DE4208927C2 - Magnetischer Sensor und damit ausgerüsteter Positionsdetektor - Google Patents
Magnetischer Sensor und damit ausgerüsteter PositionsdetektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor, wie er
dazu geeignet ist, als Auslesesensor beim Ablesen einer mag
netischen Skala verwendet zu werden, und wie er in einem Po
sitionsdetektor eingesetzt werden kann, der für eine Werk
zeugmaschine oder dergleichen geeignet ist.
Zum Aufbau eines magnetischen Sensors werden üblicherweise magneto
resisitive Elemente verwendet, die - als Elementgruppen - in Reihe ge
schaltet werden und deren vom Magnetfeld abhängige Widerstände mittels
Brückenschaltungen abgetastet werden (DE 35 17 095 A1, DD 260 773 A1,
JP 63-91 580).
Derartige magnetoresistive Sensoren eignen sich zur
Magnetfeldmessung, zur potentialfreien Strom- und Spannungsmessung,
zur Positions- und Winkelmessung sowie als Schalt- und Regelelemente.
Es wurde ein Positionsdetektor vorgeschlagen, bei dem ein
magnetischer Sensor einer magnetischen Skala gegenüberste
hend angeordnet ist, die mit einem vorgegebenen Gitterab
stand magnetisiert ist. Der Sensor wird relativ zur magneti
schen Skala bewegt, um dadurch die Relativposition oder der
gleichen aus einem elektrischen Signal abzuleiten, das auf
Grundlage der Änderung des magnetischen Felds erzielt wird.
Der Positionsdetektor wird einer Werkzeugmaschine zum Erzie
len einer genauen Bearbeitung verwendet. Bei dieser Anwen
dung oder ähnlichen Anwendungen ist es erwünscht, daß der
Positionsdetektor eine hohe Genauigkeit aufweist, mit einer
Auflösung von etwa 0,1 µm und einer Interpolationsgenauig
keit von etwa 0,8 µm.
Um die vorstehend genannte hohe Genauigkeit zu gewährlei
sten, muß der Gitterabstand, (d. h. die Aufzeichnungswellen
länge) des magnetischen Gitters auf der magnetischen Skala
auf z. B. etwa 80 µm verringert werden, und gleichzeitig muß
eine elektrische Teilung (Interpolation) vorgenommen werden.
Wenn die vorstehend angegebenen Bedingungen erfüllt sind,
muß das Ausgangssignal vom magnetischen Sensor noch die fol
genden drei Erfordernisse erfüllen:
- 1. Das Ausgangssignal sollte ein gering verzerrtes Sinus signal sein. Wenn z. B. die Periode des Ausgangssignals durch 400 geteilt wird, sollte ein Sinussignal vorliegen, dessen Signal/Rausch-Verhältnis etwa 50 bis 60 dB ist.
- 2. Das Ausgangssignal darf keine Änderung einer Gleichspan nungskomponente (im folgenden als Gleichspannungsverschie bung bezeichnet) aufweisen. Wenn überhaupt, ist nur eine ex trem kleine Gleichspannungsschwankung zulässig. Um eine Ge nauigkeit von 1/100 des Gitterabstandes zu erzielen, muß z. B. die Schwankung der Gleichspannungskomponente auf weni ger als 1% der Amplitude verringert werden.
- 3. Die Amplitudenschwankung des Ausgangssignals sollte ört lich oder insgesamt klein sein.
Ein magnetischer Sensor, der die vorstehend genannten drei
Bedingungen erfüllen kann, muß so ausgebildet sein, daß die
Spannungsamplitude seines Ausgangssignals groß ist und die
Verzerrung klein ist, d. h. das Signal/Rausch-Verhältnis
hoch ist. Auch muß eine magnetische Skale, die die oben ge
nannten drei Erfordernisse erfüllen kann, so ausgebildet
sein, daß das elektrische Signalfeld groß, gleichförmig und
einer Sinuswelle sehr ähnlich ist.
Als magnetischer Sensor, der die oben genannten Bedingungen
erfüllen kann, wurde ein solcher vorgeschlagen, der magneto
resistive Elemente (im folgenden der Einfachheit halber als
MR-Elemente bezeichnet) verwendet, die durch Photolithogra
phietechnik hergestellt werden können. Selbst wenn jedoch
MR-Elemente verwendet werden, kann nur geringe Ausgangssig
nalspannung erzielt werden, da mit der Verringerung des Git
terabstandes das von der magnetischen Skala gebildete magne
tische Feld klein wird. Um die Signalausgangsspannung zu er
höhen, muß dann der Abstand zwischen der magnetischen Skala
und dem Magnetsensor verringert werden. Der Abstand muß
z. B. auf etwa 40 µm erniedrigt werden. Er muß darüber hin
aus auf einem konstanten Wert gehalten werden, um die Ampli
tude der Ausgangssignalspannung konstant zu halten.
