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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen magnetischen Codierer zur Verwendung mit Gleittastvorrichtungen,
einem Mikrometer usw., insbesondere einen magnetischen Codierer
zum Detektieren einer Änderung
einer magnetischen Kopplung von Elementen, die sich relativ zueinander
bewegen, um die relative Verschiebung (Positionen) dieser zu detektieren.
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STAND DER TECHNIK
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Als ein Beispiel eines Codierers,
der die Position, Winkel usw. von Elementen detektiert, die sich relativ
zueinander bewegen, ist ein magnetischer Codierer bekannt. Ein magnetischer
Codierer weist ein erstes Element und ein zweites Element auf. Das
erste Element weist N-Pol-Abschnitte und S-Pol-Abschnitte auf, die
abwechselnd mit einer vorbestimmten Schrittbreite λ angeordnet
sind. Das erste Element ist beispielsweise eine magnetische Skala.
Das zweite Element ist so angeordnet, dass es relativ zum ersten
Element bewegbar ist. Das zweite Element weist Vorrichtungen auf,
die die Änderung
des magnetischen Feldes entsprechend der relativen Bewegung der
Elemente detektieren. Beispielsweise sind erste bis vierte magneto-resistive
(MR) Vorrichtungen bzw. Bauteile mit Phasen, die sich um λ/4 (= 90°) unterscheiden,
entsprechend den Schrittbreiten (magnetisierende Schrittbreiten) λ der magnetischen Skala
angeordnet.
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Die ersten bis vierten MR-Bauteile
auf dem zweiten Element sind in solch einer Weise verbunden, dass
MR-Bauteile mit Phasen, die sich um 180° unterscheiden, in Reihe verbunden
sind. Mit den ersten bis vierten MR-Bauteilen in einer derartigen
Weise verbunden, ist eine Versetzungsdetektionsschaltung als eine
Brücken schaltung
strukturiert. Die ersten bis vierten MR-Bauteile sind in der longitudinalen Richtung
senkrecht zu der Richtung der Bewegung des Elementes magnetisiert.
Mit der Wechselwirkung von DC-Strömen, die zu diesen MR-Bauteilen
zugeführt
werden, und dem horizontalen magnetischen Feld der magnetischen
Skala wird die Magnetisierung rotiert, wodurch bewirkt wird, dass
der Widerstand dieser MR-Bauteile variiert. Die Intensität des horizontalen
Magnetfeldes, das an jedes MR-Bauteil angelegt ist, variiert periodisch
mit den Schrittbreiten λ entsprechend
der relativen Bewegung. Somit variiert der Rotationswinkel der Magnetisierung
periodisch. Folglich werden Sinuswellensignale mit Phasen, die sich
um 90° unterscheiden,
erhalten von Ausgangsanschlüssen
der Brückenschaltung.
Durch Verarbeiten der Sinuswellensignale kann der Betrag der Versetzung
bzw. der Verschiebung erhalten werden.
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In einem magnetischen Codierer, der
derartige MR-Bauteile aufweist, ist der Einfluss von Wasser, Schneideöl usw. auf
Ausgangssignale geringer als in einem Codierer des elektrostatischen
Typs und in einem Codierer eines fotoelektrischen Typs. Somit ist der
magnetische Codierer speziell für
Anwendungen geeignet, die eine Umgebungsbeständigkeit erfordern, wie in
einer Maschinenfabrik.
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Wenn der magnetische Codierer verwendet wird
für eine
batteriegetriebene Handwerkzeuglängenmesseinheit
oder dergleichen ist der Energieverbrauch ein kritisches Problem.
Mit anderen Worten wird eine DC-Stromversorgung mit den MR-Bauteilen
verbunden, welche die Versetzungsdetektionsschaltung bilden. Somit
wird ein Antriebsstrom von der DC-Stromversorgung an die MR-Bauteile
angelegt. Beispielsweise, wenn der Widerstand jedes MR-Bauteils
1,5 k Ω ist
und die angelegte Spannung 1,5 V ist, hat der Strom der in der Brückenschaltung fließt 1 mA,
da der Gesamtwiderstand der Brückenschaltung
1,5 k Ω ist.
Somit ist beispielsweise die Lebensdauer einer Batterie vom Silberoxidknopftyp
von 160 mAh nur 160 Stunden kurz (rund 6,5 Tage).
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In einem derartigen magnetischen
Codierer wird als ein Substrat, auf dem MR-Bauteile gebildet werden, ein Glassubstrat
oder ein Keramiksubstrat verwendet. Andererseits wenn eine Signalverarbeitungsschaltung,
die Ausgangssignale der MR-Bauteile verarbeitet, als ein IC-Chip
strukturiert ist, um die integrierte Schaltung und die MR-Bauteile
anzuordnen, gibt es mehrere Verfahren, wie beispielsweise die Verfahren
(a) und (b). In dem Verfahren (a) werden ein Substrat, auf dem MR-Bauteile
gebildet sind und ein Substrat, auf dem eine integrierte Schaltung gebildet
ist, mit einer flexiblen Leiterplatte (FPC) verbunden. Im Verfahren
(b) ist ein IC-Chip an der rückseitigen
Oberfläche
eines Substrates angeordnet, auf dem MR-Bauteile unter Ausbildung
eines Musters hergestellt sind.
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Jedoch ist es bei den herkömmlichen
Montageverfahren, da die Montagegröße groß ist, schwierig ein kleines
Handwerkzeug zu erhalten. Obwohl die Montagedichte beim Verfahren
(b), bei dem im Allgemeinen ein Substrat verwendet wird, größer ist, als
die Montagedichte bei dem Verfahren (a), bei dem zwei Substrate,
auf welchen MR-Bauteile und eine integrierte Schaltung gebildet
sind, ist, da die MR-Bauteile und die integrierte Schaltung verschiedene
Bereiche verwenden, die Reduktion der Größe beschränkt. Zusätzlich sollte die Oberfläche, auf
der die MR-Bauteile gebildet sind, als eine Referenzoberfläche gegenüber der
magnetischen Skala mit einer vorbestimmten Lücke angeordnet sein. Jedoch, wenn
die integrierte Schaltung angeordnet ist, kann die Referenzoberfläche nicht
präzise
erhalten werden. Wenn die MR-Bauteile gegenüberliegend zur magnetischen
Skala angeordnet sind, wird die Schutzstruktur gegen eine Kontaminierung
kompliziert.
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Der herkömmliche magnetische Codierer, der
MR-Bauteile aufweist mit verschiedenen Phasen, ist stark beeinflusst
durch die Fluktuation der Genauigkeit der magnetisierenden Schrittbreiten
und der Intensität
des magnetischen Feldes, der Fluktuation der Positionen, Formen
und Eigenschaften der MR-Bauteile usw. Somit sollte auf der Seite
der elektrischen Signalverarbeitungsschaltung die zentrale Spannung,
Amplitude usw. der Sinuswellensignale eingestellt sein. Zusätz lich sind,
da der magnetische Codierer stark durch eine Beschädigung und
Kontaminierung des Musters des MR-Bauteils beeinflusst ist, die
Stabilität
und Verlässlichkeit
dieser nicht hoch. Darüber
hinaus, da die magnetisierende Schrittbreite der Skala klein wird,
ist es schwierig vier MR-Bauteile in den magnetisierenden Schrittbreiten
anzuordnen. Somit, wenn die MR-Bauteile präzise hergestellt sind, vergrößert sich
die Fluktuation von Eigenschaften dieser.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen magnetischen Codierer bereitzustellen, der es erlaubt
den Energieverbrauch zu erniedrigen und der auf ein batteriegetriebenes
Handwerkzeug angewandt werden kann mit einer langen Lebensdauer.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es einen magnetischen Codierer bereitzustellen, der
es ermöglicht
gewünschte
Eigenschaften zu liefern, ohne die Notwendigkeit Anpassungen auszuführen, wobei
der Energieverbrauch erniedrigt wird und, dass präzise maschinelle
Herstellungsbedingungen von MR-Bauteilen
erleichtert werden.
