EP0513251A1 - Vorrichtung zum bestimmen der absoluten ist-position eines entlang einer vorbestimmten wegstrecke bewegbaren bauteils - Google Patents

Vorrichtung zum bestimmen der absoluten ist-position eines entlang einer vorbestimmten wegstrecke bewegbaren bauteils

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Publication number
EP0513251A1
EP0513251A1 EP91915074A EP91915074A EP0513251A1 EP 0513251 A1 EP0513251 A1 EP 0513251A1 EP 91915074 A EP91915074 A EP 91915074A EP 91915074 A EP91915074 A EP 91915074A EP 0513251 A1 EP0513251 A1 EP 0513251A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic flux
sensors
resolution
rotary shaft
transmitter part
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP91915074A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Tarantik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Automata Industrial & Robotic Controls Gesellschaft fur Automationstechnik GmbH
Original Assignee
Automata Industrial & Robotic Controls Gesellschaft fur Automationstechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Automata Industrial & Robotic Controls Gesellschaft fur Automationstechnik GmbH filed Critical Automata Industrial & Robotic Controls Gesellschaft fur Automationstechnik GmbH
Publication of EP0513251A1 publication Critical patent/EP0513251A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/147—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the movement of a third element, the position of Hall device and the source of magnetic field being fixed in respect to each other
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/77—Specific profiles
    • G01D2205/771—Toothed profiles
    • G01D2205/772—Sawtooth profiles

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
  • Conventional devices of the generic type are based on the principle that, when the component moves along the predetermined distance, the distance units traveled through from a starting or reference position are added.
  • applications with field plates are known which are combined to form differential magnetic flux sensors and which are used in angle encoders or linear position encoders.
  • the disadvantage of these devices is that they make it necessary to move the movable component e.g. after interrupting the program controlling the movement by switching off the power, it must first be brought into the start position before it can be moved on from its last actual position.
  • the invention has for its object to provide a device of the type specified in the preamble of claim 1, which allows the actual position of the component to be determined absolutely and directly, even after the power has been switched off or the program has been interrupted, without having to approach a starting position beforehand.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an absolute linear measuring system
  • FIG. 2 shows a section through the carrier and the toothed rack forming the transmitter part for the fine resolution
  • FIG. 3 shows a bridge circuit in which there are two field plates forming a magnetic flux sensor
  • FIG. 4 shows the course of the evaluation circuits of the field plate pairs shown in FIG. 2 when the carrier moves over the rack
  • 5 to 7 show a first embodiment for a rotary absolute measuring system
  • FIG. 8 shows a second embodiment for a rotary absolute measuring system
  • Figure 9 shows a third embodiment for a rotary absolute measuring system
  • Figure 10 shows the principle of angle determination with a rotary measuring system.
  • the absolute linear measuring system shown in FIG. 1 shows a carrier 3 which is connected to a component (not shown) and can be displaced in the measuring direction x along a predetermined path.
  • the carrier 3 is located above a fixed rail 1 and a fixed rack 2.
  • the rail 1 consists of magnetically highly conductive material and forms an acute angle with the direction of movement x of the carrier 3. It has the function of an encoder part for the rough resolution.
  • the rack 2 also consists of magnetic, highly conductive material and extends parallel to the direction of displacement x of the carrier 3. Your teeth 8 point upwards.
  • the rack 2 has the function of a transmitter part for fine resolution.
  • Magnetic flux sensor arrangements 4 and 5 are located on the underside of carrier 3.
  • Magnetic flux sensor arrangement 5 contains two magnetic flux sensors 6 and 7
  • magnetic flux sensor arrangement 4 contains only one magnetic flux sensor.
  • Each magnetic flux sensor contains two field plates 4a, 4b, 6a, 6b and 7a, 7b.
  • Each magnetic flux sensor thus contains a pair of field plates.
  • the field plates 4a and 4b are arranged side by side in the direction of displacement x and have a center distance which is approximately equal to the width of the rail 1.
  • the field plate 4a is located approximately above one side edge of the rail 1, while the field plate 4b is located approximately above the other side edge of the rail 1.
  • the two field plates 4a and 4b form the magnetic flux sensor for the coarse resolution.
  • two Hall sensors can also be used use the arrangement of which corresponds to the magnetic flux sensor 4 above the respective side edge of the rail 1.
  • the field plates 6a, 6b and 7a, 7b of the magnetic flux sensors 6 and 7 are arranged one behind the other in the direction of displacement x. According to a conventional arrangement, the respectively assigned field plates of the magnetic flux sensors 6 and 7 have a center distance which is equal to an integral multiple of half the tooth spacing of the rack 2.
  • the magnetic flux sensors 6 and 7, each consisting of two field plates, have a spacing which corresponds to a quarter tooth of the rack 2 or an integral multiple thereof. They form magnetic flux sensors for fine resolution.
  • Each of the magnetic flux sensor arrangements 4 and 5 is connected to an evaluation circuit 9, which outputs the actual position of the carrier 3 or the component connected to it in the direction of displacement x.
  • the evaluation circuit 9 contains an intelligent processor-controlled circuit which can be integrated into the position drive of the carrier 3 and which can output the absolute position values via a serial interface.
