DE10052086A1 - Relative position measuring device for moving bodies forming part of measurement device, has magnetic scale whose segments are magnetized in rectified way, with different remnant magnetization strength - Google Patents

Relative position measuring device for moving bodies forming part of measurement device, has magnetic scale whose segments are magnetized in rectified way, with different remnant magnetization strength

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Abstract

The device (2) has a magnetic scale formed on a support carrier (3) with a series of segments of different magnetization for producing leakage fields on its boundaries. A measured moving body (6) has magnetic field sensors (7,8) that detect the leakage fields on the magnetic scale whose segments are magnetized in a rectified way in different remnant magnetization strength.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung mit relativ zueinander beweglichen Meßelementen, wobei das eine Meßelement auf einem Träger eine magnetische Skala in Form wenigstens einer Reihe von magnetischen Segmenten unterschiedlicher Magnetisierung aufweist, die an ihren Grenzen Streufelder erzeugen, und wobei das andere Meß­ element einen Magnetfeldsensor zur Erfassung der Streu­ felder aufweist.The invention relates to a position measuring device relatively movable measuring elements, the a measuring element on a support a magnetic scale in the form of at least one row of magnetic segments has different magnetization on their Boundaries create stray fields, and being the other measuring element a magnetic field sensor to detect the scatter fields.

Im Stand der Technik sind Positionsmeßeinrichtungen be­ kannt, die zwei relativ zueinander bewegliche Meßelemente aufweisen, wobei in der Regel eines der Meßelemente gerä­ tefest, d. h. stationär angeordnet ist, während sich das andere Meßelement relativ zu dem einen bewegt. Die Bewe­ gung kann translatorisch, aber auch eine Schwenk- oder Drehbewegung sein, wobei in letzterem Fall die Bewegungs­ länge auch ein Maß für den Winkel ist.Position measuring devices are in the prior art knows the two relatively movable measuring elements have, usually one of the measuring elements tefest, d. H. is stationary, while the other measuring element moves relative to one. The Bewe gung can be translational, but also a swivel or Be rotational movement, in the latter case the movement length is also a measure of the angle.

Bei Positionsmeßeinrichtungen nach dem magnetischen Meß­ prinzip weist das eine Meßelement auf einem Träger eine ferro- oder ferrimagnetische Beschichtung gleichmäßiger Dicke auf, die segmentweise antiparallel magnetisiert sind. Die Segmente grenzen unmittelbar aneinander an und haben in Meßrichtung jeweils die gleiche Erstreckung. Das Meßelement bildet auf diese Weise einen Maßstab mit mag­ netischer Skala (vgl. A. Ernst, Digitale Längen- und Win­ kelmeßtechnik, Bibliothek der Technik, Band 165, Verlag Moderne Industrie, 1998, Seiten 12 und 13).In position measuring devices after magnetic measurement principle, the one measuring element on a carrier ferro- or ferrimagnetic coating more uniform Thickness that magnetizes antiparallel in segments are. The segments immediately adjoin each other and each have the same extension in the measuring direction. The  In this way, the measuring element forms a scale with mag netic scale (cf. A. Ernst, digital length and win Kelmeßtechnik, Bibliothek der Technik, Volume 165, publisher Modern Industry, 1998, pages 12 and 13).

Durch die antiparallele Magnetisierung entstehen zwischen zwei Segmenten Streufelder, die von einem Magnetfeldsen­ sor, beispielsweise in Form eines mit einer Spule verse­ henen Jochs aus ferro- oder ferrimagnetischem Material, erfaßt werden und in dem Magnetfeldsensor ein Signal er­ zeugen. Das Maß der Relativbewegung der Meßelemente wird durch Aufaddieren bzw. Zählen der Signale ermittelt.The antiparallel magnetization creates between two segments of stray fields from a magnetic field sor, for example in the form of a verse with a coil yokes made of ferro- or ferrimagnetic material, be detected and a signal in the magnetic field sensor witness. The measure of the relative movement of the measuring elements is determined by adding up or counting the signals.

