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Dokumentenidentifikation DE102005008419A1 06.10.2005
Titel Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion und Positionsmesseinrichtung mit einer derartigen Schaltungsanordnung
Anmelder Dr. Johannes Heidenhain GmbH, 83301 Traunreut, DE
Erfinder Haga, Hiroshi, Tokio/Tokyo, JP;
Yamashita, Mamoru, Tokio/Tokyo, JP
DE-Anmeldedatum 24.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005008419
Offenlegungstag 06.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.10.2005
IPC-Hauptklasse G01R 33/09
IPC-Nebenklasse G01R 17/00   G01D 5/16   
Zusammenfassung Es wird eine Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion angegeben, bestehend aus einer Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen, die zwischen einem Stromquellenanschluss und einem Erdungsanschluss angeordnet sind. Der erste Brückenzweig und der zweite Brückenzweig der Brückenschaltung weisen jeweils ein Magnetsensorelement auf, wobei das jeweilige Magnetsensorelement in beiden Brückenzweigen, von den Ausgangssignalabgriffen her betrachtet, entweder nur auf der Seite des Stromquellenaschlusses oder nur auf der Seite des Erdungsanschlusses angeordnet ist. Ferner wird eine Positionsmesseinrichtung mit einer derartigen Schaltungsanordnung angegeben (Figur 1).

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion, die zur Erfassung von Magnetfeldänderungen geeignet ist und diese in elektrische Signale umwandeln kann. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Positionsmesseinrichtung mit einer derartigen Schaltungsanordnung. Die Positionsmesseinrichtung ist etwa an der rotierenden Welle eines Motors oder an einem sich geradlinig bewegenden zu messenden Objekt angebracht und dient zur Bestimmung des Positionsverschiebungsausmaßes des jeweils zu messenden Objekts. Hierbei kann es sich um die Umdrehungsanzahl und/oder den Drehwinkel oder die Bewegungsposition oder das Bewegungsausmaß handeln.

Es gibt zahlreiche Vorrichtungen, bei denen Schaltungsanordnungen zur Magnetfelddetektion eingesetzt werden. Darunter können Positionsmesseinrichtungen, von denen hohe Präzision und ein genauer Betrieb verlangt werden, als repräsentative Anwendungsbeispiele bezeichnet werden. Als Positionsmesseinrichtungen, die eine Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion aufweisen, sind z.B. sog. Multiturn-Drehgeber bekannt. Diese Positionsmesseinrichtungen umfassen zum einen Mittel zur Feststellung des Positionsverschiebungsausmaßes innerhalb einer Umdrehung ferner Mittel in Form einer Mehrumdrehungsfeststelleinheit zur Feststellung der Umdrehungszahl. Die Mehrumdrehungsfeststelleinheit wiederum umfasst etwa ein als Ringmagnet zur Mehrumdrehungs-Feststellung ausgebildetes Magnetelement und eine Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion, um ein sich veränderndes Magnetfeld des Magnetelements zu erfassen. 8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines repräsentativen Multiturn-Drehgebers.

Der Multiturn-Drehgeber mit dem in 8 gezeigten Aufbau weist eine Welle 12 auf, die an einem rotierenden Körper o.ä., bei dem es sich um das zu messende Objekt handelt, angebracht und damit gekoppelt ist. Ferner sind Lager 15, die die Welle 12 drehbar halten, vorgesehen sowie ein Grundkörper 11 bzw. Gehäuse, an dem diese Lager 15 fixiert sind. Damit die Welle des Drehkörpers mit der Welle 12 des Multiturn-Drehgebers verbunden werden kann, ist im unteren Bereich der Welle 12 eine Durchstecköffnung 12a mit annähernd dem gleichen Durchmesser wie diese Welle ausgebildet. Oberhalb des Abschnitts, an dem die Lager 15 gehalten werden, ist eine Teilscheibe 14 angebracht. Über dieser wiederum ist ein Magnetelement 16 in Form eines Ringmagneten angeordnet. Oberhalb der Teilscheibe 14 ist gegenüberliegend eine Grundplatte 13 bzw. Platine angeordnet, die am Grundkörper 11 fixiert ist. Ein Lichtempfangselement 19, das mit einem festen Abtastgitter 20 versehen ist, ist an einer Stelle, die dem Teilungsbereich der Teilscheibe 14 gegenüberliegt, auf der Grundplatte 13 angeordnet und elektrisch an Schaltkreise auf der Grundplatte 13 angeschlossen. Ein Lichterzeugungselement 21 ist unter der Teilscheibe 14 an einer der Anbringungsstelle des Lichtempfangselements 19 entsprechenden Stelle angeordnet, so dass das vom Lichterzeugungselement 21 erzeugte Licht über die durchlässigen Bereiche der Teilung der Teilscheibe 14 und das feste Abtastgitter 20 auf das Lichtempfangselement 19 gelangt und dort detektiert werden kann. Durch das Lichterzeugungselement 21, die Teilscheibe 14, das Lichtempfangselement 19 usw. wird in bekannter Art und Weise das Positionsverschiebungsausmaß innerhalb einer Umdrehung gemessen.

