DE19523853A1 - Abtasteinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtastein­ heit, die sich insbesondere zum Einsatz in Verbin­ dung mit einer magnetischen Maßverkörperung eignet, um die Relativposition zweier zueinander bewegli­ cher Objekte zu erfassen. Die erfindungsgemäße Ab­ tasteinheit kann hierbei sowohl zur Längen- als aber auch zur Winkelmessung verwendet werden.

Eine Positionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte, bei der eine magnetische, periodische Maßverkörpe­ rung von einer Abtasteinheit mittels magnetore­ sistiver Elemente zur Erzeugung positionsabhängiger Ausgangssignale abgetastet wird, ist etwa aus der DE 42 03 073 bekannt.

Derartige Positionsmeßein­ richtungen können beispielsweise in einer Bearbei­ tungsmaschine zur Messung der Relativlage eines Werkzeuges bezüglich eines zu bearbeitenden Werk­ stückes vorteilhaft eingesetzt werden.

Der Einsatz magnetoresistiver Sensorelemente in einer derartigen Positionsmeßeinrichtung führt auf­ grund der magnetischen Eigenschaften der Sensorele­ mente jedoch zu Nachteilen. So treten mitunter Off­ setschwankungen der an die magnetoresistiven Sen­ sorelemente angeschlossenen Auswerte-Elektronik auf, was zu einem minimalen Meßschritt von ca. 1 µm bei einer Teilungsperiode von 400 µm und einer Si­ gnalperiode von 200 µm führt.

Zur Meßsignal-Optimierung ist nunmehr bekannt, dem Maßstabsfeld ein trägerfrequentes Magnetfeld zu überlagern. Zum Erzeugen des trägerfrequenten Ma­ gnetfeldes wird üblicherweise eine Spule einge­ setzt, die über einen Wechselstrom definierter Fre­ quenz gespeist wird. Eine derartige Anordnung mit magnetoresistivem Sensorelement und Spule in einer Abtasteinheit ist beispielsweise aus der JP 3-131717 bekannt. Die darin vorgeschlagene Relativ­ anordnung von Spule und magnetoresistivem Sensor­ element innerhalb der Abtasteinheit erweist sich jedoch als nicht optimal im Hinblick auf eine ein­ fache Fertigung und Montage bzw. hinsichtlich eines zuverlässigen Betriebes des Meßsystemes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Abtasteinheit zu schaffen, welche möglichst einfach zu fertigen und zu montieren ist und zudem eine stets definierte Relativanordnung von Abtast­ einheit und magnetischer Maßverkörperung sicher­ stellt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abtasteinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1. Ein Meßsystem mit magnetischer Maßverkörperung und erfindungsge­ mäßer Abtasteinheit ist Gegenstand des Anspruches 15.

Weitere Möglichkeiten zur vorteilhaften bzw. alter­ nativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abtast­ einheit ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Abtasteinheit gewährleistet nunmehr eine einfache Fertigung bzw. Montage. So kann das Trägerelement der Abtasteinheit etwa auf einer bekannten Wickelmaschine fixiert und mit ei­ ner geeigneten Spulenwicklung versehen werden. An­ schließend lassen sich ein oder mehrere magnetore­ sistive Sensorelemente problemlos montieren bzw. justieren.

Zur Montage auf herkömmlichen Wickelmaschinen kann das Trägerelement beispielsweise mit ein oder meh­ reren geeigneten Befestigungs-Elementen versehen werden.

Neben einer Spule können jederzeit auch anders aus­ geführte Magnetfeld-Erzeugungsmittel, wie z. B. ein flexibles Leiterband, in Verbindung mit der erfin­ dungsgemäßen Abtasteinheit eingesetzt werden.

Ferner existieren verschiedene Möglichkeiten das Trägerelement derart geeignet auszugestalten, daß eine einfache Zuführung von Signal- und/oder Ver­ sorgungsleitungen zum Sensorelement gewährleistet wird.

Als vorteilhaft erweist sich desweiteren, daß die erfindungsgemäße Abtasteinheit in Verbindung mit einer magnetischen Maßverkörperung zuverlässig be­ trieben werden kann, wobei insbesondere stets der erforderliche geringe Abstand zwischen Sensorfläche und Maßverkörperung eingehalten wird. Dies wird durch die freitragende Ausführung der Magnet­ feld-Erzeugungsmittel in der zur magnetischen Maßverkör­ perung orientierten Richtung sichergestellt.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungs­ gemäßen Abtasteinheit ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an­ hand der beiliegenden Figuren.

