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Die Erfindung betrifft eine magnetische Längen- bzw Winkelmesseinrichtung mit a) einem Permanentmagneten, an dem ein mehrere Einzelsensoren aufweisender Sensor angebracht ist, und b) einem Massstab, dessen magnetische Reluktanz sich entlang der Massstablängsachse periodisch ändert, wobei die Einzelsensoren in Richtung der Massstablängsachse fluchtend ange- ordnet sind und wobei der Massstab ein dünnes Weicheisenband ist, in dem Ausnehmungen oder Vertiefungen vorgesehen sind, die in Richtung der Massstablängsachse eine Erstreckung auf- weisen, die der Erstreckung der zwischen den Ausnehmungen verbleibenden Stegen des Weicheisenbandes in Richtung der Massstablängsachse im wesentlichen entspricht, insbesondere für die Automatisierung
Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 32 14 794 A1 bekannt Dabei sind als Beispiel für die Einzelsensoren nur Hall-Sensoren angegeben,
die als primäre Messsignale die Hall-Spannung liefern Die Verrechnung dieser primären Messsignale erfolgt uber eine aufwendige Schaltung mit zumindest sechs Abgleichwiderständen
Die unterschiedliche Temperaturdrift dieser Abgleichwiderstände im Vergleich zur Temperatur- drift der Hall-Sensoren ist ein weiterer, wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung
Dazu kommt, dass die geometrischen Bedingungen der vorbekannten Vorrichtung den Erhalt sinusförmiger Messsignale bei gleichförmiger Bewegung des Sensors entlang des Massstabes nicht zulassen, da die Längserstreckung der Einzelsensoren kleiner als t/4 sein soll, wobei t die Teilung des Massstabes ist Damit verändert sich der magnetische Fluss für den Emzelsensor während eines endlichen Bereiches nicht,
da er sich in diesem Bereich zur Gänze entweder gegenüber einem Steg oder gegenüber einer Lücke des Massstabes befindet.
Es kann somit eine derartige vorbekannte Vorrichtung die Position des Sensors nur bis auf t/4 genau angeben, egal welcher Aufwand messtechnisch und bei der Signalauswertung betneben wird
Einanderer Positionsmelder ist beispielsweise aus der DE 38 27 113 A1 bekannt Dabei bewegt sich ein Sensor, insbesonders eine Feldplatte, möglichst knapp über den Zahnspitzen einer magnetischen Zahnstange, wobei sowohl der Sensor als auch die Zahnstange in einem ge- sch'ossenen magnetischen Kreis liegt, sodass der Sensor beim Überfahren der Zahnstange eine periodische Widerstandsänderung erfährt Diese Anderung wird ausgewertet und zur Bestimmung der Lage bzw der Geschwindigkeit zwischen Sensor und Zahnstange verwendet.
Um Fehler und Ungenauigkeiten dieser Vorrichtung auszuschalten oder zumindest zu minimieren ist ein besonderer Konzentrator vorgesehen, der ähnlich einem Polschuh wirkt, und die Signalamplitude erhöht Nachteilig an diesem System ist der grosse Platzbedarf, sowohl neben als auch oberhalb der Zahnstange und die Notwendigkeit, eine Zahnstange vorzusehen, die überall dort, wo sie nicht von Haus aus vorgesehen ist, erst einmal an einem passenden Teil der Vorrich- tung, deren Lage bzw.
Geschwindigkeit gemessen werden soll, angebracht werden muss
Aus der DE-39 26 328 A1 ist eine ähnliche Vorrichtung bekannt, bei der zur Erhöhung der Messgenauigkeit mehrere, in Richtung der gegenseitigen Bewegung der beiden Bauteile nebenein- ander liegende, entsprechend der Stegteilung geteilte, magnetische Teilflüsse zu einem Gesamt- fluss zusammengefasst werden Bei dieser Druckschrift ist insbesonders daran gedacht, eine Schiebelehre mit einem derartigen Messsystem und einer zugehörigen digitalen Anzeige zu ver- sehen.
Zur Erzielung eines brauchbaren Sensorsignales ist ein entsprechend gross dimensionierter Messkopf vorgesehen, wie dies insbesondere aus den Fig. 1 und 6 dieser Druckschrift hervorgeht Es ist leicht einsichtig, dass eine derartige Anordnung äusserst empfindlich gegenüber Abtast- abstandsänderungen ist und darüber hinaus einen grossen Platzbedarf hat
Eine andere, ähnliche Vorrichtung ist aus der DE-37 04 729 A1 bekannt Dabei wird auf einem magnetisierbaren, zahnstangenartigen Massstab durch ein Joch, das auch den Sensor trägt, ein magnetisches Wechselfeld induziert, das vom Sensor, der symmetrisch im Inneren des Joches angeordnet ist, in Abhängigkeit seiner Lage zu den Zähnen des Massstabes erfasst und anschliessend ausgewertet wird
Diese Vorrichtung ist aufwendig in ihrem Aufbau, benötigt viel Platz und ist empfindlich gegenüber Abtastabstandsänderungen.
