DE69815743T2

DE69815743T2 - Magnetische Codiervorrichtung mit Referenzimpuls

Info

Publication number: DE69815743T2
Application number: DE69815743T
Authority: DE
Inventors: Mark E. La Croix; John A. Santos; Stephen J. Lyle
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN Europe SA
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1998-04-10
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2018-04-11
Also published as: US5898301A; BR9808524A; KR100497467B1; KR20010006072A; EP0871014B1; JP2002512687A; AU6514198A; BR9808524B1; JP4569979B2; DE69815743D1; AU724244B2; EP0871014A1; WO1998045667A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein magnetische Codierer und insbesondere magnetische Codierer, um zusätzlich zu einem Signal hoher Auflösung einen Referenzpuls zu erzeugen.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen magnetischen Codierer, umfassend:

– eine Reihe von Magnetpolen, die zum Bilden einer Magnetspur mit regelmäßigem Abstand längs einer Bahn angeordnet sind, wobei zumindest bestimmte Magnetpole durch regelmäßige Polübergänge voneinander getrennt sind, die bezüglich der Bahn der Magnetspur gleichförmig ausgerichtet sind, wobei diese Magnetspur einen Rand und
– Mittel, die in die Magnetspur integriert sind, um die Erzeugung eines Referenzsignals zu ermöglichen.

Gewöhnlich weist der Codierer in einem inkrementierenden drehenden Codierer, wenn ein Referenzpuls notwendig ist, eine spezielle Spur auf, die von der Spur hoher Auflösung getrennt ist, um die den Referenzpuls betreffende Funktion zu erfüllen. Um die Spur für einen Referenzpuls zu detektieren, wird ein getrennter Detektor verwendet. Codierer dieser Art können hinsichtlich einer Verwendung mit einem optischen Detektor eine Scheibe, die durch eine optische Platte gebildet ist, oder hinsichtlich einer Verwendung mit einem magnetischen Detektor auch eine Scheibe aufweisen, die durch ein gezahntes Rad oder einen Magneten gebildet ist.
Bei magnetischen Codierern können aufgrund der Tatsache, daß das vom Referenzpol stammende magnetische Feld eine Störung in der Spur hoher Auflösung erzeugen würde, die Spur hoher Auflösung und die Spur für einen Referenzpuls nicht an zueinander sehr angenäherten Positionen angeordnet werden. Insbesondere muß die auf dem Codierer vorgesehene Spur hoher Auflösung sehr präzise sein. Wenn ein Störungsfeld (wie z. B. ein von einem Referenzpol stammendes Feld) in der Nähe dieser Spur auftritt, ist die Präzision in der Nähe dieses Störungsfeldes beeinträchtigt.
Folglich erzeugen die Detektoren, die mit magnetischen Codierern verwendet werden, ein Signal mit einer relativ schlechten Präzision, wenn die Referenzspur in der Nähe der Spur hoher Auflösung angeordnet ist. Daraus resultiert, daß magnetische Codierer, bei welchen ein Referenzpuls Verwendung findet, relativ groß sein müssen, um den notwendigen Abstand zwischen den zwei Spuren erhalten zu können. Darüberhinaus ergeben sich in Bezug auf die Magnetisierung eines Referenzpulses, der sehr nahe an einer Magnetspur hoher Auflösung angeordnet ist, zahlreiche Herstellungsprobleme.
Diese Schwierigkeiten können, wie die Patentdokumente US 5,568,048 und EP 0 611 952 zeigen, die jeweils einen Codierer des generischen Typs beschreiben, zu dem der Codierer der Erfindung gehört, überwunden werden, indem in die Magnetspur Mittel integriert werden, die die Erzeugung eines Referenzsignals zulassen.
Gemäß eines ersten Ansatzes, der in diesen beiden Dokumente offenbart wird, können die in die Magnetspur integrierten Mittel jedoch durch eine stark lokalisierte Modifizierung dieser Spur gebildet werden, wobei die Erzeugung des Referenzsignals zugelassen wird. Dieser Ansatz ermöglicht jedoch nur, ein Referenzsignal schwacher Leistung zu erzeugen.
