DE4309881C1 - Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur absoluten Positionsmessung mit einem Maßstab und einem dagegen in Längsrichtung beweglichen Sensor, die zur präzisen Ermittlung von Abständen in gerader Linie oder auf gekrümmten, z. B. kreisförmigen Linien, dient. Solche Messungen werden in zunehmendem Maße im Maschinenbau, in der Feinwerktechnik oder in der Technologie der Halbleiterbauelemente erforderlich. Anordnungen zur Bestimmung der Absolutposition mit Magnetfeldsensoren sind bekannt. So wird beispielsweise in der Patentschrift DE 36 11 469 C2 eine Anordnung beschrieben, bei der sich ein mit einem Dauermagneten markiertes Teil gegenüber einer Magnetfeldsensoranordnung bewegt. Die Magnetfeldsensoren stellen die jeweilige Position des Magneten fest. Nachteilig an so einer Anordnung ist, daß bei großen Längen der Positionsveränderung eine sehr große Anzahl von Sensoren gebraucht wird, da die gesamte Meßstrecke mit Sensoren in geringem Abstand ausgerüstet sein muß.

Eine andere Anordnung, die mit zwei Magnetfeldsensoren auskommt, und die einen dagegen beweglichen Maßstab mit zwei Magnetspuren benutzt wird in der Patentschrift DE 33 08 404 C2 angegeben. Die beiden Spuren des Maßstabes sind in periodischen Abständen jeweils entgegengesetzt magnetisiert, die Periodenlänge der beiden Spuren ist jedoch unterschiedlich, so daß die eine Spur auf der Gesamtlänge mindestens eine Periode mehr enthält als die andere. Aus der Phasendifferenz der beiden Sensorausgangssignale wird die absolute Position ermittelt. Die Phasendifferenz muß zur sicheren Positionsermittlung mit einem Fehler aus den beiden Sensorsignalen bestimmt werden, der wesentlich kleiner ist als das Reziproke der Anzahl der insgesamt vorhandenen Perioden. Bei beispielweise 100 Periodenlängen in einer Spur und damit 101 Periodenlängen in der anderen bedeutet das, daß das örtliche Magnetfeld mit einer relativen Abweichung von etwa 1 Promill gemessen werden muß. Da die Meßgenauigkeit kaum größer gemacht werden kann, ist damit die Gesamtlänge der absolut anzugebenden Strecke stark eingeschränkt.

Ein optisches Absolutmeßverfahren, das wesentlich größere Längen aufgrund der verwendeten Codierungsmethode zuläßt wird in dem Artikel Raummaßstab in der Koordinatenmeßtechnik "in der Zeitschrift "Kontrolle" vom Juni 1991, Seite 6 bis 10, beschrieben. Der Maßstab besteht aus in gleichmäßigem Abstand aufgebrachten Strichen in einer Spur. Jeder zehnte Strich ist als Abtrennung der Codierungseinheit besonders breit. Die dazwischen liegenden neun Striche können zwei unterschiedliche Breiten haben. Damit ist ein Binärcode für die Zuordnung der jeweiligen Längenintervalle vorhanden, der im Prinzip auf beliebige Längen ausgedehnt werden kann. Dabei werden hohe Auflösungen im Bereich von 10 nm und hohe Genauigkeiten in Bereich von 0,5 µm erreicht. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß zur Messung das Maßstabsmuster mit Hilfe von Meßkameras auf CCD-Zeilen projiziert werden muß. Das und die Auswertung des Bildes bedeuten einen hohen Aufwand.