  • the signals supplied by the magnetic flux sensor arrangements 4 and 5 are preferably linearized and temperature compensated in the evaluation circuit.
  • Figure 2 shows a section through the rack 2 and the carrier 3 with the two pairs of field plates 6 and 7 of the magnetic flux sensor arrangement 5 for fine resolution.
  • a permanent magnet 10, 11 is arranged above each of the two pairs of field plates 6 and 7.
  • the carrier 3 acts here as a yoke, and the magnetic flux generated by the permanent magnets 10, 11 flows through the carrier 3, the field plate pairs 6, 7 and the rack 2.
  • the magnetic resistance of the closed magnetic flux circuit depends on the distance between the field plates and the Rack 2, which changes as a result of the teeth when the carrier 3 moves in the displacement direction x.
  • Field plates have the property that their electrical resistance depends on the magnetic flux flowing through them. The same applies to Hall sensors, since the Hall voltage emitted depends on the magnetic flux flowing through the sensors.
  • the electrical resistance of the field plate pairs 6, 7 is a function of the position of the carrier 3 in the direction of displacement above the fixed rack 2.
  • Field plates of a pair of field plates are usually used in a bridge circuit that allows temperature compensation.
  • Figure 3 are the Field plates shown as electrical resistors Ria or Rib, which are in series with each other and are arranged parallel to the series connection of the resistors Rl and R2. With a relative movement of a pair of field plates with a rack, it can be achieved that the output voltage Voi of the bridge circuit is sinusoidal.
  • FIG. 4 shows the signal profiles of the field plate pairs 6, 7, which are each evaluated with a bridge circuit according to FIG. 3, as a function of the direction of displacement x.
  • the two phase-shifted signal oscillations Vo6 and Vo7 according to FIG. 4 enable a large usable measuring range with the aid of the evaluation circuit 9.
  • the evaluation circuit 9 preferably always operates in the steep flank region of one of the two sine curves of the field plate pairs 6, 7. Another possibility is to process the two signal voltages of the field plate pairs 6, 7 and the signal voltage of the magnetic flux sensor 4 in a computing circuit in order to determine and display the actual position of the carrier 3.
  • a permanent magnet (not shown) is also arranged above the pair of field plates 4 shown in FIG. 1 for the coarse resolution, as shown in FIG. Due to the inclined arrangement of the rail 1 with respect to the direction of displacement x of the carrier 3, the electrical resistance of the field plates 4a and 4b changes in opposite directions. In the same way as the field plate pairs 6, 7, the field plates of the field plate pair 4 are arranged in a bridge circuit, which enables temperature compensation, because the tendency of the electrical resistance with changing temperature is the same for both field plates.
  • the electrical resistance of the magnetic flux sensor 4 changes relatively little for the coarse resolution and that a specific electrical resistance of the magnetic flux sensor 4 must be defined for each actual position.
  • the measuring path through which the carrier 3 or a component connected to it can travel along the displacement direction x must be limited. The limits result from the arrangement of the field plates or the Hall sensors of the magnetic flux sensor 4 with respect to the rail 1.
  • both elements of the magnetic flux sensor 4 still respond to the movement when the carrier 3 is displaced.
  • no reference point travel has to be undertaken even after the voltage supply of the measuring system has been switched off when the supply voltage is switched on again.
  • the unambiguous assignment of the signals from the magnetic flux sensors 4 and 6, 7 allows the actual position of the carrier 3 to be unambiguously determined. With such an arrangement, a resolution in the celebrity range of one millimeter can be achieved.
  • the actual angle position (of a component, not shown) is to be determined.
  • the component is connected to a rotary shaft 112.
  • An eccentric disk 101 and a gearwheel 102 are located on the rotary shaft 112, both of which are rotated along with the rotary shaft 112.
  • the eccentric disk 101 consists of a magnetically highly conductive material and has the function of a transmitter part for the coarse resolution.
  • the gear 102 is also made of magnetically highly conductive material and has the function of a transmitter part for fine resolution.
  • the eccentric disk 101 and the gear 102 are shown in front view in FIG.
  • Figure 6 shows the eccentric 101 in side view.
  • two carriers 117, 118 are arranged, which consist of magnetically highly conductive material and are connected to one another in a magnetically conductive manner.
  • the two supports 117, 118 are offset from one another by approximately 90 °.
  • the carrier 117 has a field plate pair or a Hall sensor 105 on its front side and one behind it
  • the carrier 118 has a field plate pair or a Hall sensor 104 on its end face and a permanent magnet behind it
  • Hall sensors 104, 105 a clear measure of the angle of rotation of the eccentric disc 101.
  • a coarse resolution for the angle of rotation is achieved. The evaluation takes place in the same way as was described in connection with the absolute linear measuring system according to FIGS. 1 to 4.
  • the gear 102 is shown in side view in FIG.
  • two carriers 115, 116 are in turn arranged at an angle.
  • the two carriers are made of magnetically highly conductive material and are magnetically connected to one another (not shown).
  • the carrier 115 has a pair of field plates 106 and a permanent magnet 110 arranged behind it.
