DE69412905T2 - Positionsdetektor - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Positionsdetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der DE-A-40 29 828 bekannt ist.
- Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Positionsdetektor, der mit Hilfe eines Linearcodierers, zusammengesetzt aus einem Skalenabschnitt, auf dem ein magnetisches Muster aufgezeichnet wurde, und einem Detektorteil (Magnetkopf) mit einem magnetoresistivem Element, welches entlang dem Skalenabschnitt bewegt wird, um das magnetische Muster zu erfassen, dazu dient, die Position von beispielsweise einem Schlitten (z. B. einem den Druckkopf eines seriellen Druckers tragenden Schlittens) nachzuweisen, an dem der Magnetkopf gelagert ist. Da der Positionsdetektor gemäß der Erfindung vorzugsweise beim Nachweis einer Schlittenposition angewendet wird, wie oben angedeutet wurde, wird die Erfindung in Verbindung mit Verbesserungen eines dazu verwendeten Schlittenpositionsdetektors erläutert. Allerdings sei angemerkt, daß die Erfindung nicht auf eine solche Anwendung beschränkt ist.
- Fig. 6 zeigt ein zum Stand der Technik gehörendes Beispiel einer Vorrichtung zum Erfassen der Position eines Schlittens eines seriellen Druckers. Der Positionsdetektor enthält MR-Elemente (magnetoresitive Elemente) 11 und 12 zum Lesen eines auf einem (nicht gezeigten) magnetischen Aufzeichnungsmedium gebildeten magnetischen Musters. Die Anordnung ist derart ausgebildet, daß diesen Elementen über Operationsverstärker 103 und 104 sowie Transistoren 105 und 106 ein konstanter Strom zugeführt wird. Ein Differenzverstärker 107 verstärkt die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der MR-Elemente 11 und 12 mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor. Da die Ausgangssignale der MR-Elemente einen Phasenunterschied von 180º aufweisen, ist das Ergebnis der Verstärkung durch den Differenzverstärker 107 ein pseudo-sinusförmiges Ausgangssignal, welches einer Sinuswelle ähnelt. Ein invertierender Verstärker 108 verstärkt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 107 auf einen vorbestimmten Betrag.
- Die "+" Eingänge der Verstärker 107 und 108 sind durch Widerstände R1 und R2, die gleichen Widerstandswert haben, bzw. einen veränderlichen Widerstand VR1 auf vorbestimmte Werte vorgespannt.
- Der Betrag der Offset-Spannung des Ausgangs des invertierenden Verstärkers 108 beträgt vorzugsweise die Hälfte der Versorgungsspannung, d. h. 1/2Vdd, damit die maximale Amplitudenspannung des invertierenden Verstärkers 108 wirksam genutzt werden kann; d. h., damit der dynamische Bereich nicht verringert wird. Aufgrund einer Schwankung der Differenz zwischen den Widerstandswerten der MR-Elemente 11 und 12 und den Eingangs-Offset-Spannungen der in den Differenzverstärkern 107 und den invertierenden Verstärkern 108 verwendeten Operationsverstärker jedoch unterscheidet sich die Offset-Spannung des invertierenden Verstärkers 108 von Schaltung zu Schaltung. Folglich ist für den Stand der Technik wesentlich ein Verfahren zum Regeln des veränderlichen Widerstandes VR1.
- Außerdem unterscheidet sich der Amplitudenwert des Ausgangssignals des invertierenden Verstärkers 108 geringfügig von Schaltung zu Schaltung, bedingt durch ein Variieren der Differenz zwischen den Widerstandswerten der MR- Elemente 11 und 12 und der Sensor-Empfindlichkeit. Das Ausgangssignal dieser Schaltung wird von einem Vergleicher in der nächsten Stufe in ein Impulssignal umgesetzt. Um ein stabiles Impulssignal zu erhalten, ist es unerwünscht, wenn der Amplitudenwert des Ausgangssignals der Schaltung zu groß oder zu klein ist.
