DE3704729A1 - Anordnung zur bestimmung der position und der bewegung von gegenstaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Position und der Bewegung von Gegenständen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist aus der DE-OS 34 47 325.4 bekannt. Die bekannte Anordnung dient als Positionsgeber und weist einen Magnetfelddetektor sowie eine relativ zu diesem bewegbare magnetisierte Einrichtung mit quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden streifenförmigen Abschnitten abwechselnd unterschiedlicher Induktionskonstante auf. Dabei sind magnetische Streifen auf ein Substrat aufgebracht und parallel zur Bewegungsrichtung permanent magnetisiert. Zwischen den magnetisierten Streifen herrscht nun ein Streufeld, von dem die Komponente parallel zur Flächennormalen der Oberfläche des ihm am nächsten liegenden streifenförmigen Abschnitts vom Magnetfelddetektor nachgewiesen wird. Diese Komponente ist direkt über den Kanten der magnetischen Streifen am größten. Bewegt sich nun der Magnetfelddetektor relativ zur magnetisierbaren Einrichtung, erzeugt der Magnetfelddetektor ein periodisches Signal. Bewegt sich der Magnetfelddetektor nicht, erzeugt er ein statisches Signal.

Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist, daß das Meßsignal im Stillstand oder bei geringen Geschwindigkeiten statisch oder relativ niederfrequent ist und die Messung der Position durch eine Gleichspannungsdrift beeinträchtigt werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine empfindliche Anordnung zur Bestimmung der Position und der Bewegung eines Gegenstandes auch für geringe Geschwindigkeiten oder Stillstand zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in der Verwendung der Anordnung als Positionsgeber, bei dem der Magnetfeldsensor auch im statischen Fall ein driftfreies und rauscharmes hochfrequentes Meßsignal liefert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die Fig. 1 bis 6 beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 eine für die erfindungsgemäße Anordnung anwendbare Schaltung schematisch dargestellt,

Fig. 3 ein Teil der magnetisierbaren Einrichtung mit Lagedefinition,

Fig. 4 das Ausgangssignal U _s über der Lage des Magnetfeldsensors relativ zur magnetisierbaren Einrichtung in einem Diagramm aufgetragen,

Fig. 5 modulierte Signale des Magnetfeldsensors über der Zeit aufgetragen, und

Fig. 6 eine Teilabbildung eines zweiten Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist ein Positionsgeber 1 abgebildet, der eine magnetisierbare Einrichtung 2, einen Magnetfeldsensor 3 und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes 30 aufweist.

Die magnetisierbare Einrichtung 2 weist ein para- oder diamagnetisches Substrat 4 aus Glas oder Keramik und darauf parallel angeordnete ferromagnetische, weichmagnetische Streifen 5, die vorzugsweise aus Co₇₂Fe₈B₂₀ mit einer Dicke d = 1 um, einer Breite a = 0,3 mm, einem Abstand b = 0,3 mm und einer Länge l = 1 cm bestehen, auf. Die Streifen 5 können auch andere Abmessungen aufweisen, sie werden durch Aufstäuben oder Aufdampfen aufgebracht. Die Sättigungsmagnetisierung der Streifen 5 beträgt M _s = 1,3 T.

Der Magnetfeldsensor 3 ist aus einem streifenförmigen magnetfeldabhängigen, ferromagnetischen Widerstand 6 und einer damit verbundenen Versorgungsschaltung (siehe auch Fig. 2) aufgebaut. Der Widerstand 6 besteht vorzugsweise aus Ni₈₁Fe₁₉, weist eine Dicke d _R = 100 nm, eine Breite b _R = 0,1 mm und eine Länge l _R = 0,5 cm auf.

Der Widerstand 6 weist ferner eine einachsige Anisotropie mit der leichten Richtung parallel zur Streifenrichtung auf. Die Streifenrichtung des Widerstandes 6 ist auch parallel zu der der Streifen 5. Die Oberflächen 7 der Streifen 5 bilden einen rechten Winkel mit der Oberfläche 8 des Widerstandes 6. Der senkrechte Abstand zwischen den Streifen 5 und dem Widerstand 6 beträgt e = 0,5 mm.

