DE19821297C2

DE19821297C2 - Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition

Info

Publication number: DE19821297C2
Application number: DE1998121297
Authority: DE
Inventors: Ivan Saprankov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: DE19821297A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur absoluten Positionsmessung mit einem Maßstab und dagegen beweglichen Sensoren, die zur präzisen Ermittlung von Abständen in gerader Linie oder auf gekrümmten (z. B. kreisförmigen) Linien, sowie zur absoluten Positionsmessung auf flachen oder auf gekrümmten (z. B. walzen förmigen) Flächen dient. Solche Messungen werden im zunehmenden Maß im Maschinenbau, zum Beispiel in der Feinwerktechnik oder in der Technologie der Halbleiterbauelemente, erforderlich. Anordnungen zur Bestimmung der Absolut position mit optischen Sensoren werden beschrieben (siehe den Artikel "Raummaßstab in der Koordinatenmeßtechnik" in der Zeitschrift "Kontrolle" vom Juni 1991, Seite 6 bis 10). Bekannt sind derartige Anordnungen auch mit Magnetfeldsensoren. So wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 36 11 469 A1 eine Anordnung beschrieben, bei der sich der mit einem Dauermagnet markierte Teil gegenüber einer Magnetfeldsensoranordnung bewegt. Die Magnetfeldsensoren stellen die jeweilige Position des Magneten fest. Als Nachteil dieser Anordnung ist zu sehen, daß zur Messung größerer Positionsveränderungen die gesamte Meßstrecke mit einer entsprechend hohen Anzahl von Sensoren bestückt sein muß.

Eine andere Anordnung wird in der Patentschrift DE 43 09 881 C1 angeführt. Sie wird mit einem Magnetfeldsensor, der eine Vielzahl streifenförmiger Sensorelemente enthält, und einem Maßstab, der in einer Spur in den Bereichen gleicher Länge eine bestimmte Anzahl von flächenhaften Codeelementen enthält, ausgerüstet. Den Längen dieser Codeelemente und ihrer Kombination sind Informationen über die messende Absolutposition zu entnehmen. In zwei nebeneinanderliegenden Bereichen entspricht die Verteilung der Codeelemente einander, jedoch ist die in ihnen gespeicherte physikalische Größe zueinander komplementär. Der Magnetfeldsensor ermittelt die Differenzen der Größen jeweils in einem Abstand eines Bereichs und wertet die Nulldurchgänge der Magnetfeldstärke zur Bestimmung der Codeelementelängen aus. Der erste Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Magnetfeldstärkeverlauf bei ungleichlangen Magnetisierungsbereichen von Magnetspuren eine komplizierte unberechenbare Funktion vom Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und der Maßstabsoberfläche ist. Dies wird im Artikel "Auf Magnet-Basis und doch hochgenau" in der Zeitschrift "Elektronik" N25, 1995, Seite 86 bis 92 beschrieben. Der zweite Nachteil besteht darin, daß die größeren Ausmaße der Magnetfeldsensoren zur starken Wirkung von Störmagnetfeldern und die größere Anzahl der Sensorelemente zur Steigerung der Aufwandkosten führen.

Eine andere Anordnung, die das Arbeitsprinzip der bekannten Binärmeßsysteme vollständig benutzt, z. B. von optischen Meßsystemen mit Kodeschablone, wird in der Offenlegungsschrift DE 43 06 634 A1 angeführt. Diese Anordnung erhält ein paar Magnetwiderstandsensoren, die auf dem relativ zum Maßstab beweglichen Sensoren träger montiert werden, und einen Maßstab mit der entsprechenden Menge von neben einanderliegenden periodischen Magnetspuren. Der Neigungswinkel zwischen den Magnetwiderstandsensoren und den Rändern der magnetisierten Abschnitte wird so ausgewählt, um bessere Ausgangssignale der Magnetwiderstandsensoren zu erreichen. Diese Anordnung hat alle Nachteile von bekannten Binärmeßsystemen, z. B. bei der großen Meßlänge erfordert sie eine große Menge von Kodemagnetspuren und Magnetwiderstandsensoren. Dazu hat diese Anordnung den zusätzlichen größeren Nachteil: der notwendigen Abstand zwischen dem Maßstab und dem beweglichen Sensorenträger begrenzt ihre Auflösung, z. B. bei dem o. a. Abstand 500 µm ist sehr schwierig, die Auflösung dieses Meßsystems bedeutend besser als 500 µm zu erreichen.

