DE4426367A1 - Positionssensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Positionssensoren und insbesondere auf einen Positions­ sensor, der die Position mehrerer magnetischer und nicht- magnetischer Teile von zwei Objektspuren erfaßt, die in komplementärer Zuordnung zueinander angeordnet sind, wobei magnetische Feldstörungen überwacht werden, die den Widerstand von magnetoresistiven Elementen beeinflussen.

Viele verschiedene Arten von Positionssensoren sind dem Fachmann bekannt. Einige Positionssensoren verwenden magnetisch empfindliche Komponenten, wie beispielsweise Halleffekt-Elemente oder magnetoresistive Komponenten, um Veränderungen in der Stärke bzw. Richtung eines magnetischen Feldes auf Grund der Gegenwart eines ferromagnetischen Objektes zu erfassen.

Die US-PS 4 970 463 offenbart eine Sensoranordnung für ein eisenhaltiges Objekt, die in der Lage ist, das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit eines Objektes mit hoher magnetischer Permeabilität zu erfassen, wie beispielsweise einen Zahn oder eine Lücke auf einem drehbar gelagerten Eisenrad, wobei dies auch im Stillstand und unmittelbar nach der Spannungseinschaltung geschehen kann. Die Sensoranordnung umfaßt einen Permanentmagneten und einen auf einen magnetischen Fluß ansprechenden Wandler mit einer Sensorebene, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, welches sich in Abhängigkeit von der Änderung der magnetischen Flußdichte verändert. Die Sensoranordnung für den eisenhaltigen Körper macht keinen Gebrauch von der Polflächenmagnetisierung, wie es einige herkömmliche Sensoren tun, sondern stützt sich statt dessen auf die radiale Komponente der magnetischen Flußdichte, die aus einer seitlichen Oberfläche des Magneten zwischen gegenüberliegenden Polflächen austritt.

Die US-PS 4 992 731 beschreibt einen Drehgeschwindig­ keitssensor, der einen Permanentmagneten und eine Hallzelle verwendet, die auf die sich verändernde Tangentialkomponente des magnetischen Feldes anspricht, das durch das unterbrochene Oberflächenprofil eines Drehelementes hervorgerufen wird. Um Anomalien zu vermeiden, die durch die Veränderung des Basiswertes der Tangentialkomponente des magnetischen Feldes hervor­ gerufen werden, ist der Ausgang eines Differential­ verstärkers, der durch die Hallzelle gespeist wird, mit einem Schaltkreis zur Mittelwertbildung einer Spannung verbunden, der die mittlere Spannung des Ausgangssignales auf einem einzigen Kondensator speichert.

Die US-PS 5 041 784 offenbart einen magnetischen Sensor mit rechteckförmigen feldstörenden Flußstangen. Der Sensor wird zum Messen der Position, Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung eines Objektes verwendet, das abwechselnde Zonen von magnetischer Leitfähigkeit mit einem Permanentmagnetglied besitzt, welches eine Polfläche aufweist, das dem beweglichen Objekt gegenüberliegt und eine Achse quer zur Bewegungsrichtung aufweist. Ein ferromagnetischer Streifen hoher Permeabilität ist auf die Fläche des Magneten koaxial zu diesem aufgeschmolzen. Er besitzt eine Längenabmessung in der Bewegungsrichtung des Objektes, die größer als die Breitenabmessung quer zur Bewegungsrichtung ist. Der ferromagnetische Streifen stört das Feld des Permanent­ magneten im Bereich eines Paares von Sensorelementen, so daß die Flußlinien im Bereich eines jeden der Sensoren in eine Querrichtung relativ zu der Bewegungsrichtung des Objektes gezwungen werden. Das Flußfeld im Bereich eines jeden Sensors ist gleichförmig.

Die US-PS 4 086 533 beschreibt eine Halleffekt- Einrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines rotierenden Teiles. Sie umfaßt erste und zweite parallel angeordnete Magnete, welche einen symmetrischen magnetischen Anregungsschaltkreis mit einem Halleffekt- Element bilden, das auf der Achse des Schaltkreises angeordnet ist. Der rotierende Teil besitzt erste und zweite Elemente aus weichmagnetischem Material, die winkelmäßig versetzt sind, um abwechselnd an den ersten und zweiten Magneten vorbeizulaufen und dementsprechend erste und zweite entgegengesetzt gerichtete Quer- Magnetfeldkomponenten an dem Halleffekt-Element zu erzeugen. Hierdurch wird ein Signal erzeugt, dessen Polarität sich umkehrt, um die Winkelposition des rotierenden Teiles anzuzeigen.

Ein Artikel mit dem Titel "Magnetoresistive Sensors" ist in der Frühjahrsausgabe 1987 des "Scientific Honeyweller" erschienen. Dieser Artikel wurde geschrieben von Bharat B. Pant und er beschreibt viele unterschiedliche Charakteristiken von magnetoresistiven Sensoren, ein­ schließlich verschiedener unterschiedlicher Anpassungen der Sensoren für die Verwendung in speziellen Anwendungsfällen.

Die ältere US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/952,449, die von dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung am 29. September 1992 angemeldet wurde beschreibt einen Getriebezahnsensor, der mit einem Magneten und zwei magnetisch empfindlichen Einrichtungen, wie beispielsweise Halleffekt-Elementen versehen ist. Die zwei magnetisch empfindlichen Einrichtungen sind in einer gemeinsamen Ebene zueinander angeordnet, wobei eine der Einrichtungen in einer Position angeordnet ist, die näher an dem Magneten ist als die Position der anderen Einrichtung. Die gemeinsame Ebene, in der beide magnetisch empfindlichen Einrichtungen angeordnet sind, ist von einer zentralen Achse des Magneten um eine vorbestimmte Entfernung beabstandet. Eine Einrichtung ist vorgesehen zur Bestimmung eines Verhältnisses der magnetischen Feldstärken, die den ersten und zweiten magnetisch empfindlichen Einrichtungen senkrecht aufgeprägt werden, und das Verhältnis wird benutzt, um zwischen Zähnen und Lücken in der Nähe des Sensors zu unterscheiden.

Die ältere US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/032,883, die von dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung am 18. März 1993 angemeldet wurde, beschreibt einen magnetischen Sensor, der zwei Objektspuren umfaßt, die in einer im allgemeinen parallelen Zuordnung zueinander angeordnet sind. Jede der Spuren umfaßt magnetische und nicht-magnetische Segmente, die in sich abwechselnden Mustern angeordnet sind. Jedes magnetische Segment der ersten Spur ist seitlich von einem nicht- magnetischen Segment der zweiten Spur angeordnet und jedes magnetische Segment der zweiten Spur ist seitlich von einem nicht-magnetischen Segment der ersten Spur angeordnet. Erste und zweite magnetisch empfindliche Komponenten sind in der Nähe der ersten und zweiten Objektspuren entsprechend angeordnet und eine Magnetfeldquelle ist in der Nähe der ersten und zweiten magnetisch empfindlichen Komponenten angeordnet. Störungen des magnetischen Feldes, die senkrecht den ersten und zweiten magnetisch empfindlichen Komponenten aufgeprägt werden, werden verwendet, um erste und zweite Ausgangssignale derselben vorzugeben. Ein drittes Ausgangssignal, das eine Funktion der ersten und zweiten Ausgangssignale ist, wird verwendet, um den Ort der ersten und zweiten Objektspuren in Bezug auf die ersten und zweiten magnetisch empfindlichen Komponenten festzulegen.

