MEHRSPURANORDNUNG FÜR LINEAR- UND WINKELMESSSYSTEME

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Längen- oder Winkelmesssystem, ein entsprechendes Messsystem, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für ein Längen- oder Winkelmesssystem.

HINTERGRUND

[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Messsysteme zur Positionsbestimmung bekannt, insbesondere Linear-/Längenmesssysteme, Winkelmesssysteme oder Drehgeber. Linearmesssysteme bzw. Längenmesssysteme sind dazu ausgebildet, die Position entlang einer Strecke mit unterschiedlichen Endpunkten zu bestimmen. Dagegen sind Winkelmesssysteme 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. Üblicherweise wird die Positionsinformation des Messsystems über eine Schnittstelle an einen Servocontroller für eine Regelung oder Steuerung weitergeleitet (beispielsweise zur Regelung/ 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 Auswerteschaltung eine Positionsinformation berechnet. Die erhaltene Positionsinformation kann entweder relativ sein, wenn sie von einer Startposition abhängt, oder absolut sein, wenn jeder Punkt einer Trajektorie durch die kodierte Positionsinformation der Maßverkörperung eindeutig definiert ist. Abhängig vom Messsystem bewegt sich der Abtastkopf oder die Maßverkörperung. Im Fall einer kreisförmigen Maßverkörperung wird von Rotor und Stator gesprochen.

[0004] Zur absoluten Positionsmessung sind sogenannte Nonius-codierte Maßverkörperungen bekannt. Dabei weist die Maßverkörperung mindestens zwei periodisch codierte Messspuren auf, welche unterschiedliche Teilungsperioden haben, so dass für jede Position auf der Maßverkörperung eine eindeutige Signalkombination der Spuren vorhanden ist.

[0005] Bekannt sind Maßverkörperungen mit zwei oder mehreren magnetisch kodierten Messspuren, welche typischerweise nebeneinander in der gleichen Ebene angeordnet sind.

[0006] Bei solchen mehrspurigen, magnetisch kodierten Messspuranordnungen tritt aber das Problem des Übersprechens (engl. „Cross-Talk“) auf. Dieses Problem tritt sowohl zwischen Magnetpolen separater Spuren als auch zwischen den Magnetpolen derselben Spur auf. Der Stand der Technik offenbart Lösungsansätze, welche zur Verringerung des Übersprechens beitragen sollen. Diese beziehen sich insbesondere auf den Magnetisierungs- bzw. Kodierungsprozess oder auf die Art der Magnetisierungsmuster.

[0007] So offenbart die Druckschrift EP3285267B1 eine Magnetisierungsvorrichtung zur Magnetisierung einer Maßverkörperung mit mehreren Spuren. Dabei soll eine magnetische Abschirmung der Magnetisierungsköpfe das Überschreiben bzw. das Übersprechen während der Magnetisierung verringern.

[0008] Die Druckschrift EP2839247B1 offenbart einen magnetischen Kodierer für die Produktion eines Indexsignals, welcher den Einfluss des Indexes bzw. der Referenzspur auf die Inkremental spur reduzieren soll.

[0009] Die Druckschrift EP2579002B1 offenbart einen Encoder mit mehreren Reihen magnetisch kodierter Spuren. Durch die Konfigurierung der Spuren und der Positionen der dazugehörigen Sensoren soll die Interferenz des Magnetmusters der Reihen dem jeweiligen Sensor als ein magnetisches Muster gleicher Teilung erscheinen.

[0010] Ein weiterer Ansatz ist, durch eine digitale Bearbeitung des Messsignals das Problem des Übersprechens zu reduzieren.

[0011] Die im Stand der Technik offenbarten Ansätze sind mit sehr großem Aufwand verbunden und sehr komplex, sollen das Problem des Übersprechens nur teilweise lösen, sind schwer skalierbar und/oder unterliegen technischen Einschränkungen. Zudem verlieren sie bei einer dynamischen Veränderung von Systemparameter, z.B. des Arbeitspunkts, vielfach ihre Gültigkeit. [0012] Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung für ein Längenoder Winkelmesssystem bereitzustellen, welches die obigen Nachteile überwindet, insbesondere das Problem des Übersprechens deutlich reduziert und gleichzeitig besonders kompakt bleibt.

ZUSAMMENFAS SUNG

[0013] Die genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen sowie Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0014] Es wird eine Vorrichtung für ein Längen- oder Winkelmesssystem, die folgendes aufweist: eine erste Spur mit einer magnetischen Codierung entlang einer Messrichtung, und mindestens eine zweite Spur mit einer geometrischen Codierung entlang der Messrichtung.

[0015] 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 Spur einen ersten Messkanal bildet, und mindestens einem zweiten Sensorelement, das zusammen mit der zweiten Spur einen zweiten Messkanal bildet.

[0016] Außerdem wird ein Verfahren beschrieben mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats aus einem magnetischen Material; Magnetisieren des Substrats zur Bildung einer ersten Spur mit einer magnetischen Codierung entlang einer Messrichtung; und Ändern mindestens eines geometrischen Merkmals des Substrats entlang der Messrichtung zur Bildung mindestens einer zweiten Spur mit einer geometrischen Codierung entlang der Messrichtung.

[0017] Dadurch wird insbesondere das Problem des Übersprechens auf einfache und skalierbare Weise vermieden. Außerdem bleibt das Messsystem besonders kompakt und kann auf einfacher und schneller Weise hergestellt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0018] Nachfolgend werden zum besseren Verständnis der Merkmale und Vorteile der Erfindung einige Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren 1 bis 17 genauer beschrieben. Die Darstellungen der Figuren veranschaulichen jedoch nur einige Ausführungsformen und sind nicht als einschränkend zu betrachten, da es auch andere, ebenso wirksame Ausführungsformen geben kann. Es wird darauf hingewiesen, dass einige der in den Figuren dargestellten Details und/oder Merkmale aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht maßstabsgetreu wiedergegeben sind.

[0019] Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Positionsmesssystems.

[0020] Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längenmesssystems gemäß dem Stand der Technik.

[0021] Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Winkelmesssystems gemäß dem Stand der Technik.

[0022] Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Längenmesssystems mit einer periodisch kodierten Maßverkörperung und einem periodischen Sensorelement.

[0023] Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Messspuranordnung für ein Längenmesssystem mit einer periodischen, magnetischen Spur.