Eine andere Anordnung, die mit zwei Magnetfeldsensoren, die auf dem relativ zum Maßstab beweglichen Sensorenträger montiert sind, und einem Maßstab mit zwei nebeneinanderliegenden periodischen Magnetspuren auskommt, wird in der Patentschrift DE 33 08 404 C2 angegeben. Die beiden Magnetspuren des Maßstabs sind in periodischen Abständen jeweils entgegengesetzt in der Maßstabslängsrichtung magnetisiert. Die Periodenlängen der beiden Magnetspuren sind jedoch unter schiedlich, so daß die eine von Magnetspuren auf die Meßlänge, eine Periode mehr als die andere enthält. Jede Magnetspur wird von einem Einzelmagnetfeldsensor, der die zwei Sinus-Cosinus-Elemente enthält, abgetastet. Es gibt zwei Fälle der Anordnungen von Magnetfeldsensoren. Im ersten Fall werden die magnetoresistiven Schichtstreifen der Magnetfeldsensoren parallel zur Oberfläche des Maßstabs untergebracht und der Abstand zwischen den Sinus-Cosinus-Elementen von jedem Magnetfeldsensoren ist genau gleich der Hälfte der Breite der magnetisierten Abschnitte von entsprechenden Magnetspuren; im zweiten Fall werden die magnetoresistiven Schichtstreifen der Magnetfeldsensoren senkrecht zur Oberfläche des Maßstabs untergebracht und der Abstand zwischen den Sinus-Cosinus-Elementen von jedem Magnetfeldsensor ist genau gleich dem Viertel der Breite der magnetisierten Abschnitte von entsprechenden Magnetspuren. In beiden obengenannten Fällen werden die Magnetfeldsensoren in der Maßstabslängsrichtung positioniert. Aus den Phasen der Ausgangsspannungen von Sinus-Cosinus-Elementen des ersten Magnetfeldsensors wird die Position des Sensorenträgers innerhalb einer Einzelperiode der ersten Magnetspur ermittelt. Aus der Phasendifferenz der Ausgangsspannungen von beiden Magnetfeldsensoren wird die Position dieser Einzelperiode ermittelt. Die Phasendifferenz muß zur sicheren Positionsermittlung mit einem Fehler aus den Ausgangsspannungen von beiden Magnetfeldsensoren bestimmt werden, der wesentlich kleiner als das Reziproke der insgesamt vorhandenen Perioden ist.

Der erste Nachteil dieser Anordnung ist, daß sie nur die Positionsermittlung auf einer Koordinate ermöglicht. Der zweite Nachteil dieser Anordnung ist, daß die maximale Meßlänge und Geschwindigkeit des beweglichen Sensorenträgers bei der höheren Forderung zur Auflösung der Positionsermittlung stark eingeschränkt sind. Das ist darauf zurückzuführen, daß die kleineren Periodenlängen vorzugsweise zur Sicherung der höheren Positionsauflösung benutzt werden sollen, aber für eine notwendige Meßlänge die größeren Periodenlängen benutzt werden sollen.

Dazu soll man die nächsten Aspekte berücksichtigen:

- die Auswerteschaltung hat immer ihren Phasenfehler, der sich bei den verbreiternden Frequenzbereichen von bearbeiteten Spannungen vergrößert; deshalb je kleiner die Periodenlänge ist, desto schwieriger ist es den Einfluß dieses Phasenfehlers auf die Positionsermittlung bei höherer Geschwindigkeit des beweglichen Sensorenträgers zu vermeiden;
- die unvorhergesehenen Fehler der Positionierungsrichtung der Magnetfeldsensoren, führen zu den zusätzlichen Phasendifferenzfehlern; je kleiner die Periodenlänge dabei ist, desto schwieriger kann man die zusätzlichen Phasendifferenzfehler vermeiden.

Beispiel 1

Bei 4 mm Abstand zwischen nebenliegenden Magnetspuren, 500 µm der Periodenlänge der ersten Magnetspur, 505 µm der Periodenlänge der zweiten Magnetspur, die der Meßlänge 50 mm und der Phasendifferenzauflösung 1,8° entsprechen, darf die zufällige Neigung der Achse des beweglichen Sensorenträgers den Winkel 0,0358° nicht übersteigen.

Die obengenannte Ursache kann zu einem Fehler der Positionsermittlung führen, der vielfach größer als die Periodenlänge der Magnetspuren sein könnte. Dabei fordert man die Erweiterung der Periodenlänge von Magnetspuren und der Ausmaße der Magnetfeldsensoren, aber dies führt zur starken Wirkung von Störmagnetfeldern und zur Steigerung der Aufwandskosten; deshalb je kleiner die Ausmaße der Magnet feldsensoren sind, desto geringer ist der Aufwand für die Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition.

Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition auf einer oder zwei Koordinaten anzugeben, die bei höherer Auflösung und größerer Meßlänge und Geschwindigkeit des Sensorenträgers mit geringem Aufwand herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Hauptanspruch angegebene Anordnung sowie die in den weiteren Ansprüchen formulierten Ausführungsformen gelöst. Für die Bestimmung der Absolutposition sind nur die Ausführung der Magnetspuren des Maßstabs und die Auswahl der notwendigen Positionierungsrichtung der Magnet feldsensoren entsprechend den Ansprüchen erforderlich. Sämtliche Magnetspuren werden jetzt lediglich mit den kürzeren Periodenlängen ausgenützt, aber die angegebene Anordnung gewährleistet die obengenannten Ziele. Die Periodenlänge der Magnetspuren, die man jetzt aufs beste auswählen kann, sichert dabei die höhere Auflösung der Absolutposition. Bei dieser Anordnung realisiert man die Vorteile, die man bei den bekannten Anordnungen nur durch die Benutzung der größeren Perioden längen von Magnetspuren bekommen könnte, z. B. ist eine größere Meßlänge erreichbar, dabei vermeidet man die spezifischen Nachteile, die bei der üblichen Benutzung der größeren Periodenlängen der Magnetspuren vorhanden sind, z. B. ist eine minimale Störungsauswirkung von Außenmagnetfeldern erreichbar. Dabei vermeidet man die Nachteile, die für kleinere Periodenlängen der Magnetspuren charakteristisch sind, z. B. die zusätzlichen Phasenfehler, die bei der höheren Geschwindigkeit des beweglichen Sensorenträgers und bei den zufälligen Neigungen der Achse des beweglichen Sensorenträgers entstehen. Bei dieser Anordnung kann man nur einen Typ des Magnetfeldsensors benutzen oder alle Magnetfeldsensoren (in Fall der Messungen der Absolutposition auf einer Koordinate) auf einem Chip ausführen, da in beiden Fällen nur ein kleiner Aufwand nötig ist.

