DE2140343A1 - Positionsmeßfühler - Google Patents
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Description
Beschreibung zum Patentgesuch _,
der Information Storage Systems Inc., 10435 North Tantau Avenue
Cupertino, Calif. 95014/USA
betreffend:
"Positionsmessfühler"
"Positionsmessfühler"
Die Erfindung betrifft einen Positionsmeßfühler zur Erfassung des Sollwertes der Relativlage von zwei relativ zueinander
beweglichen Gliedern. Sie kann zusammen mit Datenaufzeichnungsgeräten
verwendet werden, wie sie von der gleüien Anmelderin
in der USA-Anmeldung 792 454 "Carriage Mechanism for Direct Access Data Storage Device", eingereicht am 21. Januar 1969,
der USA-Anmeldung 792 343 "Apparatus for Maintaining a Servo
Controlled Member in a Selected Position", angemeldet am 21. Januar 1969 und der deutschen Anmeldung P 20 31 469. 6
"Anordnung zur Überwachung des Bewegungsablaufs eines zu positionierenden Körpers", angemeldet am 25.6.1970, beschrieben
sind.
Die Positionsmeßfühler nach der Erfindung sind insbesondere für Geräte hoher Präzision geeignet, die für die Positionierung
von Sehreib/Leseköpfen in einer Scheibsnantriebsvorrichtung verwendet werden.
In ScheibenantriebsVorrichtungen, in denen Daten magnetisch
auf rotierenden, beschichteten Scheiben aufgezeichnet werden, müssen die Lese/Schreibk$jSfe genau an willkürlich ausgewählten
Stellen auf der Scheibe ausgerichtet werden, um Information zu lesen und zu schreiben. Eine derartige Positionierung
erfordert nicht nur ein Betätigungsorgan, welches den Kopf genau bewegen kann, sondern erfordert auch, daß die Position
des Kopfes in bezug auf die Scheibe genau festgestellt wird. Für derartige Vorrichtungen sind lediglich Positionsmeßfühler
geeignet, die zu dem System nur eine geringe Trägheit hinzufügen und hinreichend schnell arbeiten, so daß sie die Gesamtfunktion
der Maschine nicht verlangsamen. Die Seile derartiger Meßfühler sollten sich möglichst wenig abnutzen, so daß die
Aufzeichnungsvorrichtung einfach zu warten ist.
Bisher wurden als Scheibenantriebsvorrichtungen mechanische Einrichtungen, beispielsweise Ratschenmechanismen verwendet,
um den Kopf auf jeder der ausgewählten Aufzeichnungsspuren zu positionieren. Natürlich ist eine derartige Vorrichtung der
Abnutzung unterworfen und erfordert auch Zeitverzögerungen
wegen der mechanischen Schwingungen eines derartigen Systemes, so daß der Kopf sich an jeder Stelle ausrichten kann. Die
Position des Kopfes wird in solchen Systemen erfasst, indem irgendwie die Rasten oder die Scheibe überwacht wird, um
kontinuierlich die Nummer der Spur anzuzeigen, auf der sich der Kopf befindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Positionsmeßfühler für derartige Scheibenantriebsvorrichtungen
zu schaffen.
Bei einem Positionsmeßfühler der eingangs angegebenen Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
erste Einrichtung anzeigt, wenn die Glieder mehrere vorbestimmte Positionen einschließlich der Sollwertlage erreichen, eine
zweite Einrichtung jedesmal anzeigt, wenn die Glieder sich i:-i
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der allgemeinen Hachbarschaft der Sollwertlage befinden und
eine Einrichtung aus den Signalen der ersten und zweiten Einrichtungen ableitet, wenn die beweglichen Glieder die Sollwert-Relativlage
erreichen.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:
Fig. 1 ein Schema und ein Blockdiagramm des Positionsmeßfühlers, Fig. 2 verschiedene in der Schaltung nach Fig. 1 auftretende
Signale.
