DE69833668T2

DE69833668T2 - Digitaler geber zur messung einer relativen position

Info

Publication number: DE69833668T2
Application number: DE69833668T
Authority: DE
Inventors: Francis Travostino; John A. Farmington SANTOS; E. Mark New Hartford LACROIX; J. Stephen Torrington LYLE
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2018-09-26
Also published as: EP1017967A1; US6400143B1; JP4052798B2; WO1999017082A1; FR2769088B1; DE69833668D1; EP1017967B1; JP2001518609A; FR2769088A1

Description

Die Erfindung bezieht auf einen digitalen, relativen Positionssensor vom magnetischen Typ, welcher einen Referenzimpuls pro Umdrehung liefert, insbesondere wie sie in Lagersensoren für Automobile oder industrielle Anwendungen verwendet werden. Ein solcher Sensor kann in die Radlager oder in die Lager der Lenksäule von Kraftfahrzeugen montiert sein, um die Navigationssysteme zu informieren, oder um die Fahrzeugtrajektorie zu kontrollieren, oder z.B. auch in Systemen zur Kontrolle und zur Steuerung der Position eines Roboters oder eines elektrischen Motors.
Ein relativer Positionssensor, welcher zusätzlich ein Ausgangssignal, genannt „Top Tour", liefert, welches durch einen einzigen Impuls pro Umdrehung gebildet wird, dessen Länge oder dessen Dauer in Abhängigkeit von Vorrichtungen variieren kann, ist sehr interessant, da dieses Signal als Referenz verwendet werden kann, um Reinitialisierungen von Verarbeitungssystemen ausführen zu können, die dem Sensor nachgelagert sind, und um, durch Aufwärts-/Abwärtszählen die Position eines Rotors im Verhältnis zu dieser Referenzposition zu kennen.
Es existieren gegenwärtig relative Positionssensoren. vom Typ optischer Coder, welche digitale Signale am Ausgang abgeben, welche jedes eine Anzahl von Impulsen besitzen, die pro Umdrehung bestimmt sind und elektrisch um 90° zueinander in Phase verschoben sind, um die Drehrichtung zu unterscheiden. Solche Signale sind in 1 dargestellt, wo sie mit A und B bezeichnet sind, sowie ein Referenzsignal „Top Tour" C, das aus einem einzigen Impuls pro Umdrehung besteht, dessen steigende Flanke einer beliebigen Flanke der Signale A oder B entspricht, aber dessen abfallende Flanke der folgenden Flanke des anderen Signals entspricht.
Aus Gründen der Zuverlässigkeit ist die Verwendung dieser Sensoren vom optischen Typ auf Anwendungen begrenzt, die in wenig strengen Umgebungen verwirklicht werden, welche ein geringes Verschmutzungsniveau und eine Umgebungstemperatur unter 100°C vorweisen.
Es existieren gleichermaßen Sensoren vom magnetischen Typ, welche unter strengeren industriellen Bedingungen arbeiten können und welche wirtschaftlich vorteilhaft sind. Sie können einerseits aus einem multipolaren magnetischen Ring bestehen, auf welchem eine Abfolge von Nord- und Südpolen eingeprägt ist, und welcher mit dem beweglichen Teil des Bauteils in Bewegung verbunden ist, dessen relative Position man sucht, und andererseits aus einem oder mehreren magnetischen Sensoren, welche mit dem festen Teil des Bauteils verbunden sind. Diese magnetischen Sensoren sind z.B. Hall-Effektsonden oder magnetoresistive Son- den, welche in die Lager integriert sein können.
Im Gegensatz dazu müssen. in dem Fall, wo ein solcher relativer Positionssensor vom magnetischen Typ eine Referenzinformation „Top Tour" abgeben muss, die magnetischen Spuren, Hauptspur und „Top Tour", voneinander genügend gespreizt sein wegen den starken magnetischen Einflüssen, welche sich zwischen ihnen auswirken, was einen großen Platzbedarf hervorruft. Dies gilt insbesondere, wenn man die von der Hauptspur ausgegebenen Signale verwenden möchte, um elektronisch die Auflösung der Ausgangssignale durch bekannte Interpolationsverfahren zu erhöhen. Dieser Nachteil kann die Montage eines solchen Sensors in bestimmten Bauteils, wo der Raum reduziert ist, verhindern.
Die Erfindung trachtet danach, diesen Nachteilen abzuhelfen, indem sie einen relativen Positionssensor vorschlägt, der in der Lage ist, ein Referenzsignal „Top Tour" zu generieren, von reduzierten Dimensionen und in der Lage, sich von verschiedenen Toleranzen des Zusammenfügens von magnetischen Sensorelementen gegenüber multipolaren magnetischen Ringen zu befreien, welche in Rotation fest mit drehenden Bauteils verbunden sind.
