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Die Erfindung betrifft eine magnetisch abtastende Positionsmessvorrichtung, die neben Sensorsignalen zur Bestimmung der relativen Position auch ein Indexsignal erzeugen kann.
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Magnetische Encoder, wie z. B. inkrementale Drehgeber benötigen zum Messen absoluter Positionswerte nicht nur ein hochauflösendes Sensorsignal zur Bestimmung der relativen Position, sondern auch ein Indexsignal, welches den Referenzpunkt zum Ermitteln des absoluten Wertes liefert.
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Aus der
US 5,898,321 ist ein magnetischer Encoder zum Erzeugen von hochauflösenden Sensorsignalen und eines Indexsignals bekannt. Der bekannte Encoder enthält eine Maßverkörperung, zum Beispiel ein Polrad, mit einer einzigen magnetische Spur, die sowohl zur Erzeugung von hochauflösenden Sensorsignalen als auch zur Erzeugung eines Indexsignals dient. Die magnetische Spur weist Polpaare mit einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol auf, die in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Die Pole weisen orthogonal zur magnetischen Spur verlaufende Grenzflächen auf, die die jeweiligen Polpaare jeweils in einen gleichmäßig geformten, segmentförmigen, magnetischen Nordpol und magnetischen Südpol unterteilen. Um ein Indexsignal erzeugen zu können, enthält die magnetische Spur wenigstens einmagnetisches Polpaar, welches eine zur magnetischen Spur schräg verlaufende Grenzfläche zwischen dem magnetischen Nord- und dem magnetischen Südpol aufweist. Ein magnetischer Sensor, der den Rand der magnetischen Spur abtastet, erkennt das irregulär aufgebaute Polpaar dadurch, dass er einen breiten Pol und einen schmaleren Pol abtastet. Auf diese Weise wird das Indexsignal erzeugt. Um das hochauflösende Sensorsignal zu erzeugen, ist ein weiterer Sensor vorgesehen, der die magnetische Spur in der Mitte abtastet. Ein Nachteil des bekannten magnetischen Encoders besteht darin, dass eine magnetische Spur mit unterschiedlich geformten Polpaaren aufwendig herzustellen ist, da die magnetische Spur nicht in einem einheitlichen Magnetisierungsablauf erzeugt werden kann. Außerdem erfordern die in radialer Richtung nebeneinander angeordneten Sensoren entsprechend breite Polräder und die mittlere Abtastspur ist genau zum Polrad auszurichten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetisch abtastende Positionsmessvorrichtung bereit zu stellen, welche Sensorsignale zur Bestimmung der relativen Position und ein Indexsignal erzeugen kann, die sich nur gering oder überhaupt nicht gegenseitig stören und Justagetoleranzen hinsichtlich der Maßverkörperung und der Sensoren zulassen. Zudem können herkömmlich Magnetverkörperungen zum Erzeugen eines Indexsignals in einfacher Weise nachgerüstet werden.
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, eine Maßverkörperung mit einer gleichmäßig geformten magnetischen Spur vorzusehen. Hierzu weist die magnetische Spur lediglich gleichmäßig geformte Bereiche wechselnder Polarität auf, die in einem einheitlichen oder gleichförmigen Magnetisierungsprozess hergestellt werden können. Um auch ein Indexsignal erzeugen zu können, ist an einer anderen Oberfläche der Maßverkörperung ein lokal begrenzter Bereich vorbestimmter Magnetisierung vorgesehen.
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Das oben genannte technische Problem wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird eine magnetisch abtastende Positionsmessvorrichtung bereitgestellt, welche eine Maßverkörperung enthält. Die Maßverkörperung weist eine erste Oberfläche mit einer magnetisierten Spur auf, die in mehrere gleichförmige Bereiche wechselnder Polarität unterteilt ist. Ein Bereich wechselnder Polarität wird auch als Polpaar bezeichnet, und weist einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol auf. Die Maßverkörperung weist ferner wenigstens eine zweite Oberfläche auf, die wenigstens einen lokal begrenzten Bereich mit vorbestimmter Magnetisierung vorsieht. Bei dem lokalbegrenzten Bereich vorbestimmter Magnetisierung kann es sich wiederum um ein Polpaar handeln, welches als flacher Stabmagnet ausgebildet sein kann. Die wenigstens eine zweite Oberfläche liegt unter einem vorbestimmten Winkel zur ersten Oberfläche oder gegenüber der ersten Oberfläche. Die magnetisch abtastende Positionsmessvorrichtung enthält weiterhin eine Abtasteinrichtung, welche wenigstens einen ersten magnetischen Sensor zum Abtasten der magnetischen Spur aufweist, welcher insbesondere hochauflösende Sensorsignale zum Ermitteln einer relativen Position liefert. Die Abtasteinrichtung weist ferner wenigstens einen zweiten magnetischen Sensor zum Abtasten des wenigstens einen lokal begrenzten Bereichs auf, um wenigstens ein Indexsignal zu erzeugen. Vorzugsweise können mehrere erste und/oder zweite magnetische Sensoren jeweils ein Sensorarray bilden. Alternativ können mehrere erste und/oder zweite magnetische Sensoren jeweils entlang einer Sensorlinie angeordnet sein.