Bei vielen Arten von Positionssensoren ist es wichtig, zwischen zwei unterschiedlichen Teilen eines drehbaren Elementes unterscheiden zu können, wie beispielsweise zwischen einem Zahn und einer Lücke, ohne daß es erforderlich ist, daß das Element vor der Feststellung bewegt werden muß. Dies wird als die Fähigkeit der Einschalt-Erkennung bezeichnet, wobei die Position eines Objektes vor seiner Bewegung erkannt werden kann. Wenn beispielsweise ein Getriebe mit Zähnen und Lücken durch einen Positionssensor überwacht wird, so ist es von beträchtlichem Nutzen, wenn der Sensor feststellen kann, ob ein Zahn oder eine Lücke dem Sensor gegenüber angeordnet ist, ohne daß das Getriebe gedreht werden muß.

Die vorliegende Erfindung gestattet eine solche Feststellung durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Positionssensors sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Ein Positionssensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt erste und zweite magnetoresistive Komponenten, die in einer ersten Ebene angeordnet sind und auf ersten und zweiten Seiten einer ersten Achse entsprechend positioniert sind. Der Sensor umfaßt ferner ein bewegliches Element, welches erste und zweite Objektspuren aufweist. Jede der ersten und zweiten Objektspuren umfaßt mehrere erste Teile und mehrere zweite Teile, wobei jeder der ersten Teile in einer Objektspur in Nachbarschaft zu einem der zweiten Teile in der anderen Objektspur angeordnet ist. Die erste Objektspur ist auf einer ersten Seite einer zweiten Ebene angeordnet und die zweite Objektspur ist auf der zweiten Seite der zweiten Ebene angeordnet, wobei die erste Achse sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ebene verläuft. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner eine Einrichtung zur Vorgabe eines ersten Signales, welches eine Funktion der relativen Widerstände der ersten und zweiten magneto­ resistiven Elemente ist. Das erste Signal repräsentiert die Position des beweglichen Elementes.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen die magnetoresistiven Komponenten magnetisch empfindliche Elemente, die aus einer Nickel/Eisen/Legierung hergestellt sind, wie beispielsweise aus Permalloy. Erste, zweite, dritte und vierte magnetisch empfindliche Elemente sind in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnet, so daß Widerstandsänderungen erfaßt werden können.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die ersten und dritten magnetisch empfindlichen Elemente zwischen ersten und zweiten Schaltungspunkten elektrisch in Reihe geschaltet. Die zweiten und vierten magnetisch empfindlichen Elemente sind zwischen den ersten und zweiten Schaltungspunkten elektrisch in Reihe geschaltet und die ersten und dritten magnetisch empfindlichen Elemente sind elektrisch zu den zweiten und vierten magnetisch empfindlichen Elementen parallelgeschaltet. Wenn das bewegliche Element um eine zentrale Achse gedreht wird, die parallel zu der ersten Ebene ist und im allgemeinen senkrecht zu der zweiten Ebene steht, so bewegen sich die ersten und zweiten Teile der Objektspuren der Reihe nach in die Nähe der ersten und zweiten magnetoresistiven Komponenten, um das magnetische Feld zu beeinflussen, das diesen durch einen Permanentmagneten auferlegt wird. Diese Änderung in der Form des magnetischen Feldes verändert die Widerstände der Komponenten und gestattet die Erfassung einer Spannungsdifferenz zwischen zwei ausgewählten Punkten der Wheatstone-Brückenanordnung. Die Verwendung eines komplementären Objektes, wie beispielsweise der ersten und zweiten Objektspuren erleichtert den Betrieb der Einrichtung, indem ein magnetisches Element veranlaßt wird, sich in eine Position auf einer Seite der ersten und zweiten magnetoresistiven Komponenten zur gleichen Zeit zu bewegen, wo sich ein anderes magnetisches Element von einer Position auf der gegenüberliegenden Seite der Komponenten wegbewegt.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der ersten und zweiten Objektspuren der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Endansicht von Fig. 2 mit der Hinzu­ fügung eines Magneten, eines Substrates und mehrerer Magnetfeldwiderstände;

Fig. 4 die Beziehung zwischen den Magnetfeld­ widerständen und den ersten und zweiten Objektspuren;

Fig. 5A, 5B und 5C schematische Darstellungen eines Magneten und der Form seines magnetischen Feldes beim Vorhandensein bzw. bei der Abwesenheit eines magnetischen Objektes in der Nähe eines Teils des Magneten;

Fig. 6A eine schematische Darstellung der Richtung und der Stärke des magnetischen Feldes in der ersten Ebene, wenn kein magnetisches Objekt sich in der Nähe der Magnetfeld­ widerstände befindet;

Fig. 6B eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 6A mit der Ausnahme, daß ein breiter magnetischer Zahn in der Nähe von einer Seite der Einrichtung angeordnet ist und eine breite Lücke sich in der Nähe der gegenüberliegenden Seite der Einrichtung befindet;

Fig. 6C eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 6A mit der Ausnahme, daß ein schmaler magnetischer Zahn sich in der Nähe von einer Seite der Magnetfeld-Widerstands­ brücke befindet und eine schmale Lücke sich in der Nähe der gegenüberliegenden Seite befindet;

Fig. 6D eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 6A mit der Ausnahme, daß ein magnetischer Zahn sich in der Nähe des unteren rechten Teiles der Zeichnung befindet und ein weiterer magnetischer Zahn sich in der Nähe des oberen linken Teiles der Zeichnung befindet;

Fig. 7 einen Magneten, ein Abstandsstück, ein keramisches Substrat und die erste Ebene der vorliegenden Erfindung, die in physikalischer Beziehung mit zwei Objektspuren angeordnet sind;

Fig. 8 und 9 zwei alternative Schaltkreise, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden können;

Fig. 10 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der physikalischen Auslegung von vier Magnetfeldwiderständen auf einem keramischen Substrat;

Fig. 11 den geometrischen Einfluß auf eine magnetische Feldstärke in einer Ebene, die durch eine Veränderung in der Richtung des magnetischen Feldes hervorgerufen wird, das sich durch diese Ebene erstreckt;

Fig. 12 eine graphische Darstellung des Widerstandes eines Magnetfeldwiderstandes auf Grund der Stärke des magnetischen Querfeldes;

Fig. 13 eine graphische Darstellung des Widerstandes eines Magnetfeldwiderstandes in Abhängigkeit von der Winkelbeziehung zwischen einem externen magnetischen Feld und der Achse des Magnetfeldwiderstandes;

Fig. 14 empirische Resultate der vorliegenden Erfindung, die für die Erfassung der Bewegung von Zähnen und Lücken angewendet wird; und

Fig. 15 das Beispiel eines Schaltkreises, der verwendet werden kann, um ein Binärsignal vorzugeben, wie es im unteren Teil von Fig. 14 dargestellt ist.

