DE4306487C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren einer Drehbewegung eines mit einer drehenden Welle verbundenen Objekts - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren einer Drehbewegung eines mit einer drehenden Welle verbundenen ObjektsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Detektieren einer Drehbewegung eines mit einer drehenden
Welle verbundenen Objekts, gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 bzw. Patentanspruches 11.
Ein bekanntes Verfahren, um in Form von Absolutwerten die
Drehposition und -bewegung einer drehenden Welle zu
detektieren, die beispielsweise von einem Servomotor
angetrieben wird, verwendet eine Mehrzahl von
Positionsdetektoren, um eine absolute Position innerhalb
einer vollen Umdrehung der drehenden Welle zu detektieren.
Die Positionsdetektoren sind hintereinander angeordnet, und
eine Geschwindigkeitsreduzierung für jeden der aufeinander
folgenden Detektoren wird durch einen Räderzug erreicht.
Fig. 19 ist ein Schema, das eine erste bekannte Dreh
bewegungs-Detektiervorrichtung zeigt, die bei dem vorstehend
beschriebenen Verfahren verwendet wird. Die Vorrichtung um
faßt einen ersten Absolutpositionsdetektor 1 mit einer dre
henden Welle 1a, einen zweiten Absolutpositionsdetektor 2
(der einen Koordinatenwandler, einen optischen Absolutwert
codierer usw. enthält), ein Antriebszahnrad 3, das fest auf
der drehenden Welle 1a angebracht ist, und ein angetriebenes
Zahnrad 4, das auf einer drehenden Welle 2a des zweiten Ab
solutpositionsdetektors 2 fest angebracht ist.
Es wurde bereits ein weiteres Verfahren vorgeschlagen, bei
dem der Antrieb mit dem Räderzug eines Absolutpositionsde
tektors reduziert wird und die Wirkung jedes Rads detektiert
wird, um die Antriebsbewegung zu messen. Eine solche Vor
richtung ist in "Sensor Technology", Bd. 5, Nr. 12, S. 22
angegeben. Fig. 20 ist eine schematische Darstellung einer
für dieses Verfahren verwendeten konventionellen Vorrich
tung, wobei ein Absolutpositionsdetektor 1 ein Resolver ist.
Gezeigt sind ein Antriebsrad 3, das auf einer drehenden
Welle 1a des Absolutpositionsdetektors 1 fest angebracht
ist, sowie eine erste und eine zweite Positionsdetektier
einrichtung 5 und 6, um eine Umdrehung bei niedriger Auf
lösung in Zehntel zu teilen. Die erste und die zweite Posi
tionsdetektiereinrichtung 5 und 6 wirken gemeinsam als ein
drehender Differentialtransformator. Außerdem sind ein
angetriebenes Rad 4 und ein Antriebsrad 7 auf der drehenden
Welle 5a einer ersten Positionsdetektiereinrichtung 5 fest
angebracht, und ein angetriebenes Zahnrad 8 ist auf der
drehenden Welle 6a der zweiten Positionsdetektiereinrichtung
6 fest angebracht.
Ein weiteres Verfahren, bei dem die Drehbewegung in einem
Absolutpositionsdetektor detektiert und in einem Speicher
gespeichert wird, der von einer Reservebatterie gespeist
wird, ist in der JP-OS 2-90017 (1990) angegeben. Fig. 21 ist
ein schematischer Querschnitt einer bei diesem Verfahren
verwendeten Detektiervorrichtung. Diese Vorrichtung umfaßt
einen Absolutpositionsdetektor 1 mit einer drehenden Welle
1a, eine drehende Skalenscheibe 1b mit darin gebildeten
Schlitzen (nicht gezeigt), um absolute Codedaten zu erzeu
gen, eine lichtemittierende Diode 1c und eine lichtempfind
liche Diode 1d. Eine Magnethalteplatte 10 ist auf der dre
henden Welle 1a fest angebracht und trägt einen Permanent
magneten 11, der in einer gegebenen Richtung magnetisiert
ist. Eine magnetische Widerstandseinrichtung 12 aus einem
ferromagnetischen Material mit hoher Reluktanz ist auf einer
Leiterplatte 13 so angebracht, daß sie in einem minimalen
Abstand von dem Permanentmagneten 11 diesem gegenüberstehend
verläuft. Außerdem ist eine Signalverarbeitungsschaltung 14
vorgesehen mit einem Drehsignal-Prozessorkreis 14a zum Ver
arbeiten eines Signals von der magnetischen Widerstandsein
richtung 12 in ein Drehsignal, das gespeichert und dann
abgegeben wird, sowie ein Absolutpositionssignal-Verarbei
tungskreis 14b zum Verarbeiten eines Ausgangssignals der
lichtempfindlichen Diode 1d des Absolutpositionsdetektors 1
und ein Verarbeitungskreis 14c für ein zusammengesetztes
Signal, um das Drehsignal mit einem Absolutpositionssignal
innerhalb einer vollständigen Umdrehung zu einem Ausgangs
signal zu kombinieren. Zusätzlich ist eine Reservebatterie
115 vorgesehen, um den Drehsignal-Verarbeitungskreis 14a zu
speisen, der von der Drehbewegungs-Detektiervorrichtung
entfernt angeordnet sein kann.
Ein weiteres Verfahren zum Detektieren einer Drehbewegung
ist in der JP-OS 64-54309 (1989) angegeben. Fig. 22 zeigt
schematisch eine bei diesem Verfahren verwendete konventio
nelle Vorrichtung. Fig. 23 ist eine Vorderansicht einer
Magnetblaseneinrichtung 15. Gemäß Fig. 22 ist auf einer
drehenden Welle 1a ein Permanentmagnet 11, der in eine
gegebene Richtung magnetisiert ist, so angebracht, daß er in
einem minimalen Abstand von der Magnetblaseneinrichtung 15
dieser gegenübersteht. Die Magnetblaseneinrichtung 15 (Fig. 23)
hat eine Oberfläche 15a, eine magnetische Übertragungs
struktur 15b, eine Blase 15c, ein magnetisches Induktions
effekt-Element 15d und einen Blasengenerator 15e.
Der Betrieb der konventionellen Vorrichtung wird nachstehend
beschrieben. Bei der Vorrichtung nach Fig. 19 wird das An
triebsrad 3 durch Drehen der Welle 1a gedreht, und daher
dreht das angetriebene Zahnrad 4 mit niedrigerer Geschwin
digkeit. Somit wird die drehende Welle 2a gedreht. Das
Untersetzungsverhältnis ist 1/N, wobei N Umdrehungen der
drehenden Welle 1a einer Umdrehung der Welle 2a entsprechen.
Wenn die Stromversorgung eingeschaltet ist, werden ein Ab
solutpositionssignal des Absolutpositionsdetektors 1 und
seine Wiederholungssignale verarbeitet, um die Zahl von
Umdrehungen und die Winkelposition der drehenden Welle 1a zu
detektieren.
Wenn die Welle 1a während eines Zeitraums, in dem die Strom
versorgung ausgeschaltet ist, ungewollt gedreht wird, er
zeugt die Vorrichtung ein Absolutpositionssignal vom Abso
lutpositionsdetektor 1, wenn sie aktiviert wird. Gleichzei
tig wird ein Absolutpositionssignal von dem zweiten Absolut
positionsdetektor 2 erzeugt, und dann wird die Drehbewegung
der Welle 1a auf der Basis der Absolutpositionssignale und
des Untersetzungsverhältnisses berechnet, um eine Zahl von
vollständigen Umdrehungen und den Grad der Teilumdrehung zu
ermitteln.
