DE3543603C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellungsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Stellungsdetektor ist aus der DE-OS 29 07 797 bekannt. In dieser Veröffentlichung sind magnetische Umlaufcodierer beschrieben, bei denen der Magnetfeldgenerator entweder an den Außenseiten oder an den Grundflächen einer rotierenden Scheibe angebracht ist. Das magnetische Widerstandselement ist stets parallel zu dem gegenüberliegenden Magnetfeldgenerator angeordnet. Bei einer Anordnung dieser Art kann es z. B. bei Richtungsänderungen oder sehr kleinen Drehwinkeln zu Fehlzählungen kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellungsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Genauigkeit der Anordnung erhöht wird.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, daß die relative Widerstandsänderung der Feldplatte gleichzeitig mit dem Poldurchgang ihr Maximum erreicht. Des weiteren steigt die mit dieser Anordnung erreichbare relative Widerstandsänderung. Darüberhinaus werden die Flanken in der Kurve der relativen Widerstandsänderung begradigt. Somit können durch die erfindungsgemäßen Merkmale Fehlzählungen nahezu ausgeschlossen bzw. die Genauigkeit der Anordnung erhöht werden.

Die JP 59-23219 (A) beschreibt einen Drehwinkeldetektor, dessen Aufbau mit einer in der DE-OS 29 07 797 beschriebenen Ausführungsform übereinstimmt.

Die DE-Z: Philips Technische Rundschau 37, Nr. 2/3, 1977/78, S. 47-55, beschreibt das Auslesen von Magnetbändern oder Bubblespeichern mit Hilfe des Magnetowiderstandseffektes. Dabei wird das Informationsmedium an einem verschleißfesten Magnetowiderstandskopf unter Berührung desselben entlangbewegt. Im Vordergrund dieses Artikels steht die Linearisierung der Übertragungsfunktion des Magnetowiderstandskopfs im Arbeitsbereich sowie dessen Miniaturisierung. Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, auf dem ferromagnetischen Meßstreifen des Magnetowiderstandskopfs Streifen mit hoher Leitfähigkeit anzubringen, die mit der Berührungsfläche des Meßstreifens einen Winkel von 45° bilden. Durch diese Maßnahme wird im Gegensatz zu der mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielten Wirkung in der Übertragungsfunktion dieses sog. "barber "pole" in demjenigen Bereich ein linearer Abfall des relativen Widerstandes erreicht, in dem ohne die Streifen hoher Leitfähigkeit ein Maximum auftritt.

Nachfolgend werden die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme anhand der Fig. 1 erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Magnetfeldkennlinie einer Feldplatte. Deren Widerstandswert R ändert sich mit einer Änderung eines zu einem Meßstrom i senkrechten (in der Querrichtung bzw. in der Richtung der kürzeren Abmessung der Feldplatte gerichteten) Magnetfeldes H derart, daß der Widerstandswert R mit einer Abschwächung des Magnetfeldes H allmählich zunimmt und steil ansteigt, sobald das Magnetfeld H unter einen bestimmten Wert fällt. Diese Widerstandsänderung gemäß einer Kurve l₁ ist je nach dem verschieden, ob die Richtung des Magnetfeldes H von einer positiven zu einer negativen oder von einer negativen zu einer positiven Richtung umgekehrt wird, wobei es Fälle gibt, bei denen durch die Hysterese des magnetischen Ansprechens infolge einer Anisotropenverteilung der infolge von Barkhausen-Störungen bzw. -Sprüngen Verformungen B der Kennlinien auftreten. Wenn diese Verformungen groß sind, ergibt sich gemäß der Darstellung durch gestrichelte Linien l₂ in Fig. 1 keine Zunahme oder Abnahme des Widerstandswertes. Ferner bestehen hinsichtlich der Herstellung Probleme darin, daß die Eigenschaften der Feldplatten nach der Herstellung von Feldplatte zu Feldplatte verschieden sind, so daß die Ausbeute bei der Herstellung Schwankungen unterworfen ist.

Zur Behebung der vorstehend genannten Mängel wurden in der JP-PS 16 580/83 und der JP-PS 18 458/84 verschiedene Verfahren vorgeschlagen, bei denen in der Längsrichtung der Feldplatte ein Vormagnetisierungsfeld erzeugt wird, um irgendwelche Unregelmäßigkeiten eines Meßausgangssignals zu verhindern.

