DE2907797C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen
Umlaufkodierer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solcher magnetischer Umlaufkodierer soll zum Abtasten
inkrementeller Winkelschritte, der Winkelgeschwindigkeit und
der Drehrichtung einer drehbaren Welle eines Motors, eines
Getriebes oder dgl. dienen.
Bei einem derartigen aus der GB-PS 14 92 980 bekannten
magnetischen Umlaufkodierer sind auf dem Magnetfelddetektor
jeweils mehrere in Reihe miteinander verbundene magnetische
Widerstandselemente angeordnet. Außerdem sind die Abschnitte
des magnetischen Mediums auf den umlaufenden Teil parallel zueinander
derart angeordnet, daß die Grenzlinien, die die
benachbarten magnetischen Mediumabschnitte voneinander trennen,
senkrecht zur Erstreckung der magnetischen Widerstandselemente,
d. h. zur Fließrichtung des durch die magnetischen Widerstandselemente
fließenden Stromes angeordnet. Bei dieser Anordnung
ist es praktisch nicht möglich, ein Magnetfeld an die magnetischen
Widerstandselemente in einheitlicher Weise heranzubringen, so
daß die betreffenden Ausgangssignale insbesondere verzerrt sind.
Dies wird zwar bei dem bekannten magnetischen Umlaufkodierer
durch die Reihenschaltung mehrerer magnetischer Widerstandselemente
durch die Addition der Ausgangssignale etwas verbessert,
läßt jedoch trotzdem noch zu wünschen übrig. Außerdem ist
diese Anordnung aufwendig, da sie stets eine Vielzahl von
in Reihe miteinander verbundenen magnetischen Widerstandselementen
benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen magnetischen
Umlaufkodierer der eingangs genannten Art zu schaffen, der
bei relativ einfacher Konstruktion genauer arbeitet, d. h.,
ein unverzerrtes Ausgangssignal liefert.
Diese Aufgabe wird bei einem magnetischen Umlaufkodierer der
genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Auf diese Weise ist erreicht, daß ein Magnetfeld in einheitlicher
Weise an das betreffende magnetische Widerstandselement herangebracht
werden kann, und daß statt der Vielzahl in Reihe
geschalteter Widerstandselemente ein einziges magnetisches
Widerstandselement ausreichend ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung
zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung
dargestellten Auführungsbeispiele näher beschrieben und
erläutert ist. Es zeigt
Fig.1a eine perspektivische Ansicht eines
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels
vorliegender Erfindung,
Fig. 1b eine perspektivische Ansicht einer Modifikation
des ersten Ausführungsbeispiels
der Fig. 1a,
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. 5b 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. 10a-g,
Fig. 11a-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
von vorliegender Erfindung bei einem
Motor.
Gemäß Fig. 1a 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.
Die Welle 11 ist in dieser Weise mit einer Marke oder Markierung
10 versehen, daß diese ein geeignetes Kontaktelement,
wie bspw. eine Bürste 19′ berühren kann, wenn sich die Welle
11 dreht. Wenn die Bezugsmarkierung 10 die Bürste 19′ berührt,
wird ein Signal, das eine Bezugswinkelposition der Welle 11
(R=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.
-zustände der Welle 11, wie bspw. den inkrementellen Winkelabstand,
die Geschwindigkeit usw. ab.
Der Rotations- bzw. Umlauf-Kodierer der Fig. 1a kann, wie
in Fig. 1b dargestellt ist, modifiziert werden, in der Weise,
daß das trommelartige, umlaufende Teil 13 der Fig. 1a 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 Fig. 1a und 1b funktionieren in ähnlicher Weise, so daß
auf weitere Beschreibung der letzteren Anordnung verzichtet
werden kann.
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:
wobei R = einem Innenradius des Magnetmediums 12 ist,
a = 1 oder 2 ist und
m = 1 oder eine positive ganze Zahl <1 ist.
m = 1 oder eine positive ganze Zahl <1 ist.
Im einzelnen gilt, daß "a" dort gleich zwei ist, wo eine der
Anordnungen der Fig. 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. 1a
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. Beispielsweise
ist dann m=4, wenn man die Widerstandsänderungen der magnetischen
Widerstandselemente entsprechend den Fig. 17c oder
17g erhält, und m=8, wenn die Widerstandsänderungen der
magnetischen Widerstandselemente denen in den Fig. 17d,
17e, 17h oder 17i gezeigten entsprechen.