  • the carrier 116 has a pair of field plates 107 and a permanent magnet 111 arranged behind it.
  • the toothing 108 of the gear 102 produces the same effect as was already described in connection with FIG. 2 and the absolute linear measuring system. This means that the gear 102 can be used to determine a fine resolution for the actual angle position.
  • the arrangement of the field plates of a field plate pair or of the two field plate pairs 106 and 107 with respect to the tooth spacing of the gear 102 corresponds to the linear measuring system according to FIG. 1.
  • limits are also specified for the measurable angle of rotation for the rotary absolute measuring system described in FIGS. 5 to 7, namely through the unambiguity of the measurement result for the coarse resolution according to FIG. 6.
  • the measurement can take place within the angular range of 360 °.
  • the second embodiment shown in FIG. 8 for a rotary absolute measuring system differs from the first embodiment shown in FIGS. 5 to 7 only in that the eccentric disk is replaced here by a thread 201 applied to the rotary shaft 212.
  • the function of the gear 202 is the same as that of the gear 102 in Figure 5, so that a further explanation can be omitted.
  • the thread 201 is again made of magnetically highly conductive material.
  • two carriers 217, 218 made of magnetically highly conductive material are arranged, which are magnetically connected to one another.
  • the two carriers 217, 218 are arranged one behind the other in the axial direction of the rotary shaft 212.
  • the carrier 217 has a pair of field plates 205 directed against the thread 201 and a permanent magnet 214 arranged behind it.
  • the carrier 218 has a field plate pair 204 directed against the thread 201 and a permanent magnet 213 arranged behind it.
  • the electrical resistance of the field plate pairs 204, 205 changes within an angular range of 360 ° clearly changes, so that this combination is suitable for the rough resolution of the angle of rotation.
  • the spacing of the carriers 217, 218 is chosen with respect to the teeth of the thread 201 as in the spacing of the magnetic field plates 6 and 7 with respect to the teeth 8 of the rack 2 according to FIG. 1.
  • the third embodiment shown in FIG. 9 for a rotary absolute measuring system differs from the embodiments shown in FIGS. 5 to 8 only in that the eccentric disk or the thread are replaced by a diametrically magnetized magnet 301.
  • the function of the gear 102 or 202 of the first or second embodiment is the same as that of a gear, not shown in Figure 9, so that a further explanation can be omitted.
  • One carrier has a field plate pair or a Hall sensor 305 and the other carrier has a field plate pair or a Hall sensor 304 and the other carrier has a field plate pair or a Hall sensor 305.
  • the preferably disc-shaped diametrically magnetized magnet produces the same effect as was already described in connection with the first two embodiments of the rotary absolute measuring system. This means that a rough resolution for the actual angle position can be determined with the diametrically magnetized magnet 301. In order to obtain a clear angular position in one revolution, the two sensors are offset by 90 °. At a constant rotational speed, the output voltages of the field plate pairs or Hall sensors 304, 305 are sinusoidal.
  • Hall sensors which are available individually, can be used instead of field plate pairs for the coarse resolution in both the linear and the rotary absolute measuring system.
  • field plate pairs have the advantage that they allow temperature compensation in a bridge circuit.
  • the angle determination for a rotary absolute measuring system according to FIGS. 5 to 9 is shown in FIG. 10. If two voltages V2 and VI, each assigned to one another and offset by 90 °, are divided by one another, the tangent of the included angle results. Accordingly, the arc tangent of the quotient of the two voltages V2 to VI must be formed in the evaluation circuit 9 in order to determine the angle c ⁇ .

Description

Vorrichtung zum Bestimmen der absoluten Ist-Position eines entlang einer vorbestimmten Wegstrecke bewegbaren Bauteils.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Herkömmliche gattungsgemäße Vorrichtungen beruhen auf dem Prinzip, bei Bewegung des Bauteils entlang der vorbestimmten Wegstrecke die von einer Start- bzw Bezugsposition aus durchlaufenen Wegstreckeneinheiten zu addieren. So sind beispielsweise Anwendungen mit Feldplatten bekannt, die zu differentiellen Magnetflußsensoren zusammengefaßt sind und die in Winkelgebern oder linearen Positionsgebern eingesetzt werden. Nachteilig ist an diesen Vorrichtungen, daß sie erforderlich machen, das bewegbare Bauteil z.B. nach Unterbrechung des die Bewegung steuernden Programms durch Stromabschaltung zunächst in die Startposition bringen zu müssen, bevor es von seiner letzten Ist-Position aus weiterbewegt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, die es erlaubt, die Ist-Position des Bauteils auch nach Stromabschaltung oder Programmunterbrechung absolut und direkt bestimmen zu können, ohne vorher eine Startposition anfahren zu müssen.
