EP1204843A1 - Vorrichtung und verfahren zur winkelmessung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur winkelmessung

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EP1204843A1
EP1204843A1 EP01967021A EP01967021A EP1204843A1 EP 1204843 A1 EP1204843 A1 EP 1204843A1 EP 01967021 A EP01967021 A EP 01967021A EP 01967021 A EP01967021 A EP 01967021A EP 1204843 A1 EP1204843 A1 EP 1204843A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
angle
magnetic
field
phase
scale
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01967021A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hartmut Kittel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1204843A1 publication Critical patent/EP1204843A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices

Definitions

  • AMR180 0 angle sensors It is characteristic of these and similar AMR180 0 angle sensors that they measure the direction of an external magnetic field that is directionally homogeneous, in particular via the lateral extent of the sensor thin-film structure. Accordingly, such sensors are suitable for angle measurement at the shaft end.
  • a flat magnetized, round or rectangular magnet is usually mounted on the front shaft end, which rotates with the shaft.
  • the angle sensor is usually mounted in a fixed position opposite the magnet.
  • the angle measurement by means of a directionally homogeneous magnetic field and applications, in particular at the shaft end was carried out in Industrial property application no.
  • R33984 describes a method and a device which overcomes the above-mentioned natural limitation of the uniqueness range to 180 ° and offers a uniqueness range widened to 0 ° -360 °.
  • One possibility of measuring the angle in the center of the shaft is provided by lateral scanning of magnetic multipole wheels mounted concentrically on the shaft.
  • pole wheels By using pole wheels, the number of NS pole pairs of which differs by exactly 1 pole pair, and using the vernier principle or the modified vernier principle (patent applications DE-P 19506938, DE-P 10041095), the shaft position (shaft angle) can be clearly measured a full revolution is possible in principle.
  • the two sensors used for pole wheel scanning each deliver a clear phase or angle signal over a full pole pair period.
  • the general position determination by scanning magnetic scales and in particular magnetic multipole wheels is possible using special AMR angle sensors. It is characteristic of these sensors that the external magnetic field is not directionally homogeneous over the entire sensor structure, but the magnetic field direction differs at the location of the individual resistors.
  • the individual resistors of each full bridge are best arranged in such a way that the magnetic field direction is usually 90 ° different for each of the 4 bridge resistors, or at least for the two resistors within a half bridge.
  • the two full bridges of a sensor are arranged offset along the scale, so that one Bridge supplies a cosine and the other a sine signal. Such sensors are therefore adapted to the respective magnetic scale.
  • an angle is determined from the two sensor signals, which is now a measure of the phase within a pole period.
  • the known AMR sensors are also limited to 0 ° -180 ° due to the 180 ° symmetry of the AMR effect and the resulting 180 ° periodicity of the sensor signals.
  • the AMR sensor signal When scanning a pole pair period, the AMR sensor signal already covers two full periods. These sensors only deliver a clear signal over half a pole pair period. It is therefore not possible with these sensors to clearly determine the phase within an entire pole pair period.
  • An example of such a limited, commercially available sensor is the LK16 from IMO (Patent No. DE 44 38 715 Cl).
  • the AMR360 scale sensor has two Wheatstone bridges in accordance with the known AMR180 scale sensors.
  • one bridge supplies a cosine-shaped and the other bridge a sinusoidal signal voltage.
  • Figure 2 shows the equivalent circuit diagram of the AMR scale sensor with the two full bridges connected in parallel and supplied with the voltage Vcc.
  • the two bridges can also be connected in series.
  • only half bridges can in principle be used instead of full bridges.
  • the strip family which is drawn in each of the AMR resistance symbols, indicates the direction to be realized of the electrical current flowing through the respective resistance.
  • the AMR resistors of each full bridge are arranged along the magnetic scale so that the direction of the scale field for the bridge resistances Cl and C4 or C2 and C3 in the equivalent circuit diagram, and accordingly for the SIN bridge, is either parallel or antiparallel.
  • Figure 2 shows an example of the variant with antiparallel field direction in the diagonally lying resistors. So that the full bridge with the AMR resistors CR1 to CR4 the cosine signal and the full bridge with the AMR resistors SRI to SR4 provides the sinusoidal signal, the resistances of the two bridges are shifted so that the local directions of the scale field for the resistors of the SIN bridge by 45 ° are rotated with respect to the field directions for the corresponding COS bridge resistors.
  • the resistances of the two bridges can also be arranged spatially separated in different pole pair periods along the scale.
  • the resistors can also be arranged in such a way that one bridge with a parallel field direction in the diagonal bridge resistors and the other bridge with an antiparallel field direction in the diagonal bridge resistors is realized.
  • An optimal arrangement can be found for every scale.
  • the factor 0.5 takes into account the dependency of the AMR signal voltages on the double phase angle, which expresses the natural 180 ° symmetry of the AMR effect and consequently the limitation to 180 ° - uniqueness range according to Figure 4b).
  • the inventive extension of the uniqueness range from half a pole pair period (180 ° phase range) to a whole pole pair period (360 ° phase range) is achieved by differentiating the two phase ranges 0 ° -180 ° and 180 ° -360 °.
  • an external magnetic field H of smaller magnitude is additionally superimposed on the external B field originating from the magnetic scale.
  • the field direction is modulated by switching it on and off or by reversing the direction of this auxiliary field.
  • two 360 ° periodic change or modulation signals are generated.
  • auxiliary field is locally oriented so that the change signal generated in the SIN bridge is phase-shifted in relation to the change signal generated in the COS bridge in such a way that the one change signal is large in magnitude in the phase areas where the other is small in amount is.
  • This preferred alignment of the local auxiliary field ensures the phase shift mentioned and is shown in Figure 5 as an example for the variant with anti-parallel scale field direction in the diagonal bridge resistances.
  • the respective auxiliary field direction alpha (H) is fixed, ie independent of a change in the phase position (shift) of the magnetic scale.
  • auxiliary field directions that can be preferably implemented locally in the AMR360 scale sensor according to the example described, these are also represented by arrows in FIG. 6 with the corresponding arrangement of the AMR resistors along the magnetic scale.
  • other auxiliary field directions are also possible as long as these ensure the described phase shift of the two change signals.
  • Figure 7 shows the auxiliary field direction preferred for the variant with the scale field oriented parallel in the diagonal bridge resistances.
  • the sign of this COS change signal as shown in Figure 8c) can be used to decide in which of the two 180 ° ranges the phase of the scale lies.
  • the phase-shifted SIN change signal DeltaUsin is used in order to be able to carry out a range detection in the area of these zeros. Its phase shift is achieved by the preferred choice of auxiliary field directions shown by way of example in FIGS.
  • the phase is also in the range of 180 ° - 360 ° if the amount of the SIN change signal is greater than the COS change signal and the sign of the SIN change signal is negative and the AMR180 0 angle is less than 135 °.
  • the phase is also in the range 180 ° -360 ° if the amount of the SIN change signal is greater than the COS change signal and the sign of the SIN change signal is positive and the AMR180 0 angle is greater than or equal to 135 °. Otherwise the phase is in the range 0 ° -180 °.
  • this statement can be structured as follows by introducing logical variables:
  • a decision is made as to whether or not a further 180 ° must be added to the AMR180 angle alpha (AMR180) with a range of uniqueness limited to 0 ° -180 ° ( Figure 9a)) ( Figure 9b).
  • the AMR360 ° output angle Alpha (AMR360 °) plotted over the full phase range 0 ° -360 °, ie over 1 pole pair period, is achieved in accordance with:
  • Alpha (AMR360) Alpha (AMR180) + L * ' 180 °
  • the range of uniqueness is doubled from 0 ° -180 ° of conventional AMR scale sensors to 0 ° -360 °.
