DE4208154C2 - Magnetischer Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft magnetische Sensoren, insbesondere einen magne­ tischen Sensor zur Verwendung in einem Positionsdetektor.

Es sind magnetische Sensoren bekannt, bei denen eine Änderung des elektrischen Widerstands ermittelt wird, wenn sich magnetoresistive Ele­ mente relativ zu einer magnetischen Skala bewegen. Die Relativposition oder ein entsprechender Wert wird aus der Änderung des elektrischen Wi­ derstandes gewonnen.

Wie bekannt, enthält ein elektrisches Signal, das aufgrund einer Relativ­ bewegung eines magnetoresistiven Elements (im folgenden als MR-Ele­ ment bezeichnet) erhalten wird, das gegenüber einer magnetischen Skala bewegt wird, die mit konstantem Gitterabstand magnetisiert ist, eine Komponente höherer Ordnung, die eliminiert werden sollte, da sie die Ge­ nauigkeit bei einer Interpolationsverarbeitung stört.

Gemäß dem Stand der Technik wird zum Erniedrigen des Anteils der harmonischen Oberwelle ein magnetischer Sensor 1 vorge­ schlagen, der z. B. aufgebaut ist, wie dies in Fig. 7 darge­ stellt ist.

Wie in Fig. 7 dargestellt, sind auf einem (nicht dargestell­ ten) Substrat im magnetischen Sensor 1 MR-Elemente 4 und 6 einer magnetischen Skala 2 mit einem Gitterabstand λ gegen­ überstehend angeordnet. Diese MR-Elemente 4 und 6 sind mit einem gegenseitigen Abstand λ/12 angebracht, was auch für ein zweites Paar von MR-Elementen 3 und 5 gilt, wobei beide Paare um λ/4 voneinander beabstandet sind, was dazu dient, die harmonische Oberwelle dritter Ordnung zu eliminieren. Der magnetische Sensor 1 ist zwischen eine Spannungsquelle VO und Masse geschaltet. Von der Verbindung zwischen den MR-Elementen 5 und 4 wird eine Ausgangsspannung V1 abgegrif­ fen. Diese wird einem Verstärker 10 zugeführt, der Wider­ stände 8 und 9 sowie einen Operationsverstärker 11 aufweist, wie in Fig. 8 dargestellt. Dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11 wird eine Bezugsspannung VR zugeführt. An seinem Ausgang V2 wird ein sinusförmiges Sig­ nal ausgegeben, wenn der magnetische Sensor 1 relativ zur Längserstreckungsrichtung der magnetischen Skala 2 bewegt wird.

Bei der Anwendung einer solchen magnetischen Skala 2 zur Längenmessung, z. B. im Werkzeugmaschinenbau, ist es erfor­ derlich, daß der magnetische Sensor mit hoher Genauigkeit mißt. Um die Genauigkeit zu erhöhen, muß der Gitterabstand der magnetischen Skala 2 verringert werden. Bei dem gemäß Fig. 7 aufgebauten magnetischen Sensor 1 beträgt die Muster­ breite W1 der MR-Elemente 3 bis 6 wegen verschiedener Be­ grenzungen, wie Empfindlichkeit, Herstellungstechnik der MR-Ele­ mente und dergleichen, mindestens etwa 10 µm. Der Abstand D1 zwischen den Musterkanten benachbarter MR-Elemente (z. B. zwischen den MR-Elementen 3 und 5) beträgt mindestens 5 µm. Dementsprechend hat die Länge λ/12 minimal den folgenden Wert: (λ/12) min = W1+D1 = 15 µm. Infolgedessen kann der Minimalwert λmin des Gitterabstandes λ auf nicht weniger als λmin = 12·(W1+D1) = 180 µm verringert werden.

Zum Erhöhen der Meßgenauigkeit wurde von der Anmelderin be­ reits ein magnetischer Sensor vorgeschlagen, wie er in der japanischen Patentanmeldung 2-1 50 688 beschrieben ist. Ein solcher Sensor wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 9 be­ schrieben.

