DE10020978A1

DE10020978A1 - Drehcodierer insbesondere für ein Vermessungsinstrument

Info

Publication number: DE10020978A1
Application number: DE10020978A
Authority: DE
Inventors: Masami Shirai; Masato Noguchi; Katsuhiko Kenjo
Original assignee: Asahi Seimitsu KK; Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2000-11-09
Also published as: JP2001012967A; US6622391B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schritt-Drehcodierer (51) mit einem drehbaren Teil (53) und einem ersten und einem zweiten Sensor (54, 55), die bezüglich der Drehachse (23) des drehbaren Teils (53) einander gegenüberstehen. Der zweite Sensor (55) ist gegenüber dem ersten Sensor (54) so versetzt angeordnet, daß die Phasenlage seiner Ausgangsspannung der Phasenlage der Ausgangsspannung des ersten Sensors (54) und pi/X vor- oder nacheilt, wobei X eine reelle Zahl mit dem Wert 1 oder größer ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schritt-Drehcodierer für ein Vermessungsinstrument wie z. B. eine Gesamtstation, einen Theodoliten o. ä. Die Erfindung betrifft ferner ein Vermessungsinstrument, in das ein solcher Drehcodierer eingebaut ist.

Einige bekannte Vermessungsinstrumente wie Gesamtstationen, Theodoliten o. ä. enthalten zur Winkelmessung einen schrittweise arbeitenden Drehcodierer. Ein optischer Drehcodierer dient zum Messen horizontaler oder vertikaler Winkel. Fig. 10 zeigt einen bekannten optischen Schritt-Drehcodierer. Dieser hat eine Haupt skala 101, eine Hilfsskala 103, eine Leuchtdiode 105 als Lichtquelle, eine Sam mellinse 107 und einen Fotosensor 109 als Detektor. Die Hauptskala 101 und die Hilfsskala 103 sind zwischen der Sammellinse 107 und dem Fotosensor 109 an geordnet. Bei diesem Drehcodierer besteht jede Skala 101 und 103 aus Glas, wodurch der Drehcodierer schwer ist. Ferner ist der Raumbedarf für den Drehco dierer in dessen axialer Richtung groß, da die Hauptskala 101 und die Hilfsskala 103 in axialer Richtung voneinander getrennt sind (in Fig. 10 vertikale Richtung), während die Lichtquelle 105 und die Sammellinse 107 sowie der Detektor 109 beiderseits der Hauptskala und der Hilfsskala 101 und 103 positioniert sein müs sen.

Ferner ist zur Winkelmessung auch ein magnetischer Schritt-Drehcodierer be kannt. Dieser hat im allgemeinen an dem Außenumfang seiner Magnettrommel (Teilungsscheibe) eine vielpolig magnetisierte Schicht mit einer Vielzahl magne tisierter Abschnitte, die gleichmäßig in N Abschnitte unterteilt sind, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Der magnetische Schritt-Drehcodierer hat ferner einen der magnetisierten Schicht gegenüberstehenden Magnetsensor. Dieser hat z. B. vier magnetische Widerstandselemente, die in gleichmäßigen Abständen, die kleiner als diejenigen der magnetisierten Abschnitte sind, angeordnet sind, um die Ände rung der Widerstandswerte der vier magnetischen Widerstandselemente zu er fassen, die sich mit der Drehung der Magnettrommel ändern, und dadurch den Drehwinkel der Magnettrommel mit hoher Genauigkeit entsprechend der Unter teilung der magnetisierten Abschnitte zu erfassen. Der Teilungswinkel ergibt sich in einer Interpolationsrechnung.

Der Fehler des Vermessungsinstruments durch Exzentrizität der Teilungsscheibe (Protraktorscheibe) ist durch Industrienormen begrenzt. Deshalb muß ein Ver messungsinstrument hoher Genauigkeit zwei Magnetsensoren haben, die um 180° gegeneinander versetzt an der Teilungsscheibe angeordnet sind, um durch Exzentrizität der Teilungsscheibe verursachte Fehler zu kompensieren, indem ihre Ausgangsspannungen erfaßt werden.

Vermessungsinstrumente müssen allgemein mit hoher Genauigkeit arbeiten. Bei einem magnetischen Drehcodierer kann aber die Zahl der magnetisierten Ab schnitte (Anzahl N der Teilungen) der magnetisierten Schicht nicht so hoch sein, wie bei einem optischen Drehcodierer. Deshalb ist der Einfluß harmonischer Ver zerrungen innerhalb einer Teilung der magnetisierten Abschnitte groß infolge des Abmessungsfehlers und/oder der Abweichung der magnetischen Widerstands kurve von dem Idealwert. Ferner muß der magnetische Schritt-Drehcodierer mit extremer Genauigkeit gefertigt werden, wozu eine große Anzahl Magnetsensoren oder magnetischer Widerstandselemente zum Kompensieren harmonischer Ver zerrungen erforderlich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schritt-Drehcodierer anzugeben, bei dem Fehler durch Exzentrizität der Teilungsscheibe und harmonische Verzerrungen beliebiger Ordnung gleichzeitig kompensiert werden können. Ein solcher Drehco dierer soll sich besonders für Vermessungsinstrumente eignen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 11. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Da bei einem Codierer nach der Erfindung die beiden Sensoren gegeneinander so versetzt sind, daß die Phase der Ausgangsspannung des einen Sensors der Phase der Ausgangsspannung des anderen Sensors um π/X (X ≧ 1) voreilt oder nacheilt und da die Ausgangssignale der beiden Sensoren einer Mittelwertbildung unterzogen werden, können mit einer kleinen Anzahl Sensoren der Fehler durch Exzentrizität der Teilungsscheibe und auch harmonische Verzerrungen n-ter Ord nung gleichzeitig kompensiert werden. Da die harmonischen Verzerrungen kom pensiert werden, ergibt sich eine hohe Genauigkeit der Interpolationsrechnung. Der magnetische Codierer, bei dem ein Erhöhen der Anzahl magnetisierter Berei che der magnetisierten Schicht schwierig ist, erhält dadurch eine hohe Genauig keit. Da die Anzahl der Sensoren nicht erhöht werden muß, ist der Einfluß des Fehlers infolge Abweichens der magnetischen Widerstandskurve von dem idea len Verlauf und/oder der Krümmung der Umfangsfläche der Magnettrommel klein, wenn die Erfindung auf einen magnetischen Schritt-Drehcodierer angewendet wird. Bei den noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen kann der Phasen unterschied der Sensorsignale eingestellt werden, so daß auch bei Auftreten einer beim Entwurf des Codierers noch nicht vorhergesehenen harmonischen Verzerrung eine Kompensation möglich ist. Werden mehrere Sensorpaare vorge sehen, so können auch viele harmonische Verzerrungen leicht kompensiert wer den.

