DE3008582A1

DE3008582A1 - Inkrementaler weggeber

Info

Publication number: DE3008582A1
Application number: DE19803008582
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing.(grad.) 7534 Birkenfeld Waldhauer
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1980-03-06
Filing date: 1980-03-06
Publication date: 1981-09-10
Also published as: GB2071337A; GB2071337B; FR2477703B3; DE3008582C2; FR2477703A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung geht aus von inkrementalen Weggebern mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Solche Weggeber werden z.B. für die absolute Wegmessung bei .numerischen Steuerungen benutzt

Bekannt sind zum Beispiel Weggeber, bei denen als codierter Maßstab eine regelmäßig gewickelte elektrische¹ Widerstandswicklung dient, übe welche ein Schleifkontakt als Lesekopf in Längsrichtung der Wicklung hinwegbewegt wird. Auf diese Weise wird eine Wegänderung in eine dieser Wegänderung proportionale Widerstandsänderung umgewandelt, wobei das kleinste noch meßbare Weginkrement die Steigung der Widerstandswicklung ist und somit die kleinste Widerstandsänderung durch den Widerstand einer einzelnen Windung der Widerstandswicklung bestimmt ist.

Es ist ferner bekannt, als codierten Maßstab einen solchen aus Glas zu benutzen, der periodisch abwechselnd Bereiche hat, die das Licht reflektieren bzw. nicht reflektieren oder in einer anderen Ausführungsform das Licht hindurchlassen oder nicht hindurchlassen. Als Leseköpfe dienen Fotozellen, die das reflektierte bzw. durchgelassene Licht empfangen und in ein elektrisches Signal umwandeln.

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Ein Vorteil der optisch-elektrischen Weggeber ist, daß sie kontaktfrei arbeiten. Sie sind jedoch empfindlich gegen äußere Umgebungseinflüsse wie Schmutz, Vibrationen, und hohe Temperaturen und bedürfen einer sehr feinen Aufteilung auf dem codierten Maßstab, wenn kleinste Bewegungsschritte aufgelöst werden können sollen.

Es ist demgegenüber die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen berührungslos arbeitenden inkrementalen Weggeber zu schaffen, der unempfindlich ist gegen äußere Umgebungseinflüsse und ein hohes Auflösungsvermögen bei einfacher Auswertung des Meßsignals ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch inkrementale Weggeber mit den in den nebengeordneten Ansprüchen 1, 7 und 8 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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Als bistabile magnetische Elemente, auch als bistabile magnetische Schaltkerne bezeichnet, eignen sich vor allem sogenannte Wiegand-Drähte, deren Aufbau und Herstellung in der DE-OS 21 43 326 beschrieben sind. Wiegand-Drähte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte (z.B. aus einer Legierung von Eisen und Nick· vorzugsweise 48 % Eisen und 52 % Nickel, oder aus einer Legierung vo Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, odor aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise 52 % Kobalt, 38 % Eisen 'und 10 % Vanadium), die infolge einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen weich magnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d.h. der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegand Drähte haben typisch eine Länge von 5 bis 50 mm, vorzugsweise von 20 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisie rungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse übereinstimmt, der Magnetisierungsrichtung des Wiegand—Drahtes aber entgege gesetzt ist, dann wird bei Überschreiten einer Feldstärke von ca. 16 A/cm die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegand-Drahtes umgekehrt. Diese Umkehrung wird auch als Rückstellung bezeichnet. Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren Magnetfeldes kehr sich die Magnetisierungsrichtung des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Mnqnetfeldes erneut um, no daß der Kern und der Mantel wieder parallel, mncinetisj ert sind. Diese Umkehru der Magnetisierungsrichtung erfolgt sehr rasch und geht mit einer en sprechend starken Änderung des magnetischen Kraftflusses pro Zeit-

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einheit einher (Wi eqnnd-Ef f ekt). Diene Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionsspule einen kurzen und sehr hohen (ja nac Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspule bis ca. 12 Volt) Spannungsimpuls induzieren (Wiegand-Impuls).

Auch beim Zurückstellen des Kerns wird ein Impuls in einer Indukt spule erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude und umgekehrtem Vorzeichen als im Falle des Urnklappens von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung.

Wählt man als äußeres Magnetfeld ein Wechselfeld, welches in der I ist, zuerst den Kern und danach auch den Mantel umzumagnetisieren jeweils bis in die magnetische Sättigung zu bringen,so treten Wiec Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung des wej magnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Folarit auf und man spricht von symmetrischer i-Jrregung uns Wiegand—Drahtes Dazu benötigt man Feldstärken von ca. -(RO bin l?0 A/cm) bis + (P.O 120 A/cm). Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprun haft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Induktionsspule, j doch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Urnklappen des Kerns induzierte Impuls und wird zumeist nicht ausgewertet.

Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist, den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand—Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens IG A/cm (für die Rückstellung des Wiegand-Drahtes) uric! in der umgekehrten Richtung eine Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm.

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Charakteristisch für den Wietjand-Ef f ekt ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhaltnis aufweisen.

Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher magnetischer Härte (Koerzitivkraft) besitzen und in ähnlicher Weise wie Wiegand-Orähte durch induziertes, rasch erfolgendes Umklappen des weichmagnetischen Bereichs zur Impulserzeugung verwendet werden können. So ist zum Beispiel aus der DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetis Schaltkern in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hartmagnetischen Kern (z.B. aus Nickel-Kobalt), aus einer darauf abgeschiedenen elektrisch leitenden Zwischenschicht (z.B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschieden weichmagnetischen Schicht (z.B. aus Nickel-Eisen) besteht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus einem magnetisch nicht leitenden metallischen Innenleiter (z.B. aus Beryllium-Kupfer), auf den dann die hartmagnetische Schicht, darauf die Zwischenschicht und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden werden. Dieser bekannte bistabile magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Schaltimpulse als ein Wieganc'-Draht.