Die Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform eines absoluten Linear-Meßsystems,
Figur 2 einen Schnitt durch den Träger und die das Geberteil für die Feinauflösung bildende Zahnstange, Figur 3 eine Brückenschaltung, in der sich zwei einen Magnetflußsensor bildende Feldplatten befinden,
Figur 4 den Verlauf der Auswertestromkreise der in Figur 2 gezeigten Feldplattenpaare bei Bewegung des Trägers über die Zahnstange,
Figur 5 bis 7 eine erste Ausfuhrungsform für ein rotatorisches Absolutmeßsystem,
Figur 8 eine zweite Ausführungsform für ein rotatorisches Absolutmeßsystem,
Figur 9 eine dritte Ausführungsform für ein rotatorisches Absolutmeßsystem und
Figur 10 das Prinzip der Winkelbestimmung mit einem rotatorischen Meßsystem.
Das in Figur 1 gezeigte absolute Linearmeßsystem zeigt einen Träger 3, der mit einem nicht dargestellten Bauteil verbunden und in Meßrichtung x entlang einer vorbestimmten Wegstrecke verschiebbar ist. Der Träger 3 befindet sich über einer fest angeordneten Schiene 1 und einer fest angeordneten Zahnstange 2.
Die Schiene 1 besteht aus magnetisch gut leitendem Material und bildet mit der Bewegungsrichtung x des Trägers 3 einen spitzen Winkel. Sie hat die Funktion eines Geberteils für die Grobauflösung.
Die Zahnstange 2 besteht ebenfalls aus magnetische gut leitendem Material und erstreckt sich parallel zur Verschieberichtung x des Trägers 3. Ihre Zähne 8 weisen nach oben. Die Zahnstange 2 hat die Funktion eines Geberteils für die Feinauflösung.
An der Unterseite des Trägers 3 befinden sich Magnetflußsensoranordnungen 4 und 5. Die Magnetflußsensoranordnung 5 enthält zwei Magnetflußsensoren 6 und 7, die Magnetflußsensoranordnung 4 nur einen Magnetflußsensor. Jeder Magnetflußsensor enthält zwei Feldplatten 4a, 4b, 6a, 6b und 7a, 7b. Jeder Magnetflußsensor enthält somit ein Feldplattenpaar. Die Feldplatten 4a und 4b sind in Verschieberichtung x nebeneinander angeordnet und haben einen Mittenabstand, der etwa gleich der Breite der Schiene 1 ist. Die Feldplatte 4a befindet sich etwa über der einen Seitenkante der Schiene 1, während die Feldplatte 4b sich etwa über der anderen Seitenkante der Schiene 1 befindet. Die beiden Feldplatten 4a und 4b bilden den Magnetflußsensor für die Grobauflösung. Anstelle zweier Feldplatten lassen sich auch zwei Hallsensoren einsetzen, deren Anordnung über der jeweiligen Seitenkante der Schiene 1 dem Magnetflußsensor 4 entspricht.
Die Feldplatten 6a, 6b und 7a, 7b der Magnetflußsensoren 6 und 7 sind in Verschieberichtung x hintereinander angeordnet. Entsprechend einer üblichen Anordnung haben die jeweils zugeordneten Feldplatten der Magnetflußsensoren 6 und 7 einen Mittenabstand, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen des halben Zahnabstandes der Zahnstange 2 ist. Die aus jeweils zwei Feldplatten bestehenden Magnetflußsensoren 6 und 7 haben einen Abstand, der einem Viertelzahn der Zahnstange 2 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht. Sie bilden Magnetflußsensoren für die Feinauflösung. Jede der Magnetflußsensoranordnungen 4 und 5 ist mit einer Auswerteschaltung 9 verbunden, die die Ist-Position des Trägers 3 bzw. des mit diesem verbundenen Bauteils in Verschieberichtung x ausgibt. Die Auswerteschaltung 9 enthält eine intelligente prozessorgesteuerte Schaltung, die in den Positionsantrieb des Trägers 3 integriert werden kann und die absoluten Positionswerte über eine serielle Schnittstelle ausgeben kann. Die von den Magnetflußsensoranordnungen 4 und 5 gelieferten Signale werden in der Auswerteschaltung vorzugsweise linearisiert und temperaturkompensiert.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Zahnstange 2 und den Träger 3 mit den beiden Feldplattenpaaren 6 und 7 der Magnetflußsensoranordnung 5 für die Feinauflösung. Über jeder der beiden Feldplattenpaare 6 und 7 ist ein Permanentmagnet 10,11 angeordnet. Der Träger 3 wirkt hier als Joch, und der von den Permanentmagneten 10,11 erzeugte Magnetfluß fließt durch den Träger 3, die Feldplattenpaare 6,7 und die Zahnstange 2. Der magnetische Widerstand des geschlossenen Magnetfluß-Kreises hängt vom Abstand zwischen den Feldplatten und der Zahnstange 2 ab, der sich infolge der Zahnung bei Bewegung des Trägers 3 in Verschieberichtung x ändert. Feldplatten haben die Eigenschaft, daß ihr elektrischer Widerstand von dem sie durchflutenden Magnetfluß abhängt. Entsprechend gilt für Hallsensoren, da die abgegebene Hallspannung von dem die Sensoren durchflutenden Magnetfluß abhängt.
Entsprechend Figur 1 ist der elektrische Widerstand der Feldplattenpaare 6,7 eine Funktion der Position des Trägers 3 in Verschieberichtung über der fest angeordneten Zahnstange 2.