Bei der Vorrichtung von Fig. 20 wird die Drehung der dre
henden Welle 1a durch das Antriebszahnrad 3 und das ange
triebene Rad 4 auf die drehende Welle 5a und gleichzeitig
durch das Antriebsrad 7 und das angetriebene Rad 8 auf die
drehende Welle 6a übertragen. Wenn das Untersetzungsver
hältnis für jede Grenzfläche zwischen Antriebsrad und an
getriebenem Zahnrad 1/N ist, entsprechen N² Umdrehungen der
drehenden Welle 1a N Umdrehungen der Welle 5a und einer Um
drehung der Welle 6a. Wenn die drehende Welle 1a bei abge
schalteter Stromversorgung ungewollt gedreht wird, erzeugt
die Vorrichtung beim Einschalten ein Absolutpositionssignal
mit dem Absolutpositionsdetektor 1 und zwei weitere Absolut
positionssignale mit der ersten und der zweiten Positionsde
tektiereinrichtung 5 und 6. Diese Absolutpositionssignale
werden dann in bezug auf die Untersetzungsverhältnisse ge
prüft, so daß die Drehbewegung der drehenden Welle 1a be
stimmt werden kann.
Bei der Vorrichtung von Fig. 21 sendet die LED 1c Licht aus,
wenn die Stromversorgung eingeschaltet ist, und das ausge
sandte Licht geht durch den Schlitz in der drehenden Skalen
scheibe 1b und trifft auf die lichtempfindliche Diode 1d.
Wenn die drehende Welle 1a dreht, ändert sich ein Ausgangs
signal der lichtempfindlichen Diode 1d in Abhängigkeit von
der Drehposition. Das Wiederholungsmuster des Ausgangssi
gnals wird dann gezählt, um ein Drehsignal zu erzeugen, aus
dem die Zahl von vollständigen Umdrehungen und die Winkel
position der drehenden Welle 1a gemessen werden kann.
Wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist, ändert sich die
Drehung des auf der drehenden Welle 1a angebrachten Perma
nentmagneten 11 mit einem Widerstand der magnetischen Wider
standseinrichtung 12, die von der Reservebatterie 115 ge
speist wird. Dann wird die resultierende Widerstandsänderung
von dem Drehsignal-Verarbeitungskreis 14a, der ebenfalls von
der Reservebatterie 115 gespeist wird, verarbeitet und ge
speichert. Somit beginnt der Vorgang mit dem Einschalten der
Stromversorgung, und anschließend werden die Schritte des
Einschaltens der LED 1c, des kurzzeitigen Speicherns des
Absolutpositionssignals aufgrund eines Ausgangssignals der
lichtempfindlichen Diode 1d, des kurzzeitigen Speicherns des
in dem Drehsignal-Verarbeitungskreis 14a gespeicherten Dreh
signals und des Kombinierens der beiden Signale in dem Ver
arbeitungskreis 14c für das zusammengesetzte Signal durch
geführt, um die Zahl der vollständigen Umdrehungen und die
Winkelposition der drehenden Welle 1a zu berechnen.
Bei der Vorrichtung nach den Fig. 22 und 23 wird die Dreh
bewegung der drehenden Welle 1a detektiert und gespeichert
unter Verwendung der Magnetblaseneinrichtung 15. Dabei wird
von einem Permanentmagneten (nicht gezeigt), der in der
Magnetblaseneinrichtung 15 vorgesehen ist, ein Magnetfeld
vertikal zu der Vorderfläche 15a aufgebracht, und ein Strom
wird an den Blasengenerator 15e angelegt, um eine Magnet
blase 15b zu erzeugen. Wenn sich die drehende Welle 1a in
einem Ausschaltzustand der Stromversorgung dreht, veranlaßt
die Drehung des Permanentmagneten 11 die Blase 15c, aufgrund
der aus dem Streumagnetfluß resultierenden Kraft nacheinan
der durch die gesamte Übertragungsstruktur 15b übertragen zu
werden. Um ein Drehsignal zu erzeugen, wird eine Wicklung
(nicht gezeigt), die auf die Magnetblaseneinrichtung 15 ge
wickelt ist, aktiviert durch Einschalten der Stromversor
gung, um ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen, das seiner
seits die Blase 15c aktiviert, um sie zu dem Magnetwider
standselement 15d zu verschieben, um die ursprüngliche Po
sition der Blase 15c zu lesen.
Die erste Vorrichtung (Fig. 19), die eine Mehrzahl von Ab
solutpositionsdetektoren für die Geschwindigkeitsreduktion
durch einen Räderzug verwendet, ist sowohl in bezug auf
Größe als auch in bezug auf Herstellungskosten problema
tisch, weil die Absolutpositionsdetektoren voluminös und
teuer sind und die Räder in einem teuren Präzisions-Bear
beitungsverfahren hergestellt werden müssen, um eine rela
tive Drehbewegung zwischen ihnen zu vermeiden.
Die zweite Vorrichtung (Fig. 20), die einen Absolutposi
tionsdetektor verwendet, um die Drehbewegung jedes Rads in
dem Räderzug zu detektieren, ist ebenfalls kostspielig, weil
auch hier präzisionsbearbeitete Räder notwendig sind, obwohl
die zulässige relative Drehbewegung größer sein kann. Eine
solche Vorrichtung ist außerdem groß und in der Herstellung
teuer.
Die dritte Vorrichtung (Fig. 21), bei der die Drehbewegung im
Absolutpositionsdetektor gemessen und in einem Speicher
gespeichert wird, der von einer Reservebatterie gespeist
wird, ist kleiner und kostengünstiger. Aber die Reserve
batterie, die als Extrateil vorgesehen sein muß, hat eine
begrenzte Lebensdauer und muß immer wieder ausgewechselt
werden, auch wenn zur Energieeinsparung eine Magnetwider
standseinrichtung mit hohem Widerstand und ein Drehsignal-
Verarbeitungskreis vom CMOS-Typ verwendet werden.
Die vierte Vorrichtung (Fig. 22-23), bei der die Drehbewegung
mit der Magnetblaseneinrichtung detektiert wird, ist kleiner
und kostengünstiger und benötigt keine Reservebatterie. Aber
das drehende Magnetfeld, das auf die Vorderfläche der Magnet
blaseneinrichtung aufgebracht wird, muß gleichförmig und
beständig sein, um eine ordnungsgemäße Übertragung der Blase
zu ermöglichen, da sonst die Betriebszuverlässigkeit der
Vorrichtung beeinträchtigt wird. Daher sind solche
Vorrichtungen nicht zuverlässig.
In der DE 83 30 810 U1 ist eine Vorrichtung zum Detektieren
einer Drehbewegung einer drehenden Welle mit einer
Absolutpositions-Detektiereinrichtung beschrieben. Diese
Detektiereinrichtung, bei der die Drehbewegung ausschließlich
opto-elektronisch bestimmt wird, weist einen drehenden
Maßstab mit einer darin gebildeten Schlitzstruktur, eine
lichtaussendende Diode und eine lichtempfindliche Diode auf,
um einen Absolutwert der Drehposition innerhalb einer
vollständigen Umdrehung des Objektes, das mit der Welle
verbunden ist, zu detektieren sowie ein entsprechendes Signal
zu erzeugen. Ferner ist ein Permanentmagnet auf der Welle so
angebracht, daß er gemeinsam mit dem Objekt gedreht wird. Der
Permanentmagnet dient zur Ausrichtung der Welle nach deren
Drehposition zurück in die Ausgangsposition.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie technisch
aufwendig ist und nicht die gewünschte Präzision der Meßwerte
wiedergibt.
In der DE 33 25 318 A1 ist ein inkrementaler Winkelkodierer
offenbart, der die momentane Winkelstellung einer Achse oder
Welle in Form eines elektrischen Digitalsignals angibt.
