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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drehgeber nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Dieser ist geeignet, das Ausmaß der Rotation eines rotierenden
Objekts zu erfassen, d.h. die Umdrehungszahl und/oder den Drehwinkel
um die Rotationsachse.
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Im
allgemeinen gibt es bei sog. Multiturn-Drehgebern neben Mitteln
zur Erfassung des Ausmaßes
der Rotationsbewegung innerhalb einer Umdrehung ferner Mittel zur
Feststellung der Umdrehungszahl, wenn mehr als eine Umdrehung erfolgt. Letztgenannte
Mittel umfassen ein Magnetelement in Form eines Ringmagneten sowie
ein zugehöriges Magnetsensorelement.
Für die
Anordnung des beispielsweise ringförmigen Magnetelements gibt
es je nach der Art oder Aufbau des Drehgebers verschiedene Varianten.
Beispielsweise ist ein Aufbau gemäß 8 bekannt, bei dem sich eine zu einer
Drehachse symmetrische Hohlwelle 2 von der Anbringungsstelle einer
Teilscheibe 4 in Richtung einer Grundplatte 3 bzw.
Platine und über
diese hinaus erstreckt. Am oberen Ende der Hohlwelle 2 bzw.
Drehachse ist in diesem Beispiel das Magnetelement 6 angeordnet.
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Der
Drehgeber mit dem in 8 beispielhaft gezeigten
Aufbau besitzt eine Hohlwelle 2, die an einem das zu messende
Objekt darstellenden Drehkörper
o.ä. angebracht
und damit gekoppelt ist, ein Lager 5 zur drehbaren Anordnung
der Hohlwelle sowie einen Grundkörper 1,
an dem das Lager 5 fixiert ist. An der Hohlwelle 2 ist
eine Durchgangsöffnung 2a ausgebildet,
die annähernd
den gleichen Durchmesser wie die Welle des – nicht dargestellten – Drehkörpers aufweist,
damit diese Welle an der unteren Seite mit der Hohlwelle 2 verbunden
werden kann. Oberhalb des Haltebereichs des Lagers 5 ist
eine Teilscheibe 4 mit einer Teilungsstruktur mit vielen
Schlitzen angebracht. Über
der Teilscheibe 4 ist, wie oben ausgeführt, das Magnetelement 6 in
Form eines Ringmagnets angeordnet. Der Teilscheibe 4 gegenüberliegend
ist darüber
eine am Grundkörper 1 fixierte Grundplatte 3 in
Form einer Platine angeordnet, an der gegenüberliegend an einer Stelle,
die der Teilungsstruktur gegenüberliegt,
ein Lichtempfangselement 9 angeordnet ist, der eine stationäre Abtastplatte 10 mit
ein oder mehreren Schlitzen zugeordnet ist. Das Lichtempfangselement 9 ist
ferner elektrisch an einen – nicht
dargestellten – Schaltkreis
auf der Grundplatte 3 angeschlossen.
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Auf
der der Anbringungsstelle des Lichtempfangselements 9 gegenüberliegenden
Seite der Teilscheibe 4 ist ein Lichterzeugungselement 11 angeordnet.
Das vom Lichterzeugungselement 11 ausgestrahlte Licht kann über die
Schlitze der Teilscheibe 4 und die stationäre Abtastplatte 10 vom
Lichtempfangselement 9 detektiert werden.
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Das
Lichterzeugungselement 11 wird durch eine Haltegrundplatte 12 gehalten,
die am Grundkörper 1 fixiert
ist. Für
den Aufbau und die Anbringungsstellen der Bestandteile des optischen
und des magnetischen Abtastsystems dieses Drehgebers gibt es je
nach der Art des Drehgebers verschiedene Ausführungsformen.
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Beim
Magnetelement 6 bzw. Ringmagnet, der im Bereich oberhalb
der Grundplatte 3 an der Hohlwelle 2 angebracht
ist, kehren sich die Magnetpole während einer Umdrehung um. Ein
Magnetsensorelement 7, das diese Veränderung der Magnetpole erfasst,
ist so angeordnet, dass es der Umfangs fäche des ringförmigen Magnetelements 6 gegenüberliegt.
Ein Vorspannungs-Magnetelement 8, welches ein Vorspannungsmagnetfeld
für das
Magnetsensorelement 7 erzeugt, ist an derjenigen Seite
des Magnetsensorelements 7 ausgebildet, die zu der zum Magnetelement 6 gerichteten
Fläche
entgegengesetzt ist. Das Magnetsensorelement 7 und das
Vorspannungs-Magnetelement 8 sind
durch einen nicht dargestellten Aufbau mechanisch und elektrisch
an die Grundplatte 3 bzw. Platine angeschlossen.
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Bei
diesem Aufbau, bei dem die Hohlwelle 2 über die Grundplatte 3 hinausragt
und bei dem das ringförmige
Magnetelement 6 sowie das Magnetsensorelement 7 und
das Vorspannungs-Magnetelement 8 wie dargestellt angebracht
werden, resultiert eine große
Bauform des Drehgebers, da insbesondere oberhalb der Grundplatte 3 zusätzliches
Bauvolumen benötigt
wird, um das der Drehgeber vergrößert wird.
