DE102012213717A1

DE102012213717A1 - Inkrementalwegsensor

Info

Publication number: DE102012213717A1
Application number: DE201210213717
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2013-02-28
Also published as: WO2013026434A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Inkrementalwegsensor, bei dem an einem Maßkörper eine Mehrzahl von Inkrementen angeordnet ist, wobei die Inkremente jeweils durch eine Abfolge wechselnder magnetischer Pole gebildet ist und wobei eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, die eine Weg- oder Winkelmessung durch Zählen einer Folge wechselnder magnetischer Pole ausführt, die durch einen Sensor detektierbar sind. In der Abfolge der wechselnden magnetischen Pole ist wenigstens eine durch den Sensor ermittelbare Referenzposition angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Inkrementalwegsensor zur Linear- und Winkelmessung.
Zur Längen- und Wegmessung sind so genannte Absolutwertsensoren und Inkrementalwegsensoren bekannt.
Absolutwertsensoren sind Längen- oder Winkelmessgeräte, die z. B. an Werkzeugmaschinen, in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik und an Mess- und Prüfeinrichtungen eingesetzt werden. Problematisch ist es dabei, dass diese Sensoren eine geringe Auflösung und eine geringe Genauigkeit aufweisen, da das sensierte Element über den gesamten Messbereich eindeutig sein muss.
Inkrementalwegsensoren sind Sensoren zur Erfassung einer Wegstrecke und der entsprechenden Wegrichtung sowie einer Winkeländerung und der entsprechenden Drehrichtung. Dabei wird eine Anzahl so genannter Inkremente, die auf einem festen Betrag eines Weges oder eines Winkels festgelegt sind, erfasst bzw. gezählt. Aus dem jeweiligen Zählwert wird eine Information über eine zurückgelegte Wegstrecke abgeleitet. Problematisch sind diese Sensoren deshalb, weil beim Einschalten die jeweilige Absolutposition nicht bekannt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Inkrementalwegsensor zu schaffen, der bei einem einfachen Aufbau und einer hohen Messgenauigkeit ohne einen wesentlichen Zusatzaufwand Ermittlungen einer oder mehrerer Referenzpositionen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Inkrementalwegsensor mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes dieses Anspruches gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe gelöst mit einem Inkrementalwegsensor, der einen Maßkörper umfasst, mit dem es möglich ist, zusätzlich zu der Zählung der Inkremente wenigstens eine Referenzposition zu ermitteln. Nachgeordnete Patentansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und beschränken deren Schutzbereich nicht ausschließlich auf diese.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung, den Ausführungsbeispielen und den Patentansprüchen werden die im folgenden angegebenen Begriffe mit dem jeweils erläuterten Sinngehalt eingesetzt:
„Inkrementalverfahren“ ist ein Messverfahren, bei dem eine sich mehrfach wiederholende Abfolge von Inkrementen einen Maßkörper bildet und die Zahl der bei der Bewegung an einem Sensor vorbei geführten Inkremente erfasst und gezählt wird. Durch Auswerten der Zählwerte ist eine Aussage über einen Betriebszustand angeschlossener Positions- und Wegmesssensoren und mit diesen verbundener Mittel übergeordneter, zu überwachender Systeme möglich.
„Inkrementalwegsensor“ ist eine Baueinheit, die wenigstens einen, die Inkremente aufweisenden Maßkörper und eine die Informationen der Inkremente erfassende Messeinheit umfasst.
„Maßkörper“ ist eine Maßverkörperung, die auf einer geeigneten Unterlage eine regelmäßige Abfolge von Inkrementen trägt. Die jeweiligen Inkremente können entsprechend der gestellten Aufgabe eine gleiche Geometrie besitzen, in optischen, magnetischen, kapazitiven oder induktiven Parametern jedoch untereinander abweichen. Ferner ist der Maßkörper eine lineare oder eine zu einem Kreis geschlossene Anordnung.
