DE19910636A1 - Längenmeßsystem, bestehend aus einem oder mehreren magnetischen Maßstäben - Google Patents
Längenmeßsystem, bestehend aus einem oder mehreren magnetischen MaßstäbenInfo
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Abstract
Bei mindestens einem Maßstab des Längenmeßsystems liegt die Magnetisierungsrichtung in der Ebene seines senkrecht auf der Meßrichtung stehenden Querschnittes und bildet ein Magnetisierungsmuster. Im einfachen Fall ist die Magnetisierung des Querschnittes homogen. Mit Fortschreiten in Meßrichtung ist das Magnetisierungsmuster gegenüber dem am Maßstabsanfang zunehmend verdreht. Die Magnetisierung führt zu einem Magnetfeld, dessen Richtung mit Fortschreiten in Meßrichtung ebenfalls ständig weiter gedreht wird. Mit mindestens einem Magnetfeldsensor, der auf die Richtung des Magnetfeldes anspricht, wird der in der jeweiligen Position vorhandene Feldwinkel bestimmt und kann für viele unterschiedliche Varianten des Längenmeßsystems der Position eindeutig zugeordnet werden. Von Vorteil ist besonders, daß hier über große Meßlängen gleichmäßige Feldstärken über der Länge gleiche Meßbedingungen und damit geringe Fehler zulassen und daß bei codierter Darstellung der Länge mehrwertige Codes einfach darstellbar sind und große Auflösungen mit sehr geringen Sensorzahlen erreicht werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein magnetisches Längenmeßsystem, wie es beispielsweise zur auto
matischen Bestimmung von Positionen, Längen und Abständen besonders unter rauhen
Umgebungsbedingungen im Maschinenbau oder in der Automobiltechnik eingesetzt wird.
Magnetische Längenmeßsysteme sind bekannt. Sie bestehen aus einer Magnetanordnung,
und aus einem oder mehreren Magnetfeldsensoren, die eine Komponente der Magnetfeld
stärke oder die Magnetfeldrichtung anzeigen. Im einfachsten Fall wird die Magnetanordnung
durch einen einfachen Stabmagneten und ein Magnetfeldsensor durch einen magnetoresisti
ven Sensor gebildet, dessen Ausgangsspannung von der Feldrichtung bestimmt wird, wie in
dem Artikel "The magnetoresistive sensor" von A. Petersen in Electronic Components and
Application 8 (1988) No. 4, 222-239 beschrieben. Der Sensor wird in einem bestimmten
Abstand zum Magneten parallel zu dessen Nord-Süd-Ausdehnung geführt, die auch die
Meßrichtung ist. Die Sensorebene erstreckt sich in Meßrichtung und radial zur Achse des
Magneten. Ein Stabmagnet mit in Längsrichtung eingestellter Magnetisierung, dessen Länge
nicht wesentlich größer als die doppelte Breite und Dicke ist, erzeugt ein Magnetfeld, dessen
Winkel zur Parallelen der Längsrichtung in Meßrichtung von der Magnetmitte her mit zuneh
mender Distanz etwa linear zunimmt. Die Magnetisierung im magnetoresistiven Sensor liegt
in der Schichtebene und stellt sich bei genügend hoher Feldstärke in Richtung des Feldes
ein. Das Ausgangssignal des magnetoresistiven Sensors ändert sich dann proportional zum
Sinus des doppelten Winkels. Da der sin(x) für kleine Winkel nur geringfügig von x abweicht,
ergibt sich ein Längenbereich, in dem die Ausgangsspannung des Sensors proportional zur
Position ist. Bezüglich der Genauigkeit hat diese einfachste Anordnung mehrere Nachteile,
die teils durch die Magnetfeldverteilung des Stabmagneten und teils durch die Eigenschaften
des magnetoresistiven Sensors bedingt sind.
Die störende starke Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignales von magnetoresistiven
Sensoren und die Begrenzung auf kleine Winkelabweichungen von der Parallelen zur Nord-
Süd-Richtung des Magneten und damit auf Meßlängen, die wesentlich kleiner als die Ma
gnetlänge sind, wird bereits mit der im Patent DE 195 21 617 angegebenen Anordnung auf
gehoben. Hier werden zwei auf einem Chip integrierte magnetoresistive Sensorbrücken be
nutzt, die sowohl ein dem Sinus als auch ein dem Kosinus des doppelten Winkels der
Feldrichtung proportionales Ausgangssignal liefern. Durch Quotientenbildung entfällt die
Temperatur abhängige Amplitude, und aus dem so erhaltenen Arcustangens kann der Win
kel ohne Näherung über der gesamten Magnetlänge ermittelt werden. Damit resultieren hier
die Meßfehler hauptsächlich nur noch daraus, daß es Abweichungen vom linearen Zusam
menhang zwischen Winkel und Position gibt. Diese Abweichungen sind aber für Magnete mit
großen Längen im Vergleich mit der Breite und Dicke ganz erheblich. Außerdem ist die Feld
stärke über dem mittleren Teil eines langen Magneten nur sehr gering, so daß die Ausrich
tung der Magnetisierung in den Widerstandsstreifen der magnetoresistiven Sensoren nicht
mehr gegeben ist. Deshalb werden zur Messung großer Strecken Maßstäbe benutzt, die aus
abwechselnd in positiver und negativer Längsrichtung magnetisierten Bereichen gleicher
Länge bestehen, wie auch in DE 195 21 617 angegeben. Die Längenbestimmung geschieht
dann durch Zählen der von einer Anfangsposition her bereits passierten magnetisierten Be
reiche und Addition des Anteiles eines Bereiches, der aus der Winkelbestimmung resultiert.
Allerdings ist damit die Information über die absolute Position nicht mehr möglich, das heißt
nach einer Störung des Meßsystems muß auf die Anfangsposition zurückgefahren werden,
um den Zählvorgang zu wiederholen.