Dieser bekannte Winkelkodierer basiert auf einer
ausschließlich opto-elektronischen Funktionsweise und weist
eine Welle auf, an der eine entlang ihres Außenumfangs mit
Chrom-Inkrementen versehene Glasscheibe angebracht ist. Durch
eine opto-elektronische gehäusefeste Abtasteinrichtung wird
bei drehender Welle die durch die Chrom-Inkremente auf der
Glasscheibe verursachte periodische Ein- und Ausschaltung
einer Infrarotlichtstrecke mittels einer bekannten
Auswertelektronik in ein Rechteck-Meßsignal umgesetzt.
Schließlich umfaßt dieser Winkelkodierer ein
Untersetzungsgetriebe, das antriebsseitig mit der Welle und
abtriebsseitig über eine Rutschkupplung mit einem Zahnrad
gekoppelt ist, wobei das Zahnrad wenigstens eine randseitige
Bohrung oder Reflexmarke aufweist, die durch eine weitere
opto-elektronische Abtasteinrichtung erfaßt wird.
Nachteilig bei dieser Vorrichtung sind die schlechte
Auflösung und die umständliche Handhabung sowie die hohen
Kosten.
Eine weitere Vorrichtung zum Detektieren einer Drehbewegung
eines mit einer drehenden Welle verbundenen Objekts vom Typ
einer Feineinstellungsauflösung ist in der GB 1,576,850
beschrieben. Bei dieser Vorrichtung ist ein Permanentmagnet
vorgesehen, der auf der Welle so angebracht ist, daß er
gemeinsam mit dem Objekt gedreht wird. Um diesen ersten
Permanentmagneten sind weitere Permanentmagnete gleichmäßig
verteilt, zueinander unterschiedlich gepolt und jeweils mit
einer elektrischen Auswerteinrichtung verbundene Magneten
statisch angeordnet.
Die Elektronik in dieser Vorrichtung ist jedoch aufwendig und
störanfällig.
Schließlich sei noch erwähnt, daß die DE-Z Feinwerktechnik &
Meßtechnik 99 (1991) 6, J. Linders, Mikromechanik:
Perspektiven einer Mikrotechnik, 275-279, und die DE-Z tm-
Technisches Messen 58 (1991) 4, E. Voges: Integrierte Optik
auf Glas und Silizium für Sensoranwendungen 140-145, dem
Fachmann für das hier fragliche Gebiet den allgemeinen
Hinweis vermitteln, daß Sensoren in miniaturisierter Form und
dabei insbesondere auch im CVD- (Chemical Vapour Deposition)
-Verfahren herstellbar sind.
Ausgehend von dem vorstehend zitierten Stand der Technik
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Drehbewegungs-Detektiervorrichtung der eingangs genannten Art
zu schaffen, die im Vergleich zum Stand der Technik kompakter
sowie einfacher gebaut ist, eine besonders hohe
Betriebszuverlässigkeit sowie Genauigkeit besitzt und ohne
Reservebatterien betrieben werden kann.
Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes
Verfahren zum Detektieren einer Drehbewegung eines mit einer
drehenden Welle verbundenen Objekts zu schaffen, das sich
durch besondere Einfachheit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird vorrichtungstechnisch durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 und verfahrenstechnisch durch die
Merkmale des Patentanspruches 11 gelöst.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, daß die
Vorrichtung eine mittels Mikrobearbeitungstechnik
hergestellte Mikromaschine umfaßt, die die Drehbewegung eines
mit einer drehenden Welle verbundenen Objektes detektiert,
indem sie von dem Magnetfluß des zu prüfenden Objekts eines
Permanentmagneten aktiviert wird.
Außerdem kombiniert eine Drehungsabgabeeinrichtung den
Absolutpositionswert mit der Drehbewegung des drehenden
Objekts, die aus einem von der Mikromaschine gelieferten
Eingangssignal berechnet wird, und gibt sowohl die
Drehbewegung als auch den Absolutwert der Drehposition
innerhalb einer vollen Umdrehung des drehenden Objekts ab.
Infolgedessen kann das Detektieren einer Drehbewegung und
einer Drehposition innerhalb einer vollem Umdrehung des
drehenden Objekts ohne Reservebatterie ausgeführt werden.
Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgrund
der nur wenigen Bauteile eine ausgesprochen hohe
Betriebszuverlässigkeit auf, wobei gleichzeitig eine hohe
Genauigkeit erreicht wird.
Bevorzugte konstruktive Details der Erfindung sind in den
Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, und
zwar auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand
der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen
zeigen in:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt in Längsrichtung,
der eine Drehbewegungs-Detektiervorrichtung gemäß
der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der Mikromaschine
von Fig. 1;
Fig. 3 teilweise im Schnitt eine vergrößerte Darstellung
eines Teils der Mikromaschine von Fig. 2;
Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht auf eine Detektorplatte
der Mikromaschine von Fig. 2;
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Drehsignal-
Verarbeitungskreises von Fig. 1;
Fig. 6 eine vergrößerte Draufsicht, die den Zahneingriff
zwischen einem Antriebszahnrad und einem ange
triebenen Zahnrad in einer Mikromaschine gemäß der
zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 7 einen Querschnitt durch das Antriebsrad und das
angetriebene Rad entlang der Linie A-A von Fig. 6;
Fig. 8 eine vergrößerte Draufsicht auf eine Detektor
platte der zweiten Ausführungsform;
Fig. 9 einen Querschnitt der Detektorplatte entlang der
Linie B-B von Fig. 8;
Fig. 10 einen vergrößerten Querschnitt in Längsrichtung
einer Mikromaschine gemäß einer dritten Ausfüh
rungsform;
Fig. 11 teilweise im Querschnitt eine vergrößerte Dar
stellung einer Mikromaschine gemäß einer vierten
Ausführungsform;
Fig. 12 eine vergrößerte Draufsicht auf eine Detektor
platte in einer Mikromaschine gemäß einer fünften
Ausführungsform;
Fig. 13 einen Querschnitt der Detektorplatte von Fig. 12
entlang der Linie C-C;
Fig. 14 ein Blockschaltbild, das einen Drehsignal-Verar
beitungskreis der fünften Ausführungsform zeigt;
Fig. 15 eine vergrößerte Vorderansicht, die eine Mikro
maschine gemäß einer sechsten Ausführungsform
zeigt;
Fig. 16 einen vergrößerten Querschnitt in Längsrichtung
einer Achse der zweiten Stufe der Mikromaschine
von Fig. 15;
Fig. 17 einen vergrößerten Querschnitt in Längsrichtung
einer Mikromaschine gemäß einer siebten Ausfüh
rungsform;
Fig. 18 einen vergrößerten Querschnitt in Längsrichtung
einer Mikromaschine gemäß einer achten Ausfüh
rungsform;
Fig. 19 eine schematische Darstellung einer konventionel
len Drehbewegungs-Detektiervorrichtung unter
Verwendung einer Mehrzahl von Absolutpositions
detektoren zum Detektieren einer Absolutposition
innerhalb einer vollständigen Umdrehung;
Fig. 20 eine schematische Darstellung einer weiteren
konventionellen Drehbewegungs-Detektiervorrich
tung, die einen Absolutpositionsdetektor und eine
Vielzahl von gemeinsamen Positionsdetektoren
verwendet;
Fig. 21 einen schematischen Querschnitt in Längsrichtung
einer konventionellen Drehbewegungs-Detektiervor
richtung, die einen von einer Reservebatterie
gespeisten Absolutpositionsdetektor verwendet;
Fig. 22 einen schematischen Querschnitt in Längsrichtung
einer weiteren konventionellen Drehbewegungs-
Detektiervorrichtung, die einen Absolutpositions
detektor verwendet, der von einer Reservebatterie
gespeist wird; und
Fig. 23 eine schematische Darstellung einer konventionel
len Magnetblaseneinrichtung.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-5 wird eine erste Ausfüh
rungsform beschrieben; dabei sind gleiche Bauelemente wie in
den bekannten Vorrichtungen der Fig. 19-23 mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Nach Fig. 1 ist ein Absolutpositionsdetektor 1 vorgesehen,
um die Absolutposition eines zu untersuchenden drehenden
Objekts innerhalb einer vollständigen Umdrehung zu detek
tieren, und zwar mit einer drehenden Welle 1a (die mit dem
drehenden Objekt verbunden ist), einem drehenden Maßstab 1b
mit einer darin gebildeten Schlitzstruktur (nicht gezeigt)
zur Abgabe von Absolutpositions-Codedaten, einer lichtaus
sendenden Diode bzw. LED 1c und einer lichtempfindlichen
Diode 1d. Ferner ist ein Permanentmagnet 11′ auf der dre
henden Welle 1a fest angebracht und dient als ein Magnet
flußgenerator, der in einer gegebenen Richtung magnetisiert
ist.