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US
5,036,319 offenbart einen magnetischen Codierer, welcher
einen multipolaren magnetischen Körper beinhaltet, der eine Reihe
von alternierenden Nord- und Südpolen
gleicher Breiten aufweist und ein magneto-resistives Element, das
gegenüberliegend zu
dem multipolaren magnetischen Körper
angeordnet ist. Das magneto-resistive Element beinhaltet zumindest
ein A-Phase magneto-resistives Element und zumindest ein B-Phase
magneto-resistives Element, angeordnet nebeneinander über
wobei
n eine ganze Zahl größer oder
gleich 1 ist, und 1 eine Breite jedes individuellen Pols des multipolaren
magnetischen Körpers
ist. Jedes der A-Phase magneto-resistiven Elemente und der B-Phase
magneto- resistiven
Elemente weist eine Gruppe von Reihen verbundener linearer Leiter
auf, die Seite an Seite in einer Kammähnlichen Form angeordnet sind.
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EP 0 479 525 A2 offenbart einen Resolver zum
Messen einer absoluten Position eines rotierenden Körpers aufweisend
einen Resolver beinhaltend einen Rotor mit einer Einzelphasenerregungsspule und
dazu angepasst mit dem rotierenden Körper gekoppelt zu werden, und
einen Stator, der Detektionsspulen für zwei Phasen aufweist, die
voneinander um 90° verschieden
sind, eine erste Schaltung zum Erregen der Erregungsspule durch
ein Impulssignal, das eine ausgewählte Frequenz aufweist, und
eine zweite Schaltung zum Berechnen einer absoluten Position des
Rotors gemessen von einer Referenzwinkelposition auf der Basis von
Ausgabesignalen der Detektionsspulen, wobei ein ausgewählter Bereich,
der die erste Schaltung beinhaltet und zumindest einen Teil der
zweiten Schaltung, normal unter Energie gesetzt wird durch eine
externe Stromversorgung, und wenn die externe Stromversorgung abgeschaltet
ist, durch eine Ersatzstromversorgung mit Energie versorgt wird.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch
einen magnetischen Codierer, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Ein erster Aspekt ist ein magnetischer
Codierer, der ein erstes Element aufweist mit N-Pol-Abschnitten
und S-Pol-Abschnitten, die abwechselnd mit vorbestimmten Schrittbreiten
angeordnet sind, ein zweites Element, das gegenüberliegend dem ersten Element
angeordnet ist, um relativ zu dem ersten Element bewegbar zu sein,
wobei das zweite Element zumindest vier magneto-resistive Vorrichtungen
aufweist mit Phasen die sich voneinander um 90° unterscheiden jeweils entsprechend
den Schrittbreiten der magnetischen Pole des ersten Elementes, eine
Versetzungsdetektionsschaltung, um die Differenz zwischen Ausgangssignalen
zu erhalten mit Phasen, die sich um 180° unterscheiden um zwei Sinuswellensignale
auszugeben, wobei die Amplituden der zwei Sinuswellensignale variiert
werden entsprechend der relativen Bewegung des ersten Elementes und
des zweiten Elementes, wobei die Versetzungsdetektionsschaltung
durch eine DC-Stromversorgung
getrieben wird, eine Signalverarbeitungsschaltung zum Erzeugen von
Zwei-Phasen-Rechteckswellensignalen, die auf den Zweiphasensinuswellensignalen
basieren, die durch die Versetzungsdetektionsschaltung erhalten
werden, einen Zähler
zum Zählen der
Zwei-Phasen-Rechteckswellensignale, die durch die Signalverarbeitungsschaltung
erhalten werden, um die relative Position des ersten Elementes und des
zweiten Elementes zu erhalten und eine Umschaltschaltung für ein intermittierendes
Einschalten/Ausschalten des Ausgangs der DC-Stromversorgung zur
Versetzungsdetektionsschaltung entsprechend einem ersten Takt, der
eine vorbestimmte Frequenz aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung,
da eine Energie intermittierend zu der Versetzungsdetektionsschaltung
zugeführt
wird, die aus MR-Bauteilen gebildet ist und dadurch die Versetzungsdetektionsschaltung
aktiviert wird, nimmt der Stromverbrauch der MR-Bauteile ab entsprechend
der relativen Einschaltdauer des ersten Taktes im Vergleich mit
dem herkömmlichen
System bei dem Strom immer zu den MR-Bauteilen zugeführt wird.
Somit, wenn der magnetische Codierer gemäß der vorliegenden Erfindung auf
eine batteriebetriebene Handwerkzeuglängenmessvorrichtung angewandt
wird, kann die Betriebsdauer der Batterie (einschließlich einer
Solarzelle) verlängert
werden.
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Die Signalverarbeitungsschaltung
weist ein Paar von Abtastwerthalteschaltungen auf zum Abtasten und
Halten der Zwei-Phasen-Sinuswellensignale, die von der Versetzungsdetektionsschaltung
erhalten werden entsprechend dem ersten Takt, ein Paar von Komparatoren,
die intermittierend gemäß einem zweiten
Takt aktiviert werden mit einer Phase, die von der Phase des ersten
Taktes verzögert
ist zum Vergleichen von Ausgangssignalen der Abtastwerthalteschaltungen
mit einer konstanten Referenzspannung, um binäre Daten zu erhalten, und ein
Paar von Flipflops, um die binären
Daten von den Komparatoren zu erhalten, um die Zwei-Phasen-Rechteckwellensignale
auszugeben. Mit dem Komparator, der intermittierend aktiviert ist,
kann der Energieverbrauch desselben ebenso reduziert werden. Insbesondere, wenn
der zweite Takt, der die Komparatoren dazu veranlasst, intermittierend
zu arbeiten, eine Phase aufweist, die von der Phase des ersten Taktes
verzögert
ist, bis der abgetastete Wert festgelegt ist, werden die Komparatoren
inaktiv gehalten. Somit wird der Effekt der Energiereduktion groß.
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In dem Fall, dass die Komparatoren
intermittierend aktiviert sind, während die Komparatoren inaktiv
sind, werden die Ausgangssignale der Komparatoren instabil. Um dieses
Problem zu lösen,
sind Flipflops, die immer in einem Ein-Status sind auf der Ausgangsseite
der Komparatoren angeordnet, wodurch die Ausgangssignale der Komparatoren
gespeichert werden. Somit ist das Problem gelöst und die Zwei-Phasen-Rechteckwellensignale
können ausgegeben
werden.
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Zusätzlich kann die Signalverarbeitungsschaltung
eine Interpolationsschaltung aufweisen, die einen elektrischen Interpolationsprozess
ausführt für die Ausgangssignale
der Abtastwerthalteschaltungen zu Ausgangs-Zwei-Phasen-Rechteckwellensignalen.
In diesem Fall wird bevorzugt die Interpolationsschaltung intermittierend
zu aktivieren mit dem zweiten Takt, der eine Phase aufweist, die
von der Phase des ersten Taktes verzögert ist. Zusätzlich, wenn
Verstärkungsschaltungen
an einem der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse der Abtastwerthalteschaltungen
angeordnet sind, ist es bevorzugt, die Verstärkungsschaltungen intermittierend
mit dem ersten Takt zu aktivieren. Mit der Interpolationsschaltung
und den Verstärkungsschaltungen,
die intermittierend angetrieben werden, kann der Energieverbrauch
effektiv reduziert werden.
