Es
gibt zahlreiche Vorrichtungen, bei denen Schaltungsanordnungen zur
Magnetfelddetektion eingesetzt werden. Darunter können Positionsmesseinrichtungen,
von denen hohe Präzision
und ein genauer Betrieb verlangt werden, als repräsentative Anwendungsbeispiele
bezeichnet werden. Als Positionsmesseinrichtungen, die eine Schaltungsanordnung
zur Magnetfelddetektion aufweisen, sind z.B. sog. Multiturn-Drehgeber
bekannt. Diese Positionsmesseinrichtungen umfassen zum einen Mittel
zur Feststellung des Positionsverschiebungsausmaßes innerhalb einer Umdrehung
ferner Mittel in Form einer Mehrumdrehungsfeststelleinheit zur Feststellung der
Umdrehungszahl. Die Mehrumdrehungsfeststelleinheit wiederum umfasst
etwa ein als Ringmagnet zur Mehrumdrehungs-Feststellung ausgebildetes Magnetelement
und eine Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion, um ein sich
veränderndes
Magnetfeld des Magnetelements zu erfassen. 8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines
repräsentativen Multiturn-Drehgebers.
Der
Multiturn-Drehgeber mit dem in 8 gezeigten
Aufbau weist eine Welle 12 auf, die an einem rotierenden
Körper
o.ä., bei
dem es sich um das zu messende Objekt handelt, angebracht und damit gekoppelt
ist. Ferner sind Lager 15, die die Welle 12 drehbar
halten, vorgesehen sowie ein Grundkörper 11 bzw. Gehäuse, an
dem diese Lager 15 fixiert sind. Damit die Welle des Drehkörpers mit
der Welle 12 des Multiturn-Drehgebers verbunden werden
kann, ist im unteren Bereich der Welle 12 eine Durchstecköffnung 12a mit
annähernd
dem gleichen Durchmesser wie diese Welle ausgebildet. Oberhalb des
Abschnitts, an dem die Lager 15 gehalten werden, ist eine
Teilscheibe 14 angebracht. Über dieser wiederum ist ein
Magnetelement 16 in Form eines Ringmagneten angeordnet.
Oberhalb der Teilscheibe 14 ist gegenüberliegend eine Grundplatte 13 bzw.
Platine angeordnet, die am Grundkörper 11 fixiert ist.
Ein Lichtempfangselement 19, das mit einem festen Abtastgitter 20 versehen
ist, ist an einer Stelle, die dem Teilungsbereich der Teilscheibe 14 gegenüberliegt, auf
der Grundplatte 13 angeordnet und elektrisch an Schaltkreise
auf der Grundplatte 13 angeschlossen. Ein Lichterzeugungselement 21 ist
unter der Teilscheibe 14 an einer der Anbringungsstelle
des Lichtempfangselements 19 entsprechenden Stelle angeordnet,
so dass das vom Lichterzeugungselement 21 erzeugte Licht über die
durchlässigen
Bereiche der Teilung der Teilscheibe 14 und das feste Abtastgitter 20 auf
das Lichtempfangselement 19 gelangt und dort detektiert
werden kann. Durch das Lichterzeugungselement 21, die Teilscheibe 14,
das Lichtempfangselement 19 usw. wird in bekannter Art
und Weise das Positionsverschiebungsausmaß innerhalb einer Umdrehung
gemessen.
Das
im Bereich oberhalb der Grundplatte 13 an der Welle 12 angebrachte
Magnetelement 16 ist so ausgebildet, dass sich seine Magnetpole
während einer
erfolgenden Umdrehung umkehren. Ein Magnetsensorelement 17,
das die Veränderung
der Magnetpole feststellt, ist so angeordnet, dass es der Umfangsfläche des
ringförmigen
Magnetelements 16 gegenüberliegt.
Ein Vorspannungsmagnet 18, um dem Magnetsensorelement 17 ein
Vorspannungsmagnetfeld zu verleihen, ist an jener Seite des Magnetsensorelements 17 ausgebildet,
die der Seite entgegengesetzt ist, welche der Umfangsfläche des
ringförmigen
Magnetelements 16 gegenübersteht.
Das Magnetsensorelement 17 und der Vorspannungsmagnet 18 sind
durch einen nicht in der Figur dargestellten Aufbau mechanisch und
elektrisch an die Grundplatte 13 angeschlossen.