In Fig. 1 ist eine Scheibenantriebs vorrichtung 10 dargestellt, ä
in der Daten in digitaler Form auf mehreren Scheiben 11 aufgezeichnet
werden, die zu diesem Zweck mit einem magnetischen Material beschichtet sind. Um die Information aufzuzeichnen und
auszulesen, ist für jede Scheibenfläche ein Lese/Schreibkopf
vorgesehen. Jeder Aufzeichnungskopf befindet sich auf einem Arm 14, der mit einem Wagen 15 verbunden ist, welcher mittels
eines Betätigungsorganes 16 längsseitig bewegt wird. Durch die
Speisung des Betätigungsorganes aus einer nicht dargestellten Quelle über die Leitungen 17 wird der Wagen hin- und hergeschoben,
um die Köpfe an verschiedenen Stellen nahe der Scheibenoberfläche *
auszurichten.
Erfindungsgemäß ist ein Positionsmeßfühler vorgesehen, um die genaue Stellung der Köpfe anzuzeigen. Dieser weist eine Einrichtung
auf, um anzuzeigen, wenn die Köpfe jede von mehreren Positionen erreichen, und es ist eine zweite Einrichtung vorgesehen,
welche anzeigt, wenn die Köpfe sich in der allgemeinen Nachbarschaft einer vorbestimmten Sollwertposition befinden,
und eine weitere Einrichtung bringt die Köpfe gemäß den ersten
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-n-
und zweiten Signalen In eine Sollwertposition.
Demgemäß ist eine erste Gittervorrichtung 18 zur Bewegung mit dem Wagen 15 und den Aufzeichnungsköpfen 12 angeordnet.
Eine ähnliche zweite Gittervorrichtung 19 ist starr in bezug auf die Aufzeichnungsscheiben 11 angeordnet und parallel zu
der ersten Gittervorrichtung ausgerichtet. Mit den Gittern arbeiten Umformer zusammen, die über dem zweiten Gitter angeordnet
sind und mehrere lichtemittierende Dioden 20,21 und 22 aufweisen, um einzelne Lichtstrahlen zu emittieren, die nach
dem Durchgang durch das zweite Gitter 19 und das erste Gitter 18 auf Phototransistoren 24,25 oder 26 auftreffen.
Sowohl die ersten als auch die zweiten Gitteranordnungen weisen Glasplatten auf, die mit dicht voneinander beabstandeten,
parallelen Linien maskiert sind, die abwechselnd undurchlässige und durchlässige Bereiche ähnlich dem Blendeneffekt erzeugen.
Daher wird jeder von einer Diode emittierte Lichtstrahl abwechselnd gesperrt und übertragen, wenn sich der Wagen vorwärts
und rückwärts bewegt, um ein periodisches Ausgangssignal von
dem Phototransistor zu ergeben, das eine maximale positive Amplitude erreicht, wenn die durchsichtigen Bereiche auf den
Platten mit dem betreffenden Lichtstrahl ausgerichtet sind. Die auf dem ersten Gitter vorgesehenen Linien und Indices entsprechen
diskreten Positionen auf der Scheibe 11. Daher wird die Position der Köpfe 12 direkt aus der Anordnung und dem
Abstand der Linien auf der Gitteranordnung bestimmt. Die zweiten Gitterlinien sind in drei Segmente 19a, 19b und 19v unterteilt,
die jeweils den gleichen Abstand wie das erste Gitter aufweisen, aber zueinander verschiedene Phasenverhältnisse der Positionen
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haben. Bei dieser Ausführungsform sind die relativen Phasenverhältnisse
0°, 90° und 180°. Nur eines der drei Segmente erlaubt, daß die betreffende Lichtquelle Licht maximaler
Stärke zu einem bestimmten Zeitpunkt an den Photοtransistor abgibt.
Wenn einer der Meßfühler 24 oder 25 maximale Lichtstärke erfasst, gibt dieser Fühler einen maximalen Strom an die angeschlossenen Leiter 27 oder 28 ab. Im gleichen Augenblick bewirkt
das andere Positionierungselement 19a oder 19b, dass durch seinen Meßfühler eine minimale Lichtübertragung und "
dementsprechend ein minimaler Strom erzeugt wird. In ähnlicher. Weise befindet sich das Nachbarsegment 19v in diesem
Zeitpunkt in einem Zustand, in dem die Hälfte des Lichtes übertragen und dementsprechend durch seinen Meßfühler 26
der halbe Ausgangsstrom für die Übertragung durch den Leiter 29 erzeugt wird.
