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Beschreibung Titel: Magnetischer Umlaufkodierer Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf einen magnetischen Umlaufkodierer nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein solcher magnetischer Umlaufkodierer bzw. magnetisches Tachometer
soll zum Abtasten inkrementeller Winkelschritte, der Winkelgeschwindigkeit und der
Drehrichtung einer drehbaren Welle eines Motors, eines Getriebes oder dgl. dienen.
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Für verschiedene Zwecke, wie bspw. der Kontrolle oder Steuerung von
Präzisionsinstrumenten benötigt man häufig eine genaue und zuverlässige Messung
des Winkelabstandes, der Winkelgeschwindigkeit und der Drehrichtung einer drehbaren
Welle, die an einem Motor oder an einem Getriebe befestigt ist. Um eine solche Messung
zu erreichen, sind verschiedene Hardware-Konstruktionen vorgeschlagen worden, die
eine digitale Steuerung anwenden. Ein Beispiel solcher Konstruktionen ist der optische
Umlaufkodierer der eine Glasscheibe mit einer Vielzahl von Fotoschlitzen und mindestens
einem Elementenpaar aus einer lichtimitierenden
bzw. Leuchtdiode
(LED) und einer lichtempfindlichen Diode, die an gegenüberliegenden Seiten der Glasscheibe
angeordnet sind, enthält. Jedoch warf dieser optische Kodierer einige Probleme auf:
(1) Es ist eine sehr genaue Aufnahmetechnik ebenso wie eine hochentwickelte Atztechnik
erforderlich, um die Fotoschlitze auf der gesamten Fläche der Glasscheibe ohne Aberration
herzustellen; (2) es ist praktisch sehr schwierig, das Zentrum der Fotoschlitze
mit dem einer Drehwelle aufnehmenden Bohrung genau einzustellen; (3) um die Welle
fest, d.h. nicht rutschend aufnehmen zu können, muß die Bohrung sehr genau hergestellt
und fein bearbeitet werden, was praktische Schwierigkeiten mit sich bringt; (4)
infolgedessen wird der Kodierer, wenn man die eingangs geforderten Ergebnisse erreichen
will, kostspielig; und (5) darüber hinaus ist der Kodierer gegenüber äußeren Erschütterungen
empfindlich und verletzbar.
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Ein anderer Lösungsweg, den oben genannten Zweck zu erreichen, ist
der Vorschlag eines magnetischen Tachometers, von A.B.
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Wills in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 16, Nr. 1, Juni 1973,
Seite 260. Das Tachometer enthält eine Scheibe, die ein magnetisches Medium auf
einer Oberfläche nahe ihrer Peripherie trägt, und einen Magnetflußwandler. Der Meßwertwandler
tastet die magnetischen Signale ab, die auf dem Magnetmedium aufgezeichnet sind
und bestimmt so die Drehgeschwindigkeit der Scheibe, d.h. die Drehgeschwindigkeit
der
Welle, auf der die Scheibe befestigt ist. Des Bulletin offenbart
jedoch den magnetischen Tachometer nicht in konkreter Ausführung, sondern lediglich
die Möglichkeit eines solchen Tachometers.
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Als weiterer Lösungsweg ist ein Beispiel einer Meßwertwandler-Vorrichtung
für Drehschritte in der US-PS 40 3e 935 beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift
besitzt die Vorrichtung zwei Meßwertwandler, von denen jeder ein Paar U-förmiger
magnetischer Widerstandselemente besitzt, die auf einem Permanentmagneten befestigt
sind. Der Magnet ist einer drehbaren Scheibe benachbart, die Zähne besitzt und in
die eine oder andere Richtung bewegt wird, in einer ortsfesten Lage gehalten. Wenn
auch der Meßwertwandler gegenüber äußeren Erschütterungen widerstandsfähig ist und
gegenüber dem oben genannten optischen Umlaufkodierer leicht herzustellen ist, so
kann dennoch die Zahnteilung, die die Genauigkeit der Umlaufschritte bestimmt, nicht
so klein gemacht werden, daß die Dreh- bzw. Umlaufschritte genau zu messen sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen magnetischen
Kodierer der eingangsgenannten Art zu schaffen, den inkrementellen Winkelschritt
ebenso wie die Winkelgeschwindigkeit und die Drehrichtung einer mit dem Kodierer
verbundenen Welle bei relativ einfacher Konstruktion genau und zuverlässig abtasten
kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem magnetischen Umlaufkodierer der eingangs
genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden
Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird.
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Es zeigen:
Fig. la eine perspektivische Ansicht eines
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung, Fig. lb eine perspektivische
Ansicht einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der Fig. la, Fig. 2a
und 2b perspektivische Ansichten rotierender Teile, wie sie bei der vorliegenden
Erfindung Verwendung finden, Fig. 3a-f jeweils eine perspektivische Ansicht weiterer
rotierender Teile, wie sie bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden, Fig.
4a-g Kurvendiagramme zur Beschreibung vorliegender Erfindung, Fig. 5a eine perspektivische
Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles vorliegender Erfindung, Fig. Sb eine
perspektivische Ansicht einer Modifikation des zweiten Ausführungsbeispieles der
Fig. 5a, Fig. 6a-c, 7a,b jeweils eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen
Magnetfelddetektors, wie er bei vorliegender Erfindung anwendbar ist, Fig. 8a eine
perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispieles vorliegender Erfindung,
Fig.
8b eine perspektivische Ansicht einer Modifikation des dritten Ausführungsbeispieles
der Fig. 8a, Fig. 9a eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispieles
vorliegender Erfindung, Fig. 9b eine perspektivische Ansicht einer Modifikation
des vierten Ausführungsbeispieles der Fig. 9a, Fig. lOa-g, Fig. lla-g und Fig. 12a,b
Diagramme zur Beschreibung des dritten Ausführungsbeispieles vorliegender Erfindung
im einzelnen, Fig. 13 einen Rotations-Detektor im einzelnen, Fig. 14a - 15b jeweils
im einzelnen einen Schaltkreis des in Fig. 13 dargestellten Blocks, Fig. 16a-m und
Fig. 17a-i Kurvendiagramme zur Erläuterung vorliegender Erfindung, Fig. 18a und
b im einzelnen Schaltkreise eines der in Fig. 13 dargestellten Blocks, und Fig.
19 eine perspektivische Ansicht einer Anwendung vorliegender Erfindung bei einem
Motor.
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Gemäß Fig. la ist ein trommelartiges, rotierendes Teil 13 an einer
drehbaren Welle oder Achse 11 relativ unverdrehbar befestigt, die in nicht dargestellter
Weise mit einem Motor
oder einem von diesem angetriebenen Getriebe
verbunden ist.
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Die Welle 11 ist in dieser Weise mit einer Marke oder Markierung 10
versehen, daß diese ein geeignetes Kontaktelement, wie bspw. eine Bürste l9'berühren
kann, wenn sich die Welle 11 dreht. Wenn die Bezugsmarkierung 10 die Bürste l9'berührt,
wird ein Signal, das eine Bezugswinkelposition der Welle 11 ce = 0) angibt, über
eine elektrische Leitung 16 an einen den umlaufenden Zustand erfassenden Detektor
14 (im folgenden als Rotations-Detektor bezeichnet) angelegt. Ein magnetisches Medium
12 ist am Umfang der drehbaren Trommel 13 endlos vorgesehen und in viele magnetische
Abschnitte unterteilt, von denen jeder die Breite Q und die Teilung P besitzt und
bezüglich seiner jeweils benachbarten Abschnitte entgegengerichtet magnetisiert
ist, wie dies durch die mit den Pfeilspitzen versehenen gestrichelten Linien dargestellt
ist. Ein Magnetfelddetektor oder eine den Magnetfluß erfassende Einheit 18' ist
unter der drehbaren Trommel 13 angeordnet und enthält eine geeignete Grundplatte
bzw. ein Substrat 18, auf dessen oberer Fläche ein den Magnetfluß erfassender Meßwertwandler,
wie bspw. ein magnetisches Widerstandselement (im folgenden auch als MR bezeichnet)
20 und zwei leitende Filmstreifen 30 vorgesehen und elektrisch verbunden sind. Das
magnetische Widerstandselement 20 erzeugt ein Signal, das dessen Widerstandsänderung
in Abhängigkeit vom wechselnden Magnetfluß vom Medium 12 anzeigt, wenn sich die
Trommel 13 dreht. Der Rotations-Detektor 14 ist mit dem magnetischen Widerstandselement
20 über ein Paar von Leitungen 17 und über die leitenden Filmstreifen 30 verbunden,
wird mit dem Signal vom magnetischen Widerstandselement 20 gespeist und erfaßt bzw.
tastet die Umlaufbedingungen bzw.