Ein Material für eine herkömmliche magnetische Skala ist
eine magnetische Legierung wie CuNiFe oder FeCrCo. Diese
magnetische Legierung ist in ihrer Legierungszusammensetzung
vom mikroskopischen Standpunkt her gesehen nicht völlig
gleichförmig, wodurch es nicht möglich ist, ein gleichförmi
ges Magnetteil zu erzielen, was bedeutet, daß es nicht mög
lich ist, entlang der gesamten Länge der magnetischen Skala
eine Magnetfeldverteilung zu erzielen, die sinusförmig ohne
Verzerrung ist. Darüber hinaus ist die Ebenheit der Oberflä
che einer solchen magnetischen Legierung etwa 1 s, mit dem
Ergebnis, daß der Abstand von etwa 40 µm ortsabhängig nicht
konstant gehalten werden kann. Infolgedessen kann die Ampli
tude der erzeugten Signalspannung nicht konstant gehalten
werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen
Sensor und einen Positionsdetektor anzugeben, die sehr ge
naue Ortsmessungen erlauben.
Die Erfindung ist für den Sensor durch die Merkmale von An
spruch 1 und von Anspruch 2 sowie für den Positionsdetektor durch die Merkmale
von Anspruch 3 gegeben.
Der erfindungsgemäße magnetische Sensor zeichnet sich da
durch aus, daß er mindestens zwei Gruppen mit jeweils minde
stens zwei magnetoresistiven Elementen aufweist, wobei die
Elemente in jeder Gruppe in Reihe geschaltet sind und so an
geordnet sind, daß derjenige Effekt auf die Ausgangsspannung
gerade kompensiert wird, der durch einen Temperaturgradien
ten verursacht wird, wie er in einer Richtung rechtwinklig
zur Erstreckungsrichtung der Elemente besteht. Dadurch tritt
praktisch keine Gleichspannungsverschiebung mehr auf, und es
wird ein sinusförmiges Signal konstanter Amplitude mit ge
ringer Verzerrung erhalten.
Der erfindungsgemäße Positionsdetektor verfügt über einen
erfindungsgemäßen Sensor und eine magnetische Skala, die
eine plattierte magnetische Schicht auf einer Basis mit sehr
ebener Oberfläche aufweist.
Weitere Aufgaben, Wirkungen und Vorteile der Erfindung gehen
aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele hervor, wobei auf Figuren Bezug genom
men wird.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung der Struktur
eines erfindungsgemäßen Positionsdetektors;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Anordnung
eines Beispiels eines bekannten Positionsdetektors zeigt;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel
für eine Ausgangsschaltung zeigt, wie sie bei einem herkömm
lichen Positionsdetektor verwendet wird;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung für ein äquivalen
tes MR-Elementmuster beim herkömmlichen Positionsdetektor
gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2;
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das die Temperatur
verteilung von MR-Elementen unter der Bedingung zeigt, daß
der magnetische Sensor stillsteht;
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das die Temperatur
verteilung von MR-Elementen unter der Bedingung zeigt, daß
sich der magnetische Sensor nach links bewegt;
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Temperaturver
teilung von MR-Elementen unter der Bedingung, daß sich der
magnetische Sensor nach rechts bewegt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das dazu dient, den Einfluß zu er
läutern, wie er bei einer Interpolationsverarbeitung durch
eine Gleichspannungsverschiebung hervorgerufen wird, wenn
das sinusförmige Ausgangssignal von der Ausgangsschaltung im
Beispiel gemäß Fig. 1 eine Gleichspannungsverschiebung auf
weist;
Fig. 9A und 9B sind schematische Darstellungen, die Beispie
le für gemessene Gleichspannungsverschiebung bei praktischer
Anwendung zeigen;
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung betreffend einen
Auslesefehler des Positionsdetektors beim Vorhandensein
einer Gleichspannungsverschiebung;
Fig. 11A ist eine schematische Darstellung einer magneti
schen Skala bezogen auf deren Funktion;
Fig. 11B ist eine schematische Darstellung einer Anordnung
eines bekannten magnetischen Sensors;
Fig. 11C ist eine schematische Darstellung eines magneti
schen Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 11D ist eine schematische Darstellung eines magneti
schen Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung für ein Beispiel
einer Ausgangsschaltung für die magnetischen Sensoren der
Fig. 11 und 13;
Fig. 13A ist eine schematische Darstellung einer magneti
schen Skala bezogen auf deren Funktion;
Fig. 13B ist eine schematische Darstellung einer Anordnung
eines bekannten magnetischen Sensors;
Fig. 13C ist eine schematische Darstellung eines magneti
schen Sensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 13D ist eine schematische Darstellung eines magneti
schen Sensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 14A ist eine schematische Darstellung einer magneti
schen Skala bezogen auf deren Funktion;
Fig. 14B ist eine schematische Darstellung einer Anordnung
eines bekannten magnetischen Sensors;
Fig. 14C ist eine schematische Darstellung eines magneti
schen Sensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 14D ist eine schematische Darstellung eines magneti
schen Sensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 14E ist eine schematische Darstellung eines magneti
schen Sensors gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Bevor bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung be
schrieben werden, wird eine Technik erläutert, die eine Vor
aussetzung für diese Ausführungsbeispiele ist, und es werden
Probleme dieser Technik beschrieben. Anschließend werden die
Ausführungsbeispiele besprochen, die diese technischen Pro
bleme lösen können.
