WO2023227486A1 - Mehrspuranordnung für linear- und winkelmesssysteme - Google Patents

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WO2023227486A1
WO2023227486A1 PCT/EP2023/063514 EP2023063514W WO2023227486A1 WO 2023227486 A1 WO2023227486 A1 WO 2023227486A1 EP 2023063514 W EP2023063514 W EP 2023063514W WO 2023227486 A1 WO2023227486 A1 WO 2023227486A1
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WO
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track
substrate
magnetic
geometric
measuring
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PCT/EP2023/063514
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English (en)
French (fr)
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Bernhard LINDNER
Paul TUTZU
Victor Vasiloiu
Original Assignee
Flux Gmbh
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Publication date
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    • G01D5/56—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using means specified in two or more of groups G01D5/02, G01D5/12, G01D5/26, G01D5/42, and G01D5/48 using electric or magnetic means

Definitions

  • the invention relates to a device for a length or angle measuring system, a corresponding measuring system, and a method for producing a device for a length or angle measuring system.
  • a measuring system for position determination includes a measuring standard, which contains coded position information, and a scanning head with a sensor.
  • the measuring system can include a physical evaluation channel and an evaluation circuit.
  • the position information from the measuring system is usually forwarded via an interface to a servo controller for regulation or control (for example to regulate/control position, speed or torque).
  • the position measurement is carried out by the relative movement of the scanning head and the material measure.
  • the sensor measures a physical property, for example a magnetic or an electrical measurement variable, which depends on the encoded position information.
  • Position information is then calculated by the evaluation circuit from the change in the physical property.
  • the position information obtained can either be relative if it depends on a starting position, or absolute if each point of a trajectory is uniquely defined by the coded position information of the measuring standard.
  • the scanning head or the measuring scale moves. In the case of a circular measuring scale, we speak of rotor and stator.
  • the material measure has at least two periodic encoded measurement tracks, which have different graduation periods, so that a unique signal combination of the tracks is available for each position on the measuring standard.
  • Measuring standards with two or more magnetically coded measuring tracks are known, which are typically arranged next to each other in the same plane.
  • EP3285267B1 discloses a magnetization device for magnetizing a material measure with several tracks. Magnetic shielding of the magnetization heads is intended to reduce overwriting or crosstalk during magnetization.
  • EP2839247B1 discloses a magnetic encoder for the production of an index signal, which is intended to reduce the influence of the index or the reference track on the incremental track.
  • the document EP2579002B1 discloses an encoder with several rows of magnetically coded tracks. By configuring the tracks and the positions of the associated sensors, the interference of the magnetic pattern of the rows should appear to the respective sensor as a magnetic pattern of the same pitch.
  • Another approach is to reduce the problem of crosstalk by digitally processing the measurement signal.
  • a device for a length or angle measuring system which has the following: a first track with a magnetic coding along a measuring direction, and at least a second track with a geometric coding along the measuring direction.
  • a system comprises: an arrangement according to the previous paragraph, and a sensor head with a first sensor element, which forms a first measuring channel together with the first track, and at least a second sensor element, which together with the second Track forms a second measuring channel.
  • a method is described with the following steps: providing a substrate made of a magnetic material; Magnetizing the substrate to form a first track with a magnetic coding along a measurement direction; and changing at least one geometric feature of the substrate along the measurement direction to form at least a second track with a geometric coding along the measurement direction.
  • this avoids the problem of crosstalk in a simple and scalable manner.
  • the measuring system remains particularly compact and can be manufactured quickly and easily.
  • Figure 1 shows a block diagram of a position measuring system.
  • Figure 2 shows a perspective view of a length measuring system according to the prior art.
  • Figure 3 shows a perspective view of an angle measuring system according to the prior art.
  • Figure 4 shows a perspective view of a length measuring system with a periodically coded measuring scale and a periodic sensor element.
  • Figure 5 shows a perspective view of an example of a measuring track arrangement for a length measuring system with a periodic, magnetic track.
  • Figure 6 shows diagrams which display an electrical signal generated by a (a) Hall sensor and a (b) magnetoresistive or magnetic impedance sensor when scanning a pair of magnetic poles.
  • Figure 7 shows a schematic representation from above of a measuring track arrangement with two tracks with different pitch periods.
  • FIG. 8 shows a diagram of the magnetic field strength as a function of the distance between the measuring standard and the sensor for different graduation periods (pole lengths).
  • Figure 9 shows a schematic representation of a magnet with two poles and its magnetic field lines.
  • Figure 10 shows a perspective view of a material measure for angle measurement with (a) axial pair of magnetic poles and (b) diametrical pair of magnetic poles.
  • 11 shows a cross-sectional representation of an embodiment of a material measure with (a) axial pair of magnetic poles and (b) diametrical pair of magnetic poles, the material measure having a second (vernier) measuring track with sinusoidal geometry.
  • 12 shows a cross-sectional representation of a further embodiment of a material measure with (a) axial magnetic pole pair and (b) diametrical magnetic pole pair, which have a geometric modulation of several (Vernier) measuring tracks without or with superposition of the additional measuring tracks.
  • Figure 13 shows a cross-sectional representation of a further embodiment of a material measure with a magnetic track and two superposed, geometrically modulated measurement tracks on the inner edge.
  • FIG. 14 shows cross-sectional representations of further embodiments of a material measure with (a) only one magnetic measuring track, (b) only one geometric track and (c) a combination of a magnetic and a geometric track.
  • 15 shows a cross-sectional representation of an embodiment of a material measure for a length measuring device with two geometrically coded measuring tracks.
  • Figure 16 shows a cross-sectional representation of a further embodiment of a material measure for a length measuring device with two measurement tracks geometrically coded by superpositioning.
  • Figure 17 shows a diagram of an embodiment of a method for producing a material measure for a measuring system.
  • Figure 1 shows a general block diagram of a position measuring system, in this case a length measuring system.
  • the measuring system includes a material measure 1 and a scanning head 2 (sensor head).
  • the position information of the measuring system is forwarded via an interface 4 to a servo controller 3 for regulation, for example of the position, the speed and/or the torque, or for control.
  • the material measure 1 contains coded information which can be introduced in a wide variety of forms.
  • the material measure 1 can be designed as both a passive and an active element.
  • active elements for the measuring standard are angular position encoders (resolvers) and rotary encoders, which have a meander-shaped structure that is supplied with an alternating current signal.
  • the scanning head 2 includes a sensor 2.1.
  • the sensor 2.1 can be based on various physical measuring principles, for example on a magnetic, inductive, optical, capacitive or the “Giant Magnetic Impedance” (GMI) measuring principle.
  • the sensor 2.1 can scan (capture) the entire length or surface of the material measure 1 or only a part or a segment of it.
  • the sensor 2.1 generates one or more analog signals during scanning.
  • the scanning head 2 also includes an electronic circuit with evaluation electronics 2.2 (sensor circuit), which converts the analog sensor signals into digital or analog position information using suitable methods.
  • the sensor circuit 2.2 can have an evaluation circuit with a multiplexer, the multiplexer being connected to the sensor elements and being designed to provide measurement signals via a single physical evaluation channel.
  • the position measuring system can be a linear measuring system or a length measuring system.
  • Figure 2 shows a representation of a linear or length measuring system.
  • the material measure 1 is designed as a linear, band-shaped element which extends along a length direction x, which also represents the measuring direction. It has a linear coding, which also extends in the measuring direction x.
  • the sensor head 2 is arranged above the material measure 1 and can move along the measuring direction x in order to detect the material measure 1.
  • the measuring standard 1 has a circular coding along a radial direction, which corresponds to the measuring direction.
  • the sensor head 2 is arranged parallel to and spaced from the material measure 1.
  • both elements have one and the same axial axis, which is arranged perpendicular to the planes in which the material measure 1 and the sensor head 2 each extend and passes through a center of the material measure or the sensor head.
  • the sensor head can rotate around the axial axis during the measurement and thus serve as a rotor, while the measuring standard remains rigid and serves as a stator.
  • the measuring scale can rotate around the axis and the sensor head can remain rigid.
  • the material measure 1 and the sensor head 2 are at a substantially constant distance in a direction which is perpendicular to the plane which the material measure 1 extends, is spaced apart, as shown in Figures 1 to 3. This means that optical as well as magnetic, capacitive or inductive measurements can be carried out.
  • the coded information is introduced into the material measure 1 (the scale) through different areas with different permeabilities p (reluctances) and / or different conductivities G.
  • the linear measuring standard 1 extends along a measuring direction x, with two adjacent areas in the measuring direction having different permeability or conductivity.
  • the coding is periodic, with a period comprising a sequence of a first region with a permeability po or conductivity so and a second region with a permeability pi or conductivity GI and having a division period A.
  • the material measure 1 comprises one or more periodically or aperiodically coded measurement tracks.
  • the division period X corresponds to a period of coding.
  • the measuring scale 1 is sensed by a sensor 2.1. The scanning is therefore not a sampling, but rather a detection of the material measure.
  • the sensor 2.1 contains a sensor element 2.1.1 for each track of the measuring standard.
  • a sensor element 2.1.1 is formed from at least one emitter coil 2.1.1.1 and one or more receiver coils 2.1.1.2. It applies that a sensor element 2.1.1 can have one or more emitter coils 2.1.1.1 and an emitter coil 2.1.1.1 can be shared by both just one sensor element 2.1.1 and by several sensor elements 2.1.1.
  • the sensor element 2.1.1 covers at least one graduation period X of the measurement track.
  • the sensor element can also cover several division periods n (with n GN), where n denotes the number of division periods. This means that any errors that may occur can be averaged, which reduces the general measurement error.
  • the emitter coils 2.1.1.1 and the receiver coils 2.1.1.2 can be implemented, for example, as conductor tracks in the form of a meander structure (flat coils) in or on a rigid or flexible substrate (e.g. a printed circuit board).
  • the sensor element 2.1.1 comprises a single one Emitter coil 2.1.1.1, which has the shape of a cuboid, and two meandering, offset receiver coils 2.1.1.2, which are arranged within the emitter coil 2.1.1.1.
  • a measuring track of the material measure 1 forms a measuring channel in combination with the sensor element 2.1.1.
  • the electronic circuit 2.2 feeds an alternating current into the emitter coil(s) 2.1.1.1 of the sensor element 2.1.1, for example with a frequency in the range from a few kHz to 100 MHz. Due to the inductive coupling (counter-induction) between the emitter 2.1.1.1 and receiver coils 2.1.1.2, an alternating current of the same frequency is induced in the receiver coils 2.1.1.2.
  • the counter-induction is modulated during a relative movement of the material measure 1 with respect to the scanning head 2 (the sensor structure).
  • those areas of the material measure 1 with higher magnetic permeability will amplify the counter-induction or the alternating current induced in the receiver coils 2.1.1.2.
  • the alternating currents induced in the receiver coils 2.1.1.2 or the measured signals are demodulated by the evaluation electronics 2.2 and converted into position information.
  • the position information obtained in this way is forwarded via an interface 4 to a servo controller 3 for various regulations and controls.
  • the interface is a synchronous serial interface (SSI) and includes a power amplifier (line driver), e.g. of type RS485, as well as a cable and a connector.
