DE19621886A1 - Magnetic position sensing unit - Google Patents

Magnetic position sensing unit

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Abstract

The flux gate sensor (2) consists of a permalloy carrier with two excitation coil pairs (4.1, 4.2), driven at a frequency typically 40 kHz, at either end of a set of sensor coil pairs (5.1, 5.2, 6.1, 6.2). The magnetic encoder (3) has a periodic magnetisation at a spatial interval t. The sensor coil pairs consist of two sets spaced at intervals t/4. The relative movement of the encoder thus produces amplitude modulated signals from the two sensor coil sets, with a 90 degree phase shift, to provide the directional sensing. The sensors are produced by using thin film techniques on a silicon substrate, with CMOS technology to achieve very small intervals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Positionsmeßeinrich­ tung zur Bestimmung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Ob­ jekte, bei der eine periodisch magnetisierte Meßteilung mittels mindestens eines Fluxgate-Sensors zur Erzeugung positionsabhängiger Ausgangs­ signale abgetastet wird.The present invention relates to a magnetic position measuring device device for determining the relative position of two mutually movable ob projects in which a periodically magnetized measuring graduation by means of at least a fluxgate sensor for generating position-dependent output signals is sampled.

Neben bekannten Positionsmeßeinrichtungen auf optischer Basis sind des­ weiteren verschiedenste Ausführungen von magnetischen Positionsmeßein­ richtungen bekannt. Derartige magnetische Positionsmeßeinrichtungen sind speziell für Anwendungen interessant, in denen ein hoher Verschmutzungs­ grad der Meßsysteme zu erwarten ist, beispielsweise im Werkzeugmaschi­ nenbereich. Sämtlichen bekannten magnetischen Positionsmeßeinrichtun­ gen ist hierbei gemeinsam, daß eine periodisch magnetisierte Meßteilung mit Hilfe einer Abtasteinheit abgetastet wird, die geeignete magnetfeldemp­ findliche Sensoren enthält. Die magnetfeldempfindlichen Sensoren liefern beim Relativversatz von Meßteilung und Abtasteinheit periodisch amplitu­ denmodulierte Ausgangssignale, die bekannten Auswerte- und Interpolati­ onseinrichtungen zugeführt werden. Dort erfolgt die Erzeugung der inkre­ mentellen Zählpulse als positionsabhängige Signale. In addition to known position measuring devices on an optical basis further different designs of magnetic position measuring directions known. Such magnetic position measuring devices are especially interesting for applications where high pollution degree of measuring systems is to be expected, for example in machine tools inner area. All known magnetic position measuring devices What is common here is that a periodically magnetized measuring graduation is scanned with the aid of a scanning unit, the suitable magnetic field temperature contains sensitive sensors. The magnetic field sensitive sensors deliver with the relative offset of the measuring graduation and scanning unit periodically amplitudes denmodulated output signals, the well-known evaluation and interpolation ons devices are supplied. The incre is generated there mental counts as position-dependent signals.  

Neben Hall-Sensoren und magnetoresistiven Sensoren sind als magnet­ feldempfindliche Sensoren für diesen Zweck auch bereits sogenannte Fluxgate-Sensoren vorgeschlagen worden. Zum Einsatz derartiger Senso­ ren in Winkelmeß-Systemen sei an dieser Stelle etwa auf die EP 0 145 882 sowie die EP 0 191 223 verwiesen.In addition to Hall sensors and magnetoresistive sensors are as magnet Field-sensitive sensors for this purpose are also known as Fluxgate sensors have been proposed. To use such Senso Ren in angle measuring systems at this point, for example, on EP 0 145 882 as well as EP 0 191 223.

Als Fluxgate-Sensor wird üblicherweise ein Sensorelement bezeichnet, das aus einem Trägerkörper bzw. Sensorkern aus weichmagnetischem Material besteht, um den wiederum mehrere Erreger- und Sensorspulen gewickelt werden. Die Erregerspulen werden über eine hochfrequente Wechselspan­ nung gespeist, wodurch im Trägermaterial ein magnetischer Wechselfluß erzeugt wird, der in den Sensorspulen eine bestimmte Wechselspannung induziert. In der Nähe eines äußeren, zusätzlichen Magnetfeldes, welches den Trägerkörper durchsetzt, ändern sich Form und Amplitude der in den Sensorspulen induzierten Spannungen. Die Änderung der in den Sensorspulen registrierten Spannung, d. h. die Änderung der Aussteuerbar­ keit der Wechselmagnetisierung wird dabei zur Detektion des äußeren Ma­ gnetfeldes ausgewertet.A fluxgate sensor is usually a sensor element that from a carrier body or sensor core made of soft magnetic material exists, around which in turn several excitation and sensor coils are wound will. The excitation coils are powered by a high-frequency AC voltage fed, which causes a magnetic alternating flux in the carrier material is generated, a certain AC voltage in the sensor coils induced. Near an external, additional magnetic field, which penetrates the carrier body, shape and amplitude change in the Sensor coils induced voltages. The change in the Sensor coils registered voltage, d. H. the change in taxable speed of alternating magnetization is used to detect the outer dimension gnetfeldes evaluated.

Hinsichtlich weiterer Details zur Funktionsweise und dem Aufbau von Fluxgate-Sensoren sei an dieser Stelle zusätzlich auf die Veröffentlichung von H. Hauser, M. Gauglitsch mit dem Titel "Fluxgate-Sensoren: Funktions­ weise, Bauformen, Werkstoffe" in Technisches Messen 61 (1994) 6, S. 235-247 verwiesen.With regard to further details on the functioning and structure of Fluxgate sensors are also at this point on the publication by H. Hauser, M. Gauglitsch with the title "Fluxgate sensors: functional wise, designs, materials "in Technischen Messen 61 (1994) 6, pp. 235-247 referred.