Ferner ist ein magnetischer Schritt-Drehcodierer nach der Erfindung, verglichen mit einem optischen Schritt-Drehcodierer, leicht und hat einen geringeren Raum bedarf in axialer Richtung, so daß ein Vermessungsinstrument mit einem solchen Codierer kleiner und kompakter aufgebaut sein kann und leichter tragbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Rückansicht einer Gesamtstation mit magnetischen Schritt- Drehcodierern nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Gesamtstation nach Fig. 1,

Fig. 3 die Draufsicht eines in Fig. 1 und 2 gezeigten magnetischen Schritt- Drehcodierers,

Fig. 4 den Querschnitt eines magnetischen Schritt-Drehcodierers und sei ner Umfangskomponenten,

Fig. 5 eine erläuternde Darstellung eines Teils des in Fig. 3 gezeigten Drehcodierers,

Fig. 6 die Beschaltung einer elektronischen Schaltung mit Magnetwider standselementen,

Fig. 7 die Seitenansicht eines Teils der in Fig. 2 gezeigten Gesamtstation mit zwei Magnetsensoren zur Kompensation eines Exzentrizitäts fehlers und harmonischer Verzerrungen n-ter Ordnung,

Fig. 8 die Seitenansicht eines Teils einer Gesamtstation als weiteres Aus führungsbeispiel mit gleichzeitiger Kompensation von Exzentrizi tätsfehlern, harmonischer Verzerrungen n-ter Ordnung und harmoni scher Verzerrungen m-ter Ordnung,

Fig. 9 die Draufsicht eines Teils der Magnettrommel einer Gesamtstation mit zwei magnetischen Schritt-Drehcodierern, und

Fig. 10 eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils eines vorbekannten optischen Schritt-Drehcodierers.

In Fig. 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gesamtstation (ein schließlich eines optischen Instruments) mit zwei magnetischen Schritt-Drehco dierern dargestellt.

Die Gesamtstation 11 hat eine Grundplatte 13, eine Nivellierplattform 17, eine Säule 21 (Gehäuse/stationärer Teil) und ein Teleskop 25. Die Grundplatte 13 ist mit einem nicht dargestellten Dreibein verbunden, wenn die Gesamtstation 11 darauf montiert ist. Die Grundplatte 13 hat drei Nivellierschrauben 15, auf denen die Nivellierplattform 17 befestigt ist. Die Säule 21 ist auf der Nivellierplattform 17 mit einer vertikalen Achse 19 so befestigt, daß sie um diese drehbar ist. Die Säule 21 hat einen allgemein U-förmigen Querschnitt und zwei Träger 21a auf der lin ken und der rechten Seite (Fig. 1). Das Teleskop 25 wird mit den beiden Trägern 21a gehalten und ist um zwei koaxiale horizontale Achsen 23 drehbar, die auf der linken und der rechten Seite des Teleskops 25 befestigt sind. Die beiden Achsen 23 sind an den Trägern 21a drehbar. In Fig. 1 ist nur eine horizontale Achse 23 (die linke Achse 23) im Querschnitt dargestellt.

Die vertikale Achse 19 ist in einem vertikalen Lager 27 angeordnet, das an der Nivellierplattform 17 befestigt ist. Die Basis der Säule 21 verbindet die beiden Träger 21a und ist an dem oberen Ende der vertikalen Achse 19 befestigt. Jede horizontale Achse 23 ist in einem horizontalen Lager 29 drehbar gelagert, das an dem entsprechenden Träger 21a befestigt ist. Das Teleskop 25 ist an der Säule 21 also mit den beiden horizontalen Achsen 23 und den beiden horizontalen La gern 29 um die vertikale Achse 19 und die horizontale Achse 23 drehbar gelagert, die zueinander senkrecht verlaufen.

Die Gesamtstation 11 ist auf der vertikalen Achse 19 mit einem ersten magneti schen Schritt-Drehcodierer 41 versehen, der den Drehwinkel (Horizontalwinkel) der vertikalen Achse 19 (der Säule 21 und des Teleskops 25) gegenüber der Ni vellierplattform 17 mißt. Die Gesamtstation 11 ist ferner an der horizontalen Achse 23 mit einem zweiten magnetischen Schritt-Drehcodierer 51 versehen, der den Drehwinkel (Vertikalwinkel) der horizontalen Achse 23 (des Teleskops 25) gegenüber der Säule 21 mißt. Der erste Drehcodierer 41 hat eine Magnettrommel 43, die an der vertikalen Achse 19 befestigt ist. Sie hat an ihrem Außenumfang eine vielpolig magnetisierte Schicht (nicht dargestellt). Der erste Drehcodierer 41 hat ferner zwei Magnetsensoren 44 und 45, die der magnetisierten Schicht unter geringem Abstand beiderseits der Magnettrommel 43 bezüglich der vertikalen Achse 19 gegenüberstehen. Die beiden Magnetsensoren 44 und 45 sind gegen einander um etwa 180° versetzt. Ähnlich hat der zweite Drehcodierer 51 eine Ma gnettrommel (Teilungsscheibe) 53, die an der horizontalen Achse 23 befestigt ist. Die Magnettrommel 53 hat an ihrem Außenumfang eine vielpolig magnetisierte Schicht 53a (Fig. 3), die gleichartig wie die magnetisierte Schicht der Ma gnettrommel 43 ausgebildet ist. Der zweite Drehcodierer 51 hat zwei Magnetsen soren 54 und 55, die der magnetisierten Schicht 53a unter einem geringen Ab stand beiderseits der Magnettrommel 53 bezüglich der horizontalen Achse 23 ge genüberstehen. Die beiden Magnetsensoren 54 und 55 sind gegeneinander um etwa 180° versetzt angeordnet.

