DE102018222569A1

DE102018222569A1 - Messeinrichtung zur Bestimmung einer Weg- und/oder Winkeländerung zwischen der Messeinrichtung und einem gegenüberliegenden Positionselement und Messverfahren

Info

Publication number: DE102018222569A1
Application number: DE102018222569.9A
Authority: DE
Inventors: Shahrokh Sanati; Tobias Becker
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (100) zur Bestimmung einer Weg- und/oder Winkeländerung zwischen der Messeinrichtung (100) und einem gegenüberliegenden Positionselement (700), wobei das Positionselement (700) und die Messeinrichtung (100) relativ zueinander beweglich angeordnet sind. Die Messeinrichtung (100) weist einen elektrischen Schwingkreis (200) mit einer Spule (210) und einem Kondensator, eine Erregerschaltung (400), die mit dem elektrischen Schwingkreis (200) verbunden ist, um den elektrischen Schwingkreis (200) mit einer elektrischen Grundschwingung anzuregen, und eine Messschaltung (500), die mit dem elektrischen Schwingkreis (200) verbunden ist, zur Bestimmung einer Resonanzfrequenz fdes elektrischen Schwingkreises (200), auf. Die Spule (210) ist spiralförmig gewickelt und die Spule (210) weist eine Vielzahl von Windungen (W1, W2, ..., WN) auf, wobei die Schwerpunkte (S1, S2, ..., SN) der Windungen (W1, W2, ..., WN) versetzt angeordnet sind, so dass die Spule (210) ein Messgerät bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer Weg- und/ oder Winkeländerung zwischen der Messeinrichtung und einem gegenüberliegenden Positionselement. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messverfahren mit einer derartigen Messeinrichtung.
Messeinrichtungen dienen zur Messung von Längen- und/oder Winkeländerungen zwischen einem beweglichen Objekt, beispielsweise einem Schlitten oder einem Rotor, und einem Bezugspunkt, beispielsweise einer Schiene bzw. einem Stator. Bekannte Messeinrichtungen, wie beispielsweise induktive Sensoren, bestimmen eine Änderung einer physikalischen Größe, beispielsweise der Induktivität oder deren Güte, durch eine Lageänderung des beweglichen Objekts relativ zu dem Bezugspunkt.
Beispielsweise kann die Spule als induktiver Sensor Teil eines elektrischen Schwingkreises sein. Ein elektrischer Schwingkreis ist eine resonanzfähige elektrische Schaltung aus einer Spule (Bauteil L) und einem Kondensator (Bauteil C), die elektrische Schwingungen ausführen kann. Bei diesem LC-Schwingkreis wird Energie zwischen dem magnetischen Feld der Spule und dem elektrischen Feld des Kondensators periodisch ausgetauscht, wodurch abwechselnd hohe Stromstärke oder hohe Spannung vorliegen. Die Frequenz, mit der sich dieses im ungestörten Fall periodisch wiederholt, ist nach $f_{R} = 1 (π {(LC)}^{1 / 2})$
gegeben, wobei L für die Induktivität der Spule und C für die Kapazität des Kondensators stehen.
Bekannten Messeinrichtungen haben aber eine Vielzahl von Nachteilen. Insbesondere bei einer Spule als Sensorelement in einem Schwingkreis beanspruchen bekannte Anordnungen sehr viel Bauraum und/oder liefern nur geringe Auflösungen.
Weiterhin sind alternative induktive Sensortypen, beispielsweise wenn die Spule als induktiver Sensor Teil eines Transformators ist, häufig anfällig für Gleichtaktstörungen. Weiterhin erfüllen bekannte Sensortypen oft nicht die Anforderungen für unterschiedliche Größenordnungen der Anwendungen, da beispielsweise die Bauteile nicht ohne weiteres skaliert werden können.
Weiterhin können Anwendungen, beispielsweise der Einsatz im Automobilbereich, insbesondere bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, spezielle Anforderungen an den Bauraum stellen. So kann der Bauraum, beispielsweise im Antriebsstrang, sehr begrenzt sein. Gleichzeitig können Störungen auftreten und die Sensoren extremen Temperaturbedingungen und/oder Umweltbedingungen, wie Verschmutzung, ausgesetzt sein. Gleichzeitig sollen industriell einsetzbare Messvorrichtungen einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messeinrichtung zu realisieren, die zumindest einen der oben erwähnten Nachteile überkommt. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine günstige Messeinrichtung herzustellen. Außerdem soll die Messeinrichtung besonders platzsparend realisierbar sein. Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine einfache Herstellung zu ermöglichen. Weiterhin soll die Messeinrichtung flexibel einsetzbar sein. Insbesondere soll die Messeinrichtung robust gegenüber Verschmutzung sein und für verschiedene Anwendungen auf verschiedenen Größenskalen einsetzbar sein. Darüber hinaus soll die Messeinrichtung robust gegenüber elektrischen Störfeldern sein.
Die obigen Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Entsprechend einer Ausführungsform weist die Messeinrichtung zur Bestimmung einer Weg- und/oder Winkeländerung zwischen der Messeinrichtung und einem gegenüberliegenden Positionselement, wobei das Positionselement und die Messeinrichtung relativ zueinander beweglich angeordnet sind, einen elektrischen Schwingkreis mit einer Spule und einem Kondensator auf, wobei die Spule spiralförmig gewickelt ist und die Spule eine Vielzahl von Windungen aufweist, wobei die Schwerpunkte der Windungen versetzt angeordnet sind, so dass die Spule ein Messgerät bildet. Ferner weist die Messeinrichtung eine Erregerschaltung auf, die mit dem elektrischen Schwingkreis verbunden ist, um den elektrischen Schwingkreis mit einer elektrischen Grundschwingung anzuregen. Außerdem weist die Messeinrichtung eine Messschaltung, die mit dem elektrischen Schwingkreis verbunden ist, zur Bestimmung einer Resonanzfrequenz f_R des elektrischen Schwingkreises auf.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass durch die Veränderung der Induktivität L der Spule auf eine Position des Positionselements geschlossen wird. Insbesondere ist die Spule ein Teil eines elektromagnetischen Schwingkreises, der mit einer Resonanzfrequenz f_R schwingt. Wie oben mit Bezug zu Gleichung (1) gezeigt, hängt die Resonanzfrequenz f_R(L) von der Inaktivität L der Spule ab. Aus der Resonanzfrequenz f_R eines Schwingkreises, dessen Induktivität L von der Position des Positionselements abhängt, kann somit durch Bestimmen der Resonanzfrequenz auf die Position des Positionselements geschlossen werden. Insbesondere ändert sich die Induktivität aufgrund des Wirbelstromeffekts proportional zur Position des Targets
Erfindungsgemäß umfasst die Messeinrichtung eine Erregerschaltung, um den Schwingkreis mit einer elektrischen Grundschwingung zu beaufschlagen. Die Grundschwingung kann dabei eine periodische Variation des Stroms und/oder der Spannung sein.
