DE4203073A1 - Positionsmesseinrichtung - Google Patents

Positionsmesseinrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Positions­ meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine derartige Positionsmeßeinrichtung wird insbe­ sondere bei einer Bearbeitungsmaschine zur Messung der Relativlage eines Werkzeugs bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstückes eingesetzt.
In der EP-B1-01 51 002 ist eine magnetische Posi­ tionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte beschrieben, bei der eine Meßteilung in Meßrichtung alternierend magnetisch leitende und magnetisch nichtleitende Bereiche besitzt, die von einer einen Permament­ magneten aufweisenden Abtasteinheit gemäß Fig. 19 mittels zweier Gruppen aus je vier magnetoresisti­ ven Elementen zur Erzeugung von positionsabhängigen Ausgangssignalen abgetastet werben. Die vier magnetoresistiven Elemente jeder Gruppe sind je­ weils in Form einer Reihenschaltung zu einer Halb­ brückenschaltung verschaltet. Diese Meßeinrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß lediglich zwei Teilungsperioden der Meßteilung von den beiden Gruppen aus jeweils vier magnetoresistiven Elemen­ ten abgetastet werden, so daß die gewonnenen posi­ tionsabhängigen Ausgangssignale infolge von Tei­ lungsungenauigkeiten der Meßteilung im allgemeinen keine optimalen Signalparameter (Amplituden, ge­ genseitige Phasenlage) aufweisen werden. Da die magnetoresistiven Elemente in Form einer Reihen­ schaltung zu zwei Halbbrückenschaltungen verschal­ tet sind, ist eine Erhöhung der Anzahl der magneto­ resistiven Elemente jeder Gruppe zur Abtastung zusätzlicher Teilungsperioden der Meßteilung nicht ohne weiteres möglich, weil sonst der Brückenwi­ derstand der beiden Halbbrückenschaltungen zu groß würde; in diesem Falle müßte zur Einspeisung einer bestimmten Stromstärke eine hohe Spannung an die Halbbrückenschaltungen angelegt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer magnetischen Meßeinrichtung der genannten Gattung eine Anordnung und Verschaltung von magnetoresisti­ ven Elementen anzugeben, die auf einfache Weise eine Gewinnung von positionsabhängigen Ausgangs­ signalen mit optimalen Signalparametern erlauben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die durch die vorgeschlagene Anordnung und Verschaltung der magnetoresistiven Elemente gewonnenen positionsab­ hängigen Ausgangssignale wegen ihrer optimalen Si­ gnalparameter einer nachfolgenden Interpolation mit hohem Unterteilungsgrad unterzogen werden können, so daß sich die Meßgenauigkeit und die Meßauflösung weiter erhöhen; zudem kann wegen des relativ nied­ rigen Brückenwiderstandes der Halbbrückenschaltun­ gen oder der Vollbrückenschaltungen mit einer Rei­ hen-Parallel-Schaltung der magnetoresistiven Ele­ mente die zur Einspeisung einer bestimmten Strom­ stärke erforderliche Spannung in einem niedrigeren Bereich liegen.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung entnimmt man dem Unteranspruch.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Längsansicht einer ersten Positionsmeßeinrichtung,
Fig. 2a-c eine erste Anordnung und Ver­ schaltung von magnetoresisti­ ven Elementen zu zwei Halb­ brückenschaltungen,
Fig. 3a-c eine zweite Anordnung und Ver­ schaltung von magnetoresisti­ ven Elementen zu zwei Voll­ brückenschaltungen,
Fig. 4a-c eine dritte Anordnung und Ver­ schaltung von magnetoresisti­ ven Elementen zu zwei Voll­ brückenschaltungen,
Fig. 5 eine Längsansicht einer zwei­ ten Positionsmeßeinrichtung und
Fig. 6 eine Längsansicht einer drit­ ten Positionsmeßeinrichtung.
