DE10024850A1 - Messanordnung, Messkopf und Verfahren zur Herstellung eines Messkopfes - Google Patents
Messanordnung, Messkopf und Verfahren zur Herstellung eines MesskopfesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung einer Relativbewegung zwischen mindestens einem Messkopf (62, 66) und einer insbesondere periodischen Struktur (70) mit einer Periodenlänge 1. Der mindestens eine Messkopf (62, 66) weist zwei magnetoresistive Elemente (74, 76, 78, 80) auf, wobei jedem magnetoresistiven Element (74, 76, 78, 80) jeweils ein Flussleitelement (82, 84, 86, 88) zugeordnet ist. Der mindestens eine Messkopf (62, 66) der Messanordnung ist über einen magnetischen Rückschluss (72) mit der zu erfassenden Struktur verbunden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung mit mindestens einem
Messkopf zur Erfassung einer Relativbewegung zwischen dem
Messkopf und einer insbesondere periodischen Struktur, wobei
jeder Messkopf zwei magnetoresistive Elemente besitzt. Die
Erfindung betrifft darüber hinaus einen Messkopf für eine
derartige Messanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines Messkopfes.
Zur Messung von z. B. Geschwindigkeiten oder geometrischen
Grössen wie Längen oder Drehwinkeln werden häufig Messanordnungen
verwendet, welche eine inkrementelle Positionsmessung unter
Zuhilfenahme eines Messkopfes und einer periodischen Struktur
gestatten. Als periodische Strukturen kommen dabei vor allem
Zahnräder und Spindeln zum Einsatz. Bei einer Relativbewegung
zwischen dem Messkopf und der periodischen Struktur generiert
der Messkopf jeweils ein Signal für jeden sich am Messkopf
vorbeibewegenden Zahn eines Zahnrades bzw. Gewindekamm einer
Spindel. Die Anzahl der gemessenen Signale gestattet folglich
einen Rückschluss auf eine Relativbewegung des Zahnrades bzw.
der Spindel. Zur absoluten Bestimmung der Länge bzw. des Dreh
winkels werden derartige inkrementelle Messanordnungen in der
Regel zusätzlich mit einem groben Absolut-Mess-System ausge
stattet.
Eine bekannte inkrementelle Messanordnung verwendet einen
Messkopf, welcher ein einziges magnetoresistives Element auf
weist. Derartige magnetoresistive Elemente besitzen einen
magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand. Wird die Messan
ordnung durch das Feld eines als Erregermagnet fungierenden
Permanentmagneten erregt, so bewirkt eine an dem Messkopf
vorbeibewegte magnetisch leitende Struktur mit einer periodi
schen geometrischen Kontur eine periodische Modulation des
magnetischen Widerstandes und damit auch eine periodische
Änderung des elektrischen Widerstandes des magnetoresistiven
Elementes. Zur Messung einer Relativbewegung zwischen dem
Messkopf und der periodischen Struktur wird die Anzahl der
periodischen Änderungen des elektrischen Widerstandes erfasst.
Der Erregermagnet kann beispielsweise im Messkopf integriert
sein.
Abgesehen von der periodischen Struktur ist die Messanordnung
in der Regel eisenfrei, um die Modifikation der Feldsymmetrie
durch die Relativbewegung der periodischen Struktur, die maß
geblich für das Mess-Signal ist, nicht zu beeinträchtigen. Es
sind jedoch auch Messanordnungen bekannt, bei denen die peri
odische Struktur selbst Magnete enthält, so dass kein magne
tisch leitfähiges Material im Bereich der Messanordnung
vorhanden ist. In diesem Fall wird anstatt durch Variation
eines magnetischen Widerstandes nunmehr durch die Relativbewe
gung der Feldquellen gegenüber dem Messkopf in diesem ein
veränderliches Feld und damit ein veränderliches Signal er
zeugt.
Zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messergebnisse
werden häufig Differenz-Messanordnungen eingesetzt. Herkömm
liche Differenz-Messanordnungen weisen einen Messkopf mit zwei
räumlich nahe beieinander angeordneten magnetoresistiven Ele
menten auf. Der Abstand zwischen den beiden magnetoresistiven
Elementen ist dabei in Abhängigkeit von der Periodenlänge der
periodischen Struktur derart gewählt, dass sich das erste
magnetoresistive Element gerade dann über z. B. einem Gewinde
kamm befindet, wenn das zweite magnetoresistive Element über
einem Gewindetal angeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung
der beiden magnetoresistiven Elemente wird der Unterschied
zwischen den elektrischen Widerständen beider magnetoresistiver
Elemente maximiert. Durch eine Differenzbildung der über den
beiden magnetoresistiven Widerständen abfallenden Spannungen in
einer Widerstands-Brückenanordnung kann ein Messwert gewonnen
werden, der weitgehend unabhängig von thermischen Einflüssen
ist.
Die erzielbare Messauflösung der vorstehend beschriebenen
Messanordnungen ist durch die geometrischen Abmessungen der
magnetoresistiven Elemente begrenzt. Dies hängt damit zusammen,
dass die Periodenlänge der periodischen Struktur nicht kleiner
als die geometrischen Abmessungen der magnetoresistiven Elemente
gewählt werden kann.