Feldplatten eines Feldplattenpaares werden üblicherweise in einer Brückenschaltung eingesetzt, die eine Temperaturkompensation erlaubt. Gemäß Figur 3 sind die Feldplatten als elektrische Widerstände Ria bzw. Rib dargestellt, die in Serie zueinander liegen und parallel zur Serienschaltung der Widerstände Rl und R2 angeordnet sind. Bei einer Relativbewegung eines Feldplattenpaares mit einer Zahnstange läßt es sich erreichen, daß die Ausgangsspannung Voi der Brückenschaltung sinusförmig verläuft.
Infolge des oben genannten Abstandes der Feldplattenpaare 6,7 ergeben sich Ausgangssignale Voi, die um 90° phasenversetzt sind. Figur 4 zeigt die Signalverläufe der Feldplattenpaare 6,7, die jeweils mit einer Brückenschaltung gemäß Figur 3 ausgewertet werden, in Abhängigkeit von der Verschieberichtung x. Die beiden phasenversetzten Signalschwingungen Vo6 und Vo7 gemäß Figur 4 ermöglichen mit Hilfe der Auswerteschaltung 9 einen großen ausnutzbaren Meßbereich. Die Auswerteschaltung 9 arbeitet vorzugsweise immer im steilen Flankenbereich einer der beiden Sinuskurven der Feldplattenpaare 6,7. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die beiden Signalspannungen der Feldplattenpaare 6,7 sowie die Signalspannung des Magnetflußsensors 4 in einer Rechenschaltung zu verarbeiten, um die Ist-Position des Trägers 3 zu ermitteln und anzuzeigen.
Über dem in Figur 1 gezeigten Feldplattenpaar 4 für die Grobauflösung ist ebenfalls, wie in Figur 2 gezeigt, ein nicht-dargestellter Permanentmagnet angeordnet. Durch die Schräganordnung der Schiene 1 in Bezug auf die Verschieberichtung x des Trägers 3 ändert sich der elektrische Widerstand der Feldplatten 4a und 4b gegensinnig. In gleicher Weise wie die Feldplattenpaare 6,7 sind die Feldplatten des Feldplattenpaares 4 in einer Brückenschaltung angeordnet, die eine Temperaturkompensation ermöglicht, weil die Tendenz des elektrischen Widerstandes bei sich ändernder Temperatur bei beiden Feldplatten gleich ist.
Man erkennt, daß sich bei Verschiebung des Trägers 3 in Verschieberichtung x der elektrische Widerstand des Magnetflußsensors 4 für die Grobauflösung relativ wenig ändert und daß für jede Ist-Position ein bestimmter elektrischer Widerstand des Magnetflußsensors 4 definiert sein muß. Dies erlaubt es, daß die Magnetflußsensoren 6,7 für die Feinauflδsung bei Verschiebung des Trägers in Verschieberichtung x sich wiederholende Widerstands-Zustände annehmen könne. Wegen der eindeutigen Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes des Magneflußsensors 4 von der Ist- Position können die von den Magnetflußsensoren 6,7 erzeugten Ausgangssignale in der Auswerteschaltung 9 für die Feinauflösung der Ist-Position ausgewertet werden. Es ist selbstverständlich, daß die Meßstrecke, die der Träger 3 bzw. ein damit verbundenes Bauteil entlang der Verschieberichtung x durchlaufen kann, begrenzt sein muß. Die Grenzen ergeben sich durch die Anordnung der Feldplatten bzw. der Hallsensoren des Magnetflußsensors 4 in Bezug auf die Schiene 1. Es muß gewährleistet sein, daß beide Elemente des Magnetflußsensors 4 bei Verschiebung des Trägers 3 noch auf die Bewegung ansprechen. Mit einer derartigen Anordnung gemäß Figur 1 muß auch nach einer Abschaltung der Spannungsversorgung des Meßsystems bei einem Wiedereinschalten der Versorgungsspannung keine Referenzpunktfahrt unternommen werden. Die eindeutige Zuordnung der Signale der Magnetflußsensoren 4 bzw. 6, 7 erlaubt eine eindeutige Bestimmung der Ist-Position des Trägers 3. Mit einer derartigen Anordnung läßt sich eine Auflösung im Promilibereich eines Millimeters erzielen.
Bei dem in den Figuren 5 bis 7 beschriebenen rotatorischen Absolutmeßsystem soll die Winkel-Ist-Position (eines nicht-dargestellten Bauteiles) ermittelt werden. Das Bauteil wird dazu mit einer Drehwelle 112 verbunden. Auf der Drehwelle 112 befinden sich eine Exzenterscheibe 101 sowie ein Zahnrad 102, die beide bei der Drehwelle 112 mitgedreht werden Die Exzenterscheibe 101 besteht aus magnetisch gut leitendem Material und hat die Funktion eines Geberteils für die Grobauflösung. Das Zahnrad 102 besteht ebenfalls aus magnetisch gut leitendem Material und hat die Funktion eines Geberteils für die Feinauflösung. Die Exzenterscheibe 101 und das Zahnrad 102 sind in Figur 5 in Stirnansicht gezeigt.