  • Figure 10 shows the signals with a high noise component.
  • the signal noise is particularly visible in the case of the change signals, which are already very small in magnitude, in ⁇ Figure 10b).
  • Figures 9c) and 9d) are characterized by strong jitter.
  • the area detection is sharp and stable according to the area variables shown in Figure 10e) and their underlying logical link.
  • the phase shift of the two change signals mentioned is decisive for this. It ensures that the sign jitter of one change signal falls within a safe sign area of the other change signal.
  • phase range decision according to:
  • AMR360 AMR360 output angle Alpha
  • Alpha (AMR360) Alpha (AMR180) + L * 180 °
  • phase shift of the original COS and SIN change signals ensures that even with the sum and difference change signal, the sign change of one signal takes place again within safe, stable sign areas of the other signal. See Figures 11b) and 11c). This ensures stable and uncritical area detection even with this alternative signal processing.
  • Alpha (AMR360) Alpha (AMR180) + L * 180 °
  • the current phase position of the scale is obtained from the COS or SIN signal voltages averaged over at least one full reversal cycle, but again with a range of uniqueness restricted to 0 ° -180 °.
  • the COS and SIN change or modulation signal can be extracted by phase-selective rectification. It is advantageous that the amplitude of the change signals are twice as large in an alternating auxiliary field than in the case when the auxiliary field is only switched on and off. It is also advantageous that if the field direction is reversed, a possibly together thermal generated with the auxiliary field
  • AMR360 ° scale sensor It is essential for the realization of the described AMR360 ° scale sensor according to the invention that bridge resistors are used which have a COS ⁇ 2 dependence on the angle between the longitudinal direction of the resistors and the direction of the external magnetic scale field. Accordingly, the two full bridges described provide a 180 ° periodic COS or SIN signal.
  • the preferred implementation is carried out by means of thin-film technology using anisotropic magnetoresistive (AMR) materials such as the nickel-iron alloy Ni81Fel9 (Permalloy).
  • AMR anisotropic magnetoresistive
  • the individual bridge resistors are then represented by thin AMR strips with typical layer thicknesses of approximately 40 nm, of which several can also be combined to form a resistor.
  • the described auxiliary magnetic field for generating the change or modulation signals lies in the plane of these AMR resistance strips.
  • it can be generated internally in the sensor by attaching a current-carrying conductor strip separated by an insulation layer over the AMR resistance strip, which is surrounded by a magnetic field when energized and thus locally generates a magnetic field in the AMR resistance strip underneath, as shown in FIG. 12, which is superimposed on the magnetic field generated from the outside by the scale.
  • Figure 13 shows a schematic representation of a possible embodiment of the AMR360 ° scale sensor.
  • the AMR resistors CR1-CR4 of the COS bridge and SR1-SR4 of the SIN bridge are each represented by 4 strips.
  • a corresponding concrete layout of an AMR360 0 scale sensor is shown in Figure 14.
  • the individual AMR bridge resistors are meandered, with the stripe width being 10 ⁇ m.
  • the conductor structure lying above the AMR resistance meanders for generating the magnetic auxiliary field inside the sensor can be seen.
  • the layout of a version with additional harmonic filtering is shown in Figure 15.
  • the field distortion of pole wheels can be taken into account by slightly turning the individual AMR meanders according to the radial direction of the pole wheel according to their position.
  • the AMR meanders can also be arranged on a twin circle with a corresponding radial alignment of the meanders with regard to the improved pole wheel scanning.
  • the pitch circle radius corresponds to the pole wheel radius plus the intended distance from the AMR resistance meander. It is advantageous here that all AMR resistors are at the same distance from the pole wheel surface and that the field distortion of the circular scale is taken into account.
  • Figure 1 Field course over a magnetic scale (N-S-N) with pole pair period
  • FIG. 2 Equivalent circuit diagram of an AMR180 0 - scale sensor with a 180 ° uniqueness range.
  • the AMR resistors Cl - C4 and Sl - S4 are each connected to a full bridge, which are supplied with voltage together.
  • the band of strips within each resistor symbol indicates the direction of the current flowing through the resistor.
  • the strip family within the AMR resistors symbolizes the current direction.
  • Figure 4 a) Course of the 180 ° periodic COS and SINAMR bridge signals when changing the phase position (shift) of the magnetic scale, b) Output angle of the AMR180 ° scale sensor with a range of uniqueness limited to 180 °.
  • Figure 5 Equivalent circuit diagram of an AMR360 ° scale sensor with 360 ° uniqueness range.
  • the external magnetic field B ext the external magnetic field
  • Figure 6 Schematic representation of the arrangement of the AMR resistors and the respective auxiliary field direction with an AMR360 ° scale sensor according to Fig. 5.
  • Figure 7 Equivalent circuit diagram of a variant of the AMR360 ° scale sensor with a parallel scale field in the diagonally lying bridge resistances and correspondingly adapted auxiliary directions.
  • Figure 8 Signal curve of the AMR360 ° scale sensor over 1 pole pair period: _
  • Figure 9 Uniqueness range extension from 0 ° - 180 ° to 0 ° -360 ° using the logical range variable
  • Figure 10 Stable, uncritical area decision even with noisy change signals
  • Figure 11 Alternative signal processing by forming sum and difference change signals.
  • Figure 12 Schematic cross-sectional representation of the conductor arrangement for generating the magnetic auxiliary field B H. By energizing the conductor, the auxiliary field H is generated in the AMR strip underneath.
  • Figure 13 Schematic representation of the AMR360 ° scale sensor positioned above the magnetic scale (N-S-N) with pole pair period ⁇ .
  • the AMR resistors of the CR1 - CR4 and SRI - SR4 are each connected to a full bridge.
  • the two bridges (COS, SIN) are connected in parallel and are supplied with voltage via Vcc and GND.
  • the conductor path between Icoil + and Icoil- is used for local auxiliary field generation according to Fig. 5 and 6.
  • Figure 14 Layout of an AMR360 ° scale sensor adapted to a pole pair period of 5.12 mm.
  • the AMR resistors of the COS and SIN full bridges are meandered and have a stripe width of 10 ⁇ m.
  • Figure 15 Layout of an AMR360 ° scale sensor as in Figure 14, but with additional filtering of the 3rd harmonic.
