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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des absoluten Drehwinkels
einer Welle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur
Messung des Drehwinkels einer Welle sind ausser optischen Verfahren
auch Verfahren bekannt, bei denen ein mit der Welle verbundenes
Magnetfeld mittels Sensoren abgetastet wird.
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Zur
Absolutmessung und zur Feinmessung eines Drehwinkels, der mit hoher
Genauigkeit gemessen werden soll, gehört ein Drehgeber mit einer auf
einer Welle konzentrisch angeordneten ersten Scheibe, in deren inneren
Bereich ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol auf
einer durch den Mittelpunkt der ersten Scheibe gehenden Linie ausgebildet
sind, und in deren Bereich magnetische Nordpole und magnetische
Südpole
in konstantem – kleineren – Winkelabstand
angeordnet sind (
DE
44 40 214 C2 ). Konzentrisch zu der ersten Scheibe ist auf
der Welle eine zweite Scheibe angeordnet, die als Chip mit vier
Hallsensoren ausgebildet ist. Im einzelnen ist in einem inneren
Bereich der zweiten Scheibe auf der der ersten Scheibe zugewandten Seite
ein erster und ein zweiter Hallgenerator hinsichtlich des Scheibenmittelpunktes
um 90° zueinander
versetzt integriert angeordnet. In dem äusseren Bereich der zweiten
Scheibe sind wiederum auf der der ersten Seite zugewandten Seite
ein dritter und ein vierter Hallgenerator hinsichtlich des Mittelpunktes
um die Hälfte
des konstanten Winkelabstandes zueinander versetzt integriert angeordnet.
Die erste Scheibe ist relativ zu der zweiten Scheibe drehbar gelagert.
Eine Auswerteschaltung kann auf demselben Chip integriert sein wie
die vier Hallsensoren. Bei diesen Drehgebern ist nachteilig, dass
die Ausbildung der zweiten Scheibe, die einen Chip darstellt, mit
der Anordnung der Hallsensoren von dem Durchmesser der ersten magnetisierten
Scheibe abhängig ist,
insbesondere von der Position der magnetisierten Bereiche auf der
ersten Scheibe. Für
verschiedene Anwendungen individuell angepasster Drehgeber kann
daraus ein hoher Herstellungs- und Lagerhaltungsaufwand resultieren.
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Bekannt
ist auch eine Anordnung zur Detektierung des Drehwinkels einer Welle,
welche die weiteren Merkmale des Oberbegriffs der eingangs genannten
Gattung aufweist (
DE
102 21 340 A1 ). In dieser bekannten Anordnung ist wenigstens
ein Magnetelement ein auf der Welle angeordneter magnetisierbarer
Ring, zu dessen Aussenumfang benachbart ein feststehender Sensor
angeordnet ist. Das Magnetelement kann mehrere in axialer Richtung
der Welle nebeneinander angeordnete, jeweils ein eigenständiges Magnetfeld
erzeugende Magnetspuren aufweisen, die sich ringförmig um
die Wellen erstrecken. Unmittelbar über den Magnetspuren sind magnetoresistive
Sensorelemente angeordnet, von denen je zwei in einer Reihe in axialer
Richtung der Welle positioniert sind. Mit den insgesamt vier magnetoresistiven
Sensorelementen, die gleichzeitig vier unterschiedliche Magnetfelder
erfassen, lässt
sich ein kodiertes Signal zur Erfassung des Drehwinkels erzeugen.
