DE19719905A1 - Elektronische Schieblehre mit einem induktiven Niederleistungs-Positionswandler - Google Patents
Elektronische Schieblehre mit einem induktiven Niederleistungs-PositionswandlerInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektronische Schieblehren (Meßschieber) und
insbesondere auf elektronische Schieblehren, die mit induktiv gekoppelten Wandlerelementen
arbeiten.
Elektronische Schieblehren werden in Fabrikationsbetrieben häufig zum Messen der Dicke oder
anderer physikalischer Abmessungen eines Objekts eingesetzt. Die hauptsächliche Komponente
dieser elektronischen Schieblehren ist fast durchgängig ein kapazitiver Positionswandler.
Kapazitive Wandler benötigen sehr geringen Strom und sind daher für den Einsatz in batteriebe
triebenen Meßwerkzeugen wie etwa bei elektronischen Schieblehren gut geeignet. Kapazitive
Wandler arbeiten nach dem Prinzip eines Kondensators mit parallelen Platten, wobei in dem
kapazitiven Wandler eine Sendeelektrode und eine Empfängerelektrode an oder in einem
Schlitten (Schieber) angebracht sind. Die Sendeelektrode ist mit einer geeigneten Signalerzeu
gungsschaltung verbunden, während die Empfängerelektrode an eine entsprechende
Lese-Schaltung angeschlossen ist.
Der Schlitten bewegt sich entlang einer stationären Skala bzw. entlang eines stationären Lineals,
die bzw. das eine Mehrzahl von mit gegenseitigem Abstand angeordneten Signalelektroden
enthält, die sich entlang der Längsrichtung der Skala erstrecken. Wenn sich der Schlitten relativ
zu der Skala bewegt, werden die Sende- und die Empfängerelektrode an dem Schlitten kapazitiv
mit den Signalelektroden an der Skala gekoppelt. Die Leseschaltung ermittelt die Bewegung oder
die Position des Schlittens relativ zu der Skala durch Vergleich der Phase von mindestens einem
Signal, das auf eine Empfängerelektrode eingekoppelt wird, mit der Phase von mindestens einem
Signal, das an eine Sendeelektrode angelegt ist.
Der kapazitive Positionswandler kann ein inkremental ausgelegter bzw. arbeitender Wandler oder
aber ein absolut arbeitender Positionswandler sein. Bei dem inkrementalen, kapazitiven Positi
onswandler stellt die Leseschaltung lediglich eine Anzeige der relativen Bewegung mit Bezug zu
einem bekannten Punkt bereit. Bei einem kapazitiven Positionswandler mit absoluter Positionser
fassung stellt die Leseschaltung eine Anzeige für die absolute Position zwischen dem Schlitten
und der Skala bereit.
Inkrementale Positionswandler und mit Absolutpositionserfassung arbei
tende Positionswandler sind in der US-PS 4,420,754 und der US-PS 4,879,508 beschrieben.
Diese kapazitiven Positionswandler sind für den Einsatz in einer trockenen, relativ sauberen
Umgebung, wie etwa in Inspektionsräumen oder Ingenieurbüros, geeignet. Jedoch besteht auch
der Wunsch, diese kapazitiven Positionswandler bei Schieblehren zur Messung von Abmessun
gen in Maschinen- bzw. Bearbeitungsläden, an Baustellen und in anderen, relativ stark mit
Schmutzteilchen kontaminierten Umgebungen verwenden zu können. In solchen Umgebungen
besteht die Gefahr, daß die kapazitiven Schieblehren durch Partikel und Flüssigkeiten, wie etwa
durch metallische Teilchen, Schleifenstaub und Kühl- oder Schneidflüssigkeiten verunreinigt
werden. Die flüssigen oder teilchenförmigen Verunreinigungsmittel können zwischen die
Signalelektroden an der Skala und die Sende- und/oder Empfängerelektroden an dem Schlitten
wandern. Die Verunreinigungsmittel ändern die Kapazität zwischen den Signalelektroden und den
Sende- und/oder Empfängerelektroden in einer Weise, die nicht mit der Position des Schlittens
relativ zu der Skala zusammenhängt. Generell rufen Verunreinigungsmittel zwischen den
Signalelektroden und den Sende- und/oder Empfängerelektroden eines kapazitiven Positions
wandlers Meßfehler aufgrund dreier unterschiedlicher Mechanismen hervor. Erstens können die
festen oder flüssigen Teilchen eine Dielektrizitätskonstante besitzen, die sich von der Dielektrizi
tätskonstante von Luft unterscheidet. In diesem Fall wird der Kapazitätswert zwischen den
Signalelektroden und den Sende-/Empfängerelektroden, die die Verunreinigungsteilchen sand
wichartig umgeben, größer als der Kapazitätswert zwischen anderen Signal- und
Sende-/Empfängerelektroden, die die gleiche relative geometrische Beziehung aufweisen, zwischen
denen sich aber keine Verunreinigungsteilchen befinden. Als Ergebnis erzeugt die Schieblehre
keine genaue Anzeige der Position des Schlittens relativ zu der Skala.
Zweitens können die Verunreinigungsmittel bzw. Schmutzpartikel relativ hohe Leitfähigkeit
aufweisen. Normalerweise bilden die Signal- und die Sende-/Empfängerelektroden einen offenen
Stromkreis, so daß kein Strom zwischen diesen Elektroden fließt. Dieser Stromkreis wird aber
durch ein leitendes Verunreinigungsmittel zwischen den Signal- und den Sendeelektroden oder
den Empfängerelektroden geschlossen. Insbesondere wird ein RC-Schaltkreis gebildet, bei dem
das Verunreinigungsmittel das Widerstandselement bildet. Die Zeitkonstante des auf diese Weise
gebildeten RC-Schaltkreises hängt sowohl von der Leitfähigkeit des Verunreinigungsmittels als
auch von der Kapazität zwischen der Signalelektrode und den Sende- und/oder Empfängerelek
troden ab. Wenn die Zeitkonstante relativ klein ist, kann die Amplitude des Signals so rasch
abfallen, daß es durch die herkömmliche, in kapazitiven Positionswandlern eingesetzte Verschal
tung nicht korrekt erfaßt werden kann.
Drittens können elektrisch leitende Partikel zwischen der Signalelektrode und den
Sende- und/oder Empfängerelektroden das Feld ändern, das zwischen der Signalelektrode und den
Sende- und/oder Empfängerelektroden aufgebaut ist, wodurch der Wert der Kapazität zwischen
der Signalelektrode und den Sende- und/oder Empfängerelektroden geändert wird. Verzerrungen
des elektrischen Felds können auch dazu führen, daß die Signale zwischen der Signalelektrode
und den Sende- und/oder Empfängerelektroden derart gestört bzw. verzerrt sind, daß die in der
Schieblehre vorhandene Schaltung keine exakte Anzeige der Position des Schlittens relativ zu der
Skala bereitstellt.
In der US-PS 5,172,485 (Gerhard et al) ist eine Methode zur Minimierung der nachteiligen
Auswirkungen von Verunreinigungsmitteln in kapazitiven Positionswandlern beschrieben. Bei
dieser Methode werden die Elektroden mit einer dünnen Schicht aus dielektrischem Material
beschichtet. Der Schlitten wird dann an der Skala derart angebracht, daß die dielektrische, auf
den (Sende- und Empfänger-) Elektroden des Schlittens vorhandene Beschichtung benachbart zu
der dielektrischen Beschichtung angeordnet ist, die auf den (Signal-) Elektroden der Skala
vorhanden ist. Durch die Anordnung der dielektrischen Schichten zwischen den Signalelektroden
und den Sende- und Empfängerelektroden werden diese nachteiligen Auswirkungen somit
minimiert. Darüberhinaus steht die dielektrische Beschichtung auf dem Schlitten in gleitver
schieblicher Berührung mit der dielektrischen Beschichtung auf der Skala. Der Gleitkontakt
zwischen den dielektrischen Beschichtungen verringert den Spalt zwischen dem Schlitten und
der Skala, in den die Verunreinigungsmittel eindringen können.
Bei dieser Methode der gleitverschieblichen Berührung ist es erforderlich, daß die Elektroden
jeweils elastisch aneinander gedrückt werden. Die elastische oder federnde Vorspannung
ermöglicht es, Fehlern hinsichtlich der exakten Flachheit der Oberfläche und bei der exakten
Ausrichtung Rechnung zu tragen, da sich die Elektroden voneinander weg bewegen können.
Hierdurch ist es möglich, daß die dielektrischen Schichten zwangsweise auseinandergebracht
werden. Wenn jedoch ein solcher kapazitiver Positionswandler in einer stark verunreinigten
Umgebung eingesetzt wird, können die Verunreinigungsteilchen den Schlitten von der Skala
zwangsweise wegdrücken und sich zwischen dem Schlitten und der Skala ansammeln. Daher hat
sich auch diese Methode als in manchen Fällen ungeeignet gezeigt.
Allerdings werden die negativen, durch die sich zwischen dem Schlitten und der Skala sammeln
den Verunreinigungsteilchen hervorgerufenen Effekte in gewissem Umfang verringert, wenn
dicke dielektrische Beschichtungen anstelle der in der US-PS 5,172,485 vorgeschlagenen
dünnen Schichten eingesetzt werden. Die dicken dielektrischen Beschichtungen führen zur
Bildung eines Kondensatorpaars, dessen Kondensatoren in Reihe mit der Kapazität geschaltet
sind, die durch die Verunreinigungsteilchen hervorgerufen wird. Da sich die durch die dielektri
schen Schichten hervorgerufene Kapazität nicht ändert, wenn sich der Schlitten entlang der
Skala bewegt, werden die Änderungen der Kapazität zwischen den Signalelektroden und den
Sende- und/oder Empfängerelektroden, die durch Änderungen der Dicke oder der Zusammenset
zung der Verunreinigungsteilchen bedingt sind, durch die festen, durch die dicken dielektrischen
Schichten hervorgerufenen Kapazitäten dominiert. Durch den Einsatz von dicken dielektrischen
Beschichtungen kann somit das durch dielektrische Verunreinigungsteilchen hervorgerufene
Problem somit verringert werden, jedoch ist es nicht möglich, das Problem bei dieser Vorge
hensweise vollständig zu beseitigen.
Bei einer anderen Methode werden die Elektroden gegenüber den flüssigen und teilchenförmigen
Schmutzteilchen isoliert. Als Beispiel kann die mit einem kapazitiven Positionswandler ausgestat
tete Schieblehre abgedichtet werden. Allerdings führt diese Abdichtung der Schieblehre zu einer
Erhöhung der Fabrikations- und Montagekosten und ist oftmals unzuverlässig. Weiterhin ist es
schwierig, solche Abdichtungen in der Praxis bei allen Größen und Anwendungen von elektroni
schen Schieblehren einzusetzen.
Magnetische Wandler stellen alternative Ausgestaltungen von Positionsmeßwandlern dar.
Magnetische Wandler sind gegenüber einer Verunreinigung, die durch Öl, Wasser und andere
Flüssigkeiten hervorgerufen wird, relativ unempfindlich. Bei magnetischen Wandlern, wie etwa
den Codierern "Sony Magnescale", werden ein Magnetfelder erfassender Lesekopf und eine
ferromagnetische Skala (Meßlineal) eingesetzt, die selektiv gemäß einem oder mehreren
periodischen, magnetischen Mustern magnetisiert ist. Der Lesekopf erfaßt Änderungen des
Magnetfelds während der Bewegung des Lesekopfs relativ zu den magnetischen Mustern an der
Skala. Jedoch werden die magnetischen Wandler ihrerseits durch kleine Partikel, insbesondere
durch ferromagnetische, an der magnetisierten Skala anhaftende Partikel, negativ beeinflußt.
Demzufolge müssen magnetische Wandler ebenfalls abgedichtet, verkapselt oder in anderer
Weise geschützt werden, damit ihre Genauigkeit nicht durch Verunreinigungsteilchen beeinflußt
wird. Magnetische Wandler bieten auch nicht die Möglichkeit eines sehr geringen Strom- bzw.
Leistungsverbrauchs, der aber für elektronische Schieblehren erwünscht ist. Als Ergebnis werden
magnetische Wandler generell nicht in Meßfühlern eingesetzt.
Induktive Wandler sind im Gegensatz zu kapazitiven und auch zu magnetischen Wandlern stark
unempfindlich gegenüber Schneidöl, Wasser oder anderen Flüssigkeiten und auch gegenüber
Staub, ferromagnetischen Partikel und anderen Verunreinigungsteilchen. Induktive Wandler wie
etwa Wandler des Typs "INDUCTOSYN®" arbeiten mit mehrfachen, an einem Element vorhande
nen Wicklungen, durch die ein variierendes magnetisches Feld erzeugt wird, das durch gleichar
tige Wicklungen an einem weiteren Element empfangen wird. Die mehrfachen Wicklungen
können eine Abfolge von parallelen Haarnadel-Windungen sein, die auf einer gedruckten
Leiterplatte bzw. Druckschaltungsplatine wiederholt angeordnet sind. Ein Wechselstrom, der in
den Wicklungen des ersten Elements fließt, erzeugt das variierende Magnetfeld. Das von dem
zweiten Element empfangene Signal verändert sich periodisch in Abhängigkeit von der relativen
Position zwischen den beiden Elementen. Eine Positionsermittlungsschaltung empfängt das von
dem zweiten Element abgegebene, sich ändernde Signal und kann die relative Position zwischen
dem ersten und dem zweiten Element ermitteln. Allerdings sind beide Elemente aktiv. Daher muß
jedes Element mit einer geeigneten Treiberschaltung elektrisch gekoppelt werden, was zu einer
Vergrößerung der Herstellungs- und Einbaukosten führt. Darüberhinaus ist es schwierig,
induktive Wandler in in der Hand gehaltene Geräte wie etwa in Schieblehren einzubauen, da bei
induktiven Wandlern beide Elemente elektrisch gekoppelt werden müssen.
Andere Bewegungs- oder Positionswandler, die einerseits verschmutzungsunanfällig sind und
andererseits dennoch noch billiger hergestellt werden können als kapazitive, magnetische oder
induktive Wandler, sind in der US-PS 4,697,144 (Howbrook), US-PS 5,233,294 (Dreoni)
US-PS 4,743,786 (Ichikawa et al) und der GB 2,064,125 A (Thatcher) beschrieben. In diesen Druck
schriften sind Positionserfassungseinrichtungen offenbart, die die Position bzw. die relative Lage
zwischen einem erregtem Element und einem inaktiven oder nicht erregten Element ermitteln.
Die in diesen Druckschriften beschriebenen Wandlersysteme weisen keine gegenseitige elektri
sche Kopplung zwischen den beiden sich bewegenden Elementen, die ein Nachteil von indukti
ven Wandlern ist, auf. Jedoch sind diese Systeme im allgemeinen nicht im Stande, die hohe
Genauigkeit von induktiven oder kapazitiven Wandlern bereitzustellen.
Weiterhin ist bei manchen von diesen Wandlersystemen das inaktive Element vorzugsweise
ferromagnetisch, so daß es ein starkes Magnetfeld erzeugt. Alternativ wird das inaktive Element
in einem Magnetfeld bewegt, das durch einen komplexen, in oder an dem aktiven Element
ausgebildeten Aufbau festgelegt und konzentriert wird.
Darüberhinaus bietet keines dieser Systeme die Kombination aus einem Betrieb mit geringer
Leistung und ausreichender Genauigkeit sowie ausreichendem Meßbereich, was aber von
Benutzern von Schieblehren gefordert wird. Die in diesen Druckschriften offenbarten Wandlersy
steme erzeugen zudem Ausgangssignale, die nicht kontinuierlich bzw. unstetig sind oder die eine
nicht einfach beschreibbare Abhängigkeit von der Position aufweisen. Solche Signale tragen
dazu bei, daß die relativen Lagen über vergrößerte Abstände hinweg ungenau ermittelt werden.
Ferner sind die in diesen Druckschriften offenbarten Wandlersysteme auch in anderer Hinsicht
schlecht angepaßt, wenn sie in eine Schieblehre integriert werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird demgegenüber eine elektronische Schieblehre geschaffen,
die auch in rauhen Industrie-Umgebungen einsetzbar ist. Die elektronische Schieblehre gemäß
der vorliegenden Erfindung enthält Wandlerelemente, die gegenüber teilchenförmigen und
flüssigen Verunreinigungsmitteln im wesentlichen unempfindlich sind. Die erfindungsgemäße
elektronische Schieblehre behält hierbei die herkömmliche Form, den herkömmlichen Betrieb, das
gewohnte Benutzungsgefühl und den niedrigen Leistungsverbrauch von herkömmlichen elektro
nischen Schieblehren bei.
Die elektronische Schieblehre gemäß dieser Erfindung läßt sich leicht und kostengünstig
herstellen, indem herkömmliche Herstellungsmethoden wie etwa die Druckschaltungsplatinen-Tech
nologie eingesetzt werden. Weiterhin ist der Wandler gemäß dieser Erfindung gegenüber
einer Verschmutzung durch Partikel einschließlich ferromagnetischer Teilchen, oder durch Öl,
Wasser oder andere Fluide unempfindlich. Als Ergebnis kann bei dem Wandler der Einsatz von
teuren Abdichtungen gegenüber der Umgebung vermieden werden, wobei der Wandler dennoch
in den meisten Laden- bzw. Arbeitsstätten- und Feld-Umgebungen (nicht abgeschlossenen
Bereichen) verwendbar ist. Bei der elektronischen Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine impulsbetriebene Schaltung eingesetzt, die es ermöglicht, daß der induktive Wandler
nur wenig Leistung verbraucht. Folglich stellt die Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung
ein in der Hand haltbares, batteriebetriebenes Meßwerkzeug dar, das aus einer kleinen Batterie
oder einer Solarzelle lange Betriebslebensdauer gewinnt.
Die elektronische Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen Schlitten oder
Schieber, der an einem langgestreckten Hauptstab bzw. Haupt-Träger angebracht ist, wie es
auch bei der herkömmlichen Ausgestaltung der Fall ist. Positionsmeßbacken stehen sowohl von
dem Haupt-Träger als auch von dem Schieber vor. Die Position des Schiebers relativ zu dem
Haupt-Träger zeigt den Abstand zwischen den Positionsmeßbacken an dem Haupt-Träger und an
dem Schieber an.
Der Haupt-Träger bzw. Hauptbalken ist mit einer langgestreckten Skala (Lineal) bzw. Maßteilung
mechanisch gekoppelt. Die langgestreckte Skala enthält einen Satz von Magnetfeld- oder
Magnetfluß-Modulatoren, die sich entlang ihrer Länge in einem bestimmten Muster erstrecken.
Die Schieberanordnung enthält eine Aufnehmeranordnung, die einen Lesekopf aufweist. Die
relative Bewegung zwischen den Positionsmeßbacken entspricht der relativen Bewegung
zwischen dem Satz aus Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren und dem Lesekopf. Die elektroni
sche Schieblehre weist einen Tiefen-Stab bzw. Tiefen-Meßstab auf, der an dem Schieber
angebracht ist und von diesem in der Längsrichtung des Hauptbalkens vorsteht. Der Tiefenmeß
stab wird zur Messung der Tiefe eines in einer Oberfläche vorhandenen Lochs eingesetzt.
Eine mit niedriger Leistung arbeitende Signalverarbeitungselektronik (elektronische Schaltung) ist
lediglich mit dem Lesekopf, nicht aber mit dem Satz aus Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren
verbunden. Die mit niedriger Leistung arbeitende Elektronik zeigt die relative Position zwischen
dem Lesekopf und dem Satz aus Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren in Abhängigkeit von dem
Unterbrechungseffekt an, den der Satz aus Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren auf die Signale
ausübt, die durch den Lesekopf erzeugt und von diesem empfangen werden. Auch wenn bei der
elektronischen Schieblehre gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein mit niedriger
Leistung arbeitender induktiver Wandler mit einem Lesekopf eingesetzt wird, der sich relativ zu
dem Satz von Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren bewegt, kann die elektronische Schieblehre
auch mit anderen Arten von induktiven Wandlern arbeiten, die ausreichend genau sind, mit
ausreichend niedriger Leistung auskommen und in gleicher Weise gegenüber Verunreinigungsteil
chen unempfindlich sind.