Die oben zitierten Druckschriften liefern jedoch keine Hinweise, wie ein der­ artiger Fluxgate-Sensor innerhalb einer magnetischen Positionsmeßeinrich­ tung auszuführen ist, um insbesondere magnetische Meßteilungen mit klei­ ner Periodenlänge zuverlässig abzutasten.However, the publications cited above do not provide any information as to how one of the like fluxgate sensor within a magnetic position measuring device device is to be carried out, in particular magnetic measuring graduations with small to reliably scan the period length.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine magnetische Positi­ onsmeßeinrichtung zu schaffen, bei der als magnetfeldempfindliche Senso­ ren Fluxgate-Sensoren eingesetzt werden können. Hierbei sollte möglichst zuverlässig die Abtastung der periodisch-variierenden Maßstabsteilung mit möglichst kleiner Periodenlänge sowie eine Richtungsdiskriminierung mög­ lich sein. The object of the present invention is therefore a magnetic positi to create onsmeßeinrichtung in which as a magnetic field sensitive Senso Renewed Fluxgate sensors can be used. This should be done if possible reliable with the sampling of the periodically varying scale division period length as short as possible and a directional discrimination possible be.  

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine magnetische Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.This object is achieved by a magnetic position measuring device with the features of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.Advantageous further developments and refinements of the invention Magnetic position measuring device result from the features of the dependent claims.

Durch die erfindungsgemäße Relativanordnung der eingesetzten Sensor­ spulen am verwendeten Fluxgate-Element ist nunmehr sichergestellt, daß bei einer Relativbewegung zwischen dem Fluxgate-Sensor und dem peri­ odisch magnetisierten Maßstab zwei amplitudenmodulierte Signale resultie­ ren, die einen definierten Phasenversatz zueinander aufweisen. Beispiels­ weise kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein Signal-Phasen­ versatz von 90° realisiert werden, der eine Weiterverarbeitung der Signale in bekannter Art und Weise ermöglicht. Über die erfindungsgemäße Anord­ nung ist somit eine zuverlässige und eindeutige Richtungs-Diskriminierung sowie der Einsatz kleiner Meßteilungen und damit eine hohe Auflösung des Meßsystems möglich.Due to the relative arrangement according to the invention of the sensor used coil on the fluxgate element used is now ensured that with a relative movement between the fluxgate sensor and the peri odically magnetized scale two amplitude-modulated signals result ren, which have a defined phase offset to each other. Example As a result of the configuration according to the invention, a signal phase can offset of 90 ° can be realized, which further processing of the signals in known way allows. About the arrangement according to the invention This is a reliable and clear directional discrimination and the use of small measuring divisions and thus a high resolution of the Measuring system possible.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Fluxgate-Sensorelement in Dünnfilmtechnik gefertigt. Hierdurch ist ein besonders kompakter Aufbau des kompletten Sensorelementes gewährleistet, was ebenfalls die Verwen­ dung sehr kleiner Maßstabsteilungen ermöglicht.In an advantageous embodiment, the fluxgate sensor element in Thin film technology manufactured. This is a particularly compact structure of the complete sensor element, which also ensures the use enables very small scale divisions.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.Further advantages and details of the magnetic invention Position measuring device result from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.

Dabei zeigtIt shows

Fig. 1A und 1B jeweils eine Ansicht einer schematisierten Prin­ zipskizze einer ersten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrich­ tung; Fig. 1A and 1B each show a view of a schematic Prin zipskizze a first embodiment of to the invention OF INVENTION magnetic Positionsmeßeinrich tung;

Fig. 2 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines geeigneten Fluxgate-Sensorelementes innerhalb der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeß­ einrichtung; Figure 2 is a view of a second embodiment of a suitable fluxgate sensor element within the magnetic position measuring device according to the invention.

Fig. 3 eine Ansicht einer dritten Ausführungsform eines geeigneten Fluxgate-Sensorelementes innerhalb der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßein­ richtung; Fig. 3 is a view of a third embodiment of a device suitable fluxgate sensor element within the inventive magnetic Positionsmeßein;

Fig. 4 eine schematisierte Darstellung einer vierten Ausfüh­ rungsform eines geeigneten Fluxgate-Sensorele­ mentes, gefertigt in Dünnfilmtechnik; Fig. 4 is a schematic representation of a fourth embodiment of a suitable Fluxgate-Sensorele element, manufactured in thin film technology;

Fig. 5 eine schematisierte Darstellung mit wichtigen Kom­ ponenten zur Signalverarbeitung innerhalb der erfin­ dungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung. Fig. 5 is a schematic representation of important com components for signal processing within the position measuring device according to the inven tion.

In Fig. 1A ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung schematisiert dar­ gestellt. Erkennbar ist hierbei die periodisch magnetisierte Meßteilung (1) mit alternierenden, abwechselnd magnetisierten Bereichen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein sogenanntes einseitig mehrpoliges Magnetisie­ rungsmuster vorgesehen, bei dem abwechselnd magnetische Nord- und Südpole aneinanderstoßen. Als Teilungsperiode t der magnetischen Meßtei­ lung (1) sei der Abstand zweier benachbarter identischer Pole definiert, also der Abstand zweier benachbarter Nord-Pole etc. Neben einer derartigen Magnetisierung kommt jedoch auch eine andere periodische Magnetisie­ rung wie etwa eine axial mehrpolige Magnetisierung der magnetischen Meßteilung in Betracht. Ferner ist es möglich, anstelle einer Permanentma­ gnet-Meßteilung (1) ein derartiges periodisches Magnetisierungsmuster auch mit Hilfe eines Elektromagneten oder dgl. zu erzeugen.In Fig. 1A is a side view of a first embodiment of the magnetic position measuring device according to the invention is shown schematically. The periodically magnetized measuring graduation ( 1 ) with alternating, alternating magnetized areas can be seen here. In the illustrated embodiment, a so-called multi-pole magnetization pattern is provided, in which magnetic north and south poles alternate. The spacing period t of the magnetic measuring division ( 1 ) is the distance between two adjacent identical poles, i.e. the distance between two neighboring north poles etc. In addition to such magnetization, however, there is also another periodic magnetization such as an axially multipolar magnetization of the magnetic measuring graduation into consideration. It is also possible to generate such a periodic magnetization pattern instead of a permanent magnet measurement graduation ( 1 ) with the aid of an electromagnet or the like.

