DE10038296A1 - Absolute angle measurement device has a magnetic pattern made up or two or more periodic magnetic patterns in the form of Archimedes spirals that allow very precise measurements to be made by measurement of phase difference - Google Patents

Absolute angle measurement device has a magnetic pattern made up or two or more periodic magnetic patterns in the form of Archimedes spirals that allow very precise measurements to be made by measurement of phase difference

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Abstract

Absolute angle measurement device comprises two or more periodic magnetic patterns that can be scanned by a magnetic sensor, e.g. a Hall sensor. The patterns consist of two concentric rings with equivalent aligned sections. The patterns are Archimedes spirals with a pattern according to the equation: r=c theta n\/2 pi , where r = radius, theta = angle, n = number of spirals and c = gradient of the spirals. The magnetic patterns are made used magnetic powder deposited on a disk of non-magnetic material such as aluminum oxide ceramic, float glass, stainless steel or organic plastic. The invention also relates to an angle measurement method where absolute angular position is determined by making a phase comparison of the sampled values of both rings.

Description

Die Erfindung betrifft eine über den Vollkreis von 360° absolut messende Winkelmeßeinrichtung mit einer drehbaren Scheibe, die ein magnetisch abtast­ bares Muster trägt, mit mehreren in der Nähe der Scheibe angeordneten ma­ gnetischen Abtastköpfen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein für eine solche Winkelmeßeinrichtung besonders vorteilhaftes Meß- und Justierverfahren.The invention relates to an absolute measurement over the full circle of 360 ° Angle measuring device with a rotatable disc that magnetically scans bears a pattern, with several ma magnetic scanning heads. The invention further relates to one for such Angle measuring device particularly advantageous measuring and adjustment method.

Winkel- und Längenmeßeinrichtungen, bei den regelmäßige Muster auf Schei­ ben oder Maßstäben vorzugsweise optisch oder in selteneren Fällen auch ma­ gnetisch abgetastet werden sowie entsprechende Meßverfahren, bei denen die Feinmessung nach Umwandlung der Abtastimpulse in elektrische Impulse oder Wellenzüge durch Phasenvergleich erfolgt, sind vielfältig bekannt. Sie sollen hier unabhängig vom Abtastprinzip besprochen werden, sofern das grundle­ gende Meßprinzip unter irgendeinem Aspekt Bezüge zur Erfindung aufweist, zumal praktisch immer eine Umwandlung der Abtastimpulse oder -wellenzüge in elektrische Werte erfolgt, um die Möglichkeiten der Wechselstrom- Verstärker- und Phasen-Meßtechnik zur Kompensation, Regelung, Interpola­ tion sowie ggf. zur Analog-Digital-Wandlung zu nutzen.Angle and length measuring devices, with the regular pattern on Schei ben or scales preferably optically or in rarer cases also ma be scanned gnetisch as well as corresponding measuring methods in which the Fine measurement after converting the scanning pulses into electrical pulses or Wave trains that are made by phase comparison are widely known. You should are discussed here regardless of the scanning principle, provided that the basic the measuring principle in any aspect relates to the invention, especially since the scanning impulses or wave trains are always converted is done in electrical values in order to Amplifier and phase measurement technology for compensation, regulation, interpolation tion as well as for analog-digital conversion if necessary.

Nach dem US-Patent Nr. 4.764.767 werden zwei Spuren parallel genutzt, um mit einfachen technischen Mitteln eine Absolutmessung rund um den Vollkreis durchführen zu können. Dies erfolgt jedoch auf dem Außenmantel einer Trommel und nicht unter direkter Nutzung der Phasenverschiebung. Eine Spur mit Inkrementen dient der exakten Positionierung, wohingegen die zweite Spur als eine Spirale ausgeführt ist und der Absolutpositionierung dient. Die Vortei­ le dieses Systems bestehen, wie bei dem zu entwickelnden Positioniersystem, in der Einfachheit des gesamten Aufbaus und der geringen Anzahl der Kompo­ nenten. Allerdings ist der im US-Patent Nr. 4.764.767 beschriebene Aufbau nicht kompakt, da erstens die Trommel eine beträchtliche laterale Ausdehnung besitzen muß und zweitens die Sensoren auf der Außenseite angebracht wer­ den müssen. Entsprechendes gilt für eine technische Lösung bei welcher sich, vorzugsweise gleichzeitig elektroresistiv oder magnetisch abgetastet, auf dem Mantel einer Trommel eine Spur mit einer Vielzahl von Polen sowie eine wei­ tere Analogspur mit einer Periodizität von eins pro Umdrehung befinden (EP 0 212 662 A2).According to U.S. Patent No. 4,764,767, two tracks are used in parallel to with simple technical means an absolute measurement around the full circle to be able to perform. However, this is done on the outer jacket of one Drum and not using the phase shift directly. A trail with increments is used for exact positioning, whereas the second track is designed as a spiral and is used for absolute positioning. The advantage le of this system, as with the positioning system to be developed, in the simplicity of the overall structure and the small number of compos components. However, the structure described in U.S. Patent No. 4,764,767 is not compact, because firstly the drum has a considerable lateral expansion must own and secondly who attached the sensors on the outside have to. The same applies to a technical solution in which preferably simultaneously scanned electroresistively or magnetically, on the  Mantle a drum a track with a variety of poles as well as a white tere analogue track with a periodicity of one per revolution (EP 0 212 662 A2).