Obwohl die Einzelheiten in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, hat die Ge samtstation 11 in der Basis der Säule 21 eine elektronische Schaltung 61 (Fig. 6), die einen Abschnitt zum Bestimmen des Drehwinkels eines jeden Drehcodierers 41 und 51 durch Erfassen der Ausgangsspannung der Magnetsensoren 44, 45, 54, 55 enthält. Die Gesamtstation 11 ist auf der Vorder- und der Rückseite der Säule 21 mit Bedienungsfeldern 31 und 32 versehen (Fig. 2). Jedes Bedie nungsfeld 31 und 32 hat einen Tastschalter, der von dem Benutzer manuell betä tigt wird, um die Gesamtstation 11 in Betrieb zu setzen, und eine Anzeige (z. B. LCD-Feld) für mit der Tastatur eingegebene Daten, der gemessenen Winkel usw.

Wie Fig. 1 und 2 zeigen, hat die Gesamtstation 11 ferner einen Handgriff 33, der zum Tragen dient, und eine Schutzhaube 34, die die Säule 21 einschließt und den ersten Drehcodierer 41 sowie dessen Batterie (nicht dargestellt) vor Staub schützt. Das Teleskop 25 hat ein Objektiv 36 (Fig. 2) und ein Okular 35 (Fig. 1).

Im folgenden wird der Aufbau des ersten und des zweiten Drehcodierers 41 und 51 im einzelnen an Hand der Fig. 3, 4 und 5 beschrieben. Der grundsätzliche Aufbau des ersten Codierers 41 ist gleichartig wie derjenige des zweiten Codie rers 51, so daß nur dieser im folgenden beschrieben wird. Fig. 3 zeigt eine ver größerte Draufsicht des zweiten Drehcodierers 51, der auch in Fig. 1 und 2 dar gestellt ist. Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Querschnitt des zweiten Drehcodierers und seiner Umfangskomponenten. Fig. 5 zeigt eine beispielsweise Ansicht des Magnetsensors 54 und dessen Umfangskomponenten aus Fig. 3, wobei der Zu sammenhang zwischen der vielpolig magnetisierten Schicht 53a und dem Ma gnetsensor 54 erkennbar wird. Der erste Magnetsensor 54 ist an der Säule 51 mit einem Winkel 56, der zweite Magnetsensor 55 an der Grundplatte 58 mit einem Winkel 57 befestigt.

Der zweite Drehcodierer 51 hat am Außenumfang der Magnettrommel 53 die viel polig magnetisierte Schicht 53a mit einer Vielzahl magnetisierter Abschnitte, die mit der Teilung N (N = positive ganze Zahl) gleichmäßig verteilt sind. Die Teilung der magnetisierten Abschnitte, d. h. der Winkelabstand zweier benachbarter Ma gnetpole der vielpolig magnetisierten Schicht 53a sei λ. Der erste Magnetsensor 54 steht der magnetisierten Schicht 53a mit einem geringen Abstand gegenüber. Er hat eine ebene Platte 54a und acht magnetische Widerstandselemente 4a₁, 4a₂, 4a₃, 4a₄, 4b₁, 4b₂, 4b₃ und 4b₄. Diese acht Elemente sind in Intervallen von λ/4 an der Oberfläche der ebenen Platte 54a angeordnet, die der vielpolig ma gnetisierten Schicht 53a gegenübersteht, so daß eine gerade Linie, die senkrecht durch die Mitte eines jeden magnetischen Widerstandselementes läuft, die Dreh achse der Magnettrommel 53 schneidet.

Dreht sich die Magnettrommel 53, so erfaßt der zweite Drehcodierer 51 die Ände rung des Widerstandswertes der acht magnetischen Widerstandselemente 4a₁ bis 4b₄, der sich abhängig von der Änderung des Magnetfeldes 3 der vielpolig ma gnetisierten Schicht 53a ändert, wodurch der Drehwinkel der Magnettrommel 53 mit einer Teilung von λ/4 bestimmt werden kann. Ein gegenüber λ/4 kleinerer Drehwinkel wird durch Interpolationsrechnung bestimmt.

Die Teilung λ bezeichnet in der vorliegenden Beschreibung den Teilungswinkel.

Die acht magnetischen Widerstandselemente 4a₁ bis 4b₄ können in zwei Gruppen unterteilt werden, entsprechend einer A-Phase und einer B-Phase mit einer Pha sendifferenz von λ/4 oder 3 λ/4. Die vier magnetischen Widerstandselemente 4a₁ bis 4a₄ und die A-Phase sowie die vier magnetischen Widerstandselemente 4b₁ bis 4b₄ und die B-Phase sind abwechselnd angeordnet. Die vier magnetischen Widerstandselemente 4a₁ bis 4a₄ der A-Phase sind mit Intervallen von λ/2 ange ordnet, gleiches gilt für die vier magnetischen Widerstandselemente 4b₁ bis 4b₄ der B-Phase.

Wie Fig. 6 zeigt, sind die vier magnetischen Widerstandselemente 4a1 bis 4a4 der A-Phase in Form einer Brückenschaltung verbunden, während die vier magneti schen Widerstandselemente 4b₁ bis 4b₄ der B-Phase gleichfalls als Brücken schaltung geschaltet sind.

