DE4233331C2 - Anordnung zur Bestimmung von Positionen - Google Patents
Anordnung zur Bestimmung von PositionenInfo
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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 Auswertung
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 Paral
lelität zwischen Maßstabsoberfläche und Lesekopfkante als
auch die Rechtwinkligkeit der Lesekopfebene zur Maßstabs
längsrichtung gleichzeitig einzustellen sind.
Eine Anordnung, die die zuletzt genannten Nachteile einer
Meßanordnung mit vielen Spuren nicht aufweist, wird in der
Patentschrift US 5 036 276 beschrieben. Hier befinden sich
über einer einzigen periodischen Magnetspur mindestens sech
zehn magnetoresistive Schichtstreifen in gleichmäßigem Ab
stand. Die magnetoresistiven Schichtstreifen sind zu minde
stens vier Wheatstone-Brücken zusammenschaltbar, deren Aus
gangssignale sich bei Bewegung der Sensoranordnung gegenüber
dem magnetischen Maßstab periodisch ändern, wobei zwischen
den Ausgangssignalen der vier Brücken jeweils eine Phasendif
ferenz von einem Achtel der Periodenlänge besteht.
In dieser Patentschrift ist zwar die Lage der magnetoresis
tiven Schichtstreifen genau angegeben, wie die Verbindung
derselben zu den Wheatstone-Brücken erfolgt, bleibt jedoch
dem Anwender überlassen. Auf die magnetoresistiven Schicht
streifen wirkt die Horizontalkomponente (parallel zur Ebene
der Magnetspur) des Magnetfeldes des periodischen magneti
schen Maßstabes. Bezüglich dieser Horizontalfeldkomponente
ist die Widerstandsänderung quadratisch. Damit werden die
Brückenausgangssignale bei Bewegung des Sensors gegenüber dem
Maßstab zwar eine periodische, aber keine sinusförmige Orts
abhängigkeit aufweisen. Deshalb ist mit dieser Anordnung eine
hohe Meßauflösung durch Interpolation der Ausgangssignale,
die die Sinusförmigkeit in der Ortsabhängigkeit voraussetzt,
nicht möglich. Mit der angegebenen Anordnung von sechzehn
Schichtstreifen wird eine Auflösung von einem Achtel der
Periodenlänge erreicht. Für eine verbesserte Auflösung ist
mindestens die Verdoppelung der Zahl der Schichtstreifen
erforderlich. Aus geometrischen Gründen wird hier also die
Auflösung stark eingeschränkt bleiben, da mit einer Mindest
breite der Schichtstreifen und der Schichtstreifenabstände zu
rechnen ist.
In der US 4 429 276 wird als Sensor zum Abtasten eines perio
disch magnetisierten Maßstabes ebenfalls die Anordnung von
vielen magnetoresistiven Schichtstreifen in gleichmäßigem
Abstand vorgeschlagen. Diese sind so hintereinander geschal
tet, daß zwei um ein Viertel der Periodenlänge versetzte Span
nungsteiler (oder Halbbrücken) entstehen. Um sinusförmige
Ausgangssignale zu erhalten, wie sie für eine hohe Auflösung
erforderlich sind, wird als Mittel zur Erreichung eines line
aren Zusammenhangs zwischen der horizontalen Feldstärkekompo
nente und der Widerstandsänderung vorgeschlagen, ein konstan
tes Stabilisierungsmagnetfeld anzulegen, das mit der Schicht
streifenlängsrichtung einen Winkel von 45° bildet. Eine kon
krete Anordnung zur Erzeugung dieses Feldes wird jedoch nicht
angegeben. Beim Anbringen von Dauermagneten, die dieses Feld
erzeugen, ergeben sich große Probleme daraus, daß die Feld
richtung mit hoher Genauigkeit eingestellt werden muß, was
einen hohen Zeitaufwand erfordert. Bei Temperaturänderungen
verschiebt sich der eingestellte Arbeitspunkt. Die Sen
sorempfindlichkeit sinkt durch das angelegte Stabilisierungs
feld erheblich ab, so daß der ohnehin eingeschränkte Ab
standsbereich zwischen Sensor und Magnetmaßstab noch weiter
verringert wird.
