DE10132215A1

DE10132215A1 - Anordnung zum Messen der Winkelposition eines Objektes

Info

Publication number: DE10132215A1
Application number: DE10132215A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wendt
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2003-01-23
Also published as: US7417421B2; JP4234004B2; JP2004533622A; US20040160220A1; WO2003004973A1; EP1405042A1

Abstract

Anordnung zum Messen der Winkelposition eines Objektes, mit flächigen magnetoresistiven Sensoren (6, 9), die von einem elektrischen Strom durchflossen sind und in einem zu ihrer jeweiligen Ebene parallelen Magnetfeld angeordnet sind, welches von einer exzentrisch auf einer Welle (11) drehbar gelagerten Magnetanordnung (4, 14) erzeugt wird, wobei die Winkelposition der Welle (11) derjenigen des zu messenden Objektes entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Winkelposition eines Objektes, mit flächigen magnetoresistiven Sensoren, die von einem elektrischen Strom durchflossen sind und in einem zu ihrer durch ihre Fläche definierten Ebene parallelen Magnetfeld angeordnet sind. Das Magnetfeld wird von einer auf einer Welle drehbar gelagerten Magnetanordnung erzeugt. Die Winkelposition der Drehwelle entspricht dabei derjenigen des zu messenden Objektes.
Ein magnetoresistiver Sensor besteht aus mindestens einem magnetoresistiven Widerstand, der von einer ferromagnetischen Folie gebildet wird, welche in einem dünnfilmigen Substrat angeordnet ist. Um Temperatureinflüsse und Produktionsstreuungen auszublenden, werden vorzugsweise vier magnetoresistive Widerstände in einer Brückenschaltung verwendet. Die Ausgangsspannung an der Brücke ist dabei ein Maß für den Winkel α zwischen der Magnetisierung der Sensorfläche und der Stromrichtung und ist proportional zu der Funktion sin(2α).
Es sind magnetoresistive Sensoren bekannt, die aus zwei Widerstandsbrücken bestehen, wobei die zweite um 45 Grad gedreht zur ersten angeordnet ist. Dadurch wird ein meßbarer Winkelbereich von nahezu 180 Grad erreicht.
Aus dem am 24.03.2000 veröffentlichten Datenblatt AN 00023 von Philips ist es bekannt, daß zwei Dauermagneten an der Innenseite eines Flußführungsrings derart angeordnet sind, daß sie einander gegenüberliegen und das zwischen ihnen aufgebaute Magnetfeld zumindestens in dem Bereich, der den Magnetfeldsensor überstreicht, homogen ist. Dieser Flußführungsring ist zentrisch auf der Welle des zu messenden Objektes angeordnet. Dem Ende der Drehwelle gegenüberliegend befindet sich der orthogonal zur Drehachse angeordnete magnetoresistive Sensor. Bei dieser Anordnung ist der Drehwinkel α des zu messenden Objektes identisch mit dem Drehwinkel α des Magnetfeldes auf der Sensorebene. Wegen des Anisotropeneffektes, der keine Information über die Magnetfeldpolarität liefert, ist der meßbare Winkelbereich dabei auf 180 Grad begrenzt. Dies bedeutet, daß das Signal, das bei einer Winkeldrehung von 10 Grad erzeugt wird, genau dem Signal entspricht, das bei einer Winkeldrehung von 180 Grad plus 10 Grad, also 190 Grad, erzeugt wird.
Aus der DE 43 01 704 A1 ist die Verwendung von magnetoresistiven Sensoren in einem Kompaß bekannt, also das Erfassen eines Winkelbereiches von 360 Grad. Dafür sind zwei aufwendig gestaltete magnetoresistive Sensoren erforderlich, die mit einem Schichtsystem aus mehreren aufeinander angeordneten Schichten mit wenigstens annähernd parallel zur Drehebene gerichteten Schichtebenen ausgebildet sind, wobei wenigstens eine Meßschicht mit einer durch das Magnetfeld in ihrer Schichtebene drehbaren Magnetisierung und wenigstens eine Biasschicht mit einer von dem Magnetfeld zumindest weitgehend unabhängigen Magnetisierung in ihrer Schichtebene enthält und der elektrische Widerstand des magnetoresistiven Sensors von dem Winkel zwischen der Magnetisierung der Meßschicht und der Magnetisierung der Biasschicht abhängt. Bei der Verwendung als Kompaß ist das die Stromstärke beeinflussende Magnetfeld das Erdmagnetfeld, wodurch eine Abhängigkeit von der Lage des zu messenden Objektes relativ zur Erde entsteht. Auch der Bezugspunkt f = 0° ist nicht frei definierbar.
