DE19601021B4 - Magnetische Positionsmeßeinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Magnetische Positionsmeßeinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb Download PDF

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Abstract

Magnetische Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus
– einer periodisch magnetisierten Meßteilung (1),
– einer Abtasteinheit (2; 32; 42;) mit mehreren magnetoresistiven Elementen (36.1, ... 36.6; 46.1, ... 46.4) zur Abtastung der Meßteilung (1), um positionsabhängige Ausgangssignale zu erzeugen, sowie
– einer Hilfsfeldeinrichtung (3; 33; 43), die ein magnetisches Hilfsfeld erzeugt, das zusätzlich zum Meßteilungs-Magnetfeld auf die magnetoresistiven Elemente (36.1, ... 36.6; 46.1, ... 46.4) einwirkt, welches in Längsrichtung der magnetoresistiven Elemente (36.1, ... 36.6; 46.1, ... 46.4) ausgerichtet ist
dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Regelungseinrichtung (4) vorgesehen ist, welche derart auf die Hilfsfeldeinrichtung (3; 33; 43.1, ... 43.6) einwirkt, daß die Stärke des angelegten Hilfsfeldes in Abhängigkeit der definiert verarbeiteten Ausgangssignale der Abtasteinheit (2; 32; 42) so einstellbar ist, daß im Meßbetrieb eine stets hinreichend große Amplitude der Ausgangssignale der magnetoresistiven Elemente resultiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Positionsmeßeinrichtung.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betrieb einer magnetischen Positionsmeßeinrichtung.
  • Eine magnetische Positionsmeßeinrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 620 416 bekannt. Dort wird ein magnetisches Positionsmeßsystem beschrieben, das mehrere magnetoresistive Elemente in einer Abtasteinheit umfaßt. Mit der Abtasteinheit wird eine periodisch magnetisierte Meßteilung zur Gewinnung positionsabhängiger Ausgangssignale abgetastet. Um die Ausgangscharakteristik der magnetoresistiven Elemente zu linearisieren ist vorgesehen, zusätzlich zum Meßteilungs-Magnetfeld ein magnetisches Hilfsfeld anzulegen. Das Hilfsfeld weist hierbei eine definierte Orientierung zur Meßrichtung und zur Ausrichtung der magnetoresistiven Elemente auf und ist in einem bestimmten Winkel, vorzugsweise schräg, zu den magnetoresistiven Elementen ausgerichtet.
  • Mit einer derartigen magnetischen Vorspannung der magnetoresistiven Elemente erreicht man eine Verschiebung der normalerweise im Arbeitsbereich quadratischen Sensor-Kennlinie in einen linearen Bereich. Das vorge sehene Hilfsfeld wird entweder über einen geeigneten Permanentmagneten oder aber mit Hilfe einer Spule erzeugt. Beiden vorgeschlagenen Methoden zur Erzeugung des Hilfsfeldes ist gemeinsam, daß jeweils ein konstantes Feld angelegt wird. Zur optimalen Dimensionierung des Hilfsfeldes ist zudem nichts näheres ausgesagt.
  • Die in der EP 0 620 416 desweiteren vorgeschlagene Speisung der Spule mit hochfrequentem Wechselstrom dient lediglich einem anderen Signal-Auswerteverfahren auf Trägerfrequenz-Basis. Im Hinblick auf eine möglichst konstante, ausreichend hohe Ausgangssignalamplitude der positionsabhängigen Meßsignale erweisen sich die vorgeschlagenen Anordnungen jedoch als noch nicht optimal.
  • Aus der DE 27 44 993 A1 ist ein Magnetowiderstandkopf zum Detektieren von Magnetfeldern eines Aufzeichnungsmediums bekannt, bei dem eine Veränderung eines Hilfsfelds vorgenommen werden kann, um die Dynamik eines Signalfelds einstellen zu können.