  • the individual AMR bridge resistors are divided into 2 meander halves with a mutual distance of 0.43mm corresponding to 1/12 of the Pole pair period.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung beschrieben, mit einem magnetischem Massstab, der zu einer Feldmodulation führt und mittels wenigstens zweier, sich in vorgebbarem Winkel zueinander befindlichen magnetfeldempfindlichen Sensorelementen abgetastet wird. Eine Feldrictungsmodulation erfolgt mittels eine sensorintern erzeugten magnetischen Hilfsfeldes. Die entstehende Feldmodulation weist eine 360 DEG Periodizität auf und führt zu Sensorsignalen, die zur Ermittlung der Winkelstellung oder der Position hisnichtlich auftretender Phasenverschiebungenen oder Vorzeichenwechsel untersucht werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Winkel essung
Stand der Technik
Der Eindeutigkeitsbereich von Winkelsensoren, die z.B. auf anisotrop magnetoresistiven (AMR) Dünnschichten basieren ist infolge der naturgemäßen 180° -Symmetrie des AMR-Effektes auf 0°-180° beschränkt. Beispiele derartig beschränkter AMR- Winkelsensoren sind der KMZ41 von Philips (Patent EP 0 671 605 A2), der KMT31 von HL-PLANAR oder auch der LK15 vom Institut für MikroStruktur und Optoelektronik IMO (Patent Nr. DE 19 839 450 AI) . Solche Sensoren besitzen üblicherweise zwei Vollbrücken, deren eine ein Kosinus- und deren andere ein Sinus-Signal liefert, aus denen mittels Arkustangens-Bildung der Winkel bestimmt wird. Kennzeichnend für diese und ähnliche AMR1800 -Winkelsensoren ist, daß sie die Richtung eines insbesondere über die laterale Ausdehnung der Sensor-DünnschichtStruktur richtungshomogenen externen Magnetfeldes messen. Dementsprechend eignen sich derartige Sensoren zur Winkelmessung am Wellenende. Hierfür wird üblicherweise auf das stirnseitige Wellenende ein flächig magnetisierter, runder oder auch rechteckiger Magnet montiert, der sich mit der Welle dreht. Gegenüber dem Magnet ist Üblicherweises ortsfest der Winkelsensor montiert. Für diesen Fall der Winkelmessung mittels eines richtungshomogenen Magnetfeldes und Applikationen insbesondere am Wellenende wurde in der Schutzrechtsanmeldung Nr. R33984 ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die die oben genannte natürliche Beschränkung des Eindeutigkeitsbereich auf 180° überwindet und einen auf 0°-360° erweiterten Eindeutigkeitsbereich bietet. Ein hinsichtlich der elektronischen
Signalverarbeitung optimiertes Auswerteverfahren wird in der Schutzrechtsanmeldung DE-P 19947761 beschrieben.
Eine Möglichkeit der Winkelmessung in der Wellenmitte ist durch die seitliche Abtastung von konzentrisch auf der Welle montierten magnetischen Multipolrädern gegeben. Durch Verwendung von Polrädern, deren jeweilige Anzahl an N-S- Polpaaren sich um genau 1 Polpaar unterscheidet, und Anwendung des Noniusprinzips bzw. des modifizierten Noniusprinzips (Schutzrechtsanmeldüngen DE-P 19506938, DE-P 10041095) ist eine eindeutige Messung der Wellenstellung (Wellenwinkel) über eine volle Umdrehung prinzipiell möglich. Vorraussetzung hierfür ist allerdings, daß die beiden zur Polradabtastung verwendeten Sensoren jeweils über eine volle Polpaar-Periode ein eindeutiges Phasen- bzw. Winkelsignal liefern.
Die generelle Positionsbestimmung durch Abtastung magnetischer Maßstäbe und insbesondere magnetischer Multipolräder ist mittels spezieller AMR-Winkelsensoren möglich. Kennzeichnend für diese Sensoren ist, daß das externe Magnetfeld gerade nicht richtungshomogen über der gesamten Sensor-Struktur ist, sondern sich die Magnetfeldrichtung am Ort der einzelnen Widerstände unterscheidet. Hierfür sind die einzelnen Widerstände einer jeden Vollbrücke am besten gerade so angeordnet, daß die Magnetfeldrichtung üblicherweise bei jedem der 4 Brückenwiderstände, zumindest aber bei den beiden Widerstände innerhalb einer Halbbrücke, um 90° verschieden ist. Weiterhin sind die beiden Vollbrücken eines Sensors entlang des Maßstabs versetzt angeordnet, so daß die eine Brücke ein Kosinus- und die andere ein Sinus-Signal liefert. Derartige Sensoren sind also an den jeweiligen magnetischen Maßstab angepaßt. Mittels Arcustangensbildung wird aus den beiden Sensorsignalen wiederum ein Winkel bestimmt, der jetzt ein Maß für die Phase innerhalb einer Polperiode ist. Aber auch hier kommt es bei den bekannten AMR-Sensorn infolge der 180° -Symmetrie des AMR-Effekts und der daraus resultierenden 180° -Periodizität der Sensorsignale zu einer Beschränkung des Eindeutigkeitsbereichs auf 0°-180°. Bei Abtastung einer Polpaar-Periode überstreicht das AMR- Sensorsignal bereits zwei volle Perioden. Diese Sensoren liefern also nur über eine halbe Polpaarperiode ein eindeutiges Signal. Es ist daher mit diesen Sensoren nicht möglich, die Phase innerhalb einer ganzen Polpaar-Periode eindeutig zu bestimmen. Ein Beispiel eines derartig beschränkten, kommerziell erhältlichen Sensors ist der LK16 vom IMO (Patent Nr. DE 44 38 715 Cl) .
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Mit den bekannten AMR-Sensoren zur Abtastung magnetischer Maßstäbe ist es prinzipiell nicht möglich, die Winkelstellung einer Welle durch seitliches Abtasten zweier Multipolräder eindeutig über 1 volle Wellenumdrehung (0°- 360°) zu bestimmen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese bekannten Sensoren gemäß Abschnitt 2.1 die Phase nicht über eine volle Polpaar-Periode sondern nur über eine halbe Polpaar-Periode eindeutig bestimmen können. Letzteres beruht wie bereits erwähnt auf der 180° -Periodizität der AMR- Sensorsignale . Dementsprechend ist dann aber auch die Bestimmung der Wellenstellung mittels des Noniusprinzips bzw. des modifizierte Noniusprinzips nur über eine halbe Wellenumdrehung (0°-180°) eindeutig möglich.
In der vorliegenden Erfindungsmeldung wird eine Lösung für einen AMR-Sensor, ein Verfahren und eine Vorrichung, vorgestellt, die es nun ermöglicht, die Phase innerhalb einer ganzen Polpaar-Periode eines magnetischen Maßstabs eindeutig zu bestimmen. Der Eindeutigkeitsbereich des hier vorgestellten AMR-Sensors ist gegenüber dem der bekannten AMR-Sensoren verdoppelt. Damit wird insbesondere jetzt auch die eindeutige Erfassung der Wellenstellung über eine volle 360° -Umdrehung durch seitliche Abtastung zweier magnetischer Polräder mittels AMR-Sensoren und Anwendung des modifizierten Noniusprinzips möglich.
Kern der Erfindung
Kern der Erfindung ist die Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs von 180° auf 360° durch Feldrichtungsmodulation mittels magnetischem Hilfsfeld. Die bekannte Lösung ist ausschließlich für die Winkelmessung am Wellenende mit einem über der Sensorfläche homogenen Magnetfeld geeignet. Dagegen erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf AMR-Winkelsensoren zur Abtastung magnetischer Maßstäbe mit insbesondere einem über dem Sensor richtungsinhomogenen Feld. Damit sind diese Sensoren insbesondere auch zur Abtastung von magnetischen Polrädern und folglich zur Winkelmessung in der Wellenmitte geeignet. Eine dabei grundlegende und funktionsentscheidende Neuerung ist, daß bei dem erfindungsgemäßen AMR360° -Maßstabssensor bereits innerhalb jeder der beiden Halb- bzw. Vollbrücken mindestens 2 unterschiedliche. Hilfsfeld-Richtungen realisiert werden. Das Prinzip des AMR360° -Maßstabssensors in Kürze: Durch Überlagerung des externen, vom magnetischen Maßstab stammenden Magnetfeldes mit einem z.B. sensorintern erzeugten magnetischen Hilfsfeld wird die den bekannten AMR1800 -Maßstabssensoren zugrundeliegende Symmetrie aufgebrochen. Durch dieses Hilfsfeld mit lokal unterschiedlicher Richtung innerhalb der Vollbrücken wird eine Modulation der Feldrichtung hervorgerufen, die zu einer Änderung der beiden Sensorsignale (COS, SIN) führt. Diese Ξignaländerungen (Modulationssignale) besitzen gerade keine 180° -Periodizität sondern eine 360° -Periodizität . Außerdem weisen Sie bei geeigneter Wahl der lokalen Hilfsfeldrichtung eine gegenseitige Phasenverschiebung auf. Die Vorzeichenbetrachtung dieser gegeneinander phasenverschobenen Modulationssignale ermöglicht eine unkritische logische Bereichsunterscheidung zwischen der ersten Polpaar-Halbperiode (Phase 0°-180°) und der zweiten Polpaar-Halbperiode (Phase 180°-360°) . Der entscheidende Vorteil und die grundlegende Neuerung gegenüber herkömmlichen, bekannten AMR180° -Maßstabssensoren besteht damit in einer Verdopplung des Ξindeutigkeitsbereiches , ohne dabei eine Einbuße bezüglich der absoluten Genauigkeit hinnehmen zu müssen. Der Einsatz dieser neuen 'AMR360- Maßstabssensoren ermöglicht erstmals auch mit AMR- Winkelsensoren die eindeutige Erfassung der Winkelstellung einer Welle über 1 volle Umdrehung (0°-360°) durch seitliche Abtastung zweier magnetischer Multipolräder und Anwendung des Noniusprinzips . Aber auch bei der Abtastung linearer Maßstäbe zur Weg- bzw. Positionsmessung wird damit eine Verdopplung des eindeutig erfassbaren Längenbereichs ermöglicht .
