具有永磁体的位置测量装置的制作方法

本发明涉及一种按照权利要求1的位置测量装置，其用于在使用永磁体的情况下测量探测元件与刻度元件之间的相对的角度位置或线性位置。

背景技术：

1、由专利文献ep 2053362 a2已知一种位置测量装置，其包括一个绝对的和两个增量的分度条。借助于磁阻传感器尤其在使用三个具有不同的极化方向的、堆叠的预磁化元件的情况下能够实现位置信息的确定。在现有技术中，位置测量装置的不利之处是，由于使用三个预磁化元件而产生较高的材料成本和装配成本。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，提供一种位置测量装置，其将高的测量精度和经济的制造统一起来。

2、根据本发明，该任务通过权利要求1的特征来解决。有利的设计方案和改进方案在各个从属权利要求中得到说明。

3、所述按本发明的位置测量装置包括探测元件、例如角度或长度测量装置的扫描头和相对于探测元件沿着第一方向(x)可运动的刻度元件、例如磁性的分度滚筒或角度或长度测量装置的卷尺。所述刻度元件具有第一和第二分度条，两者都绝对地构成，以及增量的第三分度条，其中所述三个分度条相互平行地并且沿着第二方向(y)隔开地伸展或者说布置。所述探测元件包括至少一个第一传感器区，所述第一传感器区偏移地沿着第三方向(z)与第一分度条对置地布置，从而在所述第一传感器区与所述第一分度条之间构造了第三气隙。此外，所述探测元件包括第二传感器区，该第二传感器区偏移地沿着第三方向(z)与第二分度条对置地布置。在所述第二传感器区与所述第二分度条之间构造了所述第三气隙。所述探测元件还包括第三传感器区，该第三传感器区偏移地沿着第三方向(z)与第三分度条对置地布置，使得所述第三气隙同样被构造在第三传感器区与第三分度条之间。所述传感器区如此构成和布置，从而至少能够扫描所述沿着第三方向(z)与相应的传感器区对置的分度条。另外，所述探测元件包括例如呈方形的条形磁体的形式的第一永磁体。在此，所述第一永磁体与第一分度条对置并且为此如此沿着第三方向(z)偏移地布置，从而在第一永磁体与第一分度条之间布置了所述第一传感器区。在此，第二气隙能够被构造在所述第一传感器区与所述第一永磁体之间。例如呈方形的条形磁体的第二永磁体与第二分度条对置并且为此沿着第三方向(z)偏移地布置。在此，所述第二永磁体同样如此沿着第三方向(z)偏移地布置，使得所述第二传感器区处于第二分度条与第二永磁体之间。在第二传感器区与第二永磁体之间也能够构造所述第二气隙。此外，能够沿着第二方向(y)在所述第一与第二永磁体之间构造第一气隙。

4、所述传感器区因此沿着第三方向(z)相对于相应待扫描的分度条偏移地布置并且与相应待扫描的分度条对置地布置。

5、所述第一和第二分度条绝对地构成，也就是说，一旦所述位置测量装置在运行中，通过所述探测元件总是确定当前的绝对位置值。此外，通过所述探测元件对所述增量的第三分度条进行扫描，其中由此确定比较精细的增量位置。为了提高分辨率或者说测量精度，将所述绝对位置值与增量位置关联起来。所述三个分度条彼此平行地沿着第一方向(x)伸展并且沿着第二方向(y)彼此隔开地布置。

6、通过这种方式，所述按本发明的位置测量装置尤其通过最小化测量偏差、像比如内插误差或反转误差实现了高的测量精度。

7、“气隙”应该是指在两个对置的面之间所占据的空间或者说间距，所述面能够导引磁通量。在此，所述气隙除了空气之外也能够具有任何其它的固体或者说任何其它的气体、气体混合物或它们的组合，其几乎没有铁磁相互作用、比如也具有铝合金。所述第一、第二和第三气隙在此也能够由不同的材料制成。例如，所述第一气隙和第二气隙能够由铝合金构成，并且所述第三气隙能够由空气构成。

8、所述在按本发明的位置测量装置中使用的传感器区能够被构造为磁敏结构，所述磁敏结构被施加到同一个面状的基底(例如玻璃基底)上。作为替代方案，能够为每个传感器区设置一个自身的面状的基底。这些传感器区能够由多个铁磁的金属条、例如坡莫合金构成。所述刻度元件的磁场影响金属条的磁化，由此电阻发生变化(磁阻效应)。这些与位置相关的电阻值在测评电子装置中对通过传感器区生成的传感器信号进行电子处理之后作为位置信息被输出。