Die Mikromaschine 16, die mittels einer Mikrobearbeitungs
technik wie etwa Feinbearbeitung hergestellt ist (was ein
photolithographisches Verfahren, ein Schichtbildungsverfah
ren und ein Ätzverfahren einschließt), wie sie allgemein bei
der Herstellung von Halbleitern angewandt wird, ist auf
einer Leiterplatte 13 fest montiert, so daß sie dem Perma
nentmagneten 11′ gegenübersteht. Im Betrieb wird die Mikro
maschine 16 durch den Magnetfluß aktiviert, der von dem
Permanentmagneten 11′ erzeugt wird, der durch die Drehung
der Welle 1a gedreht wird. Infolgedessen entspricht die
Bewegung der Mikromaschine 16 der Drehbewegung der Welle 1a.
Außerdem ist auf der Leiterplatte 13 ein Signalverarbei
tungskreis 14 angeordnet, der aufweist: einen Drehsignal-
Verarbeitungskreis 14a, der als Drehberechnungseinrichtung
zum Verarbeiten eines Signals von der Mikromaschine 16
dient, einen Absolutpositionssignal-Verarbeitungskreis 14b zur
Verarbeitung eines Ausgangssignals der lichtempfindlichen
Diode 1d des Absolutpositionsdetektors 1 und einen Verarbei
tungskreis 14c für ein zusammengesetztes Signal, der als
Drehabgabeeinrichtung dient, um ein zusammengesetztes Signal
zu bilden, das für das Drehbewegungssignal und das Absolut
positionssignal repräsentativ ist. Daher bilden der Abso
lutpositionsdetektor 1 und der Absolutpositions-Verarbei
tungskreis 14b eine Absolutpositions-Detektierschaltung, um
den Absolutwert der Position des drehenden Objekts zu
detektieren.
Wie die Fig. 2-4 zeigen, enthält die Mikromaschine 16 eine
Siliziumeinkristall-Leiterplatte 17 und drei tragende Wände
17a, 17b, 17c, die durch ein CVD-Verfahren aus polykristal
linem Silizium geformt und mit der Einkristall-Leiterplatte
17 verbunden sind. Eine Grundplatte 18, die ebenfalls mit
einem CVD-Verfahren aus polykristallinem Silizium geformt
ist, ist an den drei tragenden Wänden 17a, 17b und 17c fest
angebracht.
Außerdem ist ein Achsstift 19 der ersten Stufe aus poly
kristallinem Silizium mit einem CVD-Verfahren geformt und
auf die Siliziumeinkristall-Leiterplatte 17 bondiert. Ein
Achsstift 20 der zweiten Stufe, ein Achsstift 21 der dritten
Stufe, ein Achsstift 22 der vierten Stufe und ein Achsstift
23 der fünften Stufe sind aus polykristallinem Silizium mit
einem CVD-Verfahren geformt und auf der Grundplatte 18 fest
angebracht. Fünf hohle Zentrierröhren 24-28, die ebenfalls
mit einem CVD-Verfahren aus polykristallinem Silizium
geformt sind, sind auf die jeweiligen Achsstifte 19-23 der
ersten bis fünften Stufe beweglich aufgeschoben.
Ein Drehdetektierelement 29, das nachstehend als Detektier
element 29 bezeichnet wird, ist integral mit der hohlen
Zentrierröhre 24 der ersten Stufe geformt. Das Detektierele
ment 29 hat eine gegebene Zahl von Zähnen 29a, die durch
Aufsputtern eines magnetischen Metallmaterials auf seinen
Umfangsrand gebildet sind, und ergibt ein Geschwindigkeits
untersetzungsverhältnis von 1/N1. Fig. 3 zeigt fünf der
Zähne 29a gegenüber dem einzigen Magneten 11′, wobei das
Untersetzungsverhältnis 1/N1=1/5 ist. Die Zähne 29a sind mit
einer dünnen Schicht von polykristallinem Silizium (nicht
gezeigt) mit einem CVD-Verfahren beschichtet.
Vier Antriebsräder 30-33, die mit einem CVD-Verfahren aus
polykristallinem Silizium gebildet sind, sind integral mit
den jeweiligen hohlen Zentrierröhren 24-28 der ersten,
zweiten, dritten bzw. vierten Stufe angeordnet. Vier an
getriebene Räder 34-37, die ebenfalls mit einem CVD-Ver
fahren aus polykristallinem Silizium geformt sind, sind
außerdem integral mit ihren jeweiligen hohlen Zentrierröhren
25-28 der zweiten, dritten, vierten und fünften Stufe ange
ordnet und ausgefluchtet, um mit den vier Antriebsrädern 30-33
zu kämmen.
Insbesondere sind die Geschwindigkeits-Untersetzungsver
hältnisse der Antriebsräder 30-33 und der angetriebenen
Räder 34-37 der zweiten, dritten, vierten und fünften Stufe
jeweils so ausgelegt, daß sie 1/N2, 1/N3, 1/N4 bzw. 1/N5
sind, so daß die vier hohlen Zentrierröhren 25-28 an gege
benen Punkten relativ zu der Drehung der drehenden Welle 1a
anhalten können.
Detektorplatten 38-42 der ersten, zweiten, dritten, vierten
und fünften Stufe sind auf jeweiligen Zentrierröhren 25-28
angeordnet. Die Detektorplatten 38-42, die ebenfalls mit
einem CVD-Verfahren aus polykristallinem Silizium geformt
sind, sind nockenförmig und integral mit den hohlen Zen
trierröhren 24-28 der ersten, zweiten, dritten, vierten bzw.
fünften Stufe.
Fünf Detektorelemente 43-47 sind durch Aufsputtern eines
leitfähigen Metallmaterials angeordnet, um als Elektroden
platten zu dienen. Die Detektorelemente 43-47 sind mit
einer dünnen Schicht (nicht gezeigt) von polykristallinem
Silizium mit einem CVD-Verfahren beschichtet und sind mit
den fünf Detektorplatten 38-42 ihnen jeweils gegenüberste
hend mit minimalem Abstand dazwischen ausgefluchtet.
Fünf Leiter 50-54 sind durch Aufsputtern eines leitfähigen
Metallmaterials und Beschichten desselben mit Ausnahme an
ihren Anschlußpunkten 50a-54a (siehe Fig. 3) mit einer dün
nen Schicht (nicht gezeigt) von polykristallinem Silizium
durch ein CVD-Verfahren gebildet. Die Siliziumeinkristall-
Leiterplatte 17 ist an einen Leiterrahmen 55 chipgebondet,
der Leiteranschlüsse 55a bis 55g hat, die durch Drähte 56-60
mit ihren jeweiligen Leiteranschlüssen 50a-54a verbunden
sind (50a und 52a sind nicht gezeigt). Eine Abdeckung und
ein Kunstharzgehäuse 61 bzw. 62 sind zum Schutz der Bau
elemente vorgesehen. Die Bonddrähte 56-60 sind von der
Grundplatte 18 durch hermetisches Abdichten mit einem Glas
material isoliert.
