WO2023227481A1 - Multi-track assembly for length- and angle-measuring systems - Google Patents

Multi-track assembly for length- and angle-measuring systems Download PDF

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WO2023227481A1
WO2023227481A1 PCT/EP2023/063489 EP2023063489W WO2023227481A1 WO 2023227481 A1 WO2023227481 A1 WO 2023227481A1 EP 2023063489 W EP2023063489 W EP 2023063489W WO 2023227481 A1 WO2023227481 A1 WO 2023227481A1
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measuring
track
measurement
sensor
sensor element
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PCT/EP2023/063489
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Bernhard LINDNER
Paul TUTZU
Victor Vasiloiu
Original Assignee
Flux Gmbh
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    • G01DMEASURING 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
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    • G01D5/12Mechanical 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
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    • G01D5/245Mechanical 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 characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2451Incremental encoders
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    • GPHYSICS
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Definitions

  • the invention relates to a multi-track arrangement for measuring systems for position determination, a sensor head for scanning the multi-track arrangement and a corresponding measuring system consisting of a multi-track arrangement and a sensor head.
  • a measuring system for position determination includes a measuring standard, which contains coded position information, and a scanning head with a sensor.
  • the measuring system can include a physical evaluation channel and an evaluation circuit.
  • the position information from the measuring system is usually forwarded via an interface to a servo controller for regulation or control (for example to regulate/control position, speed or torque).
  • the position measurement is carried out by the relative movement of the scanning head and the material measure.
  • the sensor measures a physical property, for example a magnetic or an electrical measurement variable, which depends on the encoded position information.
  • Position information is then calculated by the evaluation circuit from the change in the physical property.
  • the position information obtained can either be relative if it depends on a starting position, or absolute if each point of a trajectory is uniquely defined by the coded position information of the measuring standard.
  • the scanning head or the measuring scale moves. In the case of a circular measuring scale, we speak of rotor and stator.
  • So-called vernier-coded measuring standards are known for absolute position measurement.
  • the measuring standard has at least two periodically coded measuring tracks, which have different graduation periods, so that a unique signal combination of the tracks is available for each position on the measuring standard.
  • Known systems use, for example, coded measurement tracks which are arranged in the same plane parallel to the scanning surface or to the scanning point of the sensor or the sensor elements.
  • the publication DE 10 2021 205036 A1 discloses a scanning element for a system with several tracks arranged in parallel in the same plane.
  • the publication EP 2329225 B1 discloses an inductive position sensor for a system with several tracks arranged in parallel in the same plane.
  • the publication EP 0845659 B1 discloses a scanning element for a position measuring device in which several tracks with different periodicities are arranged in parallel in the same plane.
  • the width of the arrangement increases with each additional parallel measurement track.
  • the disadvantage of increased space requirements also applies to linear measuring systems.
  • the different lengths of the division periods lead to different operating points of the individual sensor elements.
  • the distance between the measuring standard and the sensor element, also called the air gap, is defined as the operating point.
  • the behavior of the generated signal amplitude of the sensor element is usually not linear.
  • the system resolution is largely determined by the measurement track which has the largest number of division periods, ie the smallest division length.
  • a track with many division periods drastically limits the work area.
  • the larger tracks are generally used to generate the absolute position of the system.
  • the greater the difference in the division periods of the individual tracks the greater the difference in their amplitude curve.
  • a further disadvantage of tracks of the measuring scale running parallel in the same plane is the robustness of the system against assembly errors.
  • Assembly errors include, in particular, vertical tilting, horizontal twisting or horizontal offset of the scanning head or the sensor and the sensor elements relative to the tracks of the measuring standard.
  • a horizontal rotation as well as a horizontal offset of the scanning head relative to the measuring standard leads to a change in the relative phase between the position signals of the individual measuring channels and in turn reduces the working range of the system. If, in combination with the accuracy of the track, the phase change is greater than the maximum permitted position error, the absolute position can no longer be determined correctly. It also applies that the influence of the phase shift is more pronounced the wider or more tracks the system has. [0015]
  • the inventors have set themselves the task of providing a measuring system for position determination which overcomes the above disadvantages, in particular significantly reduces the influence of assembly errors (tilting, twisting, offset, eccentricity, etc.) and at the same time remains particularly compact.
  • An arrangement which comprises: a first measurement track with a periodic coding, which has a first number of division periods, the first measurement track being arranged in a first plane, and at least one second measurement track with a periodic coding , which has a second number of division periods, the second measurement track being arranged in a second level.
  • the first number of division periods and the second number of division periods differ from each other.
  • the first level and the second level are parallel to one another and the first measurement track and the second measurement track at least partially overlap.
  • a system which comprises: an arrangement according to the previous paragraph, and a sensor head with a first sensor element, which forms a first measurement channel together with the first measurement track, and at least one second sensor element, which together with the second measurement track forms a second measurement channel.
  • the first and second sensor elements cover at least one pitch period of the first and second measurement track, respectively.
  • a sensor head for an arrangement as shown above which has the following: a first sensor element which is arranged in a third plane and is designed to form a first measurement channel with the first measurement track; and at least one second sensor element, which is arranged in a fourth plane and is designed to form a second measurement channel with the second measurement track.
  • the third level and the fourth level are parallel to one another and spaced apart from one another, with the first sensor element and the second sensor element at least partially overlapping one another.
  • Errors in execution or assembly include, in particular, tilting, twisting, offset, eccentricity of the measuring tracks and/or sensor elements.
  • such an arrangement has the advantage that any phase errors that may occur have the same geometric effect on all measuring channels.
  • such a configuration enables a compact design, particularly with regard to the ratio of the outside diameter to the inside diameter in the case of an angle measuring system. It also makes it possible to optimize the working area and to better scan the coded information of the measurement tracks. In addition, it becomes possible to reduce the effort involved in producing and operating a multi-track arrangement.
  • Figure 1 shows a block diagram of a position measuring system.
  • Figure 2 shows a perspective view of a length measuring system according to the prior art.
  • Figure 3 shows a perspective view of an angle measuring system according to the prior art.
  • Figure 4 shows a perspective view of a length measuring system with a periodically coded measuring standard and a periodic sensor element.
  • Figure 5 shows two views from above of an embodiment of a vernier arrangement with two parallel tracks with 16 or 3 graduation periods, where the sensor only has one Part of the measuring standard covers (Fig.5a) or covers the entire surface of the measuring standard (Fig.5b).
  • FIG. 6 shows the output signals of a sensor element of a track with 16 graduation periods depending on the angle.
  • FIG. 7 shows the output signals of a sensor element of a track with 3 graduation periods depending on the angle.
  • Figure 8 shows the starting position of the sensor elements in comparison to the absolute position of the measuring system depending on the angle.
  • Figure 9 shows a side view of an embodiment of a material measure for a linear vernier coding with 3 tracks.
  • FIG. 10 shows a diagram that shows the signal amplitude of an inductive sensor depending on the air gap or working area for different pitch lengths.
  • FIG. 11 shows views from above of two embodiments of a measuring scale for vernier coding with two tracks, each with different graduation periods.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view of a measuring system with an assembly error in the form of a tilt.
  • Figure 13 shows a view from above of a measuring system with an assembly error in the form of a twist.
  • FIG. 14 shows a view from above of two overlapping vernier tracks of a measuring standard with 16 or 3 graduation periods.
  • 15 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a measuring system with two overlapping measuring channels.
  • FIG. 16 shows a perspective view of a measuring system with two parallel vernier measuring channels in the same plane ( Figure 16a) and a measuring system with overlapped vernier measuring channels in different planes ( Figure 16b).
  • FIG. 17 shows a simplified, perspective view of an embodiment of an angle measuring system with three completely overlapping measuring channels.
  • Figure 18 shows a diagram that shows the signal amplitude of three measurement tracks with 32, 8 and 3 graduation periods depending on the air gap.
  • FIG. 19 shows views from above of a material measure for an angle measuring system with (1) a magnetic track, (b) a geometric track and (c) a combination of a magnetic and a geometric track.
  • a material measure comprises one or more measurement tracks.
  • a measurement track includes periodically or aperiodically coded information, which can be introduced in a variety of forms.
  • a measuring standard or a measuring track of a measuring standard can be designed as both a passive and an active element.
  • the measuring standard or the one or more measuring tracks of a measuring standard can be scanned by a scanning head or a sensor.
  • a multi-track arrangement refers to a material measure which comprises two or more measuring tracks.
  • a division period refers to the period of the coding, i.e. the smallest unit or distance of the coded measuring track, after which the coded information repeats itself.
  • a scanning head includes a sensor, which can include one or more sensor elements.
  • a sensor can be based on one or more physical measuring principles, in particular magnetic, inductive, optical, capacitive measuring principles and/or Giant Magneto-Impedance (GMI) as a measuring principle.
  • GMI Giant Magneto-Impedance
  • a sensor can scan the entire length or surface of a measuring standard as well as just a part or a segment of a measuring standard.
  • a sensor element covers at least one division period of the measurement track.
  • the sensor generates one or more analog signals, which are influenced by the coded information contained in the measuring standard or the one or more measuring tracks.
  • a sensor or a sensor element can comprise an emitter coil and a receiver coil.
  • An emitter coil can emit an electromagnetic emitter signal with a predefined emitter signal frequency, which can induce a signal in the receiver coil.
  • the induced signal is amplified or reduced.
  • the signal amplitude which refers to the amplitude of the induced sensor signal, depends in particular on the working range or operating point of the sensor or sensor element.
  • a measuring channel refers to the combination of a measuring track of a material measure with a sensor element assigned to the measuring track, which is suitably arranged to completely or partially scan the measuring track to determine the position.
  • a physical evaluation channel refers to a physical channel via which the one or more analog signals generated during scanning are forwarded to evaluation electronics.
  • An evaluation electronics converts analog sensor signals into digital or analog position information using suitable methods and can in particular include a circuit, controller or microcontroller.
  • Overlapping of measurement tracks refers to the geometric overlap of the measurement tracks in the direction of the sensor scanning them or the sensor elements scanning them.
  • Overlap of sensor elements refers to the geometric overlap of the sensor elements in the direction of the measurement tracks they scan.
  • completely or completely overlapping means that the edges of the smallest squares, which each have one of two adjacently overlapping measuring tracks or one of two adjacent overlapping sensor elements orthogonal to the overlapping direction, are essentially congruent in the overlapping direction, i.e. at least 95% of the area enclosed by them.
  • complete or complete overlap means that the rings or partial rings, which consist of the largest inner full or partial circle or the inner full or partial ellipse and the smallest outer full or partial circle or the outer full or partial ellipse are formed, each of which delimits one of two adjacently overlapping measurement tracks or one of two adjacently overlapping sensor elements orthogonally to the overlapping direction, in the overlapping direction essentially, ie to at least 95 % of the area between the inner and outer boundaries are congruent.
  • a partial overlap occurs if a track does not extend over the entire angle or over the entire length of the other track(s), so that the overlap is less than 95%, or if, for example, in an arrangement with four tracks, each with two completely overlapping tracks running in parallel.
  • a mechanical change refers to the change, in particular the change in the shape, surface and/or structure of an object, through the action of a force.
  • Geometric modulation means the change in the shape of an object through the action of a force.
  • Magnetic measurement variables include, for example, the field strength, the flux density, the reluctance, the permeability, the saturation magnetization, the dipole moment and the polarization.
  • Electrical measurement variables include, for example, current, voltage, charge, capacity, energy, power, resistance and conductivity.
  • Figure 1 shows a general block diagram of a position measuring system, in this case a length measuring system.
  • the measuring system includes a material measure 1 and a scanning head 2 (sensor head).
  • the position information of the measuring system is forwarded via an interface 4 to a servo controller 3 for regulation, for example of the position, the speed and/or the torque, or for control.
  • the material measure 1 contains coded information which can be introduced in a wide variety of forms.
  • the material measure 1 can be designed as both a passive and an active element.
  • active elements for the measuring scale are angular position encoders (resolvers) and rotary encoders, which have a meander-shaped structure that is supplied with an alternating current signal.
  • the scanning head 2 includes a sensor 2.1.
  • the sensor 2.1 can be based on various physical measuring principles, for example on a magnetic, inductive, optical, capacitive or the “Giant Magnetic Impedance” (GMI) measuring principle.
  • the sensor 2.1 can scan (capture) the entire length or surface of the measuring standard 1 or only a part or a segment of it.
  • the sensor 2.1 generates one or more analog signals during scanning.
  • the scanning head 2 also includes an electronic circuit with evaluation electronics 2.2 (sensor circuit), which converts the analog sensor signals into digital or analog position information using suitable methods.
  • the sensor circuit 2.2 can have an evaluation circuit with a multiplexer, the multiplexer being connected to the sensor elements and being designed to provide measurement signals via a single physical evaluation channel.
  • the position measuring system can be a linear measuring system or a length measuring system.
  • Figure 2 shows a representation of a linear or length measuring system.
  • the material measure 1 is designed as a linear, band-shaped element which extends along a length direction x, which also represents the measuring direction. It has a linear coding, which also extends in the measuring direction x.
  • the sensor head 2 is arranged above the material measure 1 and can move along the measuring direction x in order to detect the material measure 1.
  • the measuring standard 1 has a circular coding along a radial direction, which corresponds to the measuring direction.
  • the sensor head 2 is arranged parallel to and spaced from the material measure 1.
  • both elements have one and the same axial axis, which is arranged perpendicular to the planes in which the material measure 1 and the sensor head 2 each extend and passes through a center of the material measure or the sensor head.
  • the sensor head can rotate around the axial axis and thus serve as a rotor, while the measuring scale remains rigid and serves as a stator.
  • the measuring scale can rotate around the axis and the sensor head can remain rigid.
  • the material measure 1 and the sensor head 2 are at a substantially constant distance in a direction which is perpendicular to the plane in which the material measure 1 extends, spaced apart, as shown in Figures 1 to 3. This means that optical as well as magnetic, capacitive or inductive measurements can be carried out.
  • the coded information is introduced into the material measure 1 (the scale) through different areas with different permeabilities p (reluctances) and/or different conductivities ⁇ .
  • the linear-shaped measuring scale 1 extends along a measuring direction x, with two adjacent areas in the measuring direction having different permeability or conductivity.
  • the coding is periodic, with a period comprising a sequence of a first region with a permeability po or conductivity ⁇ o and a second region with a permeability ⁇ 1 or conductivity ⁇ 1 and having a division period ⁇ .
  • the material measure 1 comprises one or more periodically or aperiodically coded measurement tracks.
  • the division period ⁇ corresponds to a period of coding.
  • the measuring scale 1 is controlled by a sensor
  • the sensor 2.1 sensed. The scanning is therefore not a matter of sampling, but rather a detection of the material measure. It applies that the sensor 2.1 is a sensor element
  • a sensor element 2.1.1 is formed from at least one emitter coil 2.1.1.1 and one or more receiver coils 2.1.1.2. It applies that a sensor element 2.1.1 can have one or more emitter coils 2.1.1.1 and an emitter coil 2.1.1.1 can be shared by both just one sensor element 2.1.1 and by several sensor elements 2.1.1.
  • the sensor element 2.1.1 covers at least one graduation period ⁇ of the measurement track.
  • the sensor element can also cover several division periods n ⁇ (with n ⁇ N), where n denotes the number of division periods. This means that any errors that may occur can be averaged, which reduces the general measurement error.
  • the emitter coils 2.1.1.1 and the receiver coils 2.1.1.2 can be implemented, for example, as conductor tracks in the form of a meander structure (flat coils) in or on a rigid or flexible substrate (eg a printed circuit board).
  • the sensor element 2.1.1 comprises a single emitter coil 2.1.1.1, which has the shape of a cuboid, and two meandering, offset receiver coils 2.1.1.2, which are arranged within the emitter coil 2.1.1.1.
  • a measuring track of the material measure 1 forms a measuring channel in combination with the sensor element 2.1.1.
  • the electronic circuit 2.2 feeds an alternating current into the generator coil(s) 2.1.1.1 of the sensor element 2.1.1, for example with a frequency in the range from a few kHz to 100 MHz. Due to the inductive coupling (counter-induction) between the emitter 2.1.1.1 and receiver coils 2.1.1.2, an alternating current of the same frequency is induced in the receiver coils 2.1.1.2.
  • the counter-induction is modulated during a relative movement of the material measure 1 with respect to the scanning head 2 (the sensor structure).
  • the alternating currents induced in the receiver coils 2.1.1.2 or the measured signals are demodulated by the evaluation electronics 2.2 and converted into position information.
  • the position information obtained in this way is forwarded via an interface 4 to a servo controller 3 for various regulations and controls.
  • the interface is a synchronous serial interface (SSI, Synchronous Serial Interface) and includes a power amplifier (line driver), e.g. of type RS485, as well as a cable and a connector.
  • the sensor head can move along the measuring direction above the surface of the measuring standard and thereby detect changes in one or more physical variables, such as the inductance or the magnetic field strength, with the evaluation circuit calculating position information from the sensor signals.
  • the sensor head can be rigid while the measuring scale itself moves, for example rotates.
  • the position information of an incremental measuring system only contains information about the relative offset in relation to the starting position “0” at system start.
  • An extension can contain a defined system zero point in the form of a reference mark (Reference Index Ri or Reference Mark Rm). However, this information is only available when the sensor scans this corresponding mark on the measuring scale after switching on.
  • the position information of an absolute measuring system includes the absolute offset between the scanning head and the measuring standard immediately after switching on. There are various options for coding and recording an absolute position.
  • the material measure can be coded using a Pseudo Random Code (PRC).
  • PRC Pseudo Random Code
  • a PRC is a digital code (encoded with N bits).
  • the material measure usually only includes one measurement track to be scanned.
  • a corresponding sensor records a specific length or segment of this track.
  • Each recorded partial area of the coding which corresponds to a combination of “ones” and “zeros”, may occur exactly once over the entire length or the entire angle. This means that an absolute position can be obtained with appropriate evaluation electronics.
  • PRC Pseudo Random Code
  • N bits The advantages of execution using PRC can be seen as the fact that theoretically and mathematically any system length can be coded and thus made possible. In addition, only one measurement track is required. The disadvantages are that a complex sensor structure and evaluation electronics are required and this complexity increases with the measuring length.
  • the measuring standard can be designed as a vernier-coded measuring standard.
  • the material measure comprises two or more periodically coded tracks with different periodicities or pitch periods, which are also referred to as incremental tracks. As a rule, these tracks are guided parallel to the scanning surface or to the scanning point.
  • a division period is the smallest unit of the coded measuring standard and indicates the distance after which the coded pattern repeats itself.
  • the greatest common divisor (ggT) of the number of division periods of at least two measuring tracks of a vernier-coded measuring standard, which are used to obtain the absolute position must be equal to 1. This ensures that each combination of the measurement tracks within the scanning areas of the sensor only exists once over the entire measuring scale, in particular length and/or angle, of a corresponding sensor. This means that an absolute position can be obtained with appropriate evaluation electronics.
  • a comparatively simple sensor structure and evaluation electronics are required for a vernier version, but the measuring length is limited. This version is therefore particularly suitable for angle measurements because the maximum length, the arc length, is predefined.
  • the fundamentally very compact physical implementation can be viewed as a further advantage.
  • the maximum length which is often limited in practice, can be seen as a disadvantage.
  • Another disadvantage is that a compromise between measuring length and accuracy is often necessary. The higher the accuracy requirement for long distances, the more complex a vernier implementation becomes.