Den Maßstab kann man in zwei Spielarten ausführen. Im ersten Fall wird die Magnetisierungsrichtung von den magnetisierten Abschnitten sämtlicher Magnetspuren als Senkrechte auf der Oberfläche des Maßstabs angeordnet. Im zweiten Fall sind die Magnetisierungsrichtungen von magnetisierten Abschnitten sämtlicher Magnetspuren allesamt in der Oberfläche des Maßstabs angeordnet. Dieser Unterschied ist einzeln und nicht prinzipiell, deshalb wird man die angebotene Anordnung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel mit einem Maßstab erläutern, in dem die Magnetisierungs richtungen von Abschnitten der Magnetspuren in der Oberfläche des Maßstabs sämtlich liegend sind.

Bei der Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition auf zweien Koordinaten kann man alle Magnetspuren nicht nur auf einer Fläche, sondern auch auf verschiedenen untereinanderliegenden Flächen anordnen.

Fig. 1 zeigt einen viermagnetspurigen Maßstab und einen Sensorenträger mit vier Magnetfeldsensoren.

Fig. 2 zeigt eine andere Anordnung eines viermagnetspurigen Maßstabes und eines Sensorenträgers mit vier Magnetfeldsensoren.

In Fig. 1 sind vier Magnetspuren 1, 2, 3, 4 auf der begrenzenden Strecke vom Maßstab 5 schematisch dargestellt. Auf diesen Figuren wird ein Koordinatensystem dargestellt, dabei ist die Koordinatenachse X horizontal und die Koordinatenachse Y vertikal angeordnet. Die Maßstabslängsrichtung, die längs der Koordinatenachse X angeordnet wird, ist durch die Doppelpfeile 6 dargestellt. Der im Betrieb der Anordnung sich über diese Magnetspuren 1, 2, 3, 4 bewegliche Sensorenträger 7 mit den Magnetfeld sensoren 8, 9, 10, 11 wird in den Zeichnungen nach rechts verschoben, damit die Maßstabsstruktur sichtbar wird. Die Magnetfeldsensoren 8, 9, 10, 11 und Magnet spuren 1, 2, 3, 4 werden in zwei Teile geteilt. Der Magnetfeldsensor 8 abtastet den ersten Teil von Magnetspuren (d. h. die Magnetspur 1), und die Magnetfeldsensoren 9, 10, 11 abtasten den zweite Teil von Magnetspuren (d. h. die Magnetspuren 2, 3, 4). Jede Magnetspur 1, 2, 3, 4 hat ihre Abschnitte, die jeweils entgegengesetzt periodisch in ihrer positiven und negativen Richtung magnetisiert sind. Die Magnetisierungs richtungen der magnetisierten Abschnitte jeder Magnetspur 1, 2, 3, 4 sind durch die entsprechende Pfeile dargestellt. Die Magnetfeldsensoren 8, 9, 10, 11 werden in zwei Richtungen positioniert, wobei Magnetfeldsensor 8 beispielsweise in der Maßstabslängsrichtung positioniert wird und die Magnetfeldsensoren 9, 10, 11 quer über die Maßstabslängsrichtung positioniert werden. Die Breite der magnetisierten Abschnitte jeder Magnetspur in ihrer Magnetisierungsrichtung sind über die Ziffern 12, 13, 14, 15 in Fig. 1 bezeichnet, d. h. die Periodenlängen λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ jeder Magnetspur 1, 2, 3, 4 in ihrer Magnetisierungsrichtung haben den Wert, der gleich der verdoppelten Breite (12, 13, 14, 15) der magnetisierten Abschnitte jeder entsprechenden Magnetspur 1, 2, 3, 4 ist. Die Neigungswinkel α₁, α₂, α₃, α₄ der Ränder von magnetisierten Abschnitten jeder Magnetspur 1, 2, 3, 4 gegenüber der Maßstabslängsrichtung sind jedoch unterschiedlich und über die Ziffern 16, 17, 18, 19 bezeichnet. Die Abstände 20, 21, 22 zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte der Magnetspuren 2, 3, 4 in der Positionierungsrichtung der Magnetfeldsensoren 9, 10, 11, die bei diesem Beispiel längs der Koordinatenachse Y angeordnet sind, sind gleich. Jeder Magnetfeldsensor 8, 9, 10, 11 enthält die Sinus-Cosinus-Elemente, die durch das entsprechende Paar Streifen von Magnetfeldsensoren 8, 9, 10, 11 in Fig. 1 schematisch dargestellt sind. Der Abstand zwischen dem Sinus-Element und dem Cosinus-Element jedes Magnetfeldsensors 9, 10, 11 entspricht der Hälfte der Abstände 20, 21, 22 zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte der Magnetspuren 2, 3, 4 in der Positionierungsrichtung dieser Magnetfeldsensoren, d. h. in Richtung der Koordinaten achse Y. Bei diesem Beispiel ist der Magnetfeldsensor 8 längs der Koordinatenachse X positioniert. Der Neigungswinkel α₁ der Ränder von magnetisierten Abschnitten der Magnetspur 1 hat gegen die Maßstabslängsrichtung einen Wert von 90°. Daraus folgt, daß die Periodenlänge λ₁ der Magnetspur 1 in ihrer Magnetisierungsrichtung gleich ihrer Periodenlänge λ_1L in der Maßstabslängsrichtung ist, deshalb soll die Hälfte der Abstandes 12 zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte der Magnetspur 1 gleich dem Abstand zwischen den Sinus-Cosinus-Elementen des Magnetfeldsensors 8 sein. Die Periodenlänge der anderen Magnetspuren in der Maßstabslängsrichtung kann man auf Grund der geometrischen Darstellung ausrechnen. Z. B. ist die Periodenlänge λ_4L der vierten Magnetspur in der Maßstabslängsrichtung, deren Hälfte in der Maßstabslängsrichtung in Fig. 1 mit 23 gekennzeichnet ist, durch die Gleichung

λ_4L = λ₄/Sinα₄

gegeben, wobei λ₄ die Periodenlänge der Magnetspur 4 in der Magnetisierungsrichtung ihrer Abschnitte und α₄ der Neigungswinkel 19 der Ränder der magnetisierten Abschnitte der Magnetspur 4 gegenüber der Maßstabslängsrichtung ist.

