DE4014885C2 - Drehwinkelaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehwinkelaufnehmer, zum Erfassen des Drehwinkels einer drehbaren Welle.

Es ist bereits ein Aufnehmer bzw. Sensor zum Erfassen eines Drehwinkels oder einer Drehstellung bekannt, bei dem, um eine berührungslose Einrichtung zu schaffen bzw. um den Verlust an Rotationsenergie einer Welle zu reduzieren, ein Magnetsensor eingesetzt ist. Dieser weist ein magnetoresis­ tives Element auf mit einer ebenen bzw. planaren Oberflä­ che, die so angeordnet ist, daß sie einem Permanentmagneten zugewandt ist, der beispielsweise am freien Ende einer Wel­ le befestigt ist.

Als magnetoresistive Elemente sind halbleiter-magnetoresi­ stive Elemente und ferromagnetische magnetoresistive Ele­ mente bekannt. Bei den erstgenannten wird die Eigenschaft eines Halbleiters ausgenützt, daß sich dessen elektrischer Widerstand in einem Magnetfeld verändert. Bei dem letztge­ nannten Element hat eine ferromagnetische Substanz die Eigenschaft, daß sich ihr Widerstand anisotrop abhängig von einem Winkel verändert, der durch eine Magnetisierungsrich­ tung und eine Stromrichtung in einem Magnetfeld gegeben ist. Diese Eigenschaft der ferromagnetischen Substanz wird als anisotroper magnetoresistiver Effekt bezeichnet, der sich von einem negativen magnetoresistiven Effekt unter­ scheidet, bei dem der Ohmsche Widerstandswert sich abhängig von der Magnitude des magnetischen Felds verändert. So er­ reicht bei einer geordneten ferromagnetischen Substanz der Ohmsche Widerstandswert, aufgrund der anisotropen magneto­ resistiven Wirkung, ein Maximum wenn die Stromrichtung pa­ rallel zur Magnetisierungsrichtung verläuft, während er dann, wenn die Stromrichtung senkrecht zur Magnetisierungs­ richtung verläuft, ein Minimum annimmt. Um diese Wirkung ausnützen zu können, wird ein dünner, ferromagnetischer Me­ tallfilm auf einer ebenen Oberfläche eines Substrates nach Art einer gefalteten Linie angeordnet, um ein ferromagneti­ sches magnetoresistives Element zu bilden. Es wird dann ein Magnetsensor, der ein derart ausgebildetes ferromagneti­ sches magnetoresistives Element aufweist, an eine Endfläche einer Welle oder in einer Lage einer derartigen Endfläche gegenüberliegend angeordnet; ferner wird ein Permanentmag­ net, beispielsweise entsprechend der japanischen Patentof­ fenlegungsschrift Nr. 62-237302, gegenüberliegend dem mag­ netoresistiven Element angeordnet.

Wenn jedoch ein Permanentmagnet und eine ebene Oberfläche eines magnetoresistiven Elements einander gegenüberliegend angeordnet sind, wie dies in der genannten Veröffentlichung der Fall ist, dann verändert sich ein auf das magnetoresi­ stive Element einwirkendes Magnetfeld abhängig von einer Axialbewegung der Welle. Obwohl das ferromagnetische magne­ toresistive Element in einem relativ schwachen Magnetfeld arbeiten kann, ist es dann nicht funktionsfähig, wenn es weit weg von dem Permanentmagneten angeordnet ist, so daß ein ausreichender Magnetfluß nicht mehr auf das Element einwirken kann; es kann dann ein Meßfehler verursacht wer­ den. Es ist deshalb erforderlich, daß ein bestimmter Ab­ standswert für den Abstand zwischen der ebenen Oberfläche des magnetoresistiven Elements und der des Permanentmagne­ ten aufrechterhalten bleibt. Demzufolge muß die Welle so gelagert sein, daß zumindest eine Axialbewegung verhindert wird; folglich ist es notwendig, daß die Lagerung für die Welle mit entsprechender Genauigkeit ausgebildet und zusam­ mengebaut wird.

Wenn das ferromagnetische magnetoresistive Element von ei­ ner Stromquelle mit konstantem Strom oder einer Spannungs­ quelle mit konstanter Spannung versorgt wird, dann wird ein Ausgang bzw. ein Ausgangssignal wesentlich, und zwar linear mit einem Anwachsen der Umgebungstemperatur vermindert, da das ferromagnetische magnetoresistive Element einen positi­ ven Temperaturkoeffizienten hat, der bei einer Versorgung mit konstantem Strom kleiner ist als bei einer Versorgung mit konstanter Spannung. Es werden dementsprechend zwei oder vier Blöcke magnetoresistiver Elemente zu einer Brüc­ kenschaltung miteinander verbunden, oder es werden andere Maßnahmen getroffen um eine Schwankung des Ausgangssignals aufgrund einer Veränderung der Umgebungstemperatur zu ver­ meiden. In einem magnetoresistiven Element, welches das zu­ vor beschriebene ferromagnetische magnetoresistive Element aufweist, verändert sich somit die Ausgangscharakteristik aufgrund einer Veränderung der Umgebungstemperatur. Es ist deshalb dann, wenn sich die Umgebungstemperatur, d. h. die Temperatur eines externen Umgebungsbereiches, verändert eine Temperaturkompensation bzw. ein Temperaturausgleich erfor­ derlich. Es ist allgemein bekannt, daß verschiedene Maßnah­ men unter Einsatz elektrischer Schaltungen getroffen werden können, um für einen Ausgang eine Kompensation, von durch eine Änderung der Umgebungstemperatur bedingten Einflüssen, zu erreichen. So wird beispielsweise durch die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 63-42403 eine Temperaturkom­ pensationsschaltung vorgeschlagen mit einer Reihenschaltung mit einer Diode zur Temperaturkompensation und einem Wider­ stand. Diese sind zwischengeschaltet zwischen einer Schal­ tung konstanten Stroms, um eine Brückenschaltung magnetore­ sistiver Elemente mit konstanten Strom zu versorgen und einer Schaltung konstanter Spannung, um die Schaltung kon­ stanten Stroms zu speisen, wobei ein Punkt innerhalb der Reihenschaltung mit der Schaltung konstanten Stroms verbun­ den ist. Bei einer derartigen Temperaturkompensationsschal­ tung wird jedoch ein Element zur Temperaturkompensation eingesetzt, welches sich von dem zum Messen eingesetzten magnetoresistiven Element unterscheidet, wobei beide Ele­ mente jeweils individuelle Temperaturkennwerte bzw. tempe­ raturabhängige Eigenschaften haben. Wenn somit das zum Mes­ sen eingesetzte Element und das zur Kompensation eingesetz­ te Element sich hinsichtlich ihrer temperaturabhängigen Eigenschaften unterscheiden ist es erforderlich, daß diese Elemente aufeinander abgestimmt werden. Es ist somit äußerst schwierig, eine stabile Temperaturkompensation über den gesamten Temperaturbereich, innerhalb dessen Messungen durchzuführen sind, zu erreichen. Da weiterhin ein für eine Kompensation eingesetztes Element jeweils abhängig von un­ ter verschiedenen Bedingungen erfolgenden Veränderungen der Umgebungstemperatur ausgewählt und angepaßt werden muß, führt eine derartige Kompensation zu einem Anstieg der Kosten.