In der US 4 551 676 wird ebenfalls eine Anzahl von mag
netoresistiven Schichtstreifen, die zu Spannungsteilern ver
schaltet sind, zum Abtasten eines magnetischen Maßstabes
benutzt. Der Maßstab ist hier jedoch nichtperiodisch mag
netisiert. Die magnetischen Bereiche des Maßstabes und die
Abstände der magnetoresistiven Schichtstreifen verkörpern
dasselbe unregelmäßige Muster. Die örtliche Übereinstimmung
der Lage dieser beiden Muster wird mit sehr hoher Genauigkeit
angezeigt. Die Anordnung dient also der Realisierung eines
einzelnen hochgenauen Eichimpulses für eine ganz bestimmte
Position. Zur Messung von beliebigen Strecken mit hoher Auf
lösung ist sie nicht geeignet.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäß vermieden. Bei der
erfindungsgemäßen Anordnung steht die Sensorebene der Ebene
des Maßstabes gegenüber. Es ist keine Präzisionsjustierung
der Lage des Sensors gegenüber dem Maßstab erforderlich, das
betrifft sowohl die Parallelität der Sensor- und der Maß
stabsebene 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 gewährlei
stet, daß auf die Elemente der beiden Brücken relativ un
abhängig von den Justiergrößen immer ein gleiches Magnetfeld
des Maßstabes einwirkt.
Beim Schreiben des magnetischen Maßstabes entstehen ebenfalls
keine Präzisionsanforderungen, da nur eine Spur verwendet
wird und diese ein relativ grobes Raster aufweisen kann.
Temperaturveränderungen wirken sich auf die Funktion der
Anordnung nur in sehr abgeschwächter Weise aus. Da mit der
Anordnung im Betrieb das Verhältnis von zwei Signalen aus
gewertet wird, die von derselben Magnetspur durch zwei durch
die Verschachtelung nur geringfügig versetzte Sensoren gewon
nen 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 Gleich
heit der magnetoresistiven Schichtstreifen einschließlich
ihrer Barberpolstruktur wird auch eine Nullpunktdrift der
Sensorbrücken weitgehend ausgeschlossen.
Durch das hohe Maß an Gleichheit, unter dem die beiden pha
senverschobenen Sensorsignale in der Anordnung gewonnen wer
den, kann mit sehr hoher Genauigkeit interpoliert werden, und
so wird trotz relativ grober Maßstabsstruktur eine hohe Auf
lösung erreicht.
Die Sensoranordnung mit völlig gleichgearteten magnetoresis
tiven Schichtstreifen einschließlich ihrer Barberpolstruktur
führt zu einer völligen Unabhängigkeit der Sensorbrückenausgangssignale
von äußeren Störmagnetfeldern.
Durch die hochleitfähigen Dünnschichtstreifen auf den mag
netoresistiven Schichtstreifen wird die Abhängigkeit des
Widerstandswertes der magnetoresistiven Schichtstreifen von
der Horizontalkomponente des Magnetfeldes des Maßstabes über
einen weiten Bereich linear. Da das Magnetfeld einer perio
disch in abwechselnder Richtung bis zur Sättigung mag
netisierten Maßstabsspur oberhalb eines bestimmten Mindest
abstandes mit sehr hoher Genauigkeit durch eine Sinusfunktion
der Position angegeben werden kann und jetzt durch die linea
re Sensorkennlinie keinerlei Verzerrung der Sinusfunktion
auftritt, ist ein außerordentlich hoher Interpolationsgrad
anwendbar. Es können noch Bruchteile der Periodenlänge mit
Sicherheit angegeben werden, die weit unter einem Tausendstel
derselben liegen. Dieser Umstand ermöglicht es, trotz sehr
hoher Auflösung mit relativ großen Periodenlängen zu arbei
ten. Da die Magnetfeldstärke eines periodischen Magnet
maßstabes mit der Entfernung von der Maßstabsoberfläche expo
nentiell in Einheiten der Periodenlänge abnimmt, wird durch
diese größere Periodenlänge ein erheblich vergrößerter Ab
standsbereich zwischen Maßstab und Sensor zugänglich. Die
Führung des Sensors gegenüber dem Maßstab kann also mit er
heblich vergrößerten Toleranzen gefertigt werden, und eine
hochpräzise Justage ist nicht mehr erforderlich. Größere
Toleranzen ergeben sich auch für die Verkippung und die Ver
drehung des Sensors gegenüber dem Maßstab. Die entsprechenden
zulässigen Fehler können proportional zur Vergrößerung der
Periodenlänge ansteigen.
Durch die vergrößerte Periodenlänge sinken auch bei der Her
stellung des Maßstabes die Anforderungen an die hochpräzise
Längenmessung.
Temperaturerhöhungen führen zwar zu einer Verminderung der
Sensorempfindlichkeit, das wirkt sich jedoch im Ergebnis der
Positionsangabe nicht aus, da nur das Verhältnis der Signale
der beiden gegeneinander versetzten Brücken benutzt wird.