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.
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.
Darüber hinaus sollte die Koerzitivkraft über 100 Oersted zum zuverlässigen Erhalten der Magnetisierung des Mediums 12 sein.
Fig. 2a ist eine Darstellung einer weiteren Varianten des umlaufenden
Teils 13 der Fig. 1a, 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.
Die Fig. 3a bis 3f zeigen jeweils schematisch weitere
Varianten der umlaufenden Teile 13 der Fig. 1a, 1b, 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 Fig.
3a, 3c und 3e entsprechen denen der Fig. 1a, 1b bzw. 2a,
während jedes der umlaufenden Teile 13 der Fig. 3b, 3d
und 3f eine Variation der vorhergehend gezeigten Teile ist.
Wie aus den Darstellungen der Fig. 3a-3f ersichtlich
ist, sind die Permanentmagnete 19 der Fig. 3a, 3c und
3e mit den dargestellten Magnetisierungsrichtungen aneinander
anstoßend angeordnet. Andererseits sind die Magnete 19 der
Fig. 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. 1a Bezug genommen.
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 (10-2 bis 2 µ) reicht, und
ist so angeordnet, daß es die Richtung seiner Magnetisierung
M in Abhängigkeit des Streuflusses vom Magnetmedium 12 abwechselnd
ändert.
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 Widerstandselement 20 besitzt einen elektrischen
Widerstand, der sich in Funktion von einem Winkel ψ
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 Widerstandsänderung des magnetischen Widerstandselementes
20. Die Widerstandsänderung des magnetischen
Widerstandselementes 20 ist eine Funktion von ψ:
R (ψ) = R₀ - R · sin² ψ ,
wobei R₀ der Widerstand des magnetischen Widerstandselementes
ist, wenn die Magnetisierung M eine zum Abtaststrom Is
parallele Richtung besitzt und R eine Konstante des magnetischen
Widerstandselementes 20 ist.
Fig. 4a ist eine Kurve, die die Größe des magnetischen Signals
(M R ) auf dem Medium 12 der Fig. 1a in Abhängigkeit von dem
Winkelschritt R darstellt. Bei dieser Anordnung der Fig. 1a
dient nur das Magnetfeld in Richtung der x-Achse, d. h. H x ,
das sich als eine Funktion von R gemäß Fig. 4b ändert, dazu,
den Widerstand des magnetischen Widerstandselementes 20 zu
ändern, dessen Vorzugsachse (easy axis) längs der y-Achse
liegt. Dabei beeinflußt H x 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.
Fig. 5a zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel
vorliegender Erfindung, bei dem der Magnetfeld-Detektor 18′
in gegenüber der Fig. 1a unterschiedlicher Weise angeordnet ist.
In Fig. 5a reicht der Bereich des Winkels ψ von
90° bis 90°±45°, während in Fig. 1a von
0° bis ±45° reicht. Infolgedessen dient nur das
Magnetfeld parallel zur z-Achse, d. h. H z (Fig.
4e) zur Änderung des Widerstandes des magnetischen
Widerstandselementes 20.
Dabei ist ψ der Öffnungswinkel zwischen dem
Durchschnittspunkt der Oberflächennormalen des
magnetischen Widerstandselements und den Grenzlinien
des nächstgelegenen magnetischen Bereichs.
Die Widerstandsänderung ist als R₃ in Fig. 4f als
Funktion des Winkelabstandes bzw. -schrittes R
dargestellt. Eine Modifikation der Fig. 5a-
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.
Es ist bekannt, daß man dann, wenn der Abtaststrom
I s durch das magnetische Widerstandselement 20 unter
einem Winkel von 45° relativ zur Richtung der
Magnetisierung M fließt, die folgenden Vorteile
erhält:
- (1) Die Magnetflußempfindlichkeit bzw. -abtastung des magnetischen Widerstandselements 20 erhöht sich und
- (2) der Widerstand des Magnetischen Widerstandselements
20 ändert sich in ähnlicher Weise,
die die Richtung des Magnetflusses am magnetischen
Widerstandselement 20 sich ändert.
