DE102017123772A1 - Elektromagnetisches Messsystem für die Erfassung von Länge und Winkel basierend auf dem Magnetoimpedanzeffekt - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Messeinrichtung zur Weg- oder Winkelmessung sowie ein korrespondierendes Messverfahren beschrieben. Gemäß einem Beispiel weist die Messeinrichtung einen Maßstab mit entlang einer Messrichtung variierender Magnetisierung auf, die ein entsprechend variierendes Magnetfeld bewirkt. Die Messeinrichtung weist weiter mindestens einen Abtastkopf auf, der abhängig von der relativen Lage zum Maßstab in Messrichtung von dem variierenden Magnetfeld durchsetzt wird. Der Abtastkopf umfasst folgendes: mindestens eine ferromagnetische Folie, die aufgrund des Magnetoimpedanz-Effektes eine von dem Magnetfeld anhängige und entlang der Messrichtung variierende lokale elektrische Impedanz aufweist, und mindestens eine Sensoreinheit, die dazu ausgebildet ist, mindestens zwei phasenverschobene Sensorsignale zu erzeugen, die von der lokalen elektrischen Impedanz der Folie abhängen.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen eine neuartige elektromagnetische Messeinrichtung zur Positionserfassung, die auf dem physikalischen Effekt der „Giant Magneto Impedance“ - GMI - basieren.
- HINTERGRUND
- Messeinrichtungen für die Länge- und Winkelerfassung sind bekannt und arbeiten nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Weiter wird eine vergleichende Gegenüberstellung der Hauptmerkmale dieser Messsysteme gemacht:
- Optoelektronische Messsysteme haben eine sehr kleine Messperiode (Periode der Teilung des Encoders) und sind dadurch sehr genau, weisen jedoch eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Belastung (Schock, Vibrationen) und Verschmutzung auf.
- Magnetische Messsysteme haben größere Messperiode, sind robust gegenüber Umwelteinflüsse, haben große Abtastabstände (Luftspalt zwischen Abtastkopf und Maßstab), weisen aber - aufgrund vergleichsweise großer Interpolationsfehler verursacht durch die geringe Abtastfläche der Magnetsensoren und Einzelperiodenabtastung gepaart mit der Inhomogenität der Magnetstärken von Periode zu Periode und haben einen signifikanten Umkehrfehler (Hysterese, bei Änderung der Bewegungsrichtung entsteht ein Signalsprung) - eine geringere Genauigkeit auf.
- Induktive Messsysteme haben ähnlich große Messperiode wie die magnetischen Messsysteme, weisen eine höhere Genauigkeit auf und haben keine Hysterese. Der Abtastabstand ist in Verhältnis zu den magnetischen Messsystemen sehr gering und begrenzt dadurch die jeweilige Anwendung.
- Der physikalische Magnetoimpedanzeffekt ist an sich bekannt und findet Anwendungen bei Sensoren unterschiedlicher Art. Der Magnetoimpedanzeffekt bewirkt, dass eine ferromagnetische oder weichmagnetische Folie (Draht), die (der) von einem hochfrequenten Strom durchflossen wird, ihre (seine) Impedanz in Abhängigkeit von einem externen elektromagnetischen Feld ändert. Dieses Verhalten kann mit dem an sich bekannten Skin-Effekt wie folgt erklärt werden:
- - „δ“ - Skin-Eindringstiefe,
- - „f“ - Arbeitsfrequenz,
- - „µ“ - magnetische Permeabilität,
- - „σ“ - elektrische Leitfähigkeit,
- Die Skin-Eindringstiefe
δ der durch das Material fließenden Ströme kann sich für ein bestimmtes Material entweder mit der Frequenz dieser Ströme oder/und mit der magnetischen Permeabilität des Materials ändern. Die1 zeigt symbolisch diese Abhängigkeiten, wobeiB die magnetische Induktion (Flussdichte),H die magnetische Feldstärke undZ die Impedanz bezeichnet. -
-
-
- Diese hohe Empfindlichkeit zeichnet den Magnetoimpedanzeffekt aus und führt in ihren Anwendungen zu hohen Signalkontrast und weiterführend zu sehr guten Wirkungsgraden.
