TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft eine Mehrspuranordnung für Messsysteme zur Positionsbe- stimmung, einen Sensorkopf zum Abtasten der Mehrspuranordnung sowie ein entsprechendes Messsystem aus einer Mehrspuranordnung und einem Sensorkopf.

HINTERGRUND

[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Messsysteme zur Positionsbestim- mung bekannt, insbesondere Linear-/Längenmesssysteme, Winkelmesssysteme oder Drehge- ber. Linearmesssysteme bzw. Längenmesssysteme sind dazu ausgebildet, die Position entlang einer Strecke mit unterschiedlichen Endpunkten zu bestimmen. Dagegen sind Winkelmess- systeme 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. Üb- licherweise wird die Positionsinformation des Messsystems über eine Schnittstelle an einen Servocontroller für eine Regelung oder Steuerung weitergeleitet (beispielsweise zur Rege- lung/ 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 Auswer- teschaltung eine Positionsinformation berechnet. Die erhaltene Positionsinformation kann ent- weder relativ sein, wenn sie von einer Startposition abhängt, oder absolut sein, wenn jeder Punkt einer Trajektorie durch die kodierte Positionsinformation der Maßverkörperung eindeu- tig definiert ist. Abhängig vom Messsystem bewegt sich der Abtastkopf oder die Maßverkör- perung. Im Fall einer kreisförmigen Maßverkörperung wird von Rotor und Stator gesprochen.

[0004] Zur absoluten Positionsmessung sind sogenannte Nonius-codierte Maßverkörperun- gen bekannt. Die Maßverkörperung weist mindestens zwei periodisch codierte Messspuren auf, welche unterschiedliche Teilungsperioden haben, so dass für jede Position auf der Maß- verkörperung eine eindeutige Signalkombination der Spuren vorhanden ist. [0005] Bekannte Systeme verwenden beispielsweise codierte Messspuren, welche in dersel- ben Ebene parallel zur Abtastfläche bzw. zum Abtastpunkt des Sensors bzw. der Sensorele- mente angeordnet sind. So offenbart die Publikation DE 10 2021 205036 Al ein Abtastele- ment für ein System mit mehreren in derselben Ebene parallel angeordneten Spuren. Die Pub- likation EP 2329225 Bl offenbart einen induktiven Positionssensor für ein System mit mehre- ren in derselben Ebene parallel angeführten Spuren. Die Publikation EP 0845659 Bl offenbart ein Abtastelement für eine Positionsmesseinrichtung, bei der mehrere Spuren mit unterschied- licher Periodizität parallel in derselben Ebene angeordnet sind.

[0006] Theoretisch können solche Anordnungen und Systeme um beliebig viele Spuren er- weitert werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Aus der parallelen Positionierung von zwei oder mehreren Nonius-Kanälen in derselben Ebene, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ergeben sich jedoch eine Reihe von Nachteilen, die im Folgenden kurz diskutiert werden.

[0007] Mit jeder zusätzlichen parallelen Messspur nimmt die Breite der Anordnung zu. Im Falle eines Winkelmesssystems bedeutet das, dass entweder der Innendurchmesser kleiner wird, was insbesondere nachteilig für Systeme ist, welche ein großes Durchloch, bspw. für Kabelstränge, benötigen, oder der Außendurchmesser nimmt zu, was wiederum zu erhöhtem Platzbedarf führt. Der Nachteil eines erhöhten Platzbedarfs gilt in gleicher Weise für Linear- messsysteme.

[0008] Die unterschiedlichen Längen der Teilungsperioden führen zu unterschiedlichen Ar- beitspunkten der einzelnen Sensorelemente. Als Arbeitspunkt wird der Abstand zwischen Maßverkörperung und Sensorelement definiert, auch Luftspalt genannt. Zudem ist das Ver- halten der generierten Signalamplitude des Sensorelements in der Regel nicht linear.

[0009] Die Systemauflösung wird maßgeblich durch jene Messspur vorgegeben, welche die größte Anzahl an Teilungsperioden besitzt, d.h. die kleinste Teilungslänge. Je höher die For- derung bezüglich der Systemauflösung ist, desto höher muss im Allgemeinen die Zahl der Teilungsperioden dieser Spur sein. Eine Spur mit vielen Teilungsperioden schränkt den Ar- beitsbereich jedoch drastisch ein. Die größeren Spuren dienen im Allgemeinen zum Generie- ren der Absolutposition des Systems. Jedoch gilt, je größer der Unterschied in den Teilungs- perioden der einzelnen Spuren, desto größer ist der Unterschied in deren Amplitudenverlauf. [0010] Für die Auslegung des Sensors ist es günstig, die Anzahl an Teilungsperioden der einzelnen Messspuren nur minimal zu variieren bzw. in der gleichen Größenordnung zu defi- nieren. Somit würden sich die Arbeitsbereiche der Messspuren nicht gegenseitig limitieren und deren Amplitudenverlauf nur unwesentlich voneinander abweichen. Dabei muss aber be- achtet werden, dass dadurch die Anforderung an die Genauigkeit der Messkanäle für die Be- stimmung der Absolutposition des Systems entscheidend strenger werden.

[0011] Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass für ein System mit hoher Auflösung, welches einer Spur mit vielen Teilungsperioden entspricht, gilt, dass je höher das Ergebnis der Multiplikation der Anzahl an Teilungsperioden der Messspuren ist, desto höhere Anforderun- gen bezüglich der Positionserfassung der einzelnen Spuren gelten. Zusätzlich gilt, je größer die Differenz der Anzahl an Teilungsperioden ist, desto größer der Unterschied bezüglich des Arbeitsbereiches der einzelnen Sensorelemente. Dies limitiert wiederum den Arbeitsbereich des Gesamtsystems.

[0012] Ein weiterer Nachteil von parallel in derselben Ebene ausgeführten Spuren der Maß- verkörperung ist die Robustheit des Systems gegenüber Montagefehlern. Montagefehler um- fassen insbesondere ein zu den Spuren der Maßverkörperung vertikales Verkippen, horizonta- les Verdrehen oder horizontaler Versatz des Abtastkopfs bzw. des Sensors und der Sensorele- mente.

[0013] Je breiter eine Mehrspuranordnung ist, desto stärker wirkt sich eine Verkippung auf den Arbeitsbereich bzw. den Luftspalt des Sensors aus, insbesondere auf die äußersten Spu- ren. Diese beinhalten üblicherweise jene mit den meisten Teilungsperioden und somit jene mit dem geringsten Arbeitsbereich. Durch die Verkippung ändert sich die relative Phase zwischen Sensor und Maßverkörperung. Wird dieser Phasenfehler größer als der maximal erlaubte Feh- ler, kann die Absolutposition nicht mehr korrekt bestimmt werden.

[0014] Eine horizontale Drehung ebenso wie ein horizontaler Versatz des Abtastkopfes re- lativ zur Maßverkörperung führen zu einer Änderung der relativen Phase zwischen den Positi- onssignalen der einzelnen Messkanäle und verringert wiederum den Arbeitsbereich des Sys- tems. Wird, in Kombination mit der Genauigkeit der Spur, die Phasenänderung größer als der maximal erlaubte Positionsfehler, kann die Absolutposition nicht mehr korrekt bestimmt wer- den. Auch dabei gilt, dass der Einfluss der Phasenverschiebung umso größer ausgeprägt ist, desto breiter, bzw. desto mehr Spuren, das System besitzt. [0015] Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, ein Messsystem zur Positionsbe- stimmung bereitzustellen, welches die obigen Nachteile überwindet, insbesondere den Ein- fluss von Montagefehlem (Verkippung, Verdrehung, Versatz, Exzentrizität, etc.) deutlich re- duziert und gleichzeitig besonders kompakt bleibt.

