DE4327047A1 - Anordnung zur hochauflösenden, hochgenauen Messung einer Linear- oder Drehposition - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung wird zur Messung der Lageänderung in einer Koordinate von zwei relativ zueinander beweglichen Objekten benutzt. Mit einem der Objekte ist ein periodischer magnetischer Maßstab fest verbunden. An dem anderen befindet sich fest montiert ein Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor enthält zwei Sensorelemente, die mit einem bestimmten Versatz in Maßstabslängsrichtung angeordnet sind. Vorzugsweise wird ein Versatz um ein Viertel der Periodenlänge gewählt. Bei Bewegung der beiden Objekte gegeneinander entstehen am Ausgang der Magnetfeldsensorelemente periodisch mit dem Koordinatenwert variierende Spannungen. Zur Bestimmung der jeweiligen Position wird die Zahl der ganzen Perioden, um die sich das bewegte Objekt ausgehend von einer Ausgangsmarke bereits verschoben hat, nach bekannten Verfahren ermittelt. Um den Bruchteil der Periodenlänge zu ermitteln, um den die Verschiebung im allgemeinen zusätzlich erfolgt ist, werden Verfahren der Interpolation angewandt.

Diese Verfahren sind beispielsweise in dem Band 34 der "Bibliothek der Technik" mit dem Titel "Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik" von Alfons Ernst auf Seite 23 bis 28 dargestellt. Die Durchführung der Interpolation setzt voraus, daß die Sensorausgangsspannungen zumindest näherungsweise als Funktion der Bewegungskoordinate Sinusform aufweisen. Abweichungen von der oberwellenfreien Sinusform führen zu einer fehlerhaften Positionsbestimmung.

Eine Möglichkeit, diese Sinusförmigkeit der Sensorelementeausgangssignale im Falle eines magnetischen Meßsystems zu gewährleisten, wird in der OS DE 42 02 680 vorgestellt. Hier sollen die Sensorelemente aus magnetoresistiven Schichtstreifen aufgebaut sein, die im Bereich über der Magnetspur entweder nach vorgegebenen Kurvenformen gekrümmt verlaufen oder die aus geraden Teilstücken mit Längsrichtung quer zur Längsrichtung des Maßstabes zusammengesetzt sind, wobei die Länge und Lage innerhalb einer Teilungsperiode entsprechend nichtlinear vorgegeben ist. Diese Anordnungen haben jedoch eine ganze Reihe von Nachteilen, die ihre Benutzbarkeit in hohem Maße einschränkt. Zunächst ist es zur Bildung der sinusförmigen Ortsabhängigkeit des Ausgangssignales dieser Sensoren erforderlich, daß der Betrag der Magnetfeldstärke über der Magnetspur einen rechteckförmigen Verlauf als Funktion der Ortskoordinate aufweist. Die Beträge der Magnetfeldstärke sollten dabei abwechselnd den Wert null und einen bestimmten, konstanten Wert annehmen. Das ist aber an keiner einzigen Stelle oberhalb der Maßstabsoberfläche der Fall. Damit ist das als Grundlage der Funktion der Vorrichtung gedachte Prinzip nicht zu verwirklichen. Die Nichtlinearität der Kennlinie der magnetoresistiven Sensoren und die mit dem Abstand variierende Form der Ortsabhängigkeit des Magnetfeldes sowie die Abnahme der Magnetfeldstärke mit zunehmendem Abstand führt jedoch dazu, daß bei einem ganz bestimmten Abstand zwischen Maßstabsoberfläche und Magnetfeldsensor bei Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung trotzdem sinusförmige Ausgangssignale erhalten werden. Dabei ist aber ein ganz bestimmter Abstand mit sehr hoher Präzision einzuhalten. Die zulässige Toleranz für diesen bestimmten Abstand hängt neben der angestrebten Interpolationsgenauigkeit noch von einer ganzen Anzahl von Parametern ab. Dazu gehören die Abmessungen des Magnetmaterials der Spur und dessen magnetische Parameter einerseits sowie die Abmessung und Empfindlichkeit der Sensoranordnung andererseits, wobei auch deren Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen ist. Die Durchführung der Dimensionierung für eine konkrete Anordnung ergibt dann beispielsweise bei einer Periodenlänge von etwa 0,2 mm einen zulässigen Toleranzbereich für den Abstand von ±1 µm, wenn eine Interpolationsgenauigkeit erreicht werden soll, die bei einem Fünfzigstel der Periodenlänge liegt. Eine solche Toleranz ist nur mit äußerst hohem Aufwand realisierbar. Der Temperatureinsatzbereich ist stark beschränkt.

