DE102007022119A1

DE102007022119A1 - Magnetischer Längensensor

Info

Publication number: DE102007022119A1
Application number: DE200710022119
Authority: DE
Inventors: Peter Lemke
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Ein magnetischer Längensensor zur Bestimmung der Position einer Magnetfeldsensoreinrichtung (20, 22) in Längsrichtung (26) relativ zu einer Maßträgereinrichtung (12, 14) weist einen ersten Maßträger (12) auf, der in Längsrichtung (26) hintereinander angeordnete Magnetpole (16a, 16b) aufweist, wobei immer abwechselnd ein Nordpol (16a) und ein Südpol (16b) angeordnet ist, und einen zweiten Maßträger (14), der in Längsrichtung (26) hintereinander angeordnete Magnetpole (18a, 18b) aufweist, wobei immer abwechselnd hintereinander ein Nordpol (18a) und ein Südpol (18b) angeordnet ist. Dabei weisen die Messstrecken (17) des ersten (12) und des zweiten Maßträgers (14) die gleiche Gesamtlänge auf. Die Anzahl der Polteilungen des ersten Maßträgers (12) und die Anzahl der Polteilungen des zweiten Maßträgers (14) über die Messstrecke (17) sind verschieden. Weiterhin weist der Längensensor einen ersten Magnetfeldsensor (20) zur Abtastung des Magnetfeldes des ersten Maßträgers (12) auf, wobei der erste Magnetfeldsensor (20) zur Unterdrückung der Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern eine interne Polteilung aufweist, die der Polteilung des ersten Maßträgers (12) entspricht, und einen zweiten Magnetfeldsensor (22) zur Abtastung des Magnetfeldes des zweiten Maßträgers (14). Die interne Polteilung des zweiten Magnetfeldsensors (22) ist zur Unterdrückung der Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern dadurch an die Polteilung des zweiten Maßträgers (14) angepasst, ...

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Längensensor zur Bestimmung der Position eines Magnetfeldsensors relativ zu einem Maßträger.
Derartige Längensensoren werden beispielsweise in linearen Encodern oder in Drehgebern verwendet. Als linearer Encoder ist der Maßträger dabei stabförmig ausgebildet, während er in der Ausführungsform als Drehgeber eine Zylinderform (Ring oder Scheibe) aufweist.
Um eine absolute Positionsbestimmung des Magnetfeldsensors relativ zu dem Maßträger zu ermöglichen, weisen magnetische Längensensoren zwei nebeneinander angeordnete Maßträger auf. Jeder dieser Maßträger weist seinerseits eine Vielzahl von in Längsrichtung hintereinander angeordneten Magnetpolen auf, wobei immer abwechselnd ein Nord- und ein Südpol angeordnet ist. Die zwei Maßträger sind in Längsrichtung fest miteinander verbunden. Die Messstrecke, über die gemessen wird, ist bei beiden Maßträgern gleich lang, wobei wichtig ist, dass die Anzahl der Polteilungen, d. h. die Anzahl der verschiedenen Nord- und Südpole über die Länge der Messstrecke des ersten Maßträgers sowie des zweiten Maßträgers, verschieden sind.
Da es nicht möglich ist, einen singulären magnetischen Nord- oder Südpol zu erzeugen, sind die Maßträger gewöhnlich länger als die eigentliche Messstrecke, über die gemessen wird. Somit wird eine Verzerrung der Magnetfeldlinien an den Enden der Messstrecke vermieden, so dass auch an diesen Stellen eine korrekte Messung erfolgen kann.
Beispielsweise kann der erste Maßträger über eine definierte Messstrecke zehn Pole (fünfmal Nordpol plus fünfmal Südpol) und der zweite Maßträger über die gleiche Messstrecke elf Pole (fünfmal Nordpol und sechsmal Südpol oder umgekehrt) aufweisen.
