DE3422328A1

DE3422328A1 - Vorrichtung zur erfassung einer relativverschiebung und verfahren zur herstellung der vorrichtung

Info

Publication number: DE3422328A1
Application number: DE19843422328
Authority: DE
Inventors: Shigekazu Nakamura
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 1983-06-17
Filing date: 1984-06-15
Publication date: 1984-12-20
Also published as: JPS601514A; DE3422328C2; US4649342A; JPH043483B2

Description

Henkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig

Copal Company Limited Tokio, Japan

Patentanwälte

European Patent Attorneys Zugelassene Venreter vor dem Europaischen Palentamt

Dr phi! G Henkel München Dipi -Ing J- Pfenning. Be^r!in Dr. rer nat L Feiler. München Dipl -Ing W. Hänzei. München Dipl-Phys.K.H Meinig.Berlin Dr. Ing. A. Butenschon. Beriin

Möhlstraße 37
D-8000 München 80

TeL: 089/982085-87 Telex. 0529802 hnkl d Telegramm ellipsoid Telefax (Gr. 2+3)
089/981426

58-107,828 15. Juni 1984/wa

Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung zwischen einem magnetischen Meßfühler oder Sensor mit mindestens zwei im folgenden einfach als MR-Elemente bezeichneten Magnetwiderstandselementen (magnetoresistive elements) und einem magnetischen Aufzeichnungsträger mit darauf in Verschiebungsrichtung aufgezeichnetem Magnetisierungsmuster. Eine solche Vorrichtung ist als Drehstellungsgeber, Linearstellungsgeber usw. einsetzbar.

Bei einem Verschiebungsdetektor mit mehreren MR-EIementen ist es bekannt, eine Vormagnetisierung der MR-Elemente vorzusehen. Beispielsweise schlägt die JP-AS 37,204/78 vor, je ein MR-Element auf den jeweiligen Seiten einer Isolierschicht anzuordnen und eines der MR-Elemente mittels eines Magnetfelds vorzumagnetisieren, das durch einen durch das andere MR-Element fließenden Treiber- oder Steuerstrom erzeugt wird, und umgekehrt. Diese Art der Vormagnetisierung ist im folgenden als primäre Gegenvormagnetisierung (primary mutual bias system) bezeichnet. Die JP-AS 37,205/78 beschreibt ein anderes Vormagnetisierungsverfahren, bei dem ein Magnetfeld, das durch einen durch eines der MR-Elemente fließenden Treiber- oder Steuerstrom erzeugt wird, an das andere MR-Element angelegt wird und eine Komponente der Magnetisierung im anderen MR-Element ein umgekehrtes oder Gegenmagnetfeld erzeugt, das als Vormagnetisierungsfeld an das eine (erste) MR-Element angelegt wird. Diese Vormagnetisierungsart wird als sekundäre Gegenvormagnetisierung bezeichnet.

Fig. 1 veranschaulicht ein Schaltbild eines magnetischen Detektors der in der genannten JP-AS 37,204/78 beschriebenen Art. Dabei sind zwei auf den jeweiligen Seiten einer Isolierschicht angeordnete Magnetwiderstands- bzw. MR-Elemente MRl und MR2 parallel zuein-

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ander zwischen eine Konstantstromquelle S und Erd- oder Massepotential geschaltet, und die Verzweigungen zwischen den beiden MR-Elementen MRl und MR2 sowie der Konstantstromquelle S sind an die Eingänge eines Differentialverstärkers DA angeschlossen, um eine Differenz zwischen Spannungen Vl und V2 an den Verzweigungen abzuleiten.

Ein solcher magnetischer Detektor des Gegenvormagnetisierungstyps wird dadurch ausgebildet, daß auf ein isolierendes Substrat nacheinander das erste MR-Element MRl, die Isolierschicht und das zweite MR-Element MR2 aufgebracht werden. Für die Erzeugung eines stabilen Ausgangssignals ist es wesentlich, daß die beiden MR-Elemente gleiche magnetische Eigenschaften besitzen. Bei einem typischen Verfahren zur Herstellung eines solchen magnetischen Detektors werden zunächst eine erste Magnetwiderstandsschicht und eine leitfähige oder Leiterschicht auf das Substrat aufgebracht, worauf diesen Schichten durch Photoätzen die Form eines vorgegebenen Musters erteilt wird, um das erste MR-Element mit einem gegebenen Leiterzug auszubilden. Sodann wird die Isolierschicht aufgetragen, worauf weiterhin eine zweite Magnetwiderstandsschicht und eine zweite Leiterschicht nacheinander auf die Isolierschicht aufgebracht werden. Schließlich werden die zweite Magnetwiderstandsschicht und die zweite Leiterschicht durch Photoätzen in eine vorgegebene Form gebracht, um das zweite MR-Element MR2 mit einem gegebenen Leiterzug auszubilden. Da bei diesem Herstellungsverfahren die beiden MR-Elemente MRl, MR2 aus verschiedenen Magnetwiderstandsschichten oder -filmen geformt werden, ist es ziemlich schwierig, die verschiedenen Eigenschaften, wie spezifischer Widerstand, Widerstands/Temperatur-Koeffizient und Form- oder Konfigurationskoeffizient, der beiden MR-Elemente jeweils gleich einzustellen.

3422 32·%

Da weiterhin die beiden MR-Elemente in getrennten Musterbildungsschritten erzeugt werden, können sich ihre Abmessungen voneinander unterscheiden. Die beiden MR-B Elemente des bisherigen magnetischen Detektors erhalten daher verschiedene magnetische Eigenschaften, so daß unter einem Null-Magnetfeld eine unsymmetrische Ausgangsspannung, die zudem aufgrund einer Temperaturänderung driften kann, erzeugt werden kann.

