DE10025661A1 - Wegmeßsystem - Google Patents
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Abstract
Um ein Wegmeßsystem mit einem Geber, einem Sensor, welcher ein induktives Element umfaßt, an das der Geber elektromagnetisch koppelt, und mit einer Auswerteeinheit, wobei Sensor und Geber relativ zueinander positionierbar sind, zu schaffen, welches einfach ausgebildet ist und sich somit kostengünstig herstellen läßt und das universell einsetzbar ist, ist vorgesehen, daß das induktive Element an einen Oszillator gekoppelt ist und diesen über seine Güte und/oder effektive Indurktivität beeinflußt, daß die Güte und/oder effektive Induktivität des induktiven Elements bestimmt ist durch die Größe eines wirksamen Sensorbereichs, an den der Geber koppelt, und/oder durch die Größe eines wirksamen Geberbereichs, der an einen wirksamen Sensorbereich koppelt, und daß der Sensor und/oder der Geber so ausgebildet sind, daß die Größe des wirksamen Sensorbereichs, an den der Geber koppelt, und/oder des wirksamen Gebereichs, der an den wirksamen Sensorbereich koppelt, abhängig ist von der relativen Position zwischen Geber und Sensor quer zu einer Abstandsrichtung zwischen diesen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Wegmeßsystem mit einem Geber,
einem Sensor, welcher ein induktives Element umfaßt, an das
der Geber elektromagnetisch koppelt, und mit einer Auswerte
einheit für ein Sensorsignal, wobei Sensor und Geber relativ
zueinander positionierbar sind.
Derartige Wegmeßsysteme werden beispielsweise zur Positions
messung an pneumatischen Zylindern eingesetzt, zur Messung
von Ventilstellung (insbesondere in Regelkreisen) oder bei
Greifern. Für solche Anwendungen ist es sehr vorteilhaft,
wenn ein Relativweg zwischen Geber und Sensor absolut meßbar
ist.
Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Wegsensor ist
eine Sekundärspule über einen langgestreckten weichmagne
tischen Sensorkern gewickelt. Jeweils an den Enden des
Sensorkerns sind Primärspulen aufgewickelt. Als Geber wird
ein Magnet eingesetzt, welcher längs des Sensorkerns verfahr
bar ist. Durch Strombeaufschlagung der Primärspulen wird in
der Sekundärspule eine Spannung induziert. Diese Induktions
spannung ist durch den Magneten beeinflußt, welcher den
magnetischen Sensorkern in seiner unmittelbaren Nähe in
Sättigung bringt. Der Stromfluß durch die Sekundärspule ist
dann durch die relative Position zwischen dem Magneten und
dem weichmagnetischen Sensorkern beeinflußt und der Strom
durch die Sekundärspule hängt ab von der Magnetposition.
Bei einer aus der DE 43 11 973 A1 bekannten magneto-induk
tiven Sensorzeile für eine magnetische Positions- und/oder
Wegbestimmung eines der Sensorzeile benachbarten Magneten ist
auf einer flächigen magnetisch leitfähigen Schicht, welche in
magnetische Sättigung versetzbar ist, eine Mehrzahl von
nebeneinander und/oder übereinander angeordneten Flachspulen
vorgesehen, wobei benachbarte Spulen ein Sender-Empfänger
system bilden und die Position des Magneten die
Sende-/Empfangscharakteristik der Spulen beeinflußt und sich
so seine Position detektieren läßt.
Aus der DE 25 11 683 C3 und der DE 39 13 861 A1 sind induk
tive Stellungsgeber bekannt, bei denen ein ferromagnetischer
Kern zusammen mit einer von Wechselstrom durchflossenen
Primärspule als Tastglied ausgebildet ist, welches wiederum
einen magnetischen Fluß ausbildet. Dieser Magnetfluß wird mit
einer Sekundärwicklung verkettet und die in dieser Wicklung
induzierte Spannung ist abhängig von der Stellung des Kerns.
Aus der FR 2 682 760 A1 ist ein Verschiebungssensor bekannt,
bei welchem auf einem Träger ein Primärkreis und ein Sekun
därkreis angeordnet sind. Der Primärkreis ist mit einem
Wechselstrom beaufschlagt und koppelt an den Sekundärkreis,
in dem eine Wechselspannung induziert wird. Ein Geber aus
einem ferromagnetischen Material beeinflußt diese Induktions
spannung in Abhängigkeit von seiner relativen Position zu dem
Sekundärkreis.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
gattungsgemäßes Wegmeßsystem zu schaffen, welches einfach
ausgebildet ist und sich somit kostengünstig herstellen läßt
und das universell einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Wegmeßsystem
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das induktive Element an
einen Oszillator gekoppelt ist und über seine Güte und/oder
effektive Induktivität diesen beeinflußt, daß die Güte
und/oder effektive Induktivität des induktiven Elements be
stimmt ist durch die Größe eines wirksamen Sensorbereichs, an
den der Geber koppelt, und/oder durch die Größe eines wirk
samen Geberbereichs, der an einen wirksamen Sensorbereich
koppelt und daß der Sensor und/oder der Geber so ausgebildet
sind, daß die Größe des wirksamen Sensorbereichs, an den der
Geber koppelt, und/oder die Größe des wirksamen Geber
bereichs, der an den wirksamen Sensorbereich koppelt, ab
hängig ist von der relativen Position zwischen Geber und
Sensor quer zu einer Abstandsrichtung zwischen diesen.
Dadurch, daß das induktive Element an einen Oszillator ge
koppelt ist und über seine Güte und/oder effektive Induk
tivität Kenngrößen des Oszillators wie Amplitude, Phasenlage
und Frequenz beeinflußt, läßt sich eine - ortsabhängige -
Ankopplung eines Gebers an das induktive Element auf einfache
Weise auswerten, indem die entsprechenden Kenngrößen des
Oszillators ausgewertet werden. Das induktive Element,
welches an den Oszillator gekoppelt ist, ist dabei so an den
Oszillator gekoppelt, daß dieser selber beeinflußbar ist. Ein
Spezialfall der Kopplung des induktiven Elements an den
Oszillator ist, daß das induktive Element selber die Induk
tivität des Oszillators bildet. Erfindungsgemäß wird also
nicht eine über eine Primärspule in einer Sekundärspule indu
zierte Spannung gemessen, sondern eine Güte und/oder effek
tive Induktivität des induktiven Elements des Sensors mittels
des Oszillators ausgewertet. Es muß deshalb auch keine
Primärspule mit Energie versorgt werden, so daß das erfin
dungsgemäße Wegmeßsystem einfacher aufgebaut ist. Zudem läßt
sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Geber als
passives Element ausbilden, so daß er insbesondere nicht über
Energiezuführungsleitungen mit Strom beaufschlagt werden muß.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die Güte und/oder
effektive Induktivität des induktiven Elements, welche ein
Maß ist für die relative Position zwischen Geber und Sensor,
durch die Größe des wirksamen Sensorbereichs und/oder die
Größe des wirksamen Geberbereichs bestimmt ist. Das Sensor
signal ist damit durch die geometrische Struktur des Sensors
bzw. des Gebers bestimmt. In der geometrischen Form des wirk
samen Sensorbereichs bzw. wirksamen Geberbereichs, welche
miteinander koppeln, ist die Information über die relative
Position zwischen Geber und Sensor und damit die Weginfor
mation bzw. Positionsinformation der relativen Position
zwischen Geber und Sensor enthalten. Der wirksame Sensor
bereich bzw. der wirksame Geberbereich wiederum ist durch die
Formgebung des Sensors und damit insbesondere des induktiven
Elements bzw. durch die Formgebung des Gebers bestimmt.
Dadurch ist das erfindungsgemäße Wegmeßsystem einfach aus
gebildet und läßt sich kostengünstig herstellen.
Durch eine entsprechende Formgebung des Sensors bzw. des
Gebers läßt sich das erfindungsgemäße Wegmeßsystem universell
einsetzen und insbesondere auch in einem Drehgeber einsetzen.
Es muß neben dem induktiven Element keine weitere Sekundär
spule oder dergleichen vorgesehen werden. Grundsätzlich
genügt es, ein einziges induktives Element vorzusehen,
welches so ausgebildet ist, daß ein wirksamer Sensorbereich
und/oder ein wirksamer Geberbereich, welcher an das induktive
Element koppelt, abhängig ist von der relativen Position
zwischen Geber und Sensor. Daneben ist es aber möglich, auch
weitere induktive Elemente vorzusehen. Auf diese Weise können
beispielsweise Differenzmessungen oder Summenmessungen durch
geführt werden, um eine gute Meßgenauigkeit und Meßauflösung
zu erhalten. Beispielsweise kann es erfindungsgemäß vorge
sehen sein, daß mehrere Meßspuren vorgesehen sind, beispiels
weise eine Meßspur für Grobmessungen und eine Meßspur für
Feinmessungen. Da eben die Ortsinformation in der Formgebung
des wirksamen Sensorbereichs bzw. wirksamen Geberbereichs
enthalten ist, lassen sich durch entsprechende Formgebung
eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten realisieren.
