DE19536433C2 - Vorrichtung zur berührungslosen Positionserfassung eines Objektes und Verwendung der Vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung zur berührungslosen Positionserfassung eines Objektes und Verwendung der VorrichtungInfo
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- DE19536433C2 DE19536433C2 DE19536433A DE19536433A DE19536433C2 DE 19536433 C2 DE19536433 C2 DE 19536433C2 DE 19536433 A DE19536433 A DE 19536433A DE 19536433 A DE19536433 A DE 19536433A DE 19536433 C2 DE19536433 C2 DE 19536433C2
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berüh
rungslosen Erfassung der Position eines Objektes bezüglich
einer vorgegebenen Ausgangslage gemäß dem Oberbegriff des An
spruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer
solchen Vorrichtung. Eine entsprechende Vorrichtung und deren
Verwendung sind der DE 43 01 704 A1 zu entnehmen.
In Schichten aus ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Ni,
Fe oder Co und deren Legierungen kann eine Abhängigkeit des
elektrischen Widerstandes von der Größe und der Richtung
eines das Material durchdringenden Magnetfeldes gegeben sein.
Den bei solchen Schichten auftretenden Effekt nennt man
"anisotropen Magnetowiderstand (AMR)" oder "anisotropen ma
gnetoresistiven Effekt". Er beruht physikalisch auf den un
terschiedlichen Streuquerschnitten von Elektronen mit unter
schiedlichem Spin und der Spinpolarität des D-Bandes. Die
Elektronen werden als Majoritäts- bzw. Minoritätselektronen
bezeichnet. Für entsprechende magnetoresistive Sensoren wird
im allgemeinen eine dünne Schicht aus einem solchen magneto
resistiven Material mit einer Magnetisierung in der Schicht
ebene vorgesehen. Die Widerstandsänderung bei Drehung der Ma
gnetisierung bezüglich der Richtung eines über den Sensor ge
leiteten Stromes kann dann einige Prozent des normalen iso
tropen (= ohm'schen) Widerstandes betragen.
Ferner sind seit einiger Zeit magnetoresistive Mehrschichten
systeme bekannt, welche mehrere, zu einem Stapel angeordnete
ferromagnetische Schichten enthalten, die jeweils durch me
tallische Zwischenschichten voneinander getrennt sind und de
ren Magnetisierungen jeweils in der Schichtebene liegen. Die
Dicken der einzelnen Schichten sind dabei deutlich geringer
als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen ge
wählt. In solchen Mehrschichtensystemen kann nun zusätzlich
zu dem erwähnten anisotropen magnetoresistiven Effekt AMR ein
sogenannter "giant-magnetoresistiver Effekt" oder "Giant-Ma
gnetowiderstand (GMR)" auftreten (vgl. z. B. EP 0 483 373 A1).
Ein solcher GMR-Effekt beruht auf der unterschiedlich starken
Streuung von Majoritäts- und Minoritäts-Leitungselektronen an
den Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen Schichten und
den dazu benachbarten Schichten sowie auf Streueffekten in
nerhalb dieser Schichten, insbesondere bei Verwendung von Le
gierungen. Der GMR-Effekt ist dabei ein isotroper Effekt. Er
kann erheblich größer sein als der anisotrope Effekt AMR. In
entsprechenden, einen GMR-Effekt zeigenden Mehrschichtensy
stemen sind benachbarte metallische Schichten zunächst entge
gengesetzt magnetisiert, wobei eine Biasschicht bzw. ein Bi
asschichtteil magnetisch härter als eine Meßschicht ist. Un
ter Einfluß eines äußeren Magnetfeldes, d. h. einer in der
Schichtebene ausgeprägten Komponente dieses Feldes, kann sich
dann die anfängliche antiparallele Ausrichtung der Magneti
sierungen in eine parallele umwandeln. Bei entsprechenden Ma
gnetfeldsensoren wird diese Tatsache ausgenutzt.