Dazu ist es die Aufgabe der Erfindung, einen digitalen relativen Positionssensor, welcher einerseits einen kreisförmigen multipolaren magnetischen Ring umfasst, auf welchem eine Vielzahl von Paaren von Nord- und Südpolen aufmagnetisiert sind, gleich verteilt, von konstanter bestimmter Winkelgröße, in Rotation beweglich gegenüber einem festen magnetischen Sensor, bestehend aus wenigstens zwei empfindlichen Elementen, gelegen auf einem gleichen Radius des Rings und entfernt um eine Länge d, jeweils positioniert in Bezug auf die Hauptspur und die Referenzspur „Top Tour", und andererseits aus einer Vorrichtung zur Verarbeitung von Ausgangssignalen, die durch die empfindlichen Elemente ausgegeben werden, dazu bestimmt, einen Referenzimpuls zu geben pro Umdrehung eines Elements, das in Rotation fest verbunden ist mit dem multipolaren Ring, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem multipolaren Ring ein magnetisches Muster verwirklicht ist, ausgehend von einem Paar von Polen Nord und Süd, deren Transition unterschiedlich ist zu der Transition zwischen jedem Pol Nord und Süd des Ringes, und dessen Winkelgröße des Nordpols einerseits gleich zu der des Südpols ist auf der Höhe der Hauptspur und andererseits unterschiedlich auf Höhe der Referenzspur „Top Tour".
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung besteht der magnetische Sensor aus drei empfindlichen Elementen, von denen das erste sich mit Bezug auf die Referenzspur „Top Tour" befindet und von denen die zwei anderen sich mit Bezug auf die magnetische Hauptspur befinden, derart, dass einer der zwei sich auf demselben Radius des magnetischen Ringes befindet wie das empfindliche Element der Referenzspur mit einem Abstand d und dass sie zueinander verschoben sind entlang der Hauptspur, um jeweilige Signale in Quadratur abzugeben.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung besteht der magnetische Sensor aus zwei Stegen empfindlicher magnetischer Elemente, die sich mit Bezug auf die zwei magnetischen Spuren, Hauptspur und Referenzspur „Top Tour", befinden, sind parallel und beabstandet um eine Länge d und bestehen jeweils aus einer Vielzahl empfindlicher Elemente, vorzugsweise geradzahlig und gleich für die zwei Stege, wobei jedes empfindliche Element eines Steges sich mit Bezug auf ein empfindliches Element des anderen Steges befindet.
Die Erfindung wird vorteilhafterweise verwendet in Lagersensoren für automobile Anwendungen, wie die Navigation und die Trajektorienkontrolle mittels Radlager oder Lenksäule, oder für industrielle Anwendungen, wenn man die Position eines Bauteils, wie z.B. eines elektrischen Motors, kontrollieren und steuern muss.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung ersichtlicher werden, von mehreren nicht beschränkenden Ausführungsformen, gezeigt durch die folgenden Zeichnungen, welche sind:
1: eine grafische Darstellung von Ausgangssignalen eines digitalen relativen Positionssensors mit Referenzpuls „Top Tour";
2, 7, 10: ein Teil eines digitalen Sensors gemäß der Erfindung, in einer Draufsicht verschiedener Ausführungsformen;
3a und 3b: eine grafische Darstellung von magnetischen Feldprofilen, welche entlang eines Radius eines multipolaren magnetischen Coders beobachtet werden;
4a bis 4j: unterschiedliche magnetische Muster eines digitalen Sensors gemäß der Erfindung;
5, 8, 11: ein elektronisches Schema unterschiedlicher Ausführungsformen der Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen eines digitalen Sensors gemäß der Erfindung;
6, 9, 12: eine grafische Darstellung von elektrischen Signalen, die in der Vorrichtung zur Verarbeitung des digitalen Sensors gemäß der Erfindung vorhanden sind;
13 bis 15: unterschiedliche analoge elektrische Signale, welche für die Vorrichtung zur Verarbeitung unterschiedlicher digitaler Sensoren gemäß der Erfindung charakteristisch sind.
Die Elemente, welche in den verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen tragen, erfüllen die gleichen Funktionen angesichts der gleichen Resultate.
Der digitale relative Positionssensor, welcher Gegenstand der Erfindung ist, ist verwirklicht ausgehend von einem multipolaren, kreisförmigen magnetischen Ring, fest verbunden mit einem beweglichen Teil eines Bauteils, dessen relative Winkelposition man misst, derart, dass er gleichzeitig mit diesem in Drehung mitgezogen wird.
Wie es 2 zeigt, umfasst dieser magnetische Ring 1, auf einer seiner Seiten, eine Vielzahl von gleich verteilten Polen Nord und Süd, welche derart aufeinander folgen, dass ein Nordpol bzw. Südpol immer von zwei Südpolen bzw. Nordpolen umgeben ist. Die mittlere Winkelgröße der Nord- und Südpole verbleibt konstant.
Der digitale Sensor umfasst gleichermaßen wenigstens zwei empfindliche Elemente 6 und 7, beabstandet um eine Länge d folgend einem Radius r, und jeweils positioniert mit Bezug auf die Hauptspur 4 und die Referenzspur „Top Tour" 5. Das empfindliche Element 6 der magnetischen Sensorvorrichtung 11 liest das durch die magnetische Hauptspur 4 ausgestrahlte Magnetfeld, während gleichzeitig das empfindliche Element 7 das durch die Referenzspur 5 ausgestrahlte Magnetfeld liest.
