DE19729312A1

DE19729312A1 - Absolutes magnetisches Längenmeßsystem

Info

Publication number: DE19729312A1
Application number: DE1997129312
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Dettmann; Uwe Loreit
Original assignee: INST MIKROSTRUKTURTECHNOLOGIE
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1999-01-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur absoluten Positionsmessung mit einem magnetischen Maßstab und einer dagegen in Längsrichtung beweglichen Sensoranordnung, die zur präzisen Ermittlung von Abständen in gerader Linie oder auf gekrümmten, z. B. kreisförmigen Linien, dient. Solche Messungen werden in zunehmendem Maße im Maschinen- und Automobilbau, in der Feinwerktechnik und der Halbleiterfertigung erforderlich.

Anordnungen zur Bestimmung der Absolutposition mit Magnetfeldsensoren sind bekannt. So wird in der Patentschrift DE 36 11 469 C2 eine Anordnung beschrieben, bei der sich ein mit einem Dauermagneten markiertes Teil gegenüber einer Magnetfeldsensoranordnung bewegt. Die Magnetfeldsensoren stellen die jeweilige Position des Magneten fest. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß bei großen Strecken der Positionsveränderung eine sehr große Anzahl von Sensoren gebraucht wird, da die gesamte Meßstrecke mit Sensoren in geringem Abstand ausgerüstet sein muß.

Eine andere Anordnung, die mit weniger Sensoren auskommt, ist in der Patentschrift DE 43 09 881 C1 beschrieben. Die Maßstabsspur ist hier in Bereiche gleicher Länge aufgeteilt. In den Bereichen befinden sich jeweils gleich viele flächenhafte Codeelemente, deren Länge unterschiedlich ist. Nebeneinanderliegende Codeelemente sind dabei immer in entgegengesetzter Richtung magnetisiert. Um die Position durch Erkennen eines bestimmten Codeelementes feststellen zu können, ist es notwendig, die Länge der Codeelemente in Meßrichtung zu ermitteln. Da sich die Position der Nulldurchgänge der magnetischen Feldstärke, aus deren Differenz sich die Länge der Codeelemente ergibt, jedoch mit zunehmendem Abstand in Richtung auf die kürzeren Codeelemente zu verschiebt, ist mit sehr geringen Abständen zwischen Maßstab und magnetischen Sensoren zu arbeiten. Auch die Abstandstoleranz bei Bewegung des Maßstabes gegenüber der Sensoranordnung muß sehr gering gehalten werden, was einen hohen Justieraufwand bei der Montage des Meßsystems bedeutet. Darüber hinaus ist es notwendig, alle magnetoresistiven Sensoren der Anordnung mit einem Stabilisierungsfeld zu versehen, das genau in Streifenlängsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen zeigen muß. Auch aus dieser Forderung leitet sich eine sehr genaue Justierung ab, die nur mit hohem Aufwand zu bewerkstelligen ist.

