CN104596407A - 位置测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有整体量具(1，1′)的位置测量装置，其在第一部段(1.1)中为产生第一信号电平(H)具有第一磁化部，该磁化部设计为使得其在第一方向(ξ；-ξ)上定向，在两个相邻的不同名磁极(N，S)之间具有第一间距(λ)，并且在工作间距(Z)内产生磁场场强的第一最大值。此外，整体量具在与第一部段相邻地布置的第二部段(1.2)中为产生第二信号电平(L)而具有第二磁化部，其中，该磁化部在第二方向(-ξ；ξ)上定向，在两个不同名磁极之间具有第二间距(κ)，并且在工作间距内产生磁场场强的第二最大值。在此第一方向与第二方向相反地定向，第一间距大于第二间距并且第一最大值大于第二最大值。

Description

位置测量装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的位置测量装置，其具有带有用于与位置相关地编码的磁化部的整体量具。所涉及的位置测量装置可以用作角度测量系统或者也可以用作长度测量系统。

相应的设计成角度测量装置的位置测量装置，用于测量例如转轴的机器部件的旋转运动或旋转位置，此时在机器部件上抗扭地固定着整体量具。在这种运用情况下也能够称为角刻度标尺的整体量具具有磁性编码部，该磁性编码能够相应地扫描。在此特别地，只检测旋转运动，使得所输出的测量值是密码。相应的位置测量装置特别地用在车床中。

此外，根据本发明的位置测量装置也可以用作长度测量系统。在这种情况下，作为整体量具能够使用量尺或者具有适当的磁化部的圆柱体、特别是空心圆柱体。在此，特别地也只检测线性运动。

背景技术

由JP H09-264760 A中公知一种具有磁性整体量具的位置测量装置，该整体量具为了相应地产生逻辑值“1”而具有磁化区域，并且为了相应地产生逻辑值“0”而具有非磁化的区域。

发明内容

本发明的目的在于，实现一种位置测量装置，其特征尤其在于，该装置提供高的测量准确度并且对于扫描间距的公差比较不敏感。

该目的通过一种根据权利要求1所述的测量装置来实现。

因此，该位置测量装置包括沿着测量方向具有磁极(北极和南极)的整体量具。此外，该位置测量装置还包括具有传感器的扫描单元。该扫描单元如下地设计，即，在沿着测量方向在工作间距内扫描整体量具时，能够产生电信号，该电信号根据传感器的位置处于第一信号电平或者第二信号电平。整体量具在第一部段中为了产生第一信号电平而具有磁化部，该磁化部利用第一场强定向在第一方向上并且在两个相邻的不同名磁极之间具有第一间距。此外，该磁化部如下地设计，使得其在工作间距内产生磁场场强的第一最大值。在整体量具的与第一部段相邻地布置的第二部段中，整体量具为了产生第二信号电平同样也具有磁化部，然而该磁化部利用第二场强定向在第二方向上并且在两个相邻的不同名磁极之间具有第二间距。此外，第二磁化部如下地设计，即，其在工作间距内产生磁场场强的第二最大值。在此，第一方向定向成与第二方向相反的或者定向成与第二方向反向平行的，并且此外整体量具如下地设计，即，在第一部段中的两个相邻的不同名磁极(N-S；S-N)之间的间距大于在第二部段中的该间距。在各工作间距中，第一部段中的场强最大值大于第二部段中的场强最大值。

因此应在工作间距中观察场强的最大值。不言而喻地，这种观察只在扫描轨迹的范围内或者说在扫描轨迹的宽度上才有效。场强可以或者用单位安培每米来量化，或者也可以为了量化场强的目的而引入以特斯拉测量的所谓的磁通量密度。磁化方向是从北极到南极的磁场线方向。

第一和第二部段的长度可以等于在北极和相邻的南极之间的在测量方向上的间距，因此使得能够通过相邻的不同名磁极限定这些部段。在此，从几何学上观察，一个和相同的磁极能够代表对于两个在测量方向上相邻的部段的限定。

