Die grundlegende Funktionsweise dieses Multiturns, die auf dem GMR-Effekt (Giant-Magneto-Resistance) basiert, ist einfach zu verstehen: An der rotierenden Achse oder Hohlwelle befindet sich ein Magnet, der bei einer Drehung den Magnetisierungszustand in den Spiralarmen des GMR-Sensorelements verändert. Das GMR-Sensorelement mit der Größe von einem Quadratmillimeter besteht aus einem GMR-Schichtstapel mit einer Dicke von etwa 100 Nanometer und enthält im Wesentlichen eine sogenannte Referenzschicht und eine Sensorschicht.

Durch das rotierende externe Magnetfeld kann nun der Magnetisierungszustand der Sensorschicht verändert werden. Der GMR-Chip besteht aus einer rautenförmig angeordneten Spiralstruktur. Die Anzahl der zu zählenden Umdrehungen entspricht der Anzahl der Spiralarme. Die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht in den etwa 250 Nanometern breiten Spiralarmen kann nur mithilfe des sogenannten Domänenwandgenerators, der am Anfang der Spirale sitzt, verändert werden. Aufgrund seiner relativ großen Fläche kann in diesem Bereich die Magnetisierung leicht dem äußeren Magnetfeld folgen.

Bei der Drehung des externen Magnetfeldes und damit des Positionsgebers werden im Domänenwandgenerator 180-Grad-Domänen erzeugt. Diese werden wiederum in die Spiralstruktur injiziert beziehungsweise können aus dieser auch wieder gelöscht werden. Die Magnetisierung der Sensorschicht in den Spiralarmen richtet sich dabei entweder parallel oder antiparallel zur Referenzschicht aus, diese Ausrichtung kann dann über den Spin-Effekt detektiert werden. Die Widerstandswerte dieser Struktur sind damit abhängig vom Magnetisierungszustand beziehungsweise der Umdrehungsanzahl.

Mit einem Sensorelement kombiniert, das Drehwinkel bis 360 Grad erfassen kann – zum Beispiel mit dem Hall-Effekt – lassen sich abhängig von der Anzahl der Spiralarme n-mal 360 Grad messen. Da die Umdrehungsanzahl magnetisch gespeichert wird, erfasst der Sensor Drehbewegungen auch ohne Spannungsversorgung. Durch die Rautenstruktur lässt sich aus jeder Winkelstellung ein eindeutiger Umdrehungswert ableiten. Dazu wird einzig ein passender Algorithmus benötigt, der die Daten entsprechend auswertet. Der magnetische Multiturn-Sensor kann auf diese Weise zusätzlich zum Drehwinkelsignal im stromlosen Zustand ohne Pufferbatterie und ohne Getriebe bis zu 16 Umdrehungen erfassen und dauerhaft speichern. ssc

Drehgeber nutzen den Halleffekt

Wird ein Hall-Element von einem Strom durchflossen, so liefert es eine Spannung quer zum Stromfluss, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu beiden einwirkt. Da diese Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke verläuft, ist durch Anbringen eines Positionsmagneten auf einer drehbaren Welle auf einfache Weise eine berührungslose Winkelmessung machbar.

Diese Technologie hat in jüngerer Vergangenheit Fortschritte gemacht, die diesen Sensor zur exakten Winkelmessung ideal anbieten. Durch Kombination mehrerer Sensorelemente und Integration der kompletten Signalverarbeitung in wenigen Bauelementen sind komplexe Systeme auf kleinstem Bauraum möglich. Die Systeme arbeiten weitgehend alterungsunempfindlich und unabhängig von Feldstärkenschwankungen der Gebermagnete.

Sowohl kontaktlose, wellengeführte als auch berührungslose Systeme ohne mechanische Wellenanbindung ermöglichen die Messung über volle 360 Grad oder gar über mehrere Umdrehungen. Hohe Auflösungen bei guter Dynamik, große mechanische Toleranzen und schnelle Machbarkeit kundenspezifischer Sonderlösungen sind weitere überzeugende Eigenschaften dieser Technologie.