DE3422328C2

DE3422328C2 - Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung, Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3422328C2
Application number: DE3422328A
Authority: DE
Inventors: Shigekazu Ageo Saitama Nakamura
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1983-06-17
Filing date: 1984-06-15
Publication date: 1986-11-20
Also published as: DE3422328A1; US4649342A; JPS601514A; JPH043483B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger und einem magnetischen Meßfühler oder Sensor sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung. Bei diesem Verfahren wird ein Magnetisierungsmuster auf dem magnetischen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet, und die Relativverschiebung wird mit Hilfe von zumindest zwei magnetischen Detektoren erfaßt, die mit einem vorgegebenen Abstand auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Das gemeinsame Substrat ist relativ zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters schräggestellt oder geneigt, so daß eine gewünschte Phasendifferenz zwischen den von den beiden magnetischen Detektoren erzeugten Ausgangssignalen erhalten wird. Die beiden magnetischen Detektoren sind zu einer Brückenschaltung geschaltet, um ein Meßausgangssignal zu liefern, welches unbeeinflußt von einem Störmagnetfeld ausschließlich die Relativverschiebung wiedergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger und einem magnetischen Meßfühler oder Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs !, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise als Drchstellungsgeber, Linearstellungsgeber usw. einsetzbar.

Bei einem Verschiebungsdetektor mit mehreren Magnetwiderstandselementen bzw. MR-Elementen 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 pimäre Gegenvormagnetisierung bezeichnet. Die JP-AS 37,205/73 beschreibt ein anderes Vormagnetisierungsverfahren, bei dem ein Magnetfeld, das durch einen durch eines der MR-Elemente fließenden Treiberoder 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 Vonnagnetisierungsart wird als sekundäre Gegenvormagnelisierung bezeichnet.

Fig. 1 veranschaulicht ein Schaltbild eines magnetischen Detektors de·· in der genannten JP-AS 37,204/78 beschriebenen Art. Dabei sind zwei auf den jeweiligen Seiten einer Isolierschicf.-t angeordnete Magnetwiderstands- bzw. MR-Elemente MEi und MR2 parallel zueinander zwischen eine Konstantstromquelle Sund Erdoder Massepotential geschaltet, und die Verzweigungen zwischen den beiden MR-Elementen MR 1 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 MEX, die Isolierschicht und das zweite MR-Element MR 2 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 : 'teilt wird, um das erste MR-Elernent 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 MR 2 mit einem gegebenen Leiterzug auszubilden. Da bei diesem Herstellungsverfahren die beiden MR-Elemente MR 1, ME2 aus verschiedenen Magnetwiderstandsschichten geformt werden, ist es ziemlich schwierig, die verschiedenen Eigenschaften, wie spezifischer Widerstand, Widerstands/Temperatur-Koeffizient und Form- oder Konfigurationskoeffizien*., der beiden MR-Elemente jeweils gleich einzustellen.

Da weiterhin die beiden MR-Elemente in getrennten Musterbildungsschritten erzeugt werden, könns-n sich ihre Abmessungen voneinander unterscheiden. Die beiden MR-Elemente des bisherigen magnetischen Detektor, 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 Magnetisierungsrnuster hervorgerufenen Magnetfeld, sondern auch einem vom Motor erzeugten Magnetfeld ausgesetzt. Da es hierbei schwierig ist, ein Signalmagnetfeld von einem Störmagnetfeld zu trennen, verringert sich das Signai/Rauschenverhältnis bzw. -'*:r Rauschabstand des Ausgangssignals unter Verschlechterung der Meßgenauigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Vorrichtung, die ein Magnetfeld auch dann ohne Beeinflussung durch ein Störmagnetfeld genau zu messen oder zu erfassen vermag, wenn sich Eigenschaften, wie Dicke, spezifischer Widerstand, Widerstands/Temperatur-Koeffizienten und dgl., ihrer Elemente ändern, eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Vonichtung und einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Diese Aufgabe wird jeweils durch die in den Patentansprächen 1,9 bzw. 11 angegebenen Merkmale gelöst. Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

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

Fig.2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsl'orm eines magnetischen Detektors zur Verwendung bei einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 (Verschiebungs(größen)meßvorrichtung),

Fig.3 eine Schnittansicht des magnetischen Detektors gemäß F i g. 2,

Fig.4 ein Schaltbild einer Ausführung eines Verbindungsverfahrens bei der Ausführungsform nach F i g. 2,