  • the sensor head can move along the measuring direction above the surface of the material measure and thereby detect changes in one or more physical variables, such as the inductance or the magnetic field strength, with the evaluation circuit calculating position information from the sensor signals.
  • the sensor head can be rigid while the measuring scale itself moves, for example rotates.
  • 5 shows a schematic representation of a material measure for a measuring system, in this case a length measuring system.
  • the measuring scale in the present case designed as a scale, comprises a substrate and a magnetic measuring track arrangement.
  • the magnetic measurement track arrangement consists of one or more measurement tracks that are encoded with a periodic or aperiodic (“random”) pattern.
  • a measurement track refers to a track that is coded in such a way that its scanning by a sensor allows the absolute and/or relative position of the sensor on the measurement track to be determined.
  • the magnetic measuring track arrangement comprises a single measuring track with a periodic division.
  • a division period corresponds to the length X of a magnetic pole or the length 2*X of a magnetic pole pair.
  • a magnetic measuring track arrangement can consist of a hard magnetic material, such as ferrites or alloys based on aluminum, nickel, cobalt, neodymium, iron-boron.
  • the measurement track assembly can be manufactured by various methods such as synthesizing, molding, vulcanizing and rolling.
  • the measuring track arrangement can be manufactured on a substrate or subsequently glued on to increase the mechanical stability and/or the magnetic properties.
  • a scale (measuring track) with a periodic or aperiodic pattern of magnetic pole pairs is magnetized into the magnetic material of the magnetic measuring track arrangement.
  • the magnetization can take place both in the direction of movement or rotation (axial or radial) of the measuring system as well as orthogonally to it.
  • the magnetization of the substrate to produce the measurement track is a remanent magnetization.
  • the measurement track thus has a magnetic coding along a given measurement direction and is formed by a large number of magnetic sections, with two adjacent sections having different magnetization.
  • Magnetic measurement variables include, for example, the field strength, the flux density, the reluctance, the permeability, the saturation magnetization, the dipole moment and the polarization.
  • Typical magnetic sensors use Hall, magnetoresistive (MR) or magnetic impedance (MI) effects to scan the magnetic scale. When scanning, they generate an electrical signal, which is an image of the magnetized pattern of the measuring track arrangement.
  • 6a shows a measuring system with a pair of magnetic poles and a Hall sensor, as well as a diagram which displays the electrical signal generated by the Hall sensor when the pair of magnetic poles is scanned.
  • Figure 6b) shows a similar measuring system and a corresponding diagram, the sensor being designed as a magnetic impedance sensor.
  • a signal period is generated in Hall sensors 2 by scanning a pair of poles.
  • one signal period is generated by scanning a single pole, while two signal periods are generated by scanning a pair of poles. It is therefore not possible to distinguish between the north and south poles with MR and Ml sensors.
  • the electrical signals generated can then be further processed into position information by evaluation electronics (evaluation circuit).
  • evaluation electronics evaluation circuit
  • a material measure (measuring track arrangement) for an incremental measuring system generally has a magnetically coded measuring track.
  • the material measure can have a reference mark or a reference track.
  • a material measure for an absolute measuring system has at least two periodically coded measurement tracks or at least one aperiodically coded measurement track.
  • So-called vernier-coded measuring standards are known for absolute position measurement.
  • the measuring standard has at least two periodically coded measuring tracks, which have different graduation periods, so that a unique signal combination of the tracks is available for each position on the measuring standard.
  • Such a vernier coding can be implemented for both linear measuring systems and angular measuring systems.
  • the first, outer measurement track 1.1 includes 16 pole pairs and the second, inner measurement track 1.2 includes 3 pole pairs.
  • the measuring tracks are arranged along a radial measuring direction, which is arranged perpendicular to the thickness of the material measure.
  • 16 or 3 sine periods are generated, as explained above.
  • 32 or 6 sine periods are generated, respectively.
  • the magnetic pattern repeats itself after just 180°. Vernier coding is not compatible with this sensor technology.
  • the magnetic sensors are sensitive to changes in the magnetic field strength in one of the x, y or z directions of a Cartesian coordinate system.
  • a magnetic measuring standard with a non-periodic measuring track or with at least two measuring tracks of different pitch lengths contains position information in the form of a variation in the amplitude of the magnetic field. The amplitude is directly proportional to the length of the magnetic pole.
  • the optimal operating point of the magnetic sensor of each measuring track can vary considerably. The operating point corresponds to the distance of the sensor to the measuring standard in a direction that is perpendicular to the plane of the measuring standard and is also referred to as the air gap.
  • Figure 8 shows a diagram showing the magnetic field strength depending on the air gap (in millimeters) for different pitch periods, where a pitch period corresponds to a pole length.
  • the amplitude of the magnetic field changes significantly for two different tracks.
  • the amplitude of the magnetic field for a track with a pitch period of 4 mm is approximately 10 times larger than for a track with a pitch period of 0.5 mm.
  • the operating point for a multi-track arrangement can therefore only be selected through a compromise between the different tracks of the arrangement.
  • This problem also occurs with magnetic measurement tracks with aperiodic pitch.
  • Such aperiodic tracks have a large number of pitches with different lengths, which generate different magnetic field strengths.
  • Each division generates its own magnetic field strength with a certain amplitude, which is directly proportional to the division length.
  • a magnetic measuring track arrangement is described below which overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art and, in particular, is easy to manufacture and scalable. In addition, this arrangement can avoid crosstalk both during magnetization and later in operation and allows arbitrary periodic and/or aperiodic patterns, including tracks with an odd number of pitch periods.
  • two different effects for the coding of measurement tracks are combined: on the one hand, the effect of the magnetic field vectors generated by a magnetized track (magnetic track); on the other hand, the effect of a mechanical change, in particular geometric modulation, of the magnetized track.
  • a magnetized or magnetic track or magnetic track refers to a track which is formed by a large number of magnetic sections, with two adjacent sections having different magnetization. For example, a magnetic track has one or more magnetic pole pairs.
  • a mechanical change refers to a change, in particular the change in the shape, surface and/or structure of an object, due to the action of a force.
  • Geometric modulation means the change in the shape of an object through the action of a force.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a material measure 1 in the form of a magnet, the magnetic poles being directed along an X-axis.
  • Figure 9 shows only a 2D representation of the magnetic lines of the magnetic field generated by the magnet. But it is clear that the magnetic field acts in all directions and is therefore a 3D effect.
  • the magnetic field lines start at the north pole of the magnet and end at the south pole.
  • the magnetic field can be characterized by a magnetic field vector B and its components Bx, By (not shown in Figure 9) and Bz, where x, y and z denote the Cartesian coordinates.
  • the magnetic field strength and its vectors are directly dependent on the hard magnetic material used or on the alloy of the magnet, on the magnetization method/process or the magnetization system, and on the geometry of the magnet.
  • the magnetic field strength and its vectors also change accordingly. It is precisely this effect that is used here to encode a measurement track.
  • the magnetic field can be calculated using analysis methods. However, it is usually calculated with the support of computer simulations, e.g. B. based on the finite element method (FEM).
  • FEM finite element method
  • FIG. 10 shows perspective views of a material measure 1 for an angle measuring system with an axial magnetic pole pair (Figure 10a) and with a diametrical magnetic pole pair ( Figure 10b).
  • the pole pairs therefore correspond to a first magnetic track.
  • Figures 15 and 16 For the sake of completeness, it should be mentioned at this point that the examples and principles presented below can also be used for measuring scales of length measuring systems (see also Figures 15 and 16).
  • FIG. 11a shows a schematic cross-sectional representation of a material measure 1 for an angle measuring system with an axial magnetic pole pair.
  • the circular cylindrical measuring standard 1 in FIG. 11a has an outer circular edge 1.1 in the plane shown, which is slightly deformed.
  • a width of the measuring standard is no longer constant, but varies depending on the circular angle.
  • the outer edge 1.1 of the material measure has a periodic variation, so that the outer edge 1.1 is sinusoidal with three sine periods.
  • the radius of the outer edge of the scale in the plane shown is calculated using the following formula:
  • the periodic variation of the outer radius of the material measure forms a further measuring track in addition to the first magnetic track, which is formed by the pole pair. Together with the magnetized pole pair (two poles), this additional measurement track with three periods forms a vernier coding, since the greatest common divisor gCD(3, 2) is equal to one.
  • an additional geometric track can be formed by varying other geometric parameters of the material measure. For example, one can Height, a width or a thickness of the measuring scale can be varied in order to create a geometric track.
  • the geometric track is formed along the measurement direction.
  • an additional measuring track with a different pitch can be added without having to carry out additional magnetization. Because there is only one magnetic track, crosstalk between multiple magnetic tracks is avoided, making the accuracy of the sensor measurement much better.
  • the desired geometry can be produced both directly during the production of the magnetic track, for example by sintering or injection molding, and afterwards, for example by milling, etching, cutting or turning. It also doesn't matter whether the geometry is processed before or after the magnetization of the magnetic track.
  • 11b shows a schematic cross-sectional representation of a material measure 1 for an angle measuring system with a diametrically magnetic pole pair.
  • the measuring scale has a second and a third track, which are formed by varying the geometry of the substrate.
  • both the outer edge 1.1 and the inner edge 1.2 have a sinusoidal geometry with three periods.
  • the outer radius of the material measure which corresponds to the radius of the material measure without deformation, is standardized to 1 and the inner radius is normalized to 0.5.
  • both the magnetic track and the geometric tracks are arranged along the measuring direction, which runs axially.
  • 12a shows a schematic cross-sectional representation of a further material measure 1 for an angle measuring system with a radial magnetic pole pair.
  • the material measure 1 of Figure 12a has not just one, but two additional geometrically modulated tracks, namely on an outer edge 1.1 and on an inner edge 1.2 of the circular cross section.
  • the outer edge 1.1 has a sinusoidal geometry with five periods and the inner edge 1.2 has a sinusoidal geometry with three periods.
  • the radius fi(w) of the outer edge of the material measure 1 in the plane shown and the radius fs(w) of the inner edge of the material measure 1 are calculated using the following formula:
  • the measuring scale of FIG. 12a therefore also forms a vernier coding. It should also be noted that all tracks are arranged along the same measuring direction.
  • FIG. 12b shows a schematic cross-sectional representation of a further material measure 1 for an angle measuring system with a radial magnetic pole pair.
  • Figure 12b shows a superposition of two geometric modulations on the inner edge 1.2.
  • the geometry of the inner edge of the material measure in FIG. 12b results from an overlap of a sinusoidal geometry with three periods and a sinusoidal geometry with five periods. So two geometric tracks are formed on the inner edge.
  • any number of measurement tracks can be geometrically generated on a measuring standard.
  • the amplitudes A of the geometric codings can be adjusted so that the signal amplitudes for all tracks are in the same range (tolerance band), even if the number of periods or division lengths is different, which is not easily possible with purely magnetic tracks . Even when superposing two or more geometric tracks, the respective amplitude of the geometry can be adjusted.
  • the magnetic measurement track of the material measure has the largest number of graduation periods.
  • the at least one geometrically modulated measurement track for generating a vernier coding has correspondingly fewer graduation periods.
  • the number of magnetic poles or magnetic sections of the measuring standard is denoted by n, whereby n is an element of the natural, even numbers (n GN g ).