Wie aus der perspektivischen Darstellung von Fig. 1 erkenn
bar, verfügt eine magnetische Skala 1 über eine Skalenbasis
2 aus Glas und eine Plattierungsschicht 3, die durch Plat
tieren eines magnetischen Materials auf der Glasskalenbasis
2 hergestellt ist. Die Plattierungsschicht 3 ist mit einem
Gitterabstand λ, z. B. λ = 80 µm magnetisiert. Die so ange
ordnete magnetische Skala 1 ist flach ausgebildet, da die
Oberfläche der Skalenbasis 2 eine Glasoberfläche ist. Auch
die Plattierungsschicht 3 ist flach, da sie auf der flachen
Glasoberfläche ausgebildet ist. Darüber hinaus ist die Plat
tierungsschicht 3 relativ beständig gegen Staub, Schmutz,
Schneidöl und dergleichen, so daß sie hohe Zuverlässigkeit
und Lebensdauer aufweist, wenn sie an einer Werkzeugmaschine
oder dergleichen verwendet wird. Die Plattierungsschicht 3
weist viel bessere Eigenschaften auf als eine Bedeckungs
schicht oder eine aus der Dampfphase abgeschiedene Schicht.
Die Skalenbasis 2 kann auch aus Metall hergestellt sein,
wenn sich damit eine Ebenheit erzielen läßt, die vergleich
bar zu der von Glas ist. Es ist dann jedoch viel Zeit zum
Herstellen erforderlich, wodurch die magnetische Skala sehr
teuer wird. Dementsprechend sei beim folgenden Ausführungs
beispiel angenommen, daß die magnetische Skala 1 eine Glas
skalenbasis 2 und eine Plattierungsschicht 3 aus einem mag
netischen Material auf der Skalenbasis 2 aufweist, wobei die
Plattierungsschicht 3 magnetisiert ist.
Es werden nun technische Probleme beschrieben, die zu lösen
sind, wenn eine magnetische Skala 1 aus Glas verwendet wird.
Technische Probleme werden durch die geringe thermische
Leitfähigkeit der Glasskalenbasis 2 im Vergleich zu einer
metallischen Skalenbasis hervorgerufen. Ein MR-Elementmu
ster, das auf der der magnetischen Skala 1 gegenüberstehen
den Seite in einem magnetischen Sensor 4 ausgebildet ist,
besteht aus einem Widerstand. Im Gebrauch wird dieses aus
einem Widerstand bestehende MR-Elementmuster an eine Span
nung gelegt, wurde Wärme entwickelt wird. Es wird aufgrund
des geringen Abstandes zwischen den einander gegenüberste
henden Oberflächen der magnetischen Skala 1 und des magneti
schen Sensors 4 Wärme auch an die magnetische Skala 1 über
tragen, jedoch führt die schlechte thermische Leitfähigkeit
der magnetischen Skala 1 aus Glas doch zu Schwierigkeiten.
Infolgedessen verschlechtert sich die Wärmeabstrahlungs
eigenschaft des MR-Elementmusters.