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Bei allen angegebenen Lösungsvarianten ist es für das Funktionsprinzip gleichgültig, ob der Maßstab bewegt wird und die Leseeinrichtung ruht oder ob die Leseeinrichtung bewegt wird und der Maßstab ruht. Wenn daher im folgenden davon die Rede ist, daß der Maßstab, ein BME, die Lesseinrichtung ader Teile davon bewegt werden, so ist damit immer eine Relativbewegung gemeint, nicht je doch eine Beschränkung auf eine der möglichen Bewegungsarten.

Die Lösung gemäß Anspruch 1 verwendet eine Reihe von äquidistant einen Träger eingebetteten, z.B. in eine schmale Kunstharzplatte eingegossenen BME, die durch ein Magnetfeld hindurchbewegt werder welches im Bereich seiner Wechselwirkung mit der Leseeinrichtung Nulldurchgänge aufweist. Ein BME, welches sich diesem Magnetfeld nähert, wird zunächst — falls dies nicht bereits der Fall ist - i jenem Teil des Magnetfeldes, der vor dem ersten Nulldurchgang lie so magnetisiert, daß die Magnetisierungsrichtungen des hartmagnetischen und des weichmagnetischen Bereichs des BME entgegengesetz sind. Im mittleren Bereich des Magnetfeldes, also zwischen seinen beiden Nulldurchgängen, wird die Magnetisierungsrihtung des BME ζ mindest im weichmagnetischen Bereich (Fall der asymmetrischen Erregung), gegebenenfalls auch im hartmagnetischen Bereich (Fall de symmetrischen Erregung) umgekehrt; das plötzliche Umklappen der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Bereichs des BME erzeugt in der mit dem BME gekoppelten Wicklung einen charakteristischen Spannungsimpuls, der als Wegmeßsignal verwerte wird. Nach dem Durchgang des BME durch den zweiten Nulldurchgang <

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magnetischen Gleichfeldes wird die Umkehrung der Magnetisierungsrichtung wieder rückgängig gemacht, sodaß das BME bei erneutem Eindringen in den mittleren Magnetfeldbereich wieder einen charakteristischen Impuls auslösen kann. Die beiden äußeren Magnetfelder, die dem mittleren Magnetfeld entge_gengerichtet sind, dienen bei asymmetrischer Erregung des BME lediglich zur

antiRückstellung des BME in seinen Zustand mit/paralleler Magnetisierung von hart- und weichmagnetischem Bereich, wozu nur eine relativ geringe Feldstärke (ca.-16 A/cm bei Wiegand-Drähten) benötigt wird. Die mit der Rückstellung auftretenden relativ kleinen Impulse können durch eine Diskriminatorschaltung am Ausgang der elektrischen Sensorwicklung unterdrückt werden.

Bei symmetrischer Erregung wird bei jedem Überschreiten des Nulldurchgangs des Magnetfeldes ein hoher charakteristischer Impuls in der Sensorwicklung erzeugt, beim Übergang von der Mitte in den äußeren Feldbereich jedoch von umgekehrter Polarität als beim Überschreiten des Nulldurchgangs von den äußeren Feldbereichen in den mittleren Feldbereich. Nur die letzteren werden als Wegmeßimpulse verarbeitet, die anderen Impulse der entgegengesetzten Polarität können durch eine logische Schaltung unterdrückt werden.

Natürlich müssen die Felder so stark sein, daß die nötige Ummagnetisierung jeweils erfolgen kann, d.h. z.B. für Wiegand-Drähte, daß bei

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asymmptrischer Erregung die äußeren Maqnetfeldbereiche nur relati schwach sein brauchen (ca. -lh Λ/cm, s.o.), während der mittlere
Bereich im Maximum der Feldstärke ca. bü bis 120 Λ/cm erbringen m Bei symmetrischer Erregung müssen in allen drei Teilbereichen FeI stärken von ca. 80 bis 120 A/cm erreicht werden.

Das Magnetfeld mit den beiden in Längsrichtung des Maßstabs aufei anderfolgenden Nulldurchgängen kann z.B. gebildet werden durch dr in Reihe angeordnete Polpaare mit alternierender Polarität, zwisc denen der Maßstab hindurchbewegt wird (Anspruch 2). Man kann aber auch die beiden äußeren Polpaare fortlassen und statt dessen jede einzelnen BME einen Magneten zuordnen, der seine Lage relativ zum BME nicht verändert, also gemeinsam mit diesem in das Feld zwisch dem noch verbleibenden, relativ zum Maßstab verschieblichen Polpaar hineinbewegt wird; dabei muß das Magnetfeld dieses mit dem B fest gekoppelten Magneten dem anderen Magnetfeld, in welches das
hineinbewegt wird, entgegengerichtet sein (Anspruch 3). Am einfac sten verwirklicht man das fest mit dem BME i|(>icopp^lte Mnqnetf^ld
durch eine stromdurchf lossene Wicklung, die dicht neben, vor/.ugsw unmittelbar auf dem BME angeordnet ist (Anspruch 4). Beim l-öranfüh eines BME an den nicht .nit dem Maßstab bewegten Magneten Überlage sich die beiden Magnetfelder, welche so bemessen sein müssen, daß mit dem BME fest gekoppelte Magnetfeld ausreicht, um außerhalb de anderen Magnetfelds das BME bei asymmetrischer Erregung zurückzu-