Hierbei zeigt

Fig. 1a und 1b eine Seiten- und Quer­ schnitts-Ansicht einer er­ sten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtast­ einheit in Verbindung mit einer magnetischen Maßver­ körperung;

Fig. 2a und 2b eine Seiten- und Quer­ schnitts-Ansicht einer zwei­ ten Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Abtastein­ heit in Verbindung mit einer magnetischen Maßverkörpe­ rung;

Fig. 3a und 3b eine Seiten- und Quer­ schnitts-Ansicht einer drit­ ten Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Abtastein­ heit in Verbindung mit einer magnetischen Maßverkörpe­ rung;

Fig. 4a und 4b eine Seiten- und Quer­ schnitts-Ansicht einer vier­ ten Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Abtastein­ heit in Verbindung mit einer magnetischen Maßverkörpe­ rung;

Fig. 5 eine Querschnitts-Ansicht einer fünften Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Abtasteinheit in Verbindung mit einer magnetischen Maß­ verkörperung.

Das in den Fig. 1a und 1b dargestellte Ausfüh­ rungsbeispiel stellt eine erste Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Abtasteinheit (1) dar. In schematisierter Form ist hierbei unter­ halb der Abtasteinheit (1) die magnetische Maßver­ körperung (2) dargestellt, welche in Meßrichtung x eine periodische Meßteilung aufweist. Im darge­ stellten Ausführungsbeispiel sind hierbei jeweils gegenpolig magnetisierte Bereiche aufeinanderfol­ gend angeordnet. Der Abstand zwischen den Mitten gleichsinnig gepolter Magnetbereiche (Teilungsperi­ ode) liegt in einer möglichen Ausführungsform bei ca. 400 µm.

Die magnetische Maßverkörperung (2) kann etwa aus ferromagnetischem Material mit alternierend gepol­ ten Bereichen bestehen. Alternativ hierzu ist es jedoch auch prinzipiell möglich, über eine geeig­ nete Spulenanordnung das erforderliche magnetische Maßverkörperungs-Feld zu realisieren. Ferner kann auch die Magnetisierung der Maßverkörperung anders orientiert sein als im dargestellten Ausführungs­ beispiel, etwa senkrecht zum Maßstab, etc.

Im Abstand d über der magnetischen Maßverkörperung (2) ist die in X-Richtung linear verschiebbare Ab­ tasteinheit (1) angeordnet, das heißt dargestellt ist ein Längen-Meßsystem. Alternativ zum darge­ stellten Ausführungsbeispiel kann die erfindungs­ gemäße Abtasteinheit selbstverständlich auch zur Winkelmessung verwendet werden. In diesem Fall wäre eine kreisförmige magnetische Maßverkörperung zu realisieren.

Die erfindungsgemäße Abtasteinheit (1) umfaßt min­ destens ein magnetoresistives Sensorelement (3), welches in Darstellung der Fig. 1a und 1b ledig­ lich schematisiert angedeutet ist. Mehrere magneto­ resistive Sensorelemente können beispielsweise der­ art angeordnet werden, wie in der DE 4 20 373 be­ schrieben. Das bzw. die Sensorelemente (3) weisen jeweils eine Sensorfläche (3.1) auf, welche in Richtung der abzutastenden magnetischen Maßverkör­ perung (2) orientiert ist. Das Sensorelement (3) wird nunmehr erfindungsgemäß von einem Trägerele­ ment (4) der Abtasteinheit (1) in einer definierten Relativorientierung zur Maßverkörperung (2) fi­ xiert. Definiert in Richtung der magnetischen Maß­ verkörperung (2) ist demzufolge auch die Sensor­ fläche (3.1) des Sensorelementes (3) ausgerichtet. Zur Anordnung bzw. Befestigung des Sensorelementes (3) weist das Trägerelement (4) mindestens eine erste Montagefläche (4.1) auf. Um das Trägerelement (4) wiederum sind in Längsrichtung die Magnetfeld- Erzeugungsmittel (5) angeordnet, die das träger­ frequente Magnetfeld liefern, mit dem die vorab erwähnten Probleme minimiert werden können. Als Magnetfeld-Erzeugungsmittel (5) ist im darge­ stellten Ausführungsbeispiel eine um das Trägerele­ ment (4) gewickelte Spule vorgesehen, die von einem Wechselstrom mit einer Frequenz von ca. 10 kHz ge­ speist wird. Als alternatives Magnetfeld-Erzeu­ gungsmittel kommt etwa ein flexibles Leiterband in Betracht, welches das Trägerelement umgibt und ebenfalls von einem geeigneten Wechselstrom durch­ flossen wird.