Wenn der magnetische Sensor 4 nicht stillgehalten sondern
relativ zur magnetischen Skala 1 bewegt wird, wird daher die
Temperaturverteilung an einzelnen MR-Elementen des MR-Ele
mentmusters verschieden. Dementsprechend führt der Einfluß
der unterschiedlichen Temperaturverteilungen zu Problemen,
die weiter unten im einzelnen besprochen werden.
Wenn die magnetische Skala 1 verwendet wird, wie in Figur
dargestellt, bewegt sich der der magnetischen Skala 1 gegen
überstehende magnetische Sensor 4 gegenüber der Skala in der
durch einen Pfeil L gekennzeichneten Richtung. Der magneti
sche Sensor 4 besteht aus einem auf der Basis ausgebildeten
MR-Elementmuster und steht mit diesem Muster der Plattie
rungsschicht 3 der magnetischen Skala 1 gegenüber. Der Ab
stand zwischen den Oberflächen des MR-Elementmusters und der
magnetischen Skala, d. h. der Plattierungsschicht 3 ist etwa
40 µm.
Der magnetische Sensor 4 ist an eine Spannungsquelle V0 und
an eine Massespannung über ein flexibles Substrat 5 ange
schlossen, und er erzeugt, hervorgerufen durch die Änderung
des Widerstandswertes des MR-Elements, eine Ausgangsspannung
über das flexible Substrat 5. Beim Beispiel weist die Span
nungsquelle V0 eine Spannung von 5 V (V0 = 5 V) auf.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein MR-Elementmuster, wie es
auf einem magnetischen Sensor 4 in Anpassung an den Gitter
abstand (Aufzeichnungswellenlänge) λ der magnetischen Skala
1 ausgebildet ist.
Dieses MR-Elementmuster weist vier MR-Elementgruppen 10 bis
13 auf, die jeweils MR-Elemente 10A bis 10D, 11A bis 11D,
12A bis 12D bzw. 13A bis 13D aufweisen. Die MR-Elementgrup
pen 10 bis 13 bilden das MR-Elementmuster, so daß dann, wenn
eine Ausgangsschaltung an diesen magnetischen Sensor 4 oder
an das MR-Element angeschlossen wird, wie dies z. B. in Fig.
3 dargestellt ist, eine sehr kleine Änderung der magneti
schen Aufzeichnungsinformation in der magnetischen Skala 1
im Ausgangssignal V3 gemittelt wird, was von Vorteil ist,
wenn der magnetische Sensor hohe Genauigkeit aufweisen soll.
Der Differenzverstärker gemäß Fig. 3 weist Widerstände 16
bis 21 und einen Operationsverstärker 22 auf.
Das in Fig. 2 dargestellte MR-Elementmuster kann äquivalent
gemäß Fig. 4 dargestellt werden. Z. B. sei angenommen, daß
das MR-Elementmuster 10 in der Mitte der MR-Elemente 10A bis
10D in der Längsrichtung L existiert. Es sind dann benach
barte MR-Elementgruppen, d. h. die MR-Elementgruppen 10 und
11, um {(n/2) + (1/4)} . λ voneinander entfernt, mit n = 0,
1, 2, ..., wobei n normalerweise zwischen 6 und 8 gewählt
wird. Da der Gitterabstand 80 µm (λ = 80 µm) ist, sind be
nachbarte MR-Elementgruppen, d. h. die MR-Elementgruppen 10
und 11 an Positionen ausgebildet, die voneinander um etwa
300 µm beabstandet sind.
Es wird nun die Temperaturverteilung des so angeordneten und
ausgebildeten magnetischen Sensors 4 beschrieben. Hierfür
sei angenommen, daß die magnetische Skala 1, die in Fig. 5
mit 21 bezeichnet ist, nicht magnetisiert ist. Wenn der mag
netische Sensor 1 noch stillsteht, ist die Temperatur der
MR-Elementgruppen 10 bis 13 konstant auf einer Bezugstempe
ratur T0, wie in Fig. 5 dargestellt. Wenn dagegen der magne
tische Sensor 4 in der durch den Pfeil LL in Fig. 6 gekenn
zeichneten Richtung bewegt wird, wird die Temperatur der MR-
Elementgruppe 10 vorne in Bewegungsrichtung am meisten er
niedrigt, während die Temperaturen der folgenden MR-Element
gruppen 10 bis 13 in dieser Reihenfolge zunehmen. Wenn der
magnetische Sensor 4 in Gegenrichtung bewegt wird, wie dies
durch den Pfeil LR in Fig. 7 angedeutet ist, wird die Tempe
raturverteilung gerade umgekehrt zu der von Fig. 6.
