"Anordnung und Verfahren zur Absolutbestimmung der Linearposition oder der durch einen Winkel ausgedrückten Drehposition"

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Längen- oder Winkelmesssystem, wie es bei- spielsweise zur automatischen Bestimmung von Positionen, Längen oder Winkeln im Maschinenbau, in der Automobiltechnik oder der Feinmechanik eingesetzt wird. Die entsprechenden Größen liefert das „absolute" System unabhängig vom Bewegungszustand der Systemkomponenten, insbesondere also auch im Zustand der Ruhe und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2007 008 870.3 in Anspruch.

Solche absoluten magnetischen Längen- oder Winkelmesssysteme sind bekannt. Als erstes sei hier die in der Offenlegungsschrift DE 197 54 524 dargestellte Messanordnung genannt. Als Maßstab dient hier ein auf magnetischem Material aufgebrachtes Gewinde, bei dem sich von Windung zu Windung die Ganghöhe individuell ändert, insbesondere nimmt die Ganghöhe entlang der Messrichtung x monoton zu. Mindestens zwei Magnetfeldsensoren, in Richtung senkrecht zur Messrichtung beabstandet, sind beim gleichen x- Wert in dem dem Maßstab gegenüberstehenden Messkopf vorhanden. Mit ihrer Hilfe wird die jeweilige Gewindesteigung erkannt und kann so der absoluten Position zugeordnet werden. Nachteilig wirkt sich hier aus, dass das Material des Maßstabs weichmagnetisch sein muss. Störfelder magnetisieren technisch einsetzbare Magnetwerkstoffe, was zu erheblichen Messfehlern führen kann. Weiterhin sind bei variabler Ganghöhe auch immer sehr geringe Werte für diese Ganghöhe erforderlich. Bei diesen sind die detektierbaren Magnetfeldänderungen aber besonders gering, wenn nicht mit minimalen Abständen zwischen Sensor und Maßstab gearbeitet wird. Weiterhin sind für jeden Sensor aufwendig Hilfsmagnete zu justieren.

In der Anordnung nach der DE 199 10 636 (Fig. 12, Anspruch 16 und 17) entfällt der letzte Nachteil, da hier ein zylinderförmiger hartmagnetischer Maßstab benutzt wird, in den durch Aufmagnetisieren ein magnetisches Gewinde mit variabler Ganghöhe erzeugt wird. Durch zwei in Messrichtung beabstandete magnetoresistive Winkelsensoren kann der Differenzwinkel der Feldrichtungen zwischen den Positionen der beiden Sensoren ermittelt werden. Mit anisotrop magnetoresistiven Sensoren ist diese Differenz der Position absolut zuzuordnen, solange sie unter 180° bleibt, mit Hallsensoren oder GMR-Sen- soren bis zu 360°. Damit ist die Gesamtlänge der Absolutmessung dadurch einge- schränkt, dass zwischen den beiden Sensoren am Ende der Messstrecke nur eine Ganghöhe mehr als am Anfang liegen darf. Hochauflösung wird durch genaue Auswertung des Winkelwertes eines der beiden Sensoren erreicht. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, dass die Herstellung des magnetischen Gewindestabes sehr aufwendig ist, insbesondere bei geringer Ganghöhe, die aber für eine hohe Auflösung der Längenbestimmung nötig

ist. Eine Verdrehung des Maßstabs in allen seinen Teilen muss verhindert werden, da sie sich direkt in Messfehlern für die Hochauflösung umsetzt.

Diesen letzten Nachteil weist eine Anordnung nach WO 2006/035055 nicht mehr auf. Hier wird ein zylindrischer Maßstab vorgeschlagen, der in Messrichtung in ihrer Polung alternierende magnetische Segmente enthält, deren Länge in Messrichtung unterschiedlich ist. Damit spielen Verdrehungen des Maßstabs für das Messergebnis keine Rolle. Die Erfindung nach WO 2006/035055 bezieht sich aber nicht nur auf zylindrische Maßstäbe sondern auf alle Maßstabsquerschnitte mit alternierender Polung der Segmente von unter- schiedlicher Länge. Mit Hilfe zweier in Messrichtung beabstandeter Sensoren, die den Winkel der Richtung des Magnetfeldes gegen die Messrichtung erfassen, wird auf die Phasendifferenz zwischen beiden Orten geschlossen, die proportional zur Position eines der beiden Sensoren ist. Zur Erhöhung der Auflösung der Positionsangabe wird aus der Phasendifferenz zunächst ermittelt, das wievielte Segment des Maßstabs dem einen Sensor gegenübersteht, und aus dessen Ergebnis für den Winkel der Feldrichtung ergibt sich dann, wie weit der Sensor gegenüber dem Segmentanfang vorgerückt ist. Die hier verwendeten Magnetfeldsensoren bestehen jeweils aus zwei Sensorelementen, die sich am gleichen Ort bezüglich der Messrichtung befinden und vom Feldwinkel abhängige Signale liefern. Für die Auswertung wird angenommen, dass der Winkel innerhalb jedes Segmentes linear mit der Position ansteigt, oder anders ausgedrückt, dass die Sensoren zum Sinus und zum Cosinus des Feldwinkels proportionale Werte bezogen auf die jeweilige Segmentlänge liefern. Der wirkliche Verlauf weicht jedoch aus zwei Gründen von diesen vereinfachenden Annahmen ab. Einmal enthält das Magnetfeld der Segmente Oberwellenanteile, die mit dem Abstand vom Maßstab geringer werden, aber in einem Maße, das durch die Segmentlänge bestimmt wird. Zum zweiten werden in den magneto- resistiven Sensoren zusätzliche Oberwellenanteile erzeugt, und zwar um so stärkere, je geringer die auf den Sensor wirkende Feldstärke ist. Die Feldstärke im Sensorabstand variiert jedoch stark mit der Segmentlänge, so dass entlang der Messrichtung auch noch ständig veränderliche Oberwellenanteile wirksam werden. Deshalb ist die Messgenauig- keit soweit eingeschränkt, dass die Zuordnung des ermittelten Signals zu einem bestimmten Segment nur für eine begrenzte Zahl von Segmenten zur Anwendung kommen kann und dass auch die Längenauflösung innerhalb der Segmentlänge beeinträchtigt wird.