  • the number of periods for the magnetic track is greater than the number of periods for the geometric track, in particular greater by a factor of 1.5 than the number of periods for the geometric track.
  • n 1.5 * ti ; ti > 1.5 * t2 ; ti > 1.5 * ti+1, where ti is the number of periods for the ith trace created by geometric change.
  • ti is the number of periods for the ith trace created by geometric change.
  • the material measure 1 has a first, magnetic measuring track, which is arranged along a radial direction and comprises 32 magnetic sections. The magnetic sections are diametrically magnetized poles which are arranged alternately. In addition, the material measure 1 has two modulated and superpositioned vernier tracks on the inner edge 1.2.
  • the outer radius of the measuring scale is standardized to 1, the inner radius is standardized to 0.5.
  • the magnetic measurement track of the measurement track arrangement in Figure 13 is the finest track and is therefore also crucial for the accuracy of a measuring system.
  • the geometrically modulated vernier measuring tracks are used to determine the absolute value of the measuring system.
  • a magnetic measuring scale with a vernier coding which can be used both in combination with a Hall sensor and in combination with a magnetoresistive sensor or a magnetic impedance sensor.
  • the measurement track arrangement only requires one magnetic track, there is no crosstalk between the tracks. This means that the performance of a measuring system can be significantly improved. Since only one magnetic track is required, no complex and highly complex magnetization devices and algorithms are necessary to eliminate crosstalk between different measurement tracks. This reduces the overall complexity of the measurement system. In addition, only one track needs to be magnetized, which saves time during production and enables a particularly compact measuring scale.
  • the examples shown above all show a geometric modulation of additional measurement tracks with a sinusoidal shape. But it is clear that the sine shape can be replaced by any other shape. For a track with periodic coding, it is sufficient that the desired period can be detected by the sensor.
  • the geometric feature of the substrate that is varied to produce the geometric track can be represented mathematically as a polynomial or as a combination of a sine function and a polynomial function.
  • FIG. 14a shows a cross-sectional representation of a material measure for an angle measuring system with a magnetic measuring track.
  • Figure 14b shows a cross-sectional representation of another material measure for an angle measuring system with a geometric measurement track.
  • This geometric measurement track is formed by changing the geometry, namely the radial width of the substrate. In one example, this change is made by a mechanical process such as milling, etching, cutting, or turning. The change in geometry affects both the outer edge 1.1 and the inner edge 1.2 of the material measure.
  • the geometric track includes three periodic sections along a radial direction, each having a wider and a narrower area, and forms a periodic track with three periods.
  • Figure 14c shows a cross-sectional representation of a material measure for an angle measuring system, which is formed by superposition of the effects from Figures 14a and 14b.
  • the material measure therefore has both the magnetic track of Figure 14a and the geometric track of Figure 14b.
  • the example of Figure 14c can also be used for any number of periods of the magnetic and geometric tracks.
  • the geometric track is formed by a plurality of sections, with two adjacent sections differing by a change in a geometric feature of the measuring standard along the measuring direction (e.g. the width of the measuring standard).
  • Figure 15 shows a side view of a material measure (scale) for a length measuring system.
  • the measuring direction corresponds to the longitudinal direction of the material measure, which runs along the x-direction.
  • the material measure 1 has a first magnetic track along the measuring direction, which comprises a plurality of alternating magnetic sections. In the example shown, the magnetic track comprises 20 poles.
  • the material measure 1 has a second, geometric track, which is formed by a periodic change of a first, upper edge 1.1.
  • the first, upper edge 1.1 has the geometry of a sine with eight periods and thus corresponds to a second measurement track with eight graduation periods.
  • the material measure 1 also has a third, geometric track, which is formed by a periodic change of a second, lower edge 1.2, which is arranged opposite the first, upper edge 1.1.
  • the second, lower edge 1.2 has the geometry of a sine with three periods and thus corresponds to a third measurement track with three graduation periods.
  • the upper edge 1.1 and the lower edge 1.2 run along the measuring direction (longitudinal direction).
  • the longitudinal measuring standard 1 comprises, in addition to the magnetic track, two periodic, geometric tracks, each with 3 and 8 graduation periods.
  • the greatest common divisor of the number of periods of the different tracks is equal to one, so that the measurement tracks form a vernier coding.
  • the geometric track has a higher number of periods than the magnetic tracks and is therefore crucial for the accuracy of the measuring system.
  • the geometrically modulated vernier measuring tracks are used to determine the absolute value of the measuring system.
  • Figure 16 shows a side view of another material measure for a length measuring system.
  • the upper edge 1.1 includes a superposition of the two sinusoidal measurement tracks of Figure 15.
  • two additional, different measurement tracks with 3 or 8 periods can be formed, which are preferably produced in a single process can be.
  • a particularly simple and quick manufacturing process can thus be provided.
  • the example in FIG. 16 can be extended to any geometric measurement traces.
  • the number of periods of two geometric measurement tracks changes by at least a factor of 1.5. This makes it possible to ensure that the changes in the magnetic field caused by the geometric tracks can be accurately recorded by the sensor.
  • a substrate made of a magnetic material is provided.
  • the substrate can be designed as an elongated substrate for a length measuring system or as an annular substrate for an angle measuring system.
  • Hard magnetic materials such as ferrites or alloys based on aluminum, nickel, cobalt, neodymium or iron-boron can be used as materials.
  • the substrate is manufactured by synthesizing, molding, vulcanizing, rolling, sintering, or injection molding.
  • the substrate is magnetized. By magnetizing the substrate, a first track is formed on the substrate with a magnetic coding.
  • the substrate can be magnetized with a periodic or aperiodic pattern of magnetic pole pairs.
  • the magnetization can take place both in the direction of movement or rotation (axial or radial) of the measuring system as well as normal to it.
  • the magnetized substrate can be arranged on another substrate, for example glued.
  • the mechanical stability can thus be increased and/or the magnetic properties can be improved.
  • a geometric feature of the substrate is changed along a measurement direction.
  • the geometric feature can be a thickness, a width or a length of the substrate. Thus one becomes second track is formed with a geometric coding along the measuring direction. Therefore, no additional magnetic tracks are needed, which means crosstalk between tracks can be completely eliminated.
  • the step of changing the geometric feature of the substrate occurs before the step of magnetizing the substrate.
  • the step of producing the substrate and the step of changing the geometric feature of the substrate can occur simultaneously.
  • the step of changing the geometric feature may occur after the step of producing the substrate and before the step of magnetizing.
  • the substrate is manufactured by sintering or injection molding, which allows for easy production of a material measure with the desired geometry in a single step.
  • the change in the geometric feature of the substrate can also occur after the substrate has been magnetized.
  • the second geometric track can be formed by milling, etching, cutting and/or rotating the substrate. Any number of geometric measurement tracks can also be formed using this method. With the method described, a material measure for a length or angle measuring system, which has a first magnetic track and a second geometric track, can be produced particularly easily and quickly. The method is particularly suitable for producing the measuring scales shown in FIGS. 11 to 16.
  • This measuring standard offers the possibility of creating any number of measuring tracks on a compact substrate. Both periodic and aperiodic measurement tracks can be created. In addition, by varying the geometry, tracks with an odd number of pitch periods can be formed, which can be used together with magnetoresistive and magnetic impedance sensors. By selecting the parameters for the geometric track, especially the amplitude, the working area for the tracks can also be optimized. The production of such a measuring standard is also particularly simple and quick.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung für ein Längen- oder Winkelmesssystem beschrieben, welche umfasst: eine erste Spur mit einer magnetischen Codierung; und mindestens eine zweite Spur mit einer geometrischen Codierung entlang einer Messrichtung.

Description

MEHRSPURANORDNUNG FÜR LINEAR- UND WINKELMESSSYSTEME
TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Längen- oder Winkelmesssystem, ein entsprechendes Messsystem, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für ein Längen- oder Winkelmesssystem.
HINTERGRUND
[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Messsysteme zur Positionsbestimmung bekannt, insbesondere Linear-/Längenmesssysteme, Winkelmesssysteme oder Drehgeber. Linearmesssysteme bzw. Längenmesssysteme sind dazu ausgebildet, die Position entlang einer Strecke mit unterschiedlichen Endpunkten zu bestimmen. Dagegen sind Winkelmesssysteme dazu ausgebildet, die Position entlang einer geschlossenen Kreisbahn zu bestimmen. Ein Messsystem zur Positionsbestimmung umfasst eine Maßverkörperung, welche kodierte Positionsinformationen enthält, und einen Abtastkopf mit einem Sensor. Zudem kann das Messsystem einen physikalischen Auswertekanal und eine Auswerteschaltung umfassen. Üblicherweise wird die Positionsinformation des Messsystems über eine Schnittstelle an einen Servocontroller für eine Regelung oder Steuerung weitergeleitet (beispielsweise zur Regelung/ Steuerung von Position, Geschwindigkeit oder Drehmoment).
[0003] Die Positionsmessung erfolgt durch die relative Bewegung des Abtastkopfes und der Maßverkörperung. Dabei misst der Sensor eine physikalische Eigenschaft, zum Beispiel eine magnetische oder eine elektrische Messgröße, welche von der kodierten Positionsinformation abhängt. Aus der Änderung der physikalischen Eigenschaft wird dann durch die Auswerteschaltung eine Positionsinformation berechnet. Die erhaltene Positionsinformation kann entweder relativ sein, wenn sie von einer Startposition abhängt, oder absolut sein, wenn jeder Punkt einer Trajektorie durch die kodierte Positionsinformation der Maßverkörperung eindeutig definiert ist. Abhängig vom Messsystem bewegt sich der Abtastkopf oder die Maßverkörperung. Im Fall einer kreisförmigen Maßverkörperung wird von Rotor und Stator gesprochen.
[0004] Zur absoluten Positionsmessung sind sogenannte Nonius-codierte Maßverkörperungen bekannt. Dabei weist die Maßverkörperung mindestens zwei periodisch codierte Messspuren auf, welche unterschiedliche Teilungsperioden haben, so dass für jede Position auf der Maßverkörperung eine eindeutige Signalkombination der Spuren vorhanden ist.
[0005] Bekannt sind Maßverkörperungen mit zwei oder mehreren magnetisch kodierten Messspuren, welche typischerweise nebeneinander in der gleichen Ebene angeordnet sind.
[0006] Bei solchen mehrspurigen, magnetisch kodierten Messspuranordnungen tritt aber das Problem des Übersprechens (engl. „Cross-Talk“) auf. Dieses Problem tritt sowohl zwischen Magnetpolen separater Spuren als auch zwischen den Magnetpolen derselben Spur auf. Der Stand der Technik offenbart Lösungsansätze, welche zur Verringerung des Übersprechens beitragen sollen. Diese beziehen sich insbesondere auf den Magnetisierungs- bzw. Kodierungsprozess oder auf die Art der Magnetisierungsmuster.
[0007] So offenbart die Druckschrift EP3285267B1 eine Magnetisierungsvorrichtung zur Magnetisierung einer Maßverkörperung mit mehreren Spuren. Dabei soll eine magnetische Abschirmung der Magnetisierungsköpfe das Überschreiben bzw. das Übersprechen während der Magnetisierung verringern.
