DE3324176C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Codiervorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im einzelnen angegeben ist.

Drehbare magnetische Codiervorrichtungen stellen nützliche Geräte für die Messung einer Winkel- oder Linearverschiebung eines bewegten Teils, beispielsweise in einer Werkzeug­ maschine, dar. Dabei liefert die präzise Erfassung einer solchen Bewegung die Grundlage für eine genaue Positionie­ rung eines bewegten Teils, z. B. eines Werkzeugs oder eines Werkstücks in einer Werkzeugmaschine.

Bekannte Codiervorrichtungen weisen magnetische Platten bzw. Scheiben mit einer gemeinsamen Teilung auf, wobei die aufeinanderfolgenden magnetischen Codier- bzw. Teilungsein­ heiten entlang einem Kreis auf einer Oberfläche der Platte koaxial dazu so angeordnet sind, daß die entgegengesetzten Magnetpole, die jeweils eine Codiereinheit bilden, in der Rotationsrichtung der Platte verlaufen. Der magnetische Abtastkopf ist dabei der einen Oberfläche mit Abstand ge­ genüberliegend angeordnet, so daß nacheinander die Codier­ einheiten abtastet, die während der Rotationsbewegung der Platte auf dem Kreis vorbeilaufen. Ein derartiger Magnet­ plattenaufbau gestattet jedoch nur eine relativ geringe Dichte für die magnetischen Codiereinheiten pro Flächen- bzw. Winkeleinheit, so daß sich insgesamt ein nur unbefrie­ digendes Auflösungsvermögen bei der magnetischen Abtastung ergibt. Bei anderen bekannten drehbaren Magnetplatten mit einer Skalenanordnung sind die Platten über ihre Dicke magnetisiert, so daß magnetische Codiereinheiten, deren jede senkrecht zu den Seitenflächen der Platte verläuft, aufeinanderfolgend jeweils parallel zueinander entlang einer kreisförmigen Zone koaxial zu der Platte entstehen. Der zugehörige magnetische Abtastkopf ist C- oder U-förmig ausgebildet, wobei die umlaufende Platte zwischen den bei­ den Abtastarmen des Magnetkopfes liegt. Um einen ausrei­ chend starken Magnetfluß für jede Codiereinheit zu erhal­ ten, muß eine derartige Platte eine beachtliche Dichte auf­ weisen, was zu einem hohen Plattengewicht führt, aus dem sich eine übermäßige Belastung für den Drehantrieb der Platte bei deren Abtastbewegung ergeben kann. Bei beiden Arten bekannter magnetischer Codiervorrichtungen besteht außerdem die Gefahr, daß am Rande insbesondere einer dünnen Platte eine Wellen- oder Schwingungsbewegung auftritt, die zu einer ungewollten Berührung zwischen der umlaufenden Platte und dem Abtastkopf führen kann, was naturgemäß mit unerwünschtem Verschleiß der Abtastkopfoberfläche verbunden ist. Selbst ohne eine solche Berührung treten auf jeden Fall erhebliche Änderungen im Abstand der Platte von dem Magnetkopf auf, und diese Änderungen des wirksamen Magnet­ spaltes sind naturgemäß die Quelle für Abtastfehler.

Aus der DE-AS 12 97 657 ist weiter eine magnetische Codier­ vorrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt, bei der ein mit Magnetmaterial belegter Drehkörper mit seinem das Ma­ gnetmaterial tragenden und den entsprechenden Code enthal­ tenden Bereich an einem feststehenden Abtastkopf vorbeige­ führt wird, der auf die dem jeweiligen Code entsprechenden Unterschiede im magnetischen Verhalten der verschiedenen Teilstücke des Drehkörpers im Zuge von dessen Vorbeibewe­ gung an dem Magnetkopf anspricht und damit die jeweilige Drehstellung des Drehkörpers erfaßt. Dabei ist der Drehkör­ per in Form eines Topfes aus ferromagnetischem Material ausgeführt, der auf einem Teil seines Umfanges ebenfalls aus weichmagnetischem Material bestehende Codierringe trägt, die bei der Drehbewegung des Topfes an dem Magnet­ kopf vorbeilaufen. Die Codierung wird dabei durch eine entsprechende Zahnung der Codierringe realisiert, die zu einer entsprechenden Änderung der wirksamen Luftspaltlänge führt. Die sich auf diese Weise ergebenden Magnetfeldände­ rungen werden mit Hilfe eines Widerstandes mit magnetfeld­ abhängigem Widerstandswert erfaßt. Das Meßprinzip beruht also auf der Ausbildung des Codes mit Hilfe von Unstetig­ keiten in der Formgebung des Drehkörpers, was wiederum der erzielbaren Abtastgenauigkeit Grenzen setzt.

