DE2907797C2

DE2907797C2 -

Info

Publication number: DE2907797C2
Application number: DE2907797A
Authority: DE
Inventors: Susumu Ito; Morimasa Nagao; Kaoru Toki; Keizo Tokio/Tokyo Jp Morita
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1978-02-28
Filing date: 1979-02-28
Publication date: 1988-10-06
Also published as: CA1137189A; DE2907797A1; US4319188A; JPS6045804B2; GB2015745B; FR2418442B1; GB2015745A; JPS54115257A; FR2418442A1

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.

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

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′′

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, . . .

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 _p₂₁, V _p₂₅ oder V _p₂₉ 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 _p₂₁, V _p₂₅ oder V _p₂₉ 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

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.

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.