ZUSAMMENFAS SUNG

[0016] Die genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des An- spruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und einen Sensorkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen sowie Weiterent- wicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0017] Es wird eine Anordnung beschrieben, welche umfasst: eine erste Messspur mit einer periodischen Codierung, die eine erste Anzahl von Teilungsperioden aufweist, wobei die erste Messspur in einer ersten Ebene angeordnet ist, und mindestens eine zweite Messspur mit ei- ner periodischen Codierung, die eine zweite Anzahl von Teilungsperioden aufweist, wobei die zweite Messspur in einer zweiten Ebene angeordnet ist. Die erste Anzahl von Teilungsperio- den und die zweite Anzahl von Teilungsperioden unterscheiden sich voneinander. Die erste Ebene und die zweite Ebene sind parallel zueinander und die erste Messspur und die zweite Messspur überlappen sich zumindest teilweise.

[0018] 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 Messspur einen ersten Messkanal bildet, und mindestens einem zweiten Sensorele- ment, das zusammen mit der zweiten Messspur einen zweiten Messkanal bildet. Das erste und zweite Sensorelement decken mindestens eine Teilungsperiode der ersten bzw. zweiten Mess- spur ab.

[0019] Außerdem wird ein Sensorkopf für eine Anordnung wie oben dargestellt beschrie- ben, der folgendes aufweist: ein erstes Sensorelement, das in einer dritten Ebene angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, mit der ersten Messspur einen ersten Messkanal zu bilden; und mindestens ein zweites Sensorelement, das in einer vierten Ebene angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, mit der zweiten Messspur einen zweiten Messkanal zu bilden. Die dritte Ebene und die vierte Ebene sind parallel zueinander und voneinander beabstandet, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement sich zumindest teilweise überlappen. [0020] Dadurch wird es insbesondere möglich, eine Konfiguration zu schaffen, welche den ansonsten unterschiedlichen Einfluss von Fehlern bei der Ausführung bzw. Montage der Mehrspuranordnung auf die jeweiligen Messkanäle minimiert. Fehler bei der Ausführung bzw. Montage umfassen insbesondere Kippung, Verdrehung, Versatz, Exzentrizität der Mess- spuren und/oder Sensorelemente. Zudem ergibt sich aus einer solchen Anordnung der Vorteil, dass sich ein gegebenenfalls auftretender Phasenfehler auf alle Messkanäle geometrisch gleich auswirkt. Weiterhin wird durch eine solche Konfiguration eine kompakte Bauweise er- möglicht, insbesondere im Hinblick auf das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innen- durchmesser im Falle eines Winkelmesssystems. Ebenso wird ermöglicht, den Arbeitsbereich zu optimieren und die codierte Information der Messspuren verbessert abzutasten. Zudem wird es möglich, den Aufwand bei der Herstellung und bei dem Betrieb einer Mehrspuranord- nung zu reduzieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0021] Nachfolgend werden zum besseren Verständnis der Merkmale und Vorteile der Er- findung einige Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Fi- guren 1 bis 19 genauer beschrieben. Die Darstellungen der Figuren veranschaulichen jedoch nur einige Ausführungsformen und sind nicht als einschränkend zu betrachten, da es auch an- dere, ebenso wirksame Ausführungsformen geben kann. Es wird darauf hingewiesen, dass ei- nige der in den Figuren dargestellten Details und/oder Merkmale aus Gründen der Übersicht- lichkeit nicht maßstabsgetreu wiedergegeben sind.

[0022] Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Positionsmesssystems.

[0023] Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längenmesssystems gemäß dem Stand der Technik.

[0024] Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Winkelmesssystems gemäß dem Stand der Technik.

[0025] Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längenmesssystems mit einer peri- odisch kodierten Maßverkörperung und einem periodischen Sensorelement.

[0026] Figur 5 zeigt zwei Ansichten von oben einer Ausführungsform einer Nonius-Anord- nung mit zwei parallelen Spuren mit 16 bzw. 3 Teilungsperioden, wobei der Sensor nur einen Teil der Maßverkörperung abdeckt (Fig.5a) oder die gesamte Fläche der Maßverkörperung abdeckt (Fig.5b).

[0027] Figur 6 zeigt die Ausgangssignale eines Sensorelements einer Spur mit 16 Teilungs- perioden abhängig vom Winkel.

[0028] Figur 7 zeigt die Ausgangssignale eines Sensorelements einer Spur mit 3 Teilungs- perioden abhängig vom Winkel.

[0029] Figur 8 zeigt die Ausgangsposition der Sensorelemente im Vergleich zur Absolutpo- sition des Messsystems abhängig vom Winkel.

[0030] Figur 9 zeigt eine seitliche Ansicht einer Ausführungsform einer Maßverkörperung für eine lineare Nonius-Codierung mit 3 Spuren.

[0031] Figur 10 zeigt ein Diagramm, das die Signalamplitude eines induktiven Sensors ab- hängig vom Luftspalt bzw. Arbeitsbereich für verschiedene Teilungslängen anzeigt.

[0032] Figur 11 zeigt Ansichten von oben zweier Ausführungsformen einer Maßverkörpe- rung für eine Nonius-Codierung mit zwei Spuren mit jeweils unterschiedlichen Teilungsperio- den.

[0033] Figur 12 zeigt eine Querschnitt-Ansicht eines Messsystems mit einem Montagefeh- ler in Form einer Verkippung.

[0034] Figur 13 zeigt eine Ansicht von oben eines Messsystems mit einem Montagefehler in Form einer Verdrehung.

[0035] Figur 14 zeigt eine Ansicht von oben zweier sich überlappenden Nonius-Spuren ei- ner Maßverkörperung mit 16 bzw. 3 Teilungsperioden.

[0036] Figur 15 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Messsystems mit zwei sich überlappenden Messkanälen.

[0037] Figur 16 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Messsystems mit zwei parallelen Nonius-Messkanälen in dergleichen Ebene (Figur 16a) und eines Messsystem mit überlappten Nonius-Messkanälen in unterschiedlichen Ebenen (Figure 16b). [0038] Figur 17 zeigt eine vereinfachte, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform ei- nes Winkelmesssystems mit drei sich vollständig überlappenden Messkanälen.

[0039] Figur 18 zeigt ein Diagramm, das die Signalamplitude von drei Messspuren mit 32, 8 und 3 Teilungsperioden abhängig vom Luftspalt anzeigt.

[0040] Figur 19 zeigt Ansichten von oben einer Maßverkörperung für eine Winkelmesssys- tem mit (1) einer magnetischen Spur, (b) einer geometrischen Spur und (c) einer Kombination einer magnetischen und einer geometrischen Spur.

[0041] DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0042] Für die Beschreibung der Zeichnungen gelten die folgenden Definitionen.

[0043] Eine Maßverkörperung umfasst ein oder mehrere Messspuren. Eine Messspur um- fasst periodisch oder aperiodisch kodierte Information, welche in unterschiedlichsten Formen eingebracht werden kann. Eine Maßverkörperung bzw. eine Messspur einer Maßverkörperung kann dabei sowohl als passives als auch als aktives Element ausgeführt sein. Die Maßverkör- perung bzw. die ein oder mehreren Messspuren einer Maßverkörperung können von einem Abtastkopf bzw. einem Sensor abgetastet werden.

[0044] Eine Mehrspuranordnung bezeichnet eine Maßverkörperung, welche zwei oder meh- rere Messpuren umfasst.

[0045] Eine Teilungsperiode bezeichnet im Fall einer periodischen Kodierung einer Mess- spur einer Maßverkörperung die Periode der Kodierung, also die kleinste Einheit bzw. Dis- tanz der codierten Messspur, nach welcher sich die kodierte Information wiederholt.