Das im Bereich oberhalb der Grundplatte 13 an der Welle 12 angebrachte Magnetelement 16 ist so ausgebildet, dass sich seine Magnetpole während einer erfolgenden Umdrehung umkehren. Ein Magnetsensorelement 17, das die Veränderung der Magnetpole feststellt, ist so angeordnet, dass es der Umfangsfläche des ringförmigen Magnetelements 16 gegenüberliegt. Ein Vorspannungsmagnet 18, um dem Magnetsensorelement 17 ein Vorspannungsmagnetfeld zu verleihen, ist an jener Seite des Magnetsensorelements 17 ausgebildet, die der Seite entgegengesetzt ist, welche der Umfangsfläche des ringförmigen Magnetelements 16 gegenübersteht. Das Magnetsensorelement 17 und der Vorspannungsmagnet 18 sind durch einen nicht in der Figur dargestellten Aufbau mechanisch und elektrisch an die Grundplatte 13 angeschlossen.

Als Magnetsensorelemente werden normalerweise magnetoresisitive Elemente bzw. Magnetwiderstandselemente verwendet. Eine geeignete Mehrumdrehungs-Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik, in der Magnetwiderstandselemente verwendet, ist in 9 gezeigt. Diese umfasst zwei Paare von Magnetwiderstandselementen, MR1 und MR2 sowie MR3 und MR4, die über den Umfang des ringförmigen Magnetelements an Stellen angeordnet sind, welche um 180° voneinander getrennt sind. Derart wird eine übliche Brückenschaltung ausgebildet. An den Signalabgriffspunkten n1 und n2 werden Differenzsignale ausgegeben. Diese Differenzsignale gelangen auf einen Vergleicher CMP, an dessen Ausgang das Sensorsignal f resultiert.

Die in 9 gezeigte Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik stellt eine zwischen dem Stromquellenanschluss Vcc und dem Erdungsanschluss GND gebildete angeordnete Brückenschaltung dar. Diese umfasst auf einer Seite einen Brückenzweig bzw. eine Halbbrücke mit dem ersten Magnetsensorelement MR1, dessen eine Klemme auf Seiten des Stromquellenanschlusses Vcc angeschlossen ist und dem dritten Magnetsensorelement MR3, sowie einen Regelwiderstand R3, der mit einen Anschluss des dritten Magnetsensorelements MR3 verbunden ist. Ferner ist an der anderen Seite ein Brückenzweig bzw. eine Halbbrücke vorgesehen, die aus dem zweiten Magnetsensorelement MR2 besteht, dessen eine Klemme auf Seiten des Stromquellenanschlusses angeschlossen ist, dem vierten Magnetsensorelement MR4, sowie ein an eine Klemme des vierten Magnetsensorelements MR4 angeschlossener Festwiderstand R4. Der Abgriffspunkt n1 zwischen dem ersten Magnetsensorelement MR1 und dem dritten Magnetsensorelement MR3, und der Signalabgriffspunkt n2 zwischen dem zweiten Magnetsensorelement MR2 und dem vierten Magnetsensorelement MR4 sind jeweils an den Eingänge des Vergleichers CMP angeschlossen. Der Ausgang des Vergleichers CMP ist an eine Ausgangsklemme n3 angeschlossen.

Nachfolgend wird die Funktionsweise dieser bekannten Schaltungsanordnung ausführlicher erklärt. Es sollen hierbei darüber die Umdrehungen eines wie beispielsweise in 4 gezeigten ringförmigen Magnetelements erfasst werden. Bei diesem Magnetelement ist die Hälfte der Oberfläche einer Scheibenebene als Nordpol (und die Rückfläche als Südpol) und die andere Hälfte als Südpol (und die Rückfläche als Nordpol) magnetisiert ausgebildet. Alternativ könnte die Schaltungsanordnung auch die Bewegungen eines wie beispielsweise in 5 gezeigten, auf einer geraden Line angeordneten geradlinigen magnetischen Körpers bzw. Linearmagneten erfassen. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Funktionsweise bei Verwendung eines Ringmagneten erklärt, doch würde auch im Fall eines Linearmagneten die annähernd gleiche Funktionsweise resultieren.