Wie in Fig. 9 dargestellt, ist ein MR-Element 12 oder ein MR-Element 13 mit kurbelförmigem Teil als magnetisches Sen­ sorelement vorhanden. Die Musterbreiten des kurbelförmigen Teils ist gegenüber derjenigen des geraden Teils entweder vergrößert, oder dieser Teil besteht aus einem leitenden Ma­ terial. Im Beispiel von Fig. 9 kann der Gitterabstand λ ver­ ringert werden, da eine Lücke D2, die der Lücke D1 von Fig. 1 entspricht, auf Null verringert werden kann (D2 = 0).

Wenn bei dem in Fig. 9 dargestellten magnetischen Sensor die Längsrichtung der magnetischen Skala 2 und die Längsrichtung des Musters des magnetischen Sensorelements um einen Azimut­ winkel R1 gegeneinander verdreht werden, sind eine Position, in der eine harmonische Welle im Ausgangssignal V1 minimal ist, und eine Position, in der das Ausgangssignal V1 selbst maximal ist, gegeneinander versetzt, wie dies in den Fig. 10A und 10B dargestellt ist. Es wirkt dann ein Quermagnet­ feld H auf die Gesamtheit der MR-Elemente 12 und 13, was da­ zu führt, daß sich ihr Widerstand erheblich ändert.

Bei tatsächlicher Anwendung bilden MR-Elemente 15 bis 18 einen magnetischen Sensor 14, wie dies in Fig. 11 darge­ stellt ist. Die MR-Elemente 15 bis 18 bilden eine Brücken­ schaltung, an die ein aus Widerständen 19 bis 22 und einem Operationsverstärker 23 bestehender Differenzverstärker 24 angeschlossen ist, wie er in Fig. 12 dargestellt ist. Fig. 13 zeigt das Ausgangssignal von der Schaltung gemäß Fig. 12. Wie aus Fig. 13 erkennbar, sind eine Position (R = -10′), in der das Ausgangssignal V5[V] der Schaltung von Fig. 12 maxi­ mal ist, und eine Position (R = -30′), in der eine harmoni­ sche Störung N/S[dB], wie eine harmonische Störung dritter Ordnung D3A, eine harmonische Störung fünfter Ordnung D5A oder dergleichen minimal sind, gegeneinander relativ in be­ zug auf die Änderung des Azimutwinkels R (in Minuten) ver­ setzt.

Wenn die Anordnungsposition des magnetischen Sensors 14 oder dergleichen relativ zur magnetischen Skala 12 bestimmt wird, erfolgt dies dadurch, daß die Lücke zwischen einem (nicht dargestellten) Kopfhalter, in dem der magnetische Sensor 14 untergebracht ist, und der magnetischen Skala 2 eingestellt wird, was auch durch den Azimutwinkel oder dergleichen er­ folgen kann. Wenn die Lücke, der Azimutwinkel oder derglei­ chen eingestellt werden, um die Anordnungsposition festzule­ gen, erfolgt dies einfach und zuverlässig dadurch, daß die Amplitude des Ausgangssignals V5 unter Beobachtung des Aus­ gangssignals auf einem Oszilloskop maximiert wird.

Wenn die Lücke, der Azimutwinkel oder dergleichen wie vor­ stehend eingestellt werden, fallen die Position (Azimutwin­ kel R), in der der Maximalwert des Ausgangssignals V5 erhal­ ten wird, und die Position (Azimutwinkel R), in der der mi­ nimale Wert der harmonischen Wellen (harmonische Störung dritter Ordnung D3A, harmonische Störung fünfter Ordnung D5A oder dergleichen) nicht zusammen. Wenn dann das Ausgangssig­ nal V5 interpoliert wird, um die Meßgenauigkeit zu erhöhen, entsteht die Schwierigkeit, daß das Erzielen einer hohen Ge­ nauigkeit durch den Einfluß der harmonischen Störungen ziem­ lich erschwert wird.

