(57)【要約】磁気スケールを有する角度又は変位測定のための装置及び方法が記述される。この磁気スケールは、磁界変調をもたらし、互いに予め設定可能な角度で存在する少なくとも２つの磁界感度センサ素子によって走査される。磁界方向変調はセンサ内に発生された補助磁界によって行われる。発生する磁界変調は３６０°周期性を有し、センサ信号をもたらす。これらのセンサ信号は発生する位相シフト又は正負の符号変化に関して角度位置又は位置の検出のために調査される。
2004518110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気スケールを有する角度又は変位測定のための装置及び／又は方法であって、前記磁気スケールは、磁界変調をもたらし、互いに予め設定可能な角度で存在する少なくとも２つの磁界感度センサ素子によって走査される、磁気スケールを有する角度又は変位測定のための装置及び／又は方法において、
磁界方向変調は補助磁界によって行われ、前記磁界方向変調は非周期的な変調をもたらし、該非周期的な変調は角度位置の検出のために評価されることを特徴とする、磁気スケールを有する角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項２】
センサ素子は、ＡＭＲセンサであり、それぞれハーフブリッジ又はフルブリッジとして接続された磁気抵抗性抵抗を含み、サイン乃至はコサイン状の電流又は電圧によって動作され及び／又は出力信号としてサイン又はコサイン状の電流又は電圧を供給することを特徴とする、請求項１記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項３】
磁気スケールはＮ極又はＳ極の互いに交番する連続を有し、磁極の配置は列状に行われ、磁極の長さならびに磁極の互いの間隔は規則的であることを特徴とする、請求項１又は２記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項４】
補助磁界は、２つのフルブリッジ又はハーフブリッジの各々の内部において少なくとも２つの異なる補助磁界方向が実現されるように選択されることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項５】
２つのセンサ素子に生じる信号が３６０°周期性を有するように、磁気スケールによって発生された磁界はセンサ内に発生された補助磁界に重畳されることを特徴とする、請求項１〜４のうちの１項記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項６】
角度又は変位決定のために位相シフトが評価され及び／又は正負の符号の観察が角度位置又は位置の検出のために行われることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項７】
局所的補助磁界方向が相互位相シフトを有し、第１の乃至は第２の磁極対半周期すなわち０°〜１８０°乃至は１８０°〜３６０°の間の論理的な領域区別のために、発生する相互に位相シフトされた変調信号の正負の符号の観察が行われるように、補助磁界は決定されることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項８】
磁気スケールはマルチポールホイールであることを特徴とする、請求項１〜７のうちの１項記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項９】
互いに平行な２つのスケール又は２つの磁気ストリップを有するマルチポールホイール又は２つのマルチポールホイールは、とりわけ側面から走査され、得られた信号はノギス原理により角度又は変位決定のために評価されることを特徴とする、請求項１〜８のうちの１項記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【請求項１０】
センサ素子は薄膜技術で製造され、異方性磁気抵抗材料から成ることを特徴とする、請求項１〜９のうちの１項記載の角度又は変位測定のための装置及び／又は方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来技術
例えば異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）薄膜に基づく角度センサの一義性領域（Ｅｉｎｄｅｕｔｉｇｋｅｉｔｓｂｅｒｅｉｃｈ）はＡＭＲ効果の必然的な１８０°対称性によって０°〜１８０°に限定される。このように限定されたＡＭＲ角度センサの例はフィリップスのＫＭＺ４１（特許ＥＰ０６７１６０５Ａ１）、ＨＬ−ＰＬＡＮＡＲのＫＭＴ３１又はＩｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｅｒ Ｍｉｋｒｏｓｔｒｕｋｔｕｒ ｕｎｄ Ｏｐｔｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ ＩＭＯのＬＫ１５（特許番号ＤＥ１９８３９４５０Ａ１）である。このようなセンサは通常は２つのフルブリッジを有し、これら２つのフルブリッジの一方はコサイン信号を供給し、これら２つオンフルブリッジのもう一方はサイン信号を供給し、これらの信号からアークタンジェント形成によって角度が決定される。これらの及び類似のＡＭＲ１８０°角度センサに特徴的なことは、これらの角度センサがとりわけセンサ薄膜構造の横方向の大きさに亘って方向均一な外部磁界の方向を測定することである。これに相応してこのようなセンサはシャフト端部での角度測定に適している。このために通常は端面のシャフト端部に面状に磁化された丸い又は矩形状の磁石が取り付けられ、この磁石がシャフトと共に回転する。この磁石に対して通常は固定式に角度センサが取り付けられる。とりわけシャフト端部の方向均一な磁界及びアプリケーションを用いる角度測定のこのケースに対して保護権出願番号Ｒ３３９８４において１８０°への上記の必然的な一義性領域の限定を克服し、０°〜３６０°に拡張された一義性領域を提供する方法及び装置が記述された。電子信号処理に関して最適化された評価方法は保護権出願ＤＥ−Ｐ１９９４７７６１に記述されている。