In der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles werden gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsziffern versehen. Fig. 1 zeigt ein drehbares Element 10, welches zwei Objektspuren 12 und 14 aufweist. Die zwei Objekt­ spuren sind komplementär zueinander, wobei jedem Zahn in einer Spur gegenüberliegend in der anderen Spur eine Lücke zugeordnet ist. Beispielsweise befindet sich der Zahn 16 in der zweiten Objektspur 14 in der Nähe des Schlitzes 17 in der ersten Objektspur 12 und der Zahn 18 in der ersten Objektspur 12 befindet sich in der Nähe der Lücke 19 in der zweiten Objektspur 14. Der Vorteil dieser Art von Anordnung wird in näheren Einzelheiten weiter unten beschrieben.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Permanent­ magnet 20 in der Nähe von vier magnetoresistiven Elementen angeordnet, die auf einem Siliciumsubstrat angeordnet sind, welches seinerseits auf einem keramischen Substrat angeordnet ist. Obgleich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Magnetfeldwiderstände auf einem Siliciumsubstrat anordnet, versteht es sich, daß alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Magnetfeldwiderstände auf alternativen nicht-leitenden Oberflächen anordnen können. Wenn sich die Objektspuren um eine Achse 26 drehen, so werden die Zähne und Lücken der Reihe nach an den magnetoresistiven Elementen 44 auf dem keramischen Substrat 22 vorbei­ bewegt. Auf Grund der komplementären Anordnung der Objektspuren ist ein Zahn auf einer Seite der magnetoresistiven Elemente 44 angeordnet, wenn eine Lücke auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und umgekehrt.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht des drehbaren Elementes 10. Wie ersichtlich, ist die Drehachse 26 senkrecht zu der Ebene von Fig. 2 gerichtet. Auf Grund der komplementären Natur der zwei Objektspuren 12 und 14 sind Zähne in der zweiten Objektspur mit Lücken in der ersten Objektspur ausgerichtet und umgekehrt. Beispielsweise kann zwischen den Zähnen 30 und 32 in der ersten Objektspur 12 der Zahn 34 durch die Lücke zwischen den Zähnen 30 und 32 gesehen werden. In gleicher Weise ist der Zahn 32 der ersten Objektspur 12 in Nachbarschaft zu einer Lücke zwischen den Zähnen 34 und 36 der zweiten Objektspur 14 angeordnet. Die gestrichelte Linie 40 zeigt die Position eines Abstandshalters an, der zwischen den ersten und zweiten Objektspuren angeordnet ist. Obgleich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Abstandsstück beinhaltet, um die Magnetfeldwiderstände in einem vorgewählten Abstand von den beweglichen magnetischen Zähnen zu halten, versteht es sich, daß die Verwendung eines Abstandsstückes nur optional ist und nicht in allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.

Fig. 3 ist eine Endansicht von Fig. 2 mit der Hinzufügung des Magneten 20, des keramischen Substrates 22 und der Magnetfeldwiderstände 44. In Fig. 3 ist erkennbar, daß die erste Objektspur 12 und die zweite Objektspur 14 um die zentrale Achse 26 drehen können und abwechselnd einen Zahn auf einer Seite der Magnetfeldwiderstände 44 anordnen, wenn eine Lücke auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Die Zähne und Lücken der Objektspuren werden der Reihe nach auf gegenüberliegenden Seiten der Magnetfeldwiderstände angeordnet.

Um die Zusammenwirkung zwischen den Magnetfeldwider­ ständen 44 und den Zähnen und Lücken der Objektspuren weiter zu veranschaulichen, zeigt Fig. 4 die zwei Objektspuren 12 und 14 in linearer Erstreckung anstatt auf einem Kreis. Die Pfeile A und B stellen die Bewegungsrichtung der Objektspuren relativ zu den magnetoresistiven Elementen 44 und dem keramischen Substrat 22 dar. Um die Übereinstimmung zwischen den Fig. 3 und 4 aufrechtzuerhalten, sind die magnetoresistiven Elemente 44 durch gestrichelte Linien dargestellt, um anzuzeigen, daß sie auf der Unterseite des Substrates 22 angeordnet sind, so daß sie gegen die ersten und zweiten Objektspuren 12 und 14 gerichtet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Permanentmagnet 20 in Fig. 4 nicht dargestellt.

In Fig. 4 wird die Bezugsziffer 50 verwendet, um magnetische Zähne in den Objektspuren darzustellen und die Bezugsziffer 52 wird verwendet, um Lücken zwischen den Zähnen 50 in den Objektspuren darzustellen. Wenn sich die Objektspuren in der in Fig. 4 gezeigten Position befinden, so ist ein Zahn 50 auf der linken Seite der Magnetfeldwiderstände 44 angeordnet und eine Lücke 52 ist auf der rechten Seite gezeigt. Wenn sich die zwei Objektspuren 12 und 14 gemeinsam in den durch die Pfeile A und B gezeigten Richtungen bewegen, so ersetzt ein Zahn 50 eine Lücke 52 auf der rechten Seite der Magnetfeld­ widerstände und eine Lücke 52 ersetzt einen Zahn 50 auf der linken Seite. Bei fortgesetzter Bewegung der Objektspuren in der Richtung der Pfeile in Fig. 4 werden die Magnetfeldwiderstände fortgesetzt abwechselnd durch einen Zahn auf ihrer linken Seite und eine Lücke auf ihrer rechten Seite gefolgt durch einen Zahn auf ihrer rechten Seite und eine Lücke auf ihrer linken Seite usw. beeinflußt.

Um weiter die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, zeigen die Fig. 5A, 5B und 5C beispielhaft einen Magneten 20 und den Einfluß auf die Richtung seiner Flußlinien, der durch einen Zahn 50 hervorgerufen wird. Es versteht sich, daß der Zahn 50 schematisch durch einen rechteckigen Block in den Fig. 5B und 5C dargestellt ist und nicht so dargestellt ist, daß er mit einer vollständigen Objektspur verbunden ist. Die Flußlinien 60 sollen das magnetische Feld repräsentieren, das durch den Permanentmagneten 20 hervorgerufen wird. Der Zweck der Fig. 5A, 5B und 5C ist es, den Einfluß zu zeigen, den ein magnetisches Objekt, wie beispielsweise dasjenige, das durch die Bezugsziffer 50 gekennzeichnet ist, auf die Richtung des magnetischen Feldes eines Magneten 20 ausübt, um insbesondere den Einfluß auf die magnetische Feldkomponente in der ersten Ebene 70 zu zeigen. Fig. 5A zeigt einen Magneten 20 mit seinem Magnetfeld 60 in der allgemeinen Form, die vorliegt, wenn der Magnet 20 durch irgendein externes magnetisches Material nicht beeinflußt wird. Fig. 5A ist zusammen mit den Fig. 5B und 5C zu sehen, so daß der Einfluß auf die Richtungen der Flußlinien des magnetischen Feldes durch Vergleich ersichtlich wird.

Fig. 5B zeigt den Einfluß auf das magnetische Feld 60, der durch ein magnetisches Objekt, wie beispielsweise den Zahn 50 in der Nähe des Permanentmagneten hervorgerufen wird. Wie ersichtlich, werden die Linien 62 auf der linken Seite des Permanentmagneten 20 geringfügig durch das Vorhandensein des Zahnes 50 beeinflußt und sind infolgedessen geringfügig mehr vertikal in Fig. 5B als die in gleicher Weise angeordneten Flußlinien in Fig. 5A. Die Flußlinien 64 auf der rechten Seite des Permanentmagneten 20 in Fig. 5B werden beträchtlich durch die Gegenwart des magnetischen Elementes, d. h. durch den Zahn 50 in der Nähe des Teiles des Permanentmagneten beeinflußt.