In der Patentschrift DE 39 10 873 wird eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Absolutposition beschrieben, bei der auf einem Maßstab jeweils n aufeinanderfolgende Codeelemente ein Codewort bilden. Die Aufeinanderfolge der Codeelemente entspricht einer Pseudozufallsfolge und jedem Codewort ist eine bestimmten Position zugeordnet. In der magnetischen Ausgestaltung dieser Vorrichtung entspricht ein Codeelement mit dem zugeordneten Wert "1" einem Bereich eines Maßstabes, der homogen in einer bestimmten Richtung magnetisiert ist und ein Codeelement mit dem zugeordneten Wert "0" einem Bereich, der in dazu entgegengesetzter Richtung magnetisiert ist. Als magnetische Sensoren dieser Vorrichtung kommen entweder Hall-Elemente oder magnetoresistive Sensoren mit Barber Pole Struktur in Frage. Hall-Elemente benötigen hohe magnetische Feldstärken. Deshalb müssen sie in unmittelbarster Nähe des Maßstabes angebracht werden und die Länge der Codeelemente darf nicht zu klein sein. Hier tritt wieder der Nachteil des hohen Justageaufwandes auf. Magnetoresistive Sensoren mit Barber Pole Struktur kommen zwar mit geringeren Feldstärken aus, aber ein magnetisches Stabilisierungsfeld, das wiederum nur nach hohem Aufwand an Justage durch Dauermagnete erzeugt werden kann, verhindert auch ihren vorteilhaften Einsatz.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung eines absoluten magnetischen Längenmeßsystems anzugeben, daß ohne einen hohen Aufwand in der Justage eines geringen Abstandes zwischen Maßstab und Sensoranordnung oder bei der Anbringung von Stabilisierungsmagnetfeldern auskommt.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebene Anordnung sowie die in den weiteren Ansprüchen formulierten Ausführungsformen gelöst. Aus der im Hauptanspruch getroffenen Zuordnung der beiden binären Zustände zu entsprechenden Magnetisierungen eines Codeelementes ergibt sich, daß das Magnetfeld über dem Codeelement im wesentlichen entweder parallel oder senkrecht zur Maßstabsoberfläche gerichtet ist. Die Anzeige der magnetoresistiven Sensoren ist entsprechend der im Hauptanspruch angegebenen Gleichung nur von der Richtung des Magnetfeldes abhängig, solange die Feldstärke ausreichend hoch ist. Das setzt voraus, daß die Richtung der Magnetisierung in den magnetoresistiven Schichtstreifen, die die Sensoren bilden, mit der Richtung des Magnetfeldes des Maßstabes übereinstimmt. Deshalb werden Stabilisierungsmagnetfelder nicht benötigt. Außerdem ist die Anzeige der Sensoren vom Abstand solange nicht abhängig, wie die Feldstärken ausreichend groß sind, die Richtung der Magnetisierung in den magnetoresistiven Schichtstreifen einzustellen. Das ist erfahrungsgemäß bis zu Abständen gegeben, die etwa der Codeelementelänge entsprechen. Eine genaue Justierung des Abstandes zwischen Maßstab und Sensor ist also nicht erforderlich.

Für jedes Codeelement des Codewortes sind zwei magnetoresistive Sensoren in einem Abstand in Meßrichtung von der halben Länge des Codeelementes vorgesehen. Damit ist bei beliebiger Verschiebung der Sensoranordnung gegenüber dem Maßstab auf jeden Fall gewährleistet, daß jeweils einer der beiden Sensoren sich in einer Position befindet, in der der binäre Zustand des jeweiligen Codeelementes einwandfrei ermittelt werden kann.

Es ist vorteilhaft, neben der Codespur auf dem Maßstab eine weitere, periodische Spur anzuordnen. Diese Spur wird mit zwei zusätzlichen gleichen Sensoren abgetastet. Nach bekannten Verfahren kann so die Position der Sensoranordnung gegenüber dem Maßstab innerhalb jeder Pollänge mit hoher Auflösung angegeben werden. Die Spur mit den Codeelementen wird dann nur noch benötigt, um anzugeben, in welcher der Pollängen sich die Sensoranordnung gerade befindet. Damit ist selbst bei hoher Auflösung der Positionsbestimmung die Anwendung großer Pollängen und Längen der Codeelemente möglich, und die Anforderungen an eine Justierung des Abstandes zwischen Maßstab und Sensoranordnung sind minimal.

Als Sensoren können magnetoresistive Halbbrücken verwendet werden, deren Widerstände durch Mäander von Schichtstreifen aus magnetoresistivem Material gebildet sind. Es ist vorgesehen, alle magnetoresistiven Halbbrücken für das Abtasten der Codeelemente integriert auf einem Schichtträger nebeneinander herzustellen. Damit ist eine kostengünstige Herstellung der Sensoren und ihre einfache Montage sichergestellt.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert. Dazu ist in Fig. 1 ein Ausschnitt aus der Codespur eines Maßstabes mit einer darüber befindlichen Sensoranordnung in Seitenansicht dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Codespur, wobei jedem Codeelement zwei Sensoren zugeordnet sind. In Fig. 3 ist in einer Aufsicht neben einem Ausschnitt aus der Codespur eine periodische Spur zu sehen. Den Aufbau eines einzelnen Sensors zeigt Fig. 4.