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stellen bzw. bei symmetrischer Erregung den hartmagnetischen Bereich des BME umzumagnetisieren, und das nicht mit dem Maßstab mitbewegte Magnetfeld muß das mit dem BME fest gekoppelte Magnetfeld so stark überwiegen, daß es trotz der durch die Feldüberlagerung erfolgten Schwächung noch in der Lage ist, das BML' asymmetrisch oder ggfs. symmetrisch umzumagnetisieren. Das durch Überlagerung des Magnetfeldes, welches fest mit dem BME gekoppelt ist, und das nicht mit dem Maßstab verschieblichen Magnetfeldes gewonnene resultierende Magnetfeld wird hier noch als Gleichfeld bezeichnet, obwohl streng genommen durch die Bewegung des Maßstabs in gewissen Raumbereichen ein Vorzeichenwechsel des resultiere den Magnetfelds stattfindet.

Auf diese Weise erzeugt jedes BME beim passieren des nicht mit dem Maßstab mitbewegten Magnetfelds einen charakteristischen Impuls in der Sensorwicklung, so daß der zurückgelegte Weg einfach durch eine digitale Impulszählschaltung ermittelt werden kann.

Die Sensorwicklung kann am Ort des nicht mit dem Maßstab mitbewegten Magnetfeldes angeordnet sein. Es ist jedoch zur Erhöhung der Signalausbeute von Vorteil, jedem BME'eine eigene Sensorwicklung zuzuordnen, die zweckmäßig unmittelbar auf dem BME angeordnet ist (Ansprüche 5 und 6).

Bei der zweiten und dritten Lösung der Aufgabe der Erfindung sind gegenüber der ersten Lösung die Verhältnisse insoweit umgekehrt

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worden, daß nicht mehrere äquidistante BME durch ein Magnetfeld, sondern ein einzelnes BME zwischen einer Folge von magnetischen Polpaaren hindurchgeführt werden (Anspruch 7 und 8).

Bei der Lösung nach Anspruch 7 haben die Polpaare alternierende Polarität, d.h. zwischen je zwei benachbarten Polpaaren hat das magnetische Feld einen Nulldurchgang der Feldstärke. Bei symmetrischer Erregung des BME sind die Felder zwischen benachbarten Polpaaren entgegengesetzt gerichtet und so stark, daß sie jeweils das BME in seinem weichmagnetischen und in seinem hartmagnetischen Bereich ummagnetisieren können. In der Sensorwicklung wird beim Durchgang des BME durch die Polpaare eine alternierende Impulsfolge erzeugt, die einem Zählwerk zugeführt werden kann.

Bei asymmetrischer Erregung braucht demgegenüber das Feld zwischen jedem zweiten Polpaar nur so stark zu sein, daß es das BME magnetis rückstellen kann. Wird der bei der Rückstellung auftretende schwach Impuls nicht verwertet, ist die Auflösung bei asymmetrischer Erregung nur halb so gut wie bei symmetrischer Erregung.

Die Lösung nach Anspruch 8 eignet sich besonders für asymmetrische Erregung des BME. Bei ihr wird keine alternierende Folge von Polpaaren, sondern eine Folge von gleichgerichteten Polpaaren verwendet, wobei das Magnetfeld zwischen jedem Polpaar so stark

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sein muß, daß es in der Lage ist, das BME unter Wechsel der Magnetinierunqsrichtung des weichmagnetischen Bereichs aus dem Zustand der antiparallelen Magnetisierung in den der parallelen Magnetisierung zu überführen, wozu bei Wiegand-Dra'hten eine Feldstarke von ca. 80 bis 120 A/cm benötigt wird. Ferner muß dafür Sorge getragen werden, daß im Bereich zwischen je zwei benachbarten Polpaaren durch ein geqengerichtetes Magnetfeld das BME wieder in seinen Zustand der antiparallelen Magnetisierung zurückgestellt wird, weil nur dann das BME zwischen den Polen eines benachbarten Polpaares des Maßstabs wiader einen charakteristischen Impuls in der Sensorwicklung erzeugen kann. Diese Rückstellung erfordert bei Wiegand-Drähten eine Feldstärke von ca. -16 A/cm und wird gemäß Anspruch 8 durch einen fest mit dem BME gekoppelten Rückstellmagnet.bewirkt. Dies kann ein parallel zum BME angeordneter Stabmagnet sein, ist jedoch vorzugsweise eine stromdurchflossene Wicklung, welche unmittelbar auf das BME aufgebracht ist. Da sich das Feld des Rückstellmagnets und die Felder zwischen den Polpaaren überlagern und gegenseitig schwächen, ist diese Schwächung bei der Bemessung der Feldgestalt und Feldstärken zu berücksichtigen, damit in jedem Fall die für eine asymmetrische Erregung erforderlichen Feldstärkewerte erreicht werden.

Die gleichnamigen Polpaare können bei den Lösungen gemäß Anspruch '.

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und 8 getrennten Magneten zugehörig sein, werden jedoch vorzugsweise durch nur einen Magneten verwirklicht, dessen Polflächen zux Bildung der Polfolgen periodisch mit Vorsprüngen versehen sind, die sich in Richtung auf die Polfläche der entgegengesetzten Polarität erstrecken (Anspruch 9).

Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Weggeber anzustreben, daß die Magnetfelder, welche von den BME durchquert werden, eng begrenzt sind und an den Rändern möglichst steil abfallen, damit der Ort innerhalb des jeweiligen Feldes, an dem das BME zur Abgabe eines Impulses angeregt wird, möglichst gut reproduzierbar ist (Anspruch 10). Die Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses kann dadurch weiter erhöht werden, daß man beim Durchlaufen eines solchen Weginkrementes, welches der kleinsten Teilung des verwendeten Maßstabs entspricht (z.B. der Abstand zweier Wiegand-Drähte), nicht nur einen Impuls, sondern mehrere Impulse auslöst und daraus einen gemittelten Meßwert bildet, wobei sich statistische Abweichungen mit zunehmender Anzahl der gemittelten Impulse zunehmend weniger auf den Meßwert auswirken.

Ein solcher Weggeber ist Gegenstand des Anspruchs 11. Die Abstände der Magnetpolpaare und die damit übereinstimmenden Abstände der BME bilden die Teilung des Maßstabs. Bei diesem Weggeber tritt eine größere Anzahl von BME gleichzeitig in gleichartige Magnetfelder zwischen den Polen der verschiedenen Polpaare ein, wo sie

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zur Impulserzeugung angeregt werden. Bei idealen Verhältnissen wurden diese Impulse in den Sensorwicklungen gleichzeitig auftreten, was jedoch wegen im Einzelfall auftretenden statischen und systematischen Abweichungen nicht der Pail ist. Bei der in der gemeinsamen Auswerteschaltung erfolgenden Mittelwertbildung wird jedoch der Einfluß der statistischen Abweichungen vermindert und dadurch die Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses erhöht.

Es ist weiterhin bei dem erfindungsgemäßen Weggeber anzustreben, die Folge der BME und/oder der Magnetpolpaare und der von ihnen aufgebauten Magnetfelder räumlich möglichst dicht zu wählen, um eine möglichst enge Teilung des Maßstabs und damit ein möglichst hohes räumliches Auflösungsvermögen des Weggebers zu erzielen. Dem sind allerdings durch die Abmessungen der Magnetpole und der BME natürliche Grenzen gesteckt. Dennoch kann man eine wesentliche Steigerung der Meßgenauigkeit dadurch erreichen, daß man das bei mechanischen Maßstäben als Ablesehilfe bekannte Prinzip des Nonius auf den erfindungsgemäßen Weggeber überträgt.

Ein solcher Weggeber ist Gegenstand des Anspruchs 12. Bei diesem Weggeber können die Magnetpolpaare die Hauptteilung und die BME die Hilfsteilung bilden oder umgekehrt. Es ist auch möglich, die Sensorwicklungen entweder den Magnetpolpaaren oder aber den BME zuzuordnei

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Üblicherweise ist beim Nonius η = 10, sodaO durch Anwendung des Nonius die Hauptteilung beim Ablesen noch zehnfach unterteilt werden kann. Natürlich ist aber auch jede andere Wahl für die Zahl η möglich.

Es ist ferner möglich, die Ablesegenauigkeit dadurch weiter zu steigern, daß eine zweite Hilfstellung, z.B. in Gestalt einer zweiten Reihe von BME, die zur ersten Reihe von BME parallel verlauf aber eine andere Teilung aufweist, derart verwirklicht wird, daß η - 1 Intervalle der Hauptteilung mit η Intervallen der ersten Hilfsteilung und η - 1 Intervalle der ersten Hilfsteilung mit η Intervallen der zweiten Hilfsteilung übereinstimmen.

Eine besonders geeignete Ausführungsform des Weggebers mit Nonius, bei dem jedem BME eine eigene Sensorwicklung zugeordnet ist, ist Gegenstand des Anspruchs 13, wobei vorzugsweise die BME die Hilfsteilung bilden (Anspruch 14). Im Luftspalt des Dauermagneten herrscl" ein homogenes Magnetfeld, welches durch die Zahnstange deformiert, nämlich räumlich periodisch gebündelt wird. Beim Verschieben der Zahnstange wandern die gebündelten, eine erhöhte Feldstärke besitzenden Magnetfeldbereiche durch den Luftspalt zwischen den beiden Magnetpolen hindurch und treten dabei in Wechselwirkung mit den BME, Diese sind durch die -Erregerwicklung, die sie tragen, magnetisch vorgepolt, und zwar ist das Magnetfeld der Erregerwicklung am Ort des BME dem Feld des Dauermagneten entgegengerichtet. Die Stärken

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der Felder müssen so aufeinander abgestimmt sein, daß mitten
zwischen zwei Zähnen der Zahnstange, wo das Feld des Dauermagneten am Ort des BME am schwächsten ist, das Feld der Erregerwicklung
das entgegengerichtete Feld des Dauermagneten soweit überwiegt,
daß die resultierende Feldstärke ausreicht, das BMF. magnetisch
zurückzustellen, d.h. den weichmagnetischen Bereich des BME in
seiner Maqnetisierungsrichtung so umzukehren, daß die Maqnetisio.rin des weich- und des hartmagnetischen Bereichs des BMEÜ entcjoqenqerichtet (antiparallel) sind.

