DE3408478C1

DE3408478C1 - Device for the incremental measurement of rotation angles or length

Info

Publication number: DE3408478C1
Application number: DE3408478A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl.-Phys. Dr. 7530 Pforzheim Normann
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1984-03-08
Filing date: 1984-03-08
Publication date: 1985-01-10

Abstract

The device operates with a graduated scale, consisting of supports (1) of wire-shaped, bistable, magnetic elements (3), in particular Wiegand wires, and a scanning head (5). The bistable, magnetic elements (3) are captively arranged parallel to the surface (4a), opposite the scanning head (5), of the support (1) individually in recesses (2) of the support (1). In the recesses (2) they have a prescribed freedom of movement (f) (of the order of magnitude of the wire diameter) at right angles to their longitudinal axis and parallel to the surface (4a) opposite the scanning head (5). <IMAGE>

Description

Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei derart magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher Härte (Koerzitivkraft) besitzen, daß sich in ihnen in ähnlicher Weise wie in Wiegand-Drähten durch einen induzierten, großen Barkhausen-Sprung ein Umklappen des gesamten weichmagnetischen Bereichs auslösen läßt, welches zur Impulserzeugung ausgenutzt werden kann. So ist zum Beispiel aus der DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetischer Schaltkern in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hartmagnetischen Kern (z. B. aus Nickel-Kobalt), aus einer darauf abgeschiedenen elektrisch leitenden Zwischenschicht (z. B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschiedenen weichmagnetischen Schicht (z. B. aus Nickel-Eisen) besteht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus einem magnetisch nicht leitenden metallischen Innenleiter (z. B. aus Beryllium-Kupfer), auf den dann die hartmagnetische Schicht, darauf die Zwischenschichl und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden werden. Dieser bekannte bistabile magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Spannungsimpulse als ein Wiegand-Draht. Other bistable structures are also suitable for the invention magnetic elements, if these two regions magnetically coupled to one another in this way of different hardness (coercive force) that are similar in them Set in like in Wiegand wires by an induced, large Barkhausen jump Folding over the entire soft magnetic area can be triggered, which is used to generate pulses can be exploited. For example, from DE-PS 25 14 131 is a bistable magnetic switch core known in the form of a wire, which consists of a hard magnetic Core (e.g. made of nickel-cobalt), made of an electrically conductive layer deposited on it Intermediate layer (e.g. made of copper) and a soft magnetic layer deposited on it Layer (e.g. made of nickel-iron). Another variant also uses a core made of a magnetically non-conductive metallic inner conductor (e.g. made of beryllium copper), on which the hard magnetic layer, then the intermediate layer and the soft magnetic layer is deposited thereon. This well-known bistable Magnetic switching core, however, generates lower voltage pulses than a Wiegand wire.

Ein weiteres drahtförmiges, ebenfalls zweischichtig aufgebautes, bistabiles magnetisches Element ist aus der EP-A2-0 085 140 bekannt. Es ähnelt dem aus der DE-PS 25 14 131 bekannten bistabilen magnetischen Element darin, daß es über einem hartmagnetischen Kern eine weichmagnetische, anders als der Kern zusammengesetzte Schicht aufweist, doch ist diese Schicht - anders als bei dem aus der DE-PS 25 14 131 bekannten bistabilen magnetischen Element - tordiert. Another wire-shaped, also two-layer structure, bistable magnetic element is known from EP-A2-0 085 140. It is similar to that from DE-PS 25 14 131 known bistable magnetic element in that it over a hard magnetic core a soft magnetic one, which is composed differently from the core Has layer, but this layer is different from that from DE-PS 25 14 131 known bistable magnetic element - twisted.

Weggeber, welche mit bistabilen magnetischen Elementen, insbesondere mit Wiegand-Drähten arbeiten, sind bereits aus der DE-OS 30 08 582 bekannt. Bei solchen Weggebern ist ein Träger in einer Folge von untereinander parallelen, in gleichem Abstand angeordneten BMEs vorgesehen, und die Lage der BMEs wird durch eine Leseeinrichtung magnetisch abgetastet. Die Leseeinrichtung und der Träger sind relativ zueinander linear beweglich, wobei es grundsätzlich unerheblich ist, ob die Leseeinrichtung ruht und der Träger bewegt wird oder ob der Träger ruht und die Leseeinrichtung bewegt wird. Diese Leseeinrichtung umfaßt eine Anordnung von Permanentmagneten, deren Magnetfeld von den BMEs durchquert wird, wenn der Träger und die Leseeinrichtung relativ zueinander bewegt werden. Die Anordnung der Permanentmagnete in der Leseeinrichtung ist so gewählt, daß die BMEs, welche an der Leseeinrichtung vorbeibewegt werden, symmetrisch oder asymmetrisch erregt werden und dementsprechend elektrische Spannungsimpulse in einer Sensorwicklung erzeugen, die zweckmäßigerweise in der Leseeinrichtung vorgesehen ist, grundsätzlich aber auch um jedes einzelne BME herumgelegt sein könnte. Displacement encoder, which with bistable magnetic elements, in particular Working with Wiegand wires are already known from DE-OS 30 08 582. at such displacement transducers is a carrier in a sequence of mutually parallel, in Equally spaced BMEs are provided, and the position of the BMEs is determined by a reading device scanned magnetically. The reader and the carrier are linearly movable relative to each other, it is fundamentally irrelevant whether the reading device is at rest and the carrier is moved or whether the carrier is at rest and the reading device is moved. This reading device comprises an arrangement of Permanent magnets whose magnetic field is crossed by the BMEs when the wearer and the reading means are moved relative to one another. The arrangement of the permanent magnets in the reading device is selected so that the BMEs which are attached to the reading device be moved past, be excited symmetrically or asymmetrically and accordingly generate electrical voltage pulses in a sensor winding, which is expedient is provided in the reading device, but in principle also to each individual BME might be lying around.