Ein magnetischer Sensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus dem Dokument JP 2-205 716 (A) bekannt. Es verfügt zur Kompensation thermischer Effekte über zwei gegeneinander geschaltete Sensorpaare mit jeweils zwei magnetoresistiven Elementen, die maximal einen gegenseitigen Abstand von λ/4 einhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Sensor mit hoher Positionsgenauigkeit anzugeben.

Der erfindungsgemäße Sensor ist durch die Merkmale von An­ spruch 1 gegeben. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Gegen­ stand von Anspruch 2.

Dem erfindungsgemäßen Sensor liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Genauigkeit in der Positionsbestimmung erhöht werden kann, wenn Sensorelemente so angeordnet werden, daß die Hauptkomponente im Ausgangssignal gerade dann ihr Maximum einnimmt, wenn Signale von harmonischen Oberwellen gerade minimal sind. Dies wird dadurch erreicht, daß mindestens ein Paar von Sensorelementen vorhanden ist, wobei die Sensorele­ mente in jedem Paar vorgegebene Abmessungen, bezogen auf den Magnetisierungsgitterabstand einer Skala, aufweisen und sie spiegelsymmetrisch in bezug auf eine Linie angeordnet sind, die rechtwinklig zur Längserstreckungsrichtung der Skala steht. Diese symmetrische Anordnung in Zusammenhang mit den genannten relativen Abmessungen sorgt dafür, daß die zu har­ monischen Oberwellen gehörenden Signale gerade minimal wer­ den, wenn das Signal der Grundwelle maximal wird.

Der eben genannte Effekt führt auch zu dem Vorteil, daß beim Ausrichten der Sensorelemente untereinander und zur magneti­ schen Skala lediglich darauf zu achten ist, daß das Signal der Hauptkomponente maximal wird. Die störenden Oberwellen­ signale sind dann automatisch minimal. Dadurch läßt sich der Sensor einfach und zuverlässig justieren.

Die vorstehenden sowie weitere Aufgaben, Wirkungen und Vor­ teile der Erfindungen gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung veranschaulichender Ausführungsbeispiele her­ vor, die unter Bezugnahme auf Zeichnungen erläutert werden, in denen für gleiche oder ähnliche Teile gleiche Bezugszei­ chen verwendet werden. Die Fig. 1 bis 6 betreffen hierbei die eben genannten Ausführungsbeispiele der Erfindung, wäh­ rend die bereits erläuterten Fig. 7 bis 13 den Stand der Technik betreffen.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der Struktur eines mag­ netischen Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Schaltdiagramm einer Ausgangsschaltung, die mit dem magnetischen Sensor des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 1 zusammenwirkt;

Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das dazu dient, das Funktionsprinzip des magnetischen Sensors des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels von Fig. 1 zu erläutern;

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das eine Charakteri­ stik zeigt, wie sie erhalten wird, wenn die in Fig. 3 darge­ stellten Charakteristiken vereinigt werden.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Ausgangscharakteristik des magnetischen Sensors des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 1 abhängig von einer Änderung des Azimutwinkels zeigt;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Struktur eines magnetischen Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Struktur eines bekannten magnetischen Sensors;

Fig. 8 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ausgangsschaltung, die mit dem bekannten magnetischen Sensor gemäß Fig. 7 zu­ sammenarbeitet;

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer Struktur eines anderen bekannten magnetischen Sensors;

Fig. 10A und 10B sind schematische Darstellungen, die dazu dienen, die Funktion des bekannten magnetischen Sensors ge­ mäß Fig. 9 abhängig von einer Änderung eines Azimutwinkels zu erklären;

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung einer Struktur eines weiteren bekannten magnetischen Sensors;

Fig. 12 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ausgangsschaltung, die mit dem bekannten magnetischen Sensor von Fig. 11 zusam­ menwirkt; und

Fig. 13 ist ein Diagramm, das die Ausgangscharakteristik des bekannten magnetischen Sensors gemäß Fig. 11 abhängig von einer Änderung eines Azimutwinkels zeigt.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 beschrieben, in denen Teile, die mit solchen übereinstimmen, wie sie in den Fig. 7 bis 13 verwendet wurden, mit den glei­ chen Bezugszeichen wie dort gekennzeichnet sind, und derar­ tige Teile werden nun nicht mehr im einzelnen beschrieben.