Zuerst wird das Magnetfeld des ringförmigen Magnetelements durch die Magnetwiderstandselemente MR3 und MR2 erfasst; nach einer halben Umdrehung des ringförmigen Magnetelements dann durch die Magnetwiderstandselemente MR1 und MR4. Dabei resultieren an den Signalabgriffspunkten n1 und n2 der durch die einzelnen Magnetwiderstandselemente gebildeten Brückenschaltung die in 7 gezeigte Signale e1 und d1, die Differenzsignale darstellen. Danach erfolgt im Vergleicher CMP ein Vergleich dieser Signale und die Bildung des Ausgangssignals. Das an der Ausgangsklemme n3 resultierende Ausgangssignal stellt einen wie in 7 gezeigten Impuls dar, der einer Umdrehung entspricht. Dieses impulsförmige Signal wird als Mehrumdrehungs-Sensorsignal des Multiturn-Drehgebers bezeichnet.

Obwohl Magnetwiderstandselemente teuer sind, ist es bei einer derartigen Brückenschaltung unumgänglich, zwei Paare von Magnetwiderstandselementen zu verwenden. Daraus resultieren wiederum hohe Kosten für die Sensor-Schaltungsanordnung, was ein bedeutendes Hindernis bei der angestrebten Verringerung der Gesamtkosten des Drehgebers darstellt.

Schaltungsanordnungen, die Magnetsensorelemente in Form von Magnetwiderstandselementen verwenden, sind zum Beispiel auch aus der JP 2715997 B oder aus der JP 11-337368 A bekannt. In beiden Fällen sind jedoch in den jeweiligen Halbbrücken wiederum zwei Magnetsensorelemente angeordnet. In der Schaltungsanordnung gemäß 3 der JP 11-337368 A ist zwar die Anzahl der Magnetsensorelemente um ein Paar verringert, jedoch ermöglicht diese Schaltungsanordnung nicht die Erzeugung von Differenzsignalen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine kostengünstige Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion mit möglichst wenig Magnetsensorelementen anzugeben, die eine Erzeugung von Differenzsignalen ermöglicht. Ferner soll diese Schaltungsanordnung möglichst nicht Temperaturschwankungen beeinflusst werden und eine unempfindliche Signalerzeugung ermöglichen. Diese Schaltungsanordnung soll hierbei insbesondere zum Einsatz in einer Positionsmesseinrichtung geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Gegenstand des Anspruchs 6 ist ferner eine Positionsmesseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Erfindungsgemäß umfasst die Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion nunmehr eine Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen auf, die zwischen einem Stromquellenanschluss und einem Erdungsanschluss angeordnet sind. Der erste Brückenzweig und der zweite Brückenzweig der Brückenschaltung weisen jeweils nur ein Magnetsensorelement auf, und wobei das jeweilige Magnetsensorelement in beiden Brückenzweigen von den Ausgangssignalabgriffen her betrachtet entweder nur auf der Seite des Stromquellenanschlusses oder nur auf der Seite des Erdungsanschlusses angeordnet ist.

Vorteilhafterweise sind die Ausgangssignale, die von den Ausgangssignalabgriffen der beiden Brückenzweige erhalten werden, Differenzsignale.

In einer möglichen Ausführungsform umfasst eine Positionsmesseinrichtung eine magnetische Sensoranordnung. Hierbei dient die Schaltungsanordnung zur Erfassung von Magnetfeldänderungen eines Magnetelements der Positionsmesseinrichtung, um das Verschiebungsausmaß eines Objekts festzustellen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Positionsmesseinrichtung ist das Magnetelement rotationssymmetrisch ausgebildet und dient zur Erfassung einer Rotationsbewegung.

Vorteilhafterweise weist die Positionsmesseinrichtung zumindest eine Umdrehungsfeststelleinheit zum Messen des Positionsverschiebungsausmaßes und eine Mehrumdrehungsfeststelleinheit zum Feststellen der Anzahl erfolgter Umdrehungen auf, wobei die magnetische Sensoranordnung der Mehrumdrehungsfeststelleinheit zugeordnet ist.

Durch die vorliegende Erfindung kann somit die erforderliche Zahl teurer Magnetwiderstandselemente zur Magnetfelddetektion verringert werden. Darüberhinaus lässt sich eine Differenzbeschaltung eines üblichen Vergleichers verwirklichen. Es resultiert eine Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion, die unempfindlich gegenüber Temperaturveränderungen ist und kaum durch Störeinflüsse beeinflusst wird. Im Fall der Verwendung einer derartigen Schaltungsanordnung in einer Positionsmesseinrichtung können zudem deren Herstellkosten gesenkt werden.

