DE19652562C2 - Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung, über die positionsabhängige Ausgangssignale bei der Abtastung einer Maßstabtei­ lung mit Hilfe ein oder mehrerer Abtastelemente erzeugbar sind.

Die anschließende Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundelie­ genden Problematik erfolgt am Beispiel einer magnetischen Positions­ meßeinrichtung. Grundsätzlich ergeben sich jedoch ähnliche Probleme bei Positionsmeßeinrichtungen, die auf anderen physikalischen Abtastprinzipien beruhen, beispielsweise bei optischen, induktiven oder kapazitiven Positi­ onsmeßeinrichtungen.

Im Fall einer magnetischen Positionsmeßeinrichtung werden zur Abtastung einer magnetischen Maßstabteilung verschiedenste magnetfeldempfindliche Abtastelemente eingesetzt. Beispielsweise eignen sich hierzu magnetoresi­ stive Elemente ebenso wie Hall-Elemente. Mit Hilfe dieser Elemente wird im Fall eines inkrementalen Meßsystems eine periodische Magnetisierung ei­ ner Maßstabteilung abgetastet, die relativ zu den jeweiligen Elementen be­ weglich angeordnet ist. Die periodische Magnetisierung besteht dabei z. B. aus alternierend angeordneten magnetischen Nord- und Südpolen. Aus­ gangsseitig liefern die Abtastelemente bei der Relativbewegung von Maß­ stabteilung und Abtastelement periodisch modulierte Signale, die in be­ kannter Art und Weise weiterverarbeitet werden können. In inkrementalen Meßsystemen wird in der Regel mindestens ein Paar phasenversetzter Ausgangssignale S₁, S₂ erzeugt, wobei der Phasenversatz 90° beträgt. Hin­ sichtlich der Ausgangssignale S₁, S₂ ergeben sich nunmehr eine Reihe von Anforderungen, wenn diese in bekannten Folgeelektroniken oder Auswerte­ einheiten weiterverarbeitet werden sollen. So setzt die Folgeelektronik in der Regel möglichst sinusförmige Ausgangssignale voraus, da nur auf Grund­ lage der idealen Sinusform eine zuverlässige weitere Unterteilung der Si­ gnale bzw. eine Interpolation derselben möglich ist. Ferner sollen die bei­ den, um 90° phasenversetzten Signale S₁, S₂ innerhalb einer Signalperiode jeweils möglichst gleiche Amplituden aufweisen. Im Fall der Darstellung des Signalverlaufes mit Hilfe einer Lissajous-Figur bedeutet dies, daß als Lissa­ jous-Figur möglichst ein Kreis resultieren sollte. Als weitere Anforderung an die Signalqualität ist aufzuführen, daß die Maximalamplituden der geliefer­ ten Ausgangssignale S₁, S₂ möglichst geringen Schwankungen unterliegen sollten, auch wenn beispielsweise der Abtastabstand zwischen der magneti­ schen Maßstabteilung und dem verwendeten Abtastelement variiert.

Resultierende Probleme hinsichtlich der Signalqualität bei bekannten ma­ gnetischen Meßsystemen seien nachfolgend anhand der Fig. 1a, 1b, 2a und 2b erläutert. Fig. 1a zeigt die Arbeitskennlinie eines magnetfeldemp­ findlichen Abtastelements, beispielsweise eines magnetoresistiven Ele­ mentes, bestehend aus einem parabolischen Bereich und einem Sätti­ gungsbereich. Aufgetragen ist hierbei die relative Widerstandsänderung gegenüber der detektierten Feldstärke, d. h. als Eingangssignal des Abtast­ elementes dient die zu detektierende Feldstärke, als Ausgangssignal ergibt sich eine bestimmte relative Widerstandsänderung. In die Darstellung sind ferner drei Aussteuerbereiche bzw. Arbeitsbereiche a, b und c der Arbeits­ kennlinie eingezeichnet, die miteinander verglichen werden sollen. Diese Aussteuerbereiche a, b und c entsprechen unterschiedlichen Maximal-Feld­ stärken, zwischen denen das Abtastelement betrieben wird, d. h. die ver­ schiedenen Aussteuerbereiche a, b und c stellen unterschiedliche Abtastab­ stände zwischen dem Abtastelement und der magnetischen Maßstabteilung dar. Der Bereich a mit den geringsten Maximal-Feldstärken repräsentiert den größten Abtastabstand, während der Bereich c den geringsten Abtast­ abstand darstellt. Alle gewählten Aussteuerbereiche liegen in diesem Fall im parabolischen Teil der Arbeitskennlinie des Abtastelementes bzw. mehrerer derartiger Abtastelemente.