Ferner hat sich herausgestellt, dass die bekannten Messanord
nungen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Fremdfeldern aufwei
sen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, aufwendige Maßnahmen
zur Abschirmung der magnetoresistiven Elemente beispielsweise
gegenüber dem magnetischen Fremdfeld eines zur Bewegung der
periodischen Struktur eingesetzten Elektromotors vorzusehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung
und einen Messkopf für die Messanordnung zu schaffen, welche
weniger empfindlich gegenüber magnetischen Fremdfeldern sind
und darüberhinaus eine verbesserte Messauflösung besitzen. Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes
Herstellungsverfahren für einen Messkopf anzugeben.
Diese Aufgabe ist ausgehend von dem eingangs genannten Stand
der Technik erfindungsgemäß gelöst durch eine Messanordnung
gemäß Anspruch 1, einen Messkopf gemäß Anspruch 22 sowie ein
Verfahren zur Herstellung eines Messkopfes gemäß Anspruch 25.
Erfindungsgemäß ist jedem magnetoresistiven Element eines
Messkopfes ein vorzugsweise plattenförmiges Leitelement für den
magnetischen Fluss zugeordnet. Die Flussleitelemente, die in
geringem Abstand von der periodischen Struktur angeordnet sind,
wirken als Sammelelemente für die magnetischen Flüsse in einem
Luftspalt zwischen einer das Mess-Signal erzeugenden Struktur
und dem jeweiligen Flussleitelement.
Die Differenz-Messanordnung umfaßt einen bevorzugt in Eisen
geführten magnetischen Rückschluss zwischen dem Messkopf und
der vom Messkopf zu erfassenden Struktur, durch welchen die
Wirkung von Streuflüssen weitgehend ausschaltet wird. Durch den
magnetischen Rückschluss zwischen dem Messkopf und der zu
erfassenden Struktur entsteht am Messort eine Art von magneti
scher Brückenschaltung.
Jedes magnetoresistive Element mit zugeordnetem Flussleitele
ment definiert jeweils einen Brückenzweig dieser Brückenschal
tung. An einem unteren Speisepunkt der magnetischen Brücken
schaltung befindet sich jeweils ein erster magnetischer Wider
stand, der sich mit der Bewegung der periodischen Struktur
verändert, wobei die Veränderung in benachbarten Brückenzweigen
jeweils gegenphasig stattfindet. An einem oberen Speisepunkt
befindet sich pro Brückenzweig jeweils ein zweiter magnetischer
Widerstand, welcher durch den Abstand zwischen dem Flussleite
lement und einem vorzugsweise vorhandenem Erregermagneten
bestimmt wird.
Die beschriebene gegenphasige Modulation der Teilflüsse, welche
gemäß diesem Ersatzmodell an den Brückenzweigen das Mess-Signal
erzeugt, ist besonders ausgeprägt, wenn beide Flussleitelemente
in möglichst geringem Abstand zueinander angeordnet sind.
Ansonsten würde durch Streuflüsse die Erfassung der gegenphasi
gen Modulation erschwert.
Die Messempfindlichkeit wird vorzugsweise durch Wahl der Länge
C der Flussleitelemente bei einer absoluten Periodenlänge 1 der
periodischen Struktur nach der Formel C = (p + q)xl eingestellt.
Der Wert von p beträgt 0, 1, 2, 3 usw. Der Wert von q ist
ungefähr gleich 0,5. Ein optimales Ergebnis erhält man in der
Praxis mit einem Wert von q, der etwas kleiner als 0,5 ist, da
die Streufelder an den Kanten der Flussleitelemente eine Ver
größerung der effektiven Fläche bewirken. Die Werte von p und q
können auch etwas von den optimalen Werten abweichen, solange
gewährleistet ist, dass das Differenzsignal der beiden magneto
resistiven Elemente noch messbar ist. Dabei ist zu beachten,
dass sich mit wachsendem p die Auflösung der Messanordnung
verringert, weil der gesamte magnetische Widerstand mit wach
sender Messfläche immer geringer wird, die als parallelgeschal
tete Widerstände gedachten veränderlichen Anteile jedoch gleich
bleiben. Durch geeignete, getrennte Polschuhe zwischen jedem
magnetoresistiven Element und dem korrespondierenden Flussleitelement
ist es aber immer möglich, eine vorhandene Messanordnung
an jede zu messende Kontur auch bei geringen Werten von p
ohne wesentliche Verluste hinsichtlich Messauflösung
anzupassen.
Die erfindungsgemäße Messanordnung und der erfindungsgemäße
Messkopf sind relativ unempfindlich bezüglich des Abstandes der
benachbarten Flussleitelemente, solange beide Flussleitelemente
mit dem selben Erregermagneten gekoppelt sind. Beträgt bei
spielsweise bei p = 3 der Abstand der Flussleitelemente ungefähr
10% der Gesamtbreite beider Flussleitelemente, so ist die sich
ergebende relative Abschwächung von ungefähr 1% des Messsignals
im Vergleich zu einem Abstand, welcher nur unwesentlich größer
als Null ist, äußerst gering.
Die Flussleitelemente sind vorzugsweise aus einem weichmagneti
schen Werkstoff gefertigt, beispielsweise einem magnetisch
leitfähigen Transformatorblech. Die Form jedes Flussleitelementes
kann in Abhängigkeit von der Geometrie der zu erfassenden
Struktur gewählt werden. Hat die zu erfassende Struktur bei
spielsweise die Gestalt eines periodischen Gewindes, so können
rechteckige Flussleitelemente verwendet werden, die parallel zu
den Gewindekämmen ausgerichtet sind. Die erfindungsgemäßen
Flussleitelemente erhöhen die Variabilität der Messanordnung,
da ihre geometrischen Abmessungen einfach der Geometrie der zu
erfassenden Struktur anpassbar sind.