Da in den beiden Halbbrücken, die die Brückenschaltung bilden, ein Magnetsensorelement angeordnet ist, sind im Vergleich mit jenem Fall, bei dem nur an einer Hälfte der Brückenschaltung ein Paar von Magnetsensorelementen angeordnet ist, nicht nur Differenzsignale erzeugbar, es resultieren darüberhinaus auch noch die gleichen Impedanzschwankungen in beiden Brückenzweigen. Das heißt, wenn nur in einem Brückenzweig Magnetsensorelemente angeordnet sind, würden unterschiedliche Impedanzschwankungen aufgrund der Temperaturkoeffizienten der Magnetfeststellelemente und der Widerstände resultieren. Es käme daher aufgrund von Temperaturschwankungen zu unterschiedlichen resultierenden Impedanzen in den beiden Brückenzweigen, d.h. zu einem unterschiedlichen Einfluss von Störungen auf die beiden Eingangssignalleitungen.

Da die Impedanz der Brückenzweige erfindungemäß aber identisch ist und die Signale als Differenzsignale resultieren, wird der Einfluss von Störungen auf die beiden Eingangssignalleitungen gleich und damit die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen erhöht.

Es genügt, wenn die Magnetsensorelemente von den Ausgangssignalabgriffen der beiden Brückenzweige her betrachtet entweder nur an der Seite des Stromquellenanschlusses oder nur auf der Seite des Erdungsanschlusses angeordnet sind. Das heißt, in beiden Brückenzweigen braucht nur ein Magnetsensorelement angeordnet zu sein. Dadurch kann die Zahl erforderlicher Magnetsensorelemente in der Brückenschaltung verglichen mit dem herkömmlichen Fall, bei dem zwei Gruppen von Magnetsensorelementpaaren und somit vier Magnetsensorelemente erforderlich sind, um ein Paar verringert werden. Da Magnetsensorelemente normalerweise paarweise verwendet werden, sind sie von den Ausgangssignalabgriffen der beiden Brückenzweige her betrachtet nur auf der Seite aus der Stromquellenanschlusses oder auf der Seite des Erdungsanschlusses angeordnet. Das Paar von Magnetsensorelementen ist dann anschlussseitig nur mit dem Stromquellenanschluss oder dem Erdungsanschluss verbunden.

Als Magnetsensorelement dient ein Element, das die Magnetpole oder die Veränderung des Magnetfelds eines Messobjekts wie etwa eines magnetischen Körpers erfasst. Normalerweise wird hierzu ein Magnetwiderstandselement bzw. MR-Element verwendet, doch kann als Magnetsensorelement alternativ auch etwa ein Hall-Element o.ä. verwendet werden.

Nachfolgend wird eine Positionsmesseinrichtung in Form eines Drehegebers als Vorrichtung erläutert, in der eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eingesetzt wird. Diese umfasst typischerweise eine Teilscheibe zur Bestimmung des Positionsverschiebungsausmaßes, im Fall des Drehgebers konkret des Umdrehungsausmaßes des Messobjekts, optischen Elementen zur Bestimmung der Umdrehungsausmaßes und der Drehrichtung der Teilscheibe über eine optische Abtastung, einem Magnetelement zur Feststellung der erfolgten Umdrehungsanzahl sowie Magnetsensorelementen zur Erfassung der sich verändernden Magnetfelder des Magnetelements. Ggf. können noch elektrische Schaltkreise o.ä. zur Verarbeitung der von den einzelnen Elementen erhaltenen Signale vorgesehen sein. Anstelle der optischen Abtastung mit den verschiedenen optischen Elementen und der Teilscheibe kann dabei auch durch eine magnetische Abtastung vorgesehen sein. Als Messobjekt kann etwa oder ein Motor mit einer rotierenden Welle oder aber ein mit dem Motor gekoppeltes Messobjekt vorgesehen sein.

Als Magnetelement wird normalerweise ein als Ringmagnet oder ringförmiges Magnetelement ausgebildetes Element verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, solange es sich um ein Magnetelement handelt, bei dem in der Umfangsrichtung oder in der Drehrichtung aufeinanderfolgend unterschiedliche Magnetfelder ausgebildet werden und es zudem innerhalb einer Umdrehung zu einer Veränderung der Magnetfelder kommt. Bei einem linearen Positionsmesseinrichtung kann auch ein lineares Magnetelement verwendet werden, bei dem geradlinig aufeinanderfolgend unterschiedliche Magnetfelder gebildet werden und es zudem in bestimmten Abständen zu einer Veränderung der Magnetfelder kommt. Was das magnetische Material des Magnetelements betrifft, so können hierzu verschiedenste, magnetische Materialien verwendet werden.