Im Fall der Messung des Drehwinkels eines Motors mittels des magnetischen Detektors ist dieser nicht nur einem durch das Magnetisierungsmuster hervorgerufenen Magnetfeld, sondern auch einem vom Motor erzeugten Magnetfeld ausgesetzt. Da es hierbei schwierig ist, ein Signalmagnetfeld von einem Störmagnetfeld zu trennen (to select), verringert sich das Signal/Rauschenverhältnis bzw. der Rauschabstand des Ausgangssignals unter Verschlechterung der Meßgenauigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Ausschaltung der geschilderten Mangel des Stands der Technik durch Schaffung einer Verschiebungsmeßvorrichtung, die ein Magnetfeld auch dann genau zu messen oder zu erfassen vermag, wenn sich Eigenschaften, wie Dicke, spezifischer Widerstand, Widerstands/Temperatur-Koeffizient und dgl., ihrer Elemente ändern.

Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung einer Vorrichtung der angegebenen Art, die ein Signalmagnetfeld ohne Beeinflussung durch ein Störmagnetfeld zu erfassen vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger, auf dem ein Magnetisierungsmuster längs einer Verschiebungsrichtung aufgezeichnet ist,

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und einem magnetischen Meßfühler oder Sensor mit mindestens zwei magnetischen Detektoren zur Erfassung oder Messung des Magnetisierungsmusters, wobei jeder magnetische Detektor mindestens zwei unter Zwischenfügung einer Isolierschicht übereinander liegende Magnetwiderstandselemente (magnetoresistive elements) aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mindestens zwei magnetischen Detektoren auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Verschiebungsrichtung gegeneinander versetzt sind, daß die mindestens zwei Magnetwiderstandselemente jedes magnetischen Detektors in zueinander entgegengesetzten Richtungen vormagnetisiert sind, daß das gemeinsame Substrat relativ zu einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung unter einem solchen Winkel schräggestellt oder geneigt ist, daß die Ausgangssignale der magnetischen Detektoren eine gegenseitige Phasendifferenz von etwa 180° besitzen, und daß die mindestens zwei magnetischen Detektoren zu einer Brückenschaltung geschaltet sind, um ein Ausgangssignal zu liefern, das ohne Beeinflussung durch ein Stör(signal)magnetfeld nur das Magnetisierungsmuster wiedergibt.

Weiterhin bezweckt die Erfindung auch die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Verschiebungsmeßvorrichtung, die ein Signalmagnetfeld wirksam zu erfassen vermag.

Gegenstand der Erfindung ist damit ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung, wobei ein gemeinsames Substrat, auf dem mindestens zwei magnetische Detektoren angeordnet sind, gegenüber einer Verlaufsrichtung eines Magnetisierungsmusters schräggestellt oder geneigt ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das gemeinsame

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Substrat in bezug auf einen magnetischen Aufzeichnungsträger, auf dem ein Magnetisierungsmuster aufgezeichnet werden soll, lagenfest angeordnet wird, daß das Magnetisierungsmuster auf dem magnetischen Aufzeichnungsträger mittels eines Aufzeichnungs-Magnetkopfes aufgezeichnet wird, der in bezug auf eine Richtung senkrecht zu einer Verschiebungsrichtung drehbar angeordnet ist, und daß der Magnetkopf so gedreht wird, daß eine gewünschte oder vorgesehene Phasendifferenz zwischen den von den zumindest zwei magnetischen Detektoren gelieferten Ausgangssignalen erhalten wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bisherigen Verschiebungs-(größen)meßvorrichtung mit.an sich bekannten Magnetwiderstands- bzw. MR-Elementen,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines magnetischen Detektors zur Verwendung bei einer Verschiebungs(größen)-meßvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Schnittansicht des magnetischen Detektors gemäß Fig. 2,

QQ Fig. 4 ein Schaltbild einer Ausführung eines Verbindungsverfahrens bei der Ausführungsform nach Fig. 2,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Betriebs-Q5 kennlinien der Ausführungsform nach Fig. 2,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Lagenbeziehung zwischen einem magnetischen Detektor

9 π »

und einem Magnetisierungsmuster,

Fig. 7 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Verbindung zwischen den magnetischen

Detektoren,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anderen

Lagenbeziehung zwischen dem magnetischen Detektor und dem Magnetisierungsmuster bei

der Verschiebungs(größen)meßvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 9 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Verbindung zwischen den magnetischen

Detektoren zur Anwendung bei der Anordnung nach Fig. 8,

Fig. 10 eine Fig. 9 ähnelnde Darstellung noch einer weiteren Verbindungsart,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer weiteren Lagenbeziehung zwischen dem magnetischen Detektor und dem Magnetisierungsmuster zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen einem

Neigungswinkel und einer Ausgangsspannung,

Fig. 12 und 13 graphische Darstellungen der Beziehung zwischen dem Neigungswinkel, d.h.

einer Phasendifferenz, und der Ausgangs

spannung,

Fig. 14 und 15 eine Aufsicht bzw. eine Teilschnittansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ver

schiebungsmeßvorrichtung und

342232%,

Fig. 16A, 16B, 17A und 17B schematische Darstellungen

zur Erläuterung des Verfahrens nach Fig. 14 und 15.
5

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Fig. 2 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung eine Äusführungsform von magnetischen Detektoren zur Verwendung bei der Verschiebungsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei zur besseren Veranschaulichung eine obere Isolierschicht weggelassen ist. Bei dieser Ausführungsform sind vier Magnetwiderstands- oder MR-Elemente RaI, Ra2, RbI und Rb2 vorgesehen, wobei die Elemente RaI, RbI und Ra2, Rb2 jweils durch Musterbildung an derselben Magnetwiderstands- oder MR-Schicht auf jeweils einer Seite von Isolierschichten INS auf einem isolierenden Substrat S ausgebildet worden sind.

