetfeldrichtung gemessen, wobei beispielsweise über die gesamten 360° gemessen werden kann.

Da die Sensorelemente aus magnetoresistiven Widerständen bestehen, kann durch Anlegen eines höheren Stromes durch die Sensoren bzw. die Sensorbrücke diese auf eine höhere Temperatur T2 erwärmt werden. Nach Erreichen dieser zweiten Temperatur T2 wird erneut die Winkelabweichung ermittelt, wobei als Winkelabweichung die Größe angenommen wird, um die sich die mit Hilfe des Sensors gemessene Magnetfeldrichtung von der tatsächlichen unterscheidet. Werden die beiden Winkelabweichungen über dem Winkel aufgetragen, ergeben sich mehrere Schnittpunkte der beiden Kurven. Jeder dieser Schnittpunkte stellt einen Sonderwinkel dar, der als elektronischer Nullpunkt verwendet werden kann.

Werden die Messungen bei verschiedenen Temperaturen T1, T2, T3, . . .) wiederholt, ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte Zusammenhang zwischen der Winkelabweichung und dem Referenzwinkel bzw. Sonderwinkel, der der Richtung des Magnetfeldes entspricht. Die für verschiedene Temperaturen erhaltenen Kurven schneiden sich alle bei bestimmten Winkeln, die die bereits erwähnten Sonderwinkel darstellen.

Bei der Montage des Sensors im Gehäuse oder bei der Montage des Magneten relativ zum Sensor bzw. relativ zum Sensorgehäuse wird berücksichtigt, daß als Nullpunkt einer der erhaltenen Sonderwinkel verwendet wird. Der exakte Abgleich kann gegebenenfalls durch eine elektronische Korrektur erfolgen.

Durch das beschriebene Verfahren zur Bestimmung einer temperaturstabilen Nullpunktslage und dem anschließenden Zusammenbau von Sensor und abzutastendem Magneten kann prinzipiell auch eine lineare Korrektur des Offsets in einem bestimmten Winkelbereich erfolgen, wodurch sich die Winkelgenauigkeit weiter erhöhen läßt.

Grundsätzlich läßt sich das Verfahren auch auf Wegmessungen ausdehnen, wobei dann wiederum Spannungsverläufe des Ausgangssignals des Sensors bei verschiedenen Temperaturen wegabhängig aufzunehmen und miteinander zu vergleichen sind, zur Ermittlung wenigstens eines Sonderpunktes mit geringer T-Abhängigkeit.

Wie sich in einer Computersimulation zeigen läßt, gibt es gewisse Vorzugslagen bzw. Vorzugswinkel, für die die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignales der magnetoresistiven Sensoren minimal wird. Ein Beispiel einer solchen Simulationsrechnung soll nun beschrieben werden. Es werden dabei folgende Abkürzungen bzw. Zusammenhänge eingesetzt:

wobei gilt:
Φ: mechanischer, zu bestimmender Winkel
t: Temperatur des Sensors in °C
α, β, γ, δ, A1, A2, O1, O2, σ: beispielhafte Faktoren.

Für die Spannungen gelten folgende Zusammenhänge:

Spannungsverläufe:
Beispiele:
U1d(t) = (A1) _* (1 + α _* (t-20))
U1d(20) = 1
U2d(t) = (A2) _* (1 + p _* (t-20))	U2d(20) = 1
U10(t) = (O1) _* (1 + 7 _* (t-20)) U10(20) = 0,005 @	U20(t) = (O2) [1 + δ _* (t-20) + σ (t-20)²)	U20(30) = -0,00555
U1(Φ,t) = UIO(t) + U1d(t) _* cos(2Φ) @	U2(Φ,t) = U20(t) + U2d(t) _* sin(2Φ) @	U(Φ,t) = U1(Φ,t) + j _* U2(Φ,t)

wobei gilt:
U1d(t): Amplitude der temperaturabhängigen Spannung des ersten Sensorelements 10
U2d(t): Amplitude der temperaturabhängigen Spannung des zweiten Sensorelements 11
U10(t): Offsetspannung des ersten Sensorelements 10
U20(t): Offsetspannung des zweiten Sensorelements 11
U1(Φ,t): Sensorsignal des ersten Sensorelements 10
U2(Φ,t): Sensorsignal des zweiten Sensorelements 11
U(Φ,t): Gesamte Ausgangsspannung des Sensors (Ellipse in der komplexen Ebene).

