DE19800805A1

DE19800805A1 - Verfahren und Sensoranordnung zur Generierung eines Referenzsignals

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Publication number: DE19800805A1
Application number: DE1998100805
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1998-01-12
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: DE19800805B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Sen soranordnung zur Generierung eines Referenzsignals mit einem magnetoresistiven Sensor in Vollbrückenanordnung und einem translatorischen oder rotatorischen magnetischen Maßstab, wo bei an einer Referenzposition der Maßstabsverkörperung ein magnetischer Einzelpol aufgebracht ist.

Bei inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystemen werden magne toresistive 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 magneti schen Maßstab zusammen, indem sie relativ zu diesem magneti schen Maßstab bewegt werden.

Bei solchen inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystemen ist die Generierung eines Nullimpulses als Referenzsignal erfor derlich. 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.

Beim anisotropen magnetoresistiven Effekt ergibt sich der Wi derstand R eines magnetoresistiven Widerstandsstreifens für gegenüber der Feldstärke des Anisotropiefeldes H_k 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).

Dabei ist der maximale Widerstand R₀ bei Parallelität zwi schen Strom und äußerem Feld gegeben. ΔR ist die maximale Wi derständsänderung (Widerstandshub), welche durch ein Magnet feld bewirkt werden kann. Der Widerstand ändert sich somit periodisch mit der halben magnetischen Wellenlänge bzw. mit der Polbreite des magnetischen Maßstabs.

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 phasenverscho ben angeordnet. Ein solcher als Halbbrücke ausgeführter ma gnetoresistiver Sensor liefert relaltiv zu einem an ihm vor bei 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 Fig. 5 gezeigt, welche einen magnetoresi stiven 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 gekennzeich net. Die Polteilung des Maßstabes zeigt das Maß 3. Die Basis breite des Sensors ist im vorliegenden Fall als die halbe Polbreite des Maßstabs gewählt und mit 4 bezeichnet. Das re sultierende sinusförmige Ausgangssignal U_A des magnetoresi stiven Sensors aus der Anordnung gemäß Fig. 5 ist in der Dar stellung gemäß Fig. 6 gezeigt.

Gleiches ergibt sich auch für magnetoresistive Sensoren in Form einer Vollbrückenanordnung, welche aus zwei sich räum lich überdeckenden, im entgegengesetzten Wirkungssinn kombi nierten Halbbrücken analog der im vorangehenden beschriebenen Halbbrücke aufgebaut sind, wobei die Vollbrücke gegenüber der Halbbrücke den doppelten Signalhub für das Ausgangssignal ge neriert. Eine solchermaßen bekannte Sensoranordnung ist in der Darstellung gemäß Fig. 3A und 3B gezeigt. Die Darstellung gemäß der Fig. 3B zeigt hierbei die prinzipielle Anordnung der Vollbrücke bestehend aus einer ersten Halbbrücke mit den Wi derstandselementen R11 und R12 und einer zweiten Halbbrücke mit den Widerstandselementen R21 und R22. Diese Vollbrücken anordnung wird mit einer Betriebsspannung U_B gespeist (die Masse der Spannungsquelle ist dabei mit M bezeichnet). Die Brückenspannung wird als Ausgangsspannung U_A abgegriffen.

In der Darstellung gemäß Fig. 3A ist die vorangehend darge stellte Vollbrückenanordnung in der räumlichen Anordnung des magnetoresistiven Sensors gemäß dem herkömmlichen Stand der Technik angeordnet dargestellt. Die räumliche Überdeckung der im entgegengesetzten Wirkungssinn kombinierten Halbbrücken ist dabei mittels einer diagonal durch das jeweilige Halb brückenelement verlaufenden Linie veranschaulicht. Der ober halb dieser Sensoranordnung gezeigte Pfeil kennzeichnet die relative Bewegungsrichtung der Sensoranordnung gegenüber dem magnetischen Maßstab.

Solche magnetoresistive Sensoren in Halbbrücken- und Voll brückenanordnung sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von Dipl.-Ing. Gerhard Hager "Magnetoresistive Sensoren mes sen Drehwinkel", Elektronik 12/93, Seiten 30 bis 34 insbeson dere Seite 30, rechte Spalte, letzter Absatz ff. sowie in den Bildern 2 und 3 bekannt.