Eine weitere Trommelanordnung, jedoch unter Nutzung von Phasenbeziehun­ gen zwischen zwei magnetisch abgetasteten Polrädern, von denen eines eine (n)-Teilung und das andere eine (n + 1)-Teilung aufweist (DE 32 14 794 A1 identisch mit US 4.612.502) zeigt den Nachteil des hohen Raumbedarfes in prinzipiell noch höherem Maße, indem die "Pole" der Polräder eine gewisse Mindesthöhe haben müssen, um einen auswertbaren Meßwertsprung zwischen magnetischem Leiter und magnetische Isolator (in der Lücke zwischen den Polen) zu erzielen.Another drum arrangement, but using phase relationships between two magnetically scanned magnet wheels, one of which is one (n) division and the other has an (n + 1) division (DE 32 14 794 A1 identical to US 4,612,502) shows the disadvantage of the high space requirement in in principle, to an even greater extent, by the "poles" of the magnet wheels a certain Must have minimum height in order to make an evaluable jump in measured values between magnetic conductor and magnetic insulator (in the gap between the Poland).

Mindestens drei optisch abtastbare Spuren auf der Stirnfläche einer Scheibe weist eine weitere bekannte Anordnung zur Absolut-Winkelmessung des Voll­ kreises auf, wobei eine Spur mit Referenzpunkten untereinander unterschiedli­ chen Winkelabstandes den Bezugspunkt für die Absolut- oder Nullpunktmes­ sung ergibt, während die beiden anderen Spuren gleiche Inkremente haben, aber zur Feinmessung sowie zur Vor- und Rückwärtszählung phasenverschoben sind (US 5.003.171). Eine Übertragung dieser ausschließlich für das optische Prinzip beschriebenen und beanspruchten technischen Lehre auf die magneti­ sche Abtastung ist nachteilig, weil zumindest bei der Abtastung der Referenz­ punkte mit ihrer variablen Periodizität nicht von den oben erwähnten Vorteilen der Wechselstrom-Verstärker und -Meßtechnik Gebrauch gemacht werden kann. Dies gilt auch für eine Anordnung mit einer Inkrementalteilung und zwei Referenzteilungen, von denen mindestens eine Referenzmarken mit unterein­ ander gleichen Abständen aufweist (DE 42 44 178 C2) oder für Inkrementaltei­ lungen mit zusätzlichen Referenzmerkmalen (DE 31 02 125 A1).At least three optically scannable tracks on the face of a pane has another known arrangement for absolute angle measurement of the solid circle, with a track with reference points different from each other Chen angular distance the reference point for the absolute or zero point measurement solution, while the other two tracks have the same increments, but out of phase for fine measurement and for counting up and down are (US 5,003,171). A transfer of this exclusively for the optical Principle described and claimed technical teaching on the magneti cal scanning is disadvantageous because at least when scanning the reference points with their variable periodicity not from the advantages mentioned above the AC amplifier and measurement technology can be used can. This also applies to an arrangement with an incremental division and two Reference divisions, at least one of which contains reference marks has other equal distances (DE 42 44 178 C2) or for incremental lungs with additional reference features (DE 31 02 125 A1).

Gleiches gilt für eine ebenfalls nur für das optische Abtastprinzip beschriebene technische Lösung mit zwei phasenverschobenen Teilungen, mit denen infolge eines gemeinsamen Nullungs- oder Resetbereiches bedingt Absolutmessungen möglich sind (US S. 042.157). Dieser für beide Teilungen (Spuren) identische Nullungs- bzw. Resetbereich bewirkt zumindest in einer Teilung zwangsläufig einen elektrisch nicht verarbeitbaren Phasensprung.The same applies to a likewise described only for the optical scanning principle technical solution with two phase-shifted divisions, with which as a result a common zeroing or reset area requires absolute measurements are possible (US S. 042.157). This is identical for both divisions (tracks) Zeroing or reset range inevitably results in at least one division an electrically non-processable phase shift.

Zur Bestimmung der Torsionswinkel sowie der Drehstellung rotierender Wel­ len, welche im Interesse der Betriebssicherheit ständig zu überwachen sind, ist eine Anordnung mit Hall-Elementen vorgesehen, bei welcher ein ringförmiger Dauermagnet zusammen mit der Welle rotiert. Dieser Dauermagnet ist von ei­ nem Stator umschlossen, in welchen im gleichen Winkelabstand voneinander mindestens drei radiale Schlitze angebracht sind. In mindestens zwei benach­ barten Schlitzen befinden sich Hall-Sensoren. Diese Anordnung kann auch mit einer gewissen Phasenversetzung zweifach angebracht sein (DE 197 16 985 A1). Die Nutzung stückweise linearer Abschnitte der Sensorkennlinien in allen vier Quadranten gestattet momentane Absolutmessungen bis 360°, aber das Prinzip ist auf rotierende Wellen beschränkt und nicht zur Messung einmaliger Verstellbewegungen geeignet.To determine the torsion angle and the rotational position of rotating wel len, which must be constantly monitored in the interest of operational safety  an arrangement with Hall elements is provided, in which an annular Permanent magnet rotates together with the shaft. This permanent magnet is from egg nem stator, in which the same angular distance from each other at least three radial slots are made. In at least two cont bearded slots are Hall sensors. This arrangement can also be used a certain phase shift may be appropriate twice (DE 197 16 985 A1). The use of piecewise linear sections of the sensor characteristics in all four quadrants allows instantaneous absolute measurements up to 360 °, but that The principle is limited to rotating shafts and not for measuring once Adjustment movements suitable.