In der DE 100 10 042 werden lineare magnetische Messsysteme zur Verwendung im Automobilbau vorgeschlagen. Es wird eine große Zahl unterschiedlicher Konfigurationen für den Maßstab angegeben. Das Problem der Absolutmessung wird in der genannten Schrift jedoch an keiner Stelle erwähnt und lässt sich auch nicht teilweise aus allen dargestellten Sachverhalten erkennen. Damit sind auch aus dieser Schrift keine Hinweise zu entnehmen, wie absolute Messsysteme großer Messlänge und hoher Auflösung zu

gestalten sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Anordnungen und Verfahren für absolute magnetische Längen- und Winkelmesssysteme anzugeben, die bei einfachem Aufbau erhöhte Auflösungen, geringere Messfehler und größere Messlängen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Anordnung und das in Anspruch 17 beschriebene Verfahren gelöst. Weitere Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen.

Nach Anspruch 1 ist der Maßstab der Anordnung zur absoluten Längen- der Winkelbestimmung in Messrichtung aus Gruppen von magnetischen Segmenten aufgebaut, die Längen der magnetischen Segmente in mindestens einer der Gruppen stimmen untereinander überein und die Längen der magnetischen Segmente der unterschiedlichen Gruppen sind voneinander verschieden. Die Gruppen von magnetischen Segmenten sind in einer einzigen Spur, also in Messrichtung hintereinander, angeordnet. Damit sind vorteilhafter Weise gegenseitige, Messfehler verursachende Störungen im Magnetfeldverlauf wie bei bekannten mehrspurigen Magnetmaßstäben absoluter Messanordnungen grundsätzlich ausgeschlossen.

Durch die Nutzung eines Aufbaus von magnetischen Maßstäben aus Gruppen von magnetischen Segmenten, die gleiche Längen innerhalb der Gruppen aufweisen können und von Gruppe zu Gruppe unterschiedlich lang sind, gelingt es, den Vorteil der absoluten Winkel- oder Längenpositionsbestimmung zu nutzen, der unterschiedliche Segment- längen voraussetzt, und dabei den bekannten Vorteil der hohen Auflösung, Genauigkeit und einer großen Messlänge von inkrementalen Messanordnungen, die mit konstanter Segmentlänge arbeiten, weitgehend beizubehalten.

Eine absolute Positionsbestimmung zeichnet sich nicht allein dadurch aus, dass der Posi- tionswert unabhängig vom Bewegungszustand zwischen Maßstab und den Sensoren sofort mit einer einzigen Messung ermittelbar ist, sondern auch dadurch, dass der erhaltene Positionswert fest an die Maßstabsstruktur gebunden ist und eine Kalibrierung des Maßstabs nur bei seiner Herstellung möglich ist. Magnetische Maßstäbe weisen

Besonderheiten auf, die trotz der fehlerfreien Einhaltung einer vorgegebenen Segment- längenverteilung beim Magnetisieren des Maßstabsmaterials dazu führen, dass in der

Nähe des Beginns und des Endes des Maßstabs immer starke Abweichungen von der normalen Feldrichtungsverteilung über den Segmenten, die von den Enden entfernt sind, auftreten. Das gilt mindestens für jeweils zwei Segmente. Erfindungsgemäß werden nun an beiden Maßstabsenden Gruppen von gleich langen Segmenten angeordnet. Hier liefern die beabstandeten Sensoren keine änderung der Phasendifferenz, so dass ange-

zeigt wird, dass der Messbereich überschritten ist. Vorteilhafterweise lässt sich durch Nutzung dieser über den Messbereich hinausgehenden Anzeige mit dem System selbst eine Justierung des Maßstabs an dem Teil, dessen Bewegung eigentlich verfolgt werden soll, kontrollieren.

Bei bekannten Maßstäben mit variabler Länge der magnetischen Segmente gibt es zwei weitere, die Genauigkeit der Positionsmessung erheblich einschränkende Besonderheiten. Diese bestehen in der Zunahme der Magnetfeldstärke mit der Segmentlänge und in der Verschiebung des Nulldurchganges einer Komponente des Feldes und damit des Phasenwertes in Richtung des jeweils kürzeren Segmentes, so dass dieses mit zunehmendem Abstand zwischen Sensor und Maßstabsoberfläche immer kürzer erscheint. Erfindungsgemäß können diese Abweichungen in einem erheblichen Maße dadurch verringert werden, dass die Dicke der magnetischen Segmente des Maßstabs um so größer ist, je geringer ihre Länge in Messrichtung ist. Das kann entweder dadurch erreicht sein, dass die den Maßstab bildende Magnetschicht eine ortsabhängige Dicke hat, oder in vorteilhafter Weise die Tiefe, bis zu der das Material in jedem Segment magnetisiert ist, von der Segmentlänge abhängig gewählt ist, wobei die Dicke des magnetisierbaren Materials auf einem konstanten Wert bleibt. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass die Oberfläche des Maßstabs mit einer nichtmagnetischen Schicht abgedeckt ist, deren Dicke ortsabhängig um so größer gewählt ist, je größer die Länge der Segmente an dem entsprechenden Ort ist. Damit steigt der Abstand zum Sensor mit zunehmender Segmentlänge an, was zu einer Feldabsenkung führt. Hier ist allerdings eine Korrektur der Segmentlänge angepasst an die Dicke der nichtmagnetischen Schicht vorzunehmen, damit die Verschiebung der Nulldurchgänge der Feldkomponenten kompensiert wird.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden bei einem magnetischen Maßstab die jeweils zwei neben einander befindlichen magnetischen Segmente zu einer Gruppe zusammengefasst und weisen dieselbe Länge auf. Das hat einerseits den Vorteil, dass die Lage des Nulldurchgangs des Phasenwertes an der Trennlinie der beiden gleich langen Segmente unabhängig vom Abstand zwischen Sensor und Maßstabsoberfläche bleibt und das andererseits bei gleicher änderung der Länge der Segmente eine doppelt so große Maßstabslänge erreicht wird. Dabei kann durch Vergrößerung des Abstandes der beiden Sensoren zur Phasendifferenzbestimmung derselbe Phasengradient pro Messlängeneinheit und damit dieselbe Genauigkeit bei der Bestim- mung des dem ersten Sensor gegenüber liegenden Segmentes wie im Falle des bekannten Maßstabs mit monotoner Längenänderung der Segmente gehalten werden.