Erfindungsgemäß umfasst die Messeinrichtung eine Messschaltung, die mit dem elektrischen Schwingkreis verbunden ist. Die Messschaltung ist eingerichtet, um die Frequenz zu messen, mit der der elektrische Schwingkreis schwingt. Ändert sich nun die Induktivität L der Spule, dann ändert sich die Resonanzfrequenz f_R des elektrischen Schwingkreises und die Messschaltung bestimmt eine Weg- und/oder Winkeländerung zwischen der Messeinrichtung und einem gegenüberliegenden Positionselement.
Erfindungsgemäß ist die Spule spiralförmig gewickelt. Beispielsweise sind die Leiterbahnen der Spule spiralförmig auf Leiterplatten angelegt, die zusätzlich mit umschließenden Ferritkernen umgeben sein können.
Eine Spirale oder Schneckenlinie ist eine Kurve, die um einen Punkt oder eine Achse verläuft und sich je nach Betrachterperspektive von diesem entfernt oder annähert. Im Unterschied zur Schraube ist die prototypische Spirale ein Gebilde in der Ebene, wie zum Beispiel die Rille einer Schallplatte oder die Arme einer Spiralgalaxie, wohingegen die Schraube als auch der Wendelbohrer ein räumliches Gebilde entlang des Hofes eines Zylinders sind.
Eine spiralförmig gewickelte Spule ermöglicht, dass die Spule des Schwingkreises besonders einfach und günstig gefertigt werden kann. Außerdem ermöglicht eine spiralförmig gewickelte Spule, dass die Messeinrichtung besonders flach realisiert werden kann.
Weiterhin weist die Spule eine Vielzahl von Windungen auf, die gegeneinander isoliert sind, um einen Windungsschluss zu verhindern, der die Funktion der Spule beeinträchtigen würde. Besonders kostengünstig kann die Spule als gedruckte Struktur auf einem isolierendem Material aufgebracht werden.
Eine Windung der Spule ist ein Kreisdurchgang der geometrischen Spirale. Erfindungsgemäß ist die spiralförmige Spule nun so angelegt, dass die Schwerpunkte der Windungen versetzt zueinander angeordnet sind. In anderen Worten, die spiralförmige Spule bildet eine asymmetrische Struktur mit graduell sich verändernder Liniendichte. Insbesondere ergibt sich die Induktivität L aus der Anzahl der Windungen der Spule, dem von der Spule eingeschlossenen Material und den Abmessungen. Durch die magnetische Verkettung (Flussverkettung) der einzelnen Windungen untereinander, bedingt durch eine zumindest teilweise räumlich nahe Anordnung der einzelnen Windungen, steigt die Induktivität von gewickelten Spulen. Somit kann durch eine spiralförmig gewickelte Spule sowohl eine flache Struktur erzielt werden als auch durch mehrere Windungen abhängig vom Ort in der Ebene der Spirale die Induktivität der Spule verändert werden. So können lokale Induktivitätsänderungen besonders leicht realisiert werden. Somit kann eine Vielzahl von Positionen des Positionselements bestimmt werden.
Beeinflusst nun ein gegenüberliegendes Positionselement die asymmetrisch gewickelte Spule, kann aus der Resonanzfrequenz f_R des Schwingkreises auf die Position des Positionselements geschlossen werden. Insbesondere durch mehrere Windungen der Spule, wobei jede Windung einen versetzten Schwerpunkt aufweist, kann die Messeinrichtung besonders platzsparend ausgeführt werden.
Entsprechend einer Ausführungsform umfasst eine Windung einen Umlauf einschließlich der Zuleitungen. Entsprechend einer alternative Ausführungsform umfasst eine Windung einen Umlauf ausschließlich der Zuleitungen. Weiterhin wird in der Beschreibung davon ausgegangen, dass die Windungszahl der Spule ganzzahlig ist und sich die Windungszahl nach jedem Umlauf um den Mittelpunkt der Spirale um eins erhöht.
Weiterhin kann die Spule aus Kupferlackdraht bestehen und zusätzlich mehrere Windungslagen bzw. Wicklungen aufweisen. Diese Windungslagen bzw. Wicklungen können isolierende Schutzvorrichtungen, beispielsweise auf Lackpapier, zum Schutz gegen Spannungsdurchschlag aufweisen.
Erfindungsgemäß liegt das Positionselement der spiralförmig gewickelten Spule gegenüber. Somit kann die Messeinrichtung besonders platzsparend realisiert werden. Ferner kann auf zwei Seiten der Spule ein Positionselement vorgesehen sein. Außerdem ist es durch diese Anordnung möglich, dass die Messeinrichtung auf verschiedene Größenanordnungen skaliert werden kann. Beispielsweise kann in der Ausführungsform für eine Wegänderung die Spule in Bewegungsrichtung beliebig skalieren werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Spule in einer Sensorebene angeordnet und das Positionselement ist beweglich in einer gegenüberliegenden Bewegungsebene angeordnet. Insbesondere die Anordnung des Positionselements in einer Bewegungsebene ermöglicht, dass die Messeinrichtung besonders stabil realisiert wird. Beispielsweise kann das Positionselement als Schlitten oder Rotor ausgestaltet sein, und das Positionselement bewegt sich in der Bewegungsebene.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Spule in eine Vielzahl von benachbarten Abschnitten unterteilt und in jedem Abschnitt ist die Windungsdichte der Spule unterschiedlich. Somit kann die Windungsanzahl in jedem Abschnitt besonders einfach bestimmt werden. Außerdem sind die Abschnitte nebeneinander angeordnet. Somit ist für jeden Abschnitt eine eindeutige Zuordnung möglich. Entsprechend einer Ausführungsform fallen die Schwerpunkte der Windungen nicht mit den Schwerpunkten der Abschnitte zusammen.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Abschnitte der Spule entlang einer Bahnkurve angeordnet und das Positionselement folgt der Bahnkurve. Somit führt eine Positionsänderung des Positionselements zu einer besonders großen Induktivitätsänderung der Spule. Somit kann besonders genau gemessen werden. Die Messgenauigkeit kann weiter gesteigert werden, wenn die Abschnitte, beispielsweise deren Flächen, auf das Positionselement, beispielsweise dessen Fläche, abgestimmt sind. Beispielsweise sind die Abschnitte und das Positionselement flächenmäßig ähnlich oder gleich groß.