Allen vorbekannten Systemen, ausser dem erstgenannten, dessen Nachteile bereits genannt
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wurden, ist gemeinsam, dass sie als Massstab entweder eine Zahnstange benutzen, was die Auf- losung, die Messlange und die erzielbare Genauigkeit begrenzt, eine aufwendige Bearbeitung erfordert und einen grossen Platzbedarf mit sich bringt, oder eine magnetisch inaktive Dünn- schichtteilung auf einem dielektrischen Substrat, was schwache Messsignale durch die nur geringe Induktionsänderung entlang der Messbahn bedingt
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die deren Nachteile nicht aufweist und insbesonders auch mit einer geringen Bauhohe auskommt, wobei auch über den Platz neben dem Massstab verfügt werden kann
Erfindungsgemäss werden diese Ziele dadurch erreicht,
dass als Sensor eine Feldplatte mit vier Einzelsensoren vorgesehen ist, die untereinander folgende Abstände aufweisen d1 = d3 = (2k + 1)p/2 d2 = kp + 3p/4, wobei k eine ganze, positive Zahl einschliesslich der Null, p = s + 1, der Schritt des Massstabes, d, der Abstand zwischen einem äusseren Einzelsensor und seinem Nachbarn und d2 der Abstand zwischen den inneren Einzelsensoren, jeweils gemessen an korrespondieren- den Enden der Einzelsensoren, ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Feldplatten im Gegensatz zur bisherigen Verwendung in der Lage sind, die magnetischen Unterschiede zwischen den Stegen und Vertie- fungen bzw. Ausnehmungen bei derartig dünnen Massstäben festzustellen, wobei die Verwendung von Feldplatten mit vier Einzelsensoren es ermöglicht, durch entsprechende Summen- bzw Differenzschaltungen der Einzelsensoren besonders reine Signale zu erhalten, bei denen die Sinusschwingung (bei gleichförmiger Bewegung entlang des Massstabes) tatsächlich um den Nullpunkt erfolgt, was für die Weiterverarbeitung der Signale gunstig ist
Darüber hinaus wird durch die technologisch erzielbare Feinheit der Messperiode des Mass- bandes, durch die hohe geometrische Stabilität des korrosionsfreien Bandmaterials und durch die einfache Anregung der Magnetowiderstände durch einen einzigen,
kleinen hoch koerzitiven Magneten erreicht - dass jeder Steg des Massstabes einzeln abgetastet werden kann, wobei Polschuhe bzw magnetische Konzentratoren überflüssig sind, - dass keine Messstörungen durch Temperaturänderungen auftreten, - dass keine Messstörungen durch externe magnetische Felder auftreten und schliesslich, - dass auch über längere Zeiträume keine Parameterdrift auftritt
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aufbereitung der von den Einzelsensoren kommenden Signale mittels einer Wheatstone-Brücke erfolgt, bei der der.
a) die äusseren Einzelsensoren und die inneren Einzelsensoren einander gegenüberliegen, b) die Speisespannung an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken anliegt und c) die eigentlichen Messsignale zwischen jeweils einem der verbleibenden Ecken der Wheat- stone-Brücke und der halben Speisespannung abgenommen werden. Auf diese Weise erreicht man eine einfache und zuverlässige Aufbereitung der von den Einzelsensoren kommenden
Signale
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Massstab mit einem filmartigen Schutzuberzug überzogen. Dadurch können Verschmutzungen hintan gehalten oder zumindest verringert werden, was insbesondere in Einsatzgebieten vorteilhaft ist, bei denen metallische Späne anfallen.