Fig. 3 veranschaulicht im Schnitt einen erfindungsgemäßen magnetischen Detektor. Dabei ist eine leitfähige Schicht bzw. Leiterschicht Cl mit dem auf dem isolierenden Substrat S ausgebildeten unteren MR-Element Ra2 über eine durchgehende Öffnung in den Isolierschichten INSl, INS2 und im MR-Element RaI verbunden, während eine Leiterschicht C2 mit dem unteren MR-Element RaI über eine durchgehende Öffnung in der Isolierschicht INS2 verbunden ist.

Gemäß Fig. 4 bilden die MR-Elemente RaI, Ra2, RbI, Rb2 eine Brückenschaltung. Dabei sind die einen Enden der MR-Elemente RbI, Rb2 an einer Plusklemme einer Spannungsquelle E zusammengeschaltet, während das andere Ende des MR-Elements RbI mit dem einen Ende des MR-Elements RaI verbunden ist. Das andere Ende des MR-Elements Rb2 ist an das eine Ende der MR-Elemente Ra2 angeschlossen, und die anderen Enden der MR-Elemente RaI, Ra2 sind

an der Minusklemme der Spannungsquelle E zusammengeschaltet. Weiterhin ist ein Verbindungspunkt bzw. eine Verzweigung zwischen den MR-Elementen RaI und RbI mit einer Pluseingangsklemme eines Differentialverstärkers DA verbunden; eine Verzweigung zwischen den MR-Elementen Ra2 und Rb2 ist andererseits an eine Minuseingangsklemme des Differentialverstärkers DA angeschlossen. Infolgedessen fließt ein Strom über die MR-Elemente RaI - Rb2 in der durch den Pfeil in Fig. 4 angedeuteten Richtung, so daß diese Elemente gegenseitig vormagnetisiert sind. Da bei dieser Ausfuhrungsform die sekundäre Vormagnetisierungswirkung groß ist, ist jedes MR-Element auf die in Fig. 4 gezeigte Weise vormagnetisiert (magnetically biased). Dies bedeutet, daß die MR-Elemente RaI und RbI einem in bezug auf die Zeichnungsebene aufwärts gerichteten Vormagnetisierungsfeld +Hb und die MR-Elemente Ra2 und Rb2 einem in bezug auf die Zeichnungsebene abwärts gerichteten Vormagnetisierungsfeld -Hb unterworfen sind.

Aufgrund der geschilderten Vormagnetisierung besitzen die MR-Elemente RaI, RbI und Ra2, Rb2 gemäß Fig. 5 zueinander symmetrische Betriebseigenschaften. Die Kurve A gemäß Fig. 5 veranschaulicht die Betriebseigenschaft bzw. -kennlinie der MR-Elemente RaI, RbI; wenn dabei ein Eingangsmagnetfeld I an die MR-Elemente RaI, RbI angelegt wird, ändert sich der spezifische Widerstand R auf die durch die Kurve R& angegebene Weise. Ebenso veranschaulicht die Kurve B die Betriebskennlinie der MR-Elemente Ra2, Rb2; dabei ändert sich der spezifische Widerstand R entsprechend dem Eingangsmagnetfeld I auf die durch die Kurve R' angegebene Weise.

Erfindungsgemäß werden die beiden magnetischen Detektoren mit dem Schrägstellungs- oder Neigungswinkel θ zu einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung D eines

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Aufzeichnungsträgers M, auf dem ein Magnetisierungsmuster aufgezeichnet ist, angeordnet. Der Neigungswinkel θ ist so gewählt, daß die Phasendifferenz zwischen zwei Paaren von MR-Elementen RaI, Ra2 und RbI, Rb2 in bezug zum Teilungsabstand des Magnetisierungsmusters praktisch 180° beträgt.

Bei der dargestellten Anordnung ist die Richtung eines am einen Paar von MR-Elementen RaI, Ra2 anliegenden Magnetfelds stets entgegengesetzt zur Richtung eines Magnetfelds am anderen Paar von MR-Elementen RbI, Rb2. Dagegen liegt ein durch ein Störsignal ("Rauschen") hervorgerufenes Magnetfeld an beiden Paaren von MR-Elementen RaI, Ra2 und RbI, Rb2 im wesentlichen in derselben Richtung an. Auf diese Weise kann eine Störsignal· komponente aufgrund des Störmagnetfelds ausgeschaltet werden, so daß am Differentialverstärker DA nur eine Signalkomponente aufgrund des Magnetisierungsmusters abgenommen werden kann. Da hierbei die Selektivität zwischen Signalmagnetfeld und Störsignalmagnetfeld höher ist, kann ein Ausgangssignal mit hohem Signal/-Rauschen-Verhältnis (Rauschabstand) erhalten werden, so daß die Meßgenauigkeit der Verschiebungsmeßvorrichtung entsprechend größer ist.