【０００２】
シャフト中央での角度測定の方法はシャフトに同心状に取り付けられた磁気マルチポールホイールの側面走査によって与えられる。Ｎ−Ｓ磁極対のそれぞれの個数がちょうど１磁極対だけ異なるポールホイールの使用によって及びノギス原理乃至は修正されたノギス原理の適用によって（保護権出願ＤＥ−Ｐ１９５０６９３８、ＤＥ−Ｐ１００４１０９５）、角度位置（シャフト角度）の一義的な測定が全回転に亘って原理的には可能である。これに対する前提条件はもちろんポールホイール走査に使用される２つのセンサがそれぞれ全磁極対周期に亘って一義的な位相信号乃至は角度信号を供給することである。
【０００３】
磁気スケールとりわけ磁気マルチポールホイールの走査による一般的な位置測定は特別なＡＭＲ角度センサによって可能である。これらのセンサにとって特徴的なのは、外部磁界がセンサ構造全体に亘って方向均一的ではなく、磁界方向が個々の抵抗の位置において互いに異なることである。このために磁界方向が通常は４つのブリッジ抵抗の各々において、ハーフブリッジ内の少なくとも２つの抵抗において９０°だけ異なるように、各フルブリッジの個々の抵抗が配置されるのが一番良い。さらにセンサの２つのフルブリッジがスケールに沿ってずれて配置されており、この結果一方のブリッジがコサイン信号を供給し、他方のブリッジがサイン信号を供給する。よって、このようなセンサはそれぞれの磁気スケールに適合されている。アークタンジェント形成によってこれら２つのセンサ信号から角度が決定され、この角度は今や磁極周期内の位相に対する尺度である。しかしまたこの場合周知のＡＭＲセンサではＡＭＲ効果の１８０°対称性及びこの対称性から結果的に生ずるセンサ信号の１８０°周期性によって０°〜１８０°への一義性領域の限定が発生してしまう。磁極対周期の走査の際にＡＭＲセンサ信号は既に２つの全周期を超える。よって、これらのセンサは半磁極対周期に亘ってのみ一義的な信号を供給する。従って、これらのセンサによっては全磁極対周期内で位相を一義的に決定することができない。このような限定された商業的に入手可能なセンサの例はＩＭＯのＬＫ１６（特許番号ＤＥ４４３８７１５Ｃ１）である。
【０００４】
本発明の課題及び利点
磁気スケールを走査するための周知のＡＭＲセンサによっては、原理的に、シャフトの角度位置を２つのマルチポールホイールの側面走査によって一義的に１つの全シャフト回転（０°〜３６０°）に亘って決定することは不可能である。この原因は、２．１節のこれらの周知のセンサが位相を全磁極対周期に亘ってではなく半磁極対周期に亘ってのみ一義的に決定できることに帰着する。後者は既に言及したようにＡＭＲセンサ信号の１８０°周期性に基づく。これに相応してこの場合ノギス原理乃至は修正されたノギス原理によるシャフト位置の決定も半シャフト回転（０°〜１８０°）に亘ってのみ一義的に可能である。
【０００５】
本発明では位相を磁気スケールの全磁極対周期内で決定することを可能にするＡＭＲセンサ、方法及び装置の解決策を提示する。ここで提示されるＡＭＲセンサの一義性領域は周知のＡＭＲセンサに比べて２倍である。これによってとりわけ今やＡＭＲセンサ及び修正されたノギス原理の適用を用いて２つの磁気ポールホイールの側面走査によって全３６０°回転に亘ってシャフト位置の一義的な検出も可能となる。
【０００６】
本発明の核心
本発明の核心は補助磁界を用いる磁界方向変調による１８０°から３６０°への一義性領域の拡張である。周知の解決策は専らセンサ面に亘って均一な磁界によるシャフト端部での角度測定に適している。これに対して本発明はとりわけセンサに亘って方向非均一的な磁界による磁気スケールの走査のためのＡＭＲ角度センサを対象とする。これによってこれらのセンサはとりわけ磁気ポールホイールの走査に、従ってシャフト中央での角度測定に適している。この場合基本となる機能を決定する改良点は、本発明のＡＭＲ３６０°スケールセンサでは既に２つのハーフブリッジ乃至はフルブリッジの各々の中で少なくとも２つの異なる補助磁界方向が実現されることである。ＡＭＲ３６０°スケールセンサの原理は、簡潔に言えば、磁気スケールに由来する外部磁界に例えばセンサ内で発生された補助磁界を重畳することによって、周知のＡＭＲ１８０°スケールセンサの基礎となる対称性を破壊することである。フルブリッジ内で局所的に異なる方向を有するこの補助磁界によって磁界方向の変調が喚起され、この変調は２つのセンサ信号（ＣＯＳ，ＳＩＮ）の変化をもたらす。これらの信号変化（変調信号）は１８０°周期性ではなく３６０°周期性を有する。さらにこれらの信号変化は局所的な補助磁界方向の適切な選択によって相互位相シフトを有する。これらの相互に位相シフトされた変調信号の正負の符号の観察によって、第１の磁極対半周期（位相０°〜１８０°）と第２の磁極対半周期（位相１８０°〜３６０°）との間の問題のない論理的な領域区別が可能になる。従って、従来の周知のＡＭＲ１８０°スケールセンサに対する決定的な利点及び基本的な改良点は、絶対的な精度に関する損害を甘受する必要なしに、一義性領域を２倍化することである。これらの新しいＡＭＲ３６０°スケールセンサの使用は、初めて、ＡＭＲ角度センサによって、２つの磁気マルチポールホイールの側面走査及びノギス原理の適用によって１つの全回転（０°〜３６０°）に亘ってシャフトの角度位置の一義的な検出を可能にする。しかしまた変位乃至は位置測定のためのリニアなスケールの走査によっても一義的に検出可能な縦領域の２倍化は可能である。