Ein weiterer Nachteil der in der OS DE 42 02 680 vorgeschlagenen Vorrichtung liegt in der komplizierten Sensorstruktur, die nur mit hohem Aufwand hergestellt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur hochgenauen magnetischen Messung einer Position bei Anwendung des bekannten Interpolationsverfahrens für oberwellenfreie, sinusförmige Sensorausgangssignale anzugeben, daß hohe Montage- und Betriebstoleranzen zuläßt und einfach herstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung entsprechend dem Hauptanspruch gelöst. Die Anordnung besteht aus einer Magnetspur, die in bekannter Weise periodisch in abwechselnder Richtung magnetisiert ist, und aus zwei in Spurlängsrichtung versetzt angebrachten magnetischen Sensorelementen, die in bekannter Weise aus geraden Streifen mit Längsrichtung quer zur Spurlängsrichtung bestehen. Erfindungsgemäß ist zwischen der Oberfläche der Magnetspur und den Sensorelementen ein Mindestabstand einzuhalten. Dieser ist durch die im Hauptanspruch aufgeführte Formel zu bestimmen. Die Mittel zur Einhaltung des Mindestabstandes können vielfältig sein. Die angegebene Formel ist aus der theoretischen Untersuchung der Magnetfeldstärkeverteilung in der Nähe der Spuroberfläche entstanden. Sie setzt lediglich die periodisch abwechselnde Magnetisierung der Magnetspur voraus und ist nicht an ihre Konstanz innerhalb einer Halbperiode gebunden. Benutzt wurde die experimentell nachgewiesene exponentielle Abnahme der Feldstärke mit dem Verhältnis des Abstandes zur Periodenlänge und die Fourierzerlegung periodischer Funktionen. Es ergibt sich, daß die Abweichung der ermittelten Position von der wirklichen Position in einem bestimmten Abstand periodisch ist. Die maximalen Abweichungen treten an den Orten auf, die um ein ungerades Vielfaches des Sechzehntels der Periodenlänge gegen deren Anfang versetzt sind. Die Formel berücksichtigt diese Maximalfehler.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß für den Abstand zwischen Magnetspur und Magnetfeldsensor, in dem mit oberwellenfreien sinusförmigen Signalen für die Durchführung der Interpolation gerechnet werden kann, nur eine untere Grenze existiert. Damit sind für Montage und Betrieb ausreichende Toleranzen gegeben, so daß auch einfache und kostengünstige Führungen zum Einsatz kommen können. Überraschenderweise ist der erforderliche Mindestabstand nur aus der Periodenlänge und dem zulässigen Positionsfehler bestimmbar. Damit sind Einflüsse aus den magnetischen Eigenschaften des Spurmaterials und der Temperatur, die diese wiederum verändert, nicht vorhanden. Die ausreichend gute Sinusförmigkeit der magnetischen Feldstärke der Magnetspur kann in Magnetfeldsensoren mit linearer Kennlinie ohne zusätzlichen Fehler direkt genutzt werden. Die Linearität von magnetoresistiven Sensoren kann zum Beispiel durch aufgebrachte Barberpolstrukturen einen ausreichenden Wert erhalten. Die Erweiterung des Linearitätsbereiches eines solchen Barberpolsensors ist in einfacher Weise durch Anordnung eines Dauermagneten in der Nähe möglich. Das Magnetfeld dieses Dauermagneten muß in Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen zeigen. Bei Nutzung einer solchen Anordnung können auch die Materialien mit der größtmöglichen Sättigungsmagnetisierung in der Magnetspur eingesetzt werden, ohne daß die Sensoren aus ihrem Linearitätsbereich heraus übersteuert werden. Die Nutzung von Spurmaterialien, die hohe Felder erzeugen, ist vorteilhaft, da äußere Störfelder dann nur von untergeordneter Bedeutung sind. Die Wirkung von äußeren Störungen wird weiter herabgesetzt, wenn die magnetoresistiven Schichtwiderstände zu Wheatstone- Brücken zusammengeschaltet sind und wenn die beiden zur Bereitstellung der phasenversetzten Ausgangsspannungen notwendigen Brücken auf einem Chip angeordnet sind. Eine hohe Ausgangsspannung der Magnetfeldsensoren, die sich oberhalb des erforderlichen Mindestabstandes befinden, wird erreicht, wenn die Magnetisierung der Abschnitte der Magnetspur bis zur Sättigung erfolgt ist und wenn die Magnetisierungsrichtung abwechselnd der positiven und negativen Längsrichtung der Spur entspricht.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung erfolgen in Ausführungsbeispielen. In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Fig. 2 zeigt in einer Grafik die Abhängigkeit des Mindestabstandes zwischen Spuroberfläche und Magnetfeldsensoren vom zulässigen Positionsfehler bei unterschiedlichen Periodenlängen. Fig. 3 erläutert, mit welcher Sensoranordnung ein oberwellenfreies sinusförmiges Magnetfeld oberhalb des Maßstabes in ein auswertbares Sensorsignal umgeformt wird.

