DE3302084C2 - Inductive rotary encoder - Google Patents

Abstract

Es wird ein induktiver Drehgeber beschrieben, bestehend aus einem Rotor (1) mit an seinem Umfang verteilten Wiegand-Drähten (5) und aus einem Stator (3), in welchem vier Magnetpolpaare (6 bis 9) mit alternierender Polarität nebeneinander angeordnet sind und die vorbeilaufenden Wiegand-Drähte (5) asymmetrisch erregen. Die Wiegand-Impulse werden von einer im Stator (3) zwischen den beiden inneren Magneten (6, 7) angeordneten elektrischen Wicklung (20) aufgefangen.An inductive rotary encoder is described, consisting of a rotor (1) with Wiegand wires (5) distributed around its circumference and a stator (3) in which four magnetic pole pairs (6 to 9) are arranged next to one another with alternating polarity and which Excite the passing Wiegand wires (5) asymmetrically. The Wiegand pulses are picked up by an electrical winding (20) arranged in the stator (3) between the two inner magnets (6, 7).

Description

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein induktiver Drehgeber mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein solcher Drehgeber ist aus der DE-OS 21 57 286 bekannt. Er besitzt einen Rotor, der zur Drehachse parallele Wiegand-Drähte trägt, welche mit untereinander gleichen Abständen auf einer Zylindermantelfläche angeordnet sind.The starting point of the invention is an inductive rotary encoder with the preamble of claim 1 specified features. Such a rotary encoder is known from DE-OS 21 57 286. He has a rotor which carries Wiegand wires parallel to the axis of rotation, which are spaced equally from one another on a cylindrical surface are arranged.

Wiegand-Drähte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte (z. B. aus einer Legierung von Eisen und Nickel, vorzugsweise 48% Eisen und 52% Nickel, oder aus einer Legierung von Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, oder aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise 52% Kobalt, 38% Eisen und 10% Vanadium), die infolge einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d. h., der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegand-Drähte haben typisch eine Länge von 10 bis 50 mm, vorzugsweise von 20 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse übereinstimmt, der Magnetisierungsrichtung des Wiegand-Drahtes aber entgegengesetzt ist, dann wird bei Überschreiten einer Feldstärke von ca. 16 A/cm die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegand-Drahtes umgekehrt. Diese Umkehrung wird auch als Rückstellung bezeichnet. Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren Magnetfeldes kehrt sich die Magnetisierungsrichtung des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes (welche man als Zündfeldstärke bezeichnet) erneut um, so daß der Kern und der Mantel wieder parallel magnetisiert sind. Diese Umkehrung der Magnetisierungsrichtung erfolgt sehr rasch und geht mit einer entsprechend starken Änderung des magnetischen Kraftflusses pro Zeiteinheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionswicklung, die als Sensorwicklung bezeichnet wird, einen kurzen und sehr hohen (je nach Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspule bis zu ca. 12VoIt hohen) Spannungsimpuls induzieren (Wiegand-Impuls).Wiegand wires are homogeneous, ferromagnetic wires (e.g. made of an alloy of iron and nickel, preferably 48% iron and 52% nickel, or an alloy of iron and cobalt, or from an alloy of iron with cobalt and nickel, or from an alloy of cobalt with iron and vanadium, preferably 52% cobalt, 38% iron and 10% vanadium), as a result of a special mechanical and thermal treatment a soft magnetic core and a hard magnetic core Own coat, d. that is, the clad has a higher coercive force than the core. Wiegand wires typically have a length of 10 to 50 mm, preferably 20 to 30 mm. If you bring a Wiegand wire to the the magnetization direction of the soft magnetic core with the magnetization direction of the hard magnetic core Jacket coincides, in an external magnetic field, the direction of which with the direction of the wire axis matches, but the direction of magnetization of the Wiegand wire is opposite, then at If a field strength of approx. 16 A / cm exceeds the direction of magnetization of the soft core of the Wiegand wire vice versa. This reversal is also known as resetting. When reversing direction again of the external magnetic field, the direction of magnetization of the core is reversed when a critical value is exceeded Field strength of the external magnetic field (which is called the ignition field strength) again so that the core and the jacket are magnetized in parallel again. This reversal of the direction of magnetization takes place very quickly and goes with a correspondingly strong change in the magnetic flux per unit of time hand in hand (Wiegand effect). This change in the flow of force can occur in an induction winding, which is called Sensor winding is called a short and very high one (depending on the number of turns and load resistance induction of the induction coil up to approx. 12VoIt high) voltage impulse (Wiegand impulse).

Auch beim Zurückstellen des Kerns wird in der Sensorwicklung ein Impuls erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude und mit umgekehrten Vorzeichen als im Falle des Umklappens von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung.When the core is reset, a pulse is generated in the sensor winding, albeit with a substantial amount lower amplitude and with opposite sign than in the case of the flipping of the anti-parallel in the parallel direction of magnetization.

Liegt der Wiegand-Draht in einem Magnetfeld, dessen Richtung sich von Zeit zu Zeit umkehrt und welches so stark ist, daß es zuerst den Kern und danach auch den Mantel umrnagnetisieren und jeweils bis in die magnetische Sättigung bringen kann, so treten Wiegand-Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Polarität auf und man spricht von symmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man Feldstärken von ca. (—80 bis 120 A/ cm) bis (+80 bis 120 A/cm). Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprunghaft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Sensorwicklung, jedoch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des Kerns induzierte Impuls.Is the Wiegand wire in a magnetic field, the direction of which is reversed from time to time and which is so strong that it first re-magnetizes the core and then also the cladding, and in each case down to the magnetic one Can bring saturation, then Wiegand pulses occur as a result of the reversal of the magnetization direction of the soft magnetic core alternately with positive and negative polarity and one speaks of symmetrical excitation of the Wiegand wire. Field strengths of approx. (-80 to 120 A / cm) to (+80 to 120 A / cm). The magnetic reversal of the jacket also occurs suddenly and also leads to a pulse in the sensor winding, but the pulse is much smaller than that when the Kerns induced impulse.

Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist, den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand-Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens 16 A/cm (für die Rückstellung des Wiegand-Drahtes) und in der umgekehrten Richtung eine Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm.However, if one chooses an external magnetic field that is only capable of the soft core, not but to reverse the hard jacket in its direction of magnetization, then the high Wiegand impulses occur only with constant polarity and one speaks of asymmetrical excitation of the Wiegand wire. This requires a field strength of at least 16 A / cm in one direction (for the reset of the Wiegand wire) and in the opposite direction a field strength of approx. 80 to 120 A / cm.

Charakteristisch für den Wiegand-Effekt ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.It is characteristic of the Wiegand effect that the pulses generated by it are largely independent of the rate of change in amplitude and width of the external magnetic field and have a high signal-to-noise ratio.

Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher Härte (Koerzitivkraft) besitzen und in ähnlicher Weise wie Wiegand-Drähte durch induziertes, rasch erfolgendes Umklappen des weichmagnetischen Bereichs zur Impulserzeugung verwendet werden können. So ist zum Beispiel aus der DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetischer Schaltkern in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hartmagnetischen Kern (ζ. B. aus Nickel-Kobalt), aus einer darauf abgeschiedenen elektrisch leitenden Zwischenschicht (z. B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschieden weichmagnetischen Schicht (z. B. aus Nickel-Eisen) besteht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus ei-For the invention, differently constructed bistable magnetic elements are also suitable if these two have magnetically coupled areas of different hardness (coercive force) and in Similar to Wiegand wires by the induced, rapid flipping of the soft magnetic Area can be used for pulse generation. For example, from DE-PS 25 14 131 a bistable magnetic switch core known in the form of a wire, which consists of a hard magnetic core (ζ. e.g. made of nickel-cobalt), made of an electrically conductive intermediate layer deposited on it (e.g. made of copper) and consists of a soft magnetic layer (e.g. made of nickel-iron) deposited thereon. Another Variant also uses a core made of a

b5 nem magnetisch nicht leitenden metallischen Innenleiter (z. B. aus Beryllium-Kupfer), auf den dann die hartmagnetische Schicht, darauf die Zwischenschicht und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden wer-b5 a magnetically non-conductive metallic inner conductor (e.g. from beryllium copper), on which the hard magnetic layer, then the intermediate layer and on top the soft magnetic layer is deposited

den. Dieser bekannte bistabile magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Schaltimpulse als ein Wiegand-Draht the. However, this known bistable magnetic switch core generates lower switching pulses than a Wiegand wire

Der Mantelfläche des Rotors gemäß der DE-OS 21 57 286 Hegt ein Stator gegenüber, welcher zwei annähernd in einer Ebene mit der Drehachse angeordnete Magnetpolpaare aufweist, welche durch zwei antiparallel zueinander liegende Hufeisenmagnete gebildet werden, deren Polflächen der Mantelfläche des Rotors zugewandt sind. Die Hufeisenmagnete sind so stark gewählt und so dicht am Rotor angeordnet, daß sie die während der Rotordrehung an ihnen vorüberbewegten Wiegand-Drähte symmetrisch erregen.The outer surface of the rotor according to DE-OS 21 57 286 lies opposite a stator, which is approximately two in a plane with the axis of rotation arranged magnetic pole pairs, which by two antiparallel Mutually lying horseshoe magnets are formed, the pole faces of which face the outer surface of the rotor are. The horseshoe magnets are chosen so strong and so close to the rotor that they symmetrically excite Wiegand wires moving past them while the rotor is rotating.

Durch die antiparallele Orientierung der Hufeisenmagnete, entsteht ein statisches Magnetfeld, welches in einer zwischen den Magnetpolpaaren liegenden Fläche e-nen mit einer Richtungsumkehr verknüpften Nulldurchgang der magnetischen Feldstärke aufweist; diese Fläche wird nachfolgend auch als die neutrale Zone des Magnetfeldes bezeichnet. Die Wiegand-Drähte durchqueren diese neutrale Zone und dies bewirkt ihre abrupte Ummagnetisierung, welche jedesmal mit einer kurzzeitigen Änderung des Kraftflusses verknüpft ist, welche in einer elektrischen Wicklung, nachfolgend auch als Sensorwicklung bezeichnet, einen elektrischen Spannungsimpuls, eben den Wiegand-Impuls, erzeugt, sofern der sich ändernde Kraftfluß durch die Wicklung hindurchgreift. Due to the anti-parallel orientation of the horseshoe magnets, a static magnetic field is created, which in a between the pairs of magnetic poles has a zero crossing linked with a reversal of direction the magnetic field strength has; this area is hereinafter also referred to as the neutral zone of the Magnetic field referred to. The Wiegand wires cross this neutral zone and this causes their abrupt one Magnetization reversal, which each time with a brief Change in the flow of force is linked, which in an electrical winding, hereinafter also called Sensor winding, an electrical voltage pulse, just the Wiegand pulse, is generated, provided that the changing power flow reaches through the winding.

Die symmetrische Erregung gestattet es, aus der Polarität der Wiegand-Impulse die Drehrichtung des. Rotors zu erkennen, denn diese kehrt sich bei einer Drehrichtungsumkehr ebenfalls um.The symmetrical excitation makes it possible to determine the direction of rotation of the rotor from the polarity of the Wiegand pulses to be recognized, because this is also reversed when the direction of rotation is reversed.