In Fig. 1b ist die resultierende Lissajous-Darstellung gezeigt, die sich für zwei um 90° phasenversetzte, sinus- und cosinusförmige Signale S₁, S₂ in den verschiedenen Abstandsbereichen a, b und c im parabolischen Teil der Arbeitskennlinie ergibt. Hierbei ist zum einen deutlich erkennbar, daß im parabolischen Bereich der Arbeitskennlinie gewährleistet ist, daß sich kreisförmige Lissajous-Figuren ergeben. Die Signal-Amplituden der beiden phasenversetzten Signale S₁, S₂ sind demzufolge jeweils gleich. Zum ande­ ren wird anhand der Darstellung in Fig. 1b deutlich, daß sich die maxima­ len Signalamplituden in den Abstandsbereichen a und c nahezu um einen Faktor 2 unterscheiden, d. h. der Radius der beiden Kreise differiert nahezu um den Faktor 2. Eine derartig große Schwankung der Signalamplituden bei variierendem Abtastabstand verursacht jedoch Probleme bei der Signal- Weiterverarbeitung in der Folgeelektronik. Aufgrund der extremen Ab­ standsabhängigkeit der Feldstärken der abgetasteten Maßstabteilung vom Abtastabstand resultiert demnach eine erhebliche Beeinträchtigung der Si­ gnalqualität.

Ein weiteres Problem bei bekannten magnetischen Meßsystemen sei an­ hand der beiden Fig. 2a und 2b erläutert. Hierbei wird wiederum von der gleichen Arbeitskennlinie eines magnetfeldempfindlichen Abtastelements ausgegangen wie im vorhergehenden Beispiel. Das Abtastelement wird nunmehr jedoch in drei Aussteuerbereichen a, b und c der Arbeitskennlinie betrieben, die nicht mehr allesamt im Bereich des parabolischen Teils der Arbeitskennlinie liegen, sondern bereits teilweise im Sättigungsbereich der­ selben. Hierbei sei unter dem Sättigungsbereich derjenige Bereich der Ar­ beitskennlinie des Abtastelementes verstanden, in dem sich auch bei einer Änderung der detektierten Magnetfeldstärke keine wesentlichen Änderun­ gen in der Amplitude der Ausgangssignale mehr ergeben bzw. die aufgetra­ gene relative Widerstandsänderung annähernd konstant bleibt. Wiederum stellt der Bereich a den größten Abtastabstand dar, während der Bereich c den geringsten Abtastabstand mit den höchsten detektierten Maximal-Feld­ stärken repräsentiert.

Wie aus der zugehörigen Fig. 2b mit der Lissajous-Darstellung der pha­ senversetzten Ausgangssignale S₁, S₂ deutlich erkennbar ist, ergibt sich im Bereich a mit dem größten Abtastabstand noch eine kreisförmige Lissajous- Figur, d. h. es resultieren gleiche Signalamplituden der beiden phasenver­ setzten Ausgangssignale. Je kleiner der Abtastabstand jedoch gewählt wird, d. h. je mehr das Abtastelement im Sättigungsbereich ausgesteuert wird, desto größer wird die Abweichung der Lissajous-Figur von der idealen Kreisform. Dies ist insbesondere im Bereich c der Fall, wo eine deutliche Verzerrung der ehemals kreisförmigen Lissajous-Figur vorliegt.

Auch eine derartige Abhängigkeit der Form der Lissajous-Figur vom Abtast­ abstand verursacht unerwünschte Fehler bei der Weiterverarbeitung der Signale in der Folgeelektronik, etwa bei der Signal-Interpolation.

Aus der Druckschrift DE 42 08 154 A1 ist ein magnetischer Sensor bekannt, der zur Abtastung einer magnetischen Maßstabteilung dient. Zur Filterung unerwünschter Oberwellenkomponenten am Abtastsignal wird eine bestimmte Ausgestaltung und Anordnung der verwendeten magnetoresistiven Elemente des Sensors vorgeschlagen. Diese Maßnahmen reichen jedoch noch nicht aus, die oben diskutierten Probleme zu beseitigen.

Die DE 44 11 808 A1 offenbart ein magnetisches Meßsystem, bei dem die eingesetzten magnetoresistiven Elemente einer Abtasteinheit in einem bestimmten Winkel zur Meßrichtung angeordnet werden und zudem ein magnetisches Hilfsfeld auf die magnetoresistiven Elemente einwirkt. Auch diese Maßnahmen sind nicht geeignet zur vollständigen Lösung obiger Probleme.

Wie bereits oben angedeutet ergeben sich ähnliche Probleme auch bei Po­ sitionsmeßeinrichtungen, die auf anderen physikalischen Abtastprinzipien beruhen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Positionsmeßein­ richtung zu schaffen, die auch bei relativ großen Toleranzen hinsichtlich des Abtastabstands möglichst unverzerrte Ausgangssignale liefert. Ferner sind weitgehend konstante Maximalamplituden der Ausgangssignale auch bei schwankenden Abtastabständen gefordert.