Ein entsprechender Sensor geht aus der eingangs genannten
DE 43 01 704 A1 hervor. Er ist Teil einer Vorrichtung zur be
rührungslosen Erfassung einer Winkelposition eines Objektes
bezüglich einer vorgegebenen Ausgangslage. Hierzu ist das Ob
jekt starr entweder mit einer magnetoresistiven Sensorein
richtung oder mit einem Permanentmagneten als einer magnet
felderzeugenden Einrichtung verbunden. Der Permanentmagnet
ist in einer zu einer Meßschichtebene parallelen Ebene dreh
bar angeordnet und bildet somit an einer gedachten Bezugsli
nie einen Magnetpol oder längs der Linie mehrere hintereinan
der gereihte, wechselnde Magnetfeldrichtungen erzeugende Ma
gnetpole. Die Polflächen dieser Magnetpole sind dabei so aus
gerichtet, daß ihre Normalen parallel zur Ebene der magne
tisch weicheren Meßschicht des Schichtsystems eines strom
durchflossenen Sensors mit erhöhtem magnetoresistiven Effekt
liegen. Der Permanentmagnet erzeugt in der Meßschicht eine
Magnetfeldkomponente, die somit gegenüber einer magnetischen
Vorzugsachse eines magnetisch härteren Biasteils des Sensors
drehbar ist und deshalb zu einer entsprechenden Drehung der
Magnetisierung in der magnetisch weicheren Meßschicht führt.
Der elektrische Widerstand des Sensors hängt so vom Winkel
zwischen der Magnetisierung der Meßschicht und der magneti
schen Vorzugsrichtung des Biasteils ab. Diese Abhängigkeit
ist im allgemeinen anisotrop aufgrund der vorgegebenen Form
(Geometrie) des Schichtaufbaus des Sensors. Eine entsprechen
de Vorrichtung zum Erfassen einer Winkelposition, die insbe
sondere ein kontaktloses Potentiometer bilden kann, ist je
doch eingeschränkt auf eine gemeinsame Symmetrieachse des Ma
gneten und des Sensors, um welche entweder der Magnet oder
der Sensor selbst drehbar angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Vor
richtung dahingehend auszugestalten, daß eine derartige Ein
schränkung nicht mehr gegeben ist, insbesondere bei einer
Verwendung in einem kontaktlosen Potentiometer.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an
gegebenen Maßnahmen gelöst. Diese Maßnahmen umfassen gemäß
dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 zum einen eine be
sondere Anordnung der magnetfelderzeugenden Einrichtung be
züglich der Sensoreinrichtung, nämlich daß der mindestens
eine Magnetpol der magnetfelderzeugenden Einrichtung mit sei
ner Polfläche der Meßschicht des wenigstens einen Sensors zu
gewandt ist und die Richtung einer Normalen auf der Ebene der
Meßschicht des wenigstens einen Sensors unter einem von Null
verschiedenen Winkel bezüglich der gedachten Bezugslinie des
mindestens einen Magnetpols verläuft. Zum anderen soll die
magnetfelderzeugende Einrichtung bezüglich der Sensoreinrich
tung so relativ zu bewegen sein, daß dabei das Magnetfeld des
mindestens einen Magnetpols von der Meßschicht des wenigstens
einen Sensors erfaßt wird und daß dabei ein der Zahl der er
faßten Magnetpole entsprechend vielfaches Durchlaufen der
Sensorkennlinie oder eines Teils derselben bewirkt wird.
Die mit dieser Ausgestaltung der Positionserfassungsvorrich
tung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen,
daß zum einen eine kontaktlose Erfassung von Winkelpositionen
von Objekten im gesamten Winkelbereich von 360° oder von Li
nearpositionen zu realisieren ist und daß zum anderen die An
forderungen an die erforderliche Genauigkeit der Montageposi
tionen der magnetfelderzeugenden Einrichtung und der Sensor
einrichtungen vermindert sind. Denn mit der Verwendung von
mindestens einem Sensor für die Sensoreinrichtung, der ein
Schichtensystem mit erhöhtem magnetoresistiven Effekt auf
weist, wird hier bei einem Vorbeiführen des mindestens einen
Magnetpols an der Sensoreinrichtung auf der Bezugslinie im
wesentlichen nur die Abhängigkeit des Sensormeßsignals von
der Richtung des äußeren Magnetfeldes, nicht aber von dessen
Feldstärke ausgenutzt. Dabei wird von der Erkenntnis ausge
gangen, daß die Ebene jeder Polfläche gerade nicht exakt
senkrecht auf der Meßschichtebene wie beim Stand der Technik
zu stehen braucht, ohne daß es zu einer Verminderung des er
höhten magnetoresistiven Effektes kommt.