Mit einer einzigen inkrementellen Teilung kommt eine Winkelmeßeinrichtung speziell für eine Teilscheibe aus, an deren Umfang mehrere Abtasteinheiten angebracht sind und die gegenüber der Teilscheibe eine genau vorgegebene Exzentrizität aufweist, wobei die Absolutposition dann aus der Lage der Ex­ zentrizität gegenüber den Abtasteinheiten berechnet wird (DE 44 02 410 C2). Diese technische Lösung hat den Nachteil, daß eine, ansonsten unerwünschte, Exzentrizität bewußt herbeigeführt werden muß. Dies muß aber mit hoher Ge­ nauigkeit erfolgen, weil der Betrag dieser Exzentrizität in die Berechnung Ein­ gang findet. Weiterhin müßte bei der Anwendung in Winkelmeßbaugruppen für unterschiedliche Anwendungszwecke auf jeden Fall ein der Teilscheibe ent­ sprechendes Teil eingefügt werden, auch wenn es ansonsten für den Anwen­ dungsfall nicht benötigt wird.An angle measuring device comes with a single incremental division especially for a graduated disc, on the circumference of which several scanning units are attached and which are precisely specified in relation to the index plate Eccentricity has, the absolute position then from the position of the Ex centricity with respect to the scanning units is calculated (DE 44 02 410 C2). This technical solution has the disadvantage that an otherwise undesirable Eccentricity must be brought about consciously. But this must be done with a high Ge accuracy because of the amount of this eccentricity in the calculation gear finds. Furthermore, when used in angle measurement modules for different applications in any case ent of the indexing disc speaking part, even if it is otherwise for the user case is not required.

Mit nur einer inkrementellen Winkelteilung arbeitet ein System, welches diese Teilung mit mehreren Abtastköpfen an mehreren Positionen des Umfanges si­ multan abtasten. Diese Abtastköpfe sind in unterschiedlichen Winkelabständen über den Umfang verteilt (DE 40 09 593 A1), wobei eine weitere Optimierung dadurch erfolgen kann, daß über den Vollkreis verteilte Sektoren alternierend zu Gruppen zusammengefaßt abgetastet werden und diese Sektoren bzw. Gruppen bestimmten Vorgaben bezüglich ihrer statischen Flächenmomente bzw. bezüglich ihrer äquatorialen und zentrifugalen Flächenträgheitsmomente genügen (DE 43 28 525 A1). Hier können die Fehler der Relativmessung weit­ gehend kompensiert werden. Jedoch fehlt eine aus der bzw. aus den Tei­ lung(en) direkt ableitbare Information bezüglich der Absolutposition.With only one incremental angular division, a system works this Graduation with several scanning heads at several positions of the circumference si multan scan. These scanning heads are at different angular intervals distributed over the scope (DE 40 09 593 A1), with a further optimization can be done by alternating sectors distributed over the full circle are grouped together and these sectors or Groups specify specifications regarding their static area moments or with regard to their equatorial and centrifugal moments of inertia are sufficient (DE 43 28 525 A1). Here the errors of the relative measurement can be wide be compensated on an ongoing basis. However, one from or from the Tei is missing lung (s) directly derivable information regarding the absolute position.

Weitere technische Lösungen, welche entweder ausdrücklich von der magneti­ schen Abtastung Gebrauch machen oder bei denen diese anwendbar erscheint, erfordern zur Ermittlung der absoluten Winkelposition komplexe Berechnungs­ schritte, die, wenn sie auch nicht zwangsläufig mit systematischen Fehlern be­ haftet sind, doch die Fehlerwahrscheinlichkeit und den Aufwand für die Be­ rechnungsbaugruppen erhöhen. Meist nutzen diese Systeme das Prinzip zweier inkrementeller Winkelteilungen, deren Teilung sich geringfügig unterscheidet, um aus den Phasenbeziehungen zwischen den beiden Winkelteilungen eine Information über die absolute Winkelposition zu erhalten (WO 89/11080 A1). Weiterentwicklungen dieses Prinzips bestehen darin, zwischen den beiden bzw. weiteren Winkelteilungen umzuschalten, um das Vorzeichen der Dreh­ richtung zu berücksichtigen (DE 32 29 846 A1), um den Signalhub zu optimie­ ren (DE 41 14 419 C2) oder um von eine Absolutmessung eindeutig mit einer (naturgemäß genaueren) Relativmessung zu verknüpfen (US 5.905.350). Bei einer bevorzugten Ausführungsform der o. e. Patentanmeldung WO 89/11080 A1 sind die beiden Winkelteilungen überdies auf zwei separate, durch eine Welle starr miteinander verbundene Scheiben verteilt, was in nachteiliger Wei­ se zu einem besonders großen Raumbedarf führt.Further technical solutions, which are either expressly approved by magneti make use of scanning or where it appears applicable,  require complex calculations to determine the absolute angular position steps that, though not necessarily with systematic errors are liable, but the probability of error and the effort for the loading Increase invoice assemblies. Most of these systems use the principle of two incremental angular divisions, the division of which differs slightly, order one from the phase relationships between the two angular divisions Obtain information about the absolute angular position (WO 89/11080 A1). Further developments of this principle are between the two or switch other angular divisions to the sign of the rotation direction must be taken into account (DE 32 29 846 A1) in order to optimize the signal swing ren (DE 41 14 419 C2) or in order to clearly measure an absolute measurement with a to link (naturally more accurate) relative measurement (US 5,905,350). at a preferred embodiment of the above. Patent application WO 89/11080 A1 the two angular divisions are also separated by one Shaft rigidly connected disks distributed, which in disadvantageous Wei leads to a particularly large space requirement.

Sofern der bisher geschilderte Stand der Technik eine Übertragung vom Prin­ zip der optischen Abtastung des Codierungsmusters auf dasjenige der magneti­ schen Abtastung erfordern würde, muß auf eine Toleranz bzw. Unempfindlich­ keit gegenüber Eigenheiten, die für die Herstellung magnetischer Muster ty­ pisch sind, geachtet werden. So bietet sich das preiswerte Drucken magneti­ scher Pasten an.If the previously described state of the art is a transmission from the Prin zip the optical scanning of the coding pattern to that of the magneti would require scanning, must be tolerant or insensitive against peculiarities that are necessary for the production of magnetic patterns ty pisch are respected. This is how inexpensive magneti printing is offered pastes.