Jeder Maßträger weist einen Magnetfeldsensor zur Abtastung seines Magnetfeldes auf. Aufgrund der unterschiedlichen Polteilung auf dem ersten und dem zweiten Maßträger erfassen die beiden Magnetfeldsensoren, die in Längsrichtung fest miteinander verbunden sind, auf dem ersten Maßträger stets eine andere Magnetfeldstärke oder -richtung als auf dem zweiten Maßträger. Es wird die Differenz der beiden erfassten Magnetfeldstärken oder -richtungen ermittelt, wobei sich diese Differenz über die gesamte Länge des Maßträgers verändert. Weiterhin kann jede Kombination aus Differenzbetrag und den Feldstärken bzw. -richtungen, die die einzelnen Sensoren erfassen, berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise haben die Anzahl die Polteilungen über die Messstrecke des ersten Maßträgers sowie die Anzahl der Polteilungen über die Messtrecke des zweiten Maßträgers außer der Zahl 1 keine weiteren gemeinsamen Teiler. Dadurch ist sichergestellt, dass jedem Differenzbetrag der ermittelten Magnetfeldstärken oder -richtungen genau ein absoluter Wert entlang der Längsachse des Maßträgers zugeordnet werden kann.
Dagegen würde sich bei einem Verhältnis von beispielsweise zehn Polteilungen über die Messstrecke des ersten Maßträgers sowie zwölf Polteilungen über die Messstrecke des zweiten Maßträgers ergeben, dass die Differenz der ermittelten Magnetfeldstärken nach fünf Polteilungen auf dem ersten Maßträger bzw. sechs Polteilungen auf dem zweiten Maßträger wieder 0 beträgt. Jedem Differenzbetrag würden somit jeweils zwei Werte zugeordnet werden können, so dass eine eindeutige Positionsbestimmung nicht mehr möglich wäre.
Um eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber externen Magnetstörfeldern zu erreichen werden Magnetfeldsensoren verwendet, die derart ausgebildet sind, dass sie mindestens zwei benachbarte Magnetpole überstreichen. Dafür ist es wichtig, dass der Polabstand auf dem Maßträger mit der internen Strukturperiodizität des jeweiligen Magnetfeldsensors übereinstimmt. Das heißt, die interne Polteilung des Magnetfeldsensors muss mit der Polteilung des jeweiligen Maßträgers übereinstimmen. Für jeden unterschiedlichen Maßträger werden daher auch separate Magnetfeldsensoren benötigt, die unterschiedliche interne Polteilungen aufweisen. In der Praxis ist dies meist nicht realisierbar, weil die Magnetfeldsensoren nur für einige wenige feste Polteilungen verfügbar sind und eine Sonderanfertigung aus Kostengründen in der Regel nicht in Frage kommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und kostengünstigen magnetoresistiven Längensensor zu schaffen, mit dem eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber externen Magnetstörfeldern erreicht werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Ein magnetischer Längensensor weist einen ersten und einen zweiten Maßträger mit jeweils unterschiedlicher Polteilung auf. Dem ersten Maßträger ist ein erster Magnetfeldsensor zur Abtastung seines Magnetfeldes zugeordnet. Dieser erste Magnetfeldsensor weist die gleiche interne Polteilung auf wie der erste Maßträger. Dem zweiten Maßträger ist ein zweiter Magnetfeldsensor zugeordnet, dessen interne Polteilung größer ist als die Polteilung des zweiten Maßträgers. Um die interne Polteilung des zweiten Magnetfeldsensors an die Polteilung des zweiten Maßträgers anzupassen, ist der zweite Magnetfeldsensor in einem Winkel zur Längsrichtung des Längensensors angeordnet.
Der Längensensor ist insbesondere als magnetoresistiver Längensensor ausgebildet und ermöglicht eine absolute Positionsbestimmung des Magnetfeldsensors relativ zum Maßträger. Magnetoresistive Sensoren erfassen nur die Magnetfeldkomponenten, die in der Ebene der Sensoroberfläche liegen. Ordnet man den Magnetfeldsensor um den Winkel φ gegenüber der Längsrichtung des Maßträgers an, so hat das wirksame Magnetfeld in der Sensorebene eine um den Faktor cosφ verringerte Polteilung. Dadurch ist es möglich, den Vorteil der hohen Fremdfeldunterdrückung bei Sensoren, die über mehrere Magnetpole des Maßträgers abtasten, zu erhalten, ohne für ein Zweispursystem einen Sensor mit einer speziell angepassten inneren Polteilung für eine der beiden Spure zu benötigen. Für zwei Maßträger mit unterschiedlichen Polteilungen können somit zwei baugleiche Sensoren verwendet werden.