Diese Aufgabe wird durch eine Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmaien des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positionsmeßein­ richtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird nunmehr gemäß Anspruch 1 vorgesehen, ein Ab­ tastelement über den gesamten Meßbereich gezielt im Sättigungsbereich seiner Arbeitskennlinie auszusteuern. Dies läßt sich durch eine geeignete Wahl des Abtastabstandes erreichen, d. h. wenn dieser gering genug ge­ wählt wird und gewährleistet ist, daß dieser Abtastabstand über den ge­ samten Meßbereich eingehalten wird, so bewirken die hohen Amplituden der detektierten Eingangssignale stets die Aussteuerung des Abtastele­ mentes bis zum Sättigungsbereich der Arbeitskennlinie. Dadurch ist sicher­ gestellt, daß sich keine großen Änderungen der Maximalamplitude im Fall eines ggf. variierenden Abtastabstandes ergeben. Um die in diesem Aus­ steuer-Bereich der Arbeitskennlinie üblicherweise auftretenden Verzerrun­ gen der Ausgangssignale zu eliminieren, ist erfindungsgemäß desweiteren vorgesehen, eine Signalfilterung vorzunehmen, um insbesondere die dritte Oberwelle aus dem Ausgangssignal zu beseitigen. Zur Filterung von uner­ wünschten Oberwellenanteilen können dabei eine Reihe von Möglichkeiten eingesetzt werden, die allesamt dem einschlägigen Fachmann bekannt sind. Selbstverständlich kann zur weiteren Signal-Optimierung auch eine Filterung weiterer Oberwellenanteile erfolgen, beispielsweise der fünften, siebten, ... Oberwelle. Neben Maßnahmen auf Seiten der Abtasteinheit bzw. der Ab­ tastelemente kann eine derartige Filterung grundsätzlich auch auf elektroni­ schem Weg erfolgen.

Die resultierenden Ausgangssignale einer erfindungsgemäß aufgebauten bzw. erfindungsgemäß betriebenen Positionsmeßeinrichtung weisen die geforderte Amplitudenkonstanz bei variierendem Abtastabstand ebenso auf wie einen weitgehend unverzerrten Signalverlauf. Die Signal-Weiterverar­ beitung in bekannten Folgeelektroniken bzw. Auswerteeinheiten kann auf Grundlage der optimierten Signalqualität erfolgen. Insgesamt resultiert eine verbesserte Meßgenauigkeit.

Alternativ zur Ausführungsvariante gemäß Anspruch 1 ist es auch möglich, gemäß Anspruch 10 Abtastelemente mit einer weitgehend linearen Aus­ gangscharakteristik einzusetzen und über geeignete Bauelemente der nachgeordneten Folgeelektronik einen Sättigungsbereich der Arbeitskennli­ nie künstlich zu erzeugen. Im Meßbetrieb wird bis in den Sättigungsbereich ausgesteuert; eine Signalfilterung ist auf elektronischem Wege vorgesehen.

Die erfindungsgemäßen Überlegungen lassen sich demzufolge in Verbin­ dung mit verschiedensten Abtastelementen einsetzen, d. h. insbesondere auch in Verbindung mit Abtastelementen, die eine lineare Ausgangscha­ rakteristik über einen relativ großen Aussteuerungsbereich aufweisen.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße magnetische Positions­ meßeinrichtung sowohl als lineares Meßsystem wie auch als rotatorisches Meßsystem ausgebildet werden. Daneben ergeben sich auch Ausführungs­ möglichkeiten mit mehreren benachbarten Teilungsspuren unterschiedlicher Teilungsperiode etc.. Es existieren demzufolge vielfältige Ausgestaltungs­ möglichkeiten im Rahmen der erfindungsgemäßen Überlegungen, insbe­ sondere lassen sich die erfindungsgemäßen Überlegungen auch bei ver­ schiedensten physikalischen Abtastprinzipien einsetzen.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Positions­ meßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausbildungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.

Dabei zeigt

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Positionsmeßein­ richtung, ausgebildet als magnetische Positi­ onsmeßeinrichtung;

Fig. 4a die Kennlinie eines ersten Abtastelements, das in der erfindungsgemäßen Positionsmeßein­ richtung eingesetzt werden kann;

Fig. 4b die Kennlinie eines zweiten Abtastelements, das in der erfindungsgemäßen Positions­ meßeinrichtung eingesetzt werden kann;

Fig. 5 die resultierende Signalform in der erfindungs­ mäßen Positionsmeßeinrichtung in einer Lis­ sajous-Darstellung;

Fig. 6a-6c je eine Ansicht einer Abtasteinheit einer ma­ gnetischen Positionsmeßeinrichtung mit meh­ reren Abtastelementen in der Detektorebene, die zur Filterung bestimmter Oberwellenanteile geeignet ist;

Fig. 7a einen Teil einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung in einer schematisierten Darstellung;

Fig. 7b die Arbeitskennlinie der Anordnung aus Fig. 7a.

