DE4208927C2

DE4208927C2 - Magnetischer Sensor und damit ausgerüsteter Positionsdetektor

Info

Publication number: DE4208927C2
Application number: DE4208927A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Kusumi
Original assignee: Sony Magnescale Inc
Current assignee: Magnescale Co Ltd
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2012-03-20
Also published as: DE4208927A1; JPH04291101A; US5243280A; JP2924236B2

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor, wie er dazu geeignet ist, als Auslesesensor beim Ablesen einer mag netischen Skala verwendet zu werden, und wie er in einem Po sitionsdetektor eingesetzt werden kann, der für eine Werk zeugmaschine oder dergleichen geeignet ist.

Zum Aufbau eines magnetischen Sensors werden üblicherweise magneto resisitive Elemente verwendet, die - als Elementgruppen - in Reihe ge schaltet werden und deren vom Magnetfeld abhängige Widerstände mittels Brückenschaltungen abgetastet werden (DE 35 17 095 A1, DD 260 773 A1, JP 63-91 580).

Derartige magnetoresistive Sensoren eignen sich zur Magnetfeldmessung, zur potentialfreien Strom- und Spannungsmessung, zur Positions- und Winkelmessung sowie als Schalt- und Regelelemente.

Es wurde ein Positionsdetektor vorgeschlagen, bei dem ein magnetischer Sensor einer magnetischen Skala gegenüberste hend angeordnet ist, die mit einem vorgegebenen Gitterab stand magnetisiert ist. Der Sensor wird relativ zur magneti schen Skala bewegt, um dadurch die Relativposition oder der gleichen aus einem elektrischen Signal abzuleiten, das auf Grundlage der Änderung des magnetischen Felds erzielt wird. Der Positionsdetektor wird einer Werkzeugmaschine zum Erzie len einer genauen Bearbeitung verwendet. Bei dieser Anwen dung oder ähnlichen Anwendungen ist es erwünscht, daß der Positionsdetektor eine hohe Genauigkeit aufweist, mit einer Auflösung von etwa 0,1 µm und einer Interpolationsgenauig keit von etwa 0,8 µm.

Um die vorstehend genannte hohe Genauigkeit zu gewährlei sten, muß der Gitterabstand, (d. h. die Aufzeichnungswellen länge) des magnetischen Gitters auf der magnetischen Skala auf z. B. etwa 80 µm verringert werden, und gleichzeitig muß eine elektrische Teilung (Interpolation) vorgenommen werden.

Wenn die vorstehend angegebenen Bedingungen erfüllt sind, muß das Ausgangssignal vom magnetischen Sensor noch die fol genden drei Erfordernisse erfüllen:

1. Das Ausgangssignal sollte ein gering verzerrtes Sinus signal sein. Wenn z. B. die Periode des Ausgangssignals durch 400 geteilt wird, sollte ein Sinussignal vorliegen, dessen Signal/Rausch-Verhältnis etwa 50 bis 60 dB ist.
2. Das Ausgangssignal darf keine Änderung einer Gleichspan nungskomponente (im folgenden als Gleichspannungsverschie bung bezeichnet) aufweisen. Wenn überhaupt, ist nur eine ex trem kleine Gleichspannungsschwankung zulässig. Um eine Ge nauigkeit von 1/100 des Gitterabstandes zu erzielen, muß z. B. die Schwankung der Gleichspannungskomponente auf weni ger als 1% der Amplitude verringert werden.
3. Die Amplitudenschwankung des Ausgangssignals sollte ört lich oder insgesamt klein sein.

Ein magnetischer Sensor, der die vorstehend genannten drei Bedingungen erfüllen kann, muß so ausgebildet sein, daß die Spannungsamplitude seines Ausgangssignals groß ist und die Verzerrung klein ist, d. h. das Signal/Rausch-Verhältnis hoch ist. Auch muß eine magnetische Skale, die die oben ge nannten drei Erfordernisse erfüllen kann, so ausgebildet sein, daß das elektrische Signalfeld groß, gleichförmig und einer Sinuswelle sehr ähnlich ist.