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-zustände der Welle 11, wie bspw. den inkrementellen Winkelabstand,
die Geschwindigkeit, usw. ab.
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Der Rotations- bzw. Umlauf-Kodierer der Fig. 1a kann, wie in Fig.
Ib dargestellt ist, modifiziert werden, in der Weise, daß das trommelartige, umlaufende
Teil 13 der Fig. la durch eine Scheibe ersetzt ist, die mit derselben Bezugsziffer
versehen ist, Für diese Modifikation ist das Medium 12 an einer
Seitenfläche
der Scheibe 13 vorgesehen und der Magnetfelddetektor 18' besitzt eine derart geänderte
Lage, daß er dem Medium 12 gegenüber liegt. Diese Anordnungen der Figuren 1a und
1b funktionieren in ähnlicher Weise, so daß auf weitere Beschreibung der letzteren
Anordnung verzichtet werden kann.
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Die Teilung p ist unter Berücksichtigung der tatsächlichen Abtastgenauigkeit
des Magnetfeld-Detektors 18' und der erforderlichen Genauigkeit der Umlaufzustände
der Welle 11 bestimmt. Wenn eine Anzahl Magnetabschnitte des Mediums 12 von N erforderlich
ist, dann ist die Teilung p bestimmt durch: p = 2 R maN wobei R = einem Innenradius
des Magnetmediums 12 ist, a = 1 oder 2 ist und m = 1 oder eine positive ganze Zahl>1
ist.
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Im einzelnen gilt, daß "a" dort gleich zwei ist, wo eine der Anordnungen
der Figuren 6a bis 6c mit dem Detektor 18' verwendet wird, während es sonst zu eins
wird. m ist dort eins, wo ein einziges magnetisches Widerstandselement in Fig. la
oder 1b verwendet wird und ist eine positive ganze Zahl>1, wo mehrere magnetische
Widerstände verwendet werden. Im letzteren Falle sollte m mit der Anzahl der Impulszüge
identisch sein, die verschiedene Phasen besitzen, was auftritt während sich die
rotierende Trommel oder Scheibe 13 um einen der Teilung p entsprechenden Abstand
dreht. Bspw.
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ist dann m ~ 4 9 wenn man die Widerstandsänderungen der magnetsehen
\ffnderstandselemente entsprechend den Figuren 17c oder 17g erhE1tS und m = 8, wenn
die Widerstandsänderungen der magnetisehen Widerstandselemente denen in den Figuren
17d, 17e, 17h oder 17i gezeigten entsprechen.
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Das Magnetmedium 12 muß die folgenden Merkmale besitzen: (1) Die magnetische
Information bzw. Signal muß genau aufgezeichnet werden, und (2) ein ausreichender
Streufluß von ihm muß eine möglichst große Entfernung erreichen.
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Zu diesem Zweck ist das Medium 12 vorzugsweise aus einem Material
hergestellt, das eine hohe Restmagnetisierung und eine hohe Koerzitivkraft besitzen
kann. Vom Gesichtspunkt der Reichweite des Streuflusses aus muß die Dicke des Mediums
12 möglichst groß sein. Der Versuch zeigt jedoch, daß die praktische Dicke des Mediums
geringer als die Teilung p sein sollte, um den folgenden Bedingungen zu genügen:
(1) Das magnetische Signal ist auf dem Medium 12 genau aufgezeichnet und (2) das
magnetische Widerstandselement 20 tastet jeden Streufluß des Magnetabschnittes genau
ab.
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Darüber hinaus sollte die Koerzitivkraft über 100 Oersted zum zuverlässigen
Erhalten der Magnetisierung des Mediums 12 sein.
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Fig. 2a ist eine Darstellung einer weiteren Varianten des umlaufenden
Teils 13 der Fig. la, wobei dieses Teil tassenförmig ist und das Medium 12 an seiner
inneren Oberfläche, wie gezeigt, vorgesehen ist. Eine weitere Variante des umlaufenden
Teils 13 der Fig. 1b ist in Fig. 2b dargestellt, wobei das umlaufende Teil 13 eine
spulen(Körper)artige Form besitzt und das Medium 12 an der inneren Seitenfläche
eines Flansches
vorgesehen ist. In den beiden oben genannten Fällen
sollte der Magnetfeld-Detektor 18' in nicht dargestellter Weise in einer Lage gegenüber
und nahe dem Medium 12 angeordnet sein.
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Die Figuren 3a bis 3f zeigen jeweils schematisch weitere Varianten
der umlaufenden Teile 13 der Figuren la, Ib, 2a oder 2b, wobei das Magnetmedium
12 durch eine Vielzahl von dünnen, plattenartigen Permanentmagnete 19 ersetzt ist,
von denen jeder eine Breite Q und eine mit der Teilung p identische Länge besitzt.
Die umlaufenden Teile 13 der Figuren 3a, 3c und 3e entsprechen denen der Figuren
la, Ib bzw. 2a, während jedes der umlaufenden Teile 13 der Figuren 3b, 3d und 3f
eine Variation der vorhergehend gezeigten Teile ist.
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Wie aus den Darstellungen der Figuren 3a - 3f ersichtlich ist, sind
die Permanentmagnete 19 der Figuren 3a, 3c und 3e mit den dargestellten Magnetisierungsrichtungen
aneinander anstoßend angeordnet. Andererseits sind die Magnete 19 der Figuren 3b,
3d und 3f so angeordnet, daß sie in einem der Teilung p entsprechenden Abstand voneinander
mit den dargestellten Magnetisierungsrichtungen angeordnet sind. Die Magnete 19
sind an ihren zugehörigen Bereichen durch geeignetes Klebematerial, wie bspw. Epoxydharz
befestigt. Da die verschiedenen Typen der umlaufenden Teile 13, so weit sie bisher
beschrieben sind, dieselben Merkmale aufweisen, sei im folgenden nur auf den Typ
der Fig. la Bezug genommen.
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In Fig. 1a ist das magnetische Widerstandselement 20 des Detektors
18' ein ferromagnetischer dünner Film mit einer Breite D einer Länge w und einer
Dicke, die im Bereich von etwa 100 bis etwa 20.000 Angström (1 -2 bis 2 ) reicht,
und ist so angeordnet, daß es die Richtung seiner Magnetisierung M in Abhängigkeit
des Streuflusses vom Magnetmedium 12 abwechselnd ändert.
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Die Richtung der Magnetisierung M des magnetischen Widerstandselementes
20 ändert sich im allgemeinen in Abhängigkeit
vom Magnetfluß, der
parallel zur Oberfläche des magnetischen Widerstandselementes 20 zur Anwendung kommt.
Das magnetische Widerstands element 20 besitzt einen elektrischen Widerstand, der
sich in Funktion von einem Winkel ändert, der durch die beiden Richtungen der Magnetisierung
M und eines Abtaststromes Is bestimmt ist. Der Strom Is fließt durch das magnetische
Widerstandselement 20 zum Abtasten der Widerstands änderung des magnetischen Widerstandselementes
20. Die Widerstandsänderung des magnetischen Widerstandselementes 20 ist eine Funktion
von R () = Ro - R ' sin2 wobei Ro der Widerstand des magnetischen Widerstands elementes
ist, wenn die Magnetisierung M eine zum Abtaststrom Is parallele Richtung besitzt
und R eine Konstante des magnetischen Widerstandselementes 20 ist.
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Fig. 4a ist eine Kurve, die die Größe des magnetischen Signals (M)
auf dem Medium 12 der Fig. ia in Abhängigkeit von dem Winkelschritt 9 darstellt.