Fig. 5C zeigt die entgegengesetzte Situation gegenüber Fig. 5B. Mit dem magnetischen Objekt bzw. dem Zahn 50 auf der linken Seite des Magneten 20 und keinem magnetischen Element auf der rechten Seite werden die Flußlinien 62 beträchtlich durch das magnetische Objekt deformiert und die Flußlinien 64 auf der rechten Seite des Magneten werden geringfügig deformiert, wobei sie geringfügig mehr vertikal in Fig. 5C als die entsprechenden Flußlinien in Fig. 5A sind.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5B und 5C ist erkennbar, daß die Gegenwart eines magnetischen Objektes die Richtung des magnetischen Feldes eines Permanentmagneten stört und infolgedessen die Größe und Richtung der Komponenten des magnetischen Feldes in der ersten Ebene 70 verändert. Die Deformation des magnetischen Feldes und die entsprechende Änderung in der magnetischen Feldstärke, die in der ersten Ebene 70 gemessen wird, kann verwendet werden, um das Vorhandensein eines magnetischen Objektes und die Identifizierung des Ortes des magnetischen Objektes entweder auf einer ersten oder einer zweiten Seite einer Wheatstone-Brückenanordnung von Magnetfeldwiderständen zu detektieren.

Die Fig. 6A, 6B, 6C und 6D zeigen Darstellungen des magnetischen Feldes innerhalb der ersten Ebene, in der die Magnetfeldwiderstände unter verschiedenen unterschiedlichen Bedingungen angeordnet sind. In den Fig. 6A, 6B, 6C und 6D repräsentiert die Vielzahl der Pfeile, die Richtung und Stärke des magnetischen Feldes, das durch den Magneten 20 in der ersten Ebene 70 vorgegeben wird. Mit anderen Worten repräsentieren die längeren Pfeile stärkere magnetische Feldkomponenten in der ersten Ebene 70 als die kürzeren Pfeile und die Richtungen aller Pfeile repräsentieren die Richtung des magnetischen Feldes an diesen ausgewählten Orten. Die Bezugsziffer 81 repräsentiert eine Achse parallel zu der Bewegungsrichtung der ersten und zweiten Objektspuren. Diese erste Achse 81 ist zwischen zwei Paaren von Magnetfeldwiderständen angeordnet. Die erste Achse 81 ist ferner in der ersten Ebene angeordnet, in der sich die Magnetfeldwiderstände befinden. Diese Anordnungen seien in näheren Einzelheiten weiter unten beschrieben.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5A und Fig. 6A versteht es sich, daß die in Fig. 6A gezeigten Pfeile die Größe und Richtung der Magnetfeldkomponente in der ersten Ebene 70 zeigen, wenn kein magnetisches Objekt bzw. kein Zahn sich in der Nähe des Permanentmagneten 20 befindet. Wie in Fig. 6A ersichtlich, ist die magnetische Feldstärke geringfügig größer an Punkten, die weiter entfernt von der erste Achse 81 sind, als an Punkten, die näher an der ersten Achse 81 sind. Der Grund für diese Differenz in der magnetischen Feldstärke in der ersten Ebene 70 liegt darin, daß die Flußlinien, die sich durch die erste Ebene 70 in der Nähe der ersten Achse 81 erstrecken, senkrechter zu der Ebene sind als jene, die sich durch die erste Ebene 70 in einem größeren Abstand von der ersten Achse 81 erstrecken. Diese Winkeländerung der Flußlinien erhöht die Komponente des magnetischen Feldes in der ersten Ebene 70. Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 6A ist erkennbar, daß die Richtung und die Größe eines jeden repräsentativen Pfeils symmetrisch um die erste Achse 81 ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5B und 6B ist erkennbar, daß die in Fig. 6B gezeigten Pfeile beträchtlich unterschiedlich gegenüber jenen in Fig. 6A sind. Diese Deformation des magnetischen Feldes wird durch die Gegenwart des Zahnes 50 in der Nähe des Permanentmagneten 20 hervorgerufen. Die Fig. 6B repräsentiert eine analytische Simulation, die ausgeführt wurde mit einem breiten Zahn auf der rechten Seite des Magneten 20 und einer breiten Lücke auf der linken Seite, wie dies in Fig. 6B gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6A und 6B ist erkennbar, daß die magnetischen Feldkomponenten auf der rechten Seite der Achse 81 im Vergleich zu denen in Fig. 6A erhöht sind. Dies wird durch die Deformation des magnetischen Feldes durch den breiten Zahn hervorgerufen, der auf der rechten Seite der Einrichtung in Fig. 6B angeordnet ist, durch welchen die Lotrechtstellung der Flußlinien zu der ersten Ebene 70 vermindert wird. Unter Bezugnahme auf die zwei Seiten der Darstellungen in den Fig. 6A und 6B ist erkennbar, daß einige der Pfeile in Fig. 6B beträchtlich in ihrer Länge vermindert sind auf Grund der lotrechten Ausrichtung der Flußlinien in diesen Bereichen. Einige der Pfeile auf der linken Seite der ersten Achse 81 werden tatsächlich in ihrer Richtung umgekehrt und zeigen zu der ersten Achse 81 in Fig. 6B, während sie in Fig. 6A von der ersten Achse 81 weg­ gerichtet sind. Unter bestimmten Umständen ist der Einfluß des Zahnes 50 ausreichend, um tatsächlich die Flußlinien auf der linken Seite der ersten Achse 81 zu veranlassen, sich von einer geringfügig von der lotrechten nach links abweichenden Stellung zu einer geringfügig von der lotrechten nach rechts abweichenden Stellung zu bewegen. Dieser Effekt ist in der Fig. 6B erkennbar.

Fig. 6C zeigt den Einfluß eines schmalen Zahnes, der auf der rechten Seite der ersten Achse 81 angeordnet ist, während ein schmaler Schlitz auf der linken Seite angeordnet ist. Es sei in Erinnerung gerufen, daß Zähne und Lücken nur eine von vielen unterschiedlichen Formen sind, die zusammen mit einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. Die Zähne können schmal oder breit sein und die entsprechenden Lücken können schmal oder breit sein. Es wurde festgestellt, daß breite Zähne auf Grund des erhöhten Anteils an magnetischem Material einen größeren Einfluß auf die Störung des magnetischen Feldes als schmale Zähne aufweisen.

Fig. 6D veranschaulicht den Einfluß auf das magnetische Feld in der ersten Ebene 70 durch zwei unterschiedliche Zahn- und Lücken-Kombinationen während der Umschaltung, wenn der bewegliche Gegenstand einen Zahn aus der engen Nachbarschaft zu der ersten Achse 81 auf einer Seite der Linie 160 bewegt, während ein anderer Zahn in enge Nachbarschaft zu der ersten Achse 81 auf der anderen Seite der ersten Ebene 70 bewegt wird. In Fig. 6D bewegen sich die beiden Zähne 50 in einer Richtung parallel zu der ersten Achse 81, wie dies durch die Pfeile angezeigt ist. Mit Bezug auf die rechte Seite der ersten Achse 81 ist erkennbar, daß die Pfeile in dem unteren Teil der Zeichnung länger als jene in dem oberen Teil der Zeichnung sind. Dies wird durch die Anziehung des magnetischen Objektes, d. h. des Zahnes 50 hervorgerufen und durch die Winkeländerung der Flußlinien, wenn sie sich durch die erste Ebene 70 erstrecken. Der gleiche Effekt ist in dem oberen Teil auf der linken Seite in Fig. 6D erkennbar.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6A, 6B, 6C und 6D ist erkennbar, daß die Komponenten des magnetischen Feldes in der ersten Ebene 70 durch die Gegenwart von magnetischen Objekten, wie beispielsweise Zähnen 50 beeinflußt werden und dies eine meßbare Störung in der Stärke des magnetischen Feldes an verschiedenen Orten in der ersten Ebene 70 hervorruft.

