DE69000943T2

DE69000943T2 - Einrichtung zur messung einer relativen verlagerung.

Info

Publication number: DE69000943T2
Application number: DE9090200677T
Authority: DE
Inventors: Johannes Leonardus Gi Bogaerts; Eduard Camerik
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1990-03-22
Publication date: 1993-08-05
Anticipated expiration: 2010-03-23
Also published as: DE69000943D1; JPH02291969A; EP0390261A3; EP0390261A2; JP3075727B2; EP0390261B1; KR0139904B1; US5041785A; ES2040032T3; NL8900750A; KR900014889A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Größe und der Richtung einer relativen Verlagerung zweier Gegenstände, einerseits mit einer länglichen Skale, die auf dem ersten Gegenstand angeordnet ist und sich in Richtung der Verlagerung erstreckt, und aus einer Aufeinanderfolge magnetischer Nord- und Südpole besteht, und zum anderen mit einem Meßkopf der auf dem zweiten Gegenstand angeordnet ist und wenigstens einen ersten und einen zweiten Magnetfeldsensor enthält, die in bezug auf die Skale derart angeordnet sind, daß sie unter dem Einfluß des abwechselnden Durchgangs der Nordpole und Südpole infolge der relativen Verlagerung diese Pole den Einfluß eines Magnetfelds erfahren, das zeitabhängig abgewechselt und in jedem der Sensoren ein Ausgangssignal auslöst, wobei die Ausgangssignale der beiden Sensoren sich im wesenflichen in der gleichen Weise zeitabhängig, jedoch gegeneinander phasenverschoben sind.
Eine Einrichtung dieser Art ist aus der GB-A 1 492 980 bekannt. Derartige Einrichtungen werden beispielweise zum Messen linearer Verlagerungen verwendet, wobei die Skale sich in einer geraden Linie erstreckt, oder zum Messen der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Richtung eines Rades, wobei sich die Skale über den Umfang des Rades erstreckt. Wie anhand der Fig. 3 in GB-A 1 492 980 beschrieben, lassen sich die Größe und die Richtung der relativen Verlagerung aus phasenverschobenen Ausgangssignalen der Sensoren einfach bestimmen. Zum Gewährleisten des Phasenverschiebung ihrer Signale sind in der bekannten Einrichtung die beiden Sensoren derart angeordnet, daß der zweite Sensor gegen den ersten Sensor über einen genau definierten Abstand abhängig von λ in der Längsrichtung der Skale verschoben ist, worin λ der Abstand zwischen zwei homonymen Polen der Skale ist. Daher müssen die magnetischen Pole in genau gleichen Abständen voneinander auf der Skale angeordnet werden, und der Abstand zwischen den beiden Sensoren ist genau einzustellen und exakt an λ anzugleichen. Daher ist die Herstellung der bekannten Einrichtung komplex und teuer. Es ist ein weiterer Nachteil des bekannten Meßkopfes, daß seine Abmessung in der Längsrichtung der Skale verhältnismäßig groß ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung eingangs erwähnter Art zu schaffen, in der der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Polpaaren auf der Skale nicht genau bekannt und selbst über die Länge der Skale genau konstant zu sein braucht, und in der der Meßkopf einer äußerst gedrängten Aufbau haben kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Einrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnetfeldsensor derart angeordnet sind, daß sie sich immer gegenüber demselben Punkt auf der Skale befinden, der erste Sensor im wesentlichen für Änderungen in der Komponente des Magnetfelds empfindlich ist, die sich parallel zur Längsrichtung der Skale erstreckt, der zweite Sensor im wesentlichen für Änderungen in der Komponente des Magnetsfelds empfindlich ist, die sich senkrecht zur Längsrichtung der Skale und parallel zur Verbindungslinie zwischen der Skale und dem Meßkopf erstreckt.
Wenn die Skale gekrümmt ist (beispielweise zum Verfolgen des Umfangs eines Rades) muß davon ausgegangen werden, daß Längsrichtung die Tangente der Skale im Punkt direkt gegenüber dem Meßkopf ist. Wenn aufeinanderfolgende Polpaare den Meßkopf passieren, werden die Richtung der Komponente des Magnetfelds, die sich parallel zur Längsrichtung der Skale erstreckt (im weiteren mit paralleler Komponente bezeichnet) und die Richtung der anderen Komponente (nachstehend mit Senkrechtkomponente bezeichnet) periodisch umgekehrt. Diese Umkehrung erfolgt an entgegengesetzten Punkten der Skale, die über einen Abstand von λ/4 für die Parallel- und die Senktechtkomponente auseinander hegen. Daher zeigen die Ausgangssignale der beiden Sensoren den gewünschten Phasenunterschied, ohne daß die Sensoren in einem Abstand voneinander angeordnet sind, die von der Teilung der Skale abhängig ist. Da beide Sensoren gegenüber demselben Punkt auf der Skale liegen (was zum Erhalten des Phasenunterschieds entsprechend dem vorangehenden wünschenswert ist) kann der Aufbau des Meßkopfes sehr gedrängt sein.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren durch längliche Magnetowiderstandselement gebildet werden, die sich zueinander senkrechten Richtungen in einer Ebene parallel zur Längsrichtung der Skale erstrecken.