Desweiteren kann im Fall einer Winkelmeßeinrichtung die magnetische Meßteilung nicht nur linear, sondern auch kreisförmig ausgeführt sein. Furthermore, in the case of an angle measuring device, the magnetic Measurement graduation not only be linear, but also circular.  

In der Längsrichtung der magnetischen Meßteilung (1) verschiebbar ist die Abtasteinheit mit ein oder mehreren magnetfeld-empfindlichen Elementen (2) angeordnet, wobei die Verschiebbarkeit in Fig. 1A durch den entspre­ chenden Pfeil angedeutet werden soll. Von der Abtasteinheit ist hierbei le­ diglich das magnetfeldempfindliche Element (2), ausgeführt als Fluxgate- Element (2) dargestellt. Die Verschieberichtung sei im folgenden mit der Verschiebe-Koordinate x bezeichnet.In the longitudinal direction of the magnetic measuring graduation ( 1 ), the scanning unit is arranged with one or more magnetic field-sensitive elements ( 2 ), the displaceability in FIG. 1A being indicated by the corresponding arrow. From the scanning unit, the magnetic field-sensitive element ( 2 ), shown as a fluxgate element ( 2 ), is shown. The direction of displacement is referred to below as the displacement coordinate x.

Innerhalb der Abtasteinheit der erfindungsgemäßen magnetischen Positi­ onsmeßeinrichtung dienen ein oder mehrere Fluxgate-Elemente (2) als ma­ gnetfeld-empfindliche Sensorelemente; im Ausführungsbeispiel der Fig. 1A und 1B ist dabei lediglich ein einziges Fluxgate-Element (2) vorgesehen, welches das magnetische Meßteilungs-Feld abtastet.Within the scanning unit of the magnetic position measuring device according to the invention, one or more fluxgate elements ( 2 ) serve as magnetic field-sensitive sensor elements; In the exemplary embodiment of FIGS . 1A and 1B, only a single fluxgate element ( 2 ) is provided, which scans the magnetic measuring field.

Das verwendete Fluxgate-Element (2) umfaßt einen weichmagnetischen flachen Trägerkörper (3) bzw. Sensorkern, der im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel eine länglich-rechteckförmige Form aufweist. Als geeignetes Material für den Trägerkörper (3) erweist sich z. B. Permalloy als vorteilhaft. Es können hierfür jedoch auch andere Materialien in Betracht kommen, die ein leichtes Ummagnetisieren erlauben, also eine niedrige Koerzitiv-Feld­ stärke aufweisen. Ebenso sind auch andere geometriemäßige Ausbildungen des Trägerkörpers realisierbar. Sowohl zur Materialwahl als auch zur Geo­ metrie des Fluxgate-Sensors sei zudem auf die in der erwähnten Veröffent­ lichung von H. Hauser und M. Gauglitsch beschriebenen Alternativen ver­ wiesen.The fluxgate element used ( 2 ) comprises a soft magnetic flat support body ( 3 ) or sensor core, which has an elongated rectangular shape in the illustrated embodiment. A suitable material for the carrier body ( 3 ) has been found e.g. B. Permalloy as advantageous. However, other materials can also be considered for this, which allow easy magnetic reversal, that is to say have a low coercive field strength. Other geometrical configurations of the carrier body can also be implemented. For the choice of materials as well as the geometry of the fluxgate sensor, reference should also be made to the alternatives described in the aforementioned publication by H. Hauser and M. Gauglitsch.

An den beiden Enden des Trägerkörpers (3) ist im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel jeweils eine Erregerspule (4.1, 4.2) angeordnet, d. h. um den Trägerkörper (3) gewickelt. Die Erregerspulen (4.1, 4.2) werden über eine nicht dargestellte Spannungsquelle mit einer hochfrequenten Wechselspan­ nung gespeist, wobei die Erregerfrequenz bei etwa 40 kHz liegt. Die Wech­ selspannung kann hierbei sinus-, rechteck- oder dreieckförmig gewählt wer­ den. Ebenso existieren verschiedenste Verschaltungsmöglichkeiten für die Erregerspulen, beispielsweise ist sowohl eine serielle als auch eine parallele Verschaltung der Erregerspulen möglich.At the two ends of the carrier body ( 3 ) in the illustrated embodiment, an excitation coil ( 4.1 , 4.2 ) is arranged, that is, wound around the carrier body ( 3 ). The excitation coils ( 4.1 , 4.2 ) are fed with a high-frequency AC voltage via a voltage source (not shown), the excitation frequency being around 40 kHz. The AC voltage can be selected to be sinusoidal, rectangular or triangular. There are also various connection options for the excitation coils, for example both serial and parallel connection of the excitation coils is possible.

Neben den beiden Erregerspulen (4.1, 4.2) sind im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ferner zwei Sensorspulen-Paare (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) um den linearen Trägerkörper (3) gewickelt, die ebenso wie die Erregerspulen (4.1, 4.2) lediglich schematisiert dargestellt sind. Sämtliche Spulen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) sind somit parallel und linear in x-Richtung zueinander ange­ ordnet und erlauben derart eine kompakte Ausführung der gesamten Ab­ tasteinheit.In addition to the two excitation coils ( 4.1 , 4.2 ), two sensor coil pairs ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ) are also wound around the linear support body ( 3 ) in the exemplary embodiment shown, which, like the excitation coils ( 4.1 , 4.2 ), are only shown schematically are. All coils ( 4.1 , 4.2 , 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ) are thus parallel and linear in the x-direction to each other and thus allow a compact design of the entire scanning unit.