Besonders vorteilhaft ermöglicht eine solche Positionserfas
sungsvorrichtung den Aufbau eines kontaktlosen Potentiome
ters.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Positions
erfassungsvorrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen
hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf
die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen jeweils schematisch
die Fig. 1 und 2 in Seiten- bzw. Aufsicht eine erste
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dreh
positionserfassungsvorrichtung mit einem Polrad,
die Fig. 3 und 4 in Seitenaufsicht eine zweite bzw. eine
dritte Ausführungsform einer entsprechenden
Vorrichtung,
die Fig. 5 in Seitenansicht eine Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Linearpositionserfassungs
vorrichtung mit einer linearen Polanordnung,
die Fig. 6 in Seitenansicht eine vierte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Drehpositionserfassungs
vorrichtung mit einem Polrad,
die Fig. 7 eine Aufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 6
und
die Fig. 8 in Seitenansicht eine fünfte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Drehpositionserfassungs
vorrichtung mit einem anderen Polrad.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben
Bezugszeichen versehen.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine lineare Po
sition oder eine Drehposition eines beliebigen Objektes be
rührungslos zu erfassen. Die Vorrichtung weist zwei Hauptein
heiten auf, nämlich eine Einrichtung zur Erzeugung einer ma
gnetischen Feldkomponente sowie eine Einrichtung zur Detek
tion dieser Magnetfeldkomponente, um ein im wesentlichen nur
von der Magnetfeldrichtung abhängiges Ausgangssignal zu er
zeugen. Eine dieser beiden Einrichtungen ist starr mit dem
Objekt verbunden, so daß dessen Position bezüglich einer vor
gegebenen Ausgangslage bzw. relativ zu der Position der ande
ren Einrichtung zu erfassen ist. Die magnetfelderzeugende
Einrichtung weist einen oder mehrere an der Detektionsein
richtung ein- oder mehrmals vorbeizuführende und dieser zuge
wandte Magnetpole auf. Ist nur ein Magnetpol vorgesehen, so
kann dieser an einer gedachten Bezugslinie liegend angesehen
werden. Bei mehreren Magnetpolen sollen diese längs einer
entsprechenden gedachten Bezugslinie gesehen hintereinander
gereiht sein, wobei die von den Magnetpolen erzeugten Magnet
felder längs dieser Linie wechselnde, vorzugsweise alternie
rende oder periodisch wechselnde Magnetfeldrichtungen bezüg
lich der Detektionseinrichtung haben sollen. Die Bezugslinie
kann dabei eine gerade oder eine gekrümmte Linie darstellen.
Im Falle einer Geraden ist insbesondere eine Erfassung einer
Linearposition eines Objektes möglich. Mit einer gekrümmten
Linie kann insbesondere eine Umfangslinie eines Kreises aus
gebildet sein, wie er z. B. von einem Polrad gebildet wird.
Damit lassen sich vorzugsweise Winkelpositionen zwischen 0
und 360° erfassen. Die als Sensoreinrichtung anzusehende
bzgl. der Magnetfeldrichtung empfindliche Einrichtung umfaßt
mindestens einen stromdurchflossenen Sensor. Dabei können
mehrere sich entsprechende Sensoren zu der Sensoreinrichtung
elektrisch verschaltet sein und beispielsweise eine Wheat
stone'sche Brücke bilden. Jeder Sensor weist ein Mehrschich
tensystem auf, das einen erhöhten magnetoresistiven Effekt,
insbesondere einen sogenannten GMR-Effekt, zeigt. Das Schich
tensystem enthält deshalb mindestens eine magnetisch weichere
Meßschicht mit einer in ihrer Schichtebene drehbaren Magneti
sierung. Parallel dazu ist ein Biasteil mit einer Biasschicht
oder einem Biasschichtensystem angeordnet, wobei der Biasteil
magnetisch härter und unter dem Einfluß des Magnetfeldes des
mindestens einen Magnetpoles eine zumindest weitgehend unver
änderte Magnetisierung besitzt. Entsprechende Mehrschichten
systeme mit GMR-Effekt sind z. B. aus den Schriften EP-A-
0 483 373, DE-A-42 32 244, DE-A-42 43 357 oder DE-A-42 43 358
bekannt.