Um in der Sensorwicklung möglichst hohe Wiegand-Impulse zu erhalten, muß dafür Sorge getragen werden, daß die beim Ummagnetisieren der Wiegand-Drähte auftretende Kraftflußänderung sich möglichst stark in der Sensorwicklung auswirkt, d. h., im Augenblick des Ummagnetisierens sollte eine möglichst enge Kopplung zwischen dem jeweiligen Wiegand-Draht und der Sensorwicklung bestehen. Gemäß der DE-OS 21 57 286 liegt die Sensorwicklung deshalb in der neutralen Zone und ist auf einen ferromagnetischen Kern gewickelt, dessen beide Enden möglichst dicht an die Mantelfläche des Rotors und nahe an die Enden der Wiegand-Drähte herangeführt sind. Ferner ist wichtig, daß die Wiegand-Drähte stets an genau derselben Stelle vor dem Stator in ihrer Magne'isierungsrichtung umklappen. Um dies zu gewährleisten, sollten sich die Wiegand-Drähte beim Durchqueren der neutralen Zone in einem Magnetfeld mit möglichst großem Feldstärkegradienten bewegen. Dies ist auch wichtig, wenn man mit dem Drehgeber eine hohe Winkelauflösung (kleinster Zentriwinkel, den zwei Wiegand-Drähte haben dürfen, damit die von ihnen ausgehenden Wiegand-Impulse noch getrennt erkennbar sind) erreichen will. Einen steilen Feldstärkeverlauf in der neutralen Zone kann man dadurch zu erreichen versuchen, daß man die beiden mit der Rotorachse in einer Ebene liegenden Magnetpulpaare möglichst dicht zusammenrücken läßt. Einer beliebigen Annäherung der Magnetpolpaare sind im vorliegenden Fall jedoch Grenzen gesetzt, weil sie sich aufgrund ihrer antiparallelen Orientierung gegenseitig schwächen, d. h., die Stärke des Magnetfeldes, welches die Wiegand-Drähte durchqueren, nimmt ab, wenn diese Magnetpole einander angenähert werden. Es muß aber gewährleistet werden, daß die zur fortgesetzten Erregung der Wiegand-Drähte nötige Feldstärke auf jeden Fall erhalten bleibt. Im Falle der DE-OS 21 57 286 sind das wenigstens 80 A/cm für die symmetrische Erregung der Wiegand-Drähte. Um hohe und stabile (d. h. in der Amplitude möglichst gleich bleibende) Wiegand-Impulse zu erhalten, sind aber noch höhere Feldstärken anzustreben, die die Wiegand-Drähte nach jeder Umkehr der Magnetisierungsrichtung wieder hoch sättigen.In order to obtain the highest possible Wiegand impulses in the sensor winding, care must be taken: that the change in flux of force occurring when the Wiegand wires are remagnetized is as strong as possible in affects the sensor winding, d. That is, at the moment of magnetization reversal, a coupling should be as close as possible exist between the respective Wiegand wire and the sensor winding. According to DE-OS 21 57 286 the sensor winding is therefore in the neutral zone and is wound on a ferromagnetic core, its two ends as close as possible to the surface of the rotor and close to the ends of the Wiegand wires are introduced. It is also important that the Wiegand wires are always in exactly the same place in front of the stator fold down in their direction of magnetization. To ensure this, the Wiegand wires should be at the Move through the neutral zone in a magnetic field with the greatest possible field strength gradient. This is also important if the rotary encoder has a high angular resolution (smallest central angle, den may have two Wiegand wires so that the Wiegand impulses emanating from them can still be recognized separately are) wants to achieve. A steep field strength curve in the neutral zone can thereby be achieved try to achieve that the two magnetic coil pairs lying in one plane with the rotor axis are as possible close together. An arbitrary approximation of the magnetic pole pairs are in the present However, limits are set because they weaken each other due to their antiparallel orientation, i. H., the strength of the magnetic field which the Wiegand wires traverse decreases when these magnetic poles be brought closer to each other. But it must be guaranteed that the continued excitation of the Wiegand wires required field strength is retained in any case. In the case of DE-OS 21 57 286 that is at least 80 A / cm for the symmetrical excitation of the Wiegand wires. To be high and stable (i.e. in amplitude As constant as possible Wiegand impulses are to be obtained, but even higher field strengths are to be aimed for, which saturate the Wiegand wires again after each reversal of the direction of magnetization.

Bei dem aus der DE-OS 21 57 286 bekannten Drehgeber sind daher neben den beiden antiparallel orientierten Magnetpolpaaren in einigem Abstand von diesen (jeweils etwa 120° Winkelabstand bezogen auf dis Rotorachse) noch zwei weitere, ebenfalls stationäre Magnete vorgesehen, welche antiparallel zueinander, aber i. w. parallel zu den ihnen benachbarten, der Sensorwicklung zugeordneten Magnetpolpaaren orientiert sind, und welche allein dazu dienen, die Wiegand-Drähte vor und nach ihrem Umklappen der Magnetisierungsrichtung in einen Zustand hoher magnetischer Sättigung zu bringen, was mit den eng benachbarten inneren, der Sensorwicklung zugeordneten Magnetpolpaaren wegen deren gegenseitiger Beeinflussung nicht möglich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Drehgeber der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß unter Beibehaltung der Abhängigkeit der Polarität der Wiegand-Impulse vom Drehsinn des Rotors zur Erzielung hoher und stabiler Impulse sowie einer verbesserten Winkelauflösung die inneren Magnetpolpaare einander weiter angenähert werden können. In the case of the rotary encoder known from DE-OS 21 57 286, therefore, in addition to the two, they are oriented anti-parallel Magnetic pole pairs at some distance from them (each about 120 ° angular distance based on the rotor axis) two more, also stationary magnets are provided, which are antiparallel to each other, but i. w. oriented parallel to the magnet pole pairs adjacent to them and assigned to the sensor winding and which serve solely to move the Wiegand wires into a state of high magnetic saturation before and after they have reversed the direction of magnetization to bring what with the closely adjacent inner, the sensor winding associated magnetic pole pairs because of whose mutual influence is not possible. The invention is based on the object of an inductive To improve encoders of the type mentioned in such a way that while maintaining the dependency the polarity of the Wiegand pulses from the direction of rotation of the rotor to achieve high and stable pulses as well an improved angular resolution, the inner magnetic pole pairs can be brought closer to one another.