Eine Meßauflösung ist dabei direkt über die Formgebung des
wirksamen Sensorbereichs bzw. das wirksamen Geberbereichs
einstellbar. Es lassen sich dabei problemlos Auflösungen
mindestens in der Größenordnung eines Tausendstels der ge
samten Wegstrecke, welche Sensor und Geber relativ zueinander
einnehmen können, realisieren.
Da das Sensorsignal bestimmt ist durch einen wirksamen
Sensorbereich und/oder durch einen wirksamen Geberbereich,
und damit das Sensorsignal direkt bestimmt ist durch eine
effektive Induktivität des induktiven Elements des Sensors,
kann durch bekannte Auswerteschaltungen für induktive
Näherungsschalter, bei denen die Annäherung eines metalli
schen Gegenstands an eine Oszillatorspule beispielsweise über
eine Amplitudenänderung oder Frequenzänderung des Oszillators
registriert wird, verwendet werden. Es kann somit auf bereits
vorhandene Auswerteeinheiten zurückgegriffen werden. Das
erfindungsgemäße Wegmeßsystem läßt sich insbesondere mit
einem Typ von Auswerteeinheit versehen, unabhängig davon, wie
die spezielle Gestaltung des Gebers oder des induktiven
Elements ist, da die Auswerteeinheit im wesentlichen nur eine
Kenngröße dieses induktiven Elements bestimmt.
Vorteilhaft ist es, wenn der Sensor und/oder der Geber so
ausgebildet sind, daß ein Überlappungsbereich zwischen einer
Projektion einer wirksamen Geberfläche auf den Sensor mit
einer wirksamen Sensorfläche abhängig ist von der relativen
Position zwischen Sensor und Geber quer zur Projektions
richtung. Die Formgebung des Sensors und insbesondere des
induktiven Elements und/oder die Formgebung des Gebers, durch
die jeweils die wirksame Sensorfläche bzw. die wirksame
Geberfläche bestimmt ist, bestimmt dann die Abhängigkeit der
Kopplung zwischen Sensor und Geber quer zur Projektions
richtung. Aus dieser Abhängigkeit wiederum läßt sich die
relative Position zwischen Sensor und Geber quer zur Pro
jektionsrichtung (quer zur Abstandsrichtung zwischen Sensor
und Geber) ermitteln.
Die relative Position zwischen Sensor und Geber läßt sich auf
einfache Weise ermitteln, wenn die Auswerteeinheit eine Kenn
größe des Oszillators ermittelt. Ein Geber, welcher metal
lisch ausgebildet ist und insbesondere elektrisch leitend ist
oder magnetisch ist, stellt eine Gegeninduktivität zu dem
induktiven Element des Sensors dar. Die Ankopplung der Induk
tivitäten bewirkt eine Änderung der effektiven Induktivität
des induktiven Elements. Diese Änderung der effektiven Induk
tivität läßt sich auf einfache Weise messen. Bei einer
Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß als
Kenngröße des Oszillators eine Frequenz des Oszillators
gemessen wird, an den das induktive Element gekoppelt ist.
Die Frequenz eines LC-Schwingkreises ist im wesentlichen
umgekehrt proportional zu der Wurzel aus der effektiven
Induktivität. Diese läßt sich dann auf einfache Weise er
mitteln. Diese Variante ist besonders vorteilhaft, wenn der
Geber ein Magnet ist, da dadurch eine relativ starke Induk
tivitätsänderung auftreten kann, die sich dementsprechend auf
die Frequenz des Schwingkreises auswirkt, insbesondere wenn
ein weichmagnetisches Material, das in Sättigung bringbar
ist, am Sensor angeordnet ist.
Bei einer alternativen Variante einer Ausführungsform wird
eine Amplitude des Oszillators ermittelt, an welchen das
induktive Element gekoppelt ist. Die Amplitude eines Oszilla
tors und insbesondere Schwingkreises hängt wiederum von der
effektiven Induktivität bzw. Güte des induktiven Elements des
Sensors ab. Sie läßt sich auf einfache Weise ermitteln. Ins
besondere lassen sich Amplitudenänderungen ermitteln, die
relativ gering sind. Die effektive Induktivität des induk
tiven Elements läßt sich insbesondere auch dann auswerten,
wenn der Geber ein nichtmagnetisches Metall ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das induktive Element
flächig ausgebildet ist und insbesondere als Flachspule aus
gebildet ist. Der wirksame Sensorbereich, an welchen der
Geber koppelt, liegt dann in einer Fläche. Dementsprechend
läßt sich über die Formgestaltung einer solchen Flachspule
der wirksame Sensorbereich gezielt einstellen, um über die
Größe des wirksamen Sensorbereichs die relative Position
zwischen Sensor und Geber ermitteln zu können. Eine Flach
spule ist auch auf einfache Weise herstellbar und insbe
sondere mit einer hohen Herstellungsreproduzierbarkeit her
stellbar; bei gewickelten dreidimensionalen Spulen ist die
Herstellungsstreuung erheblich größer als bei Flachspulen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das induktive
Element als Printspule ausgebildet ist. Die entsprechenden
Spulenwindungen lassen sich dabei auf einfache Weise bei
spielsweise mittels eines Belichtungsverfahrens auf eine
Platine bringen. Dadurch wiederum lassen sich eine Vielzahl
von Spulenformen herstellen, um so eine hohe Variabilität bei
der Anwendung zu erreichen.
Günstig ist es, wenn die Auswerteeinheit auf einer Platine
angeordnet ist, auf welcher das induktive Element sitzt. Es
sind dann Auswerteeinheit und induktives Element auf einer
Platine integriert. Dadurch läßt sich der erfindungsgemäße
Sensor einfach und kostengünstig herstellen und entsprechend
einfach ist auch der Einbau beispielsweise in ein Gehäuse.
Günstig ist es, wenn die meßbare Wegstrecke zwischen Geber
und Sensor im wesentlichen durch eine Länge des induktiven
Elements bestimmt ist. Durch die Formgestaltung des induk
tiven Elements läßt sich dann für eine spezielle Anwendung
gezielt ein Meßweg einstellen, innerhalb welchem die relative
Position zwischen Sensor und Geber ermittelbar ist. Durch die
einfache Herstellbarkeit des induktiven Elements insbesondere
als Printspule ist dann über die Formgestaltung des induk
tiven Elements eine gezielte Einstellung der entsprechenden
Parameter des erfindungsgemäßen Wegmeßsystems erreicht.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Geber ein
passives Element und insbesondere aus einem elektrisch
leitenden oder magnetisch leitenden Material hergestellt ist.
Ein passiver Geber ist dabei ein solcher Geber, der nicht mit
einer Energiequelle verbunden ist, und dennoch eine elektro
magnetische Ankopplung an das induktive Element bewirkt ist.
Dadurch läßt sich ein konstruktiv einfacher Aufbau des erfin
dungsgemäßen Wegmeßsystems erreichen und dieses ist kosten
günstig herstellbar und einsetzbar, da keine Energie
zuführungsleitungen zu dem Geber vorgesehen werden müssen,
die eventuell mit diesem mitbewegt werden müssen. Es muß dann
natürlich auch keine Energiequelle für den Geber vorgesehen
werden.
Bei einer Variante einer Ausführungsform umfaßt der Geber
einen Magneten. Das Magnetfeld des Magneten beeinflußt das
induktive Element und diese Beeinflussung äußert sich ins
besondere in einer Änderung der effektiven Induktivität des
induktiven Elements. Diese Änderung der effektiven Induk
tivität wiederum hängt ab von dem wirksamen Sensorbereich des
induktiven Elements, welcher durch das Magnetfeld beauf
schlagt ist. Mit einem solchen Geber kann auch durch metalli
sche Wände hindurch gemessen werden. Beispielsweise läßt sich
die Position eines mit einem solchen Geber versehenen Kolbens
durch eine Wand eines Druckmittelzylinders aus Aluminium hin
durch von außen detektieren.