Infolgedessen ändert sich, wenn die o. g. Technik bei den Anordnungen der Fig. 1a, 1b, 5a und 5b angewendet wird, der Widerstand des magnetischen Widerstandselementes 20 in der durch R₂ (Fig. 4c) bzw. durch R₄ (Fig. 4g) angedeuteten Weise. Auf diese Technik sei nunmehr in Verbindung mit den Fig. 6a-6c in weiteren Einzelheiten Bezug genommen.
In Fig. 6a ist ein Streifen eines Leiters 31 (Breite D,
Länge w) auf dem Substrat 18 vorgesehen, auf welchem
ein Isolierfilm 40 und das magnetische Widerstandselement
20 lamelar bzw. schichtweise übereinander
angeordnet sind. Ein Strom von bestimmtem Wert wird
an das magnetische Widerstandselement 20 über eine
Klemme 171 vom nicht dargestellten Rotationsdetektor
14 angelegt. Das Magnetfeld,
das durch den vorbestimmten Strom aufgebaut wird, bewirkt,
das 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.
Das Magnetfeld um den Film 50 bewirkt, daß sich die Magnetisierung
M relativ zum Strom Is um einen Winkel von 45°
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 45° mit der Vorzugsachse gebildet wird.
In diesem Falle wird die Magnetisierung M des magnetischen
Widerstandselementes 20 von den Streifen nicht beeinflußt.
Die Anordnung der Fig. 6c ist in dem Artikel mit dem
Titel "THE BARBER POLE, A LINEAR MAGNETO-RESISTIVE HEAD"
von K. E. Kuÿk et al., veröffentlich in IEEE Transactions
on Magnetics, Band Mag-11, Nr. 5, September 1975, Seiten
1215 bis 1217, beschrieben.
Zwei weitere Beispiele des Magnetfeld-Detektors 18′ sind
in den Fig. 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 Fig. 1a und 1b 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 Widerstandselement 20 über Isolierschichten 40
zwischen ihnen liegt. Ein solcher Detektor, wie er in Fig. 7b
dargestellt ist, ist bei der Anordnung der Fig. 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.
Bezüglich 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
jedoch übliche Praxis, zwei Filme zu verwenden. Die Anordnungen
der Fig. 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 Fig. 7a und 7b anwendbar.
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 Fig. 1a, 1b, 5a, 5b, 6a, 6b, 6c, 7a
und 7b sicher zu stellen:
- (I) Die Breite D des magnetischen Widerstandselementes 20 sollte 20 p nicht übersteigen, sondern gleich oder kleiner als p · sec ψ sein.
- (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 Fig. 1a, 1b, 5a und 5b durch gestrichelte Linien herausgezeichnet ist, verläuft parallel zur Längserstreckung des magnetischen Widerstandselementes 20 oder innerhalb eines Winkels von ±45° hiervon.
Außer den oben genannten Bedingungen sollte vorzugsweise,
wenn auch nicht in jedem Falle, die folgende Bedingung erfüllt
werden:
- (IV) Die Länge w des magnetischen Widerstandselementes 20 ist gleich oder kleiner als 2Q, wobei Q die Breite des Magnetabschnittes ist.
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.
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.
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 Fig.
1a und 1b, d. h., jedes magnetische Widerstandselement 21
bis 24 ist einer Widerstandsänderung in Abhängigkeit vom
Magnetfeld in Richtung der x-Achse, d. h. von H x ausgesetzt.
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 H x , und zwar genauso wie der Anordnung in Fig. 8a.
Die Fig. 9a und 9b zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel
bzw. dessen Modifikation, wobei diese Anordnungen denen der
Fig. 5a und 5b ähnlich sind. Jedes Ausführungsbeispiel
der Fig. 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 H z ändern.
Der Unterschied zwischen dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel
besteht darin, daß die magnetischen Widerstandselemente
des ersteren auf H x reagieren, während die
magnetischen Widerstandselemente des letzteren dies auf H z
tun.
Da die Ausführungsbeispiele der Fig. 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 Fig. 10a bis 10g und den Fig. 11a
bis 11g Bezug genommen.
In Fig. 10a ist ein Bereich des Detektors 18′ der Fig. 8a
zusammen mit einem Bereich des Mediums 12 schematisch dargestellt.