[0046] Ein Abtastkopf umfasst einen Sensor, welcher ein oder mehrere Sensorelemente um- fassen kann. Ein Sensor kann auf ein oder mehreren physikalischen Messprinzipien, insbe- sondere magnetischen, induktiven, optischen, kapazitiven Messprinzipien und/oder Giant Magneto-Impedance (GMI) als Messprinzip, basieren. Ein Sensor kann die ganze Länge bzw. Oberfläche einer Maßverkörperung als auch nur einen Teil bzw. ein Segment einer Maßver- körperung abtasten. Ein Sensorelement deckt mindestens eine Teilungsperiode der Messspur ab. Der Sensor generiert bei der Abtastung ein oder mehrere analoge Signale, welche durch die von der Maßverkörperung bzw. der ein oder mehreren Messspuren umfassten, kodierten Information beeinflusst werden. [0047] Insbesondere kann ein Sensor bzw. kann ein Sensorelement eine Emitterspule und eine Empfänger spule umfassen. Eine Emitterspule kann ein elektromagnetisches Emittersig- nal mit einer vordefinierten Emittersignalfrequenz aussenden, welches ein Signal in der Emp- fängerspule induzieren kann. In Abhängigkeit von der Leitfähigkeit bzw. Permeabilität eines abzutastenden Bereichs der Messspur, wird das induzierte Signal verstärkt oder verringert. Die Signalamplitude, womit die Amplitude des induzierten Sensorsignals bezeichnet wird, hängt insbesondere von dem Arbeitsbereich bzw. Arbeitspunkt des Sensors bzw. Sensorele- ments ab.

[0048] Ein Messkanal bezeichnet die Kombination einer Messspur einer Maßverkörperung mit einem der Messspur zugeordneten Sensorelement, welches geeignet angeordnet ist, um die Messspur zur Positionsbestimmung ganz oder teilweise abzutasten.

[0049] Ein physikalischer Auswertekanal bezeichnet einen physikalischen Kanal, über den die bei der Abtastung generierten ein oder mehrere analogen Signale an eine Auswertungs- elektronik weitergeleitet werden.

[0050] Eine Auswertungselektronik wandelt analoge Sensorsignale durch geeignete Metho- den in digitale oder analoge Positionsinformation um und kann insbesondere einen Schalt- kreis, Controller oder Mikrocontroller umfassen.

[0051] Überlappen von Messspuren bezeichnet die geometrische Überlappung der Mess- spuren in Richtung des sie abtastenden Sensors bzw. der sie abtastenden Sensorelemente. Überlappen von Sensorelementen bezeichnet die geometrische Überlappung der Sensorele- mente in Richtung der von ihnen abgetasteten Messspuren.

[0052] Im Falle einer Mehrspuranordnung für ein Linear- bzw. Längenmesssystem, bedeu- tet vollständig bzw. komplett überlappen, dass die Kanten der jeweils kleinsten Vierecke, wel- che jeweils eine von zwei benachbart überlappenden Messspuren bzw. eine von zwei benach- bart überlappenden Sensorelemente orthogonal zur Überlappungsrichtung umfassen, in Über- lappungsrichtung im Wesentlichen, d.h. zu mindestens 95% der jeweils von ihnen einge- schlossenen Fläche, deckungsgleich sind.

[0053] Im Falle einer Mehrspuranordnung für ein Winkelmesssystem, bedeutet vollständig bzw. komplett überlappen, dass die Ringe bzw. Teilringe, welche aus dem jeweils größten in- neren Voll- oder Teilkreis bzw. der inneren Voll- oder Teilellipse und dem jeweils kleinsten äußeren Voll- oder Teilkreis bzw. der äußeren Voll- oder Teilellipse gebildet sind, welche je- weils eine von zwei benachbart überlappenden Messspuren bzw. eine von zwei benachbart überlappenden Sensorelemente orthogonal zur Überlappungsrichtung begrenzen, in Überlap- pungsrichtung im Wesentlichen, d.h. zu mindestens 95% der jeweils zwischen der inneren und äußeren Begrenzung liegenden Fläche, deckungsgleich sind.

[0054] Demgegenüber ist eine partielle Überlappung gegeben, wenn eine Spur nicht über den gesamten Winkel, bzw. über die gesamte Länge, der anderen Spur(en) verläuft, sodass die Überdeckung weniger als 95% beträgt, oder wenn beispielsweise in einer Anordnung mit vier Spuren, jeweils zwei komplett überlappte Spuren parallel ausgeführt werden.

[0055] Eine mechanische Veränderung bezeichnet die Veränderung, insbesondere Verände- rung 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.

[0056] Magnetische Messgrößen umfassen beispielsweise die Feldstärke, die Flussdichte, die Reluktanz, die Permeabilität, die Sättigungsmagnetisierung, das Dipolmoment und die Po- larisation.

[0057] Elektrische Messgrößen umfassen beispielsweise den Strom, die Spannung, die La- dung, die Kapazität, die Energie, die Leistung, den Widerstand und die Leitfähigkeit.

[0058] Figur 1 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Positionsmesssystems, vorlie- gend 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 Geschwindig- keit und/oder des Drehmoments, oder zur Steuerung weitergeleitet.

[0059] Die Maßverkörperung 1 enthält eine kodierte Information, welche in unterschied- lichsten 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 mäander- förmige Struktur aufweisen, die mit einem Wechselstromsignal versorgt wird.

[0060] 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 Sen- sor 2.1 kann dabei die ganze Länge bzw. Oberfläche der Maßverkörperung 1 abtasten (erfas- sen) oder auch nur einen Teil bzw. ein Segment davon. Der Sensor 2.1 generiert bei der Ab- tastung ein oder mehrere analoge Signale.

[0061] Der Abtastkopf 2 umfasst zudem eine Elektronikschaltung mit einer Auswertungs- elektronik 2.2 (Sensorschaltung), welche die analogen Sensorsignale durch geeignete Metho- den 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 physi- kalischen Auswertungskanal zur Verfügung zu stellen.

[0062] Das Positionsmesssystem kann eine ein Linearmesssystem oder ein Längenmesssys- tem sein. Figur 2 zeigt eine Darstellung eines Linear- bzw. Längenmesssystems. Die Maßver- körperung 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 bewe- gen, um die Maßverkörperung 1 zu erfassen.

[0063] Figur 3 zeigt dagegen eine Darstellung eines Winkelmesssystems mit einer ringför- migen Maßverkörperung 1 und einem korrespondierenden, ebenfalls ringförmigen Sensorkopf 2. Die Maßverkörperung 1 weist eine kreisförmige Codierung entlang einer radialen Rich- tung, 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 Maßver- körperung starr bleibt und als Stator dient. Alternativ kann die Maßverkörperung sich um die Achse drehen und der Sensorkopf starr bleiben.

[0064] Üblicherweise sind die Maßverkörperung 1 und der Sensorkopf 2 um einen im We- sentlichen 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. So- mit können sowohl optische als auch magnetische, kapazitive oder induktive Messungen durchgeführt werden.

[0065] Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Linearmesssystems gemäß dem Stand der Technik, welches auf einem induktiven Messprinzip basiert. Die kodierte Informa- tion wird dabei durch unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Permeabilitäten p (Re- luktanzen) und / oder unterschiedlicher Leitfähigkeiten σ in die Maßverkörperung 1 (den Maßstab) eingebracht. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich die linearförmige Maßverkör- perung 1 entlang einer Messrichtung x, wobei zwei benachbarte Bereiche in der Messrichtung eine unterschiedliche Permeabilität bzw. Leitfähigkeit aufweisen. Die Codierung ist perio- disch, wobei eine Periode eine Folge eines ersten Bereichs mit einer Permeabilität po bzw. Leitfähigkeit σo und eines zweiten Bereichs mit einer Permeabilität μ1 bzw. Leitfähigkeit σ1 umfasst und eine Teilungsperiode λ aufweist. Durch relative Bewegung der Maßverkörperung 1 und eines Sensorkopfs kann eine inkrementelle Positionsmessung ausgehend von einer Startposition des Sensorkopfs ausgeführt werden.

[0066] Grundsätzlich umfasst die Maßverkörperung 1 eine oder mehrere periodisch oder aperiodisch kodierte Messspuren. Im Fall einer periodischen Kodierung entspricht die Tei- lungsperiode λ 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, son- dern 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 mindes- tens einer Emitterspule 2.1.1.1 und einer oder mehreren Empfängerspulen 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.