Die Periodenlängen λ_2L, λ_3L und λ_4L der Magnetspuren 2, 3, 4 in der Maßstabs längsrichtung kann man durch die Auswahl von den Neigungswinkeln der Ränder der magnetisierten Abschnitte jeder Magnetspur gegenüber der Maßstabslängsrichtung gegeneinander mit den Koeffizienten der Proportionalität festsetzen, d. h.

λ_4L = K₄₃ . λ_3L = (K₄₃ . K₃₂) . λ_2L = (K₄₃ . K₃₂ . K₂₁) . λ_1L,

wobei K₄₃, K₃₂, K₂₁ die Proportionalitätskoeffizienten zwischen den Periodenlängen der vierten λ_4L und dritten λ_3L, dritten λ_3L und zweiten λ_2L, zweiten λ_2L und ersten λ_1L Magnetspuren längs der Maßstabslängsrichtung sind.

Beispiel 2

Angenommen, daß die Proportionalkoeffizienten K₄₃ = K₃₂ = K₂₁ = 30 bei gleichen Abständen 20, 21, 22 (250 µm) zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte von den zweiten und nachfolgenden Magnetspuren in der Positio nierungsrichtung der Magnetfeldsensoren 8, 9, 10, d. h. längs der Koordinatenachse Y, mit Hilfe der Werteauswahl der Neigungswinkel α₂, α₃, α₄ festgesetzt werden. Dann ist die Periodenlänge λ_2L ₌ K₂₁ . λ₁ = 15 mm, die Periodenlänge λ_3L = K₃₂ . λ_2L = 450 mm und die Periodenlänge λ_4L = K₄₃ . λ_3L = 13,5 m. Dies bedeutet, daß die Phasen veränderungen der Ausgangsspannungen von den Sinus-Cosinus-Elementen der Magnetfeldsensoren 8, 9, 10, 11 bei der Verschiebung des Sensorenträgers in Maßstabslängsrichtung große Unterschiede haben. Man sieht daraus, daß die Phasenveränderungen der Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 11 nur 2π, des Magnetfeldsensors 10 2π . 30, des Magnetfeldsensors 9 2π . 900 und des Magnetfeld sensors 8 2π . 27000 bei der Verschiebung des Sensorenträgers auf die Periodenlänge λ_4L = 13,5 m betragen. Dann schätzt die Auswerteschaltung, die auf den Zeichnungen nicht dargestellt wird, die Absolutposition des Sensorenträgers 7 gegen den Maßstab 5 hinsichtlich der momentan abgetasteten Periode jeder Magnetspur mit Hilfe von der Arctan-Interpolation der Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 11 mit der Auflösung bis zur Hälfte der Periodenlänge λ_3L der Magnetspur 3, des Magnetfeldsensors 10 mit der Auflösung bis zur Hälfte der Periodenlänge λ_2L der Magnetspur 2 und des Magnetfeldsensors 9 mit der Auflösung bis zur Hälfte der Periodenlänge λ_1L der Magnetspur 1 ab. Danach schätzt man die Absolutposition des Sensorenträgers 7 mit der Auflösung der Auswerteschaltung von der Arctan-Inter polation der Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 8 ab. In diesem Fall ist eine Meßlänge bis 13,5 m erreichbar. Die Auflösung von der Arctan-Interpolation der Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 8 bestimmt die Auflösung der Positions bestimmung, die bei dem Auflösungsgrad 2000 der Auswerteschaltung und bei der Halbperiodenlänge λ₁ = 250 µm 0,125 µm erreichen kann.

Aber in diesem Beispiel ließ man außer Acht die zusätzlichen Phasenfehler der Ausgangsspannungen der Magnetfeldsensoren, die wegen der Zufallsabweichung des beweglichen Sensorenträgers quer über die Maßstabslängsrichtung entstehen. Diese Zufallsabweichungen des Sensorenträgers können zu Fehlern bei der Bestimmung der laufenden Halbperiodenlängen der Magnetspuren λ_3L, λ_2L oder λ_1L führen. Diese zusätzlichen Phasenveränderungen begrenzen die maximalen Werte der Propor tionalitätskoeffizienten K₄₃, K₃₂, K₂₁ zwischen den Periodenlängen λ_4L, λ_3L, λ_2L, λ_1L, die von den Neigungswinkeln α₁, α₂, α₃, α₄, von den Periodenlängen λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ der Magnetspuren 1, 2, 3, 4 und von der Amplitude der Zufallsabweichungen des beweglichen Sensorenträgers 7 abhängen. Auf jedem Fall sollen diese zusätzlichen Phasenveränderungen der Ausgangsspannungen von den Magnetfeldsensoren bei der Zufallsabweichung des beweglichen Sensorenträgers kleiner als ihre Phasen veränderungen, die vom Schub des Sensorenträgers in der Maßstabslängsrichtung auf der Hälfte der Periodenlänge vorgehender Magnetspur entstehen, sein.

Dies ist möglich mit einer Anordnung entsprechend dem Anspruch 2.

