DE10041087A1

DE10041087A1 - Magnetoresistiver Sensor zur Abtastung eines magnetischen Multipolrades

Info

Publication number: DE10041087A1
Application number: DE10041087A
Authority: DE
Inventors: Gunther Haas; Henrik Siegle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2002-03-07
Also published as: EP1314003B1; US20040012386A1; JP2004507725A; WO2002016878A1; JP4653379B2; EP1314003A1; US7061232B2; DE50105137D1

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein magnetoresistiver Sensor zur Abtastung eines magnetischen Multipolrades vorgeschlagen, der eine Vielzahl von gleichförmig angeordneten magnetischen Polpaaren abtastet. Der Sensor weist vier magnetoresistive Widerstände auf, die elektrisch als Wheatstone-Brücke mit zwei Halbbrücken geschaltet sind und ein sinus- bzw. cosinusförmiges Signal abgeben. Zur Unterdrückung der dritten und/oder der fünften Oberwelle des Abtastsignals wird vorgeschlagen, den Abstand zwischen den beiden Halbbrücken so zu wählen, dass er ungleich der halben Wellenlänge (lambda) beträgt. Für die dritte Oberwelle wird vorzugsweise der Abstand d = lambda/3 gewählt, so dass die Halbbrücken um einen Phasenwinkel von 120 DEG versetzt sind. Zur Unterdrückung der fünften Halboberwelle werden drei gleichartige Sensoren mit entsprechendem Abstand zusammengeschaltet. Die gemessenen Siganale werden gemittelt, so dass sich daraus ein um die dritte und fünfte Oberwelle gefilterter Feldverlauf ergibt.

Description

Stand der Technik

Positions- bzw. Winkelmessung durch Abtastung magnetischer Maßstäbe bzw. Multipolräder sind beim Stand der Technik be schrieben, bspw. in der DE 195 06 938 A1.

Aufgabe der Erfindung

Bei den sich in der Praxis ergebenden Abständen zwischen Magnetsensor und Maßstab ist der Verlauf des magnetischen Feldes nicht - wie angenommen - ideal sinusförmig, sondern enthält rechteckige Anteile, die sich im allgemeinen gut durch eine dritte und eine fünfte Oberwelle der Sinusfunkti on beschreiben lassen. Dadurch wird die Genauigkeit des Ver fahrens eingeschränkt. Ein oberwellenfreier Feldverlauf ist im allgemeinen nur bei relativ großen Arbeitsabständen und damit bei sehr geringen Arbeitsfeldstärken gegeben (exponen tieller Abfall der Feldstärke mit dem Abstand), was das Sys tem sehr störempfindlich macht.

Die Erfindung schlägt eine Sensorstruktur vor, die aufgrund ihrer Geometrie die dritte und/oder die fünfte Oberwelle aus dem Signal herausfiltert, so dass sich als Messwert auch für geringe Abstände zwischen Sensor und Maßstab ein sinusförmi ger Verlauf ergibt. Der Verlauf ist durch besagte Oberwel lenkorrektur außerdem weitgehend unabhängig vom Arbeitsab stand des Sensors, so dass auch der Einfluss einer eventuell im System vorhandenen Exzentrizität auf das Messergebnis mi nimiert wird.

Kern und Vorteile der Erfindung

Positionsgeber mit verbesserter Genauigkeit und Störunem pfindlichkeit durch Betrieb bei kleinen Arbeitsabständen. Unempfindlich gegenüber Exzentrizitäten des Polrads bzw. dessen Lagerung.

Detaillierte Beschreibung von Aufbau und Funktion

Stand der Technik ist es, magnetische Maßstäbe (z. B. Multi polräder) mittels sog. Gradiometer abzutasten, s. auch Abb. 1. Dabei handelt es sich um eine Wheatstone'sche Brücken schaltung, bestehend aus vier gleichartigen, magnetoresisit ven Elementen, wobei die beiden Halbbrücken räumlich ge trennt sind, s. Abb. 2. Jedes Einzelelement der Brücke lie fert dabei eine Spannung als Funktion des dort anliegenden Magnetfeldes. Wir nehmen an, dass die Ausgangsspannung jedes Einzelelementes der Brücke sinusförmig mit dem Richtungswin kel des anliegenden Magnetfeldes variiert. Dies ist insbe sondere dann der Fall, wenn als magnetoresistives Element ein sog. "Spin-Valve" zum Einsatz kommt. Bewegt sich der Maßstab in diesem Fall um ein Polpaar an dem Sensor vorbei, so entspricht dies einer Phase von 360° des Signals am Ein zelwiderstand. Der Abstand der beiden Halbbrücken, d, beträgt üblicherweise die halbe Länge eines Polpaares, d. h. λ/2 (vgl. Abb. 1), da dabei die Phasen der Signale an den beiden Halbbrücken um 180° phasenverschoben sind und damit ein si nusförmiges Brückenausgangssignal maximaler Amplitude zur Verfügung steht.