Zur Bestimmung der Absolutposition kann auch eine Kodierung des Maßstabes erfolgen, bei
der jedoch unterschiedlich lange gleichmäßig magnetisierte Bereiche benutzt werden müs
sen, was wieder den oben bereits genannten Nachteil der geringen Feldstärke nahe des
mittleren Teiles des Bereiches zur Folge hat, wenn mehrere Bereiche mit dem gleichen
Codewert nebeneinander liegen. Mit der im EP 0 482 341 beschriebenen Anordnung von
Doppelspuren mit jeweils entgegengesetzter Magnetisierung, deren Richtung immer quer zur
Meßrichtung steht, kann dieses Problem jedoch umgangen werden. Leider ist aber in dem
genannten Patent keine Anordnung zur Herstellung der benötigten Doppelspurmaßstäbe
angegeben, und die bekannten Magnetisierverfahren liefern keine befriedigenden Ergebnis
se für die Doppelspur.
Aus mehreren Teilen zusammengesetzte Magnetanordnungen zur Positionsbestimmung
werden in der Offenlegungsschrift DE 31 06 613 vorgeschlagen. Sie sind dazu vorgesehen,
über ganz bestimmte, geringe Weglängen hohe Ortsauflösungen in der Positionsbestim
mung zu erreichen. Nachteilig bei allen verschiedenen angegebenen Anordnungen ist die
äußerst starke Abhängigkeit der Ausgangssignale vom Abstand zwischen Magnet und Sen
sor, die sehr aufwendige Führungen bei der hochauflösenden Positionsmessung erforderlich
macht und hohe Kosten bei Justierung und Eichung bewirkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Aufbau magnetischer Längenmeßsysteme
anzugeben, die über beliebige Längen mit gleichbleibend geringem Meßfehler die Angabe
der absoluten Position gestatten und einfach aufgebaute und magnetisierbare magnetische
Maßstäbe benutzen.
Diese Aufgabe wird mit dem im Hauptanspruch beschriebenen Längenmeßsystem gelöst.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Entsprechend dem Hauptanspruch besteht das Längenmeßsystem aus mindestens einem
magnetischen Maßstab, dessen Magnetisierung in einer Ebene liegt, die sich senkrecht zur
Meßrichtung ausdehnt, und mindestens einem Magnetfeldsensor. Im einfachen Fall ist die
gesamte Querschnittsfläche des Maßstabes gleichmäßig magnetisiert. Sie zeigt zum Bei
spiel am Anfang des Meßweges senkrecht nach oben. Mit Fortschreiten in Meßrichtung ist
die Magnetisierungsrichtung gegenüber der senkrechten Richtung zunehmend geneigt. Da
mit ist jeder Position ein Wert des Winkels zwischen der Feldrichtung und der Senkrechten
zugeordnet. Die magnetische Feldstärke in der Nähe des Maßstabes wird von der Größe
des Querschnittes und vom Material des Maßstabes bestimmt. Sie ist also nicht von der Po
sition in Meßrichtung abhängig. So können Maßstäbe mit beliebiger Länge und beliebiger
Winkeländerung pro Länge in Meßrichtung benutzt werden und liefern für die zur Bestim
mung der jeweiligen Feldrichtung eingesetzten Magnetfeldsensoren immer gleiche Meßbe
dingungen.
Als Sensor für die Bestimmung der Richtung des magnetischen Feldes wird vorteilhafterwei
se ein anisotrop magnetoresistiver Winkelsensor eingesetzt. Auf der Chipfläche des Sensors
befindet sich eine Wheatstonebrücke, deren Ausgangssignal zum Sinus des doppelten Win
kels zwischen der Feldrichtung und einer Kante des Chips und eine Brücke, deren Aus
gangssignal zum Kosinus des doppelten Winkels proportional ist. Der magnetoresistive Win
kelsensor wird in der Nähe des Maßstabes so angebracht, daß seine Chipfläche senkrecht
auf der Meßrichtung steht. Da Sinus und Kosinus des doppelten Winkels gebildet werden,
wird eine volle Periode des Ausgangssignales bereits für eine Verdrehung der Magnetisie
rungsrichtung gegenüber dem Ausgangswinkel von 180° erhalten. Damit ist bei Einsatz ei
nes Maßstabes und eines Winkelsensors eine absolute Positionsangabe auch nur für diesen
Winkelbereich möglich. Die Länge, über der der Maßstab mit der Winkelverdrehung von 180°
magnetisiert wird, kann beliebig gewählt werden.
Da die Winkelmessung zur Bestimmung der Position selbstverständlich mit Fehlern behaftet
ist, können sich für den Fall, das der Maßstab so magnetisiert ist, daß der Winkel der Ma
gnetisierungsrichtung linear mit zunehmendem Positionswert zunimmt, bei langen Maßstä
ben auch größere Absolutlängenfehler ergeben. Vorteilhafterweise gibt es eine Vielzahl von
Anordnungen, die das erfindungsgemäße Prinzip der Einstellung der Magnetisierungsrich
tung in der senkrecht auf der Meßrichtung stehenden Querschnittsfläche benutzen, so daß
die Meßlänge und die Meßgenauigkeit entsprechend den jeweiligen Anforderungen ange
paßt werden können.
Wird die hohe Meßgenauigkeit nur über einem Teil des gesamten Meßweges benötigt, wird
die Winkelzunahme pro Längeneinheit in diesem Teil höher gewählt als im übrigen Meßweg.
Der Teil des Meßweges, der mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann, muß dabei
nicht zusammenhängend sein, sondern kann auf mehrere Bereiche aufgeteilt sein. Im spezi
ellen Fall kann die Winkelzunahme mit der Position auch stufenförmig erfolgen, wobei dann
die Bereiche hoher Meßgenauigkeit die Übergänge zwischen zwei Stufen sind.