[0008] Die Druckschrift EP2839247B1 offenbart einen magnetischen Kodierer für die Produktion eines Indexsignals, welcher den Einfluss des Indexes bzw. der Referenzspur auf die Inkremental spur reduzieren soll.
[0009] Die Druckschrift EP2579002B1 offenbart einen Encoder mit mehreren Reihen magnetisch kodierter Spuren. Durch die Konfigurierung der Spuren und der Positionen der dazugehörigen Sensoren soll die Interferenz des Magnetmusters der Reihen dem jeweiligen Sensor als ein magnetisches Muster gleicher Teilung erscheinen.
[0010] Ein weiterer Ansatz ist, durch eine digitale Bearbeitung des Messsignals das Problem des Übersprechens zu reduzieren.
[0011] Die im Stand der Technik offenbarten Ansätze sind mit sehr großem Aufwand verbunden und sehr komplex, sollen das Problem des Übersprechens nur teilweise lösen, sind schwer skalierbar und/oder unterliegen technischen Einschränkungen. Zudem verlieren sie bei einer dynamischen Veränderung von Systemparameter, z.B. des Arbeitspunkts, vielfach ihre Gültigkeit. [0012] Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung für ein Längenoder Winkelmesssystem bereitzustellen, welches die obigen Nachteile überwindet, insbesondere das Problem des Übersprechens deutlich reduziert und gleichzeitig besonders kompakt bleibt.
ZUSAMMENFAS SUNG
[0013] Die genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen sowie Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
[0014] Es wird eine Vorrichtung für ein Längen- oder Winkelmesssystem, die folgendes aufweist: eine erste Spur mit einer magnetischen Codierung entlang einer Messrichtung, und mindestens eine zweite Spur mit einer geometrischen Codierung entlang der Messrichtung.
[0015] Es wird auch ein System beschrieben, welches umfasst: eine Anordnung gemäß dem vorigen Absatz, und einen Sensorkopf mit einem ersten Sensorelement, das zusammen mit der ersten Spur einen ersten Messkanal bildet, und mindestens einem zweiten Sensorelement, das zusammen mit der zweiten Spur einen zweiten Messkanal bildet.
[0016] Außerdem wird ein Verfahren beschrieben mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats aus einem magnetischen Material; Magnetisieren des Substrats zur Bildung einer ersten Spur mit einer magnetischen Codierung entlang einer Messrichtung; und Ändern mindestens eines geometrischen Merkmals des Substrats entlang der Messrichtung zur Bildung mindestens einer zweiten Spur mit einer geometrischen Codierung entlang der Messrichtung.
[0017] Dadurch wird insbesondere das Problem des Übersprechens auf einfache und skalierbare Weise vermieden. Außerdem bleibt das Messsystem besonders kompakt und kann auf einfacher und schneller Weise hergestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0018] Nachfolgend werden zum besseren Verständnis der Merkmale und Vorteile der Erfindung einige Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren 1 bis 17 genauer beschrieben. Die Darstellungen der Figuren veranschaulichen jedoch nur einige Ausführungsformen und sind nicht als einschränkend zu betrachten, da es auch andere, ebenso wirksame Ausführungsformen geben kann. Es wird darauf hingewiesen, dass einige der in den Figuren dargestellten Details und/oder Merkmale aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht maßstabsgetreu wiedergegeben sind.
[0019] Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Positionsmesssystems.
[0020] Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längenmesssystems gemäß dem Stand der Technik.
[0021] Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Winkelmesssystems gemäß dem Stand der Technik.
[0022] Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längenmesssystems mit einer periodisch kodierten Maßverkörperung und einem periodischen Sensorelement.
[0023] Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Messspuranordnung für ein Längenmesssystem mit einer periodischen, magnetischen Spur.
[0024] Figur 6 zeigt Diagramme, welche ein erzeugtes elektrisches Signal eines (a) Hall- Sensors und eines (b) magnetoresistiven oder Magnet-Impedanz-Sensors bei der Abtastung eines Magnetpolpaars anzeigen.
[0025] Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung von oben einer Messspuranordnung mit zwei Spuren mit unterschiedlichen Teilungsperioden.
[0026] Figur 8 zeigt ein Diagramm der Magnetfeldstärke als Funktion des Abstands zwischen Maßverkörperung und Sensor für verschiedene Teilungsperioden (Pollängen).
[0027] Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Magneten mit zwei Polen und seinen Magnetfeldlinien.
[0028] Figur 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Maßverkörperung für die Winkelmessung mit (a) axialem Magnetpolpaar und (b) diametralem Magnetpolpaar.
[0029] Figur 11 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer Ausführungsform einer Maßverkörperung mit (a) axialem Magnetpolpaar und (b) diametralem Magnetpolpaar, wobei die Maßverkörperung eine zweite (Nonius-)Messspur mit sinusförmiger Geometrie aufweist. [0030] Figur 12 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Maßverkörperung mit (a) axialem Magnetpolpaar und (b) diametralem Magnetpolpaar, welche eine geometrische Modulation mehrerer (Nonius-)Messspuren ohne bzw. mit Superposition der zusätzlichen Messspuren aufweisen.
[0031] Figur 13 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Maßverkörperung mit einer magnetischen Spur und zwei superposierten, geometrisch modulierten Messspuren an der Innenkante.
[0032] Figur 14 zeigt Querschnitt-Darstellungen weiterer Ausführungsformen einer Maßverkörperung mit (a) lediglich einer magnetischen Messspur, (b) lediglich einer geometrischen Spur und (c) einer Kombination einer magnetische und einer geometrischen Spur.
[0033] Figur 15 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer Ausführungsform einer Maßverkörperung für ein Längenmessgerät mit zwei geometrisch kodierten Messspuren.
[0034] Figur 16 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Maßverkörperung für ein Längenmessgerät mit zwei, durch Superpositionierung geometrisch kodierten Messspuren.
[0035] Figur 17 zeigt ein Diagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Maßverkörperung für ein Messsystem.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[0036] Figur 1 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Positionsmesssystems, vorliegend eines Längenmesssystems. Das Messsystem umfasst eine Maßverkörperung 1 und einem Abtastkopf 2 (Sensorkopf). Die Positionsinformation des Messsystems wird über eine Schnittstelle 4 an einen Servocontroller 3 zur Regelung, bspw. der Position, der Geschwindigkeit und/oder des Drehmoments, oder zur Steuerung weitergeleitet.
[0037] Die Maßverkörperung 1 enthält eine kodierte Information, welche in unterschiedlichsten Formen eingebracht werden kann. Die Maßverkörperung 1 kann dabei sowohl als passives als auch als aktives Element ausgebildet sein. Beispiele von aktiven Elementen für die Maßverkörperung sind Winkellagegeber (Resolver) und Drehgeber, welche eine mäanderförmige Struktur aufweisen, die mit einem Wechselstromsignal versorgt wird. [0038] Der Abtastkopf 2 umfasst einen Sensor 2.1. Der Sensor 2.1 kann auf verschiedenen physikalischen Messprinzipien basieren, beispielsweise auf einem magnetischen, induktiven, optischen, kapazitiven oder dem „Giant Magnetic Impedance“ (GMI) Messprinzip. Der Sensor 2.1 kann dabei die ganze Länge bzw. Oberfläche der Maßverkörperung 1 abtasten (erfassen) oder auch nur einen Teil bzw. ein Segment davon. Der Sensor 2.1 generiert bei der Abtastung ein oder mehrere analoge Signale.
[0039] Der Abtastkopf 2 umfasst zudem eine Elektronikschaltung mit einer Auswertungselektronik 2.2 (Sensorschaltung), welche die analogen Sensorsignale durch geeignete Methoden in digitale oder analoge Positionsinformation umwandelt. Die Sensorschaltung 2.2 kann eine Auswerteschaltung mit einem Multiplexer aufweisen, wobei der Multiplexer mit den Sensorelementen verbunden ist und dazu ausbildet ist, Messsignale über einen einzigen physikalischen Auswertungskanal zur Verfügung zu stellen.
[0040] Das Positionsmesssystem kann eine ein Linearmesssystem oder ein Längenmesssystem sein. Figur 2 zeigt eine Darstellung eines Linear- bzw. Längenmesssystems. Die Maßverkörperung 1 ist als ein lineares, bandförmiges Element ausgebildet, welches sich entlang einer Längenrichtung x, welche auch die Messrichtung darstellt, erstreckt. Sie weist eine lineare Codierung auf, welche sich ebenfalls in der Messrichtung x erstreckt. Der Sensorkopf 2 ist oberhalb der Maßverkörperung 1 angeordnet und kann sich entlang der Messrichtung x bewegen, um die Maßverkörperung 1 zu erfassen.
[0041] Figur 3 zeigt dagegen eine Darstellung eines Winkelmesssystems mit einer ringförmigen Maßverkörperung 1 und einem korrespondierenden, ebenfalls ringförmigen Sensorkopf 2. Die Maßverkörperung 1 weist eine kreisförmige Codierung entlang einer radialen Richtung, welche der Messrichtung entspricht, auf. Im dargestellten Beispiel ist der Sensorkopf 2 parallel zu und beabstandet von der Maßverkörperung 1 angeordnet. Außerdem weisen beide Elemente eine und dieselbe axiale Achse auf, welche senkrecht zu den Ebenen, in denen die Maßverkörperung 1 und der Sensorkopf 2 sich jeweils erstrecken, angeordnet ist und durch eine Mitte der Maßverkörperung bzw. des Sensorkopfes durchläuft. Der Sensorkopf kann bei der Messung um die axiale Achse rotieren und somit als Rotor dienen, während die Maßverkörperung starr bleibt und als Stator dient. Alternativ kann die Maßverkörperung sich um die Achse drehen und der Sensorkopf starr bleiben.
[0042] Üblicherweise sind die Maßverkörperung 1 und der Sensorkopf 2 um einen im Wesentlichen konstanten Abstand in einer Richtung, welche senkrecht zu der Ebene, in welcher die Maßverkörperung 1 sich erstreckt, beabstandet, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt. Somit können sowohl optische als auch magnetische, kapazitive oder induktive Messungen durchgeführt werden.
[0043] Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Linearmesssystems gemäß dem Stand der Technik, welches auf einem induktiven Messprinzip basiert. Die kodierte Information wird dabei durch unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Permeabilitäten p (Reluktanzen) und / oder unterschiedlicher Leitfähigkeiten G in die Maßverkörperung 1 (den Maßstab) eingebracht. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich die linearförmige Maßverkörperung 1 entlang einer Messrichtung x, wobei zwei benachbarte Bereiche in der Messrichtung eine unterschiedliche Permeabilität bzw. Leitfähigkeit aufweisen. Die Codierung ist periodisch, wobei eine Periode eine Folge eines ersten Bereichs mit einer Permeabilität po bzw. Leitfähigkeit so und eines zweiten Bereichs mit einer Permeabilität pi bzw. Leitfähigkeit GI umfasst und eine Teilungsperiode A aufweist. Durch relative Bewegung der Maßverkörperung 1 und eines Sensorkopfs kann eine inkrementelle Positionsmessung ausgehend von einer Startposition des Sensorkopfs ausgeführt werden.