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Weiterhin weist die magnetisch abtastende Positionsmessvorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, die aus den Sensorsignalen des ersten Sensors die relative Position der Maßverkörperung zu dem ersten Sensor und aus dem Indexsignal des zweiten Sensors eine Referenzposition der Maßverkörperung ermittelt.
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Um zu verhindern, dass die von der magnetischen Spur herrührenden Störfelder das Indexsignal beeinträchtigen, enthält die Auswerteeinrichtung eine entsprechend ausgebildete Filtereinrichtung.
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In ähnlicher Weise kann die Auswerteeinrichtung eine weitere Filtereinrichtung aufweisen, die Störeinflüsse des lokal begrenzten Bereichs auf die magnetische Spur unterdrücken.
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Bei der Maßverkörperung kann es sich um ein Polrad zum Messen von Winkelpositionen oder um eine linear ausgebildete Maßverkörperung zur Längenmessung handeln.
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Um einen einfachen und kompakten Aufbau der Abtasteinrichtung zu ermöglichen, sind der erste und zweite magnetische Sensor in einer Ebene angeordnet. Die Ebene liegt vorzugsweise parallel zur ersten Oberfläche.
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Um eine platz- und energiesparende Positionsmessvorrichtung herstellen zu können, bilden die Abtasteinrichtung und die Auswerteeinrichtung eine integrierte Schaltung.
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Eine zweckmäßige Ausbildungsform sieht vor, dass der wenigstens eine erste und/oder der wenigstens eine zweite magnetische Sensor ein Hall-Sensor ist.
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Um ein zuverlässiges, insbesondere hochauflösendes Sensorsignal zu erzeugen, ist der wenigstens ein erster Sensor mittig zur magnetischen Spur angeordnet.
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Um zu verhindern, dass die durch den lokal begrenzten Bereich erzeugten Magnetfelder die vom ersten Sensor erzeugten Sensorsignale stören, kann der lokal begrenzte Bereich derart angeordnet sein, dass die durch ihn hervorgerufenen Magnetfelder zumindest teilweise parallel zur ersten Oberfläche verlaufen. Bei einem Polrad weist der lokal begrenzte Bereich in diesem Fall eine radiale Magnetisierungvorzugsweise über die gesamte Spurbreite der Maßverkörperung auf. Ist der erste magnetische Sensor ein Hall-Sensor, bedeutet dies, dass er die durch den lokal begrenzten Bereich hervorgerufenen Magnetfelder aufgrund einer fehlenden z-Komponente nicht detektiert.
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Da der lokal begrenzte Bereich nach der Herstellung der Maßverkörperung und nach dem Aufbringen der magnetischen Spur an der Maßverkörperung angebracht werden kann, können die Positionsmessvorrichtungen auch nachträglich noch entsprechend der Erfindung erweitert werden, um ein Indexsignal zu erzeugen.
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Der zweite Sensor kann seitlich versetzt zu der magnetisierten Spur bzw. zu der Maßverkörperung angeordnet sein. Der zweite Sensor kann die magnetische Spur zumindest teilweise überlappen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht einer magnetisch abtastenden Positionsmessvorrichtung, in der die Erfindung verwirklicht ist, wobei lediglich ein Kreissegment des verwendeten Polrades dargestellt ist,
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2 einen Querschnitt durch die in 1 gezeigte Positionsmessvorrichtung entlang der Linie A-A, und
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3 ein xyz-Koordinatensystem zur Lagebestimmung des in 2 gezeigten Magnetfeldes.