Nach der Erfindung wird eine Referenzposition bei dem erfindungsgemäßen Inkrementalwegsensor dadurch ermittelt, dass eine Unregelmäßigkeit in der normalerweise vorhandenen Anordnung der Inkremente erfasst und ausgewertet wird. Hierzu weist der vorliegende Inkrementalwegsensor an einem Maßkörper eine Mehrzahl von Inkrementen auf, wobei die Inkremente jeweils durch eine Abfolge wechselnder magnetischer Nord- und Südpole gebildet ist und wobei eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, die eine Weg- oder Winkelmessung durch Zählen einer Folge wechselnder magnetischer Nord- und Südpole ausführt, die durch einen Sensor detektierbar sind. In der Abfolge der wechselnden magnetischen Pole ist eine durch den Sensor ermittelbare Referenzposition angeordnet.
Die gewöhnlich vorhandene Abfolge der Inkremente ist eine regelmäßige Ja-Nein-Anordnung. Beim vorliegenden Inkrementalverfahren kann diese Abfolge durch eine Reihung wechselnder magnetischer Pole mit einer dazwischen liegenden Unregelmäßigkeit der Abfolge gebildet sein. Diese Unregelmäßigkeit dient als Referenzposition.
Nach der Erfindung wird bei einem Inkrementalwegsensor bevorzugt ein magnetisches Inkrementalverfahren benutzt, bei dem wie oben beschrieben eine wechselnde Polarität S-N-S-N fortfolgend auf einem Maßkörper angebracht ist. Dieser Inkrementalwegsensor arbeitet mit den angeschlossenen Teilen oder Einrichtungen so zusammen, dass er über die Zählung von Inkrementen eine Aussage über eine zurückgelegte Wegstrecke oder über eine erfolgte Anzahl von Umdrehungen, eine Geschwindigkeit, Umdrehungsgeschwindigkeit oder über die Konstanz derselben, liefern kann.
Im Maßkörper ist an einer bestimmten Stelle erfindungsgemäß eine Unregelmäßigkeit in der Abfolge der Inkremente vorhanden, weshalb eine Auswerteschaltung zunächst ein Fehlersignal generiert. Bei der verwendeten magnetischen Anordnung kann dies beispielsweise die Feststellung sein, dass ein Inkrement hinsichtlich seiner magnetischen Feldstärke nicht in einem vorgegebenen Wertebereich liegt. Mithin kann dieses Inkrement unmagnetisiert sein, es kann auch eine höhere oder eine niedrigere magnetische Feldstärke haben, als die die Inkremente bildenden Pole.
Der Inkrementalwegsensor arbeitet mit einer Auswerteschaltung, die diese von einem Sensor erfassten Unregelmäßigkeiten erkennt und daraus Informationen ableitet, die für übergeordnete Steuerungen oder auch nur für Zwecke der Auswertung/Anzeige aufbereitet werden können.
Der erfindungsgemäße Inkrementalwegsensor arbeitet dabei so, dass seine Auswerteschaltung über die bloße Fehlerfeststellung (Fehlmessung) hinaus anhand bestimmter Muster in der Abfolge von Inkrementen Informationen über Referenzpositionen gewinnt.
Es ist möglich, eine Referenzposition dadurch zu erkennen, dass vor und nach einem Inkrement, das einem Sollwert entspricht, jeweils ein Inkremente angeordnet ist, das von den Sollwerten abweicht. Es ist ebenso möglich, mehrere Inkremente aufeinander folgen zu lassen, die eine andere als im Bereich der Sollwerte liegende Feldstärke haben.
Weiterhin kann die Anordnung zweier gleichpoliger Inkremente hintereinander eine solche Information liefern.
Schließlich ist es auch möglich, Abfolgen von Inkrementen zu erzeugen, bei denen eine Struktur der Inkremente aus unmagnetisierten, in vorgegebener Feldstärke magnetisierten, schwach magnetisierten und übermäßig stark magnetisierten Inkrementen in einer bestimmten Reihenfolge aufeinander folgen. Da es für solche Anordnungen gegenüber der Sollanordnung eine unterschiedliche Anzahl von Möglichkeiten gibt, kann neben einer ersten auch eine weitere bzw. eine begrenzte Zahl an Referenzpositionen in den Maßkörper integriert werden, die anhand der jeweiligen Codierungen unterschieden werden können.