In Fig. 1 ist auf einem Maßstab 1 eine Magnetspur 2 vorhanden, deren gleichlange Abschnitte 3 periodisch in positiver und negativer Längsrichtung der Magnetspur 2 magnetisiert sind, was durch die entsprechenden Pfeile dargestellt ist. Über der Maßstabsoberfläche 8 befindet sich in einem Abstand 4, der durch ein entsprechendes Abstandsstück gehalten wird, ein Magnetfeldsensor 5. Der Maßstab 1 ist gegenüber dem Magnetfeldsensor 5 in Richtung des Doppelpfeiles beweglich. Der Magnetfeldsensor 5 enthält zwei Sensorelemente 6, die in Bewegungsrichtung um ein Viertel der Periodenlänge versetzt angeordnet sind. Die Sensorelemente 6 geben zum örtlich vorhandenen Magnetfeld proportionale Signale ab. Diese Signale werden einer Auswerteschaltung 7 zugeführt. Diese setzt zur fehlerfreien Positionsangabe eine oberwellenfreie sinusförmige Signalform als Funktion der Koordinate in Bewegungsrichtung voraus. Das Abstandsstück, das den Abstand 4 realisiert, ist entsprechend der Formel im Hauptanspruch bemessen. Für die Berechnung des Mindestabstandes a ist eine Periodenlänge und der zulässige Positionsfehler vorzugeben. Fig. 2 zeigt die Ergebnisse für einige Beispiele. Dargestellt ist der Mindestabstand a als Funktion des zulässigen Positionsfehlers Δx für Periodenlängen von 200 µm (Kurve 1), 500 µm (Kurve 2) und 1000 µm (Kurve 3). So ist zum Beispiel bei einer Periodenlänge von 1000 µm eine Positionsgenauigkeit von ±1 µm durch die Interpolation erreichbar, wenn der Abstand 4 oberhalb seines Mindestwertes a = 400 µm liegt. Es ist vorteilhaft, den Abstand 4 so zu wählen, daß er unmittelbar über seinem Mindestwert a liegt. Da die Magnetfeldstärke mit steigendem Abstand 4 vom Maßstab 1 stark abnimmt, wird die für den angestrebten Positionsfehler maximale Ausgangsspannung der Sensorelemente 6 so erhalten. Wie die Feldberechnung für das angegebene Beispiel zeigt, wird jedoch auch noch bei einem Abstand 4 von 1 mm eine genügend große Ausgangsspannung erhalten, um die geforderte Meßgenauigkeit garantieren zu können. Für die Abstandstoleranz ist also ein Bereich von 600 µm verfügbar. Damit bestehen nur sehr geringe Anforderungen an die Führung des Sensors in der Richtung des Abstandes 4.