9、通过两个永磁体的磁场b，所述传感器区经历所限定的预磁化，所述限定的预磁化阻止在金属条中构成磁畴。

10、这里所描述的坐标系是笛卡尔坐标系，也就是说所述第一方向(x)正交于第二方向(y)来定向并且所述第三方向(z)又正交于其它两个方向(x和y)来定向。

11、按照本发明的一种有利的改进方案，所述第三分度条能够关于第二方向(y)布置在第一分度条与第二分度条之间。在此有利的是，所述与第一和第二分度条对置地沿着第三方向(z)偏移地布置的两个永磁体能够关于所有在探测元件中所使用的传感器区施加预磁化。不需要处于所述第三分度条或者说第三传感器区之上的附加的永磁体。

12、所述刻度元件例如能够通过以下方法来构造，在所述方法中磁性材料被加入或被施加到基座元件的表面、比如具有矩形的横截面形状的金属的基座元件之中或之上。此后，所述分度条能够通过局部的磁化根据预先给定的精确的图案来产生。

13、所述位置测量装置有利地如此被配置，使得所述两个永磁体的磁化方向相同，这能够在第一和第二方向的至少一个平面(x、y平面)中在两个永磁体的上方和/或下方和/或之间引起具有均匀分量的磁场的构成，例如利用永磁体沿着第二方向(y)的偏移。

14、在此，所述两个永磁体的磁化方向能够如此被设计，使得所述第一永磁体的北极与所述第二永磁体的南极对置。作为替代方案，所述第一永磁体的南极也能够与所述第二永磁体的北极对置。

15、“均匀的区域”应该是指磁场的至少一个部分区域，其中至少一个平面(例如x、y平面)中的场力线全部平行地并且沿着同一个方向(例如y方向)伸展。

16、作为替代方案并且根据第三种实施方式，所述第三传感器区能够如此布置，使得其虽然还处于第一与第二永磁体之间的磁场b的均匀的区域中，但是在此不处于具有第一和第二传感器区的平面(x、y平面)中。

17、所述两个永磁体能够彼此平行地布置，使得所述永磁体的极定向(北极和南极之间的连接线的方向)分别具有垂直于测量方向(x方向)的方向分量。尤其所述两个永磁体的纵向棱边能够沿着测量方向(x方向)伸展。所述传感器区也能够沿着测量方向(x方向)彼此平行地布置，使得其纵向棱边沿着测量方向(x方向)来伸展。此外有利的是，对所述永磁体或者说传感器区的高度进行限定的副棱边平行于第三方向(z)来伸展。对所述永磁体或者说传感器区的宽度进行限定的副棱边能够平行于第二方向(y)来伸展。

18、在另一种设计方案中，所述第一永磁体能够如此相对于第一分度条沿着第三方向(z)偏移地布置，使得所述第一传感器区关于第三方向(z)处于第一分度条与第一永磁体之间。作为补充方案或替代方案，所述第二永磁体能够如此相对于第二分度条沿着第三方向(z)偏移地布置，使得所述第二传感器区关于第三方向(z)处于第一分度条与第二永磁体之间。在此有利的是，每个永磁体居中地处于每个传感器区的上方。

19、根据另一种设计方案，能够在所述第一永磁体与所述第一传感器区之间沿着第三方向(z)构造第二气隙。作为补充方案或替代方案，能够在所述第二永磁体与所述第二传感器区之间沿着第三方向(z)构造第二气隙。所述第一永磁体和第二永磁体在此能够处于一个平面(x、y平面)中。所述第一传感器区和第二传感器区也能够处于另一个平面(x、y平面)中，使得所述第二气隙沿着第三方向(z)相同地被构造在第一传感器区与第一永磁体之间以及第二传感器区与第二永磁体之间。

20、在本发明的另一种实施方式中，所述第一永磁体能够在基底的背侧上布置在第一传感器区的上方。所述第二永磁体能够类似地在基底的背侧上布置在第二传感器区的上方。因此，在这种实施方式中，在所述第一传感器区的基底与所述第一永磁体之间没有第二气隙，并且作为补充方案或替代方案在所述第二传感器的基底与所述第二永磁体之间没有第二气隙。然而，在永磁体与基底之间能够设置可松开的或固定的连接、例如粘合连接。

21、在此，“基底的背侧”应该是指所述基底表面的以下部分，所述部分沿着第三方向(z)与朝向分度条的面对置。

22、在本发明的另一种设计方案中，所述两个永磁体中的至少一个永磁体能够被构造为条形磁体。就具有矩形横截面的永磁体而言，所述纵向棱边能够限定长度xpm，并且所述副棱边能够限定宽度ypm和高度zpm。