Dies wird erreicht durch einen Drehgeber mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. This is achieved by a rotary encoder with the features listed in claim 1. Advantageous further training of the invention are the subject of the subclaims.

Gemäß der Erfindung kann man die beiden inneren Magnetpolpaare des Stators so eng benachbart anordnen, daß infolge ihrer gegenseitigen Beeinflussung das von ihnen erzeugte Magnetfeld zwar nicht mehr ausreicht, die Magnetisierungsrichtung der Wiegand-Drähte vollständig, d. h. sowohl in der harten Schale pls auch im weichen Kern, umzukehren, wohl aber noch ausreicht, um einen Wiegand-Draht magnetisch zurückzustellen, d. h., die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns von der parallelen in die antiparallele Orientierung bezogen auf den hartmagnetischen Mantel des Wiegand-Drahtes umzukehren. Dazu benötigt man nur etwa ein Fünftel der für das gleichzeitige Ummagnetisieren des hartmagnetischen Mantels erforderlichen Feldstärke, und daraus wird anschaulich deutlich, wieviel näher als bei dem aus der DE-OS 21 57 286 bekannten Drehgeber die inneren Magnetpolpaare zueinander angeordnet werden können. Die auch bei asymmetrischer Erregung nach dem Auftreten eines Wiegand-Impulses nötige erneute Sättigung des jeweiligen Wiegand-Drahtes bewirken die beiden den inneren Magnetpolpaaren benachbarten weiteren zwei Magnetpolpaare, welche nachfolgend auch als äußere Magnetpolpaare bezeichnet werden. Die äußeren Magnetpolpaare sind i. w. antiparallel zueinander sowie zu dem jeweils benachbarten inneren Magnetpolpaar orientiert.According to the invention, the two inner magnetic pole pairs of the stator can be arranged so closely together that that as a result of their mutual influence the magnetic field generated by them is no longer sufficient, the direction of magnetization of the Wiegand wires completely, d. H. both in the hard shell pls too in the soft core, to turn around, but still enough to magnetically reset a Wiegand wire, d. That is, the direction of magnetization of the soft magnetic core from the parallel to the anti-parallel To reverse the orientation based on the magnetically hard sheath of the Wiegand wire. Needed for this you only need about a fifth of the required for the simultaneous remagnetization of the hard magnetic jacket Field strength, and this clearly shows how much closer than that known from DE-OS 21 57 286 Rotary encoder, the inner magnetic pole pairs can be arranged to one another. The same with asymmetrical Excitation after the occurrence of a Wiegand impulse required renewed saturation of the respective Wiegand wire causes the two other pairs of magnetic poles adjacent to the inner magnetic pole pairs, which are also referred to below as outer magnetic pole pairs. The outer magnetic pole pairs are i. w. oriented antiparallel to one another and to the respectively adjacent inner magnetic pole pair.

Die Vorteile der Erfindung gegenüber einem Drehge-The advantages of the invention over a rotary

ber gemäß der DE-OS 21 57 286liegen darin, daß durch das enge Zusammenrücken der inneren Magnetpolpaare die Stelle, an welcher die Wiegand-Drähte umklappen und den charakteristischen Wiegand-Impuls erzeugen, sehr genau und eng begrenzt festgelegt ist: dasAbout according to DE-OS 21 57 286 are that through the close moving closer together of the inner magnetic pole pairs the point at which the Wiegand wires fold over and generate the characteristic Wiegand impulse, is very precisely and narrowly defined: that

b5 ermöglicht einerseits eine hohe Winkelauflösung des Drehgebers, andererseits kann die Sensorwicklung an diese Stelle sehr eng angekoppelt werden, entweder dadurch, daß man sie selbst unmittelbar daneben anordnet,b5 enables, on the one hand, a high angular resolution of the Encoder, on the other hand the sensor winding can be coupled very closely to this point, either by that one arranges them directly next to it,

und/oder dadurch, daß man die Wicklung auf einem ferromagnetischen Kern anordnet, dessen Enden man bis unmittelbar vor die Stelle im Bereich der neutralen Zone heranführt, wo die vorüberlaufenden Wiegandürähte den Wiegand-Impuls erzeugen. Hierdurch werden hohe und stabile Wiegand-Impulse erreicht, die obendrein schon allein wegen der Wahl der asymmetrischen Erregung wesentlich höher ausfallen als im Falle der DE-OS 21 57 286. Es ist das Verdienst der Erfinder, erkannt zu haben, daß alle diese Vorteile sich erreichen lassen, wenn man — ausgehend von einem aus der DE- -OS 21 57 286 bekannten Drehgeber - lediglich die Polarität der beiden dortigen äußeren, der Sättigung dienenden Magnete umkehrt. Diese nur bei einer Betrachtung ex post vordergründig simple Umkehr ändert jedoch das Funktionsprinzip des Drehgebers grundlegend und in außerordentlich vorteilhafter Weise.and / or in that the winding is arranged on a ferromagnetic core, the ends of which are right up to the point in the area of the neutral zone where the Wiegandu seams pass by generate the Wiegand impulse. This achieves high and stable Wiegand impulses that on top of that, simply because of the choice of asymmetrical excitation, turn out to be significantly higher than in the case DE-OS 21 57 286. It is to the merit of the inventors to have recognized that all these advantages can be achieved let, if - based on a rotary encoder known from DE-OS 21 57 286 - only the polarity of the two outer magnets there serving for saturation. These only when viewed ex post ostensibly simple reversal, however, fundamentally changes the functional principle of the rotary encoder and in an extremely advantageous manner.