Die vorbekannte Positionsmeßeinrichtung hat den Nachteil, daß die magnetische Skala durch Einwirkung äußerer Mag­ netfelder zerstört werden kann. Zwar werden hochkoerziti­ ve Materialien für die ferro- oder ferrimagnetische Be­ schichtung des Trägers verwendet. Gleichwohl ist jedoch je nach Anwendung und Umgebung nicht auszuschließen, daß die Magnetskala gelöscht wird. Auch Temperatureinflüsse können zu einem Löschen der Skala führen.The known position measuring device has the disadvantage that that the magnetic scale through the action of external mag net fields can be destroyed. Although high koerziti ve materials for ferro- or ferrimagnetic loading Layering of the carrier used. Nevertheless is depending on the application and environment, it cannot be ruled out that the magnetic scale is deleted. Also temperature influences can delete the scale.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positions­ meßeinrichtung der eingangs genannten Art so zu gestal­ ten, daß sie unempfindlich gegen äußere Magnetfelder ist oder daß die magnetische Skala im Falle ihrer Löschung auf einfache Weise wieder hergestellt werden kann.The invention has for its object a position measuring device of the type mentioned at the beginning that it is insensitive to external magnetic fields or that the magnetic scale if deleted can be easily restored.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Segmente gleichgerichtet magnetisiert sind, aber eine unterschiedlich starke remanente Magnetisierung haben. In einfachster Ausführung wechseln sich Elemente, die eine remanente Magnetisierung erster Stärke haben, mit Segmen­ ten, die eine remanente Magnetisierung zweiter Stärke ha­ ben, ab, wobei zur Erzeugung eines ausreichenden Streu­ felds die Unterschiede deutlich sein sollten. In einfach­ ster Ausführung wird die Erfindung dadurch verwirklicht, daß sich Segmente, die eine erste remanente Magnetisie­ rung haben, mit Segmenten abwechseln, die nicht magneti­ siert bzw. magnetisierbar sind, bei denen also die Mag­ netisierung den Grenzwert Null hat.This object is achieved in that the segments are magnetized in the same direction, but one  have different levels of remanent magnetization. In simplest execution alternate elements that one have remanent magnetization of first strength with segms that have a remanent magnetization of second strength ben, from, to produce sufficient litter the differences should be clear. In simple ster execution the invention is realized by that there are segments that have a first remanent magnetisie alternate with segments that are not magnetic Are magnetized or magnetizable, in which the mag netisation has the limit zero.

Grundgedanke der Erfindung ist es also, die Streufelder dadurch zu erzeugen, daß Segmente mit unterschiedlich starker remanenter Magnetisierung aneinandergrenzen, wo­ bei auch Segmente mit einer Magnetisierung Null, d. h. ohne remanente Magnetisierung, vorgesehen sein können. Zwar besteht auch hier die Gefahr einer Ummagnetisierung oder Entmagnetisierung der Segmente durch ein starkes Ma­ gnetfeld. Bei einer Ummagnetisierung würde sich an der Abfolge der Streufelder nichts ändern. Bei einer Schwä­ chung der Magnetisierung oder vollständigen Entmagneti­ sierung infolge eines Magnetfeldes oder Temperatureinfluß kann die magnetische Skala durch einfache Aufmagnetisie­ rung in der ursprünglichen Richtung wieder mit der ur­ sprünglichen Magnetisierungsstruktur versehen werden, so daß die Positionsmeßeinrichtung wieder verwendbar ist.The basic idea of the invention is therefore the stray fields by generating segments with different strong remanent magnetization, where for also segments with zero magnetization, i.e. H. without retentive magnetization, can be provided. Here, too, there is a risk of magnetic reversal or demagnetization of the segments by a strong measure gnetfeld. If the magnetization were reversed, the Do not change the sequence of the stray fields. With a Schwä magnetization or complete demagnetization sation due to a magnetic field or temperature influence can the magnetic scale by simple magnetization in the original direction with the original original magnetization structure are provided, so that the position measuring device can be used again.