Der Widerstand 6 ist auf einen Träger 9 aus Glas oder Keramik aufgebracht, der als mittlerer Schenkel 9 an ein dreischenkliges Joch 10 angebracht ist. Die beiden äußeren Jochschenkel 11, 12 bilden mit zwei an den äußeren Jochschenkeln 11, 12 angebrachten Erregerspulen 13, 14 die Vorrichtung zur Erzeugung magnetischer Wechselfelder 30. Die beiden äußeren Jochschenkel 11, 12 sind an ihren Enden 15, 16 nach innen gebogen und liegen in einem Abstand A = 1 cm voneinander entfernt. Die Enden 15, 16 weisen den gleichen senkrechten Abstand e = 0,5 mm zu den Streifen 5, wie der Widerstand 4 auf, wodurch der Widerstand 4 auf einer Geraden mit den Enden 15, 16 und genau in der Mitte zwischen den Enden 15, 16 der Jochschenkel 13, 14 liegt. Die beiden äußeren Jochschenkel 13, 14 sind weichmagnetisch und bestehen vorzugsweise aus einer FeSi-Legierung. Zur Stabilisierung der Lage des Widerstandes 6 sind zwischen dem mittleren Jochschenkel 9 und den beiden äußeren Jochschenkeln 11, 12 jeweils ein Distanzstück 17, 18 angebracht. Das durch die Erregerspule 13, 14 erzeugte elektromagnetische Wechselfeld weist eine Frequenz f kleiner als 1 MHz auf, die Feldstärke beträgt an den Enden 15, 16 der äußeren Jochschenkel 13, 14 H = 4000 A/m.

Der Magnetfeldsensor 3 und die äußeren Jochschenkel 13, 14 sind starr miteinander verbunden. Die magnetisierbare Einrichtung 2 und der Magnetfeldsensor 3 sind relativ zueinander beweglich angeordnet. Die relative Bewegungsrichtung S liegt parallel zur Richtung der Flächennormalen der Oberfläche 8 des Widerstandes 6.

Wird nun durch die Erregerspulen 13 und 14 ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, bewirkt dies eine induzierte Magnetisierung der Streifen 5′, die zwischen den Enden 15 und 16 der beiden äußeren Jochschenkel 13, 14 liegen. Die Magnetisierungsrichtung H ist in den betroffenen Streifen 5′ gleichsinnig und verläuft annähernd parallel zur relativen Bewegungsrichtung S. Die magnetisierbare Einrichtung 2 weist im Bereich der magnetisierten Streifen, d. h. zwischen diesen Streifen 5′ und über diesen Streifen 5′ aufgrund der unterschiedlichen Induktionskonstanten von Luft und der Streifen 5′, und aufgrund der Magnetisierung der Streifen 5′ jeweils ein Streufeld zwischen den Streifen 5′ und damit ein periodisches Streufeld über den gesamten magnetisierten Bereich hinweg auf.

Dabei wird vom Magnetfeldsensor 3 nur die Komponente des Streufeldes nachgewiesen, die parallel zur Flächennormalen der Streifen 5 liegt. Das Streufeld oszilliert nun mit der Frequenz f des elektromagnetischen Wechselfeldes und der als Magnetfeldsensor 3 verwendete Widerstand 6 weist wegen seiner quadratischen Kennlinie ein Signal mit der Frequenz 2 f auf, wenn der Positionsgeber eine feste Position einnimmt. Bewegt sich der Magnetfeldsensor 3 und die magnetisierbare Einrichtung 2 nur relativ zueinander, ändert sich die Größe des Streufeldes und damit die des Signals mit der Frequenz 2 f periodisch.

Dieses Signal läßt eine einfache und rauscharme Verstärkung zu. Dieser Vorteil ist besonders bei Magnetfeldsensoren 3 von Vorteil, die auf galvanomagnetische Effekte, wie einem magnetfeldabhängigen Widerstand oder dem planaren Halleffekt beruhen, da diese im Vergleich zu induktiven Magnetfeldsensoren ein sehr schwaches Signal aufweisen.