Vorzugsweise sollten die beiden äußeren, der Sättigung der Wiegand-Drähte dienenden Magnetpolpaare möglichst dicht an die beiden inneren Magnetpolpaare herangedrückt werden. »Möglichst dicht« ist dabei so zu verstehen, daß der Abstand der äußeren Magnetpolpaare von den inneren Magnetpolpaaren noch so groß und ihre gegenseitige Schwächung noch so gering ist, daß die Feldstärke der von den beiden äußeren Magneten erzeugten Magnetfelder noch so groß ist, daß es die an ihnen vorüberwandernden Wiegand-Drähte noch hoch sättigen kann, wozu die Wiegand-Drähte einer Feldstärke von rund 120 A/cm oder mehr ausgesetzt werden sollten. Es hat sich gezeigt, daß die vier Magnetpolpaare zusammengenommen dichter beieinander liegen können als dies bei einem Drehgeber gemäß der DE-OS 21 57 286 möglich wäre. Letzteres führt zu einem weiteren Vorteil der Erfindung:The two outer pairs of magnetic poles, which are used to saturate the Wiegand wires, should preferably be used be pressed as close as possible to the two inner magnetic pole pairs. "As close as possible" is so closed understand that the distance between the outer magnetic pole pairs and the inner magnetic pole pairs is still so great and their mutual weakening is so slight that the field strength of the two outer magnets The generated magnetic fields are still so great that the Wiegand wires passing by them are still high saturation, for which purpose the Wiegand wires are exposed to a field strength of around 120 A / cm or more should. It has been shown that the four magnetic pole pairs taken together can be closer to one another than would be possible with a rotary encoder according to DE-OS 21 57 286. The latter leads to another Advantage of the invention:

Nach einer Drehrichtungsumkehr des Rotors können jene Wiegand-Drähte, die vor der Drehrichtungsumkehr die neutrale Zone unter Erzeugung eines Wiegand-Impulses passiert haben, von den äußeren Magnetpolpaaren aber noch nicht wieder in den Sättigungszustand gebracht wurden, beim erneuten Durchqueren der neutralen Zone keinen Wiegand-impuls erzeugen, d. h„ der Rotor besitzt bei Drehrichtungsumkehr einen gewissen toten Winkel, der vom Abstand der äußeren Magnetpolpaare von der neutralen Zone zwischen den inneren Magnetpolpaaren abhängt, und dieser tote Winkel kann beim erfindungsgemäßen Drehgeber wegen des kompakteren Stators kleiner sein als bei einem vergleichbaren Drehgeber gemäß der DE-OS 21 57 286.After a reversal of the direction of rotation of the rotor, those Wiegand wires that were made before the reversal of the direction of rotation have passed the neutral zone generating a Wiegand pulse from the outer magnetic pole pairs but have not yet been brought back to saturation when traversing the neutral again Zone do not generate a Wiegand pulse, d. h "the When the direction of rotation is reversed, the rotor has a certain dead angle that corresponds to the distance between the outer pairs of magnetic poles depends on the neutral zone between the inner magnetic pole pairs, and this dead angle can be smaller in the rotary encoder according to the invention because of the more compact stator than in a comparable Rotary encoder according to DE-OS 21 57 286.

Vorzugsweise wird für den erfindungsgemäßen Drehgeber eine Zylindergeometrie gewählt (Anspruch 2). d. h~ die Wiegand-Drähte sollen parallel zueinander auf einer Zylinderfläche mit der Rotorachse als Zylinderachse, z. B. in Nuten auf einer zylindrischen Umfangsfläche des Rotors angeordnet sein und die Magnetpole sollen jeweils wenigstens annähernd in einer Ebene mit der Rotorachse und möglichst dicht vor dieser Zylinderflache liegen. Aber auch in anderen Geometrien kann die Erfindung verwirklicht werden. So kann man die Wiegand-Drähte statt auf einer Zylindermanteifläche auf einer Kegelmantelfläche parallel zu den Mantellinien anordnen und paßt die Anordnung der Magnetpolpaare so daran an, daß die in Drehrichtung nebeneinander liegenden Magnetpolpaare zu der ihnen jeweils nächstliegenden Mantellinie der Kegelmantelfläche parallel oder annähernd parallel orientiert sind. Durch fortschreitende Vergrößerung des halben Öffnungswinkels des Kegelmantels bis auf 90° gelangt man zu einer entsprechenden Scheibengeometrie für den Rotor, bei der die Wiegand-Drähte ebenso wie die ihnen gegenüberliegenden Magnetpolpaare radial orientiert sind. Da bei einer Abkehr von der Zylindergeometrie der Aufbau der Magnetfelder und deren gegenseitige Beeinflussung und ihre gemeinsame Beeinflussung der Wiegand-Drähte zunehmend unübersichtlicher werden, wird man von der Zylindergeometrie in der Praxis nur in Ausnahmefällen abweichen.Preferably for the rotary encoder according to the invention selected a cylinder geometry (claim 2). d. h ~ the Wiegand wires are supposed to be parallel to each other a cylinder surface with the rotor axis as the cylinder axis, e.g. B. in grooves on a cylindrical peripheral surface of the rotor and the magnetic poles should each be at least approximately in one plane with the rotor axis and as close as possible to this cylinder surface. But also in other geometries the invention can be carried out. So you can use the Wiegand wires instead of on a cylindrical surface Arrange on a conical surface parallel to the surface lines and match the arrangement of the magnetic pole pairs in such a way that the pairs of magnetic poles lying next to one another in the direction of rotation correspond to each of them closest surface line of the conical surface are oriented parallel or approximately parallel. By progressive enlargement of half the opening angle of the cone jacket up to 90 ° leads to a corresponding disk geometry for the rotor, in which the Wiegand wires as well as the opposite ones Magnetic pole pairs are oriented radially. Since if the cylinder geometry is abandoned, the Structure of the magnetic fields and their mutual influence and their mutual influence on the Wiegand wires are becoming increasingly confusing, the cylinder geometry can only be seen in practice in Deviate in exceptional cases.