Mit Wiegand-Drähten oder dergleichen bistabilen magnetischen Elementen arbeitende Drehgeber sind z. B. bekannt aus der DE-OS 32 23 924. Derartige Drehgeber besitzen einen Rotor, zweckmäßigerweise mit zylindrischer Mantelfläche, welcher - zweckmäßigerweise achsparallel angeordnet - eine äquidistante Folge von BMEs trägt, deren Lage ebenfalls durch eine Leseeinrichtung, welche eine Sensorwicklung enthält, magnetisch abgetastet wird. With Wiegand wires or similar bistable magnetic elements working encoders are z. B. known from DE-OS 32 23 924. Such rotary encoders have a rotor, expediently with a cylindrical outer surface, which - expediently arranged axially parallel - carries an equidistant sequence of BMEs, their position also by a reading device which contains a sensor winding, is scanned magnetically.

Auch hier können die BMEs durch die Leseeinrichtung symmetrisch oder asymmetrisch erregt und dadurch zur Erzeugung von entsprechenden Impulsen in der Sensorwicklung veranlaßt werden. Here, too, the BMEs can be symmetrical or by the reading device asymmetrically excited and thereby generating corresponding pulses in the Sensor winding are caused.

Für inkrementale Weggeber und Drehgeber, welche in den beiden möglichen Bewegungsrichtungen arbeiten und Impulse abgeben können sollen, ist die symmetrische Erregung die geeignete Form der Erregung. For incremental position encoders and rotary encoders, which are in the two possible Movement directions are supposed to work and deliver impulses is symmetrical Arousal the appropriate form of arousal.

Bei den bislang bekannt gewordenen Weggebern und Drehgebern, welche mit Wiegand-Drähten oder dergleichen bistabilen magnetischen Elementen arbeiten, sind die BMEs durch Eingießen, Einsiegeln, Einkleben oder ähnliche Befestigungsverfahren auf dem Träger bzw. dicht unter seiner Arbeitsfläche befestigt. In the case of the position encoders and rotary encoders that have become known so far, which work with Wiegand wires or similar bistable magnetic elements, are the BMEs by pouring, sealing, gluing or similar fastening methods attached to the carrier or just below its work surface.

Der Verwendung der bekannten Drehgeber und Weggeber als inkremental arbeitende Geber, welche eine Umkehrung der Bewegungsrichtung erlauben, stand bislang ein gravierender Nachteil entgegen: Es konnten nämlich bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung ein oder mehrere Impulse ausfallen. Der Grund dafür liegt darin, daß ein BME, welches an der Leseeinrichtung des Gebers entlang bewegt wird, dabei zunächst in einem relativ starken Magnetfeld in der cinen Richtung magnetisch gesättigt wird, und anschließend in einen Magnetfeldbereich mit entgegengesetzt gerichteter Feldstärke gelangt, in welchem es bei Erreichen der Zündfeldstärke zündet und einen elektrischen Spannungsimpuls in der Sensorwicklung erzeugt, nach einer Umkehrung der Bewegungsrichtung erst dann wieder zur Abgabe eines Impulses veranlaßt werden kann, wenn es zuvor magnetisch gesättigt wurde, d. h., das BME mußte über jene Stelle, an welcher es zündete, noch ein Stück weit hinaus in der ursprünglichen Bewegungsrichtung weiterbewegt werden bis zum Erreichen der Sättigungsfeldstärke, bei welcher auch der hartmagnetische Bereich des BMEs schließlich umklappte. Erfolgte die Umkehrung der Bewegungsrichtung jedoch bereits vor dem Erreichen der Sättigungsfeldstärke, dann konnte das betrachtete BME beim Passieren der Leseeinrichtung keinen weiteren Impuls in der Sensorwicklung erzeugen. Ein derartiges Ausfallen von Impulsen ist für einen inkremental arbeitenden Geber natürlich nicht tragbar. The use of the well-known rotary encoders and position encoders as incremental working encoders, which allow a reversal of the direction of movement, stood so far on the other hand, there was a serious disadvantage: namely, when the direction of movement was reversed one or more impulses fail. The reason for this is that a BME which is moved along the reading device of the encoder, initially in a relative manner strong magnetic field in the cinen direction is magnetically saturated, and then enters a magnetic field area with oppositely directed field strength, in which it ignites when the ignition field strength is reached and an electrical voltage pulse generated in the sensor winding, only after a reversal of the direction of movement can be caused to emit a pulse again if it was previously magnetic has been saturated, d. In other words, the BME still had to go through the point at which it ignited be moved a little further in the original direction of movement until the saturation field strength is reached, at which also the hard magnetic field The area of the BME finally flipped over. The direction of movement was reversed however, before reaching the saturation field strength, then that could be considered BME no further pulse in the sensor winding when passing the reading device produce. Such a dropout of pulses is for an incremental working Donors of course not portable.

Es ist schon vorgeschlagen worden (DE-PS 32 32 306), den Geber mit einer elektronischen Impulsschaltung auszurüsten, welche durch die in der Sensorwicklung auftretenden Impulse getriggert wird und das jeweils zündende BME mit Hilfe einer elektrischen Zusatzwicklung noch an der Zündposition elektromagnetisch sättigt. Ein solcher Schaltungsaufbau erfordert allerdings einigen elektronischen Aufwand und ein wesentlicher Vorteil der hier betrachteten bistabilen magnetischen Elemente, nämlich die Möglichkeit, die Geber passiv zu betreiben, entfällt. It has already been proposed (DE-PS 32 32 306) to use the encoder to equip an electronic pulse circuit, which by the in the sensor winding occurring impulses is triggered and the respectively igniting BME with the help of a electrical additional winding is still electromagnetically saturated at the ignition position. Such a circuit structure, however, requires some electronic complexity and a major advantage of the bistable magnetic elements considered here, namely, the possibility of operating the encoders passively is eliminated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen zur Drehwinkel- oder Längenmessung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung keine Impulse ausfallen und dennoch der Vorteil eines passiven, d. h. keine Stromversorgung benötigenden Betriebes erhalten bleibt. The invention is based on the object of providing devices for angle of rotation or to improve length measurement of the type described above so that at a Reversing the direction of movement no pulses fail and still the advantage a passive, d. H. no power supply required operation is maintained.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtungen mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. This object is achieved by devices with the claims 1 specified features.