Nachteilig ist die hierzu vorgesehene Magnetisierung des das Magnetfeld
bzw. die Magnetfelder erzeugenden Magnetelements, indem durch die
Magnetisierung jeweils ein Magnetfeld erzeugt werden soll, welches – auf die
Welle bezogen – eine
axiale Komponente und eine tangentiale Komponente hat. Das Magnetfeld
soll insbesondere im genutzten Bereich keine radiale Komponente
aufweisen. Das Magnetelement kann in komplizierter Weise dadurch magnetisiert
werden, dass es mit einem starken Dauermagneten in Kontakt gebracht
wird, der beim Vorbeidrehen der Welle an dem Dauermagneten rechtwinklig
zu der Drehachse des Dauermagneten gedreht wird. Dadurch ändert sich
die Richtung des auf die Welle aufgebrachten Magnetfeldes, das mit
der Sensoranordnung erfasst werden kann, um einen Drehwinkel der
Welle als Arkus-Tangens aus dem Quotienten zweier Signalspannungen
aus zwei Sensoren zu ermitteln. Bekannt ist auch eine Magnetisierungsvariante,
in der die Magnetisierungsrichtung des Magnetfeldes jeweils nur
zwei stark unterschiedliche Richtungen aufweist, woraus sich die
Werte 0 oder 1 eines Digitalcodes darstellen lassen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, dass wenigstens
zwei Sensoren in einer Reihe in axialer Richtung der Welle auf einem
gemeinsamen Träger
eng benachbart angeordnet werden können, und zwar unabhängig von dem
Wellendurchmesser bzw. Durchmesser der Magnetelemente bzw. Magnetelementanordnungen
und dies ohne eine komplizierte Magnetisierung der Magnetelemente
zu erfordern.
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Diese
Aufgabe wird mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst,
bei der wesentlich ist, dass die auf der Welle vorgesehenen magnetisierbaren
Ringe diametral magnetisiert sind. In Kombination mit diesen sind
zwei jeweils ein äußeres Magnetfeld
jedes der Ringe erfassende Magnetfeldsensoren in einer Reihe parallel
zu der Welle, d.h. achsparallel, angeordnet, wobei die Magnetfeldsensoren
in dichtem Abstand neben den Umfängen
der diametral magnetisierten Ringe einfach montiert werden können. Eine
diametrale Magnetisierung der magnetisierbaren Ringe gehört an sich
zum Stand der Technik und ist leicht realisierbar.
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Eine
starke radiale äussere
Magnetfeldkomponente am Umfang des diametral magnetisierten Rings
kann bevorzugt mit einem Hallsensor erfasst werden. Es ist aber
auch möglich,
am Umfang eines solchen Rings Magnetfeldkomponenten in radialer Richtung
mit einem MR-Sensor zu erfassen.
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Soweit
in dieser Anmeldung die körperliche Ausrichtung
der Magnetfeldsensoren unter Bezugnahme auf die Welle definiert
ist, ist auch dann, wenn die Ringe bzw. Magnetscheiben nicht auf
der Welle montiert sind, die Mittelachse der Welle in montierter Position
gemeint.
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Die
obige Grundanordnung ermöglicht
eine eng benachbarte Positionierung der Magnetfeldsensoren auf dem
gemäss
Anspruch 2 bevorzugten gemeinsamen Träger, womit die Sensoren wenig
empfindlich gegen Temperatureinflüsse und Fremdfelder sind. Weiter
bevorzugt ist eine einheitliche Bauform des gemeinsamen Trägers.
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Die
diametral magnetisierten Ringe können eine
praktisch beliebige Torusquerschnittsform, wie rund, rechteckig,
quadratisch, aufweisen. Statt dessen können aber auch Magnetscheiben,
die in ihrem Zentrum zumindest weitgehend geschlossen sind und diametral
magnetisiert sind, vorgesehen sein.
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Die
magnetischen Ringe bzw. Magnetscheiben einer Anordnung weisen in
der Regel bevorzugt einen gleichen Aussendurchmesser auf.
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In
einer Ausführungsform
der Anordnung erfassen die beiden in einer Reihe in axialer Richtung angeordneten
Magnetfeldsensoren entsprechend ihrer Empfindlichkeitsrichtung die
Magnetfelder jeweils einer von zwei diametral magnetisierten Ringen
bzw. Magnetscheiben, die gegeneinander um 90° verdreht angeordnet sind. Aus
den Signalen dieser Magnetfeldsensoren kann die Arkus-Tangens-Funktion
des Drehwinkels genau mit bekannten digitalen oder analogen Schaltungen
ermittelt werden.