In einem Verbrennungsmotor, der ein elektronisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem auf­ weist, ist ein Sensor zum Erfassen der Drosselklappenstel­ lung, im folgenden Drosselklappensensor genannt, angeord­ net, dessen Ausgangssignal zum Steuern der Kraftstoffein­ spritzung verwendet wird. Der Drosselklappensensor ist mit einer Drosselventil- bzw. Drosselklappenwelle verbunden. Er gibt beispielsweise ein Ausgangssignal betreffend den Öff­ nungswinkel der Drosselklappe, welches sich abhängig von dem Drosselventilöffnungswinkel, im folgenden kurz Drossel­ klappenöffnung bezeichnet, ab und ein Leerlaufsignal, wel­ ches ein einen Ein- oder einen Aus-Zustand anzeigendes Sig­ nal ist. Das Leerlaufsignal ergibt sich ausgehend von dem Betriebszustand des Motors abhängig davon, ob sich der Mo­ tor in einem Leerlaufbereich oder in einem Lastbereich be­ findet. Gemäß den japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungs­ schriften Nr. 59-41708, 59-115304 oder 62-81004 ist es üb­ lich, daß das die Drosselöffnung betreffende Signal als analoges Ausgangsspannungssignal vorhanden ist, welches proportional der Öffnung der Drosselklappe ist, während das Leerlaufsignal ein sich abhängig von der Drosselklappenöff­ nung ergebenes Ein- oder Aus-Signal ist. Der Drosselklap­ pensensor weist, wie in den oben genannten Veröffentlichun­ gen angegeben, ein mit der Drosselklappe verbundenes Poten­ tiometer auf. Dabei kann ein beweglicher Kontakt abhängig von einer Öffnungsbetätigung der Drosselklappe an einem Wi­ derstand entlanggleiten, wobei die Spannung zwischen einem Ende des Widerstandes und dem beweglichen Kontakt ausgege­ ben wird. Beim Schließen einer Drosselklappe wird ein nor­ malerweise offengehaltener Kontakt zum Erzeugen eines Leer­ laufsignals durch einen weiteren beweglichen Kontakt ge­ schlossen, der mit der Drosselklappe verbunden ist. Damit wird ein einen Leerlaufbereich anzeigendes Ein-Signal aus­ gegeben. Der Einsatz eines Potentiometers bei den bekannten Drosselklappensensoren macht eine Gleitbewegung zwischen dem Widerstand und dem beweglichen Kontakt erforderlich; es ist somit ein mechanischer Kontakt zwischen dem Widerstand und dem beweglichen Kontakt notwendig. Es ist deshalb er­ forderlich, daß Maßnahmen getroffen werden, damit den durch den mechanischen Kontakt verursachten Problemen, die bei­ spielsweise auf Abnützungserscheinungen oder dergleichen betreffend den beweglichen Kontakt oder den Widerstand be­ ruhen, entgegnet wird. Als eine derartige Maßnahme ist es zweckmäßig einen Drehwinkelsensor der berührungslosen Art als Drosselklappensensor einzusetzen. Mit einem derartigen Sensor kann eine Drosselklappenstellung relativ einfach er­ faßt werden; es ist jedoch schwierig den Leerlaufbereich zu erfassen. Dies führt dazu, daß getrennte Schaltmittel er­ forderlich werden, was dazu führt, daß der Einsatz berüh­ rungsloser Sensoren ziemlich unbedeutend geblieben ist. So ist es beispielsweise dann, wenn ein Magnetsensor mit einem magnetoresistiven Element eingesetzt wird schwierig, einen genauen Schwellenwert für den Leerlaufbereich vorzugeben, was darauf zurückzuführen ist, daß sich das Ausgangssignal des Magnetsensors in einem Bereich allmählich verändert, in dem die Drosselklappenöffnung, und damit auch der Drehwin­ kel, klein ist.

In der DE-PS 29 40 315 sowie der US-PS 4 392 375 werden Drehwinkelsensoren zur Erfassung des Drehwinkels einer drehbaren Welle, insbesondere der Drosselklappenwelle, eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Maßnahmen zur Erhöhung der Genauigkeit des erfaßten Winkels, die im speziellen den Einsatz eines Drosselklappenschalters überflüssig machen können, sind jedoch nicht angegeben.

Die WO 86/00986 A1 beschreibt einen magnetoresistiven Sensor zur Messung von Magnetfeldänderungen und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkel­ sensor zum Erfassen des Drehwinkels einer drehbaren Welle zu schaffen, so daß eine stabile Erfassung des Drehwinkels der drehbaren Welle ermöglicht wird.

In vorteilhafter Weise können bei dem Drehwinkelsensor mit einem magnetoresistiven Element Schwankungen aufgrund einer Veränderung der Umgebungstemperatur reduziert werden, so daß eine stabile Erfassung des Drehwinkels ermöglicht wird.

In vorteilhafter Weise ist es mit dem erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor mit einem magnetoresistiven Element zum Erfassen des Drehwinkels einer drehbaren Welle möglich, daß ein Schwellenwert selbst dann vorgegeben werden kann, wenn sich die drehbare Welle in ihrer Ausgangslage befindet.

Der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor ist weiterhin mit Vorteil bei einem Verbrennungsmotor als Drosselklappensen­ sor so einsetzbar, daß neben der Drosselklappenöffnung auch ein Leerlaufbereich in einfacher und genauer Weise erfaßt werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Drehwinkelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor ist entweder das Magnetelement oder der Aufnehmer mit der drehbaren Welle verbunden. Wenn beispielsweise das Magnetelement an der Welle befestigt ist, dann wird der Aufnehmer in einem be­ stimmten Abstand von der Welle so angeordnet, daß ein Mag­ netfeld, das zwischen den magnetischen Polen des Magnetele­ mentes verläuft, die ebene Fläche des Substrates des Auf­ nehmers umfaßt. Wenn das Magnetfeld aufgrund einer Drehung der Welle in Drehung versetzt wird, verändert sich aufgrund der magnetoresistiven Wirkung der Ohmsche Widerstand des auf dem Substrat angeordneten magnetoresistiven Elementes. Der Drehwinkel wird folglich als eine Änderung des Wider­ standswertes des magnetoresistiven Elementes erfaßt.

Der Drehwinkelsensor ist vorzugsweise so aufgebaut, daß er eine auch als Konstantstromschaltung bezeichnete Schaltung zur Versorgung der Brüc­ kenschaltung des Aufnehmerelementes mit einem konstanten Strom aufweist, sowie ein Widerstandselement zur Tempera­ turkompensation, welches ein magnetoresistives Element aus dem gleichen Material enthält, wie das magnetoresistive Element zum Erfassen des Drehwinkels. Das Widerstandsele­ ment ist benachbart dem magnetoresistiven Element zum Er­ fassen des Drehwinkels angeordnet, um abhängig von einer Veränderung der Umgebungstemperatur, aufgrund einer dadurch verursachten Änderung des Ohmschen Widerstandswertes den Strom anzupassen, der der Schaltung konstanten Stroms zuge­ führt wird. Wenn der Ohmsche Widerstandswert des magnetore­ sistiven Elementes zum Erfassen des Drehwinkels, aufgrund einer Veränderung der Umgebungstemperatur, verändert wird, dann verändert sich der Ohmsche Widerstandswert des Wider­ standselementes zur Temperaturkompensation in gleicher Weise, wie dies für den Aufnehmer der Fall ist, da beide aus dem gleichen Material bestehen.

Dementsprechend wird der der Schaltung konstanten Stroms zuge­ führte Strom abhängig von temperaturbedingten Änderungen des Widerstandes des Widerstandselementes zur Temperatur­ kompensation eingestellt bzw. angepaßt, so daß Schwankungen des Ausgangssignals des Aufnehmers aufgrund von Änderungen betreffend die Umgebungstemperatur vermieden sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Drehwinkel­ sensor einen Aufnehmer mit Blöcken magnetoresistiver Ele­ mente auf, mit einer Vielzahl langgestreckter Abschnitte, die parallel zueinander verlaufen und miteinander verbunden sind. Die langgestreckten Abschnitte sind dabei unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Richtung des Magnetflusses des durch die Magnetelemente in ihrer Ausgangslage gebilde­ ten Magnetfeldes ausgelenkt. Dieser Drehwinkelsensor kann als Drosselklappensensor eingesetzt werden, wobei die dreh­ bare Welle mit einer Drosselklappe bzw. einem Drosselventil eines Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung verbunden ist und mit der Drosselklappe bzw. dem Drosselventil ge­ dreht wird. Die langgestreckten Abschnitte der magnetoresi­ stiven Elemente sind dabei so angeordnet, daß sie gegenüber der Richtung des Magnetflusses ausgelenkt sind, der durch die Magnetelemente erzeugt wird, wenn sich die Drosselklap­ pe in ihrer Schließstellung befindet. Wenn dieser Sensor als Drosselklappensensor eingesetzt wird, dann wird ein Aufnehmer eingesetzt mit einer Vielzahl von Blöcken mag­ netoresistiver Elemente, die mit einem vorgebbaren Muster bzw. in einer vorgebbaren Gestalt ausgebildet sind, damit ein Leerlaufbereich erfaßt werden kann, in dem sich die Drosselklappe im wesentlichen in ihrer Schließstellung be­ findet. Insbesondere sind die langgestreckten Abschnitte der magnetoresistiven Elemente um einen bestimmten Winkel gegenüber der Richtung des Magnetflusses ausgelenkt, der sich ergibt, wenn sich das Magnetelement in der Schließ­ stellung der Drosselklappe befindet. Damit ergibt sich im Bereich der Ausgangslage der Welle ein Ausgangssignal des magnetoresistiven Elementes, das sich gegenüber dem Dreh­ winkel der Welle linear verhält. Damit ist der Leerlaufbe­ reich innerhalb eines vorgebbaren Öffnungsbereichs der Drosselklappe genau definiert.