- Folglich werden im Stand der Technik Schwierigkeiten, die durch die vorerwähnten individuellen Unterschiede von Schaltung zu Schaltung verursacht werden, dadurch vermieden, daß man MR-Elemente verwendet, die an den vorgeschriebenen Ausgangssignalbereich angepaßt sind. Im Ergebnis hat dies signifikante Einflüsse auf die Massenproduktion der MR-Elemente und steht einer Kostenverringerung des herzustellenden Artikels entgegen.
- DE-A-40 29 828 offenbart eine Vorrichtung zum Messen des Drehmoments einer Drehwelle, die ein offset-korrigiertes Signal für z. B. eine elektrische Leistungssteuervorrichtung liefert, die durch dieses Signal gesteuert wird. Das Signal von einem Drehmomentsensor wird A/D-umgesetzt, und der Offset wird numerisch berechnet. Mit dem Ergebnis dieser Berechnung wird der Wert des Drehmomentsignals korrigiert und für die weitere Verarbeitung ausgegeben.
- Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Positionsdetektor anzugeben, bei dem die Einstellung der Offset-Spannung überflüssig ist und der dynamische Bereich des Verstärkers maximal genutzt werden kann.
- Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Positionsdetektors, der in der Lage ist, flexibel mit einer Ausgangssignalschwankung eines MR-Elements umzugehen.
- Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Positionsdetektors, bei dem die Einstellung einer Offset-Spannung überflüssig ist, der dynamische Bereich des Verstärkers maximal genutzt werden kann, und die Schwankung im Ausgangssignal eines MR-Elements flexibel gehandhabt werden kann, wobei der Positionsdetektor sich besonders gut in Verbindung mit einem seriellen Drucker eignet, der einen Schlitten besitzt, an dem MR-Elemente gelagert sind.
- Erfindungsgemäß werden die obigen Ziele bei einem Positionsdetektor der hier in Rede stehenden Art erreicht durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 1.
- Im Ergebnis ist eine Justierung deshalb nicht mehr erforderlich, weil die Möglichkeit geschaffen wird, die Einstellung der Offset-Spannung automatisch vorzunehmen. Darüber hinaus läßt sich der dynamische Bereich des Verstärkers in maximalem Ausmaß nutzen, und es ist möglich, die Schwankung der Kennlinie des magnetoresistiven Elements flexibel zu handhaben. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind ähnliche Bezugszeichen für gleiche Teile in den Figuren verwendet.
- Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionsdetektors;
- Fig. 2 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm, welches den Positionsdetektor nach Fig. 1 veranschaulicht;
- Fig. 3 ist ein Diagramm des Ausgangssignals des Positionsdetektors;
- Fig. 4 ist ein Flußdiagramm eines Beispiels für die Steuerung des Positionsdetektors;
- Fig. 5 ist eine äußere, perspektivische Ansicht eines Beispiels, bei dem der Positionsdetektor bei einem seriellen Drucker angewendet wird; und
- Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm eines zum Stand der Technik gehörigen Positionsdetektors.
- Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert erläutert. Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionsdetektors zeigt. Der Positionsdetektor enthält einen Magnetkopf 1 mit Bauelementen wie z. B., einem MR-Element (magnetoresistives Element). Der Magnetkopf 1 wird in Berührung mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium 2 gebracht, welches in gleichen Intervallen in Längsrichtung eines z. B. stabförmigen Elements magnetisiert ist, und er gibt ein elektrisches Signal aus, indem er relativ zu dem Aufzeichnungsmedium 2 in Pfeilrichtung K bewegt wird, während der vorerwähnte Kontakt beibehalten wird. Wie weiter unten beschrieben wird, kann der Magnetkopf mit zwei MR-Elementen, nämlich einem ersten und einem zweiten MR-Element ausgestattet sein, kann aber auch als Einzel-MR-Element aufgebaut sein, wie dies dargestellt ist.