Andererseits muß vor einem Zahnkopf, also dort, wo das Feld des
Dauermagneten am stärksten ist, dieses das entgegengesetzte Feld
der Erregerwicklung des BME so stark überwiegen, daß es den weichmagnetischen Bereich des BME von der (bezogen auf die Magnetisierur richtung des hartmagnetischen Bereichs) antiparallelen unter Erzeugung eines Impulses in der Sensorwicklunq in die parallele Magne sierungsrichtung umzupolen vermag. (Bei Wiegand-Drähten benötigt
man dazu eine Feldstärke: von BO bis 120 A/cm, für die magnetische Rückstellung des Wiegand-Drahtes lediglich etwa -16 A/cm). Die Ausführungsform des Weggebers mit Nonius gemäß Anspruch 15 eignet siel" besonders für symmetrische Erregung der BME. Die Folge der Magnetpc paare erzeugt ein räumlich alternierendes Magnetfeld, durch welches der Maßstab mit den BME hindurchgeführt wird.Die alternierenden FeI im Feldmaximum am Ort der BMK müssen natürlich so stark sein, daß

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sie die symmetrische Erregung der BME bewirken können. Bei Wienand-Drähten benötigt man dazu Feldstärken von ca. +_ (80 bis 120) A/cm. Die Sensorwicklungen werden zweckmäßig den Magnetpolnaaren zugeordnet und gerade in der Mitte zwischen ihnen, also in den Nulldurchgängen des alternierenden Magnetfeldes, angeordnet Dann braucht man keine elektrischen Leitungen aus dem Maßstab herausführen (Anspruch 17). Bei dieser Ausführungsform sind auch keir gesonderten Magnete für die Rückstellung der BME erforderlich, da dies bereits das alternierende Magnetfeld besorgt.

Das Ausganqsslgnal dieses Weggebers ist eine alternierende Impulsfolge, die einer Auswerterschaltung zugeführt wird.

Die Magnetpole werden am einfachsten durch Dauermagnete in Form von Hufeisenmagneten gebildet (Anspruch 16), doch kann statt dessen auch ohne weiteres eine Anordnung von Elektromagneten verwendet werden.

Zur Erzielung ei in er qutnn Sicjnalausbeute wird es bevorzugt, als BMI·: Wieqand-Dr.'.ihte zu verwenden.

Die FZrfindung ist nicht beschränkt auf die Messung geradliniger Wege. Vielmehr kann man auch Kreisbogenlängen und damit Drehwinkel bestimmen (Anspruch 19), wenn man den Weg, entlang dem der kodiert

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Maßstab und die Leseeinrichtung aneinander vorbeibewegt werden, kreisbogenförmig wählt, also entweder - je nach Ausführungsform des Weggebers - eine Folge von BME, oder eine Folge von Magnetpolpaaren, oder beides entlang eines Kreisbogens anordnet, wobei im letzten Fall die beiden Kreisbogen koaxial angeordnet sein müssen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten, sehr schematischen Zeichnungen dargestellt,· die nachfolgend erläutert werden. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit übeEinstimmenden Beeugszahlen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Weggebers

mit einem zwischen Magnetpolen beweglichen Träger mit einer Folge von Wiegand-Drähten,

Fig. 2 zeig: den prinzipiellen Aufbau eines Weggebers mit einer Folge von Magnetpolpaaren und einem Wiegand-Draht,

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Weggebers mit verbesserter Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses,

Fig. 4 zeigt den Schnitt IV-IV gemäß Fig. 3, und

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Fin. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Weggebers mit Nonius.

Fig. 1 zeigt als Maßstab einen flachen, stabförmigen Träger 1 aus Kunststoff (gestrichelt angedeutet), in den eine Folge von Wiegand-Drähten 2 als bistabile magnetische Elemente parallel zueinander in gleichem Abstand angeordnet sind. Der Abstand T der Längsachsen der Wiegand-Drähte 2 definiert die Teilung des Maßstabs. Unmittelbar um die Wiegand-Drähte 2 herumgelegt sind je eine Rückstellwicklung 4 und eine Sensorwicklung 3. Die Anschlußpunkte 5 der Sensorwicklungen 3 werden untereinander parallel und mit dem Eingang eine, Impulsauswerteschaltung verbunden, während die Anschlußpunkte 6 der Rückstellwicklungen 4 mit einer Gleichstromquelle verbunden werden.

Parallel zu den Wiegand-Drähten 2 ist ein Dauermagnet in Gestalt eines Hufeisenmagneten 8 vorgesehen, der in Verbindung mit den Sense wicklungen 3 die Leseeinrichtung bildet und zwischen dessen Polen 10 und 11 sich der Maßstab 1 in Richtung des Pfeils 7 so hin und h« verschieben läßt, daß dabei die Wiegand-Drähte 2 zwischen den Polen 10 und 11 von einem Pol 10 zum anderen Pol 11 weisen, also ungefähr parallel zum Verlauf der Feldlinien des Magnetfeldes zwischen den Polen 10 und 11 orientiert sind. Das Feld, das die vom Gleichstrom durchflossene Wicklung 4 in ihrem Inneren am Ort des Wiegand-Drahtes 2 erzeugt, ist so gewählt, daß es dem Feld des Hufeisenmagneten 8

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entyeijenyerichtet ist und außerhalb des Luftspaltes des Hufeisenmagneten y dessen Feld so stark überwiegt, daß es die zur magnetischen Rückstellung des Wiegand-Drahtes 2 erforderliche Feldstärke H von etwa -16 A/cm erbringt, während umgekehrt das Feld des Hufeisenmagneten 8 im Luftspalt zwischen den Polen 10 und 11 daf Feld der Rückstellwicklung 4 so stark überwiegt, daß es den weichmaqnet.ischen Kern des Wiegand—Drahtt.'S .'' aus der .int ip.ir.il I »■» I f»n Or Lent lerunrj der Magnetisierung in die parallele Orientierung überführen kann, wobei der charakteristisch« Wiegand—Impuls erzeugt wird; die dazu benötigte Feldstärke H. beträgt etwa 80 bis 120 A/cm. Damit ist gewährleistet, daß die Wiegand-Drähte 2 außerhal des Luftspalts des Hufeisenmagneten 8 stets zurückgestellt werden in den Zustand entgegengerichteter Magnetisierung des hartmagnetische Mantels und des weichmagnetischen Kerns und daß jedesmal dann, wenn ein Wiegand-Draht 2 den Luftspalt zwischen den Polen 10 und 11 durcl" quert, in der ihm zugeordneten Sensorwicklung ein Wierjand-Impuls erzeugt wird, der der nicht dargestellten Impulsauswerteschaltung züge führt wird, die z.B. eine einfache Zählschaltung sein kann. Der Weggeber gemäß Fig. 1 wird — wie beschrieben - zweckmäßig mit asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes 2 betrieben.