Nach der Erfindung werden der Auswerteschaltung die entsprechenden Muster für die Abfolge der Inkremente der Referenzposition einprogrammiert, sodass diese die jeweiligen Muster aus der seriellen Abfolge der Signale erkennen, auswerten und an eine übergeordnete Steuereinrichtung weiterleiten kann.
Es kann vorgesehen sein, die eigentliche Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlüberwachung so zu programmieren, dass die im Bereich der Referenzpositionen ankommenden veränderten Informationen zusätzlich hinsichtlich ihres zeitlichen Abstandes erfasst werden und die gleiche Information generiert werden kann, wie sie bei einer regelmäßigen Abfolge von Inkrementen möglich wäre.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Auswerteschaltung fehlertolerant zu machen, sodass sie beim Erhalt von Informationen über Referenzpositionen, die die Länge mehrerer Inkremente haben, nicht von einem Messfehler oder einer Geschwindigkeitsabweichung ausgeht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 die Darstellung eines erfindungsgemäßen Inkrementalwegsensors, der aus einem linear verlaufenden Maßkörper, einem Sensorelement und einer Auswerteschaltung besteht,
2 einen erfindungsgemäßen Inkrementalwegsensor, der aus einem scheibenförmigen Maßkörper, einem Sensorelement und einer Auswerteschaltung besteht,
3 eine Darstellung eines Maßkörpers, wie er im Stand der Technik für inkrementelle Messverfahren angewendet wird,
4 eine Anordnung für einen erfindungsgemäßen Maßkörper mit einer integrierten Referenzposition, bei der die regelmäßige Abfolge der Inkremente durch zwei nicht der Regelfolge entsprechende Inkremente dargestellt ist,
5 eine Darstellung einer Folge von Inkrementen, die eine weitere Ausführungsform zur Markierung einer Referenzposition zeigt,
6 eine weitere Anordnung von Inkrementen, bei der eine Referenzposition durch eine veränderte Abfolge der Inkremente markiert ist,
7 eine weitere Anordnung von Inkrementen, bei der eine Referenzposition durch veränderte Inkremente eingeschlossen ist, und
8 eine Anordnung von Inkrementen, bei der eine erste und eine zweite Referenzposition durch Unregelmäßigkeiten in der Anordnung der Inkremente markiert sind.
Ein vorliegender Inkrementalwegsensor zur Durchführung eines inkrementellen Messverfahren umfasst gemäß 1 einem Maßkörper 1, der an einem beliebigen Trägerteil 2 montiert ist und dessen Bewegung ausführt. Der Maßkörper 1 weist magnetische Inkremente auf, die durch eine regelmäßige Abfolge von Nordpolen 3 und Südpolen 4 gebildet werden.
Ein Sensor 5 ist in einem geringen Abstand zum Maßkörper 1 angeordnet und kann beim Vorbeibewegen desselben in der Richtung x die magnetische Codierung erfassen und seine Messsignale an eine Auswerteschaltung 6 übermitteln.
Bei einer rotierenden Ausführungsform des Maßkörpers 7 ist derselbe gemäß 2 an einer Welle 8 angeordnet und kann sich in eine beliebige Richtung drehen. Die Anordnung von Nordpolen 9 und Südpolen 10 bewegt sich wiederum in der Richtung x an einem Sensor 11, vorbei, der die entsprechenden Messsignale an eine Auswerteschaltung 12 weitergibt.
Der erfindungsgemäße Inkrementalwegsensor benutzt die oben beschriebenen Inkrement-Anordnungen des Standes der Technik und führt durch Abweichung von der regelkonformen alternierenden Magnetisierung eine zusätzliche Codierung des Maßkörpers 1 ein. Während beim Stand der Technik gemäß 3 auf einen Südpol 13 jeweils ein Nordpol 14 und auf einen Nordpol 14 jeweils ein Südpol 13 folgt, ist bei dem vorliegenden Inkrementalwegsensor gemäß 4 in die Reihe der Inkremente bzw. Pole beispielsweise eine Anordnung von zwei unmagnetisierten Inkrementen 15 eingefügt. Da die Auswerteschaltung 6 bzw. 12 zeitdeterminiert arbeitet, kann sie aus den eingehenden Messsignalen und der Dauer dieser Messsignale darauf schließen, dass es sich nicht um Fehlmessungen handelt, sondern, weil exakt die Dauer von zwei Inkrementen in Anspruch genommen wird, es sich statt dessen um eine Referenzposition handelt.