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1. Phasenmessung durch Erfassung der lokalen Magnetfeldrichtung mittels angepasster AMR-Vollbrücken: (Stand der Technik)
Zur absoluten Positionsbestimmung anhand eines magnetischen Maßstabs wird bei dem im folgenden beschriebenen erfingungsgemäßen AMR360 -Maßstabssensor nicht die' Stärke, sondern allein die Richtung des Feldverlaufes über dem Maßstab gemessen. Der Feldverlauf über einer Polpaar-Periode lambda des magnetischen Maßstab ist in Abbildung 1 anhand einer magnetischen Feldlinie schematisch dargestellt. Eine Periode erstreckt sich von einem Pol bis zum nächsten gleichnamigen Pol (Polpaarperiode N-N) . Zur Verdeutlichung der Richtungsänderung des Feldverlaufs ist die lokale, ortsabhängige Feldrichtung durch Pfeile oberhalb der Feldlinie angedeutet. Innerhalb einer Polpaarperiode ändert sich die Feldrichtung bzw. Phase Phi um 360° bzw. 2*pi. Dabei wird ihre Abhängigkeit vom Ort x im wesentlichen durch den linearen Zusammenhang Phi (x) =2*pi/lambda*x beschrieben. Alternativ können auch Maßstäbe mit in der Maßstabsebene liegender, periodisch in Längsrichtung des Maßstabs alternierender Magnetisierung verwendet werden.
Zur Detektion der Phasenlage Phi des magnetischen Maßstabs besitzt der erfindungsgemäße AMR360-Maßstabssensor entsprechend den bekannten AMR180-Maßstabssensoren zwei Wheatstone-Brücken. Bei Verschiebung des Maßstabs relativ zum AMR-Sensor, d.h. Änderung dessen Phasenlage, liefert die eine Brücke eine kosinusförmige und die andere Brücke eine sinusförmige SignalSpannung. Abbildung 2 zeigt das Ersatzschaltbild des AMR-Maßstabssensors mit den beiden parallel geschalteten und der Spannung Vcc versorgten Vollbrücken. Alternativ können die beiden Brücken auch in Reihe geschaltet werden. Außerdem kann anstelle der Vollbrücken prinzipiell auch nur Halbbrücken verwendet werden. Die Streifenschar, die in jedes der AMR- Widerstandssymbole eingezeichnet ist, gibt die zu realisierende Richtung des durch den jeweiligen Widerstand fließenden elektrischen Stromes an. Die AMR-Widerstände einer jeden Vollbrücke sind so entlang des magnetischen Maßstabs angeordnet, dass die Richtung des Maßstabsfeldes bei den im Ersatzschaltbild jeweils diagonal liegenden Brückenwiderständen Cl und C4 bzw. C2 und C3 und entsprechend bei der SIN-Brücke entweder parallel oder antipärallel zeigt. In Abbildung 2 ist beispielhaft die Variante mit antiparalleler Feldrichtung in den diagonal liegenden Widerständen dargestellt. Damit die Vollbrücke mit den AMR-Widerständen CR1 bis CR4 das Kosinussignal und die Vollbrücke mit den AMR-Widerständen SRI bis SR4 das Sinussignal liefert, werden die Widerstände der beiden Brücken so gegeneinanderverschoben angeordnet, daß die lokalen Richtungen des Maßstabsfeldes bei den Widerständen der SIN-Brücke um 45° gegenüber den Feldrichtungen bei den entsprechenden COS-Brückenwiderständen gedreht sind. Das wird sichergestellt, wenn die Widerstände beispielsweise wie in Abbildung 3 dargestellt angeordnet werden: CR1 bei x=lambda/4, CR2 bei x=0, CR3 bei x=lambda/2, CR4 bei x=lambda*3/4, SRI bei x=lambda*3/8 , SR2 bei x=lambda/8, SR3 bei x=lambda*5/8 , SR14 bei x=lambda*7/8. Alternativ hierzu kann man die Widerstände der beiden Brücken z.B. auch räumlich getrennt in verschiedenen Polpaarperioden entlang des Maßstabs anordnen. Alternativ kann man die Widerstände auch so anordnen, dass eine Brücke mit paralleler Feldrichtung in den diagonalen Brückenwiderständen und die andere Brücke mit antiparalleler Feldrichtung in den diagonalen Brückenwiderständen realisiert wird. So läßt sich für jeden Maßstab eine optimale Anordnung finden. Bei Änderung der Phasenlage Phi (Verschiebung) des magnetischen Maßstabs ändert sich die B-Feldrichtung bei jedem der AMR- Widerstände gerade so, daß wie in Abbildung 4a) dargestellt die Brücke CR1-CR4 das Kosinussignal Ucos=A*cos (2*Phi) und die Brücke SR1-SR4 das Sinussignal Usin=A*sin (2*Phi) mit der Signalamplitude A liefert. Die Phasenlage Phi wird gemäß Phi=0, 5*arctan(Usin/Ucos) aus den beiden Sensorsignalen ermittelt. Der Faktor 0,5 berücksichtigt dabei die Abhängigkeit der AMR-Signalspannungen vom doppelten Phasenwinkel, wodurch die naturgemäße 180° -Symmetrie des AMR-Effekts und demzufolge die Begrenzung auf 180°- Eindeutigkeitsbereich entsprechend Abbildung 4b) zum Ausdruck kommt .
Um darüberhinaus Oberwellen-Signalanteile herauszufiltern, die auf Abweichungen von der oben angebenen linearen Ortsabhängigkeit der Feldrichtung herrühren, können die einzelnen AMR-Widerstände CR1-CR4 bzw. SR1-SR4 zum Beispiel wie folgt geteilt angeordnet werden: Zur Unterdrückung der k-ten Oberwelle im AMR-Signal mit der Periodenlänge lambda (k) =lambda/ (2*k) wobei lambda=Polpaarperiode, werden die beiden jeweiligen AMR-Widerstandshälften um lambda (k) /2 von einander- getrennt und symmetrisch zur Position bei rein linearer Ortsabhängigkeit der Feldrichtung angeordnet. Durch weiteres dementsprechendes Aufteilen der einzelnen Widerstandshälften können zusätzlich noch höhere Signaloberwellen herausgefiltert werden.