Entsprechend einer Ausführungsform kann jeder Abschnitt ein Rechteck formen. Vorteilhafterweise ist die Spule mit rechteckig geformtem Spulenquerschnitt gefertigt. Die Windungen folgen beispielsweise Rechtecken unterschiedlicher Fläche. Insbesondere kann die Messeeinrichtung dann besonders effizient Wegänderung detektieren. Vorteilhafterweise weist das Positionselement eine gleiche Umfangsform auf wie einer oder jeder der Abschnitte.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform kann jeder Abschnitt ein Kreisringsegment formen. Vorteilhafterweise ist die Spule mit kreisringsegment geformtem Spulenquerschnitt gefertigt. Die Windungen folgen beispielsweise Kreisringsegmenten unterschiedlicher Fläche und gleichem Radius. Insbesondere kann die Messeeinrichtung dann besonders effizient Winkeländerungen detektieren. Vorteilhafterweise weist das Positionselement eine gleiche Umfangsform auf wie einer oder jeder der Abschnitte.
Entsprechend einer vorteilhafter Ausführungsform weist das Positionselement ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Material auf, beispielsweise ist das Positionselement aus Aluminium gefertigt. Somit kann eine besonders große Inaktivitätsänderung in der Spule hervorgerufen werden.
Entsprechend einer weiteren vorteilhafter Ausführungsform bildet das Positionselement eine Struktur oder flaches Muster aus einer Vielzahl von Positionseinheiten, wobei jede Positionseinheit ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Material aufweist. Die Struktur oder das Muster, die das elektrisch und oder magnetisch leitende Material aufweist, kann beispielsweise auf einer isolierten Trägerfläche realisiert werden, beispielsweise durch Drucken auf einer flexiblen Leiterplatte. Ein Muster oder eine Struktur aus unterschiedlich die Induktivitäten beeinflussenden Materialien ermöglicht, dass die Messeinrichtung besonders platzsparend realisiert wird. Insbesondere kann die Fläche der spiralförmigen Spule reduziert werden.
Entsprechend einer weiteren vorteilhafter Ausführungsform regt die Erregerschaltung die Resonanzfrequenz f_R des elektrischen Schwingkreises an. Somit ist es möglich, dass die Resonanzfrequenz in Amplitude und/oder Frequenz konstant gehalten wird. Beispielsweise ist die Erregerschaltung Teil eines Oszillators oder einer Oszillatorschaltung zur Erzeugung von ungedämpften elektrischen Schwingungen. Beispielsweise setzt die Erregerschaltung Gleichleistung, Gleichstrom oder Gleichspannung mittels eines elektrischen Schalters in Wechselleistung, Wechselstrom bzw. Wechselspannung um und kann aus einem einzelnen selbstschwingenden Bauteil oder aus mehreren Bauteilen bestehen, die zu einer Oszillatorschaltung zusammengefügt werden.
Insbesondere können diese Bauteile eine Verstärkung > 1 haben (Ausgangsamplitude größer als Eingangsamplitude) und verstärken die Amplitude des Schwingungssignals, bis eine physikalische Begrenzung seiner Verarbeitungs-Leistung eintritt. Dies dämpft letztendlich die Amplitude zu einem stabilen Ausgangssignal.
Außerdem kann somit Belastungsunabhängigkeit, insbesondere wenn Leistung in nachfolgend verarbeitende Schaltungen abgeführt wird, gewährleistet werden und eine geringe Temperaturabhängigkeit gewährleistet werden
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Erregerschaltung Teil eines freischwingenden Oszillators sein. Insbesondere ist ein freischwingender Oszillator ein Oszillator, bei dem die Erregerschaltung kontinuierlich die Verluste einer Frequenzbestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Frequenz des Schwingkreises liefert, um dauerhafte Oszillationen zu erzeugen.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsformt weist die Messschaltung einen Frequenzmesser auf.
Frequenzmesser sind Messgeräte zur Bestimmung der Frequenz einer elektrischen Wechselspannung. Beispielsweise können damit sinusförmige Wechselspannungen oder rechteckige Signale (z. B. Kippschwingungen oder Impulsfolgen) gemessen werden. Insbesondere sind Frequenzmesser besonders günstige und genaue Komponenten zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Erregerschaltung eine Gleichspannungsquelle und einen Transistor auf, wobei ein erster Anschluss des Transistors mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, ein zweiter Anschluss des Transistors mit dem elektrischen Schwingkreis verbunden ist und ein dritter Anschluss des Transistors mit der Messschaltung verbunden ist.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Spule und/oder der elektrische Schwingkreis und/oder die Erregerschaltung und/oder die Messschaltung auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet sein. Wenn zumindest eines der zuvor genannten elektrischen Bauteile auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet ist, kann eine besonders kostengünstige Fabrikation ermöglicht werden. Insbesondere kostengünstig ist, wenn alle zuvor genannten Bauteile auf einer Leiterplatte angeordnet sind.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Messeinrichtung ferner eine Referenzmesseinrichtung mit einer spiralförmig gewickelten Referenzspule auf, wobei die Referenzspule benachbart zur Spule angeordnet ist. Eine derartig angeordnete Referenzspule ermöglicht, dass Temperatureffekte der Messeinrichtung ermittelt und somit kompensiert werden können.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Messeinrichtung ferner eine Referenzmesseinrichtung mit einer spiralförmig gewickelten Referenzspule auf, wobei die Referenzspule benachbart zur Spule und dem Positionselement gegenüberliegend angeordnet ist. Eine derartig angeordnete Referenzspule ermöglicht, dass Temperatureffekte und Effekte durch einen Luftspalt zwischen der Messeinrichtung und dem gegenüberliegenden Positionselement ermittelt und somit kompensiert werden können.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform ist die Spule in einer Sensorebene angeordnet und das Positionselement beweglich um die Spule angeordnet, wobei ein erster Teil des Positionselements in einer ersten Bewegungsebene gegenüberliegend zur Sensorebene angeordnet ist und ein zweiter Teil des Positionselements in einer zweiten Bewegungsebene gegenüberliegend zur Sensorebene angeordnet ist. Ein derartiges Positionselement ermöglicht, dass Temperatureffekte und Effekte durch einen Luftspalt zwischen der Messeinrichtung und dem die Spule umschließenden Positionselement ermittelt kompensiert werden können.
