DE29521912U1 - Magnetic measuring system - Google Patents

Magnetic measuring system

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DE29521912U1 DE29521912U DE29521912U DE29521912U1 DE 29521912 U1 DE29521912 U1 DE 29521912U1 DE 29521912 U DE29521912 U DE 29521912U DE 29521912 U DE29521912 U DE 29521912U DE 29521912 U1 DE29521912 U1 DE 29521912U1
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Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 20. Februar 1995DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 20 February 1995

Magnetisches MeßsystemMagnetic measuring system

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positionsmeßeinrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 18.The invention relates to a position measuring device according to the preambles of claims 1 and 18.

Derartige Einrichtungen sind hinreichend bekannt. Als 3eispiel sei auf die DE 28 34 519 Al hingewiesen. Aus dieser Druckschrift ist eine digitale Längenmeßvorrichtung bekannt, mit zwei relativ zuein-) ander verstellbaren Teilen, von denen einer einen Maßstab und der andere einen Detektor zum Abtasten des Maßstabes und zum Erzeugen elektrischer Signale, die der abgetasteten Länge entsprechen, trägt, und mit einer Elektronik zum Verarbeiten der Detektorsignale, wobei der Maßstab einen Markierungsträ-Such devices are well known. As an example, reference is made to DE 28 34 519 A1. This document discloses a digital length measuring device with two parts that can be adjusted relative to one another, one of which carries a scale and the other a detector for scanning the scale and for generating electrical signals that correspond to the scanned length, and with electronics for processing the detector signals, the scale having a marking carrier.

1^ ger mit magnetisierbarem Material aufweist, welcher in vorbestimmten Abständen zur Bildung von ablesbaren Markierungen magnetisiert ist, und wobei der Detektor ein Lesekopf für die Markierungen ist. Als 1 ^ ger with magnetizable material which is magnetized at predetermined intervals to form readable markings, and wherein the detector is a reading head for the markings. As

eine weiterverarbeitende Einrichtung kann dabei eine Digital-Anzeigevorrichtung verwendet werden. Der Markierungsträger kann dabei eine Magnetschicht sein, wobei die Markierungen durch sinusförmige Magnetisierung zweier Spuren gebildet sind, wobei für jede Spur je ein Lesekopf vorhanden ist. Der Detektor kann mindestens einen flußempfindlichen Magnetkopf aufweisen, der zum Lesen bei geringer Relativgeschwindigkeit zwischen Detektor und Markierungsträger nach dem Prinzip eines magnetischen Modulators geschaltet ist. Bei der angegebenen Veröffentlichung fehlen detaillierte Angaben über die Ausführung des Detektors vollständig.A digital display device can be used as a further processing device. The marking carrier can be a magnetic layer, whereby the markings are formed by sinusoidal magnetization of two tracks, whereby there is a reading head for each track. The detector can have at least one flux-sensitive magnetic head, which is connected between the detector and the marking carrier according to the principle of a magnetic modulator for reading at low relative speed. The publication in question completely lacks detailed information about the design of the detector.

Ferner ist aus der EP 0 069 392 A2 eine digitale Positionsmeßeinrichtung bekannt, bei der ein Detektor vorgesehen ist, der einen magnetoresistiven Sensor aufweist. Dort sind magnetoresistive Sensoren mit unterschiedlichen Kennlinien beschrieben und Brückenschaltungen mit derartigen Sensoren offenbart .Furthermore, a digital position measuring device is known from EP 0 069 392 A2, in which a detector is provided that has a magnetoresistive sensor. Magnetoresistive sensors with different characteristics are described therein and bridge circuits with such sensors are disclosed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Positionsmeßeinrichtung eine Abtasteinheit mit magnetfeldempfindlichem Sensor zu schaffen, die unempfindlich gegen störende Fremdfelder ist, Nullpunktverschiebungen der Sensoren ausgleicht und die wenig Oberwellenanteile erzeugt.The invention is based on the object of creating a scanning unit with a magnetic field-sensitive sensor in a position measuring device, which is insensitive to interfering external fields, compensates for zero point shifts of the sensors and generates few harmonic components.

Diese Aufgabe wird von einer Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder 18 gelöst.This object is achieved by a position measuring device having the features of claim 1 or 18.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung liegen in deren Funktionssicherheit, inThe advantages of the position measuring device according to the invention lie in its functional reliability, in

der stabilisierung des Arbeitspunktes der magnet-the stabilization of the operating point of the magnet

feldempfindlichen Elemente innerhalb ihrer Kennlinie und den daraus resultierenden positiven Eigenschaften. field-sensitive elements within their characteristic curve and the resulting positive properties.

Mit Hilfe der Zeichnungen soll anhand von Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail using exemplary embodiments in the drawings.