Gemäß Fig. 1 ist eine magnetische Skala 2 mit einem Gitter­ abstand λ in Längsrichtung LX magnetisiert. Ein auf einem Substrat 31 ausgebildeter magnetischer Sensor 32 steht ihr gegenüber. Der magnetische Sensor 32 verfügt über MR-Elemen­ te 35 bis 42, die MR-Teilelemente 35a, 35b; 36a, 36b; 37a, 37b; 38a, 38b; 39a, 39b; 40a, 40b; 41a, 41b und 42a, 42b enthalten, die voneinander um jeweils λ/12 in Längsrichtung LX beabstandet sind und sich in Breitenrichtung WY, recht­ winklig zur Längsrichtung LX, jeweils ausgehend von einer Mittenposition 51 erstrecken. Die MR-Elemente 35 und 36 sind im wesentlichen symmetrische Anordnungen in bezug auf eine rechtwinklig zur Längsrichtung LX verlaufende Mittellinie 52, während Entsprechendes für die MR-Elemente 37 und 38, 39 und 40 sowie 41 und 42 in bezug auf Mittellinien 53, 54 bzw. 55 gilt.

Der magnetische Sensor 32 kann relativ in Längsrichtung LX der magnetischen Skala 2 bewegt werden. Die magnetische Ska­ la 2 und die MR-Elemente 35 bis 42 stehen einander eigent­ lich gegenüber, jedoch sind sie in der Darstellung in verti­ kaler Richtung gegeneinander verschoben, um die Erfindung besser erläutern zu können.

Die MR-Elemente 35 und 36 sind voneinander um (λ/2)·n(n = 1, 2, 3, . . . ) in Längsrichtung LX gegeneinander verschoben, z. B. um λ/2. Entsprechend sind die MR-Elemente 37 und 38 sowie die MR-Elemente 39 und 40 sowie 41 und 42 jeweils um λ/2 gegeneinander versetzt. Die MR-Teilelemente 35a bis 42a sind gegenüber den MR-Teilelementen 35b bis 42b um (λ/2)·(1/2 m) (mit m = 2, s, 4, . . . ), z. B. um λ/12 gegenein­ ander versetzt.

Die MR-Elemente 35 bis 38 sind in Reihe zwischen eine Span­ nungsquelle V0 und Masse geschaltet. Ähnlich sind die MR-Elemente 39 bis 42 in Reihe zwischen die Spannungsquelle V0 und Masse geschaltet.

Der so ausgebildete magnetische Sensor 32 ist als Brücken­ schaltung an einen Differenzverstärker 24 angeschlossen, der über Widerstände 19 bis 22 und einen Operationsverstärker 23 verfügt, wie in Fig. 2 dargestellt. Der Differenzverstärker 24 gibt an einem Ausgang V8 ein Ausgangssignal aus. Die MR-Elemente 35 und 36 bilden ein MR-Element 55′, während die MR-Elemente 37 und 38, 39 und 40 sowie 41 und 42 jeweilige MR-Elemente 56, 57 bzw. 58 bilden.

Die Funktion des vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiels wird nun erläutert.