Die Wirkungsweise der Erfindung läßt sich am besten anhand der beigefügten Zeichnungen erläutern. The operation of the invention can best be seen from the attached Explain drawings.

F i g. 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt eine Schrägansicht eines Stabes mit Wiegand-Drähten welcher zusammen mit einem Lesekopf die Grundelemente eines inkrementalen Weggebers bildet, Fig. 2 zeigt in einer Schrägansicht den prinzipiellen Aufbau eines Lesekopfes, welcher für einen inkrementalen Weggeber wie in F i g. 1 oder für einen Drehgeber geeignet ist, und F i g. 3 zeigt den typischen Feldstärkeverlauf vor einem Lesekopf der in F i g. 2 dargestellten Art entlang der Bewegungsrichtung y. F i g. 1 shows schematically and partially in section an oblique view a rod with Wiegand wires which, together with a reading head, form the basic elements of an incremental encoder, Fig. 2 shows the basic one in an oblique view Structure of a read head which is used for an incremental position encoder as in FIG. 1 or is suitable for a rotary encoder, and FIG. 3 shows the typical field strength curve in front of a read head in FIG. 2 type shown along the direction of movement y.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält einen geradlinigen Träger 1 in Gestalt eines Stabes aus Kunststoff, aus nicht magnetisierbarem Edelstahl, aus Aluminium oder aus anderem nicht magnetisierbarem Werkstoff. Der Stab besitzt an seiner Oberseite la eine Folge von Nuten 2, welche parallel zueinander im rechten Winkel zur Längsrichtung des Stabes 1 verlaufen und voneinander jeweils den gleichen Abstand d sowie jeweils die gleichbleibende Breite w besitzen. Diese Nuten 2 machen den Stab 1 zu einem Maßstab mit der konstanten Teilung t= d+ w. In jeder Nut ist ein drahtförmiges bistabiles magnetisches Element 3, insbesondere ein Wiegand-Draht lose eingelegt. Damit die Wiegand-Drähte 3 in den Nuten 2 nicht verloren gehen können, ist der Stab 1 auf seiner Oberfläche 1a durch eine Folie oder durch ein dünnes Blech 4 aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff abgedeckt Die Oberseite 4a dieser Folie bzw. dieses Bleches 4 bildet die Arbeitsfläche des stabförmigen Trägers mit den Wiegand-Drähten darin. Die an den Flanken des Stabes 1 liegenden Enden der Nuten 2 müssen natürlich auch verschlossen werden; in F i g. 1 sind sie nur deshalb offen gezeichnet worden, um den Aufbau des Stabes deutlicher erkennen zu lassen. Zum Verschließen der Enden der Nuten kann man zum Beispiel das Blech 4, welches den Stab 1 abdecken soll, U-förmig ausbilden und nach Art einer Kappe über den Stab 1 stülpen, so daß dieser zugleich an seiner Oberseite 1a und an seinen beiden Flanken abgedeckt wird Bei einem aus Edelstahl bestehenden Stab könnte man zur Abdeckung ein U-förmiges, 0,1 mm dickes Edelstahlblech verwenden und dieses durch Rollverschweißen an den beiden Flanken des Stabes 1 befestigen. The in F i g. The arrangement shown in FIG. 1 includes a rectilinear one Carrier 1 in the form of a rod made of plastic, made of non-magnetizable stainless steel, made of aluminum or other non-magnetizable material. The staff owns on its upper side la a sequence of grooves 2, which are parallel to each other in the right Extend angles to the longitudinal direction of the rod 1 and from each other each have the same distance d and each have the same width w. These grooves 2 make the rod 1 a scale with the constant pitch t = d + w. In each groove there is a wire-shaped bistable magnetic element 3, in particular a Wiegand wire loosely inserted. So that the Wiegand wires 3 in the grooves 2 do not can be lost, the rod 1 is on its surface 1a through a film or covered by a thin sheet 4 made of a non-magnetizable material The top 4a of this film or this sheet 4 forms the working surface of the rod-shaped carrier with the Wiegand wires in it. The ones on the flanks of the staff 1 lying ends of the grooves 2 must of course also be closed; in F i G. 1 they have only been drawn openly to make the structure of the bar clearer to reveal. To close the ends of the grooves, for example, you can do this Sheet 4, which is to cover the rod 1, U-shaped and in the manner of a Put the cap over the rod 1 so that it is at the same time on its top 1a and is covered on both sides of a rod made of stainless steel a U-shaped, 0.1 mm thick stainless steel sheet could be used for the cover and fasten this to the two flanks of the rod 1 by roll welding.

Die Wiegand-Drähte 3 sollen in den Nuten 2 des Stabes 1 eine gewisse Bewegungsfreiheit fin Längsrichtung des Stabes 1 aufweisen. Zu diesem Zweck ist die Breite w der Nuten 2 größer gewählt als der Durchmesser der Wiegand-Drähte 3, und die Tiefe der Nuten ist geringfügig größer als der Durchmesser der Wiegand-Drähte. The Wiegand wires 3 should have a certain amount in the grooves 2 of the rod 1 Have freedom of movement fin in the longitudinal direction of the rod 1. To that end is the width w of the grooves 2 selected to be greater than the diameter of the Wiegand wires 3, and the depth of the grooves is slightly greater than the diameter of the Wiegand wires.