  • FIG. 1 A simplified, absolute vernier-coded angle measuring system with a multi-track arrangement is shown schematically in FIG.
  • the system is composed as follows.
  • the material measure 1 consists of two parallel (or concentric) tracks 1.1 and 1.2 with different graduation periods in an XY plane.
  • the sensor 2.1 consists of two sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 arranged next to each other (and above the associated tracks), each of which has the same graduation periods as the associated tracks 1.1 and 1.2, also in the XY plane.
  • the sensor 2.1 can cover both only a part of the material measure 1, as shown in FIG. 5a, and the entire area, as shown in FIG. 5b.
  • This principle can be expanded to include any number of measurement tracks and the associated sensor elements by adding additional, also parallel and concentric tracks. For the sake of simplicity and for a clear representation, a system with only two tracks is presented in the example in FIG.
  • FIG. 6 and FIG. 7 the respective output signals of the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 of FIG. 5 are shown as examples.
  • Figure 6 shows the output signal from sensor element 2.1.1
  • Figure 7 shows that from sensor element 2.1.2.
  • the two sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 each generate two sinusoidal signals that are offset by 90° to one another, i.e. a sine and cosine signal.
  • the sensor element 2.1.1 generates sixteen sine and cosine periods for a complete 360° rotation of the measuring scale 1, which correspond to the number of graduation periods of the first track 1.1.
  • the sensor element 2.1.2 generates three sine and cosine periods according to the division periods of track 1.2.
  • Position information in particular angle or length information, is obtained from the output signals through various mathematical operations (such as demodulation).
  • the absolute position is determined by combining the position information generated on the output signals of the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2. This is shown in Figure 8.
  • the absolute position is given in radians in Fig. 8 (in the interval ⁇ ⁇ radians, corresponding to ⁇ 180°).
  • the absolute position which is shown as a dot-dash line, is obtained over the entire mechanical position of 360° due to the uniqueness of the pairs of the starting positions of the sensor element 2.1.1 shown as a solid line and the starting position of the sensor element 2.1.2 shown as a dashed line .
  • Figure 9 shows a side view of a material measure of an absolute length measuring system.
  • the material measure comprises three periodic measuring tracks 1.1, 1.2 and 1.3 with a periodicity ⁇ 0 , ⁇ 1 or ⁇ 2 and along a measuring direction x.
  • the measuring tracks 1.1, 1.2 and 1.3 are arranged parallel to each other and next to each other in a direction that is perpendicular to the measuring direction.
  • the lengths ⁇ 0 , ⁇ 1 and ⁇ 2 of the divisions are different and the number of division periods n 1 , n 2 and n 3 of the tracks for the same length is also different.
  • the following relationship applies between the period length and the number of graduation periods of the respective measuring track: ⁇ i 1/ni, where 1 stands for the total length of the measuring standard.
  • the air gap is the distance between the material measure and the sensor element in a direction that is perpendicular to the measuring direction and to the plane of the material measure. It is also called the working point. It is desirable that the signals from the various tracks have sufficient amplitude in order to minimize measurement errors as much as possible. However, it is clear from FIG. 10 that the different lengths of the division periods lead to very different operating points and that the behavior of the generated signal amplitude of the sensor element is non-linear.
  • the system resolution is largely determined by the measurement track that has the largest number of division periods, i.e. the smallest division length.
  • the greater the difference in the division periods of the individual tracks the greater the difference in their amplitude curve.
  • Figure 12 shows a schematic representation of an angle measuring system with an assembly error in the form of a tilt.
  • the sensor head 2 which should ideally be arranged parallel to the material measure 2, is inclined relative to the material measure 1 by an angle alpha with respect to an axis A, which runs perpendicular to the plane of the material measure 1.
  • the sensor head 2 (and thus also the sensor elements contained therein) is ideally arranged so that it is arranged parallel to the edges of the material measure. In the example of Figure 13, these edges are arranged at an angle alpha relative to an axis A, which runs parallel to an edge of the measuring standard, and thus relative to the measuring standard 1 itself.
  • a rotation or an offset of the scanning head 2 relative to the material measure 1 leads to a change in the relative phase between the position signals of the individual measuring channels and in turn reduces the working range of the system. If the phase change is greater than the maximum permitted position error (in combination with the accuracy of the track itself), the absolute position can no longer be determined correctly. Again, the influence of the phase shift is greater the wider (or the more tracks) the system has.
  • FIG. 14 shows a view from above of a first and a second measuring scale for an angle measuring system with a single, circular measuring track with 16 or 3 graduation periods (FIG. 14, left and middle) and with a third measuring scale, which che forms a device with two overlapping measuring tracks due to the complete overlap of the first and second measuring scales 1.1 and 1.2. Since the largest common divisor of the number of these tracks is equal to 1, it is also a vernier arrangement, which can be used for absolute position measurement. In contrast to the arrangements of Figures 5 and 11, the measurement tracks are not arranged next to each other in the same plane, but are arranged overlapping in different planes. The measurement tracks are therefore congruent and have the same dimensions in the respective plane. In another example, the measurement tracks only partially overlap.
  • the corresponding sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 are also overlapped.
  • a schematic sectional view of an angle measuring system with overlapping measuring channels is shown in Figure 15.
  • the measuring track arrangements 1.1 and 1.2 correspond to the measuring track arrangements of Figure 14.
  • the first measuring channel includes the sensor element 2.1.1 and the measuring track 1.1.
  • the second measuring channel includes the sensor element 2.1.2 and the measuring track 1.2.
  • Both the measuring track arrangements 1.1 and 1.2 as well as the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 are arranged one above the other in a direction z, which is perpendicular to the plane xy is running.
  • the first measuring channel which has the measuring track 1.1 with the larger number of graduation periods, is thus arranged between the sensor element 2.1.2 and the measuring track arrangement 1.2 with the smaller number of graduation periods.
  • the measuring scales and the sensor elements are each arranged in a plane which is parallel to the xy plane. In the z direction, the overlapping measuring scales on the one hand and the sensor elements on the other hand are spaced apart by a distance z. In another example, the sensor elements only partially overlap.
  • Figure 16 shows a perspective view of an angle measuring system with two concentric, parallel vernier measuring channels in the same z-plane ( Figure 16a) and an angle measuring system with overlapping vernier measuring channels in different planes ( Figure 16b).
  • the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 are shown in Figure 16 and subsequently also in Figure 17 only with the respective receiver coils of the sensor elements.
  • the emitter coils are not shown.
  • the receiver coils are designed as sinusoidal conductor tracks.
  • the number of periods of a receiver coil corresponds to the number of periods of the corresponding measurement track.
  • the systems can be expanded to include any number of measurement channels.
  • the emitter coils and/or the receiver coils of the different measurement channels can be arranged on the same substrate.
  • both the measurement tracks and the sensor elements are not arranged in parallel, but rather either completely or partially overlapped.
  • axially overlapping (Z direction) two or more measuring channels both in the rotor (measuring track) and in the stator (sensor elements)
  • a configuration can be created that has the above-described disadvantages of vernier coding next to each other arranged measurement tracks can be significantly reduced.
  • the entire system becomes significantly more compact and the influence of assembly errors (tilting, twisting, misalignment, eccentricity, etc.) can be significantly reduced.
  • a major advantage of this arrangement is that any phase errors that may occur have the same geometric effect on all measuring channels.
  • the working area of the measurement tracks can be easily optimized.
  • Figures 14-16 show angle measuring systems, it is clear that the overlapping of measuring channels can also be implemented in length measuring systems with the same advantages.
  • Figure 17 shows a perspective view of an angle measuring system with three completely overlapping measuring channels, and thus an extension of the solution from Figures 14-16 by one measuring channel.
  • the system includes a sensor and a measuring body.
  • the sensor elements are arranged in different levels and spaced apart from one another.
  • the measurement tracks and the corresponding sensor elements therefore have the same number of graduation periods.
  • the measurement tracks are arranged in different levels and spaced apart from each other.
  • the distances between the sensor elements and the associated measurement tracks are selected depending on the number of graduation periods.
  • the distances between a measurement track and the respective sensor element can be selected such that the distance du between the sensor element 2.1.1 with the most graduation periods, ie with the smallest graduation length, and the associated measurement track 1.1 on the measuring scale 1 am is smallest and the distance d33 between sensor element 2.1.3 with the fewest graduation periods, ie with the largest graduation length, and the associated track 1.3 on the measuring scale 1 is the largest.
  • the larger the number of division periods of a measuring channel the smaller the distance between the measuring track and the sensor element of this measuring channel.
  • the number of division periods of a measurement track with a larger number of division periods is greater by at least a factor of 1.5 than the number of division periods of a further measurement track with a smaller number of division periods.
  • the conditions for the number of division periods are: n 1 ⁇ 1.5 ⁇ n 2 and n 2 ⁇ 1.5 ⁇ n 2 . As stated above, these conditions are met in the example of FIG.
  • the number mi of graduation periods of the sensor elements is equal to the number n i of graduation periods of the associated material measure, where i is the index of the measuring channel.
  • the distances bi2, b23 between the individual sensor elements and the distances ai2, a23 between the measuring tracks of the measuring standard are selected such that, at a given distance between the sensor and the measuring standard (nominal distance), on the one hand the mutual influence of the measuring channels (cross-talk) is minimized and, on the other hand, the amplitudes of the signals of the measurement channels are essentially the same.
  • the amplitudes of the signals of the measuring channels can lie within a predetermined tolerance band.
  • the distances between the sensor elements ments and between measurement tracks also depend on the number of division periods for each measurement track as well as the differences in the numbers of division periods. In any case, the distances bij between two sensor elements i and j are in the range from 0.01 to 1.00 mm and the distances aij between two measurement tracks i and j are in the range from 0.01 mm to 1.00 mm.
  • FIG. 18 shows a diagram which shows the signal amplitude of three measuring channels with measuring tracks which have 32, 8 or 3 graduation periods, depending on the air gap (working area) of the measuring channel.
  • the signal amplitude corresponds to the amplitude of the signal induced by the emitter signal of the emitter coil in the receiver coil.
  • the signal amplitude was set to the interval [0; 1] normalized.
  • the permissible working range of the measuring channels can be defined in such a way that a fluctuation ⁇ A of the signal amplitudes (tolerance band) around the ideal working point AP is permitted.
  • the operating point for the three measurement tracks is therefore between 0.45 and 0.65. From Figure 18 it is particularly clear that the requirements for the air gap of the measuring channel with the largest number of division periods are higher than the requirements for the air gap of the measuring channel with the smallest number of division periods.
  • the lower limit of the tolerance band is at least 70%, preferably at least 80% and more preferably at least 90% of the operating point.
  • the upper limit of the tolerance band is not more than 130%, preferably not more than 120% and more preferably not more than 110% of the operating point.
  • An arrangement with partially or completely overlapping measuring tracks or sensor elements has the advantage that the distances between the measuring tracks and the sensor elements can be selected flexibly, so that a similar signal amplitude can be achieved for all measuring channels. You are also particularly flexible when choosing work area. As can be seen from FIG. 10, this is not the case in conventional arrangements in which the measuring tracks are arranged in the same plane.
  • the measuring channels are based on different measuring principles and the corresponding sensor elements measure different sizes. This means that the mutual interference between the various measurements can be reduced.
  • a first sensor element can measure a change in the conductivity of the corresponding measurement track and a second sensor element can measure a change in the permeability/reluctance of the corresponding measurement track.
  • the sensor circuit can be designed to generate a first signal for the first measurement track with a first emitter signal frequency f 1 and to feed it into the emitter coil of the first sensor element, and a second signal with a second emitter signal frequency f 2 to generate and feed into the emitter coil of the second sensor element, whereby the first emitter signal frequency and the second emitter signal frequency differ.
  • the first emitter signal frequency is at least twice greater than the second emitter signal frequency.
  • f 1 ⁇ 2 ⁇ f 2 a permeability or reluctance is measured with the sensor element whose emitter coil is excited with the smaller emitter signal frequency, while a conductivity is measured with the sensor element whose emitter coil is excited with the larger emitter signal frequency.
  • FIG. 19a shows a view from above of a material measure for an angle measuring system with a magnetic track.
  • Figure 19b shows a view from above of another measuring standard for an angle measuring system.
  • the width of the annular measuring standard in the radial direction changes depending on the angle, such that the measuring standard has three identical sections radially, each of which has a wider and a narrower area. These sections thus form a periodic measurement track with three periods, which can be referred to as a geometric track.
  • the change in the width of the material measure can be effected by a mechanical method, for example by milling, etching, cutting and/or turning.
  • Figure 19c shows a view from above of a further measuring standard for an angle measuring system, which is formed by superposition of the effects from Figures 19a and 19b.
  • the measuring standard therefore has both the magnetic track of Figure 19a and the geometric track of Figure 19b. Both tracks overlap and are arranged in the same axial plane (plane xy). Since the magnetic field generated by the magnetic track is influenced by the geometry of the measuring scale, and thus by the geometric track, a change in the geometry and thus the geometric track can be detected by a corresponding sensor.
  • the additional, geometric measurement track therefore plays the same role as the additional, magnetic track in the examples above.
  • the first, magnetic measuring track and the second, geometric measuring track can thus be formed from a single measuring track molding, the geometric measuring track being formed by deforming the molding. In the example shown, the largest common divisor of both tracks is equal to one, so that both tracks form a vernier coding, which can be used for absolute position measurement.
  • the example of Figure 19c can be used for any number of periods of the magnetic and geometric track. It can also be implemented in a measuring scale of a length measuring system.
  • a particularly compact design can be achieved with a position measuring system in which the various measuring tracks or the sensor elements are arranged at least partially overlapping.
  • the influence of design errors on the arrangement can be reduced. Since the measuring channels have different distances between the measuring track and the sensor element, the working area can be selected particularly flexibly and thus easily optimized.

Abstract

The invention relates to a device for a length- or angle-measuring system, comprising: a first measuring track with a periodic coding that has a first number of division periods, said first measuring track being arranged on a first plane; and at least one second measuring track with a periodic coding which has a second number of division periods, said second measuring track being arranged on a second plane. The first number of division periods and the second number of division periods differ, the first plane and the second plane are parallel to each other, and the first measuring track and the second measuring track at least partly overlap.

Description

MEHRSPURANORDNUNG FÜR LINEAR- UND WINKELMESSSYSTEME MULTI-TRACK ARRANGEMENT FOR LINEAR AND ANGLE MEASURING SYSTEMS
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL FIELD
[0001] Die Erfindung betrifft eine Mehrspuranordnung für Messsysteme zur Positionsbe- stimmung, einen Sensorkopf zum Abtasten der Mehrspuranordnung sowie ein entsprechendes Messsystem aus einer Mehrspuranordnung und einem Sensorkopf. [0001] The invention relates to a multi-track arrangement for measuring systems for position determination, a sensor head for scanning the multi-track arrangement and a corresponding measuring system consisting of a multi-track arrangement and a sensor head.
HINTERGRUND BACKGROUND
[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Messsysteme zur Positionsbestim- mung bekannt, insbesondere Linear-/Längenmesssysteme, Winkelmesssysteme oder Drehge- ber. Linearmesssysteme bzw. Längenmesssysteme sind dazu ausgebildet, die Position entlang einer Strecke mit unterschiedlichen Endpunkten zu bestimmen. Dagegen sind Winkelmess- systeme dazu ausgebildet, die Position entlang einer geschlossenen Kreisbahn zu bestimmen. Ein Messsystem zur Positionsbestimmung umfasst eine Maßverkörperung, welche kodierte Positionsinformationen enthält, und einen Abtastkopf mit einem Sensor. Zudem kann das Messsystem einen physikalischen Auswertekanal und eine Auswerteschaltung umfassen. Üb- licherweise wird die Positionsinformation des Messsystems über eine Schnittstelle an einen Servocontroller für eine Regelung oder Steuerung weitergeleitet (beispielsweise zur Rege- lung/ Steuerung von Position, Geschwindigkeit oder Drehmoment). [0002] Various measuring systems for position determination are known from the prior art, in particular linear/length measuring systems, angle measuring systems or rotary encoders. Linear measuring systems or length measuring systems are designed to determine the position along a route with different end points. In contrast, angle measuring systems are designed to determine the position along a closed circular path. A measuring system for position determination includes a measuring standard, which contains coded position information, and a scanning head with a sensor. In addition, the measuring system can include a physical evaluation channel and an evaluation circuit. The position information from the measuring system is usually forwarded via an interface to a servo controller for regulation or control (for example to regulate/control position, speed or torque).
[0003] Die Positionsmessung erfolgt durch die relative Bewegung des Abtastkopfes und der Maßverkörperung. Dabei misst der Sensor eine physikalische Eigenschaft, zum Beispiel eine magnetische oder eine elektrische Messgröße, welche von der kodierten Positionsinformation abhängt. Aus der Änderung der physikalischen Eigenschaft wird dann durch die Auswer- teschaltung eine Positionsinformation berechnet. Die erhaltene Positionsinformation kann ent- weder relativ sein, wenn sie von einer Startposition abhängt, oder absolut sein, wenn jeder Punkt einer Trajektorie durch die kodierte Positionsinformation der Maßverkörperung eindeu- tig definiert ist. Abhängig vom Messsystem bewegt sich der Abtastkopf oder die Maßverkör- perung. Im Fall einer kreisförmigen Maßverkörperung wird von Rotor und Stator gesprochen. The position measurement is carried out by the relative movement of the scanning head and the material measure. The sensor measures a physical property, for example a magnetic or an electrical measurement variable, which depends on the encoded position information. Position information is then calculated by the evaluation circuit from the change in the physical property. The position information obtained can either be relative if it depends on a starting position, or absolute if each point of a trajectory is uniquely defined by the coded position information of the measuring standard. Depending on the measuring system, the scanning head or the measuring scale moves. In the case of a circular measuring scale, we speak of rotor and stator.
[0004] Zur absoluten Positionsmessung sind sogenannte Nonius-codierte Maßverkörperun- gen bekannt. Die Maßverkörperung weist mindestens zwei periodisch codierte Messspuren auf, welche unterschiedliche Teilungsperioden haben, so dass für jede Position auf der Maß- verkörperung eine eindeutige Signalkombination der Spuren vorhanden ist. [0005] Bekannte Systeme verwenden beispielsweise codierte Messspuren, welche in dersel- ben Ebene parallel zur Abtastfläche bzw. zum Abtastpunkt des Sensors bzw. der Sensorele- mente angeordnet sind. So offenbart die Publikation DE 10 2021 205036 Al ein Abtastele- ment für ein System mit mehreren in derselben Ebene parallel angeordneten Spuren. Die Pub- likation EP 2329225 Bl offenbart einen induktiven Positionssensor für ein System mit mehre- ren in derselben Ebene parallel angeführten Spuren. Die Publikation EP 0845659 Bl offenbart ein Abtastelement für eine Positionsmesseinrichtung, bei der mehrere Spuren mit unterschied- licher Periodizität parallel in derselben Ebene angeordnet sind. [0004] So-called vernier-coded measuring standards are known for absolute position measurement. The measuring standard has at least two periodically coded measuring tracks, which have different graduation periods, so that a unique signal combination of the tracks is available for each position on the measuring standard. [0005] Known systems use, for example, coded measurement tracks which are arranged in the same plane parallel to the scanning surface or to the scanning point of the sensor or the sensor elements. The publication DE 10 2021 205036 A1 discloses a scanning element for a system with several tracks arranged in parallel in the same plane. The publication EP 2329225 B1 discloses an inductive position sensor for a system with several tracks arranged in parallel in the same plane. The publication EP 0845659 B1 discloses a scanning element for a position measuring device in which several tracks with different periodicities are arranged in parallel in the same plane.