[0024] Figur 6 zeigt Diagramme, welche ein erzeugtes elektrisches Signal eines (a) Hall- Sensors und eines (b) magnetoresistiven oder Magnet-Impedanz-Sensors bei der Abtastung eines Magnetpolpaars anzeigen.

[0025] Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung von oben einer Messspuranordnung mit zwei Spuren mit unterschiedlichen Teilungsperioden.

[0026] Figur 8 zeigt ein Diagramm der Magnetfeldstärke als Funktion des Abstands zwischen Maßverkörperung und Sensor für verschiedene Teilungsperioden (Pollängen).

[0027] Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Magneten mit zwei Polen und seinen Magnetfeldlinien.

[0028] Figur 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Maßverkörperung für die Winkelmessung mit (a) axialem Magnetpolpaar und (b) diametralem Magnetpolpaar.

[0029] Figur 11 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer Ausführungsform einer Maßverkörperung mit (a) axialem Magnetpolpaar und (b) diametralem Magnetpolpaar, wobei die Maßverkörperung eine zweite (Nonius-)Messspur mit sinusförmiger Geometrie aufweist. [0030] Figur 12 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Maßverkörperung mit (a) axialem Magnetpolpaar und (b) diametralem Magnetpolpaar, welche eine geometrische Modulation mehrerer (Nonius-)Messspuren ohne bzw. mit Superposition der zusätzlichen Messspuren aufweisen.

[0031] Figur 13 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Maßverkörperung mit einer magnetischen Spur und zwei superposierten, geometrisch modulierten Messspuren an der Innenkante.

[0032] Figur 14 zeigt Querschnitt-Darstellungen weiterer Ausführungsformen einer Maßverkörperung mit (a) lediglich einer magnetischen Messspur, (b) lediglich einer geometrischen Spur und (c) einer Kombination einer magnetische und einer geometrischen Spur.

[0033] Figur 15 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer Ausführungsform einer Maßverkörperung für ein Längenmessgerät mit zwei geometrisch kodierten Messspuren.

[0034] Figur 16 zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Maßverkörperung für ein Längenmessgerät mit zwei, durch Superpositionierung geometrisch kodierten Messspuren.

[0035] Figur 17 zeigt ein Diagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Maßverkörperung für ein Messsystem.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0036] Figur 1 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Positionsmesssystems, vorliegend 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 Geschwindigkeit und/oder des Drehmoments, oder zur Steuerung weitergeleitet.

[0037] Die Maßverkörperung 1 enthält eine kodierte Information, welche in unterschiedlichsten 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 mäanderförmige Struktur aufweisen, die mit einem Wechselstromsignal versorgt wird. [0038] 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 Sensor 2.1 kann dabei die ganze Länge bzw. Oberfläche der Maßverkörperung 1 abtasten (erfassen) oder auch nur einen Teil bzw. ein Segment davon. Der Sensor 2.1 generiert bei der Abtastung ein oder mehrere analoge Signale.

[0039] Der Abtastkopf 2 umfasst zudem eine Elektronikschaltung mit einer Auswertungselektronik 2.2 (Sensorschaltung), welche die analogen Sensorsignale durch geeignete Methoden 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 physikalischen Auswertungskanal zur Verfügung zu stellen.

[0040] Das Positionsmesssystem kann eine ein Linearmesssystem oder ein Längenmesssystem sein. Figur 2 zeigt eine Darstellung eines Linear- bzw. Längenmesssystems. Die Maßverkörperung 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 bewegen, um die Maßverkörperung 1 zu erfassen.

[0041] Figur 3 zeigt dagegen eine Darstellung eines Winkelmesssystems mit einer ringförmigen Maßverkörperung 1 und einem korrespondierenden, ebenfalls ringförmigen Sensorkopf 2. Die Maßverkörperung 1 weist eine kreisförmige Codierung entlang einer radialen Richtung, 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 Maßverkörperung starr bleibt und als Stator dient. Alternativ kann die Maßverkörperung sich um die Achse drehen und der Sensorkopf starr bleiben.

[0042] Üblicherweise sind die Maßverkörperung 1 und der Sensorkopf 2 um einen im Wesentlichen 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. Somit können sowohl optische als auch magnetische, kapazitive oder induktive Messungen durchgeführt werden.

[0043] Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Linearmesssystems gemäß dem Stand der Technik, welches auf einem induktiven Messprinzip basiert. Die kodierte Information wird dabei durch unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Permeabilitäten p (Reluktanzen) und / oder unterschiedlicher Leitfähigkeiten G in die Maßverkörperung 1 (den Maßstab) eingebracht. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich die linearförmige Maßverkörperung 1 entlang einer Messrichtung x, wobei zwei benachbarte Bereiche in der Messrichtung eine unterschiedliche Permeabilität bzw. Leitfähigkeit aufweisen. Die Codierung ist periodisch, wobei eine Periode eine Folge eines ersten Bereichs mit einer Permeabilität po bzw. Leitfähigkeit so und eines zweiten Bereichs mit einer Permeabilität pi bzw. Leitfähigkeit GI umfasst und eine Teilungsperiode A aufweist. Durch relative Bewegung der Maßverkörperung 1 und eines Sensorkopfs kann eine inkrementelle Positionsmessung ausgehend von einer Startposition des Sensorkopfs ausgeführt werden.

[0044] Grundsätzlich umfasst die Maßverkörperung 1 eine oder mehrere periodisch oder aperiodisch kodierte Messspuren. Im Fall einer periodischen Kodierung entspricht die Teilungsperiode X 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, sondern 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 mindestens einer Emitterspule 2.1.1.1 und einer oder mehreren Empfänger spul en 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.

[0045] Das Sensorelement 2.1.1 deckt mindestens eine Teilungsperiode X der Messspur ab. Das Sensorelement kann auch mehrere Teilungsperioden n (mit n G N) abdecken, wobei n die Anzahl an Teilungsperioden bezeichnet. Somit können möglich auftretende Fehler gemittelt werden, was der allgemeine Messfehler reduziert. Die Emitterspulen 2.1.1.1 und die Empfängerspulen 2.1.1.2 können bspw. als Leiterbahnen in Form einer Mäanderstruktur (Flachspulen) 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.

