CN109564108B - 传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测关于能线性或旋转运动的物体的绝对位置的测量数据的一种传感器装置和一种方法，所述传感器装置包括：光学传感器系统，光学传感器系统为了进行位置测量仅利用零阶反射；以及磁传感器系统，磁传感器系统发出与所述能运动的物体的待确定位置相关的第二传感器输出信号，光学传感器系统和磁传感器系统的标尺集成在共同的标尺体中；计算单元，所述计算单元设定为用于获取第一传感器输出信号和第二传感器输出信号并由第一传感器输出信号和第二传感器输出信号生成共同的传感器输出信号，在任意时刻都能由磁传感器系统的第二传感器输出信号得出光学传感器系统的当前周期，以便基于第一和第二传感器输出信号计算出唯一的绝对位置信息。

Description

传感器装置

技术领域

本发明涉及一种传感器装置，用于检测关于能线性或旋转运动的物体的绝对位置的测量数据。此外，本发明涉及一种借助于这种传感器装置测量线性的或可旋转运动的物体的位置的方法。

背景技术

在编码器技术领域，可以区分出增量式工作的位置测量系统和绝对式工作的位置测量系统。在增量式系统中，用户无法读取绝对位置信息。因此，在重新启动系统之后，必须首先找到参考位置，以便使增量式测量系统归零或给所述测量系统定基准，由此获得起始位置(所谓的参考行程)。为此，在标尺上需要设置参考标记并且在传感器头中需要设置读取所述参考标记的相应传感器元件。

在绝对测量系统中，通过扫描标尺产生的位置信息，所述位置信息在任何时刻都是绝对位置信息，因此即使在重新启动系统之后也可立即获得绝对位置信息并且不需要执行参考行程，这相对于增量式测量系统构成明显的优势。

在磁式的绝对编码器技术领域中，已知不同的这种绝对位置信息的方法，例如利用游标原理来生成，其中读取多个轨道并且可以由各轨道彼此之间的相差计算出绝对位置。

磁式的绝对测量系统通常具有较为简单的结构，因此能以较少的花费经济地制造。这种系统可以作为简单和紧凑的集成电路在市场上获得。这种系统的一个主要优点是其对污染不敏感。但与此相对，其缺点在于，这种系统的分辨率系统性限制在通常为几百纳米范围的数量级上。

相比之下，基于光学原理的绝对测量系统的优点是，这种系统允许实现更高的分辨率，所述分辨率在明显<10nm的范围内。这主要是通过与磁系统较短的标尺周期来实现的。然而，光学式测量的绝对系统制造成本较为复杂并且因此比磁式测量的绝对系统成本高。同样，光学式绝对测量与磁式的绝对传感器的情况相比更为复杂；这例如通过读取相应标尺上的伪随机码来进行。

由DE 19520299A1已知一种传感器装置，在所述传感器装置中为了测量可运动的物体的位置使用了两个分开的传感器系统，所述传感器系统以不同的物理原理工作。来自这两个传感器系统的信号由处理系统来补充完整，所述处理系统分析处理两个传感器系统的数据并将所述数据组合成共同的位置值。DE19520299A1具体地描述了角度测量装置的使用，所述角度测量装置借助于由两个磁极组成的磁体与霍尔传感器形式的探测元件相结合来探测旋转的绝对信号。这里，磁式的探测元件在360°的旋转角度范围上提供模拟的正弦信号。但所述角度信号仅在120°的使用范围上是唯一的，此外还需要对角度信号进行线性化。

磁式的探测元件与增量式的光学传感器系统组合，所述光学传感器系统包括沿测量路径具有一个或多个参考标记的增量标尺。所述或各所述参考标记对于系统的基本功能是必需的。

在DE 19520299A1中仅简要提及，但没有详细描述，也没有通过实施例证明的是，由不同传感器系统构成的组合的基本结构也可以用于线性测量系统。相反，通过这里记载的传感器装置不能实现在360°的角度范围(所谓的单圈)上唯一的(绝对)测量。此外，利用这里记载的传感器装置通常不能在较长的测量路段是生成可用的绝对位置信号。

根据DE 195 20 299 A1的传感器装置的另一个缺点是，这种传感器装置需要较大的结构空间或较大的结构高度，并因此不适于，对于传感器装置仅存在小的安装尺寸的应用场合。