Als Messelemente sind für die Anordnungen bevorzugt magnetoresistive Sensoren einsetzbar. Es können sowohl anisotrop magnetoresistive Sensoren als auch GMR-Sen- soren benutzt werden, die jeweils als Messelemente zur Bestimmung des Richtungs-

winkeis des Magnetfeldes ausgebildet sind. Es ist zu berücksichtigen, dass der Messbereich, in dem eindeutig ein bestimmter Feldwinkel als Messergebnis erhalten werden kann, für anisotrop magnetoresistive Sensoren auf 180° beschränkt ist, während er für GMR-Sensoren 360° beträgt. Magnetoresistive Sensoren enthalten jeweils zwei Sensor- elemente, die bevorzugt die Form von aus magnetoresistiven Streifenwiderständen aufgebauten Messbrücken haben. Diese beiden Messbrücken sind entweder symmetrisch um dieselbe x-Koordinate des Sensors angeordnet und gegeneinander um einen Winkel verdreht, der einem Viertel ihres eindeutigen Messbereichs entspricht, oder die beiden Messbrücken sind in Messrichtung des Maßstabs in einem Abstand angeordnet, der durch Fortschreiten in Messrichtung einer durch den Maßstab bedingten Felddrehung um den angegebenen Wert gleich kommt. Der Abstand beträgt also für anisotrop magnetoresistive Sensoren ein Viertel der Segmentlänge und für GMR-Sensoren eine halbe Segmentlänge. Mit Vorteil werden Sensoren mit verdrehten Messbrücken eingesetzt, wenn nur wenige Segmente gleicher Länge im Maßstab vorkommen und wenn die Längen der Segmente stark voneinander abweichen. Für Maßstäbe mit einer Vielzahl von gleich langen Segmenten und bei geringerer änderung der Segmentlänge bieten Sensoren mit versetzten Messbrücken bedeutende Vorteile, insbesondere, wenn die Verteilung der magnetoresistiven Widerstandsstreifen der Messbrücken so gewählt wurde, dass Oberwellenanteile der Magnetfeldverteilung des Maßstabs aus den Brückensignalen heraus- gefiltert werden (s. z. B. DE 10 2005 009 923). Mit solchen Messanordnungen ist die hohe Auflösung und Genauigkeit inkrementaler Messsysteme auch bei Absolutmessungen erreichbar.

Zur Ermittlung einer Phasendifferenz, aus der dann die Lage eines bestimmten Seg- mentes und so die gesuchte Absolutposition abgeleitet werden kann, sind zwei Sensoren mit jeweils zwei Sensorelementen nötig. Die Zahl der Segmente, deren Lage dabei einwandfrei erkennbar ist, wird von den Messfehlern der Phasendifferenz begrenzt. Die so bedingte Grenze wird erfindungsgemäß dadurch auf wesentlich größeren Werte erweitert, dass auf einem gemeinsamen Sensorträger ein dritter gleichartiger Sensor eingesetzt wird, dessen Abstand zum ersten Sensor mindestens doppelt so groß ist wie der zwischen dem ersten und zweiten Sensor. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Sensor wird so bemessen, dass der mit ihm zu ermittelnde Phasenunterschied bei Bewegung des Sensorträgers über die gesamte Maßstabslänge den Eindeutigkeitsbereich der Sensoren nicht überschreitet. Damit ist eine Zuordnung zu einem bestimmten Segment des Maßstabs im Prinzip immer möglich, sie kann aber durch Messfehler soweit verfälscht sein, dass nur ein Umgebungsbereich des Segmentes ermittelt werden kann. Die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dritten Sensor steigt wegen des größeren Abstandes bei Bewegung des Sensorträgers stärker an und ermöglicht so eine Zuordnung dieser Phasendifferenz zu einem Segment mit wesentlich kleinerem Fehler. Da diese Phasen- differenz jedoch die Eindeutigkeitsgrenze der Sensoren überschreitet, sind zur Ermittlung

des bestimmten Segmentes beide Differenzen erforderlich. Durch Hinzunahme eines weiteren Sensors im Vergleich zu bekannten Anordnungen wird so die Erhöhung der Zahl der Segmente des Maßstabes erheblich steigerbar. Das kann zur Erhöhung der Maßstabslänge oder zur Erhöhung der Auflösung und der Messgenauigkeit genutzt werden.

Anordnungen zur Winkelmessung mit kreisförmigen Maßstäben (Polrädern) lassen sich auf der Basis der Erfindung vorteilhaft realisieren. Dabei werden bevorzugt Polräder benutzt, bei denen die Anordnung der magnetischen Segmente spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Ebene ist, in der die Drehachse liegt. Solche Polräder können beispiels- weise nur zwei Gruppen von jeweils gleich langen Segmenten aufweisen. Bei Anordnung von fünf Sensoren mit einem Eindeutigkeitsbereich von 180°, deren Aufbau vorteilhafter Weise zur Oberwellenfilterung geeignet sein sollte, kann der Winkelwert des Polrades eindeutig über eine volle Umdrehung und mit einer Auflösung und Genauigkeit, die der einer inkrementalen Messung entspricht, ermittelt werden. Dasselbe Ergebnis kann bei Nutzung von drei Sensoren mit einem Eindeutigkeitsbereich von 360° erhalten werden.