Bei den Magnetsensorelementen kann es vorkommen, dass ein Vorspannungsmagnetfeld erforderlich ist. In einem solchen Fall ist in der Nähe des Magnetsensorelements ein sog. Vorspannungsmagnet angeordnet. Im Hinblick auf das Material des Vorspannungsmagnets gibt es grundsätzlich keine Beschränkungen, solange es sich um einen magnetischen Körper handelt, der ein geeignetes Vorspannungsmagnetfeld ausübt. Bevorzugt wird jedoch, dass darüber ein Magnetfeld erzeugt wird, das dem Magnetfeld des Magnetelements entspricht. Es ist daher vorteilhaft, hierfür das das gleiche Material wie für das Magnetelement, zu verwenden. Innerhalb gewisser Grenzen ist jedoch auch die Verwendung anderer magnetischer Materialien möglich, solange die erforderlichen magnetischen Eigenschaften wie etwa die geforderte Magnetfeldstärke gewährleistet sind. Grundsätzlich können aber auch andere magnetische Materialien verwendet werden, deren magnetische Eigenschaften geeignet eingestellt werden.

Was die Anordnung der Magnetsensorelemente betrifft, so sollten die Magnetsensorelemente im Fall der Verwendung eines ringförmigen Magnetelements in Positionen angeordnet werden, die eine Erfassung der der Anzahl von Umdrehungen des Magnetelements ermöglicht. Normalerweise erfolgt die Anordnung bei einem Paar von Magnetsensorelementen so, dass bei der Detektion eines Magnetfelds des Magnetelements durch eines dieser Elemente das andere Element gerade kein Magnetfeld erfasst.

Für den in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehenen Vergleicher CMP bestehen im Wesentlichen keine Beschränkungen, solange es sich um ein Element handelt, das die Fähigkeit aufweist, den Spannungsunterschied der beiden Eingangsspannungen zu vergleichen und einen entsprechenden Ausgangsimpuls bzw. Ausgangssignal zu erzeugen. Normalerweise wird hierfür eine als Komparator-IC bezeichnete Art eines integrierten Schaltkreises verwendet. Stattdessen kann aber auch ein Operationsverstärker eingesetzt werden, ein Logik-IC mit einer Analogeingangsfunktion o.ä. oder ein Prozessor. Das ideale Element wird unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs der Schaltungsanordnung, der Signalverarbeitungsdauer, der Größe der Elemente o.ä. gewählt.

Die Magnetsensorelemente, das ringförmige (oder ggf. lineare) Magnetelement, der Vorspannungsmagnet und die weiteren elektrischen Komponenten wie der Vergleicher und die Brückenzweige der Schaltungsanordnung bilden letztlich eine Magnetsensoreinheit. Die Magnetsensoreinheit ist im Fall der Verwendung in Multiturn-Drehgebern üblicherweise im sog. Mehrumdrehungs-Feststellteil (Multiturnteil) des Drehgebers angeordnet. Wenn – wie oben erwähnt – auch beim Umdrehungsfeststellteil zur Messung des Positionsverschiebungsausmaßes (Singleturnteil) des Drehgebers anstelle der optischen Abtastung eine magnetische Abtastung eingesetzt wird, so kann auch dieser Teil des Drehgebers eine derartige Magnetsensoreinheit aufweisen. Im Fall einer linearen Positionsmesseinrichtung würde die entsprechende Magnetsensoreinheit zur Erfassung von linearen Positionsveränderungen eingesetzt werden.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.

Dabei zeigt

1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

3 verschiedene Signalverläufe, anhand der das Verhalten einer Brückenschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht wird;

4 eine schematische Darstellung eines ringförmigen Magnetelements;

5 eine schematische Darstellung eines linearen Magnetelements;

6 eine Schaltungsanordnung mit einem zusätzlichen Rückkopplungswiderstand;

7 verschiedene Signalverläufe, die Verhalten einer Brückenschaltung gemäß dem Stand der Technik veranschaulichen;

8 eine Schnittdarstellung eines Multiturn-Drehgebers;

9 Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung gemäß dem Stand der Technik.

1 zeigt einen Schaltplan mit dem wichtigsten Bereich der Magnetsensoreinheit einer Positionsmesseinrichtung, nämlich einer Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung umfasst eine zwischen dem Stromquellenanschluss Vcc und dem Erdungsanschluss GND gebildete Brückenschaltung, wobei in dieser Brückenschaltung zwischen dem Stromquellenanschluss und dem Erdungsanschluss zwei Brückenzweige, ein erster Brückenzweig und ein zweiter Brückenzweig, vorhanden sind. Beide Brückenzweige umfassen wiederum seriell angeordnete Elemente. Der erste Brückenzweig weist ein erstes Magnetsensorelement MR1 auf, dessen eine Klemme an den Stromquellenanschluss angeschlossen ist und einen ersten Festwiderstand R1, dessen eine Klemme an die andere Klemme des ersten Magnetsensorelements MR1 angeschlossen ist. Ferner weist der erste Brückenzweig einen Regelwiderstand R3 auf, der an die andere Klemme des ersten Festwiderstands R1 angeschlossen ist. Der zweite Brückenzweig weist ein zweites Magnetsensorelement MR2 auf, dessen eine Klemme an den Stromquellenanschluss Vcc angeschlossen ist, einen zweiten Festwiderstand R2, dessen eine Klemme an die andere Klemme des zweiten Magnetsensorelements MR2 angeschlossen ist, und einen an die andere Klemme des zweiten Festwiderstands R2 angeschlossenen Festwiderstand R4. Die anderen Klemmen des Regelwiderstands R3 und des dritten Festwiderstands R4 sind jeweils an den Erdungsanschluss GND angeschlossen.