- Im Folgenden werden einige Beispiele von Messgeräten, die sich den GMI-Effekt zunutze machen diskutiert. Aus der Patentschrift
US7791331-B2 ist ein Längenmessgerät bekannt das zwei Mäander förmige Windungen aus einer ferromagnetischen Legierung und einem beweglichen einzelnen Magnet aufweist. Durch die dreieckförmige Geometrie diesen Windungen die von einem hochfrequenten Strom durchflossen sind, entsteht eine Variation Ihrer Impedanz abhängig von der relativen Lage des Magnetes. Diese Einrichtung ist begrenzt in ihrem Messbereich gegenüber der Positionsauflösung und Genauigkeit die erreicht werden kann. - Aus der Patentschrift
DE19953190-C2 ist ein Winkelencoder bekannt. Es besteht aus einem Sternförmigen Leiter mit planarer Geometrie erzeugt aus einer ferromagnetischen Legierung und aus einem permanent Magnet der sich relativ zu diesem Leiter um ihre Achse drehen kann. Diese Encoderart kann nicht die Rotationsrichtung erfassen (nur die Drehgeschwindigkeit) und hat eine sehr geringe Anzahl von Impulsen pro Umdrehung (Auflösung). - Ein manuell zu handeln Lesekopf basierend auf dem GMI-Effekt für das Ablesen von magnetisch kodierten Bänder ist in der Patentschrift
AT406715-B - Das induktive Längen- und Winkelmesssystem beschrieben in der Patentschrift
EP1164358-B1 , bekannt am Markt unter den Namen AMOSIN® erreicht höhere Genauigkeiten und Auflösung in unter Mikrometer Bereich und weist auch keine Hysterese auf. Es hat aber den Nachteil, dass der Abtastabstand zwischen Maßstab und Abtastkopf in etwa zweimal geringer ist als für die hier vorgestellte Messeinrichtung bei gleicher Länge der Teilungsperiode. Darüber hinaus ist der Sensor der hier in der neu vorgestellten Messeinrichtung sehr einfach aufgebaut, hat eine wesentlich höhere Empfindlichkeit und weist höhere Signalamplituden auf. - Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine Messeinrichtung für Längen oder Winkel bereitzustellen, welche sich den Magnetoimpedanzeffekt zu Nutze macht und eine hohe Genauigkeit sowie verhältnismäßig große Abtastabstände ermöglicht, ohne von dem unerwünschten Phänomen der Hysterese betroffen zu sein. Des Weiteren sind geringe Herstellkosten der Sensorik wünschensweist sowie ein flexibler Sensorträger. Weiter wünschenswert ist eine große Abtastfläche über mehrere Perioden des magnetischen Maßstabes hinweg, um dadurch eine gute Signalmittelung und hohe Lagegenauigkeit zu erreichen.
- ZUSAMMENFASSUNG
- Die erwähnte Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Figurenliste
- Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert daraufgelegt, die zugrundeliegenden Prinzipien darzustellen.:
-
1 zeigt ein B/H Diagramm. -
2 illustriert die Hauptkomponenten der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele. -
3 illustriert ein erstes Ausführungsbeispiel eines Messsystems zur Messung von Weg oder Winkel. -
4 illustriert ein exemplarisches Beispiel einer elektronischen Schaltung für die Signalauswertung. -
5 illustriert ein zweites Ausführungsbeispiel eines Messsystems zur Messung von Weg oder Winkel. -
6 illustriert ein drittes Ausführungsbeispiel eines Messsystems zur Messung von Weg oder Winkel. -
7 illustriert ein viertes Ausführungsbeispiel eines Messsystems, das für die Winkelmessung geeignet ist. -
8 illustriert ein Beispiel eines magnetischen Maßstabs für ein Messsystem zur Messung der Absolutposition. - DETAILIERTE BESCHREIBUNG
- Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele (siehe
2 ) umfassen einen magnetischen Maßstab1 mit hartmagnetischer Teilung mit alternierenden Nord- und Süd-Polen mit gleichen oder unterschiedlichen Pollängen sowie einem Abtastkopf2 , der eine planare Sensoreinheit3 sowie eine Auswertelektronik4 aufweist. Die Sensoreinheit3 beinhaltet eine ferromagnetische Folie6 (vgl.3 ,5 und6 ). - Diese zwei Hauptkomponenten der Messeinrichtung (Maßstab
1 und Abtastkopf2 ) sind mit einem Luftspalt „d “ zueinander angeordnet und mechanisch mit zwei Maschinenelementen gekoppelt, die sich relativ zueinander linear oder rotatorisch bewegen können und deren Relativ- oder Absolutposition (lineare Position bzw. Winkelposition) erfasst wird. - Die Teilung des Maßstabes bewirkt durch die von ihm erzeugten Magnetfelder in der im Abtastkopf
2 angeordneten ferromagnetischen Folie die Entstehung korrespondierender Bereiche höherer und niedrigerer Permeabilität und folglich auch höherer bzw. niedrigerer Impedanz. Diese positionsabhängige Impedanzvariation wird mittels eines oder mehrerer Sensorelemente erfasst und nach der elektronischen Verarbeitung der von den Sensorelementen generierten Sensorsignale in der Auswertelektronik als Positionsinformation ausgegeben. -
2 illustriert ein Ausführungsbeispiel eines Messsystems, welches dazu geeignet ist, unter Verwendung des GMI-Effekts Positionen (Weg oder Winkel) zu messen. Das dargestellte Messsystem umfasst einen als dünnen Streifen realisierten Maßstab1 , der durch das Aufmagnetisieren einer hartmagnetischen Schicht alternierende Polaritäten (NordN , SüdS ) aufweist, die der Einfachheit halber im Folgenden periodisch dargestellt sind (was nicht notwendigerweise der Fall sein muss). Im Wesentlichen ist der Maßstab ein Permanentmagnet mit abwechselnder Polarisierung. Das von dem Permanentmagnet erzeugte Magnetfeld ist positionsabhängig und variiert beispielsweise periodisch mit der Teilung des Maßstabes1 . - Das Messsystem umfasst weiter einen Abtastkopf