Als
Magnetsensorelemente werden normalerweise magnetoresisitive Elemente
bzw. Magnetwiderstandselemente verwendet. Eine geeignete Mehrumdrehungs-Schaltungsanordnung
gemäß dem Stand
der Technik, in der Magnetwiderstandselemente verwendet, ist in 9 gezeigt. Diese umfasst zwei
Paare von Magnetwiderstandselementen, MR1 und MR2 sowie MR3 und
MR4, die über
den Umfang des ringförmigen
Magnetelements an Stellen angeordnet sind, welche um 180° voneinander
getrennt sind. Derart wird eine übliche
Brückenschaltung
ausgebildet. An den Signalabgriffspunkten n1 und n2 werden Differenzsignale
ausgegeben. Diese Differenzsignale gelangen auf einen Vergleicher
CMP, an dessen Ausgang das Sensorsignal f resultiert.
Die
in 9 gezeigte Schaltungsanordnung gemäß dem Stand
der Technik stellt eine zwischen dem Stromquellenanschluss Vcc und
dem Erdungsanschluss GND gebildete angeordnete Brückenschaltung
dar. Diese umfasst auf einer Seite einen Brückenzweig bzw. eine Halbbrücke mit
dem ersten Magnetsensorelement MR1, dessen eine Klemme auf Seiten
des Stromquellenanschlusses Vcc angeschlossen ist und dem dritten
Magnetsensorelement MR3, sowie einen Regelwiderstand R3, der mit
einen Anschluss des dritten Magnetsensorelements MR3 verbunden ist.
Ferner ist an der anderen Seite ein Brückenzweig bzw. eine Halbbrücke vorgesehen,
die aus dem zweiten Magnetsensorelement MR2 besteht, dessen eine
Klemme auf Seiten des Stromquellenanschlusses angeschlossen ist,
dem vierten Magnetsensorelement MR4, sowie ein an eine Klemme des
vierten Magnetsensorelements MR4 angeschlossener Festwiderstand
R4. Der Abgriffspunkt n1 zwischen dem ersten Magnetsensorelement
MR1 und dem dritten Magnetsensorelement MR3, und der Signalabgriffspunkt
n2 zwischen dem zweiten Magnetsensorelement MR2 und dem vierten
Magnetsensorelement MR4 sind jeweils an den Eingänge des Vergleichers CMP angeschlossen.
Der Ausgang des Vergleichers CMP ist an eine Ausgangsklemme n3 angeschlossen.
Nachfolgend
wird die Funktionsweise dieser bekannten Schaltungsanordnung ausführlicher
erklärt.
Es sollen hierbei darüber
die Umdrehungen eines wie beispielsweise in 4 gezeigten ringförmigen Magnetelements erfasst
werden. Bei diesem Magnetelement ist die Hälfte der Oberfläche einer Scheibenebene
als Nordpol (und die Rückfläche als Südpol) und
die andere Hälfte
als Südpol
(und die Rückfläche als
Nordpol) magnetisiert ausgebildet. Alternativ könnte die Schaltungsanordnung
auch die Bewegungen eines wie beispielsweise in 5 gezeigten, auf einer geraden Line angeordneten
geradlinigen magnetischen Körpers
bzw. Linearmagneten erfassen. In der nachfolgenden Beschreibung
wird die Funktionsweise bei Verwendung eines Ringmagneten erklärt, doch
würde auch
im Fall eines Linearmagneten die annähernd gleiche Funktionsweise
resultieren.
Zuerst
wird das Magnetfeld des ringförmigen Magnetelements
durch die Magnetwiderstandselemente MR3 und MR2 erfasst; nach einer
halben Umdrehung des ringförmigen
Magnetelements dann durch die Magnetwiderstandselemente MR1 und MR4.
Dabei resultieren an den Signalabgriffspunkten n1 und n2 der durch
die einzelnen Magnetwiderstandselemente gebildeten Brückenschaltung
die in 7 gezeigte Signale
e1 und d1, die Differenzsignale darstellen. Danach erfolgt im Vergleicher
CMP ein Vergleich dieser Signale und die Bildung des Ausgangssignals.
Das an der Ausgangsklemme n3 resultierende Ausgangssignal stellt
einen wie in 7 gezeigten
Impuls dar, der einer Umdrehung entspricht. Dieses impulsförmige Signal
wird als Mehrumdrehungs-Sensorsignal des Multiturn-Drehgebers bezeichnet.
Obwohl
Magnetwiderstandselemente teuer sind, ist es bei einer derartigen
Brückenschaltung
unumgänglich,
zwei Paare von Magnetwiderstandselementen zu verwenden. Daraus resultieren
wiederum hohe Kosten für
die Sensor-Schaltungsanordnung, was ein bedeutendes Hindernis bei
der angestrebten Verringerung der Gesamtkosten des Drehgebers darstellt.