In Fig. 1 ist schematisch in einer Längsansicht eine erste Positionsmeßeinrichtung gezeigt, bei der eine Maßverkörperung 1 aus einem magnetisierbaren Material in beliebiger Weise an einem ersten Objekt 2 befestigt ist. Die Maßverkörperung 1 weist auf einer Oberfläche eine periodische Meßteilung 3 mit in Meßrichtung X alternierend gegenpolig magneti­ sierten Bereichen NS auf, an deren Bereichsgrenzen zwei Nordpole NN bzw. zwei Südpole SS aneinander­ grenzen. Die Meßteilung 3 besitzt eine Teilungs­ periode t, die durch den Polabstand jedes Bereichs NS definiert ist. Mit einem zweiten Objekt 4 ist eine Abtasteinheit 5 verbunden, die die Meßteilung 3 der Maßverkörperung 1 zur Gewinnung von Posi­ tionsmeßwerten für die Relativlage der beiden Ob­ jekte 2, 4 abtastet. Diese beiden Objekte 2, 4 kön­ nen durch zwei Maschinenteile einer nicht darge­ stellten Bearbeitungsmaschine gebildet sein. Die Abtasteinheit 5 ist mit einer Abtastplatte 6 ver­ sehen, auf deren freien Oberfläche vier Gruppen A, B, C, D aus je vier magnetoresistiven Elementen An, Bn, Cn, Dn (n = 1, 2, 3, 4) angeordnet sind.
Nach Fig. 2a erstrecken sich diese streifenförmi­ gen magnetoresistiven Elemente An-Dn senkrecht zur Meßrichtung X und sind in Meßrichtung X pa­ rallel zueinander mit einem jeweiligen gegensei­ tigen Abstand t/4 angeordnet; jede Gruppe A-D aus vier magnetoresistiven Elementen An-Dn erstreckt sich in Meßrichtung X somit über eine Teilungspe­ riode t der Meßteilung 3.
Gemäß den Fig. 2b und 2c werden die magnetore­ sistiven Elemente An-Dn in Form einer Reihen-Pa­ rallel-Schaltung zu zwei Halbbrückenschaltungen H1, H2 verschaltet, die jeweils mit einem Pol an einer Spannung U und mit dem anderen Pol an Masse M an­ liegen. Bei der Meßbewegung der Abtasteinheit 5 bezüglich der Meßteilung 3 stehen am Mittelabgriff der ersten Halbbrückenschaltung H1 ein erstes pe­ riodisches Ausgangssignal S1 mit der Phasenlage 0° und am Mittelabgriff der zweiten Halbbrückenschal­ tung H2 ein zweites periodisches Ausgangssignal S2 mit der Phasenlage 90° an, deren Signalperioden der Teilungsperiode t der Meßteilung 3 entsprechen; die Phasendifferenz von 90° zwischen den beiden peri­ odischen Ausgangssignalen S1, S2 ermöglicht die Diskriminierung der Meßrichtung X. Die beiden peri­ odischen Ausgangssignale S1, S2 werden einer nicht gezeigten Auswerteeinrichtung mit einer Interpola­ tionseinheit zur Gewinnung von Positionsmeßwerten zugeführt. Da die beiden Ausgangssignale S1, S2 wegen der sogenannten Einfeldabtastung über vier Teilungsperioden t der Meßteilung 3 optimale Si­ gnalparameter (hohe Nullpunktsstabilität, gleiche Amplituden und eine konstante gegenseitige Phasen­ differenz) besitzen, können sie in der Interpola­ tionseinheit mit einem hohen Unterteilungsgrad un­ terteilt werden, so daß eine höhere Meßgenauigkeit und Meßauflösung auch bei Teilungsungenauigkeiten der Meßteilung 3 erzielt werden.
Die magnetoresistiven Elemente A1, B1, C1, D1 jeder Gruppe A-D des oberen Brückenzweiges der ersten Halbbrückenschaltung H1 sind gegenüber den ent­ sprechenden magnetoresistiven Elementen A3, B3, C3, D3 ihrer Gruppe A-D des unteren Brückenzweiges um den Betrag t/2 versetzt; desgleichen sind die mag­ netoresistiven Elemente A2, B2, C4, D4 jeder Gruppe A-D des oberen Brückenzweiges der zweiten Halb­ brückenschaltung H2 gegenüber den entsprechenden magnetoresistiven Elementen A4, B4, C2, D2 ihrer Gruppe A-D des unteren Brückenzweiges um den Betrag t/2 versetzt.