ähnliche Eigenschaften lassen sich auch mit einem anderen spiegelsymmetrischen Polrad mit n Segmenten erzielen, bei dem die Segmentlänge derart variiert, dass der Winkel der Feldrichtung ß bei einem vollen Umlauf von α = 0 bis 360° um das Polrades durch die Beziehung ß(α) = α (1 + n/2) + A- sin(α) gegeben ist (A = const.). Hier werden zwei gleiche Sensorpaare mit jeweils zwei beabstandeten Sensoren benötigt, die um einen bestimmten Winkel versetzt am Umfang des Polrades, der vorzugsweise 90° beträgt, angeordnet werden Die Sensorzahl ist nicht vom Eindeutigkeitsbereich der Sensoren abhängig. Bei dieser Anordnung werden zwei Phasendifferenzen durch die Sensor- paare ermittelt, die mit dem Drehwinkel des Polrades durch Sinus- bzw. Kosinusfunktionen verknüpft sind. Die Ermittlung des Drehwinkels erfolgt also analog zu der der Position innerhalb des Bereiches eines Segmentes durch Erkennung eines Quadranten und eine Arcustangensinterpolation. Ein besonderer Vorteil der hier beschriebenen Anordnung besteht darin, dass benachbarte Segmente hier in ihrer Länge wenig Unter- schied aufweisen. Damit ist die Verschiebung des Ortes des Nulldurchganges einer Feldkomponente mit dem Abstand zwischen Sensor und Maßstabsoberfläche und damit die änderung der effektiv wirkenden Länge der Segmente vernachlässigbar. Bei monoton wachsender Segmentlänge über den Polradumfang wären gerade das längste und das kürzeste Segment nebeneinander angeordnet, und hier wäre der Verschiebungsfehler maximal und würde den Messfehler der gesamten Anordnung bestimmen.

Das Verfahren zur Absolutbestimmung von Linear- oder Drehpositionen unter Nutzung einer der in den Ansprüchen beschriebenen Anordnung besteht darin, dass aus einer

Anzahl von Sensorsignalen in einer Auswerteeinheit ein der jeweiligen Position eindeutig zugeordnetes Ausgangssignal berechnet wird. Im einfachsten Fall werden Signale von

jedem Sensorelement von zwei Sensoren, die je aus zwei Sensorelementen bestehen und die in einem bestimmten Abstand zueinander in Maßstabsnähe angeordnet sind, benutzt, um die Winkel der Feldrichtungen an den beiden Sensororten nach bekannten Verfahren zu bestimmen, zum Beispiel durch eine Arcustangensinterpolation. Durch Dif- ferenzbildung wird daraus die Phasendifferenz gebildet. Diese ist der gesuchten Position direkt zugeordnet. Die so erhaltenen Positionswerte sind von eingeschränkter Genauigkeit. Diese kann dadurch verbessert werden, dass aus der Phasendifferenz zunächst ermittelt wird, das wievielte Segment des Maßstabs einem der beiden Sensoren gegenübersteht. Aus dem Winkel der Feldrichtung, die von diesem Sensor ermittelt wurde, wird dann unter Zugrundelegung eines linearen Winkelanstiegs über die Segmentlänge bestimmt, wie weit der Sensor vom Anfang des Segmentes bei dieser Messung entfernt ist. Diese beiden Signalanteile ergeben ein weit genaueres Ergebnis für die Position. Weitere Verbesserungen der Messgenauigkeit werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass für zwei oder mehr Sensoren die entsprechenden den Sensoren gegen- überstehenden Segmente ermittelt werden und durch Berücksichtigen der gemessenen Winkel der Feldrichtung am Ort der Sensoren die Werte für die Positionen der zwei oder mehr Sensoren erhalten werden. Ein verbesserter Endwert für die Position ergibt sich dann durch Mittelung der Positionsergebnisse unter Berücksichtigung der Sensorabstände.

Entsprechend der Erfindung können für die Absolutlängenmessung an Maßstäben mit den dargestellten Merkmalen nicht nur Sensoren mit zwei Sensorelementebrücken, die gegeneinander um Winkel von einem Viertel ihres Eindeutigkeitsbereiches verdreht sind, benutzt werden, sondern auch Sensoren, deren Sensorelementebrücken in Messrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind. Entspricht der Versatz einem Viertel der Segmentlänge bei Sensoren mit einem Eindeutigkeitsbereich von 180° (z.B. anisotrop magnetoresistive Sensoren) bzw. der Hälfte der Segmentlänge bei Sensoren mit einem Eindeutigkeitsbereich von 360° (z. B. GMR-Sensoren), so stellt die Anwendung der Arcustangensinterpolation bei der Ermittlung des Winkel der Feldrichtung kein Problem dar, da die Felder des Segmentes bei diesem Versatz dann um ein Viertel des Eindeutigkeitsbereiches verdreht sind. Bei variabler Segmentlänge ist diese übereinstimmung prinzipiell nicht gegeben. Wie sich herausstellte, kann trotzdem zunächst die einfache Arcustangensinterpolation benutzt werden. Aus der mit diesem vorläufigen Ergebnis gebildeten Phasendifferenz erhält man einen Näherungswert für die Nummer des gesuchten Seg- mentes und damit einen Näherungswert für die wirkliche Segmentlänge. Mit diesem Wert wird dann die Interpolation zur Winkelbestimmung der Feldrichtung wiederholt, womit sich eine bessere Näherung ergibt. Das Verfahren führt iterativ zu immer genaueren Ergebnissen. Praktisch reichen in den meisten Fällen zwei Iterationsschritte aus. Es ist vorteilhaft, Sensoren mit einem linearen Versatz der Sensorelementebrücken zu verwenden, wenn bei diesen die Verteilung der magnetoresistiven Schichtwiderstände dermaßen

gestaltet ist, dass sie die Unterdrückung von Oberwellen bewirkt. Diese Verteilung kann optimal zwar nur für eine ganz bestimmte Segmentlänge festgelegt werden, sie ist aber auch bei Abweichungen von dieser immer noch teilweise wirksam. So können höhere Messgenauigkeiten in der Positionsermittlung erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist das für den Fall, dass der Maßstab eine Vielzahl von Segmenten gleicher Länge oder Segmente mit wenig unterschiedlicher Länge aufweist.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist folgendes zu sehen:

