DE4233331A1 - Anordnung zur Bestimmung von Positionen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Bestimmung von linearen oder Drehpositionen, die z. B. für die Steuerung und Regelung vieler Prozesse, beispielsweise im Maschinenbau, in der Feinwerktechnik oder in der Fertigung elektronischer Bauelemente benötigt werden.

Die Nachteile der vielfach eingesetzten optischen Positionsge­ ber werden bereits in den Offenlegungsschriften DE 33 25 353 A1 und EP 0 482 341 A1 herausgestellt. Bei den magnetischen Positionsgebern ist bisher eine wesentliche Einschränkung beim Erreichen höherer Auflösungen dadurch gegeben, daß die Felder periodisch magnetisierter Maßstäbe stark abnehmen und zur Aus­ wertung notwendige Feldstärken nur bis zu einem Maximalabstand vorhanden sind, der der Periodenlänge etwa entspricht. In der DE 33 25 353 A1 wird deshalb eine Anordnung vorgeschlagen, bei der mehrere Maßstabsspuren parallel nebeneinander angeordnet sind, die alle dieselbe Periodenlänge aufweisen, die aber jeweils um einen bestimmten Abstand gegeneinander versetzt sind, der sich aus dem Quotienten der Periodenlänge und der Zahl der Spuren ergibt. Dabei wird die Auflösung um einen Faktor gegenüber einer Einspurenanordnung erhöht, der der Zahl der Spuren entspricht.

Wenn mit dieser Anordnung eine wesentliche Erhöhung der Auflösung und eine wesentliche Vergrößerung der Periodenlänge erreicht werden soll, so muß schon eine erhebliche Zahl von Magnetspuren angewendet werden, woraus sich dann die Notwen­ digkeit des Einstellens eines sehr geringen Versatzes ergibt. Weiterhin ist eine hohe Übereinstimmung der magnetischen Werte des Aufzeichnungsmaterials und der Parameter des Aufzeich­ nungsvorganges erforderlich. Der dazu notwendige Aufwand in der Herstellung des Maßstabes und besonders in der Justierung der Magnetisierungsvorrichtung ist wegen der erforderlichen Präzision außerordentlich hoch. Ebenso hohe Anforderungen bestehen an die Positioniergenauigkeit der Lesekopfanordnung gegenüber dem magnetischen Maßstab, wobei sowohl die Parallelität zwischen Maßstabsoberfläche und Lesekopfkante als auch die Rechtwinkligkeit der Lesekopfebene zur Maßstabslängsrich­ tung gleichzeitig einzustellen sind.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß vermieden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung steht die Sensorebene der Ebene des Maßstabes gegenüber. Es ist keine Präzisionsjustierung der rage des Sensors gegenüber dem Maßstab erforderlich, das betrifft sowohl die Parallelität der Sensor- und der Maßstabs­ ebene als auch den Abstand zwischen beiden und auch den Winkel der Sensorkante zur Maßstabslängsrichtung. Dieser Vorteil ergibt sich aus der Verschachtelung der Anordnung der magnetoresistiven Schichtstreifen ineinander, die gewähr­ leistet, daß auf die Elemente der beiden Brücken relativ unabhängig von den Justiergrößen immer ein gleiches Magnetfeld des Maßstabes einwirkt.

Beim Schreiben des magnetischen Maßstabes entstehen ebenfalls keine Präzisisionsanforderungen, da nur eine Spur verwendet wird und diese ein relativ grobes Raster aufweisen kann.

Temperaturänderungen wirken sich auf die Funktion der Anordnung nur in sehr abgeschwächter Weise aus. Da mit der Anordnung im Betrieb das Verhältnis von zwei Signalen ausgewertet wird, die von derselben Magnetspur durch zwei durch die Verschachtelung nur geringfügig versetzte Sensoren gewonnen werden, wirken sich alle Änderungen der temperaturab­ hängigen Größen in beiden Signalen in gleicher Weise aus und sind im Ergebnis nicht vorhanden. Durch die völlige Gleichheit der magnetoresistiven Schichtstreifen einschließlich ihrer Barberpolstruktur wird auch eine Nullpunktdrift der Sensor­ brücken weitgehend ausgeschlossen.