In diesem Fall soll der Neigungswinkel α_i der Ränder der magnetisierten Abschnitten allen nachfolgenden Magnetspuren 2, 3, 4 gegenüber der Maßstabslängsrichtung den Mindestwert α_i(Δ, B_i-1) haben, der durch die Ungleichung

α_i(Δ, B_i-1) < Arctg[2 . Δ . (Sinα_i-1)/B_i-1]

gegeben ist, wobei Δ die zulässige Amplitude der Zufallsabweichung des Sensoren trägers quer zur Maßstabslängsrichtung, α_i-1 der Neigungswinkel der Ränder von magnetisierten Abschnitten der vorangehenden Magnetspur gegenüber der Maßstabs längsrichtung, B_i-1 die Breite der magnetisierten Abschnitten der vorangehenden Magnetspur in ihrer Magnetisierungsrichtung und B₀ (bei i = 1) die Breite von magnetisierten Abschnitten der ersten Magnetspur in der Maßstabslängsrichtung ist.

Unter Berücksichtigung der obengenannten Ungleichung kann man den notwendigen Neigungswinkel der Ränder der magnetisierten Abschnitte und die Periodenlänge jeder Magnetspur 2, 3, 4 in der Maßstabslängsrichtung ausrechnen.

Beispiel 3

Angenommen, daß die Neigungswinkel der Ränder der magnetisierten Abschnitte aller Magnetspuren 2, 3, 4 mit Berechnung durch obengenannte Unglei chung bei 5 µm der zulässigen Zufallsabweichungsamplitude des Sensorenträgers in Richtung quer zur Maßstabslängsrichtung und 250 µm als Breiten 20, 21, 22 der magnetisierten Abschnitte von Magnetspuren 2, 3, 4 ausgewählt werden. Dann soll der Neigungswinkel α₂ nicht kleiner als 2,29°, α₃ nicht kleiner als 0,091° und α₄ nicht kleiner als 0,004° ein. Z. B. kann man die Werte von K₄₃, K₃₂, K₂₁ gleich 20 festlegen, die maximale Meßlänge Lmax = 20³ . 500 µm ergibt 4 m.

Für die Vergrößerung der Meßlänge gibt es die Möglichkeit die Anordnung gemäß dem Anspruch 3 ausführen. Bei der Anordnung gemäß dem Anspruch 3 soll der Neigungswinkel 17 der Ränder der magnetisierten Abschnitte von der zweiten Magnet spur 2 gegenüber der Maßstabslängsrichtung den Wert 0° haben, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Magnetspur benützt man jetzt ausschließlich für die Beseitigung des Fehlers, der von der Einwirkung der Zufallsabweichungen des Sensorenträgers in Richtung quer über die Maßstabslängsrichtung auf die Positionsbestimmung früher möglich war. Es gestattet die maximale Meßlänge zu vergrößern, weil man jetzt die Neigungswinkel α₃, α₄ der Ränder der magnetisierten Abschnitte der Magnetspuren 3, 4 sowie die maximalen Werten für ihre Periodenlängen λ_3L, λ_4L nur mit Berücksichtigung der Auflösung der Auswerteschaltung von der Arctan-Interpolation der Ausgangsspannungen der Magnetfeldsensoren 9, 10, 11 wählt.

Beispiel 4

Angenommen, daß die Proportionalkoeffizienten K₄₃ = K₃₁ = 200 und die Periodenlänge λ_3L = 0,1 m, und λ_4L = 20 m mit Hilfe von der Werteauswahl der Neigungswinkel α₃, α₄ (bei den Breiten 20 = 21 = 22 = 250 µm der Magnetspuren 2, 3, 4 längs der Koordinatenachse Y) festgesetzt wurden. Man sieht daraus, daß die Phasenveränderungen von Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 9 0°, die Phasenveränderungen von Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 8 2π . 40000, die Phasendifferenzveränderungen von Ausgangsspannungen der Magnetfeldsensoren 10 und 9 2π . 200 und der Magnetfeldsensoren 11 und 9 nur 2π bei der Verschiebung des Sensorenträgers 7 auf der völligen Periodenlänge λ_4L = 20 m der Magnetspur 4 betragen. Die Absolutposition des Sensorenträgers 7 wird aus der Phasendifferenz der Ausgangsspanungen der Magnetfeldsensoren 9 und 11 mit der Auflösung bis zur Hälfte von der Periodenlänge λ_3L der Magnetspur 3 und aus der Phasendifferenz der Ausgangsspannungen von den Magnetfeldsensoren 9 und 10 mit Auflösung bis zur Hälfte von der Periodenlänge λ_1L der Magnetspur 1 ermittelt. Danach schätzt man die Absolutposition des Sensorenträgers 7 mit der Auflösung der Auswerteschaltung von der Arctan-Interpolation der Ausgangsspanungen des Sensors 8 ab. Man sieht aus Beispielen 3, 4, daß man bei der Anordnung nach Anspruch 3 die maximale Meßlänge, die im letzten Beispiel gleich 20 m ist, beträchtlich im Vergleich zum Beispiel 3, vergrößert, weil die Zufallsabweichungen des Sensorenträgers in der Richtung quer über die Maßstabslängsrichtung in diesem Fall zu den gleichen Phasenveränderungen der Ausgangssignale von den Magnetfeldsensoren 9, 10, 11 führen, aber auf ihren Phasendifferenz nicht wirken.