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Ferner
ist aus der JP 6-3159 ein Drehgeber-Aufbau bekannt, bei dem ein
kreisringförmiges Magnetelement 6 sowie
das Magnetsensorelement 7 und das Vorspannungs-Magnetelement 8 zwischen der
Teilscheibe 4 und der Grundplatte 3 angeordnet sind.
Wie in 9 gezeigt, reicht
hierbei die Hohlwelle 2 bis zur Teilscheibe 4.
Das Magnetelement 6 ist über dem Verbindungsbereich
der Hohlwelle 2 und der Teilscheibe 4 auf der
Oberseite der Teilscheibe 4 angeordnet. Das Magnetsensorelement 7 und
das Vorspannungs-Magnetelement 8 sind gegenüberliegend
zum Magnetelement 6 an der Grundplatte 3 angeordnet.
Der weitere Aufbau entspricht jenem von 8, wobei gleiche Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen wurden; auf eine nochmalige Beschreibung
derselben wird daher verzichtet.
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In
der JP 6-3159 sind keine Details zur Anordnung bzw. Ausbildung des
Vorspannungs-Magnetelements 8 offenbart, so dass davon
auszugehen ist, dass dieses einstückig mit dem Magnetsensorelement 7 ausgeführt ist.
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Trotz
der derart möglichen
Verringerung der Länge
der Hohlwelle 2, ist aufgrund der Anordnung des Magnetelements 6,
des Magnetsensorelements 7 und des Vorspannungs-Magnetelements 8 zwischen
der Teilscheibe 4 und der Grundplatte 3 nach wie
vor ein gewisses Bauvolumen zur Anordnung dieser Elemente nötig.
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In
den letzten Jahren ist es aufgrund des zunehmendem Integrationsgrads
elektrischer Schaltkreise möglich
geworden, auf immer kleinerem Raum zahlreiche elektronische Bauteile
anzuordnen. Auch bei Drehgebern werden zunehmend Bauformen erwartet,
die die Vorteile der Miniaturisierung der elektronischen Bauteile
ausnutzen. Im Fall der grundsätzlich
möglichen
Verringerung der Bauhöhe
des Lichtempfangselements resultiert im zuletzt diskutierten Beispiel
auch eine Verringerung des Abstands zwischen der Teilscheibe und
der Grundplatte. Die Anordnung des Magnetelements in diesem Bereich wird
dann schwierig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, einen Drehgeber zu schaffen, bei
dem kein spezieller Bauraum für
das Magnetelement zur Bestimmung der der Umdrehungszahl nötig ist.
Eine kompakt-bauende und flache Bauform des Drehgebers soll ermöglicht werden.
Ferner soll die Anordnung der verschiedenen Elemente zur Erfassung
der Umdrehungszahl eine hinreichend große Signalamplitude gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Drehgeber mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Drehgebers
ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
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Der
erfindungsgemäße Drehgeber
zur Messung des Ausmaßes
der rotatorischen Positionsveränderung
eines rotierenden Objekts umfasst eine Teilscheibe zum Messen des
Ausmaßes
der rotatorischen Positionsveränderung,
ein Magnetelement zum Bestimmen der Umdrehungszahl des rotierenden
Objekts sowie ein Magnetsensorelement, das zumindest einem Teilbereich
des Magnetelements gegenüberliegend
angeordnet ist und welches das Magnetfeld des Magnetelements erfasst.
Das Magnetelement ist dem Magnetsensorelement über die Teilscheibe hinweg
gegenüberliegend
angeordnet.
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Vorteilhafterweise
ist beim erfindungsgemäßen Drehgeber
an der entgegengesetzten Fläche
einer Grundplatte, auf der das Magnetsensorelement angeordnet ist,
ein Vorspannungs-Magnetelement angeordnet, das ein Vorspannungsmagnetfeld
für das
Magnetsensorelement erzeugt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehgebers
sind das Vorspannungs-Magnetelement, das Magnetsensorelement und
das Magnetelement so angeordnet, dass die jeweiligen Magnetfeldstärken des
Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetelements im Detektionsbereich
des Magnetdetektionselements etwa gleich werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehgebers
sind das Vorspannungs-Magnetelement, das Magnetsensorelement und
das Magnetelement derart angeordnet, dass der Abstand zwischen der
Detektionsfläche
des Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement einerseits
und der Abstand von der Detektionsfläche des Magnetsensorelements
bis zum Magnetelement andererseits in etwa gleich groß sind.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Maßnahmen
wird kein spezieller Raum für
das Magnetelement zur Erfassung der Umdrehungszahl benötigt. Eine
kleinbauende und flache Ausgestaltung des Drehgebers ist möglich.
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Außerdem ist
es möglich,
einen Drehgeber bereitzustellen, der mit Mitteln zur Erfassung der
Umdrehungszahl versehen ist, bei dem die räumliche Relativanordnung des
Magnetelements zur Erfassung der Umdrehungszahl, des Magnetsensorelements
und des Vorspannungs-Magnetelements so passend wie möglich festgelegt
werden kann. Derart können
die Amplituden der Ausgangssignale des Magnetsensorelements vorteilhaft
vergrößert werden.
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Weitere
Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Drehgebers ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
beiliegenden Figuren.