Die Widerstände und die resultierenden Widerstände der beiden Brückenzweige sind so gewählt, dass aufgrund der Funktion der Magnetsensorelemente an den Ausgangssignalabgriften n1, n2 der Brückenschaltung ein bestimmter Spannungsunterschied erfasst werden kann. Diese Ausgangssignalabgriffe n1, n2, bei denen es sich um Anschlusspunkte handelt, können auch als Messpunkte betrachtet werden, an denen ein Spannungspegel detektierbar ist, der einem durch den Abtastvorgang der Magnetsensorelemente MR1, MR2 gestörten Gleichgewichtszustand entspricht. Folglich können – solange man von ungewollten Rückkopplungseffekten absieht – die Spannungspegel an den Ausgangssignalabgriffen n1, n2 gegenüber GND im abgeglichenen Zustand der Messbrücke auf jeden Wert eingestellt werden, nicht nur auf den Wert Vcc/2.

Der Ausgangssignalabgriff n1, der den Anschlusspunkt des ersten Magnetsensorelements MR1 und des ersten Festwiderstands R1 darstellt, und der zweite Ausgangssignalabgriff n2, der den Anschlusspunkt des zweiten Magnetsensorelements MR2 und des zweiten Festwiderstands R2 darstellt, sind an dir Differenzeingänge des Vergleichers CMP angeschlossen. Der Ausgang des Vergleichers CMP ist an eine Ausgangsklemme n3 angeschlossen.

Für den ersten Festwiderstand R1 und den zweiten Festwiderstand R2 werden normalerweise Widerstände mit einem Wert verwendet, die dem Widerstandswert der Magnetsensorelemente MR1, MR2 in Abwesenheit eines Magnetfelds entspricht. Für den dritten Festwiderstand R4 wird normalerweise ein Widerstand mit etwa der Hälfte des höchsten Widerstandswerts des Regelwiderstands R3 verwendet.

Diese Widerstandswerte werden unter Berücksichtigung der Stabilität der Schaltungsanordnung, der Ein- und Ausgangseigenschaften des Vergleichers CMP, des Stromverbrauchs o.ä. auf die idealen Werte eingestellt. Neben den oben angeführten Elementen können Elemente oder Schaltungen zur Stabilisierung der Schaltungsanordnung wie zum Beispiel Elemente oder Schaltungen zur Unterdrückung von Spannungs- oder Stromschwankungen oder zur Unterdrückung einer Beeinflussung durch Temperaturveränderungen hinzugefügt werden.

Anschließend wird die Funktionsweise der Schaltungsanordnung erläutert. Hierbei wird ein Beispiel erläutert, bei dem als Magnetsensorelemente stark magnetische Magnetwiderstandselemente verwendet werden. Wenn die Magnetsensorelemente ein Magnetfeld erfassen, nimmt dabei deren der Widerstand ab. Es wird angenommen, dass sich ein wie zum Beispiel in 4 gezeigtes ringförmiges Magnetelement dreht, bei dem die Hälfte einer Scheibenebene als Nordpol und die andere Hälfte als Südpol magnetisiert ist. Dabei wird das Magnetfeld des Magnetfeld des Magnetelements zuerst durch das zweite Magnetsensorelement MR2 erfasst. Dabei nimmt der Widerstandswert des zweiten Magnetsensorelements MR2 ab, die Spannung e2 am zweiten Ausgangssignalabgriff n2 steigt an. Gleichzeitig damit endet die Magnetfelderfassung durch das erste Magnetsensorelement MR1 und dessen Widerstandswert, der abgenommen hatte steigt wieder auf den ursprünglichen Wert. Die Spannung d2 am ersten Ausgangssignalabgriff n1 sinkt bis zur Spannung im Gleichgewichtszustand ab.