[0067] Das Sensorelement 2.1.1 deckt mindestens eine Teilungsperiode λ der Messspur ab. Das Sensorelement kann auch mehrere Teilungsperiode n·λ (mit n ∈ N) abdecken, wobei n die Anzahl an Teilungsperioden bezeichnet. Somit können möglich auftretende Fehler gemit- telt werden, was der allgemeine Messfehler reduziert. Die Emitterspulen 2.1.1.1 und die Emp- fängerspulen 2.1.1.2 können bspw. als Leiterbahnen in Form einer Mäanderstruktur (Flach- spulen) 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.

[0068] Eine Messspur der Maßverkörperung 1 bildet in Kombination mit dem Sensorele- ment 2.1.1 einen Messkanal. Die Elektronikschaltung 2.2 speist einen Wechselstrom in die Erni tter spul e(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 (Gegeninduk- tion) zwischen den Emitter- 2.1.1.1 und Empfänger spul en 2.1.1.2 wird in den Empfängerspu- len 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 Sen- sorstruktur) moduliert.

[0069] Im Falle unterschiedlicher Permeabilitäten p werden jene Bereiche der Maßverkör- perung 1 mit höherer magnetischer Permeabilität ( μ1 ≥ μ0) die Gegeninduktion bzw. den in den Empfängerspulen 2.1.1.2 induzierten Wechselstrom verstärken.

[0070] Im Falle unterschiedlicher Leitfähigkeiten σ werden jene Bereiche der Maßverkör- perung 1 mit höherer Leitfähigkeit ( σ1 ≥ σ0) die Gegeninduktion bzw. den in den Empfänger- spulen 2.1.1.2 induzierten Wechselstrom verringern.

[0071] Die in den Empfängerspulen 2.1.1.2 induzierten Wechselströme bzw. die gemesse- nen Signale werden von der Auswertungselektronik 2.2 demoduliert und in Positionsinforma- tion 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 In- terface) und umfasst einen Leistungsverstärker (line driver), z.B. des Typs RS485, sowie ein Kabel und einen Verbinder.

[0072] 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 be- rechnet. Alternativ kann der Sensorkopf starr sein, während die Maßverkörperung sich selbst bewegt, zum Beispiel sich dreht.

[0073] Es wird zwischen inkrementellen und absoluten Messsystemen unterschieden. [0074] Die Positionsinformation eines inkrementellen Messsystems beinhaltet nur Informa- tion über den relativen Versatz im Bezug zu der Startposition “0” bei Systemstart. Eine Er- weiterung kann einen definierten System-Nullpunkt in Form einer Referenzmarke (Reference Index Ri oder Reference Mark Rm) enthalten. Diese Information steht jedoch erst zur Verfü- gung, wenn der Sensor nach dem Einschalten diese entsprechende Marke an der Maßverkör- perung abtastet.

[0075] Die Positionsinformation eines absoluten Messsystems beinhaltet den absoluten Versatz zwischen dem Abtastkopf und der Maßverkörperung unmittelbar nach dem Einschal- ten. Für die Codierung und Erfassung einer absoluten Position gibt es verschiedene Möglich- keiten.

[0076] Beispielsweise kann die Maßverkörperung mittels eines Pseudo Random Code (PRC) codiert sein. Ein PRC ist ein digitaler Code (codiert mit N bit). In diesem Fall umfasst die Maßverkörperung üblicherweise nur eine abzutastende Messspur. Ein entsprechender Sen- sor erfasst dabei eine bestimmte Länge oder Segment dieser Spur. Dabei darf jede erfasste Teilfläche der Codierung, welche einer Kombination von “Einsen” und “Nullen” entspricht, genau einmal über die gesamte Länge bzw. den gesamten Winkel vorkommen. Dadurch kann mit einer entsprechenden Auswerteelektronik eine absolute Position gewonnen werden.

[0077] Die Ausführung mittels Pseudo Random Code (PRC) ist besonders geeignet für lange Messstrecken, benötigt aber sehr komplizierte Sensorstrukturen sowie Auswerteelektro- nik, um die Pluralität des Codes (N bit) zu decodieren. Als Vorteile einer Ausführung mittels PRC kann angesehen werden, dass theoretisch und mathematisch jede beliebige Systemlänge codiert und somit ermöglicht werden kann. Außerdem wird nur eine Messspur benötigt. Als Nachteile kann angesehen werden, dass eine komplexe Sensorstruktur und Auswerteelektro- nik erforderlich sind und diese Komplexität mit der Messlänge steigt.

[0078] Alternativ kann die Maßverkörperung als Nonius-codierte Maßverkörperung ausge- bildet sein. In diesem Fall umfasst die Maßverkörperung zwei oder mehrere periodisch co- dierte Spuren, mit unterschiedlicher Periodizität bzw. Teilungsperioden, welche auch als In- krementalspuren bezeichnet werden. In der Regel werden diese Spuren parallel zur Abtastflä- che bzw. zum Abtastpunkt geführt. Eine Teilungsperiode ist die kleinste Einheit der codierten Maßverkörperung und gibt dabei jene Distanz an, nach welcher sich das codierte Muster wie- derholt. [0079] Dabei gilt, dass der größte gemeinsame Teiler (ggT) der Anzahl von Teilungsperio- den von mindestens zwei Messspuren einer Nonius-codierten Maßverkörperung, welche für die Gewinnung der Absolutposition herangezogen werden, gleich 1 sein muss. Dadurch ist gewährleistet, dass jede Kombination der Messspuren innerhalb der Abtastbereiche des Sen- sors über die gesamte Maßverkörperung, insbesondere Länge und/oder Winkel, eines entspre- chenden Sensors lediglich einmal existiert. Somit kann wiederum mit einer entsprechenden Auswertungselektronik eine absolute Position gewonnen werden.

[0080] Für eine Nonius- Ausführung benötigt man eine vergleichsweise einfache Sen- sorstruktur und Auswerteelektronik, ist jedoch begrenzt in der Messlänge. Deshalb eignet sich diese Ausführung besonders gut für Winkelmessungen, weil bei diesen die maximale Länge, die Bogenlänge, vordefiniert ist. Als ein weiterer Vorteil kann die prinzipiell sehr kompakte physikalische Implementierung angesehen werden. Als Nachteil kann die in der Praxis oft- mals begrenzte maximale Länge angesehen werden. Als weiterer Nachteil kann angesehen werden, dass oftmals ein Kompromiss zwischen Messlänge und Genauigkeit nötig ist. Je hö- her die Genauigkeitsanforderung bei langen Strecken, desto komplexer wird eine Noniusimp- lementierung.

[0081] Ein vereinfachtes, absolutes Nonius-codiertes Winkelmesssystem mit einer Mehr- spuranordnung ist schematisch in Figur 5 dargestellt. Das System setzt sich wie folgt zusam- men.

[0082] Die Maßverkörperung 1 besteht aus zwei parallelen (bzw. konzentrischen) Spuren 1.1 und 1.2 mit unterschiedlichen Teilungsperioden in einer XY-Ebene. In dem Beispiel der Figur 5 enthält die erste Spur 1.1 sechzehn Teilungsperioden λ ₁ (Anzahl der Teilungsperioden der ersten Spur m=16) und die zweite Spur 1.2 enthält drei Teilungsperioden ₂ (Anzahl der Teilungsperioden der zweiten Spur n ₂ =3). Dabei ist die Bedingung ggT(n ₁ , n ₂ ) = 1 erfüllt (ggT = größter gemeinsamer Teiler). Der Sensor 2.1 besteht aus zwei nebeneinander (und über den zugehörigen Spuren) angeordneten Sensorelementen 2.1.1 und 2.1.2, die jeweils die gleichen Teilungsperioden aufweisen wie die zugehörigen Spuren 1.1 bzw. 1.2, ebenfalls in der XY-Ebene. Der Sensor 2.1 kann dabei sowohl nur einen Teil der Maßverkörperung 1 ab- decken, wie in Figur 5a dargestellt, als auch die gesamte Fläche, wie in Figur 5b dargestellt. [0083] Dieses Prinzip kann um beliebig viele Messspuren und die dazugehörigen Sensorele- mente erweitert werden, indem zusätzliche, ebenfalls parallel und konzentrische Spuren hin- zugefügt werden. Der Einfachheit halber und für eine übersichtliche Darstellung ist in dem Beispiel der Figur 5 ein System mit lediglich zwei Spuren vorgestellt.