由JP2009036637A已知一种测量系统，所测量系统包括组合式的标尺，所述标尺既具有磁式的编码也具有光学的编码。在这种系统中，光学编码设计成衍射光栅。根据常规的技术理解，这意味着，衍射光栅的结构具有小于10μm的周期性。因此，在相应的实施形式中，据此提出了4μm的周期性。JP2009036637A还记载了这样的实施形式，其中磁道的代码是绝对代码。此时基于磁结构和光学结构的数据来计算绝对位置。

为了使该方法有效，需要一起计算磁道的绝对位置信息和光学轨道的数据，使得磁道的信号总是能唯一与光学衍射光栅的相关周期相配。与此相关地，在JP2009036637A中假设，衍射光栅具有完美的周期性。关于磁道的周期，JP2009036637A规定了1000μm的确切值，从而磁道的周期明显大于光学轨道的周期。

但由于磁性标尺制造工艺，磁性标尺根据常规的技术理解仅能以约在±10μm范围内的精度制造，对此JP2009036637A没有给出确切值。然而，正是磁标尺的这种较高的不精确性妨碍了磁标度和光学标度相互可以具有始终保持不变的确定的周期性的相关关系，这对于确定绝对位置值是必不可少的。因此，不再能通过两个标尺的数据的组合形成具有唯一位置信息的绝对传感器系统。在JP2009036637A中，没有说明，可以如何使两个传感器系统的位置信息彼此同步。

由GB2230666A已知一种方法，其中使用了具有不同周期的多个轨道的光学标尺。通过各轨道相对于彼此不同的相位信息可以计算出绝对位置信息。为了计算所述绝对位置信息，同时需要来自所有轨道的信息的组合。这种方法的缺点是，位置计算基于所有光电二极管同时进行。因此单个轨道的光电二极管的噪声分量也发生累加。此外，在制造要扫描的轨道期间出现的误差也在总信号中叠加。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种传感器装置，所述传感器装置克服了已知传感器装置的上述问题。本发明的目的尤其是提供一种紧凑的传感器装置，这种传感器装置可以在任意时间提供在任意长度的线性测量路径上的或者在测量旋转角度的情况下在360°的整个角度范围上的唯一的、绝对的和高精度的位置信息，并且所述传感器装置是紧凑的且能以小的结构空间实现。

因此，以这样一种传感器装置为基础，所述传感器装置能够绝对地测量能线性或旋转运动的物体的位置。为此，所述传感器装置具有光学传感器系统，所述光学传感器系统具有测量单元和与所述测量单元配合作用的标尺，光学传感器系统为了进行位置测量而以反射工作并且仅利用零阶反射，并且所述光学传感器系统产生一传感器输出信号。

此外，所述传感器装置包括磁传感器系统，所述磁传感器系统具有测量单元和与测量单元配合作用的标尺，所述磁传感器系统产生与可运动的物体的待确定位置相关的第二传感器输出信号。这里，磁传感器系统的分辨率小于光学传感器系统的分辨率。

光学传感器系统的标尺和磁传感器系统的标尺设置在一个共同的标尺体中，光学传感器系统的测量单元和磁传感器系统的测量单元朝向标尺体的设置有光学传感器系统的标尺和/或磁传感器系统的标尺的表面，所述表面定义了共同的测量表面。由于两个标尺的相应的设置形式实现了传感器装置的非常紧凑且节省空间的结构。尤其是由此可以实现非常扁平地构成的传感器系统。

上面使用的术语“共同的测量表面”不是一定要理解成，要通过相应的测量单元来检测的数据或信息只存在于共同的测量表面的平面中。该术语也不应理解为，两个标尺必须设置在相同的平面中，即标尺体的相应表面中。相反，所述共同的测量表面在实体看主要由光学传感器系统来定义，因为就此而言可以实现精确的空间上的界定。通常，光学标尺设置在标尺体的表面上或与所述表面重合。对于磁传感器系统的标尺几乎不能进行这种空间上的界定，因为只能以很高的技术成本来限定磁场线。磁传感器系统的标尺通常不是设置在与光学传感器系统的标尺相同的平面中，但这也不是必需的，因为磁场线比磁标尺的空间延展延伸得更远。但也可以设想，将光学标尺和磁标尺设置在相同的平面中，从而标尺体的朝向两个测量单元的表面同时构成所述共同的测量表面。