Eine Differenzspannung ΔV3 der Ausgangsspannung V3 (siehe
Fig. 3), wie sie erzeugt wird, wenn der magnetische Sensor 4
in Richtung des Pfeiles LL bewegt wird, kann durch folgende
Gleichung ausgedrückt werden, wobei berücksichtigt wird, daß
das MR-Element einen positiven Temperaturkoeffizienten auf
weist:
DV3 = -ΔV2-(+ ΔV1) = -(ΔV1 + ΔV2) < 0 ... (1),
wobei ΔV1 und ΔV2 die Differenzspannungen der Ausgangsspan
nungen V1 bzw. V2 (siehe Fig. 4) sind.
Wenn dagegen der magnetische Sensor 4 in der durch den Pfeil
LR gekennzeichneten Richtung bewegt wird, ergibt sich eine
Differenzspannung ΔV3' der Ausgangsspannung V3', die durch
die folgende Gleichung (2) gegeben ist:
ΔV3' = ΔV2'-(-ΔV1') = ΔV1' + ΔV2' < 0 ... (2).
Die Differenzspannung im Ausgangssignal wird also, wenn der
magnetische Sensor 4 in den jeweiligen Richtungen bewegt
wird, d. h. die sogenannte Gleichspannungsverschiebung δV,
wird damit etwa verdoppelt, d. h. ΔV3 ist durch die folgende
Gleichung gegeben:
δV = ΔV3-ΔV3' = 2ΔV3 ... (3).
Wenn das Ausgangssignal V3 in einer Interpolationsverarbei
tung verarbeitet wird, wie in Fig. 8 dargestellt, ändert
diese Gleichspannungsverschiebung δV das Tastverhältnis der
Rechtecksignale S1, S2, die mit einem Schwellenpegel Vth ge
formt werden, um einen Bezugswert für die Interpolationsver
arbeitung zu bilden, wobei die Änderung von 1 : 1 (a = b) in
sich verringernder Richtung (a = b) geht, was dazu führt,
daß der Interpolationsfehler vergrößert wird.
Diese Gleichspannungsverschiebung δV muß kleiner als 1% der
Amplitude des Ausgangssignals V3 sein, um eine Genauigkeit
{(Genauigkeit = λ/100) = 80 µm/100 = 0,8} von etwa 1/100 des
Gitterabstandes λzu erzielen. Darüber hinaus sollte die
Gleichspannungsverschiebung δV kleiner als 300 µV sein, da
die Minimalamplitude des Ausgangssignals V3 auf etwa 30 mV
festgelegt ist.
Wenn der magnetische Sensor 4 bei der tatsächlichen Anwen
dung entlang einer magnetisierten Skala 1 bewegt wird, wie
in Fig. 9B dargestellt, wird beobachtet, wenn er einmal in
der Richtung LL, und auch in der Gegenrichtung LR bewegt
wird, daß die Gleichspannungsverschiebung δV 800 µV (δV =
800 µV) erreicht. Fig. 9A zeigt die Signalform, wie sie mit
einem Oszilloskop beobachtet wird, und Fig. 9B zeigt die
Signalform, wie sie durch Verarbeiten der Signalzüge von
Fig. 9A mit einem Tiefpaßfilter erhalten wird, um die
Gleichspannungskomponente zu beobachten. Die dunklen Ab
schnitte in Fig. 9A repräsentieren das sinusförmige Aus
gangssignal der Ausgangsspannung V3 (beobachtet, wie in Fig.
9A dargestellt, da die Zeitachse lang ist im Vergleich zu
einer Sinuswellenperiode).
Wenn bei der tatsächlichen Anwendung eine geeignete Interpo
lationsverarbeitung ausgeführt wird, um den Auslesefehler in
Richtung LL auf "1" zu normalisieren, wie in Fig. 10 darge
stellt, erreicht der Auslesefehler in LR-Richtung eine Größe
des etwa 5,8-fachen.
Der Grund, daß dieser Auslesefehler auftritt, ist der, daß,
wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt, dann, wenn der magneti
sche Sensor über die magnetische Skala 1 bewegt wird, er
Temperaturgradienten relativ zur Längenrichtung L (LL, LR)
aufweist. Dementsprechend ist das technische Problem zu lö
sen, die Temperaturgradienten zu verringern oder auszu
schließen.