  • Darüber hinaus sind sogenannte kompensierte Magnetfeldsensoren bekannt, beispielsweise aus der DE 41 21 374 . Bei diesen Sensoren ist ebenfalls mit Hilfe magnetoresistiver Dünnschichtstreifen eine ortsabhängige Magnetfeldmessung möglich. Mittels geeigneter Einrichtungen, wie etwa Spulen, wird zusätzlich zum zu messenden Magnetfeld jeweils ein Kompensations-Magnetfeld erzeugt. Das zu messende Magnetfeld wird im Meßbetrieb dabei stets komplett kompensiert. Der erforderliche Spulenstrom zur Kompensation des äußeren Magnetfeldes stellt in einer derartigen Anordnung demzufolge die gemessene Größe zur Bestimmung des Magnetfeldes dar. Für den Einsatz innerhalb einer magnetischen Positionsmeßeinrichtung, bei der eine periodisch magnetisierte Meßteilung relativ kleiner Teilungsperiode abgetastet werden soll, ist eine derartige Einrichtung jedoch nicht geeignet.
    •
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetische Positionsmeßeinrichtung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen, bei dem eine magnetische Meßteilung mit hoher Präzision zur Erzeugung positions abhängiger Ausgangssignale abgetastet werden kann. Insbesondere ist eine möglichst hohe und konstante Amplitude der resultierenden Ausgangssignale von Interesse.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine magnetische Positionsmeßeinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.
  • Mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
  • Ein Verfahren zum Betrieb einer magnetischen Positionsmeßeinrichtung, bei dem die oben genannten Probleme minimiert sind, wird durch die Merkmale des Anspruches 12 charakterisiert.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den aufgeführten Maßnahmen in den von Anspruch 12 abhängigen Ansprüchen.
  • Über die erfindungsgemäß eingesetzte bzw. ausgeführte magnetische Hilfsfeldeinrichtung ist nunmehr sichergestellt, daß die interessierenden positionsabhängigen Ausgangssignale der verwendeten magnetfeldempfindlichen Elemente stets eine weitgehend gleichbleibende und ausreichend große Amplitude aufweisen. Hierbei sind verschieden aufwendige Ausführungsformen und Betriebsarten der Hilfsfeldeinrichtung erfindungsgemäß realisierbar. Unerwünschte Schwankungen der Signalamplituden, die ggf. zu Meßungenauigkeiten führen können, lassen sich mit Hilfe einer Regelungseinrichtung vermeiden, die in Verbindung mit der Hilfsfeldeinrichtung eingesetzt wird. Eine zuverlässige Signal-Weiterverarbeitung ist durch die damit gewährleistete Amplituden-Konstanz sichergestellt.
  • Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße magnetische Positionsmeßeinrichtung in einer Reihe alternativer Ausführungsformen ausgestaltet werden, womit eine Anpassung an verschiedenste Meßanforderungen möglich ist.
    •
  • Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer derartigen Einrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.
  • Dabei zeigt
  • 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung;
  • 2 eine Darstellung der sog. Stoner-Wohlfahrt-Astroide zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung;
  • 3a und 3b je eine schematisierte Darstellung einer ersten Ausführungsform der Abtasteinheit der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung;
  • 4a und 4b je eine Ansicht einer zweiten möglichen Ausführungsform der Abtasteinheit der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung;
  • Eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung ist in 1 mitsamt einer Reihe vorgesehener Komponenten schematisch dargestellt.
  • Die erfindungsgemäße magnetische Positionsmeßeinrichtung umfaßt hierbei eine periodisch magnetisierte Meßteilung 1 aus magnetischem Material, bei der alternierend unterschiedlich-gepolte magnetische Bereiche aneinander stoßen. Als Teilungsperiode der magnetischen Meßteilung 1 sei der Abstand benachbarter Nord- und Südpole definiert, wobei typische Teilungsperioden etwa 200 μm betragen. Alternativ hierzu können selbstverständlich auch andere Ausführungen einer magnetischen Meßteilung 1 zum Einsatz kommen, beispielsweise mit anderen Magnetisierungsmustern oder aber eine Meßteilung, bei der das Meßteilungs-Magnetfeld mittels eines Elektromagneten oder dgl. erzeugt wird.
  • Die magnetische Meßteilung 1 wird zur Erzeugung positionsabhängiger Ausgangssignale von einer relativ hierzu bewegbaren Abtasteinheit 2 abgetastet. In einer möglichen Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die Meßteilung 1 und die Abtasteinheit 2 beispielsweise an verschiedenen Teilen einer Werkzeugmaschine befestigt, deren Relativposition hochgenau festzustellen ist.