Eine andere Form der Markierung einer Referenzposition kann darin bestehen, dass gemäß 5 einem Nordpol 14 zunächst ein vergleichsweise schwach magnetisierter Südpol 16, dann ein schwach magnetisierter Nordpol 17 folgt und anschließend die Normalfolge weiter fortgesetzt wird. Bei entsprechender Programmierung der Auswerteschaltung wird auch diese Markierung als Referenzposition erkannt.
Eine weitere Möglichkeit der Darstellung einer Referenzposition kann gemäß 6 darin bestehen, dass entgegen der regelmäßigen Abfolge ein sich über zwei Inkremente erstreckender Nordpol 18 und daran anschließend ein sich über zwei Inkremente erstreckender Südpol 19 angeordnet sind. Diese Form der Markierung einer Referenzposition hat den Vorteil, dass aus dem Polwechsel mit hoher Präzision auf die Referenzposition geschlossen werden kann.
Eine weitere Möglichkeit der Markierung einer Referenzposition kann gemäß 7 dadurch erfolgen, dass die regelmäßige Abfolge der Magnetpole durch ein erstes Inkrement 20 ohne Magnetisierung, nachfolgend eine Anordnung aus einem Nordpol 14 und einem Südpol 13 vorhanden ist, der wiederum ein unmagnetisiertes Inkrement 21 nachfolgt. Auch diese Art der Markierung kann auf den Polwechsel zurückgeführt mit hoher Präzision die Referenzposition markieren.
Bei einer anderen Ausführungsform der Markierung von Referenzpositionen kann gemäß 8 anstelle eines normal magnetisierten Südpols 13 ein schwach magnetisierter Südpol 22 vorgesehen sein, dem ein normal magnetisierter Südpol 23 nachgeordnet ist und dem wiederum ein schwach magnetisierter Südpol 24 und ein normal magnetisierter Südpol 25 nachfolgen.
Mithin wird eine erste Referenzposition dadurch gebildet, dass gegenüber der Regelfolge anstelle des zu erwartenden Nordpols 14 ein Südpol 23 und anstelle des nächsten folgenden Nordpols wieder ein Südpol 25 vorhanden ist, wobei die schwach magnetisierten Südpole 22 und 24 in der dargestellten Weise dazwischen angeordnet sind. Mithin folgen vier Inkremente, die einen Südpol markieren, aufeinander. Diese Anordnung bildet eine erste Referenzposition.
An einer weiteren Stelle der Abfolge von Inkrementen ist eine weitere Unregelmäßigkeit in der Form eines schwach magnetisierten Südpols 26 vorhanden, der anstelle eines zu erwartenden Nordpols 14 positioniert ist. Diesem folgt ein noch schwächer magnetisierter Südpol 27 anstelle eines normal magnetisierten Südpols 13. Durch diese Abfolge nicht regelgerechter Inkremente wird eine zweite Referenzposition markiert und zugleich erreicht, dass diese anders codiert ist, als die erste Referenzposition und daher von dieser deutlich unterschieden werden kann.
Die Erfindung ermöglicht es also vorteilhafter Weise, die bei Inkrementalmessverfahren üblichen Relativwegmessungen durch die Integration von codierten Referenzpositionen weiterzuentwickeln, ohne dass die Maßkörper in ihrer Größe angepasst werden müssen.
Allgemein ausgedrückt lassen sich gemäß der vorliegenden Erfindung in einer normalen Abfolge der Inkremente eines Maßkörpers, in der Nord- und Südpole einander abwechseln, Referenzmarken durch vom Sensor erkennbare Veränderungen in der Abfolge erzeugen. Beispielsweise können diese Veränderungen durch ausfallende Pole, schwächer magnetisierte Pole, andere Pollängen und gedrehte Pole erzeugt werden.
Die Referenzmarke sollte so gelegt werden, dass sie nach dem Start des Systems bald erreicht wird, damit von einer anfänglichen Messung in eine Messung übergegangen werden kann, bei der die Inkremente ab der Referenzmarke gezählt werden.