Die Bewegungsfreiheit f ergibt sich somit als Differenz aus der Breite w der Nuten und dem Durchmesser der Wiegand-Drähte 3. The freedom of movement f thus results from the difference from the width w of the grooves and the diameter of the Wiegand wires 3.

Der Arbeitsfläche 4a des Stabes 1 gegenüberliegend ist ein Lesekopf 5 angeordnet, welcher parallel zur Längsrichtung des Stabes 1 hin und her beweglich ist und dabei den Stab 1 magnetisch abtastet. Opposite the working surface 4a of the rod 1 is a reading head 5 arranged, which is movable to and fro parallel to the longitudinal direction of the rod 1 is and thereby scans the rod 1 magnetically.

Der prinzipielle Aufbau eines solchen Lesekopfes ist in F i g. 2 dargestellt. Der Lesekopf enthält vier stabförmige Hochleistungs-Dauermagnete 6, 7, 8 und 9, insbesondere aus Kobalt-Samarium, welche paarweise antiparallel orientiert auf engem Raum nebeneinander in einem Geviert angeordnet sind und ihre eine Polfläche 10 der Arbeitsfläche 4a des Stabes 1 zuwenden. Diese vier Magnete bilden zwischen sich in einer Ebene, welche im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung y des Lesekopfes verläuft (in der Darstellung der F i g. 2 ist das die x-z-Ebene), eine neutrale Zone 11, in welcher die resultierende magnetische Feldstärke den Wert Null oder einen nahe bei Null liegenden Wert besitzt. Im Bereich dieser neutralen Zone 11 ist ein U-förmiger weichmagnetischer Kern 12 mit seinen beiden Enden bis zur Vorderseite des Lesekopfs 5 geführt; die Vorderseite des Lesekopfs 5 ist jene Seite, welche der Arbeitsfläche 4 des Stabes 1 zugewandt ist und welcher auch die einen Polflächen 10 der Dauermagnete 6-9 liegen. Der U-förmige Kern 12 trägt eine Sensorwicklung 13. The basic structure of such a read head is shown in FIG. 2 shown. The read head contains four rod-shaped high-performance permanent magnets 6, 7, 8 and 9, in particular from cobalt samarium, which are oriented in pairs antiparallel are arranged in a small space next to each other in a square and their one pole face 10 turn to the working surface 4a of the rod 1. These four magnets form between in a plane which is at right angles to the direction of movement y of the read head runs (in the representation of FIG. 2 this is the x-z plane), a neutral one Zone 11, in which the resulting magnetic field strength is zero or has a value close to zero. In the area of this neutral zone 11 is a U-shaped soft magnetic core 12 with its two ends up to the front the read head 5 out; the front of the read head 5 is that side which the working surface 4 of the rod 1 faces and which also the one pole faces 10 of the permanent magnets 6-9 lie. The U-shaped core 12 carries a sensor winding 13th

Ein Lesekopf der in F i g. 2 dargestellten Art erzeugt vor seiner Vorderseite einen magnetischen Feldverlauf, wie cr in F i g. 3 dargestellt ist. A read head of the type shown in FIG. 2 generated before his The front side shows a magnetic field curve, as in cr in FIG. 3 is shown.

F i g. 3 zeigt den Verlauf der magnetischen Feldstärkekomponente in x-Richtung (Hx) entlang der Längsrichtung des Stabes 1, und zwar in jenem Abstand vor der Vorderseite des Lesekopfes 5, in welchem die Wiegand-Drähte 3 am Lesekopf 5 vorbeiwandern; die Längsrichtung des Stabes 1 ist zugleich die Bewegungs- richtung y des Lesekopfes 5; die x-Richtung stimmt überein mit der Längsrichtung der Wiegand-Drähte 3. F i g. 3 shows the course of the magnetic field strength component in the x-direction (Hx) along the longitudinal direction of the rod 1, namely at that distance in front of the front of the reading head 5, in which the Wiegand wires 3 on the reading head 5 walk past; the longitudinal direction of the rod 1 is also the movement direction y of the read head 5; the x-direction corresponds to the longitudinal direction of the Wiegand wires 3.

Ein jeder Wiegand-Draht 3, der am Lesekopf vorbeibewegt wird, durchquert das in Fig.3 dargestellte Magnetfeld. Die neutrale Zone dieses Magnetfeldes findet sich am Ort y= O. Der Feldstärkeverlauf ist in Bezug auf die neutrale Zone - abgesehen vom Vorzeichen der Feldstärke - annähernd symmetrisch.Each Wiegand wire 3 that is moved past the reading head is traversed the magnetic field shown in Figure 3. Finds the neutral zone of this magnetic field is at location y = O. The field strength curve is disregarded in relation to the neutral zone of the sign of the field strength - approximately symmetrical.