Das gleiche Prinzip einer Codeausbildung mit Unstetigkeiten in der Formgebung eines Drehkörpers liegt weiter auch einem aus der DE-AS 28 34 616 bekannten Impulsgenerator zur Abtastung der Winkelstellung einer sich drehenden Welle zugrunde, bei dem eine mit einer Codierung in Form radialer Schlitze versehene Drehplatte zwischen zwei einander gegen­ überstehenden Elektroden hindurchläuft, zwischen denen es bei Durchgang eines Schlitzes in der Platte zu einer Co­ rona-Entladung kommen kann, die das Abtastsignal für die Drehwinkelerfassung liefert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Codiervorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die sich durch eine erhöhte Genauigkeit bei der Codeerfas­ sung auszeichnet, indem sie mit einem im Zuge der Drehbewe­ gung des Drehkörpers unverändert bleibenden effektiven Luftspalt für den Abtastkopf arbeitet.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, durch eine magnetische Codiervorrichtung, wie sie im Pa­ tentanspruch 1 angegeben ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten magnetischen Codier­ vorrichtung ist jede magnetische Codiereinheit länglich ausgebildet und umfaßt zwei entgegengesetzte Magnetpols, die in Radialrichtung der Drehplatte orientiert sind. Der magnetische Abtastkopf steht dem Plattenrand unter Ausbil­ dung eines gleichförmigen Magnetspalts mit Abstand gegen­ über, und er liegt bevorzugt im wesentlichen in der glei­ chen Ebene wie die Drehplatte.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht, die die magnetische dreh­ bare Codiervorrichtung nach der Erfindung darstellt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Anordnung magnetischer Codier- bzw. Teilungseinheiten oder Markierungen auf einer Magnetplatte nach der Erfindung;

Fig. 3 eine größere Ansicht, die einen Teil der magne­ tischen Codiereinheiten nach Fig. 2 in einer bestimmten Anordnung zusammen mit einem Teil eines Abtastkopfs der Codiervorrichtung nach der Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil der magnetischen Codiereinheiten, die in anderer Weise angeordnet sind; und

Fig. 5 eine Schnittansicht, die ein Verfahren zum Ausbilden der magnetischen Codiereinheiten bei einer Drehplatte nach der Erfindung zeigt.

Nach Fig. 1 umfaßt die magnetische Codiervorrichtung 1 eine Magnetplatte 2 und einen Abtastkopf 3. Die Magnetplatte 2 ist fest auf einer Tragplatte 2′ gesichert, die z. B. aus einem Kunststoff besteht, so daß eine umlaufende Einheit 4 gebildet ist. Im vorliegenden Fall ist die Tragplatte 2′ fakultativ und kann angewandt werden, wenn die Magnetplatte 2 nur eine Dicke von 1 mm oder weniger aufweist, so daß sie während der Drehbewegung hinreichend starr gehalten ist. Die drehbare Einheit 4, die im vorliegenden Fall aus der Trag­ platte 2′ mit der darauf angeordneten Magnetplatte 2 besteht, ist auf einer Welle 5 gesichert, die in zwei Lagern 6 und 7 drehbar ist. Das Lager 7 ist in einem Gehäuse 8 mittels eines Gewindebolzens 9 gehalten, und das Lager 6 ist in einer Abdeckplatte 10 gehalten, die mittels Schrauben am Gehäuse 8 gesichert ist. Die Welle 5 trägt ein Rad 11, mit dem ein bewegtes Organ bzw. eine solche Fläche 12 antriebs­ mäßig gekoppelt ist zum Drehen der drehbaren Einheit 4 und damit der Magnetplatte 2, so daß eine Bewegung der Fläche 12 als eine entsprechende Winkelverschiebung der Magnetplatte erfaßt werden kann. Der magnetische Abtastkopf 3 liegt dem Rand der Magnetplatte 2 an einem Luftspalt gegenüber. Die Magnetplatte 2 ist in Radialrichtung magnetisiert.