Günstig ist es dabei, wenn an oder in der Nähe des induktiven
Elements ein weichmagnetisches Material angeordnet ist. Bei
dem weichmagnetischen Material handelt es sich beispielsweise
um ein Mu-Metall in Folienform, welches eine möglichst hohe
magnetische Permeabilität und einen möglichst kleinen elek
trischen Leitwert aufweist. Durch das Magnetfeld des Gebers
läßt sich das weichmagnetische Material lokal in Sättigung
bringen, und durch diese lokale Sättigung ist ein wirksamer
Sensorbereich definiert. Die lokale Sättigung am wirksamen
Sensorbereich wiederum bewirkt eine relativ starke Änderung
der effektiven Induktivität, die somit leicht ermittelbar
ist.
Bei einer Variante einer Ausführungsform ist auf einer
Platine, auf welcher das induktive Element sitzt, ein
weichmagnetisches Material beispielsweise einseitig oder
beidseitig aufgebracht. Der erfindungsgemäße Sensor läßt sich
dann auf einfache Weise herstellen. Insbesondere kann es vor
gesehen sein, daß eine Platine, auf welcher das induktive
Element sitzt, mit einem weichmagnetischen Material umwickelt
ist.
Grundsätzlich ist es so, daß ein wirksamer Sensorbereich,
welcher abhängig ist von der Positionierung eines Gebers zu
dem Sensor, dadurch eingestellt werden kann, daß das induk
tive Element derart ausgestaltet ist, daß seine Form längs
einer Meßstrecke quer zu der Meßstrecke variiert. Es ist auch
alternativ oder zusätzlich möglich, daß das weichmagnetische
Material in einer derartigen Form angeordnet ist, daß die
Formabmessung quer zu einer Meßstrecke längs der Meßweg
strecke variiert. Da durch das weichmagnetische Material ein
wirksamer Sensorbereich lokal in Sättigung bringbar ist, ist
durch die Formgestaltung des weichmagnetischen Materials
selber auch ein wirksamer Sensorbereich bestimmt. Außerhalb
des weichmagnetischen Materials ist eben die Feldbeauf
schlagung des Sensors anders als an dem weichmagnetischen
Material, und damit ist der wirksame Sensorbereich dann durch
die Form der Aufbringung des weichmagnetischen Materials be
stimmt. Insbesondere ist es vorgesehen, daß das weichmagne
tische Material dreieckförmig angeordnet ist. Dadurch ändert
sich längs der Meßstrecke die Querabmessung der Aufbringung
des weichmagnetischen Materials und aus der Variation der
Querabmessung läßt sich die relative Position zwischen Geber
und Sensor bestimmen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das induktive Element
derart ausgebildet ist, daß seine Gestalt quer zu einer Meß
wegstrecke längs der Meßwegstrecke variiert. Dies läßt sich
auf einfache Weise über die entsprechende Windungsausbildung
einer Flachspule erreichen. Durch die Änderung seiner Form
quer zu der Meßstrecke variiert der wirksame Sensorbereich.
Die Größe des wirksamen Sensorbereichs wiederum ist verant
wortlich für das Sensorsignal und dieses Sensorsignal be
inhaltet dann die Information über die relative Position
zwischen Sensor und Geber. Bei einer einfach herstellbaren
Variante einer Ausführungsform weist das induktive Element
dreieckförmige Windungen auf. Es liegt dann im Bereich einer
Dreiecksspitze eine größere umschlossene Fläche vor als im
Bereich einer Basis des Dreiecks. Dadurch wiederum variiert
die Größe eines wirksamen Sensorbereichs, wenn ein Geber an
das induktive Element koppelt.
Bei einer Variante einer Ausführungsform erstreckt sich das
induktive Element in einem Winkelbereich, um Drehungen messen
zu können. Wird der Geber dann in einer Kreisbahn über dem
induktiven Element bewegt, dann läßt sich die relative Dreh
position zwischen Geber und Sensor ermitteln. Das induktive
Element ist dabei so ausgebildet, daß ein wirksamer Sensor
bereich längs des Winkelbereichs variiert. Insbesondere ist
es vorteilhaft, wenn der Winkelbereich im wesentlichen einen
Vollkreis umfaßt. Dadurch können dann Drehpositionen in einem
vollen Winkelbereich gemessen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt der Geber ein elek
trisch leitendes oder magnetisch leitendes Element. Dieses
Element koppelt dann induktiv als Gegeninduktivität an das
induktive Element des Sensors und verändert dadurch die
effektive Induktivität des induktiven Elements. Aus dieser
Änderung wiederum, welche abhängig ist von der relativen
Position zwischen Sensor und Geber, läßt sich eben diese
relative Position ermitteln. Ganz besonders vorteilhaft ist
es dabei, wenn der Überdeckungsbereich zwischen einem wirk
samen Geberbereich und dem induktiven Element längs einer
Wegmeßstrecke variiert. Diese Variation kann grundsätzlich,
wie bereits oben ausgeführt, durch eine entsprechende Aus
bildung des induktiven Elements erreicht werden. Der Geber
kann je nach Anwendung beispielsweise als Zunge, als Bügel,
welcher über dem induktiven Element verfahrbar ist, als Ring
mit beispielsweise rundem oder rechteckigem Querschnitt oder
als Rohr usw. ausgebildet sein.
Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen,
daß der Geber so ausgebildet ist, daß ein wirksamer Geber
bereich, welcher an das induktive Element koppelt, in seiner
Gestalt quer zu einer Meßwegstrecke längs der Meßwegstrecke
variiert. Der wirksame Geberbereich bestimmt die Ankopplung
des Gebers an den Sensor. Durch entsprechende Ausgestaltung
dieses wirksamen Geberbereichs und insbesondere durch eine
Variation längs der Meßwegstrecke ist dadurch dann die An
kopplung abhängig von der relativen Position zwischen Geber
und Sensor. Dadurch wiederum läßt sich aus dem Sensorsignal
eindeutig diese relative Position bestimmen. Bei einer
Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß die
Meßwegstrecke linear ist. Bei einer weiteren Variante ist die
Meßwegstrecke kreisförmig ausgebildet, so daß insbesondere
das erfindungsgemäße Wegmeßsystem als Drehgeber einsetzbar
ist. Je nach Einsatzvariante ist entsprechend der wirksame
Geberbereich ausgebildet. Insbesondere ändert sich die
Flächendichte des Gebers längs der Meßwegstrecke, um einen
wirksamen Geberbereich mit einer Quervariation auszubilden.
Bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels ist der Geber
mit einer dreieckförmigen Struktur versehen. Durch eine
solche Struktur läßt sich auf einfache Weise eine Variation
eines wirksamen Geberbereichs erreichen. Ist die dreieck
förmige Struktur ringförmig angeordnet, dann lassen sich
damit auch Drehbewegungen messen.
Der wirksame Geberbereich läßt sich beispielsweise durch eine
Beschichtung auf dem Geber bilden. Bei dem Beschichtungs
material kann es sich beispielsweise um ein Mu-Metall oder um
eine Ferritbeschichtung handeln. Es kann auch vorgesehen
sein, daß der Geber mit Ausnehmungen versehen ist und ins
besondere mit durchgehenden Öffnungen. An diesen Ausnehmungen
fehlt Gebermaterial und somit ist der wirksame Geberbereich
abhängig von der Größe und der Verteilung der Ausnehmungen im
Geber.
Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Wegmeßsystems ist der Sensor von einem
induktiven Näherungssensor mit einem Schwingkreis, welcher
ein induktives Element aufweist, umfaßt. Derartige Näherungs
sensoren, welche insbesondere Analogsensoren sind, sind be
kannt. Diese lassen sich mit einem entsprechend ausgebildeten
Geber verwenden, um absolute Wegmessungen für die relative
Position zwischen Geber und Sensor durchzuführen. Die ent
sprechende Ausgestaltung des Gebers, d. h. die Variation des
wirksamen Geberbereichs, welcher an den Näherungssensor
koppeln kann, bestimmt dann das Sensorsignal, welches
wiederum dann Informationen über den wirksamen Geberbereich
und damit über die relative Position zwischen Sensor und
Geber enthält.
Günstig ist es, wenn eine magnetische Abschirmung für das
induktive Element vorgesehen ist. Dadurch sind die induktiven
Elemente von Streufeldern und dergleichen geschützt, die in
das induktive Element einkoppeln können und somit das Meß
signal verfälschen können. Durch eine magnetische Ab
schirmung, welche insbesondere als magnetischer Käfig aus
gebildet sein kann, wird dadurch die Meßgenauigkeit erhöht.