Dieser Druckschrift ist nicht zu entnehmen, wie die vollständige Umdrehung eines Objektes ermittelt werden kann, welches um eine bestimmte, frei wählbare Achse dreht und mit einer Magnetanordnung versehen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung der Winkelposition eines Objektes anzugeben, die zwischen 0 Grad und einer vollständigen Umdrehung liegen kann. Die Rotationsachse des Objektes relativ zur Erde soll frei wählbar sein. Diese Anordnung soll aus relativ einfachen Sensorbauteilen bestehen, die aber gleichzeitig Temperatureinflüsse und Produktionsstreuungen ausblenden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die drehsymmetrische Magnetanordnung in bezug auf ihre Symmetrieachse exzentrisch gelagert ist. In einer Variante wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zentrisch gelagerte Magnetanordnung im Querschnitt asymmetrisch aufgebaut ist. Bei beiden erfindungsgemäßen Anordnungen wird für jede mögliche Winkelposition der Magnetanordnung zwischen 0 Grad und 360 Grad eine eindeutige Kombination der Magnetfeldvektoren an den beiden magnetoresistiven Sensoren ausgewertet. Die eindeutige Zuordnung zwischen der Kombination der beiden Magnetfeldvektoren einerseits und der zu messenden Winkelposition andererseits wird dadurch erreicht, daß das Ausgangssignal jedes einzelnen magnetoresistiven Sensors genau eine Periode durchläuft, während die Magnetanordnung genau eine vollständige Umdrehung beschreibt. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß der das Ausgangssignal am magnetoresistiven Sensor verändernde Winkel α nicht identisch ist mit dem die Winkelposition des zu messenden Objektes beschreibenden Winkel f.
Ein magnetoresistiver Sensor der eingangs beschriebenen Art hat ein periodisches Ausgangssignal von 180 Grad, d. h. für die Winkel α = X nimmt das Ausgangssignal den gleichen (Spannungs-)Wett ein, wie für α = X + 180°, α = X + 360° und α = X + 540° etc. Dies ist durch den Aufbau des magnetoresisitven Sensors bedingt, der sich an sich in vielen Anwendungen der kontaktlosen Winkelpositionsmessung bewährt hat.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die 180-Grad-Periodizität des Ausgangssignals dadurch aufgehoben, daß der Winkel α sich zunächst von annähernd 0 Grad bis annähernd 180 Grad vergrößert und anschließend wieder bis auf annähernd 0 Grad verkleinert. Der Wendepunkt des Winkels α befindet sich bevorzugt bei der Winkelposition f = 180 Grad. Somit spiegelt sich das vom Winkel α abhängige Ausgangssignal des magnetoresistiven Sensors bezogen auf den Drehwinkel f an einer (gedachten) Abszisse bei f = 180 Grad. Im Ergebnis ist der Ausgangswert für den Winkel α = X + 180 Grad nicht mehr derselbe wie für α = X.
Den Werten des Ausgangssignals eines einzelnen magnetoresistiven Sensors sind also mehrere Werte des Winkels f zugeordnet. Die Eindeutigkeit wird erst durch den Vergleich mit dem Ausgangssignal des zweiten magnetoresistiven Sensors erreicht. Dieser zweite Sensor liefert bedingt durch seine Lage ein zum ersten Sensor um 90 Grad verschobenes Ausgangssignal. Beide Ausgangssignale sind an einer Auswerteelektronik angeschlossen.
Es ist von Vorteil, wenn der zweite magnetoresistive Sensor in einer Ebene senkrecht zur Ebene des ersten Sensors angeordnet ist. Dadurch überfährt die Magnetanordnung den zweiten magnetoresistiven Sensor erst eine Viertelumdrehung später. Da die beiden magnetoresistiven Sensoren gleicher Bauart sind, ist deren Ausgangssignal gleichförmig. Durch die beanspruchte Anordnung der beiden Sensoren zueinander sind deren Ausgangssignale um 90 Grad phasenverschoben.
Es ist von Vorteil, wenn die Magnetanordnung aus einem mittig angeordneten Dauermagneten, einem äußeren Eisenkreis und dazwischen einem Luftspalt besteht. Die aus dem Dauermagneten austretenden Feldlinien werden von dem Eisenkreis, der eine größere Permeabilität als die Luft hat, gebündelt und zurückgeführt.
In einer Variante ist der Dauermagnet in seinem Querschnitt nockenförmig ausgebildet. Dadurch wird sichergestellt, daß jeder der beiden magnetoresistiven Sensoren zum gleichen Zeitpunkt von einem unterschiedlichen Magnetfeld beeinflußt wird, d. h. also, daß die beiden Ausgangssignale phasenverschoben zueinander sind.
Um ferritische Verschmutzungen zu vermeiden, kann der Luftspalt der Magnetanordnung mit einem nicht leitenden Material, beispielsweise Kunststoff, vergossen sein.
Wenn die Ebenen der beiden flächigen magnetoresistiven Sensoren parallel zu der Drehachse des zu messenen Objektes angeordnet sind, ist die Verwendung einer besonders einfach und somit kostengünstig aufgebauten Magnetanordnung möglich.