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Dabei
zeigt
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1 eine
Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
eines Drehgebers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Drehgebers
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Drehgebers
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 eine
teilweise Schnittansicht, die die Positionsbeziehung des Magnetelements
und des Vorspannungs-Magnetelements einer vierten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers;
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5 ein
Diagramm, das die Ausgangsspannung des Magnetwiderstandselements
der vierten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehgebers
für jeden
Zwischenraum;
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6 eine
teilweise Schnittansicht zur Erläuterung
der Positionsbeziehung zwischen dem Magnetelement und dem Vorspannungs-Magnetelement;
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7 eine
teilweise Schnittansicht zur Erläuterung
der Positionsbeziehung zwischen dem Magnetelement und dem Vorspannungs-Magnetelement;
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8 eine
Schnittansicht zum Aufbau eines Drehgebers gemäß dem Stand der Technik;
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9 eine
Schnittansicht zum Aufbau eines anderen Drehgebers gemäß dem Stand
der Technik.
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Bevor
die detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der
Figuren erfolgt, seien zunächst
noch einige grundlegende Aspekte der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Der
erfindungsgemäße Drehgeber
zur Messung des Ausmaßes
der Positionsveränderung
(des Drehausmaßes)
eines zu messenden Objekts umfasst einen Grundkörper mit zumindest einer Teilscheibe
zum Messen des Ausmaßes
der rotatorischen Positionsveränderung
und ein Magnetelement zum Messen der Umdrehungszahl von mehr als
einer Umdrehung und/oder der Umdrehungsrichtung. Ferner weist der
Drehgeber ein Magnetsensorelement auf, bei dem es sich um einen
Sensor handelt, der zumindest einem Teilbereich des Magnetelements gegenüberliegend
angeordnet ist und welcher die Zahl der Umdrehungen des Magnetelements
feststellt. Das Magnetelement ist dem Magnetsensorelement über die
Teilscheibe hinweg gegenüberliegend angeordnet.
Vorzugsweise ist an der entgegengesetzten Fläche einer Grundplatte bzw.
Platine, auf der das Magnetsensorelement angeordnet ist, ein Vorspannungs-Magnetelement
vorhanden, das ein Vorspannungsmagnetfeld für das Magnetsensorelement erzeugt.
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Da
das Magnetelement zur Feststellung der Zahl n von Umdrehungen beim
Drehgeber auf Seiten der Fixierungsfläche der Teilscheibe zur Feststellung einer
Umdrehung angeordnet wird, ist kein spezieller Bauraum für das Magnetelement
und das Vorspannungs-Magnetelement nötig. Dadurch wiederum ist eine
kleinformatige und flache Ausführung
des erfindungsgemä ßen Drehgebers
möglich.
Durch die bevorzugte Anordnung des Vorspannungs-Magnetelements an
der entgegengesetzten Fläche
der Grundplatte, auf der das Magnetsensorelement angeordnet ist,
kann die Positionsbeziehung des Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements
so geeignet wie möglich
eingerichtet werden; insbesondere können derart die jeweiligen
Magnetfeldstärken des
Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetelements an der Detektionsfläche des
Magnetsensorelements etwa gleich groß eingerichtet werden.
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Der
grundlegende Aufbau des erfindungsgemäßen Drehgebers sieht folgende
Bestandteile auf Seiten des Drehgeber-Grundkörpers vor: eine Teilscheibe,
die zum Messen des normalen Ausmaßes der Positionsveränderung
des zu messenden Objekts, konkret des Umdrehungsausmaßes o.ä. nötig ist;
optische Elemente (Lichtquelle, Lichtempfangselemente), die zur
Abtastung der Teilscheibe nötig sind;
ein Magnetelement zum Feststellen der Zahl n von Umdrehungen (wobei
n eine ganze Zahl außer
0 und eine Bruchzahl ist) und der Umdrehungsrichtung; ein Magnetsensorelement,
das die Magnetfeld-Veränderungen
des Magnetelements feststellt; sowie je nach Notwendigkeit elektrische
Schaltkreise o.ä.
zum Verarbeiten der Signale, die von den einzelnen Elementen erzeugt
werden. Als zu messendes Objekt können zum Beispiel Motoren sowie
Drehaufbauten o.ä.
die daran angeschlossen sind, vorgesehen sein, die jeweils eine
Drehtätigkeit übertragen oder
damit gekoppelt sind.
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Das
beispielsweise ringförmige
Magnetelement wird beim erfindungsgemäßen Drehgeber verwendet, um
bei der Messung des Ausmaßes
der Positionsveränderung
des zu messenden Objekts die Zahl n von erfolgten Umdrehungen um
die Rotationsachse zu messen. Normalerweise ist n zumindest "1", das heißt, zumindest eine Umdrehung;
doch gibt es auch Fälle,
bei denen eine Erfassung von etwa nur einer halben Umdrehung erfolgen
kann. Die Zahl n kann daher sowohl eine ganze Zahl (außer 0) sein oder
aber eine Bruchzahl.