Eine weite Palette der stofflichen Zusammensetzung magnetoresistiver Mate­ rialien, die ausdrücklich für Positionsdetektoren angewandt werden, ist im US-Patent Nr. 5.834.709 beschrieben.A wide range of material composition of magnetoresistive mate rialien expressly used for position detectors is in U.S. Patent No. 5,834,709.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine absolut messende Winkel­ meßeinrichtung mit einer drehbaren Scheibe, die stirnseitig mindestens zwei magnetisch abtastbare periodische Muster trägt, zu schaffen, welche unter Be­ hebung der geschilderten Mängel des Standes der Technik einen geringen Raumbedarf hat und einen geringen Aufwand sowohl für die Herstellung des Musters als auch für die Abtastung sowie für die Verarbeitung der Abtastwerte verursacht, wobei die Gestalt des periodischen Musters für sich genommen, insbesondere jedoch in bezug auf sein Herstellungsverfahren, fehlerresistent sein soll. The invention has for its object an absolutely measuring angle Measuring device with a rotatable disc, the front at least two creates magnetically scannable periodic patterns, which under Be raising the described deficiencies of the prior art a slight Has space requirements and a low cost both for the production of the Patterns as well as for sampling and for processing the samples caused, taking the shape of the periodic pattern on its own, especially resistant to its manufacturing process, however should be.  

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention described in the claims solved.

Es wurde im Bereich des Vollkreises von 360° ein absolut messendes Winkel­ meßsystem auf magnetischer Basis bestehend aus folgenden Komponenten ge­ schaffen:
In the area of the full circle of 360 ° an absolute measuring angle measuring system on magnetic basis consisting of the following components was created:

  • - zwei oder mehr Magnetfeldsensoren (Hall, AMR, GMR, CMR)- two or more magnetic field sensors (Hall, AMR, GMR, CMR)
  • - Signalgeber.- Signal.

Die Auswertung erfolgt über herkömmliche inkrementelle Methoden z. B. nach Arctan-Verfahren, wie es allgemein bekannt ist. Der Signalgeber besteht aus einer Anordnung von mindestens zwei konzentrisch angeordneten archimedi­ schen Spiralsystemen mit n bzw. n+1 Spiralarmen, wobei in vorteilhafter Wei­ se das Nonius-Prinzip auf eine Kreisteilung übertragen wird. Die Sensoren sind radial über je einem Spiralsystem angeordnet. Die Steigung der Spiralen ist je­ weils an die Periode der Sensoren angepaßt und gehorcht dem folgenden Bil­ dungsgesetz:
The evaluation is done using conventional incremental methods such. B. by Arctan method, as is generally known. The signal generator consists of an arrangement of at least two concentrically arranged Archimedi spiral systems with n or n + 1 spiral arms, the nonius principle being advantageously transferred to a division of the circle. The sensors are arranged radially above a spiral system. The gradient of the spirals is always adapted to the period of the sensors and obeys the following law of education:

Die Auswertung erfolgt in mehreren Schritten:
The evaluation takes place in several steps:

  • 1. Absolute Position durch Auswertung der Phasenverschiebung zwischen den Spiralsystemen.1. Absolute position by evaluating the phase shift between the Spiral systems.
  • 2. Erhöhung der Genauigkeit durch Auswertung der Phase innerhalb eines Spi­ ralsystems.2. Increase in accuracy by evaluating the phase within a spi ralsystems.

Die Winkelmeßeinrichtung kann beispielsweise mit anisotrop magnetoresitiven Schwachfeldsensoren (AMR-Sensoren) und einer entsprechenden Elektronik zu einem Kompaktsystem entwickelt werden, welches absolute Winkelmes­ sungen im Genauigkeits- und Ablesbarkeits-Bereich in Abhängigkeit von der Interpolationsfähigkeit der Encoder-Struktur durchzuführen vermag. AMR-Sensoren werden aufgrund ihrer Verfügbarkeit, ihres guten Rauschverhaltens und der sehr guten Reproduzierbarkeit der Signale eingesetzt. Der Nachteil ei­ ner geringen Widerstandsänderung von maximal 3% der AMR-Sensoren bei Anlegen eines Magnetfeldes, gegenüber z. B. dem gigantischen Magnetfeldef­ fekt (GMR) mit Widerstandsänderungen bis 70%, wird durch eine einfachere Handhabung und den Bedarf an kleineren Magnetfeldern wettgemacht. Jedoch sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Einrichtung auch mit ande­ ren Magnetfeldsensoren arbeiten kann.The angle measuring device can, for example, be anisotropically magnetoresistive Weak field sensors (AMR sensors) and corresponding electronics be developed into a compact system, which absolute absolute measurement solutions in the area of accuracy and readability depending on the Can interpolate the encoder structure. AMR sensors are due to their availability, their good noise behavior and the very good reproducibility of the signals. The disadvantage small change in resistance of up to 3% of the AMR sensors Applying a magnetic field opposite z. B. the gigantic magnetic field chief fect (GMR) with resistance changes up to 70%, is due to a simpler  Handling and the need for smaller magnetic fields made up for. however it should be noted that the device according to the invention also with other magnetic field sensors can work.

Die Strukturierung des periodischen magnetischen Musters kann besonders einfach und preiswert durch Drucken magnetischer Pasten durchgeführt wer­ den. Zur Genauigkeitssteigerung sind auch weitere Verfahren anwendbar, wie beispielsweise das Laserbearbeiten und Ätzen, obwohl auch andere Verfahren, wie das Negativformen, angewandt werden können.The structuring of the periodic magnetic pattern can be special easily and inexpensively by printing magnetic pastes the. Other methods can also be used to increase accuracy, such as for example laser processing and etching, although other processes, how negative molding can be applied.

