MEASURING ARRANGEMENT

Abstract: 1. Measuring arrangement for dertermining the variation in position of tow objects movable relative to one another, by deformation of piezoelectric material (6, 17), in which position-dependant signals are generated by the relative movement between a sensor and a force-applying element (1, 15) acting on this sensor, wherein the sensor is formed as a laminated pack (3, 11), in the form of a measuring unit and at least one layer (7) structured as a graduation is an integral component of the laminated pack (3, 11) characterized in that teh force-applying element is a magnetic element (1, 15), which acts on the layer (7) forming a graduation and in that this layer (7) forming a graduation consists of magnetisable and non-magnetisable regions (8, 13) arranged alternately in the direction of movement of the magnetic element (1, 15), so that magnetisable regions (8, 13) act on the piezoelectric material (6, 17) formed as a layer and deform this.

Description: Messanordnung Die Erfindung betrifft eine Messanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es sind bereits Messanordnungen bekannt, bei denen der piezoelektrische Effekt zur Umwandlung einer mechanischen Messgrösse in elektrische Messsignale ausgenutzt wird. In der DE-PS 32 03 933 ist eine Anordnung beschrieben, bei der eine Welle mit zumindest einem Stift oder einem Nocken versehen ist, der auf eine, einem Piezo-Keramikkörper zugeordnete Feder derart einwirkt, dass bei einer Wellendrehung am Piezo Keramikkörper Messsignale erzeugt werden, die von der Winkelposition der Welle abhängig sind. Bei dieser Messanordnung wird die Auflösung bestimmt durch den Stift- bzw. Nockenabstand. Eine derartige Einrichtung ist nicht ohne erheblichen Mehraufwand an Bauteilen auf Linearmesssysteme zu übertragen. Die DE-PS 33 16 581 zeigt eine Einrichtung zur Vermessung der Einspritzstrahlen von Hochdruck Einspritzventilen hinsichtlich der Strahlmenge und der Strahllage. Unter anderem sind zwei streifenförmige Sensoren in V-Anordnung in einem rotationssymmetrischen Aufnahmeraum drehbar vorgesehen. Die Strahllage wird aus dem Austrittsort an der Einspritzdüse und dem Auftreffort an den Sensoren im Aufnahmeraum im Zusammenwirken mit Winkelsignalen eines Drehlagengebers ermittelt. Es wird auch aufgezeigt, dass der Aufnahmeraum mit einzelnen Sensoren mosaikartig bestückt werden kann, welche einzeln mit nach aussen führenden Anschlüssen versehen sein müssen, um die Strahllage zu erfassen. Alle diese offenbarten Anordnungen sind nicht zum Erfassen der Lageveränderung zweier relativ zueinander beweglicher Objekte geeignet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Messanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, durch welche eine hohe Auflösung mit relativ einfachen baulichen Mitteln und eine störsichere, kompakte Anordnung erreicht wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Messanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Strukturierung mit üblichen Mitteln bekannter Art möglich wird, da die Teilung in Form einer dünnen Schicht im Schichtenpaket integriert ist, und somit eine hohe Auflösung kostengünstig realisierbar ist. Durch dieses Integrieren der teilungsbildenden dünnen Schicht in das Schichtenpaket ist es möglich, mehrere Teilungselemente gleichzeitig zu beeinflussen und ohne ein zu regelndes Primärsignal ein gut auswertbares Messsignal zu erhalten. Des weiteren ist durch die Möglichkeit, das Schichtenpaket aus dünnen Schichten aufzubauen, eine leicht beeinflussbare und auch durch die Verwendung eines magnetischen kraftaus übenden Elementes eine berührungslose Abtastung realisierbar. Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. Bei Figur 1 bis 3 dienen Magnete als kraftaus übende Elemente. Es zeigt Figur 1 einen Ausschnitt einer Linearmess anordnung gemäss Erfindung, Figur 2 den Schnitt einer Rotationsmess anordnung entlang des Schnittver laufs II-II und Figur 3 die Draufsicht der Rotationsmess anordnung gemäss Figur 2. Bei Figur 4 bis 6 werden Kugeln als kraftausüben de Elemente gewählt. Es zeigt Figur 4 einen Ausschnitt einer Linear messanordnung gemäss Erfindung, Figur 5 den Schnitt einer Rotationsmess anordnung entlang des Schnitt verlaufs V-V und Figur 6 die Draufsicht der Rotationsmess anordnung gemäss Figur 5 In Figur 1 ist schematisch ein Ausschnitt einer Linearmessanordnung mit einem strukturierten Magneten 1 als kraftausübendes Element gezeigt. Die Strukturierung des Magneten 1 erfolgt durch einen erhabenen Magnetpol 2. Dem Magnet 1 ist ein Schichtenpaket 3 relativ beweglich in Messrichtung X zugeordnet. Dieser Magnet 1 ist in nicht gezeigter Weise mit dem Werkzeugschlitten einer Werkzeugmaschine verbunden, wobei das Schichtenpaket 3 relativ dazu fest an der Werkzeugmaschine angebracht ist. Das Schichtenpaket 3 besteht aus zwei Kontaktschichten 4, 5 mit einer dazwischenliegenden Schicht aus piezoelektrischem Material 6. Auf der Kontaktschicht 4 ist eine teilungsbildende Schicht 7 angeordnet, die aus ferro- oder paramagnetischem Material besteht. Dabei wird die Teilung durch magnetisch beeinflussbare und nicht beeinflussbare Bereiche 8 und 9 gebildet, die wechselweise angeordnet sind. Als Widerlager dient dem kompletten Schichtenpaket 3 eine Abstützschicht 10. Erfolgt eine Relativbewegung zwischen Magnetpol 2 und dem Schichtenpaket 3 in Messrichtung X, so durchlaufen die magnetisch beeinflussbaren Bereiche 8 und nicht beeinflussbaren Be reiche 9 wechselweise hohe Feldliniendichten, wodurch die magnetisch beeinflussbaren Bereiche 8 senkrecht zur Teilungsebene ausgelenkt werden. Dadurch wird das piezoelektrische Material 6 abwechselnd deformiert und an den Kontaktschichten 4,5 kann eine proportional zur Druckänderung modulierte Piezo-Spannung als Messsignal abgegriffen werden. In Figur 2 und 3 wird das Prinzip der Anordnung gemäss Figur 1 auf ein Rotationsmesssystem übertragen. Der Aufbau des Schichtenpaketes 11 entspricht sinngemäss dem Aufbau aus Figur 1, nur dass in diesem Fall die magnetisch beeinflussbaren und nicht beeinflussbaren Bereiche 12 und 13 als teilungsbildende Schicht auf einem Kreis angeordnet sind. Ein auf einer Welle 14 angebrachter drehbarer Magnet 15 weist mehrere Magnetpole 16 auf. Bei Drehung des Magneten 15 gegenüber dem Schichtenpaket 11 drücken die zungenartig ausgebildeten magnetisch beeinflussbaren Bereiche 12 infolge der Magneteinwirkung auf das abgestützte piezoelektrische Material 17. Durch die Verwendung eines Magneten 15 mit mehreren Magnetpolen 16 werden mehrere magnetisch beeinflussbare Bereiche 12 gleichzeitig gegen das piezoelektrische Material 17 gedrückt, wodurch eine Verstärkung des Messsignals und ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen (Mittelung) erreicht wird. Die Magnetpole 16 können durch Verzahnung einer Oberfläche des Magneten 15, durch Einsetzen von Magnetplättchen, durch Aufbringen einer magnetisch unstetigen Schicht oder direkt aus einem Bariumtitanat Pressling hergestellt werden. Figur 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Linearmessanordnung, bei der als kraftausübendes Element eine rollende Kugel 18 Verwendung findet. Diese Kugel 18 ist in einer Halterung 18a integriert, welche in nicht gezeigter Weise mit dem Werkzeugschlitten einer Werkzeugmaschine verbunden ist. Ein Schichtenpaket 19 wird von zwei Kontaktschichten 20, 21, einer zwischen diesen Kontaktschichten 20, 21 eingebrachten Schicht aus piezoelektrischem Material 22 und einer elastischen Schicht als Lauf fläche 23 gebildet. Dabei ist die Kontaktschicht 20, welche zwischen dem piezoelektrischen Material 22 und der Lauffläche 23 angeordnet ist, eine zungenartig ausgebildete teilungsverkörpernde Schicht. Bei einer Relativbewegung der Kugel 18 gegenüber dem Schichtenpaket 19 in Messrichtung X wird durch die elastische Lauffläche 23 über die zungenartig ausgebildeten Bereiche 20a der teilungsbildenden Schicht 20 ein Druck in diesen Bereichen auf das piezoelektrische Material 22 gegen die Abstützschicht 24 ausgeübt. Dabei wird das piezoelektrische Material 22 senkrecht zur Teilungsebene deformiert und Ladungsänderungen an den Oberflächen des piezoelektrischen Materials 22 erzeugt, welche als Messsignal mittels der Kontaktschichten 20, 21 nach aussen geführt zu einer nicht gezeigten Zähleinheit und Auswerteeinheit gelangen. In Figur 5 und 6 wird das Prinzip des Aufbaues gemäss Figur 4 auf ein Rotationsmesssystem übertragen. Die Bauteile können funktionsgemäss aus Fiqur 4 übertragen werden. Ein Schichtenpaket 25, wiederum