Bei einer Positionserfassungsvorrichtung mit diesen Merkmalen
soll erfindungsgemäß deren magnetfelderzeugende Einrichtung
bezüglich der Sensoreinrichtung in vorbestimmter Weise ange
ordnet sein:
Hierzu werden eine Normale auf der Ebene der Meßschicht des Mehrschichtensystems des mindestens einen Sensors sowie die gedachte Bezugslinie, an welcher der mindestens eine Ma gnetpol der magnetfelderzeugenden Einrichtung liegt, be trachtet. Dann soll die Normalenrichtung mit der Bezugs linie an deren der Meßschicht nähesten Stelle einen Winkel einschließen, der von Null verschieden ist. Vorzugsweise ist dieser Winkel zumindest annähernd 90°. Die Bezugslinie liegt dann in einer Ebene, die zumindest annähernd parallel zur Ebene der Meßschicht verläuft.
Außerdem sollen die magnetfelderzeugende Einrichtung und die Sensoreinrichtung relativ zueinander so zu bewegen sein, daß dabei das Magnetfeld des mindestens einen Magnet pols der magnetfelderzeugenden Einrichtung von der Meß schicht des Mehrschichtensystems des wenigstens einen Sen sors erfaßt wird und bei der Führung des mindestens einen Magnetpols durch den Erfassungsbereich der Sensoreinrich tung ein der Anzahl der vorhandenen bzw. erfaßten Magnetpo le entsprechend vielfaches Durchlaufen der Sensorkennlinie oder eines Teils derselben bewirkt wird. Als Sensorkennli nie werden dabei die in einem Diagramm darstellbaren Wider standswerte angesehen, die die Sensoreinrichtung bei einem Vorbeiführen eines Magnetpols an ihrer mindestens einen Meßschicht annehmen kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die Magnetpole der magnetfelderzeugenden Einrichtung auch wiederholt durch den Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung geführt werden (oder umgekehrt). Dann wird die Sensorkennlinie oder deren Teillinie entsprechend der Anzahl an von der Sensoreinrich tung insgesamt nacheinander erfaßten Magnetpolen oft durch laufen.
Hierzu werden eine Normale auf der Ebene der Meßschicht des Mehrschichtensystems des mindestens einen Sensors sowie die gedachte Bezugslinie, an welcher der mindestens eine Ma gnetpol der magnetfelderzeugenden Einrichtung liegt, be trachtet. Dann soll die Normalenrichtung mit der Bezugs linie an deren der Meßschicht nähesten Stelle einen Winkel einschließen, der von Null verschieden ist. Vorzugsweise ist dieser Winkel zumindest annähernd 90°. Die Bezugslinie liegt dann in einer Ebene, die zumindest annähernd parallel zur Ebene der Meßschicht verläuft.
Außerdem sollen die magnetfelderzeugende Einrichtung und die Sensoreinrichtung relativ zueinander so zu bewegen sein, daß dabei das Magnetfeld des mindestens einen Magnet pols der magnetfelderzeugenden Einrichtung von der Meß schicht des Mehrschichtensystems des wenigstens einen Sen sors erfaßt wird und bei der Führung des mindestens einen Magnetpols durch den Erfassungsbereich der Sensoreinrich tung ein der Anzahl der vorhandenen bzw. erfaßten Magnetpo le entsprechend vielfaches Durchlaufen der Sensorkennlinie oder eines Teils derselben bewirkt wird. Als Sensorkennli nie werden dabei die in einem Diagramm darstellbaren Wider standswerte angesehen, die die Sensoreinrichtung bei einem Vorbeiführen eines Magnetpols an ihrer mindestens einen Meßschicht annehmen kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die Magnetpole der magnetfelderzeugenden Einrichtung auch wiederholt durch den Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung geführt werden (oder umgekehrt). Dann wird die Sensorkennlinie oder deren Teillinie entsprechend der Anzahl an von der Sensoreinrich tung insgesamt nacheinander erfaßten Magnetpolen oft durch laufen.
Einige Ausführungsbeispiele entsprechender erfindungsgemäßer
Dreh- und Linearpositionserfassungseinrichtungen sind aus den
Figuren ersichtlich. Dort nicht näher dargestellte Teile sind
allgemein bekannt, so daß auf deren Beschreibung nachfolgend
verzichtet ist.