Als Magnete verwendet man vorteilhaft Stabmagnete, deren Länge nicht größer sein sollte als die der Wiegand-Drähte und welche dem jeweils nächstliegenden Wiegand-Draht parallel oder annähernd parallel liegen sollten.As magnets, it is advantageous to use bar magnets, the length of which should not be greater than that of the Wiegand wires and which are parallel or approximately parallel to the closest Wiegand wire should.

Die Verwendung von mehr als vier Magnetpolpaaren beim erfindungsgemäßen Drehgeber unter Beibehaltung der asymmetrischen Erregung der Wiegand-Drähte ist möglich, wenngleich jedenfalls dann nicht vorteilhaft, wenn dadurch der tote Winkel des Rotors vergrößert wird.The use of more than four pairs of magnetic poles in the rotary encoder according to the invention while maintaining the same the asymmetrical excitation of the Wiegand wires is possible, although in any case not advantageous, if this increases the rotor's blind spot.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.An embodiment of the invention is shown schematically in the accompanying drawings.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt 1-1 gemäß Fig. 3 durch einen Drehgeber,Fig. 1 shows the cross section 1-1 according to FIG. 3 through a rotary encoder,

F i g. 2 zeigt den prinzipiellen Verlauf der magnetischen Feldstärke, dem ein jeder Wiegand-Draht bei einer Rotorumdrehung ausgesetzt ist, undF i g. 2 shows the basic course of the magnetic Field strength to which each Wiegand wire is exposed during one revolution of the rotor, and

Fig.3 zeigt den entlang der Linie 11I-1II in Fig. 1 gelegten Schnitt durch den Drehgeber.FIG. 3 shows the section through the rotary encoder laid along the line 11I-1II in FIG. 1.

Der Drehgeber besteht aus einem Rotor 1 mit zylindrischer Mantelfläche 2, welcher ein Stator 3 in geringem radialem Abstand gegenüberliegt. Der Rotor 1 besteht aus Aluminium oder einem anderen nicht magnetischen Material und ist um die Zylinderachse 4 drehbar. In die Mantelfläche 2 des Rotors 1 sind zur Achse 4 parallele, äquidistante Nuten eingearbeitet, in denen dicht unter der Mantelfläche 2 je ein Wiegand-Draht 5 liegt, der z. B. in Kunstharz eingebettet und dadurch fixiert ist.The rotary encoder consists of a rotor 1 with a cylindrical Jacket surface 2, which is opposite a stator 3 at a small radial distance. The rotor 1 consists made of aluminum or another non-magnetic material and is rotatable about the cylinder axis 4. Equidistant grooves parallel to the axis 4 are machined into the lateral surface 2 of the rotor 1, in which just below the outer surface 2 each a Wiegand wire 5 is, the z. B. embedded in synthetic resin and thereby is fixed.

Die dem Rotor 1 zugewandte Oberfläche des Stators 3 ist Teil einer Zylindermantelfläche mit der Achse 4 als Zylinderachse. Das muß so nicht sein, wichtig ist, daß der Stator 3 möglichst nahe der Mantelfläche 2 des Rotors liegt, damit die magnetische Beeinflussung der Wiegand-Drähte durch die im Stator 3 untergebrachten Magnete 6, 7, 8 und 9 so intensiv wie möglich ist. Aus dieser Forderung ergibt sich, daß bei kleinen Rotoren die Gestalt des Stators der Krümmung des Rotors eher entsprechen muß als bei großen Rotoren, zumal die Abmessungen des Stators in Umfangsrichtung φ des Rotors unter dem Gesichtspunkt, die Magnete 6 bis 9 möglichst dicht beisammen anzuordnen, überwiegend unabhängig vom Rotordurchmesser ist.The surface of the stator 3 facing the rotor 1 is part of a cylinder jacket surface with the axis 4 as the cylinder axis. It does not have to be that way, it is important that the stator 3 is as close as possible to the outer surface 2 of the rotor so that the magnetic influence of the Wiegand wires by the magnets 6, 7, 8 and 9 housed in the stator 3 is as intense as possible. From this requirement it follows that with small rotors the shape of the stator must correspond to the curvature of the rotor more than with large rotors, especially since the dimensions of the stator in the circumferential direction φ of the rotor from the point of view of arranging the magnets 6 to 9 as close together as possible, is predominantly independent of the rotor diameter.

Die vier Magnete 6 bis 9 sind Hochleistungs-Stabmagnete, z. B. aus Kobalt-Samarium, welche parallel zur Achse 4 verlaufen. Sie sind im Stator 1 in ein den Durchgriff des magnetischen Kraftflusses erlaubendes Material, z. B. in ein Kunstharz, eingebettet und liegen dicht unter der Oberfläche 10 des Stators, welche dem Rotor 1 zugekehrt ist. Zwischen den beiden inneren Magneten 6 und 7 ist auf einem ferromagnetischen Kern 19, dessen Enden dem Rotor 1 zugewandt sind, eine elektrische Wicklung 20, welche typisch einige Tausend Windungen besitzt, vorzugsweise parallel zu den Magneten 6 und 7 angeordnet.The four magnets 6 to 9 are high-performance bar magnets, e.g. B. from cobalt samarium, which runs parallel to Axis 4 run. They are in the stator 1 in a material that allows the magnetic flux to penetrate, z. B. embedded in a synthetic resin and lie just below the surface 10 of the stator, which is the rotor 1 is facing. Between the two inner magnets 6 and 7 is on a ferromagnetic core 19, whose Ends facing the rotor 1, an electrical winding 20, which typically has a few thousand turns possesses, preferably arranged parallel to the magnets 6 and 7.