[0044] Grundsätzlich umfasst die Maßverkörperung 1 eine oder mehrere periodisch oder aperiodisch kodierte Messspuren. Im Fall einer periodischen Kodierung entspricht die Teilungsperiode X einer Periode der Kodierung. Die Maßverkörperung 1 wird von einem Sensor 2.1 abgetastet („sensed“). Bei der Abtastung handelt es sich also nicht um ein Sampling, sondern um eine Detektion der Maßverkörperung. Es gilt, dass der Sensor 2.1 ein Sensorelement 2.1.1 für jede Spur der Maßverkörperung enthält. Ein Sensorelement 2.1.1 wird aus mindestens einer Emitterspule 2.1.1.1 und einer oder mehreren Empfänger spul en 2.1.1.2 gebildet. Es gilt, dass ein Sensorelement 2.1.1 eine oder mehrere Emitterspulen 2.1.1.1 haben kann und eine Emitterspule 2.1.1.1 sowohl von nur einem Sensorelement 2.1.1 als auch von mehreren Sensorelementen 2.1.1 gemeinsam benutzt werden kann.
[0045] Das Sensorelement 2.1.1 deckt mindestens eine Teilungsperiode X der Messspur ab. Das Sensorelement kann auch mehrere Teilungsperioden n (mit n G N) abdecken, wobei n die Anzahl an Teilungsperioden bezeichnet. Somit können möglich auftretende Fehler gemittelt werden, was der allgemeine Messfehler reduziert. Die Emitterspulen 2.1.1.1 und die Empfängerspulen 2.1.1.2 können bspw. als Leiterbahnen in Form einer Mäanderstruktur (Flachspulen) in oder auf einem starren oder flexiblen Substrat (z.B. einer Leiterplatte) realisiert werden. Im dargestellten Beispiel umfasst das Sensorelement 2.1.1 eine einzige Emitterspule 2.1.1.1, welche die Form eines Quaders aufweist, sowie zwei mäanderförmige, versetzte Empfängerspulen 2.1.1.2, welche innerhalb der Emitterspule 2.1.1.1 angeordnet sind.
[0046] Eine Messspur der Maßverkörperung 1 bildet in Kombination mit dem Sensorelement 2.1.1 einen Messkanal. Die Elektronikschaltung 2.2 speist einen Wechselstrom in die Emitterspule(n) 2.1.1.1 des Sensorelements 2.1.1 ein, beispielsweise mit einer Frequenz im Bereich von einigen kHz bis zu 100 MHz. Aufgrund der induktiven Kopplung (Gegeninduktion) zwischen den Emitter- 2.1.1.1 und Empfängerspulen 2.1.1.2 wird in den Empfänger spul en 2.1.1.2 ein Wechselstrom gleicher Frequenz induziert. Dabei wird die Gegeninduktion bei einer Relativbewegung der Maßverkörperung 1 in Bezug auf den Abtastkopf 2 (der Sensorstruktur) moduliert.
[0047] Im Falle unterschiedlicher Permeabilitäten p werden jene Bereiche der Maßverkörperung 1 mit höherer magnetischer Permeabilität (pi > po) die Gegeninduktion bzw. den in den Empfänger spul en 2.1.1.2 induzierten Wechselstrom verstärken.
[0048] Im Falle unterschiedlicher Leitfähigkeiten G werden jene Bereiche der Maßverkörperung 1 mit höherer Leitfähigkeit (GI > so) die Gegeninduktion bzw. den in den Empfängerspulen 2.1.1.2 induzierten Wechselstrom verringern.
[0049] Die in den Empfängerspulen 2.1.1.2 induzierten Wechselströme bzw. die gemessenen Signale werden von der Auswertungselektronik 2.2 demoduliert und in Positionsinformation umgewandelt. Die so gewonnene Positionsinformation wird über eine Schnittstelle 4 zu einem Servocontroller 3 für diverse Regelungen und Steuerungen weitergeleitet. In einem Beispiel ist die Schnittstelle eine Synchron-Serielle Schnittstelle (SSI, Synchronous Serial Interface) und umfasst einen Leistungsverstärker (line driver), z.B. des Typs RS485, sowie ein Kabel und einen Verbinder.
[0050] Wie oben beschrieben kann sich zur Positionsmessung der Sensorkopf entlang der Messrichtung oberhalb der Oberfläche der Maßverkörperung bewegen und dabei Änderungen einer oder mehreren physikalischen Größen, wie die Induktivität oder die Magnetfeldstärke, erfassen, wobei die Auswerteschaltung Positionsinformationen aus den Sensorsignalen berechnet. Alternativ kann der Sensorkopf starr sein, während die Maßverkörperung sich selbst bewegt, zum Beispiel sich dreht. [0051] Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Maßverkörperung für ein Messsystem, vorliegend ein Längenmesssystem. Die Maßverkörperung, vorliegend als Maßstab ausgebildet, umfasst ein Substrat sowie eine magnetische Messspuranordnung. Die magnetische Messspuranordnung besteht aus einer oder mehreren Messspuren, die mit einem periodischen oder aperiodischen („random“) Muster kodiert sind. Dabei bezeichnet eine Messspur, eine Spur die so kodiert ist, dass deren Abtastung („sensing“) durch einen Sensor die Bestimmung der absoluten und/oder relativen Position des Sensors auf der Messspur erlaubt. Im Beispiel der Figur 1 umfasst die magnetische Messspuranordnung eine einzige Messspur mit einer periodischen Teilung. Eine Teilungsperiode entspricht der Länge X eines magnetischen Poles bzw. der Länge 2*X eines magnetischen Polpaares.
[0052] Eine magnetische Messspuranordnung kann aus einem hartmagnetischen Material bestehen, wie beispielsweise Ferriten oder Legierungen auf Basis von Aluminium, Nickel, Kobalt, Neodym, Eisen-Bor. Die Messspuranordnung kann durch verschiedene Verfahren wie Synthetisieren, Formen, Vulkanisieren und Walzen hergestellt werden. Zusätzlich kann die Messspuranordnung zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und/oder der magnetischen Eigenschaften auf einem Substrat gefertigt oder nachträglich aufgeklebt werden.
[0053] Nach der Herstellung der Maßverkörperung wird in das Magnetmaterial der magnetischen Messspuranordnung eine Skala (Messspur) mit einem periodischen oder aperiodischen Muster von Magnet-Polpaaren magnetisiert. Die Magnetisierung kann sowohl in der Bewegungs- bzw. Drehrichtung (axial oder radial) des Messsystems erfolgen als auch orthogonal dazu. Bei der Magnetisierung des Substrats zur Herstellung der Messsspur handelt es sich um eine remanente Magnetisierung. Die Messspur weist somit eine magnetische Codierung entlang einer gegebenen Messrichtung und ist durch eine Vielzahl von magnetischen Abschnitten gebildet, wobei zwei benachbarte Abschnitte eine unterschiedliche Magnetisierung aufweisen.
[0054] Magnetische Messgrößen umfassen beispielsweise die Feldstärke, die Flussdichte, die Reluktanz, die Permeabilität, die Sättigungsmagnetisierung, das Dipolmoment und die Polarisation.
[0055] Typische Magnetsensoren verwenden Hall-, magnetoresistive (MR) oder Magnet- Impedanz (MI) Effekte, um die magnetische Skala abzutasten. Bei der Abtastung erzeugen sie ein elektrisches Signal, welches eine Abbildung des magnetisierten Musters der Messspuranordnung ist. [0056] Figur 6a zeigt ein Messsystem mit einem Magnetpolpaar und einem Hall-Sensor, sowie ein Diagramm, welches das bei der Abtastung des Magnetpolpaars durch den Hall-Sensor erzeugte, elektrische Signal anzeigt. Figur 6b) zeigt ein ähnliches Messsystems und ein korrespondierendes Diagramm, wobei der Sensor als Magnet-Impedanz-Sensor ausgebildet ist.
[0057] Wie aus Figur 6a ersichtlich wird bei Hallsensoren 2 durch die Abtastung eines Polpaares eine Signalperiode erzeugt. Dagegen wird, wie in Figur 6b dargestellt, bei MR- und Ml-Sensoren 3 durch der Abtastung eines einzelnen Pols eine Signalperiode erzeugt, während bei der Abtastung eines Polpaares zwei Signalperioden erzeugt werden. Somit ist es mit MR- und Ml-Sensoren nicht möglich, zwischen dem Nord- und dem Südpol zu unterscheiden.
[0058] Die erzeugten elektrischen Signale können dann durch eine Auswerteelektronik (Auswerteschaltung) zu einer Positionsinformation weiterverarbeitet werden. Sowohl für Längen- als auch für Winkelmesssysteme wird zwischen inkrementellen und absoluten Messsystemen unterschieden.
[0059] Eine Maßverkörperung (Messspuranordnung) für ein inkrementelles Messsystem weist in der Regel eine magnetisch kodierte Messspur auf. Zusätzlich kann die Maßverkörperung eine Referenzmarke bzw. eine Referenzspur aufweisen.
[0060] Eine Maßverkörperung für ein absolutes Messsystem weist mindestens zwei periodisch kodierte Messspuren oder mindestens eine aperiodisch kodierte Messspur auf. Zur absoluten Positionsmessung sind sogenannte Nonius-codierte Maßverkörperungen bekannt. Die Maßverkörperung weist dabei mindestens zwei periodisch codierte Messspuren auf, welche unterschiedliche Teilungsperioden haben, so dass für jede Position auf der Maßverkörperung eine eindeutige Signalkombination der Spuren vorhanden ist. Eine solche Nonius-Kodierung kann sowohl für lineare Messsysteme als auch für Winkelmesssysteme umgesetzt werden.
[0061] Sowohl bei Maßverkörperungen mit mindestens zwei periodischen Messspuren unterschiedlicher Teilungsperiode (Nonius-Codierung) als auch bei Maßverkörperungen mit einer aperiodischen Messspur kommt es zu einem Übersprechen zwischen den einzelnen Spuren bzw. Polen. Dieses Übersprechen wird üblicherweise durch besonders komplexe Magnetisierungsverfahren teilweise reduziert werden, welche zu einem erhöhten Aufwand führen und die Komplexität der Magnetisierung erhöhen. Eine Reduzierung des Übersprechens ist teilweise auch durch eine digitale Signalbearbeitung möglich. Der Aufwand dafür bleibt aber relativ groß. Außerdem sind diese Ansätze nicht besonders flexible und müssen bei dynamischer Änderung von Systemparametern, zum Beispiel des Arbeitspunkts, angepasst werden, was aber nicht immer möglich ist. Die bekannten Lösungen sind nicht leicht skalierbar und weisen einige physikalische und technologische Einschränkungen auf, welche nachfolgend beschrieben werden.
[0062] Die magnetische Maßverkörperung ist auf eine gerade Polzahl beschränkt. Dies ergibt sich aus dem Gaußschen Gesetz für Magnetfelder: V ■ B = 0, nach welchem das Feld der magnetischen Flussdichte quellenfrei ist, denn es gibt keine magnetischen Monopole.