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Zusätzlich werden gemäß der vorliegenden Erfindung,
wenn die Versetzungsdetektionsschaltung intermittierend angetrieben
ist, Zwei-Phasen-Sinuswellensignale
abgetastet. Somit ist es nicht notwendig Abtastwerthalteschaltungen
vorzusehen. Zusätzlich
ist es nicht immer notwendig einen zweiten Takt zusammen mit einem
ersten Takt vorzusehen, der die Umschaltschaltung veranlasst anzutreiben.
Darüber hinaus
kann das Ausgangssignal der Versetzungsdetektionsschaltung, die
intermittierend durch den ersten Takt angetrieben wird, durch die
Komparatoren verarbeitet werden, die intermittierend mit dem ersten
Takt aktiviert sind. Somit können
in einer derartigen einfachen Struktur Signale mit niedrigem Energieverbrauch
verarbeitet werden.
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Des weiteren kann gemäß der vorliegenden Erfindung,
wenn eine Signalverarbeitungsschaltung, ein Zähler und eine Umschaltschaltung
auf dem zweiten Element angeordnet sind, und wenn eine Anzeige,
welche die Ausgabewerte des Zählers
anzeigt, angeordnet ist, eine Handgerätlängenmessvorrichtung, die batteriebetrieben
ist, mit einer langen Betriebsdauer erhalten werden.
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Ein zweiter Aspekt ist ein magnetischer
Codierer, der ein erstes Element aufweist mit N-Pol-Abschnitten
und S-Pol-Abschnitten, die abwechselnd mit vorbestimmten Schrittbreiten
angeordnet sind, ein zweites Element, das gegenüberliegend dem ersten Element
angeordnet ist, um relativ zu dem ersten Element bewegbar zu sein,
wobei das zweite Element zumindest vier magneto-resistive Vorrichtungen
aufweist mit Phasen, die sich jeweils um 90° entsprechend der Schrittbreiten
der magnetischen Pole des ersten Elementes unterscheiden, eine Versetzungsdetektionsschaltung,
um die Differenz zwischen Ausgangssignalen der magneto-resistiven Vorrichtungen
zu erhalten mit Phasen, die sich um 180° unterscheiden zu Ausgangs-Zwei-Phasen-Sinuswellensignalen,
wobei die Amplituden der Zwei-Phasen-Sinuswellensignale
entsprechend der relativen Bewegung des ersten Elementes und des zweiten
Elementes, wobei die Versetzungsdetektionsschaltung durch eine DC-Stromversorgung
angetrieben wird, eine Signalverarbeitungsschaltung zum Erzeugen
von Zwei-Phasen-Rechteckwellensignalen basierend auf den Zwei-Phasen-Sinuswellensignalen,
die durch die Versetzungsdetektionsschaltung erhalten werden, und
einen Zähler
zum Zählen
der Zwei-Phasen-Rechteckwellensignale
welche durch die Signalverarbeitungsschaltung erhalten werden, um
relative Positionen für
das erste Element und das zweite Element zu erhalten, wobei eine
Mehrzahl von Sätzen,
von welchen jeder gebildet ist aus zumindest vier magneto-resistiven
Vorrichtungen, deren Phasen um 90° voneinander
verschoben sind, angeordnet sind, und wobei die magneto-resistiven
Vorrichtungen mit derselben Phase in den Sätzen als magnetische Detektionsvorrichtungen
in Reihe verbunden sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird, wenn eine Mehrzahl von MR-Bauteilen in Serie verbunden sind
und verwendet werden als eine magnetische Detektionsvorrichtung,
die Abweichung der Magnetisierung und die Abweichung der Formen
und Charakteristiken der MR-Bauteile ausgeglichen, wodurch der Einfluss
davon reduziert wird. Somit ist es nicht notwendig, die zentrale
Spannung und Amplitude des Ausgangssignals mit einer Signalverarbeitungsschaltung
elektrisch einzustellen. Zusätzlich
ist es nicht notwendig den Widerstand jedes Resistors durch ein
Einstellverfahren oder dergleichen einzustellen. Somit kann die
Verstellung von Elementen bei einem hohen S/N-Verhältnis detektiert
werden, ohne die Notwendigkeit Einstellungen vorzunehmen. Darüber hinaus
werden die Einflüsse
der Verschlechterung der Magnetisierungsintensität, der Beschädigung des
MR-Bauteilmusters und die Kontaminierung auf Grund einer Substanz
mit hoher Permeabilität
wie beispielsweise Eisenpulver verringert. Somit kann ein magnetischer
Codierer erhalten werden, der stabil arbeitet und eine hohe Zuverlässigkeit
aufweist. Da die Impedanz als die magnetische Detektionsvorrichtung
anwächst
wird der Energieverbrauch des magnetischen Codierers reduziert.
Zusätzlich, wenn
die Schrittbreiten der MR-Bauteile auf 3/4 oder 5/4 gesetzt werden
können
die präzisen
maschinellen Herstellungsbedingungen für die MR-Bauteile erleichtert
werden.
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Diese und andere Aufgaben, Eigenschaften und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden
detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen einer besten Art
davon ersichtlich werden, wie in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schaltungsdiagramm, welches die Struktur eines magnetischen
Codierers gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Struktur eines Detektionskopfes
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm, welches den Detektionskopf und eine Signalverarbeitungsschaltung
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist
ein Zeitdiagramm, welches einen Abriss des Betriebs gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist
ein vergrößertes Zeitdiagramm
von 4;
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6A bis 6C sind Schaltungsdiagramme, welche Beispiele
der Struktur einer Versetzungsdetektionsschaltung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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7 ist
ein Schaltungsdiagramm, welches die Struktur einer Signalverarbeitungsschaltung
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 ist
ein Blockdiagramm, welches die Struktur einer Signalverarbeitungsschaltung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ist
ein Schaltungsdiagramm, welches die Struktur einer Versetzungsdetektionsschaltung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ist
ein Schaltungsdiagramm, welches die Struktur einer Signalverarbeitungsschaltung
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 ist
ein Zeitdiagramm, welches den Betrieb von 5 gemäß der Ausführungsform
von 10 zeigt;
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12 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Struktur eines magnetischen
Codierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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13 ist
eine Schnittansicht, welche die Struktur eines zweiten Elementes
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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14 ist
eine Schnittansicht, welche die Struktur eines IC-Chips gemäß der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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15 ist
ein schematisches Diagramm, welches eine äquivalente Schaltung des magnetischen
Codierers gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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16 ist
eine perspektivische Ansicht, welche die Beziehung relativer Phasen
eines zweiten Elementes und eines ersten Elementes gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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17 ist
ein schematisches Diagramm, welches eine äquivalente Schaltung von MR-Bauteilen
gemäß der Ausführungsform,
die in 12 gezeigt ist,
zeigt;
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18 ist
ein schematisches Diagramm, welches weitere Beispiele der Anordnung
eines MR-Bauteilfeldes zeigt;
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19A bis 19C sind schematische Diagramme, welche
die Struktur der wechselseitigen Drahtleitungen des MR-Bauteilfeldes
zeigen;
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20 ist
ein schematisches Diagramm, welches ein weiteres Beispiel der Struktur
von wechselseitigen Verdrahtungsleitungen des MR-Bauteilfeldes zeigt;
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21A und 21B sind schematische Diagramme, welche
ein weiteres Beispiel der Montagestruktur eines IC-Chips zeigen;
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22 ist
eine Schnittansicht, welche ein weiteres Beispiel der Montagestruktur
des IC-Chips zeigt; und
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23A und 23B sind schematische Diagramme, welche
die Struktur eines MR-Bauteilfeldes gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein magnetischer Codierer gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist ein erstes Element 1 und
ein zweites Element 2 auf. Das erste Element 1 weist
N-Pol-Abschnitte und S-Pol-Abschnitte auf, die abwechselnd bei Schrittbreiten λ angeordnet
sind. Das erste Element 1 bildet eine magnetische Skala.