Durch das Anlegen des hochfrequenten Wechselfeldes an die beiden Erre­ gerspulen (4.1, 4.2) wird im Trägerkörper (3) ein entsprechend hochfrequen­ tes Wechselfeld aufgebaut, das wiederum eine Wechselspannung in den Sensorspulen (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) induziert. Beim Abtasten des Meßteilungs­ feldes bewirken die Magnetfeld-Komponenten in der Ebene des flachen Trägerkörpers (3) auch eine Änderung der Amplituden der in den Sensor­ spulen (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) induzierten Wechselspannung, die wiederum als Maß für den Relativ-Versatz ausgewertet werden.By applying the high-frequency alternating field to the two excitation coils ( 4.1 , 4.2 ), a correspondingly high-frequency alternating field is built up in the carrier body ( 3 ), which in turn induces an alternating voltage in the sensor coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ). When scanning the measuring division field, the magnetic field components in the plane of the flat carrier body ( 3 ) also cause a change in the amplitudes of the coils induced in the sensor ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ), which in turn is a measure of the relative offset be evaluated.

Die Sensorspulen (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) sind im dargestellten Ausführungsbei­ spiel nunmehr so auf dem linearen Trägerkörper (3) angeordnet, daß der Abstand zwischen den Spulen (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) eines Paares jeweils t/2 beträgt also die Hälfte der Teilungsperiode der magnetischen Meßteilung (1). Im Hinblick auf die exakte Abstandsdefinition sei hierbei eine Quer­ schnittsebene durch die Mitte der jeweiligen Spulen gelegt, die senkrecht zur Zeichenebene und zur x-Richtung orientiert ist. Die oben erwähnten Abstände seien dann von Querschnittsebene zu Querschnittsebene defi­ niert.The sensor coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ) are now arranged on the linear support body ( 3 ) in the illustrated embodiment so that the distance between the coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ) of a pair is t / 2 each half of the graduation period of the magnetic measuring graduation ( 1 ). With regard to the exact definition of the distance, a cross-sectional plane through the center of the respective coils is placed, which is oriented perpendicular to the plane of the drawing and to the x-direction. The above-mentioned distances are then defined from cross-sectional level to cross-sectional level.

Ferner sind die Spulen (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) eines jeden Spulenpaares in Diffe­ renz zueinander geschaltet, d. h. seriell gegensinnig miteinander verbunden. Prinzipiell wäre auch eine parallele Verschaltung der Sensorspulen realisier­ bar. Die benachbarten Spulenpaare (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) wiederum sind im dargestellten Ausführungsbeispiel um t/4 zueinander versetzt angeordnet, so daß ausgangsseitig um 90° phasenversetzte Signale aus diesen beiden Spulenpaaren resultieren.Furthermore, the coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ) of each pair of coils are connected in diffe rence to each other, ie serially connected in opposite directions. In principle, a parallel connection of the sensor coils would also be feasible. The adjacent coil pairs ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ) in turn are arranged offset by t / 4 from one another in the exemplary embodiment shown, so that signals from these two coil pairs result on the output side by 90 °.

Die beiden um t/4 zueinander versetzten Spulenpaare (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) liefern demzufolge bei der Relativ-Verschiebung des Fluxgate-Elementes (2) zur magnetischen Meßteilung (1) amplitudenmodulierte Signale, die um t/4 bzw. 90° zueinander phasenversetzt sind. Diese Signale wiederum können nach dem auch bei Resolvern bekannten Prinzip der Amplitudenauswertung trägerfrequenter Signale weiterverarbeitet und zur Positionsbestimmung herangezogen werden. Hinsichtlich der dem Fachmann geläufigen Auswer­ tung innerhalb geeigneter Interpolations-Einheiten sei an dieser Stelle etwa auf den Abschnitt "Abtastung mit Trägerfrequenz" in "Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik", A. Ernst, Verlag moderne Industrie auf Seite 27-28 verwiesen. Ferner seien in diesem Zusammenhang die Auswerteschaltun­ gen innerhalb des bekannten Inductosyn-Meßsystemes erwähnt.The two pairs of coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ) offset from one another by t / 4 therefore supply amplitude-modulated signals by t / 4 or 90 ° when the fluxgate element ( 2 ) is displaced relative to the magnetic measuring graduation ( 1 ) are out of phase with each other. These signals in turn can be further processed and used for position determination according to the principle of amplitude evaluation of carrier-frequency signals, which is also known in resolvers. With regard to the evaluation familiar to those skilled in the art within suitable interpolation units, reference may be made at this point to the section “sampling with carrier frequency” in “digital length and angle measurement technology”, A. Ernst, Verlag Moderne Industrie on pages 27-28. In this context, the evaluation circuits within the known Inductosyn measuring system should also be mentioned.

Eine Draufsicht auf das verwendete Fluxgate-Element (2) des ersten Aus­ führungsbeispiels zeigt Fig. 1B inklusive der Erregerspulen-Zuleitungen (4.10, 4.20) und der Signalspannungs-Abgriffe (5.10, 5.20, 6.10, 6.20) der beiden Sensorspulen-Paare (5.1, 5.2, 6.1, 6.2). Die Signalspannungen der beiden Sensorspulen-Paare (5.1, 5.2, 6.1, 6.2) werden hierbei als 0°- und 90°-Signal bezeichnet, bzw. als Sinus- und Cosinus-Signal.A top view of the fluxgate element ( 2 ) used in the first exemplary embodiment is shown in FIG. 1B including the excitation coil feed lines ( 4.10 , 4.20 ) and the signal voltage taps ( 5.10 , 5.20 , 6.10 , 6.20 ) of the two sensor coil pairs ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ). The signal voltages of the two pairs of sensor coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ) are referred to as 0 ° and 90 ° signals, or as sine and cosine signals.

