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Verfahren
und magnetische Maßverkörperung
zur Generierung eines Referenzsignals sowie Herstellungsverfahren
für eine
solche magnetische Maßverkörperung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine magnetische
Maßverkörperung
zur Generierung eines Referenzsignals mit einem magnetoresistiven
Sensor und einem translatorischen oder rotatorischen magnetischen
Maßstab,
wobei an einer Referenzposition der Maßstabsverkörperung ein magnetischer Einzelpol
aufgebracht ist, welchem ein magnetischer Gegenpol zugeordnet ist.
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Bei
inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystemen werden magnetoresistive
Sensoren eingesetzt, welche auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt
basieren. Solche Sensoren werden nach diesem auch als Starkfeldprinzip
bezeichneten Effekt als Starkfeldsensoren bezeichnet. Solche Sensoren
wirken in der Regel mit einem translatorischen oder rotatorischen
magnetischen Maßstab
zusammen, indem sie relativ zu diesem magnetischen Maßstab bewegt
werden.
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Bei
solchen inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystemen ist die Generierung
eines Nullimpulses als Referenzsignal erforderlich. Dazu ist auf dem
periodisch magnetisierten Maßstab
(Inkrementalspur) ein magnetischer Einzelpol (Referenzspur) an der
gewünschten
Referenzposition aufgebracht, welcher über einen magnetoresistiven
Sensor ein Referenzsignal erzeugt.
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Beim
anisotropen magnetoresistiven Effekt ergibt sich der Widerstand
R eines magnetoresistiven Widerstandsstreifens für gegenüber der Feldstärke des
Anisotropiefeldes Hk genügend große Feldstärken des äußeren Felds H in Abhängigkeit vom Winkel Θ des äußeren Felds
gegenüber
der Richtung des Stroms durch den Widerstandsstreifen nach folgender
Beziehung: R = R0 – ΔR·sin2 Θ ≠ f (H)
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Dabei
ist der maximale Widerstand R0 bei Parallelität zwischen
Strom und äußerem Feld
gegeben. ΔR
ist die maximale Widerständsänderung
(Widerstandshub), welche durch ein Magnetfeld bewirkt werden kann.
Der Widerstand ändert
sich somit periodisch mit der halben magnetischen Wellenlänge bzw.
mit der Polbreite des magnetischen Maßstabs.
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Es
sind magnetoresistive Sensoren bekannt, welche mit einem Konstantstrom
gespeist werden und als Halbbrücke
ausgeführt
sind. Dabei sind die beiden identischen Brückenwiderstände um die sogenannte Basisbreite
in Maßstabsrichtung
phasenverschoben angeordnet. Ein solcher als Halbbrücke ausgeführter magnetoresistiver
Sensor liefert relaltiv zu einem an ihm vorbei bewegten Feld eines
magnetischen Pols (Nord- oder Südpol)
eine volle Periode einer Sinusspannung als Ausgangssignal. Eine
solche Sensoranordnung nach dem Stand der Technik ist in der Darstellung
gemäß 5 gezeigt,
welche einen magnetoresistiven Sensor 1 als Halbbrücke und
einen magnetischen Maßstab 2 mit
Polen (Nordpole N und Südpole
S) zeigt. Die dazwischen verlaufenden magnetischen Feldlinien sind
mit F gekennzeichnet. Die Polteilung des Maßstabes zeigt das Maß 3.
Die Basisbreite des Sensors ist im vorliegenden Fall als die halbe
Polbreite des Maßstabs
gewählt
und mit 4 bezeichnet. Das resultierende sinusförmige Ausgangssignal
UA des magnetoresistiven Sensors aus der
Anordnung gemäß 5 ist
in der Darstellung gemäß 6 gezeigt.
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Gleiches
ergibt sich auch für
magnetoresistive Sensoren in Form einer Vollbrückenanordnung, welche aus zwei
sich räum lich überdeckenden,
im entgegengesetzten Wirkungssinn kombinierten Halbbrücken analog
der im vorangehenden beschriebenen Halbbrücke aufgebaut sind, wobei die
Vollbrücke gegenüber der
Halbbrücke
den dollelten Signalhub für
das Ausgangssignal generiert.