Die Erzeugung unterschiedlich starker remanenter Magneti­ sierung kann am einfachsten dadurch bewirkt werden, daß die Segmente unterschiedliche Schichtdicken von ferro- oder ferrimagnetischem Material aufweisen, wobei in der Sonderform sich Segmente mit einer Beschichtung aus fer­ ro- oder ferrimagnetischem Material mit Segmenten ohne Beschichtung abwechseln, d. h. einem Bereich mit remanen­ ter Magnetisierung folgt ein Bereich ohne remanente Mag­ netisierung.The generation of differently strong remanent magnets The easiest way to achieve this is that  the segments different layer thicknesses of ferro- or have ferrimagnetic material, in which Special shape itself segments with a coating of fer Ro- or ferrimagnetic material with segments without Alternate coating, d. H. an area with remanence The magnetization follows an area without remanent mag netisierung.

Um eine einfache Auswertung der Signale zu erhalten, sollten die jeweils zweiten Segmente die gleiche Erstrec­ kung in Meßrichtung haben. Vorzugsweise sollten alle Seg­ mente in Meßrichtung die gleiche Erstreckung haben. Bei der Erfassung von translatorischen Bewegungen sollten die Segmente Rechteckform aufweisen.To get a simple evaluation of the signals, the second segments should have the same extent have in the measuring direction. Preferably all seg elements in the measuring direction have the same extent. at the detection of translatory movements Rectangular segments.

Schließlich ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Positionsmeßeinrichtung eine Magnetisiereinrichtung zur Aufmagnetisierung der Segmente aufweist. Auf diese Weise kann vor jedem Meßvorgang eine Magnetisierung der Segmen­ te automatisch erfolgen, um die Segmente im Falle einer Schwächung der Magnetisierung oder sogar einer Entmagne­ tisierung wieder aufmagnetisieren zu können.Finally, it is provided according to the invention that the Position measuring device a magnetizing device for Magnetization of the segments. In this way can magnetize the segments before each measuring process te done automatically to the segments in the event of a Weakening of magnetization or even demagnetization magnetization again.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels näher veranschaulicht. Sie zeigt ein Meß­ objekt 1, beispielsweise die Kolbenstange einer Kolben- Zylinder-Einheit zur Positionierung von Gegenständen. Das Meßobjekt 1 ist in Richtung des Pfeils A beweglich. Auf dem Meßobjekt 1 ist ein streifenförmiges Meßelement 2 aufgebracht. Das Meßelement 2 weist einen Träger 3 auf, der sich mit seiner Hauptachse in Richtung des Pfeils A erstreckt und aus einem nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise einem Kunststoff, besteht.In the drawing, the invention is illustrated in more detail using an exemplary embodiment. It shows a measuring object 1 , for example the piston rod of a piston-cylinder unit for positioning objects. The test object 1 is movable in the direction of arrow A. A strip-shaped measuring element 2 is applied to the measurement object 1 . The measuring element 2 has a carrier 3 , which extends with its main axis in the direction of arrow A and consists of a non-magnetizable material, for example a plastic.