Fig. 3 zeigt, wie ein Magnetfeldsensor 5 auszugestalten ist, um eine lineare Übertragungskennlinie zu gewährleisten, damit das oberwellenfreie sinusförmige Magnetfeld der Maßstabsspur 2 nicht bei der Messung wieder verzerrt wird. Die Oberfläche des Maßstabs 1 und des Sensorchips 11 liegen in Fig. 3 parallel. Auf dem Sensorchip 11 befinden sich Dünnschichtleiterstreifen 10 aus magnetoresistivem Material. Auf ihnen sind in bekannter Weise Barberpolstrukturen 12 vorhanden, die dazu führen, daß der Widerstand der Dünnschichtleiterstreifen 10 in einem begrenzten Magnetfeldbereich eine lineare Funktion der Feldstärke ist. Der Magnetfeldbereich, in dem diese Abhängigkeit linear ist, kann durch ein Magnetfeld in Dünnschichtstreifenlängsrichtung vergrößert werden. In der dargestellten Anordnung wird das durch das Feld des Dauermagneten 9 bewirkt. Die die Sensorelemente 6 bildenden Dünnschichtstreifen 10 sind mit der Auswerteschaltung 7 verbunden. Die genaue elektrische Zusammenschaltung der Dünnschichtstreifen wurde der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Verwendung magnetoresistiver Dünnschichtstreifen 10 ist vorteilhaft, weil sie eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit besitzen. Damit werden auch bei großem Abstand 4 zwischen Maßstab 1 und Magnetfeldsensor 5 noch genügend große Ausgangssignale erzeugt und so ist eine große Toleranz für den Abstand 4 oberhalb seines Mindestwertes a vorhanden.

Claims (6)

1. Anordnung zur hochauflösenden, hochgenauen Messung einer Linear- oder Drehposition, bestehend aus einem Maßstab (1), der mindestens eine Spur (2) enthält, die ein periodisches Magnetfeld in gleich langen Abschnitten (3) in abwechselnder Richtung erzeugt, und aus zwei in einem Abstand (4) dazu vorhandenen, relativ zum Maßstab (1) beweglichen Magnetfeldsensoren (5), deren Sensorelemente (6) gerade in Richtung quer zur Spurrichtung verlaufen und die magnetfeldproportionale Ausgangssignale mit einem bestimmten Phasenversatz abgeben, die einer Auswerteschaltung (7) zugeführt werden, die eine oberwellenfreie Sinusform der von der Bewegungskoordinate abhängigen Ausgangssignale voraussetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (4) zwischen Maßstabsoberfläche (8) und den Sensorelementen (6) einen Mindestwert a(P,Δx) übertrifft, der durch die Gleichung gegeben ist, wobei P die Periodenlänge des Maßstabes und Δx der zulässige Positionsfehler ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (6) aus Dünnschichtstreifen (10) anisotropen magnetoresistiven Materials bestehen, die Barberpolstrukturen (12) tragen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Nähe der Sensorelemente (6) ein Dauermagnet (9) befindet, dessen Magnetfeld in Längsrichtung der Dünnschichtstreifen (10) zeigt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschichtstreifen (10) aus anisotropem magnetoresistiven Material zu Wheatston-Brücken zusammengeschaltet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Wheatstone- Brücken, deren sich entsprechende Dünnschichtstreifen (10) in Spurrichtung um ein Viertel der Periodenlänge (P) versetzt sind, auf einem Chip (11) angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetspur (2) mit gleich langen Abschnitten (3) auf dem Maßstab (1) vorhanden ist, daß die Magnetisierung der Abschnitte (3) der Spur (2) bis zur Sättigung erfolgt ist und daß die Richtung der Magnetisierung abwechselnd der positiven und der negativen Längsrichtung der Spur (2) entspricht.