Der induktive Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Magnetfeldquelle, die
vorzugsweise einen ersten Pfad aus leitendem Material umfaßt. Die Magnetfeldquelle kann ein
sich änderndes Magnetfeld oder einen sich ändernden Fluß erzeugen. Mindestens ein Satz von
Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren ist innerhalb des sich ändernden Magnetfelds oder Flusses
positioniert, um hierdurch das Magnetfeld oder den Magnetfluß in der Nähe des mindestens
einen Magnetfeld- oder -Fluß-Modulators räumlich zu ändern. Ein innerhalb einer dünnen Zone
ausgebildeter Sensorleiter bzw. Erfassungsleiter bildet ein periodisches Muster aus flußaufneh
menden Flächen bzw. Bereichen. Das periodische Muster erstreckt sich entlang einer Meßachse
und ist innerhalb des sich ändernden Magnetfelds oder Flusses angeordnet. Das sich ändernde
Magnetfeld bzw. der sich ändernde Magnetfluß erzeugt somit in passiver Weise eine elektromo
torische Kraft (EMF bzw. EMK) an mindestens einem Ausgang des Sensorleiters in Abhängigkeit
von dem sich ändernden Magnetfeld bzw. dem sich ändernden Magnetfluß.
Der mindestens eine Magnetfeld- oder -Fluß-Modulator und das periodische Muster des Sensor
leiters bewegen sich relativ zueinander ausgehend von einer ersten Position zu einer zweiten
Position. In der ersten Position überlappt ein erster Abschnitt des periodischen Musters den
mindestens einen Magnetfeld- oder -Fluß-Modulator. In der zweiten Position überlappt ein
zweiter Abschnitt des periodischen Musters den mindestens einen Magnetfeld- oder
Fluß-Modulator. Dies bedeutet, daß durch den mindestens einen Magnetfeld- oder -Fluß-Modulator die
elektromotorische Kraft ausgehend von der ersten Position bis zu der zweiten Position geändert
wird.
Der mindestens eine Magnetfeld- oder -Fluß-Modulator arbeitet mit dem periodischen Muster des
Sensorleiters derart zusammen, daß eine sich kontinuierlich ändernde, periodische elektromotori
sche Kraft an dem Ausgang des Sensorleiters in Abhängigkeit von einer kontinuierlichen, relati
ven Bewegung zwischen dem mindestens einen Magnetfeld- oder -Fluß-Modulator und dem
periodischen Muster des Sensorleiters erzeugt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist jeder
einzelne Modulator aus dem Satz von Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren ein Flußunterbre
chungselement, das durch eine elektrisch leitende Platte gebildet ist. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel ist jeder Modulator aus dem Satz von Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren
ein Flußverstärker bzw. ein Flußverstärkungselement, das aus einem Material hergestellt ist, das
hohe magnetische Permeabilität aufweist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enthält der
Satz aus Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren mindestens einen Flußunterbrecher bzw. ein
Flußunterbrechungselement und mindestens einen Flußverstärker bzw. ein Flußverstärkungsele
ment.
Der Sensorleiter ist vorzugsweise durch eine Mehrzahl von ersten Schleifen, die alternierend mit
einer Mehrzahl von zweiten Schleifen angeordnet sind, gebildet. Die Schleifen sind aus einem
leitenden Material hergestellt. Die ersten und zweiten Schleifen sind innerhalb des sich ändern
den Magnetfelds angeordnet. Jede der ersten Schleifen erzeugt eine sich ändernde, erste
Signalkomponente als Reaktion auf das sich ändernde Magnetfeld. In gleicher Weise erzeugt jede
der zweiten Schleifen eine sich ändernde zweite Signalkomponente als Reaktion auf das sich
ändernde Magnetfeld. Die Mehrzahl von ersten und zweiten Schleifen und der Satz aus Magnet
feld- oder -Fluß-Modulatoren sind relativ zueinander beweglich. In einer ersten Position können
eine oder mehrere der ersten Schleifen nahe bei den entsprechenden Modulatoren des Satzes
aus Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren positioniert sein, wodurch die ersten, durch diese ersten
Schleifen erzeugten Signalkomponenten geändert werden. In einer zweiten Position können eine
oder mehrere der zweiten Schleifen nahe bei entsprechenden Modulatoren aus dem Satz von
Magnetfeld- oder Fluß-Modulatoren positioniert sein, wodurch die zweiten, durch diese zweiten
Schleifen erzeugten Signalkomponenten geändert werden. Die ersten und zweiten Signalkompo
nenten zeigen die Position jeder der ersten und zweiten Schleifen relativ zu dem Satz von
Magnetfeld- oder -Fluß-Modulatoren an.
Bei der vorliegenden Erfindung ist somit ein induktiver Sensor mit akzeptablen physikalischen
Eigenschaften, guter Genauigkeit und geringem Stromverbrauch in einer praktisch einsetzbaren,
in der Hand gehaltenen, batteriebetriebenen Schieblehre eingegliedert. Die Schieblehre ist
gegenüber Verunreinigungsmitteln wie etwa Öl und Partikeln unempfindlich, für einen breiten
Bereich von Einsatzmöglichkeiten geeignet, genau und relativ kostengünstig herzustellen,
verglichen mit den herkömmlichen Schieblehren. Diese und weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausfüh
rungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine auseinandergezogene, isometrische bzw. perspektivische Darstellung eines
ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektronischen Schieblehre, die
mit nach dem Unterbrechungsprinzip arbeitenden Modulatoren ausgestattet ist,
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der elektronischen Schieblehre, die entlang der Linie 2-2
in Fig. 1 geschnitten ist,
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Ausgestaltung der Senderwicklungen und der Empfän
gerwicklungen eines Lesekopfs für einen induktiven Positionswandler sowie die ent
sprechenden, nach dem Unterbrechungsprinzip arbeitenden Skalenelemente,
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht, in der die alternierenden bzw. einander abwechselnden Schleifen
einer der in Fig. 3 gezeigten Empfängerwicklungen dargestellt sind,
Fig. 5A zeigt eine Draufsicht, in der eine der Skala überlagerte Empfängerwicklung dargestellt
ist, wobei die Skala mit einem ersten Abschnitt der Empfängerwicklung gekoppelt ist,
Fig. 5B zeigt eine Draufsicht, in der die der Skala überlagerte Empfängerwicklung dargestellt
ist, wobei die Skala mit einem zweiten Abschnitt der Empfängerwicklung gekoppelt
ist,
Fig. 5C zeigt eine Wellenformdarstellung, in der die Amplitude und die Polarität des von der
Empfängerwicklung erzeugten Ausgangssignals dargestellt sind, das während der
Bewegung der Empfängerwicklung relativ zu der Position der Skala erzeugt wird,
Fig. 6 zeigt eine auseinandergezogene, perspektivische bzw. isometrische Darstellung eines
zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektronischen Schieblehre,
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung des Codierers, die bei dem
ersten und bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der elektronischen Schieblehre einge
setzt wird,
Fig. 8 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des Signalgenerators,
Fig. 9 zeigt ein Diagramm, in dem die Spannung über der Zeit für ein Resonanzsignal
aufgetragen ist, das von dem Signalgenerator abgegeben wird,
Fig. 10A zeigt eine Darstellung, in der die Spannung über der Zeit für ein Ausgangssignal
dargestellt ist, das von der Empfängerwicklung abgegeben wird,
Fig. 10B zeigt eine Darstellung, in der die Spannung über die Zeit aufgetragen ist, die sich
ergibt, wenn die relative Position zwischen den Flußmodulatoren und der Empfänger
wicklung um eine viertel Wellenlänge verschoben worden ist,
Fig. 10C zeigt ein Diagramm, in dem die Spannung über die Zeit für den Fall aufgetragen ist,
daß die relative Position zwischen dem Flußmodulator und der Empfängerwicklung um
eine halbe Wellenlänge verschoben worden ist,
Fig. 11A bis G zeigen Darstellungen des zeitlichen Signalverlaufs, in denen die Spannungen
dargestellt sind, die an ausgewählten Positionen in der in Fig. 7 gezeigten elektroni
schen Schaltung des Codierers während der Abtastung auftreten,
Fig. 12A bis G zeigen Darstellungen des zeitlichen Verlaufs von Spannungen an ausgewählten
Positionen in der in Fig. 7 gezeigten elektronischen Schaltung des Codierers, wobei
das Steuersignal zur Verringerung der Energieverluste beschnitten ist,
Fig. 13 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Signalgenerators,
Fig. 14 zeigt eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines resultierenden Signals, das an dem
Kondensator in dem Signalgenerator gemäß Fig. 13 auftritt,
Fig. 15 zeigt einen Signalverlauf, bei dem die von der Empfängerwicklung erhaltene Span
nungsamplitude gegenüber der Position der Skala aufgetragen ist,
Fig. 16 zeigt eine auseinandergezogene, isometrische bzw. perspektivische Ansicht eines
dritten Ausführungsbeispiels der elektronischen Schieblehre gemäß der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 17 zeigt einen Querschnitt der elektronischen Schieblehre, der entlang der Linie 17-17 in
Fig. 16 geschnitten ist,
Fig. 18 zeigt einen seitlichen Querschnitt eines Abschnitts der elektronischen, in Fig. 16
gezeigten Schieblehre, wobei der Querschnitt entlang der Linie 18-18 in Fig. 17
geschnitten ist,
Fig. 19 zeigt eine isometrische bzw. perspektivische Ansicht der Skala eines vierten Ausfüh
rungsbeispiels der Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit nach dem
Verstärkungsprinzip arbeitenden Modulatoren ausgestattet ist,
Fig. 20 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Skala gemäß Fig. 19, wobei die Schnittansicht
entlang der Linie 20-20 in Fig. 19 geschnitten ist und die Verstärkungselemente zeigt,
die von der Basis getragen werden,
Fig. 21 zeigt einen Querschnitt der Skala gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der
Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 22 zeigt eine Draufsicht auf die Skala gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schieblehre,
Fig. 23 zeigt einen seitlichen Querschnitt der Skala eines siebten Ausführungsbeispiels der
Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 24 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Skala eines achten Ausführungsbeispiels der
Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 25 zeigt einen seitlichen Querschnitt einer ersten abgeänderten Ausführungsform der
Skala bei dem achten Ausführungsbeispiel der Schieblehre gemäß der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 26 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht einer zweiten Abänderung der Skala bei dem
achten Ausführungsbeispiel der Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 27 zeigt ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung des Codierers bei der elektroni
schen Schieblehre, wobei eine Wellenlängen-Verfolgungseinrichtung bzw. -Nachfüh
rungseinrichtung enthalten ist,
Fig. 28 zeigt eine Darstellung von Signalverläufen, wobei Spannungen an ausgewählten
Positionen in der elektronischen Schaltung des Codierers gemäß Fig. 27 während der
Abtastung dargestellt sind,
Fig. 29 zeigt eine Signaldarstellung, die das Sendesteuersignal und das Anzeigeaktualisie
rungs-Steuersignal veranschaulichen,
Fig. 30 zeigt ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung des Codierers bei der elektroni
schen Schieblehre, die, verglichen mit der gemäß Fig. 7 vorgesehenen elektronischen
Schaltung des Codierers, in umgekehrter Weise arbeitet, und
Fig. 31 zeigt eine Darstellung von Signalverläufen, die Spannungen an ausgewählten Positio
nen in der elektronischen Schaltung des Codierers gemäß Fig. 30 während der Abta
stung zeigen.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 enthält die dort gezeigte induktive Schieblehre 100 einen
langgestreckten Stab 102. Der langgestreckte Stab 102 ist durch eine steife oder semisteife
bzw. semiflexible Stange gebildet, die einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt
besitzt. Eine Rille 106 ist an einer oberen Flächen des langgestreckten Stabs 102 ausgebildet, in
der eine langgestreckte Meßskala (Meßlineal) 104 angebracht ist, die fest mit dem langgestreck
ten Stab 102 verbunden ist. Die Rille 106 ist in dem Stab 102 mit einer Tiefe ausgebildet, die
ungefähr gleich groß ist wie die Dicke der Skala 104. Folglich liegt die obere Fläche der Skala
104 nahezu vollständig in der gleichen Ebene wie die oberseitigen Ränder des Stabs 102.
Ein Paar von seitlich vorstehenden, feststehenden Backen 108 und 110 ist an dem Stab 102 in
der Nähe von dessen einem Ende (erstes Ende) 112 einstückig ausgebildet. Ein entsprechendes
Paar von seitlich vorstehenden, beweglichen Backen 116 und 118 ist an einer Schieberanord
nung 120 ausgebildet. Die äußeren Abmessungen eine Objekts werden dadurch gemessen, daß
das Objekt zwischen den für den Eingriff bzw. die Anlage vorgesehenen, als Paar vorliegenden
Oberflächen 114 an den Backen 108 und 116 angeordnet wird. In gleichartiger Weise werden
die inneren Abmessungen eines Objekts dadurch gemessen, daß die Backen 110 und 118 in dem
Objekt angeordnet werden. Die Eingriffsflächen 122 der Backen 110 und 118 werden hierbei
derart positioniert, daß sie die Oberflächen des zu messenden Objekts berühren.
Die Eingriffsoberflächen 122 und 114 sind derart angeordnet, daß die Eingriffsoberflächen 122
der Backen 110 und 118 mit einander ausgerichtet sind, wenn sich die Eingriffsoberflächen 114
der Backen 108 und 116 in gegenseitiger Berührung befinden. In dieser Position, das heißt in der
nicht gezeigten Null-Position, sollten sowohl die äußeren als auch die inneren, durch die
Schieblehre 100 gemessenen Abmessungen gleich null sein.
Die Schieblehre 100 enthält auch einen Tiefenstab bzw. Tiefenmeßstab 126, der an der
Schieberanordnung 120 angebracht ist. Der Tiefenmeßstab 126 steht von dem Stab 102 in
dessen Längsrichtung vor und endet an einem Eingriffsende bzw. Anschlagende 128. Die Länge
des Tiefenmeßstabs 126 ist derart festgelegt, daß das Anschlagende 128 mit einem zweiten
Ende 132 des Stabs 102 fluchtet, wenn sich die Schieblehre 100 in ihrer Null-Stellung befindet.
Mit der Schieblehre 100 kann die Tiefe eines Lochs dadurch gemessen werden, daß das zweite
Ende 132 des Stabs 102 auf eine Oberfläche aufgesetzt wird, in der sich das Loch befindet, und
daß der Tiefenmeßstab 126 in das Loch soweit eingeführt wird, bis das Anschlagende 128 den
Boden des Lochs berührt.
Wenn eine Messung unter Einsatz der äußeren Meßbacken 108 und 116, der inneren Meß
backen 110 und 118 oder des Tiefenmeßstabs 126 durchgeführt wird, wird der gemessene Wert
jeweils auf einer herkömmlichen digitalen Anzeige 138 angezeigt, die in einer Abdeckung 139
der Schieblehre 100 angebracht ist. In der Abdeckung 139 ist weiterhin ein Paar Drucktasten
schalter 134 und 136 angeordnet. Durch den Schalter 134 wird eine zur Signalverarbeitung und
zur Anzeige dienende elektronische Schaltung 166 der Schieberanordnung 120 eingeschaltet
und ausgeschaltet, während der Schalter 136 zur Rücksetzung der Anzeige 138 auf null dient.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Schieberanordnung 120 eine Basis 140 mit einer Führungs
kante 142. Die Führungskante 142 steht mit einer Seitenkante 146 des langgestreckten Stabs
102 in Berührung, wenn sich die Schieberanordnung 120 entlang des langgestreckten Stabs 102
verschiebt bzw. die Schieberanordnung 120 den Stab 102 übergreift. Hierdurch wird eine exakte
Betätigung der Schieblehre 100 sichergestellt. Damit ein freies Spiel zwischen der Schieberan
ordnung 120 und dem langgestreckten Stab 102 ausgeschaltet wird, wird eine nachgiebige bzw.
elastische Druckstange 148 durch ein Paar Schrauben 147 an eine entsprechend angepaßte
Kante des Stabs 102 angedrückt.
Der Tiefenmeßstab 126 ist eine zu seiner Aufnahme dienenden Rille 152 eingeführt, die an einer
Unterseite des langgestreckten Stabs 102 ausgebildet ist. Die Rille 152 erstreckt sich entlang
der Unterseite des langgestreckten Stabs 102, um hierdurch einen Raum zur Aufnahme des
Tiefenmeßstabs 126 zu bilden. Der Tiefenmeßstab 126 wird in der Rille 152 durch einen
Endanschlag 154 gehalten. Der Endanschlag 154 ist an der Unterseite des Stabs 102 an dessen
zweitem Ende 132 angebracht und verhindert darüberhinaus auch, daß die Schieberanordnung
120 während der Betätigung der Schieblehre unabsichtlich außer Eingriff mit dem langgestreck
ten Stab 102 an dessen zweiten Ende 132 gelangt.
Die Schieberanordnung 120 enthält weiterhin eine Aufnehmeranordnung 160, die an der Basis
140 oberhalb des langgestreckten Stabs 102 montiert ist. Folglich bewegen sich die Basis 140
und die Aufnehmeranordnung 160 als eine Einheit. Die Aufnehmeranordnung 160 weist ein
Substrat 162 wie etwa eine herkömmliche Druckschaltungsplatine bzw. gedruckte Leiterplatte
auf. Das Substrat 162 trägt an seiner unteren Flächen einen induktiven Lesekopf 164, während
an einer oberen Fläche des Substrats 162 die zur Signalverarbeitung und zur Anzeigesteuerung
dienende elektronischen Schaltung 166 angebracht ist. Eine nachgiebige bzw. elastische
Abdichtung 162 ist zwischen der Abdeckung 139 und dem Substrat 162 zusammengedrückt
und dient zur Verhinderung einer Verschmutzung der zur Signalverarbeitung und Anzeigesteue
rung dienenden elektronischen Schaltung 166.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Lesekopf 164 durch eine dünne, belastbare bzw. abnutzungsbe
ständige, isolierende Beschichtung 167 abgedeckt, die vorzugsweise ungefähr 50 mm oder
50 µm dick ist.
Die Skala 104 enthält eine langgestreckte Druckschaltungsplatine bzw. gedruckte Leiterplatte
168 als ihr primäres bzw. primärseitiges Wandlerelement. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Satz
von Unterbrechern 170 vorgesehen, die entlang der gedruckten Leiterplatte 168 mit Abstand in
einem periodischen Muster angeordnet sind. Die Unterbrecher 170 sind vorzugsweise aus Kupfer
hergestellt und vorzugsweise gemäß den herkömmlichen Fertigungsmethoden zur Fertigung bzw.
Bearbeitung von gedruckten Leiterplatten ausgebildet, wobei aber auch viele andere Herstel
lungsmethoden eingesetzt werden können. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Unterbrecher 170
durch eine schützende, isolierende Schicht 172 mit einer Dicke von vorzugsweise höchstens
100 mm oder 100 µm) abgedeckt. Die schützende Schicht 172 kann gedruckte Markierungen
enthalten, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Die Schieberanordnung 120 trägt den Lesekopf 164 derart, daß dieser geringfügig gegenüber
dem Stab 102 durch einen Luftspalt 174 beabstandet ist, der zwischen den isolierenden
Beschichtungen 167 und 172 ausgebildet ist. Der Luftspalt 174 weist eine Größe auf, die
vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm liegt. Der Lesekopf 164 und die Unterbrecher 170 bilden
zusammen einen induktiven Wandler, der vorzugsweise von jeder beliebigen Ausführungsform
sein kann, wie sie in der US-Patentanmeldung 08/441 769 bzw. der nicht vorveröffentlichten
EP 0 743 508 A offenbart ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit in vollem Umfang in den Offenba
rungsgehalt vorliegender Anmeldung miteinbezogen wird. Insbesondere weist der induktive
Wandler eine derjenigen Ausgestaltungen auf, die in den vorliegenden Unterlagen offenbart sind.
Bei der Schieblehre 100 können aber auch andere Ausführungsformen von induktiven Wandlern
zum Einsatz kommen, die die notwendigen Verpackungs- bzw. Anordnungsmöglichkeiten bieten,
ausreichend genau sind, geringen Leistungsbedarf haben und in gleicher Weise unempfindlich
sind gegenüber Verunreinigungen. Die Schieblehre 100 kann auch mit Stromsparmethoden
ausgerüstet werden, wie sie zum Beispiel in der am 17. April 1996 eingereichten vorläufigen
(provisional) US-Patentanmeldung 60/015 707 offenbart sind.