Im folgenden sei ein unsymmetrisches Ausgangssignal der magnetischen Detektoren betrachtet. Hierbei sei angenommen, daß ein spezifischer Widerstand als Funktion

ο« der Temperatur T der ersten, erstes und zweites MR-EIement RaI und RbI bildenden Magnetwiderstandsschicht (magnetoresistive film) mit p.(T), die Dicke der ersten Magnetwiderstandsschicht mit t, , ein spezifischer Widerstand als Funktion der Temperatur einer zweiten,

gc die MR-Elemente Ra2 und Rb2 bildenden Magnetwiderstandsschicht mit p. (T), die Dicke der zweiten Magnetwiderstandsschicht mit t_, ein Musterkonfigurationskoeffizient (d.h. Länge/Breite) der MR-Elemente RaI und Ra2

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mit k, und ein entsprechender Koeffizient der MR-EIemente RbI und Rb2 mit k„ bezeichnet sind. Die Widerstandswerte R. bis R₄ der MR-Eleraente RaI, RbI, Ra2, Rb2 lassen sich dann wie folgt ausdrücken:

^Rl ⁼	P₁(T)	• K₁Zt
R₂ =	Y₁(T)	* ^k2^A
^R3 =	?2^(T)	• K₁Zt
^R4 =	P₂(T)	• K₂Zt

Die unsymmetrische Ausgangsspannung AV, wenn kein zu messendes Magnetfeld anliegt, läßt sich daher durch
die folgende Gleichung wiedergeben, worin V für die Spannung der Spannungsquelle E steht:

20 V = V₁ - V₂

^Rl

s ^Ri^+R2

- V

S λ { ¹T ι · lc >

k, k

st kT+k_o F, 30 ¹ 2

^iA^{} =} °

Aus obiger Gleichung geht hervor, daß selbst im Fall von P₁(T) f ^tT) r t_x φ t₂ und k_x Φ k₂ die unsymmetrische Spannung AV stets 0 beträgt und daher die Messung genau und ohne Beeinflussung durch Versatz
und temperaturabhängige Drift erfolgen kann.

342232% H

Fig. 7 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der magnetischen Detektoren für die erfindungsgemäße Verschiebungsmeßvorrichtung. Dabei sind ebenfalls zwei magnetische Detektoren, die jeweils aus den MR-EIementen RaI, Ra2 und RbI, Rb2 bestehen, auf demselben Substrat ausgebildet, das seinerseits unter einem Winkel θ zu einer Richtung geneigt ist, die senkrecht zur Ver-Schiebungsrichtung des Magnetmusters bzw. Magnetisierungsmusters verläuft. Die Schaltungsanordnung unterscheidet sich dabei jedoch von derjenigen bei der vorher beschriebenen Ausführungsform. Genauer gesagt: die einen Enden der MR-Elemente RaI und RbI sind gemeinsam an eine Plusklemme der Spannungsquelle E angeschlossen, während ihre anderen Enden jeweils mit einem Ende der MR-Elemente Ra2 bzw. Rb2 verbunden sind, deren andere Enden wiederum an einer Minusklemme der Spannungsquelle E zusammengeschaltet sind. Weiterhin ist ein Verbindungspunkt bzw. eine Verzweigung zwischen den MR-Elementen RaI und Ra2 an eine Pluseingangsklemme eines DifferentialVerstärkers DA angeschlossen, während der Verbindungspunkt bzw. die Verzweigung zwischen den MR-Elementen RbI und Rb2 an der Minuseingangsklemme des DifferentialVerstärkers DA liegt. Hierbei fließt ein Strom durch die einzelnen MR-Elemente jeweils in Pfeilrichtung, so daß jedes MR-Element aufgrund der sekundären Vormagnetisierungswirkung auf die in Fig. gezeigte Weise magnetisch vorgespannt bzw. vormagnetisiert ist. Da diese sekundäre Vormagnetisierung dieselbe ist wie im Fall von Fig. 4, ist das Störsignalmagnetfeld im Differentialausgangssignal beseitigt bzw. unterdrückt, so daß am Differentialverstärker DA nur das Ausgangssignal aufgrund des Magnetisierungsmusters erhalten wird. In diesem Fall läßt sich die unsymmetrische Ausgangsspannung ^V wie folgt ausdrücken:

- ^Vs

-τ.ί;

Die beschriebene Ausführungsform bietet damit dieselbe Wirkung wie die vorher beschriebene Ausführungsform.

Wenn nicht nur die Verschiebungsgröße, sondern auch die Verschiebungsrichtung durch die Verschiebungsmeßvorrichtung gemessen werden soll, müssen zwei Signale mit einer Phasendifferenz von 90° verwendet werden. Fig. 8 veranschaulicht eine entsprechende Ausführungsform, bei welcher zwei Einheiten mit jeweils zwei Paaren magnetischer Detektoren der oben angegebenen Art auf demselben Substrat S angeordnet sind und letzteres seinerseits unter einem Winkel θ zu einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung D eines das aufgezeichnete Magnetisierungsmuster tragenden Aufzeichnungsträgers M schräggestellt bzw. geneigt ist.

Bei dieser Ausführungsform sind vier magnetische Detektoren Ua - Ud auf dem Substrat S angeordnet, wobei die magnetischen Detektoren Ua und Uc die eine und die magnetischen Detektoren Ub und Ud die andere Magneteinheit bilden. Der Neigungswinkel θ ist daher so bestimmt, daß die Phasendifferenz zwischen den magnetischen Detektoren Ua und Uc sowie zwischen den magnetischen Detektoren Ub und Ud jeweils im wesentlichen 180° beträgt. Da diese vier magnetischen Detektoren jeweils gleichweit voneinander entfernt sind, beträgt die Phasendifferenz der von den beiden magnetischen Detektoren gelieferten Ausgangssignale 90°.

