DE3874748T2

DE3874748T2 - Magnetische winkelkodieranordnung.

Info

Publication number: DE3874748T2
Application number: DE8888311601T
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Campbell; Ralph Carmen
Original assignee: Superior Electric Co
Current assignee: Warner Electric Technology LLC
Priority date: 1988-12-07
Filing date: 1988-12-07
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2008-12-08
Also published as: EP0372136B1; EP0372136A1; ATE80724T1; DE3874748D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Positionskodierer-System zum Messen und Kodieren der Position eines sich bewegenden Elementes und betrifft insbesondere ein drehbares magnetisches Kodierersystem mit einem Magnetsensor und einem Kodierer-Rad, wobei der Magnetsensor Magnetoresistenz-Elemente (MR) aufweist, die angeordnet sind, um mehrere Teile von magnetischer Information zu messen, die auf dem Kodierer-Rad aufgezeichnet sind, wobei das Rad eines von einer Anzahl von unterschiedlichen Durchmessern haben kann, wobei jedes Durchmesserrad eine unterschiedliche Anzahl von Teilen von magnetischer Information enthalten kann, die darauf in einem zugeordneten unterschiedlichen Abstand aufgezeichnet ist.
Es ist im Stand der Technik wohl bekannt, daß, wenn ein MR- Element, das aus einem MR-Material gemacht ist, z. B. Permalloy, in einem Magnetfeld angeordnet ist und dem Element Strom zugeführt wird, der Widerstandswert des MR-Elementes von der Intensität des Magnetfeldes abhängig sich ändert. Wenn somit ein solches MR-Element als Magnetkopf verwendet wird, um magnetische Information zu messen, die auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist, kann die aufgezeichnete magnetische Information verläßlich gemessen werden, auch wenn die relative Geschwindigkeit zwischen dem magnetischen Aufzeichnungsmedium und dem MR-Element null ist, d. h., auch in einem angehaltenen Zustand des magnetischen Aufzeichnungsmediums.
Es ist ferner im Stand der Technik bekannt, das Prinzip der Magnetoresistenz d. h. der Widerstandsänderung aufgrund der Anwesenheit eines Magnetfeldes zu nutzen, um die Geschwindigkeit einschließlich der Drehrichtung oder Winkelposition der Drehung eines Drehkörpers zu messen, der die magnetische Information trägt und sich in der Nähe des MR-Elementes bewegt. Eine Wandlervorrichtung, die das Prinzip der Erfassung des Widerstandswertes eines MR-Elementes in Gegenwart eines Magnetfeldes nutzt, um die relative Verschiebung eines eine magnetische Information tragenden Mediums zu erfassen, ist beispielsweise in dem US-Patent 4,039,936 offenbart, das am 02. August 1977 A.L. Jones, et al. erteilt wurde, dem US-Patent 4,403,187, das am 06. September 1983 Takahashi, et al. erteilt wurde, dem US-Patent 4,628,259, das am 09. Dezember 1986 Takahashi, et al. erteilt wurde sowie dem US-Patent 4,639,807, das am 27. Januar 1987 Sekizawa, et al. erteilt wurde.
Es ist ferner bekannt im Stand der Technik, serielle Stücke bzw. Teile von magnetischer Information auf einer Umfangsspur aufzuzeichnen, die auf der Oberfläche eines trommelartigen drehbaren magnetischen Aufzeichnungsmediums vorgesehen ist, wobei die MR-Elemente des Sensors so angeordnet sind, daß sie sich quer zur Umfangsrichtung der Bewegung des magnetischen Aufzeichnungsmediums erstrecken, wenn der Sensor in enge Nähe und gegenüber der magnetischen Information gebracht wird, die auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist. Die seriellen Teile der magnetischen Information sind generell aufgezeichnet als Nord- (N) und Süd- (S) Pole auf der Umfangsseite-Fläche des Aufzeichnungsmediums, wobei der Abstand zwischen den Polen, der auch als Wellenlänge (Lamda) bezeichnet wird, relativ klein ist, um eine hohe Aufzeichnungsdichte zu erzielen und demgemäß die aufgezeichnete Information mit einer höheren Auflösung während der Bewegung des Aufzeichnungsmediums auszulesen. Da nur eine finite Anzahl von Polen auf einem Aufzeichnungsmedium, z. B. einem Kodierer-Rad aufgzeichnet werden kann, kann eine vorbestimmte und im allgemeinen begrenzte Anzahl von Impulsen erzeugt werden. Es ist gefunden worden, daß die Auflösung durch Verwendung eines Sensors mit einer Vielzahl von MR-Elementen, die in einer relativen phasenverschobenen Beziehung angeordnet sind, verbessert werden kann. Dies bedeutet, daß die MR-Elemente um einen bestimmten Abstand und in Übereinstimmung mit dem Abstand der auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichneten magnetischen Information voneinander beabstandet sind. Wenn der Abstand zwischen jedem Teil der aufgezeichneten Information auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium kleiner gemacht wird, um die Anzahl der Teile der Information und dementsprechend die Anzahl der Ausgangsimpulse zu erhöhen, um die Auflösung der Sensorempfindlichkeit zu verbessern, muß auch der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden MR-Elementen kleiner gemacht werden, um den kleineren Abstand zwischen jedem Teil der aufgezeichneten Information unterzubringen. Daher ist eine Anzahl von unterschiedlichen Sensoren erforderlich, wobei jeder Sensor eine unterschiedliche MR-Element-Beabstandung hat, um einen spezifischen entsprechenden Abstand der aufgezeichneten Information auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium unterzubringen, z. B. einem Kodierer-Rad. Demzufolge ist es notwendig, ein großes Lager von Kodierer-Rädern mit unterschiedlichem Durchmesser vorrätig zu halten, von denen jeder Durchmesser eine unterschiedliche Anzahl von Teilen von aufgezeichneter magnetischer Information und einen entsprechenden unterschiedlichen Sensor für jedes der unterschiedlichen Kodierer-Räder hat. Dementsprechend wäre es wünschenswert, in der Lage zu sein, einen einzelnen Sensor zu verwenden, um eine Anzahl von Kodierer-Rädern unterschiedlichen Durchmessers zu messen, von denen jeder eine unterschiedliche Anzahl von Teilen von magnetischer Information enthält, die auf einer Anzahl von vorbestimmten Abständen voneinander aufgezeichnet sind, wodurch die inkrementelle Bewegung des Kodierer-Rades mit einem hohen Grad an Genauigkeit erfaßt werden kann.