Der Messkopf der erfindungsgemäßen Messanordnung kann einen
Erregermagneten umfassen, der beispielsweise auf einer der zu
erfassenden periodischen Struktur gegenüberliegenden Seite der
magnetoresistiven Elemente angeordnet ist.
Die zu erfassende Struktur selbst kann auf vielfältige Art und
Weise ausgestaltet sein. Sie kann ein magnetisches Material
umfassen oder auch ein Material, welches den magnetischen Fluss
zu beeinflussen vermag. Die zu erfassende Struktur weist vor
zugsweise eine lineare oder kreisförmige Gestalt auf. So kann
die periodische Struktur beispielsweise eine mit einem Gewinde
versehene Spindel oder ein Zahnrad sein. Die zu erfassende
Struktur kann auch ein auf einem Körper aufgebrachtes Muster
sein. Vorzugsweise ist die zu erfassende Struktur auf mehreren
oder allen Seiten eines zu erfassenden Körpers vorhanden. Ein
Gewinde beispielsweise besitzt auf allen Seiten ein periodi
sches Muster in Gestalt seiner Gewindekämme.
Die das Mess-Signal erzeugende Struktur ist jedoch nicht not
wendigerweise periodisch. Auch nicht periodische Strukturen wie
kleine Werkstücke oder Kanten ausgedehnter Werkstücke, welche
in der Nähe des Messkopfes angeordnet sind, erzeugen ein für
die Lage der Struktur relativ zum Messkopf charakteristisches
Mess-Signal. Bei einer Relativbewegung zwischen der in der Nähe
des Messkopfes angeordneten, nicht periodischen Struktur und
dem Messkopf werden von der Messanordnung dann Mess-Signale
erzeugt, welche proportional zur Relativbewegung sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messanordnung
zwei oder mehr Messköpfe. Die einzelnen Messköpfe sind
vorzugweise über einen magnetischen Rückfluss miteinander
verbunden. Insbesondere beim Erfassen eines Körpers, der auf
mehreren Seiten eine periodische Struktur aufweist, sind mehrere
Messköpfe vorteilhaft, welche bezüglich des Umfangs der zu
erfassenden periodischen Struktur zueinander versetzt derart
angeordnet sind, dass jeder Messkopf einen anderen Bereich der
periodischen Struktur abtastet.
Bei einer Ausführungsform sind zwei Messköpfe bezüglich des
Umfangs der zu erfassenden periodischen Struktur um 180° zuein
ander versetzt angeordnet. Eine solche Anordnung der Messköpfe
hat beispielsweise bei einer periodischen Struktur in Gestalt
einer mit einem Gewinde versehenen Spindel den Vorteil, dass
Messfehler, welche aus einer Taumelbewegung der Spindel resul
tieren, weitestgehend kompensiert werden. Zu diesem Zweck ist
es weiterhin vorteilhaft, die beiden Messköpfe bezüglich der
axialen Erstreckung der periodischen Struktur um eine halbe
Periodenlänge versetzt zueinander anzuordnen.
Alternativ oder zusätzlich sind bei einer anderen Ausführungs
form zwei Messköpfe bezüglich des Umfanges der zu erfassenden
periodischen Struktur auch um einen Winkel von 90° zueinander
versetzt angeordnet. Werden die Messköpfe in diesem Fall auch
bezüglich einer axialen Erstreckung der periodischen Struktur
um eine viertel Periodenlänge zueinander versetzt angeordnet,
so lässt sich durch Ermittlung der Phasenbeziehung zwischen den
von den beiden Messköpfen generierten Signalen die Bewegungs
richtung der periodischen Struktur erfassen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind
vier Messköpfe vorhanden, welche bezüglich des Umfanges der zu
erfassenden periodischen Struktur in Winkelpositionen von 0°,
90°, 180° und 270° angeordnet sind. Jeweils zwei sich gegen
überliegende Messköpfe definieren dabei eine Messachse. Die
beiden durch die vier Messköpfe definierten Messachsen stehen
somit senkrecht aufeinander. Die beiden Messachsen können
bezüglich einer axialen Erstreckung der periodischen Struktur
um eine viertel Periodenlänge versetzt zueinander angeordnet
sein, um die Ermittlung der Bewegungsrichtung zu ermöglichen.
Weiterhin können jeweils zwei gegenüberliegende Messköpfe
bezüglich der axialen Erstreckung der periodischen Struktur um
eine halbe Periodenlänge versetzt zueinander angeordnet sein,
um den Einfluss von beispielsweise Taumelbewegungen der periodischen
Struktur auf das Messergebnis zu eliminieren oder zu
minimieren.
Die Messanordnung kann zusätzlich zu dem oder den Messköpfen
zur inkrementellen Bestimmung einer Relativbewegung zwischen
dem mindestens einen Messkopf und der periodischen Struktur
noch einen absoluten Positionsgeber umfassen. Eine solche
Kombination von absoluter Bestimmung der Ausgangsposition und
inkrementeller Erfassung einer Relativbewegung ermöglicht die
Bestimmung der momentanen Position eines mit der periodischen
Struktur versehenen Gegenstandes.