Durch das hohe Maß an Gleichheit, unter dem die beiden phasenverschobenen Sensorsignale in der Anordnung gewonnen werden, kann mit sehr hoher Genauigkeit interpoliert werden, und so wird trotz relativ grober Maßstabsstruktur eine hohe Auflösung erreicht.

Die Sensoranordnung mit völlig gleichgearteten maneto­ resistiven Schichtstreifen einschließlich ihrer Barber­ polstruktur führt zu einer völligen Unabhängigkeit der Sonsorbrückenausgangssignale von äußeren Störmagnetfeldern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben.

Fig. 1 zeigt im oberen Teil das priodische Magnetfeld eines magnetischen Maßstabes und darunter diesem lagemäßig zugeordnet die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Sensorstruktur.

In Fig. 2 ist die elektrische Verschaltung der magne­ toresistiven Schichtstreifen der Sen­ soranordnung dargestellt.

Die Erfindung wird an einem Beispiel erläutert, in dem die Positionsbestimmungsanordnung aus einem ebenen, geraden magnetische Maßstab, der periodisch in positiver und negativer x-Richtung magnetisiert ist, und aus einem ebenen, mag­ netoresistiven Sensor besteht, und bei dem sich die Flächen des Maßstabes und des Sensors in geringem Abstand parallel gegenüberstehen. Der Sensor ist gegenüber dem Maßstab in x- Richtung beweglich.

Der magnetische Maßstab ist mit der Periodenlänge 6 mag­ netisiert. Das Sensorchip 2 erstreckt sich über mindestens zwei Perioden. Auf ihm befinden sich acht magnetoresistive Schichtstreifen 11-14; 21-24. Diese Schichtstreifen er­ strecken sich über die Länge 9. Über dem Bereich, der durch diese Länge 9 charakterisiert ist, bewegt sich bei Betrieb der Anordnung der magnetische Maßstab in x-Richtung.

Die magnetoresistiven Schichtstreifen 11-14; 21-24 tragen Barberpolstrukturen 7, deren Längsrichtung mit der Längsrich­ tung der Schichtstreifen in allen Fällen den gleichen Winkel 8 bildet.

Die magnetoresistiven Schichtstreifen 11-14 sind in der dargestellten Weise zu einer Wheatstoneschen Brücke verbunden. Die Schichtstreifen 21-24 bilden eine zweite Brücke. Die Verbindungsleitungen zwischen den magnetoresistiven Schicht­ streifen 11-14; 21-24 sind so geführt, daß keine Kreuzungen notwendig sind und also nur eine einzige Verbindungsschicht­ ebene hergestellt werden muß. Beide Brücken werden über dieselben Betriebsspannungskontakte 5 versorgt. Die Aus­ gangsspannungen der Brücken können an den Kontakten 3 bzw. 4 abgegriffen werden. Die Gesamtanordnung der Brücken auf dem Sensorchip 2 ist symmetrisch. Damit sind mögliche Temperatur­ änderungen durch den Betriebsstrom ebenfalls symmetrisch bezüglich der Chipmitte und führen so zu keinem Brückenaus­ gangssignal.

Ein Brückenausgangssignal entsteht durch Einwirkung des Magnetfeldes 1 des Maßstabes. Die magnetoresistiven Schicht­ streifen 11, 12 des ersten Zweiges der ersten Brücken sind genau um eine halbe Periodenlänge 6 des Maßstabes versetzt. Gleiches gilt für den zweiten Brückenzweig der ersten Brücke und auch für die örtliche Anordnung der gesamten zweiten Brücke.

Da das Magnetfeld des Maßstabes an Orten, die um eine halbe Periodenlänge 6 gegeneinander versetzt sind, zwar den gleichen Betrag aber die entgegengesetzte Richtung aufweist, werden die Widerstandswerte der magnetoresistiven Schichtstreifen 11-14; 21-24 in jedem Brückenzweig jeweils gegenläufig zueinander geändert und es kommt zu einem Brückenausgangssignal.