Neben der in den Fig. 1A und 1B dargestellten Ausführungsform des verwendeten Fluxgate-Elementes (2) existieren eine Reihe weiterer Mög­ lichkeiten zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen magnetischen Positi­ onsmeßeinrichtung, wobei im folgenden noch einige mögliche Ausführungs- Varianten beschrieben werden. Sämtlichen Ausführungsformen ist jedoch gemeinsam daß ein Trägerkörper bzw. Sensorkern vorgesehen ist, um den mindestens eine Erregerspule sowie n Sensorspulen gewickelt sind, wobei n < = 2 gilt. Die Sensorspulen wiederum sind in einem Abstand t/m + k * t zu­ einander angeordnet, wobei k = 0, 1, 2 . . . gilt und m eine rationale Zahl grö­ ßer als 1 ist. Über den Ausdruck t/m wird demzufolge ein beliebig gewählter Bruchteil einer Teilungsperiode der Meßteilung definiert. Im Ausführungs­ beispiel der Fig. 1A und 1B wurde m = 4 gewählt.In addition to the embodiment of the fluxgate element ( 2 ) shown in FIGS . 1A and 1B, there are a number of further possibilities for the design of the magnetic position measuring device according to the invention, some of the possible design variants being described below. However, all embodiments have in common that a carrier body or sensor core is provided, around which at least one excitation coil and n sensor coils are wound, n <= 2. The sensor coils in turn are arranged at a distance t / m + k * t from one another, where k = 0, 1, 2. . . applies and m is a rational number greater than 1. The expression t / m therefore defines an arbitrary fraction of a division period of the measuring division. In the execution example of Fig. 1A and 1B m = 4 has been selected.

Hierbei seien die Abstände wie oben definiert betrachtet, d. h. die Abstände werden von Spulenmitte zu Spulenmitte gerechnet.The distances are considered as defined above, i. H. the distances are calculated from the center of the coil to the center of the coil.

Im Gegensatz zum beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1A und 1B mit vier Sensorspulen sind demzufolge im allgemeinen Fall mindestens zwei um t/m + k * t versetzte Sensorspulen vorgesehen, wobei k = 0, 1, 2 . . . gilt und m eine rationale Zahl größer 1 darstellt, so daß ausgangsseitig zur erforderlichen Richtungsdiskriminierung mindestens zwei definiert phasen­ versetzte Signale anliegen. In contrast to the exemplary embodiment described in FIGS. 1A and 1B with four sensor coils, at least two sensor coils offset by t / m + k * t are therefore generally provided, k = 0, 1, 2. . . applies and m represents a rational number greater than 1, so that at least two defined phase-shifted signals are present on the output side for the necessary directional discrimination.

Als vorteilhaft erweist sich ferner, wenn die Anordnung der einzelnen Sen­ sorspulen auf dem Trägerkörper dergestalt erfolgt, daß die Windungszahl der verwendeten Spulen möglichst dahingehend ortsabhängig variiert wird, Signalform der Ausgangssignale sicherzustellen.It also proves to be advantageous if the arrangement of the individual Sen Sorspulen takes place on the carrier body such that the number of turns the coils used are varied as possible depending on the location, Ensure the signal form of the output signals.

Eine weitere mögliche Ausführungsform des Fluxgate-Elementes (22) inner­ halb der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist wiederum ein länglicher, flacher Trägerkörper (23) vorgesehen, um den die verschiedenen Spulen (24.1, 24.2, 25.1, 25.2, 26.1, 26.2, 27.1, 27.2, 28.1, 28.2) angeordnet sind. Neben den beiden Erre­ gerspulen (24.1, 24.2) an den Enden des Trägerkörpers (23) ist eine dritte Erregerspule (24.3) etwa in der Mitte des Trägerkörpers (23) vorgesehen. Zwischen der mittig angeordneten Erregerspule (24.3) und den beiden end­ seitig angeordneten Erregerspulen (24.1, 24.2) sind ferner beidseitig je zwei Paare von Sensorspulen (25.1, 25.2, 26.1, 26.2, 27.1, 26.2, 27.1, 27.2, 28.1, 28.2) montiert. Die Sensorspulen (25.1, 25.2, 26.1, 26.2, 27.1, 26.2, 27.1, 27.2, 28.1, 28.2) weisen dabei die gleichen Abstandsverhältnisse auf wie im vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel, d. h. die Sensorspulen eines Paa­ res sind im Abstand t/2 voneinander angeordnet, während die Sensorspulen des benachbarten Paares um t/4 hierzu versetzt sind. Ausgangsseitig liefern die Sensorspulen-Paare die um 90° phasenversetzten Signale.Another possible embodiment of the fluxgate element ( 22 ) within the magnetic position measuring device according to the invention is shown in FIG. 2. Here again, an elongated, flat carrier body ( 23 ) is provided, around which the various coils ( 24.1 , 24.2 , 25.1 , 25.2 , 26.1 , 26.2 , 27.1 , 27.2 , 28.1 , 28.2 ) are arranged. In addition to the two excitation coils ( 24.1 , 24.2 ) at the ends of the carrier body ( 23 ), a third excitation coil ( 24.3 ) is provided approximately in the middle of the carrier body ( 23 ). Two pairs of sensor coils ( 25.1 , 25.2 , 26.1 , 26.2 , 27.1 , 26.2 , 27.1 , 27.2 , 28.1 , 28.2 ) are also mounted on both sides between the excitation coil ( 24.3 ) in the middle and the two excitation coils ( 24.1 , 24.2 ) . The sensor coils ( 25.1 , 25.2 , 26.1 , 26.2 , 27.1 , 26.2 , 27.1 , 27.2 , 28.1 , 28.2 ) have the same spacing relationships as in the exemplary embodiment described above, ie the sensor coils of a pair are arranged at a distance t / 2 from one another, while the sensor coils of the adjacent pair are offset by t / 4. On the output side, the sensor coil pairs deliver the signals that are phase-shifted by 90 °.