Gemäß einer fundmentalen Eigenschaft der Erfindung umfasst der magnetische Ring 1 ein spezifisches magnetisches Muster 10, gebildet von zwei benachbarten Polen, Nord und Süd, welche durch eine magnetische Transition von besonderer Form getrennt sind, unterschiedlich von der theoretischen radialen Transition zwischen den anderen Polen des Ringes, derart, dass die Winkelgröße von Nord- und Südpolen des winkelförmigen Musters auf Höhe der Referenzspur „Top Tour" 5 unterschiedlich von der der anderen Pole ist.
In einer ersten Ausführungsform, entsprechend dem besonderen Fall der 2, wo die Hauptspur 4 ein Kreis ist, welcher den magnetischen Ring 1 in zwei Teile gleicher Größe teilt, erfolgt die magnetische Transition 3 zwischen den zwei Polen Nord und Süd des spezifischen Musters 10 gemäß einem Geradensegment, geneigt um einen Winkel α im Verhältnis zur Richtung von Transitionen zwischen den Nord- und Südpolen. anderer Paare des Rings, welcher hier übergeht in einen Radius r des Rings, in Punktierung, wobei die Mitte R der Drehung des Winkels α sich auf der Hauptspur 4 befindet. Das zweite empfindliche Element 7 der magnetischen Sensorvorrichtung 11 ist auf einem Kreis von unterschiedlichem Durchmesser gelegen, in diesem Fall größer als derjenige der Hauptspur 4, derart, dass das magnetische Feld, welches es auf dieser Referenzspur liest, eine Besonderheit auf Höhe des magnetischen Musters 10 aufweist, von dem die zwei Pole Nord und Süd von unterschiedlicher Größe sind.
In dem Fall eines Rings, dessen zylindrische äußere Oberfläche magnetisiert ist, welcher einen linearen multipolaren magnetischen Sensor verwirklicht, auf welchem die Transitionen zwischen den Polen ineinander übergehen mit den Richtungen des äußeren zylindrischen Rings, weist das Muster eine um einen Winkel α im Verhältnis zur Transition zwischen den anderen Polen geneigte Transition auf.
Die 3a und 3b zeigen eine typische Lesung des verfügbaren magnetischen Felds B folgend einer Richtung y, welche durch einen Radius des multipolaren magnetischen Rings 1 hindurchgeht, vorzugsweise in der Mitte eines Pols, jeweils in dem Fall eines Rings, von dem eine der Seiten magnetisiert ist, und in dem Fall eines linearen Rings. Die zwei Kurven weisen jede ein Plateau 18 oberhalb des magnetisierten magnetischen Materials auf, zwischen dem inneren Durchmesser Φ_INT und äußerem Durchmesser Φ_EXT, und Abnahmen 19, wenn man sich dem Rand des magnetisierten Teils nähert. Wenn der Abstand zwischen den empfindlichen Elementen, angeordnet oberhalb der zwei magnetischen Spuren 4 und 5, d ist, und wenn die mechanischen Positioniertoleranzen entlang der Richtung eines Radius y des Sensors 11 im Verhältnis zu den Spuren 4 und 5 2T ist, dann muss, um sich von den Toleranzen der Montage folgend diesem Radius y zu befreien, die Länge des Plateaus 18 wenigstens gleich d + 2T sein, um ein brauchbar konstantes magnetisches Feld und ein gutes Funktionieren der spezifischen Verarbeitung „Top Tour" zu erhalten.
Die 4a und 4b zeigen ein magnetisches Muster 10, das auf einem multipolaren Ring 1 verwirklicht ist, von dem die Hauptspur nicht in der Mitte zentriert ist, sondern zum inneren Durchmesser bzw. zum äußeren Durchmesser verschoben ist. Die Transition erfolgt wie diejenige der 2, d.h. folgend einem Geradensegment erhalten durch Rotation eines Radius r um einen Winkel α und um eine Mitte R gelegen auf der Hauptspur 4. Diese Konzeption erlaubt es, die Größe des magnetischen Ringes zu optimieren, indem z.B. seine Größe reduziert wird.
Die 4c und 4d zeigen eine zweite Ausführungsform eines magnetischen Musters, von dem die spezifische Transition 3 aus zwei Geradensegmenten besteht, ein erstes Segment 31 gemäß einem Radius r des magnetischen Rings 1, welcher das Muster in zwei gleiche Teile teilt, um eine konstante Winkelgröße von Polen auf Höhe der Hauptspur 4 beizubehalten, sowie auf Höhe benachbarter Durchmesser, welche bei ± 2T gelegen sind, und ein zweites Segment 32, welches um einen Winkel β im Verhältnis zum ersten Segment auf Höhe der Referenzspur 5 geneigt ist.