Es zeigtIt shows

Figur la eine Prinzipdarstellung einer Positionsmeßeinrichtung;Figure la is a schematic diagram of a position measuring device;

Figur Ib eine Einzelheit aus Figur la;Figure Ib is a detail from Figure la;

Figur Ic eine variierte Einzelheit aus Figur la;Figure Ic is a varied detail from Figure la;

Figur 2 eine Positionsmeßeinrichtung mit magnetischem Hilfsfeld;Figure 2 shows a position measuring device with an auxiliary magnetic field;

Figur 3 eine schematische Darstellung von Maßstab, Abtastelementen und Hilfsfeld;Figure 3 is a schematic representation of scale, scanning elements and auxiliary field;

Figur 4 eine schematische Anordnung magnetoresistiver Elemente gemäß Figur 3;Figure 4 shows a schematic arrangement of magnetoresistive elements according to Figure 3;

Figur 5 eine weitere Anordnung magnetoresistiver Elemente in einer Brückenschaltung;Figure 5 shows another arrangement of magnetoresistive elements in a bridge circuit;

Figur 6 eine Kennlinie eines magnetoresistiven Elementes mit Signalverlauf bei Aussteuerung mit einem rechteckförmigen Hilfsfeld;Figure 6 shows a characteristic curve of a magnetoresistive element with signal progression when controlled with a rectangular auxiliary field;

Figur 7 einen Signalverlauf bei Anlegung eines dreieckförmigen Hilfsfeldes;Figure 7 shows a signal curve when a triangular auxiliary field is applied;

Figur 8 ein Blockschaltbild undFigure 8 is a block diagram and

Figur 9 Sensoren mit stromdurchflossenden Leitern zur Erzeugung des Hilfsfeldes.
10Figure 9 Sensors with current-carrying conductors to generate the auxiliary field.
10

Figur 10 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Positionsmeßeinrichtung; Figure 10 shows a schematic diagram of another position measuring device;

Figur 11 eine Einzelheit aus Figur 10;Figure 11 shows a detail from Figure 10;

Figur 12 eine Positionsmeßeinrichtung mit magnetischem Hilfsfeld;Figure 12 shows a position measuring device with an auxiliary magnetic field;

Figur 13 eine PositionsmeßeinrichtungFigure 13 a position measuring device

mit anders gerichtetem Hilfsfeld; with differently directed auxiliary field;

Figur 14 eine Positionsmeßeinrichtung mit senkrechtem Hilfsfeld;Figure 14 shows a position measuring device with a vertical auxiliary field;

Figur 15 eine Anordnung zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes;
30Figure 15 shows an arrangement for generating an auxiliary magnetic field;
30

Figur 16 einen stromführenden Leiter zur Erzeugung eines Hilfsfeldes gemäß Figur 15 undFigure 16 shows a current-carrying conductor for generating an auxiliary field according to Figure 15 and

Figur 17 ein Blockschaltbild.Figure 17 is a block diagram.

In Figur la ist eine Prinzipdarstellung einer magnetischen Längenmeßeinrichtung 1 gezeigt. Die Längenmeßeinrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Maßstab 2, der eine periodische Meßteilung 3 aufweist, sowie aus einer Abtasteinheit 4 zur Abtastung der Meßteilung 3. Der Maßstab 2 besteht aus magnetischem Material und ist abwechselnd mit gegensätzlicher Feldstärke magnetisiert - daraus bildet sich die periodische Meßteilung 3 mit der Teilungsperiode P. Die Magnetisierung erfolgt längs der Ebene, in der sich der Maßstab 2 erstreckt, kann aber auch senkrecht dazu verlaufen, was hier jedoch nicht gezeigt ist.Figure la shows a schematic diagram of a magnetic length measuring device 1. The length measuring device 1 essentially consists of a scale 2, which has a periodic measuring graduation 3, and a scanning unit 4 for scanning the measuring graduation 3. The scale 2 consists of magnetic material and is magnetized alternately with opposite field strengths - this forms the periodic measuring graduation 3 with the graduation period P. The magnetization takes place along the plane in which the scale 2 extends, but can also run perpendicular to it, which is not shown here, however.

Die Magnetisierung erzeugt ein Streufeld, welches symbolisch in den vergrößerten Einzelheiten Zb und Zc in den Figuren Ib und Ic dargestellt ist.The magnetization generates a stray field, which is symbolically shown in the enlarged details Zb and Zc in Figures Ib and Ic.

Die periodische Meßteilung 3 wird von magnetoresistiven Elementen 5 abgetastet, die sich in der Abtasteinheit 4 befinden und auf die in der Beschreibung zu den folgenden Figuren noch näher eingegangen wird. Dabei wird als Bezugszeichen eine 5 für das oder die magnetoresistiven Elemente eingesetzt und gegebenenfalls um die jeweilige Figurenbezifferung als Index ergänzt.The periodic measuring graduation 3 is scanned by magnetoresistive elements 5, which are located in the scanning unit 4 and which are discussed in more detail in the description of the following figures. A 5 is used as a reference symbol for the magnetoresistive element(s) and, if necessary, supplemented by the respective figure number as an index.

In Figur Ib ist das magnetoresistive Element 5b in der zur Meßteilung 3 parallelen Ebene waagerecht liegend angeordnet. Gemäß Figur Ic ist das magnetoresistive Element 5c in der zur Meßteilung 3 parallelen Ebene senkrecht stehend angeordnet.In Figure 1b, the magnetoresistive element 5b is arranged horizontally in the plane parallel to the measuring graduation 3. According to Figure 1c, the magnetoresistive element 5c is arranged vertically in the plane parallel to the measuring graduation 3.

Für die Erfindung ist jeder magnetfeld-empfindliche Sensor mit quadratischer Kennlinie geeignet. So können als Sensoren auch Feldplatten verwendet werden. Any magnetic field-sensitive sensor with a square characteristic curve is suitable for the invention. Field plates can also be used as sensors.