In einer dritten möglichen Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind insgesamt drei Fluxgate-Sensoranordnungen (32.1, 32.2, 32.3) parallel zueinander auf einem geeigneten Trägerelement (39) angeordnet, wobei die einzelnen Fluxgate-Sensoranordnungen (32.1, 32.2, 32.3) grundsätzlich der des er­ sten beschriebenen Ausführungsbeispieles entsprechen. Zwischen den endseitig an den Trägerkörpern (33.1, 33.2, 33.3) angeordneten Erregerspulen (334.1, 334.2, 234.1, 234.2, 134.1, 134.2) sind jeweils zwei Paare von Sensorspulen (335.1, 335.2, 336.1, 336.2, 235.1, 235.2, 236.1, 236.2, 135.1, 135.2, 136.1, 136.2) vorgesehen.In a third possible embodiment according to FIG. 3, a total of three fluxgate sensor arrangements ( 32.1 , 32.2 , 32.3 ) are arranged parallel to one another on a suitable carrier element ( 39 ), the individual fluxgate sensor arrangements ( 32.1 , 32.2 , 32.3 ) basically being that of the sensor correspond most described embodiment. Between the ends of the support bodies (33.1, 33.2, 33.3) arranged exciting coils (334.1, 334.2, 234.1, 234.2, 134.1, 134.2) are respectively two pairs of sensor coils (335.1, 335.2, 336.1, 336.2, 235.1, 235.2, 236.1, 236.2 , 135.1 , 135.2 , 136.1 , 136.2 ) are provided.

Mit einer Anordnung gemäß Fig. 3 ist eine nochmals verbesserte Signalin­ tensität innerhalb der erfindungsgemäßen magnetischen Positionsmeßeinrichtung zu erwarten. With an arrangement according to FIG. 3, a further improved signal intensity within the magnetic position measuring device according to the invention can be expected.

Eine weitere Ausführungsvariante zeigt schließlich Fig. 4, wo der komplette Fluxgate-Sensor (42) der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung in Dünnfilm-Technik ausgeführt dargestellt ist. Auf einem Trägersubstrat (47), vorzugsweise aus Silizium, ist der flache, weichmagnetische Trägerkörper (43) aus Permalloy angeordnet. Um den Trägerkörper (43) sind wiederum die Erreger- (44.1, 44.2) und Sensorspulen (45.1, 45.2, 45.3, 45.4) ange­ ordnet, wobei diese als auch die Verbindungsleitungen und Kontaktflächen (48.1 . . . 6) in bekannter CMOS-Technik gefertigt sind. Eine derartige Ausfüh­ rung des Fluxgate-Sensorelementes (43) bietet zum einen den Vorteil einer rationellen Fertigung in größeren Stückzahlen. Zum anderen ist es auf diese Art und Weise möglich, das Sensorelement (43) sehr kompakt auszuführen und bei kleinen möglichen Meßteilungen eine hohe Meßauflösung zu erzie­ len.Finally, another embodiment variant is shown in FIG. 4, where the complete fluxgate sensor ( 42 ) of the position measuring device according to the invention is shown using thin-film technology. The flat, soft magnetic carrier body ( 43 ) made of permalloy is arranged on a carrier substrate ( 47 ), preferably made of silicon. Around the carrier body ( 43 ), in turn, the excitation ( 44.1 , 44.2 ) and sensor coils ( 45.1 , 45.2 , 45.3 , 45.4 ) are arranged, these as well as the connecting lines and contact surfaces ( 48.1... 6 ) in known CMOS technology are made. Such an embodiment of the fluxgate sensor element ( 43 ) offers the advantage of rational production in large numbers. On the other hand, it is possible in this way to make the sensor element ( 43 ) very compact and to achieve a high measurement resolution with small possible measurement divisions.

Die Verschaltung der endseitig angeordneten Erregerspulen (44.1, 44.2) kann in der dargestellten Ausführungsform hierbei sowohl seriell oder aber parallel erfolgen.In the embodiment shown, the excitation coils ( 44.1 , 44.2 ) arranged at the ends can be connected both in series or in parallel.

Bei den Sensorspulen ist eine Differenz-Verschaltung der ersten und dritten Sensorspule (45.1, 45.3) zu einem ersten Sensor-Spulenpaar vorgesehen, während die zweite und vierte Sensorspule (45.2, 45.4) ebenfalls in Diffe­ renz zu einem zweiten Sensor-Spulenpaar verschaltet sind.In the sensor coils, a differential connection of the first and third sensor coils ( 45.1 , 45.3 ) to a first pair of sensor coils is provided, while the second and fourth sensor coils ( 45.2 , 45.4 ) are also connected in a difference to a second pair of sensor coils.

Eine schematisierte Darstellung mit wichtigen Komponenten zur Signalver­ arbeitung innerhalb der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung zeigt in schematisierter Form Fig. 5. Die von den mindestens zwei, auf dem Trägerkörper (53) angeordneten Sensorspulen (55.1, 55.2) des Fluxgate- Elementes registrierten Ausgangssignale beim Versetzen von magnetischer Meßteilung und Sensorelement gelangen über Vorverstärker-Einheiten (56.1, 56.2) auf eine Interpolationseinheit (57) die in bekannter Art und Weise die für die Signal-Weiterverarbeitung erforderlichen Signale aufberei­ tet. Hierbei ist es prinzipiell auch möglich, lediglich eine einzige Vorverstär­ ker-Einheit einzusetzen. Im Hinblick auf die Signalverarbeitung innerhalb der Interpolationseinheit (57) sei etwa auf das auch bei Resolvern bekannte Prinzip der Amplitudenauswertung von trägerfrequenten Signalen verwie­ sen, das bereits oben erwähnt wurde. A schematic representation with important components for signal processing within the position measuring device according to the invention is shown schematically in FIG. 5. The output signals registered by the at least two sensor coils ( 55.1 , 55.2 ) of the fluxgate element arranged on the carrier body ( 53 ) when displacing magnetic Measuring graduation and sensor element pass via preamplifier units ( 56.1 , 56.2 ) to an interpolation unit ( 57 ) which processes the signals required for signal processing in a known manner. In principle, it is also possible to use only a single preamplifier unit. With regard to the signal processing within the interpolation unit ( 57 ), reference is made, for example, to the principle of amplitude evaluation of carrier-frequency signals which is also known in resolvers and which has already been mentioned above.