Eine Abwandlung des ersten Ausführungbeispiels ist dadurch gekennzeichnet, daß für die Vormagnetisierung des ersten und des zweiten Sensors eine gemeinsame Vormagnetisierungseinrichtung vorgesehen ist, die ein im wesentlichen konstantes Magnetfeld erzeugt, das hauptsächlich senkrecht zur Längsrichtung der Skale und zur Verbindungslinie zwischen der Skale und dem Meßkopf orientiert ist.
Eine zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnetfeldsensor durch eine erste bzw. eine zweite Solenoidspule gebildet werden, deren Achsen senkrecht aufeinander, wobei die Achse der ersten Spule sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der Skale und die Achse der zweiten Spule sich im wesenflichen parallel zur Verbindungslinie zwischen der Skale und dem Meßkopf erstrecken.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine Einrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2A und 2B einen Seitenriß bzw. eine Draufsicht auf Teile eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 3 den Meßkopf des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2A und 2B in vergrößertem Maßstab,
Fig. 4A und 4B einen Seitenriß bzw. eine Draufsicht auf Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung, und
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangssignale des Meßkopfes der erfindungsgemaßen Einrichtung.
In Fig. 1 ist schematisch eine Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeit und der Umdrehungsrichting eines Fahrzeugrades 1 dargestellt, das auf einer Welle 3 montiert ist. An der Innenseite des Randes 5 des Rades 1 (beispielweise das Rad eines Kraftwagens) ist eine längliche Skale vorgesehen, die beispielweise unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs dem Umfang des Rades folgt. Die Skale 7 besteht aus einem streifenförmigen Träger eines flexiblen Werkstoffs, auf dem oder in dem eine Abwechslung magnetischer Nordpole und magnetischer Südpole angeordnet ist, die sich in der Längsrichtung des Trägers erstrecken. Derartige magnetische Skalen sind an sich bekannt.
Gegenüber der Skale 7 ist ein Meßkopf 9 angeordnet, der auf der Radaufhängung des Fahrzeugs (nicht dargestellt) befestigt ist, so daß die Magnetpole der Skale 7 während der Drehung des Rades 1 aufeinanderfolgend den Meßkopf passieren. Wie nachstehend mit weiteren Einzelheiten beschrieben wird, enthält der Meßkopf 9 Magnetfeldsensoren, die durch den abwechselnden Durchgang der magnetischen Nordpole und Südpole dem Einfluß eines wechselnden Magnetfelds ausgesetzt werden. Über ein Kabel 11 wird der Meßkopf 9 mit einer Verarbeitungseinrichtung 13 elektrisch verbunden, die an einer geeigneten Stelle im Wagen angeordnet ist und zum Verarbeiten der Ausgangssignale aus dem Meßkopf dient. Die Verarbeitungseinrichtung 13 kann eine bekannte Schaltung enthalten, beispielsweise eine Schaltung nach der Beschreibung anhand der Fig. 3 von GB-A 1 492 980.