Wird die höhere Meßgenauigkeit für die Position über die gesamte Maßstabslänge gefordert,
ist eine andere Ausführungsform der Erfindung anwendbar. Es werden zwei parallele Maß
stäbe eingesetzt. Beim ersten nimmt der Winkel der Magnetisierungsrichtung vom Aus
gangswert linear mit zunehmender Position zu und die Verdrehung erreicht am Ende des
Maßstabs 180°. Der Winkel der Magnetisierungsrichtung des zweiten Maßstabes wächst
ebenfalls linear mit der Position, aber mit wesentlich höherem Anstieg, so daß der zugehöri
ge Winkelsensor, der bei einer Winkelverdrehung von 180° den Durchlauf einer vollen Peri
ode anzeigt, über der Gesamtlänge eine Vielzahl von Perioden durchläuft. Die Winkelsenso
ren des ersten und des zweiten Maßstabes befinden sich in einer gemeinsamen, zur Meß
richtung senkrechten Ebene. Aus der Anzeige des Winkelsensors des ersten Maßstabes ist
ermittelbar, in der wievielten Periode des zweiten Maßstabes sich der zugehörige Sensor
befindet. Die Anzeige des zweiten Sensors liefert die Position innerhalb dieser Periode mit
einer Genauigkeit, die etwa um die Gesamtzahl der Perioden des zweiten Maßstabes besser
ist als die des Winkelsensors des ersten Maßstabes.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden ebenfalls zwei parallel angeordnete
Maßstäbe verwendet. Die Winkelverdrehung der beiden Maßstäbe wächst linear mit der Po
sition und durchläuft bei beiden viele Perioden. Die Zahl der Perioden auf der Gesamtlänge
unterscheidet sich jedoch um eins. Die Winkelsensoren des ersten und des zweiten Maßsta
bes befinden sich in einer gemeinsamen, zur Meßrichtung senkrechten Ebene. Aus der Dif
ferenz der Winkelanzeige der beiden Sensoren wird ermittelt, in der wievielten Periode des
ersten Maßstabes sich die Sensoren befinden. Die genaue Position ergibt sich dann aus der
zusätzlichen Berücksichtigung der Anzeige des zum ersten Maßstab gehörenden Sensors.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein sehr langer Maßstab in Meßrichtung
in eine Vielzahl von Bereichen gleicher Länge unterteilt. Jeder Bereich enthält die gleiche
Anzahl von gleich langen Abschnitten. Diese Anzahl kann beispielsweise fünf sein. In jedem
ersten Abschnitt jedes Bereiches steigt der Winkel der Magnetisierungsrichtung vom Anfang
her linear mit wachsendem Positionswert bis auf einen bestimmten Grenzwinkel an. In den
anderen vier Abschnitt hat der Winkel der Magnetisierungsrichtung innerhalb der Ab
schnittslänge jeweils einen konstanten Wert, der aber in jedem Fall größer ist als der ge
nannte Grenzwinkel. Die vier diskreten Winkelwerte in diesen vier Abschnitten sind Zahlen
werten zugeordnet. Werden beispielsweise vier diskrete Winkelwerte unterschieden und den
Zahlen 0, 1, 2 und 3 zugeordnet, können in den vier Abschnitten alle Zahlen von 0 bis 255
dargestellt werden. Ebenso viele Bereiche können also in der Reihenfolge dieser Zahlen
gekennzeichnet werden. Stehen jedem Abschnitt eines Bereiches zwei Winkelsensoren im
Abstand der halben Abschnittslänge gegenüber, so können der spezielle Winkelwert im er
sten Abschnitt und die den Zahlenwerten zugeordneten Winkelwerte der weiteren vier Ab
schnitte in jeder Position der Sensoranordnung bezüglich des Maßstabes ermittelt werden.
Aus der ermittelten Zahl läßt sich angeben, der wievielte Bereich des Maßstabes von der
Sensoranordnung erreicht ist. Aus dem speziellen Winkelwert des jeweiligen ersten Ab
schnittes ist wegen des linearen Anstieges des Winkels mit zunehmender Position die Posi
tion mit hoher Genauigkeit ablesbar. Werden die Längen der Abschnitte mit 20 mm gewählt
und im ersten Abschnitt steigt der Winkel mit der Position von 0° auf 40° und kann mit einem
Meßfehler von weniger als ein Grad gemessen werden, dann ist eine Gesamtmeßlänge von
25,6 m mit einer von der Winkelmessung her begrenzten Genauigkeit von 0,5 mm meßbar.
Die dabei erreichte Auflösung liegt bei mehr als 15 bit.
Die bisher genannten Zahlenwerte sollen die mit erfindungsgemäßen Längenmeßsystemen
möglichen Vorteile demonstrieren. Sie stellen keineswegs die Grenze des Erreichbaren dar.