Fig. 1 : Ein Absolutlängenmesssystem entsprechend der Erfindung mit zwei Sensoren,

Fig. 2: der Phasenverlauf eines Maßstabs mit verschiedenen Segmenten,

Fig. 3a: der Magnetfeldverlauf eines Maßstabs mit verschiedenen Segmenten,

Fig. 3b: zur Feldkorrektur möglicher Verlauf der Dicke des Magnetmaterials,

Fig. 4a: ein Absolutlängenmesssystem entsprechend der Erfindung mit linearem Verlauf der Phasendifferenz und mit drei Sensoren,

Fig. 4b: der Verlauf verschiedener Phasendifferenzen der Anordnung nach Fig. 4a,

Fig. 4c: Periodenlängen des linearen Messsystems nach Fig. 4a,

Fig. 5a: absolutes Winkelmesssystem entsprechend der Erfindung mit zwei Gruppen von Segmenten,

Fig. 5b: Phasendifferenzen verschiedener Sensoren des Systems nach Fig. 5a,

Fig. 5c: Phasendifferenzen des Systems nach Fig. 5a mit GMR-Sensoren,

Fig. 6a: absolutes Winkelmesssystem entsprechend der Erfindung mit symmetrisch angeordneten Segmentpaaren unterschiedlicher Länge,

Fig. 6b: Verteilung der Segmentlänge des Systems nach Fig. 6a für sinusförmige

Phasendifferenz,

Fig. 6c: Phasendifferenzen als Funktion des Drehwinkels für das System nach Fig. 6a.

In Fig. 1 ist ein absolutes Längenmesssystem entsprechend der Erfindung schematisch dargestellt und eine Eichfunktion des Systems. Ein magnetischer Maßstab 1 besteht aus einer Anzahl von dauermagnetischen Segmenten 2, die durch die Angabe N (Nordpol) und S (Südpol) unterschieden sind. Durch diese Angabe wird ausgedrückt, dass direkt nebeneinander befindliche Segmente 2 in entgegen gesetzter Richtung magnetisiert sind. Ein senkrecht zur Zeichenebene magnetisierter Maßstab zeigt an seiner Oberfläche die angegebenen Pole. Für das hier zu beschreibende Ausführungsbeispiel wird jedoch angenommen, dass die Segmente N eine nach rechts zeigende und die Segmente S eine nach links zeigende Magnetisierungsrichtung aufweisen. Die Segmente 2 des Maßstabs sind in Gruppen 14 zusammengefasst. Eine erste Gruppe 14 umfasst von links die ersten drei Segmente 2, die jeweils die gleiche Länge in Messrichtung x haben. Eine zweite Gruppe 14 im mittleren Bereich enthält vier Segmente 2, die sich in Messrichtung über unterschiedliche Längen erstrecken. Die dritte Gruppe 14 am rechten Ende des Maßstabs 1 ist aus fünf Segmenten 2 zusammengesetzt, deren Längen miteinander übereinstimmen. über dem Maßstab 1 befindet sich ein in Messrichtung x frei verschiebbarer Sensorträger 3, auf dem zwei Sensoren 4.1 und 4.2 in einem bestimmten Abstand angeordnet sind. Im betrachteten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um anisotrop magnetoresistive Sensoren. Jeder Sensor 4.1 , 4.2 besteht aus zwei Sensorelementen. Die Sensorelemente sind Wheatstone-Brücken, die aus je vier durch anisotrop magnetoresistive Schichtstreifen gebildete Widerstände bestehen, deren Widerstandswerte von der Richtung des einwirkenden magnetischen Feldes, hier von dem des Maßstabs 1 , abhängig sind. Bei Drehung des Feldes um 180° durchläuft die Widerstandsänderung eine volle Periode. Damit sind auch die Ausgangssignale der Brücken mit diesem Winkel periodisch. Bei linearem Anstieg des Richtungswinkels des Magnetfeldes des Maßstabs 1 erfolgt die Ausgangssignaländerung der Brücken sinusförmig bei Bewegung des Sensorträgers 3 in Messrichtung x. Bei einer Verdrehung der jeweils zwei Sensorelemente der Sensoren 4.1 , 4.2 gegeneinander um 45° auf dem Sensorträger 3 tritt so eine Phasenverschiebung zwischen den jeweils zwei Brückensignalen um ein Viertel der Perioden- länge auf. Eine Brücke liefert damit ein Signal, das proportional zu sin(2 π x/λ) und die andere Brücke ein Signal, das proportional zu cos(2 π x/λ) ist, mit λ als der Länge eines Segmentes 2. Durch die Arcustangensinterpolation kann aus diesen beiden Signalen der Winkel der Feldrichtung am Ort des Sensors ermittelt werden, der im eindeutigen Bereich auch als Phase bezeichnet wird. Die Orte der Sensoren 4.1 , 4.2 sind in Fig.1 ohne Aus- dehnung in Messrichtung x dargestellt. Die gezeigten Striche sind die Symmetrielinien jeweils beider Wheatstone-Brücken der Sensoren 4.1 , 4.2, die in der Umgebung der Striche angeordnet sind.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist in einer Grafik die in einer in der Figur nicht gezeigten Aus- werteeinheit ermittelte Phasendifferenz ψ ₂ - φi, die sich bei der Bewegung des Sensor-

trägers 3 in Messrichtung x entlang des Maßstabs 1 ergibt. Im in der Mitte befindlichen Bereich der mit steigendem x abnehmenden Segmentlänge steigt die Phasendifferenz φ ₂ - φi mit zunehmendem x an. Dem Wert der Phasendifferenz φ ₂ - ψi ist hier der x-Wert, bei dem sich der Sensor 4.1 befindet, eindeutig zugeordnet. An beiden Enden des Maß- stabs 1 sind Gruppen von Segmenten 14 mit untereinander übereinstimmenden Längen angeordnet. Hier verharrt die Phasendifferenz bei Bewegung des Sensorträgers 3 jeweils auf einem konstanten Wert. Aus diesem Wert ist erkennbar, ob der Messbereich des Systems nach oben oder nach unten verlassen wurde. Beginn und Ende des Messbereiches sind genau zu ermitteln, da hier die Phase des ersten Sensors 4.1 einen NuII- durchgang aufweist. Das kann benutzt werden, um Justierungen der Teile des Messsystems gegenüber der Position der Körper vorzunehmen, deren Lage relativ zueinander zu kontrollieren die eigentliche Messaufgabe darstellt.