Zur Auswertung der Änderungen der elektrischen Widerstände der
magnetoresistiven Elemente weist die Messanordnung vorzugsweise
eine oder mehrere Widerstands-Brückenschaltungen auf. Jede
Widerstands-Brückenschaltung umfasst dabei vorteilhaft zumin
dest die beiden magnetoresistiven Elemente eines Messkopfes.
Zusätzlich kann jede Widerstands-Brückenschaltung noch Festwiderstände
oder die magnetoresistiven Elemente eines weiteren
Messkopfes umfassen.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines Mess
kopfes werden zunächst zwei magnetoresistive Elemente in defi
niertem Abstand voneinander und des weiteren ein Blech
bereitgestellt. Das Blech wird dann beispielsweise durch Stan
zen oder durch eine Erosionstechnik strukturiert, derart, dass
zwei separate Flussleitelemente ausgebildet werden, welche über
Stege mit einem Rahmen verbunden sind. Anschließend wird der
Rahmen im Bereich der magnetoresistiven Elemente so angeordnet,
dass jeweils ein Flussleitelement über einem magnetoresistiven
Element zu liegen kommt. Sodann werden die Flussleitelemente im
Bereich der zugehörigen magnetoresistiven Elemente beispiels
weise durch Kleben befestigt. Schließlich wird die Verbindung
zwischen den Flussleitelementen und dem Rahmen getrennt, z. B.
durch Abkanten bzw. Abknicken im Bereich von Sollbruchstellen
der Stege.
Weitere Aspekte und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele
sowie den Figuren. Es zeigen:
Fig. 1A bis 1C einen zwei magnetoresistive Elemente umfas
senden Messkopf des Standes der Technik;
Fig. 2A und 2B zwei Ausführungsformen eines Messkopfes mit
Flussleitelementen;
Fig. 3A bis 3C ein erstes Ausführungsbeispiel einer Mess
anordnung mit vier Messköpfen;
Fig. 4A und 4B die von einer Messanordnung mit vier Mess
köpfen generierten Signale;
Fig. 5A und 5 W ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Messanordnung mit vier Messköpfen; und
Fig. 6 zwei an einem Rahmen befestigte
Flussleitbleche.
In den Fig. 1A bis 1C ist zunächst ein bekannter Messkopf 10
ohne Flussleitelemente dargestellt. Ein derartiger Messkopf
wird beispielsweise unter der Typenbezeichnung FP 212 D 250-22
von Siemens hergestellt. Es wird auf das entsprechende Daten
blatt der Firma Siemens, Ausgabe 10.94, verwiesen, auf dessen
Offenbarungsgehalt bezüglich der Ausgestaltung, der Verwendung
und der Beschaltung dieses Messkopfes hiermit ausdrücklich
Bezug genommen wird.
Der in den Fig. 1A und 1B dargestellte Messkopf 10 weist
zwei magnetoresistive Elemente 12, 14 in Gestalt von D-Typ
InSb/NiSb-Halbleitern auf. Die beiden magnetoresistiven Elemen
te 12, 14 besitzen jeweils einen Widerstand von 250 Ohm und
sind auf einem Ferrit-Substrat 16 angeordnet. Das Ferrit-Substrat
16 wiederum ist auf einem Permanentmagneten 18 derart
befestigt, dass der Nordpol des Permanentmagneten 18 das
Ferrit-Substrat 16 kontaktiert. Die gesamte Anordnung aus magneto
resistiven Elementen 12, 14, Ferrit-Substrat 16 und
Permanentmagnet 18 befindet sich innerhalb eines Kunststoffge
häuses 20.
Wie in Fig. 1C dargestellt, sind die beiden magnetoresistiven
Elemente 12, 14 in Serie geschaltet. Der Messkopf 10 weist drei
elektrische Anschlüsse 22, 24, 26 auf. Die beiden elektrischen
Anschlüsse 22 und 24 des Messkopfes 10 sind mit jeweils einem
ersten Anschluss der beiden magnetoresistiven Elemente 12, 14
verbunden. Die weiteren Anschlüsse der beiden magnetoresistiven
Elemente 12, 14 sind miteinander und mit dem dritten elektri
schen Anschluss 26 des Messkopfes verbunden. Die in Fig. 1C
dargestellte Spannungsteilerschaltung der magnetoresistiven
Elemente reduziert die Temperaturabhängigkeit der als Mess-Signal
verwendeten Ausgangsspannung.
Die geometrischen Dimensionen des Messkopfes 10 sind derart
gewählt, dass der Abstand A zwischen den Mitten der beiden
magnetoresistiven Elemente 12, 14 ungefähr 1,6 mm und die
Breite B jedes der beiden magnetoresistiven Elemente 12, 14
ungefähr 1 mm beträgt. Durch die beiden geometrischen Dimensionen
A und B ist die untere Grenze für die Messauflösung des in
den Fig. 1A bis 1C dargestellten Messkopfes 10 vorgegeben.
Der in Fig. 2A schematisch gezeigte, ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellende Messkopf 30 umfasst ebenfalls zwei
magnetoresistive Elemente 32, 34. Unterhalb des Messkopfes 30
ist eine periodische Struktur 40 mit einem periodischen Muster
in Form von Zähnen angeordnet. Auf einer der periodischen
Struktur 40 zugewandten Seite jedes der beiden magnetoresistiven
Elemente 32, 34 ist jeweils ein Flussleitblech 36, 38 mit
den magnetoresistiven Elemente 32, 34 verbunden. Die beiden
Flussleitbleche 36, 38 sind hier aus einem Transformatorblech
gefertigt. Mittels dieser Flussleitbleche 36, 38 ist die beim
bekannten Messkopf 10 gemäß Fig. 1 vorhandene Auflösungsbegrenzung
drastisch verbessert, d. h. der Messkopf 30 kann deutlich
kleinere Strukturen auflösen.
