DE19800805A1 - Verfahren und Sensoranordnung zur Generierung eines Referenzsignals - Google Patents
Verfahren und Sensoranordnung zur Generierung eines ReferenzsignalsInfo
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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 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).
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 UA 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 UB gespeist (die
Masse der Spannungsquelle ist dabei mit M bezeichnet). Die
Brückenspannung wird als Ausgangsspannung UA 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 UA des magnetoresistiven Sensors zur Verfügung
steht. Zum anderen ist das Ausgangssignal UA 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 UA 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 UA 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 UB beaufschlagt (die Masse der Bezugsspannung ist
dabei mit M gekennzeichnet). Das Sensorausgangssignal UA 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 UA der Vollbrückenanord
nung mit einem Verhältnis von Nutzsignal zum Gesamtsignal
< 50%. Dieses achsensymmetrische Ausgangssignal UA 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 UA 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 (8)
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 (UA) 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 (UA) 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.
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