Bei einer Vorrichtung dieser Art werden ein mehrpoliger Magnet zur Signalfelderzeugung und die Feldplatte derart angeordnet, daß die Axialrichtung des Magneten und die mit einem Leitermuster versehene Fläche der Feldplatte zueinander parallel sind. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird gemäß einer Kennlinie b in Fig. 3 die Stelle eines Spitzenwertes durch die Hystereseeigenschaften von der jeweiligen Stelle eines N-Pols oder S-Pols in einer Drehrichtung versetzt sowie auch durch Störungen eine Verformung der Widerstandsänderung in der Weise verursacht, daß die relative Widerstandsänderung |R/R₀| auf ungefähr 2% verringert wird. Hierbei ist R₀ der Widerstandswert bei einem Magnetfeld H mit einer Feldstärke "0".

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Kennlinien einer Feldplatte,

Fig. 2(a) bis 2(c) eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Stellungsdetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 und 4 Kennlinien zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stellungsdetektors und

Fig. 6 und 7 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stellungsdetektors.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stellungsdetektors anhand der Fig. 2(a) bis 2(c) beschrieben. Eine Magnetwiderstandselement- bzw. eine Feldplattenbaueinheit 2 ist der Außenseite einer magnetfelderzeugenden Einrichtung in Form eines mehrpoligen Ringmagneten 1 gegenübergesetzt, der zum Bilden magnetischer Pole an seinen Außenumfangsseiten magnetisiert ist. Gemäß Fig. 2(b) sind die Feldplattenbaueinheit 2 und der Ringmagnet 1 derart angeordnet, daß ein Winkel R, der durch eine Axialrichtung des mehrpoligen Ringmagneten 1 entsprechende Fläche C₁ bzw. ein der Feldplattenbaueinheit zugewandter Oberflächenabschnitt des Ringmagneten und eine ein Feldplattenmuster 3 der Feldplattenbaueinheit 2 enthaltende Fläche C₂ bzw. eine Längsrichtung α des Feldplattenmusters 3 gebildet ist, einen vorbestimmten Wert zwischen 1° und 56° und vorzugsweise zwischen 1° und 45° hat. Auf diese Weise wird statt durch das Anbringen eines Vormagnetisierungs-Magneten an der Rückfläche der Feldplatteneinheit 2 ein Vormagnetisierungsfeld durch irgendeinen der N- und S-Pole des Ringmagneten 1 in der Längsrichtung des Feldplattenmusters 3 erzeugt. Die Feldplattenbaueinheit 2 ist mit einer isolierenden Grundplatte 4, auf der ein einachsig anisotroper ferromagnetischer Dünnfilm in einer vorgegebenen Form, nämlich insbesondere in Form eines schmalen Streifenmusters ausgebildet ist, und mit einer zum Einschließen des Dünnfilms geformten Schutzschicht 5 aufgebaut.

Wenn bei der vorstehend beschriebenen Gestaltung die Musterfläche der Feldplattenbaueinheit 2 im wesentlichen dem Zwischenbereich zwischen den N- und S-Polen des Ringmagneten 1 gegenübergesetzt ist, ist die Feldstärke des zu der Musterfläche der Feldplattenbaueinheit 2 parallelen und zur Längsrichtung des Feldplattenmusters senkrechten Magnetfelds maximal, so daß zu diesem Zeitpunkt der Widerstandswert der Feldplattenbaueinheit 2 auf das Minimum verringert ist. Wenn andererseits über der Musterfläche der Feldplattenbaueinheit 2 ein N-Pol oder ein S-Pol des Ringmagneten 1 steht, ist die Feldstärke des Magnetfelds in den vorstehend genannten Richtungen auf das Minimum verringert, so daß der Widerstandswert der Feldplattenbaueinheit 2 auf das Maximum ansteigt. Dabei wird eine Feldstärke H, die durch die Feldplattenmuster-Fläche hindurchtreten soll, auf das Maximum gesteigert, so daß von der Feldstärke H des N- oder S-Pols eine dem Winkel R entsprechende Magnetfeldkomponente HsinR vollständig als Vormagnetisierungsfeld H in der Längsrichtung des Feldplattenmusters 3 bzw. in der Richtung der Achse leichter Magnetisierbarkeit errichtet wird. Es wurde festgestellt, daß dieses Anlegen eines Vormagnetisierungsfelds in der Richtung der Achse leichter Magnetisierbarkeit die Wirkungen hat, die vorangehend genannte anisotrope Verteilung und die Barkhausen-Störungen auszuschalten, die Hystereseeigenschaften der Feldplattenbaueinheit zu verbessern, irgendeine Versetzung der Stelle des Spitzenwerts sowie das Auftreten unstetiger Kennlinien zu verhindern, auf beträchtliche Weise die relative Widerstandsänderung zu verbessern sowie irgendwelche Instabilität der Widerstandsänderung zu verhindern.