Gemäß einem zweiten Ansatz, der in dem Dokument EP 0 611 952 offenbart wird, können die integrierten Mittel durch die Unterdrückung eines polaren Übergangs gebildet werden, wobei dieser zweite Ansatz zu einem lokalen Verlust von Information an der momentanen Position der Magnetspur führt.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel einen Codierer vorzuschlagen, der von diesen Beschränkungen befreit ist.
Zu diesem Zweck ist der erfindungsgemäße Codierer, der darüberhinaus mit der generischen Definition, die in der obigen Präambel angegeben ist, übereinstimmt, im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die in die Magnetspur integrierten Mittel, um die Erzeugung des Referenzsignals zu ermöglichen, zumindest zwei Magnetpole aufweisen, die durch einen irregulären polaren Übergang voneinander getrennt sind, welcher bezüglich der regulären polaren Übergänge derart geneigt ist, daß ein magnetischer Detektor, der sich in der Nähe des Randes der Magnetspur befindet, einen breiten Pol und einen schmalen Pol detektiert, um die Erzeugung des Referenzsignals zu ermöglichen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der detaillierten nachfolgenden Beschreibung hervor, die in Beziehung zu den damit verbundenen Zeichnungen erstellt wurde, in welchen:
Die 1, 3, 4, 5, 7 und 9 schematische Darstellungen sind, welche verschiedene Realisierungsformen des magnetischen Codierers entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
die 2, 6, 8 und 10 graphische Darstellungen sind, die Signale veranschaulichen, die durch die dargestellten Realisierungsformen erzeugt werden;
die 11, 12, 13 und 15 graphische Darstellungen sind, die die Signalverarbeitungen veranschaulichen, die durch die dargestellten Realisierungsformen erzeugt werden; und
14 eine schematische Darstellung ist, welche eine weitere Detektionsvorrichtung veranschaulicht, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung löst die im Stand der Technik angetroffenen Probleme durch Integration des Referenzpulses in die Magnetspur, die für eine Erzeugung des Signals hoher Auflösung verwendet wird. Mit Hilfe einer leichten Modifizierung einer auf der Magnetspur lokalisierten Zone wird eine magnetische Interferenz vermieden, wobei gleichzeitig die Erzeugung eines Mittels ermöglicht wird, um einen Referenzpuls zu erhalten. Beispielsweise kann ein Referenzpuls mit nur einer minimalen oder keiner Störung im Signal hoher Auflösung erzeugt werden, wenn eine Zone eines Pols etwas größer oder etwas kleiner hergestellt wird.
Dieses Prinzip bildet das Grundmerkmal magnetischer Codierer mit integrierten Referenzpulsen, die im folgenden beschrieben werden. In allen Fällen wird ein analoger oder digitaler Referenzpuls erzeugt, indem die Differenz zwischen dem Ausgangssignal eines Referenzdetektors und dem Ausgangssignal eines Detektors hoher Auflösung ausgenutzt wird. Dieses Referenzsignal weist eine relativ geringe Winkelpräzision auf, jedoch kann das Signal mit dem Signal hoher Auflösung synchronisiert sein, um ein sehr präzises Referenzsignal zu erzeugen.
Im folgenden Bezug nehmend auf die Zeichnungen stellt 1 eine Realisierungsform der Erfindung dar, bei welcher normalerweise regelmäßige polare Übergänge 10, die in einem axial magnetisierten Magneten vorgesehen sind, senkrecht zu einer Kreisbahn einer kreisförmigen Magnetspur angeordnet sind, wobei die regelmäßigen polaren Übergänge nicht vollkommen parallel zueinander sind, sondern gegen einen Punkt konvergieren, der sich in der Mitte der Kreisbahn befindet. Bei einem radial magnetisierten Magneten, der eine Magnetspur längs einer linearen nicht dargestellten Bahn aufweist, wären die regelmäßigen polaren Übergänge normalerweise senkrecht zur linearen Bahn und zueinander parallel.