Das erfindungsgemäße Hilfsfeld muß nur jeweils in der Richtung liegen, in der der Sensor empfindlich ist.The auxiliary field according to the invention only has to be in the direction in which the sensor is sensitive.

Die Abtasteinheit 4 weist darüber hinaus einen Baustein 6 auf, der das magnetische Hilfsfeld Y erzeugt, welches elektromagnetisch erzeugt wird und von einem Wechselfeld gebildet wird.The scanning unit 4 also has a component 6 which generates the auxiliary magnetic field Y, which is generated electromagnetically and is formed by an alternating field.

Das Hilfsfeld Y wirkt in der Richtung, in der die magnetoresistiven Elemente 5 empfindlich sind.The auxiliary field Y acts in the direction in which the magnetoresistive elements 5 are sensitive.

Die in Figur 2 dargestellte Anordnung zeigt schematisch die Positionsmeßeinrichtung 1 mit einer Spule 6 zur Erzeugung des Hilfsfeldes Y. Der Maßstab 2 wird von einer Abtasteinheit 4 abgetastet. Die Abtasteinheit 4 weist magnetoresistive Elemente 5 auf, die von der Spule 6 umschlossen werden.The arrangement shown in Figure 2 schematically shows the position measuring device 1 with a coil 6 for generating the auxiliary field Y. The scale 2 is scanned by a scanning unit 4. The scanning unit 4 has magnetoresistive elements 5 which are enclosed by the coil 6.

Die magnetoresistiven Elemente - kurz auch Sensoren 5 - genannt, sind von der Spule 6 umschlossen, die ein Hilfsfeld Y erzeugt, welches in der Ebene der Sensoren 5 liegt, jedoch senkrecht zu der Sensor-Längserstreckung verläuft. Die Spule 6 wird von einem Oszillator 0 mit einem hochfrequenten Wechselstrom gespeist.The magnetoresistive elements - also called sensors 5 for short - are enclosed by the coil 6, which generates an auxiliary field Y that lies in the plane of the sensors 5, but runs perpendicular to the sensor's longitudinal extension. The coil 6 is fed with a high-frequency alternating current by an oscillator 0.

Es sei angenommen, daß die Spule 6 mit einem rechteckförmigen Wechselstrom gespeist wird. Dann hat das dem Maßstabsfeld X überlagerte Hilfsfeld Y ebenfalls einen rechteckförmigen Verlauf.It is assumed that the coil 6 is fed with a rectangular alternating current. Then the auxiliary field Y superimposed on the scale field X also has a rectangular shape.

In Figur 3 ist die Lage der Sensorstriche 5 zum magnetischen Maßstab 2 sowie die Richtung des Hilfsfeldes Y skizzenhaft angedeutet.In Figure 3, the position of the sensor lines 5 in relation to the magnetic scale 2 as well as the direction of the auxiliary field Y are sketched.

Figur 4 zeigt die weitere Schematisierung einer Anordnung gemäß Figur 3.' Die Sensoren sind als elektrische Ersatzwiderstände Ri (i=l...n) über dem Maßstab 2 dargestellt, um auf das Ersatzschaltbild mit zwei Voll-Brückenschaltungen gemäß Figur 5 überzuleiten.Figure 4 shows the further schematization of an arrangement according to Figure 3.' The sensors are shown as electrical equivalent resistances Ri (i=l...n) above the scale 2 in order to transfer to the equivalent circuit with two full bridge circuits according to Figure 5.

Diese Figur 5 zeigt die Verschaltung der Sensoren Ri zu zwei Voll-Brückenschaltungen.
10This figure 5 shows the connection of the sensors Ri to two full bridge circuits.
10

Die Brücken werden mit konstantem Strom oder konstanter Spannung gespeist.The bridges are supplied with constant current or constant voltage.

An den Ausgängen der Brücken entstehen zwei amplitudenmodulierte Signale Ul und U2 mit der Frequenz mit der die Spule 6 gespeist wird.At the outputs of the bridges, two amplitude-modulated signals Ul and U2 are generated with the frequency with which coil 6 is fed.

Die Entstehung eines amplitudenmodulierten Signales ist in Figur 6 für eine Halbbrücke gezeigt.The generation of an amplitude modulated signal is shown in Figure 6 for a half bridge.

Das Hilfsfeld Y hat die Amplitude Y„ wie im unteren Teil der Figur 6 gezeigt ist. Das Hilfsfeld Y steuert den Sensor, der eine Viertelbrücke darstellt bis zu einem bestimmten Arbeitspunkt A, A1 (z.B.The auxiliary field Y has the amplitude Y" as shown in the lower part of Figure 6. The auxiliary field Y controls the sensor, which is a quarter bridge, up to a certain operating point A, A 1 (eg

DR/R=1%) aus. Kommt zu dem Hilfsfeld Y ein Maßstabsfeld X, so wird eine Viertelbrücke bis zu dem mit einem Kreis bezeichneten Punkt ausgesteuert,
die andere Viertelbrücke jedoch nur bis zu dem mit einem Kreuz bezeichneten Punkt ausgesteuert, da die beiden Viertelbrücken räumlich um eine halbe Teilungsperiode P versetzt sind. Da die beiden Viertelbrücken definitionsgemäß zu einer Halbbrücke verschaltet sind, erhält man als Ausgangssignal die Differenz der beiden Aussteuerungen. Man erhält es durch Spiegelung der Felder an der Empfindlichkeitskurve der Sensoren, wie in Figur 6 rechts gezeigt ist.DR/R=1%). If a scale field X is added to the auxiliary field Y, a quarter bridge is controlled up to the point marked with a circle,
The other quarter bridge is only driven up to the point marked with a cross, since the two quarter bridges are spatially offset by half a division period P. Since the two quarter bridges are connected to form a half bridge by definition, the output signal is the difference between the two drives. It is obtained by mirroring the fields on the sensitivity curve of the sensors, as shown on the right in Figure 6.