Insbesondere kann die Referenzspule ähnlich oder baugleich zur Spule der Messeinrichtung ausgestaltet sein. Weiterhin ist die Referenzspule besonders nahe an der Spule angeordnet, um den Effekt durch einen Luftspalt besonders genau zu messen.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Referenzspule neben der Spule in der Sensorebene angeordnet. Wenn die Referenzspule und die Spule in einer Ebene gefertigt sind, können beide auf einer Leiterplatte gefertigt werden und eine besonders einfache Fertigung ist möglich.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform überdeckt die Referenzspule die Spule zumindest teilweise. Wenn Referenzspule und Spule übereinander gefertigt werden ist eine besonders platzsparende Anordnung möglich.
Entsprechend einer Ausführungsform weist die Referenzspule eine Vielzahl von Referenzwindungen auf, wobei die Schwerpunkte der Referenzwindungen versetzt angeordnet sind, so dass die Referenzspule ein Referenzmessgerät bildet. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Referenzspule Teil eines elektrischen Referenzschwingkreises ist, eine Referenzerregerschaltung, die mit dem elektrischen Referenzschwingkreis verbunden ist, den elektrischen Referenzschwingkreis mit einer elektrischen Referenzgrundschwingung anregt, und eine Referenzmessschaltung, die mit dem elektrischen Referenzschwingkreis verbunden ist, einer Resonanzfrequenz f_RR des elektrischen Referenzschwingkreises bestimmt. Vorteilhafterweise bilden dann Referenzschwingkreis, Referenzerregerschaltung und Referenzmessschaltung ein Referenzmessgerät.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Referenzspule in eine Vielzahl von Referenzabschnitten unterteilt und in jedem Referenzabschnitt ist die Windungsdichte der Referenzspule unterschiedlich. Insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Wicklungsdichte von Referenzabschnitten der Referenzspule und benachbarten Abschnitten der Spule unterschiedlich ist. Somit kann besonders genau gemessen werden.
Ein erfindungsgemäßes Messverfahren zur Bestimmung einer Weg- und/oder Winkeländerung mit einer voranstehend beschriebenen Messeinrichtung umfasst die Schritte:

Anregen des elektrischen Schwingkreises mit einer elektrischen Grundschwingung,
Messen der Resonanzfrequenz f_R des elektrischen Schwingkreises, und
Bestimmen der Position des Positionselements basierend auf der gemessenen Resonanzfrequenz f_R.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Es zeigen:

1 ein Blockschaltdiagramm einer Messeinrichtung;
2 eine schematische Ansicht einer Spule der Messeinrichtung;
3 eine Abbildung der Messeinrichtung, wobei ein Positionselement in einer ersten Position relativ zur Spule positioniert ist;
4 eine Abbildung der Messeinrichtung, wobei ein Positionselement in einer zweiten Position relativ zur Spule positioniert ist;
5 eine Abbildung der Messeinrichtung, wobei ein Positionselement in einer dritten Position relativ zur Spule positioniert ist;
6 einen Graphen zur Bestimmung einer Position des Positionselements basierend auf den gemessenen Signalen der Messeinrichtung;
7 eine schematische Ansicht einer Spule der Messeinrichtung und einer Referenzspule einer Referenzmesseinrichtung;
8 eine schematische Ansicht einer Spule der Messeinrichtung und einer alternativen Referenzspule der Referenzmesseinrichtung;
9 eine schematische Draufsicht einer Spule der Messeinrichtung und ein Positionselement entsprechend einer alternativen Referenzmesseinrichtung;
10 eine Seitenansicht der 9;
11 eine schematische Ansicht einer Spule auf einem Stator einer alternativen Messeinrichtung und einer Referenzspule auf dem Stator einer alternativen Referenzmesseinrichtung;
12 die Anordnung aus 11 überdeckt mit einem Positionselement angeordnet auf einem Rotor;
13 eine schematische Ansicht einer Spule auf einem Stator entsprechend einer weiteren alternativen Messeinrichtung;
14 eine schematische Ansicht eines Positionselements auf einem Rotor entsprechend der Messeinrichtung aus 13.

Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hilfe der Figuren beschrieben und zunächst mit 1, einem Blockschaltdiagramm einer Ausführungsform der Messeinrichtung 100, beschrieben. Die Messeinrichtung 100 umfasst eine Kontrolleinheit 102, beispielsweise einen Mikrocontroller, die mit einer ersten Erregerschaltung 400 über einen ersten Erregungsleiter 401 elektrisch verbunden ist und mit einer zweiten Erregerschaltung 402 über einen zweiten Erregungsleiter 402 elektrisch verbunden ist.
Weiterhin umfasst die Messeinrichtung 100 einen ersten elektrischen Schwingkreis 200, der mit der ersten Erregerschaltung 400 elektrisch verbunden ist, und einen zweiten elektrischen Schwingkreis 300, der mit der zweiten Erregerschaltung 402 elektrisch verbunden ist. Ferner umfasst die Messeinrichtung 100 eine erste Messschaltung 500, die über die erste Erregerschaltung 400 mit dem ersten elektrischen Schwingkreis 200 verbunden ist, und eine zweite Messschaltung 502, die über die zweite Erregerschaltung 402 mit dem zweiten elektrischen Schwingkreis 300 verbunden ist.
Weiterhin umfasst die Messeinrichtung 100 eine Selektionsschaltung 600, die auf der Eingangsseite mit der ersten Messschaltung 500 und der zweiten Messschaltung 502 elektrisch verbunden ist. Ferner ist der Ausgang der Selektionsschaltung 600 mit einem Eingang der Kontrolleinheit 102 verbunden.
Die erste Erregerschaltungen 400 und die zweite Erregerschaltung 402 sind vorzugsweise baugleich und werden im Folgenden zusammen beschrieben. Die Erregerschaltungen 400 und 402 dienen dazu, die elektrischen Schwingkreise 200 und 300 mit einer elektrischen Grundschwingung anzuregen.
Entsprechend einer Ausführungsform ist die Erregerschaltung Teil einer Oszillatorschaltung. Eine Oszillatorschaltung, auch kurz Oszillator genannt, ist eine elektronische Schaltung zur Erzeugung einer beispielsweise sinusförmigen Wechselspannung. Beispielsweise weist jede Erregerschaltung zumindest einen Transistor auf, mit dem ein Gleichspannungssignal, das die Kontrolleinheit 102 über die Erregungsleiter 401 und 403 zur Verfügung stellt, in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Diese Wechselspannung regt den LC-Schwingkreis 200 oder 300 zum Schwingen bei der jeweiligen Resonanzfrequenz an.