So ist es bei der vorhandenen Meßgenauigkeit für die Winkel durchaus möglich, statt der
Zuordnung von vier Zahlenwerten zu vier diskreten Winkelwerten auch zehn diskreten Win
kelwerten zehn Zahlen zuzuordnen und so die Angabe der Zahl der Bereiche, die zwischen
dem Maßstabsanfang und der aktuellen Position der Sensoranordnung liegen, sofort im De
zimalsystem zu erhalten.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung vermeiden Fehler in der Positionsmessung durch
fehlerhafte Justierung der Lage der Winkelsensoren gegenüber dem Maßstab. So ist es
vorteilhaft, nicht nur einen Winkelsensor neben dem Maßstab zu verwenden, sondern zwei
Winkelsensoren an gegenüberliegenden Seiten des Maßstabes anzubringen. Befinden sich
die Sensoren auf einer durch den Mittelpunkt des Maßstabsquerschnittes verlaufenden Linie
und die Querschnittsfläche ist homogen magnetisiert, dann zeigen beide Sensoren den glei
chen, fehlerfreien Winkel an. Verläuft die Verbindungslinie jedoch nicht durch den Mittel
punkt, dann mißt der erste Sensor einen um einen bestimmten Betrag zu großen Winkelwert
und der zweite Sensor einen um denselben Betrag zu kleinen Winkelwert. Der Mittelwert
beider Meßwerte liefert also den exakten Wert, ohne daß eine genaue und aufwendige Ju
stage der Lage der Sensoren gegenüber dem Maßstab nötig wäre.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden zwei in Meßrichtung in bestimmtem Ab
stand nebeneinander angeordnete magnetoresistive Winkelsensoren verwendet. Dieser be
stimmte Abstand stimmt mit der Länge überein, über die am Anfang des Maßstabes sich
eine Drehung der Richtung der Magnetisierung um 180° erstreckt und über der das Aus
gangssignal der Sensoren eine volle Periode durchläuft. Damit stimmen die Ausgangs
signale beider Sensoren am Maßstabsanfang überein. Das Anwachsen des Winkels mit der
Position in Meßrichtung verläuft bei dem verwendeten Maßstab nicht linear, sondern quadra
tisch. Mit wachsender Position hat so der in dieser Richtung versetzte Sensor einen zuneh
mend größeren Winkelbereich durchlaufen als der andere Sensor. Wegen der quadratischen
Zunahme des Winkels wächst dieser Winkelbereich mit der Position linear an, und die Diffe
renz der Ausgangssignale der beiden Sensoren ist dem Positionswert proportional. Die Posi
tionsangabe ist absolut, wenn der in Richtung wachsender Position versetzte Sensor am
Maßstabsende nicht mehr als eine volle Sensorperiode mehr durchlaufen hat als der andere
Sensor. Als Vorteil dieser Anordnung erweist sich, daß der Maßstab hier ohne Einfluß auf die
Meßsignale beliebig um seine Längsachse verdreht sein kann.
In den bisher erwähnten Ausführungen der Erfindung war der Maßstab stets im gesamten
Querschnitt des Maßstabes homogen magnetisiert. Der Querschnitt des Maßstabes kann
auch mehrpolig magnetisiert sein, so daß sich am Umfang nebeneinander Nord- und Süd
pole abwechseln. Entsprechend der Erfindung ist das im Querschnitt am Anfang des Maß
stabes vorhandene Magnetmuster dann mit Fortschreiten in Meßrichtung mit zunehmendem
Winkel verdreht. Ein solcher mehrpolig magnetisierter Maßstab hat den Vorteil, daß die Ver
drehung des Magnetisierungsmusters mit fortschreitender Position sich in einer um die halbe
Polzahl vervielfältigten Drehung des Magnetfeldes in Maßstabsnähe auswirkt, so daß eine
erheblich gesteigerte Zunahme des durch die Winkelsensoren gemessenen Winkels pro
Längeneinheit des Maßstabes erreicht wird. Damit ist eine wesentlich gesteigerte Auflösung
der gemessenen Länge gegeben.
Ein erfindungsgemäßes Längenmeßsystem liegt auch dann vor, wenn nur ein Teil des Quer
schnitts des Maßstabes aus hartmagnetischem Material besteht. Kennzeichnend für die Er
findung ist die Verdrehung der Richtung der Magnetisierung mit Fortschreiten in Meßrich
tung. Bei einem kreisförmigen Querschnitt kann beispielsweise der konzentrische innere
kreisförmige Teil aus hartmagnetischem Material bestehen und der diesen umgebende kreis
ringförmige Teil aus unmagnetischem, mechanisch stabilen Material. Das mechanisch sta
bile Material verhindert eine mechanische Torsion des Maßstabes um seine Längsachse und
trägt so zur Verringerung von Meßfehlern bei. Die Verteilung der Materialien in der Quer
schnittsfläche kann auch umgekehrt so erfolgen, daß es einen nichtmagnetische Kern gibt
und eine dauermagnetische Schale. Das hätte den Vorteil, daß die Winkelsensoren näher
am dauermagnetischen Teil anzubringen sind und höhere Feldstärken auf die Winkelsenso
ren einwirken.
Wird der nicht hartmagnetische Kern des Querschnitts aus weichmagnetischem, mechanisch
stabilen Material gefertigt, trägt er gleichzeitig zur Vermeidung von Fehlern durch mechani
sche Beanspruchung als auch zur Erhöhung der magnetischen Feldstärke in Maßstabsnähe
bei.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf Maßstäbe, bei denen beispielsweise der innere, nicht
dauermagnetische Teil des Querschnitts des Maßstabes nicht kreisförmig ist, sondern eine
Form hat, die ihn besonders widerstandsfähig gegen mechanische Deformationen macht.
Dabei ist es auch nicht notwendig, daß der dauermagnetische Teil des Querschnittes den
mechanisch stabilen Teil vollständig oder annähernd umschließt.
Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen
Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 einen kreisrunden Maßstab mit Magnetisierungsrichtung in der Querschnittsfläche,
Fig. 2 einen kreisrunden Maßstab mit Bereichen konstanter Magnetisierungsrichtung,
Fig. 3 einen Maßstab mit einem in der Nähe angeordneten Winkelsensor in fünf zeitlich
nacheinander möglichen Positionen,
Fig. 4 einen homogen magnetisierten Querschnitt eines Maßstabes,
Fig. 5 einen mehrpolig magnetisierten Querschnitt eines Maßstabes,
Fig. 6 einen Querschnitt eines Maßstabes mit konzentrischen Teilen dauermagnetischen und
nicht dauermagnetischen Materials,
Fig. 7 einen Querschnitt eines Maßstabes, bei dem das dauermagnetische Material das nicht
magnetische Material nicht umschließt,
Fig. 8 einen Querschnitt eines Maßstabes mit mechanisch widerstandsfähigem Profil des
nicht dauermagnetischen Teiles,
Fig. 9 einen Maßstab mit einem Winkelsensor,
Fig. 10 einen Maßstab mit zwei Winkelsensoren in der Ebene des Querschnitts des Maßsta
bes,
Fig. 11 die Seitenansicht eines Längenmeßsystems mit gleichmäßiger Periodenlänge der
Drehung der Magnetisierung,
Fig. 12 die Seitenansicht eines Längenmeßsystems mit zwei in Meßrichtung gegeneinander
versetzten Winkelsensoren und einem Diagramm der quadratischen Winkelzunahme mit der
Position.
In Fig. 1 ist die Grundlage der Erfindung in einem Beispiel dargestellt. Ein dauermagneti
scher Maßstab 1 hat einen runden Querschnitt 9. Er ist so magnetisiert, daß die Richtung der
Magnetisierung 2 in der Fläche des Querschnitts 9 liegt. Der Querschnitt 9 dehnt sich senk
recht zur Längsrichtung des Maßstabes 1 aus, die mit der Meßrichtung übereinstimmt. Die
Magnetisierung 2 ist am Anfang des Maßstabes 1 senkrecht nach oben gerichtet. Mit Fort
schreiten in Meßrichtung ist die Richtung der Magnetisierung 2 mit kontinuierlich geändertem
Winkel 3 in Uhrzeigerrichtung verdreht. Nach einer bestimmten Länge 4, die bei konstanter
Winkeländerung mit der Längeneinheit in Meßrichtung einer vollen Periode der Drehung der
Richtung der Magnetisierung 2 entspricht, ist die Anfangsrichtung der Magnetisierung 2 wie
der erreicht. Die Gesamtlänge des Maßstabes 1 enthält in der Fig. 1 zwei Periodenlängen 4.
Das Magnetfeld in der Nähe des Maßstabes 1 wird durch die Magnetisierung 2 des Maßsta
bes 1 bestimmt. Ist die Periodenlänge 4 groß gegen den Durchmesser des Querschnitts 9,
liegt die Magnetfeldrichtung im wesentlichen in der Ebene des jeweiligen Querschnittes 9.
Ihre Richtung in dieser Ebene wird durch die Richtung der jeweiligen Magnetisierung 2 be
stimmt. Die Magnetfeldstärke ist bei einem bestimmten Radius rund um den Maßstab nähe
rungsweise unabhängig vom Winkel 3.
Fig. 3 zeigt, welchen Verlauf die magnetischen Feldlinien 8 in der Nähe des Maßstabes 1
haben und welche Richtung das Magnetfeld in der Chipfläche eines Winkelsensors 6 hat, der
gegenüber dem Maßstab in einem bestimmten Abstand bewegbar ist. Der Winkelsensor 6 ist
in fünf Positionen gezeichnet, die er zeitlich nacheinander einnehmen kann. Wie aus den
Magnetfeldrichtungen hervorgeht, die am jeweiligen Ort des Sensors 6 aus der Richtung der
Feldlinien ermittelt wurden, dreht sich das Magnetfeld neben dem Maßstab 1 im entgegen
gesetzten Drehsinn zur Magnetisierung 2. Die jeweilige Position kann eindeutig aus dem
Winkel ermittelt werden, solange jeder Winkelwert der Feldrichtung und damit auch der Win
kel 3 der Magnetisierungsrichtung über der gesamten Länge des Maßstabes nur einmal vor
kommt. Damit kann im allgemeinen eine Drehung der Magnetisierungsrichtung um bis zu
360° verwendet werden, soweit die Winkelsensoren den wirklichen Winkel der Richtung an
zeigen.
Im speziellen Fall werden Winkelsensoren eingesetzt, die den anisotropen magnetoresisti
ven Effekt nutzen. Solche Winkelsensoren sind bekannt. Sie liefern ein Ausgangsignal, das
zum Sinus des doppelten Winkels zwischen Feldrichtung und einer Kante des Sensorchips
und ein Ausgangssignal, das zum Kosinus des doppelten Winkels zwischen der Feldrichtung
und der Kante proportional ist. Damit ist eine eindeutige Zuordnung des Winkels der Ma
gnetfeldrichtung und damit der Magnetisierungsrichtung 2 nur noch für einen Bereich von
180° möglich. Diese Einschränkung wird in ihrer Auswirkung dadurch aufgehoben, daß beim
Einsatz anisotroper magnetoresistiver Sensoren die Zunahme des Winkels 3 der Magnetisie
rung 2 pro Längeneinheit in Meßrichtung auf die Hälfte reduziert wird. Die Meßauflösung ist
wegen der Proportionalität zum Sinus und Kosinus des doppelten Winkels auch doppelt so
groß, so daß schließlich die gleiche Auflösung erreicht wird. Vorteilhaft wirkt sich in jedem
Fall die hohe Magnetfeldempfindlichkeit der anisotropen magnetoresistiven Sensoren aus,
die dazu führt, daß auch noch bei größeren Abständen zwischen Sensor 6 und Maßstab 1
eine Winkelmessung mit geringem Fehler möglich ist.