Fig. 7 zeigt den Magneten 20, das keramische Substrat 22 und einen Abstandshalter 77 dazwischen. Die Oberfläche des Substrates 22, auf der die Magnetfeldwiderstände 44 (in Fig. 7 nicht dargestellt) angeordnet sind, wird durch die gestrichelte Linie 70 repräsentiert, die zuvor als die erste Ebene bezeichnet wurde. Eine erste Achse, die durch den Punkt 81 repräsentiert wird, verläuft senkrecht zu der Zeichenebene in Fig. 7 und liegt in der ersten Ebene 70. Eine zweite Ebene 82 erstreckt sich zwischen den ersten und zweiten Objektspuren 12 und 14 und ist im allgemeinen senkrecht zu der ersten Ebene 70. Für die Zwecke der Beschreibung der Konfiguration der vorliegenden Erfindung fällt die erste Achse 81 im Wesentlichen mit der Schnittlinie der ersten und zweiten Ebenen 70 und 82 zusammen. Es ist ebenfalls erkennbar, daß die zentrale Drehachse 26 im wesentlichen parallel zu der ersten Ebene 70 verläuft.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 und im Vergleich mit den Fig. 5A, 5B und 5C ist erkennbar, daß die Dicke des Abstandshalters 77 die Größe der Flußlinien in der ersten Ebene 70 beeinflußt, da er den Abstand zwischen der Polfläche des Magneten 20 und der ersten Ebene 70 verändert. Die Dicke des Abstandsstückes 77 kann speziell für besondere Anwendungen der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden, um die gewünschte Stärke der magnetischen Feldkomponente in der ersten Ebene festzulegen. Es versteht sich, daß, obgleich ein Abstandsstück 77 einen nützlichen Zweck in bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bilden kann, dieses kein Erfordernis in allen möglichen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung ist.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die Fig. 5A, 5B, 5C und 7 ist erkennbar, daß der Vorbeilauf eines Zahnes 50 auf einer oder der anderen Seite der Magnetfeldwider­ stände 44 die Richtung der Flußlinien beeinflussen wird, die sich durch die erste Ebene 70 erstrecken und damit die Magnetfeldwiderstände beeinflußt. In Abhängigkeit davon, auf welcher Seite der zweiten Ebene 82 sich ein Zahn in Nachbarschaft der Magnetfeldwiderstände 44 befindet, wird das Magnetfeld durch seine Gegenwart gestört und diese Störung des Magnetfeldes kann durch die Widerstandsänderung eines jeden Magnetfeldwiderstandes 44 erfaßt werden. Wie zuvor in näheren Einzelheiten beschrieben, beruht der durch die vorliegende Erfindung erfaßte Effekt auf der Änderung der Magnetfeldstärke, die in der ersten Ebene 70 gemessen wird. Diese Änderung der Magnetfeldstärke in der ersten Ebene 70 wird durch eine Änderung der Winkelbeziehung zwischen den Flußlinien und der ersten Ebene hervorgerufen. Wenn die Winkelbeziehung zwischen den Flußlinien und der ersten Ebene weniger senkrecht wird, so wird die Magnetfeldkomponente in der ersten Ebene erhöht und umgekehrt wird, wenn die Flußlinien in bezug auf die erste Ebene 70 senkrechter werden, ihre Komponente innerhalb der ersten Ebene 70 herabgemindert.

Um ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, zeigt Fig. 8 eine wohlbekannte Anordnung von Widerständen in einer Wheatstone-Brücken­ konfiguration. Eine Spannung V_S wird über der Brücke angelegt und ein Ausgangs-Spannungsdifferential zwischen einer ersten Spannung V₁ und einer zweiten Spannung V₂ kann gemessen werden. Wenn Widerstände R_A und R_D einander zugeordnet sind und durch eine Anregung in gleicher Weise beeinflußt werden, wie beispielsweise durch ein magnetisches Feld und wenn Widerstände R_B und R_C in gleicher Weise durch eine Anregung, wie beispielsweise ein magnetisches Feld, beeinflußt werden, so kann der Gesamteinfluß auf die vier Widerstände gemessen werden. Wenn die Widerstände R_A und R_D auf einer Seite der ersten Achse 81 angeordnet sind und die Widerstände R_B und R_C auf der zweiten Seite der Achse angeordnet sind, so werden sie entgegengesetzt durch die Folgebewegung von Zähnen und Lücken durch die Positionen auf der linken und rechten Seite der Magnetfeldwiderstände beeinflußt. Auf Grund der Störungen des magnetischen Feldes, die zuvor im Zusammenhang mit den Fig. 5A, 5B und 5C beschrieben wurden, erfährt jeder der Widerstände in Fig. 8 eine Widerstandsänderung. Wenn die Wheatstone-Brückenanordnung in Fig. 8 anfänglich ausgeglichen ist, wobei die erste Spannung V₁ der zweiten Spannung V₂ entspricht, so wird durch eine Widerstandsänderung der Widerstände das Spannungspotential zwischen den Widerständen R_A und R_D angehoben und in gleicher Weise das Spannungspotential zwischen den Widerständen R_B und R_C abgesenkt bzw. es tritt das umgekehrte Verhalten auf. Wenn sich jeder der Widerstände um einen inkrementalen Betrag verändert, so verändert sich das Spannungspotential zwischen der ersten Spannung V₁ und der zweiten Spannung V₂ entsprechend dem Prozentsatz der Versorgungsspannung V_S im gleichen Verhältnis wie die inkrementale Widerstandsänderung zu dem ursprünglichen Widerstandswert irgendeines der vier in Fig. 8 gezeigten Widerstände.

Es versteht sich, daß viele alternative Anordnungen von Widerständen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Beispielsweise können die Widerstände R_A und R_C magnetfeldabhängige Widerstände sein, wobei die Widerstände R_B und R_D Widerstände mit konstantem Wert besitzen. Alternativ können alle Widerstände in Fig. 8 Magnetfeldwiderstände sein, wie dies zuvor beschrieben wurde.

Fig. 9 zeigt eine alternative Anordnung der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Magnetfeldwiderstände R_A und R_B auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Achse 81 angeordnet und elektrisch parallelgeschaltet sind. Zwei Konstantstromquellen A₁ und A₂ sind wie dargestellt vorgesehen und das Spannungsdifferential zwischen der ersten Spannung V₁ und der zweiten Spannung V₂ kann gemessen werden, um die Widerstandsänderung der zwei Magnetfeldwiderstände festzustellen.

Zum Zwecke der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung sei die Wheatstone-Brückenanordnung gemäß Fig. 8 im Zusammenhang mit der physikalischen Auslegung der Widerstände eines speziellen Chips beschrieben, wie er in Fig. 10 gezeigt ist. Die Widerstände gemäß Fig. 10 sind in einer allgemein serpentinenförmigen verschachtelten Zuordnung angeordnet.