Die Ausgangssignale Ul und U2 können entweder mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter vorzeichenrichtig demoduliert und als Gleichstromsignale den üblichen Interpolationsschaltungen zugeführt werden, oder es wird eine Auswerteschaltung ähnlich den bei Resolver- oder Synchroconvertern gebräuchlichen benützt.The output signals Ul and U2 can either be demodulated with the correct sign using a phase-sensitive rectifier and fed to the usual interpolation circuits as direct current signals, or an evaluation circuit similar to those used in resolvers or synchroconverters can be used.

Wenn das Hilfsfeld Y groß gegenüber dem Maßstabsfeld X ist und so gewählt ist, daß der Arbeitspunkt im linearen Teil der Empfindlichkeitskurve der Sensoren 5 liegt, hat das Ausgangssignal Ul bzw. U2 weitgehend den gleichen zeitlichen Verlauf wie das Hilfsfeld Y. Dies ist jedoch nicht Voraussetzung für die Funktion der beschriebenen Anordnung.If the auxiliary field Y is large compared to the scale field X and is selected so that the operating point lies in the linear part of the sensitivity curve of the sensors 5, the output signal Ul or U2 has largely the same temporal progression as the auxiliary field Y. However, this is not a prerequisite for the function of the arrangement described.

Figur 7 zeigt den Signalverlauf des Ausgangssignales Ul bzw. U2, wenn das Hilfsfeld Y einen dreieckförmigen Verlauf hat. Hier ist zusätzlich angenommen, daß das Hilfsfeld Y die Sensoren 5 bis über die Sättigung aussteuert. Der Signalverlauf ergibt sich wieder durch Spiegelung der Felder an der Empfindlichkeitskurve. Das Ausgangssignal Ul einer Halbbrücke ergibt sich als Differenz der beiden Viertelbrückensignale und enthält neben der Speisefrequenz viele ungerade Oberwellen. Die Auswertung kann wieder durch phasenempfindliche Gleichrichtung erfolgen, es können aber auch andere Auswerteverfahren angewandt werden, die gezielt eine Oberwelle benützen.Figure 7 shows the signal curve of the output signal Ul or U2 when the auxiliary field Y has a triangular shape. Here it is also assumed that the auxiliary field Y drives the sensors 5 beyond saturation. The signal curve is again obtained by mirroring the fields on the sensitivity curve. The output signal Ul of a half-bridge is the difference between the two quarter-bridge signals and contains, in addition to the supply frequency, many odd harmonics. The evaluation can again be carried out by phase-sensitive rectification, but other evaluation methods can also be used that specifically use a harmonic.

Die Aussteuerung mit großen Hilfsfeldern Y bis zur Sättigung, oder darüber hinaus, 'hat den Vorteil, daß die Sensoren 5 durch externe Fremdfelder nicht gestört werden können.The control with large auxiliary fields Y up to saturation, or beyond, has the advantage that the sensors 5 cannot be disturbed by external fields.

Das Hilfsfeld Y kann auch einen rein sinusförmigen Verlauf haben, was aber hier nicht ausdrücklich gezeigt werden muß.The auxiliary field Y can also have a purely sinusoidal shape, but this does not need to be explicitly shown here.

Figur 8 zeigt das Blockschaltbild für eine Auswertung ähnlich der bei Resolvern üblichen.Figure 8 shows the block diagram for an evaluation similar to that commonly used for resolvers.

Der Oszillator 0 erzeugt ein Wechselfeld für die Spule 6, die Oszillatorspannung liegt gleichzeitig am Referenzeingang R der Auswerteeinrichtung 7. Zwischen Oszillatorausgang und Referenzeingang R können noch Phasenschieber angeordnet sein, die hier nicht gezeigt sind.The oscillator 0 generates an alternating field for the coil 6, the oscillator voltage is simultaneously at the reference input R of the evaluation device 7. Between the oscillator output and the reference input R phase shifters can be arranged, which are not shown here.

Statt das Hilfsfeld Y mit einer Spule zu erzeugen, können auch andere Anordnungen zur Erzeugung von Hilfsfeldern angewandt werden. Eine Möglichkeit ist in Figur 9 beispielhaft gezeigt. In nächster Nähe der Sensoren 5 sind, durch eine isolierende Zwischenschicht 8 getrennt, stromführende Leiter 9 angeordnet, deren Feld die Sensoren 5 beeinflußt.Instead of generating the auxiliary field Y with a coil, other arrangements for generating auxiliary fields can also be used. One possibility is shown as an example in Figure 9. In the immediate vicinity of the sensors 5, separated by an insulating intermediate layer 8, current-carrying conductors 9 are arranged, the field of which influences the sensors 5.