Der durch den Lesekopf 164 und die Unterbrecher 170 gebildete induktive Wandler bewirkt bei
dem ersten, in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Erzeugung von sich ändernden
Magnetfeldern. Die sich ändernden Magnetfelder rufen umlaufende, als Wirbelströme bezeich
nete Ströme in den Unterbrechern 170 hervor, die in den sich ändernden Magnetfeldern
angeordnet sind.
So ist zum Beispiel einer der Unterbrecher 170 zwischen den Polflächen eine Elektromagneten
angeordnet. Das Magnetfeld zwischen den Polflächen ändert sich mit der Zeit, beispielsweise
wenn der Elektromagnet durch einen Wechselstrom angesteuert wird. Folglich ändert sich der
Fluß, der durch eine beliebige geschlossene Schleife in dem Unterbrecher 170 fließt. Als
Ergebnis wird eine elektromotorische Kraft ("EMK") um die geschlossene Schleife herum
induziert. Da der Unterbrecher 170 ein Leiter ist, wird ein Wirbelstrom hervorgerufen, dessen
Wert gleich groß ist wie die elektromotorische Kraft, dividiert durch den Widerstandswert des
Materials entlang der Schleife, aus dem der Unterbrecher 170 hergestellt ist.
Solche Wirbelströme werden häufig in den Magnetkernen von Transformatoren hervorgerufen. In
den Transformatoren sind diese Wirbelströme unerwünscht, da sie zu Leistungsverlusten führen
und Wärme erzeugen, die abgeführt werden muß. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch das
Vorhandensein von Wirbelströmen zur Erzielung eines nützlichen Effekts ausgenutzt.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Lesekopf 164 in größeren Einzelheiten. Der Lesekopf 164
besteht vorzugsweise aus fünf im wesentlichen koplanaren bzw. in der gleichen Ebene liegenden
Leitern 180 bis 184. Zwei der Leiter, nämlich die Leiter 181 und 182, bilden eine erste Empfän
gerwicklung 178. Zwei weitere Leiter, nämlich die Leiter 183 und 184, bilden eine zweite
Empfängerwicklung 179. Die erste und die zweite Empfängerwicklung 178 und 179 sind zentral
entlang des Substrats 162 angeordnet und erstrecken sich entlang dieses Substrats 162 in sich
überlappender Weise.
Die erste und die zweite Empfängerwicklung 178 und 179 sind jeweils in Form eine sinusförmi
gen Musters angeordnet und weisen die gleiche Wellenlänge auf. Der Leiter 181 erstreckt sich
von einem Anschluß 185 bis zu einem Zwischenverbindungsanschluß 189a, bei dem er mit dem
Leiter 182 verbunden ist. Der Leiter 182 verläuft dann zu einem Anschluß 187 zurück. Die Leiter
181 und 182 bilden die erste Empfängerwicklung 178 und definieren eine Mehrzahl von
sinusförmigen Schleifen 191.
In gleicher Weise verläuft der Leiter 183 von einem Anschluß 188 zu einem Zwischenverbin
dungsanschluß 189b, bei dem er mit dem Leiter 184 verbunden ist. Der Leiter 184 verläuft dann
zu einem Anschluß 186 zurück. Die Leiter 183 und 184 bilden die zweite Empfängerwicklung
179 und definieren gleichfalls eine Vielzahl von sinusförmigen Schleifen 192. Die Schleifen 192
sind gegenüber den durch die erste Empfängerwicklung 178 gebildeten Schleifen 191 um eine
viertel Wellenlänge oder eine halbe Wellenlänge oder um die Hälfte einer Schleife versetzt.
Gemäß Fig. 3 sind die Leiter 181 bis 184 auf der gleichen Oberfläche des Substrats 162
dargestellt. Jedoch befinden sich halbe Wellenlängenabschnitte jedes der Leiter 181 bis 184
jeweils alternierend bzw. abwechselnd tatsächlich in separaten Schichten des Substrats 162.
Folglich berühren sich die Wicklungen 178 und 179 physikalisch nicht gegenseitig. In gleicharti
ger Weise berühren sich die jeweiligen Wicklungen 178 und 179 selbst an den Übergangspunk
ten in der Mitte des Musters nicht physikalisch. Die halben Wellenlängenabschnitte (bzw.
Abschnitte mit halber Wellenlänge) jedes der Leiter 181 bis 184 werden dann mit den anderen
halben Wellenlängenabschnitten des gleichen Leiters mittels Durchführungen 190 verbunden, die
durch das Substrat 162 verlaufen. Auch wenn die Leiter 181 bis 184 nicht auf der gleichen
Oberfläche des Substrats 162 verlaufen, liegen die Leiter 181 bis 184 innerhalb einer dünnen
Zone. Der Abstand zwischen der obersten Schicht der Wicklungen 178 und 179 auf dem
Substrat 162 und der untersten Schicht des Substrats 162 ist somit minimal. Daher verlaufen
die Leiter 181 bis 184 im wesentlichen koplanar bzw. in der gleichen Ebene.
Die zweite Empfängerwicklung 179 ist im wesentlichen identisch mit der ersten Empfängerwick
lung 178, abgesehen von dem räumlichen Phasen-Versatz. In der nachfolgenden Beschreibung
wird somit hauptsächlich auf die erste Empfängerwicklung 178 Bezug genommen, wobei die
Erläuterungen aber in gleicher Weise auch auf die zweite Empfängerwicklung 179 zutreffen.
Die fünfte Wicklung 180 ist eine Senderwicklung, die ebenfalls innerhalb der dünnen Zone liegt
und die erste und die zweite Empfängerwicklung 178 und 179 im wesentlichen umschließt. Die
Senderwicklung 180 ist gleichfalls durch einen Leiter auf einer Schicht oder Oberfläche des
Substrats 162 gebildet und ist ebenfalls gemäß den herkömmlichen Herstellungsmethoden zur
Herstellung bzw. Bearbeitung von gedruckten Leiterplatten ausgebildet. Die Senderwicklung 180
weist eine Länge 194 und eine Breite 195 auf, die ausreichend groß sind, um die erste und die
zweite Empfängerwicklung 178 und 179 zu umgeben.
Wenn nichts anderes angegeben ist, sind die Messungen bzw. Dimensionen gemäß den Fig. 3
und 4 relativ zu einer Meßachse 300 definiert. Die "Länge" bezieht sich generell auf die parallel
zu der Meßachse 300 verlaufenden Abmessungen, während sich die "Breite" generell auf
Abmessungen bezieht, die rechtwinklig zu der Meßachse 300 in der Ebene des Substrats 162
verlaufen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Schleifen 191, die durch die erste Empfän
gerwicklung 178 gebildet sind, oder zwischen zwei benachbarten, durch die zweite Empfänger
wicklung 179 gebildeten Schleifen 192 ist als der Teilungsabstand oder die Wellenlänge 193 des
Lesekopfs 164 definiert. Die Strecke, die von einer einzelnen Schleife 191 oder 192 überspannt
wird, ist gleich groß wie die Hälfte der Wellenlänge 193. Die Strecke 302, die durch jeden
Unterbrecher 170 überspannt wird, ist vorzugsweise ebenfalls gleich groß wie die Hälfte einer
Wellenlänge 193. Durch den eine viertel Wellenlänge betragenden Versatz zwischen der ersten
Empfängerwicklung 178 und der zweiten Empfängerwicklung 179 werden um 90° phasenver
schobene Signale erzeugt. Folglich läßt sich die Richtung der Bewegung des Lesekopfs 164
relativ zu der Skala 104 ermitteln. Ferner ist der Abstand 304 zwischen einem Rand eines
Unterbrechers 170 bis zu dem entsprechenden Rand eines benachbarten Unterbrechers 170
vorzugsweise gleich groß wie die Wellenlänge 193. Wenn alle Unterbrecher identisch sind, kann
der Abstand 304 von Rand zu Rand auch jedes beliebige ganzzahlige Vielfache "K" der Wellen
länge 193 sein. In dem letzteren Fall weist jede Empfängerwicklung vorzugsweise eine Länge
auf, die dem "N*K"-fachen der Wellenlänge 193 entspricht, wobei N ebenfalls eine ganze Zahl
bezeichnet.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, weist die erste Empfängerwicklung 178 ein sinusförmiges Muster aus
Schleifen 191 auf. Die erste Empfängerwicklung 178 ist durch die Leiter 181 und 182 gebildet,
die in einer Richtung in einem sinusförmigen oder Zickzack-förmigen Muster angeordnet sind,
und dann in der umgekehrten Richtung verlaufen. Folglich überqueren sich die Leiter 181 und
182 jeweils physikalisch (aber nicht elektrisch), um hierdurch die Schleifen 191 zu bilden.
Alternativ können die Schleifen 191 dadurch geschaffen werden, daß eine Schleife aus isolier
tem Draht im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn jeweils um 180° in regelmäßigen
Schritten entlang der Schleife verdreht wird. Der Aufbau der zweiten Empfängerwicklung 179 ist
identisch mit demjenigen der ersten Empfängerwicklung 178.
Als Ergebnis des sich überkreuzenden Aufbaus der Schleifen 191 weisen jeweils benachbarte
Schleifen 191 jeweils unterschiedliche effektive Wicklungsrichtungen auf. Ein durch die Sen
derwicklung 180 fließender Wechselstrom erzeugt ein gleichförmiges, sich zeitlich veränderndes
Magnetfeld, das durch die erste Empfängerwicklung 178 verläuft. Das sich zeitlich ändernde
Magnetfeld erzeugt eine elektromotorische Kraft in der ersten Empfängerwicklung 178, das heißt
einen in dieser fließenden, sich zeitlich ändernden Strom. Folglich arbeitet die Empfängerwick
lung 178 als ein spezialisierter Magnetflußsensor. Da jeweils benachbarte Schleifen 191 in
unterschiedlichen Richtungen gewickelt sind, haben die elektromotorische Kraft und der Strom,
die in benachbarten Schleifen 191 hervorgerufen werden, jeweils abwechselnde Polaritäten, wie
es in Fig. 4 mit den Symbolen "+" und "-" veranschaulicht ist.
Jede der Schleifen 191 umschließt im wesentlichen die gleiche Fläche. Falls daher die Anzahl
von "+" Schleifen 191a gleich groß ist wie die Anzahl von "-" Schleifen 191b und die Schleifen
191 einen gleichförmigen Magnetfluß empfangen, induziert das Magnetfeld insgesamt eine bei
netto null liegende elektromotorische Kraft an den Anschlüssen 185 und 187 der ersten
Empfängerwicklung 178. Dies gilt in gleicher Weise auch für die zweite Empfängerwicklung 179.
Falls sich ein Unterbrecher 170 an der Skala 104, oder irgendein anderes leitendes Objekt, nahe
zu dem Lesekopf 164 bewegt, induziert das Magnetfeld, das durch die Senderwicklung 180
hervorgerufen wird, Wirbelströme in dem Unterbrecher 170 oder dem anderen leitenden Objekt.
Demzufolge wird ein Magnetfeld in der Nähe des Unterbrechers hervorgerufen, das dem durch
die Senderwicklung 180 erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt. Die Wirbelströme erzeugen somit
entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder, die das von der Senderwicklung erzeugte Magnetfeld
in der Nähe des Unterbrechers 170 dämpfen.
Als Ergebnis wird der Magnetfluß, der von der ersten Empfängerwicklung 178 empfangen wird,
räumlich geändert oder unterbrochen. Solange die Unterbrechung die "+" Schleifen 191a und
die "-" Schleifen 191b nicht in gleicher Weise beeinflussen, gibt die Empfängerwicklung 178 ein
nicht bei null liegendes EMK-Signal ab. Demzufolge ändert sich die Polarität der elektromotori
schen Kraft (EMK) zwischen den Ausgangsanschlüssen 185 und 187, wenn sich der leitende
Unterbrecher 170 von einem Bereich nahe bei einer "+" Schleife 191a bis zu einem Bereich
nahe bei einer "-" Schleife 191b bewegt.
Die Größe des Unterbrechers 170 ist vorzugsweise nicht gleich groß wie die Wellenlänge 193.
Wenn die Länge 302 des Unterbrechers 170 zum Beispiel gleich groß wäre wie die Wellenlänge
193, und wenn die Breite des Unterbrechers 170 gleich groß wäre wie die Breite 195, würde der
Unterbrecher 170 unabhängig davon, wo er entlang der Meßachse 300 relativ zu den Schleifen
191 angeordnet ist, das von der Senderwicklung erzeugte Magnetfeld in gleich großen Bereichen
von benachbarten "+" Schleifen 191a und "-" Schleifen 191b unterbrechen. Als Ergebnis würde
die Amplitude des von der Empfängerwicklung 178 abgegebenen EMK-Signals nominell bei null
liegen.
Das von der Empfängerwicklung 178 erzeugte Ausgangssignal wäre ferner weiterhin unempfind
lich gegenüber der Position des Objekts relativ zu den Schleifen 191. Somit wäre das Ausgangs
signal gleich null, unabhängig von der Position des Unterbrechers 170 entlang der Meßachse. Da
bei dieser geometrischen Gestaltung kein nutzbares Signal resultiert, ist die Größe des Unterbre
chers 170 vorzugsweise nicht gleich groß wie die Wellenlänge 193. Die Länge des Unterbrechers
170 kann größer sein als eine Wellenlänge 193. Da jedoch der Abschnitt des Unterbrechers, der
gleich einer vollen Wellenlänge 193 ist, nicht zu der nutzbaren Signalstärke beiträgt, ist die
Länge des Unterbrechers 170 vorzugsweise kleiner als eine Wellenlänge 193.
Wenn die Länge des Unterbrechers 170 ungleich einer Wellenlänge 193 oder einem ganzzahligen
Vielfachen der Wellenlänge 193 ist, werden in den meisten Positionen ungleiche Flächen der
"+" und "-" Schleifen 191 unterbrochen. Das erzeugte Signal ist daher empfindlich gegenüber
der Position des Unterbrechers 170 relativ zu den Schleifen 191. Das erzeugte Signal weist die
größte Amplitudenänderung als Funktion der Position auf, wenn die Länge der Unterbrecher 170
gleich einer halben Wellenlänge 193 ist. Wenn die Länge der Unterbrecher 170 gleich der Hälfte
der Wellenlänge 193 ist, bedeckt der jeweilige Unterbrecher 170 periodisch entweder eine volle
"+" Schleife 191a oder eine volle "-" Schleife 191b, ohne daß er in diesen Positionen irgend
einen Abschnitt einer benachbarten "-" Schleife 191b bzw. einer "+" Schleife 191a überdeckt.
Folglich führen Unterbrecher 170 mit einer Länge von jeweils einer halben Wellenlänge zu dem
größtmöglichen Signal.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Unterbrecher 170 an der Skala 104 mit einem Teilungsabstand
(das heißt einem Abstand von einem Rand zu einem benachbarten, entsprechenden Rand)
angeordnet, der einer Wellenlänge 193 entspricht. Folglich sind aufeinanderfolgende Unterbre
cher um eine halbe Wellenlänge 193 voneinander beabstandet. Die Unterbrecher 170 weisen
vorzugsweise hohe elektrische Leitfähigkeit auf, sind jedoch nicht ferromagnetisch. Damit
werden die Unterbrecher 170 nicht magnetisiert und ziehen daher keine ferromagnetischen
Teilchen an. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Länge der Skala 104 bei dem ersten Ausführungs
beispiel größer als die Länge des Lesekopfs 164. Die Länge der Skala 104 definiert somit den
Meßbereich der Schieblehre 100.
Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schieblehre 100. Bei diesem
zweiten Ausführungsbeispiel ist die Schieblehre 100 identisch wie die Schieblehre 100 gemäß
dem ersten, in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, mit Ausnahme der nachstehend beschrie
benen Abänderungen. Bei dem zweiten, in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schieblehre
100 werden die Empfängerwicklungen 178 und 179 und die Senderwicklungen 180 durch die
Skala 104 getragen, die an dem Haupt-Träger bzw. Stab 102 angeordnet ist. Die Unterbrecher
170 sind innerhalb der Schieberanordnung 120 positioniert, die sich entlang der Skala 104
bewegt. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 erstreckt sich der
Lesekopf 164 im wesentlichen über die gesamte Länge des Stabs 102. Die die Signalverarbei
tung und die Anzeigesteuerung durchführende elektronische Schaltung 166 und eine Stromver
sorgung sind ebenfalls an dem Haupt-Träger 102 angeordnet und sind elektrisch mit herkömmli
chen Mitteln mit dem Lesekopf 164 verbunden.
Sowohl bei dem ersten als auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 sind
die Schleifen 191 der ersten Empfängerwicklung 178 vorzugsweise innerhalb einer vorgegebe
nen Region in dem Inneren der Senderwicklung 180 angeordnet. Erfindungsgemäß wurde
anhand von Experimenten ermittelt, daß die Senderwicklung 180 ein Magnetfeld erzeugt, dessen
Intensität sich rasch in Abhängigkeit von dem Abstand zu dem Leiter der Senderwicklung 180
verringert. Jedoch wurde erfindungsgemäß weiterhin durch Experimente erkannt, daß das
Magnetfeld in dem Bereich im Inneren der Senderwicklung 180 dazu tendiert, sich jenseits eines
gewissen Abstands von dem Leiter der Senderwicklung 180 einem gleichmäßigen bzw. konstan
ten Wert anzunähern.
Der gewisse Abstand definiert folglich den äußeren Umfang einer Region mit relativ gleichförmi
gem Magnetfeld. Der Abstand, bei dem das Magnetfeld gleichförmig wird, stellt eine Funktion
der Geometrie der Wicklung dar. Zur Verbesserung der Genauigkeit des induktiven Wandlers
gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Schleifen 191 und 192 demzufolge vorzugsweise mit
dem gewissen Abstand von der Senderwicklung 180 beabstandet. Die Schleifen 191 und 192
der ersten und der zweiten Empfängerwicklung 178 und 179 sind vorzugsweise vollständig
innerhalb der Region mit relativ gleichförmigem Magnetfeld angeordnet.
Bei einer als Beispiel dienenden Ausführung haben die Unterbrecher 170, die Empfängerwicklun
gen 178 und 179 und die Senderwicklungen 180 die folgenden Abmessungen:
Wellenlänge der Empfängerwicklung = 5,08 mm (0,200 Zoll);
Länge des Unterbrechers = 2,54 mm (0,100 Zoll);
Breite des Unterbrechers = 12,45 mm (0,490 Zoll);
Breite der Senderwicklung = 10,16 mm (0,400 Zoll);
Breite der Empfängerwicklung = 8,64 mm (0,340 Zoll);
¼ Empfänger-Wellenlänge = 1,27 mm (0,050 Zoll); und
Länge der Senderwicklung = 49,53 mm (1,950 Zoll).
Länge des Unterbrechers = 2,54 mm (0,100 Zoll);
Breite des Unterbrechers = 12,45 mm (0,490 Zoll);
Breite der Senderwicklung = 10,16 mm (0,400 Zoll);
Breite der Empfängerwicklung = 8,64 mm (0,340 Zoll);
¼ Empfänger-Wellenlänge = 1,27 mm (0,050 Zoll); und
Länge der Senderwicklung = 49,53 mm (1,950 Zoll).
Aufgrund einer exakten Symmetrierung und einer abwechselnden Verschachtelungen der "+"
Schleifen 191a und der "-" Schleifen 191b erzeugt die erste Empfängerwicklung 178 ein
nominell bei null liegendes Ausgangssignal, wenn Unterbrecher 170 vorhanden sind. Gleichzeitig
führt die unmittelbar gegenseitig benachbarte Anordnung der sich abwechselnden "+" Schleifen
191a und "-" Schleifen 191b zu einem kontinuierlichen Signal, das an jedem Ausgangsanschluß
der Empfängerwicklung bzw. Empfängerwicklungen erzeugt wird, wenn sich der oder die
Unterbrecher 170 entlang der Meßachse 300 bewegen. Diese Gestaltungsmerkmale führen somit
zu einem hohen Signal/Stör-Verhältnis bzw. Rauschabstand der Schieblehre 100. Damit
ermöglichen diese Merkmale eine sehr exakte Messung.