Zur Integration eines Referenzpulses ist ein irregulärer oder unregelmäßiger polarer Übergang 12, der sich zwischen den Magnetpolen 14 und 16 befindet, im Verhältnis zu einer Linie, die senkrecht zur Bahn der Magnetspur verläuft, geneigt. Bei dieser Realisierungsform ist der irreguläre polare Übergang 12 durch eine gerade Linie definiert, die derart geneigt ist, daß sie nicht senkrecht zur Spur und so verläuft, daß sie die Magnetpole 14 und 16 in zwei trapezförmige Zonen ähnlicher Abmessungen teilt. Ein oder zwei magnetische Detektoren 18 und 20 sind, wie gezeigt ist, in Richtung der Ränder der Magnetpole angeordnet. Wenn es gewünscht wird, kann ein magnetischer Detektor 22, der optional vorgesehen ist, in der Mitte der Magnetspur angeordnet sein, um eine Spur hoher Auflösung zu erhalten.
Während eines normalen Betriebes, sind jedoch, wenn sich der irreguläre polare Übergang 12 nicht in der Nähe der magnetischen Detektoren 18, 20 oder 22 befindet, alle Ausgangssignale der Detektoren in Phase und stellen sich in einer ähnlichen Weise dar, wie durch die Kurve 24 in 2 gezeigt ist. Wenn der irreguläre polare Übergang 12 sich in der Nähe der Detektoren 18 oder 20 befindet, ist das sinusförmige Magnetfeld im Verhältnis zum durch den gegenüberliegenden Detektor detektierten Magnetfeld entweder voraus oder zurück, wie die Kurven 26 und 28 zeigen. Die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektoren 18 und 20 ermöglicht die Erzeugung eines nicht synchronisierten Referenzpulses 30. In der Mitte der Magnetpole besteht eine Zone, in der das Feld hoher Auflösung, welches durch den Detektor 22 in der Form der Kurve 32 detektiert wird, und welches dem Mittelwert der Kurven 26 und 28 entspricht, nicht gestört ist.
Bei der in 3 dargestellten bevorzugten Realisierungsform werden Teilbereiche verwendet, die deutlich von der Magnetspur getrennt sind, um ein Signal hoher Auflösung und einen Referenzpuls zu erzeugen. Die regelmäßigen polaren Übergänge 34 sind senkrecht zur Bahn der Spur hoher Auflösung angeordnet und zumindest ein irregulärer polarer Übergang 36 ist im Verhältnis zu einer Senkrechten unter der Wirkung eines Übergangs mit einer Stufe 38 geneigt, die zwischen den geradlinigen polaren Rändern 40 und 42 auftritt. Es folgt daraus, daß der Teilbereich der Magnetspur, der durch den geradlinigen polaren Rand 40 definiert ist, eine ideale polare Form aufweist, um ein Signal hoher Auflösung zu erzeugen, und daß der Teilbereich, der durch den geradlinigen polaren Rand 42 definiert ist, eine ideale polare Form aufweist, um ein Signal zu erzeugen, das einem Referenzpuls entspricht.
Der polare Referenzteil der Magnetspur kann durch Annähern oder durch Entfernen der polaren Referenzränder eines stufigen Übergangs kleiner oder größer realisiert sein. Diese Technik ermöglicht es, den Referenzteil in der Nähe des Teilbereichs hoher Auflösung anzuordnen, ohne den Teilbereich hoher Auflösung zu stören, und es ist somit möglich, eine viel größere verwendbare Zone auf dem Teilbereich hoher Auflösung zu erhalten.
Bei viel größeren Entfernungen des Codierers neigt das Magnetfeld dazu sich zu krümmen, wobei es ein Profil annimmt, das sich dem Magnetfeld annähert, das bei der Realisierung von 1 erzeugt wird, und wobei die verwendbare Betriebszone gleichzeitig für die Teilbereiche hoher Auflösung und die Referenzteile der Magnetspur verringert wird. 4 stellt eine Modifizierung der Realisierungsform von 1 heraus, welche einen irregulären polaren Übergang 44 aufweist, der mit einem stufigen Muster 46 versehen ist, das über die geraden polaren Ränder 48 und 50 hinaus geht. Das aus dem stufigen Übergang resultierende Magnetfeld neigt dazu, sich einer idealen Orientierung anzunähern, die einem Winkel von 90° für die Abstandsdistanzen zwischen dem Magneten und dem Detektor entspricht.