Gemäß Fig. 3a sind auf der Abtastplatte 6 der Ab­ tasteinheit 5 acht Gruppen A-H aus jeweils vier magnetoresistiven Elementen An-Hn (n = 1, 2, 3, 4) angeordnet, die in Form einer Reihen-Parallel­ schaltung zu zwei Vollbrückenschaltungen V1, V2 (Fig. 3b und 3c) verschaltet sind, die jeweils mit einem Pol an einer Spannung U und mit dem an­ deren Pol an Masse M anliegen. Bei der Meßbewegung der Abtasteinheit 5 bezüglich der Meßteilung 3 ste­ hen an den beiden Mittelabgriffen der ersten Voll­ brückenschaltung V1 ein erstes periodisches Aus­ gangssignal S1 mit der Phasenlage 0° und an den beiden Mittelabgriffen der zweiten Vollbrücken­ schaltung V2 ein zweites periodisches Ausgangssi­ gnal S2 mit der Phasenlage 90° an, deren Signalpe­ rioden der Teilungsperiode t der Meßteilung 3 ent­ sprechen; die Phasendifferenz von 90° zwischen den beiden periodischen Ausgangssignalen S1, S2 erlaubt die Diskriminierung der Meßrichtung X. Diese beiden periodischen Ausgangssignale S1, S2 werden eben­ falls der Auswerteeinrichtung mit der Interpola­ tionseinheit zur Gewinnung von Positionsmeßwerten zugeführt. Da die beiden Ausgangssignale S1, S2 wegen der sogenannten Einfeldabtastung über acht Teilungsperioden t der Meßteilung 3 optimale Si­ gnalparameter (hohe Nullpunktsstabilität, gleiche Amplituden und eine konstante gegenseitige Phasen­ differenz) besitzen, können sie in der Interpola­ tionseinheit mit einem hohen Unterteilungsgrad un­ terteilt werden, so daß eine höhere Meßgenauigkeit und Meßauflösung auch bei Teilungsungenauigkeiten der Meßteilung 3 erzielt werden.
Die magnetoresistiven Elemente A1, B1, C3, D3, E1, F1, G3, H3 jeder Gruppe A-H des linken Brückenzwei­ ges der ersten Vollbrückenschaltung V1 sind gegen­ über den entsprechenden magnetoresistiven Elementen A3, B3, C1, D1, E3, F3, G1, H1 ihrer Gruppe A-H des rechten Brückenzweiges um den Betrag t/2 versetzt; desgleichen sind die magnetoresistiven Elemente A2, B2, C4, D4, E2, F2, G4, H4 jeder Gruppe A-H des linken Brückenzweiges der zweiten Vollbrückenschal­ tung V2 gegenüber den entsprechenden magnetoresis­ tiven Elementen A4, B4, C2, D2, E4, F4, G2, H2 ihrer Gruppe A-H des rechten Brückenzweiges um den Betrag t/2 versetzt.
Gemäß Fig. 4a sind auf der Abtastplatte 6 der Ab­ tasteinheit 5 ebenfalls acht Gruppen A-H aus je­ weils vier magnetoresistiven Elementen An-Hn (n = 1, 2, 3, 4) angeordnet, die in Form einer Reihen-Pa­ rallelschaltung zu zwei Vollbrückenschaltungen V1, V2 (Fig. 4b und 4c) verschaltet sind, die je­ weils mit einem Pol an einer Spannung U und mit dem anderen Pol an Masse M anliegen. Bei der Meßbewe­ gung der Abtasteinheit 5 bezüglich der Meßteilung 3 stehen an den beiden Mittelabgriffen der ersten Vollbrückenschaltung V1 ein erstes periodisches Ausgangssignal S1 mit der Phasenlage 0° und an den beiden Mittelabgriffen der zweiten Vollbrücken­ schaltung V2 ein zweites periodisches Ausgangssi­ gnal S2 mit der Phasenlage 90° an, deren Signalpe­ rioden der Teilungsperiode t der Meßteilung 3 ent­ sprechen; die Phasendifferenz von 90° zwischen den beiden periodischen Ausgangssignalen S1, S2 erlaubt die Diskriminierung der Meßrichtung X. Diese beiden periodischen Ausgangssignale S1, S2 werden eben­ falls der Auswerteeinrichtung mit der Interpola­ tionseinheit zur Gewinnung von Positionsmeßwerten zugeführt. Da die beiden Ausgangssignale S1, S2 wegen der sogenannten Einfeldabtastung über acht Teilungsperioden t der Meßteilung 3 optimale Si­ gnalparameter (hohe Nullpunktsstabilität, gleiche Amplituden und eine konstante gegenseitige Phasen­ differenz) besitzen, können sie in der Interpola­ tionseinheit mit einem hohen Unterteilungsgrad un­ terteilt werden, so daß eine höhere Meßgenauigkeit und Meßauflösung auch bei Teilungsungenauigkeiten der Meßteilung 3 erzielt werden.
