DE10024850C2 - Messanordnung, Messkopf und Verfahren zur Herstellung eines Messkopfes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Messkopf zur Erfassung einer Relativbewegung zwischen dem Messkopf und einer periodischen Struktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine diesen Messkopf umfassende Messan­ ordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 sowie ein Verfah­ ren zur Herstellung des Messkopfes.

Zur Messung von z. B. Geschwindigkeiten oder geometrischen Größen wie Längen oder Drehwinkeln werden häufig Messanordnun­ gen 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 ausges­ tattet.

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 perio­ dische Struktur selbst Magnete enthält, so dass kein magnetisch leitfähiges Material im Bereich der Messanordnung vorhanden ist. In diesem Fall wird anstatt durch Variation eines magneti­ schen Widerstandes nunmehr durch die Relativbewegung der Feld­ quellen gegenüber dem Messkopf in diesem ein veränderliches Feld und damit ein veränderliches Signal erzeugt.

Zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messergebnis­ se 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 Elemen­ te 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.

Aus der DE 39 26 328 A1 ist eine Messanordnung zur Erfassung der Bewegung einer periodischen Struktur bekannt. Die Messan­ ordnung umfasst zwei gegeneinander versetzt angeordnete Mess­ elemente, deren Ausgangssignale derart miteinander kombiniert und ausgewertet werden, dass Gleichspannungsanteile von Aus­ gangssignalen der Messelemente ohne Einfluss auf das Messergeb­ nis bleiben. Jedes der Messelemente umfasst einen Sensor zur Auswertung von Magnetflussänderungen und ein dem Sensor zuge­ ordnetes, kammförmiges Flussleitelement. Jedes der Messelemente bildet mit der periodischen Struktur einen magnetischen Kreis.

In der DE 197 33 885 A1 wird ein Verfahren zum Messen einer Relativbewegung zwischen einem gleichförmig bewegten Gegenstand mit einer hartmagnetischen Oberfläche und einem Magnetfeldsen­ sor beschrieben. Dabei wird zunächst eine magnetisch codierte Spur mit periodischer Struktur dem hartmagnetischen Gegenstand mittels eines zeitlich modulierten Magnetfeldes eingeprägt. Zur Abtastung der eingeprägten periodischen Struktur wird ein Messkopf verwendet. Der Messkopf umfasst einen Magnetfeldsen­ sor, der zusammen mit dem hartmagnetischen Gegenstand, einem Joch und zwei Flussleitelementen einen magnetischen Kreis bildet. Die Flussleitelemente sind auf ihrer dem hartmagneti­ schen Gegenstand zugewandten Oberfläche strukturiert.

Aus der DE 44 32 827 A1 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Relativposition zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern bekannt. Diese Einrichtung umfasst einen Messkopf mit zwei Sensoreinheiten in Gestalt plattenförmiger, aus einem Halbleitermaterial bestehender Elemente, auf die zum Schutz vor mechanischer Beschädigung Weicheisen-Polbleche aufgeklebt sein können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messkopf für eine Messanordnung zu schaffen, welcher einfach fertigbar ist und eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Herstellungsver­ fahren für den Messkopf sowie eine den Messknopf umfassende Messanordnung anzugeben.

Diese Aufgabe ist ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik erfindungsgemäß gelöst durch einen Messkopf gemäß Anspruch 1, durch eine Messanordnung gemäß Anspruch 2 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Messkopfes gemäß Anspruch 22.

Erfindungsgemäß ist jedem magnetoresistiven Element eines Messkopfes ein plattenförmiges Leitelement für den magnetischen Fluss zugeordnet, welches zwischen dem Messkopf und der zu erfassenden Struktur angeordnet ist. 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 Messempfindlichkeit wird durch Wahl der Länge C der Fluss­ leitelemente bei einer absoluten Periodenlänge l der periodi­ schen Struktur nach der Formel C = (p + q) × l eingestellt. Der Wert von p beträgt 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 Vergrößerung 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 magnetoresistiven Elemente noch messbar ist. Dabei ist zu beachten, dass sich mit wachsendem p die Auflösung der Messanordnung verringert, weil der gesamte magnetische Widerstand mit wachsender Messfläche immer geringer wird, die als parallelgeschaltete 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 messen­ de 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 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 Widerstand, 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 Flussleit­ element 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 Flussleitelemente sind vorzugsweise aus einem weichmagneti­ schen Werkstoff gefertigt, beispielsweise einem magnetisch leitfähigen Transformatorblech. Die Form jedes Flussleitelemen­ tes 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.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messanord­ nung zwei oder mehr Messköpfe. Die einzelnen Messköpfe sind vorzugsweise über einen magnetischen Rückfluss miteinander verbunden. Insbesondere beim Erfassen eines Körpers, der auf mehreren Seiten eine periodische Struktur aufweist, sind mehre­ re 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 peri­ odischen 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 Festwi­ derstände 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 5B: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Mess­ anordnung mit vier Messköpfen; und

Fig. 6: zwei an einem Rahmen befestigte Flussleit­ bleche.