[0084] In Figur 6 und Figur 7 sind beispielhaft die jeweiligen Ausgangssignale der Sensorel- emente 2.1.1 und 2.1.2 der Figur 5 dargestellt. Figur 6 zeigt das Ausgangssignal von Sensorel- ement 2.1.1 und Figur 7 jenes von Sensorelement 2.1.2. Dabei erzeugen in diesem Beispiel die beiden Sensorelemente 2.1.1 und 2.1.2 jeweils zwei sinusoidale Signale, welche um 90° zueinander versetzt sind, also ein Sinus- und Cosinus- Signal. Das Sensorelement 2.1.1 erzeugt für eine vollständige Umdrehung um 360° der Maßverkörperung 1 sechzehn Sinus- und Cosi- nus-Perioden, welche der Anzahl von Teilungsperioden der ersten Spur 1.1 entsprechen. Das Sensorelement 2.1.2 erzeugt gemäß der Teilungsperioden der Spur 1.2 drei Sinus- und Cosi- nus-Perioden.

[0085] Alle von den Sensorelementen 2.1.1 und 2.1.2 erzeugten Ausgangssignale durchlau- fen eine Auswertungselektronik bzw. Schaltung 2.2. Aus den Ausgangssignalen werden durch verschiedene mathematische Operationen (wie z.B. eine Demodulation) Positionsinformatio- nen, insbesondere Winkel- bzw. Längeninformationen, gewonnen. Durch Kombination der auf den Ausgangssignalen der Sensorelementen 2.1.1 und 2.1.2 generierten Positionsinforma- tion wird die Absolutposition ermittelt. Dies ist in der Figur 8 dargestellt. Die Absolutposition ist in Fig. 8 in Radianten angegeben (im Intervall ± π rad, entspricht ±180°). Die absolute Po- sition, die als Strichpunktlinie dargestellt ist, wird aufgrund der Eindeutigkeit der Paare der als Volllinie dargestellten Ausgangspositionen des Sensorelements 2.1.1 und der als Strichli- nie dargestellten Ausgangsposition des Sensorelements 2.1.2 über die gesamte mechanische Position von 360° gewonnen.

[0086] Ein Beispiel für eine lineare Nonius-Codierung mit drei parallelen Spuren ist in Figur 9 dargestellt. Figur 9 zeigt eine seitliche Darstellung einer Maßverkörperung eines absoluten Längemesssystemes. Die Maßverkörperung umfasst drei periodische Messspuren 1.1, 1.2 bzw. 1.3 mit einer Periodizität λ ₀ , λ ₁ bzw. λ ₂ und entlang einer Messrichtung x. Die Messspu- ren 1.1, 1.2 und 1.3 sind parallel zueinander und nebeneinander in einer Richtung, die senk- recht zur Messrichtung läuft, angeordnet. Die Längen λ ₀ , λ ₁ und λ ₂ der Teilungen sind unter- schiedlich und die Anzahl von Teilungsperioden n ₁ , n ₂ und n ₃ der Spuren für die gleiche Länge ist ebenfalls unterschiedlich. Die Messspur 1.1 der Maßverkörperung 1 besitzt n ₁ =7, die Messspur 1.2 112 =5 und die Messspur 1.3 besitzt n ₃ = 3 Teilungsperioden. Dabei gilt zwi- schen Periodenlänge und der Anzahl an Teilungsperioden der jeweiligen Messspur folgender Zusammenhang: λi= 1/ni, wobei 1 für die Gesamtlänge der Maßverkörperung steht.

[0087] Es muss nur für jede der Spuren, welche für die Gewinnung der Absolutposition her- angezogen werden, der Zusammenhang ggT(n _i , n _j , n _k , ...) = 1 gelten (die Indices i, j, k be- zeichnen die Spuren). Üblicherweise werden dazu jene Messspuren verwendet, welche die ge- ringste Anzahl an Teilungsperioden haben. In dem Beispiel der Figur 9 erfüllen die drei Spu- ren die Bedingung ggT (n ₁ , n ₂ , n ₃ ) = 1. Die Eindeutigkeit der Codierung ist somit gegeben.

[0088] Figur 10 zeigt ein Diagramm, welches die Signalamplitude (in Volt) eines induktiven Sensors abhängig vom Luftspalt (in Millimeter) für verschiedene Teilungslängen λ=0,25; 0,5; 1; 2; und 4 mm anzeigt. Der Luftspalt ist der Abstand zwischen der Maßverkörperung und dem Sensorelement in einer Richtung, welche senkrecht zur Messrichtung und zur Ebene der Maßverkörperung ist. Er wird auch als Arbeitspunkt genannt. Gewünscht ist, dass die Signale aus den verschiedenen Spuren eine ausreichende Amplitude aufweisen, um Messfehler mög- lichst zu minimieren. Aus der Figur 10 ist es allerdings klar, dass die unterschiedlichen Län- gen der Teilungsperioden zu sehr unterschiedlichen Arbeitspunkten führen und dass das Ver- halten der generierten Signalamplitude des Sensorelements nichtlinear ist. Außerdem wird die Systemauflösung maßgeblich durch jene Messspur vorgegeben, welche die größte Anzahl von Teilungsperioden besitzt, d.h. die kleinste Teilungslänge. Wie in der Figur 7 erkennbar schränkt aber eine Spur mit vielen Teilungsperioden, beispielweise die Spur mit der Teilungs- länge λ = 0,25 mm, den Arbeitsbereich drastisch ein. Weiters ist es ersichtlich, dass je größer der Unterschied in den Teilungsperioden der einzelnen Spuren, desto größer ist der Unter- schied in deren Amplitudenverlauf.

[0089] Für die Auslegung des Sensors ist es daher günstig, die Anzahl an Teilungsperioden der einzelnen Messspuren nur minimal zu variieren bzw. in der gleichen Größenordnung zu definieren. Somit würden sich die Arbeitsbereiche der Messspuren nicht gegenseitig limitie- ren und deren Amplitudenverlauf nur unwesentlich voneinander abweichen. Dabei muss aber beachtet werden, dass die Anforderung an die Genauigkeit der einzelnen Messkanäle für die Bestimmung der Absolutposition des Systems entscheidend strenger werden.

[0090] Dies ist in Figur 11 ersichtlich, welche zwei Beispiele einer Maßverkörperung für ein

Winkelmesssystem darstellen. Das System in Figur 11a besitzt zwei Messkanäle, einen mit einer ersten Messspur 1.1, welche eine Teilungslänge λ ₁ = 360°/16 hat, und mit einem ent- sprechenden Sensorelement, und einen mit einer zweiten Messspur, welche eine zweite Tei- lungslänge ü = 360°/15 hat, und mit dem dazugehörigen Sensorelement. Der maximal er- laubte Fehler e für den ersten Messkanal relativ zu dem zweiten Messkanal über eine gesamte Umdrehung von 360° errechnet sich wie folgt: e = Winkel/ ( λ ₁ · λ ₂ ) = 360°/(16 • 15) = 1,50 ° (1)

[0091] Überschreiten die beiden Messkanäle diesen Fehler, kann das Messsystem mit dieser Nonius-Codierung keine eindeutige und somit gültige Absolut-Position mehr generieren. Im Vergleich dazu betrachte man das System in Fig.10b. Dieses besitzt eine erste Messspur 1.1 mit einer Teilungslänge λ ₁ = 360°/16 und eine zweite Messspur 1.2 mit einer Teilungslänge λ2 = 360°/3. Der maximal erlaubte Fehler errechnet sich analog zu oben zu e = 360° / (16 3) = 7,50°. Das erlaubte Fehlerband ist in diesem Fall zwar wesentlich größer, allerdings mit dem Nachteil, dass die Arbeitspunkte der einzelnen Sensorelemente sich stärker unterscheiden.