[0006] Theoretisch können solche Anordnungen und Systeme um beliebig viele Spuren er- weitert werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Aus der parallelen Positionierung von zwei oder mehreren Nonius-Kanälen in derselben Ebene, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ergeben sich jedoch eine Reihe von Nachteilen, die im Folgenden kurz diskutiert werden. [0006] Theoretically, such arrangements and systems can be expanded to include any number of tracks in order to increase the measurement accuracy. However, the parallel positioning of two or more vernier channels in the same plane, as is known from the prior art, results in a number of disadvantages, which are briefly discussed below.
[0007] Mit jeder zusätzlichen parallelen Messspur nimmt die Breite der Anordnung zu. Im Falle eines Winkelmesssystems bedeutet das, dass entweder der Innendurchmesser kleiner wird, was insbesondere nachteilig für Systeme ist, welche ein großes Durchloch, bspw. für Kabelstränge, benötigen, oder der Außendurchmesser nimmt zu, was wiederum zu erhöhtem Platzbedarf führt. Der Nachteil eines erhöhten Platzbedarfs gilt in gleicher Weise für Linear- messsysteme. The width of the arrangement increases with each additional parallel measurement track. In the case of an angle measuring system, this means that either the inside diameter becomes smaller, which is particularly disadvantageous for systems that require a large through hole, for example for cable harnesses, or the outside diameter increases, which in turn leads to increased space requirements. The disadvantage of increased space requirements also applies to linear measuring systems.
[0008] Die unterschiedlichen Längen der Teilungsperioden führen zu unterschiedlichen Ar- beitspunkten der einzelnen Sensorelemente. Als Arbeitspunkt wird der Abstand zwischen Maßverkörperung und Sensorelement definiert, auch Luftspalt genannt. Zudem ist das Ver- halten der generierten Signalamplitude des Sensorelements in der Regel nicht linear. [0008] The different lengths of the division periods lead to different operating points of the individual sensor elements. The distance between the measuring standard and the sensor element, also called the air gap, is defined as the operating point. In addition, the behavior of the generated signal amplitude of the sensor element is usually not linear.
[0009] Die Systemauflösung wird maßgeblich durch jene Messspur vorgegeben, welche die größte Anzahl an Teilungsperioden besitzt, d.h. die kleinste Teilungslänge. Je höher die For- derung bezüglich der Systemauflösung ist, desto höher muss im Allgemeinen die Zahl der Teilungsperioden dieser Spur sein. Eine Spur mit vielen Teilungsperioden schränkt den Ar- beitsbereich jedoch drastisch ein. Die größeren Spuren dienen im Allgemeinen zum Generie- ren der Absolutposition des Systems. Jedoch gilt, je größer der Unterschied in den Teilungs- perioden der einzelnen Spuren, desto größer ist der Unterschied in deren Amplitudenverlauf. [0010] Für die Auslegung des Sensors ist es günstig, die Anzahl an Teilungsperioden der einzelnen Messspuren nur minimal zu variieren bzw. in der gleichen Größenordnung zu defi- nieren. Somit würden sich die Arbeitsbereiche der Messspuren nicht gegenseitig limitieren und deren Amplitudenverlauf nur unwesentlich voneinander abweichen. Dabei muss aber be- achtet werden, dass dadurch die Anforderung an die Genauigkeit der Messkanäle für die Be- stimmung der Absolutposition des Systems entscheidend strenger werden. The system resolution is largely determined by the measurement track which has the largest number of division periods, ie the smallest division length. The higher the requirement regarding system resolution, the higher the number of division periods of this track must generally be. However, a track with many division periods drastically limits the work area. The larger tracks are generally used to generate the absolute position of the system. However, the greater the difference in the division periods of the individual tracks, the greater the difference in their amplitude curve. [0010] When designing the sensor, it is advantageous to vary the number of division periods of the individual measurement tracks only minimally or to define them in the same order of magnitude. This means that the working areas of the measurement tracks would not limit each other and their amplitude curves would only differ insignificantly from one another. However, it must be noted that this makes the requirements for the accuracy of the measuring channels for determining the absolute position of the system significantly more stringent.
[0011] Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass für ein System mit hoher Auflösung, welches einer Spur mit vielen Teilungsperioden entspricht, gilt, dass je höher das Ergebnis der Multiplikation der Anzahl an Teilungsperioden der Messspuren ist, desto höhere Anforderun- gen bezüglich der Positionserfassung der einzelnen Spuren gelten. Zusätzlich gilt, je größer die Differenz der Anzahl an Teilungsperioden ist, desto größer der Unterschied bezüglich des Arbeitsbereiches der einzelnen Sensorelemente. Dies limitiert wiederum den Arbeitsbereich des Gesamtsystems. [0011] In summary, it can be stated that for a system with high resolution, which corresponds to a track with many pitch periods, the higher the result of multiplying the number of pitch periods of the measurement tracks, the higher the requirements regarding the position detection of the individual tracks apply. In addition, the greater the difference in the number of division periods, the greater the difference in the working range of the individual sensor elements. This in turn limits the working area of the entire system.
[0012] Ein weiterer Nachteil von parallel in derselben Ebene ausgeführten Spuren der Maß- verkörperung ist die Robustheit des Systems gegenüber Montagefehlern. Montagefehler um- fassen insbesondere ein zu den Spuren der Maßverkörperung vertikales Verkippen, horizonta- les Verdrehen oder horizontaler Versatz des Abtastkopfs bzw. des Sensors und der Sensorele- mente. [0012] A further disadvantage of tracks of the measuring scale running parallel in the same plane is the robustness of the system against assembly errors. Assembly errors include, in particular, vertical tilting, horizontal twisting or horizontal offset of the scanning head or the sensor and the sensor elements relative to the tracks of the measuring standard.
[0013] Je breiter eine Mehrspuranordnung ist, desto stärker wirkt sich eine Verkippung auf den Arbeitsbereich bzw. den Luftspalt des Sensors aus, insbesondere auf die äußersten Spu- ren. Diese beinhalten üblicherweise jene mit den meisten Teilungsperioden und somit jene mit dem geringsten Arbeitsbereich. Durch die Verkippung ändert sich die relative Phase zwischen Sensor und Maßverkörperung. Wird dieser Phasenfehler größer als der maximal erlaubte Feh- ler, kann die Absolutposition nicht mehr korrekt bestimmt werden. [0013] The wider a multi-track arrangement is, the greater the effect of tilting on the working area or the air gap of the sensor, in particular on the outermost tracks. These usually include those with the most division periods and thus those with the smallest working area. The tilting changes the relative phase between the sensor and the measuring scale. If this phase error becomes greater than the maximum permitted error, the absolute position can no longer be determined correctly.
[0014] Eine horizontale Drehung ebenso wie ein horizontaler Versatz des Abtastkopfes re- lativ zur Maßverkörperung führen zu einer Änderung der relativen Phase zwischen den Positi- onssignalen der einzelnen Messkanäle und verringert wiederum den Arbeitsbereich des Sys- tems. Wird, in Kombination mit der Genauigkeit der Spur, die Phasenänderung größer als der maximal erlaubte Positionsfehler, kann die Absolutposition nicht mehr korrekt bestimmt wer- den. Auch dabei gilt, dass der Einfluss der Phasenverschiebung umso größer ausgeprägt ist, desto breiter, bzw. desto mehr Spuren, das System besitzt. [0015] Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, ein Messsystem zur Positionsbe- stimmung bereitzustellen, welches die obigen Nachteile überwindet, insbesondere den Ein- fluss von Montagefehlem (Verkippung, Verdrehung, Versatz, Exzentrizität, etc.) deutlich re- duziert und gleichzeitig besonders kompakt bleibt. [0014] A horizontal rotation as well as a horizontal offset of the scanning head relative to the measuring standard leads to a change in the relative phase between the position signals of the individual measuring channels and in turn reduces the working range of the system. If, in combination with the accuracy of the track, the phase change is greater than the maximum permitted position error, the absolute position can no longer be determined correctly. It also applies that the influence of the phase shift is more pronounced the wider or more tracks the system has. [0015] The inventors have set themselves the task of providing a measuring system for position determination which overcomes the above disadvantages, in particular significantly reduces the influence of assembly errors (tilting, twisting, offset, eccentricity, etc.) and at the same time remains particularly compact.
ZUSAMMENFAS SUNG SUMMARY
[0016] Die genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des An- spruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und einen Sensorkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen sowie Weiterent- wicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. [0016] The stated object is achieved by a device with the features of claim 1, a system with the features of claim 7 and a sensor head with the features of claim 18. Various embodiments and further developments of the present invention are described in the dependent claims.
[0017] Es wird eine Anordnung beschrieben, welche umfasst: eine erste Messspur mit einer periodischen Codierung, die eine erste Anzahl von Teilungsperioden aufweist, wobei die erste Messspur in einer ersten Ebene angeordnet ist, und mindestens eine zweite Messspur mit ei- ner periodischen Codierung, die eine zweite Anzahl von Teilungsperioden aufweist, wobei die zweite Messspur in einer zweiten Ebene angeordnet ist. Die erste Anzahl von Teilungsperio- den und die zweite Anzahl von Teilungsperioden unterscheiden sich voneinander. Die erste Ebene und die zweite Ebene sind parallel zueinander und die erste Messspur und die zweite Messspur überlappen sich zumindest teilweise. [0017] An arrangement is described which comprises: a first measurement track with a periodic coding, which has a first number of division periods, the first measurement track being arranged in a first plane, and at least one second measurement track with a periodic coding , which has a second number of division periods, the second measurement track being arranged in a second level. The first number of division periods and the second number of division periods differ from each other. The first level and the second level are parallel to one another and the first measurement track and the second measurement track at least partially overlap.
[0018] Es wird auch ein System beschrieben, welches umfasst: eine Anordnung gemäß dem vorigen Absatz, und einen Sensorkopf mit einem ersten Sensorelement, das zusammen mit der ersten Messspur einen ersten Messkanal bildet, und mindestens einem zweiten Sensorele- ment, das zusammen mit der zweiten Messspur einen zweiten Messkanal bildet. Das erste und zweite Sensorelement decken mindestens eine Teilungsperiode der ersten bzw. zweiten Mess- spur ab. [0018] A system is also described which comprises: an arrangement according to the previous paragraph, and a sensor head with a first sensor element, which forms a first measurement channel together with the first measurement track, and at least one second sensor element, which together with the second measurement track forms a second measurement channel. The first and second sensor elements cover at least one pitch period of the first and second measurement track, respectively.
[0019] Außerdem wird ein Sensorkopf für eine Anordnung wie oben dargestellt beschrie- ben, der folgendes aufweist: ein erstes Sensorelement, das in einer dritten Ebene angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, mit der ersten Messspur einen ersten Messkanal zu bilden; und mindestens ein zweites Sensorelement, das in einer vierten Ebene angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, mit der zweiten Messspur einen zweiten Messkanal zu bilden. Die dritte Ebene und die vierte Ebene sind parallel zueinander und voneinander beabstandet, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement sich zumindest teilweise überlappen. [0020] Dadurch wird es insbesondere möglich, eine Konfiguration zu schaffen, welche den ansonsten unterschiedlichen Einfluss von Fehlern bei der Ausführung bzw. Montage der Mehrspuranordnung auf die jeweiligen Messkanäle minimiert. Fehler bei der Ausführung bzw. Montage umfassen insbesondere Kippung, Verdrehung, Versatz, Exzentrizität der Mess- spuren und/oder Sensorelemente. Zudem ergibt sich aus einer solchen Anordnung der Vorteil, dass sich ein gegebenenfalls auftretender Phasenfehler auf alle Messkanäle geometrisch gleich auswirkt. Weiterhin wird durch eine solche Konfiguration eine kompakte Bauweise er- möglicht, insbesondere im Hinblick auf das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innen- durchmesser im Falle eines Winkelmesssystems. Ebenso wird ermöglicht, den Arbeitsbereich zu optimieren und die codierte Information der Messspuren verbessert abzutasten. Zudem wird es möglich, den Aufwand bei der Herstellung und bei dem Betrieb einer Mehrspuranord- nung zu reduzieren. [0019] In addition, a sensor head for an arrangement as shown above is described, which has the following: a first sensor element which is arranged in a third plane and is designed to form a first measurement channel with the first measurement track; and at least one second sensor element, which is arranged in a fourth plane and is designed to form a second measurement channel with the second measurement track. The third level and the fourth level are parallel to one another and spaced apart from one another, with the first sensor element and the second sensor element at least partially overlapping one another. This makes it possible in particular to create a configuration which minimizes the otherwise different influence of errors in the execution or assembly of the multi-track arrangement on the respective measuring channels. Errors in execution or assembly include, in particular, tilting, twisting, offset, eccentricity of the measuring tracks and/or sensor elements. In addition, such an arrangement has the advantage that any phase errors that may occur have the same geometric effect on all measuring channels. Furthermore, such a configuration enables a compact design, particularly with regard to the ratio of the outside diameter to the inside diameter in the case of an angle measuring system. It also makes it possible to optimize the working area and to better scan the coded information of the measurement tracks. In addition, it becomes possible to reduce the effort involved in producing and operating a multi-track arrangement.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0021] Nachfolgend werden zum besseren Verständnis der Merkmale und Vorteile der Er- findung einige Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Fi- guren 1 bis 19 genauer beschrieben. Die Darstellungen der Figuren veranschaulichen jedoch nur einige Ausführungsformen und sind nicht als einschränkend zu betrachten, da es auch an- dere, ebenso wirksame Ausführungsformen geben kann. Es wird darauf hingewiesen, dass ei- nige der in den Figuren dargestellten Details und/oder Merkmale aus Gründen der Übersicht- lichkeit nicht maßstabsgetreu wiedergegeben sind. [0021] For a better understanding of the features and advantages of the invention, some embodiments of the invention will be described in more detail below with reference to the attached FIGS. 1 to 19. However, the representations of the figures only illustrate some embodiments and should not be viewed as limiting, since there may also be other, equally effective embodiments. It should be noted that some of the details and/or features shown in the figures are not reproduced to scale for reasons of clarity.
[0022] Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Positionsmesssystems. [0022] Figure 1 shows a block diagram of a position measuring system.
[0023] Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längenmesssystems gemäß dem Stand der Technik. [0023] Figure 2 shows a perspective view of a length measuring system according to the prior art.
[0024] Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Winkelmesssystems gemäß dem Stand der Technik. [0024] Figure 3 shows a perspective view of an angle measuring system according to the prior art.
[0025] Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längenmesssystems mit einer peri- odisch kodierten Maßverkörperung und einem periodischen Sensorelement. [0025] Figure 4 shows a perspective view of a length measuring system with a periodically coded measuring standard and a periodic sensor element.
[0026] Figur 5 zeigt zwei Ansichten von oben einer Ausführungsform einer Nonius-Anord- nung mit zwei parallelen Spuren mit 16 bzw. 3 Teilungsperioden, wobei der Sensor nur einen Teil der Maßverkörperung abdeckt (Fig.5a) oder die gesamte Fläche der Maßverkörperung abdeckt (Fig.5b). [0026] Figure 5 shows two views from above of an embodiment of a vernier arrangement with two parallel tracks with 16 or 3 graduation periods, where the sensor only has one Part of the measuring standard covers (Fig.5a) or covers the entire surface of the measuring standard (Fig.5b).
[0027] Figur 6 zeigt die Ausgangssignale eines Sensorelements einer Spur mit 16 Teilungs- perioden abhängig vom Winkel. [0027] FIG. 6 shows the output signals of a sensor element of a track with 16 graduation periods depending on the angle.
[0028] Figur 7 zeigt die Ausgangssignale eines Sensorelements einer Spur mit 3 Teilungs- perioden abhängig vom Winkel. [0028] FIG. 7 shows the output signals of a sensor element of a track with 3 graduation periods depending on the angle.
[0029] Figur 8 zeigt die Ausgangsposition der Sensorelemente im Vergleich zur Absolutpo- sition des Messsystems abhängig vom Winkel. [0029] Figure 8 shows the starting position of the sensor elements in comparison to the absolute position of the measuring system depending on the angle.
[0030] Figur 9 zeigt eine seitliche Ansicht einer Ausführungsform einer Maßverkörperung für eine lineare Nonius-Codierung mit 3 Spuren. Figure 9 shows a side view of an embodiment of a material measure for a linear vernier coding with 3 tracks.
[0031] Figur 10 zeigt ein Diagramm, das die Signalamplitude eines induktiven Sensors ab- hängig vom Luftspalt bzw. Arbeitsbereich für verschiedene Teilungslängen anzeigt. [0031] FIG. 10 shows a diagram that shows the signal amplitude of an inductive sensor depending on the air gap or working area for different pitch lengths.
[0032] Figur 11 zeigt Ansichten von oben zweier Ausführungsformen einer Maßverkörpe- rung für eine Nonius-Codierung mit zwei Spuren mit jeweils unterschiedlichen Teilungsperio- den. [0032] FIG. 11 shows views from above of two embodiments of a measuring scale for vernier coding with two tracks, each with different graduation periods.
[0033] Figur 12 zeigt eine Querschnitt-Ansicht eines Messsystems mit einem Montagefeh- ler in Form einer Verkippung. [0033] FIG. 12 shows a cross-sectional view of a measuring system with an assembly error in the form of a tilt.
[0034] Figur 13 zeigt eine Ansicht von oben eines Messsystems mit einem Montagefehler in Form einer Verdrehung. Figure 13 shows a view from above of a measuring system with an assembly error in the form of a twist.
[0035] Figur 14 zeigt eine Ansicht von oben zweier sich überlappenden Nonius-Spuren ei- ner Maßverkörperung mit 16 bzw. 3 Teilungsperioden. [0035] FIG. 14 shows a view from above of two overlapping vernier tracks of a measuring standard with 16 or 3 graduation periods.
[0036] Figur 15 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Messsystems mit zwei sich überlappenden Messkanälen. 15 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a measuring system with two overlapping measuring channels.
[0037] Figur 16 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Messsystems mit zwei parallelen Nonius-Messkanälen in dergleichen Ebene (Figur 16a) und eines Messsystem mit überlappten Nonius-Messkanälen in unterschiedlichen Ebenen (Figure 16b). [0038] Figur 17 zeigt eine vereinfachte, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform ei- nes Winkelmesssystems mit drei sich vollständig überlappenden Messkanälen. Figure 16 shows a perspective view of a measuring system with two parallel vernier measuring channels in the same plane (Figure 16a) and a measuring system with overlapped vernier measuring channels in different planes (Figure 16b). [0038] FIG. 17 shows a simplified, perspective view of an embodiment of an angle measuring system with three completely overlapping measuring channels.
[0039] Figur 18 zeigt ein Diagramm, das die Signalamplitude von drei Messspuren mit 32, 8 und 3 Teilungsperioden abhängig vom Luftspalt anzeigt. Figure 18 shows a diagram that shows the signal amplitude of three measurement tracks with 32, 8 and 3 graduation periods depending on the air gap.