Eine zweite Möglichkeit der Vergrößerung der Meßlänge besteht in der Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition entsprechend dem Anspruch 2, wobei der Neigungs winkel α_i der Ränder der magnetisierten Abschnitte nur von der Magnetspur 2 gegenüber der Maßstabslängsrichtung den Mindestwert α_i(Δ, B_i-1) gemäß der obengenannten Ungleichung hat. Die Neigungswinkel α₃, α₄ der Ränder der magnetisierten Abschnitte der Magnetspuren 3, 4 gegenüber der Maßstabslängs richtung, sowie die maximalen Werten für λ_3L, λ_4L wählt man jetzt nur mit der Berücksichtigung der Auflösung der Auswerteschaltung von der Arctan-Interpolation der Ausgangsspannungen der Magnetfeldsensoren 9, 10, 11. Bei dieser Anordnung benützt man die Magnetspur 2 nicht nur für die Beseitigung des Fehlers, der von der Einwirkung der Zufallsabweichungen des Sensorenträgers in Richtung quer über die Maßstabslängsrichtung auf die Positionsermittlung früher (siehe Beispielen 2, 3) möglich war, sondern auch für die zusätzliche Vergrößerung der maximalen Meßlänge.

Beispiel 5

Angenommen, daß (bei der Breite 250 µm der magnetisierten Abschnitte der Magnetspur 1) der Neigungswinkel α₂ mit Hilfe von der erwähnten Ungleichung bei der zulässigen Zufallsabweichungsamplitude 5 µm des Sensorenträgers in Richtung quer über die Maßstabslängsrichtung festgesetzt wird. Der Neigungswinkel α₂ soll in diesem Fall nicht kleiner als 2,29° sein und die Periodenlänge der Magnetspur 2 kann man nicht mehr als λ_2L = 12,5 mm festsetzen, die dem Proportionalitätskoeffizienten K₂₁ = 25 entspricht. Die Neigungswinkel α₃, α₄ der Ränder der magnetisierten Abschnitte von den Magnetspuren 3, 4 gegenüber der Maßstabslängsrichtung, sowie die Werte für λ_3L, λ_4L wählt man jetzt nur mit Berücksichtigung der Phasendifferenz auflösung der Auswerteschaltung. Angenommen, daß die Periodenlänge λ_2L = 10 mm, die dem Proportionalitätskoeffizienten K₂₁ = 20 entspricht, und die Phasendifferenz auflösung der Auswerteschaltung von Ausgangsspannungen der Magnetfeldsensoren 9, 10, 11 in diesem Fall 100 ist, folglich kann man λ_3L = 10,1 mm und λ_4L = 10,001 mm festsetzen. Man sieht daraus, daß bei der Verschiebung des Sensorenträgers auf die völlige Meßlänge Lmax = (λ_2L)²/(λ_4L - λ_2L) = 100 m die Phasenveränderung der Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 8 2π . 20 . 10⁴, des Magnetfeldsensors 9 2π . 10⁴, die Phasendifferenzveränderungen der Ausgangsspannungen der Magnetfeld sensoren 9, 10 2π . 100 und der Magnetfeldsensoren 9, 11 nur 2π betragen. Die Absolutposition des Sensorenträgers 7 gegen den Maßstab wird mit der Auflösung bis zur Hälfte der Periodenlänge λ_3L der Magnetspur 3 aus der Phasendifferenz der Ausgangsspannungen von den Magnetfeldsensoren 9, 11 und mit der Auflösung bis zur Hälfte der Periodenlänge λ_2L der Magnetspur 2 aus der Phasendifferenz der Ausgangs spannungen von den Magnetfeldsensoren 9, 10 ermittelt. Danach schätzt man die Absolutposition des Sensorenträgers 7 mit einer Auflösung bis zur Hälfte der Perioden länge λ_1L der Magnetspur 1 mit Hilfe von der Arctan-Interpolation der Ausgangs spannungen des Magnetfeldsensors 9 ab. Danach schätzt man die Absolutposition des Sensorenträgers 7 mit der Auflösung der Auswerteschaltung von der Arctan- Interpolation der Ausgangsspannungen von den Sinus-Cosinus-Elementen des Magnetfeldsensors 8 ab. Man sieht aus den Beispielen 5 und 3, 4, daß die maximale Meßlänge, die im letzten Fall 100 m betrug, bedeutend vergrößert wurde, weil die Zufallsabweichung des Sensorenträgers in Richtung quer über die Maßstabs längsrichtung zu den gleichen Phasenveränderungen der Ausgangsspannungen der Sensoren 9, 10, 11 führt, aber auf ihre Phasendifferenz nicht wirkt.

Die angebotenen Anordnungen gestatten nicht nur eine identische Konstruktion von Magnetfeldsensoren zu benutzen, sondern auch alle Magnetfeldsensoren wie als ein Chip auszuführen und ihre Positionierung gleichzeitig verwirklichen.