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Das
Magnetelement ist dem Magnetsensorelement über die Teilscheibe hinweg
gegenüberliegend
angeordnet. Das heißt,
das Magnetelement ist vom Magnetsensorelement her gesehen rückseitig zur
Teilscheibe angeordnet, so dass der durch das Magnetelement eingenommene
Bauraum minimiert bzw. auf ein Mindestmaß verringert werden kann und der
Drehgeber noch kleinformatiger und flacher ausgeführt werden
kann. Der erwähnte
Bereich der Rückseite
der Teilscheibe entspricht jenem Bereich, in dem die Teilscheibe
normalerweise an der Welle des Drehgebers fixiert ist. Daher ist
das Magnetelement vorzugsweise so angeordnet, dass es in die Drehgeber-Welle eingebettet
oder in einer Einheit damit ausgeführt ist. Vorzugsweise sind
das Vorspannungs-Magnetelement zur Verleihung eines Vorspannungsmagnetfelds,
das Magnetsensorelement und das Magnetelement räumlich derart zueinander positioniert,
dass die vom Vorspannungs-Magnetelement und vom Magnetelement erfassten
Magnetfeldstärken
etwa gleich groß sind,
wenn die Detektionsfläche
des Magnetsensorelements als Messort herangezogen wird. Noch bevorzugter
sind die Abstände
zwischen dem Vorspannungs-Magnetelement und dem Magnetsensorelement
einerseits und zwischen dem Magnetsensorelement und dem Magnetelement
andererseits in etwa gleich groß gewählt.
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Was
die Positionsbeziehung des vorzugsweise ringförmigen Magnetelements, des
Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetsensorelements betrifft,
ist eine Anordnung ideal, bei der die Stärke der Magnetfelder am Detektionsort
etwa gleich wird.
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Zur
Angabe einer idealen räumlichen
Anordnung der verschiedenen Elemente seien zunächst bestimmte Abstände definiert.
So sei der Abstand von der Detektionsfläche des Magnetsensorelements
bis zur Fläche
des Vorspannungs-Magnetelement, die dem Magnetsensorelement gegenüberliegt,
als A bezeichnet; der Abstand von der Magnetdetektionsfläche des
Magnetsensorelements bis zur Fläche
des Magnetelements, die dem Magnetsensorelement gegenüberliegt,
sei als B bezeichnet. Wenn nunmehr die Materialeigenschaften des
Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements gleich sind und
die erzeugten Magnetfelder identisch sind, so ist eine Anordnung
vorteilhaft, bei der die Größen A und
B den Beziehungen A = B bzw. zumindest A ≅ B genügen.
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Wenn
der Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Magnetelement kleiner
als der Abstand A gewählt
würde,
wäre es
zur Anordnung des Vorspannungs-Magnetelements grundsätzlich nötig, die
Grundplatte bzw. Platine spanend zu bearbeiten und deren Form anzupassen.
In diesem Fall resultiert eine komplexere Formgebung der Grundplatte,
die einen erhöhten
Bearbeitungsaufwand erfordert und zudem eine schwierige Montage
verursacht.
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Zum
Beispiel sind bei der in 6 gezeigten Anordnung das Magnetsensorelement 7 und
das Vorspannungs-Magnetelement 8 einander gegenüberliegend
an der Vorderseite (der von der Figurenebene gesehen oberen Fläche) und
der Rückseite
(der von der Figurenebene gesehenen unteren Fläche) der Grundplatte 3 bzw.
Platine angeordnet. Das Magnetelement ist ferner an der Seite der
unteren Fläche
der Teilscheibe 4 angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung
ist die Beziehung A = B erfüllt.
Mit A wird hierbei der Abstand zwischen dem Magnetsensorelement 7 und
dem Vorspannungs-Magnetelement 8 bezeichnet, d.h. der Abstand
von der Detektionsfläche 7a des
Magnetsensorelements 7 bis zur Fläche des Vorspannungs-Magnetelements 8,
die mit der Grundplatte 3 in Kontakt steht. Mit B wird
derjenige Abstand bezeichnet, der den Abstand von der Detektionsfläche 7a des
Magnetsensorelements 7 bis zur oberen Endfläche des
an der Seite der unteren Fläche
der Teilscheibe 4 angeordneten magnetischen Drehkörpers 6 angibt.
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Wenn
andererseits das Magnetelement 6 wie in 7 gezeigt über der
Teilscheibe 4, d. h. im Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und
der Teilscheibe 4 angeordnet würde, liegen das Magnetsensorelement 7 und
das Magnetelement 6 so nah beisammen, dass es für eine Anordnung
des Vorspannungs-Magnetelements 8 unter Berücksichtigung
der Beziehung A = B nötig
wird, die Grundplatte 3 bzw. Platine zu bearbeiten und
ihre Form zu verändern.
Die Formgebung der Grundplatte wird wiederum komplex und erfordert
einen erhöhten
Bearbeitungsaufwand.
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Was
die Positionsbeziehung des Magnetelements, des Vorspannungs-Magnetelements
und des Magnetsensorelements betrifft, beträgt der Unterschied zwischen
den Entfernungen A und B vorzugsweise höchstens 25%, wenn die Stärken der
resultierenden Magnetfelder des Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements
etwa gleich sind. Als Bezugsflächen
zur Berechnung der Entfernung dienen dabei die jeweils gegenüberliegenden
Flächen des
Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements und die Detektionsfläche des
Magnetsensorelements.
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Das
Magnetelement kann ringförmig,
aber auch scheibenförmig
ausgebildet werden und sollte so aufgebaut sein, dass in der Umfangsrichtung
fortlaufend ein Magnetfeld erzeugt wird und sich außerdem die
Magnetpole oder der Magnetismus innerhalb einer Umdrehung verändern. Was
das magnetische Material des Magnetelements betrifft, können verschiedenste
magnetische Materialien wie etwa Ferritmagnete, Seltenerdenmagnete
oder Edelmetallmagnete verwendet werden. Das ideale Material kann
daraus je nach den benötigten
magnetischen Eigenschaften ausgewählt werden. Durch die Verwendung
eines sogenannten Verbundmagnets, bei dem das Material pulverförmig ist
und durch Harz fixiert ist, ergibt sich eine flexible Formgebung,
was für eine
Anwendung bei der nachstehend besprochenen Einbettungsausführung nützlich ist.