Fig. 9 veranschaulicht eine Ausgestaltung einer Verbindung zwischen MR-Elementen RaI, Ra2; RbI, Rb2; RcI, Rc2; RdI, Rd2, die vier magnetische Detektoren Ua Ud bilden. Hierbei sind die einen Enden der ersten MR-Elemente RaI, RbI, RcI, RdI jedes magnetischen Detektors gemeinsam an eine Plusklemme der Spannungsquelle E angeschlossen, während ihre anderen Enden mit den einen Enden der zweiten MR-Elemente Ra2, Rb2, Rc2 bzw. Rd2 verbunden sind. Weiterhin sind die anderen Enden der zweiten MR-Elemente an einer Minusklemme der Spannungsquelle E zusammengeschaltet. Infolgedessen fließt gemäß Fig. 9 auf die durch die Pfeile angedeutete Weise ein Strom durch jedes MR-Element in gleicher Richtung, so daß aufgrund der sekundären gegenseitigen Vormagnetisierung oder Gegenvormagnetisierung die MR-Elemente RaI, RbI, RcI, RdI einem in bezug auf die Zeichnungsebene aufwärts gerichteten Vormagnetisierungsfeld +Hb und die MR-Elemente Ra2, Rb2, Rc2, Rd2 einem in bezug auf die Zeichnungsebene abwärts gerichteten Vormagnetisierungsfeld -Hb unterworfen sind. Wenn daher die Verbindung oder Verzweigung zwischen den MR-Elementen RaI und Ra2 mit einer Pluseingangsklemme eines ersten Differentialverstärkers DAl und die Verzweigung zwischen den MR-Elementen RcI und Rc2 mit einer Minusklemme des ersten Differentialverstarkers DAl verbunden sind, kann ohne Beeinflussung durch das Störmagnetfeld ein A-Phasen-Ausgangssignal, welches nur das vom Magnetisierungsmuster herrührende Magnetfeld darstellt, vom ersten Differentialverstärker DAl abgenommen werden. Wenn die Verzweigungen zwischen den MR-Elementen RbI und Rb2 sowie zwischen den MR-Elementen RdI und Rd2 entsprechend an Plus- bzw. Minuseingangsklemmen eines zweiten Differentialverstärkers DA2 angeschlossen sind, kann auf ähnliche Weise ohne Beeinflussung durch das Störmagnetfeld ein B-Phasen-Ausgangssignal vom zweiten Differentialverstärker DA2

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abgenommen werden. Da in diesem Fall die Phasendifferenz zwischen den Α-Phasen und B-Phasen-Ausgangssignalen 90° beträgt, kann nicht nur die Verschiebungsgröße, δ sondern auch die Verschiebungsrichtung erfaßt bzw. gemessen werden. Da weiterhin durch entsprechende Musterbildung an den beiden Magnetwiderstandsschichten oder -filmen acht MR-Elemente gleichzeitig ausgebildet werden können, entstehen die unsymmetrischen Ausgangsspannungen ^V auch dann nicht, wenn Film- oder Schichtdicke, Temperaturgang und Konfigurationskoeffizient sich ändern.

Fig. 10 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Verschiebungsmeßvorrichtung, bei welcher sich nur die Verbindungs- oder Anschlußart der acht MR-Elemente von derjenigen bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 unterscheidet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. sind eine Spannungsquelle E und die einzelnen MR-EIemente jeweils in Brückenschaltung angeordnet, wobei die einzelnen MR-Elemente jeweils in Pfeilrichtung von einem Strom durchflossen werden. Aufgrund der durch den Strom bewirkten sekundären gegenseitigen Vormagnetisierung sind die MR-Elemente somit auf die in Fig. 10 gezeigte Weise magnetisch vorgespannt bzw. vorraagnetisiert. Die dargestellte Ausführungsform der Verschiebungsmeßvorrichtung arbeitet auf dieselbe Weise wie die vorher beschriebene Ausführungsform, und es ist dabei möglich, die vom Magnetisierungsmuster herrührenden Ausgangssignale der Α-Phase und der B-Phase mit einer Phasendifferenz von etwa 90° zu erhalten. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Ausgangssignale nicht durch das Störmagnetfeld beeinflußt werden, das mit derselben Phase bzw. phasengleich auf die magnetischen Detektoren einwirkt. Weiterhin beträgt die unsymmetrische Ausgangsspannung £V aufgrund von Unterschieden oder Abweichungen in Dicke, Temperatürgang

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und Konfigurationskoeffizienten Null. Auf diese Weise ist somit eine genaue Messung der Verschiebungsgroße möglich. Außerdem können bei dieser Ausführungsform die Leiterzüge der MR-Elemente ohne weiteres auf dem Substrat ausgebildet werden.

Erfindungsgemäß ist es nötig, das Substrat in bezug auf eine Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung schräg zu stellen, weshalb im folgenden dieser Neigungswinkel näher betrachtet werden soJ.l.

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung der Lagenbeziehung zwischen dem auf einem Aufzeichnungsträger M aufgezeichneten Magnetisierungsmuster und magnetischen Detektoren a, b. Hierbei sei angenommen, daß der Teilungs-Abstand zwischen den beiden magnetischen Detektoren a und b gleich £, ist, die Länge jedes magnetischen Detektors £/ beträgt, der Teilungsabstand des Magnetisierungsmusters P beträgt und der Schrägstellungs- bzw. Neigungswinkel mit θ bezeichnet ist. Eine Phasendifferenz φ (Radiant) zwischen den auf die magnetischen Detektoren a und b einwirkenden Magnetfeldern läßt sich dabei wie folgt ausdrücken:

φ = 2*£ sin θ (1)

Die folgenden Ausführungen stützen sich auf die Phasendifferenz φ anstelle des Neigungswinkels Θ. Wenn angenommen wird, daß ein durch die Schrägstellung des magnetischen Detektors gegenüber dem Magnetisierungsmuster hervorgerufener Ausgangseinfluß (output influence) jedes magnetischen Detektors mit ί{φ) vorgegeben ist, so läßt sich dieser Ausgangseinfluß f(^) wie folgt ausdrücken:

sin \yj - φ) ₍₂)

2/

342232$,

Ein Einfluß g(φ) auf die durch die Phasendifferenz φ zurückzuführende Differentialausgangsspannung bestimmt sich wie folgt:

g(<t>) = (V₁ - V₂)_p__p = sin I (3)

Die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel und der Ausgangsspannung bestimmt sich daher wie folgt:

F =

sin {,π? ·φ) .