Das zweite Element 2 ist gegenüberliegend dem ersten Element
in einer derartigen Weise angeordnet, dass das zweite Element relativ
gegenüber
dem ersten Element in einer Richtung, die durch den Pfeil x gekennzeichnet
ist, bewegbar ist. Das zweite Element 2 ist ein Detektionskopf 3,
eine Signalverarbeitungsschaltung 4, ein Zähler 5,
eine Anzeige 6 und eine Batterie 7. Der Detektionskopf 3 ist
gegenüberliegend
der Skalenoberfläche
angeordnet, auf der magnetische Polabschnitte angeordnet sind des
ersten Elementes mit einer vorbestimmten Lücke. Der Detektionskopf 3 weist MR-Bauteile
auf, welche die Änderung
des Magnetfeldes entsprechend der relativen Bewegung zu dem ersten
Element 1 detektieren. Die Signalverarbeitungsschaltung 4 verarbeitet
Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA und INB, die von dem Detektionskopf 3 empfangen
wurden, um Zwei-Phasen-Rechteckwellensignale
OUTA und OUTB zu erzeugen. Der Zähler 5 zählt die
Zwei-Phasen-Rechteckwellensignale OUTA und OUTB, die von der Signalverarbeitungsschaltung 4 empfangen
wurden. Die Anzeige 6, die z. B. ein LCD ist, zeigt den
gezählten
Wert an. Die Batterie 7 führt eine DC-Leistung zu jedem
Schaltungsabschnitt zu.
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2 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Struktur von Hauptabschnitten
des Detektionskopfes 3 entsprechend dem ersten Element 1 zeigt.
Wie oben beschrieben ist das erste Element 1 bei Schrittbreiten λ magnetisiert.
Der Detektionskopf 3 weist ein Substrat 21 und
mindestens vier MR-Bauteile Ma1, Mb1, Ma2 und Mb2 auf
die daran gebildet sind. Die MR-Bauteile Ma1, Mb1, Ma2 und Mb2 sind längliche
Resistoren, die Anschlüsse
an den Enden in der Richtung senkrecht zu der Richtung einer relativen
Versetzung, die durch den Pfeil x gekennzeichnet ist, aufweisen.
Die MR-Bauteile Ma1, Mb1, Ma2 und Mb2 sind
bei Schrittbreiten von (λ/4)
angeordnet im Gegensatz zu den magnetisierenden Schrittbreiten λ des ersten
Elementes 1. Mit anderen Worten unterscheiden sich die
Schrittbreiten der MR-Bauteile Ma1, Mb1, Ma2 und Mb2 voneinander
um 90°.
Die MR-Bauteile Ma1, Mb1, Ma2 und Mb2 sind
magneto-resistive Dünnschichtvorrichtungen,
die beispielsweise durch ein Sputterverfahren gebildet sind. Die MR-Bauteile Ma1, Mb1, Ma2 und Mb2 sind
vollkommen mit einem Schutzfilm (nicht gezeigt) überzogen.
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3 ist
ein schematisches Diagramm, welches eine äquivalente Schaltung des Detektionskopfes 3 und
der Signalverarbeitungsschaltung 4 zeigt. Eine Versetzungsdetektionsschaltung 30,
welche die Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA und INB ausgibt,
ist gebildet unter Verwendung der vier MR-Bauteile Ma1, Mb1, Ma2 und Mb2 und
angeordnet auf dem Detektionskopf 3. Bei dieser Ausführungsform sind
das erste und das dritte MR-Bauteil Ma1 und Ma2 mit
Phasen, die sich voneinander um 180° unterscheiden, in Reihe verbunden
zwischen einer DC-Stromversorgung
VDD und einer Erdung GND. Ähnlich
sind das zweite und das vierte MR-Bauteil Mb1 und Mb2 mit
Phasen, die sich voneinander um 180° unterscheiden in Reihe zwischen
der Stromversorgung VDD und der Erdung GND verbunden. Mit den vier
MR-Bauteilen Ma1, Mb1, Ma2 und Mb2 ist eine
Brückenschaltung 31a strukturiert.
Zwei Ausgangsanschlüsse
A und B sind Ausgangsanschlüsse der
Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA bzw. INB.
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Bei dieser Ausführungsform sind als eine Umschaltschaltung 34,
welche die Leistung der DC-Stromversorgung VDD zur Versetzungsdetektionsschaltung 30 zuführt, analoge
Schaltvorrichtungen Sa1, Sa2, Sb1 und Sb2 an
den Stromversorgungsanschlüssen
und den Erdungsanschlüssen
der MR-Bauteile angeordnet. Die Schaltvorrichtungen Sa1, Sa2, Sb1 und Sb2 sind
selektiv bei vorbestimmten Intervallen mit einem ersten Takt CK1
eingeschaltet, der von einer Takterzeugungsschaltung 45 erzeugt
wird und eine vorbestimmte Frequenz aufweist.
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Die Signalverarbeitungsschaltung 4 weist
ein Paar von Abtastwerthalteschaltungen 41a und 41b auf,
ein Paar von Komparatoren 42a und 42b und ein Paar
von D-Typ Flipflops 43a und 43b. Die Abtastwerthalteschaltungen 41a und 41b tasten
die Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA und INB,
welche von der Versetzungsdetektionsschaltung 30 empfangen
wurden, ab und behalten sie.
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Die Komparatoren 42a und 42b vergleichen diese
abgetasteten Werte mit einer Referenzspannung VREF und geben binäre Daten
DA bzw. DB aus. Die D-Typ Flipflops 43a und 43b empfangen
die binären
Daten DA und DB und geben Zwei-Phasen-Rechteckwellensignale
OUTA bzw. OUTB aus. Die Abtastwerthalteschaltungen 41a und 41b weisen Umschaltvorrichtungen
S3a und S3b auf und Kondensatoren Ca bzw. Cb. Die Umschaltvorrichtungen S3a
und S3B werden für
die Abtastoperationen verwendet und gesteuert mit einem ersten Takt
CK1, der von dem Taktgenerator 45 empfangen wird. Die Kondensatoren
Ca und Cb speichern die abgetasteten Werte.
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Eine Vorspannungsschaltung 44 für die Komparatoren 42a und 42b ist
verbunden mit der Stromversorgung VDD durch eine analoge Umschaltvorrichtung S4.
Die analoge Schaltvorrichtung S4 wird eingeschaltet/ausgeschaltet
mit einem zweiten Takt CK2, der von dem Taktgenerator 45 empfangen
wird. Der zweite Takt CK2 ist synchron mit dem ersten Takt CK1 und
weist eine leichte Verzögerung dazu
auf. Somit werden die Komparatoren 42a und 42b intermittierend
aktiviert mit einer leichten Verzögerung von der Versetzungsdetektionsschaltung 30. Die Flipflops 43a und 43b sind
immer im Ein-Zustand. Daten werden von den Flipflops 43a und 43b mit
dem zweiten Takt CK2 erhalten.
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Als nächstes wird der Betrieb des
magnetischen Codierers, der in einer solchen Weise strukturiert
ist, im Folgenden beschrieben werden.
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4 ist
ein Zeitdiagramm, welches einen Abriss des Betriebs des magnetischen
Codierers zeigt. Die Versetzungsdetektionsschaltung 30 gibt die
Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA und INB mit
Phasen aus, die sich voneinander um 90° unterscheiden und deren Amplituden
entsprechend der relativen Verschiebung der ersten und zweiten Elemente
variieren. Tatsächlich
werden die Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA und INB durch
den ersten Takt CK1 zerhackt. Jedoch sind zur Vereinfachung die Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA und INB in 4 kontinuierlich gezeigt.