2 , der einen auf einem dünnen, flexiblen Substrat aufgebauten Magnetimpedanz-Sensor (weiter als Sensoreinheit3 bezeichnet) sowie eine Auswertelektronik4 aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Sensorsignale der Sensoreinheit3 zu verarbeiten und diese in eine relative Positionsinformation des Abtastkopfes (relativ zu dem Maßstab1 in Messrichtung „x “) zu konvertieren. Die Abtastung erfolgt kontaktlos mit einer Distanz „d “ (Luftspalt) zwischen Maßstab1 und Abtastkopf2 . - Die Funktionsweise der Messeinrichtung gemäß dem Beispiel aus
2 wird anhand des Diagramms in3 näher erläutert. Gemäß dem in3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoreinheit3 ein flexibles, nichtmagnetisches Substrat5 , auf dem einzelne dünne Folien6 (im dargestellten Beispiel vier Stück) aus einem ferromagnetischen Material in einer bestimmten Anordnung und elektrisch von ein andern getrennt aufgebracht sind. Die Folien6 werden im Folgenden auch als Sensorelemente bezeichnet. - In dem dargestellten Beispiel weisen die ferromagnetischen Folien
6 (Sensorelemente) innerhalb eines Paares von zwei Sensorelementen einen Abstand von etwa λ/2 auf, wobei 2·λ die (magnetische) Teilungsperiode des Maßstabes1 ist. Die Länge eines Sensorelementes entspricht ungefähr der magnetischen Breite des Maßstabes1 quer zu Messrichtung. Ein erstes Paar der Folien6 , die mit S+ undS - beschriftet sind, sind einem Sinus-Kanal zugeordnet, wohingegen ein zweites Paar der Folien6 , die mit C+ und C- beschriftet sind, einem Cosinus-Kanal zugeordnet sind. Die beiden Paare von Folien (S+ ,S- undC+ ,C-) sind in einem Abstand von etwa n·λ + λ/4 auf dem Substrat5 angeordnet, wobein eine ganze Zahl ist. - In einer speziellen Ausführung können auch mehrere erste Folienpaare dem Sinus-Kanal und mehrere zweite Folienpaare dem Cosinus-Kanal zugeordnet sein. Zwei dem Sinus-Kanal (oder dem Cosinus-Kanal) zugeordnete Folienpaare sind in einem Abstand von n·λ angeordnet, wohingegen zwei Folienpaare wie erwähnt einen Abstand von etwa n·λ + λ/4 aufweisen, wenn sie unterschiedlichen Kanälen zugeordnet sind.
- Die Foliendicke der Folien
6 kann im Bereich zwischen ungefähr 5 µm und 30 µm liegen, je nachdem wie die das Messsystem ausgelegt wird und abhängig von Materialeigenschaften, Arbeitsfrequenz, Teilungsperiode, etc. - Der Einfachheit halber ist in
3 nur eine Mindestzahl von Sensorelementen dargestellt. Es kann für die Signalgewinnung und Mittelung der technologisch bedingten (z.B. geometrischen) Fehler im Sensor und im Maßstab von Vorteil sein, dass - wie bereits erwähnt - mehrere Paare von Sensorelementen entlang der Messrichtung „x “ in Abstand von η·λ zu ein andern wiederholt angeordnet werden, und die Sensorsignale der Sensorelemente6 für jeden der zwei Messkanäle (Sinus und Cosinus) summiert werden. - Gemäß dem Beispiel in
4 weist die im Abtastkopf3 angeordnete Auswerteelektronik4 einen Signalgenerator41 auf, der dazu ausgebildet ist, hochfrequente (in Bereich von 1 MHz bis etwa 100 MHz) Trägerströme konstanter Amplitude zu generieren. Jede der vier dargestellten Sensorelemente6 (beschriftet mitS+ ,S- ,C+ ,C- ) ist elektrisch so mit dem Signalgenerator verbunden, dass sie von dem Trägerstrom i durchflossen werden. In den hier dargestellten Beispielen sind die Sensorelemente6 in Reihe geschaltet, so dass derselbe Trägerstrom i durch die Sensorelemente6 fließt. - Die in der Sensoreinheit
2 angeordneten Sensorelemente6 (Folien) werden von dem von dem Maßstab1 erzeugten Magnetfeld (magnetische FlussdichteB ) durchsetzt. Wie erwähnt variiert das Magnetfeld entsprechend der Teilung des Maßstabs entlang der Messrichtung (x -Richtung), und folglich hängt die lokale magnetische Feldstärke/Flussdichte in den Sensorelementen6 von der Relativposition zwischen Sensoreinheit2 und Maßstab1 ab. Bei einer Verschiebung des Maßstabs relativ zur Sensoreinheit, verschiebt sich das Magnetfeld entsprechend. - Wie bereits erläutert bewirkt der Magnetoimpedanzeffekt (GMI-Effekt), dass - je nach Größe der magnetischen Flussdichte
B - die relative Permeabilität sich in jeder der Sensorelemente/Folien6 ändert und folglich auch die Stromeindringtiefe (Skin-Effekt) der hochfrequenten Erregerströme und damit auch die Impedanz der Sensorelemente/Folien6 . Die Messung der Impedanzen der vier Sensorelemente /Folien6 unter Verwendung der Auswertelektronik4 spiegelt die Abhängigkeit dieser Impedanzen von der relativen Lage des Abtastkopfes2 zum Maßstab1 wider. Wie erwähnt können die Sensorelemente/Folien6 mit einem konstanten Strom i gespeist und die resultierenden SpannungenUs+ ,Us- undUc+ ,Uc- (Spannungsabfälle über den Sensorelementen6 ) ausgewertet werden. - Um eine hohe Störfestigkeit zu erreichen und um einen unerwünschten Signaloffset und Rauschen zu unterdrücken, kann die Erfassung der Signale (z.B. Spannungen
