DE9413205U1

DE9413205U1 - Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE9413205U1
Application number: DE19949413205
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1994-08-16
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2004-08-17

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11. August 1994

Pos itionsmeßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Positionsmeßeinrichtung ist aus der DE 25 40 412 C3 bekannt. Bereits bei der Teilungsherstellung sind in zueinander festgelegten Abständen eine Reihe von Referenzmarken vorgesehen. Zur Auswahl einer dieser Referenzmarken ist ein Magnet auf dem Maßstab selbst oder in dessen Nähe angeordnet, so daß beim Meßvorgang nur die Referenzmarke zur Wirkung gelangt/ der ein Magnet zugeordnet ist. Zur Abtastung des Magneten ist in der Abtasteinheit ein Reed-Schalter angebracht. Ein Steuerimpuls wird nur dann abgegeben, wenn gleichzeitig eine Referenzmarke und ein Magnet abgetastet wird. Der Magnet reicht aus diesem Grund in Meßrichtung gesehen über die gesamte Länge der Referenzmarke.

In der DE 29 48 854 C2 und der DE 32 04 012 Cl ist beschrieben, daß bei einer derartigen Positionsmeßeinrichtung auch eine Feldplatte zur Abtastung des Magneten dienen kann.
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Aus der JP 6-14907 (U) ist eine weitere Positionsmeßeinrichtung beschrieben, bei der die Auswahl einer Referenzmarke durch zwei in Meßrichtung voneinander beabstandete Magnetpole erfolgt. Zur Abtastung dieser Magnetpole sind in der Abtasteinheit zwei Hallelemente vorgesehen.

Bei der EP 0 116 118 A2 ist neben der inkrementalen Teilung eine Spur aus einer magnetisierbaren Schicht vorgesehen. Zur Auswahl von Referenzmarken ist in diese Schicht eine Auswahlinformation einschreibbar, die mittels eines Hallelementes abgetastet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln eine sichere Auswahl von Referenzmarken ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß der Anwender der Positionsmeßeinrichtung die Lage der Steuerimpulse selbst leicht auswählen kann und am ausgewählten Ort ein Steuerimpuls sicher erzeugt wird.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigt:
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Figur 1 schematisch eine inkrementale Positionsmeßeinrichtung,

Figur 2 einen Magneten zur Auswahl einer Referenzmarke,

Figur 3 einen Halter für den Magneten,

Figur 4 eine weitere Positionsmeßeinrichtung 15

Figur 5 einen Maßstab einer weiteren Positionsmeßeinrichtung und

Figur 6 ein Signaldiagramm.

In Figur 1 ist schematisch eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßeinrichtung gezeigt, die aus einem Maßstab 1 und aus einer Abtasteinheit 2 besteht. Der Maßstab 1 ist an einem zu messenden Objekt befestigt und relativ zur Abtasteinheit 2 in Meßrichtung X verschiebbar. Auf dem Maßstab 1 ist eine inkrementale Teilung 3 in Form von abwechselnd transparenten und nicht transparenten Strichen aufgebracht. Die Teilung 3 wird lichtelektrisch berührungslos von der Abtasteinheit 2 abgetastet. Die dabei von den dargestellten Empfängern 4 und 5 erzeugten analogen und um ein Viertel der Teilungsperiode gegeneinander phasenverschobenen Abtastsignale 6, 7 werden in bekannter Weise in Rechtecksignale umgeformt und einer Auswerteeinheit 8 zugeführt. Die Auswerteeinheit 8 kann eine Positionsanzeige oder eine numerische Steuerung sein.