Zur Positionsbestimmung muß das Signal mit der Frequenz 2 f zunächst gleichgerichtet werden. Hierzu ist in Fig. 2 ist eine dafür notwendige grundlegende Schaltung in den wesentlichen Teilen dargestellt. Der Widerstand 6 wird über eine Konstantstromquelle 19 gespeist, und der Spannungsabfall wird einem Lock-in Verstärker 20 oder einer Schmalbandverstärker-Gleichrichter-Kombination zugeführt. Die Erregerspulen 13, 14 werden über einen Frequenzgenerator 21 mit der Frequenz f und über einen Verstärker 22 versorgt. Über die Erregerspulen 13, 14 wird der Widerstand 5 magnetisch moduliert und liefert aufgrund seiner quadratischen Kennlinie eine Spannungsschwankung mit der Frequenz 2 f. Der Frequenzgenerator 21 ist mit dem Lock-in Verstärker 20 verbunden, so daß der Lock-in Verstärker 20 den Spannungsabfall im Widerstand 6 verstärkt und gleichrichtet und das Ausgangssignal U _s liefert. Das Ausgangssignal U _s wird einer Auswerteschaltung zugeführt. Zur Erzeugung des Ausgangssignals U _s ist es erforderlich, daß die Frequenz f des Frequenzgenerators 21 wesentlich größer ist, als die Frequenz der Spannungsänderung, die durch Bewegung des Widerstandes 5 erzeugt wird.

Die Positionsbestimmung erfolgt in zwei Vorgängen. Dabei wird eine relative Position X zwischen den Streifen 5′ und eine absolute Position Y gemessen, wie es in Fig. 3 abgebildet ist. Zur Bestimmung von Y wird zunächst ein Nullpunkt definiert und anschließend wird die Anzahl der durchlaufenden Maxima (Fig. 4) addiert. Das Maß für die relative Position X ist die Ausgangsspannung U _s , die eine feste Beziehung zu X aufweist.

Äußere magnetische Störfelder können, wenn sie eine Komponente aufweisen, die der Magnetfeldsensor 3 nachweist, eine Fehlfunktion des Positionsgebers 5 bewirken. So kann ein ideales Signal U des Magnetfeldsensors, wie es in Fig. 5 (durchgezogene Linie) abgebildet ist, derart verzerrt werden, daß nur noch jedes zweite Maximum deutlich ausgebildet ist (gestrichelte Linie). Dies führt zu einer falschen Ermittlung der relativen Position X zwischen den Streifen 5 und kann zu einer falschen Ermittlung der absoluten Position X führen. Um diesen Fehlern vorzubeugen, weist der Positionsgeber 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Kompensation von Störfeldern auf.

Der Positionsgeber des zweiten Ausführungsbeispiels ist wie der des ersten, aber mit einem ergänzten Magnetfeldsensor versehen, aufgebaut. Es wird daher beim zweiten Ausführungsbeispiel nun die spezielle Ausführung des verwendeten Magnetfeldsensors beschrieben (Fig. 6). Der weist zunächst wie der des ersten Ausführungsbeispiels einen streifenförmigen Widerstand 23, der auf einen Träger 24 aufgebracht ist und zwei Kontakte 25, 26 zur Stromversorgung des Widerstandes 23 auf. Darüber hinaus ist auf den Widerstand 23 eine Isolationsschicht 27 aufgebracht, die teilweise auch die Kontakte 25, 26 bedeckt, auf der sich eine zusätzliche Leiterbahn 28 befindet. Die Leiterbahn 28 ist auf der Isolationsschicht 27 U-förmig ausgebildet, wobei der Steg 29 parallel zur Längsachse des streifenförmigen Widerstandes 23 angeordnet ist. Wird an die Leiterbahn 28 eine Gleichspannung angelegt, erzeugt der durchfließende Strom im Bereich des Steges 29 ein Magnetfeld, mit dem ein magnetisches Störfeld kompensiert werden kann.

Zur Kompensation eines magnetischen Störfeldes wird die f-Komponente des Ausgangssignals U _s mit einem weiteren Lock-in Verstärker gemessen, um das Vorzeichen und die Größe des Störfeldes zu bestimmen. Die so erhaltene Signalspannung wirkt auf eine Kompensationsschaltung, die eine Spannung an die Leiterbahn 28 anlegt und somit ein kompensierendes magnetisches Feld am Ort des Widerstandes 23 erzeugt. Die Kompensationsschaltung regelt dabei den Wert U _s benachbarter Maxima auf einen einheitlichen Wert.