Wenn sich das Magnetelement um eine halbe Umdrehung dreht, kommt es zum Magnetfelderfassung durch das erste Magnetsensorelement MR1, dessen Widerstandswert abnimmt, während die Spannung d2 am ersten Ausgangssignalabgriff n1 ansteigt. Gleichzeitig damit endet die Erfassung Magnetfelderfassung durch das zweite Magnetsensorelement MR2 und dessen Widerstandswert, der abgenommen hatte, steigt wieder auf den ursprünglichen Wert. Die Spannung e2 des zweiten Ausgangssignalabgriffs n2 sinkt bis zur Spannung im Gleichgewichtszustand ab. Dieses Verhalten tritt durch die Umdrehungen des ringförmigen Magnetelements fortlaufend auf.

Die Spannung d2 des Ausgangssignalabgriffs n1 und die Spannung e2 des Ausgangssignalabgriffs n2 bilden wie in 3 gezeigt Differenzsignale. Die in diesem Fall erhaltenen Ausgangsspannungen e2, d2 sind kleiner als die Spannungen e1, d1 im Fall der bei Verwendung der herkömmlichen zwei Paare von Magnetsensorelementen.

Durch die Eingabe der Signale an den Ausgangssignalabgriffen n1, n2 in den Vergleicher CMP und einen Vergleich und eine Verstärkung wird an der Ausgangsklemme n3 ein Ausgangssignal erhalten, für das die Differenzsignale verglichen und verstärkt sind. Wie in 6 gezeigt kann auch ein Rückkopplungswiderstand R5 hinzugefügt werden und der Ausgang des Vergleichers 3 über diesen Rückkopplungswiderstand R5 an den Anschlusspunkt des zweiten Festwiderstands R2 mit dem vierten Festwiderstand R4 angeschlossen werden. Durch die Rückkopplung des Ausgangssignals über den Rückkopplungswiderstand R5 in den zweiten Brückenzweig lässt sich im Schaltverhalten des Vergleichers ein Hystereseverhalten mit unterschiedlichen Schaltpunkten bei Signalanstieg und Signalabfall abbilden und ein stabiles Ausgangssignal erzeugen.

2 zeigt einen Schaltplan mit dem wichtigsten Bereich der Magnetsensoreinheit einer Positionsmesseinrichtung, nämlich einer Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel ist das Paar von Magnetsensorelementen MR1, MR2 näher als die Ausgangssignalabgriffe n1, n2 zum Erdungsanschluss GND angeordnet. Der erste Brückenzweig weist einen einstellbaren Widerstand bzw. einen Regelwiderstand R3 auf, dessen eine Klemme an den Stromquellenanschluss Vcc angeschlossen ist, einen ersten Festwiderstand R1, dessen eine Klemme an die andere Klemme des Regelwiderstands R3 angeschlossen ist, und ein an die andere Klemme des ersten Festwiderstands R1 angeschlossenes erstes Magnetsensorelement MR1. Der zweite Brückenzweig weist einen dritten Festwiderstand R4 auf, dessen eine Klemme an den Stromquellenanschluss Vcc angeschlossen ist, einen zweiten Festwiderstand R2, dessen eine Klemme. an die andere Klemme des dritten Festwiderstands R4 angeschlossen ist, und ein an die andere Klemme des zweiten Festwiderstands R2 angeschlossenes zweites Magnetsensorelement MR2. Die jeweils anderen Klemmen des Paars von Magnetsensorelementen MR1, MR2 sind in beiden Brückenzweigen jeweils an den Erdungsanschluss GND angeschlossen.

Der erste Ausgangssignalabgriff n1, der den Anschlusspunkt des ersten Magnetsensorelements MR1 und des ersten Festwiderstands R1 darstellt, und der zweite Ausgangssignalabgriff n2, der den Anschlusspunkt des zweiten Magnetsensorelements MR2 und des zweiten Festwiderstands R2 darstellt, sind jeweils an den Differenzeingang des Vergleichers CMP angeschlossen. Der Ausgang des Vergleichers CMP ist an die Ausgangsklemme n3 angeschlossen. Der weitere Aufbau entspricht annähernd jenem von 1. Gleiche Aufbauelemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, auf die nähere Erläuterung derselben wird daher verzichtet.

Anschließend wird wiederum die Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung erläutert. Auch in diesem Beispiel werden als Magnetsensorelemente stark magnetische Magnetwiderstandselemente verwendet.

Es wird angenommen, dass das Magnetfeld eines ringförmigen Magnetelements bei der Drehung zum Beispiel durch das zweite Magnetsensorelement MR2 erfasst wird. Dabei nimmt der Widerstandswert des zweiten Magnetsensorelements MR2 ab, die Spannung e2 des zweiten Ausgangssignalabgriffs n2 sinkt. Gleichzeitig damit endet die Erfassung des Magnetfelds durch das erste Magnetsensorelements MR1 und dessen Widerstandswert, der abgenommen hatte, steigt auf den ursprünglichen Wert an. Die Spannung d2 des ersten Ausgangssignalabgriffs n1 steigt auf die Spannung im Gleichgewichtszustand an.