[0092] Es ist also klar, dass für ein System mit hoher Auflösung, welches mindestens eine Spur mit einer hohen Anzahl von Teilungsperioden, die Anforderungen bezüglich der Positi- onserfassung der einzelnen Spuren besonders hoch sind. Außerdem führt eine große Differenz in der Anzahl von Teilungsperioden zwischen den verschiedenen Spuren zu einem entspre- chend großen Unterschied bezüglich des Arbeitsbereiches der einzelnen Sensorelemente, was den Arbeitsbereich des Gesamtsystems (Luftspalt) wiederum limitiert.

[0093] Ein weiterer zu beachtender Punkt ist die Robustheit des Systems gegenüber Monta- gefehlern. Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung eines Winkelmesssystems mit einem Montagefehler in Form einer Verkippung. Der Sensorkopf 2, der idealerweise parallel zur Maßverkörperung 2 angeordnet sein sollte, ist nämlich gegenüber der Maßverkörperung 1 um einen Winkel alpha gegenüber einer Achse A, welche senkrecht zur Ebene der Maßverkörpe- rung 1 läuft, geneigt.

[0094] Es ist ersichtlich, dass je größer bzw. breiter ein System ist, desto stärker wirkt sich eine Verkippung auf den Arbeitsbereich (=Luftspalt) des Sensors aus. Den größten Einfluss verspürt dabei die äußerste Spur (+/- dz), üblicherweise jene mit den meisten Teilungsperio- den und somit jene mit dem geringsten Arbeitsbereich. Durch die Verkippung ändert sich die relative Phase zwischen Sensor und Maßverkörperung. Wird dieser Phasenfehler größer als der maximal erlaubte Fehler, kann die Absolutposition nicht mehr korrekt bestimmt werden. [0095] Weitere Formen von Montagefehlern sind ein Versatz und eine Verdrehung des Ab- tastkopfes 2 bzw. des Sensorelements gegenüber der Maßverkörperung. Figur 13 zeigt ein Längenmesssystem mit drei Messkanälen, welches einen solchen Montagefehler aufweist. Der Sensorkopf 2 (und damit auch die darin enthaltenen Sensorelemente) ist idealerweise so angeordnet ist, dass seine parallel zu den Kanten der Maßverkörperung angeordnet sind. Im Beispiel der Figur 13 sind diese Kanten aber um einen Winkel alpha gegenüber einer Achse A, die parallel zu einer Kante der Maßverkörperung läuft, angeordnet, und somit gegenüber der Maßverkörperung 1 selbst.

[0096] Eine Drehung oder ein Versatz des Abtastkopfes 2 relativ zur Maßverkörperung 1 führt zu einer Änderung der relativen Phase zwischen den Positionssignalen der einzelnen Messkanälen und verringert wiederum den Arbeitsbereich des Systems. Wird die Phasenände- rung größer als der maximal erlaubte Positionsfehler (in Kombination mit der Genauigkeit der Spur selbst), kann die Absolutposition nicht mehr korrekt bestimmt werden. Es gilt wiederum, dass der Einfluss der Phasenverschiebung desto größer ausgeprägt ist, desto breiter (bzw. desto mehr Spuren) das System besitzt.

[0097] Figur 14 zeigt eine Darstellung von oben einer ersten und einer zweiten Maßverkör- perung für ein Winkelmesssystem mit einer einzigen, kreisförmigen Messspur mit 16 bzw. 3 Teilungsperioden (Figur 14, links bzw. mitten) sowie mit einer dritten Maßverkörperung, wel- che durch die komplette Überlappung der ersten und der zweiten Maßverkörperungen 1.1 und 1.2 eine Vorrichtung mit zwei sich überlappenden Messspuren bildet. Da der größte gemein- same Teiler der Anzahl dieser Spuren gleich 1 ist, handelt es sich auch um eine Nonius-An- ordnung, welche zur absoluten Positionsmessung benutzt werden kann. Im Gegensatz zu den Anordnungen der Figuren 5 und 11 sind die Messspuren nicht nebeneinander in der gleichen Ebene anordnet, sondern sich überlappend angeordnet in unterschiedlichen Ebenen. Somit sind die Messspuren kongruent und haben die gleichen Abmessungen in der jeweiligen Ebene. In einem weiteren Beispiel überlappen sich die Messspuren nur teilweise.

[0098] Analog werden auch die entsprechenden Sensorelemente 2.1.1 und 2.1.2 überlappt. Eine schematische Schnittdarstellung eines Winkelmesssystems mit sich überlappenden Messkanälen ist in Figur 15 dargestellt. Die Messspuranordnungen 1.1 und 1.2 entsprechen den Messspuranordnungen der Figur 14. Der erste Messkanal umfasst das Sensorelement 2.1.1 und die Messspur 1.1. Der zweite Messkanal umfasst das Sensorelement 2.1.2 und die Messspur 1.2. Sowohl die Messspuranordnungen 1.1 und 1.2 als auch die Sensorelemente 2.1.1 und 2.1.2 sind übereinander angeordnet in einer Richtung z, welche senkrecht zur Ebene xy läuft. Der erste Messkanal, welcher die Messspur 1.1 mit der größeren Anzahl von Tei- lungsperioden aufweist, ist somit zwischen dem Sensorelement 2.1.2 und der Messspuranord- nung 1.2 mit der kleineren Anzahl von Teilungsperioden angeordnet. Die Maßverkörperungen und die Sensorelemente sind jeweils in einer Ebene angeordnet, welche parallel zur Ebene xy ist. In der z-Richtung sind die sich überlappenden Maßverkörperungen einerseits und die Sen- sorelemente andererseits um einen Abstand z beabstandet. In einem weiteren Beispiel über- lappen sich die Sensorelemente nur teilweise.

[0099] Figur 16 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Winkelmesssystems mit zwei konzentrischen, parallelen Nonius-Messkanälen in der gleichen z-Ebene (Figur 16a) und eines Winkelmesssystems mit sich überlappenden Nonius-Messkanälen in unterschiedlichen Ebe- nen (Figure 16b). Der Einfachheit halber und für eine übersichtliche Darstellung sind die Sen- sorelemente 2.1.1 und 2.1.2 in Figur 16 und folgend auch in Figur 17 nur mit den jeweiligen Empfängerspulen der Sensorelementen dargestellt. Die Emitterspulen sind dagegen nicht ab- gebildet. Wie dargestellt sind die Empfänger spul en als sinusförmige Leiterbahnen ausgebil- det. Die Anzahl der Periode einer Empfänger spule entspricht der Anzahl der Perioden der ent- sprechenden Messspur. Es gilt wiederum, dass sich die Systeme um beliebig viele Messkanäle erweitern lassen. Die Emitterspulen und/oder die Empfängerspulen der verschiedenen Mess- kanäle können auf demselben Substrat angeordnet sein.