Durch die vorstehend angegebene geometrische Gestaltung des Lesekopf 164 und der Skala 104
bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird sichergestellt, daß die Schieblehre 100 sehr exakt
arbeitet. Zusätzlich werden durch die vorstehend erläuterte geometrische Ausgestaltung des
ersten Ausführungsbeispiels der Schieblehre 100 Auswirkungen, die von nicht gleichförmigen
Senderfeldern entlang der Breite des Lesekopfs 164, das heißt rechtwinklig zu der Meßachse
300, herrühren, in großem Umfang ausgemerzt. Die vorstehend erläuterte geometrische
Gestaltung führt auch zur Zurückweisung von extern angelegten Magnetfeldern als "Fehler
asymmetrischen Betriebs" aufgrund der symmetrischen "differenziellen Erfassung" bei dem
induktiven Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Ausmaß der Genauigkeit bei dem
ersten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 mit induktivem Wandler hängt in starkem
Umfang von der Sorgfalt bei der Gestaltung und der Konstruktion des Lesekopfs 164 und der
Skala 104 ab.
In den Fig. 5A bis 5C ist ein Beispiel für die Arbeitsweise des induktiven Wandlers 100 gezeigt.
Wenn sich die Skala 104 und ihre Unterbrecher 170 (in gestrichelten Linien dargestellt) relativ zu
dem Sender bzw. der Senderwicklung 180 und der ersten Empfängerwicklung 178 bewegen,
decken die Unterbrecher 170 entweder alle "+" Schleifen 191a und keine der "-" Schleifen
191b, sich ändernde Anteile der "+" Schleifen 191a und der "-" Schleifen 191b oder aber alle "-"
Schleifen 191b und keine der "+" Schleifen 191a ab.
In Fig. 5A ist der Fall gezeigt, daß die Unterbrecher 170 alle "-" Schleifen 191b und keine der
"+" Schleifen 191a der ersten Empfängerwicklung 178 abdecken. Die Senderwicklung 180 ist
induktiv mit den Unterbrechern 170 gekoppelt und induziert Wirbelströme in diesen Punkt. Als
Ergebnis erzeugen die Unterbrecher 170 Magnetfelder, die dem Sender-Magnetfeld entgegenwir
ken, das durch die "-" Schleifen 191b hindurchläuft. Somit ist der Netto-Magnetfluß, der durch
die "-" Schleifen 191b verläuft, kleiner als der Netto-Magnet-Fluß, der durch die "+" Schleifen
191a verläuft. Die "-" Schleifen 191b erzeugen daher eine kleinere induzierte EMK als die "+"
Schleifen 191a. Als Folge hiervon erzeugt die erste Empfängerwicklung 178 einen Netto-Strom
mit "positiver" Polarität und eine entsprechende Netto-Spannung an den Ausgangsanschlüssen
185 und 187 der ersten Empfängerwicklung 178.
Das Ausgangssignal ändert sich über die Zeit hinweg, da die Senderwicklung 180 ein sich
zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt. Die Amplitude und die Polarität des sich zeitlich ändern
den Ausgangssignal relativ zu dem eingangsseitigen Signal geben die relative Position zwischen
dem Lesekopf 164 und der Skala 104. In Fig. 5C ist dargestellt, wie sich die Amplitude und die
Polarität des Ausgangssignals ändern, wenn sich die Position der Skala 104 relativ zu dem
Lesekopf 164 ändert.
Die anfängliche Spitze in der in Fig. 5C gezeigten Wellenform ist ein Beispiel für eine Amplitude
mit positiver Polarität, die an den Anschlüssen 185 und 187 der ersten Empfängerwicklung 178
abgegeben wird. Die Polarität zeigt die zeitliche Phase des sich zeitlich verändernden Ausgangs
signals relativ zu dem eingangsseitigen Signal an. Die Polarität des Ausgangssignals befindet sich
entweder in Phase mit dem Eingangssignal oder ist relativ zu diesem invertiert (das heißt um
180° phasenverschoben).
In Fig. 5B ist die Skala 104 derart verschoben gezeigt, daß die Unterbrecher 170 alle "+"
Schleifen 191a überlappen, jedoch keine der "-" Schleifen 191b überdecken. In dieser Relativ
position wirken die in den Unterbrechern 170 erzeugten, induzierten Ströme dem Magnetfluß des
Sender-Magnetfelds entgegen, der durch die "+" Schleifen 191a hindurchläuft. Die "-" Schleifen
191b erzeugen somit eine größere elektromotorische Kraft EMK als die "+" Schleifen 191a. Als
Folge hiervon erzeugt die erste Empfängerwicklung 178 einen Netto-Strom und eine Netto-Span
nung mit negativer Polarität an ihren Ausgangsanschlüssen 185 und 187. Das anfängliche
Tal in der in Fig. 5C gezeigten Wellenform stellt ein Beispiel einer negative Polarität aufweisen
den Amplitude dar, die an den Anschlüssen 185 und 187 der ersten Empfängerwicklung 178
erzeugt wird.
Wenn die Unterbrecher 170 die "-" Schleifen 191b vollständig überlappen, wie dies in Fig. 5A
gezeigt ist, weist das resultierende Ausgangssignal maximale positive Amplitude auf, wie sie
durch die Spitzen in der Wellenform gemäß 5C veranschaulicht ist. Wenn die Unterbrecher im
Gegensatz hierzu die "+" Schleifen 191a gemäß der Darstellung in Fig. 5B vollständig überlap
pen, weist das resultierende Ausgangssignale maximale negative Amplitude auf, die durch die
Täler in der Wellenform gemäß 5C veranschaulicht ist.
Wenn sich die Unterbrecher 170 entlang der Meßachse 300 zwischen der in Fig. 5A gezeigten
Position und der in Fig. 5B veranschaulichten Lage bewegen, ändert sich die Amplitude der
Wellenform gemäß Fig. 5C kontinuierlich. Insbesondere weist die Amplitude der Wellenform
gemäß Fig. 5C den Wert null auf, wenn die Unterbrecher 170 exakt eine Hälfte jeder der "+"
Schleifen 191a und der "-" Schleifen 191b überlappen. Ausgehend von dieser Position wird die
Amplitude des Ausgangssignals der Empfängerwicklung zunehmend positiv bzw. negativ, wenn
sich die Unterbrecher 170 näher zu der in Fig. 5A bzw. in Fig. 5B gezeigten Position bewegen.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Lesekopfs 164, das in Fig. 3 gezeigt ist, sind zwei
Empfängerwicklungen 178 und 179 vorgesehen, die einen gegenseitigen Abstand von einem
viertel der Skalen-Wellenlänge 193 aufweisen. Dies bedeutet, daß die zweite Empfängerwicklung
179 die erste Empfängerwicklung 178 überlappt und um ein viertel der Skalen-Wellenlänge 193
versetzt ist. Somit überlappt jede "+" Schleife 192a der zweiten Empfängerwicklung 179 einen
Abschnitt einer "+" Schleife 191a und einen Abschnitt einer "-" Schleife 191b der ersten
Empfängerwicklung 178. In gleichartiger Weise überlappt jede "-" Schleife 192b der zweiten
Empfängerwicklung 179 einen Abschnitt einer "+" Schleife 191a und einen Abschnitt einer "-"
Schleife 191b der ersten Empfängerwicklung 178.
Isolierende Durchgänge ("Vias") oder Überquerungs-Durchgänge sind in geeigneter Weise an
oder in dem Substrat 192 entsprechend angeordnet, um hierdurch die erste Empfängerwicklung
178 elektrisch gegenüber der zweiten Empfängerwicklung 179 zu isolieren. Da die erste und die
zweite Empfängerwicklung 178 und 179 in einem Abstand von einem viertel einer Skalen-Wel
lenlänge 193 angeordnet sind, sind die von der ersten und der zweiten Empfängerwicklung
178 und 179 abgegebenen Signale räumlich um 90° phasenverschoben. Dies bedeutet, daß die
Amplituden der von den Empfängerwicklungen 178 und 179 abgegebenen Signale sinusförmige
Muster bilden, die von der jeweiligen Position abhängen. Insbesondere ist das sinusförmige
Muster der zweiten Empfängerwicklung 179 räumlich um 90° gegenüber dem sinusförmigen
Muster verschoben, das von der ersten Empfängerwicklung 178 erzeugt wird. Die die Signalver
arbeitung und die Anzeigesteuerung bewirkende elektronische Schaltung 166 erfaßt daher die
Beziehung zwischen den Signalen, die von der Empfängerwicklung 178 und der Empfängerwick
lung 179 abgegeben werden. Anhand einer Analyse dieser Beziehung ermittelt die die Signalver
arbeitung und die Anzeigesteuerung bewirkende elektronische Schaltung 166 die Richtung, in
der sich der Lesekopf 164 relativ zu der Skala 104 bewegt. Wie vorstehend angegeben, ändern
sich die Amplituden der von den Wicklungen 178 und 179 abgegebenen Signale in sinusförmiger
Weise in Abhängigkeit von der Position des Lesekopfs 164 relativ zu der Skala 104. Folglich
erkennt die elektronische Schaltung 166 die Position des Lesekopfs 164 mit
Bezug zu der Skala 104 aufgrund der nachfolgenden Gleichung:
Hierbei bezeichnen:
p die Position;
λ die Skalen-Wellenlänge 193;
n eine ganze Zahl, die die Anzahl von vollständig durchwanderten Wellenlängen 193 angibt;
S1 und S2 die Amplituden und die Vorzeichen der Ausgangssignale, die von den Empfängerwick lungen 178 bzw. 179 jeweils aufgenommen bzw. erzeugt werden; und
"tan-1" die invertierte Tangens-Funktion, die einen Winkel zwischen null und 2 π als Funktion des Verhältnisses zwischen S1 und S2 definiert.
p die Position;
λ die Skalen-Wellenlänge 193;
n eine ganze Zahl, die die Anzahl von vollständig durchwanderten Wellenlängen 193 angibt;
S1 und S2 die Amplituden und die Vorzeichen der Ausgangssignale, die von den Empfängerwick lungen 178 bzw. 179 jeweils aufgenommen bzw. erzeugt werden; und
"tan-1" die invertierte Tangens-Funktion, die einen Winkel zwischen null und 2 π als Funktion des Verhältnisses zwischen S1 und S2 definiert.
Die Vorzeichen von S1 und S2 legen in Übereinstimmung mit der nachfolgenden Tabelle 1 fest,
in welchem Quadraten der Winkel liegt.
Zur Verbesserung der Genauigkeit der Schieblehre 100 und/oder zur Verringerung der Anforde
rungen an die die analoge Signalverarbeitung durchführende, für das Ausgangssignal der
Empfängerwicklung(en) vorgesehene Verarbeitungsschaltung kann der Lesekopf 164 drei oder
mehr sich überlappende Empfängerwicklungen enthalten. Auch wenn ein Lesekopf 164, der drei
oder mehr sich überlappende Empfängerwicklungen enthält, schwieriger herzustellen ist, stellt er
in Kombination mit gewissen Signalverarbeitungstechniken eine noch genauere Positionsermitt
lung bereit als ein Lesekopf 164, der lediglich zwei sich überlappende Empfängerwicklungen
aufweist. Solche mit einer Mehrzahl von Wicklungen ausgestattete Leseköpfe weisen vorzugs
weise gleiche Phasenverschiebung auf. Bei einer Anzahl m von Wicklungen ist die Phasenver
schiebung zum Beispiel gleich 180°/m.
Die die Signalverarbeitung und die Anzeigesteuerung bewirkende elektronische Schaltung 166 ist
in Fig. 7 in größeren Einzelheiten gezeigt. Die elektronische Schaltung 166 löst die Gleichung (1)
bzw. arbeitet nach dieser und steuert den elektronischen Betrieb der Schieblehre 100. Wie in
den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist die elektronische Schaltung 166 an dem Substrat 162 als ein
Teil der Aufnehmeranordnung 160 angebracht. Die elektronische Schaltung 166 ist mit dem
Lesekopf 164, den Schaltern 134 und 136 und der Anzeige 138 in herkömmlicher Weise
verbunden, wobei ein aus einem Elastomer-Material hergestellter Verbinder 165 für die Verbin
dung mit den Anschlüssen der Anzeige vorgesehen ist.
Wie in den Fig. 1, 6, 7 und 16 gezeigt ist, werden bei der die Signalverarbeitung und die
Anzeigesteuerung bewirkenden elektronischen Schaltung 166 ein programmierter Mikroprozessor
oder ein Mikrocontroller und periphere integrierte Schaltungselemente eingesetzt. Die elektroni
sche Schaltung 166 kann allerdings auch als ein ASIC-Baustein oder eine andere integrierte
Schaltung, als eine fest verdrahtete elektronische oder logische Schaltung wie etwa eine aus
diskreten Elementen bestehende Schaltung, als programmierte logische Einrichtung wie etwa als
PLD, PLA oder PAL, oder in anderer Form ausgeführt sein. Ganz allgemein kann jede beliebige
Vorrichtung, die eine Maschine mit endlichen Zuständen (finite-state-machine) unterstützt, die
zur Realisierung der in den vorliegenden Unterlagen beschriebenen Signalverarbeitungs- und
Anzeige-Funktionen im Stande ist, zur Realisierung der elektronischen Schaltung 166 eingesetzt
werden.
Die elektronische Schaltung 166 weist vorzugsweise einen Mikroprozessor 226, der ein Signal
von einem Analog/Digital-Wandler 224 aufnimmt und Steuersignale für die Anzeige 138 erzeugt
und an diese abgibt, den Analog/Digital-Wandler 224, einen Schalter 225, einen Signalgenerator
200 und eine Verzögerungsschaltung 219 auf. Das von der Verzögerungsschaltung 219
abgegebene Ausgangssignal wird an die Steuereingänge einer ersten Abtast- und Halteschaltung
217 und einer zweiten Abtast- und Halteschaltung 218 angelegt.
Jeder der Ausgänge der ersten und zweiten Abtast- und Halteschaltung 217 und 218 ist jeweils
mit einem der Eingangsanschlüsse des Schalters 225 verbunden. Der Ausgang des Schalters
225 ist an den Eingang des Analog/Digital-Wandlers 224 angeschlossen. Die Eingänge der ersten
und zweiten Abtast- und Halteschaltung 217 und 218 sind jeweils mit den Ausgangsanschlüssen
185 bzw. 188 der ersten bzw. der zweiten Empfängerwicklung 178 und 179 verbunden.
Die jeweils anderen Ausgangsanschlüsse 187 und 186 der ersten bzw. der zweiten Empfänger
wicklung 178 und 179 sind mit Masse (Massepotential) verbunden. Der Ausgang des Signalge
nerators 200 ist an den Anschluß 197 der Senderwicklung 180 angeschlossen, während der
andere Anschluß 198 der Senderwicklung 180 gleichfalls mit Masse verbunden ist.
Zur Durchführung einer Positionsmessung legt die elektronische Schaltung 166 ein elektrisches
Erregungssignal an die Senderwicklung 180 des Lesekopfs 164 an.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, weist die erste Abtast- und Halteschaltung 217 einen Pufferverstärker
216 auf, dessen Ausgang mit einem der Anschlüsse des Schalters 225 verbunden ist. Der
Ausgangsanschluß 185 der ersten Empfängerwicklung 178 ist über einen Schalter 221 mit dem
Eingang des Pufferverstärkers 216 verbunden. Der Steueranschluß des Schalters 221 ist an die
Verzögerungsschaltung 219 angeschlossen und nimmt das Steuersignal für den Abtast- und
Haltevorgang auf. Ein Kondensator 230 ist zwischen Masse und den Eingangsanschluß des
Pufferverstärkers 216 geschaltet.
In gleichartiger Weise sind ein Pufferverstärker 222, ein Schalter 223 und ein Kondensator 232
der zweiten Abtast- und Halteschaltung 218 zwischen die Verzögerungsschaltung 219, den
anderen Anschluß des Schalters 225, den Ausgangsanschluß 188 der zweiten Empfängerwick
lung 179 und Masse geschaltet.
Wie in Fig. 7 sowie in größeren Einzelheiten in Fig. 8 gezeigt ist, ist der Mikroprozessor 226 an
das Gate eines Transistors 210 des Signalgenerators 200 angeschlossen. Eine Versorgungsspan
nung V+ ist über einen Vorspannwiderstand bzw. Vorwiderstand 212 mit dem Drain des
Transistors 210 verbunden. Die Source des Transistors 210 ist an Masse angeschlossen.
Durch einen Kondensator 214 und die Senderwicklung 180 ist eine LC-Serienschaltung gebildet,
die zwischen das Drain des Transistors 210 und Masse geschaltet ist. Wenn der Transistor 210
ausgeschaltet ist, ist der Kondensator 214 über den Widerstand 212 mit der Versorgungsspan
nung V+ verbunden und wird auf die Versorgungsspannung V+ aufgeladen. Die Versorgungs
spannung wird vorzugsweise durch eine geeignete, nicht gezeigte Spannungsquelle wie etwa
eine Batterie bereitgestellt. Die Spannungsversorgung V+, der Transistor 210, der Widerstand
212 und der Kondensator 214 bilden gemeinsam die erste Ausführungsform der Signalgenerator
schaltung 200 in der elektronischen Schaltung 166.
Zur Einschaltung des Transistors 210 legt der Mikroprozessor 226 einen kurzen Impuls an das
Gate des Transistors 210 an. Wenn der Transistor 210 eingeschaltet ist, ist der Kondensator
214 über den 59933 00070 552 001000280000000200012000285915982200040 0002019719905 00004 59814 Transistor 210 mit Massepotential verbunden. Da sich die Kondensatorspannung
bzw. Kondensatorladung nicht abrupt ändern kann, wird die Spannung an dem Knoten A
zwischen dem Kondensator 214 und der Senderwicklung 180 auf negativen Wert gezogen.
Der Kondensator 214 und die Senderwicklung 180 treten dann miteinander bei einer Frequenz in
Resonanz, die durch den Kapazitätswert des Kondensators 214 und den Induktivitätswert der
Senderwicklung 180 bestimmt ist.
Während jeder Abtastperiode des Ausgangssignals der Empfängerwicklung wird der Kondensator
214 entladen und anschließend erneut geladen. Damit eine ausreichende Genauigkeit und
Fähigkeit zur Verfolgung der Bewegung bei dem mit niedriger Leistung und induziertem Strom
arbeitenden Wandler, der bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100
eingesetzt wird, erzielt wird, ist eine Abtastfrequenz von ungefähr 1 kHz bevorzugt. Der Konden
sator 214 weist vorzugsweise einen Wert von 1 nF auf, wobei die Versorgungsspannung V+
vorzugsweise einen Wert von 3 V besitzt.
Die Ladung (in Coulomb), die durch die Versorgungsspannung V+ bereitgestellt wird, ist gleich
dem Kapazitätswert des Kondensators, multipliziert mit der Änderung der Spannung an dem
Kondensator (Coulomb = Farad Volt). Demzufolge ist die durch den Kondensator 214 gespei
cherte Ladung gleich dem Kapazitätswert des Kondensators 214, das heißt 1 nF, multipliziert mit
der Spannung an dem Kondensator, das heißt 3 V, und beträgt somit 3 nC.
Der Kondensator entlädt sich, und lädt sich wieder auf, während jeder Abtastperiode, die bei
einer Abtastrate von 1 kHz gleich 1 ms ist. Der Strom ist hierbei die Ladung, geteilt durch die Zeit
(Ampere = Ladung/Sekunde). Demgemäß ist der durchschnittliche Strom, der von der Strom
quelle während eines Abtastintervalls gezogen wird, gleich 3 µA (3 nC/1 ms = 3 µA). Drei
Mikroampere ist selbst für einen Batterie gespeisten Wandler ein sehr geringer Strom.
Aufgrund der gewählten Schaltungskonfiguration ermöglicht es der Signalgenerator 200, daß der
Wandler intermittierend ein starkes Ausgangssignal (mit maximal ungefähr 60 mV) an den
Anschlüssen 185 bis 188 der Empfängerwicklungen 178 und 179 erzeugt. Dennoch benötigt die
induktive Schieblehre gemäß der vorliegenden Erfindung nur einen sehr geringen durchschnittli
chen Strom selbst bei der gewünschten, raschen Abtastrate von 1 kHz, und zwar wegen der bei
der vorliegenden Erfindung eingesetzten Schaltungs- und Wandler-Ausgestaltung und wegen der
Tatsache, daß das Treibersignal ein sehr kurzer Impuls ist und mit einem kleinen Tastverhältnis
versehen sein kann. Bei einer in der Praxis einsetzbaren, verkaufsfähigen elektronischen
Schieblehre ist ein kleiner durchschnittlicher Strom erforderlich.