In der Fig. 3 sind Versuchsergebnisse gezeigt, die den Zusammenhang zwischen einer Drehstellung und der relativen Widerstandsänderung ΔR/R₀ bei einer herkömmlichen Vorrichtung bzw. bei dem Stellungsdetektor gemäß dem Ausführungsbeispiel (mit einem Winkel R von ungefähr 40°) veranschaulichen, bei denen Feldplattenbaueinheiten 2 mit im wesentlichen dem gleichen Aufbau verwendet sind. Aus der Fig. 3 sind die vorstehend genannten Wirkungen deutlich ersichtlich.

In der Fig. 4 ist der Zusammenhang zwischen dem Winkel R, der durch eine Seitenfläche des mehrpoligen Ringmagneten 1 und das Feldplattenmuster 3 gebildet ist, und der relativen Widerstandsänderung veranschaulicht. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist bei einem Winkel R von weniger als 1° das angestrebte axiale Vormagnetisierungsfeld nicht leicht zu erreichen, so daß das Meßausgangssignal der Feldplattenbaueinheit 2 unbeständig wird und auch die relative Widerstandsänderung steil abfällt. Falls andererseits der Winkel R größer als 56° ist, entstehen Schwankungen der Feldstärkeverteilung in der Musterfläche des Feldplattenmusters 3, wobei die relative Widerstandsänderung steil abfällt.

Gemäß Fig. 2(b) bedeutet dies, daß das Vormagnetisierungsfeld Hα in der Richtung der Achse leichter Magnetisierbarkeit umso stärker ist, je größer die Neigung der Musterfläche C₂ der Feldplattenbaueinheit 2 in bezug auf die Magnetkraftabgabe-Fläche C₁ des mehrpoligen Ringmagneten 1 ist; dies hat zur Folge, daß irgendeine Verformung verhindert wird, die auf der Hysterese oder auf anderen Störungen beruht, welche durch eine Verminderung der Feldstärke des zur Musterfläche der Feldplattenbaueinheit 2 parallelen und zur Längsrichtung des Feldplattenmusters 3 senkrechten Felds verursacht sind, und daß der Spitzenwert des Widerstands (Widerstandsanstieg) gesteigert ist. Ferner ist eine Stirnfläche der Feldplattenbaueinheit 2 weiter von der Magnetfläche C₁ entfernt, so daß das an der Feldplattenbaueinheit 2 erzeugte Magnetfeld insgesamt abgeschwächt ist und die Widerstandsänderungskennlinie der Feldplattenbaueinheit 2 verändert ist. Infolgedessen erreicht die Widerstandsänderung ΔR an einer bestimmten Stelle ihren Spitzenwert, von dem weg sie allmählich abfällt, wobei sie steil abfällt, wenn die Magnetfeldstärke unter einem bestimmten Wert absinkt. Dieser Umstand ist auf experimentelle Weise in Fig. 4 gezeigt.

Während somit zufriedenstellende Ergebnisse zu erwarten sind, wenn der relative Winkel R von 1° bis 56° liegt, sollte in Anbetracht des Bestrebens, eine relative Widerstandsänderung, die mehr als das Doppelte der herkömmlichen Widerstandsänderung ist, und eine Beständigkeit der Meßausgangssignale zu erhalten, der relative Winkel R vorzugsweise zwischen 1° und 46° gewählt werden.

Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen praktischen Aufbau des Stellungsdetektors gemäß der in den Fig. 2(a) bis 2(c) schematisch gezeigten Gestaltung. In der Fig. 5 ist mit 100 ein mehrpoliger Ringmagnet bezeichnet, zu dessen Drehachse über eine Welle 101 eine Antriebskraft übertragen wird, um den Magneten in Umlauf zu versetzen. Mit 200 ist eine Feldplattenbaueinheit bezeichnet, die mit einer gedruckten Schaltungsplatte 300 aufgebaut ist. Mit 400 sind Schaltungselemente bezeichnet, die für das Erfassen und Verarbeiten eines Ausgangssignals der Feldplattenbaueinheit 200 an der gedruckten Schaltungsplatte 300 angebracht sind. Mit 500 ist ein Gehäuse aus Kunststoff bezeichnet, an dessen Innenseite einstückig mit demselben ein Träger 600 aus Kunststoff geformt ist. Ferner ist eine Auflagefläche 601 des Trägers 600 unter einem vorbestimmten Winkel R geneigt, damit der von der Außenumfangsfläche des mehrpoligen Ringmagneten 100 und der mit dem Muster versehenen Fläche der Feldplattenbaueinheit 200 gebildete Winkel gleich dem vorbestimmten Winkel R wird.