  • Die in 1 lediglich schematisch angedeutete Abtasteinheit 2 umfaßt mehrere – nicht dargestellte – magnetfeldempfindliche Elemente, ausgeführt als stromdurchflossene, magnetoresistive Schichtstreifen, deren elektrischer Widerstand sich in Gegenwart eines vorhandenen Magnetfeldes ändert. Bei einer resultierenden Relativbewegung von Abtasteinheit 2 und magnetischer Meßteilung 1 liefern die magnetoresistiven Elemente demnach periodische, ortsabhängige Ausgangssignale. Der Relativ-Versatz von Meßteilung 1 und Abtasteinheit 2 erfolgt hierbei in x-Richtung, welche im folgenden auch als Meßrichtung bezeichnet wird. Die magnetoresistiven Elemente sind senkrecht zur Meßrichtung x angeordnet, im folgenden als y-Richtung bezeichnet.
  • Vorzugsweise umfaßt die Abtasteinheit 2 mindestens zwei magnetoresistive Elemente, deren periodische Ausgangssignale S1, S2 um 90° phasenversetzt sind, so daß in bekannter Art und Weise bei der Signal-Weiterverarbeitung eine Richtungsdiskriminierung erfolgen kann. Selbstverständlich können hierzu auch mehr als zwei magnetoresistive Elemente geeignet brückenweise verschaltet werden.
  • Die magnetoresistiven Elemente können darüber hinaus in bekannter Art und Weise mit schräg angeordneten hochleitfähigen Flußstreifen, d. h. mit einer sog. Barberpole-Struktur, versehen werden.
  • Von der eigentlichen Positionsauswertung der phasenversetzten Ausgangssignale S1, S2 sind in 1 keine weiteren Details dargestellt, hierzu sei auf bekannte Signalauswertungsverfahren verwiesen, wie sie etwa aus üblichen Positionsmeßeinrichtungen hinlänglich bekannt sind.
  • Benachbart zur Abtasteinheit 2 ist – ebenfalls schematisiert dargestellt – eine Hilfsfeldeinrichtung 3 angeordnet, die zusätzlich zum Meßteilungs-Magnetfeld ein definiert-orientiertes, einstellbares magnetisches Hilfsfeld zur Signal-Optimierung erzeugt. Das Hilfsfeld ist hierbei in Längsrichtung der magnetoresistiven Elemente ausgerichtet und weist eine Stärke auf, die im Meßbetrieb auf jeden Fall eine hinreichend große Amplitude der Ausgangssignalg resultiert.
  • Sowohl zur detaillierten Wirkungsweise als auch zu möglichen Ausführungsformen der Hilfsfeldeinrichtung 3 sei im Verlauf der folgenden Beschreibung noch näher eingegangen.
  • Wie bereits angedeutet, soll innerhalb der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung insbesondere eine gleichbleibend hohe Signalamplitude der schließlich zur Positionsbestimmung herangezogenen Signale garantiert sein. In der dargestellten Ausführungsform der 1 ist hierzu eine der Abtasteinheit 2 nachgeordnete Regelungseinrichtung 4 vorgesehen, die die Ausgangssignale S1, S2 der magnetoresistiven Elemente, respektive der Abtasteinheit 2, weiterverarbeitet. Innerhalb der Regelungseinrichtung 4 gelangen die phasenversetzten Signale S1 = U0sinx und S2 = U0cosx zunächst jeweils auf Quadriereinheiten Q1, Q2, in denen die Signale S1, S2 quadriert werden. Im Anschluß erfolgt in einer Addiereinheit A die Addition der beiden im vorherigen Schritt quadrierten Signale S1, S2, so daß am Ausgang der Addiereinheit A ein Signal Si = U0 vorliegt, das laufend als Istwert der Regelungsschleife weiterverarbeitet wird. Das Istwert-Signal Si wird in der nachfolgenden Vergleichereinheit V anschließend mit einem vorgegebenen Sollwert-Signal Ss = Us verglichen; Einzelheiten hinsichtlich des vorgegebenen Sollwertes werden im Anschluß noch näher erläutert.