In Fig. 10 umfassen die vier Magnetfeldwiderstände jeweils mehrere Streifen. Um jeden der vier Magnetfeldwiderstände zu identifizieren, sind die Leitungskissen, die die entsprechenden vertikalen Streifen miteinander verbinden, mit dem Buchstaben bezeichnet, der den zugeordneten Magnetfeldwiderstand repräsentiert. Unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 10 umfaßt der Widerstand R_A mehrere vertikale parallele Streifen von veränderlicher Größe, die mit mehreren Leiterkissen verbunden sind, welche mit R_A bezeichnet sind, um ihre Verbindung mit dem entsprechend identifizierten Widerstand zu bezeichnen, wobei die Streifen in einem Serpentinenmuster verlaufen, das zwischen dem Leiter 102 und dem Leiter 104 in Fig. 10 angeordnet ist. Der Widerstand R_A ist daher zwischen dem Schaltungspunkt 90 und dem Schaltungspunkt 93 in Fig. 8 angeordnet, die als Verbindungskissen auf dem keramischen Substrat in Fig. 10 bezeichnet sind. Der Widerstand R_A ist mit dem Widerstand R_D verschachtelt, welcher seinerseits die vertikalen Streifen umfaßt, die mit den Kissen R_D verbunden sind und er ist zwischen dem Kissen 106 und dem Kissen 108 angeordnet. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist beabsichtigt, den Schaltkreis gemäß Fig. 10 durch die Verwendung von zwei Brückenverbindungen zu verwirklichen. Eine Brückenverbindung ist durch die gestrichelte Linie 91 zwischen dem Kissen 106 und dem Kissen 112 veranschaulicht und die andere Brückenverbindung ist durch die gestrichelte Linie 92 zwischen dem Kissen 108 und dem Kissen 114 veranschaulicht. Die Brücken­ verbindungen 91 und 92 entsprechen den Schaltungspunkten in Fig. 8, die mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind. Durch Vergleich der Bezugsziffern und der Buchstaben in den Fig. 8 und 9 ist erkennbar, daß die Spannung in dem Schaltungspunkt 90 vorgegeben wird und daß die Kissen 108 und 114 elektrisch mit Masse verbunden sind. Zusätzlich ist erkennbar, daß die Brückenverbindung 91 zwischen den Widerständen R_B und R_D angeordnet ist, während der Schaltungspunkt 93 zwischen den Widerständen R_A und R_C angeordnet ist.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 10 liegt der Zweck der serpentinenförmigen Verschachtelung der Widerstände darin, die unterschiedlichen Magnetfeldstärken in der Ebene des keramischen Substrates zu erfassen, die aus der Form des Magnetfeldes resultieren, das aus dem Permanentmagneten 20 austritt. Da die Polfläche des Magneten direkt unterhalb des Substrates gemäß Fig. 10 angeordnet ist und sich das magnetische Feld nach oben durch die Ebene der Widerstände erstreckt, ist die magnetische Feldstärke in dem Bereich, der der ersten Achse 81 am nächsten ist, normalerweise geringer als die magnetische Feldstärke in den Punkten, die weiter von der Achse 81 entfernt sind. Dieser Effekt ist in Fig. 6 ersichtlich. Um diesen erwarteten Unterschied in der Feldstärke in der Ebene der Widerstände zu erfassen, ist die Breite der Teile des Widerstandes, die der ersten Achse 81 am nächsten sind, größer als die Breite der Teile des gleichen Widerstandes, die weiter von der ersten Achse 81 entfernt sind. Die Verschachtelung der Widerstandspaare wird verwendet, um die magnetischen Einflüsse auf jedes Paar von Widerständen so identisch wie möglich zu den magnetischen Einflüssen auf das andere Paar zu machen. Mit anderen Worten arbeitet die Wheatstone-Brückenanordnung gemäß Fig. 8 in besser vorhersagbarer Weise, wenn die Widerstände R_A und R_D miteinander verschachtelt sind, um sicherzustellen, daß jeder Widerstand einen im wesentlichen gleichen magnetischen Effekt durch das magnetische Feld erfährt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 10 ist die in Fig. 7 gezeigte erste Ebene 70 im wesentlichen koplanar mit den vier Magnetfeldwiderständen R_A, R_B, R_C und R_D in Fig. 10. Die erste Achse 81 ist ebenfalls in Fig. 10 gezeigt. Die zweite Ebene 82 steht senkrecht zu der Darstellung in Fig. 10, wobei die erste Achse 81 sowohl in der ersten Ebene als auch in der zweiten Ebene angeordnet ist.

Fig. 11 veranschaulicht ein Konzept, das dem Fachmann wohlbekannt ist. Wenn der Pfeil B in Fig. 11 die Richtung und Größe des magnetischen Felds vorgibt, das durch die erste Ebene 70 in einem Punkt 128 verläuft, so wird die wirksame Feldstärke der Magnetfeldkomponente in der Ebene 70 durch den Pfeil X repräsentiert. Wenn dieses magnetische Feld neu ausgerichtet wird, wie dies durch den Pfeil B′ veranschaulicht ist, so wird die wirksame Magnetfeldkomponente in der Ebene 70 erhöht, wie dies durch den Pfeil X′ dargestellt ist, wobei X′ sich von dem Punkt 128 zu dem Punkt 130 in der Ebene 70 erstreckt. Wie in Fig. 11 erkennbar, erhöht eine Abnahme der lotrechten Ausrichtung einer Flußlinie die wirksame Komponente in der ersten Ebene 70, während eine Zunahme der lotrechten Ausrichtung der Flußlinie die Komponente in der ersten Ebene 70 vermindert. Dies ist deswegen so, weil der Pfeil X′ länger als der Pfeil X ist, obgleich der Pfeil B′ und der Pfeil B im wesentlichen die gleiche Länge aufweisen. Wenn ein magnetisches Objekt, wie beispielsweise ein magnetischer Zahn 50 auf einer Seite der zweiten Ebene 82 vorbeiläuft, so erfahren die Magnetfeldwiderstände auf dieser Seite der Ebene eine Erhöhung in der magnetischen Feldstärke in der ersten Ebene 70 und im allgemeinen senkrecht zu den Segmenten ihrer Gesamtlänge gemäß Fig. 10. Wenn unter Bezugnahme auf die Fig. 10 und 11 der magnetische Gegenstand an den Widerständen R_B und R_C vorbeiläuft, während kein magnetischer Gegenstand an den Magnetfeldwiderständen R_A und R_D vorbeiläuft, so erfahren die zwei Widerstände auf der rechten Seite von der ersten Achse 81 in Fig. 10 den in Fig. 11 gezeigten Effekt, während die zwei Widerstände auf der linken Seite von der ersten Achse 81 durch diesen Effekt sehr viel weniger beeinflußt werden. Der Widerstand der Widerstände R_B und R_C wird um irgendeinen inkrementalen Wert herabgemindert. Auf Grund der Brückenanordnung gemäß Fig. 8 wird durch die Abnahme des Widerstandes der Widerstände R_B und R_C die erste Spannung V₁ erniedrigt und die zweite Spannung V₂ erhöht. Dieses Anwachsen der Differentialspannung zwischen den zwei Erfassungspunkten der Brücke gibt das Vorliegen des magnetischen Gegenstandes auf der rechten Seite des keramischen Substrates wieder, wobei sich kein magnetischer Gegenstand auf der linken Seite des keramischen Substrates befindet.

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung des Widerstandes eines Magnetfeldwiderstandes 120 in Abhängigkeit von der Stärke eines magnetischen Feldes H_T in einer Richtung quer zur Vorzugsachse der Magnetisierung. In einer Anwendung, wie sie zuvor beschrieben wurde, fließt der durch den Magnetfeldwiderstand 120 fließende Strom I allgemein in einer Richtung parallel zu der Vorzugsachse der Magnetisierung und der Einfluß auf den Widerstand durch das magnetische Querfeld ist so wie in Fig. 12 veranschaulicht. Die magnetische Feldstärke wird in Gauss gemessen und die Familie der in Fig. 12 gezeigten Kurven ergibt sich für unterschiedliche Breiten W des Magnetfeldwiderstandes 120. Wie erkennbar, vermindert der Widerstand des Magnetfeldwiderstandes seinen Maximalwert R_MAX auf einen Wert, der ungefähr 98% des Maximalwertes beträgt, wenn die Magnetfeldstärke H_T quer zu dem Magnetfeldwiderstand 120 erhöht wird.