Infolgedessen kann das Einstellen des erwünschten Winkels automatisch und auf genaue Weise dadurch vorgenommen werden, daß auf einfache Weise das Feldplattenmuster parallel zur Neigungsrichtung ausgebildet wird und die Schaltungsplatte 300 an der Auflagefläche 601 befestigt wird.

Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel zum Erfassen einer Drehstellung die Feldplattenbaueinheit 2 mit dem mehrpoligen Ringmagneten 1 kombiniert ist, ist die erfindungsgemäße Gestaltung auch bei anderen Aufbauten anwendbar, bei denen gemäß Fig. 6 die Feldplattenbaueinheit 2 mit einer Magnettrommel kombiniert ist, um auf der Trommel aufgezeichnete magnetische Signale zu erfassen, oder gemäß Fig. 7 die Feldplattenbaueinheit 2 mit einer Magnetscheibe kombiniert ist, um auf der Scheibe aufgezeichnete magnetische Signale zu erfassen. D. h., in diesen Fällen wird kein Vormagnetisierungs-Magnet benutzt und das Magnetfeld der Magnettrommel oder der Magnetscheibe dazu herangezogen, das erwünschte Vormagnetisierungsfeld in der Längsrichtung der Feldplattenbaueinheit, d. h. in der Richtung der Achse leichter Magnetisierbarkeit zu errichten. Nach Fig. 6 ist die Feldplattenbaueinheit 2 gemäß der Beschreibung im Zusammenhang mit den Fig. 2(a) bis 2(c) so angeordnet, daß magnetische Signale erfaßt werden, die in einer Magnetschicht 7 aufgezeichnet sind, welche an der Außenumfangsfläche einer Magnettrommel 6 ausgebildet ist. Andererseits sind gemäß Fig. 7 eine Magnetscheibe 8 und die Feldplattenbaueinheit 2 einander derart gegenübergesetzt, daß sie den erwünschten Winkel R bilden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Stellungsdetektor infolge des Umstands, daß ein Magnetaufzeichnungsmaterial und die mit einem Muster versehene Fläche einer Feldplattenbaueinheit zum Bilden eines vorbestimmten Winkels angeordnet sind, in der Richtung der Achse leichter Magnetisierbarkeit der Feldplattenbaueinheit ein erwünschtes Magnetfeld erzeugt werden kann, ohne daß irgendein Vormagnetisierungs-Magnet eingesetzt wird; dies hat die Wirkung, daß Instabilitäten von Meßausgangssignalen verringert werden, um damit irgendwelche Lageversetzungen von Ausgangssignal-Spitzenwerten zu verhindern, und Abweichungen der Meßausgangssignale verringert werden, wobei die relative Widerstandsänderung verbessert wird.

Bei einem Stellungsdetektor wird zum Erzeugen eines erwünschten Vormagnetisierungsfelds in der Richtung der Achse leichter Magnetisierbarkeit einer Feldplattenbaueinheit zum Erfassen eines Signalfelds das magnetische Streufeld eines zum Erzeugen des Signalfelds geeigneten Magnetaufzeichnungsmaterials verwendet, ohne daß irgendeine besondere Vorrichtung für das Errichten des Vormagnetisierungsfelds eingesetzt wird. Das Magnetaufzeichnungsmaterial und die Dünnfilm-Feldplattenbaueinheit werden so angeordnet, daß sie einen vorbestimmten Winkel zwischen 1° und 56° bilden.

Claims (5)

1. Stellungsdetektor, bei dem einer magnetfelderzeugenden Einrichtung eine ferromagnetische Feldplattenbaueinheit gegenübergesetzt ist, wobei auf einer Fläche der Feldplattenbaueinheit in einem vorbestimmten Muster ein ferromagnetischer Dünnfilm vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der der Feldplattenbaueinheit (2; 200) zugewandte Oberflächenabschnitt der magnetfelderzeugenden Einrichtung (1; 6, 7) mit der mit dem Muster versehenen Fläche der Feldplattenbaueinheit (2; 200) einen vorbestimmten Winkel zwischen 1° und 56° bildet.

2. Stellungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung ein Magnetaufzeichnungsmaterial (6, 7) umfaßt.

3. Stellungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung einen mehrpoligen Ringmagneten (1) umfaßt.

4. Stellungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplattenbaueinheit eine isolierende Grundplatte (4) umfaßt, auf der der ferromagnetische Dünnfilm in Form eines schmalen Streifenmusters ausgebildet ist.

5. Stellungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung derart drehbar angeordnet ist, daß das an der Feldplattenbaueinheit errichtete Magnetfeld entsprechend der Drehung der magnetfelderzeugenden Einrichtung verändert wird.