Es werden nun Ausführungsbeispiele beschrieben, mit denen
sich die vorstehend genannten technischen Probleme lösen
lassen. Bei den folgenden Ausführungsbeispielen sind Teile,
die solchen von Teilen der Fig. 1 bis 10 entsprechen, mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet, und sie werden im fol
genden nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Fig. 11A zeigt die Struktur einer magnetischen Skala 1, die
mit dem Gitterabstand λ magnetisiert ist; Fig. 11B zeigt die
Struktur eines magnetischen Sensors 31 gemäß dem Stand der
Technik; Fig. 11C zeigt eine Struktur eines magnetischen
Sensors 32 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin
dung; Fig. 11D zeigt eine Struktur eines magnetischen Sen
sors 33 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin
dung.
Der in Fig. 11C dargestellte magnetische Sensor 32 verfügt
über zwei MR-Elementgruppen 35 und 36, die in Reihe geschal
tet sind, mit vier MR-Elementen 35A bis 35D und vier MR-Ele
menten 36A bis 36D, die jeweils in Reihe geschaltet sind.
Die vier MR-Elemente 35A bis 35D und die vier MR-Elemente
36A bis 36D sind jeweils parallel zueinander in einer Rich
tung W rechtwinklig zur Längsrichtung L im wesentlichen sym
metrisch in bezug auf eine Mittellinie 37 angeordnet, die in
der oben genannten Parallelenrichtung W verläuft.
Der in Fig. 11D dargestellte magnetische Sensor 33 verfügt
über zwei MR-Elementgruppen 35 und 36, die in Reihe geschal
tet sind, welche zwei MR-Elementgruppen 35 und 36 über vier
MR-Elemente 35A bis 35D bzw. vier MR-Elemente 36A bis 36D
verfügen, die in Reihe geschaltet sind. Die vier MR-Elemente
35A bis 35D und die vier MR-Elemente 36A bis 36D sind paral
lel zueinander abwechseln in der Parallelenrichtung W ange
ordnet. Der magnetische Sensor 33, ein Überkreuzungsbereich
des MR-Elementes und ein Leiter, d. h. ein Überkreuzungsbe
reich 39, können als Zweischichtstruktur mit einem Isolier
teil ausgebildet sein (in Fig. 11D nicht dargestellt).
Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Ausgangs
schaltung der magnetischen Sensoren 32 und 33 gemäß den Fig.
11C bzw. 11D. In der Ausgangsschaltung gemäß Fig. 12 können
die Widerstandswerte von Widerständen 40 und 41 zugehörig zu
Werten für die MR-Elementgruppen 35, 36 gewählt sein.
Die Fig. 13A bis 13D sind schematische Darstellungen für an
dere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Fig. 13A zeigt die
Struktur einer magnetischen Skala 1, die mit dem Gitterab
stand λ magnetisiert ist; Fig. 13B zeigt die Struktur eines
bekannten magnetischen Sensors 53; Fig. 13C zeigt die Struk
tur eines magnetischen Sensors 54 gemäß einem dritten Aus
führungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 13D zeigt die
Struktur eines magnetischen Sensors 55 gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der in Fig. 13C dargestellte magnetische Sensor 54 verfügt
über zwei MR-Elementgruppen 35, 36, die in Reihe geschaltet
sind und jeweils zwei MR-Elemente 35A, 35D bzw. 36A, 36D
aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Diese zwei MR-Ele
mente 35A, 35D sowie 36A und 36D sind parallel zueinander in
der Parallelenrichtung W angeordnet, wobei sie im wesent
lichen symmetrisch zu einer Mittellinie 56 stehen, die pa
rallel zur Parallelenrichtung W liegt.
Der in Fig. 13D dargestellte magnetische Sensor 55 verfügt
über zwei MR-Elementgruppen 35, 36, die in Reihe geschaltet
sind und die zwei MR-Elemente 35A, 35D bzw. 36A, 36D aufwei
sen, die in Reihe geschaltet sind. Die zwei MR-Elemente 35A,
35D und die zwei MR-Elemente 36A, 36D sind parallel zueinan
der abwechselnd in der Parallelenrichtung W angeordnet.
Die in Fig. 12 dargestellte Schaltung wird als Ausgangs
schaltung für die magnetischen Sensoren 54, 55 der Fig. 13C,
13D verwendet.
Die Fig. 14A bis 14D sind schematische Darstellungen weite
rer Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei Fig. 14A die
Struktur einer magnetischen Skala 1 zeigt, die mit dem Git
terabstand λ magnetisiert ist. Fig. 14B zeigt die Struktur
eines bekannten magnetischen Sensors 63. Fig. 13C zeigt die
Struktur eines magnetischen Sensors 64 gemäß einem fünften
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 14D zeigt die Struk
tur eines magnetischen Sensors 65 gemäß einem sechsten Aus
führungsbeispiel der Erfindung. Fig. 14E zeigt die Struktur
eines magnetischen Sensors 66 gemäß einem siebten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung.