Die elektrische Schaltung 61 liefert eine Konstantspannung V an die Anschlüsse einer jeden Brückenschaltung. Sie erfaßt eine Änderung eines Magnetfeldes, d. h. eine Änderung des Drehwinkels der Magnettrommel 53 abhängig von der Spannung an den Anschlüssen e₀ und e₁ der A-Phase und der Spannung an den Anschlüssen e₀' und e₁' der B-Phase.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Widerstandswerte a₁, a₂, a₃ und a₄ der vier magnetischen Widerstandselemente 4a₁, 4a₂, 4a₃ und 4a₄ der A-Phase ab hängig von der Änderung des Magnetfeldes 3 veränderlich, das durch Drehung der Magnettrommel 53 entsprechend den folgenden Gleichungen erzeugt wird:

a₁ = R₀ + Rsin(Nω)

a₂ = R₀ + Rsin(Nω + π) = R₀ - Rsin(Nω)

a₃ = R₀ + Rsin(Nω + 2π) = R₀ + Rsin(Nω)

a₄ = R₀ + Rsin(Nω + 3π) = R₀ - Rsin(Nω)

darin ist ω der Drehwinkel der Magnettrommel 53, R₀ der Widerstandswert im Falle des fehlenden Magnetfeldes, R das Widerstandsverhältnis (Koeffizient) und N die Anzahl magnetisierter Abschnitte der vielpolig magnetisierten Schicht 53a.

Wird die Differenz des Ausgangssignals der Anschlüsse e₀ und e₁ verstärkt, so kann das Ausgangssignal der A-Phase durch die folgende Gleichung angegeben werden:

A_out = α . 2 . R . V/R₀ . sin(Nω)

darin ist A_out das Ausgangssignal der A-Phase und α der Verstärkungsfaktor.

Die magnetischen Widerstandselemente 4b₁ bis 4b₄ der B-Phase sind jeweils ge genüber dem magnetischen Widerstandselementen 4a₁ bis 4a₄ der A-Phase um π/2 versetzt, so daß das Ausgangssignal der B-Phase durch die folgende Glei chung angegeben werden kann:

B_out = α . 2 . R . V/R₀ . cos(Nω)

darin ist B_out das Ausgangssignal der B-Phase.

Der Drehwinkel der Magnettrommel 53 kann mit einer Teilung von N/4 bestimmt werden durch Erfassen der Nulldurchgänge der Ausgangssignale der A-Phase und der B-Phase. Der Teilungswinkel ist also viermal kleiner als die Anzahl N der Teilungen, was eine hohe Auflösung ergibt. Bei Vermessungsinstrumenten ist manchmal eine Erfassungsteilung, die kleiner als ein Viertel der Anzahl N der Teilungen ist, erforderlich. Um dieser Forderung gerecht zu werden, ist die Anzahl der Teilungen (Teilungsabstand) bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel unter Verwendung des folgenden Ausdrucks für die A-Phase und die B-Phase er höht:

tan^-1(A_out/B_out)

Der Aufbau des zweiten Magnetsensors 55 ist gleichartig demjenigen des ersten Magnetsensors 54. Die beiden Magnetsensoren 54 und 55 haben jedoch den Unterschied, daß die Position des zweiten Magnetsensors 55 zum Einstellen des Phasenunterschiedes einstellbar ist. Dieser Einstellmechanismus wird im folgen den erläutert.

Die Grundplatte 58, an der der zweite Magnetsensor 55 befestigt ist, hat an ihrem in Fig. 3 oberen Ende eine kreisrunde Öffnung 58a und ist auf eines der beiden horizontalen Lager 29 (in Fig. 1 links) aufgeschoben und um die horizontale Achse 23 drehbar. Der Innenumfang der kreisrunden Öffnung 58a sitzt auf dem horizontalen Lager 29. Die Grundplatte 58 hat am anderen Ende zwei Einstell schlitze 58c und einen zwischen ihnen angeordneten Schlitz 58b. Die beiden Ein stellschlitze 58c liegen auf einem Kreis um die horizontale Achse 23. Ein exzentri scher Stift 59 ist an der Säule 21 befestigt und um seine Achse 59a drehbar. Er sitzt in dem Schlitz 58b der Grundplatte 58. Zwei Einstellschrauben 60 sind in die Säule 21 durch die Einstellschlitze 58c hindurch eingeschraubt. Werden sie ge lockert, so wird die Grundplatte 58 durch Drehen des exzentrischen Stiftes 59 um die horizontale Achse 23 gedreht, wodurch der zweite Magnetsensor 55 auf ei nem Kreis um die horizontale Achse 23 bewegt wird und der Abstand zwischen dem zweiten Magnetsensor 55 und der magnetisierten Schicht 53a konstant bleibt. Dies ermöglicht ein Einstellen der Phasenlage der Ausgangsspannung des zweiten Magnetsensors 55. Dabei wird er in eine Position gebracht, bei der die Ausgangsspannung eine gewünschte Phasenlage hat. Dann werden die beiden Einstellschrauben 60 festgezogen, um die Grundplatte 58 in dieser Position an der Säule 21 festzusetzen. Auf diese Weise kann die Phasenlage der Ausgangs spannung des zweiten Magnetsensors 55 durch Drehen des exzentrischen Stiftes 59 leicht eingestellt werden.

Fehler durch die Exzentrizität der Magnettrommel 53 und durch harmonische Ver zerrungen n-ter Ordnung werden gleichzeitig durch Verwenden der erfaßten Aus gangsspannungen des ersten und des zweiten Magnetsensors 54 und 55 ausge glichen, die um 180° um die horizontale Achse 23 gegeneinander versetzt sind. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung des ersten und des zweiten Magnetsensors 54 und 55 bei der ersten Ausführungsform der Gesamtstation zum gleichzeitigen Kompensieren der Fehler durch Exzentrizität der Magnettrommel 53 und durch harmonische Verzerrungen n-ter Ordnung.