Die Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA und INB werden
durch die Abtastwerthalteschaltungen 41a und 41b mit
dem ersten Takt CK1 abgetastet. Die Abtastwerte werden mit der Referenzspannung
VREF durch die Komparatoren 42a und 42b verglichen.
Somit werden die binären
Daten DA und DB, welche "H" werden in dem Fall, dass die abgetasteten
Werte die Referenzspannung VREF übersteigen,
aus den Zwei-Phasen-Sinuswellensignalen INA bzw. INB erhalten.
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5 ist
ein Zeitdiagramm, welches den Bereich der horizontalen Achse vergrößert (Zeitachse von
welcher eine Periode dem Betrag einer Verschiebung von Schrittbreiten λ entspricht)
im Verhältnis
zu dem Sinuswellensignal INA. Während der erste Takt CK1 im
"H"-Status ist, wird zur Versetzungsdetektionsschaltung 30 Leistung
zugeführt.
Das resultierende Sinuswellensignal INA wird abgetastet.
Danach wird der erste Takt CK1 "L". Somit ist der abgetastete Wert
INAS festgelegt. Als nächstes
wird der zweite Takt CK2 "H". Nur während der zweite Takt CK2 in dem
"H"-Zustand ist, wird die Vorspannungsschaltung 44 aktiviert,
wodurch die Komparatoren 42a und 42b aktiviert
werden. Somit vergleichen die Komparatoren 42a und 42b den
abgetasteten Wert INAS mit der Referenzspan nung VREF. Somit
wird, wenn der abgetastete Wert INAS die Referenzspannung
VREF übersteigt,
der zweite Takt CK2 "H". Somit werden die binären Daten DA erhalten. Wenn
der zweite Takt CK2 "L" wird, werden die binären Daten DA zu dem Flipflop 43a zugeführt. Somit
wird das Rechteckwellensignal OUTA erhalten. Diese Operation wird
auch auf die Operation angewandt bei der das Rechteckwellensignal
OUTB von dem Sinuswellensignal INB erhalten wird.
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Die Perioden des ersten Taktes CK1
und des zweiten Taktes CK2 sollten ausreichend klein im Verhältnis zur
relativen Geschwindigkeit sein (Skalengeschwindigkeit) zwischen
dem ersten Element 1 und dem zweiten Element 2.
Mit anderen Worten ist die Skalengeschwindigkeit entsprechend den
Perioden P des ersten Taktes CK1 und des zweiten Taktes CK2 beschränkt. Wenn
der maximale Wert der Skalengeschwindigkeit mit vmax gekennzeichnet
ist, sollte die Bedingung vmax < (λ/2)/P erfüllt sein.
Wenn die Bedingung erfüllt
ist, kann eine Fehlerdetektion verhindert werden.
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Bei dieser Ausführungsform werden, da die Komparatoren 42a und 42b intermittierend
betrieben werden, Ausgangssignale davon manchmal instabil werden.
Jedoch werden mit den Flipflops 43a und 43b, welche
die binären
Daten DA und DB behalten, die Zwei-Phasen-Rechteckwellensignale
OUTA und OUTB nicht instabil werden.
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Gemäß der Ausführungsform, da die Versetzungsdetektionsschaltung 30 und
die Komparatoren 42a und 42b intermittierend betrieben
werden, wird der Stromverbrauch erniedrigt. In der Realität fließt unter
der Annahme, dass der Widerstand von jedem MR-Bauteil 1,5 k Ω ist und
die daran angelegte Spannung 1,5 V ist, in dem herkömmlichen
System, ein Strom von 1,5 V/1,5 k Ω = 1000 μ A in einer Versetzungsdetektionsschaltung
als eine Brückenschaltung,
die aus vier MR-Bauteilen
gebildet ist. Unter der Annahme, dass der Stromverbrauch der Komparatoren
100 μ A
ist fließt
ein Strom von 1100 μ A
insgesamt.
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Andererseits ist unter der Annahme,
dass die "H"-Periode des ersten Taktes CK1 W1 = 10 μ s ist, die
"H"-Periode des zweiten Taktes CK2 W2 = 1 μ s ist, und die Perioden der
Takte CK1 und CK2 sind, P = 10 μ s,
wobei das Verhältnis
des Stromverbrauchs der Versetzungsdetektionsschaltung, die aus
vier MR-Bauteilen gebildet ist, zu dem herkömmlichen System gleich dem
relativen Einschaltverhältnis W1/P
= 1/1000 ist. Ähnlich
ist das Verhältnis
des Stromverbrauchs der Komparatoren W2/P = 1/10.000. Wenn dieselbe
Taktquelle wie der Systemtakt des Zählers 5 verwendet wird, kann
die Takterzeugungsschaltung 45 durch nur eine einfache digitale
Schaltung erhalten werden. Somit kann ein solcher Stromverbrauch
ignoriert werden. Zusätzlich
ist der Stromverbrauch der analogen Umschaltvorrichtungen im Vergleich
mit dem der MR-Bauteile vernachlässigbar.
Somit ist es gemäß der Ausführungsform
klar, dass der Stromverbrauch deutlich reduziert werden kann.
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Folglich kann gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Handwerkzeuglängenmessvorrichtung, die
mit einer Batterie für
eine lange Zeit betrieben werden kann, erhalten werden. Zusätzlich kann
eine Wärmeerzeugung
auf Grund des Stromverbrauchs der MR-Bauteile und der Detektionsschaltung
unterdrückt
werden. Somit ist sie geeignet, die Verschiebung eines Gegenstands
zu messen, der Temperaturempfindlich ist. Darüber hinaus driften die MR-Bauteile
und die Versetzungsdetektionsschaltung weniger, da ihre Wärmeerzeugungen
klein sind. Somit kann die Verschiebung eines Gegenstandes gemessen
werden, ohne die Notwendigkeit, zu warten, bis die Temperatur stabil
wird, nachdem die Stromversorgung des Gerätes eingeschaltet wurde. Darüber hinaus
kann die Verschiebung eines Gegenstandes für eine lange Zeit genau gemessen
werden. Darüber hinaus,
da der gesamte Strom, der in den MR-Bauteilen fließt, abnimmt,
kann der korrosive Widerstand davon verbessert werden.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind analoge Schalter
an den Stromversorgungsseitigen Anschlüssen und den Erdungsseitigen
Anschlüssen
der MR-Bauteile
angeordnet. Wenn der ON-Widerstand der analogen Schaltvorrichtungen nicht
ignoriert werden kann, wobei Resistoren, die den selben ON-Widerstand
sowohl auf der Stromversorgungsseite als auch auf der Erdungsseite
aufweisen, kann der Einfluss des ON-Widerstandes aufgehoben werden.
Wenn der ON-Widerstand
der analogen Schaltvorrichtungen ignoriert werden kann, können die
analogen Schaltvorrichtungen entweder auf der Stromversorgungsseite
oder auf der Erdungsseite angeordnet sein.
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6A bis 6C zeigen weitere Beispiele der Struktur
der Umschaltschaltung 34, welche die zur Versetzungsdetektionsschaltung 30 gelieferte
Leistung an/abschaltet. In 6A sind
analoge Schaltvorrichtungen S1 und S2 auf der
Stromversorgungsseite angeordnet bzw. auf der Erdungsseite der Brückenschaltung 31a.
Wenn analoge Schaltvorrichtungen mit niedrigem ON-Widerstand verwendet
werden, ist die in 6A gezeigte Struktur
effektiv. Andererseits kann, wie in den 6B und 6C gezeigt, eine der analogen Schaltvorrichtungen S1 und S2, die
in 6A gezeigt sind, weggelassen werden.
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7 zeigt
die Struktur einer Signalverarbeitungsschaltung 4 gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind Vorverstärker 71a und 71b in einer
Ausgangsstufe einer Versetzungsdetektionsschaltung 30 angeordnet
(nämlich
in den jeweiligen Eingangsstufen der Abtastwerthalteschaltungen 41a und 41b).