Unter Berücksichtigung daß die Phasendifferenzen zweier komplexer Zahlen gleich der Phase des Produkts ist [argz1-argz2 = arg(z1 _* z2)) ergibt sich:

Mit Δ(Φ,t) ist der Winkelfehler bezeichnet, er ist die Differenz aus dem elektrisch gemessenen Winkel und dem doppelten mechanischen Winkel. Mit mechanischem Winkel ist der zu erfassende mechanische Winkel gemeint, doppelter mechanischer Winkel da die Spannungen U1(Φt) und U2(Φ,t) von sin(2Φ) und cos(2Φ) abhängen.

Die Ergebnisse der Simulationsrechnung sind in den Fig. 3, 4, 5 und 6 angegeben. Dabei zeigt Fig. 3 und Fig. 5 den Verlauf des Winkelfehlers über dem Winkel für verschiedene Temperaturen. In Fig. 4 ist der Zusammenhang zwischen U2 und U1 für verschiedene Temperaturen dargestellt und in Fig. 6 ist die Ableitung des Winkelfehlers Ab(Φ,t) = d/dtΔ(Φ,t) angegeben. Bei Sonderwinkeln ist diese Ableitung gleich Null.

Claims

1. Berührungsloser magnetoresistiver Sensor insbesonders Winkelsensor, mit dem die Winkellage zwischen einem Sensorelement und einem Magnetfeld ermittelt werden soll, wobei der Winkelsensor ein von der zu messenden Winkellage abhängiges Ausgangssignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Ausgangssignales des Sensors über einen vorgebbaren Winkelbereich bei wenigstens zwei unterschiedlichen Temperaturen des Sensors ermittelt wird, daß die Ausgangssignalverläufe zueinander in Bezug gesetzt werden, zur Ermittlung eines Referenzwinkel, bei dem die Ausgangssignale in Folge einer geringen Temperaturabhängigkeit nur wenig voneinander abweichen und ein so gefundener Referenzwinkel bei nachfolgenden Messungen als Nullpunkt ausgewählt wird.

2. Berührungsloser magnetoresistiver Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor wenigstens ein an einer Versorgungsspannung liegendes Sensorelement umfaßt, das mehrere in einer Brücke verschaltete magnetoresistive Widerstände umfaßt und an der Brückendiagonale eine Ausgangsspannung liefert, die von der zu ermittelnden Winkellage abhängt.

3. Berührungsloser magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zwei gegeneinander um einen vorgebbaren Winkel verdrehte Sensorelemente umfaßt, die jeweils magnetoresistive Widerstände aufweisen, die in einer Brücke verschaltet sind, deren eine Diagonale mit Spannung beaufschlagt wird, während die jeweils andere Diagonale winkelabhängige Ausgangssignale liefert, die zum gemeinsamen Ausgangssignal überlagert werden.

4. Berührungsloser magnetoresistiver Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführte Versorgungsspannung veränderbar ist, wodurch auch der in die Widerstandsbrücken eingespeiste Strom veränderbar ist.

5. Berührungsloser magnetoresistiver Winkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung wenigstens zweier unterschiedlicher Temperaturen des Sensors die zugeführte Stromstärke auf einen ersten und einen zweiten Wert eingestellt werden kann.

6. Berührungsloser magnetoresistiver Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Referenzwinkel beim Zusammenbau von Sensor und Magnetfelderzeuger berücksichtigt wird und der Zusammenbau so erfolgt, daß der Referenzwinkel einer Nullgradstellung zwischen Sensorelement und Magnetfeld entspricht.

7. Berührungsloser magnetoresistiver Winkelsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullage auf elektronischem Weg definiert wird und bei der Winkelberechnung aus dem Ausgangssignal des Sensors berücksichtigt wird.

8. Berührungsloser magnetoresistiver Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Auswertemittel vorhanden sind, die wenigstens einen Mikroprozessor sowie zugehörige Speicher umfassen, daß in den Speichern der oder die Referenzwinkel abgelegt sind und die Winkelberechnung mit Hilfe des Mikroprozessors durchgeführt wird.