In Fig. 2A und 2B sind eine detaillierte Ansicht eines Teils der Skale 7 und eines Teils der Skale 7 und eines Teils des Meßkopfes 9 dargestellt. In diesen Figuren ist die Skale dargestellt, in denen sie sich in einer geraden Linie statt in einem Kreises wie in Fig. 1 erstreckt. Dies dient hauptsächlich zur Erläuterung der Erfindung, wobei der Teil der Skale 7, der sich direkt gegenüber dem Meßkopf 9 befindet, als ungefähr gerade betrachtet werden kann (zusammenfallend mit der Tangente zu diesem Kreis im Bereich des Meßkopfes 9). Außerdem eignet sich die erfindungsgemäße Einrichtung zum Messen linearer relativer Verlagerungen (wobei die Skale 7 sich faktisch in einer geraden Linie erstreckt) sowie für Meßdrehungen. Die Verlagerung des Randes 5 der Skale 7 in bezug auf Meßkopf 9 ist mit einer Doppolpfeilspitze 15 in Fig. 2A und 2B bezeichnet. Die magnetischen Nordpole und Südpole sind mit den Großbuchstaben N und S bezeichnet. Außerdem sind Fig. 2A einige magnetische Kraftlinien 17 für eine angenäherte Anzeige der Form des Magnetsfelds in der Nähe des Meßkopfes 9 dargestellt. Es ist deutlich angegeben, daß in direkter Nähe eines Magnetpols das Magnetfeld sich im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Skale 7 und parallel zur Verbindungslinie 19 zwischen der Skale und dem Meßkopf 9 erstreckt. Im Bereich eines magnetischen Südpols S ist das Magnetfeld auf die Skale 7 und im Bereich eines Nordpols N von der Skale weg gerichtet. Etwa halbwegs zwischen einem Nordpol und einem Südpol ist das Magnetfeld im wesenltichen parallel zur Längsrichtung der Skale gerichtet, wobei sich die Richtung jeweils vom nächsten Nordpol zum nächsten Südpol erstreckt. In der Nähe anderer Punkte auf der Skale 7 besteht das Magnetfeld aus einer Komponente entsprechend der Verbindungslinie 19 (der Senkrechtkomponente) und einer Komponente parallel zur Längsrichtung der Skale (der Parallelkomponente). Wenn der Abstand zwischen zwei homonymen Magnetpolen der Skale 7 mit λ bezeichnet wird, kehrt die Richtung sowohl der Senkrechtkomponente als auch die Richtung der Parallelkomponente des Magnetsfelds nach einer Strecke von λ/2 auf der Skale um, wobei die Umkehrpunkte der Komponente in bezug auf die Umkehrpunkte der Senkrechtkomponente um einen Abstand λ/4 versetzt werden.
Der Meßkopf 9 enthält zwei Magnetfeldsensoren, wobei der erste Sensor hauptsächlich für Änderungen in der Parallelkomponente des Magnetfelds und der zweite Sensor hauptsächlich für Änderungen in der Senkrechtkomponente empfindlich sind. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2A und 2B werden diese Sensoren durch ein erstes Magnetowiderstandselement 21 und ein zweites Magnetowiderstandselement 23 gebildet.
In Fig. 3 sind die beiden Magnetowiderstandselemente in vergrößertem Maßstab dargestellt. Sie bestehen aus einer dünnen Schicht aus Ferromagnetmaterial mit einer anisotropischen Magnetowiderstandsfähigkeit, beispielsweise Nickel-Kobalt, auf einem elektrisch isolierenden Substrat 25, beispielsweise einer Glasplatte, die sich parallel zur Längsrichtung der Skale im Betriebszustand erstreckt. Die beiden Magnetowiderstandselemente 21 und 23 sind aus der dünnen Schicht magnetoresistiven Werkstoffs gebildet, beispielweise durch einen Ätzvorgang. Jedes dieser Elemente besteht aus einer Anzahl paralleler, benachbarter länglicher Streifen mit kurzen Querstegen an den Enden, wodurch sie ein mäanderförmiges Element bilden. An den freien Enden des ersten und des letzten Streifens sind Verbindungsstellen 27 gebildet, mit denen die Verbindungsdrähte verbunden werden (nicht dargestellt). Die Längsrichtungen der beiden Magnetowiderstandselemente 21 23 (d.h. die Längsrichtungen der diese Elementen bildenden Streifen) stehen senkrecht aufeinander.
Das Substrat 25 mit den zwei Magnetowiderstandelementen 21 und 23 ist von einer Solenoidspule 29 umgeben, deren Achse 31 (siehe Fig. 2B) senkrecht auf die Längsrichtung der Skale 7 und senkrecht auf die Verbindungslinie 19 zwischen der Skale und dem Meßkopf 9 steht und an eine Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist, so daß die Spule ein konstantes Magnetfeld erzeugt, das entlang der Spulenachse und daher senkrecht zum Substrat orientiert ist, um die beiden Magnetfeldsensoren vorzumagnetisieren. Dadurch wird für diese Sensore eine optimale Empfindlichkeit für Änderungen in der in ihrer jeweiligen Längsrichtung orientierten Magnetfeldkomponente erhalten, während sie im wesentlichen für Änderungen in einer senkrecht zu ihrer jeweiligen Längsrichtung orientierten Magnetfeldkomponente unempfindlich sind. Die aus der Stromquelle und der Spule 29 bestehende Vormagnetisierungseinrichtung kann nach Bedarf durch eine Vormagnetisierungseinrichtung mit einem Dauermagneten ersetzt werden.
In Fig. 4A und 4B ist das Prinzip des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform dargestellt, in der jeder der Magnetfeldsensoren 21' und 23' durch eine Solenoidspule gebildet wird. Bekanntlich wird eine elektrische Spannung in eine derartige Spule induziert, wenn sich die Komponente des parallel zur Spulenachse verlaufenden Magnetfelds hinsichtlich der Größe oder Richtung ändert. Wie aus den Figuren 4A und 4B ersichtlich ist, werden die beiden Solenoidspulen 21' uns 23' derart angeordnet, daß die Achse 33 der ersten Spule 21' sich parallel zur Längsrichtung der Skale 7 erstreckt, so daß diese Spule für Änderungen in der Parallelkomponente des Magnetfeldes empfindlich ist. Die Achse 35 der zweiten Spule 23' fällt mit der Verbindungslinie zwischen der Skale 7 und dem Meßkopf 9' zusammen (mit einer gestrichelten Linie bezeichnet), so daß diese Spule für die Änderungen in der Senkrechtkomponente des Magnetsfelds empfindlich ist.