Als magnetischer Sensor, der die oben genannten Bedingungen erfüllen kann, wurde ein solcher vorgeschlagen, der magneto resistive Elemente (im folgenden der Einfachheit halber als MR-Elemente bezeichnet) verwendet, die durch Photolithogra phietechnik hergestellt werden können. Selbst wenn jedoch MR-Elemente verwendet werden, kann nur geringe Ausgangssig nalspannung erzielt werden, da mit der Verringerung des Git terabstandes das von der magnetischen Skala gebildete magne tische Feld klein wird. Um die Signalausgangsspannung zu er höhen, muß dann der Abstand zwischen der magnetischen Skala und dem Magnetsensor verringert werden. Der Abstand muß z. B. auf etwa 40 µm erniedrigt werden. Er muß darüber hin aus auf einem konstanten Wert gehalten werden, um die Ampli tude der Ausgangssignalspannung konstant zu halten.

Ein Material für eine herkömmliche magnetische Skala ist eine magnetische Legierung wie CuNiFe oder FeCrCo. Diese magnetische Legierung ist in ihrer Legierungszusammensetzung vom mikroskopischen Standpunkt her gesehen nicht völlig gleichförmig, wodurch es nicht möglich ist, ein gleichförmi ges Magnetteil zu erzielen, was bedeutet, daß es nicht mög lich ist, entlang der gesamten Länge der magnetischen Skala eine Magnetfeldverteilung zu erzielen, die sinusförmig ohne Verzerrung ist. Darüber hinaus ist die Ebenheit der Oberflä che einer solchen magnetischen Legierung etwa 1 s, mit dem Ergebnis, daß der Abstand von etwa 40 µm ortsabhängig nicht konstant gehalten werden kann. Infolgedessen kann die Ampli tude der erzeugten Signalspannung nicht konstant gehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Sensor und einen Positionsdetektor anzugeben, die sehr ge naue Ortsmessungen erlauben.

Die Erfindung ist für den Sensor durch die Merkmale von An spruch 1 und von Anspruch 2 sowie für den Positionsdetektor durch die Merkmale von Anspruch 3 gegeben.

Der erfindungsgemäße magnetische Sensor zeichnet sich da durch aus, daß er mindestens zwei Gruppen mit jeweils minde stens zwei magnetoresistiven Elementen aufweist, wobei die Elemente in jeder Gruppe in Reihe geschaltet sind und so an geordnet sind, daß derjenige Effekt auf die Ausgangsspannung gerade kompensiert wird, der durch einen Temperaturgradien ten verursacht wird, wie er in einer Richtung rechtwinklig zur Erstreckungsrichtung der Elemente besteht. Dadurch tritt praktisch keine Gleichspannungsverschiebung mehr auf, und es wird ein sinusförmiges Signal konstanter Amplitude mit ge ringer Verzerrung erhalten.

Der erfindungsgemäße Positionsdetektor verfügt über einen erfindungsgemäßen Sensor und eine magnetische Skala, die eine plattierte magnetische Schicht auf einer Basis mit sehr ebener Oberfläche aufweist.

Weitere Aufgaben, Wirkungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor, wobei auf Figuren Bezug genom men wird.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung der Struktur eines erfindungsgemäßen Positionsdetektors;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Anordnung eines Beispiels eines bekannten Positionsdetektors zeigt;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für eine Ausgangsschaltung zeigt, wie sie bei einem herkömm lichen Positionsdetektor verwendet wird;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung für ein äquivalen tes MR-Elementmuster beim herkömmlichen Positionsdetektor gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2;

Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das die Temperatur verteilung von MR-Elementen unter der Bedingung zeigt, daß der magnetische Sensor stillsteht;

Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das die Temperatur verteilung von MR-Elementen unter der Bedingung zeigt, daß sich der magnetische Sensor nach links bewegt;

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Temperaturver teilung von MR-Elementen unter der Bedingung, daß sich der magnetische Sensor nach rechts bewegt;

Fig. 8 ist ein Diagramm, das dazu dient, den Einfluß zu er läutern, wie er bei einer Interpolationsverarbeitung durch eine Gleichspannungsverschiebung hervorgerufen wird, wenn das sinusförmige Ausgangssignal von der Ausgangsschaltung im Beispiel gemäß Fig. 1 eine Gleichspannungsverschiebung auf weist;

Fig. 9A und 9B sind schematische Darstellungen, die Beispie le für gemessene Gleichspannungsverschiebung bei praktischer Anwendung zeigen;

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung betreffend einen Auslesefehler des Positionsdetektors beim Vorhandensein einer Gleichspannungsverschiebung;

Fig. 11A ist eine schematische Darstellung einer magneti schen Skala bezogen auf deren Funktion;