Die Flussleitbleche 36, 38 können auf verschiedene Art und
Weise im Bereich der magnetoresistiven Elemente 32, 34 angeord
net werden. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den
Flussleitblechen 36, 38 und den magnetoresistiven Elementen 32,
34 ist nicht notwendig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Flussleitbleche 36, 38 durch Kleben mit den magneto
resistiven Elementen 32, 34 verbunden. Gemäß einer anderen
Ausführungsform können auch Zwischenschichten zwischen den
Flussleitblechen 36, 38 und den magnetoresistiven Elementen 32,
34 vorhanden sein, beispielsweise können die Flussleitblechen
36, 38 auf ein Kunststoffgehäuse geklebt werden, das die magne
toresistiven Elementen 32, 34 umgibt.
Gemäß dem in Fig. 2A dargestellten Ausführungsbeispiel weist
die periodische Struktur 40 eine Periodenlänge 1 auf. Die Länge
C der beiden Flussleitbleche 36, 38 beträgt 1,5 × 1. Dies
bedeutet, dass p gemäß der Formel C = (p + q)xl den Wert 1
annimmt und der Wert von q genau 0,5 beträgt.
Die Periodenlänge 1 der periodischen Struktur 40 kann auch
kleiner sein als die geometrischen Abmessungen der magnetoresi
stiven Elemente 32, 34 bzw. der Abstand, den die Elemente 32,
34 voneinander haben, da die geometrischen Dimensionen der
magnetoresistiven Elemente 32, 34 für die Messauflösung nicht
relevant sind. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die
Länge C der beiden Flussleitbleche 36, 38 das p + 0,5fache (p = 0,
1, 2, 3, usw.) der Periodenlänge 1 der periodischen Struktur 40
beträgt. Die relative Lage jedes der beiden magnetoresistiven
Elemente 32, 34 bezüglich des zugehörigen Flussleitbleches 36,
38 ist dagegen weitestgehend frei wählbar.
Der Abstand D zwischen einer der periodischen Struktur 40
zugewandten Unterseite der Flussleitbleche 36, 38 und der
periodischen Struktur 40 selbst sollte nicht zu groß gewählt
werden, um ausreichende Empfindlichkeit zu erzielen. In der
Praxis haben sich Abstände zwischen 0,2 und 0,6 mm als vorteil
haft erwiesen.
In Fig. 2B ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfin
dungsgemäßen Messkopfes 42 schematisch dargestellt. Der Mess
kopf 42 umfasst zwei magnetoresistive Elemente 44, 46. Jedem
der beiden magnetoresistiven Elemente 44, 46 ist jeweils ein
Flussleitblech 45, 47 zugeordnet. Die Länge C jedes der beiden
Flussleitbleche 45, 47 beträgt wiederum das 1,5fache der Periodenlänge
1 der periodischen Struktur 40.
Da die Abmessungen der beiden magnetoresistiven Elemente 44, 46
deutlich größer als die Periodenlänge 1 der periodischen Struktur
40 sind, ist zwischen jedem magnetoresistiven Element 44,
46 und dem zugehörigen Flussleitblech 45, 47 jeweils ein L-förmiger
Polschuh 48, 50 angeordnet. Die Stirnseite des kurzen
Balkens des L ist mit der dem jeweiligen magnetoresistiven
Element 44, 46 zugewandten Oberfläche des Flussleitbleches 45,
47 verbunden. Auf der dem Flussleitblech 45, 47 abgewandten
Oberfläche des langen Balkens des L ist das jeweilige magnetoresistive
Element 44, 46 angeordnet.
Mit Hilfe der Polschuhe 48, 50 erfolgt eine Anpassung der
geometrischen Dimensionen der Flussleitbleche 45, 47 an die
geometrischen Dimensionen der magnetoresistiven Elemente 44,
46. Um den Einfluss von Streufeldern auf das Messergebnis
gering zu halten, sollte der Abstand F zwischen der Unterseite
jedes Polschuhs 48, 50 und der periodischen Struktur 40 groß
gegenüber dem Abstand D zwischen der Unterseite jedes Flussleitbleches
45, 47 und der periodischen Struktur 40 sein. Durch
die in Fig. 2B dargestellte Anordnung können folglich auch
periodische Strukturen 40, deren Periodenlängen 1 deutlich
geringer als die geometrischen Dimensionen der magnetoresistiven
Elemente 44, 46 sind, zur Erzeugung eines Mess-Signals
herangezogen werden.
Im Prinzip kann der Wert von p beliebig groß gewählt werden,
solange sichergestellt ist, dass die mit wachsendem p abfallen
de Amplitude des Mess-Signals noch gemessen werden kann. In der
Praxis haben sich Werte von p<3 als zweckmäßig erwiesen.
In den Fig. 3A bis 3C ist ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Messanordnung 60 mit vier Messköpfen 62, 64, 66 und 68
dargestellt. Die vier Messköpfe 62, 64, 66, 68 sind um den
Umfang einer periodischen Struktur 70 verteilt in Winkelstellungen
von 0°, 90°, 180° und 270° angeordnet. Jeweils zwei
Messköpfe 62, 66 und 64, 68 definieren eine Messachse y bzw. x.