Schaltungsanordnungen,
die Magnetsensorelemente in Form von Magnetwiderstandselementen verwenden,
sind zum Beispiel auch aus der
JP 2715997
B oder aus der JP 11-337368 A bekannt. In beiden Fällen sind
jedoch in den jeweiligen Halbbrücken
wiederum zwei Magnetsensorelemente angeordnet. In der Schaltungsanordnung
gemäß
3 der JP 11-337368 A ist zwar
die Anzahl der Magnetsensorelemente um ein Paar verringert, jedoch
ermöglicht
diese Schaltungsanordnung nicht die Erzeugung von Differenzsignalen.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, eine kostengünstige Schaltungsanordnung
zur Magnetfelddetektion mit möglichst
wenig Magnetsensorelementen anzugeben, die eine Erzeugung von Differenzsignalen
ermöglicht.
Ferner soll diese Schaltungsanordnung möglichst nicht Temperaturschwankungen
beeinflusst werden und eine unempfindliche Signalerzeugung ermöglichen.
Diese Schaltungsanordnung soll hierbei insbesondere zum Einsatz
in einer Positionsmesseinrichtung geeignet sein.
Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Gegenstand
des Anspruchs 6 ist ferner eine Positionsmesseinrichtung mit einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Erfindungsgemäß umfasst
die Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion nunmehr eine Brückenschaltung
mit zwei Brückenzweigen
auf, die zwischen einem Stromquellenanschluss und einem Erdungsanschluss
angeordnet sind. Der erste Brückenzweig
und der zweite Brückenzweig
der Brückenschaltung
weisen jeweils nur ein Magnetsensorelement auf, und wobei das jeweilige
Magnetsensorelement in beiden Brückenzweigen
von den Ausgangssignalabgriffen her betrachtet entweder nur auf der
Seite des Stromquellenanschlusses oder nur auf der Seite des Erdungsanschlusses
angeordnet ist.
Vorteilhafterweise
sind die Ausgangssignale, die von den Ausgangssignalabgriffen der
beiden Brückenzweige
erhalten werden, Differenzsignale.
In
einer möglichen
Ausführungsform
umfasst eine Positionsmesseinrichtung eine magnetische Sensoranordnung.
Hierbei dient die Schaltungsanordnung zur Erfassung von Magnetfeldänderungen eines
Magnetelements der Positionsmesseinrichtung, um das Verschiebungsausmaß eines
Objekts festzustellen.
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Positionsmesseinrichtung ist das Magnetelement rotationssymmetrisch
ausgebildet und dient zur Erfassung einer Rotationsbewegung.
Vorteilhafterweise
weist die Positionsmesseinrichtung zumindest eine Umdrehungsfeststelleinheit
zum Messen des Positionsverschiebungsausmaßes und eine Mehrumdrehungsfeststelleinheit zum
Feststellen der Anzahl erfolgter Umdrehungen auf, wobei die magnetische
Sensoranordnung der Mehrumdrehungsfeststelleinheit zugeordnet ist.
Durch
die vorliegende Erfindung kann somit die erforderliche Zahl teurer
Magnetwiderstandselemente zur Magnetfelddetektion verringert werden. Darüberhinaus
lässt sich
eine Differenzbeschaltung eines üblichen
Vergleichers verwirklichen. Es resultiert eine Schaltungsanordnung
zur Magnetfelddetektion, die unempfindlich gegenüber Temperaturveränderungen
ist und kaum durch Störeinflüsse beeinflusst
wird. Im Fall der Verwendung einer derartigen Schaltungsanordnung
in einer Positionsmesseinrichtung können zudem deren Herstellkosten
gesenkt werden.
Da
in den beiden Halbbrücken,
die die Brückenschaltung
bilden, ein Magnetsensorelement angeordnet ist, sind im Vergleich
mit jenem Fall, bei dem nur an einer Hälfte der Brückenschaltung ein Paar von
Magnetsensorelementen angeordnet ist, nicht nur Differenzsignale
erzeugbar, es resultieren darüberhinaus
auch noch die gleichen Impedanzschwankungen in beiden Brückenzweigen.
Das heißt,
wenn nur in einem Brückenzweig
Magnetsen sorelemente angeordnet sind, würden unterschiedliche Impedanzschwankungen
aufgrund der Temperaturkoeffizienten der Magnetfeststellelemente
und der Widerstände
resultieren. Es käme
daher aufgrund von Temperaturschwankungen zu unterschiedlichen resultierenden
Impedanzen in den beiden Brückenzweigen,
d.h. zu einem unterschiedlichen Einfluss von Störungen auf die beiden Eingangssignalleitungen.