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Betriebskennlinien der Ausführungsform nach F i g. 2,

F i g. 6 eine schematische Darstellung einer Lagenbeziehung zwischen einem magnetischen Detektor und einem Magnetisierungsmuster,

F i g. 7 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Verbindung zwischen den magnetischen Detekto-

Fig.8 eine schematische Darstellung einer anderen Lagenbeziehung zwischen dem magnetischen Detektor und dem Magnetisierungsmuster bei der Verschiebungs(größen)meßvorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 9 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Verbindung zwischen den magnetischen Detektoren zur Anwendung bei der Anordnung nach F i g. 8,

F i g. 10 eine Fi g. 9 ähnelnde Darstellung noch einer weiteren Verbindungsart,

F i g. 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 Ausgangsspannung,

F i g. 14 und 15 eine Aufsicht bzw. eine Teilschnittansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verschiebungsmeßvorrichtung und

Fig. 16A. 16B, 17A und 17B schematisches Darstellungen zur Erläuterung des Verfahrens nach Fig. 14 und 15.

F i g. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Fig.2 veranschaulich! in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform von magnetischen Detektoren zur Verwendung bei der Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, wobei zur besseren Veranschaulichung eine obere Isolierschicht weggelassen ist Bei dieser Ausführungsform sind vier Magnetwiderstandsoder MR-Elemente Rai, Ra2, RbX und Rb2 vorgesehen, wobei die Elemente RaI, RbI und RaI, Rb2 jeweils durch Musterbildung an derselben Magnetwiderstandsoder MR-Schicht auf jeweils einer Seite von Isolierschichten /A/Sauf einem isolierenden Substrat Sausgebildet worden sind.

F i g. 3 veranschaulicht im Schnitt einen der in F i g. 2 gezeigten magnetischen Detektoren. Dabei ist eine leitfähige Schicht bzw. Leiterschicht Ci mit dem auf dem isolierenden Substrat S ausgebildeten unteren MR-EIement Ra2 über eine durchgehende Öffnung in den Isolierschichten INSi, fNS2 und im MR-EIement Ra\ verbunden, während eine Leiterschicht C2 mit dem unteren MR-Element RaI über eine durchgehende Öffnung in. der Isolierschicht INS 2 verbunden ist.

Gemäß Fig.4 bilden die MR-Elemente Rai, RaZ RbU Rb2 eine Brückenschaltung. Dabei sind die einen Enden der MR-Elemente Rbi, Rb2 an einer Plusklemme einer Spannungsquelle ZTzusammengeschaltet, 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 MR-Elemente Rai, Ra2 sind an der Minusklemme der Spannungsquelle Ezusammengeschaltet. Weiterhin ist ein Verbindungspunkt bzw. eine Verzweigung zwischen den MR-Elementen Ra 1 und Rb 1 mit einer Pluseingangsklemme eines Differentialverstärkers DA verbunden; eine Verzweigung zwischen den MR-Elementen RaI 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 Ausführungsform die sekundäre Vormagnetisierungswirkung groß ist, ist jedes MR-Elcmcnt auf die in F i g. 4 gezeigte Wci· se 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 abwärt gerichteten Vormagnetisierungsfeld -Hb unterworfen sind.

Aufgrund der geschilderten Vormagnetisierung besitzen die MR-Elemente Rai, Rbi und Ra2, Rb2 gemäß Fi g. 5 ze einander symmetrische Betriebseigenschaften. Die Kurve A gemäß Fig.5 veranschaulicht die Betriebseigenschaft bzw. -kennlinie der M R-Elemente Rai, Rbi; wenn dabei ein Eingangsmagnetfeld /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 / auf die durch die Kurve Rn angegebene Weise.