Für den Bereich der Randsegmente des Maßstabs 1 sind keine Phasendifferenzen φ ₂ - ψ _! in der Grafik vorhanden. Die Begründung dazu ist aus Fig. 2 und Fig.3 ablesbar. Fig. 2 zeigt die Phase des Feldes 8 über die ersten fünf Segmente 2 eines Maßstabs im Vergleich mit deren idealen Verlauf 9, der eine linear ansteigende Winkelzunahme um 180° (entspricht im Bogenmaß π) über die Segmentlänge voraussetzt. Es ist unverkennbar, dass beide Anforderungen vom Randsegment nicht erfüllt werden. In Fig. 3a sind die vom Maßstab erzeugten Feldstärken H _x 10 und H _y 1 1 für eine Anzahl von Segmenten 2 für einen Maßstab 1 , der sich über 25 mm erstreckt, dargestellt. Hier zeigt sich, dass über dem zweiten Segment vom Rand des Maßstabs 1 eine weit geringere magnetische Feldstärke herrscht als über randfernen Segmenten 2. Diese geringe Feldstärke führt in den magnetoresistiven Sensoren 4.1 , 4.2 zu fehlerbehafteten Winkelwerten. Somit ist klar, dass die jeweils mindestens zwei Randsegmente von magnetischen Maßstäben für eine absolute Positionsbestimmung nicht geeignet sind. Eine Justierung eines Körpers, dessen Position ermittelt werden soll, am mechanischen Ende des Maßstabs 1 ist nicht möglich. Die Justierung ist aber mit der Anordnung nach Fig. 1 durchführbar.

Fig. 2 zeigt den Verlauf des Phasenwinkels für einen Maßstab 1 , bei dem die beiden Segmente 2 jedes Polpaares von gleicher Länge sind. Durch Art der Darstellung wird an jedem Segmentende ein Phasensprung um 180° (π) sichtbar. Das dient hier dazu, die effektive Lage der Segmentgrenzen zu zeigen. Zwischen gleichlangen Segmenten 2 stimmen die wirklichen und die effektiven Grenzen weitestgehend überein. Zwischen ungleichen Segmenten 2 sind Abweichungen erkennbar. Diese nehmen mit steigendem Abstand der Sensoren 4.1 , 4.2 vom Maßstab 1 zu. Zur Verringerung dieser Abweichungen und zum Erreichen einer im wesentlichen über die ganze Maßstabslänge gleichen Amplitude der Magnetfeldkomponenten wird erfindungsgemäß die Dicke der magnetisierten Dauermagnetschicht des Maßstabs 2 in Abhängigkeit von der Länge der Segmente eingestellt. Fig. 3a zeigt den Vergleich des Verlaufs der Feldkomponenten H _x

und H _y bei konstanter Dicke der Dauermagnetschicht 10; 11 und bei angepasster Dicke 12; 13. Der Verlauf der angepassten Dicke ist aus Fig. 3b zu entnehmen. Fig. 3a zeigt den trotz dieser Korrektur vorhandenen Abfall der Feldamplituden in randnahen Segmenten 2.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4a schematisch dargestellt. Entlang der Messrichtung x 7 erstreckt sich ein magnetischer Maßstab 1 , der aus Gruppen 14 mit jeweils zwei Segmenten 2 gleicher Länge zusammengesetzt ist. Die Länge der Segmente 2 in den Gruppen 14 nimmt mit Fortschreiten in Messrichtung 7 ab. über dem Maßstab 1 ist ein in Messrichtung 7 beweglicher Sensorträger 3 angeordnet, der drei Sensoren 4.1 ; 4.2; 4.3 trägt, die zur Ermittlung des Winkels der Feldrichtung am jeweiligen Ort geeignet sind. Die am jeweiligen Sensorort auf dem Sensorträger 3 eingezeichneten Striche sind die Symmetrielinien jeweils beider als Wheatstone-Brücken ausgebildeter magnetoresistiver Sensorelemente. Der Abstand der beiden Sensoren 4.1 und 4.2 ist so gewählt, dass die zwischen beiden Sensoren 4.1 ; 4.2 gemessene Phasendifferenz den Eindeutigkeitsbereich der Sensoren nicht überschreitet. Für anisotrope magnetoresistive Sensoren beträgt dieser 180°. Wie aus Fig. 4b zu entnehmen, steigt die Phasendifferenz φ ₂ - φi mit fortschreitendem Wert der Messkoordinate x, 7 streng linear an. Das ist dann der Fall, wenn die Längen der Gruppen 14 beispielsweise die in Fig. 4c angegebenen Werte aufweisen. Die Länge der Gruppen 14 stimmt hier jeweils mit der Periodenlänge des Magnetfeldverlaufs, gebildet durch ein S-N-Paar, überein. Aus der Phasendifferenz φ ₂ - φi kann eindeutig auf die Position des ersten Sensors 4.1 geschlossen werden. Zur Verbesserung der Auflösung und Genauigkeit der Positionsbestimmung kann die Phasendifferenz φ ₃ - φ-i herangezogen werden. Da der Abstand zwischen Sensor 4.3 und Sensor 4.1 dreimal so groß gewählt wurde wie der zwischen Sensor 4.2 und 4.1 , steigt diese Phasendifferenz auch dreimal so stark wie die Differenz φ ₂ - φi an. Der Eindeutigkeitsbereich der Sensoren wird dabei überschritten und im gewählten Beispiel ergeben sich drei Perioden für die Phasendifferenz φ ₃ - φ- _\ auf der gesamten Maßstabslänge. Die Zuordnung, in welcher Periode die Position des Sensors 4.1 sich befindet, trifft die in Fig. 4a nicht dargestellte Auswerteschaltung auf der Basis des Wertes der Differenz φ ₂ - φi. Eine weitere Steigerung von Auflösung und Genauigkeit wird erreicht, wenn aus der Phasendifferenz φ ₃ - φ _! nicht sofort auf die Position geschlossen wird, sondern wenn aus deren Wert ermittelt wird, welches Segment 2 dem Sensor 4.1 gegenübersteht, und dann aus der mit Hilfe des Sensors 4.1 ermittelten Phase erst die Position bestimmt wird. Mit diesem dreistufigen Verfahren ist im Vergleich mit dem zweistufigen Verfahren bei sicherem Erkennen des dem Sensor 4.1 gegenüberstehenden Segmentes 2 bei gleicher Länge des Maßstabs 1 eine geringere Längenänderung von Gruppe 14 zu Gruppe 14 nötig, oder bei gleicher Längenänderung kann ein wesentlich längerer Maßstab 1 benutzt werden.