Die Vorverstärker 71a und 71b werden
intermittierend aktiviert durch eine Vorspannungsschaltung 72,
die durch eine analoge Umschaltvorrichtung S7 betrieben
wird, die mit einem ersten Takt CK1 eingeschaltet wird. Die Vorverstärker 71a und 71b,
die intermittierend betrieben werden, funktionieren als Abtastschaltungen.
Der intermittierende Betrieb der Vorverstärker 71a und 71b unterdrückt das Anwachsen
des Stromverbrauchs dieser.
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In dem Fall, dass die Vorverstärker 71a und 71b auf
der Ausgangsanschlussseite der Abtastwerthalteschaltungen 41a und 41b angeordnet
sind, kann, wenn die Vorverstärker 71a und 71b intermittierend
betrieben werden, der Stromverbrauch unterdrückt werden.
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Bei dem Zwei-Phasen-Rechteckwellenerzeugungssystem,
welches nur Komparatoren gemäß der oben
beschriebenen Ausführungsform
verwendet, ist die Anzahl von Interpolationen vier. Um eine höhere Auflösung zu
erreichen ist eine spezielle Interpolationsschaltung an Stelle der
Komparatoren erforderlich. 8 ist
ein Schaltungsdiagramm, welches eine Struktur zeigt, die eine Interpolationsschaltung 81 aufweist
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Verschiedene Interpolationssysteme sind
bekannt. Als ein typisches Beispiel ist ein Resistorteilungsverfahren
bekannt. In diesem Fall weist die Interpolationsschaltung 81 ein Resistorfeld
auf, eine Mehrzahl von Operationsverstärkern, einen Komparator und
eine logische Schaltung. Wie bei den Komparatoren 42a und 42b der oben
beschriebenen Ausführungsform,
weisen bei der in 8 gezeigten
Ausführungsform
zumindest die Operationsverstärker
und der Komparator der Interpolationsschaltung 81 eine
Vorspannungsschaltung 82 auf, die durch eine analoge Umschaltvorrichtung S8 aktiviert
wird, die mit einem zweiten Takt CK2 angeschaltet wird. Somit kann
der Stromverbrauch der Interpolationsschaltung 81 unterdrückt werden.
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Das System, das die Interpolationsschaltung 81 aufweist,
kann auf die Struktur angewandt werden, welche die Verstärker 71a und 71b aufweist,
wie in der in 7 gezeigten
Ausführungsform.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist,
ist die Versetzungsdetektionsschaltung 30 als eine Brückenschaltung 31a aus
vier MR-Bauteilen
konstruiert. Jedoch kann die Versetzungsdetektionsschaltung 30 ohne
die Notwendigkeit die Brückenschaltung
zu verwenden strukturiert werden. 9 zeigt
die Struktur der Versetzungsdetektionsschaltung 30 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Versetzungsdetektionsschaltung 30 weist
eine Abtastschaltung 31b auf, von der vier magneto-resistive
Vor richtungen Ma1 bis Mb2 mit einer DC-Stromversorgung
verbunden sind durch jeweilige Stromquellen Ia1 bis Ib2.
Verbindungsknoten der magneto-resistiven Vorrichtungen Ma1 bis Mb2 und
der Stromquellen Ia1 bis Ib2 sind Ausgangsanschlüsse. Ausgangsanschlüsse der
Abtastschaltung 31b sind mit zwei differenziellen Verstärkungsschaltungen 32a und 32b verbunden,
um Differenzen von Ausgangssignalen zu erhalten mit Phasen, die
sich voneinander um 180° unterscheiden.
Mit anderen Worten detektiert und verstärkt die differenzielle Verstärkungsschaltung 32a die
Differenz der Ausgangssignale der MR-Bauteile Ma1 und Ma2 mit
Phasen 0° und
180°. Die
andere differenzielle Verstärkungsschaltung 32b detektiert
und verstärkt
die Differenz der Ausgangssignale der MR-Bauteile Mb1 und Mb2 mit
Phasen 90° und
270°. Wie
bei der oben beschriebenen Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist,
werden die MR-Bauteile Ma1 bis Mb2 intermittierend angetrieben
durch eine gemeinsame analoge Umschaltvorrichtung S1 (oder
getrennte Schalter). Bei der in 9 gezeigten
Ausführungsform
ist eine Vorspannungsschaltung 33, die eine analoge Umschaltvorrichtung
S32 aufweist, angetrieben mit dem ersten Takt CK1, angeordnet, um
intermittierend die zwei differenziellen Verstärkungsschaltungen 32a und 32b zu
aktivieren.
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10 ist
ein Blockdiagramm, welches die Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. In 10,
da eine Detektionsschaltung 30 intermittierend mit einem
ersten Takt CK1 angetrieben ist, dient die Detektionsschaltung 30 als
eine Abtastschaltung. Somit werden bei dieser Ausführungsform,
ohne Abtastwerthalteschaltungen vorzusehen, Zwei-Phasen-Sinuswellensignale INA und INB,
die von der Detektionsschaltung 30 empfangen werden, direkt
zu den Komparatoren 42a bzw. 42b zugeführt. Ein
Schalter S4 einer Vorspannungsschaltung 44, der
intermittierend die Komparatoren 42a und 42b aktiviert,
wird mit dem ersten Takt CK1 angetrieben. Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist,
werden Ausgangssignale DA und DB der Komparatoren 42a und 42b zu
Flipflops zugeführt.
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11 zeigt
Wellenformen von Signalen in der Ausführungsform, die in 10 gezeigt ist, gemäß der Ausführungsform
von 10.
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Gemäß der Ausführungsform, die in 10 gezeigt ist, da eher
ein Takt als zwei Takte verwendet werden, ohne die Notwendigkeit
eine Abtastwerthalteschaltung zu verwenden, kann die Signalverarbeitungsschaltung
einfach strukturiert sein.
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12 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Struktur eines magnetischen
Codierers als einen linearen Codierer gemäß einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform
ist ein zweites Element 2 aus einem Isolationssubstrat 201 gebildet.
Das Isolationssubstrat 201 ist ein vielschichtiges keramisches
Substrat, das beispielsweise mit dem Green Sheet Verfahren hergestellt
ist. Wie mit einer Schnittansicht in 13 gezeigt
ist, sind die inneren Verdrahtungsleitungen 210 und Anschlussleitungen 202 gebildet.
Ein konkaver Abschnitt 203 ist auf dem Isolationssubstrat 201 gegenüberliegend
einem ersten Element 1 gebildet. Ein IC-Chip 204,
welcher eine Signalverarbeitungsschaltung beinhaltet, und ein weiteres
Teil 206 sind in dem konkaven Abschnitt 203 angeordnet.
Wie später
beschrieben werden wird, werden MR-Bauteile 205 auf der
vorderen Oberfläche
des IC-Chips 204 unter Ausbildung eines Musters hergestellt.
Ein Anschlusspad ist mit den Verdrahtungsleitungen 210 auf
dem Substrat beispielsweise mit Verknüpfungsdrähten 212 verbunden.
Der konkave Abschnitt 203, der den IC-Chip 204 aufweist,
ist mit einem Harz 213 versiegelt, sodass die Höhe des konkaven
Abschnitts 203 dieselbe wird wie die Höhe des peripheren Abschnitts
des Substrats 201.
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14 ist
eine Schnittansicht, welche die Struktur von Hauptabschnitten des
IC-Chips 204 zeigt.