Auf der Oberseite des Trägers 3 sind rechteckige Segmente - beispielhaft mit 4 bezeichnet - in Form von Beschich­ tungen gleicher Dicke aus einem ferro- oder ferrimagneti­ schen Material aufgebracht. Hierfür kommen beispielsweise die Materialien Fe, Co, Ni oder deren Legierungen unter­ einander oder mit anderen Elementen, insbesondere der seltenen Erden, in Frage, wobei auch Seltenerdmetalle wie Gd, Tb, Sm, Nd und deren Legierungen und schließlich auch magnetische Metalloxide verwendet werden können. Das ma­ gnetische Material kann sowohl als eine reine Metall­ schicht aufgebracht oder in Form von Partikeln in einem polymeren Binder bereitgestellt werden. Im ersteren Fall kann das Material durch thermisches Verdampfen, Sputtern oder galvanisches Abscheiden aus einer Lösung geschehen. Im zweiten Fall kann das Aufbringen durch Bedrucken oder Belacken geschehen. Dabei können die Fenster für die Segmente beispielsweise mittels lithographischer Verfah­ ren erzeugt werden.On the upper side of the carrier 3 , rectangular segments - designated 4 by way of example - are applied in the form of coatings of the same thickness made of a ferro- or ferrimagnetic material. For this purpose, for example, the materials Fe, Co, Ni or their alloys with one another or with other elements, in particular rare earths, come into question, whereby rare earth metals such as Gd, Tb, Sm, Nd and their alloys and finally also magnetic metal oxides can also be used , The magnetic material can either be applied as a pure metal layer or provided in the form of particles in a polymeric binder. In the former case, the material can be done by thermal evaporation, sputtering or electrodeposition from a solution. In the second case, the application can be done by printing or lacquering. The windows for the segments can be generated, for example, by means of lithographic processes.

Die Koerzivität des für die Segmente verwendeten Materi­ als sollte in einem Bereich zwischen 1 und 5000 Oe lie­ gen, um einerseits eine Stabilität gegen Störfelder zu haben und andererseits mit moderaten Magnetfeldern auf­ magnetisierbar zu sein. Die Curie-Temperatur sollte vor­ zugsweise höher als die Umgebungstemperatur, in der die Positionsmeßeinrichtung verwendet werden soll, liegen, um eine stabile Magnetisierung zu gewährleisten.The coercivity of the material used for the segments as should lie in a range between 1 and 5000 Oe on the one hand to provide stability against interference fields and on the other hand with moderate magnetic fields to be magnetizable. The Curie temperature should be before preferably higher than the ambient temperature at which the  Position measuring device to be used, lie around to ensure stable magnetization.

Die Segmente 4 sind identisch ausgebildet und haben glei­ che Abstände a. Ihre Erstreckung in Richtung des Pfeils A ist ebenfalls das Maß a. Zwischen den Segmenten 4 werden also Segmente - beispielhaft mit 5 bezeichnet - gebildet, die keine Beschichtung aufweisen und deshalb auch kein Magnetfeld erzeugen. Die Erstreckung der Segmente 4 in Breitenrichtung hat das Maß b.The segments 4 are identical and have equal distances a. Their extension in the direction of arrow A is also dimension a. Segments are thus formed between the segments 4 - designated 5 by way of example - which have no coating and therefore also do not generate a magnetic field. The extent of the segments 4 in the width direction has dimension b.

Oberhalb des Meßelements 2 ist ein induktiver Lesekopf 6 eines Magnetfeldsensors angeordnet. Er hat ein Joch 7 aus ferromagnetischem Material, das von einer Spule 8 umgeben ist.An inductive read head 6 of a magnetic field sensor is arranged above the measuring element 2 . It has a yoke 7 made of ferromagnetic material, which is surrounded by a coil 8 .