Figur 6 zeigt die Exzenterscheibe 101 in Seitenansicht. Nächst der Peripherie der Exzenterscheibe 101 sind zwei Träger 117, 118 angeordnet, die aus magnetisch gut leitendem Material bestehen und magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Die beiden Träger 117,118 sind um etwa 90° gegeneinander versetzt. Der Träger 117 weist an seiner Stirnseite ein Feldplattenpaar oder einen Hallsensor 105 sowie dahinter einen
Permanentmagneten 114 auf. Der Träger 118 weist an seiner Stirnseite ein Feldplattenpaar oder einen Hallsensor 104 sowie dahinter einen Permanentmagneten
113 auf. Der von den Permanentmagneten 113, 114 erzeugte Magnetfluß durchflutet die Feldplatten 104, 105, die Exzenterscheibe 101 und verläuft durch die magnetisch leitende Verbindung zwischen den Trägem 117, 118. Bei Drehung der Exzenterscheibe
101 mit der Drehwelle 112 verändert sich der Abstand zwischen jeder der beiden Feldplattenpaare bzw. Hallsensoren 104, 105 und der Exzenterscheibe. Dadurch ist der elektrische Widerstand der beiden Feldplattenpaare bzw. das Ausgangssignal der beiden
Hallsensoren 104, 105 ein eindeutiges Maß für den Drehwinkel der Exzenterscheibe 101. In Analogie zu der Schiene 1 und dem Feldplattenpaar 4 in Figur 1 wird so eine Grobauflösung für den Drehwinkel erzielt. Die Auswertung erfolgt in gleicher Weise, wie dies im Zusammenhang mit dem absoluten Linearmeßsystem gemäß den Figuren 1 bis 4 beschrieben wurde.
Das Zahnrad 102 ist in Figur 7 in Seitenansicht gezeigt. Nächst der Peripherie des Zahnrades 102, welches mit der Drehwelle 112 mit drehbar ist, sind wiederum zwei Träger 115, 116 winkelversetzt angeordnet. Die beiden Träger bestehen aus magnetisch gut leitendem Material und sind magnetisch leitend miteinander verbunden (nicht gezeigt). Der Träger 115 weist ein Feldplattenpaar 106 sowie einen dahinter angeordneten Permanentmagneten 110 auf. Der Träger 116 weist ein Feldplattenpaar 107 sowie einen dahinter angeordneten Permanentmagneten 111 auf. Durch die Zahnung 108 des Zahnrades 102 wird derselbe Effekt bewirkt, wie er bereits in Verbindung mit Figur 2 und dem absoluten linearmeßsystem beschrieben wurde. Das bedeutet, daß mit dem Zahnrad 102 eine Feinauflösung für die Winkel-Ist-Position ermittelt werden kann. Die Anordnung der Feldplatten eines Feldplattenpaares bzw. der beiden Feldplattenpaare 106 und 107 in Bezug auf den Zahnabstand des Zahnrades 102 entspricht dem Linearmeßsystem gemäß Figur 1.
Es ist erkennbar, daß auch für das in den Figuren 5 bis 7 beschriebene rotatorische Absolutmeßsystem Grenzen für den meßbaren Drehwinkel vorgegeben sind und zwar durch die Eindeutigkeit des Meßergebnisses für die Grobauflösung gemäß Figur 6. Die Messung kann dabei innerhalb des Winkelbereiches von 360° erfolgen.
Die in Figur 8 gezeigte zweite Ausführungsform für ein rotatorisches Absolutmeßsystem unterscheidet sich von der in den Figuren 5 bis 7 gezeigten ersten Ausfuhrungsform lediglich dadurch, daß die Exzenterscheibe hier durch ein auf die Drehwelle 212 aufgebrachtes Gewinde 201 ersetzt ist. Die Funktion des Zahnrades 202 ist die gleiche wie diejenige des Zahnrades 102 in Figur 5, so daß auf eine weitere Erläuterung verzichtet werden kann.
Das Gewinde 201 ist ebenso wie das Zahnrad 202 wiederum aus magnetisch gut leitendem Material. Neben dem Gewinde sind zwei Träger 217, 218 aus magnetisch gut leitendem Material angeordnet, die magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Die beiden Träger 217, 218 sind in Achsrichtung der Drehwelle 212 hintereinanderliegend angeordnet. Der Träger 217 weist ein gegen das Gewinde 201 gerichtetes Feldplattenpaar 205 sowie einen dahinter angeordneten Permanentmagneten 214 auf. Der Träger 218 weist ein gegen das Gewinde 201 gerichtetes Feldplattenpaar 204 sowie einen dahinter angeordneten Permanentmagneten 213 auf. Bei Drehung der Drehwelle 212 verschieben sich die Zähne des Gewindes 201 in Bezug auf die Feldplattenpaare 204 und 205 mit der Folge, daß sich, wie bereits im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben, der elektrische Widerstand der Feldplattenpaare 204, 205 innerhalb eines Winkelbereiches von 360° eindeutig ändert, so daß diese Kombination für die Grobauflδsung des Dreh Winkels geeignet ist. Der Abstand der Träger 217, 218 wird in Bezug auf die Zähne des Gewindes 201 wie bei den Abständen der Magnetfeldplatten 6 und 7 bezüglich der Zähne 8 der Zahnstange 2 gemäß Figur 1 gewählt.