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Solche
magnetoresistive Sensoren in Halbbrücken- und Vollbrückenanordnung
sind beispielsweise aus der Veröffentlichung
von Dipl.-Ing. Gerhard Hager "Magnetoresistive
Sensoren messen Drehwinkel",
Elektronik 12/93, Seiten 30 bis 34 insbesondere Seite 30, rechte
Spalte, letzter Absatz ff. sowie in den Bildern 2 und 3 bekannt.
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Zur
Erzeugung des eingangs erwähnten
Nullimpulses als Referenzsignal bei inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystemen,
welche auf magnetoresistiven Sensoren basieren, wird auf einer Maßstabsverkörperung
ein magnetischer Einzelpol aufgebracht. Dieser ist in der Darstellung
der herkömmlichen
Sensoranordnung nach 5 der Übersichtlichkeit
halber durch den vorspringenden Magnetpol an der Refererenzposition
R gekennzeichnet. Dieser magnetische Einzelpol erzeugt neben seinem
an ihm angrenzenden magnetischen Gegenpol über einen magnetoresistiven
Sensor nach dem im vorangehenden beschriebenen herkömmlichen
Aufbau eine Vollwelle eines Sinussignales.
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Zur
Generierung eines Differenzimpulses ist somit maximal ein einziger
magnetischer Pol, im folgenden Pol 1 genannt, relativ an
einem magnetoresistiven Sensor, beispielsweise der vorangehend geschilderten
Art, vorbeizubewegen. Physikalisch gehört zu diesem Pol ein Gegenpol,
im folgenden Pol 2 genannt.
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Dieser
magnetische Gegenpol kann entweder senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Magnetmaßstabs
neben Pol 1, d.h. hinter oder oberhalb bzw. unterhalb von
Pol 1, weiter vom magnetore sistiven Sensor entfernt angeordnet
sein. Eine solche herkömmliche
magnetische Maßverkörperung
ist in der Darstellung gemäß 2 gezeigt, wobei der Fall
zugrundegelegt ist, daß der
Pol 2 hinter dem Pol 1 – aus Sicht des Sensors 1 – angeordnet
ist. Die Bereiche links und rechts von Pol 1 bzw. Pol 2 des
magnetischen Maßstabs 2 sind
magnetisch undefiniert.
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In
diesem Fall aber liegt der Sensor 1 in seiner Bewegung über den
Maßstab 2 nicht
permanent in einem definierten Magnetfeld. Entweder dreht der Sensor
mit einem externen (Stör-)feld
oder er liegt ohne bzw. bei vernachlässigbarem externen Feld in einem
labilen Gleichgewicht. Aus diesem Grund wird er herkömmlicherweise
mit einem stationären
magnetischen Zusatz- bzw. Hilfsfeld über einen an ihm plazierten
Permanentmagneten beaufschlagt und damit stabilisiert. Ein solcher
zusätzlicher
Permanentmagnet besitzt jedoch den Nachteil zusätzlicher Kosten und benötigt zusätzlichen
Raum, welcher bei sehr hoch auflösenden
magnetischen Gebersystemen begrenzt und damit sehr wertvoll ist.
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Eine
andere herkömmliche
Möglichkeit
zur Anordnung des Gegenpols Pol 2 besteht in der in der Darstellung
gemäß 3 gezeigten Anordnung von Pol 2,
der den Pol 1 in Bewegungsrichtung des Magnetmaßstabs 2 flankierend
umgibt. In diesem Fall jedoch erhält man durch Pol 2 unerwünschte bzw.
unerwünscht
große
zusätzliche
Signalanteile, so daß im Ergebnis
schwer ein eindeutiger Nullimpuls bzw. ein eindeutiges Referenzsignal
vorliegt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß das magnetische Feld
eines gegenüber
dem Pol 1 großen
Pols 2, wie in der Darstellung gemäß 3 veranschaulicht, eine große Reichweite
besitzt. Daraus resultiert bei kompakter Bauform des Maßstabs 2 durch
einen kleinen Abstand zwischen der inkrementellen Spur und der Referenzspur
ein Übersprechen.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß sich ein kleiner Pol 1 neben
oder in einem großen
Pol 2 in der Praxis nur schwer oder mit verhältnismäßig geringer
Präzision realisieren
läßt.