Günstig ist es, wenn eine Mehrzahl von induktiven Elementen
vorgesehen ist. Es läßt sich dadurch eine breite Anwendungs
variabilität erreichen. Beispielsweise können Differenz
messungen oder Summenmessungen durchgeführt werden oder die
induktiven Elemente können so angeordnet sein, daß der Sensor
mehrere Meßspuren umfaßt, beispielsweise für Grobmessungen
und Feinmessungen.
Bei einer Variante einer Ausführungsform umfaßt der Sensor
eine Mehrzahl von durch induktive Elemente gebildeten Spuren.
Die Spuren können beispielsweise für Differenzmessungen ein
gesetzt werden, d. h. es läßt sich ein Differentialsystem
ausbilden. Die Spuren können dabei gegenläufig oder
gleichläufig ausgebildet sein. Es kann sich auch die Form
gestaltung der Spulen unterscheiden, um beispielsweise eine
Spur für eine Feinmessung und eine Spur für eine Grobmessung
der relativen Position zwischen Sensor und Geber auszubilden.
Günstig ist es, wenn eine Mehrzahl von induktiven Elementen
bezüglich des Gebers so angeordnet und beschaltet sind, daß
eine Wegmessung durchführbar ist, die im wesentlichen unab
hängig von dem Abstand des Gebers zu dem Sensor ist. Grund
sätzlich hängt die elektromagnetische Kopplung des Gebers an
das induktive Element von dessen Abstand zu dem induktiven
Element ab. Ändert sich dieser Abstand, dann wird dadurch das
Sensorsignal beeinflußt, ohne daß sich die relative Position
zwischen Sensor und Geber quer zur Abstandsrichtung ändert.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Mehrzahl von
induktiven Elementen läßt sich diese Abstandsabhängigkeit
kompensieren, so daß die relative Position zwischen Sensor
und Geber quer zu der Abstandsrichtung unabhängig davon ist,
ob sich eben der Abstand zwischen Sensor und Geber längs der
Abstandsrichtung ändert.
Günstig ist es dabei, wenn ein Geber zwischen zwei in einem
Abstand angeordneten induktiven Elementen positioniert ist.
Insbesondere sind dabei die induktiven Elemente gegenläufig
geführt. Sie können aber auch gleichsinnig geführt sein. Wird
eine Differenzbildung bezüglich Sensorsignalen der beiden
induktiven Elemente durchgeführt, dann läßt sich dadurch die
Abstandsabhängigkeit eliminieren. Es kann auch vorgesehen
sein, daß eine Summenbildung bezüglich Sensorsignalen der
beiden induktiven Elemente durchgeführt wird. Aus dem Summen
signal läßt sich dann eben der Abstand zwischen Geber und
Sensor ermitteln. Es läßt sich also erfindungsgemäß eine
Positionsbestimmung zwischen Sensor und Geber quer zur Ab
standsrichtung zwischen Sensor und Geber durchführen und auch
eine Positionsbestimmung bezüglich des Abstands zwischen
Sensor und Geber, d. h. bezüglich der Höhe, über welcher der
Geber über dem Sensor angeordnet ist.
Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist
das induktive Element auf einem flexiblen Träger angeordnet.
Insbesondere ist dabei das induktive Element auf einer Flex
folie angeordnet. Dadurch läßt sich der Träger mit dem aufge
brachten induktiven Element in eine bestimmte Gestalt
bringen, um so beispielsweise den Träger mit dem induktiven
Element an Konturen einer Bahnführung oder dergleichen anzu
passen. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn sich
aufgrund einer wellenartigen Bewegung des Gebers die Meß
strecke an die Bewegung das Gebers so angepaßt ist, daß der
Abstand zwischen Sensor und Geber im wesentlichen konstant
gehalten ist. Es muß dann das induktive Element ebenfalls in
einer Wellenform angeordnet werden. Dies läßt sich über einen
flexiblen Träger, welcher auf einem entsprechenden wellen
förmigen Untergrund positioniert wird, erreichen. Insbe
sondere ist eine einzige Auswerteeinheit vorgesehen, welche
eine Differenzbildung und/oder Summenbildung durchführt, um
ein entsprechendes Meßsignal zu erhalten; erfindungsgemäß ist
insbesondere vorgesehen, daß einer Auswerteeinheit eine Mehr
zahl von Sensorelementen und insbesondere eine Mehrzahl von
induktiven Elementen zugeordnet ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sensor und/oder
der Geber so ausgebildet sind, daß über entsprechende Form
gebung ein bestimmter Kennlinienverlauf des Wegmeßsystems für
ein Sensorsignal in Abhängigkeit eines Meßwegs eingestellt
ist. Dadurch kann ein für eine Anwendung gewünschter Kenn
linienverlauf gezielt eingestellt werden.
Günstig ist es, wenn von der Auswerteeinheit ein Fehlersignal
abzweigbar ist, wobei durch die Auswerteeinheit überprüfbar
ist, ob ein oder mehrere Parameter des induktiven Elements in
einem Toleranzbereich liegen. Insbesondere wird überprüft, ob
die Güte und/oder effektive Induktivität nicht nach oben oder
unten zu stark von noch tolerablen Werten abweicht. Es wird
also eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt, mittels der
sich beispielsweise ein Spulenbruch, ein Kurzschluß oder auch
ein Fehlen/Wegfahren des Gebers aus dem Meßbereich detek
tieren läßt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläu
terung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung in Draufsicht einer
ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Weg
meßsystems;
Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung
einer zweiten Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Wegmeßsystems;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Sensor mit einer Print
spule als induktivem Element;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dritten Aus
führungsform eines erfindungsgemäßen Wegmeß
systems ins Draufsicht;
Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung
einer vierten Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Wegmeßsystems mit einer Metallzunge als
Geber;
Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer
Metallzunge;
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungs
beispiel einer Metallzunge;
Fig. 8a eine schematische Darstellung einer fünften Aus
führungsform eines erfindungsgemäßen Wegmeß
systems in Draufsicht;
Fig. 8b ein Induktivitäts (L)-Weg (x)-Diagramm, in
welchem die Abhängigkeit der Induktivität des
induktiven Elements in Abhängigkeit von dem Ort
eines Gebermagneten (Fig. 8a) gezeigt ist und
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel eines induktiven
Elements.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Wegmeßsystems, welches in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeich
net ist, ist ein insbesondere stationärer Sensor 12 vorge
sehen, welcher eine Platine 14 umfaßt, auf der eine Flach
spule 16 als induktives Element sitzt. Die Flachspule 16 ist
insbesondere eine Printspule, welche auf der Platine 14 auf
gedruckt ist.
Die Flachspule 16 umfaßt eine Mehrzahl von Windungen 18 und
nimmt dadurch einen Flächenbereich 20 ein. Bei dem in Fig. 1
gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Windungen im wesent
lichen parallel beabstandet spiralförmig angeordnet. Die
Windungen 18 weisen dadurch einen einheitlichen Windungssinn
auf.
Es kann auch vorgesehen sein, daß die Windungen mäanderförmig
mit alternierendem Windungssinn angeordnet sind (in der
Zeichnung nicht gezeigt).
Die Flachspule 16 ist in einer Richtung 22 ausgerichtet und
eine Länge 1 der Flachspule 16 definiert im wesentlichen die
Wegstrecke, die mittels des erfindungsgemäßen Wegmeßsystems
10 meßbar ist.
Zur Auswertung eines Sensorsignals des Sensors 12 ist eine
Auswerteeinheit 24 vorgesehen. Diese ist insbesondere auf der
Platine 14 angeordnet, so daß Sensor 12 und Auswerteeinheit
24 auf der Platine 14 integriert sind. Die Auswerteeinheit 24
ist an sich bekannt. Sie weist beispielsweise zwei Spannungs
versorgungseingänge 26, 28, einen Signalausgang 30 und fakul
tativ einen Fehlerausgang 31 auf. In die Auswerteeinheit 24
ist ein Oszillator integriert, an den die Flachspule 16 so
gekoppelt ist, daß Kenngrößen des Oszillators wie Frequenz
und Güte durch die Flachspule 16 beeinflußt sind. Alternativ
dazu kann die Flachspule 16 selber die Induktivität eines
Oszillators bilden.
Über die Flachspule 16 ist ein beispielsweise als Zunge oder
als Bügel ausgebildeter Geber 32 aus einem metallischen
Material schiebbar. Der Geber 32 ist ein passiver Geber, der
direkt elektromagnetisch an die Flachspule 16 koppelt, ohne
daß er strombeaufschlagt werden muß. Der Geber 32 ist dabei
in einem Abstand oberhalb der Flachspule 16 (in Fig. 1 ist
dieser Abstand senkrecht zur Zeichenebene) an einem Gegen
stand angeordnet, dessen relative Positionierung längs der
Richtung 22 relativ zu dem Sensor 12 ermittelt werden soll.