Ein Wiegand-Draht 3 oder ein ahnliches bistabiles magnetisches Element, welches sich dem Lesekopf gemäß der Darstellung in den F i g. 1 bis 3 von der rechten Seite her nähert, tritt zunächst in den Bereich des Magnetfeldes mit negativer Feldstärke ein und wird darin nach Überschreiten der Sättigungsfeldstärke - Hs magnetisch gesättigt, das heißt der hartmagnetische und der weichmagnetische Bereich des Wiegand-Drahtes werden beide in die Richtung der äußeren Feldstärkekomponente Hx umgeklappt, soweit sie das nicht ohnehin schon waren. Wenn sich der Wiegand-Draht dann auf die neutrale Zone (y=O) zubewegt und diese durchquert, gelangt er in den Bereich des Magnetfeldes, dessen x-Komponente der x-Komponente auf der anderen Seite der neutralen Zone entgegengerichtet ist. In diesem, als positiv angenommenen Feldstärkebereich wird der weichmagnetische Kern des Wiegand-Drahtes magnetisch umgeklappt, sobald die x-Komponente der Feldstärke den Wert der Zündfeldstärke Hp überschreitet. Die Zündfeldstärke Hp ist erheblich kleiner als die Sättigungsfeldstärke H, Das Umklappen des weichmagnetischen Kerns des Wiegand-Drahtes bewirkt eine kurzzeitige Änderung des magnetischen Kraftflusses, welche von dem U-förmigen Kern 12 im Lesekopf 5 aufgefangen wird und in der Sensorwicklung 13, welche den Kern 12 umgibt, einen kurzen elektrischen Spannungsimpuls - den Wiegand-Impuls - induziert. Bei fortschreitender Bewegung des Wiegand-Drahtes von rechts nach links durchquert er das positive Feldstärkemaximum und wird bei Überschreiten der Sättigungsfeldstärke + Hs erneut gesättigt, das heißt sowohl der weichmagnetische Kern als auch die hartmagnetische Schale werden parallel zur positiven x-Komponente des Magnetfeldes ausgerichtet. A Wiegand wire 3 or a similar bistable magnetic element, which is attached to the reading head as shown in FIGS. 1 to 3 from the right Approaching the side, first enters the area of the magnetic field with negative field strength and becomes magnetically saturated after exceeding the saturation field strength - Hs, that is, the hard magnetic and the soft magnetic area of the Wiegand wire are both folded in the direction of the outer field strength component Hx, so far they weren't already. If the Wiegand wire is then on the neutral Moving towards the zone (y = O) and crossing it, it comes into the area of the magnetic field, its x-component opposite to the x-component on the other side of the neutral zone is. In this field strength range, which is assumed to be positive, the soft magnetic The core of the Wiegand wire is magnetically folded over as soon as the x component of the field strength exceeds the value of the ignition field strength Hp. The ignition field strength Hp is considerable less than the saturation field strength H, the flipping of the soft magnetic core of the Wiegand wire causes a brief change in the magnetic flux, which is caught by the U-shaped core 12 in the reading head 5 and in the sensor winding 13, which surrounds the core 12, a short electrical voltage pulse - the Wiegand pulse - induced. As the Wiegand wire moves from right to left it crosses the positive field strength maximum and is when the saturation field strength is exceeded + Hs saturated again, that is, both the soft magnetic core and the hard magnetic core Shell are aligned parallel to the positive x-component of the magnetic field.

Vom Ort der Zündung bis zum Ort der magnetischen Sättigung legt der Wiegand-Draht den Weg dy zurück. From the point of ignition to the point of magnetic saturation, the Wiegand wire back the way dy.