[0063] Dies ist insbesondere für die Abtastung einer Maßverkörperung mit MR- und Ml- Sensoren 3 ein Problem, weil durch die Quellenfreiheit der magnetischen Flussdichte keine Nonius-Kodierung möglich ist. Für eine Nonius-Kodierung müsste eine Messspur eine ungerade Anzahl an Teilungsperioden aufweisen, was aber aus besagtem Grund nicht möglich ist. Für die Bestimmung der absoluten Position einer Nonius-Kodierung muss nämlich der größte gemeinsame Teiler ggT der Anzahl der Teilungsperioden n der verschiedenen Spuren gleich 1 sein (ggT (nl, n2) = 1), so dass nicht alle Spuren eine gerade Polzahl aufweisen können.
[0064] Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung von oben einer Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem mit zwei magnetisch codierten Messsspuren, welche in der gleichen Ebene, konzentrisch angeordnet sind. Die erste, äußere Messspur 1.1 umfasst 16 Polpaare und die zweite, innere Messspur 1.2 umfasst 3 Polpaare. Die Messspuren sind entlang einer radialen Messrichtung angeordnet, welche senkrecht zur Dicke der Maßverkörperung angeordnet ist. Bei der Abtastung mit einem Hallsensor werden somit, wie oben erklärt, 16 bzw. 3 Sinusperioden generiert. Bei der Abtastung mit einem MR- oder Ml-Sensor werden 32 bzw. 6 Sinusperioden generiert. Bei der Abtastung mit MR- oder Ml-Sensoren wiederholt sich somit das magnetische Muster somit bereits nach 180°. Eine Nonius-Kodierung ist mit dieser Sensortechnologie nicht kompatibel.
[0065] Außerdem sind die Magnetsensoren (Hall, MR und MI) sensitiv gegenüber Änderungen der Magnetfeldstärke in einer der Richtungen x, y oder z eines kartesischen Koordinatensystems. Eine magnetische Maßverkörperung mit einer nicht periodischen Messspur oder mit mindestens zwei Messspuren unterschiedlicher Teilungslänge enthält Positionsinformationen in Form einer Variation in der Amplitude des Magnetfeldes. Die Amplitude ist dabei direkt proportional zur Länge des Magnetpols. [0066] Bei einem Messsystem mit einer Nonius-Kodierung kann somit der optimale Arbeitspunkt des Magnetsensors jeder Messspur erheblich variieren. Der Arbeitspunkt entspricht dem Abstand des Sensors zur Maßverkörperung in einer Richtung, welche senkrecht zur Ebene der Maßverkörperung läuft, und wird auch als Luftspalt bezeichnet.
[0067] Dieses Problem wird in Figur 8 veranschaulicht. Figur 8 zeigt ein Diagramm, welches die Magnetfeldstärke abhängig vom Luftspalt (in Millimeter) für verschiedene Teilungsperioden, wobei eine Teilungsperiode einer Pollänge entspricht. Für einen gegebenen Luftspalt ändert sich die Amplitude des Magnetfelds für zwei unterschiedliche Spuren wesentlich. Beispielweise ist bei einem Luftspalt von 4 mm die Amplitude des Magnetfelds für eine Spur mit einer Teilungsperiode von 4 mm etwa 10-mal größer als für eine Spur mit einer Teilungsperiode von 0,5 mm. Der Arbeitspunkt für eine mehrspurige Anordnung kann also nur durch ein Kompromiss zwischen den verschiedenen Spuren der Anordnung ausgewählt werden.
[0068] Grundsätzlich ist eine große Signalamplitude erwünscht. Desto höher die Amplitude, desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. „signal to noise ratio“ - SNR). Ein Problem besteht aber auch darin, dass bei zu hoher Magnetfeldstärke die Signalamplitude des Sensors auch in Sättigung gehen kann, wenn sich zum Beispiel der Arbeitspunkt während des Betriebs ändert (dynamische Änderung). Dynamische Änderungen des Arbeitspunkts, wie z.B. durch Temperaturausdehnungen, sind unausweichlich. Es muss also bei der Auswahl des Arbeitspunkts ein Kompromiss zwischen Arbeitsbereich und Leistungsfähigkeit des Messsystems gefunden werden.
[0069] Dieses Problem tritt auch bei magnetischen Messspuren mit aperiodischer Teilung auf. Solche aperiodische Spuren weisen eine Vielzahl von Teilungen mit unterschiedlichen Längen auf, welche unterschiedliche magnetische Feldstärke erzeugen. Jede Teilung erzeugt nämlich eine eigene magnetische Feldstärke mit einer gewissen Amplitude, die direkt proportional zu der Teilungslänge ist.
[0070] Nachfolgend wird eine magnetische Messspuranordnung beschrieben, welche die oben genannten Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet und, insbesondere, einfach herzustellen ist und skalierbar ist. Außerdem können mit dieser Anordnung Übersprechen sowohl während der Magnetisierung als auch später im Betrieb vermieden und beliebige, periodische und/oder aperiodische Muster erlaubt werden, inklusive Spuren mit einer ungeraden Anzahl von Teilungsperioden. [0071] Dazu werden zwei unterschiedliche Effekte für die Kodierung von Messspuren miteinander kombiniert: einerseits den Effekt der von einer magnetisierten Spur (Magnetspur) erzeugten Magnetfeldvektoren; andererseits den Effekt einer mechanischen Veränderung, insbesondere geometrische Modulation, der magnetisierten Spur. Eine magnetisierte bzw. magnetische Spur bzw. Magnetspur bezeichnet dabei eine Spur, welche durch eine Vielzahl von magnetischen Abschnitten gebildet ist, wobei zwei benachbarte Abschnitte eine unterschiedliche Magnetisierung aufweisen. Beispielweise weist eine magnetische Spur ein oder mehrere Magnetpolpaare.
[0072] Eine mechanische Veränderung bezeichnet eine Veränderung, insbesondere die Veränderung der Form, Oberfläche und/oder Struktur eines Gegenstandes, durch Einwirkung einer Kraft. Geometrische Modulation meint die Veränderung der Form eines Gegenstandes durch Einwirkung einer Kraft.
[0073] Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Maßverkörperung 1 in Form eines Magneten, wobei die Magnetpole entlang einer X-Achse gerichtet sind. Der Übersichtlichkeit halber zeigt Figur 9 lediglich eine 2D-Darstellung der Magnetlinien des durch den Magneten erzeugten Magnetfelds. Es ist aber klar, dass das das Magnetfeld in allen Richtungen wirkt und somit ein 3D-Effekt ist. Die magnetischen Feldlinien beginnen am Nordpol des Magneten und enden am Südpol. In jedem Punkt des Raums kann das Magnetfeld durch einen Magnetfeldvektor B und seine Komponenten Bx, By (in Figur 9 nicht dargestellt) und Bz charakterisiert werden, wobei x, y und z die kartesianischen Koordinaten bezeichnen.
[0074] Die Magnetfeldstärke sowie deren Vektoren sind direkt abhängig vom verwendeten hartmagnetischen Material bzw. von der Legierung des Magneten, vom Magnetisierungsverfahren/-prozess bzw. der Magnetisierungsanlage, sowie von der Geometrie des Magneten.
[0075] Durch die Änderung der Geometrie (Höhe, Breite, Länge) des Magneten in beliebiger Richtung ändern sich auch die Magnetfeldstärke sowie deren Vektoren dementsprechend. Genau dieser Effekt wird vorliegend zur Kodierung einer Messspur verwendet. Das Magnetfeld kann durch Analysemethoden berechnen werden. Es wird aber meistens mit der Unterstützung von Computersimulationen berechnet, z. B. basierend auf derFinite-Elemente-Methode (FEM). Durch Variation mindestens eines geometrischen Merkmals des Substrats entlang der Messrichtung des Sensors kann daher eine zusätzliche, geometrische Codierung auf dem Substrat gebildet werden. In einem Beispiel ist die geometrische Codierung durch eine Variation der äußeren Form des Substrates gebildet. In einem weiteren Beispiel ist diese zusätzliche Codierung periodisch.
[0076] Figur 10 zeigt perspektivische Darstellungen einer Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem axialen magnetischen Polpaar (Figur 10a) und mit einem diametralen magnetischem Polpaar (Figur 10b). Die Polpaare entsprechen somit einer ersten magnetischen Spur. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass die im Folgenden vorgestellten Beispiele und Prinzipien auch für Maßverkörperungen von Längenmesssystemen angewandt werden können (siehe auch Figuren 15 und 16).
[0077] Figur 11a zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem axialen magnetischen Polpaar. Im Vergleich zu dem Beispiel der Figur 10a weist die kreiszylinderförmige Maßverkörperung 1 der Figur 11a eine äußere Kreiskante 1.1 in der dargestellten Ebene auf, welche leicht deformiert ist. Eine Breite der Maßverkörperung ist nicht mehr konstant, sondern variiert abhängig vom Kreiswinkel. Genauer gesagt weist die äußere Kante 1.1 der Maßverkörperung eine periodische Variation auf, so dass die äußere Kante 1.1 sinusförmig ausgebildet ist mit drei Sinusperioden. Der Radius des äußeren Rands der Maßverkörperung in der dargestellten Ebene wird anhand der folgenden Formel berechnet:
Figure imgf000016_0001
[0078] wobei w der Winkel in Grad mit 0° < w < 360° ist; t die Anzahl der Teilungsperioden, welche durch geometrische Modulation erzeugt werden; A die Amplitude der Sinuswelle; und r der Radius der Sinuswelle. Der Index bezeichnet lediglich die erste geometrisch erzeugte Spur. Im Beispiel der Figur 11a wurden folgende Parameter verwendet: ti = 3, Ai = 0,1 und n = 0,9. Der ursprüngliche Außenradius der Maßverkörperung vor der Deformation ist dabei auf eins normiert.
[0079] Die periodische Variation des Außenradius der Maßverkörperung bildet eine weitere Messspur zusätzlich zu der ersten, magnetischen Spur, welche durch das Polpaar gebildet ist. Gemeinsam mit dem magnetisierten Polpaar (zwei Pole) bildet diese zusätzliche Messspur mit drei Perioden eine Nonius-Kodierung, da der größte gemeinsame Teiler ggT(3, 2) gleich eins ist.
[0080] Es ist klar, dass eine zusätzliche, geometrische Spur durch eine Variation anderer geometrischen Parameter der Maßverkörperung gebildet werden kann. Zum Beispiel kann eine Höhe, eine Breite oder eine Dicke der Maßverkörperung variiert werden, um eine geometrische Spur zu erzeugen. Die geometrische Spur wird entlang der Messrichtung gebildet.
[0081] Durch eine Anpassung der Geometrie der Maßverkörperung kann also eine zusätzliche Messspur mit unterschiedlicher Teilung hinzugefügt werden, ohne eine zusätzliche Magnetisierung durchführen zu müssen. Dadurch, dass es nur eine magnetische Spur gibt, wird das Übersprechen zwischen mehreren magnetischen Spuren vermieden, womit die Genauigkeit der Sensormessung viel besser wird. Die gewünschte Geometrie kann sowohl direkt bei der Herstellung der magnetischen Spur, z.B. durch Sintern oder Spritzguss, als auch im Nachhinein, z.B. durch Fräsen, Ätzen, Schneiden oder Drehen hergestellt werden. Ob die Bearbeitung der Geometrie vor oder nach der Magnetisierung der magnetischen Spur erfolgt, spielt dabei ebenfalls keine Rolle.