Gemäß der in den Fig. 1 und 2 angedeuteten Ausführungsform
einer entsprechenden Vorrichtung 2 zur Erfassung einer Dreh
position ist deren magnetfelderzeugende Einrichtung als ein
magnetisches Polrad 3 gestaltet. Das Polrad ist um eine Be
zugsachse G1 drehbar gelagert und beispielsweise auf der
Achse eines Elektromotors montiert. Es enthält auf einer
längs seines Außenumfangs verlaufenden Bezugslinie L1 in Um
fangsrichtung gesehen hintereinanderliegende Magnetpole 4 j
mit wechselnder Polarität. Von den n (mit 1 ≦ j ≦ n) Magnet
polen sind in der Figur nur vier gezeigt, zwei mit Polarität
N (= Nordpol) und zwei mit Polarität S (= Südpol). Das zwi
schen benachbarten Polen mit unterschiedlicher Polarität ver
laufende Magnetfeld ist durch eine Feldlinie h angedeutet.
Das Polrad 3 ist in einem Abstand a0 seiner Bezugslinie L1
von dem Sensor 6 einer Sensoreinrichtung 5 entfernt angeord
net. Der in den Figuren gegenüber dem Polrad nicht maßstäb
lich dargestellte Sensor wird von einem Strom I durchflossen
und weist ein Mehrschichtensystem mit einem in seiner Magne
tisierung Mb festen Schichtteil 7, einem sogenannten Bias
teil, und einer weichmagnetischen Meßschicht 8 mit einer in
der Schichtebene drehbaren Magnetisierung Mm auf. Eine Nor
male auf der Oberflächenebene des Schichtpaketes des Mehr
schichtensystems des Sensors 6 bzw. der Meßschicht 8 sei mit
H1 bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist der Sensor 6 bezüglich des Polrades 3 so
angeordnet, daß die Bezugsachse G1 (= Drehachse) des Polrades
nicht parallel zur Normalen H1 auf der Sensorebene verläuft.
Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, schließen die Bezugs
achse G1 und die Normale H1 einen Winkel ϕ mit einem Wert un
gleich Null, vorzugsweise einen Winkel ϕ von zumindest annä
hernd 90° ein. Dann sind bei einer Drehung des Polrades 3 um
die Bezugsachse G1 die Magnetpole 4 j mit ihren Polflächen
nacheinander dem Sensor 6 direkt zugewandt.
Bei einer solchen Drehung wird die Widerstandskennlinie des
giant-magnetoresistiven Sensors 6 n-fach durchlaufen. Da die
Richtung der Magnetisierung Mm der weichmagnetischen Meß
schicht 8 im giant-magnetoresistiven Sensor 6 in einem weiten
Feldbereich dem einwirkenden Magnetfeld folgt und die Wider
standsänderung des Mehrschichtenpakets nur vom Winkel der Ma
gnetisierungen Mm in der Meßschicht und Mb in dem Biasteil
abhängt, ist das von dem Sensor abgegebene Signal, das die
Winkellage des magnetischen Polrades 3 abbildet, vorteilhaft
in einem weiten Bereich unabhängig von dem Abstand a0 zwi
schen dem Polrad und dem Sensor.
Wie ferner aus Fig. 2 entnehmbar ist, braucht die Normale H1
nicht unbedingt die Mittelachse H1' des Sensors 6 darstellen,
sondern kann gegenüber dieser Achse auch um einen Abstand a1
verschoben sein.
Durch die hohe Empfindlichkeit von giant-magnetoresistiven
Sensoren ist bei der erfindungsgemäßen Positionserfassungs
vorrichtung keine differentielle Anordnung mehr nötig, wie
sie z. B. bei Hallsensoren (vgl. z. B. Datenbuch "Magnetic Sen
sors" der Siemens AG, 1989, Seite 57) erforderlich wird; da
durch lassen sich kleinere Polabstände eines Polrads ermögli
chen, so daß dann eine entsprechend höhere Auflösung und/oder
eine entsprechende Miniaturisierung erreichbar ist.
Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Drehpositionserfas
sungsvorrichtung 2 kann in dem zwischen dem Polrad 3 und dem
Sensor 6 durch den Abstand der Größe a0 gekennzeichneten Raum
eine Trenn- oder Gehäusewand eingefügt werden. Diese Wand muß
aus einem nicht-ferromagnetischen Material bestehen. Ein sol
cher Aufbau läßt sich insbesondere dann vorsehen, wenn bei
spielsweise das Polrad oder der Sensor in ein Gehäuse einge
baut oder in unterschiedlichen Umgebungsmedien, die durch
eine Trennwand voneinander zu trennen sind, angeordnet werden
sollen.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung
10 zur Erfassung der Drehposition eines Polrades 3 (gemäß
Fig. 1) mit n Magnetpolen 4 j weist eine Sensoreinrichtung 11
mit einem Paar von magnetoresistiven Sensoren 12 und 13 auf.
In der Figur sind die Sensoren gegenüber dem Polrad nicht
maßstäblich - aus Gründen der Übersichtlichkeit vergrößert -
dargestellt. Sie sind elektrisch miteinander verschaltet und
werden von einem Strom I durchflossen. Ihre Mehrschich
tensysteme liegen in einer gemeinsamen Ebene und sind so zu
einander ausgerichtet, daß die Richtungen der Magnetisierun
gen Mb1 und Mb2 ihrer Biasteile vorzugsweise rechtwinklig zu
einander verlaufen. Eine den Sensoren gemeinsame Bezugsachse
H2, die in Richtung einer Normalen auf der Ebene der Sensoren
weist und zentral zwischen den untereinander beabstandeten
Sensoren verläuft, schließt mit der Drehachse G1 des Polrades
3 einen Winkel von 90° ein. Gegenüber dieser Drehachse ist
die Bezugsachse H2 um einen Abstand a2 seitlich verschoben,
wobei a2 deutlich kleiner als eine halbe Periode des Polab
standes benachbarter Magnetpole sein sollte. Bei Drehung des
Polrades 3 um seine Achse G1 wird die Widerstandskennlinie
der giant-magnetoresistiven Sensoren n-fach (pro Polradum
drehung) durchlaufen, wobei die beiden Sensoren je ein um 90°
phasenverschobenes periodisches Signal liefern. Dies führt
beispielsweise zu einer besseren Abtastung der durch die Pol
zahl des magnetischen Polrades vorgegebenen Grundauflösung,
als sie mit zwei nur unter Einhaltung eines vorbestimmten Ab
standes nebeneinander anordbaren Hallsensoren zu realisieren
wäre. Denn die beiden GMR-Sensoren 12 und 13 können vorteil
haft in unmittelbarer Nachbarschaft nebeneinander z. B. auf
einem gemeinsamen Chip angeordnet werden. Außerdem ermöglicht
die gezeigte Ausführungsform vorteilhaft eine Richtungserken
nung der Drehung.
Abweichend von der Positionserfassungsvorrichtung 10 nach
Fig. 3 sind bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform einer
Drehpositionserfassungsvorrichtung 15 die giant-magnetoresi
stiven Sensoren 16 und 17 ihrer Sensoreinrichtung 18 nicht in
einer gemeinsamen Ebene angeordnet, sondern liegen in paral
lelen Ebenen. Der Aufbau der Mehrschichtensysteme der Sen
soren kann entweder auf hybridem Wege oder durch geeignete
Beschichtung und Strukturierung eines Wafers 19 entweder auf
dessen gegenüberliegenden Flachseiten oder auch auf einer
Seite erfolgen. Die Sensoren haben eine gemeinsame Bezugs
achse H3 in Richtung ihrer Flächennormalen. Die z. B. im Be
reich der Mitten der Sensoren verlaufende Bezugsachse H3
schließt mit der Drehachse G1 des Polrades 3 wiederum einen
Winkel von 90° ein. Aufgrund der erlaubten Abstandstoleranzen
geben die Sensoren der Vorrichtung 15 ein in der Amplitude
zumindest annähernd gleiches, aber um 90° phasenverschobenes
Signal ab.
Gemäß den Fig. 1 bis 4 wurde davon ausgegangen, daß eine
Bezugslinie L1 der Magnetpole einer magnetfelderzeugenden
Einrichtung eine Umfangslinie eines Polrades 3 beschreibt.
Ebensogut kann jedoch die Bezugslinie auch eine Gerade bil
den. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer Linearposi
tionserfassungsvorrichtung ist in Fig. 5 veranschaulicht.