Bei dieser Anordnung sind lediglich drei magnetische
Widerstandselemente 21, 22 und 23 (mit der BreiteD und
der Länge w) dargestellt und wie folgt im Abstand von
einander angeordnet:
S 21,22 = p
S 22,23 = 2p
S 21,24 = 3p
S 22,23 = 2p
S 21,24 = 3p
Hierbei bezeichnen die beiden Indices zum Buchstaben S die
Bezugsziffern des magnetischen Widerstandselementes; deshalb
bezeichnet bspw. S 21,22 den Abstand zwischen den
magnetischen Widerstandselementen 21 und 22.
In Fig. 10b und 10c sind Kurven, die die Größe des
magnetischen Signals M R bzw. H x als Funktion des Winkelabstandes
R 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 S i, j von der
in Fig. 4a dargestellten Kurve erhalten. Im Falle der Fig.
10a 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 Widerstandselementen
gleich der Teilung p oder deren ganzzahligeM Vielfachen ist,
oder mit anderen Worten, wenn S i, j=k · p (wobei k=1,
2, 3, . . .) gilt, die Widerstandsänderungen R i und R j dieselbe
Phase besitzen.
In dem Falle, in dem die hochpermeablen Magnetplatten 51 der
Fig. 7a bei der Anordnung der Fig. 10a 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. 10d erfaßt werden.
Wenn eine der Techniken der Fig. 6a bis 6c bei der Anordnung
nach Fig. 10a angewendet wird, ergeben sich die in
Fig. 10f dargestellten Widerstandsänderungen R₂₁, R₂₂,
R₂₃. Bei dieser Anordnung erhält man die betreffenden Widerstandsänderungen
der magnetischen Widerstandselemente 21,
22 und 23 durch Ableiten von S i, j von der in Fig. 4d dargestellten
Kurve. Als Ergebnis gilt, daß R₂₁ und 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 Fig. 6a bis 6c
bei der Anordnung nach Fig. 10a angewendet wird, die magnetischen
Widerstandselemente, die die Beziehung S i, j =2k · p
besitzen, dieselbe Phasenwiderstandsänderung besitzen.
Fig. 10g 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 Fig. 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. 10f 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.
Fig. 11a 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 S i, i+1=Δ S=p/4 angeordnet, wobei S i, i+1 ein
Zwischenraum zwischen den magnetischen Widerstandselementen
MR i und MR i+1 ist und i=21, 22, 23, . . ., 27 und 28.
Die Fig. 11b und 11c sind Kurven, die die Größe der
magnetischen Signale M R , die auf dem Medium 12 aufgezeichnet
sind, und H x zeigen, und zwar beide als Funktion des Winkelabstandes
R der nicht dargestellten Trommel 13. Bei dieser
Anordnung besitzen die magnetischen Widerstandselemente 21
bis 29 die entsprechenden Widerstandsänderungen R₂₁ bis
R₂₉, wie in Fig. 11d dargestellt ist, wobei jeweils zwei
magnetische Widerstandselemente, die einen Abstand von
S i, j =k · (k=1, 2, 3, . . .) besitzen, dieselben Phasen-
Widerstandsänderungen haben, so daß insgesamt vier verschiedene
Kurven bestehen.
Fig. 11e zeigt Kurven der Widerstandsänderungen R₂₁ bis R₂₉,
wobei die hochpermeablen Magnetplatten 51 der Fig. 7a in der
Anordnung der Fig. 11a vorgesehen sind. In diesem Falle besitzen,
genauso wie in Fig. 10e, 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. 11d besitzen.
Die Fig. 11f zeigt Kurven von Widerstandsänderungen R₂₁ bis
R₂₉ in dem Fall, daß eine der Techniken der Fig. 6a, 6b
und 6c bei der Anordnung der Fig. 11a 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 (Δ S)
relativ zur benachbarten Kurve besitzt. Diese Anordnung ist
der Anordnung der Fig. 10f ähnlich.
Die Fig. 11g zeigt Kurven von Widerstandsänderungen R₂₁ bis
R₂₉ für den Fall, bei dem die Anordnung der Fig. 11a mit
den hochpermeablen Magnetplatten 51 der Fig. 7a und mit
einer der Anordnungen der Fig. 6a bis 6c versehen ist.