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Aus
der
DE 694 02 586
T2 ist ein Positionsdetektor, der zur Referenzierung eines
Referenz-Positions-Teils benutzt wird, bekannt.
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Aus
der
DE 29 07 797 C2 ist
ein magnetischer Umlaufkodierer bekannt, mit einem an einer drehbaren
Welle befestigbaren umlaufenden Teil mit einem magnetischen Medium
zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes, wobei das magnetische
Medium auf einer Oberfläche
des umlaufenden Teils angeordnet und in mehrere Abschnitte der Teilung ρ unterteilt
ist, mit einem dem umlaufenden Teil benachbarten Magnetfelddetektor
mit mindestens einem magnetischen Widerstandselement, das eine streifenähnliche
Anordnung besitzt und dessen elektrischer Widerstand sich unter
dem Einfluss des magnetischen Wechselfeldes ändert und mit einem dem Rotationszustand
erfassenden Detektor, der mit dem Magnetfelddetektor verbunden ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine geeignete
magnetische Maßverkörperung
zur Generierung eines Referenzsignales sowie ein Herstellungsverfahren
für eine
solche magnetische Maßverkörperung
zu schaffen, welche ein geringeres Übersprechen sowie eine präzisere Umsetzung
der Magnetisierung des Maßstabs
ermöglichen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs geschilderten
Art gelöst,
welches dadurch weitergebildet wird, daß der magnetische Einzelpol
eine Polbreite von etwa der doppelten Basisbreite des magnetoresistiven
Sensors aufweist und in ein Polmuster von 2·n–1, mit n E der natürlichen
Zahlen N, äquidistanten
magnetischen Polen mit einer Polbreite von der Basisbreite des Sensors
als Gegenpol eingebettet wird, wobei der Sensor im Abstand der Reichweite des
magnetischen Feldes der Pole des Polmusters vom magnetischen Maßstab relativ
an diesem vorbeigeführt
wird.
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Daneben
wird die Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung durch eine magnetische Maßverkörperung der eingangs geschilderten
Art gelöst, welche
dadurch weitergebildet ist, daß der
magnetische Einzelpol eine Polbreite von etwa der doppelten Basisbreite
des magnetoresistiven Sensors aufweist und in ein Polmuster von
2·n–1, mit
n E der natürlichen Zahlen N, äquidistanten
magnetischen Polen mit einer Polbreite von der Basisbreite des Sensors als
Gegenpol eingebettet ist, wobei der Sensor im Abstand der Reichweite
des magnetischen Feldes der Pole des Polmusters des magnetischen
Maßstabs
relativ an diesem vorbeigeführt
wird.
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Durch
Einbettung eines Pols 1 mit einer Polteilung von ca. der
doppelten Basisbreite (bevorzugt im allgemeinen auch etwas weniger)
des Sensors in ein Polmuster von äquidistanten magnetischen Polen 2 mit
einer Polbreite exakt der Basisbreite des Sensors – wobei
der Abstand des Sensors vom Maßstab
durch die "Reichweite" des Felds der Pole
des Polmusters bestimmt wird – befindet
sich zum einen der Sensor mit einer Bewegung über den Maßstab andauernd in einem definierten
Magnetfeld und es entstehen zum anderen durch die Zusatzpole keine
unerwünschten
bzw. unerwünscht
großen
zusätzlichen
Signalanteile oder diese werden zu 100 % unterdrückt.