Die in Figur 9 gezeigte dritte Ausführungsform für ein rotatorisches Absolutmeßsystem unterscheidet sich von den in den Figuren 5 bis 8 gezeigten Ausführungsformen lediglich dadurch, daß die Exzenterscheibe bzw. das Gewinde durch einen diametral magnetisierten Magneten 301 ersetzt sind. Die Funktion des Zahnrades 102 bzw. 202 der ersten bzw. zweiten Ausführungsform ist die gleiche wie diejenige eines in Figur 9 nicht gezeigten Zahnrades, so daß auf eine weitere Erläuterung verzichtet werden kann. Neben dem auf der Drehwelle 312 aufgebrachten diametral magnetisierten Magneten 301 befinden sich zwei nicht gezeigte Träger aus magnetisch gut leitendem Material, die magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Der eine Träger weist ein Feldplattenpaar oder einen Hallsensor 305 und der andere Träger ein Feldplattenpaar oder einen Hallsensor 304 und der andere Träger ein Feldplattenpaar oder einen Hallsensor 305 auf. Durch den vorzugsweise scheibenförmig ausgebildeten diametral magnetisierten Magneten wird derselbe Effekt bewirkt, wie er bereits in Verbindung mit den beiden ersten Ausführungsformen des rotatorischen Absolutmeßsystems beschrieben wurde. Das bedeutet, daß mit dem diametral magnetisierten Magneten 301 eine Grobauflδsung für die Winkel-Ist-Position ermittelt werden kann. Um eine eindeutige Winkelposition bei einer Umdrehung zu erhalten, sind die beiden Sensoren um 90° gegeneinander versetzt. Bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit sind die Ausgangsspannungen der Feldplattenpaare bzw. Hallsensoren 304, 305 sinusförmig.
Abgesehen von der Ausfuhrungsform gemäß Figur 8 können sowohl beim linearen als auch beim rotatorischen Absolutmeßsystem für die Grobauflösung anstelle von Feldplattenpaaren Hallsensoren eingesetzt werden, die einzeln verfugbar sind. Dagegen bieten Feldplattenpaare den Vorteil, daß sie in einer Brückenschaltung eine Temperaturkompensation erlauben. Die Winkelbestimmung für ein rotatorisches Absolutmeßsystem gemäß den Figuren 5 bis 9 ist in Figur 10 dargestellt. Werden zwei jeweils einander zugeordnete, um 90° phasen versetzte Spannungen V2 bzw. VI durcheinander dividiert, dann ergibt sich der Tangens des eingeschlossenen Winkels. Dementsprechend muß in der Auswerteschaltung 9 der Arcus Tangens des Quotienten der beiden Spannungen V2 zu VI gebildet werden, um den Winkel c^ zu bestimmen.

Claims

- 1 ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Bestimmen der absoluten Ist-Position eines entlang einer vorbestimmten Wegstrecke bewegbaren Bauteils,
5 gekennzeichnet durch mindestens ein Geberteil (1,2;101,102;201,202) aus magnetisch gut leitendem Material, zwei voneinander unabhängigen Anordnungen mit Magnetflußsensoren (4-7; 104- ~ 107;204-207;304-307), die einen gemessenen Magnetfluß entsprechend der
Ausgangssignale an eine Auswerteschaltung (9) liefern, und mindestens eine
1 0 Magnetflußquelle (10, 11 ; 110,-114;213,214;301), deren Huß zumindest teilweise durch das Geberteil und die Magnetflußsensoren geführt ist, wobei das Geberteil und/oder die Magnetflußsensoren derart mit dem Bauteil verbunden sind, daß das Geberteil und die Magnetflußsensoren bei Bewegung des Bauteiles relativ zueinander bewegt werden.
1 5 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Geberteile verwendet sind, wobei je einer Magnetflußsensoranordnung je ein Geberteil zugeordnet ist, und daß die eine Magnetflußsensor-Geberteil-Kombination zur Grobauflösung und die andere
20 Magnetflußsensor-Geberteil-Kombination zur Feinauflösung der absoluten Ist-Position dient.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 25 daß (jie Magnetflußsensor-Geberteil-Kombination für die Grobauflösung und/oder die Magnetflußsensor-Geberteil-Kombination für die Feinauflösung jeweils zwei 1 Magnetflußsensoren und/oder das zugeordnete Geberteil
(1,2;101,102;201,202;301,302) so in Bezug zueinander angeordnet und/oder gestaltet und/oder geführt sind, daß bei der Relativbewegung zu den beiden Magnetflußsensoren Ausgangssignale mit einer gegensinnigen Tendenz erzeugt werden.