Das im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1a und 1b verwendete Trägerelement (4) weist im Querschnitt einen etwa brückenförmigen Aufbau auf. An der der Maßverkörperung (2) zugewandten offenen Querschnitts-Seite ist eine Aussparung mit der erwähnten ersten Montagefläche (4.1) vorgese­ hen, die das eigentliche Sensorelement (3) auf­ nimmt. In Richtung der Maßverkörperung (2) ist die Spule bei nicht-montiertem Sensorelement (3) dem­ nach freitragend ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet nunmehr, daß auf einer herkömmlichen Wickelmaschine das Trä­ gerelement (4) mit der entsprechenden Spulenwick­ lung versehen und anschließend das geeignete Sen­ sorelement (3) montiert werden kann.

Das Material des Trägerelementes (4) weist vorzugs­ weise eine magnetische Permeabilitätszahl µ_R nahe 1 auf. Desweiteren ist das verwendete Material des Trägerelementes vorzugsweise als elektrischer Isolator ausgeführt. Als geeignete Materialen hierfür erweisen sich etwa Kunststoffe wie z. B. Polyamid oder aber Keramiken wie etwa z. B. Steatit. Eine derartige Materialwahl gewährleistet, daß das Maß­ stab-Feld und das über die Magnetfeld-Erzeugungs­ mittel generierte Feld nicht verfälschend beein­ flußt werden.

Desweiteren kann das Trägerelement-Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der nahezu identisch mit dem thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten der umgebenden Bauteile des komplet­ ten Meßsystemes ist. Dadurch lassen sich Ungenauig­ keiten bei der Längenmessung minimieren, die in erster Linie auf unterschiedliches thermisches Aus­ dehnungsverhalten der verschiedenen verwendeten Materialien zurückzuführen sind.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Abtasteinheit (21) inclusive magnetischer Maßverkörperung (22) ist in den Fig. 2a und 2b dargestellt. Die Grundkonfiguration entspricht hierbei im wesentlichen dem des vorab beschriebenen Ausführungsbeispieles; zusätzlich hierzu umfaßt nunmehr das Trägerelement (24) an seinen Längssei­ ten jeweils Befestigungselemente (26a, 26b), von denen eines mit ein oder mehreren Längsöffnungen (27) versehen ist, durch die der Spulendraht (28a, 28b) gewickelt und eingefädelt wird. Desweiteren dienen die Befestigungselemente (26a, 26b) zur Mon­ tage des Trägerelementes (24) in bekannten Wickel­ maschinen. Dort kann das Trägerelement (24) in her­ kömmlicher Art und Weise eingespannt und mit der erforderlichen Spulenwicklung versehen werden. Als geeignet erweist sich hierbei etwa ein Drahtdurch­ messer von ca. 50 µm und eine Windungszahl von ca. 700. Nach erfolgter Spulenwicklung können die Be­ festigungselemente (26a, 26b) zur Montage und Justage der Abtasteinheit (21) wieder abgenommen werden. Dementsprechend sind die Befestigungsele­ mente (26a, 26b) in einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit lösbar am Trä­ gerelement (24) angeordnet. Die lösbare Anordnung kann hierbei z. B. durch Sollbruchstellen, Schraub- oder Steckverbindungen etc. gewährleistet werden.