Zusätzlich zum Messen der inkrementellen Bewegung eines Kodierer-Rades ist es oft wünschenswert, in der Lage zu sein, die absolute Verschiebung eines sich bewegenden Elementes zu bestimmen, beispielsweise die Anzahl der Umdrehungen einer Welle eines Elektromotors oder einer anderen Vorrichtung, mit der das Kodierer-Rad gekoppelt ist. Dementsprechend ist es ebenfalls wünschenswert, denselben Magnetoresistenz-Sensor zu verwenden, um magnetische Information zu messen, die auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist, z. B. auf einer Indexspur eines Kodierer-Rades, wobei die magnetische Information längs einer Indexspur auf der Umfangsseitenfläche des Rades aufgezeichnet ist. Ein einzelner magnetischer Sensor zum Messen von magnetischer inkrementeller und Index-Information, die auf Kodierer-Rädern mit unterschiedlichem Durchmesser aufgezeichnet ist, ist in unserer gleichzeitig anhängigen EP-A-0 372 134 offenbart, die gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde.
In der GB-A-2 163 852 ist eine Meßvorrichtung offenbart, die ein Magnetoresistenz-Element aufweist, das gegenüber einer Magnetskala angeordnet ist und geeignet ist, eine relative Bewegung zwischen der Skala und dem Sensor unter Bezugnahme auf eine Änderung des Widerstandswertes der Magnetoresistenz-Elemente zu messen. Es sind zwei unterschiedliche Gruppen von Magnetoresistenz-Elementen vorgesehen, jeweils mit unterschiedlichen Abständen, wobei die Vorrichtung nur zwei Magnetmuster einstellen bzw. unterbringen kann. Die Magnetoresistenz-Elemente der zwei Abschnitte sind nicht untereinander verbunden sondern arbeiten getrennt und unabhängig voneinander.
In der US-A-4,418,372 ist ein magnetischer Drehkodierer zur Verwendung in Kombination mit einem Drehkörper offenbart. Ein Sensor mit festgelegtem Wellenlängen-Abstand der Magnetoresistenz-Elemente bringt magnetische Information unter, die auf einem Aufzeichnungsmedium in einem gegebenen Wellenlängenabstand aufgezeichnet ist.
In der EP-A-0 190 639 ist ein Kurbelwinkelsensor mit Magnetoresistenz-Elementen in einem festgelegten Wellenlängenabstand offenbart, wobei die auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnete magnetische Information nur die des Wellenlängenabstands der zwei Elemente des Sensors sein kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung daher, ein magnetisches drehbares Kodierersystem bereitzustellen, das einen einzelnen MR-Sensor mit einem MR-Elementfeld verwendet, das mit einer Anzahl von Kodierer-Rädern unterschiedlichen Durchmessers verwendet werden kann, von denen jedes Durchmesserrad eine unterschiedliche Anzahl von Teilen von magnetischer Information haben kann, die in entsprechenden unterschiedlichen Abständen voneinander und längs einer inkrementellen Spur auf der Umfangsfläche des Rades aufgezeichnet ist, und/oder ein drehbares magnetisches Kodierersystem bereitzustellen, bei dem der einzelne MR-Sensor ein zusätzliches Feld mit MR-Elementen aufweist, die angeordnet sind, um magnetische Information zu messen, die auf einer Indexspur auf der Umfangsfläche des gemessenen Kodierer-Rades aufgezeichnet ist, und/oder ein drehbares magnetisches Kodierersystem bereitzustellen, das durch Schmutz oder andere Kontaminierungen unbeeinflußt ist und das temperaturstabil und im wesentlichen frei von Schaden durch Schlag oder Vibration ist, und/oder ein drehbares magnetisches Kodierersystem, das generelle Verbesserungen liefert.
Erfindungsgemäß wird ein drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein drehbares magnetisches Kodierersystem zum Kodieren der Position eines Rotationselementes offenbart, wobei ein Kodierer-Rad einen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Durchmessern haben kann, wobei jedes Durchmesserrad einen aus einer unterschiedlichen Anzahl von vorbestimmten Teilen von magnetischer Information haben kann, die längs einer umfänglich laufenden Spur auf der Umfangsseitenfläche des Rades aufgezeichnet ist, von der die inkrementelle und richtungsmäßige Bewegung des Rades bestimmt wird. Ein Magnetoresistenz-Verschiebungssensor (MR) wird benachbart gegenüberliegend und in enger Nachbarschaft zu der Umfangsseitenfläche des Rades positioniert. Der MR-Sensor weist ein MR-Elementfeld zum Messen der magnetischen Information auf, die auf dem Rad aufgezeichnet ist. Das Elementfeld ist gekoppelt mit einer Verbindungseinrichtung, die vorgesehen ist zum selektiven Verbinden vorbestimmter Elemente in verschachtelter Anordnung, um einen vorbestimmten MR-Elementabstand entsprechend dem Abstand der magnetischen Information zu liefern, die auf einem zugeordneten Kodierer-Rad aufgezeichnet ist, mit dem es arbeitet. Die selektiv verbundenen MR-Elemente bilden eine Brückenschaltung, die mit einem Paar von Vergleicherschaltungen verbunden ist, die Ausgangsspannungs-Signale in Reaktion auf eine Änderung des Widerstandes eines MR-Elementes erzeugen, wenn das Element sich in Gegenwart eines Magnetfelds befindet, das durch die aufgezeichnete inkrementelle magnetische Information erzeugt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen liefern ferner ein Kodierer-Rad mit einer zweiten umfänglich laufenden Spur auf der Umfangsseitenfläche des Rades, wobei magnetische Information, die die Indexposition des Rades angibt, in einem vorbestimmten Abstand aufgezeichnet ist. Der MR-Sensor weist ein zweites MR-Elementfeld auf, um die indexierte magnetische Information zu messen, wobei die Elemente gekoppelt sind mit einer Schaltungseinrichtung, um eine Ausgangsspannung in Reaktion auf eine Änderung des Widerstands zu erzeugen, wenn die MR- Elemente in dem Indexfeld sich in Gegenwart eines Magnetfeldes befinden, das durch die aufgezeichnete indexierte magnetische Information erzeugt ist.
In den beigefügten Zeichnungen:
Figur 1 ist eine ein wenig schematische Ansicht des drehbaren magnetischen Kodierersystems, das die vorliegende Erindung verkörpert und ein Kodierer-Rad zeigt, das magnetische Information aufweist, die auf inkrementellen bzw. Index-Spuren aufgezeichnet ist, sowie einen MR-Verschiebungssensor und zugeordnete elektrische Schaltungen zum Messen der Bewegung und zum Kodieren der Position des Rades.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines MR-Verschiebungssensors mit inkrementellen und indexierten MR-Elementfeldern zum Messen von magnetischer Information, die auf einem Kodierer-Rad aufgezeichnet ist und die bei dem drehbaren magnetischen Kodierersystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Figur 3 ist ein Schaltdiagramm, das die MR-Elemente des Sensors zeigt, die selektiv in verschachtelter Form verbunden sein können, um eine zugeordnete Brückenschaltung entsprechend der Wellenlänge Lamda der magnetischen Information zu bilden, die auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist, und durch den Sensors zu messen ist.