bestehend aus einer durchgehenden Kontaktschicht 26 und einer teilungsverkörpernden Kontaktschicht 27 mit einer dazwischen liegenden Schicht aus piezoelektrischem Material 28, wird von einer Lager buchse 29 eines Lagers 30 gehalten und abgestützt. Als druckausübende Elemente dienen mehrere Lagerkugeln 31, welche in einem Kugelkäfig 32 angeordnet sind. Ein Aussenlaufring 33,in dem die Lagerkugeln 31 abrollen können, befindet sich vorqespannt zwischen dem Schichtenpaket 25 und den Lagerkugeln 31. Der Aussenlaufring 33 ist so dünn ausgebildet, dass er durch seine Vorspannung über die Lagerkugeln 31 polygonartig verformt wird und bei einer Drehung des Kugelkäfigs 32 die "Ecken" des Polygons deformierend auf das piezoelektrische Material 28 einwirken. Dadurch entstehen an den Oberflächen des piezoelektrischen Materials 28 positionsabhängige Ladungsänderungen. Die teilungsverkörpernde Kontaktschicht 27 weist eine Teilung auf, deren Teilungsperiode einem elektrisch nicht unterteilten Winkelschritt entspricht. Der Kugelabstand im Kugelkäfig 32 ist ein ganzzahlig Vielfaches dieser Teilungsperiode. Die Dicke der einzelnen Schichten im Schichtenpaket liegt im Bereich einiger Fm. Durch die Verwendung von Piezo-Materialien mit hoher Umwandlungseffizienz, d.h. Kopplungsfaktor zwischen mechanischer und elektrischer Energie grösser 0,3, entstehen bereits bei geringen Druckdifferenzen kräftige elektrische Signale, die proportional der Krafteinwirkung sind. Die nun folgenden Ausführungsformen sind nicht gezeigt. Durch eine Kugelanordnung im Kugelkäfig, bei der die Abstände von einer Lagerkugel zur nächstfolgenden Lagerkugel variieren, kann ein Noniuseffekt erzielt werden. Es ist möglich, dass die Teilung alternativ oder gleichzeitig - von den Kontaktschichten - vom piezoelektrischen Material - von der Lauffläche - von der Abstützschicht - vom Aussenlaufring - von der Innenseite der Lagerbuchse oder - von einer zusätzlich eingebrachten Schicht verkörpert wird. Als Fertigungsverfahren zur Herstellung der Teilung bieten sich bevorzugt lithographische Verfahren, Atzverfahren oder galvanische Aufbringungsverfahren an. Versetzte Signale zur Richtungserkennung und/oder codierte Messsignale erhält man durch die Verwendung nebeneinander liegender elektrisch voneinander isolierter teilungsverkörpernder Kontaktschichten, die separat kontaktiert sind; oder durch die separate Kontaktierung einzelner isolierter Teilungselemente. Die an den Oberflächen des piezoelektrischen Materials erzeugten positionsabhängigen Ladungsänderungen werden durch die Kontakt schichten oder direkt über die leitend ausgebildete Abstützschicht und die teilungsbildende Schicht bzw. die Abstützschicht und den Aussenlaufring nach aussen geführt. Die Kontaktschichten können aufgedampft werden, können aus leitfähigem Lack, aus leitfähiger Folie bestehen oder galvanisch aufgebaut sein. Um Störschwingungen z.B. von einer Werkzeugmaschine herrührend zu eliminieren, ist es vorteilhaft, in das Schichtenpaket elastische Klebeschichten einzubringen. Diese Klebeschichten können auch gleich zeitig - als leitende Schichten ausgeführt - zur Kontaktierung dienen. Durch den Aufbau mehrerer Schichten aus piezoelektrischem Material und/oder mehrerer teilungsbildender Schichten ist es möglich, stärkere positionsabhängige Messsignale zu erzeugen. Ein solcher Aufbau kann auch zur Erzeugung versetzter Messsignale zur Richtungserkennung und/oder zur Codierung eingesetzt werden, indem die Teilungsperioden der teilungsbildenden Schichten gleich sind, und die Teilungen dieser aufeinander aufgebauten Schichten um einen bestimmten Betrag in der Messrichtung versetzt sind. Codierte Signale und kleine Auflösungsschritte werden auch durch die Verwendung von mehreren teilungsbildenden Schichten unterschiedlicher Teilungsperioden erreicht. Des weiteren können bei schichtartigem Aufbau zweier dünner Schichtenpakete zwei Koordinaten fein aufgelöst und z.B. berührungslos abgeta-stet werden. Dabei müssen die einzelnen Elemente der zwei teilungsbildenden Schichten senkrecht zueinander verlaufen. Als Druckmittel zur positionsabhängigen Signalerzeugung können auch flüssige Mittel oder Druckluft zur Anwendung kommen, wobei hierdurch zugleich ein Reinigungseffekt der Massverkörperung erreicht wird.