Der IC-Chip 204 weist ein Siliziumsubstrat 300 und
MOS-Transistoren 301 usw.
auf, die integral darauf gebildet sind. Die Oberfläche des
IC-Chips 204 ist mit einer Isolationsschicht 302 überdeckt,
die aus einem Siliziumoxidfilm gebildet ist. Die Isolationsschicht 302 ist
vorzugsweise durch eine Abflachungstechnologie abgeflacht. Eine
Mehrzahl von MR-Bauteilen (Ma1, Ma2,
Mb1 und Mb2) 205 gegenüberliegend
dem ersten Element 1 sind als ein Feld auf der Isolationsschicht 302 angeordnet.
Die MR-Bauteile 205 werden gebildet durch Herstellung unter
Ausbildung eines Musters eines magneto-resistiven Dünnfilms,
wie beispielsweise Permalloy mit einem Sputterverfahren.
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Der magneto-resistive Dünnfilm des MR-Bauteils 205 sollte
bei einer Temperatur von mehreren hundert °C auf das Substrat gesputtert werden.
Somit, nachdem Metallverdrahtungsleitungen, die z. B. aus A1 zusammengesetzt
sind, als der IC-Chip 204 gebildet
sind, wird nicht bevorzugt den magneto-resistiven Dünnfilm zu
sputtern. Daher werden gemäß der Ausführungsform,
die in 14 gezeigt ist,
nachdem die MR-Bauteile 205 unter Ausbildung eines Musters
hergestellt sind, auf der Isolationsschicht 34 Metallverdrahtungsleitungen 304 gebildet,
die Bauteile auf dem IC-Chip 204 verbinden. In der Realität, nachdem
die MR-Bauteile 205 gebildet sind und dann ein Schutzfilm 303,
der die MR-Bauteile 205 schützt, gebildet ist, werden Kontaktlöcher gebildet
durch ein Lithographieverfahren, wodurch die Metallverdrahtungsleitungen 305 ausgebildet
werden. Die Metallverdrahtungsleitungen 305 werden verwendet,
um die MR-Bauteile 205 gegenseitig zu verbinden und die
MR-Bauteile 205 und Bauteile auf dem IC-Chip 204 zu
verbinden zusammen mit gegenseitig verbindenden Baugruppen des IC-Chips 204.
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15 ist
ein schematisches Diagramm, welches eine äquivalente Schaltung eines
magnetischen Codierers gemäß der Ausführungsform
zeigt, die in 12 gezeigt
ist. In dieser Ausführungsform beinhaltet
der IC-Chip 204 eine Signalverstärkungsschaltung 501,
eine Interpolationsschaltung 502, einen Zähler 503 und
eine arithmetische Operationsschaltung 504. In der Realität, wie es
später
beschrieben wird, sind eine Mehrzahl von Sätzen von Vier-Phasen-MR-Bauteilen 205 auf
dem IC-Chip 204 angeordnet. Zur Vereinfachung zeigt 15 eine Versetzungsdetektionsschaltung 30,
die gebildet ist aus einer Brückenschaltung
aus vier MR-Bauteilen Ma1, Ma2, Mb1 und Mb2.
Wie bei der Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist,
beschrieben wurde, weisen die vier MR-Bauteile vier Phasen 0°, 90°, 180° und 270° auf entsprechend
den magnetisierenden Schrittweiten λ des ersten Elementes 1.
Somit werden an zwei Brückenausgangsanschlüssen zwei Sinuswellensignale INA und INB mit
Phasen erhalten, die sich voneinander um 90° unterscheiden. Anders als bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform wird
bei der in 15 gezeigten
Ausführungsform eine
Versetzungsdetektionsschaltung 30 nicht intermittierend
angetrieben. Jedoch kann die Versetzungsdetektionsschaltung 30 intermittierend
angetrieben werden. Dies gilt für
jede Schaltung des IC-Chips 204.
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Wie in 15 gezeigt
ist, weist das gesamte System des Weiteren eine Anzeige 50 auf,
eine Stromversorgung und verschiedene Schalter 506. Die
Anzeige 50 zeigt eine Versetzungsausgabe an. Die 15 zeigt ein Beispiel der
Struktur des IC-Chips 204. Mit anderen Worten kann der
IC-Chip 505 nur die Verstärkungsschaltung 501 beinhalten.
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Als nächstes wird ein Feld von MR-Bauteilen 205 beschrieben
werden. MR-Bauteile
sollten so angeordnet sein, dass deren Schrittbreite λ eingestellt ist,
um die folgende Gleichung zu erfüllen:
P
= (2N + 1) λ/4
(wobei N = 0, 1, 2, ...)
m Sätze (m ≥ 2) von vier MR-Bauteilen mit
vier Phasen, die sich voneinander um jeweils 90° unterscheiden (= λ/4) werden
angeordnet.
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16 zeigt
die Beziehung relativer Phasen des Feldes der MR-Bauteile 205 auf
dem zweiten Element 2 und dem ersten Element 1 in
dem Fall von N = 0. MR-Bauteile Ma1, Ma2,
..., Mam mit einer Phase von 0° von
jedem Satz sind verbunden als ein magnetisches Detektionsbauteil
A als ein Brückenelement
auf der Spannungsversorgungsseite VDD, wie es in 17 gezeigt ist. Ähnlich sind MR-Bauteile Mc1, Mc2,
..., Mcm mit einer Phase von 180° in
Reihe als ein magnetisches Detektionsbauteil C verbunden, das ein
Brückenelement
auf der Erdungs-VSS-Seite
ist. Ähnlich
sind MR-Bauteile Mb1, Mb2, ..., Mbm mit einer
Phase von 90° in
Reihe verbunden als ein magnetisches Detektionsbauteil B. MR-Bauteile Md1, Md2,
..., Mdm mit einer Phase von 270° sind
in Reihe verbunden als ein magnetisches Detektionsbauteil D. Diese
Detektionsbauteile A bis D sind verbunden zwischen der Stromversorgung VDD
und der Erdung VSS, wobei eine Brücke gebildet wird.
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In der Realität, unter der Annahme, dass λ = 400 μm ist und
die Zahl von Sätzen
von MR-Bauteilfeldern m = 5 bis 6 ist, beträgt die Länge des Bereichs der MR-Bauteilfelder 2 bis
3 mm. Somit sollte der IC-Chip 204 in solch einem Bereich
so strukturiert sein, dass er die MR-Bauteilfelder abdeckt.
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16 zeigt
den Fall von N = 0. 18 zeigt die
Beziehung zwischen den Magnetisierungs-Schrittbreiten λ und der
Anordnung von MR-Bauteilen in dem Fall von N = 1 und 2. Mit anderen
Worten sind in dem Fall von N = 1, die MR-Bauteilschrittbreiten 3 λ/4. In dem
Fall von N = 2, sind die MR-Bauteilschrittbreiten
5 λ/4. Wie
aus 16 klar ist, sind
in dem Fall, dass die Magnetisierungs-Schrittbreiten λ klein sind,
wenn N erhöht
wird, die präzisen
Bedingungen für
ein maschinelles Herstellen der MR-Bauteile erleichtert.
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Wie oben beschrieben wird, da MR-Bauteile mit
der selben Phase der m-Sätze
von MR-Bauteilfeldern in Reihe verbunden sind, die Impedanz jedes Brückenelementes
hoch. Somit, wenn die Spannung der Stromversorgung konstant ist,
ist der Strom erniedrigt. Folglich ist der Leistungsverbrauch reduziert.
Wenn die MR-Bauteile abweichen, weichen die Magnetisierungs-Schrittbreiten
des ersten Elementes 1 ab, oder die Intensität der Magnetisierung weicht
ab; sie sind ausgeglichen. Somit ist es nicht notwendig Einstellungen
in der Signalverarbeitungsstufe auszuführen. Zusätzlich ist es nicht notwendig einen
Widerstand durch ein Feinabstimmverfahren einzustellen. Darüber hinaus
können
Einflüsse
einer Verschlechterung der Intensität der Magnetisierung, eine
Beschädigung
der Muster von MR-Bauteilen, und eine Kontaminierung durch Eisenpulver
gelindert werden. Somit können
stabile Eigenschaften erhalten werden.