Us+ ,Us- undUc+ ,Uc- ) der Sensorelemente6 in einer differentiellen Weise erfolgen, sodass ein Sinussignal (Us) durch die Bildung der Spannungsdifferenz Us+ - Us- und ein Cosinussignal (Uc) durch die Bildung der Spannungsdifferenz Uc+ - Uc- ermittelt wird (z.B. mittels Differenzverstärker42 und43 ). Die DifferenzsignaleUs undUc (Sinus- und Cosinussignal) weisen dieselbe Frequenz auf wie der hochfrequente Trägerstrom i. Die SignaleUs undUc werden in dem Beispiel aus4 demoduliert (Demodulator44 ). Das Ergebnis der Demodulation ist eine Gleichspannung deren Pegel bei gleichförmiger Bewegung des Maßstabes1 relativ zum Abtastkopf2 annähernd sinus- bzw. cosinusförmig variiert. Im Hinblick auf eine einfache Darstellung werden in den in3 und4 dargestellten Beispielen und in den folgenden Beispielen die zwei um etwa 90° in Phase verschobenen Signale sin α und cosa nach der Demodulation44 der hochfrequenten Trägerwelle repräsentiert. - Die Auslegung eines elektronischen Schaltkreises, der die Sensorsignale verstärkt, wandelt und in den bekannten normierten Schnittstellen am Ausgang des Abtastkopfs
2 der nachgeschalteten Elektronik für Positionsanzeigen oder Antriebsregelung zu Verfügung stellt, ist an sich bekannt und wird daher nicht weiter erläutert; von Bedeutung ist aber die Tatsache, dass durch die Erzeugung zwei phasenverschobenen sinusförmigen Signale die eindeutige Bewegungsrichtung und den elektrischen Winkel innerhalb einer Periode eindeutig bestimmt werden kann. - Wie bereits erwähnt können sich die vier ferromagnetischen Folien (Sensorelemente
6 ) in den Sensoreinheit3 relativ zu dem magnetischen Maßstab1 bewegen. Diese Sensorelemente6 werden von einem in Frequenz und Amplitude konstanten Strom (Trägerstrom i) durchflossen, der von der in der Auswertelektronik4 befindlichen Stromquelle41 erzeugt wird. Der Spannungsabfall (siehe4 , SpannungenUs+ ,Us- undUc+ ,Uc- ) über jedem den vier Sensorelemente6 kann als Maß für die Impedanz der jeweiligen Folie betrachtet werden. Diese SpannungenUs+ ,Us- undUc+ ,Uc- werden von den Differenzverstärkern42 bereitgestellt mit den Parametern: - - I0 - konstante Stromamplitude,
- - i - Trägerstrom,
- - ω = 2πf, f- konstante Frequenz,
- -
x - relative Lage Maßstab1 zur Sensoreinheit3 , - - λ - Hälfte der magnetischenTeilungsperiode,
- - k - natürliche Zahl,
- - US+, US-, UC+, UC- - Teilspannungen,
- - Uk - konstante Übertragungsspannung,
- - UOS, UOC - konstante Offsetspannungen,
- -
43 ) für jeden der zwei Messkanäle (Sinus- und Cosinuskanal): - Mit Hilfe dieser zweier „Quadratur“-Spannungen kann in bekannter Weise der elektrische Winkel und die Bewegungsrichtung mit Hilfe der Demodulatoren
44 , des Analog-Digital Wandlers45 und weitere digitale Verarbeitung ermittelt und als Positionsinformation „x “ ausgeben werde. - Es sei hier festgehalten, dass im Unterschied zu induktiven Messsystemen und aufgrund der Tatsache, dass die Impedanzänderungen nur von dem Betrag der Flussdichte
B , jedoch nicht von deren Richtungsvektor abhängig sind, die Sensorsignalperiodeλ die Hälfte der Teilungsperiode (2λ ) des Maßstabs beträgt. Das kann von großem Vorteil in der Auslegung eines Messsystems sein und erlaub höhere Genauigkeit und Auflösung. - Des Weiteren sei angemerkt, dass der hohe Wirkungsgrad des Magnetoimpedanzeffekts in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen zu höheren Sinus- und Cosinus-Signalamplituden führt und dadurch sich vergleichsweise größere Luftspalte
d realisieren lassen, weshalb die hier dargestellten Ausführungsbeispiele vielfältiger anwendbar sind als bekannte Messsysteme. -
5 illustriert ein zweites Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung, wobei in dem dargestellten Beispiel die Sensoreinheit3 folgendermaßen realisiert ist: Eine ferromagnetische Folie6 wird so an die Signalquelle41 (vgl.4 ) angeschlossen, dass sie in Querrichtung (quer zur Messrichtungx ) von dem hochfrequenten Trägerstrom (Erregerstrom) i durchflossen wird (i = I0·sin(ωt)). Die Folie6 weist dabei mindestens zwei Aussparungen8 mit einer Breite von etwa λ/2 bei einem Abstand von etwa n·λ + λ/4 auf. Die lokale Stromdichte in der Folie6 hängt von dem beschriebenen Magnetoimpedanzffekt ab. In Abhängigkeit der vom Maßstab1 erzeugten magnetischen FlussdichteB entstehen in der Folie6 lokale Bereiche unterschiedlicher Impedanz und demensprechend wird die lokale Stromdichte in der Folie6 im Wesentlichen die lokale FlussdichteB und damit die Teilung des Maßstabes1 widerspiegeln. Dieses „Strombild“ kann von planaren, parallel zur Folie6 angeordneten Empfängerspulen10 differentiell erfasst werden, sodass in ähnlicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß3 und4 die zwei phasenverschobenen SignaleUs undUc gewonnen werden können. - In diesem Ausführungsbeispiel kann auf die Folienaussparungen