Die Magnetplatte 2 ist mit magnetischen Codier- bzw. Tei­ lungseinheiten bzw. Markierungen 2 a versehen, die nacheinan­ der auf einer ringförmigen Zone 2 b angrenzend an den Rand 2 c der Magnetplatte 2, dem der Abtastkopf 3 gegenüberliegt, angeordnet sind. Jede Codiereinheit 2 a ist über die Zone 2 b langgestreckt und besteht aus zwei Magnetpolen N und S, die mit einer Radialrichtung der Magnetplatte 2 ausgerichtet sind, wie aus den Fig. 2 und 3 deutlich zu sehen ist. Die Ringzone, über die sich jede Codiereinheit 2 a erstreckt, verläuft in Radialrichtung der Magnetplatte 2 mit gleichmä­ ßiger Breite d. Aneinandergrenzende Codiereinheiten 2 a sind voneinander gleichbeabstandet, und bei dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 3 haben sie abwechselnd aufeinanderfol­ gende Polaritäten, so daß die N- und S-Pole abwechselnd aufeinanderfolgend auf dem Rand 2 c der Magnetplatte 2 auftreten. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 haben aneinandergrenzende Codiereinheiten 2 a gleiche magnetische Polaritäten; ihre voneinander beabstandeten N-Pole weisen zum Rand der Magnetplatte 2 und haben einen gemeinsamen S-Pol, der in Radialrichtung innen liegt. Ferner sind bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 die aneinandergrenzenden magnetischen Codiereinheiten 2 a an ihren innen liegenden Enden in Richtung zur Mitte der Magnetplatte 2 miteinander verbunden.

Die Magnetplatte 2 kann in zu erläuternder Weise magneti­ siert werden zur Ausbildung der magnetischen Codiereinheiten 2 a. Dabei kann die zu magnetisierende Platte 2 eine Schicht Magnetpulver, z. B. eines Ferrits, sein, die auf die Trag­ platte 2′ aufgestrichen oder anderweitig auf diese aufge­ bracht ist, oder sie kann eine Dünnschicht aus nichtmagneti­ schem Werkstoff, z. B. ein Kunstharz, sein, das dann auf der Tragplatte 2′ befestigbar ist. Anstatt einer solchen konti­ nuierlichen Schicht können auch voneinander getrennte feine Streifen von den Codiereinheiten 2 a entsprechender Größe auf einem dünnen Kunstharzträgerfilm oder der Tragplatte 2′ ausgebildet und dann zur Bildung der Codiereinheiten 2 a magnetisiert werden. Alternativ kann die Platte 2 vorteil­ hafterweise eine homogen aus einem Magnetwerkstoff (z. B. einer Magnetlegierung vom spinodalen Zersetzungstyp auf Eisen-Chrom-Basis) zusammengesetzte Platte mit gleichmäßiger Dicke zwischen 0,5 und 3 mm sein, die auf der Tragplatte 2′ befestigt ist. Eine dünne, gleichmäßige Schicht oder Masse eines Magnetpulvrs oder -werkstoffs kann ebenfalls gebildet und selektiv auf der Ringzone 2 b des Trägerfilms oder der Tragplatte 2′ befestigt sein.

Der magnetische Abtastkopf 3 kann aus einem einzigen ein­ heitlichen Magnetkern (Fig. 1) bestehen, bevorzugt besteht er jedoch aus einer Mehrzahl von Teilkernen aus einem Magnetwerkstoff 3 a, die durch ein nichtmagnetisches Ab­ standselement 3 b voneinander getrennt und miteinander durch ein Joch 3 c verbunden sind (vgl. Fig. 3). Eine Abtastwick­ lung 3 d ist auf die Teilkern- oder Magnetstücke (Fig. 1) gewickelt und kann über einen Verstärker und einen Signal­ former mit einer Zähl- und Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) in einer konventionellen Anordnung verbunden sein. Der Abtastkopf 3 ist in der gleichen Ebene wie die Platte 2 positioniert und liegt deren Rand an einem Magnetspalt D gegenüber, so daß er die magnetischen Codiereinheiten 2 a abtasten kann. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 entspricht der Abstand zwischen den Teilkernen 3 a dem Abstand zwischen den Codiereinheiten 2 a. Die Jochelemente 3 c können Hall-Effekt-Elemente, magnetische Widerstandselemente oder ähnliche Abtastelemente sein.