Claims: An sprüche 1. Messanordnung zum Erfassen der Lageveränderung zwei er relativ zueinander beweglicher Objekte durch Deformation von piezoelektrischem Material, bei der durch die Relativbewegung zwischen einem Sensor und einem auf diesen Sensor einwirkenden kraftaus übenden Element positionsabhängige Signale erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Schichtenpaket (3,11,19,25) in Form einer Massver körperung ausgebildet ist, und dass zumindest eine als Teilung strukturierte Schicht integraler Be standteil (7,20,27) des Schichtenpaketes (3,11,19,25) ist. 2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das kraftausübende Element als magnetisches Element (1,15) ausgebildet ist. 3. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das kraftausübende Element (18,31) mechanisch auf das Schichtenpaket (19,25) ein wirkt. 4. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Teilung des Schichtenpaketes (11,25) eine inkrementale Teilung ist und das kraftausübende Element (15,31) ebenfalls eine Teilung trägt, deren Teilungsperiode gleich der Teilung des Schichtenpaketes (11,25) oder ein Vielfaches der Teilungsperiode des Schichtenpa ketes (11,25) ist. 5. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Schichtenpaket (3) zumindest aus einer teilungsbildenden Schicht (7) mit magnetisch beeinflussbaren und nicht beeinfluss baren Bereichen (8,9), einer Kontaktschicht (5) und einer dazwischen angeordneten Schicht aus piezoelektrischem Material (6) besteht. 6. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Schichtenpaket zumindest aus zwei Kontaktschichten und einer dazwischen ange ordneten die Teilung verkörpernden Schicht aus piezoelektrischem Material besteht. 7. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch aekenn zeichnet, dass das Schichtenpaket (19) zumindest aus einer durchgehenden Kontaktschicht (21), ei ner die Teilung aufweisenden Kontaktschicht (20) und einer dazwischen angeordneten Schicht aus piezoelektrischem Material (22) besteht. 8. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Schichtenpaket zumindest aus zwei Kontaktschichten mit einer dazwischen liegenden Schicht aus piezoelektrischem Material und einer teilungsbildenden Schicht besteht, auf die das kraftausübende Element mechanisch einwirkt. 9. Messanordnung nach den Ansprüchen 1 und 3, da durch gekennzeichnet, dass das kraftausübende Element aus zumindest einer Kugel (18, 31), einem Zylinder oder einem Nocken besteht, das sich rollend oder gleitend, relativ zum Schichtenpaket (19, 25), auf dessen Oberfläche bewegt. 10. Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, dass die kraftausübenden Elemente (18,31) die Wälzelemente eines Wälzlagers sind. 11. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Teilung des Schichtenpaketes (3,11,19,25) durch lithographische Verfahren, Atzverfahren oder galvanische Aufbringungsver fahren hergestellt ist. 12. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass als piezoelektrisches Material (6,17,22,28) eine piezoelektrische Folie verwen det wird. 13. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schichten des Schichtpaketes durch Kleben miteinander verbunden sind. 14. Messanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kontaktschichten (4,5,21,26) der Oberflächen des piezoelektrischen Materials (6,17,22,28) aus leitenden Klebeschichten be stehen. 15. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Schichtenpaket mehrere neben einander bahnartig verlaufende inkrementale und/ oder codierte teilungsbildende Schichten auf weist, denen ebenfalls bahnartig verlaufende voneinander elektrisch isolierte Kontaktschich ten zugeordnet sind. 16. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Schichtenpaket an den Rändern eingespannt ist, und eine konstante Zugspannung auf das Schichtenpaket ausgeübt wird. 17. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass mehrere Schichtenpakete schicht artig aufeinander aufgebaut sind. 18. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass als kraftausübendes Medium Druck luft angewendet wird.

Inventors: KRAUS, HEINZ
Applicants: DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH
Application year: 1985
Main classification: G01B7
IPC codes: G01B7