5 stellt eine andere Realisierungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei welcher alle Paare von Polen 51, die sich auf dem Referenzteil der Spur in dem Hauptteil des Magneten befinden, aufeinanderfolgend breit und dann schmal sind, wenn der Magnet im Uhrzeigersinn betrachtet wird. Das Paar von Polen 53, die durch den Referenzübergang 54 getrennt sind, weist eine umgekehrte Anordnung auf. Insbesondere ist sie zuerst schmal und dann breit, wenn man den Magneten im Uhrzeigersinn betrachtet. Die Paare von Polen 55 und 57 sind den Paaren von Polen 51 mit der Ausnahme ähnlich, daß der Pol, der dem Referenzpol am nächsten ist, ein Pol mittlerer Breite ist (d. h. einer, der dieselbe Breite wie ein Pol der Spur hoher Auflösung aufweist).
7 stellt eine Realisierung der vorliegenden Erfindung dar, welche abwechselnd polare Übergänge 60 mit einer Stufe und polare Übergänge 62 ohne Stufe aufweist. Der polare Referenzübergang 64 ist im Verhältnis zu den anderen polaren Übergängen in der entgegengesetzten Richtung versetzt. Diese Konfiguration ermöglicht es, einen zusätzlichen Sicherheitsspielraum bei der Behandlung der Signale ohne Störung des Teilbereichs hoher Auflösung der Spur hoher Auflösung zu schaffen. 8 stellt das Magnetfeld des Teilbereichs hoher Auflösung in Form der Kurve 66 und das Magnetfeld des Teilbereichs für den Referenzpuls in der Form der Kurve 68 dar.
Bei der Realisierungsform von 9 wird zwischen dem Teilbereich mit hoher Auflösung der Magnetspur und dem Teilbereich für den Referenzpuls eine Phasenverschiebung erzeugt, wobei für den polaren Referenzübergang 70 ein Versatz in einer Richtung erzeugt wird, der Versatz für die zwei benachbarten polaren Übergänge 72 und 74 unterdrückt wird, und für alle anderen polaren Übergänge 76 ein Versatz in der entgegengesetzten Richtung erzeugt wird. 10 zeigt das Magnetfeld des Teilbereichs mit hoher Auflösung in Form der Kurve 70 und das Magnetfeld des Teilbereichs für den Referenzpuls in Form der Kurve 80.
Der multipolare magnetische Codierer gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung der in verschiedenen US Patenten in allgemeiner Weise beschriebenen Techniken magnetisiert sein. Prinzipiell wird ein Puls sehr starken Stroms, der jedoch kurz ist, mittels eines Leiters (wie eines Drahtes) so übertragen, daß das resultierende Magnetfeld quer über die gewünschten Pole kanalisiert wird. Für eine Magnetisierung mit einem polaren Teilbereich, wird dieser polare Teilbereich derart profiliert, daß der geneigte polare Übergang mit dem benötigten Winkel orientiert ist. Für eine Magnetisierung mit einem Leiter, der direkt auf den gewünschten polaren Übergängen angeordnet ist, wird dieser Leiter auf dem Magneten mit einem ähnlichen Winkel angeordnet. Für Magneten aus Kunststoffmaterial auf Ferritbasis (80%–93% Ferrit verbunden mit Strontium oder Baryum in einer Kunststoffmatrix) liegen die resultierenden Felder auf der Oberfläche des Magneten typischerweise zwischen 100 und 200 Gauss.