[0082] Die folgenden Figuren zeigen weitere Beispiele von Maßverkörperungen, welche eine Kombination einer magnetischer und einer geometrischer Codierung aufweisen.
[0083] Figur 11b zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem diametral magnetischen Polpaar. Zusätzlich zum Polpaar (erste, magnetische Spur) weist die Maßverkörperung eine zweite und eine dritte Spur, welche durch eine Variation der Geometrie des Substrats gebildet werden. Insbesondere weisen sowohl die Außenkante 1.1 als auch die Innenkante 1.2 eine sinusförmige Geometrie mit drei Perioden. Der Radius f2(w) des äußeren Rands der Maßverkörperung in der dargestellten Ebene und der Radius fi(w) des inneren Rands der Maßverkörperung 1 werden anhand der folgenden Formel berechnet: 2(w) = r2 + Ä2 - sin(t2 ■ w), und (2)
/3(w) = r3 + Ä3 ■ sin(t3 ■ w), (3)
[0084] wobei t2 = 3; A2 = 0,1; n = 0,9; t3 = 3; A3 = 0,1; und n = 0,6.
[0085] Der Außenradius der Maßverkörperung, welcher der Radius der Maßverkörperung ohne Deformation entspricht, ist dabei auf 1 normiert und der Innenradius auf 0,5 normiert.
[0086] Im dargestellten Beispiel sind sowohl die magnetische Spur als auch die geometrischen Spuren entlang der Messrichtung, welche axial läuft, angeordnet. [0087] Figur 12a zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer weiteren Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem radial magnetischen Polpaar. Im Vergleich zum Beispiel der Figur 11a weist die Maßverkörperung 1 der Figur 12a nicht nur eine, sondern zwei zusätzliche geometrisch modulierte Spuren, nämlich an einer äußeren Kante 1.1 und an einer inneren Kante 1.2 des kreisförmigen Querschnitts. Die Außenkante 1.1 weist eine sinusförmige Geometrie mit fünf Perioden und die Innenkante 1.2 eine sinusförmige Geometrie mit drei Perioden. Der Radius fi(w) des äußeren Rands der Maßverkörperung 1 in der dargestellten Ebene und der Radius fs(w) des inneren Rands der Maßverkörperung 1 werden anhand der folgenden Formel berechnet:
/4(w) = r4 + A4 ■ sin(t4 ■ w), und (4) 5(w) = r5 + ^15 ■ sin(t5 ■ w), (5)
[0088] mit t4 = 3; Ä4 = 0,1; r4 = 0,9; ts = 3; As = 0,1; und rs = 0,6.
[0089] Somit umfasst die Maßverkörperung der Figur 12a eine erste, magnetische Spur mit zwei Perioden, eine zweite, geometrische Spur mit drei Perioden und eine dritte, geometrische Spur mit fünf Perioden, wobei der größte, gemeinsame Teiler der Perioden auch eins ist. Somit bildet die Maßverkörperung der Figur 12a auch eine Nonius-Codierung. Zu bemerken ist auch, dass sämtliche Spuren entlang derselben Messrichtung angeordnet ist.
[0090] Figur 12b zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer weiteren Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem radial magnetischen Polpaar. Im Vergleich zum Beispiel der Figur 12a zeigt Figur 12b eine Superposition zweier geometrischer Modulationen an der Innenkante 1.2. Die Geometrie der Innenkante der Maßverkörperung der Figur 12b ergibt sich also durch eine Überlappung einer sinusförmigen Geometrie mit drei Perioden und einer sinusförmigen Geometrie mit fünf Perioden. Es werden also an der Innenkante zwei geometrische Spuren gebildet. Der Radius fe(w) des inneren Rands der Maßverkörperung 1 wird anhand der folgenden Formel berechnet: 6(w) = r5 + [A4 ■ sin(t4 ■ w) + A5 ■ sin(t5 ■ w)], (6)
[0091] mit den oben angegebenen Parametern. Wiederum gilt, dass der ursprüngliche Außenradius auf 1 normiert ist und der ursprüngliche Innenradius auf 0,5 normiert ist. Die Geometrie der Innenkante der kreisförmigen Maßverkörperung gemäß Figur 12b kann daher als eine Superposition der beiden getrennten, modulierten Geometrien der Innen- und der Außenkante der Figur 12a.
[0092] Durch eine solche Superposition können beliebig viele Messspuren geometrisch auf einer Maßverkörperung erzeugt werden. Außerdem können die Amplituden A der geometrischen Codierungen angepasst werden, derart, dass die Signalamplituden für alle Spuren im gleichen Bereich (Toleranzband) liegen, selbst wenn die Anzahl der Perioden bzw. der Teilungslängen unterschiedlich ist, was mit rein magnetischen Spuren nicht ohne weiteres möglich ist. Auch bei der Superposition zweier oder mehrerer geometrischer Spuren ist eine Anpassung der jeweiligen Amplitude der Geometrie möglich.
[0093] Gemäß einem Beispiel weist die magnetische Messspur der Maßverkörperung die größte Anzahl von Teilungsperioden auf. Die mindestens eine geometrisch modulierte Messspur zur Generierung einer Nonius-Kodierung weist dementsprechend weniger Teilungsperioden auf. Die Anzahl von Magnetpolen bzw. magnetischen Abschnitten der Maßverkörperung wird mit n bezeichnet, wobei gilt, dass n ein Element der natürlichen, geraden Zahlen ist (n G Ng). Gemäß einem Beispiel die Anzahl der Perioden für die magnetische Spur größer ist als die Anzahl der Perioden für die geometrische Spur, insbesondere um einen Faktor 1,5 größer ist als die Anzahl der Perioden für die geometrische Spur. Gemäß einem weiteren Beispiel gelten folgende Bedingungen: n > 1,5 * ti ; ti > 1,5 * t2 ; ti > 1,5 * ti+1, wobei ti die Anzahl der Perioden für die i-te, durch geometrische Veränderung erzeugte Spur. Somit kann ein Übersprechen bzw. eine gegenseitige Behinderung der zwei oder mehreren Messkanäle zueinander hinreichend reduziert bzw. zu beseitigt werden. Außerdem können die codierten Informationen der Messspuren genauer abgetastet werden.
[0094] Figur 13 zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer weiteren Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem. Die Maßverkörperung 1 weist eine erste, magnetische Messspur auf, welche entlang einer radialen Richtung angeordnet ist und 32 magnetische Abschnitte umfasst. Die magnetischen Abschnitte sind diametral magnetisierte Pole, welche abwechselnd angeordnet sind. Außerdem weist die Maßverkörperung 1 zwei modulierte und superpositionierte Nonius-Spuren an der Innenkante 1.2. Der Radius f(w) des inneren Rands der Maßverkörperung 1 wird, wie oben bereits ausgeführt, anhand der folgenden Formel berechnet: (w) = r + [d7 ■ sin(t7 ■ w) + zl8 ■ sin(t8 ■ w)], (7) [0095] mit r = 0,7; t? = 8; A? = 0,1; ts = 3; As = 0,2. Der Außenradius der Maßverkörperung ist auf 1 normiert, der Innenradius ist auf 0,5 normiert.
[0096] Die magnetische Messspur der Messspuranordnung in Figur 13 ist die feinste Spur und somit auch maßgeblich für die Genauigkeit eines Messsystems. Die geometrisch modulierten Nonius-Messspuren werden für die Bestimmung des Absolutwerts des Messsystems herangezogen.
[0097] Im Beispiel der Figur 13 gelten auch die Bedingungen n > 1,5 * t7 und t7 > 1,5 * ts, wie oben dargestellt. Außerdem ist der größte, gemeinsame Teiler der Anzahl der Perioden der Spuren gleich eins.
[0098] Durch die geometrische Modulation zusätzlicher Messspuren ist es möglich, eine magnetische Maßverkörperung mit einer Nonius-Kodierung herzustellen, welche sowohl in Kombination mit einem Hall Sensor als auch in Kombination mit einem magnetoresistiven Sensor oder einem Magnet-Impedanz-Sensor verwendet werden kann. Außerdem, dadurch dass die Messspuranordnung nur eine Magnetspur benötigt, gibt es auch kein Übersprechen zwischen den Spuren. Somit kann die Leistungsfähigkeit eines Messsystems wesentlich verbessert werden. Da nur eine magnetische Spur benötigt wird, sind auch keine aufwendigen und hochkomplexen Magnetisierungsvorrichtungen und Algorithmen notwendig, um das Übersprechen zwischen verschiedenen Messspuren zu beseitigen. Somit wird die allgemeine Komplexität des Messsystems reduziert. Außerdem braucht lediglich eine Spur magnetisiert zu werden, was Zeit bei der Herstellung spart und eine besonders kompakte Maßverkörperung ermöglicht.
[0099] Die oben gezeigten Beispiele zeigen alle eine geometrische Modulation zusätzlicher Messspuren mit einer sinusförmigen Form. Es ist aber klar, dass die Sinusform durch jede beliebige andere Form ersetzt werden kann. Es genügt für eine Spur mit periodischer Codierung, dass die gewünschte Periode für den Sensor detektierbar ist. Gemäß einem Beispiel lässt sich das geometrische Merkmal des Substrats, das für die Herstellung der geometrischen Spur variiert wird, mathematisch als Polynom oder als eine Kombination einer Sinusfunktion und einer Polynomfunktion darstellen.
[0100] Figur 14a zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem mit einer magnetischen Messspur. Figur 14b zeigt eine Querschnitt- Darstellung einer weiteren Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem mit einer geometrischen Messspur. Diese geometrische Messspur wird durch Änderung der Geometrie, nämlich der radialen Breite des Substrats gebildet. In einem Beispiel wird diese Änderung durch ein mechanisches Verfahren hergestellt, wie Fräsen, Ätzen, Schneiden oder Drehen. Die Änderung der Geometrie betrifft sowohl die äußere Kante 1.1 als auch die innere Kante 1.2 der Maßverkörperung. Somit umfasst die geometrische Spur entlang einer radialen Richtung drei periodische Abschnitte, welche jeweils einen breiteren und einen schmaleren Bereich aufweisen, und bildet eine periodische Spur mit drei Perioden. Figur 14c zeigt eine Querschnitt- Darstellung einer Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem, welche durch Superposition der Effekte aus den Figuren 14a und 14b gebildet ist. Die Maßverkörperung weist somit sowohl die magnetische Spur der Figur 14a als auch die geometrische Spur der Figur 14b. Das Beispiel der Figur 14c kann auch für eine beliebige Anzahl von Perioden der magnetischen und der geometrischen Spur verwendet werden. In einem Beispiel ist die geometrische Spur durch eine Vielzahl von Abschnitten gebildet, wobei sich zwei benachbarte Abschnitte durch eine Änderung eines geometrischen Merkmals der Maßverkörperung entlang der Messrichtung (bspw. die Breite der Maßverkörperung) unterscheiden.