2. Feldrichtungsmodulation zur Erzeugung 360° -periodischer Anderungssignale :
Die erfindungsgemäße Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs von einer halben Polpaarperiode (180° Phasenbereich) auf eine ganze Polpaarperiode (360° -Phasenbereich) wird durch eine Unterscheidung der beiden Phasenbereiche 0°-180° und 180° -360° erreicht. Hierzu wird dem externen, vom magnetischen Maßstab herrührenden B-Feld zusätzlich ein betragsmäßig kleineres magnetisches Hilfsfeld H überlagert. Durch Ein- und Ausschalten oder durch Richtungsumkehr dieses Hilfsfeldes wird die Feldrichtung moduliert. Dadurch werden zu den aus Abschnitt 2.4.1 bekannten 180° -periodischen COS- und SIN-Sensorsignalen zusätzlich zwei 360°-periodische Anderungs- bzw. Modulationssignale erzeugt. Wesentlich ist dabei, dass das Hilfsfeld lokal so orientiert ist, dass das in der SIN-Brücke erzeugte Änderungssignal zu dem in der COS-Brücke erzeugten Anderungssignal derart phasenverschoben ist, dass das eine Anderungssignal in den Phasenbereichen betragsmäßig groß ist, wo das andere betragsmäßig klein ist. Die Hilfsfeldrichtungen werden z.B. so gewählt, dass sie im Fall der COS-Brücke in eine um jeweils 90° und im Fall der SIN-Brücke in eine um jeweils 45° relativ zur Richtung des lokalen Maßstabsfeldes bei dessen Phasenlage Phi = 0 gedrehte Richtung zeigen. Diese bevorzugte Ausrichtung des lokalen Hilfsfeldes gewährleistet die genannte Phasenverschiebung und ist in Abbildung 5 beispielhaft für die Variante mit antiparalleler Maßstabsfeldrichtung in den diagonalen Brückenwiderständen dargestellt. Die lokale Hilfsfeldrichtung alpha (H) in diesem Beispiel ist bei CR1 und SRI alpha (H) =180° , bei CR2 und SR2 alpha (H) =90° , bei CR3 und SR3 alpha (H) =270° und bei CR4 und SR4 alpha (H)=0°. Die jeweilige Hilfsfeldrichtung alpha (H) ist fest, d.h. unabhängig von einer Änderung der Phasenlage (Verschiebung) des magnetischen Maßstabs. Zur Verdeutlichung der beim AMR360-Maßstabssensor gemäß dem geschilderten Beispiel lokal bevorzugt zu realisierenden Hilfsfeldrichtungen sind diese auch in Abbildung 6 bei der entsprechenden .Anordnung der AMR-Widerstände entlang des magnetischen Maßstabs durch Pfeile dargestellt. Darüberhinaus sind auch andere Hilfsfeldrichtungen möglich, solange diese die beschriebene Phasenverschiebung der beiden AnderungsSignale gewährleisten. In Abbildung 7 ist die für die Variante mit dem in den diagonalen Brückenwiderständen parallel orientierten Maßstabsfeld bevorzugte Hilfsfeldrichtung angegeben .
3. Signalauswertung und logische Phasenbereichsentscheidung
Hinsichtlich der genannten Phasenbereichsunterscheidung werden pro Phasenwertbestimmung mindestens zwei Messungen durchgeführt: Eine Messung ohne und eine Messung mit angelegtem Hilfsfeld. Aus der Messung ohne Hilfsfeld wird durch Arcustangensbildung der AMR180° -Winkel Alpha (AMR180) gemäß Alpha (AMR180) =0, 5*arctan (Usin/Ucos) und damit zunächst die Phasenlage mit 180° -Periodizität, also mit auf 180° begrenzter Eindeutigkeit, bestimmt. Aus der Differenz der beiden Messungen ergeben sich die Änderungssignale DeltaUcos=Ucos (H) -Ucos (H=0) bzw. DeltaUsin=Usin (H) - Usin(H=0) . Anhand dieser wird durch Vorzeichenbetrachtung erkannt, ob zu dem aus der Messung ohne Hilfsfeld bestimmten AMR180_Phasenwinkel noch 180° hinzuaddiert werden müssen oder nicht, d.h. ob die Phase des Maßstabs im Bereich 0°- 180° oder im Bereich 180°-360° liegt. Zur Verdeutlichung ist beispielhaft für die bevorzugte Wahl der Hilfsfeldrichtungen aus Abbildung 5 bzw. 6) in Abbildung 8a) der Verlauf des COS- und SIN-Sensorsignals und in Abbildung 8b) der Verlauf des COS- und SIN-Änderungssignals dargestellt. Diese AnderungsSignale besitzen im Gegensatz zu dem COS- bzw. SIN- Signal keine 180°- sondern eine 360 ° -Periodizität . Das COS- Änderungssignal DeltaUcos ist im Bereich 0°-180° <=0 und im Bereich 180° -360° >=0. Abgesehen von den Nullstellen bei den Phasenlagen 0°, 90°, 180° und 270° kann bereits allein durch das Vorzeichen dieses COS-AnderungsSignals gemäß Abbildung 8c) entschieden werden, in welchem der beiden 180° -Bereiche die Phase des Maßstabs liegt. Um auch im Bereich dieser Nullstellen eine Bereichserkennung durchführen zu können, wird das phasenverschobene SIN-Änderungssignal DeltaUsin hinzugezogen. Dessen Phasenverschiebung wird durch die in Abbildung 5, 6 und 7 beispielhaft dargestellte, bevorzugte Wahl der Hilfsfeldrichtungen erreicht und bewirkt, dass das SIN-Änderungssignal im Bereich der Nullstellen des COS- Änderungssignals betragsmäßig maximal ist. Auch in diesen Bereichen genügt zur Phasenbereichsunterscheidung eine VorZeichenbetrachtung, allerdings des SIN-Änderungssignals. Dessen Vorzeichen-Verlauf ist in Abbildung 8d) dargestellt. Letzten Endes entscheidet allein das Vorzeichen des jeweils betragsmäßig stärksten, d.h. signifikantesten nderungssignals über den aktuellen Phasenbereich. Für eine sichere Bereichsentscheidung genügt es daher, die Beträge und die Vorzeichen der AnderungsSignale sowie den AMR180- Winkel Alpha (AMR180) gemäß folgender Aussage logisch miteinander zu verknüpfen: Falls das COS-Anderungssignal betragsmäßig größer oder gleich dem SIN-Änderungssignal und das COS-Änderungssignal positiv ist dann liegt die Phase im Bereich 180°-360°. Ebenso liegt die Phase im Bereich 180°- 360°, falls das SIN-Änderungssignal betragsmäßig größer ist als das COS-Anderungssignal und das Vorzeichen des SIN- Änderungssignals negativ ist und der AMR1800 -Winkel kleiner ist als 135°. Darüberhinaus liegt die Phase auch dann im Bereich 180° -360°, wenn das SIN-Änderungssignal betragsmäßig größer ist als das COS-Anderungssignal und das Vorzeichen des SIN-Änderungssignals positiv ist und der AMR1800 -Winkel größer als oder gleich 135° ist. Ansonsten liegt die Phase im Bereich 0°-180°.