Wenn die beiden magnetoresistiven Sensoren auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sind, sind sie thermisch miteinander verbunden und verändern ihre Eigenschaften gleichmäßig mit der Temperaturveränderung. Bevorzugterweise sind sie dabei senkrecht auf dieser gemeinsamen Trägerplatte montiert, damit der für die Messung empfindliche Bereich möglichst weit entfernt von derselben ist.
Bevorzugterweise wird die Trägerplatte senkrecht zur Drehachse des zu messenen Objektes angeordnet, damit der Abstand der beiden Sensoren gleichmäßig groß zu der Magnetanordnung ist.
In einem Ausführungsbeispiel sind die magnetoresistiven Sensoren Teil einer integrierten Schaltung, wodurch die Montage der Magnetanordnung einfach und kostengünstig wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht ein magnetoresistiver Sensor aus zumindestens einer Wheatstone-Brücke mit jeweils vier magnetoresistiven Widerständen, damit bereits bei dem Ausgangssignal eine Kompensation von Streuungen in der Produktion der einzelnen Widerstände erfolgt.
Erfindungswesentlich ist es, daß entweder durch die exzentrische Anordnung einer an sich drehsymmetrisch aufgebauten Magnetanordnung oder durch die zentrische Anordnung eines im Querschnitt asymmetrisch aufgebauten Dauermagneten ein nicht homogenes Magnetfeld erzeugt wird, dessen Feldlinienverlauf ein Maß für die Winkelposition des zu messenden Objektes ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Zum Stand der Technik zeigt:
Fig. 1 die prinzipielle Darstellung des magnetoresistiven Effekts in einem Dünnfilmaufbau;
Fig. 2 den magnetorestiven Sensor mit dem dazugehörigen Dauermagneten;
Fig. 3 das dazugehörige Ausgangssignal;
Fig. 4 zeigt eine Anordnung im Schnitt;
Fig. 5 in der Draufsicht.
Fig. 6 zeigt teilweise im Schnitt die erfindungsgemäße Anordnung;
in den Fig. 7a bis 7c ist die Verdrehung des Magnetfeldvektors in der Sensorebene prinzipiell dargestellt;
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf die prinzipielle Anordnung von den beiden magnetoresistiven Sensoren und von der Magnetanordnung;
Fig. 9 ist eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform mit nockenförmigem Magnetkern.
In Fig. 1 ist schematisch der Dünnfilmaufbau 1 eines magnetoresistiven Widerstandes gezeigt. Dabei wird ein stromdurchflossener Leiter 2 von einem Magnetfeld überlagert, das parallel zu der Ebene des Dünnfilmaufbaus 1 ist. Mit sich änderndem Winkel α zwischen der Magnetisierung und der Stromrichtung ändert sich der Widerstand. Dies wird durch die Gleichung R = R₀ + ΔRcos²α ausgedrückt.
In Fig. 2 ist der magnetoresistive Sensor als integrierte Schaltung 3 skizziert, der Dauermagnet 4 ist nur angedeutet. In dem dazu gehörenden Diagramm in Fig. 3 ist das Ausgangssignal der Brückenschaltung dargestellt. Es handelt sich dabei um ein sinusförmiges Ausgangssignal mit einer Periodendauer von 180 Grad.
Die Fig. 4 und 5 zeigen den Stand der Technik mit einem homogen Magnetfeld, das durch zwei Dauermagnete 4 erzeugt wird, der Drehachse 5, dem senkrecht dazu angeordneten magnetoresistiven Sensor 6 und dem Drehwinkel α. Die beiden Dauermagnete 4 sind an einem äußeren Flußführungsring 7 angeordnet, welcher zusätzlich eine Abschirmung gegen magnetische Beeinflussung von außerhalb gewährleistet. Der magnetoresistive Sensor 6 ist auf einer nicht eisenhaltigen Unterlage 8 befestigt.
Die Fig. 6 betrifft die erfindungsgemäße Anordnung. Auf der nur angedeuteten Trägerplatte 10 sind die beiden magnetoresistiven Sensoren 6, 9 senkrecht angeordnet. Deutlich zu erkennen ist, daß der Dauermagnet 4 exzentrisch zu der Drehachse 11 angeordnet ist. Nicht dargestellt ist, daß die Welle 11 mit dem zu messenden Objekt verbunden ist.
