DE3408478C1 - Vorrichtung zur inkrementalen Drehwinkel- oder Längenmessung - Google Patents

Vorrichtung zur inkrementalen Drehwinkel- oder Längenmessung

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DE3408478C1
DE3408478C1 DE3408478A DE3408478A DE3408478C1 DE 3408478 C1 DE3408478 C1 DE 3408478C1 DE 3408478 A DE3408478 A DE 3408478A DE 3408478 A DE3408478 A DE 3408478A DE 3408478 C1 DE3408478 C1 DE 3408478C1
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Norbert Dipl.-Phys. Dr. 7530 Pforzheim Normann
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Description

  • Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei derart magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher Härte (Koerzitivkraft) besitzen, daß sich in ihnen in ähnlicher Weise wie in Wiegand-Drähten durch einen induzierten, großen Barkhausen-Sprung ein Umklappen des gesamten weichmagnetischen Bereichs auslösen läßt, welches zur Impulserzeugung ausgenutzt werden kann. So ist zum Beispiel aus der DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetischer 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 abgeschiedenen 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 Zwischenschichl und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden werden. Dieser bekannte bistabile magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Spannungsimpulse als ein Wiegand-Draht.
  • Ein weiteres drahtförmiges, ebenfalls zweischichtig aufgebautes, bistabiles magnetisches Element ist aus der EP-A2-0 085 140 bekannt. Es ähnelt dem aus der DE-PS 25 14 131 bekannten bistabilen magnetischen Element darin, daß es über einem hartmagnetischen Kern eine weichmagnetische, anders als der Kern zusammengesetzte Schicht aufweist, doch ist diese Schicht - anders als bei dem aus der DE-PS 25 14 131 bekannten bistabilen magnetischen Element - tordiert.
  • Weggeber, welche mit bistabilen magnetischen Elementen, insbesondere mit Wiegand-Drähten arbeiten, sind bereits aus der DE-OS 30 08 582 bekannt. Bei solchen Weggebern ist ein Träger in einer Folge von untereinander parallelen, in gleichem Abstand angeordneten BMEs vorgesehen, und die Lage der BMEs wird durch eine Leseeinrichtung magnetisch abgetastet. Die Leseeinrichtung und der Träger sind relativ zueinander linear beweglich, wobei es grundsätzlich unerheblich ist, ob die Leseeinrichtung ruht und der Träger bewegt wird oder ob der Träger ruht und die Leseeinrichtung bewegt wird. Diese Leseeinrichtung umfaßt eine Anordnung von Permanentmagneten, deren Magnetfeld von den BMEs durchquert wird, wenn der Träger und die Leseeinrichtung relativ zueinander bewegt werden. Die Anordnung der Permanentmagnete in der Leseeinrichtung ist so gewählt, daß die BMEs, welche an der Leseeinrichtung vorbeibewegt werden, symmetrisch oder asymmetrisch erregt werden und dementsprechend elektrische Spannungsimpulse in einer Sensorwicklung erzeugen, die zweckmäßigerweise in der Leseeinrichtung vorgesehen ist, grundsätzlich aber auch um jedes einzelne BME herumgelegt sein könnte.
  • Mit Wiegand-Drähten oder dergleichen bistabilen magnetischen Elementen arbeitende Drehgeber sind z. B. bekannt aus der DE-OS 32 23 924. Derartige Drehgeber besitzen einen Rotor, zweckmäßigerweise mit zylindrischer Mantelfläche, welcher - zweckmäßigerweise achsparallel angeordnet - eine äquidistante Folge von BMEs trägt, deren Lage ebenfalls durch eine Leseeinrichtung, welche eine Sensorwicklung enthält, magnetisch abgetastet wird.
  • Auch hier können die BMEs durch die Leseeinrichtung symmetrisch oder asymmetrisch erregt und dadurch zur Erzeugung von entsprechenden Impulsen in der Sensorwicklung veranlaßt werden.
  • Für inkrementale Weggeber und Drehgeber, welche in den beiden möglichen Bewegungsrichtungen arbeiten und Impulse abgeben können sollen, ist die symmetrische Erregung die geeignete Form der Erregung.