此外，所述传感器装置还包括计算单元，所述计算单元设定为用于获取第一传感器输出信号或者说光学传感器输出信号和第二传感器输出信号或者说磁传感器输出信号，以便由这两个传感器输出信号计算出位置信息，由第二传感器输出信号或者说磁传感器输出信号可以在任何时刻得出光学传感器系统的当前周期，从而能够由计算单元基于第一和第二传感器输出信号计算出唯一的绝对位置信息。对于磁传感器输出信号与光学传感器系统的当前周期的唯一的对应关系重要的是，磁传感器系统的精度小于光学传感器系统的信号周期。这意味着，磁传感器系统在一个位置处的位置信息的最大偏差小于光学传感器系统的信号周期。

可能有利的是，光学传感器系统的标尺设置在测量表面的平面中。同样可能有利的是，磁标尺在背离光学传感器系统的测量单元的方向上和背离磁传感器系统的测量单元的方向上与测量表面隔开间距地设置。

根据上述有利的实施形式，磁标尺的物理表面与光学传感器系统的标尺的物理表面不在相同的平面中。具体而言，磁系统的物理表面位于光学传感器系统的标尺的物理表面的下方。尽管如此，通过这种结构仍形成了单一的或共同的测量表面，所述测量表面对应于光学传感器系统的标尺的物理表面。这是可以实现的，这是因为磁标尺的磁场穿过位于磁标尺表面和所述共同的测量表面之间的物质，并且以这样的方式在共同测量表面上离开，即利用测量单元的相应的磁传感器能够探测到相应的磁场。

也可能有利的是，磁传感器系统的测量信号以与光传感器系统的测量信号不同的数字式数据格式存在。与DE 19520299A1相比，磁传感器系统的数据不是作为增量数据存在，而是已经作为绝对数据流存在，由此可以得出以下优点：(i)可以在任何时间进行绝对位置测量，这种位置测量由第二(增量)系统细化；(ii)即使较为敏感的(光学)系统失效，也在整个测量路径上存在绝对的位置数据；(iii)绝对系统的数据格式更为可靠(例如，CRC(循环冗余校验)，误码)。

此外可能有利的是，光学传感器系统的标尺在其最大延伸方向上的几何尺寸基本上等于磁传感器系统的标尺在其最大延伸方向上的几何尺寸。换句话说，第一传感器系统的标尺与第二传感器系统的标尺具有大致相同的长度。

此外，可能有利的是，光学传感器系统是增量传感器系统，而磁传感器系统是绝对测量的传感器系统。

此外，可能有利的是，所述传感器装置的分辨率与光学传感器系统的所述较高分辨率相同。因此，传感器装置的分辨率不受磁传感器系统的较低分辨率的限制。

能够证明有利的是，光学传感器系统的标尺具有每毫米3至20线的栅格结构，这对应于在330μm至50μm之间的周期。此时可能有利的是，利用蚀刻或通过激光来形成所述栅格结构。

同样可以证明有利的是，光学传感器系统的标尺的材料的热膨胀系数基本上等于磁传感器系统的标尺的材料的热膨胀系数。上面使用的表示“基本上”这里描述了与绝对相等的+/-10％的偏差。因此确保了，在温度变化时，两个标尺不会或仅不明显地相互发生移位。因此，即使在温度变化时，也能实现准确和可靠的位置测量。因此尤其确保了，通过温度的变化仍可以得到各周期相对于彼此唯一的对应关系。

此外可以证明有利的是，在线性位置测量时，传感器装置的总体分辨率好于100nm，而在旋转位置测量时，传感器装置的总体分辨率好于100μrad。

此外，可以证明有利的是，第一传感器系统的测量单元和/或第二传感器系统的测量单元设计成集成电路。这使得可以更加紧凑地和节省空间地构成所述传感器装置。

此外，本发明涉及一种使用上述传感器装置来识别能线性或旋转运动的物体的位置的方法。根据本发明的方法的特征尤其在于，在计算单元中对两个传感器系统的信号相互进行比较，以提高冗余度并在发生错误的情况下生成报警。这里特别有利的是，传感器装置的总体分辨率等于分辨率较高的传感器系统的分辨率。

在本发明的一个优选实施形式中使用磁性编码的标尺，在使用多个磁场传感器并与增量式的光学传感器系统相结合的情况下，通过所述磁编码标尺，在任意长的测量路段上或角度上沿标尺在任意位置处都能够生成绝对位置信息。由于沿增量轨道随时都能立即提供绝对位置信息，不需要参照标记。可选地也可以使用参照标记，以便在系统中实现附加的冗余(例如，在绝对系统失效时)，但这对于传感器设备的基本功能并不是必要的。