[0046] Eine Messspur der Maßverkörperung 1 bildet in Kombination mit dem Sensorelement 2.1.1 einen Messkanal. Die Elektronikschaltung 2.2 speist einen Wechselstrom in die Emitterspule(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 (Gegeninduktion) zwischen den Emitter- 2.1.1.1 und Empfängerspulen 2.1.1.2 wird in den Empfänger spul en 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 Sensorstruktur) moduliert.

[0047] Im Falle unterschiedlicher Permeabilitäten p werden jene Bereiche der Maßverkörperung 1 mit höherer magnetischer Permeabilität (pi > po) die Gegeninduktion bzw. den in den Empfänger spul en 2.1.1.2 induzierten Wechselstrom verstärken.

[0048] Im Falle unterschiedlicher Leitfähigkeiten G werden jene Bereiche der Maßverkörperung 1 mit höherer Leitfähigkeit (GI > so) die Gegeninduktion bzw. den in den Empfängerspulen 2.1.1.2 induzierten Wechselstrom verringern.

[0049] Die in den Empfängerspulen 2.1.1.2 induzierten Wechselströme bzw. die gemessenen Signale werden von der Auswertungselektronik 2.2 demoduliert und in Positionsinformation 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 Interface) und umfasst einen Leistungsverstärker (line driver), z.B. des Typs RS485, sowie ein Kabel und einen Verbinder.

[0050] 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 berechnet. Alternativ kann der Sensorkopf starr sein, während die Maßverkörperung sich selbst bewegt, zum Beispiel sich dreht. [0051] Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Maßverkörperung für ein Messsystem, vorliegend ein Längenmesssystem. Die Maßverkörperung, vorliegend als Maßstab ausgebildet, umfasst ein Substrat sowie eine magnetische Messspuranordnung. Die magnetische Messspuranordnung besteht aus einer oder mehreren Messspuren, die mit einem periodischen oder aperiodischen („random“) Muster kodiert sind. Dabei bezeichnet eine Messspur, eine Spur die so kodiert ist, dass deren Abtastung („sensing“) durch einen Sensor die Bestimmung der absoluten und/oder relativen Position des Sensors auf der Messspur erlaubt. Im Beispiel der Figur 1 umfasst die magnetische Messspuranordnung eine einzige Messspur mit einer periodischen Teilung. Eine Teilungsperiode entspricht der Länge X eines magnetischen Poles bzw. der Länge 2*X eines magnetischen Polpaares.

[0052] Eine magnetische Messspuranordnung kann aus einem hartmagnetischen Material bestehen, wie beispielsweise Ferriten oder Legierungen auf Basis von Aluminium, Nickel, Kobalt, Neodym, Eisen-Bor. Die Messspuranordnung kann durch verschiedene Verfahren wie Synthetisieren, Formen, Vulkanisieren und Walzen hergestellt werden. Zusätzlich kann die Messspuranordnung zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und/oder der magnetischen Eigenschaften auf einem Substrat gefertigt oder nachträglich aufgeklebt werden.

[0053] Nach der Herstellung der Maßverkörperung wird in das Magnetmaterial der magnetischen Messspuranordnung eine Skala (Messspur) mit einem periodischen oder aperiodischen Muster von Magnet-Polpaaren magnetisiert. Die Magnetisierung kann sowohl in der Bewegungs- bzw. Drehrichtung (axial oder radial) des Messsystems erfolgen als auch orthogonal dazu. Bei der Magnetisierung des Substrats zur Herstellung der Messsspur handelt es sich um eine remanente Magnetisierung. Die Messspur weist somit eine magnetische Codierung entlang einer gegebenen Messrichtung und ist durch eine Vielzahl von magnetischen Abschnitten gebildet, wobei zwei benachbarte Abschnitte eine unterschiedliche Magnetisierung aufweisen.

[0054] Magnetische Messgrößen umfassen beispielsweise die Feldstärke, die Flussdichte, die Reluktanz, die Permeabilität, die Sättigungsmagnetisierung, das Dipolmoment und die Polarisation.

[0055] Typische Magnetsensoren verwenden Hall-, magnetoresistive (MR) oder Magnet- Impedanz (MI) Effekte, um die magnetische Skala abzutasten. Bei der Abtastung erzeugen sie ein elektrisches Signal, welches eine Abbildung des magnetisierten Musters der Messspuranordnung ist. [0056] Figur 6a zeigt ein Messsystem mit einem Magnetpolpaar und einem Hall-Sensor, sowie ein Diagramm, welches das bei der Abtastung des Magnetpolpaars durch den Hall-Sensor erzeugte, elektrische Signal anzeigt. Figur 6b) zeigt ein ähnliches Messsystems und ein korrespondierendes Diagramm, wobei der Sensor als Magnet-Impedanz-Sensor ausgebildet ist.

[0057] Wie aus Figur 6a ersichtlich wird bei Hallsensoren 2 durch die Abtastung eines Polpaares eine Signalperiode erzeugt. Dagegen wird, wie in Figur 6b dargestellt, bei MR- und Ml-Sensoren 3 durch der Abtastung eines einzelnen Pols eine Signalperiode erzeugt, während bei der Abtastung eines Polpaares zwei Signalperioden erzeugt werden. Somit ist es mit MR- und Ml-Sensoren nicht möglich, zwischen dem Nord- und dem Südpol zu unterscheiden.

[0058] Die erzeugten elektrischen Signale können dann durch eine Auswerteelektronik (Auswerteschaltung) zu einer Positionsinformation weiterverarbeitet werden. Sowohl für Längen- als auch für Winkelmesssysteme wird zwischen inkrementellen und absoluten Messsystemen unterschieden.

[0059] Eine Maßverkörperung (Messspuranordnung) für ein inkrementelles Messsystem weist in der Regel eine magnetisch kodierte Messspur auf. Zusätzlich kann die Maßverkörperung eine Referenzmarke bzw. eine Referenzspur aufweisen.

[0060] Eine Maßverkörperung für ein absolutes Messsystem weist mindestens zwei periodisch kodierte Messspuren oder mindestens eine aperiodisch kodierte Messspur auf. Zur absoluten Positionsmessung sind sogenannte Nonius-codierte Maßverkörperungen bekannt. Die Maßverkörperung weist dabei mindestens zwei periodisch codierte Messspuren auf, welche unterschiedliche Teilungsperioden haben, so dass für jede Position auf der Maßverkörperung eine eindeutige Signalkombination der Spuren vorhanden ist. Eine solche Nonius-Kodierung kann sowohl für lineare Messsysteme als auch für Winkelmesssysteme umgesetzt werden.