Jede von acht verschiedenen Kurven ist in der Phase um p/4
von der benachbarten verschoben, genauso wie dies in Fig. 11f
der Fall ist, und besitzt abrupte Änderungswerte nahe der
Grenzflächen, die die Magnetabschnitte des Mediums 12
teilen.
Zusätzlich zu der Anordnung der Fig. 11a sind in den
Fig. 12a und 12b weitere Beispiele dargestellt, mit
denen man eine Vielzahl von in der Phase unterschiedlichen
Widertandsänderungen erhält.
In Fig. 12a sind die magnetischen Widerstandselemente 21
bis 24 auf der Basisplatte 18 in gleichem Abstand S i, i+1=
Δ S′+p angeordnet, wobei S′=p/10 und i=21, 22 und 23.
Bei dieser Anordnung besitzen alle magnetischen Widerstandselemente
Widerstandsänderungen, die im Hinblick auf die
benachbarten Änderungen eine Phasendifferenz von Δ S′ besitzen.
Fig. 12b zeigt fünf magnetische Widerstandselemente 21 bis
25, die derart angeordnet sind, daß sie folgende Abstände
von einander besitzen:
S 21,22 = 2 · Δ S′′
S 22,23 = p + Δ S′′
S 23,24 = p + Δ S′′
S 24,25 = p + 2 · Δ S′′
S 22,23 = p + Δ S′′
S 23,24 = p + Δ S′′
S 24,25 = p + 2 · Δ S′′
Es versteht sich, daß der magnetische Widerstand 25 um
4p+Δ S′′ von dem magnetischen Widerstandselement 21 und
um 4p-Δ S′′ vom magnetischen Widerstandselement 23 entfernt
ist, wobei das magnetische Widerstandselement 23 um
p+Δ S′′ von jedem der Widerstandselemente 22 und 23 entfernt
ist. Infolgedessen kann man sechs verschiedene
Widerstandsänderungen erhalten, die alle gleichmäßig in
der Phase um Δ S′′ differieren.
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:
wobei
h = 2, 3, 4, . . . (h≦T)
1, k = 0, ±1, ±2, ±3, ±4, . . .
i, j = 1, 2, 3, . . .
h = 2, 3, 4, . . . (h≦T)
1, k = 0, ±1, ±2, ±3, ±4, . . .
i, j = 1, 2, 3, . . .
Es sollte jedoch bemerkt werden, daß das Verhältnis p/h,
das eine minimale Phasendifferenz anzeigt, größer als δ H ·
p/2 sein sollte, wobei δ H eine Phasenänderung aufgrund später
noch zu erwähnender Geräusche ist. Mit anderen Worten,
h<2/δ H muß erfüllt sein.
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. 1a 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 R=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 · 2π/ΔR) gesetzt,
wenn sie negativ ist, wobei ΔR 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 R i und R j 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.
Die verstärkten Signale (V i und V j ) von den Verstärkern
14-1 und 14-1′ werden dann Impulsschaltkreisen 14-2 und
14-2′ zugeführt und in Impulszüge (V pi und V pj ) umgewandelt.
Die Impulse V pi und V pj werden dann dem Zähler
14-5 zugeführt, der die angelangten Impulse in jeder kleinsten
Winkelbestimmungseinheit ΔR zum Bestimmen des Winkelschrittes
der Welle 11 zählt. Die Einheit ΔR 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-(D/A-)
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. Ein Phasendifferenzdetektor 14-3 erfaßt
eine Phasendifferenz Δ H zwischen den Analogausgängen
der Verstärker 14-1 und 14-1′ und bestimmt die Drehrichtung
des umlaufenden Teils 13, was darauf basiert, ob Δ H positiv
oder negativ ist. Andererseits tastet ein anderer Phasendifferenz-
Detektor 14-4 eine Phasendifferenz Δ H p 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 Δ H positiv ist, und von der vorbestimmten
Anzahl N aus abwärts, wenn Δ H negativ ist. Die Blocks
14-1, 14-1′, 14-2, 14-2′, 14-7, 14-8, 14-3 und 14-4 geben
ihre elektrischen Ausgangssignale über die Klemmen T₁, T 1′,
T₂, T 2′, 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.