Anstatt die magnetische Rückstellung der Wiegand-Drähte durch die Rückstellwicklungen 4 vorzunehmen, kann man statt dessen beidseits des Hufeisenmagneten 8 je einen weiteren Hufeisenmagneten 12 und 13 vorsehen (in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet), welche als Rück-

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stellmagnete dienen und demgemäß im Vergleich zum Hufeisenmagnet 8 entgegengesetzt polarisiert sind. In diesem Fall entfällt die Stromzufuhr zum Träger 1; die damit verbundene aktive Komponente des Weggebers ist in vorteilhafter Weise durch eine passive Komponente ersetzt. Es ist ferner möglich, anstelle einer Sensorwicklung 3 auf jedem Wiegand-Draht 2 lediglich eine gemein» same Sensorwicklung vorzusehen, welche dann neben dem Träger 1 im Luftspalt des Hufeisenmagneten 8 anzuordnen ist. Dadurch ist zwar die magnetische Kopplung zwischen dem einzelnen Wiegand-Draht 2 und der Sensorwicklung verringert, jedoch hat man den Vorteil, daß der Träger 1 keinerlei elektrische Zuleitung mehr benötigt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Weggeber besteht der Maßstab aus einer Folge von Magnetpolpaaren 20 alternierender Polarität, z.B. Hufeisenmagneten, die in gleichen Abständen parallel zueinander auf einem Träger 21 angeordnet sind und die Teilung T des Maßstabs definieren. Zwischen den Magnetpolpaaren 20 befinden sich zur Absei" mung bzw. Bündelung der Magnetfelder zwischen gegenüberliegenden Polen diamagnetische Bleche 23. Im Luftspalt zwischen den Polpaaren 20 und parallel zu diesen verlaufend befindet sich als Lesekopf ein Wiegand-Draht 2 mit einer Sensorwicklung 3 darauf. Wiegand-Drah 2 und Träger 21 sind in Richtung des Pfeils 7 relativ zueinander verschieblich.

Bei der Verschiebung des Wiegand-Drahtes 2 zwischen den Polpaaren

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20 hindurch wird dieser Magnetfeldern abwechselnder Polarität ausgesetzt. Sind die Magnetfelder zwischen einander gegenüberliegenden Polen so stark, daß sie nicht nur den weichen Kern, sondern auch den harten Mantel des Wieqand-Drahtes ummagnetisieren können, wozu man eine Feldstärke von ca. H_c, = +_ (80 bis 120) A/cm benötigt, dann wird der Wiegand-Draht ? beim Verschieben durch die M. u] net folder wechselnder Polarität symmetrisch erregt und erzeugt in der Uensorwicklung 3 eine alternierende Impulsfolge, die in eine an die Anschlußpunkte 5 der Sensorwicklung 3 anzuschließenden Auswerteschaltung gezählt werden können.

Der Weggeber gemäß Fig. 2 kann auch asymmetrisch erregt werden, wenn jeder zweite Hufeisenmagnet 20 nur die zur Rückstellung erforderliche Feldstärke H„ erbringt, jedoch wird dadurch die Maßstabsteilung um den Faktor 2 verschlechtert. Bei gleichbleibender Maßstabsteilung kann man dann mit asymmetrischer Erregung arbeiten, wenn man statt einer Folge alternierender Polpaare 20 eine Folge vo Polpaaren, deren Felder gleichgerichtet sind, mit der Teilung T anordnet und die Rückstellung des Wiegand-Drahtes 2 wie im Beispiel der Fig. 1 durch eine stromdurchflossene Rückstellwicklung auf dem Wiegand-Draht 2 bewirkt, deren Magnetfeld dem Magnetfeld der Folge von Polpaaren entgegengerichtet ist.

Fig. 3 und 4 zeigen den Aufbau eines Wegqebers mit verbesserter Reproduzierbarkeit der Meßwertablesung. Zwischen den einander zuge-

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kehrten Polen 31 und 32 eines in Pfeilrichtung 7 langgestreckten Hufeisenmagneten 30 ist als Maßstab eine ferromagnetische Zahnstan< 33 in Pfeilrichtung 7 verschieblich angeordnet, und zwar liegt sie mit ihrem Rücken der Oberfläche des einen Magnetpols 32 benachbart, während ihre Zähne 34 dem gegenüberliegenden Pol 31 zugewandi sind. Die Zähne 34 sind in gleichen Abständen angeordnet und defin: ren dadurch die Teilung T des Maßstabs.

In dem Luftspalt zwischen den Zähnen 34 und dem gegenüberliegenden Magnetpol 31 wird das Feld des Magneten 30 gebündelt und weist gegenüber der Feldstärke zwischen den Zähnen 34 eine deutlich höher Feldstärke auf. Diese Bereiche höherer Feldstärke wandern mit der Zahnstangenbewegung durch den Luftspalt des Hufeisenmagneten 30. Zum Detektieren dieser Bewegung der Zahnstange 33 befindet sich oberhalb der Zähne 34 im Luftspalt des Magneten 30 2U diesem relativ unverschieblich eine Folge äquidistanter Wiegand-Drähte 2, die dieselbe Teilung T wie die Zahnstange 33 aufweisen. Jeder Wiegand-Drah 2 trägt eine Sensorwicklung 3 und eine Rückstellwicklung 4 zur Erze' gung eines Magnetfeldes, welches am Ort des jeweiligen Wiegand-Drah· 2 dem Magnetfeld des Hufeisenmagneten 30 entgegengerichtet ist.