Fig. 5 ist ein Blockbild des Drehsignal-Verarbeitungskreises
14a gemäß der ersten Ausführungsform. Dabei sind folgende
Elemente gezeigt: die Detektorplatten 38-42 der ersten bis
fünften Stufe, die Detektorelemente (Elektrodenplatten)
43-47 der ersten bis fünften Stufe, ein Analogschalter 63,
ein Oszillator 64, ein Kapazitäts/Spannungs-Umsetzer 65, ein
Verstärker 66, ein A/D-Wandler 67 und ein Speicher 68. Der
Speicher 68 besteht aus einem ROM, der Daten speichert, die
Änderungen der statischen Kapazität zwischen den Detektor
platten 38-42 und ihren jeweiligen Detektorelementen (Elek
trodenplatten) 43-47 betreffen. Diese Kapazität entspricht
Segmentwinkeln, die durch Teilen einer vollständigen Dreh
bewegung der Detektorplatten 38-42 der ersten bis fünften
Stufe in 1/A1, 1/A2, 1/A3, 1/A4 bzw. 1/A5 bestimmt sind.
Zusätzlich ist ein Mikrocomputer zur Steuerung und Kommuni
kation vorgesehen.
Die Funktionsweise der Drehdetektiervorrichtung mit dem
vorstehend beschriebenen Aufbau wird nachstehend erläutert.
Wenn die drehende Welle 1a ungewollt um einen Betrag N
gedreht wird, während die Hauptstromversorgung abgeschaltet
ist, dreht sich der Permanentmagnet 11′, und daher wird das
Detektierelement 29 der Mikromaschine 16 um N/N1 Umdrehungen
gedreht, da die von einem Streumagnetfluß des Permanentma
gneten 11′ erzeugte Anziehungskraft auf die Zähne 29a des
Detektierelements 29 wirkt.
Nacheinander werden die hohle Zentrierröhre 24 der ersten
Stufe, die Detektorplatte 38 und das Antriebsrad 30, das
mit dem Detektierelement 29 integral angeordnet ist, sämt
lich um N/N1 Umdrehungen gedreht, und dann wird das mit dem
Antriebsrad 30 kämmende angetriebene Rad 34 der zweiten
Stufe um N/(N1×N2) Umdrehungen gedreht. Somit werden die
hohle Zentrierröhre 25, die Detektorplatte 39 und das
Antriebsrad 31, das integral mit dem angetriebenen Rad 34
angeordnet ist, um N/(N1×N2) Umdrehungen gedreht. Auf die
gleiche Weise wird die Drehbewegung reduziert auf das
angetriebene Rad 37 der fünften Stufe übertragen, das sich
gemeinsam mit der hohlen Zentrierröhre 28 und der Detektor
platte 42 um (N/N1)×(1/N2)×(1/N3)×(1/N4)×(1/N5) Umdrehungen
dreht, bevor es anhält.
Während dieser Bewegung ändern sich die einander schneiden
den Bereiche zwischen den Detektorplatten 38-42 und ihren
jeweiligen Detektorelementen (Elektrodenplatten) 43-47
aufgrund der Nockengestalt der Detektorplatten 38-42 (siehe
Fig. 4). Die Bereichsänderung wird bei jeder vollständigen
Umdrehung der Zentrierröhren 24-28 wiederholt. Es versteht
sich, daß jede spezielle Kombination der einander schnei
denden Bereiche zwischen den Detektorplatten 38-42 und
ihren jeweiligen Detektorelementen 43-47 während
N1×N2×N3×N4×N5-1 Drehungen der drehenden Welle 1a niemals
wiederholt wird. Daher wird diese Zahl von Drehungen als
eine zulässige Drehbewegung bezeichnet. Die Drehbewegung der
drehenden Welle 1a wird somit von der Mikromaschine 16 in
nerhalb dieser zulässigen Zahl von Drehungen in Form von
mechanischen Werten aufgenommen.
Die Drehbewegung der drehenden Welle 1a, die ungewollt bei
abgeschalteter Stromversorgung auftritt, kann nach der Akti
vierung der Vorrichtung geprüft werden, indem die LED 1c
aktiviert wird, um zuzulassen, daß die lichtempfindliche
Diode 1d Licht empfängt und ein Detektiersignal erzeugt, und
das Signal mit dem Signalverarbeitungskreis 14b für die in
nerhalb einer Umdrehung absolute Position berechnet wird.
Gleichzeitig wird der Oszillator 64 des Drehsignal-Verar
beitungskreises 14a aktiviert, um die statische Kapazität
zwischen den Detektorplatten 38-42 und ihren jeweiligen
Detektorelementen (Elektrodenplatten) 43-47 zu detektieren.
Die Meßwerte der Kapazität werden von dem Kapazitäts/Span
nungs-Umsetzer 65 in Spannungen umgesetzt, die dann vom
Verstärker 66 verstärkt und vom A/D-Wandler 67 in ihre
digitale Form umgewandelt werden. Die Digitalwerte werden
dann dem Speicher 68 als Adreßsignale zugeführt, und der
Speicher gibt Drehwinkeldaten der Detektorplatten 38-42
entsprechend den statischen Kapazitätswerten ab. Die Abgabe
der Winkeldaten wird von dem Mikrocomputer 69 gesteuert, der
den Analogschalter 63 betätigt, um sequentielle Verbindungen
herzustellen. Die Drehwinkeldaten werden dann von dem Mikro
computer 69 berechnet, um die Drehbewegung der drehenden
Welle 1a zu messen (siehe Fig. 5).
Anschließend wird die Drehposition der Welle 1a geprüft, in
dem ein Absolutpositionssignal mit den Drehbewegungssignalen
kombiniert wird, und zwar in dem Verarbeitungskreis 14c für
das zusammengesetzte Signal. Die Detektorplatten 38-42 be
stehen aus einem Material mit einer hohen Dielektrizitäts
konstanten, so daß die statische Kapazität zwischen den
Detektorplatten 38-42 und ihren jeweiligen Detektorele
menten 43-47 maximiert ist, wodurch der Störabstand ver
größert wird.
Eine zweite Ausführungsform wird nachstehend unter Bezug
nahme auf die Fig. 6-9 beschrieben. Dabei ist Fig. 6 eine
Draufsicht, die den gegenseitigen Eingriff eines intermit
tierenden Antriebsrads und eines angetriebenen Rads zeigt,
und Fig. 7 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A von
Fig. 6. Diese Ausführungsform gleicht der ersten Ausfüh
rungsform mit einer Ausnahme. Gegenüber dem gemeinsamen
Zahneingriff zwischen den Antriebsrädern 30-33 und den
angetriebenen Rädern 34-37 bei der ersten Ausführungsform
ist ein Antriebsrad 30A der ersten Stufe der zweiten Aus
führungsform so ausgelegt, daß es nur zwei Zahnbereiche 30a
und 30b und dazwischen einen ausgesparten Bereich 30c hat,
um intermittierend mit einem angetriebenen Rad in Eingriff
zu gelangen. Der übrige Bereich 30d des Antriebsrads 30A der
ersten Stufe ist stufenartig ohne Zähne und Aussparungen
gebildet, während eine weitere Aussparung 30e (mit der
gleichen Gestalt wie die Aussparung 30c) von der Aussparung
30c versetzt gebildet ist. Außerdem hat ein angetriebenes
Rad 38A vier Zähne 34a-34d zum Eingriff mit der Aussparung
30c des Antriebsrads 30A und vier weitere Zähne 34e-34h, die
nicht mit der Aussparung 30c in Eingriff gelangen, wie die
Fig. 6 und 7 zeigen. Die Zahnbereiche 34e-34h haben an ihren
Rückseiten oder unteren Seiten 34i eine Stufe. (Antriebs
räder und angetriebene Räder weiterer Stufen, die nicht ge
zeigt sind, sind in einer gleichartigen Anordnung ausge
bildet.)