Zur Erzeugung des eingangs erwähnten Nullimpulses als Refe renzsignal bei inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystemen, welche auf magnetoresistiven Sensoren basieren, wird auf ei ner Maßstabsverkörperung ein magnetischer Einzelpol aufge bracht. Dieser ist in der Darstellung der herkömmlichen Sen soranordnung nach Fig. 5 durch den vorspringenden Magnetpol an der Refererenzposition R gekennzeichnet. Dieser magnetische Einzelpol erzeugt neben seinem an ihm angrenzenden magneti schen Gegenpol über einen magnetoresistiven Sensor nach dem im vorangehenden beschriebenen herkömmlichen Aufbau eine in der Darstellung gemäß Fig. 4 gezeigte Vollwelle eines Sinus signales. Dieses Sinussignal ist als Nullimpuls jedoch nur bedingt tauglich.

Zum einen ist das Verhältnis von Nutzsignal zum Gesamtsignal geringer als 50%. Das hat zur Folge, daß für die Auswertung des Nullimpulses prinzipiell weniger als die Hälfte des Aus gangssignals U_A des magnetoresistiven Sensors zur Verfügung steht. Zum anderen ist das Ausgangssignal U_A punktsymmetrisch zum Ursprung des Koordinatensystems und damit zur Referenzpo sition R. Dies erschwert eine exakte Auswertung der Referenz position erheblich. Darüber hinaus ist eine symmetrische Po sitionierung des Referenzsignals zu den Ausgangssignalen ei nes inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystems bezüglich der Eindeutigkeit über der Drift von Parametern wie beispielswei se der Temperatur nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren sowie eine geeignete Sensoranordnung zur Generierung ei nes Referenzsignales zu schaffen, welche ein besseres Ver hältnis von Nutzsignal zum Gesamtsignal des Referenzsignales ermöglichen und darüber hinaus eine einfachere und exaktere Auswertung der Referenzposition bzw. Nullmarke ermöglichen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs geschilderten Art gelöst, welches da durch weitergebildet wird, daß durch Kombination zweier iden tischer Halbbrückenanordnungen, bei denen jeweils zwei iden tische Brückenwiderstände um die Basisbreite des Sensors in Maßstabsrichtung phasenverschoben sind, mit definierter geo metrischer Phasenverschiebung in Maßstabsrichtung zu einer Vollbrückenanordnung eine Differenzbildung der beiden glei chen punktsymmetrischen Ausgangssignale der Halbbrücken anordnungen so vorgenommen wird, daß ein achsensymmetrisches Sensorausgangssignal U_A der Vollbrückenanordnung resultiert.

Daneben wird die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Sensoranordnung der eingangs geschilderten Art ge löst, welche dadurch weitergebildet ist, daß zwei identische Halbbrückenanordnungen, bei denen jeweils zwei identische Brückenwiderstände um die Basisbreite des Sensors in Maß stabsrichtung phasenverschoben sind, mit definierter geome trischer Phasenverschiebung in Maßstabsrichtung so zu einer Vollbrückenanordnung kombiniert sind, daß über eine Diffe renzbildung der beiden gleichen punktsymmetrischen Ausgangs signale der Halbbrückenanordnungen ein achsensymmetrisches Sensorausgangssignal U_A der Vollbrückenanordnung resultiert.

Durch die Kombination zweier identischer Halbbrücken auf die se Weise zu einer Vollbrücke erhält man über die Differenz bildung der beiden gleichen punktsymmetrischen Ausgangssigna le der Halbbrücken mit einem Verhältnis des Nutzsignales zum Gesamtsignal < 50% ein achsensymmetrisches Ausgangssignal der Vollbrücke mit einem Verhältnis von Nutzsignal zu Gesamt signal < 50%. Außerdem kann durch Variation der Parameter wie Einzelpolbreite des magnetischen Maßstabs, Basisbreite und Phasenverschiebung des Sensors das Referenzsignal bezüg lich des Verhältnisses von Nutzsignal zu Gesamtsignal ("Signalhöhe") und Eindeutigkeit gegenüber Ausgangssignalen eines inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystemes ("Signal breite") optimiert werden.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird die definierte geome trische Phasenverschiebung in Maßstabsrichtung nach der hal ben Basisbreite der Halbbrückenanordnung gewählt.

Ebenso entspricht nach einer ersten vorteilhaften Ausgestal tung der Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung die definierte geometrische Phasenverschiebung in Maßstabsrich tung der halben Basisbreite der Halbbrückenanordnungen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfah rens bzw. der Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfin dung sind die Brückenwiderstände der Halbbrückenanordnungen senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des magnetischen Maßstabs angeordnet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Brückenwiderstände von einer oder beiden Halbbrüc kenanordnungen aus der senkrechten relativen Bewegungsrich tung des magnetischen Maßstabs herausgedreht angeordnet.