第一信号电平例如可以理解为高电平，从而然后第二信号电平是低电平。高电平能够作为逻辑值“1”来进一步处理并且低电平可以相应地作为逻辑值“0”。当然也可以实施反向地配对。因此，整体量具特别地具有用于产生绝对位置的位模型。现在通过整体量具的特殊的磁化部能够使磁场线的几何构造均匀化，特别是使第一部段的磁场线的几何构造均匀化，使得能够比传统的位置测量装置更精准地探测从1位过渡到0位和从0位过渡到1位的位置。

扫描单元能够具有信号处理件和/或多个传感器。信号处理件能够在空间上布置在扫描单元的壳体内或者单独地布置或者说布置在相关壳体以外。

有利的，传感器中的至少一个设计成磁阻传感器，从而因此通过外部的磁场改变传感器的电阻。这类传感器例如能够以各向异性磁电阻效应(AMR效应)、巨磁阻效应(GMR效应)或隧道磁电阻效应(TMR效应)为基础。

此外，该传感器特别地能够如下地设计，使得其在磁场利用与工作间距正交的磁场线定向时达到其最大灵敏度。也就是说，当在传感器相对于整体量具的位置中，磁场的磁场线定向成工作间距正交的时，传感器最大程度地感应。该位置在测量方向上基本上位于两个不同名磁极之间的中间。相反地，无论是在与北极紧挨着相邻时还是在与南极紧挨着相邻时，传感器都不感应，因为在该处的磁场线基本上是平行于工作间距定向的。

作为代替也可以使用霍尔传感器(Hall-Sensor)。

在本发明的其他设计方案中，在第一部段中于两个相邻的不同名磁极之间的第一间距可以至少是第二部段中的第二间距的1.5倍。例如在第一部段中于两个相邻的不同名磁极之间的间距是第二部段中的该间距的2倍。

在本发明的改进方案中，在第一部段中于两个相邻的不同名磁极之间的第一间距是第二部段中的第二间距的n倍，其中n是偶数形式的自然数(n＝2·K，其中n＝1，2，3…)。特别地n能够取数值2(k＝1)。

有利地，能够如下地设计整体量具，使得在两个同名磁极之间于整体量具的预定区域处存在不同的间距(N-N；S-S)。特别地，在用于产生第一信号电平的区域内，整体量具能够具有在同名磁极之间的与在整体量具的具有用于产生第二信号电平的磁化部的区域内的间距不同的(特别是大于)的间距。

在一种有利的构造方案中，整体量具具有第三部段，该部段布置在两个第二部段之间并且本身不具有磁化部。在这种情况下，第一间距能够至少是第二间距的r倍，其中r是大于1的实数。

根据本发明的位置测量装置能够包括构造为用于测量长度的线性量尺的整体量具。作为替代，该整体量具能够构造为用于测量角度的角刻度标尺。在这种情况下，整体量具能够具有符合圆柱体的形状，从而磁化部产生在圆柱体的外罩面上或者说编码部布置在圆柱体的外罩面上。另一方面，在设计为角刻度标尺的圆柱体形状的整体量具中，磁化部还可以产生在圆柱体的端面处。

由从属权利要求的特征能够获取有利的实施方式。

附图说明

在下面借助附图对两个实施例的说明中使本发明的其他特征和优点变得更加清楚。

图1是位置测量装置和根据第一实施例的信号变化曲线的简化图，

图2是位置测量装置和根据第二实施例的信号变化曲线的简化图。

具体实施方式

根据图1，位置测量装置包括整体量具1。整体量具1在所介绍的实施例中由铁磁材料制成，例如由具有组分铁、铬、钴和钼的合金制成。优选地，整体量具1固定在图中未详细示出的载体上，例如环或棒上。