Drei Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Dreh­ winkelsensor werden mit weiteren Einzelheiten anhand der Zeichnung erläutert, wobei übereinstimmende Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil eines Drehwinkelsen­ sors nach einem ersten Ausführungsbeispiel in teil­ weise geschnittener Ansicht,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Aufnehmerelement für einen Drehwinkelsensor gemäß dem ersten Ausführungsbei­ spiel,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Drehwinkelsensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 ein Diagramm betreffend die Ausgangscharakteristik des Drehwinkelsensors gemäß dem ersten Ausführungs­ beispiel,

Fig. 5 einen Schaltplan für den Drehwinkelsensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 in teilweise geschnittener Seitenansicht das bei einem Drehwinkelsensor gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel eingesetzte Magnetelement,

Fig. 7 in teilweise geschnittener Seitenansicht ein wei­ teres Ausführungsbeispiel für das Magnetelement,

Fig. 8 eine Draufsicht eines Aufnehmerelements und eines Widerstandselementes zur Temperaturkompensation ge­ mäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Drehwinkelsensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 10 ein Blockschaltbild für den erfindungsgemäßen Dreh­ winkelsensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 einen Schaltplan für einen Drehwinkelsensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 12(a) und 12(b) Schaltungen für das Widerstandselement zur Temperaturkompensation gemäß dem zweiten Aus­ führungsbeispiel,

Fig. 13 eine Draufsicht des Aufnehmers für einen Drehwin­ kelsensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 14 eine Draufsicht auf ein eine Schaltung aufweisendes Substrat für einen Magnetsensor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 15 eine Schaltung einer Brückenschaltung für das drit­ te Ausführungsbeispiel,

Fig. 16(a) ein Diagramm betreffend die Charakteristik eines Leerlaufsignales für den Fall, daß ein Drehwinkel­ sensor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel als Drosselklappensensor eingesetzt ist,

Fig. 16(b) ein Diagramm betreffend eine Ausgangscharakteri­ stik eines magnetoresistiven Elements zum Erfassen eines Leerlaufbereichs gemäß dem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel,

Fig. 17(a) ein Diagramm betreffend die Charakteristik des Leerlaufsignals für den Fall, daß ein magnetoresi­ stives Element zum Erfassen der Drosselklappenöff­ nung verwendet wird, um den Leerlaufbereich gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zu erfassen,

Fig. 17(b) ein Diagramm betreffend die Ausgangscharakteri­ stik des magnetoresistiven Elements zum Erfassen der Drosselklappenöffnung gemäß dem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel,

Fig. 18 eine geschnittene Seitenansicht eines Drosselklap­ pensensors mit einem Drehwinkelsensor gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 3, und

Fig. 19 eine Draufsicht auf den Drosselklappensensor gemäß Fig. 18.

Ein Drehwinkelsensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist nach den Fig. 1 und 3 einen Ma­ gnetsensor 10 mit einem Aufnehmerelement auf. Der Magnetsensor 10 ist auf einem Schaltungssubstrat 30 befestigt, welches einer Grundplatte entspricht, und ein Magnetelement 20 ist dem Magnetsensor 10 gegenüberliegend angeordnet und an einer drehbaren Welle 2 befestigt. Gemäß den Fig. 1 und 2 enthält der Magnetsen­ sor 10 ein Aufnehmerelement 12, das als ein dünner Film eines magnetoresistiven Elements aus einer ferromagneti­ schen Legierung, wie beispielsweise einer Ni-Cu-Legierung, auf einem Elementsubstrat 11, wie Glas oder dergleichen, angeordnet ist. Das ferromagnetische magnetoresistive Ele­ ment wird beispielsweise durch Vakuumaufdampfen oder Photo­ ätzen mit einer Fertigungstechnologie hergestellt, wie sie aus der Herstellung integrierter Schaltungen bekannt ist.

Das ferromagnetische magnetoresistive Element (im folgenden vereinfachend als magnetoresistives Element bezeichnet), das das Aufnehmerelement 12 bildet, ist durch einen strei­ fenförmigen aus einer ferromagnetischen Legierung gebilde­ ten, dünnen Film geformt, welcher gemäß dem in Fig. 2 dar­ gestellten Muster in Form einer Reihe von S-förmigen Konfi­ gurationen ausgebildet ist, um einen hohen Ohmschen Wider­ standswert zu erreichen. Daneben ist das magnetoresistive Element in Hinblick auf die magnetoresistive Wirkung in eine Vielzahl von Blöcken unterteilt. Vorliegend weist das Aufnehmerelement 12 eine Musterkonfiguration auf, welche aus vier Blöcken besteht. Zwei Blöcke weisen im wesentli­ chen in horizontaler Richtung langgestreckte Abschnitte auf, und zwei Blöcke haben im wesentlichen in vertikaler Richtung langgestreckte Abschnitte; die Blöcke sind alter­ nierend, wie in Fig. 2 dargestellt, miteinander verbunden. An Verbindungspunkten zwischen benachbarten Blöcken sind Anschlüsse 12a bis 12d ausgebildet und es sind diese Blöcke zu einer Brückenschaltung ausgebildet. Die Anschlüsse 12a, 12b sind sogenannte Stromanschlüsse und der Anschluß 12a ist mit einer Spannungsquelle konstanter Spannung (im fol­ genden vereinfachend Spannungsquelle genannt) über eine später beschriebene Schaltung konstanten Stroms verbunden, während der Anschluß 12b geerdet ist. Die Anschlüsse 12c, 12d sind sogenannte Spannungsanschlüsse über die ein erfaß­ tes Signal ausgegeben wird. Die Anschlüsse 12a bis 12d sind elektrisch mit einer Vielzahl von Leitungen 31 verbunden, die an dem Schaltungssubstrat 30, wie in Fig. 3 darge­ stellt, ausgebildet sind. Die Bauteile, die eine Aufnehmer­ schaltung ausmachen, welche später beschrieben werden, sind an der Seite des Schaltungssubstrates 30 angeordnet, die der Seite gegenüberliegt, an der der Magnetsensor 10 ange­ ordnet ist. Das Aufnehmerelement 12 ist elektrisch über die Leitungen 31 und die mit diesen verbundenen Anschlüsse 32 mit den genannten Bauteilen verbunden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das Magnetelement 20 in einem bestimmten, vorgebbaren Abstand von dem Magnetsensor 10 und dem Schaltungssubstrat 30 angeordnet.

Das Magnetelement 20 weist einen Permanentmagneten 21 und ein Paar von im wesentlichen L-förmigen Magnetarmelementen 22, 23 auf, die an dem Permanentmagneten 21 befestigt sind, so daß das Magnetelement 20 insgesamt C-förmig ausgebildet ist. Der Permanentmagnet 21 ist sich in Längsrichtung an die Welle 2 anschließend an dieser befestigt, wobei die Magnetarmelemente 22, 23 sich parallel zur Welle 2 erstrek­ ken. Die Magnetarmelemente 22, 23 sind jeweils mit einer Seite des Permanentmagneten 21, beispielsweise durch Kleben oder dergleichen, derart verbunden, daß die Endflächen ab­ gebogener freier Enden 22a, 23a einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei ein Zwischenraum zwischen den ein­ ander gegenüberliegenden Endflächen der freien Enden 22a, 23a gebildet ist. An den freien Enden 22a, 23a der Magnet­ armelemente 22, 23 ist somit der N-Pol bzw. S-Pol ausgebil­ det und ein Magnetfeld mit parallelen magnetischen Flußli­ nien gleichförmiger Flußdichte ist zwischen diesen Polen ausgebildet. Die Entfernung zwischen den freien Enden 22a und 23a der Magnetarmelemente 22 und 23 ist so eingestellt, daß sie größer ist als die maximale Länge des ebenen Ober­ flächenbereichs des Magnetsensors 10. Das Spiel-L zwischen den freien Enden 22a, 23a und dem Schaltungssubstrat 30 ist so festgelegt, daß es kleiner ist als die Dicke H des Mag­ netsensors 10. Die Breite l von jeder der einander gegenüber­ liegenden Endflächen der freien Enden 22a, 23a ist größer als die Dicke H des Magnetsensors 10. Aus diesem Grund ist das Aufnehmerelement 12 stets zwischen den einander gegen­ überliegenden Endflächen der freien Enden 22a, 23a angeord­ net, unabhängig davon, ob sich das Magnetelement 20 aufgrund einer Drehung der Welle 2 und abhängig von der Lagerung der Welle 2 und dergleichen dem Magnetsensor 10 nähert oder sich von diesem entfernt. Das Magnetelement 20 ist dabei entfernt von dem Schaltungssubstrat 30 angeordnet und das Spiel L ist so eingestellt, daß es kleiner ist als die Breite H des Magnetsensors 10.