Auf diese Weise kann die geometrische Phasenverschiebung zwi schen den beiden Halbbrücken verkleinert werden. Dies kann so geschehen, daß die elektrische Phasenverschiebung gleich bzw. optimal bleibt. Als weiterer Vorteil resultiert hieraus, daß sich im Falle einer Integration der Sensoranordnung in einen integrierten Schaltkreis die Typfläche und damit verbunden auch die Kosten des integrierten Schaltkreises durch Reduzie rung der Dimension in relative Bewegungsrichtung des Maßstabs verkleinert werden kann.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines vorteilhaften Aus führungsbeispieles der vorliegenden Erfindung und in Verbin dung mit den Figuren. Es zeigen:

Fig. 1A Sensoranordnung zur Generierung eines Referenzsignals nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 1B übersichtliche Blockdarstellung der elektrischen Ver schaltung der Brückenwiderstände der Sensoranordnung aus Fig. 1A,

Fig. 2 resultierendes Ausgangssignal als Referenzsignal der Sensoranordnung aus Fig. 1A,

Fig. 3A bekannte Sensoranordnung nach dem Stand der Technik,

Fig. 3B elektrische Blockschaltung der bekannten Sensoranord nung,

Fig. 4 herkömmliches Ausgangssignal als Referenzsignal der bekannten Sensoranordnung gemäß Fig. 3A,

Fig. 5 Prinzipskizze des Einsatzes einer herkömmlichen Sen soranordnung bei inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsy stemen und

Fig. 6 Ausgangssignal eines magnetoresistiven Sensors gemäß der Prinzipskizze nach Fig. 5.

Die Darstellungen gemäß den Fig. 3A bis 6 wurden bereits eingangs anläßlich der Darstellung des bekannten Standes der Technik näher erläutert.

In der Darstellung gemäß der Fig. 1A ist eine Sensoranordnung bestehend aus zwei identischen Halbbrücken nach der Verschal tung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. In der Dar stellung gemäß Fig. 1B ist die elektrische Verschaltung der beiden genannten identischen Halbbrücken zur Veranschauli chung der elektrischen Funktion gegenüber der Darstellung nach Fig. 1A vereinfacht dargestellt. Dabei sind die beiden identischen Halbbrücken H1 und H2 bestehend aus zwei identi schen Brückenwiderständen R11 und R12 bzw. R21 und R22 ge zeigt. Die beiden Halbbrückenanordnungen H1 und H2 sind dabei in herkömmlicher Weise zu einer Vollbrückenanordnung ver schaltet. Die Vollbrückenanordnung wird mit einer Betriebs spannung U_B beaufschlagt (die Masse der Bezugsspannung ist dabei mit M gekennzeichnet). Das Sensorausgangssignal U_A wird in herkömmlicher Weise in der Vollbrückenanordnung abgegrif fen.

Diese nach der Darstellung gemäß Fig. 1B elektrisch verschal tete Vollbrückenanordnung wird nun gemäß der Darstellung nach Fig. 1A in geometrischer Weise angeordnet. Dazu werden die zwei identischen Halbbrücken H1 und H2, bei denen jeweils zwei identische Brückenwiderstände R11 und R12 bzw. R21 und R22 um die Basisbreite des Sensors in Maßstabsrichtung pha senverschoben sind, mit definierter geometrischer Phasenver schiebung in Maßstabsrichtung zu der genannten Vollbrückenan ordnung angeordnet. Die Maßstabsrichtung ist dabei durch ei nen oberhalb der Sensoranordnung gezeigten Pfeil veranschau licht, welcher die Relativbewegung zwischen Sensoranordnung und magnetischem Maßstab veranschaulichen soll. Vorteilhaf terweise ist die solchermaßen definierte geometrische Phasen verschiebung in Maßstabsrichtung nach der halben Basisbreite der Halbbrückenanordnungen H1 und H2 gewählt.