Bei der Realisierungsform von 1 wäre ein Neigungswinkel von 2 bis 45° im Verhältnis zu einer Senkrechten zufriedenstellend. Größere Neigungswinkel ermöglichen es, eine physisch begrenzte Zone zu erhalten, die für eine Detektion mit hoher Auflösung geeignet ist, wobei jedoch große Referenzpulse hervorgerufen werden. Kleinere Neigungswinkel rufen einen kleineren Referenzpuls hervor, jedoch ermöglichen sie es, eine größere Zone zu erhalten, die für eine Detektion mit hoher Auflösung geeignet ist. Große Neigungswinkel rufen ebenfalls ein Magnetfeld hervor für das der modifizierte Referenzteil der Spur hoher Auflösung sehr nahe an dem nicht modifizierten Teilbereich hoher Auflösung liegt, wobei somit eine kleinere Abmessung des Detektors ermöglicht wird. Umgekehrt benötigen kleinere Neigungswinkel Detektoren mit größeren Abmessungen.
Bei der Verwendung der dargestellten Ausführungen müßte die Abmessung der Stufe idealer Weise bei zwischen 12,5% und 25% der Breite der Pole liegen. Kleine Stufen rufen einen kleinen Referenzpuls hervor und wirken so, daß in der Zone hoher Auflösung theoretisch keine Interferenz erzeugt wird. Größere Stufen erzeugen einen größeren Referenzpuls und beginnen eine Interferenz in der Zone hoher Auflösung zu erzeugen.
Der mit dem magnetischen Codierer der vorliegenden Erfindung verwendete Detektor könnte eine Hall-Effekt-Vorrichtung oder ein magnetoresistiver Detektor sein, jedoch ist man nicht auf die vorgenannten Vorrichtungen beschränkt. In idealer Weise müßte der Detektor sehr klein sein und würde Detektionselemente aufweisen, die in dasselbe Teil aus Silizium integriert sind. In Abhängigkeit von der ausgewählten Bearbeitungstechnik müßten die Detektoren ungefähr dieselbe Verstärkung aufweisen und näherungsweise in derselben Entfernung von der Fläche des Magneten angeordnet sein.
Der analoge Referenzpuls wird erhalten, indem die Differenz zwischen dem Detektor hoher Auflösung und dem Referenzpulsdetektor ausgenutzt wird. Dieses Signal wird mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen. Die Schwelle könnte fest sein oder an einen Bruchteil der Scheitelamplitude der sinusförmigen Welle des Signals angepaßt sein. Beispielsweise könnte die Schwelle 67% des Scheitels der sinusförmigen Welle betragen, wie durch die Kurve 86 in 11 veranschaulicht ist. Das durch den Teilbereich hoher Auflösung erzeugte Signal der Magnetspur ist durch die Kurve 82 dargestellt, wobei das dem Teilbereich mit Referenzpuls entsprechende Signal durch die Kurve 84 dargestellt ist und ein verdreifachter Wert des differenziellen Signals durch die Kurve 88 dargestellt ist.
Für die Realisierungsform von 5 könnte das differenzielle Signal auf zwei Arten behandelt werden:

1) Ein Vergleich zwischen dem Referenzdetektor und dem Detektor hoher Auflösung ermöglicht es, ein Differenzsignal zu erhalten. Die Schwelle wird bei null gewählt. 12 verdeutlicht das Ausgangssignal des Detektors hoher Auflösung in der Form der Kurve 90, das Ausgangssignal des Referenzdetektors in der Form der Kurve 92 und das differenzielle Signal in der Form der Kurve 94.
2) Anstelle des Bestimmens eines differenziellen Signals zwischen den von dem Referenzdetektor und dem Detektor hoher Auflösung kommenden Signalen, wird nur ein numerischer Vergleich der Signale bewirkt. Falls der Referenzpuls unter dem Signal des Detektors hoher Auflösung liegt, ist somit die numerische Referenz „inaktiv". Wenn das Signal des Referenzdetektors größer ist als das Signal des Detektors hoher Auflösung, ist somit die numerische Referenz „aktiv". Dies ist einfacher als die vorhergehende Technik und ergibt bessere Ergebnisse, da man eine zusätzliche Verschiebung am Ausgang eines differenziellen Verstärkers nicht auftreten läßt, da ein das Differenzsignal betreffender Verstärker nicht notwendig ist. Diese Technik wird in 13 verdeutlicht, wo das Ausgangssignal des Detektors hoher Auflösung durch die Kurve 96, das Ausgangssignal des Detektors für den Referenzpuls durch die Kurve 98 und das numerische Ausgangssignal durch die Kurve 100 dargestellt ist.