Bei der Auswahl der Materialien für die Substrate müssen Erfordernisse hin­ sichtlich Abmessungen, linearem Ausdehnungskoeffizienten, Rauhigkeit und Ebenheit der Oberflächen sowie Besonderheiten der konkreten Anwendung be­ rücksichtigt werden. Eingesetzt werden beispielsweise Al2O3-Keramik, Float­ glas, Glaskeramiken mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, unmagnetischer Edelstahl und auch flexible Unterlagen, wie Kunststoffe.When selecting the materials for the substrates, requirements with regard to dimensions, linear expansion coefficient, roughness and flatness of the surfaces and special features of the specific application must be taken into account. For example, Al 2 O 3 ceramics, float glass, glass ceramics with a low expansion coefficient, non-magnetic stainless steel and also flexible underlays such as plastics are used.

Das erfindungsgemäße magnetisch abtastbare Muster (Encoder) ermöglicht ei­ ne von der lateralen Ausdehnung weitgehend unabhängige Genauigkeit, so daß die Strukturierung nicht zwingend nach Mikrostrukturierungsverfahren, wie beispielsweise Ätzen oder Laserstrukturierung durchgeführt werden muß, ob­ wohl auch diese Option zur Verkleinerung der effektiven Maßstabsfläche in die Betrachtungen einbezogen wird.The magnetically scannable pattern (encoder) according to the invention enables egg ne accuracy largely independent of the lateral extent, so that the structuring is not necessarily based on microstructuring methods, such as for example, etching or laser structuring must be carried out whether probably also this option to reduce the effective scale area in the considerations are included.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. The attached drawings show:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes magnetisch abtastbares Muster, Fig. 1 shows an inventive magnetic scannable pattern,

Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt aus diesem Muster und Fig. 2 is an enlarged section of this pattern and

Fig. 3 eine Darstellung der Position der Abtastköpfe. Fig. 3 shows the position of the scanning heads.

Die Bemessung erfindungsgemäßer Ausführungsformen ist von der gewünschten Interpolationsgüte abhängig und kann wie folgt sein:
innen: ein Kreis, außen ein Spiralabschnitt . . . innen: n Spiralabschnitte,
außen: n + 1 Spiralabschnitte. The design of embodiments according to the invention depends on the desired interpolation quality and can be as follows:
inside: a circle, outside a spiral section. , , inside: n spiral sections,
outside: n + 1 spiral sections.

Im konkreten Ausführungsfall also beispielsweise:
innen: 29 Spiralabschnitte, außen: 30 Spiralabschnitte, Interpolation: 30-fach
→ 1. Stufe 12°, 2. Stufe 0,4° (in Fig. 1 dargestellt!) oder
innen: 59 Spiralabschnitte, außen: 60 Spiralabschnitte, Interpolation: 60-fach
→ 1. Stufe 6°, 2. Stufe 0,1°.In the specific implementation case, for example:
inside: 29 spiral sections, outside: 30 spiral sections, interpolation: 30-fold
→ 1st stage 12 °, 2nd stage 0.4 ° (shown in Fig. 1!) Or
inside: 59 spiral sections, outside: 60 spiral sections, interpolation: 60-fold
→ 1st stage 6 °, 2nd stage 0.1 °.

Als Magnetmaterial kommt hauptsächlich Strontiumhexaferritpulver zum Ein­ satz. Dieses Material erzeugt mit einer remanenten Induktion von ca. 100 mT in einer polymeren Matrix (Dichte ca. 3 g/cm3) ausreichende Felder oberhalb der magnetischen Struktur, besitzt gegenüber den magnetischen Materialien mit höheren remanenten Induktionen (wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor) eine deutlich bessere Korrosionsbeständigkeit und ist in relativ einfacher Weise in Teilchengrößen von ≈1 µm herstellbar.Strontium hexaferrite powder is mainly used as the magnetic material. With a remanent induction of approx. 100 mT in a polymer matrix (density approx. 3 g / cm 3 ), this material generates sufficient fields above the magnetic structure and, compared to the magnetic materials with higher remanent induction (such as neodymium-iron-boron) ) significantly better corrosion resistance and can be produced in a relatively simple manner in particle sizes of ≈1 µm.

Die zu erwartenden Polfeldstärken der magnetischen Strukturen sind abhängig vom verwendeten Magnetpulver, seiner Konzentration in der polymeren Matrix und von der Dicke der aufgebrachten Magnetpaste und betragen bei Verwen­ dung einer Paste mit ca. 27 Vol.% Sr-Hexaferrit bei einer Dicke von 100 µm etwa 5. . .10 mT. Die AMR-Sensoren arbeiten bei diesen Feldstärken in hinrei­ chender Weise.The expected field strengths of the magnetic structures are dependent of the magnetic powder used, its concentration in the polymer matrix and on the thickness of the applied magnetic paste and amount when used Form a paste with approx. 27 vol.% Sr hexaferrite with a thickness of 100 µm about 5.. .10 mT. At these field strengths, the AMR sensors work well way.