[0040] Figur 19 zeigt Ansichten von oben einer Maßverkörperung für eine Winkelmesssys- tem mit (1) einer magnetischen Spur, (b) einer geometrischen Spur und (c) einer Kombination einer magnetischen und einer geometrischen Spur. 19 shows views from above of a material measure for an angle measuring system with (1) a magnetic track, (b) a geometric track and (c) a combination of a magnetic and a geometric track.
[0041] DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
[0042] Für die Beschreibung der Zeichnungen gelten die folgenden Definitionen. The following definitions apply to the description of the drawings.
[0043] Eine Maßverkörperung umfasst ein oder mehrere Messspuren. Eine Messspur um- fasst periodisch oder aperiodisch kodierte Information, welche in unterschiedlichsten Formen eingebracht werden kann. Eine Maßverkörperung bzw. eine Messspur einer Maßverkörperung kann dabei sowohl als passives als auch als aktives Element ausgeführt sein. Die Maßverkör- perung bzw. die ein oder mehreren Messspuren einer Maßverkörperung können von einem Abtastkopf bzw. einem Sensor abgetastet werden. A material measure comprises one or more measurement tracks. A measurement track includes periodically or aperiodically coded information, which can be introduced in a variety of forms. A measuring standard or a measuring track of a measuring standard can be designed as both a passive and an active element. The measuring standard or the one or more measuring tracks of a measuring standard can be scanned by a scanning head or a sensor.
[0044] Eine Mehrspuranordnung bezeichnet eine Maßverkörperung, welche zwei oder meh- rere Messpuren umfasst. [0044] A multi-track arrangement refers to a material measure which comprises two or more measuring tracks.
[0045] Eine Teilungsperiode bezeichnet im Fall einer periodischen Kodierung einer Mess- spur einer Maßverkörperung die Periode der Kodierung, also die kleinste Einheit bzw. Dis- tanz der codierten Messspur, nach welcher sich die kodierte Information wiederholt. [0045] In the case of periodic coding of a measuring track of a material measure, a division period refers to the period of the coding, i.e. the smallest unit or distance of the coded measuring track, after which the coded information repeats itself.
[0046] Ein Abtastkopf umfasst einen Sensor, welcher ein oder mehrere Sensorelemente um- fassen kann. Ein Sensor kann auf ein oder mehreren physikalischen Messprinzipien, insbe- sondere magnetischen, induktiven, optischen, kapazitiven Messprinzipien und/oder Giant Magneto-Impedance (GMI) als Messprinzip, basieren. Ein Sensor kann die ganze Länge bzw. Oberfläche einer Maßverkörperung als auch nur einen Teil bzw. ein Segment einer Maßver- körperung abtasten. Ein Sensorelement deckt mindestens eine Teilungsperiode der Messspur ab. Der Sensor generiert bei der Abtastung ein oder mehrere analoge Signale, welche durch die von der Maßverkörperung bzw. der ein oder mehreren Messspuren umfassten, kodierten Information beeinflusst werden. [0047] Insbesondere kann ein Sensor bzw. kann ein Sensorelement eine Emitterspule und eine Empfänger spule umfassen. Eine Emitterspule kann ein elektromagnetisches Emittersig- nal mit einer vordefinierten Emittersignalfrequenz aussenden, welches ein Signal in der Emp- fängerspule induzieren kann. In Abhängigkeit von der Leitfähigkeit bzw. Permeabilität eines abzutastenden Bereichs der Messspur, wird das induzierte Signal verstärkt oder verringert. Die Signalamplitude, womit die Amplitude des induzierten Sensorsignals bezeichnet wird, hängt insbesondere von dem Arbeitsbereich bzw. Arbeitspunkt des Sensors bzw. Sensorele- ments ab. [0046] A scanning head includes a sensor, which can include one or more sensor elements. A sensor can be based on one or more physical measuring principles, in particular magnetic, inductive, optical, capacitive measuring principles and/or Giant Magneto-Impedance (GMI) as a measuring principle. A sensor can scan the entire length or surface of a measuring standard as well as just a part or a segment of a measuring standard. A sensor element covers at least one division period of the measurement track. During scanning, the sensor generates one or more analog signals, which are influenced by the coded information contained in the measuring standard or the one or more measuring tracks. In particular, a sensor or a sensor element can comprise an emitter coil and a receiver coil. An emitter coil can emit an electromagnetic emitter signal with a predefined emitter signal frequency, which can induce a signal in the receiver coil. Depending on the conductivity or permeability of an area of the measurement track to be scanned, the induced signal is amplified or reduced. The signal amplitude, which refers to the amplitude of the induced sensor signal, depends in particular on the working range or operating point of the sensor or sensor element.
[0048] Ein Messkanal bezeichnet die Kombination einer Messspur einer Maßverkörperung mit einem der Messspur zugeordneten Sensorelement, welches geeignet angeordnet ist, um die Messspur zur Positionsbestimmung ganz oder teilweise abzutasten. A measuring channel refers to the combination of a measuring track of a material measure with a sensor element assigned to the measuring track, which is suitably arranged to completely or partially scan the measuring track to determine the position.
[0049] Ein physikalischer Auswertekanal bezeichnet einen physikalischen Kanal, über den die bei der Abtastung generierten ein oder mehrere analogen Signale an eine Auswertungs- elektronik weitergeleitet werden. [0049] A physical evaluation channel refers to a physical channel via which the one or more analog signals generated during scanning are forwarded to evaluation electronics.
[0050] Eine Auswertungselektronik wandelt analoge Sensorsignale durch geeignete Metho- den in digitale oder analoge Positionsinformation um und kann insbesondere einen Schalt- kreis, Controller oder Mikrocontroller umfassen. [0050]An evaluation electronics converts analog sensor signals into digital or analog position information using suitable methods and can in particular include a circuit, controller or microcontroller.
[0051] Überlappen von Messspuren bezeichnet die geometrische Überlappung der Mess- spuren in Richtung des sie abtastenden Sensors bzw. der sie abtastenden Sensorelemente. Überlappen von Sensorelementen bezeichnet die geometrische Überlappung der Sensorele- mente in Richtung der von ihnen abgetasteten Messspuren. [0051] Overlapping of measurement tracks refers to the geometric overlap of the measurement tracks in the direction of the sensor scanning them or the sensor elements scanning them. Overlap of sensor elements refers to the geometric overlap of the sensor elements in the direction of the measurement tracks they scan.
[0052] Im Falle einer Mehrspuranordnung für ein Linear- bzw. Längenmesssystem, bedeu- tet vollständig bzw. komplett überlappen, dass die Kanten der jeweils kleinsten Vierecke, wel- che jeweils eine von zwei benachbart überlappenden Messspuren bzw. eine von zwei benach- bart überlappenden Sensorelemente orthogonal zur Überlappungsrichtung umfassen, in Über- lappungsrichtung im Wesentlichen, d.h. zu mindestens 95% der jeweils von ihnen einge- schlossenen Fläche, deckungsgleich sind. [0052] In the case of a multi-track arrangement for a linear or length measuring system, completely or completely overlapping means that the edges of the smallest squares, which each have one of two adjacently overlapping measuring tracks or one of two adjacent overlapping sensor elements orthogonal to the overlapping direction, are essentially congruent in the overlapping direction, i.e. at least 95% of the area enclosed by them.
[0053] Im Falle einer Mehrspuranordnung für ein Winkelmesssystem, bedeutet vollständig bzw. komplett überlappen, dass die Ringe bzw. Teilringe, welche aus dem jeweils größten in- neren Voll- oder Teilkreis bzw. der inneren Voll- oder Teilellipse und dem jeweils kleinsten äußeren Voll- oder Teilkreis bzw. der äußeren Voll- oder Teilellipse gebildet sind, welche je- weils eine von zwei benachbart überlappenden Messspuren bzw. eine von zwei benachbart überlappenden Sensorelemente orthogonal zur Überlappungsrichtung begrenzen, in Überlap- pungsrichtung im Wesentlichen, d.h. zu mindestens 95% der jeweils zwischen der inneren und äußeren Begrenzung liegenden Fläche, deckungsgleich sind. [0053] In the case of a multi-track arrangement for an angle measuring system, complete or complete overlap means that the rings or partial rings, which consist of the largest inner full or partial circle or the inner full or partial ellipse and the smallest outer full or partial circle or the outer full or partial ellipse are formed, each of which delimits one of two adjacently overlapping measurement tracks or one of two adjacently overlapping sensor elements orthogonally to the overlapping direction, in the overlapping direction essentially, ie to at least 95 % of the area between the inner and outer boundaries are congruent.
[0054] Demgegenüber ist eine partielle Überlappung gegeben, wenn eine Spur nicht über den gesamten Winkel, bzw. über die gesamte Länge, der anderen Spur(en) verläuft, sodass die Überdeckung weniger als 95% beträgt, oder wenn beispielsweise in einer Anordnung mit vier Spuren, jeweils zwei komplett überlappte Spuren parallel ausgeführt werden. In contrast, a partial overlap occurs if a track does not extend over the entire angle or over the entire length of the other track(s), so that the overlap is less than 95%, or if, for example, in an arrangement with four tracks, each with two completely overlapping tracks running in parallel.
[0055] Eine mechanische Veränderung bezeichnet die Veränderung, insbesondere Verände- rung der Form, Oberfläche und/oder Struktur eines Gegenstandes, durch Einwirkung einer Kraft. Geometrische Modulation meint die Veränderung der Form eines Gegenstandes durch Einwirkung einer Kraft. [0055] A mechanical change refers to the change, in particular the change in the shape, surface and/or structure of an object, through the action of a force. Geometric modulation means the change in the shape of an object through the action of a force.
[0056] Magnetische Messgrößen umfassen beispielsweise die Feldstärke, die Flussdichte, die Reluktanz, die Permeabilität, die Sättigungsmagnetisierung, das Dipolmoment und die Po- larisation. [0056] Magnetic measurement variables include, for example, the field strength, the flux density, the reluctance, the permeability, the saturation magnetization, the dipole moment and the polarization.
[0057] Elektrische Messgrößen umfassen beispielsweise den Strom, die Spannung, die La- dung, die Kapazität, die Energie, die Leistung, den Widerstand und die Leitfähigkeit. [0057] Electrical measurement variables include, for example, current, voltage, charge, capacity, energy, power, resistance and conductivity.
[0058] Figur 1 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Positionsmesssystems, vorlie- gend eines Längenmesssystems. Das Messsystem umfasst eine Maßverkörperung 1 und einem Abtastkopf 2 (Sensorkopf). Die Positionsinformation des Messsystems wird über eine Schnittstelle 4 an einen Servocontroller 3 zur Regelung, bspw. der Position, der Geschwindig- keit und/oder des Drehmoments, oder zur Steuerung weitergeleitet. [0058] Figure 1 shows a general block diagram of a position measuring system, in this case a length measuring system. The measuring system includes a material measure 1 and a scanning head 2 (sensor head). The position information of the measuring system is forwarded via an interface 4 to a servo controller 3 for regulation, for example of the position, the speed and/or the torque, or for control.
[0059] Die Maßverkörperung 1 enthält eine kodierte Information, welche in unterschied- lichsten Formen eingebracht werden kann. Die Maßverkörperung 1 kann dabei sowohl als passives als auch als aktives Element ausgebildet sein. Beispiele von aktiven Elementen für die Maßverkörperung sind Winkellagegeber (Resolver) und Drehgeber, welche eine mäander- förmige Struktur aufweisen, die mit einem Wechselstromsignal versorgt wird. [0059] The material measure 1 contains coded information which can be introduced in a wide variety of forms. The material measure 1 can be designed as both a passive and an active element. Examples of active elements for the measuring scale are angular position encoders (resolvers) and rotary encoders, which have a meander-shaped structure that is supplied with an alternating current signal.
[0060] Der Abtastkopf 2 umfasst einen Sensor 2.1. Der Sensor 2.1 kann auf verschiedenen physikalischen Messprinzipien basieren, beispielsweise auf einem magnetischen, induktiven, optischen, kapazitiven oder dem „Giant Magnetic Impedance“ (GMI) Messprinzip. Der Sen- sor 2.1 kann dabei die ganze Länge bzw. Oberfläche der Maßverkörperung 1 abtasten (erfas- sen) oder auch nur einen Teil bzw. ein Segment davon. Der Sensor 2.1 generiert bei der Ab- tastung ein oder mehrere analoge Signale. The scanning head 2 includes a sensor 2.1. The sensor 2.1 can be based on various physical measuring principles, for example on a magnetic, inductive, optical, capacitive or the “Giant Magnetic Impedance” (GMI) measuring principle. The sensor 2.1 can scan (capture) the entire length or surface of the measuring standard 1 or only a part or a segment of it. The sensor 2.1 generates one or more analog signals during scanning.
[0061] Der Abtastkopf 2 umfasst zudem eine Elektronikschaltung mit einer Auswertungs- elektronik 2.2 (Sensorschaltung), welche die analogen Sensorsignale durch geeignete Metho- den in digitale oder analoge Positionsinformation umwandelt. Die Sensorschaltung 2.2 kann eine Auswerteschaltung mit einem Multiplexer aufweisen, wobei der Multiplexer mit den Sensorelementen verbunden ist und dazu ausbildet ist, Messsignale über einen einzigen physi- kalischen Auswertungskanal zur Verfügung zu stellen. [0061] The scanning head 2 also includes an electronic circuit with evaluation electronics 2.2 (sensor circuit), which converts the analog sensor signals into digital or analog position information using suitable methods. The sensor circuit 2.2 can have an evaluation circuit with a multiplexer, the multiplexer being connected to the sensor elements and being designed to provide measurement signals via a single physical evaluation channel.
[0062] Das Positionsmesssystem kann eine ein Linearmesssystem oder ein Längenmesssys- tem sein. Figur 2 zeigt eine Darstellung eines Linear- bzw. Längenmesssystems. Die Maßver- körperung 1 ist als ein lineares, bandförmiges Element ausgebildet, welches sich entlang einer Längenrichtung x, welche auch die Messrichtung darstellt, erstreckt. Sie weist eine lineare Codierung auf, welche sich ebenfalls in der Messrichtung x erstreckt. Der Sensorkopf 2 ist oberhalb der Maßverkörperung 1 angeordnet und kann sich entlang der Messrichtung x bewe- gen, um die Maßverkörperung 1 zu erfassen. The position measuring system can be a linear measuring system or a length measuring system. Figure 2 shows a representation of a linear or length measuring system. The material measure 1 is designed as a linear, band-shaped element which extends along a length direction x, which also represents the measuring direction. It has a linear coding, which also extends in the measuring direction x. The sensor head 2 is arranged above the material measure 1 and can move along the measuring direction x in order to detect the material measure 1.
[0063] Figur 3 zeigt dagegen eine Darstellung eines Winkelmesssystems mit einer ringför- migen Maßverkörperung 1 und einem korrespondierenden, ebenfalls ringförmigen Sensorkopf 2. Die Maßverkörperung 1 weist eine kreisförmige Codierung entlang einer radialen Rich- tung, welche der Messrichtung entspricht, auf. Im dargestellten Beispiel ist der Sensorkopf 2 parallel zu und beabstandet von der Maßverkörperung 1 angeordnet. Außerdem weisen beide Elemente eine und dieselbe axiale Achse auf, welche senkrecht zu den Ebenen, in denen die Maßverkörperung 1 und der Sensorkopf 2 sich jeweils erstrecken, angeordnet ist und durch eine Mitte der Maßverkörperung bzw. des Sensorkopfes durchläuft. Der Sensorkopf kann bei der Messung um die axiale Achse rotieren und somit als Rotor dienen, während die Maßver- körperung starr bleibt und als Stator dient. Alternativ kann die Maßverkörperung sich um die Achse drehen und der Sensorkopf starr bleiben. 3, on the other hand, shows a representation of an angle measuring system with an annular measuring standard 1 and a corresponding, also annular sensor head 2. The measuring standard 1 has a circular coding along a radial direction, which corresponds to the measuring direction. In the example shown, the sensor head 2 is arranged parallel to and spaced from the material measure 1. In addition, both elements have one and the same axial axis, which is arranged perpendicular to the planes in which the material measure 1 and the sensor head 2 each extend and passes through a center of the material measure or the sensor head. During the measurement, the sensor head can rotate around the axial axis and thus serve as a rotor, while the measuring scale remains rigid and serves as a stator. Alternatively, the measuring scale can rotate around the axis and the sensor head can remain rigid.
[0064] Üblicherweise sind die Maßverkörperung 1 und der Sensorkopf 2 um einen im We- sentlichen konstanten Abstand in einer Richtung, welche senkrecht zu der Ebene, in welcher die Maßverkörperung 1 sich erstreckt, beabstandet, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt. So- mit können sowohl optische als auch magnetische, kapazitive oder induktive Messungen durchgeführt werden. Typically, the material measure 1 and the sensor head 2 are at a substantially constant distance in a direction which is perpendicular to the plane in which the material measure 1 extends, spaced apart, as shown in Figures 1 to 3. This means that optical as well as magnetic, capacitive or inductive measurements can be carried out.
[0065] Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Linearmesssystems gemäß dem Stand der Technik, welches auf einem induktiven Messprinzip basiert. Die kodierte Informa- tion wird dabei durch unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Permeabilitäten p (Re- luktanzen) und / oder unterschiedlicher Leitfähigkeiten σ in die Maßverkörperung 1 (den Maßstab) eingebracht. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich die linearförmige Maßverkör- perung 1 entlang einer Messrichtung x, wobei zwei benachbarte Bereiche in der Messrichtung eine unterschiedliche Permeabilität bzw. Leitfähigkeit aufweisen. Die Codierung ist perio- disch, wobei eine Periode eine Folge eines ersten Bereichs mit einer Permeabilität po bzw. Leitfähigkeit σo und eines zweiten Bereichs mit einer Permeabilität μ1 bzw. Leitfähigkeit σ1 umfasst und eine Teilungsperiode λ aufweist. Durch relative Bewegung der Maßverkörperung 1 und eines Sensorkopfs kann eine inkrementelle Positionsmessung ausgehend von einer Startposition des Sensorkopfs ausgeführt werden. 4 shows a schematic representation of a linear measuring system according to the prior art, which is based on an inductive measuring principle. The coded information is introduced into the material measure 1 (the scale) through different areas with different permeabilities p (reluctances) and/or different conductivities σ. In the example shown, the linear-shaped measuring scale 1 extends along a measuring direction x, with two adjacent areas in the measuring direction having different permeability or conductivity. The coding is periodic, with a period comprising a sequence of a first region with a permeability po or conductivity σo and a second region with a permeability μ1 or conductivity σ1 and having a division period λ. By relative movement of the material measure 1 and a sensor head, an incremental position measurement can be carried out starting from a starting position of the sensor head.