Die beiden magnetischen Detektoren werden mit dem Schrägstellungs- oder Neigungswinkel Θ zu einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung D eines Aufzeichnungsträgers M, auf dem ein Magnetisierung.smuster aufgezeichnet ist, angeordnet. Der Neigungswinkel θ ist so gewählt, daß die Phasendifferenz zwisehen 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 an einen Paar von MR-Elementen Rai, Ra2 anliegenden Magnetfelds stets entgegengesetzt zur Richtung eines Magnetfelds am anderem Paar von M R-Elementen Rbi, Rb2. Dagegen liegt ein durch ein Störsigrial (»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 Störsignalkomponente 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 der Temperatur Tder ersten, erstes und zweites MR-EIement Rai und Rbi bildenden Magnetwiderslandsschicht (magnetoresistive film) mit p\{T), die Dikkc der ersten Magnetwiderstandsschicht mit i|, ein spezifischer Widerstand als Funktion der Temperatur einer zweiten, die MR-Elemente Ra2 und Rb2 bildenden Magnetwiderstandsschicht mit Pi[T), die Dicke der zweiten Magcy^widerstandsschicht mit ti, ein Musterkonfigurationskoeffizient (d. h. Länge/Breite) der MR-Elemente Rill und Ra2 mit ki und ein entsprechender Koeffizient der MR-Elemente Rb\ und Rb2 mit ki bezeichnet sind. Die Widerstandswerte R\ bis R* der MR-Elemente AaI₁ Rbi, Ra2, Rb2 lassen sich dann wie folgt ausdrücken:

R\ = Px(T) ■ k\lt\ Ri = Pi(V ■ Ar₂Zf₁
R₃ = Pi(V ■ k\lh
/?4 = Pi(T) · Ar₂Zf₂

Die unsymmetrische Ausgangsspannung AV, wenn kein zu messendes Magnetfeld anliegt, läßt sich daher durch die folgende Gleichung wiedergeben, worin V₁ für die Spannung der Spannungquelle fsteht:

— y

- K

A:,//, +Ρι(Γ) -Ar₂Zf₁

- κ

P₂(D-Ar₁Zf₂+p₂(D-Ar₂Zf₂
ί Α;, _ /:,

¹ ί A-, + A₂ Ar₁ + /C₂ J

= O.

Aus obiger Gleichung geht hervor, daß selbst im Fall von ρι(Τ)φρι(Τ), ft Φ ti und k\ ^Ar₂ die unsymmetrische Spannung AV stets 0 beträgt und daher die Messung genau und ohne Beeinflussung durch Versatz und temperaturabhängige Drift erfolgen kann.

F i g. 7 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der magnetischen Detektoren für die erfindungsgemäße (Verschiebungsmeß)vorrichtung. Dabei sind ebenfalls zwei magnetische Detektoren, die jeweils aus den MR-Elcmenten Ra\, Ra2 und Rbi, Rb2 bestehen, auf demselben Substrat ausgebildet, das seinerseits unter einem Winkel Θ zu einer Richtung geneigt ist, die senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Magnetmusters bzw. Magnetisierungsmusters verläuft Die Schaltungsanordnung unterscheidet sich dabei jedoch von derjenigen bei der vorher beschriebenen Ausführungsform. Genauer pcsapl: die einen F.nden derMR-F.lemente Ra\ und Rbi siml )·.ΐ'ηΐι*ίιι.Ν:ιιιι an eine Plusklemiue der Spannungsquelk· /:' angeschlossen, während ihre anderen linden jeweils mit einem Hnde 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-EIement aufgrund der sekundären Vormagnetisierungswirkung auf die in F i g. 7 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 A K wie folgt ausdrükken:

AV = K = V,

R* 1

R₁ +Ry R₂ + R₄I

Pi(T)-Wt₂ ρ, (T) ■ Wh +Pi(T) · Ar₁Zz₂

TxIf) ⁼

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 Mschräggestellt bzw. geneigt ist. Bei dieser Ausführungsform sind vier magnetische Detektoren Ua- Udauf dem Substrat Sangeordnet, wobei die magnetischen Detektoren Ua und L/cdie 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°.

F i g. 9 veranschaulicht eine Ausgestaltung einer Verbindung zwischen MR-Elementen RaI, Ra2; Rbi, Rb2; Rd, 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 £ angeschlossen, während ihre anderen En-

den mit den einen Enden der zweiten MR-Elemente Ra2, RbI, Rc2 bzw. Rd2 verbunden sind. Weiterhin sind die anderen Enden der zweiten MR-Elemente an einer Minusklemme der Spannungsquelle E zusammengeschaltet Infolgedessen fließt gemäß F i g. 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, Rc\,