Normalerweise ist das Magnetelement so ausgeführt, dass sich die Magnetpole
während
einer Umdrehung ein oder mehrmals umkehren. Die Positionen, an denen
sich die Magnetpole umkehren, oder die Positionen, an denen sich
der Magnetismus verändert,
können
je nach dem Aufbau des erfindungsgemäßen Drehgebers beliebig festgelegt
werden.
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Als
geeignetes Material für
das Vorspannungs-Magnetelement kommen verschiedenste Magnetmaterialien
in Betracht, sofern diese zur Erzeugung des erforderlichen Vorspannungsmagnetfelds geeignet
sind. Da, wie oben erwähnt,
die Erzeugung eines Magnetfelds bevorzugt wird, das identisch zum Magnetfeld
des Magnetelements ist, wird vorzugsweise das gleiche Magnetmaterial
für beide
Elemente verwendet. Andere magnetische Materialien können insoweit
verwendet werden, solange diese die Erzeugung der erforderlichen
Magnetfeldstärke
gewährleisten.
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Das
maximale Energieprodukt (Produkt aus Flussdichte B und Feldstärke H, charakterisiert
als Materialkonstante die maximal aufgespeicherte magnetische Energie;
Einheit: kJ/m3), das das Magnetelement und das Vorspannungs-Magnetelement
aufweisen, unterscheidet sich je nach dem verwendeten Drehgeberaufbau
und der Art des Magnetsensorelements; es beträgt üblicherweise zwischen 0,79
kJ/m3 und 79 kJ/m3.
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Das
Magnetsensorelement detektiert die Magnetpole des rotierenden Magnetelements
oder die Veränderung
des Magnetfelds. Normalerweise wird als Magnetsensorelement ein
bekanntes MR-Element verwendet, nachfolgend auch als Magnetwiderstandselement
bezeichnet. Alternativ ist auch die Verwendung eines Magnetsensorelements möglich, das
als Hall-Element ausgebildet ist.
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Nachstehend
wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
anhand konkreter Ausführungsformen
erklärt. 1 ist
eine Schnittansicht eines Drehgebers, der eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Hierbei ist beispielhaft ein
Drehgeber gezeigt, der einen optischen Erfassungsteil bzw. sog.
Singleturnteil zur Feststellung des Ausmaßes der Positionsveränderung
innerhalb einer Umdrehung und einen magnetischen Umdrehungserfassungsteil
bzw. Multiturnteil aufweist.
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Gemäß der Figur
weist der erfindungsgemäße Drehgeber
eine Hohlwelle 2 auf, die an einem das zu messende Objekt
darstellenden Drehkörper
o.ä. angebracht
und damit gekoppelt ist. Ferner umfasst der Drehgeber ein Lager 5,
welches die Hohlwelle 2 drehbar hält und einen Grundkörper 1,
an dem das Lager 5 fixiert ist. An der Hohlwelle 2 ist
eine Durchgangsöffnung 2a ausgebildet,
die annähernd
den gleichen Durchmesser aufweist wie die Achse des Drehkörpers, der
das zu messende Objekt darstellt; derart kön nen Drehkörper und Hohlwelle 2 miteinander
verbunden werden. Oberhalb des Halteteils des Lagers 5 ist
an der Hohlwelle 2 ein Hohlwellenbereich 2b mit
vergrößertem Durchmesser
bzw. ein Hohlwellenflansch ausgebildet, an dessen oberer Endfläche eine
Teilscheibe 4 bzw. Schlitzplatte angebracht ist. Ein ringförmiges Magnetelement 6 ist
durch Einbettung unter der Verbindungsfläche der Teilscheibe 4 am
Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b angebracht.
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Der
Teilscheibe 4 gegenüberliegend
ist darüber
eine am Grundkörper 1 fixierte
Grundplatte 3 angeordnet. Auf dieser ist an einer Stelle,
die der Teilungsspur der Teilscheibe 4 gegenüberliegt,
ein Lichtempfangselement 9 angeordnet, dem eine stationäre Abtastplatte 10 zugeordnet
ist und welches elektrisch an einen Schaltkreis auf der Grundplatte 3 angeschlossen
ist. Auf der zur Anbringungsstelle des Lichtempfangselements 9 gegenüberliegenden
Seite der Teilscheibe 4 ist ein Lichterzeugungselement 11 angeordnet.
Das vom Lichterzeugungselement 11 ausgestrahlte Licht gelangt über die
Schlitze der Teilscheibe 4 und die stationäre Abtastplatte 10 auf
das Lichtempfangselement 9, das die einfallenden Lichtbündel detektiert.
Das Lichtempfangselement 11 wird durch eine Haltegrundplatte 12 gehalten,
die am Grundkörper 1 fixiert
ist.
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Diese
optischen Elemente zur optischen Positionserfassung können im
Singleturnteil zum Beispiel auch durch magnetische Elemente zur
magnetischen Positionserfassung ersetzt werden, etwa durch eine
magnetische Teilscheibe aus einem magnetischen Körper und einen Magnetsensor
etc..