【０００７】
本発明の詳細な記述
１．  適合されたＡＭＲフルブリッジを用いる局所的磁界方向の検出による位相測定（従来技術）
磁気スケールに基づく絶対的な位置測定のために以下に記述される本発明のＡＭＲ３６０スケールセンサではこのスケールに亘る磁界分布の強度ではなく、磁界分布の方向だけを測定する。磁気スケールの１磁極対周期ｌａｍｂｄａに亘る磁界分布は図１において磁力線に基づいて概略的に図示されている。周期は１つの磁極から次の同一の磁極まで延びている（磁極対周期Ｎ−Ｎ）。磁界分布の方向変化を明瞭に示すために、局所的な位置に依存する磁界方向は磁力線の上の矢印によって示されている。磁極対周期内では磁界方向乃至は位相Ｐｈｉは３６０°乃至は２＊ｐｉだけ変化する。この場合、位置ｘに対する磁界方向乃至は位相Ｐｈｉの依存性は基本的に線形の関係式Ｐｈｉ（ｘ）＝２＊ｐｉ／ｌａｍｂｄａ＊ｘによって記述される。代替的に、スケール平面に存在する、スケールの長手方向において周期的に交番する磁化を有するスケールも使用できる。
【０００８】
磁気スケールの位相Ｐｈｉを検出するために、本発明のＡＭＲ３６０スケールセンサは周知のＡＭＲ１８０スケールセンサに相応して２つのホイートストーンブリッジを有する。ＡＭＲセンサに対する相対的なスケールのシフトすなわちこのスケールの位相の変化において、一方のブリッジはコサイン状の信号電圧を供給し、他方のブリッジはサイン状の信号電圧を供給する。図２は並列に接続され電圧Ｖｃｃが給電される２つのフルブリッジを有するＡＭＲスケールセンサの等価回路図を示す。代替的に２つのブリッジを直列に接続することもできる。さらに、フルブリッジの代わりに原理的にはハーフブリッジを使用することもできる。ＡＭＲ抵抗シンボルの各々に書き込まれているストライプ群は、それぞれの抵抗を流れる電流の実現すべき方向を示す。各フルブリッジのＡＭＲ抵抗は磁気スケールに沿って配置されており、スケール磁界の方向はこの等価回路においてそれぞれ対角線上に存在するブリッジ抵抗Ｃ１及びＣ４乃至はＣ２及びＣ３において及び相応してＳＩＮブリッジにおいて平行を又は反平行を向く。図２では例として対角線上に配置された抵抗における反平行な磁界方向を有する変形実施形態が図示されている。ＡＭＲ抵抗ＣＲ１〜ＣＲ４を有するフルブリッジがコサイン信号を供給し、ＡＭＲ抵抗ＳＲ１〜ＳＲ４を有するフルブリッジがサイン信号を供給するように、これら２つのブリッジの抵抗は互いにずらされて配置されており、スケール磁界の局所的な方向は相応のＣＯＳブリッジ抵抗における磁界方向に対してＳＩＮブリッジの抵抗においては４５°だけ回転されている。抵抗が例えば図３に図示されているように配置される場合にこれが保証される。すなわち、ｘ＝ｌａｍｂｄａ／４にＣＲ１があり、ｘ＝０にＣＲ２があり、ｘ＝ｌａｍｂｄａ／２にＣＲ３があり、ｘ＝ｌａｍｂｄａ＊３／４にＣＲ４があり、ｘ＝ｌａｍｂｄａ＊３／８にＳＲ１があり、ｘ＝ｌａｍｂｄａ／８にＳＲ２があり、ｘ＝ｌａｍｂｄａ＊５／８にＳＲ３があり、ｘ＝ｌａｍｂｄａ＊７／８にＳＲ４がある。これに対して代替的に、２つのブリッジの抵抗を例えば空間的に離れて異なる磁極対周期でスケールに沿って配置することもできる。代替的に、対角線ブリッジ抵抗において平行な磁界方向を有する１つのブリッジ及び対角線ブリッジ抵抗において反平行な磁界方向を有するもう１つのブリッジが実現されるように抵抗を配置することもできる。従って、スケール毎に最適な配置が見つけだせる。磁気スケールの位相Ｐｈｉの変化（シフト）によって各ＡＭＲ抵抗においてＢ磁界方向が変化し、図４ａに図示されているようにブリッジＣＲ１〜ＣＲ４がコサイン信号Ｕｃｏｓ＝Ａ＊ｃｏｓ（２＊Ｐｈｉ）及びブリッジＳＲ１〜ＳＲ４がサイン信号Ｕｓｉｎ＝Ａ＊ｓｉｎ（２＊Ｐｈｉ）を信号振幅Ａで供給する。位相Ｐｈｉは２つのセンサ信号からＰｈｉ＝０．５＊ａｒｃｔａｎ（Ｕｓｉｎ／Ｕｃｏｓ）によってもとめられる。この場合、係数０．５は２倍の位相角度に対するＡＭＲ信号電圧の依存性を考慮しており、これによって自然にＡＭＲ効果の１８０°対称性が、従って１８０°一義性領域への限定が図４ｂ）のように表現される。
【０００９】
さらに磁界方向の上記の線形の位置依存性からの偏差に起因する高調波信号成分をフィルタリングアウトするために、個々のＡＭＲ抵抗ＣＲ１〜ＣＲ４乃至はＳＲ１〜ＳＲ４は例えば次のように分散配置される。すなわち、周期長ｌａｍｂｄａ（ｋ）＝ｌａｍｂｄａ／（２＊ｋ）ただしｌａｍｂｄａ＝磁極対周期を有するＡＭＲ信号における第ｋ高調波を抑圧するために、それぞれのＡＭＲ抵抗の２つの半分部分が互いにｌａｍｂｄａ（ｋ）／２だけ間隔をおいてかつ磁界方向の全く線形な位置依存性における位置に対して対称的に配置される。個々の抵抗の半分部分のこれに相応する更に別の分散によって付加的にさらに高い信号高調波がフィルタリングアウトされる。
【００１０】
２．  ３６０°周期変化信号の発生のための磁界方向変調