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, das BCD-
Konverters 14-7 und des D/A-Konverters 14-8 werden im
folgenden jedoch nicht wiedergegeben, weil sie dem Fachmann
bekannt sind.
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 MR N so angeordnet sind, daß sie
Widerstandsänderungen mit derselben Phase zueinander besitzen,
wie dies in Fig. 10d oder 10e dargestellt ist. Über
die Klemmen P₂ wird den magnetischen Widerstandselementen
Gleichspannungsenergie zugeführt. Die Signale, die von den
magnetischen Widerstandselemetnen 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-Geräuschverhältnis) 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
MR n weggelassen werden sollten, so daß nur ein Signal dem
Operationsverstärker 61 zugeführt wird.
Fig. 14b zeigt einen anderen Schaltkreis der Verstärker
14-1 und 14-1′ der Fig. 13, wobei die magnetischen Widerstandselemente
MR n und MR r Widerstandsänderungen besitzen,
die in der Phase um π verschieden sind. Dieser Schaltkreis
kann im Falle der Fig. 10f verwendet werden. Hierbei entspricht
MR n dem Element MR 21 und MR r dem Element MR 22
oder MR 23. Jeder der magnetischen Widerstandselemente MR n
und MR r 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.
Wenn gemäß Fig. 14a die Widerstandsänderungen R i , die in
den Fig. 10d, 10e, 10f, 10g, 11d und 11f gezeigt sind,
an die invertierende Eingangsklemme des Verstärkers 61 der
Fig. 14a angelegt werden, dann können Spannungssignale V i ,
wie sie in den Fig. 16b, 16e, 16h, 16c, 17b und 17f gezeigt
sind, von der Ausgangsklemme OUT abgeleitet werden.
Die Fig. 15a 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
V ref , die an die nicht invertierende Klemme
des Verstärkers 61′ angelegt wird, in Impulse umgewandelt.
Wenn die Ausgangsspannungen V i , die in den Fig. 16b,
16e, 16h, 16c, 17b und 17f gezeigt sind, an den Impulsgenerator
der Fig. 15a abgegeben werden, so ergeben sich
Impulszüge V pi und V pj , wie sie in den Fig. 16c, 16f,
16i, 16l, 17c und 17g dargestellt sind.
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 Fig. 16d, 16g, 16j und 16m sind
Kurven, die die Impulszüge V′ pi zeigen, die von dem in
Fig. 15b dargestellten Impulsgenerator abgeleitet sind,
wenn die analogen Signale, wie sie in den Fig. 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.
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 MR n gleich dem des Elementes MR r wird.
Diese Kombination hat den Vorteil, daß auch dann, wenn eine
mechanische Vibration eine Abstandsänderung zwischen dem
magnetischen Widerstandselement 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 beiden 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 Fig. 11d, 11f gezeigt sind, in Impulszüge
gemäß den Fig. 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 MR n , MR r der
Fig. 14b Widerstandsänderungen besitzen, die sich in der
Phase um π 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
Fig. 11d und 11f gezeigten Signale durch den Schaltkreis
der Fig. 15a in Impulszüge der Fig. 17e und 17i umgewandelt.
In den Fig. 17g, 17h und 17i wurden Teile der
Impulswellen wegen der einfacheren Zeichnung wegen weggelassen.
Die kleinste Winkelbestimmungseinheit R sei im folgenden
in weiteren Einzelheiten beschrieben. Wenn die Widerstandsänderungen
der magnetischen Widerstandselemente so sind,
wie sie in den Fig. 10d und 10e gezeigt sind, erhält man
Impulszüge gemäß den Fig. 16c und 16d bzw. 16f bis 16g.
Deshalb bestimmt die Teilung p das ΔR, 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 Fig. 10f und 10g dargestellt sind, Impulszüge gemäß
den Fig. 16i, 16j und 16l, 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 Fig. 11d
und 11e in entsprechende Impulszüge gemäß den Fig. 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.
Ferner gilt, wenn die oben beschriebenen Techniken in Verbindung
mit den Fig. 17d und 17e gleichzeitig verwendet
werden oder, mit anderen Worten, wenn vier unabhängige
Impulszüge verwendet werden, dann für die kleinste Winkelbestimmungseinheit:
Bei diesen Anordnungen der Fig. 11f und 11g sind die betreffenden
Impulszüge in den Fig. 17g bis 17i gezeigt.