Die Anordnung, die zur Bestimmung der Absolutposition auf zwei Koordinaten angepaßt ist, wird mit Hilfe von Fig. 2 erklärt. In Fig. 2 sind drei Magnetspuren 1, 2, 3, die früher bei der Bestimmung der Absolutposition nur auf einer Koordinatenachse X ausgenutzt wurden, und eine zusätzliche Magnetspur 24 auf der begrenzenden Oberfläche vom Maßstab 5 schematisch dargestellt. Die Breite 25 der magnetisierten Abschnitte der zusätzlichen Magnetspur 24 und die Breite 12 von magnetisierten Abschnitten der Magnetspur 1 in der Positionierungsrichtung der Magnetfeldsensoren 8 und 26 (d. h. in der Maßstabslängsrichtung) sind gleich. Der im Betrieb der Anordnung sich über diese Magnetspuren 1, 2, 3, 24 bewegliche Sensorenträger 7 mit den Magnetfeldsensoren 8, 9, 10, 26 ist in der Zeichnung nach rechts verschoben, damit die Maßstabsstruktur sichtbar wird. Der Abstand zwischen den Sinus-Cosinus- Elementen der Magnetfeldsensoren 8, 26 und 9, 10 ist gleich der Hälfte der Abstand zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte jeder Magnetspur in Positionierungsrichtung der entsprechenden Magnetfeldsensoren. Die Positionierungs richtung der Magnetfeldsensoren 8, 9 und die Positionierungsrichtung der Magnetfeld sensoren 10, 26 sind bei diesem Beispiel wie Senkrechte auf den Koordinatenachsen X und Y angeordnet, aber es ist nicht obligatorisch. Dies bedeutet, daß die sämtlichen Magnetfeldsensoren 8, 9, 10, 26 und die entsprechenden Magnetspuren 1, 2, 3, 24 in zwei Teilen geteilt wurden. Jeder Magnetfeldsensor tastet eine entsprechende Magnetspur ab. Jede Magnetspur 1, 2, 3, 24 hat ihre entsprechenden Abschnitte, die jeweils entgegengesetzt periodisch in positiver und negativer Richtung magnetisiert sind. Die Magnetisierungsrichtung der magnetisierten Abschnitte jeder Magnetspur 1, 2, 3, 24 ist durch die entsprechende Pfeile dargestellt. Die Abstände 20, 21 zwischen Rändern der magnetisierten Abschnitte vom zweiten Teil der Magnetspuren (d. h. der Magnetspuren 2, 3) längs der Koordinatenachse Y und die Abstände 12, 25 zwischen Rändern der magnetisierten Abschnitte vom ersten Teil der Magnetspuren (d. h. der Magnetspuren 1, 24) längs der Koordinatenachse X sind gleich. Die Absolutposition des Sensorenträgers 7 längs der Koordinatenachse X wird aus der Phasendifferenz der Ausgangsspannungen der Magnetfeldsensoren 9 und 10 mit Auflösung bis zur Hälfte der Periodenlänge λ_1L der ersten Magnetspur 1 ermittelt und danach schätzt man die Absolutposition des Sensorenträgers 7 mit der Auflösung der Auswerteschaltung von der Arctan-Interpolation der Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 8 von Magnetspur 1 ab (d. h. dieses Prozeß ist früher im Beispiel 4 beschrieben). Die Absolutposition des Sensorenträgers 7 längs der Koordinatenachse Y wird aus der Phasendifferenz der Ausgangsspannungen der Magnetfeldsensoren 26 und 8 mit Auflösung bis zur Hälfte der Periodenlänge λ₂ der Magnetspur 2 ermittelt. Danach schätzt man die Absolutposition des Sensorenträgers 7 mit der Auflösung der Auswerteschaltung von der Arctan-Interpolation der Ausgangsspannungen des Sensors 9 von der Magnetspur 2 ab. Damit kann man sehen, daß die Magnetspuren 1 und 2 bei der Ermittlung der Absolutposition längs der Koordinatenachse X oder Y gleichzeitig für die Beseitigung der Einwirkung der Verschiebung des Sensorenträgers längs der anderen entsprechenden Koordinatenachse (Y oder X) auf die Positionsermittlung jetzt benutzt werden.

Die Berechnung der maximalen Meßlänge für eine Koordinate, die bei der Erklärung der Anordnung nach Anspruch 3 angeführt wurde, ist für zwei Koordinatenachsen entsprechend, wenn die Anzahl der Magnetspuren, die zur Bestimmung der Absolutposition auf einer Koordinatenachse benutzt werden, gleich der Anzahl der Magnetspuren, die zur Bestimmung der Absolutposition auf der anderen Koordinaten achse benutzt werden, ist. In vielen praktischen Fällen ist zweckmäßig alle Magnet spuren auf verschiedenen untereinanderliegenden Flächen anzuordnen, wobei die Ausmaße des Maßstabs sich bis zu den Ausmaßen 27 und 28 verringern können.

Auf Grund der Ergebnisse der Beispiele 2-5 ergeben sich folgende Vorteile der angebotenen Anordnungen zur Bestimmung der Absolutposition:

- wegen der größeren Periodenlänge der nachfolgenden Magnetspuren in der Maßstabs längsrichtung kann die angeboten Anordnung bei größerer Geschwindigkeit des beweg lichen Sensorenträgers funktionieren - bis 200 mal (bei Anordnung nach Anspruch 3) als die maximale Geschwindigkeit vom Prototyp, dabei kann sich die Positions auflösung nur bis zur Hälfte der Periodenlänge der ersten Magnetspur senken;
- der zusätzliche Positionsfehler kann jetzt (z. B. bei den Anordnungen nach Anspruch 2, 3) nur in dem Fall entstehen, bei dem die zufällige Neigung der Achse des beweglichen Sensorenträgers hundertmal größer (3,58°) als ihr zulässiger Wert 0,0358° (siehe Beispiel 1) vom Prototyp ist.
- die maximale Meßlänge kann fast die Hälfte eines Kilometers bei dem vierspurigen Maßstab erreichen; das Gute ist dabei, daß man kleine identische Magnetfeldsensoren, deren Abstand zwischen Sinus-Cosinus-Elementen 1 mm nicht übertrifft, benützen kann;
- die Anzahl der Magnetspuren und der Magnetfeldsensoren ist bei diesen Anordnungen variabel, die man unter Berücksichtigung der notwendigen Meßlänge und der zulässigen Amplitude der Zufallsabweichung des Sensorenträgers in der Richtung quer über die Maßstabslängsrichtung auswählen kann, so daß die notwendige Anzahl der Magnetspuren und der Magnetfeldsensoren sich auf 2 bis 5 (bei Meßlängen von etwa 20 mm bis 10 km) beschränkt;
- bei der Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition auf zwei Koordinaten benutzt man eine Anzahl von Magnetfeldsensoren und Magnetspuren, die um zwei kleiner als ihre benötigten Anzahl im Fall der Benutzung der zwei üblichen Einzelanordnungen ist.