Vorteilhaft ist es, wenn die Flachspule 16 durch einen
"magnetischen Käfig" 34 abgeschirmt ist, der beispielsweise
durch Ferritfolien oder dergleichen gebildet ist.
Das erfindungsgemäße Wegmeßsystem gemäß der ersten Aus
führungsform 10 funktioniert wie folgt:
Wird die metallische Zunge 32 in die Nähe der Flachspule 16
gebracht, dann erfolgt eine induktive Kopplung zwischen der
Flachspule 16 und dem Geber 32. Dies hat zur Folge, daß sich
die effektive Induktivität der Flachspule 16 und damit deren
Güte aufgrund der elektromagnetischen Ankopplung des Gebers
32 ändert. Der Umfang der Änderung ist dabei davon abhängig,
welche Fläche der Flachspule 16 durch den Geber 32 überdeckt
wird, d. h. wie groß der Überlappungsbereich einer Projektion
des Gebers 32 auf den Sensor 12 mit einem wirksamen Sensor
bereich ist. Ist beispielsweise der Geber 32 außerhalb der
Flachspule 16, dann ist der Überlappungsbereich Null und die
effektive Induktivität, welche an der Flachspule 16 meßbar
ist, entspricht im wesentlichen ihrer Induktivität ohne
induktive Gegenkopplung eines Metallelements. Der maximale
Überdeckungsbereich ist erreicht, wenn ein Ende 36 des Gebers
32 über einem Ende 38 der Flachspule 16 liegt und der Geber
32 über der Flachspule liegt, d. h. wenn die Flachspule 16
maximal überdeckt ist.
Das Sensorsignal, welches durch die Auswerteeinheit 24 er
mittelt wird, ist dabei bestimmt durch die effektive Induk
tivität bzw. Güte der Flachspule 16; eine solche Größe ist
insbesondere die Amplitude eines Schwingkreises des Oszilla
tors, an den die Flachspule 16 gekoppelt ist. Diese Amplitude
hängt ab von der Güte der Flachspule 16. Die Flachspule 16
kann dabei selber die Schwingkreisinduktivität bilden oder an
eine weitere Schwingkreisspule gekoppelt sein und dadurch die
Induktivität des Schwingkreises beeinflussen und damit
wiederum dessen effektive Induktivität.
Da nun die effektive Induktivität der Flachspule 16 davon
abhängt, wo das Ende 36 des Gebers 32 über der Flachspule 16
steht, da dadurch der Flächenbereich bestimmt ist, mit dem
die Metallzunge 32 an die Flachspule koppeln kann, läßt sich
über die Ermittlung der effektiven Induktivität der Flach
spule 16 über die Güte eines Schwingkreises eindeutig er
mitteln, wo sich das Ende 36 des Gebers 32 befindet. Dadurch
wiederum läßt sich die relative Position zwischen Geber 32
und Sensor 12 bezogen auf die Richtung 22 eindeutig bestimmen
und somit läßt sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10
eine Wegmessung längs der Richtung 22 durchführen. Insbe
sondere läßt sich zu jedem Zeitpunkt feststellen, wie der
Geber 32 relativ zu dem Sensor 12 positioniert ist.
Die Auswerteeinheit 24 überprüft insbesondere, ob die
Güte/effektive Induktivität der Flachspule 16 innerhalb eines
Toleranzbereichs liegt. Ist dies nicht der Fall, wird ein
Signal auf den Fehlerausgang 31 gegeben. Beispielsweise läßt
sich dadurch auf einfache Weise die Flachspule 16 auf Spulen
bruch überwachen.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Wegmeßsystems, welches in Fig. 2 als Ganzes mit 40 bezeich
net ist, ist in einem magnetischen Käfig 42 ein Sensor 44
angeordnet, an welchen eine Auswerteeinheit 46 angeschlossen
ist. Dabei ist die Auswerteeinheit 46 grundsätzlich gleich
ausgebildet wie die oben im Zusammenhang mit dem ersten Aus
führungsbeispiel beschriebene Auswerteeinheit 24. Insbe
sondere ist die Auswerteeinheit 46 auf einer Sensorplatine 48
angeordnet.
Der Sensor 44 umfaßt eine Flachspule 50, die als Printspule
auf der Sensorplatine 48 gebildet ist. Die Flachspule 50 ist
mit dreieckförmigen Windungen gebildet und so orientiert, daß
die Gestalt der Flachspule 50 quer zu einer Richtung 52,
welche die Meßrichtung für die relative Position zwischen
Sensor 44 und einem Geber 54 ist, längs dieser Meßrichtung 52
variiert.
Der Geber 54 ist durch eine Metallzunge gebildet, welche in
ihrer Längsrichtung 56 quer zur Meßrichtung 52 orientiert ist
und oberhalb der Flachspule 50 in einem Abstand in einer ver
tikalen Richtung 58 zu dieser positioniert ist.
Durch das erfindungsgemäße Wegmeßsystem läßt sich die rela
tive Position zwischen dem Geber 54 und dem Sensor 44 in der
Meßrichtung 52 bestimmen. Wird der Geber in der Meßrichtung
52 verschoben, so ist, solange der Geber 54 oberhalb des
Sensors 44 positioniert ist, die Projektionsfläche des Gebers
54 (Projektionsrichtung 58) auf den Sensor 44 unabhängig von
der Position des Gebers 54 bezogen auf die Meßrichtung 52.
Jedoch ist der Überlappungsbereich zwischen dieser Projek
tionsfläche und einem wirksamen Sensorbereich abhängig von
dieser Position: Der wirksame Sensorbereich ist bestimmt
durch einen Flächenbereich der Flachspule 50. Da dieser
Flächenbereich aufgrund der dreieckförmigen Ausgestaltung der
Flachspule 50 sich längs einer Wegstrecke 60 parallel zur
Meßrichtung 52 ändert, ändert sich folglich der wirksame
Sensorbereich. Die elektromagnetische Ankopplung der Metall
zunge 54 als Gegeninduktivität an die Flachspule 50 ist davon
abhängig, wie groß die mögliche Ankopplungsfläche der Flach
spule 50 ist, d. h. wie groß der wirksame Sensorbereich ist.
Da sich der wirksame Sensorbereich längs der Wegstrecke 60
ändert, ändert sich folglich dadurch auch die Ankopplung.
Durch Messung der effektiven Induktivität der Flachspule 50,
welche durch die Ankopplung des Gebers 54 an die Flachspule
50 bestimmt ist, läßt sich dann eindeutig die Position des
Gebers 54 auf der Wegstrecke 60 bestimmen. Durch Messung der
Induktivität der Flachspule 50 oder einer davon abhängigen
Größe wie der Güte eines Schwingkreises, an den die Flach
spule 50 gekoppelt ist, kann somit die relative Position
zwischen dem Geber 54 und dem Sensor 44 längs der Meßrichtung
52 ermittelt werden. Die Wegstrecke 60 ist dabei im wesent
lichen durch die Länge der Flachspule 50 auf der Sensor
platine 48 bestimmt.
Bei einer Variante zu der beschriebenen Ein-Sensor-Anordnung
ist, wie in Fig. 2 gezeigt, ein weiterer Sensor 62 mit einer
Auswerteeinheit 64 vorgesehen, wobei auf dem Sensor 62 eine
Flachspule 66 angeordnet ist, welche im wesentlichen gleich
ausgebildet ist wie die Flachspule 50. Der Sensor 62 ist
insbesondere so angeordnet, daß die Flachspule 66 über der
Flachspule 50 des Sensors 44 liegt.
Der Geber 54 ist zwischen dem Sensor 62 und dem Sensor 44
positioniert bzw. geführt (Zwei-Sensor-Anordnung).
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zwei-Sensor-Anordnung
eine Auswerteeinheit aufweist, der die beiden Sensoren 44 und
62 zugeordnet sind, so daß die Zwei-Sensor-Anordnung ein ent
sprechendes Meßsignal über die einzige Auswerteeinheit ab
gibt.
Grundsätzlich ist es so, daß das Sensorsignal, d. h. die
effektive Induktivität der Flachspule 50 oder eine davon ab
hängige Größe, abhängt von dem Abstand zwischen Geber 54 und
der Flachspule 50 als induktivem Element in der vertikalen
Richtung 58. Insbesondere ist die Ankopplung der Metallzunge
54 als Gegeninduktivität an die Flachspule 50 desto stärker,
je geringer dieser Abstand in der vertikalen Richtung 58 ist.