Bei dieser Anordnung der Figur la dient nur das Magnetfeld in Richtung der x-Achse,
d,h. Hx, das sich als eine Funktion von e gemäß Figur 4b ändert, dazu, den Widerstand
des magnetischen Widerstandselementes 20 zu ändern, dessen Vorzugsachse (easy axis)
längs der y-Achse liegt. Dabei beeinflußt Hx die Magnetisierung M des magnetischen
Widerstandselementes 20 in der Weise, daß sie senkrecht zum Strom Is wird. Infolgedessen
zeigt der Widerstand des magnetischen Widerstandselementes 20 während der Drehung
der Trommel 13 eine änderung, wie sie durch R1 in Fig. 4c dargestellt ist. Im folgenden
impliziert der Begriff Widerstand einen elektrischen Widerstand, wenn nichts anderes
gesagt ist.
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Fig. 5a zeigt schematisch ein zweites AusfUhrungsbeispiel vorliegender
Erfindung, bei dem der Magnetfeld-Detektor 18' in gegenüber der Fig. la unterschiedlicher
Weise angeordnet ist.
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In Fig. 5a reicht der Bereich des Winkels von 900 bis 90° # 45°, während
er in Fig. la von 0° bis # 45 reicht.
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Infolgedessen dient nur das Magnetfeld parallel zur z-Achse, d.h.
Hz (Fig. 4e) zur Änderung des Widerstandes des magnetischen Widerstandselementes
20. Die Widerstandsänderung ist als R3 in Fig. 4f als Funktion des Winkelabstandes
bzw. schrittes 8 dargestellt. Eine Modifikation der Fig. Sa-Anordnung ist in Fig.
5b dargestellt, wobei die Widerstandsänderung des magnetischen Widerstandselementes
20 dieselbe ist wie bei der Anordnung nach Fig. 5a, so daß hierauf nicht weiter
Bezug genommen werden muß.
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Es ist bekannt, daß man dann, wenn der Abtaststrom Is durch das magnetische
Widerstands element 20 unter einem Winkel von 450 relativ zur Richtung der Magnetisierung
M fließt, die folgenden Vorteile erhält: (1) Die Magnetflußempfindlichkeit bzw.
-abtastung des magnetischen Widerstandselementes 20 erhöht sich und (2) der Widerstand
des magnetischen Widerstandselementes 20 ändert sich in ähnlicher Weise, die die
Richtung des Magnetflusses am magnetischen Widerstands element 20 sich ändert.
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Infolgedessen ändert sich, wenn die oben genannte Technik bei den
Anordnungen der Fig. 1a, Ib, 5a und 5b angewendet wird, der Widerstand des magnetischen
Widerstandselementes 20 in der durch R2 (Fig. 4c) bzw. durch R4 zeigt 4g) angedeuteten
Weise. Auf diese Technik sei nunmehr in Verbindung mit den Fig. 6a - 6c in weiteren
Einzelheiten Bezug genommen.
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In Fig e 6a ist ein Streifen eines Leiters 31 (Breite D, Länge w)
auf dem Substrat 18 vorgesehen, auf welchem ein Islierfslm 40 und das magnetische
Widerstandselement 20 lamelar bzw. schichtweise übereinander angeordnet sind.
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Ein Strom von bestimmtem Wert wird an das magnetische Widerstandselement
20 über eine Klemme 171 vom nicht dargestellten Rotationdetektor, 14 ngelet Das
Magnetfeld,
das durch den vorbestimmten Strom aufgebaut wird, bewirkt,
daß sich die Magnetisierung M des magnetischen Widerstandselementes 20 um einen
Winkel von 45° relativ zum Abtaststrom Is, der durch das magnetische Widerstandselement
20 fließt, schräg stellt. In Fig. 6b ist der Leiter 31 durch einen hartmagnetischen
Film 50 ersetzt.
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Das Magnetfeld um den Film 50 bewirkt, daß sich die Magnetisierung
M relativ zum Strom Is um einen Winkel von 450 schräg stellt. In Fig. 6c bedecken
Leiterstreifen 32 das magnetische Widerstandselement 20, so daß seine Längsachse
unter 45° zu seiner Vorzugsachse liegt. In dem Bereich zwischen dem Leiterstreifen
fließt der Strom von einem Streifen zum nächsten in einer Richtung, die senkrecht
zu den Leiterstreifen liegt, mit dem Ergebnis, daß ein Winkel von 450 mit der Vorzugsachse
gebildet wird.
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In diesem Falle wird die Magnetisierung M des magnetischen Widerstandselementes
20 von den Streifen nicht beeinflußt.
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Die Anordnung der Fig. 6c ist in dem Artikel mit dem Titel "THE BARBER
POLE, A LINEAR MAGNETO-RESISTIVE HEAD" von K.E. Kuijk et al, veröffentlicht in IEEE
Transactions on Magnetics, Band Mag-il, Nr. 5, September 1975, Seiten 1215 bis 1217,
beschrieben.
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Zwei weitere Beispiele des Magnetfeld-Detektors 18' sind in den Figuren
7a bzw. 7b dargestellt. In beiden Fällen sind zwei Dünnfilme 51 aus hochpermeablem
Material vorgesehen, so daß man dazwischen das magnetische Widerstandselement 20
anordnet. In Fig. 7a sind die beiden Dünnfilme 51 auf der Basisplatte 18 in einer
Ebene angeordnet, die das magnetische Widerstandselement 20 aufweist. Ein solcher
Detektor, wie er in Fig. 7a dargestellt ist, ist bei der Anordnung nach den Figuren
1a und lb anwendbar, da die Oberfläche des magnetischen Widerstandselementes 20
parallel zu der des Mediums 12 ist. Andererseits sind in Fig. 7b die Dünnfilme 51
derart übereinandergeschichtet, daß das magnetische Widerstands element 20 über
Isolierschichten 40 zwischen ihnen liegt. Ein solcher Detektor, wie er in Fig.7b
dargestellt
ist, ist bei der Anordnung der Figuren 5a und 5b anwendbar, da die Oberfläche des
magnetischen Widerstandselementes 20 senkrecht zu derjenigen des Mediums 12 ist.
Diese Techniken sind bekannt. Bei diesen Anordnungen setzt sich die Widerstandsänderung
des magnetischen Widerstandselementes 20 in ihrer Größe auch dann nicht herab, wenn
die Teilung p des Mediums 12 verkleinert wird. Infolgedessen kann das umlaufende
Teil 13 hinsichtlich seiner Abmessung verringert werden, während man trotzdem ein
hohes Auflösungsvermögen der Rotationszustände der Welle 11 erhält. Bzgl. dieser
Anordnungen sei bemerkt, daß die Ebene des Dünnfilms 51 parallel zur Richtung des
Magnetflusses vom Medium 12 angeordnet werden sollte, Einen der beiden Filme 51
kann man unter Aufrechterhaltung des hohen Auflösungsvermögens der Rotationszustände
weglassen, es ist edoch übliche Praxis, zwei Filme zu verwenden. Die Anordnungen
der Figuren 6a, 6b und 6c, bei denen die Richtung der Magnetisierung M um einen
Winkel von 45° relativ zum Abtaststrom Is schräg gestellt ist, sind mit einer der
beiden Anordnungen der Figuren 7a und 7b anwendbar.
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Das von den Erfindern durchgeführte Experiment lehrt, daß die folgenden
Bedingungen erfüllt werden sollten, um eine zuverlässige Abtastung der Magnetsignale,
die auf dem Medium 12 aufgezeichnet sind, durch jedes magnetische Widerstandselement
der Figuren la, lb, 5a, 5b, 6a, 6b, 6c, 7a und 7b sicher zu stellen: (I) Die Breite
D des magnetischen Widerstandselementes 20 sollte 20p nicht übersteigen, sondern
gleich oder kleiner als p ' sec sein, wobei ein Winkel ist, der durch die Oberflächen
des Mediums 12 und des magnetischen Widerstands elementes 20 definiert ist;
(II)
das magnetische Widerstandselement 20 ist relativ zum Medium 12 derart angeordnet,
daß der am nächsten liegende Bereich des magnetischen Widerstandselementes 20 in
einem Abstand von nicht größer als 2p vom Medium 12 angeordnet ist und der weiteste
Bereich des magnetischen Widerstandselementes 20 um nicht mehr als 20p von diesem
entfernt angeordnet ist; (III) jede Grenzlinie, die die benachbarten Magnetabschnitte
des Mediums 12 teilt und die in den Figuren la, lb, 5a und 5b durch gestrichelete
Linien herausgezeichnet ist, verläuft parallel zur Längserstreckung des magnetischen
Widerstandselementes 20 oder innerhalb eines Winkels von + 450 hiervon.