In Figur 10 ist eine Prinzipdarstellung einer weiteren magnetischen Längenmeßeinrichtung 110 gezeigt. Die Längenmeßeinrichtung 110 besteht im wesentlichen aus einem Maßstab 210, der eine periodische Meßteilung 310 aufweist, sowie aus einer Abtasteinheit 410 zur Abtastung der Meßteilung. 310. Der Maßstab 210 besteht aus magnetischem Material und ist abwechselnd mit gegensätzlicher Feldstärke magnetisiert - daraus bildet sich die periodische Meßteilung 310 mit der Teilungsperiode P. Die Magnetisierung erfolgt längs der Ebene, in der sich der Maßstab 210 erstreckt, kann aber auch senkrecht dazu verlaufen, was hier jedoch nicht gezeigt ist.Figure 10 shows a schematic diagram of another magnetic length measuring device 110. The length measuring device 110 essentially consists of a scale 210, which has a periodic measuring graduation 310, and a scanning unit 410 for scanning the measuring graduation 310. The scale 210 consists of magnetic material and is magnetized alternately with opposite field strengths - this forms the periodic measuring graduation 310 with the graduation period P. The magnetization takes place along the plane in which the scale 210 extends, but can also run perpendicular to it, although this is not shown here.

Die Magnetisierung erzeugt ein Streufeld - als Maßstabfeld X bezeichnet -, welches symbolisch in der vergrößerten Einzelheit Z gemäß Figur 11 dargestellt ist.
5The magnetization generates a stray field - referred to as scale field X - which is symbolically shown in the enlarged detail Z in Figure 11.
5

Die periodische Meßteilung 310 wird von magnetfeldempfindlichen Elementen 510 abgetastet, die sich in der Abtasteinheit 410 befinden und auf die in der Beschreibung zu den folgenden Figuren noch näher eingegangen wird. Dabei wird als Bezugszeichen eine 510 für das oder die magnetfeldempfindlichen Elemente eingesetzt.The periodic measuring graduation 310 is scanned by magnetic field sensitive elements 510, which are located in the scanning unit 410 and which will be discussed in more detail in the description of the following figures. A 510 is used as a reference symbol for the magnetic field sensitive element(s).

Die Abtasteinheit 410 weist darüber hinaus einen Baustein 610 auf, der ein magnetisches Hilfsfeld oder auch Fremdfeld Y erzeugt, welches permanent magnetisch oder elektromagnetisch erzeugt wird.The scanning unit 410 also has a component 610 that generates an auxiliary magnetic field or external field Y, which is generated permanently magnetically or electromagnetically.

Dieses Fremdfeld Y macht das Maßstabfeld X gegenüber den Sensoren 510 kurzzeitig unwirksam. Das Maßstabfeld X kann gegenüber Ben Sensoren 510 auch mit Hilfe eines weichmagnetischen Elementes abgeschirmt werden. *·This external field Y temporarily renders the scale field X ineffective against the sensors 510. The scale field X can also be shielded against the sensors 510 using a soft magnetic element. *·

In Figur 12 ist der Maßstab 210 mit der Meßteilung J 310 gezeigt, dem die AbtasteinheitlHIO mit den SenIn Figure 12 the scale 210 with the measuring graduation J 310 is shown, to which the scanning unit lHIO with the sensors

soren 510 zur Abtastung gegenüberliegt. Die Sensoren 510 sind von einer Spule 610 umschlossen, die mit Hilfe eines Pulsgenerators 810 ein magnetisches Hilfsfeld Y erzeugt. Dieses Hilfsfeld Y wird auch als Fremdfeld gegenüber 4em Magnetfeld X der Meßteilung 310 bezeichnet.sensors 510 for scanning. The sensors 510 are enclosed by a coil 610, which generates a magnetic auxiliary field Y with the help of a pulse generator 810. This auxiliary field Y is also referred to as an external field with respect to the magnetic field X of the measuring graduation 310.

Im Ausführungsbeispiel gemäß dieser Figur liegt das Fremdfeld Y in der Ebene der Sensoren 510 - also in der Ebene der Sensorstriche*510 - und parallel zu diesen.In the embodiment according to this figure, the external field Y lies in the plane of the sensors 510 - i.e. in the plane of the sensor lines*510 - and parallel to them.

Figur 13 zeigt eine ähnliche Konstellation, jedoch ist hier das Fremdfeld Y senkrecht zu den Sensorstrichen 510 sowie in deren Ebene ausgerichtet.Figure 13 shows a similar configuration, but here the external field Y is aligned perpendicular to the sensor lines 510 and in their plane.

Eine weitere Möglichkeit - die weitere Varianten nicht ausschließt - ist in Figur 14 dargestellt. Hier verläuft das Fremdfeld Y senkrecht zu der Ebene, in der die Sensoren 510 der Abtasteinheit 410 liegen.Another possibility - which does not exclude other variants - is shown in Figure 14. Here, the external field Y runs perpendicular to the plane in which the sensors 510 of the scanning unit 410 are located.