Die Erfindung nutzt nun die Tatsache, dass

1. auch bei einem Abstand d der beiden Halbbrücken ungleich λ/2 in den meisten Fällen ein sinusförmiges Brückensignal zur Verfügung steht, wenn auch mit leicht reduzierter Amplitude;
2. die Brücke für Oberwellen der Periode d kein Signal lie fert.

Aus Symmetriegründen treten bei besagten Polrädern nur unge radzahlige Oberwellen auf. Will man eine Brücke realisieren, die die dritte Oberwelle unterdrückt, so ist der Abstand d = λ/3 (120°) oder ein Vielfaches davon zu wählen. Die Phase zwischen den Halbbrücken beträgt dann 120°, was genau der Periode der dritten Oberwelle entspricht. Die Brückenspan nung reduziert sich in diesem Fall auf 90% gegenüber der Brücke mit d = λ/2, und das Brückensignal ist um eine Phase von 30° gegenüber der Grundwelle des Ursprungsignals ver schoben, s. Abb. 3.

Ebenso kann die fünfte Oberwelle durch einen Abstand der Halbbrücken von d = λ/5 oder eines Vielfachen davon unter drückt werden, s. Abb. 4.

In der Praxis ist eine hinreichend gute Oberwellenunterdrü ckung dann gegeben, wenn die dritte und die fünfte Oberwelle unterdrückt werden. Dies kann durch die folgende Anordnung und Signalauswertung erreicht werden (vgl. Abb. 5 und 6)

1. Das Signal S₁ einer Brücke B₁ mit d = λ/3 wird mit dem Sig nal S₂ einer zweiten Brücke B₂ mit d = 2*λ/3 gemittelt, re sultierendes Signal ist S₁₂.
2. Es steht weiterhin ein Signal S₃ einer Brücke B₃ mit d = λ/3 zur Verfügung, welches gegenüber B₁ und B₂ um 30° phasenverschoben angeordnet ist. Es handelt sich somit um das phasenkorrigierte Signal der 120°-Brücke.
3. Der Mittelwert zwischen S₁₂ und S₃ ergibt den um die drit te und fünfte Oberwelle gefilterten Feldverlauf.

Claims

1. Magnetoresistiver Sensor zur Abtastung eines magnetischen Multipolrades (1), das eine Vielzahl von gleichförmig angeordneten Polpaaren (2) aufweist, mit vier magnetoresistiven Widerständen (R1 . . . R4), die elektrisch als Wheatstone-Brücke mit zwei Halbbrücken (R1, R3 bzw. R2, R4) geschaltet sind und ein sinus- bzw. cosinusförmiges Signal abgeben, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen den beiden Halbbrücken (R1, R3 bzw. R2, R4) in Bezug auf die Abtastrichtung des Multipolrades (1) so gewählt ist, das er ungleich der halben Wellenlänge (λ) eines Polpaares (2) entspricht.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) so wählbar ist, dass er einem Drittel der Wellenlänge (λ) entspricht.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) so wählbar ist, dass er einem Fünftel der Wellenlänge (λ) entspricht.

4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) einem Vielfachen der Teilwellenlänge entspricht.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Sensor (3) vorsehbar ist, dass der zweite Sensor (3) ebenfalls elektrisch als Wheatstone-Brücke mit zwei Halbbrücken ausgebildet ist und dass der Abstand der Halbbrücken des ersten Sensors d = λ/3 und der Abstand der Halbbrücken des zweiten Sensors d = 2*λ/3 beträgt.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der beiden Brücken gemittelt werden.

7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Sensor mit einer gleichartig aufgebauten Brücke nachgeschaltet ist, bei der der Abstand d = λ/3 beträgt und dass der dritte Sensor gegenüber den ersten und den zweiten Brücken um 30° phasenverschoben angeordnet ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der drei Brücken der Mittelwert bestimmbar ist.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Bestimmung eines Drehwinkels verwendbar ist.