Figur 4 zeigt schematisch die MR-Elemente, die mit dem inkrementellen Feld der MR-Elemente verbunden sind und das Indexfeld der MR-Elemente zusammen mit einer schematischen Darstellung eines magnetischen Aufzeichnungsmediums, das in Verbindung damit verwendet wird.
Figur 5 erläutert eine Auswahlkarte, die die Beziehung zwischen einer Anzahl von vorbestimmten Kodierer-Rad-Durchmessern und gewünschten Pol-Impulsen definiert, und eine entsprechende MR-Element-Verbindungsanordnung, die auf dem Sensor stattfindet, um die magnetische Information zu messen und zu erfassen, die auf dem Kodierer-Rad aufgezeichnet ist.
Figur 6 ist eine schematische Darstellung des MR-Verschiebungssensors und der Signal- und Aufbereitungsschaltung der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung und insbesondere auf Figur 1 ist das drehbare magnetische Kodierersystem, das die vorliegende Erfindung verkörpert, schematisch gezeigt, wobei ein Magnetoresistenz-Verschiebungssensor 10 in enger Nachbarschaft zu einem drehbaren Kodierer-Rad 12 angeordnet ist, das magnetische Information hat, die darauf aufgezeichnet ist, wobei die Information durch den Sensor 10 zu messen ist. Das Kodierer-Rad 12 dreht sich um eine Achse 14 in einer allgemein durch den Pfeil 16 angezeigten Richtung. Die magnetische Information ist auf der Umfangsseitenfläche 18 des Rades 12 auf einer oder mehreren umfänglich laufender Spuren aufgezeichnet, die mit 20, 22 in Figur 1 angezeigt sind. Das Kodierer-Rad 12 kann aus einem geeignetem magnetischen Material gemacht sein, das ein formbares magnetisches Plastikmaterial, z. B. Telsan aufweist, das ein Markenzeichen der Sawafuji America Corp. ist. Beispielsweise weist in Figur 1 eine Spur 20 eine magnetische Information auf, die in der Form von Nord- und Süd-Magnetpolen in einem Abstand oder einer Wellenlänge, die mit Lamda&sub1; bezeichnet ist, aufgezeichnet ist. Die magnetische Information wird gemessen und allgemein verwendet, um die inkrementelle Bewegung des Kodierer-Rades 12 zu erfassen. Die Wellenlänge der direkt aufgezeichneten magnetischen Information wird so gewählt wie in Verbindung mit Figur 5 diskutiert, um eine gewünschte Anzahl von Impulsen oder Pol-Zählimpulsen pro Umdrehung für ein Kodiererrad herzustellen, das einen gegebenen Durchmesser hat, um eine gewünschte Auflösung gemäß einer spezifischen Anwendung zu liefern. Die auf dem Kodierer-Rad 12 aufgezeichnete magnetische Information 12 wird durch das MR- Elementmusterfeld gemessen, das in den gepunkteten Linien eingeschlossen ist, welche in 24 gezeigt sind, wobei das MR- Elementmuster auf der Oberfläche des Sensors 10 eng benachbart der Umfangsseitenfläche 18 des Kodierer-Rades 12 erscheint.
In einigen Anwendungen ist es wünschenwert, die absolute Position zu bestimmen, d. h., die Anzahl der Umdrehungen des Koderier-Rades 12 von einer Startposition und dementsprechend einer Welle oder eines anderen Drehelementes, mit dem das Koderier-Rad 12 verbunden ist. Die Anzahl der Umdrehungen des Kodierer-Rades 12 kann bestimmt werden durch Messen von magnetischer Information, die auf der Umfangsseitenfläche 18 längs einer Indexspur 22 aufgezeichnet ist, wobei die magnetische Information in einem Abstand oder einer Wellenlänge Lamda&sub2; aufgezeichnet ist. Die magnetische Indexinformation wird durch ein MR-Elementmusterfeld gemessen, das generell in den gepunkteten Linien 26 angezeigt ist. Wiederum erscheint das MR-Indexelementmusterfeld an der Oberfläche des Sensors 10 in nächster Nähe zu der Oberfläche 18 des Kodierer-Rades 12.
Der Sensor 10 ist elektrisch gekoppelt durch eine elektrische Schaltung, die allgemein mit 28 bezeichnet ist, mit einer Signalmeß- und -Aufbereitungsschaltung, die allgemein in dem Funktionsblock von 30 gezeigt ist. Die elektrische Leitung 28 kann von einem bekannten Typ sein, z. B. ein flaches Band, ein flexibler vielpoliger Leiter oder eine elastomere (Zebrastreifen) Verbindung. Die Leitung 28 erleichtert die elektrische Verbindung mit den Ausgangsanschlüssen des Sensors 10, der relativ miniaturisiert ist und dadurch eine geeignete Befestigungsanordnung ermöglicht, wobei der Sensor in einger Nachbarschaft zu der Umfangsseitenfläche 18 des Kodierer-Rades 12 positioniert ist.
Es ist ferner möglich, magnetische Information auf der radialen Fläche 15 des Kodierer-Rades 12 aufzuzeichnen, und einen Magnetoresistenz-Sensor in enger Nachbarschaft dazu anzuordnen. Die Anordnung kann in einigen Fällen nicht bevorzugt sein, da der Abstand zwischen der radialen Fläche bzw. Oberfläche des Rades und dem Sensor nicht stabil zu sein braucht aufgrund der Querbewegung des Rades hin zu und weg von dem Sensor, wenn die mit dem Kodierer-Rad verbundene Welle sich in Querrichtung bewegt. Eine Querbewegung des Kodierer-Rades weg von dem Sensor verringert im allgemeinen die Empfindlichkeit des MR-Sensors und beeinträchtigt die Amplitude eines Ausgangs-Erfassungssignals, das von einem MR-Element abgeleitet ist. Typischerweise zeigt ein MR-Element nur eine zweiprozentige bis dreiprozentige Änderung des Widerstandes, wenn es unter den Einfluß eines Magnetfeldes gebracht wird. Dementsprechend könnte das Ansteigen oder Variieren des Abstand zwischen der magnetischen Information und dem Sensors im wesentlichen die erfaßte Signalamplitude vermindern oder beeinträchtigen. Im allgemeinen verhindert die in Figur 1 erläuterte Anordnung das Problem des quergerichteten Herauslaufens. In Abwesenheit des quergerichteten Herauslaufens arbeitet das System der vorliegenden Erfindung gleichermaßen gut mit magnetischer Information, die auf der radialen Fläche 15 aufgezeichnet ist. Da zusätzlich das Kodierer-Rad mit einem hohen Grad an Genauigkeit hergestellt werden kann, sind Veränderungen des Abstands zwischen der Umfangsseite und der radialen Fläche des Kodierer-Rades und dem Sensor bei Drehung des Kodierer-Rades im wesentlichen ausgeschaltet aufgrund der Kodierer-Rad-Toleranzen. Demzufolge wird im wesentlichen dasselbe Amplitudenausgangs-Erfassungssignal an allen Positionen des Kodierer-Rades 12 bezüglich des Sensors 10 während der Drehung des Rades um die Achse 14 erzeugt.