In den 4e und 4f besteht die magnetische Transition 3 zwischen den zwei Polen Nord und Süd des Musters 10 aus einem ersten Geradensegment 33, welches in einen Radius r des magnetischen Rings 1 übergeht, welcher das Muster 10 in zwei gleiche Teile teilt, gemäß der klassischen Transition auf Höhe der Hauptspur 4 und benachbarte Durchmesser bei ± 2T, und einem zweiten Geradensegment 34, welches in einen Radius r' übergeht, verschoben um einen Winkel δ im Verhältnis zum Radius r. Dieses zweite Geradensegment teilt das Muster 10 in zwei ungleiche Teile, behält aber eine konstante Polwinkelgröße auf Höhe der Referenzspur 5 und benachbarte Durchmesser bei ± 2T bei, anlässlich der elektronischen Bearbeitung des Referenzsignals „Top Tour", wenn der multipolare magnetische Ring 1 auf einer ebenen Seite oder auf seinem äußeren zylindrischen Kranz magnetisiert ist.
Eine Variante der vorstehenden Transition ist in den 4g und 4h dargestellt, für welche die Geradensegmente 33 und 34, auf Höhe der zwei magnetischen Spuren 4 und 5 gelegen, auf Höhe der Mitte des multipolaren Rings durch eine Schleife bzw. Kurve 35 verbunden sind, dazu bestimmt, die magnetischen. Einflüsse zwischen den Spuren abzuschwächen.
Eine andere Variante desselben Typs der Transition ist in den 4i und 4j dargestellt, für welche die Geradensegmente 33 und 34 durch eine S-förmige Kurve 36 auf Höhe der Mitte des Rings verbunden sind.
Die zwei empfindlichen Ele4mente 6 und 7 der magnetischen Sensorvorrichtung 11 geben jeweils die elektrischen Signale S₆ und S₇ ab, deren elektronische Verarbeitung durch eine spezifische Vorrichtung 12 es erlaubt, ein Referenzsignal „Top Tour" C zu erhalten, dargestellt in 5. Diese Vorrichtung 12 zum Erzeugen eines Referenzimpulses besteht zuallererst aus einer Differenzschaltung 8, welche die analoge Differenz zwischen den Eingangssignalen S₆ und S₇ ausführt, um ein analoges Referenzsignal „Top Tour" S_TT abzugeben. Die Vorrichtung 12 besteht dann aus einer Vergleichsschaltung 9, dazu bestimmt, das analoge Referenzsignal S_TT mit einer festen Referenzschwelle S_SE zu vergleichen, welche zwischen den oberen und unteren Grenzen des Signals S_TT gewählt ist, unabhängig von der Betriebstemperatur. Dann wird die Amplitude des analogen Referenzsignals S_TT einerseits mit einem ersten Betriebsfaktor für hohe Temperaturen gewichtet, der sie auf Höhe der Transition zwischen den Polen Nord und Süd des magnetischen Musters 10 abschwächt, und andererseits durch einen zweiten Betriebsfaktor bei tiefen Temperaturen, der sie außerhalb des Musters erhöht. Am Ausgang des Vergleichers 9 wird ein digitales Referenzsignal C „Top Tour" erzeugt, welches als Referenzimpuls dient, sei es ob nun die elektrischen Signale S₆, S₇, S_TT und S_SE Spannungen oder Ströme sind.
Diese unterschiedlichen Signale sind grafisch in 6 dargestellt, für den Teil des multipolaren magnetischen Rings 1, der in 2 betrachtet wurde.
Um sich von dem Einfluss von Variationen der Temperatur einerseits und des Spaltes andererseits zu befreien, wobei der Spalt der Abstand zwischen der Oberfläche des multipolaren magnetischen Rings 1 und den empfindlichen Elementen des magnetischen Sensors 11 ist, schlägt die Erfindung eine elektronische Verarbeitung von Signalen vor, welche durch die empfindlichen Elemente des Sensors 11 ausgesandt werden, welche ratiometrisch im Verhältnis zu einem anderen Signal ist, dessen Amplitude parallel zu ihrer variiert. Tatsächlich vermindert sich das magnetische Feld sowie die Empfindlichkeit der magnetischen Sensoren insbesondere, wenn sich die Temperatur erhöht, sowie sich auch gleichermaßen das magnetische Feld vermindert, wenn sich der Spalt erhöht. Auch ist es interessant, das Zusammentreffen dieser zwei physikalischen Phänomene zu berücksichtigen.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante des magnetischen Sensors 11, welcher Teil des relativen digitalen Positionssensors gemäß der Erfindung bildet, besteht dieser magnetische Sensor 11 aus drei empfindlichen Elementen, von denen sich das erste 7 mit Bezug auf die Referenzspur 5 befindet wie zuvor und von denen die zwei anderen 61 und 62 sich mit Bezug auf die magnetische Hauptspur 4 befinden, um das vom multipolaren magnetischen Ring 1 ausgestrahlte magnetische Feld zu lesen.
Diese empfindlichen Elemente 61 und 62, von denen eines auf dem gleichen Radius des magnetischen Rings gelegen ist wie das empfindliche Element der Referenzspur, sind zueinander entlang der Hauptspur 4 derart verschoben, dass, wenn eines der Elemente, wie z.B. 61, sich gegenüber einer magnetischen Transition zwischen zwei Polen Nord und Süd befindet, sich das andere Element, in diesem Fall 62, in der Mitte eines magnetischen Pols befindet, anders gesagt, dass sie in Quadratur sind.
