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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Datenübertragungssystem
zur berührungslosen Übertragung
von Daten mittels magnetischer Felder zwischen zwei gegeneinander
drehbaren Teilen.
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Stand der Technik
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Induktive
Datenübertragungssysteme
haben gegenüber
Schleifkontakten den Vorteil, dass sie berührungslos und damit verschleißfrei und
wartungsfrei sind. Gegenüber
den bekannten kapazitiven oder optischen Übertragungssystemen zeichnen
sie sich durch eine wesentlich größere Robustheit aus. So kann
das Magnetfeld durch äußere Verschmutzungen
kaum beeinflusst werden. Weiterhin sind induktive Übertragungssysteme
sehr unempfindlich gegenüber
mechanischen Toleranzen.
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Aus
der
US 5,892,411 ist
eine Vorrichtung zur induktiven Datenübertragung bekannt. Eine koaxial
aufgebaute Leitung mit definiertem Wellenwiderstand wird mit dem
zu übertragenden
Signal durch eine Signalquelle gespeist. Der Empfänger hat
einen Abgriff in Form eines Transformators mit einem Kern und einer
Wicklung. Die darin induzierten Signale werden vom Empfänger weiterverarbeitet.
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Mit
diesem Stand der Technik können
relativ breitbandige Signale im Bereich bis zu einigen hundert MHz übertragen
werden. Nachteilig daran ist allerdings, dass keine statischen Signale übertragen werden
können.
Eine Übertragung
statischer Signale ist aber gerade bei Sicherheitsschaltungen zwingend notwendig.
Weiterhin sind Bussysteme bekannt, die eine Kombination aus statischen
und hochfrequenten Signalen zur Signalisierung verwenden. So wird
ein statisches Signal als Reset-Signal verwendet, während im
Betrieb Daten mit einigen hundert kBit/s übertragen werden.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein einfaches, kostengünstiges und robustes induktives
Datenübertragungssystem
vorzustellen, welches zur Übertragung
von statischen Signalen geeignet ist, und mit dem auch Signale mit
einer Bandbreite von über
100 kHz übertragen
werden können.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist in den unabhängigen
Patentansprüchen
angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung 3 zur Übertragung
von Daten zwischen dem rotierenden Teil 1 und dem stationären Teil 2 umfasst
dem ersten Teil zugeordnet wenigstens eine erste Sendeeinrichtung 8 sowie
wenigstens eine von dieser gespeiste Sendeleiteranordnung 6.
Dem stationären
Teil 2 zugeordnet ist wenigstens eine Empfangseinrichtung 9 sowie
wenigstens eine diese speisende Empfangskoppleranordnung 7.
Die wenigstens eine Empfangskoppleranordnung 7 umfasst
wenigstens einen GMR-Sensor 5 (Giant Magneto Resistor).
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GMR-Sensoren
sind Bauelemente, die einen Widerstand in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld
besitzen. Es wird nun mittels eines Stromes aus der Sendeeinrichtung 8 in
der Sendeleiteranordnung 6 ein Magnetfeld entsprechend
den zu sendenden Informationen erzeugt. Wird ein Gleichstrom in die
Sendeleiteranordnung 6 eingespeist, so ergibt sich ein
statisches Magnetfeld. Dieses wird durch den GMR-Sensor 5 in
einen entsprechenden Widerstandswert umgesetzt. Somit kann beispielsweise ein
Zustand „stromlos" entsprechend einem
niedrigen Widerstand des GMR-Sensors von einem Zustand „Strom" entsprechend einem
höheren
Widerstand des GMR-Sensors unterschieden werden. Durch Ein- und
Ausschalten des Stromes in der Sendeleiteranordnung können weitere
Informationen übertragen
werden. Der beschriebene Mechanismus ist grundsätzlich unabhängig von
der Frequenz bis hin zu einer oberen Grenzfrequenz der Komponenten.
Moderne GMR-Sensoren weisen Bandbreiten bis über 1 MHz auf.
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Ein
besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in
der Polaritätsunabhängigkeit.
So ist die Widerstandsänderung
eines GMR-Sensors mit Ausnahme einer geringen Hysterese abhängig von
dem Betrag der magnetischen Feldstärke, nicht aber von deren Richtung.
Dadurch kann der GMR-Sensor in beliebiger Richtung eingebaut werden.
Weiterhin spielt die Polarität
des Signals der Sendeeinrichtung keine Rolle.