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Es
ist auch möglich,
die beiden Ringe bzw. Magnetscheiben hinsichtlich ihrer Magnetisierungsrichtung
um weniger als 90° gegeneinander
verdreht anzuordnen, was aber die Auswertung komplizieren kann und
grössere
Fehler hervorrufen kann.
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Mit
einer Anordnung gemäss
Anspruch 6, in der ein dritter Ring bzw. eine dritte Magnetscheibe mit
mehreren Magnetpolen in konstantem Winkelabstand ko axial zu den
beiden diametral magnetisierten Ringen bzw. Magnetscheiben angeordnet
wird und mit einem dritten Magnetfeldsensor abgetastet wird, der
vorzugsweise in einer Reihe mit den beiden anderen Magnetfeldsensoren
parallel zu der Welle auf dem gleichen Träger angeordnet sein kann, lässt sich die
Messgenauigkeit weiter erhöhen.
Auch hier haben alle drei Ringe bzw. drei Magnetscheiben untereinander
den gleichen Aussendurchmesser.
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Es
ist aber auch möglich,
den dritten Ring bzw. die dritte Magnetscheibe mit mehreren Magnetpolen,
die deswegen auch als Multipolrad bezeichnet werden kann, gemäss Anspruch
7 mit grösserem Durchmesser
als die beiden Ringe bzw. Magnetscheiben, die diametral magnetisiert
sind, auszubilden. Hierzu ist der dritte Sensor für den Einsatz
eines gemeinsamen Trägers
bevorzugt zusammen mit den Sensoren der beiden diametral magnetisierten
Ringe bzw. Magnetscheiben in einer Reihe parallel zu der Welle angeordnet,
obwohl die dritte Magnetscheibe, die die inkrementale Magnetspur
aufweist, den grösseren
Aussendurchmesser bzw. Aussenumfang hat. Mit der grossen Magnetscheibe,
die die inkrementale Magnetspur aufweist, kann eine besonders hohe
Genauigkeit der Winkelmessung erreicht werden. Der dritte Magnetfeldsensor
ist so ausgebildet, dass er das Magnetfeld der dritten Magnetscheibe
in axialer und tangentialer Richtung erfasst. Die beiden anderen
Magnetfeldsensoren können
wiederum diejenigen der Grundanordnung sein.
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In
einer Variante der erfindungsgemässen Lösung ist
es mit einer Anordnung der eingangs genannten Gattung aber auch
möglich,
eine hohe Genauigkeit der Winkelmessung mit nur einem diametral
magnetisierten Ring bzw. einer diametral magnetisierten Magnetscheibe
und einem zweiten magnetisierten Ring bzw. einer zweiten Magnetscheibe
zu erreichen, der bzw. die eine inkrementale Magnetspur mit mehreren
Magnetpolen in konstantem Winkelabstand aufweist, also ein Multipolrad
darstellt. In diesem Fall sind gemäss Anspruch 8 ein erster und
ein zweiter das Magnetfeld des diametral magnetisierten Rings erfassender
Magnetfeldsensor hinsichtlich der Welle, an der die beiden Ringe
bzw. Magnetscheiben koaxial angeordnet sind, um 90° versetzt
neben dem Umfang des er sten Rings bzw. der ersten Magnetscheibe
angeordnet und ein dritter, die inkrementale Magnetspur erfassender
Magnetfeldsensor ist neben dem Umfang des zweiten Rings bzw. der
zweiten Magnetscheibe und mit dem ersten Magnetfeldsensor in einer
Reihe parallel zu der Welle angeordnet. Es kann also ein einheitlicher
Träger
der beiden Magnetfeldsensoren unabhängig von dem Aussendurchmesser
der beiden magnetisierten Ringe bzw. Magnetscheiben verwendet werden.