Formal kann diese Aussage durch Einführung von logischen Variablen wie folgt strukturiert werden:
l = 1, falls Vorzeichen von DeltaUcos >0 = 0, sonst
L2 = 1, falls Vorzeichen von DeltaUsin >0 = 0, sonst
L3 = 1, falls Betrag von DeltaUcos >= Betrag von DeltaUsin = 0, sonst
L4 = 1, falls Alpha (AMR180) >= 135° = 0, sonst
Logische Verknüpfung der Variablen L1,L2, L3 und L4 zur Bereichsvariablen L gemäß:
L = (L3 UND Ll) ODER ( NICHT (L3) UND L4 UND L2) ODER (NICHT(L3) UND NICHT (L4) UND NICH (L2) )
und Phasenbereichsentscheidung gemäß:
Phasenbereich = 0° - 180°, falls L = 0 Phasenbereich = 180° - 360°, falls L = 1 Anhand der logischen Bereichsvariablen L wird entschieden, ob zu dem AMR180-Winkel Alpha (AMR180) mit auf 0°-180° begrenzten Eindeutigkeitsbereich (Abbildung 9a) ) weitere 180° hinzuaddiert werden müssen oder nicht (Abbildung 9b) . Den in Abbildung 9c) aufgetragenen, über den vollen Phasenbereich 0°-360°, d.h. über 1 Polpaarperiode eindeutigen AMR360° -Ausgabewinkel Alpha (AMR360° ) erzielt damit gemäß:
Alpha (AMR360) = Alpha (AMR180) + L *' 180°
Der Eindeutigkeitsbereich ist damit von 0°-180° herkömmlicher AMR-Maßstabssensoren verdoppelt auf 0°-360° .
Dadurch, dass bei dieser Entscheidungslogik nur jeweils das Vorzeichen des gerade betragsmäßig größten Anderungssignals ausgewertet wird, ist diese Bereichsunterscheidung unkritisch und stabil. Zur Verdeutlichung sind in Abbildung 10 die mit einem starken Rauschanteil beaufschlagten Signale dargestellt. Das Signalrauschen wird insbesondere bei den betragsmäßig ohnehin sehr kleinen Änderunssignalen in ■ Abbildung 10b) sichtbar. Demzufolge sind deren VorZeichenwechsel in Abbildung 9c) und 9d) durch einen starken Jitter gekennzeichnet. Trotzdem ist die Bereichserkennung gemäß der in Abbildung lOe) dargestellten Bereichsvariablen und deren zugrundeliegenden logischen Verknüpfung scharf und stabil. Entscheidend hierfür ist die erwähnte Phasenverschiebung der beiden Anderungssignale. Durch sie wird gewährleistet, dass der Vorzeichen-Jitter des einen Anderungssignals in einen sicheren Vorzeichenbereich des jeweils anderen Anderungssignals fällt.
4. Alternative Signalauswertungen:
4.1 Summen- und Differenz-Änderungssignal: Hinsichtlich einer vereinfachten elektronischen Signalverarbeitung ist es wünschenswert, die Betragsbildung bei den AnderungsSignalen (siehe logische Variable L3 in 4.3) zu umgehen. Dies kann ausgehend von dem ursprünglichen COS- und SIN-Änderungssignal durch Summen- und Dif erenzbildung erfolgen gemäß:
Usumm = DeltaUsin + DeltaUcos Udiff = DeltaUsin - DeltaUcos
und ist bereits in Schutzrechtsanmeldung Nr. beschrieben.
Ausgehend von diesen neuen in Abbildung 11a) dargestellten AnderungsSignalen genügt zur Bereichserkennung eine logische Verknüpfung allein von deren Vorzeichen (Abbildung 11b) und 11c)) und des AMR180-Winkels gemäß folgendem Zusammenhang: Die Phase liegt im Bereich 180°-360°, falls der AMR180- Winkel Alpha (AMR180) kleiner als 135° und das Differenz- Anderungssignal Udiff negativ ist. Ebenso liegt die Phase im Bereich 180°-360°, falls der AMR180-Winkel Alpha (AMR180) größer als oder gleich 135° und das Summen-Änderungssignal Usumm positiv ist. Durch Definition von logischen Variablen kann diese Aussage wie folgt strukturiert werden:
Ll = 1, falls Vorzeichen von Udiff <0 = 0, sonst
L2 = 1, falls Vorzeichen von Usumm >0 = 0, sonst
L3 = 1, falls Alpha (AMR180) >= 135° = 0, sonst
Logische Verknüpfung der Variablen L1,L2 und L3 zur Bereichsvariablen L (Abbildung lld) ) gemäß: L = (NICHT (L3) UND Ll) ODER (L3 UND L2 )
und damit entsprechend zu 4.3 die Phasenbereichsentscheidung gemäß :
Phasenbereich = 0° - 180°, falls L = 0 Phasenbereich = 180° - 360°, falls L = 1
und die Bestimmung des über den vollen Phasenbereich 0°-360° eindeutigen AMR360-Ausgabewinkels Alpha (AMR360) gemäß:
Alpha (AMR360) = Alpha (AMR180) + L * 180°
Die Phasenverschiebung der ursprünglichen COS- und SIN- Änderungssignale gewährleistet, dass auch beim Summen- und Differenz-Änderungssignal die Vorzeichenwechsel des einen Signals wieder innerhalb sicherer, stabiler Vorzeichenbereiche des anderen Signals erfolgen. Siehe hierzu Abbildung 11b) und 11c) . Damit ist auch bei dieser alternativen Signalverarbeitung eine stabile und unkritische Bereichserkennung sichergestellt .
4.2 Verallgemeinerte logische BereichsentScheidung bei alternativen Hilfsfeldrichtungen
Bezeichnet, verallgemeinernd zur Beschreibung unter 4.2, Alpha (H, COS) den Winkel zwischen lokaler Hilfsfeldrichtung und lokaler Richtung des Maßstabsfeldes bei dessen Phasenlage Phi = 0 im Fall der COS-Brückenwiderstände und bezeichnet entsprechend für die SIN-Brückenwiderstände Alpha (H, SIN) den Winkel zwischen lokaler Hilfsfeldrichtung und lokaler Richtung des Maßstabsfeldes bei dessen Phasenlage Phi=0, dann gilt mit den neuen logischen Variablen L4 und L5 folgende allgemeinere Formulierung der logischen Phasenbereichsentscheidung : Ll = 1, falls Vorzeichen von DeltaUcos >0 = 0, sonst
L2 = 1, falls Vorzeichen von DeltaUsin >0 = 0, sonst
L3 = 1, falls Betrag von DeltaUcos >= Betrag von DeltaUsin = 0, sonst
L4 = 1, falls Alpha (AMR180) > 180 ° -Alpha (H, SIN) = 0, sonst
L5 = 1, falls Alpha (AMR180) < 90 ° -Alph (H, COS) = 0, sonst
Logische Verknüpfung der Variablen L1,L2, L3 , L4 und L5 zur Bereichsvariablen L gemäß:
L = (L3 UND NICHT (Ll) UND L5) ODER (L3 UND Ll UND NICHT(L5)) ODER (NICHT(L3) UND L2 UND L4) ODER (NICHT(L3) UND NICHT (L2) UND NICHT (*L4) ) Phasenbereichsentscheidung wiederum gemäß:
Phasenbereich = 0° - 180°, falls L = 0 Phasenbereich = 180° - -360°, falls L = 1
und damit Bestimmung des AMR360-Ausgabewinkels Alpha (AMR360) wiederum gemäß:
Alpha (AMR360) = Alpha (AMR180) + L * 180°
Für die in Abbildung 5 dargestellte und in Abschnitt 4.2 beschriebene Hilfsfeldrichtungen Alph (H, COS) =90° und Alpha (H, SIN) =45° ist L5 = 0 und der logische Ausdruck für die Bereichsvariable L vereinfacht sich zu dem in Abschnitt 2.4.3 angegebenen Ausdruck. Die hier angegebenen verallgemeinerten logischen Variablen beschreiben die Phasenbereichs-Entscheidungslogik für prinzipiell beliebige Hilfsfeldrichtungen Alpha (H, COS) und Alpha (H, SIN) . Eine unkritisch Phasenbereichsentscheidung (bei realen verrauschten AnderungsSignalen) wird jedoch nur bei solchen Hilfsfeldrichtungen möglich sein, bei denen das COS- und SIN-Änderungssignal so gegeneinander phasenverschoben sind, dass das eine nderungssignal dort betragsmäßig groß ist wo das andere Anderungssignal betragsmäßig klein ist. Nur so ist gewährleistet, das bei jeder beliebigen Phasenlage Phi des Maßstabs ein signifikantes Anderungssignal zur Verfügung steht. Eine zu der in Abbildung 5 bzw. Abbildung 7 angegebenen alternative Hilfsfeldrichtung mit unkritischer, stabiler Bereichsunterscheidung wäre z.B. Alpha (H, COS) =90° zusammen mit Alpha (H, SIN) =135°.