1010

Das Fremdfeld Y kann gemäß Figur 15 auch durch stromführende Leiter 910, die in unmittelbarer Nähe » der Sensorstriche 510 angeordnet sind, erzeugt werAccording to Figure 15, the external field Y can also be generated by current-carrying conductors 910 that are arranged in the immediate vicinity of the sensor lines 510.

den. Werden die Leiter 910 vom Strom durchflossen, so treibt deren Feld die Sensoren 510 in die Sättigung und schaltet so den Einfluß des Magnetfeldes X der Meßteilung 310 aus. Die Ausrichtung des Fremdfeldes erfolgt dabei wechselweise, aber ähnlich gemäß Figur 13.If current flows through the conductors 910, their field drives the sensors 510 into saturation and thus eliminates the influence of the magnetic field X of the measuring graduation 310. The alignment of the external field takes place alternately, but similarly as shown in Figure 13.

2020

In Figur 16 ist eine mögliche Geometrie der Leiter 910 dargestellt.Figure 16 shows a possible geometry of the conductors 910.

Figur 17 stellt ein Blockschaltbild dar, welches auch einen Pulsgenerator 810 zeigt. Dieser Pulsgenerator 810 erzeugt durch einen Strom- oder Spannungsstoß kurzzeitig mittels der Spule 610 oder der Leiter 910 ein Magnetfeld Y, das gemäß vorstehender Definition mit Hilfs- oder Fremdfeld Y bezeichnet ist. Dieses Fremdfeld Y muß so groß sein, daß die Sensoren 510 in die Sättigung getrieben werden.Figure 17 shows a block diagram which also shows a pulse generator 810. This pulse generator 810 briefly generates a magnetic field Y by means of a current or voltage surge using the coil 610 or the conductors 910, which is referred to as an auxiliary or external field Y according to the above definition. This external field Y must be so large that the sensors 510 are driven into saturation.

Wenn die Sensoren 510 in der Sättigung sind, hat das Maßstabsfeld X keinen Einfluß mehr auf die Sensoren 510. Brückennullpunkte einer an sich bekannten Brückenschaltung sind dann allein durch dieWhen the sensors 510 are saturated, the scale field X no longer has any influence on the sensors 510. Bridge zero points of a known bridge circuit are then determined solely by the

Ohmschen Nullwiderstände in den Brückenzweigen bestinunt. Zero ohmic resistances in the bridge branches are determined.

Vom Pulsgenerator 810 werden zwei Schalter Sl und S2 bedient, die abwechselnd geöffnet sind.The pulse generator 810 operates two switches Sl and S2, which are opened alternately.

Im normalen Betrieb ist Schalter Sl geschlossen, Schalter S2 geöffnet. Gleichzeitig mit dem Hilfsfeld Y, das vom Pulsgenerator 810 über die Spule 610 am Sensor 510 erzeugt wird, wird Schalter S2 geschlossen und Schalter Sl geöffnet. Die nun am Sensor 510 anliegende Nullspannung wird in einem mit SHx bezeichneten Abtast- und Halteglied gespeichert. In normal operation, switch Sl is closed and switch S2 is opened. Simultaneously with the auxiliary field Y, which is generated by the pulse generator 810 via the coil 610 at the sensor 510, switch S2 is closed and switch Sl is opened. The zero voltage now present at the sensor 510 is stored in a sample and hold element designated SH x .

Ist das Hilfsfeld Y wieder abgeschaltet, wird bei geöffnetem Schalter S2 und geschlossenem Schalter Sl die Differenz von aktueller Sensorspannung und Nullspannung am Differenzverstärker 10 ausgegeben.If the auxiliary field Y is switched off again, the difference between the current sensor voltage and the zero voltage is output at the differential amplifier 10 when switch S2 is open and switch Sl is closed.

Die Ausgangsspannung Ua des Differenzverstärkers 10 ist also unabhängig von der Nullpunktsdrift des Sensors 510.The output voltage Ua of the differential amplifier 10 is therefore independent of the zero point drift of the sensor 510.

Um Störungen des Ausgangssignales Ua während der Abtastphase zu vermeiden, ist noch ein zweites Abtast- und Halteglied SH2 vorhanden, das mit dem Ausgangssignal des Sensors 510 mitläuft und nur während der aktiven Phase des Pulsgenerators 810 die letzte aktuelle Signalspannung des Sensors 510 festhält.In order to avoid disturbances of the output signal Ua during the sampling phase, a second sample and hold element SH 2 is present, which runs along with the output signal of the sensor 510 and only holds the last current signal voltage of the sensor 510 during the active phase of the pulse generator 810.

Claims (29)