Entlang der Teilung 3 ist auf dem Maßstab 1 eine Reihe gleichbeabstandeter Referenzmarken 9.1 bis 9.5 vorgesehen, die jeweils aus Strichgruppen mit einer bestimmten Strichverteilung bestehen. Die Auswahl derjenigen Referenzmarke 9.3/ die beim Meßvorgang zur Wirkung gelangen soll, erfolgt durch Zuordnung eines Magneten 10, dessen Magnetfeld bei Annäherung der Abtasteinheit 2 ein darauf befindliches Hallelement 11 ansteuert und eine Hallspannung UH=UN erzeugt. Die Hallspannung UH wird einer elektrischen Baueinheit 12 zugeleitet. Ebenso enthält die Abtasteinheit 2 einen Empfänger 13 zur Abtastung der Referenzmarken 9.1 bis 9.5, so daß an jeder Referenzmarke 9.1 bis 9.5 vom Empfänger 13 ein Abtastsignal 14 zur elektronischen Baueinheit 12 geleitet wird. Nur wenn die beiden Signale UN und 14 gleichzeitig an der Baueinheit 12 anliegen, wird auf deren Ausgangsleitung 15 ein Signal der Auswerteeinheit 8 zugeführt, die dadurch zum Beispiel auf den Zählerstand "Null" gesetzt wird.

Wie in Figur 2 im Detail dargestellt ist, ist der Magnet ein Magnetstreifen 10, der etwa 1 mm dick, 5 mm breit und in Meßrichtung X gesehen einige cm lang ist, so daß er über die gesamte Länge der Referenzmarke 9.3 reicht. Die Polung ist derart gewählt, daß eine dem Hallelement 11 direkt zugewandte Fläche des Magnetstreifens 10 einen Südoder Nordpol und die Rückseite einen dazu inversen pol aufweist, so daß das entstehende Magnetfeld senkrecht zur Meßrichtung X verläuft und senkrecht auf die Empfangsfläche des Hallelementes 11 einwirkt. Die Magnetpole N, S des Magnetstreifens IO sind also großflächig ausgebildet und sind hintereinander senkrecht zur Meßrichtung X angeordnet.

Diese Ausbildung garantiert eine sichere Auswahl der Referenzmarke 9.3.

Hallelemente 11 sind magnetfeldabhängige Halbleiter, die auf der Ausnutzung des HaIl-Effektes beruhen. Beim Hallelement 11 wird an zwei gegenüberliegenden Seiten eines dünnen Halbleiterplattchens eine Hallspannung UH abgenommen/ wenn es von einem Strom durchflossen und senkrecht zu dem Plättchen von einem Magnetfeld durchsetzt wird. Diese Hallspannung UH ändert sich entsprechend der Richtung und Stärke des Magnetfeldes sowie dem durchfließenden Strom. Durch das Zusammenwirken von Magnetfeld und Strom entsteht eine Spannung UH, so daß man von 5 einem Generator sprechen kann, weshalb Hallelemente 11 auch als Hallgeneratoren, aber auch als Hall effect transducer oder Hallsensoren bezeichnet werden. Hallelemente 11 haben gegenüber anderen Magnetfeldsensoren den Vorteil, daß ihr Ausgangssignal UH eine annähernd lineare Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes aufweist, daß die Nullpunktdrift sehr gering ist, und daß das Vorzeichen der Hallspannung UH beim Umpolen des Magnetfeldes wechselt. Gegenüber Reed-Schaltern besteht weiterhin der Vorteil, daß Hallelemente 11 keine mechanischen Kontakte besitzen, und daß Hallelemente 11 äußerst wenig Raum beanspruchen.

Der Magnetstreifen 10 ist vorzugsweise in einem Halter 16 aus Kunststoff befestigt, wie in Figur 3 dargestellt. Der Halter 16 besitzt eine Ausnehmung 16.1 zur Aufnahme des Magnetstreifens 10, so daß fünf Flächen des Magnetstreifens 10 von dem Halter 16 umhüllt sind und nur der dem Hallelement 11

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gegenüberstehende flächige N-PoI frei liegt. Um das Magnetfeld in Richtung des Hallelementes 11 zu konzentrieren, ist auf der dem Hallelement 11 abgewandten Fläche des Magnetstreifens 10 ein Blechstreifen 17 mit hoher magnetischer Leitfähigkeit angebracht. Der Blechstreifen 17 und der Magnetstreifen 10 sind in den Halter 16 eingeklebt. Der Halter 16 kann direkt auf eine Fläche des Maßstabes 1 aufgeklebt, aufgeschraubt oder anderweitig befestigt werden.