  • Bei den bislang bekannt gewordenen Weggebern und Drehgebern, welche mit Wiegand-Drähten oder dergleichen bistabilen magnetischen Elementen arbeiten, sind die BMEs durch Eingießen, Einsiegeln, Einkleben oder ähnliche Befestigungsverfahren auf dem Träger bzw. dicht unter seiner Arbeitsfläche befestigt.
  • Der Verwendung der bekannten Drehgeber und Weggeber als inkremental arbeitende Geber, welche eine Umkehrung der Bewegungsrichtung erlauben, stand bislang ein gravierender Nachteil entgegen: Es konnten nämlich bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung ein oder mehrere Impulse ausfallen. Der Grund dafür liegt darin, daß ein BME, welches an der Leseeinrichtung des Gebers entlang bewegt wird, dabei zunächst in einem relativ starken Magnetfeld in der cinen Richtung magnetisch gesättigt wird, und anschließend in einen Magnetfeldbereich mit entgegengesetzt gerichteter Feldstärke gelangt, in welchem es bei Erreichen der Zündfeldstärke zündet und einen elektrischen Spannungsimpuls in der Sensorwicklung erzeugt, nach einer Umkehrung der Bewegungsrichtung erst dann wieder zur Abgabe eines Impulses veranlaßt werden kann, wenn es zuvor magnetisch gesättigt wurde, d. h., das BME mußte über jene Stelle, an welcher es zündete, noch ein Stück weit hinaus in der ursprünglichen Bewegungsrichtung weiterbewegt werden bis zum Erreichen der Sättigungsfeldstärke, bei welcher auch der hartmagnetische Bereich des BMEs schließlich umklappte. Erfolgte die Umkehrung der Bewegungsrichtung jedoch bereits vor dem Erreichen der Sättigungsfeldstärke, dann konnte das betrachtete BME beim Passieren der Leseeinrichtung keinen weiteren Impuls in der Sensorwicklung erzeugen. Ein derartiges Ausfallen von Impulsen ist für einen inkremental arbeitenden Geber natürlich nicht tragbar.
  • Es ist schon vorgeschlagen worden (DE-PS 32 32 306), den Geber mit einer elektronischen Impulsschaltung auszurüsten, welche durch die in der Sensorwicklung auftretenden Impulse getriggert wird und das jeweils zündende BME mit Hilfe einer elektrischen Zusatzwicklung noch an der Zündposition elektromagnetisch sättigt. Ein solcher Schaltungsaufbau erfordert allerdings einigen elektronischen Aufwand und ein wesentlicher Vorteil der hier betrachteten bistabilen magnetischen Elemente, nämlich die Möglichkeit, die Geber passiv zu betreiben, entfällt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen zur Drehwinkel- oder Längenmessung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung keine Impulse ausfallen und dennoch der Vorteil eines passiven, d. h. keine Stromversorgung benötigenden Betriebes erhalten bleibt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtungen mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
  • Die Wirkungsweise der Erfindung läßt sich am besten anhand der beigefügten Zeichnungen erläutern.
  • F i g. 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt eine Schrägansicht eines Stabes mit Wiegand-Drähten welcher zusammen mit einem Lesekopf die Grundelemente eines inkrementalen Weggebers bildet, Fig. 2 zeigt in einer Schrägansicht den prinzipiellen Aufbau eines Lesekopfes, welcher für einen inkrementalen Weggeber wie in F i g. 1 oder für einen Drehgeber geeignet ist, und F i g. 3 zeigt den typischen Feldstärkeverlauf vor einem Lesekopf der in F i g. 2 dargestellten Art entlang der Bewegungsrichtung y.
  • Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält einen geradlinigen Träger 1 in Gestalt eines Stabes aus Kunststoff, aus nicht magnetisierbarem Edelstahl, aus Aluminium oder aus anderem nicht magnetisierbarem Werkstoff. Der Stab besitzt an seiner Oberseite la eine Folge von Nuten 2, welche parallel zueinander im rechten Winkel zur Längsrichtung des Stabes 1 verlaufen und voneinander jeweils den gleichen Abstand d sowie jeweils die gleichbleibende Breite w besitzen. Diese Nuten 2 machen den Stab 1 zu einem Maßstab mit der konstanten Teilung t= d+ w. In jeder Nut ist ein drahtförmiges bistabiles magnetisches Element 3, insbesondere ein Wiegand-Draht lose eingelegt. Damit die Wiegand-Drähte 3 in den Nuten 2 nicht verloren gehen können, ist der Stab 1 auf seiner Oberfläche 1a durch eine Folie oder durch ein dünnes Blech 4 aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff abgedeckt Die Oberseite 4a dieser Folie bzw. dieses Bleches 4 bildet die Arbeitsfläche des stabförmigen Trägers mit den Wiegand-Drähten darin. Die an den Flanken des Stabes 1 liegenden Enden der Nuten 2 müssen natürlich auch verschlossen werden; in F i g. 1 sind sie nur deshalb offen gezeichnet worden, um den Aufbau des Stabes deutlicher erkennen zu lassen. Zum Verschließen der Enden der Nuten kann man zum Beispiel das Blech 4, welches den Stab 1 abdecken soll, U-förmig ausbilden und nach Art einer Kappe über den Stab 1 stülpen, so daß dieser zugleich an seiner Oberseite 1a und an seinen beiden Flanken abgedeckt wird Bei einem aus Edelstahl bestehenden Stab könnte man zur Abdeckung ein U-förmiges, 0,1 mm dickes Edelstahlblech verwenden und dieses durch Rollverschweißen an den beiden Flanken des Stabes 1 befestigen.
  • Die Wiegand-Drähte 3 sollen in den Nuten 2 des Stabes 1 eine gewisse Bewegungsfreiheit fin Längsrichtung des Stabes 1 aufweisen. Zu diesem Zweck ist die Breite w der Nuten 2 größer gewählt als der Durchmesser der Wiegand-Drähte 3, und die Tiefe der Nuten ist geringfügig größer als der Durchmesser der Wiegand-Drähte.
  • Die Bewegungsfreiheit f ergibt sich somit als Differenz aus der Breite w der Nuten und dem Durchmesser der Wiegand-Drähte 3.
  • Der Arbeitsfläche 4a des Stabes 1 gegenüberliegend ist ein Lesekopf 5 angeordnet, welcher parallel zur Längsrichtung des Stabes 1 hin und her beweglich ist und dabei den Stab 1 magnetisch abtastet.
  • Der prinzipielle Aufbau eines solchen Lesekopfes ist in F i g. 2 dargestellt. Der Lesekopf enthält vier stabförmige Hochleistungs-Dauermagnete 6, 7, 8 und 9, insbesondere aus Kobalt-Samarium, welche paarweise antiparallel orientiert auf engem Raum nebeneinander in einem Geviert angeordnet sind und ihre eine Polfläche 10 der Arbeitsfläche 4a des Stabes 1 zuwenden. Diese vier Magnete bilden zwischen sich in einer Ebene, welche im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung y des Lesekopfes verläuft (in der Darstellung der F i g. 2 ist das die x-z-Ebene), eine neutrale Zone 11, in welcher die resultierende magnetische Feldstärke den Wert Null oder einen nahe bei Null liegenden Wert besitzt. Im Bereich dieser neutralen Zone 11 ist ein U-förmiger weichmagnetischer Kern 12 mit seinen beiden Enden bis zur Vorderseite des Lesekopfs 5 geführt; die Vorderseite des Lesekopfs 5 ist jene Seite, welche der Arbeitsfläche 4 des Stabes 1 zugewandt ist und welcher auch die einen Polflächen 10 der Dauermagnete 6-9 liegen. Der U-förmige Kern 12 trägt eine Sensorwicklung 13.
  • Ein Lesekopf der in F i g. 2 dargestellten Art erzeugt vor seiner Vorderseite einen magnetischen Feldverlauf, wie cr in F i g. 3 dargestellt ist.
  • F i g. 3 zeigt den Verlauf der magnetischen Feldstärkekomponente in x-Richtung (Hx) entlang der Längsrichtung des Stabes 1, und zwar in jenem Abstand vor der Vorderseite des Lesekopfes 5, in welchem die Wiegand-Drähte 3 am Lesekopf 5 vorbeiwandern; die Längsrichtung des Stabes 1 ist zugleich die Bewegungs- richtung y des Lesekopfes 5; die x-Richtung stimmt überein mit der Längsrichtung der Wiegand-Drähte 3.