Fig. 11B ist eine schematische Darstellung einer Anordnung eines bekannten magnetischen Sensors;

Fig. 11C ist eine schematische Darstellung eines magneti schen Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 11D ist eine schematische Darstellung eines magneti schen Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 12 ist eine schematische Darstellung für ein Beispiel einer Ausgangsschaltung für die magnetischen Sensoren der Fig. 11 und 13;

Fig. 13A ist eine schematische Darstellung einer magneti schen Skala bezogen auf deren Funktion;

Fig. 13B ist eine schematische Darstellung einer Anordnung eines bekannten magnetischen Sensors;

Fig. 13C ist eine schematische Darstellung eines magneti schen Sensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 13D ist eine schematische Darstellung eines magneti schen Sensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 14A ist eine schematische Darstellung einer magneti schen Skala bezogen auf deren Funktion;

Fig. 14B ist eine schematische Darstellung einer Anordnung eines bekannten magnetischen Sensors;

Fig. 14C ist eine schematische Darstellung eines magneti schen Sensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 14D ist eine schematische Darstellung eines magneti schen Sensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 14E ist eine schematische Darstellung eines magneti schen Sensors gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevor bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung be schrieben werden, wird eine Technik erläutert, die eine Vor aussetzung für diese Ausführungsbeispiele ist, und es werden Probleme dieser Technik beschrieben. Anschließend werden die Ausführungsbeispiele besprochen, die diese technischen Pro bleme lösen können.

Wie aus der perspektivischen Darstellung von Fig. 1 erkenn bar, verfügt eine magnetische Skala 1 über eine Skalenbasis 2 aus Glas und eine Plattierungsschicht 3, die durch Plat tieren eines magnetischen Materials auf der Glasskalenbasis 2 hergestellt ist. Die Plattierungsschicht 3 ist mit einem Gitterabstand λ, z. B. λ = 80 µm magnetisiert. Die so ange ordnete magnetische Skala 1 ist flach ausgebildet, da die Oberfläche der Skalenbasis 2 eine Glasoberfläche ist. Auch die Plattierungsschicht 3 ist flach, da sie auf der flachen Glasoberfläche ausgebildet ist. Darüber hinaus ist die Plat tierungsschicht 3 relativ beständig gegen Staub, Schmutz, Schneidöl und dergleichen, so daß sie hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufweist, wenn sie an einer Werkzeugmaschine oder dergleichen verwendet wird. Die Plattierungsschicht 3 weist viel bessere Eigenschaften auf als eine Bedeckungs schicht oder eine aus der Dampfphase abgeschiedene Schicht. Die Skalenbasis 2 kann auch aus Metall hergestellt sein, wenn sich damit eine Ebenheit erzielen läßt, die vergleich bar zu der von Glas ist. Es ist dann jedoch viel Zeit zum Herstellen erforderlich, wodurch die magnetische Skala sehr teuer wird. Dementsprechend sei beim folgenden Ausführungs beispiel angenommen, daß die magnetische Skala 1 eine Glas skalenbasis 2 und eine Plattierungsschicht 3 aus einem mag netischen Material auf der Skalenbasis 2 aufweist, wobei die Plattierungsschicht 3 magnetisiert ist.

Es werden nun technische Probleme beschrieben, die zu lösen sind, wenn eine magnetische Skala 1 aus Glas verwendet wird.

Technische Probleme werden durch die geringe thermische Leitfähigkeit der Glasskalenbasis 2 im Vergleich zu einer metallischen Skalenbasis hervorgerufen. Ein MR-Elementmu ster, das auf der der magnetischen Skala 1 gegenüberstehen den Seite in einem magnetischen Sensor 4 ausgebildet ist, besteht aus einem Widerstand. Im Gebrauch wird dieses aus einem Widerstand bestehende MR-Elementmuster an eine Span nung gelegt, wurde Wärme entwickelt wird. Es wird aufgrund des geringen Abstandes zwischen den einander gegenüberste henden Oberflächen der magnetischen Skala 1 und des magneti schen Sensors 4 Wärme auch an die magnetische Skala 1 über tragen, jedoch führt die schlechte thermische Leitfähigkeit der magnetischen Skala 1 aus Glas doch zu Schwierigkeiten. Infolgedessen verschlechtert sich die Wärmeabstrahlungs eigenschaft des MR-Elementmusters.