Das absolute magnetische Längenmeßsystem besteht aus einem Maßstab, dessen Codespur in Fig. 1 im Schnitt von der Seite her gesehen dargestellt ist, und einer darüber befindlichen Anordnung von magnetoresistiven Sensoren 2. Die Codespur ist in gleichlange Codeelemente 1 unterteilt. Das erste Codeelement 1 von links ist gleichmäßig in einer Richtung von unten nach oben magnetisiert. Daraus ergibt sich über diesem Codeelement 1 ein im wesentlichen senkrecht nach oben zeigendes Magnetfeld, das mit der Normalen N der Maßstabsoberfläche einen Winkel ϕ von etwa 0° bildet. Über dem Codeelement 1 befindet sich ein magnetoresistiver Sensor 2, dessen Sensorebene mit der Ebene übereinstimmt, die durch die Normale N der Maßstabsoberfläche und durch die Meßrichtung x gebildet wird. Das Ausgangssignal des Sensors 2 ist näherungsweise durch die Gleichung U_a = U₀.cos(2.ϕ) gegeben. Mit ϕ = 0° ist U_a = U₀. Diesem Zustand ist die binäre "0" zugeordnet. Das zweite Codeelement 1 in Meßrichtung x ist in seinem ersten, an das erste Codeelement 1 angrenzenden Teil ebenfalls nach oben magnetisiert. In der Mitte des zweiten Codeelementes 1 ist ein Wechsel der Magnetisierungsrichtung vorhanden, so daß die Magnetisierung im zweiten Teil des zweiten Codeelementes 1 nach unten gerichtet ist. Daraus ergibt sich über diesem zweiten Codeelement 1 ein Magnetfeld, das im wesentlichen mit der Normalen N der Maßstabsoberfläche einen Winkel ϕ von 90° bildet. Als Ausgangsspannung des zweiten Sensors 2 von links ergibt sich aus der Anwendung der Gleichung U_a = -U₀. Diesem Zustand ist die binäre "1" zugeordnet. Das dritte Codeelement 1 in Meßrichtung x ist gleichmäßig nach unten magnetisiert. Über diesem Codeelement 1 zeigt das Magnetfeld im wesentlichen nach unten, es bildet mit der Normalen N der Maßstabsoberfläche einen Winkel von 180°, so daß sich für die Ausgangsspannung des dritten Sensors 2 U_a = U₀ ergibt und diesem Zustand ist die binäre "0" zugeordnet. Im vierten Codeelement 1 ist wieder ein Wechsel der Richtung der Magnetisierung vorhanden. Das Magnetfeld bildet mit der Normalen N der Maßstabsoberfläche im wesentlichen einen Winkel von -90°, was zu U_a = -U₀ führt und wieder der binären "1" entspricht. Die Verhältnisse im fünften Codeelement 1 entsprechen denen im ersten. Zusammenfassend kann man sagen, daß eine gleichmäßige Magnetisierung eines Codeelementes 1 zu einem senkrecht zur Maßstabsoberfläche gerichteten Magnetfeld führt, was mit einer binären "0" bewertet wird, und daß ein Wechsel der Magnetisierungsrichtung in einem Codeelement 1 zu einem parallel zur Maßstabsoberfläche gerichteten Magnetfeld führt, was mit einer binären "1" bewertet wird.