[0066] Grundsätzlich umfasst die Maßverkörperung 1 eine oder mehrere periodisch oder aperiodisch kodierte Messspuren. Im Fall einer periodischen Kodierung entspricht die Tei- lungsperiode λ einer Periode der Kodierung. Die Maßverkörperung 1 wird von einem Sensor[0066] Basically, the material measure 1 comprises one or more periodically or aperiodically coded measurement tracks. In the case of periodic coding, the division period λ corresponds to a period of coding. The measuring scale 1 is controlled by a sensor
2.1 abgetastet („sensed“). Bei der Abtastung handelt es sich also nicht um ein Sampling, son- dern um eine Detektion der Maßverkörperung. Es gilt, dass der Sensor 2.1 ein Sensorelement2.1 sensed. The scanning is therefore not a matter of sampling, but rather a detection of the material measure. It applies that the sensor 2.1 is a sensor element
2.1.1 für jede Spur der Maßverkörperung enthält. Ein Sensorelement 2.1.1 wird aus mindes- tens einer Emitterspule 2.1.1.1 und einer oder mehreren Empfängerspulen 2.1.1.2 gebildet. Es gilt, dass ein Sensorelement 2.1.1 eine oder mehrere Emitterspulen 2.1.1.1 haben kann und eine Emitterspule 2.1.1.1 sowohl von nur einem Sensorelement 2.1.1 als auch von mehreren Sensorelementen 2.1.1 gemeinsam benutzt werden kann. 2.1.1 for each track of the measuring scale contains. A sensor element 2.1.1 is formed from at least one emitter coil 2.1.1.1 and one or more receiver coils 2.1.1.2. It applies that a sensor element 2.1.1 can have one or more emitter coils 2.1.1.1 and an emitter coil 2.1.1.1 can be shared by both just one sensor element 2.1.1 and by several sensor elements 2.1.1.
[0067] Das Sensorelement 2.1.1 deckt mindestens eine Teilungsperiode λ der Messspur ab. Das Sensorelement kann auch mehrere Teilungsperiode n·λ (mit n ∈ N) abdecken, wobei n die Anzahl an Teilungsperioden bezeichnet. Somit können möglich auftretende Fehler gemit- telt werden, was der allgemeine Messfehler reduziert. Die Emitterspulen 2.1.1.1 und die Emp- fängerspulen 2.1.1.2 können bspw. als Leiterbahnen in Form einer Mäanderstruktur (Flach- spulen) in oder auf einem starren oder flexiblen Substrat (z.B. einer Leiterplatte) realisiert werden. Im dargestellten Beispiel umfasst das Sensorelement 2.1.1 eine einzige Emitterspule 2.1.1.1, welche die Form eines Quaders aufweist, sowie zwei mäanderförmige, versetzte Empfängerspulen 2.1.1.2, welche innerhalb der Emitterspule 2.1.1.1 angeordnet sind. [0067] The sensor element 2.1.1 covers at least one graduation period λ of the measurement track. The sensor element can also cover several division periods n λ (with n ∈ N), where n denotes the number of division periods. This means that any errors that may occur can be averaged, which reduces the general measurement error. The emitter coils 2.1.1.1 and the receiver coils 2.1.1.2 can be implemented, for example, as conductor tracks in the form of a meander structure (flat coils) in or on a rigid or flexible substrate (eg a printed circuit board). In the example shown, the sensor element 2.1.1 comprises a single emitter coil 2.1.1.1, which has the shape of a cuboid, and two meandering, offset receiver coils 2.1.1.2, which are arranged within the emitter coil 2.1.1.1.
[0068] Eine Messspur der Maßverkörperung 1 bildet in Kombination mit dem Sensorele- ment 2.1.1 einen Messkanal. Die Elektronikschaltung 2.2 speist einen Wechselstrom in die Erni tter spul e(n) 2.1.1.1 des Sensorelements 2.1.1 ein, beispielsweise mit einer Frequenz im Bereich von einigen kHz bis zu 100 MHz. Aufgrund der induktiven Kopplung (Gegeninduk- tion) zwischen den Emitter- 2.1.1.1 und Empfänger spul en 2.1.1.2 wird in den Empfängerspu- len 2.1.1.2 ein Wechselstrom gleicher Frequenz induziert. Dabei wird die Gegeninduktion bei einer Relativbewegung der Maßverkörperung 1 in Bezug auf den Abtastkopf 2 (der Sen- sorstruktur) moduliert. [0068] A measuring track of the material measure 1 forms a measuring channel in combination with the sensor element 2.1.1. The electronic circuit 2.2 feeds an alternating current into the generator coil(s) 2.1.1.1 of the sensor element 2.1.1, for example with a frequency in the range from a few kHz to 100 MHz. Due to the inductive coupling (counter-induction) between the emitter 2.1.1.1 and receiver coils 2.1.1.2, an alternating current of the same frequency is induced in the receiver coils 2.1.1.2. The counter-induction is modulated during a relative movement of the material measure 1 with respect to the scanning head 2 (the sensor structure).
[0069] Im Falle unterschiedlicher Permeabilitäten p werden jene Bereiche der Maßverkör- perung 1 mit höherer magnetischer Permeabilität ( μ1 ≥ μ0) die Gegeninduktion bzw. den in den Empfängerspulen 2.1.1.2 induzierten Wechselstrom verstärken. [0069] In the case of different permeabilities p, those areas of the measuring scale 1 with higher magnetic permeability (μ1 ≥ μ0) will amplify the counter-induction or the alternating current induced in the receiver coils 2.1.1.2.
[0070] Im Falle unterschiedlicher Leitfähigkeiten σ werden jene Bereiche der Maßverkör- perung 1 mit höherer Leitfähigkeit ( σ1 ≥ σ0) die Gegeninduktion bzw. den in den Empfänger- spulen 2.1.1.2 induzierten Wechselstrom verringern. [0070] In the case of different conductivities σ, those areas of the measuring scale 1 with higher conductivity (σ1 ≥ σ0) will reduce the mutual induction or the alternating current induced in the receiver coils 2.1.1.2.
[0071] Die in den Empfängerspulen 2.1.1.2 induzierten Wechselströme bzw. die gemesse- nen Signale werden von der Auswertungselektronik 2.2 demoduliert und in Positionsinforma- tion umgewandelt. Die so gewonnene Positionsinformation wird über eine Schnittstelle 4 zu einem Servocontroller 3 für diverse Regelungen und Steuerungen weitergeleitet. In einem Beispiel ist die Schnittstelle eine Synchron-Serielle Schnittstelle (SSI, Synchronous Serial In- terface) und umfasst einen Leistungsverstärker (line driver), z.B. des Typs RS485, sowie ein Kabel und einen Verbinder. [0071] The alternating currents induced in the receiver coils 2.1.1.2 or the measured signals are demodulated by the evaluation electronics 2.2 and converted into position information. The position information obtained in this way is forwarded via an interface 4 to a servo controller 3 for various regulations and controls. In one example, the interface is a synchronous serial interface (SSI, Synchronous Serial Interface) and includes a power amplifier (line driver), e.g. of type RS485, as well as a cable and a connector.
[0072] Wie oben beschrieben kann sich zur Positionsmessung der Sensorkopf entlang der Messrichtung oberhalb der Oberfläche der Maßverkörperung bewegen und dabei Änderungen einer oder mehreren physikalischen Größen, wie die Induktivität oder die Magnetfeldstärke, erfassen, wobei die Auswerteschaltung Positionsinformationen aus den Sensorsignalen be- rechnet. Alternativ kann der Sensorkopf starr sein, während die Maßverkörperung sich selbst bewegt, zum Beispiel sich dreht. As described above, for position measurement, the sensor head can move along the measuring direction above the surface of the measuring standard and thereby detect changes in one or more physical variables, such as the inductance or the magnetic field strength, with the evaluation circuit calculating position information from the sensor signals. Alternatively, the sensor head can be rigid while the measuring scale itself moves, for example rotates.
[0073] Es wird zwischen inkrementellen und absoluten Messsystemen unterschieden. [0074] Die Positionsinformation eines inkrementellen Messsystems beinhaltet nur Informa- tion über den relativen Versatz im Bezug zu der Startposition “0” bei Systemstart. Eine Er- weiterung kann einen definierten System-Nullpunkt in Form einer Referenzmarke (Reference Index Ri oder Reference Mark Rm) enthalten. Diese Information steht jedoch erst zur Verfü- gung, wenn der Sensor nach dem Einschalten diese entsprechende Marke an der Maßverkör- perung abtastet. A distinction is made between incremental and absolute measuring systems. [0074] The position information of an incremental measuring system only contains information about the relative offset in relation to the starting position “0” at system start. An extension can contain a defined system zero point in the form of a reference mark (Reference Index Ri or Reference Mark Rm). However, this information is only available when the sensor scans this corresponding mark on the measuring scale after switching on.
[0075] Die Positionsinformation eines absoluten Messsystems beinhaltet den absoluten Versatz zwischen dem Abtastkopf und der Maßverkörperung unmittelbar nach dem Einschal- ten. Für die Codierung und Erfassung einer absoluten Position gibt es verschiedene Möglich- keiten. [0075] The position information of an absolute measuring system includes the absolute offset between the scanning head and the measuring standard immediately after switching on. There are various options for coding and recording an absolute position.
[0076] Beispielsweise kann die Maßverkörperung mittels eines Pseudo Random Code (PRC) codiert sein. Ein PRC ist ein digitaler Code (codiert mit N bit). In diesem Fall umfasst die Maßverkörperung üblicherweise nur eine abzutastende Messspur. Ein entsprechender Sen- sor erfasst dabei eine bestimmte Länge oder Segment dieser Spur. Dabei darf jede erfasste Teilfläche der Codierung, welche einer Kombination von “Einsen” und “Nullen” entspricht, genau einmal über die gesamte Länge bzw. den gesamten Winkel vorkommen. Dadurch kann mit einer entsprechenden Auswerteelektronik eine absolute Position gewonnen werden. For example, the material measure can be coded using a Pseudo Random Code (PRC). A PRC is a digital code (encoded with N bits). In this case, the material measure usually only includes one measurement track to be scanned. A corresponding sensor records a specific length or segment of this track. Each recorded partial area of the coding, which corresponds to a combination of “ones” and “zeros”, may occur exactly once over the entire length or the entire angle. This means that an absolute position can be obtained with appropriate evaluation electronics.
[0077] Die Ausführung mittels Pseudo Random Code (PRC) ist besonders geeignet für lange Messstrecken, benötigt aber sehr komplizierte Sensorstrukturen sowie Auswerteelektro- nik, um die Pluralität des Codes (N bit) zu decodieren. Als Vorteile einer Ausführung mittels PRC kann angesehen werden, dass theoretisch und mathematisch jede beliebige Systemlänge codiert und somit ermöglicht werden kann. Außerdem wird nur eine Messspur benötigt. Als Nachteile kann angesehen werden, dass eine komplexe Sensorstruktur und Auswerteelektro- nik erforderlich sind und diese Komplexität mit der Messlänge steigt. [0077] The execution using Pseudo Random Code (PRC) is particularly suitable for long measuring distances, but requires very complicated sensor structures and evaluation electronics in order to decode the plurality of the code (N bits). The advantages of execution using PRC can be seen as the fact that theoretically and mathematically any system length can be coded and thus made possible. In addition, only one measurement track is required. The disadvantages are that a complex sensor structure and evaluation electronics are required and this complexity increases with the measuring length.
[0078] Alternativ kann die Maßverkörperung als Nonius-codierte Maßverkörperung ausge- bildet sein. In diesem Fall umfasst die Maßverkörperung zwei oder mehrere periodisch co- dierte Spuren, mit unterschiedlicher Periodizität bzw. Teilungsperioden, welche auch als In- krementalspuren bezeichnet werden. In der Regel werden diese Spuren parallel zur Abtastflä- che bzw. zum Abtastpunkt geführt. Eine Teilungsperiode ist die kleinste Einheit der codierten Maßverkörperung und gibt dabei jene Distanz an, nach welcher sich das codierte Muster wie- derholt. [0079] Dabei gilt, dass der größte gemeinsame Teiler (ggT) der Anzahl von Teilungsperio- den von mindestens zwei Messspuren einer Nonius-codierten Maßverkörperung, welche für die Gewinnung der Absolutposition herangezogen werden, gleich 1 sein muss. Dadurch ist gewährleistet, dass jede Kombination der Messspuren innerhalb der Abtastbereiche des Sen- sors über die gesamte Maßverkörperung, insbesondere Länge und/oder Winkel, eines entspre- chenden Sensors lediglich einmal existiert. Somit kann wiederum mit einer entsprechenden Auswertungselektronik eine absolute Position gewonnen werden. [0078] Alternatively, the measuring standard can be designed as a vernier-coded measuring standard. In this case, the material measure comprises two or more periodically coded tracks with different periodicities or pitch periods, which are also referred to as incremental tracks. As a rule, these tracks are guided parallel to the scanning surface or to the scanning point. A division period is the smallest unit of the coded measuring standard and indicates the distance after which the coded pattern repeats itself. [0079] It applies here that the greatest common divisor (ggT) of the number of division periods of at least two measuring tracks of a vernier-coded measuring standard, which are used to obtain the absolute position, must be equal to 1. This ensures that each combination of the measurement tracks within the scanning areas of the sensor only exists once over the entire measuring scale, in particular length and/or angle, of a corresponding sensor. This means that an absolute position can be obtained with appropriate evaluation electronics.
[0080] Für eine Nonius- Ausführung benötigt man eine vergleichsweise einfache Sen- sorstruktur und Auswerteelektronik, ist jedoch begrenzt in der Messlänge. Deshalb eignet sich diese Ausführung besonders gut für Winkelmessungen, weil bei diesen die maximale Länge, die Bogenlänge, vordefiniert ist. Als ein weiterer Vorteil kann die prinzipiell sehr kompakte physikalische Implementierung angesehen werden. Als Nachteil kann die in der Praxis oft- mals begrenzte maximale Länge angesehen werden. Als weiterer Nachteil kann angesehen werden, dass oftmals ein Kompromiss zwischen Messlänge und Genauigkeit nötig ist. Je hö- her die Genauigkeitsanforderung bei langen Strecken, desto komplexer wird eine Noniusimp- lementierung. [0080] A comparatively simple sensor structure and evaluation electronics are required for a vernier version, but the measuring length is limited. This version is therefore particularly suitable for angle measurements because the maximum length, the arc length, is predefined. The fundamentally very compact physical implementation can be viewed as a further advantage. The maximum length, which is often limited in practice, can be seen as a disadvantage. Another disadvantage is that a compromise between measuring length and accuracy is often necessary. The higher the accuracy requirement for long distances, the more complex a vernier implementation becomes.
[0081] Ein vereinfachtes, absolutes Nonius-codiertes Winkelmesssystem mit einer Mehr- spuranordnung ist schematisch in Figur 5 dargestellt. Das System setzt sich wie folgt zusam- men. A simplified, absolute vernier-coded angle measuring system with a multi-track arrangement is shown schematically in FIG. The system is composed as follows.
[0082] Die Maßverkörperung 1 besteht aus zwei parallelen (bzw. konzentrischen) Spuren 1.1 und 1.2 mit unterschiedlichen Teilungsperioden in einer XY-Ebene. In dem Beispiel der Figur 5 enthält die erste Spur 1.1 sechzehn Teilungsperioden λ1 (Anzahl der Teilungsperioden der ersten Spur m=16) und die zweite Spur 1.2 enthält drei Teilungsperioden 2 (Anzahl der Teilungsperioden der zweiten Spur n2=3). Dabei ist die Bedingung ggT(n1, n2) = 1 erfüllt (ggT = größter gemeinsamer Teiler). Der Sensor 2.1 besteht aus zwei nebeneinander (und über den zugehörigen Spuren) angeordneten Sensorelementen 2.1.1 und 2.1.2, die jeweils die gleichen Teilungsperioden aufweisen wie die zugehörigen Spuren 1.1 bzw. 1.2, ebenfalls in der XY-Ebene. Der Sensor 2.1 kann dabei sowohl nur einen Teil der Maßverkörperung 1 ab- decken, wie in Figur 5a dargestellt, als auch die gesamte Fläche, wie in Figur 5b dargestellt. [0083] Dieses Prinzip kann um beliebig viele Messspuren und die dazugehörigen Sensorele- mente erweitert werden, indem zusätzliche, ebenfalls parallel und konzentrische Spuren hin- zugefügt werden. Der Einfachheit halber und für eine übersichtliche Darstellung ist in dem Beispiel der Figur 5 ein System mit lediglich zwei Spuren vorgestellt. The material measure 1 consists of two parallel (or concentric) tracks 1.1 and 1.2 with different graduation periods in an XY plane. In the example of Figure 5, the first track 1.1 contains sixteen division periods λ 1 (number of division periods of the first track m=16) and the second track 1.2 contains three division periods 2 (number of division periods of the second track n 2 =3). The condition gcd(n 1 , n 2 ) = 1 is fulfilled (gcd = greatest common divisor). The sensor 2.1 consists of two sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 arranged next to each other (and above the associated tracks), each of which has the same graduation periods as the associated tracks 1.1 and 1.2, also in the XY plane. The sensor 2.1 can cover both only a part of the material measure 1, as shown in FIG. 5a, and the entire area, as shown in FIG. 5b. [0083] This principle can be expanded to include any number of measurement tracks and the associated sensor elements by adding additional, also parallel and concentric tracks. For the sake of simplicity and for a clear representation, a system with only two tracks is presented in the example in FIG.
[0084] In Figur 6 und Figur 7 sind beispielhaft die jeweiligen Ausgangssignale der Sensorel- emente 2.1.1 und 2.1.2 der Figur 5 dargestellt. Figur 6 zeigt das Ausgangssignal von Sensorel- ement 2.1.1 und Figur 7 jenes von Sensorelement 2.1.2. Dabei erzeugen in diesem Beispiel die beiden Sensorelemente 2.1.1 und 2.1.2 jeweils zwei sinusoidale Signale, welche um 90° zueinander versetzt sind, also ein Sinus- und Cosinus- Signal. Das Sensorelement 2.1.1 erzeugt für eine vollständige Umdrehung um 360° der Maßverkörperung 1 sechzehn Sinus- und Cosi- nus-Perioden, welche der Anzahl von Teilungsperioden der ersten Spur 1.1 entsprechen. Das Sensorelement 2.1.2 erzeugt gemäß der Teilungsperioden der Spur 1.2 drei Sinus- und Cosi- nus-Perioden. [0084] In FIG. 6 and FIG. 7, the respective output signals of the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 of FIG. 5 are shown as examples. Figure 6 shows the output signal from sensor element 2.1.1 and Figure 7 shows that from sensor element 2.1.2. In this example, the two sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 each generate two sinusoidal signals that are offset by 90° to one another, i.e. a sine and cosine signal. The sensor element 2.1.1 generates sixteen sine and cosine periods for a complete 360° rotation of the measuring scale 1, which correspond to the number of graduation periods of the first track 1.1. The sensor element 2.1.2 generates three sine and cosine periods according to the division periods of track 1.2.
[0085] Alle von den Sensorelementen 2.1.1 und 2.1.2 erzeugten Ausgangssignale durchlau- fen eine Auswertungselektronik bzw. Schaltung 2.2. Aus den Ausgangssignalen werden durch verschiedene mathematische Operationen (wie z.B. eine Demodulation) Positionsinformatio- nen, insbesondere Winkel- bzw. Längeninformationen, gewonnen. Durch Kombination der auf den Ausgangssignalen der Sensorelementen 2.1.1 und 2.1.2 generierten Positionsinforma- tion wird die Absolutposition ermittelt. Dies ist in der Figur 8 dargestellt. Die Absolutposition ist in Fig. 8 in Radianten angegeben (im Intervall ± π rad, entspricht ±180°). Die absolute Po- sition, die als Strichpunktlinie dargestellt ist, wird aufgrund der Eindeutigkeit der Paare der als Volllinie dargestellten Ausgangspositionen des Sensorelements 2.1.1 und der als Strichli- nie dargestellten Ausgangsposition des Sensorelements 2.1.2 über die gesamte mechanische Position von 360° gewonnen. [0085] All output signals generated by the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 pass through evaluation electronics or circuit 2.2. Position information, in particular angle or length information, is obtained from the output signals through various mathematical operations (such as demodulation). The absolute position is determined by combining the position information generated on the output signals of the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2. This is shown in Figure 8. The absolute position is given in radians in Fig. 8 (in the interval ± π radians, corresponding to ±180°). The absolute position, which is shown as a dot-dash line, is obtained over the entire mechanical position of 360° due to the uniqueness of the pairs of the starting positions of the sensor element 2.1.1 shown as a solid line and the starting position of the sensor element 2.1.2 shown as a dashed line .