In der Offenlegungsschrift DE 39 10 873 A1 wird eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Absolutposition beschrieben, bei der auf einem Maßstab jeweils n aufeinanderfolgende Codemarken ein Codewort bilden. Die Aufeinanderfolge der Codemarken entspricht einer Pseudozufallsfolge. Wie die Fig. 2 der angegebenen OS zeigt, ist es so durchaus möglich, daß mehrere Codemarken gleicher Eigenschaft direkt nebeneinander liegen. Dadurch wird die Anwendung von Auswerteverfahren für die Signale des Längensensorelementes, die zur Kompensation der Störeinflüsse von außen und von Temperatureinflüssen mit Signaldifferenzen in bestimmten Abständen in Maßstabslängsrichtung arbeiten, ausgeschlossen. Darüberhinaus wird im Falle magnetisch gekennzeichneter Codemarken eine stark vom Abstand zwischen Maßstab und Längensensor abhängige Lage der Grenzen zwischen den Codemarken auftreten, die zu fehlerhaften Ergebnissen führt oder zumindest die Toleranzen für den Abstand so stark einschränken, daß deren Einhaltung nur mit Führungen eingehalten werden kann, deren Herstellung und Justierung einen sehr hohen Aufwand bedeuten.

Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition anzugeben, die bei großer Meßlänge und hoher Auflösung und Genauigkeit mit geringem Aufwand herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebene Anordnung sowie die in den weiteren Ansprüchen formulierten Ausführungsformen gelöst. Für die Bestimmung der Absolutposition ist nur eine Spur eines Maßstabes entsprechend dem Hauptanspruch und ein Sensor mit nebeneinanderliegenden streifenförmigen Sensorelementen erforderlich. Da der Sensor sich lediglich über die Länge von einem Bereichspaar ausdehnt und sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet, ist seine kostengünstige Herstellung gewährleistet. Die Wiederholung der Verteilung der Codeelemente in den beiden Bereichen eines Bereichspaares erfolgt mit gleichen Längen, denen jedoch die jeweils komplementäre physikalische Größe zugewiesen ist. Unter komplementär wird im Falle eines optischen Maßstabes beispielsweise verstanden, daß die Codeelemente lichtdurchlässig oder lichtundurchlässig sind. Ebenso könnte beispielsweise die Polarisationsrichtung des Lichtes im Gebiet des ersten Codeelementes nach rechts und im dazu komplementären nach links gedreht werden. Im Falle elektrischer bzw. magnetischer Maßstäbe und zugehöriger Sensorelemente kann einem ersten Codeelement mit einer bestimmten Richtung der elektrischen Polarisation bzw. der Magnetisierung ein komplementäres mit entgegengesetzt gerichteter elektrischer Polarisation bzw. Magnetisierung zugeordnet sein. Die Wiederholung der Verteilung der Codeelemente mit komplementären Größen und die Differenzbildung der Ausgangssignale der Sensorelemente, die jeweils um eine Bereichslänge entfernt liegen, hat zur Folge, daß die Ausgangssignale von äußeren Störungen unabhängig sind. Die Längen der Codeelemente werden aus dem Abstand der Nulldurchgänge der Ausgangssignaldifferenzen ermittelt. Die Positionen dieser Nulldurchgänge sind temperaturunabhängig, und damit können auch die daraus ermittelten Längen der Codeelemente nicht temperaturabhängig sein.