Der in Fig. 14C dargestellte magnetische Sensor 64 verfügt
über zwei MR-Elementgruppen 10, 11, die in Reihe geschaltet
sind, und zwei MR-Elementgruppen 12, 13, die ähnlich in Rei
he geschaltet sind. Diese MR-Elementgruppen 10 bis 13 weisen
vier Sätze von MR-Elementen 10A bis 10D, 11A bis 11D, 12A
bis 12D und 13A bis 13D auf, die jeweils in Reihe geschaltet
sind.
Die vier MR-Elemente 10A bis 10D und die vier MR-Elemente
11A bis 11D sind parallel zueinander in der Parallelenrich
tung W so angeordnet, daß sie im wesentlichen symmetrisch zu
einer Mittellinie 47 werden, die parallel zur Parallelen
richtung W verläuft. In entsprechender Weise sind die vier
MR-Elemente 12A bis 12D und die vier MR-Elemente 13A bis 13D
parallel zueinander in der Parallelenrichtung W angeordnet,
wobei sie im wesentlichen symmetrisch zu einer Mittellinie
48 parallel zur Parallelenrichtung W stehen.
Der in Fig. 14D gezeigte magnetische Sensor 65 unterscheidet
sich vom magnetischen Sensor 64 gemäß Fig. 14C nur dadurch,
daß die MR-Elementgruppen 11 und 13 im wesentlichen gegen
einander vertauscht sind.
Der in Fig. 14E dargestellte magnetische Sensor 66 kann ein
solcher sein, bei dem magnetische Sensoren 33 gemäß Fig.
11D, die voneinander um (2 + (1/4))λ in Längsrichtung L von
einander beabstandet sind, parallel zueinander mit einem Ab
stand (1/4)λ angeordnet sind.
Ausgangsschaltungen für die magnetischen Sensoren 64 bis 66
der Fig. 14C bis 14E können entsprechend aufgebaut sein wie
die Ausgangsschaltung von Fig. 3.
Wenn der magnetische Sensor aufgebaut wird, wie in Fig. 14C
dargestellt, d. h. wenn die MR-Elementgruppen 10, 12 an im
wesentlichen derselben Position in Längsrichtung L angeord
net werden, und auch die MR-Elementgruppen 12 und 13 an der
selben Position in Längsrichtung L im magnetischen Sensor 4
gemäß den Fig. 5 bis 7 angeordnet werden, oder die MR-Ele
mentgruppen 10, 13 und die MR-Elementgruppen 11, 12 an im
wensentlichen denselben Positionen in Längsrichtung L ange
ordnet werden, wie in Fig. 14D dargestellt, entstehen MR-
Elementmuster, deren Temperatureffekt im wesentlichen kom
pensiert werden kann. Wenn ein so ausgebildeter magnetischer
Sensor 64 entlang der magnetischen Skala 1 bewegt wurde und
diese Signalform des Ausgangssignals V3 mit dem Oszilloskop
beobachtet wurde, wurde der in Fig. 9B dargestellte Gleich
spannungsverschiebewert δV im wesentlichen auf Null verrin
gert.
Wenn der Auslesefehler in Richtung LL durch einen geeigneten
Interpolationsprozeß auf "1" normalisiert wird, ergab sich
für den Auslesefehler in Richtung LR ähnlich eine Multipli
kation mit 1 (unter der Bedingung, daß sich die Charakteri
stik für die Richtung LR mit derjenigen für die Richtung LL
gemäß Fig. 10 überlappt). Wenn die magnetischen Sensoren
aufgebaut waren, wie in den Fig. 14C bis 14E dargestellt,
konnte der örtliche Fehler in der Auslesefehlercharakteri
stik in Längenrichtung der magnetischen Skala 1 erheblich
verringert werden.