半磁極対周期（１８０°位相領域）から全磁極対周期（３６０°位相領域）への一義性領域の本発明による拡張は２つの位相領域０°〜１８０°及び１８０°〜３６０°を区別することによって達成される。このために、この磁気スケールに起因する外部のＢ磁界に付加的に絶対値としては比較的小さい補助磁界Ｈを重畳する。この補助磁界のオン及びオフ又は方向転換によって磁界方向は変調される。これによって２．４．１節から既知の１８０°周期ＣＯＳセンサ信号及びＳＩＮセンサ信号に対してさらに２つの３６０°周期変化信号乃至は変調信号が発生される。この場合重要なことは、ＳＩＮブリッジで発生される変化信号がＣＯＳブリッジで発生される変化信号に対して位相シフトされているように補助磁界は局所的に配向されていることであり、しかもこの場合、１つの変化信号が絶対値としては小さい位相領域においてもう１つの変化信号は絶対値としては大きい。例えば、補助磁界方向がスケール磁界の位相Ｐｈｉ＝０において局所的なスケール磁界の方向に対して相対的にＣＯＳブリッジの場合にはそれぞれ９０°だけ回転された方向に向き、ＳＩＮブリッジの場合にはそれぞれ４５°回転された方向に向くように、補助磁界方向は選択される。局所的な補助磁界のこの有利な配向は、上記の位相シフトを保証し、図５に例として対角線ブリッジ抵抗における反平行なスケール磁界方向を有する変形実施形態に対して図示されている。この例の局所的な補助磁界方向ａｌｐｈａ（Ｈ）は、ＣＲ１及びＳＲ１ではａｌｐｈａ（Ｈ）＝１８０°であり、ＣＲ２及びＳＲ２ではａｌｐｈａ（Ｈ）＝９０°であり、ＣＲ３及びＳＲ３ではａｌｐｈａ（Ｈ）＝２７０°であり、ＣＲ４及びＳＲ４ではａｌｐｈａ（Ｈ）＝０°である。それぞれの補助磁界方向ａｌｐｈａ（Ｈ）は一定であり、すなわち磁気スケールの位相の変化（シフト）には依存しない。ここに記述された例のＡＭＲ３６０スケールセンサにおいて局所的に有利に実現すべき補助磁界方向を明瞭にするために、これらの補助磁界方向が図６に磁気スケールに沿ったＡＭＲ抵抗の相応の配置において矢印によって図示されている。さらに、２つの変化信号のここに記述された位相シフトを保証する限りにおいて他の補助磁界方向も可能である。図７には対角線ブリッジ抵抗において平行に配向されたスケール磁界を有する変形実施形態に対する有利な補助磁界方向が提示されている。
【００１１】
３．  信号評価及び論理的な位相領域判定
上記の位相領域区別に関して位相値決定毎に少なくとも２つの測定が実施される。すなわち、印加された補助磁界なしの測定と印加された補助磁界を有する測定である。補助磁界なしの測定からはアークタンジェント形成によってＡＭＲ１８０°角度Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）がＡｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）＝０．５＊ａｒｃｔａｎ（Ｕｓｉｎ／Ｕｃｏｓ）によって決定され、従ってまず最初に１８０°周期性を有する位相つまり１８０°に限定された一義性を有する位相が決定される。２つの測定の差から変化信号ＤｅｌｔａＵｃｏｓ＝Ｕｃｏｓ（Ｈ）−Ｕｃｏｓ（Ｈ＝０）乃至はＤｅｌｔａＵｓｉｎ＝Ｕｓｉｎ（Ｈ）−Ｕｓｉｎ（Ｈ＝０）が得られる。これに基づいて正負の符号の観察によって、補助磁界なしの測定から決定されたＡＭＲ１８０＿位相角度にさらに１８０°を加算しなくてならないか否かが、すなわちスケールの位相は領域０°〜１８０°にあるのか又は領域１８０°〜３６０°にあるのかが識別される。明瞭にするために、例として図５乃至は図６の補助磁界方向の有利な選択に対して図８ａ）にＣＯＳ及びＳＩＮセンサ信号の曲線経過を図示し、図８ｂ）にＣＯＳ及びＳＩＮ変化信号を図示する。これらの変化信号はＣＯＳ乃至はＳＩＮ信号とは対照的に１８０°周期性ではなく３６０°周期性を有する。ＣＯＳ変化信号ＤｅｌｔａＵｃｏｓは領域０°〜１８０°において≦０であり、領域１８０°〜３６０°において≧０である。位相０°、９０°、１８０°及び２７０°のゼロ位置から見て取れるように、既にただ図８ｃ）のこのＣＯＳ変化信号の正負の符号によって、両方の１８０°領域のうちのどちらにスケールの位相があるかが判定できる。これらのゼロ位置の領域において領域識別を実施するために、位相シフトされたＳＩＮ変化信号ＤｅｌｔａＵｓｉｎを参考にする。この位相シフトは、図５、６及び７に例として図示された補助磁界方向の有利な選択によって達成され、ＳＩＮ変化信号がＣＯＳ変化信号のゼロ位置の領域において絶対値として最大であることを惹起する。またこれらの領域では位相領域区別のためには当然ＳＩＮ変化信号の正負の符号の観察で十分である。このＳＩＮ変化信号の正負の符号の曲線経過が図８ｄ）に図示されている。結局のところ、それぞれ絶対値として最も強い、すなわち最も重要な変化信号の正負の符号だけが瞬時の位相領域を決定する。従って、確実な領域判定には、変化信号の絶対値及び正負の符号ならびにＡＭＲ１８０角度Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）を次のような表現によって論理的に互いに結合させれば十分である。すなわち、ＣＯＳ変化信号が絶対値としてＳＩＮ変化信号より大きいか又は等しくかつＣＯＳ変化信号が正である場合、位相は領域１８０°〜３６０°にある。同様にＳＩＮ変化信号が絶対値としてＣＯＳ変化信号よりも大きくかつＳＩＮ変化信号の正負の符号が負でありかつＡＭＲ１８０°角度が１３５°よりも小さい場合には、位相は領域１８０°〜３６０°にある。さらに、ＳＩＮ変化信号が絶対値としてＣＯＳ変化信号よりも大きくかつＳＩＮ変化信号の正負の符号が正でありかつＡＭＲ１８０°角度が１３５°よりも大きいか又は等しい場合には、位相は領域１８０°〜３６０°にある。その他の場合には位相は領域０°〜１８０にある。