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 Fer­ rit-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 Dimensio­ nen 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 magnetoresisti­ ven 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 Auflösungsbegren­ zung 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 l auf. Die Länge C der beiden Flussleitbleche 36, 38 beträgt 1,5 × l. Dies bedeutet, dass p gemäß der Formel C = (p + q) × l den Wert 1 annimmt und der Wert von q genau 0,5 beträgt.

Die Periodenlänge l der periodischen Struktur 40 kann auch kleiner sein als die geometrischen Abmessungen der magnetore­ sistiven 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 = 1, 2, 3, usw.) der Periodenlänge l 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 Perio­ denlänge l der periodischen Struktur 40.

Da die Abmessungen der beiden magnetoresistiven Elemente 44, 46 deutlich größer als die Periodenlänge l der periodischen Struk­ tur 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 magneto­ resistive 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 Fluss­ leitbleches 45, 47 und der periodischen Struktur 40 sein. Durch die in Fig. 2B dargestellte Anordnung können folglich auch periodische Strukturen 40, deren Periodenlängen l deutlich geringer als die geometrischen Dimensionen der magnetoresisti­ ven 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 Winkel­ stellungen 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 l 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 Materi­ al.

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 Mess­ kopf 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 u_y 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 u_x. Die beiden oszillierenden Signale u_x und u_y 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 Messköp­ fe 62, 64, 66, 68 von der Spindel 70 0,3 mm und die Brücken­ spannung V betrug 5 V. Die beiden Mess-Signale u_x und u_y 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 u_x, u_y 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 (26)

1. Messkopf für eine Messanordnung zur Erfassung einer Rela­ tivbewegung zwischen dem Messkopf (30, 42, 62, 64, 66, 68, 92, 94, 96, 98) und einer periodischen Struktur (40, 70) mit einer Periodenlänge l, 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 und 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, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flussleitelemente (36, 38, 45, 47, 82, 84, 86, 88, 96, 98, 100, 102) eine plattenför­ mige Gestalt aufweisen, auf einer der periodischen Struktur (40, 70) zuzuwendenden Seite eine ebene Oberfläche besitzen und als Sammelelemente für einen magnetischen Fluss dienen, wobei die Flussleitelemente (36, 38, 45, 47, 82, 84, 86, 88, 96, 98, 100, 102) eine Länge (C) von (p + q) × l aufweisen, mit p gleich 1, 2, 3, usw. und q ungefähr gleich 0,5.

2. 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 periodischen Struktur (40, 70) mit einer Periodenlän­ ge l, 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, 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 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, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flussleitelemente (36, 38, 45, 47, 82, 84, 86, 88, 96, 98, 100, 102) eine plattenför­ mige Gestalt aufweisen, auf einer der periodischen Struktur (40, 70) zuzuwendenden Seite eine ebene Oberfläche besitzen und als Sammelelemente für einen magnetischen Fluss dienen, wobei die Flussleitelemente (36, 38, 45, 47, 82, 84, 86, 88, 96, 98, 100, 102) eine Länge (C) von (p + q) × l aufweisen, mit p gleich 1, 2, 3, usw. und q ungefähr gleich 0,5.

3. Messkopf bzw. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass zwischen jedem magnetoresistiven Element (44, 46) und dem dazugehörigen Flussleitelement (45, 47) jeweils ein Polschuh (48, 50) angeordnet ist.

4. Messkopf bzw. 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. Messkopf bzw. 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. Messkopf bzw. 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 2 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 2 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 2 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 Perio­ denlänge 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 Erstreckung der zu erfassenden periodischen Struktur (70) um eine halbe Periodenlänge zueinander versetzt angeordnet sind.

18. Messanordnung nach einem der Ansprüche 2 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 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein absoluter Positionsgeber vorhanden ist.

22. Verfahren zur Herstellung eines Messkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 21, 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 magnetore­ sistiven Elemente (12, 14) derart, dass jeweils ein Flussleit­ element (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).

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech durch Stanzen oder Erosionstechniken strukturiert wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente (110, 112) durch Kleben im Bereich der magnetoresistiven Elemente (12, 14) befestigt werden.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente (110, 112) über Sollbruchstellen (126, 128, 130, 132) mit dem Rahmen (122, 124) verbunden werden.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Fluss­ leitelementen (110, 112) und dem Rahmen (122, 124) durch Abkni­ cken getrennt wird.