Die magnetoresistiven Elemente A1, B1, C3, D3, E1, F1, G3, H3 jeder Gruppe A-H des oberen Brücken­ zweiges der ersten Vollbrückenschaltung V1 sind gegenüber den entsprechenden magnetoresistiven Ele­ menten A3, B3, C1, D1, E3, F3, G1, H1 ihrer Gruppe A-H des unteren Brückenzweiges um den Betrag t/2 versetzt; desgleichen sind die magnetoresistiven Elemente A2, B2, C4, D4, E2, F2, G4, H4 jeder Grup­ pe A-H des oberen Brückenzweiges der zweiten Voll­ brückenschaltung V2 gegenüber den entsprechenden magnetoresistiven Elementen A4, B4, C2, D2, E4, F4, G2, H2 ihrer Gruppe A-H des unteren Brückenzweiges um den Betrag t/2 versetzt.
Die Einfeldabtastung über wenigstens vier Teilungs­ perioden t der Meßteilung 3 bewirkt, daß Teilungs­ ungenauigkeiten, die kleiner als die gesamte Ab­ tastlänge sind, ganz oder zumindest teilweise he­ rausgefiltert werden. Eine Abtastlänge von m·2t (m = 2, 3, . . .) ermöglicht zudem das vollständige Aus­ filtern von Fehlern mit einer Periodenlänge von 2t, die auftreten, wenn z. B. dem wechselnden Magnetfeld der Meßteilung 3 ein Gleichfeld überlagert ist, so daß es sich zur einen Magnetflußrichtung addiert und zur anderen Magnetflußrichtung subtrahiert, oder wenn die magnetoresistiven Elemente An-Hn auf eine Magnetflußrichtung empfindlicher reagieren.
In Fig. 5 ist schematisch in einer Längsansicht eine zweite Positionsmeßeinrichtung gezeigt, bei der eine Maßverkörperung 1a aus magnetisch leiten­ dem Material in beliebiger Weise an einem ersten Objekt 2a befestigt ist. Die Maßverkörperung 1a weist auf einer Oberfläche eine periodische Meß­ teilung 3a mit in Meßrichtung X alternierend auf­ einander folgenden Stegen 5 und Vertiefungen V mit gleichen Breiten auf; die Meßteilung 3a besitzt eine Teilungsperiode t, die durch einen Steg S und eine benachbarte Vertiefung V definiert ist. Mit einem zweiten Objekt 4a ist eine Abtasteinheit 5a verbunden, die die Meßteilung 3a der Maßverkörpe­ rung 1a zur Gewinnung von Positionsmeßwerten für die Relativlage der beiden Objekte 2a, 4a abtastet. Die Abtasteinheit 5a ist mit einem Permanentmag­ neten PM sowie mit einer Abtastplatte 6a versehen, auf deren freien Oberfläche die Gruppen A-D bzw. A-H aus magnetoresistiven Elementen An-Dn bzw. An-Hn angeordnet sind.
In Fig. 6 ist schematisch in einer Längsansicht eine dritte Positionsmeßeinrichtung gezeigt, bei der eine Maßverkörperung 1b aus einem isolierenden Material in beliebiger Weise an einem ersten Objekt 2b befestigt ist. Die Maßverköperung 1b weist auf einer Oberfläche eine periodische Meßteilung 3b mit einer mäanderförmigen Leiterbahn auf, deren in Meß­ richtung X benachbarten äquidistanten Leiter L ent­ gegengesetzt von einem Strom durchflossen sind; die Meßteilung 3b besitzt eine Teilungsperiode t, die durch den Abstand zweier benachbarter Leiter L de­ finiert ist. Mit einem zweiten Objekt 4b ist eine Abtasteinheit 5b verbunden, die die Meßteilung 3b der Maßverkörperung 1b zur Gewinnung von Posi­ tionsmeßwerten für die Relativlage der beiden Ob­ jekte 2b, 4b abtastet. Die Abtasteinheit 5b ist mit einer Abtastplatte 6b versehen, auf deren freien Oberfläche die Gruppen A-D bzw. A-H aus magnetore­ sistiven Elementen An-Dn bzw. An-Hn angeordnet sind.