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Zur
Vereinfachung der Darstellung wird in diesem Dokument auf eine Übertragung
von dem rotierenden Teil 1 auf das feststehende Teil 2 Bezug
genommen. Selbstverständlich
ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
auch in umgekehrter Übertragungsrichtung
einsetzbar. Die Begriffe drehend bzw. feststehend sind ausschließlich abhängig von
der Definition des Ortsbezugs und haben keinerlei Einfluss auf die
Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ebenso
kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung
auch in anderen Anwendungen zur Drehübertragung und ebenso zur linearen Übertragung zweier
gegeneinander beweglichen Einheiten herangezogen werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Sendeeinrichtung 8 vor,
welche ein Ausgangssignal mit einem zusätzlichen Gleichanteil aufweist.
Durch diesen Gleichanteil wird vermieden, dass ein binäres Signal
als echtes Wechselsignal in die Sendeleiteranordnung eingespeist wird.
Da bei den GMR-Sensoren
der Widerstand Polarisationsunabhängig ist, ergibt sich bei einem
echten Wechselstrom und damit bei einem Wechsel-Magnetfeld eine
pulsförmige
Widerstandsänderung
im Bereich des Nulldurchganges des Wechselstroms. Dies kann durch
einen Gleichanteil vermieden werden, der dafür sorgt, dass sich die Polarität des Signals
nicht ändert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erzeugt
die Sendeeinrichtung 8 ein Differenzsignal. Durch das Differenzsignal
wird die Abstrahlung im Fernfeld minimiert. So kann beispielsweise
in einem ersten Leiter zur Signalisierung eines logischen 1-Zustandes ein Strom
von 10 mA eingespeist werden, während
in den zweiten Leiter ein Strom von –10 mA eingespeist wird. Zur
Signalisierung eines logischen 0-Zustandes
kann ein Strom von 2 mA eingespeist werden, während in den zweiten Leiter
ein Strom von –2
mA eingespeist wird. Dadurch ändert
sich die Signalpolarität
nicht. Es wird lediglich die Amplitude moduliert.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Sendeleiteranordnung 6 vor, welche
eine entlang der Bahn der Bewegung angeordnete Leiterschleife aus
einem Leiter umfasst. Dies ist die einfachste und kostengünstigste
Ausführungsform.
Allerdings ist durch den großen
eingeschlossenen Querschnitt der Leiterschleife auch das äußere Magnetfeld
relativ groß.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Sendeleiteranordnung 6 vor,
welche wenigstens zwei entlang der Bahn der Bewegung parallel angeordnete
Leiter umfasst. Wenigstens zwei Leiter 12, 13 sind
mit wenigstens einem Ende an die Sendeeinrichtung 8 angeschlossen.
Diese Leiter sind an dem anderen Ende miteinander kurzgeschlossen. Damit
kann der Strom durch wenigstens einen ersten Leiter 12 entlang
des Umfangs der Drehbewegung in einer ersten Richtung laufen. Weiterhin
kann der Strom durch wenigstens einen zweiten Leiter 13 in entgegengesetzter
Richtung zurücklaufen.
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Durch
einen Kurzschluss 14 sind die Leiter 12, 13 miteinander
verbunden. Wenigstens einer der Leiter kann bevorzugt als Masse
und/oder Schirm wenigstens eines weiteren Leiters ausgebildet sein. Mit
einer solchen Ausgestaltung der Erfindung kann gegenüber der
vorhergehenden Ausführungsform das
magnetische Streufeld, das die Umgebung beeinflussen kann, wesentlich
reduziert werden. Zudem ist die Induktivität der Anordnung geringer, so
dass eine höhere
Bandbreite erzielbar ist.
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Eine
[gl7]weitere Steigerung der Bandbreite lässt sich durch einen reflexionsfreien
Abschluss einer Anordnung aus wenigstens zwei parallel geführten Leitern
erreichen. An einem Ende der Leiter ist die Sendeeinrichtung 8 angeschlossen
und speist vorzugsweise ein Differenzsignal in die Leiter ein. Ebenso
geht auch ein unsymmetrisches Signal, wobei beispielsweise einer
der Leiter auch als Bezug bzw. Masse dienen kann. Dieser Leiter
kann auch als Schirm für
wenigstens einen weiteren Leiter ausgebildet sein. Durch einen reflexionsfreien
Abschluss des Leitungssystems wird eine durch die Sendeeinrichtung
eingespeiste elektromagnetische Welle am Ende des Leitungssystems
nicht mehr zurückreflektiert.
Diese kann somit das übertragende
Signal nicht mehr beeinflussen.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sendeleiteranordnung 6 wenigstens
eine wenigstens zwei Leiter (12, 13) umfassende
Leitung. Die Leitung ist an beiden Enden mit reflexionsfreien Abschlüssen 15a und 15b versehen.