Diese mit 20 bezeichnete Vorrichtung enthält als magnetfeld
erzeugende Einrichtung ein sich längs einer geraden Bezugsli
nie L2 erstreckendes magnetisches Band 21 mit n hintereinan
dergereihten Magnetpolen 4 k (mit 1 ≦ k ≦ n) abwechselnder Po
larität. Die Bezugslinie L2 verläuft dabei in senkrechter
Richtung bezüglich der Normalen H1 auf dem giant-magnetoresi
stiven Sensor 6 (z. B. nach Fig. 1). Zwischen dem Mehrschich
tensystem des Sensors und dem magnetischen Band 21 ist ein
Abstand a3 eingehalten. Bei Bewegung des Sensors 6 entlang
einer zur Bezugslinie L2 um den Abstand a3 beabstandeten pa
rallelen Linie oder des magnetischen Bandes entlang der Be
zugslinie L2 wird die Widerstandskennlinie des giant-magneto
resistiven Sensors 6 n-fach durchlaufen. Da die Richtung der
Magnetisierung Mm der weichmagnetischen Meßschicht 8 des Sen
sors 6 in einem weiten Feldbereich dem einwirkenden Magnet
feld des magnetischen Bandes 21 folgt und die Widerstandsän
derung des Mehrschichtensystems des Sensors nur vom Winkel
der Magnetisierungen Mm in seiner Meßschicht und Mb in seinem
Biasteil 7 bzw. der Biasschicht abhängt, ist das von der Sen
soreinrichtung abgegebene Signal, das die Position des magne
tischen Bandes 21 abbildet, vorteilhaft in einem weiten Be
reich unabhängig vom Abstand a3 zwischen dem magnetischen
Band 21 und dem Sensor 6.
Die in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen von
erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtungen sehen vor,
daß die Bezugsachsen bzw. Normalen auf ihren Sensoreinrich
tungen bzw. Sensoren jeweils zumindest annähernd senkrecht
bezüglich der Drehachse G1 und/oder senkrecht zu den Bezugs
linien L1 und L2 verlaufen. Eine erfindungsgemäße Positions
erfassungsvorrichtung ist jedoch nicht auf derartige Winkel
zwischen den Normalen und den Bezugslinien beschränkt. Viel
mehr können auch Winkel größer oder kleiner als 90°, vorzugs
weise aus dem Bereich zwischen 60° und 120°, gewählt werden.
Da die Richtung der Magnetisierung Mm der weichmagnetischen
Meßschicht in einem giant-magnetoresistiven Sensor in einem
weiten Feldbereich der Richtung des einwirkenden Magnetfeldes
folgt und die Widerstandsänderung seines Mehrschichtensystems
nur vom Winkel zwischen den Richtungen der Magnetisierungen
Mm in der Meßschicht und Mb in dem Biasteil abhängt, ist das
von dem Mehrschichtensystem abgegebene Signal, das z. B. die
Winkellage eines magnetischen Polrades abbildet, in einem
weiten Bereich unabhängig vom Winkel zwischen einer Normalen
auf der Ebene der Meßschicht eines Mehrschichtensystems und
der Bezugslinie des mindestens einen Magnetpols. Dies erlaubt
vorteilhaft hohe Einbautoleranzen bei einer Fertigung und
Montage entsprechender Systeme und bedeutet, daß verschiedene
Exemplare des gleichen Systems unterschiedliche Winkel aus
dem genannten Winkelbereich haben können, ohne daß sich prak
tisch ihre elektrische Funktionsweise ändert. Ein entspre
chendes Ausführungsbeispiel ist aus den Fig. 6 und 7 er
sichtlich.