• ein JL

= ^ · sin Z ... (4)

Wenn gemäß Fig. 6 zwei magnetische Detektoren sehr dicht nebeneinander angeordnet werden, kann /= j£_ vorausgesetzt werden, so daß sich die obige Gleichung (4) weiterhin wie folgt ausdrücken läßt:

, ^sin2 ? _ 1 - cos φ
F j ^

Diese Beziehung ist in Fig. 12 dargestellt. Im Fall von/= 2£ gemäß Fig. 8 läßt sich obige Gleichung (4) weiterhin wie folgt ausdrücken bzw. umschreiben:

• 2 Φ

_w ^Sin I . . φ ... (6)

Diese Beziehung ist in Fig. 13 veranschaulicht. In den graphischen Darstellungen von Fig. 12 und 13 sind auf der Abszisse die Phasendifferenz <{> und der entsprechende Neigungswinkel θ und auf der Ordinate ein relatives Ausgangssignal aufgetragen. Falls die magnetischen Detektoren so schräg gestellt sind, daß sich die Phasendifferenz φ = 180° ergibt, ist das Ausgangssignal bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 größer als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6. Aus diesem Grund wird bevorzugt der Wert /// groß gewählt, doch kann auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ein Ausgangssignal erzielt werden, dessen Größe etwa 90 % einer maximalen Ausgangs(signal)größe entspricht. Die Neigungswinkel θ gemäß Fig. 12 und 13 sind weiterhin für einen Drehstellungsgeber berechnet, der MR-Elemente einer Länge £ von 1,4 mm und eine Magnettrommel mit einem Durchmesser von 20 mm umfaßt, längs welcher eintausend Magnetisierungsmuster aufgezeichnet sind. In diesem Fall läßt sich der (gegenseitige) Teilungsabstand P des Magnetisierungsmusters wie folgt ausdrucken:

_7Tx Magnettrommeldurchmesser (d) , . Zahl der Muster (N) "* ^{l)

Wenn dieser Abstand P in Gleichung (1) eingesetzt wird, ergibt sich folgende Gleichung:

φ = sin θ ... (8)

Nach obiger Gleichung bestimmt sich der Neigungswinkel θ wie folgt:

Die Fig. 12 und 13 geben die nach obiger Gleichung (9) berechnete Größe des Neigungswinkels θ an.

342232$;

Wie sich ohne weiteres aus Fig. 12 und 13 ergibt, 'erhält der Neigungswinkel θ eine äußerst kleine Größe, z.B. 1,286° bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 0,643° bei der Ausführungsform nach Fig. 8. In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig, den Neigungswinkel θ auf eine derart extrem kleine Größe einzustellen, da hiermit eine mühsame, zeitaufwendige Einstellung verbunden ist. Wenn zudem für jede Verschiebungsmeßvorrichtung jeweils ein genauer Einstellmechanismus vorgesehen wird, wird die Vorrichtung insgesamt sehr aufwendig.

Im folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung der Verschiebungs{größen)meßvorrichtung beschrieben, nachdem das Substrat einfach und schnell unter dem gewünschten kleinen Winkel relativ zum Magnetisierungsmuster schräggestellt werden kann und wobei es weiterhin nicht nötig ist, einen aufwendigen Einstell- oder Justiermechanismus für jede derartige Vorrichtung vorzusehen.

Die Fig. 14 und 15 veranschaulichen in Aufsicht bzw. in Teilschnittdarstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Verschiebungsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung unter Verwendung einer magnetischen Trommel als magnetischer Aufzeichnungsträger, wobei Drehrichtung und Drehgröße der magnetischen Trommel gemessen werden sollen. Beim dargestellten Äusführungsbeispiel ist eine magnetische Trommel 41 an einer Welle 44 befestigt, die ihrerseits mittels eines im wesentlichen zylindrischen Tragelements 42 über ein Lager 43 drehbar angeordnet ist. Am Tragelement 42 ist über eine Tragplatte 46 ein gemeinsames Substrat 45 angebracht, auf welchem magnetische Detektoren angeordnet sind. Die in den Fig. und 15 nicht dargestellten magnetischen Detektoren

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sind tatsächlich parallel zur Zeichnungsebene von Fig. 15 auf dem gemeinsamen Substrat 45 angeordnet. Letzteres ist seinerseits an der Tragplatte 46 befestigt, die wiederum mittels Schrauben am Tragelement 42 befestigt ist. Da das gemeinsame Substrat 45 am Tragelement 42 befestigt ist, ist es gegenüber der magnetischen Trommel 41 lagenfest angeordnet. Die Welle 44 ist mit einem Motor 47 verbunden, mit dem weiterhin ein Drehstellungsgeber (rotary encoder) 48 verbunden ist.