RdX einem in bezug auf die Zeichnungsebene aufwärts gerichteten Vormagnetisierungsfeld + Hb und die MR-Elemente Ra2, Rb2, RdI, RdI einem in bezug auf die Zeichnungsebene abwärts gerichteten Vormagnetisierungsfeld - Hb unterworfen sind. Wenn daher die Verbindung oder Verzweigung zwischen den MR-Elementen Ra\ und Ra2 mit einer Pluseingangsklemme eines ersten Differeruialverstärkers DA 1 und die Verzweigung zwischen den MR-Elementen Rd und Rc2 mit einer Minusklemme des ersten Differentialverstärkers DA 1 verbunden sind, kann ohne Beeinflussung durch das Störmagnetfeld ein A-Phasen-Ausgangssignal, welches nur das vom Magnetisierungsmuster herrührende Magnetfeld darstellt, vom ersten Differentialverstärker DA 1 abgenommen werden. Wenn die Verzweigungen zwischen den MR-Elementen Rb\ und Rb2 sowie zwischen den MR-Elementen Rd\ und Rd2 entsprechend an Plus- bzw. Minuseingangsklemmen eines zweiten Diffsrentialvsrstärksrs DA 2 angeschlossen sind, kann auf ähnliche Weise ohne Beeinflussung durch das Störmagnetfeld ein B-Phasen-Ausgangssignal vom zweiten Differentialverstärker DA 2 abgenommen werden. Da in diesem Fall die Phasendifferenz zwischen den A-Phasen und B-Phasen-Ausgangssignalen 90° beträgt, kann nicht nur die Verschiebungsgröße, 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 ziVauch dann nicht, wenn Film- oder Schichtdicke, Temperaturgang und Konfigurationskoeffizient sich ändern.

Fig. 10 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der (Verschiebungsmeß)vorrichtung, 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. 10 sind eine Spannimgsquelle E und die einzelnen MR-Elemente jeweils in Brückenschaltung angeordnet, wobei die einzelnen MR-Elemente jeweils in Pfeilrichtung von einei.i 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 bzv/. vormagnetisiert. 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 z/Vaufgrund von Unterschieden oder Abweichungen in Dicke, Temperaturgang und Konfigurationskoeffizienten Null. Auf diese Weise ist somit eine genaue Messung der Verschiebungsgröße 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 dirser Neigungswinkel näher betrachtet werden soll.

F i g. 1 \ ist eine schematische Darstellung der Lagen-

beziehung zwischen dem auf einem Aufzeichnungsträger M aufgezeichneten Magnetisierungsmuster und magnetischen Detektoren a, b. Hierbei sei angenommen, daß der Teilungs-Abstand zwischen den beiden magnctischen Detektoren a und b gleich / ist, die Länge jedes magnetischen Detektors I₀ beträgt, der Teilungsabsland 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-

sin0

(I)

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

■GH

(2)

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

(3)

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

2/

sin f. (4)

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

sin² -	Φ	1	- cos Φ
	2		φ
Φ
2

(5)

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

- ζ JL

^Sm 4

JL

·^sin

(6)

Diese Beziehung ist in F i g. 13 veranschaulicht In den

gruph&chcn Darstellungen von Fig. 12 und 13 sind auf der Abszisse die Phasendifferenz Φ 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 F i g. 8 größer als bei der Ausführungsform gemäß Fig.6. Aus diesem Grund wird bevorzugt der Wert Uk 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-EIemente einet Lunge k 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 ausdrücken:

P =

Magnettrommeldurchmesser (d)
Zahl der Muster (N)

> = sin-'

d- Φ 2 ■ N ■ 1

(9)

10

15

20

(7)

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

(8)

Nach obiger Gleichung bestimmt sich der Neigungswinkel 0 wie folgt:

30

35

Die F i g. 12 und 13 geben die nach obiger Gleichung (9) berechnete Größe des Neigungswinkeis Θάπ.

Wie sich ohne weiteres aus Fig. 12 und 13 ergibt, erhält der Neigungswinkel Θ eine äußerst kleine Größe, /.. B. 1,286° bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 0,643" bei der Ausführungsform nach F i g. 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 Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 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 F i g. 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 Ausführungsbeispiel ist eine magnetische Trommel 4i 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. 14 und 15 nicht dargestellten magnetischen Detekioren sind tatsächlichen parallel zur Zeichnungsebene von Fig. 15 auf dem gemeinsamen Substrat 45 angeordnet. Letzteres ist seinerseits an der Tragplatte 46 befestigt, die wiederum mittels Schraubet 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 .V-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 α verdreht wird, kommt der Kopfspalt des Magnetkopfes 49 in eine Lage unter einem Neigungswinkel relativ zur Welle 44 (vgl. F i g. 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 oeiden magnetischen Detektoren auf dem gemeinsamen Substrat 45 gelieferten Ausgangssignaie auf einem Monitor bzw. Bildschirm 53 gemäß F i g. 15 wiedergegeben werden und das Magentisierungsmuster auf der magnetischen Trommel 41 durch Drehen der Drehbühne 51 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 Winke! 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 F i g. 14 strichpunktiert eingezeichneten Löschmagnet kopfes 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 Magnetisierungsmusters relativ zur magnetischen