Ein schematisiertes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Die erfin­ dungsgemäßen Überlegungen werden dabei in den folgenden Figuren am Beispiel von magnetischen Positionsmeßeinrichtungen erläutert. Wie bereits mehrfach angedeutet, lassen sich diese Überlegungen jedoch auch auf an­ dere physikalische Abtastprinzipien bzw. Positionsmeßeinrichtungen über­ tragen, um derart die gewünschte Qualität der Ausgangssignale sicherzu­ stellen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird eine magnetische Maßstabteilung 1 mit Hilfe mehrerer Abtastelemente 2a-2d abgetastet, die auf einem geeig­ neten Trägerkörper 3 in einer Abtasteinheit 5 angeordnet sind. Die Abtast­ elemente 2a-2d befinden sich im Meßbetrieb in einem Abtastabstand d über der magnetischen Maßstabteilung 1. Im dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist die abgetastete magnetische Maßstabteilung als alternierende Folge von magnetischen Nord- und Südpolen ausgebildet, die magnetische Positionsmeßeinrichtung arbeitet als inkrementales Meßsystem. Als Tei­ lungsperiode TP sei entsprechend der Fig. 3 die Länge eines Magnetpoles N oder S definiert. Die Abtasteinheit 5 sowie die magnetische Maßstabtei­ lung 1 sind in x-Richtung relativ zueinander verschiebbar angeordnet und beispielsweise mit dem Werkzeug sowie mit dem Werkstück einer Werk­ zeugmaschine verbunden, deren Relativposition zueinander hochgenau be­ stimmt werden soll. Als Abtastelemente 2a-2d dienen in der dargestellten ersten Ausführungsform mehrere magnetoresistive Elemente, die streifen­ förmig in äquidistanten Abständen senkrecht zur Meßrichtung x auf dem Trägerkörper 3 angeordnet sind. Hinsichtlich der konkreten Anordnung der magnetoresistiven Elemente auf dem Trägerkörper 3 in der Detektorebene sei auf die nachfolgende Beschreibung der Fig. 6 verwiesen. Die über die Abtastelemente 2a-2d während einer Relativverschiebung von Maßstab­ teilung 1 und Abtasteinheit 5 erzeugten, periodisch modulierten Ausgangs­ signale S₁, S₂ werden von einer Auswerteeinheit 4 bzw. Folgeelektronik in bekannter Art und Weise weiterverarbeitet. Im Fall des dargestellten Aus­ führungsbeispieles werden bei der Abtastung der als Inkrementalteilung ausgebildeten Maßstabteilung 1 mit Hilfe der geeignet verschalteten Abtast­ elemente 2a-2d zwei um 90° phasenversetzte, sinus- bzw. cosinusförmige Ausgangssignale S₁, S₂ erzeugt, so daß neben der Positionsbestimmung auch eine Richtungsdetektion möglich ist.

Um die gewünschte Signalqualität der an die Auswerteeinheit 4 übergebe­ nen Ausgangssignale S₁, S₂ sicherzustellen, sind nunmehr eine Reihe von Maßnahmen auf Seiten der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung vorgesehen.

So werden in der dargestellten Ausführungsform zum einen Abtastelemente 2a-2d gewählt, deren Arbeitskennlinien ab bestimmten, detektierten Ma­ gnet-Feldstärken einen Sättigungsbereich aufweisen. Dies bedeutet in all­ gemeiner Form, daß ab einer bestimmten Größe des detektierten Ein­ gangssignales ein Ausgangssignal des Abtastelementes in einem Sätti­ gungsbereich resultiert, in dem sich auch bei einer Änderung des Eingangs­ signales kein wesentlich verändertes Ausgangssignal ergibt.

Die Kennlinie eines geeignet ausgebildeten magnetfeldempfindlichen Ab­ tastelementes ist in Fig. 4a dargestellt, wobei es sich hierbei um eine sog. parabolische Kennlinie handelt. Unter dem Sättigungsbereich der Arbeits­ kennlinie wird in dieser Ausführungsform ein Bereich verstanden, in dem trotz einer Variation der erfaßten Magnetfeldstärken keine signifikante Ände­ rung der Amplitude der Ausgangssignale mehr resultiert. Im Beispiel der Fig. 4a liegt ein solcher Sättigungsbereich etwa ab einem Wert der Ma­ gnet-Feldstärken von +/- 5 mT vor.