Bezugszeichenliste

1

- die erste Magnetspur ist

2

- die zweite Magnetspur ist

3

- die dritte Magnetspur ist

4

- die vierte Magnetspur ist

5

- der Maßstab ist

6

- die Maßstabslängsrichtung ist

7

- der Sensorenträgers ist

8

- der Magnetfeldsensor, der die erste Magnetspur abtastet, ist

9

- der Magnetfeldsensor, der die zweite Magnetspur abtastet, ist

10

- der Magnetfeldsensor, der die dritte Magnetspur abtastet, ist

11

- der Magnetfeldsensor, der die vierte Magnetspur abtastet, ist

12

- die Breite der Abschnitte der ersten Magnetspur in ihren Magnetisierungsrichtung ist

13

- die Breite der Abschnitte der zweiten Magnetspur in ihren Magnetisierungsrichtung ist

14

- die Breite der Abschnitte der dritten Magnetspur in ihren Magnetisierungsrichtung ist

15

- die Breite der Abschnitte der vierten Magnetspur in ihren Magnetisierungsrichtung ist

16

- der Neigungswinkel α₁

der Ränder der magnetisierten Abschnitte der ersten Magnetspur gegenüber der Maßstabslängsrichtung ist

17

- der Neigungswinkel α₂

der Ränder der magnetisierten Abschnitte der zweiten Magnetspur gegenüber der Maßstabslängsrichtung ist

18

- der Neigungswinkel α₃

der Ränder der magnetisierten Abschnitte der dritten Magnetspur gegenüber der Maßstabslängsrichtung ist

19

- der Neigungswinkel α₄

der Ränder der magnetisierten Abschnitte der vierten Magnetspur gegenüber der Maßstabslängsrichtung ist

20

- der Abstand zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte der zweiten Magnetspur in Positionierungsrichtung der Magnetfeldsensoren

9

,

10

,

11

ist

21

- der Abstand zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte der dritten Magnetspur in Positionierungsrichtung der Magnetfeldsensoren

9

,

10

,

11

ist

22

- der Abstand zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte der vierten Magnetspur in Positionierungsrichtung der Magnetfeldsensoren

9

,

10

,

11

ist

23

- die Halbperiodenlänge der vierten Magnetspur längs der Maßstabslängsrichtung ist

24

- die zusätzliche Magnetspur ist

25

- die Breite der magnetisierten Abschnitte der zusätzlichen Magnetspur in der Maßstabslängsrichtung (längs der Koordinatenachse X) ist

26

- der Magnetfeldsensor, der die zusätzliche Magnetspur

24

abtastet, ist

27

- das Ausmaß der Magnetspuren längs der Koordinatenachse Y ist

28

- das Ausmaß der Magnetspuren längs der Koordinatenachse X ist

Claims

1. Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition, bestehend aus einem Maßstab mit periodischen Magnetspuren, die in bestimmten Richtungen magnetisierte Abschnitte enthalten, und aus Magnetfeldsensoren, die auf einem relativ zum Maßstab beweglichen Sensorenträger montiert sind und mit Hilfe ihrer Sinus- Cosinus-Elemente die Magnetspuren abtasten, um die gegenwärtige Position des Sensorenträgers hinsichtlich der momentan abgetasteten Periode jeder Magnetspur festzustellen, wobei der Neigungswinkel der Ränder der magnetisierten Abschnitte der ersten Magnetspur gegenüber der Maßstabslängsrichtung einen Wert von 90° hat und diese Werte für die Neigungswinkel der weiteren Magnetspuren unterschiedlich und kleiner als 90° sind; wobei der Abstand zwischen dem Sinus-Element und dem Cosinus- Element der entsprechenden Magnetfeldsensoren der Hälfte des Abstandes zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte zumindest eines Teils der weiteren Magnetspuren senkrecht zur Maßstabslängsrichtung entspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel α_i der Ränder der magnetisierten Abschnitte der weiteren Magnetspuren oder nur einer der weiteren Magnetspuren gegenüber der Maßstabs längsrichtung den Mindestwert α_i(Δ, B_i-1) hat, der durch die Ungleichung
α_i(Δ, B_i-1) < Arctg[2 . Δ . (Sinα_i-1)/B_i-1]
gegeben ist, wobei Δ die zulässige Amplitude der Zufallsabweichung des Sensorenträgers quer über die Maßstabslängsrichtung, α_i-1 der Neigungswinkel der Ränder der magnetisierten Abschnitte der vorangehenden Magnetspur gegenüber der Maßstabslängsrichtung, B_i-1 die Breite der magnetisierten Abschnitte der vorangehenden Magnetspur in ihrer Magnetisierungsrichtung und B₀ (bei i = 1) die Breite der magnetisierten Abschnitte der ersten Magnetspur in der Maßstabslängsrichtung ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Ränder der magnetisierten Abschnitte einer weiteren Magnetspur gegenüber der Maßstabslängsrichtung den Wert 0° hat.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Rändern der magnetisierten Abschnitte sämtlicher Magnetspuren in der Positionierungsrichtung der entsprechenden Magnetfeldsensoren gleich sind.