Da
die Impedanz der Brückenzweige
erfindungemäß aber identisch
ist und die Signale als Differenzsignale resultieren, wird der Einfluss
von Störungen
auf die beiden Eingangssignalleitungen gleich und damit die Unempfindlichkeit
gegenüber Störungen erhöht.
Es
genügt,
wenn die Magnetsensorelemente von den Ausgangssignalabgriffen der
beiden Brückenzweige
her betrachtet entweder nur an der Seite des Stromquellenanschlusses
oder nur auf der Seite des Erdungsanschlusses angeordnet sind. Das heißt, in beiden
Brückenzweigen
braucht nur ein Magnetsensorelement angeordnet zu sein. Dadurch kann
die Zahl erforderlicher Magnetsensorelemente in der Brückenschaltung
verglichen mit dem herkömmlichen
Fall, bei dem zwei Gruppen von Magnetsensorelementpaaren und somit
vier Magnetsensorelemente erforderlich sind, um ein Paar verringert werden.
Da Magnetsensorelemente normalerweise paarweise verwendet werden,
sind sie von den Ausgangssignalabgriffen der beiden Brückenzweige
her betrachtet nur auf der Seite aus der Stromquellenanschlusses
oder auf der Seite des Erdungsanschlusses angeordnet. Das Paar von
Magnetsensorelementen ist dann anschlussseitig nur mit dem Stromquellenanschluss
oder dem Erdungsanschluss verbunden.
Als
Magnetsensorelement dient ein Element, das die Magnetpole oder die
Veränderung
des Magnetfelds eines Messobjekts wie etwa eines magnetischen Körpers erfasst.
Normalerweise wird hierzu ein Magnetwiderstandselement bzw. MR-Element
verwendet, doch kann als Magnetsensorelement alternativ auch etwa
ein Hall-Element o.ä.
verwendet werden.
Nachfolgend
wird eine Positionsmesseinrichtung in Form eines Drehegebers als
Vorrichtung erläutert,
in der eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
eingesetzt wird. Diese umfasst typischerweise eine Teilscheibe zur
Bestimmung des Positionsverschiebungsausmaßes, im Fall des Dreh gebers
konkret des Umdrehungsausmaßes
des Messobjekts, optischen Elementen zur Bestimmung der Umdrehungsausmaßes und
der Drehrichtung der Teilscheibe über eine optische Abtastung,
einem Magnetelement zur Feststellung der erfolgten Umdrehungsanzahl
sowie Magnetsensorelementen zur Erfassung der sich verändernden
Magnetfelder des Magnetelements. Ggf. können noch elektrische Schaltkreise
o.ä. zur
Verarbeitung der von den einzelnen Elementen erhaltenen Signale
vorgesehen sein. Anstelle der optischen Abtastung mit den verschiedenen
optischen Elementen und der Teilscheibe kann dabei auch durch eine
magnetische Abtastung vorgesehen sein. Als Messobjekt kann etwa oder
ein Motor mit einer rotierenden Welle oder aber ein mit dem Motor
gekoppeltes Messobjekt vorgesehen sein.
Als
Magnetelement wird normalerweise ein als Ringmagnet oder ringförmiges Magnetelement ausgebildetes
Element verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf
beschränkt,
solange es sich um ein Magnetelement handelt, bei dem in der Umfangsrichtung
oder in der Drehrichtung aufeinanderfolgend unterschiedliche Magnetfelder ausgebildet
werden und es zudem innerhalb einer Umdrehung zu einer Veränderung
der Magnetfelder kommt. Bei einem linearen Positionsmesseinrichtung kann
auch ein lineares Magnetelement verwendet werden, bei dem geradlinig
aufeinanderfolgend unterschiedliche Magnetfelder gebildet werden
und es zudem in bestimmten Abständen
zu einer Veränderung
der Magnetfelder kommt. Was das magnetische Material des Magnetelements
betrifft, so können
hierzu verschiedenste, magnetische Materialien verwendet werden.
Bei
den Magnetsensorelementen kann es vorkommen, dass ein Vorspannungsmagnetfeld
erforderlich ist. In einem solchen Fall ist in der Nähe des Magnetsensorelements
ein sog. Vorspannungsmagnet angeordnet. Im Hinblick auf das Material
des Vorspannungsmagnets gibt es grundsätzlich keine Beschränkungen,
solange es sich um einen magnetischen Körper handelt, der ein geeignetes
Vorspannungsmagnetfeld ausübt.