Die wenigstens vier magnetoresistiven Elemente An-Hn einer Viertelbrücke der Halbbrückenschaltung (H1, H2) oder der Vollbrückenschaltung (V1, V2) können untereinander beliebig verschaltet werden; insbesondere sind auch Zwischenverbindungen inner­ halb einer Viertelbrücke möglich.
Jede Gruppe A-H kann auch mehr als vier magnetore­ sistive Elemente An-Hn (n = 1, 2, 3, 4,...) aufweisen, um Oberwellen höherer Ordnungszahl als 2 herauszu­ filtern.

Claims (8)

1. Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativ­ lage zweier zueinander beweglicher Objekte, bei der eine periodische Meßteilung in Meßrichtung von einer Abtasteinheit mittels magnetoresisti­ ver Elemente zur Erzeugung von positionsabhän­ gigen Ausgangssignalen abgetastet wird, aus de­ nen in einer Auswerteeinrichtung Positionsmeß­ werte gebildet werden, gekennzeichnet durch fol­ gende Merkmale zur Gewinnung positionsabhängiger Ausgangssignale mit optimalen Signalparametern:
  • a) Die Abtasteinheit (5) weist wenigstens vier Gruppen (A-H) aus je wenigstens vier mag­ netoresistiven Elementen (An-Hn) (n = 1, 2, 3, 4 . . .) auf,
  • b) jede Gruppe (A-H) aus wenigstens vier mag­ netoresistiven Elementen (An-Hn) erstreckt sich über eine Teilungsperiode t der Meßtei­ lung (3),
  • c) die magnetoresistiven Elemente (An-Hn) werden in Form einer Reihen-Parallelschaltung zu Halb­ brückenschaltungen (H1, H2) oder zu Vollbrücken­ schaltungen (V1, V2) verschaltet,
  • d) bei der Vollbrückenschaltung (V1, V2) sind die magnetoresistiven Elemente (An-Hn) jeder Gruppe (A-H) der oberen Brückenzweige gegenüber den entsprechenden magnetoresistiven Elementen (An-Hn) ihrer Gruppe (A-H) der unteren Brücken­ zweige oder die magnetoresistiven Elemente (An-Hn) jeder Gruppe (A-H) der linken Brücken­ zweige gegenüber den entsprechenden magnetore­ sistiven Elementen (An-Hn) ihrer Gruppe (A-H) der rechten Brückenzweige um den Betrag t/2 ver­ setzt,
  • e) bei der Halbbrückenschaltung (H1, H2) sind die magnetoresistiven Elemente (An-Dn) jeder Gruppe (A-D) des oberen Brückenzweiges gegenüber den entsprechenden magnetoresistiven Elementen (An-Dn) ihrer Gruppe (A-D) des unteren Brücken­ zweiges um den Betrag t/2 versetzt.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei vier magnetoresistiven Elemen­ ten (An-Dn) jeder Gruppe (A-D) ihr jeweiliger gegenseitiger Abstand t/4 beträgt.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wenigstens vier magnetoresi­ stiven Elemente (An-Hn) einer Viertelbrücke der Halbbrückenschaltung (H1, H2) oder der Voll­ brückenschaltung (V1, V2) untereinander beliebig verschaltet sind.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die periodische Meßteilung (3) in Meßrichtung (X) alternierend gegenpolig magneti­ sierte Bereiche (NS) aufweist.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die periodische Meßteilung (3a) in Meßrichtung (X) alternierend magnetisch gut lei­ tende Bereiche und magnetisch schlecht leitende Bereiche besitzt und daß die Abtasteinheit (5a) einen Permanentmagneten (PM) aufweist.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die periodische Meßteilung (3a) aus magnetisch leitendem Material in Meßrichtung (X) alternierend aufeinander folgende Stege (S) und Vertiefungen (V) besitzt.
7. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die periodische Meßteilung (3b) in Meßrichtung (X) alternierend entgegengesetzt stromdurchflossene Leiter (L) aufweist, die senkrecht zur Meßrichtung (X) und parallel zu­ einander verlaufen.
8. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteeinrichtung eine In­ terpolationseinheit aufweist.
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