3-2013

Sensoren
Förderprojekt energieautarker
magnetischer Umdrehungszähler
Bild 1: Geschlossene Uniturnschleife mit drei Spitzen. (Bild: IPHT)
Nach wie vor wird der heutige
Multiturnmarkt von den
optischen Encodern beherrscht,
die über mehrstufige Getriebe
die Zahl der Umdrehungen
erfassen. Für viele mobile und
industrielle Anwendungen sind
sie allerdings eher ungeeignet,
weil sie eine dauerhafte Stromversorgung
benötigen und auf
mechanischen und damit verschleißbehafteten
Konstruktionen
beruhen oder für manche
Einsatzbereiche einfach zu
aufwändig und zu teuer sind.
Als Alternative kommen hier
magnetische Verfahren infrage,
mit deren Hilfe sich zukünftig
mehr als 4.000 Umdrehungen
energieautark erfassen lassen.
Im Rahmen eines vom Bundesministerium
für Bildung und
Forschung (BMBF) im Jahr 2008
genehmigten und mit insgesamt
ca. 3,3 Mio. Euro unterstützten
Förderprojektes hat Novotechnik
zusammen mit Industriepartnern
und dem Institut für Photonische
Technologien (IPHT)
in Jena die Grundlagen für den
magnetischen Multiturnsensor
Uniturn geschaffen, der Umdrehungszahlen
größer 4096, also
mindestens 12 Bit, energieautark
erfassen kann. Ausgangsbasis
für die Neuentwicklung
Autoren:
Dipl.-Ing. Ernst Halder,
Geschäftsführer Technik bei
Novotechnik, und
Ellen-Christine Reiff, M.A.,
Redaktionsbüro Stutensee
Bild 2: Layout mit sechs Schleifen für 45.045 Umdrehungen.
(Bild: IPHT)
Bild 3: Domänenwand in der Spitze (Bild: IPHT)
bildete ein bereits von Novotechnik
im Markt eingeführter
magnetischer Multiturnsensor,
der sich jedoch nur für maximal
16 Umdrehungen eignet und nicht
durchdrehbar ist, d.h. man muss
diesen Sensor nach 16 Umdrehungen
wieder zurückdrehen,
um zum Ausgangszustand zu
gelangen. Ursache dafür ist die
offene Struktur der Domänenbahnen.
Im Gegensatz dazu ist
beim neuen Uniturn die Struktur
nun geschlossen und kann
somit durchgedreht werden.
Der Sensor arbeitet ebenfalls
mit magnetischen Domänen,
die durch die zu überwachende
Drehbewegung auf Bahnen verschoben
werden und zum Erhalt
der Information keine Energie
benötigen. Dabei ist die Funktion
nicht grundlegend verschieden
von der bisherigen sogenannten
„Quadstruktur“:
Bei jeder Vierteldrehung verändert
sich die Position der
Domänen und somit auch die
magnetische Orientierung in
den Teilabschnitten der Sensorschicht
(Bild 1). Durch eine
geeignete Kontaktierung der
Struktur kann jetzt wieder über
den GMR-Effekt der Magnetisierungszustand
und somit die
Umdrehungszahl ermittelt werden.
Ordnet man fünf Schleifen
mit einer jeweils teilerfremden
Anzahl von Spitzen an, erreicht
das gesamte System erst nach 3
x 4 x 5 x 7 x 11 = 4620 Umdrehungen
wieder den Ausgangszustand,
das entspricht mehr als
12 Bit. Fügt man eine weitere
Schleife mit 13 Spitzen hinzu,
erreicht man bei den Umdrehungen
knapp 18 Bit. Eine
Million Umdrehungen können
mit einer weiteren Schleife
mit 17 Spitzen gezählt werden.
Bild 2 zeigt ein Layout eines
GMR-Chips mit der Fläche 1,4
x 2,2 mm. Dieser besteht aus
sechs Schleifen mit 3, 5, 7, 9, 11
und 13 Spitzen. Mit den fünf
teilerfremden Schleifen ( 5, 7, 9,
11, 13 ) können N = 5 x 7 x 9 x
11 x 13 = 45.045 Umdrehungen
erfasst werden.
Als sehr kritisch hat sich die
Bewegung der Domänenwand
über die Spitzen (Bild 3) erwiesen.
Mit umfangreichen mikromagnetischen
Simulationen
wurde deshalb eine optimale
Geometrie ermittelt und die
Domänenbewegung über die
Spitze anschließend im Experiment
bestätigt. Allerdings ist
derzeit das realisierte magnetische
Arbeitsfenster noch zu
klein, um direkt in eine Produktumsetzung
zu gehen.
• Novotechnik Messwertaufnehmer
OHG
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100 PC & Industrie 3/2013