Vorteilhafterweise ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Vertikal- abstand zwischen der Oberseite des Weicheisenstreifens, der den Massstab bildet und der Unter- seite der Einzelsensoren etwa das Dreifache der Dicke des Massstabes beträgt Dadurch erhält man bei gleichmässiger Bewegung des Sensors entlang des Massstabes besonders reine Sinus- signale
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Vertikalabstand zwischen der Oberseite des Weicheisenstreifens, der den Massstab bildet und der Unterseite der Einzel- sensoren etwa das 0,6-fache des Schrittes des Massstabes beträgt Dadurch können störende
Klirrfaktoren in den Signalen der Einzelsensoren bestmöglich vermieden werden
In einer anderen Weiterentwicklung ist vorgesehen,
dass entweder zumindest zwei Massstäbe mit unterschiedlichem Schritt parallel zueinander angeordnet sind, oder dass zumindest zwei
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Messspuren mit unterschiedlichem Schritt auf einem Massstab vorgesehen sind und dass für jeden Massstab bzw fur jede Messspur ein eigener Sensor vorgesehen ist Dadurch ist es möglich, die momentane Position bzw Geschwindigkeit des Sensors wesentlich genauer als nur bei Anordnen eines Massstabes zu ermitteln
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen des Massstabes im wesentlichen rechteckige Form aufweisen Damit sind sie nicht nur einfach herstellbar,
sondern liefern auch besonders störungsfreie Sinussignale in den Einzelsensoren
Ein erfmdungsgemasses Verfahren zur Herstellung eines Massstabes zur Verwendung in einer erfindungsgemässen Messeinnchtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen bzw Aus- nehmungen des Massstabes mittels eines fotolitografischen Verfahrens oder durch Verwendung eines Laser- oder Plasmastrahles geschaffen werden. Auf diese Weise kann bei hoher Genauigkeit mit geringen Kosten ein hervorragend für das erfindungsgemäss Messsystem verwendbarer Mass- stab erhalten werden
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Massstab aus einem Streifen aus Weicheisen mit einer Dicke von unter 1 mm, besonders bevorzugt von etwa 0,2 mm.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung naher beschrieben Dabei zeigt - die Fig 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Messanordnung, - die Fig. 2 die elektrische Schaltung der Einzelsensoren und - die Fig 3 eine Ansicht des erfindungsgemäss verwendeten Massstabes im Schrägriss
In Fig 1 ist eine Feldplatte 1 mit vier Einzelsensoren (Magnetwiderstände) R1. R2, R3 und R4, die mittels eines Substrates 2 auf einem Permanentmagneten 3 befestigt sind, erkennbar. Die Feldplatte 1 - der Sensor - ist in Richtung des Doppelpfeiles F entlang eines Massstabes 4
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mehreren, elektrisch in Serie geschalteten und geometrisch um den Schritt p des zugehörigen Massstabes 4 versetzte Widerständen bestehen.
Der Massstab 4 ist beispielsweise am Bett einer Werkzeugmaschine und der Sensor 1 am Schlitten, der auf dem Bett fährt, montiert.
Der Massstab 4, in Fig 3 im vergrösserten Massstab dargestellt, besteht aus einem Band 5 aus Weicheisen mit einer Langsachse L, die keine Symmetrieachse sein muss, in dem im wesentlichen rechteckige Ausnehmungen 6, die durch Stege 7 des Grundmaterials voneinander getrennt sind, vorgesehen sind Die Längserstreckung 1 der Ausnehmungen 6 ist im wesentlichen gleich der Längserstreckung s der Stege 7 und damit gilt s = 1 = p/2, wobei p der Schritt des Massstabes ist
Die Einzelsensoren R, sind (geometrisch, nicht elektrisch) am Sensor 1 in einer Reihe in Richtung der Massstablängsachse L angeordnet und weisen folgende Abstände untereinander auf d, = d3 = (2k + 1)p/2 d2 = kp + 3p/4, wobei k eine ganze, positive Zahl einschliesslich der Null, p der Schritt des Massstabes, d,
der Abstand zwischen einem äusseren Einzelsensor und seinem Nachbarn und d2 der Abstand zwischen den inneren Einzelsensoren ist, wodurch bei genau fluchtender Lage des Sensors mit dem Massstab jeweils ein äusserer Einzelsensor mit seinem Nachbarn genau über einer Ausnehmung 6 oder einem Steg 7 steht und der andere äussere Einzelsensor mit seinem Nachbarn uber dem komplementären Massstabteil
Bevorzugt liegt p in der Grössenordnung von 1 mm Wenn eine Verbesserung der Auflösung erreicht werden soll und entsprechend dimensionierte Feldplatten zur Verfügung stehen, kann p auch kleiner gewählt werden Es ist selbstverständlich auch möglich, von einer gegebenen Feldplattengeometrie ausgehend einen Massstab zu entwerfen, was in Anbetracht der einfacheren Herstellung des erfindungsgemässen Massstabes sogar bevorzugt wird.