通过使用其中集成了光学传感器系统的标尺并且同时还集成了磁传感器系统的标尺的标尺体实现了，在一个地点将两个传感器系统的位置信息合并，由此不仅节省了结构空间，而且通过这种特殊设置还尽可能地消除了例如由于热膨胀导致的环境影响。这里也可以设想，将光学标尺与磁标尺设计成整体的或一体的，此时将光学标尺的相应的栅格结构加工到磁标尺的材料中。

本发明的传感器装置既可以在反射法中使用，也可以在透射法中使用。但反射法可以实现明显更为紧凑的结构空间。

优选绝对或者说磁传感器系统的位置信号以与增量式或者说光学传感器系统的位置信号不同的数字式数据格式存在，在计算单元中将其组合以获得共同的高分辨率的绝对位置信号需要特殊的算法。

如上所述，所述传感器装置优选包括增量式的光学传感器系统和绝对式测量的磁传感器系统。所述磁传感器系统例如利用游标原理测量位置数据，在所述游标原理中，以不同的周期扫描多个磁轨，并且由磁轨之间的相位差计算出绝对位置。也可以设想采用其它绝对测量原理。磁传感器系统这里以有限的分辨率测量绝对位置值。带来这种限制的情况是，扫描磁标尺的相应的测量单元的磁传感器通常隔开间距地定位在标尺上方，所述间距是磁极宽度的一半。由于磁传感器相对于标尺的所述间距通常选择为不低于500μm，因此常见的最小磁极宽度的数量级为1mm，这会导致，常见的噪声抑制处于100nm的数量级。

光学传感器系统的测量单元的光学增量式传感器具有较高的分辨率，因为对于光学传感器可以选择较小的标尺周期。

磁传感器和光学传感器例如可以设置在共同的支座上，所述支座实现了传感器相对于要扫描的标尺最佳的工作间距。

根据本发明的传感器装置既可以在线性的应用场合中用于测量绝对位置值，也可以在旋转的应用场合中用于测量绝对位置值。在旋转的应用场合，可以在360°的完整一圈上进行绝对测量(所谓的单圈测量)。

磁绝对传感器和光学增量式传感器的组合使得可以将两种传感器原理的优点相结合，即，磁传感器较为简单的结构连同光学传感器的高分辨率，所述磁传感器尽管在分辨率上受限，但提供绝对位置值，但所述光学传感器不提供绝对位置信息。

为了在计算单元中处理数据，有利的是，两个传感器系统的位置信息以数字的形式存在。在最简单的情况下，绝对测量的传感器系统的信息在没有预处理成数字式位置信息的情况下就已经存在。如果不是这种情况，则在适当的电路中由该传感器系统的输出信号生产绝对的数字式位置信息。然后，可以应上级设备的请求来调用该位置信息。

光学增量式传感器通常提供模拟输出信号。所述模拟输出信号首先在内插电路中预处理并转换成数字式的数据流，所述数据流也可由上级的设备读取。

要计算位置信息，至少可以采用下面描述的两种模式或方法：

在第一模式或方法中，传感器设备以其特有的节拍连续地计算位置信息。位置信息的计算包括：同步读入两个传感器系统的数据以及将这两个数据流计算成新的绝对数据流。将所述新生成的更高分辨率的位置信息提供给后面的读取位置信息的单元。为了能够随时由所述后面的单元调用所述新的位置信息，两个新数据流的新位置信息的计算方法与所述后面的单元的调用是异步的。

在第二模式或方法中，仅当读取位置信息的单元发出请求时，才计算位置信息。这个流程如下进行：

-进行读取的单元发出请求。

-计算单元向两个传感器系统同步地请求位置信息。

-计算单元由两个位置信息计算出新的位置信息。

-将所述新的位置信息返回发送给进行读取的单元。

到提供位置信息之前的时间延迟，这里可以通过数字传感器协议、如例如BiSS协议补偿/截获(abfangen)。

合并两个传感器系统的数据流的计算单元主要可以作为CPU(中央处理单元)、MCU(微控制器单元)、FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)来实现。

如上所述，用于磁传感器的磁标尺和用于光学传感器的光学标尺集成在一个共同的标尺体中。磁标尺首选隐藏式地设置在所述标尺体中，并且例如关于背离该传感器系统的测量单元的方向设置在光学标尺的后面。在标尺体的或者这种混合式或整体的标尺的上侧设置一种结构，优选是栅格结构，所述结构可以由光学传感器系统的传感器探测到并且所述结构用于光学传感器系统的优选增量式的位置信息。这里，优选将所述结构加工到具有与支承结构相同热膨胀系数的材料内，用于磁标尺的磁材料位于所述支承结构中。