Auf diese Weise wird eine Differenzbildung der beiden glei chen punktsymmetrischen Ausgangssignale der Halbbrückenanord nungen - wie eingangs geschildert - mit einem Verhältnis des Nutzsignales zum Gesamtsignal < 50% erreicht und man erhält ein achssymmetrisches Ausgangssignal U_A der Vollbrückenanord nung mit einem Verhältnis von Nutzsignal zum Gesamtsignal < 50%. Dieses achsensymmetrische Ausgangssignal U_A der Sen soranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Dar stellung gemäß der Fig. 2 abgebildet. Daran wird das Verhält nis von Nutzsignal zu Gesamtsignal < 50% deutlich. Ebenfalls erkennbar ist die Achsensymmetrie des Ausgangssignales, was eine wesentlich einfachere und exaktere Ermittlung der Null marke bzw. Referenzposition R ermöglicht. Dadurch kann durch Variation von Parametern wie Einzelpolbreite des Maßstabs, Basisbreite und Phasenverschiebung des magnetoresistiven Sen sors das Referenzsignal bzw. Ausgangssignal U_A bezüglich des Verhältnisses von Nutzsignal zum Gesamtsignal ("Signalhöhe") und Eindeutigkeit gegenüber den Signalen eines inkrementellen Weg- bzw. Winkelmeßsystems ("Signalbreite") optimiert werden.

Anstelle von senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des Maßstabs ausgerichteten Widerstandsstrukturen R11 bis R22, wie sie in der Darstellung gemäß Fig. 1A angenommen sind, kann alternativ die Widerstandsstruktur von einer oder von beiden Halbbrücken H1 und H2 in der Sensorebene aus der Senkrechten herausgedreht werden und gleichzeitig so die geometrische Phasenverschiebung zwischen den beiden Halbbrücken H1 und H2 verkleinert werden. Dadurch wird auch erreicht, daß die elek trische Phasenverschiebung gleich bzw. optimal bleibt.

Claims

1. Verfahren zur Generierung eines Referenzsignals mittels eines magnetoresistiven Sensors (1) in Vollbrückenanordnung und einem translatorischen oder rotatorischen magnetischen Maßstab (2), wobei an einer Referenzposition (R) der Maß stabsverkörperung ein magnetischer Einzelpol aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch Kom bination zweier identischer Halbbrückenanordnungen (H1, H2), bei denen jeweils zwei identische Brückenwiderstände (R11, R12 und R21, R22) um die Basisbreite (4) des Sensors in Maßstabs richtung phasenverschoben sind, mit definierter geometrischer Phasenverschiebung in Maßstabsrichtung zu einer Vollbrücken anordnung eine Differenzbildung der beiden gleichen punktsym metrischen Ausgangssignale der Halbbrückenanordnungen (H1, H2) so vorgenommen wird, daß ein achsensymmetrisches Sensor ausgangssignal (U_A) der Vollbrückenanordnung resultiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die definierte geometrische Phasen verschiebung in Maßstabsrichtung nach der halben Basisbreite (4) der Halbbrückenanordnungen (H1, H2) gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brückenwiderstände (R11, R12 und R21, R22) der Halbbrückenanordnungen (H1, H2) senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des magnetischen Maßstabs (2) angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brückenwiderstände (R11, R12 und R21, R22) von einer oder beiden Halbbrückenanordnungen (H1, H2) aus der Senkrechten zur relativen Bewegungsrichtung des magnetischen Maßstabs (2) herausgedreht angeordnet wer den.

5. Sensoranordnung zur Generierung eines Referenzsignals mit einem magnetoresistiven Sensor (1) in Vollbrückenanordnung und einem translatorischen oder rotatorischen magnetischen Maßstab (2), wobei an einer Referenzposition (R) der Maß stabsverkörperung ein magnetischer Einzelpol aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei iden tische Halbbrückenanordnungen (H1, H2), bei denen jeweils zwei identische Brückenwiderstände (R11, R12 und R21, R22) um die Basisbreite (4) des Sensors in Maßstabsrichtung phasenver schoben sind, mit definierter geometrischer Phasenverschie bung in Maßstabsrichtung so zu einer Vollbrückenanordnung kombiniert sind, daß über eine Differenzbildung der beiden gleichen punktsymmetrischen Ausgangssignale der Halbbrücken anordnungen (H1, H2) ein achsensymmetrisches Sensorausgangs signal (U_A) der Vollbrückenanordnung resultiert.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die definierte geometrische Phasenverschiebung in Maßstabsrichtung der halben Basisbreite (4) der Halbbrückenanordnungen (H1, H2) entspricht.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenwiderstände (R11, R12 und R21, R22) der Halbbrückenanordnungen (H1, H2) senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des magnetischen Maßstabs (2) angeordnet sind.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenwiderstände (R11, R12 und R21, R22) von einer oder beiden Halbbrückenanord nungen (H1, H2) aus der Senkrechten zur relativen Bewegungs richtung des magnetischen Maßstabs (2) herausgedreht angeord net sind.