Der erste und der zweite Magnetfeldsensor kann wiederum wie der
erste bzw. der zweite Magnetfeldsensor der Grundanordnung ausgebildet
sein, und der dritte Magnetfeldsensor erfaßt die radiale und/oder tangentiale Magnetfeldkomponente
des Multipolrads.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
die Abtastpositionen, an denen die Magnetpolbereiche der beiden
diametral magnetisierten Ringe bzw. Magnetscheiben abgetastet werden,
nicht um 90° gegeneinander
in Umfangsrichtung der Ringe versetzt anzuordnen, sondern gemäss Anspruch
9 in einem kleineren Winkel. Diese Möglichkeit wird vor allem genutzt, wenn
sich die um 90° gegeneinander
versetzte Anordnung der Magnetfeldsensoren aus räumlich konstruktiven Gründen der
Umgebung verbietet, da die Auswertung der Messsignale der Sensoren
komplizierter sein kann und die Genauigkeit herabgesetzt sein kann.
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Vier
Ausführungsbeispiele
bzw. Varianten der erfindungsgemässen
Anordnung werden im folgenden anhand einer Zeichnung mit vier Figuren
erläutert,
woraus sich weitere Einzelheiten der Anordnungen ergeben können. Es
zeigen:
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1 eine
Grundanordnung mit zwei Magnetscheiben, die mit je zwei Polbereichen
magnetisiert sind, wobei die Polbereiche der beiden Magnetscheiben
um 90° gegeneinander
gedreht sind,
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2 eine
erste Variante der Grundanordnung gemäss 1, ergänzt mit
einer dritten Magnetscheibe, die als Multipolrad ausgebildet ist,
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3 eine
zweite Variante der Grundanordnung zweier diametral magnetisierter
Magnetscheiben gemäss 1 in
Verbindung mit einem Polrad grösseren
Durchmessers und
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4 eine
Anordnung mit nur einer diametral in zwei Polbereichen magnetisierten
Magnetscheibe, an deren Aussenumfang zwei Magnetfeldsensoren in
Umfangsrichtung um 90° gegeneinander
versetzt angeordnet sind, ergänzt
mit einer Multipolscheibe mit gleichem Aussendurchmesser.
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In
der Grundanordnung gemäss 1 sind zwei
diametral magnetisierte Ringe mit 1 und 2 bezeichnet,
die koaxial auf einer nicht dargestellten Welle angeordnet sein
können.
Beide Ringe sind so diametral magnetisiert, dass sich zwei Magnetpolbereiche
in jeder Magnetscheibe ausbilden, die mit N und S bezeichnet sind.
Die beiden Ringe 1, 2 sind – wie in 1 dargestellt – um 90° gegeneinander
gedreht, so dass der Übergang
zwischen zwei Polbereichen des einen Rings sich in der Mitte eines
der Polbereiche des anderen Rings befindet. Durch die Kombination
der beiden diametral magnetisierten Ringe sind die Polbereiche insgesamt
um ein Viertel der Periodenlänge
gleich einer Umdrehung der Ringe bzw. der Welle versetzt.
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An
einer beliebigen Stelle des Umfangs der beiden Ringe 1, 2 sind
zwei Magnetfeldsensoren 3 und 4 angeordnet, die
im Falle von Hallsensoren im wesentlichen die radiale Komponente
der Magnetfelder erfassen, die von den Magnetscheiben 1 und 2 ausgehen.
Dies ist auch bei Einsatz von magnetoresistiven Sensoren möglich. Die
beiden Magnetfeldsensoren 3, 4 liegen in einer – in der
zeichnerischen Darstellung – vertikalen
Linie parallel zu der Welle und sind auf einem gemeinsamen, nicht
dargestellten Träger
aufgebracht, der z.B. als Leiterplatte oder als Chip realisiert
sein kann, der auch die Auswerteelektronik beinhaltet und mit den
Magnetfeldsensoren elektrisch verbunden ist.