[0101] Die obigen Beispiele können sowohl in Winkelmesssystemen als auch in Längenmesssystemen implementiert werden. Figur 15 zeigt eine seitliche Ansicht einer Maßverkörperung (Maßstab) für ein Längenmesssystem. Die Messrichtung entspricht der Längsrichtung der Maßverkörperung, welche entlang der x-Richtung läuft. Die Maßverkörperung 1 weist eine erste, magnetische Spur entlang der Messrichtung auf, welche eine Vielzahl von sich abwechselnden magnetischen Abschnitte umfasst. Im dargestellten Beispiel umfasst die magnetische Spur 20 Pole. Außerdem weist die Maßverkörperung 1 eine zweite, geometrische Spur, welche durch eine periodische Änderung einer ersten, oberen Kante 1.1 gebildet ist. Im dargestellten Beispiel weist die erste, obere Kante 1.1 die Geometrie eines Sinus mit acht Perioden und entspricht somit einer zweiten Messspur mit acht Teilungsperioden. Die Maßverkörperung 1 weist noch eine dritte, geometrische Spur, welche durch eine periodische Änderung einer zweiten, unteren Kante 1.2 gebildet ist, welche gegenüber der ersten, oberen Kante 1.1 angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel weist die zweite, untere Kante 1.2 die Geometrie eines Sinus mit drei Perioden und entspricht somit einer dritten Messspur mit drei Teilungsperioden. Die obere Kante 1.1 und die untere Kante 1.2 laufen entlang der Messrichtung (Längsrichtung). Somit umfasst die längserstreckte Maßverkörperung 1 zusätzlich zur magnetischen Spur zwei periodische, geometrische Spuren mit jeweils 3 und 8 Teilungsperioden. Der größte, gemeinsame Teiler der Anzahl der Perioden der verschiedenen Spuren ist gleich eins, so dass die Messspuren eine Nonius-Codierung bilden. Im dargestellten Beispiel hat die geometrische Spur eine höhere Anzahl von Perioden als die magnetischen Spuren und ist somit maßgeblich für die Genauigkeit des Messsystems. Die geometrisch modulierten Nonius-Messspuren werden für die Bestimmung des Absolutwerts des Messsystems herangezogen.
[0102] Figur 16 zeigt eine seitliche Ansicht einer weiteren Maßverkörperung für ein Längenmesssystem. Im Vergleich zum Beispiel der Figur 16 umfasst die obere Kante 1.1 eine Superposition der zwei sinusförmigen Messspuren der Figur 15. Somit können durch Änderung einer einzelnen Kontur zwei zusätzliche, unterschiedliche Messspuren mit 3 bzw. 8 Perioden gebildet werden, welche vorzugsweise in einem einzigen Verfahren hergestellt werden können. Somit kann ein besonders einfaches und schnelles Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. Das Beispiel der Figur 16 kann auf beliebige geometrische Messspuren erweitert werden. In einem Beispiel ändert sich die Anzahl der Perioden zweier geometrischer Messspuren um mindestens einen Faktor 1,5. Somit kann sichergestellt werden, dass die durch die geometrischen Spuren verursachten Änderungen des Magnetfeldes vom Sensor genau erfasst werden können.
[0103] Figur 17 zeigt ein Diagramm eines Verfahrens 100 zur Herstellung einer Maßverkörperung für ein Messsystem. In einem ersten Schritt 102 wird ein Substrat aus einem magnetischem Material bereitgestellt. Das Substrat kann als längliches Substrat für ein Längenmesssystem oder als ringförmiges Substrat für ein Winkelmesssystem ausgebildet sein. Als Material können hartmagnetische Materialien wie Ferriten oder Legierungen auf Basis von Aluminium, Nickel, Kobalt, Neodym oder Eisen-Bor verwendet werden. In einem Beispiel wird das Substrat durch Synthetisieren, Formen, Vulkanisieren, Walzen, Sintern oder Spritzguss hergestellt. In einem weiteren Schritt 104 wird das Substrat magnetisiert. Durch die Magnetisierung des Substrats wird eine erste Spur auf dem Substrat mit einer magnetischen Codierung gebildet. Das Substrat kann mit einem periodischen oder aperiodischen Muster von Magnet-Polpaaren magnetisiert werden. Die Magnetisierung kann sowohl in der Bewegungs- bzw. Drehrichtung (axial oder radial) des Messsystems erfolgen als auch normal dazu. Zusätzlich kann das magnetisierte Substrat auf einem weiteren Substrat angeordnet, zum Beispiel aufgeklebt werden. Somit kann die mechanische Stabilität erhöht und/oder die magnetischen Eigenschaften können verbessert werden. Im nächsten Schritt 106 wird ein geometrisches Merkmal des Substrats entlang einer Messrichtung geändert. Das geometrische Merkmal kann eine Dicke, eine Breite oder eine Länge des Substrats sein. Somit wird eine zweite Spur mit einer geometrischen Codierung entlang der Messrichtung gebildet. Es werden daher keine zusätzlichen magnetischen Spuren gebraucht, wodurch ein Übersprechen zwischen Spuren völlig beseitigt werden kann. In einem Beispiel erfolgt der Schritt der Änderung des geometrischen Merkmals des Substrats vor dem Schritt des Magnetisierens des Substrats. Der Schritt des Herstellens des Substrats und der Schritt des Änderns des geometrischen Merkmals des Substrats können beispielweise gleichzeitig erfolgen. Alternativ kann der Schritt des Änderns des geometrischen Merkmals nach dem Schritt des Herstellens des Substrats und vor dem Schritt des Magnetisierens erfolgen. In einem Beispiel wird das Substrat durch Sintern oder Spritzguss hergestellt, was die einfache Herstellung einer Maßverkörperung mit der gewünschten Geometrie in einem einzelnen Schritt ermöglicht. Die Änderung des geometrischen Merkmals des Substrats kann auch nach dem Magnetisieren des Substrats erfolgen. Zum Beispiel kann die zweite geometrische Spur durch Fräsen, Ätzen, Schneiden und/oder Drehen des Substrats gebildet werden. Es kann mit diesem Verfahren auch eine beliebige Anzahl von geometrischen Messspuren gebildet. Mit dem beschriebenen Verfahren kann eine Maßverkörperung für ein Längen- oder Winkelmesssystem, welche eine erste magnetische Spur und eine zweite geometrische Spur aufweist, besonders einfach und schnell hergestellt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der in den Figuren 11 bis 16 gezeigten Maßverkörperungen.
[0104] Mit der beschriebenen Maßverkörperung mit einer ersten magnetische Spur und einer zweiten geometrische Spur kann ein Übersprechen zwischen magnetischen Messspuren vermeiden werden. Außerdem bietet diese Maßverkörperung die Möglichkeit, beliebig viele Messspuren auf einem kompakten Substrat zu bilden. Es können sowohl periodische als auch aperiodische Messspuren gebildet werden. Außerdem können durch die Variation der Geometrie auch Spuren mit einer ungeraden Anzahl von Teilungsperioden gebildet werden, welche zusammen mit magnetoresistiven und Magnet-Impedanz Sensoren verwendet werden können. Durch die Auswahl der Parameter für die geometrische Spur, insbesondere der Amplitude, kann auch der Arbeitsbereich für die Spuren optimiert werden. Auch die Herstellung einer solchen Maßverkörperung ist besonders einfach und schnell.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Eine Vorrichtung für ein Längen- oder Winkelmesssystem, die folgendes aufweist: eine erste Spur mit einer magnetischen Codierung, und mindestens eine zweite Spur mit einer geometrischen Codierung entlang einer Messrichtung.
2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die magnetische Codierung durch eine Vielzahl von magnetischen Abschnitten gebildet ist, wobei zwei benachbarte Abschnitte eine unterschiedliche Magnetisierung aufweisen.
3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Spur und die zweite Spur auf einem magnetischen Substrat angeordnet sind und wobei die geometrische Codierung durch eine Variation mindestens eines geometrischen Merkmals des Substrats entlang der Messrichtung gebildet ist.
4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die geometrische Codierung durch eine Variation der äußeren Form des Substrates gebildet ist.
5. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die geometrische Codierung durch eine periodische Variation der äußeren Form des Substrates gebildet ist.
6. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das geometrische Merkmal des Substrats einer der folgenden Funktionen folgt: eine Sinusfunktion, eine Polynomfunktion, und eine Kombination aus einer Sinusfunktion und einer Polynomfunktion.
7. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei eine Amplitude der Variation des geometrischen Merkmals des Substrats entlang der Messrichtung derart ausgewählt ist, dass eine erste Signalamplitude des durch die erste Spur erzeugten Signals und eine zweite Signalamplitude des durch die zweite Spur erzeugten Signals innerhalb eines gegebenen Toleranzbandes gleich sind.
8. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die magnetische Codierung eine erste Anzahl von magnetischen Abschnitten aufweist und die geometrische Codierung periodisch ist und eine zweite Anzahl von Perioden aufweist, und wobei die erste Anzahl sich von der zweiten Anzahl unterscheidet.
9. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die erste Anzahl größer ist als die zweite Anzahl, insbesondere um einen Faktor
1,5 größer ist als die zweite Anzahl.
10. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei ein größter, gemeinsamer Teiler der ersten und der zweiten Anzahl gleich 1 ist.
11. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Anordnung eine dritte Spur, eine zweite Spur mit einer geometrischen Codierung entlang der Messrichtung, wobei die dritte Spur auf dem magnetischen Substrat angeordnet ist und wobei die weitere geometrische Codierung durch eine Variation mindestens eines der geometrischen Merkmale des Substrats entlang der Messrichtung gebildet ist.
12. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die geometrische Codierung und die weitere geometrische Codierung periodisch sind und eine zweite bzw. dritte Anzahl von Perioden aufweist, und wobei die zweite Anzahl sich von der dritten Anzahl unterscheidet.
13. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die zweite und die dritte Spur durch die Variation desselben geometrischen Merkmals des Substrats entlang der Messrichtung gebildet sind.
14. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die äußere Form des Substrats durch die Superposition der zweiten und der dritten Spur gebildet ist.
15. System, welches umfasst: eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-14, und einen Sensorkopf mit einem ersten Sensorelement, das zusammen mit der ersten Spur einen ersten Messkanal bildet, und mindestens einem zweiten Sensorelement, das zusammen mit der zweiten Spur einen zweiten Messkanal bildet.
16. System gemäß Anspruch 15, wobei das erste und das zweite Sensorelement ausgewählt sind aus einer Gruppe, welche Folgendes umfasst: ein Hall-Sensor, ein magnetoresi stiver Sensor und ein Magnet-Impedanz-Sensor.
17. Verfahren mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Substrats aus einem magnetischen Material,
Magnetisieren des Substrats zur Bildung einer ersten Spur mit einer magnetischen Codierung, und
Ändern mindestens eines geometrischen Merkmals des Substrats entlang einer Messrichtung zur Bildung mindestens einer zweiten Spur mit einer geometrischen Codierung entlang der Messrichtung.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt des Herstellens des Substrats und der Schritt des Änderns des geometrischen Merkmals des Substrats gleichzeitig erfolgen.
19. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt des Änderns des geometrischen Merkmals des Substrats nach dem Schritt des Magnetisierens des Substrats erfolgt.
20. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt des Änderns des geometrischen Merkmals des Substrats nach der Herstellung des Substrats und vor dem Schritt des Magnetisierens des Substrats erfolgt.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei das Ändern des geometrischen Merkmals des Substrats zumindest durch einen der folgenden Schritte umfasst: Fräsen, Ätzen, Schneiden und Drehen.
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