Es ist vorteilhaft, neben der Spur mit den Bereichspaaren auf dem Maßstab eine weitere, periodische Spur anzuordnen. Diese Spur wird mit zusätzlichen gleichen Einzel-Sensorelementen abgetastet. Nach bekannten Verfahren kann so die Position des Sensors gegenüber dem Maßstab innerhalb jeder Periodenlänge mit hoher Auflösung angegeben werden. Die Spur mit den Bereichspaaren wird dann nur noch benötigt, um anzugeben, in welcher der Perioden sich der Sensor gerade befindet. Damit ist selbst bei hoher Auflösung der Positionsbestimmung die Anwendung großer Bereichslängen und Periodenlängen möglich. Für diesen Fall sind dann nur geringe Anforderungen an die Justiergenauigkeit des Sensors gegenüber dem Maßstab vorhanden, so daß auch beim Aufbau des Meßsystems mit geringem Aufwand gearbeitet werden kann. Wird der Versatz zwischen den Bereichspaaranfängen und den Periodenanfängen als zusätzliche Information der Absolutposition benutzt, kann ein Abschnitt pro Bereich weniger benutzt werden. Damit können Sensorelemente eingespart werden und der einzusetzende Herstellungsaufwand ist noch geringer. Wird ein magnetischer Maßstab benutzt und die Sensorelemente sind durch magnetoresistive Schichtstreifen realisiert, kann die Differenz der Magnetfeldstärke in den Abschnitten der beiden Bereiche eines Bereichspaares in einfacher Weise durch Reihenschaltung der um eine Bereichslänge entfernt liegenden Schichtstreifen und Messung der Spannung an ihrem Verbindungspunkt bestimmt werden. So ist die notwendige Auswerteschaltung einfach und mit geringem Aufwand herstellbar.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Dazu sind in Fig. 1 ein Maßstab mit einer Spur und ein dazugehöriger Sensor dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Maßstab mit einer Spur und einer zusätzlichen periodischen Spur sowie den zugehörigen Sensor. Fig. 3 enthält die Anordnung der Einzel-Sensorelemente im Falle magnetoresistiver Schichtstreifen.

In Fig. 1 ist die Spur 2 eines Maßstabes von oben gesehen schematisch dargestellt. Der im Betrieb der Anordnung sich über dieser Spur 2 befindliche Sensor 1 ist in der Zeichnung nach oben verschoben, damit die Maßstabstruktur sichtbar wird . . Der Sensor 1 enthält soviele streifenförmige Einzel-Sensorelemente 8, daß sich innerhalb der Länge des kürzesten Codeelementes mindestens zwei Sensorelemente befinden. Die Streifenlängsrichtung verläuft quer zur Längsrichtung des Maßstabes 2. Die Spur 2 des Maßstabes ist in gleich lange Bereiche 3 aufgeteilt. Alle Bereiche 3 sind in eine gleiche Anzahl von Codeelementen 4; 5; 6 aufgeteilt. Im dargestellten Beispiel erfolgt eine Aufteilung in drei Codeelemente 4; 5; 6. Die Spur 2 des Maßstabes besteht aus magnetisierbarem Material. Die Codeelemente 4; 5; 6 sind abwechselnd in positiver und negativer Richtung magnetisiert. Die Codeelemente 4; 5; 6 eines Bereiches 3 haben unterschiedliche Längen. Zwei nebeneinanderliegende Bereiche 3 bilden ein Bereichspaar 7. Beide Bereiche 3 eines Bereichspaares 7 haben Codeelemente 4; 5; 6 und 4′; 5′; 6′ gleicher Länge in gleicher Reihenfolge, aber mit der komplementären Magnetisierung. Das erste Codeelement 4, 4′, usw. hat in allen Bereichen die gleiche Länge. Die Länge der beiden anderen Codeelemente 5 und 6 ändert sich vom Bereichspaar 7 zum Bereichspaar 17. Jede Längenkombination kommt auf dem gesamten Maßstab nur einmal vor. Welche Längenkombination welchem Bereichspaar 7; 17 in der Reihenfolge zuzuordnen ist, wird festgelegt. Jeder Längenkombination entspricht damit ein absoluter Längenwert. Beide werden als Positionscode in einem Speicher abgelegt. Von einem Bereichspaar 7 zum benachbarten 17 ändert sich die Länge der beiden Codeelemente 5 und 6 nur um einen Mindestwert, der durch den Sensor gerade noch mit Sicherheit nachweisbar ist.