5
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetflußsensor (4-7;104-107;204-207;304-307) von einem in einem Auswertestromkreis befindlichen Feldplattenpaar gebildet ist, deren Auswertestromkrei 0 Teil der Auswerteschaltung (9) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplattenpaare, welche die Magnetflußsensoren der Magnetflußsensor-Geberteil-Kombinationen bilden, jeweils in einer den 5 Auswertestromkreis bildenden Brückenschaltung angeordnet sind (Fig. 3)
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetflußsensoren für die Grobauflösung Hallsensoren 0 (4a,4b; 104, 105;204,205;304,305) sind, deren Auswertestromkreis Teil der
Auswerteschaltung (9) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, 5 aß für ein absolutes Linearmeßsystem die Magnetflußsensoren (4) für die
Grobauflösung und die Magnetflußsensoren (6,7) für die Feinauflösung an einem gemeinsamen Träger (3) aus magnetisch gut leitendem Material angeordnet sind, der mit dem Bauteil linear verschiebbar ist, daß das Geberteil (1) für die Grobauflösung von einer schräg zur Bewegungsrichtung (x) des Trägers (3) ausgerichteten feststehenden 0 Schiene gebildet ist, und daß das Geberteil (2) für die Feinauflösung von einer sich parallel zur Bewegungsrichtung (x) des Trägers (3) erstreckenden Zahnstange gebildet ist, deren Zähne (8) gegen die Magnetflußsensoranordnung bzw. die Magnetflußsensoren für die Feinauflδsung gerichtet sind (Fig. 1 und 2).
i 8. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetflußsensoranordnung (4) für die Grobauflösung - in Bewegungsrichtung
(x) des Trägers (3) gesehen - nebeneinander an diesen mit einer etwa der Schienenbreite entsprechenden Mittenabstand angeordnet sind, derart, daß der eine Magnetflußsensor (4a) im Bereich der einen Schienenseitenkante und der andere Magnetflußsensor (4b) im Bereich der anderen Schienenseitenkante liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetflußsensoren (6,7) für die Feinauflösung - in Bewegungsrichtung ° (x) des Trägers (3) gesehen - mit einem Abstand hintereinander angeordnet sind, der gleich einem Viertelzahnabstand oder einem ganzzahligen Vielfachen davon ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, 5 daß an der dem Geberteil (1 ,2; 101 , 102;201 ,202) abgewandten Seite jedes
Magnetflußsensors (4,6,7; 104, 105,204,205) ein die Magnetflußquelle (10, 11; 110- 114;213,214) bildender Permanentmagnet angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 0 dadurch gekennzeichnet, daß für ein rotatorisches Absolutmeßsystem das zu drehende Bauteil mit einer Drehwelle (12) gekoppelt ist, daß das Geberteil (101) für die Grobauflösung von einer auf der Drehwelle sitzenden Exzenterscheibe gebildet ist, daß das Geberteil (102) für die Feinauflösung von einem auf der Drehwelle sitzenden Zahnrad gebildet ist und daß 5 die Magnetflußsensoren (104-107) in Umfangsnähe der Exzenterscheibe bzw. des
Zahnrades fest angeordnet sind (Figuren 5-7).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für ein rotatorisches Absolutmeßsystem das zu drehende Bauteil mit einer Drehwelle (12) gekoppelt ist, daß das Geberteil (101) für die Grobauflösung von einem auf der Drehwelle sitzenden Magneten mit diametraler Magnetisierung gebildet ist, daß das Geberteil (102) für die Feinauflösung von einem auf der Drehwelle sitzenden Zahnrad gebildet ist, und daß die Magnetflußsensoren (304-307) in Umfangsnähe des Magneten (301) bzw. des Zahnrades fest angeordnet sind (Figur 9). 1 13. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden der Exzenterscheibe (101) oder dem Magneten (301) zugeordneten Magnetflußsensoren (104,105;304,305) in Bezug auf die Drehwelle (112) um 90°
5 versetzt sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden dem Zahnrad (102) zugeordneten Magnetflußsensoren (106,107) in 10 Bezug auf die Drehwelle (112) um einen Winkel versetzt sind, der gleich einem
Viertelzahnabstand oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, 5 daß an der dem Geberteil abgewandten Seite jedes Magnetflußsensors ein die
Magnetflußquelle bildender Permanentmagnet angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
2 daß für ein rotatorisches Absolutmeßsystem das zu drehende Bauteil mit einer
Drehwelle (212) verbunden ist, daß das Geberteil (201) für die Grobauflösung von einem mit der Drehwelle verbundenen oder auf dieser aufgebrachtem Gewinde gebildet ist, daß das Geberteil (202) für die Feinauflösung von einem auf der Drehwelle sitzenden Zahnrad gebildet ist, und daß die Magnetflußsensoren (204,205) in
2 *■> Umfangsnähe des Gewindes bzw. des Zahnrades fest angeordnet sind (Fig. 8).
17. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetflußsensoren (204,205) für die Grobauflösung - in Längsrichtung
30 der Drehwelle (212) gesehen - hintereinander nächst dem Gewinde (201) mit einem
Abstand zueinander angeordnet sind, der gleich einem Viertelzahn-Abstand oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
18. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 16 oder 17, °3 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden dem Zahnrad zugeordneten Magnetflußsensoren in Bezug auf die Drehwelle (21) um einen Winkel versetzt sind, der gleich einem Viertelzahnabstand oder einem ganzzahligen Vielfachen entspricht
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