Bezugszeichenliste

1: Maßkörper
2: Trägerteil
3: Nordpol
4: Südpol
5: Sensor
6: Auswerteschaltung
7: Maßkörper
8: Welle
9: Nordpol
10: Südpol
11: Sensor
12: Auswerteschaltung
13: Südpol
14: Nordpol
15: Inkrement
16: Südpol
17: Nordpol
18: Nordpol
19: Südpol
20: Inkrement
21: Inkrement
22: Südpol
23: Südpol
24: Südpol
25: Südpol
26: Südpol
27: Südpol

Claims

Inkrementalwegsensor, bei dem an einem Maßkörper (1, 7) eine Mehrzahl von Inkrementen angeordnet ist, wobei die Inkremente jeweils durch eine Abfolge wechselnder magnetischer Nord- und Südpole (13, 14) gebildet ist und wobei eine Auswerteschaltung (6, 12) vorgesehen ist, die eine Weg- oder Winkelmessung durch Zählen einer Folge wechselnder magnetischer Nord- und Südpole (13, 14) ausführt, die durch einen Sensor (5, 11) detektierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abfolge der wechselnden magnetischen Nord- und Südpole (13, 14) eine durch den Sensor (5, 11) ermittelbare Referenzposition angeordnet ist.
Inkrementalwegsensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzposition durch eine Unregelmäßigkeit der Abfolge der magnetischen Nord- und Südpole (13, 14) gebildet ist.
Inkrementalwegsensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzposition durch eine Anordnung, bestehend aus zwei aufeinander folgenden Inkrementen gebildet ist, deren Feldstärke außerhalb der für die Nord- und Südpole (13, 14) festgelegten Wertebereiche liegt oder die unmagnetisiert sind.
Inkrementalsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzposition durch Inkremente gebildet ist, die einen weiteren Südpol (16) und einen weiteren Nordpol (17) umfassen, wobei der weitere Südpol (16) und der weitere Nordpol (17) schwächer magnetisiert sind und eine geringere Feldstärke besitzen, als die auf dem Maßkörper (1, 7) angeordneten Südpole (13) und Nordpole (14).
Inkrementalweg nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzposition durch eine Anordnung von zwei aufeinander folgenden Inkrementen in der Form von zwei aufeinander folgenden Nordpolen (18) und/oder zwei aufeinander folgenden Südpolen (19) mit jeweils gleicher Polarität und Feldstärke gebildet ist.
Inkrementalwegsensor nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzposition durch vier aufeinander folgende Inkremente gebildet ist, wobei diese aus einem ersten unmagnetisierten oder schwach magnetisierten Pol (20), einem nachfolgenden zweiten Pol (14) mit einer gegenüber der normalen Abfolge entgegen gesetzten Polarität, einem nachfolgenden dritten Pol (13) mit einer zu dem zweiten Pol (13) entgegen gesetzten Polarität und einem vierten Pol (21) besteht, der unmagnetisiert oder schwach magnetisiert ist.
Inkrementwegsensor nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzposition durch vier aufeinander folgende Inkremente gebildet ist, wobei diese aus einem im Vergleich zu den Polen (13, 14) der Abfolge schwach magnetisierten ersten Pol (22) einer dem vorangehenden Pol der Abfolge entgegen gesetzten Polarität, einem nachfolgenden zweiten Pol (23) einer den Polen der Abfolge entsprechenden Magnetisierung und einer dem ersten Pol (22) entsprechenden Polarität, einem nachfolgenden dritten im Vergleich zu den Polen (13, 14) der Abfolge schwach magnetisierten Pol (24) und einer dem ersten Pol (22) entsprechenden Polarität und einem vierten Pol (25) mit einer den Polen (13, 14) der Abfolge entsprechenden Magnetisierung sowie einer dem ersten Pol (22) entsprechenden Polarität) besteht.
Inkrementwegsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzposition und wenigstens eine weitere Referenzposition an dem Maßkörper (1, 7) angeordnet sind, wobei die Folge der Inkremente der Referenzposition und der weiteren Referenzposition gleich oder unterschiedlich ist.
Inkrementalwegsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßkörper (1) relativ zum Sensor (5) linear bewegbar ist.
Inkrementalwegsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßkörper (7) relativ zum Sensor (11) drehbar ist.