[0061] Sowohl bei Maßverkörperungen mit mindestens zwei periodischen Messspuren unterschiedlicher Teilungsperiode (Nonius-Codierung) als auch bei Maßverkörperungen mit einer aperiodischen Messspur kommt es zu einem Übersprechen zwischen den einzelnen Spuren bzw. Polen. Dieses Übersprechen wird üblicherweise durch besonders komplexe Magnetisierungsverfahren teilweise reduziert werden, welche zu einem erhöhten Aufwand führen und die Komplexität der Magnetisierung erhöhen. Eine Reduzierung des Übersprechens ist teilweise auch durch eine digitale Signalbearbeitung möglich. Der Aufwand dafür bleibt aber relativ groß. Außerdem sind diese Ansätze nicht besonders flexible und müssen bei dynamischer Änderung von Systemparametern, zum Beispiel des Arbeitspunkts, angepasst werden, was aber nicht immer möglich ist. Die bekannten Lösungen sind nicht leicht skalierbar und weisen einige physikalische und technologische Einschränkungen auf, welche nachfolgend beschrieben werden.

[0062] Die magnetische Maßverkörperung ist auf eine gerade Polzahl beschränkt. Dies ergibt sich aus dem Gaußschen Gesetz für Magnetfelder: V ■ B = 0, nach welchem das Feld der magnetischen Flussdichte quellenfrei ist, denn es gibt keine magnetischen Monopole.

[0063] Dies ist insbesondere für die Abtastung einer Maßverkörperung mit MR- und Ml- Sensoren 3 ein Problem, weil durch die Quellenfreiheit der magnetischen Flussdichte keine Nonius-Kodierung möglich ist. Für eine Nonius-Kodierung müsste eine Messspur eine ungerade Anzahl an Teilungsperioden aufweisen, was aber aus besagtem Grund nicht möglich ist. Für die Bestimmung der absoluten Position einer Nonius-Kodierung muss nämlich der größte gemeinsame Teiler ggT der Anzahl der Teilungsperioden n der verschiedenen Spuren gleich 1 sein (ggT (nl, n2) = 1), so dass nicht alle Spuren eine gerade Polzahl aufweisen können.

[0064] Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung von oben einer Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem mit zwei magnetisch codierten Messsspuren, welche in der gleichen Ebene, konzentrisch angeordnet sind. Die erste, äußere Messspur 1.1 umfasst 16 Polpaare und die zweite, innere Messspur 1.2 umfasst 3 Polpaare. Die Messspuren sind entlang einer radialen Messrichtung angeordnet, welche senkrecht zur Dicke der Maßverkörperung angeordnet ist. Bei der Abtastung mit einem Hallsensor werden somit, wie oben erklärt, 16 bzw. 3 Sinusperioden generiert. Bei der Abtastung mit einem MR- oder Ml-Sensor werden 32 bzw. 6 Sinusperioden generiert. Bei der Abtastung mit MR- oder Ml-Sensoren wiederholt sich somit das magnetische Muster somit bereits nach 180°. Eine Nonius-Kodierung ist mit dieser Sensortechnologie nicht kompatibel.

[0065] Außerdem sind die Magnetsensoren (Hall, MR und MI) sensitiv gegenüber Änderungen der Magnetfeldstärke in einer der Richtungen x, y oder z eines kartesischen Koordinatensystems. Eine magnetische Maßverkörperung mit einer nicht periodischen Messspur oder mit mindestens zwei Messspuren unterschiedlicher Teilungslänge enthält Positionsinformationen in Form einer Variation in der Amplitude des Magnetfeldes. Die Amplitude ist dabei direkt proportional zur Länge des Magnetpols. [0066] Bei einem Messsystem mit einer Nonius-Kodierung kann somit der optimale Arbeitspunkt des Magnetsensors jeder Messspur erheblich variieren. Der Arbeitspunkt entspricht dem Abstand des Sensors zur Maßverkörperung in einer Richtung, welche senkrecht zur Ebene der Maßverkörperung läuft, und wird auch als Luftspalt bezeichnet.

[0067] Dieses Problem wird in Figur 8 veranschaulicht. Figur 8 zeigt ein Diagramm, welches die Magnetfeldstärke abhängig vom Luftspalt (in Millimeter) für verschiedene Teilungsperioden, wobei eine Teilungsperiode einer Pollänge entspricht. Für einen gegebenen Luftspalt ändert sich die Amplitude des Magnetfelds für zwei unterschiedliche Spuren wesentlich. Beispielweise ist bei einem Luftspalt von 4 mm die Amplitude des Magnetfelds für eine Spur mit einer Teilungsperiode von 4 mm etwa 10-mal größer als für eine Spur mit einer Teilungsperiode von 0,5 mm. Der Arbeitspunkt für eine mehrspurige Anordnung kann also nur durch ein Kompromiss zwischen den verschiedenen Spuren der Anordnung ausgewählt werden.

[0068] Grundsätzlich ist eine große Signalamplitude erwünscht. Desto höher die Amplitude, desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. „signal to noise ratio“ - SNR). Ein Problem besteht aber auch darin, dass bei zu hoher Magnetfeldstärke die Signalamplitude des Sensors auch in Sättigung gehen kann, wenn sich zum Beispiel der Arbeitspunkt während des Betriebs ändert (dynamische Änderung). Dynamische Änderungen des Arbeitspunkts, wie z.B. durch Temperaturausdehnungen, sind unausweichlich. Es muss also bei der Auswahl des Arbeitspunkts ein Kompromiss zwischen Arbeitsbereich und Leistungsfähigkeit des Messsystems gefunden werden.

[0069] Dieses Problem tritt auch bei magnetischen Messspuren mit aperiodischer Teilung auf. Solche aperiodische Spuren weisen eine Vielzahl von Teilungen mit unterschiedlichen Längen auf, welche unterschiedliche magnetische Feldstärke erzeugen. Jede Teilung erzeugt nämlich eine eigene magnetische Feldstärke mit einer gewissen Amplitude, die direkt proportional zu der Teilungslänge ist.