Die erste Messschaltung 500 und die zweite Messschaltung 502 sind vorzugsweise baugleich und werden im Folgenden zusammen beschrieben. Die Messschaltungen 500 und 502 sind mit den elektrischen Schwingkreisen 200 bzw. 300 über die Erregerschaltungen 400 bzw. 402 elektrisch verbunden. Entsprechend einer nicht gezeigten Ausführungsform können die Messschaltungen auch direkt mit den Schwingkreisen verbunden sein. Die Messschaltungen 500 und 502 dienen dazu, die jeweilige Resonanzfrequenz f_R, mit der die elektrische Schwingkreis 200 bzw. 300 schwingen, zu bestimmen.
Entsprechend einer Ausführungsform, wenn die Erregerschaltungen 400 und 402 jeweils einen Transistor aufweisen, sind die Messschaltungen 500 bzw. 502 jeweils mit einem Anschluss des Transistors verbunden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform können die Messschaltungen als Frequenzmesser ausgebildet sein. Ferner können die Messschaltungen weitere Schaltkreise aufweisen, wie zum Beispiel einen Level-Shifter, auch als Logik-Level-Shifter bezeichnet, mit der die Eingangssignale von einem Logikpegel oder Spannungsbereich in einen anderen umgesetzt werden, wodurch die Kompatibilität von ICs mit unterschiedlichen Spannungsanforderungen wie Transistor-Transistor-Logik (TTL) ermöglicht wird.
Das Ausgangssignal der Messschaltungen 505 und 502, also die Resonanzfrequenzen der Schwingkreise 200 bzw. 300, werden an die Selektionsschaltung 600 weitergegeben. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform können die Ausgangssignale direkt an die Kontrolleinheit 102 ausgegeben werden.
Die Selektionsschaltung 600 ist beispielsweise ein Multiplexer, wobei die Selektionsschaltung aus einer Anzahl von Eingangssignalen ein Eingangssignal a ausgewählt werden kann und an den Ausgang durchgeschaltet werden kann. Hier wird das Ausgangssignal an die Kontrolleinheit 102 ausgegeben.
Entsprechend einer Ausführungsform weist die Messeinrichtung 100 ein Positionsmessgerät zur Positionsmessung auf und ein Referenzmessgerät zur Bestimmung einer Referenzgröße auf. Das Positionsmessgerät besteht beispielsweise aus dem Schwingkreis 200, der Erregerschaltung 400, der Messschaltung 500 und den entsprechenden elektrischen Verbindungen. Das Referenzmessgerät besteht beispielsweise aus dem Schwingkreis 300, der Erregerschaltung 402, der Messschaltung 502 und den entsprechenden elektrischen Verbindungen.
Insbesondere die Verbindung von einer Kontrolleinheit 102, der mit zumindest einer Elektronikschaltung 400 und zumindest einer Messschaltung 500 verbunden ist, liefert eine besonders kompakte Anordnung, um den elektrischen Schwingkreis 200 mit einer Grundschwingung zu beaufschlagen und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu messen.
Im Folgenden wird nun auf das Positionsmessgerät und insbesondere auf die Veränderung der Induktivitäten der Spule des Schwingkreises mit Referenz zu den 2 bis 6 eingegangen.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Spule 210 der Messeinrichtung. Die Spule 210 weist einen ersten Anschluss 212, einen zweiten Anschluss 214 und eine Leiterbahn 216 auf.
Entsprechend einer Ausführungsform ist der erste Anschluss 212 oder der zweite Anschluss 214 über die Erregerschaltung mit der Kontrolleinheit verbunden. Der andere Anschluss ist mit der Erde verbunden. Entsprechend einer alternativen Ausführungsform sind beide Anschlüsse 212 und 214 mit der Kontrolleinheit verbunden.
Die Leiterbahn 216 der Spule ist spiralförmig gewunden und weist eine Vielzahl von Windungen W1, W2, ..., WN auf. Jede Windung W1, W2, ..., WN der Spule 210 ist in Kreisdurchgang der geometrischen Spirale. Die spiralförmige Spule ist so angelegt, dass die Schwerpunkte S1, S2, ..., SN jeder der Windungen W1, W2, ..., WN versetzt zueinander angeordnet sind. Versetzt bedeute insbesondere, dass die Schwerpunkte der Flächen, die von jeweils einer Windung umschlossen ist, unterschiedlich sind.
Die Leiterbahn 216 der Spule 210 ist in einer Ebene angelegt. Insbesondere liegen alle Windungen W1, W2, ..., WN in einer Ebene. Außerdem liegen der erste Anschluss 212 und der zweite Anschluss 214 in der gleichen Ebene.
Ferner ist die Spule in Abschnitte A1, A2, A3, ..., AN unterteilbar. In jedem Abschnitt A1 bis AN ist die Windungsdichte der Spule unterschiedlich. Unter Windungsdichte wird die Anzahl W der Windungen pro Fläche verstanden. In der gezeigten Ausführungsform ist die Windungsdichte im Abschnitt A1 hoch und im Abschnitt AN niedrig. Jeder Abschnitt ist benachbart zu zumindest einem weiteren Abschnitt angeordnet, beispielsweise ist Abschnitt A1 benachbart zu Abschnitt A2 angeordnet. Vorteilhafterweise ändert sich die Windungsdichte in zumindest drei benachbarten Abschnitten graduell entlang einer Bahnkurve, wobei ein Positionselement der Bahnkurve folgt.
Entsprechend der gezeigten Ausführungsform formt jeder der Abschnitte A1, A2, A3, ..., AN ein Rechteck. Insbesondere ist die Leiterbahn 216 so gewunden, dass die Spule 210 eine Spirale mit rechteckigem Querschnitt bildet.
Weiterhin ist die Leiterbahn 216 so angeordnet, dass jede der Windungen W1, W2, ..., WN einer rechteckigen Grundform folgt. Ferner sind benachbarte Windungen, beispielsweise W1 und W2, so angeordnet, dass zumindest an einer Seite der rechteckigen Grundform der Windungsabstand oder Windungsschritt kleiner ist als an einer gegenüberliegenden Seite der rechteckigen Grundform.
Somit bildet die spiralförmige Spule eine asymmetrische Struktur mit graduell sich verändernder Windungsdichte für jeden Abschnitt A1, A2, A3, ..., AN. Insbesondere ergibt sich, dass die Induktivität L der Spule in jedem der Abschnitte A1, A2, A3, ..., AN unterschiedlich ist.