根据本发明的传感器单元可以这样运行，使得可以同时地、单独地和以组合方式调用两个传感器系统的信号。一种可能的应用场合时是两个传感器系统的冗余运行，由此，如果相应的一个传感器系统失效或关闭，则在需要时可以使用另一个系统的位置信息。绝对式测量的磁传感器系统较为坚固并且对污染不敏感，因此与光学传感器系统相比，其位置信息的可靠性较高。通过组合来自两个传感器系统的数据，可以产生一种冗余方案，在其中两个系统相互监控。

与GB2230666A的教导不同，对于利用根据本发明的传感器单元进行位置确定，不是同时需要所有轨道的信息，而是仅使用分辨率较小和精度较小的测量系统来在任何时间唯一地确定较高分辨率的测量系统的周期；因此所述测量系统仅用于，能够将绝对的传感器信息唯一地反算得到光学周期。因此，在根据本发明的传感器单元中，对系统轨道相互间关系的要求低于在GB2230666A中说明的传感器单元中的情况。相应地对于整个系统精确度和分辨率由分辨率较高的系统确定，并且与分辨率较低的系统无关。唯一的限制是，必须能够唯一地分配周期。

与EP2020591A2不同，在本发明中确保了，可以将两个信息载体的信息相互关联。由于两个传感器系统的位置信息(绝对式的磁传感器系统和增量式的光学传感器系统)简单的相互联系，在不对位置数据相对于彼此同步的情况下，在组合信号中存在跳变和偏差。

为了防止出现这种情况，数据必须相互同步，或者说必须通过轨道的相互关系来确保，可以实现轨道周期唯一的对应关系。作为数值示例，对于磁绝对标尺假设磁极间距为1.6mm并且相应地信号周期为3.2mm。在具有3.2mm信号周期的相应的标尺上设置光学标度。在具有光学标尺的传感器系统中，六西格玛噪声(在系统具有高带宽时)处于5μm左右的数量级。磁标尺的精度将10μm/μm的数量级。光学标尺的非线性比例同样也将处于5μm的数量级。通过在使用适当的材料情况下优化的热性能设计，可以这样构成所述系统，使得两个轨道相对于彼此的热膨胀差很小。就是说，在总和上，磁系统的精度将处于20μm的数量级。由于通过由磁系统获得的位置信息可以实现与光学系统唯一的对应关系，因此，允许光学传感器系统的周期选择成不小于2×20μm＝40μm，以确保在整个运行参数范围上得到唯一的对应关系。

此外，可以同时单独地读取两个传感器系统的位置信息。这种使用方式的优点是，如果例如由于污染不再由光学传感器系统提供数据，仍然可以使用绝对磁传感器系统的位置数据，尽管具有较低的分辨率。如果在以后的时刻能够再次提供光学传感器系统的数据，则可以与光学传感器系统的高分辨率一起再次进行绝对位置测量。类似的应用场合是，为了节省能量，关闭光学传感器系统和根据需要较晚地接通光学传感器系统。

另外，如果位置相关的触发信号对于同步化是必要的或有帮助的，则可以同时以组合地方式利用两个传感器系统的信号以及作为单独信号利用两个传感器系统的信号。在这种应用场合中，使用高分辨率绝对位置信号，也使用增量式传感器的信号，所述绝对位置信号由两个传感器部件的数据计算得出，增量式传感器的信号独立且同步地以模拟(正弦/余弦)和数字式(A/B)的形式存在。