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Außer den oben genannten Bedingungen sollte vorzugsweise, wenn auch
nicht in jedem Falle, die folgende Bedingung erfüllt werden: (1V) Die Länge w des
magnetischen Widerstandselementes 20 ist gleich oder kleiner als 2Q, wobei Q die
Breite des Magnetabschnittes ist.
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Es sei bemerkt, daß jedes der bevorzugten Ausführungsbeispiele, soweit
sie bisher beschrieben sind, nur mit einem magnetischen Widerstandselement versehen
ist, wobei die Bedingungen (I) bis (IV) berücksichtigt sind.
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Von den folgenden Ausführungsbeispielen vorliegender Erfindung enthält
jedes eine Vielzahl von magnetischen Widerstandselementen, wobei vorausgesetzt ist,
daß sie alle die obigen Bedingungen (I) bis (III) oder (I) bis (IV) erfüllen.
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In Fig. 8a ist ein drittes Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung
schematisch dargestellt, bei dem vier magnetische Widerstandselemente 21, 22, 23
und 24 angeordnet und mit dem Rotations-Detektor 14 über leitende Streifen 30 und
Leitungen 17 verbunden sind. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht den betreffenden
Anordnungen der Figuren la und ib, d.h., jedes magnetische Widerstandselement 21
bis 24 ist einer Widerstands änderung in Abhängigkeit vom Magnetfeld in Richtung
der x-Achse, d.h. von Hx ausgesetzt.
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Fig. 8b zeigt schematisch eine Modifikation der Fig. 8a und ist ähnlich
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1b. Infolgedessen ändert sich jeder Widerstand
der magnetischen Widerstandselemente 21 bis 24 der Fig. 8b in Abhängigkeit von Hx,
und zwar genauso wie bei der Anordnung in Fig. 8a.
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Die Figuren 9a und 9b zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel bzw.
dessen Modifikation, wobei diese Anordnungen denen der Figuren 5a und 5b ähnlich
sind. Jedes Ausführungsbeispiel der Figuren 9a und 9b enthält vier magnetische Widerstände
21 bis 24, deren Widerstände sich in Abhängigkeit vom Magnetfeld in Richtung der
z-Achse, d.h. von Hz ändern.
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Der Unterschied zwischen dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel
besteht darin, daß die magnetischen Widerstandselemente des ersteren auf Hx reagieren,
während die magnetischen Widerstandselemente des letzteren dies auf H z tun.
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Da die Ausführungsbeispiele der Figuren 8a, 8b, 9a und 9b im Vergleich
zu einander ähnliche Funktionen besitzen, sei im folgenden auf das Ausführungsbeispiel
der Fig. 8a in Verbindung mit den Figuren 10a bis lOg und den Figuren lla bis lZg
Bezug genommen.
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in Fig. ist 3 so ein Bereich des Detektors 189 der Fig. 8a zusammen
mit einem Bereich des Mediums 12 schematisch dargestellte Bei dieser Anordnung sind
lediglich drei magnetische
Widerstandselemente 21, 22 und 23 (mit
der Breite D und der Länge w) dargestellt und wie folgt im Abstand von einander
angeordnet: 21,22 P S22,23 = 2p S23,24 = Hierbei bezeichnen die beiden Indices zum
Buchstaben S die Bezugsziffern des magnetischen Widerstandselementes; deshalb bezeichnet
bspw. S21 22 den Abstand zwischen den magnetischen Widerstandselementen 21 und 22.
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In Figuren 10 b und 10 c sind Kurven, die die Größe des magnetischen
Signals Me bzw. Hx als Funktion des Winkelabstandes e der nicht dargestellten Trommel
10 zeigen. Die betreffende Widerstandsänderung der magnetischen Widerstandselemente
21, 22 und 23, die durch R21 R22 und R23 dargestellt ist, kann man durch Ableiten
von Si,j von der in Fig. 4a dargestellten Kurve erhalten. Im Falle der Fig.
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10 a jedoch sind, da die Abstände gleich der Teilung p und deren ganzzahligem
Vielfachen sind, die Phasen von R21, R22 und R23 einander überlagert, wie dies in
Fig. 10d dargestellt ist, Deshalb gilt allgemein, daß dann, wenn ein Zwischenraum
zwischen zwei magnetischen Widerstands elementen gleich der Teilung p oder deren
ganzzahligem Vielfachen ist, oder mit anderen Worten, wenn Si, j = k 1 p (wobei
k = 1, 2, 3, ...) gilt, die Widerstandsänderungen Ri und R. dieselbe 3 Phase besitzen.
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In dem Falle, in dem die hochpermeablen Magnetplatten 51 der Fig.
7a bei der Anordnung der Fig. lOa vorgesehen sind, besitzen die Widerstandsänderungen
R21, R22, R23, die in Fig. 10e dargestellt sind, dieselben Phasen wie in Fig. 10d;
sie
haben jedoch spitze Wellenberge in der Nähe der Grenzlinien, die die Magnetabschnitte
des Mediums 12 unterteilen. Dies bedeutet, daß die magnetischen Signale auf dem
Medium 12 genauer als bei der Anordnung bspw. der Fig. lOd erfaßt werden.
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Wenn eine der Techniken der Figuren 6a bis 6c bei der Anordnung nach
Fig. 10a angewendet wird, ergeben sich die in Fig. lOf dargestellten Widerstandsänderungen
R21, R22, R23. Bei dieser Anordnung erhält man die betreffenden Widerstandsänderungen
der magnetischen Widerstandselemente 21, 22 und 23 durch Ableiten von Si j von der
in Fig. 4d dargestellten Kurve. Als Ergebnis gilt, daß R21 um p in der Phase von
R22 und R23 verschieden ist, während R22 mit R23 phasengleich ist. Man zieht deshalb
daraus die Schlußfolgerung, daß, wenn eine der Techniken der Figuren 6a bis 6c bei
der Anordnung nach Fig. iOa angewendet wird, die magnetischen Widerstandselemente,
die die Beziehung Si,j : 2k s p besitzen, dieselbe Phasenwiderstandsänderung besitzen.
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Fig. lOg zeigt Kurven der Widerstandsänderungen R21, R22 und R23,
wenn die hochpermeablen Magnetplatte 51 bei der Anordnung nach Fig. 10a vorgesehen
ist und gleichzeitig eine der Techniken der Figuren 6a bis 6c bei dieser Anordnung
angewendet wird. Bei dieser Anordnung ist die Widerstandsänderung R21 um die Teilung
p in der Phase von R22 und R23 verschieden, genau wie dies in Fig. lOf der Fall
ist. Darüber hinaus besitzen die Widerstandsänderungen R21, R22 und R23 scharfe
bzw. abrupte Änderungen in der Nachbarschaft der Grenzflächen, die die Magnetabschnitte
des Mediums 12 teilen.
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Fig. lla zeigt einen Teil eines anderen Magnetfeld-Detektors 18' zusammen
mit einem entsprechenden Bereich des Mediums 12. Bei dieser Anordnung sind acht
magnetische Widerstandselemente 21 bis 29 regelmäßig in einem Abstand von Si i+1
= S 5 p/4 p/4 angeordnet, wobei Sii+1 ein Zwischenraum zwischen den magnetischen
Widerstands elementen MRi und MRi+1 ist und i = 21, 22, 23, ... , 27 und 28.
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Die Figuren lib und lle sind Kurven, die die Größe der magnetischen
Signale Mo, die auf dem Medium 12 aufgezeichnet sind, und Hx zeigen, und zwar beide
als Funktion des Winkelabstandes 9 der nicht dargestellten Trommel 13. Bei dieser
Anordnung besitzen die magnetischen Widerstands elemente 21 bis 29 die entsprechenden
Widerstandsänderungen R21 bis R29, wie in Fig. lld dargestellt ist, wobei jeweils
zwei magnetische Widerstandselemente, die einen Abstand von Si j = k = p (k = 1,
2, 3, ...) besitzen, dieselben Phasen-Widerstandsänderungen haben, so daß insgesamt
vier verschiedene Kurven bestehen.