Im wesentlichen ähnliche Meßergebnisse wurden mit den magne
tischen Sensoren 32, 33, 54 und 55 gemäß den Fig. 11C, 11D,
13C bzw. 13D erhalten.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei den erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispielen eine glatte Oberfläche der magneti
schen Skala 1 erhalten, da diese durch Magnetisieren einer
Plattierungsschicht 3 gebildet wird, die auf einer Glasska
lenbasis 2 ausgebildet ist. Da darüber hinaus ein MR-Ele
mentmuster, bei dem Temperaturkompensation möglich ist, aus
gebildet ist, wie dies durch den magnetischen Sensor 32 oder
ähnliche dargestellt ist, weist das sinusförmige Ausgangs
signal V3 relativ kleine Signalverformung und konstante Am
plitude auf. Darüber hinaus kann ein Positionsdetektor er
halten werden, bei dem die Gleichspannungsverschiebung im
Ausgangssignal V3 vernachlässigbar klein ist (d. h. mit dem
Oszilloskop kaum beobachtbar, selbst wenn der magnetische
Sensor in Gegenrichtung über die magnetische Skala bewegt
wird. Bei diesem Positionsdetektor kann eine Auflösung von
0,1 µm und eine Interpolationsgenauigkeit von 0,8 µm erzielt
werden.
Wie ausgeführt, sind beim erfindungsgemäßen magnetischen
Sensor zwei MR-Elementgruppen, von denen jede mindestens
zwei MR-Elemente aufweist, so angeordnet, daß sie symme
trisch zu einer gemeinsamen Mittellinie liegen, wodurch
dann, wenn der magnetische Sensor relativ zur magnetischen
Skala bewegt wird, Temperaturdifferenzen in den MR-Elementen
kompensiert werden, wodurch ein Sinussignal konstanter Am
pitude mit geringer Verzerrung vom magnetischen Sensor aus
gegeben wird.
Beim erfindungsgemäßen Positionsdetektor ist ein magneti
sches Material auf die ebene Oberfläche einer Skalenbasis
aus Glas oder dergleichen aufgebracht, und ein magnetischer
Sensor ist dieser magnetischen Skala gegenüberstehend ange
ordnet, bei der die Plattierungsschicht mit konstantem Git
terabstand magnetisiert ist. In diesem magnetischen Sensor
sind mindestens zwei MR-Elemente, die jeweils zwei MR-Ele
mentgruppen bilden, symmetrisch in bezug auf eine gemeinsame
Mittellinie der zwei MR-Elementgruppen angeordnet. Daher
kann der Abstand zwischen dem magnetischen Sensor und der
magnetischen Skala im wesentlichen konstant gehalten werden.
Auch wenn der magnetische Sensor in Gegenrichtung in bezug
auf die magnetische Skala bewegt wird, können Temperaturun
terschiede in den MR-Elementen kompensiert werden, mit dem
Ergebnis, daß der magnetische Sensor ein Sinussignal kon
stanter Amplitude mit geringer Signalverformung ausgibt.
Claims (3)
1. Magnetischer Sensor (32; 54; 64; 65) mit mindestens zwei Elementgrup
pen (35, 36; 10 bis 13) mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten magne
toresistiven Elementen (35A bis 35D; 35A, 35D; 10A bis 10D); dadurch gekenn
zeichnet, daß alle magnetoresistiven Elemente in bezug auf ihre Längsrichtung
parallel zueinander angeordnet sind und daß die Elemente von jeweils zwei der
Elementgruppen jeweils symmetrisch in bezug auf eine gemeinsame Mittellinie
(37; 56; 47) angeordnet sind.
2. Magnetischer Sensor (33; 55; 66) mit mindestens zwei Elementgruppen
(35, 36; 10 bis 13) mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten magnetore
sistiven Elementen (35A bis 35D; 35A, 35D; 10A bis 10D), dadurch gekenn
zeichnet, daß alle magnetoresistiven Elemente in bezug auf ihre Längsrichtung
parallel zueinander angeordnet sind und daß die Elemente von jeweils zwei der
Elementgruppen nebeneinander abwechselnd angeordnet sind.
3. Positionsdetektor mit einem magnetischen Sensor nach An
spruch 1 oder 2, mit:
- 1. - einer magnetischen Skala (1), die in Längsrichtung mit einem konstanten Gitterabstand magnetisiert ist und
- 2. - dem magnetischen Sensor (32, 33, 54, 55, 64, 65, 66), der der magneti schen Skala gegenüberstehend angeordnet ist und gegenüber dieser in der ge nannten Längsrichung verschiebbar ist, wobei
- 3. - die magnetische Skala aus einer Skalenbasis (2) aus Glas oder einem an deren Material mit ebener Oberfläche besteht, auf welcher Basis eine Plattie rungsschicht (3) durch Aufplattieren eines magnetischen Materials aufgebracht ist, die mit dem genannten konstanten Gitterabstand magnetisiert ist.
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