Trotz der erheblichen Vorteile des Sr-Hexaferrits bei der Verarbeitung wird für den Aufbau von Winkelmeßsystemen mit höheren Polfeldstärken auch Neo­ dym-Eisen-Bor-Pulver eingesetzt. Für Spezialanwendungen gibt es weiterhin die Möglichkeit, extrem feine Bariumhexaferritpulver einzusetzen. Dieses Material läßt sich mittels Glaskristallisationstechnik in einer sehr engen Teil­ chengrößenverteilung erzeugen und ist daher für hochgenaue Anwendungen mit kleinen Strukturen geeignet, obwohl bekanntlich die Dispergierfähigkeit mit geringer werdender Korngröße abnimmt.Despite the significant advantages of Sr hexaferrite in processing, it is used for the construction of angle measuring systems with higher pole field strengths also Neo dym-iron-boron powder used. There are still special applications the possibility of using extremely fine barium hexaferrite powder. This Material can be used in a very narrow part using glass crystallization technology generate size distribution and is therefore for high-precision applications suitable with small structures, although the dispersibility is known decreases with decreasing grain size.

Die Charakterisierung und Gütekontrolle der mit dem erfindungswesentlichen Mustern versehenen Scheiben erfolgt durch verschiedene optische, mechani­ sche und magnetische Meßmethoden. Diese werden ausgewählt, um eine Überwachung der wesentlichen Parameter bei der Herstellung der Muster zu gewährleisten. Zu diesen Parametern zählen u. a.: The characterization and quality control of those essential to the invention Patterned panes are made by various optical, mechanical cal and magnetic measuring methods. These are chosen to be one Monitoring the essential parameters in the production of the samples too guarantee. These parameters include a .:  

Geometrische StrukturGeometric structure

Genutzt werden die Lichtmikroskopie und die Dickenbestimmung mittels Mi­ krometerschraube zu einer ersten Beurteilung der Strukturen. Weiterführende, hochauflösendere Untersuchungen erfolgen am Tastschnittgerät und am Laser- Scan-Mikroskop. Der Vorteil der letztgenannten Methoden gegenüber dem Lichtmikroskop besteht in der dreidimensionalen Auflösung der Strukturen.Light microscopy and thickness determination using Mi are used Krometer screw for an initial assessment of the structures. Further, High-resolution examinations are carried out on the stylus and on the laser Scanning microscope. The advantage of the latter methods over the The light microscope consists of the three-dimensional resolution of the structures.

Mikroskopische Teilchengrößenverteilung der MagnetpulverMicroscopic particle size distribution of the magnetic powder

Die einheitliche Teilchengrößenverteilung der Pulver und deren gleichmäßige Dispergierung innerhalb der polymeren Matrix ist eine wesentliche Vorausset­ zung bei der Nutzung der oben aufgeführten Verfahren zur Strukturierung und läßt sich besonders gut durch den Einsatz der Elektronenmikroskopie (REM) ermitteln.The uniform particle size distribution of the powders and their uniformity Dispersion within the polymer matrix is an essential prerequisite development when using the structuring and can be particularly well achieved by using electron microscopy (SEM) determine.

Magnetische StrukturMagnetic structure

Neben der geometrischen Struktur und der Teilchengrößenverteilung muß vor allem die magnetische Feldverteilung vermessen werden, da das Magnetfeld die eigentliche Meßgröße darstellt. Die hier zum Einsatz kommenden Meßme­ thoden nutzen zum einen den Faraday-Effekt im Magnetmikroskop, zum ande­ ren wird mit Hall- und/oder magnetoresistiven Sensoren das Feld direkt ver­ messen. Beim Magnetmikroskop erfolgt die Charakterisierung der Verteilung des magnetischen Materials durch die Vermessung der zur Unterlage senkrech­ ten Magnetfeldkomponente innerhalb einer Sensorschicht (wismutsubstituierte Granatschicht mit in-plane Magnetisierung). Eine Änderung der senkrechten Magnetfeldkomponente erzeugt eine Drehung der Polarisationsebene des ein­ gestrahlten linear polarisierten Lichtes. Ist kein äußeres Feld vorhanden, liegt die Magnetisierung in der Schichtebene der Sensorschicht. Durch Anlegen eines äußeren Feldes mit einer Feldkomponente senkrecht zur Schichtebene, dreht sich diese Magnetisierung. Gemessen wird das Streufeld HZ des Meßob­ jektes, welches zur Ausrichtung der Magnetisierung in der magnetooptischen Sensorschicht bezüglich der optischen Achse führt. Diese Meßgröße wird um­ gewandelt und kann als Helligkeit mit Hilfe einer Kamera ausgewertet werden.In addition to the geometric structure and the particle size distribution, above all the magnetic field distribution must be measured, since the magnetic field is the actual measured variable. The measuring methods used here use the Faraday effect in a magnetic microscope, on the one hand, and the field is measured directly with Hall and / or magnetoresistive sensors. In the magnetic microscope, the distribution of the magnetic material is characterized by measuring the magnetic field component perpendicular to the base within a sensor layer (bismuth-substituted garnet layer with in-plane magnetization). A change in the perpendicular magnetic field component produces a rotation of the plane of polarization of the radiated linearly polarized light. If there is no external field, the magnetization lies in the layer plane of the sensor layer. By applying an external field with a field component perpendicular to the layer plane, this magnetization rotates. The stray field H Z of the measuring object is measured, which leads to the alignment of the magnetization in the magneto-optical sensor layer with respect to the optical axis. This measured variable is converted to and can be evaluated as brightness using a camera.

Als magnetoresistive Sensoren werden bevorzugt Schwachfeldsensoren einge­ setzt. Sie verändern ihren Widerstand in Abhängigkeit des angelegten Magnet­ feldes um 2%. . .3%. Dabei wird die Magnetisierung, welche ursprünglich parallel zum Stromfluß ausgerichtet ist, um einen Winkel α ausgelenkt. Die Änderung dieses Winkels ist direkt proportional zur Änderung des Magnetfel­ des innerhalb der Schicht und dient somit als Meßgröße.Weak field sensors are preferably used as magnetoresistive sensors puts. They change their resistance depending on the magnet applied field by 2%. , .3%. Thereby the magnetization, which originally is aligned parallel to the current flow, deflected by an angle α. The  Changing this angle is directly proportional to changing the magnetic field of within the layer and thus serves as a measured variable.