Wird die Bewegungsrichtung des Wiegand-Drahtes im Intervall dy umgekehrt, dann kann dieser Wiegand-Draht wegen nicht erfolgter magnetischer Sättigung nach dem Durchqueren der neutralen Zone (y= 0) trotz Überschreitens der Zündfeldstärke keinen Wiegand-Impuls auslösen, und dieser Impulsausfall wäre in einem Drehgeber oder in einem Weggeber, welcher inkremental arbeiten soll, nicht tragbar. Erfindungsgemäß wird jedoch verhindert, daß ein Wiegand-Draht oder ein ähnliches bistabiles magnetisches Element nach Zündung eines Wiegand-Impulses im Intervall dy zwischen der Zündposition und der Sättigungsposition seine Bewegungsrichtung umkehren kann. Durch die vorgesehene Bewegungsfreiheit des Wiegand-Drahtes in y-Richtung wird vielmehr erreicht, daß ein Wiegand-Draht im Moment seiner Zündung unter Ausnutzung seiner Bewegungsfrciheit in eine Position mit höherer Feldstärke springt, welche zur magnetischen Sättigung des Wiegand-Drahtes ausreicht, so daß der Wiegand-Draht praktisch gleichzeitig mit der Zündung auch magnetisch gesättigt wird. Dies läßt sich anhand der F i g. 1 und 3 wie folgt erklären: Bei Bewegung des Lesekopfs 5 von links nach rechts in y-Richtung, wie es in F i g. 1 angegeben ist, nähern sich die Wiegand-Drähte 3 dem Lesekopf 5 von der rechten Seite her. Ein Wiegand-Draht, über welchen der Lesekopf 5 hinweggeführt wird, durchläuft deshalb - in der Darstellung der F i g. 3 - zunächst den negativen Extremwert der magnetischen Feldstärke und wird dabei magnetisch gesättigt. Infolge dieser Sättigung wirkt auf den Wiegand-Draht 3 eine magnetische Kraft, welche ihn in Richtung der Stelle y, zu ziehen sucht, wo sich der negative Extremwert der Feldstärke befindet. Das hat zur Folge, daß sich der Wiegand-Draht in der Nut 2 an dessen rechte Begrenzungswand anlegt. Nach dem Durchqueren der neutralen Zone (y=O) gelangt der Wiegand-Draht 3 in den Bereich der positiven Feldstärkekomponente Hx, und weil diese der Feldstärkekomponente K auf der anderen Seite der neutralen Zone entgegengesetzt gerichtet ist, erfährt der Wiegand-Draht nunmehr eine abstoßende magnetische Kraft, welche ihn von der Stelle Y2, an welcher die Feldstärkekomponente Hx ihren positiven Extremwert annimmt, zu entfernen sucht; es bleibt also zunächst dabei, daß der Wiegand-Draht 3 durch magnetische Krafteinwirkung gegen die rechte Begrenzungswand seiner Nut 2 gedrückt wird. Dies ändert sich jedoch in dem Moment, wo der Wiegand-Draht jene Position erreicht, an welcher die Zündfeldstärke + Hp überschritten wird. Durch die Zündung des Wiegand-Drahtes kehrt sich die Magnetisierungsrichtung von dessen weichmagnetischem Kern um, und das hat zur Folge, daß der Wiegand-Draht nun nicht mehr von dem Feld, in welchem er sich befindet, abgestoßen, sondern angezogen wird, nämlich in Richtung auf die Stelle yz, wo die Feldstärkekomponente H ihren positiven Extremwert annimmt. Daraus folgt, daß im Augenblick der Zündung der Wiegand-Draht 3 von der rechten Begrenzungswand seiner Nut 2 zur linken Begrenzungswand seiner Nut springt und damit in einen Bereich höherer Fedstärke gelangt. Damit der Wiegand-Draht durch diesen Sprung tatsächlich in den Bereich der Sättigungsfeldstärke gelangt, ist die Bewegungsfreiheit fades Wiegand-Drahtes so zu wählen, daß sie nicht kleiner ist als der Abstand dy zwischen der Zündposition und der Sättigungsposition, welcher durch den Aufbau des Lesekopfes 5 vorgegeben ist. Ein auf diese Weise im Augenblick der Zündung erneut gesättigter Wiegand-Draht gibt selbst dann, wenn der Lesekopf 5 bzw. der Träger 1 noch im Moment der Zündung des Wiegand-Drahtes ihre Bewegungsrichtung umkehren, bei dem nach der Bewegungsumkehr erfolgenden erneuten Vorbeilauf am Lesekopf einen Wiegand-lmpuls ab, so daß kein Wiegand-Impuls bei Bewegungsrichtungsumkehr verloren geht.If the direction of movement of the Wiegand wire is reversed in the interval dy, then this Wiegand wire can move because of the lack of magnetic saturation crossing the neutral zone (y = 0) despite exceeding the ignition field strength do not trigger a Wiegand pulse, and this pulse drop would be in a rotary encoder or in a position encoder that is supposed to work incrementally, not portable. According to the invention however, a Wiegand wire or the like is prevented from being bistable magnetic Element after ignition of a Wiegand pulse in the interval dy between the ignition position and the saturation position can reverse its direction of movement. By the intended Rather, freedom of movement of the Wiegand wire in the y-direction is achieved that a Wiegand wire at the moment of its ignition using its freedom of movement jumps to a position with a higher field strength, which leads to magnetic saturation of the Wiegand wire is sufficient so that the Wiegand wire practically simultaneously with the ignition is also magnetically saturated. This can be seen from FIG. 1 and 3 explain as follows: When reading head 5 moves from left to right in the y-direction, as shown in FIG. 1 is indicated the Wiegand wires 3 the reading head 5 from the right side. A Wiegand wire over which the Reading head 5 is passed away, therefore runs through - in the illustration of FIG. 3 - first the negative extreme value of the magnetic field strength and is thereby magnetically saturated. As a result of this saturation acts on the Wiegand wire 3 magnetic force which seeks to pull it in the direction of the point y, where it is the negative extreme value of the field strength is. As a result, the Wiegand wire in the groove 2 on the right boundary wall. After crossing of the neutral zone (y = O), the Wiegand wire 3 comes into the area of the positive Field strength component Hx, and because this is the field strength component K on the other The Wiegand wire experiences the opposite side of the neutral zone now a repulsive magnetic force, which him from the point Y2, at which the field strength component Hx assumes its positive extreme value, seeks to remove it; So it remains for the time being that the Wiegand wire 3 is caused by the action of magnetic force is pressed against the right boundary wall of its groove 2. However, this is changing at the moment when the Wiegand wire reaches the position at which the ignition field strength is applied + Hp is exceeded. When the Wiegand wire is ignited, the direction of magnetization is reversed of its soft magnetic core around, and that has the consequence that the Wiegand wire now no longer repulsed by the field in which he is, but attracted is, namely in the direction of the point yz where the field strength component H their assumes a positive extreme value. It follows that at the moment of ignition the Wiegand wire 3 from the right boundary wall of its groove 2 to the left boundary wall of its The groove jumps and thus enters an area of higher spring strength. So the Wiegand wire actually gets into the range of the saturation field strength through this jump, the freedom of movement of fade Wiegand wire is to be chosen so that it is not smaller is than the distance dy between the ignition position and the saturation position, which is predetermined by the structure of the reading head 5. One this way right now the ignition is again saturated Wiegand wire even when the read head 5 or the carrier 1 is still in its direction of movement at the moment of the ignition of the Wiegand wire reverse, with the renewed passing of the read head after the movement reversal emits a Wiegand pulse so that no Wiegand pulse occurs when the direction of movement is reversed get lost.

Die Bewegungsfreiheit der Wiegand-Drähte bewirkt allerdings, daß bei einem damit ausgerüsteten inkrementalen Drehgeber oder Weggeber die Umkehrung der Bewegungsrichtung mit einer Positionierungshysterese verknüpft ist, deren Länge der Bewegungsfreiheit f der Wiegand-Drähte entspricht. Da jedoch die Positionierungshysterese bekannt ist und gleichbleibend auftritt, kann sie bei der Auswertung der Signale des Gebers leicht kompensiert werden, so daß sie die Meß-bzw. Positioniergenauigkeit des Gebers praktisch nicht beeinflußt. The freedom of movement of the Wiegand wires, however, has the effect that In the case of an incremental rotary encoder or displacement encoder equipped with it, the reverse is the case the direction of movement is linked to a positioning hysteresis, the length of which corresponds to the freedom of movement f of the Wiegand wires. However, since the positioning hysteresis is known and occurs consistently, it can be used when evaluating the signals of the encoder are easily compensated, so that they the measuring or. Positioning accuracy of the encoder is practically not influenced.