Demzufolge ist der Magnetsensor 10 innerhalb eines gleich­ förmigen Magnetfeldes angeordnet, welches zwischen den freien Enden 22a, 23a verläuft und es ist eine ebene Fläche des Elementsubstrates 11 parallel zu dem Magnetfeld ange­ ordnet, so daß der gleichförmige Magnetfluß, der parallel zur ebenen Fläche verläuft auf das magnetoresistive Element einwirkt, durch welches das Aufnehmerelement 12 gebildet wird. Wenn der Permanentmagnet 21 sich um den Magnetsensor 10 aufgrund einer Drehung der Welle 2 dreht, dann dreht sich das zwischen den freien Enden 22a, 23a verlaufende Magnetfeld, so daß ein Winkel der durch die Stromrichtung und die Magnetisierungsrichtung gegenüber dem Aufnehmerele­ ment 12 gebildet wird, variiert. In dem vorliegenden Fall erreicht ein Ohmscher Widerstandswert für das magnetoresis­ tive Element des Aufnehmerelementes 12 ein Maximum, wenn die Magnetisierungsrichtung des Magnetfeldes zwischen den freien Enden 22a, 23a und die Richtung des durch das Auf­ nehmerelement 12 fließenden Stromes parallel zueinander sind. Der Ohmsche Widerstandswert wird hingegen zu einem Minimum, wenn beide Richtungen senkrecht zueinander ver­ laufen. Das Ausgangssignal von den Anschlüssen 12c, 12d des Aufnehmerelementes 12 ergibt somit einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf, so daß, wie in Fig. 4 dargestellt, das einem Drehwinkel der Welle 2 entsprechende Ausgangssig­ nal mit Ausnahme der dem Maximum oder dem Minimum benach­ barten Bereiche eine im wesentlichen lineare Charakteristik aufweist.

Bei dem beschriebenen Drehwinkelsensor wird das Magnetele­ ment 20 relativ zu dem Magnetsensor 10 verschoben, wenn sich eine Verschiebung der Welle 2 in deren axialen Rich­ tung durch die Lagerung der Welle 2 ergibt. In entsprechen­ der Weise ergibt sich bei einem Versatz der Welle 2 eine Relativverschiebung zwischen dem Magnetelement 20 und dem dann parallel dazu bewegten Magnetsensors 10. Da jedoch das Magnetfeld zwischen den freien Enden 22a, 23a mit gleich­ förmigen parallelen Magnetfluß ausgebildet ist, wird der auf das Aufnehmerelement 12 einwirkende Magnetfluß aufgrund einer derartigen Verschiebung nicht verändert. An den An­ schlüssen 12d, 12e ergibt sich somit ein stabiles Span­ nungssignal unabhängig von einer derartigen Verschiebung der Welle 2.

Der Drehwinkelsensor gemäß dem beschriebenen Ausführungs­ beispiel kann bei verschiedenen Einrichtungen eingesetzt werden, beispielsweise, wie dies später beschrieben wird, als Drosselklappensensor bei einem Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung. In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Erfassungsschaltung dargestellt, die mit einem in einem Drosselklappensensor 1 nach den Fig. 18, 19 einge­ setzten Magnetsensor 10 verbunden ist. Die Erfassungsschal­ tung enthält eine Brückenschaltung 40, eine Schaltung 41 konstanten Stroms, eine Differentialverstärkerschaltung 42, eine Vergleicherschaltung 43 und eine Schaltung 44 zur Ni­ veaueinstellung.

In der Brückenschaltung 40 ist eine Brücke durch die vier Blöcke des magnetoresistiven Elements des Aufnehmerelements 12 nach Fig. 2 gebildet. Der Anschluß 12a ist mit der Schaltung 41 konstanten Stroms verbunden, während der An­ schluß 12b über einen Widerstand R1 geerdet ist. Die Schal­ tung 41 konstanten Stroms weist in einer Rückkopplungs-Schal­ tung, in der die Brückenschaltung 40 angeordnet ist, einen Operationsverstärker OP1 auf. Der Widerstand R1 ist an ei­ nem Ende mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Opera­ tionsverstärkers OP1 verbunden und an dem anderen Ende ge­ erdet. Eine Reihenschaltung von Widerständen R2, R3 ist mit einer Spannungsquelle Vc verbunden, und der Verbindungs­ punkt zwischen den Widerständen R2 und R3 ist mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstär­ kers OP1 angeschlossen. Die über die Spannungsquelle Vc be­ reitgestellte konstante Spannung wird somit über die Wider­ stände R2 und R3 geteilt, um dem Operationsverstärker OP1 als Referenzspannung Vs zugeführt zu werden. Dementspre­ chend wird die Spannung über beide Enden des Widerstandes R1 durch die Referenzspannung Vs bestimmt, so daß die Aus­ gangsspannung des Operationsverstärkers OP1 abhängig von einem Wechsel des Ohmschen Widerstandswertes der Brücken­ schaltung 40 als Ganzes geändert wird, um diesem einen kon­ stanten Strom zuzuführen. Es wird somit der Brückenschal­ tung 40 ein konstanter Strom selbst dann zugeführt, wenn sich der Ohmsche Widerstandswert der Blöcke der magnetore­ sistiven Elemente, die die Brückenschaltung 40 bilden, än­ dert.

Der Ausgangsanschluß 12c der Brückenschaltung 40 ist mit einem invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsver­ stärkers OP3 in der Differentialverstärkerschaltung 42 über einen Widerstand R4 verbunden. Ein Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP3 ist nicht nur mit dem invertie­ renden Eingangsanschluß davon über einen Rückkopplungs-Wider­ stand R5 verbunden, sondern auch mit einem Ausgangsanschluß 42a und einem invertierenden Eingangsanschluß eines Opera­ tionsverstärkers OP4. Der Verbindungspunkt zwischen Wider­ ständen R6 und R7 ist mit dem nichtinvertierenden Eingangs­ anschluß des Operationsverstärkers OP4 in der Vergleicher­ schaltung 43 verbunden, so daß die konstante Spannung der Spannungsquelle Vc über die Widerstände R6 und R7 geteilt wird, damit als Eingangsgröße eine Referenzspannung Vp er­ halten wird. Die Referenzspannung Vp wird mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP3 in dem Operationsverstärker OP4 verglichen und ein Ergebnis dieses Vergleichs wird über den Ausgangsanschluß 43a ausgegeben. Zwischen der Brücken­ schaltung 40 und der Differentialverstärkerschaltung 42 ist eine Schaltung 44 zur Niveaueinstellung angeordnet, die einen Operationsverstärker OP5 aufweist, der mit dem Aus­ gangsanschluß 12d der Brückenschaltung 40 über einen Opera­ tionsverstärker OP2 verbunden ist. Dabei ist der nichtin­ vertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 mit dem Ausgangsanschluß 12d der Brückenschaltung 40 ver­ bunden und sein Ausgangsanschluß ist mit dem nichtinvertie­ renden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP5 über einen Widerstand R8 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 wird für eine Pufferfunktion über eine Rückkopplungs-Leitung mit seinem invertierenden Eingangs­ anschluß verbunden. Die konstante Spannung der Spannungs­ quelle Vc wird über Widerstände R9 und R10 geteilt und ein Verbindungspunkt zwischen diesen ist mit dem nichtinvertie­ renden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP5 über einen Widerstand R11 verbunden. Ein invertierender Ein­ gangsanschluß des Operationsverstärkers OP5 ist für eine Rückkopplung mit dessen Ausgangsanschluß über einen Widerstand R12 verbunden und über einen Widerstand R13 geerdet. Ein Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP5 ist mit dem Operationsverstärker OP3 über einen Widerstand R14 verbun­ den, der mit einem Ende eines Widerstandes R15 verbunden ist, dessen anderes Ende geerdet ist.