Bei dieser Ausführungsform ist der zweite Magnetsensor 55 so angeordnet, daß er gegenüber der Anfangsposition, in der er gegenüber dem ersten Magnetsensor 54 um etwa 180° versetzt ist, so verstellt ist, daß die Phasenlage der Ausgangs spannung (Sinuskurve) des zweiten Magnetsensors 55 gegenüber der Phasen lage der Ausgangsspannung (Sinuskurve) des ersten Magnetsensors 54 um P₁λ + λ/2n (oder 2πP₁ + π/n) vor- oder nacheilt. Dabei ist P₁ eine ganze Zahl.

Die Fehlererfassungskomponente so des ersten Magnetsensors 54 kann durch die folgende Gleichung angegeben werden:

ε₀ = e . sin(ω) + δ₁ . sin(Nω) + δ₂ . sin(2Nω). . . + δ_n . sin(nNω) (1)

darin ist ω der Winkel der Teilungsscheibe (der Magnettrommel 53), e der Fehler durch Exzentrizität der Teilungsscheibe (der Magnettrommel 53), δ_n die harmoni sche Verzerrung n-ter Ordnung und N die Zahl magnetisierter Abschnitte der viel polig magnetisierten Schicht 53a der Magnettrommel 53 (die gleich der halben Anzahl der Magnetpole der magnetisierten Schicht 53a ist).

Im Falle großer harmonischer Verzerrungen n-ter Ordnung ist deren Kompensa tion erwünscht, und hierzu wird die Position des zweiten Magnetsensors 55 so eingestellt, daß die Phasenlage seiner Ausgangsspannung, die gegenüber derje nigen des ersten Magnetsensors 54 um etwa 180° um die horizontale Achse 23 versetzt ist, gegenüber der Phasenlage der Ausgangsspannung des ersten Ma gnetsensors um π/n vor- oder nacheilt. Die Erfassungfehlerkomponente ε₁₈₀ des zweiten Magnetsensors wird durch die folgende Gleichung angegeben:

ε₁₈₀ = e . sin(ω + 2πP/N + π) + δ₁ . sin[N(ω + 2πP/N + π + π/Nn)] + δ₂ . sin[2N(ω + 2πP/N + π + π/Nn)] +. . . + δ_n . sin[nN(ω + 2πP/N + π + π/Nn)] (2)

Darin ist P eine ganze Zahl (2πP gibt die geringfügige Versetzung gegenüber der Anfangsposition des zweiten Magnetsensors 55 an, die gegenüber der Position des ersten Magnetsensors 54 um etwa 180° versetzt ist).

Ist die Anzahl N der Teilungen eine gerade Zahl, da sie allgemein als Anzahl N der Teilungen verwendet wird, so kann die Fehlerkomponente ε₁₈₀ des zweiten Magnetsensors 55 durch die folgende Gleichung angegeben werden:

ε₁₈₀ = -e . sin(ω + 2πP/N) + δ₁ . sin(Nω + π/n) + δ₂ . sin(2Nω + 2π/n) . . . + δ_n . sin(nNω + nπ/n) (3)

Wird mit den Gleichungen (1) und (2) für den ersten und den zweiten Magnetsen sor 54 und 55 der Mittelwert von ε₀ und ε₁₈₀ unter der Voraussetzung 0 < 2πP/N << 2π gebildet, so ergibt sich folgende Gleichung:

Deshalb werden der Fehler e durch Exzentrizität der Magnettrommel 53 und der Fehler δ durch harmonische Verzerrungen n-ter Ordnung gleichzeitig kompen siert.

Dem Fachmann wäre eine Kompensation der harmonischen Verzerrungen durch Anwenden eines einzigen Magnetsensors mit einer erhöhten Zahl magnetischer Widerstandselemente geläufig. Da aber die Sensorfläche des Magnetsensors, auf dem sich die magnetischen Widerstandselemente befinden, eben ist, wird im Falle der Anordnung der magnetischen Widerstandselemente auf einem breiteren Magnetsensor das Magnetfeld der Magnettrommel nicht auf jedes magnetische Widerstandselement an der ebenen Sensorfläche in gleicher Stärke einwirken, da die Umfangsfläche der Magnettrommel, auf der sich die magnetisierte Schicht be findet, eine Krümmung hat und daher der Abstand zwischen dem mittleren ma gnetischen Widerstandselement und dem Trommelumfang und die Abstände zwi schen den letzten magnetischen Widerstandselementen und dem Trommelum fang ungleich sind. Dies führt zu einem Fehlerfaktor bei der Signalerfassung. Um dieses Problem zu vermeiden, werden bei der vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsform die harmonischen Verzerrungen besser kompensiert durch Verwenden des zweiten Magnetsensors 55, der gegenüber dem ersten Magnetsensor 54 um die horizontale Achse 23 um etwa 180° versetzt ist.

Außerdem kann die Meßgenauigkeit der Magnetsensoren nicht genau vorherge sagt werden, bevor der magnetische Schritt-Drehcodierer montiert ist. Ferner tre ten manchmal auch nicht vorhersehbare harmonische Verzerrungen auf.

Bei der ersten Ausführungsform können diese durch Einstellen der Position des zweiten Magnetsensors 55 kompensiert werden, so daß sich ein Bearbeiten des Magnetsensors oder dessen Auswechseln erübrigt.

Die zweite Ausführungsform der Gesamtstation, bei der die Erfindung eingesetzt werden kann, um harmonische Verzerrungen n-ter Ordnung und m-ter Ordnung zu kompensieren, wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben. Diese Ausführungsform stimmt weitgehend mit der ersten überein, hat aber den Unterschied, daß der zweite magnetische Schritt-Drehcodierer einen anderen Aufbau hat. Im übrigen sind für Elemente, die auch in der ersten Ausführungsform verwendet sind, hier dieselben Bezugszeichen verwendet.