- An den Magnetkopf 1 ist eine Konstantstromschaltung 3 angeschlossen, die in den Magnetkopf 1 einen vorbestimmten Strom einspeist, basierend auf der Ausgangsspannung B eines D/A-Wandlers 6, und der Magnetkopf ist an einen Verstärker 4 angeschlossen, der sein Ausgangssignal auf einen vorbestimmten Be trag verstärkt. Der Verstärker 4 ist derart ausgebildet, daß die Offset-Spannung an seinem Ausgang, basierend auf der Ausgangsspannung A des D/A-Wandlers 6, variiert, wie unten beschrieben wird. Ein Vergleicher 5 ändert das Ausgangssignal des Verstärkers 4 in ein Impulssignal. Eine Steuerung 10 enthält eine CPU, einen ROM, einen RAM und ein E/A-Port. Das E/A-Port dient zur Eingabe und Ausgabe für den D/A-Wandler 6 und einen A/D-Wandler 7. Auf der Grundlage eines Befehls von der Steuerung 10 gibt der D/A-Wandler 6 Einstellspannungen aus, welche die Stromstärke der Konstantstromschaltung 3 und die Offset-Spannung des Verstärkers 4 festlegen. Der A/D-Wandler 7 setzt das Analogsignal des Verstärkers 4 um in ein digitales Signal und überträgt das Signal als digitale Information zu der Steuerung 10.
- Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind ein erstes MR-Element 11 und ein zweites MR- Element 12 so miteinander verschaltet, daß eine dem Magnetkopf 1 in Fig. 1 entsprechende Anordnung erhalten wird. Ziffern 13 und 14 bezeichnen Operationsverstärker, 15 und 16 bezeichnen Transistoren. Diese Teile entsprechen der in Fig. 1 gezeigten Konstantstromschaltung 3. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet einen Differenverstärker, 18 einen invertierenden Verstärker. Diese Teile entsprechen dem Verstärker 4 in Fig. 1.
- Die Elemente 11 bis 18 können den Elementen 103, 104, 105, 106, 107 bzw. 108 der in Fig. 6 gezeigten konventionellen Anordnung entsprechen. Was die erfindungsgemäße Ausgestaltung von dem Beispiel nach dem Stand der Technik unterscheidet, wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 zusammengefaßt:
- (1) Die Ausgangsspannung A des D/A-Wandlers 6, nicht hingegen eine von einem veränderlichen Widerstand geteilte Spannung, wird an den "+"- Eingangsanschluß (den nicht-invertierenden Eingangsanschluß) des invertierenden Verstärkers 18 gelegt;
- (2) Die Ausgangsspannung B des D/A-Wandlers 6, nicht hingegen eine von einem Widerstand gemäß dem Stand der Technik geteilte Spannung wird an den "+"- Eingangsanschluß der Operationsverstärker 13 und 15 gelegt.
- Im folgenden wird die von der Steuerung 10 ausgeführte Steuerung anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
- Zunächst stellt die Steuerung 10 die Offset-Spannung des Verstärkers 4 und die Stromstärke der Konstantstromschaltung 3 über die Ausgänge A, B des D/A- Wandlers 6 auf geeignete Anfangswerte ein. Das Ausgangssignal des Verstärkers 4 wird von einem A/D-Wandler 7 überwacht.
- Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm, welches das von dem A/D-Wandler 7 überwachte Ausgangssignal zeigt. In Fig. 3 sind VH, VL, VS und VO der Maximumwert, der Minimumwert, der Amplitudenwert bzw. die Offset-Spannung. Obschon sich VH und VL mit Hilfe einer Spitzenwert-Halteschaltung oder dergleichen überwachen lassen, dient eine einfachere Anordnung zum Abtasten des Ausgangssignals mit einer bestimmten Häufigkeit durch den A/D-Wandler 7, wodurch sich Maximum- und Minimumwerte erhalten lassen. Außerdem kann man VO aus dem Mittelwert von VH und VL oder aus dem Mittelwert sämtlicher abgetasteter Werte ermitteln. In ähnlicher Weise läßt sich VS aus der Differenz zwischen VH und VL ermitteln.