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Fig. ile zeigt Kurven der Widerstandsänderungen R21 bis R29, wobei
die hochpermeablen Magnetplatten 51 der Fig. 7a in der Anordnung der Fig. Ila vorgesehen
sind. In diesem Falle besitzen, genauso wie in Fig. lote, die Widerstandsänderungen
R21 bis R29 große Änderungswerte im Bereich der Grenzflächen, die die Magnetabschnitte
des Mediums 12 teilen, wogegen sie dieselben Phasen wie in Fig. lld besitzen.
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Die Fig. lif zeigt Kurven von Widerstandsänderungen R21 bis R29 in
dem Fall, daß eine der Techniken der Figuren 6a, 6b und 6c bei der Anordnung der
Fig. lla verwendet wird. Bei dieser Anordnung erscheinen, da nur die magnetischen
Widerstandselemente 21 und 29 um 2p von einander entfernt sind, 8 Kurven, von denen
jede eine Phasendifferenz von p/4 (aS) relativ zur benachbarten Kurve besitzt. Diese
Anordnung ist der Anordnung der Fig. lOf ähnlich.
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Die Fig. 11g zeigt Kurven von Widerstandsänderungen R21 bis R29 für
den Fall, bei dem die Anordnung der Fig. lla mit den hochpermeablen Magnetplatten
51 der Fig. 7a und mit einer der Anordnungen der Figuren 6a bis 6c versehen ist.
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Jede von acht verschiedenen Kurven ist in der Phase um p/4 von der
benachbarten verschoben, genauso wie dies'ion Fig. 11f der Fall ist, und besitzt
abrupte Anderungswerte nahe der
Grenzflächen, die die Magnetabschnitte
des Mediums 12 teilen.
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Zusätzlich zu der Anordnung der Fig. lla sind in den Figuren 12a und
12b weitere Beispiele dargestellt, mit denen man eine Vielzahl von in der Phase
unterschiedlichen Widerstandsänderungen erhält.
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In Fig. 12a sind die magnetischen Widerstandselemente 21 bis 24 auf
der Basisplatte 18 in gleichem Abstand Si,i+1 = #S' + p angeordnet, wobei S' = p/10
und i = 21, 22 und 23.
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Bei dieser Anordnung besitzen alle magnetischen Widerstandselemente
Widerstandsänderungen, die im Hinblick auf die benachbarten Änderungen eine Phasendifferenz
von hS' besitzen.
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Fig. 12b zeigt fünf magnetische Widerstandselemente 21 bis 25, die
derart angeordnet sind, daß sie folgende Abstände von einander besitzen: S,1,22
= 2 ' AS'' 5 22,23 : p + #S'' S23,24 = P+ #S'' S24,25 = p + 2 #S'' Es versteht sich,
daß der magnetische Widerstand 25 um 4p + #S'' von dem magnetischen Widerstandselement
21 und um 4y - dS" vom magnetischen Widerstandselement 23 entfernt ist, wobei das
magnetische Widerstandselement 23 um p + #S'' von jedem der Widerstandselemente
22 und 23 entfernt ist. Infolgedessen kann man sechs verschiedene Widerstandsänderungen
erhalten, die alle gleichmäßig in der Phase umAS'' differieren.
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Aus dem Vorstehenden kann man einen allgemeinen Grundsatz ableiten,
nämlich daß dann, wenn der folgenden Gleichung Genüge getan ist, "h" in der Phase
unterschiedliche Widerstandsänderungen von "T" verschiedenen magnetischen Widerstandselementen
abgeleitet werden können: Si,j = ( 1 . p + k . p wobei h = 2, 3, 4 .... (h # T)
1, k = 0, t 1, j 2, 4 3, t 4, ....
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1, = 1, 2, 3 ....
-
Es sollte jedoch bemerkt werden, daß das Verhältnis p/h, das eine
minimale Phasendifferenz anzeigt, größer als dH s p/2 sein sollte, wobei XH eine
Phasenänderung aufgrund später noch zu erwähnender Geräusche ist. Mit anderen Worten,
h < 2/ H muß erfüllt sein.
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Fig. 13 zeigt als Blockschaltbild die im Detektor 14 enthaltenen Einheiten
zusammen mit dem leitenden Streifen 31 der Fig. 6a, den magnetischen Widerständen
20 und 20', der Bürste 19' und der Welle 11 mit der Bezugsmarkierung 10. Es sei
angemerkt, daß (1) mehr als zwei magnetische Widerstände 20 und 20', obwohl dies
in Fig. 13 nicht dargestellt ist, vorgesehen sein können, und (2) der leitende Streifen
31 weggelassen werden kann, wenn die Anordnung der Fig. 6a nicht verwendet wird.
Eine Gleichspannungs-Energiequelle 200 liefert dem leitenden Streifen 31, den magnetischen
Widerstandselementen 20 und 20' und den Einheiten des Detektors 14 über zehn Leitungen
P1 bis P10 bestimmte Gleichströme. Wie anhand der Fig. la bereits ausgeführt, ist
die Markierung 10 aus Isoliermaterial, wie bspw. Glas hergestellt. Wenn die Bürste
19' die Markierung 10 berührt, wird ein elektrisches Signal abgetastet, das eine
abrupte Widerstandsänderung darstellt,
die die Bezugswinkelposition
9 = 0 zeigt. Das Signal von der Bürste 19' wird einem die Bezugsposition abtastenden
Schaltkreis 14-6 zugeführt, der wiederum ein Bezugssignal an den Impulszähler 14-5
abgibt. Der Zähler 14-5 wird beim Empfangen dieses Signals auf Null zurückgestellt,
wenn die Drehrichtung des umlaufenden Teils 13 positiv ist, und wird auf eine Zahl
N (N - 2 I 9) gesetzt, wenn sie negativ ist, wobei CI 8 die den minimalen Winkel
bestimmende Einheit ist, die das Inkrement des Drehwinkels des umlaufenden Teils
13 angibt. Die Widerstandsänderungen der magnetischen Widerstandselemente 20 und
20', die als Ri und Rj dargestellt sind, erhält man als analoge Spannungsänderungen
über den magnetischen Widerstandselementen 20 und 20'. Die Spannungssignale von
den magnetischen Widerstandselementen 20 und 20' werden Verstärkern 14-1 und 14-1'
zugeführt und dort verstärkt.
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Die verstärkten Signale (Vi und Vj) von den Verstärkern 14-1 und 14-1
werden dann Impulsschaltkreisen 14-2 und 14-2' zugeführt und in Impulszüge (Vpi
und Vpj) umgewandelt. Die Impulse Vpi und Vpj werden dann dem Zähler 14-5 zugeführt,
der die angelangten Impulse in jeder kleinsten Winkelbestimmungseinheit 9 zum Bestimmen
des Winkelschrittes der Welle 11 zählt. Die Einheit d 9 wird später im einzelnen
erläutert werden. Ein digitales Signal, das die Anzahl der durch den Zähler 14-5
gezählten Impulse anzeigt, wird den nächsten Stufen, d.h. einem binärkodierten Dezimal-(BCD-)
Konverter 14-7 und einem Digital/Analog-(DlA-) Konverter 14-8 zugeführt. Der BCD-Konverter
14-7 erzeugt ein digitales Signal, das die Winkelverschiebung bzw. den Winkelschritt
im BCD-Code darstellt, während der D/A-Konverter 14-8 ein analoges Signal erzeugt,
das dieselbe Information darstellt. in Phasendifferenzdetektor 14-3 erfaßt eine
Phasendifferenz H zwischen den Analogausgängen der Verstärker 14-1 und 14-1' und
bestimmt die Drehrichtung des umlaufenden Teils 13, was darauf basiert, ob a H positiv
oder negativ ist. Andererseits tastet ein anderer Phasendifferenz-Detektor 14-4
eine Phasendifferenz a Hp zwischen zwei pulsierenden Ausgängen der Impulsschaltkreise
14-2
und 14-2' ab und bestimmt auch die Drehrichtung des umlaufenden
Teils 13. Der Zähler 14-5 zählt beim Empfangen des Impulses vom Impulskreis 14-2
und 14-2' von Null an aufwärts, wenn 6 H positiv ist, und von der vorbestimmten
Anzahl N aus abwärts, wenn H negativ ist. Die Blocks i4-1, 14-1', 14-2, 14-2', 14-7,
14-8, 14-3 und 14-4 geben ihre elektrischen Ausgangssignale über die Klemmen T1,
Tal " T2, T21, T3, T4, T5 bzw. T6 an nicht dargestellte äußere Schaltkreise ab.