Zur Verringerung des Stromverbrauchs auf ein Mindestmaß sollte der an den Transistor 210
angelegte Eingangsimpuls so kurz wie möglich sein, so daß die Ladung, die aufgrund des
Vorwiderstands 212 verloren geht, so gering wie möglich ist. Bei dem vorstehend erläuterten
Beispiel ist der mittlere, durch den Widerstand 212 fließende Strom lediglich bei 0,3 µA, wenn
die Impulslänge gleich 1 ms ist und der Widerstand 212 einen Wert von 10 kΩ besitzt. Generell
ist bei der vorliegenden Erfindung der durchschnittliche Strom, der zum Laden des Kondensators
214 eingesetzt wird, vorzugsweise kleiner als 75 µA, und insbesondere kleiner als 10 µA.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, sind die Kondensatoren 230 und 232 jeweils elektrisch parallel zu den
Empfängerwicklungen 178 und 179 geschaltet. Die Kapazitäten der Kondensatoren 230 und 232
bilden mit den Induktivitäten der Empfängerwicklungen 178 und 179 Resonanzschaltungen. Falls
die Resonanzfrequenz dieser Resonanzschaltungen gleich groß ist wie die Resonanzfrequenz der
Sender-Resonanzschaltung, ist die Stärke des Signals, das von den Empfängerwicklungen
abgegeben wird, vergrößert und es ist unerwünschtes Rauschen aus den Signalen ausgefiltert.
Da die als Induktivität wirkende Senderwicklung 180 und der Kondensator 214 eine LC-Reso
nanzschaltung bilden, wird eine an einem Knoten A gemessene Übergangsspannung abfallendes
Resonanzverhalten aufweisen, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Das Übergangs-Spannungssignal ruft
einen entsprechenden Stromfluß in der Senderwicklung 180 hervor. Dieser Stromfluß ruft
seinerseits einen sich ändernden Magnetfluß hervor, der rechtwinklig zu den Schleifen 191 und
192 der Empfängerwicklungen 178 bzw. 179 verläuft.
Die Empfängerwicklungen 178 und 179 weisen jeweils zwei Leiterabschnitte auf. Wie in Fig. 7
gezeigt ist, sind diese Abschnitte an räumlichen Phasenpositionen angeordnet, die bei der ersten
Empfängerwicklung 178 0° und 180° entsprechen, und bei der zweiten Empfängerwicklung 179
90° und 270° entsprechen. Wie vorstehend erläutert, wird ein Strom in den Unterbrechern 170
induziert, wenn sich die Skala 104 und die Unterbrecher 170 in ihrer jeweiligen Position
befinden. Das von diesem induzierten Strom herrührende Feld führt zu einer Netto-EMK in den
Empfängerwicklungen 178 und 179.
Die Grad-Angaben in Fig. 7 (0°, 90°, 180°, 270°) entsprechen der Position der unterschiedli
chen Abschnitte der Empfängerwicklungen 178 und 179 relativ zu einer Nennposition. Die
serielle Verbindung der beiden Hälften der ersten Empfängerwicklung 178 führt zum Beispiel
dazu, daß die Spannung an dem Ausgang der ersten Empfängerwicklung 178 eine bestimmte
Polarität aufweist, wenn sich die Unterbrecher 170 in der Position 0° befinden. Die Spannung an
dem Ausgang der ersten Empfängerwicklung 178 weist die entgegengesetzte Polarität auf, wenn
sich die Unterbrecher 170 in der Position 180° befinden.
Die von den Empfängerwicklungen 178 und 179 abgegebenen Signale werden an die zur
Signalverarbeitung und Anzeigesteuerung dienende elektronische Schaltung 166 abgegeben. Die
elektronische Schaltung 166 analysiert die Signale zur Ermittlung des Abstands zwischen den
Klauen bzw. Backen 108 und 116, der gleich dem Abstand zwischen den Backen 110 und 118
ist. Die elektronische Schaltung 166 ist ihrerseits mit der Anzeige 138 über den herkömmlichen,
elastomeren bzw. mit Elastomer-Material umgossenen Leiter bzw. Verbinder 165 verbunden und
legt an die Anzeige 138 ein Treibersignal an, um hierdurch eine digitale Anzeige des gemessenen
Abstands zu erzeugen.
In den Fig. 10A bis 10C ist die Spannung dargestellt, die an dem Ausgang der ersten Empfän
gerwicklung 178 als Reaktion auf die Erregung der Senderwicklung durch eine sich ändernde
Spannung, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist, induziert wird. Im einzelnen zeigen die Fig. 10A bis 10C
die induzierte Spannung für drei unterschiedliche Positionen der Unterbrecher 170 relativ zu den
Schleifen 191 der ersten Empfängerwicklung 178. Die Amplitude und die Phase des Empfänger
signals hängen von der Position der Skala 104 relativ zu der Empfängerwicklung 178 oder 179
ab.
Das in Fig. 10A gezeigte Empfängersignal weist eine Spitzenamplitude an einem Punkt B auf. Die
Spitzenamplitude zeigt an, daß die relative Position zwischen der Skala und der Empfängerwick
lung 178 oder 179 eine solche Position ist, bei der sich ein Signal mit maximaler Amplitude
ergibt. Erfindungsgemäß wurde durch Untersuchungen ermittelt, daß das maximale Empfän
gerausgangssignal an dem Punkt B ungefähr gleich 60 mV ist, wenn der Induktivitätswert der
Senderwicklung 180 gleich 0,5 µH ist, der Kapazitätswert des Kondensators 214 gleich 1 nF ist,
der Spalt 174 eine Größe von ungefähr 0,5 mm aufweist und eine Versorgungsspannung V+
von 3 V eingesetzt wird. Die LC-Reihenschaltung, die durch den Kondensator 214 und die
Senderwicklung gebildet wird, besitzt eine Resonanzfrequenz von ungefähr 7 MHz.
In Fig. 10B ist das Empfängersignal gezeigt, wenn die Skala 104 um ¼ der Wellenlänge 193
gegenüber derjenigen relativen Position verschoben ist, bei der das in Fig. 10A gezeigte Empfän
gersignal erzeugt wird. Wie aus Fig. 10A ersichtlich ist, wird bei dieser Relativposition zwischen
der ersten Empfängerwicklung 178 und den Unterbrechern 170 ein Empfänger-Ausgangssignal
erzeugt, das an dem Punkt B eine Amplitude von 0 aufweist. Dieses Signal entspricht einer
Position, bei der jeder Unterbrecher 170 gleiche Flächen von benachbarten "+" Schleifen 191a
und "-" Schleifen 191b bei der Empfängerwicklung 178 überlappt.
Gemäß Fig. 10C ist die Skala um ein weiteres Viertel der Wellenlänge 173 in der gleichen
Richtung verschoben, so daß sich eine gesamte Verschiebung von ½ einer Wellenlänge 193
gegenüber der Relativposition ergibt, bei der das in Fig. 10A gezeigte Empfängersignal erzeugt
wird. In dieser Relativlage überlappen sich die Unterbecher 170 jeweils mit einer Schleife 191,
die entgegengesetzte Polarität bezüglich der Schleife 191 aufweisen, die der Fig. 10A entspricht.
Demgemäß erzeugt die erste Empfängerwicklung 178 an dem Punkt B ein Empfängersignal, das
maximale negative Amplitude besitzt.
In den Fig. 11A bis 11G sind die Signale gezeigt, die an unterschiedlichen Punkten in der
elektronischen Schaltung 166 auftreten. Wie in den Fig. 11D und 11E dargestellt ist, sind die
Unterbrecher 170 relativ zu den Schleifen 191 und 192 derart positioniert, daß die Empfänger
signale, die von den Empfängerwicklungen 178 und 179 abgegeben werden, gleich groß sind
und entgegengesetzt verlaufen bzw. entgegengesetzte Polarität aufweisen. Die gleich großen,
unterschiedliche Polarität besitzenden Empfängersignale, die von den Empfängerwicklungen 178
und 179 abgegeben werden, werden in die Abtast- und Halteschaltung 217 bzw. 218 der
elektronischen Schaltung 166 eingespeist.
In Fig. 11A ist das Sendesteuersignal gezeigt, das von dem Mikroprozessor 226 an das Gate des
Transistors 210 angelegt wird. Wie aus Fig. 11A ersichtlich ist, weist das Sendesteuersignal eine
zeitliche Dauer "t" auf. In Fig. 11B ist das resultierende, oszillierende Sendesignal gezeigt, das an
die Senderwicklung 180 angelegt wird.
Fig. 11C veranschaulicht das Abtast- und Halte-Steuersignal, das von der Verzögerungsschal
tung 219 abgegeben wird. Die Verzögerungsschaltung 219 nimmt das in Fig. 11A gezeigte
Sendesteuersignal von dem Mikroprozessor 226 zur gleichzeitigen Initiierung bzw. Einschaltung
des Abtast- und Halte-Steuersignals auf. Die Zeitdauer des Abtast- und Halte-Steuersignals ist in
Abhängigkeit von den Entwurfsparametern der Schaltungs- und Wandlergestaltung gewählt und
entweder durch Analyse oder durch Experiment bestimmt. Im einzelnen ist die Dauer derart
gewählt, daß die nachlaufende Flanke des Abtast- und Halte-Steuersignals so gut wie möglich
zeitlich mit den Amplituden der Empfängersignale zusammenfällt, die den Punkt B erreicht haben,
wie es in den Fig. 10A und 10C gezeigt ist. Als Reaktion auf das Abtast- und Halte-Steuersignal,
das von der Verzögerungsschaltung 219 abgegeben wird, tasten die erste und die zweite Abtast- und
Halteschaltung 217 und 218 jeweils die von der ersten Empfängerwicklung 178 bzw. von
der zweiten Empfängerwicklung 179 abgegebenen Signale ab.
Durch das Abtast- und Halte-Steuersignal werden die Schalter 221 und 223 im wesentlichen
gleichzeitig mit dem Beginn des Sendesignals geschlossen, das an die Senderwicklung 180
angelegt wird. Die Ausgangssignale, die von der ersten und der zweiten Empfängerwicklung 178
und 179 abgegeben werden, treten an den Kondensatoren 230 bzw. 232 auf, und sind in den
Fig. 11F bzw. 11G gezeigt.
Zu einem Zeitpunkt, der nominell derart gewählt ist, daß er mit dem Zeitintervall bzw. dem
Zeitpunkt B übereinstimmt, kehrt das Abtast- und Halte-Steuersignal auf Null zurück, und es
öffnen sich die Schalter 221 und 223. Die zu diesem Zeitpunkt an den Kondensatoren 230 und
232 anliegenden Spannungen werden damit gehalten. Generell kann die abgetastete Spannung
zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der in den Fig. 11D und 11E gezeigten Empfänger
signale, mit Ausnahme der Nulldurchgänge, gehalten werden. Der Zeitpunkt B ist der bevorzugte
Halte-Zeitpunkt bzw. Abtast-Zeitpunkt und tritt dann auf, wenn das Empfängersignal maximale
Stärke aufweist.
Wie in den Fig. 11B und 11C gezeigt ist, entspricht dieser Zeitpunkt einem Spitzenwert der
Resonanz-Antwort. Der Zeitpunkt B wird durch die Verzögerungsschaltung 219 festgelegt, die
zum Beispiel ein monostabiles Flip-Flop ist, das durch das Sendesteuersignal getriggert wird.
Die abgetasteten Spannungen werden an die hohe Eingangsimpedanz aufweisenden Pufferver
stärker 216 und 222 angelegt. Die Pufferverstärker 216 und 222 stellen eine Verstärkung bereit
und isolieren die Kondensatoren 221 und 223, um die Kondensatoren 221 und 223 daran zu
hindern, sich zu entladen. Der Pufferverstärker 216 gibt ein Signal S₁ ab, das dem Empfänger
signal entspricht, das von der Empfängerwicklung 178 erzeugt wird, wohingegen der Pufferver
stärker 222 ein Signal S₂ erzeugt, das dem Empfängersignal entspricht, das von der Empfän
gerwicklung 179 abgegeben wird. Die Ausgänge der Pufferverstärker 216 und 222 werden
abwechselnd über den Wählschalter 225 mit dem Analog/Digital-Wandler 224 verbunden. Dieser
wandelt die analogen Signale S₁ und S₂ in digitale Signale um.
Der Mikroprozessor 226 nimmt das von dem Analog/Digital-Wandler 224 abgegebene digitale
Signal auf, berechnet eine Meßposition und gibt entsprechende Signale an die Anzeige 138 ab.
Der Mikroprozessor 226 kann die Position der Skala 104 bzw. des Schiebers gemäß einer
Vielzahl von Methoden einschließlich der durch die Gleichung (1) definierten Methode auswerten.
Die Anzeigetasten-Logik, die Systemsteuer-Logik, die Analyse von Verlagerungen, die eine
Wellenlänge überschreiten und weitere, typische Funktionen von elektronischen Schieblehren
werden vorzugsweise in der gleichen Art wie bei herkömmlichen, kapazitiven elektronischen
Schieblehren, wie etwa bei den Schieblehren, die von Mitutoyo, Brown & Sharp, Sylvac, Starret,
usw. hergestellt werden, bereitgestellt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die
gemessene Distanz auf der Anzeige 138 angezeigt. Die berechnete Meßposition kann auch an
andere Systeme über geeignete Verbindungen (nicht gezeigt) abgegeben werden, die gleichartig
sind wie diejenigen bei im Handel erhältlichen kapazitiven Schieblehren. Als Beispiel können die
berechneten Meßdaten an ein Steuersystem für eine statistische Verarbeitung, oder an eine
entfernte Meßanzeige abgegeben werden.
Die die Signalverarbeitung und Anzeigesteuerung bewirkende elektronische Schaltung 166 läßt
sich einfach in eine in der Hand gehaltene Schieblehre 100 eingliedern, indem die Elemente der
elektronischen Schaltung 166 auf dem Substrat 162 angebracht werden. In manchen Fällen
kann eine herkömmliche, mehrere Lagen aufweisende, gedruckte Leiterplatte eingesetzt werden,
wobei die inneren Lagen des Substrats bzw. der Platte zur Bereitstellung einer herkömmlichen
Masseebenen-Abschirmung (nicht gezeigt) zwischen dem Lesekopf 164 und der elektronischen
Schaltung 166 eingesetzt werden können. Hierdurch werden unerwünschte Wechselwirkungen
zwischen den elektronischen Signalen in diesen Elementen verhindert.
Wie in den Fig. 11A-G gezeigt ist, bleibt das Sendesteuersignal für mehrere Spitzenwerte der
Resonanzantwort auf hohem Pegel. Allerdings kann, wie in den Fig. 12A-G gezeigt ist, der
Transistor 210 nach einer ausreichenden Zeitdauer abgeschaltet werden, um hierdurch die
Abtastung der Kondensatorspannungen zu ermöglichen. Der Transistor 210 muß nicht über die
Abtastzeit hinaus eingeschaltet bleiben.
Der Transistor 210 kann somit zur Stromsparung abgeschaltet werden, bevor die gespeicherte
Energie in der Resonanzschaltung aufgebraucht ist. Vorzugsweise wird, wie in Fig. 12A gezeigt
ist, der Transistor 210 zu einem Zeitpunkt C abgeschaltet, zu dem die Spannung an dem
Kondensator 214 so nahe wie möglich auf ihren ursprünglichen Wert zurückgekehrt ist. Bei dem
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dieser ursprüngliche Wert gleich der Batterie
spannung V+, wie es in Fig. 12B gezeigt ist.
Es ist auch anzumerken, daß eine ausreichende Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden
Sendesteuerimpulsen vorgesehen werden muß, damit sich der Kondensator 214 wieder voll
ständig aufladen kann. Wenn die Schaltung, die den Kondensator 214 und den Widerstand 212
aufweist, eine Zeitkonstante TC aufweist, sollte die Zeitspanne, die zwischen aufeinanderfolgen
den Sendesteuersignalen bereitgestellt wird, das heißt das Impulsintervall des Treibersignals, im
allgemeinen mindestens das Vierfache der Zeitkonstante TC betragen.
In Fig. 13 ist ein zweites, mit geringer Leistung arbeitendes Ausführungsbeispiels des Signalge
nerators 200 gezeigt. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Signalgenerators 200 geht Energie
über den Vorwiderstand 212 verloren, wenn der Transistor 210 eingeschaltet ist. Bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel des Signalgenerators 200 wird ein wesentlicher Teil dieses
Energieverlusts vermieden, indem ein aktiver Pull-Up-Schalter bzw. Spannungsanhebe-Schalter
240 zur Vorspannung des Transistors 210 anstelle des Vorwiderstands 212 eingesetzt wird. Der
Energieverlust wird hierdurch auf ein Mindestmaß gebracht, da der Widerstand des Spannungs
anhebe-Schalters 240 in geöffnetem Zustand sehr viel größer ist als der Widerstandswert des
Vorwiderstands 212.
Der aktive Spannungsanhebe-Schalter 240 ermöglicht auch eine sehr viel raschere Ladung des
Kondensators 214. Folglich ist aufgrund des geringen Einschaltwiderstands des Schalters 240
eine sehr viel höhere Abtastrate möglich, verglichen mit der in den Fig. 7 und 8 gezeigten ersten
Ausführungsform des Signalgenerators. Bei der zweiten Ausführungsform des Signalgenerators
200 werden der Schalter 240 und der Transistor 210 durch zwei (Paar) synchrone Steuersignale
gesteuert.
Der Mikroprozessor 226 erzeugt ein Schaltsteuersignal, das an den Steuerschalter bzw. Schalter
240 und an den Transistor 210 angelegt wird. Das an den Schalter 240 angelegte Schaltsteuer
signal liegt auf hohem Pegel, wenn das an den Transistor 210 angelegte Sendesteuersignal
niedrigen Pegel besitzt. In diesem Zustand ist der Schalter 240 geschlossen und es wird der
Kondensator 214 über die Senderwicklung 180 auf V+ aufgeladen. Das an den Transistor 210
hierbei angelegte Sendesteuersignal liegt auf niedrigem Pegel, so daß der Transistor 210
abgeschaltet ist.
Bei dieser Ausgestaltung wird verhindert, daß der Schalter 240 und der Transistor 210 zur
gleichen Zeit leiten. Hierdurch wird das Abziehen eines starken Stroms von der Batterie gesperrt
und die Lebensdauer der Batterie geschont bzw. verlängert.
Wenn der Kondensator 214 geladen ist, öffnet das Schaltsteuersignal den Schalter 240.
Anschließend schaltet das an den Transistor 210 angelegte Sendesteuersignal den Transistor
210 ein. Hierbei ist anzumerken, daß der Transistor 210 in abgeschaltetem Zustand bis zu einem
Zeitpunkt verbleibt, der nach der Abschaltung des Schalters 240 liegt, so daß der Schalter 240
und der Transistor 210 nicht zur gleichen Zeit leiten.
Wenn der Transistor 210 eingeschaltet wird, wird der Kondensator 214 mit Masse verbunden.
Der geladene Kondensator 214 und die Senderwicklung 180 bilden eine Resonanzschaltung. Da
der Kondensator 214 geladen ist, schwingt die Spannung an der Senderwicklung 180 in
Resonanz, wie es in Fig. 9 gezeigt ist.
Der entsprechende, durch die Senderwicklung fließende Strom erzeugt auch ein sich änderndes
Magnetfeld, das durch die Empfängerwicklungen 178 und 179 fließt. Die Unterbrecher 170
erzeugen somit ein Netto-Signal bzw. Summen-Signal in den Empfängerwicklungen 178 und
179. Die Verzögerungsschaltung 219 steuert die Abtast- und Halteschaltung in Abhängigkeit von
dem an dem Transistor 210 angelegten Sendesignal, wie es bereits vorstehend erläutert ist. Die
Amplitude und das Vorzeichen des Netto- bzw. Summen-Signals hängen von der Position der
Unterbrecher 170 relativ zu den Empfängerwicklungen 178 und 179 ab.
Ein hoher Wert Q (Gütezahl) entspricht geringen Energieverlusten in der Resonanzschaltung. Eine
hohe Gütezahl ist deswegen erwünscht, weil die Spannung an dem Kondensator 214 noch näher
zu der Batteriespannung V+ zurückschwingt. Falls somit das Sendesteuersignal zu dem
Zeitpunkt C abgeschaltet wird, wie es in Fig. 12A und in Fig. 14 gezeigt ist, ist die Spannung
Vpeak an dem Kondensator 214 lediglich geringfügig niedriger als die Batteriespannung V+.
Damit muß die Batterie lediglich eine kleine Ladungsmenge bereitstellen, um hierdurch den
Kondensator 214 aufzufüllen bzw. in Vorbereitung für den nächsten Sende/Empfangs-Zyklus
wieder aufzuladen.