- Die Ausgangsspannung A des D/A-Wandlers 6 wird erhöht, wenn VO größer ist als ein vereinbarter Wert, und wird gesenkt, wenn VO kleiner ist als der vereinbarte Wert. Auf diese Weise erfolgt eine Justierung in der Weise, daß VO der vereinbarte Wert wird. In ähnlicher Weise wird bezüglich VS die Ausgangsspannung B des D/A-Wandlers 6 angehoben oder gesenkt, um die Stromstärke derart zu erhöhen oder zu verringern, daß VS einen vereinbarten Wert annimmt. Angemerkt sei, daß der vereinbarte Wert von VS so gewählt wird, daß dieser Wert ermög licht, den dynamischen Bereich des Verstärkers in maximalem Umfang zu nutzen.
- Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches den oben beschriebenen Steuerungsvorgang darstellt. Wenn in die Vorrichtung Leistung eingegeben wird, um den Magnetkopf zu betreiben, werden die Ausgangsspannungen A und B des D/A-Wandlers 6 auf geeignete Anfangswerte eingestellt (Schritt S1). Als nächstes wird das Ausgangssignal des Verstärkers 4 von dem A/D-Wandler 7 abgetastet (Schritt S2). Anhand des durch diese Abtastung gewonnen Werts werden VO und VS durch Berechnung ermittelt, wie oben erläutert wurde (Schritt S3). Als nächstes wird festgestellt, ob der VO größer als, kleiner als oder annähernd gleich ist dem vereinbarten Wert (Schritt S4). Ist der Wert von VO größer als der Vereinbarungswert, wird das Ausgangssignal A des D/A-Wandlers 6 angehoben (Schritt S5). Ist der Wert von VO kleiner als der vereinbarte Wert, wird das Ausgangssignal A des D/A-Wandlers 6 verringert (Schritt S6). Ist der Wert von VO annähernd gleich dem vereinbarten Wert, geht das Programm zum Schritt S7. Hier wird ermittelt, ob VS größer als, kleiner als oder annähernd gleich einem vereinbarten Wert ist. Ist der Wert von VS größer als der Vereinbarungswert, wird das Ausgangssignal B des D/A-Wandlers 6 angehoben (Schritt S8). Wenn der Wert von VS kleiner ist als der Vereinbarungswert, wird das Ausgangssignal B des D/A-Wandlers 6 verringert (Schritt S9). Zuverlässigere Ergebnisse lassen sich erhalten, wenn man die Verarbeitung der Schritte S2 bis S9 wiederholt ausführt.
- Gemäß dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen hervorragenden Positionsdetektor zu schaffen, bei dem das Erfordernis einer Justierung der Offset-Spannung, wie sie im Stand der Technik erforderlich ist, dadurch entfällt, daß man eine geräteseitige automatische Einstellung ausführt. Darüber hinaus ermöglicht der Positionsdetektor die Nutzung des dynamischen Bereichs des Verstärkers in maximalem Ausmaß.
- Wenn außerdem die Stromstärke des konstanten Stroms eingestellt wird, ist es möglich, die Schwankung im Ausgangssignal der MR-Sensoren flexibel zu handhaben.