In Fig. 2 sind die einzelnen Signale dargestellt,.die durch
die Meßfühler erzeugt werden, wenn der Wagen sich mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Fig. 2A stellt den Strom f
im Meßfühler 25 dar. Fig. 2B stellt den Strom im Meßfühler
dar, und der Strom des Meßfühlers 26 ist in Fig. 2C dargestellt. Ein zusammengesetztes Signal dieser drei Signalspuren
ist in Fig. 2D erläutert. Wie ersichtlich, ist das Phasenverhältnis zwischen den Spuren 0,'90 und 18O°. Wenn die Gitter
zu dem betreffenden Meßfühlsegment ausgerichtet sind, überträgt der Meßfühler wegen der aufgenommenen maximalen Lichtstärke
einen maximalen Strom. An jedem anderen Punkt wird
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-entsprechend weniger Licht durch den Meßfühler erfasst, so daß durch diesen Meßfühler ein geringerer Strom zu fließen
kommt. Wenn die Gitter vollständig versetzt sind, d.h.wenn ein Gitter mit den durchsichtigen Bereichen des anderen
Gitters fluchtet, wird durch den betreffenden Meßfühler ein minimaler Strom übertragen. Da das zweite Gitter der Position
des Lese/Schreibkopfes und das erste Gitter Positionen auf der Aufzeichnungsscheibe entsprechen, gibt die Ausrichtung
der Gitter die relativen Positionen des Aufzeichnungskopfes und der Datenspuren auf der Aufzeiehnungsscheibe wieder.
Somit kann durch die Erfassung der Strompegel eine Anzeige der Position des Aufzeichnungskopfes erhalten werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden Meßfühler für die Position 1 und die Position 2 verwendet. Da diese
Meßfühlerpositionen um 18O° phasenversetzt sind, erreicht
der eine Meßfühler eine maximale Amplitude, wenn der andere sich am Minimalpunkt befindet. Diese Meßfühler können einzeln
für eine Anzeige an ihren Maximal- und Minimalpunkten der relativen Positionen auf der Scheibe verwendet werden. Es
werden jedoch zwei Meßfühler verwendet, da die Summe ihrer Ausgangssignale null Punkte ergibt, wodurch eine genauere
Anzeige der Positionen auf der Scheibe erreichbar ist, als wenn nur einer verwendet würde. Außerdem ist es einfacher
und elektronisch besser zu bestimmen, wenn zwei sich überschneidende Signale gleiche Amplituden erreichen, als zu
bestimmen, wann ein einziges Signal eine vorbestimmte Amplitude erreicht. Die Positionierung der Gitter und damit
die Frequenz des betreffenden Meßfühlersignales wird als
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ein ganzzahliges Vielfaches der Positionen auf der Scheibe gewählt, welche erfasst werden sollen. In diesem Beispiel
richtet sich die Frequenz nach dem doppelten Spurenabstand auf der Scheibe, so daß Halbabstände erfasst werden können.
Es muß somit bestimmt werden können, wann die Signalpegel dieser Meßfühler die Nachbarschaft einer Spur erreichen, um
Spurenpositionen von Halbspurenpositionen unterscheiden zu können. Zu diesem Zweck wird ein dritter Meßfühler 26 verwendet,
um ein Signal zu erzeugen, welches durch seinen Pegel anzeigt, ob die anderen beiden Meßfühler sich in der
Spurposition oder in'der Halbspur-Position befinden. Wenn "
daher gemäß Pig. 2D die Signale der Position 1 und der Position 2 die Nullposition erreichen, wie an dem Punkt 30 angezeigt
ist, ist das "Spurennachbarschaftssignal" positiv und
dies wird als Datenspurenposition gewählt. Am Punkt 31 befinden sich die Signale der Position 1 und der Position 2
wieder in der Nullposition; aber das Nachbarschaftssignal
ist negativ. Daher gibt die Position einen Mittelpunkt zwischen den Datenspuren an. Es ist erforderlich, die Mittelpunktpositionen
zu erfassen, um nicht dargestellten elek- | tronischen Servokreisen anzuzeigen, daß sie die Bewegung des
Kopfes verlangsamen sollen, wenn der Kopf auf der benachbarten Spur angehalten werden soll.