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An
der Seite der unteren Fläche
der Grundplatte 3, die sich über der Teilscheibe 4 oberhalb
des ringförmigen
Magnetelements 6 befindet, ist ein Magnetsensorelement 7 zur
Erfassung der Magnetpole bzw. der Veränderung des Magnetfelder des
Magnetelements 6 so angeordnet, dass es der Kreisringfläche des
ringförmigen
Magnetelements 6 gegenüberliegt.
An der Seite der oberen Fläche
der Grundplatte 3, die der Anbringungsposition des Magnetsensorelements 7 gegenüberliegt,
ist ein Vorspannungs-Magnetelement 8 angeordnet. Über das
Vorspannungs-Magnetelement 8 wird ein Vorspannungs-Magnetfeld
für das
Magnetsensorelement erzeugt. Das Magnetsensorelement 7 und
das Vorspannungs-Magnetelement 8 sind in nicht im Detail
dargestellter Art und Weise mechanisch und elektrisch an die Grundplatte 3 angeschlossen.
Bei den in den Figuren dieser Beschreibung gezeigten Beispielen
wurde zur besseren Verständlichkeit
auf die Darstellung von Einzelheiten der zur Befestigung der einzelnen
Aufbaubestandteile nötigen
Elemente, zum Beispiel Schraubenbefestigungen, Verklebungen, Lötbefestigungen
usw., verzichtet. Es wurde auch auf eine Darstellung der Abdeckung
bzw. des Gehäuses,
das den gesamten Hauptkörperaufbau
einschließlich
der Grundplatte 3 und des Grundkörper 1 abdeckt, verzichtet.
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Aufgrund
der erläuterten
Anordnung, bei der das Magnetelement 6 unterhalb der Teilscheibe 4 in die
Hohlwelle 2 eingebettet angeordnet ist, ist kein Magnetelement 6 im
Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 vorhanden.
Dadurch kann der erforderliche Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und
der Teilscheibe 4 verkleinert werden bzw. ein kleinbauender
Drehgeber realisiert werden. Das Magnetelement 6, das Vorspannungs-Magnetelement 8 und
das Magnetsensorelement 7 können aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung
in geeigneten Positionen platziert werden, die den erforderlichen
Abstandbedingungen genügen;
insbesondere können
das Vorspannungs-Magnetelement 8, das Magnetsensorelement 7 und
das Magnetelement 6 derart angeordnet werden, dass der
Abstand zwischen der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements
und dem Vorspannungs-Magnetelement einerseits und der Abstand von
der Detektionsfläche 7a des
Magnetsensorelements bis zum Magnetelement andererseits in etwa
gleich groß sind.
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Durch
die vom Magnetsensorelement 7 getrennte Anordnung des Vorspannungs-Magnetelements 8 – das bislang
stets als mit dem Magnetsensorelement 7 in Kontakt stehende
Einheit ausgeführt wurde – an der
Seite der Grundplatte 3, die der Anbringungsfläche des
Magnetsensorelements 7 gegenüberliegt, kann die Höhe des Magnetsensorelementaufbaus,
der das Innere des durch die Grundplatte 3 und die Teilscheibe 4 gebildeten
Raums einnimmt, stark verringert werden. Daher kann der Zwischenraum
bzw. Ab stand zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 (genauer
der Zwischenraum zwischen der festen Abtastplatte und der Teilscheibe) im
Fall der Verwendung eines noch flacheren optischen Empfangselements
noch kleiner gemacht und auf den idealen Abstand festgelegt werden.
Derart kann ein nochmals kleiner bauender und leistungsfähigerer
Drehgeber ausgebildet werden. Oberhalb der Oberseite der Grundplatte 3,
bei der es sich um die Anbringungsfläche des Vorspannungs-Magnetelements 8 handelt,
ist üblicherweise
ein Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der – nicht
dargestellten – Drehgeber-Abdeckung
ausgebildet. Dadurch wird es auch zusätzliche Maßnahmen möglich, das Vorspannungs-Magnetelement 8 im
Bereich dieses Zwischenraums unterzubringen.
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Unter
der Kontaktfläche
des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b mit
der Teilscheibe 4 ist eine dem ringförmigen Magnetelement 6 entsprechende
Vertiefung ausgebildet, in die das bereits fertigbearbeitete Magnetelement 6 eingesetzt werden
kann. Alternativ kann das Magnetelement an dieser Stelle aber auch
derart ausgebildet werden, dass geeignetes Material für ein Verbundmagnetelement
(magnetisches Pulver und Harz o.ä.)
in die Vertiefung gefüllt
wird und eine Vereinigung der Materialien zum Magnetelement durch
Hitze und Druck erfolgt.
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2 ist
eine Schnittansicht eines Drehgebers, der eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Bei
diesem Beispiel ist das ringförmige
Magnetelement 6 so ausgebildet, dass es selbst einen Teil
des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b bildet.
Es ist so unter der Kontaktfläche mit
der Teilscheibe 4 angebracht, dass es eine Einheit mit
der Hohlwelle 2 bildet. Das heißt, beim dargestellten Beispiel
ist der Bereich, der vom Umfang des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b bis
unter die Verbindungsfläche
mit der Teilscheibe 4 reicht als Magnetelement 6 ausgeführt. Dieses ist
so ausgebildet, dass es einen Bereich einnimmt, bei dem sein unteres
Ende bis zum unteren Ende des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b reicht.