- Fig. 5 ist eine äußere Ansicht eines Beispiels, bei dem der Positionsdetektor Anwendung bei einem seriellen Drucker findet. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält der Drucker einen Schlitten 21, der durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist und sich in Pfeilrichtung K bewegt, wenn sich eine Transportspindel 26 dreht. Auf dem Schlitten 21 ist ein Aufzeichnungskopf 22 gehaltert, der bei Bewegung in Pfeilrichtung K Punkte mit einer vorbestimmten Schrittweite P auf ein Papier 25 aufzeichnet, welches um den Außenumfang einer Gegendruckwalze 23 geschlungen ist. Dieser serielle Druckvorgang entspricht einem sogenannten seriellen Drucksystem. Um diese Aufzeichnung auszuführen, ist es erforderlich, daß die Bewegung des Schlittens 21 und der Aufzeichnungsvorgang des Aufzeichnungskopfs 22 (z. B. ein Tintenstrahl-Ausstoßvorgang in einem Tintenstrahldrucksystem) exakt synchronisiert sind.
- Dementsprechend ist an einem Unterteil 20 des Druckers ein magnetisches Aufzeichnungsmedium 2, auf dem durch Magnetisierung in gleichen Intervallen in Längsrichtung ein magnetisches Muster ausgebildet ist, parallel zu der Transportspindel 26 angeordnet. Der Magnetkopf 1, der in Pfeilrichtung K bewegt wird, während er in Berührung mit dem magnetischen Muster des magnetischen Aufzeichnungsmediums 2 steht, ist an dem Schlitten 21 angebracht. Der Magnetkopf 1 ist mit der Steuerung 10 des an der Unterlage 20 angebrachten Positionsdetektors über ein flexibles Kabel 24 verbunden, welches sich bei Bewegung des Schlittens 21 biegt.
- Wenn die Offset-Spannung bei der oben beschriebenen Anordnung eingestellt wird, z. B. dann, wenn das fertige Gerät in den Versand gelangt, erfolgt die Einstellung automatisch in der oben beschriebenen Weise, wenn der Schlitten 21 angetrieben wird. Dies macht es möglich, die Justierungszeit beim Fertigmachen des herkömmlichen Druckers für den Versand einzusparen. Darüber hinaus ist es möglich, den dynamischen Bereich des Verstärkers maximal zu nutzen. Werden zwei MR-Elemente verwendet, nämlich das erste und das zweite MR-Element, so ist der Einsatz auch dann möglich, wenn es eine gewisse Schwankung der Kennlinien der individuellen Elemente gibt.
- Es sei angemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern in verschiedener Weise modifiziert werden kann. Die Erfindung ist anwendbar bei anderen Geräten als seriellen Drucker. Das heißt: die Erfindung findet breite Anwendung bei Vorrichtungen, die eine genaue Positionierung beim Antriebsvorgang erfordern. Solche Geräte beinhalten XY-Plotter, bei denen ein Aufzeichnungsknopf in Längs- und in Querrichtung verschoben wird, und einem Stiftschreiber, bei dem die Aufzeichnung mit Hilfe eines Stifts erfolgt, der mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird.
- Da zahlreiche verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne von deren Schutzumfang abzuweichen, versteht sich, daß die Erfindung nicht auf ihre speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche.