Eine Nullpunktdrift der Brückenausgangssignale bei veränder
ter Temperatur wird durch die völlige Gleichheit der mag
netoresistiven Schichtstreifen einschließlich ihrer Barber
polstruktur und durch die symmetrische Anordnung der mag
netoresistiven Schichtstreifen und aller Verbindungsleitungen
auf dem Sensorchip weitestgehend vermieden. Die symmetrische
Anordnung auf dem Chip ist dabei die Voraussetzung dafür, daß
auch eine Eigenerwärmung durch den Betriebsstrom zu keiner
Drift führt.
Dadurch, daß der Abstand der beiden zu einem Spannungsteiler
gehörenden magnetoresistiven Schichtstreifen nur eine halbe
Periodenlänge beträgt, sind die Brückensignale auf Magnet
felddifferenzen zurückzuführen, die an ein und demselben
Magnetisierungsbereich entstehen. Schwankungen in der Ampli
tude des periodischen Magnetfeldes, die durch örtlich unter
schiedliche Sättigungsmagnetisierung oder unvollständiges
Aufmagnetisieren der Maßstabsspur entstanden sein können,
werden so schon innerhalb der Brücke aufgehoben.
Die einfache Herstellbarkeit der Sensorbrücken ist durch die
Fertigung der Barberpolstruktur und der Verbindungsleitungen
sowie der Anschlußkontakte in einer Ebene gewährleistet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei
spiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merk
male ergeben.
Fig. 1 zeigt im oberen Teil das periodische Magnet
feld 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 Sensor
anordnung dargestellt.
Die Erfindung wird an einem Beispiel erläutert, in dem die
Positionsbestimmungsanordnung aus einem ebenen, geraden
magnetischen 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 (10)
1. Anordnung zur Bestimmung von Positionen mit
periodisch magnetisiertem Maßstab und einem
dagegen beweglichen magnetoresistiven Sensor
(2), dessen Chipebene der Maßstabsebene in
geringem Abstand gegenübersteht, dessen mag
netoresistive Schichtstreifen (11-14; 21-24)
als Wheatstonesche Brücken geschaltet sind und die
quer zur Richtung der Magnetisierung des Maß
stabes verlaufen, und wo vier magnetoresistive
Schichtstreifen (11-14) einer ersten Wheat
stonebrücke jeweils einen Abstand von der Hälf
te der Periodenlänge (6) des Maßstabes haben
und vier magnetoresistive Schichtstreifen (21-24)
einer zweiten Wheatstonebrücke gegen die
der ersten jeweils um ein Viertel der Perioden
länge (6) versetzt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß alle magnetoresistiven Schichtstreifen (11-14,
21-24) mit einer Vielzahl hochleitfähiger
Dünnschichtstreifen (7) in regelmäßigem Abstand
versehen sind, deren Längsrichtung mit der
Längsrichtung der magnetoresistiven Schicht
streifen (11-14, 21-24) gleiche Winkel (8)
bilden.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetoresistiven Schichtstreifen (11
und 12, 14 und 13, 21 und 22, 24 und 23) der
Widerstände jeden Spannungsteilers der Brücken
jeweils im Abstand einer halben Periodenlänge
(6) angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetoresistiven Schichtstreifen (11-14,
21-24), die Anschlußkontakte (3, 4, 5) und
die Verbindungsleitungen dazwischen zur Mittel
linie des Chips symmetrisch angeordnet sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Wheatstonebrücken gemeinsame Be
triebsspannungskontakte (5) aufweisen und daß
die hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (7) und
alle die magnetoresistiven Schichtstreifen (11-14,
21-24) und die Anschlußkontakte (3, 4, 5)
verbindenden Leitschichten durch dieselbe
Schicht gebildet sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß anstelle der einzelnen magnetoresistiven
Schichtstreifen (11-14; 21-24) jeweils mehrere
hintereinandergeschaltete geometrisch parallele
magnetoresistive Schichtstreifen vorhanden
sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußkontakte (3, 4, 5) der Span
nungszuführung der Brücken und der Brückenaus
gänge (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.
7. Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fläche des Chips (2) im Bereich der
Anschlußkontakte (3; 4; 5) gegenüber der restlichen
Chipfläche abgesenkt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Offseteinstellung der Wheatstoneschen
Brücken Abgleichflächen vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Winkel (8) zwischen der Längsrichtung
der magnetoresistiven Schichtstreifen (11-14;
21-24) und der Längsrichtung der hochleitfähi
gen Dünnschichtstreifen (7) kleiner als 45°
ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fläche des Chips (2) in dem Bereich
(9), der dem Maßstab gegenübersteht, eine Ab
deckung trägt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8365 | Fully valid after opposition proceedings | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SENSITEC GMBH, 35633 LAHNAU, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110502 |