Wie in den Fig. 12F und 12G gezeigt ist, hat das Abschalten des Sendesteuersignals zum
Zeitpunkt C keine Auswirkungen auf die durch die Kondensatoren 230 und 232 abgetasteten
Signale, da der Transistor 210 bis nach dem Abtastzeitpunkt B eingeschaltet bleibt.
Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Wandler in umgekehrter Weise zu betrieben, das
heißt die Sendung mittels der Wicklungen 178 und 179 vorzunehmen und den Magnetfluß in der
Wicklung 180 aufzunehmen oder zu erfassen. Eine elektronische Schaltung für einen Codierer für
diese Betriebsart ist in Fig. 30 gezeigt. Fig. 31 zeigt eine zeitliche Darstellung der Signalen, die
den zeitlichen Verlauf der Steuersignale veranschaulicht.
Wie aus Fig. 30 ersichtlich ist, steuert der Mikroprozessor 226 drei Wählschalter 324, 326 und
328 mit Hilfe des Wählsteuersignals. Wenn das Wählsteuersignal hohen Pegel annimmt, werden
die Schalter 326 und 328 in die in Fig. 30 gezeigten Positionen umgeschaltet. Hierbei werden im
einzelnen die Wicklung 178 mit dem Signalgenerator 200 verbunden und die Wicklung 180 an
die Abtast- und Halteschaltung 217 angeschlossen. Das Steuersignal für die Abtast- und
Haltesteuerung wird ebenfalls an die Abtast- und Halteschaltung 217 geleitet. Nachfolgend gibt
der Mikroprozessor 226 einen Sendesteuerimpuls an den Signalgenerator 200 und an die
Verzögerungsschaltung 219 ab. Das Signal S₁ wird somit durch den Schalter 221 und den
Kondensator 230 abgetastet und gehalten.
Der Mikroprozessor 226 ändert dann das Wählsteuersignal auf niedrigen Pegel, wodurch die
Schalter 326 und 328 in ihre anderen Stellungen umgeschaltet werden. Folglich wird die
Wicklung 179 mit dem Signalgenerator 200 verbunden und die Wicklung 180 an die Abtast- und
Halteschaltung 218 angeschlossen. Das Steuersignal für die Abtast- und Haltesteuerung wird
ebenfalls an die Abtast- und Halteschaltung 218 geleitet. Der Mikroprozessor 226 gibt ein neues
Sendesteuersignal an den Signalgenerator 200 und an die Verzögerungsschaltung 219 ab. Das
Signal S₂ wird somit durch den Schalter 223 und den Kondensator 232 abgetastet und gehalten.
Der übrige Teil der Signalverarbeitung ist gleich wie derjenige, der vorstehend in Verbindung mit
Fig. 7 erläutert ist.
In der in Fig. 30 gezeigten elektronischen Schaltung des Codierers wird ein einziger Signalgene
rator eingesetzt, der abwechselnd mit den Senderwicklungen 178 und 179 verbunden wird. Es
ist auch möglich, zwei Signalgeneratoren einzusetzen, von denen jeweils einer mit der Sender
wicklung 178 bzw. 179 verbunden ist.
Der Mikroprozessor 226 kann eine absolute Positionsmessung innerhalb einer halben Wellenlänge
193 unter Einsatz bekannter Interpolationsmethoden und lediglich einer Empfängerwicklung
durchführen. Als Beispiel kann der Mikroprozessor 226, wie in Fig. 15 gezeigt ist, zwischen einer
ersten Position d1 und einer zweiten Position d2 innerhalb einer halben Wellenlänge 193 dadurch
unterscheiden, daß er die Amplitude und die Polarität des Empfängersignals an den Punkten 387
und 388 jeweils vergleicht.
Der Punkt 387 weist einen Spannungswert V1 auf, wohingegen der Punkt 388 einen Span
nungswert V2 besitzt. Die Position d3 entspricht einem Punkt 389 in dem Empfängersignal, das
in Fig. 15 gezeigt ist. Der Punkt 389 weist den gleichen Spannungswert V1 wie der Punkt 387
auf. Daher kann der Mikroprozessor 226 den Unterschied in der relativen Lage zwischen der
ersten Position d1 und der dritten Position d3 nicht unter Einsatz einer Interpolationsmethode
unterscheiden.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen klärt der Mikroprozessor 226 diese
unklare Situation, indem er das von der zweiten Empfängerwicklung 179 abgegebene Signal für
bekannte Quadratursignal-Analysemethoden einsetzt, wie sie in Gleichung (1) angegeben sind.
Bei einer Bewegung über eine Wellenlänge hinaus erfaßt und summiert der Mikroprozessor 226
die Anzahl von durchwanderten Wellenlängen, ausgehend von einer bekannten Startposition, in
Übereinstimmung mit bekannten Methoden, um hierdurch die relativen Positionen des Lesekopfs
164 und der Skala 104 zu erkennen.
Der Mikroprozessor 226 gibt Impulse mit einer Abtastfrequenz von ungefähr 1 kHz ab, um
hierdurch ausreichende Genauigkeit und Tauglichkeit zur Bewegungsverfolgung bereitzustellen.
Damit der Leistungsverbrauch verringert wird, hält der Mikroprozessor 226 weiterhin den
Tastzyklus bzw. das Tastverhältnis gering, indem die Impulse relativ kurz festgelegt werden. Als
Beispiel beträgt eine typische Impulsbreite bei der vorstehend angegebenen Abtastfrequenz 1
kHz ungefähr 0,1 bis 1,0 µs. Dies bedeutet, daß das Tastverhältnis der Impulse, die eine
Abtastperiode von 1 ms aufweisen, gleich 0,01% bis 0,1% ist.
Die Resonanzfrequenz des Kondensators 214 und der Wicklung 180 ist hierbei vorzugsweise
derart ausgewählt, daß der Spitzenwert der Spannung an dem Kondensator 214 vor dem Ende
des Impulses mit einer Impulsbreite von 1,0 µs oder weniger, auftritt. Folglich liegt die Resonanz
frequenz im Bereich von mehreren Megahertz. Der entsprechende Magnetfluß wird daher mit
einer Frequenz von mehr als 1 MHz und typischerweise mit mehreren Megahertz moduliert. Dies
ist erheblich höher als die Frequenzen bei herkömmlichen induktiven Wandlern.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die bei diesen Frequenzen erzeugten Wirbelströme in den
Unterbrechern 170 einen starken Unterbrechungseffekt bzw. Zerstörungseffekt auf den
Magnetfluß ausüben. Die von den Empfängerwicklungen 178 und 179 abgegebenen elektromo
torischen Kräfte EMK sprechen daher stark auf Änderungen der Position der Unterbrecher an.
Dieser Effekt ergibt sich trotz des niedrigen Tastverhältnisses und der geringen Leistung des
Impulssignals. Die Stärke der Antwort, kombiniert mit dem niedrigen Tastverhältnis und der
geringen Leistungsaufnahme, erlaubt es der Schieblehre 100, Messungen durchzuführen, bei
denen der Signalgenerator 200 und der übrige Teil der die Signalverarbeitung und Anzeigesteue
rung bewirkenden elektronischen Schaltung 166 einen durchschnittlichen Strom von vorzugs
weise weniger als 200 µA, und insbesondere von weniger als 75 µA aufnehmen. Es ist hierbei
anzumerken, daß mit "durchschnittlicher Strom" bzw. "mittlerer Strom" hierbei die gesamte
Ladung gemeint ist, die bei einem oder mehreren Meßzyklen, dividiert durch die Dauer des einen
oder der mehreren Meßzyklen verbraucht wird, während sich die Schieblehre im normalen
Einsatz befindet.
Die Schieblehre 100 kann daher mit einer adäquaten Batterie-Lebensdauer betrieben werden,
wobei drei oder weniger, kommerziell erhältliche Miniatur-Batterien oder eine Solarzelle einge
setzt werden.
Bei einem Wandler des inkrementalen Typs liegt die Rate, mit der die Wandlersignale abgetastet
werden, bei ungefähr 1000 Abtastwerten je Sekunde. Die hohe Abtastrate ist erforderlich, um
mit der Anzahl von durchwanderten Wellenlängen Schritt zu halten, wenn die Schieberanord
nung 120 rasch bewegt wird. Jedoch muß der Mikroprozessor 226 die Anzeige 138 mit einem
neuen Meßwert lediglich ungefähr 10mal je Sekunde aktualisieren. Daher läßt sich der
Leistungsverbrauch der Schieblehre noch weiter verringern, wenn der Mikroprozessor 226 und
der Anlog/Digital-Wandler 224 von der Aufgabenstellung der Durchführung von hohe Auflösung
besitzenden Positionsmessungen für einen großen Teil der 1000 Abtastwerte je Sekunde
entbunden werden. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die Anzahl von durchwanderten
Skalen-Wellenlängen verfolgt bzw. ermittelt wird, ohne Positionsmessungen mit hoher Auflösung
durchzuführen.
Fig. 27 zeigt ein Beispiel für die elektronische Schaltung des Codierers, bei der eine Wellenlän
gen-Verfolgungseinrichtung bzw. eine Detektoreinrichtung 320 die Anzahl von Wellenlängen
ermittelt. Die Detektoreinrichtung 320 nimmt nur sehr geringe Leistung auf. Bei Vorhandensein
einer solchen Detektoreinrichtung kann der Mikroprozessor 226 in einen Schlaf-Modus überge
hen, wenn er keine Positionsmessung mit hoher Auflösung durchführt und folglich die Anzeige
136 nicht aktualisiert, wodurch Strom gespart wird. Eine Sende/Empfangs-Folgesteuereinrich
tung 322 erzeugt die Steuersignale für den Signalgenerator 200 und für die Abtast- und
Halteschaltungen 217 und 218 mit Hilfe herkömmlicher Schaltungsmittel. Die Folgesteuereinrich
tung 322 erzeugt weiterhin einen Abtast- oder Abfrageimpuls (strobe pulse) für die Detektorein
richtung 320 und gibt an den Mikroprozessor 226 ein Steuersignal zur Aktualisierung der
Anzeige ab.
Die Detektoreinrichtung 320 enthält zwei analoge Vergleicher 310 und 312, einen Quadratur-Zäh
ler 318 und eine logische Steuereinheit 314. Die Vergleicher 310 und 312 erfassen die
Nulldurchgänge der Signale S₁ und S₂, wobei eine Referenzspannung Vref an jeden der Verglei
cher 310 und 312 angelegt ist. Die Zustände der Ausgangssignale der Vergleicher 310 und 312
werden in den Quadratur-Zähler 318 auf einen durch den an die Detektoreinrichtung 320
angelegten Abfrageimpuls gebildeten Befehl hin dann, wenn die Ausgangssignale der Vergleicher
stabilisiert sind, eingelesen. Der Quadratur-Zähler 318 zählt die Anzahl von vollständig durchlau
fenen Wellenlängen und ist ein Zweirichtungszähler (Aufwärts/Abwärts-Zähler), der die Richtung
der Bewegung der Schieberanordnung 120 aufgrund der Tatsache erfassen kann, daß die
Signale S₁ und S₂ in Quadratur-Beziehung stehen, das heißt um 90° jeweils gegeneinander
phasenverschoben sind. Der Quadratur-Zähler 318 ist eine im Stand der Technik bekannte
Schaltung. Quadratur-Zähler werden zum Beispiel üblicherweise zur Erfassung der Position von
optischen Dreh-Codierern und linearen Skalen eingesetzt.
Im Betrieb besitzt der Wellenlängen-Zählstand, der in dem Quadratur-Zähler 318 gespeichert ist,
Priorität über den Wellenlängen-Zählstand, der in dem Mikroprozessor 226 gehalten ist. Jedoch
bestimmt der Mikroprozessor weiterhin die relative Position innerhalb des Bereichs einer
Wellenlänge. Die logische Steuereinheit 314 gibt Steuersignale an den Mikroprozessor 226 zur
Umschaltung des Mikroprozessors 226 zwischen einem Schlaf-Modus und einem aktiven Modus
ab. Der Mikroprozessor 226 wird insbesondere dann in den Schlaf-Modus versetzt, wenn die
Schieblehre entweder während eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht benutzt worden ist, oder
wenn sich die relative Position der Schieblehre bzw. der Schieberanordnung sehr rasch ändert. In
diesem letzteren Fall kann der Quadratur-Zähler 318 im Unterschied zu dem Mikroprozessor 226
mit einer solchen raschen Bewegung Schritt halten. Da der Mikroprozessor in diesem Fall nicht
Schritt halten kann, besteht kein Grund, ihn einzusetzen. Erst wenn die Bewegung ausreichend
verlangsamt ist, macht es Sinn, den Mikroprozessor einzusetzen. Diese Arbeitsweise der
logischen Steuereinheit und der Aufbau zur Realisierung einer solchen Steuereinheit ist im Stand
der Technik bekannt und wird daher nicht in größeren Einzelheiten beschrieben.
In der Detektoreinrichtung 320 ist weiterhin eine nicht gezeigte "Entprell"-Logik zur Verhinde
rung von fehlerhaften, durch Rand-Jitter-Effekte bzw. Rand-Instabilitäts-Effekte hervorgerufenen
Messungen enthalten. Da eine solche Entprell-Logik ebenfalls bekannt ist, wird sie nicht näher
beschrieben.
Fig. 28 zeigt ein Signal-Zeitdiagramm der von der Folgesteuereinrichtung 322 abgegebenen
Signale und von zugehörigen Signalen. Fig. 29 zeigt das Sendesteuersignal und das Steuersignal
für die Aktualisierung der Anzeige.
Wenn der Mikroprozessor 226 die Anzeige 138 aktualisiert (zum Beispiel 10mal je Sekunde),
berechnet er die Anzahl von durchlaufenen Wellenlängen, ausgehend von der "Null"-Position.
Hierbei liest er die Anzahl von vollen, durchlaufenen Wellenlängen von dem Quadratur-Zähler
318. Der Mikroprozessor 226 berechnet dann den Bruchteil einer durchwanderten Wellenlänge
auf der Grundlage der Signale S₁ und S₂, die von dem Analog/Digital-Wandler 224 abgegeben
werden. Der Wellenlängen-Bruchteil wird zu der Anzahl von vollständig durchlaufenen Wellenlän
gen hinzuaddiert, und es wird das Ergebnis mit der Wellenlänge multipliziert, um hierdurch den
Positionswert zu ermitteln, der dann zu der Anzeige gespeist wird.
Die Folgesteuereinrichtung 322 steuert die Abtastung der Wandlersignale, und es zählt die
Detektoreinrichtung die Anzahl von durchlaufenen Wellenlängen, und zwar jeweils ohne
irgendwelche Hilfe seitens des Analog/Digital-Wandlers 224 oder seitens des Mikroprozessors
226. Bei diesem Ausführungsbeispiel führt die Schieblehre eine "quasi-absolute" Messung durch,
indem lediglich der Mikroprozessor 226, der Analog/Digital-Wandler 224 und die Anzeige 138
abgeschaltet werden, wenn die Schieblehre abgeschaltet wird, so daß die Abtastschaltungen
und die Detektoreinrichtung 318 dennoch weiterhin aktiv sind. Wenn die Schieblehre erneut
eingeschaltet wird, ist die Detektoreinrichtung 318 aktiv geblieben und gibt Informationen
hinsichtlich der Wellenlänge bzw. der Wellenlängennummer ab, innerhalb derer die Schieblehre
positioniert ist, und zwar selbst dann, wenn die Position während der Zeitdauer der Abschaltung
der Schieblehre verschoben worden ist. Folglich kann die Position der Schieblehre unter Bezug
nahme auf die ursprüngliche "Null"-Position trotz der Tatsache, daß die Funktionen zur Messung
mit hoher Auflösung und zur Anzeige bei der Schieblehre abgeschaltet worden waren, berechnet
und angezeigt werden.
In den Fig. 16 bis 18 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektronischen
Schieblehre 100 gezeigt, bei der der Lesekopf 164 und die die Signalverarbeitung und die
Anzeigesteuerung bewirkende elektronische Schaltung 166 getrennt ausgebildet sind. Durch
diese Trennung des Lesekopfs 164 von der elektronischen Schaltung 166 kann größerer Raum
zwischen den elektronischen Komponenten und den Lesekopfelementen bereitgestellt werden,
wodurch unerwünschtes elektrisches Übersprechen verringert werden kann. Bei dieser Modifika
tion läßt sich auch die Herstellung der Einheit kostengünstiger durchführen. Ferner kann eine
integrale bzw. einstückige Ausbildung der Unterbrecher 170 mit dem Stab 102 erwünscht sein.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel sind die Unterbrecher 170 integral in einem leitenden
Stab 102′ ausgebildet, wie es in den Fig. 16 und 18 gezeigt ist. Die obere Fläche des leitenden
Stabs 102′ ist derart geätzt oder bearbeitet, daß gleichmäßig beabstandete Rillen 220 gebildet
sind, zwischen denen erhabene Abschnitte des leitenden Stabs 102′ verblieben sind. Diese nach
oben vorstehenden, erhabenen Abschnitte des leitenden Stabs 102′ bilden somit die Unterbre
cher 170. Eine isolierende Schicht 172 ist auf der oberen Fläche des leitenden Trägers 102′
ausgebildet und bedeckt die Unterbrecher 170 und die Rillen 220. Ein Luftspalt 174 ist zwischen
der isolierenden Beschichtung 167 des Lesekopfs 164 und der isolierenden Schicht 172
vorgesehen. Die Größe des Luftspalts 174 ist vorzugsweise gleich groß wie bei dem ersten
Ausführungsbeispiel, das heißt liegt in der Größenordnung von 0,5 mm.
Wie in Fig. 17 gezeigt ist, wird der Lesekopf 164 durch das Substrat 162 getragen, wie es
bereits vorstehend erläutert ist. Jedoch ist die zur Signalverarbeitung und zur Steuerung
dienende elektronische Schaltung 166 auf einem separaten Substrat 262 in der Schieberanord
nung 120 angebracht. Sowohl das Substrat 162 als auch das Substrat 262 sind durch die
Abdeckung 139 umschlossen. Die elastische Dichtung 163 befindet sich mit dem separaten
Substrat 262 in Eingriff bzw. Anlage. Ein herkömmlicher, hohe Dichte bzw. Belegungsdichte
aufweisender Verbinder 165′ verbindet den Lesekopf 164 und die elektronische Schaltung 166.
Wie in Fig. 16 dargestellt ist, wird die Leistung für den Betrieb der Schieblehre 100 von einer
herkömmlichen Solarzelle 227 bereitgestellt, die an der Oberseite der Abdeckung 139 ange
bracht ist. Die herkömmliche Solarzelle 227 ist eine im Handel erhältliche Komponente und stellt
ausreichende Leistung für den Betrieb der Schieblehre 100 mit dem induktiven, mit geringer
Leistung arbeitenden Wandler bereit.
Bei dem ersten, zweiten, und dritten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 sind, wie
vorstehend erläutert, Fluß-Unterbrecher 170 vorgesehen, die mit dem Lesekopf 164 zur
Erzeugung des Meßsignals zusammenwirken. Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, das in den
Fig. 19 und 20 dargestellt ist, werden anstelle der Fluß-Unterbrecher 170 Fluß-Verstärker 170′
eingesetzt, die den durch die benachbarten Abschnitte der Empfängerwicklungen 178 und 179
fließenden Magnetfluß "verstärken" oder vergrößern.
Mit Ausnahme der vorstehend angegebenen Abänderungen können bei dem vierten, in den Fig.
19 und 20 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 alle jeweiligen Lesekopf-Geome
trien bzw. -Abmessungen und Gestaltungen, Schaltungen und mechanischen Ausführungen
eingesetzt werden, wie sie bei dem ersten, zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel offenbart
sind. In allen Fällen versteht es sich, daß das Magnetfeld bei Einsatz eines oder mehrerer
Fluß-Verstärker 170′ anstelle eines oder mehrerer Fluß-Unterbrecher 170 verstärkt statt
unterbrochen wird.
Dies bedeutet, daß die Flußdichte erhöht wird und daß die Polarität der resultierenden Signale
invertiert wird, wenn die Fluß-Verstärker 170′ eingesetzt werden, verglichen mit den Wirkungen,
die bei Einsatz der Fluß-Unterbrecher 170 hervorgerufen werden. In jedem Fall modulieren der
oder die Fluß-Verstärker 170′ oder der oder die Fluß-Unterbrecher 170 den Magnetfluß räumlich.