[0086] Ein Beispiel für eine lineare Nonius-Codierung mit drei parallelen Spuren ist in Figur 9 dargestellt. Figur 9 zeigt eine seitliche Darstellung einer Maßverkörperung eines absoluten Längemesssystemes. Die Maßverkörperung umfasst drei periodische Messspuren 1.1, 1.2 bzw. 1.3 mit einer Periodizität λ0, λ1 bzw. λ2 und entlang einer Messrichtung x. Die Messspu- ren 1.1, 1.2 und 1.3 sind parallel zueinander und nebeneinander in einer Richtung, die senk- recht zur Messrichtung läuft, angeordnet. Die Längen λ0, λ1 und λ2 der Teilungen sind unter- schiedlich und die Anzahl von Teilungsperioden n1, n2 und n3 der Spuren für die gleiche Länge ist ebenfalls unterschiedlich. Die Messspur 1.1 der Maßverkörperung 1 besitzt n1=7, die Messspur 1.2 112 =5 und die Messspur 1.3 besitzt n3 = 3 Teilungsperioden. Dabei gilt zwi- schen Periodenlänge und der Anzahl an Teilungsperioden der jeweiligen Messspur folgender Zusammenhang: λi= 1/ni, wobei 1 für die Gesamtlänge der Maßverkörperung steht. An example of linear vernier coding with three parallel tracks is shown in Figure 9. Figure 9 shows a side view of a material measure of an absolute length measuring system. The material measure comprises three periodic measuring tracks 1.1, 1.2 and 1.3 with a periodicity λ 0 , λ 1 or λ 2 and along a measuring direction x. The measuring tracks 1.1, 1.2 and 1.3 are arranged parallel to each other and next to each other in a direction that is perpendicular to the measuring direction. The lengths λ 0 , λ 1 and λ 2 of the divisions are different and the number of division periods n 1 , n 2 and n 3 of the tracks for the same length is also different. The measuring track 1.1 of the measuring scale 1 has n 1 =7, the measurement track 1.2 112 =5 and the measurement track 1.3 has n 3 = 3 graduation periods. The following relationship applies between the period length and the number of graduation periods of the respective measuring track: λi = 1/ni, where 1 stands for the total length of the measuring standard.
[0087] Es muss nur für jede der Spuren, welche für die Gewinnung der Absolutposition her- angezogen werden, der Zusammenhang ggT(ni, nj, nk, ...) = 1 gelten (die Indices i, j, k be- zeichnen die Spuren). Üblicherweise werden dazu jene Messspuren verwendet, welche die ge- ringste Anzahl an Teilungsperioden haben. In dem Beispiel der Figur 9 erfüllen die drei Spu- ren die Bedingung ggT (n1, n2, n3) = 1. Die Eindeutigkeit der Codierung ist somit gegeben. [0087] The relationship gcd(n i , n j , n k , ...) = 1 only has to apply to each of the tracks that are used to obtain the absolute position (the indices i, j, k denote the tracks). Typically, those measurement tracks that have the lowest number of division periods are used. In the example in FIG. 9, the three tracks fulfill the condition gcd (n 1 , n 2 , n 3 ) = 1. The uniqueness of the coding is therefore given.
[0088] Figur 10 zeigt ein Diagramm, welches die Signalamplitude (in Volt) eines induktiven Sensors abhängig vom Luftspalt (in Millimeter) für verschiedene Teilungslängen λ=0,25; 0,5; 1; 2; und 4 mm anzeigt. Der Luftspalt ist der Abstand zwischen der Maßverkörperung und dem Sensorelement in einer Richtung, welche senkrecht zur Messrichtung und zur Ebene der Maßverkörperung ist. Er wird auch als Arbeitspunkt genannt. Gewünscht ist, dass die Signale aus den verschiedenen Spuren eine ausreichende Amplitude aufweisen, um Messfehler mög- lichst zu minimieren. Aus der Figur 10 ist es allerdings klar, dass die unterschiedlichen Län- gen der Teilungsperioden zu sehr unterschiedlichen Arbeitspunkten führen und dass das Ver- halten der generierten Signalamplitude des Sensorelements nichtlinear ist. Außerdem wird die Systemauflösung maßgeblich durch jene Messspur vorgegeben, welche die größte Anzahl von Teilungsperioden besitzt, d.h. die kleinste Teilungslänge. Wie in der Figur 7 erkennbar schränkt aber eine Spur mit vielen Teilungsperioden, beispielweise die Spur mit der Teilungs- länge λ = 0,25 mm, den Arbeitsbereich drastisch ein. Weiters ist es ersichtlich, dass je größer der Unterschied in den Teilungsperioden der einzelnen Spuren, desto größer ist der Unter- schied in deren Amplitudenverlauf. Figure 10 shows a diagram showing the signal amplitude (in volts) of an inductive sensor depending on the air gap (in millimeters) for different pitch lengths λ=0.25; 0.5; 1; 2; and shows 4 mm. The air gap is the distance between the material measure and the sensor element in a direction that is perpendicular to the measuring direction and to the plane of the material measure. It is also called the working point. It is desirable that the signals from the various tracks have sufficient amplitude in order to minimize measurement errors as much as possible. However, it is clear from FIG. 10 that the different lengths of the division periods lead to very different operating points and that the behavior of the generated signal amplitude of the sensor element is non-linear. In addition, the system resolution is largely determined by the measurement track that has the largest number of division periods, i.e. the smallest division length. As can be seen in Figure 7, however, a track with many pitch periods, for example the track with the pitch length λ = 0.25 mm, drastically limits the working area. Furthermore, it can be seen that the greater the difference in the division periods of the individual tracks, the greater the difference in their amplitude curve.
[0089] Für die Auslegung des Sensors ist es daher günstig, die Anzahl an Teilungsperioden der einzelnen Messspuren nur minimal zu variieren bzw. in der gleichen Größenordnung zu definieren. Somit würden sich die Arbeitsbereiche der Messspuren nicht gegenseitig limitie- ren und deren Amplitudenverlauf nur unwesentlich voneinander abweichen. Dabei muss aber beachtet werden, dass die Anforderung an die Genauigkeit der einzelnen Messkanäle für die Bestimmung der Absolutposition des Systems entscheidend strenger werden. [0089] When designing the sensor, it is therefore advantageous to vary the number of division periods of the individual measurement tracks only minimally or to define them in the same order of magnitude. This means that the working areas of the measurement tracks would not limit each other and their amplitude curves would only deviate insignificantly from one another. However, it must be noted that the requirements for the accuracy of the individual measuring channels for determining the absolute position of the system are becoming significantly stricter.
[0090] Dies ist in Figur 11 ersichtlich, welche zwei Beispiele einer Maßverkörperung für einThis can be seen in Figure 11, which shows two examples of a material measure for a
Winkelmesssystem darstellen. Das System in Figur 11a besitzt zwei Messkanäle, einen mit einer ersten Messspur 1.1, welche eine Teilungslänge λ1 = 360°/16 hat, und mit einem ent- sprechenden Sensorelement, und einen mit einer zweiten Messspur, welche eine zweite Tei- lungslänge ü = 360°/15 hat, und mit dem dazugehörigen Sensorelement. Der maximal er- laubte Fehler e für den ersten Messkanal relativ zu dem zweiten Messkanal über eine gesamte Umdrehung von 360° errechnet sich wie folgt: e = Winkel/ ( λ1 · λ2) = 360°/(16 • 15) = 1,50 ° (1) Represent angle measuring system. The system in Figure 11a has two measuring channels, one with a first measuring track 1.1, which has a pitch length λ 1 = 360°/16, and with a corresponding sensor element, and one with a second measuring track, which has a second pitch length ü = 360°/15, and with the associated one Sensor element. The maximum permitted error e for the first measuring channel relative to the second measuring channel over a total revolution of 360° is calculated as follows: e = angle/ ( λ 1 · λ 2 ) = 360°/(16 • 15) = 1 .50° (1)
[0091] Überschreiten die beiden Messkanäle diesen Fehler, kann das Messsystem mit dieser Nonius-Codierung keine eindeutige und somit gültige Absolut-Position mehr generieren. Im Vergleich dazu betrachte man das System in Fig.10b. Dieses besitzt eine erste Messspur 1.1 mit einer Teilungslänge λ1 = 360°/16 und eine zweite Messspur 1.2 mit einer Teilungslänge λ2 = 360°/3. Der maximal erlaubte Fehler errechnet sich analog zu oben zu e = 360° / (16 3) = 7,50°. Das erlaubte Fehlerband ist in diesem Fall zwar wesentlich größer, allerdings mit dem Nachteil, dass die Arbeitspunkte der einzelnen Sensorelemente sich stärker unterscheiden. [0091] If the two measuring channels exceed this error, the measuring system can no longer generate a clear and therefore valid absolute position with this vernier coding. In comparison, consider the system in Fig.10b. This has a first measuring track 1.1 with a pitch length λ 1 = 360°/16 and a second measuring track 1.2 with a pitch length λ2 = 360°/3. The maximum permitted error is calculated analogously to e = 360° / (16 3) = 7.50°. The permitted error band is significantly larger in this case, but with the disadvantage that the operating points of the individual sensor elements differ more.
[0092] Es ist also klar, dass für ein System mit hoher Auflösung, welches mindestens eine Spur mit einer hohen Anzahl von Teilungsperioden, die Anforderungen bezüglich der Positi- onserfassung der einzelnen Spuren besonders hoch sind. Außerdem führt eine große Differenz in der Anzahl von Teilungsperioden zwischen den verschiedenen Spuren zu einem entspre- chend großen Unterschied bezüglich des Arbeitsbereiches der einzelnen Sensorelemente, was den Arbeitsbereich des Gesamtsystems (Luftspalt) wiederum limitiert. [0092] It is therefore clear that for a system with high resolution, which has at least one track with a high number of division periods, the requirements with regard to the position detection of the individual tracks are particularly high. In addition, a large difference in the number of division periods between the different tracks leads to a correspondingly large difference in the working range of the individual sensor elements, which in turn limits the working range of the entire system (air gap).
[0093] Ein weiterer zu beachtender Punkt ist die Robustheit des Systems gegenüber Monta- gefehlern. Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung eines Winkelmesssystems mit einem Montagefehler in Form einer Verkippung. Der Sensorkopf 2, der idealerweise parallel zur Maßverkörperung 2 angeordnet sein sollte, ist nämlich gegenüber der Maßverkörperung 1 um einen Winkel alpha gegenüber einer Achse A, welche senkrecht zur Ebene der Maßverkörpe- rung 1 läuft, geneigt. [0093] Another point to consider is the robustness of the system against assembly errors. Figure 12 shows a schematic representation of an angle measuring system with an assembly error in the form of a tilt. The sensor head 2, which should ideally be arranged parallel to the material measure 2, is inclined relative to the material measure 1 by an angle alpha with respect to an axis A, which runs perpendicular to the plane of the material measure 1.
[0094] Es ist ersichtlich, dass je größer bzw. breiter ein System ist, desto stärker wirkt sich eine Verkippung auf den Arbeitsbereich (=Luftspalt) des Sensors aus. Den größten Einfluss verspürt dabei die äußerste Spur (+/- dz), üblicherweise jene mit den meisten Teilungsperio- den und somit jene mit dem geringsten Arbeitsbereich. Durch die Verkippung ändert sich die relative Phase zwischen Sensor und Maßverkörperung. Wird dieser Phasenfehler größer als der maximal erlaubte Fehler, kann die Absolutposition nicht mehr korrekt bestimmt werden. [0095] Weitere Formen von Montagefehlern sind ein Versatz und eine Verdrehung des Ab- tastkopfes 2 bzw. des Sensorelements gegenüber der Maßverkörperung. Figur 13 zeigt ein Längenmesssystem mit drei Messkanälen, welches einen solchen Montagefehler aufweist. Der Sensorkopf 2 (und damit auch die darin enthaltenen Sensorelemente) ist idealerweise so angeordnet ist, dass seine parallel zu den Kanten der Maßverkörperung angeordnet sind. Im Beispiel der Figur 13 sind diese Kanten aber um einen Winkel alpha gegenüber einer Achse A, die parallel zu einer Kante der Maßverkörperung läuft, angeordnet, und somit gegenüber der Maßverkörperung 1 selbst. [0094] It can be seen that the larger or wider a system is, the greater the effect tilting has on the working area (=air gap) of the sensor. The greatest influence is felt by the outermost track (+/- dz), usually the one with the most division periods and thus the one with the smallest working range. The tilting changes the relative phase between the sensor and the measuring standard. If this phase error becomes larger than the maximum permitted error, the absolute position can no longer be determined correctly. [0095] Further forms of assembly errors include an offset and a rotation of the scanning head 2 or the sensor element relative to the material measure. Figure 13 shows a length measuring system with three measuring channels, which has such an assembly error. The sensor head 2 (and thus also the sensor elements contained therein) is ideally arranged so that it is arranged parallel to the edges of the material measure. In the example of Figure 13, these edges are arranged at an angle alpha relative to an axis A, which runs parallel to an edge of the measuring standard, and thus relative to the measuring standard 1 itself.
[0096] Eine Drehung oder ein Versatz des Abtastkopfes 2 relativ zur Maßverkörperung 1 führt zu einer Änderung der relativen Phase zwischen den Positionssignalen der einzelnen Messkanälen und verringert wiederum den Arbeitsbereich des Systems. Wird die Phasenände- rung größer als der maximal erlaubte Positionsfehler (in Kombination mit der Genauigkeit der Spur selbst), kann die Absolutposition nicht mehr korrekt bestimmt werden. Es gilt wiederum, dass der Einfluss der Phasenverschiebung desto größer ausgeprägt ist, desto breiter (bzw. desto mehr Spuren) das System besitzt. A rotation or an offset of the scanning head 2 relative to the material measure 1 leads to a change in the relative phase between the position signals of the individual measuring channels and in turn reduces the working range of the system. If the phase change is greater than the maximum permitted position error (in combination with the accuracy of the track itself), the absolute position can no longer be determined correctly. Again, the influence of the phase shift is greater the wider (or the more tracks) the system has.
[0097] Figur 14 zeigt eine Darstellung von oben einer ersten und einer zweiten Maßverkör- perung für ein Winkelmesssystem mit einer einzigen, kreisförmigen Messspur mit 16 bzw. 3 Teilungsperioden (Figur 14, links bzw. mitten) sowie mit einer dritten Maßverkörperung, wel- che durch die komplette Überlappung der ersten und der zweiten Maßverkörperungen 1.1 und 1.2 eine Vorrichtung mit zwei sich überlappenden Messspuren bildet. Da der größte gemein- same Teiler der Anzahl dieser Spuren gleich 1 ist, handelt es sich auch um eine Nonius-An- ordnung, welche zur absoluten Positionsmessung benutzt werden kann. Im Gegensatz zu den Anordnungen der Figuren 5 und 11 sind die Messspuren nicht nebeneinander in der gleichen Ebene anordnet, sondern sich überlappend angeordnet in unterschiedlichen Ebenen. Somit sind die Messspuren kongruent und haben die gleichen Abmessungen in der jeweiligen Ebene. In einem weiteren Beispiel überlappen sich die Messspuren nur teilweise. 14 shows a view from above of a first and a second measuring scale for an angle measuring system with a single, circular measuring track with 16 or 3 graduation periods (FIG. 14, left and middle) and with a third measuring scale, which che forms a device with two overlapping measuring tracks due to the complete overlap of the first and second measuring scales 1.1 and 1.2. Since the largest common divisor of the number of these tracks is equal to 1, it is also a vernier arrangement, which can be used for absolute position measurement. In contrast to the arrangements of Figures 5 and 11, the measurement tracks are not arranged next to each other in the same plane, but are arranged overlapping in different planes. The measurement tracks are therefore congruent and have the same dimensions in the respective plane. In another example, the measurement tracks only partially overlap.
[0098] Analog werden auch die entsprechenden Sensorelemente 2.1.1 und 2.1.2 überlappt. Eine schematische Schnittdarstellung eines Winkelmesssystems mit sich überlappenden Messkanälen ist in Figur 15 dargestellt. Die Messspuranordnungen 1.1 und 1.2 entsprechen den Messspuranordnungen der Figur 14. Der erste Messkanal umfasst das Sensorelement 2.1.1 und die Messspur 1.1. Der zweite Messkanal umfasst das Sensorelement 2.1.2 und die Messspur 1.2. Sowohl die Messspuranordnungen 1.1 und 1.2 als auch die Sensorelemente 2.1.1 und 2.1.2 sind übereinander angeordnet in einer Richtung z, welche senkrecht zur Ebene xy läuft. Der erste Messkanal, welcher die Messspur 1.1 mit der größeren Anzahl von Tei- lungsperioden aufweist, ist somit zwischen dem Sensorelement 2.1.2 und der Messspuranord- nung 1.2 mit der kleineren Anzahl von Teilungsperioden angeordnet. Die Maßverkörperungen und die Sensorelemente sind jeweils in einer Ebene angeordnet, welche parallel zur Ebene xy ist. In der z-Richtung sind die sich überlappenden Maßverkörperungen einerseits und die Sen- sorelemente andererseits um einen Abstand z beabstandet. In einem weiteren Beispiel über- lappen sich die Sensorelemente nur teilweise. [0098] Analogously, the corresponding sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 are also overlapped. A schematic sectional view of an angle measuring system with overlapping measuring channels is shown in Figure 15. The measuring track arrangements 1.1 and 1.2 correspond to the measuring track arrangements of Figure 14. The first measuring channel includes the sensor element 2.1.1 and the measuring track 1.1. The second measuring channel includes the sensor element 2.1.2 and the measuring track 1.2. Both the measuring track arrangements 1.1 and 1.2 as well as the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 are arranged one above the other in a direction z, which is perpendicular to the plane xy is running. The first measuring channel, which has the measuring track 1.1 with the larger number of graduation periods, is thus arranged between the sensor element 2.1.2 and the measuring track arrangement 1.2 with the smaller number of graduation periods. The measuring scales and the sensor elements are each arranged in a plane which is parallel to the xy plane. In the z direction, the overlapping measuring scales on the one hand and the sensor elements on the other hand are spaced apart by a distance z. In another example, the sensor elements only partially overlap.