【００１２】
形式的にはこの表現は次のような論理変数の導入によって構造化できる。すなわち、
Ｌ１＝１、ＤｅｌｔａＵｃｏｓの正負の符号＞０の場合
＝０、そうでない場合
Ｌ２＝１、ＤｅｌｔａＵｓｉｎの正負の符号＞０の場合
＝０、そうでない場合
Ｌ３＝１，ＤｅｌｔａＵｃｏｓの絶対値≧ＤｅｌｔａＵｓｉｎの絶対値
＝０、そうでない場合
Ｌ４＝１、Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）≧１３５°の場合
＝０、そうでない場合
領域変数Ｌのための変数Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４の論理結合は次式による。
すなわち、
Ｌ＝（Ｌ３ ＡＮＤ Ｌ１）ＯＲ （ ＮＯＴ（Ｌ３） ＡＮＤ Ｌ４ ＡＮＤ Ｌ２ ） ＯＲ
（ ＮＯＴ（Ｌ３） ＡＮＤ ＮＯＴ（Ｌ４） ＡＮＤ ＮＯＴ（Ｌ２） ）
さらに位相領域判定は、
位相領域＝０°〜１８０°、Ｌ＝０の場合
位相領域＝１８０°〜３６０°、Ｌ＝１の場合
である。
【００１３】
論理的な領域変数Ｌに基づいて、０°〜１８０°に限定された一義性領域を有するＡＭＲ１８０角度Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）（図９ａ）にさらに１８０°を加算しなくてはならない否か（図９ｂ）が判定される。図９ｃ）に示された全位相領域０°〜３６０°に亘って、すなわち１磁極対周期に亘って一義的なＡＭＲ３６０°出力角度Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ３６０°）は次式により得られる。
【００１４】
Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ３６０）＝Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）＋Ｌ＊１８０°
これにより一義性領域は従来のＡＭＲスケールセンサの０°〜１８０°から０°〜３６０°に２倍化される。
【００１５】
この判定論理においてそれぞれまさに絶対値として最大の変化信号の正負の符号だけが評価されることによって、この領域区別は問題なく、安定している。明瞭にするために、図１０において強い雑音成分が重畳された信号が図示されている。信号雑音はとりわけ図１０ｂ）の絶対値として非常に小さい変化信号において顕著である。従って、これらの変化信号の正負の符号の変化は図１０ｃ）及び図１０ｄ）において強いジッタによって特徴付けられている。それにもかかわらず、図１０ｅ）に図示された領域変数及びこの領域変数の基礎である論理結合による領域識別は明確で安定している。重要なのは先に言及したこれら２つの変化信号の位相シフトである。この位相シフトによって次のことが保証される。すなわち一方の変化信号の正負の符号のジッタはそれぞれもう一方の変化信号の確実な正負の符号領域にある。
【００１６】
４．  代替的な信号評価：
４．１  和及び差変化信号
簡略化された電子信号処理の点で、変化信号における絶対値形成を回避することは望ましい（４．３の論理変数Ｌ３を参照）。これは本来のＣＯＳ及びＳＩＮ変化信号から出発して次式による和形成及び差形成によって行われる。
【００１７】
Ｕｓｕｍｍ＝ＤｅｌｔａＵｓｉｎ＋ＤｅｌｔａＵｃｏｓ
Ｕｄｉｆｆ＝ＤｅｌｔａＵｓｉｎ−ＤｅｌｔａＵｃｏｓ
これは既に保護権出願番号  に記述されている。
【００１８】
図１１ａ）に図示されたこれらの新しい変化信号から出発すれば、領域識別には次の関係のようなこれらの変化信号の正負の符号（（図１１ｂ）及び（図１１ｃ））及びＡＭＲ１８０角度だけの論理結合で十分である。すなわち、ＡＭＲ１８０角度Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）が１３５°より小さくかつ差変化信号Ｕｄｉｆｆが負である場合、位相は領域１８０°〜３６０°にある。同様に、ＡＭＲ１８０角度Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）が１３５°より大きいか又は等しくかつ和信号Ｕｓｕｍｍが正である場合、位相は領域１８０°〜３６０°にある。論理変数の定義によってこの表現は次のように構造化される。すなわち、
Ｌ１＝１、Ｕｄｉｆｆの正負の符号＜０の場合
＝０、そうでない場合
Ｌ２＝１、Ｕｓｕｍｍの正負の符号＞０の場合
＝０、そうでない場合
Ｌ３＝１、Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）≧１３５°の場合
＝０、そうでない場合
領域変数Ｌ（図１１ｄ）のための変数Ｌ１、Ｌ２及びＬ３の論理結合は次式による。すなわち、
Ｌ＝（ＮＯＴ（Ｌ３） ＡＮＤ Ｌ１）ＯＲ（Ｌ３ ＡＮＤ Ｌ２）
これにより４．３に相応して位相領域判定は
位相領域＝０°〜１８０°、Ｌ＝０の場合
位相領域＝１８０°〜３６０°、Ｌ＝１の場合
である。全位相領域０°〜３６０°に亘る一義的なＡＭＲ３６０出力角度Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ３６０）の決定は次式による。すなわち、
Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ３６０）＝Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）＋Ｌ＊１８０°