Daneben umfaßt die Auswerte-Elektronik noch eine Oszillator-Einheit (58), die die Erregerspule(n) (54) hochfrequent speist und zudem ein Takt-Refe­ renzsignal für die Interpolationseinheit (57) liefert.In addition, the evaluation electronics also includes an oscillator unit ( 58 ) which feeds the excitation coil (s) ( 54 ) at high frequency and also supplies a clock reference signal for the interpolation unit ( 57 ).

Die erfindungsgemäße Positionsmeßeinrichtung stellt somit ein alternatives Meßsystem dar, das z. B. in verschmutzungsanfälligen Umgebungen vorteil­ haft einsetzbar ist. Es ergeben sich dabei eine Reihe von Ausführungsvari­ anten, je nach gewählter Anwendung.The position measuring device according to the invention thus represents an alternative Measuring system represents the z. B. advantageous in pollution-prone environments is usable. There are a number of design variations anten, depending on the selected application.

Claims (12)

1. Magnetische Positionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte mit mindestens einem Fluxgate-Sensor (2; 22; 32.1, 32.2, 32.3) zur Abtastung einer peri­ odisch magnetisierten Meßteilung (1) mit der Teilungsperiode t, wobei der Fluxgate-Sensor (2; 22; 32.1, 32.2, 32.3) mindestens eine Erreger­ spule (4.1, 4.2; 24.1, 24.2, 24.3; 134.1, 134.2, 234.1, 234.2, 334.1, 334.2; 54) sowie mindestens zwei um einen weichmagnetischen Trä­ gerkörper (3; 23; 33.1, 33.2, 33.3; 43; 53) angeordnete Sensorspulen (5.1, 5.2, 6.1, 6.2; 25.1, 25.2, 26.1, 26.2, 27.1, 27.2, 28.1, 28.2; 135.1, 135.2, 136.1, 136.2, 235.1, 235.2, 236.1, 236.2, 237.1, 237.2; 45.1, 45.2, 45.3, 45.4; 55.1, 55.2) umfaßt, die zueinander im Abstand (t/m + k * t) angeordnet sind, wobei k = 0,1, 2 . . . gilt und in eine rationale Zahl größer als 1 ist.1. Magnetic position measuring device for determining the relative position of two mutually movable objects with at least one fluxgate sensor ( 2 ; 22 ; 32.1 , 32.2 , 32.3 ) for scanning a periodically magnetized measuring graduation ( 1 ) with the graduation period t, the fluxgate sensor ( 2 ; 22 ; 32.1 , 32.2 , 32.3 ) at least one excitation coil ( 4.1 , 4.2 ; 24.1 , 24.2 , 24.3 ; 134.1 , 134.2 , 234.1 , 234.2 , 334.1 , 334.2 ; 54 ) and at least two around a soft magnetic carrier body ( 3 ; 23 ; 33.1 , 33.2 , 33.3 ; 43 ; 53 ) arranged sensor coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ; 25.1 , 25.2 , 26.1 , 26.2 , 27.1 , 27.2 , 28.1 , 28.2 ; 135.1 , 135.2 , 136.1 , 136.2 , 235.1 , 235.2 , 236.1 , 236.2 , 237.1 , 237.2 ; 45.1 , 45.2 , 45.3 , 45.4 ; 55.1 , 55.2 ), which are arranged at a distance from each other (t / m + k * t), where k = 0.1, 2. . . applies and is greater than 1 in a rational number. 2. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei zwei Erregerspulen (4.1, 4.2; 24.1, 24.2; 134.1, 134.2, 234.1, 234.2, 334.1, 334.2; 54) an den Enden eines linear ausgeführten Trägerkörper (3; 23; 33.1, 33.2, 33.3; 43; 53) angeordnet sind.2. Magnetic position measuring device according to claim 1, wherein two excitation coils ( 4.1 , 4.2 ; 24.1 , 24.2 ; 134.1 , 134.2 , 234.1 , 234.2 , 334.1 , 334.2 ; 54 ) at the ends of a linearly designed carrier body ( 3 ; 23 ; 33.1 , 33.2 , 33.3 ; 43 ; 53 ) are arranged. 3. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei min­ destens eine weitere Erregerspule (24.3) zusätzlich zwischen den an den Enden angeordneten Erregerspulen (24.1, 24.2) vorgesehen ist.3. Magnetic position measuring device according to claim 2, wherein at least one further excitation coil ( 24.3 ) is additionally provided between the excitation coils ( 24.1 , 24.2 ) arranged at the ends. 4. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei min­ destens zwei Sensorspulen-Paare vorgesehen sind, deren Sensorspu­ len (5.1, 5.2, 6.1, 6.2; 25.1, 25.2, 26.1, 26.2, 27.1, 27.2, 28.1, 28.2; 135.1, 135.2, 136.1, 136.2, 235.1, 235.2, 236.1, 236.2, 237.1, 237.2; 45.1, 45.2, 45.3, 45.4; 55.1, 55.2) jeweils einen Abstand von (t/2 + k * t) zueinander aufweisen und die Sensorspulen (5.1, 5.2, 6.1, 6.2; 25.1, 25.2, 26.1, 26.2, 27.1, 27.2, 28.1, 28.2; 135.1, 135.2, 136.1, 136.2, 235.1, 235.2, 236.1, 236.2, 237.1, 237.2; 45.1, 45.2, 45.3, 45.4; 55.1, 55.2) der unterschiedlichen Sensorspule-Paare um (t/4 + k * t) zuein­ ander versetzt auf dem Trägerkörper (3; 23; 33.1, 33.2, 33.3; 43; 53) angeordnet sind, mit k = 0, 1, 2 . . . 