Der dargestellte Weggeber eignet sich wie der aus Fig. 1 insbesondei zum Betrieb der Wiegand-Drähte 2 mit asymmetrischer Erregung. Dabei werden die Wiegand-Drähte 2 dann, wenn sie sich zwischen den Zähnen 34 befinden, magnetisch zurückgestellt und beim Durchqueren des ver-

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stärkten Magnetfelds -/.wischen den Zähnen 34 und dem gegenüberliegenden Magnetpol zur Abgabe eines Wiegand-Impulses erregt. Da die. Teilungen der Zahnstange 33 und der Folge von Wiegand-Drähten 2 übereinstimmen, werden die Wiegand-Impulse in den betroffenen Sensorwicklungen 3 - abgesehen von statistischen und unvermeidlichen systematischen Abweichungen - gleichzeitig ausgelöst. Durch Mittelwertbildung in einer an die Anschlußpunkte fi der Sensorwicklumjen 3 anzuschließenden Auswerteschaltung können die statistischen Schwankungen weitgehend eliminiert werden.

Wählt man bei der Anordnung gemäß Fig. 3 die Teilung T der Zahnstange 33 verschieden von der Teilung der Folge der Wiegand-Drähte 2, so daß die Teilung der Folge der Wiegand-Drähte z.B. nur 9/10 T beträgt, dann arbeitet der Weggeber mit erhöhter Ablesegenauigkeit, weil die Teilunq 9/10 T der Folge der Wiegand-Drähte 2 wie die Hilf stellung eines der Hauptteilung T zugeordneten Nonius wirkt.

Fig. 5 zeigt ein zweites Beispiel eines Weggebers mit Nonius in der Draufsicht. Als Maßstab dient ein Träger 1, der gestrichelt eingezeichnet ist und in den mit der Hilfsteilung 9/10 T parallel zueinander liegende Wiegand-Drähte 2 eingebettet sind. Dieser Träger ist zwischen einer Folge von Polpaaren 50 alternierender Polarität, z.B. zwischen den Polen einer Folge von Hufeisenmagneten, in Richtung des Pfeils 7 verschiebli<~h angeordnet. Die Polpaare SO definier

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Inspected

ihrerseits die Hauptteilung T. Zwischen den Magneten 50 sind - ebenfalls mit der Teilung T - Sensorwicklungen 3 angeordnet, die mit ihren Anschlußpunkten an eine Auswerteschaltung anzuschließen sind.

Wie das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 eignet sich der vorliegende Weggeber vor allem für die symmetrische Erregung der Wiegand-Drähte, wozu die Felder zwischen den Magnetpolpaaren die entsprechenden Feldstärken von ca. _+_ (80 bis 120) A/cm erbringen müssen.

Beim Durchgang eines Wiegand-Drahtes 2 durch den Luftspalt eines der Magnetpolpaare 50 wird in den beiden benachbarten Sensorwicklungen 3 ein Wiegand-Impuls erzeugt, wobei die Auswerteschaltung auch erkennen kann, in welchen Sensorwicklungen 3 die Impulse entstehen. Damit ist es auch möglich, die aktuelle Lage des Trägers 1 (Maßstab) relativ zu den Magnetpolpaaren 50 und Sensorwicklungen 3 (Leseeinrichtung) zu erkennen.

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Claims

Patentanwalt!? ■ ·* * "··.: : A Χ,.Τ

DR. RUDOLF BAUER · DIPU.-iNG. WELMLfT HUBBUCH DIPL-PHYS. ULRICH TWELMEIER 3008582

westliche ao-ai (am leopoldpl*tz) D-7S3O PFORZHEIM, (we ST-Q e R M ANY)

TC (O70SI) 1O99SO/7O /

3. März 1980 III/Be

Dr. Eugen Dürrwächter DODUCO, 7530 Pforzheim.

¹¹ Inkrementaler Weggeber "

Ansprüche:

Inkrementaler Weggeber mit einem codierten Maßstab und mit einer Leseeinrichtung, die wenigstens in Teilen relativ zum Maßstab verschiebbar ist, den Maßstab abtastet und das Abtastsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umformt, dadurch qeqekennzelchnet_t daß der codierte Maßstab ein Träger (1) ist, der eine Folge von untereinander parallelen, in gleichem Abstand angeordneten bistabilen magnetischen Elementen (2) (nachfolgend BME genannt) trägt, und

daß als Leseeinrichtung Mittel (8; 4,12,13) zum Erzeugen eines magnetischen Gleichfeldes,dessen zu den BME (2) parallele Feldstärke

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komponente zwei Nulldurchqänge (Vorzeichenwechsel) der Feldstärke besitzt, sowie wenigstens eine magnetisch mit den BME (2) gekoppe elektrische Wicklung (Sensorwicklung 3) vorgesehen sind.

2. Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des magnetischen Gleichfeldes durch eir

Anordnung von relativ zueinander unbeweglichen Magneten (8, 12, 12 gebildet werden.

3. Wöggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des magnetischen Gleichfeldes einerseit

durch eine Anzahl von Magneten (4), die je einem BME (2)fest zugeordnet sind, sowie durch einen weiteren Magneten oder eine Anordnu von Magneten (8) gebildet sind, welche relativ zu dem Maßstab (1) verschieblich sind.

4. Weggeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem einzelnen BME (2) fest zugeordnete Magnet (Λ) eine stron

durchflossene elektrische Wicklung (Rückstellwicklung A) ist, welche bevorzugt unmittelbar auf dem jeweiligen BME (2) angeordnet ist.

5. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß genau eine Sensorwicklung vorgesehen ist,

welche sich am Ort des nicht mit dem Maßstab mitbewegten Magnetfeld befindet.

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6. Weggeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem BME (2) eine eigene Sensorwicklung

(3) zugeordnet ist, welche vorzugsweise unmittelbar auf dem BME (2) angeordnet ist.

7. Inkrementaler Weggeber mit einem codierten Maßstab und

mit einer Leseeinrichtung, die wenigstens in Teilen relativ zum Maßstab verschiebbar ist, den Maßstab abtastet und das Abtastsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umformt, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab eine Folge von magnetischen Polpaaren (20) mit alternierender Polarität enthält, neben oder ggfs. zwischen denen ein BME (2) relativ zur Längsrichtung des Maßstabes beweglich angeordnet und magnetisch mit einer elektrischen Wicklung (Sensorwicklung 3) gekoppelt ist.

8. Inkrementaler Weggeber mit einem codierten Maßstab und

mit einer Leseeinrichtung, die wenigstens in Teilen relativ zum Maßstab verschiebbar ist, den Maßstab abtastet und das Abtastsignal in ein elektrisches Ausgangssignal umformt, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab eine Folge von untereinander gleichgerichteten magnetischen Polpaaren enthält, zwischen denen ein BME relativ zur Längsrichtung des Maßstabes beweglich angeordnet, magnetisch mit einer elektrischen Wicklung gekoppelt und fest (d_th. relativ zum BME unverschieblich) einem Magneten zugeordnet ist, dessen Feld dem Feld zwischen jenen Polpaaren des Maßstabes entgegen gerichtet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

9. Weggeber nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Folge gleichnamiger Magnetpole (20)

die eine Polfläche eines Magneten mit Vorsprüngen versehen ist, welche sich in Richtung auf die andere Polfläche des Magneten erstrecken.

10. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PoIflachen der Magnete (30) so geformt und angeordnet sind, daß die Magnetfelder, durch die sich ein BME (2) hindurchbewegt, eng gebündelt, homogen und der Längsachse des BME (2) parallel sind.

11. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer Folge von Magnetpolpaaren (34,31)

eine Folge von BME (2) räumlich zugeordnet ist, wobei die Magnetpolpaare (34,31) und die BME (2) mit übereinstimmender räumlicher Periodizität (= Teilung des Maßstabs) angeordnet sind, und daß entweder jedem Magnetpolpaar (34,31) oder jedem BME (2) ein< eigene Sensorwicklung (3) zugeordnet ist, wobei sämtliche Sensorwicklungen (3) mit einer gemeinsamen Auswerteschaltung verbunden sind.

12. Weggeber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer Folge von räumlich periodisch angeordnete

Magnetpolpaaren (50) eine Folge von räumlich periodisch angeordneten

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BME (2) räumlich zugeordnet ist, wobei die Magnetpolpaare (50) und die BME (2) in abweichender räumlicher Periodizität (=> Teilung des Maßstabs) angeordnet sind derart, daß η Intervalle der einen Teilung (Hilfstellung) mit η - 1 Intervallen der anderen Teilung (Hauptteilung) übereinstimmen (wobei η eine ganze Zahl ist), und daß entweder jedem Magnetpolpaar (50) oder jedem BME (2) eine eigene Sensorwicklung (3) zugeordnet ist, wobei sämtliche Sensorwicklungen (3) mit einer gemeinsamen Auswerteschaltung verbunden sine

13. Weggeber nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Polen (31,32) eines Dauermagneten

(30) eine Folge von BME (2) ortsfest angeordnet ist, von denen jedes eine Sensorwicklung (3) sowie eine stomdurchflossene Rückstellwicklung (4) trägt, und daß als Maßstab eine ferromagnetische Zahnstange (33) parallel zur Folge der BME (2) im Luftspalt zwischen den beiden Polen (31,32) des Dauermagneten (30) verschieblich.ist, wobei durch die Folge der BME (2) die eine Maßstabsteilung und durch die Folge der Zähne (34) der Zahnstange (33) die andere Maßstabsteilung gebilde wird, und wobei das Magnetfeld der Rückstellwicklungen (4) am Ort der BME (2) dem Magnetfeld des Dauermagneten (30) entgegengerichtet ist.

14. Weggeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der BME (2) die Hilfstellung bildet.

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ORIGIMAL INSPECTED

15. Weggeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Maßstab ein Träger (1) mit einer Folge von BME (2) dient,

der parallel und relativ zu einer Folge von Polpaaren (50) mit räumlich alternierender Polarität verschieblich ist, wobei durch die Folge der Magnetpolpaare (50) die eine Teilung und durch die Folge der BME (2) die andere Teilung gebildet wird.

16. Weggeber nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Polpaare (50) dirch parallel zueinander angeordnete Hufeiser

magnete gebildet werden.

17. Weggeber nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwicklungen (3) parallel zu den BME (2) und zu

den Magnetpolpaaren (50) zwischen den Magnetpolpaaren (50) angeordnet sind.

18. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die-,· BME (2) Wiegand-Drähte sind.

19. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit auf einem Kreisbogen angeordneten BME und/oder Magnetpolpaaren zl

Verwendung als inkrementaler Drehwinkelgeber.

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