Die Einspeisung von Signalen erfolgt mittels einer Sendeeinrichtung
(8) an dem den reflexionsfreien Abschlüssen entgegengesetzten Ort.
Durch diese Anordnung treten beim Passieren der Empfangskoppleranordnung über den
Orten der reflexionsfreien Abschlüsse beziehungsweise der Einspeisung
durch die Sendeeinrichtung keine oder nur vernachlässigbare
Phasensprünge
auf.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Ausgestaltung
der Sendeleiteranordnung 6 als Zweidrahtleitung, welche
vorzugsweise symmetrisch ausgeführt
ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Ausgestaltung
der Sendeleiteranordnung 6 als Koaxialleitung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Auswerteeinheit vorgesehen, welche aus dem Widerstandswert wenigstens
eines GMR-Sensors die Stärke
des Magnetfeldes der Sendeleiteranodnung auswertet und daraus Rückschlüsse auf
den Abstand zwischen Sendeleiteranodnung und GMR-Sensor zieht. Damit
können
Lagetoleranzen, Unwuchten und sonstige mechanische Abweichungen
erkannt und signalisiert werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht im Einsatz eines differentiellen
GMR-Sensors. So kann das Differenzsignal zweier Leiter der Sendeleiteranordnung
mit zwei GMR-Sensoren abgetastet und ausgewertet werden. Damit können Gleichtaktstörungen unterdrückt werden,
Weiterhin kann ein erster GMR-Sensor zur Er mittlung des Magnetfeldes
der Sendeleiteranordnung eingesetzt werden, während ein zweiter GMR-Sensor
zur Ermittlung des Umgebungsfeldes eingesetzt wird. Aus der Differenz
der Signale der beiden Sensoren kann dann das Nutzsignal ermittelt
werden. Weiterhin kann ein Differenzsensor durch geeignete Ausbildung
eines Eisen- oder Ferritkerns zur Flusskonzentration realisiert
werden.
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Weiterhin
kann zur Verbesserung der Störunterdrückung ein
eventuell überlagertes
niederfrequentes bzw. konstantes Störfeld durch einen eingespeisten
bandbreitenbegrenzten Strom durch den Empfänger kompensiert werden.
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Alternativ
bzw. zusätzlich
zu einem GMR kann auch eine weitere Spulenanordnung zum Empfang
der Signale der Sendeleiteranordnung vorgesehen sein. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn wenigsten ein GMR-Sensor zur Auswertung
von statischen und niederfrequenten Signalen vorgesehen ist, während eine
Spulenanordnung zur Auswertung hochfrequenter Signale vorhanden
ist.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung.
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2 zeigt
eine Sendeleiteranordnung in Form einer geschlossenen Leiterschleife.
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3 zeigt
eine Sendeleiteranordnung mit einer geschlossenen Leiterschleife,
welche um einen Ferritkern gewickelt ist.
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4 zeigt
eine Sendeleiteranordnung mit einer reflexionsfrei abgeschlossenen
Leiterschleife.
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5 zeigt
eine Sendeleiteranordnung mit einem am Ende kurzgeschlossenen Leiterpaar.
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6 zeigt
eine weitere Sendeleiteranordnung mit einem am Ende reflexionsfrei
abgeschlossenen Leiterpaar.
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7 zeigt
eine Sendeleiteranordnung, welche an beiden Enden reflexionsfrei
abgeschlossen ist.
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8 zeigt
eine Senderleiteranordnung mit einem Leiterpaar.
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9 zeigt
eine Senderleiteranordnung mit vier Leitern.
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10 zeigt
eine Sendeleiteranordnung in koaxialer Ausführung.
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1 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Ein erfindungsgemäßer Drehübertrager 3 umfasst
wenigstens ein rotierendes Teil 1 sowie wenigstens ein
stationäres
Teil 2. Das stationäre
Teil 2 umfasst eine Senderleiteranordnung 6, welche
von der Sendeeinrichtung 8 gespeist wird. Das rotierende
Teil 1 umfasst eine Empfangskoppleranordnung 7 mit
einem GMR-Sensor 5 sowie
einer dadurch gespeisten Empfangseinrichtung 9.
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2 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Hierin ist die Sendeleiteranordnung 6 als geschlossene
Leiterschleife zwischen einem ersten Anschluss 10 und einem
zweiten Anschluss 11 der Sendeeinrichtung 8 ausgeführt. Entsprechend
den zu übertragenden
Signalen wird ein Strom von der Sendeeinrichtung 8 in die
Sendeleiteranordnung 6 eingespeist. Wesentlich ist hier
nur die Amplitude und nicht die Polarität, da die GMR-Sensoren unabhängig von
der Richtung des Magnetfeldes arbeiten.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Zur Verbesserung der Übertragung
kann die Leiterschleife mit einem Bauteil aus weichmagnetischem
Material, wie Eisen oder Ferrit kombiniert werden. Hier ist beispielhaft
die Leiterschleife 6 um einen Ferritkern 4a gewickelt.