附图说明

下面参考相应的附图来说明根据本发明的传感器装置或根据本发明的传感器装置部件的不同实施形式，相同的附图标记表示不同附图中的相同部件。

其中：

图1：在根据本发明的传感器装置内部的数据流的示意图

图2：根据本发明的传感器装置的标尺布置结构的实施形式

图3：根据本发明的传感器装置的实施形式的示意图

图4：关于两个传感器系统的位置数据流的同步的示意图

图5：部分(a)和(b)：关于传感器系统的测量单元相对于根据本发明的传感器单元的对应的标尺的布置形式的不同实施形式

具体实施方式

图1示出根据本发明的传感器装置内部的数据流的示意图。磁的和绝对式测量的传感器系统的测量单元101以及光学的和增量式测量的传感器系统的测量单元102扫描标尺200，所述标尺包括可光学扫描的标尺和可磁扫描的标尺并且因此构成混合标尺。这里测量单元101向混合标尺200的磁结构中进行扫描。此时，在处理单元103中由所获得的信息确定绝对位置。位置信息在此作为数字式信息通过数字界面提供。测量单元101和102也可以组合在单一的集成电路中。测量单元102光学地以反射的方式扫描混合标尺200的表面或者说光学标尺。相应的位置信息在适当的电路104、例如内插电路中转换成数字式的位置信息，并通过数字式界面提供。数字式的位置信号或位置信息此时可以提供给计算单元105，以进行进一步的数据处理。计算单元105在此可以是微控制器、FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)等，所述计算单元通过将两个传感器系统的位置信息的组合来计算出新的绝对位置值，并且作为数据流106将所述绝对位置值提供给图1中未示出的控制器，所述数据流可以符合用于位置信息的数字协议(例如SSI，BiSS等)。测量单元101和102、处理单元103、电路104和计算单元105可以按任何组合安装在集成电路中。

图2示出关于根据本发明的传感器装置的标尺设置形式的一种可能的实施形式的示意图，所述标尺的形式是用于相应传感器系统的磁和光学测量单元的组合式或混合标尺200。混合标尺200包括共同的标尺体210，在所述标尺体中，磁标尺203设置在材料层202和载体层204之间。载体层204和材料层202都由非磁性的不锈钢制成。表面层201向外与材料层202邻接，在所述表面层中以栅格结构的形式集成有或加工出光学标尺220。

磁标尺203可以通过施加外部磁场来磁化，使得磁结构以连续和交替的序列包括大量N极和S极，所述N极和S极可以由磁传感器系统的测量单元分析评估。磁标尺的磁场足以穿透位于其上的材料层202以及还有表面层201或者说光学标尺220并更远超出所述材料层和表面层之外，以便可以被朝向表面层201的、但与表面层隔开间距的磁传感器系统的测量单元探测到。此外，这样来实现磁化，使得可以通过利用磁传感器系统的传感器的探测来计算绝对位置(例如，通过游标原理利用多个彼此并排设置在标尺上的轨道)。

载体层204的热膨胀系数基本上等于磁标尺203的热膨胀系数。材料层202具有与载体层204的材料相同的热膨胀系数，并且表面层201的热膨胀系数也基本上等于材料层202或载体层204的热膨胀系数。因此，在温度变化时，混合标尺均匀地膨胀或收缩并且不会在混合标尺内导致出现热应力。

表面层201具有限定光学标尺220的确定的(凸凹)结构，并且光学传感器系统102的测量单元可以由所述结构产生增量位置数据。所述结构可以通过不同的方法实现，例如通过表面的激光处理或通过蚀刻法。

由于载体层204、磁标尺203、材料层202和表面层201的调整适配的热膨胀性能，即使在传感器单元或标尺体发生温度变化情况下，也确保了尺寸结构彼此间的关系始终保持相同。

可以设想，磁标尺和光学标尺并排设置，使得它们的表面位于共同的或相同的平面中。

在混合标尺的下侧设置有粘性材料205(例如双面胶带)，这使得标尺能够以其下侧固定在标尺体210的结构上。

图3示意性地示出根据本发明的传感器装置的实施形式。该实施形式包括：含有磁标尺和光学标尺的混合标尺200；具有相应测量单元101的磁传感器系统，该测量单元与混合标尺200的磁标尺配合作用；以及具有相应测量单元102的光学传感器系统，该测量单元与混合标尺的光学标尺配合作用。

测量单元101到测量表面309的间距307大致等于磁标尺的磁化周期的一半。对于光学测量单元102到共同的测量表面309的间距306同样存在最佳范围。设置有测量单元101和102的支承元件302此时使得可以调整最佳的工作距离。

光学测量单元102或光学传感器的数据在内插芯片的形式的电路104中转换成数字位置信号。类似的情况也适用于磁测量单元或磁传感器101的信号，磁测量单元或磁传感器的信号在处理单元103中进一步处理。可以设想，将磁测量单元101和对应的处理单元103或者将光学测量单元102和对应的内插芯片104统一在单独的ASIC中。接着将两个传感器的数据流提供给运算单元105，例如DSP(数字信号处理器)、MCU或FPGA，并进一步处理。

下面描述在计算单元105中对数据流的可能的处理：基于游标原理，绝对式的磁位置传感器的数字输出数据流具有例如23位的长度。在所述输出数据流中，在游标基体的传感器周期为3200μm和以14位对游标的输入数据进行内插时，后9位对应于100μm的路程。所述数据流的一位对应于195.31nm。