Fig. 8 ist eine Draufsicht, die zwei Detektorplatten 38A
und 39A der zweiten Ausführungsform zeigt, und Fig. 9 ist
ein Querschnitt entlang der Linie B-B von Fig. 8. Die
Detektorplatte 38A der ersten Stufe hat Zähne, deren Zahl
identisch mit derjenigen des Detektierelements 29 ist, die
jedoch größenmäßig davon verschieden sind, wie die Fig. 8
und 9 zeigen. Außerdem hat die Detektorplatte 39A der
zweiten Stufe Zähne, deren Zahl (nämlich vier) identisch mit
derjenigen des angetriebenen Rads 34A ist, die aber ver
schiedene Größe haben. (Außerdem sind Detektorplatten der
dritten bis fünften Stufe, die nicht gezeigt sind, gleich
artig ausgebildet.)
Im Betrieb dreht das angetriebene Rad 34A um 1/4 Umdrehung,
während das Antriebsrad 30A eine volle Drehung ausführt.
Somit kann ein Satz von Rädern, die in einem einzigen Modul
ausgefluchtet und in bezug auf Zahnteilung und Durchmesser
identisch angeordnet sind, ein höheres Untersetzungsver
hältnis als die Anordnung der ersten Ausführungsform erzeu
gen. Insbesondere ist die Auflösung der Drehbewegungsdaten
der drehenden Welle 1a größer als die der ersten Ausfüh
rungsform, und dadurch wird die zulässige Drehbewegung ver
größert. Außerdem löst eine vollständige Drehung des An
triebsrads eine 1/4-Drehung jedes angetriebenen Rads 34, 35,
36 oder 37 aus, was es der Detektorplatte jeder Stufe er
laubt, an jedem Viertelpunkt anzuhalten, jedoch nicht an
Zwischenpunkten zwischen den Viertelpunkten. Infolgedessen
wird eine Änderung der statischen Kapazität, die durch eine
vollständige Drehung der Detektorplatte bestimmt ist,
vergrößert und dadurch die Betriebszuverlässigkeit erhöht.
Eine dritte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 10
beschrieben, die eine vergrößerte Querschnittsansicht
einer Mikromaschine 16B der dritten Ausführungsform ist. Bei
der ersten Ausführungsform wird das Untersetzungsverhältnis
(1/N1)×(1/N2)×(1/N3)×(1/N4)×(1/N5) willkürlich mit der
Anordnung der Detektorplatten 38-42 und ihrer jeweiligen
Detektorelemente (Elektrodenplatten) 43-47 bestimmt. Wenn
jedoch die zulässige Drehbewegung bevorzugt klein sein soll,
kann die Zahl von Zähnen eines angetriebenen Rads 37B einer
fünften oder letzten Stufe gleich einem ganzzahligen Viel
fachen des Kehrwerts des Untersetzungsverhältnisses sein,
wie Fig. 10 zeigt.
Außerdem ist an dem angetriebenen Rad der letzten Stufe eine
Detektorplatte 42B angebracht, und es ist ein entsprechen
des Detektorelement (eine Elektrodenplatte) 47 vorgesehen.
Die Detektorplatte 42B hat Zähne, deren Zahl mit derjenigen
des angetriebenen Rads 37B identisch, jedoch von verschiede
ner Größe ist. Im Betrieb hält die Detektorplatte 42B an
jedem Ort eines Zahns, aber nicht an Zwischenorten, während
die drehende Welle 1a eine volle Umdrehung ausführt. Die
Mikromaschine 16B kann somit kostengünstiger als bei der
ersten Ausführungsform hergestellt werden. Außerdem wird
eine Änderung der statischen Kapazität bei jeder Drehung der
Detektorplatte 42B erhöht, wodurch die Betriebszuverläs
sigkeit verbessert wird.
Eine vierte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 11
beschrieben. Fig. 11 ist ein vergrößerter Querschnitt
einer Mikromaschine 16C gemäß der vierten Ausführungsform.
Dabei ist jeder Zahn 29a eines Detektierelements 29c
allgemein T-förmig und weist einen Endflächenbereich 29b und
einen schmalen Schulterbereich 29c′ auf. Bei dieser Kon
figuration wird nur sehr wenig des Magnetflusses des Per
manentmagneten 11′ zu dem Schulterbereich 29c′ gestreut, und
der Magnetfluß wirkt hauptsächlich auf den Endflächenbereich
29b. Mit zunehmender Anziehungskraft wird die Zuverlässig
keit der Drehung des Detektierelements 29 gegenüber den vor
hergehenden Ausführungsformen verbessert.
Eine fünfte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die
Fig. 12-14 beschrieben. Fig. 12 ist eine vergrößerte
Draufsicht, die die umfangsmäßige Auslegung einer Detektor
platte 38D der fünften Ausführungsform zeigt, und Fig. 13
ist ein Querschnitt entlang der Linie C-C von Fig. 12. Fig. 14
ist ein Blockbild eines Drehsignal-Verarbeitungskreises
14a. Wie die Fig. 12 und 13 zeigen, ist die Detektorplatte
38D durch Aufsputtern eines magnetischen Metallmaterials
gebildet, das über seine Gesamtoberfläche mit einer dünnen
Schicht (nicht gezeigt) von polykristallinem Silizium durch
ein CVD-Verfahren beschichtet und mit einer gegebenen
Polarität magnetisiert ist. Das zugehörige Detektorelement
43D ist als eine Magnetwiderstandseinrichtung mit einem
gemeinsamen Widerstandswert ausgebildet und ebenfalls durch
ein Sputterverfahren geformt. Das steht im Gegensatz zu der
ersten Ausführungsform, bei der die Detektorplatten 38-42
aus polykristallinem Silizium bestehen und die Detektor
elemente 43-47 Elektrodenplatten aus einem leitfähigen Me
tallmaterial sind. (Detektorplatten 39D-42D und Detektor
elemente 44D-47D weiterer Stufen sind im übrigen auf gleich
artige Weise angeordnet.)
Der Drehsignal-Verarbeitungskreis 14a von Fig. 14 umfaßt
einen Analogschalter 63, einen Verstärker 66, einen A/D-
Wandler 67, einen Speicher 68 und einen Mikrocomputer 69.
Diese Ausführungsform benötigt keinen Kapazitäts/Spannungs-
Umsetzer, weil eine Spannung vom Detektorelement 50 direkt
abgelesen werden kann. Diese Ausführungsform ist daher ein
fach aufgebaut und billiger als die vorhergehenden Ausfüh
rungsformen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 15 und 16 wird eine sechste
Ausführungsform beschrieben. Fig. 15 ist eine Außenansicht
einer Mikromaschine 16E gemäß der sechsten Ausführungsform,
und Fig. 16 ist ein vergrößerter Querschnitt, der die um
fangsmäßige Auslegung eines magnetisierten angetriebenen
Rads 34E zeigt. Wie gezeigt, ist das angetriebene Rad 34E
geformt durch Aufsputtern eines magnetischen Metallmate
rials, das auf seiner Gesamtoberfläche mit einer dünnen
Schicht (nicht gezeigt) von polykristallinem Silizium be
schichtet ist, die mit einem CVD-Verfahren aufgebracht ist,
und in Zahnbreitenrichtung permanentmagnetisiert ist. Das
angetriebene Rad 34E ist außerdem sandwichartig zwischen
zwei Permanentmagneten 70 und 71 angeordnet, deren Magne
tisierungsrichtungen unter rechten Winkeln zu derjenigen des
Permanentmagneten 11′ verlaufen, der auf der drehenden Welle
1a angeordnet ist. Das Magnetfeld der Permanentmagnete 70
und 71 ist gleich demjenigen des angetriebenen Rads 34E und
dazu entgegengesetzt. (Angetriebene Räder 35E bis 37E wei
terer Stufen sind auf die gleiche Weise ausgelegt.)