Weist beispielsweise der erste Maßträger zehn Pole auf und der zweite Maßträger elf Pole, so wird der Magnetfeldsensor auf dem zweiten Maßträger um den Winkel
verdreht angeordnet.
Die oben genannte Anordnung ist sowohl bei stabförmigen als auch bei ringförmigen Maßträgern realisierbar. Bei ringförmigen Maßträgern ergibt sich das Problem, dass jeweils einem magnetischen Nordpol ein magnetischer Südpol folgen muss, so dass immer nur eine gerade Anzahl von Polen einen kompletten Ring ausbilden kann. Dadurch ist die Anzahl beider Maßträger immer durch die Zahl 2 teilbar, so dass eine eindeutige Positionsermittlung mit anistotropen magnetorisitiven Sensoren (AMR-Sensoren) ohne externe magnetische Vorspannung lediglich in einem Winkelbereich von 180° möglich ist.
Weiterhin ist es möglich, durch den erfindungsgemäßen Längensensor Fertigungstoleranzen der Magnetfeldsensoren oder der Maßträger auszugleichen. Entspricht beispielsweise die Polteilung eines Magnetfeldsensors nicht exakt der Polteilung des zugeordneten Maßträgers, kann durch Messung die tatsächliche Polteilung des Magnetfeldsensors bestimmt werden und entsprechend der erfindungsgemäßen Anordnung der Magnetfeldsensor zur Anpassung an die Polteilung des Maßträgers um einen Winkel zur Längsachse verdreht angeordnet werden. Weiterhin ist es im Sinne der Erfindung möglich, beide Magnetfeldsensoren derart zu wählen, dass ihre Polteilung nicht mit der Polteilung des jeweils zugeordneten Maßträgers übereinstimmt, so lange die interne Polteilung der Sensoren größer ist, als die Polteilung der Maßträger. Dabei werden dann beide Magnetfeldsensoren relativ zur Längsachse um einen Winkel verdreht angeordnet, um eine Anpassung ihrer Polteilung an die Polteilung des jeweils zugeordneten Maßträgers zu erreichen.
Bei einem ringförmig angeordneten Maßträger kann anstelle einer Position entlang des Umfangs des Maßträgers durch eine Umrechnung auch ein Drehwinkel bestimmt werden. Der erfindungsgemäße magnetische Längensensor eignet sich somit ohne Umbaumaßnahmen auch zur Winkelerfassung.
Anstelle eines ringförmigen Maßträgers kann auch ein scheibenförmiger Maßträger gewählt werden, wobei der Maßträger stirnseitig, d. h. in axialer Richtung abgetastet wird.
Vorzugsweise erfolgt ein Verdrehen des Magnetfeldsensors um eine Achse senkrecht zur Messrichtung und senkrecht zu der Richtung, in der das magnetische Feld konstant ist.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Längensensors und
2 eine Schrägansicht des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Längensensors.
1 zeigt einen magnetoresistiven Längensensor 10, der einen ersten 12 sowie einen zweiten Maßträger 14 aufweist. Der erste Maßträger 12 weist innerhalb der Messstrecke 17 fünf magnetische Nordpole 16a sowie fünf magnetische Südpole 16b auf, die jeweils abwechselnd hintereinander entlang der Längsachse 24 angeordnet sind. Insgesamt weist der erste Maßträger 12 zehn Pole 16a, 16b auf.
Der zweite Maßträger weist innerhalb der Messstrecke 17 insgesamt elf Pole, nämlich sechs magnetische Nordpole 18a sowie fünf magnetische Südpole 18b, auf. Diese sind entlang der Längsachse 24 ebenfalls in abwechselnder Reihenfolge hintereinander angeordnet.