对于周期为100μm和模拟信号的内插率为14位的光学增量传感器，获得周期为100μm的信号。此时，在该信号中1位＝6.18nm。

计算单元此时读取两个传感器或传感器系统的数据，并由所述数据的组合生成具有28位位置数据的新的绝对数据流，其中使用增量测量系统的下14位和绝对测量系统的上14位并将其相互关联。可以同时对增量传感器的周期进行计数，并且可以将相应的三个数据流(即，具有周期计数器的增量传感器、绝对传感器和新输出数据流)相互比较，以生成冗余。在增量测量系统和在绝对测量系统中，在各周期相互间的过渡点处，计算单元通过相应的算法确保数据的一致性。

对于该方法，来自两个传感器系统的原始数据不是必须相互处于二元关系，但是这简化了例如在FPGA中对输出数据的计算。对于彼此处于非二进制关系的传感器数据，可以类似地应用该方法，但是此后有必要通过整数或甚至通过浮点数来完成各数据彼此间的计算。

图4用示意图示出两个传感器系统的位置数据流的同步。绝对式的磁传感器在其移动范围上提供绝对位置数据402，这些数据是绝对的并可以计算出第二测量系统的长度的位置段。对于所述位置数据的要求是，所述位置数据与光学增量式传感器的位置数据401相关地总是允许实现周期的唯一对应关系，增量传感器以这种对应关系与绝对位置信息相关联。

如果两个位置信息彼此的关系不正确，则发生错误，因为在一些情况下，不再能得到磁传感器的绝对位置与增量传感器的相对位置的对应关系。因此可能有意义的是，在传感器装置的首次启动是执行校准步骤。此时，将两个测量单元或传感器的相位信息相互比较。增量传感器系统始终提供以标尺的周期400周期性的位置数据401。在周期彼此间的过渡点处，该周期内的位置值从其在一个周期内的最大值跃变回到初始值(例如，从周期ni到ni+1)。类似地在绝对传感器系统的位置数据402中存在这样的点，所述点分别指示传感器系统当前处于哪个周期，或者存在这样的点，所述点指示进入下一个周期的过渡部(例如，周期na到na-1，或na到na+1)。这些过渡部在图4中用附图标记404和405标注。

合理地对各周期进行相互地调校，使得绝对传感器系统的人工周期与增量传感器系统的实际周期精确地对齐(例如在位置403)。换句话说，存在这样的点，在所述点处，几乎在相同的位置，分别发生从一个周期到下一个周期的过渡。如果两个标尺的信号的位置信息现在相对于彼此略微偏移，则利用这种调校在较大范围上确保了，绝对位置信号总是与正确的增量周期相配。

参照位置403现在可以计算确定的安全距离，在所述安全距离中，周期彼此间的所述调校可靠地起作用。这里，合理的距离例如可以是增量测量系统的周期的一半。如果超过这个值，则总测量系统例如可以发出报警，所述报警表明，安全储备已经耗尽。

信号彼此间的偏移受到两个传感器系统的位置信号的不同线性度、磁标尺的与光学轨道相关的绝对精度以及热作用的影响。此外，还必须确保，由于热作用各传感器的位置相对于彼此仅发生极小的偏移。

图5在分图(a)和(b)中示出在根据本发明的传感器单元的传感器系统的测量单元相对于标尺或各标尺的布置形式方面的不同实施形式。标尺200设计为混合标尺。所述标尺表面层201具有确定的结构，所述结构包括反射和吸收区域(用亮条和暗条表示)并由此形成相应的光学标尺220，所述光学标尺可以由光学传感器系统的测量单元、即光学传感器扫描。基于图5中所示的局部剖视图，还可以看到嵌入混合标尺200中并隐藏在其内部的磁标尺203，所述磁标尺以连续且交替的序列包括大量的N极和S极(用较亮和较暗的条带表示)，并且还可以包含具有不同周期的彼此并排的多个磁轨。

与相应的标尺配合作用的两个测量单元或传感器101和102可以相对于混合标尺200在其纵向延伸上并排(图5的分图(b))设置或者在其横向延伸上并排(图5的分图(a))设置。

附图标记列表

101 磁传感器的测量单元

102 光学传感器的测量单元

103 处理单元

104 电路

105 计算单元

106 数据流

200 混合标尺

201 表面层

202 材料层

203 磁传感器的标尺

204 载体层

205 粘性材料

210 标尺体

220 光学传感器的标尺

302 支承元件

306 光学测量单元与测量表面的间距

307 磁测量单元与测量表面的间距

309 共同的测量表面

400 标尺信号的周期性

401 光学传感器系统的位置信息

402 磁传感器的位置信息

403 具有与两个标尺信号周期过渡点的最大间距的位置

405 两个标尺的信号周期的过渡点

406 两个标尺的信号周期的过渡点

Claims (16)