  • Zum Soll-Istwert-Vergleich wird eine Subtraktion durchgeführt, so daß ein Signal SR = SiωSs resultiert, das die momentane Regelabweichung charakterisiert. Das Regelabweichungs-Signal SR gelangt im Anschluß auf einen in tegrierenden Regler IR, der die erforderliche Stellgröße zum Wirkungseingriff auf die Hilfsfeldeinrichtung 3 erzeugt. Der integrierende Regler IR innerhalb der Regelungseinrichtung fungiert demnach als Wirkungselement. Als Stellgröße des Wirkungselementes IR dient beispielsweise der Spulenstrom Is, wenn die Hilfsfeldeinrichtung 3 als Spule ausgeführt ist. Über den Wirkungseingriff auf die Hilfsfeldeinrichtung 3 erfolgt demzufolge eine gezielte Variation der Stärke des anliegenden magnetischen Hilfsfeldes mit dem Ziel einer möglichst hohen und konstanten Signalamplitude der magnetoresistiven Elemente während der Positionsmessung.
  • Im folgenden soll nunmehr insbesondere die Wirkungsweise bzw. das zugrundeliegende Funktionsprinzip der Hilfsfeldeinrichtung innerhalb der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung skizziert werden.
  • Zur Erläuterung des Zusammenwirkens von Meßteilungsmagnetfeld und Hilfsmagnetfeld sei dabei auf die 2 verwiesen. Die Darstellung in der 2 entspricht einer sogenannten Stoner-Wohlfahrt-Astroide, über die der Einfluß der verschiedenen magnetischen Felder auf die magnetoresistiven Elemente der Abtasteinheit verdeutlicht werden kann. Bei der im folgenden beschriebenen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung sei von einer Anordnung der magnetischen Meßteilung senkrecht zu den magnetoresistiven Schichtstreifen ausgegangen, während das magnetische Hilfsfeld parallel zu den Schichtstreifen orientiert ist. Das sich in Meßrichtung erstreckende, periodische Meßteilungsmagnetfeld wird bei der gewählten Geometrie mit Hx = Hm bezeichnet, das senkrecht hierzu wirkende magnetische Hilfsfeld mit Hy. In y-Richtung sind demzufolge auch die magnetoresistiven Schichtstreifen ausgerichtet, wie bereits oben angedeutet wurde.
  • Im zunächst betrachteten Fall sei das angelegte Hilfsfeld Hy = 0. Das in x-Richtung wirkende Meßteilungsmagnetfeld Hx = Hm bewirkt somit eine Drehung der in den magnetoresistiven Schichtstreifen vorhandenen Magnetisierungsrichtung M0 um einen bestimmten Winkel δ0. Der elektrische Widerstand der magnetoresistiven Elemente wiederum hängt von der Orientierung der Magnetisierungsrichtung zur Stromrichtung in bekannter Weise ab: ρ(δ) = ρ⊥ + Δρ * cos2δ (Gl. 1)
  • Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Stromrichtung mit der sogenannten leichten Achse in den magnetoresistiven Schichtstreifen zusammenfällt, d. h. die leichte Achse demzufolge in y-Richtung orientiert ist.
  • Wird nunmehr ein magnetisches Hilfsfeld Hy0 in y-Richtung angelegt, so ergibt sich gemäß 3 ein kleinerer Winkel δ' zwischen der Stromrichtung und der Magnetisierungsrichtung im Vergleich zum Fall ohne angelegtes Hilfsmagnetfeld. Im Fall mit angelegtem magnetischen Hilfsfeld Hy in y-Richtung ergibt sich für den Winkel δ dann allgemein: sin(δ) = Hx/(H0 + Hy/cosδ) (Gl. 2)
  • Mit H0 wird in Gleichung (2) dabei die Sättigungsfeldstärke der magnetoresistiven Sensoren bezeichnet, die eine charakteristische Größe für die jeweilige Anordnung darstellt.