Bei der speziellen Ausbildung der Magnetplatte 2, bei der jede magnetische Codiereinheit 2 a, die aufeinanderfolgend entlang der Drehrichtung der Platte in einer an deren Rand 2 c angrenzenden Zone ausgebildet sind, mit einer Radialrich­ tung der Platte ausgerichtet ist, ist zu beachten, daß sich aufgrund eines zunehmenden Zwischenpolabstands jeder Codier­ einheit 2 a eine erhebliche Steigerung der Intensität der Codierausgänge einstellt. Ferner kann die Dichte der Codier­ einheiten 2 a pro Rotationswinkel der Platte 2 maximiert werden, so daß die Ausbildung von Codierausgängen mit sehr hohem Auflösungsvermögen möglich ist. Ferner ist es dabei möglich, den Abtastkopf 3 im wesentlichen in derselben Ebene wie die Drehplatte 2 so anzuordnen, daß er ihrem Rand 2 c eng beabstandet gegenüberliegt. Infolgedessen hat jede etwaige Wellenbewegung, die in der umlaufenden Platte 2 erzeugt wird, keine wesentliche Änderung des Magnetspaltabstands D zur Folge. Dadurch kann dieser Abstand D minimiert werden, wobei einerseits keine Gefahr eines etwaigen Gleitkontakts der umlaufenden Platte 2 mit dem Abtastkopf und eines daraus resultierenden Verschleißes eintritt und andererseits kein Abtastfehler auftritt, und ferner werden die Codierausgänge maximiert.

Die Welle 15 trägt ferner eine Originalplatte 22, die in dem Gehäuse 21 drehbar ist. Die Welle 15 steht mit einem Motor 23 über ein Zahnradstufengetriebe 24 in Antriebsverbindung, so daß die Originalplatte 22 und die Dreheinheit 4 drehbar sind.

Im vorliegenden Fall besteht die Originalplatte 22 aus einer Glasplatte oder einer ähnlichen lichtdurchlässigen Platte, die auf ihrer Randzone lichtundurchlässige Markierungen trägt, die z. B. durch Fotoätzen in einem Muster entspre­ chend den magnetischen Codiereinheiten 2 a, die auf die entsprechende Randzone 2 b der Magnetplatte 2 aufzubringen sind, ausgebildet sind. Eine Lichtquelle 25 ist auf einer Seite der drehbaren Originalplatte 22 angeordnet und schickt einen Lichtstrahl durch die Randzone, der von einer Fotodi­ ode 26 aufgefangen wird, die auf der gegenüberliegenden Seite der drehbaren Platte 22 angeordnet ist. Die Fotodiode 26 ist an eine Steuerschaltung 27 angeschlossen, die als Stromversorgung 28 zum Erregen eines Paars von Magnetisier­ köpfen 29 und 30 dient.