Wenn der magnetische Sensor 4 nicht stillgehalten sondern relativ zur magnetischen Skala 1 bewegt wird, wird daher die Temperaturverteilung an einzelnen MR-Elementen des MR-Ele mentmusters verschieden. Dementsprechend führt der Einfluß der unterschiedlichen Temperaturverteilungen zu Problemen, die weiter unten im einzelnen besprochen werden.

Wenn die magnetische Skala 1 verwendet wird, wie in Figur dargestellt, bewegt sich der der magnetischen Skala 1 gegen überstehende magnetische Sensor 4 gegenüber der Skala in der durch einen Pfeil L gekennzeichneten Richtung. Der magneti sche Sensor 4 besteht aus einem auf der Basis ausgebildeten MR-Elementmuster und steht mit diesem Muster der Plattie rungsschicht 3 der magnetischen Skala 1 gegenüber. Der Ab stand zwischen den Oberflächen des MR-Elementmusters und der magnetischen Skala, d. h. der Plattierungsschicht 3 ist etwa 40 µm.

Der magnetische Sensor 4 ist an eine Spannungsquelle V0 und an eine Massespannung über ein flexibles Substrat 5 ange schlossen, und er erzeugt, hervorgerufen durch die Änderung des Widerstandswertes des MR-Elements, eine Ausgangsspannung über das flexible Substrat 5. Beim Beispiel weist die Span nungsquelle V0 eine Spannung von 5 V (V0 = 5 V) auf.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein MR-Elementmuster, wie es auf einem magnetischen Sensor 4 in Anpassung an den Gitter abstand (Aufzeichnungswellenlänge) λ der magnetischen Skala 1 ausgebildet ist.

Dieses MR-Elementmuster weist vier MR-Elementgruppen 10 bis 13 auf, die jeweils MR-Elemente 10A bis 10D, 11A bis 11D, 12A bis 12D bzw. 13A bis 13D aufweisen. Die MR-Elementgrup pen 10 bis 13 bilden das MR-Elementmuster, so daß dann, wenn eine Ausgangsschaltung an diesen magnetischen Sensor 4 oder an das MR-Element angeschlossen wird, wie dies z. B. in Fig. 3 dargestellt ist, eine sehr kleine Änderung der magneti schen Aufzeichnungsinformation in der magnetischen Skala 1 im Ausgangssignal V3 gemittelt wird, was von Vorteil ist, wenn der magnetische Sensor hohe Genauigkeit aufweisen soll. Der Differenzverstärker gemäß Fig. 3 weist Widerstände 16 bis 21 und einen Operationsverstärker 22 auf.

Das in Fig. 2 dargestellte MR-Elementmuster kann äquivalent gemäß Fig. 4 dargestellt werden. Z. B. sei angenommen, daß das MR-Elementmuster 10 in der Mitte der MR-Elemente 10A bis 10D in der Längsrichtung L existiert. Es sind dann benach barte MR-Elementgruppen, d. h. die MR-Elementgruppen 10 und 11, um {(n/2) + (1/4)} . λ voneinander entfernt, mit n = 0, 1, 2, ..., wobei n normalerweise zwischen 6 und 8 gewählt wird. Da der Gitterabstand 80 µm (λ = 80 µm) ist, sind be nachbarte MR-Elementgruppen, d. h. die MR-Elementgruppen 10 und 11 an Positionen ausgebildet, die voneinander um etwa 300 µm beabstandet sind.

Es wird nun die Temperaturverteilung des so angeordneten und ausgebildeten magnetischen Sensors 4 beschrieben. Hierfür sei angenommen, daß die magnetische Skala 1, die in Fig. 5 mit 21 bezeichnet ist, nicht magnetisiert ist. Wenn der mag netische Sensor 1 noch stillsteht, ist die Temperatur der MR-Elementgruppen 10 bis 13 konstant auf einer Bezugstempe ratur T0, wie in Fig. 5 dargestellt. Wenn dagegen der magne tische Sensor 4 in der durch den Pfeil LL in Fig. 6 gekenn zeichneten Richtung bewegt wird, wird die Temperatur der MR- Elementgruppe 10 vorne in Bewegungsrichtung am meisten er niedrigt, während die Temperaturen der folgenden MR-Element gruppen 10 bis 13 in dieser Reihenfolge zunehmen. Wenn der magnetische Sensor 4 in Gegenrichtung bewegt wird, wie dies durch den Pfeil LR in Fig. 7 angedeutet ist, wird die Tempe raturverteilung gerade umgekehrt zu der von Fig. 6.