Derart ausgebildete Abtastelemente 2a-2d werden nunmehr erfindungs­ gemäß so betrieben, daß über den gesamten Meßbereich, d. h. über die ge­ samte Länge der abgetasteten magnetischen Maßstabteilung 1 eine Aus­ steuerung bis zum Sättigungsbereich der Arbeitskennlinie erfolgt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Abtastabstand d zwischen den Abtastele­ menten 2a-2d und der magnetischen Maßstabteilung 1 derart gering ge­ wählt wird, daß die Abtastelemente 2a immer zwischen maximalen Feldstär­ ken ausgesteuert werden, die im Sättigungsbereich liegen, d. h. größer als etwa +/- 5 mT sind. Ein derart geringer, erforderlicher Abtastabstand d läßt sich durch geeignete konstruktive Maßnahmen innerhalb der erfindungsge­ mäßen Positionsmeßeinrichtung einfach bewerkstelligen, indem beispiels­ weise vorgesehen wird, die Abtasteinheit über die Maßstabteilung gleiten zu lassen.

In Fig. 4b ist die Arbeitskennlinie eines weiteren, geeigneten Abtastele­ mentes dargestellt, das ebenfalls innerhalb der erfindungsgemäßen Positi­ onsmeßeinrichtung eingesetzt werden kann. Auch diese Arbeitskennlinie weist im Fall höherer, detektierter Magnetfeldstärken einen Sättigungsbe­ reich auf, in dem bei einer Änderung der einwirkenden Magnet-Feldstärke keine wesentlichen Änderungen in der Amplitude der Ausgangssignale mehr resultieren. Derartige Arbeitskennlinien haben etwa magnetoresistive Ele­ mente, bei denen bestimmte Maßnahmen zur Linearisierung der Ausgang­ scharakteristik getroffen werden. Dies läßt sich beispielsweise in bekannter Art und Weise über ein Vorspann-Magnetfeld erreichen, das z. B. über einen Permanent-Magneten in der Nähe der magnetoresistiven Elemente erzeugt wird. Entscheidend ist hinsichtlich der Arbeitskennlinie wiederum, daß im Bereich höherer Magnetfeldstärken keine große Änderungen in den Ampli­ tuden der Ausgangssignale resultieren bzw. diese sich auch bei einer Varia­ tion der Magnetfeldstärken nicht ändern.

Neben dem Aussteuern der verwendeten Abtastelemente bis zum Bereich der Sättigung der jeweiligen Arbeitskennlinie ist desweiteren erfindungsge­ mäß vorgesehen, ein Filterung der Ausgangssignale S₁, S₂ vorzunehmen. Hierbei wird eine Filterung dergestalt vorgesehen, daß mindestens die dritte Oberwelle aus den Ausgangssignalen S₁, S₂ eliminiert wird. Über eine der­ artige Filterung lassen sich die bereits in der Beschreibungseinleitung er­ wähnten, unerwünschten Signalverzerrungen bei geringen Abtastabständen d weitgehend vermeiden bzw. zumindest minimieren.

Hinsichtlich geeigneter Filterungsmaßnahmen in der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung sei in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die EP 0 541 829 der Anmelderin verwiesen. Dort werden eine Reihe von Möglichkeiten vorgeschlagen, wie im Fall magnetoresistiver Abtastelemente eine Filterung der Ausgangssignale S₁, S₂ erreicht werden kann und zumin­ dest die dritte Oberwelle aus den Ausgangssignalen eliminiert werden kann. Mögliche Filterungsvarianten sehen hierzu etwa die schräge Anordnung der streifenförmigen magnetoresistiven Elemente gegenüber der Meßrichtung oder aber eine Variation der Länge derartiger Elemente gemäß einer Sinus- oder Cosinus-Funktion vor. Geeignete Filterungsanordnungen, die sich zur Filterung der dritten Oberwelle sowie z. T. auch der fünften Oberwelle aus den Ausgangssignalen eignen, werden nachfolgend anhand der Fig. 6a -6c beschrieben.

Aufgrund der erläuterten Maßnahmen in der erfindungsgemäßen Positions­ meßeinrichtung resultiert die gewünschte verbesserte Signalqualität der Ausgangssignale S₁, S₂. In Fig. 5 ist hierzu der Signalverlauf für zwei um 90° phasenversetzte Ausgangssignale S₁, S₂ in der bekannten Lissajous- Darstellung gezeigt, die sich aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positionmeßeinrichtung in den verschiedenen Abtast­ abstands-Bereichen a-c aus den Fig. 4a und 4b ergibt. Deutlich er­ kennbar ist hierbei nunmehr zum einen, daß trotz der Aussteuerung im Bereich hoher Magnetfeldstärken, d. h. insbesondere im Bereich c keinerlei Signalverzerrung mehr auftritt, wie dies beispielsweise im Fall der Fig. 2b zu beobachten war. Darüber hinaus ist erkennbar, daß bei den Abtastab­ ständen a und c die Maximalamplituden der Signale sich lediglich um einen relativ geringen Betrag unterscheiden, d. h. es ist auch die geforderte, weit­ gehende Unabhängigkeit der Amplituden der Ausgangssignale S₁, S₂ vom Abtastabstand d gewährleistet.