4.3 Alternierendes Hilfsfeld:
Hinsichtlich der elektronischen SignalVerarbeitung ist anstelle dem unter 4.3 beschriebenen Ein-Ausschalten des magnetischen Hilfsfeldes dessen Richtungsumkehr vorteilhaft. Im Fall eines ständig alternierenden Hilfsfeldes (ständige Richtungsumkehr) , erhält man aus den über mindestens einen vollen Richtungsumkehrzyklus gemittelten COS- bzw. SIN- Signalspannungen durch Arcustangensbildung die aktuelle Phasenlage des Maßstabs jedoch wiederum nur mit auf 0°-180° eingeschränktem Eindeutigkeitsbereich. Durch phasenselektive Gleichrichtung kann das COS- und SIN-Änderungs- bzw. Modulationssignal extrahiert werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die Amplitude der AnderungsSignale bei alternierendem Hilfsfeld doppelt so groß sind, als in dem Fall, wenn das Hilfsfeld nur ein- und ausgeschaltet wird. Vorteilhaft ist auch, dass bei Feldrichtungsumkehr ein eventuell zusammen mit dem Hilfsfeld erzeugter thermischer
Signaländerungsbeitrag eliminiert wird. Denn während sich infolge der Richtungsumkehr des Hilfsfeldes auch das Vorzeichen des rein magnetisch erzeugten Anderungssignals ändert, ändert sich das Vorzeichen des thermisch erzeugten Anderungssignals nicht. Bei Differenzbildung wird somit der thermische Beitrag eliminiert während der magnetische Beitrag verdoppelt wird.
4.5 Realisierung in Dünnschichttechnologie
Wesentlich für die Realisierung des beschriebenen erfindungsgemäßen AMR360°-Maßstabssensors ist die Verwendung von Brückenwiderständen, die eine COSΛ2 -Abhängigkeit vom Winkel zwischen der Längsrichtung der Widerstände und der Richtung des externen magnetischen Maßstabsfeldes aufweisen. Dementsprechend liefern die beiden beschriebenen Vollbrücken ein 180° -periodisches COS- bzw. SIN-Signal. Die bevorzugte Realisierung erfolgt mittels Verfahren der Dünnschichttechnologie unter Verwendung von anisotrop magnetoresistiven (AMR) Materialen wie z.B. der Nickel- Eisen-Legierung Ni81Fel9 (Permalloy) . Die einzelnen Brückenwiderstände werden dann durch dünne AMR-Streifen mit typischen Schichtdicken von etwa 40 nm dargestellt, von denen auch mehrere zu einem Widerstand zusammengefasst werden können. Das beschriebene magnetische Hilfsfeld zur Erzeugung der Anderungs- bzw. Modulationssignale liegt in der Ebene dieser AMR-Widerstandsstreifen. Es kann z.B. sensorintern bekanntermaßen dadurch erzeugt werden, dass man über den AMR-Widerstandsstreifen durch eine Isolationsschicht getrennt einen stromführenden Leiterstreifen anbringt, der bei Bestromung mit einem Magnetfeld umgeben ist und so in dem darunterliegenden AMR- Widerstandsstreifen gemäß Abbildung 12 lokal ein magnetisches Feld erzeugt, welches sich dem von außen durch den Maßstab erzeugten Magnetfeld überlagert. Abbildung 13 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung des AMR360°-Maßstabssensors . Die AMR-Widerstände CR1-CR4 der COS-Brücke und SR1-SR4 der SIN-Brücke sind jeweils durch 4 Streifen dargestellt. Ihre jeweilige Position ist an die N-N-Polpaarperiode des ebenfalls dargestellten magnetischen Maßstabs angepaßt und entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der Anordnung in Abbildung 5 bzw. Abbildung 6. Diese Widerstände sind schematisch zu Vollbrücken entsprechend dem Ersatzschaltbild in Abbildung 5 verdrahtet. Über die quadratischen Flächen erfolgt die Kontaktierung und entsprechend den jeweiligen Bezeichnungen die Zuführung der SpannungsVersorgung (Vcc, GND) und der Abgriff der Signalspannungen (Ucos+,Ucos- bzw. Usin+, Usin- ) . Das magnetische Hilfsfeld mit einer lokalen Ausrichtung gemäß Abbildung 5 wird sensorintern erzeugt durch den schematisch dargestellten Leiterzug von der Kontakfläche Icoil+ bis zur Kontaktfläche Icoil-. Dieser Leiterzug liegt entsprechend Abbildung 12 über den AMR-Widerstandsstreifen und erzeugt bei Bestromung lokal ein entsprechend Abbildung 5 bzw. 6 gerichtetes Hilfsfeld.
Ein entsprechendes konkretes Layout eines AMR3600- Maßstabsensors zeigt Abbildung 14. Die einzelnen AMR- Brückenwiderstände sind mäandriert ausgeführt, wobei die Streifenbreite lOμm beträgt. Zu erkennen ist die über den AMR-Widerstandsmäandern liegende Leiterstruktur zur sensorinternen Erzeugung des magnetischen Hilfsfeldes. Die Brückenwiderstände sind in diesem konkreten Ausführungsbeispiel an eine Polpaarperiode von 5,12mm angepaßt . Dementsprechend beträgt der Abstand benachbarter Widerstandsmäander lambda/8=0 , 64mm. Das Layout einer Ausführung mit zusätzlicher Oberwellenfilterung ist in Abbildung 15 dargestellt. Dadurch, dass jeder einzelnen AMR- Widerstandsmäander in zwei kleinere, in Reihe geschaltete Mäander aufgeteilt ist, die symmetrisch zu der Position des jeweiligen AMR-Widerstands im Fall ohne Oberwellenfilterung angeordnet sind und einen gegenseitigen Abstand von lambda/12=0 , 43mm besitzen, wird die 3. Oberwelle unterdrückt. Darüberhinaus sind noch weitere Layout-Verfeinerung möglich: Z.B. kann die Feldverzerrung von Polrädern (kreisförmiger Maßstab) durch eine leichte Verdrehung der einzelnen AMR- Mäander entsprechend der ihrer Position gemäßen radialen Richtung des Polrades berücksichtigt werden. Alternativ kann man hinsichtlich der verbesserten Polradabtastung die AMR- Mäander auch auf einem Tweilkreis mit entsprechend radialer Ausrichtung der Mäander anordnen. Der Teilkreisradius entspricht dem Polrad-Radius zuzüglich des vorgesehenen Abstands zu den AMR-Widerstandsmäander. Vorteilhaft hierbei ist, daß alle AMR-Widerstände denselben Abstand zur Polradoberfläche haben und dass der Feldverzerrung des kreisförmigen Maßstabs Rechnung getragen wird.