  • Aus Gleichung (2) ist nunmehr ersichtlich, daß der Winkel δ gemäß Gl. (1) sowie demzufolge auch der elektrische Widerstand ρ in den magnetoresistiven Schichtstreifen u. a. von der Größe bzw. Stärke der beiden darauf einwirkenden Magnetfelder Hx und Hy abhängt. Der Winkel δ und damit verbunden auch der elektrische Widerstand p der Schichtstreifen ist demnach über die jeweiligen Magnetfeldamplituden definiert beeinflußbar. Durch die geeignete Variation des magnetischen Hilfsfeldes Hy kann somit bei gegebenem Meßteilungs-Magnetfeld die Amplitude der Ausgangssignale gezielt beeinflußt werden. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, daß die von den magnetoresistiven Schichtstreifen gelieferten Signale während der Messung möglichst gleichmäßig hohe Amplituden aufweisen, um eine zuverlässige Signalverarbeitung zu garantieren.
  • Die beschriebenen Zusammenhänge werden in der ersten in 1 beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung über die Regelungseinrichtung ausgenutzt. So erfolgt während des Meßbetriebes eine Regelung der Hilfsfeld-Amplitude bzw. Hilfsfeld-Stärke dergestalt, daß unter Berücksichtigung der Gl. (2) eine möglichst konstante und hohe Ausgangssignal-Amplitude resultiert.
  • Durch eine derartige Anpassung des Hilfsfeldes wird eine Vorzugsausrichtung der magnetischen Domänen innerhalb der magnetoresistiven Sensorelemente bewirkt, was sich wiederum durch ein minimiertes Signalrauschen bemerkbar macht.
  • Mögliche Ausführungsformen von Abtasteinheiten sowie damit verbundene Möglichkeiten zur Erzeugung des magnetischen Hilfsfeldes werden im folgenden anhand der 3a, 3b, 4a und 4b erläutert.
  • Die schematisierten Darstellungen der 3a und 3b zeigen hierbei eine erste Variante einer Abtasteinheit 32, bei der auf einem Trägersubstrat 35 mehrere magnetoresistive Schichtstreifen 36.1, ... 36.6 senkrecht zur Abtastrichtung x in y-Richtung angeordnet sind. Auf die Darstellung von Verschaltungsdetails wurde hierbei verzichtet; es sei in diesem Zusammenhang auf mögliche Brückenschaltungen aus mehreren derartiger Elemente 36.1, ... 36.6 verwiesen, wie dies beispielsweise in der EP 0 554 518 beschrieben ist.
  • Als Substratmaterial eignet sich etwa Glas, die magnetoresistiven Schichtstreifen 36.1, ... 36.6 sind z. B. aus Permalloy gefertigt.
  • Die Hilfsfeldeinrichtung zur Erzeugung des magnetischen Hilfsfeldes besteht in dieser Ausführungsform der Abtasteinheit 32 aus einer um das Trägersubstrat 35 gewickelten Spule 33. Die Spule 33 wird von einem Speisestrom Is versorgt und erzeugt derart ein definiertes Hilfsmagnetfeld bestimmter Amplitude und Ausrichtung. Der Spulenstrom Is stellt wie oben erläutert die variable Wirkungsgröße der Regelungseinrichtung aus 1 dar. Über dessen definierte Variation wird die geforderte Amplitudenkonstanz der Ausgangssignale sichergestellt.
  • Sowohl die Dimensionierung der Spule 33 hinsichtlich Windungszahl, Verwendung mehrerer Spulen etc., als auch die Anzahl der eingesetzten magnetoresistiven Schichtstreifen 36.1, ... 36.6 läßt sich selbstverständlich an die jeweils geforderten Meßbedingungen anpassen. Auch die Relativanordnung von Spule 33 und magnetoresistiven Schichtstreifen 36.1, ... 36.6 kann innerhalb der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung durchaus anders gewählt werden. So ist es beispielsweise ebenso möglich, eine auf einem weichmagnetischen Eisenkern aufgewickelte Spule benachbart zur Abtasteinheit zu platzieren und derart das magnetische Hilfsfeld zu erzeugen.
  • Eine weitere Ausführungsvariante der Abtasteinheit und der damit gekoppelten Hilfsfeldeinrichtung zeigen die 4a und 4b in verschiedenen Ansichten.