  • Ein jeder Wiegand-Draht 3, der am Lesekopf vorbeibewegt wird, durchquert das in Fig.3 dargestellte Magnetfeld. Die neutrale Zone dieses Magnetfeldes findet sich am Ort y= O. Der Feldstärkeverlauf ist in Bezug auf die neutrale Zone - abgesehen vom Vorzeichen der Feldstärke - annähernd symmetrisch.
  • Ein Wiegand-Draht 3 oder ein ahnliches bistabiles magnetisches Element, welches sich dem Lesekopf gemäß der Darstellung in den F i g. 1 bis 3 von der rechten Seite her nähert, tritt zunächst in den Bereich des Magnetfeldes mit negativer Feldstärke ein und wird darin nach Überschreiten der Sättigungsfeldstärke - Hs magnetisch gesättigt, das heißt der hartmagnetische und der weichmagnetische Bereich des Wiegand-Drahtes werden beide in die Richtung der äußeren Feldstärkekomponente Hx umgeklappt, soweit sie das nicht ohnehin schon waren. Wenn sich der Wiegand-Draht dann auf die neutrale Zone (y=O) zubewegt und diese durchquert, gelangt er in den Bereich des Magnetfeldes, dessen x-Komponente der x-Komponente auf der anderen Seite der neutralen Zone entgegengerichtet ist. In diesem, als positiv angenommenen Feldstärkebereich wird der weichmagnetische Kern des Wiegand-Drahtes magnetisch umgeklappt, sobald die x-Komponente der Feldstärke den Wert der Zündfeldstärke Hp überschreitet. Die Zündfeldstärke Hp ist erheblich kleiner als die Sättigungsfeldstärke H, Das Umklappen des weichmagnetischen Kerns des Wiegand-Drahtes bewirkt eine kurzzeitige Änderung des magnetischen Kraftflusses, welche von dem U-förmigen Kern 12 im Lesekopf 5 aufgefangen wird und in der Sensorwicklung 13, welche den Kern 12 umgibt, einen kurzen elektrischen Spannungsimpuls - den Wiegand-Impuls - induziert. Bei fortschreitender Bewegung des Wiegand-Drahtes von rechts nach links durchquert er das positive Feldstärkemaximum und wird bei Überschreiten der Sättigungsfeldstärke + Hs erneut gesättigt, das heißt sowohl der weichmagnetische Kern als auch die hartmagnetische Schale werden parallel zur positiven x-Komponente des Magnetfeldes ausgerichtet.
  • Vom Ort der Zündung bis zum Ort der magnetischen Sättigung legt der Wiegand-Draht den Weg dy zurück.
  • Wird die Bewegungsrichtung des Wiegand-Drahtes im Intervall dy umgekehrt, dann kann dieser Wiegand-Draht wegen nicht erfolgter magnetischer Sättigung nach dem Durchqueren der neutralen Zone (y= 0) trotz Überschreitens der Zündfeldstärke keinen Wiegand-Impuls auslösen, und dieser Impulsausfall wäre in einem Drehgeber oder in einem Weggeber, welcher inkremental arbeiten soll, nicht tragbar. Erfindungsgemäß wird jedoch verhindert, daß ein Wiegand-Draht oder ein ähnliches bistabiles magnetisches Element nach Zündung eines Wiegand-Impulses im Intervall dy zwischen der Zündposition und der Sättigungsposition seine Bewegungsrichtung umkehren kann. Durch die vorgesehene Bewegungsfreiheit des Wiegand-Drahtes in y-Richtung wird vielmehr erreicht, daß ein Wiegand-Draht im Moment seiner Zündung unter Ausnutzung seiner Bewegungsfrciheit in eine Position mit höherer Feldstärke springt, welche zur magnetischen Sättigung des Wiegand-Drahtes ausreicht, so daß der Wiegand-Draht praktisch gleichzeitig mit der Zündung auch magnetisch gesättigt wird. Dies läßt sich anhand der F i g. 1 und 3 wie folgt erklären: Bei Bewegung des Lesekopfs 5 von links nach rechts in y-Richtung, wie es in F i g. 1 angegeben ist, nähern sich die Wiegand-Drähte 3 dem Lesekopf 5 von der rechten Seite her. Ein Wiegand-Draht, über welchen der Lesekopf 5 hinweggeführt wird, durchläuft deshalb - in der Darstellung der F i g. 3 - zunächst den negativen Extremwert der magnetischen Feldstärke und wird dabei magnetisch gesättigt. Infolge dieser Sättigung wirkt auf den Wiegand-Draht 3 eine magnetische Kraft, welche ihn in Richtung der Stelle y, zu ziehen sucht, wo sich der negative Extremwert der Feldstärke befindet. Das hat zur Folge, daß sich der Wiegand-Draht in der Nut 2 an dessen rechte Begrenzungswand anlegt. Nach dem Durchqueren der neutralen Zone (y=O) gelangt der Wiegand-Draht 3 in den Bereich der positiven Feldstärkekomponente Hx, und weil diese der Feldstärkekomponente K auf der anderen Seite der neutralen Zone entgegengesetzt gerichtet ist, erfährt der Wiegand-Draht nunmehr eine abstoßende magnetische Kraft, welche ihn von der Stelle Y2, an welcher die Feldstärkekomponente Hx ihren positiven Extremwert annimmt, zu entfernen sucht; es bleibt also zunächst dabei, daß der Wiegand-Draht 3 durch magnetische Krafteinwirkung gegen die rechte Begrenzungswand seiner Nut 2 gedrückt wird. Dies ändert sich jedoch in dem Moment, wo der Wiegand-Draht jene Position erreicht, an welcher die Zündfeldstärke + Hp überschritten wird. Durch die Zündung des Wiegand-Drahtes kehrt sich die Magnetisierungsrichtung von dessen weichmagnetischem Kern um, und das hat zur Folge, daß der Wiegand-Draht nun nicht mehr von dem Feld, in welchem er sich befindet, abgestoßen, sondern angezogen wird, nämlich in Richtung auf die Stelle yz, wo die Feldstärkekomponente H ihren positiven Extremwert annimmt. Daraus folgt, daß im Augenblick der Zündung der Wiegand-Draht 3 von der rechten Begrenzungswand seiner Nut 2 zur linken Begrenzungswand seiner Nut springt und damit in einen Bereich höherer Fedstärke gelangt. Damit der Wiegand-Draht durch diesen Sprung tatsächlich in den Bereich der Sättigungsfeldstärke gelangt, ist die Bewegungsfreiheit fades Wiegand-Drahtes so zu wählen, daß sie nicht kleiner ist als der Abstand dy zwischen der Zündposition und der Sättigungsposition, welcher durch den Aufbau des Lesekopfes 5 vorgegeben ist. Ein auf diese Weise im Augenblick der Zündung erneut gesättigter Wiegand-Draht gibt selbst dann, wenn der Lesekopf 5 bzw. der Träger 1 noch im Moment der Zündung des Wiegand-Drahtes ihre Bewegungsrichtung umkehren, bei dem nach der Bewegungsumkehr erfolgenden erneuten Vorbeilauf am Lesekopf einen Wiegand-lmpuls ab, so daß kein Wiegand-Impuls bei Bewegungsrichtungsumkehr verloren geht.
  • Die Bewegungsfreiheit der Wiegand-Drähte bewirkt allerdings, daß bei einem damit ausgerüsteten inkrementalen Drehgeber oder Weggeber die Umkehrung der Bewegungsrichtung mit einer Positionierungshysterese verknüpft ist, deren Länge der Bewegungsfreiheit f der Wiegand-Drähte entspricht. Da jedoch die Positionierungshysterese bekannt ist und gleichbleibend auftritt, kann sie bei der Auswertung der Signale des Gebers leicht kompensiert werden, so daß sie die Meß-bzw. Positioniergenauigkeit des Gebers praktisch nicht beeinflußt.
  • Ein praktisch ausgeführter Weggeber der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Art erreicht eine Wegauflösung von 1 mm unter Zugrundelegung der folgenden Bemessungen: Die Nuten 2 des Trägers besitzen eine Breite von w= 0,8 mm und eine Tiefe von 0,4 mm und weisen einen Abstand untereinander von d=0,2 mm auf. In diese Nuten werden Wiegand-Drähte mit einem typischen Durchmesser von 0,2 mm eingelegt. Auf diese Weise besitzen die Wiegand-Drähte 3 eine Bewegungsfreiheit von w=0,6 mm. Das reicht aus, um den vom Magnetkopf 5 vorgegebenen Abstand zwischen der Zündposition und der Sättigungsposition zu überspringen.