[0070] Nachfolgend wird eine magnetische Messspuranordnung beschrieben, welche die oben genannten Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet und, insbesondere, einfach herzustellen ist und skalierbar ist. Außerdem können mit dieser Anordnung Übersprechen sowohl während der Magnetisierung als auch später im Betrieb vermieden und beliebige, periodische und/oder aperiodische Muster erlaubt werden, inklusive Spuren mit einer ungeraden Anzahl von Teilungsperioden. [0071] Dazu werden zwei unterschiedliche Effekte für die Kodierung von Messspuren miteinander kombiniert: einerseits den Effekt der von einer magnetisierten Spur (Magnetspur) erzeugten Magnetfeldvektoren; andererseits den Effekt einer mechanischen Veränderung, insbesondere geometrische Modulation, der magnetisierten Spur. Eine magnetisierte bzw. magnetische Spur bzw. Magnetspur bezeichnet dabei eine Spur, welche durch eine Vielzahl von magnetischen Abschnitten gebildet ist, wobei zwei benachbarte Abschnitte eine unterschiedliche Magnetisierung aufweisen. Beispielweise weist eine magnetische Spur ein oder mehrere Magnetpolpaare.

[0072] Eine mechanische Veränderung bezeichnet eine Veränderung, insbesondere die Veränderung 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.

[0073] Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Maßverkörperung 1 in Form eines Magneten, wobei die Magnetpole entlang einer X-Achse gerichtet sind. Der Übersichtlichkeit halber zeigt Figur 9 lediglich eine 2D-Darstellung der Magnetlinien des durch den Magneten erzeugten Magnetfelds. Es ist aber klar, dass das das Magnetfeld in allen Richtungen wirkt und somit ein 3D-Effekt ist. Die magnetischen Feldlinien beginnen am Nordpol des Magneten und enden am Südpol. In jedem Punkt des Raums kann das Magnetfeld durch einen Magnetfeldvektor B und seine Komponenten Bx, By (in Figur 9 nicht dargestellt) und Bz charakterisiert werden, wobei x, y und z die kartesianischen Koordinaten bezeichnen.

[0074] Die Magnetfeldstärke sowie deren Vektoren sind direkt abhängig vom verwendeten hartmagnetischen Material bzw. von der Legierung des Magneten, vom Magnetisierungsverfahren/-prozess bzw. der Magnetisierungsanlage, sowie von der Geometrie des Magneten.

[0075] Durch die Änderung der Geometrie (Höhe, Breite, Länge) des Magneten in beliebiger Richtung ändern sich auch die Magnetfeldstärke sowie deren Vektoren dementsprechend. Genau dieser Effekt wird vorliegend zur Kodierung einer Messspur verwendet. Das Magnetfeld kann durch Analysemethoden berechnen werden. Es wird aber meistens mit der Unterstützung von Computersimulationen berechnet, z. B. basierend auf derFinite-Elemente-Methode (FEM). Durch Variation mindestens eines geometrischen Merkmals des Substrats entlang der Messrichtung des Sensors kann daher eine zusätzliche, geometrische Codierung auf dem Substrat gebildet werden. In einem Beispiel ist die geometrische Codierung durch eine Variation der äußeren Form des Substrates gebildet. In einem weiteren Beispiel ist diese zusätzliche Codierung periodisch.

[0076] Figur 10 zeigt perspektivische Darstellungen einer Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem axialen magnetischen Polpaar (Figur 10a) und mit einem diametralen magnetischem Polpaar (Figur 10b). Die Polpaare entsprechen somit einer ersten magnetischen Spur. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass die im Folgenden vorgestellten Beispiele und Prinzipien auch für Maßverkörperungen von Längenmesssystemen angewandt werden können (siehe auch Figuren 15 und 16).

[0077] Figur 11a zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem axialen magnetischen Polpaar. Im Vergleich zu dem Beispiel der Figur 10a weist die kreiszylinderförmige Maßverkörperung 1 der Figur 11a eine äußere Kreiskante 1.1 in der dargestellten Ebene auf, welche leicht deformiert ist. Eine Breite der Maßverkörperung ist nicht mehr konstant, sondern variiert abhängig vom Kreiswinkel. Genauer gesagt weist die äußere Kante 1.1 der Maßverkörperung eine periodische Variation auf, so dass die äußere Kante 1.1 sinusförmig ausgebildet ist mit drei Sinusperioden. Der Radius des äußeren Rands der Maßverkörperung in der dargestellten Ebene wird anhand der folgenden Formel berechnet:

[0078] wobei w der Winkel in Grad mit 0° < w < 360° ist; t die Anzahl der Teilungsperioden, welche durch geometrische Modulation erzeugt werden; A die Amplitude der Sinuswelle; und r der Radius der Sinuswelle. Der Index bezeichnet lediglich die erste geometrisch erzeugte Spur. Im Beispiel der Figur 11a wurden folgende Parameter verwendet: ti = 3, Ai = 0,1 und n = 0,9. Der ursprüngliche Außenradius der Maßverkörperung vor der Deformation ist dabei auf eins normiert.

[0079] Die periodische Variation des Außenradius der Maßverkörperung bildet eine weitere Messspur zusätzlich zu der ersten, magnetischen Spur, welche durch das Polpaar gebildet ist. Gemeinsam mit dem magnetisierten Polpaar (zwei Pole) bildet diese zusätzliche Messspur mit drei Perioden eine Nonius-Kodierung, da der größte gemeinsame Teiler ggT(3, 2) gleich eins ist.

[0080] Es ist klar, dass eine zusätzliche, geometrische Spur durch eine Variation anderer geometrischen Parameter der Maßverkörperung gebildet werden kann. Zum Beispiel kann eine Höhe, eine Breite oder eine Dicke der Maßverkörperung variiert werden, um eine geometrische Spur zu erzeugen. Die geometrische Spur wird entlang der Messrichtung gebildet.

[0081] Durch eine Anpassung der Geometrie der Maßverkörperung kann also eine zusätzliche Messspur mit unterschiedlicher Teilung hinzugefügt werden, ohne eine zusätzliche Magnetisierung durchführen zu müssen. Dadurch, dass es nur eine magnetische Spur gibt, wird das Übersprechen zwischen mehreren magnetischen Spuren vermieden, womit die Genauigkeit der Sensormessung viel besser wird. Die gewünschte Geometrie kann sowohl direkt bei der Herstellung der magnetischen Spur, z.B. durch Sintern oder Spritzguss, als auch im Nachhinein, z.B. durch Fräsen, Ätzen, Schneiden oder Drehen hergestellt werden. Ob die Bearbeitung der Geometrie vor oder nach der Magnetisierung der magnetischen Spur erfolgt, spielt dabei ebenfalls keine Rolle.