本来のＣＯＳ及びＳＩＮ変化信号の位相シフトは次のことを保証する。すなわち、和及び差変化信号でも一方の信号の正負の符号の変化はもう一方の信号の確実で安定した正負の符号領域の内部で行われる。これについては図１１ｂ）及び１１ｃ）を参照のこと。これによってこの代替的な信号処理においても安定かつ問題のない領域識別が保証される。
【００１９】
４．２  代替的な補助磁界方向における一般化された論理的な領域判定
４．２の記述に対する一般化として、Ａｌｐｈａ（Ｈ，ＣＯＳ）はＣＯＳブリッジ抵抗の場合にスケール磁界の位相Ｐｈｉ＝０における局所的な補助磁界方向とスケール磁界の局所的な方向との間の角度を表し、相応してＳＩＮブリッジ抵抗に対してＡｌｐｈａ（Ｈ，ＳＩＮ）はスケール磁界の位相Ｐｈｉ＝０における局所的な補助磁界方向とスケール磁界の局所的な方向との間の角度を表すならば、新しい論理変数Ｌ４及びＬ５によって論理的な位相領域判定の次のような一般的な定式化が成り立つ。すなわち、
Ｌ１＝１、ＤｅｌｔａＵｃｏｓの正負の符号＞０の場合
＝０、そうでない場合
Ｌ２＝１、ＤｅｌｔａＵｓｉｎの正負の符号＞０の場合
＝０、そうでない場合
Ｌ３＝１，ＤｅｌｔａＵｃｏｓの絶対値≧ＤｅｌｔａＵｓｉｎの絶対値
＝０、そうでない場合
Ｌ４＝１、Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）＞１８０°−Ａｌｐｈａ（Ｈ，ＳＩＮ）    ＝０、そうでない場合
Ｌ５＝１、Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）＜９０°−Ａｌｐｈａ（Ｈ，ＣＯＳ）
＝０、そうでない場合
領域変数Ｌのための変数Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４及びＬ５の論理結合は、
Ｌ＝（Ｌ３ ＡＮＤ ＮＯＴ（Ｌ１） ＡＮＤ Ｌ５）ＯＲ （Ｌ３ ＡＮＤ Ｌ１ ＡＮＤ
ＮＯＴ（Ｌ５）） ＯＲ（ＮＯＴ（Ｌ３） ＡＮＤ Ｌ２ ＡＮＤ Ｌ４）ＯＲ
（ＮＯＴ（Ｌ３） ＡＮＤ ＮＯＴ（Ｌ２） ＡＮＤ ＮＯＴ（Ｌ４））
である。位相領域判定は
位相領域＝０°〜１８０°、Ｌ＝０の場合
位相領域＝１８０°〜３６０°、Ｌ＝１の場合
である。これによりＡＭＲ３６０出力角度Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ３６０）の決定は次式による。すなわち、
Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ３６０）＝Ａｌｐｈａ（ＡＭＲ１８０）＋Ｌ＊１８０°
図５に図示され４．２節に記述された補助磁界方向Ａｌｐｈａ（Ｈ，ＣＯＳ）＝９０°及びＡｌｐｈａ（Ｈ，ＳＩＮ）＝４５°の場合には、Ｌ５＝０であり、領域変数Ｌに対する論理表現は２．４．３節に記載された表現に簡略化される。ここで提示された一般化された論理変数は原理的に任意の補助磁界方向Ａｌｐｈａ（Ｈ，ＣＯＳ）及びＡｌｐｈａ（Ｈ，ＳＩＮ）に対する位相領域判定論理を記述する。しかし、（現実の雑音の混じった変化信号における）問題のない位相領域判定は、ＣＯＳ及びＳＩＮ変化信号が互いに位相シフトされており、一方の変化信号が絶対値として小さい場所でもう一方の変化信号が絶対値として大きいような補助磁界方向においてのみ可能となる。スケールの各々任意の位相Ｐｈｉにおいて有意味な変化信号が自由に使用できることが保証されている。問題のない安定した領域区別を有する、図５乃至は図７に記載された補助磁界方向に対して代替的な補助磁界方向は、例えばＡｌｐｈａ（Ｈ，ＣＯＳ）＝９０°及びＡｌｐｈａ（Ｈ，ＳＩＮ）＝１３５°である。
【００２０】
４．３  交番する補助磁界
電子信号処理の点では４．３に記述された補助磁界のオンオフの代わりに補助磁界の方向転換が有利である。絶えず交番する補助磁界（絶え間ない方向転換）の場合には、少なくとも１つの全方向転換サイクルに亘って平均化されたＣＯＳ乃至はＳＩＮ信号電圧からアークタンジェント形成によって０°〜１８０°に限定された一義性領域だけを有するスケールの瞬時の位相が得られる。位相選択的整流作用によってＣＯＳ及びＳＩＮ変化信号乃至は変調信号が抽出される。この場合、有利には、交番する補助磁界において変化信号の振幅は、補助磁界を単にオンオフする場合の２倍の大きさになる。有利には、磁界方向転換において、場合によっては補助磁界と共に発生される熱的信号変化寄与成分が除去される。というのも、補助磁界の方向転換により全く磁気的に発生された変化信号の正負の符号は変化するが、熱的に発生された変化信号の正負の符号は変化しないからである。従って、差形成によって熱的な寄与成分は除去され、他方で磁気的な寄与成分は２倍化される。
【００２１】
４．５  薄膜テクノロジにおける実現