8 möglicherweise auch verzichtet werden, wenn die Systemdimensionierung dies zulässt. Die Empfängerspulen10 können beispielweise als mehrlagige gedruckte Schaltung (multilayer printed circuit board) realisiert werden. In allgemein bekannter Weise lassen sich Magnetfelder die von den Empfängerspulen10 erfasst werden auch von anderen Art von Sensoren wie Halbleiter-Sensoren wie zum Beispiel Hallsensoren oder magnetischen Dünnfilm-Sensoren wie zum Beispiel Magnetwiderstände (MR), Riesenmagnetwiderstände (GMR) oder anisotrope Magnetwiderstände (AMR) erfassen. -
6 illustriert ein drittes Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung. In diesem Fall wird der hochfrequente Trägerstrom i nicht mehr wie in den vorhergehenden Beispielen direkt in die ferromagnetische Folie6 eingespeist, sondern in Emitterspulen11 , die zusammen mit den Empfängerspulen10 eine planare Spulenstruktur9 bilden. - Die Emitterspulen
11 induzieren in bekannter Weise Wirbelströme in der ferromagnetischen Folie6 . Die Stärke und die räumliche Lage (entlang der Messrichtung „x “) dieser Wirbelströme hängt von der variablen Magnetoimpedanz in bestimmten Bereichen der Folie6 ab und ist umgekehrt proportional zu der lokalen magnetischen FlussdichteB des von dem Maßstab1 erzeugten Magnetfeldes. Die Empfängerspulen10 haben im Wesentlichen die gleiche Funktion wie in dem vorherigen Beispiel aus5 und erfassen in differentieller Weise die lokal variablen Wirbelströmen in den unmittelbar gegenüberliegenden Bereichen der Folie6 . Dieses Ausführungsbeispiel bietet den Vorteil, dass die ferromagnetische Folie als passives Element realisiert werden kann und das Spulensystem als flexible mehrlagige gedruckte Schaltung implementiert und somit leicht an die Auswertungselektronik angeschlossen werden kann. - Wie bereits angegeben, ist es vorteilhaft für die Positionsmesseinrichtung, dass die Sensorfläche mehrere Perioden des Maßstabs erfasst. Durch die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele einer solchen Messeinrichtung mit flexiblen folienartigen Sensoreinheiten
3 lässt sich bei gleichbleibendem Luftspaltd auch eine Messeinrichtung zur Winkelmessung realisieren. Eine exemplarische Implementierung ist in7 dargestellt. Die Funktionsweise ist im Wesentlicheren gleich wie bei den bereits beschriebenen linearen Messanordnungen, wobei der Maßstab1 als Messtrommel (Encoder-Rad, Multipolrad) ausgebildet ist und relativ zu der Abtastkopf2 rotieren kann. - Die Oberfläche des Abtastkopfes
2 bzw. der Sensoreinheit3 lässt sich beliebig an jedem Außendurchmesser Encoder-Rades anpassen. Bei anderen Messeinrichtungen, welche ebene, starrte Sensorelemente aufweisen, ist dies nicht ohne weiteres möglich. - Im Allgemeinen können die Länge- und Winkelmesssysteme nach ihrer Arbeitsweise als inkrementelle und absolute Messsysteme klassifiziert werden. Dabei weisen inkrementelle Messeinrichtungen einen lediglich periodisch strukturierten Maßstab
1 auf, und die Positionsinformation kann als Auf- oder Abwärtszählung von Messimpulsen nach einem elektrischen „Reset“ ausgegeben. Im Gegensatz dazu steht bei einer absolut messenden Messeinrichtung zu jedem Zeitpunkt der Messung und unabhängig vor dem vorhergehenden Signalverlauf die Absolutposition des Maßstabs1 relativ zur Abtastkopf2 zur Verfügung. - Bei inkrementell arbeitenden Messsystemen kann für die Gewinnung eines oder mehrerer „Referenzpulse“ eine zusätzliche, zu der periodischen Hauptmessspur parallel verlaufende, zweite Spur auf dem Maßstab
1 vorgesehen sein. In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen lässt sich diese „Referenzspur“ als beliebige Folge von einzelnen Nord-Süd-Polpaaren umsetzten. Ein in der Sensoreinheit befindlicher Sensor kann in der gleichen Technik realisiert sein wie die Sensorelemente aus den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen und kann bei Detektion der Nord-Süd-Polpaare ein entsprechendes Referenzsignal erfassen und ausgeben. - Des Weiteren lässt sich für jedes der hier beschriebenen exemplarischen Messsystemausführungen auch eine die absolute (laterale oder Winkel-) Position erfassende Einrichtung realisieren (siehe
8 ). - Für eine Absolutpositionsmessung weist der Maßstab eine Kodierung auf, die eine Absolutposition eindeutig definiert und nach verschiedenen Prinzipien realisiert werden kann. Als Beispiel wurde in
8 eine sogenannte „Random Code“-Absolutspurausführung dargestellt, wobei der Maßstab1 eine Reihenfolge von Magnetpolen Nord-Süd mit gleichen oder unterschiedlichen Längen aufweist, sodass im ganzen Messbereich eine bestimmte Kombination (Code) der Länge „L “ nur ein einziges Mal vorkommt. Eine solche Absolutspur kann von jeder der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele erfasst werden. Eine gleichmäßige angeordnete Sensorfläche besteht aus differentiell arbeitenden einzelnen Sensorelementen und liefert nach der Signalaufbereitung einen bestimmten Code, z.B. „1101001“, der die Absolutposition an einer einzigen Stelle definiert. - Für das Erreichen einer höheren Positionsauflösung kann selbstverständlich eine Absolutspur in parallel zu einer hochauflösenden Inkrementalspur auf dem Maßstab aufgebracht werden und in bekannter Weise in Kombination ausgewertet werden.