Unter Bezugnahme auf Figur 2 ist der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendete Sensor 10 schematisch gezeigt, wobei eine MR-Elementanordnung erläutert ist, um magnetische Information zu messen, die auf einer inkrementellen Informationsspur und Index-Informationsspur eines Kodierer-Rades aufgezeichnet ist, das in Verbindung mit dem Sensor verwendet wird. Die MR-Elementanordnung erlaubt es, den Sensor mit einer Anzahl von Kodierer-Rädern unterschiedlichen Durchmessers zu verwenden, wobei jedes Rad den unterschiedlichen Durchmesser einer unterschiedlichen Anzahl von Teilen von magnetischer Information enthalten kann, die jeweils in unterschiedlichen Abständen oder Wellenlängen aufgezeichnet ist.
Zusammenfassend weist der Sensor 10 ein erstes Magnetoresistenz-Elementmusterfeld auf, das allgemein mit 32 bezeichnet ist, zur Erfassung von magnetischer Information, die auf einer zugeordneten inkrementellen Informationsspur aufgezeichnet ist, und ein zweites MR-Elementmusterfeld, das allgemein mit 34 bezeichnet ist, zur Erfassung von magnetischer Information, die auf einer zugeordneten Index-Informationsspur eines zugeordneten Kodierer-Rades aufgezeichnet ist.
Die MR-Elemente im Muster 32 sind mit R1, R2, R3, R4, R5 bzw. R6 bezeichnet und sind angeordnet, um die Widerstandselemente einer Vielzahl von differentiellen Brückenschaltungen zu bilden, wobei die Widerstandselemente in einer vorbestimmten Weise gemäß der Wellenlänge und dem Durchmesser eines zugeordneten Kodierer-Rades, das mit dem Sensor verwendet wird, verbunden sind. Jedes der MR-Elemente R1-R6 erstreckt sich in der Längsrichtung und hat sein eines Ende mit einem jeweiligen Ausgangsanschluß 38, 40 , 42, 44, 46 bzw. 48 verbunden. Die jeweiligen Ende der MR-Elemente R1, R2 und R3 gegenüber den Ausgangsanschlußenden sind zusammengeschaltet und erstrecken sich auf einem kleinen Abstand quer zu der Längsrichtung der MR-Elemente R1-R3 und um die äußerste Seite des MR-Elementes R1 herum zu einer Position benachbart dem Ausgangsanschluß 38, der mit dem MR-Element R1 verbunden ist, und bilden einen ersten Stromversorgungs- Verbindungsanschluß 50. Die jeweiligen Enden der MR-Elemente R4, R5 und R6 gegenüber ihren Ausgangsanschlußenden sind gemeinsam verbunden und erstrecken sich zu einer Position benachbart dem Ausgangsanschluß 48 und bilden einen zweiten Stromversorgungs-Verbindungsanschluß 54. Die Breiten der Anschlüsse 38 bis 48, 50 und 54 sind im wesentlichen breiter als die Breite der MR-Elemente R1-R8, um den Einfluß anderer aufgezeichneter magnetischer Information auf das Kodierer- Rad zu minimieren, um dadurch im wesentlichen die Möglichkeit zu verringern, fehlerhafte oder verschlechterte gemessene Signale zu induzieren.
Das zweite MR-Elementmuster 34 weist MR-Elemente R7 und R8 auf, wobei ein Ende des MR-Elementes R7 mit Anschluß 50 verbunden ist und ein Ende des MR-Elementes R8 mit Anschluß 54 verbunden ist und die jeweiligen gegenüberliegenden Enden der MR-Elemente R7 und R8 zusammengeschaltet sind und sich zu einer Position neben den Anschlüssen 38-48, 50 und 54 erstrecken, um einen Indexausgangs-Verbindungsanschluß 60 zu bilden. Die Breite des Anschlusses 60 ist im wesentlichen breiter als die Breite der MR-Elemente R1-R8, um jeden möglichen Einfluß von anderer aufgezeichneter magnetischer Information auf dem Kodierer-Rad zu minimieren, die fehlerhafte oder verschlechterte gemessene Signale verursachen könnte. Zu weiteren Einzelheiten des Magnetoresistenz-Sensors wird bezuggenommen auf die gleichzeitig anhängige EP-A 0 372 134.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 ist der Sensor der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt, wobei die Magnetoresistenz-Elemente R1-R8, welche jeweils die inkrementellen und Indexgruppen der MR-Elemente aufweisen, in Beziehung zu einem zugeordneten Aufzeichnungsmedium gezeigt sind, auf dem magnetische Aufzeichnung auf einer inkrementellen Spur 62 und einer Indexspur 64 aufgezeichnet ist. Figur 3 erläutert schematisch die Magnetoresistenz-Elemente R1-R6 des Sensors, die selektiv in einer vorbestimmten verschachtelten Art verbunden sein können, um eine Anzahl von zugeordneten differentiellen Brückenschaltungen zu bilden, die jeweils einer gegebenen Wellenlänge Lamda der magnetischen Information entsprechen, die auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist. Die schematische Darstellung der MR-Elemente R1-R8 und der jeweiligen externen Stromversorgungs-Verbindungsanschlüsse 50 und 54 und des Indexanschlusses 60 entsprechen dem Aufbau des Sensors, wie er in Verbindung mit Figur 2 oben beschrieben wurde.
Wie in Figur 4 erläutert ist der Abstand zwischen den MR- Elementen vorbestimmt und in Beziehung zu dem Abstand der magnetischen Information auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium. In Figur 4 ist der Abstand zwischen den MR-Elementen R1 und R2 gleich einem Abstand D1, der Abstand zwischen den MR-Elementen R2 und R3 gleich einem Abstand D2, der Abstand zwischen den MR-Elementen R4 und R5 gleich einem Abstand D4, und der Abstand zwischen den MR-Elementen R5 und R6 gleich einem Abstand D5. Der Abstand zwischen den zwei Gruppen, die die MR-Elemente R1 bis R3 und MR-Elemente R4 bis R6 aufweisen, ist gleich dem Abstand D3, der auch der Abstand zwischen den MR-Elementen R3 und R4 ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand D1 gleich dem Abstand D5. Der Abstand zwischen den MR-Elementen, wie sie durch D2, D3 und D4 dargestellt sind, ist ferner einander gleich.
Wie man aus der in Figur 3 gezeigten MR-Elementanordnung ersehen kann, kann eine entsprechenden differentielle Brückenkonfiguration für jedes einer Anzahl von magnetischen Informationen mit unterschiedlichen Wellenlängen gebildet werden. Beispielsweise könnte in Figur 4 die aufgezeichnete magnetische Information, die durch die Wellenlänge Lamda&sub1; dargestellt ist, erfaßt werden durch eine Brückenkonfiguration, in der die MR-Elemente R2 und R4 über Anschlüsse 40 und 44 in einer verschachtelten Art verbunden sind, um einen Brükkenausgangs-Anschluß zu bilden, und die MR-Elemente R3 und R5 über Anschlüsse 42 und 46 in verschachtelter Weise verbunden sind, um einen zweiten Brückenausgangs-Anschluß zu bilden. Dementsprechend ist der Abstand zwischen den MR-Elementen jeder der zwei unterschiedlichen Gruppen d. h. zwischen den MR-Elementen eines Paars von Elementen der Gruppenpaare R2 und R4 und Gruppenpaare R3 und R5 in einem Abstand, der gleich ist Lamda&sub1; /2 gemäß wohlbekannten Meßverfahren. Ferner sind die Abstände zwischen den jeweiligen MR- Elementen in der jeweiligen Gruppe, die mit dem Messen der magnetischen Information verbunden ist, mit einer Wellenlänge Lamda&sub1; getrennt voneinander durch einen Abstand gleich Lamda&sub1;/4, wobei der Abstand zwischen Gruppen Lamda&sub1;/4 ist, d. h. der Abstand zwischen den Paaren R1 und R4 sowie R3 und R5.