Die nach dem Verstärkungsprinzip arbeitende, in den Fig. 19 und 20 gezeigte Schieblehre 100
verstärkt den Magnetfluß, indem ein Objekt mit hoher magnetischer Permeabilität, wie etwa
Ferrit, in die Nähe des Lesekopfs 164 bewegt wird. Die Fluß-Verstärker 170′ stellen einen
geringere Reluktanz aufweisenden Pfad für das sich ändernde, durch die Senderwicklung 180
erzeugte Magnetfeld bereit. Als Ergebnis wird der Magnetfluß, der von den Empfängerwicklun
gen 178 und 179 aufgenommen wird, in der Nähe der Fluß-Verstärker 170′ geändert oder
vergrößert. Dies führt dazu, daß die Empfängerwicklungen 178 und 179 nicht bei Null liegende
EMK-Signale abgeben.
Wenn demzufolge die Fluß-Verstärker 170′ jeweils eine Länge aufweisen, die gleich groß wie die
Hälfte einer Wellenlänge 193 ist, ändert das Signal, das an den Ausgangsanschlüssen 185 bis
188 der Empfängerwicklungen 178 und 179 gemessen wird, die Polarität und die Amplitude,
wenn sich die Fluß-Verstärker 170′ zwischen die "+" Schleifen 191a und die "-" Schleifen 191b
der Empfängerwicklung 178 und zwischen die Schleifen 192a und 192b der Empfängerwicklung
179 bewegen bzw. verschieben. Folglich arbeitet die nach dem Verstärkungsprinzip arbeitende
Schieblehre 100 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel in einer Weise, die vollständig analog
zu dem vorstehend beschriebenen Signalverhalten ist, das von den Unterbrechern 170 herrührt,
die bei dem ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 eingesetzt
werden. Falls hohe Permeabilität aufweisende Objekte wie etwa die Verstärker 170′ relativ zu
dem Lesekopf 164 bewegt werden, wirken die Regionen, bei denen höhere, durch die Empfän
gerwicklungen 178 und 179 durchtretende Flußdichte vorhanden ist, mit jeweils aufeinanderfol
genden Schleifen aus den Schleifen 191 und 192 zusammen. Die Wechselspannungsamplitude
des Signals, das von den Empfängerwicklungen 178 und 179 abgegeben wird, hängt von dem
Unterschied zwischen der Fläche der "+" Schleifen 191a und 192a, die von den Fluß-Verstär
kern 170′ überlappt wird, und der Fläche der "-" Schleifen 191b und 192b ab, die von den
Fluß-Verstärkern 170′ überlappt wird.
Wenn sich die Fluß-Verstärker 170′ entlang der Meßachse 300 bewegen (bzw. relativ bewegen),
ändern sich die Wechselspannungsamplituden der Signale, die von den Empfängerwicklungen
178 und 179 abgegeben werden, kontinuierlich aufgrund der kontinuierlichen Beziehung
zwischen den Überlappungsbereichen der "+" Schleifen 191a und 192a und der Überlappungs
bereiche der "-" Schleifen 191b und 192b. Die Signale ändern sich ebenfalls periodisch mit der
Wellenlänge 193 aufgrund der sich periodisch abwechselnden "+" Schleifen 191a und "-"
Schleifen 191b der Empfängerwicklung 178 und der sich periodisch abwechselnden Schleifen
192a und 192b der Empfängerwicklung 179, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, und aufgrund der
Abmessungen und der Anordnung der Fluß-Verstärker 170′.
Die Signale, die von den Empfängerwicklungen 178 und 179 abgegeben werden, weisen glatte,
kontinuierliche, sinusförmige Form auf und hängen von der Bewegung der Fluß-Verstärker 170′
relativ zu den Empfängerwicklungen 178 und 179 ab. Kontinuierliche Signale ermöglichen es,
daß die Schieblehre 100 exakte Positionsmessungen in einem verbreiterten Bereich durchführen
kann.
Bei dem in den Fig. 19 und 20 gezeigten, vierten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100
enthält die Skala 104 die Mehrzahl von Fluß-Verstärkern 170′, die an und entlang des Substrats
168′ mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Die Fluß-Verstärker 170′ sind rechteckförmige
Elemente, die hohe magnetische Permeabilität besitzen, und sind vorzugsweise aus einem nicht
leitenden, zum Beispiel hohen Widerstandswert besitzenden Material wie etwa aus Ferrit
hergestellt. Die Fluß-Verstärker 170′ sind weiterhin nicht magnetisiert bzw. magnetisch, so daß
sie keine ferromagnetischen Partikel anziehen.
Das Substrat 168′ ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das eine deutlich niedrigere
magnetische Permeabilität als das Material der Fluß-Verstärker 170′ aufweist. In gleichartiger
Weise wie die Fluß-Unterbrecher 170 weisen die Fluß-Verstärker 170′ vorzugsweise eine Länge
auf, die gleich groß ist wie ½ einer Wellenlänge 193, wobei die Fluß-Verstärker 170′ mit einem
Teilungsabstand angeordnet sind, der gleich einer Wellenlänge 193 ist. Die Dicke der
Fluß-Verstärker 170′ liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1,5 mm. Die resultierende
Signalstärke ist mit derjenigen bei der mit Unterbrechern arbeitenden Schieblehre 100 vergleich
bar.
Die Fluß-Verstärker 170′ dicker oder dünner als 1,5 mm sein können, führen dickere
Fluß-Verstärker 170′ zu einer größeren Signalstärke. Die aktuelle Dicke der Fluß-Verstärker 170′ wird
anhand der gegenläufigen Beziehung zwischen der gewünschten Signalstärke und den
Material- und Herstellungskosten festgelegt.
Das Substrat 168′ ist vorzugsweise wie auch bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
nicht leitend. Jedoch kann das Substrat 168′ in Abhängigkeit von Herstellungsüberlegungen
mehr oder weniger leitend sein. Die Fluß-Verstärker 170′ sind gemäß der Darstellung in den Fig.
19 und 20 aus einem Material hergestellt, das von dem Stab 102′ und dem Substrat 168′
separat ist. Jedoch können die Fluß-Verstärker 170′ jedoch auch wie bei dem dritten Ausfüh
rungsbeispiel der Schieblehre 100 integral bzw. einstückig mit dem Stab 102′ ausgebildet
werden. In diesem Fall werden die Fluß-Verstärker 170′ mittels Verfahrensschritten hergestellt,
durch die die Permeabilität derjenigen Abschnitte des Materials des Stabs 102′, die die
Fluß-Verstärker 170′ bilden, geändert wird.
Wie in Fig. 21 gezeigt ist, sind die Fluß-Verstärker 170′ bei einem fünften Ausführungsbeispiel
der Schieblehre 100 als erhabene oder vorstehende Abschnitte des Stabs 102′ ausgebildet.
Vorzugsweise wird ein Oberflächenkonturierungsprozeß zur Bildung der vorstehenden Abschnitte
eingesetzt. Damit können die Fluß-Verstärker 170′ wie bei dem dritten, in Fig. 18 gezeigten
Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 integral bzw. einstückig aus dem gleichen Material wie
der Stab 102′ hergestellt werden.
Durch die enge Nähe der Fluß-Verstärker 170′ zu dem Lesekopf 164 wird die Reluktanz des
magnetischen Pfads des Magnetflusses in der Nähe der Fluß-Verstärker 170′ verringert. Dieser
Effekt ist mit der Permeabilitätsänderung zwischen dem Substrat 168′, den Fluß-Verstärkern
170′ und den leeren Räumen bei dem in den Fig. 19 und 20 gezeigten, vierten Ausführungsbei
spiel vergleichbar. Damit kann auch das fünfte Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 im
wesentlichen in gleicher Weise wie das in den Fig. 19 und 20 gezeigte vierte Ausführungsbei
spiel der Schieblehre 100 arbeiten.
Bei einem in Fig. 22 gezeigten, sechsten Ausführungsbeispiel der Schieblehre 100 enthält der
Stab 102′ (oder das Substrat 168′) eine Mehrzahl von magnetisch weniger permeablen Segmen
ten 233 (bzw. Segmenten mit geringerer magnetischer Permeabilität), die zum Beispiel aus
Aluminiumoxid bestehen und sich mit einer Mehrzahl von hohe Permeabilität und hohen Wider
stand aufweisenden Segmenten 234 beispielsweise aus Ferrit, abwechseln. Der Stab 102′ oder
das Substrat 168′ ist somit durch eine Folge von abwechselnd angeordneten Segmenten 233
und 234 gebildet, die miteinander zur Bildung eines alternierenden Materialstapels verbunden
sind. Die magnetisch relativ stärker permeablen (bzw. höhere Permeabilität aufweisenden), nicht
leitenden Segmente 234 bilden die Fluß-Verstärker 140′ und stellen einen Pfad mit geringerer
Reluktanz als die geringere magnetische Permeabilität aufweisenden Segmente 233 bereit.
Es ist anzumerken, daß die geringere Permeabilität aufweisenden Segmente 233 aus einem
leitenden Material, zum Beispiel aus Kupfer oder Messing, hergestellt werden können. In diesem
Fall sind auch die geringere magnetische Permeabilität aufweisenden Segmente Unterbrecher
170. Der Stab 102′ oder das Substrat 168′ enthält daher zwei Arten von Flußmodulatoren,
nämlich die Fluß-Unterbrecher 233 und die Fluß-Verstärker 234.
In gleichartiger Weise können die Fluß-Verstärker 170′ (234) und die Fluß-Unterbrecher 170
(233) abwechselnd entlang der Oberfläche des Stabs 102′ oder des Substrats 168′ angeordnet
werden, wie es in Fig. 23 gezeigt ist. Bei diesem siebten Ausführungsbeispiel der Schieblehre
100 sind die Auswirkungen auf die Empfängersignale, die durch die Unterbrecher 170 (233) und
die Verstärker 170′ (234) hervorgerufen werden, grob gesehen additiv, so daß ein stärkeres
Signal als bei alleinigem Einsatz nur eines Typs der Fluß-Modulatoren erzeugt wird.
Wie in Fig. 24 gezeigt ist, können die Fluß-Unterbrecher 170 (233) und die Fluß-Verstärker 170′
(234) an einer Basis 102 oder an dem Substrat 168′ vorgesehen sein. Ferner können die Fluß-Un
terbrecher 170 (233) oder die Fluß-Verstärker 170′ (234) auch wie bei dem dritten oder
fünften Ausführungsbeispiel einstückig mit der Basis bzw. dem Stab 102′ oder mit dem Substrat
168′ ausgebildet sein, wie es in den Fig. 25 und 26 gezeigt ist. In diesem Fall sind die jeweils
anderen Fluß-Modulatoren, das heißt die Fluß-Unterbrecher 170 (233) oder die Fluß-Verstärker
170′ (234), in die Rillen 220 eingefügt.
Alle vorstehend im Hinblick auf das erste, zweite und dritte, mit Fluß-Unterbrechern arbeitende
Ausführungsbeispiel der Schieblehre beschriebenen geometrischen Gestaltungsprinzipien und
auch alle Schaltungen können selbstverständlich auch bei den mit Fluß-Verstärkern arbeitenden
Schieblehren 100 gemäß dem vierten bis siebten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden, um die
hohe Genauigkeit und die weiteren Vorteile zu erzielen, die bei dem ersten bis dritten Ausfüh
rungsbeispiel der Schieblehre 100 bereitgestellt werden. Die vorstehend erläuterten, unterschied
lichen Geometrien bzw. Gestaltungen des Lesekopfs können ebenso wie die vorstehend
erläuterten Schaltungen und mechanischen Ausgestaltungen zur Erzielung von erheblichen
Genauigkeitsverbesserungen, verglichen mit den herkömmlichen, nach dem
"Verstärkungsprinzip" arbeitenden Codierern eingesetzt werden, wenn die Fluß-Unterbrecher 170
durch die Fluß-Verstärker 170′ ersetzt werden. Die vorstehend beschriebenen, mit niedriger
Leistung auskommenden Schaltungstechniken können ebenfalls im Zusammenhang mit den Fluß-Ver
stärkern 170′ eingesetzt werden, wobei die Vorteile geringen Strombedarfs beibehalten
bleiben.
Auch wenn vorstehend spezielle Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung erläutert sind, lassen sich verschiedene äquivalente oder sonstige Abänderungen
vornehmen. Zum Beispiel können statt der sinusförmigen Schleifen 191 und 192, die im
Zusammenhang mit den Empfängerwicklungen 178 und 179 gezeigt und beschrieben sind, auch
vielfältige andere geometrische Gestaltungen einschließlich unterschiedlicher Geometrien bzw.
Auslegungen für unterschiedliche Phasen bei einem gegebenen Lesekopf, wirkungsvoll eingesetzt
werden.
Ebenso können auch andere geometrische Gestaltungen der räumlichen Fluß-Modulatoren
eingesetzt werden, auch wenn vorstehend im wesentlichen rechteckförmige, leitende Stäbe und
rechteckförmige Stäbe hoher Permeabilität als zwei Arten von räumlichen Fluß-Modulatoren
beschrieben sind. Wenn diese anderen räumlichen Gestaltungen zu nicht sinusförmigen, von der
Verlagerung abhängigen Ausgangssignalen führen, kann die aktuelle Funktion bzw. der aktuelle
Zusammenhang in einer Nachschlagetabelle enthalten sein oder durch andere, dem Fachmann
bekannte Mittel erkannt werden. Die vorstehend beschriebenen Gleichungen zur Berechnung der
Position können ebenfalls in Übereinstimmung mit bekannten Signalverarbeitungsmethoden
abgeändert oder ersetzt werden.
Auch kann die Abtastfrequenz höher oder niedriger als die vorstehend angegebene Abtastfre
quenz gewählt werden, und zwar in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit und der
maximalen erwarteten Bewegungsrate bzw. Bewegungsgeschwindigkeit des Schlittens oder
Schiebers relativ zu der Skala. Die vorstehend beschriebene elektronische Schaltung 166 enthält
gleichfalls nur als Beispiel dienende Analyseschaltungen. Der Fachmann kann auch andere
Schaltungen für die Ansteuerung der Senderwicklung 180 und für die Erfassung der von den
Empfängerwicklung 178 und 179 abgegebenen Signale aufbauen oder einsetzen. Weiterhin ist
für den Fachmann ersichtlich, daß aufgrund der Symmetrie der vorstehend erläuterten elektro
magnetischen Prinzipien die Betriebsfunktion der Senderwicklung 180 und der Empfängerwick
lung 178 und 179 auch umgekehrt werden kann, wie es vorstehend schon angesprochen ist.
Ferner ist ersichtlich, daß die elektronischen Komponenten, die die hochfrequenten Signale
erzeugen und/oder verarbeiten, vorzugsweise so nahe wie möglich bei dem Wandler angeordnet
sind, wohingegen die elektronischen Komponenten, die die niederfrequenten Signale erzeugen
und/oder verarbeiten, von dem Wandler weiter entfernt angeordnet werden können. Die
hochfrequenten elektronischen Komponenten enthalten zum Beispiel die Schaltungen, die für die
Ansteuerung der Senderwicklung bzw. Senderwicklungen und für die Erfassung der von der
Empfängerwicklung abgegebenen Signale eingesetzt werden. Die niederfrequenten elektroni
schen Komponenten enthalten zum Beispiel diejenigen Schaltungen, die sich stromab der Abtast- und
Halteschaltung bzw. der Abtast- und Halteschaltungen befinden. Insbesondere dann, wenn
die Erregerfrequenz des Wandlers 1 MHz oder größer ist, sollten mindestens die signalerzeugen
den Schaltungen und die demodulierenden Schaltungen an dem Lesekopf 164 angeordnet
werden.
Claims (45)
1. Elektronische Schieblehre, mit
einem Schiebeelement (120),
einem Stabelement (102; 102′), das eine Meßachse (300) aufweist, wobei das Schiebeelement (120) an dem Stabelement beweglich angebracht ist und entlang der Meßachse verschiebbar ist,
mindestens einem Magnetfeldgenerator (180), der bzw. von denen jeder als Reaktion auf ein Treibersignal einen sich ändernden Magnetfluß in einer Flußregion erzeugt,
mindestens einem Flußmodulator (170; 170′), der bzw. von denen jeder innerhalb der Flußregion positionierbar ist und den sich ändernden Magnetfluß innerhalb einer Modulationsre gion in der Nähe des Flußmodulators ändern kann, und
mindestens einem Magnetflußsensor (178, 179), der bzw. von denen jeder in der Fluß region angeordnet ist und den sich ändernden Magnetfluß in der Flußregion erfaßt, wobei jeder Magnetflußsensor auf der Grundlage des erfaßten Magnetflusses ein Ausgangssignal erzeugt, das die Relativlage zwischen dem Magnetflußsensor und dem mindestens einen Flußmodulator anzeigt.
einem Schiebeelement (120),
einem Stabelement (102; 102′), das eine Meßachse (300) aufweist, wobei das Schiebeelement (120) an dem Stabelement beweglich angebracht ist und entlang der Meßachse verschiebbar ist,
mindestens einem Magnetfeldgenerator (180), der bzw. von denen jeder als Reaktion auf ein Treibersignal einen sich ändernden Magnetfluß in einer Flußregion erzeugt,
mindestens einem Flußmodulator (170; 170′), der bzw. von denen jeder innerhalb der Flußregion positionierbar ist und den sich ändernden Magnetfluß innerhalb einer Modulationsre gion in der Nähe des Flußmodulators ändern kann, und
mindestens einem Magnetflußsensor (178, 179), der bzw. von denen jeder in der Fluß region angeordnet ist und den sich ändernden Magnetfluß in der Flußregion erfaßt, wobei jeder Magnetflußsensor auf der Grundlage des erfaßten Magnetflusses ein Ausgangssignal erzeugt, das die Relativlage zwischen dem Magnetflußsensor und dem mindestens einen Flußmodulator anzeigt.
2. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenig
stens einer von (a) jedem Magnetflußsensor (178, 179) und (b) jedem Magnetfeldgenerator
(180) in einem Muster mit sich abwechselnden Polaritätsregionen ausgebildet ist.
3. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Muster mit sich abwechselnden Polaritätsregionen sinusförmige Bereiche (191, 192) aufweist,
die durch leitende Elemente verbunden sind.
4. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
derjenige von jedem Magnetfeldgenerator (180) und jedem Magnetflußsensor (178, 179), der in
Form des Musters mit sich abwechselnden Polaritätsregionen ausgebildet ist, an dem Schiebe
element (120) oder an dem Stabelement (102; 102′) angeordnet ist und der mindestens eine
Flußmodulator (170; 170′) an dem jeweils anderen Element, das heißt an dem Stabelement
(102, 102′) bzw. an dem Schiebeelement (120), angeordnet ist.
5. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß der andere von jedem Magnetfeldgenerator (180) und jedem Magnetflußsensor (178,
179), der nicht in Form des Musters mit sich abwechselnden Polaritätsregionen ausgebildet ist,
entweder an dem Schiebeelement (120) oder an dem Stabelement (102; 102′) angeordnet ist.
6. Elektronische Schieblehre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das von jedem Magnetflußsensor erzeugte Ausgangssignal bei Fehlen des
mindestens einen Flußmodulators (170; 170′) gegenüber dem sich ändernden, von dem oder den
Magnetfeldgeneratoren (180) erzeugten Magnetfluß unempfindlich ist.
7. Elektronische Schieblehre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der mindestens eine Flußmodulator (170; 170′) einen Flußunterbrecher
(170) oder einen Flußverstärker (170′) umfaßt.
8. Elektronische Schieblehre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder Magnetfeldgenerator (180) einen feldgenerierenden Leiter enthält, daß
jeder Magnetflußsensor (178, 179) einen Sensorleiter aufweist, und daß der feldgenerierende
Leiter jedes Magnetfeldgenerators und der Sensorleiter jedes Magnetflußsensors innerhalb einer
dünnen Zone angeordnet sind.
