DE4306487C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren einer Drehbewegung eines mit einer drehenden Welle verbundenen Objekts - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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:

• - 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).