  • Auf einem Trägersubstrat 45 sind wiederum senkrecht zur Meßrichtung x die magnetoresistiven Schichtstreifen 46.1, ... 46.3 in y-Richtung angeordnet. Hierbei können ebenfalls wieder magnetoresistive Schichtstreifen 46.1, ... 46.3 aus Permalloy auf einem Glas-Trägersubstrat 45 angeordnet werden.
  • Die Hilfsfeldeinrichtung besteht nunmehr jedoch aus mäanderförmig verlaufenden, stromdurchflossenen Leiterbahnen 43, deren Längsrichtung senkrecht zur Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen 46.1, ... 46.3 orientiert ist. Als Material für die Leiterbahnen 43 eignet sich etwa Kupfer. Das magnetische Hilfsfeld wird demzufolge in dieser Ausführungsform der Abtasteinheit 42 über die Leiterbahnen 43 erzeugt; die Einstellung der Amplitude des magnetischen Hilfsfeldes ist durch die Regelung des Speisestromes mit Hilfe der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung möglich, wie vorab erläutert wurde. Ebenso kann auch beim Einsatz einer derartigen Abtasteinheit wie erläutert ein definierter Spulenstrom vorgegeben werden, der während des eigentlichen Meßbetriebes konstant gehalten wird und zumindest näherungsweise eine optimierte Ausgangssignal-Amplitude sicherstellt.
  • Insbesondere aus 4b wird der schichtweise Aufbau dieser Ausführungsform der Abtasteinheit 42 mit quasi-integrierter Hilfsfeldeinrichtung deutlich. Auf dem Trägersubstrat 45 ist in einer ersten Schicht eine erste Lage von mäanderförmig verlaufenden Leiterbahnen 43.1 vorgesehen. Darüber sind die magnetoresistiven Schichtstreifen 46.1, ... 46.4 angeordnet, die von einer Isolationsschicht 47 abgedeckt werden. Über der Isolationsschicht 47 sind wiederum mäanderförmig verlaufende Leiterbahnen 43.2 vorgesehen, die somit ober- und unterhalb der magnetoresistiven Schichtstreifen 46.1, ... 46.4 verlaufen und das magnetische Hilfsfeld erzeugen.
  • Ein derartiger Aufbau der Abtasteinheit 42 in Dünnschichttechnik gewährleistet somit insbesondere eine kompakte Gesamtanordnung.
  • Grundsätzlich läßt sich festhalten, daß die erfindungsgemäße magnetische Positionsmeßeinrichtung, respektive die Abtasteinheit und die Hilfsfeldeinrichtung in einer Reihe möglicher Ausführungsformen realisierbar sind. Allen Ausführungsformen ist jedoch gemeinsam, daß eine Regelungseinrichtung vorgesehen wird, die eine aktive Einstellung der Stärke des Hilfsmagnetfeldes während des Meßbetriebes übernimmt, um derart die gewünschte Signalamplituden-Konstanz sicherzustellen.

Claims (14)

  1. Magnetische Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus – einer periodisch magnetisierten Meßteilung (1), – einer Abtasteinheit (2; 32; 42;) mit mehreren magnetoresistiven Elementen (36.1, ... 36.6; 46.1, ... 46.4) zur Abtastung der Meßteilung (1), um positionsabhängige Ausgangssignale zu erzeugen, sowie – einer Hilfsfeldeinrichtung (3; 33; 43), die ein magnetisches Hilfsfeld erzeugt, das zusätzlich zum Meßteilungs-Magnetfeld auf die magnetoresistiven Elemente (36.1, ... 36.6; 46.1, ... 46.4) einwirkt, welches in Längsrichtung der magnetoresistiven Elemente (36.1, ... 36.6; 46.1, ... 46.4) ausgerichtet ist dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Regelungseinrichtung (4) vorgesehen ist, welche derart auf die Hilfsfeldeinrichtung (3; 33; 43.1, ... 43.6) einwirkt, daß die Stärke des angelegten Hilfsfeldes in Abhängigkeit der definiert verarbeiteten Ausgangssignale der Abtasteinheit (2; 32; 42) so einstellbar ist, daß im Meßbetrieb eine stets hinreichend große Amplitude der Ausgangssignale der magnetoresistiven Elemente resultiert.
  2. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hilfsfeldeinrichtung mindestens einen Permanentmagneten umfaßt.