Bei einer Variation dieses Abstands des Gebers 54 über der
Flachspule 50 tritt also eine Signaländerung auf, die nicht
durch eine Änderung der relativen Position zwischen Geber 54
und Sensor 44 längs der Meßrichtung 52 zustande kommt.
Durch den weiteren Sensor 62 lassen sich Änderungen des Ab
stands zwischen Geber 54 und Sensor 44 in der vertikalen
Richtung 58 berücksichtigen. Insbesondere ist dazu eine
Differenzauswertung zwischen dem Sensorsignal der Flachspule
66 und der Flachspule 50 vorgesehen. Ein solches Differenz
signal ist dann im wesentlichen unabhängig von dem Abstand
des Gebers 54 zu der Flachspule 50 (und damit auch von dem
Abstand des Gebers 54 zu der Flachspule 66). Durch eine
solche Auswertung läßt sich damit die Wegstrecke 60 längs der
Meßrichtung 52 für die relative Position zwischen Geber 54
und Sensor 44 auch dann bestimmen, wenn sich der Abstand
zwischen Geber 54 und Sensor 44 ändert.
Es kann dabei zusätzlich auch noch vorgesehen sein, daß eine
Summenbildung des Sensorsignals der Flachspule 50 und der
Flachspule 66 durchgeführt wird. Ein solches Summensignal
hängt dann ab von dem Abstand des Gebers 54 zu dem Sensor 44
(und damit auch von dem Abstand zu dem Sensor 62). Da dieses
Summensignal eine Abstandsinformation enthält, läßt sich aus
ihm somit der Abstand zwischen dem Geber 54 und dem Sensor 44
ermitteln; es läßt sich also auch eine Wegstrecke 68 längs
der Richtung 58 ermitteln.
In der Fig. 3 ist in Draufsicht eine kopierte Druckvorlage
einer Platine 70 mit einer Printspule 72 in dreieckförmiger
Gestalt gezeigt. Die Printspule 72 ist mit Stromanschlüssen
74 und 76 versehen, zwischen denen Windungen 77 verlaufen.
Eine Höhenlinie 78 der Dreieckstruktur ist im wesentlichen
parallel zu einer längeren Platinenkante 80 ausgerichtet. Die
Windungen 77 sind derart ausgebildet, daß sie jeweils drei
eckförmig sind und die entsprechenden Windungsdreiecke im
wesentlichen die Höhenlinie 78 aufweisen.
Es kann bei einer alternativen Ausführungsform vorgesehen
sein, daß das induktive Element auf einem flexiblen Träger
wie einer Flexfolie angeordnet ist. Der Träger läßt sich dann
an Konturen beispielsweise einer Maschine anpassen. Es können
dabei beispielsweise auch wellenförmige Bewegungen eines
Gebers erfaßt werden, wobei der Abstand zwischen Geber und
Sensor durch Anpassung des Trägers an einen Untergrund
konstant haltbar ist.
Ein erfindungsgemäßes Wegmeßsystem läßt sich auch einsetzen
für Winkelmessungen und insbesondere im Zusammenhang mit
rotativ geführten Gebern (Drehgebern).
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 4 als
Ganzes mit 82 bezeichnet ist, sind ein Sensor 84 und eine
Auswerteeinheit 86 auf einer Platine 88 angeordnet. Ein Geber
90, welcher insbesondere als Metallzunge ausgebildet ist, ist
um eine Drehachse 92, welche im wesentlichen senkrecht zu der
Platine 88 orientiert ist, relativ zu dieser auf einer Kreis
bahn drehbar.
Auf dem Sensor 84 sitzt eine Flachspule 94. Diese Flachspule
94 ist insbesondere eine Printspule und derart ausgebildet,
daß ihre Gestalt quer zu der Kreisbahn des Gebers 90 längs
dieser Kreisbahn variiert. Dies ist beispielsweise dadurch
erreichbar, daß eine dreieckförmige Struktur, wie in Fig. 3
gezeigt, mit einer kreisförmigen Höhenlinie 78 ausgebildet
wird, d. h. die dreieckförmige Struktur in eine Ringform
gebracht wird. Eine derartige Gestalt der Flachspule 94 ist
in Fig. 4 gezeigt.
Das erfindungsgemäße Wegmeßsystem gemäß der dritten Aus
führungsform 82 funktioniert grundsätzlich gleich wie die
bereits oben beschriebenen Wegmeßsysteme. Der Geber 90
koppelt an die Induktivität 94. Die Kopplung ist dabei be
stimmt durch den Überlappungsbereich einer Projektionsfläche
des Gebers 90 auf den Sensor 84 und eines wirksamen Sensor
bereichs, d. h. durch den Überlappungsbereich der Projek
tionsfläche des Gebers 90 auf die Flachspule 94. Da sich
dieser Überlappungsbereich aufgrund der entsprechenden Aus
gestaltung der Flachspule 94 längs der Kreisbahn des Gebers
90 ändert, läßt sich somit aus dem Sensorsignal eindeutig der
Drehwinkel (modulo 2π) bestimmen und somit die Position des
Gebers 90 auf seiner Kreisbahn.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 5 als
Ganzes mit 96 bezeichnet ist, ist innerhalb eines magne
tischen Käfigs 98, welcher beispielsweise durch Ferritfolien
oder dergleichen gebildet ist, ein induktiver Näherungs
schalter 98 mit einem Sensor 100 angeordnet. Der Sensor um
faßt dabei einen Schwingkreis mit einem induktiven Element.
Durch Annäherung eines metallischen Gegenstands werden die
Kenngrößen des Schwingkreises verändert und insbesondere ver
ändert sich dadurch die Güte des Schwingkreises. Diese Ver
änderung läßt sich messen. Derartige induktive Näherungs
schalter werden insbesondere als Analogschalter eingesetzt,
um ein analoges Schaltsignal zu generieren, wenn sich ein
metallischer Gegenstand in einem bestimmten Schaltabstand dem
Näherungsschalter 98 annähert.
Bei dem erfindungsgemäßen Wegmeßsystem gemäß der vierten Aus
führungsform 96 läßt sich über den Näherungsschalter 98 die
relative Position zwischen einem Geber 102 und dem Sensor 100
in einer Richtung 104 (Meßrichtung) quer zu einer Abstands
richtung 106 zwischen Sensor 100 und Geber 102 ermitteln. Der
Geber 102 ist dabei derart ausgebildet, daß der Überdeckungs
bereich der Sensorfläche zwischen dem Geber und dem Sensor
mit seinem induktiven Element längs der Meßrichtung 104
variiert. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist auf dem zungenförmigen Geber 102 eine Struktur 108 in der
Form einer Dreiecksfläche angeordnet. Diese Struktur ist bei
spielsweise durch ein Mu-Metall, eine Ferritschicht oder auch
durch beschichtetes Platinenmaterial gebildet. Die Stärke der
Ankopplung des Gebers 102 an den Sensor 100 ist bei der
Struktur 108 anders als bei dem restlichen Geber. Dies be
deutet dann, daß die Struktur 108 einen wirksamen Geber
bereich darstellt, welcher an den Sensor 100 koppelt und der
in seiner Gestalt quer zu einer Meßwegstrecke längs der Rich
tung 104 variiert.
Dadurch, daß der wirksame Geberbereich quer zur Richtung 104
längs dieser Richtung variiert, variiert damit auch die
elektromagnetische Ankopplung des Gebers 102 an den Nähe
rungsschalter 98. Der Näherungsschalter 98 liefert dann ein
eindeutiges Signal (beispielsweise die Güte eines Oszilla
tors), welches abhängig ist von der relativen Position
zwischen dem Geber 102 und dem Sensor 100. Aus diesem Signal
läßt sich also die relative Position zwischen Sensor 100 und
Geber 102 ermitteln. Die meßbare Wegstrecke längs der Meß
richtung 104 entspricht dabei im wesentlichen der Länge der
Struktur 108 in der Meßrichtung 104.
Bei einer Variante einer Ausführungsform ist bei dem erfin
dungsgemäßen Wegmeßsystem 96 ein weiterer Näherungsschalter
110 vorgesehen, welcher fluchtend mit dem Näherungsschalter
98 ausgerichtet ist und der Geber 102 ist zwischen diesen
beiden Näherungsschaltern 98 und 110 geführt. Der Geber 102
ist dabei auf seiner dem Näherungsschalter 110 zugewandten
Seite mit einer Struktur versehen, welche der Struktur 108
entspricht.
Durch eine Anordnung mit zwei Näherungsschaltern 98 und 110
und einem zwischen diesen geführten Geber 102 läßt sich bei
einer Differenzauswertung der Signale der beiden Näherungs
schalter 98, 110 die Abstandsabhängigkeit des Näherungs
schaltersignals bezüglich des Abstands in der Abstands
richtung 106 zwischen Sensor 100 und Geber 102 minimieren.