Somit sind die hohlen Zentrierröhren 25E-28E, die integral
mit ihren jeweiligen angetriebenen Rädern 34E-37E angeordnet
sind, magnetisch gehaltert, und dadurch wird ihr Reibungs
moment gegen die Achsstifte 20-23 und die Grundplatte 18
verringert, wodurch die Betriebszuverlässigkeit gesteigert
wird. Die beiden Permanentmagneten 70 und 71 der Mikroma
schine 16E von Fig. 15 sind zwar an der Außenseite eines
Gehäuses angeordnet, um das angetriebene Rad 34 zwischen
sich einzuschließen, sie können aber auch in ein Gehäuse aus
Harz oder dergleichen eingebettet sein.
Eine siebte Ausführungsform der Erfindung wird unter Be
zugnahme auf Fig. 17 beschrieben. Fig. 17 ist ein vergrö
ßerter Querschnitt eines Permanentmagneten 11A, der auf
einer drehenden Welle 1a fest angebracht ist, und einer
Mikromaschine 16F der siebten Ausführungsform. Wie gezeigt,
ist der Permanentmagnet 11A C-förmig, um den Zahn 29a des
Detektierelements 29, das in die Mikromaschine 16F eingebaut
ist, in Zahndickenrichtung sandwichartig einzuschließen, so
daß die Magnetisierungsrichtung mit der Zahndickenrichtung
übereinstimmt. Somit ist der Eingriffsbereich zwischen dem
Magneten 11A und dem Zahnbereich 29a vergrößert, und dadurch
nimmt auch die magnetische Anziehungskraft zu. Die Drehung
des Detektierelements 29 ist daher beständiger gegenüber
derjenigen der ersten Ausführungsform.
Eine achte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 18
beschrieben. Fig. 18 ist ein vergrößerter Querschnitt einer
Mikromaschine 16G gemäß der achten Ausführungsform. Der
Drehsignal-Verarbeitungskreis 14a ist zwar bei der ersten
Ausführungsform auf der Leiterplatte 13 angebracht, er ist
jedoch gemäß Fig. 18 ausgelegt, um aus den vorher erläuter
ten Bauelementen zu bestehen, beispielsweise einem Wider
stand 17d und einem Transistor 17e, die in einer Anordnung
von P-, P⁺-, n- und n⁺-Bereichen in einer Halbleiter-
Leiterplatte gebildet sind, die mit der Siliziumeinkristall-
Leiterplatte 17 in der Mikromaschine 16G verbunden und bün
dig damit angeordnet ist. Infolgedessen wird die Verdrahtung
der Leiterplatte 13 verkürzt, und dadurch werden die Auswir
kungen von Störungen minimiert.
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Detektieren einer
Drehbewegung, wie es oben gemäß der ersten bis achten
Ausführungsform beschrieben wurde, verwendet zwar einen
optischen Absolutpositionsdetektor, es können aber andere
Detektorarten, beispielsweise ein magnetischer Typ oder
dergleichen, verwendet werden. Außerdem beziehen sich die
bevorzugten Ausführungsformen auf das Detektieren einer
Drehung.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Detektieren einer Drehbewegung eines mit
einer drehenden Welle (1a) verbundenen Objekts, umfas
send eine Absolutpositions-Detektiereinrichtung (1), die
einen auf der drehenden Welle (1a) befestigten Maßstab
(1b) mit einer darin gebildeten Schlitz-Struktur, eine
lichtaussendende Diode (1c) und eine lichtempfindliche
Diode (1d) aufweist, um einen Absolutwert der Drehposi
tion innerhalb einer vollständigen Umdrehung des Objekts
zu detektieren sowie ein entsprechendes Signal zu
erzeugen, einen Permanentmagneten (11), der auf der
drehenden Welle (1a) angebracht ist, eine mittels Mikro
bearbeitungstechnik hergestellte Mikromaschine (16, 16A,
16B), die dem Permanentmagneten (11) gegenüberstehend so
angeordnet ist, daß sie von einem von dem Permanent
magneten (11) erzeugten Magnetfluß bei Drehung der Welle
(1a) betätigbar ist, um die Anzahl der vollständigen Umdre
hungen des Objekts zu detektieren und ein entsprechendes
Signal zu erzeugen und einen Signalverarbeitungskreis
(14) mit
einer Drehsignal-Verarbeitungseinrichtung (14a), um das von der Mikromaschine (16, 16A, 16B) erzeugte Signal zu verarbeiten, mit einer Absolutpositionssignal-Verar beitungseinrichtung (14b), um das von der Absolutposi tions-Detektiereinrichtung (1) erzeugte Signal zu verar beiten, und mit
einer Drehabgabeeinrichtung (14c), um das Signal von der Drehsignal-Verarbeitungseinrichtung (14a) und das Signal von der Absolutpositionssignal-Verarbeitungseinrichtung (14b) zu kombinieren und sowohl die Anzahl der vollstän digen Umdrehungen des Objekts als auch den Absolutwert der Drehposition innerhalb einer vollständigen Umdrehung des Objekts abzugeben.
einer Drehsignal-Verarbeitungseinrichtung (14a), um das von der Mikromaschine (16, 16A, 16B) erzeugte Signal zu verarbeiten, mit einer Absolutpositionssignal-Verar beitungseinrichtung (14b), um das von der Absolutposi tions-Detektiereinrichtung (1) erzeugte Signal zu verar beiten, und mit
einer Drehabgabeeinrichtung (14c), um das Signal von der Drehsignal-Verarbeitungseinrichtung (14a) und das Signal von der Absolutpositionssignal-Verarbeitungseinrichtung (14b) zu kombinieren und sowohl die Anzahl der vollstän digen Umdrehungen des Objekts als auch den Absolutwert der Drehposition innerhalb einer vollständigen Umdrehung des Objekts abzugeben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikromaschine (16) folgendes aufweist:
ein Detektierelement (29) mit einer vorbestimmten Anzahl von Vorsprüngen (29a), die am Umfangsrand des Detektier elements (29) gleichwinklig beabstandet angeordnet sind, um sich aufgrund des Magnetflusses zu drehen, ein Antriebsrad (30; 30A), das Vorsprünge trägt und integral und koaxial mit dem Detektierelement (29) gebildet ist, ein ange triebenes Rad (34; 34A), das Vorsprünge trägt, um mit den Vorsprüngen des Antriebsrades (30; 30A) zu kämmen, eine erste und eine zweite Detektorplatte (38, 39; 38A, 39A), die integral und koaxial mit dem Antriebsrad (30; 30A) bzw. dem angetriebenen Rad (34; 34A) gebildet sind, und ein erstes und ein zweites Detektorelement (43, 44), die der ersten und der zweiten Detektorplatte (38, 39; 38A, 39A) jeweils gegenüberstehend angeordnet sind, um eine Drehposition der ersten und der zweiten Detektor platte (38, 39; 38A, 39A) zu detektieren.