Es seien die MR-Elemente 35 und 36 betrachtet. Da sie in Längsrichtung LX der magnetischen Skala 2 mit derselben Pha­ se angeordnet sind, wird die Änderungscharakteristik (Aus­ gangscharakteristik) der Spannung über das MR-Element 35 (das MR-Element 36) aufgrund der Widerstandsänderung des je­ weiligen Elementes eine Charakteristik (wie sie als Funktion f(R) und als Funktion f(-R) in Fig. 3 dargestellt ist) sym­ metrisch in bezug auf den Azimutwinkel R (Azimutdrehung des magnetischen Sensors 32 in der in Fig. 1 durch einen Pfeil P angedeuteten Richtung). Im Fall der Azimutrotation erhält die Komponente dritter Ordnung der Spannung über das MR-Ele­ ment 35 (das MR-Element 36) die Charakteristik g. Wenn diese Charakteristiken zusammengesetzt werden, erhält man ein zu­ sammengesetztes Ausgangssignal Y[Y = {f(x)+f(-x)}/2], wie in Fig. 4 dargestellt. Die zusammengesetzte Charakteristik der Komponente dritter Ordnung ändert sich gegenüber der Charakteristik g nicht, so daß die Position, in der das Aus­ gangssignal maximiert wird, und die Position, in der die harmonische Welle (harmonische Welle dritter Ordnung in diesem Fall) minimiert wird, zusammenfallen.

Es sei nun der vorstehend genannte Zusammensetzvorgang ma­ thematisch betrachtet.

Die Ableitung des zusammengesetzten Ausgangssignals nach dem Azimutwinkel R liefert Y′ = {f′(R-f′(-R)}/2. Wenn der Azi­ mutwinkel R, der variabel ist, Null ist (R = 0), ergibt sich Y′ = {f′(0)-f′(0)}/2 = 0. R = 0 liefert also einen Extrem­ wert. Wenn die zweite Ableitung Y′′ des zusammengesetzten Ausgangssignals Y berechnet wird, um den Extremwert zu be­ stimmen, ergibt sich Y′′ = {f′′(R)+f′′(-R)}/2. Da die Funk­ tion f(R) und die Funktion f(-R) beides Funktionen sind, die im Zielgebiet nach oben gekrümmt sind, gilt f′′(R) < 0 und f′′(-R) < 0. Infolgedessen gilt Y′′ < 0. Daher ist das zusam­ mengesetzte Ausgangssignal eine nach oben gekrümmte Funktion mit einem Extremwert bei R = 0.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Ausgangsschaltung wurde die Charakteristik des Ausgangssignals V8 abhängig vom Azimut­ winkel R für einen praktischen Fall gemessen. In diesem Fall war der Rotationsmittelpunkt ein Mittelpunkt 0 (siehe Fig. 1) des auf dem magnetischen Sensor 32 ausgebildeten MR-Ele­ mentmusters; die Ausgangscharakteristik ist in Fig. 5 darge­ stellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich, fällt die Position (R = 0), in der das Ausgangssignal V8 [V] maximal in bezug auf eine Änderung des Azimutwinkels 0 (in Minuten) ist, mit den Positionen (R = 0) zusammen, in denen die Störung drit­ ter Ordnung D3B und die Störung fünfter Ordnung D5B minimal sind.

Wie vorstehend beschrieben, ändern sich beim ersten Ausfüh­ rungsbeispiel das Ausgangssignal V8 und die Störung dritter Ordnung D3B oder dergleichen symmetrisch mit dem Azimutwin­ kel R, so daß die Position, in der der Maximalwert für das Ausgangssignal V8 erhalten wird, im wesentlichen mit der Position, in der der Minimalwert für die harmonische Störung erhalten wird, im wesentlichen zur Übereinstimmung gebracht werden kann. Durch Einstellen der Position des magnetischen Sensors 32 relativ zur magnetischen Skala 2 in solcher Wei­ se, daß beim Betrachten der Signale auf einem Oszilloskop oder dergleichen dafür gesorgt wird, daß das Ausgangssignal V8 maximal wird, erfolgt die Ausrichtung automatisch so, daß harmonische Wellen minimal werden, so daß der magnetische Sensor also zuverlässig und einfach in der gewünschten Posi­ tion angeordnet werden kann.