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Die
Teilscheibe 4 ist mit am oberen Ende der Hohlwelle 2 angebracht.
Der weitere Aufbau entspricht etwa jenem des Drehgebers aus 1,
weshalb gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen
wurden und auf eine nochmalige Erklärung derselben verzichtet wird.
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Durch
eine derartige Anordnung, bei der das Magnetelement den Hohlwellenbereich
mit vergrößertem Durchmesser 2b der
Hohlwelle 2 unter der Teilscheibe 4 bildet, ist
kein Magnetelement 6 im Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und
der Teilscheibe 4 vorhanden. Dadurch kann der Zwischenraum
zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 noch
weiter verkleinert werden und der Zwischenraum noch passender ausgeführt werden.
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Das
Magnetelement 6, das Vorspannungs-Magnetelement 8 und
das Magnetsensorelement 7 können aufgrund der vorgeschlagenen
Anordnung wiederum in geeigneten Positionen platziert werden, die
den erforderlichen Abstandbedingungen genügen; insbesondere können das
Vorspannungs-Magnetelement 8,
das Magnetsensorelement 7 und das Magnetelement 6 derart
angeordnet werden, dass der Abstand zwischen der Detektionsfläche 7a des
Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement einerseits
und der Abstand von der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements 7 bis
zum Magnetelement 6 andererseits in etwa gleich groß sind.
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Da
die Form der Hohlwelle noch einfacher als beim Aufbau von 1 wird,
können
die Bearbeitungskosten der Hohlwelle usw. verringert werden. In diesem
Fall kann eine Hohlwelle 2 ausgebildet werden, bei der
der Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b nur
den Umfang der Durchgangsöffnung 2a aufweist.
Dort kann ein ringförmiges
Magnetelement 6 angebracht werden, das in einer dem Hohlwellenbereich
mit vergrößertem Durchmesser 2b entsprechenden
Form bearbeitet ist. Alternativ kann eine Ausbildung erfolgen, bei
der Material eines Verbundmagnets in jenen Bereich einer Metallform gefüllt wird,
der diesem Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2 entspricht,
und durch Erhitzung und Druck eine Vereinigung mit der Hohlwelle 2 zur
obigen Form erfolgt.
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3 ist
eine Schnittansicht eines Drehgebers, die eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Bei
diesem Beispiel ist das Magnetelement 6 unter der Verbindungsfläche mit
der Teilscheibe 4 so in einer Einheit mit der Hohlwelle 2 angebracht,
dass er zumindest einen Teil des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2 bildet
und auch zum Festhalten des Lagers dient. Das heißt, beim
dargestellten Beispiel ist der Bereich, der vom Umfang des Hohlwellenbereichs
mit vergrößertem Durchmesser 2b bis
unter die Verbindungsfläche
mit der Teilscheibe 4 reicht, unter Zurückbelassen der Umgebung der Durchgangsöffnung 2a als
Magnetelement 6 ausgeführt.
Dieser ist derart ausgebildet, dass sein unteres Ende bis zum oberen
Ende des Haltebereichs des Lagers 5 reicht. Die Teilscheibe 4 ist
am oberen Ende der Hohlwelle 2 angebracht. Der weitere
Aufbau entspricht etwa jenem des Drehgebers aus 1,
weshalb wiederum gleichen Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen
versehen wurden und auf eine nochmalige Erläuterung derselben verzichtet
wird.
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Durch
eine derartige Anordnung, bei der das Magnetelement 6 zumindest
einen Teil des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b in
der der Hohlwelle 2 unter der Teilscheibe 4 bildet
und auch zum Festhalten des Lagers dient, ist kein Magnetelement 6 im
Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 vorhanden.
Dadurch kann der Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und
der Teilscheibe 4 noch verkleinert werden und der Zwischenraum
noch passender ausgeführt
werden.
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Das
Magnetelement 6, das Vorspannungs-Magnetelement 8 und
das Magnetsensorelement 7 können aufgrund der vorgeschlagenen
Anordnung wiederum in geeigneten Positionen platziert werden, die
den erforderlichen Abstandsbedingungen genügen; insbesondere können das
Vorspannungs-Magnetelement 8,
das Magnetsensorelement 7 und das Magnetelement 6 derart
angeordnet werden, dass der Abstand zwischen der Detektionsfläche 7a des
Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement ei nerseits
und der Abstand von der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements
bis zum Magnetelement andererseits in etwa gleich groß sind.
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Da
die Form der Hohlwelle noch einfacher als beim Aufbau von 2 wird,
können
die Bearbeitungskosten der Hohlwelle usw. verringert werden. Auch
in diesem Fall kann eine Hohlwelle 2 ausgebildet werden,
bei der der Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b nur
den Umfang der Durchgangsöffnung 2a aufweist,
und dort ein Magnetelement 6 angebracht werden, das in
einer dem Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b entsprechenden
Form bearbeitet ist. Alternativ kann eine Ausbildung dergestalt
erfolgen, bei der Material eines Verbundmagnets in jenen Bereich
einer Metallform gefüllt
wird, der diesem Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b entspricht, und
durch Erhitzung und Druck eine Vereinigung zur Hohlwelle 2 mit
der obigen Form erfolgt.