9. Elektronische Schieblehre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich
net durch,
eine Niederleistungs-Energieversorgungsquelle (V+), die eine Versorgungsspannung bereitstellt,
eine Treiberschaltung (200), die mit der Versorgungsspannung gespeist wird und ein intermittierendes Ansteuersignal an den Magnetfeldgenerator bzw. an mindestens einen von mehreren Magnetfeldgeneratoren (180) während jedes Meßzyklus anlegt, und
eine Analysierschaltung (226), die das von dem oder den Magnetfeldsensoren (178, 179) erzeugte Ausgangssignal aufnimmt und ein Positionssignal abgibt, das die Position des Schiebeelements (120) an dem Stabelement (102, 102′) mit einem ersten Auflösungsniveau anzeigt.
eine Niederleistungs-Energieversorgungsquelle (V+), die eine Versorgungsspannung bereitstellt,
eine Treiberschaltung (200), die mit der Versorgungsspannung gespeist wird und ein intermittierendes Ansteuersignal an den Magnetfeldgenerator bzw. an mindestens einen von mehreren Magnetfeldgeneratoren (180) während jedes Meßzyklus anlegt, und
eine Analysierschaltung (226), die das von dem oder den Magnetfeldsensoren (178, 179) erzeugte Ausgangssignal aufnimmt und ein Positionssignal abgibt, das die Position des Schiebeelements (120) an dem Stabelement (102, 102′) mit einem ersten Auflösungsniveau anzeigt.
10. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trei
berschaltung (200) einen Kondensator (214) aufweist, der durch den Magnetfeldgenerator (180)
bzw. bei mehreren Magnetfeldgeneratoren durch mindestens einen von diesen entladbar ist.
11. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kondensator (214) und der mindestens eine Magnetfeldgenerator (180) eine Resonanzschaltung
bilden.
12. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß das intermittierende Ansteuersignal mindestens ein Impulssignal umfaßt.
13. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Analysierschaltung (226) einen Zähler zum Zählen der Anzahl oder der
Bruchteile von Zyklen des mindestens einen, von dem mindestens einen Magnetfeldsensor (178,
179) erzeugten Ausgangssignals mit einem zweiten Auflösungsniveau als Reaktion auf eine
Bewegung des Schiebeelements (120) entlang der Meßachse (300) enthält, wobei das zweite
Auflösungsniveau gröber ist als das erste Auslösungsniveau.
14. Elektronische Schieblehre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der sich ändernde Magnetfluß, der durch den mindestens einen Magnet
feldgenerator (180) erzeugt wird, sich mit einer Rate ändert, die einer Schwingungsfrequenz von
mindestens 1 MHz entspricht.
15. Elektronische Schieblehre mit
einem Schieber (120),
einem langgestreckten Stab (102, 102′) der eine Meßachse (300) aufweist, entlang derer der Schieber (120) bewegbar ist,
einer Energiequelle, die eine Versorgungsspannung (V+) für eine Treiberschaltung (200) erzeugt, die ihrerseits die Versorgungsspannung aufnimmt und ein Ansteuersignal abgibt,
einem induktiven Wandler (164, 170, 178, 179, 180), der mit dem langgestreckten Stab (102, 102′) und mit dem Schieber (120) verbunden ist, und das Ansteuersignal empfängt sowie mindestens ein Erfassungssignal in Abhängigkeit von der relativen Position des Schiebers (120) an dem langgestreckten Stab (102, 102′) abgibt, und
einer Analysierschaltung (226), die das mindestens eine Erfassungssignal empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Position des Schiebers (120) an dem langgestreckten Stab (102; 102′) mit einem ersten Auflösungsniveau angibt.
einem Schieber (120),
einem langgestreckten Stab (102, 102′) der eine Meßachse (300) aufweist, entlang derer der Schieber (120) bewegbar ist,
einer Energiequelle, die eine Versorgungsspannung (V+) für eine Treiberschaltung (200) erzeugt, die ihrerseits die Versorgungsspannung aufnimmt und ein Ansteuersignal abgibt,
einem induktiven Wandler (164, 170, 178, 179, 180), der mit dem langgestreckten Stab (102, 102′) und mit dem Schieber (120) verbunden ist, und das Ansteuersignal empfängt sowie mindestens ein Erfassungssignal in Abhängigkeit von der relativen Position des Schiebers (120) an dem langgestreckten Stab (102, 102′) abgibt, und
einer Analysierschaltung (226), die das mindestens eine Erfassungssignal empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Position des Schiebers (120) an dem langgestreckten Stab (102; 102′) mit einem ersten Auflösungsniveau angibt.
16. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Treiberschaltung (200) einen Kondensator (214) enthält, der über den induktiven Wandler (164,
170, 178, 179, 180) entladbar ist.
17. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kondensator (214) und der induktive Wandler (164, 170, 178, 179, 180) eine Resonanzschal
tung bilden.
18. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich ein von dem induktiven Wandler (164, 170, 178, 179, 180) erzeugtes
Magnetfeld als Reaktion auf das Ansteuersignal mit einer Rate ändert, die einer Schwingungsfre
quenz von mindestens 1 MHz entspricht.
19. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Ansteuersignal ein intermittierendes Treibersignal ist, das mindestens ein
Impulssignal enthält.
20. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Analysierschaltung (226) einen Zähler zum Zählen von Bruchteilen bzw. der
Anzahl von Zyklen des mindestens einen Erfassungssignals enthält, das von dem induktiven
Wandler (164, 170, 178, 179, 180) als Reaktion auf die Bewegung des Schiebers (120) entlang
des langgestreckten Stabs (102; 102′) mit einem zweiten Auflösungsniveau abgegeben wird,
das grober ist als das erste Auflösungsniveau, wobei der Zähler eine ungefähre relative Position
des Schiebers (120) an dem langgestreckten Stab (102, 102′) angibt.
21. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zähler auf räumliche Intervalle von höchstens einem viertel Zyklus anspricht.
22. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß der induktive Wandler (164, 170, 178, 179, 180) enthält:
mindestens einen Magnetfeldgenerator (180), der einen sich ändernden Magnetfluß in einer Flußregion als Reaktion auf das intermittierend angelegte Ansteuersignal erzeugt,
mindestens einen Flußmodulator (170, 170′), der in der Flußregion positionierbar ist und den Magnetfluß innerhalb einer Modulationsregion in der Nähe des Flußmodulators ändern kann, und
mindestens einen Magnetflußsensor (178, 179), der in der Flußregion angeordnet ist und den Magnetfluß in der Flußregion erfaßt, wobei der mindestens eine Magnetflußsensor (178, 179) das oder die Erfassungssignale erzeugt, das jeweils die relative Lage zwischen dem jeweiligen Magnetflußsensor und dem mindestens einen Flußmodulator (170; 170′) auf der Grundlage des erfaßten Magnetflusses angibt.
mindestens einen Magnetfeldgenerator (180), der einen sich ändernden Magnetfluß in einer Flußregion als Reaktion auf das intermittierend angelegte Ansteuersignal erzeugt,
mindestens einen Flußmodulator (170, 170′), der in der Flußregion positionierbar ist und den Magnetfluß innerhalb einer Modulationsregion in der Nähe des Flußmodulators ändern kann, und
mindestens einen Magnetflußsensor (178, 179), der in der Flußregion angeordnet ist und den Magnetfluß in der Flußregion erfaßt, wobei der mindestens eine Magnetflußsensor (178, 179) das oder die Erfassungssignale erzeugt, das jeweils die relative Lage zwischen dem jeweiligen Magnetflußsensor und dem mindestens einen Flußmodulator (170; 170′) auf der Grundlage des erfaßten Magnetflusses angibt.
23. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß minde
stens einer des oder der Magnetflußsensoren oder des oder der Magnetfeldgeneratoren mit
einem Muster mit sich abwechselnden Polaritätsregionen ausgebildet ist.
24. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das
Muster mit sich abwechselnden Polaritätsregionen sinusförmige Bereiche (191, 192) aufweist,
die durch leitende Elemente verbunden sind.
25. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das von
dem oder den Magnetflußsensoren erzeugte Ausgangssignal bei Fehlen des mindestens einen
Flußmodulators gegenüber dem sich ändernden, durch den oder die Magnetfeldgeneratoren
erzeugten Magnetfluß unempfindlich ist.
26. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 22 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß
der mindestens eine Flußmodulator (170; 170′) einen Flußunterbrecher (170) und/oder einen
Flußverstärker (170′) enthält.
27. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekenn
zeichnet, daß jeder Magnetfeldgenerator (180) einen feldgenerierenden Leiter enthält, daß jeder
Magnetflußsensor (178, 179) einen Sensorleiter aufweist, und daß der feldgenerierende Leiter
jedes Magnetfeldgenerators und der Sensorleiter jedes Magnetflußsensors innerhalb einer dünnen
Zone positioniert sind.
28. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Analysierschaltung (226) Änderungen der relativen Position mit einem groben
Auflösungsniveau während jedes Impulsintervalls des Ansteuersignals ermittelt und die relative
Lage während einer Vielzahl von Impulsintervallen lediglich einmal mit einem feineren Auflö
sungsniveau ermittelt.
29. Elektronische Schieblehre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektronische Schieblehre eine durchschnittliche Stromaufnahme von
höchstens 200 µA aufweist.
30. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 15 bis 29, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Ansteuersignal ein intermittierendes Ansteuersignal ist.
31. Elektronische Schieblehre nach einem der Ansprüche 15 bis 30, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Energiequelle eine Niederleistungs-Energiequelle ist.
32. Elektronische Schieblehre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der oder jeder Magnetfeldgenerator (180) und der oder jeder Magnetfluß
sensor (178, 179) kontinuierlich, räumlich moduliert, induktiv gekoppelt sind.
33. Elektronische Schieblehre mit
einem Schiebeelement (120),
einem Stabelement (102, 102′) mit einer Meßachse (300), entlang derer das bewegbar an dem Stabelement (102, 102′) angebrachte Schiebeelement (120) beweglich ist,
mindestens einem Magnetfeldgenerator (180), der als Reaktion auf ein Ansteuersignal einen sich ändernden Magnetfluß in einer Flußregion erzeugt,
mindestens einem Flußmodulator (170; 170′), der in der Flußregion positionierbar ist und den sich ändernden Magnetfluß in einer Modulationsregion in der Nähe des Flußmodulators ändern kann,
mindestens einem Magnetflußsensor (178, 179), der in der Flußregion angeordnet ist und den sich ändernden Magnetfluß in der Flußregion erfaßt, wobei der oder jeder Magnetfluß sensor in Abhängigkeit von dem erfaßten Magnetfluß ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Relativlage zwischen dem Magnetflußsensor und dem mindestens einen Flußmodulator (170; 170′) angibt,
wobei der mindestens eine Magnetfeldgenerator (180) und der mindestens eine Magnetflußsensor (178, 179) räumlich moduliert induktiv gekoppelt sind und sich jedes Ausgangssignal des mindestens einen Magnetflußsensors in im wesentlichen linearer Abhängig keit von der gesamten Überlappungsfläche ändert, die durch die Querschnittsfläche des minde stens einen Flußmodulators, die sowohl die Flußregion als auch eine effektive Fläche des mindestens einen Magnetflußsensors bei rechtwinkliger Projektion auf die effektive Ebene des mindestens einen Magnetflußsensors überlappt, definiert ist, wobei Flächen mit entgegengesetz ter Polarität der induktiven Kopplung als Flächen mit entgegengesetztem Vorzeichen definiert sind.
einem Schiebeelement (120),
einem Stabelement (102, 102′) mit einer Meßachse (300), entlang derer das bewegbar an dem Stabelement (102, 102′) angebrachte Schiebeelement (120) beweglich ist,
mindestens einem Magnetfeldgenerator (180), der als Reaktion auf ein Ansteuersignal einen sich ändernden Magnetfluß in einer Flußregion erzeugt,
mindestens einem Flußmodulator (170; 170′), der in der Flußregion positionierbar ist und den sich ändernden Magnetfluß in einer Modulationsregion in der Nähe des Flußmodulators ändern kann,
mindestens einem Magnetflußsensor (178, 179), der in der Flußregion angeordnet ist und den sich ändernden Magnetfluß in der Flußregion erfaßt, wobei der oder jeder Magnetfluß sensor in Abhängigkeit von dem erfaßten Magnetfluß ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Relativlage zwischen dem Magnetflußsensor und dem mindestens einen Flußmodulator (170; 170′) angibt,
wobei der mindestens eine Magnetfeldgenerator (180) und der mindestens eine Magnetflußsensor (178, 179) räumlich moduliert induktiv gekoppelt sind und sich jedes Ausgangssignal des mindestens einen Magnetflußsensors in im wesentlichen linearer Abhängig keit von der gesamten Überlappungsfläche ändert, die durch die Querschnittsfläche des minde stens einen Flußmodulators, die sowohl die Flußregion als auch eine effektive Fläche des mindestens einen Magnetflußsensors bei rechtwinkliger Projektion auf die effektive Ebene des mindestens einen Magnetflußsensors überlappt, definiert ist, wobei Flächen mit entgegengesetz ter Polarität der induktiven Kopplung als Flächen mit entgegengesetztem Vorzeichen definiert sind.
34. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fläche von mindestens einem aus a) dem oder den Magnetfeldgeneratoren und b) dem oder den
Magnetflußsensoren sinusförmig mit einer gegebenen räumlichen Frequenz moduliert ist, um
hierdurch die räumlich modulierte induktive Kopplung zu definieren.
35. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die gesamte Überlappungsfläche in Abhängigkeit von der Relativlage in sinusförmiger Weise
mit einer gegebenen räumlichen Frequenz ändert.
36. Elektronische Schieblehre nach Anspruch 33, 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet,
daß räumlich modulierte induktive Kopplung eine kontinuierliche, räumlich modulierte, induktive
Kopplung ist.
37. Verfahren zum Betreiben einer Schieblehre (100), die
ein Stabelement (102; 102′) mit einer Meßachse (300),
ein Schiebeelement (120), das an dem Stabelement (100; 102′) angebracht und entlang der Meßachse (300) verschiebbar ist,
einen Magnetflußsensor (178, 179) der an dem Schiebeelement (120) oder an dem Stabelement (102; 102′) vorgesehen ist,
einen Flußmodulator (170; 170′), der an dem anderen, nicht mit dem Magnetflußsensor versehenen Element, das heißt an dem Stabelement (102; 102′) oder an dem Schiebeelement (120) vorgesehen ist, und
einen Magnetflußgenerator (180) aufweist, der an dem Schiebeelement (120) oder an dem Stabelement (102; 102′) vorgesehen ist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Erzeugen eines sich ändernden Magnetflusses durch den Magnetflußgenerator (180) in einer Flußregion,
Bewegen des Schiebeelements (120) relativ zu dem Stabelement (102; 102′) bis zu einer Meßposition, die mit einer vorgegebenen Referenzposition in Relation steht, wobei der Flußmodulator (170; 170′) die induktive Kopplung zwischen dem Magnetflußsensor (178, 179) und dem Magnetflußgenerator (180) entsprechend der Relativlage zwischen dem Schiebeelement (120) und dem Stabelement (102; 102′) moduliert,
Erfassen des modulierten Magnetflusses mittels des Magnetflußsensors (178, 179) zur Erzeugung eines Erfassungssignals, das der Relativlage zwischen dem Schiebeelement (120) und dem Stabelement (102; 102′) entspricht,
Überwachen des durch den Magnetflußsensor erzeugten Erfassungssignals, und
Ermitteln eines Abstands zwischen der vorgegebenen Referenzposition und der Meßpo sition in Abhängigkeit von dem überwachten Erfassungssignal.
ein Stabelement (102; 102′) mit einer Meßachse (300),
ein Schiebeelement (120), das an dem Stabelement (100; 102′) angebracht und entlang der Meßachse (300) verschiebbar ist,
einen Magnetflußsensor (178, 179) der an dem Schiebeelement (120) oder an dem Stabelement (102; 102′) vorgesehen ist,
einen Flußmodulator (170; 170′), der an dem anderen, nicht mit dem Magnetflußsensor versehenen Element, das heißt an dem Stabelement (102; 102′) oder an dem Schiebeelement (120) vorgesehen ist, und
einen Magnetflußgenerator (180) aufweist, der an dem Schiebeelement (120) oder an dem Stabelement (102; 102′) vorgesehen ist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Erzeugen eines sich ändernden Magnetflusses durch den Magnetflußgenerator (180) in einer Flußregion,
Bewegen des Schiebeelements (120) relativ zu dem Stabelement (102; 102′) bis zu einer Meßposition, die mit einer vorgegebenen Referenzposition in Relation steht, wobei der Flußmodulator (170; 170′) die induktive Kopplung zwischen dem Magnetflußsensor (178, 179) und dem Magnetflußgenerator (180) entsprechend der Relativlage zwischen dem Schiebeelement (120) und dem Stabelement (102; 102′) moduliert,
Erfassen des modulierten Magnetflusses mittels des Magnetflußsensors (178, 179) zur Erzeugung eines Erfassungssignals, das der Relativlage zwischen dem Schiebeelement (120) und dem Stabelement (102; 102′) entspricht,
Überwachen des durch den Magnetflußsensor erzeugten Erfassungssignals, und
Ermitteln eines Abstands zwischen der vorgegebenen Referenzposition und der Meßpo sition in Abhängigkeit von dem überwachten Erfassungssignal.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetflußgenera
tor (180) eine Senderwicklung bildet, und daß der Schritt der Erzeugung eines sich ändernden
Magnetflusses das Anlegen eines Ansteuersignals an die Senderwicklung (180) enthält, wobei
das Ansteuersignal einen sich ändernden Stromfluß in der Senderwicklung (180) zum Induzieren
des sich ändernden Magnetflusses hervorruft.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Anle
gens eines Ansteuersignals an die Senderwicklung (180) die Schritte enthält:
Erzeugung einer Serie von Impulsen mit einem ausgewählten Impulsintervall mittels eines Impulsgenerators (200) zur Erzeugung eines impulsförmigen Signals, und
Anlegen des impulsförmigen Signals an einen Eingangsanschluß der Senderwicklung (180).
Erzeugung einer Serie von Impulsen mit einem ausgewählten Impulsintervall mittels eines Impulsgenerators (200) zur Erzeugung eines impulsförmigen Signals, und
Anlegen des impulsförmigen Signals an einen Eingangsanschluß der Senderwicklung (180).
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Über
wachung des durch den Magnetflußsensor erzeugten Erfassungssignals das mit dem impulsför
migen Signal synchrone Abtasten des Erfassungssignals enthält.
41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des mit dem
impulsförmigen Signal synchronen Abtastens des Erfassungssignals das Abtasten des Erfas
sungssignals auf der Grundlage einer erwarteten Zeitverzögerung zwischen dem impulsförmigen
Signal und einem Spitzenwert des Antwortsignals einer Resonanzschaltung enthält, die durch
den Impulsgenerator (200) und die Senderwicklung (180) gebildet ist.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ermittlungsschritt enthält:
Ermitteln von Änderungen der Relativlage mit einem groben Auflösungsniveau während jedes Impulsintervalls, und
Ermitteln des Abstands zwischen der vorgegebenen Referenzposition und der Meßposi tion mit einem feineren Auflösungsniveau lediglich einmal während einer Mehrzahl von Impulsin tervallen.
Ermitteln von Änderungen der Relativlage mit einem groben Auflösungsniveau während jedes Impulsintervalls, und
Ermitteln des Abstands zwischen der vorgegebenen Referenzposition und der Meßposi tion mit einem feineren Auflösungsniveau lediglich einmal während einer Mehrzahl von Impulsin tervallen.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß beim
Betreiben der elektronischen Schieblehre (100) ein durchschnittlicher Strom von höchstens
200 µA ließt.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schritt der Erzeugung eines sich ändernden Magnetflusses mittels des Magnetflußgenerators
(180) die Zuführung eines durchschnittlichen Stroms von höchstens 75 µA zu dem Magnetfluß
generator enthält.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 44, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetflußgenerator (180) und der Magnetflußsensor (178, 179) eine räumlich modulierte induktive Kopplung bilden, und
daß bei dem Schritt der Bewegung des Schiebeelements (120) der Flußmodulator (170; 170′) die räumlich modulierte induktive Kopplung zwischen dem Schiebeelement (120) und dem Stabelement (102; 102′) noch weiter moduliert, um hierdurch ein sich kontinuierlich änderndes Ausgangssignal seitens des Magnetflußsensors (178, 179) zu erhalten.
daß der Magnetflußgenerator (180) und der Magnetflußsensor (178, 179) eine räumlich modulierte induktive Kopplung bilden, und
daß bei dem Schritt der Bewegung des Schiebeelements (120) der Flußmodulator (170; 170′) die räumlich modulierte induktive Kopplung zwischen dem Schiebeelement (120) und dem Stabelement (102; 102′) noch weiter moduliert, um hierdurch ein sich kontinuierlich änderndes Ausgangssignal seitens des Magnetflußsensors (178, 179) zu erhalten.
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