Als Ausgang der Differentialverstärkerschaltung 42 wird ein über den Ausgangsanschluß 42a ausgegebenes Drehwinkelsignal erhalten, während ein eine Drehstellung betreffendes Dreh­ stellungssignal über den Ausgangsanschluß 43a durch die Vergleicherschaltung 43 ausgegeben wird. Das Drehwinkelsig­ nal wird durch eine Ausgangsspannung gebildet, die propor­ tional dem Drehwinkel der Welle 2 ist, und es kann bei­ spielsweise als Drosselklappensignal bei einem Verbren­ nungsmotor, als ein den Drosselklappenöffnungswinkel be­ treffendes Signal, verwendet werden. Das Drehstellungs­ signal wird gleichfalls durch eine Ausgangsspannung gebil­ det und es kann dadurch ein Ein-Zustand angezeigt werden, der sich dann ergibt, wenn die Welle 2 in eine vorgebbare Stellung aus einem Aus-Zustand gedreht wird. Dieses Signal kann als Leerlaufsignal verwendet werden, durch das ange­ zeigt werden kann, daß sich die Drosselklappe ihrer Schließstellung nähert. Die Differentialverstärkerschaltung 42 kann so ausgebildet werden, daß lediglich eines dieser Ausgangssignale bereitgestellt wird.

Dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß ändert sich der Ohmsche Widerstandswert des Aufnehmerelementes 12 des Ma­ gnetsensors 10 aufgrund einer Drehung der Welle 2. Wie in Fig. 5 dargestellt weist die Brückenschaltung 40 das Auf­ nehmerelement 12 auf und ein konstanter Strom wird über die Schaltung 41 konstanten Stroms der Brückenschaltung 40 zu­ geführt. Es entsteht somit ein nicht ausgeglichenes Poten­ tial zwischen den Verbindungspunkten zwischen den Blöcken des magnetoresistiven Elements oder zwischen den Anschlüs­ sen 12c und 12d in der Brückenschaltung 40, aufgrund einer Veränderung des Ohmschen Widerstandswertes in jedem der Blöcke des Aufnehmerelementes 12. Dieses Potential wird über die Differentialverstärkerschaltung 42 durch die Schaltung 44 für eine Niveaueinstellung eingegeben, um eine Spannung zu erzeugen, die als Drehwinkelsignal über den Ausgangsanschluß 42a aufgegeben wird. Demzufolge wächst die ausgegebene Spannung linear mit dem Drehwinkel an mit Aus­ nahme der Ausgangswerte, die benachbart einem in Fig. 4 dargestellten Maximum oder Minimum liegen. Der Ausgang der Differentialverstärkerschaltung 42 wird mit einem vorgebba­ ren Spannungswert über die Vergleicherschaltung 43 vergli­ chen, um ein Spannungsausgangssignal zu bilden, durch das eine vorgebbare Drehstellung, beispielsweise als Leerlauf­ signal, dargestellt werden kann.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführung für das Magnetelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei die­ ser Ausführung werden zunächst die Magnetarmelemente 22, 23 mit dem Permanentmagneten 21 verbunden. Weiterhin wird die Welle 2 mit dem Permanentmagneten 21 verbunden und im An­ schluß daran werden diese Elemente mit einem Harz zu einem Formkörper vereinigt. An Außenumfangsflächen der Magnetarm­ elemente 22, 23 und der Welle 2 sind Nuten ausgebildet und es wird ein Harzabschnitt 2a ausgebildet, der diese Nuten überdeckt. In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Magnetelement dargestellt. Anstelle eines, bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen eingesetzten Per­ manentmagneten 21 mit Magnetarmelementen 22, 23 ist das Ma­ gnetelement 20 als Kunstharzpermanentmagnet 21a einstückig ausgebildet, in dem das freie Ende der Welle 2 eingebettet ist. Ein gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildetes Ma­ gnetelement weist eine verringerte Anzahl von Teilen auf und ist einfach herstellbar.

In den Fig. 8 bis 12 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Drehwinkelaufnehmer darge­ stellt. Das Aufnehmerelement 12 und das Magnetelement 20 sind im wesentlichen so, wie das betreffend die Fig. 1 bis 3 beschrieben worden ist, ausgebildet. Bei einem Magnetsen­ sor 10A gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Wi­ derstandselement 13 zur Temperaturkompensation in der glei­ chen Weise auf einem Elementsubstrat 11A angeordnet, wie dies für das Aufnehmerelement 12 der Fall ist. Das Element­ substrat 11A ist größer ausgebildet als das Elementsubstrat 11 nach Fig. 2 und besteht aus demselben Material wie dieses.

Das Widerstandselement 13 zur Temperaturkompensation be­ steht aus einer ferromagnetischen Legierung, wie beispiels­ weise aus einer Ni-Cu-Legierung und ist in einer Musterkon­ figuration bestehend aus zwei Blöcken ausgebildet. Davon weist ein Block im wesentlichen in horizontaler Richtung langgestreckte Abschnitte und der andere Block im wesentli­ chen in vertikaler Richtung langgestreckte Abschnitt auf, und es sind die beiden Blöcke mit den zueinander senkrecht stehenden Abschnitten miteinander verbunden. An beiden En­ den des Widerstandselementes 13 zur Temperaturkompensation sind Anschlüsse 13a, 13b ausgebildet. Der Anschluß 13a ist mit der Spannungsquelle Vc über die Schaltung 41 konstanten Stroms verbunden und der Anschluß 13b ist geerdet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel bildet das Widerstandselement 13 zur Temperaturkompensation einen Teil der Schaltung 41 kon­ stanten Stroms, wie dies später beschrieben wird. Obwohl das Widerstandselement 13 zur Temperaturkompensation auf dem gleichen Elementsubstrat 11A zusammen mit dem Aufneh­ merelement 12 angeordnet ist, können die Elemente 12, 13 getrennt voneinander ausgebildet und einander eng benach­ bart angeordnet werden. Die Anschlüsse 12a bis 12d, 13a und 13b sind elektrisch leitend mit einer Vielzahl von Leitun­ gen 31 verbunden die, wie in Fig. 9 dargestellt, auf dem Schaltungssubstrat 30 ausgebildet sind. Das Aufnehmerele­ ment 12 und das Widerstandselement 13 zur Temperaturkompen­ sation sind mit den auf der gegenüberliegenden Seite des Schaltungssubstrates 30 angeordneten Bauteilen über die Leitungen 31 und über die Anschlüsse 32 verbunden. Das Mag­ netelement 20 ist, wie in Fig. 9 dargestellt, in einem vor­ gebbaren, bestimmten Abstand in bezug auf den Magnetsensor 10A und das Schaltungssubstrat 30 angeordnet.

Aufgrund der Anordnung des Magnetsensors 10A in dem gleich­ förmigen parallelen Magnetfeld, das zwischen den freien En­ den 22a, 23a des Magnetelementes gebildet ist, ist die ebe­ ne Oberfläche des Elementsubstrates 11A parallel zu dem Magnetfeld angeordnet. Der parallel zur ebenen Oberfläche gleichförmig verlaufende Magnetfluß wirkt auf die magneto­ resistiven Elemente, die das Aufnehmerelement 12 und das Widerstandselement 13 zur Temperaturkompensation bilden. Wenn der Permanentmagnet 21 aufgrund einer Drehung der Wel­ le 2 um den Magnetsensor 10A gedreht wird, dann wird, wie zuvor beschrieben, als Ausgang an den Anschlüssen 12c, 12d des Aufnehmerelementes 12 ein im wesentlichen sinusförmig verlaufendes Signal erhalten. Da das Widerstandselement 13 zur Temperaturkompensation eine Musterkonfiguration beste­ hend aus zwei Blöcken magnetoresistiver Elemente aufweist, die senkrecht zueinander stehend miteinander verbunden sind, heben sich die für sie aufgrund einer Drehung der Welle 2 eintretenden Änderungen ihrer Ohmschen Widerstands­ werte auf, so daß die Änderung des Ohmschen Widerstands­ wertes für das gesamte Element so klein ist, daß sie ver­ nachlässigbar ist.