Claims (5)
1. Positionsdetektor, umfassend:
- ein magnetisches Aufzeichnungsmedium (2) auf dem in einer
Längsrichtung ein mit einer vorbestimmten Schrittweite aufgezeichnetes
magnetisches Muster gebildet ist;
- ein magnetoresistives Element (1), welches derart angeordnet ist, daß es
sich entlang dem magnetischen Muster bewegt, und das einen
Widerstandswert hat, welcher sich in Abhängigkeit des Lesens des
magnetischen Musters (2) ändert;
- eine Signalerzeugungseinrichtung zum Generieren eines elektrischen
Signals, welches übereinstimmt mit der Änderung des Widerstandswerts
des magnetoresistiven Elements (1); und
- einen Verstärker (4) zum Verstärken des elektrischen Signals von der
Signalerzeugungseinrichtung, zum Ausgeben des verstärkten Signals und
zum Variieren einer Offset-Spannung dieses verstärkten Ausgangssignals;
gekennzeichnet durch
- eine Ausgangssignal-Beobachtungseinrichtung (7, 10) zum Beobachten
des verstärkten Ausgangssignals des Verstärkers und zum Erzeugen eines
für das Beobachtungsergebnis kennzeichnenden Signals, wobei die
Ausgangssignal-Beobachtungseinrichtung enthält:
- - eine Abtasteinrichtung zum Abtasten des verstärkten Ausgangssignals
des Verstärkers, um dadurch einen Maximumwert und einen Minimum
Wert des verstärkten Ausgangssignals nachzuweisen und ein
Nachweisergebnis auszugeben;
- - eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Offset-Spannung des
Verstärkers anhand des Nachweisergebnisses von der Abtasteinrichtung;
wobei die Ausgangssignal-Beobachtungseinrichtung außerdem beinhaltet:
- - eine Amplitudenberechnungseinrichtung zum Berechnen der Amplitude
des verstärkten Ausgangssignals des Verstärkers aus dem Maximumwert
und dem Minimumwert;
und wobei der Positionsdetektor außerdem enthält:
- eine Konstantstrom-Versorgungseinrichtung (3), um das magnetoresistive
Element mit einem konstanten Strom zu speisen, dessen Stärke variierbar
ist;
- eine Amplitude und Reglereinrichtung zum Regeln der Amplitude des
verstärkten Ausgangssignals des Verstärkers, in dem das Einspeisen von
Strom aus der Konstantstrom-Versorgungseinrichtung abhängig von der
Amplitude eingestellt wird, welche durch die
Amplituden-Berechnungseinrichtung berechnet wird; und
- eine Einstelleinrichtung zum Einstellen der Offset-Spannung anhand des
von der Ausgangssignal-Beobachtungseinrichtung beim Beobachten des
verstärkten Ausgangssignals erhaltenen Ergebnisses.
2. Positionsdetektor nach Anspruch 1, bei dem der Verstärker einen
Eingangsanschluß zum Variieren einer Offset-Spannung des
Verstärker-Ausgangssignals aufweist,
- und wobei die Ausgangssignal-Beobachtungseinrichtung einen A/D-
Wandler zur A/D-Umwandlung des Ausgangssignals des Verstärkers,
welches von der Abtasteinrichtung abgetastet wurde, und zum Liefern des
A/D-umgesetzten Ausgangssignals an die Berechnungseinrichtung auf
weist,
- und wobei weiterhin die Einstelleinrichtung einen D/A-Wandler zur
D/A-Umsetzung eines Signals aufweist, welches kennzeichnend ist für das
Ausgangssignal der Ausgangssignal-Beobachtungseinrichtung, und zum
Ausgeben des D/A-umgesetzten Signals an einen Eingangsanschluß des
Verstärkers.
3. Positionsdetektor nach Anspruch 1, bei dem
- die Konstantstrom-Versorgungseinrichtung einen Eingangsanschluß auf
weist, wobei die Amplituden-Regeleinrichtung einen D/A-Umsetzer zur
D/A-Umsetzung eines Signals aufweist, welches der von der Amplituden-
Berechnungseinrichtung berechneten Amplitude entspricht, außerdem zum
Eingeben des D/A-umgesetzten Signals in den Eingangsanschluß der
Konstantstrom-Versorgungseinrichtung.
4. Postionsdetektor nach Anspruch 2,
wobei das magnetoresistive Element ein erstes und ein zweites Element
enthält, und
- wobei der Verstärker einen Differenzverstärker aufweist, der elektrische
Signale entsprechend einer Änderung der Widerstandswerte des ersten und
des zweiten Elements als Eingangsgrößen empfängt, außerdem einen in
vertierenden Verstärker, in den Ausgangssignale von dem
Differenzverstärker und außerdem das Ausgangssignal von der
Ausgangssignal-Beobachtungseinrichtung über den D/A-Wandler eingegeben werden.
5. Verwendung des Positionsdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in
einer Aufzeichnungsvorrichtung.
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