Wenn der Ausgang des Impulszählers 14-5 in jedem geeigneten Zeitintervall auf Null
zurückgestellt wird, wird ein Ausgangssignal proportional zur Rotationsgeschwindigkeit
des umlaufenden Teils 13 über jede der Klemmen T3 und T4 abgeleitet.
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Im folgenden seien die Konstruktion und Funktion der Verstärker 14-1
und 14-1', der Impulsschaltkreise 14-2 und 14-2', der Phasendifferenz-Detektoren
14-3 und 14-4 der Fig. 13 im einzelnen erläutert. Alle diese Blocks beziehen sich
auf die Anordnung der magnetischen Widerstandselemente 20 und 20'. Einzelheiten
der Energiequelle 200, des Impulszählers 14-5, des Bezugspositions-Detektors 14-6,
des BCD-Konverters 14-7 und des D/A-Konverters 14-8 werden im folgenden jedoch nicht
wiedergegeben, weil sie dem Fachmann bekannt sind.
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Die Fig. 14a zeigt detailliert einen Schaltkreis für Verstärker 14-1
und 14-1' der Fig. 13, bei dem eine Vielzahl von magnetischen Widerständen, wie
bspw. die herausgezeichneten Elemente MR1 bis MRN so angeordnet sind, daß sie Widerstandsänderungen
mit derselben Phase zueinander besitzen, wie dies in Fig. 10d oder 1Oe dargestellt
ist. Ober die Klemmen P2 wird den magnetischen Widerstands elementen Gleichspannungsenergie
zugeführt. Die Signale, die von den magnetischen Widerstandselementen abgeleitet
sind, werden addiert und dann der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers
61 zugeführt und darin verstärkt. Diese
Anordnung besitzt als Hauptmerkmal,daß
Geräusche von den magnetischen Widerstandselementen gemittelt werden, so daß S/N
(Signal-Gerguschverhältnis) des vorliegenden Kodierers weiter verbessert werden
kann. Es ist offensichtlich, daß, wenn nur ein magnetisches Widerstandselement,
bspw. das Element MR1 verwendet wird, die anderen Elemente MR2 bis MRn weggelassen
werden sollten, so daß nur ein Signal dem Operationsverstärker 61 zugeführt wird.
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Fig. 14b zeigt einen anderen Schaltkreis der Verstärker 14-1 und 14-1
der Fig. 13, wobei die magnetischen Widerstandselemente MRn und MRr Widerstandsänderungen
besitzen, die in der Phase um t verschieden sind. Dieser Schaltkreis kann im Falle
der Fig. lOf verwendet werden. Hierbei entspricht MRn dem Element MR 21 und MRr
dem Element MR 22 oder MR 23. Jeder der magnetischen Widerstandselemente MRn und
MRr ist mit den Klemmen P2 der Gleichspannungsspeisequelle über einen Widerstand
r verbunden und darüber hinaus auch mit den Eingangsklemmen eines Operationsverstärkers
61 gekoppelt. Der Verstärker 61 verdoppelt das Eingangssignal und löscht dabei die
Gleichtaktstörung aus.
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Wenn gemäß Fig. 14a die Widerstandsänderungen Ri> die in den Figuren
10d, lote, lOf, lOg, 11d und 11f gezeigt sind, an die invertierende Eingangsklemme
des Verstärkers 61 der Fig. 14a angelegt werden, dann können Spannungssignale Vi,
wie sie in den Figuren 16b, 16e, 16h, 16c, 17b und 17f gezeigt sind, von der Ausgangsklemme
OUT abgeleitet werden.
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Die Fig. lSa zeigt einen Schaltkreis des Impulsgenerators 14-2 und
14-2' der Fig. 13. Analoge Signale, die von den Verstärkern 14-1 und 14-1' der Fig.
13 abgeleitet sind, werden der invertierenden Eingangsklemme (ohne Bezugsziffer)
eines Operationsverstärkers 61' über eine Klemme IN zugeführt. Die Analogsignale
werden dann mit Hilfe einer Schwellenspannung Vref, die an die nicht invertierende
Klemme des Verstärkers 61t angelegt wird, in Impulse umgewandelt.
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Wenn die Ausgangsspannungen Vi, die inden Figuren 16b, 16e, 16h, 16c,
17b und 17f gezeigt sind, an den Impulsgenerator der Fig. 15a abgegeben werden,
so ergeben sich Impulszüge Vpi und Vpj, wie sie in den Figuren 16c, 16f, 16i, 161,
17c und 17g dargestellt sind.
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Fig. 15b zeigt ein Beispiel eines anderen Schaltkreises der Impulsgeneratoren
14-2 und 14-2', wobei der Operationsverstärker 61' dazu verwendet wird, einen Schmitt-Trigger-Schaltkreis
aufzubauen. Die analogen Signale werden den Schmitt-Trigger-Schaltkreisen zugeführt,
so daß das Triggern bei zwei verschiedenen Schwellenspannungen V1 und V2 durchgeführt
werden kann. Somit erzeugt der Schmitt-Trigger eine Rechteckwelle mit einer Hysterese,
die durch V1 und V2 definiert ist. Die Figuren 16d, 16g, 16j und 16m sind Kurven,
die die Impulszüge Vtpi zeigen, die von dem in Fig. 15b dargestellten Impulsgenerator
abgeleitet sind, wenn die analogen Signale, wie sie in den Figuren 16b, 16e, 16h
und 16c gezeigt sind, an diesen angelegt werden. Durch Verwendung des Impulsgenerators
der Fig. 15b können unerwünschte Impulszüge unterdrückt werden, die relativ kurze
Impulsbreiten aufgrund von kleinen mechanischen Vibrationen der umlaufenden Trommel
13 besitzen, wodurch die Zuverlässigkeit des Magnetkodierers erhöht wird.
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Wenn die Verstärker 14-1 und 14-1' der Fig. 14b in Kombination mit
dem Impulsgenerator 14-2 und 14-2' der Fig. 15a verwendet werden, wobei in diesem
Falle V ref an Null angeklemmt ist, erzeugen die Generatoren 14-2 und 14-2 Vorder-
oder Hinterflanken jedesmal dann, wenn der Widerstand des Elementes MRn gleich dem
des Elementes MRr wird.
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Diese bombination hat den Vorteil, daß auch dann, wenn eine mechanische
Vibration eine Abstandsänderung zwischen dem magnetischen Widerstands element und
dem Medium 12 und infolge davon Änderungen in der Größe jedes der Ausgangssignale
von
den magnetischen Widerstandselementen bewirkt, die Winkelgeschwindigkeit ebenso
wie die inkrementelle Winkelverschiebung bzw. -schritt genau erfaßt werden kann.
Dies ist deshalb der Fall, weil die mechanischen Vibrationen den Winkelabstand dort,
wo die beigen magnetischen Widerstandselemente denselben Wert besitzen, nicht nachteilig
beeinflussen. Somit kann die obige Kombination die Zuverlässigkeit des Magnet-Kodierers
erhöhen. Durch die Verwendung der obigen Kombination werden die abgetasteten Signale,
wie sie in den Figuren mild, lif gezeigt sind, in Impulszüge gemäß den Figuren 7d
und 7h umgewandelt. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß die oben genannte Art und
Weise der Impulserzeugung nicht auf die Tatsache beschränkt ist, daß die beiden
magnetischen Widerstandselemente MRn MRr der Fig. 2 14b b Widerstandsänderungen
besitzen, die sich in der Phase um Sc unterscheiden. Es ist lediglich erforderlich,
daß die beiden magnetischen Widerstandselemente denselben Widerstandswert zweimal
während einer Periode besitzen. Da der Schaltkreis der Fig. 14b ein Nullsignal erzeugt,
wenn ihre Widerstandswerte identisch sind, werden die in den Figuren lid und 11f
gezeigten Signale durch den Schaltkreis der Fig. 15a in Impulszüge der Figuren i7e
und 17i umgewandelt. In den Figuren 17g, 17h und 17i wurden Teile der Impulswellen
wegen der einfacheren Zeichnung wegen weggelassen.
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Die kleinste Winkelbestimmungseinheit 8 9 sei im folgenden in weiteren
Einzelheiten beschrieben. Wenn die Widerstandsänderungen der magnetischen Widerstandselemente
so sind, wie sie in den Figuren 10d und 10e gezeigt sind, erhält man Impulszüge
gemäß den Figuren 16c und 16d bzw. 16f bis 16g.