Da dort acht unabhängige Impulszüge 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 Fig. 17h und 17i
anwendet, bestehen 16 unabhängige Impulszüge innerhalb 2p.
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 h (h-1) gilt.
Fig. 18a zeigt einen herkömmlichen Schaltkreis des Phasendifferenz-
Detektors 14-3 zum Erfassen der Phasendifferenz,
die auf den angelegten analogen Signalen basiert. Zwei
analoge Signale V i und V j, 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
Δ H i, j ist. Beispielsweise verzögert sich bei der Anordnung
der Fig. 11a dann, wenn sich das Medium 12 in die negative
Richtung der x-Achse bewegt, R₂₁, R₂₅ oder R₂₉ um Δ S
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 Δ H ihre Polarität in Abhängigkeit von der
Drehrichtung des umlaufenden Teils 13.
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 V p ₂₁, V p ₂₅ oder V p ₂₉ relativ zu
den Phasen der anderen Impulszüge nach. Andererseits eilt
dann, wenn das Medium 12 sich in entgegengesetzter Richtung
bewegt, die Phase des Impulszuges V p ₂₁, V p ₂₅ oder V p ₂₉ 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 AusgangsklemmenC und D eine
logische 1 bzw. 0. 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.
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 w H sein, wobei δ H eine
Phasenabweichung aufgrund von Geräuschen ist, die von den
Verstärkern, von mechanischen kleinen Erschütterungen usw.
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.
Das umlaufende Teil 13 ist vorzugsweise aus Metall oder
Kunststoff im Hinblick auf die Bearbeitungsgenauigkeit und
die hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Erschütterungen
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.
Demgegenüber wird, wenn die Herstellungsgenauigkeit in Betracht
gezogen werden muß, Messing bevorzugt verwendet, und
aus Gründen der chemischen Widerstandsfähigkeit des umlaufenden
Teils 13 sollte rostfreier Stahl verwendet werden.
Das magnetische Medium 12 soll sicherstellen, daß die magnetische
Information auf ihm zuverlässig aufgezeichnet wird.
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.
Der Permanentmagnet 19 ist gewöhnlich aus einem Material
hergestellt, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist:
Materialien, die für das 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.
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 Siliziumoxid, Aluminiumoxid
oder Glas verwendet.
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.
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 µ. 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 20 µ
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.
Wegen geringer mechanischer Vibrationen und Störungen
elektrischer Bauelemente hat man experimentell herausgefunden,
daß das Ausgangssignal des Magnetkodierers 100 eine
Phasenabweichung δ H enthält, die der foglenden (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.11a, angeordnet
sind, so ist die Phasendifferenz der Signale von
den magnetischen Widerstandselementen:
Somit ist, da Δ H»δ H gilt, die Kodiereinheit 100 praktisch
frei von Fehlfunktionen. Wie aus den Fig. 11a
und 11d hervorgeht, sind die Widerstandsänderungn zwischen
den magnetischen Widerstandselementen 21 und 23 und diejenigen
zwischen den magnetischen Widerstandselementen 22
und 24 um den Faktor π 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 Fig. 16h und i über den Verstärker der Fig. 14b
und den Impulsgenerator der Fig. 15a. Diese Impulszüge besitzen
eine Phasendifferenz von +π/2 oder -π/2.
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.
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.
Das Winkelauflösungsvermögen 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 Winkelauflösung 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 übertrifft.
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
Widerstandselementen auf mehr als einer Trägergrundplatte
abwechselnd befestigt werden kann.
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.