ここに記述された本発明のＡＭＲ３６０°スケールセンサの実現において重要なことはブリッジ抵抗の使用である。これらのブリッジ抵抗は抵抗の長手方向と外部スケール磁界の方向との間の角度にＣＯＳ＾２依存性を有する。これに応じてここに記述された２つのフルブリッジは１８０°周期ＣＯＳ乃至はＳＩＮ信号を供給する。有利な実現は、例えばニッケル鉄合金Ｎｉ８１Ｆｅ１９（パーマロイ）のような異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）材料を使用した薄膜テクノロジの方法によって行われる。個々のブリッジ抵抗はこの場合約４０ｎｍの典型的な層厚を有する薄いＡＭＲストリップによって製造され、これらのＡＭＲストリップのうち複数のストリップが１つの抵抗にまとめられる。変化信号乃至は変調信号を発生するための上述の補助磁界はこれらのＡＭＲ抵抗ストリップの平面にある。この補助磁界は例えばセンサ内で周知のように次のことによって発生される。すなわち、ＡＭＲ抵抗ストリップに亘って絶縁層により間隔をとって電流導通導体ストリップを取り付け、この電流導通導体ストリップが通電の際には磁界によって囲まれ、こうしてその下にあるＡＭＲ抵抗ストリップにおいて図１２に従って局所的に磁界を発生する。この磁界は外部からスケールによって発生される磁界に重畳される。図１３はＡＭＲ３６０°スケールセンサの可能な実施形態の概略的な図を示す。ＣＯＳブリッジのＡＭＲ抵抗ＣＲ１〜ＣＲ４及びＳＩＮブリッジのＳＲ１〜ＳＲ４はそれぞれ４つのストリップによって図示されている。これらのストリップのそれぞれの位置は同様に図示された磁気スケールのＮ−Ｎ磁極対周期に適合されており、この実施例では図５乃至は図６の配置に相応している。これらの抵抗は概略的に図５の等価回路図に相応して導線でつながれてフルブリッジとなっている。正方形の面を介して接続が行われ、それぞれの表示に従って電圧給電（Ｖｃｃ、ＧＮＤ）の供給及び信号電圧（Ｕｃｏｓ＋，Ｕｃｏｓ−乃至はＵｓｉｎ＋，Ｕｓｉｎ−）のタップが行われる。図５の局所的配向を有する補助磁界はセンサ内でコンタクト面Ｉｃｏｉｌ＋からコンタクト面Ｉｃｏｉｌ−までの概略的に図示された導体路によって発生される。この導体路は図１２に相応してＡＭＲ抵抗ストリップの上に存在し、通電によって局所的に図５乃至は図６に相応して配向された補助磁界を発生する。
【００２２】
図１４はＡＭＲ３６０°スケールセンサの相応の具体的なレイアウトを示す。個々のＡＭＲブリッジ抵抗はメアンダ状に構成されており、ストリップ幅は１０μｍである。補助磁界のセンサ内での発生のためにＡＭＲ抵抗メアンダの上に存在する導体構造が見て取れる。ブリッジ抵抗はこの具体的な実施例では５．１２ｍｍの磁極対周期に適合されている。これに応じて、隣り合う抵抗メアンダの間隔はｌａｍｂｄａ／８＝０．６４ｍｍである。付加的な高調波フィルタリングを有する実施例のレイアウトが図１５に図示されている。各々個別のＡＭＲ抵抗メアンダが直列に接続された２つのより小さいメアンダに分割されることによって第３高調波が抑圧される。これらのより小さいメアンダは高調波フィルタリングがない場合の各ＡＭＲ抵抗の位置に対して対称的に配置されかつｌａｍｂｄａ／１２＝０．４３ｍｍの相互の間隔を有する。更に別のレイアウトの洗練化が可能である。すなわち、例えばポールホイール（円形状のスケール）の磁界歪みが、個々のＡＭＲメアンダの位置に応じたポールホイールの半径方向に相応して個々のＡＭＲメアンダを軽くねじ曲げることによって考慮される。代替的に、改良されたポールホイール走査に関して、ＡＭＲメアンダをこのメアンダの相応に半径方向の配向を有する部分円上に配置する。部分円半径はＡＭＲ抵抗メアンダまでの間隔にポールホイール半径を加算した長さに相応する。この場合、有利には、全てのＡＭＲ抵抗がポールホイール表面まで同じ間隔を有し、円形状のスケールの磁界歪みが考慮される。
【００２３】
図１：磁極対周期を有する磁気スケール（Ｎ−Ｓ−Ｎ）に亘る磁界分布。
【００２４】
図２：１８０°一義性領域を有するＡＭＲ１８０°スケールセンサの等価回路図。ＡＭＲ抵抗Ｃ１〜Ｃ４乃至はＳ１〜Ｓ４はそれぞれ接続されてフルブリッジを形成し、これらのフルブリッジは共通に電圧給電される。各抵抗シンボルの内部のストライプ群は抵抗を流れる電流の方向を示す。これらの抵抗シンボルの横の矢印はスケールの位相Ｐｈｉ＝０°におけるこのスケールに由来する外部磁界Ｂの局所的な方向を記述する。
【００２５】
図３：磁気スケールの位相Ｐｈｉ＝０°におけるこの磁気スケールに沿ったＡＭＲ抵抗ＣＲ１〜ＣＲ４（ＣＯＳブリッジ）乃至はＳＲ１〜ＳＲ４（ＳＩＮブリッジ）の配置のための概略図。ＡＭＲ抵抗内部のストライプ群は電流方向を象徴している。
【００２６】
図４：ａ）磁気スケールの位相の変化（シフト）における１８０°周期ＣＯＳ及びＳＩＮ−ＡＭＲブリッジ信号の曲線経過。ｂ）１８０°に限定された一義性領域を有するＡＭＲ１８０°スケールセンサの出力角度。
【００２７】
図５：３６０°一義性領域を有するＡＭＲ３６０°スケールセンサの等価回路図。ＡＭＲ１８０スケールセンサ（図２）の拡張において、スケールに由来する外部磁界Ｂｅｘｔに補助磁界Ｈが重畳される。補助磁界方向が位相Ｐｈｉ＝０°におけるスケール磁界の各方向とはＣＯＳブリッジ抵抗ではそれぞれ９０°だけ異なり、ＳＩＮブリッジ抵抗ではそれぞれ４５°だけ異なることによって、両方のブリッジにおいて発生される変化信号は互いに位相シフトされている。
【００２８】
図６：図５のＡＭＲ３６０°スケールセンサにおけるＡＭＲ抵抗及び各補助磁界方向の配置のための概略図。
【００２９】
図７：それぞれ対角線上にあるブリッジ抵抗において平行に配向されたスケール磁界及びこれに相応して適合された補助磁界方向を有するＡＭＲ３６０°スケールセンサの変形実施形態の等価回路図。
【００３０】
図８：１磁極対周期に亘るＡＭＲ３６０°スケールセンサの信号経過：
ａ）ＣＯＳ及びＳＩＮセンサ信号。ｂ）図５、６及び７の磁界変調によるＣＯＳ及びＳＩＮ変化乃至は変調信号ＤｅｌｔａＵｃｏｓ及びＤｅｌｔａＵｓｉｎ。ｃ）ＣＯＳ変化信号の正負の符号。ｄ）ＳＩＮ変化信号の正負の符号。ｅ）論理的な領域変数Ｌ。
【００３１】
図９：論理的な領域変数Ｌに基づく０°〜１８０°から０°〜３６０°への一義性領域拡張。