Bei der in diesen Figuren gezeigten Positionserfassungsvor
richtung 24 wird statt der in den Fig. 3 und 4 dargestell
ten Anordnung einer Sensoreinrichtung mit zwei Sensoren nun
mehr eine solche Einrichtung 25 mit mehr als zwei, beispiels
weise drei in einer Ebene liegende Sensoren 26 bis 28 verwen
det. Diese von dem Polrad 3 um eine Größe a4 beabstandete
Sensoren sind vorzugsweise unter einem Winkel χ = 120° ihrer
in der Sensorebene liegenden Flächenachsen bzw. der Richtun
gen der Magnetisierungen Mbi ihrer Biasteile 29 i (mit
1 ≦ i ≦ 3) zueinander angeordnet. Dadurch werden von jedem
Sensor nur noch zwei lineare Bereiche von je 60° zu einer
360°-Detektion benötigt anstatt von je 90° gemäß der Ausfüh
rungsform nach den Fig. 3 und 4.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einer Drehpositionserfas
sungsvorrichtung 30 mit einem Polrad 31 als magnetfelderzeu
gender Einrichtung, die nur einen einzigen magnetischen Dop
pelpol 32 aufweist. Der z. B. von einem Stabmagneten gebildete
Doppelpol ist dabei so angeordnet, daß er sich in radialer
Richtung bezüglich der Drehachse G2 des Polrades 31 er
streckt. D. h., nur ein Magnetpol 32a dieses Stabmagneten ist
dem giant-magnetoresistiven Sensor 6 (z. B. gemäß Fig. 1)
einer Sensoreinrichtung unter Einhaltung eines Abstandes a5
zugewandt. Das von dem Stabmagneten hervorgerufene Magnetfeld
ist durch Feldlinien h' angedeutet. Die gezeigte Vorrichtung
30 kann insbesondere zur Erzeugung von Trigger- oder Zählim
pulsen verwendet werden.
Claims (9)
1. Vorrichtung (2, 10, 15, 20, 25, 30) zur berührungslosen
Erfassung der Position eines Objektes bezüglich einer vorge
gebenen Ausgangslage
- 1. mit einer magnetfelderzeugenden Einrichtung (3, 21, 31), die an einer gedachten Bezugslinie (L1, L2) einen Magnetpol (32a) oder längs der Linie mehrere hintereinandergereihte, wechselnde Magnetfeldrichtungen erzeugende Magnetpole (4 j, 4 k) bildet,
- 2. mit einer Sensoreinrichtung (5, 11, 18, 25), die wenigstens einen stromdurchflossenen Sensor (6, 12, 13, 16, 17, 26-28) mit erhöhtem magnetoresistiven Effekt enthält, der ein Schichtensystem mit mindestens einer magnetisch weichen Meßschicht (8) mit einer in ihrer Schichtebene drehbaren Magnetisierungen (Mm) und mindestens einen magnetisch här teren Biasteil (7, 29 i) mit einer zumindest weitgehend un veränderten Magnetisierung (Mb, Mb1, Mb2, Mbi) aufweist, sowie
- 3. mit einer starren Verbindung des Objektes mit der Sensor einrichtung oder der magnetfelderzeugenden Einrichtung,
- a) so angeordnet ist, daß der mindestens eine Magnetpol (4 j, 4 k) der magnetfelderzeugenden Einrichtung mit seiner Polfläche der Meßschicht (8) des wenigstens einen Sensors (6, 12, 13, 16, 17, 26-28) zugewandt ist und die Richtung einer Normalen (H1, H1', H2, H3) auf der Ebene der Meß schicht des wenigstens einen Sensors unter einem von Null verschiedenen Winkel ϕ bezüglich der gedachten Bezugslinie (L1, L2) des mindestens einen Magnetpols verläuft, und
- b) so relativ zu bewegen ist, daß dabei das Magnetfeld (h, h') des mindestens einen Magnetpols von der Meßschicht des wenigstens einen Sensors erfaßt wird und daß dabei ein der Zahl (n) der erfaßten Magnetpole entsprechend vielfaches Durchlaufen der Sensorkennlinie oder eines Teils derselben bewirkt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Bezugslinie (L2) zumin
dest annähernd eine Gerade ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Bezugslinie (L1) zumin
dest annähernd die Umfangslinie eines Polrades (3, 31) ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Sensor
einrichtung (11, 18, 25) mehrere elektrisch miteinander ver
schaltete Sensoren (12, 13; 16, 17; 26-28) umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwei Sensoren (11, 12) vorge
sehen sind, deren Biasteile ihrer Schichtensysteme Magneti
sierungsrichtungen (Mb1, Mb2) aufweisen, die zumindest weit
gehend rechtwinklig zueinander verlaufen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß drei Sensoren (26-28) vorge
sehen sind, deren Biasteile (29 i) ihrer Schichtensysteme Ma
gnetisierungsrichtungen (Mbi) aufweisen, die untereinander
jeweils zumindest annähernd einen Winkel von 120° einschlie
ßen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die Sensoren
(12, 13; 26-28) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die Sensoren
(16, 17) in parallelen Ebenen liegen.
9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
8 zumindest als Teil eines kontaktlosen Potentiometers.
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