In nicht gezeigten alternativen Ausführungsformen kann die Spule, und somit jede Windung, auch einer anderen Grundform folgen. Beispielsweise kann die Leiterbahn einer dreieckigen, elliptischen, oder einer durch ein Polygon gebildeten Grundform folgen. Insbesondere ist der Abstand benachbarter Windungen in einem Segment der Grundform geringer als in einem gegenüberliegenden Segment der Grundform.
Die Spule 210 ist in 3 bis 5 in der Messeinrichtung 100 integriert. Weiterhin zeigen die 3 bis 5 ein Positionselement 700, wobei das Positionselement 700 unterschiedlich zu einer Spule 210 der Messeinrichtung 100 positioniert ist.
In 3 ist das Positionselement 700 an einem ersten Ende der Spule 210 angeordnet, wobei die Spule Abschnitte mit hoher Windungsdichte überdeckt. In 4 ist das Positionselement in der Mitte der Spule 210 angeordnet, wobei die Spule Abschnitte mit mittlerer Windungsdichte überdeckt. In 5 ist das Positionselement 700 an einem zweiten Ende der Spule 210 angeordnet, wobei die Spule Abschnitte mit niedriger Windungsdichte überdeckt.
6 zeigt einen Graphen zur Bestimmung einer Position des Positionselements basierend auf den gemessenen Signalen der Messeinrichtung. Im Graphen ist die Resonanzfrequenz des Schwingkreises über der Position des Positionselements aufgetragen. Insbesondere ergibt sich aus dem Graphen, dass ein Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz und der Position des Positionselements 700 besteht. Somit ergibt sich, dass basierend auf dieser Relation jeder Resonanzfrequenz eine Position zugeordnet werden kann.
Wie besonders gut in 3 bis 5 gezeigt, liegt die Spule in einer Sensorebene und das Positionselement 700 wird in einer gegenüberliegenden Bewegungsübung bewegt. Somit kann die Messeinrichtung 100 besonders platzsparend aufgebaut werden.
Weiterhin ist in 3 bis 5 gezeigt, dass die Abschnitte der Spule 210, wobei jeder Abschnitt jeweils eine unterschiedliche Windungsdichte aufweist, entlang der Bewegungsrichtung des Positionselements 700 angeordnet sind. Die Abschnitte der Spule sind also entlang einer Bahnkurve angeordnet und das Petitionselement 700 folgt der Bahnkurve. Die Richtung 120 der Bahnkurve ist also gleich der Bewegungsrichtung des Positionselements 700. Hier gibt die Bahnkurve eine lineare Bewegung vor.
Das Positionselement 700 ist entsprechend der in 3 bis 5 gezeigten Ausführungsform ein Element aus einem elektrisch und/oder magnetisch leitendem Material. Beispielsweise ist das Positionselement eine Aluminiumplatte.
Entsprechend dieser Ausführungsform weist die Messeinrichtung 100 aus 1 nur einen Schwingkreis 200, nur eine Erregerschaltung 401, und nur eine Messschaltung 500 und entsprechende elektrische Verbindungen auf. Insbesondere kann mit einer Anordnung, wie mit Referenz zu 2-6 beschrieben, wobei das Messgerät 100 nur eine Spule aufweist, eine Position bestimmt werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform, kann die Anordnung, wie in 2-6 beschrieben, durch ein Referenzmessgerät erweitert werden.
7 zeigt eine schematische Ansicht einer Spule 210 der Messeinrichtung und einer Referenzspule 310 der Referenzmesseinrichtung. Für die Beschreibung der Spule 210 zur Bestimmung der Position wird auf die obige Beschreibung mit Bezug zu 2 verwiesen. Benachbart zur Spule 210 ist eine Referenzspule 310 angeordnet.
Die Referenzspule 310 weist einen ersten Anschluss 312, einen zweiten Anschluss 314 und eine Leiterbahn 316 auf.
Entsprechend einer Ausführungsform ist der erste Anschluss 312 oder der zweite Anschluss 314 über die zweite Erregerschaltung mit der Kontrolleinheit verbunden. Der andere Anschluss ist mit der Erde verbunden. Entsprechend einer alternativen Ausführungsform sind beide Anschlüsse 312 und 314 mit der Kontrolleinheit verbunden.
Die Leiterbahn 316 der Spule ist spiralförmig gewunden und weist eine Vielzahl von Windungen auf. Insbesondere ist der Abstand benachbarter Windungen über einen Kreisdurchgang gleich. Im Gegensatz zur Spule 210 sind auch die Schwerpunkte aller Windungen gleich.
Eine derartige Referenzspule dient dazu Störungen, beispielsweise durch Temperatureffekt, zu beheben. Beispielsweise kann die Referenzspule benachbart zur Spule angeordnet sein. Insbesondere kann die Referenzspule 310 Teil eines Schwingkreises 300, wie in 1 beschrieben, sein. Beispielsweise kann die Kapazität eines Schwingkreises besonders anfällig für Temperatureffekte sein. Sind nun die Schwingkreise 200 mit der Spule 210 und der Schwingkreis 300 mit der Referenzspule 310 thermisch gekoppelt, können thermische Effekte ermittelt werden und ausgeglichen werden. Beispielsweise können der Schwingkreis 200 mit der Spule 210 und der Schwingkreis 300 mit der Referenzspule 310 auf einer Leiterplatte angeordnet sein und somit thermisch gekoppelt sein.
Entsprechend einer nicht gezeigten Ausführungsform können der Schwingkreis 200 mit der Spule 210 und der Schwingkreis 300 mit der Referenzspule 310 übereinander angeordnet sein, beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten einer Leiterplatte, und somit thermisch gekoppelt sein.
Zusätzlich kann eine derartige Referenzspule 310 dazu dienen Störungen, beispielsweise durch Luftschichten zwischen dem Positionselement 700 und der Messeinrichtung 100 zu ermitteln. Dann ist die Referenzspule 310 zusätzlich so angeordnet, dass sie dem Positionselement gegenüberliegt. Somit können Effekte, die zwischen dem Positionselement und der Messeinrichtung auftreten, ermittelt werden.
8 zeigt eine schematische Ansicht einer Spule 210 der Messeinrichtung und einer Referenzspule 320 der Referenzmesseinrichtung. Für die Beschreibung der Spule 210 zur Bestimmung der Position wird auf die obige Beschreibung mit 2 verwiesen. Benachbart zur Spule 210 ist eine Referenzspule 320 angeordnet. Insbesondere zeigt 8 eine alternative Ausführungsform der Referenzspule 320, die unterschiedlich ist zur Referenzspule 310, die obig in 7 beschrieben ist.