Der zweite magnetische Schritt-Drehcodierer (im folgenden als zweiter Drehco dierer bezeichnet) 510 hat zwei Paare Magnetsensoren: ein erstes Paar Magnet sensoren 54 und 55 und ein zweites Paar Magnetsensoren 542 und 552. Der zweite Magnetsensor 55 ist gegenüber seiner Anfangsposition (in der er gegen über dem ersten Magnetsensor 54 um etwa 180° versetzt ist) so versetzt, daß die Phasenlage seiner Ausgangsspannung (Sinuskurve) der Phasenlage der Aus gangsspannung (Sinuskurve) des ersten Magnetsensors 54 um P₃λ + λ/2n (oder 2πP₃ + π/n) vor- oder nacheilt. In diesem Ausdruck ist P₃ eine ganze Zahl. Ande rerseits ist der dritte Magnetsensor 542 so positioniert, daß die Phasenlage seiner Ausgangsspannung (Sinuskurve) der Phasenlage der Ausgangsspannung (Si nuskurve) des ersten Magnetsensors um P₂λ + λ/2m vor- oder nacheilt, während der vierte Magnetsensor 552 so positioniert ist, daß die Phasentage seiner Aus gangsspannung (Sinuskurve) der Phasenlage der Ausgangsspannung (Si nuskurve) des zweiten Magnetsensors 55 um P₃λ + λ/2m vor- oder nacheilt. Da bei sind P₂ und P₃ ganze Zahlen.

Da die Phasenlage der Ausgangsspannung des zweiten Magnetsensors 55, der gegenüber dem ersten Magnetsensor 54 um etwa 180° um die horizontale Achse 23 versetzt ist, der Phasenlage der Ausgangsspannung des ersten Magnetsen sors 54 um π/n vor- oder nacheilt, werden der Fehler e durch Exzentrizität der Magnettrommel 53 und der Fehler δ durch harmonische Verzerrungen n-ter Ord nung gleichzeitig kompensiert durch Bilden des Mittelwertes der erfaßten Aus gangsspannungen des ersten und des zweiten Magnetsensors 54 und 55. Der Mittelwert ω₀ der erfaßten Ausgangsspannung des ersten und des zweiten Ma gnetsensors 54 und 55 wird folgendermaßen berechnet:

ω₀ = (ω₁ + ω₂)/2

darin ist ω₁, die Ausgangsspannung des ersten Magnetsensors 54, ω₂ die Aus gangsspannung des zweiten Magnetsensors 55.

Da die Phasenlage der Ausgangsspannung des dritten Magnetsensors 542 der Phasenlage der Ausgangsspannung des vierten Magnetsensors 552 um π/n vor- oder nacheilt, werden der Fehler e durch Exzentrizität der Magnettrommel 53 und der Fehler δ durch harmonische Verzerrungen n-ter Ordnung gleichzeitig durch Bilden des Mittelwertes ω₁₈₀ der erfaßten Ausgangsspannungen des dritten und des vierten Magnetsensors 542 und 552 kompensiert. Der Mittelwert ω₁₈₀ der er faßten Ausgangsspannungen des dritten und des vierten Magnetsensors 542 und 552 wird folgendermaßen berechnet:

ω₁₈₀ = (ω₃ + ω₄)/2

darin ist ω₃ die Ausgangsspannung des dritten Magnetsensors 542, ω₄ die Aus gangsspannung des vierten Magnetsensors 552.

Da die Phasenlage der Ausgangsspannung des ersten Magnetsensors 54 der Phasenlage der Ausgangsspannung des dritten Magnetsensors 542 um π/m vor- oder nacheilt, und da die Phasenlage der Ausgangsspannung des zweiten Ma gnetsensors 55 der Phasenlage der Ausgangsspannung des vierten Magnetsen sors 552 um π/m vor- oder nacheilt, können der Fehler e durch Exzentrizität der Magnettrommel 53 und der Fehler δ durch harmonische Verzerrungen m-ter Ord nung gleichzeitig durch Bilden des Mittelwertes der erfaßten Ausgangsspannun gen des ersten bis vierten Magnetsensors 54, 55, 542 und 552 kompensiert wer den. Der Mittelwert ω der erfaßten Ausgangsspannungen des ersten bis vierten Magnetsensors wird folgendermaßen berechnet:

ω = (ω₀ + ω₁₈₀)/2 = (ω₁ + ω₂ + ω₃ + ω₄)/4

Bei diesem Prozeß werden die Fehler durch Exzentrizität der Magnettrommel 53, durch harmonische Verzerrungen n-ter Ordnung und durch harmonische Verzer rungen m-ter Ordnung gemeinsam kompensiert. Soll die Zahl der zu kompensie renden harmonischen Verzerrungen erhöht sein, so muß nur die Zahl der Paare der Magnetsensoren entsprechend erhöht werden. Ist die Zahl der zu kompensie renden harmonischen Verzerrungen n, so sollte die Zahl der Paare Magnetsenso ren 2 ⁿ sein, wobei die Magnetsensoren an der Magnettrommel 53 so angeordnet sind, daß die Phasendifferenz gegeben ist, wonach dann der Mittelwert der er faßten Ausgangsspannungen der Magnetsensoren ähnlich wie bei den vier Ma gnetsensoren nach Fig. 8 berechnet wird.