[0100] In den Ausführungsformen der Figuren 14-16 sind sowohl die Messspuren als auch die Sensorelemente nicht parallel, sondern entweder komplett oder partiell überlappt angeord- net. Durch eine axiale Überlappung (Z-Richtung) von zwei oder mehreren Messkanälen so- wohl im Rotor (Messspur) als auch im Stator (Sensorelemente) kann eine Konfiguration ge- schaffen werden, welche die oben beschriebenen Nachteile einer Nonius-Codierung mit ne- beneinander angeordneten Messspuren deutlich reduzieren kann. Insbesondere wird das ge- samte System wesentlich kompakter und der Einfluss von Montagefehlern (Verkippung, Ver- drehung, Versatz, Exzentrizität, etc.) kann deutlich reduziert werden. Ein großer Vorteil die- ser Anordnung liegt auch darin, dass sich ein gegebenenfalls auftretender Phasenfehler auf alle Messkanäle geometrisch gleich auswirkt. Außerdem kann, wie unten beschrieben, der Ar- beitsbereich der Messspuren auf einfacher Weise optimiert werden. Der Aufwand zur Herstel- lung und zum Betrieb des Messsystems kann auch reduziert werden. Obwohl die Figuren 14- 16 Winkelmesssysteme zeigen, ist es klar, dass die Überlappung von Messkanälen auch in Längenmesssystemen mit denselben Vorteilen implementiert werden kann. [0101] Figur 17 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Winkelmesssystems mit drei sich vollständig überlappenden Messkanälen, und somit eine Erweiterung der Lösung aus den Figuren 14-16 um einen Messkanal. Das System umfasst einen Sensor und eine Maßverkörpe- rung. Der Sensor umfasst ein erstes Sensorelement 2.1.1 mit einer Anzahl m=32 von Tei- lungsperioden und einer Teilungsperiode λ ₁ = 360°/32, ein zweites Sensorelement 2.1.2 mit einer Anzahl n ₂ =8 von Teilungsperioden und einer Teilungsperiode λ ₂ = 360°/8 und ein drit- tes Sensorelement 2.1.3 mit einer Anzahl n ₃ =3 von Teilungsperioden und einer Teilungsperi- ode ü = 360°/3. Die Sensorelemente sind in unterschiedlichen Ebenen angeordnet und vonei- nander beabstandet.

[0102] Die Maßverkörperung besitzt analog zu den Sensorelementen 2.1.1, 2.1.2 und 2.1.3 drei Messspuren mit einer ersten Messspur 1.1 mit der Teilungsperiode λ ₁ = 360°/32, einer zweiten Messspur 1.2 mit der Teilungsperiode λ ₂ = 360°/8 und einer dritten Messspur 1.3 mit der Teilungsperiode ü = 360°/3. Somit weisen die Messspuren und die korrespondierenden Sensorelemente die gleiche Anzahl von Teilungsperioden. Die Messspuren sind in unter- schiedlichen Ebenen angeordnet und voneinander beabstandet.

[0103] In dem Beispiel der Figur 17 bestimmt der erste Messkanal (m=32) die Auflösung des Systems. Der zweite und der dritte Kanal werden für die Bestimmung der Absolutposition herangezogen, wobei die Bedingung ggT (n ₂ , n ₃ ) = ggT (8, 3) = 1 erfüllt ist.

[0104] Bei einer Überlappung der Messkanäle muss darauf geachtet werden, ein Überspre- chen (Cross-Talk) der einzelnen Messkanäle zueinander reduziert bzw. beseitigt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Abstände zwischen den Sensorelementen und den zu- gehörigen Messspuren in Abhängigkeit der Anzahl der Teilungsperioden ausgewählt. Insbe- sondere können die Abstände zwischen einer Messspur und dem jeweiligen Sensorelement derart ausgewählt werden, dass der Abstand du zwischen dem Sensorelement 2.1.1 mit den meisten Teilungsperioden, d.h. mit der kleinsten Teilungslänge, und der zugehörigen Mess- spur 1.1 auf der Maßverkörperung 1 am kleinsten ist und der Abstand d33 zwischen Sensorele- ment 2.1.3 mit den wenigsten Teilungsperioden, d.h. mit der größten Teilungslänge, und der zugehörigen Spur 1.3 auf der Maßverkörperung 1 am größten ist. Je größer die Anzahl der Teilungsperioden eines Messkanals, desto kleiner der Abstand zwischen der Messspur und dem Sensorelement dieses Messkanals. Diese Situation ist beispielsweise in Figur 17 darge- stellt. Insbesondere [0105] Dadurch kann der Konflikt bezüglich der unterschiedlichen Arbeitspunkte der einzel- nen Messkanäle, wie bereits oben im Hinblick auf die Figur 10 dargestellt, gelöst und zudem vorteilhaft ausgenutzt werden, um Signalamplituden der einzelnen Messkanäle auf ein ähnli- ches Niveau zu bringen. Somit kann insbesondere die Sensor-Elektronik vereinfacht werden, bspw. indem statt getrennten Auswertekanälen für jedes Sensorsignal nur ein physikalischer Kanal benötigt wird, welcher mittels eines Multiplexers zwischen den einzelnen Sensorele- menten umschaltet.

[0106] In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Anzahl von Teilungsperioden einer Messspur mit einer größeren Anzahl von Teilungsperioden um mindestens einen Faktor 1,5 größer als die Anzahl von Teilungsperioden einer weiteren Messspur mit einer kleineren An- zahl von Teilungsperioden. Für die Anordnung der Figur 17 bedeutet dies Folgendes: λ ₂ ≥ 1.5 · λ ₁ und ta ≥ 1.5·λ.2. Für die Anzahl an Teilungsperioden ergeben sich somit die Bedingun- gen: n ₁ ≥ 1.5 · n ₂ und n ₂ ≥ 1.5 · n ₂ . Wie oben ausgeführt werden diese Bedingungen im Beispiel der Figur 17 erfüllt, denn es gilt: m = 32 ≥ 1.5 · n ₂ (=1.5 · 8 = 12) und n ₂ = 8 ≥ 1.5 ·n ₃ (= 1.5 · 3 = 4.5). Da, in Figur 17, die Anzahl von Teilungsperioden der Messspuren entlang der z-Rich- tung höher wird, ist die Anzahl der Teilungsperiode einer gegebenen Messspur 1,5-mal höher als die Anzahl der Teilungsperiode der unmittelbar unter diesem liegenden Messpur.

[0107] Gemäß einem Beispiel ist die Anzahl mi von Teilungsperioden der Sensorelemente gleich der Anzahl n _i von Teilungsperioden der dazugehörigen Maßverkörperung, wobei i der Index des Messkanals ist. Für eine Anordnung mit drei Messkanälen gilt somit λ ₁ ·n ₁ = λ ₁ ·m ₁ = 1 und λ ₂ ·n ₂ = λ ₂ ·m ₂ = 1 und λ ₃ ·n ₃ = λ ₃ ·m ₃ = 1, wobei 1 die Gesamtlänge der Maßverkörpe- rung 1 darstellt. Das Beispiel der Figur 17 genügt auch diesen Bedingungen, denn es gilt λ ₁ ·n ₁ = λ ₁ ·m ₁ = 11.25°-32 = 360° und λ ₂ ·n ₂ = λ ₂ ·m ₂ = 45°-8 = 360° und λ ₃ ·n ₃ = λ ₃ ·m ₃ = 120°-3 = 360°. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer vollständigen geometrischen Überlappung der Sensorelemente des Sensors.

[0108] Gemäß einem weiteren Beispiel sind die Abstände bi2, b23 zwischen den einzelnen Sensorelementen sowie die Abstände ai2, a23 zwischen den Messspuren der Maßverkörperung derart ausgewählt, dass bei einem gegebenen Abstand zwischen Sensor und Maßverkörperung (nominaler Abstand) einerseits der gegenseitige Einfluss der Messkanäle (Übersprechen / Cross-Talk) minimiert wird und andererseits die Amplituden der Signale der Messkanäle im Wesentlichen gleich sind. Insbesondere können die Amplituden der Signale der Messkanäle innerhalb eines vorgegebenen Toleranzband liegen. Die Abstände zwischen den Sensorele- menten und zwischen Messspuren sind außerdem abhängig von der Anzahl der Teilungsperio- den für jede Messspur sowie der Unterschiede in den Anzahlen der Teilungsperioden. Auf je- den Fall liegen die Abstände bij zwischen zwei Sensorelementen i und j im Bereich von 0,01 bis 1,00 mm und die Abstände aij zwischen zwei Messspuren i und j im Bereich von 0,01 mm bis 1,00 mm.