Im Fall der 7 erscheinen die zwei empfindlichen Elemente 61 und 62 der Hauptspur 4 oberhalb desselben Südpols, wobei aber der Ring in Rotation ist, sie können sich oberhalb zweier unterschiedlicher Pole befinden.
Die elektronische Verarbeitung der Signale S₆₁, S₆₂ und S₇, im Ausgang des magnetischen Sensors 11 ausgesandt, wird durch eine Vorrichtung 120 zum Erzeugen eines Referenzimpulses C verwirklicht, welche umfasst, wie es die 8 zeigt, zuallererst eine Differenzschaltung 80, dazu bestimmt, die analoge Differenz zwischen dem Signal S₆₁ ausgesandt durch das Sensorelement der Hauptspur 4, und dem Signal S₇, ausgesandt durch das Sensorelement 7 der Referenzspur 5, gelegen auf dem gleichen Radius des Rings 1 wie diese, zu bewirken. Es resultiert daraus ein analoges Referenzsignal S_TT „Top Tour". Die Vorrichtung 120 umfasst dann zwei Vergleichsschaltungen 91 und 92. Der erste Vergleicher 91 vergleicht das Signal S₆₂ des empfindlichen Elements 62 in Quadratur mit dem Element 61, mit dem analogen Signal „Top Tour" S_TT, um ein digitales Signal D₁ zu liefern, das beim Zustand logisch 1 ist, wenn das Signal S₆₂ größer als das Signal S_TT ist, und im Zustand 0 andernfalls, und der zweite Vergleicher 92 vergleicht dieses gleiche Signal S₆₂, mit dem Signal S₆₁, ausgegeben durch das andere empfindliche Element 61, um ein Digitalsignal S₂ zu liefern, welches beim Zustand logisch 1, wenn das Signal S₆₂ größer als das Signal S₆₁, ist, und im Zustand 0 andernfalls. Der Vergleicher 92 ist verbunden mit einem Detektor einer Fallenden Flanke 13, dessen Ausgangssignal D₃ einen Impuls bei jeder fallenden Flanke des logi schen Signals D₂ erzeugt. Dann treten die binären Signale D₁ und D₃ in ein logisches Gatter ET 14 ein, um ein digitales Signal D₄ zu erzeugen, welches aus einem einzigen Impuls 16 pro Umdrehung des multipolaren magnetischen Rings 1 besteht.
Die Gesamtheit dieser beschriebenen Signale ist grafisch in 9 dargestellt.
Dieser einzige Impuls 16, welcher lediglich ein Mal pro Umdrehung erscheint und immer an der gleichen Position mit Bezug auf den magnetischen Ring 1, dient als steigende Flanke des Referenzimpulses 17 des binären Signals C „Top Tour", von dem die Dauer des Zustands hoch im Verhältnis zum Ausgangssignal gewünscht durch eine Synchronisationsschaltung 15 eingestellt wird, welche im Eingang das Digitalsignal D₄ sowie die Signale A und B erhält. Diese Ausführungsform der Vorrichtung 120 zur Erzeugung ist ein nicht begrenzendes Beispiel.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante von empfindlichen Elementen der Erfindung umfasst der relative digitale Positionssensor 2 Stege empfindlicher magnetischer Elemente 20 und 21, dazu bestimmt, einerseits von einer präzisen Positionierung zwischen zwei aufeinander folgend gelegenen Elementen mit Bezug auf die magnetische Hauptspur 4 zu befreien und andererseits eine Berücksichtigung von unterschiedlichen möglichen Winkelgrößen von Nord- und Südpolen.
Wie es die 10 zeigt, sind die Stege 20 und 21, angeordnet mit Bezug auf zwei magnetische Spuren, Hauptspur 4 und „Top Tour" 5, parallel und um eine Länge d beabstandet, bestehend jeweils aus einer Vielzahl empfindlicher Elemente 20_i und 21_i , wobei i eine ganze positive Zahl ist, vorzugsweise gerade und gleich für die zwei Stege, wobei jedes empfindliche Element eines Steges mit Bezug auf ein empfindliches Element des anderen Steges angeordnet ist.
Die Vorrichtung 121 zum Erzeugen eines Referenzsignals „Top Tour" C umfasst, gemäß 11, analoge Summationsmittel 22 der ersten Hälfte der Signale, die von dem Steg 20 ausgegeben werden, bezeichnet S₂₀₍₁₎ bis S_20(n), um ein analoges Signal E₁ zu liefern, dann analoge Summationsmittel 23 der zweiten Hälfte der Signale, die von demselben Steg 20 ausgegeben werden, bezeichnet S_20(n+1) bis S_20(2n), um ein anderes Analogsignal E₂ zu liefern, und schließlich analoge Summationsmittel 24 für Signale, die von dem zweiten Steg 21 ausgegeben werden, welche ein drittes Analogsignal E₃ liefern. Die Vorrichtung 121 umfasst dann eine analoge Summationsschaltung 25 der Signale E₁ und E₂, ausgegeben von den Summierern 22 und 23, welche ein Analogsignal S_SIN liefert, dann zwei analoge Differenzschaltungen 81 und 82, von denen die eine 81 die Differenz der Signale E₁ und E₂ bewirkt, die von den Summierern 22 und 23 ausgegeben werden, um ein analoges Signal S_COS zu liefern, und von denen die andere 82 die Differenz zwischen dem Signal S_SIN und dem Signal E₃ bewirkt, welche jeweils von den Summierern 25 und 24 ausgehen. Das Ausgangssignal der Differenzschaltung 82 ist das analoge Referenzsignal S_TT „Top Tour".