Bevorzugt wird jedoch, dass darüber
ein Magnetfeld erzeugt wird, das dem Magnetfeld des Magnetelements
entspricht. Es ist daher vorteilhaft, hierfür das das gleiche Material
wie für
das Magnetelement, zu verwenden. Innerhalb gewisser Grenzen ist
jedoch auch die Verwendung anderer magnetischer Materialien möglich, solange
die erforderlichen magnetischen Eigenschaf ten wie etwa die geforderte
Magnetfeldstärke
gewährleistet
sind. Grundsätzlich
können
aber auch andere magnetische Materialien verwendet werden, deren
magnetische Eigenschaften geeignet eingestellt werden.
Was
die Anordnung der Magnetsensorelemente betrifft, so sollten die
Magnetsensorelemente im Fall der Verwendung eines ringförmigen Magnetelements
in Positionen angeordnet werden, die eine Erfassung der der Anzahl
von Umdrehungen des Magnetelements ermöglicht. Normalerweise erfolgt
die Anordnung bei einem Paar von Magnetsensorelementen so, dass
bei der Detektion eines Magnetfelds des Magnetelements durch eines
dieser Elemente das andere Element gerade kein Magnetfeld erfasst.
Für den in
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vorgesehenen Vergleicher CMP bestehen im Wesentlichen keine Beschränkungen,
solange es sich um ein Element handelt, das die Fähigkeit
aufweist, den Spannungsunterschied der beiden Eingangsspannungen
zu vergleichen und einen entsprechenden Ausgangsimpuls bzw. Ausgangssignal zu
erzeugen. Normalerweise wird hierfür eine als Komparator-IC bezeichnete
Art eines integrierten Schaltkreises verwendet. Stattdessen kann
aber auch ein Operationsverstärker
eingesetzt werden, ein Logik-IC mit einer Analogeingangsfunktion
o.ä. oder
ein Prozessor. Das ideale Element wird unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs
der Schaltungsanordnung, der Signalverarbeitungsdauer, der Größe der Elemente
o.ä. gewählt.
Die
Magnetsensorelemente, das ringförmige (oder
ggf. lineare) Magnetelement, der Vorspannungsmagnet und die weiteren
elektrischen Komponenten wie der Vergleicher und die Brückenzweige der
Schaltungsanordnung bilden letztlich eine Magnetsensoreinheit. Die
Magnetsensoreinheit ist im Fall der Verwendung in Multiturn-Drehgebern üblicherweise
im sog. Mehrumdrehungs-Feststellteil (Multiturnteil) des Drehgebers
angeordnet. Wenn – wie oben
erwähnt – auch beim
Umdrehungsfeststellteil zur Messung des Positionsverschiebungsausmaßes (Singleturnteil)
des Drehgebers anstelle der optischen Abtastung eine magnetische
Abtastung eingesetzt wird, so kann auch dieser Teil des Drehgebers eine
derartige Magnetsensoreinheit aufweisen. Im Fall einer linearen
Positionsmesseinrichtung würde die
entsprechende Magnetsensoreinheit zur Erfassung von linearen Positionsveränderungen
eingesetzt werden.
Weitere
Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
beiliegenden Figuren.
Dabei
zeigt
1 eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2 eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
3 verschiedene Signalverläufe, anhand der
das Verhalten einer Brückenschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht wird;
4 eine schematische Darstellung
eines ringförmigen
Magnetelements;
5 eine schematische Darstellung
eines linearen Magnetelements;
6 eine Schaltungsanordnung
mit einem zusätzlichen
Rückkopplungswiderstand;
7 verschiedene Signalverläufe, die
Verhalten einer Brückenschaltung
gemäß dem Stand der
Technik veranschaulichen;
8 eine Schnittdarstellung
eines Multiturn-Drehgebers;
9 Schaltungsanordnung mit
einer Brückenschaltung
gemäß dem Stand
der Technik.