Die Sensorelemente 8 auf dem Sensor (1) sind magnetoresistive Schichtstreifen 13. Sie ändern ihren Widerstand proportional zur Magnetfeldkomponente in Maßstabslängsrichtung. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird diese Proportionalität durch die auf den Schichtstreifen 13 vorhandene Barberpolstrukur 14 bewirkt. Zu jedem Schichtstreifen 13 in der ersten Sensorhälfte ist ein Schichtstreifen 13 in der zweiten Sensorhälfte in Reihe geschaltet. Die in Reihe geschalteten Schichtstreifen 13 liegen genau um eine Bereichslänge 3 des Maßstabes auseinander. Bei Anlegen der Betriebsspannung an die Kontakte 15 erscheint an den Ausgängen 16 eine Spannung, die der Magnetfelddifferenz einschließlich Vorzeichen zwischen den Orten der zugehörigen Schichtstreifen 13 entspricht. Somit wird durch die Vielzahl der Einzel- Sensorelemente 8 ein Ausschnitt aus der Magnetfeldverteilung des Maßstabes über eine Länge wiedergegeben, die der eines Bereichspaares 7 entspricht. Durch die Felddifferenzmessung wird dabei die Einwirkung äußerer Störfelder ausgeschlossen. Aus der gemessenen Magnetfeldverteilung werden die Nulldurchgänge der Magnetfelddifferenz bestimmt. Aus der Differenz der Positionen der Nulldurchgänge ergeben sich die Abschnittslängen. Diese werden mit dem gespeicherten Code verglichen und so wird die jeweilige Position des Sensors 1 gegenüber dem Maßstab 2 festgestellt. Da bei dem Meßverfahren nur die Nulldurchgänge der Magnetfeldkomponente in Maßstabslängsrichtung benutzt werden, ist die Abhängigkeit ihrer Feldstärke vom Abstand zum Maßstab ohne Bedeutung, ebenso wie die Temperaturabhängigkeit der Auslenkung der magnetoresistiven Schichtstreifen 13. Die geringe Längenänderung der Codeelemente von einem Bereichspaar 7 zum benachbarten (17) ist erforderlich, damit die Differenzmessung auch für die Fälle zu auswertbaren Ergebnissen führt, in denen der Sensor 1 über zwei nicht zu einem Bereichspaar 7 gehörenden Bereichen 3 steht.

Für Messungen mit höherer Auflösung wird in Fig. 2 eine Anordnung dargestellt. Hier ist parallel zur Spur 2 mit den Bereichen 3 eine rein periodische Spur 9 vorhanden. Der Sensor 10 enthält in dem Gebiet, das sich bei Betrieb der Anordnung über dieser Spur (9) befindet, weitere gleiche Sensorelemente 8. Mit diesen Sensorelementen 8 wird nach bekannten Verfahren die Position des Sensors 1 gegenüber der Spur 9 innerhalb der Periodenlänge mit hoher Auflösung festgestellt. In der wievielten Periode sich der Sensor befindet, wird aus der Spur 2 mit der Absolutcodierung abgelesen. Vorteilhafterweise wird die Periodenlänge nicht gleich der Bereichslänge 3 gewählt. Die Differenz zwischen Bereichslänge 3 und Periodenlänge ist so festgelegt, daß ein ganzzahliges Vielfaches von ihr sowohl die Bereichslänge als auch die Periodenlänge ergibt. So ergibt sich ein Versatz 12 zwischen Bereichsgrenze und Periodengrenze, der sich von Periode zu Periode ändert. Dieser Versatz wird bei der Messung der Magnetfeldverteilung mit dem Sensor 1; 10 erkannt und ergibt so eine weitere Information über die absolute Lage der jeweiligen Periode, die den Informationen aus den Längen der Codeelemente 4; 5; 6 hinzugefügt wird. Diese Information aus dem Versatz 12 wird praktisch ohne zusätzlichen Aufwand erhalten.