Eine Differenzspannung ΔV3 der Ausgangsspannung V3 (siehe Fig. 3), wie sie erzeugt wird, wenn der magnetische Sensor 4 in Richtung des Pfeiles LL bewegt wird, kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden, wobei berücksichtigt wird, daß das MR-Element einen positiven Temperaturkoeffizienten auf weist:

DV3 = -ΔV2-(+ ΔV1) = -(ΔV1 + ΔV2) < 0 ... (1),

wobei ΔV1 und ΔV2 die Differenzspannungen der Ausgangsspan nungen V1 bzw. V2 (siehe Fig. 4) sind.

Wenn dagegen der magnetische Sensor 4 in der durch den Pfeil LR gekennzeichneten Richtung bewegt wird, ergibt sich eine Differenzspannung ΔV3' der Ausgangsspannung V3', die durch die folgende Gleichung (2) gegeben ist:

ΔV3' = ΔV2'-(-ΔV1') = ΔV1' + ΔV2' < 0 ... (2).

Die Differenzspannung im Ausgangssignal wird also, wenn der magnetische Sensor 4 in den jeweiligen Richtungen bewegt wird, d. h. die sogenannte Gleichspannungsverschiebung δV, wird damit etwa verdoppelt, d. h. ΔV3 ist durch die folgende Gleichung gegeben:

δV = ΔV3-ΔV3' = 2ΔV3 ... (3).

Wenn das Ausgangssignal V3 in einer Interpolationsverarbei tung verarbeitet wird, wie in Fig. 8 dargestellt, ändert diese Gleichspannungsverschiebung δV das Tastverhältnis der Rechtecksignale S1, S2, die mit einem Schwellenpegel Vth ge formt werden, um einen Bezugswert für die Interpolationsver arbeitung zu bilden, wobei die Änderung von 1 : 1 (a = b) in sich verringernder Richtung (a = b) geht, was dazu führt, daß der Interpolationsfehler vergrößert wird.

Diese Gleichspannungsverschiebung δV muß kleiner als 1% der Amplitude des Ausgangssignals V3 sein, um eine Genauigkeit {(Genauigkeit = λ/100) = 80 µm/100 = 0,8} von etwa 1/100 des Gitterabstandes λzu erzielen. Darüber hinaus sollte die Gleichspannungsverschiebung δV kleiner als 300 µV sein, da die Minimalamplitude des Ausgangssignals V3 auf etwa 30 mV festgelegt ist.

Wenn der magnetische Sensor 4 bei der tatsächlichen Anwen dung entlang einer magnetisierten Skala 1 bewegt wird, wie in Fig. 9B dargestellt, wird beobachtet, wenn er einmal in der Richtung LL, und auch in der Gegenrichtung LR bewegt wird, daß die Gleichspannungsverschiebung δV 800 µV (δV = 800 µV) erreicht. Fig. 9A zeigt die Signalform, wie sie mit einem Oszilloskop beobachtet wird, und Fig. 9B zeigt die Signalform, wie sie durch Verarbeiten der Signalzüge von Fig. 9A mit einem Tiefpaßfilter erhalten wird, um die Gleichspannungskomponente zu beobachten. Die dunklen Ab schnitte in Fig. 9A repräsentieren das sinusförmige Aus gangssignal der Ausgangsspannung V3 (beobachtet, wie in Fig. 9A dargestellt, da die Zeitachse lang ist im Vergleich zu einer Sinuswellenperiode).

Wenn bei der tatsächlichen Anwendung eine geeignete Interpo lationsverarbeitung ausgeführt wird, um den Auslesefehler in Richtung LL auf "1" zu normalisieren, wie in Fig. 10 darge stellt, erreicht der Auslesefehler in LR-Richtung eine Größe des etwa 5,8-fachen.

Der Grund, daß dieser Auslesefehler auftritt, ist der, daß, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt, dann, wenn der magneti sche Sensor über die magnetische Skala 1 bewegt wird, er Temperaturgradienten relativ zur Längenrichtung L (LL, LR) aufweist. Dementsprechend ist das technische Problem zu lö sen, die Temperaturgradienten zu verringern oder auszu schließen.

