DE19910636A1 - Längenmeßsystem, bestehend aus einem oder mehreren magnetischen Maßstäben - Google Patents

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.