Claims (9)

1. Anordnung zur Bestimmung der Absolutposition, bestehend aus einem Maßstab mit flächenhaften Codeelementen, die in einer Spur nebeneinander liegen, wobei jeweils mehrere Codeelemente einen Absolutwert darstellen, und einem Sensor mit streifenförmigen Sensorelementen zur Abtastung der Codeelemente, wobei die Breite der Sensorelemente wesentlich kleiner als die Breite der Codeelemente ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spur (2) in Bereiche (3) gleicher Länge unterteilt ist und alle Bereiche (3) gleichviele flächenhafte Codeelemente (4; 5; 6) enthalten, daß jeweils zwei benachbarte Bereiche (3), die ein Bereichspaar (7; 17) bilden, in sich entsprechende flächenhafte Codeelemente (4; 5; 6; 4′; 5′; 6′) unterteilt sind, daß die von den Sensorelementen (8) nachzuweisende physikalische Größe in den jeweils sich entsprechenden Codeelementen (4 u. 4′; 5 u. 5′; 6 u. 6′) zueinander komplementär ist, daß ein bestimmtes Codeelement (4; 4′) in der Reihenfolge der Codeelemente (4; 5; 6) in allen Bereichen (3) sich dadurch auszeichnet, daß es eine kleinere oder größere Länge als alle anderen Codeelemente (5, 5′; 6, 6′) hat oder daß es eine vorgegebene Länge besitzt, die bei keinem anderen Codeelement (4; 5; 6) in allen Bereichen (3) auftritt, daß der Sensor (1) über eine Länge des Bereichspaares (7; 17) die streifenförmigen Sensorelemente (8) in gleichem Abstand enthält und daß die jeweils um eine Bereichslänge (3) versetzt gegeneinander befindlichen Sensorelemente (8) zur Differenzbildung ihrer Ausgangssignale verschaltet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei nebeneinanderliegende Bereichspaare (7; 17) nur in der Länge von zwei Codeelementen (5; 6) unterscheiden und daß die Längendifferenz der Codeelemente (5; 6) der beiden jeweils benachbarten Bereichspaare (7; 17) stets gleich ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sensorelemente (8) auf die nachzuweisende physikalische Größe in gleicher Weise reagieren und daß die Zahl der Codeelemente (4; 5; 6) pro Bereich (3) ungerade ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (8) über einer ersten Länge, die der eines Bereiches (3) entspricht, bei Einfluß der gleichen physikalischen Eingangsgröße ein gegenläufiges Ausgangssignal zu dem der Sensorelemente (8) über einer zweiten Länge, die der eines Bereiches (3) entspricht, abgeben und daß die Zahl der Codeelemente (4; 5; 6 usw.) pro Bereich (3) gerade ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Spur (2) mit den Bereichen (3), die aus Codeelementen (4; 5; 6) unterschiedlicher Länge bestehen, eine zusätzliche, rein periodische Spur (9) auf dem Maßstab vorhanden ist und daß der Sensor (1; 10) zusätzliche Sensorelemente (8) zum Abtasten dieser zusätzlichen Spur (9) enthält und daß sowohl die Länge des Bereichspaares (7) als auch die Periodenlänge ganzzahlige Vielfache der Differenz zwischen der Länge des Bereichspaares (7) und der Periodenlänge sind und daß der jeweilige Versatz zwischen dem Beginn des Bereichspaares (7) und dem Beginn der Periodenlänge eine Teilinformation über die Absolutposition ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab abwechselnd mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Codeelementen (4; 5; 6) ausgestattet ist und die Sensorelemente (8) eine der Lichtintensität proportionale Anzeige aufweisen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab mit Codeelementen (4; 5; 6) entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung ausgestattet ist und daß die Sensorelemente (8) eine dem Magnetfeld proportionale Anzeige aufweisen.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (8) magnetoresistive Schichtstreifen (13) mit Barberpolstrukturen (14) sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder magnetoresistive Schichtstreifen (13) aus einem ersten Teil des Sensors (1), der die Länge eines Bereiches (3) des Maßstabes hat, mit dem in der Reihenfolge gleichen Schichtstreifen aus einem zweiten Teil des Sensors (1), dessen Länge ebenfalls mit der Länge eines Bereiches (3) übereinstimmt, in Reihe geschaltet ist, und daß die Ausgangsspannung der so gebildeten Spannungsteiler der Magnetfelddifferenz zwischen den Orten der entsprechenden magnetoresistiven Schichtstreifen (13) proportional ist.