Magnetfeldstärkemagnetic field strength

Diese wird im allgemeinen mit den oben beschriebenen Methoden vermessen. Mit Hilfe genauer Hall-Sensoren und einem Referenzmagnetfeld einer Helmholtzspule werden die Meßmethoden geeicht und dienen nun ebenfalls als ab­ solut messende Systeme.This is generally measured using the methods described above. With the help of accurate Hall sensors and a reference magnetic field Helmholtz coil the measurement methods are calibrated and now also serve as solid measuring systems.

Als Magnetmaterialien werden hartmagnetische Pulver mit möglichst hoher Remanenz (d. h. großes Signal) und hoher Koerzitivfeldstärke (d. h. große Sta­ bilität) favorisiert. Eingesetzt werden - neben neuen nanokristallinen SE-Legierungen mit z. Z. maximaler Remanenz - vorwiegend Sr-Hexaferrit-Pulver (Tridelta GmbH, Hermsdorf) und NdFeB-Pulver (Magnequench International Inc., Anderson, IN (USA)).Hard magnetic powders with the highest possible are used as magnetic materials Remanence (i.e. large signal) and high coercive field strength (i.e. large sta bility). Be used - in addition to new nanocrystalline SE alloys with e.g. Z. maximum remanence - predominantly Sr hexaferrite powder (Tridelta GmbH, Hermsdorf) and NdFeB powder (Magnequench International Inc., Anderson, IN (USA)).

Für viele Anwendungen ausreichende Magnetfeldstärken werden mit Sr-Hexaferrit erreicht. Dieses Pulver erweist sich als vorteilhaft gegenüber Neodym-Eisen-Bor vor allem in Bezug auf die Korrosionsstabilität, aber auch hin­ sichtlich günstigerer Teilchengrößenverteilungen.Sufficient magnetic field strengths are used for many applications Sr hexaferrite reached. This powder proves to be advantageous over Neodymium-iron-boron, especially in terms of corrosion stability, but also there visibly cheaper particle size distributions.

Die kommerziell erhältlichen NdFeB-Pulver besitzen durchschnittliche Teil­ chengrößen um 200 µm, sind damit deutlich zu grobkörnig und müssen vor der Anwendung aufgemahlen werden. Mittlere Teilchendurchmesser um 1 µm können erreicht werden; es ist jedoch auch hier ein störender Grobkornanteil (bis 50 µm) vorhanden, der abgetrennt werden muß. Zu beachten ist dabei das pyrophore Verhalten der gemahlenen Pulver mit Teilchengrößen 1 µm unter normaler Atmosphäre. Diese Teilchen sind jedoch für die zu entwickelnden Winkelmeßsysteme noch zu groß.The commercially available NdFeB powders have average parts sizes around 200 µm are clearly too coarse-grained and must be Application to be ground. Average particle diameter around 1 µm can be achieved; however, it is also a disruptive coarse grain fraction (up to 50 µm), which must be separated. Please note that pyrophoric behavior of the ground powder with particle sizes below 1 µm normal atmosphere. However, these particles are for those to be developed Angle measuring systems still too big.

Mit dem Ziel der Verbesserung der Druckpasteneigenschaften und der Korro­ sionsstabilität der Produkte können Vorbehandlungen der Pulver erfolgen. Als polymere Matrix für die Druckpastenherstellung sollen vorrangig aminhärtende Epoxide auf Bisphenol-F-Basis verwendet werden. Diese gestatten eine schrumpfungsarme Aushärtung der gedruckten Strukturen und besitzen, vergli­ chen mit Epoxidharzen auf der Basis von Bisphenol A, eine geringere Viskosi­ tät, was für die Einbringung eines hohen Feststoffanteils vorteilhaft ist. Eine weitere Herabsetzung der Viskosität soll durch die Anwendung reaktiver Ver­ dünner erreicht werden.With the aim of improving the printing paste properties and the corrosion Stability of the products can be pretreatment of the powder. As polymeric matrix for printing paste production are primarily intended to be amine-curing Bisphenol-F based epoxies can be used. These allow one low-shrinkage curing of the printed structures and possess, see with epoxy resins based on bisphenol A, a lower viscosity act, which is advantageous for the introduction of a high solids content. A  further reduction in viscosity should be achieved by using reactive ver can be achieved thinner.

Möglichst hohe Anteile der Magnetpulver werden mit den polymeren Harz­ mischungen und Zusatzstoffen gemeinsam dispergiert, wobei auf eine ausrei­ chende Homogenität zu achten ist.The highest possible proportions of the magnetic powder are made with the polymeric resin Mixtures and additives dispersed together, with one being sufficient adequate homogeneity.

Die magnetischen Strukturen werden vorrangig mittels Schablonendruck auf verschiedene Substratmaterialien aufgebracht, wobei u. a. die Erfordernisse hinsichtlich geometrischer Abmessungen, linearer Ausdehnung der Materialien, Rauhigkeit und Ebenheit der Substratoberflächen und Aspekten, die spezielle Anwendung betreffend, berücksichtigt werden müssen. In Betracht kommen z. B. Korund, Floatglas, Glaskeramiken mit niedrigem linearen Ausdehnungs­ koeffizienten, unmagnetischer Edelstahl sowie Kunststoffe, wobei eine Opti­ mierung der Hafteigenschaften erfolgen sollte.The magnetic structures are primarily created using stencil printing various substrate materials applied, u. a. the requirements with regard to geometric dimensions, linear expansion of the materials, Roughness and flatness of the substrate surfaces and aspects that special Application, must be taken into account. Be considered z. B. corundum, float glass, glass ceramics with low linear expansion coefficient, non-magnetic stainless steel and plastics, with an opti adhesive properties should be achieved.