1 zeigt einen Schaltplan
mit dem wichtigsten Bereich der Magnetsensoreinheit einer Positionsmesseinrichtung,
nämlich
einer Schaltungsanord nung zur Magnetfelddetektion gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung
umfasst eine zwischen dem Stromquellenanschluss Vcc und dem Erdungsanschluss
GND gebildete Brückenschaltung,
wobei in dieser Brückenschaltung
zwischen dem Stromquellenanschluss und dem Erdungsanschluss zwei
Brückenzweige,
ein erster Brückenzweig
und ein zweiter Brückenzweig,
vorhanden sind. Beide Brückenzweige
umfassen wiederum seriell angeordnete Elemente. Der erste Brückenzweig weist
ein erstes Magnetsensorelement MR1 auf, dessen eine Klemme an den
Stromquellenanschluss angeschlossen ist und einen ersten Festwiderstand
R1, dessen eine Klemme an die andere Klemme des ersten Magnetsensorelements
MR1 angeschlossen ist. Ferner weist der erste Brückenzweig einen Regelwiderstand
R3 auf, der an die andere Klemme des ersten Festwiderstands R1 angeschlossen
ist. Der zweite Brückenzweig
weist ein zweites Magnetsensorelement MR2 auf, dessen eine Klemme
an den Stromquellenanschluss Vcc angeschlossen ist, einen zweiten
Festwiderstand R2, dessen eine Klemme an die andere Klemme des zweiten
Magnetsensorelements MR2 angeschlossen ist, und einen an die andere Klemme
des zweiten Festwiderstands R2 angeschlossenen Festwiderstand R4.
Die anderen Klemmen des Regelwiderstands R3 und des dritten Festwiderstands
R4 sind jeweils an den Erdungsanschluss GND angeschlossen.
Die
Widerstände
und die resultierenden Widerstände
der beiden Brückenzweige
sind so gewählt,
dass aufgrund der Funktion der Magnetsensorelemente an den Ausgangssignalabgriften
n1, n2 der Brückenschaltung
ein bestimmter Spannungsunterschied erfasst werden kann. Diese Ausgangssignalabgriffe
n1, n2, bei denen es sich um Anschlusspunkte handelt, können auch
als Messpunkte betrachtet werden, an denen ein Spannungspegel detektierbar
ist, der einem durch den Abtastvorgang der Magnetsensorelemente
MR1, MR2 gestörten
Gleichgewichtszustand entspricht. Folglich können – solange man von ungewollten
Rückkopplungseffekten
absieht – die
Spannungspegel an den Ausgangssignalabgriffen n1, n2 gegenüber GND
im abgeglichenen Zustand der Messbrücke auf jeden Wert eingestellt werden,
nicht nur auf den Wert Vcc/2.
Der
Ausgangssignalabgriff n1, der den Anschlusspunkt des ersten Magnetsensorelements MR1
und des ersten Festwiderstands R1 darstellt, und der zweite Ausgangssignalabgriff
n2, der den Anschlusspunkt des zweiten Magnetsensorelements MR2
und des zweiten Festwiderstands R2 darstellt, sind an dir Differenzeingänge des
Vergleichers CMP angeschlossen. Der Ausgang des Vergleichers CMP ist
an eine Ausgangsklemme n3 angeschlossen.
Für den ersten
Festwiderstand R1 und den zweiten Festwiderstand R2 werden normalerweise Widerstände mit
einem Wert verwendet, die dem Widerstandswert der Magnetsensorelemente
MR1, MR2 in Abwesenheit eines Magnetfelds entspricht. Für den dritten
Festwiderstand R4 wird normalerweise ein Widerstand mit etwa der
Hälfte
des höchsten Widerstandswerts
des Regelwiderstands R3 verwendet.
Diese
Widerstandswerte werden unter Berücksichtigung der Stabilität der Schaltungsanordnung,
der Ein- und Ausgangseigenschaften des Vergleichers CMP, des Stromverbrauchs
o.ä. auf
die idealen Werte eingestellt. Neben den oben angeführten Elementen
können
Elemente oder Schaltungen zur Stabilisierung der Schaltungsanordnung
wie zum Beispiel Elemente oder Schaltungen zur Unterdrückung von
Spannungs- oder Stromschwankungen oder zur Unterdrückung einer
Beeinflussung durch Temperaturveränderungen hinzugefügt werden.