Es werden nun Ausführungsbeispiele beschrieben, mit denen sich die vorstehend genannten technischen Probleme lösen lassen. Bei den folgenden Ausführungsbeispielen sind Teile, die solchen von Teilen der Fig. 1 bis 10 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und sie werden im fol genden nicht mehr im einzelnen beschrieben.

Fig. 11A zeigt die Struktur einer magnetischen Skala 1, die mit dem Gitterabstand λ magnetisiert ist; Fig. 11B zeigt die Struktur eines magnetischen Sensors 31 gemäß dem Stand der Technik; Fig. 11C zeigt eine Struktur eines magnetischen Sensors 32 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin dung; Fig. 11D zeigt eine Struktur eines magnetischen Sen sors 33 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin dung.

Der in Fig. 11C dargestellte magnetische Sensor 32 verfügt über zwei MR-Elementgruppen 35 und 36, die in Reihe geschal tet sind, mit vier MR-Elementen 35A bis 35D und vier MR-Ele menten 36A bis 36D, die jeweils in Reihe geschaltet sind. Die vier MR-Elemente 35A bis 35D und die vier MR-Elemente 36A bis 36D sind jeweils parallel zueinander in einer Rich tung W rechtwinklig zur Längsrichtung L im wesentlichen sym metrisch in bezug auf eine Mittellinie 37 angeordnet, die in der oben genannten Parallelenrichtung W verläuft.

Der in Fig. 11D dargestellte magnetische Sensor 33 verfügt über zwei MR-Elementgruppen 35 und 36, die in Reihe geschal tet sind, welche zwei MR-Elementgruppen 35 und 36 über vier MR-Elemente 35A bis 35D bzw. vier MR-Elemente 36A bis 36D verfügen, die in Reihe geschaltet sind. Die vier MR-Elemente 35A bis 35D und die vier MR-Elemente 36A bis 36D sind paral lel zueinander abwechseln in der Parallelenrichtung W ange ordnet. Der magnetische Sensor 33, ein Überkreuzungsbereich des MR-Elementes und ein Leiter, d. h. ein Überkreuzungsbe reich 39, können als Zweischichtstruktur mit einem Isolier teil ausgebildet sein (in Fig. 11D nicht dargestellt).

Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Ausgangs schaltung der magnetischen Sensoren 32 und 33 gemäß den Fig. 11C bzw. 11D. In der Ausgangsschaltung gemäß Fig. 12 können die Widerstandswerte von Widerständen 40 und 41 zugehörig zu Werten für die MR-Elementgruppen 35, 36 gewählt sein.

Die Fig. 13A bis 13D sind schematische Darstellungen für an dere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Fig. 13A zeigt die Struktur einer magnetischen Skala 1, die mit dem Gitterab stand λ magnetisiert ist; Fig. 13B zeigt die Struktur eines bekannten magnetischen Sensors 53; Fig. 13C zeigt die Struk tur eines magnetischen Sensors 54 gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 13D zeigt die Struktur eines magnetischen Sensors 55 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der in Fig. 13C dargestellte magnetische Sensor 54 verfügt über zwei MR-Elementgruppen 35, 36, die in Reihe geschaltet sind und jeweils zwei MR-Elemente 35A, 35D bzw. 36A, 36D aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Diese zwei MR-Ele mente 35A, 35D sowie 36A und 36D sind parallel zueinander in der Parallelenrichtung W angeordnet, wobei sie im wesent lichen symmetrisch zu einer Mittellinie 56 stehen, die pa rallel zur Parallelenrichtung W liegt.

Der in Fig. 13D dargestellte magnetische Sensor 55 verfügt über zwei MR-Elementgruppen 35, 36, die in Reihe geschaltet sind und die zwei MR-Elemente 35A, 35D bzw. 36A, 36D aufwei sen, die in Reihe geschaltet sind. Die zwei MR-Elemente 35A, 35D und die zwei MR-Elemente 36A, 36D sind parallel zueinan der abwechselnd in der Parallelenrichtung W angeordnet.

Die in Fig. 12 dargestellte Schaltung wird als Ausgangs schaltung für die magnetischen Sensoren 54, 55 der Fig. 13C, 13D verwendet.