[0109] Figur 18 zeigt ein Diagramm, welches die Signalamplitude von drei Messkanälen mit Messspuren, welche 32, 8 bzw. 3 Teilungsperioden aufweisen, abhängig vom Luftspalt (Arbeitsbereich) des Messkanals anzeigt. Die Signalamplitude entspricht der Amplitude des durch das Emittersignal der Emitterspule in der Empfänger spule induzierten Signals. Die Sig- nalamplitude wurde auf das Intervall [0; 1] normiert. Um eine konstante Signalamplitude zu gewährleisten, können beispielweise die Ab Standsparameter a ₁₂ , a ₂₃ , b ₁₂ und b ₂₃ der Anord- nung der Figur 17 so dimensioniert werden, dass bei einem gegebenen Abstand zwischen Sensor und Maßverkörperung (nominaler Abstand) die Luftspalte der Messkanäle d ₁₁ = 0,50 mm und d ₂₂ = 1,00 mm und d ₃₃ = 2,00 mm gleich sind. Dies wird durch eine volle Linie in Fi- gur 18 wiedergegeben, welche einen idealen Arbeitspunkt AP = 0,55 darstellt.

[0110] Aufgrund von Herstellungstoleranzen sowie von technischen Einschränkungen bei der Herstellung kann der zulässige Arbeitsbereich der Messkanäle so definiert werden, dass eine Schwankung ±A der Signalamplituden (Toleranzband) um den idealen Arbeitspunkt AP erlaubt ist. Im Beispiel der Figur 18 wurde eine Schwankung A = 0,1 um den Arbeitspunkt AP = 0,55 gewählt, was durch zwei gestrichene Linien dargestellt ist. Somit liegt der Arbeits- punkt für die drei Messspuren zwischen 0,45 und 0,65. Aus der Figur 18 ist es insbesondere klar, dass die Anforderungen für den Luftspalt des Messkanals mit der größten Anzahl von Teilungsperioden höher sind als die Anforderungen für den Luftspalt des Messkanals mit der kleinsten Anzahl von Teilungsperioden.

[0111] In einem Beispiel liegt die Untergrenze des Toleranzbands wenigstens 70%, bevor- zugt wenigstens 80% und weiter bevorzugt wenigstens 90% des Arbeitspunkts. In einem wei- teren Beispiel liegt die Obergrenze des Toleranzbands bei nicht mehr als 130%, bevorzugt nicht mehr als 120% und weiter bevorzugt nicht mehr als 110% des Arbeitspunkts.

[0112] Eine Anordnung mit sich teilweise oder komplett überlappenden Messspuren bzw. Sensorelementen hat den Vorteil, dass die Abstände zwischen den Messspuren und den Sen- sorelementen flexibel ausgewählt werden können, so dass für alle Messkanäle eine ähnliche Signalamplitude erreicht werden kann. Außerdem ist man besonders flexibel bei der Wahl des Arbeitsbereichs. Wie aus der Figur 10 ersichtlich ist das bei üblichen Anordnungen, in denen die Messspuren in der gleichen Ebene angeordnet sind, nicht der Fall.

[0113] Durch eine geeignete Auswahl der Abstände zwischen den Messspuren und den Sensorelementen kann ein Übersprechen bzw. eine gegenseitige Behinderung der Messkanäle zueinander wesentlich reduziert werden.

[0114] Gemäß einem weiteren Beispiel beruhen die Messkanäle auf unterschiedlichen Messprinzipien und die korrespondierenden Sensorelemente messen unterschiedliche Größen. Somit können die gegenseitigen Störungen der verschiedenen Messungen reduziert werden. Zum Beispiel kann ein erstes Sensorelement eine Änderung der Leitfähigkeit der korrespon- dierenden Messspur und ein zweites Sensorelement eine Änderung der Permeabilität/Re- luktanz der korrespondierenden Messspur messen. Zu diesem Zweck kann die Sensorschal- tung dazu ausgebildet sein, ein erstes Signal für die erste Messspur mit einer ersten Emitter- signalfrequenz f ₁ zu erzeugen und in die Emitterspule des ersten Sensorelements einzuspei- sen, und ein zweites Signal mit einer zweiten Emittersignalfrequenz f ₂ zu erzeugen und in die Emitterspule des zweiten Sensorelements einzuspeisen, wobei sich die erste Emittersignalfre- quenz und die zweite Emittersignalfrequenz unterscheiden. In einem Beispiel ist die erste Emittersignalfrequenz mindestens zweimal größer als die zweite Emittersignalfrequenz. So- mit gilt: f ₁ ≥ 2 ·f ₂ . Beispielweise wird mit dem Sensorelement, dessen Emitterspule mit der kleineren Emittersignalfrequenz erregt wird, eine Permeabilität bzw. Reluktanz gemessen, während mit dem Sensorelement, dessen Emitterspule mit der größeren Emittersignalfrequenz erregt wird, eine Leitfähigkeit gemessen wird.

[0115] Figur 19a zeigt eine Ansicht von oben einer Maßverkörperung für ein Winkelmess- system mit einer magnetischen Spur. Figur 19b zeigt eine Ansicht von oben einer weiteren Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem. Die Breite der ringförmigen Maßverkörperung in der radialen Richtung ändert sich abhängig vom Winkel, derart, dass die Maßverkörperung radial drei identische Abschnitte aufweist, welche jeweils einen breiteren und einen schmale- ren Bereich aufweisen. Diese Abschnitte bilden somit eine periodische Messspur mit drei Pe- rioden, welche als geometrische Spur bezeichnet werden kann. Die Änderung der Breite der Maßverkörperung kann durch ein mechanisches Verfahren bewirkt werden, beispielweise durch Fräsen, Ätzen, Schneiden und/oder Drehen. Figur 19c zeigt eine Ansicht von oben einer weiteren Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem, welche durch Superposition der Ef- fekte aus den Figuren 19a und 19b gebildet ist. Die Maßverkörperung weist somit sowohl die magnetische Spur der Figur 19a als auch die geometrische Spur der Figur 19b. Beide Spuren überlappen sich und sind in derselben axialen Ebene angeordnet (Ebene x-y). Da das durch die magnetische Spur erzeugte Magnetfeld durch die Geometrie der Maßverkörperung, und somit durch die geometrische Spur, beeinflusst wird, kann eine Änderung der Geometrie und somit die geometrische Spur durch einen entsprechenden Sensor erfasst werden. Somit spielt die zusätzliche, geometrische Messspur dieselbe Rolle wie die zusätzliche, magnetische Spur der obigen Beispiele. Die erste, magnetische Messspur und die zweite, geometrische Mess- spur können somit aus einem einzigen Messspur-Formling gebildet sein, wobei die geometri- sche Messspur durch Verformung des Formlings gebildet wird. Im dargestellten Beispiel ist der größte, gemeinsame Teiler beider Spuren gleich eins, so dass beide Spuren eine Nonius- Codierung bilden, welche zur Absolutpositionsmessung verwendet werden kann. Das Beispiel der Figur 19c kann für eine beliebige Anzahl von Perioden der magnetischen und der geomet- rischen Spur verwendet werden. Es kann auch in eine Maßverkörperung eines Längenmess- systems implementiert werden.

[0116] Mit einem Positionsmesssystem, in welchem die verschiedenen Messspuren bzw. die Sensorelemente zumindest teilweise überlappt angeordnet sind, kann eine besonders kom- pakte Bauweise erreicht werden. Außerdem kann der Einfluss von Konstruktionsfehler auf die Anordnung reduziert werden. Da die Messkanäle unterschiedliche Abstände zwischen Mess- spur und Sensorelement aufweisen, kann der Arbeitsbereich besonders flexibel ausgewählt und somit auf einfacher Weise optimiert werden.