Daneben können die Befestigungselemente (26a, 26b) im Fall der nicht-lösbaren Anordnung am Trägerele­ ment (24) auch als weitere Montageflächen des Trä­ gerelementes (24) innerhalb eines Meßsystemes die­ nen.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit zeigen die Fig. 3a und 3b. Wiede­ rum ist die Grundkonfiguration der Abtasteinheit mit Trägerelement (34), Magnetfeld-Erzeugungsmittel (35) und in definierter Relativorientierung hierzu angeordnetem Sensorelement (33) identisch mit der Konfiguration der vorab beschriebenen Ausführungs­ formen. Ebenso sind wie im vorab beschriebenen Aus­ führungsbeispiel der Fig. 2a und 2b Befesti­ gungselemente (36a, 36b) an den Enden des Träger­ elementes (34) vorgesehen. Diese dienen zum Be­ festigen des Trägerelementes (34) in der Wickel­ maschine. Im Unterschied zu den vorab beschriebenen Ausführungsformen ist nunmehr jedoch der Quer­ schnitt des Trägerelementes (34) so ausgeführt, daß das Sensorelement (33) derart im Inneren des Trä­ gerelementes (34) positioniert wird, daß über ent­ sprechende Anschläge ein Abstand bzw. ein schmaler Zwischenraum (39) zwischen dem Trägerelement (34) und dem Sensorelement (33) gewährleistet wird. Der resultierende Zwischenraum (39) kann in vorteilhaf­ ter Weise etwa für die erforderlichen Signal- und/ oder Versorgungsleitungen des Sensorelementes (33) verwendet werden, die in Fig. 3a und 3b jedoch nicht dargestellt sind. Hierfür können z. B. geeig­ nete Litzen oder flexible Leiterbänder eingesetzt werden, die im Zwischenraum (39) angeordnet sind. Alternativ hierzu können diese Leitungen jedoch auch im Trägerelement integriert verlaufen.

Eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit zeigen die Fig. 4a und 4b. Die Konfiguration mit ebenfalls vorgesehenem Zwischen­ raum (49) entspricht hierbei im wesentlichen der des vorab beschriebenen Ausführungsbeispieles. Zu­ sätzlich ist jedoch nunmehr an der Unterseite der Abtasteinheit (41) eine Schutzschicht (40) über der Spule vorgesehen. Die Schutzschicht (40) gewähr­ leistet, daß weder die Magnetfeld-Erzeugungsmittel (45) noch die Sensorfläche (43.1) des verwendeten Sensorelementes (43) verschmutzt oder aber beschä­ digt wird. Als geeignete Schutzschichten kommen etwa Lacke, Vergußmassen oder aber Folien bzw. me­ tallische Glasschichten in Betracht. Wesentlich ist hierbei die gewünschte Resistenz der Schutzschicht gegenüber mechanischen Belastungen, Chemikalien, Kühlmitteln, Ölen etc., um derart eine hohe Be­ triebssicherheit in einem Meßsystem zu gewährlei­ sten.

Neben der Anordnung der Schutzschicht lediglich auf der jeweiligen Sensorfläche bzw. auf der Seite der Abtasteinheit, die der magnetischen Maßverkörperung zugewandt ist, kann desweiteren eine geeignete Schutzschicht auch andere Teile bzw. die gesamte Abtasteinheit ummanteln.

Eine weitere mögliche Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Abtasteinheit zeigt Fig. 5. Hierbei wurde das Trägerelement (54) kreissegment-förmig dimensioniert. Nach wie vor ist jedoch die freitra­ gende Anordnung der als Spule ausgeführten Magnet­ feld-Erzeugungsmittel (55) auf der der Maßverkörpe­ rung (52) zugewandten Seite der Abtasteinheit (51) sichergestellt.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abtastein­ heit gestattet ein einfaches Aufbringen der Spulen­ wicklungen auf dem Trägerelement über bekannte Wic­ kelmaschinen. Anschließend kann bei geeigneter Di­ mensionierung des Querschnittes des Trägerelementes das Sensorelement einfach in Längsrichtung in die vorgesehene Aussparung hineingeschoben werden. Fer­ ner ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Trägerelementes sichergestellt, daß auf der dem Maßstab zugewandten Seite der Abtasteinheit die Spulenwicklung nur einen definierten Raum von ca. 50 µm über der Sensorfläche einnimmt. Dadurch kann der gewünschte geringe Abstand zwischen der magne­ tischen Maßverkörperung und der Sensorfläche des Sensorelementes von etwa 50-100 µm innerhalb des Meßsystemes sichergestellt werden.