Die Fig. 14A bis 14D sind schematische Darstellungen weite rer Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei Fig. 14A die Struktur einer magnetischen Skala 1 zeigt, die mit dem Git terabstand λ magnetisiert ist. Fig. 14B zeigt die Struktur eines bekannten magnetischen Sensors 63. Fig. 13C zeigt die Struktur eines magnetischen Sensors 64 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 14D zeigt die Struk tur eines magnetischen Sensors 65 gemäß einem sechsten Aus führungsbeispiel der Erfindung. Fig. 14E zeigt die Struktur eines magnetischen Sensors 66 gemäß einem siebten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

Der in Fig. 14C dargestellte magnetische Sensor 64 verfügt über zwei MR-Elementgruppen 10, 11, die in Reihe geschaltet sind, und zwei MR-Elementgruppen 12, 13, die ähnlich in Rei he geschaltet sind. Diese MR-Elementgruppen 10 bis 13 weisen vier Sätze von MR-Elementen 10A bis 10D, 11A bis 11D, 12A bis 12D und 13A bis 13D auf, die jeweils in Reihe geschaltet sind.

Die vier MR-Elemente 10A bis 10D und die vier MR-Elemente 11A bis 11D sind parallel zueinander in der Parallelenrich tung W so angeordnet, daß sie im wesentlichen symmetrisch zu einer Mittellinie 47 werden, die parallel zur Parallelen richtung W verläuft. In entsprechender Weise sind die vier MR-Elemente 12A bis 12D und die vier MR-Elemente 13A bis 13D parallel zueinander in der Parallelenrichtung W angeordnet, wobei sie im wesentlichen symmetrisch zu einer Mittellinie 48 parallel zur Parallelenrichtung W stehen.

Der in Fig. 14D gezeigte magnetische Sensor 65 unterscheidet sich vom magnetischen Sensor 64 gemäß Fig. 14C nur dadurch, daß die MR-Elementgruppen 11 und 13 im wesentlichen gegen einander vertauscht sind.

Der in Fig. 14E dargestellte magnetische Sensor 66 kann ein solcher sein, bei dem magnetische Sensoren 33 gemäß Fig. 11D, die voneinander um (2 + (1/4))λ in Längsrichtung L von einander beabstandet sind, parallel zueinander mit einem Ab stand (1/4)λ angeordnet sind.

Ausgangsschaltungen für die magnetischen Sensoren 64 bis 66 der Fig. 14C bis 14E können entsprechend aufgebaut sein wie die Ausgangsschaltung von Fig. 3.

Wenn der magnetische Sensor aufgebaut wird, wie in Fig. 14C dargestellt, d. h. wenn die MR-Elementgruppen 10, 12 an im wesentlichen derselben Position in Längsrichtung L angeord net werden, und auch die MR-Elementgruppen 12 und 13 an der selben Position in Längsrichtung L im magnetischen Sensor 4 gemäß den Fig. 5 bis 7 angeordnet werden, oder die MR-Ele mentgruppen 10, 13 und die MR-Elementgruppen 11, 12 an im wensentlichen denselben Positionen in Längsrichtung L ange ordnet werden, wie in Fig. 14D dargestellt, entstehen MR- Elementmuster, deren Temperatureffekt im wesentlichen kom pensiert werden kann. Wenn ein so ausgebildeter magnetischer Sensor 64 entlang der magnetischen Skala 1 bewegt wurde und diese Signalform des Ausgangssignals V3 mit dem Oszilloskop beobachtet wurde, wurde der in Fig. 9B dargestellte Gleich spannungsverschiebewert δV im wesentlichen auf Null verrin gert.

Wenn der Auslesefehler in Richtung LL durch einen geeigneten Interpolationsprozeß auf "1" normalisiert wird, ergab sich für den Auslesefehler in Richtung LR ähnlich eine Multipli kation mit 1 (unter der Bedingung, daß sich die Charakteri stik für die Richtung LR mit derjenigen für die Richtung LL gemäß Fig. 10 überlappt). Wenn die magnetischen Sensoren aufgebaut waren, wie in den Fig. 14C bis 14E dargestellt, konnte der örtliche Fehler in der Auslesefehlercharakteri stik in Längenrichtung der magnetischen Skala 1 erheblich verringert werden.

Im wesentlichen ähnliche Meßergebnisse wurden mit den magne tischen Sensoren 32, 33, 54 und 55 gemäß den Fig. 11C, 11D, 13C bzw. 13D erhalten.