Störfelder parallel zur Bewegungsrichtung können wegen des starken magnetischen Wechselfeldes vernachlässigt werden. Störfelder parallel zur Streifenrichtung könnten mit einem Halbleitersensor gemessen werden und das gemessene Feld könnte mit einer entsprechenden äußeren Spule im Bereich des Widerstandes 3 kompensiert werden. Die Leiterbahn 28 könnte ebenfalls durch eine Spule ersetzt werden, die den Träger 24 umgibt und somit ein Feld in der entsprechenden Richtung aufweist.

Die magnetisierbare Einrichtung 2 der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist planar ausgebildet und kann einen Teil einer Stange darstellen oder auf einem Körper aufgebracht sein, dessen Position ermittelt werden soll. Prinzipiell können entweder die magnetisierbare Einrichtung 2 und/oder der Magnetfeldsensor 3 dem beweglichen Teil zugehörig sein, es ist aber von Vorteil, die magnetisierbare Einrichtung 2 als beweglichen Teil auszugestalten, da diese keine elektrischen Anschlüsse benötigt.

Aus der Veränderung der Position kann natürlich auch die relative Bewegungsgeschwindigkeit zwischen Magnetfeldsensoren 3 und magnetisierbarer Einrichtung 2 ermittelt werden. Dabei kann die Anordnung zur Bestimmung der Position und der Bewegung eines Gegenstandes auch wenn die magnetisierbare Einrichtung auf ein Rad aufgebracht, oder als Rad ausgebildet ist zur Ermittlung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit des Rades verwendet werden.

Claims (9)

1. Anordnung zur Bestimmung der Position und der Bewegung von Gegenständen, die wenigstens einen Magnetfeldsensor und eine relativ zu diesem bewegbare magnetisierbare Einrichtung aufweist, wobei die magnetisierbare Einrichtung quer zu der Bewegungsrichtung verlaufende, streifenförmige Abschnitte mit abwechselnd unterschiedlichen Induktionskonstanten aufweist, eine Art der streifenförmigen Abschnitte weichmagnetisch ist und der Magnetfeldsensor die Magnetfeldkomponente parallel zur Flächennormalen der Oberfläche des ihm am nächsten liegenden streifenförmigen Abschnitts nachweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (3) am mittleren Schenkel (9) eines dreischenkligen Jochs (10) angebracht ist und die äußeren Schenkel (11, 12) wenigstens eine Spule (13, 14) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes aufweisen, wobei die magnetisierbare Einrichtung (2) bei angelegtem magnetischem Wechselfeld im Bereich des Magnetfeldsensors (3) ein Streufeld erzeugt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (3) als magnetfeldempfindliches Element einen magnetfeldabhängigen, streifenförmigen Widerstand (6) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetempfindliche Element aus ferromagnetischem Material besteht und eine einachsige Anisotropie mit der leichten Richtung parallel zur Längsachse der streifenförmigen Abschnitte der magnetisierbaren Einrichtung (2) aufweist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (3) zwischen den Enden (15, 16) der beiden äußeren Jochschenkel (11, 12) angeordnet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (10) aus weichmagnetischem Material wie FeSi besteht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Jochschenkeln (9, 11, 12) Distanzstücke (17, 18) angeordnet sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetischen Bereiche der magnetisierbaren Einrichtung aus Co₇₂Fe₈B₂₀ bestehen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am mittleren Jochschenkel (9) eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes parallel zur nachzuweisenden Streufeldkomponente angeordnet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (3) als Dünnschichtsensor auf dem mittleren Jochschenkel (9, 24) aufgebracht ist, daß sich auf dem Magnetfeldsensor (3) eine Isolationsschicht (27) befindet und daß darauf eine Dünnschichtleiterbahn (28) zur Erzeugung eines Kompensationsfeldes parallel zur nachzuweisenden Streufeldkomponente angeordnet ist.