Fig. 2 zeigt einen Maßstab 1, bei dem in Bereichen 5, die sich in Meßrichtung erstrecken,
jeweils die Richtung der Magnetisierung 2 konstant eingestellt ist. Jeder Magnetisierungs
richtung ist ein bestimmter Zahlenwert zugeordnet. In der Darstellung in Fig. 2 gibt es vier
unterschiedliche Richtungen. Es können hier in jedem Bereich vier unterschiedliche Zahlen
werte auftreten, die als 0, 1, 2 und 3 bezeichnet werden. Über eine Länge der sechs darge
stellten Bereiche können durch diese vier Zahlenwerte in sechs Stellen 4056 unterschiedli
che Zahlen dargestellt werden. Haben alle Bereiche 5 die gleiche Länge von je 1 cm und
unterscheidet sich die folgende Zahl von der vorigen immer um 1, so kann damit eine Länge
von 6 cm.4056 = 243 m kodiert und bei erkennen der jeweiligen Zahl durch zwölf Winkel
sensoren im Abstand von der halben Länge eines Bereiches mit einer Auflösung und Ge
nauigkeit von 1 cm gemessen werden. Weitere bekannte Arten der codierten Darstellung von
Längen sind anwendbar. Durch die gute Unterscheidbarkeit der Winkel und Zuordnung von
zehn unterschiedlichen Zahlenwerten zu zehn verschiedenen Winkeln ist auch eine Codie
rung direkt im Dezimalsystem möglich und erspart die Umkodierung für die Anzeigeeinheit
des Meßergebnisses.
Der Querschnitt des Maßstabes 1 kann geometrisch und magnetisch unterschiedlich ausge
staltet werden. Fig. 4 zeigt den in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen benutz
ten kreisrunden Querschnitt 9.1, in dem die Magnetisierungslinien parallel zueinander ver
laufen. Damit gibt es am halben Kreisumfang einen Nordpol N und an dem anderen halben
Kreisumfang einen Südpol S. Der gezeigte Querschnitt stellt den Verlauf der Magnetisierung
bei einer bestimmten Position entlang des Maßstabes 1 dar. Bei anderen Positionen weist
die Magnetisierungsrichtung gegenüber der dargestellten eine Verdrehung um einen Winkel
auf. Wird das dargestellte einfache Magnetmuster entlang der Meßrichtung um 360° ver
dreht, dreht sich die Richtung des Magnetfeldes auf einer Parallelen zur Achse des Maßsta
bes 1 in der Nähe des Maßstabes 1 in umgekehrtem Drehsinn ebenfalls um 360°.
Fig. 5 zeigt ein sechspoliges Magnetisierungsmuster im Querschnitt 9 in einer bestimmten
Position. Die Magnetisierungslinien 2.2 verlaufen radial und sind im Bereich der Nordpole N
zum Kreisumfang und im Bereich der Südpole S zur Kreismitte gerichtet. In Meßrichtung ist
eine zunehmende Verdrehung des Magnetmusters zu dem dargestellten vorhanden. Wird
das dargestellte Magnetmuster entlang der Meßrichtung um 120° gedreht, dreht sich die
Richtung des Magnetfeldes auf einer Parallelen zur Achse des Maßstabes 1 in der Nähe des
Maßstabes 1 im umgekehrten Drehsinn bereits um 360°. Bei gleicher Zunahme des Winkels
der Verdrehung des Magnetmusters mit der Längeneinheit in Meßrichtung wie im Falle des
Magnetmusters nach Fig. 4 ist bei Einsatz des gleichen Winkelsensors hier die dreifache
Längenauflösung vorhanden. Die eindeutige Zuordnung der Position des Sensors 6 entlang
dem Maßstab 1 ist nur für eine Verdrehung des Magnetmusters von 120° möglich. Für eine
Verdrehung des Magnetmusters um 360° ergeben sich drei Perioden für das Ausgangssignal
des Sensors. Die Positionsmessung über diesen vollen Bereich ist also nur inkremental
möglich.
In dem in Fig. 6 dargestellten Querschnitt besteht nur der äußere Ring 9.2 aus hartmagneti
schem Material, daß ein Magnetmuster trägt, welches in fortschreitender Meßrichtung zu
nehmend verdreht ist. Im inneren Teil 10 des Querschnitts befindet sich mechanisch stabiles,
weichmagnetisches Material. Durch die hohe magnetische Permeabilität des weichmagneti
schen Materials wird die Feldstärke in der Nähe des Maßstabes zumindest bei mehrpoligen
Magnetmustern bis auf maximal das doppelte erhöht, was zur Erhöhung der Genauigkeit der
Winkelmessung beiträgt. Die hohe Torsionssteifigkeit des mechanisch stabilen Materials
verhindert weitgehend eine Torsion des Maßstabes bei Einwirkung mechanischer Kräfte und
damit durch diese Kräfte hervorgerufene Winkelfehler des Maßstabes 1. Bei guter Torsions
steifigkeit des inneren Teils 10 des Querschnittes kann so auch relativ weiches, plastgebun
denes hartmagnetisches Material für den äußeren Ring 9.2 benutzt werden.
Fig. 7 zeigt einen weiteren möglichen Querschnitt für einen Maßstab 1. Auf einem runden
Stab 10 aus nicht magnetischem, torsionssteifen Material ist ein Ringausschnitt 9.3 aus
hartmagnetischem Material aufgebracht. Der Ringausschnitt ist mehrpolig in radialer Rich
tung magnetisiert. Mit fortschreitender Meßrichtung ist das Magnetmuster mit zunehmendem
Winkel verdreht. Über dem Ringausschnitt befindet sich ein Winkelsensor, der die Richtung
des Magnetfeldes feststellt und der auf einer zur Achse des runden Stabes 10 parallelen
Linie bewegbar ist. Aus dem Winkelwert wird die Position in Meßrichtung ermittelt, die ent
lang der Linie verläuft.