ein Detektierelement (29) mit einer vorbestimmten Anzahl von Vorsprüngen (29a), die am Umfangsrand des Detektier elements (29) gleichwinklig beabstandet angeordnet sind, um sich aufgrund des Magnetflusses zu drehen, ein Antriebsrad (30; 30A), das Vorsprünge trägt und integral und koaxial mit dem Detektierelement (29) gebildet ist, ein ange triebenes Rad (34; 34A), das Vorsprünge trägt, um mit den Vorsprüngen des Antriebsrades (30; 30A) zu kämmen, eine erste und eine zweite Detektorplatte (38, 39; 38A, 39A), die integral und koaxial mit dem Antriebsrad (30; 30A) bzw. dem angetriebenen Rad (34; 34A) gebildet sind, und ein erstes und ein zweites Detektorelement (43, 44), die der ersten und der zweiten Detektorplatte (38, 39; 38A, 39A) jeweils gegenüberstehend angeordnet sind, um eine Drehposition der ersten und der zweiten Detektor platte (38, 39; 38A, 39A) zu detektieren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Antriebsrad (30A) und das angetriebene Rad (34A) so
ausgebildet sind, daß sie intermittierend miteinander
kämmen, daß die erste Detektorplatte (38A) Vorsprünge
hat, die an ihrem Umfangsrand gleichwinklig beabstandet
gebildet sind und deren Zahl gleich der Zahl der Vor
sprünge des Detektierelements (29) ist, daß die zweite
Detektorplatte (39A) Vorsprünge hat, die an ihrem
Umfangsrand gleichwinklig beabstandet gebildet sind und
deren Zahl gleich der Zahl der Vorsprünge des angetrie
benen Rads (34A) ist, wobei die Vorsprünge so angeordnet
sind, daß einander schneidende Bereiche zwischen den
jeweiligen Vorsprüngen und der ersten und zweiten
Detektorplatte (38A, 39A) größenmäßig voneinander
verschieden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikromaschine (16B) folgendes aufweist:
ein Detektierelement (29) mit einer vorbestimmten Zahl von Vorsprüngen, die am Umfangsrand des Detektierele ments (29) gleichwinklig beabstandet angeordnet sind, um aufgrund des Magnetflusses eine Drehbewegung auszuführen
und eine Vielzahl von Antriebsrädern (30-33) sowie angetriebenen Rädern (34-39), die in Eingriff miteinan der angeordnet sind, um einen Räderzug mit verschiedenen Reduzierstufen der Drehbewegung des Detektierelements (29) zu bilden.
ein Detektierelement (29) mit einer vorbestimmten Zahl von Vorsprüngen, die am Umfangsrand des Detektierele ments (29) gleichwinklig beabstandet angeordnet sind, um aufgrund des Magnetflusses eine Drehbewegung auszuführen
und eine Vielzahl von Antriebsrädern (30-33) sowie angetriebenen Rädern (34-39), die in Eingriff miteinan der angeordnet sind, um einen Räderzug mit verschiedenen Reduzierstufen der Drehbewegung des Detektierelements (29) zu bilden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikromaschine (16B) weiterhin umfaßt:
eine Detektorplatte (42B), die integral und koaxial mit dem letzten (37B) der angetriebenen Räder (34-37B) des Räderzugs ausgebildet ist, und ein Detektorelement (47), das der Detektorplatte (42B) gegenüberstehend angeordnet ist, um eine Drehposition der Detektorplatte (42B) zu detektieren, wobei das letzte (37B) der angetriebenen Räder (34-37B) Vorsprünge hat, deren Zahl gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Kehrwerts eines Produkts eines Verhältnisses zwischen einer Zahl von äußeren Magnetpolen des Permanentmagneten (11) und einer Zahl der Vorsprünge des Detektierelements (29) und eines Untersetzungsverhältnisses der Antriebsräder (30-33) und der angetriebenen Räder (34-37B) ist, wobei die Vor sprünge der Detektorplatte (42B) mit gleicher Zahl wie die Vorsprünge des letzten (37B) der angetriebenen Räder (34-37B) so angeordnet sind, daß umfangsmäßig einander schneidende Bereiche zwischen den jeweiligen Vorsprüngen und der Detektorplatte (42B) größenmäßig verschieden sind.
eine Detektorplatte (42B), die integral und koaxial mit dem letzten (37B) der angetriebenen Räder (34-37B) des Räderzugs ausgebildet ist, und ein Detektorelement (47), das der Detektorplatte (42B) gegenüberstehend angeordnet ist, um eine Drehposition der Detektorplatte (42B) zu detektieren, wobei das letzte (37B) der angetriebenen Räder (34-37B) Vorsprünge hat, deren Zahl gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Kehrwerts eines Produkts eines Verhältnisses zwischen einer Zahl von äußeren Magnetpolen des Permanentmagneten (11) und einer Zahl der Vorsprünge des Detektierelements (29) und eines Untersetzungsverhältnisses der Antriebsräder (30-33) und der angetriebenen Räder (34-37B) ist, wobei die Vor sprünge der Detektorplatte (42B) mit gleicher Zahl wie die Vorsprünge des letzten (37B) der angetriebenen Räder (34-37B) so angeordnet sind, daß umfangsmäßig einander schneidende Bereiche zwischen den jeweiligen Vorsprüngen und der Detektorplatte (42B) größenmäßig verschieden sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
jeder der Vorsprünge (29a) des Detektierelements (29)
der Mikromaschine (16), die an seinem Umfangsrand in
gleichen Winkelabständen angeordnet sind, T-förmig ist
und einen schlanken Schenkelbereich (29c), der in
Richtung zu der Drehachse des Detektierelements (29)
verläuft, und einen langen Schulterbereich (29b) hat,
der dem Permanentmagneten (11) zugewandt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein Bereich der Detektorplatte (38-42), der
dem Detektorelement (43-47) zugewandt ist, aus einem
Magnetmaterial geformt ist und daß das Detektorelement
(43-47) eine magnetische Detektoreinrichtung ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die angetriebenen Räder (34-37; 37B) aus einem Magnetma
terial geformt und in einer Zahnbreitenrichtung magneti
siert sind, und daß die Mikromaschine (16) außerdem ein
Paar von Permanentmagneten (70, 71) aufweist, die zu
beiden Seiten der angetriebenen Räder (34-37; 37B)
sandwichartig angeordnet sind, so daß die angetriebenen
Räder (34-37; 37B) durch ein von dem Paar von Permanent
magneten (70, 71) erzeugtes Magnetfeld gehalten sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Permanentmagnet (11) C-förmig ist, um den Vorsprung
(29a) des Detektierelements (29) sandwichartig von
seinen beiden axialen Seiten zu umschließen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikromaschine (16) integral mit der Drehsignal-
Verarbeitungseinrichtung (14a) angeordnet ist.
11. Verfahren zum Detektieren einer Drehbewegung eines mit
einer drehenden Welle (1a) verbundenen Objekts, wobei an
der Welle (1a) eine Magnetflußerzeugungseinrichtung zum
Erzeugen eines äußeren Magnetflusses angebracht ist,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- - Bilden einer Mikromaschine (16) auf einer Siliziumein
kristall-Leiterplatte (17) mittels eines CVD-Verfah
rens aus polykristallinem Silizium, so daß die Mikro
maschine (16) folgendes aufweist:
ein Detektierelement (29) mit einer Vielzahl von Vor sprüngen (29a), die am Umfangsrand des Detektierele ments (29) in gleichwinkligen Abständen geformt sind, wobei das Detektierelement (29) drehbar so angebracht ist, daß es sich aufgrund einer Drehbewegung der Welle (1a) und damit des äußeren Magnetflusses dreht,
eine Vielzahl von Antriebsrädern (30-33) und angetrie benen Rädern (34-37), die in Eingriff miteinander so angeordnet sind, daß sie einen vielstufigen Räderzug bilden, wobei ein erstes Antriebsrad (30) integral und koaxial mit dem Detektierelement (29) geformt ist, so daß der Räderzug als ein Untersetzungssystem für das Detektierelement (29) wirkt,
eine Vielzahl von Detektorplatten (38-42), die jeweils integral mit jedem der Antriebsräder (30-33) geformt ist, und
eine Vielzahl von Detektorelementen (43-47), die je weils einer der Detektorplatten (38-42) gegenüberste hend angeordnet sind, wobei eine elektrische Charakte ristik des jeweiligen Detektorelements (43-47) durch die Drehung einer jeweils zugehörigen Detektorplatte (38-42) änderbar ist; - - Messen der elektrischen Charakteristik jedes der Detektorelemente (43-47), um eine Drehposition jedes der Antriebsräder (30-33) zu bestimmen; und
- - Ableiten der Drehbewegung des Objekts auf der Basis der jeweiligen Positionen der Antriebsräder (30-33).
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