Gleiche strukturelle Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obige Beschreibung mit 7 verwiesen.
Im Unterschied zur Referenzspule 310 der 7 ist die Referenzspule 320 der 8 wie die Referenzspule 210 der 2 geformt. Die Referenzspule 320 weist eine Vielzahl von Referenzwindungen auf. Insbesondere sind die Schwerpunkte der Referenzwindungen versetzt angeordnet, so dass die Referenzspule ein Referenzmessgerät bildet. Zur weiteren Beschreibung der Schwerpunkte wird auf obige Beschreibung mit Referenz zu 2 verwiesen.
Ferner ist die Referenzspule 320 in eine Vielzahl von Referenzabschnitten unterteilt und in jedem Referenzabschnitt ist die Windungsdichte der Referenzspule unterschiedlich. Zur weiteren Beschreibung der Abschnitte wird auf obige Beschreibung mit Referenz zu 2 verwiesen.
Wie in 8 gezeigt ist die Wicklungsdichte von Referenzabschnitten der Referenzspule und benachbarten Abschnitten der Spule unterschiedlich. Beispielsweise ist der Abschnitt A1 der Spule 210 neben dem Abschnitt AN der Referenzspule 320 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht, dass die Referenzspule zusätzlich zur Positionsbestimmung verwendet werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zur Erzeugung einer Referenzmessung ist in 9 beschrieben. 9 zeigt eine schematische Draufsicht einer Spule 210 der Messeinrichtung 100 und ein Positionselement 702 entsprechend einer alternativen Referenzmesseinrichtung. Für die Beschreibung der Spule 210 zur Bestimmung der Position wird auf die obige Beschreibung mit 2 verwiesen.
Ferner zeigt 10 eine Seitenansicht der 9. Insbesondere ist Positionselement 702 als Hohlkörper geformt, der beweglich um die Spule gelagert ist. Beispielsweise weist das Positionselement 702 vier Seitenflächen auf. Eine erste Seitenfläche 704 ist gegenüber einer zweiten Seitenfläche 706 ausgebildet. Die erste Seitenfläche 702 und die zweite Seitenfläche 704 sind in Bewegungsebenen angeordnet. Die Bewegungsebenen sind gegenüberliegend zu einer Sensorebene angeordnet, wobei die Spule in der Sensorebene angeordnet ist. Somit ist es möglich, dass Störeffekte, beispielsweise durch eine variierenden Dicke des Luftspalts zwischen Sensorebene und Bewegungsebenen, ausgeglichen werden können.
In nicht gezeigten Ausführungsformen kann der Hohlkörper beispielsweise ein Tubus oder Zylinder sein.
Die bisherigen Ausführungen der Messeinrichtung 100 beschrieben in den 2 bis 10 dienen insbesondere dazu, eine lineare Bewegungsänderung des Positionselements 700 oder des Positionselements 702 zu ermitteln.
Im Folgenden werden Ausführungsformen beschrieben, um insbesondere eine Winkeländerung zu detektieren.
11 zeigt eine schematische Ansicht einer Spule 220, die auf einem Stator 800 angeordnet ist und einer Referenzspule 320, die auch auf dem Stator 800 angeordnet ist.
Für die Beschreibung der Spule 220 zur Bestimmung der Position wird auf die obige Beschreibung der Spule 210 mit Bezug zu 2 verwiesen. Für die Beschreibung zur benachbart angeordneten Referenzspule 330 wird auf die obige Beschreibung der Referenzspule 310 mit Bezug zu 7 verwiesen.
Im Unterschied zur Spule 210 formen die Abschnitte der Spule 220 keine Rechtecke, sondern Kreisringsegmente. Im Unterschied zur Referenzspule 310 formen die Abschnitte der Referenzspule 330 keine Rechtecke, sondern Kreisringsegmente.
Weiterhin formen benachbarte Abschnitte eine kreisförmige Bahnkurve. Somit kann durch die Messeinrichtung eine Winkeländerung gemessen werden.
Ferner zeigt 12 die Anordnung aus 11 überdeckt mit Positionselementen 710 und 712, wobei die Positionselemente 710 und 712 in einer Bewegungsebene, nämlich einer Rotorebene, angeordnet sind. Die Positionselemente 710 und 712 sind als Kreisringsegmente ausgestaltet. Ferner überdeckt das Positionselements 710 den gleichen radialen Bereich wie die Spule 220 und das Positionselements 712 den gleichen radialen Bereich wie die Referenzspule 330. Somit kann besonders effizient eine Position gemessen werden, da das Positionselements 710 eine besonders große Induktionsänderung in der Spule 220 erzeugt und das Positionselements 712 eine besonders große Induktionsänderung in der Referenzspule 330 erzeugt.
In einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform kann die Referenzspule 330 analog zur Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, spiralförmig gewickelt sein und die Spule eine Vielzahl von Windungen aufweisen, wobei die Schwerpunkte der Windungen versetzt angeordnet sind.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform für eine Messeinrichtung, die insbesondere zur Detektion von Winkeländerungen dient, zeigt 13 eine schematische Ansicht einer Spule 230, die auf einem Stator 810 angeordnet ist. Ferner zeigt 14 eine schematische Ansicht eines Positionselements auf einem Rotor 900 entsprechend der Messeinrichtung aus 13.
Für die Beschreibung der Spule 230 zur Bestimmung der Position wird auf die obige Beschreibung der Spule 220 mit Bezug zu 12 verwiesen. Insbesondere überdeckt die Spule 230 nur einen Teil des Vollkreises, beispielsweise ein Drittel des Vollkreises. Somit kann insbesondere Bauraum für den Stator 810 eingespart werden.
Das Positionselement wird durch eine Struktur aus einer Vielzahl von Positionseinheiten 720 gebildet, wobei jede Positionseinheit ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Material aufweist. Beispielsweise bilden drei Positionseinheiten 720 das Positionselement. Durch die Vielzahl von Positionseinheiten kann für eine komplette Rotationsbewegung kontinuierlich eine Winkeländerung bestimmt werden, obwohl die Spule 230 nur einen Teil des Vollkreises überdeckt. Insbesondere ist die Anzahl der Positionseinheiten indirekt proportional zum Anteil des Vollkreises, den die Spule 230 abdeckt.
Entsprechend einer nicht gezeigten Ausführungsform können die Positionselemente wie beispielsweise in 3 bis 5 oder 9 und 10 beschrieben, aus einer Vielzahl von Positionseinheiten bestehen. Somit kann auch bei der Bestimmung einer Weglängenänderung eine besonders platzsparende Lösung realisiert werden.