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Die
Auswerteschaltung kann in an sich bekannter Weise so ausgebildet
sein, dass die von den beiden Magnetfeldsensoren 3, 4 erzeugten
sinusförmigen
Si gnale, von denen eines gegenüber
dem anderen um 90° versetzt
ist, und somit eigentlich ein Kosinussignal darstellt, miteinander
so in Beziehung gebracht werden, dass der Wert des Arkus-Tangens der
Winkellage der Welle bezogen auf die beiden Sensoren gebildet wird,
um einen Absolutwinkel zu erhalten. Der Absolutwinkel kann aber
auch z.B. durch eine Datentabelle, die in einem Controller abgelegt
ist, ermittelt werden.
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In
einer Weiterbildung der in 1 dargestellten
Grundanordnung der beiden magnetisierten Ringe 1 und 2 ist
diese gemäss 2 ergänzt mit
einem dritten magnetisierten Ring 5, der, wie mit den Abkürzungen
N und S angedeutet, mit einer Vielzahl von Magnetpolen in konstantem
Winkelabstand radial magnetisiert ist, die eine inkrementale Magnetspur bilden.
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Dem
dritten magnetisierten Ring ist ein weiterer, nämlich dritter Magnetfeldsensor 6 zugeordnet, der
auf dem gleichen Träger
und somit in der gleichen Ebene wie die beiden Magnetfeldsensoren 3 und 4 liegen
kann und vorzugsweise mit diesen wie in 2 dargestellt
in einer Reihe parallel zu der Welle angeordnet ist. Damit kann
die Herstellung des nicht dargestellten Trägers der Magnetfeldsensoren vereinfacht
werden. Mit dem Analogsignal, das der dritte Magnetfeldsensor abgibt,
ist eine Feinmessung des Drehwinkels der Welle in an sich bekannter
Weise realisierbar.
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Es
sei bemerkt, dass in sämtlichen
Figuren übereinstimmende
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Demgemäss sind
die Magnetfeldsensoren 3 und 4 jeweils gleich
ausgebildet.
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Statt
der Anordnung des dritten Magnetfeldsensors 6 in der Ausführungsform
gemäss 2, bei
dem dieser die inkrementale Magnetspur des dritten magnetisierten
Rings 5 am Umfang abtastet, kann ein dritter Magnetfeldsensor 6a aber
einen dritten magnetisierten Ring 5a in der Variante gemäss 3 weiter
innen, nämlich
innerhalb dessen Aussenumfangs seitlich abtasten, wie im ein zelnen
in 3 gezeigt. Der dritte magnetisierte Ring 5a,
der eine inkrementale Magnetspur mit mehreren Magnetpolen in konstantem
Winkelabstand aufweist, wobei die Anzahl Magnetpole grösser ist
als diejenige des ersten und zweiten magnetisierten Rings 1, 2,
hat in der Variante gemäss 3 einen
grösseren
Aussendurchmesser und damit Aussenumfang als die Ringe 1 und 2.
Damit ist der Einsatz einer fertigungsgünstigen Magnetfeldsensoranordnung
auf einem gemeinsamen Träger
möglich,
wobei insbesondere die Magnetfeldsensoren 3, 4 und
der dritte Magnetfeldsensor 6a in einer Reihe parallel
zu der Welle angeordnet sind bzw. in 3 übereinanderliegen,
was mit einer nicht bezeichneten durchbrochenen Linie angedeutet ist.
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Ansonsten
weisen sämtliche
Magnetscheiben der Anordnungen gemäss den 1 und 2 vorzugsweise
gleichen Aussendurchmesser auf, so dass die Magnetfeldsensoren 3, 4, 6,
also einschliesslich des dritten Magnetfeldsensors 6, achsparallel
in geringem Abstand zu den Umfängen der
Ringe 1, 2, 5 positioniert werden können, um grosse
präzise
Signale zu erzeugen.
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Als
dritter Magnetfeldsensor 6a zur Abtastung des Magnetfelds
des magnetisierten Rings 5a mit der inkrementalen Magnetspur
in 3 kommen hier Sensoren in Betracht, welche die
axiale und tangentiale Magnetfeldkomponente des Multipolrads erfassen,
zum Beispiel magnetoresistive Sensoren. Besonders vorteilhaft sind
polangepasste MR-Sensoren, d.h. Sensoren mit Sensorbereichen, die
dem Verlauf der magnetischen Feldstärke in Messrichtung angepasst
sind.
