DE10042006A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Winkelmessung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung mit einem magnetischen Maßstab, der zu einer Feldmodulation führt und mit wenigstens zwei, sich in vorgebbarem Winkel zueinander befindlichen magnetfeldempfindlichen Sensorelementen abgetastet wird, beschrieben, wobei eine Feldrichtungsmodulation mittels eines magnetischen Hilfsfeldes erfolgt, die zu einer nichtperiodischen Modulation führt, die zur Ermittlung der Winkelstellung ausgewertet wird.

Description

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 0 672 605 A2), der KMT31 von HL-PLANAR oder auch der LK15 vom Institut für Mikrostruktur und Optoelektronik IMO (Patent Nr. DE 198 39 450 A1). 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 AMR180°- 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 üblicherweise 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 280° überwindet und einen auf 0°-360° erweiterten Eindeutigkeitsbereich bietet. Ein hinsichtlich der elektronischen Signalverarbeitung optimiertes Auswerteverfahren wird in der Schutzrechtsanmeldung R36178 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 (Schutzrechtsanmeldungen Nr. R27798, R30527, R36189) 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 beiden, 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-Sensoren 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 C1).

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 Vorrichtung, 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 in R33984 beschriebene 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 AMR180°- 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 Signaländerungen (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 Eindeutigkeitsbereiches, 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 erfindungsgemäßen 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 Abb. 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. Abb. 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 beiden im Ersatzschaltbild jeweils diagonal liegenden Brückenwiderständen C1 und C4 bzw. C2 und C3 und entsprechend bei der SIN-Brücke entweder parallel oder antiparallel zeigt. In Abb. 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 SR1 bis SR4 das Sinussignal liefert, werden die Widerstände der beiden Brücken so gegeneinander verschoben 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 Abb. 3 dargestellt angeordnet werden: CR1 bei x = lambda/4, CR2 bei x = 0, CR3 bei x = lambda/2, CR4 bei x = lambda.3/4, SR1 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 Abb. 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 Abb. 4b) zum Ausdruck kommt.

Um darüber hinaus 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 Änderungssignale

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 Änderungs- 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 Änderungssignal derart phasenverschoben ist, dass das eine Änderungssignal 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 Abb. 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 SR1 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 Abb. 6 bei der entsprechenden Anordnung der AMR-Widerstände entlang des magnetischen Maßstabs durch Pfeile dargestellt. Darüber hinaus sind auch andere Hilfsfeldrichtungen möglich, solange diese die beschriebene Phasenverschiebung der beiden Änderungssignale gewährleisten. In Abb. 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 Abb. 5 bzw. 6) in Abb. 8a) der Verlauf des COS- und SIN-Sensorsignals und in Abb. 8b) der Verlauf des COS- und SIN-Änderungssignals dargestellt. Diese Änderungssignale 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-Änderungssignals gemäß Abb. 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 Abb. 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 Abb. 8d) dargestellt. Letzten Endes entscheidet allein das Vorzeichen des jeweils betragsmäßig stärksten, d. h. signifikantesten Änderungssignals über den aktuellen Phasenbereich. Für eine sichere Bereichsentscheidung genügt es daher, die Beträge und die Vorzeichen der Änderungssignale sowie den AMR180- Winkel Alpha(AMR180) gemäß folgender Aussage logisch miteinander zu verknüpfen: Falls das COS-Änderungssignal 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- Änderungssignal und das Vorzeichen des SIN-Änderungssignals negativ ist und der AMR180°-Winkel kleiner ist als 135°. Darüber hinaus liegt die Phase auch dann im Bereich 180°-360°, wenn das SIN-Änderungssignal betragsmäßig größer ist als das COS-Änderungssignal und das Vorzeichen des SIN-Änderungssignals positiv ist und der AMR180°-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:
L1 = 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 L1) ODER (NICHT(L3) UND L4 UND L2) ODER (NICHT(L3) UND NICHT(L4) UND NICHT(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 (Abb. 9a)) weitere 180° hinzuaddiert werden müssen oder nicht (Abb. 9b). Den in Abb. 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 Änderungssignals ausgewertet wird, ist diese Bereichsunterscheidung unkritisch und stabil. Zur Verdeutlichung sind in Abb. 10 die mit einem starken Rauschanteil beaufschlagten Signale dargestellt. Das Signalrauschen wird insbesondere bei den betragsmäßig ohnehin sehr kleinen Änderungssignalen in Abb. 10b) sichtbar. Demzufolge sind deren Vorzeichenwechsel in Abb. 9c) und 9d) durch einen starken Jitter gekennzeichnet. Trotzdem ist die Bereichserkennung gemäß der in Abb. 10e) dargestellten Bereichsvariablen und deren zugrundeliegenden logischen Verknüpfung scharf und stabil. Entscheidend hierfür ist die erwähnte Phasenverschiebung der beiden Änderungssignale. Durch sie wird gewährleistet, dass der Vorzeichen-Jitter des einen Änderungssignals in einen sicheren Vorzeichenbereich des jeweils anderen Änderungssignals fällt.