Wenn die Skale 7 bei einer konstanten Geschwindigkeit zum Betrage von v m/s in bezug auf den Meßkopf 9, 9' in Richtung der Pfeilspitze 15 verlagert wird, werden sowohl die Senkrechtkomponente als auch die Parallelkomponente des Magnetfeldes sinusoidal mit einer Frequenz v/λ im Bereich des Magnetkopfs geändert, so daß jeder beiden Magnetfeldsensoren 21 und 23 (oder 21' und 23') ein sinusoidales Ausgangssignal erzeugt. Da die Umkehrpunkte einer Magnetfeldkomponente über einen Abstand λ/4 in bezug auf die Umkehrpunkte der anderen Komponente versetzt werden, zeigen die Ausgangsignale der beiden Magnetfeldsensoren einen gegenseitigen Phasenunterschied zum Betrage von π/2. In Fig. 5 ist ein Beispiel der Ausgangssignale der Sensoren 21 und 23 abhängig von der Zeit t dargestellt. Die Kurve 37 stellt die Ausgangsspannung U21 der ersten Sensors 21 und die Kurve 39 die Ausgangsspannung U23 des zweiten Sensors 23 dar. Diese Ausgangsspannungen werden erhalten, wenn im Zustand nach Fig. 2A die Skale mit einer konstanten Geschwindigkeit in bezug auf den Meßkopf 9 nach links verlagert wird. Wenn sie Skale sich nach rechts bewegt, wird das Signal U21 um eine Halbperiode auf der Zeitachse verschoben, wobei sich das Signal U23 nicht ändert. Die Verarbeitungseinrichtung 13 kann die Geschwindigkeit und die Richtung der Verlagerung aus diesen Signalen berechnen, sogar wenn die Geschwindigkeit nicht konstant ist, und daher sind die Spannungen U21 und U23 nicht rein sinusoidal.

Claims

1. Einrichtung zur Bestimmung der Größe und der Richtung einer relativen Verlagerung zweier Gegenstände, einerseits mit einer länglichen Skale, die auf dem ersten Gegenstand angeordnet ist und sich in Richtung der Verlagerung erstreckt, und aus einer Aufeinanderfolge magnetischer Nord- und Südpole besteht, und anderseits mit einem Meßkopf, der auf dem zweiten Gegenstand angeordnet ist und wenigstens einen ersten und einen zweiten Magnetfeldsensor enthält, die in bezug auf die Skale derart angeordnet sind, daß sie unter dem Einfluß des absweschselnden Durchgangs der Nordpole und Südpole infolge der relativen Verlagerung den Einfluß eines Magnetfeldes erfahren, das zeitabhängig abwechselt und in jedem der Sensoren ein Ausgangssignal auslöst, wobei die Ausgangssignale der beiden Sensoren sich im wesentlichen in der gleichen Weise zeitabhängig ändern, jedoch gegeneinander phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnetfeldsensor derart angeordnet sind, daß sie sich immer gegenüber demselben Punkt auf der Skale befinden, wobei der erste Sensor hauptsächlich für Änderungen in der Komponente des Magnetfeldes empfindlich ist, die sich parallel zur Längsrichtung der Skale erstreckt, und der zweite Sensor hauptsächlich für Änderungen in der Komponente des Magnetfeldes empfindlich ist, die sich senkrecht zur Längsrichtung der Skale und parallel zur Verbindungslinie zwischen der Skale und dem Meßkopf erstreckt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren durch längliche Magnetowiderstandselemente gebildet werden, die sich in gegenseitig senkrechten Richtungen in einer Ebene parallel zur Längsrichtung der Skale erstrecken.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Vormagnetisierung des ersten und des zweiten Sensors eine gemeinsame Vormagnetisierungseinrichtung vorgesehen ist, die ein im wesentlichen konstantes Magnetfeld erzeugt, das hauptsächlich senkrecht zur Längsrichtung der Skale und zur Verbindungslinie zwischen der Skale und dem Meßkopf orientiert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnetfeldsensor durch eine erste bzw. eine zweite Solenoidspule gebildet werden, deren Achsen der ersten Spule sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der Skale und die Achse der zweiten Spule sich im wesentlichen parallel zur Verbindungslinie zwischen der Skale und dem Meßkopf erstrecken.