Anschließend wird
die Funktionsweise der Schaltungsanordnung erläutert. Hierbei wird ein Beispiel
erläutert,
bei dem als Magnetsensorelemente stark magnetische Magnetwiderstandselemente
verwendet werden. Wenn die Magnetsensorelemente ein Magnetfeld erfassen,
nimmt dabei deren der Widerstand ab. Es wird angenommen, dass sich
ein wie zum Beispiel in 4 gezeigtes
ringförmiges
Magnetelement dreht, bei dem die Hälfte einer Scheibenebene als
Nordpol und die andere Hälfte
als Südpol magnetisiert
ist. Dabei wird das Magnetfeld des Magnetfeld des Magnetelements
zuerst durch das zweite Magnetsensorelement MR2 erfasst. Dabei nimmt der
Widerstandswert des zweiten Magnetsensorelements MR2 ab, die Spannung
e2 am zweiten Ausgangssignalabgriff n2 steigt an. Gleichzeitig damit endet
die Magnetfelderfassung durch das erste Magnetsensorelement MR1
und dessen Widerstandswert, der abgenommen hatte steigt wieder auf
den ursprünglichen
Wert. Die Spannung d2 am ersten Ausgangssignalabgriff n1 sinkt bis
zur Spannung im Gleichgewichtszustand ab.
Wenn
sich das Magnetelement um eine halbe Umdrehung dreht, kommt es zum
Magnetfelderfassung durch das erste Magnetsensorelement MR1, dessen
Widerstandswert abnimmt, während
die Spannung d2 am ersten Ausgangssignalabgriff n1 ansteigt. Gleichzeitig
damit endet die Erfassung Magnetfelderfassung durch das zweite Magnetsensorelement
MR2 und dessen Widerstandswert, der abgenommen hatte, steigt wieder
auf den ursprünglichen Wert.
Die Spannung e2 des zweiten Ausgangssignalabgriffs n2 sinkt bis
zur Spannung im Gleichgewichtszustand ab. Dieses Verhalten tritt
durch die Umdrehungen des ringförmigen
Magnetelements fortlaufend auf.
Die
Spannung d2 des Ausgangssignalabgriffs n1 und die Spannung e2 des
Ausgangssignalabgriffs n2 bilden wie in 3 gezeigt Differenzsignale. Die in diesem
Fall erhaltenen Ausgangsspannungen e2, d2 sind kleiner als die Spannungen
e1, d1 im Fall der bei Verwendung der herkömmlichen zwei Paare von Magnetsensorelementen.
Durch
die Eingabe der Signale an den Ausgangssignalabgriffen n1, n2 in
den Vergleicher CMP und einen Vergleich und eine Verstärkung wird
an der Ausgangsklemme n3 ein Ausgangssignal erhalten, für das die
Differenzsignale verglichen und verstärkt sind. Wie in 6 gezeigt kann auch ein
Rückkopplungswiderstand
R5 hinzugefügt
werden und der Ausgang des Vergleichers 3 über diesen Rückkopplungswiderstand
R5 an den Anschlusspunkt des zweiten Festwiderstands R2 mit dem
vierten Festwiderstand R4 angeschlossen werden. Durch die Rückkopplung
des Ausgangssignals über
den Rückkopplungswiderstand
R5 in den zweiten Brückenzweig
lässt sich
im Schaltverhalten des Vergleichers ein Hystereseverhalten mit unterschiedlichen Schaltpunkten
bei Signalanstieg und Signalabfall abbilden und ein stabiles Ausgangssignal
erzeugen.
2 zeigt einen Schaltplan
mit dem wichtigsten Bereich der Magnetsensoreinheit einer Positionsmesseinrichtung,
nämlich
einer Schaltungsanordnung zur Magnetfelddetektion gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel ist das Paar von
Magnetsen sorelementen MR1, MR2 näher
als die Ausgangssignalabgriffe n1, n2 zum Erdungsanschluss GND angeordnet.
Der erste Brückenzweig
weist einen einstellbaren Widerstand bzw. einen Regelwiderstand
R3 auf, dessen eine Klemme an den Stromquellenanschluss Vcc angeschlossen
ist, einen ersten Festwiderstand R1, dessen eine Klemme an die andere
Klemme des Regelwiderstands R3 angeschlossen ist, und ein an die
andere Klemme des ersten Festwiderstands R1 angeschlossenes erstes
Magnetsensorelement MR1. Der zweite Brückenzweig weist einen dritten Festwiderstand
R4 auf, dessen eine Klemme an den Stromquellenanschluss Vcc angeschlossen
ist, einen zweiten Festwiderstand R2, dessen eine Klemme. an die
andere Klemme des dritten Festwiderstands R4 angeschlossen ist,
und ein an die andere Klemme des zweiten Festwiderstands R2 angeschlossenes zweites
Magnetsensorelement MR2. Die jeweils anderen Klemmen des Paars von
Magnetsensorelementen MR1, MR2 sind in beiden Brückenzweigen jeweils an den
Erdungsanschluss GND angeschlossen.