Der Magnetisierkopf 29 besteht aus einem Kern 29 a und einer darauf gewickelten Feldspule 29 b. Der Magnetisierkopf 30 besteht aus einem Kern 30 a und einer darauf gewickelten Feldspule 30 b. Die Feldspulen 29 b und 30 b sind in Reihen­ schaltung miteinander an die Magnetisierungs-Stromversorgung 28 angeschlossen. Die Kerne 29 a und 30 a sind bevorzugt über ein Joch 31 aus einem Werkstoff hoher Permeabilität mitein­ ander verbunden, wodurch ein Austritt von durch das Joch hindurch erzeugten Magnetkräften bei der Erregung der Feldspulen 29 b und 30 b minimierbar ist. Der mit der Platte 2 in der gleichen Ebene liegende und in bezug auf den Plattenrand 2 c in nahem Abstand diesem gegenüber angeordnete Kern 29 a kann ein Einzelkern sein, der zum Rand 2 c hin spitz oder konisch zuläuft; bevorzugt handelt es sich aber um einen Verbundkern, dessen Aufbau im wesentlichen demjenigen des Abtastkopfs 3 nach Fig. 3 entspricht. Bevorzugt verläuft ein solcher Kern zu dem Ende hin konisch, an dem der Magnet­ spalt D mit der Drehplatte 2 gebildet ist. Der Kern 30 a kann säulenförmig bzw. zylindrisch sein und eine Endfläche aufweisen, deren Durchmesser der Breite jeder Codiereinheit 2 a, die auf der Platte 2 auszubilden sind, entspricht; er ist in engem Abstand zu einer Seitenfläche der Platte 2 dieser gegenüber in einem Abstand d vom Plattenrand 2 c angeordnet.

Bei der Magnetisierung werden die Dreheinheit 4 und die auf der Welle 15 angeordnete Originalplatte 22 durch den Motor 24 gedreht. Der Lichtstrahl von der Lichtquelle 25, der die umlaufende Originalplatte 22 durchsetzt und auf die Foto­ diode 26 auftrifft, wird aufeinanderfolgend durch eine Serie von lichtundurchlässigen Markierungen, die auf der Original­ platte 22 gebildet sind, unterbrochen. Dadurch wird eine Serie von Unterbrechungssignalen in der Schaltung 27 auf­ grund der Fotodiode 26 erzeugt, wodurch die Stromversorgung 28 selektiv aktiviert wird. Die Magnetisierköpfe 29 und 30 werden intermittierend erregt unter Ausbildung einer Folge von magnetischen Codiereinheiten auf der Drehplatte 2. Die Originalplatte 22 braucht nicht den gleichen Durchmesser wie die Magnetplatte aufzuweisen, bevorzugt hat sie größeren Durchmesser als die Platte 2, so daß die Magnetmarkierungs- Genauigkeit verbessert wird. Eine Folge magnetischer Markie­ rungen bzw. Codiereinheiten 2 a mit abwechselnd aufeinander­ folgenden Polaritäten nach Fig. 3 kann auf der Platte 2 ausgebildet werden, indem die Stromversorgung 28 ihre Magnetisierausgangs-Polaritäten abwechselnd nacheinander ändert.

Claims (6)

1. Magnetische Codiervorrichtung mit

• - einem auf einer Drehachse umlaufenden Drehkörper, der auf einem Randbereich entsprechend einer Codefolge al­ ternierend mit einer Folge von magnetischem und nicht- magnetischem Material versehen ist, und
• - einem Abtastkopf, der auf den Vorbeigang magnetischen Materials im Zuge der Drehbewegung des Drehkörpers an­ spricht und damit dessen Winkelverschiebung um seine Drehachse erfaßt,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehkörper eine Drehplatte (2) ist, in deren Peri­ pherie eine Folge von jeweils in Form radial verlaufender länglicher Magnete mit je zwei entgegengesetzten Magnet­ polen (N, S) ausgebildeten Codiereinheiten (2 a) angeordnet ist, und
daß der Abtastkopf (3) in Form eines dem Außenrand (2 c) der Drehplatte (2) mit einem gleichförmigen radialen Luftspalt gegenübergestellten Magnetkopfes (3 a, 3 b) ausgebildet ist.

2. Magnetische Codiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codiereinheiten (2 a) auf der Drehplatte (2) in einer Drehrichtung derselben aufeinanderfolgend ausgebildet sind.

3. Magnetische Codiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codiereinheiten (2 a) auf der Drehplatte (2) nach­ einander in einer dazu koaxialen und an den Plattenrand (2 c) angrenzenden Ringzone (2 b) ausgebildet sind.

4. Magnetische Codiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Codiereinheiten (2 a) so magnetisiert sind, daß entlang dem Plattenrand (2 c) abwechselnde Magnetpole (N, S) aufeinander folgen.

5. Magnetische Codiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (3) im wesentlichen in derselben Ebene wie die Drehplatte (2) angeordnet ist.