Äußere Magnetfelder bewirken eine gleichartige Widerstandsän­ derung aller Schichtstreifen 11-14, 21-24 und bewirken so kein Brückenausgangssignal.

Die Schichtstreifen 11-14 der ersten Brücke sind gegenüber denen (21-24) der zweiten Brücke um genau ein Viertel der Periodenlänge versetzt angeordnet. Damit entsteht bei Bewegung des Maßstabes gegenüber dem Sensor an den Ausgängen 3 der ersten Brücke eine Spannung, die durch die Sinusfunktion der Strecke, um die der Maßstab verschoben wurde, darstellbar ist, und an den Ausgängen 4 der zweiten Brücke eine Cosinus­ funktion.

Die Auswertung dieser Signale durch inkrementale Zählung, um die Zahl der ganzen Periodenlängen zu ermitteln, um die die Verschiebung erfolgt ist, und durch Interpolation, um zusätzlich den Bruchteil einer Periode zu ermitteln, um die Verschiebung mit weit höherer Genauigkeit angeben zu können, erfolgt nach bekannten Verfahren.

Als Vorteil der hier beschriebenen Anordnung muß erwähnt werden, daß die beiden zur Weiterverarbeitung benötigten Signale an ein und derselben Spur und mit ein und derselben Sensoranordnung gewonnen werden und daß so die völlige Gleichheit ihrer Amplituden gewährleistet ist. Da im Auswer­ teverfahren der Absolutwert der Signale herausfällt, ist der Abstand zwischen Maßstab und Sensor eine unkritische Größe, da er sich für beide Brücken aufgrund ihrer verschachtelten Anordnung immer in gleichem Maße ändert. Dieser Umstand ist auch der Grund dafür, daß mit der hier beschriebenen Anordnung wesentlich höhere Interpolationsgenauigkeiten ermöglicht werden als üblicherweise.

Claims (8)

1. Anordnung zur Bestimmung von Positionen mit einem periodisch magnetisierten Maßstab und einem dagegen beweglichen magnetoresistiven Sensor (2), dessen Chipebene der Maßstabsebene parallel in geringem Abstand gegenübersteht, dessen magnetoresistive Schichtstreifen (11-14, 21-24) quer zur Richtung der Magnetisierung des Maßstabes verlaufen und die als Wheatstonesche Brücken geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß vier magnetoresistive Schichtstreifen (11-14) einer ersten Wheatstonebrücke jeweils einen Abstand von der Hälfte der Periodenlänge (6) des Maßstabes haben und vier magnetoresistive Schichtstreifen (21-24) einer zweiten Wheatstonebrücke gegen die der ersten jeweils um ein Viertel der Periodenlänge (6) versetzt sind und daß alle magnetoresistiven Schichtstreifen (11-14; 21-24) mit einer Vielzahl hochleitfähiger Dünnschichtstreifen (7) in regelmäßigem Abstand versehen sind, deren Längsrich­ tung mit der Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen (11-24; 21-24) gleiche Winkel (8) bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wheatstonebrücken gemeinsame Betriebsspannungs­ kontakte (5) aufweisen und daß die hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (7) und alle die magnetoresistiven Schichtstreifen (11-14; 21-24) verbindenden Leitschichten durch dieselbe Schicht gebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der einzelnen magnetoresistiven Schicht­ streifen (11-14; 21-24) jeweils mehrere hintereinander­ geschaltete geometrisch parallele magnetoresistive Schichtstreifen vorhanden sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (3, 4, 5) der Spannungszuführung der Brücken und der Brückenausgänge (3; 4) alle auf einer Fläche am Rande des Chips (2) angeordnet sind, so daß sie sich einseitig außerhalb des Bereiches (9) befinden, der dem Maßstab gegenübersteht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Chips (2) im Bereich der Kontakt­ flächen (3; 4; 5) gegenüber der restlichen Chipfläche abgesenkt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Offseteinstellung der Wheatstoneschen Brücken Abgleichflächen vorgesehen sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (8) zwischen der Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen (11-14; 21-24) und der Längsrichtung der hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (7) kleiner als 45° ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Chips (2) in dem Bereich (9), der dem Maßstab gegenübersteht, eine Abdeckung trägt.