Die vier Magnete 6 bis 9 sind ungefähr gleich stark, aber mit alternierender Polarität nebeneinander angeordnet Ein Wiegand-Draht 5, welcher sich bei Drehung des Rotors in Richtung des Pfeils 11 dem ersten äußerenThe four magnets 6 to 9 are approximately equally strong, but arranged next to one another with alternating polarity A Wiegand wire 5, which when the rotor rotates in the direction of arrow 11 to the first outer

Magnet 8 nähert, durchquert dessen Magnetfeld, welches so stark ist, daß es den harten Mantel und den weichen Kern in übereinstimmender Orientierung auszurichten und magnetisch zu sättigen vermag (bei 12 in F i g. 2). Anschließend nähert sich der Wiegand-Draht 5 dem ersten inneren Magneten 6, welcher antiparallel zum Magneten 8 orientiert ist. Daraus folgt, daß sich an der Stelle 13 die Richtung des Magnetfeldes umkehrt. Dem positiven Spitzenwert 12 der Feldstärke folgt ein negativer Spitzenwert 14, dessen Absolutwert wegen der Schwächung durch die benachbarten Magnete 8 und 7 geringer ist als der positive Spitzenwert 12, aber noch sicher ausreicht, um die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns des Wiegand-Drahtes 5 umzukehren, d.h., den Wiegand-Draht magnetisch zu- is rückzustellen (wozu man eine Feldstärke von 20 bis 30 A/cm wählt).Magnet 8 approaches, crosses its magnetic field, which is so strong that it the hard shell and the Align the soft core in the same orientation and magnetically saturate it (at 12 in F i g. 2). Then the Wiegand wire 5 approaches the first inner magnet 6, which is anti-parallel to the magnet 8 is oriented. It follows that at point 13 the direction of the magnetic field is reversed. The positive peak value 12 of the field strength is followed by a negative peak value 14, because of its absolute value the attenuation by the neighboring magnets 8 and 7 is less than the positive peak value 12, but is still sufficient to determine the direction of magnetization of the soft magnetic core of the Wiegand wire 5 reverse, i.e. magnetically closing the Wiegand wire reset (for which a field strength of 20 to 30 A / cm is chosen).

Da der zweite innere Magnet 7 antiparallel zum ersten inneren Magnet 6 orientiert ist, durchquert der Wiegand-Draht 5 bei Weiterdrehung des Rotors 1 erneut eine neutrale Zone (räumlicher Nulldurchgang der Feldstärke bei der Stelle 15) und kurz nach dem Nulldurchgang, nämlich bei einer Feldstärke von ca. 8 A/cm, »zündet« der Wiegand-Draht 5, d. h., der weichmagnetische Kern klappt wieder um und orientiert sich parallel zur hartmagnetischen Schale. Die damit verbundene kurzzeitige Änderung des magnetischen Kraftflusses induziert in der Wicklung 20, welche auch als Sensorwicklung bezeichnet wird, einen elektrischen Spannungsimpuls — eben den Wiegand-Impuls — welcher mittels einer Impulsverarbeitungsschaltung registriert oder sonstwie weiterverarbeitet werden kann. Nahe dem zweiten inneren Magneten 7 durchquert der Wiegand-Draht 5 erneut einen positiven Feldstärke-Spitzenwert, dessen Wert mit dem Absolutwert des vorhergehenden negativen Spitzenwertes 14 ungefähr übereinstimmt. Der positive Spitzenwert 16 reicht nicht aus, um den Wiegand-Draht 5 hoch in die magnetische Sättigung zu bringen, wie es der erste äußere Magnet 8 tut; dafür ist aber der Feldstärkeverlauf beidseits des Nulldurchgangs 15 sehr steil, so daß der Ort, an welchem die Wiegand-Drähte 5 zünden, äußerst wenig variiert.Since the second inner magnet 7 is oriented antiparallel to the first inner magnet 6, the Wiegand wire 5 again enters a neutral zone as the rotor 1 continues to rotate (spatial zero crossing of the Field strength at point 15) and shortly after the zero crossing, namely at a field strength of approx. 8 A / cm, The Wiegand wire 5 "ignites"; That is, the soft magnetic core folds over again and orientates itself parallel to the hard magnetic shell. The associated short-term change in the magnetic flux is induced in the winding 20, which is also referred to as the sensor winding, an electrical voltage pulse - just the Wiegand pulse - which registered or using a pulse processing circuit otherwise can be further processed. The Wiegand wire crosses near the second inner magnet 7 5 again a positive field strength peak value, the value of which corresponds to the absolute value of the previous one negative peak value 14 approximately coincides. The positive peak value 16 is insufficient for the Bring Wiegand wire 5 high into magnetic saturation as the first outer magnet 8 does; for it is but the field strength curve on both sides of the zero crossing 15 is very steep, so that the place where the Ignite Wiegand wires 5, varied very little.