Bei der periodischen Struktur 70 handelt es sich um eine Gewin
despindel. Die Periodenlänge 1 ist somit durch den Abstand
zweier Gewindekämme gegeben.
Die einzelnen Messköpfe, 62, 64, 66, 68 sind über einen magne
tischen Rückschluss 72 miteinander verbunden. Der magnetische
Rückschluss 72 besteht aus einem Ring aus magnetischem
Material.
Die beiden Messköpfe 62 und 66, welche die Messachse y definie
ren, sind bezüglich der Spindel 70 um eine halbe Periodenlänge
versetzt zueinander angeordnet. Die beiden Messköpfe 62, 66
weisen demzufolge in axialer Richtung der Spindel 70 einen
Abstand voneinander auf, welcher dem halben Abstand zwischen
zwei benachbarten Gewindekämmen der Spindel 70 entspricht.
Gleiches gilt für den axialen Abstand der beiden Messköpfe 64,
68 voneinander. Die beiden Messachsen x, y sind in axialer
Richtung um eine viertel Periodenlänge versetzt zueinander
angeordnet. Die beiden Messachsen x, y weisen also in axialer
Richtung einen Abstand voneinander auf, welcher einem Viertel
des Abstandes zwischen zwei benachbarten Gewindekämmen der
Spindel 70 entspricht.
In Fig. 3B ist die Messanordnung gemäß Fig. 3A in einer zur
Messachse x senkrechten und die Messachse y einschließenden
Ebene dargestellt. Wie Fig. 3B entnommen werden kann, weist
der magnetische Rückschluss 72 ein U-förmiges Profil auf. Die
Seitenwände des U-förmigen Profiles erstrecken sich fast bis
zur Spindel 70, um eine Abschirmung der Messköpfe gegen magne
tische Fremdfelder zu gewährleisten. Die Messköpfe 62, 66,
welche die Messachse y definieren, sind am Grund der U-förmigen
Ausnehmung des Profiles mit dem magnetischen Rückschluss 72
verbunden.
Der Messkopf 62 umfasst zwei magnetoresistive Elemente 74, 76.
Jedem der beiden magnetoresistiven Elemente 74, 76 ist ein
Flussleitelement 82, 84 zugeordnet. Ebenso weist der dem Messkopf
62 gegenüberliegende Messkopf 66 zwei magnetoresistive
Elemente 78, 80 auf, denen jeweils ein Flussleitelement 86, 88
zugeordnet ist. Jeder der Messköpfe 62, 66 ist darüber hinaus
mit einem Erregermagneten 63, 67 versehen.
Die insgesamt vier magnetoresistiven Elemente 74, 76, 78, 80
der beiden Messköpfe 62, 66 sind, wie in Fig. 3C dargestellt,
zu einer Widerstands-Vollbrücke 71 verschaltet. Zwischen einem
gemeinsamen Kontakt 73 der beiden magnetoresistiven Elemente
74, 78 und einem gemeinsamen Kontakt 77 der beiden magnetoresi
stiven Elemente 76, 80 wird eine Speisespannung V angelegt.
Zwischen einem gemeinsamen Kontakt 75 der beiden magnetoresi
stiven Elemente 74, 76 und einem gemeinsamen Kontakt 79 der
beiden magnetoresistiven Elemente 78, 80 kann das oszillierende
Mess-Signal uy abgegriffen werden.
Die in Fig. 3C dargestellte Vollbrücke 71 hat den Vorteil,
dass der aus einer Taumelbewegung der Spindel 70 resultierende
Messfehler, der auf die Abstandsabhängigkeit des Mess-Signales
zurückzuführen ist, nahezu vollständig kompensiert wird. Grund
sätzlich ist es jedoch auch möglich, auf den Messkopf 66 zu
verzichten und statt der beiden magnetoresistiven Elemente 78,
80 zwei Festwiderstände zu verwenden.
Die in Fig. 3C gezeigte Brückenschaltung ist in gleicher Form
auch für die beiden Messköpfe 64, 68 vorgesehen, die die Mess
achse x definieren. Die Brückenschaltung mit den magnetoresi
stiven Elementen der Messköpfe 64, 68 erzeugt ein oszillieren
des Signal ux. Die beiden oszillierenden Signale ux und uy sind
um 90° zueinander versetzt, da die beiden Messachsen x, y, wie
zuvor beschrieben und aus den Diagrammen gemäß den Fig. 4A
und 4B ersichtlich, einen axialen Versatz von einer viertel
Periodenlänge aufweisen. Bei der Aufnahme der in den Fig. 4A
und 4B dargestellten Messkurven betrug der Abstand der Messköpfe
62, 64, 66, 68 von der Spindel 70 0,3 mm und die Brücken
spannung V betrug 5 V. Die beiden Mess-Signale ux und uy wurden
um einen Faktor 40 verstärkt.
Fig. 4A zeigt die Startphase des Signalverlaufes und Fig. 4B
den Signalverlauf ausserhalb der Startphase. Deutlich zu erken
nen ist, dass die beiden Mess-Signale ux, uy eine Phasendiffe
renz von 90° aufweisen. Diese Phasendifferenz gestattet die
Ermittlung der Bewegungsrichtung der Spindel 70. Bei einer
Auflösung von 8 bit lassen sich Längenänderungen von 1/256 der
Periodenlänge noch erfassen.