Zur Erfassung des Magnetfeldes des ersten Maßträgers 12 ist über diesem ein erster Magnetfeldsensor 20 angebracht, der relativ zum Maßträger 12 entlang einer Längsrichtung 26 verschiebbar ist. Dieser erste Magnetfeldsensor ist fest mit einem zweiten Magnetfeldsensor 22 verbunden, der das Magnetfeld des zweiten Maßträgers 14 erfasst. Es wird die Differenz des durch den ersten Magnetfeldsensor 20 erfassten Magnetfeldes und des durch den zweiten Magnetfeldsensor erfassten Magnetfeldes ermittelt, wobei jedem Differenzwert ein absoluter Positionswert entlang der Längsachse 24 der beiden Maßträger 12, 14 zugeordnet ist. Weiterhin kann jede Kombination aus Differenzbetrag und den Feldstärken bzw. -richtungen, die die einzelnen Sensoren erfassen, berücksichtigt werden. Vorzugsweise wird eine Änderung der Richtung des Magnetfeldes gemessen, wobei insbesondere ein AMR-Sensor (Anisotroper Magnetoresistiver Sensor) verwendet werden kann.
Ein AMR-Sensor bietet weiterhin den Vorteil, dass er oberhalb einer bestimmten Mindestfeldstärke ein Ausgangssignal liefert, das im Wesentlichen unabhängig von der Stärke des detektierten Magnetfeldes ist, und nur von dessen Richtung abhängt.
Um Verzerrungen des Magnetfeldes an den Rändern der Maßträger (in Blattrichtung oben und unten) zu vermeiden, erstrecken sich die beiden Maßträger 12, 14 über die beiden Enden der Messstrecke 17 hinaus, so dass der erste Maßträger 12 weitere Magnetpole 16c aufweist, die sich nicht im Bereich der Strecke befinden, über die der erste Magnetfeldsensor 20 gefahren wird. Gleiches gilt für die Magnetpole 18c des zweiten Maßträgers 14.
Der erste Magnetfeldsensor 20 weist eine Polteilung auf, die genau der Polteilung des ersten Maßträgers 12 entspricht. Dadurch ist eine besonders hohe Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern gewährleistet. Der zweite Magnetfeldsensor 22 ist baugleich mit dem ersten Magnetfeldsensor 20 und weist somit die gleiche interne Polteilung wie dieser auf.
Um eine Anpassung der Polteilung des zweiten Magnetfeldsensors 22 an die Polteilung des zweiten Maßträgers 14 zu gewährleisten, ist der zweite Magnetfeldsensor 22 in einem Winkel φ zur Längsachse 24 des Maßträgers 14 angeordnet. Das wirksame Magnetfeld in der Sensorebene des zweiten Magnetfeldsensors 22 hat somit eine um den Faktor cosφ verringerte Polteilung.
In dem dargestellten Beispiel wird der Winkel φ wie folgt berechnet:
wobei 10 die Anzahl der Pole des ersten Maßträgers 12 und 11 die Anzahl der Pole des zweiten Maßträgers 14 ist.
Der baugleiche Sensor auf der linken Hälfte detektiert daher durch das Verdrehen um den Winkel φ trotz der feineren Polteilung des zweiten Maßträgers 14 in der Ebene der Sensoroberfläche ein Magnetfeld mit passender Polteilung. Da magnetoresistive Sensoren nur Magnetfeldkomponenten erfassen, die in der Ebene der Sensoroberfläche liegen, ist eine eindeutige Positionsbestimmung weiterhin möglich.
Das Verdrehen des Magnetfeldsensors 22 erfolgt vorzugsweise um die Achse 30 herum. Diese befindet sich senkrecht zur Messrichtung 26, die der Längsrichtung 26 entspricht, und zur einer Querrichtung 28, in der das magnetische Feld der Maßträger 12, 14 konstant ist.