Ein praktisch ausgeführter Weggeber der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Art erreicht eine Wegauflösung von 1 mm unter Zugrundelegung der folgenden Bemessungen: Die Nuten 2 des Trägers besitzen eine Breite von w= 0,8 mm und eine Tiefe von 0,4 mm und weisen einen Abstand untereinander von d=0,2 mm auf. In diese Nuten werden Wiegand-Drähte mit einem typischen Durchmesser von 0,2 mm eingelegt. Auf diese Weise besitzen die Wiegand-Drähte 3 eine Bewegungsfreiheit von w=0,6 mm. Das reicht aus, um den vom Magnetkopf 5 vorgegebenen Abstand zwischen der Zündposition und der Sättigungsposition zu überspringen. A practically executed displacement encoder of the FIG. 1 to 3 shown Art achieves a path resolution of 1 mm based on the following dimensions: The grooves 2 of the carrier have a width of w = 0.8 mm and a depth of 0.4 mm and have a distance between them of d = 0.2 mm. In these grooves will be Wiegand wires with a typical diameter of 0.2 mm are inserted. In this way the Wiegand wires 3 have a freedom of movement of w = 0.6 mm. That's enough, by the distance between the ignition position and the saturation position predetermined by the magnetic head 5 to skip.

Die Darstellungen in F i g. 1 bis F i g. 3 gelten in gleicher Weise für einen Drehgeber, wenn man den Stab 1 ersetzt durch einen zylindrischen Rotor, an dessen Mantelfläche die Wiegand-Drähte in Nuten angeordnet sind, welche parallel zur Drehachse des Rotors verlaufen. The representations in FIG. 1 to F i g. 3 apply in the same way for a rotary encoder, if the rod 1 is replaced by a cylindrical rotor, on the outer surface of which the Wiegand wires are arranged in grooves which are parallel run to the axis of rotation of the rotor.

Zusammenfassend läßt sich daher feststellen, das durch die Erfindung erreicht wird, daß bei einem Drehgeber oder bei einem Weggeber, welcher mit Wiegand-Drähten oder ähnlichen bistabilen magnetischen Elementen arbeitet, die durch symmetrische Erregung zur Impulsabgabe angeregt werden, bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung des Rotors im Falle eines Drehgebers bzw. des Trägers oder des Lesekopfes im Falle eines Weggebers keine Impulse verloren gehen, und zwar wird dieses durch ausschließlich passive, nichtelektrische Maßnahmen erreicht, so daß der Vorteil des passiven Betriebes, welchen die BMEs ermöglichen, voll erhalten bleibt. In summary, it can therefore be stated that the invention it is achieved that with a rotary encoder or with a displacement encoder, which with Wiegand wires or similar bistable magnetic elements that works by symmetrical Excitation can be excited to emit impulses when the direction of movement is reversed the rotor in the case of a rotary encoder or the carrier or the read head in the case of an encoder no impulses are lost, and this is only due to passive, non-electrical measures are achieved, so that the advantage of passive operation, which the BMEs enable is retained in full.

Das Springen der BMEs erfolgt sehr rasch, da die BMEs nur eine geringe Trägheit aufweisen: Ein typischer Wiegand-Draht von 15-20 mm Länge und einem Durchmesser von 0,2 mm besitzt eine träge Masse von weniger als 5 mg. Daraus folgt, daß nur entsprechend hohe Beschleunigungen die Drähte in ihren Ausnehmungen aus jenen Endpositionen herausbewegen können, in welche sie durch die magnetischen Kräfte, welche vom Lesekopf ausgeübt werden, hineingetrieben werden. Man kann deshalb davon ausgehen, daß erfindungsgemäße Drehgeber und Weggeber gegen Vibrationen und sonstige Erschütterungen recht unempfindlich sind. Bei schnellen Bewegungen des Trägers oder des Lesekopfes nur in einer Bewegungsrichtung arbeitet ein erfindungsgemäßer Geber wie die eingangs beschriebenen bekannten Geber, in welchen die BMEs nicht beweglich sind. Die mechanische Trägheit der BMEs spielt dann keine Rolle. The BMEs jump very quickly because the BMEs only have a small amount Show inertia: A typical Wiegand wire 15-20 mm in length and diameter of 0.2 mm has an inertial mass of less than 5 mg. It follows that only correspondingly high accelerations the wires in their recesses from those end positions can move out into which they are due to the magnetic forces exerted by the read head to be exercised, to be driven into it. It can therefore be assumed that according to the invention Rotary encoders and displacement encoders are quite insensitive to vibrations and other shocks are. With fast movements of the carrier or the reading head only in one direction of movement an inventive encoder works like the known encoder described at the beginning, in which the BMEs are not movable. The mechanical inertia of the BMEs plays then it doesn't matter.

Die mechanische Trägheit spielt allerdings eine Rolle bei einer Bewegungsrichtungsumkehr, jedoch ist in der Umkehrphase die Geschwindigkeit minimal und nicht geeignet, zu Fehlern zu führen. The mechanical inertia, however, plays a role in a reversal of the direction of movement, however, in the reversal phase the speed is minimal and not suitable for To make mistakes.

Anhand des Ausführungsbeispiels wurde bereits erläutert, daß sich als Ausnehmungen im Träger zur Aufnahme der BMEs besonders Nuten eignen, welche durch eine Folie oder ein dünnes Blech aus nichtmagnetischem Werkstoff abgedeckt sind. Eine andere praktikable Möglichkeit besteht darin, die drahtförmigen BMEs einzeln lose in Röhrchen einzuschieben, in denen sie den entsprechenden Bewegungsspielraum haben und diese Röhrchen dann auf dem Träger zu befestigen. On the basis of the exemplary embodiment it has already been explained that Particularly suitable grooves as recesses in the carrier for receiving the BMEs, which covered by a foil or a thin sheet of non-magnetic material are. Another viable option is to use the wire-shaped BMEs individually to be inserted loosely into tubes, in which they have the appropriate freedom of movement and then attach these tubes to the carrier.