In Figur 4 ist eine gekapselte Längenmeßeinrichtung dargestellt, bei der der Maßstab 1 in einem Gehäuse 20 befestigt ist. Die Abtasteinheit 2 mit dem HaIlelement 11 ist an einem aus dem Gehäuse 20 herausragenden Mitnehmer 22 befestigt und relativ zum Gehäuse 20 in Meßrichtung X verschiebbar. Im Gehäuse 20 ist eine Nut 21 zur Aufnahme des Halters 16 eingebracht. Zur Auswahl einer Referenzmarke 9.1 bis 9.5 des Maßstabes 1 ist der Halter 16 in der Nut 21 verschiebbar und kann mittels einer in eine Gewindebohrung 18 des Halters 16 eingebrachten Schraube 19 in der Nut 21 festgeklemmt werden. Die Lage des Halters 16 kann aber auch durch angrenzende, in Meßrichtung X aneinandergereihte Füllelemente formschlüssig fixiert sein, wie in der DE 32 04 012 Cl beschrieben ist.

Die Verwendung eines Hallelementes 11 hat den Vorteil, daß bei der Abtastung eines flächigen N-Poles eine Hallspannung UN und bei der Abtastung eines flächigen S-Poles eine Hallspannung US mit zu UN entgegengesetzten Vorzeichen erzeugt wird. Dies kann dazu genutzt werden, daß mehrere Referenzmarken unterscheidbar ausgewählt werden. So kann beispielsweise einer Referenzmarke an einem Ende des

Maßstabes 1 ein Magnetstreifen mit dem N-PoI dem Hallelement 11 gegenüberliegend angeordnet sein und einer Referenzmarke am anderen Ende des Maßstabes 1 ein Magnetstreifen mit dem S-PoI dem Hallelement 11 gegenüberliegend angeordnet sein.

Nach einer Betriebsunterbrechung - z.B. durch Stromausfall verursacht - muß bei inkrementalen Meßsystemen eine Referenzmarke 9.1 bis 9.5 angefahren werden, um den Zähler auf einen vorgegebenen Wert zu setzen. Dabei ist es von Vorteil/ wenn in jeder Position erkannt werden kann, in welche Richtung zur ausgewählten Referenzmarke 9.3 zu verfahren ist. Hierzu ist gemäß Figur 5 auf einer Seite der Referenzmarke 9.3 ein bis zum Ende des Meßbereiches reichender Magnetstreifen 23 vorgesehen. Beide Magnetstreifen 10 und 23 können in einer Spur angeordnet sein und von einem einzigen Hallelement 11 abgetastet werden, da bei der Abtastung des einen zur Auswahl der Referenzmarke 9.3 dienenden Magnetstreifens 10 eine positive Hallspannung UN und bei der Abtastung des anderen Magnetstreifens 23 eine negative Hallspannung US entsteht. Diese Hallspannungen UH sind in Figur 6 dargestellt.

Die Erfindung ist auch bei einer Positionsmeßeinrichtung einsetzbar, wie sie in der EP 0 395 844 A2 beschrieben ist. Dabei sind in einer Spur neben der inkrementalen Teilung mehrere Referenzmarken in unterschiedlichen Abständen (Abstandscodiert) zueinander angeordnet. In einer weiteren Spur sind Markierungen zur Auswahl von gleichbeabstandeten Referenzmarken vorgesehen. Diese Markierungen sind gemäß der Erfindung Magnetstreifen, die bei der

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Abtastung mit einem Hallelement eine positive Hallspannung UN erzeugen. Durch diese positive Hallspannung werden die Referenzmarken aktiviert, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, den Referenzmarken Magnetstreifen zuzuordnen, die deaktiviert werden sollen, so daß nur noch die in regelmäßigen Abständen angeordneten Referenzmarken ohne Magnetstreifen aktiv sind.

Gleichzeitig kann einer der in unterschiedlichen Abständen angeordneten Referenzmarken oder einer der bereits aktivierten Referenzmarken ein Magnetstreifen zugeordnet sein, der bei der Abtastung eine negative Hallspannung US erzeugt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß mehrere Betriebsarten möglich sind.:

Aktivierung einer einzigen Referenzmarke aus den abstandscodierten Referenzmarken

Aktivierung von gleichbeabstandeten Referenzmarken sowie Auswahl einer dieser Referenzmarken

- durch Abschalten des Hallelementes sind alle Referenzmarken aktiv

Die Erfindung ist nicht auf die lichtelektrische Abtastung der Teilung beschränkt, sondern auch bei magnetischen, induktiven und kapazitiven Meßeinrichtungen mit Erfolg anwendbar. Ebenso ist der Einsatz bei Winkelmeßeinrichtungen möglich.