13

Trommel 41 schraggestellt ist, kann das. Magnetisierungsmuster einfach und schnell unter einem vorbestimmten kleinen Winkel relativ zum gemeinsamen Substrat schraggestellt bzw. geneigt werden. Da weiterhin die den Magnckopf 49 drehbar lagernde Drehbühne 51 für eine Anzahl von Verschiebungsmeßvorrichtungen gemeinsam verwendet werden kann, läßt sich die Magnetmusteraufzeichnung kostensparend durchführen. Beim Ausführungsbeispiel 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.

Während bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die Vormagnetisierung unter Ausnutzung der sekundären gegenseitigen Vormagnetisiertmgswirkung erfolgt, kann auch die primäre gegenseitige oder Gegenvormagnetisierungswirkur-g 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 Vormagnetisierurgsfelds geleitet werden. Während weiterhin die Magnetwiderstandselemente so pjlgeordnet sind, daß eine Film- oder Schichtfläche jedes Magnetwiderstandselements senkrecht zu dem ein aufgezeichnetes Magnetisierungsmuster tragenden Aufzeichnungsträger liegt, ist es auch möglich, die HIm- oder Schichtoberfläche parallel zum Aufzeichnungsträger anzuordnen. Darüber hinaus kann bei den beschriebenen Ausführungsformen die Spannungsqueiie auch entgegengesetzt gepoit sein.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erfassung einer Relatiwerschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger (M). auf dem ein Magnetisierungsmuster längs einer Verschiebungsrichtung (D) 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 {INS) übereinander liegende Magnetwiderstandselemente (Rai, Ra2; RbX, Rb2) aufweist, die mindestens zwei magnetischen Detektoren auf einem gemeinsamen Substrat (5^ angeordnet und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Verschiebungsrichtung (D) gegeneinander versetzt sind und die mindestens zwei Magnetwiderstandselemente (Rai, Aa2; RbX, Rb2) jedes magnetischen Detektors vormagneiisien sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Magnetwiderstandselemente (Rai, Ra2; Rbi, Rb2) in zueinander entgegengesetzten Richtungen vormagnetisiert sind, daß das gemeinsame Substrat (S) relativ zu einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung (D) 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 magnet'· chen Detektoren zu einer Brückenschaltung geschaltet sind, um ei" Ausgangssignal zu liefern, das ohne Beeinflussung durch ein Störmagnetfeld nur das Magnetisierungs^vuster wiedergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat'S^ auf dem die mindestens zwei magnetischen Detektoren vorgesehen sind, in einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung (D) angeordnet ist und daß das Magnetisierungsmuster gegenüber der Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung (D) schräggestellt oder geneigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die mindestens zwei magnetischen Detektoren aufweisende gemeinsame Substrat (S) gegenüber einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung (D) geneigt ist und daß das Magnetisiermuster in einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung (D)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 (S,) so angeordnet sind, daß eine Phasendifferenz zwischen den vom ersten und zweiten magnetischen Detektor gelieferten Ausgangssignalen im wesentlichen 180° beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß erstes, drittes bzw. zweites, viertes Magnetwiderstandselement (Rai, Ra2\ RbX, Rb2) jeweils in Reihe miteinander zwischen Plus- und Minusklemmen einer Spannungsquelle (E) geschaltet sind und daß ein Verbindungspunkt oder eine Verzweigung zwischen erstem und drittem Magnetwiderstandselement (RaX, RbX) sowie eine Verzweigung zwischen zweitem und viertem Magnetwiderstandsclement (Ra2, Rb2) jeweils an Plus- bzw. Minuseingang eines Differcntialvcrstärkers (DA) zur Erzeugung des Ausgangssignales angeschlossen sine! (F ig. 4).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß erstes, zweites bzw.drittes, viertes M:tgnetwiderstandseiement (RaX, Ra2; RbX, Rb2) jeweils in Reihe miteinander zwischen Plus- und Minusklemmen einer Spannungsquelle (E) geschaltet sind und daß ein Verbindungspunkt bzw. eine Verzweigung zwischen erstem und zweitem Magnelwiderstandselernent (RaX. Ra2) bzw. eine Verzweigung zwischen drittem und viertem Magnctwiderstandselement (Rbi, Rb2) jeweils an Plus- bzw. Minuscingang eines Differentialverstärkers (DA) zur Erzeugung des Ausgangssignals angeschlossen sind (F ig-7).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste, zweite, dritte und vierte magnetische Detektoren ( Va, Vb; Vc, Vd) vorgesehen sind, die jeweils erste und zweite, dritte und vierte, fünfte und sechste bzw. siebte und achte Magnetwidcrstandselemenie (RaX, Ra2; RbX, Rb2: RcX, Rc2; RdX, Rd2) aufweisen, die ihrerseits auf dem gemeinsamen Substrat (S) so angeordnet sind, daß eine Phasendifferenz zwischen den von erstem und drittem magnetischen Detektor (Va, Vc) gelieferten Ausgangssignalen und eine Phasendifferenz zwkehen den Ausgangssignalen des zweiten und des vierten magnetischen Detektors(Vb, Vd)\m wesentlichen 180° betragen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß erstes und zweites, drittes und viertes, fünftes und sechstes bzw. siebtes und achtes Magnetwiderstandselement (RaX, Ra2; RbX, Rb2; RcX, Rc2; RdX, Rd2) jeweils in Reihe miteinander zwischen Plus- und Minusklemmen einer Spannungsqueüe (if,¹ geschaltet sind, daß ein Verbindurigspunkt oder eine Verzweigung zwischen erstem und /.weitem Magnetwiderstandselement (Rai, Ra2) sowie eine Verzweigung zwischen fünftel und sechstem Magnetwiderstandselement (RcX. Rc2) jeweils mit Plus- bzw. Minuseingang eines ersten Differentialverstärkers (DA X) zur Lieferung eines ersten Mcßausgangssignals verbunden sind und daß eine Verzweigung zwischen drittem und viertem Magnclwiderstandselement (Rbi, Rb2) sowie eine Verzweigung zwischen siebtem und achtem Magnetwiderstandselement (RdI, Rd2) jeweils an Plus- bzw. Minuseingang einer zweiten Differentialverstärkers (DA 2) zur Lieferung eines zweiten Meßausgangssignals angeschlossen sind, wobei die Phasendifferenz zwischen erstem und zweitem Meßausgangssignal im wesentlichen 90° beträgt (F i g. 9).

9. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung, wobei ein Magnetisierungsmuster auf einem beweglichen Aufzeichnungsträger mittels eines Magnet-Aufzeichnungskopfes aufgezeichnet wird und wenigstens zwei Detektoren aus jeweils mindestens zwei unter Zwischenfügung einer Isolierschicht übereinander liegenden Magnetwiderstandselementen vorgesehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren auf dem gleichen gemeinsamen Substrat (S) vorgesehen werden, das in bezug auf den magnetischen Aufzeichnungsträger (M) derart lagenfest angeordnet wird, daß die Detektoren in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des magnetischen Aufzeichnungsträgers (M) ausgerichtet sind, und daß der Magnet-Aufzeichnungskopf um seine

Achse so gedreht wird, daß die Ausgangssignale von den Detektoren eine wechselseitige Phasendifferenz von etwa 180° haben.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der beiden magnetischen Detektoren auf einem Monitor-Bildschirm wiedergegeben werden und daß der Magnet-Aufzeichnungskopf unter Überwachung oder Beobachtung de" auf dem Monitor-Bildschirm wiedergegebenen Ausgangssignale von Hand gedreht wird.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen in bezug auf eine als Aufzeichnungsträger dienende magnetische Trommel (41) drehbar angeordneten Magnetkopf (49), der über einen impulsgenerator (52) mit einem an einen Motor (47) für die Trommel (41) angeschlossenen Drehstellungsgeber (48) verbunden ist, und durch ein lagefest an einem Tragelement (42) für die Trommel (41) angebrachtes gemeinsames Substrat (45) für Detektoren.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkopf (49) Üaer einen Arm (50) mit einer Drehbühne (51) verbunden ist

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (45) auf einer Tragplatte (46) befestigt ist, die mit dem Tragelement (42) verschraubt ist.