Wie oben beschrieben, kann der in dem drehbaren Kodierersystem verwendete Sensor so aufgebaut sein, daß er magnetische Information mißt, die in unterschiedlichen Wellenlängen aufgezeichnet ist. Beispielsweise, wie in Figur 4 erläutert, würde eine Wellenlänge gleich Lamda&sub2; gemessen durch die Gruppe von Elementen, die das MR-Element R1 aufweist, verbunden in einer verschachtelten Art mit dem MR-Element R5 über Anschlüsse 38 bzw. 46, um einen Brückenausgangs-Anschluß zu bilden, wobei der Abstand zwischen den MR-Elementen des Paars R1 und R5 ein ungradzahliges Vielfaches von Lamda&sub2;/2 d. h. n Lamda&sub2;/2, wobei n = 1,3,5 ... m.
Zusätzlich ist die Gruppe von Elementen, die die MR-Elemente R2 und R6 aufweist, in verschachtelter Weise mit dem MR-Element R2 verbunden, das über Anschlüsse 40 und 48 mit R6 verbunden ist, um einen zweiten Brückenausgangs-Anschluß zu bilden, wobei der Abstand zwischen den MR-Elementen des Paars R2 und R6 ein ungradzahliges Vielfaches von Lamda&sub2;/2 d. h. n Lamda&sub2;/2, wobei n = 1,3,5 ...m.
Wie ferner in Figur 4 erläutert ist die Wellenlänge der magnetischen Information, die die Indexinformation darstellt, die auf der Indexspur 54 aufgezeichnet ist, als Lamda&sub3; gezeigt und diese Information wird durch die MR-Elemente R7 und R8 gemessen, um ein Ausgangs-Indexsignal bei Anschluß 60 zu liefern, wie untenstehend erläutert ist.
Der Anmelder hat gefunden, daß die Mehrzahl der Benutzer eine typische Anzahl von Impulsen pro Umdrehung m eines Kodierer-Rades wünschen, beispielsweise 100, 128, 200, 256, 360, 500 und 512. Zusätzlich können die Zählimpulse pro Umdrehung erhöht werden durch Bereitstellen von Ausgangssignalen in Quadratur, wodurch die Richtungsinformation geliefert wird und Übergangsreferenzpunkte bei einer Frequenz geliefert werden, die gleich dem Vierfachen des Zählimpulses sind, d. h. für die obigen Zahlen von 400 bis 2.048 Referenzübergänge. Der Anmelder hat in der o. g. gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung einen Magnetoresistenz-Sensor offenbart, wobei der Mittelpunkt-zu-Mittelpunkt Abstand zwischen MR-Elementen R1 und R2 bzw. R5 und R6 120 Mikron beträgt und der Abstand zwischen MR-Elemente R2 und R3, R3 und R4, sowie R5 und R6 188 Mikron beträgt, wie in den Figuren 4 und 6 erläutert. Der Anmelder hat, wie in Figur 5 erläutert, die erforderlichen MR-Elementverbindungen entwickelt, um die differentiellen Brückenschaltungen zu bilden, um magnetische Information zu erfassen und zu messen, die auf Kodierer-Rädern mit drei unterschiedlichen Durchmessern aufgezeichnet sind, um eine gewünschte Anzahl von Impulsen pro Umdrehung herzustellen, wobei die Zahl, die beim Schnitt des Zählimpulses mit dem Raddurchmesser enthalten ist, den Viertel- Wellenlängenabstand in Mikron angibt. Beispielsweise hat ein Kodierer-Rad mit einem Durchmesser von 40,5 mm einen Umfang, der gleich 127,234 Mikron ist und durch Teilen durch die Anzahl von Pole, in diesem Fall 100, ist die Wellenlänge Lamda = 1,272 Mikron (1 Mikron = 1*10&submin;&sub3;mm) und eine Viertelwellenlänge = 318 Mikron. Durch Berechnen in ähnlicher Weise von jedem der Durchmesser des Kodierer-Rades d 40,5mm, 29mm und 24mm für die angegebenen Pol-Zählimpulse = m wird die Viertelwellenlänge in Mikron für jede der möglichen Kombinationen bestimmt. Obwohl Figur 5 den Abstand für Kodierer-Räder mit drei unterschiedlichen Durchmessern erläutert, ist zu erkennen, daß unterschiedliche Polzählimpulse und Kodierer- Räder mit unterschiedlichen Durchmessern von den gezeigten mit dem System der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Aus Figur 5 kann entnommen werden, daß der Durchmesser des Kodierer-Rades zur Herstellung einer Polzählung = 100 unter Verwendung des o. g. MR-Sensors 24 mm beträgt. Wie gezeigt ist die Viertelwellenlänge = 188 Mikron und unter Bezugnahme auf Figur 6 ist der Sensor 10 für die "A"-Verbindung aufgebaut durch Verbinden der Anschlüsse 41 bis 45 bzw. Anschlüsse 42 bis 47 mit der Schaltungseinrichtung 30. Dies verbindet wirksam das MR-Element R2 mit dem MR-Element R4 und das MR-Element R3 mit dem MR-Element R5. Wie oben angegeben ist der Abstand zwischen Elementen eines Sensorpaars ein ungradzahliges Vielfaches von Lamda/2 und in der vorliegenden Erläuterung = 396 Mikron, was die Summe der Abstände zwischen Elementen R2 und R3 sowie R3 und R4 ist. In gleicher Weise ist der Abstand zwischen den Elementen R3 und R4 sowie R4 und R5 gleich 396 Mikron. Der Abstand zwischen Paaren von Sensoren ist gleich einer Viertelwellenlänge und beträgt in diesem Fall 188 Mikron.
In ähnlicher Weise kann man aus der Karte von Figur 5 entnehmen, daß für einen 200 Pol-Zählimpuls ein Kodierer-Rad- Durchmesser von 29 mm eine Wellenlänge erfordert, die mit dem MR-Sensor 10 unter Verwendung der "B"-Verwendung erfaßt und gemessen werden kann. In diesem Fall erfordert die "B"- Verbindung, daß Anschluß 39 mit Anschluß 47 verbunden wird, wobei im wesentlichen das MR-Element R1 mit dem MR-Element R5 verbunden wird, und Anschluß 41 mit Anschluß 49 verbunden wird, wobei im wesentlichen das MR-Element R2 mit dem MR- Element R6 verbunden wird. Der Abstand zwischen den Elementen eines Paars kann beabstandet sein, wie oben angegeben in einem ungradzahligen Vielfachen von Lamda/2, das in der vorliegenden Erläuterung = 648 Mikron ist. Es ist zu sehen, daß der Abstand zwischen dem MR-Element R1 und dem MR-Element R5 gleich ist der Summe der Abstände zwischen dem Element R1 und R2 und R2 und R3 und R3 und R4 und R4 und R5 oder = 648 Mikron. Zusätzlich ist der Abstand zwischen den Elementenpaaren, d. h. zwischen MR-Element R1 und MR-Element R2 eine Viertelwellenlänge und in dem vorliegenden Fall 114 Mikron, was man erhalten kann durch Verwenden des Abstands von 120 Mikron zwischen den Elementen R1 und R2. Obwohl der Abstand nicht identisch mit dem einer Viertelwellenlänge zusammenfällt, ist der Fehler kleiner als 5%, was innerhalb einer akzeptierten Industrietoleranz liegt, wobei optische Systeme verwendet werden, die einen Fehler bis zu 30% haben.