Die magnetischen Strukturen mit Schichtdicken von 80 µm bis 100 µm bei 250 µm Breite und Abstand werden sinnvoll mit Schablonendrucktechnik her­ gestellt. Werden kleinere laterale Dimensionen als 250 µm erforderlich, ist das bei diesem Verfahren nur über eine Verringerung der Schichtdicke und damit des magnetischen Signals möglich.The magnetic structures with layer thicknesses from 80 µm to 100 µm 250 µm width and spacing are sensible with stencil printing technology posed. If smaller lateral dimensions than 250 µm are required, this is the case with this method only by reducing the layer thickness and thus of the magnetic signal possible.

Claims (12)

1. Absolut messende Winkelmeßeinrichtung mit einer drehbaren Scheibe, die stirnseitig mindestens zwei magnetisch abtastbare periodische Muster trägt, de­ ren Periodenzahl für den Vollkreis sich um den Wert eins unterscheidet, mit mehreren in der Nähe der Scheibe angeordneten, ein periodisches Abtastsignal liefernden magnetischen Abtastköpfen, dadurch gekennzeichnet, daß das Mu­ ster aus mindestens zwei konzentrischen Ringen untereinander äquidistanter Abschnitte archimedischer Spiralen mit dem Bildungsgesetz
besteht, wobei den Ringen jeweils mindestens ein Abtastkopf zugeordnet ist.1. Absolute measuring angle measuring device with a rotatable disk, which carries at least two magnetically scannable periodic patterns on the end face, the number of periods for the full circle of which differs by the value one, with several magnetic scanning heads arranged in the vicinity of the disk, providing a periodic scanning signal, thereby characterized in that the pattern of at least two concentric rings of equidistant sections of Archimedean spirals with the law of formation
consists of at least one scanning head is assigned to the rings. 2. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Abtastköpfe anisotrope magnetoresistive Schwachfeldsensoren sind.2. Angle measuring device according to claim 1, characterized in that the magnetic readheads anisotropic magnetoresistive weak field sensors are. 3. Winkelmeßeinrichtung nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Muster aus einem polymergebundenen feinkörnigem Magnetmaterial-Pulver, vorzugsweise mit einem mittleren Teilchendurchmes­ ser d50 von 0,5 µm bis 20 µm, auf eine Scheibe aus unmagnetischem Material, wie Aluminiumoxidkeramik, aus Floatglas, aus einer Glaskeramik mit niedri­ gem Wärmedehnungskoeefizienten, aus unmagnetischen Edelstahl oder aus ei­ nem organischen Kunststoff aufgedruckt ist.3. Angle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the pattern of a polymer-bound fine-grained magnetic material powder, preferably with an average particle diameter d 50 from 0.5 microns to 20 microns, on a disc made of non-magnetic material such as alumina ceramic , from float glass, from a glass ceramic with low thermal expansion coefficients, from non-magnetic stainless steel or from an organic plastic. 4. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teilchendurchmesser d50 im Bereich von 0,5 µm bis 2 µm liegt.4. Angle measuring device according to claim 3, characterized in that the average particle diameter d 50 is in the range from 0.5 µm to 2 µm. 5. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial ein Strontiumhexaferrit ist. 5. Angle measuring device according to claim 3 or 4, characterized in that the magnetic material is a strontium hexaferrite.   6. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial ein Bariumhexaferrit ist.6. Angle measuring device according to claim 3 or 4, characterized in that the magnetic material is a barium hexaferrite. 7. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung ist.7. Angle measuring device according to claim 3 or 4, characterized in that the magnetic material is a neodymium-iron-boron alloy. 8. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster eine strukturiert aufgedampfte oder aufgesputterte bzw. nach dem Aufbringen strukturierte Magnetschicht ist.8. Angle measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the pattern is a structured vapor-deposited or sputtered or after the application is structured magnetic layer. 9. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster eine nur in ihrer Magnetisierung strukturierte aufgedampfte oder aufgesputterte durchgehende Magnetschicht ist.9. Angle measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the pattern is a vapor-deposited one structured only in its magnetization or sputtered continuous magnetic layer. 10. Winkelmeßeinrichtung nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Muster anstatt auf einer drehbaren Scheibe an der Stirn­ fläche einer rotierenden Welle angebracht ist.10. Angle measuring device according to one of the preceding claims, characterized ge indicates that the pattern instead of on a rotating disc on the forehead surface of a rotating shaft is attached. 11. Winkelmeßverfahren für eine Einrichtung nach einem der bisherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ring, für den der Vollkreis di­ vidiert durch die Anzahl der Abschnitte vorzugsweise eine ganzzahlige Grad­ zahl oder einen glatten Bruch derselben ergibt, eine inkrementelle Grobmes­ sung vorgenommen wird, und Feststellung der Absolutposition sowie die Feinmessung durch einen Phasenvergleich der Abtastwerte beider Ringe erfol­ gen.11. Angle measurement method for a device according to one of the previous An sayings, characterized in that in a ring for which the full circle di vid by the number of sections preferably an integer degree number or a smooth fraction of it, an incremental Grobmes Solution is made, and determination of the absolute position as well as the Fine measurement by a phase comparison of the samples of both rings gene. 12. Winkelmeßverfahren für eine Einrichtung nach einem der bisherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinjustierung und/oder die Null­ punkteinstellung durch die radiale Verschiebung eines oder beider Abtastköpfe vorgenommen wird.12. Angle measurement method for a device according to one of the previous An sayings, characterized in that the fine adjustment and / or the zero point adjustment by the radial displacement of one or both scanning heads is made.
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