- Im Folgenden werden einige Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zusammengefasst. Die folgende Aufzählung ist nicht abschließend zu verstehen, sondern lediglich exemplarisch.
- Beispiel 1: Eine Messanordnung zur Weg- oder Winkelmessung mit einem Maßstab
1 mit entlang einer Messrichtungx variierenden Magnetisierung, die ein entsprechend variierendes MagnetfeldB bewirkt, und mit mindestens einer Sensoreinheit2 , die von dem MagnetfeldB durchsetzt wird und die folgendes aufweist: mindestens eine ferromagnetische Folie6 , die aufgrund des Magnetoimpedanz-Effektes eine von dem MagnetfeldB anhängige und entlang der Messrichtungx variierende lokale elektrische Impedanz aufweist; und mindestens ein Sensorelement (vgl.z .B.3 ,5 ,6 , Ziffern6 ,7 ,10 ), das dazu ausgebildet ist, ein Sensorsignal (z.B.Us+ ,Us- ,Uc+ ,Uc- ) zu erzeugen, das von der lokalen elektrische Impedanz in einem Bereich der Folie6 abhängt. - Beispiel 2: Die Messeinrichtung gemäß Beispiel 1, die weiter eine Signalquelle
41 (vgl.4 ) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, einen Wechselstrom i bereitzustellen, wobei die mindestens eine ferromagnetische Folie6 mit der Signalquelle verbunden ist, und der Wechselstrom i quer zur Messrichtungx durch die mindestens eine ferromagnetische Folie6 fließt und im Betrieb eine im konstante Frequenz und eine konstante Amplitude aufweist, und wobei eine resultierende Stromdichte (Verteilung des Wechselstroms i) in der mindestens einen ferromagnetischen Folie6 aufgrund der variierenden lokalen elektrischen Impedanz entlang der Messrichtungx unterschiedlich hoch ist. - Beispiel 3: Die Messeinrichtung gemäß Beispiel 1, die weiter eine Signalquelle
41 (vgl.4 ) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, einen Wechselstrom i bereitzustellen, der in die mindestens eine Folie6 eingespeist wird, wobei die mindestens eine Folie6 mindestens zwei Folien umfasst, die entlang der Messrichtungx nebeneinander angeordnet sind, und wobei das mindestens eine Sensorelement (vgl.3 , Ziffer6 ) mindestens zwei SensorelementeS+ ,S- ,C+ ,C- umfasst, die durch die Folien selbst gebildet werden, an denen als SensorsignaleUs+ ,Us- ,Uc+ ,Uc- jeweils eine Spannung quer zur Messrichtungx abgegriffen wird. - Beispiel 4: Die Messeinrichtung gemäß Beispiel 1, die weiter eine Signalquelle
41 (vgl.4 ) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, einen Wechselstrom i bereitzustellen, der in die mindestens eine Folie6 eingespeist wird, wobei das mindestens eine Sensorelement ein magnetfeldempfindliches Halbleitersensorelement oder ein magnetfeldempfindliches Dünnschichtsensorelement ist, welches als Sensorsignal ein Signal erzeugt, das eine magnetische Feldstärke repräsentiert, welche von dem durch die mindestens eine Folie6 fließenden Wechselstrom bewirkt wird. - Beispiel 5: Die Messeinrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei das mindestens eine Sensorelement eine planare Spule (vgl.