In der Fig. 1 sind die Sensoren 2 immer genau über der Mitte der Codeelemente 1 dargestellt. Im Einsatz des absoluten Längenmeßsystems wird dieser Fall jedoch im allgemeinen nicht vorliegen. Im ungünstigsten Fall steht die Mitte der Sensoren 2 jeweils genau der Grenze zwischen zwei Codeelementen 1 gegenüber und die Zuordnung der Signale der Sensoren 2 zu bestimmten Codeelementen ist unmöglich. Um das zu vermeiden, sind, wie in Fig. 2 dargestellt, auf der Länge 3 eines Codeelementes jeweils ein erster Sensor 2.1 und ein zweiter Sensor 2.2 im Abstand der halben Länge 4 eines Codeelementes angeordnet. Einer der beiden Sensoren 2.1 oder 2.2 steht dann dem jeweiligen Codeelement immer genügend genau gegenüber, so daß dessen Zustand fehlerfrei ausgelesen werden kann.

Die Auflösung, mit der eine bestimmte Länge bei der Positionsbestimmung mit einer Längenmeßanordnung nach Fig. 2 bestimmt werden kann, entspricht der Länge 3 eines Codeelementes. Für Messungen mit wesentlich höherer Auflösung wird in Fig. 3 eine Anordnung dargestellt. Hier ist auf dem gleichen Maßstab 5 parallel zur Codespur 6 mit den Codeelementen 1 eine rein periodische Spur 7 vorhanden. Die Darstellung zeigt den Maßstab 5 von oben her gesehen. Die in die Papierebene hinein gerichtete Magnetisierung ist durch Kreuze, die aus der Papierebene heraustretende Magnetisierungsrichtung durch Punkte gekennzeichnet. Die Länge der Codeelemente 1 stimmt mit der Pollänge 14 der periodischen Spur 7 überein. Der Beginn des jeweiligen Codeelementes 1 und der jeweiligen Pollänge 14 liegt genau bei derselben Position. Über der periodischen Spur 7 befinden sich zwei Sensoren 2, die in gleicher Weise aufgebaut sind wie die Sensoren 2.1 bzw. 2.2 für die Codespur 6. Die Sensoren 2.1 und 2.2 der Codespur 6 und die Sensoren 2 der periodischen Spur 7 sind in der Zeichnung nur aus dem Grunde aus der Spurmitte herausgerückt, daß die Zeichen für die Magnetisierungsrichtung deutlich zu erkennen sind. Mit den beiden um ein Viertel der Pollänge gegeneinander versetzten Sensoren 2 der periodischen Spur 7 wird nach bekannten Verfahren die Position der Sensoranordnung gegenüber dem Maßstab 5 innerhalb der Pollänge mit hoher Auflösung festgestellt. In der wievielten Pollänge sich die Sensoranordnung befindet, wird mit Hilfe aller Sensoren 2.1 und 2.2 der Codespur 6 ermittelt.

Aus der Messung mit den beiden Sensoren 2 über der periodischen Spur 7 ergibt sich auch, ob über der Codespur 6 die jeweils ersten Sensoren 2.1 oder die jeweils zweiten Sensoren 2.2 sich näher an der Mitte des jeweiligen Codeelementes 1 befinden. Die in der Nähe der Mitte der Codeelemente 1 befindlichen Sensoren 2.1 oder 2.2 können so ausgewählt und zur Bestimmung der Position aus der Codespur 6 ausgelesen werden.

Der Aufbau eines magnetoresistiven Sensors 2, dessen Ausgangssignal sich aus der Neigung der Richtung des anliegenden Magnetfeldes gegen die Normale N der Maßstabsoberfläche nach der Gleichung U_a = U₀.cos(2.ϕ) ergibt, ist in Fig. 4 dargestellt. Er besteht aus einer Halbbrücke, deren Widerstände durch zwei Gruppen von magnetoresistiven Streifen 13 aufgebaut sind. Der erste Widerstand der Halbbrücke besteht aus magnetoresistiven Streifen 13, deren Längserstreckung senkrecht zur Normalen N der Maßstabsoberfläche verläuft. Diese magnetoresistiven Streifen 13 sind in zwei Bereichen 10 und 11 angeordnet. Alle magnetoresistiven Streifen 13 in den Bereichen 10 und 11 sind in Mäanderform elektrisch in Reihe geschaltet, was in der Fig. 4 jedoch nicht dargestellt ist Ebenso besteht eine elektrische Reihenschaltung der Mäander der Bereiche 10 und 11. Der zweite Widerstand der Halbbrücke besteht ebenfalls aus Mäandern von magnetoresistiven Streifen 13. Deren Längserstreckung verläuft jedoch parallel zur Normalen N der Maßstabsoberfläche, und die Mäander sind in den Bereichen 8 und 9 untergebracht. Die Bereiche 10 und 11 sowie 8 und 9 liegen symmetrisch zur Mittellinie 12 des Schichtträgers. Als Ausgangsspannung der Halbbrücke wird die Spannung am in der Fig. 4 nicht dargestellten Verbindungspunkt der beiden Widerstände verwendet, die um die halbe Betriebsspannung der Halbbrücke vermindert ist.