Fig. 8 zeigt einen weiteren Querschnitt des Maßstabes. Im etwa kreisförmigen hartmagneti
schen Material 9.4 befindet sich ein T-förmig ausgebildetes Teil 11 aus einem nicht magneti
schen Material mit hohem Elastizitätskoeffizienten. Das in der Fig. 8 nicht gezeichnete Ma
gnetisierungsmuster des hartmagnetischen Materials 9.4 ist wieder mit fortschreitender Meß
richtung zunehmend verdreht. Das T-förmig ausgebildete Teil 11 verhindert bei in der Quer
schnittsebene entlang des Maßstabes 1 angreifenden Kräften ein Durchbiegen des Maßsta
bes 1 und trägt so zur Vermeidung dadurch bedingter Meßfehler für den Winkelwert bei.
Die Anordnung eines magnetoresistiven Winkelsensors 12 in der Ebene des Querschnittes 9
des Maßstabes 1 zeigt Fig. 9. Die Chipebene des magnetoresistiven Winkelsensors 9 liegt in
der gleichen Ebene wie der Querschnitt 9. Der Winkelsensor ist auf einer Linie, zu der die
Achse des Maßstabes parallel verläuft, gegenüber dem Maßstab bewegbar.
Fig. 10 zeigt die Anordnung von zwei anisotrop magnetoresistiven Winkelsensoren 12 und
13 für die Magnetfeldrichtung. Die beiden Winkelsensoren 12 und 13 liegen einander gegen
über in der Nähe des Querschnitts 9 des Maßstabes. Der Maßstab 1 ist im Querschnitt 9
homogen magnetisiert. Geht die Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Winkelsenso
ren genau durch den Mittelpunkt des Querschnittes 9, dann zeigen beide Winkelsensoren
den gleichen Winkelwert an. Ist die Verbindungslinie jedoch gegen den Mittelpunkt seitlich
nach rechts verschoben, dann zeigt der Winkelsensor 13 einen um einen bestimmten Betrag
vergrößerten Winkelwert an. Der Winkelsensor 12 zeigt einen um denselben bestimmten
Betrag verringerten Winkelwert an. Der Mittelwert beider Meßwerte ergibt für alle Verschie
bungen stets den richtigen Winkelwert der Magnetfeldrichtung. Die Anordnung mit zwei Win
kelsensoren erspart so die genaue Justierung der Lage der Sensoren gegenüber der Lage
des Maßstabes 1 und verhindert Fehler, die durch seitliche Verschiebungen der Sensorhalte
rung gegenüber dem Maßstab verursacht werden könnten.
In Fig. 11 ist ein Längenmeßsystem dargestellt, das aus einem inkrementalen Maßstab, der
in seiner Querschnittsfläche homogen magnetisiert ist und bei dem die Richtung der Magne
tisierung mit zunehmender Position in Meßrichtung 16 mit linear dazu ansteigendem Winkel
verdreht ist, und aus einem in Meßrichtung 16 verschiebbaren anisotrop magnetoresistiven
Winkelsensor 14 besteht. Die Magnetisierung ist über die Gesamtlänge des inkrementalen
Maßstabes 15 im dargestellten Fall um acht mal 360° verdreht. Da der anisotrop magnetore
sistive Winkelsensor 14 den doppelten Winkel der Feldrichtung anzeigt, wird das Ausgangs
signal des Sensors 14 über der Gesamtlänge des Maßstabes 16 Mal periodisch wiederholt.
Eine Positionsangabe ist mit dem dargestellten Längenmeßsystem also nur möglich, wenn
neben dem angezeigten Winkel auch noch die Zahl der vom Anfang des inkrementalen
Maßstabes 15 zurückgelegten Perioden ermittelt wird. Ein Absolutlängenmeßsystem wird
aus dem in Fig. 11 dargestellten, wenn parallel zum inkrementalen Maßstab 15 ein zweiter
Maßstab gleicher Länge angebracht wird, dessen Magnetisierung auf der Gesamtlänge nur
um 180° verdreht ist. Ein weiterer anisotrop magnetoresistiver Winkelsensor ist mit dem er
sten 14 in derselben Ebene senkrecht zur Meßrichtung 16 angebracht und mißt den Feld
winkel des zweiten Maßstabes, aus dem sich eindeutig schließen läßt, in welcher Periode
des inkrementalen Maßstabes 15 sich die Sensoranordnung gerade befindet. Aus den Win
kelwerten der beiden Sensoren läßt sich ohne Bewegung der Sensoranordnung relativ zu
den Maßstäben die entsprechende Position absolut angeben. Durch die Vielzahl der Peri
odenlängen des inkrementalen Maßstabes ist das mit hoher Auflösung und Genauigkeit
möglich.
Fig. 12 zeigt ein Längenmeßsystem mit einem Maßstab 17 und einer Winkelsensoranord
nung 18, die in zwei zeitlich nacheinander eingenommenen Positionen gezeichnet ist. Der
Maßstab 17 ist in der Querschnittsfläche homogen magnetisiert. Die Zunahme des Verdre
hungswinkels f(x) der Magnetisierungsrichtung mit der Position x in Meßrichtung 16 erfolgt
quadratisch, wie in der Grafik über der Darstellung des Längenmeßsystems zu sehen. Der
Abstand der beiden Winkelsensoren der Winkelsensoranordnung 18 stimmt mit der Peri
odenlänge am Anfang des Maßstabes 17 überein. Deshalb zeigen hier beide Sensoren den
gleichen Winkelwert und die Differenz beider Winkelwerte ist null. Je weiter die Sen
soranordnung in Meßrichtung 16 verschoben wird, um so mehr steigt die Differenz der bei
den Winkelwerte an. Wegen der quadratischen Zunahme der Winkelverdrehung der Magne
tisierung des Maßstabes 17, ist die Winkeldifferenz eine lineare Funktion der Position. Die
Winkeldifferenz bleibt unter 360° und damit eindeutig, wenn der Maßstab dort aufhört, wo der
Abstand der beiden Winkelsensoren mit der Länge übereinstimmt, über der sich die Magne
tisierung um 720° dreht. Werden längere Maßstäbe verwendet, ist keine Absolutlängenan
gabe mehr möglich, es können aber inkrementale Systeme realisiert werden. Der besondere
Vorteil des Längenmeßsystems nach Fig. 12 liegt darin, daß der Maßstab 17 als ganzes um
seine Achse beliebig verdreht werden kann, ohne das Meßergebnis zu beeinflussen, denn
durch die zwei vorhandenen Winkelsensoren in der Winkelsensoranordnung 18 werden nur
noch Winkeldifferenzen zwischen beiden Sensoren ermittelt und nicht der Winkel der Ma
gnetisierung gegen eine raumfeste Gerade in der Querschnittsfläche des Maßstabes 17.