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Deshalb bestimmt die Teilung p das d O, so daß man folgendes erhält:
wobei R = ein Innenradius des Mediums 12 ist.
Andererseits erhält
man, wenn die Widerstandsänderungen der magnetischen Widerstandselemente so sind,
wie sie in den Figuren lOf und lOg dargestellt sind, Impulszüge gemäß den Figuren
16i, 16j und 161, 16m. In diesem Falle werden, obwohl die Periode 2p ist, zwei Impulszüge
mit unterschiedlicher Phase abgeleitet. Infolgedessen erhält man, wenn die Vorderflanke
dazu verwendet wird, die Rotationszustände des umlaufenden Teils 13 abzutasten:
Dem gegenüber werden die analogen Signale der Figuren 11d und 11e in entsprechende
Impulszüge gemäß den Figuren 17c, 17d und 17e umgewandelt. Bei dieser Anordnung
existieren vier unabhängige Impulszüge innerhalb einer Teilung p, so daß man folgendes
erhält:
Es versteht sich, daß diese Anordnung die vierfache Winkelauflösung von der der
Fig. 10d und e besitzt.
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Ferner gilt, wenn die oben beschriebenen Techniken in Verbindung mit
den Figuren 17d und 17e gleichzeitig verwendet werden oder, mit anderen Worten,
wenn vier unabhängige Impulszüge verwendet werden, dann für die kleinste Winkelbestitnmungseinheit:
Bei diesen Anordnungen der Figuren lif und llg sind die betreffenden Impulszüge
in den Figuren 17g bis 17i gezeigt.
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Da dort acht unabhängige Impuls züge während 2p vorhanden sind, ist
die kleinste Winkelbestimmungseinheit:
Wenn man die Technik, die man zum Erreichen der Gleichung (4) anwendet, auch auf
die Fälle der Figuren 17h und 17i anwendet, bestehen 16 unabhängige Impulszüge innerhalb
2p.
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Dann ist die kleinste Winkelbestimmungseinheit:
Aus dem Vorstehenden kann man den allgemeinen Grundsatz zur Bestimmung der kleinsten
Winkelbestimmungseinheit ableiten:
wobei a, p, m, R bereits erläutert wurden, während für m zu h (h-1) gilt.
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Fig. 18a zeigt einen herkömmlichen Schaltkreis des Phasen differenz-Detektors
14-3 zum Erfassen der Phasendifferenz die auf den angelegten analogen Signalen basiert0
Zwei analoge Signale V. und V., die verschiedene Phasen besitzen, werden über die
Klemmen A-B und C-D an die Differenzverstärker abgegeben. Die Ausgangssignale der
Differenzverstärker werden einem Tiefpaßfilter zugeführt, von dem ein Signal abgeleitet
wird, das proportional zu deren Phasendifferenz H,j ist. Bspw. verzögert sich bei
der Anordnung der Fig. lla dann, wenn sich das Medium 12 in die negative
Richtung
der x-Achse bewegt, R21, R25 oder R29 um As bezüglich der übrigen Widerstandsänderungen.
Andererseits eilt dann, wenn das Medium 12 sich in die entgegengesetzte Richtung
bewegt, R21 R25 oder R29 um S relativ zu den übrigen Widerstandsänderungen vor.
Deshalb ändert die Phasendifferenz d H ihre Polarität in Abhängigkeit von der Drehrichtung
des umlaufenden Teils 13.
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Fig. 18b ist ein herkömmlicher Schaltkreis des Phasen-Detektors 14-4
zum Erfassen der Phasendifferenz, die auf den angelegten digitalen Signalen basiert.
Der Detektor 14-4 enthält neun NAND-Gatter, deren Funktionen dem Fachmann bekannt
sind. Bei der Anordnung der Fig. 11a eilt, wenn das Medium 12 sich in die negative
Richtung der x-Achse bewegt, die Phase des Impulszuges Bp21, Vp25 oder Vp29 relativ
zu den Phasen der anderen Impulszüge nach. Andererseits eilt dann, wenn das Medium
12 sich in entgegengesetzter Richtung bewegt, die Phase des Impuls zuges Bp21, Vp25
oder Vp29 relativ zu den anderen Impulszügen vor. Zwei dieser Impulse werden dem
Detektor 14-4 über A und B zugeführt. Wenn die Rückflanke des Impulszuges, der an
die Eingangsklemme A angelegt wird, dann erzeugen die Ausgangsklemmen C und D eine
logische 1 bzw. O. Andernfalls erzeugen die Ausgangsklemmen C und D eine logische
0 bzw. eine 1. Somit kann der Detektor 14-4 die Drehrichtung der umlaufenden Trommel
13 abtasten.
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Um ein hohes Auflösungsvermögen der Rotationszustände zu erhalten,
sollte die Widerstandsänderung im magnetischen Widerstandselement durch Geräusche
bzw. Störungen nicht nachteilig beeinflußt werden. Aus diesem Grunde sollten dort,
wo eine Vielzahl von magnetischen Widerstandselementen verwendet wird, die minimale
Phasendifferenz zwischen den Widerstandsänderungen kleiner als zu H sein, wobei
zu H eine Phasenabweichung aufgrund von Geräuschen ist, die von den Verstärkern,
von mechanischen kleinen Erschütterungen usw.
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herrühren. Ein minimaler Abstand zwischen den magnetischen Widerstandselementen
ist deshalb gegeben zu:
Im folgenden sei auf die Materialien ebenso wie auf die Anordnungen
der Elemente Bezug genommen, die bei den oben genannten Ausführungsbeispielen vorliegender
Erfindung verwendet werden.
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Das umlaufende Teil 13 ist vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff
im Hinblick auf die Bearbeitungsgenauigkeit und die hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber
äußeren Erschdtterungen hergestellt. Um das Gewicht des umlaufenden Teils 13 zu
verringern bzw. gering zu halten, sollte es aus Aluminium, einer Aluminium-Legierung
oder Kunststoff hergestellt werden.
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Demgegenüber wird, wenn die Herstellungsgenauuigkeit in Betracht gezogen
werden muß, Messing bevorzugt verwendet, und aus Gründen der chemischen Widerstandsfähigkeit
des umlaufenden Teils 13 sollte rostfreier Stahl verwendet werden.
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Das magnetische Medium 12 soll sicherstellen, daß die magnetische
Information auf ihm zuverlässig aufgezeichnet wird.
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Aus diesem Grunde muß seine Koerzitivkraft über mindestens 100 Oersted
liegen, so daß das Medium 12 vorzugsweise ein platierter Film bzw. Schicht aus Co-P-
oder Co-Ni-P-Legierung ist oder dadurch hergestellt ist, daß magnetische feine Partikel
auf der Oberfläche des Teils 13 durch die Verwendung eines geeigneten Bindemittels
gebunden werden. Die magnetischen feinen Partikel enthalten Ferrite oder Chromoxide
als Hauptbestandteil. Die magnetische Information oder signale werden dann auf dem
Medium 12 unter Verwendung von für den Fachmann bekannten Techniken aufgezeichnet.
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Der Permanentmagnet 19 ist gewöhnlich aus einem Material hergestellt,
das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Materialien, die für las magnetische Medium
12 verwendet werden; Bariumferrit mit einer Koerzitivkraft wesentlich über 100 Oersted;
Kunststoffmagnet, der aus Kunstgummi besteht, in dem feine Partikel aus Bariumferrit
dispergiert sind; Material, das hauptsächlich aus Nickel, Eisen, Kobalt, Aluminium
oder einem Element der seltenen Erden besteht.
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Die magnetischen Widerstände 20, 21, ..., 29 sind aus Metall, wie
bspw. Eisen, Nickel oder Kobalt oder aus einer Legierung hergestellt, die hauptsächlich
aus einem solchen Metall besteht. Vor allem besitzt eine Legierung, die über 40
% Nickel oder etwa 5 % Kobalt besitzt, magnetische Widerstandseigenschaften und
ist deshalb sehr bevorzugt. Der leitende Film bzw. Schicht 30, 31 und 32 ist im
allgemeinen aus einem Metall, wie Gold, Aluminium oder Kupfer oder aus einem Dünnfilm
hergestellt, der hauptsächlich eine solche Metall-Legierung enthält. Für die dünne
Isolierplatte 40 wird Siltziumoxid, Aluminiumoxid oder Glas verwendet.