4. Alternative Signalauswertungen 4.1 Summen- und Differenz-Änderungssignal

Hinsichtlich einer vereinfachten elektronischen Signalverarbeitung ist es wünschenswert, die Betragsbildung bei der Änderungssignalen (siehe logische Variable L3 in 2.4.3) zu umgehen. Dies kann ausgehend von dem ursprünglichen COS- und SIN-Änderungssignal durch Summen- und Differenzbildung erfolgen gemäß:
Usumm = DeltaUsin + DeltaUcos
Udiff = DeltaUsin - DeltaUcos
und ist bereits in Schutzrechtsanmeldung Nr. beschrieben.

Ausgehend von diesen neuen in Abb. 11a) dargestellten Änderungssignalen genügt zur Bereichserkennung eine logische Verknüpfung allein von deren Vorzeichen (Abb. 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-Änderungssignal 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:
L1 = 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 (Abb. 11d)) gemäß:
L = (NICHT(L3) UND L1) ODER (L3 UND L2)
und damit entsprechend zu 2.4.3 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 Abb. 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 2.4.2, 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:
L1 = 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°-Alpha(H,COS)
0, sonst

Logische Verknüpfung der Variablen L1, L2, L3, L4 und L5 zur Bereichsvariablen L gemäß:
L = (L3 UND NICHT(L1) UND L5) ODER (L3 UND L1 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 Abb. 5 dargestellte und in Abschnitt 2.4.2 beschriebene Hilfsfeldrichtungen Alpha(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 Änderungssignalen) wird jedoch nur bei solchen Hilfsfeldrichtungen möglich sein, bei denen das COS- und SIN-Änderungssignal so gegeneinander phasenverschoben sind, dass das eine Änderungssignal dort betragsmäßig groß ist wo das andere Änderungssignal betragsmäßig klein ist. Nur so ist gewährleistet, das bei jeder beliebigen Phasenlage Phi des Maßstabs ein signifikantes Änderungssignal zur Verfügung steht. Eine zu der in Abb. 5 bzw. Abb. 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 2.4.3 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°-280° eingeschränktem Eindeutigkeitsbereich. Durch phasenselektive Gleichrichtung kann das COS- und SIN-Änderungs- bzw. Modulationssignal extrahiert werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die Amplitude der Änderungssignale 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 Änderungssignals ändert, ändert sich das Vorzeichen des thermisch erzeugten Änderungssignals 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 COS∧2- 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 Ni81Fe19 (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 Änderungs- 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 darunter liegenden AMR- Widerstandsstreifen gemäß Abb. 12 lokal ein magnetisches Feld erzeugt, welches sich dem von außen durch den Maßstab erzeugten Magnetfeld überlagert. Abb. 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 Abb. 5 bzw. Abb. 6. Diese Widerstände sind schematisch zu Vollbrücken entsprechend dem Ersatzschaltbild in Abb. 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 Abb. 5 wird sensorintern erzeugt durch den schematisch dargestellten Leiterzug von der Kontakfläche Icoil+ bis zur Kontaktfläche Icoil-. Dieser Leiterzug liegt entsprechend Abb. 12 über den AMR- Widerstandsstreifen und erzeugt bei Bestromung lokal ein entsprechend Abb. 5 bzw. 6 gerichtetes Hilfsfeld.

Ein entsprechendes konkretes Layout eines AMR360°-Maßstabsensors zeigt Abb. 14. Die einzelnen AMR-Brückenwiderstände sind mäandriert ausgeführt, wobei die Streifenbreite 10 µm 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 5,12 mm angepaßt. Dementsprechend beträgt der Abstand benachbarter Widerstandsmäander lambda/8 = 0,64 mm. Das Layout einer Ausführung mit zusätzlicher Oberwellenfilterung ist in Abb. 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 = 0,43 mm besitzen, wird die 3. Oberwelle unterdrückt. Darüber hinaus 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 radialer Richtung des Polrades berücksichtigt werden. Alternativ kann man hinsichtlich der verbesserten Polradabtastung die AMR-Mäander auch auf einem Teilkreis 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.

Claims (2)

1. Vorrichtung und 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 Verfahren zur Winkel- oder Wegmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Phasenverschiebungen und/oder Vorzeichenbetrachtungen zur Ermittlung der Winkelstellung ausgewertet werden.