DE4233331C2 - 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 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.