Claims (15)

1. Abtasteinheit, insbesondere für eine magneti­ sche Maßverkörperung (3; 22; 32; 42; 52), zur Messung der Relativposition zweier zueinander beweglicher Objekte, bestehend aus mindestens einem magnetoresistiven Sensorelement (3; 23; 33; 43; 53) mit einer Sensorfläche (3.1; 23.1; 33.1; 43.1; 53.1) sowie Mitteln (5; 25; 35; 45; 55) zur Erzeugung eines trägerfrequenten Ma­ gnetfeldes, wobei das Sensorelement (2; 23; 33; 43; 53) sowie die Magnetfeld-Erzeugungsmittel (5; 25; 35; 45; 55) derart in einer definierten Relativposition zueinander an einem Trägerele­ ment (4; 24; 34; 44; 54) angeordnet sind, daß die Sensorfläche (3.1; 23.1; 33.1; 43.1; 53.1) des Sensorelementes (3; 23; 33; 43; 53) in Richtung der Maßverkörperung (2; 22; 32; 42; 52) orientiert ist.

2. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei als Ma­ gnetfeld-Erzeugungsmittel (5; 25; 35; 45; 55) mindestens eine Spule vorgesehen ist, welche um das Trägerelement (4; 24; 34; 44; 54) gewickelt und in Richtung der magnetischen Maßverkörpe­ rung (2; 22; 32; 42; 52) freitragend ausgeführt ist.

3. Abtasteinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei an der Abtasteinheit mindestens in Richtung der magnetischen Maßverkörperung (2; 22; 32; 42; 52) eine Schutzschicht (40) aufgebracht ist.

4. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei das Trä­ gerelement (4; 24; 34; 44) im Längsquerschnitt im wesentlichen brückenförmig ausgebildet ist und an die offene Querschnittsseite das magne­ toresistive Sensorelement (3; 23; 33; 43) mon­ tierbar ist.

5. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei das Trä­ gerelement (54) im Längsquerschnitt kreisseg­ ment-förmig ausgeführt ist und an der offenen Querschnittsseite das magnetoresistive Sensor­ element (53) montierbar ist.

6. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei das Mate­ rial des Trägerelementes (4; 24; 34; 44; 54) eine magnetische Permeabilität µ_R nahe 1 auf­ weist.

7. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei das Mate­ rial des Trägerelementes (4; 24; 34; 44; 54) ein elektrischer Isolator ist.

8. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei das Mate­ rial des Trägerelementes (4; 24; 34; 44; 54) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf­ weist, der nahezu identisch mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der umgebenden Bautei­ le ist.

9. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei das Trä­ gerelement (24; 34; 44; 54) an seinen Längs­ enden Befestigungs-Elemente (26a, 26b; 36a; 36b; 47a; 47b) aufweist, an denen das Träger­ element (24; 34; 44; 54) in einer Wickelmaschi­ ne fixierbar ist.

10. Abtasteinheit nach Anspruch 9, wobei die Be­ festigungs-Elemente (26a, 26b; 36a; 36b; 47a; 47b) lösbar mit dem Trägerelement (24; 54; 44; 54) verbunden sind.

11. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei das Trä­ gerelement (4; 24; 34; 44; 54) mindestens eine erste Montagefläche (4.1; 24.1; 34.1; 44.1; 54.1) aufweist, an der das magnetoresistive Sensorelement (3; 23; 33; 43; 53) befestigbar ist.

12. Abtasteinheit nach Anspruch 11, wobei das Trä­ gerelement (4; 24; 34; 44; 54) mindestens eine zweite Montagefläche aufweist, an der es in einem Meßsystem befestigbar ist.

13. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei die elek­ trischen Signal- und/oder Versorgungsleitungen des magnetoresistiven Sensorelementes (3; 33; 43) zwischen dem Trägerelement in einem Zwi­ schenraum (34; 44) und dem magnetoresistiven Sensorelement (33; 43) angeordnet sind.

14. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei die elek­ trischen Signal- und/oder Versorgungsleitungen des magnetoresistiven Sensorelementes in das Trägerelement integriert sind.

15. Magnetisches Meßsystem zur Messung der Relativ­ lage zweier zueinander beweglicher Objekte, bei der eine periodische, magnetische Maßverkörpe­ rung (2; 22; 32; 42; 52) in Meßrichtung zur Erzeugung von positionsabhängigen Ausgangssi­ gnalen mit einer Abtasteinheit (1; 21; 31; 41; 51) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche abgetastet wird.