[0082] Die folgenden Figuren zeigen weitere Beispiele von Maßverkörperungen, welche eine Kombination einer magnetischer und einer geometrischer Codierung aufweisen.

[0083] Figur 11b zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem diametral magnetischen Polpaar. Zusätzlich zum Polpaar (erste, magnetische Spur) weist die Maßverkörperung eine zweite und eine dritte Spur, welche durch eine Variation der Geometrie des Substrats gebildet werden. Insbesondere weisen sowohl die Außenkante 1.1 als auch die Innenkante 1.2 eine sinusförmige Geometrie mit drei Perioden. Der Radius f2(w) des äußeren Rands der Maßverkörperung in der dargestellten Ebene und der Radius fi(w) des inneren Rands der Maßverkörperung 1 werden anhand der folgenden Formel berechnet: 2(w) = r ₂ + Ä ₂ - sin(t ₂ ■ w), und (2)

/ ₃ (w) = r ₃ + Ä ₃ ■ sin(t ₃ ■ w), (3)

[0084] wobei t2 = 3; A2 = 0,1; n = 0,9; t3 = 3; A3 = 0,1; und n = 0,6.

[0085] Der Außenradius der Maßverkörperung, welcher der Radius der Maßverkörperung ohne Deformation entspricht, ist dabei auf 1 normiert und der Innenradius auf 0,5 normiert.

[0086] Im dargestellten Beispiel sind sowohl die magnetische Spur als auch die geometrischen Spuren entlang der Messrichtung, welche axial läuft, angeordnet. [0087] Figur 12a zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer weiteren Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem radial magnetischen Polpaar. Im Vergleich zum Beispiel der Figur 11a weist die Maßverkörperung 1 der Figur 12a nicht nur eine, sondern zwei zusätzliche geometrisch modulierte Spuren, nämlich an einer äußeren Kante 1.1 und an einer inneren Kante 1.2 des kreisförmigen Querschnitts. Die Außenkante 1.1 weist eine sinusförmige Geometrie mit fünf Perioden und die Innenkante 1.2 eine sinusförmige Geometrie mit drei Perioden. Der Radius fi(w) des äußeren Rands der Maßverkörperung 1 in der dargestellten Ebene und der Radius fs(w) des inneren Rands der Maßverkörperung 1 werden anhand der folgenden Formel berechnet:

/ ₄ (w) = r ₄ + A ₄ ■ sin(t ₄ ■ w), und (4) 5(w) = r ₅ + ^1 ₅ ■ sin(t ₅ ■ w), (5)

[0088] mit t4 = 3; Ä4 = 0,1; r4 = 0,9; ts = 3; As = 0,1; und rs = 0,6.

[0089] Somit umfasst die Maßverkörperung der Figur 12a eine erste, magnetische Spur mit zwei Perioden, eine zweite, geometrische Spur mit drei Perioden und eine dritte, geometrische Spur mit fünf Perioden, wobei der größte, gemeinsame Teiler der Perioden auch eins ist. Somit bildet die Maßverkörperung der Figur 12a auch eine Nonius-Codierung. Zu bemerken ist auch, dass sämtliche Spuren entlang derselben Messrichtung angeordnet ist.

[0090] Figur 12b zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer weiteren Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem mit einem radial magnetischen Polpaar. Im Vergleich zum Beispiel der Figur 12a zeigt Figur 12b eine Superposition zweier geometrischer Modulationen an der Innenkante 1.2. Die Geometrie der Innenkante der Maßverkörperung der Figur 12b ergibt sich also durch eine Überlappung einer sinusförmigen Geometrie mit drei Perioden und einer sinusförmigen Geometrie mit fünf Perioden. Es werden also an der Innenkante zwei geometrische Spuren gebildet. Der Radius fe(w) des inneren Rands der Maßverkörperung 1 wird anhand der folgenden Formel berechnet: 6(w) = r ₅ + [A ₄ ■ sin(t ₄ ■ w) + A ₅ ■ sin(t ₅ ■ w)], (6)

[0091] mit den oben angegebenen Parametern. Wiederum gilt, dass der ursprüngliche Außenradius auf 1 normiert ist und der ursprüngliche Innenradius auf 0,5 normiert ist. Die Geometrie der Innenkante der kreisförmigen Maßverkörperung gemäß Figur 12b kann daher als eine Superposition der beiden getrennten, modulierten Geometrien der Innen- und der Außenkante der Figur 12a.

[0092] Durch eine solche Superposition können beliebig viele Messspuren geometrisch auf einer Maßverkörperung erzeugt werden. Außerdem können die Amplituden A der geometrischen Codierungen angepasst werden, derart, dass die Signalamplituden für alle Spuren im gleichen Bereich (Toleranzband) liegen, selbst wenn die Anzahl der Perioden bzw. der Teilungslängen unterschiedlich ist, was mit rein magnetischen Spuren nicht ohne weiteres möglich ist. Auch bei der Superposition zweier oder mehrerer geometrischer Spuren ist eine Anpassung der jeweiligen Amplitude der Geometrie möglich.

[0093] Gemäß einem Beispiel weist die magnetische Messspur der Maßverkörperung die größte Anzahl von Teilungsperioden auf. Die mindestens eine geometrisch modulierte Messspur zur Generierung einer Nonius-Kodierung weist dementsprechend weniger Teilungsperioden auf. Die Anzahl von Magnetpolen bzw. magnetischen Abschnitten der Maßverkörperung wird mit n bezeichnet, wobei gilt, dass n ein Element der natürlichen, geraden Zahlen ist (n G N _g ). Gemäß einem Beispiel die Anzahl der Perioden für die magnetische Spur größer ist als die Anzahl der Perioden für die geometrische Spur, insbesondere um einen Faktor 1,5 größer ist als die Anzahl der Perioden für die geometrische Spur. Gemäß einem weiteren Beispiel gelten folgende Bedingungen: n > 1,5 * ti ; ti > 1,5 * t2 ; ti > 1,5 * ti+1, wobei ti die Anzahl der Perioden für die i-te, durch geometrische Veränderung erzeugte Spur. Somit kann ein Übersprechen bzw. eine gegenseitige Behinderung der zwei oder mehreren Messkanäle zueinander hinreichend reduziert bzw. zu beseitigt werden. Außerdem können die codierten Informationen der Messspuren genauer abgetastet werden.