23、永磁体是由半硬磁材料或硬磁材料、例如由用铁、钴、镍或特定的铁氧体构成的合金制成。永磁体的磁场是静磁场。永磁体在其表面上拥有一个或多个北极和南极。

24、与永磁体相类似，所述传感器区也能够近似地被描绘为长方体，其中所述纵向棱边限定长度xs，并且所述副棱边限定宽度ys以及高度zs。在这种情况下适用zs<<xs和zs<<ys。

25、在本发明的另一种设计方案中，能够如此在长度、宽度和高度方面确定所述两个永磁体的尺寸并且作为替代方案或补充方案能够如此沿着第二方向(y)确定所述第一气隙的尺寸并且作为替代方案或补充方案能够如此沿着第三方向(z)确定所述第二气隙的尺寸，从而至少在传感器区的区域中所述磁场至少在第一和第二方向的平面(x、y平面)中构成均匀的区域。在此有利的是，所述磁场的均匀的区域能够引起所述传感器区的沿着第二方向的预磁化，这阻止在传感器区的金属条中构成磁畴。

26、作为用于对所述均匀的区域的局部位置产生影响的调节参量，尤其能够使用各个永磁体的几何形状、各个永磁体的能量乘积的选择以及所述第一气隙并且作为补充方案或替代方案能够使用所述第二气隙。

27、在本发明的另一种设计方案中，尤其能够如此沿着第一方向(x)并且作为补充方案或替代方案沿着第二方向(y)确定所述第一永磁体的尺寸，使得该第一永磁体伸出超过第一传感器区的尺寸。与此类似，作为补充方案或替代方案，尤其能够如此沿着第一方向(x)并且沿着第二方向(y)确定所述第二永磁体的尺寸，使得该第二永磁体伸出超过第二传感器区的尺寸。

28、“传感器区的尺寸”应该是指那些对传感器区的长度和宽度进行限定的棱边。否则，由此是指所述传感器区面到永磁体所在的平面(x、y平面)上的正交投影(沿着第三方向z)的棱边。

29、在另一种设计方案中，能够如此确定所述第一永磁体的尺寸，从而仅仅其沿着第二方向(y)的尺寸大于所述第一传感器区的沿着第二方向(y)的尺寸。也能够类似地或者仅仅如此确定所述第二永磁体的尺寸，从而仅仅其沿着第二方向(y)的尺寸大于所述第二传感器区的沿着第二方向(y)的尺寸。

30、根据另一种设计方案，所述两个永磁体能够在几何形状上相同地构成，也就是说所述第一永磁体和第二永磁体的结构形式、横截面形状以及棱边长度能够相等。

31、根据本发明的另一种设计方案，所述两个永磁体能够拥有相同的能量乘积，也就是说，所述第一永磁体的能量乘积和所述第二永磁体的能量乘积具有相同的量值。

32、永磁体的能量乘积是能够同时存在于永磁体的材料中的由磁通密度和磁场强度构成的最大乘积。

33、在本发明的另一种设计方案中，如此确定所述第一气隙的沿着第二方向(y)的尺寸，使得其至少相应于所述第三传感器区的沿着第二方向(y)的尺寸。

34、在本发明的另一种设计方案中，所述刻度元件能够具有至少一个另外的、增量地构成的分度条。所述另外的分度条同样能够布置在第一与第二分度条之间，使得所述第一、第二、第三和另外的分度条平行地并且沿着第二方向(y)隔开地布置。也能够在与另外的分度条对置的情况下沿着第三方向(z)布置至少一个另外的传感器区。在此，所述探测元件中的传感器区如此构成，从而通过其能够对所述分度条进行扫描。在此，所述第一永磁体如此相对于第一分度条沿着第三方向(z)偏移地布置，使得所述第一传感器区处于第一分度条与第一永磁体之间。作为补充方案或替代方案，所述第二永磁体如此相对于第二分度条沿着第三方向(z)偏移地布置，使得所述第二传感器区处于第一分度条与第二永磁体之间。在此，所述第一与第二永磁体之间的磁场如此构成，使得至少所述第三传感器区以及另外的传感器区处于所述磁场的具有关于第一和第二方向的至少一个平面(x、y平面)的均匀的场力线分量的区域中并且能够被所构造的磁场穿过。在此，所述第一传感器区、第二传感器区、第三传感器区和另一传感器区能够处于一个平面(x、y平面)中。作为替代方案，所述第一和第二传感器区处于第一平面(x、y平面)中，并且所述第三和另一传感器区处于第二平面(x、y平面)中。在此，所述第一平面与第二平面在其沿着第三方向(z)的位置方面有区别。