Es ergeben sich demzufolge hinreichend optimierte Ausgangssignale S₁, S₂ innerhalb der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung, die bei der Weiterverarbeitung in der Folgeelektronik oder Auswerteeinheit 4 zur Positi­ onsbestimmung deutlich weniger Fehler liefern.

Eine Ansicht der Detektorebene der eingesetzten Abtasteinheit 5 aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist in Fig. 6a dargestellt. Weitere Möglich­ keiten zur Anordnung der Abtastelemente, die gleichzeitig die gewünschte Filterwirkung gewährleisten sind in den Fig. 6b und 6c gezeigt. Die Fig. 6a-6c geben dabei die Anordnung in der Detektorebene nicht maß­ stabsgetreu wieder, u. a. nicht die nachfolgend erläuterten Winkelverhält­ nisse.

In der Variante gemäß Fig. 6a sind in der Detektorebene auf dem Träger­ körper 3 insgesamt vier Abtastelemente 2a-2d in Form magnetoresistiver Elemente angeordnet. Die vier Abtastelemente 2a-2d erstrecken sich dabei über eine Teilungsperiode TP der Maßstabteilung. Hierbei ist in der Detek­ torebene eine schräge Anordnung der vier Abtastelemente 2a-2d unter einem bestimmten Winkel α gegenüber der Senkrechten auf die Meßrich­ tung x vorgesehen, wodurch die gewünschte Filterung der dritten Oberwelle bewirkt wird. Der entsprechende Winkel α ergibt sich dabei aus der Bezie­ hung tan α = TP/3l, wobei l die Länge der Abtastelemente 2a-2d darstellt und TP die vorab erläuterte Teilungsperiode der Maßstabteilung beschreibt. Im Fall einer Teilungsperiode TP der magnetischen Maßstabteilung und ei­ ner nicht-linearisierten Arbeitskennlinie gemäß Fig. 4a sind die vier Streifen 2a-2d innerhalb einer Teilungsperiode TP der magnetischen Maßstabtei­ lung in äquidistanten Abständen angeordnet. Der Abstand der linken Kanten benachbarter Abtastelemente beträgt gemäß Fig. 6a dabei jeweils TP/4. Die Teilungsperiode TP ist entsprechend der Fig. 3 definiert. Neben der winkelmäßigen Ausrichtung der Abtastelemente 2a-2d, die die gewünschte Filterung der dritten Oberwelle bewirkt, ist ferner eine Filterwirkung zu er­ zielen, indem die Breite b der trapezförmigen Abtastelemente 2a-2d geeig­ net gewählt wird. So resultiert bei den gegebenen Verhältnissen mit einer Breite b = TP/5 auch eine Filterung der fünften Oberwelle aus den Ausgangs­ signalen S₁, S₂, die durch die geeignete Verschaltung der vier Abtastele­ mente 2a-2d in bekannter Art und Weise erzeugt werden. Selbstverständ­ lich ist es möglich bzw. vorteilhaft, wenn in einer Abtasteinheit mehrere der­ art aufgebaute Vierer-Gruppen von Abtastelementen 2a-2d in Meßrichtung x benachbart angeordnet und miteinander verschaltet werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Abtasteinheit, die die ge­ wünschte Filterwirkung sicherstellt, zeigt Fig. 6b. Hierbei sind ebenfalls wieder vier Abtastelemente 22a-22d, ausgebildet als streifenförmige ma­ gnetoresistive Elemente, auf einem Trägerkörper 23 innerhalb einer Tei­ lungsperiode TP angeordnet. Die magnetoresistiven Streifen sind nunmehr jedoch v-förmig in Meßrichtung x orientiert angeordnet. Der Abstand der linken Kanten benachbarter Abtastelemente beträgt wiederum TP/4. Erneut ist die Breite b der v-förmig ausgebildeten Abtastelemente 22a-22d mit TP/5 so gewählt, daß neben der durch die schräge Anordnung bewirkten Filterung der dritten Oberwelle auch eine Filterung der fünften Oberwelle resultiert. Der Winkel a, der die Anordnung der magnetoresistiven Streifen gegenüber der Senkrechten zur Meßrichtung beschreibt, ergibt sich in die­ ser Ausführungsform aus der Beziehung tan α = TP/(3l/2).

Eine dritte Möglichkeit zur Ausgestaltung der Abtasteinheit bzw. Anordnung der magnetoresistiven Abtastelemente 32a-32d ist in Fig. 6c dargestellt. Die auf einem Trägerkörper 33 angeordneten magnetoresistiven Streifen 32a-32d sind symmetrisch zu einer mittleren Achse ausgebildet, die paral­ lel zur Meßrichtung x orientiert ist; ferner ist die Form der Streifen 32a-32d sinusförmig gewählt. Wiederum sind innerhalb einer Teilungsperiode TP vier derartige Abtastelemente 32a-32d angeordnet, deren linke Kanten jeweils den Abstand TP/4 zueinander aufweisen.