Weiterhin ist der Magnetkopf 49 zur Aufzeichnung eines Magnetisierungsmusters auf der magnetischen Trommel 41 relativ zu dieser drehbar angeordnet. Der Aufzeichnungs-Magnetkopf 49 ist über einen Arm 50 mit einer Drehbühne 51 verbunden, so daß er um eine Achse x-x drehbar ist. Ein Ausgangssignal des Drehstellungsgebers 48 wird zu einem Impulsgenerator 52 übertragen, welcher Impulse liefert, die vollständig mit der Drehung der Welle 44, d.h. der magnetischen Trommel 41, synchronisiert sind. Die auf diese Weise erzeugten Impulse werden dem Magnetkopf 49 zur Aufzeichnung des Magnetisierungsmusters auf der magnetischen Trommel 41 zugeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Drehstellungsgeber 48 und der Impulsgenerator 52 so eingestellt, daß auf dem Umfang der magnetischen Trommel 41 eintausend Impulse in jeweils gleich großen Abständen aufgezeichnet werden können.

Wenn beispielsweise der Kopfspalt des Magnetkopfes 49 gemäß Fig. 16A parallel zur Welle 44 angeordnet ist, wird das Magnetisierungsmuster gemäß Fig. 16B auf dem Umfang bzw. der Mantelfläche der magnetischen Trommel 41 in einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung A aufgezeichnet. Wenn die Drehbühne 51 um einen Winkel oCverdreht wird, kommt der Kopfspalt des Magnet-

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kopfes 49 in eine Lage unter einem Neigungswinkel relativ zur Welle 44 (vgl. Fig. 17A). In diesem Fall ist das Magnetisierungsmuster gemäß Fig. 17B unter dem Winkel gegenüber einer Richtung senkrecht zur-Verschiebungsrichtung A schräggestellt bzw. geneigt. Wenn die von den beiden magnetischen Detektoren auf dem gemeinsamen Substrat 45 gelieferten Ausgangssignale auf einem Monitor bzw. Bildschirm 53 gemäß Fig. 15 wiedergegeben werden und das Magnetisierungsmuster auf der magnetischen Trommel 41 durch Drehen der Drehbühne in der Weise, daß die Phasendifferenz φ zwischen den beiden Ausgangssignalen die gewünschte Größe erhält, aufgezeichnet wird, kann das Magnetisierungsmuster unter dem gewünschten oder vorgesehenen Winkel θ gegenüber dem gemeinsamen Substrat 45 geneigt sein. In diesem Fall kann ein neues Magnetisierungsmuster auf dem vorher aufgezeichneten Magnetisierungsmuster mittels des Magnetkopfes 49 aufgezeichnet werden; bevorzugt wird jedoch das vorher aufgezeichnete Magnetisierungsmuster mittels eines in Fig. 14 strichpunktiert eingezeichneten Löschmagnetkopfes 54 oder unter Verwendung des Aufzeichnungs-Magnetkopfes 49 als Löschkopf vor der Aufzeichnung des Magnetisierungsmusters gelöscht.

Da bei dem beschriebenen Verfahren das die magnetischen Detektoren tragende gemeinsame Substrat 45 gegenüber der magnetischen Trommel 41 lagenfest angeordnet und der Magnetkopf 49 für die Aufzeichnung des Magneti-

OQ sierungsmusters relativ zur magnetischen Trommel 41 schräggestellt ist, kann das Magnetisierungsmuster einfach und schnell unter einem vorbestimmten kleinen Winkel relativ zum gemeinsamen Substrat schräggesteilt bzw. geneigt werden. Da weiterhin die den Magnetkopf

ge 49 drehbar lagernde Drehbühne 51 für eine Anzahl von Verschiebungsmeßvorrichtungen gemeinsam verwendet werden kann, läßt sich die Magnetmusteraufzeichnung kostensparend durchführen. Beim Ausführungsbeispiel

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gemäß Fig. 15 wird die Drehbühne 51 unter gleichzeitiger Überwachung der Wellenformen der beiden auf dem Bildschirm 53 dargestellten Ausgangssignale von Hand gedreht, doch kann auch eine Servoregelschleife für das automatische Drehen der Drehbühne 51 in der Weise vorgesehen sein, daß die Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangssignalen auf die gewünschte oder vorgesehene Größe eingestellt wird.
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Selbstverständlich ist die Erfindung verschiedenen Abwandlungen zugänglich. Während bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Vormagnetisierung unter Ausnutzung der sekundären gegenseitigen Vormagnetisierungswirkung erfolgt, kann auch die primäre gegenseitige oder Gegenvormagnetisierungswirkung angewandt werden. Außerdem ist es nicht immer nötig, die gegenseitige oder Gegenvormagnetisierungswirkung anzuwenden. In diesem Fall kann für jeden magnetischen Detektor ein Leiterfilm vorgesehen und durch letzteren ein Strom zur Erzeugung des Vormagnetisierungsfelds geleitet werden. Während weiterhin die Magnetwiderstandselemente so angeordnet sind, daß eine Film- oder Schichtfläche jedes Magnetwiderstandselements senkrecht zu dem ein aufgezeichnetes Magnetisierungsmuster tragenden Aufzeichnungsträger liegt, ist es auch möglich, die Film- oder Schichtoberfläche parallel zum Aufzeichnungsträger anzuordnen. Darüber hinaus kann bei den beschriebenen Ausführungsformen die Spannungsquelle auch entgegengesetzt gepolt sein.