技术特征：

1.一种位置测量装置，包括探测元件(2)和相对于所述探测元件(2)沿着第一方向(x)能运动的刻度元件(1)，其中，

2.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中所述第三分度条(1.3)布置在所述第一分度条(1.1)与所述第二分度条(1.2)之间。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中两个永磁体(2.10；2.20)的磁化方向相同。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中所述传感器区(1.1；1.2；1.3)的纵向棱边(xs)具有平行于所述第一方向(x)的方向分量并且/或者所述永磁体(2.10；2.20)的极定向具有垂直于所述第一方向(x)的方向分量。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中所述第一永磁体(2.10)相对于所述第一分度条(1.1)沿着所述第三方向(z)偏移地布置，使得所述第一传感器区(2.1)处于所述第一分度条(1.1)与所述第一永磁体(2.20)之间，并且/或者所述第二永磁体(2.20)相对于所述第二分度条(1.2)沿着所述第三方向(z)偏移地布置，使得所述第二传感器区(2.2)处于所述第二分度条(1.2)与所述第二永磁体(2.20)之间。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中在所述第一永磁体(2.10)与所述第一传感器区(2.1)之间沿着所述第三方向(z)构造了第二气隙(l2)，并且/或者在所述第二永磁体(2.20)与所述第二传感器区(2.2)之间沿着所述第三方向(z)构造了第二气隙(l2)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中所述第一永磁体(2.10)布置在所述第一传感器区(2.1)的背侧上，并且/或者所述第二永磁体(2.20)布置在所述第二传感器区(2.2)的背侧上。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中两个永磁体(2.10；2.20)中的至少一个永磁体被构造为条形磁体。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中在长度(xpm)、宽度(ypm)和高度(zpm)方面确定两个永磁体(2.10；2.20)的尺寸并且/或者沿着所述第二方向(y)确定所述第一气隙(l1)的尺寸并且/或者沿着所述第三方向(z)确定所述第二气隙(l2)的尺寸，使得至少在所述传感器区(2.1；2.2；2.3)的区域中所述磁场(b)至少按照所述第二方向(y方向)均匀地构成。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中确定所述第一永磁体(2.10)的尺寸，使得所述第一永磁体伸出超过所述第一传感器区(1.1)的尺寸，并且/或者确定所述第二永磁体(2.20)的尺寸，使得所述第二永磁体伸出超过所述第二传感器区(2.20)的尺寸。

11.根据权利要求10所述的位置测量装置，其中确定所述第一永磁体(2.10)的尺寸，使得仅仅其沿着所述第二方向(y)的尺寸大于所述第一传感器区(1.1)的沿着所述第二方向(y)的尺寸，并且/或者确定所述第二永磁体(2.20)的尺寸，使得仅仅其沿着所述第二方向(y)的尺寸大于所述第二传感器区(1.2)的沿着所述第二方向(y)的尺寸。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中两个永磁体(2.10；2.20)在几何形状上相同地构成。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中两个永磁体(2.10；2.20)具有相同的能量乘积。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中所述第一气隙(l1)的沿着所述第二方向(y)的尺寸至少相当于所述第三传感器区(2.3)的沿着所述第二方向(y)上的尺寸。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的位置测量装置，其中所述刻度元件(1)具有至少一个另外的分度条(1.4)，所述至少一个另外的分度条增量地构成并且布置在所述第一分度条(1.1)与所述第二分度条(1.2)之间，其中沿着所述第三方向(z)与所述至少一个另外的分度条(1.4)对置地布置了至少一个另外的传感器区(2.4)。

技术总结
本发明涉及一种位置测量装置，其包括探测元件(2)和刻度元件(1)。所述刻度元件(1)包括第一分度条(1.1)和第二分度条(1.2)以及第三分度条(1.3)。三个分度条(1.1；1.2；1.3)彼此平行地布置。所述探测元件(2)包括与第一分度条(1.1)对置的第一传感器区(2.1)、与第二分度条(1.2)对置的第二传感器区(2.2)和与第三分度条(1.3)对置的第三传感器区(2.3)。所述传感器区(2.1；2.2；2.3)如此构成，使得它们能够扫描所述分度条(1.1；1.2；1.3)。另外，所述探测元件(2)包括第一永磁体(2.10)和第二永磁体(2.20)，它们通过磁场B的构造在所述传感器区(2.1；2.2；2.3)中引起预磁化。

技术研发人员：M·休曼,J·施耐德
受保护的技术使用者：约翰内斯·海德汉博士有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23