【００３２】
図１０：強く雑音が混ざった変化信号における安定した問題のない領域判定。
【００３３】
図１１：和及び差変化信号の形成による代替的な信号処理。和及び差変化信号の正負の符号及びＡＭＲ１８０°角度の論理結合としての領域区別。
【００３４】
図１２：補助磁界ＢＨの発生のための導体配置の概略的な断面図。導体の通電によってその下にあるＡＭＲストリップにおいて補助磁界Ｈが発生される。
【００３５】
図１３：磁極対周期λを有する磁気スケール（Ｎ−Ｓ−Ｎ）に亘って位置決めされたＡＭＲ３６０°スケールセンサの概略図。ＣＲ１〜ＣＲ４及びＳＲ１〜ＳＲ４のＡＭＲ抵抗はそれぞれフルブリッジに接続されている。両方のブリッジ（ＣＯＳ，ＳＩＮ）は並列に接続されており、共にＶｃｃ及びＧＮＤを介して電圧給電される。Ｉｃｏｉｌ＋とＩｃｏｉｌ−との間の導体路は図５及び図６に相応する局所的補助磁界発生に使用される。
【００３６】
図１４：５．１２ｍｍの磁極対周期に適合されたＡＭＲ３６０°スケールセンサのレイアウト。ＣＯＳ及びＳＩＮフルブリッジのＡＭＲ抵抗はメアンダ状に構成され、１０μｍのストリップ幅を有する。Ｉ＋からＩ−までの導体路の通電による補助磁界発生。
【００３７】
図１５：図１４のようなＡＭＲ３６０°スケールセンサのレイアウト。しかし、第３高調波の付加的なフィルタリングを有する。高調波フィルタリングのために、個々のブリッジ抵抗は、磁極対周期の１／１２に相応して０．４３ｍｍの相互間隔を有する２つのメアンダ半分部分に分割されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
磁極対周期を有する磁気スケール（Ｎ−Ｓ−Ｎ）に亘る磁界分布である。
【図２】
１８０°一義性領域を有するＡＭＲ１８０°スケールセンサの等価回路図である。
【図３】
磁気スケールの位相Ｐｈｉ＝０°におけるこの磁気スケールに沿ったＡＭＲ抵抗ＣＲ１〜ＣＲ４（ＣＯＳブリッジ）乃至はＳＲ１〜ＳＲ４（ＳＩＮブリッジ）の配置のための概略図である。
【図４】
ａ）磁気スケールの位相の変化（シフト）における１８０°周期のＣＯＳ及びＳＩＮ−ＡＭＲブリッジ信号の曲線経過。ｂ）１８０°に限定された一義性領域を有するＡＭＲ１８０°スケールセンサの出力角度。
【図５】
３６０°一義性領域を有するＡＭＲ３６０°スケールセンサの等価回路図である。
【図６】
図５のＡＭＲ３６０°スケールセンサにおけるＡＭＲ抵抗及び各補助磁界方向の配置のための概略図である。
【図７】
それぞれ対角線上にあるブリッジ抵抗において平行に配向されたスケール磁界及びこれに相応して適合された補助磁界方向を有するＡＭＲ３６０°スケールセンサの変形実施形態の等価回路図である。
【図８】
１磁極対周期に亘るＡＭＲ３６０°スケールセンサの信号経過である。
【図９】
論理的な領域変数Ｌに基づく０°〜１８０°から０°〜３６０°への一義性領域拡張である。
【図１０】
強く雑音が混ざった変化信号における安定した問題のない領域判定である。
【図１１】
和及び差変化信号の形成における代替的な信号処理である。
【図１２】
補助磁界ＢＨの発生のための導体配置の概略的な断面図である。
【図１３】
磁極対周期λを有する磁気スケール（Ｎ−Ｓ−Ｎ）に亘って位置決めされたＡＭＲ３６０°スケールセンサの概略図である。
【図１４】
５．１２ｍｍの磁極対周期に適合されたＡＭＲ３６０°スケールセンサのレイアウトである。
【図１５】
図１３のようなＡＭＲ３６０°スケールセンサのレイアウト。しかし、第３高調波の付加的なフィルタリングを有する。
【符号の説明】
Ｃ１〜Ｃ４及びＳ１〜Ｓ４  ＡＭＲ抵抗
ＣＲ１〜ＣＲ４及びＳＲ１〜ＳＲ４  ＡＭＲ抵抗
Ｂ  スケールの磁界方向
Ｈ  補助磁界
Ｂｅｘｔ  外部磁界
Ｌ  領域変数
ＢＨ  補助磁界
【図１】
2004518110.tif 000003
【図２】
2004518110.tif 000004
【図３】
2004518110.tif 000005
【図４】
2004518110.tif 000006
【図５】
2004518110.tif 000007
【図６】
2004518110.tif 000008
【図７】
2004518110.tif 000009
【図８】
2004518110.tif 000010
【図９】
2004518110.tif 000011
【図１０】
2004518110.tif 000012
【図１１】
2004518110.tif 000013
【図１２】
2004518110.tif 000014
【図１３】
2004518110.tif 000015
【図１４】
2004518110.tif 000016
【図１５】
2004518110.tif 000017
【国際公開パンフレット】
2004518110.tif 000018
2004518110.tif 000019
2004518110.tif 000020
2004518110.tif 000021
2004518110.tif 000022
2004518110.tif 000023
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【国際調査報告】
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2004518110.tif 000056
2004518110.tif 000057
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