Fig. 6 zeigt die Struktur eines magnetischen Sensors 61 ge­ mäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Teile, die mit solchen des Sensors von Fig. 1 übereinstimmen, tra­ gen gleiche Bezugszeichen und werden nicht mehr näher be­ schrieben. In diesem magnetischen Sensor 61 sind die MR-Ele­ mente 39 bis 42 in Breitenrichtung WY verschoben, so daß sie unter den MR-Elementen 35 bis 38 in einer Entfernung von λ/4 in Längsrichtung LX verschoben liegen, wodurch ein neues Mu­ ster gebildet wird. Darüber hinaus liegen die MR-Elemente 35 und 36 symmetrisch in bezug auf eine rechtwinklig zur Längs­ richtung LX stehende Mittellinie 52. Die anderen MR-Elemente 37 bis 42 stehen ebenfalls paarweise symmetrisch in bezug auf Mittellinien 53 bis 55.

Mit dem Sensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 6 wird bei Verwenden der Ausgangsschaltung gemäß Fig. 2 im wesentlichen dieselbe Charakteristik (siehe Fig. 5) er­ halten, wie mit dem magnetischen Sensor 32 des ersten Aus­ führungsbeispiels von Fig. 1. Wenn der magnetische Sensor 61 relativ zur magnetischen Skala 2 in solcher Weise einge­ stellt wird, daß das Ausgangssignal V8 maximal wird, steht er automatisch in einer Position, in der die Amplituden har­ monischer Wellen minimal sind. Auch der magnetische Sensor 61 kann daher einfach und zuverlässig in die gewünschte Po­ sition gestellt werden.

Da beim erfindungsgemäßen magnetischen Sensor jeweils zwei MR-Elemente mit MR-Teilelementen voneinander um (λ/2)·(1/2 m) mit (m = 2, 3, 4, . . . ) in Längsrichtung von­ einander beabstandet sind und als im wesentlichen symmetri­ sche Anordnung in bezug auf eine Mittellinie in Längsrich­ tung der Elemente angeordnet sind, wird die Ausgangscharak­ teristik symmetrisch in bezug auf eine Änderung des Azimut­ winkels. Demgemäß kann die Position, in der der Maximalwert des Ausgangssignals erhalten wird, mit der Position, in der der Minimalwert einer harmonischen Welle erhalten wird, im wesentlichen zur Übereinstimmung gebracht werden. Durch Ein­ stellen der Position des magnetischen Sensors relativ zur magnetischen Skala in solcher Weise, daß das Ausgangssignal maximal wird, erfolgt demgemäß automatisch eine Einstellung in eine Position, in der die Amplitude einer harmonischen Welle minimal ist.

Claims (2)

1. Magnetischer Sensor (32, 61), der einer magnetischen Skala (2) gegenüberstehend angeordnet ist, die mit einem Gitterabstand λ in Längsrichtung (LX) magnetisiert ist, wobei der Sensor relativ zur magnetischen Skala in der genannten Längsrichtung verschiebbar ist und er mindestens ein Paar aus zwei magnetoresistiven Elementen (35, 36; . . . ; 41, 42) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden magne­ toresistiven Elemente jedes Paars unter einem gegenseitigen Abstand von (λ/2) · n(n = 2, 3, 4, . . . ) in Längsrichtung ange­ ordnet sind, wobei sie in Breitenrichtung (WY) rechtwinklig zur Längsrichtung verlaufen und wobei jedes magnetoresistive Element aus magnetoresistiven Teilelementen (35a, 35b; . . . ; 42a, 42b) besteht, die gegeneinander um (λ/2)·(1/2 m) (m = 2, 3, 4, . . . ) in Längsrichtung versetzt sind, und wobei die beiden magnetoresistiven Elemente in jedem Paar im wesentli­ chen symmetrisch zu einer in Breitenrichtung verlaufenden jeweiligen Mittellinie (52, 53, 54, 55) angeordnet sind.

2. Magnetischer Sensor (61) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein Paar magnetoresistiver Ele­ mente (40, 41) gegen mindestens ein anderes solches Paar (36, 37) um λ/4 in der genannten Längsrichtung (LX) verscho­ ben ist.