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Claims

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Patentansprüche

Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger, auf dem ein Magnetisierungsmuster längs einer Verschiebungsrichtung aufgezeichnet ist, und einem magnetischen Meßfühler oder Sensor mit mindestens zwei magnetischen Detektoren zur Erfassung oder Messung des Magnetisierungsmusters, wobei jeder magnetische Detektor mindestens zwei unter Zwischenfügung einer Isolierschicht übereinander liegende Magnetwiderstandselemente (magnetoresistive elements) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei magnetischen Detektoren auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Verschiebungsrichtung gegeneinander versetzt sind, daß die min- destens zwei Magnetwiderstandselemen-te jedes magnetischen Detektors in zueinander entgegengesetzten Richtungen vormagnetisiert sind, daß das gemeinsame Substrat relativ zu einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung unter einem solchen Winkel schräggestellt oder geneigt ist, daß die Ausgangssignale der magnetischen Detektoren eine gegenseitige Phasendifferenz von etwa 180° besitzen, und daß die mindestens zwei magnetischen Detektoren zu einer Brückenschaltung geschaltet sind, um ein Ausgangssignal zu liefern, das ohne Beeinflussung durch ein Stör(signal)magnetfeld nur das Magnetisierungsmuster wiedergibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat, auf dem die mindestens zwei magnetischen Detektoren vorgesehen sind, in einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung ange-

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ordnet ist und daß das Magnetisierungsmuster gegenüber der Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung schräggestellt oder geneigt ist. 5
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die mindestens zwei magnetischen Detektoren aufweisende gemeinsame Substrat gegenüber einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung geneigt ist und daß das Magnetisierungsmuster in einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite magnetische Detektoren vorgesehen sind, die erste, zweite bzw. dritte, vierte Magnetwiderstandselemente aufweisen, die auf dem gemeinsamen Substrat so angeordnet sind, daß eine Phasendifferenz zwischen den von erstem und zweitem magnetischen Detektor gelieferten Ausgangssignalen im wesentlichen 180° beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß erstes, drittes bzw. zweites, viertes Magnet-Widerstandselement jeweils in Reihe miteinander zwischen Plus- und Minusklemmen einer Spannungsquelle geschaltet sind und daß ein Verbindungspunkt oder eine Verzweigung zwischen erstem und drittem Element sowie eine Verzweigung zwischen zweitem und viertem Element jeweils an Plus- bzw. Minuseingang eines DifferentialVerstärkers zur Erzeugung des Ausgangssignals angeschlossen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß erstes, zweites bzw. drittes, viertes Magnetwiderstandselement jeweils in Reihe miteinander zwischen Plus- und Minusklemmen einer Spannungs-

quelle geschaltet sind und daß ein Verbindungspunkt bzw. eine Verzweigung zwischen erstem und zweitem Element bzw. eine Verzweigung zwischen drittem und viertem Element jeweils an Plus- bzw. Minuseingang eines DifferentialVerstärkers zur Erzeugung des Ausgangssignals angeschlossen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste, zweite, dritte und vierte magnetische Detektoren vorgesehen sind, die jeweils erste und zweite, dritte und vierte, fünfte und sechste bzw. siebte und achte Magnetwxderstandselemente aufweisen, die ihrerseits auf dem gemeinsamen Substrat so angeordnet sind, daß eine Phasendifferenz zwischen den von erstem und drittem magnetischen Detektor gelieferten Ausgangssignalen und eine Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen des zweiten und des vierten magnetischen Detektors im wesentlichen 180° betragen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß erstes und zweites, drittes und viertes, fünftes und sechstes bzw. siebtes und achtes Magnetwider-Standselement jeweils in Reihe miteinander zwischen Plus- und Minusklemmen einer Spanmingsquelle geschaltet sind, daß ein Verbindungspunkt oder eine Verzweigung zwischen erstem und zweitem Element sowie eine Verzweigung zwischen fünftem und sechstem Element jeweils mit Plus- bzw. Minuseingang eines ersten Differentialverstärkers zur Lieferung eines ersten Meßausgangssignals verbunden sind und daß eine Verzweigung zwischen drittem und viertem Element sowie eine Verzweigung zwischen siebtem und achtem Element jeweils an Plus- bzw. Minuseingang eines zweiten Differentialverstärkers zur Lieferung eines zweiten Meßausgangssignals angeschlossen sind,

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wobei die Phasendifferenz zwischen erstem und zweitem Meßausgangssignal im wesentlichen 90° beträgt.
9. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung, wobei ein gemeinsames Substrat, auf dem mindestens zwei magnetische Detektoren angeordnet sind, gegenüber einer Verlauf srichtung eines Magnetisierungsmusters schräggestellt oder geneigt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

das gemeinsame Substrat in bezug auf einen magnetischen Aufzeichnungsträger, auf dem ein Magnetisierungsmuster aufgezeichnet werden soll, lagenfest angeordnet wird,

daß das Magnetisierungsmuster auf dem magnetischen Aufzeichnungsträger mittels eines Aufzeichnungs-Magnetkopfes aufgezeichnet wird, der in bezug auf eine Richtung senkrecht zu einer Verschiebungsrichtung drehbar angeordnet ist, und daß der Magnetkopf so gedreht wird, daß eine gewünschte oder vorgesehene Phasendifferenz zwischen den von den zumindest zwei magnetischen Detektoren gelieferten Ausgangssignalen erhalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel des Aufzeichnungs-Magnetkopfes so eingestellt wird, daß die Phasendifferenz zwischen den von den beiden magnetischen Detektoren gelieferten Ausgangssignalen im wesentlichen 180° beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der beiden magnetischen Detektoren auf einem Monitor-Bildschirm wiedergegeben werden und daß der Aufzeichnungs-Magnetkopf unter Überwachung oder Beobachtung der auf dem Monitor-Bildschirm wiedergegebenen Ausgangssignale von Hand gedreht wird.