Neben den in den Fig. 6a-6c erläuterten Varianten zur Filterung zumin­ dest der dritten Oberwelle existieren weitere bekannte Möglichkeiten, die ebenfalls in der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung eingesetzt werden können.

Eine weitere, zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positions­ meßeinrichtung ist in Fig. 7a in einer schematisierten Blockschaltbild-Dar­ stellung teilweise gezeigt, die wiederum als magnetische Positionsmeßein­ richtung ausgebildet ist. Nicht dargestellt ist hierbei die abgetastete magne­ tische Maßstabteilung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist nunmehr vorgesehen, magnetfeldempfindliche Abtastelemente 72a, 72b mit einer weitgehend linearen Arbeitskennlinie zu verwenden, beispielsweise Hall-Elemente. Die Arbeitskennlinie dieser Elemente 72a, 72b weist dem­ zufolge einen Sättigungsbereich bei Magnetfeldstärken auf, die im Fall einer abgetasteten Maßstabteilung in der Regel nicht erreicht werden können. Die Abtastelemente 72a, 72b können demzufolge nicht im Sättigungsbereich betrieben bzw. ausgesteuert werden, wie dies im vorhergehenden Beispiel erfindungsgemäß vorgesehen wurde. Um die erläuterten, erfindungsgemä­ ßen Prinzipien umzusetzen ist deshalb in dieser Ausführungsform einer ma­ gnetischen Positionsmeßeinrichtung vorgesehen, über Bauelemente 74a, 74b im Eingangsteil 76a der den Abtastelementen 72a, 72b nachgeordneten Folgeelektronik 76a, 76b einen Sättigungsbereich der Arbeitskennlinie künstlich zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden in der dargestellten Aus­ führungsform den Verstärkern 73a, 73b im Eingangsteil 76a der Folgeelek­ tronik jeweils nichtlineare Elemente 74a, 74b parallel zugeschaltet. Bei die­ sen nichtlinearen Elementen 73a, 73b kann es sich etwa um geeignete Wi­ derstände, Dioden etc. handeln, die eine nichtlineare Verstärker-Arbeits­ kennlinie verursachen. Die auf diese Art und Weise modifizierte, trapezför­ mige Arbeitskennlinie der Verstärker 73a, 73b ist in Fig. 7b dargestellt. Die Aussteuerung einer derart modifizierten Verstärker-Arbeitskennlinie erfolgt dabei wiederum zwischen den künstlich erzeugten Sättigungsberei­ chen, d. h. der Abtastabstand ist wiederum so klein zu wählen, daß ein derartiger Arbeitsbereich über die gesamte Meßlänge eingehalten wird. Da in einer derartigen Ausführungsform keine Filterung der Oberwellenanteile auf Seiten der Abtastelemente 72a, 72b mit linearer Ausgangscharakteristik möglich ist, erfolgt die notwendige Filterung zumindest der dritten Oberwelle auf elektronischem Weg nach den Verstärkern 73a, 73b über eine schema­ tisiert angedeutete Filtereinheit 75. Ausgangsseitig liegen nach einer derar­ tigen Signalaufbereitung die optimierten Signale S₁, S₂ vor, die von dem nachgeordneten Teil 76b der Auswerteeinheit in bekannter Art und Weise zur Positionsbestimmung herangezogen werden können.

Hinsichtlich der Filterung der Signale in dieser Auführungsform der erfin­ dungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung sei in diesem Zusammenhang desweiteren auf die EP 0106 951 B1 der Anmelderin verwiesen. Dort ist bei­ spielsweise anhand der Ausführungsform in Fig. 7 ein Verfahren erläutert, wie auf elektronischem Wege unerwünschte Oberwellenanteile aus einem periodischen Abtastsignal eliminiert werden können.

Es ist demzufolge auch erfindungsgemäß möglich, Abtastelemente mit wei­ testgehend linearer Ausgangscharakteristik ohne Sättigungsbereiche, bei­ spielsweise Hall-Elemente, einzusetzen und trotzdem die gewünschte Si­ gnalqualität zu erhalten. Es resultieren somit eine Reihe von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Positionsmeßeinrichtung geeignet auszugestalten.