  • Die Darstellungen in F i g. 1 bis F i g. 3 gelten in gleicher Weise für einen Drehgeber, wenn man den Stab 1 ersetzt durch einen zylindrischen Rotor, an dessen Mantelfläche die Wiegand-Drähte in Nuten angeordnet sind, welche parallel zur Drehachse des Rotors verlaufen.
  • Zusammenfassend läßt sich daher feststellen, das durch die Erfindung erreicht wird, daß bei einem Drehgeber oder bei einem Weggeber, welcher mit Wiegand-Drähten oder ähnlichen bistabilen magnetischen Elementen arbeitet, die durch symmetrische Erregung zur Impulsabgabe angeregt werden, bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung des Rotors im Falle eines Drehgebers bzw. des Trägers oder des Lesekopfes im Falle eines Weggebers keine Impulse verloren gehen, und zwar wird dieses durch ausschließlich passive, nichtelektrische Maßnahmen erreicht, so daß der Vorteil des passiven Betriebes, welchen die BMEs ermöglichen, voll erhalten bleibt.
  • Das Springen der BMEs erfolgt sehr rasch, da die BMEs nur eine geringe Trägheit aufweisen: Ein typischer Wiegand-Draht von 15-20 mm Länge und einem Durchmesser von 0,2 mm besitzt eine träge Masse von weniger als 5 mg. Daraus folgt, daß nur entsprechend hohe Beschleunigungen die Drähte in ihren Ausnehmungen aus jenen Endpositionen herausbewegen können, in welche sie durch die magnetischen Kräfte, welche vom Lesekopf ausgeübt werden, hineingetrieben werden. Man kann deshalb davon ausgehen, daß erfindungsgemäße Drehgeber und Weggeber gegen Vibrationen und sonstige Erschütterungen recht unempfindlich sind. Bei schnellen Bewegungen des Trägers oder des Lesekopfes nur in einer Bewegungsrichtung arbeitet ein erfindungsgemäßer Geber wie die eingangs beschriebenen bekannten Geber, in welchen die BMEs nicht beweglich sind. Die mechanische Trägheit der BMEs spielt dann keine Rolle.
  • Die mechanische Trägheit spielt allerdings eine Rolle bei einer Bewegungsrichtungsumkehr, jedoch ist in der Umkehrphase die Geschwindigkeit minimal und nicht geeignet, zu Fehlern zu führen.
  • Anhand des Ausführungsbeispiels wurde bereits erläutert, daß sich als Ausnehmungen im Träger zur Aufnahme der BMEs besonders Nuten eignen, welche durch eine Folie oder ein dünnes Blech aus nichtmagnetischem Werkstoff abgedeckt sind. Eine andere praktikable Möglichkeit besteht darin, die drahtförmigen BMEs einzeln lose in Röhrchen einzuschieben, in denen sie den entsprechenden Bewegungsspielraum haben und diese Röhrchen dann auf dem Träger zu befestigen.
  • Dies kann zum Beispiel so aussehen, daß man die Röhrchen, nachdem die BMEs eingeschoben wurden, an den Enden um 90° abwinkelt und dadurch schließt und die Röhrchen an ihren abgewinkelten Enden durch Punktschweißen an den beiden Flanken eines stabförmigen Trägers oder an den beiden Endflächen eines zylindrischen Rotors befestigt Vorzugsweise beträgt die Bewegungsfreiheit f der BMEs zwischen 0,5 und 1 mm, das entspricht dem Wert von etwa 2 bis 4 Drahtdurchmessern.