Claims (14)
1. Magnetischer Umlaufkodierer, mit einem an einer
drehbaren Welle befestigbaren umlaufenden Teil
mit einem magnetischen Medium zum Erzeugen eines
magnetischen Wechselfeldes, wobei das magnetische
Medium auf einer Oberfläche des umlaufenden Teils
angeordnet und in mehrere Abschnitte der
Teilung p unterteilt ist, mit einem den umlaufenden
Teil benachbarten Magnetfelddetektor mit mindestens
einem magnetischen Widerstandselement, das eine
streifenähnliche Anordnung besitzt und dessen
elektrischer Widerstand sich unter dem Einfluß
des magnetischen Wechselfeldes ändert, und mit
einem den Rotationszustand erfassenden Detektor,
der mit dem Magnetfelddetektor verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische
Widerstandselement (20-29) des Magnetfelddetektors
(18′) eine Breite D besitzt und relativ zum
umlaufenden Teil (13) derart angeordnet ist,
daß sein Abstand zum magnetischen Medium des
nächstliegenden Bereiches gleich oder weniger
als p und zum entferntesten Bereich gleich oder
weniger als 20 p beträgt und die Breite D derart
ausgewählt ist, daß sie 20 p nicht übersteigt,
sondern gleich oder weniger als p · sec · Φ
beträgt, daß die Grenzlinien, die die
magnetischen Abschnitte voneinander trennen,
- (a) parallel zur Längsersteckung des magnetischen Widerstandselements (20-29) verlaufen,
- (b) unter einem Winkel von + oder -45° zur Längserstreckung des magnetischen Widerstandselements (20-29) verlaufen oder
- (c) innerhalb eines Winkels von ±45° zur Längserstreckung des magnetischen Widerstandselements (20-29) verlaufen
und daß der analoge Signale von Magnetfelddetektor
(18′) empfangende Rotationsdetektor (14) digitale
und/oder analoge Signale erzeugt.
2. Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das magnetische Medium (12) auf der Oberfläche
des umlaufenden Teils (13) als endloses Band
vorgesehen ist, auf dessen magnetischen Abschnitten
mit der Teilung p jeweils ein magnetisches Signal
aufgezeichnet ist, und das eine Dicke von weniger
als p besitzt.
3. Kodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelddetektor
(18′) ein hochpermeables magnetisches Element
aufweist, das auf einer oder beiden Seiten des
magnetischen Widerstandselements (20-29) angeordnet
ist.
4. Kodierer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
das magnetische Medium (12) eine Koerzitivkraft
von größer als 100 Oersted besitzt.
5. Kodierer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das magnetische Medium (12) ein
Dünnfilm aus einer Co-P- oder Co-Ni-P-Legierung
oder aus magnetischen, feinen Partikeln besteht,
die auf der Oberfläche des umlaufenden Teils
(13) gebunden sind, so daß sie eine Koerzitivkraft
von größer als 100 Oersted ergeben.
6. Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Permanentmagnete (19) aus einem Material
hergestellt sind, das aus folgender Gruppe ausgewählt
ist:
Bariumferrit; Kunstgummi mit darin dispergierten, feinen Bariumferrit-Partikeln; ein Material, das hauptsächlich aus Ni, FE, Co, Al oder einem seltenen Erdelement besteht.
Bariumferrit; Kunstgummi mit darin dispergierten, feinen Bariumferrit-Partikeln; ein Material, das hauptsächlich aus Ni, FE, Co, Al oder einem seltenen Erdelement besteht.
7. Kodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische
Widerstandselement (20-29) aus einer Metall-
Legierung hergestellt ist, die über 40%
Nickel oder 5% Kobalt enthält.
8. Kodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelddetektor
(18′) mehrere magnetische Widerstandselemente
(20-29) enthält.
9. Kodierer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetischen Widerstandselemente (20-29)
in einem einem ganzzahligen Vielfachen von p entsprechenden
Abstand regelmäßig angeordnet sind.
10. Kodierer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetischen Widerstandselemente (20-29)
in einem Abstand von K · p + Δ S angeordnet sind,
wobei k eine ganze positive Zahl oder Null und
Δ S eine positive reelle Zahl kleiner als p
ist, und daß andere magnetische Widerstandselemente
(20-29), die in einem Abstand von
k′ · p, wobei k′ = 1, 2, 3, 4, . . . ist, angeordnet
sind, zwei magnetische Widerstandselemente
bilden.
11. Kodierer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Minimum der Abstände S m zwischen den
benachbarten magnetischen Widerstandselementen
(20-29) folgender Gleichung genügt:
wobei δ H eine aus den Störungen resultierende
Phasenabweichung ist.
12. Kodierer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vielzahl von magnetischen Widerstandselementen
(20-29) auf einem Substat (18) angeordnet
ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vielzahl von magnetischen
Widerstandselementen (20-29) auf mehr als
einem Substrat (18) angeordnet ist.
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