Durch eine Summenauswertung der Signale der beiden Näherungs
schalter 98 und 110 kann dieser Abstand auch direkt ermittelt
werden.
Statt des Einsatzes von vorhandenen analogen Näherungs
schaltern 98 bzw. 110 können als Sensoren auch direkt induk
tive Elemente vorgesehen werden, d. h. Spulen vorgesehen
werden, die an eine Auswerteeinheit angeschlossen sind. Die
Verwendung "fertiger" Näherungsschalter 98, 110 hat den Vor
teil, daß aus dem Spannungssignal der Näherungsschalter bzw.
dem Differenz-Spannungssignal direkt die relative Position
zwischen Geber 102 und Sensor 110 längs der Meßrichtung 104
ablesbar ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Struktur 112 auf
einem Geber 114, um dadurch einen wirksamen Geberbereich zu
schaffen, welcher quer zu der Meßrichtung 104 variiert, sind
auf dem Geber 114 eine Mehrzahl von Dreiecksflächen 116 ange
ordnet. Eine solche Dreiecksfläche 116 ist beispielsweise
durch ein Mu-Metall gebildet oder durch eine Ferrit
beschichtung. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungs
beispiel umfaßt die Struktur 112 drei Dreiecksflächen 116.
Die Höhenlinien der durch die Umrißkontur einer Dreiecks
fläche 116 gebildeten Dreiecks sind dabei im wesentlichen
parallel zu einer Seitenkante 118 des Gebers 114 ausgerichtet
und die jeweiligen Höhenlinien der Dreiecksflächen 116 sind
parallel beabstandet zueinander. Die Spitzen der Dreiecks
fläche 116 liegen auf einer Linie parallel zu einer
schmäleren Seitenkante 120 des Gebers 114.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungs
gemäßen Gebers 122, welches in Fig. 7 gezeigt ist, ist der
Geber mit durchgehenden Öffnungen 124 versehen, wobei sich
die Öffnungsgröße und/oder die Öffnungsdichte der Öffnungen
124 quer zu einer Längsrichtung 126 des Gebers 122 ändert.
Wird dann die Längsrichtung 126 längs der Meßrichtung 104
ausgerichtet, dann variiert der wirksame Geberbereich quer
zur Meßrichtung 104 längs der Meßrichtung 104, so daß ent
sprechend die Stärke der Ankopplung des Gebers 122 an einen
Sensor abhängig ist von der relativen Position zwischen
Sensor und Geber 122 bezüglich der Meßrichtung 104.
Ein Geber kann bei dem vierten Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Wegmeßsystems auch als Drehgeber ausge
bildet sein, wobei dann eine entsprechende Struktur des
Gebers auf einer Kreisbahn geführt ist und der wirksame
Geberbereich auf der Kreisbahn quer zu dieser variiert. Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß eine Drei
ecksstruktur analog zu derjenigen, welche in den Fig. 5
oder 6 gezeigt ist, ringförmig ausgebildet ist; beispiels
weise kann es alternativ dazu vorgesehen sein, daß eine Ver
teilung von Öffnungen analog zu der Ausführungsform, welche
in Fig. 7 gezeigt ist, auf einer Kreisbahn angeordnet ist
mit variierender Größe und/oder Dichte derart, daß der wirk
same Geberbereich, durch welchen ein Sensor beaufschlagbar
ist, längs einer Kreislinie quer zu der Kreislinie variiert.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 8a
als Ganzes mit 128 bezeichnet ist, ist auf einer Platine 130
eine Auswerteeinheit 132 und ein Sensor 134 angeordnet. Der
Sensor 134 umfaßt dabei eine als Printspule ausgebildete
Flachspule 136; diese entspricht in ihrer Ausgestaltung bei
spielsweise der Printspule 72, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist
und entsprechend variiert ein wirksamer Sensorbereich quer zu
einer Meßrichtung.
Auf der Platine 130 ist ein weichmagnetisches Material, ange
deutet durch das Bezugszeichen 138, aufgebracht.
Bei einer Variante einer Ausführungsform ist die Platine 130
mit dem weichmagnetischen Material umwickelt.
Als Geber ist ein Magnet 140 eingesetzt, dessen Position
relativ zu dem Sensor 134 in einer Meßrichtung 142 variieren
kann. Durch das Magnetfeld des Gebers 140 wird dabei die
Flachspule 136 beaufschlagt und deren effektive Induktivität
verändert.
Das Magnetfeld des Magnets 140 bringt das weichmagnetische
Material 138 lokal in Sättigung. Durch diesen lokalen Sätti
gungseffekt verändert sich die effektive Induktivität der
Flachspule 136. Da der Sättigungseffekt eben lokal ist und
die Flachspule 136 in ihrer Gestalt quer zur Meßrichtung 142
variiert, ändert sich die Induktivität in Abhängigkeit von
der Position des Magneten 140 über der Flachspule 136 längs
der Meßrichtung 142.
Als weichmagnetisches Material wird beispielsweise ein
Mu-Metall eingesetzt.
Es kann dabei alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, daß
die Flachspule 136 in ihrer Gestalt längs der Meßrichtung im
wesentlichen nicht variiert (vgl. beispielsweise die Flach
spule 16 gemäß der ersten Ausführungsform nach Fig. 1), daß
aber das weichmagnetische Material so aufgebracht ist, daß
seine Gestalt quer zur Meßrichtung variiert. Beispielsweise
ist dann ein dreieckförmiger Mu-Metallstreifen oder eine
entsprechende Ferritbeschichtung auf der Platine 130 ange
ordnet. Dies bewirkt, daß ein wirksamer Sensorbereich längs
der Meßrichtung quer zur Meßrichtung variiert.
Aufgrund der relativ starken Feldbeaufschlagung der Flach
spule 136 durch den Magneten 140 läßt sich die effektive
Induktivität einfach messen, da insbesondere Signalhübe in
der Größenordnung von 20% oder mehr auftreten können. Die
Induktivität selber läßt sich beispielsweise über eine
Frequenzmessung einer Oszillatorfrequenz eines Oszillators,
an den die Flachspule 136 gekoppelt ist, bestimmen. Die
Frequenz hängt dabei von der Wurzel aus der effektiven
Induktivität der Flachspule 136 ab.
Bei entsprechender Ausgestaltung der Flachspule 136 (bzw.
entsprechender Strukturierung des weichmagnetischen Materials
138) ist die Änderung der Induktivität über der Wegmeß
strecke, d. h. über den relativen Abstand zwischen dem Geber
140 und dem Sensor 134 in der Meßrichtung 142, im wesent
lichen linear, wie in Fig. 8b angedeutet.
Bei einer Variante einer Ausführungsform, welche in Fig. 9
gezeigt ist, umfaßt ein Sensor 144 zwei Flachspulen 146 und
148, welche in dreieckigen Windungen ausgebildet und gegen
läufig zueinander angeordnet sind. Dadurch ist ein Diffe
rentialsystem zweier Flachspulen 146, 148 bereitgestellt. Auf
diese Weise kann insbesondere die Genauigkeit der Wegbe
stimmung verbessert werden bzw. der Einfluß von Störungen
läßt sich verringern.
Es kann auch vorgesehen sein, daß der Geber 140 zwischen zwei
Flachspulen 136 geführt ist, welche gleichsinnig (vgl. Fig.
2) oder gegenläufig angeordnet sein können. Dadurch kann die
Abstandsabhängigkeit eines Sensorsignals von dem Abstand des
Gebers 140 relativ zu dem Sensor 144 reduziert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Wegmeßsystem wird der Sensor mit
den Flachspulen bzw. der Geber entsprechend der vorgesehenen
Anwendung ausgebildet. Die Strukturierung der Flachspulen
insbesondere bezüglich deren Länge, deren Windungszahl und
deren Formgebung bzw. die Ausbildung einer Struktur auf dem
Geber beeinflußt dabei die Meßbereichslänge, die Meßgenauig
keit und die Meßauflösung. Erfindungsgemäß lassen sich
absolute Wegmessungen mit einer Auflösungsgenauigkeit von
mindestens einem Tausendstel des Meßwegs erreichen. Als Geber
muß dabei kein aktives Element eingesetzt werden, sondern es
genügt ein passives Element, welches elektromagnetisch an den
Sensor koppelt, insbesondere durch Bereitstellung einer
Gegeninduktivität. Die induktiven Elemente des Sensors lassen
sich dabei insbesondere als Flachspulen ausbilden, die ge
druckt werden können und bei denen eine weitaus geringere
Herstellungsstreuung als beispielsweise bei gewickelten
Spulen auftritt.