Um die Signale auszuwerten und Ausgangs signale zu erzeugen,
welche die Zylinderposition anzeigen, werden die Signale von den Meßfühlern 24, 25 und 26 Verstärkern A2, A1 und A3 zugeführt.
Die Ausgangssignale der Verstärker A1 und A2 werden als ein Eingang Komparatoren C1 und C2 zugeführt. Das Ausgangs-
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signal vom Verstärker A3 wird direkt einem Komparator 03
zugeführt. Die Komparatorschaltungen führen einen Vergleich, zwischen den beiden aufgenommenen analogen-Signal ei aus, indem
sie eines der Signale als Bezugswert verwenden und einen Zustand "hoch" oder "tief" erfassen und ein entsprechendes
digitales Ausgangssignal erzeugen. Das Ausgangssignal der Komparatorschaltung ist hoch, wenn das Be züge eingangssignal
größer oder gleich dem anderen Eingangssignal ist. Danach werden die digitalen Ausgangssignale UND-Gattern 31 und 32
zugeführt, um eine Logikverknüpfung zur Erfassung von Impulsen zu erhalten, die Spuren- oder Halbspurenbedingungen
darstellen.
Die Signale der Komparatoren 01, 02 und 03 sind jeweils in
den Figuren 2E, 2F und 2G dargestellt. Die Kombination dieser Signale im UND-Gatter 31 führt zu dem Signal der Figur 2H,
welches angibt, wenn alle Komparatorsignale positiv sind. Dieses Signal wird ausgewählt, um eine Spureriposition anzuzeigen.
In Figur 2G ist das Signal dargestellt, welches die Halbspurposition anzeigt und durch das UND-Gatter 32 erzeugt
wird. Diesem Gatter werden die Signale der Komparatoren 01 und 02 und das invertierte Signal des Komparators 03 zugeführt,
wobei die Inversion durch den Inverter I erfolgt. Somit werden durch die Kombination der Signale, die mehrere
Abstände auf der Scheibe anzeigen, mit dem Nachbarschaftssignal, das durch den Umformer 22 für die Nachbarspur erzeugt
ist, Spur- und Halbspurpositionen angezeigt. Beispielsweise ist das in Figur 2H dargestellte Impulssignal für die
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_ Q —
Positionen der Spuren repräsentativ, da es die Koinzidenz der drei Signale von den Komparatoren darstellt. In ähnlicher
Weise sind in Figur 2J Halbspurenimpulse dargestellt, da diese
Impulse die Koinzidenz der Signale der Komparatoren C1 und C2 mit dem invertierten Signal vom Komparator G3 (Nachbarspursignal)
wiedergeben.
Indem die Signale stets kombiniert werden, wenn sie während
ihrer periodischen Schwankungen die gleiche Neigung haben, werden weitere Korrekturen ausgeführt, um unkontrollierte
Abweichungen der Umformersignale auszugleichen. Bei ver- λ
zerrten Signalen, bei denen also geradlinige zyklische Schwankungen tatsächlich gekrümmt wiedergegeben werden,
könnte die Erfassung der Signale bei Halbperiodenpunkten
zu ungleich angeordneten periodischen Zeitimpulsen führen. Indem jedoch die Signale für die Spur- und Halbspurpositionen
mit einer Geschwindigkeit von einer Periode oder einem ganzzahligen vielfachen davon pro Spur erfasst werden, bleibt
der Abstand zwischen Spurpositionen konstant, da er im wesentlichen durch Schwankungen in der tatsächlichen Form
des periodischen Signales nicht beeinträchtigt wird.
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Claims (9)
1.) Positionsmeßfühler zur Erfassung des Sollwertes der Relativlage von zwei relativ zueinander beweglichen
Gliedern, dadurch, gekennzeichnet, daß eine erste Einrichtung (24) anzeigt, wenn die Glieder mehrere vorbestimmte
Positionen einschließlich der Sollwertlage erreichen, eine zweite Einrichtung (26) jedesmal anzeigt,
wenn die Glieder sich in der allgemeinen Nachbarschaft der Sollwertlage befinden und eine Einrichtung (31)
aus den Signalen der ersten und zweiten Einrichtungen ableitet, wenn die beweglichen Glieder die Sollwert-Relativlage
erreichen.