Bezugszeichenliste

1

Codeelement

2

magnetoresistiver Sensor

2.1

erster magnetoresistiver Sensor

2.2

zweiter magnetoresistiver Sensor

3

Länge eines Codeelementes

4

halbe Länge eines Codeelementes

5

Maßstab

6

Codespur

7

periodische Spur

8

Bereich

9

Bereich

10

Bereich

11

Bereich

12

Mittellinie

13

Streifen

14

Pollänge

15

Winkel ϕ zwischen Magnetfeldrichtung und Normale
N Normale der Maßstabsoberfläche
x Meßrichtung

Claims

1. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem, das mindestens eine Codespur (6) auf einem Maßstab (5) und Sensoren zur Abtastung der über der Codespur (6) vorhandenen Magnetfelder enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein binärer Zustand eines Codeelementes (1) in der Codespur (6) durch eine gleichmäßige Magnetisierung und der andere binäre Zustand durch einen Wechsel der Magnetisierungsrichtung dargestellt ist, und daß magnetoresistive Sensoren (2) vorhanden sind, deren Sensorebene durch die Normale (N) der Maßstabsoberfläche und die Meßrichtung (x) gebildet ist und deren Ausgangssignal näherungsweise durch die Gleichung U_a = U₀.cos(2.ϕ) gegeben ist mit ϕ als dem Winkel zwischen der Magnetfeldrichtung und der Normalen (N) der Maßstabsoberfläche und mit U₀ als einer konstanten Amplitude.

2. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden Codeelementen (1) ein Codewort bildet und daß für jedes Codeelement (1) des Codewortes zwei magnetoresistive Sensoren (2) vorhanden sind.

3. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei magnetoresistiven Sensoren (2) für jedes Codeelement (1) um jeweils die halbe Länge (4) des Codeelementes (1) gegeneinander versetzt sind.

4. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß neben der Codespur (6) eine zusätzliche, periodische Spur (7) auf dem Maßstab (5) vorhanden ist und für deren Abtastung zwei zusätzliche gegeneinander versetzte magnetoresistive Sensoren (2) vorgesehen sind.

5. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Codespur (6) und der periodischen Spur (7) eine feste Phasenbeziehung besteht.

6. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pollänge der periodischen Spur (7) und die Länge der Codeelemente (1) übereinstimmt.

7. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Sensoren (2) Halbbrücken sind, deren Widerstände durch Mäander von Streifen (13) aus magnetoresistiven Schichten gebildet sind, wobei in einem ersten Widerstand die Längserstreckung der Streifen (13) senkrecht und in einem zweiten Widerstand die Längserstreckung der Streifen (13) parallel zur Normalen (N) der Maßstabsoberfläche verläuft.

8. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (13) des ersten Widerstandes und des zweiten Widerstandes jeweils in zwei Bereichen (8; 9 und 10; 11) eines Schichtträgers untergebracht sind und diese jeweils zwei Bereiche (8; 9 und 10; 11) symmetrisch zu einer Mittellinie (12) angeordnet sind.

9. Absolutes magnetisches Längenmeßsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensor-Halbbrücken auf einem Schichtträger integriert sind.