In den Fig. 5A und 5B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Messanordnung 90 mit vier Messköpfen
92, 94, 96, 98 maßstabsgetreu (Maßstab 2 : 1) dargestellt. Der
Aufbau der in den Fig. 5A und 5B dargestellten Messanordnung
stimmt im wesentlichen mit der in den Fig. 3A bis 3C darge
stellten Messanordnung überein. Relativ zum Messkopf 92 ist der
Messkopf 94 um eine viertel Periodenlänge und der Messkopf 96
um eine halbe Periodenlänge aus der Zeichenebene heraus ver
setzt. Der Messkopf 98 hingegen ist relativ zum Messkopf 92 um
eine viertel Periodenlänge in die Zeichenebene hinein versetzt.
Ein umlaufender Ring 100 aus einem nichtmagnetischen Hartgewebe
dient als Träger für die Messköpfe 92, 94, 96, 98. Über einen
magnetischen Rückschluss 102 sind die Messköpfe 92, 94, 96, 98
magnetisch miteinander verbunden.
In Fig. 5B ist die in Fig. 5A dargestellte Messanordnung in
einem Schnitt durch eine die Messköpfe 94, 98 enthaltende Ebene
dargestellt. Deutlich zu erkennen sind die beiden Flussleitble
che 104, 106 des Messkopfes 92. Wie aus Fig. 5B ersichtlich,
ist der Messkopf 92 bezüglich einer sich durch den Ring 100
erstreckenden Gewindespindel so gedreht, dass die Längsseiten
der rechteckigen Flussleitelemente 104, 106 parallel zu den
Gewindekämmen der Spindel verlaufen. Eine derartige Anordnung
des Messkopfes 92 relativ zu den Gewindekämmen maximiert das
Messkopf-Ausgangssignal und damit die Trennschärfe der Messan
ordnung.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Messkopfes auf der
Basis des in den Fig. 1A bis 1C dargestellten, kommerziell
erhältlichen Messkopfes muss der in den Fig. 1A bis 1C
dargestellte Messkopf mit Flussleitelementen versehen werden.
Zu diesem Zweck wird ein Transformatorblech unter Zuhilfenahme
bekannter Erosionstechniken so strukturiert, dass es die in
Fig. 6 gezeigte und im folgenden näher erläuterte Gestalt
erhält.
Gemäß Fig. 6 sind zwei rechteckige, benachbart nebeneinander
angeordnete Flussleitelemente 110, 112 über Stege 114, 116,
118, 120 mit einem Rahmen 122, 124 verbunden. Die Abmessungen
der beiden Flussleitbleche 110, 112 und der gegenseitige Ab
stand der beiden Flussleitbleche 110, 112 wurden in Anlehnung
an die Abmessungen bzw. den gegenseitigen Abstand der magneto
resistiven Elemente 12, 14 gemäß Fig. 1B gewählt. Mit Hilfe
der Rahmenstruktur 122, 124 werden die Flussleitbleche 110, 112
über den magnetoresistiven Elementen 12, 14 des Messkopfes 10
gemäss Fig. 1B angeordnet und mit dem Gehäuse 20 verklebt.
Nach dem Verkleben werden die überstehenden Rahmenteile 122,
124 durch Abkanten bzw. Abknicken im Bereich von Sollbruchstel
len 126, 128, 130, 132 von den Flussleitblechen 110, 112 abge
trennt.
Claims (29)
1. Messanordnung mit mindestens einem Messkopf (30, 42, 62,
64, 66, 68, 92, 94, 96, 98) zur Erfassung einer Relativbewegung
zwischen dem Messkopf (30, 42, 62, 64, 66, 68, 92, 94, 96, 98)
und einer insbesondere periodischen Struktur (40, 70) mit einer
Periodenlänge 1, wobei der mindestens eine Messkopf (30, 42,
62, 64, 66, 68, 92, 94, 96, 98) zwei magnetoresistive Elemente
(32, 34, 44, 46, 74, 76, 78, 80) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
den magnetoresistiven Elementen (32, 34, 44, 46, 74, 76, 78,
80) jeweils ein Flussleitelement (36, 38, 45, 47, 82, 84, 86,
88, 96, 98, 100, 102) zugeordnet ist und dass der mindestens
eine Messkopf (62, 64, 66, 68, 92, 94, 96, 98) über einen
magnetischen Rückschluss (72, 102) mit der zu erfassenden
Struktur (40, 70) verbunden ist.
2. Messanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente (36, 38, 45,
47, 82, 84, 86, 88, 96, 98, 100, 102) eine Länge (C) von
(p + q)xl aufweisen, mit p gleich 0, 1, 2, 3, usw. und q ungefähr
gleich 0,5.
3. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen jedem magnetoresistiven Element
(44, 46) und dem dazugehörigen Flussleitelement (45, 47) je
weils ein Polschuh (48, 50) angeordnet ist.
4. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Flussleitelement (36, 38, 45,
47, 82, 84, 86, 88, 96, 98, 100, 102) ein magnetisch leitfähi
ges Blech ist.
5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Flussleitelement (36, 38, 45,
47, 82, 84, 86, 88, 96, 98, 100, 102) eine rechteckige Form
aufweist.
6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messkopf (30,
42, 62, 64, 66, 68, 92, 94, 96, 98) einen Erregermagneten (63,
67) aufweist.
7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Struktur (40, 70)
auf einer, mehreren oder allen Seiten ein periodisches Muster
aufweist.
8. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Struktur ein mit
einem Gewinde oder mit Zähnen versehenes Element (40, 70) ist.
9. Messanordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente (96, 98),
insbesondere deren Längsseiten, parallel zu Gewindekämmen
verlaufen.
10. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Messköpfe (62, 64,
66, 68, 92, 94, 96, 98) vorhanden sind.
11. Messanordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messköpfe (62, 66, 64, 68,
92, 94, 96, 98) bezüglich des Umfanges der zu erfassenden
periodischen Struktur (70) um 180° zueinander versetzt angeord
net sind.
12. Messanordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messköpfe (62, 66, 64, 68,
92, 94, 96, 98) bezüglich des Umfanges der zu erfassenden
periodischen Struktur (70) um 90° zueinander versetzt angeord
net sind.
13. Messanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messköpfe (62, 64, 66, 68,
92, 94, 96, 98) bezüglich einer axialen Erstreckung der zu
erfassenden periodischen Struktur (70) um eine halbe Perioden
länge zueinander versetzt angeordnet sind.
14. Messanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messköpfe (62, 64, 66, 68,
92, 94, 96, 98) bezüglich einer axialen Erstreckung der zu
erfassenden periodischen Struktur (70) um eine viertel Peri
odenlänge zueinander versetzt angeordnet sind.
15. Messanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass vier Messköpfe (62, 64, 66, 68,
92, 94, 96, 98) vorhanden sind, die bezüglich des Umfanges der
zu erfassenden periodischen Struktur (70) in Winkelpositionen
von 0°, 90°, 180° und 270° angeordnet sind.
16. Messanordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei gegenüberliegende
Messköpfe (62, 64, 66, 68, 92, 94, 96, 98) jeweils eine Mess
achse (x, y) definieren, wobei die beiden Messachsen (x, y)
bezüglich einer axialen Erstreckung der zu erfassenden periodi
schen Struktur (70) um eine viertel Periodenlänge zueinander
versetzt angeordnet sind.
17. Messanordnung nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüberliegende Messköpfe
(62, 64, 66, 68, 92, 94, 96, 98) bezüglich einer axialen Er
streckung der zu erfassenden periodischen Struktur (70) um eine
halbe Periodenlänge zueinander versetzt angeordnet sind.
18. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Widerstands-
Brückenschaltungen (71) vorhanden sind.
19. Messanordnung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstands-Brückenschaltung
die magnetoresistiven Elemente eines Messkopfes sowie Festwi
derstände umfasst.
20. Messanordnung nach Anspruch 18 oder 19,
dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstands-Brückenschaltung
(71) die magnetoresistiven Elemente (74, 76) eines ersten
Messkopfes (62) sowie die magnetoresistiven Elemente (78, 80)
eines zweiten Messkopfes (66) umfasst.
21. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass ein absoluter Positionsgeber
vorhanden ist.
22. Messkopf für eine Messanordnung zur Erfassung einer Rela
tivbewegung zwischen dem Messkopf (30, 42, 62, 64, 66, 68, 92,
94, 96, 98) und einer insbesondere periodischen Struktur (40,
70) mit einer Periodenlänge 1, wobei der Messkopf (30, 42, 62,
64, 66, 68, 92, 94, 96, 98) zwei magnetoresistive Elemente (32,
34, 44, 46, 74, 76, 78, 80) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
den magnetoresistiven Elementen (32, 34, 44, 46, 74, 76, 78,
80) jeweils ein Flussleitelement (36, 38, 45, 47, 82, 84, 86,
88, 96, 98, 100, 102) zugeordnet ist.
23. Messkopf nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente (36, 38, 45,
47, 82, 84, 86, 88, 96, 98, 100, 102) eine Länge von (p + q)xl
aufweisen, mit p gleich 0, 1, 2, 3, usw. und q ungefähr gleich
0,5.
24. Messkopf nach einem der Ansprüche 22 oder 23,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem magnetoresistiven
Element (44, 46) und dem dazugehörigen Flussleitelement (45,
47) jeweils ein Polschuh (48, 50) angeordnet ist.
25. Verfahren zur Herstellung eines Messkopfes nach einem der
Ansprüche 22 bis 24,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- - Bereitstellen zweier magnetoresistiver Elemente (12, 14) in festem Abstand voneinander sowie eines magnetisch leitfähigen Bleches;
- - Strukturieren des Bleches derart, dass zwei benachbarte Flussleitelemente (110, 112) entstehen, die über Stege (114, 116, 118, 120) mit einem Rahmen (122, 124) verbunden sind;
- - Anordnen des Rahmens (122, 124) im Bereich der magnetoresi stiven Elemente (12, 14) derart, dass jeweils ein Flussleitele ment (110, 112) über einem magnetoresistiven Element (12, 14) zu liegen kommt;
- - Befestigen jedes Flussleitelementes (110, 112) im Bereich des zugehörigen magnetoresistiven Elementes (12, 14); und
- - Trennen der Verbindung zwischen den Flussleitelementen (110, 112) und dem Rahmen (122, 124).
26. Verfahren nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet, dass das Blech durch Stanzen oder
Erosionstechniken strukturiert wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26,
dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente (110, 112)
durch Kleben im Bereich der magnetoresistiven Elemente (12, 14)
befestigt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente (110, 112)
über Sollbruchstellen (126, 128, 130, 132) mit dem Rahmen (122,
124) verbunden werden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Fluss
leitelementen (110, 112) und dem Rahmen (122, 124) durch Ab
knicken getrennt wird.
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