In Fig. 10 ist ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform für eine Aufnehmer- bzw. Erfassungsschal­ tung dargestellt, die mit dem Magnetsensor 10A verbunden ist. In der Brückenschaltung 40 sind Widerstände, die den zuvor angesprochenen vier Blöcken entsprechen, durch Wider­ stände Ra bis Rd dargestellt. Der Anschluß 12a ist mit der Schaltung 41 konstanten Stroms verbunden, während der An­ schluß 12b geerdet ist. Die an die Spannungsquelle Vc ange­ schlossene Schaltung 41 konstanten Stroms ist mit dem An­ schluß 13a des Widerstandselementes 13 zur Temperaturkom­ pensation verbunden, dessen Anschluß 13b geerdet ist. Ein in Fig. 10 dargestellter Widerstand Re stellt einen dem Wi­ derstandselement 13 zur Temperaturkompensation entsprechen­ den Widerstand dar, und der bildet gleichzeitig einen Teil der Schaltung 41 konstanten Stroms. Die Anschlüsse 12c, 12d dienen als Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung 40 und sie sind jeweils in entsprechender Weise mit der Differen­ tialverstärkerschaltung 42 verbunden. Der Ausgang der Dif­ ferentialverstärkerschaltung 42 ergibt sich folglich an seinem Ausgangsanschluß 42a als ein Drehwinkelsignal, wäh­ rend ein die Drehstellung bzw. die Drehposition betreffen­ des Signal über dessen Ausgangsanschluß 43a über die Ver­ gleicherschaltung 43 erhalten wird. Das Drehwinkelsignal ergibt sich durch eine Ausgangsspannung, die proportional ist zu dem Drehwinkel der Welle 2 und das Drehstellungssig­ nal ist ein Spannungsausgang durch den eine Ein-Bedingung angezeigt wird, die sich im Unterschied zu einer Aus-Bedin­ gung beispielsweise dann ergibt, wenn die Welle 2 in eine vorbestimmte Drehlage gedreht wird.

Wenn sich die Ohmschen Widerstandswerte der Widerstände Ra bis Rd jeweils aufgrund einer Änderung der Umgebungstempe­ ratur des Aufnehmerelementes 12 verändern, dann wird der Ohmsche Widerstandswert des Widerstands Re des Widerstands­ elementes 13 zur Temperaturkompensation in entsprechender Weise geändert. Es wird deshalb, wenn beispielsweise jeder Ohmsche Widerstandswert der Widerstände Ra bis Rd vergrö­ ßert wird und der Ausgang der Brückenschaltung 40 dazu neigt verkleinert zu werden, der durch die Brückenschaltung 40 von der Schaltung 41 konstanten Stroms fließende Strom so gesteuert, daß er aufgrund des Anwachsens des Ohmschen Widerstandswertes des Widerstandes Re vergrößert wird. Folglich entspricht der Ausgang der Brückenschaltung 40 al­ lein dem Drehwinkel der Welle 2 ohne daß er durch eine Ver­ änderung der Umgebungstemperatur beeinflußt wird.

In Fig. 11 ist eine spezielle Schaltung betreffend die in dem Blockschaltbild nach Fig. 10 angegebene Schaltung dar­ gestellt. Die in Fig. 11 dargestellte Schaltung entspricht im wesentlichen der in Fig. 5 dargestellten Schaltung mit der Ausnahme, daß bei der Schaltung gemäß Fig. 11 eine Schaltung 44 zur Niveaueinstellung nicht vorgesehen ist. Weiterhin ist anstelle des Widerstandes R3 der Schaltung 41 konstanten Stroms nach Fig. 5 ein dem Widerstand Re ent­ sprechendes Widerstandselement 13 zur Temperaturkompensa­ tion vorgesehen. Dementsprechend ist die Brückenschaltung 40 mit dem Operationsverstärker OP3 über einen Puffer des Operationsverstärkers OP2 verbunden. Die restlichen Bauele­ mente der Schaltung stimmen im wesentlichen mit denjenigen nach Fig. 5 überein; sie weisen die gleichen Bezugszeichen auf und es wird diesbezüglich eine Beschreibung nicht wie­ derholt.

Da die wesentliche Wirkungsweise gemäß dem oben beschriebe­ nen zweiten Ausführungsbeispiel im wesentlichen derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, die in Verbin­ dung mit Fig. 5 beschrieben worden ist, wird im folgenden die spezielle Wirkungsweise gemäß dem zweiten Ausführungs­ beispiel für den Fall beschrieben, daß sich ein Temperatur­ anstieg ergibt. Wenn die Temperatur in der Umgebung des Magnetsensors 10A ansteigt, was zu einem Anstieg des Ohm­ schen Widerstandswertes des Widerstandes Re des Wider­ standselementes 13 für die Temperaturkompensation führt, der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, dann wird die Eingangsspannung für den nichtinvertierenden Ein­ gangsanschluß des Operationsverstärkers OP1 vergrößert. Folglich wird die Ausgangsspannung des Operationsverstär­ kers OP1 vergrößert, so daß der der Brückenschaltung 40 zu­ geführte Strom ansteigt. Die die Brückenschaltung 40 erge­ benden Widerstände Ra bis Rd sind im wesentlichen der glei­ chen Umgebung ausgesetzt, wie der Widerstand Re. Der Ohm­ sche Widerstandswert für diese Widerstände wächst folglich entsprechend demjenigen des Widerstandes Re an und es wird wie oben beschrieben, der von dem Operationsverstärker OP1 der Brückenschaltung 40 zugeführte Strom vergrößert, so daß sich in sicherer Weise ein dem Drehwinkel entsprechender Ausgang bzw. ein Ausgangssignal ergibt, das durch den An­ stieg der Umgebungstemperatur nicht verkleinert worden ist.

In Fig. 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel betreffend einen Spannungsteiler dargestellt, mit dem die Referenz­ spannung der Schaltung 41 konstanten Stroms einstellbar ist. Gemäß Fig. 12(a) ist ein Widerstand R16 parallel mit dem Widerstand Re des Widerstandselements 13 zur Tempera­ turkompensation geschaltet, so daß der Spannungsteiler durch einen sich aus den Widerständen R3 und R16 ergebenden resultierenden Widerstand 131 gebildet ist. Gemäß Fig. 12(b) ist ein Widerstand R17 mit dem Widerstand Re in Reihe geschaltet, so daß der Spannungsteiler durch einen sich aus den Widerständen R17 und Re ergebenden resultierenden Wide­ rstand 132 gebildet ist. Da mit dem Widerstand Re eine Re­ ferenzspannung für den Operationsverstärker OP1 mit dem Wi­ derstand R16 oder dem Widerstand R17 gebildet werden kann, ist jeder der Spannungsteiler gemäß den Fig. 12(a) und 12(b) abhängig von der Einstellbedingung in geeigneter Wei­ se auswählbar. Wenn beispielsweise ein bestimmtes Wider­ standselement 13 zur Temperaturkompensation für den in den Fig. 8 und 9 dargestellten Magnetsensor 10A eingesetzt wird, dann werden die Widerstände R16 oder R17 der Schal­ tung 41 konstanten Stroms durch Trimmen oder dergleichen fein eingestellt und es kann die Schaltung 41 konstanten Stroms einfach mit der Brückenschaltung 40 eingestellt wer­ den.

In den Fig. 13 bis 17 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor dargestellt.