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Letzteres
ist der Fall, da die beiden magnetoresistiven Brükkenwiderstände beispielsweise eines magnetoresistiven
Sensors der eingangs beschriebenen Art den gleichen Feldwinkel detektieren,
in der Folge den gleichen Widerstand besitzen und somit die Differenzspannung
einer Halbbrücke
zu Null wird.
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Weiter
haben die kleinen Zusatzpole nur eine kleine Reichweite. Daraus
resultiert eine hohe Übersprechdämpfung von
der Referenzspur in die Inkrementalspur. Darüber hinaus läßt sich
das Magnetisieren des resultierenden Polmusters nach der Erfindung
problemlos und genau durchführen.
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Ein
vorteilhaftes Herstellungsverfahren zur Auslegung der vorangehend
dargestellten magnetische Maßverkörperung
gemäß der vorliegenden
Erfindung geht von einem Polmuster von 2·m, mit m E der natürlichen
Zahlen N, äquidistanten
magnetischen Polen aus und bildet dieses weiter, indem einer dieser
Pole an der Referenzposition durch den magnetischen Einzelpol ersetzt
wird und die Differenz zwischen dem Einzelpol und dem ersetzten
Pol des Polmusters durch Subtraktion auf die restlichen 2·m–1 Pole
des Polmusters verteilt werden.
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Ein
weiteres vorteilhaftes Herstellungsverfahren der vorangehend dargestellten
magnetische Maßverkörperung
gemäß der vorliegenden
Erfindung geht ebenfalls von einem Polmuster von 2·m, mit
m e der natürlichen
Zahlen N, äquidistanten
magnetischen Polen aus und bildet dieses weiter, indem drei dieser
Pole an der Referenzposition durch den magnetischen Einzelpol ersetzt
werden und die Differenz zwischen dem Einzelpol und den ersetzten
Polen des Polmusters durch Addition auf die restlichen 2·m–3 Pole
des Polmusters verteilt werden.
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Ein
alternatives und ebenso vorteilhaftes Herstellungsverfahren der
vorangehend dargestellten magnetische Maßverkörperung gemäß der vorliegenden Erfindung
baut auf den vorangehenden Herstellungsverfahren auf, jedoch wird
die Differenz zwischen dem Einzelpol und dem oder den ersetzten Polen
des Polmusters lediglich auf die den magnetischen Einzelpol unmittelbar
flankierenden Pole des Polmusters verteilt wird.
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Die
bei den vorangehenden Herstellungsverfahren beschriebenen Korrekturen
des Ausgangs-Polmusters äußern sich
bei größeren Polzahlen
2·m lediglich
in einer vernachlässigbaren
Welligkeit des Ausgangssignales, zum einen über den Umfang, zum anderen
am Signaleinlauf zum Nullimpuls.
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Weitere
Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung und in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen:
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1 Prinzipskizze
einer Sensoranordnung mit einer magnetischen Maßverkörperung nach der Erfindung,
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2 Magnetische
Maßverkörperung
nach dem Stand der Technik,
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3 Magnetische
Maßverkörperung
nach dem Stand der Technik,
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4 Ausgangssignal
als Referenzsignal der Sensoranordnung mit der erfindungsgemäßen magnetischen
Maßverkörperung
gemäß 1,
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5 Prinzipskizze
des Einsatzes einer herkömmlichen
Sensoranordnung bei inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystemen
und
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6 Ausgangssignal
eines magnetoresistiven Sensors gemäß der Prinzipskizze nach 5.
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Die
Darstellungen gemäß den 2, 3, 5 und 6 wurden
bereits eingangs anläßlich der
Darstellung des bekannten Standes der Technik näher erläutert.
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In
der Darstellung gemäß der 1 ist
eine Sensoranordnung mit einer magnetischen Maßverkörperung gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Ein magnetoresistiver Sensor 1 weist eine Basisbreite 4 auf,
welche der Polbreite 5 eines magnetischen Maßstabs 2 entspricht.