[0099] Figur 16 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Winkelmesssystems mit zwei konzentrischen, parallelen Nonius-Messkanälen in der gleichen z-Ebene (Figur 16a) und eines Winkelmesssystems mit sich überlappenden Nonius-Messkanälen in unterschiedlichen Ebe- nen (Figure 16b). Der Einfachheit halber und für eine übersichtliche Darstellung sind die Sen- sorelemente 2.1.1 und 2.1.2 in Figur 16 und folgend auch in Figur 17 nur mit den jeweiligen Empfängerspulen der Sensorelementen dargestellt. Die Emitterspulen sind dagegen nicht ab- gebildet. Wie dargestellt sind die Empfänger spul en als sinusförmige Leiterbahnen ausgebil- det. Die Anzahl der Periode einer Empfänger spule entspricht der Anzahl der Perioden der ent- sprechenden Messspur. Es gilt wiederum, dass sich die Systeme um beliebig viele Messkanäle erweitern lassen. Die Emitterspulen und/oder die Empfängerspulen der verschiedenen Mess- kanäle können auf demselben Substrat angeordnet sein. [0099] Figure 16 shows a perspective view of an angle measuring system with two concentric, parallel vernier measuring channels in the same z-plane (Figure 16a) and an angle measuring system with overlapping vernier measuring channels in different planes (Figure 16b). For the sake of simplicity and for a clear representation, the sensor elements 2.1.1 and 2.1.2 are shown in Figure 16 and subsequently also in Figure 17 only with the respective receiver coils of the sensor elements. The emitter coils, however, are not shown. As shown, the receiver coils are designed as sinusoidal conductor tracks. The number of periods of a receiver coil corresponds to the number of periods of the corresponding measurement track. In turn, the systems can be expanded to include any number of measurement channels. The emitter coils and/or the receiver coils of the different measurement channels can be arranged on the same substrate.
[0100] In den Ausführungsformen der Figuren 14-16 sind sowohl die Messspuren als auch die Sensorelemente nicht parallel, sondern entweder komplett oder partiell überlappt angeord- net. Durch eine axiale Überlappung (Z-Richtung) von zwei oder mehreren Messkanälen so- wohl im Rotor (Messspur) als auch im Stator (Sensorelemente) kann eine Konfiguration ge- schaffen werden, welche die oben beschriebenen Nachteile einer Nonius-Codierung mit ne- beneinander angeordneten Messspuren deutlich reduzieren kann. Insbesondere wird das ge- samte System wesentlich kompakter und der Einfluss von Montagefehlern (Verkippung, Ver- drehung, Versatz, Exzentrizität, etc.) kann deutlich reduziert werden. Ein großer Vorteil die- ser Anordnung liegt auch darin, dass sich ein gegebenenfalls auftretender Phasenfehler auf alle Messkanäle geometrisch gleich auswirkt. Außerdem kann, wie unten beschrieben, der Ar- beitsbereich der Messspuren auf einfacher Weise optimiert werden. Der Aufwand zur Herstel- lung und zum Betrieb des Messsystems kann auch reduziert werden. Obwohl die Figuren 14- 16 Winkelmesssysteme zeigen, ist es klar, dass die Überlappung von Messkanälen auch in Längenmesssystemen mit denselben Vorteilen implementiert werden kann. [0101] Figur 17 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Winkelmesssystems mit drei sich vollständig überlappenden Messkanälen, und somit eine Erweiterung der Lösung aus den Figuren 14-16 um einen Messkanal. Das System umfasst einen Sensor und eine Maßverkörpe- rung. Der Sensor umfasst ein erstes Sensorelement 2.1.1 mit einer Anzahl m=32 von Tei- lungsperioden und einer Teilungsperiode λ1 = 360°/32, ein zweites Sensorelement 2.1.2 mit einer Anzahl n2=8 von Teilungsperioden und einer Teilungsperiode λ2 = 360°/8 und ein drit- tes Sensorelement 2.1.3 mit einer Anzahl n3=3 von Teilungsperioden und einer Teilungsperi- ode ü = 360°/3. Die Sensorelemente sind in unterschiedlichen Ebenen angeordnet und vonei- nander beabstandet. [0100] In the embodiments of FIGS. 14-16, both the measurement tracks and the sensor elements are not arranged in parallel, but rather either completely or partially overlapped. By axially overlapping (Z direction) two or more measuring channels both in the rotor (measuring track) and in the stator (sensor elements), a configuration can be created that has the above-described disadvantages of vernier coding next to each other arranged measurement tracks can be significantly reduced. In particular, the entire system becomes significantly more compact and the influence of assembly errors (tilting, twisting, misalignment, eccentricity, etc.) can be significantly reduced. A major advantage of this arrangement is that any phase errors that may occur have the same geometric effect on all measuring channels. In addition, as described below, the working area of the measurement tracks can be easily optimized. The effort required to produce and operate the measuring system can also be reduced. Although Figures 14-16 show angle measuring systems, it is clear that the overlapping of measuring channels can also be implemented in length measuring systems with the same advantages. [0101] Figure 17 shows a perspective view of an angle measuring system with three completely overlapping measuring channels, and thus an extension of the solution from Figures 14-16 by one measuring channel. The system includes a sensor and a measuring body. The sensor comprises a first sensor element 2.1.1 with a number m=32 of division periods and a division period λ 1 = 360°/32, a second sensor element 2.1.2 with a number n 2 =8 of division periods and a division period λ 2 = 360°/8 and a third sensor element 2.1.3 with a number n 3 =3 of division periods and a division period ü = 360°/3. The sensor elements are arranged in different levels and spaced apart from one another.
[0102] Die Maßverkörperung besitzt analog zu den Sensorelementen 2.1.1, 2.1.2 und 2.1.3 drei Messspuren mit einer ersten Messspur 1.1 mit der Teilungsperiode λ1 = 360°/32, einer zweiten Messspur 1.2 mit der Teilungsperiode λ2 = 360°/8 und einer dritten Messspur 1.3 mit der Teilungsperiode ü = 360°/3. Somit weisen die Messspuren und die korrespondierenden Sensorelemente die gleiche Anzahl von Teilungsperioden. Die Messspuren sind in unter- schiedlichen Ebenen angeordnet und voneinander beabstandet. [0102] Analogous to the sensor elements 2.1.1, 2.1.2 and 2.1.3, the measuring standard has three measuring tracks with a first measuring track 1.1 with the graduation period λ 1 = 360 °/32, a second measuring track 1.2 with the graduation period λ 2 = 360 °/8 and a third measuring track 1.3 with the graduation period ü = 360°/3. The measurement tracks and the corresponding sensor elements therefore have the same number of graduation periods. The measurement tracks are arranged in different levels and spaced apart from each other.
[0103] In dem Beispiel der Figur 17 bestimmt der erste Messkanal (m=32) die Auflösung des Systems. Der zweite und der dritte Kanal werden für die Bestimmung der Absolutposition herangezogen, wobei die Bedingung ggT (n2, n3) = ggT (8, 3) = 1 erfüllt ist. [0103] In the example in FIG. 17, the first measurement channel (m=32) determines the resolution of the system. The second and third channels are used to determine the absolute position, whereby the condition gcd (n 2 , n 3 ) = gcd (8, 3) = 1 is fulfilled.
[0104] Bei einer Überlappung der Messkanäle muss darauf geachtet werden, ein Überspre- chen (Cross-Talk) der einzelnen Messkanäle zueinander reduziert bzw. beseitigt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Abstände zwischen den Sensorelementen und den zu- gehörigen Messspuren in Abhängigkeit der Anzahl der Teilungsperioden ausgewählt. Insbe- sondere können die Abstände zwischen einer Messspur und dem jeweiligen Sensorelement derart ausgewählt werden, dass der Abstand du zwischen dem Sensorelement 2.1.1 mit den meisten Teilungsperioden, d.h. mit der kleinsten Teilungslänge, und der zugehörigen Mess- spur 1.1 auf der Maßverkörperung 1 am kleinsten ist und der Abstand d33 zwischen Sensorele- ment 2.1.3 mit den wenigsten Teilungsperioden, d.h. mit der größten Teilungslänge, und der zugehörigen Spur 1.3 auf der Maßverkörperung 1 am größten ist. Je größer die Anzahl der Teilungsperioden eines Messkanals, desto kleiner der Abstand zwischen der Messspur und dem Sensorelement dieses Messkanals. Diese Situation ist beispielsweise in Figur 17 darge- stellt. Insbesondere [0105] Dadurch kann der Konflikt bezüglich der unterschiedlichen Arbeitspunkte der einzel- nen Messkanäle, wie bereits oben im Hinblick auf die Figur 10 dargestellt, gelöst und zudem vorteilhaft ausgenutzt werden, um Signalamplituden der einzelnen Messkanäle auf ein ähnli- ches Niveau zu bringen. Somit kann insbesondere die Sensor-Elektronik vereinfacht werden, bspw. indem statt getrennten Auswertekanälen für jedes Sensorsignal nur ein physikalischer Kanal benötigt wird, welcher mittels eines Multiplexers zwischen den einzelnen Sensorele- menten umschaltet. [0104] If the measurement channels overlap, care must be taken to reduce or eliminate cross-talk between the individual measurement channels. According to one exemplary embodiment, the distances between the sensor elements and the associated measurement tracks are selected depending on the number of graduation periods. In particular, the distances between a measurement track and the respective sensor element can be selected such that the distance du between the sensor element 2.1.1 with the most graduation periods, ie with the smallest graduation length, and the associated measurement track 1.1 on the measuring scale 1 am is smallest and the distance d33 between sensor element 2.1.3 with the fewest graduation periods, ie with the largest graduation length, and the associated track 1.3 on the measuring scale 1 is the largest. The larger the number of division periods of a measuring channel, the smaller the distance between the measuring track and the sensor element of this measuring channel. This situation is shown, for example, in FIG. 17. In particular [0105] As a result, the conflict regarding the different operating points of the individual measuring channels, as already shown above with regard to FIG. 10, can be resolved and can also be used advantageously in order to bring signal amplitudes of the individual measuring channels to a similar level. In this way, the sensor electronics in particular can be simplified, for example by only requiring one physical channel for each sensor signal instead of separate evaluation channels, which switches between the individual sensor elements using a multiplexer.
[0106] In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Anzahl von Teilungsperioden einer Messspur mit einer größeren Anzahl von Teilungsperioden um mindestens einen Faktor 1,5 größer als die Anzahl von Teilungsperioden einer weiteren Messspur mit einer kleineren An- zahl von Teilungsperioden. Für die Anordnung der Figur 17 bedeutet dies Folgendes: λ2 ≥ 1.5 · λ1 und ta ≥ 1.5·λ.2. Für die Anzahl an Teilungsperioden ergeben sich somit die Bedingun- gen: n1 ≥ 1.5 · n2 und n2 ≥ 1.5 · n2. Wie oben ausgeführt werden diese Bedingungen im Beispiel der Figur 17 erfüllt, denn es gilt: m = 32 ≥ 1.5 · n2 (=1.5 · 8 = 12) und n2 = 8 ≥ 1.5 ·n3 (= 1.5 · 3 = 4.5). Da, in Figur 17, die Anzahl von Teilungsperioden der Messspuren entlang der z-Rich- tung höher wird, ist die Anzahl der Teilungsperiode einer gegebenen Messspur 1,5-mal höher als die Anzahl der Teilungsperiode der unmittelbar unter diesem liegenden Messpur. In a further exemplary embodiment, the number of division periods of a measurement track with a larger number of division periods is greater by at least a factor of 1.5 than the number of division periods of a further measurement track with a smaller number of division periods. For the arrangement of FIG. 17 this means the following: λ 2 ≥ 1.5 · λ 1 and ta ≥ 1.5 · λ.2. The conditions for the number of division periods are: n 1 ≥ 1.5 · n 2 and n 2 ≥ 1.5 · n 2 . As stated above, these conditions are met in the example of FIG. 17, because the following applies: m = 32 ≥ 1.5 · n 2 (= 1.5 · 8 = 12) and n 2 = 8 ≥ 1.5 · n 3 (= 1.5 · 3 = 4.5 ). Since, in Figure 17, the number of pitch periods of the measurement tracks becomes higher along the z-direction, the number of pitch periods of a given measurement track is 1.5 times higher than the number of pitch periods of the measurement track immediately below it.
[0107] Gemäß einem Beispiel ist die Anzahl mi von Teilungsperioden der Sensorelemente gleich der Anzahl ni von Teilungsperioden der dazugehörigen Maßverkörperung, wobei i der Index des Messkanals ist. Für eine Anordnung mit drei Messkanälen gilt somit λ1 ·n1 = λ1 ·m1 = 1 und λ2 ·n2 = λ2 ·m2 = 1 und λ3 ·n3 = λ3 ·m3 = 1, wobei 1 die Gesamtlänge der Maßverkörpe- rung 1 darstellt. Das Beispiel der Figur 17 genügt auch diesen Bedingungen, denn es gilt λ1 ·n1 = λ1 ·m1 = 11.25°-32 = 360° und λ2 ·n2 = λ2 ·m2 = 45°-8 = 360° und λ3 ·n3 = λ3 ·m3 = 120°-3 = 360°. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer vollständigen geometrischen Überlappung der Sensorelemente des Sensors. [0107] According to one example, the number mi of graduation periods of the sensor elements is equal to the number n i of graduation periods of the associated material measure, where i is the index of the measuring channel. For an arrangement with three measuring channels, λ 1 ·n 1 = λ 1 ·m 1 = 1 and λ 2 ·n 2 = λ 2 ·m 2 = 1 and λ 3 ·n 3 = λ 3 ·m 3 = 1, where 1 represents the total length of the measuring body 1. The example in Figure 17 also satisfies these conditions, because λ 1 ·n 1 = λ 1 ·m 1 = 11.25°-32 = 360° and λ 2 ·n 2 = λ 2 ·m 2 = 45°-8 = 360° and λ 3 ·n 3 = λ 3 ·m 3 = 120°-3 = 360°. This is particularly advantageous when there is a complete geometric overlap of the sensor elements of the sensor.
[0108] Gemäß einem weiteren Beispiel sind die Abstände bi2, b23 zwischen den einzelnen Sensorelementen sowie die Abstände ai2, a23 zwischen den Messspuren der Maßverkörperung derart ausgewählt, dass bei einem gegebenen Abstand zwischen Sensor und Maßverkörperung (nominaler Abstand) einerseits der gegenseitige Einfluss der Messkanäle (Übersprechen / Cross-Talk) minimiert wird und andererseits die Amplituden der Signale der Messkanäle im Wesentlichen gleich sind. Insbesondere können die Amplituden der Signale der Messkanäle innerhalb eines vorgegebenen Toleranzband liegen. Die Abstände zwischen den Sensorele- menten und zwischen Messspuren sind außerdem abhängig von der Anzahl der Teilungsperio- den für jede Messspur sowie der Unterschiede in den Anzahlen der Teilungsperioden. Auf je- den Fall liegen die Abstände bij zwischen zwei Sensorelementen i und j im Bereich von 0,01 bis 1,00 mm und die Abstände aij zwischen zwei Messspuren i und j im Bereich von 0,01 mm bis 1,00 mm. [0108] According to a further example, the distances bi2, b23 between the individual sensor elements and the distances ai2, a23 between the measuring tracks of the measuring standard are selected such that, at a given distance between the sensor and the measuring standard (nominal distance), on the one hand the mutual influence of the measuring channels (cross-talk) is minimized and, on the other hand, the amplitudes of the signals of the measurement channels are essentially the same. In particular, the amplitudes of the signals of the measuring channels can lie within a predetermined tolerance band. The distances between the sensor elements ments and between measurement tracks also depend on the number of division periods for each measurement track as well as the differences in the numbers of division periods. In any case, the distances bij between two sensor elements i and j are in the range from 0.01 to 1.00 mm and the distances aij between two measurement tracks i and j are in the range from 0.01 mm to 1.00 mm.
[0109] Figur 18 zeigt ein Diagramm, welches die Signalamplitude von drei Messkanälen mit Messspuren, welche 32, 8 bzw. 3 Teilungsperioden aufweisen, abhängig vom Luftspalt (Arbeitsbereich) des Messkanals anzeigt. Die Signalamplitude entspricht der Amplitude des durch das Emittersignal der Emitterspule in der Empfänger spule induzierten Signals. Die Sig- nalamplitude wurde auf das Intervall [0; 1] normiert. Um eine konstante Signalamplitude zu gewährleisten, können beispielweise die Ab Standsparameter a12, a23, b12 und b23 der Anord- nung der Figur 17 so dimensioniert werden, dass bei einem gegebenen Abstand zwischen Sensor und Maßverkörperung (nominaler Abstand) die Luftspalte der Messkanäle d11 = 0,50 mm und d22 = 1,00 mm und d33 = 2,00 mm gleich sind. Dies wird durch eine volle Linie in Fi- gur 18 wiedergegeben, welche einen idealen Arbeitspunkt AP = 0,55 darstellt. 18 shows a diagram which shows the signal amplitude of three measuring channels with measuring tracks which have 32, 8 or 3 graduation periods, depending on the air gap (working area) of the measuring channel. The signal amplitude corresponds to the amplitude of the signal induced by the emitter signal of the emitter coil in the receiver coil. The signal amplitude was set to the interval [0; 1] normalized. In order to ensure a constant signal amplitude, the distance parameters a 12 , a 23 , b 12 and b 23 of the arrangement in FIG Measuring channels d 11 = 0.50 mm and d 22 = 1.00 mm and d 33 = 2.00 mm are the same. This is represented by a solid line in Figure 18, which represents an ideal operating point AP = 0.55.
[0110] Aufgrund von Herstellungstoleranzen sowie von technischen Einschränkungen bei der Herstellung kann der zulässige Arbeitsbereich der Messkanäle so definiert werden, dass eine Schwankung ±A der Signalamplituden (Toleranzband) um den idealen Arbeitspunkt AP erlaubt ist. Im Beispiel der Figur 18 wurde eine Schwankung A = 0,1 um den Arbeitspunkt AP = 0,55 gewählt, was durch zwei gestrichene Linien dargestellt ist. Somit liegt der Arbeits- punkt für die drei Messspuren zwischen 0,45 und 0,65. Aus der Figur 18 ist es insbesondere klar, dass die Anforderungen für den Luftspalt des Messkanals mit der größten Anzahl von Teilungsperioden höher sind als die Anforderungen für den Luftspalt des Messkanals mit der kleinsten Anzahl von Teilungsperioden. [0110] Due to manufacturing tolerances and technical limitations in manufacturing, the permissible working range of the measuring channels can be defined in such a way that a fluctuation ±A of the signal amplitudes (tolerance band) around the ideal working point AP is permitted. In the example of Figure 18, a fluctuation A = 0.1 around the operating point AP = 0.55 was chosen, which is shown by two dashed lines. The operating point for the three measurement tracks is therefore between 0.45 and 0.65. From Figure 18 it is particularly clear that the requirements for the air gap of the measuring channel with the largest number of division periods are higher than the requirements for the air gap of the measuring channel with the smallest number of division periods.
[0111] In einem Beispiel liegt die Untergrenze des Toleranzbands wenigstens 70%, bevor- zugt wenigstens 80% und weiter bevorzugt wenigstens 90% des Arbeitspunkts. In einem wei- teren Beispiel liegt die Obergrenze des Toleranzbands bei nicht mehr als 130%, bevorzugt nicht mehr als 120% und weiter bevorzugt nicht mehr als 110% des Arbeitspunkts. [0111] In one example, the lower limit of the tolerance band is at least 70%, preferably at least 80% and more preferably at least 90% of the operating point. In a further example, the upper limit of the tolerance band is not more than 130%, preferably not more than 120% and more preferably not more than 110% of the operating point.