Dies kann zum Beispiel so aussehen, daß man die Röhrchen, nachdem die BMEs eingeschoben wurden, an den Enden um 90° abwinkelt und dadurch schließt und die Röhrchen an ihren abgewinkelten Enden durch Punktschweißen an den beiden Flanken eines stabförmigen Trägers oder an den beiden Endflächen eines zylindrischen Rotors befestigt Vorzugsweise beträgt die Bewegungsfreiheit f der BMEs zwischen 0,5 und 1 mm, das entspricht dem Wert von etwa 2 bis 4 Drahtdurchmessern.This can, for example, look like the tubes can be put after the BMEs were pushed in, angled at the ends by 90 ° and thus closes and the tubes at their angled ends by spot welding the two Flanks of a rod-shaped carrier or on the two end faces of a cylindrical one Rotor attached Preferably, the freedom of movement f of the BMEs is between 0.5 and 1 mm, which corresponds to the value of around 2 to 4 wire diameters.

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Claims

Claims: 1. Device for incremental angle of rotation or Length measurement with a carrier of wire-shaped, bistable, magnetic elements, in particular Wiegand wires, existing measuring graduation and a scanning head, wherein the bistable magnetic elements parallel to the one opposite the scanning head Surface of the carrier are individually arranged captive in recesses of the carrier, characterized in that the bistable magnetic elements (3) in the recesses (2) a given freedom of movement (on the order of the wire diameter) (f) perpendicular to its longitudinal axis and parallel to that opposite the scanning head Have surface (4a).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the recesses (2) of the carrier (1) are grooves, which are through a foil or a thin sheet metal (4) are covered from non-magnetic material.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the bistable magnetic elements (3) individually loosely in small tubes attached to the carrier (1) are arranged.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the freedom of movement (f) of the bistable magnetic elements (3) between 0.5 mm and 1 mm.

The invention relates to a device for incremental Rotation angle or length measurement with a wire-shaped, bistable, magnetic elements (hereinafter also referred to as BMEs), in particular Wiegand wires, existing measuring graduation and a scanning head, the bistable magnetic elements parallel to the surface of the carrier opposite the scanning head (which is shown below is also referred to as its work surface) individually in recesses of the carrier are arranged captive.

Wiegand wires are homogeneous, ferromagnetic, twisted wires (e.g. made of an alloy of iron and nickel, preferably 48% Iron and cobalt, or from an alloy of iron with cobalt and nickel, or from an alloy of cobalt with iron and vanadium, preferably 52% cobalt, 38% iron and 10% vanadium), due to a special mechanical and thermal Treatment have a soft magnetic core and a hard magnetic jacket, d. H. the clad has a higher coercive force than the core. Wiegand wires typically have a length of 10 to 50 mm, preferably 15 to 30 mm. Brings a Wiegand wire, in which the magnetization direction of the soft magnetic Core with the direction of magnetization of the hard magnetic jacket after saturation of the Wiegand wire in a magnetic field with a field strength of at least 80 A / cm, preferably more than 100 A / cm, in an external magnetic field, whose Direction coincides with the direction of the wire axis, the direction of magnetization of the Wiegand wire is opposite, then when a Field strength of approx. 16 A / cm the direction of magnetization of the soft core of the Wiegand wire vice versa.

This reversal is also called "provision" and the one required for it Field strength referred to as "reset field strength". If the direction of the external magnetic field reverses the direction of magnetization of the core when exceeded a critical field strength of the external magnetic field (which has a value of is approx. 8 to 10 A / cm lower than the restoring field strength and as the "ignition field strength" is designated) again.

so that the core and the jacket are magnetized in parallel again; In this context one speaks of the Wiegand wire "igniting". These Reversal of the direction of magnetization of the core takes place very quickly and goes with it a correspondingly strong change in the magnetic flux per unit of time hand in hand (Wiegand effect). This change in the flow of force can occur in an induction winding, which is also referred to as the "sensor winding", an approx. 20 lls long and high (depending on the number of turns and load resistance of the sensor winding up to approx. 12 Volt high) voltage impulse ("Wiegand impulse").

If the Wiegand wire lies in a magnetic field, its direction changes turns back from time to time and which is so strong that it first (at the lower Ignition field strength) the core and then (with higher field strength) also the cladding and can bring each up to the magnetic saturation, so come Wiegand impulses alternately due to the flipping of the magnetization direction of the soft magnetic core with positive and negative polarity and one speaks of "symmetrical excitation" of the Wiegand wire.

This requires field strengths (»saturation field strengths«) of approx. - (80 up to 120 A / cm) to + (80 to 120 A / cm). The jacket is also magnetized erratic and also leads to a pulse in the sensor winding, but is the impulse with the same polarity is much smaller than that of the previous one Folding the core induces impulse and is usually not evaluated selects However, an external magnetic field is one which is only capable of the to reverse the soft core, but not the hard cladding in its direction of magnetization, then the high Wiegand pulses occur only with constant polarity and one speaks of asymmetrical excitation of the Wiegand wire. For this you need in a field strength of at least 16 A / cm in one direction (for resetting of the Wiegand wire) and in the opposite direction a field strength of 80 to 120 A / cm.

It is characteristic of the Wiegand effect that the generated by it Pulses in amplitude and width are largely independent of the rate of change of the external magnetic field and have a high signal-to-noise ratio.