Eine weitere Erhöhung der Messgenauigkeit ist erreichbar, wenn in der Auswerteeinheit für alle drei Sensoren 4.1 ; 4.2; 4.3 die jeweils gegenüber stehenden Segmente 2 erkannt werden, aus dem vom entsprechenden Sensor 4.1 ; 4.2; 4.3 ermittelten Phasenwert des Magnetfeldes die Position gegenüber dem Anfang des jeweils erkannten Segmentes 2 mit hoher Auflösung bestimmt und unter Berücksichtigung des Versatzes der erkannten Segmente 2 als Mittelwert die Position des ersten Sensors 4.1 erhalten wird.

Die oben diskutierte Problematik der Randsegmente ist natürlich auch beim hier ausgewählten Beispiel relevant. Sie wurde aber aus Gründen der übersichtlichkeit hier nicht nochmals behandelt.

Fig. 5a zeigt schematisch ein Beispiel eines absoluten Winkelmesssystems entsprechend der Erfindung. Ein kreisförmiger Maßstab 1 (auch Polrad genannt) enthält in der oberen Hälfte dargestellt eine erste Gruppe von gleich langen magnetischen Segmenten 2 und in der unteren Hälfte eine zweite Gruppe von untereinander gleich langen Segmenten 2 mit einer anderen Länge. Beide Gruppen sind symmetrisch zur Symmetrieachse 6, die durch die Drehachse verläuft und mit dem Polrad 1 fest verbunden ist. Gemessen werden soll der mit 5 bezeichnete Winkel α. Dazu sind am Umfang des Polrades 1 auf Sensorträgern 3 die Sensoren 4.1 bis 4.5 um bestimmte Winkel gegen einander versetzt angeordnet. Die hier verwendeten magnetoresistiven Sensoren bestehen wie schon in den bisherigen Ausführungsbeispielen aus zwei Wheatstone-Brücken. Die beiden Brücken liefern hier jedoch dadurch einen Versatz der von ihnen angezeigten Phase des Feldes, dass sie auf dem Sensorträger 3 gegen einander verschoben angeordnet sind. Die Verschiebung beträgt im Falle von anisotrop magnetoresistiven Sensoren ein Viertel einer der beiden vorhandenen Segmentlängen und im Falle von GMR-Sensoren die Hälfte der Segmentlängen. Außerdem sind die die Brücken bildenden magnetoresistiven Schichtstreifen auf den Sensorträgern 3 so verteilt, dass eine Eliminierung oder zumindest Abschwächung von Oberwelleneinflüssen in ihren Signalen bewirkt wird.

In Fig. 5b sind die Funktionsverläufe der Phasendifferenzen zwischen den Sensoren 4.2 und 4.1 (S ₂ - Si) sowie zwischen den Sensoren 4.3 und 4.1 (S ₃ - Si) bei Drehung des Polrades 1 um 360° gesondert aufgetragen. Aus dem dargestellten Ergebnis kann in der nicht gezeigten Auswerteeinheit eindeutig ermittelt werden, welcher Quadrant dem ersten Sensor 4.1 gegenübersteht. Weiterhin kann aus dem Wert der Phasendifferenz der Wert des Winkels 5 ermittelt werden. Hier ist es besonders vorteilhaft, aus diesem vorläufigen Wert des Winkels 5 abzuleiten, welches Segment 2 dem ersten Sensor 4.1 bzw. dem dritten Sensor 4.3 gegenüber steht. Ist z. B. der Sensor 4.1 oberwellenfrei für die größere Segmentlänge und der Sensor 4.3 oberwellenfrei für die kürzere Segmentlänge, kann die Phase aller Segmente 2 bei Auswahl des jeweils geeigneten Sensors 4.1 ; 4.3 hoch- aufgelöst und mit hoher Genauigkeit gemessen werden und damit sind auch Winkelwerte

mit diesen Eigenschaften erzielbar.

Leider gibt es bei der Winkelbestimmung in dem gesamten Bereich von 360° vier Punkte (0°; 90°; 180°; 270°), in denen alle Phasendifferenzen verschwinden. Zur Beseitigung dieser vier punktuellen Messunsicherheiten können beispielsweise zwei weitere Sensoren 4.4 und 4.5 benutzt werden. Werden die Phasendifferenzen S ₄ - S ₁ und S ₅ - S ₂ gebildet, dann gilt die in folgender Tabelle getroffene Zuordnung:

0° 0 0

90° >0 0

180° >0 >0

270° 0 >0

Diese Absolutmessung erfordert also den Einsatz von insgesamt fünf anisotrop magneto- resistiven Sensoren. Trotz dieses Aufwandes ist die angegebene Anordnung als vorteilhaft zu betrachten, wenn man die Schwierigkeiten berücksichtigt, die man bei Messsystemen überwinden muss, um mit anisotrop magnetoresistiven Sensoren die Drehung eines einzigen Magneten um 360° zu ermöglichen.