Die magnetischen Segmente 4 sind derart ausgebildet, daß ihre magnetisch leichten Achsen in der Ebene der Be­ schichtungen parallel zur Bewegungsrichtung des Meßob­ jekts 1, d. h. in Richtung des Pfeils A, liegen, was durch die beispielhaft mit B bezeichneten Pfeile symboli­ siert wird. Hierdurch entstehen an den Grenzen zwischen den magnetischen Segmenten 4 und den nicht magnetischen Segmenten 5 Streufelder. Wird das Meßobjekt 1 in Richtung des Pfeils A bewegt, wird durch die Streufelder ein elek­ trisches Signal in der Spule 8 induziert, das durch die Grafik 9 symbolisiert ist. Das Signal kann in der hier nicht dargestellten Auswerteeinrichtung des Magnetfeld­ sensors in der Weise verarbeitet werden, daß aus der An­ zahl der Signale die Position des Meßobjekts 1 ermittelt und aus dem Zeitabstand der Signale dessen Geschwindig­ keit erfaßt werden können. Die Breite b der Segmente 4 ist dabei so gewählt, daß das jeweilige Streufeld mit ei­ nem ausreichenden Signal-Rauschverhältnis erfaßt wird. Entsprechendes gilt für die Dicke der Beschichtung in den Segmenten 4.The magnetic segments 4 are formed such that their magnetically easy axes in the plane of the loading layers parallel to the direction of movement of the object 1 , ie in the direction of arrow A, lie, which is symbolized by the arrows labeled B as an example. This creates stray fields at the borders between the magnetic segments 4 and the non-magnetic segments 5 . If the test object 1 is moved in the direction of arrow A, an electrical signal is induced in the coil 8 by the stray fields, which is symbolized by the graphic 9 . The signal can be processed in the evaluation device, not shown here, of the magnetic field sensor in such a way that the position of the measurement object 1 is determined from the number of signals and the speed of the signals can be detected from the time interval between the signals. The width b of the segments 4 is chosen so that the respective stray field is detected with a sufficient signal-to-noise ratio. The same applies to the thickness of the coating in the segments 4 .

Claims (8)

1. Positionsmeßeinrichtung mit relativ zueinander be­ weglichen Meßelementen (2, 6), wobei das eine Meße­ lement (2) auf einem Träger (3) eine magnetische Skala in Form wenigstens einer Reihe von Segmenten (4, 5) unterschiedlicher Magnetisierung aufweist, die an ihren Grenzen Streufelder erzeugen, und wobei das andere Meßelement einen Magnetfeldsensor (6, 7, 8) zur Erfassung der Streufelder aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (4, 5) gleichge­ richtet magnetisiert sind, aber eine unterschiedlich starke remanente Magnetisierung haben.1. Position measuring device with relatively movable measuring elements ( 2 , 6 ), the one measuring element ( 2 ) on a carrier ( 3 ) having a magnetic scale in the form of at least a number of segments ( 4 , 5 ) of different magnetization, which their limits generate stray fields, and wherein the other measuring element has a magnetic field sensor ( 6 , 7 , 8 ) for detecting the stray fields, characterized in that the segments ( 4 , 5 ) are magnetized in the same direction, but have different remanent magnetization. 2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich Segmente (4) mit remanenter Magnetisierung mit Segmenten (5) ohne remanente Ma­ gnetisierung abwechseln.2. Position measuring device according to claim 1, characterized in that segments ( 4 ) with remanent magnetization alternate with segments ( 5 ) without remanent magnetization. 3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Segmente unterschied­ liche Schichtdicken aus ferro- oder ferrimag­ netischem Material aufweisen.3. Position measuring device according to claim 1 or 2, there characterized by that the segments differed layer thicknesses of ferro- or ferrimag have netic material. 4. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß sich Segmente (4) mit Be­ schichtung aus ferro- oder ferrimagnetischem Materi­ al mit Segmenten (5) ohne Beschichtung abwechseln.4. Position measuring device according to claim 2 and 3, characterized in that segments ( 4 ) with loading coating of ferro- or ferrimagnetic materi al with segments ( 5 ) alternate without coating. 5. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zwei­ ten Segmente (4, 5) die gleiche Erstreckung in Meß­ richtung haben.5. Position measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the two ten segments ( 4 , 5 ) have the same extent in the measuring direction. 6. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alle Segmente (4, 5) in Meßrich­ tung die gleiche Erstreckung haben.6. Position measuring device according to claim 5, characterized in that all segments ( 4 , 5 ) in the measuring direction have the same extent. 7. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (4, 5) Rechteckform haben.7. Position measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the segments ( 4 , 5 ) have a rectangular shape. 8. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Positions­ meßeinrichtung eine Magnetisiereinrichtung zur Auf­ magnetisierung der Segmente (4) aufweist.8. Position measuring device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the position measuring device has a magnetizing device for magnetizing the segments ( 4 ).
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