4. Magnetic position measuring device according to claim 1, wherein at least two sensor coil pairs are provided, the sensor coils len ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ; 25.1 , 25.2 , 26.1 , 26.2 , 27.1 , 27.2 , 28.1 , 28.2 ; 135.1 , 135.2 , 136.1 , 136.2 , 235.1 , 235.2 , 236.1 , 236.2 , 237.1 , 237.2 ; 45.1 , 45.2 , 45.3 , 45.4 ; 55.1 , 55.2 ) each have a distance of (t / 2 + k * t) from each other and the sensor coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ; 25.1 , 25.2 , 26.1 , 26.2 , 27.1 , 27.2 , 28.1 , 28.2 ; 135.1 , 135.2 , 136.1 , 136.2 , 235.1 , 235.2 , 236.1 , 236.2 , 237.1 , 237.2 ; 45.1 , 45.2 , 45.3 , 45.4 ; 55.1 , 55.2 ) of the different sensor coil pairs offset by (t / 4 + k * t) from one another on the carrier body ( 3 ; 23 ; 33.1 , 33.2 , 33.3 ; 43 ; 53 ), with k = 0, 1, 2 . . . 5. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, wobei meh­ rere Sensorspulen-Paare in linearer Anordnung über mehrere Meßtei­ lungsperioden t hin auf einem Trägerkörper (3; 23; 33.1, 33.2, 33.3; 43; 53) angeordnet sind.5. Magnetic position measuring device according to claim 4, wherein several pairs of sensor coils are arranged in a linear arrangement over several measuring periods t out on a carrier body ( 3 ; 23 ; 33.1 , 33.2 , 33.3 ; 43 ; 53 ). 6. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Sensorspulen-Paare jeweils in Differenz zueinander geschaltet sind.6. Magnetic position measuring device according to claim 4, wherein the Sensor coil pairs are each connected in difference to each other. 7. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei meh­ rere Fluxgate-Sensoren (32.1, 32.2, 32.3) mit linearem Trägerkörper (33.1, 33.2, 33.3) parallel zueinander angeordnet sind.7. Magnetic position measuring device according to claim 1, wherein several fluxgate sensors ( 32.1 , 32.2 , 32.3 ) with a linear carrier body ( 33.1 , 33.2 , 33.3 ) are arranged parallel to one another. 8. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der komplette Fluxgate-Sensor in Dünnfilmtechnik gefertigt ist.8. Magnetic position measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein the complete fluxgate sensor in Thin film technology is manufactured. 9. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, wobei auf einem Silizium-Substrat ein weichmagnetischer Permalloy-Kern als Trägerkörper (3; 23; 33.1, 33.2, 33.3; 43; 53) angeordnet ist und die Spulen (5.1, 5.2, 6.1, 6.2; 25.1, 25.2, 26.1, 26.2, 27.1, 27.2, 28.1, 28.2; 135.1, 135.2, 136.1, 136.2, 235.1, 235.2, 236.1, 236.2, 237.1, 237.2; 45.1, 45.2, 45.3, 45.4; 55.1, 55.2) sowie die zwischen den Spulen verlaufenden Verbindungsleitungen in CMOS-Technik ausge­ führt sind.9. Magnetic position measuring device according to claim 8, wherein a soft magnetic permalloy core is arranged as a carrier body ( 3 ; 23 ; 33.1 , 33.2 , 33.3 ; 43 ; 53 ) on a silicon substrate and the coils ( 5.1 , 5.2 , 6.1 , 6.2 ; 25.1 , 25.2 , 26.1 , 26.2 , 27.1 , 27.2 , 28.1 , 28.2 ; 135.1 , 135.2 , 136.1 , 136.2 , 235.1 , 235.2 , 236.1 , 236.2 , 237.1 , 237.2 ; 45.1 , 45.2 , 45.3 , 45.4 ; 55.1 , 55.2 ) and the between the coils extending connection lines are carried out in CMOS technology. 10. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Oszillator-Einheit (58) vorgesehen ist, die die Erregerspule(n) (54) mit hochfrequenter Wechselspannung speist und ein Referenzsignal für eine mit den Sensorspulen (55.1, 55.2) verbundene Interpolations- Einheit (57) liefert.10. Magnetic position measuring device according to claim 1, wherein an oscillator unit ( 58 ) is provided which feeds the excitation coil (s) ( 54 ) with high-frequency AC voltage and a reference signal for an interpolation unit ( 55.1 , 55.2 ) connected to the sensor coils ( 55.1 , 55.2 ) 57 ) delivers. 11. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, wobei zwi­ schen die Sensorspulen (55.1, 55.2) und die Interpolations-Einheit (57) mindestens eine Vorverstärker-Einheit (56.1, 56.2) geschaltet ist.11. Magnetic position measuring device according to claim 10, wherein between the sensor coils ( 55.1 , 55.2 ) and the interpolation unit ( 57 ) at least one preamplifier unit ( 56.1 , 56.2 ) is connected. 12. Magnetische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, wobei die vorgesehene Interpolations-Einheit (57) nach dem Prinzip der Ampli­ tudenauswertung trägerfrequenter Signale arbeitet.12. Magnetic position measuring device according to claim 10, wherein the interpolation unit ( 57 ) provided operates on the principle of amplitude analysis of carrier-frequency signals.
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