5 , Spulen10 ) aufweist. - Beispiel 6: Die Messeinrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 5, wobei das mindestens eine Sensorelement ein erstes Sensorelement
S+ und ein zweites SensorelementS - umfasst, die entlang der Messrichtung nebeneinander angeordnet sind, und wobei die SensorsignaleUS+ ,US- des ersten SensorelementsS+ und des zweiten SensorelementsS - zu einem Differenzsignal verknüpft sind (vgl.3 bis6 ). - Beispiel 7: Die Messeinrichtung gemäß Beispiel 1, wobei das mindestens eine Sensorelement mindestens eine planare Spule
10 aufweist, wobei die Sensoreinheit3 weiter mindestens eine Emitterspule11 aufweist, die mit der Signalquelle41 verbunden und mit der mindestens einen planaren Spule10 transformatorisch gekoppelt ist (vgl.6 ) und wobei die mindestens einen Folie6 als Eisenkern fungiert, in dem Wirbelströme induziert werden, die von der lokalen Impedanz der mindestens einen Folie6 abhängen. - Beispiel 8: Die Messeinrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 7, wobei der Maßstab
1 eine regelmäßige Teilung 2·λ aufweist, und wobei das mindestens eine Sensorelement mindestens zwei Sensorelemente aus einer ersten Gruppe und mindestens zwei Sensorelemente aus einer zweiten Gruppe umfasst, wobei die Sensorelemente der ersten Gruppe zueinander einen Abstand aufweisen, der einem Vielfachen der halben Teilungλ entspricht, und wobei die Sensorelemente der zweiten Gruppe relativ zu den Sensorelementen der ersten Gruppe einen Abstand aufweisen der einem Vielfachen der halben Teilung plus einem Viertel der Teilung (d.h. n·λ+λ/4) entspricht. - Beispiel 9: Die Messeinrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 8, wobei der Maßstab
1 mehrere nebeneinander liegende Spuren aufweist. - Beispiel 10: Die Messeinrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 9, wobei der Maßstab eine Absolutkodierung aufweist, die eindeutig die Lage des Maßstabes relativ zur Sensoreinheit
2 definiert. - Beispiel 11. Die Messeinrichtung gemäß einem der Beipsiel
1 bis10 , wobei der Maßstab eine Zylinderform aufweist und die Teilung des Maßstabs eine Winkelteilung ist. - Beispiel 12: Ein Verfahren zur Messung der relativen Lage zwischen einem Maßstab
1 und einer vom Maßstab1 beabstandeten Sensoreinheit2 . Gemäß diesem Beispiel umfasst das Verfahren das Erzeugen eines entlang einer Messrichtungx variierenden MagnetfeldesB mittels des Maßstabes1 , der eine entlang der Messrichtung variierende Magnetisierung aufweist, und weiter das Beeinflussen der lokalen elektrischen Impedanz mindestens einer Folie6 , die in der Sensoreinheit2 angeordnet ist, wobei die lokale elektrische Impedanz aufgrund des Magnetoimpedanz-Effektes von dem lokalen Magnetfeld und damit von der Lage des Maßstabes1 relativ zur Sensoreinheit2 abhängt. Das Verfahren umfasst weiter das Erfassen eines Signals mittels mindestens eines Sensorelementes, welches die lokale elektrische Impedanz in einem Bereich der mindestens einen Folie6 repräsentiert. - Beispiel 13: Das Verfahren gemäß Beispiel 11, das weiter aufweist: das Einspeisen eines hochfrequenten Wechselstromes in die mindestens eine Folie
6 , wobei die Stromdichte entlang der Messrichtungx von der lokalen elektrischen Impedanz der mindestens einen Folie6 abhängt, und das Demodulieren des mittels des Sensorelementes erfassten Signals. - Beispiel 14: Das Verfahren gemäß Beispiel 13, wobei das Erfassen eines Signals mittels eines Sensorelementes folgendes umfasst: das Abgreifen einer Spannung an der mindestens einer Folie
6 , wobei die Spannung von der lokalen Impedanz abhängt oder das Erfassen - mittels einer planaren Spule oder eines magnetfeldempfindlichen Halbleiterelementes oder Dünnschichtsensorelements - eines Sensorsignals, das eine magnetische Feldstärke repräsentiert, welche von dem durch die mindestens eine Folie6 fließenden Wechselstrom bewirkt wird. - Beispiel 15. Das Verfahren gemäß Beispiel 13, wobei die lokale elektrischen Impedanz der mindestens einen Folie
6 durch den durch mindestens eine Emitterspule11 fließenden Wechselstrom beeinflusst wird, wobei als Sensorelement eine planare Spule verwendet wird, welche mit der Emitterspule11 transformatorisch gekoppelt ist und die mindestens einen Folie6 als Eisenkern fungiert. - Sämtliche Beispiele können sowohl in Systemen zur Wegmessung Messung von Verschiebungen oder Position) als auch zur Winkelmessung (bei rotierendem Encoder) eingesetzt werden. Auch ist mit allen Beispielen, je nach Codierung des Maßstabes eine inkrementelle (relative) Messung von (Winkel-) Positionen als auch die Messung einer absoluten (Winkel-) Position möglich.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- DE 19953190 C2 [0013]
- AT 406715 B [0014]
- EP 1164358 B1 [0015]
Claims (13)
- Eine Messanordnung zur Weg- oder Winkelmessung mit einem Maßstab (1) mit entlang einer Messrichtung (x) variierenden Magnetisierung, die ein entsprechend variierendes Magnetfeld (B) bewirkt, und mindestens einem Abtastkopf (2), der abhängig von der relativen Lage zum Maßstab (1) in Messrichtung (x) von dem variierenden Magnetfeld (B) durchsetzt wird und der folgendes aufweist: mindestens eine ferromagnetische Folie (6), die aufgrund des Magnetoimpedanz-Effektes eine von dem Magnetfeld (B) anhängige und entlang der Messrichtung (x) variierende lokale elektrische Impedanz aufweist; und mindestens eine Sensoreinheit (3), die dazu ausgebildet ist, mindestens zwei phasenverschobene Sensorsignale (Us, Uc) zu erzeugen, die von der lokalen elektrischen Impedanz der Folie (6) abhängen.