Claims (12)

1. Positionsmeßeinrichtung mit einer Maßstabteilung (1) und mindestens einem relativ dazu beweglichen Abtastelement (2a-2d; 22a-22d; 32a-­ 32d), über das im Fall der Relativbewegung positionsabhängige, inten­ sitätsmodulierte Ausgangssignale (S₁, S₂) erzeugbar sind, die einer nachgeordneten Folgeelektronik (4) zugeführt werden, wobei

• a) das Abtastelement (2a-2d; 22a-22d; 32a-32d) eine Arbeits­ kennnlinie aufweist, welche beidseitig benachbart zu einem zumindest teilweise, annähernd linearen Arbeitsbereich jeweils Sättigungsbereiche aufweist, in denen auch bei einer Änderung des Eingangssignales kein wesentlich verändertes Ausgangssignal resultiert und
• b) der Abtastabstand (d) zwischen der Maßstabteilung (1) und dem Abtastelement (2a-2d; 22a-22d; 32a-32d) derart gewählt ist, daß über den gesamten Meßbereich eine Aussteuerung zwischen maximalen Eingangssignalen erfolgt, die in den Sättigungsbereichen der Arbeitskennlinie liegen und ferner
• c) das Abtastelement (2a-2d; 22a-22d; 32a-32d) so ausgelegt ist, daß zumindest eine Filterung der dritten Oberwelle aus dem Aus­ gangssignal (S₁, S₂) gewährleistet ist.

2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Abtastelement als magnetoresistives Element (2a-2d; 22a-22d; 32a-32d) ausgebildet ist, mit dem eine magnetische Maßstabteilung (1) abtastbar ist.

3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei das magnetoresistive Element im Bereich der abgetasteten Magnetfeldstärken der Maßstab­ teilung (1) eine im wesentlichen parabolische Arbeitskennlinie aufweist.

4. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei das magnetoresistive Element im Bereich der abgetasteten Magnetfeldstärken der Maßstab­ teilung (1) eine im wesentlichen linearisierte Arbeitskennlinie aufweist.

5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei mehrere streifenför­ mige magnetoresistive Elemente auf einem Trägerbauteil (3; 23; 33) äquidistant angeordnet sind.

6. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, wobei die magnetoresistiven Elemente unter einem Winkel (a) zur abgetasteten Maßstabteilung (1) angeordnet sind, der von 90° abweicht, wodurch zumindest eine Filte­ rung der dritten Oberwelle im Ausgangssignal (S₁, S₂) resultiert.

7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Breite (b) der ma­ gnetoresistiven Elemente in Meßrichtung (x) so gewählt ist, daß zusätz­ lich mindestens eine Filterung der fünften Oberwelle im Ausgangssignal (S₁, S₂) resultiert.

8. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Länge der ma­ gnetoresistiven Elemente in Meßrichtung in Abhängigkeit einer Sinus- oder Cosinus-Funktion gewählt ist.

9. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, wobei sich der Winkel (α), unter dem die magnetroesistiven Elemente gegenüber einer Senkrech­ ten zur Meßrichtung (x) angeordnet sind, aus der Beziehung tan α = TP/3l ergibt, mit TP als Teilungsperiode der magnetischen Maßstabtei­ lung (1) und l als Länge der magnetoresistiven Elemente.

10. Positionsmeßeinrichtung mit einer Maßstabteilung und mindestens ei­ nem relativ dazu beweglichen Abtastelement (72a, 72b), über das im Fall der Relativbewegung positionsabhängige, intensitätsmodulierte Ausgangssignale (S₁, S₂) erzeugbar sind, die einer nachgeordneten Folgeelektronik (76a, 76b) zugeführt werden, wobei

• a) mindestens ein Bauelement (73a, 73b, 74a, 74b) der Folgeelektronik (76a, 76b) derart ausgebildet ist, daß sich eine Arbeitskennlinie ergibt, welche beidseitig benachbart zu einem zumindest teilweise, annähernd linearen Arbeitsbereich jeweils Sättigungsbereiche aufweist, in denen auch bei einer Änderung des Eingangssignales kein wesentlich verändertes Ausgangssignal (S₁, S₂) resultiert und
• b) der Abtastabstand zwischen der Maßstabteilung und dem Abtast­ element (72a, 72b) derart gewählt ist, daß über den gesamten Meßbereich eine Aussteuerung zwischen maximalen Eingangssignalen erfolgt, die in den Sättigungsbereichen der Arbeitskennlinie liegen und ferner
• c) die Folgeelektronik (76a, 76b) so ausgelegt ist, daß zumindest eine Filterung der dritte Oberwelle aus dem Ausgangssignal (S₁, S₂) gewährleistet ist.

11. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, wobei das Abtastelement (72a, 72b) als magnetfeldempfindliches Abtastelement in Form eines Hall-Elements mit einer weitgehend linearen Arbeitskennlinie ausgebildet ist.

12. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 11, wobei in einer Eingangs­ einheit (76a) der Folgeelektronik (76a, 76b) mindestens einem Verstär­ ker (73a, 73b) ein Bauelement (7a, 74b) mit einer nichtlinearen Charak­ teristik parallel geschaltet ist, so daß eine Arbeits-Kennlinie des Ver­ stärkers (73a, 73b) mit Sättigungsbereichen resultiert.