  3. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hilfsfeldeinrichtung mindestens eine stromdurchflossene Spule (33) umfaßt.
  4. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Spule auf einem weichmagnetischen Kern aufgewickelt und benachbart zu den magnetoresistiven Elementen angeordnet ist.
  5. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hilfsfeldeinrichtung in Form mindestens einer Schicht von mäanderförmig um die magnetoresistiven Elemente (46.1, ... 46.4) verlaufenden Leiterbahnen (43; 43.1, 43.2) ausgeführt ist.
  6. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, wobei zwischen den magnetoresistiven Elementen (46.1, ... 46.4) und den mäanderförmigen Leiterbahnen (43.1, 43.2) eine isolierende Zwischenschicht (47) vorgesehen ist.
  7. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei magnetoresistive Elemente in Form von Schichtstreifen (36.1, ... 36.6; 46.1, ... 46.4) innerhalb der Abtasteinheit (2; 32; 42) angeordnet sind, die um 90° phasenversetzte Ausgangssignale (S1, S2) liefern.
  8. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regelungseinrichtung (4) ein oder mehrere Verarbeitungselemente (Q1, Q2, A) zur Weiterverarbeitung der von den Sensorelementen gelieferten Signale (S1, S2) enthält, denen mindestens ein Vergleicherelement M zur Ermittlung einer Regelabweichung der weiterverarbeiteten Signale nachgeordnet ist und ferner mindestens ein Wirkungselement (IR) vorgesehen ist, welches anhand der ermittelten Regelabweichung (SR) eine Stellgröße (Is) zum Wirkungseingriff an die Hilfsfeldeinrichtung (3; 33; 43.1, ... 43.6) abgibt.
  9. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, wobei als Verarbeitungselemente zwei Quadriereinheiten (Q1, Q2) und eine nachgeordnete Addiereinheit (A) innerhalb der Regelungseinrichtung (4) vorgesehen sind.
  10. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, wobei als Vergleicherelement (V) eine Subtraktionseinheit innerhalb der Regelungseinrichtung (4) vorgesehen ist, welche die Regelabweichung als Differenz des verarbeiteten Signales (Si) mit einem vorgegebenen Sollwert (Ss) feststellt.
  11. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regelungseinrichtung (4) als Wirkungselement (IR) einen integrierenden Regler enthält.
  12. Verfahren zum Betrieb einer magnetischen Positionsmeßeinrichtung, wobei eine magnetische Meßteilung von einer Abtasteinheit mit mehreren magnetoresistiven Elementen abgetastet wird, die positionsabhängige Ausgangssignale liefern und ferner eine Hilfsfeldeinrichtung betrieben wird, die zusätzlich zum Meßteilungs-Magnetfeld ein Hilfsfeld erzeugt und die Ausgangssignale (S1, S2) der Abtasteinheit (2; 32; 42) als Eingangsgröße einer Regelungseinrichtung (4) zugeführt werden und die Regelungseinrichtung (4) in Abhängigkeit der Eingangssignale derart auf die Hilfsfeldeinrichtung (3; 33; 43, 43.1, 43.2) einwirkt, daß eine stets hinreichend große, möglichst konstante Amplitude der Ausgangssignale (S1, S2) der Abtasteinheit (2; 32; 42) resultiert.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei mindestens zwei magnetoresistive Elemente innerhalb der Abtasteinheit (2; 32; 42) vorgesehen sind, welche um 90° phasenversetzte Ausgangssignale (S1, S2) liefern, die – innerhalb der Regelungseinrichtung (4) zunächst jeweils quadriert werden, – daraufhin die quadrierten Signale addiert werden zur Erzeugung eines Regelungs-Istwertes, – anschließend ein Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert erfolgt und dann – über einen integrierenden Regler (IR) eine Stellgröße zu Wirkungseingriff an die Hilfsfeldeinrichtung (3; 33; 43, 43.1, 43.2) abgegeben wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Hilfsfeldeinrichtung eine stromdurchflossene Spule (33) vorgesehen ist, und zum Wirkungseingriff der Spulenstrom (Ia) von der Regelungseinrichtung (4) definiert variiert wird.
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