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1 zeigt eine beispielhafte magnetisch abtastende Positionsmessvorrichtung 10, die als Maßverkörperung ein Polrad 20 enthält. Das Polrad 20 weist eine erste Oberfläche 22 auf, die in 2 entsprechend gekennzeichnet ist. Die Oberfläche 22 weist eine magnetisierte Spur 30 auf, welche in mehrere Bereiche 32, 35 wechselnder Polarität unterteilt ist. Die magnetische Spur 30 kann auf herkömmliche Weise hergestellt werden, indem zum Beispiel eine oberflächliche Magnetisierung eingebracht wird. Zwei benachbarte Bereiche wechselnder Polarität bilden ein Polpaar, welches einen magnetischen Nordpol 32 und einen magnetischen Südpol 35 aufweist. Alle magnetischen Polpaare und deren Bereiche sind einheitlich geformt und gleichmäßig über die gesamte Oberfläche 22 verteilt, wie dies in 1 abschnittsweise dargestellt ist. Die Grenzfläche zwischen einem magnetischen Nordpol 32 und einem magnetischen Südpol 35 verläuft radial.
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Der im vorliegenden Beispiel rechteckförmige Querschnitt des Polrades 20 weist, wie in 2 gezeigt, eine zweite Oberfläche 24 auf, die gegenüber der ersten Oberfläche 22 liegt. Die zweite Oberfläche 24 weist im vorliegenden Beispiel einen einzigen lokal begrenzten Bereich 50 mit vorbestimmter Magnetisierung auf. Der lokal begrenzte Bereich 50 kann, wie 2 zeigt, durch ein Polpaar mit einem magnetischen Nordpol 52 und einem magnetischen Südpol 54 realisiert werden. Wie in 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt, ist der lokal begrenzte Bereich 50 quer zur magnetisierten Spur 30 angeordnet. Das heißt, die Grenzfläche 53 zwischen dem magnetischen Nordpol 52 und dem magnetischen Südpol 54 des lokal begrenzten Bereichs 50 verläuft tangential zur Mittellinie der magnetisierten Spur 20. Dadurch erzeugt der lokal begrenzte Bereich 50 ein Magnetfeld mit radialer Magnetisierung. Die dazugehörenden Feldlinien 70 sind schematisch in 2 dargestellt.
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Der lokal begrenzte Bereich 50 kann auch nach der Fertigstellung des Polrads 20 noch nachträglich durch entsprechende Magnetisierung der zweiten Oberfläche 24 hergestellt werden. Denkbar ist auch, dass der lokal begrenzte Bereich 50 als flacher Stabmagnet oder als flaches Blatt mit zwei Magnetpolen auf der Oberfläche 24 aufgeklebt wird.
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Die Positionsmessvorrichtung 10 weist weiterhin eine Abtasteinrichtung 40 auf, welche wenigstens einen ersten magnetischen Sensor 41 und wenigstens einen zweiten magnetischen Sensor 42 aufweist. Die magnetischen Sensoren 41 und 42 sind Beispielsweise Hall-Sensoren. Im vorliegenden Beispiel sind die beiden magnetischen Sensoren 41 und 42 in einer Ebene, welche parallel zur ersten Oberfläche 22 verläuft, angeordnet. Der erste magnetische Sensor 41 ist derart angeordnet, dass er die Mitte der magnetisierten Spur 30 abtasten kann. Der zweite magnetische Sensor 42 ist seitlich versetzt zu der magnetischen Spur 30 angeordnet. Der zweite Sensor 42 kann die magnetische Spur 30 aber auch zumindest teilweise überlappen. Im vorliegenden Beispiel ist der magnetische Sensor 42 außerhalb der magnetischen Spur 20 angeordnet. Wie 1 zeigt, können die magnetischen Sensoren 41 und 42 radial zueinander versetzt angeordnet sein.
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Der erste magnetische Sensor 41 tastet die magnetisierte Spur 30 ab, um ein hochauflösendes Sensorsignal zu liefern. Dieses Sensorsignal wird einer Auswerteeinrichtung 60 zugeführt, welche in an sich bekannter Weise aus diesem Signal die relative Position der Maßverkörperung 20 zu dem magnetischen Sensor 41 ermitteln kann. Der zweite magnetische Sensor 42 tastet den lokal begrenzten Bereich 50 ab und liefert ein Indexsignal, welches ebenfalls der Auswerteeinrichtung 60 zugeführt wird. Aus dem Indexsignal ermittelt die Auswerteeinrichtung 60 die Referenzposition der Maßverkörperung 20. Aus beiden Signalen kann die Auswerteeinrichtung 60 dann die Absolutposition des Polrades ermitteln.