Das Aufnehmerelement 12 und das Magnetelement 20 sind im wesentlichen die gleichen wie diejenigen, die in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben worden sind. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist ein Aufnehmerelement 14 zwei Blöcke bzw. blockweise angeordnete magnetoresistive Elemente auf, die nach einer zweiten Musterkonfiguration angeordnet sind, während das Aufnehmerelement 12 vier Blöc­ ke magnetoresistiver Elemente enthält, die nach einer er­ sten Musterkonfiguration ausgebildet sind. Die Aufnehmer­ elemente 12 und 14 sind auf einem Elementsubstrat 11B ange­ ordnet, welches größer ist als das Elementsubstrat 11 nach Fig. 2 und aus dem gleichen Material wie dieses besteht. Wie zuvor in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben ist das Aufnehmerelement 12 auf dem Elementsubstrat 11 angeordnet. Das Aufnehmerelement 14 enthält zwei Blöcke magnetoresisti­ ver Elemente, die aus demselben Material bestehen wie das Aufnehmerelement 12. Jeder der Blöcke weist eine Vielzahl langgestreckter Abschnitte auf, die parallel zueinander verlaufen und miteinander verbunden sind. Ein Block ist da­ bei um einen vorgebbaren bestimmten Winkel α aus der hori­ zontalen Richtung ausgelenkt und der andere Block ist, wie in Fig. 13 dargestellt, um den Winkel α aus der vertikalen Richtung ausgelenkt. Die langgestreckten Abschnitte jeder der beiden Blöcke gemäß der zweiten Musterkonfiguration stehen zueinander senkrecht und sie sind gegenüber den langgestreckten Abschnitten nach der ersten Musterkonfigu­ ration des Aufnehmerelementes 12 um Winkel α ausgelenkt. Der Winkel α wird vorzugsweise eher im Bereich von etwa 40° anstatt von etwa 45° vorgegeben. An beiden Enden und in der Mitte des Aufnehmerelementes 14 sind Anschlüsse 14a, 14b und 14c ausgebildet. Der Anschluß 14a ist mit der Span­ nungsquelle Vc über die zuvor beschriebene Schaltung kon­ stanten Stromes verbunden, während der Anschluß 14b geerdet ist. Der Anschluß 14c ist ein Ausgangsanschluß über den ein erfaßtes Signal ausgegeben wird.

Auf diese Weise wird ein Magnetsensor 10B gebildet und die Anschlüsse 12a bis 12d, 14a und 14b sind elektrisch mit ei­ ner Vielzahl von Leitungen 31 verbunden, die wie in Fig. 14 dargestellt, auf dem Schaltungssubstrat 30 angeordnet sind. Die Aufnehmerelemente 12, 14 des Magnetsensors 10B sind mit den auf der gegenüberliegenden Seite des Schaltungssubstra­ tes 30 angeordneten Bauteilen über Leitungen 31 verbunden. Die restliche Struktur einschließlich des Magnetelementes 20, das in einem vorgebbaren bestimmten Abstand in bezug auf den Magnetsensor 10B angeordnet ist, entspricht im we­ sentlichen derjenigen nach den Fig. 1 und 3. Wie in Fig. 15 dargestellt, bildet das Aufnehmerelement 14 mit Widerstän­ den R18 und R19 eine Brücke, die mit dem Operationsverstär­ ker OP3 in der Differentialverstärkerschaltung 42 nach Fig. 5 verbunden ist. Weitere Bauteile, die denjenigen der Schaltung nach Fig. 5 entsprechen, sind zur Vereinfachung in Fig. 15 weggelassen. Wenn der Magnetsensor 10B und das Magnetelement 20, wie in Fig. 18 und 19 dargestellt, in einem Drosselklappensensor 1 angeordnet sind, dann dient das Aufnehmerelement 12 dazu, den Drosselklappenöffnungs­ winkel zu erfassen und das Aufnehmerelement 14 wird einge­ setzt, um den Leerlaufbereich zu erfassen.

In den Fig. 18 und 19 ist ein Drosselklappenöffnungswinkel- bzw. Drosselklappensensor 1 dargestellt, der einen Drehwin­ kelsensor gemäß dem ersten, zweiten oder dritten Ausfüh­ rungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3, den Fig. 8, 9 bzw. den Fig. 13, 14 aufweist. Der Drosselklappensensor 1 ist an ei­ nem nicht dargestellten Drosselkörper angeordnet und die Welle 2 ist so gelagert, daß sie mit einer Drehung mit ei­ ner nicht dargestellten Drosselklappenwelle drehbar ist. Der Drosselklappensensor 1 weist ein Gehäuse 3 aus einem Kunstharz auf mit Aufnahmeräumen 3a, 3b, die über eine Trennwand 3c voneinander getrennt sind. Die Welle 2 ist in der Trennwand 3c über ein Lager 4 drehbar gelagert. Als La­ ger 4 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein gesintertes schmiermittelfreies Lager eingesetzt; es können aber auch Wälzlager oder dergleichen eingesetzt werden. In der Auf­ nahme 3a innerhalb des Gehäuses 3 ist ein Hebel 5 aufgenom­ men, der mit einem Ende mit der Welle 2 verbunden ist. Der Hebel 5 ist in nicht dargestellter Weise mit der Drossel­ klappenwelle verbunden. Eine Vorspannfeder 6 ist zwischen dem Gehäuse 3 und dem Hebel 5 angeordnet, um den Hebel 5 in eine vorgebbare Ausgangslage vorzuspannen. Folglich wird der mit der Drosselklappenwelle drehbare Hebel 5 bei einem Öffnen der nicht dargestellten Drosselklappe entgegen der Vorspannkraft der Vorspannfeder 6 bewegt; die Welle 2 wird dabei mitgedreht.

Das mit dem anderen Ende der Welle 2 verbundene Magnetele­ ment 20 ist in der anderen Aufnahme 3b des Gehäuses 3 auf­ genommen. Der Magnetsensor 10 ist so angeordnet, daß er dem Permanentmagneten 21 des Magnetelementes 20 gegenüberliegt und er ist zwischen den Magnetarmelementen 22, 23 angeord­ net, die an beiden Enden des Permanentmagneten 21 befestigt sind. Wie zuvor beschrieben, enthält der Magnetsensor 10 das Elementsubstrat 11 auf dem das Aufnehmerelement 12 an­ geordnet ist, und er ist auf der Oberfläche des Schaltungs­ substrates 30 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Schaltungssubstrates 30 sind Bauteile, wie der Operati­ onsverstärker OP1 und so weiter angeordnet, die die Aufneh­ mer- bzw. Erfassungsschaltung ergeben. Das Schaltungssub­ strat 30 ist an einem Ende mit einer Vielzahl von Anschlüs­ sen 32 versehen, über die die Leitungen verbunden sind, die auf der oberen und aneinander gegenüberliegenden Seiten an­ geordnet sind. An der anderen Seite ist das Schaltungssub­ strat 30 mit einer Vielzahl von Leitungselementen 7 verbun­ den, die in das Gehäuse 3 eingebettet sind und sich in seitlicher Richtung erstrecken, um einen einstückig mit dem Gehäuse 3 geformten Anschluß 8 zu bilden. Das Schaltungs­ substrat 30 ist in der Aufnahme 3b des Gehäuses 3 aufgenom­ men und dort festgelegt. Die Aufnahme 3b ist durch einen Deckel 9 aus Kunstharz geschlossen.

Wenn der Hebel 5 bei einem Drosselklappensensor 1 mit einem Drehwinkelsensor der zuvor beschriebenen Art aufgrund einer Drehung der Drosselklappe gedreht wird, dann erfolgt ein Drehen der in dem Lager 4 gelagerten Welle 2. Es wird dann nicht nur ein Drehwinkelsignal betreffend den Drehwinkel der Drosselklappe oder ein Drosselklappenöffnungssignal er­ zeugt, sondern es wird vielmehr gleichzeitig auch ein Lehr­ laufsignal erzeugt. Wenn während eines Betriebs des Dros­ selklappensensors 1 aufgrund von Lagereinflüssen oder der­ gleichen die Welle 2 in ihrer axialen Richtung verschoben wird, oder ein Versetzen der Welle 2 zu einer Verschiebung in einer parallelen Richtung zu der ebenen Oberfläche des Magnetsensors 10 erfolgt, dann wird das Magnetelement 20 relativ zu dem Magnetsensor 10 verschoben. Da jedoch das Magnetfeld zwischen den freien Enden 22a, 23a einen gleich­ förmigen parallelen Magnetfluß ergibt, führen derartige Verschiebungen nicht dazu, daß die Wirkung des Magnetflus­ ses auf das Aufnehmerelement 12 verändert wird. Es ergibt sich somit ein stabiles Ausgangsspannungssignal an den An­ schlüssen 12c, 12d, welches von den genannten Verschiebun­ gen der Welle 2 nicht beeinflußt wird. Da weiterhin durch den Drehwinkelsensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel Fehler, die wie beschrieben, anderenfalls aufgrund von Ver­ änderungen betreffend die Umgebungstemperatur auftreten könnten, verhindert werden, ist eine stabile und genaue Er­ fassung des Drehwinkels selbst dann sichergestellt, wenn starke Außeneinflüsse auftreten.

Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird der Ohmsche Widerstandswert des Aufnehmerelementes 14 des Magnetsensors 10 abhängig von der Drehung der Welle 2 verändert. Wenn die Magnetarmelemente 22, 23 des Magnetele­ mentes 20 in ihrer Ausgangslage sind, dann wirkt das Mag­ netfeld mit dem parallelen Magnetfluß in horizontaler Rich­ tung auf das Aufnehmerelement 14, wie dies in Fig. 13 dar­ gestellt ist. Wie in Fig. 16(b) dargestellt, liegt die Aus­ gangsspannung an dem Anschluß 14c des Aufnehmerelementes 14 unterhalb dem Schwellenwert, der durch die in Fig. 15 dar­ gestellten Widerstände R18 und R19 bestimmt wird. Wenn das Magnetfeld zwischen den Magnetarmelementen 22, 23 mit der Welle 2 gedreht wird, dann steigt die Ausgangsspannung an dem Anschluß 14c linear an. Wenn der Drehwinkel der Welle 2 somit einen vorbestimmten Winkel erreicht hat, dann über­ schreitet die Ausgangsspannung den Schwellenwert. Das elek­ trische Potential des Anschlusses 14c verändert sich somit wie in Fig. 16(b) dargestellt, um den in Fig. 16(a) darge­ stellten Ausgang des Operationsverstärkers OP3 in bezug auf den Schwellenwert zu erhalten. Der in Fig. 16 eingezeichne­ te und mit α bezeichnete Drosselklappenöffnungsbereich ist somit genau als Leerlaufbereich erkennbar. In Fig. 17(b) ist die Ausgangskennlinie bzw. Charakteristik für den Fall dargestellt, daß der Leerlaufbereich über die Ausgangsspan­ nung des Aufnehmerelementes 12, ohne den Einsatz des Auf­ nehmerelementes 14, erfaßt wird. Die Ausgangsspannung des Aufnehmerelementes 12 im Bereich eines Drosselöffnungswin­ kels innerhalb des Leerlaufbereichs ist von dem Schwellen­ wert nicht deutlich unterscheidbar. Der Drosselklappenöff­ nungsbereich a, in dem das Leerlaufsignal, wie in Fig. 17(a) dargestellt, ausgegeben wird, wird somit instabil. Wie zuvor beschrieben, wird erfindungsgemäß die Drossel­ klappenöffnung über das Aufnehmerelement 12 mit der ersten Musterkonfiguration erfaßt, und gleichzeitig wird der Leer­ laufbereich sicher durch das Aufnehmerelement 14 mit der zweiten Musterkonfiguration erfaßt.

Claims (14)

1. Drehwinkelsensor zum Erfassen des Drehwinkels einer drehbaren Welle mit einem Substrat (11) mit ebener Oberfläche,
mit einem Aufnehmerelement (12) mit einer Vielzahl von Blöcken magnetoresi­ stiver Elemente, die auf der ebenen Oberfläche des Substrats (11) angeordnet sind und eine Brückenschaltung bilden,
mit einem Magnetelement (20) mit einem Paar einander gegenüberliegender En­ den, wobei zwischen den einander gegenüberliegenden Enden (22a, 23a) des Magnetele­ ments (20) ein Magnetfeld erzeugt wird, in dem das Substrat (11) angeordnet ist,
wobei entweder das Substrat (11) oder das Magnetelement (20) auf der drehba­ ren Welle (2) angeordnet ist,
mit einer Schaltung (41), um der Brückenschaltung (40) des Aufnehmerelemen­ tes (12) einen konstanten Strom zuzuführen und
mit einem Widerstandselement (13) zur Temperaturkompensation, welches ein magnetoresistives Element des gleichen Materials, wie die magnetoresistiven Elemente der Blöcke des Aufnehmerelements (12) aufweist und das in dessen Nachbarschaft angeordnet ist und mit der Schaltung (41) verbunden ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mag­ netelement (20) C-förmig ausgebildet ist, und daß die ebene Oberfläche des Substrats (11) parallel zur Richtung des Magnetflusses des Magnetfelds verläuft.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (20) einen Permanentmagneten (21) aufweist, der der ebenen Fläche des Substrats (11) gegenüberliegend angeordnet ist und ein Paar von Magnetarmelementen (22, 23), die die gegenüberliegenden Enden bilden.

4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das C-förmige Magnetelement (20) als Kunststoffpermanentmagnet (21a) ausgebildet ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Substrat (11) auf einer Grundplatte (30) so angeordnet ist, daß die ebene Oberfläche des Substrats (11) dem Magnetelement (20) gegenüberliegt, wobei ein Spiel (L) zwischen der Grundplatte (30) und den gegenüberliegenden Enden (22a, 23a) des Magnet­ elementes kleiner ist als die Dicke (H) des Substrats (11).

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (1) jeder der einander gegenüberliegenden Enden (22a, 23a) des Magnetelementes (20), zwischen denen das Magnetfeld ausgebildet wird, größer ist als die Dicke (H) des Sub­ strats (11).

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Widerstandselement (13) zur Temperaturkompensation zwei Blöcke magneto­ resistiver Elemente aufweist mit einer Vielzahl langgestreckter Abschnitte, die parallel zueinander verlaufen und miteinander verbunden sind, und wobei die langgestreckten Abschnitte der beiden Blöcke senkrecht zueinander verlaufend angeordnet sind.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das als Widerstandselement (13) zur Temperaturkompensation vorgesehene magnetoresistive Element auf dem gleichen Substrat (11) ausgebildet ist, wie das Auf­ nehmerelement (12).

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Widerstandselement (13) zur Temperaturkompensation neben dem magneto­ resistiven Element einen weiteren Widerstand aufweist, der mit dem magnetoresistiven Element verbunden ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaltung (41) einen Operationsverstärker und eine mit diesem verbundene Rückkopplungs-Schaltung aufweist, wobei das Aufnehmerelement (12) in der Rückkopp­ lungs-Schaltung angeordnet ist und das Widerstandselement (13) zur Temperaturkompensa­ tion als Spannungsteiler in einer Schaltung angeordnet ist, die mit dem Operationsverstär­ ker verbunden und geerdet ist, um eine Referenzspannung bereitzustellen.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Blöcke der magnetoresistiven Elemente des Aufnehmerelementes (12) eine Vielzahl langgestreckter Abschnitte aufweisen, die parallel zueinander verlaufen und mit­ einander verbunden sind, wobei die langgestreckten Abschnitte unter einem bestimmten Winkel (α) von der Richtung des Magnetflusses des Magnetfeldes abweichend ausgebildet sind, wenn sich das Magnetelement (20) in seiner Ausgangslage befindet.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnehmerelement (12) vier Blöcke magnetoresistiver Elemente aufweist, die nach einer ersten Musterkonfiguration ausgebildet sind, wobei jeder dieser Blöcke eine Vielzahl lang­ gestreckter Abschnitte aufweist, die parallel zueinander verlaufen und miteinander verbun­ den sind, und wobei die langgestreckten Abschnitte benachbarter Blöcke senkrecht zueinan­ der verlaufen, und daß das Aufnehmerelement (14) weiter zwei Blöcke magnetoresistiver Elemente aufweist, die in einer zweiten Musterkonfiguration angeordnet sind, wobei jeder dieser Blöcke eine Vielzahl langgestreckter Abschnitte aufweist, die parallel zueinander verlaufen und miteinander verbunden sind, und wobei die langgestreckten Abschnitte die­ ser beiden Blöcke zueinander senkrecht verlaufen und die langgestreckten Abschnitte der zweiten Musterkonfiguration um einen vorgebbaren Winkel (α) gegenüber denjenigen ge­ mäß der ersten Musterkonfiguration ausgelenkt sind.

13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoresistive Element der zweiten Musterkonfiguration auf dem Substrat (11B) für die magnetoresistiven Elemente der ersten Musterkonfiguration und diesem benachbart angeordnet ist.

14. Sensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Welle (2) mit der Drosselklappe eines Verbrennungsmotors verbindbar und mit dieser drehbar ist, wobei die langgestreckten Abschnitte des magnetoresistiven Elemen­ tes der zweiten Musterkonfiguration so angeordnet sind, daß sie um einen vorgebbaren Winkel gegenüber der Richtung des Magnetflusses des Magnetfeldes ausgelenkt sind, der durch das Magnetelement (20) erzeugt wird, wenn sich die Drosselklappe in einer Schließ­ stellung befindet.