Abbildung 1: Feldverlauf über einem magnetischen Maßstab (N-S-N) mit Polpaarperiode
Abbildung 2: Ersatzsschaltbild eines AMR1800- Maßstabssensors mit 180° -Eindeutigkeitsbereich. Die AMR- Widerstände Cl - C4 bzw. Sl - S4 sind jeweils zu einer Vollbrücke verschaltet, die gemeinsam spannungsversorgt sind. Die Streifenschar innerhalb jedes WiderstandsSymbols gibt die Richtung des durch den Widerstand fließenden Stromes an. Die Pfeile neben den Widerstandssymbolen beschreibt die lokale Richtung des externen vom Maßstab stammenden Magnetfeldes B bei dessen Phasenlage Phi = 0°.
Abbildung 3 : Schematische Darstellung zur Anordnung der AMR-Widerstände CR1 - CR4 (COS-Brücke) bzw. .SRI - SR4 (SIN- Brücke) entlang des magnetischen Maßstabs bei dessen Phasenlage Phi = 0°. Die Streifenschar innerhalb der AMR- Widerstände symbolisiert die Stromrichtung. Abbildung 4: a) Verlauf der 180° -periodischen COS- und SIN- AMR-Brückensignale bei Änderung der Phasenlage (Verschiebung) des magnetischen Maßstabs, b) Ausgabewinkel des AMR180° -Maßstabssensor mit auf 180° begrenztem Eindeutigkeitsbereich .
Abbildung 5: Ersatzsschaltbild eines AMR360° -Maßstabssensors mit 360°-Eindeutigkeitsbereich. In Erweiterung zum AMR180- Maßstabssensor (Abb.2) wird dem externen vom Maßstab stammenden Magnetfeld Bext. das Hilfsfeld H überlagert. Dadurch dass sich die Hilfsfeldrichtung bei den COS- Brückenwiderständen jeweils um 90° und dagegen bei den SIN- Brückenwiderständen jeweils nur um 45° von der jeweiligen Richtung des Maßstabsfeldes bei Phasenlage Phi = 0° unterscheidet, sind die in den beiden Brücken erzeugten nderungsSignale gegeneinander phasenverschoben.
Abbildung 6: Schematische Darstellung zur Anordnung der AMR- Widerstände und der jeweiligen Hilfsfeldrichtung bei einem AMR360° -Maßstabssensor entsprechend Abb .5.
Abbildung 7: Ersatzschaltbild einer Variante des AMR360°- Maßstabssensors mit parallel orientiertem Maßstabsfeld in den jeweils diagonal liegenden Brückenwiderständen und dementsprechend angepaßten Hilfsrichtungen. Abbildung 8: Signalverlauf des AMR360° -Maßstabssensor über 1 Polpaarperiode :_
a) COS- und SIN-Sensorsignal, b) COS- und SIN-Änderungs- bzw. Modulationssignale DeltaUcos und DeltaUsin infolge Feldmodulation gemäß Abbildung 5,6 und 7, c) Vorzeichen des COS-Änderungssignals, d) Vorzeichen des SIN- Änderungssignals, e) Logische Bereichsvariable L
Abbildung 9: Eindeutigkeitsbereichserweiterung von 0°- 180° auf 0°-360° anhand logischer Bereichsvariable L Abbildung 10: Stabile, unkritische Bereichsentscheidung auch bei stark verrauschten AnderungsSignalen
Abbildung 11: Alternative Signalverarbeitung durch Bildung von Summen- und Differenz-Änderungssignal.
Bereichsunterscheidung als logische Verknüpfung allein der Vorzeichen von Summen- und Differenzänderungssignal und des AMR180° -Winkels.
Abbildung 12: Schematische Querschnitts-Darstellung der Leiteranordnung zur Erzeugung des magnetischen Hilfsfeldes BH. Durch Bestromung des Leiters wird im darunterliegenden AMR-Streifen das Hilfsfeld H erzeugt.
Abbildung 13 : Ξchematische Darstellung des über dem magnetischen Maßstab (N-S-N) mit Polpaarperiode λ positionierten AMR360 ° -Maßstabssensor . Die AMR-Widerstände der CR1 - CR4 und SRI - SR4 sind jeweils zu einer Vollbrücke verschaltet. Die beiden Brücken (COS, SIN) sind parallel geschaltet und werden gemeinsam über Vcc und GND spannungsversorgt. Der Leiterzug zwischen Icoil+ und Icoil- dient zur lokalen Hilfsfelderzeugung entsprechend Abb. 5 und 6.
Abbildung 14: Layout eines AMR360°-Maßstabssensors angepaßt an eine Polpaarperiode von 5,12 mm. Die AMR-Widerstände der COS- und SIN-Vollbrücke sind mäandriert ausgeführt und haben eine Streifenbreite von lOμm. Hilfsfelderzeugung durch Bestromung des Leiterzugs von 1+ bis I-.
Abbildung 15: Layout eines AMR360° -Maßstabssensors wie in Abbildung 14, jedoch mit zusätzlicher Filterung der 3. Oberwelle. Zur Oberwellenfilterung sind die einzelnen AMR- Brückenwiderstände aufgeteilt in 2 Mäanderhälften mit einem gegenseitigen Abstand von 0,43mm entsprechend 1/12 der Polpaarperiode .

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung mit einem magnetischem Maßstab, der zu einer Feldmodulation führt und mit wenigstens zwei, sich in vorgebbarem Winkel zueinander befindlichen magnetfeldempfindlichen Sensorelementen abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feldrichtungsmodulation mittels eines magnetischen Hilfsfeldes erfolgt, die zu einer nichtperiodischen Modulation führt, die zur Ermittlung der Winkelstellung ausgewertet wird.
2. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente AMR-Sensoren sind und jeweils als Halb- oder Vollbrücke verschaltete magnetoresistive Widerstände umfaßt und mit sinus- bzw cosinusfor igen Strömen oder Spannungen betreibbar sind und/oder als Ausgangssignal sinus- bzw cosinusformige Ströme oder Spannungen liefern.
3. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Maßstab eine sich abwechselnde Folge von Nord- oder Südpolen aufweist, wobei die Anordnung der Magnetpole in einer Reihe erfolgt und die Länge der Magnetpole sowie ihr Abstand voneinander regulär ist.
4. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Hilfsfeld so gewählt wird, dass innerhalb jeder der beiden Voll- oder Halbbrücken mindestens zwei unterschiedliche Hilfsfeld-Richtungen realisiert werden.
5. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vom magnetischen Maßstab erzeugte Magnetfeld dem sensorintern erzeugten magnetischen Hilfsfeld so überlagert wird, dass die in den beiden Sensorelementen entstehenden Signale eine 360°-Periodizität aufweisen.
6. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Winkel- oder Wegbestimmung Phasenverschiebungen ausgewertet werden und/oder Vorzeichenbetrachtungen zur Ermittlung der Winkelstellung oder der Position erfolgen.
7. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Hilfsfelder so festgelegt werden, dass lokale Hilfsfeldrichtungen eine gegenseitige Phasenverschiebung aufweisen, und eine Vorzeichenbetrachtung der entstehenden, gegeneinander phsenverschobenen Modulationssignale erfolgt, zur logischen Bereichsunterscheidung zwischen einer ersten bzw. einer zweiten Polpaar-Halbperiode, also einer Phase von 0° bis 180° bzw. von 180° bis 360°.
8. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Maßstab ein Multipolrad ist.
9. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander parallele Maßstäbe oder ein Multipolrad mit zwei Magnetspuren oder zwei Multipolräder insbesonders seitlich abgetastet werden und die erhaltenen Signale zur Winkel- oder Wegbestimmung nach einem Noniusprinzip ausgewertet werden.
10. Vorrichtung und/oder Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente in Dünnschichttechnologie gefertigt sind und aus anisotrop magnetoresistiven Materialien bestehen.
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