Wenn sich das Magnetelement um eine halbe Umdrehung dreht, kommt es zur Magnetfelderfassung durch das erste Magnetsensorelement MR1, dessen Widerstandswert abnimmt, während die Spannung d2 am ersten Ausgangssignalabgriff n1 sinkt. Gleichzeitig damit endet die Magnetfelderfassung durch das zweite Magnetsensorelement MR2 und dessen Widerstandswert, der abgenommen hatte steigt wieder auf den ursprünglichen Wert. Die Spannung e2 des zweiten Ausgangssignalabgriffs n2 steigt bis zur Spannung Gleichgewichtszustand an. Dieses Verhalten tritt durch die Umdrehungen des magnetischen Drehkörpers fortlaufend auf. Als Ergebnis resultiert jeweils eine Signalinvertierung bzw. ein Flankenwechsel, wie dies in 3 für die Spannung d2 des ersten Ausgangssignalabgriffs n1 und die Spannung e2 des zweiten Ausgangssignalabgriffs n2 gezeigt ist.

Die weitere Funktionsweise entspricht ungefähr derjenigen der Schaltungsanordnung aus 1, weshalb auf eine Erklärung verzichtet wird. Auch wenn in diesem Ausführungsbeispiel das Paar von Magnetsensorelementen MR1, MR2 näher als die Ausgangssignalabgriffe n1, n2 am Erdungsanschluss GND angeordnet werden, resultiert zwar ein umgekehrter Signalverlauf der Spannungen an den Ausgangssignalabgriffen n1, n2, ansonsten liegt jedoch das gleiche Verhalten der Schaltungsanordnung vor.

In Verbindung mit den obigen Ausführungsformen wurden Beispiele erläutert, bei denen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in der Magnetsensoreinheit einer Positionsmesseinrichtung verwendet wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Positionsmesseinrichtungen beschränkt, sondern kann auch anderweitig eingesetzt werden.

Wie oben erklärt, lassen sich durch die vorliegende Erfindung auch dann Differenzsignale erzeugen, wenn lediglich ein Paar von Magnetsensorelementen eingesetzt wird. Gleichzeitig lässt sich der Aufwand für die Schaltungsanordnung und eine Positionsmesseinrichtung verringern.

Die vorliegende Erfindung lässt sich in Schaltungsanordnungen einsetzen, die eine Magnetfelddetektion mittels Brückenschaltungen vornehmen bzw. in Vorrichtungen, in denen derartige Schaltungsanordnungen zum Einsatz kommen. Hierzu zählen etwa Positionsmesseinrichtungen zur Positionsfeststellung verschiedenster beweglicher Teile in Industriemaschinen, Robotern usw. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung in sog. Multiturn-Drehgebern gemäß 8, magnetischen Drehgebern, magnetischen Längenmessgeräten o.ä. eingesetzt werden.


Anspruch[de]
  1. Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion, bestehend aus einer Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen, die zwischen einem Stromquellenanschluss (Vcc) und einem Erdungsanschluss (GND) angeordnet sind, wobei der erste Brückenzweig und der zweite Brückenzweig der Brückenschaltung jeweils ein Magnetsensorelement (MR1, MR2) aufweist, und wobei das jeweilige Magnetsensorelement (MR1, MR2) in beiden Brückenzweigen von den Ausgangssignalabgriffen (n1, n2) her betrachtet entweder nur auf der Seite des Stromquellenanschlusses (Vcc) oder nur auf der Seite des Erdungsanschlusses (GND) angeordnet ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Ausgangssignale, die an den Ausgangssignalabgriffen (n1, n2) der beiden Brückenzweige anliegen, Differenzsignale sind.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Brückenzweig genau ein Magnetsensorelement (MR1, MR2) umfasst.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsignalabgriffe (n1, n2) mit den Eingängen eines Vergleichers (CMP) verbunden sind.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei eine Rückkopplung des Ausgangssignals des Vergleichers (CMP) über einen Rückkopplungswiderstand (R5) in einen der Brückenzweige erfolgt.
  6. Positionsmesseinrichtung mit einer magnetischen Sensoranordnung, bei der eine Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche Magnetfeldänderungen eines Magnetelements (16) zum Messen des Positionsverschiebungsausmaßes eines Objekts feststellt.
  7. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 6, wobei das Magnetelement (16) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und zur Erfassung einer Rotationsbewegung des Objekts dient.
  8. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 6, wobei diese zumindest eine Umdrehungsfeststelleinheit zum Messen des Positionsverschiebungsausmaßes und eine Mehrumdrehungsfeststelleinheit zum Feststellen der Anzahl erfolgter Umdrehungen aufweist, und die magnetische Sensoranordnung der Mehrumdrehungsfeststelleinheit zugeordnet ist.
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