1.用于检测关于能线性或旋转运动的物体的绝对位置的测量数据的传感器装置，包括：

-光学传感器系统，所述光学传感器系统具有光学传感器系统的测量单元(102)和与光学传感器系统的测量单元(102)配合作用的、光学传感器系统的标尺(220)，所述光学传感器系统为了进行位置测量仅利用零阶反射，并且光学传感器系统发出与能运动的物体的待确定位置相关的第一传感器输出信号，和

-磁传感器系统，所述磁传感器系统具有磁传感器系统的测量单元(101)和与磁传感器系统的测量单元配合作用的、磁传感器系统的标尺(203)，所述磁传感器系统发出与所述能运动的物体的待确定位置相关的第二传感器输出信号，光学传感器系统的标尺(220)和磁传感器系统的标尺(203)集成在共同的标尺体(210)中，并且光学传感器系统的测量单元(102)和磁传感器系统的测量单元(101)朝向所述标尺体(210)的表面，光学传感器系统的标尺(220)和/或磁传感器系统的标尺(203)设置在所述表面上，并且所述表面定义了测量表面，并且光学传感器系统具有比磁传感器更高的分辨率，和，

-计算单元(105)，所述计算单元设定为用于获取第一传感器输出信号(401)和第二传感器输出信号(402)并由所述第一传感器输出信号(401)和第二传感器输出信号(402)生成共同的传感器输出信号，在任意时刻都能由磁传感器系统的第二传感器输出信号(402)得出光学传感器系统的当前周期，以便基于第一和第二传感器输出信号计算出唯一的绝对位置信息，

其中，磁传感器系统的精度小于光学传感器系统的信号周期。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，光学传感器系统的标尺(220)设置在标尺体(210)的共同的测量表面(309)的平面中。

3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，磁传感器系统的标尺(203)沿背离光学传感器系统的测量单元(102)的方向和沿背离磁传感器系统的测量单元(101)的方向与标尺体(210)的共同的测量表面(309)隔开间距地设置。

4.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，磁传感器系统的第二传感器输出信号(402)以与光学传感器系统的第一传感器输出信号(401)不同的数字式的数据格式存在。

5.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，光学传感器系统的标尺(220)在其最大延伸方向上的几何尺寸基本上等于磁传感器系统的标尺(203)在其最大延伸方向上的几何尺寸。

6.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，所述光学传感器系统是增量式传感器系统，而所述磁传感器系统是绝对测量传感器系统。

7.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置的分辨率与光学传感器系统的分辨率相同。

8.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，光学传感器系统的标尺(220)具有每毫米3至20线的栅格结构。

9.根据权利要求8所述的传感器装置，其特征在于，所述栅格结构利用蚀刻或通过激光产生。

10.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，光学传感器系统的标尺(220)的材料的热膨胀系数基本上等于磁传感器系统的标尺(203)的材料的热膨胀系数。

11.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，在线性位置测量时，所述传感器装置的总体分辨率好于100nm，而在旋转位置测量时，所述传感器装置的总体分辨率好于100μrad。

12.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，光学传感器系统的测量单元(102)和/或磁传感器系统的测量单元(101)设计成集成电路。

13.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，传感器装置的测量数据以受保护的数字式数据格式传输给上级的单元。

14.用于使用根据权利要求1至13中任一项所述的传感器装置来检测关于能线性或旋转运动的物体的绝对位置的测量数据的方法，其中，在计算单元(105)中将光学传感器系统的第一传感器输出信号(401)和磁传感器系统的第二传感器输出信号(402)相互进行比较，以提高冗余度并在发生错误的情况下生成报警。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述传感器装置同步读入光学传感器系统的第一传感器输出信号(401)和磁传感器系统的第二传感器输出信号(402)并由此计算出分辨率更高的位置测量数据，所述位置测量数据被提供给后续的、读取位置测量数据的单元，其中通过所述读取位置测量数据的单元对所述分辨率更高的位置测量数据的调用与所述位置测量数据的计算异步地进行。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，首先由进行读取的单元请求所述位置测量数据，接着计算单元(105)同步地向光学传感器系统和磁传感器系统请求相应的位置测量数据并由两个位置测量数据计算出新的位置信息，然后将所述新的位置信息发送回所述进行读取的单元。

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