In den Fig. 7a bis 7c ist beispielhaft am magnetoresistiven Sensor 6 erläutert, wie der Magnetfeldvektor 12 ein Maß für den Drehwinkel f des zu messenden Objektes ist. Der Magnetfeldvektor 12 bildet gemeinsam mit einer Geraden 15, die parallel zu den Magnetpolen ist, den Winkel α. Wenn sich der magnetoresistive Sensor mittig über dem Luftspalt befindet, ist der Winkel der Magnetisierung 0 Grad (Fig. 76). Befindet er sich über einem der beiden Magnetpole, ist der Winkel der Magnetisierung nahezu +90 Grad bzw. nahezu -90 Grad. Die Gerade 15 als X-Achse und die Drehachse 11 als Z-Achse bilden das eingezeichnete Koordinatensystem. Der magnetoresistive Sensor 6 ist in Z- Richtung versetzt zu den Magnetpolen angeordnet, damit sie sich nicht berühren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Magnetanordnung mit dem Dauermagneten 4 und dem Eisenkreis 14 so dimensioniert, daß in der Ausgangsstellung des zu messenden Objektes, also f = 0 Grad, der magnetoresistive Sensor gegenüber dem einen Magnetpol liegt (Fig. 7a), nach einer Winkeldrehung von f = 90 Grad der magnetoresistive Sensor sich mittig über dem Luftspalt befindet (Fig. 76) und bei einer Umdrehung von f = 180 Grad der Sensor sich gegenüber dem anderen Magnetpol befindet (Fig. 7c). Der Magnetfeldvektor 12 dreht sich währenddessen entgegen dem Uhrzeigersinn, dadurch verändert sich der Winkel α. Beim Weiterdrehen des zu messenden Objektes über 180 Grad hinaus werden die dargestellten Stellungen rückwärts durchlaufen, das bedeutet von der Stellung nach Fig. 7c über diejenige in Fig. 7b wieder zurück zur Stellung wie in Fig. 7a dargestellt, die einer vollständigen Umdrehung von 360 Grad entspricht. Währenddessen dreht sich der Magneffeldvektor 12 im Uhrzeigersinn zurück in die Ausgangsposition nach Fig. 7a. Von dem Moment an, wo der Magnetfeldvektor 12 seinen Drehsinn ändert, verläuft das Ausgangssignal spiegelbildlich weiter, bis der Magneffeldvektor 12 wieder seine Ausgangsposition entsprechend der Fig. 7a eingenommen hat. Somit wird als Ausgangssignal für den magnetoresistiven Sensor eine Spannung erzeugt, die eine Periodendauer von 360 Grad hat. Für jede Winkelposition des zu messenden Objektes existiert ein Meßwert. Da bei diesem grundsätzlich sinusförmigen Ausgangssignal Mehrdeutigkeiten vorkommen, ist eine Vergleichsgröße erforderlich. Diese wird durch den zweiten magnetoresistiven Sensor 9 erzeugt, der in einer Ebene orthogonal zur Ebene des ersten Sensors angeordnet ist und das gleiche Signal wie der erste magnetoresistive Sensor erzeugt, jedoch um 90 Grad phasenverschoben.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird fast das gesamte Magnetfeld zur Auswertung genutzt, was zu einer möglichst hohen Genauigkeit des Meßergebnisses führt. Bevorzugterweise werden magnetoresistive Sensoren gleichen Aufbaus verwendet, die aus der gleichen Produktion stammen sollten. Hierdurch wird eine effektive Unterdrückung von Effekten, die durch Exemplarstreuung entstehen können (z. B. Temperaturverhalten) erreicht.
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf die prinzipielle Anordnung. Deutlich zu erkennen ist, daß der Magnet symmetrisch aufgebaut ist mit einem Luftspalt 13 gleichbleibender Breite zwischen Dauermagneten und dem äußeren Eisenkreis 14. Der Dauermagnet 4 ist exzentrisch auf der Welle 11 angeordnet.
In der Fig. 9 ist zu erkennen, daß auch bei Verwendung eines asymmetrisch aufgebauten Magneten ein durchgängiger Luftspalt vorhanden ist. Der Luftspalt sollte im Nutzbereich möglichst gleichmäßig weit sein, damit sich das Magnetfeld gleichmäßig ausbildet. Im nicht benutzten Bereich sollte der Luftspalt sich weiten, damit sich der Fluß auf die Nutzbereiche konzentriert. Der nicht nutzbare Luftspaltbereich ist derjenige, der radial verläuft.
Anstelle der in den Ausführungsbeispielen dargestellten topfförmigen Magnetkreise kann die Feldform auch direkt durch ein entsprechend magnetisiertes permanentmagnetisches Material erzeugt werden. Zur Magnetisierung muß anstelle des Luftspaltes eine Stromschleife gelegt werden, die dann genau die gewünschte Magnetisierung hinterläßt. Eine geeignete Magnetisierungsvorrichtung bringt die exzentrisch liegende, ringförmige Magnetisierung ein.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist die Vorteile der kontaktlosen Messung auf, nämlich keine mechanische Abnutzung der Bauteile und damit keinen Verschleiß. Dadurch, daß beide magnetoresistiven Sensoren auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sind, sind sie bezüglich der Temperaturverläufe gekoppelt. Somit kann eine Temperaturveränderung bei der Auswertung der Signale vernachlässigt werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Unabhängigkeit von der Magnetfeldstärke. Somit hat der toleranzbehaftete Abstand der Sensoren zur Magnetanordnung keinen Einfluß auf das Meßergebnis.