Vorteilhafter erscheint hier jedoch der Einsatz von GMR-Sensoren mit einem Eindeutigkeitsbereich von 360°. Für die Phasendifferenz der GMR-Sensoren 4.3 und 4.1 ergibt sich die in Fig. 5c gezeigte Grafik. Diese Differenz S ₃ - Si ist im gesamten Messbereich von 360° eindeutig dem Winkel zuzuordnen, mit Ausnahme der Punkte 0° und 180°. Hier ist zur Herstellung der Eindeutigkeit nur ein zusätzlicher Sensor 4.4 erforderlich. Ist dieser um zwei kürzere Segmentlängen am Umfang des Polrades gegen den Sensor 4.1 versetzt angeordnet, dann ist die Phasendifferenz S ₄ - Si bei einem Winkel von 0° gleich 0 und bei einem Winkel von 180° ist diese Differenz größer als 0. Die Vorteile beim Einsatz oberwellenkompensierter Sensoren sind hier wie oben beschrieben ebenfalls vorhanden.

Den Aufbau eines weiteren absoluten Winkelsensors zeigt Fig. 6a schematisch. Ein Polrad (Maßstab) 1 ist in einem ersten Halbkreis in Richtung eines zunehmenden Winkels 5 aus magnetischen Segmenten stetig zunehmender Länge aufgebaut. Die Segmentlängen im zweiten Halbkreis sind zur Symmetrieachse 6 durch den Polradmittelpunkt symmetrisch. Gruppen 14 von Segmenten 2 gleicher Länge werden hier nicht durch benachbarte sondern durch symmetrisch angeordnete Segmente 2 gebildet. Am Polrad- umfang sind zwei um 90° versetzte Träger von Sensorpaaren 15 angeordnet. Auf. ihnen befinden sich jeweils zwei Sensoren 4.1 ; 4.2 und 4.3; 4.4 im gleichen Abstand. Es werden beispielsweise anisotrope magnetoresistive Sensoren mit jeweils zwei um 45° verdrehten Wheatstone-Brücken benutzt. Die Längen der Segmente 2 sind so gewählt, dass die

Richtung ß des Magnetfeldes bei einem vollen Umlauf des Winkels 5 von α = 0 bis 360° um das Polrad 1 , das n Pole enthält, durch die Beziehung ß(α) = α ^■ (1 + n/2) + A- sin(α) gegeben ist. Dabei ist A eine Konstante. Ein Beispiel für die mit dieser Beziehung ermittelten Segmentlängen wird in Fig. 6b gezeigt. Die Segmentlänge ist hier durch die Aus- dehnung der Nord- bzw. Südpole in Grad angegeben. Die Darstellung in Fig. 6c zeigt den Verlauf der Phasendifferenzen S ₂ - S ₁ und S ₄ - S ₃ , die aus den Messwerten des Sensorpaares 4.1 und 4.2 bzw. 4.3 und 4.4 in der Auswerteeinheit ermittelt wurden, bei einem vollen Umlauf des Winkels 5. Es ergeben sich zwei sinusförmige Kurven mit einem Versatz von 90° gegeneinander. Mit Hilfe der Arcustangensinterpolation kann daraus in der Auswerteeinheit der Drehwinkel 5 eindeutig erkannt werden. Wie auch schon bei den vorigen Ausführungsbeispielen kann dieser Winkel auch zum Erkennen des dem Sensor 4.1 gegenüberstehenden Segmentes 2 genutzt werden und bei Berücksichtigen des mit dem Sensor 4.1 gemessenen Phasenwinkels des Magnetfeldes eine höhere Auflösung und Genauigkeit erreicht werden. Um die Einhaltung der Eindeutigkeit der mit der Arcustangensinterpolation zu unterziehenden Werte der Phasendifferenzen zu gewährleisten, sind bei der Dimensionierung der Segmente 2 unter Beachtung des Sensorabstands für die Konstante A nur Werte zulässig, die zu Phasendifferenzen unter 180° führen. Bei Verwendung von GMR-Sensoren kann dieser Wert auf 360° erhöht werden. Weitere Vorteile in der Anordnung ergeben sich durch die GMR-Sensoren nicht.

Ein entscheidender Vorteil der Segmentverteilung nach Fig. 6a etwa gegenüber einer Anordnung mit monoton über den vollen Polradumfang zunehmender Segmentlänge besteht darin, dass sich benachbarte Segmente 2 nach Fig. 6a in ihrer Länge nur wenig unterscheiden. Damit kann eine Feldverteilung, die zur effektiven Verlängerung längerer Segmente 2 und Verkürzung kürzerer benachbarter Segmente 2 führt, durch die vorgeschlagene Anordnung weitestgehend vermieden werden. In der Anordnung mit monoton wachsenden Segmentlängen wären das kürzeste und das längste Segment unmittelbar benachbart. Hier wäre die effektive Segmentlängenänderung so groß, dass sie das kürzeste Segment um einen wesentlichen Anteil verkürzt und damit eine hohe Messgenauig- keit bei der Winkelmessung infrage stellt.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale kann zu vielen weiteren vorteilhaften Anordnungen und Verfahren bei der Absolutmessung von Winkeln und Positionen führen, die dann der vorliegenden Erfindung zuzuordnen wären. Besonders nahe liegend sind Winkelmesssysteme, die sich aus den hier beschriebenen Beispielen der Längenmessung und Längenmesssysteme, die sich aus den Beispielen der Winkelmessung unmittelbar ableiten lassen.

Liste der Bezuqszeichen:

1 Maßstab

2 magnetisches Segment 3 Sensorträger

4.1 bis 4.5 Sensor

5 Winkel α

6 Symmetrieachse

7 Messkoordinate x 8 aus dem Feld ermittelte Phase

9 idealer Phasenverlauf

10 H _x -Komponente bei konstanter Dicke

11 Hy-Komponente bei konstanter Dicke

12 H _x -Komponente bei variabler Dicke 13 Hy-Komponente bei variabler Dicke

14 Gruppe von Segmenten

15 Träger eines Sensorpaares