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In 14 sind
die Metallverdrahtungsleitungen 305, welche den MOS-Transistor 301 verbinden, der
ein Bauteil auf dem IC-Chip 204 ist, und ein MR-Bauteil
Ma1 gezeigt. Jedoch wenn die MR-Bauteilfelder strukturiert sind,
wie in 16 gezeigt ist, sollten
die MR-Bauteile gegenseitig verbunden sein. 19A bis 19C zeigen ein Beispiel der Struktur der Verdrahtungsverbindungen
der MR-Bauteilfelder,
die in 16 gezeigt sind. 19A ist eine Draufsicht, welche die MR-Bauteilfelder
zeigt. 19B ist eine Schnittansicht,
die längs
der Linie I-I' von 19A genommen wurde. 19C ist eine Schnittansicht, die längs der
Linie II-II' von 19A genommen wurde.
Bei diesem Beispiel sind, wobei die Metallverdrahtungsleitungen 305,
die in 14 gezeigt sind und
Metallverdrahtungsleitungen 304 auf der selben Schicht
sind, MR-Bauteile mit derselben Phase der MR-Bauteilfelder, die
in 16 gezeigt sind,
verbunden. Die Metallverdrahtungsleitungen 305 sind mit
einem Schutzfilm 306 beschichtet.
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Da die Metallverdrahtungsleitungen 305 gleichermaßen die
MR-Bauteile 205 gegenüber
dem ersten Element 1 durchqueren, beeinflussen die Metallverdrahtungsleitungen 305 die
Detektion der Änderung
der Magnetisierung nicht nachteilig.
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20 ist
ein schematisches Diagramm, welches eine zweischichtige Verdrahtungsstruktur von
Verdrahtungsleitungen von MR-Bauteilen 205 zeigt. Mit horizontalen
Verdrahtungsleitungen 305a auf einer ersten Schicht (gekennzeichnet
durch gestrichelte Linien) und vertikalen Verdrahtungsleitungen 305b,
welche die Verdrahtungsleitungen 305a und MR-Bauteile 205 auf
einer zweiten Schicht verbinden (bezeichnet durch durchgehende Linien)
sind MR-Bauteile 205 mit derselben Phase in Reihe verbunden.
Obwohl der Verdrahtungsprozess kompliziert wird, können die
MR-Bauteile gegenseitig verbunden sein ohne die Notwendigkeit die
Verdrahtungsleitungen auf den MR-Bauteilen 205 zu queren.
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Alternativ können die vertikalen Verdrahtungsleitungen 305 mit
einem magneto-resistiven Film
hergestellt sein, der dasselbe Material ist, wie die MR-Bauteile 205 als
eine erste Schicht zusammen mit den MR-Bauteilen 205. In
diesem Fall werden die horizontalen Verdrahtungsleitungen 305a, die
durch gestrichelte Linien gekennzeichnet sind, als eine zweite Schicht
gebildet. In diesem Fall wird, da zwei Verdrahtungsschichten anders
als bei den MR-Bauteilen nicht erforderlich sind, der Verdrahtungsprozess
einfach. Selbst, falls die vertikalen Verdrahtungsleitungen aus
dem selben Film gebildet sind, wie die MR-Bauteile, wenn die Längen der
vertikalen Verdrahtungsleitungen 305b dieselben sind, wie
in 20 gezeigt ist, beeinflussen
sie nicht die Detektion der Änderung
des magnetischen Feldes.
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20 zeigt
nur serielle Verdrahtungsverbindungen der MR-Bauteile, wie bei der
in 19 gezeigten Struktur. Jedoch sind
in der Realität,
wie in 17 beschrieben,
Verdrahtungsleitungen von Brückenschaltungen
von vier Detektionsbauteilen A, B, C und D notwendig wovon die MR-Bauteile
in Reihe verbunden sind.
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Die Montagestruktur des IC-Chips 204 kann auf
verschiedene Weisen modifiziert werden. 21A und 21B sind perspektivische Ansichten, die
ein FPC-Substrat 401 zeigen,
das als ein zweites Element 2 verwendet wird. 21A zeigt eine Oberfläche gegenüberliegend einem ersten Element (nicht
gezeigt). 21B zeigt die rückseitige
Oberfläche
von 21A. Ein IC-Chip 204 auf
dem die MR-Bauteile 205 integral angeordnet sind, ist auf
der rückseitigen
Oberfläche
eines FPC-Substrates 401 angeordnet, bei dem Verdrahtungsleitungen 402 und Eingangs/Ausgangsanschlüsse 403 auf
der vorderen Oberfläche
desselben gedruckt sind.
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Somit sind der IC-Chip 204 und
die MR-Bauteile 205 gegenüberliegend dem ersten Element
angeordnet durch das FPC 401-Substrat. Folglich können die
Schaltbauteile effektiv vor einer Kontaminierung usw. geschützt sein.
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Die Montagestruktur, die in 21 gezeigt ist, kann mit einem TAB-Substrat
sowie auch mit einem FPC-Substrat erhalten werden. Zusätzlich kann diese
Struktur ebenso mit einem Glasepoxysubstrat, einem Glassubstrat,
einem Keramiksubstrat oder dergleichen erhalten werden.
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22 ist
eine Schnittansicht, die eine Struktur ähnlich der gemäß der in 12 gezeigten Ausführungsform
zeigt. Die Struktur, die in 22 gezeigt
ist, wird erhalten mit einem Isolationssubstrat 201, das
keinen konkaven Abschnitt aufweist. In diesem Fall wird ein Harz 213,
das einen IC-Chip 204 versiegelt in einer konvexen Form
gebildet.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist ein MR-Bauteilfeld integral auf einem IC-Chip gebildet. Jedoch
ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Struktur beschränkt. Stattdessen
wird die vorliegende Erfindung auf eine Struktur angewandt aus welcher
ein MR-Bauteilfeld auf einem Isolationssubstrat gebildet ist als
ein zweites Element unabhängig
von einer Signalverarbeitungsschaltung. 23A und 23B zeigen ein Beispiel einer derartigen Struktur. 23A ist eine Draufsicht, welche die Struktur
zeigt. 23B ist eine Schnittansicht,
die längs
der Linie III-III' von 23A aufgenommen wurde.
Bei dieser Ausführungsform
sind MR-Bauteile 205 auf einem Isolationssubstrat 201 gebildet,
das Durchgangsöffnungen 402 aufweist.
Das Isolationssubstrat 201 ist aus Keramik oder dergleichen
gebildet. Verdrahtungsleitungen 401, welche die MR-Bauteile 205 in
Reihe verbinden, sind auf der Rückoberfläche des
Isolationssubstrats 201 gebildet. Ein IC-Chip (nicht gezeigt)
ist auf der Rückoberfläche des Isolationssubstrates 201 als
eine Oberfläche
gegenüberliegend
dem ersten Element 1 angeordnet.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen
wurde eine Detektionsschaltung von welcher vier-Phasen MR-Bauteile
in Reihe verbunden sind, als eine Brückenschaltung verbunden sind,
beschrieben. Jedoch kann die vorliegende Erfindung ebenso effizient
auf ein anderes Detektionssystem angewandt werden, bei welchem die
Differenz von Ausgangssignalen von MR-Bauteilen mit Phasen, die sich
voneinander um 180° unterscheiden,
ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
mit Bezug zu den Ausführungsformen
der besten Art gezeigt und beschrieben wurde, sollte für Fachleute
verständlich
sein, dass die vorgehenden und verschiedene andere Änderungen,
Weglassungen und Hinzufügungen
in der Form und in Einzelheiten davon vorgenommen werden können daran,
ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er durch
die angefügten
Ansprüche
definiert ist.