Claims (24)
1. Längenmeßsystem, bestehend aus einem oder mehreren magnetischen Maßstäben (1)
und einem oder mehreren Magnetfeldsensoren (6), die in Meßrichtung (7) relativ zu den
Maßstäben (1) verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung (2)
der Maßstäbe (1) in einer Ebene liegt, die senkrecht auf der Meßrichtung (7) steht, daß
die Richtung der Magnetisierung (2) entlang der Meßrichtung (7) gedreht ist und daß die
Position dem Winkel der Magnetisierung entspricht.
2. Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (3) der
Magnetisierung (2) kontinuierlich mit dem Fortschreiten in Meßrichtung (7) vergrößert ist.
3. Längenmeßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (3) der
Magnetisierung (2) linear mit der Position zunimmt und mit einer konstanten Perioden
länge (4) vergrößert ist.
4. Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (3) der
Magnetisierung (2) in Bereichen (5) stufenweise mit dem Fortschreiten in Meßrichtung (7)
eingestellt ist.
5. Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (9)
eines Maßstabes (1) homogen (2.1) magnetisiert ist.
6. Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (9)
eines Maßstabes (1) mehrpolig (2.2) magnetisiert ist.
7. Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt
(9.1) des Maßstabes (1) rund ist.
8. Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (9.2)
des Maßstabs (1) einen nicht dauermagnetischen Kern (10) hat.
9. Längenmeßsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt
(9.3) des Maßstabes (1) den nicht dauermagnetischen Kern (10) nicht umschließt.
10. Längenmeßsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht
dauermagnetische Kern (10) weichmagnetisch ist.
11. Längenmeßsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht dauerma
gnetische Kern (10) ein Profil (11) hat und so als Träger des Maßstabes (1) mit dem
Querschnitt (9.4) geeignet ist.
12. Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine
Magnetfeldsensor (6) ein magnetoresistiver Winkelsensor (12) ist.
13. Längenmeßsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Maßstab
(1) genau gegenüberliegend am Querschnitt (9) zwei gleiche magnetoresistive Winkel
sensoren (12, 13) vorhanden sind, um Fehler aus einer seitlichen Verschiebung des
Maßstabs (1) zu korrigieren.
14. Längenmeßsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der runde Maßstab
(1) in Form einer regelmäßigen Schraubenlinie magnetisiert ist und ein magnetoresisti
ver Winkelsensor (14) entlang der Meßrichtung (16) periodische Signale abgibt.
15. Längenmeßsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung
über die gesamte Länge des Maßstabes (1) nur um 180° verdreht ist und so aus dem Si
gnal des magnetoresistiven Winkelsensors (14) die Absolutposition ermittelbar ist.
16. Längenmeßsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der runde Maßstab
(17) vom Anfang her in radialer Richtung mit ständig abnehmender Periodenlänge ma
gnetisiert ist und ein Paar (18) magnetoresistive Winkelsensoren in einem Abstand an
geordnet ist, der der ersten Periodenlänge am Anfang des Maßstabes (17) entspricht,
und daß die Position aus der Winkeldifferenz des Paares der magnetoresistiven Winkel
sensoren ermittelbar ist, um so Fehler durch eine zufällige Drehung des Maßstabes aus
zuschließen.
17. Längenmeßsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des
Paares (18) magnetoresistiver Winkelsensoren am Ende des Maßstabes (17) zwei Peri
odenlängen entspricht und daß so aus der Winkeldifferenz des Paares (18) magnetoresi
stiver Winkelsensoren die Position absolut ermittelbar ist.
18. Längenmeßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den jeweiligen
Richtungen der Magnetisierungen (2) in den Bereichen (5) jeweils ein Wert eines mehr
stufigen Codes zugeordnet ist.
19. Längenmeßsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrstufige
Code vierwertig ist.
20. Längenmeßsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrstufige
Code ein Dezimalcode ist.
21. Längenmeßsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein bestimmter
Winkelbereich der Richtung der Magnetisierung (2), der keinem Codewert entspricht, in
Sonderbereichen befindet, die in regelmäßigen Abständen vorhanden sind und so die
Erkennung eines Wortanfangs ermöglicht ist.
22. Längenmeßsystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Winkel der
Richtung der Magnetisierung (2) in dem Sonderbereich kontinuierlich mit der Position än
dert.
23. Längenmeßsystem nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Codeerkennung die doppelte Anzahl der Stellen des Codes von magnetoresistiven
Winkelsensoren vorhanden ist, deren Abstand der halben Länge der Bereiche (5) ent
spricht.
24. Längenmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele Maß
stäbe (1) gleicher Länge mit unterschiedlicher Periodenlänge (4) und einer um eins ver
schiedenen Periodenzahl mit jeweils einem in Meßrichtung bei gleichem Wert befindli
chen magnetoresistiven Winkelsensor vorhanden sind, so daß die Position aus den Win
keln der beiden magnetoresistiven Winkelsensoren absolut ermittelbar ist.
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