Dieser magnetische Maßstab 2 weist
einen magnetischen Pol Pol1 mit einer Polbreite 3 der doppelten
Basisbreite 4 des Sensors 1 auf. Links und rechts
des Pols Pol1 sind als magnetischer Gegenpol Pol2 Polmuster mit äquidistanten
magnetischen Polen angeordnet. Die Polbreite 5 dieser äquidistanten
magnetischen Pole entspricht der Basisbreite 4 des Sensors 1.
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Die
Polmuster, welche den magnetischen Gegenpol Pol2 bilden und die
links und rechts des Pols Pol1 angeordnet sind, sind abwechselnd
nach dem magnetischen Nord- oder Süd-Pol N oder S magnetisiert.
In dem in der Darstellung gemäß 1 dargestellten
Fall ist Pol 1 gemäß dem magnetischen Nordpol
magnetisiert, das zur Folge hat, daß die links und rechts an Pol1
angrenzenden Pole des Polmusters nach dem magnetischen Südpol S magnetisiert sind.
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Daran
wird die Einbettung eines Pol1 mit einer Polteilung von ca. der
doppelten Basisbreite des Sensors 1 in ein Polmuster Pol2
mit äquidistanten Polen
mit einer Polbreite 5 exakt gleich der Basisbreite 4 des
Sensors 1 deutlich. Der Abstand des Sensors 1 vom
magnetischen Maßstab 2 wird
durch die Reichweite des Felds der Pole des Polmusters Pol2 bestimmt.
Die magnetischen Feldlinien sind dabei durch Pfeile veranschaulicht
und mit F gekennzeichnet. Das hat zur Folge, daß sich der Sensor 1 in
seiner Bewegung über
den magnetischen Maßstab 2 ständig in
einem definierten Magnetfeld befindet und durch die Zusatzpole des
Polmusters keine unerwünschten
bzw. unerwünscht
großen
zusätzlichen Signalanteile
entstehen bzw. solche zusätzliche
Signalanteile zu 100 % unterdrückt
werden.
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Dies
wird anhand des in der Darstellung gemäß 4 gezeigten
sinusförmigen
Ausgangssignales UA des Sensors 1 deutlich.
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Die
Unterdrückung
der zusätzlichen
Signalanteile resultiert aus der Tatsache, daß der – in der Darstellung gemäß 1 beispielsweise
mit einer Halbbrücke
aus magnetoresistiven Brückenwiderständen gebildete – Sensor 1 mit
beiden Brückenwiderständen den
gleichen Feldwinkel detektiert, in der Folge den gleichen Widerstand
besitzt und somit die Differenzspannung (Differenz der Mittenspannung gegen
die halbe Versorgungsspannung) der Halbbrücke zu Null wird. Darüber hinaus
haben die kleineren Zusatzpole des Polmusters nur eine kleine Reichweite.
Dies hat zur Folge, daß eine
hohe Übersprechdämpfung von
der Referenzspur gegen die Inkrementalspur resultiert.
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Um
eine solche magnetische Maßverkörperung
zur Generierung eines Referenzsignales herzustellen, kann als Ausgangspunkt
ein Polmuster aus äquidistanten
Polen gewählt
werden, so wie es in der Darstellung gemäß 1 mit Pol2
bezeichnet ist.
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Zum
Erhalt der oben beschriebenen Magnetisierung wird nun entweder ein
Pol von Pol2 durch einen Pol1 ersetzt und die Differenz zwischen
Pol1 und dem ersetzten Pol von Pol2 durch Subtraktion auf die restlichen
Pole von Pol2 verteilt, wodurch diese etwas kleiner werden, oder
es werden drei Pole von Pol2 durch einen Pol1 ersetzt und die Differenz zwischen
Pol1 und den drei ersetzten Polen von Pol2 durch Addition auf die
restlichen Pole von Pol2 verteilt, wodurch diese etwas größer werden.
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Alternativ
kann die Differenz auch nur auf die Pol 1 unmittelbar flankierenden
Pole 2 verteilt werden.