Wie für die vorstehende Ausführungsvariante umfasst die Vorrichtung 121 zur Erzeugung dann zwei Vergleicher, von denen einer 93 das Signal S_COS, ausgehend von dem Differenzierer, mit dem Analogsignal „Top Tour" S_TT vergleicht, um ein Digitalsignal D₁ zu liefern, das beim Zustand logisch 1 ist, wenn das Signal S_COS größer als S_TT ist, und im Zustand 0 anderenfalls, und von dem der andere 94 dieses selbe Signal S_COS mit dem Signal S_SIN vergleicht, ausgehend vom dem Summierer 25, um ein Digitalsignal D₂ zu liefern, gleich 1, wenn das Signal S_COS größer als S_SIN ist, und gleich 0 im umgekehrten Fall. Der Vergleicher 94 ist mit einem Detektor einer fallenden Flanke 13 verbunden, von dem das Ausgangssignal D₃ einen Impuls bei jeder fallenden Flanke des logischen Signals D₂ erzeugt. Ein logisches Gatter ET 14, wel ches die Binärsignale D₁ und D₃ empfängt, erzeugt ein digitales Signal D₄ in Form eines einzigen Impulses 16 pro Umdrehung des magnetischen Rings 1.
Eine Synchronisationsschaltung 15 empfängt diesen einzigen Impuls pro Umdrehung sowie die Signale A und B, um die Länge des hohen Zustands des Referenzimpulses 17 des Ausgangssignals „Top Tour" C im Verhältnis zum gewünschten Ausgangssignal einzustellen. Die 12 ist eine grafische Darstellung unterschiedlicher Signale, die im Verlauf der elektronischen Verarbeitung von Signalen erhalten wurde, die von den Stegen von magnetischen Sensorelementen ausgegeben wurden.
Die 13, 14 und 15 sind grafische Darstellungen elektrischer Signale E₃, S_SIN und des Referenzsignals „Top Tour" S_TT, welche zuvor beschrieben wurden, und ihren Äquivalenten auf den Durchmessern bei + oder -2T, relativ zu den 4a bis 4b, 4c bis 4d und 4e bis 4j.
Die empfindlichen Elemente des Sensors 6, 7, 61 und 62 wie die Stege 20 und 21 können vom Typ Hall-Effektsonde sein, oder eine magnetoresistive, amorphe Sonde oder eine riesenmagnetoresistive Sonde.

Claims

Digitaler relativer Positionssensor, umfassend einerseits einen kreisförmigen multipolaren magnetischen Ring, auf welchem eine Vielzahl von Paaren von Nord- und Südpolen aufmagnetisiert sind, gleichverteilt, von konstanter bestimmter Winkelgröße, in Rotation beweglich gegenüber einem festen magnetischen Sensor, bestehend aus wenigstens zwei empfindlichen Elementen, gelegen auf einem gleichen Radius des Rings und entfernt um eine Länge (d), jeweils positioniert in Bezug auf eine Hauptspur und eine Bezugsspur „Top Tour" und andererseits aus einer Vorrichtung zur Verarbeitung von Ausgangssignalen, die durch die empfindlichen Elemente ausgegeben werden, dazu bestimmt, einen Referenzimpuls zu geben pro Umdrehung eines Elements, das in Rotation fest verbunden ist mit dem multipolaren Ring, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem multipolaren Ring (1) ein magnetisches Muster (10) verwirklicht ist, ausgehend von einem Paar von Polen Nord und Süd, deren Transition unterschiedlich ist zu der Transition zwischen jedem Pol Nord und Süd des Ringes (1), und dessen Winkelgröße des Nordpols einerseits gleich zu der des Südpols ist auf Höhe der Hauptspur (4) und andererseits unterschiedlich auf Höhe der Referenzspur „Top Tour" (5), wobei die zwei Spuren (4) und (5) selber auf dem multipolaren Ring (1) gelegen sind.
Digitalsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transition (3) zwischen den Polen Nord und Süd des magnetischen Musters (10) ein Geradenabschnitt ist, geneigt um einen Winkel (α) im Verhältnis zur Richtung der Transitionen zwischen den Polen Nord und Süd anderer Paare des multipolaren Rings (1), wobei die Mitte (R) der Winkelrotation (α) sich auf der Hauptspur (4) befindet.
Digitalsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transition (3) zwischen den Polen Nord und Süd des magnetischen Musters (10) zusammengesetzt ist aus zwei Geradenabschnitten, einem ersten Abschnitt (31) gemäß einem Radius des magnetischen Rings (1), der das Muster in zwei gleiche Teile unterteilt, um eine konstante Pol-Winkelgröße zu bewahren auf Höhe der Hauptspur (4), und einem zweiten Abschnitt (32), geneigt um einen Winkel (β) im Verhältnis zum ersten Abschnitt auf Höhe der Referenzspur (5).
Digitalsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transition (3) zwischen den Polen Nord und Süd des magnetischen Musters (10) zusammengesetzt ist aus zwei Geradenabschnitten (33 und 34), von denen der eine (33) in einen Radius (R) des magnetischen Rings (1) übergeht, welcher das Muster (10) in zwei gleiche Teile teilt und von denen der andere (34) in einen Radius (R') übergeht, verschoben um einen Winkel (6) im Verhältnis zum Radius (R), wobei er das Muster (10) in zwei ungleiche Teile teilt.
Digitalsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Geradenabschnitte (33 und 34) durch einen Kreisbogen verbunden sind.
Digitalsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Geradenabschnitte (33 und 34), gelegen auf Höhe der zwei magnetischen Spuren (4 und 5) auf Höhe der Mitte des multipolaren Rings (1) durch eine Schleife (35), welche dazu bestimmt ist, die magnetischen Einflüsse zwischen den Spuren zu dämpfen, verbunden sind.
Digitalsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geradenabschnitte (33 und 34), gelegen auf Höhe der zwei magnetischen Spuren (4 und 5), verbunden sind auf Höhe der Mitte des multipolaren Rings (1) durch eine Schlaufe (36) in S-Form auf Höhe der Mitte des Rings.
Digitalsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetisierungsprofil des multipolaren magnetischen Rings (1), entlang eines Radius in der Mitte eines Pols, welches ein Plateau (18) und zwei Abnahmen (19) hin zu dem inneren und dem äußeren Durchmesser besitzt, die Länge des Plateaus muss mindestens gleich der Summe der Distanz (d) zwischen den empfindlichen Elementen des Sensors, welche mit Bezug zur Hauptspur bzw. zur Referenzspur befindlich sind, und der Positioniertoleranz (2T) auf einem Radius des Rings im Verhältnis zu zwei magnetischen Spuren.
Digitalsensor nach einem der Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Sensor (11) aus drei empfindlichen Elementen zusammengesetzt ist, von denen das erste (7) sich mit Bezug auf die Referenzspur (5) befindet und von denen die zwei anderen (61 und 62) sich mit Bezug auf die magnetische Hauptspur (4) befinden, derart, dass einer der zwei (61) sich auf demselben Radius des magnetischen Rings befindet wie das empfindliche Element (7) der Referenzspur mit einer Distanz (d) und dass sie zueinander verschoben sind entlang der Hauptspur (4), um jeweilige Signale in Quadratur abzugeben, das heißt, wenn eines dieser Elemente sich gegenüber einer magnetischen Transition zwischen zwei Polen Nord und Süd befindet, befindet sich das andere Element in der Mitte eines magnetischen Pols.
Digitalsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der magnetische Sensor (11) besteht aus zwei Stegen empfindlicher magnetischer Elemente (20 und 21), die sich mit Bezug auf die zwei magnetischen Spuren, Hauptspur (4) und Referenzspur „Top Tour" (5), befinden, sind parallel und beabstandet um eine Länge (d) und bestehen jeweils aus einer Vielzahl empfindli cher Elemente (20_i und 21_i ), wobei i eine ganze positive Zahl ist, vorzugsweise geradzahlig und gleich für die zwei Stege, wobei jedes empfindliche Element eines Steges sich mit Bezug auf ein empfindliches Element des anderen Steges befindet.
Digitalsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur elektronischen Verarbeitung der Signale (S₆ und S₇), die von zwei empfindlichen Elementen des magnetischen Sensors (11) stammen, umfasst: – eine Differenzierschaltung (8), welche die analoge Differenz zwischen den Eingangssignalen (S₆ und S₇) bewirkt, um ein analoges Referenzsignal „Top Tour" (S_TT) auszugeben; – eine Vergleichsschaltung (9), dazu bestimmt, das analoge Referenzsignal (S_TT) mit einer festen Referenzschwelle (S_SE) zu vergleichen, zwischen den oberen und unteren Grenzen des Signals (S_TT) gelegen, und welche ein digitales Referenzsignal (C) „Top Tour" erzeugt, welches als Referenzimpuls dient.