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Der hartmagnetische Film 50 ist aus Materialien hergestellt, wie sie
bei dem magnetischen Medium 12 verwendet werden. Die hochpermeable Magnetplatte
51 ist aus einer Legierung, bspw. Permalloy hergestellt, die hauptsächlich aus Eisen
und Nickel besteht. Für die Basisplatte 18 wird eine Einkristall-Silizium-Platte
oder eine Glasplatte mit einer glatten Oberfläche bevorzugt verwendet. Die Bürste
19' sollte elektrisch leitend und abriebfest sein; deshalb ist ein Kohlenstoffstab
geeignet. Die Bezugsmarkierung 10 an der Welle 11 ist eine dünne Isolierplatte aus
Glas, Kunststoff oder Metalloxid.
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Fig. 19 zeigt eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht
einer Anwendung der Anordnung nach Fig. 8a bei einem Motor. Das trommelartige Umlauf-
bzw. Drehteil 13 aus einer Aluminiumlegierung besitzt einen Durchmesser von 40 mm
und eine Dicke von 10 mm und ist mit dem magnetischen Medium 12 versehen, das an
dessen Umfangsfläche aufplatiert ist, Das umlaufende Teil 13 ist relativ unverdrehbar
mit Hilfe eines Befestigungselementes 64 an der drehbaren Welle 11 des Motors befestigt,
der innerhalb eines Gehäuses 60 angeordnet ist. Das Medium 12 ist aus einer Co-P-Legierung
mit einer Koerzitivkraft von über 200 Oersted und
mit einer Dicke
von 10 ji. Das Medium 12 besteht aus 50 Magnetabschnitten, von denen jeder ein magnetisches
Signal besitzt. Die Magnetabschnitte sind derart gebildet, daß ihre Grenzflächen
senkrecht zur Richtung der Rotation der Trommel 13 angeordnet sind und so, daß die
Teilung p etwa 2,5 mm beträgt. Wenn auch der Einfachheit wegen die magnetischen
Widerstandselemente 23 und 24 in Fig. 19 nicht dargestellt sind, so ist doch jedes
dieser Elemente identisch mit den magnetischen Widerstandselementen 21 und 22 hinsichtlich
Abmessungen, Merkmale usw. Jedes der magnetischen Widerstandselemente 21 und 22
besitzt eine Breite von 201cm und eine Länge von 10 mm und ist auf der Grundplatte
18 vorgesehen. Der Detektor 14 ist auf einer gedruckten Leiterplatte 63 befestigt
und mit den magnetischen Widerstandselementen 21 und 22 über die Leiter 17 und über
die leitenden Dünnfilme bzw. Dünnschichten 30 verbunden. Ein Gehäuse 61 beherbergt
eine magnetische Rotationskodiereinheit 100, die den Detektor 14, die Grundplatte
18, das umlaufende Teil 13, usw. enthält. Ferner ist ein Kabel 62 zum Ableiten der
Ausgangssignale von der Kodiereinheit 100 und zum Anlegen von Speiseenergie an die
Kodiereinheit 100 vorgesehen. Es sei bemerkt, daß die Bezugsmarkierung ebenso wie
die Bürste 19' der Einfachheit halber in Fig. 19 nicht dargestellt sind. Die gedruckte
Platte 63 wird auch für die elektrischen Zwischenverbindungen zwischen dem Detektor
14 und den magnetischen Widerstandselementen 21 und 22 verwendet. Eine Platte 65
dient zum Abschirmen des vom Motor erzeugten Magnetflusses.
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Wegen geringer mechanischer Vibrationen und Störungen elektriseher
Bauelemente hat man experimentell herausgefunden, daß das Ausgangssignal des Magnetkodierers
100 eine Phasenqbweichung { H enthält, die der folgenden (Un-) Gleichung genügt:
wobei angenommen ist, daß die Teilung p der Phasendifferenz 2
entspricht. Wenn die magnetischen Widerstandselemente 21 bis 24 in gleichem Abstand
von p/4, wie in Fig. lla, angeordnet sind, so ist die Phasendifferenz der Signale
von den magnetischen Widerstands elementen: aH = t.
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Somit ist, da dH;>SH gilt, die Kodiereinheit 100 praktisch frei
von Fehlfunktionen. Wie aus den Figuren lla und lid hervorgeht, sind die Widerstandsänderungen
zwischen den magnetischen Widerstandselementen 21 und 23 und diejednigen zwischen
den magnetischen Widerstandselementen 22 und 24 um den Faktort in der Phase verschieden.
Wenn die Widerstände der magnetischen Widerstandselemente 21 und 23 und die der
magnetischen Widerstandselemente 22 und 24 gleich werden, erhält man zwei unabhängige
Impulszüge gemäß den Figuren 16 h und i über den Verstärker der Fig. 14b und den
Impulsgenerator der Fig. 15a. Diese Impulszüge besitzen eine Phasendifferenz von
+ 25/2 oder -Der Schaltkreis der Fig. 18b tastet die Drehrichtung des Teils 13 ab,
was darauf basiert, ob die Phasendifferenz der beiden Impulszüge positiv oder negativ
ist. Der Impulszähler 14-5 zählt die Zahl der Impulse vom Impulsgenerator 14-2 auf
oder ab und gibt sein Zählergebnis an den D/A-Konverter 14-8, der wiederum ein zu
seinem Eingang proportionales analoges Signal abgibt. Somit besitzt die Magnetkodiereinheit
100 der Fig. 19 zwei Ausgangssignale, von denen die eine die Drehrichtung anzeigt
und über die Klemme T6 der Fig. 13 abgeleitet ist, und von denen die andere den
inkrementellen Winkelschritt anzeigt und von der Klemme T4 der Fig. 13 abgeleitet
ist.
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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, sind gemäß vorliegender
Erfindung die magnetischen Widerstandselemente
unter Berücksichtigung
sowohl der Teilung als auch der Breite der magnetischen Abschnitte angeordnet. Da
die Teilung und die Breite leicht kontrolliert bzw. gesteuert werden können, ist
der vorliegende magnetische Rotations-Kodierer nicht kostspielig, in einfacher Weise
zusammenzubauen und in hohem Maße widerstandsfähig gegenüber äußeren Erschütterungen,
wobei gleichzeitig Genauigkeit und die selektive Verwendung von Materialien der
Konstruktionselemente erhalten bleibt.
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Das winklige Auslösungsvermögen des vorliegenden Kodierers hängt von
der Teilung der Magnetabschnitte ebenso wie von der Anordnung der magnetischen Widerstandselemente
ab. Insbesondere kann, da die magnetischen Signale leicht und genau auf dem Medium
12 aufgezeichnet werden können, wobei ein bekannter Magnetaufzeichnungskopf, wie
er beim Stand der Technik praktisch verwendet wird, verwendet werden kann, die Teilung
mit Leichtigkeit genau kontrolliert werden. Dies bedeutet, daß die winklige Auflösung
auf einen gewünschten Bereich angesetzt werden kann. Darüber hinaus können die aufgezeichneten
magnetischen Signale leicht wieder gelöscht werden, wenn sie in ungeeigneter Weise
aufgezeichnet worden sind. Dieses Merkmal macht es möglich, daß der vorliegende
Kodierer den konventionellen optischen Kodierer betrifft. Zusätzlich ist die Erfindung
auch dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe Herstellungsverfahren ebenso bei einem
magnetischen Rotations-Kodierer mit geringem Auflösungsvermögen verwendet werden
kann.
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Da eine Vielzahl von magnetischen Widerstandselementen auf einer einzigen
Trägergrundplatte in demselben Verfahren vorgesehen werden kann, wird der magnetische
Felddetektor 18' unter vergleichsweise geringen Kosten genau hergestellt. Es versteht
sich von selbst, daß eine Vielzahl von magnetischen Widerstands elementen auf mehr
als einer Trägergrundplatte abwechselnd befestigt werden kann.
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Wenn auch die vorliegende Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele
im einzelnen beschrieben wurde, so versteht es sich, daß innerhalb des Rahmens vorliegende
Erfindung weitere Abwandlungen für den Fachmann möglich sind.
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- Ende der Beschreibung -