为了实现整体量具1的编码，如下地磁化整体量具，即，沿着测量方向x交替地存在北极和南极N，S。所产生的磁化部因此是永磁性的磁化。因此，通常产生位模型，其在测量方向x的范围内分别具有各个位0，1的保持不变的长度λ。在整体量具1的第一部段1.1中，如下地设计磁化部，即在该处读取的位具有值“1”，相反的，在整体量具1的第二和第三部段1.2，1.3中读取的位具有值“0”。第一部段1.1相应地布置成与第二部段1.2相邻的，或者说与第二部段1.2邻接的。此外，在所示出的实例中，第一和第二部段1.1，1.2的长度在x方向上等于在相邻的、特别是不同名的磁极N，S之间的间距。

整体量具1的第一部段1.1中的磁化部具有带较大的第一场强的第一方向ξ；-ξ。在相应地与第一部段1.1相邻地布置的第二部段1.2中，在具有较低的第二场强的第二方向-ξ；ξ上已经实施了磁化部，其中第一方向ξ；-ξ定向成与第二方向-ξ；ξ相反的。

在所涉及的第一部段1.1中，在北极N和相邻的南极S之间的在测量方向x上的间距，分别大于在所涉及的第二部段1.2中的在北极N和相邻的南极S之间的间距。这些间距经常也称为地点频率，从而在第一部段1.1中设置了低于在第二部段1.2中所设置的地点频率。第一部段1.1中的在不同名磁极N，S之间的间距具有长度λ，并且在第二和第三部段1.2，1.3中具有下述长度κ，其中，使以下关系κ＝λ/2或λ＝2·κ在此有效。特别地，第一、第二和第三部段1.1，1.2，1.3的长度λ，κ等于在北极N和相邻的南极S之间的在测量方向x上的间距。磁化部或者说编码轨迹在y方向上于预定的宽度上延伸，该宽度至少等于扫描轨迹的宽度。

此外，位置测量装置还包括扫描单元2。该扫描单元以工作间距Z相对于整体量具1布置，该工作间距定向成平行于z方向并且与测量方向x正交的。在所介绍的实施例中，扫描单元2包括四个传感器2.1，2.2，2.3，2.4，其在此构造为磁阻传感器。相应地，传感器2.1，2.2，2.3，2.4将整体量具1的磁场转换为原始电信号，该信号输送给信号处理件2.5或电路。由原始信号产生数字信号D，其或者处于信号电平H或者处于信号电平L。

在与z方向正交地定向并且以工作间距Z远离整体量具1的平面(x、y平面)内，通过在第一部段1.1中的磁化部产生的场强最大值大于在第二部段1.2中通过磁化部实现的场强最大值。因此，基于这些不同的场强或者说在工作间距Z中的不同最大值，根据附图所示的传感器2.1和2.4在扫描第一部段1.1时分别产生信号电平H，而当传感器2.2和2.3在工作间距Z内与第二和第三部段1.2，1.3相对时，这两个传感器产生信号电平L。这种情况能够或者由此来实现，即传感器2.1，2.2，2.3，2.4和场强如下地相互调谐，使得传感器2.1，2.2，2.3，2.4虽然确定了部段1.1的磁场，但是对于第二和第三部段1.2，1.3的减弱的场强不具有敏感性。替代地，当传感器2.1，2.2，2.3，2.4以不同程度的反应能力对部段1.1，1.2，1.3的所有磁场作出感应时，信号处理件2.5也可以使不同的原始信号数字化。

传感器如下地设计，即其在磁场线定向成与z方向正交的时，在所示情况下，当磁场线平行于测量方向x地取向时，达到其最大灵敏度。因此，当传感器2.1，2.2，2.3，2.4在测量方向x上于工作间距Z中位于两个不同名的磁极N，S之间的中间时，这些传感器在其原始信号中产生最大电平。相反地，当这些传感器与北极或南极紧挨地相邻时，原始信号最小，因为磁场线在该处基本上定向在z方向上。