Bei den oben angegebenen geometrischen Bedingungen werden bei der elektrischen Verrechnung der erhaltenen Einzelsignale der Einzelsensoren R1, R2, R3 und R4, mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung, einer ublichen Wheatstone-Brucke, zwei Signale S1 und S2 gleicher Amplitude und um 90 phasenversetzt, erhalten, die in der genannten, genau fluchtenden Lage des Sensors 1 zum Massstab 4, besonders ausgeprägt sind. Es sind Abweichungen der geometrischen Beziehungen bis zu etwa 10 % ohne wesentlichen Verlust der Messgenauigkeit möglich.
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Der vertikale Abstand V zwischen den Unterseiten der Einzelsensoren und der Oberseite des Massstabes kann bei den oben angegebenen geometrischen Bedingungen zwischen 0,2 und 1,0 mm liegen und betragt bevorzugt etwa 0,6 mm. Bei einer Verkleinerung dieses Abstandes kommt es während der Relativbewegung zwischen Sensor und Massstab zu Verzerrungen der Messsignale durch die harmonischen Oberwellen, bei einer Vergösserung zu einer flacheren Sinus- kurve der Messsignale, obwohl das erfindungsgemässe Messsystem gegenüber Abtastabstands- änderungen wesentlich unempfindlicher ist als herkömmliche Messeinrichtungen
Die endgültige Auswertung der erhaltenen Signale S1 und S2 erfolgt auf üblichem Weg und bedarf hier keiner weiteren Erörterung.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden So ist es möglich, die Schrittweite p (und damit die Frequenz der Sinusschwingungen von S1 und S2) in weitem Rahmen dem jeweiligen Ver- wendungszweck anzupassen, es kann der Sensor eine langere Form aufweisen, insbesonders wenn k gross gewählt wird
Es konnen die verschiedensten Anwendungsgebiete ins Auge gefasst werden, beispielsweise die Lage- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung einer Kranbrücke auf ihren Schienen oder einer Katze auf der Kranbrucke Prinzipiell sind alle Bewegungen entlang einer vorgegebenen Bahn, sei sie geradlinig oder gebogen (Winkelbestimmung) möglich Da der Massstab zufolge seiner geringen Dicke gut biegbar ist, sind auch Messungen entlang Bahnen mit veränderlicher Krümmung mög- lich,
sofeme nur die Spurlage und der Vertikalabstand zwischen Sensor und Massstab gewahrt bleibt.
Es ist möglich und in vielen Fallen bevorzugt, den Massstab mit einer filmartigen Schutzschichte (Klebefolie aus Kunststoff) gegen Beschädigungen und Verunreinigungen abzudecken Der vertikale Abstand V wird in solchen Fällen bis zur Oberseite des Weicheisenbandes'gemessen, nicht bis zur Oberseite des Schutzfilmes
Die Breite des Massstabes kann in weiten Grenzen frei gewählt werden, die minimale Breite der Ausnehmungen 6 quer zur Massstablängsachse L ist durch die Abmessungen der Einzelsensoren vorgegeben, die sich im wesentlichen mittig über den Ausnehmungen bewegen sollen.
Dadurch werden störende Einflüsse der durchgehenden Randbereiche des Massstabes minimiert und durch ihr im wesentlichen symmetrisches Auftreten weniger störend Die Breite der durchgehenden Randbereiche richtet sich nach den mechanischen Beanspruchungen des Massstabes und den geometrischen Gegebenheiten des Untergrundes, auf dem er angebracht wird
Es können mehrere Massstäbe mit unterschiedlicher Schrittweite parallel zueinander angeordnet werden, die durch entsprechend abgestimmte Messköpfe abgetastet werden und so ein von der Position abhängiges absolutes Messsignal erzeugen Dies ist auch durch ein Massband mit mehreren Messspuren realisierbar
Die Anbringung des Massstabes auf dem Untergrund kann bevorzugt durch Kleben, aber auch auf andere Weise erfolgen, insbesonders wenn die Befestigungsstellen im durchgehenden Rand- bereich liegen,
sodass keine Beeinträchtigung der Messergebnisse zu befürchten sind Derartige Befestigungen können Punktschweissen, Schrauben, Nieten od.dergl sein
Schliesslich ist auch die Form der Ausnehmungen 6 nicht auf rechteckige oder auch nur rechtwinkelige geometrische Gebilde beschränkt, sondern kann beispielsweise rautenförmig, oval, aber auch kreisrund sein Solche Formen sind insbesonders bevorzugt, wenn der Messkopf auch Sensoren zur Erfassung der Spurlage aufweist, was in manchen Anwendungsgebieten (z Bsp bei Förderbändern) nützlich ist, da solche Ausnehmungen es erlauben, die Spurlage zu erfassen.
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