Claims

1. Anordnung zum Messen der Winkelposition eines Objektes, mit flächigen magnetoresistiven Sensoren (6, 9), die von einem elektrischen Strom durchflossen sind und in einem zu ihrer jeweiligen durch ihre Fläche definierten Ebene parallelen Magnetfeld angeordnet sind, welches von einer auf einer Welle (11) drehbar gelagerten Magnetanordnung (4, 14) erzeugt wird, wobei die Winkelposition der Welle (11) derjenigen des zu messenden Objektes entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die drehsymmetrische Magnetanordnung (4, 14) in bezug auf die Symmetrieachse exzentrisch gelagert ist.

2. Anordnung zum Messen der Winkelposition eines Objektes, mit flächigen magnetoresistiven Sensoren (6, 9), die von einem elektrischen Strom durchflossen sind und in einem zu ihrer jeweiligen durch ihre Fläche definierten Ebene parallelen Magnetfeld angeordnet ist, welches von einer auf einer Welle (11) drehbar gelagerten Magnetanordnung erzeugt wird, wobei die Winkelposition der Welle (11) derjenigen des zu messenden Objektes entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung in ihrem Querschnitt asymmetrisch aufgebaut ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite magnetoresistive Sensor (9) in einer Ebene senkrecht zur Ebene des ersten Sensors (6) angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung aus einem mittig angeordneten Dauermagneten (4), einem äußeren Eisenkreis (14) und dazwischen einem Luftspalt (13) besteht.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (4) in seinem Querschnitt nockenförmig ausgebildet ist.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt der Magnetanordnung mit einem nicht leitenden Material aufgefüllt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Magnetisierung in einem permanentmagnetischem Material das Feld erzeugt.

8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der beiden flächigen magnetoresistiven Sensoren (6, 9) parallel zu der Drehachse (11) des zu messenden Objektes angeordnet sind.

9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide magnetoresistiven Sensoren (6, 9) auf einer gemeinsamen Trägerplatte (10) senkrecht zu derselben angeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (10) senkrecht zur Drehachse (11) des zu messenden Objektes angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Sensoren (6, 9) Teil einer integrierten Schaltung (3) sind.

12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein magnetoresistiver Sensor (6, 9) aus zumindest einer Wheatstone-Brücke mit jeweils vier magnetoresistiven Widerständen besteht.

13. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einer Auswerteeinrichtung angebunden ist.