Digitalsensor gemäß den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur elektronischen Verarbeitung der von den drei empfindlichen Elementen (7, 61, 62) des magnetischen Sensors (11) abgegebenen Signale umfasst: – eine Differenzierungsschaltung (80); dazu bestimmt, die analoge Differenz zwischen dem Signal (S₆₁), ausgegeben durch das Sensorelement (6) der Hauptspur (4), und dem Signal (S₇), ausgegeben durch das Sensorelement (7) der Referenzspur (5) und auf dem gleichen Radius des Rings (1) gelegen wie dieser, und welche ein analoges Referenzsignal (S_TT) „Top Tour" abgibt; – eine erste Vergleichsschaltung (91), welche das Signal (S₆₂) des empfindlichen Elements (62) in Quadratur mit dem Element (61) vergleicht mit dem analogen Signal „Top Tour" (S_TT), um ein Digi talsignal (D₁) abzugeben, das im Zustand logisch 1 ist, wenn das Signal (S₆₂) größer ist als das Signal (S_TT) und im Zustand 0 im umgekehrten Fall, – eine zweite Vergleichsschaltung (92), welche das gleiche Signal (S₆₂) mit dem Signal (S₆₁) vergleicht, das durch das andere empfindliche Element (61) ausgegeben ist, um ein Digitalsignal (D₂) abzugeben, das im Zustand logisch 1 ist, wenn. das Signal (S₆₂) größer als das Signal (S₆₁) ist, und im Zustand 0 im umgekehrten Fall; – einen Detektor einer fallenden Flanke (13), verbunden mit dem Vergleicher (92), dessen Ausgangssignal (D₃) einen Puls erzeugt bei jeder fallenden Flanke des logischen. Signals (D₂); – ein logisches Gatter ET (14), welches im Eingang die binären Signale (D₁ und D₃) empfängt, um ein Digitalsignal (D₄) zu erzeugen, welches einen einzigartigen Puls (16) pro Umdrehung des multipolaren magnetischen Rings (1) bildet, welches immer an der gleichen Position im Verhältnis zum Ring erscheint; – eine Synchronisationsschaltung (15), welche am Eingang das digitale Signal (D₄) empfängt, sowie die Signale (A und B) und das digitale Referenzsignal „Top Tour" (C) erzeugt.
Digitalsensor nach den Ansprüchen (1) und (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur elektronischen Verarbeitung der von den zwei Stegen empfindlicher Elemente (20 und 21) ausgegebenen Signale umfasst: – Mittel zur analogen Summierung (22) der ersten Hälfte der vom Steg (20) ausgegebenen Signale, bezeichnet [S₂₀₍₁₎ bis S_20(n)], wobei es ein analoges Signal (E₁) ausgibt; – Mittel zur analogen Summierung (23) der zweiten Hälfte der von diesem gleichen Steg (20) ausgegebenen Signale, bezeichnet [S_20(n+1) bis S_20(2n)], wobei es ein anderes analoges Signal (E₂) ausgibt; – Mittel zur analogen Summierung (24) der von dem zweiten Steg (21) ausgegebenen Signale, wobei es ein drittes analoges Signal (E3) ausgibt; – analoge Summierschaltung (25) von Signalen (E₁ und E₂), ausgegeben von Summieren (22 und 23), welche ein Analogsignal liefert (S_SIN); – eine erste analoge Differenzierungsschaltung (81), welche die Differenz der von den Summierern (22 und 23) ausgegebenen Signale (E₁ und E₂) ausführt, um ein analoges Signal (S_COS) auszugeben; – eine zweite Differenzierungsschaltung (82), welche die Differenz zwischen dem Signal (S_SIN) und dem Signal (E₃) ausführt, jeweils von den Summierern (25 und 24) ausgegeben, um das analoge Referenzsignal (S_TT) „Top Tour" auszugeben; – einen ersten Vergleicher (93), welcher das von dem Differenzierer (81) ausgegebene Signal (S_COS) mit dem analogen Signal „Top Tour" (S_TT) vergleicht, um ein Digitalsignal (D₁) auszugeben, das im Zustand logisch 1 ist, wenn das Signal (S_COS) größer als (S_TT) ist, und im Zustand 0 im umgekehrten Fall; – einen zweiten Vergleicher (94), welcher dasselbe Signal (S_COS) mit dem Signal (S_SIN) vergleicht, das von dem Summierer (25) ausgegeben wird, um ein Digitalsignal (D₂) zu liefern, gleich 1, wenn das Signal (S_COS) größer als (S_SIN) ist, und 0 im umgekehrten Fall; – einen Detektor für fallende Flanken (13), verbunden mit dem zweiten Vergleicher, welcher einen Impuls (D₃) bei jeder fallenden Flanke des logischen Signals (D₂) liefert; – ein Logisches Gatter ET (14), welches die binären Signale (D₁ und D₃) empfängt, welches ein Digitalsignal (D₄) in Form eines einzigartigen Impulses (16) pro Umdrehung des magnetischen Rings (1) erzeugt; – eine Synchronisationsschaltung (15), welche diesen einzigartigen Impuls (16) pro Umdrehung empfängt, sowie die Signale (A und B), um das Ausgangssignal „Top Tour" (C) zu erzeugen.
Digitalsensor nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Elemente des Sensors (6, 7, 61 und 62) und die Stege (20 und 21) von empfindlichen Elementen vom Typ Hall-Effektsonde sind.
Digitalsensor nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Elemente des Sensors (6, 7, 61 und 62) und die Stege (20 und 21) von empfindlichen Elementen vom Typ amorphe magnetoresistive Sonde sind.
Digitalsensor nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Elemente des Sensor (6, 7, 61 und 62) und die Stege (20 und 21) empfindliche Elemente vom Typ riesenmagnetoresistive Sonde sind.