Claims

*7 V * · 4 DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11. August 1994 Ansprüche

1. Positionsmeßeinrichtung mit entlang einer Teilung eines Maßstabes angeordneten Referenzmarken, die von einer Abtasteinheit abgetastet werden und dabei elektrische Referenzmarkenimpulse erzeugt werden, wobei zumindest einer dieser Referenzmarken eine magnetische Markierung zur Auswahl zugeordnet ist, zu dessen Abtastung ein Hallelement in der Abtasteinheit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Markierung ein Magnetstreifen (10) ist, der in Meßrichtung (X) eine Länge aufweist, die mindestens der Ausdehnung einer Referenzmarke (9.3) entspricht und über die gesamte Länge der ausgewählten Referenzmarke (9.3) reichend am Maßstab

(1) oder dessen Träger (20) angebracht ist, und daß der Magnetstreifen (10) zwei gegensinnige Pole (N, S) aufweist, die senkrecht zur Meßrichtung (X) hintereinander angeordnet sind.

2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetstreifen (10) eine Länge aufweist, die ein Vielfaches seiner Breite und Höhe ist.

3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Maßstab (1) oder dessen

Träger (20) mehrere Magnetstreifen (10, 23) derart angebracht sind, daß sie mit unterschiedlichen flächigen Polen (N, S) dem Hallelement (11) gegenüberstehen.
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4. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetstreifen einer Referenzmarke am einen Ende des Maßstabes zugeordnet ist und dem Hallelement mit einem flächigen Pol (N) gegenübersteht, und daß ein weiterer Magnetstreifen einer Referenzmarke am anderen Ende des Maßstabes zugeordnet ist und dem Hallelement mit einem dazu inversen flächigen Po (S) gegenübersteht.

5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetstreifen (10) einer Referenzmarke (9.3) zugeordnet ist und dem Hallelement (11) mit einem flächigen Pol (N) gegenübersteht, und daß auf einer Seite dieser Referenzmarke (9.3) ein weiterer Magnetstreifen (23) mit einem dazu inversen flächigen Pol (S) dem Hallelement (11) gegenüberliegend angeordnet ist.

6. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Magnetstreifen (10, 23) in einer Öffnung (21) des Maßstabes (1) oder des Maßstabträgers (20) verschiebbar angeordnet ist.

7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet/ daß der Magnetstreifen (10, 23) in einer Nut (21) des Gehäuses (20) in Meßrichtung (X) verschiebbar ist.

8. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetstreifen (10) in einem Halter (16) befestigt ist.

9. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (16) eine Länge entsprechend dem Mittenabstand zweier aufeinanderfolgender Referenzmarken (9.1 bis 9.5) aufweist.

10. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (16) ein Kunststoffteil mit einer Ausnehmung (16.1) ist, in welcher der Magnetstreifen (10) befestigt ist.

11. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem 0 flächigen Pol (S) des Magnetstreifens (10), der dem Hallelement (11) nicht zugewandt ist, ein Blechstreifen (17) zugeordnet ist.

12. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechstreifen (17) in der Ausnehmung (16.1) des Halters (16) zwischen dem Magnetstreifen (10) und einer Wand des Halters (16) befestigt ist.

13. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (16) in einer Nut (21) des Maßstabes (1) oder Gehäuses (20) in Meßrichtung (X) verschiebbar ist.

14. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprü

ehe 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmakren (9.1 bis 9.5) in aufeinanderfolgend gleichen Abständen angeordnet sind.

15. Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmarken in unterschiedlichen Abständen angeordnet sind.

16. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Referenzmarken eine Reihe aufeinanderfolgend gleichbeabstandeter Referenzmarken ausgewählt wird, indem mehreren Referenzmarken ein Magnetstreifen zugeordnet ist.