Wie vorstehend beschrieben, wird bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen eine glatte Oberfläche der magneti schen Skala 1 erhalten, da diese durch Magnetisieren einer Plattierungsschicht 3 gebildet wird, die auf einer Glasska lenbasis 2 ausgebildet ist. Da darüber hinaus ein MR-Ele mentmuster, bei dem Temperaturkompensation möglich ist, aus gebildet ist, wie dies durch den magnetischen Sensor 32 oder ähnliche dargestellt ist, weist das sinusförmige Ausgangs signal V3 relativ kleine Signalverformung und konstante Am plitude auf. Darüber hinaus kann ein Positionsdetektor er halten werden, bei dem die Gleichspannungsverschiebung im Ausgangssignal V3 vernachlässigbar klein ist (d. h. mit dem Oszilloskop kaum beobachtbar, selbst wenn der magnetische Sensor in Gegenrichtung über die magnetische Skala bewegt wird. Bei diesem Positionsdetektor kann eine Auflösung von 0,1 µm und eine Interpolationsgenauigkeit von 0,8 µm erzielt werden.

Wie ausgeführt, sind beim erfindungsgemäßen magnetischen Sensor zwei MR-Elementgruppen, von denen jede mindestens zwei MR-Elemente aufweist, so angeordnet, daß sie symme trisch zu einer gemeinsamen Mittellinie liegen, wodurch dann, wenn der magnetische Sensor relativ zur magnetischen Skala bewegt wird, Temperaturdifferenzen in den MR-Elementen kompensiert werden, wodurch ein Sinussignal konstanter Am pitude mit geringer Verzerrung vom magnetischen Sensor aus gegeben wird.

Beim erfindungsgemäßen Positionsdetektor ist ein magneti sches Material auf die ebene Oberfläche einer Skalenbasis aus Glas oder dergleichen aufgebracht, und ein magnetischer Sensor ist dieser magnetischen Skala gegenüberstehend ange ordnet, bei der die Plattierungsschicht mit konstantem Git terabstand magnetisiert ist. In diesem magnetischen Sensor sind mindestens zwei MR-Elemente, die jeweils zwei MR-Ele mentgruppen bilden, symmetrisch in bezug auf eine gemeinsame Mittellinie der zwei MR-Elementgruppen angeordnet. Daher kann der Abstand zwischen dem magnetischen Sensor und der magnetischen Skala im wesentlichen konstant gehalten werden. Auch wenn der magnetische Sensor in Gegenrichtung in bezug auf die magnetische Skala bewegt wird, können Temperaturun terschiede in den MR-Elementen kompensiert werden, mit dem Ergebnis, daß der magnetische Sensor ein Sinussignal kon stanter Amplitude mit geringer Signalverformung ausgibt.

Claims

1. Magnetischer Sensor (32; 54; 64; 65) mit mindestens zwei Elementgrup pen (35, 36; 10 bis 13) mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten magne toresistiven Elementen (35A bis 35D; 35A, 35D; 10A bis 10D); dadurch gekenn zeichnet, daß alle magnetoresistiven Elemente in bezug auf ihre Längsrichtung parallel zueinander angeordnet sind und daß die Elemente von jeweils zwei der Elementgruppen jeweils symmetrisch in bezug auf eine gemeinsame Mittellinie (37; 56; 47) angeordnet sind.

2. Magnetischer Sensor (33; 55; 66) mit mindestens zwei Elementgruppen (35, 36; 10 bis 13) mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten magnetore sistiven Elementen (35A bis 35D; 35A, 35D; 10A bis 10D), dadurch gekenn zeichnet, daß alle magnetoresistiven Elemente in bezug auf ihre Längsrichtung parallel zueinander angeordnet sind und daß die Elemente von jeweils zwei der Elementgruppen nebeneinander abwechselnd angeordnet sind.

3. Positionsdetektor mit einem magnetischen Sensor nach An spruch 1 oder 2, mit:

1. - einer magnetischen Skala (1), die in Längsrichtung mit einem konstanten Gitterabstand magnetisiert ist und
2. - dem magnetischen Sensor (32, 33, 54, 55, 64, 65, 66), der der magneti schen Skala gegenüberstehend angeordnet ist und gegenüber dieser in der ge nannten Längsrichung verschiebbar ist, wobei
3. - die magnetische Skala aus einer Skalenbasis (2) aus Glas oder einem an deren Material mit ebener Oberfläche besteht, auf welcher Basis eine Plattie rungsschicht (3) durch Aufplattieren eines magnetischen Materials aufgebracht ist, die mit dem genannten konstanten Gitterabstand magnetisiert ist.