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen dem Widerstand eines Magnetfeldwiderstandes 120 und der Richtung eines externen magnetischen Feldes H_E. Die Familie der in Fig. 13 veranschaulichten Kurven ergibt sich für verschiedene Winkel zwischen dem externen magnetischen Feld H_E und der Achse des Magnetfeldwiderstandes 120 in der dargestellten Weise. Wenn das magnetische Feld H_E im wesentlichen auf die Richtung des Stromes ausgerichtet ist, der durch den Magnetfeldwiderstand 120 fließt, so weist die Größe des Magnetfeldwiderstandes 120 sein Maximum auf. Wenn der Winkel R anwächst, so nimmt der Widerstand des Magnetfeldwiderstandes 120 von seinem Maximalwert R_MAX auf einen Wert ab, der ungefähr 98% des Maximalwertes beträgt. Diese Widerstandsänderung eines Magnetfeldwiderstandes auf Grund von Änderungen sowohl der Größe als auch des effektiven Winkels eines Magnetfeldes gestattet die Überwachung der Größe und der Richtung des magnetischen Feldes durch Erfassung von Widerstandsänderungen der Magnetfeldwiderstände in der Wheatstone-Brücke.

Fig. 14 veranschaulicht einen empirischen Test eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung. Zwei Kurven 140 und 144 sind in Fig. 14 gezeigt. Eine Kurve 140 zeigt den Einfluß auf den Ausgang der Sensorbrücke, gemessen in Millivolt, wie er durch die Drehung eines Objektes hervorgerufen wird, das mehrere komplementär angeordnete Zähne und Lücken aufweist. Als das drehbare Element um seine Drehachse bewegt wurde, war der Positionssensor zunächst einem magnetischen Zahn auf einer Seite seiner ersten Achse 81 gegenüber und sodann einem Zahn auf der gegenüberliegenden Seite dieser ersten Achse. Es versteht sich, daß die Verwendung von positiven und negativen Spannungsgrößen in Fig. 14 relativ ist und von der Anordnung des Zahnes und der Lücke abhängt, die als die positive Position angesehen wird. Der wichtige Aspekt in Fig. 12 liegt darin, daß die Nulldurchgänge relativ gleichbleibend sind und unabhängig von der Lücke zwischen der ersten Ebene 70 und dem magnetischen Zahn sind. Beispielsweise repräsentiert die Kurve 140 in Fig. 14 die Ergebnisse, die mit einer Lücke von 0,5 mm erzielt werden, während die Kurve 144 die Ergebnisse repräsentieren, die mit einer Lücke von 2 mm erzielt werden. Die Lücke ist in Fig. 7 durch den Bezugsbuchstaben G bezeichnet. Wie ebenfalls in Fig. 12 erkennbar, gibt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung vor, die dem Fachmann als eine solche mit Einschalt-Erkennung bekannt ist. Dies wird durch die Tatsache veranschaulicht, daß die Polarität des Ausgangssignales der Wheatstone-Brücke aus Magnetfeld­ widerständen unmittelbar einen Hinweis auf die Position eines beweglichen Gegenstandes liefert, ohne daß es erforderlich ist, daß der Gegenstand bewegt wird. Mit anderen Worten kann durch Überwachung der Polarität des Ausgangssignales der Brücke der zugehörige Schaltkreis unmittelbar feststellen, ob sich ein Zahn auf der linken Seite der Brücke mit einer Lücke auf der rechten Seite oder alternativ ein Zahn auf der rechten Seite der Brücke mit einer Lücke auf der linken Seite befindet.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 14 repräsentiert die Information, die in dem Bereich zwischen 0° und 12° gezeigt ist, den Teil der Drehung, wo ein Zahn der zweiten Spur 14 sich in der Nähe der Magnetfeldwider­ stände befand und eine Lücke bzw. ein Schlitz der ersten Objektspur 12 sich in der Nähe der Magnetfeldwiderstände befand. Dies veranlaßte die Widerstände R_A und R_D zu einer Erhöhung des Widerstandes auf Grund des zuvor im Zusammenhang mit Fig. 11 beschriebenen Effektes. Bei einer Drehung von ungefähr 12°, wie dies durch die gestrichelte Linie 150 repräsentiert ist, gelangt die Hinterkante eines Zahnes der zweiten Objektspur 14 hinter die Linie 160, welche in den Fig. 6A, 6B, 6C, 6D und 10 gezeigt ist, wenn eine Vorderflanke der ersten Objektspur 12 sich in die Position der Linie 160 bewegt. In gleicher Weise tritt bei ungefähr 15° Drehung, wie durch die gestrichelte Linie 155 in Fig. 12 veranschaulicht, die entgegengesetzte Situation auf und die Vorderkante eines Zahnes der zweiten Objektspur 14 bewegt sich zu der Linie 160, während eine Hinterkante eines Zahnes der ersten Objektspur 12 hinter die Linie 160 bewegt wird. Wie erkennbar, gestatten diese Nulldurchgangspositionen der vorliegenden Erfindung die genaue Bestimmung des präzisen Ortes der Vorder- und Hinterkanten aller Zähne und Lücken beider Objektspuren. Dies gestattet eine sehr genaue Bestimmung der Position des drehbaren Elementes und erlaubt ferner diese Bestimmung, ohne daß irgendeine Drehung des Elementes erforderlich ist.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 14 ist erkennbar, daß beide Kurven 140 und 144 in der positiven Spannungs­ richtung geringfügig versetzt sind. Mit anderen Worten besitzen die Spitzenwerte der Kurve 140 in der positiven Richtung eine größere absolute Größe als die Spitzenwerte der gleichen Kurve in der negativen Richtung. Wie dem Fachmann wohlbekannt ist, kann dieser Umstand leicht kompensiert werden durch eine Trimmoperation der Schaltkreiselemente.