- Die Messeinrichtung gemäß
Anspruch 1 , die weiter aufweist: eine Signalquelle, welche dazu ausgebildet ist, einen Wechselstrom (i) mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz bereitzustellen, der in die mindestens zwei entlang der Messrichtung beanstandet angeordneten Folien (6) eingespeist wird, wobei die Folien (6) selbst als Sensorelemente der Sensoreinheit (3) ausgebildet sind und wobei das entlang der Messrichtung (x) variierende Magnetfeld (B), welches von der Position des Maßstabs (1) relativ zum Abtastkopf (2) abhängt, die Impedanz der Folien (6) beeinflusst, die als Messinformation (Us+, Us-, Uc+, Uc-) ausgewertet wird. - Die Messeinrichtung gemäß einem der
Ansprüche 1 und2 , wobei die lokalen Stromstärken in der ferromagnetischen Folie (6), die aufgrund des Magnetfeldes (B) lokal variieren, von planaren Spulen (10) erfasst werden. - Die Messeinrichtung gemäß
Anspruch 1 , die weiter eine Signalquelle aufweist, welche dazu ausgebildet ist, einen Wechselstrom (i) mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz bereitzustellen, wobei die Sensoreinheit (3) mindestens eine Emitterspule (11) aufweist, die mit der Signalquelle verbunden und mit der mindestens einer planaren Empfängerspule (10) transformatorisch gekoppelt ist, und wobei die mindestens eine Folie (6) als Eisenkern fungiert, in der die Emitterspule (11) Wirbelströme induziert, die von der lokalen Impedanz der mindestens einen Folie (6) abhängen. - Die Messeinrichtung gemäß einem der
Ansprüche 1 bis4 wobei die Bildung jeder der Sensorsignale (US) und UC) durch die Differenzbildung von jeweils zwei Messinformationen (US+, US-; UC+, UC-) erfolgt; wobei die zwei Messinformationen (US+, US-; UC+, UC-) jeweils von mindestens einem Paar einzelner Sensorelemente (S+, S-; C+, C-) generiert werden, die entlang der Messrichtung (x) beabstandet in der Sensoreinheit (3) angeordnet sind. - Die Messeinrichtung gemäß einem der
Ansprüche 1 bis5 , wobei der Maßstab (1) eine regelmäßige Teilung mit einer doppelten Periode (2·λ) aufweist, und wobei die Sensoreinheit (3) mindestens zwei Sensorelemente aus einer ersten Gruppe und mindestens zwei Sensorelemente aus einer zweiten Gruppe umfasst, wobei die Sensorelemente der ersten Gruppe zueinander einen Abstand aufweisen, der etwa einem ungerade Vielfachen der halben Periode ((2n+1) · λ/2) entspricht und wobei die Sensorelemente der zweiten Gruppe relativ zu den Sensorelementen der ersten Gruppe einen Abstand aufweisen der etwa einem Vielfachen der halben Periode plus einem Viertel der Periode (n·λ+λ/4) entspricht. - Die Messeinrichtung gemäß einem der
Ansprüche 1 bis6 , wobei der Maßstab (1) mehrere nebeneinanderliegende magnetische Spuren aufweist. - Die Messeinrichtung gemäß einem der
Ansprüche 1 bis7 , wobei der Maßstab eine Absolutkodierung aufweist, die eindeutig die Lage des Maßstabes relativ zum Abtastkopf (2) definiert. - Die Messeinrichtung gemäß einem der
Ansprüche 1 bis8 , wobei der Maßstab eine Zylinderform aufweist und die Teilung des Maßstabs eine Winkelteilung ist. - Ein Verfahren zur Messung der relativen Lage zwischen einem Maßstab (1) und einem vom Maßstab (1) beabstandeten Abtastkopf (2); das Verfahren umfasst: Erzeugen eines entlang einer Messrichtung (x) variierenden Magnetfeldes (B) mittels des Maßstabes (1), der eine entlang der Messrichtung variierende Magnetisierung aufweist; Beeinflussen der lokalen elektrischen Impedanz mindestens einer Folie (6), die in der Sensoreinheit (3) angeordnet ist, wobei die lokale elektrische Impedanz aufgrund des Magnetoimpedanz-Effektes von dem lokalen Magnetfeld und damit von der Lage des Maßstabes (1) relativ zur Sensoreinheit (2) abhängt, sodass mindestens zwei in Phase verschobene Messsignale erzeugt werden; Erfassen eines Signals mittels eines Sensorelementes, welches die lokale elektrische Impedanz in einem Bereich der mindestens einer Folie (6) repräsentiert.
- Das Verfahren gemäß
Anspruch 10 , das weiter aufweist: Einspeisen eines hochfrequenten Wechselstromes in die mindestens eine Folie (6), wobei die Stromdistribution entlang der Messrichtung (x) von der lokalen elektrischen Impedanz der mindestens einer Folie (6) abhängt, und Auswertung, insbesondere Demodulieren, des mittels des Sensorelementes erfassten Signals. - Das Verfahren gemäß
Anspruch 11 , wobei das Erfassen eines Signals mittels eines Sensorelementes umfasst: Abgreifen einer Spannung an der mindestens einer Folie (6), wobei die Spannung von der lokalen Impedanz abhängt oder Erfassen - mittels einer planaren Spule oder eines magnetfeldempfindlichen Halbleiterelementes oder Dünnschichtsensorelements - eines Sensorsignals, das eine magnetische Feldstärke repräsentiert, welche von dem durch die mindestens eine Folie (6) lokal fließenden Wechselstrom bewirkt wird. - Das Verfahren gemäß
Anspruch 12 , wobei die lokale elektrische Impedanz der mindestens einen Folie (6) die den durch mindestens eine Emitterspule (11) induzierten Wirbelströme beeinflusst, wobei als Sensorelement eine planare Empfängerspule (10) verwendet wird, welche mit der Emitterspule (11) transformatorisch gekoppelt ist und die mindestens eine ferromagnetische Folie (6) als Eisenkern fungiert.
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