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Bei
den durch die obigen Ausführungsformen
1 bis 3 gezeigten Beispielen wurden Beispiele für Hohlwellen-Drehgeber erläutert, die
in der Hohlwelle 2 eine Durchgangsöffnung 2a aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern
kann sie bei verschiedensten Arten von Drehgebern mit unterschiedlichsten
Wellenformen eingesetzt werden. In Betracht kommen etwa auch Drehgeber,
die kein Lager 5 aufweisen oder aber Einbaudrehgeber, bei
denen der Grundkörper 1 und
die Welle 2 separat vorliegen. Es muss auch nicht unbedingt
ein optisches Abtastsystem mit einem Lichterzeugungselement und
einem Lichtempfangselement u.ä.
vorgesehen sein. Es kann in Bezug auf den Aufbau und Anordnungspositionen
der verschiedenen Elemente je nach dem Aufbau und der Funktion des
Drehgebers die passendste Gestaltung im Rahmen der vorliegenden
Erfindung gewählt werden.
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Nachfolgend
wird noch erläutert,
welcher Einfluss auf das Ausgangssignal des Magnetsensorelements
resultiert, wenn die Positionsbeziehung bzw. räumliche Anordnung zwischen
dem Magnetelement und dem Vorspannungs-Magnetelement verändert wird.
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Entsprechende
Untersuchungen wurden mit einem Magnetelement und einem Vorspannungs-Magnetelement
vorgenommen, wobei drei verschiedene Magnetelemente verwendet wurden. Der
Abstand zwischen der Magnetdetektionsfläche eines als Magnetwiderstandselements
ausgebildeten Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement
wurde hierbei konstant (etwa 2 mm) eingerichtet; der Abstand bzw.
der Zwischenraum zwischen der Magnetdetektionsfläche des Magnetwiderstandselements
und dem Magnetelement wurde hingegen verändert und dabei die Größe des Ausgangssignals
des Magnetelements bzw. Magnetwiderstandselements in Form der Ausgangsspannung
erfasst.
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Beim
in 4 gezeigten Aufbau wurde das Vorspannungs-Magnetelement 8 an
der Fläche
der Grundplatte 3 angeordnet, die der Anbringungsfläche des
Magnetsensorelements 7 entgegengesetzt ist. Die in 4 eingezeichnete
Größe t1 wurde
gleich 2,0 mm eingerichtet; ferner wurde die Spannungsdifferenz
(Signal-Spitzenwert zu Signal-Spitzenwert) der Ausgangssignale A,
B verschiedener Magnetwiderstandselemente MR1, MR2 und MR3 bei einer Veränderung
des Abstands D bzw. Zwischenraums von der Magnetdetektionsfläche des
Magnetsensorelements 7 bis zur gegenüberliegenden Fläche des Magnetelements
6 im Bereich D = [3,0/2,5/2,0/1,5/1,0mm] gemessen. Die Ausgangssignalspannung
variiert hierbei im Bereich einiger 10 mV. Der auf das Magnetfeld
des Materials der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 (nicht
dargestellt in 4) ausgeübte Einfluss ist ausreichend
gering und wurde hier außer
Acht gelassen. Die resultierenden Messergebnisse sind in 5 gezeigt.
Entlang der x-Achse sind hierbei die verschiedenen Abstände D aufgetragen,
entlang der y-Achse
die A- und B-Ausgangssignalspannungen MR1A, MR1B, MR2A, MR2B, MR3A,
MR3B der drei untersuchten Magnetelemente MR1, MR2, MR3.
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Wie
aus dem Diagramm von 5 ersichtlich ist, wird das
Ausgangssignal bzw. die gemessene Spannungsdifferenz des Magnetwiderstandselements
am größten, wenn
die Magnetkräfte
des Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetelements gleich sind
und der Abstand t1 zwischen der Magnetdetektionsfläche des
Magnetwiderstandselements und dem Vorspannungs-Magnetelement dem Abstand
D von der Magnetdetektionsfläche
des Magnetsensorelements bis zum Magnetelement gleich ist, das heißt, wenn
der Abstand D etwa 2,0 mm beträgt.
Es ist aus 5 ferner ersichtlich, dass ein
hinreichendes Ausgangssignal erhalten wird, sofern der Unterschied
zwischen den beiden Abständen
t1 und D höchstens
25 beträgt.
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Auch
die Signalform des Ausgangssignals des Magnetwiderstandselements
war bei gleichen Abständen
t1 und D am stabilsten.
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Daraus
lässt sich
erkennen, dass bei gleichen Magnetkräften des Vorspannungs-Magnetelements
und des ringförmigen
Magnetelements bei gleichem Abstand t1 zwischen der Detektionsfläche des
Magnetwiderstandselements und dem Vorspannungs-Magnetelement einerseits
und Abstand D von der Detektionsfläche des Magnetwiderstandselements
bis zum Magnetelement andererseits ein Ausgangssignal mit hinreichend
großer
Signalamplitude bei gleichzeitig niedriger Verzerrung erhalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit Drehgebern eingesetzt
werden, die zur Positionsfeststellung von verschiedensten beweglichen Teilen
von industriellen Maschinen wie etwa Robotern oder automatischen
Maschinen oder beweglichen Körpern.
von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen o.ä. verwendet werden. Insbesondere
eignet sich die vorliegende Erfindung für absolute Multiturn-Drehgeber; grundsätzlich können die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
aber auch bei magnetischen Drehgebern zum Einsatz kommen usw..