Der
erste Ausgangssignalabgriff n1, der den Anschlusspunkt des ersten
Magnetsensorelements MR1 und des ersten Festwiderstands R1 darstellt, und
der zweite Ausgangssignalabgriff n2, der den Anschlusspunkt des
zweiten Magnetsensorelements MR2 und des zweiten Festwiderstands
R2 darstellt, sind jeweils an den Differenzeingang des Vergleichers
CMP angeschlossen. Der Ausgang des Vergleichers CMP ist an die Ausgangsklemme
n3 angeschlossen. Der weitere Aufbau entspricht annähernd jenem
von 1. Gleiche Aufbauelemente
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, auf die nähere Erläuterung
derselben wird daher verzichtet.
Anschließend wird
wiederum die Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung erläutert. Auch
in diesem Beispiel werden als Magnetsensorelemente stark magnetische
Magnetwiderstandselemente verwendet.
Es
wird angenommen, dass das Magnetfeld eines ringförmigen Magnetelements bei der
Drehung zum Beispiel durch das zweite Magnetsensorelement MR2 erfasst
wird. Dabei nimmt der Widerstandswert des zweiten Magnetsensorelements
MR2 ab, die Spannung e2 des zweiten Ausgangssignalabgriffs n2 sinkt.
Gleichzeitig damit endet die Erfassung des Magnetfelds durch das
erste Magnetsensorelements MR1 und dessen Wider standswert, der abgenommen
hatte, steigt auf den ursprünglichen
Wert an. Die Spannung d2 des ersten Ausgangssignalabgriffs n1 steigt
auf die Spannung im Gleichgewichtszustand an.
Wenn
sich das Magnetelement um eine halbe Umdrehung dreht, kommt es zur
Magnetfelderfassung durch das erste Magnetsensorelement MR1, dessen
Widerstandswert abnimmt, während
die Spannung d2 am ersten Ausgangssignalabgriff n1 sinkt. Gleichzeitig
damit endet die Magnetfelderfassung durch das zweite Magnetsensorelement
MR2 und dessen Widerstandswert, der abgenommen hatte steigt wieder
auf den ursprünglichen
Wert. Die Spannung e2 des zweiten Ausgangssignalabgriffs n2 steigt
bis zur Spannung Gleichgewichtszustand an. Dieses Verhalten tritt
durch die Umdrehungen des magnetischen Drehkörpers fortlaufend auf. Als
Ergebnis resultiert jeweils eine Signalinvertierung bzw. ein Flankenwechsel,
wie dies in 3 für die Spannung
d2 des ersten Ausgangssignalabgriffs n1 und die Spannung e2 des
zweiten Ausgangssignalabgriffs n2 gezeigt ist.
Die
weitere Funktionsweise entspricht ungefähr derjenigen der Schaltungsanordnung
aus 1, weshalb auf eine
Erklärung
verzichtet wird. Auch wenn in diesem Ausführungsbeispiel das Paar von Magnetsensorelementen
MR1, MR2 näher
als die Ausgangssignalabgriffe n1, n2 am Erdungsanschluss GND angeordnet
werden, resultiert zwar ein umgekehrter Signalverlauf der Spannungen
an den Ausgangssignalabgriffen n1, n2, ansonsten liegt jedoch das
gleiche Verhalten der Schaltungsanordnung vor.
In
Verbindung mit den obigen Ausführungsformen
wurden Beispiele erläutert,
bei denen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
in der Magnetsensoreinheit einer Positionsmesseinrichtung verwendet
wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Positionsmesseinrichtungen
beschränkt, sondern
kann auch anderweitig eingesetzt werden.
Wie
oben erklärt,
lassen sich durch die vorliegende Erfindung auch dann Differenzsignale
erzeugen, wenn lediglich ein Paar von Magnetsensorelementen eingesetzt
wird. Gleichzeitig lässt
sich der Aufwand für
die Schaltungsanordnung und eine Positionsmesseinrichtung verringern.
Die
vorliegende Erfindung lässt
sich in Schaltungsanordnungen einsetzen, die eine Magnetfelddetektion
mittels Brückenschaltungen
vornehmen bzw. in Vorrichtungen, in denen derartige Schaltungsanordnungen
zum Einsatz kommen. Hierzu zählen
etwa Positionsmesseinrichtungen zur Positionsfeststellung verschiedenster
beweglicher Teile in Industriemaschinen, Robotern usw. Insbesondere kann
die vorliegende Erfindung in sog. Multiturn-Drehgebern gemäß 8, magnetischen Drehgebern, magnetischen
Längenmessgeräten o.ä. eingesetzt
werden.