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Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur inkrementalen Drehwinkel-oder Längenmessung mit einer aus Trägern drahtförmiger, bistabiler, magnetischer Elemente, insbesondere Wiegand-Drähten, bestehenden Meßteilung und einem Abtastkopf, wobei die bistabilen magnetischen Elemente parallel zu der dem Abtastkopf gegenüberliegenden Fläche des Trägers einzeln in Ausnehmungen der Träger unverlierbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabilen magnetischen Elemente (3) in den Ausnehmungen (2) eine vorgegebene (in der Größenordnung des Drahtdurchmessers liegende) Bewegungsfreiheit (f) rechtwinklig zu iher Längsachse und parallel zu der dem Abtastkopf gegenüberliegenden Fläche (4a) besitzen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (2) des Trägers (1) Nuten sind, welche durch eine Folie oder ein dünnes Blech (4) aus nichtmagnetischem Werkstoff abgedeckt sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabilen magnetischen Elemente (3) einzeln lose in auf dem Träger (1) befestigten Röhrchen angeordnet sind.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsfreiheit (f) der bistabilen magnetischen Elemente (3) zwischen 0,5 mm und 1 mm beträgt.
    Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zur inkrementalen Drehwinkel- oder Längenmessung mit einer aus Trägern drahtförmiger, bistabiler, magnetischer Elemente (nachfolgend auch als BMEs bezeichnet), insbesondere Wiegand-Drähten, bestehenden Meßteilung und einem Abtastkopf, wobei die bistabilen magnetischen Elemente parallel zu der dem Abtastkopf gegenüberliegenden Fläche des Trägers (welche nachfolgend auch als seine Arbeitsfläche bezeichnet wird) einzeln in Ausnehmungen der Träger unverlierbar angeordnet sind.
    Wiegand-Drähte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische, tordierte Drähte (z. B. aus einer Legierung von Eisen und Nickel, vorzugsweise 48% Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, oder 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 weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d. h. der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegand-Drähte haben typisch eine Länge von 10 bis 50mm, vorzugsweise von 15 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Mantels nach Sättigung des Wiegand-Drahtes in einem Magnetfeld mit einer Feldstärke von mindestens 80 A/cm, vorzugsweise mehr als 100 A/cm, übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse übereinstimmt, der Magnetisierungsrichtung des Wiegand-Drahtes aber entgegengesetzt 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« und die dazu benötigte Feldstärke als »Rückstellfeldstärke« bezeichnet. Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren Magnetfelds kehrt sich die Magnetisierungsrichtung des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes (welche mit einem Wert von ca. 8 bis 10 A/cm niedriger liegt als die Rückstellfeldstärke und als »Zündfeldstärke« bezeichnet wird) erneut um.
    so daß der Kern und der Mantel wieder parallel magnetisiert sind; man spricht in diesem Zusammenhang davon, daß der Wiegand-Draht »zündet«. Diese Umkehrung der Magnetisierungsrichtung des Kerns erfolgt sehr rasch und geht mit einer entsprechend starken Anderung des magnetischen Kraftflusses pro Zeiteinheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionswicklung, die auch als »Sensorwicklung« bezeichnet wird, einen ca. 20 lls langen und hohen (je nach Windungszahl und Belastungswiderstand der Sensorwicklung bis zu ca. 12 Volt hohen) Spannungsimpuls induzieren (»Wiegand-lmpuls«).
    Liegt der Wiegand-Draht in einem Magnetfeld, dessen Richtung sich von Zeit zu Zeit umkehrt und welches so stark ist, daß es zuerst (bei der niedrigeren Zündfeldstärke) den Kern und danach (bei höherer Feldstärke) auch den Mantel ummagnetisieren und jeweils bis in die magnetische Sättigung bringen kann, so treten Wiegand-Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Polarität auf und man spricht von »symmetrischer Erregung« des Wiegand-Drahtes.
    Dazu benötigt man Feldstärken (»Sättigungsfeldstärken«) von ca. -(80 bis 120 A/cm) bis +(80 bis 120 A/ cm). Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprunghaft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Sensorwicklung, jedoch ist der Impuls bei übereinstimmender Polarität wesentlich kleiner als der beim voraufgegangenen Umklappen des Kerns induzierte Impuls und wird gewöhnlich 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-lmpulse 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 16 A/cm (für die Rückstellung des Wiegand-Drahtes) und in der umgekehrten Richtung eine Feldstärke von 80 bis 120 A/cm.
    Charakteristisch für den Wiegand-Effekt 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-Verhältnis aufweisen.
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