c · · fi*4 «arc · · fi*4 «ar DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 20. Februar 1995DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 20 February 1995 AnsprücheExpectations Ii-Positionsmeßeinrichtung (1) zur Messung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte, bei der eine periodische, magnetische Meßteilung (3) in Meßrichtung von einer Abtasteinheit (4) mittels wenigstens eines magnetfeldempfindlichenII position measuring device (1) for measuring the relative position of two objects moving relative to one another, in which a periodic, magnetic measuring graduation (3) is moved in the measuring direction by a scanning unit (4) by means of at least one magnetic field-sensitive Elementes (5) zur Erzeugung von positionsabhängigen Ausgangssignalen (Ul, U2) abgetastet wird, aus denen in einer Auswerteeinrichtung (7) Positionsmeßwerte gebildet werden, wobei das wenigstens eine magnetfeldempfindliche Element (5) in der Abtasteinheit (4) in einer zur Meßteilung (3) parallelen Ebene angeordnet ist und von einem magnetischen Hilfsfeld (Y) magnetisch vorgespannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Hilfsfeld (Y) ein hochfrequentes Wechselfeld ist.Element (5) is scanned to generate position-dependent output signals (Ul, U2), from which position measurement values are formed in an evaluation device (7), wherein the at least one magnetic field-sensitive element (5) in the scanning unit (4) is arranged in a plane parallel to the measuring graduation (3) and is magnetically biased by an auxiliary magnetic field (Y), characterized in that the auxiliary magnetic field (Y) is a high-frequency alternating field. 2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Hilfsfeld2. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the magnetic auxiliary field (Y) kleiner ist, als die Sättigungsfeldstärke der magnetfeldempfindlichen Elemente (5).(Y) is smaller than the saturation field strength of the magnetic field sensitive elements (5). 3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Hilfsfeld3. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the magnetic auxiliary field (Y) größer ist, als die Sattigungsfeldstärke der magnetfeldempfindlichen Elemente (5).(Y) is greater than the saturation field strength of the magnetic field sensitive elements (5). 4. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfeld (Y) einen rechteckförmigen Verlauf hat.4. Position measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the auxiliary field (Y) has a rectangular shape. 5. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfeld (Y) einen dreieckförmigen Verlauf hat.5. Position measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the auxiliary field (Y) has a triangular shape. 6. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfeld (Y) einen sinusförmigen Verlauf hat.6. Position measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the auxiliary field (Y) has a sinusoidal course. \ \ 7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch7. Position measuring device according to claim 1, characterized gekennzeichnet, daß das Wechselfeld von einer Spule (6) erzeugt wird, die von einem Oszillator (0) gespeist wird.characterized in that the alternating field is generated by a coil (6) which is fed by an oscillator (0). 8. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (0) in der Abtasteinheit (4) angeordnet ist.8. Position measuring device according to claim 7, characterized in that the oscillator (0) is arranged in the scanning unit (4). 9. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (7) in der Abtasteinrichtung (4) angeordnet ist.9. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the evaluation device (7) is arranged in the scanning device (4). - - 10. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch10. Position measuring device according to claim 1, characterized gekennzeichnet, daß die Positionswerte mittels phasenempfindlicher Gleichrichtung der positionsabhängigen Ausgangssignale (Ul, U2) gebildet werden.characterized in that the position values are formed by means of phase-sensitive rectification of the position-dependent output signals (Ul, U2). 11. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionswerte mittels Interpolation mit Synchron- oder Resolverconvertern gebildet werden.11. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the position values are formed by means of interpolation with synchronous or resolver converters. 12. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfeld durch stromführende Leiter (9), die mit den magnetfeldempfindlichen Elementen (5) verbunden sind, erzeugt wird.12. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the auxiliary field is generated by current-carrying conductors (9) which are connected to the magnetic field-sensitive elements (5). 13. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfeld durch stromführende Leiter (9), die über eine isolierende Zwischenschicht (8) mit den magnetfeldempfindlichen Elementen (5) verbunden sind, erzeugt wird.13. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the auxiliary field is generated by current-carrying conductors (9) which are connected to the magnetic field-sensitive elements (5) via an insulating intermediate layer (8). 14. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldempfindlichen Elemente (5) in der zur Meßteilung (3) parallelen Ebene waagrecht liegend angeordnet sind.14. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the magnetic field sensitive elements (5) are arranged horizontally in the plane parallel to the measuring graduation (3). 15. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldempfindlichen Elemente (5) in der zur Meßteilung (3) parallelen Ebene senkrecht stehend angeordnet sind.15. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the magnetic field sensitive elements (5) are arranged vertically in the plane parallel to the measuring graduation (3). 16. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldempfindliche Element (5) eine Feldplatte ist.16. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the magnetic field sensitive element (5) is a field plate. 17. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldempfindliche Element (5) ein magnetoresistives Element ist.17. Position measuring device according to claim 1, characterized in that the magnetic field sensitive element (5) is a magnetoresistive element. 