Claims

Magnetischer Längensensor zur Bestimmung der Position einer Magnetfeldsensoreinrichtung (20, 22) in Längsrichtung (26) relativ zu einer Maßträgereinrichtung (12, 14), mit einem ersten (12) und einem zweiten Maßträger (14), die in Längsrichtung (26) hintereinander angeordnete Magnetpole (16a, 16b; 18a, 18b) aufweisen, wobei abwechselnd ein Nordpol (16a; 18a) und ein Südpol (16b; 18b) angeordnet ist, und einem ersten (20) und einem zweiten Magnetfeldsensor (22) zur Abtastung des Magnetfeldes des ersten (12) bzw. des zweiten Maßträgers (14), wobei der erste Maßträger (12) weniger Magnetpole aufweist als der zweite Maßträger (14), und der erste Magnetfeldsensor (20) zur Unterdrückung der Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern eine interne Polteilung aufweist, die an die Polteilung des ersten Maßträgers (12) angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Polteilung des zweiten Magnetfeldsensors (22) zur Unterdrückung der Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern dadurch an die Polteilung des zweiten Maßträgers (14) angepasst ist, dass er in einem Winkel (φ) zur Längsachse (24) des Maßträgers (14) angeordnet ist.
Magnetischer Längensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (17) auf dem ersten (12) und dem zweiten Maßträger (14) die gleiche Länge aufweist und die Anzahl der Polteilungen des ersten Maßträgers (12) und die Anzahl der Polteilungen des zweiten Maßträgers (14) über die Messstrecke (17) verschieden sind.
Magnetischer Längensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Magnetfeldsensor (20, 22) fest miteinander verbunden sind.
Magnetischer Längensensor nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Magnetfeldsensor (20, 22) zusammen relativ zur Maßträgereinrichtung (12, 14) in Längsrichtung (26) verschiebbar sind.
Magnetischer Längensensor nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Maßträger (12, 14) fest miteinander verbunden sind.
Magnetischer Längensensor nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßträgereinrichtung (12, 14) stabförmig ausgebildet ist.
Magnetischer Längensensor nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßträgereinrichtung (12, 14) ringförmig oder scheibenförmig ausgebildet ist.
Magnetischer Längensensor nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (φ) bestimmt wird aus:
wobei (a) die Anzahl der Polteilungen über die Messtrecke (17) des ersten Maßträgers (12) und (b) die Anzahl der Polteilungen über die Messstrecke (17) des zweiten Maßträgers (14) ist.
Magnetischer Längensensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (22) des Maßträgers (14) mit der feineren Polteilung um den Winkel (φ) verdreht angeordnet ist.
Magnetischer Längensensor nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (20) und der zweite (22) Magnetfeldsensor die gleiche interne Polteilung aufweisen und insbesondere baugleich sind.
Magnetischer Längensensor nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass durch den ersten (20) und den zweiten Magnetfeldsensor (22) eine Erfassung einer Änderung der Richtung des Magnetfeldes des ersten (12) und des zweiten Maßträgers (14) erfolgt.
Magnetischer Längensensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Richtung des Magnetfeldes nach Überschreitung eines Schwellwertes für die Magnetfeldstärke im Wesentlichen unabhängig von Änderungen der Magnetfeldstärke erfolgt.
Verfahren zur Bestimmung der Position einer Magnetfeldsensoreinrichtung (20, 22) relativ zu einer Maßträgereinrichtung (12, 14) mit einem magnetischer Längensensor nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position in Längsrichtung (26) der Magnetfeldsensoreinrichtung (20, 22) relativ zur Maßträgereinrichtung (12, 14) erfolgt, durch – Messung des wirksamen Magnetfeldes des ersten Maßträgers (12) durch den ersten Magnetfeldsensor (20), – Messung des wirksamen Magnetfeldes des zweiten Maßträgers (14) durch den zweiten Magnetfeldsensor (22) und – Bestimmung der Differenz des gemessenen Magnetfeldes des ersten und zweiten Maßträgers (12, 14), wobei jedem Differenzbetrag oder jeder Kombination aus Differenzbetrag uns den Feldstärken bzw. -richtungen, die die einzelnen Sensoren erfassen, eine absolute Position der Magnetfeldsensoreinrichtung (20, 22) entlang der Maßträgereinrichtung (12, 14) zugeordnet ist.