Es kann aus Figuren 5 und 6 gesehen werden, daß ein gewünschter Pol-Zählimpuls erhalten werden kann durch Wählen des geeigneten Kodierer-Rad-Durchmessers und der Verbindungsanordnung für den Sensor 10.
Die Signalmeß- und -Aufbereitung 30 beinhaltet Vergleicher 72 und 74 zum Herstellen eines Ausgangsspannungs-Signals bei ihren Ausgangsanschlüssen 76 bzw. 78 zu jeder Zeit, wenn ein magnetischer Pol durch einen entsprechenden MR-Elementsensor gemessen wird. In Figur 6 ist ein Eingang 80 des Vergleichers 72 mit einem Spannungsteilernetzwerk gekoppelt, das die Widerstände 82, den variablen Widerstand 84 und den Widerstand 86 aufweist, um eine Bezugsspannung an ihrem Eingang zu liefern. Gleicherweise ist ein Eingang 88 des Vergleichers 74 mit einem Spannungsteilernetzwerk verbunden, das den Widerstand 82, den veränderlichen Widerstand 90 und den Widerstand 86 aufweist, um eine Spannungsreferenz an ihrem Eingang 88 herzustellen. Der andere Eingang 92 des Vergleichers 72 ist verbunden mit einem Anschluß 68, der mit Anschluß 41 und dementsprechend mit dem Sensor 10 gekoppelt ist. In gleicher Weise ist ein Eingang 94 des Vergleichers 72 mit einem Anschluß 70 gekoppelt, der mit dem Anschluß 47 verbunden ist und dementsprechend mit dem Sensor 10. Der Betrieb der Vergleicher ist im Stand der Technik vorbekannt und es reicht für die vorliegende Offenbarung, daß, wenn ein magnetischer Pol getragen durch ein Kodierer-Rad von einem entsprechenden MR-Element erfaßt wird, der Widerstand des MR-Elementes abnimmt, was den entsprechenden Vergleicher veranlaßt, den Zustand seines Ausgangssignals zu ändern. Wenn der magnetische Pol sich von dem entsprechenden MR-Element wegbewegt, steigt sein Widerstand, wodurch die Spannung an dem Eingang zu den Vergleichern über die eingestellte Referenzspannung steigt, was den Ausgang veranlaßt, seinen Zustand wiederum zu ändern. Es ist zu sehen, daß die Ausgänge der Vergleicher 72 und 74 außer Phase sich ändern, was folglich ein Quadratur-Signal liefert, das gezählt werden kann, um die inkrementelle Bewegung des Kodierer-Rades zu bestimmen. Da ferner die Ausgangssignale außer Phase sind, ist es möglich, die Richtung der Bewegung des Kodierer-Rades zu bestimmen, wobei diese Bestimmung den Fachleuten wohl bekannt ist.
Die Signalmeß- und -Aufbereitungsschaltung 30 weist ferner einen Vergleicher 96 auf zum Erzeugen eines Spannungssignals an seinem Ausgang 98, das die Messung der magnetischen Indexinformation angibt, die auf der Spur 64 getragen ist, die auf der Oberfläche 18 des Kodierer-Rades getragen ist. Ein Eingang 100 des Vergleichers 96 ist mit einer Spannungsteilerschaltung verbunden, welche die Widerstände 102, den variablen Widerstand 104 und den Widerstand 106 aufweist, um eine Referenzspannung an dem Eingang 100 zu errichten. Der andere Eingang 108 des Vergleichers 96 ist mit dem Anschluß 66 verbunden, der mit dem Anschluß 51 verbunden ist und dementsprechend mit dem Indexausgangs-Verbindunganschluß 50 des Sensors 10. Wenn beide magnetischen Pole, die die Indexinformation darstellen, mit den MR-Elementen R7 und R8 zusammenfallen, existiert ein Zustand von kleinem Widerstand und die an den Eingang 100 angelegte Referenzspannung wird auf eine Hälfte der positiven Spannungsgröße eingestellt. Wenn sich das Kodierer-Rad von dieser Position bewegt, steigt die Spannung an dem Vergleichereingang 108, was den Vergleicher veranlaßt, einen Ausgangsimpuls zu erzeugen, der die Indexmarke angibt, die als 1 pro Drehungssignal verwendet wird.
Ein drehbares magnetisches Kodierersystem ist vorstehend beschrieben worden, wobei ein einzelner Magnetoresistenz-Sensor mit einer Anzahl von Kodierer-Rädern unterschiedlichen Durchmessers verwendet wird, wobei jedes Rad eine unterschiedliche Anzahl von Teilen von magnetischer Information aufweist, die auf der Umfangsfläche des Kodierer-Rades aufgezeichnet sind. Es ist zu sehen, daß zahlreiche Veränderungen und Modifikationen durch Fachleute auf diesem Gebiet vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Drehbares magnetisches Kodierersystem zum Kodieren der Position eines sich drehenden Elementes, wobei das System ein Kodierer-Rad (12) mit einer Zahl von unterschiedlichen Durchmessern d und wenigstens einer ersten umfänglich laufenden Spur (20) aufweist, wobei mehrere Teile von magnetischer Information, die das inkrementelle Positionieren des Kodierer-Rades (12) angeben, in vorbestimmten beabstandeten Intervallen längs der ersten Spur (20) aufgezeichnet sind, um eine gewünschte Polzählung einer Anzahl von vorbestimmten möglichen Polzählungen herzustellen; einen Magnetoresistenz-Verschiebungssensor (10), der benachbart gegenüber und in enger Nachbarschaft zu der in Umfangsrichtung laufenden Spur (20) des Kodierer-Rades (12) angeordnet ist, wobei der Sensor mit einem Feld von Magnetoresistenz-Elementen (R1-R6) auf einem nichtmagnetischen Substrat (36) angeordnet ist und der Spur zugewandt ist, um die magnetische Information zu messen, die auf der Spur aufgezeichnet ist, wobei jedes der Elemente in dem Feld Einrichtungen (38, 40, 42, 44, 46, 48) aufweist, die sich auf dem Substrat zu einem zugeordneten Ausgangsanschluß erstrecken, zur selektiven Verbindung mit einer elektrischen Leitung (28), wobei die Leitung eine elektrische Verbindungseinrichtung zwischen dem Sensor und einer Schaltungseinrichtung liefert, die das System aufweist; einer Einrichtung (A, A, B, B) zum slektiven Verbinden der Magnetoresistenz-Elemente (R1-R6) des Sensors in einer verschachtelten Anordnung, um einen entsprechenden vorbestimmten Elementabstand gemäß einem einer Anzahl von vorbestimmten Verbindungsanordnungen zu liefern, von denen jede einem Kodierer-Rad mit einem gegebenen Durchmesser und einer Polzählung entspricht, wobei die selektiv verbundenen Elemente wenigstens ein Paar von Brückenanschlüssen liefern; wobei die Schaltungseinrichtung erste Einrichtungen (68, 70) aufweist zum selektiven Koppeln mit einem des Paars der Brückenanschlüsse und die Schaltungseinrichtung ein Ausgangssignal erzeugt, das die inkrementelle Position des Kodierer-Rades angibt in Reaktion auf eine Änderung des Widerstands der selektiv verbundenen Elemente in Gegenwart eines Magnetfeldes, das durch die aufgezeichnete magnetische Information auf dem Kodierer-Rad erzeugt ist.

2. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Kodierer-Rad (12) eine zweite umfänglich laufende Spur (22) aufweist, wobei ein Teil von magnetischer Information, die die Indexposition des Kodierer-Rades angibt, aufgezeichnet ist, wobei der Sensor ein zweites Feld von Magnetoresistenz-Elementen (R7, R8) auf den nichtmagnetischen Substraten (36) aufweist, wobei die MR-Elemente (R7, R8) des zweiten Feldes dieselbe Orientierung wie die MR-Elemente (R1-R6) des ersten Feldes haben und im wesentlichen gegenüber dem ersten Feld angeordnet sind, um die auf der Indexspur (22) aufgezeichnete magnetische Information zu messen, wobei die MR-Elemente in dem ersten Feld Ausgangsanschluß-Einrichtungen (38, 40, 42, 44, 46, 48) haben und ein zweites Paar von Brückenanschlüssen liefern zum Verbinden mit der elektrischen Leitung und der Schaltungseinrichtung (30) über die Leitung (28), wobei die Schaltungseinrichtung zweite Einrichtungen (66) aufweist zum selektiven Koppeln mit der Ausgangsanschluß- Einrichtung (60), die das zweite Paar von Brückenanschlüssen aufweist und ein Index-Ausgangssignal in Reaktion auf eine Änderung des Widerstands der Index-MR-Elemente herstellt.

3. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste umfänglich laufende Spur (20) auf der Umfangsseitenfläche (18) des Kodierer-Rades (12) angeordnet ist.

4. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste umfänglich laufende Spur (20) auf der radialen Fläche (15) des Kodierer- Rades (12) angeordnet ist.

5. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite umfänglich laufende Spur (22) auf der Umfangsseitenfläche (18) des Kodierer-Rades (12) angeordnet ist.

6. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite umfänglich laufende Spur (22) auf der radialen Fläche (15) des Kodierer-Rades (12) angeordnet ist.

7. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von vorbestimmten Polzählungen m Polzählungen in der Gruppe aufweist, die aus 100, 128, 200, 256, 360, 500 und 512 besteht.

8. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d des Kodierer-Rades Durchmesser von 24,0 mm, 29,0 mm und 40,5 mm aufweist.

9. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiv verbindende Einrichtung das Verbinden von zwei MR-Elementen (R1-R6) in einem ersten Paar von Sensoren und unterschiedliche zwei von dem MR-Elementen (R1-R6) in einem zweiten Paar von Sensoren aufweist, wobei die MR-Elemente des ersten und zweiten Paars in einer verschachtelten Weise mit den MR-Elementen jedes Paars verbunden sind, und zwar beabstandet in einem Abstand, der gleich ist einem ungradzahligen Vielfachen n Lamda&sub2;/2, wobei n = 1,3,5 ... m und der Abstand zwischen einem MR-Element des ersten Paars und einem MR-Element des zweiten Paars beabstandet ist in einem Abstand gleich einem ungradzahlingen Vielfachen von n Lamda&sub2;/2, wobei n = 1,3,5 ... m.

10. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Auswählen eines und des anderen und beider des wenigstens einem Paar von Brückenanschlüssen (38, 40, 42; 44, 46, 48), die das inkrementelle Ausgangssignal tragen, das die inkrementelle Positionierung des Rads (12) darstellt und zum Auswählen des zweiten Paars von Brückenanschlüssen, die das Index-Ausgangssignal tragen, das die Indexposition des Rades angibt.

11. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kodierer-Rad (12) aus einem formbaren magnetischen Material gemacht ist.

12. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das formbare magnetische Material TESLAN ist.

13. Drehbares magnetisches Kodierersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kodierer-Rad (12) aus magnetischem Material gemacht ist.