Die Verwendung von anderen Techniken, wie beispielsweise Halleffekt-Element-Konfigurationen und Mehrfach-Magnet­ techniken haben nicht den nützlichen Effekt gezeigt, wie er in Fig. 14 veranschaulicht ist. Die sehr genauen Nulldurchgangspositionen, wie sie durch die vorliegende Erfindung festgestellt werden, zeigen eine allgemeine Unempfindlichkeit bezüglich Änderungen in der Lücke G zwischen den Zähnen der Objektspuren und der ersten Ebene, in der die Magnetfeldwiderstände angeordnet sind. Dies ist von großer Bedeutung bei vielen unter­ schiedlichen Anwendungsfällen auf Grund des Vorliegens einer Unrundheit, die durch Variationen bei der Herstellung und dem Zusammenbau der Einrichtung hervorgerufen wird. Wenn beispielsweise die vorliegende Erfindung bei Automobilen verwendet wird, um die Drehposition einer bestimmten Welle des Automobilmotors festzustellen, so variiert der genaue Abstand zwischen den Magnetfeldwiderständen und einem rotierenden Gegenstand, der die komplementären Objektspuren aufweist und von Automobil zu Automobil und insbesondere kann die Lücke G von einer Drehposition zu einer anderen variieren auf Grund eines nicht-perfekten Herstell- bzw. Zusammen­ bauverfahrens. Auf Grund der relativen Unempfindlichkeit der vorliegenden Erfindung bezüglich dieser Art der Änderung in der Lücke G, wie dies durch die gleich­ bleibenden Nulldurchgänge in Fig. 14 für beide Kurven 140 und 144 dargestellt ist, liefert die vorliegende Erfindung eine nützliche Lösung für ein Problem, das dem Fachmann über viele Jahre bekannt war.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 14 kann die graphische Darstellung in dem oberen Teil der Figur verwendet werden, um ein digitales oder binäres Ausgangssignal durch einen Sensor vorzugeben. Wenn mit anderen Worten die Kurven 140 bzw. 144 positiv sind, so wird ein Ausgangssignal gegeben und wenn diese Kurven negativ sind, so wird kein Signal geliefert. Der untere Teil von Fig. 14 veranschaulicht dieses Konzept. Zwischen 12° und 15° sind die Kurven 140 und 144 positiv. Um diese Charakteristik zu kennzeichnen, kann während dieser Zeitperiode, wenn die Kurven in dem oberen Teil der Figur positiv sind, ein Rechteckimpuls 157 vorgegeben werden. Der in dem unteren Teil von Fig. 14 gezeigte Rechteckimpuls 157 entspricht dem algebraischen Vorzeichen der Signale in dem oberen Teil von Fig. 14. Obgleich es verschiedene Wege gibt, ein binäres Ausgangssignal vorzugeben, ist in Fig. 15 ein geeigneter Schaltkreis gezeigt. Die Magnetfeldwiderstände R_A, R_B, R_C und R_D sind in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration ähnlich der in Fig. 8 angeordnet. Die Ausgänge der Schaltungspunkte 91 und 93 sind an einen Verstärker 175 angeschlossen, der als Komparator arbeitet. Der Ausgang des Komparators 175 ist an einen Schmitt-Trigger 177 angeschlossen. Der Ausgang des Schmitt-Triggers liefert im Schaltungspunkt 179 ein Signal, das dem entspricht, wie es durch die Bezugsziffer 157 in Fig. 14 bezeichnet ist.

Obgleich die vorliegende Erfindung mit beträchtlichen Einzelheiten beschrieben wurde und speziell dargestellt wurde, um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, sollte es bekannt sein und verstanden werden, daß alternative Ausführungs­ formen ebenfalls in ihrem Rahmen liegen. Beispielsweise liefert das spezielle Verschachtelungsmuster der Magnetfeldwiderstände in Fig. 10 gewisse Vorteile; aber alternative Konfigurationen sind ebenfalls bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich. Ferner sind, obgleich eine Wheatstone-Brückenanordnung in Fig. 8 veranschaulicht ist und zuvor benutzt wurde, um die Wirkungsweise des bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, alternative elektrische Schaltkreise im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendbar. Ferner sind, obgleich die Objektspuren 12 und 14 mit Zähnen und dazwischen­ liegenden Lücken in den Figuren dargestellt sind, alternative Konfigurationen der Objektspuren möglich und können einen drehbaren Zylinder oder eine lineare Spur einschließen, wobei Öffnungen in einem magnetischen Material gebildet werden. Alternativ kann ein nicht- magnetischer zylindrischer Gegenstand vorgesehen sein mit magnetischen Einsätzen an seiner Außenfläche.

Claims (9)

1. Positionssensor, gekennzeichnet durch:
eine erste magnetoresistive Komponente (R_A), die in einer ersten Ebene (70) auf der ersten Seite einer ersten Achse (81) angeordnet ist;
eine zweite magnetoresistive Komponente (R_B), die in einer ersten Ebene (70) auf der zweiten Seite der ersten Achse (81) angeordnet ist;
ein bewegliches Element (10), das erste und zweite Objektspuren (12, 14) aufweist, welche jeweils mehrere erste und zweite Teile (17, 18; 16, 19) aufweisen, wobei jeder erste Teil der ersten Objektspur in Nachbarschaft zu jedem zweiten Teil der zweiten Objektspur angeordnet ist und jeder zweite Teil der ersten Objektspur in Nachbarschaft zu jedem ersten Teil der zweiten Objektspur angeordnet ist und wobei die erste Objektspur auf einer ersten Seite einer zweiten Ebene (82) und die zweite Objektspur auf einer zweiten Seite der zweiten Ebene angeordnet ist und die erste Achse (81) in der ersten und zweiten Ebene angeordnet ist; und
eine Einrichtung zur Vorgabe eines ersten Signales, wobei das erste Signal eine Funktion des relativen Widerstandes der ersten und zweiten magneto­ resistiven Komponenten ist und der Position des beweglichen Elementes entspricht.

2. Positionssensor, gekennzeichnet durch:
erste, zweite, dritte und vierte magnetisch empfindliche Elemente (R_A, R_B, R_C, R_D), die in einer ersten Ebene (70) angeordnet sind, wobei das erste und vierte magnetisch empfindliche Element (R_A, R_C) auf einer ersten Seite einer ersten Achse (81) und das zweite und dritte magnetisch empfindliche Element (R_B, R_D) auf einer zweiten Seite der ersten Achse angeordnet sind;
ein bewegliches Element (10), das erste und zweite Objektspuren (12, 14) aufweist, welche jeweils mehrere erste und zweite Teile (17, 18; 16, 19) aufweisen, wobei jeder erste Teil der ersten Objektspur in Nachbarschaft zu jedem zweiten Teil der zweiten Objektspur angeordnet ist und jeder zweite Teil der ersten Objektspur in Nachbarschaft zu jedem ersten Teil der zweiten Objektspur angeordnet ist und wobei die ersten Objektspuren auf einer ersten Seite einer zweiten Ebene (82) und die zweite Objektspur auf einer zweiten Seite der zweiten Ebene angeordnet ist und die erste Achse (81) in der ersten und zweiten Ebene angeordnet ist; und
eine Einrichtung zur Vorgabe eines ersten Signales entsprechend der Position des beweglichen Elementes.

3. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste magnetoresistive Komponente erste und dritte magnetisch empfindliche Elemente (R_A, R_C) umfaßt; und
daß die zweite magnetoresistive Komponente zweite und vierte magnetisch empfindliche Elemente (R_B, R_D) umfaßt.

4. Positionssensor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten magnetisch empfindlichen Elemente (R_A, R_C) elektrisch zwischen ersten und zweiten Schaltungspunkten (90,92) in Reihe geschaltet sind, daß die zweiten und vierten magnetisch empfindlichen Elemente (R_B, R_D) elektrisch zwischen den ersten und zweiten Schaltungspunkten (90, 92) in Reihe geschaltet sind, daß die ersten und dritten magnetisch empfindlichen Elemente (R_A, R_C) elektrisch zu den zweiten und vierten magnetisch empfindlichen Elementen (R_B, R_D) parallelgeschaltet sind und daß die ersten und zweiten magnetisch empfindlichen Elemente mit dem ersten Schaltungs­ punkt (90) verbunden sind.

5. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Objektspuren (12, 14) kreisförmig und um eine Achse (26) drehbar sind.

6. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren ersten Teile (12, 16) der ersten und zweiten Objektspuren aus magnetischem Material bestehen.

7. Positionssensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste Teil der ersten und zweiten Objektspuren aus einem Zahn (12, 16) besteht und daß jeder zweite Teil der ersten und zweiten Objektspuren aus einer Zahnlücke (17, 19) zwischen benachbarten Zähnen besteht.

8. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Magneten (20) in Nachbarschaft zu der ersten Ebene (70), wobei diese Ebene zwischen dem Magneten und dem beweglichen Element angeordnet ist.

9. Positionssensor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten, dritten und vierten magnetisch empfindlichen Elemente aus Permalloy-Material bestehen.