通过由此产生的信号D能够形成密码，在此例如是1001，也就是由四个位组成，该密码提供关于在扫描单元2和整体量具1之间的绝对的相对位置的信息。在实践中，大部分如下地设计扫描单元2，使得其在x方向上具有比在图中所示的更大的长度，从而也能够产生明显更长的密码。通过电缆2.6能够使信号D传输到后续电子件上。

在根据图2的第二实施例中，整体量具1′具有不磁化的第三部段1.3′。由此虽然部段1.2的磁场线相对于第一实施例的同一磁场线发生了形变，但是这对于整体量具1′的扫描不起作用，因为在工作间距Z中的磁场对于部段1.2，1.3′而言本来就低于传感器2.1-2.4的感应阙值。第三部段1.3′具有长度κ，其中，以下关系κ＝λ/2或λ＝2·κ在此还有效。

尽管根据图1和2示出了直线的整体量具1，1′，本发明不局限于线性的位置测量系统。更多的是，位置测量装置能够使整体量具设计成角刻度的，例如图1和2还能够如下地阐述，即整体量具1，1′还设计成柱形薄片，在其端侧上分别设置磁化部或编码部分，使得扫描单元2在轴向的工作间距Z内布置得朝向相关的整体量具1，1′。

传感器2.1-2.4的这种设计方式或布置方式在所介绍的实施例中简化地示出。例如还能够使用比实例中所示出的更多的传感器，其中此时如下地布置传感器，使得其确保了在x方向上的重叠扫描，其中由单个的传感器例如仅仅扫描长度为λ/2的范围。

Claims (10)

1.一种位置测量装置，包括

整体量具(1；1′)，所述整体量具沿着测量方向(x)具有磁极(N，S)，以及

扫描单元(2)，所述扫描单元具有传感器(2.1-2.4)并且设计成使得在工作间距(Z)内沿着所述测量方向(x)扫描所述整体量具(1；1′)时能够产生电信号(D)，所述电信号处于第一信号电平(H)或第二信号电平(L)，其中所述整体量具(1；1′)，

在第一部段(1.1)中为了产生所述第一信号电平(H)具有第一磁化部，所述第一磁化部设计成使得，

所述第一磁化部在第一方向(ξ；-ξ)上定向，

所述第一磁化部在两个相邻的不同名的所述磁极(N，S)之间具有第一间距(λ)，

在所述工作间距(Z)内产生磁场场强的第一最大值，并且在与所述第一部段(1.1)相邻地布置的第二部段(1.2)中为了产生所述第二信号电平(L)具有第二磁化部，所述第二磁化部设计成使得

所述第二磁化部在第二方向(-ξ；ξ)上定向，

所述第二磁化部在两个相邻的不同名的所述磁极(N，S)之间具有第二间距(κ)，

在所述工作间距(Z)内产生磁场场强的第二最大值，其中所述第一方向(ξ；-ξ)定向成与所述第二方向(-ξ；ξ)相反，所述第一间距(λ)大于所述第二间距(κ)并且所述第一最大值大于所述第二最大值。

2.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，所述传感器(2.1-2.4)设计成磁阻传感器。

3.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，所述传感器(2.1-2.4)设计成使得所述传感器在磁场利用与所述工作间距(Z)正交的磁场线定向时达到所述传感器的最大灵敏度。

4.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，所述第一间距(λ)至少是所述第二间距(κ)的1.5倍。

5.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，所述第一间距(λ)至少是所述第二间距(κ)的n倍，其中，n是偶数形式的自然数。

6.根据权利要求5所述的位置测量装置，其中，n取数值2。

7.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，所述整体量具(1′)具有第三部段(1.3′)，其中所述第三部段(1.3′)设置在两个所述第二部段(1.2)之间并且不具有磁化部。

8.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，所述整体量具(1，1′)在两个同名的所述磁极(N，N；S，S)之间具有不同的间距。

9.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，所述整体量具(1；1′)设计成角刻度的。

10.根据权利要求9所述的位置测量装置，其中，所述整体量具(1；1′)具有符合圆柱体的形状，并且所述磁化部形成在所述圆柱体的外罩面上。