18. Positionsmeßeinrichtung (110) zur Messung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte, bei der eine periodische, magnetische Meßteilung (310) in Meßrichtung von einer Abtasteinheit (410) mittels wenigstens eines magnetfeldempfindlichen Elementes (510) zur Erzeugung von positionsabhängigen Ausgangssignalen18. Position measuring device (110) for measuring the relative position of two objects moving relative to one another, in which a periodic, magnetic measuring graduation (310) is moved in the measuring direction by a scanning unit (410) by means of at least one magnetic field-sensitive element (510) for generating position-dependent output signals abgetastet wird, aus denen in einer Auswerteeinrichtung Positionsmeßwerte gebildet werden, wobei das wenigstens eine magnetfeldempfindliche Element (510) in der Abtasteinheit (410) in einer zur Meßteilung (310) parallelen Ebene angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die das Magnetfeld (X) der Meßteilung (310) kurzzeitig unwirksam machen.is scanned, from which position measurement values are formed in an evaluation device, wherein the at least one magnetic field-sensitive element (510) is arranged in the scanning unit (410) in a plane parallel to the measuring graduation (310), characterized in that means are provided which temporarily render the magnetic field (X) of the measuring graduation (310) ineffective. 19. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Fremdfeld (Y) kurzzeitig die magnetfeldempfindlichen Elemente (510) in die Sättigung treibt und so das Magnetfeld (X) der Meßteilung (310) kurzzeitig unwirksam macht.19. Position measuring device according to claim 18, characterized in that an external magnetic field (Y) briefly drives the magnetic field-sensitive elements (510) into saturation and thus temporarily renders the magnetic field (X) of the measuring graduation (310) ineffective. 20. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (X) der Meßteilung (310) gegenüber den magnetfeldempfindlichen Elementen (510) durch wenigstens ein weichmagnetisches Element abgeschirmt wird.20. Position measuring device according to claim 18, characterized in that the magnetic field (X) of the measuring graduation (310) is shielded from the magnetic field sensitive elements (510) by at least one soft magnetic element. 21. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Fremdfeld (Y) größer ist, als die Sattigungsfeldstärke der magnetfeldempfindlichen Elemente (510).21. Position measuring device according to claim 18, characterized in that the external magnetic field (Y) is greater than the saturation field strength of the magnetic field-sensitive elements (510). 22. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Fremdfeld (Y) durch eine Spule (610) erzeugt wird, die von einem Pulsgenerator (810) gespeist wird.22. Position measuring device according to claim 18, characterized in that the external field (Y) is generated by a coil (610) which is fed by a pulse generator (810). 23. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Fremdfeld (Y) von einem stromdurchflossenen Leiter (910) erzeugt23. Position measuring device according to claim 18, characterized in that the external field (Y) is generated by a current-carrying conductor (910) • · · mi I , • · · mi I , wird, der von einem Pulsgenerator (810) gespeist wird.which is fed by a pulse generator (810). 24. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Fremdfeld (Y) permanent-magnetisch erzeugt wird.24. Position measuring device according to claim 18, characterized in that the external field (Y) is generated permanently magnetically. 25. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulsgenerator25. Position measuring device according to claim 18, characterized in that a pulse generator (810) vorgesehen ist, der mit zwei abwechselnd(810) is provided, which is equipped with two alternating geöffneten Schaltern (Sx) und (S2), mit eineropened switches (S x ) and (S 2 ), with a Spule (610) oder Leitern (910) sowie mit wenig-Coil (610) or conductors (910) and with little y stens einem Abtast- und Halteglied (SH1) und y at least one sample and hold element (SH 1 ) and einem Differenzverstärker (10) einen Schaltkreis bildet.a differential amplifier (10) forms a circuit. 26. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aktivierung des Pulsgenerators (810) das Fremdfeld (Y) erzeugt, oder die Abschirmung wirksam wird, der Schalter (Si) geöffnet und der Schalter (S2) geschlossen wird, wobei die dann am Sensor (510) anliegende Momentanspannung - üblicherweise die Nullspannung - in dem Abtast- und Halteglied (SHi) gespeichert wird, und daß bei Deaktivierung des ' Pulsgenerators (810) die Zustände der Schalter26. Position measuring device according to claim 25, characterized in that when the pulse generator (810) is activated, the external field (Y) is generated, or the shielding becomes effective, the switch (Si) is opened and the switch (S 2 ) is closed, the instantaneous voltage then present at the sensor (510) - usually the zero voltage - being stored in the sample and hold element (SHi), and that when the pulse generator (810) is deactivated, the states of the switches (Si) und (S2) wechseln, die aktuelle Spannung am Sensor (510) dem Differenzverstärker (10) zugeführt und mit der im Abtast- und Halteglied (SHi) gespeicherten, ebenfalls dem Differenzverstärker (10) zugeführten Nullspannung verglichen wird, und daß am Ausgang des Differenzverstärkers (10) eine nuilpunktsdrift-freie Ausgangsspannung (Ua) zur Meßwertbildung abgegriffen werden kann.(Si) and (S 2 ) alternate, the current voltage at the sensor (510) is fed to the differential amplifier (10) and compared with the zero voltage stored in the sample and hold element (SHi) and also fed to the differential amplifier (10), and that a zero-point drift-free output voltage (Ua) can be tapped at the output of the differential amplifier (10) for measuring value formation. .ie.-.—:.ie.-.—: 27. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Abtast- und Halteglied (SH2) im Schaltkreis vorgesehen ist, welches mit dem Ausgangssignal des Sensors (510) synchronisiert ist und nur während der aktiven Phase des Pulsgenerators (810) die letzte aktuelle Signalspannung des Sensors (510) speichert.27. Position measuring device according to claim 26, characterized in that a further sample and hold element (SH 2 ) is provided in the circuit, which is synchronized with the output signal of the sensor (510) and stores the last current signal voltage of the sensor (510) only during the active phase of the pulse generator (810). 28. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (X) der Meßteilung (310) vor dem Meßvorgang kurzzeitig unwirksam gemacht wird.28. Position measuring device according to claim 18, characterized in that the magnetic field (X) of the measuring graduation (310) is briefly rendered ineffective before the measuring process. 29. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (X) der Meßteilung (310) während des Meßvorganges wiederholt kurzzeitig unwirksam gemacht wird.29. Position measuring device according to claim 18, characterized in that the magnetic field (X) of the measuring graduation (310) is repeatedly made ineffective for a short time during the measuring process.
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