Eine weitere Methode für die Detektion des Referenzsignals besteht darin, zwei oder mehr als zwei Detektoren zu verwenden, die auf den Referenzteil der Magnetspur wirken, wie in 14 dargestellt ist. In idealer Weise würde diese Technik mit der Realisierung der 5 oder 7 verwendet. Vorzugsweise werden zwei Detektoren 102 und 104 verwendet, die voneinander um eine Distanz beabstandet sind, die näherungsweise dem polaren Abstand auf einem einzelnen Siliziumteil 106 entsprechen, welches einen Detektor mit hoher Auflösung 108 aufweist. Wenn die Signale 110 und 112, die von den Referenzdetektoren 102 und 104 kommen, miteinander addiert werden, wird ein Signal produziert, das proportional zum Mittelwert der zwei vorgenannten Signale ist, was durch die Kurve 114 in 15 angezeigt ist. Es hängt somit nicht vom Detektor hoher Auflösung 108 ab, einen Referenzpuls oder eine Schwelle zu erhalten. Die Kurve 116 stellt das Ausgangssignal des Detektors hoher Auflösung 108 dar.

Claims

Magnetischer Kodierer, umfassend: – eine Reihe Magnetpole, die in regelmäßigem Abstand längs einer Bahn zum Bilden einer Magnetspur angeordnet sind, wobei bestimmte Magnetpole durch reguläre Polübergänge (10) voneinander getrennt sind, die gleichförmig bezüglich der Bahn der Magnetspur ausgerichtet sind, wobei diese Magnetspur einen Rand und – Mittel, die mit der Magnetspur integriert sind, um die Erzeugung eines Referenzsignales zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierten Mittel mindestens zwei Magnetpole (14, 16) umfassen, die durch einen irregulären polaren Übergang (12) voneinander getrennt sind, welcher bezüglich der regulären polaren Übergänge (10) geneigt ist, derart, daß ein magnetischer Detektor (8), der in der Nähe des Randes der Magnetspur gelegen ist, einen breiten Pol und einem schmalen Pol fühlt, um die Erzeugung des Referenzsignales zu ermöglichen.
Magnetischer Kodierer nach Anspruch 1, bei dem die regulären polaren Übergänge (10) senkrecht zur Bahn der Magnetspur verlaufen und der irreguläre polare Übergang (12) durch eine bezüglich einer Senkrechten zur Bahn geneigte Gerade definiert ist, so daß somit zwei benachbarte Magnetpole (14, 16) von Trapezform und mit vergleichbaren Abmessungen definiert sind.
Magnetischer Kodierer nach Anspruch 1, bei dem die irregulären geneigten polaren Übergänge (36) zwei parallele Segmente (40, 42) aufweisen, die senkrecht zur Bahn der Magnetspur sind und zwischen denen eine Stufe (38) vorgesehen ist, die im wesentlichen im Sinne der Bahn der Magnetspur orientiert ist, um einen Absatz zwischen den beiden parallelen Segmenten zu erzeugen.
Magnetischer Kodierer nach Anspruch 3, bei dem die irregulären polaren magnetischen Übergänge (44) zwei parallele polare Segmente (48, 50) aufweisen, die senk recht zur Bahn der Magnetspur stehen und zwischen denen eine Stufe (46) vorgesehen ist, die im wesentlichen längs der Bahn der Magnetspur orientiert und derart angeordnet ist, daß sie zwischen den beiden parallelen Segmenten einen Absatz schafft, der gegenüber demjenigen der irregulären polaren Übergänge gelegen ist.