[0094] Figur 13 zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer weiteren Maßverkörperung 1 für ein Winkelmesssystem. Die Maßverkörperung 1 weist eine erste, magnetische Messspur auf, welche entlang einer radialen Richtung angeordnet ist und 32 magnetische Abschnitte umfasst. Die magnetischen Abschnitte sind diametral magnetisierte Pole, welche abwechselnd angeordnet sind. Außerdem weist die Maßverkörperung 1 zwei modulierte und superpositionierte Nonius-Spuren an der Innenkante 1.2. Der Radius f(w) des inneren Rands der Maßverkörperung 1 wird, wie oben bereits ausgeführt, anhand der folgenden Formel berechnet: (w) = r + [d ₇ ■ sin(t ₇ ■ w) + zl ₈ ■ sin(t ₈ ■ w)], (7) [0095] mit r = 0,7; t? = 8; A? = 0,1; ts = 3; As = 0,2. Der Außenradius der Maßverkörperung ist auf 1 normiert, der Innenradius ist auf 0,5 normiert.

[0096] Die magnetische Messspur der Messspuranordnung in Figur 13 ist die feinste Spur und somit auch maßgeblich für die Genauigkeit eines Messsystems. Die geometrisch modulierten Nonius-Messspuren werden für die Bestimmung des Absolutwerts des Messsystems herangezogen.

[0097] Im Beispiel der Figur 13 gelten auch die Bedingungen n > 1,5 * t7 und t7 > 1,5 * ts, wie oben dargestellt. Außerdem ist der größte, gemeinsame Teiler der Anzahl der Perioden der Spuren gleich eins.

[0098] Durch die geometrische Modulation zusätzlicher Messspuren ist es möglich, eine magnetische Maßverkörperung mit einer Nonius-Kodierung herzustellen, welche sowohl in Kombination mit einem Hall Sensor als auch in Kombination mit einem magnetoresistiven Sensor oder einem Magnet-Impedanz-Sensor verwendet werden kann. Außerdem, dadurch dass die Messspuranordnung nur eine Magnetspur benötigt, gibt es auch kein Übersprechen zwischen den Spuren. Somit kann die Leistungsfähigkeit eines Messsystems wesentlich verbessert werden. Da nur eine magnetische Spur benötigt wird, sind auch keine aufwendigen und hochkomplexen Magnetisierungsvorrichtungen und Algorithmen notwendig, um das Übersprechen zwischen verschiedenen Messspuren zu beseitigen. Somit wird die allgemeine Komplexität des Messsystems reduziert. Außerdem braucht lediglich eine Spur magnetisiert zu werden, was Zeit bei der Herstellung spart und eine besonders kompakte Maßverkörperung ermöglicht.

[0099] Die oben gezeigten Beispiele zeigen alle eine geometrische Modulation zusätzlicher Messspuren mit einer sinusförmigen Form. Es ist aber klar, dass die Sinusform durch jede beliebige andere Form ersetzt werden kann. Es genügt für eine Spur mit periodischer Codierung, dass die gewünschte Periode für den Sensor detektierbar ist. Gemäß einem Beispiel lässt sich das geometrische Merkmal des Substrats, das für die Herstellung der geometrischen Spur variiert wird, mathematisch als Polynom oder als eine Kombination einer Sinusfunktion und einer Polynomfunktion darstellen.

[0100] Figur 14a zeigt eine Querschnitt-Darstellung einer Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem mit einer magnetischen Messspur. Figur 14b zeigt eine Querschnitt- Darstellung einer weiteren Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem mit einer geometrischen Messspur. Diese geometrische Messspur wird durch Änderung der Geometrie, nämlich der radialen Breite des Substrats gebildet. In einem Beispiel wird diese Änderung durch ein mechanisches Verfahren hergestellt, wie Fräsen, Ätzen, Schneiden oder Drehen. Die Änderung der Geometrie betrifft sowohl die äußere Kante 1.1 als auch die innere Kante 1.2 der Maßverkörperung. Somit umfasst die geometrische Spur entlang einer radialen Richtung drei periodische Abschnitte, welche jeweils einen breiteren und einen schmaleren Bereich aufweisen, und bildet eine periodische Spur mit drei Perioden. Figur 14c zeigt eine Querschnitt- Darstellung einer Maßverkörperung für ein Winkelmesssystem, welche durch Superposition der Effekte aus den Figuren 14a und 14b gebildet ist. Die Maßverkörperung weist somit sowohl die magnetische Spur der Figur 14a als auch die geometrische Spur der Figur 14b. Das Beispiel der Figur 14c kann auch für eine beliebige Anzahl von Perioden der magnetischen und der geometrischen Spur verwendet werden. In einem Beispiel ist die geometrische Spur durch eine Vielzahl von Abschnitten gebildet, wobei sich zwei benachbarte Abschnitte durch eine Änderung eines geometrischen Merkmals der Maßverkörperung entlang der Messrichtung (bspw. die Breite der Maßverkörperung) unterscheiden.