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Die Auswerteeinrichtung 60 ist im vorliegenden Beispiel als Teil der Abtasteinrichtung 40 dargestellt, um anzudeuten, dass die Auswerteeinrichtung 60 und die Abtasteinrichtung 40 Komponenten einer gemeinsamen integrierten Schaltung sein können. Allerdings können sie auch als separate Bausteine realisiert werden.
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Damit die von der magnetischen Spur 30 herrührenden magnetischen Felder das Indexsignal, welches vom magnetischen Sensor 42 erzeugt wird, nicht beeinträchtigen, kann die Auswerteeinrichtung 60 eine nicht dargestellte Filtereinrichtung aufweisen, die auch die Signale des Sensors 41 verwerten kann. Die Auswerteeinrichtung 60 kann eine weitere, nicht dargestellte Filtereinrichtung aufweisen, die verhindert, dass die vom lokal begrenzten, radial magnetisierten Bereich 50 herrührenden und vom zweiten Sensor erzeugten Signale die vom ersten magnetischen Sensor 41 erzeugten hochauflösenden Sensorsignale stören. Dem Fachmann ist bekannt, wie solche Filtereinrichtungen schaltungstechnisch realisiert werden können.
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Wie zuvor bereits erwähnt, weist der lokal begrenzte Bereich 50 eine radiale Magnetisierung auf. Das bedeutet, dass die magnetischen Feldlinien seitlich aus dem magnetischen Nordpol 52 austreten, dann im wesentlichen radial und parallel zur Oberfläche 22 und zur Oberfläche 24 verlaufen und anschließend wieder seitlich am Südpol 54 eintreten.
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Bewegt sich die Abtasteinrichtung 40 während eines Messvorgangs über den lokal begrenzten Bereich 50 hinweg, so wird das durch den lokal begrenzten Bereich 50 hervorgerufene magnetische Feld durch den Hall-Sensor 42 detektiert, da das magnetische Feld in der Nähe des Hall-Sensors 42 eine z-Komponente aufweist und somit die aktive Fläche des Hall-Sensors 42 senkrecht durchtritt. Die beschriebene räumliche Orientierung ergibt sich aus dem in 3 gezeigten Koordinatensystem. Das resultierende Indexsignal wird, wie bereits erwähnt, der Auswerteeinrichtung 60 zur weiteren Verarbeitung übergeben.
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Während des Messvorgangs tastet der Hallsensor 41 die magnetische Spur 30 in an sich bekannter Weise ab und überträgt die Sensorsignale ebenfalls zur Auswerteeinrichtung 60. Bewegt sich der Hall-Sensor 41 nunmehr über den lokal begrenzten Bereich 50 hinweg, wird er durch das vom lokal begrenzten Bereich 50 herrührende Magnetfeld nicht gestört. Denn die Feldlinien 70 des vom lokal begrenzten Bereich 50 herrührenden Magnetfeldes verlaufen oberhalb der Oberfläche 22 des Polrads, zumindest jedoch in der Nähe des Hallsensors 41 im Wesentlichen parallel zur aktiven Zone des magnetischen Sensors 41. Das magnetische Feld des lokal begrenzten Bereichs 50 weist somit in der Nähe des ersten magnetischen Sensors 41 keine z-Komponente auf und wird somit auch nicht detektiert. Die magnetische Spur 30 kann dank dieser Maßnahme auch im Bereich des lokal begrenzten Bereichs 50 störungsfrei abgetastet werden.
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Angemerkt sei an dieser Stelle, dass die Maßverkörperung 20 auch eine lineare Maßverkörperung sein kann. Denkbar ist ferner, dass der Querschnitt der Maßverkörperung 20 nicht rechteckförmig, sondern beispielsweise auch trapezförmig sein kann. In diesem Fall können die magnetisierte Spur 30 und der lokal begrenzte Bereich 50 an zwei verschiedenen Seiten angeordnet sein, die unter einem vorbestimmten Winkel zueinander liegen. Außerdem können mehrere erste oder zweite Sensoren 41 bzw. 42 vorgesehen sein, die jeweils in einer Linie oder in einem Feld angeordnet sind. Damit kann z. B. die Filterung oder die Auswertung der Signale vereinfacht oder Offset-Einflüsse oder die Justagetoleranzen der Sensoren gegenüber der Maßverkörperung verbessert werden.
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Weiterhin können mehrere Bereiche mit lokal begrenzter Magnetisierung in die Maßverkörperung eingebracht werden, um mehrere Indexsignale zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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