2.) Positionsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Einrichtungen Umformer
(20,21,22) aufweisen, die sich in einer festen Lage zu dem einen Glied (11) zur Erfassung der Relativbewegung
des anderen Gliedes (12) befinden.
3.) Positionsmeßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das andere Glied (12) Indexmarkierungen (19a, 19b, 19v) aufweist, die zur Abtastung durch die
Umformer ausgebildet sind.
4.) Positionsmeßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Umformer (20,21,22) sich in einer
feststehenden Position in bezug auf das eine Glied (11) befinden und jeder der Umformer ein getrenntes Signal
erzeugt, aus dem das Signal der ersten Einrichtung abgeleitet ist.
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5.) Positionsmeßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformer lichtemittierende (20,21,22)
und lichtempfindliche Einrichtungen (24,25,26) aufweisen und die Indices durchsichtige Marken sind, welche die
Intensität des von den lichtemittierenden zu den lichtempfindlichen Einrichtungen übertragenen Lichtes ändern
und dabei die Relativlage der beweglichen Glieder anzeigen.
6) Positionsmeßfühler zur Bestimmung mehrerer Relativlagen von zwei relativ beweglichen Gliedern, dadurch gekennzeichnet,
daß die die Indices tragenden Einrichtungen (18,19) an jedem Glied (11; 14,15) befestigt und derart
angeordnet sind, daß sie sich bei der Bewegung der Glieder in benachbarten parallelen Ebenen bewegen und
die Indices einen vorbestimmten Abstand aufweisen, eine erste Einrichtung (24,25) ein periodisches Signal erfasst
und erzeugt, wenn die Glieder sich bewegen, um eine erste Ausrichtung der Indices anzuzeigen, eine zweite
Einrichtung (26) ein periodisches Signal mit einer von dem ersten Signal verschiedenen Phase erfasst und erzeugt
und eine zweite Ausrichtung der Indices anzeigt und eine Einrichtung (31,32, 01, 02, 03) die Signale der ersten
und zweiten Einrichtungen zur Erzeugung eines dritten Signales für die Anzeige der Relativlage der beweglichen
Glieder verarbeitet.
7.) Positionsmeßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Signale eine Frequenz
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aufweisen, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der Relativ —lagen. -. sind, wenn die Glieder sich
von einer Position zu anderen bewegen.
8.) Positionsmeßfühler nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Einrichtung mehrere Meßwertumformer (20,21) aufweist, die jeweils den Relativlagen
der Glieder entsprechende Signale abgeben und eine Einrichtung (A1, A2, C1, 02) die Signale der Umformer zur
Erzeugung des Signales der ersten Einrichtung auswertet.
9.) Meßwertfühler zur Bestimmung der Relativlage von zwei φ beweglichen Gliedern, dadurch gekennzeichnet, daß Indices
tragende, an Jedem Glied (11J 12,14,15) befestigte Einrichtungen vorgesehen sind, die zur Bewegung in benachbarten
Ebenen angeordnet sind, das Indices tragende Glied auf dem einen beweglichen Glied (18) die Indices
in vorbestimmten Abständen in der Bewegungsrichtung des Gliedes aufweist, das Indices tragende Glied auf dem
anderen beweglichen Glied (19) erste und zweite Gruppen von Indices in vorbestimmten Intervallen längs der
-. relativen Bewegungsbahn der beweglichen Glieder aufweist,
ein Umformer jeder Gruppe von Indices zugeordnet ist und ein periodisches Signal erfasst und erzeugt, das
die Ausrichtung der zugeordneten Gruppe von Indices (19a, 19b, 19v) und der Indices des einen Gliedes (18)
anzeigt und die Umformer und Indices relativ zueinander angeordnet sind und die periodischen Signale außer
Phase (0°, 90°, 18O°) sind, und eine Einrichtung ein
_ 4 _
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von den Umformersignalen abgeleitetes Signal zur Anzeige der Relativlage der beweglichen Glieder erzeugt.
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