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Während die
Grundanordnung und beide voranstehende Varianten der Anordnung gemäss den 1, 2 und 3 zwei
diametral magnetisierte Ringe 1, 2 mit zugehörigen achsparallel,
d.h. parallel zu der Welle, angeordneten Magnetfeldsensoren 3, 4 umfassen,
wobei die Polbereiche der beiden magnetisierten Ringe jeweils um
90° gegeneinander
verdreht sind, weist die Variante gemäss 4 nur einen
einzigen diametral magnetisierten Ring 1 mit zwei Magnetpolbereichen
N und S auf, die sich jeweils über
180° des
Rings erstrecken. Bei dieser Variante ist ausser dem ersten Magnetfeldsensor 3 am Umfang
des Rings ein zweiter Magnetfeldsensor 4a in Umfangsrichtung
um 90° gegenüber dem
ersten Magnetfeldsensor 3 versetzt angeordnet. Der zweite Magnetfeldsensor 4a dient
auch hier zur Abtastung des Magnetfelds am Umfang des Rings und
hat eine Empfindlichkeitsrichtung wie der Magnetfeldsensor 3 bzw. 4.
Er generiert ein Signal, welches gegenüber demjenigen, das mit dem
ersten Magnetfeldsensor 3 erzeugt wird, um 90° versetzt
ist, entsprechend dem zweiten Magnetfeldsensor 4 in der
Grundanordnung bzw. den Varianten gemäss den 1, 2 und 3.
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In 4 ist
der erste diametral magnetisierte Ring 1, ähnlich wie
die Variante gemäss 2 den dritten
Ring 5 aufweist, ergänzt
mit dem zweiten Ring 5, der eine inkrementale Magnetspur
mit mehreren Magnetpolen in konstantem Winkelabstand trägt, wobei
der erste Ring 1 und der zweite Ring 5 wiederum koaxial
zur Achse der nicht dargestellten Welle angeordnet ist. In einer
Reihe achsparallel untereinanderliegend und vorzugsweise auf einem
nicht dargestellten Träger
sind hier der Magnetfeldsensor 3, der sich am Umfang des
diametral magnetisierten Rings 1 befindet, und der dritte
Magnetfeldsensor 6 am Umfang des zweiten Rings bzw. Polrads 5 angeordnet,
woraus sich die gleiche Signalerzeugung ergeben kann, wie zu der
Variante gemäss 2 beschrieben.
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Als
erster Magnetfeldsensor 3 und zweiter Magnetfeldsensor 4 bzw. 4a an
den Umfängen
der diametral magnetisierten Scheiben, um jeweils ein Magnetfeld
dieser Scheiben zu erfassen, eignen sich wiederum besonders bevorzugt
Hallsensoren, mit denen im wesentlichen die radiale Komponente der Magnetfelder
erfasst wird, oder auch magnetoresistive Sensoren mit solcher Montagerichtung,
dass ebenfalls die radiale Komponente des Magnetfelds erfaßt wird.
Verschiedene Varianten solcher magnetoresistiver Sensoren sind unter
den Abkürzungen AMR,
GMR, EMR, CMR, GMI und TMR bekannt. In Betracht kommen für diese
Anwendung auch Feldplatten und Fluxgates.
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Als
der oben bezeichnete dritte Magnetfeldsensor 6 zur Abtastung
des Magnetfelds des magnetisierten Rings 5 mit der inkrementalen
Magnetspur gemäss 2 und 4 kann
ebenfalls einer der voranstehend genannten Hallsensoren oder magnetoresistiven
Sensoren (MR-Sensoren) eingesetzt werden.
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- 1
- magnetisierter
Ring
- 2
- zweiter
magnetisierter Ring
- 3
- Magnetfeldsensor
- 4,
4a
- zweiter
Magnetfeldsensor
- 5
- magnetisierter
Ring
- 5a
- dritter
magnetisierter Ring
- 6,
6a
- dritter
Magnetfeldsensor