[0101] Die obigen Beispiele können sowohl in Winkelmesssystemen als auch in Längenmesssystemen implementiert werden. Figur 15 zeigt eine seitliche Ansicht einer Maßverkörperung (Maßstab) für ein Längenmesssystem. Die Messrichtung entspricht der Längsrichtung der Maßverkörperung, welche entlang der x-Richtung läuft. Die Maßverkörperung 1 weist eine erste, magnetische Spur entlang der Messrichtung auf, welche eine Vielzahl von sich abwechselnden magnetischen Abschnitte umfasst. Im dargestellten Beispiel umfasst die magnetische Spur 20 Pole. Außerdem weist die Maßverkörperung 1 eine zweite, geometrische Spur, welche durch eine periodische Änderung einer ersten, oberen Kante 1.1 gebildet ist. Im dargestellten Beispiel weist die erste, obere Kante 1.1 die Geometrie eines Sinus mit acht Perioden und entspricht somit einer zweiten Messspur mit acht Teilungsperioden. Die Maßverkörperung 1 weist noch eine dritte, geometrische Spur, welche durch eine periodische Änderung einer zweiten, unteren Kante 1.2 gebildet ist, welche gegenüber der ersten, oberen Kante 1.1 angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel weist die zweite, untere Kante 1.2 die Geometrie eines Sinus mit drei Perioden und entspricht somit einer dritten Messspur mit drei Teilungsperioden. Die obere Kante 1.1 und die untere Kante 1.2 laufen entlang der Messrichtung (Längsrichtung). Somit umfasst die längserstreckte Maßverkörperung 1 zusätzlich zur magnetischen Spur zwei periodische, geometrische Spuren mit jeweils 3 und 8 Teilungsperioden. Der größte, gemeinsame Teiler der Anzahl der Perioden der verschiedenen Spuren ist gleich eins, so dass die Messspuren eine Nonius-Codierung bilden. Im dargestellten Beispiel hat die geometrische Spur eine höhere Anzahl von Perioden als die magnetischen Spuren und ist somit maßgeblich für die Genauigkeit des Messsystems. Die geometrisch modulierten Nonius-Messspuren werden für die Bestimmung des Absolutwerts des Messsystems herangezogen.

[0102] Figur 16 zeigt eine seitliche Ansicht einer weiteren Maßverkörperung für ein Längenmesssystem. Im Vergleich zum Beispiel der Figur 16 umfasst die obere Kante 1.1 eine Superposition der zwei sinusförmigen Messspuren der Figur 15. Somit können durch Änderung einer einzelnen Kontur zwei zusätzliche, unterschiedliche Messspuren mit 3 bzw. 8 Perioden gebildet werden, welche vorzugsweise in einem einzigen Verfahren hergestellt werden können. Somit kann ein besonders einfaches und schnelles Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. Das Beispiel der Figur 16 kann auf beliebige geometrische Messspuren erweitert werden. In einem Beispiel ändert sich die Anzahl der Perioden zweier geometrischer Messspuren um mindestens einen Faktor 1,5. Somit kann sichergestellt werden, dass die durch die geometrischen Spuren verursachten Änderungen des Magnetfeldes vom Sensor genau erfasst werden können.

[0103] Figur 17 zeigt ein Diagramm eines Verfahrens 100 zur Herstellung einer Maßverkörperung für ein Messsystem. In einem ersten Schritt 102 wird ein Substrat aus einem magnetischem Material bereitgestellt. Das Substrat kann als längliches Substrat für ein Längenmesssystem oder als ringförmiges Substrat für ein Winkelmesssystem ausgebildet sein. Als Material können hartmagnetische Materialien wie Ferriten oder Legierungen auf Basis von Aluminium, Nickel, Kobalt, Neodym oder Eisen-Bor verwendet werden. In einem Beispiel wird das Substrat durch Synthetisieren, Formen, Vulkanisieren, Walzen, Sintern oder Spritzguss hergestellt. In einem weiteren Schritt 104 wird das Substrat magnetisiert. Durch die Magnetisierung des Substrats wird eine erste Spur auf dem Substrat mit einer magnetischen Codierung gebildet. Das Substrat kann mit einem periodischen oder aperiodischen Muster von Magnet-Polpaaren magnetisiert werden. Die Magnetisierung kann sowohl in der Bewegungs- bzw. Drehrichtung (axial oder radial) des Messsystems erfolgen als auch normal dazu. Zusätzlich kann das magnetisierte Substrat auf einem weiteren Substrat angeordnet, zum Beispiel aufgeklebt werden. Somit kann die mechanische Stabilität erhöht und/oder die magnetischen Eigenschaften können verbessert werden. Im nächsten Schritt 106 wird ein geometrisches Merkmal des Substrats entlang einer Messrichtung geändert. Das geometrische Merkmal kann eine Dicke, eine Breite oder eine Länge des Substrats sein. Somit wird eine zweite Spur mit einer geometrischen Codierung entlang der Messrichtung gebildet. Es werden daher keine zusätzlichen magnetischen Spuren gebraucht, wodurch ein Übersprechen zwischen Spuren völlig beseitigt werden kann. In einem Beispiel erfolgt der Schritt der Änderung des geometrischen Merkmals des Substrats vor dem Schritt des Magnetisierens des Substrats. Der Schritt des Herstellens des Substrats und der Schritt des Änderns des geometrischen Merkmals des Substrats können beispielweise gleichzeitig erfolgen. Alternativ kann der Schritt des Änderns des geometrischen Merkmals nach dem Schritt des Herstellens des Substrats und vor dem Schritt des Magnetisierens erfolgen. In einem Beispiel wird das Substrat durch Sintern oder Spritzguss hergestellt, was die einfache Herstellung einer Maßverkörperung mit der gewünschten Geometrie in einem einzelnen Schritt ermöglicht. Die Änderung des geometrischen Merkmals des Substrats kann auch nach dem Magnetisieren des Substrats erfolgen. Zum Beispiel kann die zweite geometrische Spur durch Fräsen, Ätzen, Schneiden und/oder Drehen des Substrats gebildet werden. Es kann mit diesem Verfahren auch eine beliebige Anzahl von geometrischen Messspuren gebildet. Mit dem beschriebenen Verfahren kann eine Maßverkörperung für ein Längen- oder Winkelmesssystem, welche eine erste magnetische Spur und eine zweite geometrische Spur aufweist, besonders einfach und schnell hergestellt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der in den Figuren 11 bis 16 gezeigten Maßverkörperungen.

[0104] Mit der beschriebenen Maßverkörperung mit einer ersten magnetische Spur und einer zweiten geometrische Spur kann ein Übersprechen zwischen magnetischen Messspuren vermeiden werden. Außerdem bietet diese Maßverkörperung die Möglichkeit, beliebig viele Messspuren auf einem kompakten Substrat zu bilden. Es können sowohl periodische als auch aperiodische Messspuren gebildet werden. Außerdem können durch die Variation der Geometrie auch Spuren mit einer ungeraden Anzahl von Teilungsperioden gebildet werden, welche zusammen mit magnetoresistiven und Magnet-Impedanz Sensoren verwendet werden können. Durch die Auswahl der Parameter für die geometrische Spur, insbesondere der Amplitude, kann auch der Arbeitsbereich für die Spuren optimiert werden. Auch die Herstellung einer solchen Maßverkörperung ist besonders einfach und schnell.