Erfindungsgemäß steckt die Ortsinformation bezüglich der
relativen Positionierung zwischen Sensor und Geber in der
geometrischen Struktur der Flachspule (bzw. einer weich
magnetischen Struktur) und/oder des Gebers und in deren
relativer Positionierung. Wirksame Geberbereiche, welche an
einen Sensor koppeln bzw. wirksame Sensorbereiche, an welchen
ein Geber gekoppelt ist, variieren längs einer Meßrichtung
der relativen Positionierung zwischen Sensor und Geber und
aus dieser Variation läßt sich eine absolute Wegstrecke
berührungslos ermitteln. Es ist dabei grundsätzlich gleich
gültig, ob der Geber oder der Sensor an einem beweglichen
Element angeordnet ist. Durch entsprechende geometrische Aus
gestaltung des wirksamen Sensorbereichs und/oder wirksamen
Geberbereichs läßt sich gezielt eine bestimmte Kennlinie des
erfindungsgemäßen Wegmeßsystems einstellen.
Die Ortsinformation wird direkt über die effektive Induk
tivität des induktiven Elements und/oder die Güteänderung
ausgelesen. Letztere läßt sich auf einfache Weise beispiels
weise über die Amplitude oder die Frequenz eines Oszillators
bestimmen, an den das induktive Element gekoppelt ist.
Claims (40)
1. Wegmeßsystem mit einem Geber (32; 54; 90; 102; 140),
einem Sensor (12; 44; 84; 100; 134), welcher ein induk
tives Element (16; 50; 94; 136) umfaßt, an das der Geber
elektromagnetisch koppelt, und mit einer Auswerteeinheit
(24; 46; 86; 132), wobei Sensor und Geber relativ zuein
ander positionierbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß das
induktive Element (16; 50; 94; 136) an einen Oszillator
gekoppelt ist und über seine Güte und/oder effektive
Induktivität diesen beeinflußt, daß die Güte und/oder
effektive Induktivität des induktiven Elements (16; 50;
94; 136) bestimmt ist durch die Größe eines wirksamen
Sensorbereichs, an den der Geber koppelt, und/oder durch
die Größe eines wirksamen Geberbereichs, der an einen
wirksamen Sensorbereich koppelt, und daß der Sensor
und/oder der Geber so ausgebildet sind, daß die Größe
des wirksamen Sensorbereichs, an den der Geber koppelt,
und/oder die Größe des wirksamen Geberbereichs, der an
den wirksamen Sensorbereich koppelt, abhängig ist von
der relativen Position zwischen Geber und Sensor quer
zur einer Abstandsrichtung (58; 106) zwischen diesen.
2. Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (12; 44; 84; 100; 134) und/oder der Geber
(32; 54; 90; 102; 140) so ausgebildet sind, daß ein
Überlappungsbereich zwischen einer Projektion einer
wirksamen Geberfläche auf den Sensor mit einer wirksamen
Sensorfläche abhängig ist von der relativen Position
zwischen Sensor und Geber quer zur Projektionsrichtung
(58; 106).
3. Wegmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Auswerteeinheit (24; 46; 86; 132) eine
Kenngröße des Oszillators ermittelt.
4. Wegmeßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Frequenz des Oszillators ermittelt wird.
5. Wegmeßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Amplitude des Oszillators ermittelt wird.
6. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Element (16;
50; 94; 136) flächig ausgebildet ist.
7. Wegmeßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das induktive Element (16; 50; 94; 136) als Print
spule ausgebildet ist.
8. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (24; 64;
86; 132) auf einer Platine (14; 48; 88; 130) angeordnet
ist, auf welcher das induktive Element (16; 50; 94; 136)
sitzt.
9. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die meßbare Wegstrecke
zwischen Geber (32; 54; 90; 140) und Sensor (12; 44; 84;
134) im wesentlichen durch eine Länge des induktiven
Elements (16; 50; 94; 136) bestimmt ist.
10. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (32; 54; 90; 102;
140) ein passives Element ist.
11. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (140) einen
Magneten umfaßt.
12. Wegmeßsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß an oder in der Nähe des induktiven Elements (136)
ein weichmagnetisches Material (138) angeordnet ist.
13. Wegmeßsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das weichmagnetische Material (138) derart ange
ordnet ist, daß es an einem wirksamen Sensorbereich
lokal in Sättigung bringbar ist.
14. Wegmeßsystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf einer Platine (130), auf welcher das
induktive Element (136) sitzt, ein weichmagnetisches
Material (138) aufgebracht ist.
15. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Platine (130), auf welcher das
induktive Element (136) sitzt, mit einem weichmagneti
schen Material (138) umwickelt ist.
16. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Material in
einer derartigen Form angeordnet ist, daß die Form
abmessungen quer zu einer Meßwegstrecke längs der Meß
wegstrecke variieren.
17. Wegmeßsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß das weichmagnetische Material dreieckförmig ange
ordnet ist.
18. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Element (50;
94; 136) derart ausgebildet ist, daß seine Gestalt quer
zu einer Meßwegstrecke (60) längs der Meßwegstrecke (60)
variiert.
19. Wegmeßsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß das induktive Element (50; 136) dreieckförmige
Windungen aufweist.
20. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Drehungen
das induktive Element (94) sich in einem Winkelbereich
erstreckt.
21. Wegmeßsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß der Winkelbereich im wesentlichen einen Vollkreis
umfaßt.
22. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Geber ein elektrisch
oder magnetisch leitendes Element (32; 54; 90; 102)
umfaßt.
23. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein projizierter Über
deckungsbereich zwischen einem wirksamen Geberbereich
und dem induktiven Element (100) längs einer Wegmeß
strecke variiert.
24. Wegmeßsystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß der Geber (102; 114; 122) so ausgebildet ist, daß
ein wirksamen Geberbereich, welcher an das induktive
Element (100) koppelt, in seiner Gestalt quer zu einer
Meßwegstrecke längs der Meßwegstrecke variiert.
25. Wegmeßsystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß der Geber (102; 114) mit einer dreieckförmigen
Struktur (108; 112) versehen ist.
26. Wegmeßsystem nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekenn
zeichnet, daß der wirksame Geberbereich durch eine
Beschichtung (108; 112) auf dem Geber (102; 112)
gebildet ist.
27. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß der Geber (122) mit Ausnehmungen
(124) versehen ist.
28. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor von einem induktiven
Näherungssensor (98), der einen Schwingkreis, welcher
ein induktives Element aufweist, umfaßt ist.
29. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch
gekennzeichnet, daß eine magnetische Abschirmung (34,
42, 98) für das induktive Element vorgesehen ist.
30. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von induktiven
Elementen (50, 66; 100, 110).
31. Wegmeßsystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor eine Mehrzahl von durch induktive
Elemente gebildete Spuren umfaßt.
32. Wegmeßsystem nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Mehrzahl von induktiven Elementen
(50, 66; 100; 110) bezüglich des Gebers (54; 102) so
angeordnet und beschaltet sind, daß eine Wegmessung
durchführbar ist, die im wesentlichen unabhängig von dem
Abstand des Gebers (54; 102) zu dem Sensor ist.
33. Wegmeßsystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Geber (54; 102) zwischen zwei in einem Abstand
angeordneten induktiven Elementen (50, 66; 100, 110)
positioniert ist.
34. Wegmeßsystem nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet,
daß die induktiven Elemente gegenläufig geführt sind.
35. Wegmeßsystem nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Differenzbildung bezüglich Sensor
signalen der beiden induktiven Elemente (50, 66; 100,
110) durchgeführt wird.
36. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Summenbildung bezüglich Sensor
signalen der beiden induktiven Elemente (50, 66; 100,
110) durchgeführt wird.
37. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 36, dadurch
gekennzeichnet, daß das induktive Element auf einem
flexiblen Träger angeordnet ist.
38. Wegmeßsystem nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet,
daß das induktive Element auf einer Flexfolie angeordnet
ist.
39. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor und/oder der
Geber so ausgebildet sind, daß über die entsprechende
Formgebung ein bestimmter Kennlinienverlauf des Wegmeß
systems für ein Sensorsignal in Abhängigkeit eines Meß
wegs eingestellt ist.
40. Wegmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß von der Auswerteeinheit ein
Fehlersignal abzweigbar ist, wobei durch die Auswerte
einheit überprüfbar ist, ob ein oder mehrere Parameter
des induktiven Elements innerhalb eines Toleranzinter
valls liegen.
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