[0112] Eine Anordnung mit sich teilweise oder komplett überlappenden Messspuren bzw. Sensorelementen hat den Vorteil, dass die Abstände zwischen den Messspuren und den Sen- sorelementen flexibel ausgewählt werden können, so dass für alle Messkanäle eine ähnliche Signalamplitude erreicht werden kann. Außerdem ist man besonders flexibel bei der Wahl des Arbeitsbereichs. Wie aus der Figur 10 ersichtlich ist das bei üblichen Anordnungen, in denen die Messspuren in der gleichen Ebene angeordnet sind, nicht der Fall. An arrangement with partially or completely overlapping measuring tracks or sensor elements has the advantage that the distances between the measuring tracks and the sensor elements can be selected flexibly, so that a similar signal amplitude can be achieved for all measuring channels. You are also particularly flexible when choosing work area. As can be seen from FIG. 10, this is not the case in conventional arrangements in which the measuring tracks are arranged in the same plane.
[0113] Durch eine geeignete Auswahl der Abstände zwischen den Messspuren und den Sensorelementen kann ein Übersprechen bzw. eine gegenseitige Behinderung der Messkanäle zueinander wesentlich reduziert werden. By appropriately selecting the distances between the measurement tracks and the sensor elements, crosstalk or mutual interference between the measurement channels can be significantly reduced.
[0114] Gemäß einem weiteren Beispiel beruhen die Messkanäle auf unterschiedlichen Messprinzipien und die korrespondierenden Sensorelemente messen unterschiedliche Größen. Somit können die gegenseitigen Störungen der verschiedenen Messungen reduziert werden. Zum Beispiel kann ein erstes Sensorelement eine Änderung der Leitfähigkeit der korrespon- dierenden Messspur und ein zweites Sensorelement eine Änderung der Permeabilität/Re- luktanz der korrespondierenden Messspur messen. Zu diesem Zweck kann die Sensorschal- tung dazu ausgebildet sein, ein erstes Signal für die erste Messspur mit einer ersten Emitter- signalfrequenz f1 zu erzeugen und in die Emitterspule des ersten Sensorelements einzuspei- sen, und ein zweites Signal mit einer zweiten Emittersignalfrequenz f2 zu erzeugen und in die Emitterspule des zweiten Sensorelements einzuspeisen, wobei sich die erste Emittersignalfre- quenz und die zweite Emittersignalfrequenz unterscheiden. In einem Beispiel ist die erste Emittersignalfrequenz mindestens zweimal größer als die zweite Emittersignalfrequenz. So- mit gilt: f1 ≥ 2 ·f2. Beispielweise wird mit dem Sensorelement, dessen Emitterspule mit der kleineren Emittersignalfrequenz erregt wird, eine Permeabilität bzw. Reluktanz gemessen, während mit dem Sensorelement, dessen Emitterspule mit der größeren Emittersignalfrequenz erregt wird, eine Leitfähigkeit gemessen wird. [0114] According to a further example, the measuring channels are based on different measuring principles and the corresponding sensor elements measure different sizes. This means that the mutual interference between the various measurements can be reduced. For example, a first sensor element can measure a change in the conductivity of the corresponding measurement track and a second sensor element can measure a change in the permeability/reluctance of the corresponding measurement track. For this purpose, the sensor circuit can be designed to generate a first signal for the first measurement track with a first emitter signal frequency f 1 and to feed it into the emitter coil of the first sensor element, and a second signal with a second emitter signal frequency f 2 to generate and feed into the emitter coil of the second sensor element, whereby the first emitter signal frequency and the second emitter signal frequency differ. In one example, the first emitter signal frequency is at least twice greater than the second emitter signal frequency. The following applies: f 1 ≥ 2 ·f 2 . For example, a permeability or reluctance is measured with the sensor element whose emitter coil is excited with the smaller emitter signal frequency, while a conductivity is measured with the sensor element whose emitter coil is excited with the larger emitter signal frequency.
[0115] Figur 19a zeigt eine Ansicht von oben einer Maßverkörperung für ein Winkelmess- system mit einer magnetischen Spur. Figur 19b zeigt eine Ansicht von oben einer weiteren Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem. Die Breite der ringförmigen Maßverkörperung in der radialen Richtung ändert sich abhängig vom Winkel, derart, dass die Maßverkörperung radial drei identische Abschnitte aufweist, welche jeweils einen breiteren und einen schmale- ren Bereich aufweisen. Diese Abschnitte bilden somit eine periodische Messspur mit drei Pe- rioden, welche als geometrische Spur bezeichnet werden kann. Die Änderung der Breite der Maßverkörperung kann durch ein mechanisches Verfahren bewirkt werden, beispielweise durch Fräsen, Ätzen, Schneiden und/oder Drehen. Figur 19c zeigt eine Ansicht von oben einer weiteren Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem, welche durch Superposition der Ef- fekte aus den Figuren 19a und 19b gebildet ist. Die Maßverkörperung weist somit sowohl die magnetische Spur der Figur 19a als auch die geometrische Spur der Figur 19b. Beide Spuren überlappen sich und sind in derselben axialen Ebene angeordnet (Ebene x-y). Da das durch die magnetische Spur erzeugte Magnetfeld durch die Geometrie der Maßverkörperung, und somit durch die geometrische Spur, beeinflusst wird, kann eine Änderung der Geometrie und somit die geometrische Spur durch einen entsprechenden Sensor erfasst werden. Somit spielt die zusätzliche, geometrische Messspur dieselbe Rolle wie die zusätzliche, magnetische Spur der obigen Beispiele. Die erste, magnetische Messspur und die zweite, geometrische Mess- spur können somit aus einem einzigen Messspur-Formling gebildet sein, wobei die geometri- sche Messspur durch Verformung des Formlings gebildet wird. Im dargestellten Beispiel ist der größte, gemeinsame Teiler beider Spuren gleich eins, so dass beide Spuren eine Nonius- Codierung bilden, welche zur Absolutpositionsmessung verwendet werden kann. Das Beispiel der Figur 19c kann für eine beliebige Anzahl von Perioden der magnetischen und der geomet- rischen Spur verwendet werden. Es kann auch in eine Maßverkörperung eines Längenmess- systems implementiert werden. 19a shows a view from above of a material measure for an angle measuring system with a magnetic track. Figure 19b shows a view from above of another measuring standard for an angle measuring system. The width of the annular measuring standard in the radial direction changes depending on the angle, such that the measuring standard has three identical sections radially, each of which has a wider and a narrower area. These sections thus form a periodic measurement track with three periods, which can be referred to as a geometric track. The change in the width of the material measure can be effected by a mechanical method, for example by milling, etching, cutting and/or turning. Figure 19c shows a view from above of a further measuring standard for an angle measuring system, which is formed by superposition of the effects from Figures 19a and 19b. The measuring standard therefore has both the magnetic track of Figure 19a and the geometric track of Figure 19b. Both tracks overlap and are arranged in the same axial plane (plane xy). Since the magnetic field generated by the magnetic track is influenced by the geometry of the measuring scale, and thus by the geometric track, a change in the geometry and thus the geometric track can be detected by a corresponding sensor. The additional, geometric measurement track therefore plays the same role as the additional, magnetic track in the examples above. The first, magnetic measuring track and the second, geometric measuring track can thus be formed from a single measuring track molding, the geometric measuring track being formed by deforming the molding. In the example shown, the largest common divisor of both tracks is equal to one, so that both tracks form a vernier coding, which can be used for absolute position measurement. The example of Figure 19c can be used for any number of periods of the magnetic and geometric track. It can also be implemented in a measuring scale of a length measuring system.
[0116] Mit einem Positionsmesssystem, in welchem die verschiedenen Messspuren bzw. die Sensorelemente zumindest teilweise überlappt angeordnet sind, kann eine besonders kom- pakte Bauweise erreicht werden. Außerdem kann der Einfluss von Konstruktionsfehler auf die Anordnung reduziert werden. Da die Messkanäle unterschiedliche Abstände zwischen Mess- spur und Sensorelement aufweisen, kann der Arbeitsbereich besonders flexibel ausgewählt und somit auf einfacher Weise optimiert werden. A particularly compact design can be achieved with a position measuring system in which the various measuring tracks or the sensor elements are arranged at least partially overlapping. In addition, the influence of design errors on the arrangement can be reduced. Since the measuring channels have different distances between the measuring track and the sensor element, the working area can be selected particularly flexibly and thus easily optimized.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Eine Vorrichtung (1) für ein Längen- oder Winkelmesssystem, die folgendes auf- weist: eine erste Messspur (1.1) mit einer periodischen Codierung, die eine erste Anzahl von Teilungsperioden aufweist, wobei die erste Messspur in einer ersten Ebene angeordnet ist, und mindestens eine zweite Messspur (1.2) mit einer periodischen Codierung, die eine zweite Anzahl von Teilungsperioden aufweist, wobei die zweite Messspur in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei sich die erste Anzahl von Teilungsperioden und die zweite Anzahl von Tei- lungsperioden voneinander unterscheiden, und wobei die erste Ebene und die zweite Ebene parallel zueinander sind und die erste Messspur (1.1) und die zweite Messspur (1.2) sich zumindest teilweise überlappen. 1. A device (1) for a length or angle measuring system, which has the following: a first measuring track (1.1) with a periodic coding which has a first number of graduation periods, the first measuring track being arranged in a first plane, and at least one second measurement track (1.2) with a periodic coding which has a second number of division periods, the second measurement track being arranged in a second level, the first number of division periods and the second number of division periods differing from one another, and wherein the first plane and the second plane are parallel to one another and the first measurement track (1.1) and the second measurement track (1.2) at least partially overlap.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene vonei- nander beabstandet sind. 2. Device according to claim 1, wherein the first level and the second level are spaced apart from one another.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Messspur aus einem einzigen Messspur-Formling gebildet sind. 3. Device according to claim 1, wherein the first and second measuring tracks are formed from a single measuring track molding.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die zweite Messspur durch Verformung des Messspur-Formlings gebildet ist. 4. Device according to claim 3, wherein the second measuring track is formed by deforming the measuring track molding.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die erste Messspur (1.1) und die zweite Messspur (1.2) vollständig überlappen. 5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the first measurement track (1.1) and the second measurement track (1.2) completely overlap.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der größte gemeinsame Teiler der ersten Anzahl von Teilungsperioden und der zweiten Anzahl von Teilungsperioden gleich 1 ist. 6. Device according to one of claims 1 to 5, wherein the greatest common divisor of the first number of division periods and the second number of division periods is equal to 1.
7. System, welches umfasst: eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6, und einen Sensorkopf (2) mit einem ersten Sensorelement (2.1.1), das zusammen mit der ersten Messspur (1.1) ei- nen ersten Messkanal bildet, und mindestens einem zweiten Sensorelement (2.1.2), das zusammen mit der zweiten Messspur (1.2) einen zweiten Messkanal bildet, wobei das erste und zweite Sensorelement mindestens eine Teilungsperiode der ersten bzw. zweiten Messspur abdecken. 7. System, which comprises: a device according to one of claims 1-6, and a sensor head (2). a first sensor element (2.1.1), which forms a first measuring channel together with the first measuring track (1.1), and at least one second sensor element (2.1.2), which forms a second measuring channel together with the second measuring track (1.2), wherein the first and second sensor elements cover at least one pitch period of the first and second measurement tracks, respectively.
8. System gemäß Anspruch 7, wobei das erste und das zweite Sensorelement in einer dritten bzw. vierten Ebene angeordnet sind, wobei die dritte Ebene und die vierte Ebene paral- lel zueinander und voneinander beabstandet sind. 8. The system of claim 7, wherein the first and second sensor elements are arranged in a third and fourth plane, respectively, the third plane and the fourth plane being parallel to one another and spaced apart from one another.
9. System gemäß Anspruch 8, wobei das erste Sensorelement (2.1.1) und das zweite Sen- sorelement (2.1.2) sich zumindest teilweise überlappen. 9. System according to claim 8, wherein the first sensor element (2.1.1) and the second sensor element (2.1.2) at least partially overlap.
10. System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die erste Anzahl von Teilungsperi- oden der ersten Messspur (1.1) größer ist als die zweite Anzahl von Teilungsperioden der zweiten Messspur (1.2), wobei ein erster Abstand zwischen der ersten Messspur (1.1) und dem ersten Sensorelement (2.1.1) kleiner ausgebildet ist als ein zweiter Abstand zwischen der zweiten Messspur (1.2) und dem zweiten Sensorelement (2.1.2). 10. System according to one of claims 7 to 9, wherein the first number of division periods of the first measurement track (1.1) is greater than the second number of division periods of the second measurement track (1.2), with a first distance between the first measurement track (1.1 ) and the first sensor element (2.1.1) is designed to be smaller than a second distance between the second measuring track (1.2) and the second sensor element (2.1.2).
11. System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die erste Anzahl von Teilungspe- rioden der ersten Messspur um mindestens einen Faktor 1,5 größer ist als die zweite Anzahl von Teilungsperioden der zweiten Messspur (1.2). 11. System according to one of claims 7 to 10, wherein the first number of division periods of the first measurement track is greater by at least a factor of 1.5 than the second number of division periods of the second measurement track (1.2).
12. System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei Abstände zwischen den Messspu- ren und den korrespondierenden Sensorelementen derart ausgewählt sind, dass Signalamplitu- den der Sensorelemente innerhalb eines gegebenen Toleranzbandes gleich sind. 12. System according to one of claims 7 to 11, wherein distances between the measurement tracks and the corresponding sensor elements are selected such that signal amplitudes of the sensor elements are the same within a given tolerance band.
13. System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei ein Abstand zwischen zwei un- mittelbar benachbart angeordneten Messspuren im Bereich von 0,01 mm bis 1,00 mm liegt, und/oder wobei ein Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbart angeordneten Sensorelementen im Bereich von 0,01 mm bis 1,00 mm liegt. 13. System according to one of claims 7 to 12, wherein a distance between two immediately adjacent measuring tracks is in the range of 0.01 mm to 1.00 mm, and / or wherein a distance between two immediately adjacent sensor elements is in the range from 0.01 mm to 1.00 mm.
14. System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das erste und das zweite Senso- relement eine Empfänger spule aufweisen, welche als periodische Leiterbahn ausgebildet ist und eine erste bzw. zweite Anzahl von Teilungsperioden aufweist, und wobei die Anzahl von Teilungsperioden des ersten bzw. des zweiten Sensorelements gleich der Anzahl von Teilungsperioden der ersten bzw. des zweiten Messspur ist. 14. System according to one of claims 7 to 13, wherein the first and the second sensor element have a receiver coil which is designed as a periodic conductor track and has a first and second number of division periods, respectively, and wherein the number of division periods of the first or the second sensor element is equal to the number of graduation periods of the first or second measurement track.
15. System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei das erste und das zweite Senso- relement jeweils eine Emitterspule aufweisen, wobei der Sensorkopf eine Sensorschaltung (2.2) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Signal mit einer ersten Emittersignalfrequenz zu erzeugen und in die Emitterspule des ersten Sensorelements einzuspeisen, und wobei die Sensorschaltung (2.2) weiter dazu ausgebildet ist, ein zweites Signal mit einer zweiten Emittersignalfrequenz zu erzeugen und in die Emitterspule des zweiten Sensorele- ments einzuspeisen, und wobei sich die erste Emittersignalfrequenz und die zweite Emittersignalfrequenz unter- scheiden. 15. System according to one of claims 7 to 14, wherein the first and the second sensor element each have an emitter coil, the sensor head having a sensor circuit (2.2) which is designed to generate a first signal with a first emitter signal frequency and into the emitter coil of the first sensor element, and wherein the sensor circuit (2.2) is further designed to generate a second signal with a second emitter signal frequency and to feed it into the emitter coil of the second sensor element, and wherein the first emitter signal frequency and the second emitter signal frequency differentiate.
16. System gemäß Anspruch 15, wobei die erste Emittersignalfrequenz mindestens zwei- mal größer ist als die zweite Emittersignalfrequenz. 16. The system of claim 15, wherein the first emitter signal frequency is at least two times greater than the second emitter signal frequency.
17. System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei die Sensorschaltung (2.2) eine Auswerteschaltung mit einem Multiplexer auf- weist, wobei der Multiplexer mit den Sensorelementen verbunden ist und dazu ausbildet ist, Messsignale über einen einzigen physikalischen Auswertungskanal zur Verfügung zu stellen. 17. System according to one of claims 7 to 16, wherein the sensor circuit (2.2) has an evaluation circuit with a multiplexer, the multiplexer being connected to the sensor elements and being designed to provide measurement signals via a single physical evaluation channel.
18. Sensorkopf (2) für eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6, der folgendes aufweist: ein erstes Sensorelement, das in einer dritten Ebene angeordnet ist und dazu ausgebil- det ist, mit der ersten Messspur (1.1) einen ersten Messkanal zu bilden, mindestens ein zweites Sensorelement, das in einer vierten Ebene angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, mit der zweiten Messspur (1.2) einen zweiten Messkanal zu bilden, wobei die dritte Ebene und die vierte Ebene parallel zueinander und voneinander beab- standet sind, wobei das erste Sensorelement (2.1.1) und das zweite Sensorelement (2.1.2) sich zumindest teilweise überlappen. 18. Sensor head (2) for a device according to one of claims 1-6, which has the following: a first sensor element which is arranged in a third level and is designed to provide a first measurement channel with the first measurement track (1.1). form, at least one second sensor element, which is arranged in a fourth level and is designed to form a second measurement channel with the second measurement track (1.2), the third level and the fourth level being parallel to one another and spaced apart from one another, wherein the first sensor element (2.1.1) and the second sensor element (2.1.2) at least partially overlap.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19818799A1 (en) * 1997-12-20 1999-06-24 Daimler Chrysler Ag Rotation angle measuring device for rotary shaft, e.g. steering shaft of automobile
EP0845659B1 (en) 1996-11-29 2003-06-11 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Sensor for a position measuring device
EP2329225A2 (en) 2008-09-11 2011-06-08 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Inductive position sensor, measuring sensor fitted therewith and method for operating a position sensor
EP2924396A1 (en) * 2014-03-24 2015-09-30 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Scanning element for an inductive angle measuring device
EP3179214A1 (en) * 2015-12-08 2017-06-14 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Inductive position measurement device
US20220057281A1 (en) * 2020-08-18 2022-02-24 Infineon Technologies Ag Inductive torque sensor for rotating shafts
DE102021205036A1 (en) 2020-08-25 2022-03-03 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh SCANNING ELEMENT AND INDUCTIVE POSITION MEASUREMENT DEVICE WITH THIS SCANNING ELEMENT

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0845659B1 (en) 1996-11-29 2003-06-11 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Sensor for a position measuring device
DE19818799A1 (en) * 1997-12-20 1999-06-24 Daimler Chrysler Ag Rotation angle measuring device for rotary shaft, e.g. steering shaft of automobile
EP2329225A2 (en) 2008-09-11 2011-06-08 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Inductive position sensor, measuring sensor fitted therewith and method for operating a position sensor
EP2924396A1 (en) * 2014-03-24 2015-09-30 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Scanning element for an inductive angle measuring device
EP3179214A1 (en) * 2015-12-08 2017-06-14 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Inductive position measurement device
US20220057281A1 (en) * 2020-08-18 2022-02-24 Infineon Technologies Ag Inductive torque sensor for rotating shafts
DE102021205036A1 (en) 2020-08-25 2022-03-03 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh SCANNING ELEMENT AND INDUCTIVE POSITION MEASUREMENT DEVICE WITH THIS SCANNING ELEMENT

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