Zur besseren magnetischen Verkopplung ist auch an dem rotierenden
Teil 1 ein weiterer Ferritkern 4b in Verbindung
mit dem GMR-Sensor 5 vorgesehen. Grundsätzlich funktioniert die Vorrichtung
aber auch ohne diesen. Die Leiterschleife ist hier mit zwei Windungen
dargestellt. Grundsätzlich
kann diese aber auch mit einer oder mehreren Windungen ausgeführt werden.
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In 4 ist
eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit einer Leiterschleife
dargestellt, welche an einer Seite mit dem zweiten Anschluss 11 der Sendeeinrichtung 8 gespeist
wird, und an der anderen Seite mit einem reflexionsfreien Abschluss 15 abgeschlossen
ist. Diese und die folgenden Sendeleiteranordnung sind bevorzugt
für Drehübertrager
mit freiem Innendurchmesser geeignet. So kann die Sendeleiteranordnung
beispielsweise im Inneren eines Computertomographen um den Patiententisch angeordnet
sein.
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5 zeigt
eine weitere Anordnung mit einer Leiterschleife aus zwei Leitern,
wobei der Strom durch den ersten Leiter 12 in einer ersten
Richtung und durch den zweiten Leiter 13 in einer zu dieser entgegengesetzten
Richtung fließt.
Die beiden Leiter 12 und 13 sind mittels eines
Kurzschlusses 14 miteinander verbunden.
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6 zeigt
eine Anordnung ähnlich
der zuvor dargestellten Anordnung. Hierbei ist allerdings einen
reflexionsfreier Abschluss 15 an Stelle des Kurzschlusses vorgesehen.
Da nun an der Stelle des Abschlusses 15 keine Reflexionen
auftreten können,
ist diese Anordnung wesentlich breitbandiger zu betreiben.
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7 zeigt
eine noch breitbandigere Anordnung. An den Enden der Leiter 12 und 13 sind
reflexionsfreie Abschlüsse 15a und 15b vorgesehen.
Die Einspeisung der Signale erfolgt an der den Abschlüssen gegenüberliegenden
Seite. Damit ergibt sich jeweils am Ort der Einspeisung sowie am
Ort der reflexionsfreien Abschlüsse
ein vernachlässigbarer
Phasensprung des Signals.
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In
der 8 ist eine Leiterstruktur mit einer typischen
Zweidrahtleitung bestehend aus den Leitern 12 und 13 dargestellt.
Zum Begriff ist hier beispielhaft eine Empfangskoppleranordnung 7 mit
Ferritkern 4 vorgesehenen, welcher das magnetische Feld
der Leiter am Ort des GMR-Sensors konzentriert.
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9 zeigt
eine typische Anordnung mit vier Leitern. Durch die ersten Leiter 12a und 12b fließt der Strom
in einer ersten Richtung. Durch die zweiten Leiter 13a und 13b fließt er in
die entgegengesetzte Richtung. Grundsätzlich sind auch Anordnungen
mit einer anderen Anzahl beziehungsweise anders geformten Leitern
möglich.
GMR Sensoren könnten vorteilhafterweise
mittig zwischen den Leiterpaaren 12a-13b; 13b-12b; 12b-13a; 13a-12a vorgesehen sein.
Weiterhin könnten
gleichzeitig mehrere Sensoren vorgesehen sein, wobei wahlweise die
Summen- oder Differenzsignale ausgewertet werden.
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10 zeigt
noch eine koaxiale Anordnung, bei der der Strom durch den Innenleiter 12 in
einer ersten Richtung und durch einen Außenleiter 13 in einer
zweiten Richtung fließt.
Zur Feldkonzentration am Ort des GMR-Sensors 5 dient noch
ein Ferritkern 4.
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- 1
- Rotierendes
Teil
- 2
- Stationäres Teil
- 3
- Drehübertrager
- 4
- Eisenkern
- 5
- GMR
Sensor
- 6
- Sendeleiteranordnung
- 7
- Empfangskoppleranordnung
- 8
- Sendeeinrichtung
- 9
- Empfangseinrichtung
- 10
- Erster
Anschluss
- 11
- Zweiter
Anschluss
- 12
- Erster
Leiter
- 13
- Zweiter
Leiter
- 14
- Kurzschluss
- 15
- Reflexionsfreier
Abschluss