Da der zweite äußere Magnet 9 antiparallel zum zweiten inneren Magnet 7 orientiert ist, durchquert der Wiegand-Draht 5 vom Magnet 7 kommend einen weiteren Nulldurchgang 17 der Feldstärke und danach einen negativen Spitzenwert 18 der Feldstärke, dessen Absolutwert mit dem Spitzenwert 12 ungefähr übereinstimmt und sowohl den Kern als auch die Schale des Wiegand-Drahtes 5 magnetisch umklappen läßt, ehe nach der Vollendung einer Rotonimdrehung im Magnetfeld des Magneten 8 beide, die Schale und der Kern des Wiegand-Drahtes 5, erneut umklappen. Diese beiden letztgenannten totalen Umorientierungen des Wiegand-Drahtes werden nicht zur Signalgabe ausgenutzt. Sie könnten aber ebenfalls in Wicklungen, welche nahe den äußeren Magneten 8 und 9 angeordnet würden, Wiegand-Impulse induzieren, wenn auch schwächere und weniger stabile als in der zentralen Wicklung 20.Since the second outer magnet 9 is oriented antiparallel to the second inner magnet 7, the traverses Wiegand wire 5 coming from magnet 7 another zero crossing 17 of the field strength and then one negative peak value 18 of the field strength, the absolute value of which roughly coincides with the peak value 12 and both the core and the shell of the Wiegand wire 5 can be folded down magnetically before after the completion of a rotation in the magnetic field of the magnet 8, fold both the shell and the core of the Wiegand wire 5 over again. These two The latter total reorientation of the Wiegand wire is not used for signaling. But you could also in windings, which would be arranged near the outer magnets 8 and 9, Induce Wiegand pulses, albeit weaker and less stable than in the central winding 20.

Bei einer Umkehr der Drehrichtung laufen die beschriebenen Vorgänge andersherum ab und die in der Wicklung 20 entstehenden Spannungsimpulse haben entsprechend eine umgekehrte Polarität und die Steile, an welcher der jeweilige Wiegand-Draht 5 zündet, liegt i. w. im selben geringen Abstand links (im Sinne der Fig.2) vom Nulldurchgang 15 wie bei der zuerst beschriebenen Drehrichtung rechts von diesem Nulldurchgang 15.If the direction of rotation is reversed, the processes described run the other way around and those in the The voltage pulses produced by winding 20 have a corresponding reverse polarity and the steepness at which the respective Wiegand wire 5 ignites, i. w. in the same small distance to the left (in the sense of the Fig. 2) from zero crossing 15 as in the case of the first described Direction of rotation to the right of this zero crossing 15.

Der bei einer Drehrichtungsumkehr sich bemerkbar machende tote Winkel des Drehgebers, in welchem keine Wiegand-Impulse empfangen werden, ist höchstens gleich dem Drehwinkel Δφ zwischen dem mittleren Nulldurchgang 15 und einem der äußeren Magnete 8 und 9. Tatsächlich ist der tote Winkel geringer, da ein Wiegand-Draht, der soeben gezündet hatte, schon vor Erreichen des Spitzenwerts 18 (bei Drehrichtung gemäß Pfeil 11) bzw. des Spitzenwerts 12 bei umgekehrter Drehrichtung durch den Magneten 9 bzw. 8 so weit gesättigt wird, daß er nach einer Umkehr der Drehrichtung einen verwertbaren Wiegand-Impuls liefern kann.The dead angle of the rotary encoder, which becomes noticeable when the direction of rotation is reversed and in which no Wiegand pulses are received, is at most equal to the angle of rotation Δφ between the mean zero crossing 15 and one of the outer magnets 8 and 9 Wiegand wire, which had just ignited, is saturated by the magnet 9 or 8 before reaching the peak value 18 (with the direction of rotation according to arrow 11) or the peak value 12 with the opposite direction of rotation that it becomes one after a reversal of the direction of rotation usable Wiegand impulse.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Induktiver Drehgeber, bestehend aus einem Rotor, welcher eine Folge von Wiegand-Drähten od. dgl. bistabilen Elementen trägt, welche mit Abstand nebeneinander und in einer Ebene mit der Drehachse liegend auf einer Rotationsfläche, deren Achse die Drehachse des Rotors ist, angeordnet sind, und aus einem dieser Rotationsfläche benachbarten Stator mit einer elektrischen Wicklung und mit vier jeweils wenigstens annähernd in einer Ebene mit der Drehachse des Rotors liegenden, in Drehrichtung mit Abstand nebeneinander angeordneten Magnetpolpaaren, deren statisches Magnetfeld die sich bei Drehung des Rotors an ihnen vorüberbewegenden Wiegand-Drähten in deren Längsrichtung durchsetzt und von denen zwei eng benachbarte Magnetpolpaare antiparallel orientiert und zwischen den beiden anderen Magnetpolpaaren liegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden anderen Magnetpolpaare (8, 9) ihrerseits jeweils zu den ihnen benachbarten inneren Magnetpolpaaren (6,7) antiparallel orientiert sind.1. Inductive rotary encoder, consisting of a rotor, which consists of a series of Wiegand wires od. The like. bistable elements, which with distance side by side and lying in a plane with the axis of rotation on a surface of revolution whose Axis is the axis of rotation of the rotor, are arranged, and from one of these surfaces of rotation adjacent Stator with an electrical winding and with four each at least approximately in one plane with the The axis of rotation of the rotor is located in the direction of rotation and spaced apart from each other in pairs of magnetic poles, whose static magnetic field moves past them when the rotor rotates Wiegand wires penetrated in their longitudinal direction and of which two closely adjacent pairs of magnetic poles Oriented antiparallel and arranged lying between the other two magnetic pole pairs are, characterized in that the other two magnetic pole pairs (8, 9) in turn each are oriented antiparallel to the inner magnetic pole pairs (6,7) adjacent to them. 2. Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsfläche (2) eine Zylindermantelfläche ist.2. Rotary encoder according to claim 1, characterized in that that the surface of revolution (2) is a cylinder jacket surface. 3. Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpolpaare (6 bis 9) durch die Enden von Stabmagneten gebildet werden, welche parallel oder annähernd parallel zu den geraden, ihnen benachbarten Wiegand-Drähten (5) verlaufen.3. Rotary encoder according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic pole pairs (6 to 9) are formed by the ends of bar magnets, which are parallel or approximately parallel to the straight Wiegand wires (5) adjacent to them run.