Ein Beispiel der ersten Ausführungsform mit dem zweiten Drehcodierer 51, das sich für den Fall eignet, daß mehr als eine Art harmonischer Verzerrungen auftritt, wird im folgenden erläutert. Hier sei vorausgesetzt, daß harmonische Verzerrun gen zweiter Ordnung und dritter Ordnung gleich stark auftreten. Tabelle 1 zeigt den Wert des Phasenunterschieds des ersten und des zweiten Magnetsensors 54 und 55 (π/2, π/3 oder π/2,5), den Wert der verbleibenden harmonischen Verzer rung zweiter Ordnung, den Wert der verbleibenden harmonischen Verzerrung dritter Ordnung und den quadratischen Mittelwert der Summe dieser beiden har monischen Verzerrungen für den Fall, daß allein die harmonischen Verzerrungen zweiter Ordnung beseitigt werden, nur die harmonischen Verzerrungen dritter Ordnung beseitigt werden und eine harmonische Verzerrung zwischen denen der zweiten Ordnung und der dritten Ordnung (d. h. der harmonischen Verzerrungen mittlerer Ordnung) beseitigt wird. In Tabelle 1 hat jede verbleibende harmonische Verzerrung zweiter Ordnung und dritter Ordnung den Wert 1, wenn sie nicht kom pensiert werden.

Tabelle 1

Verbleibender Fehler nach Kompensation harmonischer Verzerrungen durch Phasendifferenz

Wie sich aus Tabelle 1 ergibt, ist der quadratische Mittelwert der Summe der Ver zerrungen zweiter und dritter Ordnung bei Beseitigen der harmonischen Verzer rungen mittlerer Ordnung kleiner als bei Beseitigen der harmonischen Verzerrun gen zweiter Ordnung oder dritter Ordnung.

Vorstehend wurde vorausgesetzt, daß die Verzerrungen zweiter Ordnung und dritter Ordnung in gleicher Stärke auftreten. Tatsächlich ändert sich aber das Auftreten harmonischer Verzerrungen. Daher benötigt man eine Einstelloperation, bei der der Drehwinkel der Magnettrommel 53 durch eine hochgenaue Winkeler fassung ermittelt wird. Bei dieser Einstelloperation wird der erfaßte Drehwinkel der Magnettrommel 53 mit dem bei Verwendung des ersten und des zweiten Ma gnetsensors 54 und 55 erfaßten verglichen, um die Phasenlage der Ausgangs spannung des zweiten Magnetsensors 55 im Sinne minimaler harmonischer Ver zerrungen einzustellen. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt eine solche Einstellung durch Drehen des exzentrischen Stiftes 59, womit die Phasenlage der Ausgangsspannung des zweiten Magnetsensors 55 verändert wird.

Bei dem magnetischen Schritt-Drehcodierer der ersten Ausführungsform können die harmonischen Verzerrungen während und auch nach der Montage des Codie rers kompensiert werden, auch wenn bei der Montage eine nicht vorhergesehene harmonische Verzerrung auftritt.

Tabelle 2 zeigt ein Beispiel der Anzahl N der Teilungen eines magnetischen Schritt-Drehcodierers, die der Anzahl magnetischer Teilungen der vielpolig ma gnetisierten Schicht 53a der Magnettrommel 53 entspricht. Fig. 9 zeigt eine Tei lung L der magnetischen Abschnitte der vielpolig magnetisierten Schicht 53a der Magnettrommel 53.

Tabelle 2

Um die Streuung der Abstände zwischen dem Außenumfang der Magnettrommel 53 und den magnetischen Widerstandselementen an jedem Magnetsensor zu re duzieren, die sich durch die ebene Sensorfläche und die gekrümmte Umfangsflä che der Magnettrommel 53 ergibt, soll der Außendurchmesser der Magnettrommel 53 möglichst groß sein in dem begrenzten Raum der Gesamtstation, in dem der magnetische Codierer untergebracht ist, und gleichzeitig soll die Teilung der ma gnetisierten Abschnitte der vielpolig magnetisierten Schicht 53a möglichst klein sein. Hierzu wird bei Einbau des magnetischen Schritt-Drehcodierers in ein Stan dard Vermessungsinstrument wie die in Fig. 1 und 2 gezeigte Gesamtstation vor zugsweise die folgende Bedingung erfüllt:

60 < L < 250 (µm)

darin ist L die Teilung der magnetisierten Abschnitte der magnetisierten Schicht der Magnettrommel.

Ist die Teilung L kleiner als 60 µm, so müssen die Positionen der Magnetsensoren relativ zur Magnettrommel extrem genau eingestellt werden, und gleichzeitig müs sen die magnetischen Widerstandselemente an jedem Magnetsensor extrem ge nau positioniert sein, so daß die Herstellung des Schritt-Drehcodierers schwierig ist. Wird die Teilung L andererseits größer als 250 µm, so ergibt sich beim Ein stellen der Ausgangsspannungen der Magnetsensoren mit einem Oszilloskop durch Erfassen der Lissajous-Figuren (oder Bowditch-Kurven) bei einer leichten Änderung dieser Figuren eine große Änderung der Fehler, so daß die Unter schiede (Phasendifferenz) der Lissajous-Figuren nicht visuell bestimmt werden können. Dies erschwert eine hochgenaue Einstelloperation. In diesem Fall muß der Durchmesser der Magnettrommel erhöht werden, um die Einstellgenauigkeit zu erhöhen, was zu einer Vergrößerung der Gesamtstation führt.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen treten solche Probleme nicht auf, da die Teilung L in dem durch die genannte Bedingung 60 µm < L < 250 µm definier ten Bereich liegt.

Claims

1. Schritt-Drehcodierer mit einem drehbaren Teil, einem ersten und einem ge genüber diesem bezüglich der Drehachse des drehbaren Teils versetzten zweiten Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor gegen über dem ersten Sensor so versetzt ist, daß die Phasenlage der Ausgangs spannung des zweiten Sensors der Phasenlage der Ausgangsspannung des ersten Sensors um π/X vor- oder nacheilt, wobei X eine reelle Zahl mit dem Wert 1 oder größer als 1 ist.

2. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor gegenüber dem ersten Sensor so versetzt ist, daß die Pha senlage seiner Ausgangsspannung derjenigen der Ausgangsspannung des ersten Sensors um λ/2n vor- oder nacheilt,, wenn eine harmonische Verzer rung n-ter Ordnung kompensiert wird, wobei die Wellenlänge der harmoni schen Verzerrung λ/n ist.

3. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen dritten und einen vierten Sensor unabhängig von dem ersten und dem zweiten Sensor, die bezüglich der Drehachse des drehbaren Teils einander gegen überliegen, wobei der vierte Sensor gegenüber dem dritten Sensor so ver setzt ist, daß die Phasenlage seiner Ausgangsspannung der Phasenlage der Ausgangsspannung des dritten Sensors um λ/2m vor- oder nacheilt, wenn eine harmonische Verzerrung m-ter Ordnung kompensiert wird, wobei die Wellenlänge der harmonischen Verzerrung λ/m ist.

4. Schritt-Drehcodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor so angeordnet ist, daß der Unter schied der Phasenlage gegenüber derjenigen des ersten Sensors einstellbar ist.

5. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der drehbare Teil eine Magnettrommel ist, die an einem stationären Teil eines Instruments drehbar gelagert ist, das den Schritt-Drehcodierer enthält,
und daß der Außenumfang der Magnettrommel mit einer vielpolig magneti sierten Schicht versehen ist, in der magnetisierte Abschnitte regelmäßig verteilt sind,
daß der erste und der zweite Sensor jeweils ein Magnetsensor ist, der an dem stationären Teil befestigt ist und der magnetisierten Schicht gegen übersteht,
daß der erste und der zweite Sensor jeweils mehrere magnetische Wider standselemente in gegenseitigen Abständen von λ/4 trägt, wobei λ die Tei lung der magnetisierten Abschnitte ist, und
daß der Fehler durch Exzentrizität der Magnettrommel und der Fehler durch harmonische Verzerrungen n-ter Ordnung gleichzeitig durch Mittelwertbil dung der erfaßten Ausgangssignale der Magnetsensoren kompensiert wer den.

6. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der drehbare Teil eine an einem stationären Teil eines optischen In struments drehbar gelagerte Magnettrommel ist, an deren Außenumfang eine vielpolig magnetisierte Schicht mit einer Vielzahl magnetisierter, regel mäßig verteilter Abschnitte vorgesehen ist,
daß der erste, der zweite, der dritte und der vierte Sensor jeweils ein Ma gnetsensor ist, der an dem stationären Teil befestigt ist und der magneti sierten Schicht gegenübersteht,
daß der erste, der zweite, der dritte und der vierte Sensor jeweils mehrere magnetische Widerstandselemente in gegenseitigen Abständen von λ/4 oder λ(3/4) trägt, wobei λ die Teilung der magnetisierten Abschnitte ist,
daß ein Fehler durch Exzentrizität der Magnettrommel und ein Fehler durch harmonische Verzerrung n-ter Ordnung gleichzeitig durch Mittelwertbildung der erfaßten Ausgangssignale des ersten und des zweiten Magnetsensors kompensiert werden,
daß ein Fehler durch Exzentrizität der Magnettrommel und ein Fehler durch harmonische Verzerrung m-ter Ordnung gleichzeitig durch Mittelwertbildung der erfaßten Ausgangssignale des dritten und des vierten Magnetsensors kompensiert werden, und daß der Fehler durch Exzentrizität der Ma gnettrommel und die Fehler durch harmonische Verzerrungen n-ter Ordnung und m-ter Ordnung gleichzeitig durch Mittelwertbildung der erfaßten Aus gangssignale des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Magnet sensors kompensiert werden.

7. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Magnetsensor in dem Drehcodierer so angeordnet ist, daß der Pha senunterschied des Ausgangssignals des zweiten Magnetsensors gegen über dem Ausgangssignal des ersten Magnetsensors einstellbar ist.

8. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Ein stellmechanismus zum Verstellen des zweiten Magnetsensors auf einem Kreis um die Achse der Magnettrommel längs der vielpolig magnetisierten Schicht zum Einstellen des Phasenunterschieds der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Magnetsensors.

9. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenunterschied so eingestellt wird, daß die Summe mehrerer harmoni scher Verzerrungen zu deren Kompensation minimal wird.

10. Schritt-Drehcodierer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der magnetisierten Abschnitte
60 < L < 250 (µm)
ist, wobei L die Teilung der magnetisierten Abschnitte ist.

11. Vermessungsinstrument mit einer Nivellierplatte, einer an der Nivellierplatte um eine zu dieser vertikale Achse drehbar befestigten Säule,
einem an der Säule um eine horizontale Achse drehbar befestigten Tele skop,
einer Horizontalwinkel-Meßvorrichtung zum Messen des Drehwinkels der Säule relativ zu der Nivellierplatte,
einer Vertikalwinkel-Meßvorrichtung zum Messen des Drehwinkels des Te leskops an der Säule,
und einem Schritt-Drehcodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche in mindestens einer der beiden Winkel-Meßvorrichtungen.

12. Vermessungsinstrument nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnettrommel um die vertikale oder die horizontale Achse drehbar ist, und daß jeder Magnetsensor an der Nivellierplatte oder der Säule der viel polig magnetisierten Schicht gegenüberstehend befestigt ist.

13. Vermessungsinstrument nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine an der Nivellierplatte befestigte vertikale Achse,
mindestens einen Träger an der Säule, und
eine durch den mindestens einen Träger gehaltene horizontale Achse, wo bei die Säule um die vertikale Achse drehbar gelagert ist,
die Magnettrommel gemeinsam mit dem mindestens einen Träger drehbar ist, und
das Teleskop an dem mindestens einen Träger über die horizontale Achse gelagert ist.

14. Vermessungsinstrument nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch
mindestens einen an der Säule ausgebildeten Träger und eine an dem Träger befestigte horizontale Achse,
wobei die Magnettrommel an der horizontalen Achse um diese drehbar ge lagert ist,
das Teleskop um die horizontale Achse drehbar gelagert ist,
die Magnettrommel gemeinsam mit dem Teleskop drehbar ist, und
jeder Magnetsensor an dem mindestens einen Träger der vielpolig magneti sierten Schicht gegenüberstehend befestigt ist.