Drehungen stromlos messen

Drehgeber - Ein neu entwickelter absoluter Multiturnsensor kann auch ohne Getriebe und Pufferbatterie Umdrehungen zählen und speichern.

02. April 2007

Eine wichtige Aufgabe in der Industrieautomation, aber auch beim Betrieb von Automobilen, ist die Messung von Winkeln größer als 360 Grad. Gelöst wird diese Aufgabe in der Regel mit Drehgebern mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien. Die meisten dieser Umdrehungsmesser haben den Nachteil, dass sie eine eigene Stromversorgung benötigen und auf mechanischen und damit verschleißbehafteten Konstruktionen beruhen. Einen Ausweg aus dieser Problematik versprechen jetzt Drehgeber, die nach dem Prinzip des Riesenmagnetowiderstands (Giant Magnetoresistance, GMR) arbeiten, die der Sensorikhersteller Novotechnik aus Ostfildern entwickelt hat. Drehgeber mit diesem patentierten Funktionsprinzip arbeiten berührungslos, liefern absolute Positionswerte und benötigen keine Pufferbatterien. Sie eignen sich für bis zu zwölf Umdrehungen und sind damit für viele Applikationen nicht nur in der modernen Kfz-Technik geradezu prädestiniert.

Für Ernst Halder, Geschäftsführer Technik bei Novotechnik, liegen die Vorteile der neuen Technik auf der Hand: »Solche Sensoren stellen den Messwert sofort beim Start zur Verfügung und sind auf keinerlei Referenzsignale anderer Sensoren angewiesen.«

Intensive Forschungsarbeit

Der vor etwa 20 Jahren entdeckte Riesenmagnetowiderstand dient in Computer- Festplatten beispielsweise zum Auslesen von Daten und hat in CD- und DVD-Laufwerken weltweite Verbreitung gefunden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für physikalische Hochtechnologie (IPHT) in Jena ist es den württembergischen Sensorikspezialisten gelungen, den Effekt in einem Sensor umzusetzen, der zusätzlich zum Drehwinkelsignal im stromlosen Zustand und ohne Getriebe bis zu zwölf Umdrehungen zählen und dauerhaft speichern kann.

»Im Prinzip funktioniert der Multiturnsensor dabei wie ein Schieberegister«, erläutert Halder die Funktionsweise. Als praxisgerecht zur Realisierung eines Multiturnsensors hat sich dafür eine rennbahnartige Spirale erwiesen: Für jede zu zählende Umdrehung wird genau eine Windung benötigt, für zwölf Umdrehungen sind also zwölf Windungen notwendig. Ein wichtiger Bestandteil des Sensorelementes ist die große Fläche am Anfang der Spirale, der so genannte Domänenwandgenerator. Wenn die an einer drehenden Welle befestigten Dauermagnete sich am Sensorelement vorbeibewegen, wirkt auf diese Fläche ein drehendes magnetisches Streufeld. Dabei erzeugt jede 180-Grad-Drehung eine wenige Nanometer schmale Ummagnetisierungszone, in der sich die Magnetisierung ebenfalls um 180 Grad dreht.

Umdrehungsabhängige Magnetisierung

Diese so genannte Domänenwand läuft ausgehend vom Domänenwandgenerator in den angrenzenden Streifen der Spirale hinein und sorgt dort dafür, dass sich - je nach Ausgangslage - die Magnetisierung des Streifens entweder parallel oder antiparallel zu einer Referenzschicht ausrichtet. Die große Formanistropie verhindert dabei, dass sich die Magnetisierung im Streifen selbst ohne die »Injektion« einer Domänenwand aus dem Domänenwandgenerator umkehren kann. Bei einer Drehung des äußeren Magnetfelds um weitere 180 Grad läuft die Domänenwand durch den nächsten geraden Streifen der Spirale und magnetisiert diesen um. Zugleich wird im Domänenwandgenerator eine zweite Domänenwand erzeugt, die bis zum Mittelpunkt der ersten Krümmung läuft und den ersten Abschnitt der Spirale wieder in den Ausgangszustand versetzt. Durch weiteres Drehen des Magnetfelds wird so die Spirale nach und nach mit Domänenwänden gefüllt und die Abschnitte der Spirale entsprechend magnetisiert. Dreht das Magnetfeld in Gegenrichtung, entstehen Domänen mit umgekehrtem Drehsinn, die sich mit den vorhandenen Domänen wieder auslöschen.

Strom braucht nur die Auswertung

»Auswerten lässt sich das Schieberegister, das auf diese Weise entsteht, wenn man die Widerstandsänderungen misst«, erklärt Halder weiter: Steht die Magnetisierung der Spiralabschnitte parallel zur Referenzschicht, die durch das drehende Magnetfeld nicht beeinflusst wird, erreicht der Widerstandswert sein Minimum, bei nichtparalleler Ausrichtung steigt er aufgrund des GMR-Effekts auf sein Maximum. Die von der Umdrehungszahl abhängigen unterschiedlichen Magnetisierungsanordnungen führen damit zu eindeutigen Widerstandswerten. Unerwünschte Auswirkungen des Temperaturkoeffizienten lassen sich eliminieren, wenn anstelle der Widerstandswerte über eine Brückenschaltung ein entsprechendes Spannungssignal generiert wird.

Ein solches Sensorelement ermöglicht es also, Umdrehungen zu zählen und zu speichern. Eine Ermittlung des Absolutwinkels über mehrere Umdrehungen ist jedoch noch nicht möglich, da die Widerstands- oder Spannungsänderungen des GMR-Sensorelements nicht an allen Stellen eindeutige Werte annehmen. Erreichen lässt sich dies erst durch die Kombination zweier Sensorelemente, die um 90 Grad versetzt angeordnet sind. Zusammen mit dem Ausgangssignal des 360-Grad-Sensors, der den Drehwinkel im Singleturnbereich erfasst, lässt sich dann beim magnetischen Multiturnsensor der Absolutwinkel über mehrere Umdrehungen hinweg eindeutig ermitteln. Derzeit wird der patentierte Umdrehungszähler umfangreichen Praxistests unterzogen und in aktuelle Projekte der Automobilindustrie integriert.

Ellen-Christine Reiff, Dietrich Homburg

Erschienen in Ausgabe: 02/2007