Im Allgemeinen werden die Positionselemente aller Ausführungsformen in vorteilhafter Weise aus einem elektrisch und/oder magnetisch leitendes Material hergestellt. Ferner kann jedes Material, dass die Inaktivität der Spule oder deren Güte ändert, als Positionselement verwendet werden.
Entsprechend einer Ausführungsform werden die Spulen der Messeinrichtungen der unterschiedlichen Ausführungsformen als Leiterbahnen auf eine Leiterplatte gedruckt. Insbesondere wird hier unter dem Wickeln der Spulen verstanden, dass die Leiterbahnen einem Spulenquerschnitt folgen oder daran anliegen.
Entsprechend einer nicht gezeigten Ausführungsform können die Spulen und die Referenzspulen übereinander angeordnet sein, beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten einer Leiterplatte, und somit thermisch gekoppelt sein.
Entsprechend einer Ausführungsform werden auch die Positionselemente auf Leiterplatten gedruckt. Beispielsweise bestehen die Leiterbahnen aus Kupfer und die Positionselemente aus Aluminium.
Bezugszeichenliste

100: Messeinrichtung
102: Kontrolleinheit
120: Richtung der Bahnkurve
200,300: Schwingkreis
210, 220, 230: Spule
W1, W2,..., WN: Windungen der Spule
S1, S2,..., SN: Schwerpunkte der Spule
A1, A2, A3,..., AN: Abschnitte der Spule
212, 214: Anschlüsse der Spule
216, 316: Leiterbahn
310, 320, 330: Referenzspule
312, 314: Anschlüsse der Referenzspule
400, 402: Erregerschaltung
401, 403: Erregungsleiter
500,502: Messschaltung
600: Selektionsschaltung
700, 702, 710, 712: Positionselement
704, 706: Seitenflächen des Positionselements
720: Positionseinheit
800, 810: Stator
900: Rotor

Claims

Messeinrichtung (100) zur Bestimmung einer Weg- und/oder Winkeländerung zwischen der Messeinrichtung (100) und einem gegenüberliegenden Positionselement (700), wobei das Positionselement (700) und die Messeinrichtung (100) relativ zueinander beweglich angeordnet sind, die Messeinrichtung (100) aufweisend: einen elektrischen Schwingkreis (200) mit einer Spule (210) und einem Kondensator, eine Erregerschaltung (400), die mit dem elektrischen Schwingkreis (200) verbunden ist, um den elektrischen Schwingkreis (200) mit einer elektrischen Grundschwingung anzuregen, eine Messschaltung (500), die mit dem elektrischen Schwingkreis (200) verbunden ist, zur Bestimmung einer Resonanzfrequenz f_R des elektrischen Schwingkreises (200), und wobei die Spule (210) spiralförmig gewickelt ist und die Spule (210) eine Vielzahl von Windungen (W1, W2, ..., WN) aufweist, wobei die Schwerpunkte (S1, S2, ..., SN) der Windungen (W1, W2, ..., WN) versetzt angeordnet sind, so dass die Spule (210) ein Messgerät bildet.
Messeinrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Spule (210) in einer Sensorebene angeordnet ist und das Positionselement (700) beweglich in einer gegenüberliegenden Bewegungsebene angeordnet ist.
Messeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Spule (210) in eine Vielzahl von benachbarten Abschnitten (A1, A2, A3, ..., AN) unterteilt ist und in jedem Abschnitt (A1, A2, A3, ..., AN) die Windungsdichte der Spule (210) unterschiedlich ist.
Messeinrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die Abschnitte (A1, A2, A3, ..., AN) der Spule (210) entlang einer Bahnkurve angeordnet sind und das Positionselement (700) der Bahnkurve folgt.
Messeinrichtung (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Abschnitte (A1, A2, A3, ..., AN) Rechtecke oder Kreisringsegmente formen.
Messeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Positionselement (700) ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Material aufweist oder wobei das Positionselement (700) eine Struktur aus einer Vielzahl von Positionseinheiten (720) bildet, wobei jede Positionseinheit (720) ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Material aufweist.
Messeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Erregerschaltung (400) die Resonanzfrequenz f_R des elektrischen Schwingkreises (200) anregt und/oder wobei die Messschaltung (500) einen Frequenzmesser aufweist.
Messeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Erregerschaltung (400) einen Transistor aufweist und mit einer Gleichspannungsquelle (102) verbunden ist, wobei ein erster Anschluss des Transistors mit dem elektrischen Schwingkreis (200) verbunden ist, ein zweiter Anschluss des Transistors mit der Messschaltung (500) verbunden ist und ein dritter Anschluss des Transistors mit der Gleichspannungsquelle (102) verbunden ist.
Messeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spule (210) und/oder der elektrische Schwingkreis (200) und/oder die Erregerschaltung (400) und/oder die Messschaltung (500) auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet ist/sind.
Messeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend eine Referenzmesseinrichtung mit einer spiralförmig gewickelten Referenzspule (310), wobei die Referenzspule (310) benachbart zur Spule (210) und insbesondere dem Positionselement (700) gegenüberliegend angeordnet ist.
Messeinrichtung (100) nach Anspruch 2 und 10, wobei die Referenzspule (310) neben der Spule (210) in der Sensorebene angeordnet ist oder wobei die Referenzspule (310) die Spule (210) zumindest teilweise überdeckt.
Messeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Referenzspule (320) eine Vielzahl von Referenzwindungen aufweist und wobei die Schwerpunkte der Referenzwindungen versetzt angeordnet sind, so dass die Referenzspule ein Referenzmessgerät bildet.
Messeinrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die Referenzspule (320) in eine Vielzahl von Referenzabschnitten unterteilt ist und in jedem Referenzabschnitt die Windungsdichte der Referenzspule (320) unterschiedlich ist.
Messeinrichtung (100) nach Ansprüchen 3 und 13, wobei die Wicklungsdichte von Referenzabschnitten der Referenzspule (320) und benachbarten Abschnitten der Spule (310) unterschiedlich ist.
Messverfahren zur Bestimmung einer Weg- und/oder Winkeländerung mit einer Messeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Messverfahren die Schritte umfasst: Anregen des elektrischen Schwingkreises (200) mit einer elektrischen Grundschwingung, Messen der Resonanzfrequenz f_R des elektrischen Schwingkreises, und Bestimmen der Position des Positionselements basierend auf der gemessenen Resonanzfrequenz f_R.